JP2002066783A - Lead free solder paste, solder joining method and mounting structure - Google Patents
Lead free solder paste, solder joining method and mounting structureInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、電子部品などを半
田接合する鉛フリー半田ペーストおよびこの鉛フリー半
田ペーストを用いた半田接合方法ならびに実装構造に関
するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a lead-free solder paste for soldering electronic parts and the like, a soldering method using the lead-free solder paste, and a mounting structure.
【０００２】[0002]
【従来の技術】半導体素子や回路基板などの電子部品を
相互に接合する方法として、半田付けが広く用いられて
いる。近年鉛による環境汚染防止の観点から、従来用い
られていたスズ・鉛系の半田に替えて、鉛を成分として
含まない鉛フリー型の半田が用いられるようになってい
る。この鉛フリー型の半田として、鉛の替わりに亜鉛を
用いた錫・亜鉛系の半田が知られている。この錫・亜鉛
系の半田は、従来の錫・鉛系の半田と同様に融点が低い
ことから、基板や電子部品の焼損を招くことなく半田接
合が行えるという長所を有している。2. Description of the Related Art Soldering is widely used as a method for joining electronic components such as semiconductor elements and circuit boards to each other. In recent years, from the viewpoint of preventing environmental pollution due to lead, lead-free solder containing no lead as a component has been used instead of tin / lead-based solder conventionally used. As this lead-free type solder, a tin / zinc-based solder using zinc instead of lead is known. Since the tin / zinc-based solder has a low melting point like the conventional tin / lead-based solder, it has an advantage that the soldering can be performed without burning the substrate or the electronic component.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この錫
・亜鉛系の半田を電子部品の電極材料として最も一般的
に用いられている銅電極を接合対象として用いた場合に
は、以下に説明するような不具合が生じていた。この半
田の成分である亜鉛は、銅との間で拡散性の金属化合物
（以下、「Ｃｕ／Ｚｎ層」と略記する。）を生成する性
質を有しており、この錫・亜鉛系の半田を用いて銅電極
を接合すると、半田と銅電極との接合界面には、Ｃｕ／
Ｚｎ層が生成する。However, when the tin / zinc-based solder is used as a joining object with a copper electrode most commonly used as an electrode material of an electronic component, it will be described below. Trouble occurred. Zinc which is a component of the solder has a property of generating a diffusible metal compound (hereinafter abbreviated as “Cu / Zn layer”) with copper. When the copper electrode is joined by using Cu, Cu /
A Zn layer is generated.
【０００４】そしてこのＣｕ／Ｚｎ層が時間の経過とと
もに成長すると接合界面には微小なボイドが発生し、こ
のボイドによって接合強度が低下して接合後の信頼性を
低下させることとなっていた。このように従来の亜鉛を
含む鉛フリー半田ペーストには、銅電極の半田接合にお
いて接合強度が確保されないという問題点があった。When the Cu / Zn layer grows with the passage of time, minute voids are generated at the bonding interface, and the voids reduce the bonding strength and reduce the reliability after bonding. As described above, the conventional lead-free solder paste containing zinc has a problem that the bonding strength is not ensured in the solder bonding of the copper electrode.
【０００５】そこで本発明は、銅電極の半田接合におい
て強度低下を生じることがなく、接合後の信頼性を確保
することができる鉛フリー半田ペーストおよび半田接合
方法ならびに実装構造を提供することを目的とする。Accordingly, an object of the present invention is to provide a lead-free solder paste, a solder bonding method, and a mounting structure capable of ensuring reliability after bonding without causing a decrease in strength in solder bonding of copper electrodes. And
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】請求項１記載の鉛フリー
半田ペーストは、銅電極の接合に用いられる鉛フリー半
田ペーストであって、少なくとも錫／亜鉛（Ｓｎ／Ｚ
ｎ）を含む半田粒子と銅（Ｃｕ）をベースとする金属粒
子とを、フラックスに混合することによりペースト状に
した。The lead-free solder paste according to claim 1 is a lead-free solder paste used for joining copper electrodes, and at least tin / zinc (Sn / Z).
