WO2004113013A1

WO2004113013A1 - はんだ部材、はんだ材料、はんだ付け方法、はんだ材料の製造方法およびはんだ接合部材

Info

Publication number: WO2004113013A1
Application number: PCT/JP2004/008888
Authority: WO
Inventors: Than Trong Long; Yuuji Hisazato; Junji Kajiwara; Takayuki Naba
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-06-24
Filing date: 2004-06-24
Publication date: 2004-12-29
Anticipated expiration: 2005-12-24

Abstract

　第１部材１０とこの第１部材１０とは異種特性材料からなる第２部材１１とが、低融点金属元素または低融点合金からなる第１はんだ１２および凝固膨張の性質を有する金属元素または合金からなる第２はんだ１３からなるはんだ部材１４によって接合されている。また、第２はんだ１３の表面は、境界層または境界被膜として機能する反応防止膜１５で覆われている。これによって、第１はんだ１２と第２はんだ１３のそれぞれの固有な特性を維持し、はんだ部材１４の性能を最大限に発揮することができる。

Description

明細書

はんだ部材、はんだ材料、はんだ付け方法、はんだ材料の製造方法およびはんだ接合部材

技術分野

[0001] 本発明は、熱伝導特性や機械的性質などに優れたはんだ部材、はんだ材料、はんだ付け方法、はんだ材料の製造方法およびはんだ接合部材に関する。

背景技術

[0002] 近年、地球環境保護の観点から環境問題に対する関心が高まりつつある中、産業廃棄物の廃棄量の増大が深刻な問題となっている。産業廃棄物に含まれる、例えば

、電力制御計算機の基板、家電製品、パソコンなどには、はんだが使用されており、このはんだから鉛などの有害な重金属が流出することがある。例えば、鉛が流出すると、酸性雨などに作用して鉛を含んだ水溶液を生成し、その水溶液が地下水に侵入することがある。

[0003] 国内では、 1998年に家電リサイクル法が成立し、 2001年には家電製品について使用済み製品の回収が義務づけられている。欧州では、電気'電子製品廃棄物 EU 指令により、 2004年から鉛を含む特定物質の使用禁止が義務づけられている。このように、鉛の使用に関する法的規制が強化され、鉛フリーはんだの開発が急がれている (例えば、非特許文献 1参照。）。

[0004] はんだは、熱サイクル、機械的衝撃、機械的振動などを伴う厳しレ、環境下で使用される複数の要素部品を機械的かつ電気的に接続する重要な役割を担っており、鉛フリーはんだにおいても、従来用いられてきた Sn— Pbはんだと同等の機械的性質や物理的性質が要求されてレ、る。

[0005] しかし、従来のはんだを用いたエレクトロニクス製品の接合では、例えば、電子部品、基板、ベースなどのそれぞれ異なる熱膨張係数により、はんだ接合部に大きな歪みが生じ、これらの要素部品の変形や応力集中による疲労破壊などを生じて、最終的に製品寿命に至ることがあった。また、ベースなどの変形により、それらと接続される放熱フィンなどと全面接触することができなくなり、放熱効率が著しく低下することがあつた。例えば、セラミックス基板とセラミックス基板を支持する Cuベースのはんだ付けにおいて、 Sn— Cu系の鉛フリーはんだを使用した場合、セラミックスと金属の熱膨張係数の差によりはんだ付け後、 Cuベースが大きく変形し、熱伝導特性や疲労強度などの機械的性質が著しく低下し、要求特性が確保できないという問題があった。

[0006] また、従来の鉛フリーはんだを用いたエレクトロニクス製品の接合では、ぬれ性不足によりボイド欠陥が多数発生し、十分なはんだ強度を備えることができず、接合部の十分なはんだ強度や熱伝導性が得られないことがあった。このような接合部を有する状態では、熱疲労破壊などを生じて、最終的に製品寿命に至ることがあった。

[0007] 例えば、 Sn— Cu合金において、はんだ強度、熱疲労強度などの機械的性質を確保するため、共晶組成 Sn— 0. 7重量％〇1、または、 Cuの含有率が 0. 7近傍の Sn 合金が用いられている。このような Sn— Cu合金では、 Sn中の Cu固溶量が 0. 006重量％程度の（ Sn)デンドライトの凝固前方に Cuが濃縮し、（ Sn)と (Sn Cu ： S

5 6 n43. 5— 45. 5原子％)の共晶組織、または、初晶 η、（ β Sn)および ηの共晶組織が形成される。これらの共晶組織は、機械的強度が低ぐ冷却するとクラックを生じることがあった (例えば、非特許文献 2参照。）。

非特許文献 1： Proposal for a Directive of the European Parliament and of tne Council on Waste Electrical and Electronic Equipment, Commission of the European Communities, Brussels, 13.6.2000

非特許文献 2 :「Cuおよび Cu— Sn系化合物の Sn— Pbはんだぬれ性解析」、豊田中央研究所 R&Dレビュー、 Vol. 31 , No. 4 ( 1996年 12月）

発明の開示

[0008] 本発明は、熱伝導特性や機械的性質などの低下を抑制し、はんだ強度と信頼性の向上を図ることができるはんだ部材、はんだ材料、はんだ付け方法、はんだ材料の製造方法およびはんだ接合部材を提供すること目的とする。

[0009] 本発明のはんだ部材は、第 1部材とこの第 1部材とは異種特性材料からなる第 2部材とを接合するはんだ部材であって、第 1はんだ相と、前記第 1はんだ相中に複数の領域を持つよう分散され、前記第 1はんだ相より低い融点を有し、かつ凝固膨張の性質を有する第 2はんだ相と、前記第 1はんだ相と前記第 2はんだ相の境界に存在し、前記第 1はんだ相よりも高い融点を有する境界層とを具備することを特徴とする。

[0010] 本発明のはんだ材料は、第 1部材とこの第 1部材とは異種特性材料からなる第 2部材とを接合するはんだ材料であって、第 1はんだ材料と、前記第 1はんだ材料よりも高い融点を有する境界被膜が表面に形成され、前記第 1のはんだ材料より低い融点を有し、かつ凝固膨張の性質を有する第 2はんだ材料とを具備することを特徴とする

[0011] 本発明のはんだ付け方法は、第 1部材とこの第 1部材とは異種特性材料からなる第

2部材とを接合するはんだ付け方法であって、表面に境界被膜が形成されるとともに、この境界被膜を形成する材料の第 1の融点よりも低い第 2の融点を有し、凝固膨張の性質を有する第 2はんだ材料を前記第 1部材の表面に配置する第 2はんだ材料配置工程と、前記第 2はんだ材料の上に、前記第 1の融点よりも低くかつ前記第 2の融点よりも高い第 3の融点を有する第 1はんだ材料を配置する第 1はんだ材料配置ェ程と、前記第 1はんだ材料の上に、前記第 2部材を設置する第 2部材設置工程と、前記第 2部材設置工程を経て、積層された積層部材を、大気中または不活性ガス雰囲気中において、前記第 2の融点よりも高くかつ前記第 1の融点よりも低い温度で加熱する加熱工程とを具備することを特徴とする。

[0012] 本発明のはんだ材料の製造方法は、 Biを 50重量％以上含有する Sn基合金、 Sb を 6重量％以上含有する Sn基合金、 Biおよび Sbのいずれか少なくとも一種からなる第 2はんだ相の粉末の表面に反応抑制境界膜を形成する境界膜形成工程と、前記第 2はんだ相の粉末と平均直径が 1一 100 /i mで Snまたは Sn基合金からなる第 1はんだ相の粉末とが所定の比率で均一に混合された混合物を作製する混合物作製ェ程と、前記混合物に、フラックスおよびバインダを所定の比率で混合し攪拌して、ぺ一スト状の混合物を作製するペースト状混合物作製工程とを具備することを特徴とする。

[0013] また、本発明のはんだ材料の製造方法は、 Biを 50重量％以上含有する Sn基合金、 Sbを 6重量％以上含有する Sn基合金、 Biおよび Sbのいずれか少なくとも一種からなる第 2はんだ相の粉末の表面に反応抑制境界膜を形成する境界膜形成工程と、前記第 2はんだ相の粉末と平均直径が 1一 100 μ mで Snまたは Sn基合金からなる第 1はんだ相とが所定の比率で均一に混合された混合物を作製する混合物作製ェ程と、前記混合物を加圧および加熱して複合化する複合化工程と、前記複合化された混合物をフィルム状またはワイヤ状に成形する成形工程とを具備することを特徴とするはんだ材料。

[0014] 本発明のはんだ材料は、 Coを 0. 02-2. 0重量％含有する、 Snまたは Pbを含まなレヽ Sn基合金からなることを特徴とする。

[0015] また、本発明のはんだ材料は、 Coを 0. 02-2. 0重量％、 Cuを 0. 02—7. 5重量 %を含有し、残部が Snと不可避不純物からなることを特徴とする。

[0016] さらに、本発明のはんだ材料は、 Cu、 Ag、 Au、 Coおよび Niから選ばれた少なくとも一種の金属からなる第 1従成分を 0. 02 12重量％含有し、かつ Mn、 Pdおよび P tから選ばれた少なくとも一種の金属からなる第 2従成分を 0. 02-1. 2重量％含有し、残部が Snと不可避不純物からなることを特徴とする。

[0017] また、本発明のはんだ材料は、 Coを 0. 02-2. 0重量％含有する、 Snまたは Pbを含まない Sn基合金、または Coを 0. 02-2. 0重量％、 Cuを 0. 02-7. 5重量％を含有し、残部が Snと不可避不純物からなる第 1はんだと、 Snまたは Pbを含まない Sn 基合金力なる第 2はんだとを具備することを特徴とする。

[0018] 本発明のはんだ接合部材は、 Coを 0. 02-2. 0重量％含有する、 Snまたは Pbを含まない Sn基合金、または Coを 0. 02-2. 0重量％、 Cuを 0. 02-7. 5重量％を含有し、残部が Snと不可避不純物からなるはんだ材料を用いて、第 1部材と第 2部材とを接合して構成したことを特徴とする。

[0019] 本発明のはんだ部材は、第 1部材と第 2部材とを接合するはんだ部材であって、 Co を 0. 02-2. 0重量％含有する、 Snまたは Pbを含まない Sn基合金からなる第 1はんだ相と、前記第 1はんだ相中に複数の領域を持つよう分散され、前記第 1はんだ相より低い融点を有し、かつ凝固膨張の性質を有する、 Bi、 Sb、 Ga、 Ge、 Bi合金、 Sb合金、 Ga合金、 Ge合金からなる群から選ばれた 1種の材料からなる第 2はんだ相とを具備することを特徴とする。

[0020] 本発明のはんだ材料は、 Coを 0. 02-2. 0重量％含有する、 Snまたは Pbを含まない Sn基合金、または Coを 0. 02-2. 0重量％、 Cuを 0. 02—7. 5重量％を含有し、残部が Snと不可避不純物からなる第 1はんだと、前記第 1はんだより低い融点を有し、かつ凝固膨張の性質を有する、 Bi、 Sb、 Ga、 Ge、 Bi合金、 Sb合金、 Ga合金、 Ge合金からなる群から選ばれた 1種の材料からなる第 2はんだとを具備することを特徴とする。

図面の簡単な説明

[図 1A]本発明の第 1の実施の形態のはんだ部材およびはんだ材料を模式的に示す断面図である。

[図 1B]本発明の第 1の実施の形態のはんだ部材およびはんだ材料を模式的に示す断面図である。

[図 2]第 1のはんだおよび第 2のはんだの凝固時の特性を示す図である。

[図 3A]本発明の第 1の実施の形態のはんだ部材およびはんだ材料を模式的に示す断面図である。

[図 3B]本発明の第 1の実施の形態のはんだ部材およびはんだ材料を模式的に示す断面図である。

[図 4A]本発明の第 1の実施の形態のはんだ部材およびはんだ材料を模式的に示す断面図である。

[図 4B]本発明の第 1の実施の形態のはんだ部材およびはんだ材料を模式的に示す断面図である。

[図 5A]本発明の第 1の実施の形態のはんだ材料の一例を模式的に示す断面図である。

[図 5B]本発明の第 1の実施の形態のはんだ材料の一例を模式的に示す断面図である。

[図 5C]本発明の第 1の実施の形態のはんだ材料の一例を模式的に示す断面図である。

[図 6A]Cuベースの変形量を示す Cuベースの断面図である。

[図 6B]Cuベースの変形量を示す Cuベースの断面図である。

[図 7]本発明の第 2の実施の形態のはんだ材料を模式的に示す断面図である。

[図 8]本発明の第 2の実施の形態のはんだ材料を用レ、たはんだ付け後の断面を模式的に示す断面図である。

[図 9]本発明の第 2の実施の形態のはんだ材料を用いたはんだ付け構造の一例を模式的に示す断面図である。

[図 10]本発明の第 2の実施の形態のはんだ材料を用いたはんだ付け後の断面を模式的に示す断面図である。

[図 11]従来のはんだ材料を用いたはんだ付け後の断面を模式的に示す断面図である。

[図 12]本発明の第 2の実施の形態のはんだ材料を用いたはんだ付け構造の一例を模式的に示す断面図である。

[図 13]本発明の第 2の実施の形態のはんだ材料を用レ、たはんだ付け後の断面を模式的に示す断面図である。

[図 14]従来のはんだ材料を用いたはんだ付け後の断面を模式的に示す断面図である。

[図 15]フィルム状のはんだ材料の外観を示す斜視図である。

[図 16]ワイヤ状のはんだ材料の外観を示す斜視図である。

[図 17]本発明の第 3の実施の形態のフィルム状に形成された無鉛はんだの斜視図でめる。

[図 18]本発明の第 3の実施の形態のペースト状に形成された無鉛はんだの断面図でめる。

[図 19]本発明の第 3の実施の形態のワイヤー状に形成された無鉛はんだの斜視図でめる。

[図 20]本発明の第 3の実施の形態のロッド状に形成された無鉛はんだの斜視図である。

[図 21]無鉛はんだによって接合された第 1要素部材および第 2要素部材の断面図でめる。

[図 22]2種類の無鉛はんだによって接合された第 1要素部材および第 2要素部材の断面図である。

[図 23]はんだ接合部の断面図である。 [図 24]滴下法による表面張力の測定の概要を示す図である。

[図 25A]元素分析の結果を示す図である。

[図 25B]元素分析の結果を示す図である。

[図 26]元素分析の結果を示す図である。

[図 27A]本発明の第 4の実施の形態のはんだ付け工程を示す図である。

[図 27B]本発明の第 4の実施の形態のはんだ付け工程を示す図である。

[図 27C]本発明の第 4の実施の形態のはんだ付け工程を示す図である。

[図 27D]本発明の第 4の実施の形態のはんだ付け工程を示す図である。

[図 27E]本発明の第 4の実施の形態のはんだ付け工程を示す図である。

[図 28]耐酸化性はんだが設置された第 1要素部材の断面図である。

発明を実施するための最良の形態

[0022] 以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。

[0023] (第 1の実施の形態）

図 1Aおよび図 1Bに、第 1の実施の形態のはんだ付け構造の一例を示す。

[0024] 図 1Bに示されたはんだ付け構造では、第 1部材 10とこの第 1部材 10とは異種特性材料からなる第 2部材 11とが、低融点金属元素または低融点合金からなる第 1はんだ 12および凝固膨張の性質を有する金属元素または合金からなる第 2はんだ 13からなるはんだ部材 14によって接合されている。また、第 2はんだ 13の表面は、境界層または境界被膜として機能する反応防止膜 15で覆われている。ここで、異種特性材料とは、組成の同一または非同一を問わず、機械的性質や物理的性質などの特性の異なる材料のことをいう。

