JP2001298270A - 電子機器およびその接続に用いるはんだ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は、Pbフリーはんだを用いてＬＳ
Ｉやチップ部品などの電子部品における回路基板への接
続を高信頼に行うことにある。特に約160℃〜180℃での
接続が可能な低温鉛フリーはんだを用いた接続を高信頼
に行うことにある。 【解決手段】上記目的を達成するために、電子部品と所
定の配線パターンを形成した回路基板とを備え、該電子
部品の有する電極と該回路基板の有する配線パターンと
をはんだを用いて接続して構成した電子機器であって、
該回路基板の配線パターンと該電子部品の電極とを接続
する接続部の少なくとも一部の組成がBiを約54〜62重量
%，Agを約0.5重量%以上0.9重量%以下、Cu及び不可避不
純物を合計約0.5重量%以上1.3重量%以下，残りSnである
ものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鉛フリーはんだを
用いた接続構造を有する電子機器に係り、特に有機基板
などの回路基板にＬＳＩや部品等を接続した接続構造を
有する電子機器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子機器の接続構造において、温
度階層の必要性、実装部品や基板の耐熱性の問題などか
ら、低温Pbフリーはんだ合金による接続が検討されてい
る。例えば、Sn-3.5重量%Ag(融点221℃),Sn-5重量%Sb
(融点240℃)などはSn-37重量％Pb(以下Sn-37Pbと略す)
はんだに代わるPbフリーはんだ合金として使用実績があ
るが、Sn-9重量%Zn(融点199℃)と併せて、融点が高すぎ
る。そのため、耐熱温度の低い電子部品や基板、例えば
電解コンデンサの接続などで要求される160℃近くでの
低温はんだ付けには使用できない。

【０００３】一方、Sn-52重量%In(融点117℃)などもあ
るが、これでは融点が低すぎるため接続部の高温におけ
る強度を確保することが難しい。また、Inのコストが高
いことが問題となり、一般量産品には適用しづらい。

【０００４】また、Sn-58重量%Bi(融点138℃)(以下Sn-5
8Biと略す)は融点の面では問題ないが、材料自体が硬く
脆いため、接続面積を大きくできる構造物には適する
が、微細接続が必要な近年の電子部品のリード等を高信
頼で接続することは不可能である。

【０００５】よって、これらの２元系の鉛フリーはんだ
をそのまま電子機器の接続構造に使用するのは困難であ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、Pbフリーは
んだを用いてＬＳＩやチップ部品などの電子部品におけ
る回路基板への接続を高信頼に行うことを目的とするも
のである。特に約160℃〜180℃での接続が可能な低温鉛
フリーはんだを用いた接続を高信頼に行うことを目的と
するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために特許請求の範囲の通りに構成したものであ
る。

【０００８】ここで、電子部品と回路基板との接続部に
Biを約54〜62重量%，Agを約0.5重量%以上0.9重量%以
下、Cu及び不可避不純物を合計約0.3重量%以上1.0重量%
以下，残りSn の組成の合金を使用した理由について以
下に説明する。

【０００９】まず、我々は、Sn-58Biの硬くて脆い性質
を改善するために、Sn-58Bi にCuを添加することついて
検討した。その理由は、Cuは電子部品や回路基板の電極
材料として使用実績があること、その接続過程において
電極材料であるCu成分が接続部を形成するはんだの中へ
溶け込んだとしても（実際には電極からの溶け込みを避
けることはできない）、組成比率が若干変わるだけで接
続部に使用するはんだの性質そのものを大幅に変える可
能性も低いこと（例えば、はんだのベース材料であるSn
と共晶反応をおこしてもベース材の融点を大きく変化さ
せず、はんだ全体の融点を大きく変化させる事無く改善
ができること）などである。

【００１０】そこで、以下のようにサンプルを作製して
それぞれの強度について実験した。

【００１１】（１）サンプル ピッチが0.5mm、リード数208、リード材質が42アロイ、リ
ードめっきがSn-1重量%Biの30mm角QFP-LSIを使用し、こ
のQFP-LSIをSn-58Bi付近のBiの一部をCuで置き換えた数
種類の組成のはんだペーストにより接続したサンプルを
作製した。

【００１２】（２）試験方法 サンプルのリードを図１に示す方法で基板面より45°の
方向へ引っ張り、破断するまでの最大強度(これを45°
ピール強度と呼ぶことにする)を測定した。

