JP2003112285A - ソルダーペースト - Google Patents

ソルダーペースト

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JP2003112285A
JP2003112285A JP2001305017A JP2001305017A JP2003112285A JP 2003112285 A JP2003112285 A JP 2003112285A JP 2001305017 A JP2001305017 A JP 2001305017A JP 2001305017 A JP2001305017 A JP 2001305017A JP 2003112285 A JP2003112285 A JP 2003112285A
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solder
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alloy
lead
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Takashi Nagashima
貴志 長嶋
Masahiko Hirata
昌彦 平田
Hisahiko Yoshida
久彦 吉田
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 SnとZnを含む鉛フリーはんだ粉末を使用
して、はんだと部品や基板の銅との間で形成される金属
間化合物の成長を抑制し、接続信頼性が低下しないソル
ダーペーストを提供する。 【解決手段】 SnとZnを含むソルダーペーストに合
金膜で覆われたZnと金属間化合物を形成する金属粉
末、亜鉛と金属間化合物を形成する元素を含む金属間化
合物、Znと金属間化合物を形成する元素を含む合金粉
末を添加する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、テレビ、パーソナ
ルコンピュータ、オーティオ、ビデオ、炊飯器、冷蔵庫
等の電子機器の回路基板に部品等を接続するために、S
nとZnを含む鉛フリーはんだ合金を用い、従来のSn
−Pb共晶はんだと同等以上の信頼性を有するはんだ付
けを提供するためのソルダーペーストに関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】電子機器の回路基板のはんだ付けに用い
られるはんだとしては、Sn、Pbより構成されるはん
だ(以下Sn−Pb系はんだ)が一般的であり、古来よ
り長い間使用されてきた。Sn−Pb系はんだは、共晶
組成(63Sn−Pb)の融点が183℃という低いも
のであり、そのはんだ付け温度は220〜230℃とい
う熱に弱い電子部品に対しては熱損傷を与えることがな
い温度である。
【0003】しかもSn−Pb系はんだは、はんだ付け
時に直ぐに凝固して、はんだ付け接合部に振動や衝撃が
加わってもヒビ割れや剥離を起こさないという優れた特
長も有している。
【0004】一般に、テレビ、パーソナルコンピュー
タ、オーティオ、ビデオ、炊飯器、冷蔵庫等の電子機器
は、故障したり、古くなって使い勝手が悪くなったりし
た場合は廃棄処分される。これらの電子機器は、外装や
プリント基板がプラスチックのような合成樹脂であり、
また導体部やフレームが金属製であるため、焼却処分で
きず、ほとんど地中に埋められている。
【0005】ところで近年、ガソリン、重油等の石化燃
料の多用により、大気中に硫黄酸化物が大量に放出さ
れ、その結果、地上に降る雨は酸性雨となっている。酸
性雨は地中に埋められた電子機器の回路基板のはんだを
溶出させて地下に染み込み、地下水を汚染するようにな
る。
【0006】このように鉛を含んだ地下水を長年飲用し
ていると、人体に鉛分が蓄積され、鉛中毒を起こす虞が
出てくる。このような機運から、電子機器業界では鉛を
含まないはんだ、所謂「鉛フリーはんだ」の出現が望ま
れてきておりSn−Pbはんだの代替材料を開発するこ
とが急務となっている。
【0007】QFP(クワッドフラットパッケージ)や
BGA(ボールグリッドアレイ)などの電子部品の接合
にはSn−Pb系はんだが広く用いられてきた。しか
し、鉛を含有するため廃棄された場合環境に悪影響を及
ぼすため、電子部品の接合に鉛フリーはんだの使用が考
えられている。
【0008】従来、鉛フリーはんだとしてSn主成分の
Sn、Agより構成されるはんだ(以下Sn−Ag系は
んだ)やSn、Sbより構成されるはんだ(以下Sn−
Sb系はんだ)、Sn、Znより構成されるはんだ(以
下Sn−Zn系はんだ)等はあった。
【0009】Sn−Ag系はんだは、最も溶融温度の低
い組成がSn−3.5Agの共晶組成であり、その溶融
温度は221℃である。この組成のはんだのはんだ付け
