JP3365158B2 - 電子部品の端子処理方法と接続端子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、大規模集積回路素
子および電子部品等を、無鉛はんだにより回路基板に表
面実装する際に、予め共晶はんだ等にて予備はんだされ
た接続端子（例えばリード部等）のはんだ被覆材を無鉛
はんだに置換する電子部品の端子処理方法と、その端子
処理方法により処理された接続端子に関する。

【０００２】

【従来の技術】大規模集積回路素子や電子部品等を、は
んだにより回路基板に表面実装する際に重要な役割を果
たす接続端子等に対するはんだ被覆材の表面被覆処理方
法は、はんだ付け性の悪いはんだ被覆材の母材に対し
て、よりはんだ付け性のよい材料を被覆することによっ
て、はんだ付け性を改善しようとするものである。

【０００３】実装時に使用するはんだ合金を接続端子に
被覆すると、いわゆる予備はんだとなる。はんだ付け性
を良好にすることは、接合部の機械的強度を十分なもの
として、製品の信頼性を確保するために必要である。

【０００４】予備はんだは、電気めっき法，溶融めっき
法によって形成されている。現在電子業界で一般に利用
されているはんだの大部分は、錫Snと鉛Pbの合金で63重
量％Snと37重量％Pbなる組成記号で表示され、実際の錫
と鉛の共晶はんだ（61.9重量％Snと約39.1重量％Pb，融
点183 ℃）に略等しいものであり、「ロクヨンはんだ」
の呼称を有し、以下その組成記号を正規の錫鉛の共晶は
んだの組成も含めてSn-37Pb のように略記する。

【０００５】最近、環境汚染という観点からエレクトロ
ニクス用はんだに含まれる鉛を規制しようという動きが
欧米諸国で活発化している。この動きに対応して、鉛を
含まないはんだ、いわゆる無鉛はんだの開発が盛んであ
る。

【０００６】現在開発が進められている無鉛はんだ合金
は、以下の２つに大別される。 （イ）Sn-37Pb よりも低い融点(183℃以下）を持つはん
だ合金であって、In−48Sn (融点117 ℃),Bi-43Sn(融点
139 ℃）をベースとするもの。 （ロ）Sn-37Pb よりも高い融点(183℃以上）を持つはん
だ合金であって、Sn-3.5Ag( 融点221 ℃),Sn-9Zn( 融点
199 ℃）をベースとするもの。

【０００７】無鉛はんだを実用化するためには、はんだ
付け温度を現状(215℃〜230 ℃）に維持する。即ち、は
んだ合金の融点をSn-Pb 共晶はんだの融点(183℃）と同
等あるいはそれ以下にすることが非常に重要になると考
えられる。

【０００８】これは、はんだ付け時の熱ストレスが信頼
性に与える影響を評価する際に、ほとんど全てSn-Pb 共
晶はんだの使用を前提として行っているため、また電子
機器に使用される部品が、小型，軽量かつ安価なものに
なる傾向にあり、これに伴って部品の耐熱性の問題が大
きくクローズアップされるようになってきているためで
ある。

【０００９】In-Sn 系，Bi-Sn 系の低融点無鉛はんだ
は、融点に関しては問題がない。これらの合金では、は
んだ付け温度を従来よりも低くすることができるから、
はんだの無鉛化以外にも、ベーキング処理および後付処
理の削除、低耐熱性部品の使用といったことによるコス
トダウンが図れるといったメリットがある。

【００１０】一方、高融点の無鉛はんだでは、低融点金
属を添加して融点を低温化しようという試みがなされて
いる。低融点金属としては、In，Bi，Hg，Cs，Ga，Rb，
Ｋ，Na，Li，Tl，Cdなどが考えられるが、In，Bi以外は
強い毒性を有する、アルカリ金属であるといった点か
ら、電子機器への適用は困難である。In，Biを添加して
Sn-Ag 系，Sn-Zn 系の融点をSn-Pb 共晶はんだと同じ 1
83℃程度とするためには、InまたはBiを10％以上添加す
る必要がある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところが、ここで重大
な問題が生じる。現在世界中に普及しているSn-Pb 共晶
合金が予備はんだされた接続端子を、BiまたはInを含む
無鉛はんだによりプリント配線板等の所要場所にはんだ
付けした場合に、無鉛はんだが予備はんだ中に拡散する
ことにより接続端子側へ移動し、はんだ付け部のはんだ
量が減少して、接合強度が大きく低下してしまう。ま
た、Sn-Pb-In，Sn-Pb-Biの３元合金が部分的に発生する
が、この３元合金は融点（固相線温度）が低いため、−
65℃乃至＋125 ℃の熱衝撃試験では溶融と凝固を繰り返
して、ついにははんだ表面から剥離してしまうといった
現象を引起し、熱衝撃試験後の接合強度の低下を招くと
いった問題がある。

