JP2003275891A - ハンダペーストおよび、このハンダペーストを使用した接続部及びこの接続部を設けた電子装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系のＰｂフリーはんだを使
用したハンダ接続部分の経時的劣化を抑制する。 【解決手段】 本発明はフラックス中にハンダ合金粉末
および金属粉末を有するハンダペーストであって、前記
ハンダ合金粉末はＳｎとＺｎとＢｉとを構成元素として
含み、前記金属粉末はＦｅまたはＣｏの少なくとも１つ
の構成元素を含むことを特徴とするハンダペーストであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はハンダペーストの組
成、および該ハンダを介して電子部品と配線基板とを電
気的に接続した接続部およびこの接続部を設けた電子装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５は一般的な電子部品と回路基板とを
電気的に接続した電子装置である。

【０００３】この電子装置１は大略回路基板２と電子部
品３とから構成されている。この回路基板２は絶縁基板
２０上にＣｕ配線パターン２１を形成したものである。
絶縁基板２０は例えばセラミクス基板やガラスエポキシ
樹脂基板等により構成されている。Ｃｕ配線パターン２
１は例えばメッキ、蒸着またはスパッタリングにより形
成することができる。

【０００４】次に電子部品３は半導体チップなどの電子
素子を樹脂パッケージ３０内に封止したものである。樹
脂パッケージ３０に複数の外部リード３１を設けてい
る。外部リード３１は、先端部３２が樹脂パッケージ３
０の底面と略同一面となるようにクランク状に折り曲げ
られている。この先端部３２の表面は主にＳｎ−Ｐｂメ
ッキされている。

【０００５】この実装部３２とＣｕ配線パターン２１と
はハンダ層４を介して接続されている。このハンダ層４
はＳｎ−Ｐｂ系の合金が広く使われていた。しかしＰｂ
の毒性のために使用されなくなってきた。変わってＳｎ
−Ｚｎ系の合金、具体的にはＳｎ−Ｚｎ−Ｂｉの合金が
使用されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図６はＳｎ−Ｚｎ−Ｂ
ｉのハンダ合金粉末を使用したハンダ付けの断面図であ
る。図示するようにＳｎ−Ｚｎ−Ｂｉのハンダ合金を用
いて回路基板２上のＣｕ配線パターン２１と電子部品３
の先端部３２とがハンダ付けされている。このＣｕ配線
パターン２１とハンダ層との界面にＺｎＣｕ化合物層４
３が形成される。このＺｎＣｕ化合物層４３はハンダ合
金粉末中のＺｎとＣｕ配線パターン２１のＣｕとの親和
性が高いためにＣｕ配線パターン２１上に形成される。
次に電子部品３の先端部３２をメッキしたＰｂとハンダ
合金粉末に含まれるＢｉとが反応してＰｂ−Ｂｉ化合物
の固まりができ、このＰｂ−Ｂｉ化合物が平面状の層を
形成する。このＰｂ−Ｂｉ化合物はＳｎ−Ｚｎ−Ｂｉの
ハンダ合金より重い為に底部に位置するＺｎＣｕ化合物
層４３と隣接した上部に形成される。従ってＺｎＣｕ化
合物層４３とＰｂ−Ｂｉ化合物層４２との２層が形成さ
れる。

【０００７】上記電子装置１は電子部品３を回路基板２
に実装したものである。この回路基板２はリフロー装置
の加熱によって電子部品３の外部リード３１と回路基板
２のＣｕ配線パターン２１とがハンダ付けされる。詳細
にはリフロー加熱は予備加熱に続いて本加熱の２回でお
こなわれる。このリフロー加熱の予備加熱は約１５０度
Ｃであり、Ｐｂ−Ｂｉ化合物層４２の融点は、例えばＰ
ｂ４４重量％−Ｂｉ５６重量％の場合で約１２５度Ｃで
ある。このためにＰｂ−Ｂｉ化合物層４２は予備加熱で
ＺｎＣｕ化合物層４３と溶融剥離する。その後Ｐｂ−Ｂ
ｉ化合物層４２は本加熱の約２１０度Ｃに加熱されてＺ
ｎＣｕ化合物層４３との間に空洞が生じて２度と融着す
ることがない。従って電子部品３と回路基板２との接合
不良となる。

