JP2014018832A - 金属線入り成形はんだ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】線材とテープ状はんだとの密着性を向上させる金属線入り成形はんだ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】テープ状はんだ１に、はんだより融点の高い少なくとも２本の線材２を、テープ状はんだ１の両側端部に沿ってその側端から所定の距離でもって圧入するとともに、線材２の表面の一部が露出するように圧入してなる金属線入り成形はんだ１０において、線材２は、予めはんだで被覆された金属線である。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子部品用はんだにおいて、特に金属線入り成形はんだ及びその製造方法に関するものである。

はんだは、電子部品の接合材料として広く使われている。このはんだ付けにおいては、はんだが少なすぎることはもちろん、また多すぎても接合強度が弱くなるため、はんだ付け厚さを適度に保つことが重要である。
このことは、例えば発熱の大きなパワートランジスタなどの半導体チップやモジュールなどの電子部品と放熱板などとの接合において、電流のオン・オフによって大きな温度差が生じるので、特に重要である。放熱の面からは熱伝導性の劣るはんだはできる限り薄い方が良い。

一方、はんだの厚さが薄くなりすぎると、電子部品と放熱板との熱膨張の差により、電子部品に大きな応力が生じ割れに至る恐れがあるので厚い方が良い。なぜなら柔らかい金属であるはんだは、電子部品と放熱板との熱膨張の差を吸収する緩衝材の役目を果たしているからである。また、加えて重要なことは、はんだ厚さを均一に保つことである。電子部品が傾斜して取り付けられると、はんだの厚さは不均一となる。このような状態で熱膨張と熱収縮が繰り返されると、はんだは応力差によって早期に割れを生じさせることになる。そのため、はんだ厚さを適度に保ち、かつ電子部品を傾斜させずに取り付ける手段が求められていた。

上記の技術的要請に応えるためにいくつかの方法が考案され、使用されている。これらの方法の中には、例えば、ソルダペースト中にはんだよりも融点の高い粒子を分散させたものや、成形はんだの中にはんだよりも融点の高い粒子を分散させたものがあるが、本発明に関連するものとしては、成形はんだの中にはんだよりも融点の高い線材を少なくとも２本平行に入れたものがある（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

実開平６−９７８３号公報 特開２００９−１０６９９３号公報

特許文献１および特許文献２に開示された成形はんだは、いずれもはんだによる被接合部品の間に、スペーサーとしてはんだよりも融点の高い線材を少なくとも２本介在させることによって、被接合部品を傾かせることなく均一な厚さで接合するものである。
しかしながら、スペーサーとしての上記線材は、接合には寄与しないものであり、特に特許文献１のように線材がはんだ層の中に埋設されていると、線材が所定の位置にあるか否かが外観から確認することができない。そのため、パワートランジスタなどの半導体チップやモジュールなどの電子部品を実装した後になって、その傾きの発生から線材が端部にないことが初めてわかるといった事態になる恐れがある。

一方、特許文献２では、金属線からなる線材の位置が分かるように表面の一部が露出した状態で線材を成形はんだに圧入している。しかし、この方法では以下のような問題があることが分かった。

（１）金属線の脱落が生じる。
これは、金属線入り成形はんだの製造において金属線に表面処理を行っていないと、金属線とテ−プ状はんだとの一体化（一体的結合）が十分でないことが主たる原因である。
図７は、表面処理を行っていない金属線入り成形はんだの断面を拡大した模式断面図である（但し、１本の金属線部分の断面を示す。以下の図３〜９において同じ。）。図７に示すように、金属線２とテープ状はんだ１との境界には空隙５が認められる。このような状態である場合、金属線を圧入した面（図７において上面）を内側としてテープ状はんだを曲げても一体化している。しかし、金属線を圧入した面を外側としてテープ状はんだを曲げると容易に金属線が脱落する。図８は、金属線が脱落した後のテープ状はんだの断面図を示したものである。
金属線の脱落は、テープ状はんだを曲げた場合以外にも生じることがあり、例えば、はんだペレットとするために切断や打ち抜きを行う際にはさらに脱落が生じやすい。すなわち、長尺であるテープ状はんだの場合には、局部的にテープ状はんだと金属線とが一体化していれば脱落しない。しかし、小片であるペレットでは、テープ状はんだと金属線とが一体化していなければ、切断や打ち抜きの衝撃で容易に脱落してしまうのである。