Solder particles containing n) and metal particles based on copper (Cu) were mixed into a flux to form a paste.
【０００７】請求項２記載の半田接合方法は、銅電極と
他の電極を半田により接合する半田接合方法であって、
少なくとも錫／亜鉛（Ｓｎ／Ｚｎ）を含む半田粒子と銅
（Ｃｕ）をベースとする金属粒子とを、フラックスに混
合することによりペースト状にした鉛フリー半田ペース
トを用い、接合部の半田の内部において前記金属粒子の
周辺に銅（Ｃｕ）と亜鉛（Ｚｎ）の拡散性金属化合物層
を形成させることにより、前記銅電極と半田の接合界面
における銅（Ｃｕ）と亜鉛（Ｚｎ）の拡散性金属化合物
層の形成を抑制するようにした。A second aspect of the present invention is a soldering method for joining a copper electrode and another electrode by soldering.
Solder particles containing at least tin / zinc (Sn / Zn) and metal particles based on copper (Cu) are mixed with a flux to form a paste-like lead-free solder paste, and the inside of the solder at the joint is used. Forming a diffusible metal compound layer of copper (Cu) and zinc (Zn) around the metal particles, so that the diffusible metal of copper (Cu) and zinc (Zn) at the joint interface between the copper electrode and the solder is formed. The formation of the compound layer was suppressed.
【０００８】請求項３記載の実装構造は、銅電極と他の
電極を半田により接合して成る実装構造であって、前記
銅電極の半田接合において、少なくとも錫／亜鉛（Ｓｎ
／Ｚｎ）を含む半田粒子と銅（Ｃｕ）をベースとする金
属粒子とを、フラックスに混合することによりペースト
状にした鉛フリー半田ペーストを用い、接合部の半田の
内部において前記金属粒子の周辺に銅（Ｃｕ）と亜鉛
（Ｚｎ）の拡散性金属化合物層を形成させることによ
り、前記銅電極と半田の接合界面における銅（Ｃｕ）と
亜鉛（Ｚｎ）の拡散性金属化合物層の形成が抑制されて
いる。According to a third aspect of the present invention, there is provided a mounting structure in which a copper electrode and another electrode are joined by soldering. In the soldering of the copper electrode, at least tin / zinc (Sn) is used.
/ Zn) and a metal particle based on copper (Cu) using a lead-free solder paste made into a paste by mixing with a flux, and surrounding the metal particles inside the solder at the joint. Forming a diffusible metal compound layer of copper (Cu) and zinc (Zn) on the surface, thereby suppressing the formation of a diffusible metal compound layer of copper (Cu) and zinc (Zn) at the joint interface between the copper electrode and the solder. Have been.
【０００９】各請求項記載の発明によれば、少なくとも
錫／亜鉛（Ｓｎ／Ｚｎ）を含む半田粒子と銅（Ｃｕ）を
ベースとする金属粒子とを、フラックスに混合すること
によりペースト状にした鉛フリー半田ペーストを用い、
接合部の半田の内部において金属粒子の周辺に銅（Ｃ
ｕ）と亜鉛（Ｚｎ）の拡散性金属化合物層を形成させる
ことにより、銅電極と半田の接合界面における銅（Ｃ
ｕ）と亜鉛（Ｚｎ）の拡散性金属化合物層の形成を抑制
することができ、銅電極の半田接合において強度低下を
防止して接合後の信頼性を確保することができる。According to the invention, solder particles containing at least tin / zinc (Sn / Zn) and metal particles based on copper (Cu) are mixed into a flux to form a paste. Using lead-free solder paste,
Copper (C) around the metal particles inside the solder at the joint
u) and a diffusible metal compound layer of zinc (Zn) to form copper (C) at the joint interface between the copper electrode and the solder.
The formation of a diffusible metal compound layer of u) and zinc (Zn) can be suppressed, the strength can be prevented from lowering in the solder bonding of the copper electrode, and the reliability after the bonding can be ensured.
