ソルダペースト、および接合物品
【課題】 金属合金粉末として、Ｂｉを３０重量％以上含むＢｉ−Ｓｎ系ソルダペーストにおいて、接合後に高い接合強度が得られるとともに、接合対象物がＡｕを含む場合においても空隙が発生しないソルダペースト、およびそのソルダペーストを用いて接合された接合物品を提供する。
【解決手段】 金属合金粉末として、Ｂｉが３０重量％〜９８重量％、Ａｌ、Ｍｎのいずれか一方が０．０１重量％〜０．５重量％、残部Ｓｎからなるソルダペースト、およびそのソルダペーストを用いて接合された接合物品とする。
【解決手段】 金属合金粉末として、Ｂｉが３０重量％〜９８重量％、Ａｌ、Ｍｎのいずれか一方が０．０１重量％〜０．５重量％、残部Ｓｎからなるソルダペースト、およびそのソルダペーストを用いて接合された接合物品とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チップ型電子部品をセラミック基板やプリント配線基板に接合するためなどに用いられるソルダペースト、およびそのソルダペーストを用いて接合された接合物品に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、異なる電気構造物の接合対象物間の電気的接合を行うためのはんだ合金として、Ｂｉ−Ｓｎ系合金を含むものが知られている。
【０００３】
例えば特許文献１には、Ｂｉが２５〜８５重量％、Ｓｎが１８〜６８重量％、Ｚｎが０．１〜１０重量％、Ｓｂが０．１〜１０重量％からなるはんだ合金が開示されている。また、特許文献２には、０．１〜５７重量％のＢｉと残部Ｓｎを含むはんだ合金において、さらにＣｏを０．００１〜５重量％含むものが開示されている。さらに、特許文献３には、Ｓｎを主成分とし、Ｂｉ２２．０〜４２．０重量％及びＡｌ０．０１〜０．５０重量％を含有するはんだ合金が開示されている。
【特許文献１】特開昭６２−２５２６９３号公報
【特許文献２】特開平８−２２４６８９号公報
【特許文献３】特開２００１−３４７３９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１、特許文献２に記載のはんだ合金によれば、このはんだ合金（金属合金粉末）とフラックスとを混合してソルダペーストとし、このソルダペーストによって異なる電気構造物（例えば、チップ型電子部品とプリント配線基板）の接合対象物どうし（例えば、チップ型電子部品に形成された外部電極とプリント配線基板に形成されたランド電極と）を接合したときに、接合部の接合強度が弱いという問題があった。
【０００５】
また、特許文献３に記載のはんだ合金によれば、Ａｌを微量添加することによって、はんだ合金の接合強度を向上させることができるとされているが、特許文献３の実施例ではＳｎ−２９重量％Ｂｉはんだ合金にＡｌを微量添加させた例しか開示されておらず、Ｂｉを３０重量％以上含むＢｉ−Ｓｎ系はんだ合金については効果が実証されていない。
【０００６】
さらに、Ｂｉを３０重量％以上含むＢｉ−Ｓｎ系ソルダペーストの特有の問題として、このソルダペーストを異なる電気構造物の接合対象物どうしを接合するために用いるとき、これら接合対象物のいずれかがＡｕを含んでいると、接合後の接合部に空隙が生じてしまいシアー強度が低下するという問題があった。
【０００７】
すなわち、接合対象物に含まれるＡｕはリフロー加熱による接合時にソルダペースト中に混入し、ソルダペースト中のＳｎとの間で金属間化合物を生成する。これによりソルダペーストはＢｉリッチな合金となる。そして、リフロー加熱後に接合部が徐冷されるときに、Ｂｉ相が粗大化し、Ｓｎ−Ｂｉ相よりも比重の大きいＢｉ相が多く存在することとなる。これにより接合部の体積が減少して空隙が発生する。この現象はＢｉを３０重量％以上含むＢｉ−Ｓｎ系ソルダペースト特有の問題であって、特にＢｉを５８重量％以上含むＢｉ−Ｓｎ系ソルダペーストのようにＢｉがさらに多いソルダペーストにおいて顕著な問題となる。
【０００８】
よって本発明は、Ｂｉを３０重量％以上含むＢｉ−Ｓｎ系ソルダペーストにおいて、接合後に高い接合強度が得られるとともに、接合対象物がＡｕを含む場合においても接合部に空隙が発生しないソルダペースト、およびそのソルダペーストを用いて接合された接合物品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】
上記問題点を解決するために本発明に係るソルダペーストは、金属合金粉末と、フラックスとを含むソルダペーストであって、前記金属合金粉末は、Ｂｉが３０重量％〜９８重量％、Ａｌ、Ｍｎのいずれか一方が０．０１重量％〜０．５重量％、残部Ｓｎからなることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係るソルダペーストは、金属合金粉末と、フラックスとを含むソルダペーストであって、前記金属合金粉末は、Ｂｉが５８重量％〜９８重量％、Ａｌ、Ｍｎのいずれか一方が０．０１重量％〜０．５重量％、残部Ｓｎからなることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係るソルダペーストは、第１の接合対象物を有する第１の電気構造物と、第２の接合対象物を有する第２の電気構造物との、前記第１の接合対象物と前記第２の接合対象物とを接合するために用いられることが好ましい。
【００１２】
また、本発明に係るソルダペーストは、前記第１の接合対象物および前記第２の接合対象物の少なくとも一方はＡｕを含む場合にさらに有効である。
【００１３】
また、本発明に係るソルダペーストは、前記第１の接合対象物および前記第２の接合対象物の少なくとも一方はＡｕが表面に露出している場合にさらに有効である。
【００１４】
また、本発明に係る接合物品は、第１の接合対象物を有する第１の電気構造物と、第２の接合対象物を有する第２の電気構造物とを接合した接合物品であって、前記第１の接合対象物と、前記第２接合対象物とを請求項１ないし請求項２のいずれかに記載のソルダペーストを用いて接合した接合部を有することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る接合物品は、前記第１の接合対象物および前記第２の接合対象物の少なくとも一方はＡｕを含む場合にさらに有効である。
【００１６】
また、本発明に係る接合物品は、前記第１の接合対象物および前記第２の接合対象物の少なくとも一方はＡｕが表面に露出している場合にさらに有効である。
【００１７】
また、本発明に係る接合物品は、前記接合部には、前記第１の接合対象物および前記第２の接合対象物の少なくとも一方からＡｕが混入しており、混入するＡｕの体積比率が、前記ソルダペーストに含まれる前記金属合金粉末の体積の１．５体積％を超える場合に最も有効である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、Ｂｉを３０重量％以上含むＢｉ−Ｓｎ系ソルダペーストにおいて、金属合金粉末にＡｌ、Ｍｎのいずれか一方が０．０１重量％〜０．５重量％配合されているため、高い接合強度を実現できるソルダペースト、および接合強度が高い接合部を有する接合物品を得ることができる。また、接合対象物がＡｕを含む場合においては、接合後の接合部に空隙が生じてしまうという問題が発生せず、また高いシアー強度を実現可能なソルダペースト、および接合部のシアー強度が高い接合物品を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に本発明の実施形態について説明する。本発明のソルダペーストは、主として、第１の接合対象物を有する第１の電気構造物（例えば外部電極を有するチップ型電子部品）と、第２の接合対象物を有する第２の電気構造物（例えばランド電極を有するプリント配線基板）との第１の接合対象物と第２の接合対象物（外部電極とランド電極）どうしを接合するために用いられる。なお、一般にはんだ付けされる用途に用いられるものであれば、第１、第２の電気構造物および、第１、第２の接合対象物の選択は任意であり、上記のほかにも例えばリード付き電子部品のリード線とプリント配線基板上に設けられたランド電極などの組み合わせなどでもよい。
