本記事は , 文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム事業 秀でた利用成果について紹介するものです .

文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム 平成 30 年度秀でた利用成果

次世代半導体配線接合用高機能材料の開発～－ 40 ～ 200℃の過酷な熱履歴サイクルにも耐える新規鉛フリー
ハンダ～
有限会社ナプラ 関根 重信 氏，名古屋大学微細構造解析プラットフォーム 荒井 重勇 氏に聞く

（左から）関根 重信氏，荒井 重勇氏，中尾 知代氏

データ処理が主役だった半導体は，電力・エネルギー

設備利用は年間 3,000 件を超え，NPJ は毎年，その中でを処理するパワー半導体が重要な役割を果たす次世代へ

特に優れた成果を上げた数件の研究開発を「秀でた利用と進みつつある．このため，半導体配線等の接合材料に成果」として表彰してきた．平成 30 年度は 5 件の表彰の用いられる新規鉛フリーハンダが開発された．従来のハ一つにこの「次世代半導体用配線接合材料の高機能材料

ンダと比較して，耐熱性にすぐれると共に－ 40 ～ 200℃開発」が選ばれた [1]．ユーザーは，有限会社ナプラの過酷な熱履歴サイクルにも耐えることができ，作動温根 重信氏，実施機関担当者は，中尾 知代・榎本 早希子・度の高い自動車や通信用パワー半導体の接合用として期

中野 美恵子・荒井 重勇・山本 剛久（名古屋大学）の各氏

待されている．また，鉛フリーということで国連の SDGs

である．

関

（Sustainable Development Goals）の目標 3（すべての人

この鉛フリーハンダの基になっているナプラの IMCCに健康と福祉を）の 3.9「2030 年までに，有害な化学物質，（Intermetallic Compound Composite）技術を名古屋大学

並びに大気，水質及び土壌の汚染による死亡及び疾病の微細構造解析プラットフォームによる高度な技術によっ件数を大幅に減少させることを目指す」に大きく寄与出て行った解折支援の内容をお伺いすべく，東京都千代田

来，日本発の国際的な素材として伸展することが期待さ

区丸の内の名古屋大学 東京オフィスを訪ねた．お話は，れている．新規鉛フリーハンダは，有限会社ナプラの研関根 重信（せきね しげのぶ）氏（有限会社 ナプラ，取締役）

究開発により完成した新たな製品であり , その高機能化のと荒井 重勇（あらい しげお）氏（名古屋大学微細構造解メカニズムは名古屋大学微細構造解析プラットフォーム

析プラットフォーム，名古屋大学未来材料・システム研の解折支援により解明された．

究所 超高圧電子顕微鏡施設，特任准教授）からお伺いした．

文部科学省ナノテクノロジープラッットフォーム（NPJ）
事業は，微細構造解析，微細加工，分子・物質合成の 3
つのプラットフォーム（PF）で，1,000 を超える最先端のナノテクノロジー設備の利用機会を提供し，イノベー
ションにつながる研究成果の創出を目指している．共用

NanotechJapan Bulletin Vol. 12, No. 5, 2019

１． 名 古 屋 大 学 微 細 構 造 解 析 プ ラット
フォームの高性能電子顕微鏡を利用

文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム H30 年度秀でた利用成果 -1

nanoplat は，超高圧反応科学走査透過電子頭微鏡をは１．１ 名古屋大学微細構造解析プラットフォームの概要 [2]

じめとする最先端の電子顕微鏡群を用いて，金属，セラ

文部科学省の「ナノテクノロジープラットフォーム事

子状態解析，微小電磁場解析等を，観察用試料の作製段業」は，ナノテクノロジーに関する最先端の研究設備をミックス，有機薄膜などの結晶構造解析，元素分析，電階から支援する．

