WO2005102594A1

WO2005102594A1 - はんだ及びそれを使用した実装品

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Publication number: WO2005102594A1
Application number: PCT/JP2005/007611
Authority: WO
Inventors: Takuo Funaya; Osamu Myohga; Koji Matsui
Original assignee: Nec Corporation
Priority date: 2004-04-21
Filing date: 2005-04-21
Publication date: 2005-11-03
Also published as: KR100756134B1; US7829199B2; US20080026240A1; JP4770733B2; CN101612694A; CN100540206C; KR20070005682A; CN1946510A; JPWO2005102594A1

Abstract

Ｓｎ－Ｚｎ系合金はんだは、Ｚｎ：７乃至１０質量％、Ａｇ：０．０７５乃至１質量％、Ａｌ：０．０７乃至０．５質量％を含有し、更にＢｉ：０．０１乃至６質量％及びＣｕ：０．００７乃至０．１質量％の１種又は２種を含有し、必要に応じて、Ｍｇ：０．００７乃至０．１質量％を含有し、残部がＳｎ及び不可避的不純物からなる組成を有する。このはんだは、従来のＳｎ－３７重量％Ｐｂ共晶系はんだと同等の作業性、使用条件、及び接続信頼性を備え、かつ人体に対して有害な鉛を含まない。

Description

明細書

はんだ及びそれを使用した実装品

技術分野

[0001] 本発明は、はんだ、及びそれを用いた実装品に関するものである。

背景技術

[0002] 従来、回路基板上に電子部品を表面実装する際、 Sn— 37質量％Pb共晶はんだを金属粒子としてフラックスと混練したクリームはんだを使用して、た。 Sn- 37質量 %Pb共晶はんだは共晶温度力 183°Cである。通常は、基板寸法が大型である場合と、熱容量の大きな部品が基板に搭載されている場合に、基板上最低温度を Sn— 3 7質量％Pb共晶はんだの共晶温度以上とするため、リフロー炉内での最高温度が 2 20°C力ら 240°Cとなるように、温度プロファイルが組まれて、た。

[0003] 特許第 3027441号のような従来の Sn—Ag共晶をベースとしたはんだ合金材料では、溶融温度が 220°C以上であり通常の Sn— 37質量％Pb共晶はんだの融点 183 °Cよりも約 40°C高いが、 Sn— 37質量％Pb共晶はんだの代替材料として、プリント基板と電子部品との接合に利用されて、る。

[0004] 特許第 1664488号（特開昭 59— 189096号）では、 Sn— Zn系はんだに対して、 Biを添加することにより、強度の上昇を図っている。特開平 9— 94687号では、 Sn— Zn系はんだに対して、 Ag : 0. 1〜3. 5質量％を加えることにより、接続強度の向上を図っている。また、特開 2001— 347394号では、 Sn— Zn系はんだに Al, In, Ni, C u, Ag等を添加することにより、強度 (硬度）の上昇及び濡れ性の向上と、融点降下とを図っている。特開 2002— 195433号では、 Sn— Zn系はんだに Ag及び Biを添カロすることにより、強度 (硬度)上昇及び濡れ性の向上と、融点降下とを図っている。更に、特許第 3357045号でも、 Sn— Zn系はんだに A1を添加することにより、濡れ性の向上を図っている。

[0005] 特許文献 1：特許第 3027441号公報

特許文献 2：特許第 1664488号公報

特許文献 3：特開平 9 - 94687号公報特許文献 4：特開 2001 347394号公報

特許文献 5 :特開 2002— 195433号公報

特許文献 6：特許第 3357045号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0006] し力しながら、上述の従来技術には、以下に示す問題点がある。

[0007] 第 1の問題点は、従来の Sn— 37質量％Pb共晶はんだに含まれる鉛が人体に対して有害であると、うことである。

[0008] その理由は、 Sn— 37質量％Pb共晶はんだを利用して生産された製品の産業廃棄物が酸性雨などにより、地中に鉛が溶出し、地下水を通して人体に取り込まれることが問題になる力である。

[0009] 第 2の問題点は、特許第 3027441号にあるような従来の Sn—Ag共晶をベースとしたはんだ合金材料では、溶融温度が 220°C以上であり、 Sn— 37質量％Pb共晶はんだの溶融温度 183°Cに対して約 40°C高いということである。

[0010] その理由は、従来の一般的な Sn— 37質量％Pb共晶はんだ用リフロー炉を使用して電子部品の回路基板への表面実装を行う場合、実装面全体での炉内最小温度を Sn— Ag共晶系の溶融温度 220°C以上とするならば、基板表面積が大きい場合、又は熱容量の大きな部品が搭載されている場合、炉内最大温度が 250°Cを超えてしまう。この温度は現状の CPU等の多数の電子部品の耐熱保証温度を超えてしまい、実装後製品の信頼性が無いものとなる。

[0011] この問題を補うためには、新規に従来のリフロー炉よりも炉内最大温度と最小温度差の小さな均一加熱を可能とするリフロー炉を購入せねばならず、設備コストがかかつてしまう。また、部品耐熱性を向上させる必要があるが、 Siによる半導体デバイスなどは半導体特性を損なう虞があり、部品耐熱性向上にも限界がある。

[0012] 第 3の問題点は、特許第 1664488号にあるような Sn—Zn—Bi系の無鉛半田を用 V、た場合、実装後の電子部品を 40°Cと 125°Cのそれぞれの温度へ交互に 10分から 30分程度放置する熱サイクル試験及び高温高湿度雰囲気にて、初期と同じ接続強度を維持することが難し、と、うことである。 [0013] その理由は、回路基板の銅電極上に Sn— Zn— Bi系はんだを用いて電子部品と溶融接続した場合、— 40°Cと 125°Cの温度へ交互に 10分から 30分程度放置する熱サイクル試験にて、 3乃至 20質量％のビスマスをカ卩えた場合に、強度劣化を示す。更には、 Sn— Zn系はんだに対して Biのみを添カ卩した場合、高温高湿度雰囲気にて亜鉛が酸化された場合、脆い Biと共に、はんだ材自体が非常にもろくなり、はんだ接続部分の強度が劣化する。

[0014] 第 4の題^ Uま、特開平 9— 94687号、特開 2001— 347394号等にあるように Sn — Zn系 ίまんに Al, In, Ni, Cu, Ag等を特開平 9— 94687号、特開 2001— 3473 94号に記載の組成で添加することでは、初期的に充分な強度が得られても、 85°C、 85%の恒温恒湿度試験などで強度劣化があり、信頼性を得るに不十分な合金組成であり、また、溶融温度が高ぐ作業面で不利であるということである。また、特許第 3 357045号も同様に、 Sn— Zn系はんだに A1又は Biを添加するだけでは、 85°C、 85 %の高温高湿度試験で接続信頼性を得ることができないことである。

[0015] その理由は、特開平 9— 94687号記載の合金組成にあるように、 Sn— Zn系はんだに対して銀を加えただけでは、はんだ母材が充分な強度を得ることはできず、特開 2 001— 347394号、第 3357045号【こあるよう【こ Sn— Zn系 ίまん【こノレミニクムや B iをカ卩えただけでも、 85°C、 85%の高温高湿度試験などで強度劣化が起き、さらに特開 2001— 347394号のように、 Cu: 0. 1乃至 1質量⁰ /₀をカ卩えた場合は Sn— Cuはんだの共晶温度へ融点が近づき、八₈ : 1乃至5質量％を加ぇた場合には、 Sn— Agはんだの共晶温度近辺へ融点が上昇し、従来の Sn— Pb共晶はんだでの実装に使用してきた電子部品の耐熱保障温度を超えてしまう。更に、 Sn— Zn系はんだ、即ち Sn —Zn共晶組織を母相としないはんだとなり、溶融温度範囲が広がるため、組織の粗大化と共に、濃度偏祈が起こり易ぐ高温高湿度の環境下にて腐食され易い組織となる。

