JP6619387B2 - 鉛フリーはんだ合金 - Google Patents
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そのためこのようなはんだ合金を用いて形成されるはんだ接合部は、落下衝撃といったような高速で加えられる応力のみならず、基板の作成時や最終製品の組み立て時にかかる歪み、ねじれ及びたわみのような低速で加えられる応力にも弱く、当該はんだ接合部に亀裂が生じ易いという問題があった。
Biの含有量は、好ましくは40質量%以上50質量%以下であり、より好ましくは42質量%以上48質量%以下である。
また本実施形態の鉛フリーはんだ合金にCuを添加する場合、Agの含有量を0質量%超2質量%以下とすることができる。Cuを添加することにより、Agの含有量を0質量%超2質量%以下としてもこれを用いて形成されるはんだ接合部においてCu6Sn5等の金属化合物が形成され、Ag3Sn等の金属間化合物の粗大化を抑制しつつ、良好な機械的特性を発揮することができる。
Agの含有量は、Cuを添加しない場合にあっては好ましくは0.4質量%以上1質量%未満であり、より好ましくは0.7質量%以上1質量%未満である。またCuを添加する場合にあってはAgの好ましい含有量は0.4質量%以上2質量%以下であり、より好ましくは0.7質量%以上2質量%以下である。
Cuの含有量は、好ましくは0.1質量%以上0.4質量%以下であり、より好ましくは0.1質量%以上0.2質量%以下である。
また本実施形態の鉛フリーはんだ合金は、25℃、変位速度0.072mm/秒での引張試験において降伏点における引張応力σ2が40MPA以上60MPA以下であり、破断点におけるひずみε2が60%以上80%以下であることが好ましい。
このように、本実施形態の鉛フリーはんだ合金は、低速で応力を加えた場合の引張応力σ及びひずみεを一定以上とすることができるため、これを用いて形成されるはんだ接合部は、特に低速での応力を繰り返し与えられた場合の破断発生を抑制することができる。
なお、本実施形態において引張試験に使用した試験片は図1に示すものであり、使用した卓上形精密万能試験機はオートグラフAG−50kNX plus((株)島津製作所製)を使用した。また上述した条件以外の試験条件については、JIS規格Z2241に規定される条件に準拠した。また図1に記載の数値の単位はmmである。
前記ベース樹脂(A)としては、例えばロジン系樹脂(A−1)及び合成樹脂(A−2)の少なくとも一方を用いることが好ましい。
次に前記ダイマー酸誘導体柔軟性アルコール化合物としては、例えばダイマージオール、ポリエステルポリオール、ポリエステルダイマージオールのようなダイマー酸から誘導される化合物であって、その末端にアルコール基を有するもの等が挙げられ、例えばPRIPOL2033、PRIPLAST3197、PRIPLAST1838(以上、クローダジャパン(株)製)等を用いることができる。
前記ロジン誘導体化合物は、前記カルボキシル基を有するロジン系樹脂と前記ダイマー酸誘導体柔軟性アルコール化合物とを脱水縮合することにより得られる。この脱水縮合の方法としては一般的に用いられる方法を使用することができる。また、前記カルボキシル基を有するロジン系樹脂と前記ダイマー酸誘導体柔軟性アルコール化合物とを脱水縮合する際の好ましい重量比率は、それぞれ25:75から75:25である。
前記活性剤(B)としては、例えばカルボン酸類、ハロゲンを含む化合物等が挙げられる。これらは1種単独でまたは複数種を混合して用いてもよい。
前記モノカルボン酸としては、例えばプロピオン酸、酪酸、吉草酸、カプロン酸、エナント酸、カプリン酸、ラウリル酸、ミリスチン酸、ペンタデシル酸、パルミチン酸、マルガリン酸、ステアリン酸、ツベルクロステアリン酸、アラキジン酸、ベヘン酸、リグノセリン酸、グリコール酸等が挙げられる。
ジカルボン酸としては、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸、アゼライン酸、セバシン酸、フマル酸、マレイン酸、酒石酸、ジグリコール酸、1,4−シクロヘキサンジカルボン酸等が挙げられる。
また前記その他の有機酸としては、ダイマー酸、レブリン酸、乳酸、アクリル酸、安息香酸、サリチル酸、アニス酸、クエン酸、ピコリン酸、アントラニル酸等が挙げられる。
なおこれらは1種単独でまたは複数種を混合して用いてもよい。
