JP5058766B2 - 鉛フリー接合用材料を用いてはんだ付けしてなる電子機器 - Google Patents

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Description

本発明は、鉛フリー接合用材料を用いてはんだ付けしてなる電子機器に関するものである。
近年、電子機器装置の小型化に伴い、内部で半導体や電子素子により形成される電子回路基板は一層の高密度実装が求められているため、はんだ付けされる配線ピッチを微細化するなどの改良が進められている。一方、環境の問題からＲｏＨＳ指令を始めとしたＰｂフリー化への対応が求められており、リフロー用はんだとしては、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系共晶系合金が実用化されている。他方、高温はんだについては、Ａｕ−２０Ｓｎ（融点：２８０℃）が知られているが、Ｐｂ−Ｓｎ系はんだに対してコストや機械的特性の点で劣っているため殆ど使用されておらず、他の成分系についても実用化には至っていないため、ＥＵが電子機器などに含まれるＰｂなどの特定有害物質を規制するＲｏＨＳ指令においてもＰｂ高温はんだについては除外項目となっている。
また、近年のパワーＩＣの開発実用化は急速なものがあり、電力容量の増大は着実に進展し、高耐圧化と大電流化に適した多様な技術開発が進められている。このパワーＩＣに比べて格段に大きい電圧や電流、電力環境の下で使用され、過渡的にはパワーＩＣの定格を超える電流や電圧が到来することが少なくない。そこで、出力が増大するにつれ発熱の問題が顕著になっている。これに対し、ハイパワー出力時でも接続確保できる信頼性のために従来の非鉛はんだ（融点はＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕで２１９℃付近）より融点を高める要求があるが、実用的な高温Ｐｂフリーはんだが無いと同時に、はんだ付け時に高い温度が必要となり素子寿命を劣化させる問題がある。
電子機器に有効な高密度化するためのはんだ接合する技術としては、例えば特開２００５−２５１８８９号公報（特許文献１）や特開２００１−２６７７１５号公報（特許文献２）に開示されているように、部品実装の高密度化を図る場合、配線ピッチを微細にし、複数毎の回路基板を積み重ねて構成することにより実現する技術が提案されている。
特開２００５−２５１８８９号公報 特開２００１−２６７７１５号公報
しかしながら、上述した特許文献１や２の発明によると、部品実装の高密度化を図る場合、配線ピッチを微細にし、複数毎の回路基板を積み重ねて構成することは記載されているが、しかし、その配線ピッチを微細にし、複数毎の回路基板を積み重ねて構成するためのはんだ付けする手段、特に極めて近接した箇所を連続的にはんだ付けを行う場合に、はんだ付け部分に何らの温度影響を与えることなく、連続的にはんだ付けを可能とする回路等に最適なはんだ付けをする手段については何ら解決されていない。
上述のような問題を解決するために、発明者らは鋭意開発を進めた結果、Ｐｂを使用せずに２種類の元素Ａ及びＢからなる合金で、元素Ａが元素Ｂより融点が高く、元素Ｂからなる常温安定相と元素Ａ及びＢからなる常温安定相ＡｍＢｎ（ｍ，ｎは合金系による固有の数値）を有する合金において急冷凝固プロセスにて元素Ａを元素Ｂからなる常温安定相中に過飽和固溶させることによって作製した接合材料を用い、基板上に設置する距離が近接した位置や３層以上の基板をからなる素子をはんだ付けして積層してなる回路を過飽和固溶体が分解して常温安定相ＡｍＢｎが析出する温度に保持して溶解接合させることによってリフロー時の接合強度を維持することができる電子機器のためのはんだ付けをを見出した。