【００１０】[0010]
【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態を図面を
参照して説明する。図１は本発明の一実施の形態の電子
部品の実装方法の工程説明図、図２は本発明の一実施の
形態の鉛フリー半田ペーストの構成を示す模式図、図３
は本発明の一実施の形態の電子部品の実装構造における
半田接合部の部分断面図である。Embodiments of the present invention will now be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a process explanatory view of a method for mounting an electronic component according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration of a lead-free solder paste according to an embodiment of the present invention, and FIG.
FIG. 2 is a partial cross-sectional view of a solder joint in the electronic component mounting structure according to one embodiment of the present invention.
【００１１】まず電子部品の実装方法について説明す
る。図１（ａ）において、基板１の上面には銅端子２が
形成されている。銅端子２の上面には鉛フリー半田ペー
スト３が塗布されている。銅端子２には、電子部品４に
形成された銅バンプ５が鉛フリー半田ペースト３によっ
て半田接合され、これにより電子部品４は基板１に実装
される。本発明の半田接合の対象となる銅端子２や銅バ
ンプ４は純銅以外に、銅メッキで形成されたものや、銅
合金で作られたものでもよい。本発明ではこれらを総称
して銅電極と呼ぶ。First, an electronic component mounting method will be described. In FIG. 1A, a copper terminal 2 is formed on the upper surface of a substrate 1. A lead-free solder paste 3 is applied to the upper surface of the copper terminal 2. A copper bump 5 formed on the electronic component 4 is soldered to the copper terminal 2 by a lead-free solder paste 3, whereby the electronic component 4 is mounted on the substrate 1. The copper terminals 2 and the copper bumps 4 to be solder-joined according to the present invention may be formed by copper plating or copper alloy in addition to pure copper. In the present invention, these are collectively referred to as copper electrodes.
【００１２】ここで、鉛フリー半田ペースト３について
説明する。鉛フリー半田ペースト３は鉛成分をほとんど
含まない半田ペーストであって、図２の模式図に示すよ
うに少なくとも錫／亜鉛（Ｓｎ／Ｚｎ）を含む半田粒子
６と銅（Ｃｕ）をベースとする金属粒子７とをフラック
ス８に混合することによりペースト状にしたものであ
る。この錫・亜鉛系の半田ペーストは、従来の錫・鉛系
の半田と同様に融点が低いことから、基板１や電子部品
４の焼損を招くことなく半田接合が行えるという長所を
有している。ここに示す例では、銅（Ｃｕ）をベースと
する金属粒子７を、重量比で３〜３０％の範囲で含有さ
せている。Here, the lead-free solder paste 3 will be described. The lead-free solder paste 3 is a solder paste containing almost no lead component, and based on solder particles 6 containing at least tin / zinc (Sn / Zn) and copper (Cu) as shown in the schematic diagram of FIG. It is made into a paste by mixing the metal particles 7 with the flux 8. Since the tin / zinc-based solder paste has a low melting point like the conventional tin / lead-based solder, it has an advantage that the solder joining can be performed without causing the substrate 1 or the electronic component 4 to be burned. . In the example shown here, metal particles 7 based on copper (Cu) are contained in a weight ratio of 3 to 30%.
【００１３】ここで用いられるＳｎ／Ｚｎの半田粒子６
は、Ｓｎ／Ｚｎの共晶（Ｓｎ／９％Ｚｎ）組成近傍のも
のであり、これにビスマス（Ｂｉ）などの添加元素を含
むものであってもよい。また、混合する金属粒子７とし
ては、上記銅（Ｃｕ）をベースとするもの以外にも、亜
鉛（Ｚｎ）との相互拡散作用が銅と同等もしくはそれ以
上のものであれば銅（Ｃｕ）に替えて用いることができ
る。The Sn / Zn solder particles 6 used here
Is in the vicinity of a eutectic Sn / Zn (Sn / 9% Zn) composition, and may contain an additional element such as bismuth (Bi). The metal particles 7 to be mixed are not limited to those based on copper (Cu), but may be replaced with copper (Cu) if the interdiffusion with zinc (Zn) is equal to or greater than that of copper. It can be used interchangeably.