前記非解離型活性剤としては、ハロゲン原子が共有結合により結合した非塩系の有機化合物が挙げられ、例えば塩素化物、臭素化物、ヨウ素化物、フッ化物のように塩素、臭素、ヨウ素、フッ素の各単独元素の共有結合による化合物でもよく、またこの2以上の異なるハロゲン原子を共有結合で結合する化合物でもよい。当該化合物は水性溶媒に対する溶解性を向上させるために、例えばハロゲン化アルコールのように水酸基等の極性基を有することが好ましい。当該ハロゲン化アルコールとしては、例えば2,3−ジブロモプロパノール、2,3−ジブロモブタンジオール、2,3−ジブロモ−2−ブテン−1,4−ジオール、1,4−ジブロモ−2−ブタノール、トリブロモネオペンチルアルコール等の臭素化アルコール;2−ブロモヘキサン酸等の臭化有機酸;1,3−ジクロロ−2−プロパノール、1,4−ジクロロ−2−ブタノール等の塩素化アルコール;3−フルオロカテコール等のフッ素化アルコール;その他のこれらに類する化合物が挙げられる。これらは1種単独でまたは複数種を混合して用いてもよい。
前記チキソ剤(C)としては、例えば水素添加ヒマシ油、脂肪酸アマイド類、飽和脂肪酸ビスアミド類、オキシ脂肪酸、ジベンジリデンソルビトール類が挙げられる。これらは1種単独でまたは複数種を混合して用いてもよい。
前記チキソ剤(C)の配合量は、フラックス全量に対して2質量%以上15質量%以下であることが好ましく、2質量%以上10質量%以下であることがより好ましい。
前記溶剤(D)としては、例えばイソプロピルアルコール、エタノール、アセトン、トルエン、キシレン、酢酸エチル、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ、ヘキシルジグリコール、(2−エチルヘキシル)ジグリコール、フェニルグリコール、ブチルカルビトール、オクタンジオール、αテルピネオール、βテルピネオール、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、トリメリット酸トリス(2−エチルヘキシル)、セバシン酸ビスイソプロピル等が挙げられる。これらは1種単独でまたは複数種を混合して用いてもよい。
前記溶剤(D)の配合量は、フラックス全量に対して20質量%以上50質量%以下であることが好ましく、25質量%以上40質量%以下であることがより好ましい。
前記酸化防止剤の配合量は特に限定されないが、一般的にはフラックス全量に対して0.5質量%以上5質量%程度以下であることが好ましい。
前記添加剤の配合量は、フラックス全量に対して0.5質量%以上20質量%以下であることが好ましく、1質量%以上15質量%以下であることがより好ましい。
前記合金粉末とフラックスとの配合比率は、合金粉末:フラックスの比率で65:35から95:5であることが好ましい。より好ましいその配合比率は85:15から93:7であり、特に好ましい配合比率は87:13から92:8である。
表1に記載の各成分を混練し、フラックスを得た。なお、特に記載のない限り、表1に配合量の単位は質量%である。
実施例1から実施例3及び比較例2から比較例4については、前記フラックス9.6質量%と表2に記載の各鉛フリーはんだ合金を球状粉末化したもの(粉末粒径20μmから38μm)90.4質量%とを混合し、それぞれに係るソルダペーストを作製した。
また比較例1については、前記フラックス12質量%と表2に記載の鉛フリーはんだ合金を球状粉末化したもの(粉末粒径20μmから38μm)88質量%とを混合し、比較例1に係るソルダペーストを作製した。
なお、表2に記載の比較例5及び比較例6に係る鉛フリーはんだ合金は、合金の製造過程においてCuの針状結晶が発生したため、球状粉末化することができなかった。
表2に記載の実施例1から実施例3及び比較例1から比較例4に係る各鉛フリーはんだ合金について、その固相線温度・液相線温度を測定した。なお測定条件等はJIS規格Z3198−1に記載の条件に準拠した。その結果を表3に表す。
FR−4基板の上面にNiめっきを施したCu板を接着し、且つその下面にBGAボール(Sn−3Ag−0.5Cuはんだ合金)を用いて形成されたバンプを有するチップ(電極パッド部:直径0.5mm、チップサイズ:15mm×15mm)と、これらのチップのバンプに対応する電極を備えこれらを搭載できるFR−4基板(Cu−OSP処理済。電極パッド部:直径0.4mm その他サイズ等はJEDEC規格JESD22−B113に準拠)とを用意した。
上記電極と同パターンを有する厚さ150μmのメタルマスクを用い、実施例1から実施例3及び比較例1から比較例4に係る各ソルダペーストを上記FR−4基板上にそれぞれ印刷した。次いで、各チップをそれぞれのFR−4基板上に縦横それぞれ3つずつ(1枚のFR−4基板上に9個)となるように搭載した。