保有する全国 26 の大学・公的研究機関が共同で，全国的な設備の共用体制を構築し，産学官の研究者に幅広い利用機会を提供している．本プラットフォームは，ナノテ

１．２

名大微細構造解析 PF の支援内容と利用状況

クノロジー研究において基本となる 3 つの技術領域（微支援の形態は，他の PF 同様，次の 4 つである．

細構造解析，微細加工，分子・物質合成）それぞれのプラッ①技術相談：利用者の技術的な相談に応えるコンサル

トフォーム（PF）から成る．

タントとしての支援

名古屋大学（名大）には，この 3 つの技術領域総てのプラットフォームがありそれぞれ活発に活動している．
その内の一つ，名大微細構造解析 PF は，名古屋大学 未
来材料・システム研究所 超高圧電子顕微鏡施設を中核に②技術補助：オペレータが補助，操作方法を指導しながら利用者が機器を操作する技術支援③技術代行：オペレータが利用者に代行して装置を操作する技術支援構成された．“nanoplat” と名付け，高性能電子顕微鏡に④共同研究：契約に基づき登録装置を用いて利用者とよる「反応科学・ナノ材料科学支援研究拠点」と呼称し教員が共同で実施する成果公開型共同研究と有償・自ている．名大は，最先端電子顕微鏡研究の長い歴史を持

主事業の成果非公開型共同研究がある．

ち，高分解能で独特の機能を持った設備を保有する．そ過去 6 年間の利用実績を図 1 に示した．名大以外の外の一つ，反応科学超高圧走査透過電子顕微鏡は，1,000kV

部利用者（民間企業，他大学，公的機関）は，リピーターの高電圧加速により厚い試料の観察を可能にし，ガス中が増え続け，さらに毎年新規利用者も確実に増えている．

の観察ができるため，科学研究に広く用いられるため「反特に，利用者の半数程度は，広報により獲得した民間企応科学」を設備名称に謳っている．

業であるとのことである．

図1

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過去 6 年間の支援実績

文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム H30 年度秀でた利用成果 -2

１．
３

中心に高性能電子顕微鏡群から，試料作製装置，データ

名大微細構造解析 PF の支援の成果

解析機器に至る多種多様な装置を供用し，利用を支援しこれらの利用には，高度な技術を持つ，経験豊かな PFている . その中で，本稿の「次世代半導体配線接合用高機

メンバーが支援にあたり，その貢献は，PF 利用に関す能材料の開発」には主に次の 4 つの装置が用いられた．

る数々の受賞の元となった．例えば秀でた利用成果では2016 年度「超高効率水素製造光触媒を実現した新規薄膜

１）反応科学超高圧電子顕微（図 2：JEM-1000K RS）

構造の発見とその構造解析」[3]，2017 年度「塩ストレス下におけるイネ葉の葉緑体の 3 次元構造解析」[4] があ

反応科学超高圧電子顕微鏡は，1,000kV の高い加速電る．また，技術支援では，2016 年度優秀技術賞「反応科

圧を用いるため，一般的な 200kV の高分解能電子顕微鏡

学超高圧電子顕微鏡による研究支援」[5]，若手技術奨励と比較して非常に厚い試料を透過・観察することが可能

賞「粒径評価のための新規電顕画像解析法の提案」[6]，である．特にこの装置の大きな特徴として，各種ガスに

2017 年度若手技術奨励賞「超高圧電子顕微鏡によるガス

よる金属の酸化や触媒反応など化学反応や，また温度変中その場観察の研究支援」[7]，2018 年度技術支援貢献化による素材の組織変化を，その場観察できる．今回の賞「高精度 FIB 加工技術を用いた微細構造観察」[8] がある．

有限会社ナプラの支援には，厚い試料を透過すること及2018 年度の受賞は本利用成果に多大な貢献をした中尾知

び，温度変化による素材の組織変化観察等の機能が活用

代技術員（写真右）が受賞したもので，① FIB-SEM を用された [5][7]．

いた生物試料の 3 次元観察，② FIB による TEM 試料作製，③ Ar イオン研磨法を用いた薄膜試料作製を行っている．

２）直交配置型高速加工観察分析装置（図 3：FIB-SEM：
MI-4000L）

１．４ 次世代半導体配線接合用高機能材料の開発に用いられた供用装置 [9]名大微細構造解析 PF は，反応科学超高圧電子顕微鏡を

図2

図3

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試料断面観察，特にリアルタイム SEM・STEM 観察，
リアルタイム 3D-EDS，リアルタイム 3D-EBSD ができる．
3D 観察では，SEM 観察した面の薄層をイオンビームで削

反応科学超高圧電子顕微（JEM-1000K RS）

直交配置型高速加工観察分析装置（FIB-SEM：MI-4000L）

文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム H30 年度秀でた利用成果 -3

り取って新たな面で SEM 観察を行うことを繰り返して，試料から直接，電子顕微鏡用の薄膜試料が作製できるマ3 次元画像情報を取得する．名大のこの装置の特徴は，多イクロサンプリング機能を備えている．CAD システムにくの装置がイオンビームを面に垂直に，SEM の電子線とより表面に任意図形の微細加工を施した試料の作製が可

