JP2003200288A - Pb-FREE SOLDER MATERIAL AND ELECTRONIC APPARATUS USING THE SAME - Google Patents

Pb-FREE SOLDER MATERIAL AND ELECTRONIC APPARATUS USING THE SAME

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JP2003200288A
JP2003200288A JP2002340281A JP2002340281A JP2003200288A JP 2003200288 A JP2003200288 A JP 2003200288A JP 2002340281 A JP2002340281 A JP 2002340281A JP 2002340281 A JP2002340281 A JP 2002340281A JP 2003200288 A JP2003200288 A JP 2003200288A
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Tasao Soga
太佐男 曽我
Tetsuya Nakatsuka
哲也 中塚
Toshiharu Ishida
寿治 石田
Masahide Harada
正英 原田
Megumi Hamano
恵 浜野
Kenichi Yamamoto
健一 山本
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide Pb-free solder having the characteristics approximately the same as those of the conventional solder containing Pb and packaged parts using the same. <P>SOLUTION: The purposes can be achieved by the Sn-Ag-Bi-base solder composed of 10 to 25 wt.% Bi, 1.5 to 3 wt.% Ag and the balance Sn and inevitable impurities or the Sn-Ag-Bi-Cu-base solder alloy containing ≤1 wt.% Cu in this solder alloy, and further preferably Sn-Ag-Bi-Cu-base solder alloy containing ≤0.1 wt.% Cu. The ternary eutectic amount to melt the solder alloy of the above ranges at a low temperature is ≤20%. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、毒性の少ないPb
フリーはんだ合金及びこれを用いた実装品に関するもの
である。このはんだ合金は、有機基板等の回路基板への
LSI等の電子部品の接続に適用でき、従来の220〜
230℃でのはんだ付けに用いられているPbーSn共
晶はんだの代替品である。 【0002】 【従来の技術】従来、有機基板等の回路基板にLSI等
の電子部品を接続して電子回路基板の製造するには、S
n−Pb共晶はんだ、及びこのSn−Pb共晶はんだ近
傍で、融点も類似なSn−Pbはんだ、或いは、これら
に少量のBiやAgを添加したはんだ合金が用いられて
いる。 【0003】これらのはんだには、Pbが約40重量%
含まれている。いずれのはんだ合金も、融点はほぼ18
3℃であり、220〜230℃でのはんだ付けが可能で
あった。また、150℃程度の高温での信頼性を保証す
ることができた。 【0004】 【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のSn−
Pb共晶はんだ中に含まれているPbは人体に有毒な重
金属であり、このPbを含む製品を廃棄することによる
地球環境の汚染、生物への悪影響が問題となっている。
この地球環境の汚染は、野ざらしに放置されたPbを含
む電気製品から、雨等によってPbが溶出することによ
って起こる。Pbの溶出は、最近の酸性雨によって加速
される傾向にある。従って、環境汚染を低減するため
に、大量に使用されている上記のSn−Pb共晶系はん
だの代替材料としてPbを含まない低毒性のはんだ合金
が必要である。 【0005】このSn−Pb共晶はんだの代替材料とし
てのPbフリーはんだ合金は、以下のような特性を持た
なければならない。 【0006】まず、従来のSn−Pb共晶はんだと同様
に220〜230℃での温度ではんだ付けが可能でなけ
ればならない。これは、LSI等の電子部品、及び有機
基板等の回路基板の耐熱性から、これ以上の温度でのは
んだ付けが困難なためである。このために、はんだ合金
の液相線温度はほぼ210℃以下でなけらばならない。 【0007】また、このはんだ合金のぬれ性は、Sn−
Pb共晶はんだ、あるいは従来の使用実績のあるSn−
Ag共晶はんだ(3.5重量%のAg、残りSnのはん
だ)とほぼ同等である必要がある。もしこのPbフリー
はんだが、従来のはんだと比較して、表面の酸化等によ
りぬれ性が極端に悪いと、はんだ付け雰囲気の改善、は
んだ材料に適したフラックス、洗浄材料、及び洗浄方法
の開発、はんだ付けされる電極部の材料開発等の大きな
課題を生じてしまう。 【0008】はんだ組織としては、クラック進展のきっ
かけになりうる針状等の高アスペクト比の大きな結晶
が、存在しないことが重要である。これらの針状の結晶
がはんだ表面から成長すると、電気的な短絡を起こして
しまうこともある。 【0009】また、できるだけ高温、即ち、150℃、
少なくとも125℃での信頼性を確保できなければなら
ない。これは、電気製品の使用時では、部品自体の発
熱、或いは使用環境が高温であることにより、はんだ接
続部の温度が上昇する場合があるためである。 【0010】また、はんだ合金の伸びは、電子部品、回
路基板間の熱膨張の不一致に適用するために重要であ
る。従って、上記の様な特性を持つPbフリーはんだ合
金が必要である。 【0011】しかし、この様なPbフリーはんだ合金は
今まで提供されていない。2元合金であるSn−Ag共
晶はんだ、或いはSn−Bi共晶はんだはPbフリーは
んだであり、階層接続用のはんだとして使用されている
が、融点はそれぞれ221℃、138℃であり、前者は
240℃程度のはんだ付け温度が必要であり、また、後
者は高温での信頼性を確保することが難しい。また、S
n−Zn系はんだはSn−Zn共晶はんだの融点が19
9℃であるため、融点的にはSn−Pb共晶はんだの代
替材料として有力であるが、Znの酸化のために、大気
中で十分なぬれ性を確保することが難しかった。 【0012】また、特開平7−1179号公報、或いは
特開平7ー88680号公報に記載されている様なPb
フリーはんだ合金もあるが、前者は融点が約138℃近
辺であり、後者は220〜230℃でのはんだ付けは困
難であり、両者ともSn−Pb共晶はんだの代替材料に
はなり得なかった。 【0013】従って、本発明の目的は、前述の条件を満
たしたPbフリーはんだ及びこれを用いた実装品を提供
することにある。 【0014】 【課題を解決するための手段】上記目的は、10重量%
〜25重量%のBi、1.5重量%〜3重量%のAg、
残りSn、及び不可避不純物で構成されるSn−Ag−
Bi系はんだ、或いは、このはんだ合金にCuを1重量
%未満含んだSn−Ag−BiーCu系はんだ合金、更
に望ましくはCuを0.1重量%未満含んだSn−Ag
−BiーCu系はんだ合金によって達成することができ
る。これらの範囲のはんだ合金の低温で溶融する3元共