[0016] 第 5の問題点は、特願 2002— 195433号に記載されているように、 Sn— Zn— Bi 系はんだに特願 2002— 195433号に記載の組成で Agをカ卩えるだけでは、 85°C、 8 5%の恒温恒湿度試験での信頼性を得るためには不十分であり、更に Agの添加量は、信頼性を得るための添加量として適切ではな、と、うことである。 [0017] その理由は、 0. 075質量％以下の Agをカ卩えようとする場合には、合金組織が粗大化しやすぐ高温保持にて強度劣化を招き、更には、高湿度雰囲気中にて強度劣化を招き易いからである。また、 Sn— Zn— Bi系はんだに Agを添加するだけでは、はんだ内部に形成される Znリッチ相の酸ィ匕による強度劣化を防ぐに不十分であるからである。

[0018] 第 6の問題点は、特開平 9 94687号にあるように、 Sn— Zn系はんだに対して、 A gO. 1〜3. 5質量％を加える場合、 1質量％以上の銀を添加する場合、融点の急激な上昇を招くということである。

[0019] その理由は、 Sn—Agの共晶温度が約 220°C以上であり、 Agによる相が析出するためである。そのため通常の Sn— 37質量％Pbの温度プロファイルでの実装が不可能となり、 Sn— 37質量％Pbと比較して約 40°C融点が高いことにより、電子部品の耐熱保障温度を超えて、実装製品の信頼性を損ねるためである。

課題を解決するための手段

[0020] 本発明の目的は、従来の Sn— 37質量％Pb共晶系はんだと同等の作業性、使用条件、及び接続信頼性を備え、かつ人体に対して有害な鉛を含まないはんだを提供することにある。

[0021] また、本発明の他の目的は、本発明のはんだを使用することにより、接続信頼性が高い電子部品の実装品を提供することを目的とする。

[0022] 本願第 1発明に係るはんだは、 Zn: 7乃至 10質量％、 Ag : 0. 075乃至 1質量％、 A 1: 0. 07乃至 0. 5質量％を含有し、更に Bi: 0. 01乃至 6質量％及び Cu: 0. 007乃至 0. 1質量％の 1種又は 2種を含有し、残部が Sn及び不可避的不純物力なる組成を有することを特徴とする。

[0023] 本願第 2発明に係るはんだは、 Zn: 7乃至 10質量％、 Ag : 0. 075乃至 1質量％、 A 1: 0. 07乃至 0. 5質量％、 Cu: 0. 007乃至 0. 1質量％、 Mg : 0. 007乃至 0. 1質量 %を含有し、残部が Sn及び不可避的不純物力なる組成を有することを特徴とする

[0024] 本願第 3発明に係るはんだは、 Zn: 7乃至 10質量％、 Ag : 0. 075乃至 1質量％、 A 1: 0. 07乃至 0. 5質量％、Bi: 0. 01乃至 6質量％、 Mg : 0. 007乃至 0. 1質量％を含有し、残部が Sn及び不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とする。

[0025] 本願第 4発明に係るはんだは、 Zn: 7乃至 10質量％、 Ag : 0. 075乃至 1質量％、 A

1: 0. 07乃至 0. 5質量％、 Bi: 0. 01乃至 6質量％、 Cu: 0. 007乃至 0. 1質量％、 M g : 0. 007乃至 0. 1質量％を含有し、残部が Sn及び不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とする。

[0026] また、本発明に係る実装品は、電子部品と、前記電子部品が前述のいずれかの糸且成を有するはんだによりはんだ付けされた回路基板とを有することを特徴とする。発明の効果

[0027] 上記したように、本発明によるはんだ合金材料は、低融点と強度特性の優れて、る錫を用い、人体に対して有害である鉛を使用しな、。

[0028] 即ち、 Sn— 37質量％Pb共晶はんだの共晶温度の 183°Cに最も近いはんだ共晶合金組成で、例えば、共晶温度 199°Cである Sn—8. 8質量％Znを母相とした無鉛半田材料を使用しているため、地中に鉛が溶出し、地下水を通して人体に取り込まれる可能性が無い。より具体的には、本発明の無鉛半田のペーストを使用して実装生産された製品が廃棄されたとしても、 Sn— 37質量％Pb共晶の場合のように酸性雨により地中へ溶出した鉛ほどの有害性が無い。

[0029] 本発明による無鉛はんだでは、例えば、 Sn-8. 8質量％Zn共晶組織を母相とし、 0. 01質量％以上 6質量％以下の Bi及び Z又は 0. 007質量％以上 0. 1質量％以下の Cuと、必要に応じて 0. 007質量％以上 0. 1質量％以下の Mgを添加することで、クリームはんだ内の金属成分全体の液相線温度を下げるため、 Sn— 37質量％Pb 共晶との融点差が 10°C乃至 20°C程度となり、リフロー実装時に新規に実装面全面での均一加熱可能なリフロー炉を導入する必要なぐ従来の Sn— 37質量％Pb共晶はんだを使用する場合と同じリフロー炉を使用できるので、新規設備導入のための費用がかからない。

[0030] また、従来の Sn— 37質量％Pb共晶はんだを使用していた場合と同等の電子部品それぞれの耐熱保証温度域で実装することができるため、機能面で信頼性のある実装製品を作製することが可能となる。

[0031] 本発明による無鉛クリームはんだ内部の金属成分母相の一例である Sn—8. 8質量％211共晶は共晶温度 199°Cと二元系合金の共晶温度の中では、上記したように、 Sn— 37質量％Pb共晶はんだの共晶温度の 183°Cに最も近い。従って他の共晶合金系をベースとしたはんだに比べて、電子部品の実装に用いる場合に Sn— 37質量％?1)共晶はんだの使用温度条件に最も近い条件で使用することができる。 Sn— Ag共晶系をベースとしたはんだ合金材料では、溶融温度が 220°C以上であり、 Sn — 37質量％Pb共晶はんだの溶融温度 183°Cに対して約 40°C高いため、従来の一般的な Sn— 37質量％Pb共晶はんだ用リフロー炉を使用して電子部品の回路基板への表面実装を行う場合、実装面全体での炉内最小温度を Sn— Ag共晶系の溶融温度 220°C以上とするならば、 A4サイズより基板表面積が大きい場合、また、熱容量の違う電子部品が混在する場合、炉内最大温度が 250°Cを超えてしまう事例が多々めつに。

[0032] この温度は現状までの CPUなどの多数の電子部品の耐熱保証温度域を超えてしまい、実装体製品の信頼性が無いものとなる。本発明における一具体例による Sn— 8. 8質量％Zn共晶をベースとした無鉛クリームはんだは、 Sn— 37質量％Pb共晶クリームはんだを使用した実装で用いてきた従来のリフロー炉を使用可能で、炉内での最大温度を搭載部品耐熱温度以下に抑えることが可能で、製品機能面での信頼性を損なうことがない。

[0033] 更に、本発明においては、 Sn—Znの共晶糸且織を利用して、融点を Sn—37質量％ Pb共晶はんだに近づけるため、複数組成の合金のバルタを作成し、 DSC (示差走査熱量計）により融点を測定した結果から、 Sn—Znの共晶組織を母材として、 A1: 0. 0 7乃至 0. 5質量％を含み、これに Bi: 0. 01質量％以上 6質量％以下及び Cu: 0. 00 7質量％乃至 0. 1質量％の少なくとも 1種類以上の元素を含み、 Cu又は Biを含む場合には好ましくは Mg : 0. 007乃至 0. 1質量％を含み、残部を Sn及び不可避的不純物としたはんだ合金材料を開発した。そして、本発明においては、更に、上述の組成のはんだの特性を改良するために、 Agを添加させたはんだ合金を開発し、このはんだ合金について、以下に示すような効果が得られることを確認した。