[0025] 第 1はんだ 12に用いられる金属は、低融点金属元素または低融点合金であり、例えば、 Sn、 In、 Znなどの元素金属、または、 Sn合金、 In合金、 Zn合金などで構成される。 Sn合金において、合金中の Snの含有率は、合金に求められる機械的特性、融点などによって適宜に設定される。その他の In合金、 Zn合金を用いた場合も Sn合金の場合と同様に、含有率は、合金に求められる機械的特性、融点などによって適宜に設定される。なお、例えば、 Sn合金に、 In、 Znなどの元素金属が含有されてもよレ、。また、同様に In合金、 Zn合金においても、他の元素金属を含有してもよい。 [0026] 第 2はんだ 13に用いられる金属は、凝固時に膨張する性質を有する Bi、 Sb、 Ga、 Geなどの元素金属、または、 Bi合金、 Sb合金、 Ga合金、 Ge合金などで構成される。第 2はんだ 13に用いられる金属が合金の場合には、 Snなどが含有されている。第 2 はんだ 13に Bi合金を用いる場合、 Bi合金中の Biの含有率が 50重量％以上であれば良いが、 58重量％以上がより好ましい。 Biの含有率が 50重量％未満では、 Bi合金が膨張することによる第 1はんだ 12の熱収縮を緩和する効果が小さぐ 48重量％未満では、その効果がほとんど得られなレ、。また、 Sb合金、 Ga合金、 Ge合金において、 Sb、 Ga、 Geの含有率は、 6重量％以上であればよぐ 22重量％以上が好ましく、 50重量％以上であればさらに好ましい。例えば、 Sb合金中の Sbの含有率が 6重量 %未満では、 Sb合金が膨張することによる第 1はんだ 12の熱収縮を緩和する効果がほとんど得られない。なお、第 2はんだ 13は、上記した Bi、 Sb、 Ga、 Geなどの元素金属を組み合わせて構成されてもよレ、。また、例えば、 Bi合金には、 Sb、 Ga、 Geなどの元素金属を含有してもよい。また、同様に Sb合金、 Ga合金、 Ge合金においても、他の元素金属を含有してもよレヽ。

[0027] また、第 1はんだ 12中の第 2はんだ 13の含有率は、第 1部材 10と第 2部材 11の熱膨張係数の差により算出したはんだ相内の歪み量によって、 5— 50体積％の範囲で適宜に設定される。第 2はんだ 13の含有率が、 5体積％未満では、十分な凝固膨張の効果が得られず、 50体積％を越えると、複合はんだ相の延性が低下し、十分な機械的性質を確保することができない場合があるためである。

[0028] また、第 2はんだ 13には、第 1はんだ 12の融点よりも低い融点の金属または合金が用いられ、その条件に適合するように、第 1はんだ 12および第 2はんだ 13に用いる金属元素、合金の種類、合金の組成などの選定や組み合わせが適宜行われる。これによって、第 1部材 10と第 2部材 11の熱膨張係数の差によるはんだ部材内の内部応力の緩和効果を最大限に発揮することができる。

[0029] 第 2はんだ 13の表面に形成される反応防止膜 15は、第 1はんだ 12を構成する材料の融点より高い融点を有する金属、セラミックス、または樹脂から形成される。

[0030] 金属によって反応防止膜 15が形成される場合、金属として、例えば、 Cu、 Ni、 Cr、 Al、 Zn、 Au、 Ag、 Cu合金、 Ni合金、 Cr合金、 Al合金、 Zn合金、 Au合金および Ag 合金のいずれか少なくとも一種から適宜に選定される。金属による反応防止膜 15は、第 2はんだ 13の表面に、電解メツキ法、無電解メツキ法などによって形成される。

[0031] セラミックスによって反応防止膜 15が形成される場合、セラミックスとして、例えば、これらに限るものではなレ、が、 Al O 、 SiO、 A1N、 SiN、 SiC、 TiC、 TiOなどのい

2 3 2 2 ずれか少なくとも一種から適宜に選定される。セラミックスによる反応防止膜 15は、例えば、ゾル ·ゲル法などで形成され、この形成方法は極めて容易で経済的である。

[0032] 樹脂によって反応防止膜 15が形成される場合、樹脂として、例えば、熱可塑性樹脂などが用いられ、反応防止膜 15は、溶融樹脂のコーティング法やバインダを介して微粒子を付着させる方法などによって形成される。

[0033] 反応防止膜 15の厚さは、 10nm 10 μ mの範囲ではんだ部材の要求特性に応じて適宜に設定されるものである。反応防止膜 15の厚さは、 10nm以上であれば第 1 はんだ 12と第 2はんだ 13との反応防止効果を発揮し、 10 z mを越えると反応防止膜 15の形成時間が長くなり不経済である。反応防止膜 15の厚さのより好ましい範囲は、 0. 1 μ m— 5 μ mである。

[0034] なお、はんだ接合温度や保持時間などのはんだ接合条件を制御し、拡散または合金反応を抑制して、第 1はんだ 12と第 2はんだ 13におけるそれぞれの機械的性質や物理的性質などを維持できる場合には、反応防止膜 15は設けなくてもよい。例えば、第 1はんだ 12として、 Sn— 0. 7重量％Cu— 3. 5重量％八_§ (固相線： 217°C、液相線： 219°C)、第 2はんだ 13として、 Sn— 57重量％Bi (溶融温度： 139°C)を選定し、はんだ接合温度を第 1はんだ 12の液相線温度より 10— 20°C程度高レ、温度で、第 1 はんだ 12が完全に溶融するのに必要な最短保持時間、例えば、十秒間加熱する。このはんだ接合条件によって、はんだ接合すると、第 1はんだ 12と第 2はんだ 13の境界層に厚さ数 μ mの合金反応層が形成されるが、第 1はんだ 12と第 2はんだ 13が完全に合金化することがなぐ第 1はんだ 12と第 2はんだ 13の固有な物理的性質や機械的性質を維持することができる。

[0035] ここで、図 1B、図 3Bおよび図 4Bに示すように、第 1部材 10が第 2部材 11の熱膨張係数より大きい場合、第 2はんだ 13を第 1はんだ 12中の第 1部材 10側に偏在させることにより、凝固時における第 1部材 10の歪みを最大限に緩和する効果を得ることができる。

[0036] 図 1B、図 3Bおよび図 4Bに示されたはんだ部材は、例えば、次のようにして製造される。

[0037] まず、第 2はんだ 13の反応防止膜 15を形成する材料が選択され、選択された材料が金属の場合には電解メツキ法、無電解メツキ法などにより、また選択された材料がセラミックスの場合にはゾル 'ゲル法などにより、さらに選択された材料が樹脂の場合にはコーティング法などにより、それぞれ第 2はんだ 13の表面に反応防止膜 15が形成される。

[0038] このようにして得られた反応防止膜 15が被覆された所定量の第 2はんだ 13を第 1 部材 10の表面に均一に配置する。続いて、第 2はんだ 13の上に、所定量の第 1はんだ 12を均一に配置する。そして、第 1はんだ 12の上に第 2部材 11を設置し、図 1A、図 3Aおよび図 4Aに示すような積層部材を得る。続いて、その積層部材を大気中または不活性ガス雰囲気中において、第 1はんだ 12の液相線温度以上の温度に加熱する。加熱されることによって溶融した第 1はんだ 12は、第 2はんだ 13間の空隙部に含侵される。冷却工程において、第 1はんだ 12の融点を通過する際、第 1はんだ 12 は、第 1はんだ 12より融点が低ぐまだ溶融している状態の第 2はんだ 13を取り囲みながら凝固する。さらに冷却すると、第 2はんだ 13の融点を通過する際、第 2はんだ 1 3が凝固する。第 2はんだ 13が凝固する際、体積膨張して、第 1部材 10と第 2部材 11 の熱膨張係数の差によるはんだ相内の歪み緩和効果を発揮し、図 1B、図 3Bおよび図 4Bに示すような熱膨張係数の差による変形が生じないはんだ部材を得る。なお、図 5A、図 5Bおよび図 5Cに示すような、予め第 1はんだ 12に第 2はんだ 13を偏在して構成されたはんだ部材を使用してもよい。

[0039] ここで、図 1Aに示すように、第 1はんだ 12は板形状に、第 2はんだ 13は、球状または不定形状の粒子形状に形成される。また、図 3Aに示すように、第 1はんだ 12は、第 2はんだ 13と同様に、球状または不定形状の粒子形状に形成されてもよい。さらに、図 4Aに示すように、第 1はんだ 12は板形状に、第 2はんだ 13は、貫通孔を有する板形状に形成されてもよい。なお、第 1はんだ 12および第 2はんだ 13の形状は、図 1 A、図 3Aおよび図 4A示された形状および組み合わせに限るものではなぐ溶融した第 1はんだ 12が第 2はんだ 13間の空隙部に含侵する構成ならばよレ、。

[0040] 第 1の実施の形態におけるはんだ部材、はんだ材料およびはんだ付け方法にぉレヽて、図 2に示すように、第 1部材 10と第 2部材 11の熱膨張係数の差によるはんだ部材 14内の内部応力の発生が抑制され、その結果、第 1部材 10と第 2部材 11の変形を減少させることができる。特に、熱膨張係数の大きな部材側に第 2部材 11を偏在させることで、第 1部材 10と第 2部材 11の熱膨張係数の差によるはんだ部材 14内の内部応力の発生を効果的に抑制することができる。

[0041] また、第 2はんだ 13が反応防止膜 15で覆われているため、第 1はんだ 12と第 2はんだ 13との間において拡散または合金反応を伴わないので、第 1はんだ 12と第 2はんだ 13が合金化することがなレ、。これによつて、第 1はんだ 12の機械的性質や第 2はんだ 13の凝固膨張性質などのそれぞれの固有な特性を維持し、はんだ部材 14の性能を最大限に発揮することができる。

[0042] 次に、第 1の実施の形態における具体的な実施例について説明する。

[0043] (実施例 1)

平均粒径が約 20 111の3₁1—57重量％81粉末の表面に、ゾル.ゲル法によって、厚さ約 50nmの A1〇皮膜を形成し、第 2はんだを製作した。続いて、この第 2はんだと

2 3

平均粒径が約 20 μ ΐηの Sn— 0. 7重量％Cu粉末からなる第 1はんだとを、第 2はんだの含有量が 15体積％となるように混合し、複合はんだ材料を製作した。なお、複合はんだには、接合材の表面の酸化皮膜の除去およびスクリーン印刷、塗布などを容易するため、適量のフラックスと樹脂バインダーを添カ卩し、クリーム状の複合はんだを調製した。

[0044] 続いて、厚さ 3mm、幅 100mm、長さ 200mmの無酸素 Cuベースの第 1部材の表面に、複合はんだを厚さ約 100 z mでスクリーン印刷した。そして、スクリーン印刷された複合はんだの上に、両面が厚さ 100 z mの純 Cuでラインユングされた厚さ 0. 3 mm、幅 80mm、長さ 180mmの SiN基板の第 2部材を設置し、積層接合部材を構成した。続いて、この積層接合部材を、 Nガス雰囲気中において、 250°Cの温度で 3分

2

間加熱し、はんだ付けを行った。

[0045] はんだ付けした第 1部材と第 2部材のはんだ付け部におけるはんだ相のせん断強度を測定評価した結果、せん断強度は 30MPaであった。また、第 1部材の Cuベースの変形量は 75 μ mであった。

[0046] ここで、 Cuベースの変形量について、図 6Aおよび図 6Bを参照して説明する。

[0047] 図 6Aおよび図 6Bは、第 1部材 10を構成する厚さ 3mm、幅 100mm、長さ 200mm の Cuベースの幅の中心で長手方向における断面を示したものである。図 6Aは、変形前の第 1部材 10の断面を示し、図 6Bは、変形後の第 1部材 10の断面を示している。

[0048] Cuベースの変形量は、第 1部材 10の長手方向に垂直な方向における基準面 20と基準面 20に接していた第 1部材 10の接触面 21との最大変形距離 Lを示すものである。

[0049] (実施例 2)

平均粒径が約 20 x mの Sn— 57重量％81粉末の表面に、ゾル.ゲル法によって、厚さ約 50nmの A1〇皮膜を形成し、第 2はんだを製作した。続いて、厚さ 100 /i m、幅

2 3

80mm,長さ 180mmの Sn— 0. 7重量％Cuシートからなる第 1はんだの一方の面に、第 2はんだを、第 2はんだの含有量が 15体積％となるように設置し、プレス成形して複合はんだシートを製作した。

[0050] 続いて、厚さ 3mm、幅 100mm、長さ 200mmの無酸素 Cuベースの第 1部材の表面に適量のフラックスを滴下し、複合はんだシートの第 2はんだの層の面が第 1部材と接するように、第 1部材の表面に複合はんだシートを設置した。そして、複合はんだシートの上に、両面が厚さ 100 /i mの純 Cuでラインニングされた厚さ 0· 3mm、幅 80 mm、長さ 180mmの SiN基板の第 2部材を設置し、積層接合部材を構成した。続いて、この積層接合部材を、 Nガス雰囲気中において、 250°Cの温度で 3分間加熱し

2

、はんだ付けを行った。

[0051] はんだ付けした第 1部材と第 2部材のはんだ付け部におけるはんだ相のせん断強度を測定評価した結果、せん断強度は 32MPaであった。また、第 1部材の Cuベースの変形量は 80 μ mであった。

[0052] (実施例 3)

平均粒径が約 20 μ mの Sn— 10重量％31)粉末の表面に、ゾル.ゲル法によって、厚さ約 50nmの Si〇皮膜を形成し、第 2はんだを製作した。続いて、この第 2はんだ

2

と平均粒径が約 20 μ mの Sn— 2重量％〇11一 0. 2重量％八_§粉末からなる第 1はんだとを、第 2はんだの含有量が 25体積％となるように混合し、複合はんだ材料を製作した。なお、複合はんだには、接合材の表面の酸化皮膜の除去およびスクリーン印刷、塗布などを容易するため、適量のフラックスと樹脂バインダーを添カ卩し、クリーム状の複合はんだを調製した。

[0053] 続いて、厚さ 3mm、幅 100mm、長さ 200mmの無酸素 Cuベースの第 1部材の表面に、複合はんだを厚さ約 100 z mでスクリーン印刷した。そして、スクリーン印刷された複合はんだの上に、両面が厚さ 100 z mの純 Cuでラインユングされた厚さ 0. 3 mm、幅 80mm、長さ 180mmの SiN基板の第 2部材を設置し、積層接合部材を構成した。続いて、この積層接合部材を、 Nガス雰囲気中において、 300°Cの温度で 3分

2

間加熱し、はんだ付けを行った。

[0054] はんだ付けした第 1部材と第 2部材のはんだ付け部におけるはんだ相のせん断強度を測定評価した結果、せん断強度は 50MPaであった。また、第 1部材の Cuベースの変形量は 125 /i mであった。

[0055] (比較例 1)