晶量は、20%以下である。 【0015】以下に、本発明のはんだ合金を選定した理
由を説明する。 【0016】Biが0〜60重量%、Agが0〜5重量
%、残りSnの範囲のSn−Ag−Bi系はんだについ
て、詳細に溶融特性を検討した。この検討の一例とし
て、2重量%のAg、13重量%のBi、残りSnのは
んだ(a)、2重量%のAg、15重量%のBi、残り
Snのはんだ(b)、2重量%のAg、22重量%のB
i、残りSnのはんだ(c)についての溶融特性を、図
1に示した。これらは、各組成のはんだ合金を、同量ず
つ秤り取り、リフロー炉を用いて溶融、凝固させ、示差
熱分析により溶融特性を調べたものである。リフロー炉
を用いて溶融、凝固させたのは、試料の冷却速度を通常
のはんだ付け時と同様にするためである。示差熱分析は
2℃/分の昇温速度で行った。このような詳細な検討を
上記範囲内の組成について行った結果、220〜230
℃ではんだ付けを行うためには、液相線温度は少なくと
も210℃以下でなければならず、Bi量は少なくとも
10重量%以上必要であることがわかった。 【0017】図2に、10重量%のBi、2重量%のA
g、残りSnのはんだ(d)、10重量%のBi、3重
量%のAg、残りSnのはんだ(e)、及び10重量%
のBi、4重量%のAg、残りSnのはんだ(f)の3
種類のはんだ合金の組織の様子を示した。これは、この
はんだ合金を240℃で30秒溶融させた後、80℃/
分で冷却させて、その組織を断面研磨し、金属顕微鏡で
観察したものである。これから、(d)、(e)のSn
−Ag−Bi系はんだではSnの丸い結晶の間に球状の
Bi結晶とAg3Snの小さい結晶が見られたが、Sn
−Ag−Bi系はんだ(f)においてはAg3Snの大
きな針状結晶が晶出していることがわかった。この結果
は、他のBi量についても同様にAg量を変えて組織観
察を行ったところ、同様に、Sn−Ag2元共晶ライン
をAgの濃度を増す方向に越えると、Ag3Snの初晶
が析出していた。このため、このラインを越えないよう
にAg量は3重量%以下でなければならないことがわか
った。また、Agははんだの機械的性質を改善するため
に添加されているが、1.5重量%以下ではその効果は
見られなかった。また、Ag量が少なくなると、液相線
温度が上昇してしまい、液相線温度と固相線温度との差
が大きくなってしまうことがわかった。従ってAg量は
1.5重量%以上でなければならない。 【0018】次に150℃、少なくとも125℃での信
頼性を確保するための条件について示す。このような高
温での信頼性を確保するためには、はんだの固相線温度
が重要である。図1に示した様な詳細なはんだの溶融特
性の検討から、このSn−Ag−Bi系では、Biが約
10重量%以上になると138℃付近で溶融する部分が
生じることがわかった。これは測定試料の作成時の冷却
速度によって影響を受け、冷却速度が速い場合にはBi
が約18重量%以下ではこの溶融ピークは出現しない
が、通常のはんだ付け時の冷却速度によって冷却された
試料では、Biが10重量%から18重量%の範囲内で
も溶融してしまうことがわかった。この138℃で溶融
する部分はSn−Ag−Biの3元共晶組成の部分であ
る。そこで、Sn−Ag2元共晶ライン上で、Bi量を
変えた時の138℃で溶融する部分の割合を、同量の3
元共晶組成(1重量%のAg、57重量%のBi、残り
Sn)のはんだのピーク熱量と比較することによって求
め、図3に示した。これから、138℃で溶融する割合
はBi量によって滑らかに変化することがわかった。3
元共晶の割合の少ない範囲であれば、実用上問題がない
と言える。そのため、各種温度サイクル試験を行って検
討した結果、3元共晶の割合は20%程度以下にする必
要があり、Biは25重量%以下にしなければならない
ことがわかった。この高温での信頼性を確保するための
Bi量は、高温での引張試験によっても確認することが
できた。図4には、Bi量を変えたときの150℃での
引張強度を示した。これは、150℃での強度が高温で
の信頼性の目安となるからである。引張試験は0.1m
m/分の引張速さで行った。0.1mm/分の引張速度
とした理由は、実際の温度サイクル試験時にサンプルが
受ける最大歪速度を再現するため、引張速度に等価変換
したことによる。これからも、Biが25重量%以下で
あれば、150℃での引張強度を持ち、高温での使用に
耐えられることがわかった。3元共晶がある程度存在し
ても、150℃で強度が保証される理由は、3元共晶の
生成メカニズムに基づく。即ち、Bi量を増すと3元共
晶が生成されるが、融点の高いSn晶の隙間に点在して
いる状況のため、強度を有する。更にBiが増すと、S
n晶の中のBi量が増えSn晶自体の融点が下がり、ま
たSn晶の隙間での3元共晶量も増えるため強度がでな
くなる。ここではBiが25重量%で、3元共晶が20
%の範囲までは、Sn晶の隙間を3元共晶が完全に埋め
尽くさないために、150℃での強度を有することにな
る。同様に、125℃で引張試験を行って引張強度を測
定し、図5に示したが、Biが25重量%以上になる
と、引張強度は5MPa以下となってしまうが、Biが
25重量%以下であればBiが少なくなるにつれて引張
強度が増し、高温での信頼性を確保できることがわかっ
た。 【0019】また、Cuは組織改善のために添加した。
CuはSn−Ag−Bi系はんだ中では通常Cu−Sn
の化合物として存在する。Cu−Sn化合物はCu量が
微量であれば小さな球状であるので、Snの間に分散し
分散強化型の合金になる。これは、少量のSn−Cu化
合物が存在するだけで効果がある。Sn中にはCuは約
0.006重量%まで固溶するので、Cu−Sn化合物
を生成させるためには、0.006重量%以上のCuの
添加が必要である。しかし、Cu量が0.1重量%以上
となると、はんだが脆化し始める。Cu−Sn化合物が
大型化し、この化合物は硬いために変形しにくく、はん
だ接合部全体としての柔軟性をうばうからである。これ
は、リードの無い構造であるはんだボールを用いた接
続、或いは、実装密度が高まることによりはんだ付け継
ぎ手が小さくなることによって、電子回路の発熱の影響
が大きくなり、接続部にかかる歪みが大きくなった場合
の様に、はんだの柔軟性が必要な接続では特に重要な項
目である。更にCu量を1重量%以上にすると、別の項
目での劣化が見られる。まず、ぬれ性について、図6に
15重量%のBi、2.5重量%のAg、残りSnのは
んだにCuを添加したときのはんだのぬれ拡がりを示し
たが、Cuが0.5重量%の場合にぬれ拡がりが最高と
なり、それ以上のCu濃度では、Cuの濃度と共にぬれ
拡がりが低下し、2重量%ではCuを添加しなかった場
合よりもぬれ性が劣化していることがわかった。 ま
た、Cu量が多くなると、はんだ中のSnがCuとの化
合物生成に消費されるため、相対的にAg量が増し、針
状の大きいAg3Snの結晶が生じやすくなる。15重
量%のBi、2.8重量%のAg、残りSnのはんだ
に、0.5重量%、1重量%、2重量%のCuを添加し
たはんだの組織を観察したが、Cu添加量が増えるにつ
れてCu−Sn化合物が増すと共に、1重量%以上のC
uを添加した場合には、大きいAg3Snの結晶が生成
することがわかった。この大きいAg3Snの結晶はク
ラック進展のきっかけとなりうる。従って、これを防止
するためにAg量を予め減らすことが考えられるが、逆
に液相線温度の上昇が起こってしまう。以上から、Cu
は1重量%以下、望ましくは0.1重量%以下とした。
ぬれ性は、上記の組成範囲のはんだ合金は、大気中でS
n−Ag共晶はんだとほぼ同レベルであり、従来のフラ
ックス、電極部材料をそのまま使用できる。 【0020】また、図7に、2元共晶ライン上でBi量
を変えたときの室温での伸びを示したが、上記の組成範
囲内のはんだ合金の伸びは、室温で17%以上あり。実
用上問題無い。 【0021】更に220〜230℃でのはんだ付け性、
