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WO2021020309A1 - プリフォームはんだ及び該プリフォームはんだを用いて形成されたはんだ接合体 - Google Patents

プリフォームはんだ及び該プリフォームはんだを用いて形成されたはんだ接合体 Download PDF

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WO2021020309A1
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preform
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西村　哲郎
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Nihon Superior Sha Co Ltd
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
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    • C22C—ALLOYS
    • C22C9/00—Alloys based on copper
    • C22C9/06—Alloys based on copper with nickel or cobalt as the next major constituent

Definitions

  • the present inventor conducted a diligent study in order to solve the above-mentioned problems.
  • the metal particles of the specific Cu—Ni alloy are present in the lead-free solder alloy containing Sn as the main component (for example, a sheet-shaped lead-free solder alloy), or the metal particles of the specific Cu—Co alloy are present. It has been found that the above-mentioned problems can be solved by allowing Sn to exist in a lead-free solder alloy containing Sn as a main component and containing Ni (for example, a sheet-shaped lead-free solder alloy).
  • the present invention is a lead-free solder containing Sn as a main component and a preform solder containing metal particles having a higher melting point than the lead-free solder, and the metal particles have a Ni content of 0.1 to 90 mass by mass.
  • the lead-free solder is formed of a Cu—Ni alloy having a% Co content of 0.1 to 90% by mass, and the lead-free solder is obtained when the metal particles are the Cu—Ni alloy.
  • the present invention relates to a preform solder which may contain Ni, and when the metal particles are the Cu—Co alloy, it contains Ni and (Cu, Ni) 6 Sn 5 is formed on the surface of the metal particles. Further, the present invention relates to a solder joint formed by using the above-mentioned preform solder.
  • the preform solder according to the embodiment of the present invention contains metal particles having a melting point higher than that of the lead-free solder (hereinafter, may be simply referred to as "metal particles") in the lead-free solder.
  • This lead-free solder is an alloy containing Sn as a main component.
  • the metal particles are formed of a Cu—Ni alloy having a Ni content of 0.1 to 90% by mass or a Cu—Co alloy having a Co content of 0.1 to 90% by mass.
  • the lead-free solder may contain Ni when the metal particles are the Cu—Ni alloy, and may contain Ni when the metal particles are the Cu—Co alloy. Then, on the surface of the metal particles, (Cu, Ni) 6 Sn 5 which is an intermetallic compound of the solder alloy and the metal particles is formed.
  • (Cu, Ni) 6 Sn 5 is present in advance, so that the good conductivity thereof promotes the melting of the surrounding solder alloy. Become. As a result, a solder joint is formed in which the fluidity of the entire solder alloy is ensured during melting and the generation of voids is suppressed. Further, the melting point of (Cu, Ni) 6 Sn 5 is 415 ° C, and unlike Cu 6 Sn 5 , the ⁇ - ⁇ 'phase change at 186 ° C does not occur. When the ⁇ - ⁇ 'phase change occurs, the volume changes, and stress is concentrated on the solder joint, which may cause breakage.
  • the size of the metal particles should be large enough to be the core of the formation of the intermetallic compound.
  • the average particle size may be 5 ⁇ m or more.
  • the upper limit of the average particle diameter can be appropriately set according to the size between the parts to be joined, the joint strength of the solder, the member to be joined, and the like.
  • the variation of the particles is not particularly limited, but the particles may be sized as needed.
  • the shape of the metal particles is not particularly limited, and those known in the art can be adopted.
  • the content of the metal particles in the preform is not particularly limited, and is appropriately determined based on the relationship between the bonding strength and the heat resistance, thermal conductivity, and reliability exhibited by the presence of the intermetallic compound, which are required depending on the application. Can be decided.
  • the shape of the preform solder is not particularly limited and can be appropriately selected according to the application. Examples thereof include, but are not limited to, sheet-shaped, ribbon-shaped, wire-shaped, spherical-shaped, pellets, washers, and other products molded into a desired shape.
  • the thickness of the preform solder can be appropriately selected according to the application and the like.
  • the flux agent a flux agent that is common in the present technical field can be used.
  • a flux agent containing a solvent and an activator can be mentioned.
  • the flux agent may contain a resin component such as pine fat, if necessary.
  • the solvent include ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, ethylene glycol monobutyl ether, diethylene glycol monomethyl ether, diethylene glycol monoethyl ether, 2-propanol, decanol, isobornylcyclohexanol (MTPH) and the like.
  • the metal particles 3 having (Cu, Ni) 6 Sn 5 (reference numeral 4) formed on the surface are present in close proximity to each other, and the thermal conductivity of (Cu, Ni) 6 Sn 5 (reference numeral 4) is higher.
  • the thermal conductivity allows the melting by heating to proceed instantly in the entire solder alloy, effectively suppressing the generation of bubbles accompanying the flow of the solder alloy, and the ⁇ - ⁇ 'phase change.
