JP2006043709A - Lead-free solder alloy - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、主として電子機器用基板の製造に用いる鉛フリーはんだ合金に関するものである。 The present invention relates to a lead-free solder alloy mainly used for manufacturing a substrate for electronic equipment.
従来電子機器用基板の接合には主にSn−Pb糸はんだ合金が用いられてきた。
しかし、近年鉛の毒性から、鉛を含まないはんだ合金(鉛フリーはんだ)が求められる様になった。現在鉛フリーはんだとして数多くの合金が実用化され用いられている。
例えば、Sn−Ag−Bi系、Sn−Ag−In系、Sn−Cu系、Sn−Zn−Bi系などがあるが、はんだ付け性、信頼性、原材料コストなどの観点からSn−Ag−Cu系が最も一般的に用いられている。
Conventionally, Sn—Pb yarn solder alloys have been mainly used for joining electronic device substrates.
However, in recent years, lead-free solder alloys (lead-free solder) have been required due to the toxicity of lead. At present, many alloys are put into practical use as lead-free solder.
For example, Sn-Ag-Bi system, Sn-Ag-In system, Sn-Cu system, Sn-Zn-Bi system, etc., are Sn-Ag-Cu from the viewpoint of solderability, reliability, raw material cost, etc. The system is most commonly used.
はんだのフラックスやはんだ付け方法などの周辺技術の改善により、Sn−Ag−Cu系合金により代表される鉛フリーはんだ合金による電子機器基板の量産が可能となった。
しかしながら、従来から使用されているSn−Pb系合金と比較すると融点が高い、ぬれ性が悪いなど、はんだ合金の特性としては依然として劣る部分がある。
また、鉛フリー合金が、従来のSn−Pb系合金に劣っている特性の一つに、ペースト状やペレット状などのはんだを用いたリフローはんだ付けの作業において、ボイドの発生
が多いことが知られている。
By improving peripheral technologies such as solder flux and soldering method, it has become possible to mass-produce electronic device boards using lead-free solder alloys typified by Sn-Ag-Cu alloys.
However, some characteristics of solder alloys are still inferior, such as high melting point and poor wettability compared to Sn—Pb alloys that have been used conventionally.
One of the characteristics that lead-free alloys are inferior to conventional Sn-Pb alloys is that voids are often generated during reflow soldering using paste or pellets. It has been.
接合部中にボイドがあることにより接合強度が低下することが知られており、また、特にヒートシンク等の放熱部品を接合する場合には、ボイドにより熱伝達が悪くなり放熱性に悪影響を及ぼす。
リフローはんだ付におけるボイドの発生原因は、大きく分けて2つある。1つ目は、被接合物表面の清浄度、フラックスの活性度不足などによるぬれ不良に起因するボイドである。合金自体の特性にもよるが、被接合物の清浄度やフラックス自体の改善によっても低減させることが可能である。
2つ目は、ガスやフラックスがはんだ内部に閉じ込められることにより発生するボイドである。理論的には、はんだの溶融時間を長くすることにより、はんだ内部に溜まったガスやフラックスが十分抜ける猶予を与えてボイドを低減させることが可能である。はんだ溶融時の加熱時間を長くすることによりボイドを低減することができるが、部品や基板等の耐熱性の事情によりそれが不可能な場合もある。
It is known that the bonding strength decreases due to the presence of voids in the bonded portion, and particularly when bonding heat dissipation parts such as a heat sink, heat transfer is deteriorated due to voids, which adversely affects heat dissipation.
There are two main causes of voids in reflow soldering. The first is a void resulting from poor wetting due to the cleanliness of the surface of the object to be joined and insufficient activity of the flux. Although it depends on the characteristics of the alloy itself, it can also be reduced by improving the cleanliness of the workpiece and the flux itself.
The second is a void generated when gas or flux is confined inside the solder. Theoretically, by increasing the melting time of the solder, it is possible to reduce the voids by giving a sufficient time for the gas and flux accumulated in the solder to escape sufficiently. Although the void can be reduced by lengthening the heating time at the time of melting the solder, it may not be possible depending on the heat resistance of the component or the substrate.
一方、フラックスによる改善方法も考えられるが、フラックスは、はんだや被接合物の表面酸化物を還元して清浄にする役目を担っており、還元反応によるH2 O等のガスの発生は、原理的に不可避である。また、はんだ付後固形分が残らないフラックスであれば、フラックス残渣の閉じ込めは起こらないが、現在の技術では非常に難しい。
そのため、はんだ内部に発生するボイドを低減するためには合金自体の特性を改善することが望ましい。
固相線温度の異なる粉末を混合したペースト状はんだにより、半溶融時間を長くしてボイドを低減させる手法もある。(例えば、特許文献1参照)
Therefore, it is desirable to improve the characteristics of the alloy itself in order to reduce voids generated inside the solder.