[0034] 即ち、本発明の組成のはんだ合金を使用することにより、液相線の温度を Sn—37 質量％Pb合金の共晶温度に近づけることができる。そのため、新規に実装面全面での均一加熱可能なリフロー炉を導入する必要なぐ従来の Sn— 37質量％Pb共晶はんだを使用した場合と同じリフロー炉を使用できる。このため、新規設備導入のための費用がかからない。また、電子部品の耐熱保証温度域で実装することができるため、機能面で信頼性のある実装が可能となる。

図面の簡単な説明

[0035] [図 1]図 1は、 Agの含有量とビッカース硬度との関係を示すグラフ図である。

[図 2]図 2は、 Agの含有量と液相線温度との関係を示すグラフ図である。

[図 3]図 3は、 Zn—5質量％A1の共晶組織の SEM写真を示す。

[図 4]図 4は、本発明における A1の効果を示すビッカース硬度測定結果を示すグラフ図である。

[図 5]図 5は、 Zn— 5質量％A1— 1質量％Mgの共晶組織における SEM写真を示す

[図 6]図 6は、 Mgの含有量とビッカース硬度との関係を示すグラフ図である。

[図 7]図 7は、 Mgの含有量とチップ抵抗の剪断強度との関係を示すグラフ図である。

[図 8]図 8 (a)及び図 8 (b)は、チップ抵抗の剪断強度測定方法の一例を示す模式図である。

[図 9]図 9は、 Zn—5質量％A1— 1質量％Cuの組成を有するはんだの SEM観察写真を示す。

[図 10]図 10は、 Cu含有量とビッカース硬度との関係を示すグラフ図である。

[図 11]図 11は、 Cu含有量と液相線温度との関係を示すグラフ図である。

[図 12]図 12は、 Zn— 5質量％A1— 1質量％Mg— 1質量％Cuの組成を有するはんだの SEM観察写真を示す。

[図 13]図 13は、 Cu含有量とビッカース硬度との関係を示すグラフ図である。

[図 14]図 14は、 Biの含有量と剪断強度との関係を示すグラフ図である。

[図 15]図 15は、 QFPリード線の引張強度を示す。

符号の説明

[0036] 81 せん断強度測定用治具 83 チップ抵抗

84 回路基板電極

85 回路基板

発明を実施するための最良の形態

[0037] 以下、本発明に係るはんだの成分添加理由及び組成限定理由について添付の図面を参照して説明する。本発明に係るはんだは、基本的には、 Snを母材とする Sn ( 錫）—Zn (亜鉛)系合金であり、更に、 Ag (銀)及び A1 (アルミニウム）を含有し、更に Bi (ビスマス）及び Cu (銅）の少なくとも 1つを含有する。更に、 Mg (マグネシウム）を含有することができる。

[0038] 以下、各成分の添加理由及びその組成限定理由について説明する。

[0039] ∑!1: 7乃至10皙量％

本発明に係るはんだが含まれる Sn— Zn系はんだ合金は、融点が Sn— Zn共晶に最も近い共晶合金系という利点を持つ力 85°C、 85%の高温高湿度環境下では、 Z nが酸化された場合、その酸ィ匕亜鉛を基点としてクラックが発生し、強度低下を招くという問題点がある。本発明は、この Sn— Zn共晶はんだにおける Sn— Zn共晶内部の Snリッチ相及び Znリッチ相が酸ィ匕されることによって強度劣化が生じるという従来の問題点を改善するために、 Sn— Zn系はんだ合金に Agを添加することにより、 Sn— Z n共晶内部の Snリッチ相及び Znリッチ相を Agによって固溶強化する。これにより、強度劣化の問題点を解消することができる。

[0040] つまり、本発明によるはんだ材料は、合金組織の母相は Sn— 7乃至 10質量％Zn 共晶組織となる。この母相となる共晶組織は、上述の如ぐ二元系合金の共晶温度の中では、 Sn— 37質量％Pb共晶合金の共晶温度の 183°Cに最も近いため、他の共晶合金系をベースとしたはんだに比べて、電子部品の実装に使用した場合に、 Sn— 37質量％Pb共晶合金力もなるはんだの使用温度条件に最も近い条件で使用することがでさる。

[0041] 即ち、本発明による無鉛はんだ材料は、 Sn—Zn共晶組織を母相とする二元系共晶合金であるが、一般的に二元系共晶合金は、共晶組成ではない組成の合金と比較して、緻密な組織により強度が高ぐ凝固収縮が少なぐ溶融時の流動性が良好で、元素偏祈が少ない。このため、本発明の亜鉛含有量は、 JIS Z 2241に記載の引張試験、 JIS Z 2271、 JIS Z 2272に記載のクリープ試験、 JIS Z 2244に記載のビッカース硬さ試験等から、共晶組成の場合と同等の強度が得られる範囲として、 Zn含有量を 7乃至 10質量％とした。

[0042] また、 Sn— Zn共晶組織は、 Znを含むことにより、 85°C、 85%等の高温高湿度雰囲気にて、はんだ内部に脆い酸ィ匕亜鉛を形成するため、強度が劣化し易い。本発明によるはんだは Sn— Zn共晶組織を母相とし、従来の Sn— Zn共晶を使用したはんだにとつて課題であった高温高湿雰囲気中において、はんだ中に存在し、酸化されて脆くなり易い Znリッチ相を改質することにより、 Znリッチ相が酸ィ匕されてもはんだ強度力 HS下しにくヽ材料とするように、 A1: 0. 07乃至 0. 5質量⁰ /_o、Mg : 0. 007乃至 0. 1 質量％、Cu: 0. 007乃至 0. 1質量％を添加する。

[0043] Ag : 0. 075乃至 1皙量％

上述の如ぐ Sn— Zn共晶合金内部の Snリッチ相及び Znリッチ相を Agによって固溶強化することにより、はんだの強度の劣化を防止する。即ち、本発明におけるはんだでは、上述したように、 Agを添加することで、亜鉛結晶粒の微細化を行ない、更には Agを Snリッチ相及び Znリッチ相へ固溶させることによる固溶強化で、はんだ強度を上昇させることができる。本発明のはんだにおける Agの含有量は 0. 075乃至 1質量％であり、後述する実験結果より明らかなように、この量の Agの添加により、 Agを添加しない場合よりも、引張伸び、引張強度、及び硬度の各特性が向上する。よって、上述の作用効果を得るために、 Agの含有量は、 0. 075乃至 1質量％とする。

[0044] 一方、本発明において、 Agを 0. 1質量％以上含有させた場合には、 Sn— Zn共晶組織に対し、 Biを添加することで融点を下げた効果が失われるが、 Mg及び A1を添加することで、更に融点を下げることができる。一方、 1質量％を超える Agを添加すると、 Agの組織中固溶による合金の靭性強化の効果は失われ、 Agリッチな相が析出し、融点が急激に上昇し、固相と液相が共存する温度範囲が広くなるため濃度偏析を起こし易ぐ高温環境下での析出相の粗大化及び高湿度環境中でのはんだ内腐食が起こり易ぐ接合部分の信頼性が失われる。

