JP2004260147A - Soldering method and method for manufacturing component-packaged substrate - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電子回路基板へ部品実装を行うためのはんだ付け方法、及び回路基板と電子部品とをはんだ付けする部品実装基板の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a soldering method for mounting components on an electronic circuit board, and a method for manufacturing a component mounting board for soldering a circuit board and an electronic component.
近年、電子部品実装に関して、はんだ付け部の機械的強度向上や熱衝撃強度等の信頼性特性向上への要求が高まってきている。その一方、地球環境保護の関心が高まる中、電子回路基板などの産業廃棄物の処理についての法規制も進みつつある。したがって、これら両者を満足するはんだ付けに関する開発が必要となっている。 In recent years, with respect to electronic component mounting, there has been an increasing demand for improvement in mechanical strength of soldered portions and improvement in reliability characteristics such as thermal shock strength. On the other hand, with the growing interest in global environmental protection, laws and regulations on the treatment of industrial waste such as electronic circuit boards are also advancing. Therefore, it is necessary to develop soldering that satisfies both of these requirements.
ところで、従来のはんだ材料の主要構成成分はSnとPbであり、63Sn−37Pbの組成をもつものであった。 By the way, the main constituent components of the conventional solder material are Sn and Pb, and have a composition of 63Sn-37Pb.
以下、従来のはんだ材料を用いたはんだ付け方法における電子部品と電子回路基板の接合構造について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, a joint structure between an electronic component and an electronic circuit board in a conventional soldering method using a solder material will be described with reference to the drawings.
図3は、従来のはんだ材料を用いた接合構造を示す概要図である。図3において、1ははんだ材料で構成成分はSnとPbからなり、2は電子部品電極、3は電子回路基板のランドで構成成分はCu、4は接合界面に形成される化合物層のCuSnである。従来のはんだ材料では融点が比較的低く、また、高温高湿環境下での接合部の信頼性も実用上十分である。しかしながら、上述のように、Pbを使用するはんだ材料は、地球環境保護の観点から好ましくない。 FIG. 3 is a schematic view showing a joining structure using a conventional solder material. In FIG. 3, reference numeral 1 denotes a solder material, whose constituent components are Sn and Pb, 2 denotes an electrode of an electronic component, 3 denotes a land of an electronic circuit board, the constituent component is Cu, and 4 denotes CuSn of a compound layer formed at a bonding interface. is there. The melting point of the conventional solder material is relatively low, and the reliability of the joint under a high temperature and high humidity environment is practically sufficient. However, as described above, a solder material using Pb is not preferable from the viewpoint of global environmental protection.
そこで、鉛を含まないはんだ材料である鉛フリーはんだを用いることが考えられる。鉛フリーはんだの一例である主要成分がSnとAgで構成されるはんだは、Sn−Pbはんだより融点が30〜40℃も高く、はんだ付け温度が鉛入りはんだより高くなる。そのため、はんだ付け温度が電子部品の耐熱温度以上になることがあり、電子部品を損傷させるという問題点を有していた。さらに、濡れ性の面でも、Sn−Pbはんだより劣っているという問題点を有していた。 Therefore, it is conceivable to use a lead-free solder which is a solder material containing no lead. A solder composed of Sn and Ag as main components, which is an example of lead-free solder, has a melting point higher by 30 to 40 ° C. than Sn—Pb solder, and has a higher soldering temperature than lead-containing solder. Therefore, the soldering temperature may be higher than the heat-resistant temperature of the electronic component, and there is a problem that the electronic component is damaged. In addition, there was a problem that the wettability was inferior to that of the Sn-Pb solder.
また、Sn−Pbはんだより、融点が10〜20℃高いSnとZnを基本組成とするはんだを用いることも考えられている。 It has also been considered to use a solder having a basic composition of Sn and Zn whose melting point is higher by 10 to 20 ° C. than that of the Sn—Pb solder.
図4は、SnとZnを基本組成とするはんだ材料を用いた接合構造を示す概要図である。図4において、5はSn−Znはんだ、6は被接合材であるランド3の接合界面に形成されるCu−Zn化合物層である。
このSnとZnを基本組成とするはんだによるはんだ付けにおいては、電子部品の熱損傷は軽減されるが、電子回路基板の高温高湿環境下での使用における接合部の劣化が問題となってくる。それは、Cu−Zn化合物層6およびSn−Znはんだ5表面に存在するZnが、高温高湿環境下で溶出することが劣化の原因と考えられている。
In the soldering using the solder having Sn and Zn as basic compositions, the thermal damage of the electronic component is reduced, but the deterioration of the joint portion when the electronic circuit board is used in a high-temperature and high-humidity environment becomes a problem. . It is considered that Zn existing on the surfaces of the Cu—
本発明は、電子回路基板の耐高温高湿性の優れた接合部の実現を目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to realize a bonded portion of an electronic circuit board having excellent resistance to high temperature and high humidity.