同じ方向から照射するのに対し，面に平行に電子線と直能である．

交する方向から照射して剥ぎ取るように薄層を削り取ることにある．このためイオンビームによる切削の過程で試料の損傷が少ない．この特徴は，イネ葉の葉緑体の 3次元構造解析 [4] に効果を発揮した．金属材料の観察でも内部構造損傷の恐れが少ない．

１．５ 次世代半導体配線接合用高機能材料の開発における支援体制
次世代半導体配線接合用高機能材料の開発には，名大
微細構造解析 PF の次の 5 人からなるチームが支援に当たった．

３）高分解能透過型電子顕微鏡（図 4：JEM-2100F/HK）・山本 剛久（実施責任者 教授）：支援全般の総括
電界放出型電子顕微鏡（加速電圧 200kV）で，直接倍率としては，TEM 機能で 150 万倍の高分解能観察が可能

・荒井 重勇（特任准教授）：超高圧電子顕微鏡によるその場観察と構造解析（像撮影用 CCD カメラは，高視野用と高倍率用の 2 台が・中尾 知代（技術員）：FIB-SEM の操作

付属）．STEM 機能と EDS 元素分析装置による元素マッピ・榎本 早希子（技術員）：FIB-SEM 像から立体像の構築作

ング機能も付属している．

業
・中野 美恵子（技術員）：試料の事前観察と報告書作成
具体的支援は，山本 剛久氏，荒井 重勇氏の実験構想構

４）集束イオンビーム加工機（図 5：FIB-2100）

築に始まる指導の下に行われた．材料のベースは Sn であバルクステージとサイトエントリーステージの両方をり柔らかくしかも重元素のため，200kV 電子顕微鏡用の装備している．試料を真空外へ持ち出すことなくバルク

試料を FIB で薄片化することが非常に困難であった．そ

図4

高分解能透過型電子顕微鏡（JEM-2100F/HK）

図5

NanotechJapan Bulletin Vol. 12, No. 5, 2019

集束イオンビーム加工機（FIB-2100）

文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム H30 年度秀でた利用成果 -4

のため約 300nm と比較的厚い試料を作製し，EDS による

3.9 の実現に寄与できるものであり，欧州の RoHS 規制

元素分析は 200kV 電子顕微鏡で行い，結晶構造解析や加（Restriction of the use of certain Hazardous Substances）

熱・冷却実験は厚い試料が観察可能な 1,000kV 超高圧電も満足するものであり，全世界に普及の可能性を秘めて

子顕微鏡を用いるなど観察装置を使い分けた．また Sn はいる期待の持てるものである．

結晶構造が複雑なため，構造解析が比較的容易な結晶方（有）ナプラは，このような独自技術を開発すると同時位をあらかじめ特定し，FIB-SEM に付属している EBSD にに特許を含む IP 戦略を事業運営の柱に据えている．即ち，より試料の方位解析を行った上で試料を薄片化するなど特許が会社の基盤であり，その特許は 1 件 / 月の件数での工夫を行い，支援を実施した．

増加しているという（関根自身が執筆・出願）．特許技術に基づく商品開発と製造販売は，厳格なライセンス契約（実施許諾契約）締結の上でなされる．相手が大企業であっ

２．研究開発型企業の有限会社ナプラ [10]ても，いやむしろ大企業であるからこそナプラの特許権

有 限 会 社 ナ プ ラ（ 以 下（ 有 ） ナ プ ラ ） は，1993 年，の IP 戦略に対し，2012 年度「産業財産権制度活用優良東京都葛飾区に資本金 1000 万円で設立された研究開発

を健全に保存する手法をとっているとのことである．こ
企業等表彰，特許庁長官表彰」を受賞している．

型企業である．関根氏自らが言うようにガレージラボの

現在新規鉛フリーハンダについては，図 6 に示すようような小規模企業である．約 25 年前に微粒子 Nd 磁性な組織体で事業を展開しており，IP を基盤としてその上粉を手掛けて以来，粉粒体に関わる研究開発を続けていで組織化され，運営されている．図において研究開発はる．径約 10μm 粉体のマトリックス中に微小成分が均一に分散した金属間化合物複合材：IMCC（Intermetallic（有）ナプラにおいてなされ，その成果物である特許はCompound Composite）を形成する方法（ナノマイザー装開発の製造装置（1 トン / 月）を用いて実施した．なお実（有）ナプラ所有である．粉体材料の製造は（有）ナプラ

