Ｐｂフリーはんだ及び電子部品内蔵モジュール
【課題】二部材を接合する際における作業性の低下を抑制しつつ、二部材を接合した後のはんだを再加熱した場合に、はんだの溶融を抑制すること。
【解決手段】第１はんだ６Ｈは、Ｐｂを含まないＰｂフリーはんだである。第１はんだ６Ｈは、少なくともＳｎを含む第１金属６ＨＡと、少なくともＮｉ−Ｆｅ合金を含む第２金属６ＨＢと、を含む。第１金属６ＨＡ及び第２金属６ＨＢは、いずれも粒状である。第２金属６ＨＢの平均粒子径は、３μｍ以上５０μｍ以下である。第２金属６ＨＢの割合は、第１はんだ６Ｈの全質量に対して５質量％以上３０質量％以下である。
【解決手段】第１はんだ６Ｈは、Ｐｂを含まないＰｂフリーはんだである。第１はんだ６Ｈは、少なくともＳｎを含む第１金属６ＨＡと、少なくともＮｉ−Ｆｅ合金を含む第２金属６ＨＢと、を含む。第１金属６ＨＡ及び第２金属６ＨＢは、いずれも粒状である。第２金属６ＨＢの平均粒子径は、３μｍ以上５０μｍ以下である。第２金属６ＨＢの割合は、第１はんだ６Ｈの全質量に対して５質量％以上３０質量％以下である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｐｂ（鉛）を含まないＰｂフリーはんだに関する。
【背景技術】
【０００２】
電子部品内蔵モジュールは、複数の電子部品、例えば、受動素子や能動素子等をはんだによって基板に実装して、ひとまとまりの機能を持った電子部品としたものである。このような電子部品を電子機器の基板に実装する場合、電子部品内蔵モジュールの端子電極と基板の端子電極とをはんだで接合する。従来は、電子部品の接合にＳｎＰｂのはんだが使用されてきたが、環境問題を背景としてＰｂフリー化が進み、自動車関連や特殊な場合を除いてＰｂフリーはんだが使用されている。
【０００３】
はんだを用いて電子部品内蔵モジュールを基板に実装する際に、はんだを溶融させるためにリフローが必要になる。このリフローの際に、電子部品内蔵モジュール内の電子部品と基板とを接合しているはんだが溶融して飛散したり、はんだが移動したりすることがある。これを回避するため、電子部品内蔵モジュールを基板に実装する際のリフロー温度で溶融しないはんだを用いて電子部品内蔵モジュール内の電子部品と基板とを接合する必要がある。例えば、特許文献１には、ろう付けすべき二部材のうちの少なくとも一方に、合金化してろう材となる異種の金属層を積層形成し、これら二部材を接触させて加熱することにより、少なくとも一つの金属層を液相とし、他方の金属層を固相の状態を含めて前記液相の金属層に溶け込ませ、任意の組成になるように合金化したろう材により二部材をろう付けすることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−６２５６１号公報（０００７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示された技術は、接合する対象の二部材の少なくとも一方に、合金化してろう材となる異種の金属層をめっき等によって積層形成する必要があるため、作業に手間を要する。特に、小型化が進んでいる電子部品の端子電極と基板の端子電極とを接合する場合には、作業に手間を要する。本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、二部材を接合する際における作業性の低下を抑制しつつ、二部材を接合した後のはんだを再加熱した場合に、はんだの溶融を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るＰｂフリーはんだは、少なくともＳｎを含む第１金属と、少なくともＮｉ−Ｆｅ合金を含む第２金属と、を含むことを特徴とする。
【０００７】
本発明は、Ｓｎを含む第１金属に、少なくともＮｉ−Ｆｅ合金を含む第２金属を添加してＰｂフリーはんだを構成する。このＰｂフリーはんだは、最初に溶融する過程において、第１金属のＳｎと第２金属のＮｉ−Ｆｅ合金との反応が均一にかつ速やかに進行し、溶融後硬化したＰｂフリーはんだの組織はＳｎ−Ｎｉ−Ｆｅを主成分とする単一相に近くなる。これによって、一旦溶融して硬化したＰｂフリーはんだは、最初に溶融する前と比較して融点が高くなり、耐熱性が向上する。その結果、一旦溶融して二部材を接合した後のＰｂフリーはんだは、その後再加熱されても、溶融が抑制される。また、本発明のＰｂフリーはんだは、通常のはんだと同様のプロセスで二部材を接合できるので、二部材を接合する際における作業性の低下が抑制される。
【０００８】
本発明の望ましい態様としては、前記第１金属及び前記第２金属は、粒状であることが好ましい。このようにすれば、第１金属と第２金属との接触面積が増加するため、ＳｎとＮｉ−Ｆｅとがより均一に反応するようになる。これによって、一度溶融して硬化したＰｂフリーはんだの組織は、Ｓｎ−Ｎｉ−Ｆｅの単一相になりやすくなるので、溶融後硬化したＰｂフリーはんだの融点をより確実に上昇させることができる。
【０００９】
本発明の望ましい態様としては、前記第２金属の平均粒子径は、３μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。これによって、第２金属の粒子の製造や取り扱いが容易になるとともに、一旦溶融して硬化したＰｂフリーはんだの耐熱性を確実に向上させることができる。
【００１０】
本発明の望ましい態様としては、前記Ｐｂフリーはんだの全質量に対して、前記第２金属の割合は５質量％以上３０質量％以下であることが好ましい。これによって、一旦溶融して硬化したＰｂフリーはんだの耐熱性を確実に向上させることができるとともに、Ｐｂフリーはんだが最初に溶融したときには適度なぬれ性を確保できるので、電子部品内蔵モジュールを構成する電子部品の実装に好適である。
【００１１】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るパッケージ部品は、電子部品と、当該電子部品が実装される基板と、を含み、前記電子部品の端子と前記基板の端子とは、前記記載のＰｂフリーはんだにより接合されることを特徴とする。このパッケージ部品は、前記Ｐｂフリーはんだによって電子部品の端子と基板の端子とが接合されるので、電子部品の端子の接合不良等が発生するおそれを低減できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、二部材を接合する際における作業性の低下を抑制しつつ、二部材を接合した後のはんだを再加熱した場合に、はんだの溶融を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、電子部品内蔵モジュールの断面図である。
【図２】図２は、電子部品内蔵モジュールを電子機器等の基板に取り付けた状態を示す側面図である。
【図３】図３は、本実施形態に係るＰｂフリーはんだの概念図である。
【図４】図４は、本実施形態に係るＰｂフリーはんだの概念図である。
【図５】図５は、本実施形態係るＰｂフリーはんだが溶融したときの変化を示す概念図である。
【図６】図６は、第１金属にＮｉとＦｅとを別個に添加したＰｂフリーはんだが溶融したときの変化を示す概念図である。
【図７】図７は、第２金属の平均粒子径と吸熱量との関係を示す概略図である。
【図８】図８は、第２金属の平均粒子径の好ましい範囲を評価した結果を示す図である。
【図９】図９は、第２金属の添加量に対する評価結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の実施形態は、本発明を限定するものではない。また、下記の実施形態で開示された構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。
【００１５】
