(57)【要約】  少なくとも２つの共晶合金組成物を含む組成物を有するはんだ合金を提供する。また、２つの被加工物を該はんだ合金を用いて接合する方法を提供する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの共晶合金組成物を含む組成物を有するはんだ合金。
【請求項２】
前記少なくとも２つの共晶合金組成物のそれぞれが、二元系、三元系、又は四元系である、請求項１に記載のはんだ合金。
【請求項３】
前記少なくとも２つの共晶合金組成物が、Ｓｎ−Ｚｎ、Ｓｎ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ、Ａｌ−Ｓｉ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ、及びＳｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉからなる群から選択される、請求項２に記載のはんだ合金。
【請求項４】
前記少なくとも２つの共晶合金組成物が、Ｓｎ−Ｚｎ及びＡｌ−Ｓｉである、請求項３に記載のはんだ合金。
【請求項５】
前記はんだ合金組成物が、９６〜９９．５ｗｔ％のＳｎ−Ｚｎ共晶合金組成物及び０．５〜４ｗｔ％のＡｌ−Ｓｉ共晶合金組成物を含む、請求項４に記載のはんだ合金。
【請求項６】
前記はんだ合金組成物が、９９．５ｗｔ％のＳｎ−Ｚｎ共晶合金組成物及び０．５ｗｔ％のＡｌ−Ｓｉ共晶合金組成物を含む、請求項５に記載のはんだ合金。
【請求項７】
前記はんだ合金組成物が、９９．０ｗｔ％のＳｎ−Ｚｎ共晶合金組成物及び１．０ｗｔ％のＡｌ−Ｓｉ共晶合金組成物を含む、請求項５に記載のはんだ合金。
【請求項８】
前記少なくとも２つの共晶合金組成物が、Ｓｎ−Ｚｎ及びＳｎ−Ａｇ−Ｃｕである、請求項３に記載のはんだ合金。
【請求項９】
前記はんだ合金組成物が、９０〜９９．５ｗｔ％のＳｎ−Ｚｎ共晶合金組成物及び０．５〜１０ｗｔ％のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ共晶合金組成物を含む、請求項８に記載のはんだ合金。
【請求項１０】
前記はんだ合金の融点が、２３０℃未満である、請求項１〜９のいずれか一項に記載のはんだ合金。
【請求項１１】
前記はんだ合金の融点が、２００℃未満である、請求項１０に記載のはんだ合金。
【請求項１２】
単体金属をさらに含む、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のはんだ合金。
【請求項１３】
前記単体金属が、Ａｇ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｍｎ、及びそれらの混合物からなる群から選択される、請求項１２に記載のはんだ合金。
【請求項１４】
前記はんだ合金組成物が、０〜４ｗｔ％の単体金属を含む、請求項１３に記載のはんだ合金。
【請求項１５】
はんだ接合部を通じて少なくとも２つの被加工物を接合する方法であって、
請求項１〜１４のいずれか一項に記載のはんだ合金を、接合すべき前記少なくとも２つの被加工物の間に供給するステップと、
前記はんだ合金をはんだ付け環境において２３０℃未満のはんだ付け温度で加熱するステップと、
前記加熱したはんだ合金を冷却し、それによってはんだ接合部を形成するステップと
を含む方法。
【請求項１６】
前記はんだ付け温度が、２００℃未満である、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記はんだ付け環境が、大気中である、請求項１５又は１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記はんだ付け環境が、遮へいガスを含まない、請求項１５、１６、又は１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記加熱が、フラックスの使用を含まない、請求項１５〜１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