There is also a technique of reducing voids by extending the half-melting time by using a paste solder mixed with powders having different solidus temperatures. (For example, see Patent Document 1)
しかし、前記のように複数の粉末を用いた場合、均一に混合されず満足な特性を得られないことがある。またマイクロバンプ等の非常に微細な接合部では、1箇所にはんだ粉の粒が数十個になるものもあり、接合部ごとの組成のバラツキが大きくなる可能性が高くなるため、満足な特性を得られない可能性が高くなる。そのため、はんだ中に発生するボイドを抑制するためには、単一の合金組成により達成することが強く望れている。
本発明は上記に鑑み、単一の合金組成により、安定してボイド発生を防止する鉛フリーはんだ合金を提供することを、その目的としている。
However, when a plurality of powders are used as described above, uniform characteristics may not be obtained and satisfactory characteristics may not be obtained. In addition, some very fine joints such as microbumps have several tens of solder powder particles at one location, which increases the possibility of a large variation in composition at each joint. The possibility of not being able to get is increased. Therefore, in order to suppress the void generated in the solder, it is strongly desired to achieve it with a single alloy composition.
In view of the above, an object of the present invention is to provide a lead-free solder alloy that stably prevents generation of voids with a single alloy composition.
本発明の鉛フリーはんだ合金は、
1)Ag3.4〜4.2重量%、Cu0.2〜0.4重量%、残部Snからなるものであり、
2)また、Ag3.4〜4.2重量%、Cu0.2〜0.4重量%、Au0.1〜0.8重量%、残部Snからなるものであり、
3)上述1)または2)において、DSC曲線において2つの溶融ピークを形成するものであって、且つ、第1溶融ピークの高さと第2溶融ピークの高さの合計を100%としたときの第1溶融ピークの高さの比率を、30〜70%としたものであり、
4)上述2)または3)において、Ag3.8〜4.2重量%、Cu0.2〜0.3重量%、Au0.2〜0.5重量%、残部Snとしたものである。
The lead-free solder alloy of the present invention is
1) It is composed of Ag 3.4 to 4.2 wt%, Cu 0.2 to 0.4 wt%, and remaining Sn,
2) Further, it is composed of Ag 3.4 to 4.2% by weight, Cu 0.2 to 0.4% by weight, Au 0.1 to 0.8% by weight, and remaining Sn,
3) In the above 1) or 2), when two melting peaks are formed in the DSC curve and the sum of the height of the first melting peak and the height of the second melting peak is 100% The ratio of the height of the first melting peak is 30 to 70%,
4) In the above 2) or 3), Ag 3.8 to 4.2% by weight, Cu 0.2 to 0.3% by weight, Au 0.2 to 0.5% by weight, and the balance Sn.
一般に電子機器基板のはんだ付は、熱による部品破壊が起きないようにできるだけ低い温度で行い、加熱時間は極力短い方が望ましい。また、接合部の耐熱性を高くするために溶融開始温度は、溶融ピークに対して余り低過ぎない方が望ましい。
本発明は、多くの試験により、これらの条件を十分満足し、且つ、はんだ付け性や信頼性、原材料コストなどの観点から従来から最も一般的に用いられているSn−Ag−Cu系鉛フリーはんだ合金において、溶融温度などの特性をほとんど変えることなく、はんだ中に発生するボイドを抑制できるものである。
In general, it is desirable that the soldering of the electronic device substrate is performed at a temperature as low as possible so that component destruction due to heat does not occur, and the heating time is as short as possible. In order to increase the heat resistance of the joint, it is desirable that the melting start temperature is not too low with respect to the melting peak.
In the present invention, the Sn-Ag-Cu-based lead-free material that has been used most commonly from the viewpoint of solderability, reliability, raw material cost, etc. has been sufficiently satisfied by many tests. In a solder alloy, voids generated in the solder can be suppressed without changing characteristics such as the melting temperature.
本発明の鉛フリーはんだ合金により、従来より安定して使用されてきたSn−Ag−Cu系合金の単一の合金としての組成条件を特定することにより、安定した条件下でボイド発生を防止することができる。 The lead-free solder alloy of the present invention prevents the generation of voids under stable conditions by specifying the composition conditions as a single alloy of the Sn-Ag-Cu alloy that has been used stably in the past. be able to.
