JP2004114069A - 無電解Ｎｉメッキ部分へのはんだ付け用はんだ合金 - Google Patents

Abstract

【課題】従来、無電解Ｎｉめっきが施されたＢＧＡ基板やプリント基板ではＳｎ−Ｐｂ共晶近辺のはんだ合金ではんだ付けが行われていた。しかしながら、これらの基板等を組み込んだ電子機器が強い衝撃を受けると、はんだ付け部が容易に剥離するという問題を起こすことがあった。
【解決手段】本発明は、無電解Ｎｉめっきが施されたはんだ付け部をはんだ付けしたときに剥離に強いはんだ合金であり、Ｓｎが６０〜６４質量％、残部がＰｂからなるＳｎ−Ｐｂ共晶近辺のはんだ合金に０．００２〜０．０１質量％のＰと、０．０４〜０．３質量％のＣｕが添加されたはんだ合金である。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、はんだ合金、特に無電解Ｎｉメッキされた部分へはんだ付けするに適したはんだ合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｃｕは、ＡｕやＡｇ等の貴金属同様に溶融したはんだに対して濡れやすい材料であるが、ＡｕやＡｇよりも安価な材料であるため、多くの電子部品の電極やプリント基板のはんだ付け部に使われている。しかしながら、Ｃｕの特長である溶融はんだに対する濡れ性が過剰に発揮されると、Ｓｎとの金属間化合物が必要以上に生成してしまうことがあり、それは時効後の発達においても顕著である。
【０００３】
従って、Ｃｕをはんだ付け部材としてそのまま使用すると、過剰な金属間化合物の生成が起こる場合があり、脆性破壊が起こりやすくなる懸念がある。
【０００４】
はんだ付け部にＮｉを使い、条件を適切に揃えると、必要充分な濡れ性確保と共に金属間化合物の生成量も適度に抑えられることが、一般に知られている。しかしながら、価格的にはＮｉよりもＣｕの方がより安価であり、そのために、最も汎用性の高い導電性非鉄金属としてＣｕが好まれている。
【０００５】
今日、ＣｕとＮｉのお互いの利点を活かした使用法として、はんだ付け部のＣｕ表面にＮｉめっきを施した基板等が多くなってきている。主体はＣｕで製作し、はんだと濡れる部分のみにＮｉ被覆を施して、金属間化合物の過剰生成を抑えるものである。
【０００６】
基板等のはんだ付け部に施すＮｉめっきの方法としては、電解めっき法と無電解めっき法がある。電解めっき法は、電解液中に陰極および陽極を設置し、電解反応によって陰極表面に金属層を形成するものである。しかしながら電解めっき法は、めっき部分への導電を目的とする特別な配線、電解電流密度の制約、めっき装置における金属部分の腐食、陽極として可溶性陽極を用いなければならないという問題があるばかりでなく、Ｎｉの析出速度が遅く、さらには陽極に遠い箇所や凹部での析出が少なく、電極の陰になる箇所ではほとんど析出しないという問題もあった。これに対して無電解めっきは電気を通すことなく材料をめっき液に浸漬するだけで、材料の種類や形状に関係なく均一厚さのＮｉめっきが得られるという特長を有している。従って、基板等へのＮｉめっきとしては、無電解めっきが主流となっている。
【０００７】
無電解Ｎｉめっきのめっき液は、Ｎｉ源として硫酸ニッケル、還元剤としての次亜リン酸ソーダを組合わせたＮｉ−Ｐめっき液であり、めっき液のｐＨを一定値に保持するために水酸化ナトリウムが使用されている。この無電解Ｎｉ−Ｐめっき液で得られるＮｉめっき中には通常２〜１５質量％程度のＰが含有されている。