（２）細い金属線の場合、脱落したことがわかりにくい。
はんだに使われる錫や鉛は、熱伝導性が劣る金属である。したがって、半導体チップやモジュールなどの電子部品と放熱板などの接合に使われるはんだペレットは、厚さが薄いほど放熱に優れる。このため、スペーサーとなる金属線の直径は細く１００μｍ前後である。このように細い線は脱落しても視認が困難である。また、たとえ注意深い観察によって金属線の脱落を確認することができたとしても、量産工程において個々のはんだペレットを逐次検査することは、生産性を損なうことになる。

（３）空隙（ボイド）が発生する。
はんだ付けする際には、母材と同様に金属線表面へもぬれを生じる必要がある。金属線表面がはんだでぬれる前にはんだ付けが終了してしまうと、図９のように空隙（ボイド）５が発生してしまう。これが熱抵抗となり、熱伝導の妨げとなる。

本発明は、上述したような課題を解決するためになされたものであり、被接合部品を傾斜させることなく均一な厚さで接合できるという本来の機能を保持しつつ、線材とテープ状はんだとの密着性を向上させる金属線入り成形はんだ及びその製造方法を提供することを目的としている。

本発明に係る金属線入り成形はんだは、テープ状はんだに、はんだより融点の高い少なくとも２本の線材を、テープ状はんだの両側端部に沿ってその側端から所定の距離でもって圧入するとともに、線材の表面の一部が露出するように圧入してなる金属線入り成形はんだにおいて、線材は、予めはんだで被覆された金属線である。この場合、線材は、はんだめっきされた金属線であることが好ましい。

また、本発明に係る金属線入り成形はんだは、テープ状はんだに、はんだより融点の高い少なくとも２本の線材を、テープ状はんだの両側端部に沿ってその側端から所定の距離でもって圧入するとともに、線材の表面の一部が露出するように圧入してなる金属線入り成形はんだにおいて、線材は、表面が粗化された金属線である。

本発明に係る金属線入り成形はんだの製造方法は、上記の金属線入り成形はんだを製造する方法において、予めはんだで被覆された金属線を、テープ状はんだの表面に両側端部に沿って配線する工程と、圧下機により配線された金属線をテープ状はんだに圧入する工程と、を有するものである。

また、本発明に係る金属線入り成形はんだの製造方法は、上記の金属線入り成形はんだを製造する方法において、表面が粗化された金属線を、テープ状はんだの表面に両側端部に沿って配線する工程と、圧下機により前記配線された金属線をテープ状はんだに圧入する工程と、を有するものである。

本発明の金属線入り成形はんだは、金属線入り成形はんだとしての本来の機能を保持するとともに、線材の周りに空隙を生じることなく線材とテープ状はんだとの密着性が向上しているため、テープ状はんだを曲げたり、ペレット状に切断したりしても線材が脱落するのを防いでいる。また、たとえ脱落しても脱落の跡を容易に視認することができる。
また、本発明の金属線入り成形はんだの製造方法によれば、上記の効果を有する成形はんだを精度良く、かつ安価に提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る金属線入り成形はんだの概要を示す平面図（ａ）と断面図（ｂ）である。 本発明の実施の形態２に係る金属線入り成形はんだの概要を示す平面図（ａ）と断面図（ｂ）である。 実施例１による、はんだめっきしたニッケル線を圧延機により圧入したテープ状はんだの断面を模式的に示す断面図である。 実施例１による、成形はんだのペレットを溶融し凝固した後の断面を模式的に示す断面図である。 実施例２による、表面を粗化したニッケル線を圧延機により圧入したテープ状はんだの断面を模式的に示す断面図である。 実施例２による、成形はんだのペレットを溶融し凝固した後の断面を模式的に示す断面図である。 表面処理を行っていない金属線入り成形はんだの断面を拡大した模式断面図である。 金属線が脱落した後のテープ状はんだの断面図である。 表面処理が未処理のニッケル線を圧入した成形はんだのペレットを溶融し凝固した後の断面を模式的に示す断面図である。

