專利名稱：無Pb焊料、焊料被覆導體以及使用該無Pb焊料的電氣部件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于將一方的導體與另一方的導體進行焊料接合的以Sn為主成分的無Pb焊料、焊料被覆導體以及使用該無Pb焊料的電氣部件。
背景技術：
在汽車、工業(yè)機械等中，使用為了進行焊接而實施了鍍銀的電容器、引線，印刷有銀膏的基板等電氣部件。該焊接中以往經(jīng)常使用Sn-Pb系焊料，但是隨著Pb控制，現(xiàn)在多數(shù)使用純Sn系、Sn-Ag系、Sn-Ag-Cu系、Sn-Cu系等的無Pb焊料。
已知，在將以Ag為主成分的導體與其它導體通過以Sn為主成分的無Pb焊料進行連接的情況下，沿著以Ag為主成分的導體與焊料之間的接合界面形成作為金屬間化合物的 Ag3Sn。如果Ag與無Pb焊料的接合部為車載用或保持于直射日光下等高溫環(huán)境中，則即使保持溫度為焊料的熔點以下，也會因為焊料中的Sn與Ag的相互擴散而在接合界面以層狀形成作為金屬間化合物的Ag3Sn。此時保持溫度越高，相互擴散越進展，金屬間化合物層生長越厚。由于金屬間化合物一般較脆，因此在無Pb焊料與導體之間的金屬間化合物層較厚地生長的情況下，在該金屬間化合物層中或在金屬間化合物與焊料和導體界面容易發(fā)生斷裂，焊料連接部的強度顯著降低成為問題。因此，在這樣的焊料接合的用途中，尋求即使在60 150°C的高溫環(huán)境中長期使用，銀鍍層、銀膏與無Pb焊料的接合界面也具有充分的接合強度，且耐疲勞、耐沖擊性優(yōu)異的連接可靠性高的無Pb焊料?，F(xiàn)有技術文獻專利文獻專利文獻I :日本特開平6-169160號公報專利文獻2 :日本特開平2-18989號公報專利文獻3 :日本特開平4-3490號公報專利文獻4 :日本特開2008-182126號公報

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明所要解決的問題專利文獻I報告了通過使用Sn-3. 5重量％ Ag焊料，即使在高溫環(huán)境(150°C )中也可抑制與Ag之間的接合界面的Ag3Sn的生長。相對于有鉛焊料，在Sn-3. 5重量％ Ag焊料的情況下，由于高溫環(huán)境中的接合界面處的Sn的擴散被抑制，因此Ag3Sn的生長被抑制。然而，實際上，Sn的擴散抑制不充分，在長時間保持為高溫的情況下，該Ag3Sn繼續(xù)生長，因此連接可靠性被視為問題。
專利文獻2、3和4中報告了在焊料與Ag之間的接合界面形成由其它金屬形成的中間層、Ni層，能夠抑制Ag與焊料之間的相互擴散、Ag3Sn化合物的生長。特別是在專利文獻4中，由于與Sn與Ag之間相比，Sn與Ni之間不易發(fā)生相互擴散，因此通過在Sn與Ag之間形成Ni層而成為擴散的阻擋層，從而具有抑制金屬間化合物生成的效果。關于導體表面上的Ni層形成，一般已知接合界面的擴散抑制效果，但是Ni在大氣中容易氧化，從而擔心焊料潤濕性降低。而且，由于質(zhì)地堅硬，因而容易破裂，從而還有因為破裂而使Ag與焊料直接接觸，擴散抑制效果消失的擔心。因此，本發(fā)明的目的在于提供相對于以往的無Pb焊料可以進一步抑制保持高溫時Ag與焊料之間的界面的金屬間化合物層的生長，且具備焊料接合部的良好的焊料潤濕性的以Sn為主成分的無Pb焊料、焊料被覆導體以及使用該無Pb焊料的電氣部件。用于解決課題的方法 為了解決上述課題而首創(chuàng)的本發(fā)明涉及一種無Pb焊料，其為用于將一方的導體與另一方的導體進行焊料接合的以Sn為主成分的無Pb焊料，其特征在于，所述一方的導體和所述另一方的導體中的至少任意一方在其表面具備以Ag為主成分的層，所述以Sn為主成分的無Pb焊料中包含Zn。優(yōu)選Zn含量為0. 05質(zhì)量％以上I. 0質(zhì)量％以下。