積層はんだ材およびそれを用いたはんだ付方法ならびにはんだ接合部
【課題】酸化しやすいＺｎ−Ｓｎ系はんだ合金によるはんだ付において高耐熱性を有し、欠陥の少ない接合形成を可能にするはんだ材およびそれを用いたはんだ付方法ならびにそれによるはんだ接合部を提供する。
【解決手段】内層と表面層とを備える積層はんだ材であって、内層は、Ｚｎ単独または５０質量％以上のＺｎを含み、残部がＳｎおよび不可避不純物からなるＺｎ基合金により構成され、表面層は、Ｓｎ単独または５０質量％以上のＳｎを含み、残部がＺｎおよび不可避不純物からなるＳｎ基合金により構成されることを特徴とする。
【解決手段】内層と表面層とを備える積層はんだ材であって、内層は、Ｚｎ単独または５０質量％以上のＺｎを含み、残部がＳｎおよび不可避不純物からなるＺｎ基合金により構成され、表面層は、Ｓｎ単独または５０質量％以上のＳｎを含み、残部がＺｎおよび不可避不純物からなるＳｎ基合金により構成されることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器などを構成する配線基板の部品実装あるいは半導体素子と基材との接合に用いられる積層はんだ材および該はんだ材によるはんだ付方法、ならびにそれによるはんだ接合部に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
地下水の汚染などによってＰｂの毒性が問題となり、電気電子製品への使用を制限する動きが世界的に強まる中、これまで電子機器の配線版への部品実装用として広く用いられていたＳｎ−Ｐｂ系はんだが、Ｓｎ―Ａｇ系，Ｓｎ−Ｚｎ系などのＳｎ基Ｐｂ非含有合金に置き換えられている。従来、最も多く用いられていたＳｎ−Ｐｂ系合金は、該合金系において最も融点が低くなる６３質量％がＳｎであり、３７質量％がＰｂからなる組成比あるいはその近傍の組成比の合金（６３質量％Ｓｎ−３７質量％Ｐｂと表記する。以下これに倣う）であり、その融点は約１８３℃であったが、Ｐｂ非含有はんだとして一般に用いられるはんだ合金はＳｎ−Ａｇ系の場合で２２０℃前後、Ｓｎ−Ｚｎ系の場合で２００℃前後と、従来のＰｂ含有はんだ合金に比較して高い融点を持っている。
【０００３】
一方、電子回路基板への実装時に電子部品内部のはんだ接続部が溶融することのないよう、電子部品内部の接続は、基板への実装用はんだ合金よりも高い融点を持つはんだ合金によって行われていなければならない。電子回路基板への電子部品実装時には２５０℃程度の温度に加熱されるため、電子部品の内部接続に用いるはんだ合金は２５０℃を超える融点を持つ必要がある。前記Ｓｎ−Ｐｂ系合金は、ＳｎとＰｂとの含有比率を調整することで比較的大きく融点を変化させることが可能であり、Ｐｂの含有比率を高めることで高い融点を得ることができ、たとえば、５質量％Ｓｎ−９５質量％Ｐｂ合金の場合、その融点は３００℃を超える。従来の電子部品内部接続には、たとえば、５質量％Ｓｎ−９５質量％Ｐｂ合金が用いられていたが、Ｐｂによる環境汚染を防止するため、電子部品の内部接続にもＰｂ非含有合金を用いることが社会的に求められている。
【０００４】
前記５質量％Ｓｎ−９５質量％Ｐｂ合金のように２５０℃を越え、３００℃程度の融点を有するＰｂ非含有合金の候補としてはＡｕ−Ｓｎ系，Ｚｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｍｇ系，Ｓｎ−Ｓｂ系，Ｂｉ−Ｓｎ系，Ｂｉ−Ａｇ系などの合金が考えられるが、従来のＳｎ−Ｐｂ系合金に比較していずれも硬く脆い機械的特性であり、また、Ａｕ−Ｓｎ系は極めて高価であり、Ｓｎ−Ｓｂ系に含まれるＳｂは毒性が高いことが問題である。
【０００５】
これに対し、比較的柔軟な機械特性を持ち、３００℃以上の液相線温度を持つ合金としてＺｎ−Ｓｎ系合金が考えられる。しかしながら、Ｚｎは酸化しやすく、かつ一旦酸化したＺｎ酸化膜は破壊され難いため、はんだ付性を阻害する要因となりやすい。この問題を解決するために、Ｚｎ−Ｓｎ系合金に０．００１質量％〜１質量％のＰを添加した合金が提案されている（特許文献１参照）。
【０００６】
一方、Ｓｎ−Ｚｎ系、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系はんだ及びその表面処理方法並びにそれを用いた実装品に関する特許文献２や、Ｓｎ−Ｚｎ系鉛フリーはんだ合金粉末およびその製造方法に関する特許文献３においては、Ｓｎ−Ｚｎ系合金粉末の表面をＡｕ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ａｇの少なくともいずれかを被覆することにより、Ｓｎ−Ｚｎ合金の酸化を防止する方法が提案されている。
【０００７】
しかしながら、上記のような組成からなる従来のＺｎ−Ｓｎ系はんだ合金は、０．００１質量％〜１質量％のＰを添加することで、Ｐが優先的に酸化してはんだ材表面をリン酸化膜が覆うため、ＺｎやＳｎの酸化をある程度抑制することができ、はんだ付性を多少改善できるものの、Ｚｎの酸化を完全に防止することは困難であり、未接合部やボイドなどの接合欠陥の発生は避けられないという問題があった。
【０００８】
また、ＡｕやＳｎなどで表面被覆したＳｎ−Ｚｎ系合金粉末の場合、粉末であるために比表面積が大きく、その結果、合金表面の酸化物量が多くなるため、空孔（ボイド）などの接合欠陥を発生しやすい問題がある。さらに、上記特許文献３において提案されているＳｎなどの被覆を施したＳｎ−Ｚｎ合金粉末では、Ｓｎ−Ｚｎ合金中のＺｎ濃度が最大でも１０質量％と低いため、その融点は２００℃前後であり、高耐熱はんだとして用いることができないという問題がある。
【特許文献１】特開２００５−５２８６９号公報
【特許文献２】特開平８−１６４４９６号公報
【特許文献３】特開２００３−１９５９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、はんだ付性を著しく劣化させる酸化膜の生成を抑制できるとともに、空孔などの接合欠陥のない接合部を形成することができるはんだ材を提供することを目的とする。また、該はんだ材を用いるはんだ付方法、およびはんだ接合部を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
すなわち、本発明は、内層と表面層とを備える積層はんだ材であって、内層は、Ｚｎ単独または５０質量％以上のＺｎを含み、残部がＳｎおよび不可避不純物からなるＺｎ基合金により構成され、表面層は、Ｓｎ単独または５０質量％以上のＳｎを含み、残部がＺｎおよび不可避不純物からなるＳｎ基合金により構成されていることを特徴とする積層はんだ材に関する。
【００１１】
上記表面層は、その厚みが１００ｎｍ以上であることが好ましく、またその厚みが２０μｍ以下であることが好ましい。
【００１２】
また、上記内層は、その厚みが、内層と表面層との全体におけるＳｎの配合比が５０質量％未満となる厚みであり、かつ表面層におけるＳｎ組成比が均一であることが好ましい。
【００１３】
上記表面層は、めっき、真空蒸着およびスパッタのいずれかにより形成することができる。また、上記表面層は、クラッド工法により形成することも可能である。
【００１４】
