JP3654161B2 - Solder paste and soldering method - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は, プリント基板と電子部品のはんだ付けに用いるソルダペースト、特にはんだ合金が鉛を含まない鉛フリーはんだであるソルダペーストとそれを使ったはんだ付け方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子機器に使用される電子部品には、リード付き部品と表面実装部品(Surface Mounted Device)がある。
【０００３】
リード付き部品は、電子部品本体に長い線状のリードが設置されたものであり、リード付き部品をプリント基板にはんだ付けする場合はフロー法で行う。
このフロー法とは、リード付き部品の長い線状のリードをプリント基板に予め設けられた孔に表面から挿入した後、プリント基板の裏面にフラックス塗布、予備加熱、溶融はんだとの接触、冷却、等の処理を行ってリード付き部品のリードとプリント基板のランドとをはんだ付けするものである。
【０００４】
抵抗やコンデンサーのような単一機能のリード付き部品は電子部品本体の両側面に線状のリードを設置するため、如何に電子部品本体を小さくしても線状リードが突出してしまい、全体の大きさを小さくするには限度があった。またトランジスターやPGA(Pin Grid Array) のように多数の線状リードを有するリード付き部品は、プリント基板の孔に多数の線状リードを完全に挿入することが難しく、それぞれの孔に全てのリードを挿入することができず、線リードを曲げてしまうことがあった。
【０００５】
表面実装部品は、抵抗やコンデンサー等の単一機能の電子部品では、本体の両端に電極が形成されたチップ部品となっており、またQFP (Quad Flat Package) やSOP(Small Outline Package)のようなICパッケージの電子部品では本体の両側面、あるいは本体の四側面に多数の板状のリードが設置されたものである。
【０００６】
この表面実装部品をプリント基板にはんだ付けする場合は、リフロー法を用いる。
リフロー法とは、プリント基板のはんだ付け箇所に印刷装置やディスペンサー等で少量のソルダペーストを塗布し、この塗布部に表面実装部品の電極や板状リードを一致させて表面実装部品を搭載し、その後、該プリント基板をリフロー炉で加熱してソルダペーストを溶融させることによりプリント基板と表面実装部品のはんだ付けを行う方法である。
【０００７】
このリフロー法に使用するソルダペーストとは、粉末状のはんだ合金とペースト状のフラックスを混練して粘稠性のあるはんだ材料としたものである。
従来のソルダペーストに用いられていた粉末状のはんだ合金は、Sn−Pb共晶合金であった。Sn−Pb共晶合金からなるはんだ（以下、Sn-Pb 共晶はんだという) は、はんだ付け性に優れ、しかも融点が183 ℃と低いため、このSn-Pb 共晶はんだを用いたソルダペーストでは、はんだ付け不良が少ないばかりでなく表面実装部品やプリント基板に対して熱損傷を与えない温度でリフローはんだ付けが行えるという優れた特長を有しているものである。
【０００８】
ところで、ソルダペーストを用いたリフロー法でのリフロー温度は、ソルダペースト中のはんだ合金の融点＋40〜＋50℃にすると溶融したはんだの濡れ広がりが最も良好となり、はんだ付け不良が少なくなる。
【０００９】
従って、Sn−Pb共晶はんだを用いたソルダペーストは、183 ℃の融点よりも約50℃高い230 ℃でリフローはんだ付けを行っている。この230 ℃という温度は電子部品やプリント基板を熱損傷させないためには充分余裕のある温度である。
【００１０】
一般に電子機器は古くなって使い勝手が悪くなったり故障して修理が困難となったりしたものは、地中に埋め立て処分されていた。この埋め立て処分された電子機器に硫黄分を含んだ酸性雨が地中で接触すると、酸性雨はSn−Pbはんだから鉛成分を溶解する。そして鉛成分を含んだ雨水が地中深く浸透して地下水に混入し、地下水を汚染するようになる。
【００１１】
この鉛成分を含んだ地下水を長年月にわたって飲用すると体内に鉛成分が蓄積されて鉛中毒を起こすと言われており、Sn−Pbはんだの使用が規制されるようになってきた。そこで最近では、鉛を全く含まない鉛フリーはんだを使用することが推奨されており、ソルダペーストに用いるはんだも鉛フリーはんだとなってきている。
【００１２】
鉛フリーはんだは、Snを主成分としてSn−Ag系、Sn−Cu系、Sn−Bi系、Sn−Zn系、等がある。
しかしながら、今日提案されている各種鉛フリーはんだにはそれぞれ次のように問題がある。
【００１３】
Sn−Ag系は、Sn−3.5Ag の共晶組成の融点が220 ℃であるため、リフロー温度は260 ℃以上となって電子部品を熱損傷させてしまう。このSn−Ag系の少量のBiやInを添加した場合、固相線温度を下げることはできるが、液相線温度 (融点) を下げることはできない。またこの組成の鉛フリーはんだは、はんだ付け後の表面光沢がなく商品価値が下がるという問題がある。
【００１４】
Sn−Cu系は、Sn−0.7Cu の共晶組成の融点が227 ℃であり、やはりリフロー時に電子部品を熱損傷させるばかりでなく、はんだ付け性が十分でない。Sn−Cu系に少量のBiやInを添加しても前述と同様に融点を下げることはできない。
【００１５】
Sn−Bi系は、Sn−57Biの共晶組成の融点が139 ℃という低い温度であり、リフロー温度が従来のSn−Pb共晶はんだよりもさらに低い温度であるため、リフロー時の電子部品への熱損傷の心配は全くない。しかしながらかかる組成の鉛フリーはんだは、非常に脆い性質を有しているため、はんだ付け後、はんだ付け部に多少の衝撃が加わると容易に剥離するという問題がある。
【００１６】
Sn−Zn系は、Sn−９Znの共晶組成の融点が199 ℃であり、リフロー温度が240 ℃で行えるためリフロー時の熱損傷は少ないが、リフロー時に酸化物が多く発生するばかりでなく、はんだ付け性が悪いという問題がある。