実施例 2で用いた Sn— 0. 7重量％〇11の複合はんだシートを用い、実施例 2と全く同一の条件で、第 1部材と第 2部材とのはんだ付けを行った。

[0056] はんだ付けした第 1部材と第 2部材のはんだ付け部におけるはんだ相のせん断強度を測定評価した結果、せん断強度は 35MPaであり、実施例 2のせん断強度とほぼ同じ値を示した。一方、第 1部材の Cuベースの変形量は 500 / mであり、実施例 2の変形量と比較して 6倍以上である。

[0057] この結果と実施例 2の結果から、 Sn— 57重量％Biからなる第 2はんだを含有することで、第 2はんだの凝固膨張効果を得ることができ、第 1部材の Cuベースの変形を抑制できることがわかる。

[0058] (比較例 2)

厚さ 100 μ πι、幅 80mm、長さ 180mmの Sn_0. 7重量⁰ /₀Cuシートからなる第 1はんだの一方の面に、 Al O皮膜を形成しなレ、 Sn— 57重量％81粉末からなる第 2はん

2 3 だを、第 2はんだの含有量が 15体積％となるように設置し、プレス成形して複合はんだシートを製作した。続いて、実施例 2と全く同一の条件で第 1部材と第 2部材とのはんだ付けを行った。

[0059] はんだ付けした第 1部材と第 2部材のはんだ付け部におけるはんだ相のせん断強度を測定評価した結果、せん断強度は 25MPaであり、実施例 2のせん断強度と比較して低くかった。また、第 1部材の Cuベースの変形量は 350 x mであり、実施例 2の変形量と比較して 4倍以上である。

[0060] この結果と実施例 2の結果から、第 2はんだの Sn— 57重量％81粉末の表面に境界層を形成し、第 1はんだと第 2はんだとの合金化を防止することで、第 1はんだの機械的性質および第 2はんだの凝固膨張性質を維持できることがわかる。

[0061] ここで、上記した実施例および比較例の測定結果を表 1にまとめて示す。

[表 1]

[0062] (第 2の実施の形態）

図 7には、第 2の実施の形態のはんだ材料の一例を示す。

[0063] はんだ材料 100は、母相を構成する Snまたは Sn合金からなる第 1はんだ粉末 101 、第 2相を構成する Bi合金または Sb合金からなる第 2はんだ粉末 102を含有している。この第 2はんだ粉末 102の表面は、反応制御境界膜 103で覆われている。また、図 7に示したはんだ材料 100は、第 1はんだ粉末 101と第 2はんだ粉末 102とを均一に混合した混合物に、フラックスおよびバインダが混在されたペースト状のはんだ材料である。

[0064] このはんだ材料を用いたはんだ付け後の断面は、図 8に示すように、第 1はんだ粉末 101が融解し、凝固して形成された母相 104と、第 2はんだ粉末 102が融解し、凝固して形成された第 2相 105とにより構成される。

[0065] 第 1はんだ粉末 101は、 Snまたは Sn合金で構成され、 Sn合金の場合、合金中の S nの含有率は、合金に求められる機械的特性、融点などによって、適宜に設定される。また、第 1はんだ粉末 101の平均粒径は、 1一 100 x mの範囲が好ましレ、。第 1はんだ粉末 101の平均粒径が l x m未満では、取扱いが難しくさらにコストが高くなる。一方、第 1はんだ粉末 101の平均粒径が l OO x mを越えると、第 2はんだ粉末 102を均一に分散させることが難しく母相 104の熱収縮を緩和する効果を十分に発揮できないことがある。また、第 1はんだを粉末にすることによって、第 2はんだ粉末 102との混合比などを容易に調製することができる。

[0066] 第 2はんだ粉末 102は、第 1の実施の形態で示した、凝固時に膨張する性質を有する Bほたは Sbを含有する Sn合金などで構成される。また、第 2はんだ粉末 102は、 Bほたは Sb単体で構成されてもよレ、。ここで、第 2はんだ粉末 12に Biを含有する Sn 合金を用いる場合、 Sn合金中の Biの含有率は、 50重量％以上であれば良ぐ 58重量％以上がより好ましい。 Biの含有率が 50重量％未満では、 Bi合金の凝固膨張が小さいため母相 14の熱収縮を緩和する効果が小さぐ 48重量％未満では、その効果がほとんど得られない。また、第 2はんだ粉末 12に Sbを含有する Sn合金を用いる場合、 Sn合金中の Sbの含有率は、 6重量％以上であれば良ぐ 22重量％以上がより好ましい。 Sbの含有率が 6重量％未満では、 Sb合金の凝固膨張が小さいため母相 14の熱収縮を緩和する効果が小さい。なお、第 2はんだ粉末 102は、 Bi、 Sbを組み合わせて構成されてもよい。また、第 2はんだ粉末 12に Biを含有する Sn合金を用いる場合、 Sn合金中に Sbを含有してもよい。さらに、第 2はんだ粉末 12に Sbを含有する Sn合金を用レヽる場合、 Sn合金中に Biを含有してもよレヽ。

[0067] また、第 2はんだ粉末 102の平均粒径は、 1— 100 μ mの範囲が好ましレ、。第 2はんだ粉末 102の平均粒径が l x m未満では、取扱いが難しくさらにコストが高くなり、 Ι ΟΟ μ mを越えると、母相 104内に均一に分散させることが難しく母相 104の熱収縮を緩和する効果を十分に発揮できないことがある。

[0068] さらに、フラックス、バインダを含むはんだ材料中の第 2はんだ粉末 102の含有率は、熱膨張係数に基づいて算出したはんだ接合する要素部品の熱収縮量、はんだを供給する要素部品の凹部ゃ孔部の大きさやはんだ母材の合金の性質から算出したはんだ材料の凝固収縮量によって適宜に設定される。

[0069] また、はんだ材料における第 2はんだ粉末 102の含有率は、 5— 50体積％の範囲が好ましい。第 2はんだ粉末 102の含有率力 5体積％未満では母相 104の熱収縮を緩和する効果が小さぐ 50体積％越えても適用できるが、さらなる効果の向上を望めない。

[0070] また、第 2はんだ粉末 102は、第 1はんだ粉末 101の融点よりも低い融点の金属または合金で構成されている。また、第 2はんだ粉末 102の金属の種類、組成などは、第 1はんだ粉末 101に対応して、第 1はんだ粉末 101よりも低レ、融点になるように適宜に選定される。これによつて、母相 104の凝固収縮に対する緩和効果を最大限に発揮させることができる。

[0071] 第 2はんだ粉末 102の表面に形成される反応制御境界膜 103は、第 2はんだ粉末 12を構成する材料の融点より高い融点を有する金属で形成される。この反応制御境界膜 103は、第 1の実施の形態で示した反応防止膜 15と同じ材料で形成される。なお、第 1の実施の形態で述べたように、はんだ接合温度や保持時間などのはんだ接合条件を制御し、拡散または合金反応を抑制して、第 1はんだ粉末 101と第 2はんだ粉末 102の機械的性質や物理的性質などを維持できる場合には、反応制御境界膜 103は設けなくてもよい。

[0072] 反応制御境界膜 103は、第 2はんだ粉末 102の表面に、無電解メツキ法などによつて形成される。また、反応制御境界膜 103は、ゾル ·ゲル法によって形成されてもよい。ゾル'ゲル法では、例えば、金属アルコキシドを原料としたアルミナゾルに第 2はんだ粉末 102を浸漬させ、続いて乾燥させることで金属皮膜を第 2はんだ粉末 102の表面に形成することができる。反応制御境界膜 103の形成方法はこれらに限られるものではないが、これらの無電解メツキ法ゃゾル ·ゲル法を用いることによって、経済的に反応制御境界膜 103を形成することができる。

[0073] 反応制御境界膜 103の厚さは、 10nm 10 x mの範囲ではんだ材料の要求特性に応じて適宜に設定されるものである。反応制御境界膜 103の厚さは、 10nm以上であれば母相 104と第 2相 105との拡散または合金反応を防止することができ、 10 x m を越えると反応制御境界膜 103の形成時間が長くなり不経済的である。

[0074] 第 1はんだ粉末 101と第 2はんだ粉末 102との混合物に混入されるフラックスは、はんだ材料とはんだ材料で接合される部材との間の酸化皮膜を除去し、加熱中に再び酸化するのを防止するものである。このフラックスとして、一般的に用いられているアミンハロゲン塩または有機酸などの活性化剤が用いられる。フラックス、バインダを含むはんだ材料中のフラックスの含有率は、 5— 10重量％の範囲で適宜に設定することができる。フラックスの含有率が 5重量％未満では、はんだ材料とはんだ材料で接合される部材との間の酸化皮膜を除去し、加熱中に再び酸化するのを防止する効果が小さく、 10重量％を超える範囲では、その効果の向上を望めない。

[0075] 第 1はんだ粉末 101と第 2はんだ粉末 102と混合されるバインダは、高分子材料とアルコールとから構成される。フラックス、バインダを含むはんだ材料中のバインダの含有率は、 5 20重量％の範囲で適宜に設定することができる。バインダの含有率力 ¾重量％未満では、要素部品の表面に塗布または印刷されたはんだ材料の付着状態が不十分となり、 20重量％を超える範囲では、バインダがはんだ部材から流出し、作業効率が低下することなどがある。

[0076] このはんだ材料によれば、凝固時に膨張する性質を有する第 2はんだ粉末 102を第 1はんだ粉末 101に含有させることで、第 1はんだ粉末 101が融解した母相 104の凝固時における熱収縮を、第 2はんだ粉末 102が融解した第 2相 105の凝固時における膨張によって緩和することができる。これによつて、はんだ部材内の内部応力の発生が抑制され、ボイド欠陥の発生を防止することができる。また、第 2相 105が反応制御境界膜 103で覆われているため、母相 104と第 2相 105との間において拡散または合金反応を伴わないので、母相 104と第 2相 105それぞれのぬれ性などの物理的特性を維持することができる。

[0077] このはんだ材料の製造方法によれば、ペースト状のはんだ材料を製造することができ、製造されたはんだ材料は、固体のはんだ材料を配置し難い接合部の接合や複雑な形状の部材同士の接合などに用いるのに適している。また、このはんだ材料を、複雑な形状の接合部でも的確に注入することができるので、はんだ付けの信頼性を向上させることができる。 [0078] 次に、はんだ材料 100の製造方法の一例を示す。

[0079] まず、第 2はんだ粉末 102の反応制御境界膜 103を形成する材料を選択し、第 2はんだ粉末 102の表面に、無電解メツキ法などによって、反応制御境界膜 103を形成する。

[0080] 反応制御境界膜 103が被覆された所定量の第 2はんだ粉末 102と所定量の第 1はんだ粉末 101とを均一に混合し、混合物を構成する。続いて、その混合物に所定量のフラックスおよびバインダを混入し、均一に攪拌して、はんだ材料 100を得る。

[0081] このはんだ材料の製造方法によれば、フィルム状またはワイヤ状のはんだ材料を製造すること力 Sできる。この製造方法を用いることで、用途に応じて最適な形態のはんだ材料を提供することができる。

[0082] 図 9には、上述した方法により得られたはんだ材料 100を、平板で構成された第 1 要素部材 111と接合面に凹部を有する平板で構成された第 2要素部材 112との間に配置した状態の接合部材 110が示されている。この接合部材 110を、例えば、大気中または不活性ガス雰囲気中において、第 1はんだ粉末 101の融点以上の温度に加熱する。カロ熱されることによつて融解した第 1はんだ粉末 101および第 2はんだ粉末 102は、冷却工程を経て、図 10に示すような断面形状のはんだ接合部 120になる。なお、図 10に示したはんだ接合部 120の断面形状は、図 9の Aで示す領域を詳細に示したものである。

[0083] 図 10に示すように、第 2はんだ粉末 102が融解し凝固した第 2相 105は、第 1はんだ粉末 101が融解し凝固した母相 104中にほぼ均一に分散している。また、第 2相 1 05の表面は、反応制御境界膜 103によって覆われている。はんだ材料 100を用いた接合では、母相 104が凝固およびその後の冷却過程において熱収縮する際に、第 2 相 105が凝固膨張し、はんだ接合部 120における内部応力の発生が抑制される。これによって、図 11に示すような従来のはんだ接合部 121に発生してレ、た引け巣 122 の発生を防止することができる。また、母相 104では、母相 104を構成する第 1はんだ粉末 101のぬれ性などの物理的特性が維持されるので、第 1要素部材 111および第 2要素部材 112の接合面と母相 104との接合を最適に行うことができる。さらに、はんだ接合部においては、母相 104を構成する第 1はんだ粉末 101の機械的特性をほぼ維持すること力 Sできる。

[0084] このはんだ付け方法によれば、凝固時に膨張する性質を有する第 2はんだ粉末 10 2を第 1はんだ粉末 101に含有させることで、第 1はんだ粉末 101が融解した母相 10 4の凝固時における熱収縮を、第 2はんだ粉末 102が融解した第 2相 105の凝固時における膨張によって緩和することができる。これによつて、はんだ部材内の内部応力の発生が抑制され、ボイド欠陥の発生を防止することができる。また、第 2相 105が反応制御境界膜で覆われてレ、るため、母相 104と第 2相 105との間におレ、て拡散または合金反応を伴わないので、母相 104と第 2相 105それぞれのぬれ性などの物理的特性を維持することができる。これによつて、第 1要素部材 111および第 2要素部材 112の接合面とはんだ材料との接合を最適に行うことができる。

[0085] 次に、はんだ材料 100を用いて 2つの部材を接合する他の例を図 12に示す。

[0086] 図 12には、上述した方法により得られたはんだ材料 100を、凹部を有する平板で構成された第 1要素部材 131の凹部に注入し、その凹部の溝の深さ方向に棒状の第 2要素部材 132を挿入した状態の接合部材 130を示したものである。この接合部材 1 30を、例えば、大気中または不活性ガス雰囲気中において、第 1はんだ粉末 101の融点以上の温度に加熱する。加熱されることによって融解した第 1はんだ粉末 101および第 2はんだ粉末 102は、冷却工程を経て、図 13に示すような断面形状のはんだ接合部 140になる。

[0087] 図 13に示すように、第 2はんだ粉末 102が融解し凝固した第 2相 105は、第 1はんだ粉末 101が融解し凝固した母相 104中にほぼ均一に分散している。また、第 2相 1 05の表面は、反応制御境界膜 103によって覆われている。はんだ材料 100を用いた接合では、母相 104が凝固およびその後の冷却過程において熱収縮する際に、第 2 相 105が凝固膨張し、はんだ接合部 140における内部応力の発生が抑制される。また、はんだ接合部 140を構成する母相 104は、母相 104を構成する第 1はんだ粉末 101のぬれ性などの物理的特性を維持しているため、第 1要素部材 131の凹部の表面と母相 104との接合が最適に行われる。これによつて、図 14に示すような従来のはんだ接合部 150に発生していた第 1要素部材 131の凹部の表面との剥離部 151などの発生を防止することができる。 [0088] 第 2の実施の形態におけるはんだ材料、はんだ材料の製造方法およびはんだ付け方法において、母相 104に、凝固時に膨張する性質を有する第 2相 105を含有させることによって、母相 104が凝固およびその後の冷却過程において熱収縮する際、第 2相 105は凝固温度まで冷却されると凝固膨張する。これによつて、母相 104の凝固収縮を緩和することができ、はんだ部材内の内部応力の発生が抑制され、その結果、引け巣 122や剥離部 151などのボイド欠陥の発生を防止することができる。

