JP2002537120A - Ｐｃｂ製造における無鉛はんだ用合金粉末ペーストの使用 - Google Patents
Ｐｃｂ製造における無鉛はんだ用合金粉末ペーストの使用Info
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Abstract
(57)【要約】
合金ペースト形状のはんだ合金を、粉末形状で利用される低融解合金、特にＢｉ−含有合金と混合することにより、はんだ合金、特に、無鉛はんだ合金のチップ立ちの頻度とリフローピーク温度を効果的に低下させ得ることが見出された。
Description
【０００１】 （技術分野） 本発明は、プリント回路基板（ＰＣＢ）に構成部材をはんだ付けするためのペ
ーストにおける無鉛はんだ合金粉末の使用に関する。
ーストにおける無鉛はんだ合金粉末の使用に関する。
【０００２】 （背景技術） プリント回路基板（ＰＣＢ）に構成部材をはんだ付けする際に無鉛はんだを使
用する場合、現在使用されている共晶Ｓｎ（ＰｂＡｇ）はんだに関連して、主た
る無鉛代替物が必要とするリフロー（はんだ付け）温度の上昇から問題が生じて
いる。基本的な無鉛はんだは、スズ−銅、スズ−銀およびスズ−銀−銅の共晶に
基づいており、融点はそれぞれ２２７℃、２２１℃および２１７℃である。これ
らの合金は、適切なはんだ付けを得るために、２３０〜２４０℃の範囲の比較的
高いリフロー温度を必要とする。この範囲のリフロー温度は温度に弱い構成部材
を損なう可能性がある。このように、無鉛はんだはその明らかな利点にもかかわ
らず、電子組立品において未だに広範な適用に至っていない。
用する場合、現在使用されている共晶Ｓｎ（ＰｂＡｇ）はんだに関連して、主た
る無鉛代替物が必要とするリフロー（はんだ付け）温度の上昇から問題が生じて
いる。基本的な無鉛はんだは、スズ−銅、スズ−銀およびスズ−銀−銅の共晶に
基づいており、融点はそれぞれ２２７℃、２２１℃および２１７℃である。これ
らの合金は、適切なはんだ付けを得るために、２３０〜２４０℃の範囲の比較的
高いリフロー温度を必要とする。この範囲のリフロー温度は温度に弱い構成部材
を損なう可能性がある。このように、無鉛はんだはその明らかな利点にもかかわ
らず、電子組立品において未だに広範な適用に至っていない。
【０００３】 無鉛合金の融点を２１７℃以下に低下させ、したがってリフロー温度を低下さ
せるために、上記の無鉛はんだを、限られた量のビスマス、一般的には約１０重
量％まで、典型的には２〜５重量％のビスマスと混ぜて合金とすることが可能で
ある。実際に無鉛合金のスズの固溶体（solid solution）中にビスマスを使用す
ることにはさらに利点があり、それはビスマスが無鉛合金を強化することだと判
っている。しかし、ビスマスの添加には融解範囲を広げてしまうという欠点があ
る。冷却して行う組立において生成する熱耐張（thermal strains）は、凍結範
囲でのはんだ接合と共に、好ましくない場合には、熱亀裂を生じさせる。熱亀裂
の現象は、基板貫通孔に利用した場合に特に観察されるが、表面実装リフローは
んだ付けでは観察されず、その結果、ビスマス含有合金は多くのはんだペースト
に利用可能である。
せるために、上記の無鉛はんだを、限られた量のビスマス、一般的には約１０重
量％まで、典型的には２〜５重量％のビスマスと混ぜて合金とすることが可能で
ある。実際に無鉛合金のスズの固溶体（solid solution）中にビスマスを使用す
ることにはさらに利点があり、それはビスマスが無鉛合金を強化することだと判
っている。しかし、ビスマスの添加には融解範囲を広げてしまうという欠点があ
る。冷却して行う組立において生成する熱耐張（thermal strains）は、凍結範
囲でのはんだ接合と共に、好ましくない場合には、熱亀裂を生じさせる。熱亀裂
の現象は、基板貫通孔に利用した場合に特に観察されるが、表面実装リフローは
んだ付けでは観察されず、その結果、ビスマス含有合金は多くのはんだペースト
に利用可能である。
【０００４】 リフローはんだ付けプリント回路基板に共通して見られる欠陥は、チップ構成
部材においてその一端が他端よりも急速にはんだ付けされ、結果として表面張力
により引っ張られる場合には、構成部材が一方のパッド上に垂直となり、電気的
