JP2002011591A - はんだ付け方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、電子部品のはんだ付けにおいて、
はんだ接合部に鉛を含まないようにするとともに、はん
だ付け時に、急冷凝固させ、機械的強度の上昇、耐熱疲
労特性の向上を図ること。 【解決手段】 主要構成成分がＳｎ、Ａｇ及びＣｕから
構成され、各成分の重量比が、Ｓｎが９２〜９７重量
％、Ａｇが３．０〜６．０重量％、Ｃｕが０．１〜２．
０重量％からなるはんだ合金のはんだ付け時の凝固過程
において、はんだ合金を急冷凝固させ、前記はんだ合金
を微細分散させるはんだ付け方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子回路基板へ部
品実装を行うためのはんだ付け方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年の電子部品実装技術において、電子
部品を搭載実装した電子回路基板を用いた商品が増加し
てきている。それに伴い、はんだ付け部の機械的接合強
度の向上や、熱衝撃強度の向上等の高信頼化への要求が
高まってきている。一方、地球環境保護への関心が高ま
る中、電子回路基板などの産業廃棄物の処理について法
的規制が検討されている。

【０００３】以下、従来の電子部品のはんだ付け接合用
電極表面のはんだ合金及びそのはんだ付け方法の概要に
ついて、図面を参照しながら説明する。図１は従来の電
子部品接合用電極の電極構成を示す概要図で、図２は従
来の電子部品接合用電極の接合界面における金属組織図
である。図１において、３はＳｎ・Ｐｂ、４はＮｉ、５
はＡｇであって、これらは、はんだ合金で、電子部品７
の電極を構成している。特に、電極表面材料にはＳｎ、
Ｐｂ合金が使われている。図２の電子部品接合用電極の
接合界面の金属組織図において、１はα固溶体でＳｎリ
ッチ相である。２はβ固溶体でＰｂリッチ相である。以
上のような従来のはんだ合金は、電極表面における金属
組成がＳｎ９０重量％及びＰｂを１０重量％からなるも
のが用いられおり、その融点は１８３℃〜２１０℃であ
る。この電極に接合用金属であるはんだ合金によりはん
だ付けを行うと、その合金組織は、α固溶体１とβ固溶
体２がラメラ状となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のはんだ付けにお
いて、電子部品のはんだ付け接合用電極のはんだ合金
は、接合用はんだ合金によりはんだ付けを行うと、その
合金組織がラメラ状となり、特に、高温環境下において
繰り返し晒されると、その組織の肥大化が生じ、はんだ
に応力がかかると、その組織界面ですべりが生じ、はん
だクラックが生じるという問題点を有していた。

【０００５】また、環境保護の立場から、はんだ合金
（Ｓｎ−Ｐｂ合金）中に含まれる鉛の規制が進みつつあ
り、従来のはんだ合金によりはんだ付けされた電子回路
基板の廃棄物は、酸性雨に晒されると、鉛が大量に溶出
し、その溶出物質が人体に悪影響を与えるという問題点
が指摘されている。本発明は上記問題点に鑑み、電子部
品のはんだ付けにおいて、はんだ接合部に鉛を含まない
ようにするとともに、接合部の合金組織を微細化し、高
温環境下でのくり返し熱疲労特性にも優れたはんだ合金
による電子部品の電極表面構成を提供することを目的と
する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、主要構成成分
がＳｎ、Ａｇ及びＣｕから構成され、各成分の重量比
が、Ｓｎが９２〜９７重量％、Ａｇが３．０〜６．０重
量％、Ｃｕが０．１〜２．０重量％からなるはんだ合金
のはんだ付け時の凝固過程において、はんだ合金を急冷
凝固させ、前記はんだ合金を微細分散させるはんだ付け
方法である。また主要構成成分がＳｎ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｃ
ｕ及びＩｎから構成されるはんだ合金であって、各成分
の重量比が、Ｓｎが８１〜９１重量％、Ａｇが３．０〜
６．０重量％、Ｂｉが５〜１０重量％、Ｃｕが０．１〜
２．０重量％、Ｉｎが０．１〜１．０重量％からなるは
んだ合金のはんだ付け時の凝固過程において、はんだ合
金を急冷凝固させ、前記はんだ合金を微細分散させるは
んだ付け方法である。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、主要構成成分がＳｎ、Ａｇ及びＣｕから構成され、
各成分の重量比が、Ｓｎが９２〜９７重量％、Ａｇが
３．０〜６．０重量％、Ｃｕが０．１〜２．０重量％か
らなるはんだ合金を用いたはんだ付けの凝固過程におい
て、はんだ合金を急冷凝固させることにより、合金組織
を微細分散させるはんだ付け方法であって、Ｓｎを主成
分とするはんだに、Ａｇを少量添加することにより微細
な合金組織を有する耐熱疲労特性に優れた合金を得ると
とも、融点を上げることができる。さらに、Ｃｕを少量
添加することにより、金属間化合物の生成がはかられ、
機械的接合強度が向上するとともに、はんだ付け時の凝
固過程において、はんだ合金を急冷凝固させることによ
って、Ａｇ3 Ｓｎ、Ｃｕ3 Ｓｎ、Ｃｕ6 Ｓｎ5 等の金属
化合物を微細分散させるので、機械的強度及び耐熱疲労
特性を向上することができる作用を有する。

