(57)【要約】      （修正有）【課題】Ｓｎ又はＳｎ基合金と接して用いられる導電性部品の表面に被覆される導電性被覆材料において、これを与えられた部品の耐経年劣化特性が公知のＰｔ基導電性被覆材料及びＩｒ基導電性被覆材料を与えられた導電性部品に比してさらに優れた被覆材料を提供する。また耐経年劣化特性に優れる電子部品も併せて提供する。【解決手段】被覆材料は、実質的にＲｕからなる純金属又はこれを含むＲｕ合金からなる。また電子部品はＳｎ又はＳｎ基合金と接して用いられる導電性部品を含み、導電性部品の表面には実質的にＲｕからなる純金属又はこれを含むＲｕ合金からなる被覆を有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｎ又はＳｎ基合金と接して用いられる導電性部品の表面上に被覆される導電性の被覆材料であって、実質的にＲｕからなる純金属又はＲｕ合金からなることを特徴とする被覆材料。
【請求項２】
前記導電性部品は実質的にＣｕ又はＣｕ合金からなることを特徴とする請求項１記載の被覆材料。
【請求項３】
前記Ｒｕ合金はＳｎ又はＳｎ基合金と接したときに、主にＲｕ−Ｓｎ系化合物を生成する合金であることを特徴とする請求項１又は２に記載の被覆材料。
【請求項４】
Ｓｎ又はＳｎ基合金と接して用いられる導電性部品を含む電子部品であって、前記導電性部品の表面には実質的にＲｕからなる純金属又はＲｕ合金からなる被覆材料を与えられていることを特徴とする電子部品。
【請求項５】
前記導電性部品は実質的にＣｕ又はＣｕ合金からなることを特徴とする請求項４記載の電子部品。
【請求項６】
前記Ｒｕ合金はＳｎ又はＳｎ基合金と接したときに、主にＲｕ−Ｓｎ系化合物を生成する合金であることを特徴とする請求項４又は５に記載の電子部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｓｎ又はＳｎ基合金と接して用いられる導電性部品の表面上に被覆される導電性の被覆材料及び該被覆材料を用いた電子部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電子デバイスのリードフレーム、プリント基板等の配線用材料や、ＩＣソケットのプローブピン、自動車や電子機器のコネクター用材料等の電子機器用導電性部品材料として、純Ａｕをメッキ（被覆）処理し、耐酸化特性などの耐食性を改善したＣｕ基導電性合金が広く使用されている。
【０００３】
しかしながら、Ａｕをメッキ処理したＣｕ基導電性合金をＳｎ基ハンダ合金によってハンダ接合すると、Ａｕメッキ層とＳｎ基ハンダ合金の接合界面に、電気抵抗が大きくて延性に乏しいＡｕ−Ｓｎ系金属間化合物がＡｕとＳｎの固相反応によって生成し、ハンダ接合部の電気特性や機械強度が劣化する。
【０００４】
また、このＡｕ−Ｓｎ系金属間化合物は、通電使用環境下で発生するジュール熱によって加熱されるとさらに成長してその層厚さが増大し、ハンダ接合部の電気特性や機械強度がさらに劣化する。
【０００５】
更に、ＩＣソケットを用いたＢＧＡ（Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）チップのように、ＡｕメッキしたＳｎ基ハンダ合金の球状端子の上にプローブピンを機械的に接して通電させると、Ａｕ／Ｓｎ接触界面がジュール熱によって加熱され、Ａｕメッキ表面にＡｕ−Ｓｎ系金属間化合物が生成し、上記したと類似の劣化をする。
【０００６】
このようにハンダ接合部またはソケットなどの機械的接触部、すなわちＳｎ又はＳｎ基合金と接して用いられる導電性部品に被覆される導電性の被覆材料を与えられた電子部品は、接合部又は接触部において金属間化合物を生成して劣化する。
【０００７】