前述のごとく、はんだの溶融時間を長くすることにより、はんだ内部に溜まったガスやフラックスが抜ける猶予を与えてボイドを低減できることが知られている。本発明は、この原理を元にボイドを低減するものである。
現在使用されている鉛フリーはんだの合金系はいくつかあるが、本発明は、その中でも信頼性が高く、使用実績の大きいSn−Ag−Cu系合金の単一合金としての組成条件を特定して用いたところに特徴がある。
そのためペーストはんだのみならず、ペレット状などの様々な形状で利用できることを特徴とする。そのため、はんだ付方法が混在する基板においても、単一の組成合金を使用することができ、リサイクルへの悪影響を低減することができる。
As described above, it is known that by increasing the melting time of the solder, it is possible to reduce the voids by giving the gas or flux accumulated in the solder to escape. The present invention reduces voids based on this principle.
Although there are several lead-free solder alloy systems currently in use, the present invention specifies the composition conditions as a single alloy of a Sn-Ag-Cu alloy that is highly reliable and has a long history of use. There is a feature in using.
Therefore, it can be used not only in paste solder but also in various shapes such as pellets. Therefore, even in a board where soldering methods are mixed, a single composition alloy can be used, and adverse effects on recycling can be reduced.
また、前述のごとく、リフロー時、ピーク温度を高くしたり加熱時間を長くすると接合される部品や基板への熱による悪影響が増加する。本発明では現行のSn−Ag−Cu系鉛フリーはんだのリフロープロファイルを変更する必要が無いため、熱による悪影響を増加させずにボイドを低減でき、また、Sn−Ag−Cu系合金を利用しているため信頼性が高く、なお且つ、現行のSn−Ag−Cu系鉛フリーはんだと比べても溶融温度の上昇やはんだ付性に悪影響を及ぼすこと無くボイドを低減するものである。 Further, as described above, when the peak temperature is increased or the heating time is lengthened at the time of reflow, adverse effects due to heat on the components and the substrate to be joined increase. In the present invention, since it is not necessary to change the reflow profile of the current Sn-Ag-Cu-based lead-free solder, voids can be reduced without increasing the adverse effects of heat, and an Sn-Ag-Cu-based alloy is used. Therefore, it is highly reliable, and it can reduce voids without adversely affecting the rise in melting temperature and solderability even when compared with the current Sn—Ag—Cu-based lead-free solder.
図1は、本発明の実施の形態1における、実施例1のDSC曲線を示す線図である。
図2は、本発明の実施の形態2における、実施例2のDSC曲線を示す線図である。
図3は、比較例のDSC曲線を示す線図である。
図4は、本実施の態様1における、Cu含有量とDSC曲線の関係を示す線図であり、(a)はCu0重量%、(b)はCu0.1重量%、(c)はCu0.3重量%、(d)はCu0.5重量%、(e)はCu0.7重量%の場合を示す。
図5は、本実施の態様1における、Cu含有量と溶融ピーク高さの比率の関係を示す線図である。
図6は、本実施の態様1におけるAg含有量と溶融率の関係を示す線図である。
図7は、本実施の態様2における、Au含有量と溶融温度との関係を示す線図であり、(イ)は溶融開始温度、(ロ)は溶融ピ−ク0、(ハ)は溶融ピーク1、(ニ)は溶融ピーク2、(ホ)はピーク終了温度を示す。
FIG. 1 is a diagram showing a DSC curve of Example 1 according to
FIG. 2 is a diagram showing a DSC curve of Example 2 according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a DSC curve of a comparative example.
4 is a diagram showing the relationship between the Cu content and the DSC curve in
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the Cu content and the ratio of the melting peak height in the first embodiment.
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the Ag content and the melting rate in the first embodiment.
