JP2002151838A - Ｐｂフリーはんだ接続構造体および電子機器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】十分な接続強度を有し、且つ経時的にも安定な
界面が得られ、また十分なぬれ性、耐ウィスカー性等も
確保できるようにしたＰｂフリーはんだ接続構造体およ
び電子機器を提供することにある。 【解決手段】本発明は、Ｐｂフリーはんだとして有力な
Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ系はんだを、表面にＳｎ−Ｂｉ系層を
施した電極と接続したことを特徴とする。このＳｎ−Ｂ
ｉ層中のＢｉ濃度は、十分なぬれ性を得るために１〜２
０重量％であることが望ましい。更に高信頼性の継ぎ手
が要求される場合には、Ｓｎ−Ｂｉ層の下にＣｕ層を施
すことによって、十分な界面強度を有する接続部を得
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、リードフレーム等
の電極に対して毒性の少ないＰｂフリーはんだ合金を用
いて適するように接続するＰｂフリーはんだ接続構造体
およびこれを用いた電子機器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、有機基板等の回路基板にＬＳＩ等
の電子部品を接続して電子回路基板を製造するには、Ｓ
ｎ−Ｐｂ共晶はんだ、及びこのＳｎ−Ｐｂ共晶はんだ近
傍で、融点も類似なＳｎ−Ｐｂはんだ、或いは、これら
に少量のＢｉやＡｇを添加したはんだ合金が用いられて
いる。これらのはんだには、Ｐｂが約４０重量％含まれ
ている。いずれのこれらのはんだ合金も、融点はほぼ１
８３℃であり、２２０〜２４０℃でのはんだ付けが可能
である。また、はんだ付けされるＱＦＰ（Quad Flat Pa
ckage）−ＬＳＩ等の電子部品の電極は、Ｆｅ−Ｎｉ系
合金である４２アロイ表面に９０重量％Ｓｎ−１０重量
％Ｐｂ（以下Ｓｎ−１０Ｐｂと略す）層をめっき等で施
した電極が一般的に用いられている。これは、はんだぬ
れ性が良好であり、且つ保存性が良く、ウィスカーの発
生の問題がないためである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のＳｎ−
Ｐｂ系はんだ中に含まれているＰｂは人体に有毒な重金
属であり、Ｐｂを含む製品を廃棄することによる地球環
境の汚染、生物への悪影響が問題となっている。この電
気製品による地球環境の汚染は、野ざらしに放置された
Ｐｂを含む電気製品から、雨等によってＰｂが溶出する
ことによって起こる。Ｐｂの溶出は、最近の酸性雨によ
って加速される傾向にある。従って、環境汚染を低減す
るためには、大量に使用されている上記のＳｎ−Ｐｂ共
晶系はんだの代替としてＰｂを含まない低毒性のＰｂフ
リーはんだ材料、及び部品電極上で使用されているＳｎ
−１０Ｐｂ層の代替材料としてＰｂを含まない部品電極
構造が必要である。Ｐｂフリーはんだ材料としては低毒
性、材料供給性、コスト、ぬれ性、機械的性質、接続信
頼性等と観点からＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ系はんだが有力候補
となっている。また、はんだ付けにおいては、通常、２
２０〜２４０℃付近に加熱し、部品、基板の電極とはん
だとの間に化合物を生成させることによって、接続を行
っている。従って、形成される界面は、はんだ材料と部
品側の電極材料の組み合わせによって異なるため、安定
な接続界面を得るためには、そのはんだに適する電極材
料が必要である。