ここで非特許文献１、２及び３では、Ａｕ−Ｓｎ系金属間化合物の生成、成長に起因する劣化について、固相接合法を用いた系統的な研究を行って速度論的な観点からその特徴について述べている。すなわち、純Ａｕを純Ｓｎで挟んだサンドイッチ状のＳｎ／Ａｕ／Ｓｎ試料を１２０℃、１６０℃及び２００℃の油浴中にて加熱処理し、固相反応によってＡｕ−Ｓｎ界面に生成するＡｕ−Ｓｎ系金属間化合物の成長形態を材料組織学的見地から観察している。上記接合界面には、Ｓｎ側からＡｕ側に向かって、ＡｕＳｎ4、ＡｕＳｎ2、ＡｕＳｎが層状に生成し成長する。
【０００８】
さらに詳細には、Ａｕ−Ｓｎ系金属間化合物層の成長過程において、層の総厚さｌの対数と加熱時間ｔの対数との関係で整理したグラフから、いずれの温度においても、総厚さｌの対数と加熱時間ｔの対数は直線関係にある。つまり、総厚さｌは、加熱時間ｔの“べき乗”に比例して増加する。かかる結果から各温度における“べき指数ｎ”及び“比例係数ｋ”を用いて、総厚さｌが１０μｍに達する加熱時間ｔを求めると、１２０℃ではｔ＝１６時間であり、１６０℃ではｔ＝１．７時間、２００℃ではｔ＝１１分である。すなわち、ＡｕとＳｎが機械的に接する界面においては、１００℃程度の温度であったとしても、Ａｕ−Ｓｎ系金属間化合物が速い速度で成長する。Ａｕ−Ｓｎ系金属間化合物が成長すれば、ハンダ接合部及び機械的接触部の電気特性や機械強度が劣化する。つまり、Ａｕメッキした導電性部品では、Ｓｎ基ハンダ合金と接して使用する場合、その寿命は短くなってしまう。
【０００９】
例えば、特許文献１は、従来のＡｕによる導電性被覆材料に替わり得る被覆材料として、Ｐｔ基導電性被覆材料を開示している。また特許文献２は、このような被覆材料としてＩｒ基導電性被覆材料を開示している。Ｐｔ基導電性被覆材料及びＩｒ基導電性被覆材料は、従来の被覆材料に比べて耐経年劣化特性が顕著に優れており、電子機器用導電性被覆材料としての実用化が期待される。
【特許文献１】特開２００６−８８４５１号公報
【特許文献２】特開２００７−３２１１９１号公報
【非特許文献１】ジャーナル・オブ・マテリアルズ・サイエンス誌、第３９巻、２００４年、第２３２７頁〜第２３３４頁
【非特許文献２】熱処理誌、第４３巻第５号、２００３年、第２９７頁〜第２９８頁
【非特許文献３】マテリアルズ・サイエンス・アンド・エンジニアリングＡ誌，第３９０巻第１号、２００５年、第１１８頁〜第１２６頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
電子機器類がますます高速・高性能化するに伴い、耐久性や信頼性のより一層の向上が求められており、耐経年劣化特性に優れた電子部品を与える被覆材料の開発が必要とされている。
【００１１】
本発明は、上述したような背景に鑑みてなされたものであって、その目的はＳｎ又はＳｎ基合金と接して用いられる導電性部品の表面に被覆される導電性被覆材料において、耐経年劣化特性が公知のＰｔ基導電性被覆材料及びＩｒ基導電性被覆材料に比して優れる被覆材料を提供することにある。またこのような被覆材料を施した電子部品の提供も併せて目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明による被覆材料は、Ｓｎ又はＳｎ基合金と接して用いられる導電性部品の表面上に被覆される導電性の被覆材料であって、実質的にＲｕからなる純金属又はＲｕ合金からなることを特徴とする。かかる被覆材料によれば、導電性部品と被覆材料の界面に生成する金属間化合物の成長速度が公知のＰｔ基導電性被覆材料及びＩｒ基導電性被覆材料以上に極端に遅いため、これを与えられた導電性部品の耐経年劣化特性が飛躍的に向上する。
【００１３】