【０００８】また電子装置１は電子部品３を回路基板２
の表裏両面に実装したものがある。この両面実装された
電子装置１の実装方法は下記のように行われる。 （１）最初に回路基板２の表に電子部品３を仮実装す
る。 （２）その後に回路基板２の表面を上方向にしてリフロ
ー装置の加熱によって電子部品３の外部リード３１と回
路基板２のＣｕ配線パターン２１とがハンダ付けされ
る。 （３）次に回路基板２の表裏を返して裏に電子部品３を
仮実装する。 （４）続いて回路基板２の裏面を上方向にしてリフロー
装置の加熱によって電子部品３の外部リード３１と回路
基板２のＣｕ配線パターン２１とがハンダ付けされる。

【０００９】この裏面実装の加熱にて電子部品３を実装
した回路基板２が湾曲する。従って既に実装された電子
部品３の外部リード３１と回路基板２のＣｕ配線パター
ン２１とのハンダ付け部分に応力が生じる。そして加熱
されたハンダ付け部分、詳細にはＰｂ−Ｂｉ化合物層４
２とＺｎＣｕ化合物層４３とが溶融剥離する。

【００１０】本発明の目的は金属粉末４１をハンダペー
スト４中に存在させることにより、Ｃｕ配線パターン２
１上のＺｎＣｕ化合物層４３の隣接部にＰｂ−Ｂｉ成分
が形成することを抑制する。従って電子部品３と回路基
板２との接合不良を防止する。結果としてハンダ接続部
の接合強度が長期間にわたり安定し、電子装置の信頼性
および寿命を向上させる。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明はフラックス中にハンダ合金
粉末および金属粉末を有するハンダペーストであって、
前記ハンダ合金粉末はＳｎとＺｎとＢｉとを構成元素と
して含み、前記金属粉末はＦｅまたはＣｏの少なくとも
１つの構成元素を含むことを特徴とするハンダペースト
を提供する。つまりＰｂ−Ｂｉ成分が底部に位置するＺ
ｎＣｕ化合物層へ沈降する途中で、はんだ内に散在した
金属粉末のＦｅまたはＣｏのいずれかの金属粉末に捕獲
される。従ってＰｂ−Ｂｉ成分がＺｎＣｕ化合物層と隣
接した部位に形成されることを防止して、電子部品と回
路基板との接合不良を抑止し、電気的に導通不良になる
ことを防止する。結果として電子装置の信頼性を改善で
きるものである。

【００１２】次に請求項２に記載の発明は前記金属粉末
は、前記ハンダ合金粉末の融点において、ハンダ合金粉
末に対する前記金属粉末の固溶限界を越える量で含むこ
とを特徴とするハンダペーストを提供する。従って金属
粉末はハンダ合金粉末の融点において、ハンダ合金粉末
の固有限界を越える量で含まれる。このために金属粉末
はハンダ溶融時に加熱溶融されることがなく金属粒の状
態で適切にハンダ中に分散させることができる。結果と
して金属粉末は容易にハンダ中のＰｂ−Ｂｉ成分を容易
に捕獲することができる。

【００１３】続いて請求項３に記載の発明は請求項１に
記載の金属粉末はＦｅまたはＦｅを構成元素として含む
合金であることを特徴とするハンダペーストを提供す
る。従ってＰｂ−Ｂｉ成分と親和性の良い金属粉末のＦ
ｅ、またはＦｅを含む合金粉末はＰｂ−Ｂｉ成分を容易
に捕獲することができる。結果としてＰｂ−Ｂｉ化合物
層がＺｎＣｕ化合物層と隣接した部位に形成されること
を防止する。

【００１４】次に請求項４に記載の発明は請求項１に記
載の金属粉末はＣｏまたはＣｏを構成元素として含む合
金であることを特徴とするハンダペーストを提供する。
従ってＰｂ−Ｂｉ成分と親和性の良い金属粉末のＣｏ、
またはＣｏを含む合金粉末はＰｂ−Ｂｉ成分を容易に捕
獲することができる。結果としてＰｂ−Ｂｉ化合物層が
ＺｎＣｕ化合物層と隣接した部位に形成されることを防
止する。