[0045] A1: 0. 07 至 0. 5晳量％し力しながら、 Sn— Zn共晶合金に Agを添加するだけでは、熱サイクル試験での接続信頼性は良好であっても、 85°C85%高温高湿度環境下での信頼性を保っために必要な強度を維持するには不十分である。従って、本発明では、 Agに加えて、更に酸ィ匕しやすい Znリッチ相の強度上昇を図るために、 A1を 0. 07乃至 0. 5質量％添加する。 A1は、 Sn母相には殆ど固溶せず、 Znリッチ相内部又はその近傍に微細な A1リッチ相を析出し、強度を上昇させる。このように、本発明においては、 A1を添加することによって、 A1は、 Snには殆ど固溶しないため、 Znリッチ相内部又はその近傍に微細な A1リッチ相を析出させ、強度を上昇させることが可能となる。

[0046] Bi: Q. 01乃至 6晳量％

本発明のはんだは、 Biの含有量が 0. 01乃至 6質量％であり、 Biを添カ卩しない Sn Zn系合金はんだの場合と比較して、 Biの所定量の添加により、銅板に対する濡れ性及び初期接合強度が向上し、融点が降下するという効果がある。 Biの下限含有量は低融点化に対し効果のある最小含有量の 0. 01質量％とする。 Biが 0. 01質量％未満の場合は、強度に対しても変化が認められない。また、 Biが 6質量％を超える場合には、—40°Cと 125°Cの温度へ交互に 10分から 30分程度放置する熱サイクル試験を行った場合、その接合強度が従来の Sn— 37質量％Pb合金はんだ以下となり、接続信頼性が問題となる。そのため、接合信頼性、濡れ性及び融点に関する有利性を考慮して、 Biの含有量は 0. 01乃至 6質量％とする。更には、 0. 01乃至 6質量％の Biを添加することで、 Znリッチ相以外のはんだ母材強度を上昇させることが可能で、高い接続信頼性を得ることができる。

[0047] Mg : 0. 007乃至 0. 1質量。 /₀

Mgの添カ卩によって、 Znリッチ相中に硬質な Zn— Mg金属間化合物相を析出し、強度を上昇させる。従って、本発明においては、 Biに加えて Mgを 0. 007乃至 0. 1質量％添加することにより、 85°C85%高温高湿度環境下での信頼性を保っために必要な強度を維持することができる。

[0048] Cu: 0. 007乃至 0. 1質量⁰ /₀

Biの代わりに Cuを 0. 007乃至 0. 1質量⁰ /₀を添カ卩することによつても、上述の Bi添カロと同様の効果を得ることができる。 Mgの添カ卩によって、 Znリッチ相中に硬質な Zn — Mg金属間化合物相を析出し、強度を上昇させることができるが、硬質な Zn—Mg 金属間化合物相が析出すると、脆ィ匕しやすくなるため、 Mgを添加する場合には、 Cu も同時に添加することが望ましい。この Cuは Zn— Mg金属間化合物相を微細分散化させる作用を有するため、 Sn— Zn系はんだの脆ィ匕を防止し、強度が強ぐ靭性が高いはんだを得ることができる。

[0049] 上述の如ぐ本発明に係るはんだでは、 A1の微量添カ卩によりはんだ内部の Znリッチ相内部又は近傍の強度を上昇させ、 Mgと Cuを添加することで、更に Znリッチ相の強度とはんだの低融点化を行う。これらの元素の添カ卩により、本発明に係るはんだは、優れた機械的強度及び物理的 ·化学的特性を有すると共に他の共晶合金又は共晶近傍の合金をベースとしたはんだに比べて、電子部品の実装に用いる場合には、 Sn— 37質量％Pbと近い融点にて実装できるため、従来の電子部品の耐熱保障温度以下での実装が可能で、更には高温高湿度雰囲気及び高温と低温の温度環境変化に対しても、高、接合信頼性を得ることができる。

[0050] 本発明によるはんだ材料は、電子部品同士、又は電子部品と回路基板の接続に好適に用いられるが、それらに限定されない。形状も表面実装のための半田合金を粉末化し、粒径 20 mから 40 mの間になるよう分級した後、弱活性フラックス中にフラックスが 12質量％となるよう混練りしたクリームはんだに限らず、挿入実装のためのインゴット、鏝付けのための糸半田として好適に使用でき、それらに限定されない。なお、本発明に係るはんだは、 Sn, Zn, Al, Ag, Bi, Cu, Mgの各原材料中に混入されている不純物と、製造工程中に溶融炉等から混入される微量の不純物が含まれることを排除するものではな、ことは、うまでもな!/、。

[0051] また、本発明によるクリームはんだでは、従来と同じ温度プロファイルでのリフロー条件にて電子部品を回路基板に実装可能で、実装製品は熱サイクル試験、高温高湿試験で従来の錫鉛共晶はんだと同等以上の信頼性を得ることができる。このため、新規の高温用のリフロー設備導入のための費用を必要とせず、従来耐熱保障温度を持つ電子部品を実装可能で、製品の設計を変更させる必要が無ぐ従来以上の信頼性を持つ製品を作成することができる。

[0052] クリームはんだとする際の分級も通常、粒径 20 μ mから 40 μ mの間が好適に使用される力狭ピッチな電極配線やクリームはんだを印刷する面積が小さい場合には、さらに細かい粉末を使用することができる。クリームはんだのフラックス含有量も保存安定性や、印刷性等により、 9質量％から 13質量％程度まで使用条件により変化させることができるがフラックス含有量はそれらに限定されない。また、接続に用いる回路基板はプリント基板、セラミクス基板、ガラス基板、 Si基板などが好適に用いられ、それらに限定されない。回路基板電極の表面処理も、 Cu、 Au、 Sn、 Sn— Pb合金、 Sn— Ag— Cu合金、 Sn— Zn合金、フラックスなどが好適に用いられるがそれらに限定されない。

[0053] 接続される電子部品もチップ抵抗、チップコンデンサー、 LSIベアチップ、 SOP (S mall Out -line Package)、 QFP (Quad Flat Package) , BGA (Ball Grid Array)、 DIP (Dual In-line Package)、 PGA (Pin Grid Array)などが好適に用いられる力それらに限定されない。

実施例

[0054] 次に、本発明に係るはんだを構成する各元素の組成を規定する根拠となった実験結果について、説明する。

[0055] 図 1は、横軸に Agの含有量をとり、縦軸にビッカース硬さをとつて両者の関係を示すグラフ図である。この測定結果は、 Znを 8質量％、 A1を 0. 07質量％、 Biを 0. 05 質量％含有する Sn— Zn合金において、 Agの含有量を 0. 05質量％、 0. 075質量 %、 0. 15質量％、及び 1質量％と変化させた組成の複数の実施例はんだ合金材を用意し、このはんだ合金材を、 85°C、 85%の高温高湿状態にて 1000時間保持した後、ビッカース硬度を測定した結果を示す。

[0056] ビッカース試験は、 JIS Z2244に準拠し、試験荷重 15g、加圧時間 10秒で行った。図 1から、 Agの含有量力 0. 05質量％以下である場合は、高温保持後の硬度が低かった。これは、 Znリッチ相の結晶粒の粗大化が招いた強度劣化によるものであり、高温高湿に保持する以前のビッカース硬度より硬度が低下していた。 Agの含有量が 0. 075質量％を超える場合は、結晶粒が粗大化せずに、本発明による Znリッチ相内部又は近傍の強度も劣化しないため、初期のはんだと同等の強度を維持することができた。このため、 Agの含有量は 0. 075質量％以上であることが接続信頼性を保つために必要である。