また、本発明は、上記積層はんだ材を用いたはんだ付方法であって、積層はんだ材を被接合材の間に挟む挟持工程と、積層はんだ材を加熱する加熱工程と、積層はんだ材と被接合材とを冷却することによりはんだ付を完了する完了工程とを含み、上記加熱工程は、積層はんだ材の内層または表面層を構成する金属または合金の融点以上に加熱するはんだ付方法に関する。
【００１５】
上記積層はんだ材を用いたはんだ付方法としては、積層はんだ材を被接合材の間に挟む挟持工程と、積層はんだ材を加熱する加熱工程と、積層はんだ材と被接合材とを冷却することによりはんだ付を完了する完了工程とを含み、上記加熱工程は、積層はんだ材の表面層を構成する金属または合金の融点以上であって、内層を構成する金属または合金の融点以下に加熱する方法を採用することもできる。
【００１６】
また、上記積層はんだ材を用いたはんだ付方法として、積層はんだ材を被接合材の間に挟む挟持工程と、積層はんだ材を加熱する加熱工程と、積層はんだ材と被接合材とを前記加熱する工程における加熱温度を保持することによりはんだ付を完了する完了工程とを含み、上記加熱工程は、積層はんだ材の表面層を構成する金属または合金の融点以上であって、内層を構成する金属または合金の融点以下に加熱するはんだ付方法を用いてもよい。
【００１７】
さらに、本発明は、上記のようなはんだ付方法により接合したはんだ接合部に関する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、特定の組成からなる内層をＳｎまたはＳｎ基合金からなる表面層で被覆した構造とすることにより、はんだ付性を著しく劣化させる酸化膜の生成を抑制できる積層はんだ材を提供することが可能となる。
【００１９】
また、本発明によれば、空孔などの接合欠陥のない高耐熱はんだ接合部を形成できるはんだ付方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
＜積層はんだ材＞
本発明における積層はんだ材は、内層と表面層とを備える積層はんだ材であり、内層がＺｎ単独または５０質量％以上のＺｎを含み、残部がＳｎおよび不可避不純物からなるＺｎ基合金により構成され、表面層がＳｎ単独または５０質量％以上のＳｎを含み、残部がＺｎおよび不可避不純物からなるＳｎ基合金により構成される。上記積層はんだ材は、積層構造を備えていればその形状は特に限定されないが、高耐熱性を有するはんだ材とするために、たとえば、内層を構成する板状体に表面層を積層した構造を有することが好ましい。
【００２１】
ここで、電極材（被接合材）として多用されるＣｕとはんだ材として汎用されるＺｎとは極めて反応しやすく、また、形成されたＣｕ−Ｚｎ金属間化合物は成長しやすいという特性を有する。そして、このＣｕ−Ｚｎ金属間化合物は、一般に機械特性が脆弱であるため、このような化合物が成長することははんだ材として好ましくない。本発明においては、ＳｎまたはＳｎ基合金による表面層が形成されている上記特定の積層構造を有することから、被接合材であるＣｕと直接反応するのはＳｎまたはＳｎ基合金となり、はんだ付において形成される金属間化合物もＣｕ−Ｓｎ合金となる。一方、Ｃｕ−Ｚｎ金属間化合物は形成されないので、該化合物の層が成長することはなく、はんだ接合部の機械特性を改善することができるようになる。
【００２２】
＜内層＞
上記内層は、Ｚｎ単独または５０質量％以上のＺｎを含み、残部がＳｎおよび不可避不純物からなるＺｎ基合金により構成される。内層を構成する金属または合金の組成を上記特定のものとすることにより、積層はんだ材全体として高耐熱性を付与することができる。
【００２３】
上記内層がＺｎ基合金からなる場合、Ｚｎの含有量は、５０質量％以上であればよいが、６０〜９０質量％の範囲内であることがより好ましく、７０〜８０質量％の範囲内であることがさらに好ましい。Ｚｎ含有量を上記範囲とすることにより、耐熱性をより向上させることができ、また、半導体に対する熱的ダメージを抑制できることから好ましい。
【００２４】
上記内層は、その残部はＳｎおよび不可避不純物からなるＺｎ基合金であるが、他の組成の配合によっても、本発明の効果に影響を及ぼさない範囲であれば、適宜他の組成を含むものとする。
【００２５】
このような内層としては、所望の厚みを有する市販のＺｎ板状体を用いてもよいし、Ｚｎ−Ｓｎ合金を用いることもできる。
【００２６】
＜表面層＞
上記表面層は、Ｓｎ単独または５０質量％以上のＳｎを含み、残部がＺｎおよび不可避不純物からなるＳｎ基合金により構成される。表面層をＳｎ単独またはＳｎ基合金により構成することにより、はんだ材の最表面の大部分がＳｎにより構成されることとなり、この場合表面酸化層はＳｎ酸化被膜となる。このＳｎ酸化被膜は、はんだ付において一般に用いられる、ロジン系フラックスにより容易に除去することが可能であり、積層はんだ材の大気中での劣化を抑制することができると同時に、はんだ付特性に悪影響を及ぼすことがない。
【００２７】
本発明において上記表面層は内層の少なくとも１表面に設けられるものであり、好ましくは被接合材と接する全面に表面層を設ける態様である。
【００２８】
上記表面層をＳｎ基合金とする場合、配合するＳｎ以外の金属としては、Ｚｎ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｂｉ、Ｓｂなどが例示される。
【００２９】
上記表面層はその厚みが、１０ｎｍ以上であることが好ましく、１００ｎｍ以上であることがより好ましい。表面層の厚みを１０ｎｍ以上とすることにより、最表面に形成される酸化被膜をＳｎ酸化物のみとすることができるが、はんだ材が大気中で加熱されると内部のＺｎまたはＺｎ基合金からなる内層からＺｎが表面に拡散し、最表面にＺｎ酸化物が形成される傾向があるため、このような拡散を極力防ぐためには、表面層の厚みを１００ｎｍ以上とすることがより好ましい。また、表面層の厚みは、２０μｍ以下であることが好ましく、耐熱性を向上させる効果を考慮すると１０μｍ以下であることがより好ましい。表面層の厚みはをこのような厚み範囲で形成することにより、内層を構成するＺｎの酸化を効率よく抑制することができ、またはんだ付において、ロジン系フラックスによる表面酸化被膜の除去効率を良好なものとすることができる。
【００３０】
なお、表面層をこのような厚み範囲とする場合、上記内層は、その厚みが、内層と表面層との全体における、すなわち積層はんだ材全体におけるＳｎの配合比が５０質量％未満となる厚みであることが好ましく、３０質量％未満となる厚みであることがより好ましい。内層の厚みと表面層のＳｎの配合比がこのような関係を満足することにより、積層はんだ材が高耐熱性を有し、またはんだ特性に優れたはんだ材とすることができる。
【００３１】
また、はんだ材においては、融点が最も低い部分で接合材全体としての耐熱性が決定されるため、部分的であってもＳｎ濃度の高い部分が存在すると接合部全体としての耐熱性は向上させることができない。したがって、低融点元素であるＳｎを接合部を形成するはんだ材の全体に拡散させることが好ましく、すなわち、表面層におけるＳｎ組成が均一であることが好ましい。
【００３２】
＜表面層の形成方法＞
本発明において、上記表面層は、めっき、真空蒸着およびスパッタのいずれかにより形成することができる。また、上記表面層は、クラッド工法により形成することも可能である。表面層をめっき、真空蒸着およびスパッタのいずれかにより形成する場合は、得られる表面層の厚みおよび組成を均一に形成させることができ、また、クラッド工法によりその表面層を形成する場合は、高い量産性を期待することができる。
