JP2000307228A - 鉛を含まないはんだ接合方法及びこれによって製造された電子モジュール - Google Patents

鉛を含まないはんだ接合方法及びこれによって製造された電子モジュール

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晃 前田
Takuo Ozawa
拓生 小澤
Toshio Umemura
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 現行錫鉛共晶はんだとほぼ同様の加熱プロセ
スで健全な接合部が得られる、鉛を含まないはんだ接合
方法およびそれを用いて製造された電子モジュ−ルを提
供する。 【解決手段】 ボ−ドに搭載する全部品の最表面に鉛を
含まない合金層をその融点以下で形成し、一方ボ−ド最
表面にこれよりも融点の低い鉛を含まない合金層を形成
し、両合金層を接触させて所定の加熱を行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、電子機器等の部
品のはんだ付け方法およびこれによって製造される電子
モジュ−ルに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、電子機器のはんだ接合にはSn-Pb
を基本としたはんだが用いられており、部品の温度負荷
軽減から特に63Sn-37Pb近傍組成で融点が183℃前後であ
るはんだ（単に共晶はんだと称する）が幅広く使用され
ている。これを用いて約220℃程度の温度を加えること
によって、電子部品等の端子（リ−ド）、または電極を
プリント基板等の回路基板上のCu電極パッドに接合して
いる。一方、近年では環境汚染の観点から、電子機器用
はんだに含まれる鉛（Pb）を規制する活動が活発になっ
ており、Pbを含まないはんだ、いわゆる“Pbフリ−はん
だ”の開発が行われ、その適用検討が盛んに行われてい
る。
【０００３】現在開発が進行しているPbフリ−はんだ合
金はSn-58Bi(融点：139℃)，Sn-3.5Ag(融点：221℃)，S
n-9Zn(融点：197℃)などのSn系の共晶はんだ合金をベ−
スとして、融点の調整，機械的性質の改善のために、C
u、Bi、In等微量の第三、第四の元素を添加したもので
あるが、接合信頼性（濡れ性、耐熱疲労性など），作業
温度（融点），供給安定性，コスト等を考慮すると、い
ずれも一長一短で、フロ−，リフロ−，糸はんだのすべ
てを一つのPbフリ−はんだで共晶はんだを代替えするの
は現状では困難となっている。特に局所加熱できずに一
度に大量の部品を搭載してはんだ付けを行うリフロ−は
んだ付けにおいては、全てのはんだ付け箇所が所定温度
となる必要があるために、必要温度以上になってしまう
部分もあり、このことによって部品の耐熱温度や使用は
んだ材が様々な制約を受けていた。一般に半導体素子の
動作による発熱やその後のアセンブリ工程での熱履歴に
よる信頼性確保の観点から150℃以下では再溶融しない
はんだ合金を用いている。一方大量の部品を搭載する際
の温度バラツキを考慮し、かつケミカルコンデンサなど
の耐熱性の低い部品やプリント基板等高分子材料の品質
劣化，および素子の劣化防止等の点から現在共晶はんだ
で接合している部品にかかる温度負荷としては約220℃
以下であることが望まれている。
【０００４】これらの点から考慮すると合金融点から
は、Pbフリ−はんだとしてはSn-9Znをベ−スとした融点
187〜197℃程度の合金しか現状では開発されておらず、
この合金はZnが非常に活性であることから酸化が激し
く、強力なフラックスや不活性雰囲気中で加熱する等様
々な工夫を凝らしても、現状のプロセスでは健全な濡れ
が得られなかった。また、たとえ十分な濡れが得られた
としても、はんだ接合後の電子機器の使用環境下におい
て、はんだ接合部内をZnが拡散して接合部表面に浮上、
濃化層を形成してしまう。このはんだを端子にコ−テイ
ングしてモ−ルド樹脂キュアを行った場合、その熱履歴
によりパッケ−ジ端子表面がZn富裕層を形成してこれが
酸化することにより十分な濡れが得られなかったり、応
力腐食感受性が増すなどの問題が多く、代替えはいまだ
に困難となっている。一方、Sn-3.5Agに融点降下効果の
あるBi,Inを添加したものがあるが、本はんだ材は固相
線温度は降下するが液相線温度はほとんど降下せず、従
って現行プロセスで接合する場合に固液共存領域におけ