置：金属間化合物ナノコンポシット粉末製造機）[11] を施許諾下で外部企業（前田製作所）が量産を行っている

開発し，これにより各種機能材料を創製し，その応用展（10 トン / 月の製造能力を持つ）．そして粉体材料に加え開を計っている．本稿で取り上げる “Sn マトリックス中

それから作られる製品（ペースト，シート等の接合材料）に Sn-Cu 金属間化合物が均一に分散した IMCC はその典の製造は，新しく外部企業と設立した “ 株式会社 M ナプ型で，それは後述するように耐熱性がありかつ－ 40 ～ラ ”（以下（株）M ナプラ，代表取締役は関根氏）で行なっ

200℃のヒートサイクルに耐える鉛フリーハンダ（以降こている．さらにその接合材を用いての素子パッケージなの IMCC を含めて新規鉛フリーハンダと呼ぶことにする）”

どへの一次実装処理，さらにそれをシステム基板に仕上として注目され，作動温度が高いパワー半導体を扱う世

げる二次実装処理も（株）M ナプラで行い，接合材料の界各国のトップ企業から引き合いがあるとのことである．

エンドユーザである顧客との情報交換（エンジニアリン

この鉛フリーハンダは，冒頭に述べたように国連の SDGs

サンプルとしての認証）も（株）M ナプラで行っている．

図6

知財戦略を中心に据えたナプラの新規鉛フリーハンダ事業推進体制

NanotechJapan Bulletin Vol. 12, No. 5, 2019文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム H30 年度秀でた利用成果 -5

これらは総て（有）ナプラの特許権が活かされ健全に保持・カー発生によるショートや耐久性などに問題がある．特活用される体制となっている．

に人工知能（AI）の高性能化や情報量の増加などで回路

以下，名大微細構造解析 Pf を利用して得られた利用成に高速電流が流れ瞬間的に高温状態となり（Si 半導体の果 “（有）ナプラによる新規鉛フリーハンダの開発 ” につ

175℃に対し，次世代パワー半導体の SiC などでは 200

いて紹介する．

～ 300℃），接合部が溶融化する問題も浮上している．Pbの代替として融点の高い金（Au）や銀（Ag）などを用いる方法もあるが高価なことと，高温での安定性などに難

３．
１３．新規鉛フリーハンダの開発とその高機能発現メカニズムの解明点があった．

背景と新規鉛フリーハンダの開発

をコンポジット化した機能性微粒子金属を含む新規鉛フ（有）ナプラは，鉛フリーハンダ材として，Sn に一定の割合で銅（Cu）などを混合し Sn 中にナノ金属間化合物

地球環境を守るのに役立とうと自動車はハイブリッド

リーハンダを開発した（図 7，～ 10μm 径）．既に述べたように，この材料は耐熱性に優れ過酷な－ 40 ～ 200℃の化，電動化が進んでいる．駆動制御に使われるパワー半サイクルに耐える機能性素材で，従来のハンダを大幅に導体は，様々なところで電気・エネルギー制御に必要と上回る性能を示した．（有）ナプラではこの優れた性能を，され，次世代半導体において重要な位置を占めることに長時間を必要とする温度サイクル試験で実証し，顧客へなった．パワー半導体デバイスは，放熱基板に半導体素の説明資料としていた．

子を接続して組み立てる．接続には高温等の悪環境に耐える信頼性が求められる．同時に，SDGs に応え，RoHS
指令に従う必要がある．
電気製品を組み立てるにはスズ（Sn）を主成分にした

３．２ 鉛フリーハンダの形態観察：新規鉛フリーハ
ンダは，均一な粒径，均質な粒子「ハンダ付け」が多く用いられる．Sn には 13℃以下の新規鉛フリーハンダの優れた性能を PR し顧客に理解し低 温 で は α-Sn（Diamond Cube）， 室 温 で は β-Sn（Bodyてもらうためには，実装試験（温度サイクル試験）を実