【００３３】
＜はんだ付方法＞
本発明におけるはんだ付方法の第１の方法は、積層はんだ材を被接合材の間に挟む挟持工程と、積層はんだ材を加熱する加熱工程と、積層はんだ材と被接合材とを冷却することによりはんだ付を完了する完了工程とを含み、上記加熱工程は、積層はんだ材の内層または表面層を構成する金属または合金の融点以上に加熱するはんだ付方法である。加熱工程をこのような温度範囲で施すことにより、積層はんだ材の表面層および内層をすべて溶融・混合させ、均一な接合層を形成することができる。また、加熱工程後に積層はんだ材と被接合材とを冷却する条件は特に限定されるものではない。
【００３４】
また、本発明におけるはんだ付方法の第２の方法は、積層はんだ材を被接合材の間に挟む挟持工程と、積層はんだ材を加熱する加熱工程と、積層はんだ材と被接合材とを冷却することによりはんだ付を完了する完了工程とを含み、上記加熱工程は、積層はんだ材の表面層を構成する金属または合金の融点以上であって、内層を構成する金属または合金の融点以下に加熱するはんだ付方法である。加熱工程の温度条件を内層を構成する金属または合金の融点以下とすることにより、接合層の厚さ制御を容易にすることができる。
【００３５】
本発明におけるはんだ付方法の第３の方法としては、積層はんだ材を被接合材の間に挟む挟持工程と、積層はんだ材を加熱する加熱工程と、積層はんだ材と被接合材とを前記加熱する工程における加熱温度を保持することによりはんだ付を完了する完了工程とを含み、上記加熱工程は、積層はんだ材の表面層を構成する金属または合金の融点以上であって、内層を構成する金属または合金の融点以下に加熱するはんだ付方法である。加熱工程における条件を積層はんだ材の表面層を構成する金属または合金の融点以上とすることにより、表面層のみが溶融し、被接合材と金属的に接合する。また、第３の方法においては、はんだ付の完了は、加熱工程における加熱温度を保持することによる。表面層の金属元素と内層の金属元素とが相互に拡散し、表面層の構成元素が変化することによって融点が次第に上昇し、その結果、一定の温度に保持したままで凝固してはんだ付が完了することをいう。
【００３６】
これらのはんだ付方法は、積層はんだ材の内層および表面層を構成する金属または合金の組成により適宜選択して適用することができ、いずれの場合も、空孔の発生がなく、はんだ材と所望の被接合材との接合を強固なものとすることができる。
【００３７】
＜はんだ接合部＞
本発明はまた、上記のような積層はんだ材を用いて、上記はんだ付方法により接合されたはんだ接合部に関する。本発明のはんだ接合部は、上記高耐熱性を有する特定の積層はんだ材を用いており、高温接合が必要とされる被接合材との接合が強固なものとすることができる。また、上記はんだ付方法により接合することにより、空孔の発生のない強固なはんだ接合部を形成させることができる。
【００３８】
以下、実施の形態を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００３９】
＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態１による積層はんだ材を示す断面図である。図１の積層はんだ材は、Ｚｎ基合金で構成された内層１、Ｓｎ基合金で構成された表面層２により構成される。上記内層としては、たとえばその厚みが０．１ｍｍであるＺｎ板を用いることができ、上記表面層としては、たとえば真空蒸着により形成されたＳｎ膜である。このように構成された積層はんだ材では、最表面にＺｎが存在せず、Ｓｎのみしか存在しないため、大気中において酸素と反応して形成される酸化膜はＳｎＯまたはＳｎ２Ｏのみであり、Ｚｎ酸化物は存在しない。従って、この積層はんだ材を用いて例えば半導体素子とリードフレームなどの被接合材と接合する場合、一般的なはんだ接合で用いられるロジン系フラックスを用いることで容易に積層はんだ材表面の酸化膜を除去することが可能であり、Ｚｎ酸化物を除去する場合のような多量のガスを発生することがないため、ボイドや未接合などの接合欠陥を生じることがない。
【００４０】
なお、ＳｎまたはＳｎ基合金からなる表面層２の厚みが１０ｎｍ以上であれば、最表面の酸化膜はＳｎ酸化物のみで構成されるが、大気中で加熱されると内部のＺｎ層１からＺｎが表面に拡散し、最表面にＺｎ酸化物が形成される傾向があるため、Ｓｎ層２の厚みは１００ｎｍ以上である方が望ましい。
【００４１】
ここでは、内層がＺｎ板であり、その両表面に配された表面層がＳｎにより構成される積層はんだ材の場合について述べたが、内層を構成する金属板がＺｎ−Ｓｎ系合金でもＳｎが５０％以下の場合であれば同様の効果が得られる。また、表面処理膜の形成方法としては例えば真空蒸着があるが、めっきやスパッタ、クラッド工法などの方法によって構成しても同様の効果が得られる。さらに、被接合材として半導体チップとリードフレームとを用いた場合について述べたがこれに限るものではなく、はんだ接合を行う被接合材であれば同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００４２】
＜実施の形態２＞
図２は本発明の実施の形態２による積層はんだ材によるはんだ付方法を示す構成図である。図２の積層はんだ材は、はんだと濡れる表面処理を施された被接合材３,４を備えるものであり、この被接合材は、たとえば半導体チップと基材としてのリードフレームである。なお、図２における積層はんだ材は、実施の形態１と同一の構成、すなわちＺｎ基合金で構成された内層１と、Ｓｎ基合金で構成された表面層２とにより構成される。この積層構造を有する積層はんだ材を加熱すると、内層のＺｎまたはＺｎ基合金からなる内層１および表面層のＳｎまたはＳｎ基合金からなる表面層２が溶融拡散し、内層および表面層が均一に混合して均質なＺｎ−Ｓｎ合金層５を形成する。
【００４３】
上記均質な合金層のを得るためのはんだ付方法として、まず、内層１および表面層２により構成される積層はんだ材を被接合材３，４で挟む挟持工程があり、ついで、内層であるＺｎまたはＺｎ基合金からなる層２の融点である４２０℃以上に加熱する加熱工程を施すと、融点が２３０℃であるＳｎまたはＳｎ基合金からなる層２も含めて積層はんだ材全体が溶融し、ＺｎまたはＺｎ基合金からなる層２とＳｎまたはＳｎ基合金からなる層２が均一に混合して、新たに単層のＺｎ−Ｓｎ合金からなる合金層５が形成される。ついで、積層はんだ材および被接合材を冷却することではんだ接合が完遂される。
【００４４】
ここでは、内層がＺｎ板でその両面に配された表面層がＳｎで構成される積層はんだ材の場合について述べたが、内層の金属板がＺｎ−Ｓｎ系合金でもＳｎが５０％以下の場合であれば同様の効果が得られる。さらに、被接合材として半導体チップとリードフレームとを用いた場合について述べたがこれに限るものではなく、はんだ接合を行う被接合材であれば同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００４５】
＜実施の形態３＞