[0057] また、図 2は、 Znを 8質量％、 A1を 0. 07質量％、 Biを 0. 05質量％含有する Sn— Zn合金において、 Agの含有量を 0質量％、 0. 1質量％、 0. 3質量％、 1質量％、 1. 5質量％、及び 4質量％へと変化させた複数種類の実施例はんだ合金材につヽて、 DSC測定から得られた液相線温度変化を示す。 DSC測定は、室温から 300°Cまで毎分 10°Cの昇温速度にて測定し、得られる吸熱ピークから、液相線及び固相線の温度を測定したものである。液相線の温度としては、 Agの添加量が 0. 1質量％までである場合、 Agを添加しない場合と比べて、 DSCの測定ピークはほぼ差が無い。 Ag の添加量が 0. 1質量％以上 1. 0質量％以下の場合は、 DSCによる吸熱ピークは、一つのピークの高温側の肩の部分に Agの添カ卩による別のピークが重なった形となる力液相線の温度はほぼ 210°Cと一定であった。

[0058] 一方、 1. 0質量⁰ /₀を超える Agを添カ卩した場合には、吸熱ピークが 2つのピークへと分離し、高温側のピークは、 Snと Agの共晶温度である約 220°Cに近づく。そのため、 Agの添加量が 1質量％以上の場合には、融点の急激な上昇を招き、従来の耐熱保障温度を持つ部品をリフローすることが困難となり、更に、粗大な Ag系析出物を持つ合金組織となり、濃度偏析及び腐食による信頼性悪ィ匕を招く要因ともなるため、 A gの含有量は 1質量％以下であることが必要である。

[0059] 以下に説明する図 3、 5、 8、 9, 12は、酸ィ匕されることにより強度が劣化し易い Znリツチ相を強化することを目的として、 Al、 Mg、 Cuの各元素を添加することによる効果を示すための図である。各元素添カ卩量が微量であり、 Al、 Mg、 Cu力 ηに対してほとんど固溶しないことが確認されていることから、 Sn— Zn系はんだ内における微細な針状の Znリッチ相の内部組織について分力り易く説明するため、 Al、 Mg、 Cuが Zn 組織に対して与える効果を、 Znに Al、 Mg、 Cuの各添加元素をカ卩えたインゴットを作成してその組織観察を行うことにより調べた。更に、ビッカース硬度の測定結果も図 4 、 6、 10、 13に示した。また、これらの結果力本発明での Sn— Zn共晶組織を母材としたはんだにぉ、ても同様の効果が得られることは、図 4で示したビッカース硬度測定及び SEM (走査型電子顕微鏡）による組織観察より確認された。

[0060] 図 3は、本発明での Znリッチ相に対する A1添カ卩による組織変化を観察するため、 Z nと Alを Zn— 5質量％A1の共晶組成で溶融させ凝固させた後、バルタ表面を研磨して、合金組織を SEM (走査型電子顕微鏡）により観察し撮影した写真である。図 3の写真力アルミニウムリッチ相は、図中黒いコントラストで表れ、図中白いコントラストは Znリッチ相に相当する力 Znに A1をカ卩えることで Znリッチ相が緻密な共晶組織をとることが分力つた。このような微細な組織が強度的に優れていることは、結晶粒が非常に微細で、応力が加わった際に、物質中の転位密度を一定とした場合、結晶粒界に集中する転移の数が、粗大な結晶粒の場合より少なぐ結晶粒界での破壊を防ぐことができるためである。

[0061] また、本発明において、 Sn—Zn共晶組織を母相とするはんだに対して、 A1を添カロする場合、 Snに対して A1は殆ど固溶せず、 Znに対して A1は微量固溶する力 Znの含有重量に対して A1の含有量が約 1. 0質量％以上、即ちはんだ中での最小 Zn含有量 7質量％の場合でも、 A1含有量が 0. 07質量％以上含まれていれば、 Zn中の固溶限界を超え、 Zn中から A1相が析出することを EDX(Energy dispersive X- ray spectroscope)、及びバルタを薄片化して TEM (透過型電子顕微鏡）による電子線回折と電子像カゝら確認したため、本発明での強化機構を持つ合金組織とすることができることが分力つた。

[0062] 上述の Zn含有量に対して A1の含有量が約 5質量％程度で、融点の最も低い共晶組成となるため、 Zn含有量に対して 5質量％以上の Al、即ち本発明に係るはんだ中の最大 Zn含有量 10質量％の場合、 A1を 0. 5質量％以上添加することは、溶融温度上昇と、酸化され易い A1の粗大相が形成されるため、強度特性にも悪い影響を与える。

[0063] 本発明に係るはんだに 0. 07質量％以上 0. 5質量％以下の A1を添カ卩した場合、これまでの Sn中に Znの相が粗大に存在していた場合と比べて、後述する図 4に示す JI S Z 2244によるビッカース硬度測定での Znリッチ相内部及び近傍が強化され、 Z nリッチ相は微細になるため、従来の Sn—Zn系はんだ中の Znリッチ相と比べて、転位が結晶粒界に集中しにくい緻密な組織であるため、高湿度雰囲気での保持中に Z nが腐食され、脆くなつた酸化亜鉛が形成されても、酸化亜鉛に対する応力集中が結晶粒微細化によって防げるため、強度劣化を防ぐことができる。よって本発明によるはんだを使用することで、高湿度雰囲気中でも製品の接続信頼性を確保することができる。

[0064] 一方、図 4は、本発明における A1の微量添カ卩による Znリッチ相への強度向上効果を明らかにするために行った硬度試験の結果を示す。この図 4は、 Sn— 8質量％Zn 0. 1質量％Ag合金、 Sn— 8質量％Zn— 0. 1質量％Ag— 0. 4質量％A1合金及び Zn— 5質量％A1合金の各インゴットに対し、ビッカース硬度を測定した結果を示すものである。ビッカース硬度の測定 ίお IS Z2244に準拠し、試験荷重 15g、加圧時間 10秒で行った。

[0065] 従来の Sn— Zn共晶はんだは、 Snリッチ相と Znリッチ相力もなり、二相共にピッカース硬度が 50以下と柔らかぐ 85°C、 85%などの高湿度雰囲気にて亜鉛が腐食された場合、 Znリッチ相が脆い酸ィ匕亜鉛となることから強度劣化を招き、接続信頼性が悪かった。

[0066] しかしながら、本発明の Sn— Zn系はんだは、 Sn— 8質量％Zn— 0. 1質量％Ag— 0. 4質量％A1合金のビッカース硬度の測定結果から、従来 Sn— Zn共晶合金に Ag を微量添加したはんだである Sn—8質量％Zn—0. 1質量％Ag合金よりも硬度があつた。また、硬度の値が大きいものは、実際の引張試験の結果からも本発明によるはんだは強度も上昇して、ることが分力つた。

[0067] これは、本発明によるはんだが Ag添カ卩によるはんだ母材強度の上昇と共に、 A1の元素添加により、はんだ中の Znリッチ相内部又は近傍に添加元素のアルミニウムによる新しい相を形成することによって、 Znリッチ相の組織を改質し、強度を上昇させているためである。このことは硬度測定結果の図中線で示した、測定値のばらつきからも分かり、 Sn— 8質量％Zn— 0. 1質量％Ag— 0. 4質量％A1の最大値は、はんだ内の Znリッチ相上を硬度計の圧子が測定したときの値であり、また Zn— 5質量％A1インゴットの硬度の値とほぼ一致していることからも確かめられた。