【００２０】
本発明のソルダペーストは、金属合金粉末と、フラックスとを含むソルダペーストであって、金属合金粉末は、Ｂｉが３０重量％〜９８重量％、Ａｌ、Ｍｎのいずれか一方が０．０１重量％〜０．５重量％、残部Ｓｎからなるものである。
【００２１】
金属合金粉末中にＡｌ、Ｍｎのいずれか一方が０．０１重量％〜０．５重量％含まれることにより、Ａｌ、Ｍｎがはんだ組織内に分散してはんだ組織を微細化することができ、結果として接合後の接合強度を向上させることができる。
【００２２】
なお、金属合金粉末中にＢｉを３０重量％以上含むソルダペーストとしているのは、Ｂｉが３０重量％未満のＳｎ重量比率が高いソルダペーストである場合、元の強度が高いため、ＡｌまたはＭｎを配合する効果が小さいためである。また、金属合金粉末中にＢｉを９８重量％以下含むソルダペーストとしているのは、金属合金粉末中のＢｉ重量比率が９８重量％を超えるソルダペーストである場合、はんだ組織の微細化に寄与するＳｎ−Ｂｉラメラ相が形成されにくいか、全く形成されず、ＡｌまたはＭｎを配合してもはんだ組織の微細化が困難となるためである。
【００２３】
金属合金粉末中に含まれるＡｌ、Ｍｎのいずれか一方の量を０．０１重量％〜０．５重量％の範囲としているのは、これより少ないと接合強度の向上や空隙の発生を抑制する効果が期待できず、また、これより多いとはんだ組織内へのＡｌまたはＭｎの分散効果が低下し、はんだ組織が微細化できないためである。
【００２４】
本発明のソルダペーストは、第１の接合対象物および第２の接合対象物の少なくとも一方はＡｕを含むもの、特にＡｕが表面に露出しているものを接合するために用いるときにさらに有効である。Ａｕが表面に露出している接合対象物とは、例えば、チップ型電子部品のＡｕからなる外部電極が表面に露出しているものや、チップ型電子部品の外部電極を覆うようにＡｕめっきが表面に露出するように形成されているものなどが挙げられる。
【００２５】
本発明のソルダペーストによれば、Ａｌ、Ｍｎが接合時の加熱により酸化することで生成される酸化物として、およびＡｕとの間で生成される金属間化合物として、細かく分散することにより、接合部のＢｉ相の粗大化が抑制され、空隙の発生が抑制される。したがってシアー強度の高い接合部を有する接合物品が得られる。
【００２６】
なお、ソルダペースト中の金属合金粉末に対するＢｉの重量比率が３０重量％未満である場合は、Ｓｎの重量比率が高くなるため、ＡｕとＳｎが化合物を形成してもＳｎが多く残存することとなり、Ｂｉの粗大化を抑制できる。したがって、ＡｌまたはＭｎを含んでいなくても空隙比率が低くなる。また、ソルダペースト中の金属合金粉末に対するＢｉの重量比率が９８重量％を超える場合は、Ｂｉの粗大化による体積減少の影響が少ないため、空隙比率が低くなる。
【００２７】
さらに本発明は、金属合金粉末としてＢｉが多いもの、すなわち、Ｂｉが５８重量％〜９８重量％、Ａｌ、Ｍｎのいずれか一方が０．０１重量％〜０．５重量％、残部Ｓｎであるときに特に有効である。これは、本発明をＢｉが５８重量％〜９８重量％の範囲にあるＢｉ−Ｓｎ系ソルダペーストに用いた場合において、接合強度の向上効果や、空隙比率低下効果が大きいためである。
【００２８】
本発明のソルダペーストに用いられるフラックスとしては、樹脂系、有機酸系、無機酸系などの目的に応じて適宜選択して用いることができ、例えば、ロジンおよび／またはロジン誘導体と、溶剤と、活性剤と、チクソ剤とを含有するフラックスを用いることができる。溶剤としてはエチレングリコールモノブチルエーテル、エチレングリコールモノフェニルエーテルなど、活性剤としてはジフェニルグアニジンＨＢｒ、ジエチルアミンＨＣｌなど、チクソ剤としては水素添加ヒマシ油、脂肪酸アマイドなどをそれぞれ用いることができる。
【００２９】
また、上記フラックスは熱硬化性樹脂あるいは熱可塑性樹脂を含んでいてもよい。これらの樹脂は、接合後に接合部を覆い、接合強度の確保および接合部の信頼性の確保に寄与する。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリエステル樹脂、メラミン樹脂、アミノ樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素系樹脂など、熱可塑性樹脂としては、ポリアミド樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリメタクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、セルロース系樹脂などをそれぞれ用いることができる。
【実施例】
【００３０】
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
＜ソルダペーストの作製＞
まず、Ｂｉ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｐｔを表１に示す重量比率で配合した金属合金粉末９０質量％に対して、フラックスを１０質量％混合してＢｉ−Ｓｎ系ソルダペーストを作製した。フラックスとしてはロジン、溶剤、活性剤、チクソ剤を含むロジン系フラックスを使用した。本実施例では、溶剤としてはジエチレングリコールモノフェニルエーテル、活性剤としてはジフェニルグアニジンＨＢｒ、チクソ剤としては水素添加ヒマシ油を用いた。
【００３１】
＜評価用サンプルの作製＞
次に、Ｃｕからなる金属板（１０×１０×０．２ｍｍ）に、上記表１のそれぞれのソルダペーストを印刷し、Ｃｕからなる金属片（１．２×１．２×１．０ｍｍ）をその印刷部分にマウントした。そして予熱温度１６０℃、ピーク温度２４５℃のプロファイルでリフロー加熱し、金属板にソルダペーストによって金属片が接合されている評価用サンプルを得た。得られた評価用サンプルについて以下の接合強度に関する評価を行った。結果を表１に示す。
評価：接合強度
評価用サンプルを金属板側および金属片側の双方から引っ張り、金属片が剥離するまでの最大強度を評価した。引っ張り速度は２０ｍｍ／ｍｉｎとした。
【００３２】
【表１】
【００３３】
金属合金粉末がＢｉ５８重量％と残部Ｓｎとからなり、ＡｌまたはＭｎを含まない比較例３、金属合金粉末がＢｉ５８重量％と、Ａｌ０．７重量％と、残部Ｓｎとからなる比較例９、および、金属合金粉末がＢｉ５８重量％と、Ｍｎ０．７重量％と、残部Ｓｎとからなる比較例１２の評価用サンプルの接合強度が、それぞれ３３Ｎｍｍ-2、３６Ｎｍｍ-2、３４Ｎｍｍ-2であった。これに対して、金属合金粉末がＢｉ５８重量％と、Ａｌ０．０１〜０．５重量％と、残部Ｓｎとからなる実施例１〜４、金属合金粉末がＢｉ５８重量％と、Ｍｎ０．０１〜０．５重量％と、残部Ｓｎとからなる実施例８〜１１の評価用サンプルの接合強度は、４０〜４５Ｎｍｍ-2であり、高い接合強度が得られた。これはＡｌまたはＭｎを０．０１〜０．５重量％配合することにより、はんだ組織内へＡｌまたはＭｎが分散し、はんだ組織が微細化するためである。なお、ＡｌまたはＭｎを配合する場合であっても、比較例９、比較例１２のようにＡｌまたはＭｎの配合量が０．５重量％を超えると、はんだ組織内へのＡｌまたはＭｎの分散効果が低下し、はんだ組織を微細化することができず、逆に接合強度が低くなってしまう。