【００１２】従来から知られている技術に特開平4-2879
57号で開示された「ＬＳＩパッケージのリード金めっき
層除去治具および除去方法」の発明がある。この内容
は、リード先端の金めっき層は錫を含むはんだを用いて
はんだ付けすると硬くて脆い二元金属化合物AuSn_x がリ
ード表面の金とはんだに含まれる錫との間に発生し、接
合強度を著しく低下させるため、金めっき層を一定時間
溶融はんだに浸漬して金めっきを除去する方法が示され
ている。しかしながら、金めっき以外の錫鉛共晶はんだ
で被覆されたリード線を、鉛を含まないはんだではんだ
付けを行う場合に発生する拡散や３元合金による原因の
異なる接合強度の低下問題の解決策については何ら示さ
れていない。

【００１３】本来、予備はんだは使用するはんだと同組
成であることが好ましく、無鉛はんだの実用化において
は、開発した無鉛はんだ合金で予備はんだを施した部品
の使用を前提として考えるべきである。しかし、部品の
供給メーカ，生産国は現在非常に多岐多様に渡ってお
り、これらすべてのメーカ，生産国が鉛規制に対応する
までには相当の時間的遅れが予想され、また規制を実施
しない，または非常に緩やかに移行する生産国がでてく
る可能性もある。

【００１４】このような観点から考察した結果、無鉛は
んだを使用する場合に、実装する部品にSn-Pb 共晶合金
が予備はんだされているという状況が当然起こり得ると
いえる。その結果、前述のような拡散や３元合金の発生
による接合強度の低下という問題は極めて深刻な問題と
なる。

【００１５】本発明の主な目的は、共晶はんだ等にて表
面被覆処理された接続端子等の予備はんだを、はんだ付
けの際に拡散や３元合金が発生しない低融点の無鉛のは
んだ合金に置換する方法の提供と、その置換方法によっ
て処理されたはんだ接続端子の提供を目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記の問題は、はんだ付
けを行う前に、電子部品の接続端子に表面被覆処理され
た予備はんだを除去後に、低い融点の鉛を含まない合金
組成のはんだに置換することによって解決できる。以
下、電子部品の接続端子に表面被覆処理された予備はん
だの置換方法とその置換方法により処理された接続端子
の説明を行う。

【００１７】本発明の請求項１の電子部品の端子処理方
法は、予備はんだにより表面被覆されてなる電子部品の
接続端子を、該予備はんだの融点温度より低く、且つ鉛
を含まない合金組成のはんだ浴に浸漬し、前記予備はん
だした接続端子のはんだを熱拡散させて前記はんだ浴中
のはんだに置換することを特徴とするものである。

【００１８】接続端子に表面被覆された予備はんだに対
して、実装時に使用する鉛を含まない合金組成のはんだ
付けを直接行うと、拡散反応および３元合金の発生によ
るはんだ付け強度の低下を招くが、鉛を含まない合金組
成を溶融させたはんだ浴に、予備はんだが表面被覆され
ている接続端子を浸漬させることにより、その予備はん
だの液相線温度よりはんだ浴の溶融温度が低い場合に予
備はんだは、はんだ浴中において溶融ではなく熱拡散に
より接続端子から除去され、予備はんだに代わってはん
だ浴中の鉛を含まないはんだ合金により表面被覆され
る。

【００１９】発明の請求項２の電子部品の端子処理方法
は、請求項１の電子部品の端子処理方法において、予備
はんだは錫と鉛の共晶はんだ相当の組成であり、該予備
はんだをSn，Bi，Ag，Zn，In，Cu，またはSbの少なくと
も一つを主成分とする無鉛はんだに置換することを特徴
とするものである。

【００２０】請求項１の電子部品の端子処理方法におい
て、接続端子に表面被覆された予備はんだ材料が、現在
最もよく普及している錫と鉛の共晶はんだ相当品である
場合に、請求項２に記載の方法でこの予備はんだを前記
各金属の少なくとも一つを主成分とする毒性のない無鉛
はんだに置換することにより有鉛はんだの除去と他の無
鉛はんだへの置換が同時に実行できる効果がある。