また、本発明による電子部品は、Ｓｎ又はＳｎ基合金と接して用いられる導電性部品を含む電子部品であって、前記導電性部品の表面には実質的にＲｕからなる純金属又はＲｕ合金からなる被覆を有することを特徴とする。かかる電子部品は上記したような被覆材料を用いているので、耐経年劣化特性が飛躍的に向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の１つの態様である被覆材料は、Ｓｎ又はＳｎ基合金と接して用いられる導電性部品の表面上に被覆される導電性の被覆材料であって、実質的にＲｕ（ルテニウム）からなる純金属又はＲｕ合金からなる。白金族元素であるＲｕの純金属又はこれを含む合金からなる被覆材料によれば、導電性部品と被覆材料の界面に生成する金属間化合物の成長速度が公知のＰｔ基導電性被覆材料及びＩｒ基導電性被覆材料以上に極端に遅いため、これを与えられた部品の耐経年劣化特性が飛躍的に向上する。
【００１５】
上記態様において、導電性部品は実質的にＣｕ又はＣｕ合金からなる。上記被覆材料は、このような導電性部品の表面の酸化をさらに防止する。
【００１６】
また、上記態様において、Ｒｕ合金はＳｎ又はＳｎ基合金と接したときに主にＲｕ−Ｓｎ系化合物を生成する合金である。導電性部品と被覆材料の界面に金属間化合物が生じたとしても、Ｒｕ２Ｓｎ３をはじめとするＲｕ−Ｓｎ系化合物であれば成長速度が極端に遅いため、上記合金からなる被覆材料を与えられた部品の耐経年劣化特性は優れる。
【００１７】
さらに本発明の１つの態様である電子部品は、Ｓｎ又はＳｎ基合金と接して用いられる導電性部品を含む電子部品である。かかる導電性部品の表面には実質的にＲｕからなる純金属又はＲｕ合金からなる被覆を与えられている。上記したような被覆材料を導電性部品の表面に与えているので、このような導電性部品を含む電子部品の耐経年劣化特性は飛躍的に向上する。
【００１８】
上記態様において、導電性部品は実質的にＣｕ又はＣｕ合金からなる。上記被覆材料は、このような導電性部品の表面の酸化をさらに防止するので、このような導電性部品を含む電子部品の耐経年劣化特性は優れる。
【００１９】
また、上記態様において、Ｒｕ合金はＳｎ又はＳｎ基合金と接したときに主にＲｕ−Ｓｎ系化合物を生成する合金である。導電性部品と被覆材料の界面に金属間化合物が生じたとしても、Ｒｕ２Ｓｎ３をはじめとするＲｕ−Ｓｎ系化合物であれば成長速度が極端に遅いため、上記合金からなる被覆材料を与えられた導電性部品を含む電子部品の耐経年劣化特性は優れる。
【００２０】
次に、本発明による被覆材料及び電子部品の耐経年劣化特性を推定するための実験について図１乃至図７を用いて詳細に説明する。
【００２１】
図１に示すように、純度９９．９９％のＳｎの棒材を厚さ２ｍｍに冷間圧延し、放電加工により、２ｍｍ×５ｍｍ×１２ｍｍの薄板試片３を切り出した。この薄板試片３を真空中で２００℃２時間焼鈍加熱処理し、その後、体積比で硝酸：塩酸：蒸留水＝１：１：３の研磨液を用いて化学研磨した。
【００２２】
次いで、薄板試片３の両主面３ａ及び３ｂを１０００番の湿式エメリー紙で機械研磨し、さらに主面３ａのみを１２００番〜４０００番の湿式エメリー紙で機械研磨した。最終的には、粒径１μｍのダイヤモンド砥粒を用いて仕上げ研磨した。
【００２３】
一方、純度９９．９％のＲｕ箔（５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．５ｍｍ）から、２０ｍｍ×７ｍｍ×０．５ｍｍの薄膜試片４を切り出し、この薄膜試片４を体積比で硝酸：塩酸：エタノール＝１：３：４の王水で化学研磨した。
【００２４】
次に、２枚のＳｎ薄板試片３の仕上げ研磨面３ａでＲｕ薄膜試片を挟み、それをステンレス製の２枚の試片挟持プレート１の間に置いて、プレート１をボルト２で締め付けてサンドイッチ状のＳｎ／Ｒｕ／Ｓｎ試料（以下、適宜、「ＳＲＳ試料」と称する。）を形成し、所要の押圧力を負荷して固定した。なおこの作業はエタノール中で行った。
【００２５】
次に、ＳＲＳ試料を十分に乾燥した後、２００℃のシリコン油浴に浸漬し、所定時間だけ接合加熱処理した。この加熱処理によりＲｕとＳｎとの間に強固な接合界面が形成されたことを確認した後、ボルト２を緩めてプレート１からＳＲＳ試料を取外す。このＳＲＳ試料をシリコン油浴中においてさらに所定時間だけ等温加熱処理した。接合加熱処理時間と等温加熱処理時間の合計（以下、「加熱時間ｔ」と称する。）は、８１３７時間３３分〜１１０１７時間３３分である。