【０００８】
ところで無電解Ｎｉめっきが施されたＢＧＡ基板では、電極に予めはんだバンプを形成しておき、ＢＧＡ基板をプリント基板に実装するときに該はんだバンプを溶融させてＢＧＡ基板とプリント基板とをはんだ付けするようにしている。このＢＧＡ基板にはんだバンプを形成するには、先ずＢＧＡ基板の電極に粘着性フラックスを塗布し、その上にはんだボールを搭載してから、ＢＧＡ基板をリフロー炉で加熱して、はんだボールを溶融させることによりはんだバンプを形成する。このときＢＧＡ基板の電極には前述のように無電解Ｎｉめっきが施されており、殆どの場合において、電極表面には化学生成物を防止し、はんだとの馴染みを向上させるＡｕフラッシュめっきがされている。このため、溶融したはんだボールは問題なく電極に濡れる。
【０００９】
一般にＢＧＡ基板にはんだバンプを形成するために用いるはんだは、Ｓｎ−Ｐｂはんだの共晶近辺の組成、即ちＳｎが６０〜６４質量％のはんだ合金である。この共晶近辺のＳｎ−Ｐｂはんだ合金は、融点が１９０℃以下と比較的低いため、リフロー炉でのはんだバンプ形成や、その後のＢＧＡ基板とプリント基板とのはんだ付けにおいてもＢＧＡ基板やＢＧＡ内部の素子に対して熱影響が少ない。また共晶近辺のはんだ合金は、はんだ付け部に対する濡れ性も良好であるという他のはんだ合金にない優れた特性を有している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来のＳｎ−Ｐｂ共晶近辺のはんだボールを用いて無電解ＮｉメッキされたＢＧＡ基板にはんだバンプを形成し、該ＢＧＡ基板をプリント基板に実装して電子機器に組み込むと、ＢＧＡ基板がプリント基板から剥離するという事故が発生することがあった。例えばポケットに入れていた携帯電話がポケットから滑って落下したり、小型のノートブック型パソコンをバッグに入れて持ち運ぶときに、バッグを落としてしまったりするような衝撃が携帯電話やパソコン等の電子機器に加えられることがある。このような衝撃が電子機器に加えられると、はんだ接合部で剥離が起き、内部のＢＧＡ基板とプリント基板の導通が不十分になって、電子機器としての機能を全く果たせなくなってしまうことがある。
【００１１】
【課題を解決する手段】
本発明者らが衝撃で剥離したはんだ付け部の剥離面を観察したところ、Ｎｉめっき面には、はんだが全く残っておらず極めて平坦な面を呈していた。またこのように剥離したはんだの断面を顕微鏡で観察し、ＸＭＡでその部分の組成の分析を行ったところ、はんだの剥離面はＳｎ−Ｎｉの金属間化合物部分があり、該金属間化合物の中にＰが濃化していることが分かった。
【００１２】
ＢＧＡ基板のＣｕ電極上における無電解Ｎｉめっき部とＳｎ−Ｐｂはんだの接合部における模式的な組織を図１で説明する。
【００１３】
ＢＧＡ基板のＣｕ電極１上には無電解Ｎｉめっき２が施されている。該ＮｉめっきにＳｎ−Ｐｂはんだではんだ付けを行うと、Ｓｎ−Ｐｂはんだ３とＮｉが相互拡散してＳｎ−Ｎｉ金属間化合物層４を形成する。前述のように無電解Ｎｉめっき中にはＰが含まれているため、ＰがＮｉとＳｎとの反応の際に取り残される形で濃化するようになる。その結果、脆い特性のＳｎ−Ｎｉ金属間化合物層４中に更に脆性傾向を持つＰ濃化層５を生じ、金属的な接合をも弱めることから衝撃で容易に剥離を起こし易くなる。それ故、Ｓｎ−Ｐｂはんだで無電解Ｎｉめっき部のはんだ付けを行うと、衝撃で容易にはんだ付け部が剥離してしまうようになる。
