はんだ材料及びその製造方法
【課題】２５０〜３５０℃の高温域でのはんだ付けに使用可能な、無鉛の高温はんだ材料とその製造方法を提供する。
【解決手段】真空容器１内にるつぼ２、３、４が配置され、それぞれのるつぼ内にＳｎ５、Ａｇ６、Ａｌ７が設けられている。真空容器１内をポンプ１６により排気し、所定の圧力に達した後、各るつぼを所定の温度まで加熱すると、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌが固体から液体へと変化し、やがて蒸発しはじめる。基板ホルダー１４と支柱１７を介して接続されたモーター１８を動作させることにより基板１５を回転させながら蒸着を行い、基板１５の表面に薄膜状の堆積物を形成した。次に基板１５を真空容器１から取り出し、堆積物と回収材としての基板１５とを分離し、堆積物を粉末状のはんだ材料として得ることができた。
【解決手段】真空容器１内にるつぼ２、３、４が配置され、それぞれのるつぼ内にＳｎ５、Ａｇ６、Ａｌ７が設けられている。真空容器１内をポンプ１６により排気し、所定の圧力に達した後、各るつぼを所定の温度まで加熱すると、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌが固体から液体へと変化し、やがて蒸発しはじめる。基板ホルダー１４と支柱１７を介して接続されたモーター１８を動作させることにより基板１５を回転させながら蒸着を行い、基板１５の表面に薄膜状の堆積物を形成した。次に基板１５を真空容器１から取り出し、堆積物と回収材としての基板１５とを分離し、堆積物を粉末状のはんだ材料として得ることができた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、はんだ材料及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子部品実装等で用いられる従来のはんだは、Ｓｎ（錫）とＰｂ（鉛）とによる共晶はんだで、その共晶点が１８３℃であり、多くの熱硬化性樹脂がガス化を始める温度よりも低い。このため、錫−鉛共晶はんだは、基板等の接合に用いられた時にプリント基板等を熱によって損傷しなくてもすむという特徴を有している。したがって、錫―鉛共晶はんだは、電子機器の製造における部品の接合、組立てにおいて重要な材料である。
【０００３】
一方でＰＡモジュール等の高周波を扱う実装部品では、図１２に示すようにモジュール部品の内部において、モジュール基板４１と電子部品４２の接合にはんだ材料４３が用いられている。このようにして生産されたモジュール部品はマザー基板に実装して使用されるが、その際にモジュール部品内部のはんだ材料４３が溶融して形状が変化すると高周波特性が変化するため、マザー基板への実装時に溶融しないように溶融温度２５０〜３００℃の高温はんだ材料（例えばＰｂ−４０％Ｓｎ等）が使用されている。
【０００４】
また、パワートランジスタ等の高電圧、高電流が負荷され大きな発熱を伴う半導体実装部品では、図１３に示すような部品の内部において、フラットリード４４と金属箔４５の接合に高温はんだ４６が用いられ、これらの内部接合において接合の耐熱性を確保するため、溶融温度３００〜３５０℃の高温はんだ材料（例えばＰｂ−５％Ｓｎ等）が使用されている。
【０００５】
しかしながら近年、地球環境保護の関心が高まる中、廃棄物によって環境問題が生じることが危ぶまれており、はんだ材料においても、廃棄された電子機器等から鉛（Ｐｂ）が土壌に溶出することが懸念されている。これを解決するために鉛を含まないはんだ材料が必要とされており、溶融温度２００〜２５０℃のＳｎ−Ｐｂはんだ材料については、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系のはんだを使用して、鉛を含まないはんだ材料の実用化が進んでいる。
【０００６】
一方で、高耐熱が求められる高温はんだ材料については、代替材料が見当たらず、実用化には、程遠いのが現状である。溶融温度２５０〜３００℃を実現する高温はんだ材料としては、ビスマスを９０重量％以上含有するものがあった（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−３５３５９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載された従来の高温はんだ材料は、ガラスのような脆い基板上に形成された導体にはんだ付けするためのものであり、凝固時の応力緩和を目的として、多量のＢｉを含有している。その組成比率はＢｉからなる９０重量％以上の第１金属元素と、９０重量部以上の第１金属元素と９．９重量部以下で２元共晶し得る第２金属元素と、さらに合計０．１〜３．０重量％の第３金属元素である。このように耐衝撃性に劣るＢｉを９０重量％以上含有していたため信頼性が十分ではない。すなわち、このようなはんだ材料は、接合強度が弱く、また、接合強度の経時的な劣化も大きい。
【０００８】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、２５０〜３５０℃の高温域でのはんだ付けに使用可能な、無鉛の高温はんだ材料とその製造方法、無鉛で高耐熱の電子部品、無鉛で高耐熱の接合方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願の第１発明のはんだ材料は、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｃｕのうち少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料であって、各元素が非平衡状態で混合されていることを特徴とする。このような構成により、２５０〜３５０℃の高温域でのはんだ付けに使用可能な、無鉛の高温はんだ材料を実現することができる。
【００１０】
本願の第２発明のはんだ材料は、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｃｕのうち少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料であって、各元素が原子レベルで混合されていることを特徴とする。このような構成により、２５０〜３５０℃の高温域でのはんだ付けに使用可能な、無鉛の高温はんだ材料を実現することができる。
【００１１】
本願の第３発明のはんだ材料は、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｃｕのうち少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料であって、主成分とする金属元素の全ては含まず、かつ、いずれか１つまたは複数の金属元素を主成分とする複数種類の薄膜が積層され、かつ、積層された複数種類の薄膜全体には主成分とする金属元素の全てが含まれていることを特徴とする。このような構成により、２５０〜３５０℃の高温域でのはんだ付けに使用可能な、無鉛の高温はんだ材料を実現することができる。
【００１２】
本願の第４発明のはんだ材料の製造方法は、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｃｕのうち少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料の製造方法であって、各元素、あるいは少なくとも２種類の単一金属、あるいは合金を各々るつぼ内で加熱して蒸発させ、各るつぼに対向して設けられた回収材上に形成された薄膜状の堆積物をはんだ材料として得ることを特徴とする。このような組成により、２５０〜３５０℃の高温域でのはんだ付けに使用可能な、無鉛の高温はんだ材料を実現することができる。
【００１３】
本願の第５発明のはんだ材料の製造方法は、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｃｕのうち少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料の製造方法であって、各元素、あるいは少なくとも２種類の単一金属、あるいは合金からなるターゲット材に高エネルギー粒子を衝突させてスパッタリングまたは蒸気化し、各ターゲット材に対向して設けられた回収材上に形成された薄膜状の堆積物をはんだ材料として得ることを特徴とする。このような組成により、２５０〜３５０℃の高温域でのはんだ付けに使用可能な、無鉛の高温はんだ材料を実現することができる。
【００１４】
本願の第４または第５発明のはんだ材料の製造方法において、好適には、堆積物と回収材とを分離して堆積物をはんだ材料として得るに際して、回収材に振動を与えることが望ましい。このような構成により、はんだ材料としての堆積物と回収材とを低コストで簡単に分離することができる。あるいは、好適には、堆積物と回収材とを分離して堆積物をはんだ材料として得るに際して、回収材を堆積物に対して選択的に溶解させることが望ましい。このような構成により、はんだ材料としての堆積物と回収材とを低コストで簡単に分離することができる。
【００１５】
あるいは、好適には、堆積物と回収材とを分離して得た堆積物からなる粉体を、樹脂ペーストに混合することが望ましい。このような構成により、低コストで簡単に高温はんだペーストを製造することができる。
【００１６】
あるいは、好適には、回収材がテープ状であり、テープ状回収材から堆積物を分離してはんだリボンを得ることが望ましい。このような構成により、低コストで簡単に高温はんだリボンを製造することができる。
【００１７】
あるいは、好適には、回収材が高融点材料からなるワイヤーであることが望ましい。このような構成により、低コストで簡単に糸はんだ状の高温はんだを製造することができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上のように、本願発明のはんだ材料によれば、２５０〜３５０℃の高温域でのはんだ付けに使用可能な、無鉛の高温はんだ材料を提供することが可能となる。また、本願発明のはんだ材料の製造方法によれば、２５０〜３５０℃の高温域でのはんだ付けに使用可能な、無鉛の高温はんだ材料の製造方法を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２０】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について、図１〜図５を参照して説明する。
【００２１】
図１は、本発明の実施の形態１において用いた蒸着装置の概略構成を示す断面図である。図１において、真空容器１内に第１るつぼ２、第２るつぼ３、第３るつぼ４が配置され、それぞれのるつぼ内にＳｎからなる第１材料５、Ａｇからなる第２材料６、Ａｌからなる第３材料７が設けられている。それぞれのるつぼは、第１ヒーター８、第２ヒーター９、第３ヒーター１０により加熱できるよう構成されており、各ヒーターは、第１温調器１１、第２温調器１２、第３温調器１３により温度調節される。各るつぼに対向して設けられた基板ホルダー１４に回収材としての基板１５が載置されている。真空容器１内をポンプ１６により排気し、所定の圧力に達した後、各るつぼを所定の温度まで加熱すると、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌが固体から液体へと変化し、やがて蒸発しはじめる。基板ホルダー１４と支柱１７を介して接続されたモーター１８を動作させることにより基板１５を回転させながら蒸着を行い、基板１５の表面に薄膜状の堆積物を形成した。このとき、図示しないるつぼシャッター（各るつぼに設けられている）の開口を調整することにより、蒸発量の比、及び、堆積物中の含有量の比がＳｎ：Ａｇ：Ａｌ＝７５：１１：１４（重量比）となるようにした。含有量の比を所望の値にするため、事前に個々のるつぼのみを加熱したときの蒸着速度をるつぼ温度の関数として求めておき、実際にはんだ材料を得る際に所望の比になるように各るつぼの温度に差をもたせるようにした。なお、各るつぼの加熱開始から蒸発が始まるまでの間は、るつぼシャッターは全閉状態とした。また、基板１５の材質はテフロン（登録商標）とした。
【００２２】
次に基板１５を真空容器１から取り出し、基板１５を超音波洗浄器にかけ、基板１５に水中で超音波振動を与えることにより、堆積物と回収材としての基板１５とを分離し、堆積物を粉末として得ることができた。
