JP2001168519A - 混載実装構造体及び混載実装方法並びに電子機器 - Google Patents
混載実装構造体及び混載実装方法並びに電子機器Info
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Abstract
混載実装において、部品の耐熱性の範囲内ではんだ付け
でき、フローはんだ付け時にリフローはんだ付部の剥離
を起こさないようにする。 【解決手段】 基板2のA面で、リフローはんだ付けに
よって電子部品3a,3bを表面接続実装し、次いで、
基板2のB面で、フローはんだ付けにより、A面側の電
子部品6aのリード10を電極7にフローはんだ付けし
て接続実装する。ここで、A面側でリフローはんだ付け
に用いるはんだ5は、Sn−(1.5〜3.5wt%)
Ag−(0.2〜0.8wt%)Cu−(0〜4wt
%)In−(0〜2wt%)Biの組成で構成される鉛
フリーはんだであり、また、B面側でフローはんだ付け
に用いるはんだ8は、Sn−(0〜3.5wt%)Ag
−(0.2〜0.8wt%)Cuの組成で構成される鉛
フリーはんだを用いる。
Description
板に、鉛フリーはんだを用いることにより、リフローは
んだ付けとフローはんだ付けとで組み立てられた混載実
装構造体及び混載実装方法並びに電子機器に関する。
83℃)を用いて電子部品実装が行なわれてきた。かか
るはんだの各種の優れた特性から、配線基板の一方の面
にリフローソルダリング(はんだ付け部に予めはんだ層
を設けておき、これらはんだ付け部のはんだ層を突き合
わせ、これらはんだ層を加熱溶融させることにより、は
んだ付けを行なうこと。リフローはんだ付けともいう)
で電子部品を接続実装し、次に、他方の面にフローソル
ダリング(はんだ付け部を溶融したはんだに接触もしく
は浸漬させてはんだ付けを行なうこと。フローはんだ付
けともいう)で電子部品を接続実装する、いわゆる混載
実装(以下、かかる混載実装を、リフロー・フローの混
載実装という)においても、プロセスや信頼性などでの
問題点は少なく、また、部品の耐熱性も、Sn−Pb共
晶はんだのはんだ付け温度に耐えられるものになってい
る。
特開平8−215880号公報(以下、従来技術1とい
う)及び特開平10−193169号公報(以下、従来
技術2という)に記載のものが知られている。
〜3.5wt(重量)%)、Cu(0.5〜2.0wt
%)からなり、溶融温度を低くでき、ぬれ及び機械的強
度の良好な鉛フリーはんだが記載されている。
t%以下のAgと、夫々0.1wt%以上14wt%以
下及び0.1wt%以上10wt%以下で両者の合計が
15wt%以下のBi及びInと、0.1wt%以上2
wt%以下のCuとを含んで、残部がSnと不可避不純
物とからなる鉛フリーはんだ合金が記載されている。こ
れは、Sn−Ag系はんだ合金の融点をさらに下げると
ともにコストの上昇を抑え、良好な濡れ性と、室温はも
とより高温下においても良好な機械的性質とを兼ね備え
たものである。
高密度実装する場合、配線基板の両面に実装できるこ
と、即ち、この配線基板の一方の面(A面)をリフロー
ソルダリングではんだ付けし、他方の面(B面)をフロ
ーソルダリングなどではんだ付けするリフロー・フロー
の混載実装が必須になっている。この場合、フローソル
ダリング時に基板は大きく反るが、A面のリフローソル
ダリング継ぎ手を溶融させないことが高信頼性を確保す
るために必要である。
のLSI(Large Scale Integration)端子を高密度で
接続したり(狭ピッチ接続)、不良の電子部品やなん
らかの理由で壊れた電子部品を取り外し、新たな電子部
品を再取り付けする作業(リペア作業)を、隣接の部
品のはんだによる接続部を溶融させることなく、かつ、
これら隣接の部品に熱影響を及ぼすことなく、行なうが
ことできることなどが混載実装の必要条件である。
路基板の片面のみの実装においては有効であるが、上記
の混載実装における要求に対応できる鉛フリーのはんだ
材料及びはんだ付け方法について配慮されていない。
鉛フリーはんだを用いて最も厳しい実装プロセスである
リフロー・フローの混載実装を高信頼度で実現できるよ
うにした混載実装構造体及び混載実装方法並びに電子機
器を提供することにある。
いて最も厳しい実装プロセスであるリフロー・フローの
混載実装において、部品の耐熱性の範囲内ではんだ接合
でき、フローソルダリング時の配線基板の反りに対して
も、リフローソルダリング継ぎ手が剥離を起こさない高
信頼度ではんだ接合を可能にした混載実装構造体及び混
載実装方法並びに電子機器を提供することにある。
だを用いて最も厳しい実装プロセスであるリフロー・フ
ローの混載実装において、接続部の熱疲労特性として、
信頼性の評価条件としては厳しい部類に入る−55〜1
25℃などの温度サイクル試験条件に対しても、保証で
きる継手を有する混載実装構造体及び混載実装方法並び
に電子機器を提供することにある。
に、本発明による混載実装構造体は、電子部品を配線基
板の一方の面に、Sn−Ag−Cu、あるいはこれにI
n,Biのうち1種以上を添加した鉛フリーはんだを用
いて、リフローソルダリングで表面接続実装し、他の電
子部品を該配線基板の他方の面に、Sn−Ag−Cuの
3元系で構成される鉛フリーはんだを用いて、フローソ
ルダリングで接続実装して構成するものである。
記Sn−Ag−Cuの3元系で構成される鉛フリーはん
だを、Sn−(0〜3.5wt%)Ag−(0.2〜
0.8wt%)Cuの組成で構成するものであり、ま
た、前記Sn−Ag−Cu、あるいはこれにIn,Bi
のうち1種以上を添加した鉛フリーはんだを、 Sn−(1.5〜3.5wt%)Ag−(0.2〜0.
