JP2005111526A - 鉛フリーはんだのはんだ付け方法およびはんだ接合体 - Google Patents

Abstract

【課題】 鉛フリーはんだにおいて、該鉛フリーはんだにてはんだ接合される部分における接合強度の劣化を防止する。
【解決手段】 Ｚｎを含有する鉛フリーはんだ５を加熱し、溶融した鉛フリーはんだ５が凝固するまでに、当該鉛フリーはんだ５にて接合される接合体および前記鉛フリーはんだ５の少なくとも一方に対して超音波振動を作用させて凝固させる。これにより、接合体との接合界面にて鉛フリーはんだ５における含有成分の偏析抑止が行われ、接合界面における接合強度が増す。
【選択図】 図１

Description

本発明は、鉛を含有しない、いわゆる鉛フリーはんだを用いたはんだ付け方法、および当該はんだ付け方法を用いてはんだ付けされたはんだ接合体に関するものである。

環境共存が世界的な課題となり、プリント基板上に電子部品を固定する際に使用しているＳｎ−Ｐｂ系はんだに含まれるＰｂも環境負荷が高く、人体を含めた自然界に悪影響を及ぼすことから、Ｐｂを含有しない鉛フリーはんだの開発が推進されている。

現在、鉛フリーはんだとしては、Ｓｎ−Ｃｕ系，Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系，Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ系，Ｓｎ−Ｚｎ系，Ｓｎ−Ｂｉ系が開発され、特に前記Ｓｎ−Ｃｕ系，Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系，Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ系が実用化されつつある。

しかしながら、従来のＰｂを含有するＳｎ−Ｐｂ系の共晶はんだの融点である１８３℃と比較して、Ｓｎ−Ｃｕ系のはんだの融点は、例えばＳｎ−０．７Ｃｕの組成のもので２２７℃であり、またＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだの融点は、例えばＳｎ−３．５Ａｇ−０．５Ｃｕの組成のもので２２０℃であり、またＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ系のはんだの融点は、例えばＳｎ−Ａｇ−０．５Ｂｉ−３Ｉｎの組成のもので２１０℃である。いずれの場合もＳｎ−Ｐｂ系の共晶はんだの融点と比較して約３０℃ほど高い。

はんだ付け時のピーク温度は、該はんだの融点プラス１０℃に設定するのが一般的である。例えば、プリント基板上への電子部品の固定用に、Ｓｎ−Ｃｕ系およびＳｎ−Ａｇ系の鉛フリーはんだを使用する場合、一般的な電子部品の耐熱温度が２３０℃であることから、従来の共晶はんだを用いる場合には約４０℃の熱的余裕があったが、Ｓｎ−Ｃｕ系およびＳｎ−Ａｇ系の鉛フリーはんだでは熱的余裕はなくなってしまう。

そこで、できるだけ従来の共晶はんだにおける融点に近づけるため、融点を下げる作用を有する金属であるＢｉあるいはＩｎなどを添加した合金系はんだが提案されている（特許文献１参照）。しかし、信頼性の面からＢｉあるいはＩｎの添加量には限界がある。
特開２００２−９６１９１号公報

ところで、Ｓｎ−Ｚｎ系のはんだの融点は、例えばＳｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉの組成のもので１９９℃であり、ＢｉまたはＩｎの添加量を増やすことなく、従来の共晶はんだの融点に近づけることができる。

しかし、部品電極または基板電極がＣｕを含有するときには、図７（ａ）に示す電子部品１とプリント基板２の電極３との接合部４にて、鉛フリーはんだ５中のＺｎの偏析が発生する。図７（ｂ）に示す接合部（図７（ａ）におけるＡ部）の拡大図では、接合部４部分における鉛フリーはんだ５の組成を模式的に図示しており、図示する“○”は、例えばＺｎに相当し、また電極３との接合部分に図示する“△”は、電極３の材質であるＣｕと鉛フリーはんだ５内のＺｎとの化合物に相当する。