【００３４】
また、金属合金粉末がＢｉ３０〜９８重量％と残部Ｓｎとからなり、Ａｌ、Ｍｎを含まない比較例２〜５の評価用サンプルと比較して、金属合金粉末がＢｉ３０〜９８重量％と、ＡｌまたはＭｎが０．３重量％と、残部Ｓｎとからなる実施例３、実施例５〜７、実施例１０および実施例１２〜１４の評価用サンプルは、同じＢｉ重量比率のときの接合強度が１０Ｎｍｍ-2以上向上することがわかる。例えば、比較例３の接合強度は３３Ｎｍｍ-2であるのに対し、実施例３、実施例１０の接合強度はそれぞれ４４Ｎｍｍ-2、４３Ｎｍｍ-2となっている。
【００３５】
一方、金属合金粉末がＢｉ２０重量％と、残部Ｓｎとからなり、Ａｌ、Ｍｎを含まない比較例１の評価用サンプルと比較して、金属合金粉末がＢｉ２０重量％と、Ａｌ０．３重量％と、残部Ｓｎとからなる比較例７の評価用サンプルの評価用サンプルの接合強度は４Ｎｍｍ-2高かった。また、金属合金粉末がＢｉ１００重量％である比較例６の評価用サンプルと比較して、金属合金粉末がＢｉ９９．７重量％と、Ａｌ０．３重量％とからなる比較例８の評価用サンプルの接合強度は１Ｎｍｍ-2高かった。また、比較例１の評価用サンプルと比較して、金属合金粉末がＢｉ２０重量％と、Ｍｎ０．３重量％と、残部Ｓｎとからなる比較例１０の評価用サンプルの接合強度は５Ｎｍｍ-2高かった。また、比較例６の評価用サンプルと比較して、金属合金粉末がＢｉ９９．７重量％と、Ｍｎ０．３重量％とからなる比較例１１の評価用サンプルの接合強度は３Ｎｍｍ-2高かった。
【００３６】
このように、金属合金粉末中のＢｉ重量比率が３０重量％〜９８重量％の場合、ＡｌまたはＭｎを０．０１〜０．５重量％配合することにより、１０Ｎｍｍ-2以上の大きな接合強度向上効果を得られるが、金属合金粉末中のＢｉ重量比率が３０重量％未満の場合（すなわちＳｎ重量比率が高い場合）、元の接合強度が高いため、ＡｌまたはＭｎを配合させたときの接合強度向上効果が小さい。また、金属合金粉末中のＢｉ重量比率が９８重量％を超える場合は、はんだ組織の微細化に寄与するＳｎ−Ｂｉラメラ相が形成されにくいか、全く形成されないため、ＡｌまたはＭｎを配合させてもはんだ組織の微細化が困難となり、接合強度向上効果が小さい。
【００３７】
また、Ｂｉ５８重量％と、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｐｔのいずれかを０．３重量％と、残部Ｓｎとからなる比較例１３〜１７と比較して、Ｂｉ５８重量％と、ＡｌまたはＭｎを０．３重量％と、残部Ｓｎとを配合した実施例３、実施例１０の接合強度は約２０Ｎｍｍ-2高かった。ＡｌとＭｎがはんだ組織を微細化させるのに対し、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｐｔはそのような微細化効果を有さないためである。
【００３８】
［実施例２］
次に、本発明のソルダペーストを、Ａｕを含む接合対象物を接合するために用いた例について説明する。
＜ソルダペーストの作製＞
まず、Ｂｉ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｐｔを表２に示す重量比率で配合した金属合金粉末９０質量％に対して、フラックスを１０質量％混合してＢｉ−Ｓｎ系ソルダペーストを作製した。フラックスとしてはロジン、溶剤、活性剤、チクソ剤を含むロジン系フラックスを使用した。フラックスとしてはロジン、溶剤、活性剤、チクソ剤を含むロジン系フラックスを使用した。本実施例では、溶剤としては、ジエチレングリコールモノフェニルエーテル、活性剤としてはジフェニルグアニジンＨＢｒ、チクソ剤としては、水素添加ヒマシ油を用いた。
【００３９】
＜接合物品の作製＞
本発明のソルダペーストおよび接合物品を図１に示す。なお、図１（ａ）は、接合前（リフロー加熱前）の接合物品１０を示しており、また、図１（ｂ）は接合後（リフロー加熱後）の接合物品１１を示している。図１（ａ）に示すように、Ａｌ2Ｏ3からなる基板１を用意し、複数のランド電極２をその表面に形成した。ランド電極２は、Ｃｕからなる下地電極２１と、下地電極２１を覆うように形成され、かつ、ランド電極２の表面に露出したＡｕめっき層２２とからなる。続けて、表２に示すソルダペースト３のそれぞれをランド電極２上に印刷した。このソルダペースト３の印刷にあたっては、接合時のリフロー加熱によって接合部７に混入するＡｕの影響を検証するために、印刷に用いられるメタルマスクの開口径および厚みを調整してソルダペーストの印刷量を調整し、結果的に接合後に接合部７に混入するＡｕ体積比率を調整した。
【００４０】
続けて、複数のランド電極２上に１．０ｍｍ×０．５ｍｍ×０．５ｍｍのサイズのチップコイルであるチップ型電子部品４をマウントした。チップ型電子部品４の両端面には一対の外部電極５が形成されており、この外部電極５がそれぞれランド電極２上に配置されるようにした。外部電極５は、Ｃｕからなる下地電極５１と、下地電極５１を覆うように形成され、かつ外部電極５の表面に露出したＡｕめっき層５２とからなるものである。
【００４１】
続けて、予熱温度１６０℃、ピーク温度２４５℃のプロファイルで基板１をリフロー加熱し、基板１に配置されたランド電極２上にチップ型電子部品４が接合された接合部７を有する図１（ｂ）に示す接合物品１１を得た。なお、ソルダペーストが固化した接合部７には、Ａｕめっき層２２，５２に含まれるＡｕの一部が混入している。
【００４２】
上記のようにして得られた接合物品１０について以下の評価を行った。その結果を表２に示す。
評価１：空隙比率
以下のように、接合部の空隙比率の評価を行った。まず、接合物品１１全体を覆うようにエポキシ樹脂中に埋設し、硬化させた。そして、基板１に対して垂直方向かつ、図１（ｂ）の方向から見たときに接合部７の断面が現れるように研磨した接合物品１１を、金属顕微鏡で観察し、接合部７の断面全体の面積に対する空隙の比率を計測した。空隙比率が５％未満のものを評価「○」、５％以上のものを評価「×」とした。
【００４３】
評価２：シアー強度
チップ型電子部品４をボンディングテスタで横押しし、シアー強度を測定した。横押し強度は０．０５ｍｍ／ｓとした。強度が１０Ｎｍｍ-2以上のものを評価「○」、１０Ｎｍｍ-2未満のものを評価「×」とした。
【００４４】
【表２】
【００４５】
まず、ソルダペースト中の金属合金粉末の体積に対する、混入するＡｕの体積比率を変化させて評価した場合の空隙比率の結果を検証した。参考例１〜３は、混入するＡｕの体積比率が金属合金粉末の体積の１．５体積％未満であり、空隙比率は５％未満となった。一方、比較例１８〜２０は、混入するＡｕの体積比率が金属合金粉末の体積の１．５体積％を超えており、空隙比率が５％以上となった。これにより、接合部７に混入するＡｕの体積比率が高いほど空隙が発生しやすくなり、特に、混入するＡｕの体積比率が金属合金粉末の体積の１．５体積％を超えると空隙比率が５％を超えてしまうことがわかる。