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the Au content and the melting temperature in the second embodiment, where (A) is the melting start temperature, (B) is the
実施の形態1
本実施の形態1は、請求項1に示す組成を有し、Sn−Ag−Cu三元共晶組成に近い合金(一般に共晶組成はSn−3.5重量%Ag−0.7重量%Cuであると言われている)からCu量を減らしていることが特徴である。これによりSn−Ag−Cu三元共晶からCuが不足するため、余剰になったSnとAgが共晶として第2の溶融ピークを示す様になる。図1は本実施の形態1における、実施例1、Sn−4.0重量%Ag−0.3重量%Cuのはんだ合金の場合のDSC曲線(示差走査熱量計、リガク社製DSC28230)を示す。
The first embodiment has the composition shown in
また、図4に明らかなように、本実施の形態1における、Ag量を一定(3.8重量%)としてCu量を変化した場合のDSC曲線において、(a)Cuなしでは溶融ピーク2のみが現れ、(b)Cu量が増すごとに溶融ピーク1の高さが増えて行き、(c)のCu0.3重量%では、溶融ピーク1および2の高さはほぼ50%と等しくなり、(d)のCu0.5重量%では溶融ピーク2は減少し、(e)のCu0.7重量%以上ではピーク1のみとなる。
Further, as apparent from FIG. 4, in the DSC curve when the amount of Cu is changed with the Ag amount being constant (3.8% by weight) in the first embodiment, (a) only the melting peak 2 is obtained without Cu. (B) As the amount of Cu increases, the height of the
DSC曲線のピーク高さは、溶融するために必要とする単位時間当たりの熱量を表しており、この高さが等しいほど、2段階で溶融するような特徴的挙動を示す。これは1段目の溶融が終了した後、それとほぼ同等の熱量を与えなければ2段目が溶融開始できず、溶融のタイムラグが発生して全体的な溶融時間が長くなる。
逆に高さの差が大きい場合、小さい方のピークが大きい方のピークに埋もれてしまい、ほとんど大きい方のピークで一度に溶融するような挙動を示すためボイド低減効果が得られない。
なお、図4の中に示す数値は、DSC曲線のふたつの溶融ピーク高さの合計を100%とした時、それぞれのピーク高さの此率を表したものである。
The peak height of the DSC curve represents the amount of heat per unit time required for melting, and the equal height indicates the characteristic behavior of melting in two stages. This is because, after the first stage of melting is completed, if the heat quantity substantially equal to that is not applied, the second stage cannot start melting, a melting time lag occurs, and the entire melting time becomes longer.
On the other hand, when the difference in height is large, the smaller peak is buried in the larger peak, and the behavior is such that the larger peak is melted at one time, so the void reduction effect cannot be obtained.
In addition, the numerical value shown in FIG. 4 represents this ratio of each peak height, when the sum total of two melting peak heights of a DSC curve is 100%.
図3は、比較例として、従来のS−3.0Ag−0.5Cu合金の場合のDSC曲線を示すものであり、この場合は、実施の形態1の実施例1に対し、1溶融ピークの形態を示している。
これに対して、本実施の態様1によるDSC曲線では、Cu%のある範囲において、はっきりと2段階の溶融ピークに分かれて溶融するため、溶融にタイムラグが発生する。そのため1山の溶融ピークのみがみられる従来のSn−Ag−Cu系鉛フリーはんだ合金よりも半溶融時間を長くすることができる。 両者の溶融開始温度及び溶融終了温度がほぼ等しいことがわかる。
したがって、本実施の態様1におけるはんだ合金は、現行はんだ合金と比べて、リフロープロファイルを変更する必要が無いことがわかる。
FIG. 3 shows a DSC curve in the case of a conventional S-3.0Ag-0.5Cu alloy as a comparative example. In this case, one melting peak of Example 1 of
On the other hand, in the DSC curve according to the first embodiment, the melting is divided into two distinct melting peaks in a certain range of Cu%, so that a time lag occurs in melting. Therefore, the half melting time can be made longer than that of the conventional Sn-Ag-Cu lead-free solder alloy in which only one peak of melting is seen. It can be seen that the melting start temperature and the melting end temperature of both are substantially equal.
Therefore, it can be seen that the solder alloy in
但し、図4にて明らかなように、先に溶融開始するSn−Ag−Cu共晶の量が多過ぎても少な過ぎても外見上一度に溶融したような挙動を示してしまうため、実質上溶融時間を長くすることができない。
そのため、本発明ではSn−Ag−Cu共晶とSn−Ag共晶が、ほぼ半分ずつみられるような最適なCu量を特定したものである。
However, as apparent from FIG. 4, since the amount of the Sn—Ag—Cu eutectic that starts melting first is too large or too small, it appears to be melted at one time. The upper melting time cannot be increased.
Therefore, in the present invention, the optimum amount of Cu is specified such that Sn—Ag—Cu eutectic and Sn—Ag eutectic are almost halved.
図5は、本実施の形態1におけるCu含有量と溶融ピーク高さの比率の関係を示しているが、ピーク高さの比率が約30〜70%程度の範囲内であれば溶融時間を長くする効果が得られ、したがってCuの最適量は0.2〜0.4重量%であることがわかる。
特にCu0.3重量%ではピーク高さの比率が約50%となり、最も望ましい効果が得られる。
FIG. 5 shows the relationship between the Cu content and the ratio of the melting peak height in the first embodiment. If the ratio of the peak height is in the range of about 30 to 70%, the melting time is lengthened. It can be seen that the optimum amount of Cu is 0.2 to 0.4 wt%.