図１は、電子部品内蔵モジュールの断面図である。図２は、電子部品内蔵モジュールを電子機器等の基板に取り付けた状態を示す側面図である。図１に示すように、電子部品内蔵モジュール１は、複数の電子部品２を基板３に実装して、ひとまとまりの機能を持つ電子部品としたものである。電子部品２は、基板３の表面に実装されていてもよいし、基板３の内部に実装されていてもよい。本実施形態において、電子部品内蔵モジュール１を構成する電子部品２としては、例えば、コイルやコンデンサ、あるいは抵抗等の受動素子があるが、ダイオードやトランジスタ等の能動素子やＩＣ（Integral Circuit）等も電子部品２として基板３の表面や基板３の内部に実装されてもよい。また、電子部品２は、これらに限定されるものではない。
【００１６】
図１に示すように、電子部品内蔵モジュール１は、電子部品２が実装される基板３と、電子部品２を覆う絶縁樹脂４と、絶縁樹脂４の表面を被覆するシールド層５と、を含んで構成される。なお、電子部品内蔵モジュール１は、シールド層５を有していなくてもよい。電子部品２の端子電極と基板３の端子電極とは、本実施形態に係るＰｂフリーはんだ（以下、第１はんだという）６Ｈによって接合される。これによって、電子部品２が基板３に実装される。このように、第１はんだ６Ｈは、電子部品２の端子電極と基板３の端子電極という二部材を接合するものである。
【００１７】
図１に示すように、電子部品内蔵モジュール１は、基板３に実装された電子部品２が絶縁樹脂４で覆われる。電子部品内蔵モジュール１は、電子部品２が実装される側の基板３の表面（部品実装面という）も同時に絶縁樹脂４で覆われる。このように、電子部品内蔵モジュール１は、絶縁樹脂４で複数の電子部品２及び部品実装面を覆うことで、基板３及び複数の電子部品２を一体化するとともに、強度を確保する。
【００１８】
複数の電子部品２を覆った絶縁樹脂４の表面には、シールド層５が形成される。本実施形態において、シールド層５は導電材料（導電性を有する材料であり、本実施形態では金属）で構成されている。本実施形態では、シールド層５は単数の導電材料で構成されてもよいし、複数の導電材料の層で構成されてもよい。シールド層５は、絶縁樹脂４の表面を被覆することにより、絶縁樹脂４の内部に封入された電子部品２を電子部品内蔵モジュール１の外部からの高周波ノイズや電磁波等から遮蔽したり、電子部品２から放射される高周波ノイズ等を遮蔽したりする。このように、シールド層５は、電磁気シールドとして機能する。本実施形態において、シールド層５は、絶縁樹脂４の表面全体を被覆している。しかし、シールド層５は、電磁気シールドとして必要な機能を発揮できるように絶縁樹脂４を被覆すればよく、必ずしも絶縁樹脂４の表面全体を被覆する必要はない。したがって、シールド層５は、絶縁樹脂４の表面の少なくとも一部を被覆していればよい。
【００１９】
電子部品内蔵モジュール１は、例えば、次のような手順で製造される。
（１）基板３の端子電極に第１はんだ６Ｈを含むはんだペーストを印刷する。
（２）実装装置（マウンタ）を用いて電子部品２を基板３に搭載する。
（３）電子部品２が搭載された基板３をリフロー炉に入れて前記はんだペーストを加熱することにより、前記はんだペーストの第１はんだ６Ｈが溶融し、硬化することにより電子部品２の端子電極と基板３の端子電極とを接合する。
（４）電子部品２や基板３の表面に付着したフラックスを洗浄する。
（５）絶縁樹脂４で電子部品２及び基板３を覆う。
【００２０】
基板３は、部品実装面の反対側に、端子電極（モジュール端子電極）７を有する。モジュール端子電極７は、電子部品内蔵モジュール１が備える電子部品２と電気的に接続されるとともに、図２に示す、電子部品内蔵モジュール１が取り付けられる基板（例えば、電子機器の基板であり、以下、装置基板という）８の端子電極（装置基板端子電極）９とはんだ（以下、第２はんだという）６Ｌによって接合される。これによって、電子部品内蔵モジュール１は、電子部品２と装置基板８との間で電気信号や電力をやり取りする。
【００２１】
図２に示す装置基板８は、電子部品内蔵モジュール１が実装される基板であり、例えば、電子機器（車載電子機器、携帯電子機器等）に搭載される。装置基板８に電子部品内蔵モジュール１を実装する場合、例えば、装置基板端子電極９に第２はんだ６Ｌを含むはんだペーストを印刷し、実装装置を用いて電子部品内蔵モジュール１を装置基板８に搭載する。そして、電子部品内蔵モジュール１が搭載された装置基板８をリフロー炉に入れて前記はんだペーストを加熱することにより、前記はんだペーストの第２はんだ６Ｌが溶融し、硬化することによりモジュール端子電極７と装置基板端子電極９とを接合する。その後、電子部品内蔵モジュール１や装置基板８の表面に付着したフラックスを洗浄する。
【００２２】
現在多く使用されているＰｂフリーはんだの溶融温度は約２２０℃であり、リフロー時における最高温度は２４０℃〜２６０℃程度である。電子部品内蔵モジュール１を構成する電子部品２を基板３に実装する際に用いられる第１はんだ６Ｈは、上述したように、電子部品内蔵モジュール１が装置基板８へ実装される際にリフローされることから、このリフローにおける温度で溶融しないはんだ（高温はんだ）が使用される。
【００２３】
Ｐｂを使用するはんだには、溶融温度が３００℃程度のはんだがあるが、Ｐｂフリーはんだでは溶融温度が２６０℃以上かつ適切な特性を有するものはない。このため、Ｐｂフリーはんだを用いる場合、電子部品内蔵モジュール１を構成する電子部品２の接合に用いるはんだ（第１はんだ６Ｈ）、及び電子部品内蔵モジュール１を装置基板８へ実装する際に用いるはんだ（第２はんだ６Ｌ）に、両者の溶融温度差が少ないものを使用せざるを得ない。
【００２４】
電子部品内蔵モジュール１を構成する電子部品２の接合に用いるはんだがリフロー時に再溶融すると、第１はんだ６Ｈの移動や、はんだフラッシュ（はんだの飛散）といった不具合が発生する。その結果、短絡や電子部品２の接触不良を招くおそれがある。このため、電子部品内蔵モジュール１の電子部品２を接合するはんだには、電子部品内蔵モジュール１を実装する際のリフロー時において再溶融しないもの、あるいは再溶融が第１はんだ６Ｈの移動やはんだフラッシュを招かない程度であるものを使用することが望まれている。溶融温度の高いはんだの代替として導電性接着材（Ａｇペースト等）もあるが、機械的な強度が低く、電気抵抗も高く、コストも高い等の課題があり、はんだの代替とはなっていない。本実施形態において電子部品内蔵モジュール１を構成する電子部品２の接合に用いる第１はんだ６Ｈは、このような要求を満たすＰｂフリーはんだである。
【００２５】
図３、図４は、本実施形態に係るＰｂフリーはんだの概念図である。本実施形態に係るＰｂフリーはんだ、すなわち第１はんだ６Ｈは、使用前（溶融する前）において、少なくともＳｎ（スズ）を含む第１金属６ＨＡと、少なくともＮｉ（ニッケル）−Ｆｅ（鉄）合金を含む第２金属６ＨＢと、を含む。図３に示す第１はんだ６Ｈは、粒状の第１金属６ＨＡと粒状の第２金属６ＨＢとをペースト材料ＰＥに分散させてはんだペーストとしたものである。図４に示す第１はんだ６Ｈは、第２金属６ＨＢを芯として、その外側を第１金属６ＨＡで被覆し、針金状のはんだとしたものである。このように、第１はんだ６Ｈは、溶融する前において、第１金属６ＨＡに、少なくともＮｉ−Ｆｅ合金を含む第２金属６ＨＢが添加された状態であればよい。
【００２６】
第１金属６ＨＡは、少なくともＳｎを含むが、第１はんだ６ＨはＰｂフリーはんだであるため、Ｐｂは含まない。本実施形態において、第２金属６ＨＢは、Ｎｉ−Ｆｅ合金を少なくとも含んでいる。すなわち、第２金属６ＨＢは、Ｎｉ−Ｆｅ合金を必須とし、この他にＣｏ（コバルト）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｃｕ（銅）、Ｃｒ（クロム）のうち少なくとも一つを含んでいてもよい。
【００２７】