及び高温での信頼性を向上させるためには、上記の様に
選定した組成のうち、13重量%〜20重量% のB
i、2重量%〜3重量%のAg、残りSn、及び不可避
不純物で構成されるSn−Ag−Bi系はんだ、或い
は、このはんだ合金にCuを1重量%未満含んだSn−
Ag−BiーCu系はんだ合金、更に上記3元系はんだ
合金にCuを0.1重量%未満含んだSn−Ag−Bi
−Cu系はんだ合金が望ましい。これは、Biが13重
量%以上であればBiが10重量%の場合に比べて液相
線温度が下がり、更に熱容量の大きな部品でも220〜
230℃でのはんだ付けは容易になりうるからである。
また、AgもSn−Ag2元共晶ラインよりAg量の少
ない領域では、液相線温度を下げる作用を持ち、Ag量
が2重量%以上であればリフロー性は更に向上し、機械
的性質も更に向上するからである。また、Bi量が20
重量%以下であれば、138℃付近で3元共晶の溶融す
る割合は10%以下になり、また、150℃での引張強
度も5MPa程度以上、125℃での引張強度も15M
Pa程度以上有することから、高温での強度、クリープ
特性、振動、衝撃等の信頼性が向上し、高温で使用され
る電気製品に対して信頼性のマージンを拡げることがで
きる。 【0022】以上に示した様に、Sn−Ag−Biはん
だ合金の有効範囲を選定した。 【0023】 【発明の実施の形態】表1に示す6組成のはんだを作成
し、その性質を調べた結果を以下に述べる。 【0024】 【表1】 【0025】(実施の形態1)本発明の一例として、1
5重量%のBi、2重量%のAg、残りSnの合金を作
成した。この合金の液相線温度は207℃、固相線温度
は156℃であるが、138℃付近で3元共晶の溶融す
る部分があり、その割合は5%であり、実用上問題無
い。室温での引張強度は77MPa、150℃での引張
強度は11MPa、125℃での引張強度は22MP
a、室温での伸び率は19%であった。また、大気中で
のぬれ性は、Sn−Ag共晶の91%であり、Sn−A
g共晶はんだと同程度と言える。このはんだ合金を粉末
化し、フラックス成分と混練りしはんだペーストを作成
した。このはんだペーストを用いて、0.5mmピッ
チ、208ピンのQFP(Quad Flat Package)ーLSI
をガラスエポキシ基板にはんだ付けし、ー55℃30分
〜125℃30分(1時間/1サイクル)の温度サイク
ル試験を行った。QFP−LSIのリードはSnめっき
されている。また、はんだ付け時の最高温度は220℃
であった。最も応力が大きく作用するコーナーピンのフ
ィレット表面について、初期から1000サイクルま
で、電子顕微鏡により追跡調査を行ったが、表面に多少
の変化が生じるだけで、断線に至る様なクラックは生じ
ず、Sn−Pb共晶はんだと比較して、遜色はなかっ
た。このコーナーピンの断面を研磨し、観察したが、ク
ラックは生じていないことが確認された。従って、上記
組成のはんだ合金は、Sn−Pb共晶はんだの代替材料
として使用することができる。このはんだ合金について
は、BGA(Ball Grid Array)、CSP(Chip Size P
ackage)等の接続用のはんだボールとしても使用するこ
とができる。また、表面酸化が少ないので、フローはん
だ付け用のはんだ材として使用することもできる。更
に、はんだ箔として使用し、チップのダイボンド用、モ
ジュール実装用、封止用にも適用可能である。 【0026】(実施の形態2)同様に、本発明の一例と
して、15重量%のBi、2.5重量%のAg、残りS
nの合金を作成した。この合金の液相線温度は204
℃、固相線温度は155℃、138℃付近で3元共晶の
溶融する割合は5%であった。室温での引張強度は78
MPa、150℃での引張強度は10MPa、室温での
伸び率は20%であった。また、大気中でのぬれ性は、
Sn−Ag共晶の92%であった。このはんだ合金をは
んだペースト化し、実施例1と同じ温度サイクル試験を
行った。この結果、最も応力が大きく作用するコーナー
部のはんだフィレット表面は、1000サイクルまで、
実施例1の結果と同様に、表面に多少の変化が生じるだ
けで、断線に至るクラックは生じなかった。従って、実
施例2のはんだ合金は、Sn−Pb共晶はんだの代替材
料として有効である。 【0027】(実施の形態3)同様に、本発明の一例と
して、20重量%のBi、2.5重量%のAg、残りS
nの合金を作成した。この合金の液相線温度は200
℃、固相線温度は138℃、138℃付近で3元共晶の
溶融する割合は10%であった。室温での引張強度は7
5MPa、150℃での引張強度は5MPa、室温での
伸び率は25%であった。また、大気中でのぬれ性は、
Sn−Ag共晶の87%であった。このはんだ合金をは
んだペースト化し、実施例1と同じ温度サイクル試験を
行った。この結果、最も応力が大きく作用するコーナー
部のはんだフィレット表面は、1000サイクルまで、
実施例1の結果と同様に、表面に多少の変化が生じるだ
けで、断線に至る様なクラックは生じず、Sn−Pb共
晶はんだと比較して遜色はなかった。従って、実施例3
のはんだ合金は、Sn−Pb共晶はんだの代替材料とし
て有効である。 【0028】(実施の形態4)同様に、本発明の一例と
して、15重量%のBi、2.8重量%のAg、0.5
重量%のCu、残りSnの合金を作成した。この合金の
液相線温度は204℃、固相線温度は157℃、3元共
晶の溶融する割合は5%であった。室温での引張強度は
83MPa、150℃での引張強度は11MPa、室温
での伸び率は21%であった。また、大気中でのぬれ性
は、Sn−Ag共晶の90%であった。このはんだ合金
をはんだペースト化し、TSOP(Thin Small Outline
Package)、チップ部品をガラスエポキシ基板にはんだ
付けし、実施例1と同条件で温度サイクル試験を行っ
た。TSOP、チップ部品は、リードが短いため、或い
はリード無し部品であるため、はんだ内で熱膨張の差に
適用しなくてはならず、長いリードを持つQFP−LS
Iに比べて厳しい接続である。このような温度サイクル
試験を行ったTSOPのコーナー部のはんだフィレット
表面について、1000サイクルまで観察を行った結
果、多少の劣化は認められるが、断線に至る様なクラッ
クは生じていないことが確認できた。また、チップ部品
でも大きな変化は無く、断面観察によってもクラックは
生じていないことが確認でき、SnーPb共晶と比較し
ても遜色は無かった。また、このようにはんだ付けした
チップ部品について、せん断試験を行ったが、125℃
での高温放置試験後、及び、上記の温度サイクル試験1
000サイクル後でも、初期に比べてせん断強度の劣化
は見られなかった。また、従来使用されているSn−P
b共晶とほぼ同じせん断強度を有した。また、電気的な
導通試験でも問題は無かった。 【0029】(実施の形態5)18重量%のBi、2重
量%のAg、残りSnの合金をBGAの接続に利用した
例を示す。図8のように、BGA本体1上に上記組成の
はんだボール2をはんだ付けした。はんだボール径は0.
76mmであり、はんだ付け温度は225℃で行った。こ
のBGA3に対して、プリント基板4側に同じ組成のは
んだペースト5を印刷し、同じ条件ではんだ付けを行っ
た。以上のような課程を経ることによって、Pbを用い
ない低毒性のBGA接続を行うことができる。このプリ
ント基板に接続されたBGAについて、実施例1と同様
の温度サイクル試験を行っが、実用上問題の無いことが
わかった。 【0030】また、BGA本体に接続されているはんだ
ボール2が高融点のはんだ、例えばSn−Ag共晶はん
だ等であっても、プリント基板側に用いるはんだを本発
明のはんだを用いれば、220〜230℃での接続が可
能である。このように、本発明のはんだはBGA等のは
んだボールを用いた接続にも利用することができる。 【0031】(実施の形態6)15重量%のBi、2.