Centered Tetragonal），161℃以上の高温では γ-Sn と呼ば施することが望ましいが，製品毎に半年から数年にかかれる三つの同素体がある．特に低温では β-Sn から α-Snへの構造変化による大幅な体積膨張（27％）のためハンるから完全な実施はできない．そこで，温度サイクル試

ダ付けした接合部が崩壊する．これを防ぐため電気配線

従来のハンダより性能が上がるかその高機能発現のメカ接合には Sn に鉛（Pb）を加えた「鉛ハンダ」が広く使ニズムを明らかにするため，名大微細構造解析 PF が，新用されてきた．近年，環境問題から「無鉛ハンダ」（代表規鉛フリーハンダの形態，内部組織，その温度による変例：SAC（SnAgCu））の普及が進められているが，ウィス化等を調べ支援することになった．

験を行う前の試作段階試料の良否確認となぜこの材料がこの一連の鉛フリーハンダ高機能発現メカニズムの解明実験の中で中心的役割は中尾 知代技術員が担った．中尾氏は，（有）ナプラが製作した新規鉛フリーハンダ微粒
子を，FIB-SEM（図 3）を用いて連続断面 SEM 像の撮影と，図 5 の FIB により TEM 用試料作製を担当した．また，中尾氏は，高分解能電子顕微鏡（図 4）を用いて EDS 分
析による元素マッピングなども担当した．ハンダは融点が低いため，Ga イオンビームや電子ビームの強度が強いと簡単に溶けてしまう．またビーム強度が弱いと重金属のため薄片化に長時間かかる．中尾氏は名大微細構造解析 PF スタッフや依頼者と協力し試行錯誤の結果，試料観察に最適な FIB のビーム強度と切削時間を突き止め，図 8に示した FIB-SEM による連続断面 SEM 像の観察に成功した．10μm のサイズの微粒子を SEM で断面画像を撮影す
るには 10nm 毎に FIB で微粒子の半分まで切削した場合，500 枚程度の SEM 像を撮影する必要がある．FIB での切削と SEM 像撮影で約 3 分間を要するため，合計観察時間
図 7 新規鉛フリーハンダ微粒子の外観（Sn に Cu を混合し，Sn 中に Sn-Cu ナノ金属間化合物をコンポジット化した機能性微粒子金属．粒径は 1 ～ 10μm の範囲で粒度分布をシャープに制御可能）

NanotechJapan Bulletin Vol. 12, No. 5, 2019は 25 時間以上にもなる．その間，Ga イオンや電子線による熱ダメージによりハンダの溶解による変形をいかに少なくして鮮明な像が撮影できるかが非常に重要になる．

文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム H30 年度秀でた利用成果 -6

図 8 FIB-SEM (Hitachi:MI-4000L) による連続断面 SEM 像（各 SEM 画像は厚さ 100nm 毎に FIB で切削した連続断面像，暗い領域は Sn，比較的明るい領域は Sn-Cu 金属間化合物）

図9

200kV TEM (JEOL:JEM-2100F/HK) による元素マッピング像（有）ナプラ開発のナノマイザー製造装置にて，新規鉛
フリーハンダを製造すると図 8 の No，1 のような球形でしかも粒径の揃ったものができる（この場合の粒径約３．３ 鉛フリーハンダの粒界組織：Sn と Sn の結晶
粒界に Sn-Cu 金属間化合物が析出
超高圧電子顕微鏡（図 2）を用いて，Sn および新規鉛

10μm，粒径は約 1 ～ 10μm の範囲でかつシャープな粒度分布に制御可能）．その球形の表面から FIB で 20nm のフリーハンダの結晶粒界の組織を観察した．その結果，厚さで削ってその断面の変化を FIB-SEM で見たのがこのSn では Sn と Sn の結晶粒界は直線的で転位が存在し脆い

図 8 である．251 番目の断面（No. 251）が直径部分の断組織体になっている．これに対し新規鉛フリーハンダで面を示している．薄い皮で覆われ，その内部は写真で黒は，Sn と Sn の結晶粒界に，Sn-Cu 金属間化合物が入り込く見えるマトリックス部分と，その中に白く見える粒径

み界面は凹凸のある曲線で整合接合しており，粒界間にのよく揃った相が見える．図 9 はこの断面の TEM による元素マッピング像を示したものである．これにより，図 8

転位は存在しない．新規鉛フリーハンダでは，β-Sn 中に存在している Sn-Cu 金属間化合物が Sn-Sn 結晶の粒界間の黒く見えるマトリックス部分は Sn で，その中に均一にに偏析し，Sn-Sn 粒界間の方位差により生ずる歪みを緩和