本実施形態においては、第１金属６ＨＡとしてＳｎ−Ａｇ（銀）系やＳｎ−Ｃｕ（銅）系（Ｓｎが９０質量％以上）のハンダ（Ｐｂフリーハンダ）を用いる。例えば、第１金属６ＨＡとしては、Ｓｎ−３．５％ＡｇやＳｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ、Ｓｎ−０．７５％Ｃｕを用いることができる。このようなはんだは、リフロー後における組織はＳｎ層が大半を占めるので、複数回リフローするとＳｎ層が再溶融する。このため、本実施形態では、リフロー時にＳｎと化合物を作りやすい金属として、少なくともＮｉ−Ｆｅ合金を含む第２金属６ＨＢを第１金属６ＨＡに添加する。このように、第１金属６ＨＡには、Ｎｉ−Ｆｅ合金が添加される。これによって、最初に第１はんだ６Ｈが溶融したときに第１金属のＳｎと第２金属のＮｉ−Ｆｅとを反応させて、第１はんだ６Ｈが硬化したときに耐熱性の高い組織を作る。そして、例えば、再度のリフロー等によって第１はんだ６Ｈが加熱された場合でも、第１はんだ６Ｈの再溶融を抑制する。
【００２８】
図５は、本実施形態係るＰｂフリーはんだが溶融したときの変化を示す概念図である。図６は、第１金属にＮｉとＦｅとを別個に添加したＰｂフリーはんだが溶融したときの変化を示す概念図である。本実施形態係るＰｂフリーはんだである第１はんだ６Ｈが加熱され、溶融すると、図５に示すように、ＳｎとＮｉ−Ｆｅ合金との反応が均一に進行し、溶融後、硬化した第１はんだ６Ｈの組織はＳｎ−Ｎｉ−Ｆｅを主成分とする単一相に近くなる。これによって、溶融後硬化した第１はんだ６Ｈは、溶融前と比較して融点が高くなるので、溶融後の第１はんだ６Ｈがリフローにより再加熱されても、第１はんだ６Ｈは溶融しない、又は溶融が抑制される。
【００２９】
また、組織がＳｎ−Ｎｉ−Ｆｅの単一相に近くなった第１はんだ６Ｈは、その後融点より低い温度で何度再加熱しても絶縁樹脂４のクラックやはんだフラッシュその他の欠陥は発生しないことが確認されたので、耐久性も向上する。特に、電子部品内蔵モジュール１が図１に示すシールド層５を有する場合、リフロー時の再加熱によってはんだフラッシュが発生しやすいが、第１はんだ６Ｈを用いれば、このはんだフラッシュを効果的に抑制できる。このように、電子部品内蔵モジュール１がシールド層５を有する場合に第１はんだ６Ｈを用いると、電子部品内蔵モジュール１の品質向上及び耐久性向上に対して特に有効である。
【００３０】
さらに、本実施形態では、Ｓｎを基材とした第１金属６ＨＡに、Ｓｎと反応しやすいＮｉ−Ｆｅ合金を含む第２金属６ＨＢを添加する。これによって、リフローに要する短い時間でＳｎとＮｉ−Ｆｅ合金との反応を迅速に進行させることができるので、硬化後においては第１はんだ６Ｈの組織を、Ｓｎ−Ｎｉ−Ｆｅの単一相にしやすくなる。
【００３１】
図６に示す第１ハンダ１０６Ｈのように、第１金属１０６ＨＡにニッケル１０６ＨＮと鉄１０６ＨＦとをそれぞれ別個に添加した場合には、第１ハンダ１０６Ｈが加熱され、溶融すると、ＳｎとＮｉ（ニッケル）、ＳｎとＦｅ（鉄）それぞれの反応が優先して進行する。このため、反応し切らないＳｎが単相で残る割合が多く、均一な組織にならない。その結果、溶融後硬化した第１ハンダ１０６Ｈは溶融温度の低いＳｎ相が多く残り、溶融前と比較して融点は高くならないので、溶融後の第１ハンダ１０６Ｈがリフローにより再加熱されると溶融してしまう。本実施形態では、第１金属６ＨＡにＮｉ−Ｆｅ合金を添加することにより、一度第１ハンダ６Ｈが溶融した後は、溶融前よりも融点を上昇させて溶融の回避、あるいは溶融の抑制を実現する。
【００３２】
溶融後、硬化した第１はんだ６Ｈの融点を上昇させるためには、溶融中にＳｎとＮｉ−Ｆｅとをより均一に反応させ、硬化した後における第１はんだ６Ｈの組織を、よりＳｎ−Ｎｉ−Ｆｅの単一相にする必要がある。このため、溶融前の第１はんだ６Ｈを構成する第１金属６ＨＡと第２金属６ＨＢとは、図３に示すように粒状とすることが好ましい。このようにすれば、第１金属６ＨＡと第２金属６ＨＢとの接触面積が増加するため、ＳｎとＮｉ−Ｆｅとがより均一に反応するようになる。これによって、一度溶融して硬化した第１はんだ６Ｈの組織は、Ｓｎ−Ｎｉ−Ｆｅの単一相になりやすくなるので、溶融後硬化した第１はんだ６Ｈの融点をより確実に上昇させることができる。図４に示すように、溶融前の第１はんだ６Ｈを針金状とする場合、少なくとも第２金属６ＨＢを粒状とすることが好ましい。
【００３３】
図７は、第２金属の平均粒子径と吸熱量との関係を示す概略図である。図７には、第１はんだ６Ｈを構成する第２金属６ＨＢの直径を変化させて複数の第１はんだ６Ｈを作製し、それぞれを加熱して溶融させ、硬化させた後に、２４０℃〜２６０℃のリフロー温度の下で再度加熱した際の吸熱量を求めた結果を示している。吸熱量は、熱流束示差走査熱量計（（株）島津製作所 ＤＳＣ−５０）を用いて測定した。図７の破線は、第２金属６ＨＢの割合が、第１はんだ６Ｈの全質量（第１金属６ＨＡの質量と第２金属６ＨＢの質量との和）に対して１０質量％の結果であり、実線は２５質量％の結果である。吸熱量が負の値を取る場合、第１はんだ６Ｈは加熱による熱エネルギーを吸収し、その熱エネルギーを自身が溶融するために用いていることになる。そして、吸熱量が負の値を取り、かつその絶対値が大きくなると、第１はんだ６Ｈはより多くの熱エネルギーを吸収してより溶融しやすくなる。
【００３４】
図７の結果から分かるように、第２金属６ＨＢの平均粒子径が小さいほど第１はんだ６Ｈは熱エネルギーを吸収しなくなる傾向を示す。この傾向は、第２金属６ＨＢの割合が変化しても同様である。第２金属６ＨＢの平均粒子径が小さくなるほど、溶融時には第１金属６ＨＡと第２金属６ＨＢとの接触面積が増加するので、ＳｎとＮｉ−Ｆｅ合金との反応が進行しやすくなる。その結果、硬化後における第１はんだ６Ｈの組織は、より単一相に近くなるので、より高い融点が得られる。一方、第２金属６ＨＢの平均粒子径が小さくなるにしたがって、第２金属６ＨＢの粒子の製造や取り扱いが困難になる。硬化後における第１はんだ６Ｈの組織がより単一相に近くなること、及び第２金属６ＨＢの粒子の製造や取り扱いのしやすさを考慮して、第２金属６ＨＢの平均粒子径を評価した。平均粒子径は、レーザー回折式粒度分布測定装置（（株）島津製作所製 ＳＡＬＤ−２２００）を用いて測定した。
【００３５】
図８は、第２金属の平均粒子径の好ましい範囲を評価した結果を示す図である。評価は○以上が許容である。この結果から、第２金属６ＨＢの平均粒子径が５０μｍを超えて６０μｍになると、硬化後における第１はんだ６Ｈの組織は異相の割合が多くなり、第１はんだ６Ｈが溶融して硬化した後における融点の上昇が小さくなる。このため、再度のリフローにおける不具合の発生が予想されるので、評価は許容できないとした。また、第２金属６ＨＢの平均粒子径が３μｍを下回ると、第２金属６ＨＢの粒子の製造や取り扱いが困難になるので、取り扱い等の観点から第２金属６ＨＢの平均粒子径は３μｍ以上必要であると判断した。第２金属６ＨＢの平均粒子径が５μｍより小さいと、粒子径に対する表面積が大きい結果、酸化しやすくなる傾向があるので、リフロー時の再加熱によって溶融せず、酸化粒子として基板上に残留するものが生じるおそれがある。第２金属６ＨＢの平均粒子径を５μｍ以上とすると、酸化粒子の残留を抑制できるため、より好ましい。
【００３６】
したがって、本実施形態において、第２金属６ＨＢの平均粒子径は、３μｍ以上５０μｍ以下が好ましく、５μｍ以上３０μｍ以下がより好ましい。このような範囲の第２金属６ＨＢの粒子を用いれば、硬化した第１はんだ６Ｈの組織はＳｎ−Ｎｉ−Ｆｅの単一相により近くなるので、溶融後硬化した第１はんだ６Ｈの融点を効果的に上昇させることができる。本実施形態において、第１金属６ＨＡの平均粒子径は特に規定するものではないが、第２金属６ＨＢの平均粒子径の範囲と同等とすることができる。なお、本実施形態では、第１金属６ＨＡの平均粒子径を、２５μｍから３６μｍの範囲としている。
【００３７】
図９は、第２金属の添加量に対する評価結果を示す図である。評価は○以上が許容である。第１はんだ６Ｈの全質量（第１金属６ＨＡの質量と第２金属６ＨＢの質量との和）に対する第２金属６ＨＢの割合（添加割合）を変化させて作製した複数の第１はんだ６Ｈを評価した結果を図９に示す。評価項目は、第１はんだ６Ｈを溶融させ、硬化させた後、リフロー時の加熱温度で再加熱したときにおける溶融の程度、及び第１金属６ＨＡに第２金属６ＨＢが添加された状態の第１はんだ６Ｈを最初に溶融させたときにおけるぬれ性の２項目である。第２金属６ＨＢの添加量は、上述した添加割合（質量％）である。
【００３８】