【０００４】本発明の目的は、リードフレーム等の電極
に対して毒性の少ないＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ系のＰｂフリー
はんだ合金を用いて十分な接続強度を有し、且つ安定な
接続界面が得られるようにしたＰｂフリーはんだ接続構
造体を提供することにある。また、本発明の他の目的
は、毒性の少ないＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ系のＰｂフリーはん
だ合金を用いて、電子部品、基板間の熱膨張係数の差、
はんだ付け後の割基板作業、或いはプロービングテスト
時の基板の反り、ハンドリング等によってはんだ接続部
に発生する応力に耐え得る十分な接続強度を有し、且つ
経時的にも安定な界面を得ることができるようにした電
子機器を提供することにある。また、本発明の他の目的
は、毒性の少ないＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ系のＰｂフリーはん
だ合金を用いて、十分なぬれ性を確保して十分な接続強
度を有し、また耐ウィスカー性等も確保できるようにし
たＰｂフリーはんだ接続構造体および電子機器を提供す
ることにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ系のＰｂフリーはんだ
をＳｎ−Ｂｉ系層を介して電極に接続したことを特徴と
するＰｂフリーはんだ接続構造体である。また、本発明
は、前記Ｐｂフリーはんだ接続構造体におけるＳｎ−Ｂ
ｉ系層中のＢｉ量は、１〜２０重量％であることを特徴
とする。また、本発明は、前記Ｐｂフリーはんだ接続構
造体において、前記Ｓｎ−Ｂｉ系層と前記電極との間に
Ｃｕ層を有することを特徴とする。また、本発明は、前
記Ｐｂフリーはんだ接続構造体において、前記電極がＣ
ｕ材で形成されていることを特徴とする。また、本発明
は、前記Ｐｂフリーはんだ接続構造体における電極は、
Ｆｅ−Ｎｉ系合金またはＣｕ系のリードであることを特
徴とする。また、本発明は、前記Ｐｂフリーはんだ接続
構造体におけるＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ系のＰｂフリーはんだ
は、Ｓｎを主成分として、Ｂｉが５〜２５重量％、Ａｇ
が１．５〜３重量％、Ｃｕが０〜１重量％を含有するこ
とを特徴とする。

【０００６】また、本発明は、電子部品に形成された第
１の電極と、回路基板に形成された第２の電極とを電気
的に接続する電子機器であって、前記第１の電極にＳｎ
−Ｂｉ系層を施し、該Ｓｎ−Ｂｉ系層を施した第１の電
極と前記第２の電極とをＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ系のＰｂフリ
ーはんだで接続したことを特徴とする電子機器である。

【０００７】また、本発明は、前記電子機器におけるＳ
ｎ−Ｂｉ系層中のＢｉ量は、１〜２０重量％であること
を特徴とする。また、本発明は、前記電子機器におい
て、前記Ｓｎ−Ｂｉ系層と第１の電極との間にＣｕ層を
有することを特徴とする。また、本発明は、前記電子機
器において、前記Ｓｎ−Ｂｉ系層の第１の電極側がＣｕ
材であることを特徴とする。また、本発明は、前記電子
機器における第１の電極は、Ｆｅ−Ｎｉ系合金またはＣ
ｕ系のリードであることを特徴とする。

【０００８】また、本発明は、前記電子機器におけるＳ
ｎ−Ａｇ−Ｂｉ系のＰｂフリーはんだは、Ｓｎを主成分
として、Ｂｉが５〜２５重量％、Ａｇが１．５〜３重量
％、Ｃｕが０〜１重量％を含有することを特徴とする。
また、本発明は、電極に接続されるＰｂフリーはんだと
して、Ｓｎを主成分として、Ｂｉが５〜２５重量％、Ａ
ｇが１．５〜３重量％、Ｃｕが０〜１重量％を含有する
Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ系であることを特徴とするＰｂフリー
はんだ接続構造体である。

【０００９】以上説明したように、前記構成によれば、
リードフレーム等の電極に対して毒性の少ないＳｎ−Ａ
ｇ−Ｂｉ系のＰｂフリーはんだ合金を用いて十分な接続
強度を有し、且つ安定な接続界面を得ることができる。
また、前記構成によれば、毒性の少ないＳｎ−Ａｇ−Ｂ
ｉ系のＰｂフリーはんだ合金を用いて、電子部品、基板
間の熱膨張係数の差、はんだ付け後の割基板作業、或い
はプロービングテスト時の基板の反り、ハンドリング等
によってはんだ接続部に発生する応力に耐え得る十分な
接続強度を有し、且つ経時的にも安定な界面を得ること
ができる。また、前記構成によれば、毒性の少ないＳｎ
−Ａｇ−Ｂｉ系のＰｂフリーはんだ合金を用いて、例え
ば２２０〜２４０℃での十分なぬれ性を確保して十分な
フィレットを形成して十分な接続強度を有し、また耐ウ
ィスカー性等も確保することができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明に係る実施の形態について
説明する。本発明に係る実施の形態は、半導体装置（Ｌ
ＳＩ）などの電子部品に形成されたＱＦＰ形リードやＴ
ＳＯＰ形リード等で形成された第１の電極と回路基板に
形成された第２の電極との間を毒性の少ないＰｂフリー
はんだ材料を用いて接続することによって電子機器を構
成するものである。Ｐｂフリーはんだ接続構造体として
は、例えば、上記第１の電極、または上記第２の電極
に、毒性の少ないＰｂフリーはんだ材料を用いて接続す
る構造体がある。上記毒性の少ないＰｂフリーはんだ材
料としては、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ系はんだを用いる。とこ
ろで、毒性の少ないＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ系のＰｂフリーは
んだ合金を用いて、電子部品、回路基板間の熱膨張係数
の差、はんだ付け後の割基板作業、或いはプロービング
テスト時の基板の反り、ハンドリング等によってはんだ
接続部に発生する応力に耐え得る十分な接続強度を有
し、且つ経時的にも安定な界面を得ることが必要とな
る。

