JP2002178191A - 低温系鉛フリーはんだ組成及びそれを用いた電子部品実装構造体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】Sn−1Ag−57Bi共晶の低融点はんだは融点が低
いため特に高温での接合部界面の強度、組織の安定性に
欠け大気中でのフローでははんだ浴中のドロス量が多
い。 【解決手段】Sn−Ag−Bi共晶系はんだにNiを微量添加
し、高温で長時間使用した場合の接合界面の強度を確保
し、組織の高温での安定性を確保する。Tiを微量添加す
ることで分散されて組織が微細化し、高温時に組織の粗
大化を阻止する。Cuを微量添加することでCuへのくわれ
防止、強度向上を期待できる。Inを微量添加し、材料が
脆くなるのを防止し、柔軟性をもたらす。はんだ浴中の
はんだの酸化防止のためGeとPを併用した微量添加で大
気中での長期間の使用を可能にする。リフトオフを発生
させず、はんだ付け温度を大幅に変えない程度で液相線
温度の高い系を選び見かけ上の融点を上げ耐高温性を確
保。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本案は電子部品等の接続に使
用する鉛フリーはんだで低温系で接続できる毒性の少な
いはんだ材料及びそれを用いた実装構造体に関する。

【０００２】

【従来の技術】環境問題からはんだのPbフリー化が進行
している。電子機器実装に使用するフロー接続用の鉛フ
リーはんだは、従来のSn−Pb共晶系から、継手の高信頼
性が期待できるSn−(2.5〜4.0)Ag−(0.5〜1.5)Cu(固相
線温度:217℃)の高温系はんだが主流になりつつある。
このため、フローのはんだ付け温度は250℃前後になる
ため、耐熱性に劣る部品に対してははんだ付けが困難と
なる。そこで、更に低温ではんだ付け可能な鉛フリーは
んだとして、Sn−1Ag−57Bi共晶(融点:138℃)が文献(Ma
te’96)等において、機械的特性に優れる組成として知
られている。この系の課題は融点が低いことに起因する
100℃、125℃高温で長時間使用した場合の継手の信頼性
である。プリント基板のピンのスルーホール継手構造
で、このはんだを100℃で長時間使用すると、はんだ組
織は粗大化し、はんだとCuとの接合界面、はんだとピン
との接合界面で剥離する現象が起きる。他方、大気中の
フローはんだ付けにおいては、長時間溶融状態にさらさ
れるはんだ浴中のはんだは酸化のため、ドロス発生の問
題がある。特開平11−221693にはSn−(30〜58)mass％Bi
にGe:0.1mass％以下含んだ系、及び同一組成にAg:2mass
％以下含んだ系、もしくは同一組成にSb:5mass％以下含
んだ系、もしくは同一組成にAg:2mass％以下とSb:5mass
％以下を含んだ系等が示されている。この目的はSn−Bi
系合金を改良して、延性や熱強度に優れるはんだの提供
である。Sb,Ag,Geの添加で引張強度の増大、Geの添加で
Snの酸化の防止が示されている。ここでは長期使用にお
けるGeが減少する問題が示されていない。またSbは毒性
の恐れのある元素と言われている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】そこで、高温で長時間
使用しても組織変化しにくく、接合界面強度を確保でき
て、他方、大気中でのフローはんだ付けにおいては、長
時間使用しても酸化しにくいはんだを提供する必要があ
る。このため、Sn−Bi−Ag低温共晶系はんだに効果のあ
る、かつ毒性の少ない微量元素を複合添加することで、
より優れたはんだ組成を提供する。同時に、100、125℃
の高温でも長時間使用に耐えられるために、液相線温度
を高くした低温共晶系はんだを供給する。

【０００４】

【課題を解決するための手段】そこで、Sn−Ag−Bi低温
共晶系はんだにNiを微量添加することで、高温で長時間
使用した場合の接合界面の強度を確保し、かつ組織の高
温での安定性を確保することができる。同様に、Tiを微
量添加して分散させることで、高温時に組織の粗大化を
阻止することができる。また、Cuを微量添加すること
で、Cu端子へのくわれ防止、接合強度向上が期待でき
る。更に、Inを微量添加することで、材料が脆くなるこ
とを防止し、柔軟性をもたらすことができる。特に低温
での脆化防止が期待できる。そして、大気中のフローは
んだ浴においては、酸化防止のためGeを微量添加するこ
とで、はんだの酸化防止が可能である。しかし、Geの場
合は長期間使用するとGeが減少してくるので、長期間で
の効果のあるPとの併用が必要である。これらの各々の
微量添加を組み合わすことで、この系のはんだの弱点で
ある特に高温での接合部界面の強度向上、組織の安定性
を確保し、かつ、大気中でのはんだ浴中のドロス量を低
減化することができる。更には、リフトオフを発生させ
ず、はんだ付け温度を大幅に変えない程度で、液相線温
度の高い系を選ぶことで、見かけ上の融点が上がり、比
較的高温に耐えるSn−Ag−Bi低温共晶系はんだである。