【０００８】請求項２に記載の発明は、主要構成成分が
Ｓｎ、Ａｇ、Ｂｉ，Ｃｕ及びＩｎから構成され、各成分
の重量比が、Ｓｎが８１．０〜９１重量％、Ａｇ３．０
〜６．０重量％、Ｂｉが５〜１０重量％、Ｃｕが０．１
〜２．０重量％、Ｉｎが０．１〜１．０重量％からなる
はんだ合金を用いたはんだ付けの凝固過程において、は
んだ合金を急冷凝固することにより、合金組織を微細分
散させるはんだ付け方法であって、上記特徴に加えて、
Ｂｉを少量添加することにより、濡れ性を改善すること
ができ、さらに、Ｉｎを少量添加することにより、合金
の伸び特性及び耐熱疲労特性を改善することができると
ともに、はんだ付け時の凝固過程において、急冷凝固さ
せることによって、Ａｇ3 Ｓｎ、Ｃｕ3 Ｓｎ、Ｃｕ6 Ｓ
ｎ5 等の金属化合物を微細分散させるので、機械的強度
及び耐熱疲労特性を向上することができる。

【０００９】請求項３に記載の発明は、凝固過程におい
て、トップ温度経過後、プリヒート温度まで５℃／ｓｅ
ｃ〜１５℃／ｓｅｃの温度勾配で急冷凝固させるはんだ
付け方法であって、請求項１または２記載の発明と同じ
作用を有する。

【００１０】請求項４に記載の発明は、冷却吹付けによ
り急冷凝固するはんだ付け方法であって、請求項３記載
の発明と同じ作用を有する。以下、本発明の実施形態に
ついて説明する。本発明においてはんだ合金の組成を上
述のように限定した理由を説明する。Ａｇは、耐熱疲労
特性を改善させるが、その添加量が３．０重量％よりも
少なければその効果は十分ではない。また、２２０℃以
上２５０℃以下の融点を確保するためには、６．０重量
％以下としなければならない。それを越えて添加すると
融点は急激に上昇してしまうので好ましくない。よっ
て、Ａｇの好適な添加量は３．０〜６．０重量％であ
る。

【００１１】Ｂｉは、濡れ性を改善するが、添加量が５
重量％よりも少なければその効果は十分ではない。ま
た、１８重量％を越えるとはんだ付け強度が得られなく
なるので好ましくない。よって、Ｂｉの添加量は５〜１
８重量％が好適である。Ｃｕは、高温特性を改善し、接
合材料として、機械的強度を向上する効果があるが、
０．１重量％よりも少ない添加ではその効果は現れず、
２．０重量％を越えて添加すると硬く、脆くなり、特性
を劣化させてしまう。よって、Ｃｕの好適な添加量は
０．１〜２．０重量％である。

【００１２】Ｉｎは、伸び特性、濡れ性及び耐熱疲労特
性を改善させる効果があるが、０．１重量％よりも少な
い添加ではその効果が現れず、１．０重量％を越えて添
加する合金の機械的強度を劣化させる。そのため、Ｉｎ
の好適な添加量は０．１〜１．０重量％である。以下、
実施の形態を、表１、及び表２に基づき具体的に説明す
る。

【００１３】

【表１】

【００１４】

【表２】

【００１５】表１は本発明の実施例１、２におけるはん
だ合金と比較例１、２のはんだ合金についてその組成、
融点、濡れ性、接合強度、及び熱衝撃特性について比較
したものである。融点は、それぞれのはんだ合金を熱分
析により測定した。また、濡れ性、接合強度、熱衝撃試
験は、それぞれのはんだ合金を大気用ＲＭＡタイプのク
リームはんだにしたものを作製しそれを用いて行った。

【００１６】濡れ性については、０．５ｍｍピッチのＯ
ＦＰを実装後、その１リードあたりのピーリング強度を
測定した。熱衝撃試験は、気相式熱衝撃試験機により、
試験条件；−４０℃（３０分）〜常温（５分）〜８０℃
（３０分）、５００サイクルで行い、クラックの有無で
評価した。

【００１７】上記のはんだ合金をクリームはんだにする
場合、フラックスの種類は特に限定されることはなく、
大気リフロー対応、窒素リフロー対応、ＲＡ、ＲＭＡ等
のフラックスの使用が可能であった。好ましくは、活性
力があり、かつ比較的腐食性にも優れる大気用ＲＭＡタ
イプのフラックスが適していた。なお、比較例１は、Ｓ
ｎ９６．５重量％、Ａｇ３．５重量％のはんだ合金であ
り、比較例２は、Ｓｎ６３重量％、Ｐｂ３７重量％のは
んだ合金である。