此外，本發(fā)明涉及一種焊料被覆導體，其為具備用于與導體進行焊料接合的無Pb焊料層的焊料被覆導體，其特征在于，所述導體至少在其表面具備以Ag為主成分的層，所述無Pb焊料層以Sn為主成分，并且包含Zn。優(yōu)選所述無Pb焊料層的Zn含量為0. 05質(zhì)量％以上I. 0質(zhì)量％以下。此外，本發(fā)明涉及一種電氣部件，其為一方的導體與另一方的導體通過以Sn為主成分的無Pb焊料被接合而形成的電氣部件，其特征在于，在所述一方的導體與所述另一方的導體之間形成有接合部，所述一方的導體和所述另一方的導體中的至少任意一方在其表面具備以Ag為主成分的層，所述接合部含有Zn，剩余部分中含有Sn。優(yōu)選所述接合部的Zn含量為0. 05質(zhì)量％以上I. 0質(zhì)量％以下。優(yōu)選地，在所述導體中的、至少其表面具備以Ag為主成分的層的導體與所述接合部之間的界面形成有包含Ag-Sn-Zn系金屬間化合物的層。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明，可以提供相對于以往的無Pb焊料可以進一步抑制保持高溫時Ag與焊料之間的界面的金屬間化合物層的生長，且具備焊料接合部的良好的焊料潤濕性的以Sn為主成分的無Pb焊料、焊料被覆導體以及使用該無Pb焊料的電氣部件。


圖I是表示由Zn的添加帶來的無Pb焊料與Ag之間的接合界面的金屬間化合物的生長抑制效果的示意圖，(a)表示無Pb焊料與銀板之間的接合界面的金屬間化合物的生長狀態(tài)，(b)表示不含Zn的以往的無Pb焊料與銀板之間的接合界面的金屬間化合物的生長狀態(tài)。圖2是表示本發(fā)明的適用例的圖。
圖3是表示本發(fā)明的適用例的圖。圖4是表示本發(fā)明的適用例的圖。圖5是表不金屬間化合物層厚度的測定方法的不意圖。圖6是實施例的在150°C保持2000hr后的截面觀察照片。圖7是比較例的在150°C保持2000hr后的截面觀察照片。圖8是表示實施例和比較例的150°C時的金屬間化合物層的生長行為的圖。符號說明I :無 Pb 焊料 2 :導體3:金屬間化合物層11 以往的無Pb焊料13 由Ag3Sn構成的金屬間化合物層
具體實施例方式以下，基于附圖詳述本發(fā)明的優(yōu)選的一個實施方式。如圖1(a)所示，本實施方式涉及的無Pb焊料I是用于將一方的導體2與另一方的導體(未圖示)進行焊料接合的以Sn為主成分的無Pb焊料。這里，特征是，導體的一方(例如，導體2)至少在其表面具備以Ag為主成分的層，以Sn為主成分的無Pb焊料中包含Zn。本實施方式中，導體2使用銀板。無Pb焊料I中的Zn含量優(yōu)選為0.05質(zhì)量％以上1.0質(zhì)量％以下。其理由如下所述。本發(fā)明人對添加至無Pb焊料中的Zn濃度進行了深入研究，結果發(fā)現(xiàn)，Zn濃度越高，則抑制界面化合物層的生長的效果越好。此外，由該研究可知，通過使Zn含量為0. 05質(zhì)量％以上，容易得到保持高溫時界面化合物層的生長的生長抑制效果。然而，Zn容易氧化，因此如果Zn含量過多，則對Ag的潤濕性變差，在接合界面容易形成多個缺陷。因此，Zn含量優(yōu)選為I. 0質(zhì)量％以下。對該無Pb焊料I的作用進行說明。通過在以Sn為主成分的無Pb焊料中添加微量的Zn，Zn在與以Ag為主成分的層之間的接合界面處富集，因此在界面附近形成Ag-Sn-Zn系金屬間化合物。因此，在添加了微量的Zn的情況下，界面的金屬間化合物層3為Ag-Sn-Zn系金屬間化合物,成為例如由Ag-Sn-Zn化合物或Ag-Sn-Zn化合物和Ag3Sn構成的狀態(tài)。通過形成該Ag-Sn-Zn化合物或Ag-Sn-Zn化合物和Ag3Sn,從而妨礙在高溫下這些化合物層的生長。對于不含Zn的通常的無Pb焊料而言，如圖1(b)所示，由于無Pb焊料11中的Sn與導體2的表面的Ag的相互擴散而在接合界面形成作為金屬間化合物的Ag3Sn,如果保持溫度高，則由該Ag3Sn構成的金屬間化合物層13較厚地生長。