る接合、すなわち固体を残したまま残りの液相部で接合
することとなって、全て液相状態ではんだ付けをするよ
りも粘度が大きく、濡れが悪いことからボイド等の接合
不良を生じやすい。さらに多量に添加するとコスト高や
接合信頼性の低下を招くことが問題となっている。
【０００５】以上より、現行共晶はんだに代替えでき
る，すなわち既存装置で接合できる，かつ十分な接合信
頼性を有するPbフリ−はんだ接合技術が望まれている。
さらには、はんだ材のみPbフリ−にしても部品側のメタ
ライズにPb含有めっきが施されているものがあり、これ
らを混在したモジュ−ルは鉛フリ−はんだ接合で製造さ
れた電子モジュ−ルとは言えず、真の意味でのPbフリ−
はんだ接合電子モジュ−ルが望まれている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した電
子機器等のはんだ付けにおいては、相当な数量の部品が
一度にはんだ付けできることが望ましい。また接合信頼
性の点からはんだ付け時の接合温度は低い方が望ましい
が、素子の動作発熱等によって再溶融しないことも肝要
である。しかしながら、上述した従来の技術では以下の
ような問題があった。
【０００７】Sn-Ag系合金，またはさらにこれにBi，In
等を添加した合金については融点が221℃と現行Sn-Pb共
晶はんだよりも40℃高く、現行温度プロファイルでの接
合は不可能である。従って本はんだ材を用いてはんだ付
けを行うと、耐熱温度の低い部品は取り外して一度はん
だ付けをし、後付けをしなければならず高コストとな
る。また加熱ピ−ク温度等を高くすることにより素子や
樹脂等高分子材料の劣化，さらには部品の酸化等が激し
くなり、はんだ付け不良を生じることが懸念される。さ
らに固液共存領域においては半溶融状態にはなっている
ものの全てが液相にはなっていないことから、十分な濡
れが得られないことが懸念され、特に濡れの悪いNi等表
面処理を施されたものに対してボイド等接合不良を生じ
ることが懸念される。Sn-Bi系合金、またはこれに数種
の元素を微量添加したものは融点が139℃と共晶はんだ
よりも50℃低く、素子動作時に発生する熱によって再溶
融し、接合信頼性低下を招く可能性がある。また多量に
含んでいるBiの脆さからくる接合信頼性低下が懸念され
る。最も共晶はんだに融点の近いSn-Zn系合金、または
さらにこれにBi,In等を微量添加したものについては、
強力なフラックスや不活性雰囲気中加熱法等特別な環境
下でも、合金の酸化が激しいことなどから十分な濡れが
得られにくく、これによる接合信頼性低下が懸念され
る。以上より、現状では単一組成の合金による共晶はん
だ代替えは不可能となっている。
【０００８】また上記問題を解決するために、例えば特
開平１０−４１６２１号公報にSn-Bi系合金のはんだ接
合信頼性向上方法として部品側にSn-Bi合金を供給し、
回路基板側にAg添加膜を供給し、はんだ付け時にSn-Bi
半田層内へAg拡散させる方法が開示されているが、Sn-B
iを融点以上に加熱して接合しているために部品側から
構成金属またはメタライズがはんだ層内へ短時間に拡散
し、金属間化合物の成長を促し、これが原因となって接
合信頼性が低下することが懸念される。またAg添加膜の
組成が明示されておらず、Agの融点が962℃であること
を考えると融点が139℃前後のSn-Bi合金と良好な接合状
態を得るための温度等はかなりのバラツキを有すること
が懸念され、現行共晶はんだ代替えとするには汎用性に
欠ける点があった。さらにはメイン合金をSn-Bi合金と
していることから多少のAgを拡散させても再溶融温度が
さほど上昇せずに139℃前後で再溶融することが懸念さ
れ、多量のAgを拡散さえるためには加熱温度を高くする
か、加熱時間を長くするか、さらにはAg量増加によるコ
ストアップが懸念される。
【０００９】一方混成集積回路モジュ−ルの形成方法と
して、例えば特開昭５５−１４９４１５号公報に一部IC
チップに高融点のはんだを供給して、その反対の基板
側，および非ICチップに低融点はんだ合金を供給して、
低融点はんだが溶融し高融点はんだが溶融しない温度範
囲で加熱して、IC素子を劣化させずに一括リフロ−で溶
融接続する方法が開示されているが、これは特に溶融温
度を容易に設計できる錫鉛合金を意識した技術であり、
鉛フリ−はんだにおいては一部非ICチップを低融点合
金，例えばSn-58Biで接合することとなり、前述のよう