【００１５】さらに請求項５に記載の発明はＳｎとＺｎ
とＢｉとから成るハンダを介して、少なくとも表面に構
成元素としてＰｂを含む電子部品の端子と、回路基板の
電極とを導電接続した接続部であって、前記ハンダにＦ
ｅまたはＣｏの少なくとも１つを構成元素として含むこ
とを特徴とする接続部を提供する。従って、Ｐｂ−Ｂｉ
成分がＺｎＣｕ化合物層と隣接した部位に形成されるこ
とがない電子部品の端子と回路基板の電極とを導電接続
した接続部となる。このために、電子部品と回路基板と
の接合不良を抑止し、電気的に導通不良になることを防
止する。結果として電子装置の信頼性を改善できるもの
である。

【００１６】請求項６に記載の発明は少なくとも表面に
構成元素としてＰｂを含む電子部品の端子と、前記端子
を覆うハンダ層とを備えた電子装置であって、前記ハン
ダ層はＳｎとＺｎとＢｉとを構成元素として含む合金よ
りなるハンダと、前記ハンダ中に金属粉末のＦｅまたは
Ｃｏの少なくとも１つを構成元素として含むことを特徴
とする電子装置を提供する。従ってＰｂ−Ｂｉ成分がＺ
ｎＣｕ化合物層と隣接した部位に形成されることがな
い。このために、電子部品と回路基板との接合不良を抑
止し、電気的に導通不良になることを防止する。結果と
して電子装置の信頼性を改善できるものである。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施の形
態について図面を参照して説明する。図１は本発明に係
る電子装置の製造方法の説明図である。

【００１８】まず最初図１（ａ）に示したように回路基
板２におけるＣｕ配線パターン２１上にハンダペースト
４を塗布する。ハンダペースト４は具体的にスクリーン
印刷の手法によりＣｕ配線パターン２１上に塗布され
る。より詳細には開口部が形成されたメタルマスクを位
置合わせして回路基板２上に載置した状態で開口部内に
ハンダペーストを充填し、その後にマスクを除去するこ
とにより形成される。

【００１９】ハンダペーストとしてはフラックス中にハ
ンダ合金粉末４０Ａおよび金属粉末４１Ａを分散させた
ものが使用される。

【００２０】フラックスとしては、ロジン１００重量部
に対して、溶媒５０〜９０重量部、粘調剤５〜２０重量
部、界面活性剤０．５〜１０重量部を混合したものが使
用される。溶媒としては例えばベンゼン、トルエン、α
―テレビネオールを、粘調剤としては、たとえばグリセ
リン、ポリエチレングリコール、硬化ひまし油を、界面
活性剤としては例えばアミンハロゲン化水素酸塩、ジフ
ェニルグアニジンＨＢｒを使用することができる。

【００２１】ハンダ合金粉末４０Ａとしては、たとえば
組成がＳｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉ（Ｓｎ８９重量％、Ｚｎ８
重量％、Ｂｉ３重量％）が使用される。ハンダ合金粉末
４０Ａは、たとえば平均粒径が２０〜４０μｍのものを
使用する。

【００２２】金属粉末４１Ａは、Ｆｅ、Ｆｅを含む合金
またはＣｏ、Ｃｏを含む合金が使用される。金属粉末４
１Ａの平均粒径は、たとえば４０μｍ以下、さらに好ま
しくは５〜４０μｍ、最も好ましくは５〜２０μｍであ
る。金属粉末４１Ａの平均粒径が不当に大きければ、ハ
ンダ合金粉末４０Ａが溶融した場合の金属粒子４１Ａの
分散性が悪くなる。一方、平均粒径を不当に小さくすれ
ば、製造コストが上昇する反面、それに見合うだけの効
果の上積みを期待できない。金属粉末４１Ａの分散性を
考慮した場合には、金属粉末４１Ａとして略球形を有す
る。

【００２３】次に図１（ｂ）に示したように回路基板２
上に電子部品３を載置する。このとき外部リード３１の
実装部３２とＣｕ配線パターン２１とを位置合わせ済で
ある。

【００２４】続いて、回路基板２と電子部品３とをリフ
ロー加熱する、具体的には接合部のハンダ付け温度は約
２１０度Ｃである。これによりハンダペースト４が溶融
する。その後、回路基板２と電子部品３とを冷却する。
従って実装部３２とＣｕ配線パターン２１とがハンダ層
４を介して接続される。しかし加熱時にハンダ合金中の
ＺｎとＣｕ配線パターン２１中のＣｕとが反応し、Ｃｕ
配線パターン２１の表面にＺｎＣｕ化合物層４３が形成
される。