  • the characteristics of 6 Sn 5 (reference numeral 4) that do not occur (Cu, Ni) it is considered to contribute to the improvement of the reliability of the solder joint after cooling.
  • the above-mentioned preform solder can form a solder joint having excellent heat resistance, thermal conductivity, and reliability, for example, the amount of heat generated for controlling the drive of an in-vehicle motor or other electric motor. It is extremely suitable for joining power modules and the like.
  • Example 1 Cu with 1.2 parts by mass of binder (isobolonylcyclohexanol), 0.4 parts by mass of adipic acid, 0.8 parts by mass of decanol, and Ni content of 5.5 atm% (5.1% by mass) -Ni alloy metal powder 6.8 parts by mass, lead-free solder alloy powder containing Sn as the main component (manufactured by Nippon Superior Co., Ltd., SN100C (registered trademark), Sn-Cu-Ni-based solder alloy) 10.8 mass The mixture of parts was heated and melted and then cooled to prepare a sheet-shaped preform solder 1.
  • binder isobolonylcyclohexanol
  • adipic acid 0.8 parts by mass of decanol
  • -Ni alloy metal powder 6.8 parts by mass
  • lead-free solder alloy powder containing Sn as the main component manufactured by Nippon Superior Co., Ltd.,
  • solder foil 1 The surface of the solder foil 1 described above was polished to a thickness of 2 mm, and then cut into a width of 10 mm and a length of 10 mm to obtain a solder foil 4. The obtained solder foil 4 was used as a sample for evaluation.
  • FIG. 5 is an enlarged view (700 times) of the vicinity of the metal particles indicated by reference numeral 3a in FIG.
  • metal component analysis was performed by an energy dispersive X-ray analyzer to measure the distribution of Sn, Cu, and Co.
  • the measurement results are shown in FIGS. 6 to 8.
  • the measurement conditions for the metal component analysis were simple quantitative analysis by the ZAF method, the fitting coefficient was 0.7108, the acceleration voltage was 20.0 kV, and the irradiation current was 1.00000 nA. 6 to 8 show the distribution of Sn, Cu, and Co in the cross section shown in FIG. 5, respectively.

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Abstract

Ｓｎを主成分とする鉛フリーはんだ、及び、該鉛フリーはんだよりも融点の高い金属粒子を含むプリフォームはんだであって、前記金属粒子は、Ｎｉ含量が０．１～９０質量％であるＣｕ－Ｎｉ合金、又は、Ｃｏ含量が０．１～９０質量％であるＣｕ－Ｃｏ合金で形成されており、前記鉛フリーはんだは、前記金属粒子が前記Ｃｕ－Ｎｉ合金の場合はＮｉを含有してもよく、前記金属粒子が前記Ｃｕ－Ｃｏ合金の場合はＮｉを含有し、前記金属粒子の表面に（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５が形成されている、プリフォームはんだにより、従来よりも耐熱性、熱伝導性、信頼性の優れたはんだ接合部を形成可能である。