【００１３】図2はその試験結果である。

【００１４】これによるとはんだ内のCuの含有量が0.3
重量％以上で、接続強度が向上し始めることがわかる。
またこれは、接続後のはんだ中にCuを0.5重量％以上含
有する場合に相当することもわかった。これにより、基
板電極からのCuの溶け込みや、はんだへのCu添加で、溶
け込み量を皆無にすることのできないCu含有量をコント
ロールすることによって、接続信頼性を最良の状態でき
ることがわかった。但し、はんだにCuを1.0重量％を超
えて添加すると、接続部内にCuとSnから構成される金属
間化合物の粗大な結晶がはんだ中に出現し、これがはん
だ中のクラック進展経路となりやすくなるため、信頼性
が低下していくこともわかった。また、このとき接続部
はんだ内のCuの含有量が1.3重量％を超えることに相当
することがわかった。

【００１５】次に、さらなる強度改善として、前述の試
験結果により選定されたSn-58Bi合金中のBiを0.3重量％
以上1.0重量％以下のCuと置き換えた合金に、前述のCu
の場合と同様、はんだのベース材料であるSnと共晶反応
をおこしてもベース材の融点を大きく変化させず、はん
だ全体の融点を大きく変化させる事無く改善ができるAg
の添加を試みることにした。試験方法については前述の
試験と同様である。

【００１６】その結果を図３に示す。

【００１７】これによるとAgの含有量が0.5重量％以上
で、接続強度が向上し始めることがわかった。また、約
1.0重量％以上のAgを添加したとしても機械的強度は向
上せずほぼ一定の値に落ち着く着くことも分かった。

【００１８】次に、Bi含有量が合金の凝固組織に与える
影響を調べるための実験を行った。方法は、Bi含有量が
50から65重量％の表１に示す合金で作製した直径１ｍｍ
のはんだボールを、基板上の電極を想定したCu板上で塩
素量0.2重量%のフラックス中で160℃にて溶融させた
後、通常の表面実装接続部におけるはんだ付け後の冷却
速度である100℃/minで室温まで冷却させ、はんだ表面
の凝固組織を観察するという方法をとった。

【００１９】

【表１】

【００２０】その結果、Biは54〜62重量%の範囲ではク
ラック状の引け巣がはんだ表面に発生しておらず、なめ
らかなはんだ表面を得ることができることがわかった。
これはBi含有量が54〜62重量%の範囲では、合金の固相
線温度、液相線温度の差が小さく、共晶組成のはんだの
場合と同様、はんだ凝固時に、はんだが一様に凝固する
ためであると考えられる。

【００２１】そして、Sn-Bi系の２元共晶組成である Sn
-58Biはその融点が138℃であることが知られており、16
0℃という従来のSn-37Pbのはんだ付け温度220℃と比較
すると、はるかに低温での接続が可能であることがわか
っている。

【００２２】そこで、溶融特性を調べるために、提案組
成範囲から数種類のはんだペーストを作製し、160℃に
おけるはんだペーストのCu電極へのぬれ性を測定した。
その結果、いずれの組成のはんだペーストも100%以上の
ぬれ性を示し、ペーストの印刷部分は確実にぬれが得ら
れ、２元共晶組成である Sn-58Biと同じ接続プロセスを
使用することが可能であることがわかった。これによ
り、アルミ電解コンデンサ等の低い耐熱温度(約230℃)
に対しても大きなマージンを確保しながら接続ができる
ことがわかった。

【００２３】ところで、最上層にCu 層もしくはSn-Cu系
層が形成された電子部品の有する電極からの溶け込みま
でを考慮すると、回路基板の配線パターン上にBiを約54
〜62重量%，Agを約0.5重量%以上0.9重量%以下、Cu及び
不可避不純物を合計約0.3重量%以上1.0重量%以下，残り
Snであるはんだを供給して、回路基板の配線パターンと
前記電子部品の電極とを接続する接続部の少なくとも一
部の組成をBiを約54〜62重量%，Agを約0.5重量%以上0.9
重量%以下、Cu及び不可避不純物を合計約0.5重量%以上
1.3重量%以下，残りSnとすることが好ましい。

