JP2006289493A - Sn-zn based solder, lead-free solder, its solder work, solder paste, and electronic component-soldering substrate - Google Patents

Sn-zn based solder, lead-free solder, its solder work, solder paste, and electronic component-soldering substrate Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lead-free solder capable of suppressing the generation of tin whiskers in the solder solidified after melting and does not impair the wettability of the solder in an Sn-Zn based lead-free solder, its soldering work, solder past and electronic component soldering substrate. <P>SOLUTION: There are provided the Sn-Zn based solder containing 0.003 to 5wt.% zinc or zinc compound and the balance basically tin or tin compound, and is characterized in that the zinc or zinc compound is a pseudo corrosion preventive section within the solder or on its surface, the solder work such as bar solder using the same, the solder paste and electronic part soldering substrate using the same. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、溶融してから固化したはんだにウイスカ発生を抑制したSn−Zn系はんだ、鉛フリーはんだ、これらを用いたはんだ加工物、ソルダーペースト及び電子部品はんだ付け基板に関する。   The present invention relates to a Sn—Zn solder, lead-free solder, solder processed material using these, a solder paste, and an electronic component soldering substrate, in which whisker generation is suppressed in a solidified solder after melting.

近年、電子機器の配線基板の多機能化、軽薄短小化に伴い表面実装技術が急速に発展し、電子部品の表面実装を行う場合には、ほとんどソルダーペーストを用いたリフローはんだ付け方法が行われている。そのソルダーペーストに用いられるはんだ粉末は、Sn−Pb系のものが大部分を占めている。ところが、電子機器が使用済み等により廃棄される場合、分解されてその一部は回収されているものの、電子部品を実装した実装基板はほとんど回収されずに粉砕されて埋め立てられて処理されるか、自然界に投棄されたままにされるものもあるというのが現状である。自然界に投棄された実装基板には電子部品がはんだ付されているので、このはんだに鉛が含まれていると、酸性雨等によりこの鉛が可溶性鉛化合物となって溶出し、自然界を汚染するのみならず、地下水等を通して汚染された水や動植物の食物が人体に摂取されることがあり、その毒性が強いことから重大な問題となりつつある。そこで、鉛を含まないはんだ材料が開発され、Sn−Ag合金、Sn−Ag−Cu合金等のいわゆる無鉛はんだ合金粉末(鉛フリーはんだ合金粉末)が用いられるようになってきた。特にめっきに用いるPbフリーはんだはSnが主として使用されている。   In recent years, surface mounting technology has rapidly developed along with the multi-functionalization, miniaturization, and miniaturization of wiring boards for electronic devices. When surface mounting electronic components, reflow soldering methods that use solder paste are mostly used. ing. The solder powder used for the solder paste is mostly Sn-Pb-based. However, if the electronic equipment is disposed of after it has been used, etc., it is disassembled and part of it is recovered, but the mounting board on which the electronic components are mounted is crushed and landfilled without being recovered. The current situation is that some are left in nature. Since electronic components are soldered on the mounting board dumped in nature, if this solder contains lead, it will be eluted as a soluble lead compound due to acid rain, etc., and pollutes nature. In addition, contaminated water and animal and plant foods may be ingested by humans through groundwater, which is becoming a serious problem because of its high toxicity. Therefore, solder materials not containing lead have been developed, and so-called lead-free solder alloy powders (lead-free solder alloy powders) such as Sn—Ag alloys and Sn—Ag—Cu alloys have been used. In particular, Sn is mainly used for Pb-free solder used for plating.

ところが、上記の無鉛はんだ合金粉末(Pbフリーはんだ合金粉末)は、融点が約200〜220℃と高いので、そのはんだ粉末を含有するソルダーぺーストを用いたリフローはんだ付け方法では加熱時のピーク温度を230〜240℃にする必要があり、鉛系のSn−Pb合金の場合にはその共晶組成(63Sn/37Pb)の融点が183℃と低く、そのはんだ粉末を含有するソルダーぺーストを用いたリフローはんだ付け方法ではその加熱のピーク温度が230℃程度でよく、熱に弱い電子部品を損傷なくはんだ付することができるのに対し、その熱損傷による機能劣化等を起こさせるという問題点がある。この問題を回避するには、可及的に低融点の無鉛はんだの出現が望まれるが、その要求に応じるために、Sn−Ag−Cu系無鉛はんだ合金(特許第3027441号公報、米国特許第5527628号公報)や、Sn−Ag−Cu−Bi系無鉛はんだ合金(米国特許第4879096号公報)等、種々の無鉛はんだ合金が提案され、現在では、Sn−Ag−Cu系無鉛はんだ合金が我国においては主流を占めるようになってきている。   However, since the above lead-free solder alloy powder (Pb-free solder alloy powder) has a high melting point of about 200 to 220 ° C., the reflow soldering method using the solder paste containing the solder powder has a peak temperature during heating. 230-240 ° C, and in the case of lead-based Sn-Pb alloy, the eutectic composition (63Sn / 37Pb) has a melting point as low as 183 ° C, and the solder paste containing the solder powder is used. In the conventional reflow soldering method, the heating peak temperature may be about 230 ° C., and heat-sensitive electronic components can be soldered without damage, but there is a problem of causing functional deterioration due to the heat damage. is there. In order to avoid this problem, the appearance of lead-free solder having as low a melting point as possible is desired. In order to meet this requirement, Sn—Ag—Cu-based lead-free solder alloy (Patent No. 3027441, US Pat. Various lead-free solder alloys such as Sn-Ag-Cu-Bi-based lead-free solder alloys (US Pat. No. 4,879,096) have been proposed, and Sn-Ag-Cu-based lead-free solder alloys are currently being used in Japan. Has become the mainstream.

最近では、Sn−Ag系合金よりも溶融温度の低い鉛フリーはんだ合金として、91Sn/9Znの組成で共晶となり、溶融温度が199℃であるSn−Zn系合金が注目され、さらにその合金の濡れ性や接着強度を改善するために、Bi、In、Ag、Cu、Ni等を添加した鉛フリーはんだ合金も提案されている。
例えば特公平6−49238号公報には、Cu系合金からなる被接合部材をZnを含むSn系合金はんだではんだ付けするとCu−Sn等の反応相が形成され、この反応相は高温雰囲気で成長し電気抵抗等が大きくなり好ましくないが、Znを添加することによりCu−Zn−Snの合金相が形成されCu−Sn相の形成を抑制する作用があり、熱応力等が作用しても、はんだ付け部に割れが発生しにくくなる旨の記載がある。
また、特許3091098号公報には、カーラジエーターやカーヒーターなどの熱交換器の組み立ての接合に適した、Sn、Cu、Znから構成されるはんだ合金が開示されており、Znの添加ははんだ合金の強度を上昇させ、融点を下げる効果もあり、クリープ強度も上昇させる旨の記載がある。
また、特許3379679号公報には、Sn−Zn系合金のソルダーペーストの経時変化による粘度増加を抑えるために、分子量200以下であって1分子中にカルボキシル基と水酸基をともに1個以上有する有機酸とフタル酸エステルまたは、ソルビタン脂肪族エステルの有機系化合物がともに添加されるとよい旨の記載がある。
Recently, as a lead-free solder alloy having a melting temperature lower than that of a Sn—Ag alloy, a Sn—Zn alloy having a composition of 91Sn / 9Zn and having a melting temperature of 199 ° C. has attracted attention. In order to improve wettability and adhesive strength, lead-free solder alloys to which Bi, In, Ag, Cu, Ni, etc. are added have also been proposed.
For example, in Japanese Patent Publication No. 6-49238, when a member to be joined made of a Cu-based alloy is soldered with a Sn-based alloy solder containing Zn, a reaction phase such as Cu-Sn is formed, and this reaction phase grows in a high-temperature atmosphere. However, electrical resistance and the like increase, which is not preferable. However, by adding Zn, an alloy phase of Cu—Zn—Sn is formed and has an effect of suppressing the formation of the Cu—Sn phase. There is a statement that cracks are less likely to occur in the soldered part.
Japanese Patent No. 3091098 discloses a solder alloy composed of Sn, Cu, and Zn, which is suitable for joining heat exchangers such as car radiators and car heaters, and the addition of Zn is a solder alloy. There is a description that the strength of the steel is increased, the melting point is lowered, and the creep strength is also increased.
Japanese Patent No. 3379679 discloses an organic acid having a molecular weight of 200 or less and having at least one carboxyl group and one hydroxyl group in one molecule in order to suppress an increase in viscosity due to the change of Sn-Zn alloy solder paste over time. And phthalate esters or organic compounds of sorbitan aliphatic esters are described to be added together.