5重量%のAg、0.08重量%のCu,残りSnの合
金を用いた8mmビデオ用の電子回路基板の製造方法を
示す。まず、このはんだ合金を25〜45μmの大きさ
に粉末化し、これをフラックス成分と混練りし、はんだ
ペーストを作成した。このはんだペーストを0.15m
m厚のメタルマスクを用いて、プリント配線基板上に個
別供給した。このはんだペーストが供給されたプリント
基板上に部品搭載機を用いて各種電子部品を搭載し、窒
素リフロー炉を通してはんだ付けを行った。窒素リフロ
ー炉中の酸素濃度は100ppmとした。はんだ付け温
度は、各種部品の熱容量の差により同一基板上でも差が
あるが、予熱はほぼ150℃で、最高温度は最も温度が
上がった箇所でも230℃となるようにした。この後、
裏面についても同様にはんだペーストの印刷、各種部品
の搭載、窒素リフローによる加熱を行った。この電子回
路基板には、0.4mmピッチのQFP−LSI、10
05と呼ばれる縦1.0mm、横0.5mmの大きさの
チップ部品等が含まれている。はんだ付け後は洗浄は行
わなかった。このようにはんだ付けを行った後、自動外
観検査装置を用いてはんだ付け部の外観検査を行った。
この結果、従来のSn−Pb共晶と比較してはんだ表面
の光沢が少ないために、虚報率が少なかった。また、は
んだ付け性も、従来のSn−Pb共晶を用いてはんだ付
けした基板と比較したが、プリント基板上のCuパッド
へのぬれ拡がりが若干悪いが、実用上十分なレベルであ
った。 【0032】その中で、部品搭載時の位置ずれにより、
脱落していたチップ部品が数個見られたが、これははん
だごてで容易に修正することができた。 【0033】このように製作した8mmビデオ用電子回
路基板を、実際の8mmビデオ本体に組み入れ、電気的
チェック、振動試験、高温高湿試験等の製品検査を行っ
たが、特に問題は無かった。このように、Pbを含まな
い低毒性のSn−Ag−Bi−Cuはんだを用いて、は
んだ付け温度を最高230℃として加熱することによっ
て、環境、生物に毒性の少ない電子回路基板を製造する
ことができた。 【0034】(実施の形態7)15重量%のBi、2.
8重量%のAg、残りSnの合金を0.5mmピッチの
QFP−LSI、及びTSOPにはんだ付けした。はん
だ付け温度は最高温度が230℃とした。これらの電子
部品のリード電極は、従来、42アロイに90重量%の
Sn、10重量%のPbの組成のはんだめっき(以下、
Sn−10Pbと記す)を施したものが用いられてい
る。しかし、これらも有毒なPbを含有するため、リー
ド電極もPbフリー化する必要がある。そこで本実施の
形態では、42アロイ上にCuめっきを施してから、8
重量%のBi、残りSnの組成のはんだめっき(以下、
Sn−8Biと記す)を施した。Cuめっきのめっき厚
は5μm、Sn−8Biめっきの厚みは10μmとし
た。上記のはんだ付けを行った基板について実施の形態
1と同じ温度サイクル試験を行ったが、十分な信頼性が
得られた。 【0035】リード電極を上記の様な構成にした理由
は、はんだ付け後の割基板作業、或いはプロービングテ
スト時に基板が反り、又はハンドリング等によって接続
したLSI等のはんだ接続部に大きな応力がかかるた
め、それに耐えられるはんだ接続部の強度を確保しなく
てはならないためである。従って、十分な接続強度を有
する構成とするために、本発明のはんだ合金と、各種の
Pbフリー材料を用いたリードとの接続強度を調べたの
で、以下に説明する。 【0036】表面に各種のはんだめっき、Pdめっき等
を施したモデルリードを作成した。モデルリードの材質
は42アロイであり、表面のめっきの下地として、Cu
めっき、Niめっき、或いは下地無しの3種類を検討し
た。モデルリードの幅は3mmで、はんだ付け部の長さ
が約22mmになるように90°の角度に折り曲げてあ
る。これらのはんだ付け方法は、プリント基板上の幅
3.5mm、長さ25mmのCuパッド上に、パッドと
同じ大きさの本発明の組成によるはんだ箔を載せ、その
上に、上記のモデルリードをのせ、大気中で、最高温度
220℃ではんだ付けした。このとき、塩素量が0.2
%のフラックスを用いた。これを洗浄した後、垂直方向
に5mm/分の速さで引っ張って、ピール試験を行い、
最も強度が大きくなるフィレット部強度を求めた。ピー
ル試験は、はんだ付け後初期、はんだ付け後の経時変化
による接続部強度劣化を考慮し、はんだ付け後に125
℃で168時間放置後、また、リード電極のぬれ性が劣
化した場合を考慮して、モデルリードを150℃で16
8時間放置してからはんだ付けした後と、3種類行っ
た。はんだ組成は、発明の範囲内で、Bi量、Ag量、
Cu量を変えて検討した。この結果、このはんだ組成範
囲では同じ傾向が見られ、42アロイ上に下地としてC
uめっきを施した場合に接続強度が向上していることが
わかった。これは、Biと42アロイとの反応性が低い
ため、従来のSn−Pb共晶と比較して、十分な化合物
が生成できず、強度が得られないためである。Cuの存
在により、接続強度が増すことから、42アロイリード
ではなく、Cu系リードフレームを用いても十分な接続
強度が得られる。また、表面の組成は、Biを25重量
%程度まで含有するSn−Bi組成の場合、十分な接続
強度が得られることがわかった。これらの結果のうち、
15重量%のBi、2.8重量%のAg、残りSnのは
んだと、42アロイ上にSn−8Biめっきを10μm
、42アロイ上にCu下地めっきを5μm施してから
Sn−8Biめっきを10μm施したモデルリードとの
フィレット部強度を図9に示した。図9には、従来使用
しているPbを含有している組み合わせの場合のフィレ
ット部強度も同様に示した。これから、42アロイ上に
Cu下地めっきを施し、この上にSn−8Biめっきを
施した構成では、42アロイ上に直接Sn−8Biめっ
きを施した場合と比べて接続強度は大きく、また、従来
の使用しているSn−Pb共晶はんだとSn−10Pb
めっきリードとの構成以上の接続強度が得られることが
わかった。このように、本発明のはんだ合金は、下地と
してCuを用いるか、またCu系リードフレームを使用
し、この上にSn−8Biめっき等の表面処理すること
により、十分な強度を有する接続部が得られる。 【0037】 【発明の効果】以上説明したように、本発明のはんだ合
金であれば、従来大量に使用されているSn−Pb共晶
はんだの代替材料としての、低毒性のPbフリーはんだ
を提供できる。このはんだ合金は、はんだ付け温度が従
来と変わらず、また、ぬれ性も従来使用されているSn
−Ag共晶はんだと同程度なので、フラックス、電極材
料の特別な開発を必要としない。また、低温で溶融する
3元共晶量も20%以下であるので、高温での信頼性を
確保することができ、電子部品を回路基板に高信頼に接
続することができる。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention
Related to free solder alloys and mounted products using the same
It is. This solder alloy is applied to circuit boards such as organic substrates.
It can be applied to the connection of electronic parts such as LSI,
Pb-Sn used for soldering at 230 ° C
It is a substitute for crystal solder. 2. Description of the Related Art Conventionally, an LSI or the like is mounted on a circuit board such as an organic board.