與此相對，對于本實施方式涉及的無Pb焊料I而言，Ag-Sn-Zn化合物與Ag3Sn相t匕，在與焊料之間的界面，Sn與Ag的相互擴散速度慢，因此金屬間化合物層3的生長被抑制。即Ag-Sn-Zn化合物發(fā)揮相互擴散的障礙那樣的作用。如果通過Zn的添加可以抑制高溫狀態(tài)下金屬間化合物層3的生長，則接合強度提高，即使在高溫環(huán)境中也可以獲得高可靠性。另外，作為導體的具體組合，只要是銀成分與無Pb焊料I接觸的構成，就沒有特別限定，例如，如圖2所示，可列舉銀板22與由Cu構成的布線材料(例如引線)24的組合。只要采用無Pb焊料I進行接合，就可以在布線材料24側(cè)實施錫、金、銀、焊料等的鍍敷。此外，只要不在以Ag為主成分的層與無Pb焊料I之間的界面使用，就可以對這些鍍層的基底實施鎳鍍。此外，不限于此，在導體的具體組合中，可以不一定是單獨的導體，只要在該構件的構成要素中包含導體即可。例如可以是具備電極的電子部件、具有導電圖案的絕緣基板那樣的構件。例如，如圖3所示，可以在具有布線圖案34的陶瓷基板35上介由無Pb焊料I來安裝具有被覆有銀鍍層32的銀電極的電子部件(電容器、IC芯片等)36。此外，不限于此，如圖4所示，也可以是將通過熱浸鍍法實施了無Pb焊料I的鍍敷被覆的布線材料44與在陶瓷基板35上形成的銀膏42進行接合的結構。此外，不限于陶瓷 基板35，其原材料也可以是有機膜(例如玻璃環(huán)氧基板或聚酰亞胺基板等)。另外，本實施方式中，主成分是指，如果在含有成分中最多，則包含該含有成分的成分。而且，以Ag為主成分的層是指，例如，如果在含有成分中Ag最多，則包含Ag的層。因此不需要一定是銀鍍層，也可以是與有機溶劑混合得到的銀膏，此外，只要不損害本發(fā)明的效果，則也可以為包含Ag以外的添加元素的銀合金層。此外，本實施方式中，只要至少在其表面具備以Ag為主成分的層即可，以Ag為主成分的層被覆表面的芯的部分可以為鋼材，也可以為鋁，還可以為銅材。即，不需要導體的整體由Ag構成。如以上所說明地那樣，根據(jù)本發(fā)明，可以提供相對于以往的無Pb焊料可以進一步抑制保持高溫時Ag與焊料之間的界面的金屬間化合物層的生長，且具備焊料接合部的良好的焊料潤濕性的以Sn為主成分的無Pb焊料、焊料被覆導體以及使用該無Pb焊料的電氣部件。此外，由于可以確實地抑制保持高溫時以Ag為主成分的層與以Sn為主成分的焊料之間的接合界面的金屬間化合物層的生長，因此即使在高溫環(huán)境中使用的電子設備的焊料接合部也可獲得長期可靠性。實施例以下對本發(fā)明的實施例和比較例進行說明。(實施例)通過熱浸鍍法在厚度0. 2mm的銀板上形成厚度約50 y m的包含Sn_3. 0質(zhì)量％Ag-O. 5質(zhì)量％ Cu-O. 2質(zhì)量％ Zn的無Pb焊料鍍層。此時的鍍敷浴溫為260°C，浸潰5秒而實施鍍敷。剛鍍敷后的金屬間化合物層的厚度為1.7 ym。將其供于高溫保持試驗，研究添加了 Zn的焊料的金屬間化合物層的生長厚度。在設定為150°C的恒溫槽中保持各個時間直到2000hr,利用光學顯微鏡對在無Pb焊料鍍層與Ag之間的界面形成的Ag-Sn-Zn系金屬間化合物層進行截面觀察。此時，如圖5所示，使用圖像處理軟件測定金屬間化合物層的面積，將該面積除以相對于銀板與無Pb焊料之間的界面平行的面積測定部的寬度，測量金屬間化合物層的厚度。