【００２４】なお、電子部品の電極の最上層にCu 層も
しくはSn-Cu系層を形成した方が、Sn-Ag-Cu-Bi系のはん
だとの相性（界面強度など）は良い。また溶け込みによ
る組成比率の制御も容易となる。これはSn-Bi系のメタ
ライズ、Sn-Ag系のメタライズについても同様のことが
言える。逆に、Sn-Ag-Cu-Bi系のはんだを使用すること
で、Sn-Cu系、Sn-Bi系、Sn-Ag系のいずれのメタライズ
を使用したとしても溶け込みに対する信頼性を確保する
ことが容易であり、基板側のメタライズに応じてはんだ
組成を再検討すると言ったような煩わしさも少ないと言
ったメリットもある。

【００２５】また、電子部品の電極材料にＣｕを用いた
場合、電極の最上層にCu 層もしくはSn-Cu系層を形成
し、さらにSn-Ag-Cu-Bi系のはんだを用いることで、電
子部品の電極とメタライズとの界面強度やメタライズと
はんだ材料との界面強度を含め、電子部品の電極と回路
基板の配線パターンとの間に形成される接続部分の信頼
性を向上させることができる。

【００２６】特に、Biを約54〜62重量%，Agを約0.5重量
%以上0.9重量%以下、Cu及び不可避不純物を合計約0.5重
量%以上1.3重量%以下，残りSnのようなBi量が多いはん
だ接続部の場合、他の高温系のはんだ材料と異なり融点
が低い。従って、接続プロセスにおいてメタライズは完
全な溶融状態とならず、いわゆる、むかえはんだとして
の効果は充分ではない。そこで、前述のように、電極の
最上層にCu 層もしくはSn-Cu系層を形成してSn-Ag-Cu-B
i系のはんだを用いたり、電子部品の電極材料にCuを用
いかつ電極の最上層にCu 層もしくはSn-Cu系層を形成し
てSn-Ag-Cu-Bi系のはんだを用いたりすることで、Cu成
分が拡散しやすい組合わせとなり、接続部分の機械強度
を含めた信頼性を向上させることが可能となると言った
効果がある。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施例によりさら
に詳細に説明する。

【００２８】上記はんだの接続強度を評価するために次
の実験を行った。

【００２９】(実施例１)まず、厚さ1.6mm、縦90mm、横1
40mm基板面の銅箔厚18mmのガラスエポキシ基板にリード
ピッチ:0.5mm、リード幅:0.2mm、リード材質:42アロ
イ、リードめっき:Sn-10Pb(単位:重量%)、4辺のリード
総本数:208、寸法32mm角のQFP(Quad Flat Package)-LS
I、リードピッチ:0.5mm、リード幅:0.2mm、２辺のリー
ド総本数:56、寸法14mm×18mmの短辺側にリードのつい
たTSOP(Thin Small Outline Package)、そして寸法1.6m
m×3.2mmのチップ部品を表２に示す提案組成のはんだペ
ーストにより基板に160℃で窒素リフロー装置により酸
素濃度100ppmにて接続した。

【００３０】また、信頼性比較用にSn-58Bi,Sn-37Pbに
て同じ部品を接続した基板も作製した。但し、Sn-37Pb
は融点が183℃と比較的高温であるため、接続温度を220
℃とした。

【００３１】次に、これらの基板を用いて、一般家電品
の信頼性試験に多く採用されている-40〜85℃、１サイ
クル／ｈの条件での温度サイクル試験を行った。

【００３２】その結果を表２に示す。

【００３３】

【表２】

【００３４】これによると、試験合格判定基準となって
いる1000サイクル経過後、Sn-58BiにてTSOPを接続した
方の基板からはTSOPの一部のリード接続部破断が見られ
た。よって、Sn-58BiはTSOPのようにリードが短くリー
ドによる応力緩和が期待できない一部の電子部品の接続
には適さないが、提案組成は高信頼であるSn-37Pbと同
様に使用できることがわかった。

【００３５】(実施例２)厚さ1.6mm、縦90mm、横140mm基
板面の銅箔厚18mmのガラスエポキシ基板にリードピッ
チ:0.5mm、リード幅:0.2mm、リード材質:42アロイ、リ
ードめっき:Sn-10Pb(単位:重量%)、4辺のリード総本数:
208、寸法32mm角のQFP(Quad Flat Package)-LSIを表３
に示す提案組成のはんだペーストにより基板に160℃で
窒素リフロー装置により酸素濃度100ppmにて接続した。

【００３６】また、信頼性比較用にSn-58Bi、Sn-37Pbに
て同じ部品を接続した基板も作製した。但し、Sn-37Pb
は融点が183℃と比較的高温であるため、接続温度を220
℃とした。