なお、「ｍ，ｎは合金系による固有の数値」とは、状態図で融点や融点近傍から常温まで元素Ａと元素Ｂが一定の比率のままの状態を維持するような配合比を構成する数値であり、一例としてＳｎ−Ｃｕ系はんだ合金での常温安定相Ｃｕ6 Ｓｎ5 金属間化合物の場合であれば、元素ＡがＣｕ、元素ＢがＳｎであり、ｍが６、ｎが５である。この「合金系による固有の数値」のｍとｎの値自体は、状態図を見ることでどのような組み合わせがあるのかが分かる。
本発明の一例であるＳｎ−Ｃｕ系はんだ合金を基にして手段の詳細及び目的を説明する。Ｓｎ−Ｃｕ系合金を急冷してＣｕを強制固溶させたＳｎ相を主成分とした合金を作製する。このＳｎ固溶相は２３０℃付近で溶解してはんだ付けされた後の凝固時に安定相であるＳｎ−Ｃｕ相とＳｎ相とに２相分離し、リフローはんだ付け時には高融点のＳｎ−Ｃｕ相が強度を保つ役目をする等、はんだ付け部の強度にばらつきがなく、しかも強度とはんだ付け特性とのバランスに優れた高温鉛フリーはんだ合金による電子機器を提供することにある。
その発明の要旨とするところは、
（１）はんだ合金が鉛フリーの接合用材料であって、元素Ａと元素Ｂからなり、かつ常温平衡状態で安定相であるＡｍＢｎと、元素Ｂからなる組成であって、急冷凝固により元素Ａを元素Ｂからなる常温安定相中に過飽和固溶させることを特徴とする合金で、はんだ付けによる溶解・凝固過程を経た後に平衡状態であるＡｍＢｎと、元素Ｂからなる組成に戻り、再度加熱するときにははんだ付け温度であっても安定相のＡｍＢｎにより強度を確保できる合金を用いてはんだ付けすることを特徴とする鉛フリー接合用材料を用いてはんだ付けしてなる電子機器。
但し、元素ＡはＣｕ，Ｍｎ，Ｎｉのいずれか１種、元素ＢはＳｎ，Ｉｎのいずれか１種。
（２）前記（１）に記載の安定相ＡｍＢｎの融点が元素Ｂの融点より高く、かつその差が１５０℃以上であることを特徴とする鉛フリー接合用材料を用いてはんだ付けしてなる電子機器。
（３）前記（１）または（２）に記載の電子機器が基板上に複数の素子をはんだ付けした回路、ないし３層以上の基板をはんだ付けして積層した回路であることを特徴とする鉛フリー接合用材料を用いてはんだ付けしてなる電子機器にある。
以上述べたように、本発明による合金を基板上に複数の素子をはんだ付け、ないし３層以上の基板に適用することにより、第２層、第３層以上の極めて近接した箇所を連続的にはんだ付けを行っても、はんだ付けする前のはんだ付け部分に何らの温度影響を与えることなく、連続的にはんだ付けを可能とするもので、特に、近接した箇所を連続的にはんだ付けを行う必要のある電子機器である回路に最適なはんだ付けを適用可能とするものである。
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明に係る元素ＡはＣｕ，Ｍｎ，Ｎｉを掲げる。また、元素ＢはＳｎ，Ｉｎを掲げる。したがって、例えば、Ｃｕ−Ｓｎ系合金、Ｍｎ−Ｓｎ系合金、Ｎｉ−Ｉｎ系合金、Ｍｎ−Ｉｎ系合金を掲げることができる。
そこで、本発明に係る一例であるＳｎ−Ｃｕ系はんだ合金を用いてはんだ付けする回路について詳細に説明する。発明者らは平衡状態図的には存在し得ないＳｎ固溶体が急冷プロセスによって製造できることに着目して鋭意検討を重ねた結果、アトマイズ法やメルトスパン法などの急冷プロセスによって合金を作製することにより、本来Ｃｕ6 Ｓｎ5 金属間化合物を生成するはずのＣｕがＳｎ中に強制固溶され、結果的にＳｎ固溶体としてＳｎと同様の相を構成し、急冷された合金中では高融点相であるＣｕ6 Ｓｎ5 金属間化合物の量は合金中のＳｎとＣｕの比率から計算される理論量よりも大幅に少なくなる。また、逆に、はんだ付けに寄与するＳｎ相はＳｎ固溶体相として存在するため理論量より大幅に増える。