図９の結果から分かるように、第２金属６ＨＢの添加量が増加するほど、再加熱時における第１はんだ６Ｈの溶融は少なくなる。第２金属６ＨＢの添加量が５％である場合、再加熱によって第１はんだ６Ｈは多少溶融する。しかし、第２金属６ＨＢの添加量が５％の第１はんだ６Ｈを用いて、実際に図１に示す電子部品２を実装した電子部品内蔵モジュール１を装置基板８に搭載してリフローしても、電子部品内蔵モジュール１内にはんだフラッシュの発生や第１はんだ６Ｈの移動はみられなかったので、許容とした。
【００３９】
第１はんだ６Ｈのぬれ性は、第２金属６ＨＢの添加量が増加するにしたがって高くなる。すなわち、第１はんだ６Ｈは広がりやすくなる。第２金属６ＨＢの添加量が３０％を超え、３５％となると、ぬれ性が劣化して、リフロー時における電子部品２のセルフアライメント効果が低下するおそれがある。このため、ぬれ性に関しては、第２金属６ＨＢの添加量が３０％を上限とした。本実施形態において、第２金属６ＨＢの添加割合は、５質量％以上３０質量％以下が好ましい。この範囲であれば、電子部品内蔵モジュール１の基板３に第１はんだ６Ｈを用いて電子部品２を実装した後、電子部品内蔵モジュール１を装置基板８に実装する際に再度のリフローをしたとしても、はんだフラッシュの発生や第１はんだ６Ｈの移動を抑制できる。また、基板３に第１はんだ６Ｈを用いて電子部品２を実装する場合も、適切なセルフアライメント効果が得られるので、電子部品２の位置決めができる。このように、第２金属６ＨＢの添加割合が上記範囲であれば、電子部品内蔵モジュール１を構成する電子部品２の実装に好適である。
【００４０】
第２金属６ＨＢの粉末は、例えば、水アトマイズ法、ガスアトマイズ法等の金属粉末製造方法によって作製される。水アトマイズ法を用いた場合、作製された粉末の表面が酸化する。第２金属６ＨＢの粉末の表面が酸化した状態で第１金属６ＨＡに添加し、第１はんだ６Ｈとすると、酸化膜の影響により、溶融した状態において、第２金属６ＨＢの粉末が硬化した第１はんだ６Ｈの表面に集まってしまう。その結果、第１金属６ＨＡと第２金属６ＨＢとがほとんど分離してしまうので、第１金属６ＨＡと第２金属６ＨＢとの反応が促進されず、第１はんだ６Ｈの融点上昇は望めない。
【００４１】
したがって、金属粉末が製造される過程で第２金属６ＨＢが酸化した場合、例えば、水素雰囲気中でこれを還元してから、第１金属６ＨＡに添加する。これによって、第１金属６ＨＡは、最初の溶融中に第１金属６ＨＡと第２金属６ＨＢとの反応が促進されるので、組織はＳｎ−Ｎｉ−Ｆｅの単一相に近くなる。その結果、溶融後硬化した第１はんだ６Ｈは、溶融前と比較して高い融点を確保できる。
【００４２】
第２金属６ＨＢの粉末に含まれる酸素量をパラメータとして、第１金属６ＨＡと第２金属６ＨＢとの反応促進を評価した。その結果、第２金属６ＨＢの粉末中に含まれる酸素の割合が１．５質量％では、第１金属６ＨＡと第２金属６ＨＢとの反応促進が不十分であり、第１はんだ６Ｈの融点上昇は望めない。一方、第２金属６ＨＢの粉末中に含まれる酸素の割合が０．２４質量％まで低下すれば、第１金属６ＨＡと第２金属６ＨＢとの反応が促進されて、第１はんだ６Ｈの融点が上昇する。
【００４３】
第２金属６ＨＢに占めるＦｅの割合は、８質量％以上あれば溶融後硬化した第１はんだ６Ｈの融点の上昇が認められる。前記割合が５質量％以上であれば、溶融後硬化した第１はんだ６Ｈの融点は、再度のリフロー温度（２４０℃〜２６０℃）よりも高くなる。一方、１６質量％を超えるとＳｎ−Ｎｉ−Ｆｅを主成分とする相が単一相として占める割合が減少して、第１はんだ６Ｈの溶融温度も低下してしまう。したがって、第２金属６ＨＢに占めるＦｅの割合は、５質量％以上１６質量％以下が好ましく、８質量％以上１６質量％以下がより好ましい。
【００４４】
少なくともＳｎを含む第１金属６ＨＡに、少なくともＮｉ−Ｆｅ合金を含む第２金属６ＨＢを添加した第１はんだ６Ｈは、最初に溶融して硬化した後に熱処理を施すことが好ましい。この熱処理は、所定温度に所定時間保持する熱処理であり、例えば、溶融後硬化した第１はんだ６Ｈを１８０℃以上の温度に２０分〜３０分保持するものである。これによって、第１金属６ＨＡ中のＳｎと第２金属６ＨＢ中のＮｉ−Ｆｅ合金との反応が促進される。その結果、第１はんだ６Ｈの組織はＳｎ−Ｎｉ−Ｆｅの単一相にさらに近くなるので、第１はんだ６Ｈの融点を確実に高くすることができる。
【００４５】
以上、本実施形態では、少なくともＳｎを含む第１金属に、少なくともＮｉ−Ｆｅ合金を含む第２金属を添加してＰｂフリーはんだ（上述した第１はんだ６Ｈ）を構成する。このＰｂフリーはんだが最初に溶融する過程においては、第１金属のＳｎと第２金属のＮｉ−Ｆｅ合金との反応が均一にかつ速やかに進行する。溶融後硬化したＰｂフリーはんだの組織はＳｎ−Ｎｉ−Ｆｅの単一相に近くなるので、最初に溶融した後、硬化したＰｂフリーはんだは、最初に溶融する前と比較して融点が高くなり、耐熱性が向上する。その結果、一旦溶融した後のＰｂフリーはんだがその後のリフローにより再加熱されても、Ｐｂフリーはんだは溶融しない、又は溶融が抑制される。
【００４６】
このようなＰｂフリーはんだを、電子部品内蔵モジュールを構成する電子部品の接合に用いることにより、電子部品内蔵モジュールを装置基板等に実装する際のリフローにおいて、電子部品内蔵モジュール内ではんだフラッシュやはんだの移動が発生するおそれを低減できる。このようなＰｂフリーはんだを用いた電子部品内蔵モジュールは、電子部品の端子の接合不良等が発生するおそれを低減できるので、歩留が向上する。
【００４７】
また、本実施形態に係るＰｂフリーはんだは、一旦溶融して硬化した後は融点が上昇するため、耐熱性が要求される部分の接合等にも有効である。この場合、本実施形態に係るＰｂフリーはんだが最初に溶融するときの温度は、Ｓｎ系（Ｓｎを基材とするはんだであり、例えば、Ｓｎ−３．５％Ａｇはんだ等）のはんだと同等（２２０℃程度）なので、接合時における作業性の低下を招くことはない。また、本実施形態に係るＰｂフリーはんだは、これまで用いられてきたはんだ付けの工程と同一の工程を用いることができるので、合金化してろう材となる異種の金属層をめっき等によって端子電極へ積層形成しておく必要はない。このため、上述した特許文献１に開示された技術と比較して、作業性が大幅に向上する。さらに、本実施形態に係るＰｂフリーはんだは、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｆｅという比較的安価な金属を用いるので、また、Ａｇ、Ａｕを用いることもある特許文献１に開示された技術と比較して、電子部品内蔵モジュール等の製造コストの上昇を抑制できる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
以上のように、本発明に係るＰｂフリーはんだは、一度溶融して硬化した後の融点を上昇させ、その後の耐熱性を向上させることに有用である。
【符号の説明】
【００４９】
１ 電子部品内蔵モジュール
２ 電子部品
３ 基板
４ 絶縁樹脂
５ シールド層
６Ｈ、１０６Ｈ 第１はんだ
６Ｌ 第２はんだ
６ＨＡ、１０６ＨＡ 第１金属
６ＨＢ 第２金属
７ モジュール端子電極
８ 装置基板
９ 装置基板端子電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｐｂ（鉛）を含まないＰｂフリーはんだに関する。
【背景技術】
【０００２】
電子部品内蔵モジュールは、複数の電子部品、例えば、受動素子や能動素子等をはんだによって基板に実装して、ひとまとまりの機能を持った電子部品としたものである。このような電子部品を電子機器の基板に実装する場合、電子部品内蔵モジュールの端子電極と基板の端子電極とをはんだで接合する。従来は、電子部品の接合にＳｎＰｂのはんだが使用されてきたが、環境問題を背景としてＰｂフリー化が進み、自動車関連や特殊な場合を除いてＰｂフリーはんだが使用されている。
【０００３】