【００４６】
比較例１９、比較例２１〜２５は、金属合金粉末がＢｉ３０〜９８重量％と、残部Ｓｎとからなるソルダペーストを用いた例であり、ＡｌまたはＭｎが配合されておらず、また混入するＡｕの体積比率が１．５体積％を超えるため、Ｂｉ相が粗大化し、空隙比率が５％以上となった。これに対して、実施例１７、実施例１９〜２３は、金属合金粉末がＢｉ３０〜９８重量％と、Ａｌ０．３重量％と、残部Ｓｎとからなるソルダペーストを用いているため、Ａｌ酸化物およびＡｌとＡｕとの金属間化合物が有するＢｉ相の微細化効果により、混入するＡｕの体積比率が１．５体積％を超えても空隙比率が５％未満と低くなった。また、実施例２６、実施例２８〜３２は、金属合金粉末がＢｉ３０〜９８重量％と、Ｍｎ０．３重量％と、残部Ｓｎとからなるソルダペーストを用いた例であり、Ｍｎ酸化物およびＭｎとＡｕとの金属間化合物が有するＢｉ相の微細化効果により、混入するＡｕの体積比率が１．５体積％を超えても空隙比率が５％未満と低くなった。
【００４７】
比較例２６は、金属合金粉末がＢｉ５８重量％と、Ａｌ０．７重量％と、残部Ｓｎとからなるソルダペーストを用いた例であり、配合したＡｌが０．７重量％と多いため、ＡｌとＡｕとの金属間化合物が粗大化し、微細化効果が低減したことにより、空隙比率が５％以上と高かった。一方、実施例１５〜１８は、金属合金粉末がＢｉ５８重量％と、Ａｌ０．０１〜０．５重量％と、残部Ｓｎとからなるソルダペーストを用いた例であり、ＡｌとＡｕとの金属間化合物が微細化効果を維持するため、混入するＡｕの体積比率が１．５体積％を超えても空隙比率が５％未満と低かった。
【００４８】
比較例２７は、金属合金粉末がＢｉ５８重量％と、Ｍｎ０．７重量％と、残部Ｓｎとからなるソルダペーストを用いた例であり、配合したＭｎが０．７重量％と多いため、ＭｎとＡｕとの金属間化合物が粗大化し、微細化効果が低減したことにより、空隙比率が５％以上と高かった。一方、実施例２４〜２７は、金属合金粉末がＢｉ５８重量％と、Ｍｎ０．０１〜０．５重量％と、残部Ｓｎとからなるソルダペーストを用いた例であり、ＭｎとＡｕとの金属間化合物が微細化効果を維持するため、混入するＡｕの体積比率が１．５体積％を超えても空隙比率が５％未満と低かった。
【００４９】
金属合金粉末がＢｉ５８重量％と、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｐｔのいずれかを０．３重量％と、残部Ｓｎとからなるソルダペーストを用いた例である比較例２８、２９、３１、３２は、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｐｔが酸化物を形成しにくく、さらにＡｕとの間で金属間化合物を形成しないため、Ｂｉ相の微細化効果はなく空隙比率が５％以上と高かった。また、金属合金粉末がＢｉ５８重量％と、Ｚｎ０．３重量％と、残部Ｓｎとからなるソルダペーストを用いた例である比較例３０は、ＺｎとＡｕとの間で金属間化合物を形成しても、この金属間化合物がはんだ組織に細かく分散せずＢｉ相が粗大化するため、Ｂｉ相の微細化効果はなく、空隙比率が５％以上と高かった。
【００５０】
以上により、本発明によれば、ＡｌまたはＭｎが０．０１重量％〜０．５重量％配合されていることにより接合部の空隙の発生を抑制させ得ることがわかる。また、ソルダペースト中の金属合金粉末の体積に対する、混入するＡｕの体積比率が１．５体積％を超える場合に、本発明が特に有効であることがわかる。
【００５１】
また、本発明によれば、空隙の発生が抑制できることにより接合部のシアー強度をも向上させることができる。比較例１８〜３２の接合物品１０のシアー強度は、空隙が多く、シアー強度が１０Ｎｍｍ-2未満であったのに対して、実施例１５〜３２の接合物品１０は全てシアー強度が１０Ｎｍｍ-2以上であり、高いシアー強度が得られた。
【００５２】
なお、本発明はＢｉが５８〜９８重量％の範囲にあるソルダペーストに適用する場合、特に効果が大きい。これは、Ｂｉが５８〜９８重量％の範囲にある場合、ＡｌまたはＭｎを配合することによる空隙比率低下効果が大きいためである。例えば、実施例１９、２０、２７、２８と、比較例２１、２２とを比較することでわかるように、Ｂｉが３０〜４５重量％のとき、ＡｌまたはＭｎを０．３重量％配合することにより、配合しない場合に比べて空隙比率は３．１％〜４．２％低下する。これに対して、実施例１７、実施例２１〜２３、実施例２６、実施例３０〜３２と、比較例１９、比較例２３〜２５とを比較することでわかるように、Ｂｉが５８〜９８重量％のときは、ＡｌまたはＭｎを０．３重量％配合することにより、配合しない場合に比べて空隙比率は４．９％〜６．２％低下しており、効果が大きいことがわかる。
【００５３】
なお、比較例１９、比較例２１〜２５の空隙比率を比較すると、Ｂｉの重量比率が５８重量％より高くなると空隙比率が高くなることがわかる。これは、Ｂｉが多くなると、Ｂｉ相の粗大化が起こりやすくなるためである。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の接合物品の一実施形態の正面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１ 基板
２ ランド電極
３ ソルダペースト
４ チップ型電子部品
５ 外部電極
７ 接合部
１１ 接合物品
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チップ型電子部品をセラミック基板やプリント配線基板に接合するためなどに用いられるソルダペースト、およびそのソルダペーストを用いて接合された接合物品に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、異なる電気構造物の接合対象物間の電気的接合を行うためのはんだ合金として、Ｂｉ−Ｓｎ系合金を含むものが知られている。
【０００３】
例えば特許文献１には、Ｂｉが２５〜８５重量％、Ｓｎが１８〜６８重量％、Ｚｎが０．１〜１０重量％、Ｓｂが０．１〜１０重量％からなるはんだ合金が開示されている。また、特許文献２には、０．１〜５７重量％のＢｉと残部Ｓｎを含むはんだ合金において、さらにＣｏを０．００１〜５重量％含むものが開示されている。さらに、特許文献３には、Ｓｎを主成分とし、Ｂｉ２２．０〜４２．０重量％及びＡｌ０．０１〜０．５０重量％を含有するはんだ合金が開示されている。
【特許文献１】特開昭６２−２５２６９３号公報
【特許文献２】特開平８−２２４６８９号公報
【特許文献３】特開２００１−３４７３９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１、特許文献２に記載のはんだ合金によれば、このはんだ合金（金属合金粉末）とフラックスとを混合してソルダペーストとし、このソルダペーストによって異なる電気構造物（例えば、チップ型電子部品とプリント配線基板）の接合対象物どうし（例えば、チップ型電子部品に形成された外部電極とプリント配線基板に形成されたランド電極と）を接合したときに、接合部の接合強度が弱いという問題があった。
【０００５】
また、特許文献３に記載のはんだ合金によれば、Ａｌを微量添加することによって、はんだ合金の接合強度を向上させることができるとされているが、特許文献３の実施例ではＳｎ−２９重量％Ｂｉはんだ合金にＡｌを微量添加させた例しか開示されておらず、Ｂｉを３０重量％以上含むＢｉ−Ｓｎ系はんだ合金については効果が実証されていない。