【００２６】
等温加熱処理を施したＳＲＳ試料について、Ｒｕ−Ｓｎ接合界面に垂直な断面の金属組織を微分干渉型光学顕微鏡及び走査型電子顕微鏡で観察するとともに、接合界面を横切る線分上の各成分の濃度分布をＸ線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）により定量分析した。
【００２７】
図２に等温加熱処理を施したＳＲＳ試料のＲｕ−Ｓｎ接合界面における金属組織を微分干渉型光学顕微鏡で観察した結果の一例を示した。加熱処理は、２００℃でｔ＝８１３７時間３３分である。Ｒｕ−Ｓｎ接合界面層はほぼ平滑である。
【００２８】
図３及び図４に２００℃で等温加熱処理を施したＳＲＳ試料のＲｕ−Ｓｎ接合界面の金属組織を走査型電子顕微鏡の反射電子組成像で観察した結果を示した。加熱時間ｔは、図３では８１３７時間３３分、図４では１１０１７時間３３分である。いずれの図においても、Ｒｕ−Ｓｎ接合界面は微視的に波状になっている。なお、図４のＳｎ母相中に見られる黒い第２相は研磨材によるコンタミネーションである。
【００２９】
図５及び図６は、それぞれ図３及び図４の接合界面を横切る線分Ａ−Ｂに沿った各成分の濃度分布をＥＰＭＡで点分析した結果である。なお、点分析は２μｍ間隔で行った。図の縦軸はＲｕ及びＳｎのモル分率ｙｉを示し、横軸は距離ｘ（μｍ）を示している。また、四角印はＲｕのモル分率ｙＲｕを示し、丸印はＳｎのモル分率ｙＳｎを示している。
【００３０】
図５に示すように、Ｒｕ及びＳｎのモル分率ｙＲｕ及びｙＳｎは、ｙＲｕ＝１及びｙＳｎ＝０からｙＲｕ＝０及びｙＳｎ＝１へ不連続に変化している。この不連続変化の途中には、ｙＲｕ＝０．１9及びｙＳｎ＝０．８１の測定点がある。
【００３１】
一方、図６に示すように、ＲｕとＳｎの間にはＲｕ２Ｓｎ３が生成し、これは３μｍ程度の層厚さである。図４の反射電子組成像では、Ｒｕ２Ｓｎ３の層は明確には観察されていない。これは、ＲｕとＳｎの原子番号には大きな差がないため、ＲｕとＲｕ２Ｓｎ３との間に明確なコントラストがつかないことによる。
【００３２】
ところで、Ｒｕ−Ｓｎの二元系においては、Ｒｕ２Ｓｎ３、ＲｕＳｎ２、及び、Ｒｕ３Ｓｎ７の３種類の金属間化合物が安定相として存在する（ＡＳＭインターナショナル社刊、バイナリ・アロイ・フェーズ・ダイアグラムズ、第３版、１９９０年、第３２５７頁参照）。しかしながら、図５及び図６では、ＲｕＳｎ２やＲｕ３Ｓｎ７は明確には観察されていない。これは、ＥＰＭＡによる点分析の空間分解能が２μｍ程度であり、ＳＲＳ試料の接合界面にＲｕ−Ｓｎ系金属間化合物の薄層が生成しても、層厚さが２μｍ未満であれば、Ｒｕ−Ｓｎ系金属間化合物の組成と層厚さを検出できないことによる。一方、図５において、ｙＲｕ＝０．１９及びｙＳｎ＝０．８１の測定点があるから、層厚さがＥＰＭＡの空間分解能未満である２μm未満のＲｕ−Ｓｎ系金属間化合物の薄層（界面薄層）が生成している可能性もある。
【００３３】
そこで、総層厚さｌと加熱時間ｔとの間に式１に示す「べき乗則」（上記非特許文献１及び３を参照。）が成立するとともに、８１３７時間３３分の加熱時間で総層厚さｌが２μｍのＲｕ−Ｓｎ系金属間化合物が生成し界面薄層が形成されていることを仮定する。
ｌ＝ｋ（ｔ／ｔ0）ｎ          （式１）
ここで、ｔ0は単位時間の１［ｓ］である。さらに加熱時間１１０１７時間３３分で総層厚さ３μｍ（実測値）のＲｕ−Ｓｎ系金属間化合物層が形成されていることから、比例係数ｋとべき指数ｎを算出した。その結果、ｋ＝２．０４×１０−１６ｍ、及び、ｎ＝１．３４が得られる。この比例係数ｋ及びべき指数ｎを用いて、式１より、総層厚さｌの加熱時間依存性を計算し、その結果を次の図に実線で示した。
【００３４】