【００１８】また、接合用金属としてのはんだ合金は、
表２に示すはんだ合金を使用した。（実施の形態１）実
施例１のはんだ合金は、Ｓｎ９４．５重量％、Ａｇ５．
０重量％、Ｃｕ０．５重量％の三成分はんだ合金であ
る。このはんだ合金を大気用ＲＭＡのフラックスを用い
てクリームはんだとし、その融点、濡れ性、接合強度、
熱衝撃試験を行った。その結果は表１に示すとおりであ
る。また、表１に記載していないが、はんだの引張り強
度試験を行った結果、８．３ｋｇｆ／ｍｍ2 であった。
比較例２の同試験結果が６．５ｋｇｆ／ｍｍ2 であった
ことと比較すると、引張り強度の点でも顕著な向上があ
った。

【００１９】次に、はんだ付け時の凝固過程において、
急冷凝固させると、金属間化合物（Ａｇ3 Ｓｎ）の成長
が抑制され、これを微細分散させるので、機械的強度の
上昇、耐熱疲労特性の向上を図ることができた。前記の
α固溶体、β固溶体においても、同様に組織の微細化を
実現できた。なお、急冷凝固手段としては、冷風吹付け
法を用い、約１０℃／秒の冷却速度ではんだ付け部を冷
却した。（実施の形態２）実施例２のはんだ合金は、Ｓ
ｎ８９．５重量％、Ａｇ３重量％、Ｂｉ５重量％、Ｃｕ
１．５重量％、Ｉｎ１重量％の五成分はんだ合金であ
る。

【００２０】各試験結果は表１に示すとおりであるが、
実施例１に比較し、融点の低下及び接合強度の向上を図
ることができた。この実施例２のはんだ合金について
も、はんだ付け時に、急冷凝固させた。その結果、実施
例１と同様に機械的強度の上昇、耐熱疲労特性の向上を
図ることができた。

【００２１】なお、急冷凝固手段としては、実施例１に
おいて記載したように、冷風吹付法が好適であり、その
冷却速度は５〜１５℃／秒、特に１０℃／秒前後が好適
である。さらに、急冷凝固によって、Ａｇ3 Ｓｎ、Ｃｕ
3 Ｓｎ及びＣｕ6 Ｓｎ5 等の生成される金属酸化物を微
細分散させるので、機械的強度及び耐熱疲労特性を向上
することができる。

【００２２】

【発明の効果】以上から明らかなように、本発明は、Ｓ
ｎを主成分とするはんだに、Ａｇを少量添加することに
より、合金組織を微細にし、組織変化を少なくすること
が可能で、耐熱疲労特性に優れた合金を得ることができ
る。さらに、Ｃｕを少量添加することにより、金属間化
合物を生成し接合強度を改善する。また、Ｂｉを少量添
加することにより、濡れ性を改善することができ、Ｉｎ
を少量添加することにより、合金の伸び特性を改善して
耐熱疲労特性を改善することができる。加えて、はんだ
付けの冷却過程において、はんだ合金を急冷凝固させる
ことにより、はんだ合金組織を微細化し、これを分散さ
せるので、機械的強度及び耐熱疲労特性に優れたはんだ
合金を得ることができる。特に鉛を含まない無鉛はんだ
合金について問題となる機械的強度、耐熱疲労特性に対
して、発生する金属間化合物の肥大化を防ぎ、微細化で
きるので有用である。また、鉛を含まない電子部品の接
合用電極を提供できるので、表２に示したような、鉛を
含まない接合用金属であるはんだ合金で接合することに
よって、接合部全体に鉛を含まないはんだ付けが可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の電子部品接合用電極の電極構成を示す概
要図である。

【図２】従来の電子部品接合用電極の接合界面における
金属組織図である。

【符号の説明】

１ 固溶体 ２ β固溶体 ３ Ｓｎ・Ｐｂ合金 ６ 電子部品

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山口 敦史 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 5E319 BB01 BB08 CC22 GG11

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】主要構成成分がＳｎ、Ａｇ及びＣｕから構
   成され、各成分の重量比が、Ｓｎが９２〜９７重量％、
   Ａｇが３．０〜６．０重量％、Ｃｕが０．１〜２．０重
   量％からなるはんだ合金を用いたはんだ付けの凝固過程
   において、はんだ合金を急冷凝固させることにより、合
   金組織を微細分散させるはんだ付け方法。
2. 【請求項２】主要構成成分がＳｎ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｃｕ及
   びＩｎから構成され、各成分の重量比が、Ｓｎが８１〜
   ９１重量％、Ａｇが３．０〜６．０重量％、Ｂｉが５〜
   １０重量％、Ｃｕが０．１〜２．０重量％、Ｉｎが０．
   １〜１．０重量％からなるはんだ合金を用いたはんだ付
   けの凝固過程において、はんだ合金を急冷凝固させるこ
   とにより、合金組織を微細分散させるはんだ付け方法。
3. 【請求項３】凝固過程において、トップ温度経過後、プ
   リヒート温度まで５℃／ｓｅｃ〜１５℃／ｓｅｃの温度
   勾配で急冷凝固させる請求項1又は２記載のはんだ付け
   方法。
4. 【請求項４】 冷却吹付けにより急冷凝固する請求項３
   記載のはんだ付け方法。