[0089] また、第 2相 105が反応制御境界膜 103で覆われているため、母相 104と第 2相 10 5との間におレ、て拡散または合金反応を伴わなレ、ので、母相 104と第 2相 105とが溶解して、例えば共晶合金化することはなレ、。そのため、母相 104では母相 104を構成する第 1はんだ粉末 101の物理的特性が維持され、第 2相 105では第 2相 105を構成する第 2はんだ粉末 102の物理的特性が維持される。さらに、はんだ接合部においては、母相 104を構成する第 1はんだ粉末 101の機械的特性をほぼ維持することができる。また、第 1要素部材 1 1 1および第 2要素部材 1 12の接合面とはんだ材料との接合を最適に行うことができる。

[0090] また、はんだ材料をペースト状にしたことで、固体のはんだ材料を配置し難い接合部の接合や複雑な形状の部材同士の接合などにもこのはんだ材料を容易に用いること力 Sできる。また、このはんだ材料を、複雑な形状の接合部でも的確に注入することができるので、はんだ付けの信頼性を向上させることができる。

[0091] 上述したはんだ材料 100では、第 1はんだ粉末 101、第 2はんだ粉末 102、フラックスおよびバインダを混合したペースト状の構成を示した力 S、この構成に限るものではなぐはんだ材料は、例えば、図 15に示すようなフィルム状の構成および図 16示すようなワイヤ状の構成にしてもよい。

[0092] 図 15または図 16に示すはんだ材料 160、 170は、例えば、次のようにして製造される。

[0093] まず、第 2はんだ粉末 102の反応制御境界膜 103を形成する材料を選択し、第 2はんだ粉末 102の表面に、無電解メツキ法などによって、反応制御境界膜 103を形成する。

[0094] 反応制御境界膜 103が被覆された所定量の第 2はんだ粉末 102と所定量の第 1はんだ粉末 101とを、例えば、攪拌などによって均一に混合し、混合物を構成する。続いて、この混合物を金型に充填し、加圧および加熱して第 1はんだ粉末 101と第 2はんだ粉末 102とを一体に融着させて複合材料を得る。

[0095] 次に、図 15に示すようなフィルム状のはんだ材料 160を形成する場合には、第 1はんだ粉末 101と第 2はんだ粉末 102とが一体化された複合材料を、例えば、圧延加ェしてフィルム状のはんだ材料を形成する。

[0096] また、図 16に示すようなワイヤ状のはんだ材料 170を形成する場合には、第 1はんだ粉末 101と第 2はんだ粉末 102とが一体化された複合材料を、例えば、引抜き加ェしてワイヤ状のはんだ材料を形成する。また、図 16に示すように、ワイヤ状のはんだ材料 170の中心軸に沿つてフラックス 171を混入させることもできる。

[0097] このように、はんだ材料は、ペースト状の構成に限らず、フィルム状やワイヤ状などの固体の構成も採ることができ、はんだ材料を使用する用途に応じて最適な形態のはんだ材料を用いることができる。

[0098] 次に、第 2の実施の形態における具体的な実施例について説明する。なお、以下に示す具体的な実施例では、図 12に示すような、凹部を有する平板で構成された第 1要素部材 131とこの凹部の溝の深さ方向に棒状の第 2要素部材 132を挿入した状態で接合される場合について示す。

[0099] (実施例 4)

平均粒径が約 20 μ mの Sn— 57重量％81粉末の表面に、厚さ約 3 μ mの無電解 Ni めっき皮膜を形成し、第 2はんだを製作した。続いて、この第 2はんだと平均粒径が約 20 /i m( Sn-0. 7重量％Cu粉末からなる第 1はんだとを、第 2はんだの含有量が 15 体積％となるように混合し、複合はんだ材料を製作した。そして、第 1部材と第 2部材の表面の酸化皮膜の除去と塗布、スクリーン印刷などのはんだ層の形成を容易にするため、複合はんだに適量のフラックスと増粘剤を添加し、クリーム状の複合はんだを調製した。

[0100] 続いて、無酸素 Cuベースからなる第 1部材の表面に形成された直径 5mm、深さ 1 Ommの凹部に、複合はんだを充填した。複合はんだが充填された凹部に、無酸素 C uベースからなる外径 3mmの棒状の第 2部材を約 7mmの深さまで揷入した。そして、第 1部材の凹部に第 2部材が挿入された状態で、 Nガス雰囲気中において、 260

2

°Cの温度で 3分間加熱し、はんだ付けを行った。

[0101] はんだ付けされた第 1部材と第 2部材とをそれぞれインストロン引張試験機のチヤックに固定し、 0. ImmZsの引張速度ではんだ強度を測定評価した結果、はんだ強度は 45MPaであった。また、はんだ層の内部ボイド欠陥を超音波探傷試験装置を用いて検査した結果、不純物やその他に起因する偶発的なボイド欠陥が体積率換算で 1 %以下であり、凝固収縮によるボイド欠陥が全く検出されなかった。

[0102] (実施例 5)

平均粒径が約 20 x mの Sn— 57重量％81粉末の表面に、ゾル.ゲル法によって、厚さ約 0. 1 μ m(7)Al O皮膜を形成し、第 2はんだを製作した。続いて、この第 2はんだ

2 3

と平均粒径力約 20 x mの Sn— 0. 7重量％Cu粉末からなる第 1はんだとを、第 2はんだの含有量が 15体積％となるように混合し、複合はんだ材料を製作した。そして、第 1部材と第 2部材の表面の酸化皮膜の除去と塗布、スクリーン印刷などのはんだ層の形成を容易にするため、複合はんだに適量のフラックスと増粘剤を添加し、クリーム状の複合はんだを調製した。

[0103] 続いて、無酸素 Cuベースからなる第 1部材の表面に形成された直径 5mm、深さ 1 Ommの凹部に、複合はんだを充填した。複合はんだが充填された凹部に、無酸素 C uベースからなる外径 3mmの棒状の第 2部材を約 7mmの深さまで挿入した。そして、第 1部材の凹部に第 2部材が挿入された状態で、 Nガス雰囲気中において、 260

2

°Cの温度で 3分間加熱し、はんだ付けを行った。

[0104] はんだ付けされた第 1部材と第 2部材とをそれぞれインストロン引張試験機のチヤックに固定し、 0. ImmZsの引張速度ではんだ強度を測定評価した結果、はんだ強度は 28MPaであった。また、はんだ層の内部ボイド欠陥を超音波探傷試験装置を用いて検査した結果、不純物やその他に起因する偶発的なボイド欠陥が体積率換算で 1 %以下であり、凝固収縮によるボイド欠陥が全く検出されなかった。

[0105] (実施例 6)

平均粒径が約 20 μ mの Sn— 22重量％31)粉末の表面に、ゾル.ゲル法によって、厚さ約 0. 1 z mの SiO皮膜を形成し、第 2はんだを製作した。続いて、この第 2はん

2 だと平均粒径が約 20 μ mの Sn— 2重量％Cu— 0. 2重量 %Ag粉末カゝらなる第 1はんだとを、第 2はんだの含有量が 25体積％となるように混合し、複合はんだ材料を製作した。そして、第 1部材と第 2部材の表面の酸化皮膜の除去と塗布、スクリーン印刷などのはんだ層の形成を容易にするため、複合はんだに適量のフラックスと増粘剤を添加し、クリーム状の複合はんだを調製した。

[0106] 続いて、無酸素 Cuベースからなる第 1部材の表面に形成された直径 5mm、深さ 1 Ommの凹部に、複合はんだを充填した。複合はんだが充填された凹部に、無酸素 C uベースからなる外径 3mmの棒状の第 2部材を約 7mmの深さまで揷入した。そして、第 1部材の凹部に第 2部材が揷入された状態で、 Nガス雰囲気中において、 350

2

°Cの温度で 3分間加熱し、はんだ付けを行った。

[0107] はんだ付けされた第 1部材と第 2部材とをそれぞれインストロン引張試験機のチヤックに固定し、 0. ImmZsの引張速度ではんだ強度を測定評価した結果、はんだ強度は 40MPaであった。また、はんだ層の内部ボイド欠陥を超音波探傷試験装置を用いて検査した結果、不純物やその他に起因する偶発的なボイド欠陥が体積率換算で 2%以下であり、凝固収縮によるボイド欠陥が全く検出されなかった。

[0108] (比較例 3)

平均粒径が約 20 μ ΐηの Sn— 3. 5重量％八§粉末、適量のフラックスおよび増粘剤を混合し、クリーム状の複合はんだを調製した。

[0109] 続いて、無酸素 Cuベースからなる第 1部材の表面に形成された直径 5mm、深さ 1 Ommの凹部に、複合はんだを充填した。複合はんだが充填された凹部に、無酸素 C uベースからなる外径 3mmの棒状の第 2部材を約 7mmの深さまで挿入した。そして、第 1部材の凹部に第 2部材が揷入された状態で、 Nガス雰囲気中において、 350

2

°Cの温度で 3分間加熱し、はんだ付けを行った。

[0110] はんだ付けされた第 1部材と第 2部材とをそれぞれインストロン引張試験機のチヤックに固定し、 0. ImmZsの引張速度ではんだ強度を測定評価した結果、はんだ強度は 20MPaであった。また、はんだ層の内部ボイド欠陥を超音波探傷試験装置を用いて検査した結果、最終凝固部となる第 1部材と第 2部材の中間の位置に引け巣が発生し、複数の粗大なボイド欠陥が検出された。検出されたボイド欠陥は、体積率換算で 12%に達していた。

[0111] この比較例 3におけるはんだ強度（20MPa)は、実施例 4におけるはんだ強度（45 MPa)の 1/2以下であることが明らかになった。また、この比較例 3におけるボイド欠陥 (体積率換算 12%)は、実施例 4におけるボイド欠陥（体積率換算 1%)の 12倍程度であることも明らかになった。

[0112] これらの結果から、表面に皮膜を有する Sn— 57重量 %Biからなる第 2はんだを第 1 はんだに含有することで、はんだ強度が高ぐボイド欠陥の発生する割合が非常に少ないはんだ材料が得らえることがわかった。また、ボイド欠陥は、第 1部材と第 2部材のはんだ強度を低下させる原因であることが明かになった。

[0113] (比較例 4)

平均粒径が約 20 μ mの Sn— 57重量％81粉末からなる第 2はんだと、平均粒径 20 z m(7)Sn-0. 7重量％Cu粉末からなる第 1はんだとを、第 2はんだの含有量が 15体積％となるように混合し、複合はんだ材料を製作した。そして、この複合はんだに適量のフラックスと増粘剤を添加し、クリーム状の複合はんだを調製した。

[0114] 続いて、無酸素 Cuベースからなる第 1部材の表面に形成された直径 5mm、深さ 1 Ommの凹部に、複合はんだを充填した。複合はんだが充填された凹部に、無酸素 C uベースからなる外径 3mmの棒状の第 2部材を約 7mmの深さまで挿入した。そして、第 1部材の凹部に第 2部材が挿入された状態で、 Nガス雰囲気中において、 260

2

°Cの温度で 3分間加熱し、はんだ付けを行った。

[0115] はんだ付けされた第 1部材と第 2部材とをそれぞれインストロン引張試験機のチヤックに固定し、 0. lmm/sの引張速度ではんだ強度を測定評価した結果、はんだ強度は 20MPaであった。また、はんだ層の内部ボイド欠陥を超音波探傷試験装置を用いて検査した結果、最終凝固部となる第 1部材と第 2部材の中間の位置に引け巣が発生し、複数の粗大なボイド欠陥が検出された。検出されたボイド欠陥は、体積率換算で 10%に達していた。

[0116] この比較例 4におけるはんだ強度（20MPa)は、実施例 5におけるはんだ強度（28 MPa)よりも 30%程度低いことが明らかになった。また、この比較例 4におけるボイド欠陥 (体積率換算 10%)は、実施例 4におけるボイド欠陥（体積率換算 1%)の 10倍程度であることも明らかになった。

[0117] これらの結果から、実施例 5に示すように、第 2はんだの表面に皮膜を有することで、はんだ強度が高ぐボイド欠陥の発生する割合が非常に少ないはんだ材料が得らえることがわかった。また、第 2はんだの表面に皮膜を有することで、第 1はんだと第 2 はんだの合金化反応が阻止され、第 2はんだの特徴である凝固膨張の性質が維持されて、その凝固膨張による効果を十分に発揮できることがわかった。さらに、ボイド欠陥は、第 1部材と第 2部材のはんだ強度を低下させる原因であることが明かになった

[0118] ここで、上記した実施例および比較例の測定結果を表 2にまとめて示す。

[表 2]

[0119] (第 3の実施の形態）

以下、第 3の実施の形態について、無鉛はんだの組成、無鉛はんだの形状、無鉛はんだのはんだ付け方法の順に説明する。

[0120] (無鉛はんだの組成）

第 3の実施の形態における無鉛はんだは、 Coを 0. 02-2. 0重量％含有する、 Sn または Pbを含まなレ、Sn基合金力、ら構成されてレ、る。

[0121] Snまたは Sn基合金に含有される Coの含有率は、求められた機械的性質や融点などによって、 0. 02-2. 0重量％の範囲で適宜に設定される。ここで、 Coの含有率が 0. 02重量％よりも小さい場合には、十分な機械的性質が確保できないことがあり、 2 . 0重量％よりも大きい場合には、融点が高くなり要素部品の許容される温度限界を越えることがある。また、 Snまたは Sn基合金に含有される Coの含有率のより好ましい範囲 ίま、 0. 05-1. 0重量⁰ /₀である。また、 Snに Coを 0· 02-2. 0重量⁰ /₀の範囲で含有した無鉛はんだの固相線が 229°C、液相線が 229°C— 500°Cになる。

[0122] ここで、 Sn基合金は、 Ag、 Al、 Au、 Bi、 Co、 Cr、 Cu、 Fe、 Ge、 In、 Mg、 Mn、 Pd 、 Si、 Sr、 Te、 Znのいずれか少なくとも 1種を含有し、残部が Snおよび不可避不純物からなり、融点が 117 350°Cの範囲である低融点の Sn合金で構成される。

[0123] 例えば、このような低融点の Sn基合金として、 111 : 52重量％、残部： Snおよび不可避不純物からなる Sn合金（融点 117°C)、 8 57重量％、残部： Snおよび不可避不純物からなる Sn合金（融点 139°C)、∑!1 : 9重量％、残部： Snおよび不可避不純物からなる Sn合金（融点 198°C)、 Cu : 4. 5重量％、残部： Snおよび不可避不純物からなる Sn合金（固相線 227°C、液相線 350°C)などが挙げられる。

[0124] このように、 Snまたは Sn基合金に、 Coを 0. 02-2. 0重量⁰ /₀含有することで、 Snまたは Sn基合金の表面張力を低下させ、ぬれ性を向上させることができる。さらに、被はんだ部材と、 Snまたは Sn基合金との反応を抑制し、接合界面における金属間化合物の成長を抑制することによって、溶融はんだの凝集を抑制し、ぬれ性を向上させること力 Sできる。

[0125] また、無鉛はんだは、 Coを 0. 02-2. 0重量％および Cuを 0. 02-7. 5重量％を含有し、残部が Snと不可避不純物で構成されてもょレ、。

[0126] 無鉛はんだに含有される Coおよび Cuは、求められた機械的性質や融点などによつて、上記含有率の範囲内で適宜に設定される。ここで、 Coの含有率が 0. 02重量 %よりも小さい場合には、十分な機械的性質が確保できないことがあり、 2. 0重量％よりも大きい場合には、融点が高くなり要素部品の許容される温度限界を越えること力 Sある。また、 Cuの含有率が 0. 02重量％よりも小さい場合には、十分な機械的性質が確保できないことがあり、 7. 5重量％よりも大きい場合には、融点が高くなり要素部品の許容される温度限界を越えることがある。また、 Snに含有される Coの含有率のより好ましい範囲は、 0. 1-0. 5重量％であり、 Cuの含有率のより好ましい範囲は、 0. 5—1. 0重量⁰ /₀である。また、 Snに、 Coを 0. 02-2. 0重量⁰ /₀および Cuを 0. 02 7 . 5重量％の範囲で含有した無鉛はんだの液相線が 229— 500°Cになるので、合金組成の組合わせによって適正な液相線を得ることができる。

[0127] このように、 Coを 0. 02—2. 0重量％含有する Snに、 Cuを 0. 02—7. 5重量％含有することによって、上記した Cuを含まない無鉛はんだの効果に加えて、さらにはんだ強度を向上させることができる。

[0128] さらに、無鉛はんだは、 Coを 0. 02-2. 0重量％含有する、 Snまたは Pbを含まなレ、 Sn基合金、または Coを 0. 02-2. 0重量％、 Cuを 0. 02-7. 5重量％を含有し、残部が Snと不可避不純物からなる第 1はんだと、 Snまたは Pbを含まない Sn基合金力なる第 2はんだとから構成されてもレ、。

[0129] ここで、第 1はんだは、上記した Coを 0. 02-2. 0重量％含有する、 Snまたは Pbを含まない Sn基合金力、らなる無鉛はんだ、または Coを 0. 02-2. 0重量％、 Cuを 0.