[0068] よって、本発明のはんだは高湿度雰囲気で、亜鉛相腐食に対しても従来の酸化亜鉛を形成しても、 Znリッチ相内部又は近傍に添加元素によるアルミニウムによる新しい相を形成することによって、強度を上昇しているため高強度を得ることができて、高い信頼性を得ることができる。 [0069] 更に、図 5は本発明のはんだにおける Znリッチ相に対して、 Alと Mgを添加することにより Znリッチ相へ与える効果を調べるため、 Znと A1と Mgを Zn— 5質量％A1— 1質量°/(^₈の組成で溶融させ凝固させた後、バルタ表面を研磨して、 SEMにより合金組織を観察し撮影した写真である。 Sn— Zn共晶組織を母相とするはんだに対して、 A1と Mgを添加する場合、 Snに対して A1と Mgは殆ど固溶せず、 Znに対して A1と Mg は微量固溶するため、 Alと Mgははんだ中の Znリッチ相組織へ影響を与える。

[0070] 図 5及び EDXによる元素分析から、 A1リッチ相は、図中黒いコントラストで表われ、図中白いコントラストは Znリッチ相に相当する力 Mgの含有量が多い場合、微細な Z n— A1共晶の合金組織の中に、硬質な Zn— Mg金属間化合物相が粗大に析出していることが分かり、図 6に示したように、 Mgを添加することで強度は増す力同時に図 5の粗大に析出した硬質な Zn— Mg金属間化合物により、結晶粒界への転位の集中による応力集中に対して脆、材質となることが分力つた。

[0071] はんだ接続後の熱応力が発生するはんだ接合箇所での信頼性を考えた場合、はんだ内の Znの含有量に対して、 Mgは 1質量％以下、即ち本はんだ中での Znが最大含有量 10質量％である場合、 Mgは 0. 1質量％以下で添加することが望ましいことを、チップ抵抗及び QFP等の電子部品とはんだ接続部分の熱サイクル試験でのクラック発生状況力も確認した。また、 Mgと同時に Cuを添加すると、図 12に示すように Znリッチ相中及び近傍の組織を微細化するため、硬質な Zn— Mg金属間化合物を微細分散化させ、高湿度雰囲気中にて脆い酸化亜鉛が形成されたとしても、結晶粒界への転位の集中を避けることができて、接続信頼性が更に増す。 Mgを添加する場合に、 Zn含有量に対して Mgが 0. 1質量％以下では、強度に対しての効果が見られな、ことをビッカース硬度測定力確認したため、本はんだ中での Znの最小含有量力^質量％であるので、 Mgは 0. 007質量％以下である場合には効果が無い。

[0072] 更に、図 6は、ビッカース硬度に対する Mgの影響を示すグラフ図であって、 Znが 8 質量％、 Agが 0. 075質量％、 A1が 0. 02質量％、 Biが 0. 05質量％からなる組成に対して、 Mgを 0質量％、 0. 1質量％、 1質量％、及び 1. 5質量％と変化させ、残部を Snとした複数種類の合金にっ、て、バルタのビッカース硬度を測定した結果を示すものである。 [0073] ビッカース硬度の測定は、 JIS Z2244に準拠し、試験荷重 15g、加圧時間 10秒で行った。本発明では、高湿度雰囲気での Znの酸ィ匕腐食によるはんだ接続部分の強度低下を防ぐため、 Znリッチ相の改質により、 Znリッチ相内部又は Znリッチ相近傍の強度を上昇させるために A1を添加した力更に Mgを添加することが硬度を上げるために有効となる。し力しながら、硬度が強く脆い材質となっていることが図 5から分力る。 DSCによる融点測定により、マグネシウムを添加することで本発明のはんだの融点を下げることができて、従来の設備による従来部品耐熱保障温度での実装が可能となる優位性がある。

[0074] また、図 7は、剪断強度に対する Mg含有量の影響を示すグラフ図である。剪断強度を測定したはんだの組成は、 Znが 8質量％、 Ag力 . 075質量％、 A1が 0. 02質量％、 Biが 0. 05質量％であり、 Mg含有量を 0質量％、 0. 05質量％、 0. 1質量％、 0. 2質量％と変化させ、残部を Snとしたものである。これらの合金組成の粉末を形成して、通常の弱活性によるフラックスを全体の重量に対して約 10%の含有量で混練したはんだペーストにより、 1. 6mm X 0. 8mmのチップ抵抗を実装した。その後、図 8に示す剪断強度測定用治具 81によりチップ抵抗の剪断強度を測定した。

[0075] 図 8はチップ抵抗の剪断強度の測定方法を示す模式図である。ペースト状のはんだ 82を、回路基板電極 84上にメタルマスクを用いて印刷し、チップ抵抗 83の電極を回路基板電極 84の所定の位置に搭載した後、リフロー炉内ではんだを溶融させることによりチップ抵抗 83を回路基板 85上に実装した。その後、図 8 (a)と (b)に記載の矢印に示すように、実装されたチップ抵抗 83の長手方向の中心部へ冶具 81を押し当て、治具 81からチップ抵抗 83に対して剪断方向へ荷重を印加することにより、接続部分を破断するために必要な強度、即ち、剪断強度を測定した。

[0076] 図 7より、 Mg含有量が 0. 1質量％を超える場合、図 5に示した硬質な Zn— Mg金属間化合物による脆性が顕著になり、はんだ合金の剪断強度が Mgを添加しない場合よりも強度が落ちるため、 Mgを添加する場合は、 Mgの含有量は 0. 1質量％以下とする。

[0077] 次に、図 9は、本発明の Znリッチ相に対する A1と Cuの微量添カ卩の効果を調べるため、 Zn— 5質量。/ oAl— 1質量。/ oCuの組成で溶融凝固後、バルタ表面を研磨して、 S EMにより合金組織を観察した結果を示す写真である。

[0078] Sn—Zn共晶組織を母相とするはんだに対して、 A1と Cuを添加する場合、 Snに対して A1と Cuは殆ど固溶せず、 Znに対して A1と Cuは微量固溶するため、 A1と Cuははんだ中の Znリッチ相組織へ影響を与える。図 9より、 Cuを添加した場合にも、 Znリツチ相と A1リッチ相による緻密な共晶組織が保たれており、且つ、後述する図 10のビッカース硬度測定結果による Zn— 5質量％A1と比較すると、 Cuを添加した方が硬度が高ぐし力しながら粗大な析出相が存在しないため、結晶粒界に対する応力集中を招くことがなぐ靭性の高い組織となっていることが分かる。更には、 Cuを添加することによる Znリッチ相の強化により、本発明のはんだ合金のバルタの引張強度が上昇していることを確認した。 Znの含有重量に対して 0. 1質量％以下の Cuの添加では、ビッカース硬度に影響が出な力つたため、はんだ中での Znが最小含有量 7質量％である場合、即ち Cuが 0. 007質量％以下である場合には、効果が表れない。更に、後述する図 11に示すように、融点が上昇しない程度の Cuの含有量を考慮に入れ、本はんだにおける Cuの含有量が 0. 007質量％以上、 0. 1質量％以下である場合、はんだ中の Znリッチ相力アルミニウムと共に銅の添カ卩により強化され、高湿度雰囲気中での強度劣化を防ぐことができることがわ力る。

[0079] また、図 10は、 A1を 5質量％、 Cuを 0質量％、 0. 1質量％、 1. 0質量％まで変化させ、残部が Znからなる合金組成のバルタのビッカース硬度を測定した結果を示す。ビッカース硬度測定 ίお IS Z 2244に準拠し、試験荷重 15g、加圧時間 10秒で行つた o