前記はんだ接合部において、前記少なくとも２つの被加工物のそれぞれが、金属、セラミックス、ガラス、又はガラスセラミックスからなる、請求項１５〜１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
請求項１〜１４のいずれか一項に記載のはんだ合金を含む、接合すべき少なくとも２つの被加工物の間のはんだ接合部。
【請求項２２】
前記少なくとも２つの被加工物のうちの１つが、セラミックスである、請求項２１に記載のはんだ接合部。
【請求項２３】
前記少なくとも２つの被加工物のうちの１つが、ガラスセラミックスである、請求項２１に記載のはんだ接合部。
【請求項２４】
請求項１〜１４のいずれか一項に記載のはんだ合金のはんだ接合部としての使用。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［発明の分野］
本発明は、はんだ合金、特に、少なくとも２つの共晶合金組成物を含む組成物を有するはんだ合金に関する。該はんだ合金は、金属、セラミックス、ガラス、又はガラスセラミックス間のはんだ接合部の形成に適している。本発明は、２つの被加工物をはんだ合金を用いて接合する方法にさらに関する。
【０００２】
［発明の背景］
本発明の背景についての以下の考察は、本発明の理解を容易にすることを意図する。しかしながら、この考察は、言及されるいかなる材料も、本願の優先日時点にいかなる司法管轄区域においても公表されたもの、又は既知のもの、又は一般常識の一部であったことの容認又は許容ではないことを理解されたい。
【０００３】
はんだ付けは、装置又は被加工物をはんだ接合部を介して互いに接合するために一般に用いられる十分に確立された技法である。被加工物の表面は、しばしばはんだ接合時に、はんだ合金の塗布に先だって洗浄される。洗浄により、表面に酸化被膜がなくなり、はんだ合金と被加工物との良好な接触が確保される。
【０００４】
さらに、錫−鉛からなる初期のはんだ合金組成物においては、はんだ接合時の酸化を防止するフラックス添加物が必要である。酸化は、はんだ接合部の劣化をもたらす。
【０００５】
加えて、このような錫−鉛はんだ合金は、約２００℃の低いはんだ付け温度をもつが、弱い濡れ特性を有する被加工物の表面を十分には濡らさない。このような被加工物には、セラミックス、ガラス、及びガラスセラミックス材料が含まれる。このような被加工物の濡れ特性を改善するための数少ない試みには、はんだ合金内へのチタンの混和が含まれる。このようなはんだ合金は、セラミックスなどの弱い濡れ性の表面の濡れを向上させる。それにもかかわらず、チタンの高い融点のため、６００℃を上回る高いはんだ付け温度が必要とされる。さらに、はんだ付けは、高真空内で、又は遮へいガスを用いて実施される必要がある。
【０００６】
したがって、上記の問題を克服、又は少なくとも緩和するはんだ合金を提供することが望ましい。
【０００７】
［発明の概要］
本明細書中では、それとは反対の指示がない限り、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ）」などの用語は非包括的、言い換えれば、「含むが、それに限定されない（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ，  ｂｕｔ  ｎｏｔ  ｌｉｍｉｔｅｄ  ｔｏ）」という意味に解釈されるものとする。
【０００８】
本発明の第１の態様において、少なくとも２つの共晶合金組成物を含む組成物を有するはんだ合金が提供される。
【０００９】
本発明の第２の態様において、少なくとも２つの被加工物をはんだ接合部を介して接合する方法が提供される。該方法は、はんだ接合時に、接合すべき少なくとも２つの被加工物の間に本発明の第１の態様によるはんだ合金を供給するステップと、はんだ合金をはんだ付け環境において２３０℃未満のはんだ付け温度で加熱するステップと、加熱したはんだ合金を冷却し、それによってはんだ接合部を形成するステップとを含む。
【００１０】
本発明の第３の態様において、接合すべき少なくとも２つの被加工物の間のはんだ接合部が提供され、該はんだ接合部は、本発明の第１の態様によるはんだ合金を含む。
【００１１】
［詳細な説明］
本発明は、少なくとも２つの共晶合金組成物を含む組成物を有するはんだ合金に関する。該はんだ合金は、金属、セラミックス、ガラス、又はガラスセラミックス間のはんだ接合部の形成に適している。