【００１７】
このように、Sn−57Biを含む鉛フリーはんだやSn−９Znを含む鉛フリーはんだを除く他の鉛フリーはんだは、融点が高く、したがって、リフロー温度 (融点＋40〜＋50℃) も高くせざるを得ないことから、電子部品やプリント基板を熱損傷させることが問題となっていた。
【００１８】
このように融点の高い鉛フリーはんだを用いたソルダペーストでは、リフロー温度を下げる工夫がなされていた。これは高融点の鉛フリーはんだの粉末と低融点のはんだの粉末を混合してリフロー温度を下げて使用するソルダペーストである。
【００１９】
従来にあっても、二種以上のはんだ粉末を用いてソルダペーストを構成する試みは幾つか提案されている。
例えば、特開平９−295182号公報には、Snを主成分とする２種以上のはんだ合金粉末を混合し、これらの合金粉末の比重差を利用して、傾斜組成とする発明が開示されており、これは濡れ性およびはんだ付け強度の改善を意図するものである。しかし、リフロー温度については実施例においても明らかにすることがない。
【００２０】
特開平11−138292号公報の開示する発明は、多元系はんだ合金を得るために、製造容易な２元系合金粉末と単体金属粉末、あるいは２種以上の２元系合金粉末を用いて構成するソルダペーストを開示しており、リフロー時に溶融遅延を生じ、微小チップ部品のチップ立ち防止に寄与するとしている。しかし、実施例において溶融開始温度および溶融終了温度(181〜219 ℃) への言及はあるが、この場合にもリフロー温度の開示はない。
【００２１】
さらに上記公報の開示するソルダペーストは、Bi、In、Znのうちのいずれかが含有された合金粉末を使用するものである。はんだ付け部にBiが含有されていると前述のように脆性破壊の原因となる。またIn金属粉末やIn合金粉末が含まれたソルダペーストは、Inがソルダペースト中のフラックスと反応して経時変化を起こし、短時間で使用不可能になってしまう。そしてまたZnが含有された鉛フリーはんだは、はんだ付け時に酸化物が多く発生してはんだ付け性を阻害するばかりでなく、はんだ付け部に大きなボイドが形成されて接合強度が弱くなるものである。
【００２２】
特開平11−186712号公報は、組成が異なり、かつ融点の異なる２種以上の合金粉末を含むソルダペーストを開示し、従来のリフロー温度260 ℃を230 ℃にまで低下できる効果を強調している。しかし、実施例で示すように、Sn-58%Bi( 融点139 ℃) を用いることが必須で、これにより、最終的なはんだ合金組成である、Sn-3Ag-4Bi( 融点210 ℃) はんだ合金およびSn-6Bi-1.5Ag-0.4Cu( 融点195 〜214 ℃) はんだ合金の見掛け上の融点を低くしているのである。しかし、いずれも、Biを含有する合金粉末を使用するため、はんだ付け部にBiが含まれるようになり、はんだ付け後に脆性破壊を起こすようになる。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、本出願人は上記従来の鉛フリーはんだよりも機械強度、はんだ付け後の光沢、耐衝撃性に優れた鉛フリーはんだを発明し、既に特許を確立している (特許第3027441 号) 。
【００２４】
従来のように混合する合金粉末中にBi、In、Zn等が含有されていると、上述のようにはんだ付け後に脆性破壊を起こしたり、ソルダペーストが経時変化を起こしたりするという問題がある。
【００２５】
この特許が確立された鉛フリーはんだは、Sn主成分にAgを３〜５質量％、Cuを0.5 〜３質量％添加したSn−Ag−Cu系の鉛フリーはんだであり、接合強度の劣化等がなく、また、かかる合金の粉末はソルダペーストのフラックスとの反応がないため経時変化がほとんどないものである。
【００２６】
このようにSn−Ag−Cu系鉛フリーはんだは、他の組成の鉛フリーはんだに比べて優れた特性を有している。
ところで、かかるはんだ合金の融点は一番低い温度が217 ℃であり、溶融はんだの濡れ広がりを良好にするためにリフロー温度を260 ℃以上にする必要がある。しかも、Sn−Ag−Cu系の鉛フリーはんだを用いたソルダペーストは、はんだ付け部にボイド (空隙) を多数発生させたり、チップ立ちを起こしたりすることがあることから、ボイドの発生を阻止するためリフロー温度を260 ℃以上とする。
【００２７】
しかしながら、そのように高いリフロー温度は、表面実装部品やプリント基板にとっては熱損傷の点から好ましくない。
従って、電子部品やプリント基板の熱損傷を可及的少とするためには、かかる鉛フリーはんだを用いたソルダペーストでも、リフロー温度250 ℃以下、好ましくは240 ℃以下でリフローはんだ付けを行なうことが求められる。
【００２８】
この250 ℃という温度は、Sn−Ag−Cu系合金の共晶組成のときの融点から30℃だけ高い温度であり、ボイド対策として理想とする融点＋40〜＋50℃よりも低いものである。実際、この250 ℃以下というリフロー温度では、Sn−Ag−Cu系の鉛フリーはんだのソルダペーストを十分に濡れ広がらせることができず、はんだ付け不良やボイドの大量発生が見られた。
【００２９】
さらに従来のSn−Ag−Cu系の鉛フリーはんだの粉末を用いたソルダペーストでチップ部品のはんだ付けを行うと、リフロー温度の高低にかかわらずチップ部品が立ち上がってしまうという「チップ立ち」も多数発生させていた。
【００３０】
本発明の課題は、機械的特性や光沢に優れたSn−Ag−Cu系の鉛フリーはんだを用いたソルダペーストであるにもかかわらず、表面実装部品のはんだ付けを行った場合、電子部品やプリント基板に対して熱損傷を起こさせない250 ℃以下のリフロー温度、つまり融点＋40〜＋50℃よりも低いリフロー温度ではんだ付けしてもパッケージ部品に対しては、はんだ付け部にボイドを発生させないばかりでなく、またチップ部品に対してはチップ立ちを起こさせないソルダペーストおよびそれを利用したはんだ付け方法を提供することにある。