Description

プリフォームはんだ及び該プリフォームはんだを用いて形成されたはんだ接合体
　本発明は、プリフォームはんだ及び該プリフォームはんだを用いて形成されたはんだ接合体に関するものである。
　従来、例えば、電力変換素子等の電子部品を銅基板に固定する際に、はんだペースト又ははんだシートを必要箇所に配置してリフロー炉等により加熱してはんだ付けする方法が採用される場合がある。このようなリフロー方式によるはんだ付け方法では、加熱により溶融したはんだが、電子部品等の自重により被接合部材間から押し出され、その結果、接合力が低下する場合がある。また、はんだバンプにより電子部品を配線基板に接続する場合に、バンプの高さが不均一になり、電子部品が傾いて基板に接合される場合がある。このように接合されると、長時間の使用の結果、バンプが低くなった部分に熱応力が加わり、バンプの割れ等が生じる場合がある。また、このようなはんだ付け時の不良に加え、高温作動温度に於いて電子部品のはんだ接合部が高温に晒される状況下ではんだ接合部が軟化（常温に比べて硬度や強度が低下）することにより、接合している部品の自重や振動等の外力により、はんだ接合部の高さが変化して不均一になり、そのことに起因して接合不良が発生する場合もある。
　これらの改善策として、例えば、はんだ合金に金属粒子を分散させた複合材が提案されている（特許文献１～３）。
　特許文献１には、板状はんだ中に高融点金属粒が分散された、Ｓｎ主成分の鉛フリーフォームはんだにおいて、前記金属粒が、Ｎｉ又はＣｕであり、はんだ合金の融点＋３００℃以上の融点を有し、粒径２０～３００μｍであり、該高融点金属粒の粒子径のバラツキが粒子径の４０％以内であり、かつ高融点金属粒の周囲には、はんだの主成分と高融点金属粒との合金層が形成されており、該合金層が、金属粒がＮｉの場合はＮｉ３Ｓｎ、Ｎｉ３Ｓｎ２、Ｎｉ３Ｓｎ４から成る群、金属粒がＣｕの場合はＣｕ３Ｓｎ、Ｃｕ６Ｓｎ５から成る群から選んだ少なくとも１種の合金層であることが開示されている。そして、このような構成により、半導体素子と基板とをはんだ付けしたときに、半導体素子が基板に対して傾斜して接合されないため、はんだ量の不足による接合強度の低下がなく、また金属粒の周囲にはんだとの合金層が形成されているため金属粒とはんだ接合強度が向上するとされている。
　特許文献２には、マトリックスを構成するはんだより高融点の金属球が分散されたはんだシートにおいて、前記金属球における直径の平均値が３０～３００μｍ、直径分布の標準偏差が２．０μｍ以下であることが記載されている。そして、このような構成により、基板の電極部と電子部品の端子間の間隔（スタンドオフ高さ）を適度に保つことが可能になるため、熱伝導を阻害するはんだ層の厚みを、基板と電子部材の熱膨張差を緩和する領域で可能な限りスタンドオフ高さを抑制することができるとされている。
　特許文献３には、チップ部品と配線部材とを固着したはんだ層が樹脂層で封止され、前記はんだ層がマトリックス金属に前記マトリクッス金属の融点よりも高い融点を有する金属粉末を分散させた複合体で構成されたことを特徴とする半導体装置が開示されている。そして、このような構成により、基板上に回路素子としてのチップ部品を搭載し、搭載チップ部品を樹脂封止してなる半導体装置を外部配線基板に搭載する場合に１次実装はんだ材の流出やこれによる短絡、断線、チップ部品の位置ずれを防止できる半導体装置を提供できるとされている。
特許第５３６９６８２号公報 特開２００５－１６１３３８号公報 国際公開第２００３／０２１６６４号
　ところで、近年、Ｓｉ半導体よりも高温での動作が可能であることから、ＳｉＣ半導体が注目されている。そのため、例えばＳｉＣ半導体を用いたパワーモジュール等を基板上に固着するはんだ合金には、従来よりも高い耐熱性、熱伝導性、信頼性が要求されるようになっている。また、第５世代通信技術の実現により、大量のデータが通信端末間でやり取りされることから、通信端末のプリント基板と電子部品の端子の接合部に用いられるはんだ合金にも、従来よりも高い耐熱性、熱伝導性、信頼性が要求されるようになっている。
　本発明者は、高い耐熱性、熱伝導性、信頼性を有するはんだ合金について検討を重ね、このような特性を有し得るはんだ合金として、はんだ合金中に金属間化合物を析出させることが有効であることを見出している（特開２０１１－４１９７０号公報）。このようなはんだ合金は、市場の要求にある程度応え得るものではあるが、改善の余地がある。
　特許文献１に記載の発明では、高融点金属粒が、Ｎｉ又はＣｕであり、金属粒とはんだの主成分であるＳｎとの合金層が、Ｎｉ３Ｓｎ、Ｎｉ３Ｓｎ２、Ｎｉ３Ｓｎ４から成る群、又は、Ｃｕ３Ｓｎ、Ｃｕ６Ｓｎ５から成る群から選んだ少なくとも１種であるとされている。しかし、例えば金属粒がＮｉの場合、本発明者が検討したところによると、Ｓｎを主成分とする鉛フリーはんだ合金に対する濡れ性が低く、合金層が十分には形成されていない可能性がある。
　特許文献２に記載の発明では、好適な金属球として、Ｎｉを主体とする組成からなる金属球が用いられる。しかし、特許文献２には、予め薄く圧延したはんだ帯同士を、その間に金属球を投入しながら圧延しながら形成するはんだシートしか記載がなく、得られたはんだシートにおいては、金属間化合物は存在していない。また、特許文献２には、Ｎｉを主体とする組成からなる金属球として純Ｎｉ金属片から形成されるものしか開示されていない。さらに、前述のように、Ｎｉの金属球は、Ｓｎを主成分とする鉛フリーはんだ合金に対する濡れ性が低く、金属間化合物が十分に形成されない可能性がある。
