JP2002283093A

JP2002283093A - 非鉛系接合用合金

Info

Publication number: JP2002283093A
Application number: JP2001090051A
Authority: JP
Inventors: Kimihiro Tadauchi; 仁弘忠内; Izuru Komatsu; 出小松; Hiroshi Tateishi; 浩史立石; Koichi Tejima; 光一手島; Kazutaka Matsumoto; 一高松本; Masahiko Yoshiki; 昌彦吉木; Motoo Yabuki; 元央矢吹; Isao Suzuki; 功鈴木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-03-27
Filing date: 2001-03-27
Publication date: 2002-10-02

Abstract

(57)【要約】【課題】ぬれ性、材料強度等の特性が良好で、作業
性、歩留まりの高い非鉛系接続用合金を提供する。【解決手段】本発明は、亜鉛が３ｗｔ％以上１２ｗｔ
％以下含まれ、ビスマス、銀、アルミニウム、マグネシ
ウム、ニッケル、マンガン、ケイ素、銅、ジルコニウ
ム、ゲルマニウム、及びニオブよりなる群から選択され
る少なくとも１種が１ｗｔ％を超え３ｗｔ％未満含ま
れ、残部が実質的に錫からなる非鉛系接合用合金であっ
て、この非鉛系接合用合金が亜鉛相を含み、この亜鉛相
中に前記群から選択される少なくとも１種を３ｗｔ％未
満含むことを特徴とする非鉛系接合用合金を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、非鉛系接合用合金
に関する。

【０００２】

【従来の技術】ある物体と、その物体よりも融点の低い
物質を用いた接合技術としてのはんだ付けは古くから用
いられている。

【０００３】現在においても、はんだは電子機器の接合
に使用されており、実装基板における半導体、マイクロ
プロセッサー、メモリー、抵抗などの電子部品と基板と
の接合をはじめとして幅広く用いられている。

【０００４】はんだの長所は、部品を基板に固定するだ
けではなく、導電性を有する金属をはんだに含有させる
ことにより、有機系の接着剤とは異なり電気的接合も兼
ね備えている点にある。今日、パーソナルコンピュータ
ーや携帯電話などに代表されるパーソナル機器の急激な
普及が進むにつれ、電子部品の実装技術におけるはんだ
接合は、ますますその重要性が増してきている。

【０００５】はんだとして、現在最も多く用いられてい
るのは、錫と鉛を用いた共晶はんだであり、銅板に対す
るぬれ性が、他の金属混合物よりも優れているという性
質を持つ。ところがこの錫・鉛系合金に含まれる鉛は、
人体に対して有害性を有しており、現在、鉛を含まない
鉛フリーはんだの開発が急務とされている。

【０００６】鉛フリーはんだとして有望視されているの
は、現行の錫・鉛系合金の融点に近く、電子部品の熱損
傷を防ぐことの可能な錫・亜鉛系合金である。さらに、
錫・亜鉛系合金の中でも、錫・亜鉛二元合金にビスマス
を約３％添加したはんだは作業性が高く、好ましいとさ
れている。

【０００７】しかしながら、これらの材料を用いたはん
だは、ぬれ性、接合強度等の特性が未だ錫・鉛系合金に
比べて劣っており、さらなる開発が求められている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、電子
部品の接合の際に用いるはんだとして良好な特性を有す
る錫・鉛合金は、鉛に有害性があるため、好ましくな
い。鉛フリーはんだとして有望とされている、錫・亜鉛
系合金も、ぬれ性、接合強度等の特性において、未だ錫
・鉛合金に比べて劣っており、さらなる開発が求められ
る。

【０００９】これらの問題に鑑み、本発明は、ぬれ性、
材料強度等の特性の良好な錫・亜鉛系の非鉛系接合用合
金を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】そこで本発明は、亜鉛が
３ｗｔ％以上１２ｗｔ％以下含まれ、ビスマス、銀、ア
ルミニウム、マグネシウム、ニッケル、マンガン、ケイ
素、銅、ジルコニウム、ゲルマニウム、及びニオブより
なる群から選択される少なくとも１種が１ｗｔ％を超え
３ｗｔ％未満含まれ、残部が実質的に錫からなる非鉛系
接合用合金であって、この非鉛系接合用合金が亜鉛相を
含み、この亜鉛相中に前記群から選択される少なくとも
１種を３ｗｔ％未満含むことを特徴とする非鉛系接合用
合金を提供する。