な不連続を生じることである。この挙動がチップ立ち（ツームストーンイング；
tombstoning）として知られるのはこのためである。鉛含有はんだを用いる現在
実用化されている方法では、融解範囲を有するはんだ合金を使用することにより
これを処理するが、無鉛はんだが関わる場合には、解決法が提案されていない。
部材においてその一端が他端よりも急速にはんだ付けされ、結果として表面張力
により引っ張られる場合には、構成部材が一方のパッド上に垂直となり、電気的
な不連続を生じることである。この挙動がチップ立ち（ツームストーンイング；
tombstoning）として知られるのはこのためである。鉛含有はんだを用いる現在
実用化されている方法では、融解範囲を有するはんだ合金を使用することにより
これを処理するが、無鉛はんだが関わる場合には、解決法が提案されていない。
【０００５】 Ｓｎ−Ａｇ−ＢｉおよびＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ合金組成物は、無鉛はんだ合
金として多く文献にされている。低融点および高融点合金粉末を併用して、低温
度で融解し、高融点で接合を形成する考え方も、多く文献となっている。しかし
、かかる融解範囲を持つ合金を使用し、チップ立ちを阻害することは知られてお
らず、文献もまだない。
金として多く文献にされている。低融点および高融点合金粉末を併用して、低温
度で融解し、高融点で接合を形成する考え方も、多く文献となっている。しかし
、かかる融解範囲を持つ合金を使用し、チップ立ちを阻害することは知られてお
らず、文献もまだない。
【０００６】 （発明の開示） 本発明者らが見出したのは、それぞれ１８３℃と１７９℃で融解するＳｎ６３
Ｐｂ３７粉末とＳｎ６２Ｐｂ３６Ａｇ２粉末の混合物で調製したはんだペースト
を、プリント回路基板上のチップ構成部材に使用した場合、驚くべきことに、予
め合金化した粉末で作製したペーストに比べ、チップ立ちの傾向を有意に低下さ
せるということであった。
Ｐｂ３７粉末とＳｎ６２Ｐｂ３６Ａｇ２粉末の混合物で調製したはんだペースト
を、プリント回路基板上のチップ構成部材に使用した場合、驚くべきことに、予
め合金化した粉末で作製したペーストに比べ、チップ立ちの傾向を有意に低下さ
せるということであった。
【０００７】 これを基礎に本発明者らが結論したことは、（無鉛）ペースト中のＳｎ４３Ｂ
ｉ５７粉末などのＳｎＢｉ合金粉末およびＳｎ９６．５Ａｇ３．８Ｃｕ０．７粉
末などのＳｎＡｇＣｕ合金粉末との混合物は、それぞれ１３８℃と２１７℃で融
解する特定の合金からなる混合物であるが、同様に抗チップ立ち効果を有し、ま
た、予め合金化した粉末を使用した場合よりも低い温度でペーストがリフローし
始めるのを可能とするということである。
ｉ５７粉末などのＳｎＢｉ合金粉末およびＳｎ９６．５Ａｇ３．８Ｃｕ０．７粉
末などのＳｎＡｇＣｕ合金粉末との混合物は、それぞれ１３８℃と２１７℃で融
解する特定の合金からなる混合物であるが、同様に抗チップ立ち効果を有し、ま
た、予め合金化した粉末を使用した場合よりも低い温度でペーストがリフローし
始めるのを可能とするということである。
【０００８】 （発明の開示） 本発明は、チップ構成部材をプリント回路基板に接合させるためのはんだペー
スト中で無鉛はんだ合金を使用する場合にチップ立ち傾向を減少させる方法であ
って、無鉛はんだペーストである第一はんだ合金粉末のペーストに、第一はんだ
合金粉末よりも融解点の低いＳｎＢｉ合金粉末を添加し、１〜１０％のビスマス
、第一はんだ合金であって０〜５％Ｃｕ、０〜１０％Ａｇおよび０〜５％Ｓｂを
含有し、残余がＳｎである合金、および０．１％の最少量で存在するＣｕ、Ａｇ
およびＳｂの少なくとも１種を含有するビスマス含有最終合金を製造することに
よりはんだペーストを形成することを含有する方法を提供する。
スト中で無鉛はんだ合金を使用する場合にチップ立ち傾向を減少させる方法であ
って、無鉛はんだペーストである第一はんだ合金粉末のペーストに、第一はんだ
合金粉末よりも融解点の低いＳｎＢｉ合金粉末を添加し、１〜１０％のビスマス
、第一はんだ合金であって０〜５％Ｃｕ、０〜１０％Ａｇおよび０〜５％Ｓｂを
含有し、残余がＳｎである合金、および０．１％の最少量で存在するＣｕ、Ａｇ
およびＳｂの少なくとも１種を含有するビスマス含有最終合金を製造することに