な素子動作時の発熱による再溶融不具合，Bi過多による
現行よりも接合信頼性が低下することが懸念される。
【００１０】本発明は上記技術的課題に鑑みてなされた
もので、現行錫鉛共晶はんだとほぼ同様の加熱プロセス
で良好な接合部が得られる、鉛を含まないはんだ接合方
法およびそれを用いて製造された電子モジュ−ルを提供
することを目的としてなされたものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本願発明の請求項１に係
る鉛を含まないはんだ接合方法は、基板上に電子部品を
搭載するためのはんだ接合方法において、上記電子部品
にその合金層の融点よりも低い温度で鉛を含まない第１
の合金層を形成し、上記基板の上記電子部品搭載面に第
１の合金層よりも融点の低い鉛を含まない第２の合金層
を形成し、その後上記第１の合金層と上記第２の合金層
を接触させ、上記第２の合金層の融点よりも高く上記第
１の合金層の融点よりも低い温度で加熱して、上記基板
上に上記電子部品を接合するものである。
【００１２】本願発明の請求項２に係る鉛を含まないは
んだ接合方法は、請求項１において、加熱接合後の接合
部に、第１の合金層が残存することを規定するものであ
る。
【００１３】本願発明の請求項３に係る鉛を含まないは
んだ接合方法は、請求項１または２において、第１の合
金層が少なくともＡｇを含有するＳｎを主成分とする合
金であり、第２の合金層が少なくともＢｉを含有するＳ
ｎを主成分とする合金からなることを規定するものであ
る。
【００１４】本願発明の請求項４に係る電子モジュール
は、請求項１〜３いずれかに記載の鉛を含まないはんだ
接合方法によって製造されたものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
について説明する。 実施の形態１．図１は本発明の原理説明図である。図に
おいて、１は第１の合金層２の形成された電子部品、４
は第２の合金層３の形成されたボ−ド（ここでボードは
電子部品が複数搭載される基板を意味する）で、電子部
品１はボードに４にはんだ付けされて実装される。ここ
で、第１の合金層２は第２の合金層３よりも融点が高い
層で、いずれの層も鉛を含まない合金層である。第１の
合金層２と第２の合金層３とを接触させて、第２の合金
層３の融点以上かつ第２の合金層３の融点以下の範囲で
加熱することにより健全な接合部が得られる。加熱開始
直後は第１の合金層２は溶融しないが、加熱時間が大き
くなって第２の合金層３が溶融し、拡散して第１の合金
層２も漸次溶融するようになる。
【００１６】ここで、第１、２の合金層は、例えばめっ
き等の化学析出や、真空蒸着やスパッタ等のPVD法等が
挙げられる。第１の合金層２は電子部品に形成されるた
め、形成時の温度が高いと電子部品への損傷が懸念され
るので、合金層を構成する合金の融点よりも低い温度で
電子部品１の表面に形成されることが望ましい。また、
第１の合金層２および第２の合金層３の供給量及び寸法
・形状は被接合部の大きさや質量およびパタ−ン等によ
って調節する方が望ましい。これによって吸い上げによ
るはんだ量減少防止，はんだ接合部の寸法・形状制御，
隣のはんだとの短絡防止等の効果が得られることは容易
に推測できる。
【００１７】以上のように、電子部品及びそれが搭載さ
れるボードにそれぞれ、鉛を含まない第１の合金層、第
２の合金層を形成し、電子部品に形成される第１の合金
層はボード側の第２の合金層よりも融点が高く、かつ電
子部品に合金層を形成する際に形成される合金自身の融
点よりも低い温度で形成したので、電子部品の熱的損傷
がなくなる。また、接合温度も第２の合金層の融点より
高く、第１の合金層の融点より低い温度に設定し、第２
の合金層の合金の溶融拡散を用いて接合を実現している
ので、電子部品の加熱は抑制されると共に、良好な接合
を得ることができる。
【００１８】実施の形態２．上記実施の形態１に示され
たはんだ接合方法により、基板、ボード等にＩＣチップ
等の電子部品を搭載して形成された電子モジュールは、
鉛を含まないはんだを用いてかつ良好な接合部を有する
ので、安価で、信頼性の高いものを提供できる。また、
電子モジュールが動作中に電子部品が発熱しても、電子
部品側にはボード側よりも融点の高い合金層を形成して
いるため、はんだ再溶融による不具合等の発生がなくな
り、信頼性が高まる。
【００１９】以下、具体的に説明する。
【実施例】実施例１．６．４□×０．５ｔmmのSiチップ