In particular, at 0.3% by weight of Cu, the peak height ratio is about 50%, and the most desirable effect is obtained.
一方、Agの適正範囲について検討試験した。図1のDSC曲線よりピークの谷が約220℃であることに着目し、ピーク全体の面積に対する220℃以下のピーク面積、すなわち1段目のピーク面積の全体に対する比率(以下、溶融率と云う)を組成ごとに比較した。
その結果を図6に示す。組成による溶融潜熱が大きく違わないため、この溶融率が大きい程より多くの部分が溶融していることになり、見かけ上においても、溶融開始が早くなる。この図6よリAg3.4〜4.2重量%の範囲では、その前後と比較して溶融率が高いことがわかる。そのため、このAgの組成範囲において1段目の溶融ピークでより多くの部分が溶融することがわかった。
On the other hand, the examination examination about the appropriate range of Ag was carried out. Focusing on the fact that the valley of the peak is about 220 ° C. from the DSC curve of FIG. 1, the peak area of 220 ° C. or less with respect to the total peak area, that is, the ratio of the first peak area to the whole (hereinafter referred to as the melting rate). ) For each composition.
The result is shown in FIG. Since the latent heat of fusion depending on the composition is not greatly different, the larger the melting rate, the more parts are melted, and the onset of melting is accelerated in appearance. From FIG. 6, it can be seen that the melting rate is higher in the range of 3.4 to 4.2% by weight of Ag compared to before and after that. Therefore, it was found that a larger portion melts at the melting peak of the first stage in the composition range of Ag.
一般にCuの添加は、溶融温度を下げるたけでなく、ぬれ性などのはんだ付性を改善する効果も担っている。Cu量を低減した分はんだ付性が僅かに低下するが、実用上問題にならない程度である。しかし、より良好なはんだ付け性を得るために、Cuと同様にはんだ付性を改善するAgを良好な組成範囲内でより多く含有することが望ましい。
そのためAg含有量は3.4〜4.2重量%とし、より良好なはんだ付性を得るためには、3.8〜4.2重量%が最良であることを見出した。
In general, addition of Cu not only lowers the melting temperature but also has an effect of improving solderability such as wettability. The solderability is slightly reduced by the amount of Cu, but it is not a problem for practical use. However, in order to obtain better solderability, it is desirable to contain more Ag that improves the solderability as well as Cu within a good composition range.
Therefore, the Ag content is set to 3.4 to 4.2% by weight, and in order to obtain better solderability, it has been found that 3.8 to 4.2% by weight is the best.
実施の形態2
図2は、本発明の実施の形態2における、実施例2のDSC曲線を示す線図である。
また、図7は実施の態様2における、添加されたAuの含有量と各溶融ピークの温度を計測した結果を示す。
本実施の形態2では、請求項1に記載の組成に0.1〜0.8重量%のAuを添加することにより、溶融開始温度を低下させることができ、はんだのぬれ上がりをさらに向上することができる。Au添加の場合、BiやInなどのように150℃以下の低融点相が発生する危険性が無いため、ヒートサイクルなどの信頼性に著しい悪影響を及ぼさない。
Embodiment 2
FIG. 2 is a diagram showing a DSC curve of Example 2 according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 7 shows the results of measuring the content of added Au and the temperature of each melting peak in the second embodiment.
In the second embodiment, by adding 0.1 to 0.8% by weight of Au to the composition according to
本発明は、すでに知られている溶融時間を長くすることにより、ボイドを低減できる原理を利用している。そしてSn−Ag−Cu系合金を利用しているため信頼性が高く、なお且つ、現行のSn−Ag−Cu系鉛フリーはんだ合金と比べても溶融温度の上昇やはんだ付性に悪影響を及ぼすこと無くボイド低減を達成できるものである。 The present invention utilizes the principle that voids can be reduced by increasing the already known melting time. And since it uses a Sn-Ag-Cu alloy, it is highly reliable, and also has an adverse effect on the rise in melting temperature and solderability compared to current Sn-Ag-Cu lead-free solder alloys. The void reduction can be achieved without any problems.