はんだを用いて電子部品内蔵モジュールを基板に実装する際に、はんだを溶融させるためにリフローが必要になる。このリフローの際に、電子部品内蔵モジュール内の電子部品と基板とを接合しているはんだが溶融して飛散したり、はんだが移動したりすることがある。これを回避するため、電子部品内蔵モジュールを基板に実装する際のリフロー温度で溶融しないはんだを用いて電子部品内蔵モジュール内の電子部品と基板とを接合する必要がある。例えば、特許文献１には、ろう付けすべき二部材のうちの少なくとも一方に、合金化してろう材となる異種の金属層を積層形成し、これら二部材を接触させて加熱することにより、少なくとも一つの金属層を液相とし、他方の金属層を固相の状態を含めて前記液相の金属層に溶け込ませ、任意の組成になるように合金化したろう材により二部材をろう付けすることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−６２５６１号公報（０００７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示された技術は、接合する対象の二部材の少なくとも一方に、合金化してろう材となる異種の金属層をめっき等によって積層形成する必要があるため、作業に手間を要する。特に、小型化が進んでいる電子部品の端子電極と基板の端子電極とを接合する場合には、作業に手間を要する。本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、二部材を接合する際における作業性の低下を抑制しつつ、二部材を接合した後のはんだを再加熱した場合に、はんだの溶融を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るＰｂフリーはんだは、少なくともＳｎを含む第１金属と、少なくともＮｉ−Ｆｅ合金を含む第２金属と、を含むことを特徴とする。
【０００７】
本発明は、Ｓｎを含む第１金属に、少なくともＮｉ−Ｆｅ合金を含む第２金属を添加してＰｂフリーはんだを構成する。このＰｂフリーはんだは、最初に溶融する過程において、第１金属のＳｎと第２金属のＮｉ−Ｆｅ合金との反応が均一にかつ速やかに進行し、溶融後硬化したＰｂフリーはんだの組織はＳｎ−Ｎｉ−Ｆｅを主成分とする単一相に近くなる。これによって、一旦溶融して硬化したＰｂフリーはんだは、最初に溶融する前と比較して融点が高くなり、耐熱性が向上する。その結果、一旦溶融して二部材を接合した後のＰｂフリーはんだは、その後再加熱されても、溶融が抑制される。また、本発明のＰｂフリーはんだは、通常のはんだと同様のプロセスで二部材を接合できるので、二部材を接合する際における作業性の低下が抑制される。
【０００８】
本発明の望ましい態様としては、前記第１金属及び前記第２金属は、粒状であることが好ましい。このようにすれば、第１金属と第２金属との接触面積が増加するため、ＳｎとＮｉ−Ｆｅとがより均一に反応するようになる。これによって、一度溶融して硬化したＰｂフリーはんだの組織は、Ｓｎ−Ｎｉ−Ｆｅの単一相になりやすくなるので、溶融後硬化したＰｂフリーはんだの融点をより確実に上昇させることができる。
【０００９】
本発明の望ましい態様としては、前記第２金属の平均粒子径は、３μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。これによって、第２金属の粒子の製造や取り扱いが容易になるとともに、一旦溶融して硬化したＰｂフリーはんだの耐熱性を確実に向上させることができる。
【００１０】
本発明の望ましい態様としては、前記Ｐｂフリーはんだの全質量に対して、前記第２金属の割合は５質量％以上３０質量％以下であることが好ましい。これによって、一旦溶融して硬化したＰｂフリーはんだの耐熱性を確実に向上させることができるとともに、Ｐｂフリーはんだが最初に溶融したときには適度なぬれ性を確保できるので、電子部品内蔵モジュールを構成する電子部品の実装に好適である。
【００１１】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るパッケージ部品は、電子部品と、当該電子部品が実装される基板と、を含み、前記電子部品の端子と前記基板の端子とは、前記記載のＰｂフリーはんだにより接合されることを特徴とする。このパッケージ部品は、前記Ｐｂフリーはんだによって電子部品の端子と基板の端子とが接合されるので、電子部品の端子の接合不良等が発生するおそれを低減できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、二部材を接合する際における作業性の低下を抑制しつつ、二部材を接合した後のはんだを再加熱した場合に、はんだの溶融を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、電子部品内蔵モジュールの断面図である。
【図２】図２は、電子部品内蔵モジュールを電子機器等の基板に取り付けた状態を示す側面図である。
【図３】図３は、本実施形態に係るＰｂフリーはんだの概念図である。
【図４】図４は、本実施形態に係るＰｂフリーはんだの概念図である。
【図５】図５は、本実施形態係るＰｂフリーはんだが溶融したときの変化を示す概念図である。
【図６】図６は、第１金属にＮｉとＦｅとを別個に添加したＰｂフリーはんだが溶融したときの変化を示す概念図である。
【図７】図７は、第２金属の平均粒子径と吸熱量との関係を示す概略図である。
【図８】図８は、第２金属の平均粒子径の好ましい範囲を評価した結果を示す図である。
【図９】図９は、第２金属の添加量に対する評価結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の実施形態は、本発明を限定するものではない。また、下記の実施形態で開示された構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。
【００１５】
図１は、電子部品内蔵モジュールの断面図である。図２は、電子部品内蔵モジュールを電子機器等の基板に取り付けた状態を示す側面図である。図１に示すように、電子部品内蔵モジュール１は、複数の電子部品２を基板３に実装して、ひとまとまりの機能を持つ電子部品としたものである。電子部品２は、基板３の表面に実装されていてもよいし、基板３の内部に実装されていてもよい。本実施形態において、電子部品内蔵モジュール１を構成する電子部品２としては、例えば、コイルやコンデンサ、あるいは抵抗等の受動素子があるが、ダイオードやトランジスタ等の能動素子やＩＣ（Integral Circuit）等も電子部品２として基板３の表面や基板３の内部に実装されてもよい。また、電子部品２は、これらに限定されるものではない。
【００１６】
図１に示すように、電子部品内蔵モジュール１は、電子部品２が実装される基板３と、電子部品２を覆う絶縁樹脂４と、絶縁樹脂４の表面を被覆するシールド層５と、を含んで構成される。なお、電子部品内蔵モジュール１は、シールド層５を有していなくてもよい。電子部品２の端子電極と基板３の端子電極とは、本実施形態に係るＰｂフリーはんだ（以下、第１はんだという）６Ｈによって接合される。これによって、電子部品２が基板３に実装される。このように、第１はんだ６Ｈは、電子部品２の端子電極と基板３の端子電極という二部材を接合するものである。
【００１７】
図１に示すように、電子部品内蔵モジュール１は、基板３に実装された電子部品２が絶縁樹脂４で覆われる。電子部品内蔵モジュール１は、電子部品２が実装される側の基板３の表面（部品実装面という）も同時に絶縁樹脂４で覆われる。このように、電子部品内蔵モジュール１は、絶縁樹脂４で複数の電子部品２及び部品実装面を覆うことで、基板３及び複数の電子部品２を一体化するとともに、強度を確保する。
【００１８】