【００１４】
そこで本発明者らは、はんだ付け時、Ｓｎ−Ｎｉ化合物生成の抑制をし、なおかつ、より強度的向上が期待できる組成の合金層に改善でき、また無電解Ｎｉめっき中に存在するＰの濃化化合物も最小限にすることについて鋭意研究を重ねた結果、二種類の元素を同時に微量添加すると効果があることを知って本発明を完成させた。
【００１５】
本発明は、Ｓｎ６０〜６４質量％、残部ＰｂからなるＳｎ−Ｐｂ共晶近辺のはんだ合金中に０．００２〜０．０１質量％のＰと０．０４〜０．３質量％のＣｕが添加されていることを特徴とする無電解Ｎｉめっき部分へのはんだ付け用はんだ合金である。
【００１６】
本発明のＳｎ−Ｐｂはんだ合金は、Ｓｎが６０〜６４質量％の共晶近辺のはんだ合金である。該はんだ合金は濡れ性に優れ、しかも液相線温度が１９０℃以下と低いため、はんだボールを使用してのＢＧＡ基板へのはんだバンプ形成時やＢＧＡ基板をプリント基板に実装する際のリフローはんだ付けにおいても内部の素子やプリント基板等に熱影響を与えるようなことはない。
【００１７】
本発明では、上記Ｓｎ−Ｐｂ共晶近辺のはんだ合金中に微量のＰとＣｕを同時に添加したもので、Ｐの添加量が０．００２質量％よりも少ないとＳｎ−Ｎｉ合金層とＰ濃化層抑制効果が現れず、しかるにＰの添加量が０．０１質量％を超えると、はんだ付け性が悪くなるばかりでなく、はんだ付け部に多数のボイドが発生するようになる。
【００１８】
そしてＰとともにＳｎ−Ｐｂ共晶近辺のはんだ合金中に添加するＣｕは、Ｐ同様にＳｎ−Ｎｉの金属間化合物層生成を抑制するとともに、はんだ接合部の界面に発生するＳｎ−Ｎｉ金属間化合物層中に少し入り込んで脆い性質を是正する効果を有している。Ｃｕの添加量が０．０４質量％よりも少ないと、これらの効果が期待できず、やはり、Ｃｕが０．３質量％を超えて添加されると明確な液相線の上昇を招き、ボイド発生の原因となってしまう。また０．３質量％より多いＣｕの添加は、バンプ中でのＳｎ−Ｃｕ化合物の生成が起こるため好ましくない。
【００１９】
ここで剥離性が改善されたＢＧＡ基板のＣｕ電極上における無電解Ｎｉめっき部と本発明はんだの接合部における模式的な組織を図２で説明する。
【００２０】
ＢＧＡ基板のＣｕ電極１にはＰを含んだ無電解Ｎｉめっき２が施されており、該Ｎｉめっきに本発明のはんだ６ではんだ付けを行うと、はんだ中にはＳｎとＮｉが反応して金属間化合物を生成するのを抑制するＰとＣｕが添加されているため、形成されるＳｎ−Ｎｉ−Ｃｕ金属間化合物層７は、図１の従来のＳｎ−Ｐｂはんだを用いてはんだ付けされたときのＳｎ−Ｎｉ金属間化合物層４よりも薄くなっている。またＳｎ−Ｎｉ−Ｃｕ金属間化合物は、Ｃｕが少量入り込んでおり、Ｓｎ−Ｎｉ金属間化合物の脆い性質が是正されている。そして、はんだ付け時にＮｉ中に含まれているＰもはんだ中のＰとＣｕが作用してＳｎ−Ｎｉ金属間化合物層７中に入り込む量が少なくなり、Ｎｉめっきに近い側にＰ濃度の濃いＳｎ−Ｎｉ−Ｐ金属間化合物層８が極めて薄く形成され、その上にＰ濃度の薄いＳｎ−Ｎｉ−Ｐ金属間化合物層９がやはり薄く形成される。
【００２１】
つまり本発明のはんだを用いて無電解Ｎｉめっきに対してはんだ付けを行うと、脆いＳｎ−Ｎｉ金属間化合物層の生成が薄くなるばかりでなく、さらに脆い性質を有するＳｎ−Ｎｉ−Ｐ金属間化合物の生成も極めて少なくなるため、はんだ付けしたものを組み込んだ電子機器に衝撃が加わっても、はんだ付け部は容易に剥離しなくなる。