【００１１】

【発明の実施の形態】ぬれ性、材料強度等の特性の良好
な非鉛系接合用合金を得る為に、本発明者らは、亜鉛を
約３ｗｔ％以上約１２ｗｔ％以下含み、ビスマス、銀、
アルミニウム、マグネシウム、ニッケル、マンガン、ケ
イ素、銅、ジルコニウム、ゲルマニウム、及びニオブよ
りなる群から選択される少なくとも１種を約１ｗｔ％を
超え約３ｗｔ％未満含み、残部が実質的に錫からなる非
鉛系接合用合金であって、この非鉛系接合用合金が亜鉛
を主成分とする領域である亜鉛相を含み、この亜鉛相が
上記の群から選択される少なくとも１種を約３ｗｔ％未
満含むことが好ましいことを見出した。

【００１２】本発明の非鉛系接合用合金には、２つのタ
イプがある。

【００１３】第１のタイプは、亜鉛を約３ｗｔ％以上約
１２ｗｔ％以下含み、ビスマス、マグネシウムから選択
される少なくとも１種を約１ｗｔ％を超え約３ｗｔ％未
満含み、残部が実質的に錫からなる非鉛系接合用合金で
あって、この非鉛系接合用合金が亜鉛相を含み、この亜
鉛相がビスマス、マグネシウムから選択される少なくと
も１種を約３ｗｔ％未満含むものである。

【００１４】錫・亜鉛系の非鉛系接合用合金に、ビスマ
ス、マグネシウムを添加した場合は、錫の中にビスマ
ス、マグネシウムが固溶し、表面張力が低下する。ま
た、ビスマス、マグネシウムは融点が低く、これらを含
んだ非鉛系接合用合金は溶解の速度が上昇する。これら
のことにより、ぬれ広がりの速度が増大し、良好なぬれ
性を有する非鉛系接合用合金を得ることが出来る。

【００１５】図１は、錫・亜鉛系の非鉛系接合用合金に
ビスマスを添加した場合の、ビスマスの添加量に対する
この合金のぬれ時間、及びはんだ接合後の不良発生率を
示す特性図である。ただし、この非鉛系接合用合金の亜
鉛濃度を約９ｗｔ％とし、亜鉛、ビスマス以外は実質的
に錫からなるものとする。図１に示すように、非鉛系接
合用合金にビスマスを添加した場合、ビスマスの添加量
が約１ｗｔ％を超えると、ビスマスが錫中に固溶するこ
とから表面張力が低下し、この合金を加熱した際のぬれ
時間が短くなる。約１ｗｔ％以下では、ビスマスを添加
した効果が十分に現れずにこの合金のぬれ時間が長くな
り、好ましくない。これは、ビスマスを用いる代わりに
マグネシウムを用いた場合も同様である。

【００１６】また、図１に示すように、この錫・亜鉛系
合金に対するビスマスの添加量を約３ｗｔ％以上とする
と、この非鉛系接合用合金を用いたはんだ接合後の不良
発生率が上昇するために歩留まりが低下し、好ましくな
い。これは、ビスマスの脆性が高い為に、高濃度の添加
を行うと、不良発生率が上昇するのである。

【００１７】一般に多結晶の場合、結晶粒界を挟んで両
側の結晶方位が異なるためすべり面が不連続になり、転
移の運動が結晶粒界で阻止されて、単結晶とは異なる塑
性挙動を示すようになる。そして、多結晶の場合、結晶
粒界では原子配列が大きく乱れ、隙間も多いことから拡
散が起こりやすく、強度に対して弱化の効果をもたら
す。本発明のようにビスマスの約３ｗｔ％未満の添加
は、組織の微細化をもたらし強度を改善するが、約３ｗ
ｔ％以上の多量の添加は組織に脆さをもたらすことから
粒子そのものの歩留まりの低下をもたらす。これは、ビ
スマスを用いる代わりにマグネシウムを用いた場合も同
様である。第２のタイプは、亜鉛を約３ｗｔ％以上約１
２ｗｔ％以下含み、銀、アルミニウム、ニッケル、マン
ガン、ケイ素、銅、ジルコニウム、ゲルマニウム、及び
ニオブよりなる群から選択される少なくとも１種を約１
ｗｔ％を超え約３ｗｔ％未満含み、残部が実質的に錫か
らなる非鉛系接合用合金であって、この非鉛系接合用合
金が亜鉛相を含み、この亜鉛相が上記の群から選択され
る少なくとも１種を約３ｗｔ％以下含むものである。上
記の群から選択される少なくとも１種を添加した場合に
は、この非鉛系接合用合金の結晶組織が緻密になること
から、接合強度が上昇し、良好な特性を有する非鉛系接
合用合金を得ることが出来る。