複数の電子部品２を覆った絶縁樹脂４の表面には、シールド層５が形成される。本実施形態において、シールド層５は導電材料（導電性を有する材料であり、本実施形態では金属）で構成されている。本実施形態では、シールド層５は単数の導電材料で構成されてもよいし、複数の導電材料の層で構成されてもよい。シールド層５は、絶縁樹脂４の表面を被覆することにより、絶縁樹脂４の内部に封入された電子部品２を電子部品内蔵モジュール１の外部からの高周波ノイズや電磁波等から遮蔽したり、電子部品２から放射される高周波ノイズ等を遮蔽したりする。このように、シールド層５は、電磁気シールドとして機能する。本実施形態において、シールド層５は、絶縁樹脂４の表面全体を被覆している。しかし、シールド層５は、電磁気シールドとして必要な機能を発揮できるように絶縁樹脂４を被覆すればよく、必ずしも絶縁樹脂４の表面全体を被覆する必要はない。したがって、シールド層５は、絶縁樹脂４の表面の少なくとも一部を被覆していればよい。
【００１９】
電子部品内蔵モジュール１は、例えば、次のような手順で製造される。
（１）基板３の端子電極に第１はんだ６Ｈを含むはんだペーストを印刷する。
（２）実装装置（マウンタ）を用いて電子部品２を基板３に搭載する。
（３）電子部品２が搭載された基板３をリフロー炉に入れて前記はんだペーストを加熱することにより、前記はんだペーストの第１はんだ６Ｈが溶融し、硬化することにより電子部品２の端子電極と基板３の端子電極とを接合する。
（４）電子部品２や基板３の表面に付着したフラックスを洗浄する。
（５）絶縁樹脂４で電子部品２及び基板３を覆う。
【００２０】
基板３は、部品実装面の反対側に、端子電極（モジュール端子電極）７を有する。モジュール端子電極７は、電子部品内蔵モジュール１が備える電子部品２と電気的に接続されるとともに、図２に示す、電子部品内蔵モジュール１が取り付けられる基板（例えば、電子機器の基板であり、以下、装置基板という）８の端子電極（装置基板端子電極）９とはんだ（以下、第２はんだという）６Ｌによって接合される。これによって、電子部品内蔵モジュール１は、電子部品２と装置基板８との間で電気信号や電力をやり取りする。
【００２１】
図２に示す装置基板８は、電子部品内蔵モジュール１が実装される基板であり、例えば、電子機器（車載電子機器、携帯電子機器等）に搭載される。装置基板８に電子部品内蔵モジュール１を実装する場合、例えば、装置基板端子電極９に第２はんだ６Ｌを含むはんだペーストを印刷し、実装装置を用いて電子部品内蔵モジュール１を装置基板８に搭載する。そして、電子部品内蔵モジュール１が搭載された装置基板８をリフロー炉に入れて前記はんだペーストを加熱することにより、前記はんだペーストの第２はんだ６Ｌが溶融し、硬化することによりモジュール端子電極７と装置基板端子電極９とを接合する。その後、電子部品内蔵モジュール１や装置基板８の表面に付着したフラックスを洗浄する。
【００２２】
現在多く使用されているＰｂフリーはんだの溶融温度は約２２０℃であり、リフロー時における最高温度は２４０℃〜２６０℃程度である。電子部品内蔵モジュール１を構成する電子部品２を基板３に実装する際に用いられる第１はんだ６Ｈは、上述したように、電子部品内蔵モジュール１が装置基板８へ実装される際にリフローされることから、このリフローにおける温度で溶融しないはんだ（高温はんだ）が使用される。
【００２３】
Ｐｂを使用するはんだには、溶融温度が３００℃程度のはんだがあるが、Ｐｂフリーはんだでは溶融温度が２６０℃以上かつ適切な特性を有するものはない。このため、Ｐｂフリーはんだを用いる場合、電子部品内蔵モジュール１を構成する電子部品２の接合に用いるはんだ（第１はんだ６Ｈ）、及び電子部品内蔵モジュール１を装置基板８へ実装する際に用いるはんだ（第２はんだ６Ｌ）に、両者の溶融温度差が少ないものを使用せざるを得ない。
【００２４】
電子部品内蔵モジュール１を構成する電子部品２の接合に用いるはんだがリフロー時に再溶融すると、第１はんだ６Ｈの移動や、はんだフラッシュ（はんだの飛散）といった不具合が発生する。その結果、短絡や電子部品２の接触不良を招くおそれがある。このため、電子部品内蔵モジュール１の電子部品２を接合するはんだには、電子部品内蔵モジュール１を実装する際のリフロー時において再溶融しないもの、あるいは再溶融が第１はんだ６Ｈの移動やはんだフラッシュを招かない程度であるものを使用することが望まれている。溶融温度の高いはんだの代替として導電性接着材（Ａｇペースト等）もあるが、機械的な強度が低く、電気抵抗も高く、コストも高い等の課題があり、はんだの代替とはなっていない。本実施形態において電子部品内蔵モジュール１を構成する電子部品２の接合に用いる第１はんだ６Ｈは、このような要求を満たすＰｂフリーはんだである。
【００２５】
図３、図４は、本実施形態に係るＰｂフリーはんだの概念図である。本実施形態に係るＰｂフリーはんだ、すなわち第１はんだ６Ｈは、使用前（溶融する前）において、少なくともＳｎ（スズ）を含む第１金属６ＨＡと、少なくともＮｉ（ニッケル）−Ｆｅ（鉄）合金を含む第２金属６ＨＢと、を含む。図３に示す第１はんだ６Ｈは、粒状の第１金属６ＨＡと粒状の第２金属６ＨＢとをペースト材料ＰＥに分散させてはんだペーストとしたものである。図４に示す第１はんだ６Ｈは、第２金属６ＨＢを芯として、その外側を第１金属６ＨＡで被覆し、針金状のはんだとしたものである。このように、第１はんだ６Ｈは、溶融する前において、第１金属６ＨＡに、少なくともＮｉ−Ｆｅ合金を含む第２金属６ＨＢが添加された状態であればよい。
【００２６】
第１金属６ＨＡは、少なくともＳｎを含むが、第１はんだ６ＨはＰｂフリーはんだであるため、Ｐｂは含まない。本実施形態において、第２金属６ＨＢは、Ｎｉ−Ｆｅ合金を少なくとも含んでいる。すなわち、第２金属６ＨＢは、Ｎｉ−Ｆｅ合金を必須とし、この他にＣｏ（コバルト）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｃｕ（銅）、Ｃｒ（クロム）のうち少なくとも一つを含んでいてもよい。
【００２７】
本実施形態においては、第１金属６ＨＡとしてＳｎ−Ａｇ（銀）系やＳｎ−Ｃｕ（銅）系（Ｓｎが９０質量％以上）のハンダ（Ｐｂフリーハンダ）を用いる。例えば、第１金属６ＨＡとしては、Ｓｎ−３．５％ＡｇやＳｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ、Ｓｎ−０．７５％Ｃｕを用いることができる。このようなはんだは、リフロー後における組織はＳｎ層が大半を占めるので、複数回リフローするとＳｎ層が再溶融する。このため、本実施形態では、リフロー時にＳｎと化合物を作りやすい金属として、少なくともＮｉ−Ｆｅ合金を含む第２金属６ＨＢを第１金属６ＨＡに添加する。このように、第１金属６ＨＡには、Ｎｉ−Ｆｅ合金が添加される。これによって、最初に第１はんだ６Ｈが溶融したときに第１金属のＳｎと第２金属のＮｉ−Ｆｅとを反応させて、第１はんだ６Ｈが硬化したときに耐熱性の高い組織を作る。そして、例えば、再度のリフロー等によって第１はんだ６Ｈが加熱された場合でも、第１はんだ６Ｈの再溶融を抑制する。
【００２８】
図５は、本実施形態係るＰｂフリーはんだが溶融したときの変化を示す概念図である。図６は、第１金属にＮｉとＦｅとを別個に添加したＰｂフリーはんだが溶融したときの変化を示す概念図である。本実施形態係るＰｂフリーはんだである第１はんだ６Ｈが加熱され、溶融すると、図５に示すように、ＳｎとＮｉ−Ｆｅ合金との反応が均一に進行し、溶融後、硬化した第１はんだ６Ｈの組織はＳｎ−Ｎｉ−Ｆｅを主成分とする単一相に近くなる。これによって、溶融後硬化した第１はんだ６Ｈは、溶融前と比較して融点が高くなるので、溶融後の第１はんだ６Ｈがリフローにより再加熱されても、第１はんだ６Ｈは溶融しない、又は溶融が抑制される。
【００２９】
また、組織がＳｎ−Ｎｉ−Ｆｅの単一相に近くなった第１はんだ６Ｈは、その後融点より低い温度で何度再加熱しても絶縁樹脂４のクラックやはんだフラッシュその他の欠陥は発生しないことが確認されたので、耐久性も向上する。特に、電子部品内蔵モジュール１が図１に示すシールド層５を有する場合、リフロー時の再加熱によってはんだフラッシュが発生しやすいが、第１はんだ６Ｈを用いれば、このはんだフラッシュを効果的に抑制できる。このように、電子部品内蔵モジュール１がシールド層５を有する場合に第１はんだ６Ｈを用いると、電子部品内蔵モジュール１の品質向上及び耐久性向上に対して特に有効である。
【００３０】