また、従来においても、2山の溶融ピークを利用したはんだ合金の発明(例えば特許第2682326号)があるが、これらはマンハッタン現象などと呼ばれるチップ立ちを抑制する目的のものである。本発明は上記特許で要求される要件(ピークの大きさや比率など)を満たさないため、チップ立ちを抑制する効果は得られない。本発明は、このチップ立ち抑制をするものとは、目的が異なるものであり、しかも本発明による合金は現行のSn−Ag−Cu系合金と同一のリフロープロファイルを用いることができる点において、従来の2溶融ピークをもつ合金に対して有利である。
ー方Agの最適量については、Ag3.4〜4.2重量%の範囲で見かけ上の溶融開始が早いことを実験により見出した。できるだけ早く多くのはんだが溶融開始することにより、被接合物へのぬれ開始の立ち上がりがよくなり、結果的に良好なぬれ性が得られる。 この現象は、DSC曲線の面積の比率、すなわち溶融潜熱に相当する熱量を比較することによって説明できる。
Conventionally, there is an invention of a solder alloy using two melting peaks (for example, Japanese Patent No. 2682326), but these are for the purpose of suppressing chip standing called Manhattan phenomenon. Since the present invention does not satisfy the requirements (such as peak size and ratio) required in the above patent, the effect of suppressing chip standing cannot be obtained. The present invention has a different purpose from that for suppressing chip standing, and the alloy according to the present invention can use the same reflow profile as the current Sn-Ag-Cu alloy. This is advantageous for alloys with two melting peaks.
As for the optimum amount of Ag, it was found by experiments that the apparent onset of melting was early in the range of Ag 3.4 to 4.2% by weight. By starting the melting of as many solders as possible as soon as possible, the rise of the start of wetting to the workpiece is improved, and as a result, good wettability is obtained. This phenomenon can be explained by comparing the area ratio of the DSC curve, that is, the amount of heat corresponding to the latent heat of fusion.
実施の形態1における実施例1は、次の組成を有するはんだペーストである。
はんだ合金粉末:
組 成 Ag4.0重量%、Cu0.3重量%、残Sn
平均粒径 25〜45μm
フラックス: 樹脂系ペースト用フラックス
混練割合: はんだ合金粉末/フラックス=89%/11%
Example 1 in the first embodiment is a solder paste having the following composition.
Solder alloy powder:
Composition Ag 4.0 wt%, Cu 0.3 wt%, remaining Sn
Average particle size 25-45 μm
Flux: Flux for resin paste Kneading ratio: Solder alloy powder / flux = 89% / 11%
実施の形態2における実施例2は、次の組成を有するはんだペーストである。
はんだ合金粉末:
組 成 Ag4.0重量%、Cu0.3重量%、Au0.2重量%、残Sn
平均粒径 25〜45μm
フラックス: 樹脂系ペースト用フラックス
混練割合: はんだ合金粉末/フラックス=89%/11%
Example 2 in the second embodiment is a solder paste having the following composition.
Solder alloy powder:
Composition Ag 4.0 wt%, Cu 0.3 wt%, Au 0.2 wt%, remaining Sn
Average particle size 25-45 μm
Flux: Flux for resin paste Kneading ratio: Solder alloy powder / flux = 89% / 11%
上記実施例1および実施例2と、比較例の各溶融開始温度、溶融ピーク1温度、溶融ピーク2温度、ピーク終了温度を比較した。なお、比較例のはんだペーストの組成は次のようなものである。
はんだ合金粉末:
組 成 Ag3.0重量%、Cu0.5重量%、残Sn
平均粒径 25〜45μm
フラックス: 樹脂系ペースト用フラックス
混練割合: はんだ合金粉末/フラックス=89%/11%
各温度比較結果を表1に示す。
The melting start temperatures, melting
Solder alloy powder:
Composition Ag 3.0% by weight, Cu 0.5% by weight, remaining Sn
Average particle size 25-45 μm
Flux: Flux for resin paste Kneading ratio: Solder alloy powder / flux = 89% / 11%
Each temperature comparison result is shown in Table 1.
