JP2005014076A

JP2005014076A - Oxidation-resistant solder, method for producing oxidation-resistant solder and soldering method

Info

Publication number: JP2005014076A
Application number: JP2003185845A
Authority: JP
Inventors: Toronron Tan; トロンロンタン; Takayuki Naba; 隆之那波
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-06-27
Filing date: 2003-06-27
Publication date: 2005-01-20

Abstract

【課題】酸化生成物の発生、ボイド欠陥の発生を抑制することができ、熱伝導性、ぬれ性、機械的強度などに優れた耐酸化性はんだ、耐酸化性はんだの製造方法およびはんだ付け方法を提供すること目的とする。
【解決手段】本発明の耐酸化性はんだは、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、ＣｏおよびＮｉから選ばれた少なくとも一種の金属からなる第１従成分を０．０２〜１２重量％含有し、かつＭｎ、ＰｄおよびＰｔから選ばれた少なくとも一種の金属からなる第２従成分を０．０２〜１．２重量％含有し、残部がＳｎと不可避不純物からなることを特徴とする。この耐酸化性はんだによれば、第２従成分と固溶体を形成することによって、金属間化合物における酸化物の生成を抑制することができるため、熱伝導特性、ぬれ性はんだ強度、熱疲労強度などを向上させることができる。
【選択図】なしOxidation-resistant solder that can suppress generation of oxidation products and void defects, and has excellent thermal conductivity, wettability, mechanical strength, and the like, and method for producing oxidation-resistant solder and soldering method The purpose is to provide.
The oxidation-resistant solder of the present invention contains 0.02 to 12% by weight of a first secondary component made of at least one metal selected from Cu, Ag, Au, Co and Ni, and Mn, The second subordinate component made of at least one metal selected from Pd and Pt is contained in an amount of 0.02 to 1.2% by weight, and the balance is made of Sn and inevitable impurities. According to this oxidation-resistant solder, the formation of an oxide in the intermetallic compound can be suppressed by forming a solid solution with the second subcomponent, so that heat conduction characteristics, wettability solder strength, thermal fatigue strength, etc. Can be improved.
[Selection figure] None