図３は、本発明の実施の形態３による積層はんだ材によるはんだ付方法を示す構成図である。図３の積層はんだ材は、ＺｎまたはＺｎ基合金からなる内層１とその表面に施された表面層２からなり、表面層は、たとえば厚みが１μｍのＳｎからなる層とすることができる。このような構成からる積層はんだ材を加熱して、はんだ付するとＺｎ−Ｓｎ合金層７が形成されるである。なお、実施の態様３において、その他の構成物は実施の形態２と同じである。
【００４６】
上記はんだ付方法としては、内層１および表面層６により構成される積層はんだ材を被接合材３，４で挟み、Ｓｎからなる表面層６の融点である２３０℃以上で、たとえば２５０℃に加熱すると、Ｓｎからなる表面層６が溶融し、さらに、Ｓｎからなる表面層６と共晶反応によって、内層であるＺｎからなる内層１とＳｎからなる表面層６との界面近傍も溶融し、表面層であるＳｎからなる層６中のＺｎ濃度が上昇して表面層６の融点が上昇し、冷却することなく表面層６は凝固し、接合が完遂される。即ち、加熱前は純Ｓｎであった表面層６は、加熱後、Ｚｎ−Ｓｎ合金に変化し、その融点は加熱した温度まで上昇する。
【００４７】
ここでは、２５０℃まで加熱した場合について述べたが、この温度を上昇させることで、形成される接合部の耐熱性を上昇させることが可能になり、例えば、３００℃に加熱し、そのまま凝固させると３００℃の融点を持つ接合部が形成される。また、Ｓｎからなる表面層６の厚みが１μｍの場合について述べたが、薄くなるほどＺｎの濃度が上昇しやすくなるため、凝固するまでの時間を短縮できる。
【００４８】
また、本実施の形態においては、内層がＺｎ板でその両面に配された表面層がＳｎで構成される積層はんだ材の場合について述べたが、内層の金属板がＺｎ−Ｓｎ系合金でもＳｎが５０％以下の場合であれば同様の効果が得られる。さらに、被接合材として半導体チップとリードフレームとを用いた場合について述べたがこれに限るものではなく、はんだ接合を行う被接合材であれば同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００４９】
＜実施の形態４＞
図４は、本発明の実施の形態４による積層はんだ材によるはんだ付方法を示す構成図である。図４における積層はんだ材は、実施の形態３と同様の構成をしており、はんだ付の際の加熱により、Ｚｎ−Ｓｎ合金層８が形成される。
【００５０】
上記はんだ付方法としては、内層１および表面層６により構成される積層はんだ材を被接合材３，４で挟み、Ｓｎからなる表面層６の融点である２３０℃以上で例えば２５０℃に加熱すると、Ｓｎからなる表面層６が溶融し、さらに、Ｓｎからなる表面層６と共晶反応によってＺｎからなる内層１とＳｎからなる表面層６との界面近傍も溶融し、Ｓｎからなる表面層６中のＺｎ濃度が上昇して表面層６の融点が上昇し、冷却することなく表面層６は凝固する。そのまま冷却せずに２５０℃のまま保つと、Ｓｎ原子のＺｎからなる内層１中への拡散がさらに進み、Ｚｎ−Ｓｎ合金層８の厚みが増大するとともに、該合金層中のＳｎ濃度はさらに低下し、融点は加熱温度の２５０℃以上に上昇する。最終的には層全体にわたって均一なＺｎ−Ｓｎ合金が形成され、融点は４００℃以上にまで到達する。
【００５１】
ここでは、２５０℃に加熱した場合について述べたが、この温度を上昇させることで、Ｓｎの拡散を速め、早期に均一な合金層を形成できる。
【００５２】
ここでは、内層がＺｎ板でその両面に配された表面層がＳｎで構成される積層はんだ材の場合について述べたが、内層の金属板がＺｎ−Ｓｎ系合金でもＳｎが５０％以下の場合であれば同様の効果が得られる。さらに、被接合材として半導体チップとリードフレームとを用いた場合について述べたがこれに限るものではなく、はんだ接合を行う被接合材であれば同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００５３】
以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、上述の各実施の形態の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。
【００５４】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施の形態１による積層はんだ材を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態２による積層はんだ材を用いたはんだ付方法を示す構成図である。
【図３】本発明の実施の形態３による積層はんだ材を用いたはんだ付方法を示す構成図である。
【図４】本発明の実施の形態４による積層はんだ材を用いたはんだ付方法を示す構成図である。
【符号の説明】
【００５６】
１ Ｚｎ板、２，６ 表面層、３，４ 被接合材、５，７，８ Ｚｎ−Ｓｎ合金層。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器などを構成する配線基板の部品実装あるいは半導体素子と基材との接合に用いられる積層はんだ材および該はんだ材によるはんだ付方法、ならびにそれによるはんだ接合部に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
地下水の汚染などによってＰｂの毒性が問題となり、電気電子製品への使用を制限する動きが世界的に強まる中、これまで電子機器の配線版への部品実装用として広く用いられていたＳｎ−Ｐｂ系はんだが、Ｓｎ―Ａｇ系，Ｓｎ−Ｚｎ系などのＳｎ基Ｐｂ非含有合金に置き換えられている。従来、最も多く用いられていたＳｎ−Ｐｂ系合金は、該合金系において最も融点が低くなる６３質量％がＳｎであり、３７質量％がＰｂからなる組成比あるいはその近傍の組成比の合金（６３質量％Ｓｎ−３７質量％Ｐｂと表記する。以下これに倣う）であり、その融点は約１８３℃であったが、Ｐｂ非含有はんだとして一般に用いられるはんだ合金はＳｎ−Ａｇ系の場合で２２０℃前後、Ｓｎ−Ｚｎ系の場合で２００℃前後と、従来のＰｂ含有はんだ合金に比較して高い融点を持っている。
【０００３】
一方、電子回路基板への実装時に電子部品内部のはんだ接続部が溶融することのないよう、電子部品内部の接続は、基板への実装用はんだ合金よりも高い融点を持つはんだ合金によって行われていなければならない。電子回路基板への電子部品実装時には２５０℃程度の温度に加熱されるため、電子部品の内部接続に用いるはんだ合金は２５０℃を超える融点を持つ必要がある。前記Ｓｎ−Ｐｂ系合金は、ＳｎとＰｂとの含有比率を調整することで比較的大きく融点を変化させることが可能であり、Ｐｂの含有比率を高めることで高い融点を得ることができ、たとえば、５質量％Ｓｎ−９５質量％Ｐｂ合金の場合、その融点は３００℃を超える。従来の電子部品内部接続には、たとえば、５質量％Ｓｎ−９５質量％Ｐｂ合金が用いられていたが、Ｐｂによる環境汚染を防止するため、電子部品の内部接続にもＰｂ非含有合金を用いることが社会的に求められている。
【０００４】
前記５質量％Ｓｎ−９５質量％Ｐｂ合金のように２５０℃を越え、３００℃程度の融点を有するＰｂ非含有合金の候補としてはＡｕ−Ｓｎ系，Ｚｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｍｇ系，Ｓｎ−Ｓｂ系，Ｂｉ−Ｓｎ系，Ｂｉ−Ａｇ系などの合金が考えられるが、従来のＳｎ−Ｐｂ系合金に比較していずれも硬く脆い機械的特性であり、また、Ａｕ−Ｓｎ系は極めて高価であり、Ｓｎ−Ｓｂ系に含まれるＳｂは毒性が高いことが問題である。
【０００５】