02-7. 5重量％を含有し、残部が Snと不可避不純物からなる無鉛はんだと同一である。第 2はんだは、 Snまたは Pbを含まない Sn基合金からなり、不可避不純物を含んだものでもよい。

[0130] また、第 1はんだおよび第 2はんだは、例えば、球状または不定形状の粉体、フィノレム状などに形成することができる。また、粉体形状を有する第 1はんだおよび第 2はんだのそれぞれを、例えば、フラックスやバインダと混合したペースト状にして使用することちできる。

[0131] また、第 1はんだと第 2はんだとを予め混合して、使用する場合には、その混合比は、求められた機械的性質や融点などによって適宜に設定することができる。例えば、第 1はんだに含有される Coの含有率を 0. 02-2. 0重量％の範囲で調整し、 Coを含有することによるぬれ性の向上、接合界面における金属間化合物の成長の抑制を維持するように、第 1はんだと第 2はんだとの混合比を設定する。また、第 1はんだと第 2はんだとを予め混合せずに、それぞれを積層して使用することもできる。

[0132] このように、 Snまたは Sn基合金に、 Coを 0. 02-2. 0重量⁰ /₀含有する第 1はんだと、 Snまたは Sn基合金からなる第 2はんだとで無鉛はんだを構成することで、 Snまたは Sn基合金の表面張力を低下させ、ぬれ性を向上させることができる。さらに、被はんだ部材と、 Snまたは Sn基合金との反応を抑制し、接合界面における金属間化合物の成長を抑制することによって、溶融はんだの凝集を抑制し、ぬれ性を向上させること力 Sできる。また、 Coを 0. 02—2. 0重量⁰ /₀含有する Snに、 Cuを 0. 02-7. 5重量％含有することによって、上記した Cuを含まない無鉛はんだの効果に加えて、さらにはんだ強度を向上させることができる。

[0133] (無鉛はんだの形状）

上記した組成を有する無鉛はんだの形状について図 17— 20を参照して説明する

[0134] 図 17には、フィルム状に形成された無鉛はんだの斜視図が示され、図 18には、ぺ一スト状に形成された無鉛はんだの断面図が示されている。また、図 19には、ワイヤ一状に形成された無鉛はんだの斜視図が示され、図 20には、ロッド状に形成された無鉛はんだの斜視図が示されている。

[0135] まず、図 17に示されたフィルム状に形成されたフィルム状無鉛はんだ 200について説明する。

[0136] このフィルム状無鉛はんだ 200は、板状の無鉛はんだを、例えば、圧延加工などによりフィルム状に圧延して形成される。このフィルム状無鉛はんだ 200の厚さは、 20 200 / mの範囲が好ましい。厚さ力 20 / mより小さい場合には十分な接合強度を得ることな難しぐ 200 / mより大きい場合には熱伝導性や電気伝導度等が低下する力である。なお、板状の無鉛はんだは、粉体形状を有する無鉛はんだを所定の形状の金型に詰めて、加圧および加熱して形成することもできる。また、粉末から直接圧延形成することもできる。

[0137] また、上記した Coを 0. 02-2. 0重量％含有する、 Snまたは Pbを含まない Sn基合金力構成される第 1はんだと、 Snまたは Sn基合金力構成される第 2はんだとをそれぞれを積層して、例えば、圧延加工などによりフィルム状に圧延して形成することで、一方の面側を第 1はんだで、他方の面側を第 2はんだで構成するフィルム状無鉛はんだ 200を形成することもできる。なお、第 1はんだには、上記した Coを 0. 02-2 . 0重量％および Cuを 0. 02-7. 5重量％を含有し、残部が Snと不可避不純物で構成された無はんだを用いてもよい。

[0138] このように第 1はんだと第 2はんだを積層してフィルム状無鉛はんだ 200を形成する場合には、積層される第 1はんだおよび第 2はんだは、フィルム状、粉体などの形状を採ることができる。ここで、第 1はんだおよび第 2はんだが、球状または不定形状の粉体で形成される場合、その粉体の平均粒径は、 25— 50 x mの範囲が好ましい。平均粒径が、 25 μ ΐηより小さい場合には歩留が悪ぐ不経済的であり、 50 / mより大きレ、場合にははんだ厚さをコントロールすることが難しレ、からである。

[0139] 続いて、図 18に示されたペースト状に形成されたペースト状無鉛はんだ 210について説明する。

[0140] このペースト状無鉛はんだ 210は、球状または不定形状の粉体形状を有する無鉛はんだ 220を、フラックス 221やバインダ 222と混合して形成される。

[0141] フラックス 221は、はんだと、このはんだで接合される部材との間の酸化皮膜を除去し、加熱中に再び酸化するのを防止するものである。このフラックス 221として、一般的に用いられているアミンハロゲン塩または有機酸などの活性化剤が用いられるが、これらに限られるものではなぐ一般的に使用されているものならば用いることができる。ペースト状無鉛はんだ 210中のフラックス 221の含有率は、 10 15重量⁰ /₀の範囲で適宜に設定することができる。フラックス 221の含有率が 10重量％より小さい場合には、はんだとこのはんだ材料で接合される部材との間の酸化皮膜を除去し、カロ熱中に再び酸化するのを防止する効果が小さぐ 15重量％より大きい場合には、その効果の向上を望めず、残渣が多くなるからである。

[0142] また、フラックス 221中の固形分の含有率は、 30— 60重量％の範囲で適宜に設定すること力 Sできる。固形分含有率が 30重量％より小さい場合には、要素部品の表面に塗布または印刷されたはんだ材料の付着状態が不十分となり、 60重量％より大きい場合には、残渣が多くなり、はんだ接合部にボイド欠陥が生じ易いからである。

[0143] 球状または不定形状の粉体形状を有する無鉛はんだ 220の平均粒径は、 25— 50

/i mの範囲が好ましい。平均粒径が、 25 /i mより小さい場合には歩留が悪く不経済的であり、 50 x mより大きい場合には、はんだの厚さをコントロールすることが難しレヽからである。

[0144] 続いて、図 19に示されたワイヤー状に形成されたワイヤー状無鉛はんだ 230について説明する。

[0145] このワイヤー状無鉛はんだ 230は、無鉛はんだからなる部材を、例えば、引抜き加ェして形成される。また、ワイヤー状無鉛はんだ 230は、粉体形状を有する無鉛はんだを所定の形状の金型に詰めて、加圧および加熱して形成することもできる。さらに、ワイヤー状無鉛はんだ 230は、溶融した無鉛はんだを所定の形状の金型に流し込み、その後冷却して形成することもできる。

[0146] 続いて、図 20に示されたロッド状に形成されたロッド状無鉛はんだ 240について説明する。

[0147] また、図 20に示されたロッド状に形成されたロッド状無鉛はんだ 240は、粉体形状を有する無鉛はんだを所定の形状の金型に詰めて、加圧および加熱して形成される。また、さらに、ロッド状無鉛はんだ 240は、溶融した無鉛はんだを所定の形状の金型に流し込み、その後冷却して形成することもできる。

[0148] このように、無鉛はんだは、フィルム状、ペースト状、ワイヤー状、ロッド状などの形状を採ることができ、無鉛はんだを使用する用途に応じて最適な形態の無鉛はんだを用いることができる。なお、無鉛はんだの形状は、上記した形状に限られるものではなぐ適宜に用途に応じて形状を変えて形成することができる。

[0149] ここで、無鉛はんだを球状または不定形状の粉体に形成する方法の一例を説明する。

[0150] まず、無鉛はんだを加熱し溶融し、この溶融した混合物を、例えば、 Nガス、 Heガ

2 ス、 Arガス、 N /Ar混合ガスなどの不活性ガスを用いたアトマイズ法などによって微

2

粒化し、固化する。このアトマイズ法は、溶融した混合物を不活性ガスとともにノズルから亜音速または超音速で噴射して、不活性ガスのジェット流によって溶融した混合物を微粒化するものである。そして、微粒化された無鉛はんだの粉体から、例えば、篩などを用いて所定の範囲の平均粒径を有する粉体が選別される。

[0151] 微粒化され固化された無鉛はんだの粉体は、ノズルから噴射される不活性ガスのジエツト流の速度が大きい方がより平均粒径の小さなものとなる。特に、ジェット流が、例えば、音速の 2 3倍程度の超音速状態に達すると、衝撃波による微粒化の効果が加わり、粉体の平均粒径をより小さくすることができる。また、不活性ガスをジェット流として用いるため、粉体の表面における酸化を抑制することができる。不活性ガスの代わりに空気や水を用いることもできるが、空気や水を用いた場合には、粉体の表面の酸化を抑制する効果が小さぐまた、特に水を用いた場合には粉体の形状が球状になり難いので、ジェット流には不活性ガスを用いるのが好ましい。 [0152] (無はんだのはんだ付け方法）

次に、無鉛はんだのはんだ付け方法について、図 21および 22を参照して説明する

[0153] 図 21には、無鉛はんだ 220によって接合された第 1要素部材 250および第 2要素部材 251の断面図が示されている。また、図 22には、 2種類の無鉛はんだ 252、 253 によって接合された第 1要素部材 250および第 2要素部材 251の断面図が示されている。

[0154] 図 21に示すはんだ付け方法では、無鉛はんだ 220を第 1要素部材 250と第 2要素部材 251との間に配置する。そして、これを、例えば、大気中または不活性ガス雰囲気中において、無鉛はんだ 220の融点以上の温度に加熱する。加熱されることによつて融解した無鉛はんだ 220は、冷却工程を経て、図 21に示すような断面形状のはんだ接合部になる。ここで使用される無鉛はんだ 220は、上述したフィルム状、ぺースト状、ワイヤー状、粉体状などの形状を有する無鉛はんだを使用することができる。

[0155] また、図 22に示すはんだ付け方法では、上述した Coを 0. 02-2. 0重量％含有する、 Snまたは Pbを含まない Sn基合金力構成される第 1はんだ 252、および Snまたは Sn基合金から構成される第 2はんだ 253を積層し、この積層したはんだを、第 1要素部材 250と第 2要素部材 251との間に配置する。そして、これを、例えば、大気中または不活性ガス雰囲気中において、無鉛はんだの融点以上の温度に加熱する。加熱されることによって融解した第 1はんだ 252および第 2はんだ 253は、冷却工程を経て、図 22に示すような断面形状のはんだ接合部になる。なお、第 1はんだ 252には、上記した Coを 0. 02-2. 0重量％および Cuを 0. 02-7. 5重量％を含有し、残部が Snと不可避不純物で構成された無鉛はんだを用いてもょレ、。

[0156] この結合部では、第 1要素部材 250には、第 1はんだ 252が接合し、第 2要素部材 251には、第 2はんだ 253が接合した構成が示されている力第 1はんだ 253および第 2はんだ 252が積層される順は、適宜に設定される。

[0157] この無鉛はんだは、使用用途を限定されるものではなレ、が、例えば、熱伝導性、ぬれ性、機械的強度などが要求される電子部品と基板の接合、電子部品どうしの接合などに用いることが好ましい。ここで、第 1要素部材 250は、例えば、電子部品の基板などで構成することができ、第 2要素部材 251は、例えば、チップ部品などの電子部材などで構成することができる。そして、これらの基板や電子部材を、第 1はんだ 252 および第 2はんだ 253や無鉛はんだ 220などで接合することができる。また、第 1はんだ 252および第 2はんだ 253や無鉛はんだ 220は、このようなダイボンド以外にも、ヮィャボンドなどにも使用することができる。

[0158] このように、第 1要素部材 250と第 2要素部材 251との接合に、 Coを 0. 02-2. 0重量％含有した第 1はんだ 252および第 2はんだ 253や無鉛はんだ 220を用いることで、 Snまたは Sn基合金の表面張力を低下させ、ぬれ性を向上させることができる。さらに、第 1要素部材 250および第 2要素部材 251と、 Snまたは Sn基合金との反応を抑制し、接合界面における金属間化合物の成長を抑制することによって、溶融はんだの凝集を抑制し、ぬれ性を向上させることができる。これによつて、ボイド欠陥の発生が抑制され、熱伝導性、機械的強度などに優れたはんだ接合部を得ることができる。

[0159] 次に、第 3の実施の形態における具体的な実施例について説明する。

[0160] (実施例 7)

Sn-0. 7重量％01— 0. 2重量％〇0からなる無鉛はんだを溶融し、厚さ 30mm、幅 100mm,長さ 200mmのインゴットを铸造した。次に、インゴットを圧延し、厚さ 0. lm m、幅 100mmのフィルム状はんだを作製した。次に、図 23に示すように、厚さ 3mm 、幅 50mm、長さ 100mmの 2枚の銅板 260、 261の間に、厚さ 0. lmm、幅 50mm、長さ 50mmのフィルム状はんだ 262を設置した。続いて、窒素ガス雰囲気中において、 300°Cの温度で 5分間加熱し、はんだ付けを行った。

[0161] はんだ付けされた接合体を 0. lmm/minの引張速度のせん断試験を行なった結果、せん断強度が 38MPaであった。

[0162] また、窒素ガス雰囲気中で加熱し、溶融した Sn— 0. 7重量％〇11一 0. 2重量％〇0 からなる無鉛はんだの表面張力 γ を滴下法を用いて測定した。この敵下法では、円

L

形の管口から滴下される液滴は、その重量が表面張力に打ち勝って落下するという性質を利用して、表面張力の測定を行う。

[0163] 図 24に示すように、溶融された Sn— 0. 7重量％〇11一 0. 2重量％〇0からなる無鉛はんだ 265は、内径 0. 3mmのノズノレ 266に供給される。そして、ノズノレ 266の先端に無鉛はんだ 265の液滴が形成され、液滴が所定の重量になったときに落下した。ここで、ノズル 266から落下する直前の無鉛はんだ 265のくびれ径 (L)および落下した液滴の重量 (mg)を測定した。