【００３１】
別の面からは、本発明の課題は、Biを添加することなく、つまり低融点のBi含有はんだ合金を用いることなく、融点＋40〜＋50℃よりも低いリフロー温度ではんだ付けしてもパッケージ部品に対しては、はんだ付け部にボイドを発生させないばかりでなく、またチップ部品に対してはチップ立ちを起こさせないソルダペーストおよびそれを利用したはんだ付け方法を提供することにある。
【００３２】
さらに本発明の課題は、融点＋40〜＋50℃よりも低いリフロー温度ではんだ付けしてもパッケージ部品に対しては、はんだ付け部にボイドを発生させないばかりでなく、またチップ部品に対してはチップ立ちを起こさせないばかりか、印刷性を改善することができるソルダペーストおよびそれを利用したはんだ付け方法を提供することである。
【００３３】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、かかる課題を解決すべく、２種以上の融点の異なるはんだ合金粉末を配合したソルダペーストに着目し、Sn-Ag-Cu系はんだ合金についてもBi含有低融点はんだ合金を用いることなく、リフロー処理に際してのはんだ合金の低融点化を図ることが可能かについて検討を重ねた。
【００３４】
その結果、融点の低下を図ることなく、はんだ合金が完全に溶融するまでに要する時間を延長することによって、ソルダペーストを用いたリフローはんだ付けでは、合金粉末が溶融開始から完全に溶融するまでに十分な時間をかけることによって、融点＋40〜＋50℃よりも低いリフロー温度ではんだ付け部にはボイドが発生せず、またチップ部品ではチップ立ちが起こらないことを見い出して本発明を完成させた。
【００３５】
さらに、本発明者らは、予想外にも濡れ性と印刷性とが同時に改善されることを知り、本発明を完成した。
ここに、本明細書で言う「印刷性」とは、印刷によってソルダペーストをプリント基板の所定部位に凸形状に載せてから、リフロー処理を行った場合に、溶融したはんだ合金が凸形を保持しつつ溶融・凝固する、形状維持特性を言うのであって、一般に濡れ性がよいソルダーペーストでは、溶融時にはんだ合金が拡がってしまい、所定凸部を形成できないことが知られている。かかる印刷性ははんだ付け性の信頼性の指標になるものである。
【００３６】
具体的には、リフロー処理後に、目視あるいは顕微鏡観察によって、ソルダペーストが供給された部位、つまりプリント基板のマウント部分にディウエット(dewetting、赤目) が発生することなく、はんだが溶融しているか否かによって判定した。
【００３７】
なお、通常、「印刷性」とは孔板を使ってソルダペーストを印刷する場合の孔形状の再現性、あるいはその精度を言うが、い本件明細書では上述のようにリフロー処理後の形状維持特性として定義するのであって、この場合の印刷性は濡れ性とは相反する特性と言うことができる。
【００３８】
つまり、本発明は、融点 (配合組成) の異なる二種以上の合金粉末 (または金属粉末) を混合し、(i) 両合金粉末が完全に溶融するまでに時間がかかること、(ii)そのように両合金粉末が完全に溶融されるまでに時間がかかるにも関わらず、溶融はんだ合金の凸形状維持特性が顕著であること、そして(iii) リフロー温度が250 ℃以下と低いにもかかわらず、ボイド発生が顕著に改善されることを知り、本発明を完成した。
【００３９】
ここに、本発明は、次の通りである。
（１）配合組成の異なる二種以上のはんだ合金粉末と、または配合組成の異なる一種以上のはんだ合金粉末および Snの単体金属粉末と、フラックスとを混練したソルダペーストであって、前記はんだ合金粉末は、それぞれがAg：８質量％以下および、Cu：５質量％以下の１種または２種を含み、残部 Sn から成り、これらの二種以上のはんだ合金粉末または一種以上のはんだ合金粉末および前記単体金属粉末の組成割合は、溶解した後の組成がAg：１〜５質量％、Cu：0.5 〜３質量％、残部Snとなるように調整してあることを特徴とするソルダペースト。
【００４０】
(2) 二種のAg-Cu-Sn合金粉末とフラックスとを配合したものである上記(1) 記載のソルダペースト。
(3) Ag-Sn 合金粉末とCu-Sn 合金粉末とフラックスとを配合したものである上記(1) 記載のソルダペースト。
【００４１】
（４）Ag-Sn 合金粉末とCu-Sn 合金粉末とAg-Cu-Sn合金粉末とフラックスとを配合したものである上記（１）記載のソルダペースト。
（５）配合組成の異なる二種以上のはんだ合金粉末と、または配合組成の異なる一種以上のはんだ合金粉末およびAg、CuおよびSnから選んだ少なくとも１種の単体金属粉末と、フラックスとを混練したソルダペーストであって、前記はんだ合金粉末は、それぞれAg：８質量％以下および、Cu：５質量％以下の１種または２種を含み、残部 Sn から成り、これらの二種以上のはんだ合金粉末または一種以上のはんだ合金粉末および前記単体金属粉末の組成割合を、溶解した後の組成がAg：１〜５質量％、Cu：0.5 〜３質量％、残部Snとなるように調整したソルダペーストをプリント基板に印刷し、面実装部品を搭載し、次いでリフロー温度250 ℃以下ではんだ付けを行う面実装部品のはんだ付け方法。
【００４２】
(6) リフロー温度が240 ℃以下である上記(5) 記載の方法。
ここに、本発明は、別の面からは、 Ag ：１〜５質量％、Cu：0.5 〜３質量％、残部Snから成るはんだを使い面実装部品をリフロー法によりはんだ付けするに際して、配合組成の異なる二種以上のはんだ合金粉末と、または配合組成の異なる一種以上のはんだ合金粉末およびAg、CuおよびSnから選んだ少なくとも１種の単体金属粉末とフラックスとを混練したソルダペーストであって、前記はんだ合金粉末は、それぞれAg：0 〜８質量％、Cu：0 〜５質量％、Sn：80質量％以上から成り、これらの二種以上のはんだ合金粉末または一種以上のはんだ合金粉末および前記単体金属粉末の組成割合を、溶解した後の組成がAg：１〜５質量％、Cu：0.5 〜３質量％、残部Snとなるように調整して得られたソルダペーストを使用し、リフロー温度を250 ℃以下とすることを特徴とする、面実装部品をリフロー法によりはんだ付けを行うに際しての濡れ性および印刷性の同時改善方法である。