【００１４】このような鉛フリー半田ペースト３が塗布
された銅端子２に対して、図１（ｂ）に示すように銅バ
ンプ５を有する電子部品４が搭載される。搭載後の基板
１はリフロー工程に送られ、ここで半田融点以上の温度
に加熱することにより、鉛フリー半田ペースト３中の半
田粒子６が溶融する。これにより、図１（ｃ）に示すよ
うに電子部品４の銅バンプ５は溶融半田３’によって銅
端子２に半田接合され、電子部品４は基板１に実装され
る。An electronic component 4 having a copper bump 5 is mounted on the copper terminal 2 coated with the lead-free solder paste 3 as shown in FIG. The mounted substrate 1 is sent to a reflow process, where the substrate 1 is heated to a temperature equal to or higher than the solder melting point, whereby the solder particles 6 in the lead-free solder paste 3 are melted. Thereby, as shown in FIG. 1C, the copper bump 5 of the electronic component 4 is soldered to the copper terminal 2 by the molten solder 3 ′, and the electronic component 4 is mounted on the substrate 1.
【００１５】ここで、図３を参照して銅バンプ５と銅端
子２との半田接合構造、すなわち銅バンプ５を介した電
子部品４の実装構造について説明する。リフロー工程に
おいて加熱温度が約２００度に到達すると、半田ペース
ト中のＳｎ／Ｚｎの半田粒子６が溶融を開始する。これ
により、拡散性金属化合物層（Ｃｕ／Ｚｎ層）を形成す
るべくＣｕとＺｎが優先的に相互拡散する。すなわち、
図３（ａ）に示すように、半田粒子６が溶融したＺｎは
銅バンプ５との接合界面や鉛フリー半田ペースト３中の
Ｃｕ粒子（金属粒子）７の周囲に移動する傾向にある
（矢印参照）。Referring now to FIG. 3, a description will be given of a solder joint structure between the copper bump 5 and the copper terminal 2, that is, a mounting structure of the electronic component 4 via the copper bump 5. When the heating temperature reaches about 200 degrees in the reflow process, the Sn / Zn solder particles 6 in the solder paste start melting. Thereby, Cu and Zn are mutually diffused preferentially to form a diffusible metal compound layer (Cu / Zn layer). That is,
As shown in FIG. 3A, Zn in which the solder particles 6 are melted tends to move to the bonding interface with the copper bumps 5 and around the Cu particles (metal particles) 7 in the lead-free solder paste 3 (arrow). reference).
【００１６】このとき、鉛フリー半田ペースト３中には
多数のＣｕ粒子７が散在していることから、鉛フリー半
田ペースト３中のＺｎ粒子の相当部分はこれらのＣｕ粒
子７とＣｕ／Ｚｎ層９ａを形成する。したがって、銅バ
ンプ５や銅端子２と溶融半田３’が固化した後の接合界
面においては、半田ペースト中にＣｕ粒子が存在しない
従来の半田ペーストと比較して、Ｃｕ／Ｚｎ層９ｂの形
成が大幅に抑制される。At this time, since a large number of Cu particles 7 are scattered in the lead-free solder paste 3, a considerable portion of the Zn particles in the lead-free solder paste 3 contains these Cu particles 7 and the Cu / Zn layer. 9a is formed. Therefore, at the bonding interface after the copper bumps 5 and the copper terminals 2 and the molten solder 3 ′ are solidified, the formation of the Cu / Zn layer 9 b is smaller than that of the conventional solder paste in which no Cu particles exist in the solder paste. Significantly suppressed.