　特許文献３に記載の発明では、実施例として、鉛フリーはんだ合金を含む各種のはんだ合金で形成されるマトリックス金属に各種の合金により形成される金属粉末を分散させた複合体で構成されたはんだ層が記載されている。しかし、特許文献３には、はんだ合金及び金属粉末からなるシート状はんだ材に関して開示されているものの、金属間化合物には着目されていない。また、特許文献３に明示されている金属粉末では、市場の高い要求性能に応えるには、改善の余地がある。
　そこで、本発明の目的は、従来よりも耐熱性、熱伝導性、信頼性の優れたはんだ接合部を形成可能なプリフォームはんだを提供することにある。また、このようなはんだ接合部を有するはんだ接合体を提供することにある。
　本発明者は、前述の課題解決のために、鋭意検討を行った。その結果、特定のＣｕ－Ｎｉ合金の金属粒子を、Ｓｎを主成分とする鉛フリーはんだ合金（例えば、シート状の鉛フリーはんだ合金）中に存在させるか、特定のＣｕ－Ｃｏ合金の金属粒子を、Ｓｎを主成分とし、Ｎｉを含有する鉛フリーはんだ合金（例えば、シート状の鉛フリーはんだ合金）中に存在させることで、前述の課題が解決されることを見出した。
　本発明は、Ｓｎを主成分とする鉛フリーはんだ、及び、該鉛フリーはんだよりも融点の高い金属粒子を含むプリフォームはんだであって、前記金属粒子は、Ｎｉ含量が０．１～９０質量％であるＣｕ－Ｎｉ合金、又は、Ｃｏ含量が０．１～９０質量％であるＣｕ－Ｃｏ合金で形成されており、前記鉛フリーはんだは、前記金属粒子が前記Ｃｕ－Ｎｉ合金の場合はＮｉを含有してもよく、前記金属粒子が前記Ｃｕ－Ｃｏ合金の場合はＮｉを含有し、前記金属粒子の表面に（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５が形成されている、プリフォームはんだに関する。また、前述のプリフォームはんだを用いて形成されたはんだ接合体に関する。
　本発明に係るプリフォームはんだは、従来よりも耐熱性、熱伝導性、信頼性の優れたはんだ接合部を形成することができる。また、このようなはんだ接合部を有するはんだ接合体を提供することができる。
実施形態に係るシート形状のプリフォームはんだの内部構造を説明するための厚み方向の断面図である。 実施例で得られたプリフォームはんだの厚み方向断面の一部をＳＥＭにより観察した際の撮像を示した図である。 実施例３において用いたＣｕ－Ｃｏ合金の金属粒子の外観を走査電子顕微鏡により撮影した撮像を示した図である。 実施例に係るプリフォームはんだを銅箔である基材間に配置し、加熱して形成されたはんだ接合体の断面構造をデジタルマイクロスコープ及び走査電子顕微鏡により撮影した撮像を示した図である。 図４の符号３ａで示される金属粒子の近傍を拡大した部分の撮像を示した図である。 図５に示す部分をエネルギー分散型Ｘ線分析装置により金属成分分析を行った時のＳｎの分布を示した図である。 図５に示す部分をエネルギー分散型Ｘ線分析装置により金属成分分析を行った時のＣｕの分布を示した図である。 図５に示す部分をエネルギー分散型Ｘ線分析装置により金属成分分析を行った時のＣｏの分布を示した図である。
　本発明の実施形態に係るプリフォームはんだは、鉛フリーはんだ中に、この鉛フリーはんだよりも融点の高い金属粒子（以下、単に「金属粒子」と称する場合がある。）を含むものである。この鉛フリーはんだは、Ｓｎを主成分とする合金である。金属粒子は、Ｎｉ含量が０．１～９０質量％であるＣｕ－Ｎｉ合金、又は、Ｃｏ含量が０．１～９０質量％であるＣｕ－Ｃｏ合金で形成されている。また、この鉛フリーはんだは、前記金属粒子が前記Ｃｕ－Ｎｉ合金の場合はＮｉを含有してもよく、前記金属粒子が前記Ｃｕ－Ｃｏ合金の場合はＮｉを含有する。そして、金属粒子の表面には、はんだ合金と金属粒子との金属間化合物である（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５が形成されている。
　このように、プリフォームはんだ中の金属粒子の表面に（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５が形成されていることで、（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５が有する優れた熱伝導性により、はんだ接合部の熱伝導性も優れる。金属粒子が、特定範囲のＮｉ含量のＣｕ－Ｎｉ合金で形成される場合は、Ｃｕ又はＮｉの粒子の場合に比べて、はんだ合金中のＳｎを、金属粒子内に迅速に拡散させることが可能であるため、（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５の生成が極めて迅速に行われる。また、金属粒子が、特定範囲のＣｏ含量のＣｕ－Ｃｏ合金で形成される場合も、ＣｏはＮｉと類似の性質を有することから、同様に、（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５の生成が極めて迅速に行われると考えられる。特に金属粒子としてはんだ合金中に存在させることで、金属粒子を核として（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５の生成がより迅速に行われる。