このように、Ｚｎの反応性の高さにより、部品電極または基板電極に含まれるＣｕとＺｎの反応が優先的に進行して、接合界面にＣｕ−Ｚｎの化合物を形成する。この状態では、接合界面にＺｎが偏析しているため、実使用時には湿度の影響を受けやすく、接合界面に対する水分の侵入により腐食が起こりやすい。そのためＳｎ−Ｚｎ系の接合信頼性は十分とはいえず、実用化への課題となっている。

したがって、Ｚｎの偏析を抑制してＣｕ−Ｚｎ層の厚みを薄くすることができれば、Ｓｎ−Ｚｎ系の信頼性を向上させることができる。

本発明は、前記従来の課題を解決するためになされたもので、鉛フリーはんだにて接合される部分における接合強度の劣化を防止するはんだ接合体、および該はんだ接合体を形成するためのはんだ付け方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、Ｚｎを含有する鉛フリーはんだを溶融し凝固させ、装着物と被装着材とを接合する鉛フリーはんだのはんだ付け方法において、前記鉛フリーはんだを溶融し、凝固させるとき、前記装着物または前記被装着材と前記鉛フリーはんだとの間の少なくとも一方に対して、超音波振動を作用させることを特徴とし、このように超音波振動を作用させることによって、鉛フリーはんだにおける含有成分の偏析防止、該含有成分の結晶の微細化が行われ、前記装着物または前記被装着材と前記鉛フリーはんだとの接合面に生成される界面化合物層の厚みを減少させることができ、例えば３μｍ以下、望ましくは１μｍ以下にすることが可能になる。このように界面化合物層の厚みを減少させることにより、はんだ接合体である装着物および被装着材と鉛フリーはんだとの接合部分における接合強度を増すことができる。

以上詳述したように、本発明に係る鉛フリーはんだのはんだ付け方法によれば、鉛フリーはんだが溶融しているときに超音波振動を作用させることにより、該鉛フリーはんだにて接合される装着物および被装着材の少なくとも一方の接合界面にて、当該鉛フリーはんだの含有成分の偏析抑止が図られ、接合界面における装着物と被装着材との接合強度を、超音波振動を作用させない場合と比較して増すことができる。さらに、ＡｌまたはＩｎの酸化膜によって耐湿性を向上させることができる。

また、本発明に係るはんだ付け方法を用いて接合されたはんだ接合体によれば、当該接合体の接合界面では、上述のように鉛フリーはんだの含有成分の偏析抑止が図られており、接合界面における接合強度が超音波振動を作用させない場合と比較して増し、よって、接合強度の高い接合体を提供することができる。

以下、本発明の実施形態における鉛フリーはんだのはんだ付け方法、および当該はんだ付け方法を用いてはんだ付けされたはんだ接合体について、図面を参照しながら説明する。なお、図７にて説明した部材に対応する部材には同じ符号を付している。また、本実施形態では、はんだ接合体の装着物と被装着材として、基板の一例であるプリント基板上に、部品の一例である電子部品をはんだ付けする例について説明する。

図１（ａ）は本発明に係る鉛フリーはんだのはんだ付け方法によりはんだされたはんだ接合体の実施形態を示す外観図、図１（ｂ）は鉛フリーはんだの含有成分の結晶の状態を説明するための図１（ａ）におけるＡ部拡大図、図１（ｃ）は従来のはんだ接合体の場合における鉛フリーはんだの含有成分の結晶の状態を説明するための図１（ａ）におけるＡ部拡大図である。

図１（ａ）において、はんだ接合体は、電子部品１とプリント基板２の電極３との接合部４が鉛フリーはんだ５によってはんだ接合されているものである。

本実施形態では、Ｚｎを含有する鉛フリーはんだ５の一例として、Ｓｎ−Ｚｎ系はんだにＢｉを添加した鉛フリーはんだを使用し、Ｚｎ含有量を８重量％とした。しかし、鉛フリーはんだの組成は、これに限定されるものではなく、添加する元素としてＡｌ，Ｉｎ，Ｃｕ，Ｓｂなどを用いることができる。

図１（ｂ），（ｃ）では接合部を拡大して、接合部４における鉛フリーはんだ５の組成を模式的に図示しており、図示する“○”が例えばＺｎに相当する。また電極３との接合部分に図示する“△”は、電極３の材質であるＣｕと鉛フリーはんだ５内のＺｎとのＣｕ−Ｚｎ化合物に相当する。