【００２３】
こうして得られた粉末においては、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌの各元素が非平衡状態で混合されていることが判明した。すなわち、図２のように、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌの各元素が原子レベルで混合されていることがわかった（図２の各円は１個１個の原子を指す）。以下、このことについて詳しく説明する。
【００２４】
図３は、本発明の実施の形態１において得られた堆積物について、ＤＳＣ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｙ）法を用いて示差走査熱量分析曲線を取得したものである。図３より、約３３０℃を中心とした比較的ブロードな吸熱特性が得られ、この堆積物が融点２５０℃〜３５０℃の高温はんだとして利用可能であることがわかった。一方、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌを、含有量の比がＳｎ：Ａｇ：Ａｌ＝７５：１１：１４（重量比）となるように液相で混合させた場合、すなわち、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌを粉末などを原料として準備し上記の重量比で一つのるつぼ内に入れ、これを加熱して液化させて混合させた場合、冷却後に得られた合金は、図４のように、Ｓｎ９６．５％重量比−Ａｇ３．５％重量比からなるＳｎ−３．５Ａｇ合金と、Ｓｎ９８％重量比−Ａｌ２％重量比からなるＳｎ−２Ａｌ合金と、Ａｇ３７％重量比−Ａｌ６３％重量比からなるＡｇ−６３Ａｌ合金とが混在する様相を呈する。これは、このような状態が化学的に安定であるためである。このことは、図５に示す、液相で混合させることによって得た合金の示差走査熱量分析曲線において、約２２５℃と約５５６℃に急峻な吸収が見られることから推察できる。すなわち、Ｓｎ９６．５％重量比−Ａｇ３．５％重量比からなるＳｎ−３．５Ａｇ合金の融点２２１℃と、Ｓｎ９８％重量比−Ａｌ２％重量比からなるＳｎ−２Ａｌ合金の融点２２８℃が近いため、これらは分離されずに２２５℃付近のピークとなって現れ、Ａｇ３７％重量比−Ａｌ６３％重量比からなるＡｇ−６３Ａｌ合金の融点５６６℃にピークが現れている。このように、液相で混合させた場合には平衡状態で混合され、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌの各元素が原子レベルでは混合されないため、このようなはんだ材料は２２０℃程度で一部が溶解しはじめることになり、高温はんだとしては使えない。なお、図４の各楕円は、数十〜数万程度の原子群からなるものと考えている。
【００２５】
こうして得られたはんだ材料について、接合強度を測定したところ、従来例と比較して１．４倍接合強度が強かった。また、接合強度の経時的な劣化も小さいことが確かめられた。
【００２６】
なお、蒸着を行う際にるつぼシャッターを操作して、Ｓｎ薄膜、Ａｇ薄膜、Ａｌ薄膜を積層させた場合においても、図３のようなＤＳＣ特性が得られることが確認できた。この場合、各薄膜の厚さは、最大で１００ｎｍ以下となるようにすることが好ましいこともわかった。これは、あまりに各膜の厚さが厚いと、はんだとして用いる際の加熱時に十分な溶融が行えなかったためである。同様に、Ｓｎ−Ａｇ薄膜、Ｓｎ−Ａｌ薄膜、Ａｇ−Ａｌ薄膜を積層させてもよいことがわかった。つまり、少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料を得るに際して、全ての主成分を含まない複数種類の薄膜が積層されていてもよいことがわかった。
【００２７】
同様に、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｃｕのうち少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料であって、主成分とする金属元素の全ては含まず、かつ、いずれか１つまたは複数の金属元素を主成分とする複数種類の薄膜が積層され、かつ、積層された複数種類の薄膜全体には主成分とする金属元素の全てが含まれている薄膜も、融点２５０℃〜３５０℃の高温はんだとして利用可能であることがわかった。この場合も、各薄膜の厚さは、最大で１００ｎｍ以下となるようにすることが好ましかった。
【００２８】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について、図６を用いて説明する。図６は、本発明の実施の形態２において用いた蒸着装置の概略構成を示す断面図である。図６において、真空容器１内に第１るつぼ２、第２るつぼ３が配置され、それぞれのるつぼ内にＳｎ−Ａｇ合金からなる第１材料５、Ａｇ−Ａｌ合金からなる第２材料６が設けられている。それぞれのるつぼは、第１ヒーター８、第２ヒーター９により加熱できるよう構成されており、各ヒーターは、第１温調器１１、第２温調器１２により温度調節される。各るつぼに対向して設けられた基板ホルダー１４に回収材としての基板１５が載置されている。真空容器１内をポンプ１６により排気し、所定の圧力に達した後、各るつぼを所定の温度まで加熱すると、第１材料及び第２材料が固体から液体へと変化し、やがて蒸発しはじめる。基板ホルダー１４と支柱１７を介して接続されたモーター１８を動作させることにより基板１５を回転させながら蒸着を行い、基板１５の表面に薄膜状の堆積物を形成した。このとき、図示しないるつぼシャッター（各るつぼに設けられている）の開口を調整することにより、蒸発量の比、及び、堆積物中の含有量の比がＳｎ：Ａｇ：Ａｌ＝７５：１１：１４（重量比）となるようにした。含有量の比を所望の値にするため、事前に個々のるつぼのみを加熱したときの蒸着速度をるつぼ温度の関数として求めておき、実際にはんだ材料を得る際に所望の比になるように各るつぼの温度に差をもたせるようにした。なお、各るつぼの加熱開始から蒸発が始まるまでの間は、るつぼシャッターは全閉状態とした。また、基板１５の材質はテフロン（登録商標）とした。
【００２９】
次に基板１５を真空容器１から取り出し、基板１５を超音波洗浄器にかけ、基板１５に水中で超音波振動を与えることにより、堆積物と回収材としての基板１５とを分離し、堆積物を粉末として得ることができた。
【００３０】
こうして得られた粉末においても、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌの各元素が非平衡状態で混合されていること、すなわち、図２のように、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌの各元素が原子レベルで混合されており、図３のようなブロードな吸熱特性が得られることがわかった。つまり、少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料の製造方法において、少なくとも２種類の単一金属または合金を各々るつぼ内で加熱して蒸発させ、各るつぼに対向して設けられた回収材上に形成された薄膜状の堆積物をはんだ材料として得ることによっても、良好な特性を示す高温はんだが得られることが判明した。これは、第１及び第２材料が合金であっても、蒸発した際に気相中で原子レベルにまでバラバラになるためであると考えられる。
【００３１】
こうして得られたはんだ材料について、接合強度を測定したところ、従来例と比較して１．３倍接合強度が強かった。また、接合強度の経時的な劣化も小さいことが確かめられた。
【００３２】
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３について、図７を用いて説明する。図７は、本発明の実施の形態３において用いたスパッタリング装置の概略構成を示す断面図である。図７において、真空容器１内にＳｎ製第１ターゲット材１９、Ａｇ製第２ターゲット材２０、Ａｌ製第３ターゲット材２１が配置されている。それぞれのターゲットには、第１バッキングプレート２２、第２バッキングプレート２３、第３バッキングプレート２４が設けられ、各々第１ＤＣ電源２５、第２ＤＣ電源２６、第３ＤＣ電源２７が接続されている。各ターゲット材に対向して設けられた基板ホルダー１４に回収材としての基板１５が載置されている。真空容器１内にガス供給装置２８からアルゴンガスを供給しつつ、真空容器１内をポンプ１６により排気し、所定の圧力に制御しながら、各ＤＣ電源を操作して第１、第２、第３ターゲットに直流の高電圧を印加すると、真空容器１内にプラズマが発生し、高エネルギー粒子としてのアルゴンイオンが各ターゲット材に衝突し、第１ターゲット材１９、第２ターゲット材２０、第３ターゲット材２１からそれぞれＳｎ、Ａｇ、Ａｌ原子がスパッタリングされて飛び出す。基板ホルダー１４と支柱１７を介して接続されたモーター１８を動作させることにより基板１５を回転させながらスパッタリングを行い、基板１５の表面に薄膜状の堆積物を形成した。このとき、ＤＣ電源から供給されるＤＣ電流を調整することにより、スパッタリング量の比、及び、堆積物中の含有量の比がＳｎ：Ａｇ：Ａｌ＝７５：１１：１４（重量比）となるようにした。含有量の比を所望の値にするため、事前に個々のターゲットのみをスパッタリングしたときの堆積速度をＤＣ電流の関数として求めておき、実際にはんだ材料を得る際に所望の比になるように各ターゲットに供給するＤＣ電流に差をもたせるようにした。また、基板１５の材質はテフロン（登録商標）とした。
【００３３】
次に基板１５を真空容器１から取り出し、基板１５を超音波洗浄器にかけ、基板１５に水中で超音波振動を与えることにより、堆積物と回収材としての基板１５とを分離し、堆積物を粉末として得ることができた。
【００３４】
こうして得られた粉末においても、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌの各元素が非平衡状態で混合されていること、すなわち、図２のように、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌの各元素が原子レベルで混合されており、図３のようなブロードな吸熱特性が得られることがわかった。つまり、少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料の製造方法において、各元素からなるターゲット材に高エネルギー粒子を衝突させてスパッタリングし、各ターゲット材に対向して設けられた回収材上に形成された薄膜状の堆積物をはんだ材料として得ることによっても、良好な特性を示す高温はんだが得られることが判明した。これは、スパッタリングにおいても、蒸着の場合と同様、ターゲット材から飛び出した原料粒子は気相中で原子レベルにまでバラバラになっているためであると考えられる。
【００３５】
こうして得られたはんだ材料について、接合強度を測定したところ、従来例と比較して１．５倍接合強度が強かった。また、接合強度の経時的な劣化も小さいことが確かめられた。
【００３６】
（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４について、図８を用いて説明する。図８は、本発明の実施の形態４において用いたスパッタリング装置の概略構成を示す断面図である。図８において、真空容器１内にＳｎ−Ａｇ製第１ターゲット材１９、Ａｇ−Ａｌ製第２ターゲット材２０が配置されている。それぞれのターゲットには、第１バッキングプレート２２、第２バッキングプレート２３が設けられ、各々第１ＤＣ電源２５、第２ＤＣ電源２６が接続されている。各ターゲット材に対向して設けられた基板ホルダー１４に回収材としての基板１５が載置されている。真空容器１内にガス供給装置２８からアルゴンガスを供給しつつ、真空容器１内をポンプ１６により排気し、所定の圧力に制御しながら、各ＤＣ電源を操作して第１、第２、第３ターゲットに直流の高電圧を印加すると、真空容器１内にプラズマが発生し、高エネルギー粒子としてのアルゴンイオンが各ターゲット材に衝突し、第１ターゲット材１９、第２ターゲット材２０からそれぞれＳｎおよびＡｇ原子、Ａｇ及びＡｌ原子がスパッタリングされて飛び出す。基板ホルダー１４と支柱１７を介して接続されたモーター１８を動作させることにより基板１５を回転させながらスパッタリングを行い、基板１５の表面に薄膜状の堆積物を形成した。このとき、ＤＣ電源から供給されるＤＣ電流を調整することにより、スパッタリング量の比、及び、堆積物中の含有量の比がＳｎ：Ａｇ：Ａｌ＝７５：１１：１４（重量比）となるようにした。含有量の比を所望の値にするため、事前に個々のターゲットのみをスパッタリングしたときの堆積速度をＤＣ電流の関数として求めておき、実際にはんだ材料を得る際に所望の比になるように各ターゲットに供給するＤＣ電流に差をもたせるようにした。また、基板１５の材質はテフロン（登録商標）とした。