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化物の生成、ボイド欠陥の発生を抑制し、熱伝導性、機械的強度に優れた耐酸化性はんだ、耐酸化性はんだの製造方法およびはんだ付け方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球環境保護の観点から環境問題に対する関心が高まりつつある中、産業廃棄物の廃棄量の増大が深刻な問題となっている。産業廃棄物に含まれる、例えば、電力制御計算機の基板、家電製品、パソコンなどには、はんだが使用されており、このはんだから鉛などの有害な重金属が流出することがある。例えば、鉛が流出すると、酸性雨などに作用して鉛を含んだ水溶液を生成し、その水溶液が地下水に侵入することがある。
【０００３】
国内では、１９９８年に家電リサイクル法が成立し、２００１年には家電製品について使用済み製品の回収が義務づけられている。欧州では、電気・電子製品廃棄物ＥＵ指令により、２００４年から鉛を含む特定物質の使用禁止が義務づけられている。このように、鉛の使用に関する法的規制が強化され、鉛フリーはんだの開発が急がれている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００４】
はんだは、熱サイクル、機械的衝撃、機械的振動などを伴う厳しい環境下で使用される複数の要素部品を機械的かつ電気的に接続する重要な役割を担っており、鉛フリーはんだにおいても、従来用いられてきたＳｎ−Ｐｂはんだと同等の機械的性質や物理的性質が要求されている。
【０００５】
しかし、従来の鉛フリーはんだを用いたエレクトロニクス製品の接合では、溶融したはんだが酸化することによりぬれ性が低下することがあった。また、電子部品、基板、ベースなどのはんだ接合部において、酸化物の存在により熱伝導特性が低下し、十分なはんだ強度を備えることができず、熱疲労破壊などを生じて、最終的に製品寿命に至ることがあった。
【０００６】
例えば、Ｓｎ−Ｃｕ合金において、はんだ強度、熱疲労強度などの機械的性質を確保するため、共晶組成Ｓｎ−０．７重量％Ｃｕ、または、Ｃｕの含有率が０．７近傍の合金が用いられている。このようなＳｎ−Ｃｕ合金では、Ｓｎ中のＣｕ固溶量が０．００６重量％程度の（βＳｎ）のデンドライトの凝固前方にＣｕが濃縮し、（βＳｎ）とη（Ｓｎ_５Ｃｕ_６：Ｓｎ４３．５〜４５．５原子％）の共晶組織、または、初晶η、（βＳｎ）およびηの共晶組織が形成される。このように形成したＳｎ−Ｃｕ金属間化合物は、Ｓｎ酸化物およびＣｕ酸化物に比べて、電気化学的に低い還元電位を示すことから、酸化物として安定であり、フラックスでより除去しにくい状態にあることが知られている（例えば、非特許文献２参照。）。
【０００７】
また、従来のはんだ付け方法では、はんだ合金粉末とフラックスを混練したペースト状のはんだが接合部材間に配設された積層部材を、大気中または不活性ガス雰囲気中において、はんだ合金の融点以上の温度に加熱して、はんだ付けが行なわれている。
【０００８】
フラックス中には、接合部材の表面の酸化膜を取り除くために、有機酸、ハロゲン化水素酸、界面活性化剤などが含まれ、その他に、塗布、スクリーン印刷などを容易に行うために、ティニング油、ゼラチン、乳化剤、ポリビニル化合物などの増粘剤が添加されている。このような樹脂成分を含む増粘剤は、残渣としてはんだ層内に残存し、熱伝達特性、はんだ強度、熱疲労強度などを低下させる原因となっていた。
【０００９】
【非特許文献１】
ＰｒｏｐｏｓａｌｆｏｒａＤｉｒｅｃｔｉｖｅｏｆｔｈｅＥｕｒｏｐｅａｎＰａｒｌｉａｍｅｎｔａｎｄｏｆｔｈｅＣｏｕｎｃｉｌｏｎＷａｓｔｅＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｑｕｉｐｍｅｎｔ，ＣｏｍｍｉｓｓｉｏｎｏｆｔｈｅＥｕｒｏｐｅａｎＣｏｍｍｕｎｉｔｉｅｓ，Ｂｒｕｓｓｅｌｓ，１３．６．２０００）
【非特許文献２】
「ＣｕおよびＣｕ−Ｓｎ系化合物のＳｎ−Ｐｂはんだぬれ性解析」、豊田中央研究所Ｒ＆Ｄレビュー、Ｖｏｌ．３１，Ｎｏ．４（１９９６年１２月）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、従来の鉛フリーはんだを用いた場合には、はんだ接合部において、酸化物の存在により熱伝導特性が低下し、十分なはんだ強度を備えることができず、熱疲労破壊などを生じて、最終的に製品寿命に至るという問題があった。
【００１１】
また、ペースト状のはんだを構成するフラックスに含まれる増粘剤は、残渣としてはんだ層内に残存し、熱伝達特性、はんだ強度、熱疲労強度などを低下させるという問題があった。
【００１２】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、酸化生成物の発生、ボイド欠陥の発生を抑制することができ、熱伝導性、ぬれ性、機械的強度などに優れた耐酸化性はんだ、耐酸化性はんだの製造方法およびはんだ付け方法を提供すること目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の耐酸化性はんだは、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、ＣｏおよびＮｉから選ばれた少なくとも一種の金属からなる第１従成分を０．０２〜１２重量％含有し、かつＭｎ、ＰｄおよびＰｔから選ばれた少なくとも一種の金属からなる第２従成分を０．０２〜１．２重量％含有し、残部がＳｎと不可避不純物からなることを特徴とする。
【００１４】
この耐酸化性はんだによれば、第２従成分と固溶体を形成することによって、第２従成分に第１従成分の金属がトラップされ、主成分のＳｎと結合するフリーな第１従成分の金属が減少する。これによって、電気化学的により低い還元電位を有し、金属間化合物における酸化物の生成を抑制することができるため、熱伝導特性を向上させ、さらに、はんだ強度、特に熱疲労強度を著しく向上させることができる。また、この耐酸化性はんだでは、金属間化合物における酸化物の生成を抑制することができるため、ぬれ性を向上させることができる。
【００１５】
本発明の耐酸化性はんだの製造方法は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、ＣｏおよびＮｉから選ばれた少なくとも一種の金属からなる第１従成分を０．０２〜１２重量％含有し、かつＭｎ、ＰｄおよびＰｔから選ばれた少なくとも一種の金属からなる第２従成分を０．０２〜１．２重量％含有し、残部がＳｎと不可避不純物からなる耐酸化性はんだの製造方法であって、所定の割合で混合された前記Ｓｎ、前記第１従成分および前記第２従成分からなる混合物を加熱し溶解する溶解工程と、前記溶解した液相状態の混合物を１０℃／秒以上の冷却速度で急冷凝固する凝固工程とを具備したことを特徴とする。
【００１６】
この耐酸化性はんだの製造方法によれば、溶解した液相状態の混合物を１０℃／秒以上の冷却速度で急冷凝固するため、凝固偏析を生じることなく均一な組成の耐酸化性はんだを得ることができる。
【００１７】
また、本発明の耐酸化性はんだの製造方法は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、ＣｏおよびＮｉから選ばれた少なくとも一種の金属からなる第１従成分を０．０２〜１２重量％含有し、かつＭｎ、ＰｄおよびＰｔから選ばれた少なくとも一種の金属からなる第２従成分を０．０２〜１．２重量％含有し、残部がＳｎと不可避不純物からなる耐酸化性はんだの製造方法であって、所定の割合で混合された前記Ｓｎ、前記第１従成分および前記第２従成分からなる混合物を加熱し溶解する溶解工程と、前記溶解した液相状態の混合物を不活性ガスとともに亜音速または超音速でノズルから噴射して、前記混合物を微粒化し凝固させる微粒化凝固工程とを具備したことを特徴とする。
【００１８】
この耐酸化性はんだの製造方法によれば、微粒化された粉末は、１０^３〜１０^５℃／秒のオーダの冷却速度で冷却されるため、凝固偏析を生じることなく均一な組成の耐酸化性はんだを得ることができる。
【００１９】
本発明のはんだ付け方法は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、ＣｏおよびＮｉから選ばれた少なくとも一種の金属からなる第１従成分を０．０２〜１２重量％含有し、かつＭｎ、ＰｄおよびＰｔから選ばれた少なくとも一種の金属からなる第２従成分を０．０２〜１．２重量％含有し、残部がＳｎと不可避不純物からなる耐酸化性はんだを用いて第１部材と第２部材とを接合するはんだ付け方法であって、前記第１部材と前記第２部材の少なくとも一方の表面に前記耐酸化性はんだを設置する設置工程と、前記第１部材の表面上に前記第２部材を積層する積層工程と、前記積層された積層部材を大気中または不活性ガス雰囲気中において、前記耐酸化性はんだの融点以上の温度に加熱する加熱工程とを具備することを特徴とする。
【００２０】
このはんだ付け方法によれば、電気化学的により低い還元電位を有し、金属間化合物における酸化物の生成を抑制することができる耐酸化性はんだを用いているため、はんだ接合部における熱伝導特性を向上させ、さらに、はんだ強度、特に熱疲労強度を著しく向上させることができる。また、耐酸化性はんだでは、金属間化合物における酸化物の生成を抑制することができるため、ぬれ性を向上させることができ、はんだ接合部におけるボイド欠陥の発生を抑制することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の耐酸化性はんだについて説明する。