特公平6−49238号公報Japanese Patent Publication No. 6-49238 特許3091098号公報Japanese Patent No. 3091098 特許3379679号公報Japanese Patent No. 3379679

しかしながら、これらの各公報に記載されている鉛フリーはんだは、その成分のほとんどがSnとなるので、Snの再結晶によって発生する針状結晶状のウィスカ(髭)と呼ばれる錫ウィスカの発生が避けられない。これまでは、ウィスカはめっきはんだだけの問題としての認識があったが、接合に用いられるはんだについてもウィスカの発生が判明した。近年、電子基板(プリント基板)の小サイズ化に伴って回路の間隔も100μmよりも短くなってきており(ファインパターン回路)、搭載部品間隔が狭くなってきている状況では、50μm以上に成長した錫ウィスカの発生があると、回路の短絡も生じることがあり、使用性能の信頼性に問題がでてきている。   However, since the lead-free solder described in each of these publications is mostly Sn, it avoids the generation of tin whiskers called needle-like whiskers (髭) that are generated by Sn recrystallization. I can't. Until now, whiskers have been recognized as a problem only with plated solder, but it has been found that whiskers are also generated in solder used for joining. In recent years, with the downsizing of electronic boards (printed boards), the circuit interval has become shorter than 100 μm (fine pattern circuit), and in the situation where the interval between mounted components has become narrower, it has grown to 50 μm or more. When tin whiskers are generated, a short circuit may occur, which raises a problem in reliability of use performance.

本発明は上記の事情に鑑みなされたもので、その目的は、はんだ接合後の固化したときにウィスカの発生を抑制でき、はんだの濡れ性も損なわない鉛フリーはんだ、これを用いたはんだ加工物、ソルダーペースト及び電子部品はんだ付基板を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and the object thereof is a lead-free solder that can suppress the generation of whiskers when solidified after soldering and does not impair the wettability of the solder, and a solder processed product using the lead-free solder Another object of the present invention is to provide a solder paste and an electronic component soldered substrate.

本発明者らは、上記の目的を達成しようとして鋭意研究を重ねた結果、被はんだ付体が銅系材料(銅や銅合金)で構成されている場合には、Snを主成分とする鉛フリーはんだでは、そのはんだを溶融させ被はんだ付体に接触させると、はんだ−銅界面にSn−Cu化合物が成長し、これが錫ウィスカの発生原因になることを突き止め、従来のSnを主成分とする鉛フリーはんだに、例えばZnを0.003重量%〜5重量%の範囲で少量添加するように、微量の特定の元素を添加すると、これまでの鉛フリーはんだの特性を損なったり、劣化させることなく、錫ウィスカの発生原因であるSn−Cu化合物の成長を抑制し、ウィスカの発生を抑制できることを見出し、本発明を完成するに至った。
従って、本発明は、(1)、0.003重量%〜5重量%の亜鉛又は亜鉛化合物と、
それ以外の残部が基本的にスズ又はスズ化合物と、
を含むSn−Zn系はんだであって、
前記亜鉛又は亜鉛化合物が、当該はんだ内又は表面において擬似防食部であるSn−Zn系はんだを提供するものである。
また、本発明は、(2)、0.003重量%〜5重量%の亜鉛又は亜鉛化合物と、
それ以外の残部が基本的にスズ又はスズ化合物と、
を含むSn−Zn系はんだであって、
前記亜鉛又は亜鉛化合物によりSn−Zn系はんだ部のいずれかに形成された擬似防食部が、当該Sn−Zn系はんだに形成されるSn−Zn系はんだ、
(3)、上記(1)又は(2)に記載された、上記擬似防食部がSn−Zn系はんだから発生するウィスカを防止する手段であるSn−Zn系はんだ、(4)、上記(1)から(3)のいずれか1項に記載の亜鉛化合物は、亜鉛酸化物であるSn−Zn系はんだ、(5)、上記(4)の亜鉛酸化物は、不動態膜であるSn−Zn系はんだ、(6)、Sn−Zn系はんだにMg、Al、P、Ti、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ga、Ge、Mo、Ag、In、Au、Biからなる群より選ばれた少なくとも1種を添加した上記(1)ないし(5)のいずれかの鉛フリーはんだ、(7)、Sn−Zn系はんだはZnを0.003重量%〜5重量%、Agを0.1重量%〜5重量%および/またはCuを0.1重量%〜3重量%含有し、残部をSnとする上記(1)ないし(6)のいずれかの鉛フリーはんだ、(8)、上記(1)ないし(7)のいずれかの鉛フリーはんだの合金を有する棒はんだ、はんだボール又は成形はんだからなるはんだ加工物、(9)、上記(1)ないし(7)のいずれかの鉛フリーはんだの粉末と、フラックス成分とを配合してなるソルダーペースト、(10)、Zn5重量%〜13重量%、残部Snからなる第1の鉛フリーはんだ粉末又は該第1の鉛フリーはんだ粉末に、Mg、Al、P、Ti、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ga、Ge、Mo、Ag、In、Au、Biからなる群より選ばれた少なくとも1種を添加した第2の鉛フリーはんだ粉末と、主成分がSnからなる第3の鉛フリーはんだ粉末又は該第3の鉛フリーはんだ粉末に、Mg、Al、P、Ti、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ga、Ge、Mo、Ag、In、Au、Biからなる群より選ばれた少なくとも1種を添加した第4の鉛フリーはんだ粉末を、請求項1ないし9のいずれかに記載の鉛フリーはんだのZnが0.003重量%〜5重量%の組成になるように混合した鉛フリーはんだ粉末と、フラックスとを配合してなるソルダーペースト、(11)、電子部品とプリント基板の少なくとも一方が銅系材料からなるはんだ付け部を有し、上記(1)ないし(7)のいずれかに記載のSn−Zn系はんだ又は鉛フリーはんだ、上記(8)のはんだ加工物又は上記(9)若しくは(10)のソルダーペーストを用いて上記プリント基板に上記電子部品がはんだ付けされている電子部品はんだ付け基板を提供するものである。
なお、上記において、(1)、Zn、Co又はGeを0.003重量%〜5重量%含有し、残部をSnとするSn−Zn系はんだを含有する鉛フリーはんだであって、溶融してから固化したはんだにウィスカ発生を抑制した鉛フリーはんだ、(2)、Znを0.003重量〜5重量%含有し、残部をSnとするSn−Zn系はんだを含有する鉛フリーはんだであって、該鉛フリーはんだ粉末を溶融してから固化するまでのはんだにZnOを含む鉛フリーはんだ、(3)、ZnOは溶融してから固化するはんだの下層、中層及び上層のいずれかに存在する上記(2)の鉛フリーはんだ、(4)、ZnOは擬似防食部を形成する上記(2)又は(3)の鉛フリーはんだ、(5)、ZnOは擬似防食部によりウィスカ発生を抑制する上記(4)の鉛フリーはんだとしてもよく、また、「鉛フリーはんだ」は「鉛フリーはんだ粉末」、「鉛フリーはんだ合金粉末」、「鉛フリーはんだ合金」としてもよく、これらを意味する。また、「Sn−Zn系はんだを含有する鉛フリーはんだ」とは、不可避的な不純物その他の成分が含まれてもよいことを示す。
As a result of intensive research aimed at achieving the above object, the present inventors have found that when the soldered body is made of a copper-based material (copper or copper alloy), lead containing Sn as a main component. In free soldering, when the solder is melted and brought into contact with a body to be soldered, the Sn-Cu compound grows at the solder-copper interface, which causes the generation of tin whiskers. If a small amount of a specific element is added to the lead-free solder to be added, for example, in a small amount of Zn in the range of 0.003% to 5% by weight, the characteristics of the conventional lead-free solder are impaired or deteriorated. The inventors have found that the growth of Sn—Cu compounds, which are the cause of tin whisker generation, can be suppressed, and that whisker generation can be suppressed, and the present invention has been completed.
Accordingly, the present invention provides (1) 0.003% to 5% by weight of zinc or a zinc compound,
The remainder is basically tin or a tin compound,
Sn-Zn solder containing
The zinc or zinc compound provides an Sn—Zn solder that is a pseudo-corrosion-preventing part in or on the surface of the solder.
The present invention also provides (2) 0.003% to 5% by weight of zinc or a zinc compound,
The remainder is basically tin or a tin compound,
Sn-Zn solder containing
A pseudo-corrosion-proof portion formed on any of the Sn-Zn-based solder portions by the zinc or the zinc compound is formed on the Sn-Zn-based solder;
(3) Sn-Zn solder described in (1) or (2) above, wherein the pseudo-corrosion-proof portion is a means for preventing whiskers generated from Sn-Zn solder, (4), (1 The zinc compound according to any one of (3) to (3) is a Sn—Zn-based solder that is a zinc oxide, (5), and the zinc oxide of (4) above is a Sn—Zn that is a passive film. (6), Sn—Zn solder selected from the group consisting of Mg, Al, P, Ti, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ga, Ge, Mo, Ag, In, Au, Bi The lead-free solder according to any one of the above (1) to (5), to which at least one kind is added, (7) and the Sn—Zn based solder are 0.003% to 5% by weight of Zn and 0.1% of Ag. Containing 5% to 5% by weight and / or 0.1% to 3% by weight of Cu, the balance being n lead-free solder of any one of (1) to (6) above, (8), bar solder, solder ball or molded solder having the lead-free solder alloy of any of (1) to (7) above (9), a solder paste comprising the lead-free solder powder of any one of (1) to (7) above and a flux component, (10), Zn 5 wt% to 13 wt% %, The remaining lead Sn or the first lead-free solder powder, Mg, Al, P, Ti, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ga, Ge, Mo, Ag, To the second lead-free solder powder to which at least one selected from the group consisting of In, Au, and Bi is added, and to the third lead-free solder powder whose main component is Sn or the third lead-free solder powder , Mg, Al Claiming a fourth lead-free solder powder to which at least one selected from the group consisting of P, Ti, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ga, Ge, Mo, Ag, In, Au, and Bi is added. Item 10. A solder paste obtained by blending a lead-free solder powder mixed so that Zn of the lead-free solder has a composition of 0.003% to 5% by weight and a flux, 11) At least one of the electronic component and the printed circuit board has a soldered portion made of a copper-based material, and the Sn—Zn-based solder or lead-free solder according to any one of the above (1) to (7), An electronic component soldering substrate in which the electronic component is soldered to the printed circuit board using the solder processed product of 8) or the solder paste of (9) or (10) above. .
In the above, (1) a lead-free solder containing Sn—Zn-based solder containing 0.003% to 5% by weight of Zn, Co or Ge, and the balance being Sn, (2) a lead-free solder containing Sn-Zn-based solder containing 0.003 to 5% by weight of Zn and the rest Sn. A lead-free solder containing ZnO in the solder from melting the lead-free solder powder to solidifying, (3) the ZnO is present in any one of the lower, middle and upper layers of the solder solidified after melting (2) Lead-free solder, (4), ZnO forms the pseudo-corrosion-preventing part (2) or (3) lead-free solder, (5), ZnO suppresses whisker generation by the pseudo-corrosion-preventing part ( 4) Lead May be as free solder, also, "lead-free solder" is also good, which means these as "lead-free solder powder", "lead-free solder alloy powder", "lead-free solder alloy". In addition, “lead-free solder containing Sn—Zn-based solder” indicates that unavoidable impurities and other components may be included.