【００３７】
次に基板１５を真空容器１から取り出し、基板１５を超音波洗浄器にかけ、基板１５にエタノール中で超音波振動を与えることにより、堆積物と回収材としての基板１５とを分離し、堆積物を粉末として得ることができた。
【００３８】
こうして得られた粉末においても、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌの各元素が非平衡状態で混合されていること、すなわち、図２のように、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌの各元素が原子レベルで混合されており、図３のようなブロードな吸熱特性が得られることがわかった。つまり、少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料の製造方法であって、少なくとも２種類の単一金属または合金からなるターゲット材に高エネルギー粒子を衝突させてスパッタリングし、各ターゲット材に対向して設けられた回収材上に形成された薄膜状の堆積物をはんだ材料として得ることによっても、良好な特性を示す高温はんだが得られることが判明した。これは、スパッタリングにおいても、蒸着の場合と同様、ターゲット材から飛び出した原料粒子は気相中で原子レベルにまでバラバラになっているためであると考えられる。
【００３９】
以上本願発明の実施の形態１、２、３及び４においては、回収材に振動を与えることにより、回収材に堆積させた堆積物を粉末として得る場合を例示したが、回収材を堆積物に対して選択的に溶解させることによって、回収材に堆積させた堆積物を粉末またはシートとして得ることもできる。この場合、有機溶剤に容易に溶ける樹脂を回収材としての基板に用いることができる。
【００４０】
こうして得られたはんだ材料について、接合強度を測定したところ、従来例と比較して１．３倍接合強度が強かった。また、接合強度の経時的な劣化も小さいことが確かめられた。
【００４１】
また、少なくとも３種類の金属元素を主成分とする合金をるつぼ内で加熱するか、または、少なくとも３種類の金属元素を主成分とする合金製のターゲットに高エネルギー粒子を衝突させることにより、回収材の表面にはんだ材料を堆積させてもよい。この場合においても、蒸着源（るつぼ）またはターゲット材から飛び出した原料粒子は、気相中で原子レベルにまでバラバラになるため、回収材の表面において、非平衡状態で混合、原子レベルで混合される。
【００４２】
また、堆積物と回収材とを分離して得た堆積物からなる粉体を、樹脂ペーストに混合して、鉛フリー（無鉛）高温はんだペーストとしても利用可能である。すなわち、少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料であって、各元素が非平衡状態で混合されている粉末がペースト化されているもの、少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料であって、各元素が原子レベルで混合されている粉末がペースト化されているもの、少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料であって、主成分とする全ての金属元素は含まず、かつ、いずれか１つまたは複数の金属元素を主成分とする複数種類の薄膜が積層され、かつ、積層された複数種類の薄膜全体には全ての元素が主成分として含まれている薄膜からなる粉末がペースト化されているものを、鉛フリー（無鉛）高温はんだペーストとして利用することができる。ここで、「薄膜からなる粉末」とは、粉末の集合全体としては粉末様でありながら、個々の粉体の構造が薄膜状であるものを指す。また、「粉末がペースト化されている」とは、粉末が有機系の溶媒に混合され、塗布しやすく液状になっているものを指す。ペースト化されているものは、印刷、ディスペンス、塗布及びリフローを組み合わせて、広く実装分野に応用可能である。すなわち、これをペーストはんだとして用いて２つの端子間を接合することにより、無鉛で高耐熱の接合方法を実現することができる。
【００４３】
また、回収材が基板である場合を例示したが、回収材がテープ状であり、テープ状回収材から堆積物を分離してはんだリボンを得ることも可能である。すなわち、少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料であって、各元素が非平衡状態で混合され、リボン状に成形されているもの、少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料であって、各元素が原子レベルで混合され、リボン状に成形されているもの、少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料であって、主成分とする金属元素の全ては含まず、かつ、いずれか１つまたは複数の金属元素を主成分とする複数種類の薄膜が積層され、かつ、積層された複数種類の薄膜全体には全ての元素が主成分として含まれている薄膜が、リボン状に成形されているものを、無鉛の高温はんだリボンとして利用することができる。ここで、「リボン状に成形されている」とは、厚さが概ね０．０１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下、幅が概ね０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の薄板状に成形されたもので、粘着テープのようにボビンに巻かれた状態で保管できるような帯状のものを指す。また、「薄膜が積層され、リボン状に成形されている」とは、全体としてはリボン状でありながら、リボン（薄板）の断面構造を詳細に観察すると、異種の薄膜が積層されているようなものを指す。このようなリボン状のはんだ材料をパンチして第１の端子に転写し、はんだ材料が転写された第１の端子と第２の端子を接触させた状態で加熱することによりはんだ材料を溶融させた後冷却し、第１の端子と第２の端子を接合することが可能である。
【００４４】
また、回収材が高融点材料からなるワイヤーであってもよく、この場合、糸はんだ様の無鉛高温はんだを実現することができる。すなわち、少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料であって、各元素が非平衡状態で混合され、高融点材料からなるワイヤーの表面に形成されているもの、少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料であって、各元素が原子レベルで混合され、高融点材料からなるワイヤーの表面に形成されているもの、少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料であって、少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料であって、主成分とする金属元素の全ては含まず、かつ、いずれか１つまたは複数の金属元素を主成分とする複数種類の薄膜が積層され、かつ、積層された複数種類の薄膜全体には全ての元素が主成分として含まれている薄膜が、高融点材料からなるワイヤーの表面に形成されているものを、糸はんだのように使用することが可能である。つまり、第１の端子と第２の端子を接触させた状態で加熱し、第１の端子と第２の端子が接触した部分の近傍に、糸はんだ様のはんだ材料を接触させ、はんだ材料を溶融させた後冷却し、第１の端子と第２の端子を接合することができる。ワイヤーの材質としては、Ｗ（タングステン）、Ｔａ（タンタル）などの高融点材料はもちろん、合金はんだの主成分金属のいずれよりも融点が高ければ、これを用いることができる。
【００４５】
また、本願発明により得られた無鉛の高温はんだ材料により接合された接合構造体からなる電子部品は、無鉛で高耐熱という優れた特徴を備える。
【００４６】
また、図９に示すように、３種類の金属元素を主成分とする合金製のターゲットに高エネルギー粒子を衝突させるに際して、各々のターゲットの間についたて２９を設けることにより、単一組成に近い薄膜を積層することも可能である。なお、ついたて２９を設けたことのほかは、図９の構成は図７の構成と同じであるので、詳細は省略する。
【００４７】
（実施の形態５）
次に、本発明の実施の形態５について、図１０を用いて説明する。図１０は、本発明の実施の形態５における、基板と電子部品とを接合する方法を示す断面図である。図１０（ａ）において、基板３０上に配線やランドなどの導体パターン３１が形成されている。次に、図１０（ｂ）のように、基板に感光性材料３２を形成し、露光、現像を経て図１０（ｃ）のようにパターニングする。ここで、露出した導体部分は電子部品を実装するためのランド３３である。次に、基板を図１に示した蒸着装置に設置し、図１０（ｄ）のように、基板表面にはんだ材料３４を形成する。次いで、図１０（ｅ）のように、感光性材料からなるパターンをエッチングしてはんだ材料をリフトオフすることにより基板上にはんだ材料からなるパターンを形成する。そして、図１０（ｆ）のように、基板に電子部品３５をマウントする。次に、基板をリフローしてはんだ材料を溶融させて基板と電子部品を接合する。このような接合方法により、無鉛で耐熱性に優れた接合方法が実現できた。
【００４８】
感光性材料を用いなくても、次のような方法によっても、基板に電子部品を接合することができる。すなわち、基板に、所定のパターニングが施されたマスクを近接または接触させた状態で、本願発明の実施の形態１、２、３または４で述べたはんだ材料の製造方法を用いて基板表面の所定の位置にはんだ材料を形成することにより、所望の位置（ランド）にはんだ材料を堆積させることができる。次いで、基板に電子部品をマウントし、基板をリフローしてはんだ材料を溶融させて基板と電子部品を接合する。
【００４９】
また、２つの電子部品を接合する際にも、本願発明は適用可能である。つまり、第１の電子部品に、所定のパターニングが施されたマスクを近接または接触させた状態で、本願発明の実施の形態１、２、３または４で述べたはんだ材料の製造方法を用いて第１の電子部品の表面の所定の位置にはんだ材料を形成するステップと、第１の電子部品に第２の電子部品を接触させるステップと、これをリフローしてはんだ材料を溶融させて第１の電子部品と第２の電子部品を接合するステップを順次行うことにより、２つの電子部品を接合することができる。
【００５０】
以上述べた本願発明の実施の形態においては、はんだ材料中の含有量の比がＳｎ：Ａｇ：Ａｌ＝７５：１１：１４（重量比）である場合を例示したが、主成分たる少なくとも３種類の金属元素として、Ｓｎ、Ａｇ及びＡｌを用いる場合、Ｓｎが最も多く、Ａｇの含有率が１重量％以上２１重量％以下、Ａｌの含有率が４重量％以上２４重量％以下であることが好ましい。この組成範囲において、２５０〜３５０℃の高温域でのはんだ付けに使用可能な、無鉛の高温はんだ材料を実現することができる。
【００５１】
また、主成分たる少なくとも３種類の金属元素として、Ｂｉ、Ａｇ及びＣｕを用いることも可能であり、この場合、Ｂｉが最も多く、Ａｇの含有率が１重量％以上１５重量％以下、Ｃｕの含有率が３０重量％以上４０重量％以下であることが好ましい。この組成範囲において、２５０〜３５０℃の高温域でのはんだ付けに使用可能な、無鉛の高温はんだ材料を実現することができる。
【００５２】
また、主成分たる少なくとも３種類の金属元素として、Ｓｎ、Ｃｕ及びＡｌを用いることも可能であり、この場合、Ｓｎが最も多く、Ｃｕの含有率が１重量％以上１４重量％以下、Ａｌの含有率が９重量％以上２９重量％以下であることが好ましい。この組成範囲において、２５０〜３５０℃の高温域でのはんだ付けに使用可能な、無鉛の高温はんだ材料を実現することができる。
【００５３】
