JP2004167569A - 無鉛はんだペースト組成物およびはんだ付け方法 - Google Patents

Abstract

【課題】リフローはんだ付け方法においてチップ立ち現象の発生を低減し、かつリフロー後のボイドの発生をも低減することができる、鉛を含まないはんだペースト組成物およびはんだ付け方法を提供することである。
を提供することである。
【解決手段】少なくとも２種のはんだ合金粉末とフラックス用樹脂とを含有するＳｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ系はんだペースト組成物であって、前記少なくとも２種のはんだ合金粉末が、Ｓｎと、Ａｇ、ＩｎおよびＢｉから選ばれる少なくとも１種とを含有した相互に組成または配合比の異なる合金粉末であり、これらの合金粉末が溶融して形成されるはんだがＡｇ０．５〜５重量％、Ｉｎ０．５〜２０重量％、Ｂｉ０．１〜３重量％および残部Ｓｎの金属組成からなる。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無鉛はんだペースト組成物、特にＳｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ系はんだペースト組成物およびこれを用いたリフローはんだ付け方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回路基板にコンデンサー、抵抗体などの各種電子部品を搭載するには、回路配線パターンの銅箔ランド（はんだ付けランド）にこれらの電子部品をはんだ付けによって接続することが行われている。このようなはんだ付け方法の１つとして、リフローはんだ付け方法が広く用いられている。
【０００３】
このはんだ付け方法では、図１に示すように、まず、積層板に貼り付けた銅箔をエッチングして電子回路配線のパターンを形成したプリント基板１の銅箔ランド２，２の上にはんだペーストをメタルマスクを用いて印刷することによって塗布し、はんだペースト膜３，３を形成する（図１（ａ））。ついで、チップ状電子部品４をこれらのはんだペースト膜３，３上に載置し（図１（ｂ））、リフローはんだ装置により加熱してはんだペースト膜３，３を溶融させ、冷却固化させることによりはんだ層５，５が形成され、はんだ付けが行われる（図１（ｃ））。はんだペーストとしては、はんだ合金粉末をフラックス樹脂等と混合してペースト状に調製したものが使用される。
【０００４】
ところが、チップ状電子部品４をはんだペースト膜３，３上に載置しリフローはんだ装置内で加熱する場合に、熱源から供給される熱の供給は、例えば熱源に近いほど熱が早く供給されるというように、必ずしも全てのはんだペースト膜３，３に均一ではない。このため、銅箔ランド２，２の上に形成されたはんだペースト膜３，３の一方が先に溶融し、これにより図２に示すように、まだ溶融していない他方のはんだペースト膜に接触しているチップ状電子部品４の他方の側が持ち上げられる、いわゆるチップ立ちと呼ばれる現象が起こる（これをマンハッタン現象と呼ぶこともある）。
【０００５】
このようなチップ立ちは、電子部品４を載せている一方のはんだペースト膜が他方のはんだペースト膜より先に溶融することに起因しているが、その原因は先に溶融したはんだペースト膜がこれに接触している一方の側の電極に濡れ広がって上昇するので、その表面張力によりモーメントが発生するためと推測されている。
このようなチップ立ち現象は、発生率こそ少ないものの、わずかな浮きの場合には目視や検査機器でも発見が困難である。特に流れ作業で大量生産される場合には、目視等の検査は非能率的である。
【０００６】
このような問題を解決するために、従来より融点の異なる２種類の合金粉末を含有するはんだペーストを使用してはんだ付けすることが提案されている。例えば特許文献１には、Ｓｎ６３／Ｐｂ３７の高融点のはんだ合金粉末と、Ｓｎ６２／Ｐｂ３６／Ａｇ２の低融点のはんだ合金粉末とを混合したはんだペーストを使用することにより、チップ立ち現象の発生率を低減化し得ることが開示されている。その他にもチップ立ちを低減するために提案された従来のはんだペーストは、いずれもＳｎ−Ｐｂ系である。
【０００７】