本発明によれば、特にZn又はその化合物を0.003重量%〜5重量%含有するSn−Zn系の鉛フリーはんだを提供することができるので、はんだの濡れ性も損なわない鉛フリーはんだを提供することができ、また、これを用いたはんだ加工物やソルダーペーストを提供することができる。これらを用いたはんだ付け後に同様にウィスカの発生を抑制できる。このようにしてはんだ付けした電子部品はんだ付け基板を提供することができる。
このように、ウィスカの発生が抑制ないし防止されると、近年の電子基板(プリント基板)の小サイズ化に伴うファインパターン回路におけるウィスカによる回路の短絡による問題も解決することができ、電子回路の信頼性を一段と高めることができる。
According to the present invention, it is possible to provide a Sn-Zn lead-free solder containing Zn or a compound thereof in an amount of 0.003% to 5% by weight. In addition, a solder processed product and a solder paste using the same can be provided. The generation of whiskers can be similarly suppressed after soldering using these. Thus, an electronic component soldering substrate soldered in this manner can be provided.
In this way, if the occurrence of whiskers is suppressed or prevented, the problem caused by short circuits caused by whiskers in fine pattern circuits accompanying the recent downsizing of electronic boards (printed boards) can be solved. Reliability can be further improved.

本発明において、特定の元素を添加したSnを主成分とする鉛フリーはんだについて、その添加元素が少量であれば、これまでのPbフリーはんだとしての特性を損なうことなく、ウィスカ抑制効果が発揮されると考え、その特定の元素の選定基準としては、環境負荷がない、安価である、通常状態で安定であることも考慮された。Sn単成分に添加する特定の元素としては、Zn、Co、Ge、Ga等が挙げられ、ウィスカの長さを0〜40μmにすることができ、この序列の前の元素ほどウイスカの成長を抑制でき、Zn、Co、Geの場合にはウィスカの長さを0〜30μm、その内でもZnの場合にはウィスカの長さを0〜20μmとすることができ、Sn単成分にNiを添加した場合にはウィスカの長さが100μm、Sn単成分にMnを添加した場合にはウィスカの長さが50μmにまで成長することがあるものよりウィスカの長さを短くでき、好ましい。
また、Sn- 3Ag- 0.5Cu等のSn−Ag−Cuに添加する特定の元素としては、Zn、Ge等が挙げられ、ウィスカの長さは0〜40μmにすることができ、この序列の前の元素ほどウィスカの成長を抑制でき、ウィスカの長さがCo、Inをそれぞれ添加した場合には50μm、Mnを添加した場合には60μm、Niを添加した場合には80μmにまで成長することがあるものよりはウィスカの長さを短くでき、好ましい。
特定の元素をSn単成分に添加する場合、特定の元素をSn−Ag−Cu等の複数成分に添加するいずれの場合も、特定の元素としてはZnが好ましく、ディップはんだ付けによる検証では、ウィスカの長さを0にすることができ、はんだ表面は酸化、腐食がなく、金属光沢が維持され、高温高湿条件(例えば85℃、相対湿度85%)下の経時変化でも、ウィスカの発生を抑制できる。Sn−ZnはんだではSn37Pbはんだよりもウィスカの成長を抑制でき、Sn−Ag−Cu−Znはんだ、Sn−Znはんだのいずれの場合もZnの添加量を増すとともにウィスカの成長を抑制する効果が顕著に現れ、Sn- 3Ag- 0.5Cuの場合の同様の条件下の経時変化でのウイスカの長さより著しく小さくでき、Sn- 3Ag- 0.5Cuの場合にはCu下地とはんだ界面部分や、はんだが酸化した所から太さや長さの異なるウィスカが発生するのとは大きくことなる。
なお、ウィスカの主な発生箇所はフィレット末端のはんだの厚さが薄いところで多く発生し易く、反対にフィレット中央のはんだが多く供給され厚さがあるところでは、Sn- 3Ag- 0.5Cuの場合でもウィスカを発生し難くできる。
In the present invention, for lead-free solder containing Sn as a main component to which a specific element is added, if the amount of the added element is small, the whisker suppressing effect is exhibited without impairing the characteristics as the conventional Pb-free solder. In view of this, the selection criteria for the specific element were also considered to have no environmental impact, are inexpensive, and are stable in normal conditions. Specific elements added to the Sn single component include Zn, Co, Ge, Ga and the like. The length of whiskers can be set to 0 to 40 μm, and the elements before this order suppress whisker growth. In the case of Zn, Co, and Ge, the length of the whisker can be set to 0 to 30 μm, and in the case of Zn, the length of the whisker can be set to 0 to 20 μm, and Ni is added to the Sn single component. In some cases, the whisker length is 100 μm, and when Mn is added to the Sn single component, the whisker length can be made shorter than that in which the whisker length may grow to 50 μm.
Further, specific elements added to Sn-Ag-Cu such as Sn-3Ag-0.5Cu include Zn, Ge, etc., and the length of whiskers can be 0 to 40 μm. The whisker growth can be suppressed as much as the previous element, and the whisker length grows to 50 μm when Co and In are added, to 60 μm when Mn is added, and to 80 μm when Ni is added. The whisker can be made shorter than the one with the whisker.
When a specific element is added to a single Sn component, Zn is preferable as the specific element in any case where a specific element is added to a plurality of components such as Sn-Ag-Cu. In verification by dip soldering, whisker The solder surface is free from oxidation and corrosion, maintains a metallic luster, and whisker is generated even with time-dependent changes under high temperature and high humidity conditions (for example, 85 ° C and relative humidity 85%). Can be suppressed. Sn-Zn solder can suppress whisker growth more than Sn37Pb solder, and in both cases of Sn-Ag-Cu-Zn solder and Sn-Zn solder, the effect of suppressing whisker growth is increased while increasing the amount of Zn added. In the case of Sn-3Ag-0.5Cu, it can be made significantly smaller than the whisker length over time under the same conditions. In the case of Sn-3Ag-0.5Cu, the surface of the Cu substrate and the solder interface or the solder It is very different that whiskers with different thickness and length are generated from the place where oxidization occurs.
The main occurrence of whiskers is likely to occur when the thickness of the solder at the end of the fillet is thin. On the contrary, when Sn-3Ag-0.5Cu is used where a large amount of solder is supplied at the center of the fillet, However, whiskers are less likely to occur.