【００４３】
この態様におけるリフロー温度は、240 ℃以下とすることができる。
【００４４】
【発明の実施の形態】
本発明は、ソルダペーストに使用する合金粉末がSn、Ag、Cuのいずれかから成る合金であって、配合組成や配合比率の異なった合金粉末を混合したもの、あるいはこれらの合金粉末とSn、Ag、Cu等の単体の金属粉末とを混合したものである。そしてこれら二種以上の合金粉末、あるいは合金粉末と単体金属粉末を混合したものを溶融した後の組成はAgが１〜５質量％、Cuが0.5 〜３質量％、残部がSnとなるものである。
【００４５】
粉末の粒径について特に制限はなく、従来のように10〜70μm 程度であればよく、場合によって、一方を粗粒径、他方を微細粒径とすることも目的によっては好ましい。
【００４６】
本発明に使用する配合組成の異なる粉末とは、Sn−Ag、Sn−Cu、Sn−Ag−Cu等の組成の異なる合金粉末、あるいはSn、Ag、Cu等の単体金属の粉末であり、配合比率の異なる粉末とは、例えばSn−0.5Ag −0.1Cu とSn−３Ag−１Cuのように配合組成は同一であって成分の添加量が異なるものである。
【００４７】
本発明では、それらの組合わせはいずれであってもよいが、二種以上の粉末を混合して溶解した後の組成がAg：１〜５質量％、Cu：0.5 〜３質量％、残部Snとなるようにする。
【００４８】
Agが１質量％よりも少ないとはんだ付け性が悪くなり、一方、５質量％を超えると硬くなってはんだ付け部の耐衝撃性が悪くなる。好ましくは、1.0 質量％以上、4.0 質量％以下である。
【００４９】
Cuは0.5 質量％よりも少ないとはんだの機械的強度が充分でなく、３質量％よりも多くなると融点が高くなりすぎてリフロー処理時に電子部品やプリント基板を熱損傷させてしまう。好ましくは、0.5 質量％以上1.0 質量％以下である。
【００５０】
【実施例】
表１は本発明のソルダペーストの実施例および比較例を示したものである。
実施例１はリフロー後の組成がSn−3.9Ag −0.6Cu となり、実施例２はリフロー後の組成がSn−3.0Ag −0.5Cu となるものである。
【００５１】
実施例および比較例におけるフラックス成分は下記の如くであり、ソルダペーストは粉末( 粒径10〜70 mμ) が89質量％、フラックスが11質量％である。
重合ロジン (樹脂) 50質量％
ヘキシレングリコール (溶剤) 44質量％
ジフェニールグアニジンHBr(活性剤) 1質量％
硬化ひまし油 (チキソ剤) 5質量％
(i) ボイド試験
35箇所のパッドにソルダペーストを塗布してから、大気雰囲気のリフロー炉でリフロー温度240 ℃で加熱後、はんだ付け部をＸ線検査装置で観察してボイドの発生数を測定する。35箇所のパッドに発生したボイドの合計の数を示す。
【００５２】
(ii)チップ立ち試験
リフロー炉：酸素濃度が100ppm 以下の窒素雰囲気
リフロー温度：240 ℃
チップ立ち試験：0402型のチップ部品320 個と、0603型のチップ部品360 個の計680 個を搭載し、チップ立ちの割合(%) を算出し、これをもって耐チップ立ち防止特性を評価した。
【００５３】
(iii) 印刷性試験
0.4 mmピッチのQFP パターンを備えたファインピッチ基板用メタルマスク (厚さ150 μm)を使用し、印刷機によって印刷を行った後、基板をリフロー温度に相当する240 ℃にて加熱後、はんだ付け部を実体顕微鏡で観察した。基板上の印刷したはんだ付け部に未はんだ部、つまりディウエット (赤目) 部がなく、はんだの印刷形状が維持されながらはんだが溶融している場合を○とし、ディウエット (赤目) 部が見られるかあるいははんだが溶融していない場合を×とした。
【００５４】
結果は表１にまとめて示す。
【００５５】
【表１】

【００５６】
【発明の効果】
本発明のソルダペーストは、はんだ付け後の組成が機械的特性や光沢に優れたSn−Ag−Cu系の鉛フリーはんだとなり、しかもリフロー温度を電子部品やプリント基板が熱損傷を起こさない250 〜240 ℃にしても、はんだ付けのボイドの発生が極めて少ないばかりでなく、チップ部品に対してチップ立ちを起こさせにくく、しかも印刷特性に優れているという従来のSn−Ag−Cu系の鉛フリーはんだを用いたソルダペーストでは得られない優れた効果を奏するものである。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solder paste used for soldering a printed circuit board and an electronic component, in particular, a solder paste in which a solder alloy is lead-free solder containing no lead, and a soldering method using the solder paste.
[0002]
[Prior art]
Electronic components used for electronic devices include leaded components and surface mounted devices.
[0003]
The leaded component is a component in which a long linear lead is installed on the electronic component main body. When soldering the leaded component to the printed circuit board, the flow method is used.