また、３種類以上の金属元素を用いることも可能である。例えば、Ｎｉを添加することにより、融点を高めることが可能である。あるいは、Ａｕを添加することにより、展性を高めることが可能である。また、Ａｇの含有率を減らし、その分をＺｎで置き換えることにより、はんだ材料のコストダウンを図ることが可能である。
【００５４】
また、回収材上に薄膜状のはんだ材料を堆積させ、回収材と堆積物を分離して用いる場合には、できるだけ多くの堆積物を１枚の回収材上に堆積させる方がコスト面で有利である。一方、堆積後の分離を考えると、テフロン（登録商標）など剥離性に優れた材料を用いることが望ましい。しかし、このことは、堆積中の膜剥がれの危険性が増すことを意味する。
【００５５】
蒸着法では、回収材が上方、蒸着源（るつぼ）が下方となる。万一、回収材から堆積物が剥がれ落ちた場合には、原子レベルで混合された合金膜がその原料に混入することになるため、好ましくない。よって、堆積膜の膜厚は、膜剥がれが確実に防止できるように定められるべきであり、Ｓｎが最も多い組成の場合には最大で１ｍｍ、Ｂｉが最も多い場合には最大で１００μｍに抑えるべきである。
【００５６】
スパッタリング法では、回収材とターゲット材の配置には自由度が高く、どちらが上方・下方であってもよく、ともに側方であってもよい。回収材が上方である場合を除き、膜剥がれが生じてもターゲット材への不純物混入によるダメージは小さいため、蒸着法よりも大きい膜厚まで堆積を続けることも可能であるが、やはり膜剥がれは好ましいことではなく、Ｓｎが最も多い組成の場合には最大で１ｍｍ、Ｂｉが最も多い場合には最大で１００μｍに抑えるべきである。
【００５７】
また、回収材にはんだ材料を堆積させている間は、回収材の温度を低温に保つことが好ましい。とくに、２００℃以下に保つことが好ましく、１２０℃以下に保つことが、さらに好ましい。これは、回収材の温度が高すぎると、堆積膜中で各原子がマイグレーションを起こし、平衡状態に近い構成のものとなりやすいためである。１２０℃以下であれば、回収材として用いる樹脂の変形も最小限に抑えられる。
【００５８】
また、蒸着法においてはるつぼシャッターを、スパッタリング法においてはＤＣ電源をそれぞれ操作することにより、単一組成の薄膜を順繰りに積層させることも可能である。
【００５９】
また、回収材と堆積物とを分離する際に超音波洗浄器を用いる場合を例示したが、超音波洗浄器中に水または有機溶剤を用いることができる。あるいは、空気中で振動を与えることによっても、分離が促進される。あるいは、振動を与えずにナイフ様のものではぎ取ることも可能である。
【００６０】
また、高エネルギー粒子をターゲット材に衝突させる方法として、スパッタリング法を例示したが、電子ビーム蒸着法、レーザー蒸着法などを用いることも可能である。
【００６１】
また、基板を回転させながら回収材上に薄膜を堆積させる場合を例示したが、基板の回転速度は、堆積物中で各原子が十分に混ざり合うように設定すべきである。そのためには、概ね５ｒｐｍ〜１０００ｒｐｍ程度の速度であることが好ましい。回転速度が遅すぎると、原子レベルでの混合状態が完全には実現できない。回転速度が速すぎると、堆積中の膜剥がれが生じる場合がある。
【００６２】
また、少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料であって、各元素が非平衡状態で混合されていること、あるいは、少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料であって、各元素が原子レベルで混合されていること、を確認するには、ＤＳＣ法を用いて示差走査熱量分析曲線を取得して判断するのが簡便である。我々の研究により得られた判断方法を以下で説明する。図１１は、少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料の製造方法において、各元素からなるターゲット材に高エネルギー粒子を衝突させてスパッタリングし、各ターゲット材に対向して設けられた回収材上に形成された薄膜状の堆積物の示差走査熱量分析曲線である。Ａはこの堆積物において、各元素が非平衡状態で混合されていること、すなわち、原子レベルで混合されていることを示すピークである。このピークは、少なくとも３種類の金属元素を液相で混合させた場合、すなわち、主成分である金属の粉末などを原料として準備し、所定の重量比で一つのるつぼ内に入れ、これを加熱して液化させて混合させた場合、冷却後に得られた合金の示差走査熱量分析曲線には見られないピークである。Ｂ及びＣは、少なくとも３種類の金属元素を液相で混合させた場合、すなわち、主成分である金属の粉末などを原料として準備し、所定の重量比で一つのるつぼ内に入れ、これを加熱して液化させて混合させた場合、冷却後に得られた合金の示差走査熱量分析曲線に見られるピークと同じ温度に見られるピークである。ここで、Ａ、Ｂ、Ｃの絶対値は、それぞれ１８ｍＷ、２ｍＷ、３ｍＷであった。我々の研究によれば、Ａと、Ａ以外のピークの中で最大のピーク（図１１の例ではＣ）との比（Ａ／Ｃ）が１．０より大きい場合に高温はんだとしての特性が向上し、接合強度が高く、接合強度の経時的な劣化が小さいということを見いだした。また、２より大きいと接合強度の従来比が１．１倍以上となり、顕著な特性向上が見られた。図１１の例においては、ピークの比Ａ／Ｃが６であり、接合強度は従来比で１．４倍であった。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本願発明のはんだ材料及びその製造方法によれば、２５０〜３５０℃の高温域でのはんだ付けに使用可能な、無鉛の高温はんだ材料とその製造方法を提供することが可能となる。そして、これを電気、電子機器に適用すると、従来のマザー基板上のみならず、モジュール部品さらには電子部品の内部まで無鉛化することになり、電気、電子機器の完全な無鉛化を実現することができる。そのため、世界的な広がりを見せている鉛を対象とした法規制の制約を受けることなく、地球環境に対する負荷の小さい電気、電子機器を生産することが可能となる利点を有し、人体に対して有害である鉛を含まない高温はんだ材料、その接合構造体からなる製品等の生産の用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の実施の形態１において用いた蒸着装置の概略構成を示す断面図
【図２】各元素が原子レベルで混合されている様子を示す模式図
【図３】本発明の実施の形態１における示差走査熱量分析曲線を示す図
【図４】３種類の合金が混在する様子を示す模式図
【図５】３種類の合金が混在する場合の示差走査熱量分析曲線を示す図
【図６】本発明の実施の形態２において用いた蒸着装置の概略構成を示す断面図
【図７】本発明の実施の形態３において用いたスパッタリング装置の概略構成を示す断面図
【図８】本発明の実施の形態４において用いたスパッタリング装置の概略構成を示す断面図
【図９】本発明の他の実施の形態において用いたスパッタリング装置の概略構成を示す断面図
【図１０】本発明の実施の形態５における、基板と電子部品とを接合する方法を示す断面図
【図１１】示差走査熱量分析曲線の例を示す図
【図１２】従来のモジュール部品の概略構成図
【図１３】従来のパワートランジスタの概略構成図
【符号の説明】
【００６５】
１ 真空容器
２ 第１るつぼ
３ 第２るつぼ
４ 第３るつぼ
５ 第１材料
６ 第２材料
７ 第３材料
８ 第１ヒーター
９ 第２ヒーター
１０ 第３ヒーター
１１ 第１温調器
１２ 第２温調器
１３ 第３温調器
１４ 基板ホルダー
１５ 基板
１６ ポンプ
１７ 支柱
１８ モーター
【技術分野】
【０００１】
本発明は、はんだ材料及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子部品実装等で用いられる従来のはんだは、Ｓｎ（錫）とＰｂ（鉛）とによる共晶はんだで、その共晶点が１８３℃であり、多くの熱硬化性樹脂がガス化を始める温度よりも低い。このため、錫−鉛共晶はんだは、基板等の接合に用いられた時にプリント基板等を熱によって損傷しなくてもすむという特徴を有している。したがって、錫―鉛共晶はんだは、電子機器の製造における部品の接合、組立てにおいて重要な材料である。
【０００３】
一方でＰＡモジュール等の高周波を扱う実装部品では、図１２に示すようにモジュール部品の内部において、モジュール基板４１と電子部品４２の接合にはんだ材料４３が用いられている。このようにして生産されたモジュール部品はマザー基板に実装して使用されるが、その際にモジュール部品内部のはんだ材料４３が溶融して形状が変化すると高周波特性が変化するため、マザー基板への実装時に溶融しないように溶融温度２５０〜３００℃の高温はんだ材料（例えばＰｂ−４０％Ｓｎ等）が使用されている。
【０００４】
また、パワートランジスタ等の高電圧、高電流が負荷され大きな発熱を伴う半導体実装部品では、図１３に示すような部品の内部において、フラットリード４４と金属箔４５の接合に高温はんだ４６が用いられ、これらの内部接合において接合の耐熱性を確保するため、溶融温度３００〜３５０℃の高温はんだ材料（例えばＰｂ−５％Ｓｎ等）が使用されている。
【０００５】
しかしながら近年、地球環境保護の関心が高まる中、廃棄物によって環境問題が生じることが危ぶまれており、はんだ材料においても、廃棄された電子機器等から鉛（Ｐｂ）が土壌に溶出することが懸念されている。これを解決するために鉛を含まないはんだ材料が必要とされており、溶融温度２００〜２５０℃のＳｎ−Ｐｂはんだ材料については、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系のはんだを使用して、鉛を含まないはんだ材料の実用化が進んでいる。
【０００６】
一方で、高耐熱が求められる高温はんだ材料については、代替材料が見当たらず、実用化には、程遠いのが現状である。溶融温度２５０〜３００℃を実現する高温はんだ材料としては、ビスマスを９０重量％以上含有するものがあった（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−３５３５９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載された従来の高温はんだ材料は、ガラスのような脆い基板上に形成された導体にはんだ付けするためのものであり、凝固時の応力緩和を目的として、多量のＢｉを含有している。その組成比率はＢｉからなる９０重量％以上の第１金属元素と、９０重量部以上の第１金属元素と９．９重量部以下で２元共晶し得る第２金属元素と、さらに合計０．１〜３．０重量％の第３金属元素である。このように耐衝撃性に劣るＢｉを９０重量％以上含有していたため信頼性が十分ではない。すなわち、このようなはんだ材料は、接合強度が弱く、また、接合強度の経時的な劣化も大きい。
【０００８】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、２５０〜３５０℃の高温域でのはんだ付けに使用可能な、無鉛の高温はんだ材料とその製造方法、無鉛で高耐熱の電子部品、無鉛で高耐熱の接合方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願の第１発明のはんだ材料は、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｃｕのうち少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料であって、各元素が非平衡状態で混合されていることを特徴とする。このような構成により、２５０〜３５０℃の高温域でのはんだ付けに使用可能な、無鉛の高温はんだ材料を実現することができる。
【００１０】
本願の第２発明のはんだ材料は、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｃｕのうち少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料であって、各元素が原子レベルで混合されていることを特徴とする。このような構成により、２５０〜３５０℃の高温域でのはんだ付けに使用可能な、無鉛の高温はんだ材料を実現することができる。
【００１１】