これらの良い性能を得るには、Znの添加量は0.003重量%〜5重量%であり、好ましくは0.1重量%〜1.0重量%であり、0.003重量%より少ないと、Sn−Cu化合物の成長を一時抑えることができるが、時間の経過とともにSn−Cu化合物が再び成長し、Sn−Cu化合物層を形成させることを避けることができない。また、5重量%より多いと、今度はCu−Zn化合物が生成し、この生成によるウィスカが発生し、Sn−Cu化合物によるウィスカの場合と同様な問題を生じる。
このように、Znの添加量は多過ぎても少な過ぎても、ウィスカの発生を阻止できず、適量の添加が必要であるが、Znは酸化性が強く、その酸化物がZn−Snはんだに混じると、その溶融はんだは被はんだ付体(プリント基板の銅箔ランド)の銅面に対する濡れを損ない易いので、その添加量は少ないほどよく、これを考慮すると、Znの添加量は0.003重量%〜0.3重量%未満が好ましい。さらに好適には、0.003重量%〜0.2重量%が好ましい。
Co、Ge、Ga等の添加量は0.003重量%〜5重量%であるが、0.1重量%〜1.0重量%が好ましく、Znの添加量の場合の上述したことに準じたことが言えるが、はんだの金属光沢はZnを添加したはんだが最も優れる。
Znははんだ表面上で亜鉛酸化膜を形成するものと考えられ、これは亜鉛が従来もっている擬性(擬似)防食作用による防錆効果ではないかと考えられる。
In order to obtain these good performances, the addition amount of Zn is 0.003% to 5% by weight, preferably 0.1% to 1.0% by weight, and less than 0.003% by weight. Although the growth of the Sn—Cu compound can be temporarily suppressed, it cannot be avoided that the Sn—Cu compound grows again with the passage of time to form the Sn—Cu compound layer. On the other hand, when the content is more than 5% by weight, a Cu—Zn compound is generated, whisker is generated due to this generation, and the same problem as in the case of the whisker by the Sn—Cu compound occurs.
In this way, if the amount of Zn added is too large or too small, whisker generation cannot be prevented and an appropriate amount needs to be added. However, Zn is highly oxidizable, and its oxide is Zn-Sn solder. When mixed, the molten solder is liable to impair the wetting of the soldered body (copper foil land of the printed circuit board) on the copper surface, so the smaller the addition amount, the better. 003 wt% to less than 0.3 wt% is preferable. More preferably, the content is 0.003% to 0.2% by weight.
The amount of addition of Co, Ge, Ga, etc. is 0.003% to 5% by weight, preferably 0.1% to 1.0% by weight, which is the same as described above in the case of the amount of Zn added. However, the solder with the addition of Zn is most excellent in the metallic luster of the solder.
Zn is considered to form a zinc oxide film on the solder surface, which is considered to be a rust-preventing effect due to the pseudo (pseudo) anticorrosion action that zinc has conventionally.

本発明のSn−Znの鉛フリーはんだ合金には、例えばMg、Al、P、Ti、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ga、Ge、Mo、Ag、In、Au、Biからなる群より選ばれた少なくとも1種、すなわちこれらの各々の単数又は複数の元素を加えて、機械的強度、はんだ濡れ性、低融点化等のはんだ特性を改善することも好ましい。例えばAgを0.1重量%〜5重量%(全成分からなるはんだ中の割合、以下同様)添加すると、はんだの機械的強度を改善するとともに、Sn−Zn合金の耐食性を向上させることができる。Agは0.1重量%より少ない添加では、これらの効果が現れず、また、5重量%を越えて添加されると、液相線温度が急激に上昇してしまい、はんだ付け温度が高くなって電子部品に熱損傷を与え易くなる。
また、Cuを0.1重量%〜3重量%添加すると、はんだの機械的強度改善に優れた効果があり、また、溶融はんだに浸漬してはんだ付けを行う場合、プリント基板のランドの銅箔の銅を溶融はんだ中に拡散することを抑制する効果もある。0.1重量%より少ない添加では、その効果がなく、3重量%を越えるとSn−Cuの金属間化合物が析出し、ウィスカの発生原因になるだけではなく、急激に液相線温度を上昇させて、はんだ付け性を阻害するようになる。AgやCuは単独で添加してもよく、また、AgとCuを同時に添加することもできる。
また、Sn−Zn系合金にBi、In、Ag、Cu、Ni等を添加すると、濡れ性を改善し、接着強度を向上させることができる。
その他の元素もこれらに準じ、これらの金属元素を含めて、その添加量は例えば0.01重量%〜4.0重量%が例示されるが、これ以下でよい場合もある。
The Sn-Zn lead-free solder alloy of the present invention includes, for example, Mg, Al, P, Ti, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ga, Ge, Mo, Ag, In, Au, and Bi. It is also preferable to improve solder properties such as mechanical strength, solder wettability, and low melting point by adding at least one selected element, that is, one or more elements of each. For example, when Ag is added in an amount of 0.1 wt% to 5 wt% (ratio in the solder composed of all components, the same applies hereinafter), the mechanical strength of the solder can be improved and the corrosion resistance of the Sn—Zn alloy can be improved. . When Ag is added in an amount of less than 0.1% by weight, these effects do not appear, and when it is added in excess of 5% by weight, the liquidus temperature rapidly increases and the soldering temperature increases. As a result, the electronic components are easily damaged by heat.
Addition of 0.1% to 3% by weight of Cu has an excellent effect on improving the mechanical strength of the solder. When soldering is performed by immersing in molten solder, the copper foil of the land of the printed circuit board is used. There is also an effect of suppressing the diffusion of copper in the molten solder. Addition of less than 0.1% by weight has no effect, and if it exceeds 3% by weight, Sn—Cu intermetallic compounds are precipitated, causing not only whisker generation, but also rapidly increasing the liquidus temperature. As a result, the solderability is hindered. Ag and Cu may be added alone, or Ag and Cu may be added simultaneously.
In addition, when Bi, In, Ag, Cu, Ni, or the like is added to the Sn—Zn alloy, wettability can be improved and adhesive strength can be improved.
Other elements are also based on these, and including these metal elements, the amount added is, for example, 0.01 wt% to 4.0 wt%, but may be less than this.

本発明は、上記Sn−Zn等のはんだ合金やこれらのそれぞれに他の元素を添加したはんだ合金を用いて得られるソルダーペーストも提供するが、このソルダーペーストは、その合金のはんだ粉末をフラックスに混ぜ込んだものである。そのはんだ粉末はソルダペースト中85重量%〜92重量%(フラックス:8重量%〜15重量%)用いられ、球形で粒径が10μm〜45μmのはんだ粉末が、はんだ付ランドのピッチの狭くなってきている最近のプリント基板に対するリフローはんだ付け用としては好ましい。
そのフラックスとしては、例えば樹脂成分、活性剤及び溶剤からなる。樹脂成分としては、例えばロジン系樹脂が挙げられ、これにはロジン及びその変性ロジン等の誘導体が挙げられ、これらは併用もできる。具体的には例えばガムロジン、ウッドロジン、重合ロジン、フェノール変性ロジンやこれらの誘導体が挙げられる。ロジン系樹脂の含有量は、ソルダーペースト組成物のはんだ粉末を除いた他の成分である、いわゆるフラックス中、30重量%〜70重量%とすることができる。これより少ないと、はんだ付けランドの銅箔面の酸化を防止してその表面に溶融はんだを濡れ易くする、いわゆるはんだ付け性が低下し、はんだボールが生じ易くなり、これより多くなると残渣量が多くなる。活性剤としては、有機アミンのハロゲン化水素塩及び有機酸が挙げられ、具体的にはジフェニルグアニジン臭化水素酸塩、シクロヘキシルアミン臭化水素酸塩、ジエチルアミン塩酸塩、トリエタノールアミン臭化水素酸塩、モノエタノールアミン臭化水素酸塩、アジピン酸、セバチン酸等が挙げられ、これらは残さによる腐食性を抑制し、絶縁抵抗を損なわない点から、さらにははんだ付け性、はんだボールを生じさせないようにする点からフラックス中0.1重量%〜3重量%が好ましい。チキソ剤を併用してもよく、その使用により、ソルダーペーストをその印刷性に適した粘度に調整することができるように、例えば、水素添加ヒマシ油、脂肪酸アマイド類、オキシ脂肪酸類をフラックス中3重量%〜15重量%含有させることが好ましい。溶剤としては、例えばヘキシルカルピトール(沸点:260℃)、ブチルカルビトール(沸点:230℃)等が挙げられ、フラックス中30重量%〜50重量%含有させることが好ましい。
The present invention also provides a solder paste obtained by using a solder alloy such as Sn-Zn or the like, or a solder alloy obtained by adding other elements to each of them, and this solder paste uses the solder powder of the alloy as a flux. It is a mixture. The solder powder is used in the solder paste in an amount of 85% to 92% by weight (flux: 8% to 15% by weight). The solder powder having a spherical shape and a particle size of 10 μm to 45 μm is becoming narrower in the pitch of the soldered lands. It is preferable for reflow soldering on recent printed circuit boards.
The flux includes, for example, a resin component, an activator, and a solvent. Examples of the resin component include rosin resins, and examples thereof include rosin and derivatives thereof such as modified rosin, which can be used in combination. Specific examples include gum rosin, wood rosin, polymerized rosin, phenol-modified rosin and derivatives thereof. The content of the rosin resin can be set to 30% to 70% by weight in a so-called flux which is another component excluding the solder powder of the solder paste composition. If it is less than this, oxidation of the copper foil surface of the soldering land will be prevented, and the solder will be easily wetted on the surface, so-called solderability will be reduced, and solder balls will be easily formed. Become more. Activators include organic amine hydrohalides and organic acids, specifically diphenylguanidine hydrobromide, cyclohexylamine hydrobromide, diethylamine hydrochloride, triethanolamine hydrobromide. Examples include salts, monoethanolamine hydrobromide, adipic acid, sebacic acid, etc. These suppress the corrosiveness caused by the residue and do not impair the insulation resistance. From the point of doing, 0.1 to 3 weight% in a flux is preferable. A thixotropic agent may be used in combination. For example, hydrogenated castor oil, fatty acid amides, and oxy fatty acids are contained in the flux so that the solder paste can be adjusted to a viscosity suitable for its printability. It is preferable to contain 15 to 15 weight%. Examples of the solvent include hexyl carpitol (boiling point: 260 ° C.), butyl carbitol (boiling point: 230 ° C.) and the like, and it is preferable to contain 30 wt% to 50 wt% in the flux.