融点がはんだ合金より高い（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５が金属粒子の表面に迅速に形成されるため、Ｃｕが含まれていても、金属粒子を核とする粒子の大きさが維持される。以上により、プリフォームはんだ中はもとより、プリフォームはんだを用いた形成されたはんだ接合部においても、従来よりも多量の（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５が存在するため、従来よりも熱伝導性に優れたはんだ接合部を提供することができる。また、プリフォームはんだを溶融させ部品間の接合を行う際には、予め（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５が存在するため、その良好な伝導性により周囲のはんだ合金の溶融が促進されることになる。その結果、溶融時にはんだ合金全体の流動性が確保されボイドの発生が抑制されたはんだ接合部が形成される。さらに、（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５の融点は、４１５℃あるとともに、Ｃｕ６Ｓｎ５と異なり、１８６℃でのη－η’相変化が生じない。η－η’相変化が生じると体積変化が生じ、はんだ接合部に応力が集中して破損の原因になり得る。しかし、（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５は、相変化を生じないため、はんだ接合部が１８６℃以上の高温に晒され、その後冷却された場合でも相変化が生じないため、はんだ接合部の応力集中が抑制される。
　以上のように、表面に（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５が形成されている特定の金属粒子が含まれる、好ましくは分散されているため、（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５の耐熱性、熱伝導性に基づく特性が効果的にプリフォームはんだ及びはんだ接合部に付与される。また、その熱伝導性に起因してはんだ接合部のボイドの発生を抑制することもできる。これらの結果から、はんだ接合部として長期間使用した場合でも、はんだ部の接合の損傷を抑制し、従来よりも信頼性の高いはんだ接合部を提供することができる。また、以上のような特性のはんだ接合部を有するはんだ接合体を提供することができる。
　鉛フリーはんだは、Ｓｎを主成分とする合金であり、金属粒子の種類に応じて、Ｎｉが含まれるものであればよい。つまり、金属粒子が特定のＣｕ－Ｎｉ合金の場合は、金属粒子中にＮｉが含まれるため、金属粒子の表面に（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５を形成させるには、はんだ合金中にＮｉは必須ではないが、金属粒子が特定のＣｕ－Ｃｏ合金の場合は、金属粒子中にＮｉは含まれないため、はんだ合金中にはＮｉが含まれる必要がある。このような鉛フリーはんだ合金としては、本発明の効果を有する範囲において特に制限はなく、金属粒子が特定のＣｕ－Ｎｉ合金の場合は、例えば、Ｓｎ－Ａｇ系、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ系、Ｓｎ－Ｚｎ系、Ｓｎ－Ｓｂ系、Ｓｎ－Ａｇ－Ｂｉ系、Ｓｎ－Ａｇ－Ｉｎ系、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系及びＳｎ－Ｎｉ系等の鉛フリーはんだ合金が挙げられる。このうち、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系及びＳｎ－Ｎｉ系鉛フリーはんだ合金が好ましい。また、このような鉛フリーはんだ合金にＮｉ、Ｃｏ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｃｒ、Ｐ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｔｅ、Ｐｔ、Ａｕ等が適宜添加されたものであってもよい。また、金属粒子が特定のＣｕ－Ｃｏ合金の場合は、例えば、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系及びＳｎ－Ｎｉ系、並びに、Ｓｎ－Ａｇ系、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ系、Ｓｎ－Ｚｎ系、Ｓｎ－Ｓｂ系、Ｓｎ－Ａｇ－Ｂｉ系、Ｓｎ－Ａｇ－Ｉｎ系にＮｉが添加された鉛フリーはんだ合金等が挙げられる。さらに、このような鉛フリーはんだ合金に、Ｃｏ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｃｒ、Ｐ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｔｅ、Ｐｔ、Ａｕ等が適宜添加されたものであってもよい。
　鉛フリーはんだ合金中のＳｎの濃度は、主成分であればよい。即ち、鉛フリーはんだ合金中で最も含有量が多ければよい。
　金属粒子は、ＣｕとＮｉの合金又はＣｕとＣｏの合金で形成されたものである。そして、ＣｕとＮｉの合金の場合は、合金中のＮｉの含量が０．１～９０質量％であり、好ましくは、５～４５質量％であり、より好ましくは、１０～４０質量％であり、特に好ましくは、２０～３５質量％である。また、ＣｕとＣｏの合金の場合は、合金中のＣｏの含量が０．１～９０質量％であり、好ましくは、５～４５質量％であり、より好ましくは、１０～４０質量％であり、特に好ましくは、２０～３５質量％である。そして、Ｃｕ－Ｎｉ合金の場合はＮｉの含有量がこの範囲であることで、また、Ｃｕ－Ｃｏ合金の場合は、Ｃｏの含有量がこの範囲であることで、Ｓｎを主成分とする鉛フリーはんだ合金と金属粒子との化合物である金属間化合物として、（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５が、極めて迅速に金属粒子の表面に形成される。