その後、リフロー炉(製品名:TNP−538EM、(株)タムラ製作所製)を用いて前記各FR−4基板を加熱し、それぞれに当該FR−4基板と前記各チップとを電気的に接合するはんだ接合部を形成し、前記各チップを実装した各試験基板を作製した。この際のリフロー条件は、100℃から110℃の間で120秒間プリヒートを行い、その後、140℃以上で60秒間、ピーク温度170℃で加熱した。なお酸素濃度は2000±500ppmに設定した。
次いで上記チップを搭載し、はんだ接合部を形成した各FR−4基板(図2の試験基板20に対応。以下、試験基板20という。)を、図2に示すような態様にて試験装置100(卓上形精密万能試験機、製品名:オートグラフAG−X、(株)島津製作所製)にチップ21側が下面となるように設置した。なお各試験基板20は試験装置100の支持具12にて両端を支持され、地面と平行になるように設置される。そして試験装置100は、ロードセル10の下部に取り付けられた治具11を繰り返し各試験基板20に押し付け、各試験基板20を繰り返し折り曲げるように設定されている。また各試験基板20の両端の電極は抵抗計の両端子に接続されるよう設置されている。
繰り返し折り曲げ試験は、試験速度を25N/cmとし、それ以外はJEDEC規格JESD22−B113の条件に準拠し、各試験基板20を1,000回折り曲げるように設定して行った。なお、実施例1から実施例3及び比較例1から比較例4に係る各試験基板20は、それぞれ3枚ずつ作成し、それぞれについて上記試験を及びその結果について評価を行った。具体的には、各試験基板20上に形成された一部のはんだ接合部が破断した時点での折り曲げ回数を測定した。その結果を表3に表す。
上記繰り返し折り曲げ試験(2)と同様の条件で各チップをそれぞれのFR−4基板上に縦に3つ、横に5つずつ(1枚のFR−4基板上に15個)搭載し、実施例1から実施例3及び比較例1から比較例4について各試験基板を作製した。
落下衝撃試験は、落下衝撃試験装置(型式:SD−10、L.A.B.Equipment,ltd製)を使用した。試験条件はJEDEC規格JESD22−B104Cに準拠し、サービスコンディション:Fにて試験を行った。各試験基板の80%が故障するまで行い、1μsecの瞬断を検出して故障判定した。なお、実施例1から実施例3及び比較例1から比較例4に係る各試験基板20は、それぞれ2枚ずつ作成し、それぞれについて上記試験を及びその結果について評価を行った。具体的には、各試験基板20について故障判定された時点での落下回数を測定した。その結果を表3に表す。
実施例3、比較例1及び比較例4に係る鉛フリーはんだ合金について、図1に示す試験片を作製し、卓上形精密万能試験機(製品名:オートグラフAG−50kNX plus、(株)島津製作所製)を用いて、25℃、変位速度0.5mm/秒の条件と、25℃、変位速度0.072mm/秒の条件とでそれぞれの降伏点における引張応力σと破断点におけるひずみεとを測定した。その結果を図3及び図4に表す。なお上述した条件以外の試験条件については、JIS規格Z2241に規定される条件に準拠した。また図1に記載の数値の単位はmmである。
る。
また特に実施例3に係る鉛フリーはんだ合金は、引張強度及び延性も優れることが分かる。
このように、本発明に係る鉛フリーはんだ合金は、引張強度及び延性に優れるとともに、特に低速での応力を繰り返し与えられた場合にも破断が生じ難く、また一定以下の固相線温度・液相線温度を有していることが分かる。
Claims (4)
- Biを46質量%以上50質量%以下と、Agを0.7質量%以上1質量%未満含み、残部がSnからなることを特徴とする鉛フリーはんだ合金。
- Biを42質量%以上46質量%以下と、Agを0.7質量%以上2質量%以下と、Cuを0.1質量%以上0.4質量%以下含み、残部がSnからなることを特徴とする鉛フリーはんだ合金。
- 25℃、変位速度0.5mm/秒での引張試験において降伏点における引張応力σ1が60MPA以上70MPA以下であり、破断点におけるひずみε1が40%以上60%以下であることを特徴とする請求項1または請求項2のいずれか1項に記載の鉛フリーはんだ合金。
- 25℃、変位速度0.072mm/秒での引張試験において降伏点における引張応力σ2が40MPA以上60MPA以下であり、破断点におけるひずみε2が60%以上80%以下であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の鉛フリーはんだ合金。
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