This flow method is to insert a long linear lead of a leaded part from the surface into a hole provided in advance on the printed circuit board, then apply flux to the back surface of the printed circuit board, preheat, contact with molten solder, cooling, The lead of the component with the lead and the land of the printed circuit board are soldered by performing the above process.
[0004]
Parts with a single-function lead, such as resistors and capacitors, are equipped with linear leads on both sides of the electronic component body, so the linear leads will protrude regardless of how small the electronic component body is. There was a limit to reducing the size. Also, it is difficult to completely insert a large number of linear leads into a hole in a printed circuit board, such as a transistor or PGA (Pin Grid Array), which has a large number of linear leads. In some cases, the wire lead could be bent.
[0005]
Surface-mount components are single-function electronic components such as resistors and capacitors, which are chip components with electrodes formed on both ends of the main body. Also, such as QFP (Quad Flat Package) and SOP (Small Outline Package) In an electronic component of an IC package, a large number of plate-like leads are installed on both sides of the main body or on the four side surfaces of the main body.
[0006]
When this surface mount component is soldered to a printed board, a reflow method is used.
With the reflow method, a small amount of solder paste is applied to the soldered part of the printed circuit board with a printing device or dispenser, etc., and the surface mount component electrodes and plate-like leads are mounted on this applied part to mount the surface mount component. Thereafter, the printed board is heated in a reflow furnace to melt the solder paste, thereby soldering the printed board and the surface mount component.
[0007]
The solder paste used for this reflow method is a viscous solder material obtained by kneading a powdered solder alloy and a paste-like flux.
The powdered solder alloy used in the conventional solder paste was a Sn—Pb eutectic alloy. Solder made of Sn-Pb eutectic alloy (hereinafter referred to as Sn-Pb eutectic solder) has excellent solderability and a melting point as low as 183 ° C. It has an excellent feature that it can perform reflow soldering at a temperature that does not cause thermal damage to surface-mounted components and printed circuit boards as well as few soldering defects.
[0008]
By the way, when the reflow temperature in the reflow method using the solder paste is set to the melting point +40 to + 50 ° C. of the solder alloy in the solder paste, the wet spread of the melted solder becomes the best and the soldering defects are reduced.
[0009]
Therefore, the solder paste using Sn—Pb eutectic solder is reflow soldered at 230 ° C., which is about 50 ° C. higher than the melting point of 183 ° C. This temperature of 230 ° C. is a sufficient temperature to prevent thermal damage to electronic components and printed circuit boards.
[0010]
In general, electronic devices that have become old and have become unusable or have become difficult to repair due to breakdowns have been disposed of in landfills. When acid rain containing sulfur is brought into contact with this landfilled electronic device in the ground, the acid rain dissolves the lead component from the Sn-Pb solder. And rainwater containing lead components penetrates deep into the ground and mixes with groundwater, which contaminates groundwater.
[0011]
It has been said that when this groundwater containing lead components is drunk for many years, lead components accumulate in the body and lead to lead poisoning, and the use of Sn-Pb solder has been regulated. Therefore, recently, it has been recommended to use lead-free solder which does not contain lead at all, and the solder used for the solder paste has also become lead-free solder.
[0012]
Lead-free solder includes Sn—Ag, Sn—Cu, Sn—Bi, Sn—Zn, etc., with Sn as the main component.
However, the various lead-free solders proposed today have the following problems.
[0013]
The Sn-Ag system has an eutectic composition of Sn-3.5Ag with a melting point of 220 ° C., so that the reflow temperature becomes 260 ° C. or more, and the electronic component is thermally damaged. When a small amount of Bi or In of this Sn-Ag system is added, the solidus temperature can be lowered, but the liquidus temperature (melting point) cannot be lowered. Moreover, the lead-free solder of this composition has a problem that the surface value after soldering is not present and the commercial value is lowered.
[0014]
The Sn—Cu system has a melting point of Sn—0.7Cu eutectic composition of 227 ° C., which not only thermally damages electronic components during reflow, but also has insufficient solderability. Even if a small amount of Bi or In is added to the Sn—Cu system, the melting point cannot be lowered as described above.
[0015]
In the Sn-Bi system, the melting point of the eutectic composition of Sn-57Bi is a low temperature of 139 ° C, and the reflow temperature is even lower than the conventional Sn-Pb eutectic solder. There is no worry of thermal damage. However, since the lead-free solder having such a composition has a very brittle property, there is a problem that after soldering, if some impact is applied to the soldered portion, it is easily peeled off.
[0016]
The Sn-Zn system has a melting point of eutectic composition of Sn-9Zn of 199 ° C and can be performed at a reflow temperature of 240 ° C, so there is little thermal damage during reflow, but not only a lot of oxide is generated during reflow, There is a problem of poor solderability.
[0017]
Thus, lead-free solders other than lead-free solder containing Sn-57Bi and lead-free solder containing Sn-9Zn have a high melting point, and therefore the reflow temperature (melting point +40 to + 50 ° C.) must be increased. Since it cannot be obtained, it has been a problem to thermally damage electronic components and printed circuit boards.
[0018]
Thus, the solder paste using the lead-free solder having a high melting point has been devised to lower the reflow temperature. This is a solder paste used by mixing a high melting point lead-free solder powder and a low melting point solder powder to lower the reflow temperature.
[0019]
Even in the past, several attempts have been made to construct a solder paste using two or more kinds of solder powders.
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-295182 discloses an invention in which two or more kinds of solder alloy powders containing Sn as a main component are mixed and a gradient composition is made by utilizing the specific gravity difference between these alloy powders. This is intended to improve wettability and soldering strength. However, the reflow temperature is not clarified in the examples.
[0020]
In order to obtain a multi-component solder alloy, the invention disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-138292 is configured by using a binary alloy powder and a simple metal powder, or two or more binary alloy powders that are easy to manufacture. Solder paste is disclosed, and a melting delay occurs during reflow, which contributes to prevention of chip standing of microchip components. However, although there is a reference to the melting start temperature and the melting end temperature (181 to 219 ° C.) in the examples, there is no disclosure of the reflow temperature.