分散した白く見える大きさの揃った相は Sn-Cu 金属間化していることが明らかになった．すなわちこの Sn-Cu 金合物であると同定された．表面の薄い皮のように見える部分は，Sn 中に 40% 以下の Sn-Cu 金属間化合物が分散し属間化合物が，低温から高温までの温度変化による β-Snから他の Sn 同素体への構造変化を抑止する「アンカー効

たものである．

果」を発揮しているものと考えられる．

NanotechJapan Bulletin Vol. 12, No. 5, 2019文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム H30 年度秀でた利用成果 -7

３．４ 鉛フリーハンダの加熱，冷却による相変化：
Sn-Cu 金属間化合物が，β-Sn のγ -Sn 及び α-Sn への相変化を阻止図 10 は，超高圧電子顕微鏡（図 2）を用いて，新規が，本鉛フリーハンダは低温（－ 160℃）で一晩放置後も β-Sn を保持していることが分かった．これらのことが優れた低温 ‐ 高温ヒートサイクル耐久性発現の根源である．即ち，メカニズムは，Sn-Sn 結晶の粒界間に偏析した
Sn-Cu 金属間化合物のアンカー効果である．

鉛フリーハンダの加熱による相変化を観察したものである．Sn は 160℃以上で β-Sn から γ-Sn に変態するが，図10 から本鉛フリーハンダは室温から 210℃まで加熱して３．５

実装ハンダ結合部の構造解析 [12]も β-Sn 相を保持している．本ハンダの優れた耐熱性は，

新規鉛フリーハンダを用いて実際にハンダ付けした様

β-Sn 中に存在している Sn-Cu 金属間化合物が Sn-Sn 結晶

子を以下に紹介する．図 12 は，パワーデバイスの基板（図の粒界間に偏析し，これがアンカー効果を発揮し相変化

中の番号 200，500：以下同様）に形成された Cu 電極（201，による体積変化・密度変化を阻止しているためであるこ

501）を新規鉛フリーハンダ（300：8Cu・92Sn）で接合とが分かった．

する場合を示している．その接合部の細部構造が図 13 に

図 11 は，同じく超高圧電子顕微鏡を用いて，鉛フリー

示されている．

ハンダの冷却によるによる相変化を観察したものである．

接合は，新規鉛フリーハンダ微粒子の外殻（図 8，粒Sn は 13℃以下で β-Sn から α-Sn に変態し体積膨張する

子表面の白い外縁）を介して，新規鉛フリーハンダの内

図 10 1000kV 超高圧電子顕微鏡（JEOL:JEM-1000K RS）による加熱実験（Sn は 160℃以上で β-Sn → γ-Sn に変態するが，本鉛フリーハンダは室温から 200℃以上まで β-Sn 相を保持）

図 11 1000kV 超高圧電子顕微鏡（JEOL：JEM-1000K RS）による冷却実験時の電子回折図形（Sn は 13℃以下で β → α-Sn に変態し体積膨張するが，本鉛フリーハンダは低温で一晩放置後も β-Sn 相を保持）

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図 12 パワーデバイスへの新規鉛フリーハンダの適用模式図
基板（200，500），Cu 電極（201，501），鉛フリーハンダ（300）

図 13 接合部の細部構造
第 1 層（（301：Sn，Cu3Sn），第 2 層（302：Sn，Cu6Sn5），第 3 層（303：Sn，Cu-Sn））

部成分（Sn と Sn-Cu 金属化化合物）中の Sn と Cu 電極のを緩和している．

Cu が相互拡散することによって形成される，そのため，また，接合部（300）は，金属間化合物（融点：Cu3Sn

拡散を起す金属同士が直接接触して拡散反応が起る従来

676℃，Cu6Sn5 435℃）による高温耐熱性と，金属マトの接合材よりも反応速度が抑制される．その結果，Cu のリクス Sn（融点 231.9℃）による柔軟性とを兼ね備えて拡散に対して Sn の拡散が少ないという相互拡散の不均衡いる．かつ前節で述べたように Sn の結晶粒界を金属間化が解消され，接合界面に発生するボイド（カーケンダル

