JP2006159201A

JP2006159201A - 半田付け方法

Info

Publication number: JP2006159201A
Application number: JP2004349447A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Yamaguchi; 敦史山口; Kazuto Nishida; 一人西田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-12-02
Filing date: 2004-12-02
Publication date: 2006-06-22

Abstract

【課題】電子部品の内部接合などに適用できるように、鉛フリーでかつ低コストにて高温半田付けを実現できる半田付け方法を提供する。
【解決手段】Ｓｎ系またはＺｎ系の半田材料３を用いてベース板１とダイオード２の電極４などの２部材を半田付けして接合する方法であって、少なくとも何れかの接合面にＣｏまたはＣｒまたはＭｏなどの金属被覆層８を形成して半田付け時にその金属が半田中に溶け込み、接合部の半田材料３の融点を上昇させて接合するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、２部材を半田材料にて接合する半田付け方法に関し、特に電子回路基板に形成された電極ランドと電子部品のリードなどの電極とを接合するのに好適に適用できる半田付け方法に関するものである。

従来、電子機器などに用いられる電子回路基板の製造プロセスにおいて、電子部品を基板に実装するため、例えば、電子部品から引き出したリードと基板に形成された電極ランドとを電気的及び物理的に接合するためなどに用いられる方法の１つとしてリフロー半田付け方法が知られている。

一般的なリフロー半田付け方法では、まず基板に形成された配線パターンの一部である電極ランド上に、所謂クリーム半田をスクリーン印刷法により供給する。クリーム半田は、通常半田材料から成る半田粉末と、ロジン、活性剤及び溶剤から成るフラックスとを混合して構成されている。次に、電子部品から引き出されたリードを、電極ランド上に配置されたクリーム半田と付着するようにして、電子部品を基板の所定箇所に配置する。

次に、クリーム半田を介して電子部品が配置された基板を、半田材料の融点以上の温度で熱処理することより、フラックスを活性化させ、クリーム半田中の半田粉末を一旦溶融させるとともに、フラックスなどの他の成分を蒸発又は揮発させる。次に、これを冷却することにより、溶融した半田材料を凝固させる。凝固した半田材料は、電子部品のリードと基板の電極ランドとの間の接合部を形成し、これらを電気的及び物理的に接合する。

接合部には半田材料以外のフラックスなどの他の成分が存在し得るが、このような他の成分は熱処理時において半田材料と相分離するので、接合部の内部には存在せず、接合部の表面に僅かに残留し得る程度である。これにより、実質的に半田材料から成る接合部によって電子部品が基板に実装された電子回路基板が得られる。

半田材料としては、Ｓｎ−Ｐｂ系材料、特に共晶組成を有するもの（以下、単にＳｂ−Ｐｂ共晶材料とも言う）が一般的に使用されている。Ｓｎ−Ｐｂ系材料の共晶組成は、Ｓｎ−３７Ｐｂ組成（即ち、３７重量％のＰｂ及び残部（６３重量％）のＳｎから成る組成）であり、この共晶組成においてＳｎ−Ｐｂ系材料は１８３℃の融点を有することが知られている。

また、電子部品内部の接続用の半田としては、Ｓｎ−９０Ｐｂ組成（即ち、９０重量％のＰｂ及び残部がＳｎから成る組成）の融点が約３００℃の高温半田が使われている（例えば、特許文献１参照。）。この高温半田を用いて半田付けした電子部品について、図２を参照して説明する。図２において、ベース板１とダイオード２がＳｎ−９０Ｐｂの高温半田１１により電気的に接合されている。ベース板１はＣｕから成り、ダイオード２のベース板１側の表面にはＮｉにＡｕメッキ又はＮｉにＡｇメッキを施された電極４が設けられ、他の表面にはＡｌ電極５が設けられている。Ａｌ電極５は、Ｃｕ又はＮｉにＡｇメッキされたリード６とアルミワイヤ７にて接続され、リード６とベース板１は封止樹脂９にて一体化されて電子部品１０が構成されている。
特開２００１−２４６４９３号公報

ところで、近年は電子回路基板を備える電子機器の廃棄処理法が問題とされ、半田材料に含まれる鉛（Ｐｂ）による地球環境や人体への影響が懸念されている。このため、半田材料として、従来使用されてきたＳｎ−Ｐｂ系材料に代えて、鉛を含まない半田材料、即ち鉛フリー半田材料を使用しようとする動きがあり、その実用化が図られている。現在、鉛フリー半田材料として種々の組成を有する材料が提案されているが、その融点が２００℃前後のものが多く、融点が３００℃程度の高温の半田材料は見出されていない。しかるに、電子部品内部の接合用半田は、電子部品を基板に実装する温度及び既存の半田付け方法の適用を考慮すれば、半田付け時に電子部品内部の半田が溶けないように半田付け温度よりも十分に高いことが要請される。