【００１７】すなわち、半田接合後の銅端子２の実装構
造においては、銅バンプ５や銅端子２と溶融半田３’と
の接合界面には、脆い特性を有するＣｕ／Ｚｎ層９ｂは
ごく薄い層でのみ存在する。このため従来の錫・亜鉛系
の半田を銅電極に対して用いた場合に発生していたＣｕ
／Ｚｎ層の成長による接合界面の強度低下を生じること
がない。また接合部の溶融半田３’中においてＣｕ粒子
７の周囲のＣｕ／Ｚｎ層９ａにボイドが発生した場合に
おいても、このボイドは接合界面において発生するボイ
ドのように連続して進展することがないため、接合部全
体の強度を低下させることがなく、したがって接合強度
の信頼性が確保される。That is, in the mounting structure of the copper terminal 2 after the solder bonding, the Cu / Zn layer 9b having brittle properties is an extremely thin layer at the bonding interface between the copper bump 5 or the copper terminal 2 and the molten solder 3 '. Exists only in. For this reason, Cu generated when a conventional tin / zinc-based solder is used for a copper electrode is used.
The strength of the bonding interface does not decrease due to the growth of the / Zn layer. Also, even when voids are generated in the Cu / Zn layer 9a around the Cu particles 7 in the molten solder 3 'at the bonding portion, the voids do not continuously develop like voids generated at the bonding interface. Therefore, the strength of the entire joint is not reduced, and the reliability of the joint strength is ensured.
【００１８】なお、上記実施の形態においては基板１に
形成された銅端子２に電子部品４の銅バンプ５を半田接
合する例を示しているが、これらの銅端子２や銅バンプ
５は予め金や錫などによってメッキされたものであって
もよい。これらのメッキ被膜は半田接合過程において半
田中に溶解し、メッキ被膜がない銅端子２と同様の結果
を示す。また本発明では２つの銅電極（銅端子２，銅バ
ンプ５）の半田付けを例に説明したが、半田付けされる
電極のうち少なくとも１つが銅電極である場合にも本発
明は有効である。さらに銅電極としては端子やバンプの
例以外に、線状のリードでもよい。In the above-described embodiment, an example is shown in which the copper bumps 5 of the electronic component 4 are soldered to the copper terminals 2 formed on the substrate 1, but these copper terminals 2 and copper bumps 5 are It may be plated with gold or tin. These plating films dissolve in the solder during the soldering process and show the same results as the copper terminal 2 without the plating film. In the present invention, the soldering of two copper electrodes (copper terminals 2 and copper bumps 5) has been described as an example, but the present invention is also effective when at least one of the electrodes to be soldered is a copper electrode. . Further, as the copper electrode, a linear lead may be used instead of the terminal and the bump.
【００１９】[0019]
【発明の効果】本発明によれば、少なくとも錫／亜鉛
（Ｓｎ／Ｚｎ）を含む半田粒子と銅（Ｃｕ）をベースと
する金属粒子とを、フラックスに混合することによりペ
ースト状にした鉛フリー半田ペーストを用い、接合部の
半田の内部において金属粒子の周辺に銅（Ｃｕ）と亜鉛
（Ｚｎ）の拡散性金属化合物層を形成させるようにした
ので、銅電極と半田の接合界面における銅（Ｃｕ）と亜
鉛（Ｚｎ）の拡散性金属化合物層の形成を抑制すること
ができ、銅電極の半田接合において強度低下を防止して
接合後の信頼性を確保することができる。According to the present invention, a lead-free solder paste containing at least tin / zinc (Sn / Zn) and metal particles based on copper (Cu) are mixed into a flux to form a paste. A solder paste is used to form a diffusible metal compound layer of copper (Cu) and zinc (Zn) around metal particles inside the solder at the joint, so that copper ( It is possible to suppress the formation of a diffusible metal compound layer of Cu) and zinc (Zn), to prevent a decrease in strength in solder joining of a copper electrode, and to secure reliability after joining.
【図１】本発明の一実施の形態の電子部品の実装方法の
工程説明図FIG. 1 is a process explanatory view of a mounting method of an electronic component according to an embodiment of the present invention;
【図２】本発明の一実施の形態の鉛フリー半田ペースト
の構成を示す模式図FIG. 2 is a schematic view showing a configuration of a lead-free solder paste according to one embodiment of the present invention.