【０００６】
さらに、Ｂｉを３０重量％以上含むＢｉ−Ｓｎ系ソルダペーストの特有の問題として、このソルダペーストを異なる電気構造物の接合対象物どうしを接合するために用いるとき、これら接合対象物のいずれかがＡｕを含んでいると、接合後の接合部に空隙が生じてしまいシアー強度が低下するという問題があった。
【０００７】
すなわち、接合対象物に含まれるＡｕはリフロー加熱による接合時にソルダペースト中に混入し、ソルダペースト中のＳｎとの間で金属間化合物を生成する。これによりソルダペーストはＢｉリッチな合金となる。そして、リフロー加熱後に接合部が徐冷されるときに、Ｂｉ相が粗大化し、Ｓｎ−Ｂｉ相よりも比重の大きいＢｉ相が多く存在することとなる。これにより接合部の体積が減少して空隙が発生する。この現象はＢｉを３０重量％以上含むＢｉ−Ｓｎ系ソルダペースト特有の問題であって、特にＢｉを５８重量％以上含むＢｉ−Ｓｎ系ソルダペーストのようにＢｉがさらに多いソルダペーストにおいて顕著な問題となる。
【０００８】
よって本発明は、Ｂｉを３０重量％以上含むＢｉ−Ｓｎ系ソルダペーストにおいて、接合後に高い接合強度が得られるとともに、接合対象物がＡｕを含む場合においても接合部に空隙が発生しないソルダペースト、およびそのソルダペーストを用いて接合された接合物品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】
上記問題点を解決するために本発明に係るソルダペーストは、金属合金粉末と、フラックスとを含むソルダペーストであって、前記金属合金粉末は、Ｂｉが３０重量％〜９８重量％、Ａｌ、Ｍｎのいずれか一方が０．０１重量％〜０．５重量％、残部Ｓｎからなることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係るソルダペーストは、金属合金粉末と、フラックスとを含むソルダペーストであって、前記金属合金粉末は、Ｂｉが５８重量％〜９８重量％、Ａｌ、Ｍｎのいずれか一方が０．０１重量％〜０．５重量％、残部Ｓｎからなることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係るソルダペーストは、第１の接合対象物を有する第１の電気構造物と、第２の接合対象物を有する第２の電気構造物との、前記第１の接合対象物と前記第２の接合対象物とを接合するために用いられることが好ましい。
【００１２】
また、本発明に係るソルダペーストは、前記第１の接合対象物および前記第２の接合対象物の少なくとも一方はＡｕを含む場合にさらに有効である。
【００１３】
また、本発明に係るソルダペーストは、前記第１の接合対象物および前記第２の接合対象物の少なくとも一方はＡｕが表面に露出している場合にさらに有効である。
【００１４】
また、本発明に係る接合物品は、第１の接合対象物を有する第１の電気構造物と、第２の接合対象物を有する第２の電気構造物とを接合した接合物品であって、前記第１の接合対象物と、前記第２接合対象物とを請求項１ないし請求項２のいずれかに記載のソルダペーストを用いて接合した接合部を有することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る接合物品は、前記第１の接合対象物および前記第２の接合対象物の少なくとも一方はＡｕを含む場合にさらに有効である。
【００１６】
また、本発明に係る接合物品は、前記第１の接合対象物および前記第２の接合対象物の少なくとも一方はＡｕが表面に露出している場合にさらに有効である。
【００１７】
また、本発明に係る接合物品は、前記接合部には、前記第１の接合対象物および前記第２の接合対象物の少なくとも一方からＡｕが混入しており、混入するＡｕの体積比率が、前記ソルダペーストに含まれる前記金属合金粉末の体積の１．５体積％を超える場合に最も有効である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、Ｂｉを３０重量％以上含むＢｉ−Ｓｎ系ソルダペーストにおいて、金属合金粉末にＡｌ、Ｍｎのいずれか一方が０．０１重量％〜０．５重量％配合されているため、高い接合強度を実現できるソルダペースト、および接合強度が高い接合部を有する接合物品を得ることができる。また、接合対象物がＡｕを含む場合においては、接合後の接合部に空隙が生じてしまうという問題が発生せず、また高いシアー強度を実現可能なソルダペースト、および接合部のシアー強度が高い接合物品を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に本発明の実施形態について説明する。本発明のソルダペーストは、主として、第１の接合対象物を有する第１の電気構造物（例えば外部電極を有するチップ型電子部品）と、第２の接合対象物を有する第２の電気構造物（例えばランド電極を有するプリント配線基板）との第１の接合対象物と第２の接合対象物（外部電極とランド電極）どうしを接合するために用いられる。なお、一般にはんだ付けされる用途に用いられるものであれば、第１、第２の電気構造物および、第１、第２の接合対象物の選択は任意であり、上記のほかにも例えばリード付き電子部品のリード線とプリント配線基板上に設けられたランド電極などの組み合わせなどでもよい。
【００２０】
本発明のソルダペーストは、金属合金粉末と、フラックスとを含むソルダペーストであって、金属合金粉末は、Ｂｉが３０重量％〜９８重量％、Ａｌ、Ｍｎのいずれか一方が０．０１重量％〜０．５重量％、残部Ｓｎからなるものである。
【００２１】
金属合金粉末中にＡｌ、Ｍｎのいずれか一方が０．０１重量％〜０．５重量％含まれることにより、Ａｌ、Ｍｎがはんだ組織内に分散してはんだ組織を微細化することができ、結果として接合後の接合強度を向上させることができる。
【００２２】
なお、金属合金粉末中にＢｉを３０重量％以上含むソルダペーストとしているのは、Ｂｉが３０重量％未満のＳｎ重量比率が高いソルダペーストである場合、元の強度が高いため、ＡｌまたはＭｎを配合する効果が小さいためである。また、金属合金粉末中にＢｉを９８重量％以下含むソルダペーストとしているのは、金属合金粉末中のＢｉ重量比率が９８重量％を超えるソルダペーストである場合、はんだ組織の微細化に寄与するＳｎ−Ｂｉラメラ相が形成されにくいか、全く形成されず、ＡｌまたはＭｎを配合してもはんだ組織の微細化が困難となるためである。
【００２３】
金属合金粉末中に含まれるＡｌ、Ｍｎのいずれか一方の量を０．０１重量％〜０．５重量％の範囲としているのは、これより少ないと接合強度の向上や空隙の発生を抑制する効果が期待できず、また、これより多いとはんだ組織内へのＡｌまたはＭｎの分散効果が低下し、はんだ組織が微細化できないためである。
【００２４】
本発明のソルダペーストは、第１の接合対象物および第２の接合対象物の少なくとも一方はＡｕを含むもの、特にＡｕが表面に露出しているものを接合するために用いるときにさらに有効である。Ａｕが表面に露出している接合対象物とは、例えば、チップ型電子部品のＡｕからなる外部電極が表面に露出しているものや、チップ型電子部品の外部電極を覆うようにＡｕめっきが表面に露出するように形成されているものなどが挙げられる。
【００２５】
本発明のソルダペーストによれば、Ａｌ、Ｍｎが接合時の加熱により酸化することで生成される酸化物として、およびＡｕとの間で生成される金属間化合物として、細かく分散することにより、接合部のＢｉ相の粗大化が抑制され、空隙の発生が抑制される。したがってシアー強度の高い接合部を有する接合物品が得られる。