本発明の耐酸化性はんだは、主成分のＳｎと共晶合金を形成するＩｂ銅族金属のＣｕ、Ａｇ、ＡｕまたはＶＩＩＩの１鉄族金属のＣｏ、Ｎｉから選ばれた少なくとも一種の金属からなる第１従成分を０．０２〜１２重量％含有し、かつこの第１従成分と固溶体合金を形成し、主成分であるＳｎとは固溶体合金を形成しないＭｎ、Ｐｄ、Ｐｔの金属から選ばれた少なくとも一種の金属からなる第２従成分を０．０２〜１．２重量％含有し、残部がＳｎと不可避不純物で構成されている。
【００２２】
耐酸化性はんだ全体に対する第１従成分の含有量は、主成分のＳｎと第１従成分の金属との共晶組成またはその共晶組成近傍であれば良いが、耐酸化性はんだに求められる機械的性質や融点によって適宜に設定される。例えば、第１従成分であるＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｎｉがそれぞれ単独で含有される場合には、各第１従成分は、Ｃｕ：０．０２〜１．２重量％、Ａｇ：３．０〜４．０重量％、Ａｕ：９．０〜１２．０重量％、Ｃｏ：０．０２〜１．０重量％、Ｎｉ：０．０２〜０．６重量％の範囲で含有される。また、第１従成分の複数の成分を組み合わせて含有する場合には、耐酸化性はんだ全体に対する第１従成分の含有率が０．０２〜１．２重量％の範囲で適宜に設定されことが好ましい。第１従成分の含有量が上記した所定の範囲より少ないと十分な機械的性質が確保できず、多いと融点が高く、要素部品の許容な温度限界を越えることがある。
【００２３】
耐酸化性はんだ全体に対する第２従成分の含有量は、耐酸化性はんだに求められる機械的性質や融点によって適宜に設定される。例えば、第２従成分であるＭｎ、Ｐｄ、Ｐｔがそれぞれ単独で含有される場合には、各第２従成分は、Ｍｎ：０．０２〜１．２重量％、Ｐｄ：０．０２〜０．６重量％、Ｐｔ：０．０２〜０．６重量％の範囲で含有される。また、第２従成分の複数の成分を組み合わせて含有する場合には、耐酸化性はんだ全体に対する第２従成分の含有率が０．０２〜１．２重量％の範囲で適宜に設定されことが好ましい。第２従成分の含有量が上記した所定の範囲より少ないと十分な金属間化合物における酸化物の生成を抑制する効果が得られず、多いと融点が高く、材料コストが増加する。
【００２４】
また、耐酸化性はんだは、球状または不定形状の粉末であることが好ましく、その平均粒径は、１〜１００μｍの範囲が好ましい。耐酸化性はんだの平均粒径が１μｍ未満では、冷却速度が速く、均一な組織の耐酸化性はんだが得られるが、はんだ付け工程において、所定の厚さのはんだ層を形成するための所要時間が長くかかることがある。また、耐酸化性はんだの平均粒径が１００μｍを超えると、はんだ層の厚さを適宜に調整するのが困難になることがある。
【００２５】
この耐酸化性はんだによれば、第２従成分と固溶体を形成することによって、第２従成分に第１従成分の金属がトラップされ、主成分のＳｎと結合するフリーな第１従成分の金属が減少する。これによって、電気化学的により低い還元電位を有し、金属間化合物における酸化物の生成を抑制することができるため、熱伝導特性を向上させ、さらに、はんだ強度、特に熱疲労強度を著しく向上させることができる。また、この耐酸化性はんだでは、金属間化合物における酸化物の生成を抑制することができるため、ぬれ性を向上させることができる。
【００２６】
次に、耐酸化性はんだの製造方法の一例を示す。
まず、所定の割合で混合された第１従成分の金属、第２従成分の金属およびＳｎからなる混合物を加熱し溶解する。続いて、溶解した混合物は、金型に流し込まれ冷却され固化される。この冷却工程における混合物の冷却速度は、１０℃／秒程度である。なお、金型として水冷機能を有する金型を用いてもよく、この場合の混合物の冷却速度は、１００℃／秒程度であり、より均一な組成の耐酸化性はんだを得ることができる。また、耐酸化性はんだは、圧延などにより箔体として形成することもできる。
【００２７】
この耐酸化性はんだの製造方法によれば、溶解した液相状態の混合物を１０℃／秒以上の冷却速度で急冷凝固するため、凝固偏析を生じることなく均一な組成の耐酸化性はんだを得ることができる。
【００２８】
また、耐酸化性はんだは、次の製造方法でも作製することができる。
まず、所定の割合で混合された第１従成分の金属、第２従成分の金属およびＳｎからなる混合物を加熱し溶解する。続いて、溶解した混合物は、例えば、Ｎ_２ガス、Ｈｅガス、Ａｒガス、Ｎ_２／Ａｒ混合ガスなどの不活性ガスを用いたアトマイズ法などによって微粒化され固化される。このアトマイズ法は、溶解した混合物を不活性ガスとともにノズルから亜音速または超音速で噴射して、不活性ガスのジェット流によって溶解した混合物を微粒化するものである。そして、微粒化された耐酸化性はんだの粉末から、例えば、篩などを用いて所定の範囲の平均粒径を有する粉末が選別される。
【００２９】
微粒化され固化された混合物の粉末は、ノズルから噴射される不活性ガスのジェット流の速度が大きい方がより平均粒径の小さなものとなる。特に、ジェット流が、例えば、音速の２〜３倍程度の超音速状態に達すると、衝撃波による微粒化の効果が加わり、粉末の平均粒径をより小さくすることができる。また、不活性ガスをジェット流として用いるため、粉末の表面における酸化を抑制することができる。不活性ガスの代わりに空気や水を用いることもできるが、空気や水を用いた場合には、粉末の表面の酸化を抑制する効果が小さく、また、特に水を用いた場合には粉末の形状が球状になり難いので、ジェット流には不活性ガスを用いるのが好ましい。
【００３０】
さらに、この不活性ガスを用いたアトマイズ法では、微粒化された粉末は、１０^３〜１０^５℃／秒のオーダの冷却速度で冷却されるため、凝固偏析を生じることなく均一な組成の耐酸化性はんだを得ることができる。
【００３１】
次に、上述した耐酸化性はんだの製造方法により得られた耐酸化性はんだを用いたはんだ付け方法について、図１を参照して説明する。図１には、平板で構成された第１要素部材１００と第２要素部材１０１を耐酸化性はんだ１０２によってはんだ付けする工程が示されている。
【００３２】
まず、第１要素部材１００と第２要素部材１０１のはんだ付け面に形成された酸化皮膜１０３を取り除く（図１の（ａ）、（ｂ））。この酸化皮膜１０３は、例えば、ショットブラストやエアーブラストなどによって、研削材を空気または不活性ガスとともに数ｍ／秒〜数十ｍ／秒の速度で第１要素部材１００と第２要素部材１０１のはんだ付け面に衝突させることで削り取ることができる。研削材は、例えば、鋼、ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３などの球状の粒子であることが好ましい。
また、研削材の平均粒径は、要求される表面粗度によって適宜に選定するが、一般に１０μｍ〜５０μｍの範囲が好ましい。また、酸化皮膜１０３は、第１要素部材１００と第２要素部材１０１のはんだ付け面をエッチング液に浸けることによって、化学的に除去することもできる。
【００３３】
続いて、酸化皮膜１０３が取り除かれた第１要素部材１００のはんだ付け面に、耐酸化性はんだ１０２の粉末を均一に設置する（図１の（ｃ））。そして、耐酸化性はんだ１０２の粉末が設置された第１要素部材１００の上に、第２要素部材１０１のはんだ付け面を下にして第２要素部材１０１を積層する（図１の（ｄ））。この積層された積層部材を、例えば、大気中または不活性ガス雰囲気中において、耐酸化性はんだ１０２の融点以上の温度に加熱する。加熱されることによって融解した耐酸化性はんだ１０２の粉末は、冷却工程を経て、図１の（ｅ）に示すような断面形状のはんだ接合部１０４を得る。
【００３４】
このはんだ付け方法では、電気化学的により低い還元電位を有し、金属間化合物における酸化物の生成を抑制することができる耐酸化性はんだ１０２を用いているため、はんだ接合部１０４における熱伝導特性を向上させ、さらに、はんだ強度、特に熱疲労強度を著しく向上させることができる。また、耐酸化性はんだ１０２では、金属間化合物における酸化物の生成を抑制することができるため、ぬれ性を向上させることができ、はんだ接合部１０４におけるボイド欠陥の発生を抑制することができる。
【００３５】
また、酸化皮膜１０３が取り除かれた第１要素部材１００のはんだ付け面に、耐酸化性はんだ１０２を均一に設置する他の方法について、図２を参照して説明する。
【００３６】
この設置方法は、耐酸化性はんだ１０２の粉末を、室温の大気中または不活性ガス雰囲気中において、空気または不活性ガスとともに第１要素部材１００のはんだ付け面に高速で衝突させ、耐酸化性はんだを第１要素部材１００のはんだ付け面に積層するものである。なお、同様な方法で、耐酸化性はんだ１０２の粉末を第２要素部材１０１のはんだ付け面に積層させてもよい。
【００３７】
ここで、空気または不活性ガスとともに、第１要素部材１００や第２要素部材１０１のはんだ付け面に衝突する耐酸化性はんだ１０２の粉末の衝突速度は、１００ｍ／秒以上であることが好ましい。この衝突速度以上であれば、図２に示すように、耐酸化性はんだ１０２の粉末が十分に塑性変形し、第１要素部材１００や第２要素部材１０１のはんだ付け面に積層することができる。
【００３８】
また、この耐酸化性はんだ１０２の設置は、大気中で、かつ耐酸化性はんだ１０２の搬送媒体に空気を用いて行われてもよいが、耐酸化性はんだ１０２が第１要素部材１００や第２要素部材１０１のはんだ付け面に衝突した際に生じる熱による酸化を防止するため、不活性ガス雰囲気中で、かつ耐酸化性はんだ１０２の搬送媒体に不活性ガスを用いて行われることが好ましい。なお、耐酸化性はんだ１０２の第１要素部材１００や第２要素部材１０１のはんだ付け面への積層は、ショットブラストやエアーブラストによって行うことができる。