そこで、はんだ用材料としては、上記急冷プロセスによって製造された合金は大半がＳｎ固溶体相であり、この状態で提供し、はんだ付けし普通に冷却すれば、急冷プロセスではない方法を用いた合金である固体状態になる。これが本発明の基本的な考え方である。これにより低温（約２５０℃）ではんだ付けができ、その上、そのはんだは高温（約４００℃以上）でもＣｕ6 Ｓｎ5 相によって固体を保持することができる。
上述のように、これら合金を用いてはんだ付けすると、はんだ付け時には多量に存在するＳｎ固溶体相が２３０℃付近で溶融して通常のＰｂはんだを用いた場合と同様に良好なはんだ付けが可能である。そして、はんだ付けされた後の冷却は急冷でないため、溶融後や冷却時には合金中のＳｎとＣｕの比率から計算される理論量通りの高融点相（Ｃｕ6 Ｓｎ5 金属間化合物）が形成される。
このＣｕ6 Ｓｎ5 金属間化合物の融点は４１５℃であり、２５０℃以下であるリフロー温度では溶融しないため、リフローはんだ付け時には当初のはんだ付け部は充分な強度が保たれる。また、この化合物相は急冷されたほぼ均一な組織が完全に溶融した後、平衡状態図に従って凝固した極めて微細均一な組織となり、従来発明のように液相と固相との拡散に頼った組織ではないために化合物生成速度も速く、しかも残留Ｃｕのないため強度のばらつきもない。
さらに、Ｓｎ−Ｃｕ系合金中のＣｕ含有量は１４〜４５％が最適である。その理由は、はんだ付けに寄与するＳｎ固溶体量とはんだ付け後の強度維持に寄与するＣｕ6 Ｓｎ5 金属間化合物量とのバランスで決定される。発明者らはＣｕ含有量の範囲について詳細に検討した結果、Ｃｕ量が４５原子％を超えると急冷法であっても、Ｃｕ6 Ｓｎ5 金属間化合物生成量が大幅に多くなり、はんだ付けに寄与するＳｎ固溶体量が減少し、良好なはんだ付けが困難となるため、その上限を４５原子％とした。また、Ｃｕ量が１４原子％未満では、はんだ付け後の強度維持に寄与するＣｕ6 Ｓｎ5 金属間化合物量が十分に確保できない。以上より、Ｃｕ量の範囲を１４〜４５原子％とした。好ましくは２５〜４５原子％とする。
この特性は元素ＢをＳｎのままで、元素ＡをＭｎとした場合も同様である。Ｓｎ−Ｍｎ系はんだ合金では高融点の金属間化合物としてＭｎＳｎ2 を生成するが、Ｍｎの範囲を１５〜３５原子％とした合金成分にて、急冷プロセスによりＭｎをＳｎ中に過飽和固溶させることにより、良好なはんだ付け性を確保すると共に、はんだ付け後の強度維持に寄与するＭｎＳｎ2 相の析出バランスが良好になり、同様の温度に再加熱した際に接合強度を保つことができる。
同様の知見をＳｎの融点である２３２℃より融点が低いＩｎを元素Ｂとし、各元素において本発明を適用させることができる元素Ａとの組合わせによって、前述したとおり通常のはんだ付け温度より高い温度でのろう付けや通常のはんだ付け温度より低い温度で接合した後、同様の温度に再加熱した際に接合強度を保ちたい用途にも対応できる接合材料を得ることが可能になる。
例えば融点が１５６℃であるＩｎを元素Ｂとした場合は元素Ａとして、Ｎｉ，Ｍｎなどがある。なお、接合材の融点が接合の容易性を左右するため、これを考慮すると元素Ｂの融点は８１０℃以下とすることが好ましい。
同様、Ｉｎ−Ｎｉ系合金ではＩｎ27Ｎｉ10金属間化合物を利用するためにＮｉ含有量を５〜２９原子％とすることが望ましく、Ｉｎ−Ｍｎ系合金ではＩｎＭｎ3金属間化合物を利用するためにＭｎ含有量を８〜５０原子％とすることが望ましい。
本発明の一例であるＳｎ−Ｃｕ系はんだ合金を基にして最良の形態について詳細に説明する。Ｓｎ−Ｃｕ系においては、Ｓｎ−（１４〜４５％）Ｃｕ合金をアトマイズ法やメルトスパン法および水中紡糸法などの急冷法によって作製する。本発明の組成範囲のＳｎ−（１４〜４５％）Ｃｕ合金中では、急冷しなければＳｎ相とＣｕ6 Ｓｎ5 金属間化合物が平衡状態図に従った割合で存在する。しかし、急冷することによって相当のＣｕがＳｎ相に強制固溶されたＳｎ固溶体は、本来のＳｎ相とほぼ同等の２３０℃近傍で溶融し、良好なはんだ付けに寄与する。