【００２６】
なお、ソルダペースト中の金属合金粉末に対するＢｉの重量比率が３０重量％未満である場合は、Ｓｎの重量比率が高くなるため、ＡｕとＳｎが化合物を形成してもＳｎが多く残存することとなり、Ｂｉの粗大化を抑制できる。したがって、ＡｌまたはＭｎを含んでいなくても空隙比率が低くなる。また、ソルダペースト中の金属合金粉末に対するＢｉの重量比率が９８重量％を超える場合は、Ｂｉの粗大化による体積減少の影響が少ないため、空隙比率が低くなる。
【００２７】
さらに本発明は、金属合金粉末としてＢｉが多いもの、すなわち、Ｂｉが５８重量％〜９８重量％、Ａｌ、Ｍｎのいずれか一方が０．０１重量％〜０．５重量％、残部Ｓｎであるときに特に有効である。これは、本発明をＢｉが５８重量％〜９８重量％の範囲にあるＢｉ−Ｓｎ系ソルダペーストに用いた場合において、接合強度の向上効果や、空隙比率低下効果が大きいためである。
【００２８】
本発明のソルダペーストに用いられるフラックスとしては、樹脂系、有機酸系、無機酸系などの目的に応じて適宜選択して用いることができ、例えば、ロジンおよび／またはロジン誘導体と、溶剤と、活性剤と、チクソ剤とを含有するフラックスを用いることができる。溶剤としてはエチレングリコールモノブチルエーテル、エチレングリコールモノフェニルエーテルなど、活性剤としてはジフェニルグアニジンＨＢｒ、ジエチルアミンＨＣｌなど、チクソ剤としては水素添加ヒマシ油、脂肪酸アマイドなどをそれぞれ用いることができる。
【００２９】
また、上記フラックスは熱硬化性樹脂あるいは熱可塑性樹脂を含んでいてもよい。これらの樹脂は、接合後に接合部を覆い、接合強度の確保および接合部の信頼性の確保に寄与する。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリエステル樹脂、メラミン樹脂、アミノ樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素系樹脂など、熱可塑性樹脂としては、ポリアミド樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリメタクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、セルロース系樹脂などをそれぞれ用いることができる。
【実施例】
【００３０】
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
＜ソルダペーストの作製＞
まず、Ｂｉ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｐｔを表１に示す重量比率で配合した金属合金粉末９０質量％に対して、フラックスを１０質量％混合してＢｉ−Ｓｎ系ソルダペーストを作製した。フラックスとしてはロジン、溶剤、活性剤、チクソ剤を含むロジン系フラックスを使用した。本実施例では、溶剤としてはジエチレングリコールモノフェニルエーテル、活性剤としてはジフェニルグアニジンＨＢｒ、チクソ剤としては水素添加ヒマシ油を用いた。
【００３１】
＜評価用サンプルの作製＞
次に、Ｃｕからなる金属板（１０×１０×０．２ｍｍ）に、上記表１のそれぞれのソルダペーストを印刷し、Ｃｕからなる金属片（１．２×１．２×１．０ｍｍ）をその印刷部分にマウントした。そして予熱温度１６０℃、ピーク温度２４５℃のプロファイルでリフロー加熱し、金属板にソルダペーストによって金属片が接合されている評価用サンプルを得た。得られた評価用サンプルについて以下の接合強度に関する評価を行った。結果を表１に示す。
評価：接合強度
評価用サンプルを金属板側および金属片側の双方から引っ張り、金属片が剥離するまでの最大強度を評価した。引っ張り速度は２０ｍｍ／ｍｉｎとした。
【００３２】
【表１】
【００３３】
金属合金粉末がＢｉ５８重量％と残部Ｓｎとからなり、ＡｌまたはＭｎを含まない比較例３、金属合金粉末がＢｉ５８重量％と、Ａｌ０．７重量％と、残部Ｓｎとからなる比較例９、および、金属合金粉末がＢｉ５８重量％と、Ｍｎ０．７重量％と、残部Ｓｎとからなる比較例１２の評価用サンプルの接合強度が、それぞれ３３Ｎｍｍ-2、３６Ｎｍｍ-2、３４Ｎｍｍ-2であった。これに対して、金属合金粉末がＢｉ５８重量％と、Ａｌ０．０１〜０．５重量％と、残部Ｓｎとからなる実施例１〜４、金属合金粉末がＢｉ５８重量％と、Ｍｎ０．０１〜０．５重量％と、残部Ｓｎとからなる実施例８〜１１の評価用サンプルの接合強度は、４０〜４５Ｎｍｍ-2であり、高い接合強度が得られた。これはＡｌまたはＭｎを０．０１〜０．５重量％配合することにより、はんだ組織内へＡｌまたはＭｎが分散し、はんだ組織が微細化するためである。なお、ＡｌまたはＭｎを配合する場合であっても、比較例９、比較例１２のようにＡｌまたはＭｎの配合量が０．５重量％を超えると、はんだ組織内へのＡｌまたはＭｎの分散効果が低下し、はんだ組織を微細化することができず、逆に接合強度が低くなってしまう。
【００３４】
また、金属合金粉末がＢｉ３０〜９８重量％と残部Ｓｎとからなり、Ａｌ、Ｍｎを含まない比較例２〜５の評価用サンプルと比較して、金属合金粉末がＢｉ３０〜９８重量％と、ＡｌまたはＭｎが０．３重量％と、残部Ｓｎとからなる実施例３、実施例５〜７、実施例１０および実施例１２〜１４の評価用サンプルは、同じＢｉ重量比率のときの接合強度が１０Ｎｍｍ-2以上向上することがわかる。例えば、比較例３の接合強度は３３Ｎｍｍ-2であるのに対し、実施例３、実施例１０の接合強度はそれぞれ４４Ｎｍｍ-2、４３Ｎｍｍ-2となっている。
【００３５】
一方、金属合金粉末がＢｉ２０重量％と、残部Ｓｎとからなり、Ａｌ、Ｍｎを含まない比較例１の評価用サンプルと比較して、金属合金粉末がＢｉ２０重量％と、Ａｌ０．３重量％と、残部Ｓｎとからなる比較例７の評価用サンプルの評価用サンプルの接合強度は４Ｎｍｍ-2高かった。また、金属合金粉末がＢｉ１００重量％である比較例６の評価用サンプルと比較して、金属合金粉末がＢｉ９９．７重量％と、Ａｌ０．３重量％とからなる比較例８の評価用サンプルの接合強度は１Ｎｍｍ-2高かった。また、比較例１の評価用サンプルと比較して、金属合金粉末がＢｉ２０重量％と、Ｍｎ０．３重量％と、残部Ｓｎとからなる比較例１０の評価用サンプルの接合強度は５Ｎｍｍ-2高かった。また、比較例６の評価用サンプルと比較して、金属合金粉末がＢｉ９９．７重量％と、Ｍｎ０．３重量％とからなる比較例１１の評価用サンプルの接合強度は３Ｎｍｍ-2高かった。
【００３６】
このように、金属合金粉末中のＢｉ重量比率が３０重量％〜９８重量％の場合、ＡｌまたはＭｎを０．０１〜０．５重量％配合することにより、１０Ｎｍｍ-2以上の大きな接合強度向上効果を得られるが、金属合金粉末中のＢｉ重量比率が３０重量％未満の場合（すなわちＳｎ重量比率が高い場合）、元の接合強度が高いため、ＡｌまたはＭｎを配合させたときの接合強度向上効果が小さい。また、金属合金粉末中のＢｉ重量比率が９８重量％を超える場合は、はんだ組織の微細化に寄与するＳｎ−Ｂｉラメラ相が形成されにくいか、全く形成されないため、ＡｌまたはＭｎを配合させてもはんだ組織の微細化が困難となり、接合強度向上効果が小さい。
【００３７】
