JP4471824B2

JP4471824B2 - 高温はんだ及びクリームはんだ

Info

Publication number: JP4471824B2
Application number: JP2004356263A
Authority: JP
Inventors: 稔正津田; 夏彦坂入; 光男堀
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2004-12-09
Filing date: 2004-12-09
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2024-12-09
Also published as: JP2006159265A

Description

本発明は、電子部品の組立等に用いられる鉛フリーはんだに関し、具体的にはＳｉ及びＢを含んだ高温はんだ及びクリームはんだに関する。

従来からはんだとしては、Ｓｎ（錫）及びＰｂ（鉛）を主成分としたいわゆるＳｎ-Ｐｂ系はんだが古くから使用されてきた。しかし近年では、廃棄された電化製品などに使用されたＰｂが酸性雨により溶けだし、地下水を汚染していることが明らかになったために、Ｐｂを含まない、いわゆる鉛フリーはんだの開発が盛んに行われるようになった。

これまでにＰｂに代えて、様々な成分をＳｎと混合した新たなはんだが生み出されている。しかしそのような鉛フリーはんだを電子部品の組み立てなどに用いられる高温はんだとして用いる場合、当該はんだが実用に耐え得るには、適切な溶融温度を持つことが必要である。以下シリコンチップを含んだ電子部品を例に挙げてその理由を具体的に説明する。

シリコンチップには複雑な工程を経て半導体装置（トランジスタやＦＥＴ、ダイオードなど）や抵抗、インダクタンス（コイル）、キャパシンタンス（コンデンサ）等の集積回路が形成されているが、微細であることから、そのままで取り扱うことが容易ではない。そこでシリコンチップは、通常１つの電子部品に内包される形で使用される。先ず、シリコンチップは例えばプリント基板等の基板に一度接合される（以下、このシリコンチップが直接、接合されている基板をパッケージ基板という）。このシリコンチップとパッケージ基板との接合は、鉛フリーはんだの中では高い機械的強度と高い溶融温度を持つとされる高温はんだ材料（以下、高温はんだとも言う）により行われている。なお、高温はんだとは一般に溶融温度が２５０℃以上、４５０℃未満のはんだのことをいう。また、パッケージ基板の電極には、例えば複数のリードフレームの内端が夫々例えばＡｕにより形成されたワイヤーを介して接合され、その接合が行われた後、パッケージ基板上のシリコンチップの周囲にエポキシ樹脂等の封止材料が供給される。なお、リードフレームを用いた場合その外端は当該封止材料により形成されたパッケージの外に突出しているが、リードフレームを用いずにパッケージ基板内に導電路が形成されていてその外端部が露出して電極を構成しているものもある。

このような構成とすることで上記シリコンチップについて、湿気や搬送時の衝撃等による破壊が防がれる利点がある他に、当該シリコンチップを含んだ電子部品を基板に実装することが容易になる。

電子部品を携帯電話などのアプリケーションに実装する基板実装プロセスでは、前記リードフレームの外端を前述のパッケージ基板とは異なる基板、例えばプリント配線基板に接合する作業が行われる。この接合もはんだにより行われるが、多量の部品を基板上に高密度に接合できる利点からリフロー法により行われるのが主流となっている。しかしこの電子部品と基板との接合をリフロー炉中で行う際に、シリコンチップをパッケージ基板に固定している高温はんだが、炉中の熱により再溶融すると、体積膨張して、シリコンチップが接合されているパッケージ基板の表面及びシリコンチップと、封止材料との間の界面に拡がり、シリコンチップの電極間を短絡するなどして故障に至るおそれがある。さらに、シリコンチップとパッケージ基板との接続不良、パッケージ内におけるシリコンチップの移動、またはその移動によって衝撃を受けたことに起因するシリコンチップの破損等の様々な不具合が生じる結果となる。

かつてはこのリフローによる電子部品の基板実装は溶融温度が１８３℃程度のＳｎ−３７Ｐｂ（Ｐｂを３７質量％含み残部がＳｎからなる合金）からなる共晶はんだが用いられてきたが、上述のように環境への影響を考慮して、その使用が中止されつつある。前記はんだに代わり現在ではＡｇ（銀）及びＣｕ（銅）をＳｎに混合したはんだが広く使用されている。当該はんだはＡｇを含むことで耐食性に優れ、Ｃｕを含むことで接合後、周囲の部品中に存在するに含まれるＣｕを溶食する作用が抑制される。例えばＳｎ−３．５Ａｇ−０．７５Ｃｕからなるはんだは広く用いられている。このはんだの溶融温度は約２２０℃である。その溶融温度に合わせて、リフロー炉内の温度も以前より高温に設定されるようになった。現在では、前記はんだを効率よく溶解させるためにリフロー中の本加熱時に、電子部品の表面温度が２４５℃程度になるようにリフロー炉は設定されることが多い。このような事情と現在流通している電子部品の耐熱性を考慮すると、電子部品の組み立てに用いられる高温はんだの溶融温度は２６０〜３５０℃であることが必要である。ただし上記温度範囲内において、はんだの一部が溶融していても完全に溶融しなければ、そのはんだ材料は高温はんだとして好ましく使用できる。つまり当該はんだの固液共存領域（半溶解範囲）が２６０℃以上であればよい。