[0080] 図 10のビッカース硬度測定結果で、∑11—5質量％八1と211—5質量％八1ー 1質量 %Cuを比較した場合、銅を添カ卩した Zn—5質量⁰/ oAl— 1質量⁰ /oCuでのビッカース硬度が大きくなることが分力つた。 Zn、 Al、 Cuからなるインゴットのみならず、本発明による Sn—Zn共晶組織を母材とするはんだでも、 Cuの含有量を増やすと、 Znリッチ相内部及び近傍の強度も増し、引張強度が上昇することが確認できた。なお、 Cuの含有量が Znの含有重量に対して 0. 1質量％以下の Cuの添加では、ビッカース硬度に影響が出なかったため、本はんだ中での Znが最小含有量 7質量％である場合、 C uは 0. 007質量％以下である場合には効果が表れな、。 [0081] 更に、図 11は、 Znが 8質量％、 Agが 0. 1質量％、 A1が 0. 02質量％であり、 Cuを 0〜0. 3質量％まで変化させ、残部を Snとした合金組成のノレクの液相線温度を測定した結果を記す。図 11の結果から、 Cuの含有量が 0. 01質量％以下である場合には、 Cuをカ卩えない場合と比較して液相線温度の変化が無ぐ 0. 01質量％以上の Cuを添加した場合には、 0. 1質量％まで徐々に融点が上昇し、 0. 1質量％以上の Cuを添加した場合には、 200°C以上へ急激に液相線が上昇する。融点が上昇することは、従来の温度プロファイルでのリフローが困難となり、リフロー温度プロファイルを上昇させる必要が出てくる。そのため、従来部品の耐熱保障温度よりも高い温度プ口ファイルが必要となる可能性が出てくるため、 Cuの含有量は 0. 1質量％以下であることが実装製品の信頼性を考えた場合、有効である。

[0082] 一方、図 12は、本発明の Znリッチ相に対する A1と Mgと Cuの微量添カ卩の効果を調ベるため、∑11—5質量％八1 1質量°/(^₈—1質量％01の組成で溶融凝固後、バルク表面を研磨して、 SEMにより合金組織を観察した結果を示す写真である。 Sn- Zn共晶組織を母相とするはんだに対して、 A1と Mgと Cuとを添加する場合、 Snに対して A1と Mgと Cuとは殆ど固溶せず、 Znに対して A1と Mgと Cuとは微量固溶するため、 A1と Mgと Cuとは、はんだ中の Znリッチ相組織へ影響を与える。

[0083] 図 5に示した Zn— 5質量％A1— 1質量％Mgの場合には、融点低下のために Zn— 5質量％A1に対して、 Mgを添加することで、硬質な Mg— Zn金属間化合物が形成され、尚且つ、粗大化していたため、応力集中に対して非常に脆い組織であった。しかしながら、図 12からわ力るように、 Cuの添カ卩により、硬質な Mg—Zn金属間化合物相を分散させることができる。このため、後述する図 13のビッカース硬度の測定結果からも明らかなように、 Zn— 5質量％A1— 1質量％Mgよりも硬度を下げることができて、尚且つ、 Zn—5質量％A1—1質量％Cuよりも強度が強い。合金組織が緻密であるため、図 5に示した Zn—5質量％A1— 1質量％Mgのような粗大な組織の結晶粒界への応力集中による破壊を防ぐことができて、強靭な組織とすることができた。この効果は、 Cuの含有量が Mgの含有量とほぼ同じ場合、 Znの含有量に対して 0. 1質量％以上 1質量％以下の場合に観察された。即ち、 Mgを本はんだに添加する場合、 Cu も添加することが応力の力かる接続箇所に対する信頼性上、有利となる。本はんだ中での Cuの含有量は Mgの含有量とほぼ等しぐ 0. 007質量％以上 0. 1質量％以下でカ卩えることが材料の強靭化で尚且つ融点を上昇させな、ために望まし!/、。

[0084] 図 13は、ビッカース硬度に対する Cu含有量の影響を示すグラフ図である。図 13は、 A1を 5質量％、 Mgを 1質量％、 Cuを 0質量％、 0. 1質量％、 1. 0質量％と変化させ、残部が Snからなる合金組成のバルタのビッカース硬度を測定した結果を示したものである。

[0085] 図 13のビッカース硬度の測定結果及び図 12の糸且織写真からも明らかなように、 Zn

5質量％八1 1質量％Mgよりも硬度を軟ィ匕することができて、靭性を高めことが可能となる。このことは、図 5の組織写真力分力るように Mg添カ卩により形成された硬質な Zn— Mg金属間化合物相を、 Cuの添カ卩によって図 12のように微細に分散させることができるためである。

[0086] そのため、応力が力かる場合の粗大な硬質相への転位の集中による脆性破壊を招くことがなぐ靭性の高い材料となることができる。尚且つ、この合金組織の強度は、 Z 11 5質量％八1にじ11を0〜1. 0質量％加えた場合より強いことが図 10のビッカース硬度測定結果からも分力つた。 Zn、 Al、 Mg、 Cuからなるインゴットのみならず、本発明による Sn— Zn共晶組織を母材とし、 A1及び Mgを含むはんだでも、 Cuの含有量を増やすと、引張強度及び伸びが上昇することが確認できた。このように、靭性を高めた本はんだにおける Znリッチ相は高温高湿の雰囲気においても初期と同等の強度を維持することができるため、製品の信頼性を高める点で極めて有利となる。

[0087] 更に、図 14は剪断強度に対する Ni含有量の影響を示すグラフ図である。この図 14 は、 Zn力 ¾質量⁰ /₀、 Agが 0. 075質量⁰ /₀、 A1が 0. 02質量⁰ /₀、 Mgが 0. 01質量⁰ /₀、 C u力 ^0. 01質量％であり、 Biを 1質量％、 3質量％、 6質量％、 10質量％及び 30質量 %と変化させ、残部を Snとした合金組成の本発明はんだを使用して粒径 20 mから 40 mの合金粉末を形成し、弱活性のフラックスと混鍊することでクリームはんだを作製し、このクリームはんだを使用して 1. 6mm X 0. 8mmの寸法のチップ抵抗を回路基板に実装したものを、 40°Cと 125°Cにて交互に 30分程度保持する熱サイクル試験にかけ、その後、実装されたチップ抵抗を図 8に示すように水平方向にせん断するときに必要な力、即ち剪断強度を測定した結果を示す。 [0088] なお、実装に使用した回路基板は通常使用される Cu電極を用いた。 Biは含有量が多いほど、はんだ合金の融点が下がる利点がある力 Bi含有量を 6質量％以上とした場合、熱サイクルを 1000サイクル以上かけた後は、 Biを添加しない場合よりも強度が下がってしまうため、信頼性を考えた場合、 Biの含有量は 6質量％以下とすべきである。また、 Bi含有量の下限は、 Bi含有量を変化させたバルタによる引張強度試験及び DSC測定による融点に対しての効果を確認したところ、 0. 01質量％以下とすると効果が認められず、 Biを添加する場合は、 Biの含有量は 0. 01質量％以上 6 質量％以下とする。

[0089] また、図 15は引張強度に対する合金組成の影響を示すグラフ図である。 Znが 8質量％、 Agが 0. 075質量％、 Biが 1質量％、 A1が 0. 07質量％、 Mgが 0. 01質量％、 Cuが 0. 01質量％、残部を Snとした合金組成の本発明によるはんだ粉末を用いて、弱活性フラックスと混鍊することによりクリームはんだ形成し、このクリームはんだを使用して電子部品の一つである QFPの銅リード線を回路基板の銅電極に接続した後、 85°C85%の高温高湿雰囲気中にて 1000時間まで保持した際において、電子部品 QFPのリード線を 45° 上方へ引っ張り、はんだ接続部分を破壊するために必要な強度、即ち引張強度を測定した結果を示す。