これに対し、比較的柔軟な機械特性を持ち、３００℃以上の液相線温度を持つ合金としてＺｎ−Ｓｎ系合金が考えられる。しかしながら、Ｚｎは酸化しやすく、かつ一旦酸化したＺｎ酸化膜は破壊され難いため、はんだ付性を阻害する要因となりやすい。この問題を解決するために、Ｚｎ−Ｓｎ系合金に０．００１質量％〜１質量％のＰを添加した合金が提案されている（特許文献１参照）。
【０００６】
一方、Ｓｎ−Ｚｎ系、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系はんだ及びその表面処理方法並びにそれを用いた実装品に関する特許文献２や、Ｓｎ−Ｚｎ系鉛フリーはんだ合金粉末およびその製造方法に関する特許文献３においては、Ｓｎ−Ｚｎ系合金粉末の表面をＡｕ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ａｇの少なくともいずれかを被覆することにより、Ｓｎ−Ｚｎ合金の酸化を防止する方法が提案されている。
【０００７】
しかしながら、上記のような組成からなる従来のＺｎ−Ｓｎ系はんだ合金は、０．００１質量％〜１質量％のＰを添加することで、Ｐが優先的に酸化してはんだ材表面をリン酸化膜が覆うため、ＺｎやＳｎの酸化をある程度抑制することができ、はんだ付性を多少改善できるものの、Ｚｎの酸化を完全に防止することは困難であり、未接合部やボイドなどの接合欠陥の発生は避けられないという問題があった。
【０００８】
また、ＡｕやＳｎなどで表面被覆したＳｎ−Ｚｎ系合金粉末の場合、粉末であるために比表面積が大きく、その結果、合金表面の酸化物量が多くなるため、空孔（ボイド）などの接合欠陥を発生しやすい問題がある。さらに、上記特許文献３において提案されているＳｎなどの被覆を施したＳｎ−Ｚｎ合金粉末では、Ｓｎ−Ｚｎ合金中のＺｎ濃度が最大でも１０質量％と低いため、その融点は２００℃前後であり、高耐熱はんだとして用いることができないという問題がある。
【特許文献１】特開２００５−５２８６９号公報
【特許文献２】特開平８−１６４４９６号公報
【特許文献３】特開２００３−１９５９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、はんだ付性を著しく劣化させる酸化膜の生成を抑制できるとともに、空孔などの接合欠陥のない接合部を形成することができるはんだ材を提供することを目的とする。また、該はんだ材を用いるはんだ付方法、およびはんだ接合部を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
すなわち、本発明は、内層と表面層とを備える積層はんだ材であって、内層は、Ｚｎ単独または５０質量％以上のＺｎを含み、残部がＳｎおよび不可避不純物からなるＺｎ基合金により構成され、表面層は、Ｓｎ単独または５０質量％以上のＳｎを含み、残部がＺｎおよび不可避不純物からなるＳｎ基合金により構成されていることを特徴とする積層はんだ材に関する。
【００１１】
上記表面層は、その厚みが１００ｎｍ以上であることが好ましく、またその厚みが２０μｍ以下であることが好ましい。
【００１２】
また、上記内層は、その厚みが、内層と表面層との全体におけるＳｎの配合比が５０質量％未満となる厚みであり、かつ表面層におけるＳｎ組成比が均一であることが好ましい。
【００１３】
上記表面層は、めっき、真空蒸着およびスパッタのいずれかにより形成することができる。また、上記表面層は、クラッド工法により形成することも可能である。
【００１４】
また、本発明は、上記積層はんだ材を用いたはんだ付方法であって、積層はんだ材を被接合材の間に挟む挟持工程と、積層はんだ材を加熱する加熱工程と、積層はんだ材と被接合材とを冷却することによりはんだ付を完了する完了工程とを含み、上記加熱工程は、積層はんだ材の内層または表面層を構成する金属または合金の融点以上に加熱するはんだ付方法に関する。
【００１５】
上記積層はんだ材を用いたはんだ付方法としては、積層はんだ材を被接合材の間に挟む挟持工程と、積層はんだ材を加熱する加熱工程と、積層はんだ材と被接合材とを冷却することによりはんだ付を完了する完了工程とを含み、上記加熱工程は、積層はんだ材の表面層を構成する金属または合金の融点以上であって、内層を構成する金属または合金の融点以下に加熱する方法を採用することもできる。
【００１６】
また、上記積層はんだ材を用いたはんだ付方法として、積層はんだ材を被接合材の間に挟む挟持工程と、積層はんだ材を加熱する加熱工程と、積層はんだ材と被接合材とを前記加熱する工程における加熱温度を保持することによりはんだ付を完了する完了工程とを含み、上記加熱工程は、積層はんだ材の表面層を構成する金属または合金の融点以上であって、内層を構成する金属または合金の融点以下に加熱するはんだ付方法を用いてもよい。
【００１７】
さらに、本発明は、上記のようなはんだ付方法により接合したはんだ接合部に関する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、特定の組成からなる内層をＳｎまたはＳｎ基合金からなる表面層で被覆した構造とすることにより、はんだ付性を著しく劣化させる酸化膜の生成を抑制できる積層はんだ材を提供することが可能となる。
【００１９】
また、本発明によれば、空孔などの接合欠陥のない高耐熱はんだ接合部を形成できるはんだ付方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
＜積層はんだ材＞
本発明における積層はんだ材は、内層と表面層とを備える積層はんだ材であり、内層がＺｎ単独または５０質量％以上のＺｎを含み、残部がＳｎおよび不可避不純物からなるＺｎ基合金により構成され、表面層がＳｎ単独または５０質量％以上のＳｎを含み、残部がＺｎおよび不可避不純物からなるＳｎ基合金により構成される。上記積層はんだ材は、積層構造を備えていればその形状は特に限定されないが、高耐熱性を有するはんだ材とするために、たとえば、内層を構成する板状体に表面層を積層した構造を有することが好ましい。
【００２１】
ここで、電極材（被接合材）として多用されるＣｕとはんだ材として汎用されるＺｎとは極めて反応しやすく、また、形成されたＣｕ−Ｚｎ金属間化合物は成長しやすいという特性を有する。そして、このＣｕ−Ｚｎ金属間化合物は、一般に機械特性が脆弱であるため、このような化合物が成長することははんだ材として好ましくない。本発明においては、ＳｎまたはＳｎ基合金による表面層が形成されている上記特定の積層構造を有することから、被接合材であるＣｕと直接反応するのはＳｎまたはＳｎ基合金となり、はんだ付において形成される金属間化合物もＣｕ−Ｓｎ合金となる。一方、Ｃｕ−Ｚｎ金属間化合物は形成されないので、該化合物の層が成長することはなく、はんだ接合部の機械特性を改善することができるようになる。
【００２２】
＜内層＞
上記内層は、Ｚｎ単独または５０質量％以上のＺｎを含み、残部がＳｎおよび不可避不純物からなるＺｎ基合金により構成される。内層を構成する金属または合金の組成を上記特定のものとすることにより、積層はんだ材全体として高耐熱性を付与することができる。
【００２３】
上記内層がＺｎ基合金からなる場合、Ｚｎの含有量は、５０質量％以上であればよいが、６０〜９０質量％の範囲内であることがより好ましく、７０〜８０質量％の範囲内であることがさらに好ましい。Ｚｎ含有量を上記範囲とすることにより、耐熱性をより向上させることができ、また、半導体に対する熱的ダメージを抑制できることから好ましい。