に第１の合金層としてSn-3.5Ag（融点２２１℃）を処理
温度２５〜３０℃でめっきにより形成し、ボード（２４
ｍｍ□）上の１０□×０．５ｔmmのCu配線部に第２の合
金層としてSn-58Bi(wt%)（融点139℃）をペ−スト印刷
することにより形成した。これら、Sn-3.5AgとSn-58Bi
(wt%)とを接触させて、ボード側からホットプレートに
より加熱（設定温度190℃で約40sec）することによりは
んだ接合を行った。ここで第１、第２の合金層の厚さは
両者合わせて約200μｍである。現行錫鉛共晶はんだで
作製したものと同じ条件（引張力）で、試験を行った結
果、本発明例の方が従来よりも大きな破断強度が得られ
ることが判明した。図２は、本発明例のはんだ接合断面
模式図を示したものである。図において、５はボード上
に形成された配線、６は第1、第２の合金層を接触加熱
した時の接合後の合金層であり、この合金層６には第１
の合金層が残存している。従って本願発明においては、
はんだ接合部の元素分布は均一でなくても、十分な接合
強度が得られることが判明した。はんだ接合部の組織・
元素分布を均一にするためにはさらに高い温度および長
い時間でも加熱が必要となるが、第１の合金層が残存し
ていても十分な接合信頼性が得られるため、第１の合金
層を残すようにはんだ接合条件を設定すれば、比較的低
温かつ短時間で、低コストな鉛フリ−はんだ接合が可能
となる。
【００２０】実施例２．図３はφ12×120mmに鋳造したS
n-Xwt%Ag(X=0,1,2,3,3.5,4,5,6,7,8)合金を平行部φ8×
25mmに加工した試験片を室温で20日間時効した後、引張
速度10mm/minで引張試験を行うことにより測定した引張
強さとAg含有量との相関結果である。一般に引張強さが
大きいほどクリ−プ強度等に優れ、接合信頼性が高いと
されてきた。図３からSnに少なくともAgを含有すれば、
Snとは十分に差別化できる引張強さが得られることが判
明し、また3.5wt%以上をAgを添加しても引張強さは上昇
せずに、逆に漸次低下していくことが判明した。3.5wt%
以上Agを添加した際の引張強さの低下率は小さいが、Ag
を多く添加するとコスト高になるので高々5wt%程度添加
すればよい。なお、本合金に必要に応じて他元素を微量
添加してもよい。
【００２１】図４にSn-Bi２元状態図を示した。第２の
合金層を鉛フリ−はんだとして提案されているSn-Bi系
合金で実現する場合、SnにBiを含有すれば合金中の局所
的なSn-Bi低温相(139℃で溶融する相)が軟化し、第１の
合金層と拡散・接合が可能となる。望ましくはSn-3.5Ag
の融点221℃より低融点となるように、3wt%以上のBiを
含有するようにする。Biを添加しすぎると、接合強度低
下が懸念されかつコスト高になることから、共晶組成で
ある58wt%程度までの範囲で添加すればよい。
【００２２】Snの融点を下げる効果が得られる元素とし
てはIn等もあるが、コスト，供給安定性等からはBiを用
いることが望ましい。また第１の合金層、第２の合金層
とも現行共晶はんだと同様Snを主成分とした合金とする
ことにより、部材との接合メカニズム等は全く変わらず
に高い接合信頼性が得られ、かつともに同じ元素をベ−
スとすることにより濡れが良好であり、良好な健全な接
合状態が得られる。以上より本発明における第１の合金
層としては接合信頼性が高く、融点が現行の共晶はんだ
よりやや高い、Agを含有するSnを主成分とした合金を用
い、第２の合金層としては融点が現行の共晶はんだより
やや低い、Biを含有するSnを主成分とした合金としたの
で、第２の合金層は第１の合金層の融点よりも低いの
で、第1の合金層の形成される電子部品の熱的影響を抑
制できかつ、Snを主成分とするはんだ接合のメカニズム
で接合が実現できるので信頼性の高い接合が実現でき
る。
【００２３】実施例３．パッケ−ジと基板とを本プロセ
スを用いて接合したサンプルと、既存共晶はんだで接合
したサンプルとの初期接合状態について調査した。本プ
ロセスによるものは例えば実施例１に示した第１の合金
層としてSn-3.5Agを、第２の合金層としてSn-58Bi(wt%)
を用いたもので、それぞれ電子部品（パッケージ）とボ
ード（基板）上の配線部とに形成してはんだ接合したも
のである。本発明のサンプルは既存方法で作製したサン
プルとほぼ同様に健全な接合状態を持っており、高い接