[0021]
Furthermore, the solder paste disclosed in the above publication uses an alloy powder containing any of Bi, In, and Zn. If Bi is contained in the soldered portion, it causes brittle fracture as described above. In addition, solder paste containing In metal powder or In alloy powder causes In to react with the flux in the solder paste and changes over time, making it unusable in a short time. In addition, lead-free solder containing Zn not only inhibits solderability by generating a lot of oxide during soldering, but also forms large voids in the soldered part, resulting in weak joint strength. .
[0022]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-186712 discloses a solder paste containing two or more alloy powders having different compositions and different melting points, and emphasizes the effect of reducing the conventional reflow temperature 260 ° C. to 230 ° C. . However, as shown in the examples, it is essential to use Sn-58% Bi (melting point: 139 ° C.), and thus, the final solder alloy composition, Sn-3Ag-4Bi (melting point: 210 ° C.) solder alloy And Sn-6Bi-1.5Ag-0.4Cu (melting point 195-214 ° C.) The apparent melting point of the solder alloy is lowered. However, in any case, since an alloy powder containing Bi is used, Bi is included in the soldering portion, and brittle fracture occurs after soldering.
[0023]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the present inventor has invented a lead-free solder superior in mechanical strength, gloss after soldering, and impact resistance to the conventional lead-free solder, and has already established a patent (Japanese Patent No. 3027441).
[0024]
If Bi, In, Zn, or the like is contained in the alloy powder to be mixed as in the conventional case, there is a problem that brittle fracture occurs after soldering or the solder paste changes with time as described above.
[0025]
The lead-free solder for which this patent has been established is a Sn-Ag-Cu-based lead-free solder in which 3 to 5 mass% of Ag and 0.5 to 3 mass% of Cu are added to the Sn main component. In addition, since the alloy powder does not react with the solder paste flux, it hardly changes over time.
[0026]
As described above, the Sn-Ag-Cu-based lead-free solder has excellent characteristics as compared with lead-free solders having other compositions.
By the way, the lowest melting point of such a solder alloy is 217 ° C., and the reflow temperature needs to be 260 ° C. or more in order to improve the wet spread of the molten solder. In addition, solder paste using Sn-Ag-Cu lead-free solder can cause many voids (voids) in the soldered area and chip standing, thus preventing the generation of voids. Therefore, the reflow temperature is set to 260 ° C or higher.
[0027]
However, such a high reflow temperature is not preferable for surface mount components and printed boards from the viewpoint of thermal damage.
Therefore, in order to minimize the thermal damage of electronic parts and printed circuit boards, reflow soldering should be performed at a reflow temperature of 250 ° C or lower, preferably 240 ° C or lower, even with solder paste using such lead-free solder. Is required.
[0028]
This temperature of 250 ° C. is a temperature that is 30 ° C. higher than the melting point at the eutectic composition of the Sn—Ag—Cu alloy, and is lower than the ideal melting point +40 to + 50 ° C. as a countermeasure against voids. In fact, at this reflow temperature of 250 ° C. or lower, the Sn—Ag—Cu lead-free solder paste could not be sufficiently wetted and spread, and soldering defects and large amounts of voids were observed.
[0029]
In addition, there are many "chip standing" in which chip parts stand up regardless of the reflow temperature when soldering chip parts with solder paste using conventional Sn-Ag-Cu lead-free solder powder It was generated.
[0030]
The problem of the present invention is that when a surface mount component is soldered even though it is a solder paste using Sn-Ag-Cu lead-free solder having excellent mechanical properties and gloss, Even if soldering is performed at a reflow temperature of 250 ° C or lower that does not cause thermal damage to the printed circuit board, that is, a reflow temperature lower than the melting point +40 to + 50 ° C, voids are not generated in the soldered parts of the package parts. It is another object of the present invention to provide a solder paste that does not cause chip standing on chip components and a soldering method using the solder paste.
[0031]
From another aspect, the object of the present invention is to provide a package component even if soldering is performed at a reflow temperature lower than the melting point +40 to + 50 ° C. without adding Bi, that is, without using a low melting point Bi-containing solder alloy. In view of the above, it is an object of the present invention to provide a solder paste that does not cause a void in a soldering portion and does not cause a chip standing on a chip component, and a soldering method using the solder paste.
[0032]
Furthermore, the object of the present invention is not to generate voids in the soldered part for package parts even when soldering at a reflow temperature lower than the melting point +40 to + 50 ° C. It is to provide a solder paste and a soldering method using the same that can not only cause standing but also improve printability.
[0033]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve such a problem, the present inventors pay attention to a solder paste containing two or more kinds of solder alloy powders having different melting points, and also use a Bi-containing low melting point solder alloy for the Sn-Ag-Cu solder alloy. Without reexamination, we investigated whether it is possible to lower the melting point of the solder alloy during the reflow process.
[0034]
As a result, by reflow soldering using solder paste by extending the time required for the solder alloy to completely melt without lowering the melting point, the alloy powder is completely melted from the start of melting. By spending a sufficient amount of time, it was found that no voids occurred in the soldered portion at the reflow temperature lower than the melting point +40 to + 50 ° C., and that no chip standing occurred in the chip component, and the present invention was completed.
[0035]
Furthermore, the present inventors have found that wettability and printability are improved at the same time, and have completed the present invention.
Here, “printability” as used in this specification refers to a case where the molten solder alloy retains the convex shape when the solder paste is placed on a predetermined portion of the printed circuit board by printing and then reflowed. However, it is known that the shape maintaining characteristic that melts and solidifies while soldering paste having generally good wettability spreads the solder alloy at the time of melting and cannot form a predetermined convex portion. Such printability is an index of reliability of solderability.