さらに、本実施形態では、Ｓｎを基材とした第１金属６ＨＡに、Ｓｎと反応しやすいＮｉ−Ｆｅ合金を含む第２金属６ＨＢを添加する。これによって、リフローに要する短い時間でＳｎとＮｉ−Ｆｅ合金との反応を迅速に進行させることができるので、硬化後においては第１はんだ６Ｈの組織を、Ｓｎ−Ｎｉ−Ｆｅの単一相にしやすくなる。
【００３１】
図６に示す第１ハンダ１０６Ｈのように、第１金属１０６ＨＡにニッケル１０６ＨＮと鉄１０６ＨＦとをそれぞれ別個に添加した場合には、第１ハンダ１０６Ｈが加熱され、溶融すると、ＳｎとＮｉ（ニッケル）、ＳｎとＦｅ（鉄）それぞれの反応が優先して進行する。このため、反応し切らないＳｎが単相で残る割合が多く、均一な組織にならない。その結果、溶融後硬化した第１ハンダ１０６Ｈは溶融温度の低いＳｎ相が多く残り、溶融前と比較して融点は高くならないので、溶融後の第１ハンダ１０６Ｈがリフローにより再加熱されると溶融してしまう。本実施形態では、第１金属６ＨＡにＮｉ−Ｆｅ合金を添加することにより、一度第１ハンダ６Ｈが溶融した後は、溶融前よりも融点を上昇させて溶融の回避、あるいは溶融の抑制を実現する。
【００３２】
溶融後、硬化した第１はんだ６Ｈの融点を上昇させるためには、溶融中にＳｎとＮｉ−Ｆｅとをより均一に反応させ、硬化した後における第１はんだ６Ｈの組織を、よりＳｎ−Ｎｉ−Ｆｅの単一相にする必要がある。このため、溶融前の第１はんだ６Ｈを構成する第１金属６ＨＡと第２金属６ＨＢとは、図３に示すように粒状とすることが好ましい。このようにすれば、第１金属６ＨＡと第２金属６ＨＢとの接触面積が増加するため、ＳｎとＮｉ−Ｆｅとがより均一に反応するようになる。これによって、一度溶融して硬化した第１はんだ６Ｈの組織は、Ｓｎ−Ｎｉ−Ｆｅの単一相になりやすくなるので、溶融後硬化した第１はんだ６Ｈの融点をより確実に上昇させることができる。図４に示すように、溶融前の第１はんだ６Ｈを針金状とする場合、少なくとも第２金属６ＨＢを粒状とすることが好ましい。
【００３３】
図７は、第２金属の平均粒子径と吸熱量との関係を示す概略図である。図７には、第１はんだ６Ｈを構成する第２金属６ＨＢの直径を変化させて複数の第１はんだ６Ｈを作製し、それぞれを加熱して溶融させ、硬化させた後に、２４０℃〜２６０℃のリフロー温度の下で再度加熱した際の吸熱量を求めた結果を示している。吸熱量は、熱流束示差走査熱量計（（株）島津製作所 ＤＳＣ−５０）を用いて測定した。図７の破線は、第２金属６ＨＢの割合が、第１はんだ６Ｈの全質量（第１金属６ＨＡの質量と第２金属６ＨＢの質量との和）に対して１０質量％の結果であり、実線は２５質量％の結果である。吸熱量が負の値を取る場合、第１はんだ６Ｈは加熱による熱エネルギーを吸収し、その熱エネルギーを自身が溶融するために用いていることになる。そして、吸熱量が負の値を取り、かつその絶対値が大きくなると、第１はんだ６Ｈはより多くの熱エネルギーを吸収してより溶融しやすくなる。
【００３４】
図７の結果から分かるように、第２金属６ＨＢの平均粒子径が小さいほど第１はんだ６Ｈは熱エネルギーを吸収しなくなる傾向を示す。この傾向は、第２金属６ＨＢの割合が変化しても同様である。第２金属６ＨＢの平均粒子径が小さくなるほど、溶融時には第１金属６ＨＡと第２金属６ＨＢとの接触面積が増加するので、ＳｎとＮｉ−Ｆｅ合金との反応が進行しやすくなる。その結果、硬化後における第１はんだ６Ｈの組織は、より単一相に近くなるので、より高い融点が得られる。一方、第２金属６ＨＢの平均粒子径が小さくなるにしたがって、第２金属６ＨＢの粒子の製造や取り扱いが困難になる。硬化後における第１はんだ６Ｈの組織がより単一相に近くなること、及び第２金属６ＨＢの粒子の製造や取り扱いのしやすさを考慮して、第２金属６ＨＢの平均粒子径を評価した。平均粒子径は、レーザー回折式粒度分布測定装置（（株）島津製作所製 ＳＡＬＤ−２２００）を用いて測定した。
【００３５】
図８は、第２金属の平均粒子径の好ましい範囲を評価した結果を示す図である。評価は○以上が許容である。この結果から、第２金属６ＨＢの平均粒子径が５０μｍを超えて６０μｍになると、硬化後における第１はんだ６Ｈの組織は異相の割合が多くなり、第１はんだ６Ｈが溶融して硬化した後における融点の上昇が小さくなる。このため、再度のリフローにおける不具合の発生が予想されるので、評価は許容できないとした。また、第２金属６ＨＢの平均粒子径が３μｍを下回ると、第２金属６ＨＢの粒子の製造や取り扱いが困難になるので、取り扱い等の観点から第２金属６ＨＢの平均粒子径は３μｍ以上必要であると判断した。第２金属６ＨＢの平均粒子径が５μｍより小さいと、粒子径に対する表面積が大きい結果、酸化しやすくなる傾向があるので、リフロー時の再加熱によって溶融せず、酸化粒子として基板上に残留するものが生じるおそれがある。第２金属６ＨＢの平均粒子径を５μｍ以上とすると、酸化粒子の残留を抑制できるため、より好ましい。
【００３６】
したがって、本実施形態において、第２金属６ＨＢの平均粒子径は、３μｍ以上５０μｍ以下が好ましく、５μｍ以上３０μｍ以下がより好ましい。このような範囲の第２金属６ＨＢの粒子を用いれば、硬化した第１はんだ６Ｈの組織はＳｎ−Ｎｉ−Ｆｅの単一相により近くなるので、溶融後硬化した第１はんだ６Ｈの融点を効果的に上昇させることができる。本実施形態において、第１金属６ＨＡの平均粒子径は特に規定するものではないが、第２金属６ＨＢの平均粒子径の範囲と同等とすることができる。なお、本実施形態では、第１金属６ＨＡの平均粒子径を、２５μｍから３６μｍの範囲としている。
【００３７】
図９は、第２金属の添加量に対する評価結果を示す図である。評価は○以上が許容である。第１はんだ６Ｈの全質量（第１金属６ＨＡの質量と第２金属６ＨＢの質量との和）に対する第２金属６ＨＢの割合（添加割合）を変化させて作製した複数の第１はんだ６Ｈを評価した結果を図９に示す。評価項目は、第１はんだ６Ｈを溶融させ、硬化させた後、リフロー時の加熱温度で再加熱したときにおける溶融の程度、及び第１金属６ＨＡに第２金属６ＨＢが添加された状態の第１はんだ６Ｈを最初に溶融させたときにおけるぬれ性の２項目である。第２金属６ＨＢの添加量は、上述した添加割合（質量％）である。
【００３８】
図９の結果から分かるように、第２金属６ＨＢの添加量が増加するほど、再加熱時における第１はんだ６Ｈの溶融は少なくなる。第２金属６ＨＢの添加量が５％である場合、再加熱によって第１はんだ６Ｈは多少溶融する。しかし、第２金属６ＨＢの添加量が５％の第１はんだ６Ｈを用いて、実際に図１に示す電子部品２を実装した電子部品内蔵モジュール１を装置基板８に搭載してリフローしても、電子部品内蔵モジュール１内にはんだフラッシュの発生や第１はんだ６Ｈの移動はみられなかったので、許容とした。
【００３９】
第１はんだ６Ｈのぬれ性は、第２金属６ＨＢの添加量が増加するにしたがって高くなる。すなわち、第１はんだ６Ｈは広がりやすくなる。第２金属６ＨＢの添加量が３０％を超え、３５％となると、ぬれ性が劣化して、リフロー時における電子部品２のセルフアライメント効果が低下するおそれがある。このため、ぬれ性に関しては、第２金属６ＨＢの添加量が３０％を上限とした。本実施形態において、第２金属６ＨＢの添加割合は、５質量％以上３０質量％以下が好ましい。この範囲であれば、電子部品内蔵モジュール１の基板３に第１はんだ６Ｈを用いて電子部品２を実装した後、電子部品内蔵モジュール１を装置基板８に実装する際に再度のリフローをしたとしても、はんだフラッシュの発生や第１はんだ６Ｈの移動を抑制できる。また、基板３に第１はんだ６Ｈを用いて電子部品２を実装する場合も、適切なセルフアライメント効果が得られるので、電子部品２の位置決めができる。このように、第２金属６ＨＢの添加割合が上記範囲であれば、電子部品内蔵モジュール１を構成する電子部品２の実装に好適である。
【００４０】
第２金属６ＨＢの粉末は、例えば、水アトマイズ法、ガスアトマイズ法等の金属粉末製造方法によって作製される。水アトマイズ法を用いた場合、作製された粉末の表面が酸化する。第２金属６ＨＢの粉末の表面が酸化した状態で第１金属６ＨＡに添加し、第１はんだ６Ｈとすると、酸化膜の影響により、溶融した状態において、第２金属６ＨＢの粉末が硬化した第１はんだ６Ｈの表面に集まってしまう。その結果、第１金属６ＨＡと第２金属６ＨＢとがほとんど分離してしまうので、第１金属６ＨＡと第２金属６ＨＢとの反応が促進されず、第１はんだ６Ｈの融点上昇は望めない。