【図３】本発明の一実施の形態の電子部品の実装構造に
おける半田接合部の部分断面図FIG. 3 is a partial cross-sectional view of a solder joint in the electronic component mounting structure according to the embodiment of the present invention;
【符号の説明】 １ 基板 ２ 銅端子 ３ 鉛フリー半田ペースト ４ 電子部品 ５ 銅バンプ ７ Ｃｕ粒子（金属粒子） ８ フラックス ９ａ、９ｂ Ｃｕ／Ｚｎ層[Description of Signs] 1 Substrate 2 Copper terminal 3 Lead-free solder paste 4 Electronic component 5 Copper bump 7 Cu particles (metal particles) 8 Flux 9a, 9b Cu / Zn layer
Claims (3)
ーストであって、少なくとも錫／亜鉛（Ｓｎ／Ｚｎ）を
含む半田粒子と銅（Ｃｕ）をベースとする金属粒子と
を、フラックスに混合することによりペースト状にした
ことを特徴とする鉛フリー半田ペースト。1. A lead-free solder paste used for joining copper electrodes, wherein solder particles containing at least tin / zinc (Sn / Zn) and metal particles based on copper (Cu) are mixed in a flux. A lead-free solder paste characterized in that the paste is made into a paste-like form.
田接合方法であって、少なくとも錫／亜鉛（Ｓｎ／Ｚ
ｎ）を含む半田粒子と銅（Ｃｕ）をベースとする金属粒
子とを、フラックスに混合することによりペースト状に
した鉛フリー半田ペーストを用い、接合部の半田の内部
において前記金属粒子の周辺に銅（Ｃｕ）と亜鉛（Ｚ
ｎ）の拡散性金属化合物層を形成させることにより、前
記銅電極と半田の接合界面における銅（Ｃｕ）と亜鉛
（Ｚｎ）の拡散性金属化合物層の形成を抑制することを
特徴とする半田接合方法。2. A solder bonding method for bonding a copper electrode and another electrode by solder, comprising at least tin / zinc (Sn / Z).
n) and a metal particle based on copper (Cu) are mixed with a flux to form a paste by using a lead-free solder paste. Copper (Cu) and zinc (Z
n) forming a diffusible metal compound layer to suppress the formation of a diffusible metal compound layer of copper (Cu) and zinc (Zn) at a joint interface between the copper electrode and the solder; Method.
る実装構造であって、前記銅電極の半田接合において、
少なくとも錫／亜鉛（Ｓｎ／Ｚｎ）を含む半田粒子と銅
（Ｃｕ）をベースとする金属粒子とを、フラックスに混
合することによりペースト状にした鉛フリー半田ペース
トを用い、接合部の半田の内部において前記金属粒子の
周辺に銅（Ｃｕ）と亜鉛（Ｚｎ）の拡散性金属化合物層
を形成させることにより、前記銅電極と半田の接合界面
における銅（Ｃｕ）と亜鉛（Ｚｎ）の拡散性金属化合物
層の形成が抑制されていることを特徴とする実装構造。3. A mounting structure in which a copper electrode and another electrode are joined by solder, wherein in the solder joining of the copper electrode,
Solder particles containing at least tin / zinc (Sn / Zn) and metal particles based on copper (Cu) are mixed with a flux to form a paste-like lead-free solder paste, and the inside of the solder at the joint is used. Forming a diffusible metal compound layer of copper (Cu) and zinc (Zn) around the metal particles, thereby forming a diffusible metal of copper (Cu) and zinc (Zn) at the joint interface between the copper electrode and the solder. A mounting structure wherein formation of a compound layer is suppressed.
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| JP2006272397A (en) * | 2005-03-29 | 2006-10-12 | Toyota Motor Corp | Cream solder |
| JP2007275959A (en) * | 2006-04-10 | 2007-10-25 | Seiko Epson Corp | Lead-free solder paste and mounting structure |
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