[0164] ここで、敵下法により、 1つの液滴の質量を mとしたときに液滴を下方に引く力（液滴の重量）（mg)は、落下する直前の表面張力（γ )に等しいという関係から、次の関係

L

式が成り立つ。

7 = mg 2

L Z u L …式 (1リ

[0165] この式（1)に測定した、落下する直前の無鉛はんだ 110のくびれ径 (Uおよび落下した液滴の重量 (mg)を代入して、無鉛はんだ 110の表面張力（ _Ί )を算出した結果

L

、表面張力（ γ )は、 0. 36NZmであった。

L

[0166] なお、表面張力（γ )とぬれ性との関係は、表面張力（γ )が小さいほどぬれ性に

L L

優れていることになる。

[0167] さらに、 X線マイクロアナライザ（EPMA; Electron Probe Micro-Analysis)を用いて、フィルム状はんだ 262で接合された銅板 260、 261の断面について、元素分析を行った。その元素分析を行った結果を図 25Aおよび図 25Bに示す。なお、図 25Aおよび図 25Bには、 1つの銅板 260上の結果が示されている。

[0168] この測定結果から、図 25Aに示すように、接合面 270を介して銅板 260に接合されているはんだ層 271は、はんだ層 271の接合面 270に面した部分に形成された第 1 はんだ層 271 a、および第 1はんだ層 271 aの接合面 270側とは反対側に形成された第 2はんだ層 271bの 2層から主に形成されていることがわかる。また、第 1はんだ層 2 71aは、第 2はんだ層 271b側に顕著な起伏を生じることなぐ比較的平坦に接合面 2 70に沿って形成されている。

[0169] 続いて、この断面において、 Snの元素分析を行うと、第 2はんだ層 271bに含まれる Snの濃度に比べて、第 1はんだ層 271aに含まれる Snの濃度は低かった。また、この断面において、 Cuの元素分析を行うと、第 2はんだ層 271bに含まれる Cuの濃度に比べて、第 1はんだ層 271aに含まれる Cuの濃度は高力、つた。さらに、この断面において、 Coの元素分析を行うと、図 25Bに示すように、第 1はんだ層 271aの特に接合面 270側に、接合面 270に沿って Coの濃度が高い領域 272が存在した。 [0170] 以上の結果から、第 1はんだ層 271aは、 η (Sn Cu： Sn43. 5— 45. 5原子％)の

5 6

共晶組織に Coを、第 2はんだ層 27 lbに比べて多く含んだ Sn— Cu— Coからなる金属間化合物層で主に形成されていることがわかった。特に、この金属間化合物層の接合面 270側には、接合面 270に沿って Coの濃度の高い領域 272が偏在することがわかった。また、第 2はんだ層 271bは、使用する無鉛はんだで主に形成されていることがわかった。

[0171] (実施例 8)

Sn-0. 7重量％〇11-2重量％〇0からなる無鉛はんだを溶融し、厚さ 30mm、幅 10 Omm、長さ 200mmのインゴットを錡造した。次に、インゴットを圧延し、厚さ 0. lmm 、幅 100mmのフィルム状はんだを作製した。次に、図 23に示すように、厚さ 3mm、幅 50mm、長さ 100mmの 2枚の銅板 260、 261の間に、厚さ 0. lmm、幅 50mm、長さ 50mmのフィルム状はんだ 262を設置した。続いて、窒素ガス雰囲気中において、 300°Cの温度で 5分間加熱し、はんだ付けを行った。

[0172] はんだ付けされた接合体を 0. lmm/minの引張速度のせん断試験を行なった結果、せん断強度が 42MPaであった。

[0173] また、実施例 7で示した表面張力（ γ )の測定方法と同じ測定方法で、溶融した Sn

L

-0. 7重量％〇11一 2重量％〇0からなる無鉛はんだの表面張力（γ )を算出した結果

L

、表面張力（ γ )は、 0· 35N/mであった。

L

[0174] さらに、 X線マイクロアナライザ（EPMA; Electron Probe Micro-Analysis)を用いて、フィルム状はんだ 262で接合された銅板 260、 261の断面について、元素分析を行った。

[0175] その結果、図示はしていないが、実施例 7の図 25Aおよび図 25Bに示した結果と同様な結果を得ることができた。つまり、図 25Aおよび図 25Bに示した符号を用いて説明すると、接合面 270を介して銅板 260に接合されているはんだ層 271は、はんだ層 271の接合面 270に面した部分に形成された第 1はんだ層 271a、および第 1はんだ層 271aの接合面 270側とは反対側に形成された第 2はんだ層 271bの 2層から主に形成されていることがわかった。また、第 1はんだ層 271aは、第 2はんだ層 271b側に顕著な起伏を生じることなぐ比較的平坦に接合面 270に沿って形成されていた。 [0176] この元素分析結果をまとめると、第 1はんだ層 271aは、 η (Sn Cu ： Sn43. 5— 45

5 6

. 5原子％)の共晶組織に Coを、第 2はんだ層 271bに比べて多く含んだ Sn— Cu— C oからなる金属間化合物層で主に形成されていることがわかった。特に、この金属間化合物層の接合面 270側には、接合面 270に沿って Coの濃度の高い領域 272が偏在することがわ力た。また、第 2はんだ層 271bは、使用する無鉛はんだで主に形成されていることがわかった。

[0177] (実施例 9)

Sn-0. 7重量％〇11一 0.02重量％〇0からなる無鉛はんだを溶融し、厚さ 30mm、幅 100mm、長さ 200mmのインゴットを錡造した。次に、インゴットを圧延し、厚さ 0. lmm、幅 100mmのフィルム状はんだを作製した。次に、図 23に示すように、厚さ 3 mm、幅 50mm、長さ 100mmの 2枚の同板 260、 261の間に、厚さ 0. lmm、幅 50 mm、長さ 50mmのフィルム状はんだ 262を設置した。続いて、窒素ガス雰囲気中において、 300°Cの温度で 5分間加熱し、はんだ付けを行った。

[0178] はんだ付けされた接合体を 0. lmm/minの引張速度のせん断試験を行なった結果、せん断強度が 32MPaであった。

[0179] また、実施例 7で示した表面張力（ γ )の測定方法と同じ測定方法で、溶融した Sn

L

-0. 7重量％01— 0.02重量％〇0からなる無鉛はんだの表面張力（γ )を算出した

L

結果、表面張力（ γ )は、 0. 38N/mであった。

L

[0180] さらに、 X線マイクロアナライザ（EPMA; Electron Probe Micro-Analysis)を用いて、フィルム状はんだ 262で接合された銅板 260、 261の断面について、元素分析を行った。

[0181] その結果、図示はしていないが、実施例 7の図 25Aおよび図 25Bに示した結果と同様な結果を得ることができた。つまり、図 25Aおよび図 25Bに示した符号を用いて説明すると、接合面 270を介して銅板 260に接合されているはんだ層 271は、はんだ層 271の接合面 270に面した部分に形成された第 1はんだ層 271a、および第 1はんだ層 271aの接合面 270側とは反対側に形成された第 2はんだ層 271bの 2層から主に形成されていることがわかった。また、第 1はんだ層 271aは、第 2はんだ層 271b側に顕著な起伏を生じることなぐ比較的平坦に接合面 270に沿って形成されていた。 [0182] この元素分析結果をまとめると、第 1はんだ層 271aは、 η (Sn Cu ： Sn43. 5— 45

5 6

[0183] (比較例 5)

Sn-0. 7重量％〇11からなる無鉛はんだを溶融し、厚さ 30mm、幅 100mm、長さ 2 00mmのインゴットを铸造した。次に、インゴットを圧延し、厚さ 0. lmm、幅 100mm のフィルム状はんだを作製した。次に、図 23に示すように、厚さ 3mm、幅 50mm、長さ 100mmの 2枚の銅板 260、 261の間に、厚さ 0. lmm、幅 50mm、長さ 50mmのフィルム状はんだ 262を設置した。続いて、窒素ガス雰囲気中において、 300°Cの温度で 5分間加熱し、はんだ付けを行った。

[0184] はんだ付けされた接合体を 0. lmm/minの引張速度のせん断試験を行なった結果、せん断強度が 28MPaであった。

[0185] また、実施例 7で示した表面張力（ γ )の測定方法と同じ測定方法で、溶融した Sn

L

-0. 7重量％〇11からなる無鉛はんだの表面張力（γ )を算出した結果、表面張力（

L

γ )は、 0· 41N/mであった。

L

[0186] さらに、 X線マイクロアナライザ（EPMA; Electron Probe Micro-Analysis)を用いて、フィルム状はんだ 262で接合された銅板 260、 261の断面について、元素分析を行った。その元素分析を行った結果を図 26に示す。なお、図 26には、 1つの銅板 26 0上の結果が示されている。

[0187] この測定結果から、図 26に示すように、接合面 280を介して銅板 260に接合されてレ、るはんだ層 281は、はんだ層 281の接合面 280に面した部分に形成された第 1はんだ層 281 a、および第 1はんだ層 281 aの接合面 280側とは反対側に形成された第 2はんだ層 281bの 2層から主に形成されていることがわかる。また、第 1はんだ層 28 laは、第 2はんだ層 281b側に激しく起伏している。また、第 1はんだ層 281aの第 2 はんだ層 281b側に突出する高さは、実施例 7で示した第 1はんだ層 271aのそれに比べて、 2— 3倍程度になっている部分も多くみられる。なお、他の実施例においては図は示していないが、他の実施例においても実施例 7と同様の結果を得たことから、第 1はんだ層 281aの第 2はんだ層 281b側に突出する高さは、実施例 8および 9の第 1はんだ層のそれに比べても、 2 3倍程度になっている部分が多いと言える。

[0188] 続いて、この断面において、 Snの元素分析を行うと、第 2はんだ層 281bに含まれる Snの濃度に比べて、第 1はんだ層 281aに含まれる Snの濃度は低かった。また、この断面において、 Cuの元素分析を行うと、第 2はんだ層 281bに含まれる Cuの濃度に比べて、第 1はんだ層 281aに含まれる Cuの濃度は高力、つた。

[0189] 以上の結果から、第 1はんだ層 281aは、 η (Sn Cu： Sn43. 5— 45. 5原子％)の

5 6

共晶組織からなる金属間化合物層で主に形成されていることがわかった。また、第 2 はんだ層 281bは、使用する無鉛はんだで主に形成されていることがわかった。

[0190] 上記の比較例 5の測定結果と実施例 7— 9の測定結果とを比較し考察すると、実施例 7— 9の Coを所定の含有率で含有する無鉛はんだは、 Coを含有しない Sn— 0. 7 重量％〇11からなる無鉛はんだよりも溶融状態における表面張力が小さぐぬれ性に優れていることがわかった。

[0191] また、せん断試験を行なった結果、実施例 7— 9の Coを所定の含有率で含有する無鉛はんだは、 Coを含有しない Sn— 0. 7重量％01からなる無鉛はんだよりもせん断強度が高いことがわかった。

[0192] また、元素分析の結果から、実施例 7— 9の Coを所定の含有率で含有する無鉛はんだでは、接合面 270に沿って形成される金属間化合物層の起伏が少なく平坦であるのに対し、 Coを含有しない Sn— 0. 7重量％〇11からなる無鉛はんだでは、金属間化合物層の起伏が激しぐその起伏の高さは、実施例 7— 9の Coを所定の含有率で含有する無鉛はんだにおける起伏の高さの 2— 3倍程度になっている部分が多くみられた。

[0193] さらに、実施例 7 9の Coを所定の含有率で含有する無鉛はんだでは、第 1はんだ層 271aの接合面 270側には、接合面 270に沿って Coの濃度の高い領域 272が偏在することがわかった。

[0194] 以上の比較から、実施例 7 9の Coを所定の含有率で含有する無鉛はんだにおいて、 Coを含有することで、表面張力が抑えられ、ぬれ性を向上させることができ、さらに、 η (Sn Cu ： Sn43. 5— 45. 5原子％)の共晶組織からなる金属間化合物層の

5 6

生成および成長を抑制することができることがわかった。これによつて、はんだ接合強度が向上されることがわかった。

[0195] (第 4の実施の形態）

以下、第 4の実施の形態の耐酸化性はんだについて説明する。

[0196] 耐酸化性はんだは、主成分の Snと共晶合金を形成する lb銅族金属の Cu、 Ag、 A uまたは VIIIの 1鉄族金属の Co、 Niから選ばれた少なくとも一種の金属からなる第 1 従成分を 0. 02— 12重量％含有し、かっこの第 1従成分と固溶体合金を形成し、主成分である Snとは固溶体合金を形成しない Mn、 Pd、 Ptの金属から選ばれた少なくとも一種の金属からなる第 2従成分を 0. 02- 1. 2重量％含有し、残部が Snと不可避不純物で構成されてレ、る。

[0197] 耐酸化性はんだ全体に対する第 1従成分の含有量は、主成分の Snと第 1従成分の金属との共晶組成またはその共晶組成近傍であれば良いが、耐酸化性はんだに求められる機械的性質や融点によって適宜に設定される。例えば、第 1従成分である Cu、 Ag、 Au、 Co、 Niがそれぞれ単独で含有される場合には、各第 1従成分は、 Cu : 0. 02—1. 2重量⁰ /₀、Ag : 3. 0—4. 0重量⁰ /₀、Au: 9. 0— 12. 0重量⁰ /_o、Co : 0. 0 2— 1. 0重量％、 Ni : 0. 02-0. 6重量％の範囲で含有される。また、第 1従成分の複数の成分を組み合わせて含有する場合には、耐酸化性はんだ全体に対する第 1 従成分の含有率が 0. 02— 12重量％の範囲で適宜に設定されことが好ましい。第 1 従成分の含有量が上記した所定の範囲より少ないと十分な機械的性質が確保できず、多いと融点が高ぐ要素部品の許容な温度限界を越えることがある。

[0198] 耐酸化性はんだ全体に対する第 2従成分の含有量は、耐酸化性はんだに求められる機械的性質や融点によって適宜に設定される。例えば、第 2従成分である Mn、 Pd、 Ptがそれぞれ単独で含有される場合には、各第 2従成分は、 Mn: 0. 02- 1. 2 重量％、 Pd: 0. 02-0. 6重量％、 Pt : 0. 02-0. 6重量％の範囲で含有される。また、第 2従成分の複数の成分を組み合わせて含有する場合には、耐酸化性はんだ全体に対する第 2従成分の含有率が 0. 02-1. 2重量％の範囲で適宜に設定されことが好ましい。第 2従成分の含有量が上記した所定の範囲より少ないと十分な金属間化合物における酸化物の生成を抑制する効果が得られず、多いと融点が高ぐ材料コストが増加する。

[0199] また、耐酸化性はんだは、球状または不定形状の粉末であることが好ましぐその平均粒径は、 1一 ΙΟΟ μ mの範囲が好ましレ、。耐酸化性はんだの平均粒径が 1 μ m 未満では、冷却速度が速ぐ均一な組織の耐酸化性はんだが得られるが、はんだ付け工程において、所定の厚さのはんだ層を形成するための所要時間が長くかかること力 Sある。また、耐酸化性はんだの平均粒径が 100 z mを超えると、はんだ層の厚さを適宜に調整するのが困難になることがある。