【００１２】
本発明の第１の態様によると、少なくとも２つの共晶合金組成物を含む組成物を有するはんだ合金が提供され、該共晶合金組成物は、二元系、三元系、又は四元系であってもよい。
【００１３】
共晶合金組成物は、結果として生じるはんだ合金が２３０℃未満、より好ましくは、２００℃未満の溶融温度を有するように選択される。各共晶合金組成物は、Ｓｎ−Ｚｎ、Ｓｎ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ、Ａｌ−Ｓｉ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ、及びＳｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉからなる群から選択することができる。当業者に明らかな他の共晶合金組成物もまた選択可能である。
【００１４】
共晶組成物に加えて、単体金属もはんだ合金中に存在してもよい。このような単体金属は、はんだ合金の表面のつや、若しくは保存安定性を向上させるため、又ははんだ接合時の表面張力を低減させるために追加される。該単体金属は、Ａｇ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｍｎ、及びそれらの混合物を含むが、それらに限定されるものではない。
【００１５】
本発明の第２の態様においては、少なくとも２つの被加工物をはんだ接合部を介して接合する方法が提供される。該方法は、はんだ接合時に、本発明の第１の態様によるはんだ合金を、接合する少なくとも２つの被加工物の間に供給するステップを含む。該被加工物は、金属、セラミックス、ガラス、又はガラスセラミックスであってもよい。
【００１６】
次いではんだ合金は、はんだ付け環境において２３０℃未満のはんだ付け温度で加熱される。共晶組成物中の金属は反応性があり、したがってはんだ接合時の酸化を未然に防ぐことができる。この方法では、フラックス添加物を、はんだ合金中に必要としない。さらに、はんだ付けを酸素含有大気などの大気環境中で実施することができる。さらにまた、はんだ付けを非高真空及び低温環境で実施できるため、遮へいガスを必要としない。
【００１７】
はんだ付け温度で、はんだ合金は、２つの被加工物の間のはんだ接合部の領域内で溶けて融合し始める。はんだ合金中の金属と被加工物から形成される金属間層が、はんだ接合部の界面で生じる。この濡れ現象の後で、被加工物の濡れ特性が向上する。溶融したはんだ合金は、最終的に冷却され、それによりはんだ接合部を形成する。冷却後すぐに、融合したはんだ合金は固化し、２つの被加工物を強固に接合する。好ましくは、融合したはんだ合金の冷却は、特に被加工物が著しく異なる熱膨張係数を有するときには、比較的遅く進行する。そうでないと、急速及び／又は不均等な冷却に際して、はんだ接合部又は被加工物自体にクラックを形成することがある。
【実施例】
【００１８】
実施例１
市販のＳｎ−Ｚｎ共晶組成物とＡｌ−Ｓｉ共晶組成物を、本発明のはんだ合金を形成する二元系共晶組成物として採用する。
【００１９】
９９．５ｗｔ％のＳｎ−Ｚｎ共晶組成物を、０．５ｗｔ％のＡｌ−Ｓｉ共晶組成物と誘導炉中で混合する。該混合物は、酸素及び窒素の混入を防ぐため真空中で溶かす。次いで溶融物を冷却して、はんだ合金のペーストを形成する。
【００２０】
アルミニウム薄板とガラスとの間にはんだ接合部を形成するため、まずアルミニウム薄板を電気ホットプレート上に置く。次いで［Ｓｎ−Ｚｎ］−［Ａｌ−Ｓｉ］はんだ合金ペーストをアルミニウム薄板上に配置する。その後にガラスをはんだ合金ペーストの上に置く。アルミニウム薄板とガラスとの間にバネ付き鋼棒が加える機械的圧縮力をホットプレートに向かう方向に作用させ、それによってアルミニウム薄板とガラスとを互いに押しつける。次いで電気ホットプレートを作動させアルミニウム薄板からガラスの方向への加熱を行う。加熱により２００℃のはんだ付け温度を付与する。それと同時に、例えば抵抗加熱の別の熱源をガラス側に用意し、ガラスからアルミニウム薄板の方向への加熱を行う。この上と下の同時加熱により、アルミニウム薄板とガラスとの間の温度勾配が減少する。このような低い温度勾配は、はんだ接合部又はガラスのクラックを防止するために必須である。２００℃で数分間加熱した後、熱源を止め、クラックをさらに防止するために融合したはんだ合金をゆるやかに冷却させる。