[0036]
Specifically, after the reflow process, whether the solder is melted without dewetting (red-eye) at the part where the solder paste is supplied, that is, the mounting part of the printed circuit board, by visual or microscopic observation Judged by.
[0037]
Normally, “printability” refers to the reproducibility of the hole shape when printing solder paste using a hole plate, or its accuracy. In this specification, as described above, the shape maintenance after reflow processing is maintained. It is defined as a characteristic, and the printability in this case can be said to be a characteristic contrary to wettability.
[0038]
That is, in the present invention, two or more kinds of alloy powders (or metal powders) having different melting points (composition compositions) are mixed, and (i) it takes time to completely melt both alloy powders, and (ii) Thus, despite the fact that it takes time until both alloy powders are completely melted, the convex shape maintaining characteristics of the molten solder alloy are remarkable, and (iii) the reflow temperature is as low as 250 ° C or less. Therefore, the present invention was completed by knowing that the generation of voids was remarkably improved.
[0039]
Here, the present invention is as follows.
(1) and different two or more kinds of solder alloy powders compounded composition, or a simple metal powder of one or more of the solder alloy powder and Sn having different blend composition, a solder paste obtained by kneading the flux before Symbol the alloy powder I, each Ag: 8% by mass or less and, Cu: contain 5 wt% or less of one or, the balance being Sn, solder alloy powder or one of two or more of these The composition ratio of the above solder alloy powder and the single metal powder is adjusted so that the composition after dissolution is Ag: 1 to 5 mass%, Cu: 0.5 to 3 mass%, and the remaining Sn. Solder paste.
[0040]
(2) The solder paste according to the above (1), which is a mixture of two types of Ag—Cu—Sn alloy powder and a flux.
(3) The solder paste according to the above (1), which is a mixture of Ag-Sn alloy powder, Cu-Sn alloy powder and flux.
[0041]
(4) The solder paste according to the above (1), which is a mixture of Ag-Sn alloy powder, Cu-Sn alloy powder, Ag-Cu-Sn alloy powder and flux.
(5) Two or more kinds of solder alloy powders having different composition compositions, or one or more kinds of solder alloy powders having different composition compositions and at least one elemental metal powder selected from Ag, Cu and Sn, and a flux were kneaded. a solder paste, the solder alloy powder, respectively Ag: 8% by mass or less and, Cu: include one or 5 wt% or less, and the balance Sn, these two or more solder Solder in which the composition ratio of the alloy powder or one or more solder alloy powders and the single metal powder is adjusted so that the composition after dissolution is Ag: 1 to 5% by mass, Cu: 0.5 to 3% by mass, and the remaining Sn. A method for soldering surface mount components, in which paste is printed on a printed circuit board, surface mount components are mounted, and then soldering is performed at a reflow temperature of 250 ° C. or lower.
[0042]
(6) The method according to (5) above, wherein the reflow temperature is 240 ° C. or lower.
Here, from another aspect, the present invention has a composition for soldering a surface-mounted component by using a solder composed of Ag: 1 to 5% by mass, Cu: 0.5 to 3% by mass, and the remaining Sn by the reflow method. A solder paste obtained by kneading two or more kinds of solder alloy powders having different composition, or one or more kinds of solder alloy powders having different composition compositions and at least one elemental metal powder selected from Ag, Cu and Sn, and a flux, The solder alloy powder is composed of Ag: 0 to 8% by mass, Cu: 0 to 5% by mass, Sn: 80% by mass or more, and these two or more kinds of solder alloy powders or one or more kinds of solder alloy powders and Using a solder paste obtained by adjusting the composition ratio of the single metal powder to Ag: 1-5 mass%, Cu: 0.5-3 mass%, and the balance Sn after melting, the reflow temperature To 250 ℃ or less Wherein the bets are wettability and printability simultaneous method of improving the time of surface mounting components performing soldering by a reflow method.
[0043]
The reflow temperature in this embodiment can be 240 ° C. or lower.
[0044]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the present invention, the alloy powder used for the solder paste is an alloy composed of any one of Sn, Ag, and Cu, which is a mixture of alloy powders having different blending compositions and blending ratios, or these alloy powders and Sn, It is a mixture of simple metal powders such as Ag and Cu. The composition after melting these two or more alloy powders, or a mixture of alloy powder and simple metal powder is such that Ag is 1 to 5% by mass, Cu is 0.5 to 3% by mass, and the balance is Sn. is there.
[0045]
There is no particular limitation on the particle size of the powder, and it may be about 10 to 70 μm as in the prior art. In some cases, it is preferable depending on the purpose that one is a coarse particle size and the other is a fine particle size.
[0046]
Powders having different composition used in the present invention are alloy powders having different compositions such as Sn-Ag, Sn-Cu, Sn-Ag-Cu, or powders of simple metals such as Sn, Ag, Cu, etc. The powders having different ratios are those having the same blending composition and different addition amounts of components, such as Sn-0.5Ag-0.1Cu and Sn-3Ag-1Cu.
[0047]
In the present invention, any combination thereof may be used, but the composition after mixing and dissolving two or more kinds of powders is Ag: 1 to 5% by mass, Cu: 0.5 to 3% by mass, and remaining Sn To be.
[0048]
When Ag is less than 1% by mass, solderability is deteriorated, while when it exceeds 5% by mass, it becomes hard and the impact resistance of the soldered portion is deteriorated. Preferably, they are 1.0 mass% or more and 4.0 mass% or less.
[0049]
If the Cu content is less than 0.5% by mass, the mechanical strength of the solder is insufficient. If the Cu content exceeds 3% by mass, the melting point becomes too high and the electronic parts and the printed circuit board are thermally damaged during the reflow process. Preferably, they are 0.5 mass% or more and 1.0 mass% or less.
[0050]
【Example】
Table 1 shows examples and comparative examples of the solder paste of the present invention.