【００１１】また、毒性の少ないＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ系の
Ｐｂフリーはんだ合金を用いて、回路基板や電子部品の
耐熱性から適切なはんだ付け温度である２２０〜２４０
℃での十分なぬれ性を確保して十分なフィレット形状を
形成して十分な接続強度を有するようにする必要があ
る。もし、ぬれ性が悪いと十分なフィレット形状が形成
されずに十分な接続強度が得られなかったり、強いフラ
ックスが必要となって絶縁信頼性に悪影響を及ぼすこと
になる。また、めっき等により作成した電極表面からウ
イスカーが発生し、成長すると電極間のショートが起き
ることからして、耐ウィスカー性等も確保することが必
要となる。

【００１２】本発明に係る上記電極構造として、十分な
接続強度を得るために、図１および図２に示すように、
リードからなる電極１の表面にＳｎ−Ｂｉ系層２を施す
ようにした。そして、次に、本発明に係る電極構造の選
定について説明する。この選定は、上記要求に基づい
て、主に接続強度、ぬれ性、ウィスカー性の評価により
行った。始めにＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ系はんだと各種電極材
料との接続強度を調べた結果を示す。図３に測定方法の
概略を示したが、従来のＳｎ−１０Ｐｂ層の代替材料と
してＰｂのない系で可能性があると考えられる材料（Ｓ
ｎ、Ｓｎ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ｚｎ、Ｓｎ−Ａｇめっき）を、
Ｆｅ−Ｎｉ系合金（４２アロイ）で形成された電極であ
るリード上に施したモデルリード４を作成した。この他
に、従来のＳｎ−１０Ｐｂめっきとの組み合わせについ
ても評価を行った。モデルリード４の形状は、幅３ｍ
ｍ、長さ３８ｍｍであり、はんだ付け部の長さが２２ｍ
ｍになるように直角に折り曲げてある。めっき厚みは各
組成ともに約１０μｍとした。このモデルリード４を８
２．２重量％Ｓｎー２．８重量％Ａｇー１５重量％Ｂｉ
（以下Ｓｎ−２．８Ａｇ−１５Ｂｉと略す）のＰｂフリ
ーはんだ５を用いて、回路基板であるガラスエポキシ基
板６上のＣｕパッド（Ｃｕ電極）７にはんだ付けした。
ガラスエポキシ基板６のＣｕパッド（Ｃｕ電極）７の大
きさは３．５ｍｍ×２５ｍｍであり、はんだ５は０．１
ｍｍ×２５ｍｍ×３．５ｍｍのはんだ箔で供給した。即
ち、ガラスエポキシ基板６上のＣｕパッド７へ、上記の
はんだ箔５を載せ、この上に上記の直角に折り曲げたモ
デルリード４を載せた。はんだ付けは大気中で、予熱を
１４０℃６０秒、最高温度２２０℃の条件で行った。ま
た、フラックスは、ロジン系で、塩素を含有したフラッ
クスを用いた。はんだ付け後は、有機溶剤で洗浄した。
引っ張り試験は、はんだ付け直後と、経時変化による接
続部強度劣化を考慮して１２５℃１６８時間の高温放置
を行ってからと、リードのぬれ性が劣化した場合の界面
強度を調べるためにモデルリードを１５０℃１６８時間
放置してからはんだ付けした場合と３種類行った。引っ
張り試験は、基板を固定し、モデルリードの先端をつか
んで垂直方向に５ｍｍ／分の速度で引っ張った。このと
きの、最大強度、及び一定となる引張強度を、それぞれ
フィレット部強度、フラット部強度として各組成のモデ
ルリードについて評価した。この試験は各条件につき１
０回行い、平均をとった。