本願の第３発明のはんだ材料は、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｃｕのうち少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料であって、主成分とする金属元素の全ては含まず、かつ、いずれか１つまたは複数の金属元素を主成分とする複数種類の薄膜が積層され、かつ、積層された複数種類の薄膜全体には主成分とする金属元素の全てが含まれていることを特徴とする。このような構成により、２５０〜３５０℃の高温域でのはんだ付けに使用可能な、無鉛の高温はんだ材料を実現することができる。
【００１２】
本願の第４発明のはんだ材料の製造方法は、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｃｕのうち少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料の製造方法であって、各元素、あるいは少なくとも２種類の単一金属、あるいは合金を各々るつぼ内で加熱して蒸発させ、各るつぼに対向して設けられた回収材上に形成された薄膜状の堆積物をはんだ材料として得ることを特徴とする。このような組成により、２５０〜３５０℃の高温域でのはんだ付けに使用可能な、無鉛の高温はんだ材料を実現することができる。
【００１３】
本願の第５発明のはんだ材料の製造方法は、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｃｕのうち少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料の製造方法であって、各元素、あるいは少なくとも２種類の単一金属、あるいは合金からなるターゲット材に高エネルギー粒子を衝突させてスパッタリングまたは蒸気化し、各ターゲット材に対向して設けられた回収材上に形成された薄膜状の堆積物をはんだ材料として得ることを特徴とする。このような組成により、２５０〜３５０℃の高温域でのはんだ付けに使用可能な、無鉛の高温はんだ材料を実現することができる。
【００１４】
本願の第４または第５発明のはんだ材料の製造方法において、好適には、堆積物と回収材とを分離して堆積物をはんだ材料として得るに際して、回収材に振動を与えることが望ましい。このような構成により、はんだ材料としての堆積物と回収材とを低コストで簡単に分離することができる。あるいは、好適には、堆積物と回収材とを分離して堆積物をはんだ材料として得るに際して、回収材を堆積物に対して選択的に溶解させることが望ましい。このような構成により、はんだ材料としての堆積物と回収材とを低コストで簡単に分離することができる。
【００１５】
あるいは、好適には、堆積物と回収材とを分離して得た堆積物からなる粉体を、樹脂ペーストに混合することが望ましい。このような構成により、低コストで簡単に高温はんだペーストを製造することができる。
【００１６】
あるいは、好適には、回収材がテープ状であり、テープ状回収材から堆積物を分離してはんだリボンを得ることが望ましい。このような構成により、低コストで簡単に高温はんだリボンを製造することができる。
【００１７】
あるいは、好適には、回収材が高融点材料からなるワイヤーであることが望ましい。このような構成により、低コストで簡単に糸はんだ状の高温はんだを製造することができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上のように、本願発明のはんだ材料によれば、２５０〜３５０℃の高温域でのはんだ付けに使用可能な、無鉛の高温はんだ材料を提供することが可能となる。また、本願発明のはんだ材料の製造方法によれば、２５０〜３５０℃の高温域でのはんだ付けに使用可能な、無鉛の高温はんだ材料の製造方法を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２０】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について、図１〜図５を参照して説明する。
【００２１】
図１は、本発明の実施の形態１において用いた蒸着装置の概略構成を示す断面図である。図１において、真空容器１内に第１るつぼ２、第２るつぼ３、第３るつぼ４が配置され、それぞれのるつぼ内にＳｎからなる第１材料５、Ａｇからなる第２材料６、Ａｌからなる第３材料７が設けられている。それぞれのるつぼは、第１ヒーター８、第２ヒーター９、第３ヒーター１０により加熱できるよう構成されており、各ヒーターは、第１温調器１１、第２温調器１２、第３温調器１３により温度調節される。各るつぼに対向して設けられた基板ホルダー１４に回収材としての基板１５が載置されている。真空容器１内をポンプ１６により排気し、所定の圧力に達した後、各るつぼを所定の温度まで加熱すると、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌが固体から液体へと変化し、やがて蒸発しはじめる。基板ホルダー１４と支柱１７を介して接続されたモーター１８を動作させることにより基板１５を回転させながら蒸着を行い、基板１５の表面に薄膜状の堆積物を形成した。このとき、図示しないるつぼシャッター（各るつぼに設けられている）の開口を調整することにより、蒸発量の比、及び、堆積物中の含有量の比がＳｎ：Ａｇ：Ａｌ＝７５：１１：１４（重量比）となるようにした。含有量の比を所望の値にするため、事前に個々のるつぼのみを加熱したときの蒸着速度をるつぼ温度の関数として求めておき、実際にはんだ材料を得る際に所望の比になるように各るつぼの温度に差をもたせるようにした。なお、各るつぼの加熱開始から蒸発が始まるまでの間は、るつぼシャッターは全閉状態とした。また、基板１５の材質はテフロン（登録商標）とした。
【００２２】
次に基板１５を真空容器１から取り出し、基板１５を超音波洗浄器にかけ、基板１５に水中で超音波振動を与えることにより、堆積物と回収材としての基板１５とを分離し、堆積物を粉末として得ることができた。
【００２３】
こうして得られた粉末においては、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌの各元素が非平衡状態で混合されていることが判明した。すなわち、図２のように、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌの各元素が原子レベルで混合されていることがわかった（図２の各円は１個１個の原子を指す）。以下、このことについて詳しく説明する。
【００２４】
図３は、本発明の実施の形態１において得られた堆積物について、ＤＳＣ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｙ）法を用いて示差走査熱量分析曲線を取得したものである。図３より、約３３０℃を中心とした比較的ブロードな吸熱特性が得られ、この堆積物が融点２５０℃〜３５０℃の高温はんだとして利用可能であることがわかった。一方、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌを、含有量の比がＳｎ：Ａｇ：Ａｌ＝７５：１１：１４（重量比）となるように液相で混合させた場合、すなわち、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌを粉末などを原料として準備し上記の重量比で一つのるつぼ内に入れ、これを加熱して液化させて混合させた場合、冷却後に得られた合金は、図４のように、Ｓｎ９６．５％重量比−Ａｇ３．５％重量比からなるＳｎ−３．５Ａｇ合金と、Ｓｎ９８％重量比−Ａｌ２％重量比からなるＳｎ−２Ａｌ合金と、Ａｇ３７％重量比−Ａｌ６３％重量比からなるＡｇ−６３Ａｌ合金とが混在する様相を呈する。これは、このような状態が化学的に安定であるためである。このことは、図５に示す、液相で混合させることによって得た合金の示差走査熱量分析曲線において、約２２５℃と約５５６℃に急峻な吸収が見られることから推察できる。すなわち、Ｓｎ９６．５％重量比−Ａｇ３．５％重量比からなるＳｎ−３．５Ａｇ合金の融点２２１℃と、Ｓｎ９８％重量比−Ａｌ２％重量比からなるＳｎ−２Ａｌ合金の融点２２８℃が近いため、これらは分離されずに２２５℃付近のピークとなって現れ、Ａｇ３７％重量比−Ａｌ６３％重量比からなるＡｇ−６３Ａｌ合金の融点５６６℃にピークが現れている。このように、液相で混合させた場合には平衡状態で混合され、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌの各元素が原子レベルでは混合されないため、このようなはんだ材料は２２０℃程度で一部が溶解しはじめることになり、高温はんだとしては使えない。なお、図４の各楕円は、数十〜数万程度の原子群からなるものと考えている。
【００２５】
こうして得られたはんだ材料について、接合強度を測定したところ、従来例と比較して１．４倍接合強度が強かった。また、接合強度の経時的な劣化も小さいことが確かめられた。
【００２６】
なお、蒸着を行う際にるつぼシャッターを操作して、Ｓｎ薄膜、Ａｇ薄膜、Ａｌ薄膜を積層させた場合においても、図３のようなＤＳＣ特性が得られることが確認できた。この場合、各薄膜の厚さは、最大で１００ｎｍ以下となるようにすることが好ましいこともわかった。これは、あまりに各膜の厚さが厚いと、はんだとして用いる際の加熱時に十分な溶融が行えなかったためである。同様に、Ｓｎ−Ａｇ薄膜、Ｓｎ−Ａｌ薄膜、Ａｇ−Ａｌ薄膜を積層させてもよいことがわかった。つまり、少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料を得るに際して、全ての主成分を含まない複数種類の薄膜が積層されていてもよいことがわかった。
【００２７】
同様に、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｃｕのうち少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料であって、主成分とする金属元素の全ては含まず、かつ、いずれか１つまたは複数の金属元素を主成分とする複数種類の薄膜が積層され、かつ、積層された複数種類の薄膜全体には主成分とする金属元素の全てが含まれている薄膜も、融点２５０℃〜３５０℃の高温はんだとして利用可能であることがわかった。この場合も、各薄膜の厚さは、最大で１００ｎｍ以下となるようにすることが好ましかった。
【００２８】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について、図６を用いて説明する。図６は、本発明の実施の形態２において用いた蒸着装置の概略構成を示す断面図である。図６において、真空容器１内に第１るつぼ２、第２るつぼ３が配置され、それぞれのるつぼ内にＳｎ−Ａｇ合金からなる第１材料５、Ａｇ−Ａｌ合金からなる第２材料６が設けられている。それぞれのるつぼは、第１ヒーター８、第２ヒーター９により加熱できるよう構成されており、各ヒーターは、第１温調器１１、第２温調器１２により温度調節される。各るつぼに対向して設けられた基板ホルダー１４に回収材としての基板１５が載置されている。真空容器１内をポンプ１６により排気し、所定の圧力に達した後、各るつぼを所定の温度まで加熱すると、第１材料及び第２材料が固体から液体へと変化し、やがて蒸発しはじめる。基板ホルダー１４と支柱１７を介して接続されたモーター１８を動作させることにより基板１５を回転させながら蒸着を行い、基板１５の表面に薄膜状の堆積物を形成した。このとき、図示しないるつぼシャッター（各るつぼに設けられている）の開口を調整することにより、蒸発量の比、及び、堆積物中の含有量の比がＳｎ：Ａｇ：Ａｌ＝７５：１１：１４（重量比）となるようにした。含有量の比を所望の値にするため、事前に個々のるつぼのみを加熱したときの蒸着速度をるつぼ温度の関数として求めておき、実際にはんだ材料を得る際に所望の比になるように各るつぼの温度に差をもたせるようにした。なお、各るつぼの加熱開始から蒸発が始まるまでの間は、るつぼシャッターは全閉状態とした。また、基板１５の材質はテフロン（登録商標）とした。
【００２９】
次に基板１５を真空容器１から取り出し、基板１５を超音波洗浄器にかけ、基板１５に水中で超音波振動を与えることにより、堆積物と回収材としての基板１５とを分離し、堆積物を粉末として得ることができた。
【００３０】