8wt%)Cu−(0〜4wt%)In−(0〜2wt
%)Bi の組成で構成するものである。
構造体を備えた構成をなすものである。
配線基板の一方の面に、Sn−Ag−Cu、あるいはこ
れにIn,Biのうち1種以上を添加した鉛フリーはん
だを用いて、リフローソルダリングで表面接続実装し、
その後、他の電子部品を該配線基板の他方の面に、Sn
−Ag−Cuの3元系で構成される鉛フリーはんだを用
いて、フローソルダリングで接続実装するものである。
部品を配線基板の一方の第1の面にSn−Ag−Cu、
あるいはこれにIn,Biのうち1種以上を添加した鉛
フリーはんだを用いて、リフローソルダリングで表面接
続実装し、その後、他の電子部品を該配線基板の該第1
の面とは反対側の第2の面に、Sn−Ag−Cuの3元
系で構成される鉛フリーはんだを用いて、該第1の面で
のはんだ付け継手の温度をそのはんだの固相線温度以下
に保ってフローソルダリングで接続実装するものであ
る。
フローソルダリングで接続実装するために用いられるS
n−Ag−Cuの3元系で構成される鉛フリーはんだ
を、 Sn−(0〜3.5wt%)Ag−(0.2〜0.8w
t%)Cu の組成のはんだとするものである。
リフローソルダリングで接続実装するために用いられる
Sn−Ag−Cu、あるいはこれにIn,Biのうち1
種以上を添加した鉛フリーはんだを、 Sn−(1.5〜3.5wt%)Ag−(0.2〜0.
8wt%)Cu−(0〜4wt%)In−(0〜2wt
%)Bi の組成のはんだとするものである。
の面に、 Sn−(1.5〜3.5wt%)Ag−(0.2〜0.
8wt%)Cu−(0〜4wt%)In−(0〜2wt
%)Bi の組成のはんだを用いて、リフローソルダリングで表面
実装し、しかる後、他の電子部品を該配線基板の他方の
面に、 Sn−(0〜3.5wt%)Ag−(0.2〜0.8w
t%)Cu の組成のハンダを用いて、フローソルダリングで接続実
装しているので、混載実装を高信頼度で実現できる。こ
の際、配線基板の上記一方の面のリフローソルダリング
はんだ付け継ぎ手部の温度は、この配線基板の他方の面
をフローソルダリングはんだ付けする際に、そのはんだ
の固相線温度以下に保って混載実装を行なうものであ
る。
より説明する。図1は電子機器などに用いられる本発明
による混載実装構造体の一実施形態を示す構成図であっ
て、1は混載実装構造体、2は配線基板、3aはQFP
−LSI、3bはSOP−LSI、4は電極パッド、5
はリフローソルダリングによるはんだ付け継ぎ手(リフ
ローはんだ付け継ぎ手)、6aはリード部品、6bはチ
ップ部品、7は電極、8はフローソルダリングによるは
んだ付け継ぎ手(フローはんだ付け継ぎ手)、9,10
はリードである。
フリーはんだによる接続構造の混載実装構造体1は、配
線基板2の一方の面(以下、A面という)に4方向にリ
ード9を持つQFP−LSI3aや2方向にリード9を
持つSOP−LSI3b,リード部品6aが実装され、
また、他方の面(以下、B面という)にチップ部品6b
が実装されているものとする。
ガラスエポキシなどからなっており、この配線基板2の
A面には、耐熱性が最大240℃であるQFP(Quad Fl
at Package)−LSI3aのリード9やSOP(Small Ou
t−line Package)−LSI3bのリード9,図示しない
TSOP(Thin Small Out−line Package)−LSIのリ
ード,図示しないチップ部品の電極などが、このA面に
設けられた電極パッド4にSn−Ag−Cu、あるいは
これにIn,Biのうち1種以上を添加した鉛フリーは
んだを用いたリフローソルダリングによるはんだ付け継
ぎ手、即ち、リフローはんだ付け継ぎ手5により、表面
実装接続される。
部品6aのリード10が接続される電極7やチップ部品
6bが接続されている電極7が予め設けられており、配
線基板2と電極7を通して貫通する挿入孔が設けられて
いる。ここで、リード部品6aは、配線基板2のA面側
に配置されるものであるが、そのリード10は電極7に
接続されるものである。
終了すると、このB面でフローはんだ付け(上記のフロ
ーソルダリングによるもので、はんだ付け部を溶融した
はんだに接触もしくは浸漬させて行なうはんだ付け)さ
れるべきリード部品6aのリード10がA面側から貫通
した配線基板2の挿入孔に挿入されている電極7の挿入
孔に挿入され、このリード10の先端部がこの電極7か
ら突出した状態に設定される。次に、かかる状態で、S