【０００５】

【発明の実施の形態】Pbフリーはんだのフローはんだ付
けにおいて、Sn−１Ag−57BiとSn−１Ag−55Bi−0.2Ni
はんだ(145〜137℃)に、Ge:0.02mass％の微量添加した
ものとの比較を行った。0〜100℃の温度サイクル試験を
行った結果、Sn−１Ag−57Biの場合は1000サイクルで、
最大応力がかかる端部で、はんだとピンとの接合界面で
剥がれを起こした。これに対して、微量添加したものは
破壊しないことが分かった。Geの効果ははんだ浴中のは
んだの表面酸化を防止する効果及びはんだの強度向上で
ある。但し、Geは約300時間までは酸化防止の効果があ
るが、Geの酸化物として消費されるので、長時間での効
果は少ない弱点がある。長時間ではPが優れるので、両
者の併用が望ましい。但し、両者とも添加量が多すぎる
と強度は増すが伸びが低下し、はんだの機械的性質は低
下するので、入れすぎないことが肝要である。

【０００６】次に、Sn−0.8Ag−57Bi−0.2Niはんだ(139
〜137℃)に、In:0.5mass％、Ge:0.02mass％の微量添加
したものも同様に評価した。Inを微量添加したことで伸
び等において機械的性質の改善がなされた。高温でのNi
の作用、低温でのInの作用で、優れた機械的特性が得ら
れる。

【０００７】この他、Tiを微量添加することで、はんだ
内に分散し、微細化を維持し、高温で使用しても結晶の
粗大化を抑える効果がある。

【０００８】Sn−0.8Ag−45Bi−0.5Niはんだに、Ge:0.0
2mass％、P:0.003mass％、In:0.8mass％、Ti:0.003mass
％、Cu:0.5mass％入れることで、はんだ浴中のはんだ
の酸化防止効果、100℃近傍の長時間放置、長期間の
温度サイクルに対するはんだ組織の安定性及びCu、Ni
メタライズ等との接合強度確保が期待できる。更に、Ti
を微量加えて、結晶の粗大化を防止し、はんだ組織の
安定性を図ることができる。Sn−0.8Ag−45Bi−0.5Niは
んだは液相線温度:164℃、固相線温度:137℃で、リフト
オフ(基板のCuパッドとはんだ間の剥離)は起き難く、Sn
−0.8Ag−58Biに比べ、液相線温度を上げることによ
り、見かけ上の融点を上げることができるので、耐高温
に対する安定性を向上させることができる。このため10
0℃、125℃の高温でも、組織、界面強度等が長時間経過
しても安定している。Pbの入ったメタライズの場合で
も、90℃以下で使用した場合、Sn−0.8Ag−58Biに比べ
大幅な高温での安定性を示すことが分かった。

【０００９】次に、Sn−2.5Ag−0.5Cu−1Bi−3In(221〜
203℃)の中温系のはんだで表面実装し、裏面をSn−0.8A
g−40Bi−0.5Niに、Ge:0.02mass％、P:0.003mass％、I
n:0.3mass％、Cu:0.5mass％、Ti:0.003mass％入れたは
んだでフローはんだ付け(200℃)した混載実装を行っ
た。この実装法の特徴は、部品の耐熱性を考慮し、リフ
ロー温度をSn−Ag−Cu系に比べ、約5〜8℃下げて、かつ
継手の信頼性はLSI、チップ部品を含めると、Sn−Ag−C
u系並みを確保できることにある。リフロー温度はmax23
5℃で行った。更に、表面実装のリード部品継手のフロ
ー時のリフトオフを防止するため、Sn−2.5Ag−0.5Cu−
1Bi−3Inの固相線温度以下でのはんだ付け温度(190℃)
でフローができる組成で、かつ、継手として高信頼性を
確保できるSn−0.8Ag−40Bi−0.5Niに微量添加した組成
を用いた。この結果、通常の表面実装品においても、ス
ルーホール継手においても、−55〜125℃、1000サイク
ルの温度サイクル試験に耐えられる高信頼性実装構造を
得ることができた。