こうして得られた粉末においても、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌの各元素が非平衡状態で混合されていること、すなわち、図２のように、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌの各元素が原子レベルで混合されており、図３のようなブロードな吸熱特性が得られることがわかった。つまり、少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料の製造方法において、少なくとも２種類の単一金属または合金を各々るつぼ内で加熱して蒸発させ、各るつぼに対向して設けられた回収材上に形成された薄膜状の堆積物をはんだ材料として得ることによっても、良好な特性を示す高温はんだが得られることが判明した。これは、第１及び第２材料が合金であっても、蒸発した際に気相中で原子レベルにまでバラバラになるためであると考えられる。
【００３１】
こうして得られたはんだ材料について、接合強度を測定したところ、従来例と比較して１．３倍接合強度が強かった。また、接合強度の経時的な劣化も小さいことが確かめられた。
【００３２】
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３について、図７を用いて説明する。図７は、本発明の実施の形態３において用いたスパッタリング装置の概略構成を示す断面図である。図７において、真空容器１内にＳｎ製第１ターゲット材１９、Ａｇ製第２ターゲット材２０、Ａｌ製第３ターゲット材２１が配置されている。それぞれのターゲットには、第１バッキングプレート２２、第２バッキングプレート２３、第３バッキングプレート２４が設けられ、各々第１ＤＣ電源２５、第２ＤＣ電源２６、第３ＤＣ電源２７が接続されている。各ターゲット材に対向して設けられた基板ホルダー１４に回収材としての基板１５が載置されている。真空容器１内にガス供給装置２８からアルゴンガスを供給しつつ、真空容器１内をポンプ１６により排気し、所定の圧力に制御しながら、各ＤＣ電源を操作して第１、第２、第３ターゲットに直流の高電圧を印加すると、真空容器１内にプラズマが発生し、高エネルギー粒子としてのアルゴンイオンが各ターゲット材に衝突し、第１ターゲット材１９、第２ターゲット材２０、第３ターゲット材２１からそれぞれＳｎ、Ａｇ、Ａｌ原子がスパッタリングされて飛び出す。基板ホルダー１４と支柱１７を介して接続されたモーター１８を動作させることにより基板１５を回転させながらスパッタリングを行い、基板１５の表面に薄膜状の堆積物を形成した。このとき、ＤＣ電源から供給されるＤＣ電流を調整することにより、スパッタリング量の比、及び、堆積物中の含有量の比がＳｎ：Ａｇ：Ａｌ＝７５：１１：１４（重量比）となるようにした。含有量の比を所望の値にするため、事前に個々のターゲットのみをスパッタリングしたときの堆積速度をＤＣ電流の関数として求めておき、実際にはんだ材料を得る際に所望の比になるように各ターゲットに供給するＤＣ電流に差をもたせるようにした。また、基板１５の材質はテフロン（登録商標）とした。
【００３３】
次に基板１５を真空容器１から取り出し、基板１５を超音波洗浄器にかけ、基板１５に水中で超音波振動を与えることにより、堆積物と回収材としての基板１５とを分離し、堆積物を粉末として得ることができた。
【００３４】
こうして得られた粉末においても、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌの各元素が非平衡状態で混合されていること、すなわち、図２のように、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌの各元素が原子レベルで混合されており、図３のようなブロードな吸熱特性が得られることがわかった。つまり、少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料の製造方法において、各元素からなるターゲット材に高エネルギー粒子を衝突させてスパッタリングし、各ターゲット材に対向して設けられた回収材上に形成された薄膜状の堆積物をはんだ材料として得ることによっても、良好な特性を示す高温はんだが得られることが判明した。これは、スパッタリングにおいても、蒸着の場合と同様、ターゲット材から飛び出した原料粒子は気相中で原子レベルにまでバラバラになっているためであると考えられる。
【００３５】
こうして得られたはんだ材料について、接合強度を測定したところ、従来例と比較して１．５倍接合強度が強かった。また、接合強度の経時的な劣化も小さいことが確かめられた。
【００３６】
（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４について、図８を用いて説明する。図８は、本発明の実施の形態４において用いたスパッタリング装置の概略構成を示す断面図である。図８において、真空容器１内にＳｎ−Ａｇ製第１ターゲット材１９、Ａｇ−Ａｌ製第２ターゲット材２０が配置されている。それぞれのターゲットには、第１バッキングプレート２２、第２バッキングプレート２３が設けられ、各々第１ＤＣ電源２５、第２ＤＣ電源２６が接続されている。各ターゲット材に対向して設けられた基板ホルダー１４に回収材としての基板１５が載置されている。真空容器１内にガス供給装置２８からアルゴンガスを供給しつつ、真空容器１内をポンプ１６により排気し、所定の圧力に制御しながら、各ＤＣ電源を操作して第１、第２、第３ターゲットに直流の高電圧を印加すると、真空容器１内にプラズマが発生し、高エネルギー粒子としてのアルゴンイオンが各ターゲット材に衝突し、第１ターゲット材１９、第２ターゲット材２０からそれぞれＳｎおよびＡｇ原子、Ａｇ及びＡｌ原子がスパッタリングされて飛び出す。基板ホルダー１４と支柱１７を介して接続されたモーター１８を動作させることにより基板１５を回転させながらスパッタリングを行い、基板１５の表面に薄膜状の堆積物を形成した。このとき、ＤＣ電源から供給されるＤＣ電流を調整することにより、スパッタリング量の比、及び、堆積物中の含有量の比がＳｎ：Ａｇ：Ａｌ＝７５：１１：１４（重量比）となるようにした。含有量の比を所望の値にするため、事前に個々のターゲットのみをスパッタリングしたときの堆積速度をＤＣ電流の関数として求めておき、実際にはんだ材料を得る際に所望の比になるように各ターゲットに供給するＤＣ電流に差をもたせるようにした。また、基板１５の材質はテフロン（登録商標）とした。
【００３７】
次に基板１５を真空容器１から取り出し、基板１５を超音波洗浄器にかけ、基板１５にエタノール中で超音波振動を与えることにより、堆積物と回収材としての基板１５とを分離し、堆積物を粉末として得ることができた。
【００３８】
こうして得られた粉末においても、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌの各元素が非平衡状態で混合されていること、すなわち、図２のように、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌの各元素が原子レベルで混合されており、図３のようなブロードな吸熱特性が得られることがわかった。つまり、少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料の製造方法であって、少なくとも２種類の単一金属または合金からなるターゲット材に高エネルギー粒子を衝突させてスパッタリングし、各ターゲット材に対向して設けられた回収材上に形成された薄膜状の堆積物をはんだ材料として得ることによっても、良好な特性を示す高温はんだが得られることが判明した。これは、スパッタリングにおいても、蒸着の場合と同様、ターゲット材から飛び出した原料粒子は気相中で原子レベルにまでバラバラになっているためであると考えられる。
【００３９】
以上本願発明の実施の形態１、２、３及び４においては、回収材に振動を与えることにより、回収材に堆積させた堆積物を粉末として得る場合を例示したが、回収材を堆積物に対して選択的に溶解させることによって、回収材に堆積させた堆積物を粉末またはシートとして得ることもできる。この場合、有機溶剤に容易に溶ける樹脂を回収材としての基板に用いることができる。
【００４０】
こうして得られたはんだ材料について、接合強度を測定したところ、従来例と比較して１．３倍接合強度が強かった。また、接合強度の経時的な劣化も小さいことが確かめられた。
【００４１】
また、少なくとも３種類の金属元素を主成分とする合金をるつぼ内で加熱するか、または、少なくとも３種類の金属元素を主成分とする合金製のターゲットに高エネルギー粒子を衝突させることにより、回収材の表面にはんだ材料を堆積させてもよい。この場合においても、蒸着源（るつぼ）またはターゲット材から飛び出した原料粒子は、気相中で原子レベルにまでバラバラになるため、回収材の表面において、非平衡状態で混合、原子レベルで混合される。
【００４２】
また、堆積物と回収材とを分離して得た堆積物からなる粉体を、樹脂ペーストに混合して、鉛フリー（無鉛）高温はんだペーストとしても利用可能である。すなわち、少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料であって、各元素が非平衡状態で混合されている粉末がペースト化されているもの、少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料であって、各元素が原子レベルで混合されている粉末がペースト化されているもの、少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料であって、主成分とする全ての金属元素は含まず、かつ、いずれか１つまたは複数の金属元素を主成分とする複数種類の薄膜が積層され、かつ、積層された複数種類の薄膜全体には全ての元素が主成分として含まれている薄膜からなる粉末がペースト化されているものを、鉛フリー（無鉛）高温はんだペーストとして利用することができる。ここで、「薄膜からなる粉末」とは、粉末の集合全体としては粉末様でありながら、個々の粉体の構造が薄膜状であるものを指す。また、「粉末がペースト化されている」とは、粉末が有機系の溶媒に混合され、塗布しやすく液状になっているものを指す。ペースト化されているものは、印刷、ディスペンス、塗布及びリフローを組み合わせて、広く実装分野に応用可能である。すなわち、これをペーストはんだとして用いて２つの端子間を接合することにより、無鉛で高耐熱の接合方法を実現することができる。
【００４３】
また、回収材が基板である場合を例示したが、回収材がテープ状であり、テープ状回収材から堆積物を分離してはんだリボンを得ることも可能である。すなわち、少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料であって、各元素が非平衡状態で混合され、リボン状に成形されているもの、少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料であって、各元素が原子レベルで混合され、リボン状に成形されているもの、少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料であって、主成分とする金属元素の全ては含まず、かつ、いずれか１つまたは複数の金属元素を主成分とする複数種類の薄膜が積層され、かつ、積層された複数種類の薄膜全体には全ての元素が主成分として含まれている薄膜が、リボン状に成形されているものを、無鉛の高温はんだリボンとして利用することができる。ここで、「リボン状に成形されている」とは、厚さが概ね０．０１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下、幅が概ね０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の薄板状に成形されたもので、粘着テープのようにボビンに巻かれた状態で保管できるような帯状のものを指す。また、「薄膜が積層され、リボン状に成形されている」とは、全体としてはリボン状でありながら、リボン（薄板）の断面構造を詳細に観察すると、異種の薄膜が積層されているようなものを指す。このようなリボン状のはんだ材料をパンチして第１の端子に転写し、はんだ材料が転写された第１の端子と第２の端子を接触させた状態で加熱することによりはんだ材料を溶融させた後冷却し、第１の端子と第２の端子を接合することが可能である。