【００２１】
実施例２
はんだ合金組成物中の２つの共晶組成物は、ここでは９９．０ｗｔ％のＳｎ−Ｚｎ共晶組成物と１．０ｗｔ％のＡｌ−Ｓｉ共晶組成物とを誘導炉中で混合して、はんだ合金を形成し、細いはんだ線状に押し出すことを除いて、実施例１と同一である。
【００２２】
ステンレス鋼薄板とセラミックスとの間にはんだ接合部を形成するために、従来のはんだ付け技法で使用されるブタン火炎及び加熱した棒を採用する。ステンレス鋼薄板とセラミックスを同様に配置し、実施例１に記載のホットプレートアセンブリーで処理する。はんだ線をステンレス鋼薄板とセラミックスとの間の位置に置く。ブタン火炎及び加熱した棒を利用してはんだ線、ステンレス鋼薄板、及びセラミックスを２００℃の温度に加熱してはんだ線を溶かす。はんだ線はステンレス鋼薄板及びセラミックスと融合し、それによりはんだ接合部が形成される。
【００２３】
実施例３
９０．０ｗｔ％のＳｎ−Ｚｎ共晶組成物を、誘導炉中で６．５ｗｔ％のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ共晶組成物と混合する。該混合物に少量のＩｎ（３．４ｗｔ％）、Ｆｅ（０．０３ｗｔ％）、Ｍｇ（０．０５ｗｔ％）、及びＭｎ（０．０２ｗｔ％）を追加する。該混合物を不活性シールド誘導炉中で溶かし、はんだ合金のペーストを形成する。追加した少量のＦｅ及びＭｎは、核生成及び急速で均一な固化を助けることになろう。
【００２４】
チタン薄板とセラミックスとの間にはんだ接合部を形成するため、従来のはんだ付け技法で使用されるブタン火炎及び加熱した棒を採用する。チタン薄板とセラミックスを、実施例１に記載のようなバネ付き鋼棒が加える機械的圧縮力の代わりに、セラミックスの上に荷重を掛けることによって押し合わせる。チタン薄板とセラミックスをホットプレートアセンブリー中に配置する代わりに、チタン薄板とセラミックスを、火炎により均一に加熱した炉内に配置し、抵抗加熱を実施してはんだ合金を溶かし、それによってはんだ接合部を形成する。
【００２５】
前述のはんだ合金は、複数の長所を提供する。フラックス添加物は必要としない。これは、はんだ付けした被加工物中に残ったフラックスの残留物を除去する問題を払拭する。はんだ付けは、遮へいガス又は高真空の必要なしに大気環境中で実施される。これは、高価且つ高度な機器の必要を免除する。２３０℃未満の低い処理温度は、はんだ付け中の酸化を軽減し、被加工物間で異なる熱膨張係数に起因する熱ひずみによってもたらされることのある、接合のクラックを著しく削減する。これはまた、より高価な発熱体への依存を軽減することによって全体のコストを削減する助けとなる。第２の共晶組成物、例えばＡｌ−Ｓｉの追加は、はんだ合金の延性の向上を助け、ペースト、フォイル、又は線への形成を容易とすることができ、さらに表面酸化物の分解を助長する。結果として生じるはんだ接合部は、良好な接合強度を有し、金属、ガラス、セラミックス、及びガラスセラミックスなど類似の材料であっても異なる材料であっても２つの被加工物を接合する可能性を提供する。
【００２６】
これらのはんだ合金は、時計部品、産業用ガラス製構成部品、例えばセラミックカッターなどの工作器具、工業用構成部品、歯科用構成部品、及びマイクロ電子機器中の電気的接点の金属化に適している。
【００２７】
上記の発明を、理解を明確にするため、例や実施例を用い、また１つ以上の実施形態に関して詳しく記述したが、添付の特許請求の範囲に記載の本発明の意図又は範囲から逸脱することなく、ある種の変更、変形及び修正をそれに加えてもよいことは、本発明の教示に鑑みて、当業者には容易に明らかである。
【手続補正書】
【提出日】平成22年7月22日(2010.7.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの共晶合金組成物を含み、前記少なくとも２つの共晶合金組成物が、Ｓｎ−Ｚｎ、Ｓｎ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ、Ａｌ−Ｓｉ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ、及びＳｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉからなる群から選択される、はんだ合金。