表1の実施例1、2の値は、前記図1、2のDSC曲線における値と対応しており、また比較例の値は、前記図3のDSC曲線における値と対応している。比較例が明らかに溶融ピーク1のみが存在するのに比して、実施例1、2では明瞭に溶融ピーク2が現れている。実施例1の溶融開始温度およびピーク終了温度は、従来の比較例とほぼ同じ値を示している。
The values of Examples 1 and 2 in Table 1 correspond to the values in the DSC curve of FIGS. 1 and 2, and the values of Comparative Examples correspond to the values in the DSC curve of FIG. 3. In comparison with the comparative example in which only the
実施例2は、実施例1にAuを添加した合金、Sn−4.0重量%−0.3重量%Cu−0.2重量%Auであって、図2のDSC曲線でもわかるように、Auを添加することによって溶融ピーク1の高さが低くなり、溶融開始温度が比較的大きく低下するが、溶融ピーク2の変化は比較的小さい。
これはAuが添加された分Sn−Ag−Cu系3元共晶である溶融ピーク1の一部がSn−Ag−Au−Cu系4元共晶となるため、ピークの高さが分配されるためである。これに対して溶融ピーク2は、Sn−Ag系の2元共晶のため、Au添加による変化を受け難く、ピーク高さが維持される。この様にAu添加によりSn−Ag−Cu系だけの3元組成の場合と挙動が異なるが、溶融ピーク2の高さが維持されることにより溶融時間を長くする効果が得られ、ボイドを低減することができる。
Example 2 is an alloy obtained by adding Au to Example 1, Sn-4.0 wt% -0.3 wt% Cu-0.2 wt% Au, as can be seen from the DSC curve in FIG. By adding Au, the height of the
This is because a part of the
一般に、鉛フリーはんだの溶融温度を低下させる元素としてBiやInなとがよく用いられているが、これらの元素はSnと共晶をつくることが知られている。すなわち、Sn−Bi共晶の場合は139℃、Sn−ln共晶の場合は120℃(いずれもASM:Binary Alloy Phase Diagrarmsより)と溶融温度が非常に低く、AgやCuが加わると理論的に溶融温度がさらに低下することになる。これらの元素を添加しても熱分析で低融点相の溶融ピークが現れなくても、その後の偏析により部分的に溶融温度が低くなり、ヒートサイクルなどの信頼性に影響を及ぼす可能性がある。
これに対し、本発明のAu添加の場合にみられる低融点相は、Sn−Ag−Au系3元共晶で206℃(ASM:Handbook of Termary AJIoy Phase Diaqamsより)、Sn−Ag−Au−Cu系4元供晶で204℃(発明者の実験による)であることが確認され、はんだ自身の偏析により200℃以下の溶融温度を持つことが無い。そのため溶融開始温度を低下させて、はんだのぬれ上がりを改善しても、ヒートサイクルなどの信頼性に悪影響を及ぼさないのが特徴である。
Generally, Bi or In is often used as an element that lowers the melting temperature of lead-free solder, but these elements are known to form a eutectic with Sn. That is, in the case of Sn-Bi eutectic, the melting temperature is very low at 139 ° C., and in the case of Sn-ln eutectic, 120 ° C. (both from ASM: Binary Alloy Phase Diagrams), and it is theoretical when Ag and Cu are added. Further, the melting temperature is further lowered. Even if these elements are added, even if the melting peak of the low melting point phase does not appear in the thermal analysis, the subsequent segregation may partially lower the melting temperature, which may affect reliability such as heat cycle. .
On the other hand, the low melting point phase observed in the case of addition of Au of the present invention is Sn-Ag-Au ternary eutectic at 206 ° C. (from ASM: Handbook of Thermal AJIoy Phase Diaqams), Sn-Ag-Au— It is confirmed that the Cu-based quaternary crystal is 204 ° C. (according to the inventor's experiment), and does not have a melting temperature of 200 ° C. or less due to segregation of the solder itself. Therefore, even if the melting start temperature is lowered and solder wetting is improved, the reliability such as heat cycle is not adversely affected.
図7に、Auを添加した場合の溶融温度の変化を示す。これよりAuの添加量が1.0重量%を超えると204℃にSn−Ag−Au−Cu系の4元共晶(図中では溶融ピーク0と呼ぶ)と思われるピークが明確に現れる。これは初期の状態から凝固偏析により低融点相が現れていることを示している。この低融点相はBiやInと比較して高温ではあるが、ヒートサイクルなどの信頼性を考慮し、初期状態から低融点相が現れないAu0.8重量%以下である必要がある。またAu0.5重量%以上で極端に溶融開始温度が低下するため、耐熱性や信頼性を考慮するとAu添加量はこれ以下であることが望ましい。一方下限値はAu0.1重量%以上でぬれ上がり向上の効果が得られるが、顕著な効果を得るためには0.2重量%以上が望ましい。
FIG. 7 shows changes in the melting temperature when Au is added. From this, when the added amount of Au exceeds 1.0% by weight, a peak that seems to be a Sn—Ag—Au—Cu quaternary eutectic (referred to as
次に、実施例1、2および比較例により、ボイド低減効果の原理である半溶融時間の長さの検証を行った。
実施例1、2及び比較例のはんだペーストを30×30×0.3mmの銅板へφ6.5×0.2mmのメタルマスクで印刷する。これを高温観察装置(山陽精工製SMT−Scope SA5000)を用いてはんだが溶融する様子を観察し、溶融開始から終了までの時間を測定した。この時の加熱条件は予備加熱が200℃×60秒、本加熱の昇温速度が10℃/分である。
実施例1、2および比較例による、半溶融時間の比較結果を表2に示す。
Next, the length of the half-melting time, which is the principle of the void reduction effect, was verified by Examples 1 and 2 and the comparative example.