【００４４】
また、回収材が高融点材料からなるワイヤーであってもよく、この場合、糸はんだ様の無鉛高温はんだを実現することができる。すなわち、少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料であって、各元素が非平衡状態で混合され、高融点材料からなるワイヤーの表面に形成されているもの、少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料であって、各元素が原子レベルで混合され、高融点材料からなるワイヤーの表面に形成されているもの、少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料であって、少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料であって、主成分とする金属元素の全ては含まず、かつ、いずれか１つまたは複数の金属元素を主成分とする複数種類の薄膜が積層され、かつ、積層された複数種類の薄膜全体には全ての元素が主成分として含まれている薄膜が、高融点材料からなるワイヤーの表面に形成されているものを、糸はんだのように使用することが可能である。つまり、第１の端子と第２の端子を接触させた状態で加熱し、第１の端子と第２の端子が接触した部分の近傍に、糸はんだ様のはんだ材料を接触させ、はんだ材料を溶融させた後冷却し、第１の端子と第２の端子を接合することができる。ワイヤーの材質としては、Ｗ（タングステン）、Ｔａ（タンタル）などの高融点材料はもちろん、合金はんだの主成分金属のいずれよりも融点が高ければ、これを用いることができる。
【００４５】
また、本願発明により得られた無鉛の高温はんだ材料により接合された接合構造体からなる電子部品は、無鉛で高耐熱という優れた特徴を備える。
【００４６】
また、図９に示すように、３種類の金属元素を主成分とする合金製のターゲットに高エネルギー粒子を衝突させるに際して、各々のターゲットの間についたて２９を設けることにより、単一組成に近い薄膜を積層することも可能である。なお、ついたて２９を設けたことのほかは、図９の構成は図７の構成と同じであるので、詳細は省略する。
【００４７】
（実施の形態５）
次に、本発明の実施の形態５について、図１０を用いて説明する。図１０は、本発明の実施の形態５における、基板と電子部品とを接合する方法を示す断面図である。図１０（ａ）において、基板３０上に配線やランドなどの導体パターン３１が形成されている。次に、図１０（ｂ）のように、基板に感光性材料３２を形成し、露光、現像を経て図１０（ｃ）のようにパターニングする。ここで、露出した導体部分は電子部品を実装するためのランド３３である。次に、基板を図１に示した蒸着装置に設置し、図１０（ｄ）のように、基板表面にはんだ材料３４を形成する。次いで、図１０（ｅ）のように、感光性材料からなるパターンをエッチングしてはんだ材料をリフトオフすることにより基板上にはんだ材料からなるパターンを形成する。そして、図１０（ｆ）のように、基板に電子部品３５をマウントする。次に、基板をリフローしてはんだ材料を溶融させて基板と電子部品を接合する。このような接合方法により、無鉛で耐熱性に優れた接合方法が実現できた。
【００４８】
感光性材料を用いなくても、次のような方法によっても、基板に電子部品を接合することができる。すなわち、基板に、所定のパターニングが施されたマスクを近接または接触させた状態で、本願発明の実施の形態１、２、３または４で述べたはんだ材料の製造方法を用いて基板表面の所定の位置にはんだ材料を形成することにより、所望の位置（ランド）にはんだ材料を堆積させることができる。次いで、基板に電子部品をマウントし、基板をリフローしてはんだ材料を溶融させて基板と電子部品を接合する。
【００４９】
また、２つの電子部品を接合する際にも、本願発明は適用可能である。つまり、第１の電子部品に、所定のパターニングが施されたマスクを近接または接触させた状態で、本願発明の実施の形態１、２、３または４で述べたはんだ材料の製造方法を用いて第１の電子部品の表面の所定の位置にはんだ材料を形成するステップと、第１の電子部品に第２の電子部品を接触させるステップと、これをリフローしてはんだ材料を溶融させて第１の電子部品と第２の電子部品を接合するステップを順次行うことにより、２つの電子部品を接合することができる。
【００５０】
以上述べた本願発明の実施の形態においては、はんだ材料中の含有量の比がＳｎ：Ａｇ：Ａｌ＝７５：１１：１４（重量比）である場合を例示したが、主成分たる少なくとも３種類の金属元素として、Ｓｎ、Ａｇ及びＡｌを用いる場合、Ｓｎが最も多く、Ａｇの含有率が１重量％以上２１重量％以下、Ａｌの含有率が４重量％以上２４重量％以下であることが好ましい。この組成範囲において、２５０〜３５０℃の高温域でのはんだ付けに使用可能な、無鉛の高温はんだ材料を実現することができる。
【００５１】
また、主成分たる少なくとも３種類の金属元素として、Ｂｉ、Ａｇ及びＣｕを用いることも可能であり、この場合、Ｂｉが最も多く、Ａｇの含有率が１重量％以上１５重量％以下、Ｃｕの含有率が３０重量％以上４０重量％以下であることが好ましい。この組成範囲において、２５０〜３５０℃の高温域でのはんだ付けに使用可能な、無鉛の高温はんだ材料を実現することができる。
【００５２】
また、主成分たる少なくとも３種類の金属元素として、Ｓｎ、Ｃｕ及びＡｌを用いることも可能であり、この場合、Ｓｎが最も多く、Ｃｕの含有率が１重量％以上１４重量％以下、Ａｌの含有率が９重量％以上２９重量％以下であることが好ましい。この組成範囲において、２５０〜３５０℃の高温域でのはんだ付けに使用可能な、無鉛の高温はんだ材料を実現することができる。
【００５３】
また、３種類以上の金属元素を用いることも可能である。例えば、Ｎｉを添加することにより、融点を高めることが可能である。あるいは、Ａｕを添加することにより、展性を高めることが可能である。また、Ａｇの含有率を減らし、その分をＺｎで置き換えることにより、はんだ材料のコストダウンを図ることが可能である。
【００５４】
また、回収材上に薄膜状のはんだ材料を堆積させ、回収材と堆積物を分離して用いる場合には、できるだけ多くの堆積物を１枚の回収材上に堆積させる方がコスト面で有利である。一方、堆積後の分離を考えると、テフロン（登録商標）など剥離性に優れた材料を用いることが望ましい。しかし、このことは、堆積中の膜剥がれの危険性が増すことを意味する。
【００５５】
蒸着法では、回収材が上方、蒸着源（るつぼ）が下方となる。万一、回収材から堆積物が剥がれ落ちた場合には、原子レベルで混合された合金膜がその原料に混入することになるため、好ましくない。よって、堆積膜の膜厚は、膜剥がれが確実に防止できるように定められるべきであり、Ｓｎが最も多い組成の場合には最大で１ｍｍ、Ｂｉが最も多い場合には最大で１００μｍに抑えるべきである。
【００５６】
スパッタリング法では、回収材とターゲット材の配置には自由度が高く、どちらが上方・下方であってもよく、ともに側方であってもよい。回収材が上方である場合を除き、膜剥がれが生じてもターゲット材への不純物混入によるダメージは小さいため、蒸着法よりも大きい膜厚まで堆積を続けることも可能であるが、やはり膜剥がれは好ましいことではなく、Ｓｎが最も多い組成の場合には最大で１ｍｍ、Ｂｉが最も多い場合には最大で１００μｍに抑えるべきである。
【００５７】
また、回収材にはんだ材料を堆積させている間は、回収材の温度を低温に保つことが好ましい。とくに、２００℃以下に保つことが好ましく、１２０℃以下に保つことが、さらに好ましい。これは、回収材の温度が高すぎると、堆積膜中で各原子がマイグレーションを起こし、平衡状態に近い構成のものとなりやすいためである。１２０℃以下であれば、回収材として用いる樹脂の変形も最小限に抑えられる。
【００５８】
また、蒸着法においてはるつぼシャッターを、スパッタリング法においてはＤＣ電源をそれぞれ操作することにより、単一組成の薄膜を順繰りに積層させることも可能である。
【００５９】
また、回収材と堆積物とを分離する際に超音波洗浄器を用いる場合を例示したが、超音波洗浄器中に水または有機溶剤を用いることができる。あるいは、空気中で振動を与えることによっても、分離が促進される。あるいは、振動を与えずにナイフ様のものではぎ取ることも可能である。
【００６０】
また、高エネルギー粒子をターゲット材に衝突させる方法として、スパッタリング法を例示したが、電子ビーム蒸着法、レーザー蒸着法などを用いることも可能である。
【００６１】
また、基板を回転させながら回収材上に薄膜を堆積させる場合を例示したが、基板の回転速度は、堆積物中で各原子が十分に混ざり合うように設定すべきである。そのためには、概ね５ｒｐｍ〜１０００ｒｐｍ程度の速度であることが好ましい。回転速度が遅すぎると、原子レベルでの混合状態が完全には実現できない。回転速度が速すぎると、堆積中の膜剥がれが生じる場合がある。
【００６２】
また、少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料であって、各元素が非平衡状態で混合されていること、あるいは、少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料であって、各元素が原子レベルで混合されていること、を確認するには、ＤＳＣ法を用いて示差走査熱量分析曲線を取得して判断するのが簡便である。我々の研究により得られた判断方法を以下で説明する。図１１は、少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料の製造方法において、各元素からなるターゲット材に高エネルギー粒子を衝突させてスパッタリングし、各ターゲット材に対向して設けられた回収材上に形成された薄膜状の堆積物の示差走査熱量分析曲線である。Ａはこの堆積物において、各元素が非平衡状態で混合されていること、すなわち、原子レベルで混合されていることを示すピークである。このピークは、少なくとも３種類の金属元素を液相で混合させた場合、すなわち、主成分である金属の粉末などを原料として準備し、所定の重量比で一つのるつぼ内に入れ、これを加熱して液化させて混合させた場合、冷却後に得られた合金の示差走査熱量分析曲線には見られないピークである。Ｂ及びＣは、少なくとも３種類の金属元素を液相で混合させた場合、すなわち、主成分である金属の粉末などを原料として準備し、所定の重量比で一つのるつぼ内に入れ、これを加熱して液化させて混合させた場合、冷却後に得られた合金の示差走査熱量分析曲線に見られるピークと同じ温度に見られるピークである。ここで、Ａ、Ｂ、Ｃの絶対値は、それぞれ１８ｍＷ、２ｍＷ、３ｍＷであった。我々の研究によれば、Ａと、Ａ以外のピークの中で最大のピーク（図１１の例ではＣ）との比（Ａ／Ｃ）が１．０より大きい場合に高温はんだとしての特性が向上し、接合強度が高く、接合強度の経時的な劣化が小さいということを見いだした。また、２より大きいと接合強度の従来比が１．１倍以上となり、顕著な特性向上が見られた。図１１の例においては、ピークの比Ａ／Ｃが６であり、接合強度は従来比で１．４倍であった。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本願発明のはんだ材料及びその製造方法によれば、２５０〜３５０℃の高温域でのはんだ付けに使用可能な、無鉛の高温はんだ材料とその製造方法を提供することが可能となる。そして、これを電気、電子機器に適用すると、従来のマザー基板上のみならず、モジュール部品さらには電子部品の内部まで無鉛化することになり、電気、電子機器の完全な無鉛化を実現することができる。そのため、世界的な広がりを見せている鉛を対象とした法規制の制約を受けることなく、地球環境に対する負荷の小さい電気、電子機器を生産することが可能となる利点を有し、人体に対して有害である鉛を含まない高温はんだ材料、その接合構造体からなる製品等の生産の用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の実施の形態１において用いた蒸着装置の概略構成を示す断面図
【図２】各元素が原子レベルで混合されている様子を示す模式図
【図３】本発明の実施の形態１における示差走査熱量分析曲線を示す図
【図４】３種類の合金が混在する様子を示す模式図
【図５】３種類の合金が混在する場合の示差走査熱量分析曲線を示す図