この目的を達成するために本発明は、接合する部分のCu表面の接合界面にCuとSnの化合物または合金を形成させ、SnとZnを組成に含むはんだ材料を用いてはんだ付けを行うことを特徴とするものである。 In order to achieve this object, the present invention provides a method of forming a compound or alloy of Cu and Sn at a bonding interface of a Cu surface at a bonding portion and performing soldering using a solder material containing Sn and Zn in a composition. It is a feature.
これにより、Cu−Zn化合物層による接合部の劣化を、防ぐことが可能となる。 This makes it possible to prevent the deterioration of the joint due to the Cu—Zn compound layer.
また、このはんだ付けを用いて回路基板と電子部品とを接合することにより、耐高温高湿特性に優れた接合部を有する部品実装基板を製造することも可能となる。 Further, by joining the circuit board and the electronic component by using this soldering, it is also possible to manufacture a component mounting board having a joint having excellent resistance to high temperature and humidity.
以上のように本発明によれば、接合する部分のCu表面の接合界面にCuとSnの化合物または合金を形成させ、SnとZnを組成に含むはんだ材料を用いてはんだ付けを行うことにより、Cu−Zn化合物層による接合部の劣化を防ぐという有利な効果が得られる。 As described above, according to the present invention, a compound or an alloy of Cu and Sn is formed at a bonding interface of a Cu surface at a bonding portion, and soldering is performed using a solder material containing Sn and Zn in a composition. An advantageous effect of preventing the deterioration of the joint due to the Cu-Zn compound layer can be obtained.
また、このはんだ付けを用いて回路基板と電子部品とを接合することにより、耐高温高湿特性に優れた接合部を有する部品実装基板を製造することも可能である。 Further, by joining the circuit board and the electronic component by using this soldering, it is also possible to manufacture a component mounting board having a joint having excellent resistance to high temperature and high humidity.
以下、図面を参照しながら本発明について説明をする。なお、各図において、同じ構成要素については同じ符号を付し、説明を省略する。 Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same components are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
図1は、本発明の実施の形態にかかるSnとZnを基本組成とするはんだ材料を用いた接合構造を示す概要図である。図1において、11はSn−Znはんだ、12は接合界面に形成されるCu−Sn化合物層、13は被接合材であるランド、14は電子部品電極である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a joint structure using a solder material having a basic composition of Sn and Zn according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1,
Sn−Znはんだ11は、Sn−Pbはんだより、融点が10〜20℃程度高い。ところで、開発を進めていくうちに、電子回路基板上のランド13のCuの表面に、CuとSnの化合物または合金を形成した状態ではんだ付けをすると、Cu母材とSn−Znはんだ11のZnが直接反応して、Cu−Zn化合物の形成を抑制する効果があることが判明した。そして、CuとSnの化合物または合金の厚みについては、5μmを超えるとCuとSnの化合物または合金が硬くてもろいという性質があるため、界面強度が低下するということも判明した。そこで、厚みが5μm以下のCuとSnの化合物または合金を、電子回路基板上のランド13のCuの表面に形成した状態ではんだ付けをすると、Cu母材とSn−Znはんだ11のZnが直接反応して、Cu−Zn化合物を形成するのを抑制し、耐高温高湿特性に優れる接合部を得ることができた。
The melting point of the Sn-Zn
また、はんだ中にZnよりも酸化しやすい金属、例えばNiを、予め微量添加しておくことで、優先的に添加金属による酸化膜をはんだ表面に形成させることができる。図2は、本発明の実施の形態にかかるSnとZnを基本組成とし、Niを微量添加したはんだ材料を用いた接合構造を示す概要図である。図2において、15はSnとZnを基本組成とし、Niを微量添加したはんだ材料、16はNi酸化膜である。このNi酸化膜16には、はんだ中のZnの高温高湿下での溶出を防止する働きがある。はんだへのNiの添加量は、0.1重量%以下、好ましくは、0.01重量%以下が好ましい。Ni添加量が、0.1重量%を超えると、はんだのぬれ性が著しく低下し、十分なはんだ付け品質が確保できないという課題が生じるためである。この時のZnの含有量としては、5〜10重量%が望ましい。さらに、はんだ材料にBiを0.1〜5.0重量%含有させると良い。
Also, by adding a metal, for example, Ni, which is more easily oxidized than Zn, in the solder in advance, an oxide film of the added metal can be preferentially formed on the solder surface. FIG. 2 is a schematic diagram showing a bonding structure using a solder material having a basic composition of Sn and Zn and a small amount of Ni added according to the embodiment of the present invention. In FIG. 2,
なお、Znより酸化しやすく高温高湿下で溶出をしない金属であるAl、Si、In、Mn、Ge、Mo、Pなどををはんだ中に微量添加しても、同様の効果が得られる。 The same effect can be obtained by adding a small amount of Al, Si, In, Mn, Ge, Mo, P, or the like, which is a metal that is easily oxidized than Zn and does not elute under high temperature and high humidity, into the solder.