本発明のソルダーペーストは、上記した必須成分及び必要に応じて添加される上記添加剤と共に混練処理することにより容易に製造することができる。このようにして得られたソルダーペーストは、プリント基板に塗布され、その塗布膜にチップ部品が載置され、ついで加熱されてはんだ粉末が溶融されることによりはんだ付けが行われ、電子部品はんだ付け基板が得られる。
その際、はんだ付け時にはんだと銅の界面に生成されるSn−Cu化合物が更にはんだ成分の亜鉛等の上記特定の元素と反応することによりSn−Cu化合物層のはんだ側にCu−Zn化合物層や他の特定元素によるこれに準じた化合物層を形成する。これにより、錫や銅の拡散が抑えられ、ウィスカの発生原因であるSn−Cu層の成長が抑制されて、錫ウイスカの発生が抑制され、はんだフィレットに対する応力も抑えることができる。この際、Zn等の特定の元素は適量であるので、Cu−Zn化合物によるウィスカの発生も抑制され、また、その適量は少量ともいえるので、はんだの濡れを害することもない。
Sn3Ag0.5Cu1.0Zn等の上記の特定の元素を添加した鉛フリーのはんだのペーストでは、フラックス残さの有無や、リフロー条件の変化にかかわらずウィスカの発生を抑制できるが、Sn3Ag0.5Cuはんだのペーストの場合にはリフローはんだ付けでは、ディップはんだ付けより高温高湿下(85℃、相対湿度85%)での経時変化における長期の場合にはウィスカの長さは短かくできるが、リフロー条件では、リフロー加熱温度を高くしたり、加熱時間を長くすると、通常条件よりもウィスカは成長する傾向が見られる。また、フラックス残さが残っていると、ウィスカの成長は遅くなる傾向が見られる。しかし、リフロー条件の変化により、ウィスカの成長の傾向が見られる。
なお、本発明の「鉛フリーはんだ」は、「銅系材料の被はんだ付体接合用鉛フリーはんだ」としてもよいが、ウィスカの発生を抑制ないし防止したこと以外は従来の無鉛はんだと同じ特性を持つことができ、電子部品はんだ付用のみならず、機械的接合用等にも使用でき、特に特殊な用途に限られるものではない。また、「回路間隔が100μm以下のファインパターン回路に電子部品をはんだ付けするのに用いる鉛フリーはんだ(ソルダーペースト)、その鉛フリーはんだによりはんだ付けした電子部品はんだ付け基板」としてもよい。この場合には、上記のウィスカの長さを100μm以下にできる特定元素も使用できる。
The solder paste of the present invention can be easily produced by kneading together with the above-described essential components and the additive added as necessary. The solder paste obtained in this way is applied to a printed circuit board, chip parts are placed on the coating film, and then soldering is performed by heating and melting the solder powder, thereby soldering electronic parts. A substrate is obtained.
At that time, the Sn—Cu compound produced at the interface between the solder and copper during soldering further reacts with the specific element such as zinc as a solder component, thereby causing a Cu—Zn compound layer on the solder side of the Sn—Cu compound layer. And a compound layer based on this and other specific elements. Thereby, the diffusion of tin and copper is suppressed, the growth of the Sn—Cu layer, which is the cause of whisker generation, is suppressed, the generation of tin whisker is suppressed, and the stress on the solder fillet can be suppressed. At this time, since a specific element such as Zn is in an appropriate amount, generation of whiskers by the Cu—Zn compound is suppressed, and since the appropriate amount can be said to be a small amount, it does not impair the wetting of the solder.
The lead-free solder paste added with the above-mentioned specific elements such as Sn3Ag0.5Cu1.0Zn can suppress the occurrence of whiskers regardless of the presence of flux residue and changes in reflow conditions, but the Sn3Ag0.5Cu solder paste In the case of reflow soldering, whisker length can be shortened in the case of long-term change over time under high temperature and high humidity (85 ° C, relative humidity 85%) than dip soldering. When the reflow heating temperature is increased or the heating time is increased, whiskers tend to grow more than normal conditions. Moreover, if the flux residue remains, the growth of whiskers tends to be slow. However, there is a trend of whisker growth due to changes in reflow conditions.
The “lead-free solder” of the present invention may be “lead-free solder for soldered joints of copper-based materials”, but has the same characteristics as conventional lead-free solder except that whisker generation is suppressed or prevented. It can be used not only for electronic component soldering but also for mechanical joining, and is not limited to special applications. Further, “lead-free solder (solder paste) used for soldering an electronic component to a fine pattern circuit having a circuit interval of 100 μm or less, and an electronic component soldering substrate soldered by the lead-free solder” may be used. In this case, the specific element which can make the length of said whisker 100 micrometers or less can also be used.

以下に実験例によって、本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実験例によって限定されるものではない。以下「部」とは「重量部」(「質量部」としてもよく、上記においても同様)、「%」は「重量%」を表す。   The present invention will be specifically described below with reference to experimental examples, but the present invention is not limited to these experimental examples. Hereinafter, “parts” means “parts by weight” (may be “parts by mass”, and the same applies to the above), and “%” means “% by weight”.

(実験例1)
Znを0.5重量%、残部をSnとする各金属をるつぼに採り、電気炉中で均一に溶融させ、鋳型に流し込んで、はんだ合金を調製した。また、はんだ粉末に関しては、遠心アトマイズ法により微粒子化して、Sn−Zn合金の鉛フリーはんだ粉末(粒径10μm〜45μm)(はんだ材)を製造し、これを用いて次の実験方法によりウィスカの発生状態を調べた。
(実験方法)
上記Sn−Zn合金の鉛フリーはんだ粉末をメニスコグラフ測定装置により250℃で溶融させ、その溶融はんだに、フラックス(タムラ化研株式会社製:EC−19S−8)を塗布したJIS2クシ型基板(クシ型銅電極が形成された基板)を約3秒間浸漬させてから取り出し、付着した溶融はんだを固化させた(ディップはんだ付け)。その後、その基板を超音波装置で酢酸エチルで5分間洗浄を行い、フラックス残渣を除去した。基板を乾燥させた後に、85℃、85%RH(相対湿度)の恒温恒湿槽に投入し500時間後、1000時間後、2000時間後に取り出した。取り出した基板をSEM(走査型電子顕微鏡)(400倍、1000倍)によりウィスカ(ウィスカの長さ)の発生状態を観察した(経時変化とウィスカの関係)。
その結果を上記はんだの組成とともに表1に示す。表1中、「◎」はウィスカの発生無(ウィスカの長さ0)、「○」はほとんどウィスカの発生無(ウィスカの長さ30μm以下)、「△」は長さが30μmより長く50μm未満のウィスカの発生、「×」は長さが40μm以上のウィスカの発生(△に相当するものも含む)、「−」は前段階でウィスカ発生のためSEM観察を行わないことを示す。各印の横の数値はウィスカの長さ(μm)を示す。
なお、このことから、本発明において、「溶融してから固化したはんだにウィスカ発生を抑制した」とは、ウィスカの長さ50μm未満、あるいは30μm未満又は30μm以下であるとしてもよい。
(Experimental example 1)
Each metal containing 0.5% by weight of Zn and the balance of Sn was taken in a crucible, uniformly melted in an electric furnace, and poured into a mold to prepare a solder alloy. In addition, the solder powder is micronized by a centrifugal atomization method to produce a Sn-Zn alloy lead-free solder powder (particle size: 10 μm to 45 μm) (solder material). The occurrence state was investigated.
(experimental method)
The lead-free solder powder of the Sn-Zn alloy was melted at 250 ° C. The meniscograph measuring device, to the molten solder, flux (TAMURA KAKEN KK: EC-19S-8) JIS2 type comb type substrate in which the coating ( The substrate on which the comb-shaped copper electrode was formed was immersed for about 3 seconds and then taken out, and the adhered molten solder was solidified (dip soldering). Thereafter, the substrate was washed with ethyl acetate for 5 minutes with an ultrasonic device to remove the flux residue. After drying the substrate, it was put into a constant temperature and humidity chamber at 85 ° C. and 85% RH (relative humidity), and taken out after 500 hours, 1000 hours and 2000 hours. The state of whisker (whisker length) was observed with the SEM (scanning electron microscope) (400 times and 1000 times) of the substrate taken out (relation between change with time and whisker).
The results are shown in Table 1 together with the solder composition. In Table 1, “◎” indicates no whisker generation (whisker length 0), “○” indicates almost no whisker generation (whisker length 30 μm or less), and “Δ” indicates a length longer than 30 μm and less than 50 μm. Occurrence of whiskers, “×” indicates the occurrence of whiskers having a length of 40 μm or more (including those corresponding to Δ), and “−” indicates that SEM observation is not performed due to the occurrence of whiskers in the previous stage. The numerical value next to each mark indicates the length (μm) of the whisker.
From this, in the present invention, “whisker generation is suppressed in the solder solidified after melting” may be a whisker length of less than 50 μm, less than 30 μm, or less than 30 μm.