従来のはんだ接合体では、図１（ｃ）の接合部の拡大部分において、“△”で図示するＣｕ−Ｚｎ化合物層の厚みＨ１は少なくとも３〜５μｍ生成されるが、図１（ｂ）に示すように、本実施形態のはんだ接合体の接合部においては、後述するはんだ方法によって、はんだ接合体におけるＣｕ−Ｚｎ化合物層の厚みＨ１を３μｍ以下にすることができる。

前記厚みＨ１としては、望ましくは１μｍ以下に薄くなるように規制するとよい。この理由としては、はんだ接合体の接合部における接合強度について測定実験した結果、Ｃｕ−Ｚｎ化合物層などの界面化合物層は、薄い方が強度的に優れていることが判明したからである。

さらに前記界面化合物層の経時変化を調べると、界面化合物層は時間と共に厚くなるという結果が得られ、そして界面化合物層が厚くなる程、接合強度が低下した。これらのことから界面化合物の厚みの上限値は、一般的な使用条件にて許容できる接合強度を考慮して３μｍ程度まで（以下）とすることがよいことが判明した。

次に、本発明の鉛フリーはんだのはんだ付け方法の実施形態について図２のフローチャートを参照して説明する。

本実施形態では、Ｚｎを含有する鉛フリーはんだの一例として、前記Ｓｎ−Ｚｎ系はんだにＢｉを添加した鉛フリーはんだを用いる。しかし、鉛フリーはんだの組成は、これに限定されるものではなく、添加する元素として既述したようなＣｕ，Ｓｂなどを用いることができる。

まずステップ１において、電子部品１とプリント基板２の電極３との接合部４に対して鉛フリーはんだ５を接触させて加熱する。次に、ステップ２において、鉛フリーはんだ５が溶融したとき、少なくとも前記接合部４部分に、後述するように鉛フリーはんだ５の含有成分の偏析およびＣｕ−Ｚｎ化合物の生成を抑止すること図ることができる程度の周波数および出力、例えば５８ｋＨｚ、かつ５０Ｗで超音波発信器のホーン（図示せず）をプリント基板２に接触させる。

このように接合部４に対して超音波振動を作用させることにより、鉛フリーはんだ５が振動する。よって、従来の図１（ｃ）に示すようなＺｎの偏析は、該振動の作用により図１（ｂ）に示すように抑止され、かつ前記振動の作用により接合界面におけるＣｕ−Ｚｎの化合物の生成も抑止される。その結果、電極３の接合界面における接合信頼性を、超音波振動を作用させない従来の場合と比較して高めることができる。

さらに、前記超音波振動を与えることにより、鉛フリーはんだ５の表面張力を低下させることができるので、いわゆる濡れ性を向上させることができる。

以上のように、接合部４における超音波振動は、接合体の接合界面において鉛フリーはんだ５の含有成分の偏析、およびＣｕ−Ｚｎ化合物の生成を抑止し、接合界面におけるプリント基板２上の電極３と電子部品１の電極との接合強度を増すことができる。

また、前記超音波振動の作用を開始するタイミング設定は、図３に示す時刻ｔ１のように、鉛フリーはんだが溶融しているときに開始してもよいが、時刻ｔ０のように溶融と同時に開始するのが望ましい。少なくとも、時刻ｔ２のように、鉛フリーはんだ５の温度が当該鉛フリーはんだ５の凝固点に達する前には作用を開始する必要がある。

なお、超音波振動の作用の終了時点は、鉛フリーはんだ５が完全に凝固した以降である（ステップ３）。当該鉛フリーはんだ５が完全に凝固し、プリント基板２と電子部品１との接合が完了して接合体が完成する（ステップ４）。

また、前記超音波振動は連続的に作用させることが望ましいが、断続的に作用させるようにしてもよい。

本実施形態の鉛フリーはんだのはんだ付け方法のように超音波振動を作用させた場合と作用させない従来の場合とにおいて、はんだ接合体の接合強度を比較する実験を行った。その実験方法を図４に示すような方法であり、その実験結果を図５に示す。