【００１８】ただし、銀、アルミニウム、ニッケル、マ
ンガン、ケイ素、銅、ジルコニウム、ゲルマニウム、及
びニオブよりなる群から選択される少なくとも１種を添
加する場合も、添加量が約１ｗｔ％以下では、これらが
錫中に固溶して結晶組織を緻密にする、十分な効果を得
ることが出来ない。また、添加量を約３ｗｔ％以上とす
ると、これらが非鉛系接合用合金の融点を上昇させる為
に、接合温度が高くなり接合の際に電子部品等を傷める
可能性があり、好ましくない。

【００１９】また、第１のタイプ、第２のタイプの双方
において、これらの非鉛系接合用合金の結晶構造は、図
２の模式図に示すように、亜鉛を主成分とする針状（棒
状）組織である亜鉛相２１の周りを合金相２２が取り囲
む、共晶組織に似た構造を示す。本発明においては、こ
の亜鉛相２１中のビスマス、銀、アルミニウム、マグネ
シウム、ニッケル、マンガン、ケイ素、銅、ジルコニウ
ム、ゲルマニウム、及びニオブよりなる群から選択され
る少なくとも１種の濃度を約３ｗｔ％以下とすることが
望ましい。上記の群から選択される少なくとも１種は、
錫中に固溶することにより表面張力の低下、結晶組織の
緻密化等の効果が得られるものであり、亜鉛相２１中に
これらが含まれることは好ましくない。従って、亜鉛相
２１中のこれらの濃度が約３ｗｔ％以上であると、合金
相２２中に固溶するこれらの量が少ない為、上述したよ
うな、表面張力を低下させる、結晶組織を緻密にする等
の効果を得ることが困難になる。

【００２０】以下に、本発明の各実施形態を詳細に説明
するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるもので
はない。

【００２１】（第１の実施形態）本発明の第１の実施形
態について説明する。本実施形態の非鉛系接合用合金
は、亜鉛及び錫を主成分とし、ビスマスを約２．０ｗｔ
％添加するものである。

【００２２】本実施形態の非鉛系接合用合金を、製造方
法に沿って説明する。

【００２３】はんだ溶融槽内に、極低酸素状態において
作成した、錫が約８８．９ｗｔ％以上、亜鉛が約９．０
ｗｔ％、ビスマスが約２．０ｗｔ％、その他の不可避な
成分が約０．１ｗｔ％未満の組成比である合金を入れ、
はんだ溶融槽の外壁に巻きつけたヒーターを用いて加熱
する。はんだ溶融槽内の温度が約２２０℃に達したとこ
ろで保持し、完全に固形物を溶融させる。この合金が溶
融した時点で、すばやく表層部にＨｏｔＡｉｒＬｅ
ｖｅｌｉｎｇ（ＨＡＬ）処理用のフラックスとして、メ
ック社製のＷ−２７０４を用いて、数ｍｍ程度の厚さと
なるよう被覆し、溶融物と大気が接触しないようにす
る。

【００２４】次に、溶融物を、常に一定量が滞留可能と
なるようなセル中に導き、約１ｋＨｚの弾性波をこの溶
融物に印加しながら、セルの下部に直結したノズルか
ら、一定間隔で噴射する。溶融物は、重力の作用でノズ
ルの下方にある鉱油が満たされた冷却槽内に落下する。
この冷却槽内に満たされた鉱油は、冷却槽上部では約２
２０℃の温度に、また最下部は常温に保たれており、溶
融物は冷却槽中を沈殿しながら球体化し、最下部に達し
たところで完全に固化する。得られた粒子５０個の平均
粒径は約２５μｍ〜約４５μｍであった。