(比較例)作為比較例，采用與實施例同樣的方法同樣地在厚度0. 2mm的銀板上形成厚度約50 um的不含Zn的包含Sn_3. 0質(zhì)量％ Ag-O. 5質(zhì)量％ Cu的以往的無Pb焊料鍍層。剛鍍敷后的金屬間化合物層的厚度為I. 3 y m。對于比較例，也實施與實施例同樣的高溫保持試驗，使用同樣的方法測量金屬間化合物層的厚度。圖6、7表示本實驗中得到的在150°C保持2000hr后的實施例和比較例的截面觀察照片。分析實施例的金屬間化合物層的成分，結果為Ag-Sn-Zn系金屬間化合物層，同樣地分析比較例的金屬間化合物層的成分，結果形成了 Ag3Sn的金屬間化合物層。此外，通過與上述同樣的方法測定金屬間化合物層的厚度，結果實施例的金屬間化合物層的厚度為7. 0 ii m，與此相對，比較例的金屬間化合物層的厚度為8. 3 ii m的厚度。此外，圖8表示在150°C環(huán)境中的金屬間化合物層的生長行為的比較。由此確認 比較例中，在150°C保持2000hr后，金屬間化合物層厚度生長7. 0 y m，與此相對，實施例中為5. 3 y m，生長得到大幅度抑制。另外，圖8的圖中，實施例、比較例的金屬組成的數(shù)值單位為質(zhì)量％。因此，雖然這里將界面的金屬間化合物層的厚度作為無Pb焊料的接合界面的連接可靠性的指標而進行了評價，但是由上述實驗的結果可知，與比較例相比，實施例可以大幅度抑制金屬間化合物的生長，可以說，實施例與比較例相比，廣泛具有無Pb焊料的接合界面的連接可靠性。此外，本發(fā)明的無Pb焊料由于在與銀板之間的界面不存在中間層，因此與以往的以Sn為主成分的無Pb焊料相比，不會使焊料潤濕性降低而具備良好的焊料潤濕性。此外，本發(fā)明的無Pb焊料中，除了上述各成分以外，在不損害本發(fā)明目的的范圍內(nèi)，根據(jù)需要也可以含有例如Bi、In、P、Sb、Mg、Au等其它元素。由此，可以進一步降低焊接時和焊接后的焊料合金的熔點。另外，作為本發(fā)明的無Pb焊料，只要以Sn為主成分且含有Zn，并且不添加Pb，就沒有特別限定，可以是純Sn系、Sn-Ag系、Sn-Ag-Cu系、Sn-Cu系中的任一種。
權利要求
1.一種無Pb焊料，其為用于將一方的導體與另一方的導體進行焊料接合的以Sn為主成分的無Pb焊料，其特征在于，所述一方的導體和所述另一方的導體中的至少任意一方在其表面具備以Ag為主成分的層，所述以Sn為主成分的無Pb焊料中包含Zn。
2.根據(jù)權利要求I所述的無Pb焊料，Zn含量為0.05質(zhì)量％以上I. 0質(zhì)量％以下。
3.一種焊料被覆導體，其為具備用于與導體進行焊料接合的無Pb焊料層的焊料被覆導體， 其特征在于，所述導體至少在其表面具備以Ag為主成分的層， 所述無Pb焊料層以Sn為主成分，并且包含Zn。
4.根據(jù)權利要求3所述的焊料被覆導體，所述無Pb焊料層的Zn含量為0.05質(zhì)量％以上I. 0質(zhì)量％以下。
5.一種電氣部件，其為一方的導體與另一方的導體通過以Sn為主成分的無Pb焊料被接合而形成的電氣部件，其特征在于，在所述一方的導體與所述另一方的導體之間形成有接合部，所述一方的導體和所述另一方的導體中的至少任意一方在其表面具備以Ag為主成分的層，所述接合部含有Zn，剩余部分中含有Sn。
6.根據(jù)權利要求5所述的電氣部件，所述接合部的Zn含量為0.05質(zhì)量％以上I. 0質(zhì)量％以下。
7.根據(jù)權利要求5或6所述的電氣部件，在所述導體中的、至少其表面具備以Ag為主成分的層的導體與所述接合部之間的界面形成有包含Ag-Sn-Zn系金屬間化合物的層。
全文摘要
本發(fā)明的課題是提供相對于以往的無Pb焊料可以進一步抑制保持高溫時Ag與焊料之間的界面的金屬間化合物層的生長、且具備焊料接合部的良好的焊料潤濕性的以Sn為主成分的無Pb焊料，焊料被覆導體以及使用該無Pb焊料的電氣部件。解決本發(fā)明課題的方法是提供用于將一方的導體(2)與另一方的導體進行焊料接合的以Sn為主成分的無Pb焊料(1)，一方的導體和另一方的導體中的至少任意一方在其表面具備以Ag為主成分的層，在以Sn為主成分的無Pb焊料中包含Zn。
文檔編號H05K3/34GK102806429SQ20121007175
公開日2012年12月5日 申請日期2012年3月16日 優(yōu)先權日2011年5月30日
發(fā)明者內(nèi)田壯平 申請人:日立電線株式會社