【００１３】各組成のモデルリードのフィレット部強度
の評価結果を図４に示す。通常のＱＦＰ−ＬＳＩ等のプ
ラスチックパッケージ部品ではプリント基板の熱膨張係
数の差を考慮すると、フィレット部強度は５ｋｇｆ程度
以上必要である。これから、Ｓｎ、及び、Ｂｉを２３重
量％含有しているＳｎ−２３Ｂｉ以外のＳｎ−Ｂｉ系層
をＦｅ−Ｎｉ系合金（４２アロイ）上に施したモデルリ
ードでは、５ｋｇｆ以上のフィレット部強度が得られた
が、Ｓｎ−Ｚｎ，Ｓｎ−Ａｇ，Ｓｎ−Ｐｂ層の場合では
十分な接続界面が得られないことがわかった。この他に
も４２アロイ上に約２μｍのＮｉめっきを施し、これ
に、Ａｕめっき、Ｐｄめっき、Ｐｄめっきの上に更にＡ
ｕめっきを施した３種類のモデルリードを作成し、同様
にはんだ付けし、界面強度を調べたが、図４に示したよ
うに十分なフィレット部強度が得られなかった。従っ
て、電極であるリード上にＳｎ−Ｂｉ系層を施すことが
必要であることがわかった。

【００１４】上記の引っ張り試験を行った各組成のモデ
ルリードのうち、十分な界面強度が得られたＳｎ−Ｂｉ
系めっきを施したリードについて、Ｓｎ−２．８Ａｇ−
１５Ｂｉはんだに対するぬれ性をメニスコグラフ法によ
って検討した。フラックスは、ぬれ性を調べるため、活
性の弱いものを用いた。試験片は上記モデルリードを１
ｃｍの長さに切って用いた。ぬれ性の試験条件は、はん
だ浴温度が２２０℃、浸漬速度は１ｍｍ／分、浸漬深さ
は２ｍｍ、浸漬時間は２０秒とし、荷重が０に回復する
までの時間をぬれ時間、浸漬２０秒後の荷重をぬれ荷重
とした。また、ぬれ性はめっき直後のリードと、１５０
℃１６８時間放置したリードについて２種類行った。ま
た、各条件について１０回ずつ測定し、平均をとった。

【００１５】各組成のぬれ時間、ぬれ荷重をそれぞれ図
５、６に示した。図５のぬれ時間の結果から、めっき初
期のＳｎ−Ｂｉ系めっきリードでは、Ｂｉ濃度が高い方
がぬれ性が良いが、１５０℃１６８時間の高温放置を行
った場合では、Ｂｉが１重量％未満、及び２３重量％で
ぬれ性が劣化することがわかった。Ｂｉが１重量％未満
の場合は、図６に示したように、ぬれ荷重は確保されて
いたが、ぬれ時間が劣化していたことから、ぬれにくく
なっているといえる。従って、Ｓｎ−Ｂｉ系層のなかで
も、十分なぬれ性を得るためには、Ｂｉ量は１〜２０重
量％であることが望ましいことがわかった。

【００１６】更に熱膨張係数の差が大きい材料間の接
続、温度差が大きい環境で使用される場合等では、界面
に発生する応力が大きくなるため、十分な信頼性を確保
するためには界面の接続強度は１０ｋｇｆ程度以上でな
ければならない。従って、図４を見てみると、Ｆｅ−Ｎ
ｉ系合金（４２アロイ）に直接Ｓｎ−Ｂｉ系層を施した
のでは、１０ｋｇｆ以上のフィレット部強度が得られな
いことがわかった。これは、界面での化合物層が十分形
成されていないためと考えられる。そこで、界面でのは
んだとの反応性を高めるために、Ｆｅ−Ｎｉ系合金（４
２アロイ）上に平均７μｍ程度のＣｕめっき層、この上
にＳｎ−Ｂｉ系めっき層を施し界面強度の測定を行っ
た。この時のフィレット部強度の結果をＣｕ層がない場
合も合わせて図７に示したが、Ｂｉ量が２３重量％の場
合を除けば、１０ｋｇｆ以上の接続強度が得られ、下地
のＣｕ層の効果が確認できた。また、この電極構造を取
ることにより、図７に一緒に示したように、Ｓｎ−Ｐｂ
共晶はんだを４２アロイリード上に直接Ｓｎ−１０Ｐｂ
層を施したリードにはんだ付けした従来の場合に得られ
るはんだ付け直後の界面強度、１２．１ｋｇｆと同程度
以上の界面強度を得ることができた。また、図８に示し
たように、Ｓｎ−Ｂｉ層の下にＣｕ層を施すことにより
フラット部強度も向上させることができた。ここで、こ
のＣｕ層は４２アロイのリードフレームを用いた場合に
は、上記のように４２アロイ上にＣｕ層を施せばよい
が、Ｃｕ系リードフレームを用いた場合は、これをこの
ままＣｕ層としても良いし、また、剛性を向上させるた
めに他の元素をリードフレーム材料中に添加することも
あるので、この影響をなくすために、更にＣｕ層を形成
してもよい。また、このＣｕ層を施したモデルリードの
ぬれ性については、図５、６に一緒に示したが、Ｃｕ層
の影響はほとんど無く、やはりＢｉが１重量％以下で
は、高温放置を行った場合にぬれ性が劣化していたが、
１〜２０重量％では、十分なぬれ性を得ることができ
た。尚、図７、図８の例はＳｎ−２．８Ａｇ−１５Ｂｉ
を用いたが、Ｂｉ量が少ない系、例えばＳｎ−２Ａｇ−
７．５Ｂｉ−０．５Ｃｕ系でも、下地にＣｕ層を入れる
ことにより、界面強度向上の効果がある。