また、高温はんだとして実用に耐え得るには、溶融固化後のはんだが適切な接合安定性、即ち機械的強度を持つことが必要である。高温はんだは、鉛フリーはんだの中では比較的高い機械的強度を持つとされてきた。しかし当該高温はんだは複数の金属により構成されている。本発明者らの検討により、そのような高温はんだが熱により溶融すると、当該高温はんだ中に含まれている同一金属組成物同士が凝集する傾向があることが明らかになった。凝集した各金属組成物が固化すると、各金属組成物間の界面が分離し、高温はんだ全体で見た場合に各所にボイドが形成された構造となる。このボイドの発生は、高温はんだの耐久性を著しく低下させて、長期的に見た場合、当該高温はんだにひび、割れを引き起こす原因となる。

これまでに開発された高温はんだとして、例えば特許文献１には、Ｓｎ−Ｃｕ系合金、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｓｂ（アンチモン）系合金のいずれか、もしくはこれらのうちのいずれかにＡｇ、Ｉｎ（インジウム）、Ｂｉ（ビスマス）、Ｚｎ（亜鉛）またはＮｉ（ニッケル）のうちの一種以上を添加して２６１℃〜６００℃の範囲内の融点を持つように調製した第１金属成分、及びＣｕ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｎｉのうちの一種以上の金属からなる第２金属成分を混合したはんだが開示されている。

他に特許文献２には、はんだ全体に対して夫々Ｓｂを５〜２０質量％、Ｔｅ（テルル）を０．０１〜５質量％含み、残部をＳｎおよび不可避不純物により構成するはんだが開示されている。このような組成とすることで、当該はんだが加熱された時に発生するβ’相が微細化される。その結果、当該はんだが固化した後のはんだ合金において、ひび、割れの発生が防止されるとしている。

しかし特許文献１に記載されたはんだの溶融温度は２６１℃から１１００℃とされ電子部品の耐熱性が充分に考慮されておらず、実用上問題がある。また、当該特許文献においては、上述のはんだを加熱した後に発生するボイドの対策については全く言及されていない。

また、特許文献２に記載されたＴｅを加えたはんだは、β’相を微細化することは検討されていても、上述のような同一金属同士の凝集により発生するボイドについての対策はなされておらず、はんだの接合安定性には不安が残る。さらにＴｅは環境に与える毒性が強いので、その使用はあまり好ましくない。

特開２００３−１５４４８５（段落０００９）

特開２００４−１０６０２７（段落００１２、段落００１６）

上述のように、従来から提供されている高温はんだは、適切な溶融温度及び充分な接合安定性を同時に備えておらず、実用上問題があった。

本発明は係る点に鑑みてなされたものであり、電子部品等を組み立てるために適切な溶融温度を有し、さらに溶融、固化後にボイドの発生がなく、適切な接合安定性を有する新規な高温はんだを提供することを目的とする。

本発明に係る高温はんだは、高温はんだ材料全体に対して、夫々Ｓｂが１２〜１６質量％、Ａｇが０．０１〜２質量％、Ｃｕが０．１〜１．５質量％含まれ、さらにＳｉ（シリコン）が０．００１〜０．１質量％含まれかつ、Ｂ（ホウ素）が０．００１〜０．０５質量％含まれ、残部がＳｎ及び不可避不純物であることを特徴とする。

また本発明に係るペースト状のクリームはんだは上記のはんだと液状フラックスとを混合してなることを特徴とする。

本発明によれば、適切な溶融温度を持つ高温はんだが提供される。さらに、当該高温はんだに含まれているＳｉ及びＢの各金属同士を馴染ませる作用があり、またＢによりＳｉの結晶晶出が抑えられることから溶融、固化後にはんだ中の同一金属同士が凝集することが妨げられる。その結果、溶融、固化後のはんだ中におけるボイドの発生が防がれ、高温はんだを構成する組織が密になることで、高温はんだの接合安定性が改善される。従って、長期信頼性に優れた高温はんだが提供される他に、当該高温はんだを使用することで電子部品の信頼性も向上する。