n−Ag−Cuの3元系の鉛フリーはんだを用いてフロ
ーソルダリングによるはんだ付け継ぎ手、即ち、フロー
はんだ付け継ぎ手8により、電極7にリード部品6aの
リード10が実装接続される。このとき、チップ部品6
bが接続される電極7にはんだ層のフローはんだ付け継
ぎ手8が形成されることになり、かかるはんだ層を用い
てフローソルダリング(即ち、フローはんだ付け)でチ
ップ部品6bが電極7に実装接続される。
この実施形態のリフロー・フローの混載実装構造体が形
成され、各種の電子機器に用いられるものであるが、こ
の実施形態は、LSIなどの電子部品3(QFP−LS
I3aやSOP−LSI3bなど)をガラスエポキシな
どの配線基板2のA面に、Sn−Ag−Cu、あるいは
これにIn,Biのうち1種以上を添加した鉛フリーは
んだを用いたリフローはんだ付け継ぎ手5で、接続実装
し、その後、リード部品6aやチップ部品6bをガラス
エポキシなどの配線基板2のB面に、Sn−Ag−Cu
の3元系の鉛フリーはんだを用いたフローはんだ付け継
ぎ手8で接続実装して構成されるものである。
る配線基板2として、耐熱性が低いこと、かつ反り易い
ことから、最適な接続が得られる条件範囲が狭いガラス
エポキシ基板の場合を例としたが、セラミック基板の場
合には、耐熱性も優れ、かつ反りも少ないので、熱疲労
や配線基板の反りによる部品接続部の剥離の問題がガラ
スエポキシ基板の場合より少なくなるため、セラミック
基板などにも充分適用することができる。
板2のB面のフローはんだ付けプロセスに用いるはんだ
の組成は、Sn−(0〜3.5wt%)Ag−(0.2
〜0.8wt%)Cuであり、Biを含まないSn−A
g−Cuの3元系の鉛フリーはんだを選択した。これ
は、Biを添加したはんだでは、フローはんだ付け温度
を低くすることができ、配線基板2及び電子部品3の耐
熱性の点から有利であるが、フローはんだ付け時に電極
パッド7としてのCuパッドからフィレットが剥がれる
リフトオフ現象が起こってしまう。その原因は、Biを
含んだはんだでは、溶融温度に幅があるため、Biの偏
析が起こり易いこと、接続強度が弱いことなどがあるた
めである。
ためには、冷却速度を速くすることが考えられるが、こ
れを実際のプロセスで行なうためには、特別な冷却装置
を備えたフローはんだ付け装置が必要となり、また、様
々な配線基板11の厚さ及び様々な熱容量の電子部品を
搭載した実装基板で確実に冷却速度を制御することは難
しい。
んだを、Biを含まないSn−Ag−Cuの3元系の鉛
フリーはんだとしたものである。このSn−Ag−Cu
の3元系の鉛フリーはんだの組成範囲としては、Agの
添加量は、Ag3Snの初晶が発生しない範囲として、
3.5wt%までとし、Cuの添加量は、0.8wt%
を越えると、伸びが低下してくるため、上限を0.8w
t%とした。また、若干Cuが含まれることにより、C
uパットやCuリードなどをはんだ付け対象とする場
合、Cuの食われ防止に効果があるため、Cuの添加量
の下限を0.2wt%とした。かかるはんだ組成を用い
ることにより、フローはんだ付け面のリフトオフ欠陥を
防ぐことができる。
点が約215℃〜230℃となるが、配線基板2内の温
度の不均一な分布を考慮すると、フローはんだ付け面は
電子部品3の耐熱温度である約240℃まで加熱されな
ければならない。さらに、フローはんだ付けでは、加熱
時間が短いため、場合によっては、250℃付近までの
加熱が必要とされる。
だ付け継ぎ手5は、このフローはんだ付けプロセスに初
期的に耐えられ、かつ使用時の耐熱疲労特性も充分確保
できるはんだ組成でなくてはならない。
はんだ付けに用いる鉛フリーはんだの組成の実施例につ
いて説明する。
けにおいては、高温に曝される時間がフローはんだ付け
と比較して長く、冷却速度も遅いため、基板11や電子
部品3の耐熱性が問題となってくる。現状の基板11や
電子部品3の耐熱性を損なわないためには、(a)電子
部品3の表面の温度を最高ほぼ240℃以下とする必要
がある。また、鉛フリーはんだとして、Sn−Agの2
元系やSn−Ag−Cuの3元系が考えられるが、液相
線温度からこれらが正常にぬれるためには、(b)接続
温度として、Sn−Agの2元系の鉛フリーはんだで
は、最低225℃、Sn−Ag−Cuの3元系の鉛フリ
ーはんだでは、最低220℃が必要である。
少ない強制対流型のものを用いても、約300mm角レ
ベルの大型の配線基板2上の継ぎ手部の温度のばらつき
は約10〜15℃であるため、最高部の温度を240℃