合物 Sn-Cu が埋めそのアンカー効果により高温・低温でボイド）の発生を抑制する．したがって，ボイドによるの Sn の相変化が起らないため，長時間にわたって高温断線等を生じにくい高信頼性及び高品質の電気配線，導動作状態が継続した場合でも，また，高温動作状態から電性接合部を形成し得る．

低温停止状態へと大きな温度変動を伴うなど，過酷な環

図 13 左に示すように新規鉛フリーハンダは，Cu 電極
表面に，第 1 層（301），
第 2 層（302）及び第 3 層（303）

境下で使用された場合でも，長期にわたって高い耐熱性，接合強度及び機械的強度が維持されることになる．

順に積層された構造をしている．第 1 層（301）及び第2 層（302）は，金属間化合物 Sn-Cu による層と金属マト
リクス Sn による層とから成るラメラ構造をとる．図 13
右を見ると，
第 1 層（301）及び第 2 層（302）において，山状に見える部分が金属間化合物 Sn-Cu であり，谷状に

４．今後の展開 〜新規鉛フリーハンダを接合材に製品展開し，デバイスに適用〜

見える部分が金属マトリクス Sn である．上記構造におい前章で述べたように新規鉛フリーハンダの形態とそのて，第 1 層（301）は，Cu 層に隣接しているため，Cu リッ

優れた機能発現のメカニズムが明らかになった．（有）ナチな Cu3Sn を主とする金属間化合物と金属マトリクス Sn

プラは，このマーケット拡大を計るためボール状の新規とのラメラ構造になる．また，Cu 層から遠い第 2 層は，鉛フリーハンダから使いやすいペースト状及びシート状

Cu6Sn5 を主とする金属間化合物と金属マトリクス Sn との接合材を開発した．

ラメラ構造になる．この濃度勾配により接合部のひずみ

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図 14 はこれら接合材の特性を，既存の SnPb ハンダ，

文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム H30 年度秀でた利用成果 -9

図 14

図 15

ペースト・シート状新規鉛フリーハンダの特性と接合対象

技術優位性を持つ IP ポートフォリオの下での鉛フリーハンダの事業展開

無鉛ハンダ SAC（SnAgCu）と比較して示したものである．
ハンダは熱伝導度が大きくかつ電気抵抗の小さいことが伝導度約 50W/m・k，電気伝導度約 10μΩ・cm でありSAC と同程度であるが，SAC の持つウィスカーやブリッ要求される．（有）ナプラの新規鉛フリーハンダは，熱ジの発生によるショート，低温・高温での安定性の欠如

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等の問題を改善している．そして，広い用途に対応する
ため，低温焼結型，中温焼結型，高温焼結型の 3 種類を取り揃えている．これらの使用可能温度範囲（作動温度範囲）は，－ 50℃から 150℃，180℃，200℃であり，参考文献[1] 関根重信，中尾知代他，「次世代半導体用配線接合材

特別仕様のものとして 400℃のものも用意出来るとのこ

料の高機能材料開発」，平成 30 年度「秀でた利用成果」とである．一般に高温用には Au を用いるが，Au に比べ

https://www.nanonet.go.jp/pages/seika_てコストは最大 10 分の 1 以下に抑えられ，さらに通常不selection/2019_SeikaSelection_2.pdf[2] 名古屋大学微細構造解析 PF H.P.

可能な金属とガラスの接着も出来るという．
また，新規鉛フリーハンダの優れた特性発現のメカニ

https://nanoplat.nagoya-microscopy.jp/

ズムが前述のように名大微細構造解析 PF で検証され，そ[3] 高橋竜太，山本剛久，「超高効率水素製造光触媒を実の特性を認められた実績が，その後，（有）ナプラに対す現した新奇薄膜構造の発見とその構造解析」，平成

る大きな信頼につながっており，世界最大級の自動車部

28 年度「秀でた利用成果」

品製造メーカなど国内外の大手数十社での採用に向けた

https://www.nanonet.go.jp/magazine/content/files/

評価が進んでおり，その一部は実際に採用されて市場に

mag_pdf/Exellent_pdf/MajorResults2017_1．pdf

投入され，好評価を受けているという．これらのビジネ[4] 山根浩二，中尾知代他，「塩ストレス下におけるイネ

ス展開は，2 章の図 6 に示した事業推進体制で，対象マー

葉の葉緑体の 3 次元構造解析」，平成 29 年度「秀でケットを図 15 に示すように，技術優位性を持った IP ポー

た利用成果」

トフォリオの下で進められている．高温安定性と低コス

https://www.nanonet.go.jp/pages/seika_

トの利点の下に，3D プリンティング，埋め込み基板，パワーシステム，LED，MEMS，TGV（Through glass via），

selection/2018_SeikaSelection_1.pdf[5] 荒井 重勇，「反応科学超高圧電子顕微鏡による研究支TSV（Through Si via）3D IC， タ ッ チ パ ネ ル， 太 陽 電援」，平成 28 年度「優秀技術賞」