【００２２】
【実施例】
実施例および比較例を表１に示す。
【００２３】
【表１】

【００２４】
（表１の説明）
無電解Ｎｉメッキが施されたＢＧＡ基板の電極に粘着性フラックスを塗布し、その上に直径が０．７６ｍｍのはんだボールを搭載する。その後、はんだボールが搭載されたＢＧＡ基板をリフロー炉で溶融（ピーク温度２１０℃）し、電極にはんだバンプを形成する。次にＢＧＡ基板を固定し、はんだバンプを治具で挟持して上方に引っ張るか、或は接合方向と水平若しくはそれに近い角度で衝撃を加え、破断の状態を目視で確認する。破断の状態を次のモードに種別して良否の判定にする。
【００２５】
（はんだバンプの衝撃試験方法および判定）
図３に示すように、ＢＧＡ基板１０のＣｕ電極１１上に無電解法でＮｉめっき１２が施されており、該電極には、はんだバンプ１３が形成されている。該ＢＧＡ基板を固定し、横方から治具１４で衝撃を与えて、はんだバンプが破壊した状況を観察する。
モード１：破断がはんだバンプ１３から起こる（剥離しにくい）…図４
モード２：Ｃｕ電極１０が基板から剥がれる（剥離しにくい）…図５
モード３：破断がはんだバンプ１３とＮｉめっき１２の界面付近から起こり、剥離面が平坦（剥離しやすい）…図６
※ＢＧＡ基板に形成した１００個のはんだバンプの衝撃試験を行い、モード１と２が８０個以上の場合を良、モード３が２０個を越えた場合を不良とした。
【００２６】
なお本発明のはんだ合金は、無電解Ｎｉメッキが施された電子部品や基板等に適応するものであり、はんだの形態としては、はんだボール、ソルダペースト、フォームはんだ、やに入りはんだ等である。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のはんだ合金は、無電解Ｎｉめっきした電子部品の電極や基板等に対して強固な接合が得られるため、これらの電子部品やプリント基板が組み込まれた電子機器に衝撃が加わっても、はんだ付け部が容易に剥離しないという信頼性のあるはんだ付け部が得られるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＰｂ−Ｓｎはんだで無電解ＮｉめっきされたＣｕ電極をはんだ付けした状態の模式的組織図
【図２】本発明のはんだで無電解ＮｉめっきされたＣｕ電極をはんだ付けした状態の模式的組織図
【図３】はんだバンプの衝撃試験方法を説明する図
【図４】はんだバンプ衝撃試験において、はんだバンプからの破壊を説明する図
【図５】はんだバンプ衝撃試験において、ＢＧＡ基板からの破壊を説明する図
【図６】はんだバンプ衝撃試験において、はんだバンプとＢＧＡ電極との剥離を説明する図
【符号の説明】
１　Ｃｕ電極
２　無電解Ｎｉめっき
６　はんだ
７　Ｓｎ−Ｎｉ−Ｃｕ金属間化合物層
８　Ｐ濃度の濃いＳｎ−Ｎｉ−Ｐ金属間化合物層
９　Ｐ濃度の薄いＳｎ−Ｎｉ−Ｐ金属間化合物層

Claims (1)

1. Ｓｎ６０〜６４質量％、残部ＰｂからなるＳｎ−Ｐｂ共晶近辺のはんだ合金中に０．００２〜０．０１質量％のＰと０．０４〜０．３質量％のＣｕが添加されていることを特徴とする無電解Ｎｉメッキ部分へのはんだ付け用はんだ合金。

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