温度は260〜270℃というかなり高い温度となる。
【0010】また、Sn−Sb系はんだは、最も溶融温
度の低い組成がSn−5Sbであるが、この組成の溶融
温度は、固相線温度が235℃、液相線温度が240℃
という高い温度であるため、はんだ付け温度は、上述S
n−3.5Agはんだよりもさらに高い280〜300
℃となる。
【0011】Sn−Zn系はんだは、共晶組成がSn−
9Znでその共晶温度が199℃であり、溶融温度が従
来の63Sn−Pb共晶はんだの共晶温度183℃に近
いという温度的な優位性を有している。またSn−Zn
系はんだはSn−Pb系はんだよりも機械的強度に優れ
ているものである。
【0012】Sn−Zn系はんだを使用してQFPやB
GAなどの部品をはんだ付けする場合はSn−Pb系は
んだよりもわずかながら高い温度ではんだ付けする必要
がある。そのためSn−Zn系はんだにBiを添加し溶
融温度を下げたはんだ(以下Sn−Zn−Bi系はん
だ)の開発が行われている。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Sn−
Zn系はんだでBGAやQFPなどの部品をはんだ付け
した電子、電気機器を使用すると部品の発熱などにより
はんだ付け部が高温にさらされるため、Znが部品や基
板の銅の表面に拡散してCuZnの金属間化合物を形成
し銅表面に当該金属間化合物の形成が進行していく。
【0014】そのため機器の使用時間の経過とともに前
記金属間化合物が成長しその部分は脆性を示すため、応
力負荷に対して強度が低下し接続信頼性を損なうのであ
る。
【0015】したがって、Sn−Zn系はんだにおいて
は、はんだ付け後の電子、電気機器の使用により、はん
だと部品や基板の銅との間で前記金属間化合物の形成が
進行し、接続信頼性が時間経過とともに低下するという
問題が生じるのである。
【0016】本発明は、SnとZnを含む鉛フリーはん
だ粉末を有するソルダーペーストにおいて、前記金属間
化合物の成長を抑制し時間経過とともに劣化する接続信
頼性の低下を抑制することを目的とするものである。
【0017】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明は、SnとZnを含む鉛フリーはんだ合金の粉末
とフラックスとから構成されるソルダーペーストにおい
て、合金膜で覆われたZnと金属間化合物を形成する金
属粉末、Znと金属間化合物を形成する元素を含む金属
間化合物、Znと金属間化合物を形成する元素を含む合
金粉末を添加することにより、部品や基板の銅表面に形
成される前記金属間化合物の成長を抑制し、接続信頼性
の高いはんだ付けが達成できる。
【0018】本発明における前記合金膜としては、Sn
−Cu、Sn−Ag、Sn−Biが好ましく、前記金属
粉末としては、Cu、Fe、Ni、Au、Agが適当で
ある。
【0019】さらに前記金属間化合物としては、CuS
n、NiSn、AuSn、AgSnが好ましい。また前
記合金粉末とて、Sn−Cu、Fe−Ni、Sn−N
i、Sn−Au、Sn−Agが適当である。
【0020】
【発明の実施の形態】はんだ合金の粉末としては、粒径
20〜45μm程度のものが適当である。フラックスは
通常使用されているソルダーペーストのフラックスを使
用することができる。合金膜で覆われたZnと金属間化
合物を形成する金属粉末、Znと金属間化合物を形成す
る元素を含む金属間化合物、Znと金属間化合物を形成
する元素を含む合金粉末を添加する。
【0021】合金膜で覆われたZnと金属間化合物を形
成する金属粉末、Znと金属間化合物を形成する元素を
含む金属間化合物、Znと金属間化合物を形成する元素
を含む合金粉末は粒径が10μm以下のものが適当であ
る。はんだ合金とフラックスの混合比率ははんだ合金8
0〜91重量%に対しフラックス20〜9重量%が適当
である。
【0022】合金膜で覆われたZnと金属間化合物を形
成する金属粉末を添加すると、はんだ付けした後の接合
部に添加した金属粉末が均等に分散しているので、Zn
がこの金属粉末と反応を起こすため、部品や基板の銅と
の反応を抑制するため接続信頼性の低下を抑制すること
ができる。また金属粉末を合金膜で覆う理由は、Znの
反応性が高いため、金属粉末を直接ソルダーペーストに
添加してしまうとZnと金属粉末がはんだ付けする前に
反応し凝固してしまうからである。
【0023】Znと金属間化合物を形成する元素を含む
金属間化合物を添加すると、はんだ付けした後のはんだ
中に添加した金属間化合物が均等に分散している。添加
した金属間化合物よりもZnとの金属間化合物のほうが
安定であるため、Znは分散された金属間化合物中の元
素と反応し新たにZnとの金属間化合物を形成する。そ
のためZnの拡散を抑え部品や基板の銅との反応を遅ら
せるため接続信頼性の低下を抑制することができる。
【0024】Znと金属間化合物を形成する元素を含む