とすると、あるはんだ付け継ぎ手では、225℃程度に
なる可能性があり、ぬれを確保できる最低のレベルとな
る。従って、部材の耐熱性が確保でき、または、炉内の
温度ばらつきを低減した条件では、Sn−Ag−Cuの
3元系の鉛フリーはんだをリフローはんだ付けに用いる
ことができるが、耐熱性の悪い部品や部品の熱容量の差
が大きく、配線基板2内の温度ばらつきが大きい場合に
は、高信頼性を確保できる他のはんだが必要である。
り、Sn−Ag−Cu系にBiを添加したSn−Ag−
Bi−Cuの4元系の鉛フリーはんだを検討した。
%,0.7wt%に固定し、Biを添加したときの融点
を図2に示すが、Biの添加量が3wt%では、液相線
温度が216℃、Bi添加量が5wt%では、液相線温
度は213℃まで下がり、部品の耐熱温度や炉内温度の
ばらつきなどを考慮すると、リフローはんだ付けが容易
になってくる。Biを6wt%以上添加すると、さらに
融点が下がるので、リフローはんだ付けはさらに容易に
なる。
ような問題を引き起こすことがわかった。
以上に増加すると、材料の伸び特性が、図3に示したよ
うに、低下してしまうことである。はんだ材料の伸び特
性が低下すると、接続時あるいは使用時に、リフローは
んだ付け継ぎ手5に発生する熱応力を緩和できなくな
り、信頼性を大幅に低下させる。
以上に多くなると、接合界面の強度(ピール強度)が低
下してしまうことである。LSIのリードとして一般的
に用いられている42AlloyリードフレームにSn
メッキを施したリード、及び配線基板2の電極材料とし
て用いられているCuに対して、Sn−3wt%Ag−
0.7wt%Cuの組成のはんだにBiを添加したとき
の接合界面の強度(垂直方向のピール強度)を夫々図4
及び図5に示すが、Biの量が増えるに従って接続強度
が低下していることがわかる。
いられているSn−10wt%Pbでメッキされた42
Alloyリードに対して顕著になる。この結果を図6
に示すが、Biが2wt%添加されても、界面強度が大
幅に低下することが分かる。この強度低下の原因は、B
iの偏析によるものと考えられる。特に、Pb入りメタ
ライズの場合の強度低下は、はんだ中のBiやSnとメ
ッキ膜中から混入したPbとがSn−Pb−Bi低温相
(97℃)を形成することに起因すると考えられる。
続部のDSC(示差走査熱量測定:differential scann
ing calorimetry)測定結果(温度(℃)とヒートフロ
ー(mcal/sec)との関係)を示すものである。但し、図
7(a)はBiの添加量が0wt%、図7(b)はBi
の添加量が4wt%、図7(c)はBiの添加量が7w
t%の場合を夫々示し、Ag,Cuの添加量を、上記の
ように、一定としている。
7(a),(b)に示すように、180℃付近まで溶融
に伴う吸熱ピークは見られないが、Biが約7wt%に
なると、図7(c)に示すように、低温相が見られるこ
とになる。このような低温相の形成は、実使用環境での
劣化を早めることになる。
リフローはんだ付け継ぎ手5は、電子部品3の大きさに
よっては、配線基板2のB面でのフローはんだ付け時の
配線基板2の反りに耐えきれず、剥離破壊を起こしてし
まうことである。この例を次に示す。
(融点:204〜213℃)で配線基板2のA面に大型
のQFP−LSI(リード:42AlloyにSnメッ
キ)をリフローはんだ付けし、次に、B面に、Sn−3
Ag−0.5Cuはんだ(融点:218℃)を用いて、
250℃でフローはんだ付けを行なった。Sn−3Ag
−0.7Cu−5Biはんだによるリフローはんだ付け
プロセス後、即ち、フローはんだ付け前のLSIのリフ
ローはんだ付け継ぎ手14の強度は、45°方向のピー
ル試験によると、Sn−Pb共晶とほぼ同じであり、充
分な強度を有していた。また、−55〜125℃の温度
サイクル試験を行なっても、QFP−LSI3aのリフ
ローはんだ付け継ぎ手5では、1000サイクルを充分
クリアできるレベルであった。しかし、このリフローは
んだ付け継ぎ手14は、フローはんだ付け後、剥離を起
こした。この原因を調べるため、フローソルダリングの
プロセス(以下、フロープロセスという)時に剥離した
リフローはんだ付け継ぎ手14の破面についてEDX
(エネルギー分散形X線分析法:energy dispersiveX-r
ay spectroscopy)分析を行なった結果、破壊場所はリ
ード9とはんだ14との界面であって、図8に示すよう
に、界面(分析箇所A)には、Biが46wt%とはん
だ中の添加率(5wt%)に比べて、大量に含まれてい