【図６】本発明の実施の形態２において用いた蒸着装置の概略構成を示す断面図
【図７】本発明の実施の形態３において用いたスパッタリング装置の概略構成を示す断面図
【図８】本発明の実施の形態４において用いたスパッタリング装置の概略構成を示す断面図
【図９】本発明の他の実施の形態において用いたスパッタリング装置の概略構成を示す断面図
【図１０】本発明の実施の形態５における、基板と電子部品とを接合する方法を示す断面図
【図１１】示差走査熱量分析曲線の例を示す図
【図１２】従来のモジュール部品の概略構成図
【図１３】従来のパワートランジスタの概略構成図
【符号の説明】
【００６５】
１ 真空容器
２ 第１るつぼ
３ 第２るつぼ
４ 第３るつぼ
５ 第１材料
６ 第２材料
７ 第３材料
８ 第１ヒーター
９ 第２ヒーター
１０ 第３ヒーター
１１ 第１温調器
１２ 第２温調器
１３ 第３温調器
１４ 基板ホルダー
１５ 基板
１６ ポンプ
１７ 支柱
１８ モーター
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｃｕのうち少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料であって、各元素が非平衡状態で混合されていることを特徴とするはんだ材料。
【請求項２】
Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｃｕのうち少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料であって、各元素が原子レベルで混合されていることを特徴とするはんだ材料。
【請求項３】
Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｃｕのうち少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料であって、主成分とする金属元素の全ては含まず、かつ、いずれか１つまたは複数の金属元素を主成分とする複数種類の薄膜が積層され、かつ、積層された複数種類の薄膜全体には主成分とする金属元素の全てが含まれていることを特徴とするはんだ材料。
【請求項４】
各金属元素が非平衡状態で混合されているはんだ材料は、粉末がペースト化されている、あるいはリボン状に成形されている、あるいは高融点材料からなるワイヤー表面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のはんだ材料。
【請求項５】
各金属元素が原子レベルで混合されているはんだ材料は、粉末がペースト化されている、あるいはリボン状に成形されている、あるいは高融点材料からなるワイヤー表面に形成されていることを特徴とする請求項２に記載のはんだ材料。
【請求項６】
主成分とする金属元素の全ては含まず、かつ、いずれか１つまたは複数の金属元素を主成分とする複数種類の薄膜が積層され、かつ、積層された複数種類の薄膜全体には主成分とする金属元素の全てが含まれているはんだ材料は、粉末がペースト化されている、あるいはリボン状に成形されている、あるいは高融点材料からなるワイヤー表面に形成されていることを特徴とする請求項３に記載のはんだ材料。
【請求項７】
金属元素が、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌであり、Ｓｎが最も多く、Ａｇの含有率が１重量％以上２１重量％以下、Ａｌの含有率が４重量％以上２４重量％以下であることを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載のはんだ材料。
【請求項８】
金属元素が、Ｂｉ、Ａｇ、Ｃｕであり、Ｂｉが最も多く、Ａｇの含有率が１重量％以上１５重量％以下、Ｃｕの含有率が３０重量％以上４０重量％以下であることを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載のはんだ材料。
【請求項９】
金属元素が、Ｓｎ、Ｃｕ、Ａｌであり、Ｓｎが最も多く、Ｃｕの含有率が１重量％以上１４重量％以下、Ａｌの含有率が９重量％以上２９重量％以下であることを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載のはんだ材料。
【請求項１０】
Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｃｕのうち少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料の製造方法であって、各元素、あるいは少なくとも２種類の単一金属、あるいは合金を各々るつぼ内で加熱して蒸発させ、各るつぼに対向して設けられた回収材上に形成された薄膜状の堆積物をはんだ材料として得ることを特徴とするはんだ材料の製造方法。
【請求項１１】
Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｃｕのうち少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料の製造方法であって、各元素、あるいは少なくとも２種類の単一金属、あるいは合金からなるターゲット材に高エネルギー粒子を衝突させてスパッタリングまたは蒸気化し、各ターゲット材に対向して設けられた回収材上に形成された薄膜状の堆積物をはんだ材料として得ることを特徴とするはんだ材料の製造方法。
【請求項１２】
堆積物と回収材とを分離して堆積物をはんだ材料として得るに際して、回収材に振動を与える、あるいは回収材を堆積物に対して選択的に溶解させることを特徴とする、請求項１０または１１記載のはんだ材料の製造方法。
【請求項１３】
堆積物と回収材とを分離して得た堆積物からなる粉体を、樹脂ペーストに混合することを特徴とする請求項１０または１１記載のはんだ材料の製造方法。
【請求項１４】
回収材がテープ状であり、テープ状回収材から堆積物を分離してはんだリボンを得ることを特徴とする請求項１０または１１記載のはんだ材料の製造方法。
【請求項１５】
回収材が高融点材料からなるワイヤーであることを特徴とする請求項１０または１１記載のはんだ材料の製造方法。
【請求項１】
Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｃｕのうち少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料であって、各元素が非平衡状態で混合されていることを特徴とするはんだ材料。
【請求項２】
Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｃｕのうち少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料であって、各元素が原子レベルで混合されていることを特徴とするはんだ材料。
【請求項３】
Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｃｕのうち少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料であって、主成分とする金属元素の全ては含まず、かつ、いずれか１つまたは複数の金属元素を主成分とする複数種類の薄膜が積層され、かつ、積層された複数種類の薄膜全体には主成分とする金属元素の全てが含まれていることを特徴とするはんだ材料。
【請求項４】
各金属元素が非平衡状態で混合されているはんだ材料は、粉末がペースト化されている、あるいはリボン状に成形されている、あるいは高融点材料からなるワイヤー表面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のはんだ材料。
【請求項５】
各金属元素が原子レベルで混合されているはんだ材料は、粉末がペースト化されている、あるいはリボン状に成形されている、あるいは高融点材料からなるワイヤー表面に形成されていることを特徴とする請求項２に記載のはんだ材料。
【請求項６】
主成分とする金属元素の全ては含まず、かつ、いずれか１つまたは複数の金属元素を主成分とする複数種類の薄膜が積層され、かつ、積層された複数種類の薄膜全体には主成分とする金属元素の全てが含まれているはんだ材料は、粉末がペースト化されている、あるいはリボン状に成形されている、あるいは高融点材料からなるワイヤー表面に形成されていることを特徴とする請求項３に記載のはんだ材料。
【請求項７】
金属元素が、Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌであり、Ｓｎが最も多く、Ａｇの含有率が１重量％以上２１重量％以下、Ａｌの含有率が４重量％以上２４重量％以下であることを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載のはんだ材料。
【請求項８】
金属元素が、Ｂｉ、Ａｇ、Ｃｕであり、Ｂｉが最も多く、Ａｇの含有率が１重量％以上１５重量％以下、Ｃｕの含有率が３０重量％以上４０重量％以下であることを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載のはんだ材料。
【請求項９】
金属元素が、Ｓｎ、Ｃｕ、Ａｌであり、Ｓｎが最も多く、Ｃｕの含有率が１重量％以上１４重量％以下、Ａｌの含有率が９重量％以上２９重量％以下であることを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載のはんだ材料。
【請求項１０】
Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｃｕのうち少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料の製造方法であって、各元素、あるいは少なくとも２種類の単一金属、あるいは合金を各々るつぼ内で加熱して蒸発させ、各るつぼに対向して設けられた回収材上に形成された薄膜状の堆積物をはんだ材料として得ることを特徴とするはんだ材料の製造方法。
【請求項１１】
Ｓｎ、Ａｇ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｃｕのうち少なくとも３種類の金属元素を主成分とするはんだ材料の製造方法であって、各元素、あるいは少なくとも２種類の単一金属、あるいは合金からなるターゲット材に高エネルギー粒子を衝突させてスパッタリングまたは蒸気化し、各ターゲット材に対向して設けられた回収材上に形成された薄膜状の堆積物をはんだ材料として得ることを特徴とするはんだ材料の製造方法。
【請求項１２】
堆積物と回収材とを分離して堆積物をはんだ材料として得るに際して、回収材に振動を与える、あるいは回収材を堆積物に対して選択的に溶解させることを特徴とする、請求項１０または１１記載のはんだ材料の製造方法。
【請求項１３】
堆積物と回収材とを分離して得た堆積物からなる粉体を、樹脂ペーストに混合することを特徴とする請求項１０または１１記載のはんだ材料の製造方法。
【請求項１４】
回収材がテープ状であり、テープ状回収材から堆積物を分離してはんだリボンを得ることを特徴とする請求項１０または１１記載のはんだ材料の製造方法。
【請求項１５】
回収材が高融点材料からなるワイヤーであることを特徴とする請求項１０または１１記載のはんだ材料の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００６−２０５１９８（Ｐ２００６−２０５１９８Ａ）
【公開日】平成１８年８月１０日（２００６．８．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１９４００（Ｐ２００５−１９４００）
【出願日】平成１７年１月２７日（２００５．１．２７）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年８月１０日（２００６．８．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１月２７日（２００５．１．２７）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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