よりはんだペーストを形成することを含有する方法を提供する。
【０００９】 本明細書に使用されるパーセントはすべて重量を基準とする。
【００１０】 本発明者らは、さらに、より大きなサイズの粉末として存在する高融解合金よ
りも、低融解合金が微細なサイズの粉末として存在するのであれば、チップ立ち
の減少が強化されることを見出した。好ましくは、低融解点合金は粒子サイズが
主として直径２５μｍ未満である粉末形状で採用され、一方、第一はんだ合金粉
末粒子サイズは主として直径２５μｍを超えるものである。より好ましくは、低
融解点合金粒子サイズは主として１０〜２５μｍの範囲にあり、第一はんだ合金
粒子サイズは主として２０〜４５μｍである。「主として（predominantly）」
という言葉は、重量で５０％以上、好ましくは７５％以上、最も好ましくは問題
となっている合金のすべてが指定の粒子径を有することを意味する。微細低融解
粉末粒子が先ず融解して、より大きい粉末粒子の周りに液状の網目（a network
of liquid）を形成することが仮定される。この液状の網目が濡れを可能として
リフローをより容易に起こして、開始させ、そしてチップ立ちを最小化するため
に有効な融解範囲を最大化する。
りも、低融解合金が微細なサイズの粉末として存在するのであれば、チップ立ち
の減少が強化されることを見出した。好ましくは、低融解点合金は粒子サイズが
主として直径２５μｍ未満である粉末形状で採用され、一方、第一はんだ合金粉
末粒子サイズは主として直径２５μｍを超えるものである。より好ましくは、低
融解点合金粒子サイズは主として１０〜２５μｍの範囲にあり、第一はんだ合金
粒子サイズは主として２０〜４５μｍである。「主として（predominantly）」
という言葉は、重量で５０％以上、好ましくは７５％以上、最も好ましくは問題
となっている合金のすべてが指定の粒子径を有することを意味する。微細低融解
粉末粒子が先ず融解して、より大きい粉末粒子の周りに液状の網目（a network
of liquid）を形成することが仮定される。この液状の網目が濡れを可能として
リフローをより容易に起こして、開始させ、そしてチップ立ちを最小化するため
に有効な融解範囲を最大化する。
【００１１】 （発明を実施するための最良の形態） 好適な実施態様においては、３％までのＣｕ、５％までのＡｇおよび５％まで
のＳｂを含有し、残余がＳｎであり、さらに少なくとも０．１％の量で存在する
Ｃｕ、ＡｇおよびＳｂ元素の少なくとも１種を含有する原料合金が用いられる。
のＳｂを含有し、残余がＳｎであり、さらに少なくとも０．１％の量で存在する
Ｃｕ、ＡｇおよびＳｂ元素の少なくとも１種を含有する原料合金が用いられる。
【００１２】 ＳｎＢｉの粉末混和物としての使用についてのさらなる利点は、はんだペース
トにおいて、粉末の酸化物含量は良好なリフローを得るために出来るだけ低くす
る必要があるという事実から生じてくる。高スズまたはスズ−鉛はんだに、従来
法によりビスマスを添加すると、粉末表面上に形成された酸化物がスズ酸化物か
らビスマス並びにスズ含有の混合酸化物に変化する。混合酸化物はスズ酸化物よ
りも急速に生成するので、ビスマス合金はんだ粉末は非ビスマス合金はんだより
も多くの酸化物を含み、貯蔵中に急速に劣化する。粉末と混合物を用いて合金を
作製すると、全酸化物含量が低下し、その結果、より良好な貯蔵性とリフロー性
が得られる。
トにおいて、粉末の酸化物含量は良好なリフローを得るために出来るだけ低くす
る必要があるという事実から生じてくる。高スズまたはスズ−鉛はんだに、従来
法によりビスマスを添加すると、粉末表面上に形成された酸化物がスズ酸化物か
らビスマス並びにスズ含有の混合酸化物に変化する。混合酸化物はスズ酸化物よ
りも急速に生成するので、ビスマス合金はんだ粉末は非ビスマス合金はんだより
も多くの酸化物を含み、貯蔵中に急速に劣化する。粉末と混合物を用いて合金を
作製すると、全酸化物含量が低下し、その結果、より良好な貯蔵性とリフロー性
が得られる。
【００１３】 本明細書にすでに述べられていることであるが、最終的合金のＢｉ含有量は１
〜１０％であり、この量は、好ましくは、２〜６％の範囲にあり、最も好ましく
は、約５％である。１％までのＡｇ、ＣｕおよびＳｂをそれぞれビスマス含有添