ることが分かった。
は、フロープロセス時に固相線の204℃近くまで上昇
し、さらに、配線基板2の反りも加わるため、界面に沿
ってBiが偏析(濃度の増加)して接続強度が低下し、
この場合、剥離を起こしたものと考えられる。さらに、
Biの添加量の多いはんだでは、フロープロセス時にリ
フローはんだ付け継ぎ手5の再溶融が起り、かかる現象
がさらに顕著になる。
プロセスで初期的に剥離などの問題はなかったとして
も、フロープロセス時の熱により、接続界面でBiの濃
度が増加すると、電子部品3のリードの剛性が高く、応
力的に厳しいSOP−LSIやTSOP−LSIなどで
のリフローはんだ付け継ぎ手14は、−55〜125℃
の温度サイクル条件では、目標寿命を満たすことができ
ない。即ち、電子部品3中のスイッチのON,OFF動
作に伴う温度サイクルによって劣化し、弱い応力でも破
壊を起こしてしまう接続構造となる。従って、フローは
んだ付けの際には、大型LSIのA面でのリフローはん
だ付け継ぎ手14の温度が少なくとも固相線温度以下に
保つことが高信頼性を保つ上で重要な条件となる。
べく少なくする必要がある。BiのSn−Ag−Cuは
んだのSn晶への固溶限が約1.5wt%であるため、
それ以上Biを添加すると、融点は下げられるものの、
固溶できないBiが析出して機械的特性、特に、図3に
示したように、信頼性に大きな影響を与える伸びの低下
によって脆化し、かつ、接合界面の強度低下を起こすこ
とになる。
Biを添加したときの引張強度を示すものであるが、B
iの添加量が増加するにつれてはんだの引っ張り強度が
増大し、硬くなっていることがわかる。従って、図3か
ら明らかなように、Biの添加量が2wt%までは伸び
の劣化はないため、Biの添加量が2wt%まではバル
ク材料の特性は優れていると言え、この添加量の上限値
は2wt%であることがわかった。
り、はんだの表面張力が低減し、また、流動性が増加す
るため、狭ピッチリードのLSIに対するブリッジの低
減及びチップ立ちの防止に著しい効果があり、この性質
を利用して歩留まり向上に役立てることができる。
耐ブリッジ性などの観点から、Biの添加量として2.
0wt%が上限であることを見出した。これ以上のBi
の添加量は界面の強度低下につながり、混載実装構造体
1における配線基板2のリフローソルダリングする面用
のはんだとしては適さない。
んだ付け温度を低くして、かつ高信頼性を確保するた
め、配線基板2のA面のリフローはんだ付けに用いる鉛
フリーはんだとして、Sn−Ag−CuはんだへのIn
添加も検討した。
てみると、Sn−3Ag−0.7CuはんだへのInの
添加は、図10に示すように、Biに対して示す図2と
同様に、Sn−3Ag−0.7Cuはんだへのその添加
量の増加とともに融点を低下させる傾向がある。しか
し、図11に示すように、Sn−Ag−Cuはんだへの
Inの添加量を増加させても、図3と比較して明らかな
ように、Biの場合ほど顕著な伸び特性の劣化が起こら
ないことがわかった。また、図12に示すように、Sn
メッキを施した42Alloyリードに対しても、図4
と比較して明らかなように、Biの場合ほど顕著なピー
ル強度の低下を起こさないことがわかった。さらに、S
n−Ag−Cuの3元系はんだに対し、Biの添加量と
Inの添加量とをともに変化させた実験を行ない、その
系でも、はんだ付け継ぎ手の機械的な信頼性はBiの添
加量で決まり、Inの添加量は機械的特性をほとんど損
うことがなく、融点を低下される作用をなすことが明ら
かになった。
量の詳細な検討を行なった結果について説明する。
を例としたときのBi,Inの添加量に対する液相線温
度,固相線温度の変化を示す図であって、縦軸は温度、
横軸の左半分は0〜5wt%のBiの添加範囲を、右半
分は0〜5wt%のInの添加範囲を夫々示している。
Ag−0.7Cuはんだを例とし、Bi,Inの添加量
に対する伸びの変化を示す図であって、縦軸は伸びを示
し、横軸は図13と同様である。
も、Sn−3Ag−0.7CuはんだでのBiの添加量
を2wt%とし、このときのInの添加量を0〜5wt
%と変化させたときの液相/固相線温度,伸びの変化を
夫々の図面の右半分に破線で示している。
0.7Cu−2Bi−3In(Sn−3Ag−0.7C
uにBiを2wt%,Inを3wt%添加)はんだの融
点がSn−3Ag−0.7Cu−5Biはんだのそれに
近く、Sn−3Ag−0.7Cu−2Biはんだのそれ
よりも低いことがわかる。これより、Sn−3Ag−