In Example 1, the composition after reflow is Sn-3.9Ag-0.6Cu, and in Example 2, the composition after reflow is Sn-3.0Ag-0.5Cu.
[0051]
The flux components in Examples and Comparative Examples are as follows. The solder paste is 89% by mass of powder (particle size 10 to 70 mμ) and 11% by mass of flux.
Polymerized rosin (resin) 50% by mass
Hexylene glycol (solvent) 44% by mass
Diphenyl guanidine HBr (active agent) 1% by mass
Hardened castor oil (thixotropic agent) 5% by mass
(i) Void test
After applying solder paste to the 35 pads, after heating at a reflow temperature of 240 ° C. in an air atmosphere reflow oven, the soldered part is observed with an X-ray inspection device and the number of voids generated is measured. Indicates the total number of voids generated in 35 pads.
[0052]
(ii) Chip standing test reflow furnace: Nitrogen atmosphere with oxygen concentration of 100 ppm or less Reflow temperature: 240 ° C
Chip standing test: 320 pieces of 0402 type chip parts and 360 pieces of 0603 type chip parts were mounted in a total of 680 pieces, and the chip standing ratio (%) was calculated, and the anti-tip standing characteristic was evaluated.
[0053]
(iii) Printability test
Using a metal mask for fine pitch substrates (thickness 150 μm) with a 0.4 mm pitch QFP pattern, printing with a printing machine, then heating the substrate at 240 ° C, which corresponds to the reflow temperature, and then soldering The part was observed with a stereomicroscope. If the soldered part printed on the board has no unsoldered part, that is, a dewet (red-eye) part, and the solder is melted while maintaining the printed shape of the solder, the dewet (red-eye) part is seen. X or the case where the solder is not melted.
[0054]
The results are summarized in Table 1.
[0055]
[Table 1]

[0056]
【The invention's effect】
The solder paste of the present invention is a Sn-Ag-Cu based lead-free solder whose composition after soldering is excellent in mechanical properties and gloss, and the reflow temperature does not cause thermal damage to electronic components and printed circuit boards. Even at 240 ° C, the conventional Sn-Ag-Cu-based lead-free solder not only generates very few voids in soldering but also resists chip standing and has excellent printing characteristics. It has excellent effects that cannot be obtained with solder paste using solder.

Claims (6)

配合組成の異なる二種以上のはんだ合金粉末と、または配合組成の異なる一種以上のはんだ合金粉末および Snの単体金属粉末と、フラックスとを混練したソルダペーストであって、前記はんだ合金粉末は、それぞれがAg：８質量％以下および、Cu：５質量％以下の１種または２種を含み、残部 Sn から成り、これらの二種以上のはんだ合金粉末または一種以上のはんだ合金粉末および前記単体金属粉末の組成割合は、溶解した後の組成がAg：１〜５質量％、Cu：0.5 〜３質量％、残部Snとなるように調整してあることを特徴とするソルダペースト。And different two or more kinds of solder alloy powders compounded composition, or a simple metal powder of one or more of the solder alloy powder and Sn having different blend composition, a solder paste obtained by kneading the flux, the solder alloy powder , each Ag: 8% by mass or less and, Cu: contain 5 wt% or less of one or, the balance being Sn, solder alloy powder of two or more solder alloy powders or of one or more these and The composition ratio of the single metal powder is adjusted so that the composition after dissolution is Ag: 1 to 5 mass%, Cu: 0.5 to 3 mass%, and the remaining Sn. 二種のAg-Cu-Sn合金粉末とフラックスとを配合したものである請求項１記載のソルダペースト。  The solder paste according to claim 1, wherein two kinds of Ag-Cu-Sn alloy powder and a flux are blended. Ag-Sn 合金粉末とCu-Sn 合金粉末とフラックスとを配合したものである請求項１記載のソルダペースト。  The solder paste according to claim 1, wherein the paste is a mixture of Ag-Sn alloy powder, Cu-Sn alloy powder and flux. Ag-Sn 合金粉末とCu-Sn 合金粉末とAg-Cu-Sn合金粉末とフラックスとを配合したものである請求項１記載のソルダペースト。  The solder paste according to claim 1, wherein the paste is a mixture of Ag-Sn alloy powder, Cu-Sn alloy powder, Ag-Cu-Sn alloy powder and flux. 配合組成の異なる二種以上のはんだ合金粉末と、または配合組成の異なる一種以上のはんだ合金粉末およびAg、CuおよびSnから選んだ少なくとも１種の単体金属粉末と、フラックスとを混練したソルダペーストであって、前記はんだ合金粉末は、それぞれAg：８質量％以下および、Cu：５質量％以下の１種または２種を含み、残部 Sn から成り、これらの二種以上のはんだ合金粉末または一種以上のはんだ合金粉末および前記単体金属粉末の組成割合を、溶解した後の組成がAg：１〜５質量％、Cu：0.5 〜３質量％、残部Snとなるように調整したソルダペーストをプリント基板に印刷し、面実装部品を搭載し、次いでリフロー温度250 ℃以下ではんだ付けを行う面実装部品のはんだ付け方法。Solder paste in which two or more kinds of solder alloy powders having different composition compositions, or one or more kinds of solder alloy powders having different composition compositions and at least one elemental metal powder selected from Ag, Cu and Sn, and a flux are kneaded. there are, the solder alloy powder, respectively Ag: 8% by mass or less and, Cu: contain 5 wt% or less of one or, the balance being Sn, these two or more solder alloy powder or Printed solder paste in which the composition ratio of one or more solder alloy powders and the single metal powder is adjusted so that the composition after dissolution is Ag: 1-5 mass%, Cu: 0.5-3 mass%, and the balance is Sn. A method for soldering surface mount components that is printed on a substrate, mounted with surface mount components, and then soldered at a reflow temperature of 250 ° C or lower. リフロー温度が240 ℃以下である請求項５記載の方法。  The method according to claim 5, wherein the reflow temperature is 240 ° C or lower.