【００３９】
このはんだ付け方法では、電気化学的により低い還元電位を有し、金属間化合物における酸化物の生成を抑制することができる耐酸化性はんだ１０２を用いているため、はんだ接合部１０４における熱伝導特性を向上させ、さらに、はんだ強度、特に熱疲労強度を著しく向上させることができる。また、耐酸化性はんだ１０２では、金属間化合物における酸化物の生成を抑制することができるため、ぬれ性を向上させることができ、はんだ接合部１０４におけるボイド欠陥の発生を抑制することができる。
【００４０】
また、このはんだ付け方法では、酸化皮膜１０３が取り除かれた第１要素部材１００と第２要素部材１０１のはんだ付け面に、耐酸化性はんだ１０２が積層されるため、はんだ付けの際に、酸化皮膜１０３を取り除くためおよび耐酸化性はんだ１０２を塗布するために用いられるフラックスを用いる必要がない。したがって、フラックス中に含有される増粘剤が、はんだ接合部１０４に残渣として残存することがないため、熱伝達特性、はんだ強度、熱疲労強度などを向上させることができる。
【００４１】
【実施例】
次に、本発明の具体的な実施例について説明する。
【００４２】
（実施例１）
Ｓｎ−０．７重量％Ｃｕ−０．１重量％Ｐｄを溶解し、圧力が２０ｋｇｆ／ｃｍ^２のＡｒガスを用いたアトマイズ法により、耐酸化性はんだの粉末を製造した。得られた耐酸化性はんだの粉末を篩いにかけ、平均粒径が５μｍ〜３５μｍの範囲の耐酸化性はんだの粉末を採取した。
【００４３】
次に、この採取された耐酸化性はんだの粉末を、Ｎ_２ガスとともに、衝突速度約１５０ｍ／秒でＮｉメッキしたＣｕ板のはんだ付け面に衝突させ積層し、厚さ約１００μｍのはんだ層を成形した。
【００４４】
続いて、Ｃｕ板のはんだ付け面に積層されたはんだ層の上にＳｉＮ基板を設置し、Ｎ_２ガス雰囲気中において、２６０℃の温度で３分間加熱し、はんだ付けを行った。
【００４５】
はんだ付けされた積層部材を超音波探傷試験法によりボイド欠陥を測定評価した結果、ボイド欠陥の占有率は６体積％であった。また、はんだ付けされた積層部材のはんだ接合部の断面におけるせん断強度を測定評価した結果、せん断強度は３２ＭＰａであった。さらに、負荷せん断応力が１５ＭＰａで、温度が−４０℃〜１００℃の条件で熱疲労試験を行った結果、１０００サイクル経過してもクラックの発生が認められなかった。
【００４６】
（実施例２）
Ｓｎ−３．５Ａｇ重量％Ｃｕ−０．１重量％Ｐｄを溶解し、圧力が２０ｋｇｆ／ｃｍ^２のＡｒガスを用いたアトマイズ法により、耐酸化性はんだの粉末を製造した。得られた耐酸化性はんだの粉末を篩いにかけ、平均粒径が５μｍ〜３５μｍの範囲の耐酸化性はんだの粉末を採取した。
【００４７】
次に、この採取された耐酸化性はんだの粉末を、Ｎ_２ガスとともに、衝突速度約１５０ｍ／秒でＮｉメッキしたＣｕ板のはんだ付け面に衝突させ積層し、厚さ約１００μｍのはんだ層を成形した。
【００４８】
続いて、Ｃｕ板のはんだ付け面に積層されたはんだ層の上にＳｉＮ基板を設置し、Ｎ_２ガス雰囲気中において、２６０℃の温度で３分間加熱し、はんだ付けを行った。
【００４９】
はんだ付けされた積層部材を超音波探傷試験法によりボイド欠陥を測定評価した結果、ボイド欠陥の占有率は７．５体積％であった。また、はんだ付けされた積層部材のはんだ接合部の断面におけるせん断強度を測定評価した結果、せん断強度は４６ＭＰａであった。さらに、負荷せん断応力が１５ＭＰａで、温度が−４０℃〜１００℃の条件で熱疲労試験を行った結果、１０００サイクル経過してもクラックの発生が認められなかった。
【００５０】
（実施例３）
Ｓｎ−０．７重量％Ｃｕ−０．２重量％Ｍｎを溶解し、圧力が２０ｋｇｆ／ｃｍ^２のＡｒガスを用いたアトマイズ法により、耐酸化性はんだの粉末を製造した。得られた耐酸化性はんだの粉末を篩いにかけ、平均粒径が５μｍ〜３５μｍの範囲の耐酸化性はんだの粉末を採取した。
【００５１】
次に、この採取された耐酸化性はんだの粉末に、フラックスを１０重量％添加し、ペースト状のはんだを調合した。続いて、このペースト状のはんだをＣｕ板のはんだ付け面にスクリーン印刷し、厚さ約１００μｍの印刷皮膜を形成した。
【００５２】
続いて、Ｃｕ板のはんだ付け面に積層されたはんだ層の上にＳｉＮ基板を設置し、Ｎ_２ガス雰囲気中において、２６０℃の温度で３分間加熱し、はんだ付けを行った。
【００５３】
はんだ付けされた積層部材を超音波探傷試験法によりボイド欠陥を測定評価した結果、ボイド欠陥の占有率は７体積％であった。また、はんだ付けされた積層部材のはんだ接合部の断面におけるせん断強度を測定評価した結果、せん断強度は３５ＭＰａであった。さらに、負荷せん断応力が１５ＭＰａで、温度が−４０℃〜１００℃の条件で熱疲労試験を行った結果、１０００サイクル経過してもクラックの発生が認められなかった。
【００５４】
（実施例４）
Ｓｎ−０．５重量％Ｃｕ−０．２重量％Ｎｉ−０．２重量％Ｍｎを溶解し、圧力が２０ｋｇｆ／ｃｍ^２のＡｒガスを用いたアトマイズ法により、耐酸化性はんだの粉末を製造した。得られた耐酸化性はんだの粉末を篩いにかけ、平均粒径が５μｍ〜３５μｍの範囲の耐酸化性はんだの粉末を採取した。
【００５５】
次に、この採取された耐酸化性はんだの粉末に、フラックスを１０重量％添加し、ペースト状のはんだを調合した。続いて、このペースト状のはんだをＣｕ板のはんだ付け面にスクリーン印刷し、厚さ約１００μｍの印刷皮膜を形成した。
【００５６】
続いて、Ｃｕ板のはんだ付け面に積層されたはんだ層の上にＳｉＮ基板を設置し、Ｎ_２ガス雰囲気中において、２６０℃の温度で３分間加熱し、はんだ付けを行った。
【００５７】
はんだ付けされた積層部材を超音波探傷試験法によりボイド欠陥を測定評価した結果、ボイド欠陥の占有率は５体積％であった。また、はんだ付けされた積層部材のはんだ接合部の断面におけるせん断強度を測定評価した結果、せん断強度は４０ＭＰａであった。さらに、負荷せん断応力が１５ＭＰａで、温度が−４０℃〜１００℃の条件で熱疲労試験を行った結果、１０００サイクル経過してもクラックの発生が認められなかった。
【００５８】
（比較例１）
Ｓｎ−０．７５重量％Ｃｕはんだを溶解し、圧力が２０ｋｇｆ／ｃｍ^２のＡｒガスを用いたアトマイズ法により、耐酸化性はんだの粉末を製造した。得られた耐酸化性はんだの粉末を篩いにかけ、平均粒径が５μｍ〜３５μｍの範囲の耐酸化性はんだの粉末を採取した。
【００５９】
次に、この採取された耐酸化性はんだの粉末に、フラックスを１０重量％添加し、ペースト状のはんだを調合した。続いて、このペースト状のはんだをＣｕ板のはんだ付け面にスクリーン印刷し、厚さ約１００μｍの印刷皮膜を形成した。
【００６０】
続いて、Ｃｕ板のはんだ付け面に積層されたはんだ層の上にＳｉＮ基板を設置し、Ｎ_２ガス雰囲気中において、２６０℃の温度で３分間加熱し、はんだ付けを行った。
【００６１】
はんだ付けされた積層部材を超音波探傷試験法によりボイド欠陥を測定評価した結果、ボイド欠陥の占有率は１５体積％であり、この占有率は、実施例１におけるボイド欠陥の占有率の２．５倍である。また、はんだ付けされた積層部材のはんだ接合部の断面におけるせん断強度を測定評価した結果、せん断強度は１３ＭＰａであり、このせん断強度は、実施例１におけるせん断強度の約２／５倍である。さらに、負荷せん断応力が１５ＭＰａで、温度が−４０℃〜１００℃の条件で熱疲労試験を行った結果、１０００サイクル経過してもクラックの発生が認められた。
【００６２】
この結果と実施例１の結果から、第２従成分を含有することで、ボイド欠陥の占有率を低減することができ、はんだ接合部の断面におけるせん断強度を向上できることがわかる。さらに、第２従成分を含有することで、熱疲労にも優れた特性を示すことがわかる。
【００６３】
（比較例２）
Ｓｎ−３．５重量％Ａｇはんだを溶解し、圧力が２０ｋｇｆ／ｃｍ^２のＡｒガスを用いたアトマイズ法により、耐酸化性はんだの粉末を製造した。得られた耐酸化性はんだの粉末を篩いにかけ、平均粒径が５μｍ〜３５μｍの範囲の耐酸化性はんだの粉末を採取した。
【００６４】
次に、この採取された耐酸化性はんだの粉末に、フラックスを１０重量％添加し、ペースト状のはんだを調合した。続いて、このペースト状のはんだをＣｕ板のはんだ付け面にスクリーン印刷し、厚さ約１００μｍの印刷皮膜を形成した。
【００６５】
続いて、Ｃｕ板のはんだ付け面に積層されたはんだ層の上にＳｉＮ基板を設置し、Ｎ_２ガス雰囲気中において、２６０℃の温度で３分間加熱し、はんだ付けを行った。
【００６６】
はんだ付けされた積層部材を超音波探傷試験法によりボイド欠陥を測定評価した結果、ボイド欠陥の占有率は１７体積％であり、この占有率は、実施例２におけるボイド欠陥の占有率の２倍以上である。また、はんだ付けされた積層部材のはんだ接合部の断面におけるせん断強度を測定評価した結果、せん断強度は１８ＭＰａであり、このせん断強度は、実施例２におけるせん断強度の約２／５倍である。さらに、負荷せん断応力が１５ＭＰａで、温度が−４０℃〜１００℃の条件で熱疲労試験を行った結果、１０００サイクル経過してもクラックの発生が認められた。
【００６７】
この結果と実施例２の結果から、第２従成分を含有することで、ボイド欠陥の占有率を低減することができ、はんだ接合部の断面におけるせん断強度を向上できることがわかる。さらに、第２従成分を含有することで、熱疲労にも優れた特性を示すことがわかる。
【００６８】
ここで、上記した実施例および比較例のはんだの組成および測定結果を表１にまとめて示す。
【表１】