0.7Cu−2Bi−3Inはんだのリフロー温度は、
Sn−3Ag−0.7Cu−5Biはんだ並みで可能で
ある。
も伸びの劣化はほとんどなく、また、接続強度の劣化も
少ないため、配線基板2の裏面(B面)のフロープロセ
スでも初期的に充分耐えられ、かつ長期的な熱疲労特性
も問題ない。
混載実装構造体1における上記課題を解決できるもので
ある。
囲において、Inの添加量を変化させる実験を行なった
結果、Inの添加量が4wt%までの範囲では、配線基
板2の目的とするA面のリフローはんだ付け用の鉛フリ
ーはんだ組成が得られることがわかった。これは、In
の添加量が4wt%以上になると、固相線温度が低くな
り、配線基板2の裏面(B面)のフローはんだ付けプロ
セスに初期的に耐えられなくなるためである。しかも、
Inが高価であることから、コストの面やInが酸化さ
れ易いということのため、ペーストの保管性や印刷性な
どの影響が出やすいこと、及び固相線温度が下がってS
n−In−Pb−Biと考えられる低温相が出やすくな
るため、はんだ組織が不安定になるなどの問題がある。
以上の理由から、Inの添加量の上限値を4wt%とし
た。
ねないで、Sn−Ag結晶の融点を数度下げる効果があ
る範囲とした。Cuの添加量は、0.8wt%を越える
と、図15に示したように、Cuを添加しないものに比
べて伸びが低下してくるため、Cuの添加量の上限を
0.8wt%とした。しかも、Cuが若干添加されるこ
とは、CuパットやCuリードなどを対象とする場合、
Cuの食われ防止にも効果がある。このため、Cuの添
加量の下限を0.2wt%とした。
1.5wt%以下とすると、融点の上昇と機械的特性の
低下が生ずる。また、その添加量を3.5wt%以上と
すると、同様に融点の上昇があるとともにAg3Snの
初晶が大きく成長するため、機械的特性が低下し、さら
には、コスト高にもなる。従って、Agの添加量は1.
5〜3.5wt%とした。
ーはんだを用いてリフローはんだ付けし、B面を鉛フリ
ーはんだを用いてフローはんだ付けする際に、このA面
のリフローはんだ付け用の鉛フリーはんだの組成として
は、Sn−Ag−Cu、あるいはこれにIn,Biのう
ち1種以上を添加した Sn−(1.5〜3.5wt%)Ag−(0.2〜0.
8wt%)Cu−(0〜4wt%)In−(0〜2wt
%)Bi にすることが最適であることを究明することができた。
ロー・フローの混載実装構造体1において、配線基板2
のA面に対して、上記組成範囲のSn−Ag−Cu、あ
るいはこれにIn,Biのうち1種以上を添加した鉛フ
リーはんだを用いてリフローはんだ付けを行ない、次
に、この配線基板2のB面に対して、上記組成範囲のS
n−Ag−Cuの3元系の鉛フリーはんだを用いてフロ
ーはんだ付けを行なうことにより、配線基板2や電子部
品3,6aの耐熱性の範囲内で初期的な不良を起さず、
かつ、長期的にも、優れた熱疲労特性を持つという優れ
た効果が得られることになる。
プロセスの実施例について具体的に説明する。
×300mmのガラスエポキシ基板を用い、この配線基
板2のA面に、208ピンのQFP−LSI3aやSO
P−LSI3b,チップ部品6aなどをリフローはんだ
付けした。この場合、リフローはんだ付けに用いる鉛フ
リーはんだとして、4元系の鉛フリーはんだであるSn
−3Ag−0.7Cu−5Biはんだ(融点:204〜
213℃)を用いたものを比較例とし、また、上記の5
元系の鉛フリーはんだであるSn−3Ag−0.7Cu
−2Bi−3Inはんだ(融点:203〜212℃)を
用いたものを実施例1とした。なお、これらはんだとし
ては、無洗浄タイプのはんだペースト〔はんだ粒径:平
均30μm、塩素含有量:0.05wt%、フラックス
含有量:10%〕を用い、プレヒート温度を150±1
5℃、継ぎ手部温度maxを235℃として、空気中で
リフローはんだ付けした。
243℃(ガラスエポキシ基板の耐熱性:max260
℃)、上記の電子部品3,6aの表面はmax238℃
(部品の耐熱性:max240℃)である。使用したリ
フロー炉は、強制循環型の赤外炉である。また、QFP
−LSI3aのリードのピッチは0.5mm,0.4m
mである。このとき、リフローはんだ付けを行なったは
んだ接続部(はんだ付け継ぎ手)は、比較例,実施例1
のいずれにおいても、全く問題はなかった。
配線基板2のB面では、上記の3元系の鉛フリーはんだ
であるSn−3Ag−0.5Cuはんだ(融点:218
℃)を用い、また、比較例の配線基板2のB面では、2
元系の鉛フリーはんだであるSn−0.7Cuはんだ