合寿命を有することが期待できる。さらには有害で、か
つα線を多く含有する鉛を取り除き、比較的α線の少な
い錫をベ−スとしたはんだに代替したことから、環境に
優しく、かつα線放出量も少ない，すなわちコンピュ−
タ誤作動（ソフトエラ−と呼ばれている）の少ないデバ
イスを供給できる。
【００２４】
【発明の効果】上記のように、この発明の鉛を含まない
はんだ接合方法によれば、基板上に電子部品を搭載する
ためのはんだ接合方法において、上記電子部品にその合
金層の融点よりも低い温度で鉛を含まない第１の合金層
を形成し、上記基板の上記電子部品搭載面に第１の合金
層よりも融点の低い鉛を含まない第２の合金層を形成
し、その後上記第１の合金層と上記第２の合金層を接触
させ、上記第２の合金層の融点よりも高く上記第１の合
金層の融点よりも低い温度で加熱して、上記基板上に上
記電子部品を接合するので、また、加熱接合後の接合部
に、第１の合金層が残存しているので、電子部品の加熱
は抑制されると共に、良好な接合を鉛はんだを用いるこ
となく実現することができる。さらに、第１の合金層が
少なくともＡｇを含有するＳｎを主成分とする合金であ
り、第２の合金層が少なくともＢｉを含有するＳｎを主
成分とする合金からなるので、従来よりも融点の低いは
んだを設計することが可能となり、また良好な接合を鉛
はんだを用いることなく実現することができる。
【００２５】この発明の電子モジュールは、上記鉛を含
まないはんだ接合方法によって製造されたので、従来に
劣らぬ高い接合信頼性を確保された電子モジュールを提
供できると共に、鉛を取り除き、比較的α線の少ない錫
をベ−スとしたはんだに代替したことから、環境に優し
く、かつα線放出量も少ない，すなわちコンピュ−タ誤
作動（ソフトエラ−と呼ばれている）の少ないデバイス
を供給できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１による本発明の原理
説明図である。
【図２】 この発明の実施例１による接合部の断面形状
を示した模式図である。
【図３】 この発明の実施例２によるＡｇ含有量と引張
強さとの関係を示した図である。
【図４】 この発明に係る２合金系（Sn−Bi）の状態図
である。
【符号の説明】
１ 電子部品、 ２ 第１の合金層、 ２ａ 第１
の合金層（残部）、３ 第２の合金層、 ４ ボード
（基板）、 ５ 配線、６ 接合後の合金層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 21/52 Ｈ０１Ｌ 21/52 Ｅ 21/60 ３１１ 21/60 ３１１Ｓ (72)発明者 梅村 敏夫 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 Ｆターム(参考） 5E319 AA03 AC01 BB01 5F044 KK01 KK14 KK18 LL05 QQ03 QQ06 5F047 AA17 BA06 BA19 BA53 BB07 BB16 BB19

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板上に電子部品を搭載するためのはん
    だ接合方法において、上記電子部品にその合金層の融点
    よりも低い温度で鉛を含まない第１の合金層を形成し、
    上記基板の上記電子部品搭載面に第１の合金層よりも融
    点の低い鉛を含まない第２の合金層を形成し、その後上
    記第１の合金層と上記第２の合金層を接触させ、上記第
    ２の合金層の融点よりも高く上記第１の合金層の融点よ
    りも低い温度で加熱して、上記基板上に上記電子部品を
    接合する鉛を含まないはんだ接合方法。
  2. 【請求項２】 加熱接合後の接合部に、第１の合金層が
    残存することを特徴とする請求項１に記載の鉛を含まな
    いはんだ接合方法。
  3. 【請求項３】 第１の合金層が少なくともＡｇを含有す
    るＳｎを主成分とする合金であり、第２の合金層が少な
    くともＢｉを含有するＳｎを主成分とする合金からなる
    ことを特徴とする請求項１または２に記載の鉛を含まな
    いはんだ接合方法。
  4. 【請求項４】請求項１〜３いずれかに記載の鉛を含まな
    いはんだ接合方法によって製造された電子モジュ−ル。
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