以下、本発明に係る金属線入り成形はんだの実施の形態を図面を参照して説明する。なお、図面はわかりやすくするため誇張して模式的にあらわしたものであり、本発明は図示のものに限られるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る金属線入り成形はんだ１０の概要を示す平面図（ａ）と断面図（ｂ）である。
この金属線入り成形はんだ１０は、テープ状はんだ１（板状はんだも含めて「テープ状はんだ」と略称する）に、はんだより融点の高い少なくとも２本の線材２を、テープ状はんだ１の両側端部に沿って長手方向に圧入して構成されている。線材２は、予めはんだで被覆された金属線を用いる。例えば、溶融はんだめっきされた金属線を用いることが好ましい。なお、線材２は、２本もしくはそれ以上の本数でもよいが、その場合でもテープ状はんだ１の両側端部に各側端から所定の距離でもってそれぞれ１本ずつ線材２が圧入されていることが必要である。
また、使用する被覆はんだ３は、テープ状はんだ１と同じ組成、もしくは近似した組成を用いる。近似した組成としては、例えば、テープ状はんだ１の組成がＳｎ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｐ系に対して被覆はんだ３はＳｎ−Ｃｕ系がある。しかし、両者の組成が異なっていても軟質のはんだであれば一体化できるため、同一組成でなくても同様の効果が得られる。例えば、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｓｂ系など、様々なはんだ合金が利用できる。

圧入後の線材２の表面は、図１に示すように、一部が見えるように露出している。線材２の位置を確認できればよく、露出部４の幅は見える範囲で可能な限り小さくすることが好ましい。また、線材２は、テープ状はんだ１の側端から線材２までの距離Ａが所定の距離となるように圧入されている。ここで、距離Ａは、０．１ｍｍ≦Ａ≦５ｍｍの範囲となるように設定されている。このように構成することにより、線材２の位置および存在を視認することができ、かつ、電子部品等の被接合部品を傾斜させることなく均一な厚さではんだ付けすることができる。

そして、上記の金属線入り成形はんだ１０を製造するには、まず、予めはんだで被覆された少なくとも２本の線材（金属線）２を、テープ状はんだ１の表面上にその両側端部に沿って配線し、ついで、配線された線材２を圧延機にかけてテープ状はんだ１に圧入するものである。この場合、線材２の表面の一部が露出するように線材２を圧入する。また、線材２の距離Ａは、圧下量の調整と、線材２を配置する間隔をガイドローラー等で規制することで、上記の所定の寸法範囲内に収めることができる。

本実施の形態に係る金属線入り成形はんだ１０は、線材２がはんだ３で被覆されているので、線材２とテープ状はんだ１との結合強度が大きくなり、両者を一体的に結合することができる。そのため、テープ状はんだ１を曲げたり、あるいはペレット状に切断や打ち抜いたりしても、線材２がテープ状はんだ１から脱落することはない。したがって、この金属線入り成形はんだ１０は、本来の機能、つまり被接合部品を傾斜させることなく均一な厚さで接合できるという機能を保持することができる。
また、金属線入り成形はんだ１０の製造方法によれば、上記の効果を有し、かつ安価で精度のよい金属線入り成形はんだ１０が得られる。

実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２に係る金属線入り成形はんだ１０の概要を示す平面図（ａ）と断面図（ｂ）である。
本実施の形態２に係る金属線入り成形はんだ１０は、線材２として表面が粗化されている金属線をテープ状はんだ１に圧入するものである。すなわち、実施の形態１のはんだ３で被覆した線材２に代えて、表面が粗化された線材（金属線）２を用いるものであり、その他の構成は実施の形態１と同様である。
金属線の表面を粗化する方法としては、粗い研磨材で擦って粗らしたり、化学的なエッチングにより表面を粗化する。粗化による表面の微細な凹凸が、圧入時のはんだへの食い付きを改善し、毛細管現象によりはんだ付時のワイヤ表面へのぬれを改善する。これらの効果を考慮すると、研磨紙で＃２００〜８００程度の粗さが望ましい。
また、実施の形態２に係る金属線入り成形はんだ１０の製造方法においても、表面が粗化された線材２をテープ状はんだ１の表面に両側端部に沿って配線し、ついで、圧延機によりその線材２をテープ状はんだ１に圧入することで、製造するものである。
本実施の形態２においては、表面が粗化された線材２であるため、線材２とテープ状はんだ１との結合強度を高めることができ、両者の一体化が可能になる。
したがって、本実施の形態２においても、実施の形態１とほぼ同様の効果を奏する。

次に、具体的な実施例について説明する。

実施例１．
実施例１における線材および成形はんだの仕様は以下のとおりである。
・線材：ニッケル線（圧延前の線径：８０μｍ）
はんだめっき（めっき厚：平均１μｍ）
・成形はんだ：厚さ（０．１ｍｍ）×幅（１２ｍｍ）×長さ（数十ｍ、リール巻き）
実施例１は、上記のように、圧延前のニッケル線を予めはんだめっきした後、テープ状はんだの両側端部に沿って配線した後、圧延機により圧延したものである。