[0200] この耐酸化性はんだによれば、第 2従成分と固溶体を形成することによって、第 2従成分に第 1従成分の金属がトラップされ、主成分の Snと結合するフリーな第 1従成分の金属が減少する。これによつて、電気化学的により低い還元電位を有し、金属間化合物における酸化物の生成を抑制することができるため、熱伝導特性を向上させ、さらに、はんだ強度、特に熱疲労強度を著しく向上させることができる。また、この耐酸化性はんだでは、金属間化合物における酸化物の生成を抑制することができるため、ぬれ性を向上させることができる。

[0201] 次に、耐酸化性はんだの製造方法の一例を示す。

[0202] まず、所定の割合で混合された第 1従成分の金属、第 2従成分の金属および Snからなる混合物を加熱し溶解する。続いて、溶解した混合物は、金型に流し込まれ冷却され固化される。この冷却工程における混合物の冷却速度は、 10°C/秒程度である。なお、金型として水冷機能を有する金型を用いてもよぐこの場合の混合物の冷却速度は、 100°CZ秒程度であり、より均一な組成の耐酸化性はんだを得ることができる。また、耐酸化性はんだは、圧延などにより箔体として形成することもできる。

[0203] この耐酸化性はんだの製造方法によれば、溶解した液相状態の混合物を 10°C/ 秒以上の冷却速度で急冷凝固するため、凝固偏析を生じることなく均一な組成の耐酸化性はんだを得ることができる。

[0204] また、耐酸化性はんだは、次の製造方法でも作製することができる。

[0205] まず、所定の割合で混合された第 1従成分の金属、第 2従成分の金属および Snからなる混合物を加熱し溶解する。続いて、第 3の実施の形態で述べたアトマイズ法によって、耐酸化性はんだの粉末を作製してもよレ、。

[0206] この第 3の実施の形態で述べた不活性ガスを用いたアトマイズ法では、微粒化された粉末は、 103— 105°C/秒のオーダの冷却速度で冷却されるため、凝固偏析を生じることなく均一な組成の耐酸化性はんだを得ることができる。

[0207] 次に、上述した耐酸化性はんだの製造方法により得られた耐酸化性はんだを用いたはんだ付け方法について、図 27A、図 27B、図 27C、図 27Dおよび図 27Eを参照して説明する。図 27A、図 27B、図 27C、図 27Dおよび図 27Eには、平板で構成された第 1要素部材 300と第 2要素部材 301を耐酸化性はんだ 302によってはんだ付けする工程が示されている。

[0208] まず、第 1要素部材 300と第 2要素部材 301のはんだ付け面に形成された酸化皮膜 303を取り除く（図 27Aおよび図 27B参照）。この酸化皮膜 303は、例えば、ショットブラストやエアーブラストなどによって、研削材を空気または不活性ガスとともに数 m /秒一数十 m/秒の速度で第 1要素部材 300と第 2要素部材 301のはんだ付け面に衝突させることで削り取ることができる。研削材は、例えば、鋼、 SiC、 Al Oなどの

2 3 球状の粒子であることが好ましい。また、研削材の平均粒径は、要求される表面粗度によって適宜に選定する力一般に ΙΟ μ ΐη— 50 μ ΐηの範囲が好ましレ、。また、酸化皮膜 303は、第 1要素部材 300と第 2要素部材 301のはんだ付け面をエッチング液に浸けることによって、化学的に除去することもできる。

[0209] 続いて、酸化皮膜 303が取り除かれた第 1要素部材 300のはんだ付け面に、耐酸化性はんだ 302の粉末を均一に設置する（図 27C参照）。そして、耐酸化性はんだ 3 02の粉末が設置された第 1要素部材 300の上に、第 2要素部材 301のはんだ付け面を下にして第 2要素部材 301を積層する（図 27D参照）。この積層された積層部材を、例えば、大気中または不活性ガス雰囲気中において、耐酸化性はんだ 302の融点以上の温度に加熱する。加熱されることによって融解した耐酸化性はんだ 302の粉末は、冷却工程を経て、図 27Εに示すような断面形状のはんだ接合部 304になる

[0210] 二のはんだ付け方法では、電気化学的により低い還元電位を有し、金属間化合物における酸化物の生成を抑制することができる耐酸化性はんだ 302を用いているため、はんだ接合部 304における熱伝導特性を向上させ、さらに、はんだ強度、特に熱疲労強度を著しく向上させることができる。また、耐酸化性はんだ 302では、金属間化合物における酸化物の生成を抑制することができるため、ぬれ性を向上させることができ、はんだ接合部 304におけるボイド欠陥の発生を抑制することができる。

[0211] また、酸化皮膜 303が取り除かれた第 1要素部材 300のはんだ付け面に、耐酸化性はんだ 302を均一に設置する他の方法について、図 28を参照して説明する。

[0212] この設置方法は、耐酸化性はんだ 302の粉末を、室温の大気中または不活性ガス雰囲気中において、空気または不活性ガスとともに第 1要素部材 300のはんだ付け面に高速で衝突させ、耐酸化性はんだを第 1要素部材 300のはんだ付け面に積層するものである。なお、同様な方法で、耐酸化性はんだ 302の粉末を第 2要素部材 3 01のはんだ付け面に積層させてもよい。

[0213] ここで、空気または不活性ガスとともに、第 1要素部材 300や第 2要素部材 301のはんだ付け面に衝突する耐酸化性はんだ 302の粉末の衝突速度は、 100m/秒以上であることが好ましい。この衝突速度以上であれば、図 28に示すように、耐酸化性はんだ 302の粉末が十分に塑性変形し、第 1要素部材 300や第 2要素部材 301のはんだ付け面に積層することができる。

[0214] また、この耐酸化性はんだ 302の設置は、大気中で、かつ耐酸化性はんだ 302の搬送媒体に空気を用いて行われてもよいが、耐酸化性はんだ 302が第 1要素部材 3 00や第 2要素部材 301のはんだ付け面に衝突した際に生じる熱による酸化を防止するため、不活性ガス雰囲気中で、かつ耐酸化性はんだ 302の搬送媒体に不活性ガスを用いて行われることが好ましい。なお、耐酸化性はんだ 302の第 1要素部材 30 0や第 2要素部材 301のはんだ付け面への積層は、ショットブラストやエアーブラストによって行うことができる。

[0215] このはんだ付け方法では、電気化学的により低い還元電位を有し、金属間化合物における酸化物の生成を抑制することができる耐酸化性はんだ 302を用いているため、はんだ接合部 304における熱伝導特性を向上させ、さらに、はんだ強度、特に熱疲労強度を著しく向上させることができる。また、耐酸化性はんだ 302では、金属間化合物における酸化物の生成を抑制することができるため、ぬれ性を向上させることができ、はんだ接合部 304におけるボイド欠陥の発生を抑制することができる。

[0216] また、このはんだ付け方法では、酸化皮膜 303が取り除かれた第 1要素部材 300と第 2要素部材 301のはんだ付け面に、耐酸化性はんだ 302が積層されるため、はんだ付けの際に、酸化皮膜 303を取り除くためおよび耐酸化性はんだ 302を塗布するために用いられるフラックスを用いる必要がなレ、。したがって、フラックス中に含有される増粘剤が、はんだ接合部 304に残渣として残存することがないため、熱伝達特性、はんだ強度、熱疲労強度などを向上させることができる。

[0217] 次に、第 4の実施の形態における具体的な実施例について説明する。

[0218] (実施例 10)

Sn-0. 7重量％〇11_0. 1重量％ 01を溶解し、圧力が 20kgfZcm²の Arガスを用レ、たアトマイズ法により、耐酸化性はんだの粉末を製造した。得られた耐酸化性はんだの粉末を篩いに力け、平均粒径が 5 μ m— 35 μ mの範囲の耐酸化性はんだの粉末を採取した。

[0219] 次に、この採取された耐酸化性はんだの粉末を、 Nガスとともに、衝突速度約 150

2

m/秒で Niメツキした Cu板のはんだ付け面に衝突させ積層し、厚さ約 100 μ mのはんだ層を成形した。

[0220] 続いて、 Cu板のはんだ付け面に積層されたはんだ層の上に SiN基板を設置し、 N

2 ガス雰囲気中において、 260°Cの温度で 3分間加熱し、はんだ付けを行った。

[0221] はんだ付けされた積層部材を超音波探傷試験法によりボイド欠陥を測定評価した結果、ボイド欠陥の占有率は 6体積％であった。また、はんだ付けされた積層部材のはんだ接合部の断面におけるせん断強度を測定評価した結果、せん断強度は 32M Paであった。さらに、負荷せん断応力が 15MPaで、温度が一 40°C 100°Cの条件で熱疲労試験を行った結果、 1000サイクル経過してもクラックの発生が認められなかった。

[0222] (実施例 11)

Sn-3. 5八_§重量％〇11_0. 1重量％?01を溶解し、圧力が 20kgf/cm²の Arガスを用いたアトマイズ法により、耐酸化性はんだの粉末を製造した。得られた耐酸化性はんだの粉末を篩いに力 4ナ、平均粒径が 5 μ m— 35 μ mの範囲の耐酸化性はんだの粉末を採取した。

[0223] 次に、この採取された耐酸化性はんだの粉末を、 Nガスとともに、衝突速度約 150

2

mZ秒で Niメツキした Cu板のはんだ付け面に衝突させ積層し、厚さ約 100 μ mのはんだ層を成形した。

[0224] 続いて、 Cu板のはんだ付け面に積層されたはんだ層の上に SiN基板を設置し、 N

[0225] はんだ付けされた積層部材を超音波探傷試験法によりボイド欠陥を測定評価した結果、ボイド欠陥の占有率は 7. 5体積％であった。また、はんだ付けされた積層部材のはんだ接合部の断面におけるせん断強度を測定評価した結果、せん断強度は 46 MPaであった。さらに、負荷せん断応力が 15MPaで、温度が一 40°C 100°Cの条件で熱疲労試験を行った結果、 1000サイクル経過してもクラックの発生が認められなかった。

[0226] (実施例 12)

Sn-0. 7重量％01— 0. 2重量％Mnを溶解し、圧力が 20kgf/cm²の Arガスを用レ、たアトマイズ法により、耐酸化性はんだの粉末を製造した。得られた耐酸化性はんだの粉末を篩いに力け、平均粒径が 5 _β m— 35 _β mの範囲の耐酸化性はんだの粉末を採取した。

[0227] 次に、この採取された耐酸化性はんだの粉末に、フラックスを 10重量％添カ卩し、ぺ一スト状のはんだを調合した。続いて、このペースト状のはんだを Cu板のはんだ付け面にスクリーン印刷し、厚さ約 100 μ mの印刷皮膜を形成した。

[0228] 続いて、 Cu板のはんだ付け面に積層されたはんだ層の上に SiN基板を設置し、 N

[0229] はんだ付けされた積層部材を超音波探傷試験法によりボイド欠陥を測定評価した結果、ボイド欠陥の占有率は 7体積％であった。また、はんだ付けされた積層部材のはんだ接合部の断面におけるせん断強度を測定評価した結果、せん断強度は 35M Paであった。さらに、負荷せん断応力が 15MPaで、温度が一 40°C 100°Cの条件で熱疲労試験を行った結果、 1000サイクル経過してもクラックの発生が認められなかった。

[0230] (実施例 13)

Sn-0. 5重量％01-0. 2重量％Ni-0· 2重量％Mnを溶解し、圧力が 20kgf/c m²の Arガスを用いたアトマイズ法により、耐酸化性はんだの粉末を製造した。得られた耐酸化性はんだの粉末を篩いに力け、平均粒径が 5 μ m— 35 μ mの範囲の耐酸化性はんだの粉末を採取した。

[0231] 次に、この採取された耐酸化性はんだの粉末に、フラックスを 10重量％添カ卩し、ぺ一スト状のはんだを調合した。続いて、このペースト状のはんだを Cu板のはんだ付け面にスクリーン印刷し、厚さ約 100 μ mの印刷皮膜を形成した。

[0232] 続いて、 Cu板のはんだ付け面に積層されたはんだ層の上に SiN基板を設置し、 N

[0233] はんだ付けされた積層部材を超音波探傷試験法によりボイド欠陥を測定評価した結果、ボイド欠陥の占有率は 5体積％であった。また、はんだ付けされた積層部材のはんだ接合部の断面におけるせん断強度を測定評価した結果、せん断強度は 40M Paであった。さらに、負荷せん断応力が 15MPaで、温度が一 40°C— 100°Cの条件で熱疲労試験を行った結果、 1000サイクル経過してもクラックの発生が認められなかった。

[0234] (比較例 6)

Sn-0. 75重量％〇11はんだを溶解し、圧力が 20kgf/cm²の Arガスを用いたアトマイズ法により、耐酸化性はんだの粉末を製造した。得られた耐酸化性はんだの粉末を篩いにかけ、平均粒径が 5 μ m— 35 _β mの範囲の耐酸化性はんだの粉末を採取した。

[0235] 次に、この採取された耐酸化性はんだの粉末に、フラックスを 10重量％添カ卩し、ぺ一スト状のはんだを調合した。続いて、このペースト状のはんだを Cu板のはんだ付け面にスクリーン印刷し、厚さ約 100 μ mの印刷皮膜を形成した。

[0236] 続いて、 Cu板のはんだ付け面に積層されたはんだ層の上に SiN基板を設置し、 N

[0237] はんだ付けされた積層部材を超音波探傷試験法によりボイド欠陥を測定評価した結果、ボイド欠陥の占有率は 15体積％であり、この占有率は、実施例 10におけるボイド欠陥の占有率の 2. 5倍である。また、はんだ付けされた積層部材のはんだ接合部の断面におけるせん断強度を測定評価した結果、せん断強度は 13MPaであり、このせん断強度は、実施例 10におけるせん断強度の約 2Z5倍である。さらに、負荷せん断応力が 15MPaで、温度が— 40°C 100°Cの条件で熱疲労試験を行った結果、 1000サイクル経過してもクラックの発生が認められた。

[0238] この結果と実施例 10の結果から、第 2従成分を含有することで、ボイド欠陥の占有率を低減することができ、はんだ接合部の断面におけるせん断強度を向上できること力 Sわかる。さらに、第 2従成分を含有することで、熱疲労にも優れた特性を示すことがわ力る。

[0239] (比較例 7)

Sn-3. 5重量％八_§はんだを溶解し、圧力が 20kgf/cm²の Arガスを用いたアトマィズ法により、耐酸化性はんだの粉末を製造した。得られた耐酸化性はんだの粉末を篩いにかけ、平均粒径が 5 μ m— 35 μ mの範囲の耐酸化性はんだの粉末を採取した。

[0240] 次に、この採取された耐酸化性はんだの粉末に、フラックスを 10重量％添カ卩し、ぺ一スト状のはんだを調合した。続いて、このペースト状のはんだを Cu板のはんだ付け面にスクリーン印刷し、厚さ約 100 μ mの印刷皮膜を形成した。

[0241] 続いて、 Cu板のはんだ付け面に積層されたはんだ層の上に SiN基板を設置し、 N

[0242] はんだ付けされた積層部材を超音波探傷試験法によりボイド欠陥を測定評価した結果、ボイド欠陥の占有率は 17体積％であり、この占有率は、実施例 11におけるボイド欠陥の占有率の 2倍以上である。また、はんだ付けされた積層部材のはんだ接合部の断面におけるせん断強度を測定評価した結果、せん断強度は 18MPaであり、このせん断強度は、実施例 11におけるせん断強度の約 2Z5倍である。さらに、負荷せん断応力が 15MPaで、温度が— 40°C 100°Cの条件で熱疲労試験を行った結果、 1000サイクル経過してもクラックの発生が認められた。