(実験例2〜26)
表1、2に示すように、実験例2〜26の鉛フリーはんだ粉末を実験例1に準じて製造し、それぞれの鉛フリーはんだ粉末を用いて実験例1と同様にウィスカの発生状態を調べ、その結果を実験例1の場合と同様に表1、2に示す。
(Experimental Examples 2 to 26)
As shown in Tables 1 and 2, the lead-free solder powders of Experimental Examples 2 to 26 were manufactured according to Experimental Example 1, and the state of whisker generation was examined in the same manner as in Experimental Example 1 using each lead-free solder powder. The results are shown in Tables 1 and 2 in the same manner as in Experimental Example 1.

表1から、実験例1では、0.5重量%のZnをSnに添加することによりウィスカの発生を抑制することがわかり、実験例2〜9ではBi、Ni、Cu、In、Ge、Mgが存在していても、Zn添加によるウィスカ発生の抑制効果は失われることが無いことがわかる。実験例10〜14のSn−Ag−Cu系はんだにおいてもZn添加(Sn−Zn系はんだ)によるウイスカ発生の抑制効果が現れた。一方、実験例15〜20、22〜26は500時間で40μm以上のウイスカが発生してしまい、特に回路間隔が50μm以下のファイン回路の短絡防止に対する信頼性に欠けるといえる。実験例21ではZnを含んでいるがその量が多すぎるために、1000時間で30μm以上の長さのウイスカが発生した。実験例にあるように亜鉛を適量添加することで、ウイスカ発生を抑制することができ、回路短絡による信頼性低下が回避されることがわかった。   From Table 1, it can be seen that in Experimental Example 1, addition of 0.5 wt% Zn to Sn suppresses the generation of whiskers. In Experimental Examples 2 to 9, Bi, Ni, Cu, In, Ge, Mg It can be seen that the effect of suppressing the generation of whiskers by addition of Zn is not lost even if exists. In the Sn-Ag-Cu solders of Experimental Examples 10 to 14, the effect of suppressing whisker generation by Zn addition (Sn-Zn solder) appeared. On the other hand, in Experimental Examples 15 to 20, 22 to 26, whiskers of 40 μm or more are generated in 500 hours, and it can be said that the reliability for preventing short circuits of fine circuits having a circuit interval of 50 μm or less is particularly lacking. In Example 21, although Zn was contained, the amount was too large, and whiskers having a length of 30 μm or more were generated in 1000 hours. It was found that whisker generation can be suppressed by adding an appropriate amount of zinc as in the experimental example, and a decrease in reliability due to a short circuit is avoided.

(実験例27〜36)
黒鉛るつぼに850g程度のSn又はSn- 3Ag- 0.5Cuはんだを入れ、マッフル炉((株)デンケン製)で窒素雰囲気下300℃で加熱溶融後、表3に示すように、実験例27〜36の他の金属元素または合金を0.1〜0.2%程度、溶融しているはんだに添加した。さらに窒素雰囲気下で500〜1000℃、1〜2時間加熱することによって、添加元素をはんだに溶解させ、添加元素を含有するSn合金やはんだ合金(実験例27〜36のはんだ材)を製造した。表3は作製した各はんだ材の成分を示す。なお、組成は、一般的な表記法である重量%で表すと、例えばSn- 3Ag- 0.5Cuとなるが、表には各金属元素とその重量%を分離して示してある。
はんだ粉末に関しては、上記実験例1と同様に、遠心アトマイズ法により微粒子化して、Sn−Zn合金の鉛フリーはんだ粉末(粒径10〜45μm)を製造してもよい。
次の実験方法によりウィスカの発生状態を調べた。
(実験方法)
メニスコグラフ測定装置により上記の各はんだ材を溶融させ、そのほかのことは上記実験方法と同様(JIS2クシ型基板は表面を研磨して使用する)にして、同実験方法の記載に従った500時間後のウィスカの発生を光学顕微鏡により観察し、回路から発生しているウィスカの長さを測定することで添加金属元素によるウィスカ発生の傾向を検証した。結果を表3に示す。
なお、経時変化とウィスカの関係では、1500時間後の測定も行って、その他の時間後のものとともに、図1のグラフに示した。また、そのグラフよりウィスカの長さを読み取った値を表3に示した。
なお、図1中、「SAC0.1Zn」等のはんだの種類は図2に示す組成を表し、図2の組成は表1〜3に準ずるものである。
(Experimental examples 27 to 36)
About 850 g of Sn or Sn-3Ag-0.5Cu solder was placed in a graphite crucible, and was heated and melted at 300 ° C. in a muffle furnace (manufactured by Denken Co., Ltd.) in a nitrogen atmosphere. 36 other metal elements or alloys were added to the molten solder by about 0.1-0.2%. Furthermore, by heating at 500 to 1000 ° C. for 1 to 2 hours in a nitrogen atmosphere, the additive element was dissolved in the solder, and an Sn alloy or a solder alloy containing the additive element (the solder material of Experimental Examples 27 to 36) was manufactured. . Table 3 shows the components of each solder material produced. The composition is expressed by, for example, wt%, which is a general notation, for example, Sn-3Ag-0.5Cu. In the table, each metal element and its wt% are shown separately.
As for the solder powder, similarly to Experimental Example 1, the lead-free solder powder (particle size 10 to 45 μm) of Sn—Zn alloy may be manufactured by micronization by the centrifugal atomization method.
The state of whisker generation was examined by the following experimental method.
(experimental method)
Each of the above solder materials is melted by a meniscograph measuring apparatus, and the others are the same as in the above experimental method (the surface of the JIS2 comb type substrate is polished), and after 500 hours according to the description of the experimental method. The whisker generation was observed with an optical microscope, and the length of whisker generated from the circuit was measured to verify the tendency of whisker generation due to the added metal element. The results are shown in Table 3.
In addition, regarding the relationship between the change with time and the whisker, the measurement after 1500 hours was also performed, and the results after the other time are shown in the graph of FIG. In addition, Table 3 shows values obtained by reading the length of whiskers from the graph.
In FIG. 1, the type of solder such as “SAC0.1Zn” represents the composition shown in FIG. 2, and the composition in FIG.

(ディップはんだ付によるウィスカについて)
表3から、実験例29、30ではそれぞれCo、Geを各0.1重量%Snに添加することにより比較的ウィスカの成長を抑制し、実施例27ではZnを0.1重量%Snに添加することによりウィスカの発生は認められないことがわかる。
実験例27のはんだ材によるはんだ表面(フィレット表面)は腐食がなく、金属光沢が維持されており、他方、実験例32のはんだ材によるはんだ表面は酸化により、かなり腐食していることが目視により、また写真を撮ることにより観察された。
表1から、実験例13(SAC0.1Zn(図2))のはんだ材について、Znを添加したSAC合金はんだはウィスカの発生が無いことがわかるが、表1の実験例13のはんだ材を実験例27〜36のはんだ材を製造したと同様の方法(いずれの方法も具体的条件を示すか割愛したかの相違はあるが実質的にはほぼ同じ方法といえる)で製造したはんだ材(実験例13’(SAC0.1Zn)のはんだ材)についても、Znを添加したSAC合金はんだはウィスカの発生が無い(顕著に抑制されている)ことがわかった。
(About whiskers by dip soldering)
Table 3 shows that whisker growth was relatively suppressed by adding Co and Ge to 0.1 wt% Sn in Experimental Examples 29 and 30, respectively, and Zn was added to 0.1 wt% Sn in Example 27. It can be seen that whisker is not observed.
It is visually observed that the solder surface (fillet surface) of the solder material of Experimental Example 27 is not corroded and maintains a metallic luster, while the solder surface of the solder material of Experimental Example 32 is considerably corroded due to oxidation. It was also observed by taking pictures.
From Table 1, it can be seen that for the solder material of Experimental Example 13 (SAC0.1Zn (FIG. 2)), the SAC alloy solder added with Zn has no whisker, but the solder material of Experimental Example 13 of Table 1 was tested. Solder material manufactured by the same method as that used for manufacturing the solder materials of Examples 27 to 36 (each method is substantially the same method although there is a difference in whether specific conditions are indicated or omitted) As for Example 13 ′ (solder material of SAC0.1Zn), it was found that the SAC alloy solder to which Zn was added had no whiskers (remarkably suppressed).