【００４１】
したがって、金属粉末が製造される過程で第２金属６ＨＢが酸化した場合、例えば、水素雰囲気中でこれを還元してから、第１金属６ＨＡに添加する。これによって、第１金属６ＨＡは、最初の溶融中に第１金属６ＨＡと第２金属６ＨＢとの反応が促進されるので、組織はＳｎ−Ｎｉ−Ｆｅの単一相に近くなる。その結果、溶融後硬化した第１はんだ６Ｈは、溶融前と比較して高い融点を確保できる。
【００４２】
第２金属６ＨＢの粉末に含まれる酸素量をパラメータとして、第１金属６ＨＡと第２金属６ＨＢとの反応促進を評価した。その結果、第２金属６ＨＢの粉末中に含まれる酸素の割合が１．５質量％では、第１金属６ＨＡと第２金属６ＨＢとの反応促進が不十分であり、第１はんだ６Ｈの融点上昇は望めない。一方、第２金属６ＨＢの粉末中に含まれる酸素の割合が０．２４質量％まで低下すれば、第１金属６ＨＡと第２金属６ＨＢとの反応が促進されて、第１はんだ６Ｈの融点が上昇する。
【００４３】
第２金属６ＨＢに占めるＦｅの割合は、８質量％以上あれば溶融後硬化した第１はんだ６Ｈの融点の上昇が認められる。前記割合が５質量％以上であれば、溶融後硬化した第１はんだ６Ｈの融点は、再度のリフロー温度（２４０℃〜２６０℃）よりも高くなる。一方、１６質量％を超えるとＳｎ−Ｎｉ−Ｆｅを主成分とする相が単一相として占める割合が減少して、第１はんだ６Ｈの溶融温度も低下してしまう。したがって、第２金属６ＨＢに占めるＦｅの割合は、５質量％以上１６質量％以下が好ましく、８質量％以上１６質量％以下がより好ましい。
【００４４】
少なくともＳｎを含む第１金属６ＨＡに、少なくともＮｉ−Ｆｅ合金を含む第２金属６ＨＢを添加した第１はんだ６Ｈは、最初に溶融して硬化した後に熱処理を施すことが好ましい。この熱処理は、所定温度に所定時間保持する熱処理であり、例えば、溶融後硬化した第１はんだ６Ｈを１８０℃以上の温度に２０分〜３０分保持するものである。これによって、第１金属６ＨＡ中のＳｎと第２金属６ＨＢ中のＮｉ−Ｆｅ合金との反応が促進される。その結果、第１はんだ６Ｈの組織はＳｎ−Ｎｉ−Ｆｅの単一相にさらに近くなるので、第１はんだ６Ｈの融点を確実に高くすることができる。
【００４５】
以上、本実施形態では、少なくともＳｎを含む第１金属に、少なくともＮｉ−Ｆｅ合金を含む第２金属を添加してＰｂフリーはんだ（上述した第１はんだ６Ｈ）を構成する。このＰｂフリーはんだが最初に溶融する過程においては、第１金属のＳｎと第２金属のＮｉ−Ｆｅ合金との反応が均一にかつ速やかに進行する。溶融後硬化したＰｂフリーはんだの組織はＳｎ−Ｎｉ−Ｆｅの単一相に近くなるので、最初に溶融した後、硬化したＰｂフリーはんだは、最初に溶融する前と比較して融点が高くなり、耐熱性が向上する。その結果、一旦溶融した後のＰｂフリーはんだがその後のリフローにより再加熱されても、Ｐｂフリーはんだは溶融しない、又は溶融が抑制される。
【００４６】
このようなＰｂフリーはんだを、電子部品内蔵モジュールを構成する電子部品の接合に用いることにより、電子部品内蔵モジュールを装置基板等に実装する際のリフローにおいて、電子部品内蔵モジュール内ではんだフラッシュやはんだの移動が発生するおそれを低減できる。このようなＰｂフリーはんだを用いた電子部品内蔵モジュールは、電子部品の端子の接合不良等が発生するおそれを低減できるので、歩留が向上する。
【００４７】
また、本実施形態に係るＰｂフリーはんだは、一旦溶融して硬化した後は融点が上昇するため、耐熱性が要求される部分の接合等にも有効である。この場合、本実施形態に係るＰｂフリーはんだが最初に溶融するときの温度は、Ｓｎ系（Ｓｎを基材とするはんだであり、例えば、Ｓｎ−３．５％Ａｇはんだ等）のはんだと同等（２２０℃程度）なので、接合時における作業性の低下を招くことはない。また、本実施形態に係るＰｂフリーはんだは、これまで用いられてきたはんだ付けの工程と同一の工程を用いることができるので、合金化してろう材となる異種の金属層をめっき等によって端子電極へ積層形成しておく必要はない。このため、上述した特許文献１に開示された技術と比較して、作業性が大幅に向上する。さらに、本実施形態に係るＰｂフリーはんだは、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｆｅという比較的安価な金属を用いるので、また、Ａｇ、Ａｕを用いることもある特許文献１に開示された技術と比較して、電子部品内蔵モジュール等の製造コストの上昇を抑制できる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
以上のように、本発明に係るＰｂフリーはんだは、一度溶融して硬化した後の融点を上昇させ、その後の耐熱性を向上させることに有用である。
【符号の説明】
【００４９】
１ 電子部品内蔵モジュール
２ 電子部品
３ 基板
４ 絶縁樹脂
５ シールド層
６Ｈ、１０６Ｈ 第１はんだ
６Ｌ 第２はんだ
６ＨＡ、１０６ＨＡ 第１金属
６ＨＢ 第２金属
７ モジュール端子電極
８ 装置基板
９ 装置基板端子電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともＳｎを含む第１金属と、
少なくともＮｉ−Ｆｅ合金を含む第２金属と、
を含むことを特徴とするＰｂフリーはんだ。
【請求項２】
前記第１金属及び前記第２金属は、粒状である請求項１に記載のＰｂフリーはんだ。
【請求項３】
前記第２金属の平均粒子径は、３μｍ以上５０μｍ以下である請求項２に記載のＰｂフリーはんだ。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載のＰｂフリーはんだの全質量に対して、前記第２金属の割合は５質量％以上３０質量％以下であるＰｂフリーはんだ。
【請求項５】
電子部品と、当該電子部品が実装される基板と、を含み、
前記電子部品の端子と前記基板の端子とは、請求項１から４のいずれか１項に記載のＰｂフリーはんだにより接合されることを特徴とする電子部品内蔵モジュール。
【請求項１】
少なくともＳｎを含む第１金属と、
少なくともＮｉ−Ｆｅ合金を含む第２金属と、
を含むことを特徴とするＰｂフリーはんだ。
【請求項２】
前記第１金属及び前記第２金属は、粒状である請求項１に記載のＰｂフリーはんだ。
【請求項３】
前記第２金属の平均粒子径は、３μｍ以上５０μｍ以下である請求項２に記載のＰｂフリーはんだ。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載のＰｂフリーはんだの全質量に対して、前記第２金属の割合は５質量％以上３０質量％以下であるＰｂフリーはんだ。
【請求項５】
電子部品と、当該電子部品が実装される基板と、を含み、
前記電子部品の端子と前記基板の端子とは、請求項１から４のいずれか１項に記載のＰｂフリーはんだにより接合されることを特徴とする電子部品内蔵モジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−１５２５８１（Ｐ２０１１−１５２５８１Ａ）
【公開日】平成２３年８月１１日（２０１１．８．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１７１４５（Ｐ２０１０−１７１４５）
【出願日】平成２２年１月２８日（２０１０．１．２８）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月１１日（２０１１．８．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月２８日（２０１０．１．２８）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
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