また、Ｂｉ５８重量％と、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｐｔのいずれかを０．３重量％と、残部Ｓｎとからなる比較例１３〜１７と比較して、Ｂｉ５８重量％と、ＡｌまたはＭｎを０．３重量％と、残部Ｓｎとを配合した実施例３、実施例１０の接合強度は約２０Ｎｍｍ-2高かった。ＡｌとＭｎがはんだ組織を微細化させるのに対し、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｐｔはそのような微細化効果を有さないためである。
【００３８】
［実施例２］
次に、本発明のソルダペーストを、Ａｕを含む接合対象物を接合するために用いた例について説明する。
＜ソルダペーストの作製＞
まず、Ｂｉ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｐｔを表２に示す重量比率で配合した金属合金粉末９０質量％に対して、フラックスを１０質量％混合してＢｉ−Ｓｎ系ソルダペーストを作製した。フラックスとしてはロジン、溶剤、活性剤、チクソ剤を含むロジン系フラックスを使用した。フラックスとしてはロジン、溶剤、活性剤、チクソ剤を含むロジン系フラックスを使用した。本実施例では、溶剤としては、ジエチレングリコールモノフェニルエーテル、活性剤としてはジフェニルグアニジンＨＢｒ、チクソ剤としては、水素添加ヒマシ油を用いた。
【００３９】
＜接合物品の作製＞
本発明のソルダペーストおよび接合物品を図１に示す。なお、図１（ａ）は、接合前（リフロー加熱前）の接合物品１０を示しており、また、図１（ｂ）は接合後（リフロー加熱後）の接合物品１１を示している。図１（ａ）に示すように、Ａｌ2Ｏ3からなる基板１を用意し、複数のランド電極２をその表面に形成した。ランド電極２は、Ｃｕからなる下地電極２１と、下地電極２１を覆うように形成され、かつ、ランド電極２の表面に露出したＡｕめっき層２２とからなる。続けて、表２に示すソルダペースト３のそれぞれをランド電極２上に印刷した。このソルダペースト３の印刷にあたっては、接合時のリフロー加熱によって接合部７に混入するＡｕの影響を検証するために、印刷に用いられるメタルマスクの開口径および厚みを調整してソルダペーストの印刷量を調整し、結果的に接合後に接合部７に混入するＡｕ体積比率を調整した。
【００４０】
続けて、複数のランド電極２上に１．０ｍｍ×０．５ｍｍ×０．５ｍｍのサイズのチップコイルであるチップ型電子部品４をマウントした。チップ型電子部品４の両端面には一対の外部電極５が形成されており、この外部電極５がそれぞれランド電極２上に配置されるようにした。外部電極５は、Ｃｕからなる下地電極５１と、下地電極５１を覆うように形成され、かつ外部電極５の表面に露出したＡｕめっき層５２とからなるものである。
【００４１】
続けて、予熱温度１６０℃、ピーク温度２４５℃のプロファイルで基板１をリフロー加熱し、基板１に配置されたランド電極２上にチップ型電子部品４が接合された接合部７を有する図１（ｂ）に示す接合物品１１を得た。なお、ソルダペーストが固化した接合部７には、Ａｕめっき層２２，５２に含まれるＡｕの一部が混入している。
【００４２】
上記のようにして得られた接合物品１０について以下の評価を行った。その結果を表２に示す。
評価１：空隙比率
以下のように、接合部の空隙比率の評価を行った。まず、接合物品１１全体を覆うようにエポキシ樹脂中に埋設し、硬化させた。そして、基板１に対して垂直方向かつ、図１（ｂ）の方向から見たときに接合部７の断面が現れるように研磨した接合物品１１を、金属顕微鏡で観察し、接合部７の断面全体の面積に対する空隙の比率を計測した。空隙比率が５％未満のものを評価「○」、５％以上のものを評価「×」とした。
【００４３】
評価２：シアー強度
チップ型電子部品４をボンディングテスタで横押しし、シアー強度を測定した。横押し強度は０．０５ｍｍ／ｓとした。強度が１０Ｎｍｍ-2以上のものを評価「○」、１０Ｎｍｍ-2未満のものを評価「×」とした。
【００４４】
【表２】
【００４５】
まず、ソルダペースト中の金属合金粉末の体積に対する、混入するＡｕの体積比率を変化させて評価した場合の空隙比率の結果を検証した。参考例１〜３は、混入するＡｕの体積比率が金属合金粉末の体積の１．５体積％未満であり、空隙比率は５％未満となった。一方、比較例１８〜２０は、混入するＡｕの体積比率が金属合金粉末の体積の１．５体積％を超えており、空隙比率が５％以上となった。これにより、接合部７に混入するＡｕの体積比率が高いほど空隙が発生しやすくなり、特に、混入するＡｕの体積比率が金属合金粉末の体積の１．５体積％を超えると空隙比率が５％を超えてしまうことがわかる。
【００４６】
比較例１９、比較例２１〜２５は、金属合金粉末がＢｉ３０〜９８重量％と、残部Ｓｎとからなるソルダペーストを用いた例であり、ＡｌまたはＭｎが配合されておらず、また混入するＡｕの体積比率が１．５体積％を超えるため、Ｂｉ相が粗大化し、空隙比率が５％以上となった。これに対して、実施例１７、実施例１９〜２３は、金属合金粉末がＢｉ３０〜９８重量％と、Ａｌ０．３重量％と、残部Ｓｎとからなるソルダペーストを用いているため、Ａｌ酸化物およびＡｌとＡｕとの金属間化合物が有するＢｉ相の微細化効果により、混入するＡｕの体積比率が１．５体積％を超えても空隙比率が５％未満と低くなった。また、実施例２６、実施例２８〜３２は、金属合金粉末がＢｉ３０〜９８重量％と、Ｍｎ０．３重量％と、残部Ｓｎとからなるソルダペーストを用いた例であり、Ｍｎ酸化物およびＭｎとＡｕとの金属間化合物が有するＢｉ相の微細化効果により、混入するＡｕの体積比率が１．５体積％を超えても空隙比率が５％未満と低くなった。
【００４７】
比較例２６は、金属合金粉末がＢｉ５８重量％と、Ａｌ０．７重量％と、残部Ｓｎとからなるソルダペーストを用いた例であり、配合したＡｌが０．７重量％と多いため、ＡｌとＡｕとの金属間化合物が粗大化し、微細化効果が低減したことにより、空隙比率が５％以上と高かった。一方、実施例１５〜１８は、金属合金粉末がＢｉ５８重量％と、Ａｌ０．０１〜０．５重量％と、残部Ｓｎとからなるソルダペーストを用いた例であり、ＡｌとＡｕとの金属間化合物が微細化効果を維持するため、混入するＡｕの体積比率が１．５体積％を超えても空隙比率が５％未満と低かった。
【００４８】
比較例２７は、金属合金粉末がＢｉ５８重量％と、Ｍｎ０．７重量％と、残部Ｓｎとからなるソルダペーストを用いた例であり、配合したＭｎが０．７重量％と多いため、ＭｎとＡｕとの金属間化合物が粗大化し、微細化効果が低減したことにより、空隙比率が５％以上と高かった。一方、実施例２４〜２７は、金属合金粉末がＢｉ５８重量％と、Ｍｎ０．０１〜０．５重量％と、残部Ｓｎとからなるソルダペーストを用いた例であり、ＭｎとＡｕとの金属間化合物が微細化効果を維持するため、混入するＡｕの体積比率が１．５体積％を超えても空隙比率が５％未満と低かった。
【００４９】
金属合金粉末がＢｉ５８重量％と、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｐｔのいずれかを０．３重量％と、残部Ｓｎとからなるソルダペーストを用いた例である比較例２８、２９、３１、３２は、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｐｔが酸化物を形成しにくく、さらにＡｕとの間で金属間化合物を形成しないため、Ｂｉ相の微細化効果はなく空隙比率が５％以上と高かった。また、金属合金粉末がＢｉ５８重量％と、Ｚｎ０．３重量％と、残部Ｓｎとからなるソルダペーストを用いた例である比較例３０は、ＺｎとＡｕとの間で金属間化合物を形成しても、この金属間化合物がはんだ組織に細かく分散せずＢｉ相が粗大化するため、Ｂｉ相の微細化効果はなく、空隙比率が５％以上と高かった。