本発明の一実施の形態としては、高温はんだ材料全体に対して夫々Ｓｂが１４質量％、Ａｇが１．０質量％、Ｃｕが０．５質量％、Ｓｉが０．００１〜０．１質量％、Ｂが０．００１〜０．０５質量％含まれ、残部がＳｎ及び不可避不純物であるはんだ合金（高温はんだ）を粉末化し、この粉末と例えばロジン、溶剤、
活性剤、増粘剤を含んだ液状フラックスとを混合したペースト状のクリームはんだを挙げることができる。勿論本発明はこのようなクリームはんだに限られるものではなく、均一液滴噴霧法や油中造粒法等の製法により、成形した高温はんだであってもよく、例えばこのように従来の高温はんだに使用されていた加工方法を何ら変更することなく適用することができる。

本発明に係る高温はんだ中に含まれるＳｂは、当該高温はんだの液相線、固相線を高温に保つ効果、即ち高温はんだとして適切な溶融温度をもたせる効果を有する。しかし過剰にＳｂが加えられた場合、高温はんだの溶融温度が高くなりすぎる。またその場合、高温はんだが溶融後、固化したときにボイドが多く発生して、割れやすくなるといった不利益を生じる。その一方で、Ｓｂの量が不足している場合は、はんだの再溶融機能が発揮されない。そこでＳｂは、高温はんだ材料全体に対して１２〜１６質量％含まれるように調製する。好ましくは、高温はんだ材料全体に対する割合が１４質量％である。

本発明に係る高温はんだ中に含まれるＡｇは、接合の安定性を保つ効果を有する。なお接合の安定性がよいとは当該高温はんだを用いてはんだ付けして当該はんだが溶融固化した場合に、高い機械的強度を持つことをいう。さらに具体的には、基板に電子部品を当該はんだにより接合させた際に、当該基板と電子部品との接合強度が強いことを言う。しかし過剰にＡｇが加えられた場合、はんだの溶融温度が大幅に上昇する。また加える量が少なすぎると上記の接合の安定性を保つ効果が現れない。そこでＡｇは、高温はんだ材料全体に対して０．０１〜２．０質量％含まれるように調製する。好ましくは、高温はんだ材料全体に対する割合が１．０質量％である。

本発明に係る高温はんだ中に含まれるＣｕは、各組成物間の結晶を馴染ませる効果を有する。結晶を馴染ませるとは、当該高温はんだ中の各金属の結晶同士の結合を強固にすることをいう。しかし過剰にＣｕが加えられた場合、生成したはんだ材料の溶融温度が大幅に上昇する。そこでＣｕは、高温はんだ材料全体に対して０．１〜１．５質量％含まれるように調製する。好ましくは、高温はんだ全体に対する割合が０．５質量％である。

本発明に係る高温はんだ中に含まれるＳｉは、当該高温はんだが溶融後、固化する際に析出するＳｂの結晶の肥大化を抑制する効果と、溶融時に各金属成分が凝集しないように馴染ませる効果を持つ。また、Ｓｉは当該高温はんだが溶融、固化した際に各金属成分の界面間に付着して、当該高温はんだが固化した時に高温はんだ中にボイドが発生するのを防ぎ、高温はんだ材料の組織を密にする働きを持つ。他にＳｉは、はんだ材料全体を難磁性として安定化させる性質を持つ。Ｓｉは過剰にはんだ材料中に加えられるとはんだの金属成分を減少させ、機械的強度を損なう。Ｓｉは、微量に組成物中に含まれているだけで上記の効果を充分に発揮できるため、例えば高温はんだ材料全体に対して０．００１質量％〜０．１質量％含まれていることが好ましく、０．００５質量％含まれていることがより好ましい。

本発明に係る高温はんだ中に含まれるＢは、当該はんだが溶融後、固化する際に析出するＳｂの結晶の肥大化を抑制する効果と、溶融時に各金属成分が凝集しないように馴染ませる効果を持つ。また、当該はんだが溶融後、固化した際に各金属成分の界面間に付着して、はんだ中にボイドが発生するのを防ぎ、はんだの組織を密にする働きをもつ。Ｂは、Ｓｉ同様に過剰にはんだ中に加えられるとはんだの金属成分を減少させ、はんだの機械的強度を損なう。Ｂは微量に組成物中に含まれているだけで上記の効果を充分に発揮できるため、例えばはんだ材料全体に対して０．００１質量％〜０．０５質量％含まれていることが好ましく、０．００２質量％含まれていることがより好ましい。なおＳｉとＢのはんだ材料が高温はんだを構成する成分として同時に加えられることで当該高温はんだが溶融後、固化する際にＳｉの結晶が析出するのをＢが抑制してよりボイドの発生が抑えられ、安定した金属合金となる。