しかしながら、近時、鉛の有害性から、鉛を含まないはんだ合金が要望されている。このため、鉛を含まない錫系はんだ合金、例えばＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ系等のはんだ合金が種々提案されている（特許文献２および３）。しかし、これらのはんだ合金は機械的な強度や伸び、引張り強度などが十分でない等、問題点も多い。はんだの機械的強度等を向上させるためにはＩｎの使用が有効であることから、Ｓｎ−Ａｇ−Ｉｎ系はんだ合金も提案されている（特許文献４，５および６）。
ところが、本発明者らが調べたところ、このような錫系はんだ合金においても、前記したと同様なチップ立ち現象が発生することを確認した。
【０００８】
一方、前記したリフローはんだ付け方法では、リフローはんだ付けの加熱時に、はんだペースト内のフラックスに含まれる溶剤、フラックスに含まれる活性剤とはんだ合金粉の反応により生成する水分、及び基板上のランド部の銅、金などのメッキ部分へのはんだの不ヌレなどが原因で、溶融金属中に空洞が残る、所謂ボイドと呼ばれる現象が起こることが知られている。はんだ接合部に空洞部が存在すると、冷熱サイクル試験、落下試験などの加速試験において、空洞部からはんだ接合部に亀裂が起こりやすい。この亀裂発生により電極間の非接触状態が発生し、製品の信頼性問題に大きく悪影響を及ぼす。
【０００９】
このようなボイドの発生率は、部品、加熱状態等により異なるが、その発生状態は目視で確認することは不可能で、Ｘ線透過装置などの検査機を用い初めて接合部の不良が確認される。このため、流れ作業など大量生産されるものについてそのような検査は非効率であり、またボイド発生部の修正も困難である。そのためリフローはんだ付け方法ではボイドの発生をなくすことが大きな課題とされている。
【００１０】
【特許文献１】特開平９−１６８８８７号公報
【特許文献２】特開平８−２１５８８０号公報
【特許文献３】特開平７−８８６８０号公報
【特許文献４】特許第２６３４５５３号公報
【特許文献５】特許第２８０５５９５号公報
【特許文献６】特許第３０４０９２９号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の主たる目的は、リフローはんだ付け方法においてチップ立ち現象の発生を低減することができる、鉛を含まないはんだペースト組成物およびはんだ付け方法を提供することである。
【００１２】
本発明の他の目的は、リフロー後のボイドの発生を低減することができる、鉛を含まないはんだペースト組成物およびはんだ付け方法を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、Ｓｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ系無鉛はんだペーストにおいて、少なくとも２種の無鉛はんだ合金粉末を混合して使用する場合には、チップ立ち現象の発生を低減することができ、さらにリフロー後のボイドの発生をも低減することができるという新たな事実を見出し、本発明を完成するに至った。
【００１４】
すなわち、本発明のはんだペースト組成物およびこれを用いるはんだ付け方法は、以下の構成からなる。
【００１５】
（１）少なくとも２種のはんだ合金粉末とフラックス用樹脂とを含有するはんだペースト組成物であって、
前記少なくとも２種のはんだ合金粉末が、Ｓｎと、Ａｇ、ＩｎおよびＢｉから選ばれる少なくとも１種とを含有した相互に組成または配合比の異なる合金粉末であり、これらの合金粉末が溶融して形成されるはんだがＡｇ０．５〜５重量％、Ｉｎ０．５〜２０重量％、Ｂｉ０．１〜３重量％および残部Ｓｎの均一な金属組成からなることを特徴とするＳｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ系はんだペースト組成物。
【００１６】
（２）前記少なくとも２種のはんだ合金粉末が、Ｓｎと、Ａｇ、Ｉｎ、ＢｉおよびＣｕから選ばれる少なくとも１種とを含有した相互に組成または配合比の異なる合金粉末であり、これらの合金粉末が溶融して形成されるはんだがＡｇ０．５〜５重量％、Ｉｎ０．５〜２０重量％、Ｂｉ０．１〜３重量％、Ｃｕ２重量％以下および残部Ｓｎからなる（１）記載のはんだペースト組成物。
【００１７】
（３）前記少なくとも２種のはんだ合金粉末は、相互に融点が異なる（１）または（２）記載のはんだペースト組成物。
【００１８】