【００１７】上記のＳｎ−Ｂｉ系層、Ｃｕ層は、めっき
に限らず、ディップ、蒸着、ローラーコート、金属粉末
による塗布によって形成することができる。このよう
に、電極材料により異なる理由を調べるために、接続部
の断面研磨を行って、界面の様子を調べた。また、引っ
張り試験を行った試料の剥離面をＳＥＭで観察した。こ
の代表的な組み合わせについての結果を説明する。ま
ず、従来使用されているＦｅ−Ｎｉ系合金（４２アロ
イ）に直接Ｓｎ−１０Ｐｂめっきが施されているリード
をＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ系はんだで接合した場合の観察結果
を図９に示したが、この組み合わせでは界面にはＰｂと
Ｂｉが化合物を作って集まっていて、剥離は４２アロイ
とはんだとの界面で起こっていた。また、剥離したリー
ドの４２アロイ表面には、薄くＳｎが検出され、はんだ
中のＳｎがリードの４２アロイと化合物を形成していた
と考えられる。従って、上記のＰｂとＢｉの化合物が界
面に集まることによって、Ｓｎと４２アロイとの接続面
積が小さくなり、接続強度が非常に弱くなったと考えら
れる。

【００１８】次に、Ｓｎ−１０ＰｂめっきをＳｎ−４Ｂ
ｉめっきに変えた場合の観察結果を図１０に示したが、
界面に形成される化合物層は薄く、剥離は同様に４２ア
ロイとはんだとの界面で起こっていた。しかし、Ｂｉは
粒状の結晶のままで、Ｓｎと４２アロイとの接続面積の
低下をＳｎ−１０Ｐｂの場合ほど起こさないため、５ｋ
ｇｆ以上の接続強度を得ることができたと考えられる。
この時の化合物層はオージェ分析から、約７０ｎｍのＳ
ｎ−Ｆｅ層であった。更にＳｎ−４Ｂｉ層の下にＣｕ層
を施した場合の観察結果を図１１に示したが、界面に
は、厚いＣｕとＳｎの化合物層が形成されることがわか
った。剥離は、この化合物層とはんだとの界面、または
化合物層中で起こっていた。剥離面は、図１０の４２ア
ロイリードに直接Ｓｎ−Ｂｉ層を形成したリードの場合
はほとんど平らであったのに比べて、Ｃｕ層が存在する
場合にはでこぼこしていた。このため、このような剥離
面の違いが界面強度の向上につながったと考えられる。
尚、以上の検討結果はＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ系はんだの別の
組成でも同様の結果が得られた。

【００１９】上記の各組成のモデルリードについて、ウ
ィスカーの発生を調べたが、Ｓｎ−Ｚｎめっきを施した
モデルリードでは表面にウィスカーの発生が見られた。
また、Ｓｎめっきについては従来からウィスカー性に問
題があると言われている。しかし、Ｓｎ−Ｂｉ系層につ
いてはウィスカーの発生は見られず、耐ウィスカー性も
問題なかった。従って、本発明の電極構造であれば、Ｓ
ｎ−Ａｇ−Ｂｉ系はんだに対して、接続強度、ぬれ性、
耐イスカー性に優れる接続部を得ることができる。