In order to connect electronic components and manufacture an electronic circuit board, S
n-Pb eutectic solder and near Sn-Pb eutectic solder
Beside, Sn-Pb solder with similar melting point or these
Alloys with a small amount of Bi or Ag added to
I have. [0003] These solders contain about 40% by weight of Pb.
include. Each solder alloy has a melting point of almost 18
3 ℃, soldering at 220-230 ℃ is possible
there were. It also guarantees reliability at high temperatures of about 150 ° C.
I was able to. [0004] However, the above Sn-
Pb contained in Pb eutectic solder is toxic heavy
By discarding products containing Pb
Pollution of the global environment and adverse effects on living organisms have become problems.
This pollution of the global environment includes Pb left undisturbed.
Pb elutes from electrical products due to rain, etc.
It happens. Pb elution accelerated by recent acid rain
Tend to be. Therefore, to reduce environmental pollution
The Sn-Pb eutectic system used in large quantities
Low toxicity solder alloy containing no Pb as an alternative material
is necessary. [0005] As an alternative material to the Sn-Pb eutectic solder,
All Pb-free solder alloys have the following characteristics
There must be. First, as with the conventional Sn-Pb eutectic solder,
Must be solderable at temperatures between 220 and 230 ° C
I have to. This is for electronic components such as LSI and organic
Due to the heat resistance of circuit boards such as boards,
This is because it is difficult to attach. For this, solder alloy
Must be approximately 210 ° C. or less. The wettability of this solder alloy is based on Sn-
Pb eutectic solder or Sn-
Ag eutectic solder (3.5% by weight of Ag, remaining Sn
Must be approximately equivalent to If this Pb-free
Compared to conventional solder, solder is not
If the wettability is extremely poor, the soldering atmosphere will be improved,
Flux, cleaning material and cleaning method suitable for solder material
Development of materials for electrode parts to be soldered
Challenges arise. [0008] In terms of the solder structure, the crack
Large crystals with high aspect ratio such as needles
It is important that they do not exist. These needle-like crystals
Grows from the solder surface, causing an electrical short
It can be lost. Further, the temperature is as high as possible, ie, 150 ° C.
Must be reliable at least at 125 ° C
Absent. This means that when using electrical products, the parts themselves
Due to heat or high temperature,
This is because the temperature of the connecting portion may increase. [0010] Also, the elongation of the solder alloy depends on the electronic parts and the circuit.
Important for application to thermal expansion mismatch between circuit boards
You. Therefore, a Pb-free solder having the above characteristics
I need money. However, such a Pb-free solder alloy is
Until now not offered. Sn-Ag which is a binary alloy
Pb-free is not used for eutectic solder or Sn-Bi eutectic solder
It is used as a solder for hierarchical connection
However, the melting points are 221 ° C and 138 ° C, respectively.
A soldering temperature of about 240 ° C is required.
Are difficult to ensure reliability at high temperatures. Also, S
The melting point of the Sn-Zn eutectic solder is 19 for the n-Zn based solder.
Since the temperature is 9 ° C, the melting point of Sn-Pb eutectic solder is
Although it is a promising alternative material, it is not
It was difficult to ensure sufficient wettability inside. Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-1179 or
Pb as described in JP-A-7-88680
There is also a free solder alloy, but the former has a melting point of about 138 ° C
The latter is difficult to solder at 220-230 ° C.
Both are difficult alternatives to Sn-Pb eutectic solder
Could not be. Therefore, an object of the present invention is to satisfy the above-mentioned conditions.
Provided Pb-free solder and mounted products using it
Is to do. [0014] The above object is attained by providing 10% by weight.
~ 25 wt% Bi, 1.5 wt% -3 wt% Ag,
The remaining Sn and Sn-Ag- composed of unavoidable impurities
1 weight of Cu in Bi-based solder or this solder alloy
% Sn-Ag-Bi-Cu based solder alloy,
Preferably contains less than 0.1% by weight of Cu.
-Can be achieved by Bi-Cu based solder alloy
You. The ternary melting of solder alloys in these ranges at low temperatures
The crystallization amount is 20% or less. The following is a description of the process for selecting the solder alloy of the present invention.
Explain why. Bi is 0 to 60% by weight, and Ag is 0 to 5% by weight.
%, Sn-Ag-Bi solder in the range of the remaining Sn
Thus, the melting characteristics were examined in detail. As an example of this study
2% by weight of Ag, 13% by weight of Bi, and the remaining Sn
(A) 2% by weight of Ag, 15% by weight of Bi and the rest
Sn solder (b), 2 wt% Ag, 22 wt% B
i, the melting characteristics of the remaining Sn solder (c)
1 is shown. These are the same amount of solder alloy of each composition
Weigh out, melt and solidify using reflow oven, differential
The melting characteristics were examined by thermal analysis. Reflow furnace
The sample was melted and solidified using a cooling rate of
This is for the same purpose as when soldering. Differential thermal analysis
The test was performed at a heating rate of 2 ° C./min. Such a detailed examination
As a result of performing the composition within the above range, 220 to 230
For soldering at ℃, the liquidus temperature must be at least
Must be 210 ° C. or less, and the amount of Bi is at least
It was found that 10% by weight or more was necessary. FIG. 2 shows that 10% by weight of Bi and 2% by weight of A
g, remaining Sn solder (d), 10 wt% Bi, triple
% Ag, the remaining Sn solder (e), and 10% by weight
Of Bi, 4% by weight of Ag, and the remaining Sn of solder (f) 3
The structure of the various solder alloys is shown. This is
After melting the solder alloy at 240 ° C for 30 seconds, 80 ° C /
After cooling in minutes, the tissue is polished in cross section and examined with a metallurgical microscope.
Observed. From now on, Sn of (d) and (e)
-Ag-Bi solder has a spherical shape between Sn round crystals.
Bi crystals and small crystals of Ag3Sn were observed.
-In Ag-Bi-based solder (f), large Ag3Sn
It was found that fine needle crystals were crystallized. As a result
Is the organizational view of other Bi contents by changing the Ag content in the same manner.
As a result, the Sn-Ag binary eutectic line was similarly observed.
Is exceeded in the direction of increasing the Ag concentration, the primary crystal of Ag3Sn
Was precipitated. For this reason, do not cross this line
Shows that the amount of Ag must be less than 3% by weight
Was. Ag is used to improve the mechanical properties of solder.
The effect is less than 1.5% by weight.
I couldn't see it. Also, when the amount of Ag decreases, the liquidus line
The temperature rises and the difference between the liquidus temperature and the solidus temperature
Turned out to be large. Therefore, the amount of Ag
Must be at least 1.5% by weight. Next, the signal at 150 ° C. and at least 125 ° C.
The conditions for ensuring reliability are described below. Such high
To ensure reliability at high temperatures, the solidus temperature of the solder
is important. Detailed solder melting characteristics as shown in Figure 1
From the study of the sex, in this Sn-Ag-Bi system, Bi
If it becomes 10% by weight or more, the part melting around 138 ° C
Was found to occur. This is the cooling during preparation of the measurement sample
Influenced by the speed, if the cooling rate is fast Bi
Below 18% by weight, this melting peak does not appear
But cooled by the normal cooling rate during soldering
In the sample, Bi is in the range of 10% by weight to 18% by weight.
Was also found to melt. Melt at 138 ° C
Is the part of the ternary eutectic composition of Sn-Ag-Bi.