ところで、CuとSnの化合物の形成は、Cu表面にSnを含む金属を被覆した後、熱処理を行う方法がある。Cu表面にSnを含む金属の被覆は、めっきまたは、溶融金属への浸漬または蒸着においても可能である。そして、めっき及び蒸着法による被覆については、熱処理により接合界面にCuとSnの化合物層を形成させる必要がある。溶融金属への浸漬方法についても、熱処理によりCuとSnの化合物層をさらに成長させるとCu−Zn化合物層の形成を抑制でき、耐高温高湿特性に優れた接合部が得られる。 Meanwhile, as a method of forming a compound of Cu and Sn, there is a method of performing a heat treatment after coating a metal containing Sn on the Cu surface. The coating of the metal containing Sn on the Cu surface is also possible by plating or dipping or vapor deposition in molten metal. Then, for coating by plating and vapor deposition, it is necessary to form a compound layer of Cu and Sn at the bonding interface by heat treatment. Regarding the method of dipping in a molten metal, when a compound layer of Cu and Sn is further grown by heat treatment, the formation of a Cu—Zn compound layer can be suppressed, and a bonded portion having excellent resistance to high temperature and high humidity can be obtained.
また、被覆の種類としては、Sn被覆、Ag被覆、Sn−Bi被覆、Sn−Ag被覆、Sn−Cu被覆、Sn−Ag−Cu被覆、Sn−Ag−Bi被覆等が考えられる。そして、被覆の厚みとしては、10μm以下とすることが望ましい。それは、10μmを超えるとはんだ付時に、被覆した金属がはんだ中に溶融したり、溶融しなくとも界面に残存し、接合部特性を劣化させるためである。 Examples of the type of coating include Sn coating, Ag coating, Sn-Bi coating, Sn-Ag coating, Sn-Cu coating, Sn-Ag-Cu coating, and Sn-Ag-Bi coating. The thickness of the coating is desirably 10 μm or less. If the thickness exceeds 10 μm, the coated metal may be melted in the solder at the time of soldering, or may remain at the interface even if not melted, thereby deteriorating the joint characteristics.
さらに、接合界面に形成されるものをCu−Sn化合物層としたが、合金層であっても良い。 Furthermore, although the one formed at the bonding interface is a Cu-Sn compound layer, it may be an alloy layer.
さらに、CuとSnの化合物または合金を予め作製し、これを、はんだ付け部に設置することによっても、同様の効果が得られる。 Further, a similar effect can be obtained by preparing a compound or alloy of Cu and Sn in advance and installing the compound or alloy in a soldered portion.
また、電子回路基板のCuランドに対する被覆以外にも、電子部品の端子電極に対する被覆についても同様の効果が得られる。 In addition to covering the Cu lands of the electronic circuit board, the same effect can be obtained for covering the terminal electrodes of the electronic components.
さらに、前記方法を用いて回路基板と電子部品とをはんだ付けすることによって、耐高温高湿特性に優れた接合部を有する部品実装基板を、製造することも可能である。 Further, by soldering the circuit board and the electronic component using the above method, it is also possible to manufacture a component mounting board having a joint having excellent resistance to high temperature and humidity.
11 Sn−Znはんだ
12 Cu−Sn化合物層
13 ランド
14 電子部品電極
15 Niを微量添加したはんだ
16 Ni酸化膜
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JP2008218483A (en) * | 2007-02-28 | 2008-09-18 | Fujitsu Ltd | Semiconductor device and its manufacturing method |
JP7032688B1 (en) * | 2021-11-02 | 2022-03-09 | 千住金属工業株式会社 | Solder joints and their manufacturing methods, joints |
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