[0243] この結果と実施例 11の結果から、第 2従成分を含有することで、ボイド欠陥の占有率を低減することができ、はんだ接合部の断面におけるせん断強度を向上できること力 Sわかる。さらに、第 2従成分を含有することで、熱疲労にも優れた特性を示すことがわ力る。

ここで、上記した実施例および比較例のはんだの組成および測定結果を表 3にまとめて示す。

[表 3]

(第 5の実施の形態）

以下、第 5の実施の形態のはんだ材料について説明する。 [0246] 第 5の実施の形態のはんだ材料は、第 1の実施の形態で説明したはんだの第 1はんだを、第 3の実施の形態で説明した無鉛はんだで構成したものである。

[0247] つまり、第 1はんだは、 Coを 0. 02-2. 0重量％含有する、 Snまたは Pbを含まない Sn基合金、または Coを 0. 02—2. 0重量％および Cuを 0. 02—7. 5重量％を含有し、残部が Snと不可避不純物からなる Sn基合金で構成される。第 2はんだは、第 1の実施の形態で説明したものと同じであり、凝固時に膨張する性質を有する Bi、 Sb、 G a、 Geなどの元素金属、または、 Bi合金、 Sb合金、 Ga合金、 Ge合金などで構成される。また、 Bi合金、 Sb合金、 Ga合金、 Ge合金にそれぞれ含有される Bi、 Sb、 Ga、 G eの含有率は、第 1の実施の形態で説明したとおりである。

[0248] また、第 1はんだ中の第 2はんだの含有率は、第 1の実施の形態における場合と同様であり、接合する部材の熱膨張係数の差により算出したはんだ相内の歪み量によつて、 5— 50体積％の範囲で適宜に設定される。

[0249] また、第 2はんだの表面に形成される反応防止膜は、第 1はんだを構成する材料の融点より高い融点を有する金属、セラミックス、または樹脂から形成される。また、反応防止膜を形成する金属、セラミックス、または樹脂は、第 1の実施の形態で説明した反応防止膜と同じである。さらに、反応防止膜の厚さも、第 1の実施の形態で説明した反応防止膜と同じである。

[0250] なお、はんだ接合温度や保持時間などのはんだ接合条件を制御し、拡散または合金反応を抑制して、第 1はんだと第 2はんだの機械的性質や物理的性質などを維持できる場合には、反応防止膜は設けなくてもよい。また、第 1はんだとして、第 4の実施の形態の耐酸化性はんだを用いてもよい。また、第 2はんだとして、第 2の実施の形態の第 2はんだ粉末 102を用いてもよい。

[0251] また、第 2はんだは、第 1はんだ中に均一に分散される構成以外に、例えば、図 5A 、図 5Bおよび図 5Cに示すような、予め第 1はんだに第 2はんだを偏在させて構成させてもよレ、。さらに、第 1はんだと第 2はんだとを別個に構成し、図 1A、図 3Aおよび図 4Aに示すように、それぞれを積層して配置後はんだ接合してもよい。

[0252] 第 5の実施の形態のはんだ材料を用いてはんだ接合することで、第 1の実施の形態および第 3の実施の形態で得られる双方の効果を得ることができる。つまり、接合する 2つの部材の熱膨張係数の差によるはんだ部材内の内部応力の発生が抑制され、その結果、接合部材の変形を減少させることができる。また、第 2はんだが反応防止膜で覆われているため、第 1はんだと第 2はんだとの間において拡散または合金反応を伴わないので、第 1はんだと第 2はんだが合金化して、第 1はんだの機械的性質や第 2はんだの凝固膨張性質などの固有な特性を失うことがない。これによつて、第 1はんだと第 2はんだのそれぞれの固有な特性を維持し、はんだ部材の性能を最大限に発揮すること力 Sできる。

[0253] さらに、第 1はんだに、 Coを 0. 02-2. 0重量％含有したはんだを用いることで、 S nまたは Sn基合金の表面張力を低下させ、ぬれ性を向上させることができる。また、接合部材と、 Snまたは Sn基合金との反応を抑制し、接合界面における金属間化合物の成長を抑制することによって、溶融はんだの凝集を抑制し、ぬれ性を向上させること力 Sできる。これによつて、ボイド欠陥の発生が抑制され、熱伝導性、機械的強度などに優れたはんだ接合部を得ることができる。

[0254] 次に、第 5の実施の形態における具体的な実施例について説明する。

[0255] (実施例 14)

平均粒径が 25— 45 μ mの Sn— 57重量％：¾粉末の表面に、ゾル 'ゲル法によって、厚さ約 50nmの Al O皮膜を形成し、第 2はんだを製作した。続いて、この第 2はん

2 3

だと平均粒径が 25— 45 /i mの Sn— 0. 7重量％〇11一 0. 2重量％〇0粉末からなる第 1はんだとを、第 2はんだの含有量が 20体積％となるように混合し、複合はんだ材料を製作した。なお、複合はんだには、接合材の表面の酸化皮膜の除去およびスクリーン印刷、塗布などを容易するため、適量のフラックスと樹脂バインダーを添加し、クリーム状の複合はんだを調製した。

[0256] 続いて、厚さ 3mm、幅 100mm、長さ 200mmの無酸素 Cuベースの第 1部材の表面に、複合はんだを厚さ約 150 z mでスクリーン印刷した。そして、スクリーン印刷された複合はんだの上に、両面が厚さ 100 z mの純 Cuでラインユングされた厚さ 0. 3 mm、幅 80mm、長さ 180mmの SiN基板の第 2部材を設置し、積層接合部材を構成した。続いて、この積層接合部材を、 Nガス雰囲気中において、 240°Cの温度で 3分

2

間加熱し、はんだ付けを行った。 [0257] 第 1の実施の形態の実施例と同じ方法で、はんだ接合した第 1部材と第 2部材のはんだ付け部におけるはんだ相のせん断強度を測定評価した結果、せん断強度は 36 MPaであった。また、第 1の実施の形態の実施例と同じ方法で Cuベースの変形量を測定した結果、第 1部材の Cuベースの変形量は 85 x mであった。さらに、第 3の実施の形態の実施例と同じ方法で、上記した第 1はんだおよび第 2はんだからなる複合はんだ材料を溶融させて、表面張力（ _Ί )の測定を行った。その結果、表面張力（ _Ί

L

)は、 0· 35N/mであった。

L

[0258] 上記の実施例 14のせん断強度および Cuベースの変形量の測定結果は、実施例 1 一 3におけるせん断強度および Cuベースの変形量の測定結果とほぼ同レベルの測定結果が得られた。このこと力、ら、第 1はんだの機械的特性を維持できることがわかつた。さらに、第 2はんだの凝固膨張効果によって、第 1部材の Cuベースの変形を抑制できることがわかった。

[0259] また、上記の実施例 14の表面張力（γ )の測定結果は、実施例 7— 9における表

L

面張力（γ )の測定結果とほぼ同レベルの測定結果が得られた。このこと力ら、ぬれ

L

性に優れてレ、ることがわかった。

[0260] 以上、本発明の実施の形態について、例に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施の形態に何ら限定されるものではなぐ特許請求の範囲の示された技術的思想の範囲において変更可能なものである。

産業上の利用可能性

[0261] 本発明に係るはんだ部材、はんだ材料、はんだ付け方法、はんだ材料の製造方法およびはんだ接合部材は、エレクトロニクス製品の接合などに使用することが可能である。したがって、産業上の利用可能性を有する。

Claims

請求の範囲

[1] 第 1部材とこの第 1部材とは異種特性材料力なる第 2部材とを接合するはんだ部材であって、

第 1はんだ相と、

前記第 1はんだ相中に複数の領域を持つよう分散され、前記第 1はんだ相より低い融点を有し、かつ凝固膨張の性質を有する第 2はんだ相と、

前記第 1はんだ相と前記第 2はんだ相の境界に存在し、前記第 1はんだ相よりも高い融点を有する境界層と

を具備することを特徴とするはんだ部材。

[2] 請求項 1記載のはんだ部材において、

前記第 1はんだ相と、前記第 1はんだ相中に存在する前記第 2はんだ相との間におレ、て拡散または合金反応を伴わず、前記第 1はんだ相と前記第 2はんだ相のそれぞれの固有な物理的性質および機械的性質を維持して構成されたことを特徴とするはんだ部材。

[3] 請求項 1記載のはんだ部材において、

前記低融点金属が、 Sn、 Bi、 In、 Zn、 Sn合金、 Bi合金、 In合金、 Zn合金からなる群から選ばれた 1種の材料であり、前記凝固膨張の性質を有する金属が、 Bi、 Sb、 G a、 Ge、 Bi合金、 Sb合金、 Ga合金、 Ge合金からなる群から選ばれた 1種の材料であること特徴とするはんだ部材。

[4] 請求項 1記載のはんだ部材において、

前記境界層が、金属、セラミックスおよび樹脂からなる群から選ばれた 1種の材料で形成されていることを特徴とするはんだ部材。

[5] 請求項 1記載のはんだ部材において、

前記第 2はんだ相が、前記第 1はんだ相中に均一に分散して存在または前記第 1 はんだ相の所定の部位に偏在することを特徴とするはんだ部材。

[6] 第 1部材とこの第 1部材とは異種特性材料力なる第 2部材とを接合するはんだ材料であって、

第 1はんだ材料と、前記第 1はんだ材料よりも高い融点を有する境界被膜が表面に形成され、前記第 1 のはんだ材料より低い融点を有し、かつ凝固膨張の性質を有する第 2はんだ材料とを具備することを特徴とするはんだ材料。

[7] 請求項 6記載のはんだ材料において、

前記第 1はんだ材料力 Sn、 Bi、 In、 Zn、 Sn合金、 Bi合金、 In合金、 Zn合金からなる群から選ばれた 1種の材料で構成され、前記第 2はんだ材料が、 Bi、 Sb、 Ga、 G e、 Bi合金、 Sb合金、 Ga合金、 Ge合金からなる群から選ばれた 1種の材料で構成されたこと特徴とするはんだ材料。

[8] 請求項 6記載のはんだ材料において、

前記境界被膜が、金属、セラミックスおよび樹脂からなる群から選ばれた 1種の材料で形成されていることを特徴とするはんだ材料。

[9] 第 1部材とこの第 1部材とは異種特性材料力なる第 2部材とを接合するはんだ付け方法であって、

表面に境界被膜が形成されるとともに、この境界被膜を形成する材料の第 1の融点よりも低い第 2の融点を有し、凝固膨張の性質を有する第 2はんだ材料を前記第 1部材の表面に配置する第 2はんだ材料配置工程と、

前記第 2はんだ材料の上に、前記第 1の融点よりも低くかつ前記第 2の融点よりも高い第 3の融点を有する第 1はんだ材料を配置する第 1はんだ材料配置工程と、前記第 1はんだ材料の上に、前記第 2部材を設置する第 2部材設置工程と、前記第 2部材設置工程を経て、積層された積層部材を、大気中または不活性ガス雰囲気中において、前記第 2の融点よりも高くかつ前記第 1の融点よりも低い温度で加熱する加熱工程と

を具備することを特徴とするはんだ付け方法。

[10] Biを 50重量％以上含有する Sn基合金、 Sbを 6重量％以上含有する Sn基合金、 B iおよび Sbのいずれか少なくとも一種からなる第 2はんだ相の粉末の表面に反応抑制境界膜を形成する境界膜形成工程と、

前記第 2はんだ相の粉末と平均直径が 1一 100 a mで Snまたは Sn基合金からなる第 1はんだ相の粉末とが所定の比率で均一に混合された混合物を作製する混合物作製工程と、

前記混合物に、フラックスおよびバインダを所定の比率で混合し攪拌して、ペースト状の混合物を作製するペースト状混合物作製工程と

を具備することを特徴とするはんだ材料の製造方法。

[11] Biを 50重量％以上含有する Sn基合金、 Sbを 6重量％以上含有する Sn基合金、 B iおよび Sbのいずれか少なくとも一種からなる第 2はんだ相の粉末の表面に反応抑制境界膜を形成する境界膜形成工程と、

前記第 2はんだ相の粉末と平均直径が 1一 100 a mで Snまたは Sn基合金からなる第 1はんだ相とが所定の比率で均一に混合された混合物を作製する混合物作製ェ程と、

前記混合物を加圧および加熱して複合化する複合化工程と、

前記複合化された混合物をフィルム状またはワイヤ状に成形する成形工程とを具備することを特徴とするはんだ材料の製造方法。

[12] Coを 0. 02-2. 0重量％含有する、 Snまたは Pbを含まない Sn基合金からなることを特徴とするはんだ材料。

[13] Coを 0. 02-2. 0重量％、 Cuを 0. 02-7. 5重量％を含有し、残部が Snと不可避不純物からなることを特徴とするはんだ材料。

[14] Cu、 Ag、 Au、 Coおよび Niから選ばれた少なくとも一種の金属からなる第 1従成分を 0. 02— 12重量％含有し、かつ Mn、 Pdおよび Ptから選ばれた少なくとも一種の金属からなる第 2従成分を 0. 02-1. 2重量％含有し、残部が Snと不可避不純物からなることを特徴とするはんだ材料。

[15] Coを 0. 02-2. 0重量％含有する、 Snまたは Pbを含まない Sn基合金、または Co を 0. 02-2. 0重量％、 Cuを 0. 02-7. 5重量％を含有し、残部が Snと不可避不純物からなる第 1はんだと、

Snまたは Pbを含まなレ、 Sn基合金からなる第 2はんだと

を具備することを特徴とするはんだ材料。

[16] Coを 0. 02-2. 0重量％含有する、 Snまたは Pbを含まない Sn基合金、または Co を 0. 02-2. 0重量％、 Cuを 0. 02-7. 5重量％を含有し、残部が Snと不可避不純物からなるはんだ材料を用いて、第 1部材と第 2部材とを接合して構成したことを特徴とするはんだ接合部材。

[17] 第 1部材と第 2部材とを接合するはんだ部材であって、

Coを 0. 02-2. 0重量％含有する、 Snまたは Pbを含まなレ、 Sn基合金からなる第 1 はんだ相と、

前記第 1はんだ相中に複数の領域を持つよう分散され、前記第 1はんだ相より低い融点を有し、かつ凝固膨張の性質を有する、 Bi、 Sb、 Ga、 Ge、 Bi合金、 Sb合金、 G a合金、 Ge合金からなる群から選ばれた 1種の材料からなる第 2はんだ相と

を具備することを特徴とするはんだ部材。

[18] Coを 0. 02-2. 0重量％含有する、 Snまたは Pbを含まない Sn基合金、または Co を 0. 02-2. 0重量％、 Cuを 0. 02-7. 5重量％を含有し、残部が Snと不可避不純物からなる第 1はんだと、

前記第 1はんだより低い融点を有し、かつ凝固膨張の性質を有する、 Bi、 Sb、 Ga、 Ge、 Bi合金、 Sb合金、 Ga合金、 Ge合金からなる群から選ばれた 1種の材料からなる第 2はんだと

を具備することを特徴とするはんだ材料。