You. Therefore, on the Sn-Ag binary eutectic line, the amount of Bi is
Change the proportion of the portion that melts at 138 ° C
Original eutectic composition (1 wt% Ag, 57 wt% Bi, balance
Sn) by comparing with the peak calorific value of the solder.
FIG. From this, the rate of melting at 138 ° C
Was found to change smoothly with the amount of Bi. Three
There is no practical problem if the ratio of the eutectic is small
It can be said. Therefore, various temperature cycle tests are performed
As a result of discussion, the ternary eutectic ratio must be less than about 20%.
Bi must be 25% by weight or less
I understand. To ensure reliability at this high temperature
Bi content can be confirmed by tensile test at high temperature.
did it. FIG. 4 shows that at 150 ° C. when the amount of Bi was changed.
The tensile strength was indicated. This is because the strength at 150 ° C
This is because it is a measure of reliability. Tensile test is 0.1m
The test was performed at a pulling speed of m / min. 0.1mm / min tensile speed
The reason was that the sample was not
Equivalent conversion to tensile speed to reproduce the maximum strain rate experienced
It depends. From now on, if Bi is 25% by weight or less
If it has, it has a tensile strength at 150 ° C and can be used at high temperatures
I found it to be tolerable. Some ternary eutectic exists
However, the reason why the strength is guaranteed at 150 ° C is that the ternary eutectic
Based on generation mechanism. That is, when the amount of Bi is increased,
Crystals are generated, but are scattered in the gaps of the Sn crystals having a high melting point.
Have strength for your situation. When Bi further increases, S
The amount of Bi in the n crystal increases, the melting point of the Sn crystal itself decreases, and
The amount of ternary eutectic in the gap between the Sn crystals also increases, so the strength is increased.
It becomes. Here, Bi is 25% by weight and ternary eutectic is 20%.
%, The ternary eutectic completely fills the Sn crystal gap
In order not to run out, it will have strength at 150 ° C.
You. Similarly, conduct a tensile test at 125 ° C to measure the tensile strength.
And Bi is 25% by weight or more as shown in FIG.
And the tensile strength will be 5 MPa or less,
If it is 25% by weight or less, the tensile force increases as Bi decreases.
It turns out that strength is increased and reliability at high temperatures can be secured.
Was. Cu was added for improving the structure.
Cu is usually Cu-Sn in Sn-Ag-Bi solder.
Exists as a compound of Cu-Sn compound has Cu content
If it is a trace amount, it is a small sphere, so it is dispersed between Sn
It becomes a dispersion strengthened alloy. This is because a small amount of Sn-Cu
It is effective only by the presence of the compound. Cu in Sn
Cu-Sn compound because it dissolves up to 0.006% by weight
In order to produce, the content of Cu of 0.006% by weight or more
Addition is required. However, the Cu content is 0.1% by weight or more.
Then, the solder starts to be embrittled. Cu-Sn compound
The compound is large and hard to deform due to its hardness.
This is because the flexibility of the entire joint is exposed. this
Is a solder ball with a lead-free structure.
Soldering due to increased mounting density
The effect of heat generation in electronic circuits due to the smaller gripper
And the strain on the connection increases
Is particularly important for connections that require solder flexibility.
Eyes. Further, when the Cu content is 1% by weight or more, another item
Deterioration by eyes is seen. First, the wettability is shown in FIG.
15% by weight of Bi, 2.5% by weight of Ag, and the remaining Sn
This indicates the spread of solder when Cu is added.
However, when the Cu content is 0.5% by weight, the wet spread is the highest.
If the Cu concentration is higher than that, the Cu
When the spread was reduced and Cu was not added at 2% by weight.
It was found that the wettability was deteriorated as compared with the case. Ma
In addition, when the amount of Cu increases, Sn in the solder changes to Cu.
Since it is consumed for compound production, the amount of Ag increases relatively,
Ag3Sn crystals having a large shape are easily formed. 15 layers
% Bi, 2.8% Ag by weight, the remaining Sn
0.5% by weight, 1% by weight and 2% by weight of Cu
The structure of the solder was observed.
To increase the amount of Cu-Sn compound and increase the content of C by 1% by weight or more.
When u is added, a large Ag3Sn crystal is formed.
I found out. This large Ag3Sn crystal
It can be a trigger for rack development. Therefore, prevent this
It is conceivable to reduce the amount of Ag in advance in order to
, The liquidus temperature rises. From the above, Cu
Is 1% by weight or less, preferably 0.1% by weight or less.
The wettability of solder alloys in the above composition range is determined by S
It is almost at the same level as n-Ag eutectic solder.
And electrode material can be used as it is. FIG. 7 shows the Bi content on the binary eutectic line.
The elongation at room temperature was shown when the temperature was changed.
The elongation of the solder alloy in the box is 17% or more at room temperature. Real
There is no problem in use. Further, solderability at 220 to 230 ° C.,
And to improve reliability at high temperatures,
13% to 20% by weight of B in the selected composition
i, 2% to 3% by weight of Ag, remaining Sn, and inevitable
Sn-Ag-Bi based solder composed of impurities, or
Describes that Sn- containing less than 1% by weight of Cu in this solder alloy.
Ag-Bi-Cu-based solder alloy, and the above ternary solder
Sn-Ag-Bi containing less than 0.1% by weight of Cu in alloy
-A Cu-based solder alloy is desirable. This is Bi 13
If the amount is more than 10% by weight, the liquid phase is more than that in the case where Bi is 10% by weight.
The line temperature drops and even parts with a large heat capacity can reach 220-
This is because soldering at 230 ° C. can be facilitated.
Also, Ag has a smaller Ag content than the Sn-Ag binary eutectic line.
In the region where there is not, it has the effect of lowering the liquidus temperature and the amount of Ag
Is 2% by weight or more, the reflow property is further improved,
This is because the mechanical properties are further improved. In addition, Bi amount is 20
% By weight, the ternary eutectic melt at around 138 ° C.
And the tensile strength at 150 ° C.
Degree is more than 5MPa, tensile strength at 125 ℃ is 15M
High strength and creep at high temperature
Improved reliability of characteristics, vibration, shock, etc., used at high temperature
The reliability margin for electrical products
Wear. As shown above, Sn-Ag-Bi
The effective range of the alloy was selected. DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Solders having six compositions shown in Table 1 were prepared.
The results of examining the properties are described below. [Table 1] (Embodiment 1) As an example of the present invention, 1
5% by weight of Bi, 2% by weight of Ag, and the remaining Sn alloy
Done. The liquidus temperature of this alloy is 207 ° C, the solidus temperature
Is 156 ° C, but the ternary eutectic melts around 138 ° C.
The ratio is 5%, and there is no practical problem.
No. Tensile strength at room temperature is 77MPa, tensile at 150 ℃
Strength is 11MPa, tensile strength at 125 ℃ is 22MP
a, The elongation at room temperature was 19%. Also in the atmosphere
Has a wettability of 91% of the Sn-Ag eutectic,
g It can be said to be about the same as eutectic solder. This solder alloy is powdered
And knead with flux components to create solder paste
did. Using this solder paste, a 0.5 mm
H, 208-pin QFP (Quad Flat Package)-LSI
Is soldered to a glass epoxy board, -55 ° C for 30 minutes
Temperature cycle of ~ 125 ° C for 30 minutes (1 hour / 1 cycle)
Test. The lead of QFP-LSI is Sn plating
Have been. The maximum temperature during soldering is 220 ° C
Met. The corner pin flange where the stress acts the most
From the beginning to 1000 cycles
Was followed up with an electron microscope.