実験例13’のはんだ材によるはんだ表面は腐食がなく、金属光沢が維持されており、他方、Zn以外の添加元素ではこのような金属光沢が維持されていることが目視によっても、また写真を撮ることによっても観察されなかった。
また、表2の実験例22(SAC(図2))のはんだ材を実験例27〜36のはんだ材を製造したと同様の方法で製造したはんだ材(実験例22’(SAC(図2))、実験例13’(SAC0.1Zn)のそれぞれのはんだ材によるはんだ表面のSEMによる観察結果を写真で示すと、実験例22’のものではCu下地とはんだ界面部分や、はんだ酸化したところから、太さや長さが異なったウィスカの発生が確認されたが、一方、実験例13’のものでははんだの酸化やウィスカは確認されなかった。
さらに、ウィスカの主な発生個所を詳しく観察したところ、フィレット末端のはんだ厚さ(約40μm以下)が薄いところが多く発生しているが、反対にフィレット中央のはんだが多く供給され厚さ(40μm以上)があるところでは、実験例22’(SAC)のものでもウィスカの発生は確認されなかった。
さらにはんだ表面状態を観察すると、実施例22’(SAC)のものでは、実験例32(Ni添加Sn)のものなどよりはAg、Cu含有によるSn総量の減少で、はんだの酸化部分は減少している。しかし、添加元素によりはんだ表面状態はそれぞれ異なるが、Zn以外を添加したSn−Ag−Cu−X系はんだは酸化の度合いは異なるが、黒く変色していた。
The solder surface of the solder material of Experimental Example 13 ′ is not corroded and maintains a metallic luster. On the other hand, it is visually confirmed that such metallic luster is maintained with additive elements other than Zn. It was not observed by taking pictures.
In addition, the solder material (Experimental Example 22 ′ (SAC (FIG. 2)) manufactured in the same manner as the solder material of Experimental Example 27 to 36 was manufactured from the solder material of Experimental Example 22 (SAC (FIG. 2)) in Table 2. ), SEM observation results of the solder surface of each of the solder materials of Experimental Example 13 ′ (SAC0.1Zn) are shown by a photograph. The occurrence of whiskers with different thicknesses and lengths was confirmed, but in the case of Experimental Example 13 ′, no solder oxidation or whiskers were confirmed.
Furthermore, when the main occurrences of whiskers were observed in detail, there were many places where the solder thickness at the fillet end (about 40 μm or less) was thin, but on the contrary, a large amount of solder at the center of the fillet was supplied and the thickness (40 μm or more ), The occurrence of whiskers was not confirmed even in Experimental Example 22 ′ (SAC).
Further, when the surface state of the solder is observed, the oxidized portion of the solder is reduced in the sample of Example 22 ′ (SAC) due to the decrease in the total amount of Sn due to the inclusion of Ag and Cu, compared to the sample of Experimental Example 32 (Ni added Sn). ing. However, although the surface state of the solder differs depending on the additive element, the Sn—Ag—Cu—X-based solder added with other than Zn has a different degree of oxidation but has turned black.

Zn添加したものは、Sn−Zn合金、Sn−Ag−Cu−Zn合金のどちらの場合も、はんだ表面の酸化がみられず、はんだは金属光沢を保っていたことから、添加された亜鉛がはんだ表面上で亜鉛酸化膜(ZnO)を形成しているものと考えられる。これは亜鉛が従来もっている擬性(擬似)防食作用による防錆効果ではないかと考えられる。   In the case of Zn addition, in both the Sn—Zn alloy and the Sn—Ag—Cu—Zn alloy, the solder surface was not oxidized, and the solder maintained a metallic luster. It is considered that a zinc oxide film (ZnO) is formed on the solder surface. This is considered to be a rust prevention effect due to the pseudo (pseudo) anticorrosion action that zinc has conventionally.

(経時変化及びZn添加量とウィスカの関係について)
高温高湿(85℃、相対湿度85%)条件下におけるウィスカの長さの経時変化を示した図1のグラフからわかるように、実験例22’(SAC)のものでは、時間の経過とともにウィスカが成長し、1500時間後のSACでは最長160μmのウィスカが観測されているが、実験例13’(SAC0.1Zn)のものではウィスカの発生はほとんど認められなかった。
また、Zn添加量が増加した場合では、その効果は更に顕著に現れた。実験例28(S1Zn(図2))はSn−37Pb(Sn/Pb=63/37(重量比))はんだよりもウィスカが抑制されている。また、表1の実験例14のはんだ材を実験例27〜36のはんだ材を製造したと同様の方法で製造したはんだ材(実験例14’(SAC1Zn)のはんだ材)では1500時間経過後もウィスカの発生は全く確認されなかった。
このようにZnの添加量が増加することでウィスカ抑制効果が向上することも分かる。
(Relations over time and the relationship between Zn addition amount and whiskers)
As can be seen from the graph of FIG. 1 showing the change over time in the length of whisker under the conditions of high temperature and high humidity (85 ° C., relative humidity 85%), the whisker of Experimental Example 22 ′ (SAC) is over time. In the SAC after 1500 hours, whisker having a maximum length of 160 μm was observed. However, in the case of Experimental Example 13 ′ (SAC0.1Zn), almost no whisker was observed.
In addition, when the amount of added Zn was increased, the effect was more remarkable. In Experimental Example 28 (S1Zn (FIG. 2)), whiskers are suppressed more than Sn-37Pb (Sn / Pb = 63/37 (weight ratio)) solder. Moreover, in the solder material manufactured in the same manner as the solder material of Experimental Example 27 to 36 (the solder material of Experimental Example 14 ′ (SAC1Zn)) of Experimental Example 14 in Table 1 after 1500 hours have passed. The occurrence of whiskers was not confirmed at all.
It can also be seen that the whisker suppressing effect is improved by increasing the amount of Zn added.

(実験例37)
以下の組成のソルダーペーストを調製した。
水添ロジン(ロジン系樹脂) 55.0g
アジピン酸(活性剤) 2.0g
水添ヒマシ油(チキソ剤) 6.0g
ヘキシルカルビトール(溶剤) 37.0g
(以上、フラックス 100g)
上記フラックス 11.0g
鉛フリーはんだ粉末(実験例1) 89.0g
(以上、ソルダーペースト 100g)
上記フラックスとはんだ粉末を攪拌混合することによりソルダーペーストを得た。このソルダーペーストをマルコム粘度計で測定したところ230Pa・s(測定温度25℃)であった。
このソルダーペーストを用いて、(i)印刷性試験(0.15mm厚さのメタルマスクを用いたスクリーン印刷による印刷面にかすれやにじみが目視されるか否かを検査する試験)では、かすれ、にじみがなく、(ii)粘着性試験(印刷後の部品の接着強度を調べるもので、JIS Z 3284による試験)では、1.3N(ニュートン)、(iii)加熱時のだれ性試験(加熱時の塗布膜の所定位置からのはみ出しを調べるもので、JIS Z 3284による試験)では、0.2mm、(iv)絶縁性試験(はんだと分離したフラックス膜の抵抗値を測定するもので、JIS Z 3284による試験)では、1.0×1011(Ω)以上、(v)はんだ付け状態試験(リフローはんだ付装置において、プリヒート温度を180℃、120秒、本加熱を240℃、30秒行った場合の銅板に対するはんだ付状態を、溶融後固化したはんだに未溶融物が見られないものを「5」、多く見られるものを「1」とし、「3」以上を実用性があるとする5段階法により評価する試験)では、「5」であり、いずれも満足てきるものであった。なお、(v)において電子部品を銅板にはんだ付したものは、電子部品はんだ付け基板とみなすことができる。
また、(vi)上記(v)において、銅板上で溶融後固化したはんだについて実験例1の「実験方法」と同様に、フラックスの洗浄、除去等を行ってから、85℃85%RH(相対湿度)恒温恒湿槽に投入し500時間後、1000時間後、2000時間後に取り出し、その取り出した銅板をSEM(走査型電子顕微鏡)(400倍、1000倍)によりウィスカ(ウィスカの長さ)の発生状態を観察したところ、実験例1とほぼ同様の結果が得られた。
なお、上記鉛フリーはんだ合金からなる中空のはんだ地金に、前記フラックスの固形分を加熱溶融して流し込んで得られたやに入り糸はんだ(棒はんだ)、上記鉛フリーはんだ合金を細線して切削、溶融して得られたはんだボール、上記鉛フリーはんだ合金を板状に成形した成形はんだのはんだ加工物についても、前記に準じて試験を行ったところ、ほぼ同様の結果が得られた。
(Experimental example 37)
A solder paste having the following composition was prepared.
Hydrogenated rosin (rosin resin) 55.0g
Adipic acid (active agent) 2.0 g
Hydrogenated castor oil (thixotropic agent) 6.0g
Hexyl carbitol (solvent) 37.0g
(Flux 100g)
Flux 11.0g
Lead-free solder powder (Experiment 1) 89.0g
(Solder paste 100g)
A solder paste was obtained by stirring and mixing the flux and the solder powder. When this solder paste was measured with a Malcolm viscometer, it was 230 Pa · s (measurement temperature 25 ° C.).
Using this solder paste, (i) In a printability test (test for inspecting whether a print surface by screen printing using a metal mask having a thickness of 0.15 mm is visually observable for blur or blur), it is blurred. No bleed, (ii) Tackiness test (examines the adhesive strength of parts after printing, according to JIS Z 3284), 1.3N (Newton), (iii) Sagging test during heating (during heating) In the JIS Z 3284 test, 0.2 mm, (iv) Insulation test (measures the resistance value of the flux film separated from the solder). 3284 in accordance with the test), 1.0 × 10 11 (Ω ) or more, (v) in the soldering state test (reflow soldering apparatus, 180 ° C. preheating temperature, 120 seconds, The soldering state with respect to the copper plate when heated at 240 ° C. for 30 seconds is defined as “5” when the unmelted solder is not seen in the solidified solder after melting, and “1” when it is frequently seen, and “3”. The above test was evaluated as “practical” by a five-step method), which was “5”, which was satisfactory. In addition, what soldered the electronic component to the copper plate in (v) can be regarded as an electronic component soldering board.
(Vi) In the above (v), the solder solidified after being melted on the copper plate was subjected to flux cleaning, removal, etc. in the same manner as the “Experimental Method” in Experimental Example 1, and then 85 ° C. and 85% RH (relative Humidity) It is put into a constant temperature and humidity chamber, taken out after 500 hours, 1000 hours and 2000 hours, and the taken-out copper plate is whisker (whisker length) by SEM (scanning electron microscope) (400 times, 1000 times). When the occurrence state was observed, almost the same result as in Experimental Example 1 was obtained.
A hollow solder ingot made of the above lead-free solder alloy is melted and poured into the hollow solder ingot, and then the cored wire solder (bar solder) and the above lead-free solder alloy are thinned. When a solder ball obtained by cutting and melting and a soldered product of molded solder obtained by forming the lead-free solder alloy into a plate shape were tested according to the above, almost the same results were obtained.