具体的実験方法は、図４に示すように、Ｓｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉの組成からなる鉛フリーはんだ５を用いて、プリント基板２の電極３にはんだ接合した電子部品１のリード１ａを４５度方向へ引張り、リード１ａと電極３との間の剥離、あるいはリード１ａまたは電極３の破断に至るまでの引張り強度を測定した。

図５に示す実験結果から明らかなように、超音波振動を付加させない場合と比較して付加させた方が、引張り強度が向上することが分かる。

なお、本実施形態のはんだ付け方法を採用し、鉛フリーはんだ５´として、ＡｌまたＩｎを含有させたものを用いることにより、図７に示すように、それらの酸化膜６が鉛フリーはんだ５表面に生成するため、耐湿性を向上させることが可能となる。

以上のように、本発明に係る鉛フリーはんだのはんだ付け方法およびはんだ接合体は、鉛を含有しない、いわゆる鉛フリーはんだを用いたはんだ付け方法、および当該はんだ付け方法を用いてはんだ付けされたはんだ接合体に適用され、はんだ接合体としては電気／電子部品の接合部に有用であり、特にＣｕを含有する電極間のはんだ接合に適用される。

（ａ）は本発明に係る鉛フリーはんだのはんだ付け方法によりはんだ付けされたはんだ接合体の実施形態を示す外観図、（ｂ）は本実施形態の（ａ）におけるＡ部拡大図、（ｃ）は従来のはんだ接合体の場合の（ａ）におけるＡ部拡大図 本実施形態における鉛フリーはんだのはんだ付け方法の工程を示すフローチャート 本実施形態におけるはんだ付け方法にて超音波振動を作用させるタイミングを説明するためのタイミングチャート はんだ接合体の引張り強度の測定方法を説明するための図 Ｓｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉの組成からなる鉛フリーはんだを用いた場合における超音波振動の作用の有無と引張り強度との関係を示す図 本実施形態の鉛フリーはんだとして、ＡｌまたＩｎを含有させたものを用いた場合におけるはんだ表面の酸化膜の生成状態を説明するための説明図であり、（ａ）ははんだ接合体の外観図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ部拡大図 従来の鉛フリーはんだを用いたプリント基板の電極と電子部品との接合の説明図であり、（ａ）ははんだ接合体の外観図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ部拡大図

符号の説明

１ 電子部品
２ プリント基板
３ 電極
４ 接合部
５ 鉛フリーはんだ
６ 酸化膜

Claims (6)

1. Ｚｎを含有する鉛フリーはんだを溶融し凝固させ、装着物と被装着材とを接合する鉛フリーはんだのはんだ付け方法において、前記鉛フリーはんだを溶融し、凝固させるとき、前記装着物または前記被装着材と前記鉛フリーはんだとの間の少なくとも一方に対して、超音波振動を作用させることを特徴とする鉛フリーはんだのはんだ付け方法。
2. 前記超音波振動により、前記装着物および前記被装着材がＣｕを含有する場合に、前記鉛フリーはんだに含まれるＺｎと前記Ｃｕとの化合物における前記接合界面に存在するＣｕ−Ｚｎ層の厚みを減少させることを特徴とする請求項１記載の鉛フリーはんだのはんだ付け方法。
3. 前記鉛フリーはんだとして、Ｓｎ−Ｚｎ系組成を主成分とするものを使用することを特徴とする請求項１または２記載の鉛フリーはんだのはんだ付け方法。
4. 前記鉛フリーはんだとして、Ａｌ，Ｉｎの少なくとも１つ以上の元素を含むものを使用することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の鉛フリーはんだのはんだ付け方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項記載の鉛フリーはんだのはんだ付け方法により接合された装着物と被装着材とからなるはんだ接合体であって、前記装着物または前記被装着材と前記鉛フリーはんだとの接合面に生成される界面化合物層の厚みを３μｍ以下、望ましくは１μｍ以下にしたことを特徴とするはんだ接合体。
6. 前記装着物または前記被装着材と前記鉛フリーはんだとの接合面の少なくとも一方において、超音波振動を加えて前記鉛フリーはんだにおける含有成分の偏析を防止させ、結晶を細分化したことを特徴とする請求項５記載のはんだ接合体。

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