（４）前記（１）〜（３）のいずれかに記載のはんだペースト組成物をプリント基板のはんだ付け部に塗布してはんだペースト膜を形成し、ついでこのはんだペースト膜を加熱溶融させて、前記はんだ付け部に電子部品をはんだ付けすることを特徴とするはんだ付け方法。
【００１９】
本発明において、チップ立ち現象の発生を低減することができる理由としては、上記した２種またはそれ以上のはんだ合金粉末を使用することにより、単一の合金粉末を使用した場合と比べ、リフローはんだ付け加熱時における金属の溶融状態が長くなるため、チップ状電子部品を載せている両端のはんだペースト膜の一方が他方よりも先に溶融するのが防止されているためであると推測される。
【００２０】
また、リフローはんだ付け時、加熱後のはんだ接合部のボイド発生量が減少するのは、リフローはんだ付け加熱時における金属の溶融状態が長くなるため、はんだペースト中のフラックスに含まれる溶剤、及びフラックス中の活性剤と金属粉の反応により生成した水分が接合はんだ部から抜けやすくなるためであると推測される。
【００２１】
本発明において、２種以上のはんだ合金粉末が溶融して形成されるはんだの組成中、Ｉｎの含有量は０．５〜２０重量％であり、好ましくは１〜１０重量％である。Ｉｎの含有量が０．５重量％未満であると、はんだ合金の融点が低下せず使用しにくいものとなり、はんだの機械的強度も不十分なものとなり、逆に２０重量％を越えるとはんだ合金が脆いものとなる。
【００２２】
またＢｉの含有量は０．１〜３重量％であり、好ましくは０．１〜１重量％である。Ｂｉの含有量が０．１重量％未満であると、はんだの機械的強度が不十分なものとなり、逆に３重量％を越えるとはんだ合金が脆いものとなる。
【００２３】
はんだの金属組織を緻密にして機械的特性を改善するために、さらにＣｕを加えることもできる。この場合Ｃｕの含有量は２重量％以下であり、好ましくは０．１〜１．５重量％である。Ｃｕの含有量が２重量％を越えるとはんだ合金の融点が高くなりすぎ、かつ脆くなるおそれがある。
【００２４】
前記２種以上のはんだ合金粉末の融点差（最大融点−最小融点）は、リフロー条件などによって変わりうるが、通常、約５℃以下、特に１〜３℃程度であればよい。
また、各はんだ合金粉末は、粒径が約５〜４０μｍ、好ましくは２０〜３０μｍ程度であればよい。
【００２５】
前記２種以上のはんだ合金粉末の混合比率は特に限定されるものではなく、任意な割合で混合可能である。例えば２種のはんだ合金粉末を混合する場合には、重量比で１：９〜９：１で混合可能である。
【００２６】
前記フラックス用樹脂としては、従来より使用されているものが使用可能であり、例えばロジン、ロジン誘導体、テルペン系樹脂などの天然樹脂、アクリル樹脂、ポリアミド樹脂などの合成樹脂をベースとして使用される。このフラックス用樹脂には、粘度を調整するためのワックス樹脂、またはアルコール系、テルペン系などの溶剤を併用して使用できる。また、金属の酸化膜を取り除きヌレ性を良くする有機酸・ハロゲン化水素酸アミン塩等の活性剤の併用も行える。これらのフラックス用樹脂、ワックス樹脂、溶剤、活性剤を混ぜ合わせてフラックスを作成し、前記合金粉末と混ぜ合わせることにより、本発明のはんだペーストを製造する。この際、フラックスを８〜１６重量％、合金粉末総量を９２〜８４重量％で混ぜ合わせ粘度を調整する。
【００２７】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００２８】
実施例１〜４、比較例１
下記表１に示す２種の合金粉末▲１▼、▲２▼（いずれも粒径２０〜３０μｍ）を同表に示す割合でフラックスと混合して、溶融後の金属組成がＡｇ３．５重量％、Ｉｎ８．０重量％、Ｂｉ０．５重量％、残部ＳｎであるＳｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ系はんだペーストを作製した（実施例１〜４）。
一方、２種の合金粉末を混合することなく、単一組成であって、金属組成がＡｇ３．５重量％、Ｉｎ８．０重量％、Ｂｉ０．５重量％、残部ＳｎであるＳｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ系のはんだ合金を用いてはんだペーストを作製した（比較例１）。
なお、表１において、例えば「Ｓｎ−３．５Ａｇ−１６Ｉｎ」とは、Ａｇ３．５重量％、Ｉｎ１６重量％、残部Ｓｎの合金粉末であることを示している。
【表１】