圧延後のニッケル線の断面を示したのが図３である。ニッケル線の周囲は軟質であるはんだめっきが施されているため、テープ状はんだと一体化していることが認められる。このような結合状態になっているので、金属線とテープ状はんだとの境界には空隙が認められず、両者が一体化していることが認められる。したがって、テープ状はんだを曲げたり、小片状に切断しても、図８のようなニッケル線の脱落は生じない。
図４は、実施例１による成形はんだのペレットを溶融し凝固した後の断面を示したものである。ニッケル線がスペーサーとなってはんだの厚みを維持していることが分かる。また、ニッケル線とはんだとが良く接合されていることも分かる。図中、２０はこの成形はんだにより接合された被接合材である。

実施例２．
実施例２における線材および成形はんだは、比較のため実施例１と同じ寸法のものを使用した。その仕様は以下のとおりである。
・線材：ニッケル線（圧延前の線径：８０μｍ）
表面の粗さ（♯２００〜♯４００の研磨紙を使用）
・成形はんだ：厚さ（０．１ｍｍ）×幅（１２ｍｍ）×長さ（数十ｍ、リール巻き）
実施例２は、上記のように、圧延前のニッケル線の表面を予め研磨紙にて粗化した後に、テープ状はんだの両側端部に沿って配線した後、圧延機により圧延したものである。

圧延後のニッケル線の断面を示したのが図５である。ニッケル線の表面が凹凸状になっているため、テープ状はんだと一体化していることが認められる。このような結合状態になっているので、金属線とテープ状はんだとの境界には空隙が認められず、両者が一体化していることが認められる。したがって、テープ状はんだを曲げたり、小片状に切断しても、図８のようなニッケル線の脱落は生じない。
図６は、実施例２による成形はんだのペレットを溶融し凝固した後の断面を示したものである。実施例２においても、ニッケル線がスペーサーとなってはんだの厚みを維持していることが分かる。また、ニッケル線とはんだとが良く接合されていることも分かる。

実施例１および実施例２による成形はんだをハサミで約１２ｍｍの長さに切断した際に、外れたニッケル線の本数を数えたものを、表１に示す。また、比較例は、ニッケル線の表面処理をしていないものである。
それぞれの成形はんだにはニッケル線が２本圧入されており、それぞれ２０回切断を行った。
表１にみられるように、紙やすりで表面を粗化させたニッケル線は、何も表面処理を行っていないニッケル線と比較し、ニッケル線が外れる確率が半減した。表面にはんだめっきを施したニッケル線は１本も外れることがなく、最も良好な密着性がみられた。

本発明において、金属線の断面形状は円形のものについて示したが、多角形、太鼓形状等の断面を有する金属線を含む金属線入り成形はんだとして適用することができる。

１ テープ状はんだ
２ 線材（金属線）
３ 被覆はんだ
４ 露出部
５ 空隙
６ 合金層
１０ 金属線入り成形はんだ
２０ 被接合材

Claims (5)

1. テープ状はんだに、はんだより融点の高い少なくとも２本の線材を、前記テープ状はんだの両側端部に沿ってその側端から所定の距離でもって圧入するとともに、前記線材の表面の一部が露出するように圧入してなる金属線入り成形はんだにおいて、
   前記線材は、予めはんだで被覆された金属線である
   ことを特徴とする金属線入り成形はんだ。
2. 前記線材は、はんだめっきされた金属線である
   ことを特徴とする請求項１に記載の金属線入り成形はんだ。
3. テープ状はんだに、はんだより融点の高い少なくとも２本の線材を、前記テープ状はんだの両側端部に沿ってその側端から所定の距離でもって圧入するとともに、前記線材の表面の一部が露出するように圧入してなる金属線入り成形はんだにおいて、
   前記線材は、表面が粗化された金属線である
   ことを特徴とする金属線入り成形はんだ。
4. 請求項１または２に記載の金属線入り成形はんだを製造する方法において、
   予めはんだで被覆された金属線を、テープ状はんだの表面に両側端部に沿って配線する工程と、
   圧延機により前記配線された金属線を前記テープ状はんだに圧入する工程と、
   を有する
   ことを特徴とする金属線入り成形はんだの製造方法。
5. 請求項３に記載の金属線入り成形はんだを製造する方法において、
   表面が粗化された金属線を、テープ状はんだの表面に両側端部に沿って配線する工程と、
   圧延機により前記配線された金属線を前記テープ状はんだに圧入する工程と、
   を有する
   ことを特徴とする金属線入り成形はんだの製造方法。