池パネル等への適用が検討され，TGV，LED 適用は ES

https://www.nanonet.go.jp/pages/research_support_（Engineering Sample）の段階に進んでいる．

award/H28_Award_1.pdf
https://www.nanonet.go.jp/magazine/feature/
outstanding-staff/6.html[6] 山本 悠太，「粒径評価のための新規電顕画像解析法の５．おわりに提案」，平成 28 年度「若手技術奨励賞」

有限会社は自己資金で運営する会社である．資金調達

https://www.nanonet.go.jp/pages/research_support_

を通じて市場からの干渉を受けることがないので独自のaward/H28_Award_3.pdf

運営ができる．一方，2006 年から会社は株式会社形式にhttps://www.nanonet.go.jp/magazine/feature/

統一され，有限会社の設立はできなくなった．しかし，（有）outstanding-staff/8.html

ナプラは小さな組織 “ 有限会社 ” であることに誇りを持ち，[7] 樋口 公孝，「超高圧電子顕微鏡によるガス中その場観

そこから独自の秀でた技術を次々と創出している．製品

察の研究支援」，平成 29 年度「若手技術奨励賞」

として広く世界に進出するには，国連の掲げる SDGs に貢

https://www.nanonet.go.jp/pages/research_support_

献できるものでなければならない．このような考えの下award/H29_Award_4.pdf

で開発されたものの一つが本稿主題の新規鉛フリーハン

https://www.nanonet.go.jp/magazine/feature/

ダである．その性能を顧客に理解してもらい安心して採

outstanding-staff/13.html

用してもらうためには，その高機能発現のメカニズムを[8] 中尾知代，「高精度 FIB 加工技術を用いた微細構造観明らかにしなければならない．それを材料構造解析を得察」，平成 30 年度「技術スタッフ表彰」意とする名大微細構造解析 PF が支援する．その結果，世https://www.nanonet.go.jp/pages/research_support_

界トップクラスの大企業を含む数十社と秘密保持契約締

award/H30_Award_2.pdf

結の上，具体的製品開発を進めるところまでになってい[9] 名古屋大学微細構造解析 PF

供用設備

る．このような成果を生み出した（有）ナプラの開発とhttps://nanoplat.nagoya-microscopy.jp/equipment.

それを支援した名大微細構造解析 PF の緊密な連携関係

htmlに，満足と誇りがにじみ出る関根氏と荒井氏からのお話[10] 有限会社 ナプラ H.P. http://napra．co.jp/に感銘したインタビューであった．宇宙空間で活躍する[11] 関根重信（（有）ナプラ），「無鉛ハンダ合金及びそ人工衛星，IoT を支えるデバイス，電気自動車や通信を支の粉末の製造方法」，特許第 4401281 号（出願日

える電子機器に（有）ナプラの鉛フリーハンダが活躍し2004.12.10）

私たちの生活を豊かにし，また国連の SDGs 達成に向けて大きく貢献することを期待している．

NanotechJapan Bulletin Vol. 12, No. 5, 2019[12] 関根重信（（有）ナプラ），「金属粒子，ペースト，成形体，および，積層体」，特許第 6029222 号（出願文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム H30 年度秀でた利用成果 -11

日 2016.3.29）

氏より提供されたものである．また，図 12 ～ 13 は参考
文献 [12] より引用した．

本文中の図 1 ～ 5 及び図 7 ～ 11 は名大微細構造解析 PFの荒井氏より，図 6，図 14 ～ 15 は（有）ナプラの関根（真辺 俊勝）【お問い合わせ】
微細構造解析プラットフォーム
名古屋大学☎ 052-789-3632
E-mail nanoplat@nagoya-microscopy.jp

ホームページ
https://nanoplat.nagoya-microscopy.jp/

NanotechJapan Bulletin Vol. 12, No. 5, 2019文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム H30 年度秀でた利用成果 -12