【００２５】ハンダペーストとしては、ハンダ合金粉末
４０Ａと金属粉末４１Ａとを混合したものが使用され
る。好ましくは、金属粉末４１Ａは、ハンダ合金粉末４
０Ａの融点において、ハンダ合金粉末４０Ａに対する金
属粉末４１Ａの固溶限界を越える量で含まれている。し
たがってハンダ合金粉末４０Ａを溶融させたとしても、
金属粉末４１Ａが非溶融の状態の金属粒が存在する。そ
の結果、ハンダ層４は、図１（ｂ）に示したようにハン
ダ合金粉末のＳｎ―Ｚｎ−Ｂｉと金属粉末４１Ａとが分
散したものとなる。

【００２６】図２はＳｎ Ｆｅ系の相平衡図であり、図
３はＳｎ−Ｃｏ系の相平衡図である。１例として図２を
参照して説明する。上記Ｓｎ−Ｆｅ合金の融点はＳｎの
融点である２３２度Ｃ以上であり、合金中のＳｎ量を増
加するほど融点は上昇する。従ってハンダ合金粉末４０
Ａが融解しても、金属粉末４１Ａが融解することなくマ
トリックス４０中に融解しない金属粉末４１Ａが残る。
次に図３を参照すると、図２と同様に合金中のＳｎ量を
増加するほど融点は上昇する。従ってハンダ合金粉末４
０Ａが融解しても、金属粉末４１Ａが融解することなく
マトリックス４０中に融解しない金属粉末４１Ａが残
る。従って金属粉末４１Ａを適切にハンダペースト４中
に分散させることができる。

【００２７】図４（ａ）、（ｂ）は金属粉末４１Ａ、例
えばＦｅの表面または内部にＰｂ−Ｂｉ化合物層４２が
捕獲された模式図である。

【００２８】このようにしてマトリクス４０中に融解し
ない金属粉末４１Ａが存在している。つまり金属粉末４
１ＡのＦｅがマトリクス４０中を固体拡散した状態であ
る。従ってＰｂ−Ｂｉ成分がＣｕ配線パターン２１に到
達する前に金属粉末４１Ａにより捕獲される。つまり、
図４に模式的に示したように金属粉末４１Ａの表面また
は内部にＰｂ−Ｂｉ化合物層４２が捕獲される。このこ
とは本発明者が金属粉末４１Ａの断面を電子顕微鏡観察
し確認している。

【００２９】＜実施例＞以下、本発明の実施例１ ５を
比較例１とともに説明する。

【００３０】電子装置１は図１（ａ）と（ｂ）に図示し
た要領で製造した。ハンダペーストは、メタルマスクを
用いたスクリーン印刷によりＣｕ配線パターン２１上に
塗布した。

【００３１】ハンダペーストの組成としては、下記表１
に示すようにＳｎ−Ｚｎ−Ｂｉハンダ合金粉末とフラッ
クスとを混合したものに、さらに金属粉末を実施例１〜
５に記載したとおりに添加した。

【００３２】Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉハンダ合金粉末として
は、実施例１〜４は組成がＳｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉであ
り、詳細はＳｎ８９重量％、Ｚｎ８重量％、Ｂｉ３重量
％で融点１９３度Ｃであり、平均粒径が２０μｍ〜４０
μｍの略球形のものを８０重量部使用する。次に実施例
５は組成がＳｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉ、平均粒径が２０μｍ
〜４０μｍである略球形のものを９０重量部使用した。

【００３３】金属粉末としては、実施例１は純ＦｅにＳ
ｎめっきを施した形態であり、実施例２は純ＣｏにＳｎ
めっきを施した形態で、実施例３はＦｅとＳｎとの重量
比率が５０：５０となるように調整した合金の形態であ
り、実施例４はＳｎとＣｏとの重量比率が５０：５０と
なるように調整した合金の形態で、実施例５は金属粉末
を添加していない。

【００３４】

【表１】

【００３５】フラックスの成分は下記表２に示した通り
である。表２に示した組成のフラックスは、具体的には
昭和電工（株）製の製品名Ｊｕｆｆｉｔ−Ｅ ８Ｚ３Ｂ
０５Ｍ２である。

【００３６】

【表２】

【００３７】＜引張り強度試験＞これらの各実施例のＰ
ｂ−Ｂｉ化合物層４２の有無を試験した。Ｐｂ−Ｂｉ化
合物層４２が有る場合引張り強度が小さく、無い場合は
引張り強度が大きい。この関係を利用して各実施例は引
張り強度にて比較する。