また、溶解した後凝固した後再度溶解するときの高融点相と低融点相の温度差が１５０℃以上とする。その理由は、接合材をはんだ小手等で接合する場合、小手先温度は接合材融点より１００℃近く加熱されているため、１５０℃未満では、はんだ付けする対象の距離が近接している場合には、加熱中の伝導熱で近接の既に溶接している部位に熱影響を与え、最悪、接合が外れる場合がある。
図１は、本発明に係る急冷を利用したＳｎ−Ｃｕ合金の加熱時の挙動を示す図である。図１（ａ）は急冷凝固状態を示し、図１（ｂ）は溶融状態（２３０℃以上）、図１（ｃ）は再凝固状態を示す。Ｓｎ−２５Ｃｕの急冷利用した場合には、図１（ａ）に示すように、Ｓｎ中にＣｕが過飽和に固溶し、可溶部分（Ｓｎ）が増加しはんだとして溶融する。そしてはんだとして溶融すると図１（ｂ）に示すように、Ｓｎ（Ｃｕ過飽和）相が溶融し、ＳｎとＣｕ6 Ｓｎ5 に変態し、その状態から再凝固して、図１（ｃ）に示すような高温相の増加、可溶部分（Ｓｎ）の減少し、安定な平行状態となり、その割合はＣｕ6 Ｓｎ5 ：６２％、Ｃｕ3 Ｓｎ：１５％と可溶部分（Ｓｎ）の減少する。
図２は、本発明に係るＳｎ−Ｃｕ合金を用いて基板上に複数の素子をはんだ付けする回路を示す図である。この図に示すように、基板１上に設置する素子４の距離が近過ぎると接合するために素子４から伸びた導線等の配線６と基板１とを加熱し、そこへはんだ合金を乗せようとする場合、加熱中の伝導熱で近隣のはんだ付けしている素子のはんだ付けしたものが溶け出し、素子が不安定となったり、ひどい場合は溶接が外れてしまうという問題があるが、本発明である急冷凝固を利用したＳｎ−Ｃｕ合金を用いた場合には、同一成分のはんだ合金であってもはんだ付けの融点・凝固後には高融点の安定相が存在するため、後から接合しようとする素子を接合するために素子や基板やはんだ合金を加熱しても、近隣の素子を固定している高融点の安定相は再溶解することがなく、安定した連続的にはんだ付けすることが可能となる。
図３は、本発明に係るＳｎ−Ｃｕ合金を用いて３層以上の基板素子をはんだ付けする模式図である。図３（ａ）は通常のはんだ材を用いた場合であり、図３（ｂ）はＳｎ−Ｃｕ急冷材を用いた場合であって、この図（ａ）に示すように、回路を積層する際に、例えば３層の基板を積層しようとすると、２層目、１層目のはんだ付け時に３層目の基板３上のはんだが溶融しないために、まず３層目の基板３に２３０℃＋α＋αの融点を持つはんだ合金５を用いる必要がある。さらに２層目と３層目の基板２と基板３をはんだ付けを行う場合には、２３０℃＋αの融点をもつはんだを用い、１層目と２層目の基板１と基板２の接合において、通常のはんだ合金を用いることが出来る。このように、各層で異なるはんだ溶解温度が必要であるとともに、基板の多層度合いが高まるほどはんだ溶解温度が上昇するため、各層の位置のずれや厚さのむらを引き起こすと共に、最下層の基板上の素子４が熱劣化する
これに対し、図３（ｂ）に示すように、本発明に係るＳｎ−Ｃｕ急冷材を用いることにより、例え同一成分のはんだ合金であっても凝固後に高融点の安定相が存在するため強度を確保でき、２層目と３層目の各基板を接合するために各基板やはんだ合金５の加熱温度は、１層目と２層目となんら変わることがなく、また次の積層するために基板３がはんだ温度に加熱されても、はんだ合金５が再溶解することがないので、図３（ａ）のような２３０℃に積層分の温度差分αを生じることがなく、安定して連続的にはんだ付けすることが可能となる。
以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
表１は、図３に示す３層基板のはんだ付け時のはんだ状況及び熱発生による素子の熱劣化状況を示す。表中、はんだ付け性及び熱劣化の評価については、以下のようにした。