【００２１】本発明の請求項３の電子部品の端子処理方
法は、予備はんだにより表面被覆されてなる電子部品の
接続端子を、前記予備はんだが浸食される液体で処理す
ることにより、前記予備はんだを除去後に、鉛を含まな
い合金組成のはんだに置換することを特徴とするもので
ある。

【００２２】本発明の請求項１または２以外の予備はん
だ除去方法として、予備はんだが施された接続端子を、
その予備はんだを浸食する液体で処理することにより除
去した後に鉛を含まない合金組成のはんだ浴に浸漬して
２段階の工程で置換する方法でも、はんだ付け時に拡散
や３元合金の発生を防止できる。

【００２３】本発明の請求項４の接続端子は、請求項
１、２または３記載の電子部品の端子処理方法によって
処理されたことを特徴とするものである。請求項１、２
または３に記載の電子部品の端子処理方法により処理さ
れた接続端子は、無毒性の無鉛はんだ被覆を実現し、ベ
ーキング処理および後付処理の削除、低耐熱性部品が使
用可能といったことによるコストダウンの効果がある。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を具体的に
説明する。予備はんだにより表面被覆されている大規模
集積回路素子や電子部品等の接続端子を、鉛を含まない
低融点温度の合金組成からなるはんだを溶融させた浴槽
に浸漬させ、予備はんだをはんだ浴中に熱拡散させるこ
とにより接続端子の予備はんだを、無鉛はんだに置換す
る方法は、はんだ温度、浸漬時間、浸漬速度、引上げ速
度等のパラメータの制御によって、置換後の予備はんだ
の被覆を均一にできる。

【００２５】また、接続端子が多数のピンで構成されて
いる場合のリード間のブリッジの発生も防止できる。接
続端子の表面形状も置換後の予備はんだの被覆に影響す
るパラメータとなるが、表面形状に応じて他のパラメー
タを調整することで、予備はんだの被覆の表面形状の種
類によるばらつきを防止できる。

【００２６】予備はんだ表面の腐食とか酸化の変質の程
度に応じて、フローソルダリング用等のフラックスを塗
布後に鉛を含まないはんだ合金組成のはんだ浴に浸漬処
理することで、予備はんだの被覆の置換効率を向上させ
ることが好ましい。

【００２７】本発明では、鉛を含まない合金組成からな
るはんだ浴の温度は、そのはんだ浴中のはんだ合金の溶
融温度＋30℃程度とすることが好ましい。これにより、
十分な熱拡散による除去ならびに置換が同時に可能であ
る。従って、接続端子ならびにその近辺の部品が受ける
熱ストレスは、はんだ付け時の温度と同等かそれ以下に
調節することができる。

【００２８】置換すべき無鉛の合金組成を溶融したはん
だ浴内に拡散した予備はんだの組成による汚染は、予備
はんだを被覆した接続端子のはんだ浴に対する浸漬量に
応じて、浴槽を大きくしてはんだ浴中のはんだ量を増や
す方法、或いは、はんだ浴槽の数を多くして１浴槽当た
りの接続端子の浸漬個数を規制する方法、又は両者を併
用する方法等により拡散率を所要値以下に抑制すること
ができ、これにより拡散反応および３元合金の発生を規
制し、接合強度の低下を防止することが好ましい。

【００２９】接続端子に被覆された予備はんだ材料が、
現在最もよく使用されている錫と鉛の共晶はんだ相当品
である場合に、上記の浸漬方法でこの予備はんだを無鉛
はんだに置換することにより有鉛はんだの除去から他の
無鉛はんだへの置換が同時に実行できる接続端子の処理
方法が実現する。

【００３０】この場合、置換したい無鉛はんだの成分を
58Bi−42Sn（融点温度139 ℃）、予備はんだの成分を錫
と鉛の共晶はんだ63Sn−37Pb（共晶温度183 ℃）とすれ
ば、予備はんだはその共晶温度より低い無鉛はんだのは
んだ浴（約170 ℃）に浸漬されることになるが、予備は
んだは浸漬による溶融ではなく熱拡散により充分に無鉛
はんだに置換される。

【００３１】また、他の予備はんだ除去方法として、予
備はんだが施された接続端子を、その予備はんだを浸食
する液体で処理することにより除去する方法がある。予
備はんだを浸食する液体としては、酸またはアルカリの
広範囲にわたり挙げることができる。強酸，強アルカリ
の場合は接続端子の母材やパッケージ樹脂分を浸食しな
いように液組成、組成温度、処理時間等の条件を最適化
する必要がある。酢酸，しゅう酸，プロピオン酸等の有
機酸は予備はんだとして接続端子に被覆されている合金
を選択的に浸食し、これを除去することができる。