【００６９】
【発明の効果】
本発明の耐酸化性はんだ、耐酸化性はんだの製造方法およびはんだ付け方法によれば、酸化生成物の発生、ボイド欠陥の発生を抑制することができ、熱伝導性、ぬれ性、機械的強度などを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のはんだ付け工程を示す図。
【図２】耐酸化性はんだが設置された第１要素部材の断面図。
【符号の説明】
１００…第１要素部材
１０１…第２要素部材
１０２…耐酸化性はんだ
１０３…酸化皮膜
１０４…はんだ接合部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an oxidation-resistant solder that suppresses the generation of oxides and the generation of void defects and is excellent in thermal conductivity and mechanical strength, a method for manufacturing an oxidation-resistant solder, and a soldering method.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with increasing interest in environmental issues from the viewpoint of protecting the global environment, an increase in the amount of industrial waste disposed of has become a serious problem. Solder is used in, for example, power control computer boards, home appliances, personal computers, and the like included in industrial waste, and harmful heavy metals such as lead may flow out from the solder. For example, when lead flows out, it may act on acid rain to produce an aqueous solution containing lead, and the aqueous solution may invade groundwater.
[0003]
In Japan, the Home Appliance Recycling Law was enacted in 1998, and in 2001 it was obliged to collect used products for home appliances. In Europe, electrical and electronic product waste EU directives have banned the use of certain substances including lead since 2004. In this way, legal regulations regarding the use of lead have been strengthened, and development of lead-free solder has been urgently performed (see, for example, Non-Patent Document 1).
[0004]
Solder plays an important role in mechanically and electrically connecting multiple component parts used in harsh environments with thermal cycles, mechanical shocks, mechanical vibrations, etc. Mechanical properties and physical properties equivalent to those of Sn-Pb solder that has been conventionally used are required.
[0005]
However, in conventional joining of electronic products using lead-free solder, wettability may be reduced due to oxidation of molten solder. Also, in solder joints such as electronic parts, substrates, bases, etc., the presence of oxides reduces the thermal conductivity characteristics, failing to provide sufficient solder strength, resulting in thermal fatigue failure, etc. It may have reached the end of its life.
[0006]
For example, in order to ensure mechanical properties such as solder strength and thermal fatigue strength in a Sn—Cu alloy, an eutectic composition Sn—0.7 wt% Cu or an alloy having a Cu content of about 0.7 is required. It is used. In such an Sn—Cu alloy, Cu is concentrated in the front of solidification of (βSn) dendrites having a Cu solid solution amount of about 0.006 wt%, and (βSn) and η (Sn ₅ Cu ₆ : Eutectic structure of Sn 43.5 to 45.5 atomic%) or eutectic structures of primary crystals η, (βSn) and η. The Sn—Cu intermetallic compound formed in this way exhibits an electrochemically low reduction potential compared to Sn oxide and Cu oxide, and is therefore stable as an oxide and more difficult to remove with flux. (For example, refer nonpatent literature 2).
[0007]
Further, in the conventional soldering method, a laminated member in which a paste-like solder kneaded with a solder alloy powder and a flux is disposed between the joining members is not less than the melting point of the solder alloy in the atmosphere or in an inert gas atmosphere. Soldering is performed by heating to temperature.
[0008]
The flux contains organic acid, hydrohalic acid, surfactant, etc. to remove the oxide film on the surface of the joining member. In addition, tinning is performed to facilitate application, screen printing, etc. Thickeners such as oil, gelatin, emulsifier and polyvinyl compound are added. Such a thickener containing a resin component remains in the solder layer as a residue, causing a decrease in heat transfer characteristics, solder strength, thermal fatigue strength, and the like.
[0009]
[Non-Patent Document 1]
Proposal for a Directive of the European Parliament and of the Council, Waste Electric and Electronic Equipment of the Eur.
[Non-Patent Document 2]
“Sn—Pb solder wettability analysis of Cu and Cu—Sn compounds”, Toyota Central R & D Review, Vol. 31, no. 4 (December 1996)
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, when conventional lead-free solder is used, heat conduction characteristics are reduced due to the presence of oxides at the solder joints, and sufficient solder strength cannot be provided, resulting in thermal fatigue failure. There was a problem that it eventually occurred and the product life was reached.
[0011]
Further, the thickener contained in the flux constituting the paste-like solder remains in the solder layer as a residue, and there is a problem that heat transfer characteristics, solder strength, thermal fatigue strength, and the like are reduced.
[0012]
Therefore, the present invention has been made to solve the above-described problems, and can suppress the generation of oxidation products and void defects, and is excellent in thermal conductivity, wettability, mechanical strength, and the like. An object of the present invention is to provide an oxidation-resistant solder, a method for producing the oxidation-resistant solder, and a soldering method.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the oxidation-resistant solder of the present invention contains 0.02 to 12% by weight of a first subcomponent made of at least one metal selected from Cu, Ag, Au, Co and Ni. And 0.02 to 1.2% by weight of a second subcomponent composed of at least one metal selected from Mn, Pd and Pt, and the balance is composed of Sn and inevitable impurities.
[0014]
According to this oxidation-resistant solder, by forming a solid solution with the second subcomponent, the first subcomponent metal is trapped in the second subcomponent and combined with the main component Sn. Metal is reduced. As a result, it has an electrochemically lower reduction potential and can suppress the formation of oxides in the intermetallic compound, thereby improving the heat conduction characteristics and further significantly improving the solder strength, particularly the thermal fatigue strength. be able to. Moreover, in this oxidation resistant solder, since the production | generation of the oxide in an intermetallic compound can be suppressed, wettability can be improved.
[0015]
The method for producing an oxidation-resistant solder according to the present invention includes 0.02 to 12% by weight of a first subcomponent made of at least one metal selected from Cu, Ag, Au, Co, and Ni, and Mn, Pd And 0.02 to 1.2% by weight of a second secondary component made of at least one metal selected from Pt, with the balance being Sn and inevitable impurities, and a method for producing an oxidation-resistant solder comprising: A melting step of heating and dissolving the mixture of Sn, the first subcomponent, and the second subcomponent mixed at a rate, and quenching the dissolved liquid phase mixture at a cooling rate of 10 ° C./second or more And a coagulation step for coagulation.
[0016]
According to this method for producing oxidation-resistant solder, the melted liquid phase mixture is rapidly solidified at a cooling rate of 10 ° C./second or more, so that an oxidation-resistant solder having a uniform composition is obtained without causing solidification segregation. be able to.
[0017]
The method for producing an oxidation-resistant solder according to the present invention includes 0.02 to 12% by weight of a first subordinate component made of at least one metal selected from Cu, Ag, Au, Co and Ni, and Mn A method for producing an oxidation-resistant solder comprising 0.02 to 1.2% by weight of a second secondary component made of at least one metal selected from Pd and Pt, with the balance being Sn and inevitable impurities, A melting step of heating and dissolving the mixture of Sn, the first subcomponent, and the second subcomponent mixed at a predetermined ratio; and subsonic or supersonic of the dissolved liquid phase mixture together with an inert gas. And a atomizing and solidifying step of atomizing and solidifying the mixture by spraying from a nozzle at a speed of sound.
[0018]
According to this method of producing oxidation-resistant solder, the atomized powder is 10 ³ -10 ⁵ Since it is cooled at a cooling rate on the order of ° C./second, an oxidation resistant solder having a uniform composition can be obtained without causing solidification segregation.
[0019]
The soldering method of the present invention contains 0.02 to 12% by weight of a first secondary component made of at least one metal selected from Cu, Ag, Au, Co and Ni, and is selected from Mn, Pd and Pt. The first and second members are joined using an oxidation-resistant solder containing 0.02 to 1.2% by weight of the second secondary component made of at least one kind of metal and the balance being Sn and inevitable impurities. A soldering method for installing the oxidation-resistant solder on at least one surface of the first member and the second member, and laminating the second member on the surface of the first member. A lamination step; and a heating step of heating the laminated member in the atmosphere or in an inert gas atmosphere to a temperature equal to or higher than a melting point of the oxidation-resistant solder.
[0020]
According to this soldering method, the use of oxidation-resistant solder that has an electrochemically lower reduction potential and can suppress the formation of oxides in intermetallic compounds, so that the heat conduction characteristics in the solder joints In addition, the solder strength, particularly thermal fatigue strength, can be significantly improved. In addition, since the oxidation resistant solder can suppress the formation of oxides in the intermetallic compound, the wettability can be improved, and the occurrence of void defects in the solder joint can be suppressed.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the oxidation resistant solder of the present invention will be described.
The oxidation-resistant solder of the present invention is made of at least one metal selected from the group consisting of Cu, Ag, Au, or VIII of the iron group metal of Co, Ni of the Ib copper group metal that forms a eutectic alloy with the main component Sn. Is selected from metals of Mn, Pd, and Pt that form 0.02 to 12 wt% of the first subcomponent and form a solid solution alloy with the first subcomponent, and that does not form a solid solution alloy with Sn as the main component The second secondary component made of at least one kind of metal is contained in an amount of 0.02 to 1.2% by weight, and the balance is composed of Sn and inevitable impurities.
[0022]