【００２９】
実施例５〜８、比較例２
下記表２に示す２種の合金粉末▲１▼、▲２▼（いずれも粒径２０〜３０μｍ）を同表に示す割合でフラックスと混合して、溶融後の金属組成がＡｇ３．５重量％、Ｉｎ３．０重量％、Ｂｉ０．５重量％、残部ＳｎであるＳｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ系はんだペーストを作製した（実施例５〜８）。
一方、２種の合金粉末を混合することなく、単一組成であって、金属組成がＡｇ３．５重量％、Ｉｎ３．０重量％、Ｂｉ０．５重量％、残部ＳｎであるＳｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ系のはんだ合金を用いてはんだペーストを作製した（比較例２）。
なお、表２において、例えば「Ｓｎ−３．５Ａｇ−６Ｉｎ」とは、Ａｇ３．５重量％、Ｉｎ６重量％、残部Ｓｎの合金粉末であることを示している。
【表２】

【００３０】
実施例９〜１２、比較例３
下記表３に示す２種の合金粉末▲１▼、▲２▼（いずれも粒径２０〜３０μｍ）を同表に示す割合でフラックスと混合して、溶融後の金属組成がＡｇ３．５重量％、Ｉｎ８．０重量％、Ｂｉ０．５重量％、Ｃｕ０．５重量％、残部ＳｎであるＳｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ−Ｃｕ系はんだペーストを作製した（実施例９〜１２）。
一方、２種の合金粉末を混合することなく、単一組成であって、金属組成がＡｇ３．５重量％、Ｉｎ８．０重量％、Ｂｉ０．５重量％、Ｃｕ０．５重量％、残部ＳｎであるＳｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ−Ｃｕ系のはんだ合金を用いてはんだペーストを作製した（比較例３）。
なお、表３において、例えば「Ｓｎ−３．５Ａｇ−１６Ｉｎ」とは、Ａｇ３．５重量％、Ｉｎ１６重量％、残部Ｓｎの合金粉末であることを示している。
【表３】

【００３１】
実施例１３〜１６、比較例４
下記表４に示す２種の合金粉末▲１▼、▲２▼（いずれも粒径２０〜３０μｍ）を同表に示す割合でフラックスと混合して、溶融後の金属組成がＡｇ３．５重量％、Ｉｎ３．０重量％、Ｂｉ０．５重量％、Ｃｕ０．５重量％、残部ＳｎであるＳｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ−Ｃｕ系はんだペーストを作製した（実施例１３〜１６）。
一方、２種の合金粉末を混合することなく、単一組成であって、金属組成がＡｇ３．５重量％、Ｉｎ３．０重量％、Ｂｉ０．５重量％、Ｃｕ０．５重量％、残部ＳｎであるＳｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ−Ｃｕ系のはんだ合金を用いてはんだペーストを作製した（比較例４）。
なお、表２において、例えば「Ｓｎ−３．５Ａｇ−６Ｉｎ」とは、Ａｇ３．５重量％、Ｉｎ６重量％、残部Ｓｎの合金粉末であることを示している。
【表４】

【００３２】
以上の各実施例で得たはんだペーストを用いて、チップ状電子部品の銅箔ランドへのリフローはんだ付けを行い、目視にて検査したところ、チップ立ち現象は殆ど発生していなかった。また、Ｘ線透過装置での検査の結果、ボイドの発生も認められなかった。
一方、各比較例で得たはんだペーストを用いて、チップ状電子部品の銅箔ランドへのリフローはんだ付けを行ったところ、チップ立ち現象が確認された。また、Ｘ線透過装置での検査の結果、ボイドの発生も認められた。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、Ｓｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ系はんだペーストにおいて、少なくとも２種のはんだ合金粉末を混合して使用することにより、有害な鉛を含まず、かつチップ立ち現象の発生を低減することができ、さらにリフロー後のボイドの発生をも低減することができるため、はんだ付けの信頼性が向上するという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】リフローはんだ付け工程の説明図である。
【図２】チップ立ち現象を示す説明図である。
【符号の説明】
１ プリント基板
２ 銅箔ランド
３ はんだペースト膜
４ 電子部品
５ はんだ膜

Claims (4)

1. 少なくとも２種のはんだ合金粉末とフラックス用樹脂とを含有するはんだペースト組成物であって、
   前記少なくとも２種のはんだ合金粉末が、Ｓｎと、Ａｇ、ＩｎおよびＢｉから選ばれる少なくとも１種とを含有した相互に組成または配合比の異なる合金粉末であり、これらの合金粉末が溶融して形成されるはんだがＡｇ０．５〜５重量％、Ｉｎ０．５〜２０重量％、Ｂｉ０．１〜３重量％および残部Ｓｎの金属組成からなることを特徴とするＳｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ系はんだペースト組成物。
2. 前記少なくとも２種のはんだ合金粉末が、Ｓｎと、Ａｇ、Ｉｎ、ＢｉおよびＣｕから選ばれる少なくとも１種とを含有した相互に組成または配合比の異なる合金粉末であり、これらの合金粉末が溶融して形成されるはんだがＡｇ０．５〜５重量％、Ｉｎ０．５〜２０重量％、Ｂｉ０．１〜３重量％、Ｃｕ２重量％以下および残部Ｓｎからなる請求項１記載のはんだペースト組成物。
3. 前記少なくとも２種のはんだ合金粉末は、相互に融点が異なる請求項１または２記載のはんだペースト組成物。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のはんだペースト組成物をプリント基板のはんだ付け部に塗布してはんだペースト膜を形成し、ついでこのはんだペースト膜を加熱溶融させて、前記はんだ付け部に電子部品をはんだ付けすることを特徴とするはんだ付け方法。

Images