　金属粒子の大きさは、金属間化合物の生成の核となり得る大きさがあればよい。例えば、平均粒子径が５μｍ以上であればよい。また、平均粒子径の上限は被接合部品間の大きさ、はんだの接合強度、被接合部材等に応じて適宜設定することができる。また、粒子のばらつきも特に限定はないが、必要に応じて、整粒したものであってもよい。金属粒子の形状は特に限定はなく、本技術分野において公知のものを採用することができる。
　金属粒子のプリフォーム中の含量は、特に限定はなく、用途に応じて要求される、接合強度並びに金属間化合物の存在により奏される耐熱性、熱伝導性及び信頼性との関係に基づき適宜決定することができる。
　このような金属粒子は、公知の方法で調製できる。また、市販のものを使用することもできる。
　金属粒子の表面には（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５が形成されている。（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５は、金属粒子の内部にも形成されていてもよい。（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５が少なくとも金属粒子の表面に存在していれば、はんだ接合部に良好な耐熱性、熱伝導性、信頼性を付与可能である。このような金属粒子は、例えば、所定のはんだ合金の溶融物と所定の金属粒子の混合物を冷却することで、はんだ合金中に分散された、（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５が表面に形成され金属粒子として得ることができる。即ち、プリフォームはんだを作製する際に形成される。
　プリフォームはんだの形状は特に限定はなく、用途等に応じて適宜選択可能である。例えば、シート状、リボン状、ワイヤ状、球形状、ペレット、ワッシャー、その他の所望の形状に成形加工されたもの等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
　プリフォームはんだの厚みは、用途等に応じて適宜選択することができる。
　プリフォームはんだは、金属粒子の表面に（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５を形成させることが可能な加熱処理を伴う方法で得ることができる。例えば、以下の工程により得ることができる。（ｉ）所定の金属粒子をフラックス剤に分散若しくは馴染ませる、（ii）得られたフラックス剤を馴染ませた金属粒子を、溶解させたはんだ合金中に投入し均一に分散させる、（iii）冷却して成形前のインゴットを得る、（iv）それをロール等を用いて圧延し、所定の形状やサイズに加工する。尚、（ii）において成形前のインゴットになる前になじませたフラックス剤が揮発や分解してプリフォームはんだに含有されないように、（ｉ）において組成を調整する。また、特許文献１に記載の母合金法によって得ることも可能である。
　フラックス剤は、本技術分野において一般的なものを用いることができる。例えば、溶剤、活性剤が含まれるフラックス剤が挙げられる。また、フラックス剤には必要に応じて松脂等の樹脂成分が含まれてもよい。溶剤としては、例えば、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、２－プロパノール、デカノール、イソボルニルシクロヘキサノール（ＭＴＰＨ）等が挙げられる。活性剤としては、例えば、アジピン酸、コハク酸、マレイン酸、安息香酸、グルタル酸、ジエチルアニリン臭化水素酸塩等が挙げられる。樹脂成分としては、例えば、水素添加ロジン、フェノール変性ロジンエステル、重合ロジン等が挙げられる。フラックス剤の成分組成は、はんだ合金の成分組成、金属粒子の組成を考慮して適宜選択することができる。
　実施形態に係るシート形状のプリフォームはんだを図面に基づき説明すると以下のとおりである。図１は、シート形状のプリフォームはんだ１の内部構造を説明するための厚み方向の切り欠き断面図である。図１に示すように、プリフォームはんだ１は、Ｓｎを主成分とする合金で形成された鉛フリーはんだ２に、（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５（符号４）が表面に形成された金属粒子３が分散したものである。図１に示す実施形態では、はんだ２中に、金属粒子３が分散している。そして、（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５（符号４）が表面に形成された金属粒子３が近接して存在しており、（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５（符号４）による熱伝導性がより効果的に発揮され得る。そのため、例えば高温領域で動作する電子部品のはんだ接合部において放熱特性に優れ、良好な耐熱性を有すると考えられる。また、はんだ接合時には、その熱伝導性により加熱による溶解がはんだ合金全体で瞬時に進行しはんだ合金の流動に伴うバブルの発生を効果的に抑制し得ると考えられ、η－η’相変化の起きない（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５（符号４）の特性と相俟って、冷却後のはんだ接合部の信頼性の向上に寄与すると考えらえる。