【００５０】
以上により、本発明によれば、ＡｌまたはＭｎが０．０１重量％〜０．５重量％配合されていることにより接合部の空隙の発生を抑制させ得ることがわかる。また、ソルダペースト中の金属合金粉末の体積に対する、混入するＡｕの体積比率が１．５体積％を超える場合に、本発明が特に有効であることがわかる。
【００５１】
また、本発明によれば、空隙の発生が抑制できることにより接合部のシアー強度をも向上させることができる。比較例１８〜３２の接合物品１０のシアー強度は、空隙が多く、シアー強度が１０Ｎｍｍ-2未満であったのに対して、実施例１５〜３２の接合物品１０は全てシアー強度が１０Ｎｍｍ-2以上であり、高いシアー強度が得られた。
【００５２】
なお、本発明はＢｉが５８〜９８重量％の範囲にあるソルダペーストに適用する場合、特に効果が大きい。これは、Ｂｉが５８〜９８重量％の範囲にある場合、ＡｌまたはＭｎを配合することによる空隙比率低下効果が大きいためである。例えば、実施例１９、２０、２７、２８と、比較例２１、２２とを比較することでわかるように、Ｂｉが３０〜４５重量％のとき、ＡｌまたはＭｎを０．３重量％配合することにより、配合しない場合に比べて空隙比率は３．１％〜４．２％低下する。これに対して、実施例１７、実施例２１〜２３、実施例２６、実施例３０〜３２と、比較例１９、比較例２３〜２５とを比較することでわかるように、Ｂｉが５８〜９８重量％のときは、ＡｌまたはＭｎを０．３重量％配合することにより、配合しない場合に比べて空隙比率は４．９％〜６．２％低下しており、効果が大きいことがわかる。
【００５３】
なお、比較例１９、比較例２１〜２５の空隙比率を比較すると、Ｂｉの重量比率が５８重量％より高くなると空隙比率が高くなることがわかる。これは、Ｂｉが多くなると、Ｂｉ相の粗大化が起こりやすくなるためである。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の接合物品の一実施形態の正面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１ 基板
２ ランド電極
３ ソルダペースト
４ チップ型電子部品
５ 外部電極
７ 接合部
１１ 接合物品
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属合金粉末と、フラックスとを含むソルダペーストであって、
前記金属合金粉末は、Ｂｉが３０重量％〜９８重量％、Ａｌ、Ｍｎのいずれか一方が０．０１重量％〜０．５重量％、残部Ｓｎからなるソルダペースト。
【請求項２】
金属合金粉末と、フラックスとを含むソルダペーストであって、
前記金属合金粉末は、Ｂｉが５８重量％〜９８重量％、Ａｌ、Ｍｎのいずれか一方が０．０１重量％〜０．５重量％、残部Ｓｎからなるソルダペースト。
【請求項３】
第１の接合対象物を有する第１の電気構造物と、第２の接合対象物を有する第２の電気構造物との、前記第１の接合対象物と前記第２の接合対象物とを接合するために用いられる請求項１または請求項２のいずれかに記載のソルダペースト。
【請求項４】
前記第１の接合対象物および前記第２の接合対象物の少なくとも一方はＡｕを含む、請求項３記載のソルダペースト。
【請求項５】
前記第１の接合対象物および前記第２の接合対象物の少なくとも一方は表面にＡｕが露出している、請求項３記載のソルダペースト。
【請求項６】
第１の接合対象物を有する第１の電気構造物と、第２の接合対象物を有する第２の電気構造物とを接合した接合物品であって、
前記第１の接合対象物と、前記第２接合対象物とを請求項１ないし請求項２のいずれかに記載のソルダペーストを用いて接合した接合部を有することを特徴とする接合物品。
【請求項７】
前記第１の接合対象物および前記第２の接合対象物の少なくとも一方はＡｕを含む、請求項６記載の接合物品。
【請求項８】
前記第１の接合対象物および前記第２の接合対象物の少なくとも一方は表面にＡｕが露出している、請求項６記載の接合物品。
【請求項９】
前記接合部には、前記第１の接合対象物および前記第２の接合対象物の少なくとも一方からＡｕが混入しており、混入するＡｕの体積比率が、前記ソルダペーストに含まれる前記金属合金粉末の体積の１．５体積％を超える請求項６ないし請求項８のいずれかに記載の接合物品。
【請求項１】
金属合金粉末と、フラックスとを含むソルダペーストであって、
前記金属合金粉末は、Ｂｉが３０重量％〜９８重量％、Ａｌ、Ｍｎのいずれか一方が０．０１重量％〜０．５重量％、残部Ｓｎからなるソルダペースト。
【請求項２】
金属合金粉末と、フラックスとを含むソルダペーストであって、
前記金属合金粉末は、Ｂｉが５８重量％〜９８重量％、Ａｌ、Ｍｎのいずれか一方が０．０１重量％〜０．５重量％、残部Ｓｎからなるソルダペースト。
【請求項３】
第１の接合対象物を有する第１の電気構造物と、第２の接合対象物を有する第２の電気構造物との、前記第１の接合対象物と前記第２の接合対象物とを接合するために用いられる請求項１または請求項２のいずれかに記載のソルダペースト。
【請求項４】
前記第１の接合対象物および前記第２の接合対象物の少なくとも一方はＡｕを含む、請求項３記載のソルダペースト。
【請求項５】
前記第１の接合対象物および前記第２の接合対象物の少なくとも一方は表面にＡｕが露出している、請求項３記載のソルダペースト。
【請求項６】
第１の接合対象物を有する第１の電気構造物と、第２の接合対象物を有する第２の電気構造物とを接合した接合物品であって、
前記第１の接合対象物と、前記第２接合対象物とを請求項１ないし請求項２のいずれかに記載のソルダペーストを用いて接合した接合部を有することを特徴とする接合物品。
【請求項７】
前記第１の接合対象物および前記第２の接合対象物の少なくとも一方はＡｕを含む、請求項６記載の接合物品。
【請求項８】
前記第１の接合対象物および前記第２の接合対象物の少なくとも一方は表面にＡｕが露出している、請求項６記載の接合物品。
【請求項９】
前記接合部には、前記第１の接合対象物および前記第２の接合対象物の少なくとも一方からＡｕが混入しており、混入するＡｕの体積比率が、前記ソルダペーストに含まれる前記金属合金粉末の体積の１．５体積％を超える請求項６ないし請求項８のいずれかに記載の接合物品。
【図１】
【公開番号】特開２００８−２８４５８３（Ｐ２００８−２８４５８３Ａ）
【公開日】平成２０年１１月２７日（２００８．１１．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１３１２７４（Ｐ２００７−１３１２７４）
【出願日】平成１９年５月１７日（２００７．５．１７）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１１月２７日（２００８．１１．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月１７日（２００７．５．１７）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
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