【００１０】図１はBGA、CSPのチップ４側のトランスポ
ート基板１を高温のSn−Ag系(221℃)、Sn−Ag−Cu系(21
7℃)はんだ２で接続した樹脂３パッケージの外部接続用
はんだ５として、Sn−0.8Ag−40Bi−0.5NiはんだにIn:
0.5mass％、Ti:0.003mass％、Cu:0.5mass％を混入した
はんだを印刷してバンプを形成した。ピッチの荒いBGA
等にははんだボールとして供給することが可能である。
このCSP、BGAは他の表面実装部品と同様に、基板に印刷
されたSn−0.8Ag−40Bi−0.5Ni−0.5In−0.5Cu−0.003T
iはんだペースト上に搭載される。他方、CSP、BGAの外
部接続用はんだとして、Sn−3Ag−0.5Cu等の高温系はん
だボールもしくははんだペーストで供給しても良い。こ
の場合、チップ側の接続は瞬時のはんだ付けでは劣化し
ない導電性樹脂、もしくは高温系のはんだ(再溶融して
も可能なシステムになっていることが条件)でも良い。
リフロー温度をmax210℃とすることで、LSI内部の高温
はんだを溶融させることなく表面実装が可能である。CS
P、BGA のボールとしてSn−3Ag−0.5Cu等の高温はんだ
が使用されている場合、max200〜210℃のリフロー温度
でははんだボール周辺は溶けて拡散しても、ボール内部
は高温はんだのままなので、CSP、BGAのリペア時には低
温はんだを溶かすことにより、初期の高温はんだボール
に近い形状で取り外すことが可能である。この接続継手
は−55〜125℃の温度サイクル試験に十分耐えられるこ
とから、高信頼性が期待できる。Sn−1Ag−57Bi共晶は
んだの場合は結晶の粗大化等で界面での劣化が問題にな
るが、各種元素の微量添加と、Biを少なくし液相線温度
を上げることで、高温における結晶の粗大化防止、合金
層成長が少なくなり、Ni添加による界面強度の向上等に
より、優れた特性を確認できた。他方、Biが40％前後以
上であれば、表面実装におけるリフトオフの問題は起こ
り難いので、初期工程での課題は少なく、かつリペア等
の使い勝手性に優れるはんだ及び実装である。

【００１１】

【発明の効果】本発明により、低温系はんだの弱点とさ
れている高温での信頼性を確保でき、かつ、はんだ浴の
長時間使用でのドロス低減を可能にする。この低温系は
んだが高温での信頼性を確保できることにより、部品の
耐熱性の問題を解決できる。また、表面実装継手との温
度階層接続を可能にすることで、はんだ付けが容易とな
る効果は大きい。また、フロー時に基板の反りが小さく
なることから、表面実装の大型部品継手に作用する応
力、歪が小さくなるので、初期不良の低減につながる。
更には、表面実装用はんだとしてBiをある程度含んだ系
も使えることになり、表面実装の応用範囲が広がる可能
性がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】BGA、CSP断面構造と構成を示す図である。

【符号の説明】

１…トランスポート基板、２…内部接続はんだ、３…樹
脂、４…チップ、５…外部接続用はんだ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 Ｆターム(参考） 5E319 AA03 AB05 BB01

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Sn−(0.1〜2.0)mass％Ag−(35〜60)mass
   ％Biに(0.01〜1)mass％Niを添加した鉛フリーはんだ組
   成、及び該はんだで接続し、基板に実装したことを特徴
   とする鉛フリーはんだ組成及びそれを用いた実装構造
   体。
2. 【請求項２】 Sn−(0.1〜2.0)mass％Ag−(35〜60)mass
   ％Bi−(0.01〜1)mass％Niはんだに、Ge:0.001〜0.05mas
   s％、In:0.1〜0.8mass％、Ti:0.001〜0.02mass％、Cu:
   0.1〜0.8mass％、P:0.001〜0.1mass％の少なくとも１つ
   以上を含む鉛フリーはんだ組成、及び該はんだで接続
   し、基板に実装したことを特徴とする鉛フリーはんだ組
   成及びそれを用いた実装構造体。
3. 【請求項３】 Sn−(0.1〜2.0)mass％Ag−(35〜60)mass
   ％Bi−(0.01〜1)mass％Ni−(0.001〜0.05)mass％Geはん
   だに、In:0.1〜0.5mass％、Ti:0.001〜0.02mass％、Cu:
   0.1〜0.5mass％、P:0.001〜0.1mass％の少なくとも１つ
   以上を含む鉛フリーはんだ組成、及び該はんだで接続
   し、基板に実装したことを特徴とする鉛フリーはんだ組
   成及びそれを用いた実装構造体。
4. 【請求項４】 請求項１、２、３において、Bi量を40〜
   50mass％とした鉛フリーはんだ組成、及び該はんだで接
   続し、基板に実装したことを特徴とする鉛フリーはんだ
   組成及びそれを用いた実装構造体。
5. 【請求項５】請求項１、２、３において、Ag量を0.5〜
   1.0mass％、Bi量を40〜50mass％とした鉛フリーはんだ
   組成、及び該はんだで接続し、基板に実装したことを特
   徴とする鉛フリーはんだ組成及びそれを用いた実装構造
   体。
6. 【請求項６】 基板表面をSn−(0〜4.0)mass％Ag−(0〜
   2)mass％Cu−(0〜7.5)mass％Bi−(0〜8)mass％Inで表面
   実装し、該基板の裏面を請求項１乃至５のはんだでフロ
   ーはんだ付けしたことを特徴とする実装構造体。
7. 【請求項７】 BGA、CSP、WPPのLSIはんだバンプ接続に
   おいて、請求項１乃至６のいずれかのはんだ組成を用い
   たことを特徴とする鉛フリーはんだ実装構造体。