Cracks that can lead to disconnection
Not as good as Sn-Pb eutectic solder
Was. The cross section of this corner pin was polished and observed.
It was confirmed that no rack had occurred. Therefore,
The composition of the solder alloy is an alternative material to Sn-Pb eutectic solder
Can be used as About this solder alloy
Are BGA (Ball Grid Array), CSP (Chip Size P)
ackage) etc.
Can be. Also, since the surface oxidation is low, flow
It can also be used as a soldering material for soldering. Change
Used as a solder foil for chip die bonding,
It is also applicable for joule mounting and sealing. (Embodiment 2) Similarly, an example of the present invention
Then, 15% by weight of Bi, 2.5% by weight of Ag, and the remaining S
n was prepared. The liquidus temperature of this alloy is 204
℃, solidus temperature is 155 ℃, around 138 ℃ ternary eutectic
The rate of melting was 5%. Room temperature tensile strength is 78
MPa, tensile strength at 150 ° C. is 10 MPa, at room temperature
The elongation was 20%. Also, the wettability in the atmosphere is
It was 92% of the Sn-Ag eutectic. This solder alloy
And the same temperature cycle test as in Example 1 was performed.
went. As a result, the corner where the stress acts the most
Part of the solder fillet surface, up to 1000 cycles,
Similar to the result of Example 1, a slight change in the surface occurs
As a result, no crack leading to disconnection occurred. Therefore,
The solder alloy of Example 2 is a substitute for Sn-Pb eutectic solder
It is effective as a fee. (Embodiment 3) Similarly, one example of the present invention
Then, 20% by weight of Bi, 2.5% by weight of Ag, and the remaining S
n was prepared. The liquidus temperature of this alloy is 200
℃, solidus temperature is 138 ℃, ternary eutectic around 138 ℃
The rate of melting was 10%. Tensile strength at room temperature is 7
5MPa, tensile strength at 150 ° C is 5MPa, room temperature
The elongation was 25%. Also, the wettability in the atmosphere is
It was 87% of the Sn-Ag eutectic. This solder alloy
And the same temperature cycle test as in Example 1 was performed.
went. As a result, the corner where the stress acts the most
Part of the solder fillet surface, up to 1000 cycles,
Similar to the result of Example 1, a slight change in the surface occurs
As a result, cracks such as disconnection did not occur, and both Sn-Pb
There was no inferiority to the crystal solder. Therefore, Example 3
Is a substitute for Sn-Pb eutectic solder
Effective. (Embodiment 4) Similarly, one example of the present invention
15% Bi, 2.8% Ag, 0.5%
An alloy of weight% of Cu and the remaining Sn was prepared. Of this alloy
Liquidus temperature is 204 ℃, solidus temperature is 157 ℃, ternary
The melting ratio of the crystals was 5%. The tensile strength at room temperature is
83 MPa, tensile strength at 150 ° C. is 11 MPa, room temperature
Was 21%. In addition, wettability in the atmosphere
Was 90% of the Sn-Ag eutectic. This solder alloy
Into a solder paste, and TSOP (Thin Small Outline)
Package), soldering chip components to glass epoxy board
Temperature cycle test under the same conditions as in Example 1.
Was. TSOP and chip parts have short leads
Is a leadless component, so the difference in thermal expansion
QFP-LS with long lead that must be applied
This is a stricter connection than I. Such a temperature cycle
Solder fillet at corner of TSOP tested
The surface was observed up to 1000 cycles.
As a result, although some deterioration is observed,
No cracks were found. Also, chip parts
But there is no big change
It can be confirmed that it has not occurred, and compared with Sn-Pb eutectic.
There was no inferiority. Also soldered like this
A shear test was performed on the chip component.
After the high temperature storage test in the above, and the above temperature cycle test 1
Even after 000 cycles, the shear strength deteriorates compared to the initial
Was not seen. In addition, the conventionally used Sn-P
It had almost the same shear strength as b eutectic. Also electrical
There was no problem in the continuity test. (Embodiment 5) 18% by weight of Bi, double
Amount of Ag, the remaining Sn alloy was used for BGA connection.
Here is an example. As shown in FIG. 8, the above-described composition
The solder ball 2 was soldered. The solder ball diameter is 0.
The soldering temperature was 225 ° C. This
Of the same composition on the printed circuit board 4 side
Solder paste 5 under the same conditions
Was. By going through the above process, using Pb
No low toxicity BGA connections can be made. This pre
BGA connected to the printed circuit board as in Example 1.
Temperature cycle test, but no problem in practice
all right. Further, the solder connected to the BGA body
The ball 2 has a high melting point solder, for example, a Sn-Ag eutectic solder.
The solder used on the printed circuit board side
Use of bright solder allows connection at 220-230 ° C
Noh. Thus, the solder of the present invention is used for
It can also be used for connection using a ball. (Embodiment 6) 15% by weight of Bi, 2.
5% by weight of Ag, 0.08% by weight of Cu and the balance of Sn
Manufacturing method of electronic circuit board for 8mm video using gold
Show. First, the size of this solder alloy is 25-45 μm.
Powder and knead it with flux components
Paste created. 0.15m of this solder paste
using a metal mask with a thickness of m
Separately supplied. Print to which this solder paste was supplied
Various electronic components are mounted on the board using a component mounting machine,
Soldering was performed through an elementary reflow furnace. Nitrogen reflow
-The oxygen concentration in the furnace was 100 ppm. Soldering temperature
The degree differs even on the same substrate due to the difference in heat capacity of various parts.
However, the preheating is almost 150 ° C, and the highest temperature is the highest
The temperature was set to 230 ° C. even at the raised position. After this,
Print the solder paste on the back side as well, various parts
And heating by nitrogen reflow. This electronic times
The circuit board includes a 0.4 mm pitch QFP-LSI,
It is 1.0mm long and 0.5mm wide called 05
Chip components and the like are included. Cleaning after soldering
I didn't know. After soldering in this way,
The appearance of the soldered part was inspected using a visual inspection device.
As a result, compared to the conventional Sn-Pb eutectic,
Has a low false alarm rate due to the low gloss. Also,
Solderability using conventional Sn-Pb eutectic
Compared with the printed board, but the Cu pad on the printed board
Spreads slightly to the surface, but at a level sufficient for practical use.
Was. Among them, due to the displacement at the time of component mounting,
Several chip components were seen missing, but this
It could be easily corrected with a trowel. The electronic circuit for 8 mm video produced in this way.
Circuit board is incorporated into the actual 8mm video body,
Perform product inspections such as checks, vibration tests, and high-temperature / high-humidity tests
However, there were no particular problems. Thus, Pb is not included
Using low-toxic Sn-Ag-Bi-Cu solder,
By setting the soldering temperature up to 230 ° C
To produce electronic circuit boards with low environmental and biological toxicity
I was able to. (Embodiment 7) 15% by weight of Bi;
8% by weight of Ag and the rest of the alloy of Sn
Soldered to QFP-LSI and TSOP. Han
The maximum soldering temperature was 230 ° C. These electrons
Conventionally, the lead electrode of the component is 90% by weight in 42 alloy.
Sn, solder plating having a composition of 10% by weight of Pb (hereinafter, referred to as “Pb”)
Sn-10Pb) is used.
You. However, since these also contain toxic Pb,
It is also necessary that the gate electrode be Pb-free. Therefore, this implementation
In the embodiment, Cu alloy is plated on 42 alloy and then 8
Wt% Bi and the remaining Sn composition solder plating (hereinafter, referred to as
Sn-8Bi). Cu plating thickness
Is 5 μm, and the thickness of Sn-8Bi plating is 10 μm.