(融点:227℃)を用いて、夫々max235℃〜m
ax260℃の範囲でフローはんだ付けを行なった。
のA面をSn−3Ag−0.7Cu−5Biはんだでリ
フローはんだ付けした比較例では、QFP−LSI3a
の1辺で剥がれたリード9が見られた。また、剥がれな
かったリード9についても、同一位置のリード継ぎ手が
弱いことが分かった。接合されている近傍のリード継ぎ
手は強いので、配線基板2の反りによってある一定位置
に負担がかかり、そこで集中的に剥離するモードと判断
した。フロー温度を低くして配線基板2のA面の温度を
下げた場合についても検討したが、フローはんだ付け面
で溶融不足の箇所がいくつか見られたが、初期的には破
断は見られず、A面のリフローはんだ付け側には問題が
なかった。しかし、リードが短かく、応力的に厳しいT
SOP−LSI(図1で図示せず)は、その後の−55
〜125℃の温度サイクル試験での寿命が、目標として
いる1000サイクルをクリアできず、500〜750
サイクルで断線した。従って、リフロー・フロー混載プ
ロセスに耐えられず、かつ、寿命でも問題があるので、
配線基板2のB面でSn−Ag−Cu3元系の鉛フリー
はんだでフローはんだ付けを行なう前に、これとは反対
側のA面でSn−3Ag−0.7Cu−5Biはんだで
リフローはんだ付けによる接続構造は、混成実装構造体
として良好な性能を得ることが困難であると判断した。
−Cu−Bi−Inの5元系の鉛フリーはんだであるS
n−3Ag−0.7Cu−2Bi−3Inはんだで配線
基板2のA面をリフローはんだ付けすると、この後のフ
ローはんだ付けでも、フローはんだ付けの条件によら
ず、リードの剥離は起らなかった。さらには、その後の
−55〜125℃の温度サイクル試験でも1000サイ
クル以上をクリアできた。これより、融点,はんだ付け
温度はSn−3Ag−0.7Cu−5Biはんだ並み
で、しかも、高信頼性のはんだ組成を得ることができ
た。
付けをSn−3Ag−0.7Cu−1Bi−2Inはん
だで行ない、その後の配線基板2のB面のフローはんだ
付けをSn−3Ag−0.7Cuはんだで行ない、上記
と同様の実験を行なったが、この場合でも、初期的及び
長期信頼性の面でも問題がなかった。即ち、Sn−3A
g−0.7Cu−1Bi−2Inはんだでリフローはん
だ付けした後、Sn−3Ag−0.7Cuはんだを用
い、250℃のはんだ浴温度でかつ1m/minのコン
ベア速度でフローはんだ付けを行なったが、リフローは
んだ付け継ぎ手5が最大195℃まで上昇した。これ
は、リフローはんだ付け用のはんだの固相線温度以下で
あり、リフローはんだ付け継ぎ手5を再溶融させず、か
つ、配線基板2の反りに対しても充分な接合界面強度を
確保していることから、混載実装に耐えられる組み合わ
せである。なお、電子部品のリードの表面処理はSn−
10wt%Pbメッキであるため、その融点も多少低下
するが、それでも、再溶融現象は起きていなかった。
げたSn−3Ag−0.7Cu−2Bi−4Inはんだ
の場合でも、同様に、プロセス及び信頼性をクリアでき
た。
はんだ(融点:207〜216℃)とSn−3Ag−
0.7Cuはんだとを用いてリフローはんだ付けを行な
った結果を示す。
の継ぎ手の温度はmax236℃であって、耐熱性はク
リアできる。また、Sn−3Ag−0.7Cuはんだに
よるリフローはんだ付け時の継ぎ手の温度は、従来型の
赤外線リフロー炉ではんだ付けを行なうと、max24
5℃であって、このときの配線基板2の表面温度はma
x265℃であり、基板の耐熱温度を越えていた。ま
た、電子部品3,6などの表面温度もmax245℃と
なり、部品の膨れや異臭が発生した。しかし、炉内の温
度分布を低減した強制対流型のリフロー炉を用いること
により、耐熱性の範囲内でリフロー可能であることを確
認した。従って、これらについて、配線基板2のB面の
フローはんだ付けはSn−3Ag−0.7Cuはんだを
用いて行ない、はんだ付け継ぎ手の信頼性評価を行なっ
た。これらのリフロー・フロー混載プロセスでのはんだ
付け継ぎ手の剥がれはなかった。この理由は、Biが含
まれていないため、接合界面の強度が高いことによるも
のと考える。温度サイクル試験を行なった結果は、両者
とも、−55〜125℃の温度サイクル試験では、10
00サイクル以上をクリアし、信頼性として充分優れて
いる。
g−Cu、あるいはこれにIn、Biのうち1種以上を
添加した鉛フリーはんだ、即ち、 Sn−(1.5〜3.5wt%)Ag−(0.2〜0.