【００２４】
上記内層は、その残部はＳｎおよび不可避不純物からなるＺｎ基合金であるが、他の組成の配合によっても、本発明の効果に影響を及ぼさない範囲であれば、適宜他の組成を含むものとする。
【００２５】
このような内層としては、所望の厚みを有する市販のＺｎ板状体を用いてもよいし、Ｚｎ−Ｓｎ合金を用いることもできる。
【００２６】
＜表面層＞
上記表面層は、Ｓｎ単独または５０質量％以上のＳｎを含み、残部がＺｎおよび不可避不純物からなるＳｎ基合金により構成される。表面層をＳｎ単独またはＳｎ基合金により構成することにより、はんだ材の最表面の大部分がＳｎにより構成されることとなり、この場合表面酸化層はＳｎ酸化被膜となる。このＳｎ酸化被膜は、はんだ付において一般に用いられる、ロジン系フラックスにより容易に除去することが可能であり、積層はんだ材の大気中での劣化を抑制することができると同時に、はんだ付特性に悪影響を及ぼすことがない。
【００２７】
本発明において上記表面層は内層の少なくとも１表面に設けられるものであり、好ましくは被接合材と接する全面に表面層を設ける態様である。
【００２８】
上記表面層をＳｎ基合金とする場合、配合するＳｎ以外の金属としては、Ｚｎ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｂｉ、Ｓｂなどが例示される。
【００２９】
上記表面層はその厚みが、１０ｎｍ以上であることが好ましく、１００ｎｍ以上であることがより好ましい。表面層の厚みを１０ｎｍ以上とすることにより、最表面に形成される酸化被膜をＳｎ酸化物のみとすることができるが、はんだ材が大気中で加熱されると内部のＺｎまたはＺｎ基合金からなる内層からＺｎが表面に拡散し、最表面にＺｎ酸化物が形成される傾向があるため、このような拡散を極力防ぐためには、表面層の厚みを１００ｎｍ以上とすることがより好ましい。また、表面層の厚みは、２０μｍ以下であることが好ましく、耐熱性を向上させる効果を考慮すると１０μｍ以下であることがより好ましい。表面層の厚みはをこのような厚み範囲で形成することにより、内層を構成するＺｎの酸化を効率よく抑制することができ、またはんだ付において、ロジン系フラックスによる表面酸化被膜の除去効率を良好なものとすることができる。
【００３０】
なお、表面層をこのような厚み範囲とする場合、上記内層は、その厚みが、内層と表面層との全体における、すなわち積層はんだ材全体におけるＳｎの配合比が５０質量％未満となる厚みであることが好ましく、３０質量％未満となる厚みであることがより好ましい。内層の厚みと表面層のＳｎの配合比がこのような関係を満足することにより、積層はんだ材が高耐熱性を有し、またはんだ特性に優れたはんだ材とすることができる。
【００３１】
また、はんだ材においては、融点が最も低い部分で接合材全体としての耐熱性が決定されるため、部分的であってもＳｎ濃度の高い部分が存在すると接合部全体としての耐熱性は向上させることができない。したがって、低融点元素であるＳｎを接合部を形成するはんだ材の全体に拡散させることが好ましく、すなわち、表面層におけるＳｎ組成が均一であることが好ましい。
【００３２】
＜表面層の形成方法＞
本発明において、上記表面層は、めっき、真空蒸着およびスパッタのいずれかにより形成することができる。また、上記表面層は、クラッド工法により形成することも可能である。表面層をめっき、真空蒸着およびスパッタのいずれかにより形成する場合は、得られる表面層の厚みおよび組成を均一に形成させることができ、また、クラッド工法によりその表面層を形成する場合は、高い量産性を期待することができる。
【００３３】
＜はんだ付方法＞
本発明におけるはんだ付方法の第１の方法は、積層はんだ材を被接合材の間に挟む挟持工程と、積層はんだ材を加熱する加熱工程と、積層はんだ材と被接合材とを冷却することによりはんだ付を完了する完了工程とを含み、上記加熱工程は、積層はんだ材の内層または表面層を構成する金属または合金の融点以上に加熱するはんだ付方法である。加熱工程をこのような温度範囲で施すことにより、積層はんだ材の表面層および内層をすべて溶融・混合させ、均一な接合層を形成することができる。また、加熱工程後に積層はんだ材と被接合材とを冷却する条件は特に限定されるものではない。
【００３４】
また、本発明におけるはんだ付方法の第２の方法は、積層はんだ材を被接合材の間に挟む挟持工程と、積層はんだ材を加熱する加熱工程と、積層はんだ材と被接合材とを冷却することによりはんだ付を完了する完了工程とを含み、上記加熱工程は、積層はんだ材の表面層を構成する金属または合金の融点以上であって、内層を構成する金属または合金の融点以下に加熱するはんだ付方法である。加熱工程の温度条件を内層を構成する金属または合金の融点以下とすることにより、接合層の厚さ制御を容易にすることができる。
【００３５】
本発明におけるはんだ付方法の第３の方法としては、積層はんだ材を被接合材の間に挟む挟持工程と、積層はんだ材を加熱する加熱工程と、積層はんだ材と被接合材とを前記加熱する工程における加熱温度を保持することによりはんだ付を完了する完了工程とを含み、上記加熱工程は、積層はんだ材の表面層を構成する金属または合金の融点以上であって、内層を構成する金属または合金の融点以下に加熱するはんだ付方法である。加熱工程における条件を積層はんだ材の表面層を構成する金属または合金の融点以上とすることにより、表面層のみが溶融し、被接合材と金属的に接合する。また、第３の方法においては、はんだ付の完了は、加熱工程における加熱温度を保持することによる。表面層の金属元素と内層の金属元素とが相互に拡散し、表面層の構成元素が変化することによって融点が次第に上昇し、その結果、一定の温度に保持したままで凝固してはんだ付が完了することをいう。
【００３６】
これらのはんだ付方法は、積層はんだ材の内層および表面層を構成する金属または合金の組成により適宜選択して適用することができ、いずれの場合も、空孔の発生がなく、はんだ材と所望の被接合材との接合を強固なものとすることができる。
【００３７】
＜はんだ接合部＞
本発明はまた、上記のような積層はんだ材を用いて、上記はんだ付方法により接合されたはんだ接合部に関する。本発明のはんだ接合部は、上記高耐熱性を有する特定の積層はんだ材を用いており、高温接合が必要とされる被接合材との接合が強固なものとすることができる。また、上記はんだ付方法により接合することにより、空孔の発生のない強固なはんだ接合部を形成させることができる。
【００３８】
以下、実施の形態を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００３９】
＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態１による積層はんだ材を示す断面図である。図１の積層はんだ材は、Ｚｎ基合金で構成された内層１、Ｓｎ基合金で構成された表面層２により構成される。上記内層としては、たとえばその厚みが０．１ｍｍであるＺｎ板を用いることができ、上記表面層としては、たとえば真空蒸着により形成されたＳｎ膜である。このように構成された積層はんだ材では、最表面にＺｎが存在せず、Ｓｎのみしか存在しないため、大気中において酸素と反応して形成される酸化膜はＳｎＯまたはＳｎ２Ｏのみであり、Ｚｎ酸化物は存在しない。従って、この積層はんだ材を用いて例えば半導体素子とリードフレームなどの被接合材と接合する場合、一般的なはんだ接合で用いられるロジン系フラックスを用いることで容易に積層はんだ材表面の酸化膜を除去することが可能であり、Ｚｎ酸化物を除去する場合のような多量のガスを発生することがないため、ボイドや未接合などの接合欠陥を生じることがない。