上記Ｓｎ−９０Ｐｂ組成に代わる高温半田材料としては、８０Ａｕ−２０Ｓｎ組成のものが知られており、融点及び機械的特性のバランスがとれているが、コストが高く実用的でないという問題がある。また、Ａｇを６０〜８０重量％含む合金や、Ｃｕを５０重量％以上含む合金などでは融点が９００℃程度にもなり、電子部品の内部接合用半田としては融点が高すぎ、半田付け時に電子部品を損傷してしまう恐れがある。

本発明は、上記従来の問題点に鑑み、電子部品の内部接合などに適用できるように、鉛フリーでかつ低コストにて高温半田付けを実現できる半田付け方法を提供することを目的とする。

本発明の半田付け方法は、半田材料を用いて２部材を半田付けして接合する半田付け方法であって、半田付け時に少なくとも何れか一方の部材の材料を半田材料に溶け込ませ、接合部の半田材料の融点を上昇させて接合するものである。

この構成によると、２部材の少なくとも一方の材料が半田材料中に溶け込むことにより、半田材料の凝固時に溶融した金属にてその融点を上昇させて凝固するので、低コストで鉛フリーの半田材料を用いながら、また半田付け時の熱的損傷を抑制又は防止しつつ、高温半田による半田付けに相当する半田付けを実現できる。したがって、例えばこの半田付け方法を電子部品の内部接合に適用すると、その電子部品を基板に半田付けする場合などの高温条件下においても、内部接合部の溶融劣化や耐熱疲労強度の低下を招く原因を排除することができる。

なお、ここで、半田材料とは、比較的低い融点を有する金属材料、例えば約１００〜２５０℃の温度にて溶融する金属材料を言う。また、半田付け方法は、例えばリフロー半田付け方法及びフロー半田付け方法の何れの方法によっても実施され得る。

また、半田材料が、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ｓｂ、Ｓｎ−Ｚｎ、Ｓｎ−Ｂｉの何れかを主成分とするＳｎ系の半田材料、またはＺｎ−Ａｇ、Ｚｎ−Ａｌの何れかを主成分とするＺｎ系の半田材料であるのが好適である。また、Ｓｎ系やＺｎ系の半田材料とは、その金属成分で構成される系の共晶組成を中心とし、微量の他の金属成分をさらに含み得る材料を言う。例えば、Ｓｎ−Ｚｎ系材料とは、Ｓｎ−９Ｚｎ共晶組成を中心とし、微量の他の金属成分を含み得るもので、例えば約１９０〜２００℃の融点を有し得る。

また、接合する２部材の少なくとも何れか一方が、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｏの何れかを含むのが好適である。更に、２部材の少なくとも何れか一方は、Ｃｏ又はＣｒ又はＭｏを含む多層積層体から成るものが好適である。

また、本発明の他の半田付け方法は、フラックスに金属錯体を含む半田材料を用い、半田付けして接合する時に金属錯体の金属を半田材料に溶け込ませ、接合部の半田の融点を上昇させて接合するものである。

この構成によっても、金属錯体の金属が半田材料に溶け込み、その金属によって凝固時に半田材料の融点を上昇させて凝固するので、低コストで鉛フリーの半田材料を用いながら、また半田付け時の熱的損傷を抑制又は防止しつつ、高温半田による半田付けに相当する半田付けを実現できる。

半田材料は、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ｓｂ、Ｓｎ−Ｚｎ、Ｓｎ−Ｂｉの何れかを主成分とするＳｎ系の半田材料であるのが好適である。

また、フラックスの金属錯体の金属は、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｏの何れかを含むのが好適である。

また、半田付け温度は２４０℃〜３４０℃の高温で半田付けするのが好適である。

また、本発明は、以上の半田付け方法によって２部材が接合されている接合構造体、及び以上の半田付け方法によって基板の電極ランドと電子部品の電極が接合されている電子回路基板を提供するものである。

本発明の半田付け方法によれば、２部材の少なくとも一方の材料が半田材料中に溶融拡散し、若しくはフラックス中の金属錯体の金属が半田材料に溶け込むことにより、溶融した金属によって凝固時に半田材料の融点を上昇させて凝固し、その結果低コストで鉛フリーの半田材料を用いながら、また半田付け時の熱的損傷を抑制又は防止しつつ、高温半田による半田付けに相当する半田付けを実現できる。

以下、本発明の半田付け方法の一実施形態について、図１を参照して説明する。

図１は、本実施形態の半田付け方法によって得られる電子部品の構成を示す断面図である。図１において、電子部品１０は、ベース板１上にダイオード２の一面を接合し、ダイオード２の他面とリード６とをアルミワイヤ７にて接続し、ベース板１とリード６を封止樹脂９にて一体化して構成されている。