図７に示すように、実線上の丸印は、ｔ＝２．９３×１０７秒（≒８１３７時間３３分）におけるｌ＝２μｍ（仮定値）の点、及び、ｔ＝３．９７×１０7秒（≒１１０１７時間３３分）におけるｌ＝３μｍ（実測値）の点を示している。総層厚さ２μｍは、ＥＰＭＡの空間分解能を考慮して、最大限の範囲で仮定した値であるから、丸印を結ぶ実線は、ｔ＜３．９７×１０7秒（≒１１０１７時間３３分）の加熱時間範囲において、Ｒｕ−Ｓｎ系金属間化合物の加熱時間ｔ＝０からの成長速度の最大推定値を与えていることになる。
【００３５】
また、図７に併せて、加熱処理温度２００℃の場合におけるＡｕ−Ｓｎ系金属間化合物の総層厚さ（上記した非特許文献１及び２を参照）及びＰｔ−Ｓｎ系金属間化合物の総層厚さ（上記した特許文献１を参照）をそれぞれ菱形印及び四角印で比較例として示した。菱形印を結ぶ点線及び四角印を結ぶ破線は、丸印を結ぶ実線の上側に位置する。これら総層厚さ変化に基づいて、加熱温度２００℃における金属間化合物の総層厚さｌが３μｍに達する加熱時間ｔを算出すると、Ａｕ−Ｓｎ系金属間化合物の場合ではｔ＝２３．６秒（≒６．５６×１０−３時間）、Ｐｔ−Ｓｎ系金属間化合物の場合ではｔ＝５．７０×１０４秒（≒１５．８時間）である。すなわち、Ｒｕ−Ｓｎ系金属間化合物では、Ａｕ−Ｓｎ系金属間化合物に比較して１６８０６４３倍、Ｐｔ−Ｓｎ系金属間化合物に比較して６９６倍だけ長くなっている。つまり、Ｓｎと接して用いられるＲｕを被覆した導電性材料では、耐経年劣化特性が従来型のＡｕメッキ（被覆）した導電性材料に比べて１６８０６４３倍優れ、また、Ｐｔ被覆した導電材料に比べても６９６倍も優れている。
【００３６】
さらに、上記した特許文献２に述べられているように、Ｉｒを被覆した導電性材料の耐経年劣化特性がＡｕメッキした導電性材料に比べて９５２０倍、Ｐｔ被覆した導電性材料に比べ１９倍だけ優れていることから、Ｒｕを被覆した電子部品においては、耐劣化特性がＩｒを被覆した電子部品に比べても格段に優れていることがわかる。
【００３７】
以上、純Ｓｎと純Ｒｕの接合界面についての実験結果について述べてきたが、純ＳｎはＳｎ合金であっても、また純ＲｕはＲｕ合金であっても、Ｒｕ−Ｓｎ系金属間化合物の成長が極めて遅い傾向にある。すなわち、Ｓｎ又はＳｎ基合金と接して用いられる導電性部品の表面上に被覆される導電性の被覆材料が実質的にＲｕからなる純金属又はＲｕ合金であれば、これを与えた部品の耐経年劣化特性は少なくとも向上する。このような被覆材料の導電性部品への与え方、すなわちメッキであるか他の被覆方法によるかなどに関しても、少なくとも、これを与えた部品の耐経年劣化特性は向上する。
【００３８】
以上、本発明を実施するための形態について説明してきたが、本発明は必ずしもこれらに限定されるものではなく、当業者であれば、添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、種々の代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明による被覆材料を与えた電子部品の耐経年劣化特性を推定するための実験の図である。
【図２】ＳＲＳ試料の接合界面の金属組織を示す写真である。
【図３】ＳＲＳ試料の接合界面の金属組織を示す写真である。
【図４】ＳＲＳ試料の接合界面の金属組織を示す写真である。
【図５】ＳＲＳ試料の接合界面近傍における各成分の濃度分布を示す図である。
【図６】ＳＲＳ試料の接合界面近傍における各成分の濃度分布を示す図である。
【図７】各金属間化合物の総層厚さｌと加熱時間ｔの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４０】
１  試片挟持プレート
２  ボルト
３  薄板試片
４  薄膜試片
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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