The content of the first subordinate component with respect to the entire oxidation-resistant solder may be a eutectic composition of Sn as the main component and the first subordinate component metal or in the vicinity of the eutectic composition, but is required for the oxidation-resistant solder. It is set appropriately depending on the mechanical properties and melting point. For example, when Cu, Ag, Au, Co, and Ni, which are the first subcomponents, are contained alone, each first subcomponent is Cu: 0.02 to 1.2% by weight, Ag: 3 0.0 to 4.0 wt%, Au: 9.0 to 12.0 wt%, Co: 0.02 to 1.0 wt%, Ni: 0.02 to 0.6 wt% . In addition, when a plurality of components of the first subordinate component are contained in combination, the content of the first subordinate component with respect to the entire oxidation-resistant solder is appropriately set within a range of 0.02 to 1.2% by weight. Is preferred. If the content of the first subordinate component is less than the above-mentioned predetermined range, sufficient mechanical properties cannot be ensured. If the content is too large, the melting point is high and the allowable temperature limit of the component parts may be exceeded.
[0023]
The content of the second secondary component with respect to the entire oxidation resistant solder is appropriately set depending on the mechanical properties and melting point required for the oxidation resistant solder. For example, when Mn, Pd, and Pt, which are the second subcomponents, are contained alone, the second subcomponents are Mn: 0.02 to 1.2% by weight, Pd: 0.02 to 0 .6% by weight, Pt: 0.02 to 0.6% by weight. In addition, when a plurality of components of the second subordinate component are contained in combination, the content of the second subordinate component with respect to the entire oxidation resistant solder should be appropriately set within a range of 0.02 to 1.2% by weight. Is preferred. When the content of the second secondary component is less than the above-described predetermined range, an effect of suppressing the formation of oxides in a sufficient intermetallic compound cannot be obtained, and when the content is large, the melting point is high and the material cost increases.
[0024]
The oxidation resistant solder is preferably a spherical or irregularly shaped powder, and the average particle size is preferably in the range of 1 to 100 μm. When the average particle size of the oxidation resistant solder is less than 1 μm, the cooling rate is high and an oxidation resistant solder having a uniform structure can be obtained. However, the time required for forming a solder layer having a predetermined thickness in the soldering process May take a long time. Further, if the average particle size of the oxidation resistant solder exceeds 100 μm, it may be difficult to adjust the thickness of the solder layer appropriately.
[0025]
According to this oxidation-resistant solder, by forming a solid solution with the second subcomponent, the first subcomponent metal is trapped in the second subcomponent and combined with the main component Sn. Metal is reduced. As a result, it has an electrochemically lower reduction potential and can suppress the formation of oxides in the intermetallic compound, thereby improving the heat conduction characteristics and further significantly improving the solder strength, particularly the thermal fatigue strength. be able to. Moreover, in this oxidation resistant solder, since the production | generation of the oxide in an intermetallic compound can be suppressed, wettability can be improved.
[0026]
Next, an example of the manufacturing method of oxidation-resistant solder is shown.
First, a mixture of the first subcomponent metal, the second subcomponent metal and Sn mixed at a predetermined ratio is heated and dissolved. Subsequently, the dissolved mixture is poured into a mold, cooled and solidified. The cooling rate of the mixture in this cooling step is about 10 ° C./second. In addition, you may use the metal mold | die which has a water cooling function as a metal mold | die, and the cooling rate of the mixture in this case is about 100 degreeC / sec, and can obtain the oxidation resistant solder of a more uniform composition. Further, the oxidation resistant solder can be formed as a foil body by rolling or the like.
[0027]
According to this method for producing oxidation-resistant solder, the melted liquid phase mixture is rapidly solidified at a cooling rate of 10 ° C./second or more, so that an oxidation-resistant solder having a uniform composition is obtained without causing solidification segregation. be able to.
[0028]
Moreover, the oxidation resistant solder can also be produced by the following manufacturing method.
First, a mixture of the first subcomponent metal, the second subcomponent metal and Sn mixed at a predetermined ratio is heated and dissolved. Subsequently, the dissolved mixture is, for example, N ₂ Gas, He gas, Ar gas, N ₂ / Atomized by using an inert gas such as Ar mixed gas, etc. and then solidified. In this atomization method, a dissolved mixture is jetted together with an inert gas from a nozzle at a subsonic speed or a supersonic speed, and the dissolved mixture is atomized by a jet flow of the inert gas. And the powder which has the average particle diameter of a predetermined range is screened from the atomized powder of the oxidation resistant solder using a sieve etc., for example.
[0029]
The powder of the mixture that has been atomized and solidified has a smaller average particle diameter when the speed of the jet flow of the inert gas ejected from the nozzle is larger. In particular, when the jet flow reaches, for example, a supersonic state of about 2 to 3 times the speed of sound, the effect of atomization by a shock wave is added, and the average particle diameter of the powder can be further reduced. Further, since the inert gas is used as the jet flow, oxidation on the surface of the powder can be suppressed. Air or water can be used in place of the inert gas. However, when air or water is used, the effect of suppressing the oxidation of the powder surface is small. It is preferable to use an inert gas for the jet stream because the shape is unlikely to be spherical.
[0030]
Furthermore, in the atomization method using this inert gas, the atomized powder is 10 ³ -10 ⁵ Since it is cooled at a cooling rate on the order of ° C./second, an oxidation resistant solder having a uniform composition can be obtained without causing solidification segregation.
[0031]
Next, a soldering method using the oxidation-resistant solder obtained by the above-described oxidation-resistant solder manufacturing method will be described with reference to FIG. FIG. 1 shows a process of soldering the first element member 100 and the second element member 101 configured by flat plates with an oxidation-resistant solder 102.
[0032]
First, the oxide film 103 formed on the soldering surfaces of the first element member 100 and the second element member 101 is removed (FIGS. 1A and 1B). The oxide film 103 is formed by, for example, shot blasting or air blasting with the first element member 100 and the second element member 101 at a speed of several m / second to several tens of m / second together with air or an inert gas. It can be scraped off by making it collide with the soldering surface. Grinding materials are, for example, steel, SiC, Al ₂ O ₃ Spherical particles such as are preferable.
The average particle size of the abrasive is appropriately selected according to the required surface roughness, but is generally preferably in the range of 10 μm to 50 μm. The oxide film 103 can also be removed chemically by immersing the soldering surfaces of the first element member 100 and the second element member 101 in an etching solution.
[0033]
Subsequently, the powder of the oxidation resistant solder 102 is uniformly placed on the soldering surface of the first element member 100 from which the oxide film 103 has been removed ((c) of FIG. 1). Then, the second element member 101 is laminated on the first element member 100 on which the powder of the oxidation resistant solder 102 is placed with the soldering surface of the second element member 101 facing down ((d) in FIG. 1). ). This laminated member is heated to a temperature equal to or higher than the melting point of the oxidation-resistant solder 102, for example, in the air or in an inert gas atmosphere. The powder of the oxidation resistant solder 102 melted by the heating is subjected to a cooling process to obtain a solder joint 104 having a cross-sectional shape as shown in FIG.
[0034]
This soldering method uses an oxidation-resistant solder 102 that has an electrochemically lower reduction potential and can suppress the formation of oxides in intermetallic compounds. In addition, the solder strength, particularly thermal fatigue strength, can be remarkably improved. In addition, since the oxidation resistant solder 102 can suppress the formation of oxides in the intermetallic compound, the wettability can be improved and the generation of void defects in the solder joint 104 can be suppressed.
[0035]
Further, another method for uniformly installing the oxidation resistant solder 102 on the soldering surface of the first element member 100 from which the oxide film 103 has been removed will be described with reference to FIG.
[0036]
In this installation method, the powder of the oxidation resistant solder 102 is caused to collide with the soldering surface of the first element member 100 at a high speed together with the air or the inert gas in the air at room temperature or in the inert gas atmosphere. The solder is laminated on the soldering surface of the first element member 100. Note that the oxidation-resistant solder 102 powder may be laminated on the soldering surface of the second element member 101 by a similar method.
[0037]
Here, the collision speed of the powder of the oxidation resistant solder 102 that collides with the soldering surfaces of the first element member 100 and the second element member 101 together with air or an inert gas is preferably 100 m / second or more. If it is higher than this collision speed, the powder of the oxidation resistant solder 102 is sufficiently plastically deformed and can be laminated on the soldering surface of the first element member 100 or the second element member 101 as shown in FIG. .
[0038]
Further, the installation of the oxidation-resistant solder 102 may be performed in the air and using air as a carrier medium for the oxidation-resistant solder 102. However, the oxidation-resistant solder 102 may be the first element member 100 or the first element. In order to prevent oxidation due to heat generated when it collides with the soldering surface of the two-element member 101, it is preferable to carry out in an inert gas atmosphere and using an inert gas as a carrier medium for the oxidation-resistant solder 102. . The oxidation-resistant solder 102 can be laminated on the soldering surface of the first element member 100 and the second element member 101 by shot blasting or air blasting.