ベース板１はＣｕから成り、その表面に予めＣｏまたはＣｒまたはＭｏの単一金属若しくは合金の状態の金属被覆層８が形成されている。ダイオード２のベース板１側の表面にはＮｉにＡｕメッキ又はＮｉにＡｇメッキを施された電極４が設けられ、他の表面にはＡｌ電極５が設けられている。そして、ベース板１とダイオード２がＳｎ系合金またはＺｎ系合金から成る半田材料３により電気的に接合されている。リード６は、Ｃｕ又はＮｉにＡｇメッキされている。

以上の構成の電子部品１０の製造工程で、ベース板１の表面にダイオード２の電極４を半田付けする際に、ベース板１の表面の金属被覆層８のＣｏまたはＣｒまたはＭｏが半田材料中に拡散溶融し、その結果溶融半田の融点を上げて凝固する。この半田付け時の高温放置時間を長く取ると、拡散溶融する金属量が増加するため、融点の上昇に効果的である。

以上のようにして作製された電子部品１０を基板（図示せず）に半田付けする場合、電子部品１０の内部の半田接合部の半田の融点が高温化しているので、半田付けの高温条件下においても内部の半田接合部の溶融に劣化を排除することができる。

以上の説明では、金属被覆層８をベース板１の表面に形成した例を示したが、ダイオード２の電極４の表面側に金属被覆層８を形成しても良い。

上記実施形態の説明では、互いに接合する部材の接合面に金属被覆層８を形成した例を示したが、半田材料３として、そのフラックス中に上記金属被覆層８の金属と同様の金属錯イオンを含んでいるものを用いても同様の作用効果を奏することができる。即ち、半田付け時に、半田材料中に金属錯イオンが溶け込み、半田材料３の融点を上げ、高温接合部を形成することができる。

また、半田材料中に溶融する金属として、ＣｏまたはＣｒまたはＭｏを示したが、本発明はこれに限定されず、半田材料中に溶け込み融点を上げる材料であれば良い。例えば、Ｂｉ系合金からなる半田材料にＡｇを溶融させたり、Ｃｕ系合金からなる半田材料にＺｎを溶融させて融点を上げるようにしても良い。

本発明の半田付け方法は、２部材の少なくとも一方の材料が半田材料中に溶融拡散し、若しくはフラックス中の金属錯体の金属が半田材料に溶け込むことにより、溶融した金属によって凝固時に半田材料の融点を上昇させて凝固し、その結果低コストで鉛フリーの半田材料を用いながら、また半田付け時の熱的損傷を抑制又は防止しつつ、高温半田による半田付けに相当する半田付けを実現できるため、基板に半田付けして実装するために高温条件に晒される電子部品の内部接合などに有用である。

本発明の一実施形態の半田付け方法によって製造される電子部品の断面図である。従来例の半田付け方法によって製造される電子部品の断面図である。

符号の説明

１ベース板
２ダイオード
３半田材料
４電極
８金属被覆層
１０電子部品

Claims

半田材料を用いて２部材を半田付けして接合する半田付け方法であって、半田付け時に少なくとも何れか一方の部材の材料を半田材料に溶け込ませ、接合部の半田材料の融点を上昇させて接合することを特徴とする半田付け方法。
半田材料が、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ｓｂ、Ｓｎ−Ｚｎ、Ｓｎ−Ｂｉの何れかを主成分とするＳｎ系の半田材料であることを特徴とする請求項１記載の半田付け方法。
半田材料が、Ｚｎ−Ａｇ、Ｚｎ−Ａｌの何れかを主成分とするＺｎ系の半田材料であることを特徴とする請求項１記載の半田付け方法。
接合する２部材の少なくとも何れか一方が、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｏの何れかを含むことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の半田付け方法。
フラックスに金属錯体を含む半田材料を用い、半田付けして接合する時に金属錯体の金属を半田材料に溶け込ませ、接合部の半田材料の融点を上昇させて接合することを特徴とする半田付け方法。
半田材料が、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ｓｂ、Ｓｎ−Ｚｎ、Ｓｎ−Ｂｉの何れかを主成分とするＳｎ系の半田材料であることを特徴とする請求項５記載の半田付け方法。
フラックスの金属錯体の金属が、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｍｏの何れかを含むことを特徴とする請求項６記載の半田付け方法。
半田付け温度が２４０℃〜３４０℃の高温で半田付けすることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の半田付け方法。
請求項１〜８の何れかによって２部材が接合されている接合構造体。
請求項１〜８の何れかによって基板の電極ランドと電子部品の電極が接合されていることを特徴とする電子回路基板。