【００２０】はんだ材料について、主成分がＳｎで、Ｂ
ｉが５〜２５重量％、Ａｇが１．５〜３重量％、Ｃｕが
０〜１重量％含有するＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ系はんだを選ん
だのは、この範囲内の組成のはんだは、２２０〜２４０
℃ではんだ付けが可能であり、Ｃｕに対して従来実績の
あるＳｎ−Ａｇ共晶とほぼ同等のぬれ性を有し、且つ、
高温で十分な信頼性を有しているからである。即ち、Ｓ
ｎ−Ａｇ−Ｂｉ系はんだではＢｉが約１０重量％以上で
１３８℃付近で溶融する部分（３元共晶）を有し高温で
の信頼性に影響を及ぼすことが心配されるが、この３元
共晶析出量を実用上問題のないレベルに抑え、且つ１２
５℃での高温強度も確保している。従って、この組成の
はんだを用いて、上記の電極をはんだ付けすることによ
って、実用的であり、高信頼な電子機器を得ることがで
きる。

【００２１】

【実施例１】図１にＱＦＰ−ＬＳＩ用のリードの断面構
造を示した。これは、リードの断面構造のある一部分を
示したものであるが、Ｆｅ−Ｎｉ系合金（４２アロイ）
の電極であるリード１上にＳｎ−Ｂｉ系層２が形成され
ている。このＳｎ−Ｂｉ系層２はめっきによって形成
し、厚みは１０μｍ程度とした。また、Ｓｎ−Ｂｉめっ
き層中のＢｉ濃度は８重量％とした。この電極構造を持
つ上記のＱＦＰ−ＬＳＩをＳｎ−２．８Ａｇ−１５Ｂｉ
ー０．５Ｃｕはんだを用いて回路基板であるガラスエポ
キシ基板にはんだ付けした。はんだ付けは最高温度を２
２０℃として、窒素リフロー炉を用いて行った。これに
より、十分な接続強度を有する接続部を得ることができ
た。また、同様にＳｎ−２Ａｇ−７．５Ｂｉー０．５Ｃ
ｕはんだを用いてガラスエポキシ基板に２４０℃で大気
中でリフローした。リフローした継手は特に高温での信
頼性が高い。

【００２２】

【実施例２】図２にＴＳＯＰ用のリードの断面構造を示
した。これも、リードの断面構造のある一部分を示した
ものであるが、Ｆｅ−Ｎｉ系合金（４２アロイ）の電極
であるリード１上にＣｕ層３、その上にＳｎ−Ｂｉ系層
２が形成されている。このＣｕ層３、Ｓｎ−Ｂｉ系層２
はめっきによって形成した。Ｃｕ層３の厚みは８μｍ程
度であり、Ｓｎ−Ｂｉ系めっき層２の厚みは１０μｍ程
度とした。また、Ｓｎ−Ｂｉめっき層中のＢｉ量は５重
量％である。ＴＳＯＰはリードの剛性が大きいため、実
稼働時の部品自身の発熱、また、高温で使用される場
合、界面に発生する応力がＱＦＰ−ＬＳＩと比較して大
きくなる。このような場合には、この界面応力に耐えら
れるように十分な界面強度を有する界面を形成させる必
要があり、Ｓｎ−Ｂｉ系層２の下にＣｕ層３が効果的で
ある。

【００２３】このＴＳＯＰをプリント基板にＳｎ−Ａｇ
−Ｂｉ系はんだを用いてベーパーリフロー炉ではんだ付
けし、温度サイクル試験を行った。試験条件はー５５℃
３０分、１２５℃３０分の１時間／１サイクル、及び、
０℃３０分、９０℃３０分の１時間／１サイクルの２条
件であり、５００サイクル、１０００サイクル後に断面
観察を行ってクラックの発生状況を調べた。これを、４
２アロイリード上に直接Sn-10Pb層が形成されているリ
ードを有する同じ大きさのＴＳＯＰをＳｎ−Ｐｂ共晶は
んだではんだ付けした場合と比較したが、ー５５℃／１
２５℃の温度サイクルではクラックの発生が早かった
が、０℃／９０℃の温度サイクルでは、特に問題とはな
らず、実用上十分な接続界面が得られた。