　実施形態に係るはんだ接合体は、前述のプリフォームはんだを用いて形成されたものである。はんだ接合体は、所定の基材と、この基材と接合したプリフォームはんだにより構成されるはんだ接合部（はんだ層とも称する）とを含む。また、前述のプリフォームはんだを用いてはんだ接合を行って、はんだ接合体を形成する場合、公知のリフローやギ酸ガス雰囲気下にて行うことができる。このようにして形成されるはんだ接合体は、前述のプリフォームはんだを用いて形成されているため、表面に（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５が形成された金属粒子を含むはんだ層を有するため、耐熱性、熱伝導性、信頼性の優れたはんだ接合部を有することとなる。
　以上のように、前述のプリフォームはんだは、耐熱性、熱伝導性、信頼性に優れるはんだ接合部を形成可能なため、例えば、車載モータやその他の電動モータの駆動を制御するための発熱量が大きいパワーモジュール等の接合に極めて好適である。
　実施例に基づき、本発明の実施形態に係るプリフォームはんだについて説明する。
（実施例１）
　バインダー（イソボロニルシクロヘキサノール）１．２質量部、アジピン酸０．４質量部、デカノール０．８質量部のフラックス剤、Ｎｉの含有量が５．５ａｔｍ％（５．１質量％）のＣｕ－Ｎｉ合金の金属粉末６．８質量部、Ｓｎを主成分とする鉛フリーはんだ合金粉末（株式会社日本スペリア社製、ＳＮ１００Ｃ（登録商標）、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系はんだ合金）１０．８質量部の混合物を加熱溶融した後冷却し、シート状のプリフォームはんだ１を作製した。
（評価１）
　得られたプリフォームはんだ１の厚み方向断面をＳＥＭにより確認した。図２に示すように得られたプリフォームはんだは、Ｎｉ含量が５．１質量％でＣｕ濃度が高い金属粒子を用いて形成したものであったが、はんだ合金中に金属粒子が維持されていることが確認された。つまり、Ｃｕ－Ｎｉ合金の金属粒子にＳｎが拡散し、（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５が表面に形成されたと考えられる。
（実施例２）
＜鉛フリーはんだのはんだ箔１の作製＞
　０．７Ｃｕ、０．０５Ｎｉ、０．００５Ｇｅ、残部Ｓｎ組成のはんだ合金（株式会社日本スペリア社製、ＳＮ１００Ｃ（登録商標））を用いて、定法に従って、幅１５ｍｍ、長さ１５ｍｍ、厚さ２．５ｍｍのはんだ箔１を作製した。
＜プリフォームはんだの製造＞
　Ｎｉの含有量が３０質量％のＣｕ－Ｎｉ合金の金属粒子を、プリフォームはんだの状態で表１に示す含有率となり得るようにフラックス剤（株式会社日本スペリア社製、フラックスＲＭ－５）に練り込み、混練物を作製した。次いで、この混練物を前述のはんだ箔１の一方の面の表面の中心部分に、幅１０ｍｍ、長さ１０ｍｍとなるように均一に塗布した。次いで、混練物が表面に塗布されたはんだ箔１を、２００℃に保持したホットプレートに載置して、はんだ箔１を加熱すると同時に、はんだごて（こて先の温度：３５０℃）を、混練物が塗布された面の側から接触させ、はんだ箔１の表層を溶融し、Ｃｕ－Ｎｉ合金の金属粒子をはんだ箔１の合金内に埋入した。その後、自然冷却して、金属粒子を鉛フリーはんだ合金中に含むはんだ箔２を得た。はんだ箔２の表裏両面を研磨して厚みを２ｍｍとし、幅１０ｍｍ、長さ１０ｍｍに加工し、はんだ箔３としてシート状のプリフォームはんだ２を得た。得られたプリフォームはんだ２を評価用の試料として用いた。
（比較例１）
　前述のはんだ箔１の表面を研磨して厚さ２ｍｍとした後、幅１０ｍｍ、長さ１０ｍｍに裁断してはんだ箔４を得た。得られたはんだ箔４を評価用の試料として用いた。
（評価２）
＜熱拡散率の測定＞
　エアゾール乾性黒鉛被膜形成潤滑剤ＤＧＦ（日本船舶工具(有)製）を用いて黒化処理を行った実施例２及び比較例１の各試料を、レーザーフラッシュアナライザーＬＦＡ４５７（ＮＥＴＺＳＣＨ社製）を用いて、大気中、室温における熱拡散率の測定を行った。
＜密度測定＞
　アルキメデス法に従い、実施例２及び比較例１の各試料を内径が当該試料と合同の容器中の水に沈め、試料投入前後の液面の変化より試料体積を測定し、試料重量より算出した。
＜比熱測定＞
　示差走査熱量測定装置ＤＳＣ３５００（ＮＥＴＺＳＣＨ社製）を用い、サファイアを基準物質として、アルゴン雰囲気下、室温条件にて、ＤＳＣ法により実施例２及び比較例１の各試料の比熱を測定した。
＜熱伝導率＞
　実施例２及び比較例１の各試料について、前述のようにして得られた、熱拡散率、密度、比熱から、下記式に従って熱伝導率を算出した。
　熱伝導率（W/(m・K)）　＝　熱拡散率（m2/s）×密度（Kg/m3）×比熱（J/(Kg・K)）
　以上の結果を、表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示すように、所定の金属粒子を含有させることで、熱伝導率が向上していることが分かる。
（実施例３）
　Ｃｏの含有量が３０質量％のＣｕ－Ｃｏ合金の金属粒子（平均粒子径８５μｍ、球形状、図３参照）を用いた以外は、実施例２と同様にしてプリフォームはんだ３を得た。
（評価３）
＜はんだ接合体の断面構造の観察＞