本発明に係る高温はんだ材料には上記Ｓｉに代えてＮｉが含有されていてもよい。その場合Ｎｉは高温はんだ材料全体に対して０．００１質量％〜０．１質量％含まれていることが好ましく、０．００５質量％含まれていることがより好ましい。Ｓｉに代えてＮｉが用いられる理由は、ＮｉもＳｉと同様な性質を持つからである。即ち当該高温はんだが溶融後、固化する際に析出するＳｂの結晶の肥大化を抑制する性質と、溶融時に各金属成分が凝集しないように馴染ませる性質を持つ。また、Ｎｉは当該高温はんだが溶融、固化した際に各金属成分の界面間に付着して、当該高温はんだが固化した時に高温はんだ中にボイドが発生するのを防ぎ、高温はんだ材料の組織を密にする働きを持つ。他にはんだ材料全体を難磁性として安定化させる性質を持つ。なおこのＳｉに代えてＮｉを用いる場合にはＢに代えてＧｅが高温はんだ中に含まれることが必要である。

上記の場合Ｇｅは高温はんだ材料全体に対して０．００１質量％〜０．１質量％含まれていることが好ましく、０．００５質量％含まれていることがより好ましい。Ｂに代えてＧｅが用いられる理由は、Ｂと同様に当該高温はんだが溶融後、固化する際にＮｉの結晶が析出するのをＧｅが抑制して、よりボイドの発生が抑えられ安定した金属合金となるからである。

本発明に係る高温はんだ材料の残部は、Ｓｎ及び当該はんだ材料を製造する過程で混入する不可避不純物により構成される。不可避的不純物としては、Ｐｂ、Ｂｉ等の金属または非金属が挙げられる。不可避不純物のはんだ材料全体に対する割合は、０．１％以下程度であれば許容される。

Ｓｎ−１４Ｓｂ−１．０−Ａｇ０．５Ｃｕ高温はんだ（はんだ材料全体に対して夫々Ｓｂが１４質量％、Ａｇが１．０質量％、Ｃｕが０．５質量％含まれており、残部がＳｎからなるはんだ材料）を用意して、この高温はんだに対してＳｉ及びＢを加える。Ｓｉは前記高温はんだ全体に対して０．００５質量％、Ｂは前記高温はんだ材料全体に対して０．００２質量％、夫々含有されるように加えることで本発明に係る高温はんだ材料を調製した。この調製した高温はんだ材料を電気炉中で一度完全に溶融させて各成分を混合した。溶融、固化した後の高温はんだ材料を砕きＪＩＳ４号に従った試験片１〜３を作成した。これら試験片１〜３を実施例１とする。

また、Ｓｉ及びＢが含まれていないＳｎ−１４Ｓｂ−１．０Ａｇ−０．５Ｃｕ高温はんだから同様にしてＪＩＳ４号に従い試験片４〜６を作成した。これら試験片４〜６を比較例１とする。夫々の試験片を用いて引張試験を行い引張強度を測定した。引張試験は温度２４℃、引張速度３０ｍｍ／ｍｉｎ（３０％／ｍｉｎ）の条件下で行った。その結果を以下の表１に示す。

上記の表１から明らかなように実施例１で用いた各試験片１〜３が示した引張強度は、わずかな差異はあるものの略同一の値を示した。同様に比較例１で用いた各試験片４〜６が示した引張強度は、わずかな差異はあるものの略同一の値を示した。実施例１における引張強度の平均値は、比較例１における引張強度の平均値と比較して略１.４倍の値を示している。即ち試験片１〜３は、試験片４〜６と比べて高い接合安定性を持つといえる。これは試験片１〜３に係る高温はんだに添加されているＳｉ及びＢによる作用であると考えられ、このＳｉ及びＢにより溶融固化後のはんだ材料中のボイドの発生が抑制されていることが実証された。

また上記試験片１〜３の溶融温度は２３８〜２８８℃であった。つまり前記試験片は２３８℃で溶融を始め、完全に溶融する温度は２８８℃であった。従って本発明に係る高温はんだ材料は電子部品を組み立てる場合などに用いられる高温はんだとして必要な溶融温度を持つと言える。

Claims

高温はんだ材料全体に対して、夫々Ｓｂが１２〜１６質量％、Ａｇが０．０１〜２質量％、Ｃｕが０．１〜１．５質量％含まれ、さらにＳiが０．００１〜０．１質量％含まれかつ、Ｂが０．００１〜０．０５質量％含まれ、残部がＳｎ及び不可避不純物であることを特徴とする高温はんだ。
液状フラックスと、請求項１に記載の高温はんだ材料とを混合してなることを特徴とするペースト状のクリームはんだ。