The solder pastes of Examples 1 and 2 and the comparative example are printed on a 30 × 30 × 0.3 mm copper plate with a metal mask of φ6.5 × 0.2 mm. This was observed using a high temperature observation apparatus (SMT-Scope SA5000 manufactured by Sanyo Seiko Co., Ltd.), and the time from the start to the end of melting was measured. The heating conditions at this time are as follows: preheating is 200 ° C. × 60 seconds, and the heating rate of main heating is 10 ° C./min.
Table 2 shows the comparison results of the half melting times according to Examples 1 and 2 and the comparative example.
さらに、実際のリフロー工程に於いてのボイド発生について検証を行った。
実施例1、2および比較例のはんだペーストを銅ランドのプリント基板にメタルマスクを用いて印刷する。これを260℃のホットプレート上に30秒間載せて加熱し、その後金属板等の上に載せて冷却する。このリフローはんだ付けされた基板のはんだ部分のボイドをX線TV検査装置(ソフテックス社製SVJ−2000)で観察し、ボイド発生量を比較した。
実施例1,2および比較例による、ボイド発生量の検証結果(ボイド評価)を同じく表2に示す。
Furthermore, the generation of voids in the actual reflow process was verified.
The solder pastes of Examples 1 and 2 and the comparative example are printed on a copper land printed circuit board using a metal mask. This is placed on a hot plate at 260 ° C. for 30 seconds and heated, and then placed on a metal plate or the like for cooling. The voids in the solder portion of the reflow soldered substrate were observed with an X-ray TV inspection device (SVJ-2000 manufactured by Softex), and the amount of void generation was compared.
Table 2 also shows the verification results (void evaluation) of the void generation amount according to Examples 1 and 2 and the comparative example.
表2より明らかなように、同一の加熱条件においても、実施例1,2の方が比較例よりも半溶融時間が約20%程長くなることがわかった。
また、実施例1、2は、比較例に比べボイドの発生が少なく良好な結果を得た。
As is apparent from Table 2, even under the same heating conditions, it was found that the half melting time was longer by about 20% in Examples 1 and 2 than in the comparative example.
Further, Examples 1 and 2 yielded good results with less generation of voids as compared with the comparative example.
さらに、出願人の別途実験により、実施例2の組成は実施例1の組成よりぬれ上がりが良好であることが確認された。
そこで、広がり試験により広がり率の比較試験によりこれを検証した。
試験方法は、JISZ3197に準じており、リフロー温度は260℃とした。
実施例1、2および及び比較例の広がり率の評価を表3に示す。
Further, the applicant's separate experiment confirmed that the composition of Example 2 was better wetted than the composition of Example 1.
Thus, this was verified by a spread rate comparison test by a spread test.
The test method conformed to JISZ3197, and the reflow temperature was 260 ° C.
Table 3 shows the evaluation of the spreading ratio of Examples 1 and 2 and the comparative example.
表3に示すように、広がり率は、実施例2>実施例1>比較例の順に良好であることがわかった。
そのため、はんだのぬれ上がりもこの順に沿って良好であることが確認された。
As shown in Table 3, the spreading rate was found to be favorable in the order of Example 2> Example 1> Comparative Example.
Therefore, it was confirmed that the solder wetting is also good along this order.
上述のごとく、本発明は単一の合金組成により、リサイクルへの悪影響を低減させ、さらに溶融開始の早さや合金自体のはんだ付性も適切で、且つボイドの低減が達成されるものである。
なお、実施例1、実施例2は、本発明の実施の態様1、2の各1実施例により説明されているものであり、特許請求の範囲内でれば、この組成範囲に限定されるものではない。
As described above, according to the present invention, the single alloy composition reduces the adverse effect on recycling, and also the speed of the onset of melting and the solderability of the alloy itself are appropriate, and the reduction of voids is achieved.
In addition, Example 1 and Example 2 are demonstrated by each 1 Example of the
本願発明は、単一の合金組成でボイドの低減が達成される。そのため、ペーストはんだのみならず、ペレット状などの様々な形状で利用することができる。 In the present invention, void reduction is achieved with a single alloy composition. Therefore, not only paste solder but also various shapes such as pellets can be used.
Claims (4)
The lead-free solder according to claim 2 or 3, wherein Ag is 3.8 to 4.2% by weight, Cu is 0.2 to 0.4% by weight, Au is 0.2 to 0.5% by weight, and the balance is Sn. alloy.
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