【００４０】
なお、ＳｎまたはＳｎ基合金からなる表面層２の厚みが１０ｎｍ以上であれば、最表面の酸化膜はＳｎ酸化物のみで構成されるが、大気中で加熱されると内部のＺｎ層１からＺｎが表面に拡散し、最表面にＺｎ酸化物が形成される傾向があるため、Ｓｎ層２の厚みは１００ｎｍ以上である方が望ましい。
【００４１】
ここでは、内層がＺｎ板であり、その両表面に配された表面層がＳｎにより構成される積層はんだ材の場合について述べたが、内層を構成する金属板がＺｎ−Ｓｎ系合金でもＳｎが５０％以下の場合であれば同様の効果が得られる。また、表面処理膜の形成方法としては例えば真空蒸着があるが、めっきやスパッタ、クラッド工法などの方法によって構成しても同様の効果が得られる。さらに、被接合材として半導体チップとリードフレームとを用いた場合について述べたがこれに限るものではなく、はんだ接合を行う被接合材であれば同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００４２】
＜実施の形態２＞
図２は本発明の実施の形態２による積層はんだ材によるはんだ付方法を示す構成図である。図２の積層はんだ材は、はんだと濡れる表面処理を施された被接合材３,４を備えるものであり、この被接合材は、たとえば半導体チップと基材としてのリードフレームである。なお、図２における積層はんだ材は、実施の形態１と同一の構成、すなわちＺｎ基合金で構成された内層１と、Ｓｎ基合金で構成された表面層２とにより構成される。この積層構造を有する積層はんだ材を加熱すると、内層のＺｎまたはＺｎ基合金からなる内層１および表面層のＳｎまたはＳｎ基合金からなる表面層２が溶融拡散し、内層および表面層が均一に混合して均質なＺｎ−Ｓｎ合金層５を形成する。
【００４３】
上記均質な合金層のを得るためのはんだ付方法として、まず、内層１および表面層２により構成される積層はんだ材を被接合材３，４で挟む挟持工程があり、ついで、内層であるＺｎまたはＺｎ基合金からなる層２の融点である４２０℃以上に加熱する加熱工程を施すと、融点が２３０℃であるＳｎまたはＳｎ基合金からなる層２も含めて積層はんだ材全体が溶融し、ＺｎまたはＺｎ基合金からなる層２とＳｎまたはＳｎ基合金からなる層２が均一に混合して、新たに単層のＺｎ−Ｓｎ合金からなる合金層５が形成される。ついで、積層はんだ材および被接合材を冷却することではんだ接合が完遂される。
【００４４】
ここでは、内層がＺｎ板でその両面に配された表面層がＳｎで構成される積層はんだ材の場合について述べたが、内層の金属板がＺｎ−Ｓｎ系合金でもＳｎが５０％以下の場合であれば同様の効果が得られる。さらに、被接合材として半導体チップとリードフレームとを用いた場合について述べたがこれに限るものではなく、はんだ接合を行う被接合材であれば同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００４５】
＜実施の形態３＞
図３は、本発明の実施の形態３による積層はんだ材によるはんだ付方法を示す構成図である。図３の積層はんだ材は、ＺｎまたはＺｎ基合金からなる内層１とその表面に施された表面層２からなり、表面層は、たとえば厚みが１μｍのＳｎからなる層とすることができる。このような構成からる積層はんだ材を加熱して、はんだ付するとＺｎ−Ｓｎ合金層７が形成されるである。なお、実施の態様３において、その他の構成物は実施の形態２と同じである。
【００４６】
上記はんだ付方法としては、内層１および表面層６により構成される積層はんだ材を被接合材３，４で挟み、Ｓｎからなる表面層６の融点である２３０℃以上で、たとえば２５０℃に加熱すると、Ｓｎからなる表面層６が溶融し、さらに、Ｓｎからなる表面層６と共晶反応によって、内層であるＺｎからなる内層１とＳｎからなる表面層６との界面近傍も溶融し、表面層であるＳｎからなる層６中のＺｎ濃度が上昇して表面層６の融点が上昇し、冷却することなく表面層６は凝固し、接合が完遂される。即ち、加熱前は純Ｓｎであった表面層６は、加熱後、Ｚｎ−Ｓｎ合金に変化し、その融点は加熱した温度まで上昇する。
【００４７】
ここでは、２５０℃まで加熱した場合について述べたが、この温度を上昇させることで、形成される接合部の耐熱性を上昇させることが可能になり、例えば、３００℃に加熱し、そのまま凝固させると３００℃の融点を持つ接合部が形成される。また、Ｓｎからなる表面層６の厚みが１μｍの場合について述べたが、薄くなるほどＺｎの濃度が上昇しやすくなるため、凝固するまでの時間を短縮できる。
【００４８】
また、本実施の形態においては、内層がＺｎ板でその両面に配された表面層がＳｎで構成される積層はんだ材の場合について述べたが、内層の金属板がＺｎ−Ｓｎ系合金でもＳｎが５０％以下の場合であれば同様の効果が得られる。さらに、被接合材として半導体チップとリードフレームとを用いた場合について述べたがこれに限るものではなく、はんだ接合を行う被接合材であれば同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００４９】
＜実施の形態４＞
図４は、本発明の実施の形態４による積層はんだ材によるはんだ付方法を示す構成図である。図４における積層はんだ材は、実施の形態３と同様の構成をしており、はんだ付の際の加熱により、Ｚｎ−Ｓｎ合金層８が形成される。
【００５０】
上記はんだ付方法としては、内層１および表面層６により構成される積層はんだ材を被接合材３，４で挟み、Ｓｎからなる表面層６の融点である２３０℃以上で例えば２５０℃に加熱すると、Ｓｎからなる表面層６が溶融し、さらに、Ｓｎからなる表面層６と共晶反応によってＺｎからなる内層１とＳｎからなる表面層６との界面近傍も溶融し、Ｓｎからなる表面層６中のＺｎ濃度が上昇して表面層６の融点が上昇し、冷却することなく表面層６は凝固する。そのまま冷却せずに２５０℃のまま保つと、Ｓｎ原子のＺｎからなる内層１中への拡散がさらに進み、Ｚｎ−Ｓｎ合金層８の厚みが増大するとともに、該合金層中のＳｎ濃度はさらに低下し、融点は加熱温度の２５０℃以上に上昇する。最終的には層全体にわたって均一なＺｎ−Ｓｎ合金が形成され、融点は４００℃以上にまで到達する。
【００５１】
ここでは、２５０℃に加熱した場合について述べたが、この温度を上昇させることで、Ｓｎの拡散を速め、早期に均一な合金層を形成できる。
【００５２】
ここでは、内層がＺｎ板でその両面に配された表面層がＳｎで構成される積層はんだ材の場合について述べたが、内層の金属板がＺｎ−Ｓｎ系合金でもＳｎが５０％以下の場合であれば同様の効果が得られる。さらに、被接合材として半導体チップとリードフレームとを用いた場合について述べたがこれに限るものではなく、はんだ接合を行う被接合材であれば同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００５３】