[0090] 図 15には、従来の Sn— Pb共晶はんだである Sn— 37質量％Pb合金及び本発明の Sn—Zn共晶はんだである Sn—8. 8質量％Zn合金により、電子部品 QFPの銅リ一ド線を回路基板の銅電極に接続した後、同様の試験を行った結果を記す。図 15より、本発明によるはんだは、従来の Sn—Zn共晶はんだと比較して、 Znリッチ相の組織改質による強化から、高温高湿雰囲気中において、優れた接続信頼性を持ち、従来の Sn—Pb共晶はんだと比較しても優れた接続信頼性を維持できることを確認した。尚且つ、本発明に係るはんだは通常のリフロー炉による Sn— 37質量％Pbと同じ温度プロファイルでの実装が可能であり、新規設備の導入が必要なぐ部品耐熱温度以上へ温度が上昇することが無ぐ製品の信頼性を高めることができる。

[0091] 更に、図 15より、本発明によるはんだは、従来の Sn—Zn共晶はんだと比較して、 Z nリッチ相の組織改質による強化から、高温高湿の雰囲気中において、優れた接続信頼性を持ち、従来の Sn—Pb共晶はんだと比較しても優れた接続信頼性を維持でさることを確認した。

[0092] 上述の本発明に係るはんだの第 1の効果は、本発明によるはんだ合金材料は、低融点と強度特性の優れて、る錫を用い、人体に対して有害である鉛を使用しな、ということである。

[0093] 即ち、本発明におけるはんだにあっては、 Sn—37質量％Pb共晶はんだの共晶温度の 183°Cに最も近いはんだ共晶合金組成で、共晶温度 199°Cである Sn— 8. 8質量％211を母相としたはんだ材料を使用しているため、地中に鉛が溶出し、地下水を通して人体に取り込まれる可能性が無いためである。

[0094] 次に、本発明に係るはんだの第 2の効果は、本発明では Sn—37質量％Pb共晶はんだの溶融温度 183°Cに最も近いはんだ共晶合金系で、共晶温度 199°Cである Sn - 8. 8質量％Znを母相とした無鉛半田材料を使用すると!、うことである。

[0095] 即ち、本発明におけるはんだにあっては、 Sn— 8. 8質量％Zn共晶組織を母相とし、 0. 01質量％以上 6質量％以下のビスマスと、 0. 07質量％以上 0. 5質量％以下のアルミニウム、 0. 007質量％以上 0. 01質量％以下の銅、 0. 007質量％以上 0. 01 質量％以下のマグネシウムを添加する力更に好ましくは銀を上記した範囲で添カロすることでクリームはんだ内の金属成分全体の液相線温度を下げるため、 Sn— 37質量％?1)共晶との融点差が 10°C乃至 20°C程度となり、新規に実装面全面での均一加熱可能なリフロー炉を導入する必要がなぐ従来の Sn—37質量％Pb共晶はんだを使用する場合と同じリフロー炉を使用できる。新規設備導入のための費用がカゝからない。また、従来の Sn—37質量％Pb共晶はんだを使用していた場合と同等の電子部品それぞれの耐熱保証温度域で実装することができるため、機能面で信頼性のある実装製品を作製することが可能となる。

[0096] また、本発明に係るはんだの第 3の効果は、本発明による無鉛半田のクリームはんだでは、 Sn— Zn共晶組織を母材組織とする半田材料を用いて電子部品を銅板電極上に実装する場合より、 Sn— Zn系の半田材料に銀、アルミニウム、マグネシウム、銅、さらにはビスマスを加えることで、実装後の高温、高湿度環境下において高い接続信頼性を得ると、うことである。

[0097] 即ち、本発明においては、 Sn—Zn系はんだに対し、 6質量％以下のビスマスを加えることで、高い初期接続強度を得ることができるが、同時に脆くなり、さらに 0. 075 質量％乃至 1質量％の銀を加えることで初期接続強度を上昇させ、— 40°Cと 125°C の温度へ交互に 10分から 30分程度放置する熱サイクル試験にて接続信頼性を得る

[0098] 本発明においては、銅との接合部信頼性向上のために、銅電極上に Auメツキ処理を施す必要もなくなるため、回路基板の製造コストを従来の Sn—Pb品と同じとすることが可能となる。し力しながら、これだけでは 85°C85%の高温高湿環境下で、はんだ中の Znリツチ相が酸ィ匕し、強度の劣化を避けられな!/、。

[0099] そこで、本発明では、 Znリッチ相の強度上昇を図るため、 A1: 0. 07乃至 0. 5質量 %、 Mg : 0. 007乃至 0. 1質量⁰ /₀、 Cu: 0. 007乃至 0. 1質量⁰ /₀を添カ卩した。 A1は、 Snには殆ど固溶せず、 Znリッチ相内部又はその近傍に微細な A1リッチ相を析出し、強度を上昇させる。更には、 Mgの添カ卩によっても、 Znリッチ相中に硬質な Zn—Mg 金属間化合物相を析出し、強度をさせる。なお、マグネシウムを添加する際には、銅も添加することが望ましぐ Zn— Mg金属間化合物相を微細分散化させる働きがあるため、はんだは強度が強ぐ強靭なものとすることができる。 1質量％以上の Agをカロえると銀の組織中固溶による合金の靭性強化の硬化は失われ、 Agリッチな相が析出し、融点力急激に上昇し、固相と液相が共存する溶融温度範囲が広くなるため、はんだ内部の濃度偏析を起こし易ぐ高温環境下での析出相の粗大化及びそれに伴うはんだ内腐食が起こり易ぐ接合部分の信頼性が失われる。

[0100] これに対し、本発明によるはんだでは、 Sn— Zn共晶組織を母相として、酸化により脆くなり易い Znリッチ相の強度を上昇させるため、 A1の微量添カ卩により Znリッチ相内部又は近傍の強度を A1析出相により上昇させ、更に Mgと Cuを加えることで、 Znリツチ相の強度上昇と低融点化を行った。また、 Biと Agを添加することにより、 Znリッチ相以外の組織も高強度化した。これにより、高温高湿環境下での信頼性が優れ、 Sn - 37重量％Pb共晶系はんだの代替材料となる。

産業上の利用可能性

[0101] 本発明は、無鉛はんだであり、従来の Sn— 37質量％Pb共晶系はんだと同等の融点を有し、同等の作業性、使用条件、及び接続信頼性を有するものであり、無公害のはんだとして、極めて有益である。

Claims

請求の範囲

Zn:7乃至 10質量％、 Ag:0.075乃至 1質量％、 A1:0.07乃至 0.5質量％を含有し、更に Bi:0.01乃至 6質量％及び Cu:0.007乃至 0.1質量％の 1種又は 2種を含有し、残部が Sn及び不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とするはんだ。

Zn:7乃至 10質量％、 Ag:0.075乃至 1質量％、 A1:0.07乃至 0.5質量％、Cu:0 .007乃至 0.1質量％、Mg:0.007乃至 0.1質量％を含有し、残部が Sn及び不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とするはんだ。

Zn:7乃至 10質量％、 Ag:0.075乃至 1質量％、 A1:0.07乃至 0.5質量％、Bi:0 .01乃至 6質量％、 Mg:0.007乃至 0. 1質量％を含有し、残部が Sn及び不可避的不純物からなる糸且成を有することを特徴とするはんだ。

Zn:7乃至 10質量％、 Ag:0.075乃至 1質量％、 A1:0.07乃至 0.5質量％、Bi:0 .01乃至 6質量％、 Cu:0.007乃至 0.1質量％、 Mg:0.007乃至 0.1質量％を含有し、残部が Sn及び不可避的不純物力なる組成を有することを特徴とするはんだ電子部品と、前記電子部品が前記請求項 1乃至 4のいずれ力 1項に記載のはんだによりはんだ付けされた回路基板とを有することを特徴とする実装品。