合金粉末を添加すると、はんだ付けした時、添加した合
金ははんだと溶融一体化するため合金を構成する元素は
均等に分散する。分散した元素はZnとの金属間化合物
を形成するため、部品や基板の銅との反応を抑制するた
め接続信頼性の低下を抑制することができる。
【0025】
【実施例】実施例1 ○はんだ Sn 89重量% Zn 8重量% Bi 3重量% ○金属間化合物を形成する金属粉末 Cu 0.5重量% 実施例2 ○はんだ Sn 89重量% Zn 8重量% Bi 3重量% ○Znと金属間化合物を形成する元素を含む金属間化合
物 Cu6Sn5 0.5重量% (なおCu6Sn5は、Cuが6原子、Snが5原子で
1分子となる意味である。) 実施例3 ○はんだ Sn 89重量% Zn 8重量% Bi 3重量% ○Znと金属間化合物を形成する元素を含む合金粉末 合金組成 Sn 99.3重量% Cu 0.7重量% 添加量 1.0重量% 比較例1 ○はんだ Sn 89重量% Zn 8重量% Bi 3重量% 上記実施例と比較例のソルダーペーストを作製し、試験
基板を試作し、信頼性評価を行う。試験基板は、プリン
ト配線板として、材質がガラスエポキシではんだ付けす
るランド部がCuめっきであり、厚み180μmでエッ
チングにより開口部を有するメタルマスクで金属スキー
ジにてソルダーペーストを印刷する。
【0026】部品は、樹脂封止リードフレーム付半導体
パッケージで、0.8mmピッチ84ピンでリードフレ
ームがCuである半導体であり、ソルダーペーストを印
刷したランド部にマウントし、大気熱風リフロー炉を用
いて、はんだ付け部の最高温度が220℃、になるよう
設定しはんだを溶融させ接合する。
【0027】試作した試験基板を125℃の高温槽に投
入し1000時間経過した時のリードフレームがはんだ
から剥離されるときの1ピンあたりの強度および基板の
銅箔表面形成される金属間化合物層の厚みをした。
【0028】試験結果を表1に示す。
【0029】
【表1】
【0030】比較例では高温放置1000時間経過後に
金属間化合物の厚みが大幅に増加しており強度も低下し
ている。しかし合金膜で覆われたZnと金属間化合物を
形成する金属粉末、Znと金属間化合物を形成する元素
を含む金属間化合物、Znと金属間化合物を形成する元
素を含む合金粉末を添加した実施例においては、銅箔表
面に形成される金属間化合物の成長もほとんどなく、強
度低下もみられない。
【0031】
【発明の効果】本発明によれば、はんだ付けした後に電
子、電気機器を使用時に部品の発熱などによりはんだ付
け部が高温にさらされても、部品や基板の銅の表面にC
uZnの金属間化合物が進行することなく、接続信頼性
が低下することがない。
【0032】また、本発明を用いればソルダーペースト
中にPbを含まないため人や環境に対して有害でなく安
全である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉田 久彦 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 AA01 AC01 AC17 BB05 BB08 CC33

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 SnとZnを含む鉛フリーはんだ合金の
    粉末とフラックスから構成されるソルダーペーストにお
    いて、合金膜で覆われたZnと金属間化合物を形成する
    金属粉末を添加したことを特徴とするソルダーペース
    ト。
  2. 【請求項2】 前記合金膜がSn−Cu、Sn−Ag、
    Sn−Biであることを特徴とする、請求項1に記載の
    ソルダーペースト。
  3. 【請求項3】 前記金属粉末がCu、Fe、Ni、A
    u、Agであることを特徴とする、請求項1に記載のソ
    ルダーペースト。
  4. 【請求項4】 SnとZnを含む鉛フリーはんだ合金の
    粉末とフラックスから構成されるソルダーペーストにお
    いて、Znと金属間化合物を形成する元素を含む金属間
    化合物を添加したことを特徴とするソルダーペースト。
  5. 【請求項5】 前記金属間化合物が、CuSn、NiS
    n、AuSn、AgSnであることを特徴とする請求項
    4に記載のソルダーペースト。
  6. 【請求項6】 SnとZnを含む鉛フリーはんだ合金の
    粉末とフラックスから構成されるソルダーペーストにお
    いて、Znと金属間化合物を形成する元素を含む合金粉
    末を添加したことを特徴とするソルダーペースト。
  7. 【請求項7】 前記合金粉末が、Sn−Cu、Fe−N
    i、Sn−Ni、Sn−Au、Sn−Agであることを
    特徴とする請求項6に記載のソルダーペースト。
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