【００３８】引張り強度試験は図１に示したような電子
装置１を接合直後に室温に保持した場合の回路基板２と
電子部品３の外部リード３１との接続強度を試験した。
具体的には外部リード３１の１本当りの接続強度を測定
した。測定方法は電子部品３本体を除去した外部リード
３１の１本を垂直に引っ張り上げ、そして外部リード３
１とＣｕ配線パターン２１とが剥離したときの強度を測
定した。このリード３１の接続面積は縦０．２５×横１
mmである。実施例１は１０００〜１０１０（ｇｆ／ｐｉ
ｎ）であり、実施例２は９８０〜９９０（ｇｆ／ｐｉ
ｎ）であり、実施例３は１０５０〜１１００（ｇｆ／ｐ
ｉｎ）であり、実施例４は１０２０〜１０８０（ｇｆ／
ｐｉｎ）であり、実施例５は２５０〜３００（ｇｆ／ｐ
ｉｎ）であった。電子装置１が必要とする接続強度は少
なくとも５００〜６００（ｇｆ／ｐｉｎ）とされてい
る。結果として、金属粉末を含む実施例１〜４は金属粉
末を含まない実施例５の約２〜３倍の強度が得られる。
このように本実施例の金属粉末を使用することにより、
Ｐｂ−Ｂｉ化合物層４２の形成が抑制されている。した
がって、Ｓｎ−Ｚｎ−ＢｉのＰｂフリーハンダをつかっ
たハンダ接続部の接続不良を効果的に回避することがで
きる。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明のハンダペ
ーストを使用するとＣｕ配線パターン上のＺｎＣｕ化合
物層の隣接部にＰｂ−Ｂｉ成分が形成することを抑制す
る。従って電子部品と回路基板との接合不良を防止す
る。結果としてハンダ接続部の接合強度が長期間にわた
り安定し、電子装置の信頼性および寿命を向上させる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る電子装置の製造方法の説明図、

【図２】 Ｓｎ−Ｆｅ系の相平衡状態図、

【図３】 Ｓｎ−Ｃｏ系の相平衡状態図、

【図４】 金属粉末４１Ａの表面または内部にＰｂ−Ｂ
ｉ化合物層が形成された模式図、

【図５】 一般的な電子部品と回路基板とを電気的に接
続した電子装置、

【図６】 Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉのハンダ合金粉末を使用し
たハンダ付けの断面である。

【符号の説明】

１ 電子部品装置、 ２ 回路基板、 ２１ Ｃｕ配線パターン、 ３ 電子部品、 ３２ 電子部品の実装部、 ４ ハンダ層、 ４０ マトリクス、 ４０Ａ ハンダ合金粉末、 ４１Ａ 金属粉末、

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 フラックス中にハンダ合金粉末および金
   属粉末を有するハンダペーストであって、 前記ハンダ合金粉末はＳｎとＺｎとＢｉとを構成元素と
   して含み、 前記金属粉末はＦｅまたはＣｏの少なくとも１つの構成
   元素を含むことを特徴とするハンダペースト。
2. 【請求項２】 前記金属粉末は、前記ハンダ合金粉末の
   融点において、ハンダ合金粉末に対する前記金属粉末の
   固溶限界を越える量で含むことを特徴とするハンダペー
   スト。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の金属粉末はＦｅまたは
   Ｆｅを構成元素として含む合金であることを特徴とする
   ハンダペースト。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の金属粉末はＣｏまたは
   Ｃｏを構成元素として含む合金であることを特徴とする
   ハンダペースト。
5. 【請求項５】 ＳｎとＺｎとＢｉとから成るハンダを介
   して、 少なくとも表面に構成元素としてＰｂを含む電子部品の
   端子と、 回路基板の電極とを導電接続した接続部であって、 前記ハンダにＦｅまたはＣｏの少なくとも１つを構成元
   素として含むことを特徴とする接続部。
6. 【請求項６】 少なくとも表面に構成元素としてＰｂを
   含む電子部品の端子と、 前記端子を覆うハンダ層とを備えた電子装置であって、 前記ハンダ層はＳｎとＺｎとＢｉとを構成元素として含
   む合金よりなるハンダと、 前記ハンダ中にＦｅまたはＣｏの少なくとも１つを構成
   元素とする金属粉末を含むことを特徴とする電子装置。