【００３７】次に、接続後のQFP-LSIのリードを図１の
方法で45°ピール強度を測定し平均値を算出した。その
結果を表３に示す。

【００３８】

【表３】

【００３９】その結果、Sn-58Bi以外は十分な強度が確
保されており、提案組成は高信頼であるSn-37Pbと同様
に使用できることがわかった。

【００４０】(実施例３)厚さ1.6mm、縦90mm、横140mm基
板面の銅箔厚18mmのガラスエポキシ基板にリードピッ
チ:0.5mm、リード幅:0.2mm、リード材質:42アロイ、リ
ードめっき:Sn-1Bi(単位:重量%)、4辺のリード総本数:2
08、寸法32mm角のQFP(Quad Flat Package)-LSIを表４に
示す提案組成のはんだペーストにより基板に160℃で窒
素リフロー装置により酸素濃度100ppmにて接続した。

【００４１】

【表４】

【００４２】また、信頼性比較用にSn-58Bi、Sn-37Pbに
て同じ部品を接続した基板も作製した。但し、Sn-37Pb
は融点が183℃と比較的高温であるため、接続温度を220
℃とした。

【００４３】次に、接続後のQFP-LSIのリードを図１の
方法で45°ピール強度を測定し平均値を算出した。結果
を表４に示す。

【００４４】その結果、Sn-58Bi以外は、十分な強度が
確保されており、提案組成は高信頼であるSn-37Pbと同
様に使用できることがわかった。

【００４５】(実施例４)厚さ1.6mm、縦90mm、横140mm基
板面の銅箔厚18mmのガラスエポキシ基板にリードピッ
チ:0.5mm、リード幅:0.2mm、リード材質:42アロイ、リ
ードめっき:Cu下地めっき上にSn-8Bi(単位:重量%)、4辺
のリード総本数:208、寸法32mm角のQFP(Quad Flat Pack
age)-LSIを表５に示す提案組成のはんだペーストにより
基板に160℃で窒素リフロー装置により酸素濃度100ppm
にて接続した。

【００４６】

【表５】

【００４７】また、信頼性比較用にSn-58Bi、Sn-37Pbに
て同じ部品を接続した基板も作製した。但し、Sn-37Pb
は融点が183℃と比較的高温であるため、接続温度を220
℃とした。

【００４８】次に、接続後のQFP-LSIのリードを図１の
方法で45°ピール強度を測定し平均値を算出した。結果
を表５に示す。

【００４９】その結果、Sn-58Bi以外は、十分な強度が
確保されており、提案組成は高信頼であるSn-37Pbと同
様に使用できることがわかった。

【００５０】(実施例５)厚さ1.6mm、縦90mm、横140mm基
板面の銅箔厚18mmのガラスエポキシ基板にリードピッ
チ:0.5mm、リード幅:0.2mm、リード材質: Cu、リードめ
っき: Sn-1Bi(単位:重量%)、4辺のリード総本数:208、
寸法32mm角のQFP(Quad Flat Package)-LSIを表６に示す
提案組成のはんだペーストにより基板に160℃で窒素リ
フロー装置により酸素濃度100ppmにて接続した。

【００５１】

【表６】

【００５２】また、信頼性比較用にSn-58Bi、Sn-37Pbに
て同じ部品を接続した基板も作製した。但し、Sn-37Pb
は融点が183℃と比較的高温であるため、接続温度を220
℃とした。

【００５３】次に、接続後のQFP-LSIのリードを図１の
方法で45°ピール強度を測定し平均値を算出した。結果
を表６に示す。

【００５４】その結果、Sn-58Bi以外は、十分な強度が
確保されており、提案組成は高信頼であるSn-37Pbと同
様に使用できることがわかった。

【００５５】(実施例６)厚さ1.6mm、縦90mm、横140mm基
板面の銅箔厚18mmの凹形状電極を持ったガラスエポキシ
基板にピッチ:1.8mm、直径:0.2mm、リード材質:コバー
ル、リードめっき:Ni(下地側)／Au ２層めっき、ピン総
本数:1019、寸法42mm角のムライト製PGA(Pin Grid Arra
y)を表７に示す提案組成のはんだペーストにより基板に
160℃で窒素リフロー装置により酸素濃度100ppmにて接
続した。この実装品接続部断面の概略図を図４に示す。