【００２４】

【実施例３】本発明の電極構成は基板上の電極にも適用
することができる。例えば、基板のはんだ付け性を向上
させるためにはんだコートが効果的であるが、従来はＳ
ｎ−Ｐｂはんだ、特にＳｎ−Ｐｂ共晶はんだ等のＰｂを
含んだはんだを使用している。このため、コート用はん
だのＰｂフリー化として、本発明のＳｎ−Ｂｉ層を用い
ることができる。また、通常、基板の電極はＣｕで形成
されているため、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ系はんだを使用した
場合に十分な接続強度を得ることができる。この構成を
適用した例を示すが、回路基板であるガラスエポキシ基
板上のＣｕパッド（Ｃｕ電極）に約５μｍ程度のＳｎ−
８Ｂｉ層をローラーコートで作成した。このはんだ層を
形成したために基板に対するぬれ性が向上し、且つ、接
続強度も向上させることができた。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、Ｐｂフリー材料として
優れるＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ系はんだに適する電極構造を実
現することができる効果を奏する。また、本発明によれ
ば、リードフレーム等の電極に対して毒性の少ないＳｎ
−Ａｇ−Ｂｉ系のＰｂフリーはんだ合金を用いて十分な
接続強度を有し、且つ安定な接続界面を得ることができ
るＰｂフリーはんだ接続構造体を実現することができる
効果を奏する。また、本発明によれば、毒性の少ないＳ
ｎ−Ａｇ−Ｂｉ系のＰｂフリーはんだ合金を用いて、電
子部品、基板間の熱膨張係数の差、はんだ付け後の割基
板作業、或いはプロービングテスト時の基板の反り、ハ
ンドリング等によってはんだ接続部に発生する応力に耐
え得る十分な接続強度を有し、且つ経時的にも安定な界
面を得ることができるＰｂフリーはんだ接続構造体を備
えた電子機器を実現することができる効果を奏する。

【００２６】また、本発明によれば、毒性の少ないＳｎ
−Ａｇ−Ｂｉ系のＰｂフリーはんだ合金を用いて、例え
ば２２０〜２４０℃での十分なぬれ性を確保して十分な
フィレットを形成して十分な接続強度を有し、また耐ウ
ィスカー性等も確保することができる。また、本発明に
よれば、電子部品をＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ系はんだではんだ
付けすることにより、十分な接続強度を有する界面が得
られ、且つ、実用上十分なぬれ性も確保することができ
る。またウィスカー性についても問題無い。従って、環
境にやさしいＰｂフリーの電気製品を従来と同じ設備、
プロセスを使用して実現することができる効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るＱＦＰ−ＬＳＩ用のリードの断面
構造を示す図である。

【図２】本発明に係るＴＳＯＰ用のリードの断面構造を
示す図である。

【図３】接続強度評価試験方法についての概略説明図で
ある。

【図４】本発明に係る各種メタライズリードのフィレッ
ト部強度についての評価結果を示す図である。

【図５】本発明に係る各種メタライズリードのぬれ時間
についての評価結果を示す図である。

【図６】本発明に係る各種メタライズリードのぬれ荷重
についての評価結果を示す図である。

【図７】本発明に係るＣｕ層を形成した場合のフィレッ
ト部強度についての評価結果を示す図である。

【図８】本発明に係るＣｕ層を形成した場合のフラット
部強度についての評価結果を示す図である。

【図９】従来のＦｅ−Ｎｉ合金（４２アロイ）にＳｎ−
１０Ｐｂめっきを施したリードとの界面の観察結果を示
す図で、（ａ）は断面を示す図、（ｂ）は剥離部を、リ
ード側とはんだ側とについて示す図である。

【図１０】本発明に係るＦｅ−Ｎｉ合金（４２アロイ）
にＳｎ−４Ｂｉめっきを施したリードとの界面の観察結
果を示す図で、（ａ）は断面を示す図、（ｂ）は剥離部
を、リード側とはんだ側とについて示す図である。

【図１１】本発明に係るＦｅ−Ｎｉ合金（４２アロイ）
にＣｕ層、その上にＳｎ−４Ｂｉめっきを施したリード
との界面の観察結果を示す図で、（ａ）は断面を示す
図、（ｂ）は剥離部を、リード側とはんだ側とについて
示す図である。