[0039]
This soldering method uses an oxidation-resistant solder 102 that has an electrochemically lower reduction potential and can suppress the formation of oxides in intermetallic compounds. In addition, the solder strength, particularly thermal fatigue strength, can be significantly improved. In addition, since the oxidation resistant solder 102 can suppress the formation of oxides in the intermetallic compound, the wettability can be improved and the generation of void defects in the solder joint 104 can be suppressed.
[0040]
In this soldering method, the oxidation-resistant solder 102 is laminated on the soldering surfaces of the first element member 100 and the second element member 101 from which the oxide film 103 has been removed. It is not necessary to use the flux used to remove the film 103 and to apply the oxidation resistant solder 102. Therefore, since the thickener contained in the flux does not remain as a residue in the solder joint portion 104, heat transfer characteristics, solder strength, thermal fatigue strength, and the like can be improved.
[0041]
【Example】
Next, specific examples of the present invention will be described.
[0042]
(Example 1)
Sn-0.7 wt% Cu-0.1 wt% Pd is dissolved and the pressure is 20 kgf / cm ² Oxidation-resistant solder powder was produced by an atomizing method using Ar gas. The obtained oxidation-resistant solder powder was sieved, and an oxidation-resistant solder powder having an average particle size in the range of 5 μm to 35 μm was collected.
[0043]
Next, the collected oxidation-resistant solder powder is N ₂ Along with the gas, it was made to collide with a soldering surface of a Cu plate plated with Ni at a collision speed of about 150 m / sec and laminated to form a solder layer having a thickness of about 100 μm.
[0044]
Subsequently, an SiN substrate is placed on the solder layer laminated on the soldering surface of the Cu plate, and N ₂ In a gas atmosphere, soldering was performed by heating at a temperature of 260 ° C. for 3 minutes.
[0045]
As a result of measuring and evaluating the void defect in the soldered laminated member by the ultrasonic flaw detection test method, the occupation ratio of the void defect was 6% by volume. Moreover, as a result of measuring and evaluating the shear strength in the cross section of the solder joint portion of the soldered laminated member, the shear strength was 32 MPa. Furthermore, as a result of conducting a thermal fatigue test under the conditions of a load shear stress of 15 MPa and a temperature of −40 ° C. to 100 ° C., no cracks were observed even after 1000 cycles.
[0046]
(Example 2)
Sn-3.5 Ag weight% Cu-0.1 weight% Pd is dissolved, and the pressure is 20 kgf / cm. ² Oxidation-resistant solder powder was produced by an atomizing method using Ar gas. The obtained oxidation-resistant solder powder was sieved, and an oxidation-resistant solder powder having an average particle size in the range of 5 μm to 35 μm was collected.
[0047]
Next, the collected oxidation-resistant solder powder is N ₂ Along with the gas, it was made to collide with a soldering surface of a Cu plate plated with Ni at a collision speed of about 150 m / sec and laminated to form a solder layer having a thickness of about 100 μm.
[0048]
Subsequently, an SiN substrate is placed on the solder layer laminated on the soldering surface of the Cu plate, and N ₂ In a gas atmosphere, soldering was performed by heating at a temperature of 260 ° C. for 3 minutes.
[0049]
As a result of measuring and evaluating the void defect in the soldered laminated member by the ultrasonic flaw detection test method, the occupation ratio of the void defect was 7.5% by volume. Moreover, as a result of measuring and evaluating the shear strength in the cross section of the solder joint portion of the soldered laminated member, the shear strength was 46 MPa. Furthermore, as a result of conducting a thermal fatigue test under the conditions of a load shear stress of 15 MPa and a temperature of −40 ° C. to 100 ° C., no cracks were observed even after 1000 cycles.
[0050]
Example 3
Sn-0.7 wt% Cu-0.2 wt% Mn is dissolved and the pressure is 20 kgf / cm ² Oxidation-resistant solder powder was produced by an atomizing method using Ar gas. The obtained oxidation-resistant solder powder was sieved, and an oxidation-resistant solder powder having an average particle size in the range of 5 μm to 35 μm was collected.
[0051]
Next, 10% by weight of flux was added to the collected oxidation-resistant solder powder to prepare paste solder. Subsequently, this paste solder was screen-printed on the soldering surface of the Cu plate to form a printed film having a thickness of about 100 μm.
[0052]
Subsequently, an SiN substrate is placed on the solder layer laminated on the soldering surface of the Cu plate, and N ₂ In a gas atmosphere, soldering was performed by heating at a temperature of 260 ° C. for 3 minutes.
[0053]
As a result of measuring and evaluating void defects in the soldered laminated member by the ultrasonic flaw detection test method, the void defect occupancy was 7% by volume. Moreover, as a result of measuring and evaluating the shear strength in the cross section of the solder joint portion of the soldered laminated member, the shear strength was 35 MPa. Furthermore, as a result of conducting a thermal fatigue test under the conditions of a load shear stress of 15 MPa and a temperature of −40 ° C. to 100 ° C., no cracks were observed even after 1000 cycles.
[0054]
(Example 4)
Sn-0.5 wt% Cu-0.2 wt% Ni-0.2 wt% Mn is dissolved and the pressure is 20 kgf / cm. ² Oxidation-resistant solder powder was produced by an atomizing method using Ar gas. The obtained oxidation-resistant solder powder was sieved, and an oxidation-resistant solder powder having an average particle size in the range of 5 μm to 35 μm was collected.
[0055]
Next, 10% by weight of flux was added to the collected oxidation-resistant solder powder to prepare paste solder. Subsequently, this paste solder was screen-printed on the soldering surface of the Cu plate to form a printed film having a thickness of about 100 μm.
[0056]
Subsequently, an SiN substrate is placed on the solder layer laminated on the soldering surface of the Cu plate, and N ₂ In a gas atmosphere, soldering was performed by heating at a temperature of 260 ° C. for 3 minutes.
[0057]
As a result of measuring and evaluating the void defect in the soldered laminated member by the ultrasonic flaw detection test method, the occupation ratio of the void defect was 5% by volume. Moreover, as a result of measuring and evaluating the shear strength in the cross section of the solder joint portion of the soldered laminated member, the shear strength was 40 MPa. Furthermore, as a result of conducting a thermal fatigue test under the conditions of a load shear stress of 15 MPa and a temperature of −40 ° C. to 100 ° C., no cracks were observed even after 1000 cycles.
[0058]
(Comparative Example 1)
Sn-0.75 wt% Cu solder is dissolved and the pressure is 20 kgf / cm ² Oxidation-resistant solder powder was produced by an atomizing method using Ar gas. The obtained oxidation-resistant solder powder was sieved, and an oxidation-resistant solder powder having an average particle size in the range of 5 μm to 35 μm was collected.
[0059]
Next, 10% by weight of flux was added to the collected oxidation-resistant solder powder to prepare paste solder. Subsequently, this paste solder was screen-printed on the soldering surface of the Cu plate to form a printed film having a thickness of about 100 μm.
[0060]
Subsequently, an SiN substrate is placed on the solder layer laminated on the soldering surface of the Cu plate, and N ₂ In a gas atmosphere, soldering was performed by heating at a temperature of 260 ° C. for 3 minutes.
[0061]
As a result of measuring and evaluating the void defect of the soldered laminated member by the ultrasonic flaw detection test method, the void defect occupancy rate is 15% by volume, and this occupancy rate is 2. 5 times. Moreover, as a result of measuring and evaluating the shear strength at the cross section of the solder joint portion of the soldered laminated member, the shear strength is 13 MPa, and this shear strength is about 2/5 times the shear strength in Example 1. Furthermore, as a result of conducting a thermal fatigue test under conditions of a load shear stress of 15 MPa and a temperature of −40 ° C. to 100 ° C., generation of cracks was observed even after 1000 cycles.
[0062]
From this result and the result of Example 1, it can be seen that the inclusion of the second subcomponent can reduce the void defect occupancy and improve the shear strength in the cross section of the solder joint. Furthermore, it turns out that the characteristic excellent also in thermal fatigue is shown by containing a 2nd subcomponent.
[0063]
(Comparative Example 2)
Sn-3.5wt% Ag solder is melted and the pressure is 20kgf / cm ² Oxidation-resistant solder powder was produced by an atomizing method using Ar gas. The obtained oxidation-resistant solder powder was sieved, and an oxidation-resistant solder powder having an average particle size in the range of 5 μm to 35 μm was collected.
[0064]
Next, 10% by weight of flux was added to the collected oxidation-resistant solder powder to prepare paste solder. Subsequently, this paste solder was screen-printed on the soldering surface of the Cu plate to form a printed film having a thickness of about 100 μm.
[0065]
Subsequently, an SiN substrate is placed on the solder layer laminated on the soldering surface of the Cu plate, and N ₂ In a gas atmosphere, soldering was performed by heating at a temperature of 260 ° C. for 3 minutes.
[0066]
As a result of measuring and evaluating the void defect of the soldered laminated member by the ultrasonic flaw detection test method, the void defect occupancy rate is 17% by volume, and this occupancy rate is twice the void defect occupancy rate in Example 2. That's it. Further, as a result of measuring and evaluating the shear strength in the cross section of the solder joint portion of the soldered laminated member, the shear strength is 18 MPa, and this shear strength is about 2/5 times the shear strength in Example 2. Furthermore, as a result of conducting a thermal fatigue test under conditions of a load shear stress of 15 MPa and a temperature of −40 ° C. to 100 ° C., generation of cracks was observed even after 1000 cycles.
[0067]
From these results and the results of Example 2, it can be seen that the inclusion of the second subcomponent can reduce the void defect occupancy and improve the shear strength in the cross section of the solder joint. Furthermore, it turns out that the characteristic excellent also in thermal fatigue is shown by containing a 2nd subcomponent.
[0068]
Here, the compositions and measurement results of the solders of the above-described examples and comparative examples are summarized in Table 1.
[Table 1]