【００５６】また、信頼性比較用にSn-58Bi、Sn-37Pbに
て同じ部品を接続した基板も作製した。但し、Sn-37Pb
は融点が183℃と比較的高温であるため、接続温度を220
℃とした。

【００５７】次に、これらの基板を用いて、低温はんだ
の信頼性試験に多く採用されている0〜90℃、１サイク
ル／ｈの条件での温度サイクル試験を行った。

【００５８】その結果を表７に示す。

【００５９】

【表７】

【００６０】これによると、試験合格基準となっている
1000サイクル経過後、Sn-58Biにて接続を行った基板のP
GA接続部の一部にピン破断が見られたが、提案組成は高
信頼であるSn-37Pbと同様に使用できることがわかっ
た。

【００６１】

【発明の効果】本発明によれば、Pbフリーはんだを用い
てＬＳＩやチップ部品などの電子部品における回路基板
への接続を高信頼に行うことができる。特に約160℃〜1
80℃での接続が可能な低温鉛フリーはんだを用いた接続
を高信頼に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】QFP-LSI接続部の４５°ピール試験方法概略

【図２】Sn-Bi-Cu系QFP-LSI接続部45°ピール強度のCu
含有量依存性

【図３】Sn-Bi-Cu-Ag系QFP-LSI接続部45°ピール強度の
Ag含有量依存性

【図４】PGA搭載基板接続部の概略断面図

【符号の説明】

１…リードタイプ半導体装置（ＱＦＰ） ２…基板 ３…４５°ピール試験用フック ４…はんだ ５…ピンタイプ半導体装置（ＰＧＡ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 下川 英恵 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 石田 寿治 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 奥平 弘明 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 中野 朝雄 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 芹沢 弘二 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 山田 收 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 Ｆターム(参考） 5E319 AA03 AB03 AC02 BB05 BB08 CC36 GG20

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電子部品と所定の配線パターンを形成した
   回路基板とを備え、該電子部品の有する電極と該回路基
   板の有する配線パターンとをはんだを用いて接続して構
   成した電子機器であって、該回路基板の配線パターンと
   該電子部品の電極とを接続する接続部の少なくとも一部
   の組成がBiを約54〜62重量%，Agを約0.5重量%以上0.9重
   量%以下、Cu及び不可避不純物を合計約0.5重量%以上1.3
   重量%以下，残りSnであることを特徴とする電子機器。
2. 【請求項２】前記電子部品の有する電極にCu層もしくは
   Sn-Cu系層を形成して前記回路基板の配線パターンとの
   間をはんだを用いて接続したことを特徴とする請求項１
   記載の電子機器。
3. 【請求項３】前記回路基板の配線パターン上にBiを約54
   〜62重量%，Agを約0.5重量%以上0.9重量%以下、Cu及び
   不可避不純物を合計約0.3重量%以上1.0重量%以下，残り
   Snであるはんだを供給して最上層にCu 層もしくはSn-Cu
   系層が形成された前記電子部品の有する電極と接続する
   ことで、前記回路基板の配線パターンと前記電子部品の
   電極とを接続する接続部の少なくとも一部の組成がBiを
   約54〜62重量%，Agを約0.5重量%以上0.9重量%以下、Cu
   及び不可避不純物を合計約0.5重量%以上1.3重量%以下，
   残りSnとなることを特徴とする請求項１記載の電子機
   器。
4. 【請求項４】前記電子部品の有する電極をCu系の材料で
   構成したことを特徴とする請求項１から３のいずれかに
   記載の電子機器。
5. 【請求項５】前記電子部品の有する電極にSn-Bi層もし
   くはAu層を形成して前記回路基板の配線パターンとの間
   をはんだを用いて接続したことを特徴とする請求項１記
   載の電子機器。
6. 【請求項６】前記電子部品の有する電極にCu層もしくは
   Ni層を形成し、その上にSn-Bi層もしくはAu層を形成し
   て前記回路基板の配線パターンとの間をはんだを用いて
   接続したことを特徴とする請求項１記載の電子機器。
7. 【請求項７】前記電子部品の電極をＣｕ系の材料で構成
   したことを特徴とする請求項５または６記載の電子機
   器。
8. 【請求項８】Biを約54〜62重量%，Agを約0.5重量%以上
   0.9重量%以下、Cu及び不可避不純物を合計約0.3重量%以
   上1.0重量%以下，残りSnによって構成されることを特徴
   とする鉛フリーはんだ。