以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、上述の各実施の形態の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。
【００５４】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施の形態１による積層はんだ材を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態２による積層はんだ材を用いたはんだ付方法を示す構成図である。
【図３】本発明の実施の形態３による積層はんだ材を用いたはんだ付方法を示す構成図である。
【図４】本発明の実施の形態４による積層はんだ材を用いたはんだ付方法を示す構成図である。
【符号の説明】
【００５６】
１ Ｚｎ板、２，６ 表面層、３，４ 被接合材、５，７，８ Ｚｎ−Ｓｎ合金層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内層と表面層とを備える積層はんだ材であって、
前記内層は、Ｚｎ単独または５０質量％以上のＺｎを含み、残部がＳｎおよび不可避不純物からなるＺｎ基合金により構成され、
前記表面層は、Ｓｎ単独または５０質量％以上のＳｎを含み、残部がＺｎおよび不可避不純物からなるＳｎ基合金により構成された積層はんだ材。
【請求項２】
前記表面層は、その厚みが１００ｎｍ以上である請求項１に記載の積層はんだ材。
【請求項３】
前記表面層は、その厚みが２０μｍ以下である請求項１または２に記載の積層はんだ材。
【請求項４】
前記内層は、その厚みが、前記内層と前記表面層との全体におけるＳｎが５０質量％未満となる厚みであり、かつ表面層におけるＳｎ組成比が均一である請求項１〜３のいずれかに記載の積層はんだ材。
【請求項５】
前記表面層は、めっき、真空蒸着およびスパッタのいずれかにより形成される層である請求項１〜４のいずれかに記載の積層はんだ材。
【請求項６】
前記表面層は、クラッド工法により形成される層である請求項１〜４のいずれかに記載の積層はんだ材。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の積層はんだ材を用いたはんだ付方法であって、
前記積層はんだ材を被接合材の間に挟む挟持工程と、
前記積層はんだ材を加熱する加熱工程と、
前記積層はんだ材と被接合材とを冷却することによりはんだ付を完了する完了工程とを含み、
前記加熱工程は、前記積層はんだ材の内層または表面層を構成する金属または合金の融点以上に加熱するはんだ付方法。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれかに記載の積層はんだ材を用いたはんだ付方法であって、
前記積層はんだ材を被接合材の間に挟む挟持工程と、
前記積層はんだ材を加熱する加熱工程と、
前記積層はんだ材と被接合材とを冷却することによりはんだ付を完了する完了工程とを含み、
前記加熱工程は、前記積層はんだ材の表面層を構成する金属または合金の融点以上であって、前記内層を構成する金属または合金の融点以下に加熱するはんだ付方法。
【請求項９】
請求項１〜６のいずれかに記載の積層はんだ材を用いたはんだ付方法であって、
前記積層はんだ材を被接合材の間に挟む挟持工程と、
前記積層はんだ材を加熱する加熱工程と、
前記積層はんだ材と被接合材とを前記加熱する工程における加熱温度を保持することによりはんだ付を完了する完了工程とを含み、
前記加熱工程は、前記積層はんだ材の表面層を構成する金属または合金の融点以上であって、前記内層を構成する金属または合金の融点以下に加熱するはんだ付方法。
【請求項１０】
請求項７〜９のいずれかに記載のはんだ付方法により接合したはんだ接合部。
【請求項１】
内層と表面層とを備える積層はんだ材であって、
前記内層は、Ｚｎ単独または５０質量％以上のＺｎを含み、残部がＳｎおよび不可避不純物からなるＺｎ基合金により構成され、
前記表面層は、Ｓｎ単独または５０質量％以上のＳｎを含み、残部がＺｎおよび不可避不純物からなるＳｎ基合金により構成された積層はんだ材。
【請求項２】
前記表面層は、その厚みが１００ｎｍ以上である請求項１に記載の積層はんだ材。
【請求項３】
前記表面層は、その厚みが２０μｍ以下である請求項１または２に記載の積層はんだ材。
【請求項４】
前記内層は、その厚みが、前記内層と前記表面層との全体におけるＳｎが５０質量％未満となる厚みであり、かつ表面層におけるＳｎ組成比が均一である請求項１〜３のいずれかに記載の積層はんだ材。
【請求項５】
前記表面層は、めっき、真空蒸着およびスパッタのいずれかにより形成される層である請求項１〜４のいずれかに記載の積層はんだ材。
【請求項６】
前記表面層は、クラッド工法により形成される層である請求項１〜４のいずれかに記載の積層はんだ材。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の積層はんだ材を用いたはんだ付方法であって、
前記積層はんだ材を被接合材の間に挟む挟持工程と、
前記積層はんだ材を加熱する加熱工程と、
前記積層はんだ材と被接合材とを冷却することによりはんだ付を完了する完了工程とを含み、
前記加熱工程は、前記積層はんだ材の内層または表面層を構成する金属または合金の融点以上に加熱するはんだ付方法。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれかに記載の積層はんだ材を用いたはんだ付方法であって、
前記積層はんだ材を被接合材の間に挟む挟持工程と、
前記積層はんだ材を加熱する加熱工程と、
前記積層はんだ材と被接合材とを冷却することによりはんだ付を完了する完了工程とを含み、
前記加熱工程は、前記積層はんだ材の表面層を構成する金属または合金の融点以上であって、前記内層を構成する金属または合金の融点以下に加熱するはんだ付方法。
【請求項９】
請求項１〜６のいずれかに記載の積層はんだ材を用いたはんだ付方法であって、
前記積層はんだ材を被接合材の間に挟む挟持工程と、
前記積層はんだ材を加熱する加熱工程と、
前記積層はんだ材と被接合材とを前記加熱する工程における加熱温度を保持することによりはんだ付を完了する完了工程とを含み、
前記加熱工程は、前記積層はんだ材の表面層を構成する金属または合金の融点以上であって、前記内層を構成する金属または合金の融点以下に加熱するはんだ付方法。
【請求項１０】
請求項７〜９のいずれかに記載のはんだ付方法により接合したはんだ接合部。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００９−１４２８９０（Ｐ２００９−１４２８９０Ａ）
【公開日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３２６０１０（Ｐ２００７−３２６０１０）
【出願日】平成１９年１２月１８日（２００７．１２．１８）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月１８日（２００７．１２．１８）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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