【符号の説明】

１…Ｆｅ−Ｎｉ合金のリード（電極）、２…Ｓｎ−Ｂｉ
系層、３…Ｃｕ層、４…モデルリード、５…はんだ、６
…ガラスエポキシ基板、７…Ｃｕパッド（Ｃｕ電極）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 奥平 弘明 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 石田 寿治 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 中塚 哲也 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 稲葉 吉治 東京都小平市上水本町五丁目20番１号 株 式会社日立製作所半導体事業部内 (72)発明者 西村 朝雄 東京都小平市上水本町五丁目20番１号 株 式会社日立製作所半導体事業部内 Ｆターム(参考） 4K024 AA09 AA21 AB01 AB02 BB11 BB12 GA14 4K044 AA02 AA06 AB02 BA06 BA10 BB01 BB03 BC08 CA11 CA13 CA14 CA15 CA18 CA53 5E319 BB01 CC22 GG03

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板と、表面層となるＳｎ−約（１〜２
   ０）重量％Ｂｉ系層をＣｕ系リード上に直接形成した半
   導体装置とが、鉛フリーはんだ材料を用いて接続された
   ことを特徴とする電子機器。
2. 【請求項２】基板と、他のめっき層を介在させずに表面
   層となるＳｎ−約（１〜２０）重量％Ｂｉ系のめっき層
   をＣｕ系リード上に形成した半導体装置とが、鉛フリー
   はんだ材料を用いて接続されたことを特徴とする電子機
   器。
3. 【請求項３】基板と、表面層となるＳｎ−約（１〜２
   ０）重量％Ｂｉ系層をＦｅ―Ｎｉ系合金リード上に直接
   形成した半導体装置とが、鉛フリーはんだ材料を用いて
   接続されたことを特徴とする電子機器。
4. 【請求項４】基板と、他のめっき層を介在させずに表面
   層となるＳｎ−約（１〜２０）重量％Ｂｉ系のめっき層
   をＦｅ―Ｎｉ系合金リード上に形成した半導体装置と
   が、鉛フリーはんだ材料を用いて接続されたことを特徴
   とする電子機器。
5. 【請求項５】請求項１から４のいずれか１項に記載の電
   子機器であって、前記鉛フリーはんだ材料はＢｉを有す
   ることを特徴とする電子機器。
6. 【請求項６】請求項５に記載の電子機器であって、前記
   Ｂｉを有する鉛フリーはんだ材料がＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ系
   のフリーはんだ材料であることを特徴とする電子機器。
7. 【請求項７】請求項１から６のいずれか１項に記載の電
   子機器であって、前記半導体装置がＴＳＯＰタイプの半
   導体装置であることを特徴とする電子機器。
8. 【請求項８】基板と、表面層となるＳｎ−約（１〜２
   ０）重量％Ｂｉ系層をＦｅ―Ｎｉ系合金リード上に直接
   形成した半導体装置とを、鉛フリーはんだ材料を用いて
   はんだ接続することを特徴とする電子機器の製造方法。
9. 【請求項９】基板と、他のめっき層を介在させずに表面
   層となるＳｎ−約（１〜２０）重量％Ｂｉ系のめっき層
   をＦｅ―Ｎｉ系合金リード上に形成した半導体装置と
   を、鉛フリーはんだ材料を用いてはんだ接続することを
   特徴とする電子機器の製造方法。
10. 【請求項１０】基板と、表面層となるＳｎ−約（１〜２
    ０）重量％Ｂｉ系層をＦｅ―Ｎｉ系合金リード上に直接
    形成した半導体装置とを、鉛フリーはんだ材料を用いて
    はんだ接続することを特徴とする電子機器の製造方法。
11. 【請求項１１】基板と、他のめっき層を介在させずに表
    面層となるＳｎ−約（１〜２０）重量％Ｂｉ系のめっき
    層をＦｅ―Ｎｉ系合金リード上に形成した半導体装置と
    を、鉛フリーはんだ材料を用いてはんだ接続することを
    特徴とする電子機器の製造方法。
12. 【請求項１２】請求項８から１１のいずれか１項に記載
    の電子機器の製造方法であって、前記鉛フリーはんだ材
    料はＢｉを有することを特徴とする電子機器の製造方
    法。
13. 【請求項１３】請求項１２に記載の電子機器の製造方法
    であって、前記Ｂｉを有する鉛フリーはんだ材料がＳｎ
    −Ａｇ−Ｂｉ系のフリーはんだ材料であることを特徴と
    する電子機器の製造方法。
14. 【請求項１４】請求項8から１３のいずれか１項に記載
    の電子機器の製造方法であって、前記半導体装置がＴＳ
    ＯＰタイプの半導体装置であることを特徴とする電子機
    器の製造方法。