8wt%)Cu−(0〜2wt%)Bi−(0〜4wt
%)In は、リフロー・フロー混載実装において、バランスのと
れた優れた組成であることが確認された。なお、リフロ
ー・フロー混載実装のように、始めにリフローはんだ付
けを行ない、その後にフローはんだ付けを行なう場合、
始めに行なうリフローはんだ付け用の材料の方が、その
後のフローはんだ付け用の材料より融点が同じか高いこ
とが従来の方法であったが、本発明においては、リフロ
ーはんだ付け用の材料の方の融点がBi,Inを添加し
た場合は低くなり、従来と異なる方法である。
付け用のはんだ組成は、混載実装の場合に限らず、リフ
ロー面だけに用いてもよい。
載実装、またその他の別付け部品があっても、上記組み
合わせで高信頼な実装基板を得ることができる。
には、Sn−58Biはんだ、またはこの周辺の組成に
Ag,Cuなどを少量加えたはんだによる階層接続も可
能である。
鉛フリーはんだを用いて最も厳しい実装プロセスである
リフロー・フローはんだ付けの混載実装を高信頼度で実
現できる効果を奏する。
用いて最も厳しい実装プロセスであるリフロー・フロー
はんだ付けの混載実装において、部品の耐熱性の範囲内
ではんだ接合でき、フローはんだ付け時の基板の反りに
対しても、フローはんだ付け前に行なったリフローはん
だ付けのはんだ継ぎ手が剥離を起こさない、高信頼度で
はんだ接合を可能にすることができる。
を用いて最も厳しい実装プロセスであるリフロー・フロ
ーはんだ付けの混載実装において、接続部の熱疲労特性
として、−55〜125℃の温度サイクル試験条件に対
しても保証できるはんだ付け継ぎ手を有する混載実装構
造体を実現することができる。
んだを用いて最も厳しい実装プロセスであるリフロー・
フローはんだ付けの混載実装において、耐熱疲労特性,
耐クリープ性及び耐高温に優れ、かつ高密度実装に対し
て高歩留まりで実装することが可能となる。
す構成図である。
したときの液相線温度及び固相線温度の変化を示す図で
ある。
したときの20℃における伸びの変化を示す図である。
したときのSnメッキした42アロイリードとのピール
強度を示す図である。
したときのCuに対するピール強度を示す図である。
したときのSn−10Pbメッキした42アロイリード
とのピール強度を示す図である。
uはんだのDSC測定結果を示す図である。
したときの20℃における引張強度を示す図である。
加したときの固相線温度及び液相線温度を示す図であ
る。
加したときの20℃における伸びを示す図である。
加したときのSnメッキした42アロイリードとのピー
ル強度を示す図である。
nとを添加したときの固相線温度及び液相線温度並びに
リフロー温度を示す図である。
nとを添加したときの20℃における伸びを示す図であ
る。
20℃における伸びを示す図である。
はんだ 6a リード部品 6b チップ部品 7 電極 8 Sn−Ag−Cuの3元系の鉛フリーはんだ 9,10 リード
Claims (7)
- 【請求項1】 配線基板の一方の面に、Sn−Ag−C
u、あるいはこれにIn,Biのうち1種以上を添加し
た鉛フリーはんだを用い、リフローソルダリングで電子
部品を表面接続実装し、 該配線基板の他の面に、Sn−Ag−Cuの3元系で構
成される鉛フリーはんだを用い、フローソルダリングで
他の電子部品を接続実装したことを特徴とする混載実装
構造体。 - 【請求項2】 請求項1において、 Sn−Ag−Cuの3元系で構成される前記鉛フリーは
んだを、 Sn−(0〜3.5wt%)Ag−(0.2〜0.8w
t%)Cu の組成で構成したことを特徴とする混載実装構造体。 - 【請求項3】 請求項1または2において、 Sn−Ag−Cu、あるいはこれにIn,Biのうち1
種以上を添加した前記鉛フリーはんだを、 Sn−(1.5〜3.5wt%)Ag−(0.2〜0.
8wt%)Cu−(0〜4wt%)In−(0〜2wt
%)Bi の組成で構成したことを特徴とする混載実装構造体。 - 【請求項4】 請求項1,2または3記載の混載実装構
造体を備えたことを特徴とする電子機器。 - 【請求項5】 配線基板の一方の面に、Sn−Ag−C
u、あるいはこれにIn,Biのうち1種以上を添加し
た鉛フリーはんだを用い、リフローソルダリングで電子
部品を表面接続実装し、その後、該配線基板の他方の面
に、Sn−Ag−Cuの3元系で構成される鉛フリーは
んだを用い、フローソルダリングで他の電子部品を接続
実装することを特徴とする混載実装方法。 - 【請求項6】 請求項5において、 フローソルダリングで接続実装するために用いられるS
n−Ag−Cuの3元系で構成される前記鉛フリーはん
だが、 Sn−(0〜3.5wt%)Ag−(0.2〜0.8w
t%)Cu の組成のはんだであることを特徴とする混載実装方法。 - 【請求項7】 請求項5または6において、 リフローソルダリングで接続実装するために用いられる
Sn−Ag−Cu、あるいはこれにIn,Biのうち1
種以上を添加した前記鉛フリーはんだが、 Sn−(1.5〜3.5wt%)Ag−(0.2〜0.
8wt%)Cu−(0〜4wt%)In−(0〜2wt
%)Bi の組成のはんだであることを特徴とする混載実装方法。
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