【００２５】冷却後、固化した粒子に対し、オージェ電
子分光法による深さ方向の解析を、粒子の中心軸につい
て約８００ｎｍの深さまで実施した。その結果、図３の
断面図に示すように、この粒子の最表面に約１２ｎｍの
厚さの酸化層３１が、この酸化層３１の直下に約１０ｎ
ｍの厚さのビスマスが濃化した濃化層３２が形成され、
さらにこの濃化層３２の内側に錫と亜鉛とビスマスがほ
ぼ一定の割合で存在している錫・亜鉛・ビスマス合金層
３３が存在していることが分かった。ビスマスが亜鉛よ
りも酸素親和力が高いことから、この濃化層３２は亜鉛
と酸素との結びつきを抑制し、酸化層３１を薄くする。

【００２６】さらに、この粒子の酸化層３１の表面に
は、わずかな炭素の付着があり、大気中から他の成分が
内部へ浸透するのを防いでいるのが分かった。また、酸
化層３１も、これより内部へ酸素が浸透するのを防いで
いる。

【００２７】次に、得られた粒子を用いフラックスと混
合して、錫・亜鉛・ビスマスソルダーペーストを作成す
る。フラックスとしては、重合ロジン（松脂）約４６重
量部、溶剤（主成分：テルピネオール）約４４．５重量
部、硬化ヒマシ油（チキソ剤）約８重量部、活性剤（主
成分：ジフェニルグアニジン臭化水素酸塩）約０．９重
量部、パルミチン酸約０．３重量部及びエチルアミン塩
酸塩約０．３重量部とを混合しながら加熱した後に冷却
して調製すれば良い。

【００２８】このソルダーペーストを、ステンレス製の
スクリーンを用いて、以下の仕様の基板に約１５０μｍ
の厚さとなるよう印刷した後、ＱＦＰをマウントし、従
来と同様にピーク温度を約２３０℃としてリフローす
る。

【００２９】 [基板仕様] 片面実装評価用ガラエポ基板寸法：約１８０ｍｍ×約２００ｍｍ×約１．６ｍｍ電極：銅メッキプリフラックス塗布電極パターン：２５ｐｉｎ×４ＱＦＰ対応パターンパッドピッチ：約０．５ｍｍ基板搬送スピード：約０．８ｍ／ｍｉｎその結果、ブリッジやはんだボールもなく、はんだ付け
することが出来た。また、はんだ付けの後、測定数を１
０として、ＱＦＰのピンの接合強度を測定したところ、
本実施形態においては、従来の錫・鉛共晶ソルダーペー
ストにより実装した場合と比較して作業性は同等であ
り、接合強度は錫・鉛共晶ソルダーペーストの場合の、
約１．２倍から約１．４倍の値を有していた。

【００３０】これらのことから、本実施形態により、接
合強度が大きく、歩留まりが高く、ぬれ広がりの向上し
た、作業性の高い非鉛系接続用合金を提供することが可
能となる。

【００３１】（第２の実施形態）本発明の第２の実施形
態について説明する。本実施形態の非鉛系接合用合金
は、第１の実施形態と同様の組成の金属、方法を用い
て、同様に粒子を形成するが、これらの金属を溶融した
後に粒子を形成する際の、ノズルからの噴射の条件を第
１の実施形態とは異なるものとし、この粒子の粒径の平
均値を、約７６０μｍとする。また、この粒子の断面
は、第１の実施形態と同様、図３のように示される。

【００３２】本実施形態において、非鉛系接合用合金の
粒子を用いて接合を行う方法としては、ＣＳＰ用のパッ
ケージの、あらかじめフラックスを塗布した電極上にこ
の粒子をのせ、従来と同様、ピーク温度を約２３０℃と
してリフローする。