Was. An embodiment of the above soldered board
Performed the same temperature cycle test as in 1, but with sufficient reliability
Obtained. The reason why the lead electrode is configured as described above.
Is the work on the split board after soldering or the probing
The board warps at the time of a strike, or is connected by handling etc.
Large stress is applied to the solder connection part of LSI etc.
Without securing the strength of the solder joints that can withstand it
Because it must not. Therefore, it has sufficient connection strength.
In order to obtain a configuration, the solder alloy of the present invention and various types of
I checked the connection strength with lead using Pb-free material.
A description will be given below. Various solder plating, Pd plating, etc. on the surface
A model lead was prepared. Model lead material
Is 42 alloy, and Cu is used as a base for plating on the surface.
Consider 3 types of plating, Ni plating, or no base
Was. The model lead width is 3mm and the length of the soldered part
Bend at a 90 ° angle so that the
You. These soldering methods can be used to
On a 3.5 mm, 25 mm long Cu pad,
Place the same size solder foil according to the composition of the present invention,
Put the above model lead on top, and in air, at maximum temperature
Soldered at 220 ° C. At this time, the chlorine amount is 0.2
% Flux was used. After washing this,
At a speed of 5 mm / min to perform a peel test.
The strength of the fillet portion at which the strength was greatest was determined. Pea
The initial test after soldering and the change over time after soldering
After soldering, 125
After leaving at ℃ for 168 hours, the wettability of the lead electrode is poor.
Model lead at 150 ° C to 16
After soldering for 8 hours, and after 3 types
Was. The solder composition, Bi amount, Ag amount, within the scope of the invention
The study was conducted by changing the amount of Cu. As a result, this solder composition range
The same tendency is seen in the box, and the C
Improved connection strength when u-plated
all right. This is low reactivity between Bi and 42 alloy
Therefore, compared with the conventional Sn-Pb eutectic, sufficient compound
Is not generated and strength cannot be obtained. Presence of Cu
42 alloy lead
Not enough connection using Cu-based lead frame
Strength is obtained. The composition of the surface is such that Bi is 25% by weight.
% In the case of Sn-Bi composition containing up to about
It was found that strength was obtained. Of these results,
15% by weight of Bi, 2.8% by weight of Ag, and the remaining Sn
After that, Sn-8Bi plating on 42 alloy was 10 μm.
, 42 undercoat with 5μm Cu undercoating
With a model lead with Sn-8Bi plating of 10 μm
FIG. 9 shows the fillet strength. Figure 9 shows the conventional
Fillet in the case of a combination containing Pb
The cut portion strength is similarly shown. From now on, 42 alloys
Cu base plating and Sn-8Bi plating on top
In the configuration, the Sn-8Bi plating was directly applied on the 42 alloy.
Connection strength is higher than when
Used Sn-Pb eutectic solder and Sn-10Pb
Connection strength higher than the configuration with the plating lead can be obtained
all right. Thus, the solder alloy of the present invention
Or use Cu-based lead frame
Then, a surface treatment such as Sn-8Bi plating should be performed thereon.
Thereby, a connection portion having sufficient strength can be obtained. As described above, according to the present invention,
For gold, Sn-Pb eutectic which has been used in large quantities
Low toxicity Pb-free solder as an alternative to solder
Can be provided. This solder alloy is subject to soldering temperature
And the wettability has been improved.
-Flux, electrode material because of the same level as Ag eutectic solder
No special development of fees is required. Also melts at low temperatures
Since the ternary eutectic amount is also 20% or less, reliability at high temperatures is improved.
Electronic components to the circuit board with high reliability.
You can continue.

【図面の簡単な説明】 【図1】3種類のSn−Ag−Bi系はんだの溶融特
性。 【図2】3種類のSn−Ag−Bi系はんだの組織を表
した写真。 【図3】Sn−Ag2元共晶ライン近辺でのBi量を変
えたときの3元共晶の割合。 【図4】Bi量を変えたときの150℃での引張強度。 【図5】Bi量を変えたときの125℃での引張強度。 【図6】Sn−Ag−Bi系はんだ中のCu量を変えた
ときのぬれ特性。 【図7】Bi量を変えたときの室温での伸び特性。 【図8】本発明をBGAに適用した例。 【図9】本発明のはんだと、リードとの接続強度。 【符号の説明】 1.BGA本体 2.はんだボール 3.BGA 4.プリント基板 5.はんだペースト
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 shows melting characteristics of three types of Sn-Ag-Bi solders. FIG. 2 is a photograph showing the structure of three types of Sn—Ag—Bi solders. FIG. 3 shows the ternary eutectic ratio when the amount of Bi near the Sn—Ag binary eutectic line is changed. FIG. 4 shows tensile strength at 150 ° C. when the amount of Bi was changed. FIG. 5 shows tensile strength at 125 ° C. when the amount of Bi was changed. FIG. 6 shows the wetting characteristics when the amount of Cu in the Sn—Ag—Bi solder is changed. FIG. 7 shows the elongation characteristics at room temperature when the amount of Bi is changed. FIG. 8 shows an example in which the present invention is applied to a BGA. FIG. 9 shows the connection strength between the solder of the present invention and a lead. [Explanation of reference numerals] 1. BGA body 2. solder balls BGA 4. 4. Printed circuit board Solder paste

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中塚 哲也 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 (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 (72)発明者 原田 正英 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 (72)発明者 浜野 恵 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 (72)発明者 山本 健一 東京都小平市上水本町五丁目20番1号株式 会社日立製作所半導体事業部内 Fターム(参考) 5E319 AA03 AB05 AC01 AC04 BB08 CC33 GG03    ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page    (72) Inventor Tetsuya Nakatsuka             292 Yoshida-cho, Totsuka-ku, Yokohama-shi, Kanagawa             Hitachi, Ltd. Production Technology Laboratory (72) Inventor Toshiharu Ishida             292 Yoshida-cho, Totsuka-ku, Yokohama-shi, Kanagawa             Hitachi, Ltd. Production Technology Laboratory (72) Inventor Masahide Harada             292 Yoshida-cho, Totsuka-ku, Yokohama-shi, Kanagawa             Hitachi, Ltd. Production Technology Laboratory (72) Inventor Megumi Hamano             292 Yoshida-cho, Totsuka-ku, Yokohama-shi, Kanagawa             Hitachi, Ltd. Production Technology Laboratory (72) Inventor Kenichi Yamamoto             5-20-1, Stock, Honcho, Kosui, Tokyo             Hitachi Semiconductor Co., Ltd. F term (reference) 5E319 AA03 AB05 AC01 AC04 BB08                       CC33 GG03

Claims (1)

【特許請求の範囲】 【請求項1】所定の配線パターンを形成した回路基板
と、該配線パターンと接続する電極を備えた電子部品と
からなる電子機器であって、 該回路基板の配線パターンと該電子部品の電極とを10
重量%〜25重量%のBi、1.5重量%〜3重量%の
Ag、残りがSn、及び不可避不純物で構成されるSn
−Ag−Bi系はんだにより接続したことを特徴とする
電子機器。
Claims: 1. An electronic apparatus comprising: a circuit board on which a predetermined wiring pattern is formed; and an electronic component having an electrode connected to the wiring pattern. The electrodes of the electronic component are
Wt% to 25 wt% Bi, 1.5 wt% to 3 wt% Ag, the balance being Sn and Sn composed of unavoidable impurities
-An electronic device characterized by being connected by an Ag-Bi solder.
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