加用合金に採り入れてもよく、その場合の添加用合金は、好ましくは、４０〜７
０％のＢｉを含み、残余はスズである。これら２つの因子の故に、もし１種以上
のＡｇ、ＣｕおよびＳｂが存在することになるならば、好ましくは、最終合金は
以下の分析値を示すように配慮すべきである： Ａｇ ６％まで Ｃｕ ３％まで Ｓｂ ５％まで Ｂｉ １〜１０％ Ｓｎ 残り
〜１０％であり、この量は、好ましくは、２〜６％の範囲にあり、最も好ましく
は、約５％である。１％までのＡｇ、ＣｕおよびＳｂをそれぞれビスマス含有添
加用合金に採り入れてもよく、その場合の添加用合金は、好ましくは、４０〜７
０％のＢｉを含み、残余はスズである。これら２つの因子の故に、もし１種以上
のＡｇ、ＣｕおよびＳｂが存在することになるならば、好ましくは、最終合金は
以下の分析値を示すように配慮すべきである： Ａｇ ６％まで Ｃｕ ３％まで Ｓｂ ５％まで Ｂｉ １〜１０％ Ｓｎ 残り
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ２２Ｃ 13/00 Ｃ２２Ｃ 13/00 13/02 13/02 Ｂ２３Ｋ 101:42 Ｂ２３Ｋ 101:42 (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ， ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，Ｃ Ｒ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ， ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，Ｋ Ｚ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ， ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，Ｓ Ｋ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ
Claims (9)
- 【請求項１】 チップ構成部材をプリント回路基板（PCB：printed circui
t boards）に接合させるためのはんだペースト中で無鉛はんだ合金を使用する場
合に、チップ立ち（tombstoning）傾向を減少させる方法であって、無鉛はんだ
ペーストである第一はんだ合金粉末のペーストに第一はんだ合金粉末よりも融解
点の低いＳｎＢｉ合金粉末を添加し、１〜１０％のビスマス、第一はんだ合金で
あって０〜５％Ｃｕ、０〜１０％Ａｇおよび０〜５％Ｓｂを含み、残余がＳｎで
ある合金、および０．１％の最少量で存在するＣｕ、ＡｇおよびＳｂの少なくと
も１種を含有するビスマス含有最終合金を産生させることにより使用されるはん
だペーストを形成させることを含有する方法。 - 【請求項２】 第一はんだ合金粉末が０．１〜３％Ｃｕ、０．１〜５％Ａ
ｇおよび０．１〜５％Ｓｂを含有する請求項１に記載の方法。 - 【請求項３】 第一はんだ合金粉末がＳｎＡｇ３．８Ｃｕ０．７の組成を
有する請求項１に記載の方法。 - 【請求項４】 ＳｎＢｉ合金粉末が４０〜７０％のＢｉを含有する請求項
１、２または３のいずれかに記載の方法。 - 【請求項５】 ＳｎＢｉ合金粉末がさらにＡｇ、ＣｕおよびＳｂの１種以
上を含有する請求項１、２、３または４のいずれかに記載の方法。 - 【請求項６】 最終合金が以下の分析値を示す請求項１〜５のいずれかに
記載の方法： Ａｇ ６％まで Ｃｕ ３％まで Ｓｂ ５％まで Ｂｉ １〜１０％ Ｓｎ 残り - 【請求項７】 最終合金のＢｉ含有量が２〜６％の範囲にある請求項１〜
６のいずれかに記載の方法。 - 【請求項８】 誘導基板上導体の表面に構成部材を貼付するはんだパッド
の製造に用いる請求項１〜７に記載の方法。 - 【請求項９】 低融解点合金が、粒子サイズが主として直径２５μｍ未満
である粉末形状で採用され、一方、第一はんだ合金粉末粒子サイズが主として直
径２５μｍを超えるものである請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
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