【００３３】その結果、ブリッジやはんだボールもな
く、はんだ付けすることが出来た。また、はんだ付けの
後、測定数を５として、ピンの接合強度を測定したとこ
ろ、本実施形態においては、従来の錫・鉛共晶はんだ粒
子により実装した場合と比較して作業性は同等であり、
接合強度は錫・鉛共晶はんだ粒子の場合の、約１．０倍
から約１．２倍の値を有していた。

【００３４】これらのことから、本実施形態において
も、接合強度が大きく、歩留まりが高く、ぬれ広がりの
向上した、作業性の高い非鉛系接続用合金を提供するこ
とが可能であるといえる。

【００３５】（第３の実施形態）本発明の第３の実施形
態について説明する。本実施形態の非鉛系接合用合金
は、亜鉛及び錫を主成分とし、ケイ素を約１．５ｗｔ％
添加したものである。

【００３６】本実施形態の非鉛系接合用合金は、ビスマ
スではなくケイ素を添加する点が第１の実施形態とは異
なるものであり、この合金の組成比を、錫を約８９．４
ｗｔ％以上、亜鉛を約９．０ｗｔ％、ケイ素を約１．５
ｗｔ％、その他の不可避な成分を約０．１ｗｔ％未満と
して、第１の実施形態と同様の方法を用いて粒子を形成
する。その際、これらの金属を溶融した後に粒子を形成
する際の、ノズルからの噴射の条件を第１の実施形態と
は異なるものとし、この粒子の粒径の平均値を、約７６
０μｍとする。

【００３７】また、この粒子の断面構造は、第１の実施
形態と同様、図３のように示されるが、図３において酸
化層３１の直下に形成されるのはケイ素の濃化した濃化
層３２である。さらに、この粒子の酸化層３１の厚さは
約１２ｎｍであり、濃化層３２の厚さは約８ｎｍであっ
た。また、本実施形態においても、酸化層３１の直下に
亜鉛よりも酸素との親和力が大きいケイ素の濃化層３２
が形成されることから、この濃化層３２が亜鉛と酸素と
の結びつきを抑制して、酸化層３１の厚さが薄くなる。

【００３８】本実施形態において、非鉛系接合用合金の
粒子を用いて接合を行う方法としては、ＣＳＰ用のパッ
ケージの、あらかじめフラックスを塗布した電極上にこ
の粒子をのせ、従来と同様、ピーク温度を約２３０℃と
してリフローする。

【００３９】その結果、ブリッジやはんだボールもな
く、はんだ付けすることが出来た。また、はんだ付けの
後、測定数を５として、ピンの接合強度を測定したとこ
ろ、本実施形態においては、従来の錫・鉛共晶はんだ粒
子により実装した場合と比較して作業性は同等であり、
接合強度は錫・鉛共晶はんだ粒子の場合の、約１．０倍
から約１．２倍の値を有していた。

【００４０】これらのことから、本実施形態において
も、接合強度が大きく、歩留まりが高く、ぬれ広がりの
向上した、作業性の高い非鉛系接続用合金を提供するこ
とが可能であるといえる。

【００４１】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によって、
ぬれ性、材料強度等の特性が良好で、作業性、歩留まり
の高い非鉛系接続用合金を提供することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の非鉛系接合用合金の特性図である。

【図２】本発明の非鉛系接合用合金の粒子内部の模式
図である。

【図３】本発明の非鉛系接合用合金の粒子の断面の模
式図である。

【符号の説明】

２１…亜鉛相２２…合金相２３…結晶粒界３１…酸化層３２…濃化層３３…錫・亜鉛・ビスマス合金層

フロントページの続き (72)発明者立石浩史神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者手島光一神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者松本一高神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者吉木昌彦神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者矢吹元央神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者鈴木功神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】亜鉛が３ｗｔ％以上１２ｗｔ％以下含ま
れ、ビスマス、銀、アルミニウム、マグネシウム、ニッ
ケル、マンガン、ケイ素、銅、ジルコニウム、ゲルマニ
ウム、及びニオブよりなる群から選択される少なくとも
１種が１ｗｔ％を超え３ｗｔ％未満含まれ、残部が実質
的に錫からなる非鉛系接合用合金であって、この非鉛系
接合用合金が亜鉛相を含み、この亜鉛相中に前記群から
選択される少なくとも１種を３ｗｔ％未満含むことを特
徴とする非鉛系接合用合金。