２層目と３層目の基板２と基板３をＳｎ系のはんだを用いた場合には、３相分の差分（一例として３０℃）を加えた２６０℃の加熱とはんだ付けを行い、２層目と１層目の基板２と基板１を差分１５℃を加えた２４５℃の加熱とはんだ付け、最後に１層目の基板１上の素子を２３０℃ではんだ付けする必要であるが、本評価では差分なしに２６０℃の加熱だけで全ての基板と素子はんだ付けを行い、最も熱影響が大きい２層目と３層目の基板３と基板２の位置のずれや厚さのむらを引き起こし状況で評価した。
融点の低いＩｎ合金については、２００℃の加熱温度を用いた。その時のはんだ付け状況を確認し、○：ボイド発生なくはんだ付けが良好、△：はんだ付けできたがボイド発生、×：はんだ付け出来ない、の三点ではんだ付け性を評価した。熱劣化の評価基準としてはんだ後の基板上の素子変化を確認し、◎：全く変化なし、△：ずれがやや発生、×：ずれや厚さのむら発生、−：加熱温度で溶融せずはんだ付け不可のため評価できない。の４点で評価した。
Figure 0005058766
 表１に示すように、Ｎｏ．１〜１１は本発明例であり、Ｎｏ．１２〜２２が比較例である。
比較例Ｎｏ．１２〜２２は成分が本発明範囲外である。比較例Ｎｏ．１２、１４、１６、１８は急冷凝固にて元素Ａを元素Ｂに過飽和固溶できるが、固溶量そのものが少ないため、溶解した後凝固した後再度溶解するときの高用融点相が少なく、再度のはんだ付け温度での強度を確保できない。比較例Ｎｏ．１３、１５、１７、１９は元素Ａの量が多すぎるため急冷凝固プロセスを用いても元素Ｂに過飽和固溶する量より残存する量が多くなり、合金組成の融点自体がはんだ付け温度を外れているため、良好なはんだ付けが不可能となる。
以上のように、比較例では、いずれも多層基板にはんだ付けした時に既に接合した部分に熱影響を及ぼしたり、はんだ付けそのものの接合不良を起こした。これに対し、本発明例Ｎｏ．１〜１１はいずれも本発明の条件を満たしていることから、多層基板にはんだ付けした時に既に接合した部分に何らの影響もなく連続的に安定した接合が可能となっていることが分かる。
本発明に係る急冷を利用したＳｎ−Ｃｕ合金の加熱時の挙動を示す図である。 本発明に係るＳｎ−Ｃｕ合金を用いて基板上に複数の素子をはんだ付けする回路を示す図である。 本発明に係るＳｎ−Ｃｕ合金を用いて３層以上の基板素子をはんだ付けする模式図である。
符号の説明
１、２、３ 基板
４ 素子
５ はんだ合金
６ 配線


特許出願人 山陽特殊製鋼株式会社 代理人 弁理士 椎 名 彊

Claims (3)

  1. はんだ合金が鉛フリーの接合用材料であって、元素Ａと元素Ｂからなり、かつ常温平衡状態で安定相であるＡｍＢｎと、元素Ｂからなる組成であって、急冷凝固により元素Ａを元素Ｂからなる常温安定相中に過飽和固溶させることを特徴とする合金で、はんだ付けによる溶解・凝固過程を経た後に平衡状態であるＡｍＢｎと、元素Ｂからなる組成に戻り、再度加熱するときにははんだ付け温度であっても安定相のＡｍＢｎにより強度を確保できる合金を用いてはんだ付けすることを特徴とする鉛フリー接合用材料を用いてはんだ付けしてなる電子機器。
    但し、元素ＡはＣｕ，Ｍｎ，Ｎｉのいずれか１種、元素ＢはＳｎ，Ｉｎのいずれか１種。
  2. 請求項１に記載の安定相ＡｍＢｎの融点が元素Ｂの融点より高く、かつその差が１５０℃以上であることを特徴とする鉛フリー接合用材料を用いてはんだ付けしてなる電子機器。
  3. 請求項１または２に記載の電子機器が基板上に複数の素子をはんだ付けした回路、ないし３層以上の基板をはんだ付けして積層した回路であることを特徴とする鉛フリー接合用材料を用いてはんだ付けしてなる電子機器。
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