[0069]
【The invention's effect】
According to the oxidation-resistant solder, the oxidation-resistant solder manufacturing method and the soldering method of the present invention, generation of oxidation products and generation of void defects can be suppressed, and heat conductivity, wettability, and mechanical strength can be suppressed. Etc. can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a soldering process of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a first element member on which an oxidation-resistant solder is installed.
[Explanation of symbols]
100: First element member
101 ... 2nd element member
102 ... Oxidation resistant solder
103 ... Oxide film
104 ... Solder joint

Claims

Contains 0.02 to 12% by weight of a first secondary component made of at least one metal selected from Cu, Ag, Au, Co and Ni, and consists of at least one metal selected from Mn, Pd and Pt An oxidation-resistant solder comprising 0.02 to 1.2% by weight of a second secondary component, the balance being Sn and inevitable impurities.

The oxidation-resistant solder is formed by rapidly solidifying a molten liquid phase mixture comprising the first subcomponent, the second subcomponent, the Sn, and the inevitable impurities at a cooling rate of 10 ° C./second or more. The oxidation-resistant solder according to claim 1.

The oxidation-resistant solder according to claim 1 or 2, wherein the oxidation-resistant solder is a spherical or irregularly shaped powder having an average particle diameter of 1 to 100 µm.

The oxidation-resistant solder according to claim 1 or 2, wherein the oxidation-resistant solder is a foil body.

Contains 0.02 to 12% by weight of a first subcomponent composed of at least one metal selected from Cu, Ag, Au, Co and Ni, and consists of at least one metal selected from Mn, Pd and Pt A method for producing an oxidation-resistant solder containing 0.02 to 1.2% by weight of a second subordinate component, the balance being Sn and inevitable impurities,
A melting step of heating and dissolving the mixture of Sn, the first subcomponent and the second subcomponent mixed at a predetermined ratio;
A solidification step of rapidly solidifying the melted liquid phase mixture at a cooling rate of 10 ° C./second or more.

Contains 0.02 to 12% by weight of a first subcomponent composed of at least one metal selected from Cu, Ag, Au, Co and Ni, and consists of at least one metal selected from Mn, Pd and Pt A method for producing an oxidation-resistant solder containing 0.02 to 1.2% by weight of a second subordinate component, the balance being Sn and inevitable impurities,
A melting step of heating and dissolving the mixture of Sn, the first subcomponent and the second subcomponent mixed at a predetermined ratio;
An anti-oxidation solder comprising an atomizing and solidifying step of atomizing and solidifying the mixture by injecting the dissolved liquid phase mixture together with an inert gas from a nozzle at subsonic or supersonic speed. Production method.

7. The oxidation resistance according to claim 6, further comprising a selection step of selecting an oxidation resistant solder having a particle size within a predetermined range from the oxidation resistant solder atomized into powder in the atomization and solidification step. Manufacturing method of conductive solder.

Contains 0.02 to 12% by weight of a first subcomponent composed of at least one metal selected from Cu, Ag, Au, Co and Ni, and consists of at least one metal selected from Mn, Pd and Pt A soldering method for joining the first member and the second member using an oxidation-resistant solder containing 0.02 to 1.2% by weight of the second subcomponent and the balance being Sn and inevitable impurities,
An installation step of installing the oxidation-resistant solder on at least one surface of the first member and the second member;
A laminating step of laminating the second member on the surface of the first member;
And a heating step of heating the laminated member in the air or in an inert gas atmosphere to a temperature equal to or higher than the melting point of the oxidation-resistant solder.

In the installation process of installing the oxidation resistant solder,
The oxidation-resistant solder powder is allowed to collide with the surface of the first member or the second member together with air or an inert gas in the air at room temperature or in an inert gas atmosphere, and the oxidation-resistant solder is moved to the first member. The soldering method according to claim 8, wherein the soldering method is laminated on the surface of one member or the second member.

9. The method according to claim 8, further comprising an oxide film removing step of removing an oxide film formed on the surfaces of the first member and the second member before the installation step of installing the oxidation resistant solder. 9. The soldering method according to 9.

In the oxide film removal step,
The soldering method according to claim 10, wherein an abrasive film is collided with gas on the oxide films formed on the surfaces of the first member and the second member to remove the oxide film.

In the oxide film removal step,
The soldering method according to claim 10, wherein an oxide film formed on surfaces of the first member and the second member is chemically removed.