【請求項２】
前記少なくとも２つの共晶合金組成物が、Ｓｎ−Ｚｎ及びＡｌ−Ｓｉである、請求項１に記載のはんだ合金。
【請求項３】
前記はんだ合金組成物が、９６〜９９．５ｗｔ％のＳｎ−Ｚｎ共晶合金組成物及び０．５〜４ｗｔ％のＡｌ−Ｓｉ共晶合金組成物を含む、請求項２に記載のはんだ合金。
【請求項４】
前記はんだ合金組成物が、９９．５ｗｔ％のＳｎ−Ｚｎ共晶合金組成物及び０．５ｗｔ％のＡｌ−Ｓｉ共晶合金組成物を含む、請求項３に記載のはんだ合金。
【請求項５】
前記はんだ合金組成物が、９９．０ｗｔ％のＳｎ−Ｚｎ共晶合金組成物及び１．０ｗｔ％のＡｌ−Ｓｉ共晶合金組成物を含む、請求項３に記載のはんだ合金。
【請求項６】
前記少なくとも２つの共晶合金組成物が、Ｓｎ−Ｚｎ及びＳｎ−Ａｇ−Ｃｕである、請求項１に記載のはんだ合金。
【請求項７】
前記はんだ合金組成物が、９０〜９９．５ｗｔ％のＳｎ−Ｚｎ共晶合金組成物及び０．５〜１０ｗｔ％のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ共晶合金組成物を含む、請求項６に記載のはんだ合金。
【請求項８】
前記はんだ合金の融点が、２３０℃未満である、請求項１〜７のいずれか一項に記載のはんだ合金。
【請求項９】
前記はんだ合金の融点が、２００℃未満である、請求項８に記載のはんだ合金。
【請求項１０】
単体金属をさらに含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載のはんだ合金。
【請求項１１】
前記単体金属が、Ａｇ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｍｎ、及びそれらの混合物からなる群から選択される、請求項１０に記載のはんだ合金。
【請求項１２】
前記はんだ合金組成物が、０〜４ｗｔ％の単体金属を含む、請求項１１に記載のはんだ合金。
【請求項１３】
はんだ接合部を通じて少なくとも２つの被加工物を接合する方法であって、
請求項１〜１２のいずれか一項に記載のはんだ合金を、接合すべき前記少なくとも２つの被加工物の間に供給するステップと、
前記はんだ合金をはんだ付け環境において２３０℃未満のはんだ付け温度で加熱するステップと、
前記加熱したはんだ合金を冷却し、それによってはんだ接合部を形成するステップと
を含む方法。
【請求項１４】
前記はんだ付け温度が、２００℃未満である、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記はんだ付け環境が、大気中である、請求項１３又は１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記はんだ付け環境が、遮へいガスを含まない、請求項１３、１４、又は１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記加熱が、フラックスの使用を含まない、請求項１３〜１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記はんだ接合部において、前記少なくとも２つの被加工物のそれぞれが、金属、セラミックス、ガラス、又はガラスセラミックスからなる、請求項１３〜１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載のはんだ合金を含む、接合すべき少なくとも２つの被加工物の間のはんだ接合部。
【請求項２０】
前記少なくとも２つの被加工物のうちの１つが、セラミックスである、請求項１９に記載のはんだ接合部。
【請求項２１】
前記少なくとも２つの被加工物のうちの１つが、ガラスセラミックスである、請求項１９に記載のはんだ接合部。
【請求項２２】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載のはんだ合金のはんだ接合部としての使用。
【国際調査報告】
2012505757.tif 000002
2012505757.tif 000003