【００３２】有機酸を主成分とする予備はんだ除去剤の
場合、溶媒の組成を調整することにより、容易に除去し
たいはんだ合金に対する浸触性，浸触指向性をより強く
できる。これにより接続端子の母材やパッケージ樹脂を
浸食することなく、予備はんだのみを選択的に浸触し、
除去することができる。

【００３３】予備はんだを除去した接続端子の母材表面
は、清浄化されており除去後短時間の間であれば、表面
被覆処理を施さなくてもかなりのはんだ付性が期待でき
る。除去処理後からはんだ付けするまでの時間を長くし
たい場合や、十分なはんだ付性を確保したい場合には除
去処理後に再度無鉛の合金組成で予備はんだすることに
より接続端子の予備はんだの置換が２段階の工程で可能
となる。

【００３４】次に本発明の接続端子の予備はんだ置換効
果を実験結果により証明する。58Bi-42Sn のはんだ浴
（はんだ量200g）を３個用意し、これに63Sn-37Pb が予
備はんだされているＳＯＰ(small outline package；ガ
ル・ウイング・リード・タイプの略称で以下、ＳＯＰ14
ピン等のように略記する。）のリード部を、夫々の浴槽
に１分間浸漬させた。電子分光法分析及び蛍光Ｘ線分析
によりリード部の合金組成を測定して63Sn-37Pb から58
Bi−42Snに置換できていることを確認した。

【００３５】このＳＯＰを58Bi-42Sn はんだペーストで
ガラス・エポキシ基板上のCuパッドにはんだ付けし、熱
衝撃試験（−50〜125 ℃，200 サイクル）を行った。接
合強度を引っ張り試験により測定したところ、熱衝撃試
験の前後において接合強度に変化はなく、予備はんだの
置換による効果が下表のように確認できた。

【００３６】

【表１】 比較例として、Sn-37Pb 予備はんだを置換していないＳ
ＯＰで同様の試験を行ったところ、表１に示すように、
熱衝撃試験前の接合強度は置換したものよりも低く、ま
た熱衝撃試験後において接合強度が大きく低下している
ことが確認された。

【００３７】また酢酸10％，キシレン70％，イソプロピ
ルアルコール20％の成分を持つ除去剤に、63Sn-37Pb が
予備はんだされているＳＯＰ14ピンのリードを50℃，24
時間浸漬させた。この結果を電子分光法分析及び蛍光Ｘ
線分析によりリード部の合金組成を測定して63Sn-37Pb
が除去できていることを確認した。その後、58Bi−42Sn
のはんだ浴にリード部を１分間浸漬させて、リード部に
58Bi-42Sn を被覆した。このＳＯＰ14ピンを用いて上記
の熱衝撃試験を行ったところ、上記浸漬置換方法と同様
の置換効果が得られた。

【００３８】

【発明の効果】本発明の予備はんだ置換方法を用いるこ
とにより、電子部品等の接続端子の予備はんだと実装時
に使用するはんだペーストのはんだ合金の組成が異なる
場合に生じる接合強度の低下問題を解決することができ
る。

【００３９】また本方法は、簡易且つ安価な装置での自
動化が可能であるため、工程の増加によるコストアップ
を低く抑えることができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−65878（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H05K 3/34 B23K 1/20 B23K 35/24

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 予備はんだにより表面被覆されてなる電
   子部品の接続端子を、該予備はんだの融点温度より低
   く、且つ鉛を含まない合金組成のはんだ浴に浸漬し、前
   記予備はんだした接続端子のはんだを熱拡散させて前記
   はんだ浴中のはんだに置換することを特徴とする電子部
   品の端子処理方法。
2. 【請求項２】 前記予備はんだは錫と鉛の共晶はんだ相
   当の組成であり、該予備はんだをSn，Bi，Ag，Zn，In，
   Cu，またはSbの少なくとも一つを主成分とする無鉛はん
   だに置換することを特徴とする請求項１記載の電子部品
   の端子処理方法。
3. 【請求項３】 予備はんだにより表面被覆されてなる電
   子部品の接続端子を、前記予備はんだが浸食される液体
   で処理することにより、前記予備はんだを除去後に、鉛
   を含まない合金組成のはんだに置換することを特徴とす
   る電子部品の端子処理方法。
4. 【請求項４】 請求項１、２または３記載の電子部品の
   端子処理方法によって処理されたことを特徴とする接続
   端子。