　得られたプリフォームはんだ３を、２枚の基材である銅箔の間に挟み、定法に従って、２５０℃で１～２分間加熱して、プリフォームはんだ３を溶融させた後、冷却して、両銅箔がプリフォームはんだ３のはんだ接合部を介して接合されているはんだ接合体を作製した。得られたはんだ接合体の厚み方向断面のデジタルマイクロスコープ及び走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）による撮像を取得し、断面を観察するととともに、画像処理ソフトにより、プリフォームはんだ３の層の厚み、及び、同層に含まれる金属間化合物で被覆された金属粒子の寸法を測定した。取得した画像を図４、５に示す。図５は、図４の符号３ａで示される金属粒子の近傍の拡大図（７００倍）である。また、図５に示すはんだ接合体の厚み方向断面において、エネルギー分散型Ｘ線分析装置により金属成分分析を行って、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｃｏの分布を測定した。測定結果を図６～８に示す。金属成分分析の測定条件は、ＺＡＦ法による簡易定量分析とし、フィッティング係数は０．７１０８、加速電圧は２０．０ｋＶ、照射電流は１．０００００ｎＡとした。図６～８は、図５に示す断面における、それぞれＳｎ、Ｃｕ、Ｃｏの分布を示している。尚、図６～８は、白黒で示されているが、実際の画像は濃度分布がカラーの点の分布で示されている。図６～８の符号７で示すインジケータは、対応するカラー画像では、図中下から上に向かって黒、青系、黄緑系、赤系の順に配列され、各系は図中上側の方が淡色系となるように、順に配列されたスペクトルとして示されている。また、インジケータ７は、図中下から上に向かって順に濃度が高くなるように示されている。尚、以下の図６～８を参照した説明では、必要に応じてカラー画像の表示を括弧書きで示している。
　図４、５に示すように、金属粒子３ａ、３ｂの周囲に金属間化合物（（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５）４ａ、４ｂが形成されていることが分かる。はんだ合金２の厚みは、図４、５の両端近傍でそれぞれ９６μｍで均一な厚みを有し、金属間化合物４ａで囲まれた金属粒子３ａ全体の大きさが概ね８５μｍ、金属間化合物４ｂで囲まれた金属粒子３ｂ全体の大きさが概ね８７μｍであった。つまり、Ｃｕ又はＮｉ単独の金属粒子の場合と異なり、Ｃｕ－Ｃｏ粒子は形状を維持し、はんだ合金２の層の厚みを均一に形成する機能を発揮していると考えられる。
　また、図６に示すように、Ｓｎは、金属粒子３ａ及び銅箔５には含まれず（黒色）、はんだ合金２には、高濃度に含まれ（赤系の色特に淡色系が多く分布）、銅箔５及び金属粒子３ａとはんだ合金２との界面付近には、両者の中間程度含まれる（黄緑系が多く、青系も含まれる）ことが分かった。また、Ｃｕの分布は、図７に示す白黒像ではやや分かりにくいが、対応するカラー画像を参照すると、Ｃｕは、銅箔５に多く含まれ（赤系の色が多く分布）、金属粒子３ａには、銅箔５よりは少なく含まれ（赤系、黄緑系が同程度分布）、はんだ合金２には、ほとんど含まれず（黒系）、銅箔５及び金属粒子３ａとはんだ合金２との界面付近には、両者の中間程度より少なく含まれる（青系が多く分布）ことが分かった。Ｃｏは、図８に示すように、金属粒子３ａにのみ含まれる（水色系が多く分布）ことが分かった。
　以上のように、図４～８より、所定のＣｕ－Ｃｏ合金の金属粒子を含む場合、金属間化合物（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５で被覆された金属粒子が粒子径を維持しつつ銅箔等の基材間のはんだ合金中に存在するため、基材間の間隔を一定に保持し、信頼性の向上に寄与することができる。そして、例えば、本実施例では、金属間化合物（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５で被覆された金属粒子が、銅箔等の基材表面に形成された金属間化合物と連続しており、熱伝導性の向上に寄与することができる。したがって、所定のＣｕ－Ｃｏ合金の金属粒子を含む場合も、所定のＣｕ－Ｎｉ合金の金属粒子の場合と同様に、従来よりも耐熱性、熱伝導性、信頼性の優れたはんだ接合部を形成可能なプリフォームはんだ及びそのような優れた特性のはんだ接合部を有するはんだ接合体を提供することが期待できる。
　１　シート形状のプリフォームはんだ
　２　はんだ合金
　３、３ａ、３ｂ　金属粒子
　４、４ａ、４ｂ　（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５
　５　銅箔（基材）
 
 

Claims (2)

  1. 　Ｓｎを主成分とする鉛フリーはんだ、及び、該鉛フリーはんだよりも融点の高い金属粒子を含むプリフォームはんだであって、
    　前記金属粒子は、Ｎｉ含量が０．１～９０質量％であるＣｕ－Ｎｉ合金、又は、Ｃｏ含量が０．１～９０質量％であるＣｕ－Ｃｏ合金で形成されており、
    　前記鉛フリーはんだは、前記金属粒子が前記Ｃｕ－Ｎｉ合金の場合はＮｉを含有してもよく、前記金属粒子が前記Ｃｕ－Ｃｏ合金の場合はＮｉを含有し、
    　前記金属粒子の表面に（Ｃｕ、Ｎｉ）６Ｓｎ５が形成されている、プリフォームはんだ。
  2. 　請求項１記載のプリフォームはんだを用いて形成されたはんだ接合体。
     
     
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