(表1、2のその他の鉛フリーはんだを用いたソルダーペーストの実験例)
上記実験例1の鉛フリーはんだ粉末の代わりに、上記実験例2〜14の鉛フリーはんだ粉末を用いること以外は実験例37と同様にして製造したソルダーぺーストについても、上記(i)〜(vi)について実験例37の場合とほぼ同様の結果が得られた。
なお、実験例21の鉛フリーはんだ粉末と実験例22の鉛フリーはんだ粉末を重量比で1.1:98.9に混合したはんだ粉末混合物(Zn 0.10重量%、Ag 3.0重量%、Cu 0.5重量%)を用いること以外は実験例37と同様にして製造したソルダーぺーストについても、上記(i)〜(vi)について実験例37の場合とほぼ同様の結果が得られた。
また、上記実験例1の鉛フリーはんだ粉末の代わりに、上記実験例15〜20と22〜26の各鉛フリーはんだ粉末を用いること以外は実験例37と同様にして製造したソルダーぺーストについては、上記(i)〜(v)までは実験例37とほぼ同様の結果が得られたが、上記実験例21の鉛フリーはんだ粉末を用いること以外は実験例37と同様にして製造したソルダーペーストについては、上記(v)については「2」であり、はんだ付け状態を劣化させた。上記(vi)については、実験例15〜20と22〜26のそれぞれに対応するものとほぼ同様の結果が得られた。
(Examples of solder paste using other lead-free solders in Tables 1 and 2)
The solder pastes manufactured in the same manner as in Experimental Example 37 except that the lead-free solder powders in Experimental Examples 2 to 14 are used instead of the lead-free solder powder in Experimental Example 1 above (i) to ( With respect to vi), almost the same result as in Experimental Example 37 was obtained.
In addition, the solder powder mixture (Zn 0.10 weight%, Ag 3.0 weight%) which mixed lead-free solder powder of Experimental example 21 and lead-free solder powder of Experimental example 22 by 1.1: 98.9 by weight ratio In addition, the solder paste manufactured in the same manner as in Experimental Example 37 except that Cu (0.5 wt%) is used, the same results as in Experimental Example 37 are obtained for the above (i) to (vi). It was.
Moreover, about the solder paste manufactured similarly to Experimental example 37 except using each lead-free solder powder of said Experimental Examples 15-20 and 22-26 instead of the lead-free solder powder of said Experimental Example 1. The results (i) to (v) were almost the same as those of Experimental Example 37, but the solder paste manufactured in the same manner as in Experimental Example 37 except that the lead-free solder powder of Experimental Example 21 was used. As for (v), it was “2”, and the soldering state was deteriorated. As for (vi), almost the same results as those corresponding to Experimental Examples 15 to 20 and 22 to 26 were obtained.

(表3の各実験例の鉛フリーはんだを用いたソルダーペーストの実験例)
上記実験例1の鉛フリーはんだ粉末の代わりに、上記実験例27〜35の鉛フリーはんだ粉末を用いること以外は実験例37と同様にして製造したソルダーぺーストについても、上記(i)〜(vi)について実験例37の場合とほぼ同様の結果が得られた。
(Experimental example of solder paste using lead-free solder in each experimental example in Table 3)
The solder pastes manufactured in the same manner as in Experimental Example 37 except that the lead-free solder powders in Experimental Examples 27 to 35 are used instead of the lead-free solder powder in Experimental Example 1 also apply to the above (i) to ( With respect to vi), almost the same result as in Experimental Example 37 was obtained.

(実験例38) (ソルダーペーストのウィスカ評価)
実験例37において、実験例1の鉛フリーはんだ粉末の代わりに、実験例14’(SAC1Zn)、実験例22’(SAC)のそれぞれのはんだ材の鉛フリーはんだ粉末(粉末化については実験例1の鉛フリーはんだ粉末の製造方法と同様にして製造した鉛フリーはんだ粉末)を用いたこと以外は同様のソルダーペースト(実験例14’のソルダーペースト、実験例22’のソルダーペースト)を製造し、ディップはんだ付に使用した試験基板と同じものを用い、試験基板のフラックス残さを洗浄または無洗浄の状態で実験を行った。さらに、プリヒート温度、時間、ピーク温度、溶融時間についてリフロー加熱条件を変化させ、ウィスカ発生状況についても比較検討した。リフローは、静置型リフロー装置を用いて図3に示す条件にて実施した。
図4〜6に、各種リフロー条件において実験例14’のソルダーペースト(図6)、実験例22’のソルダーペースト(図4、5)のそれぞれを用いて作製したSAC1Znはんだ接合部、SACはんだ接合部の85℃、85%(相対湿度)放置下におけるウィスカ長さ(実験例27〜36における「実験方法」と同様にして測定した長さ)の経時変化を示す。
(Experimental example 38) (Whisker evaluation of solder paste)
In Experimental Example 37, instead of the lead-free solder powder of Experimental Example 1, the lead-free solder powders of the solder materials of Experimental Example 14 ′ (SAC1Zn) and Experimental Example 22 ′ (SAC) (Experimental Example 1 for pulverization) The same solder paste (Solder paste of Experimental Example 14 ′, Solder paste of Experimental Example 22 ′) was manufactured except that the Pb-free solder powder manufactured in the same manner as the Pb-free solder powder manufacturing method was used, The same test substrate used for dip soldering was used, and the experiment was performed with or without cleaning the flux residue on the test substrate. Furthermore, the reflow heating conditions were changed for the preheating temperature, time, peak temperature, and melting time, and the whisker generation situation was also compared. The reflow was performed under the conditions shown in FIG. 3 using a stationary reflow apparatus.
FIGS. 4 to 6 show SAC1Zn solder joints and SAC solder joints produced using the solder paste of Experimental Example 14 ′ (FIG. 6) and the solder paste of Experimental Example 22 ′ (FIGS. 4 and 5) under various reflow conditions. The time-dependent change of the whisker length (the length measured in the same manner as the “experimental method” in Experimental Examples 27 to 36) when the part is left at 85 ° C. and 85% (relative humidity) is shown.

実験例22’(SAC)のソルダーペーストの場合、ディップはんだ付よりも、1500時間でのウィスカ長さは短かった。また、図4からは、リフロー加熱温度を高くしたり、加熱時間を長くすると、通常条件(○印、1500時間、90s)よりもウィスカは成長する傾向が見られた。また、図5からは、フラックス残さが残っているとウィスカの成長は遅くなる傾向が見られた。しかし、リフロー条件を前述のように高温、長時間にすると、ウィスカの成長する傾向が見られた。
実験例14’(SAC1Zn)のはんだ材)のソルダーペーストの場合、図6からは、フラックス残さの有無や、リフロー条件の変化にかかわらずウィスカの発生は認められなかった。
In the case of the solder paste of Experimental Example 22 ′ (SAC), the whisker length at 1500 hours was shorter than that of dip soldering. Also, from FIG. 4, when the reflow heating temperature was increased or the heating time was lengthened, the whisker tended to grow more than the normal conditions (◯ mark, 1500 hours, 90 s). Moreover, from FIG. 5, when the flux residue remained, the tendency for the growth of a whisker to become slow was seen. However, when the reflow conditions were high temperature and long time as described above, there was a tendency for whiskers to grow.
In the case of the solder paste of Experimental Example 14 ′ (SAC1Zn) solder material), no whisker was observed from FIG. 6 regardless of the presence or absence of the flux residue and the change in reflow conditions.

(実験例39)
(ウィスカ発生原因及び抑制メカニズムについて) 上述したように、実験例22’(SAC(図2))、実験例13’(SAC0.1Zn)のそれぞれのはんだ材のSEMによる写真の観察結果から、ウィスカの発生箇所がはんだフィレットの末端部分や、酸化されている所に集中していたことから、ウィスカの発生原因は、はんだの酸化と考えられる。
そこで、60℃、相対湿度90%と、85℃オーブン(加湿なし)に高温高湿条件を変えて、はんだの環境変化によるSAC(実験例22’)、SAC0.1Zn(実験例13’)、Sn−37Pb(実験例36)のウィスカ評価を上述した方法により行い、結果を図7に示す。
図7から、60℃、相対湿度90%環境下では、SACだけが、1000時間で40μmのウィスカの発生が確認された。85℃、相対湿度85%環境下と比較してもウィスカの成長速度は格段に遅くなっている。また、85℃オーブン条件では、どのはんだもウィスカの発生は認められなかった。
(Experimental example 39)
(Whisker Occurrence Cause and Suppression Mechanism) As described above, from the observation results of SEM photographs of the solder materials of Experimental Example 22 ′ (SAC (FIG. 2)) and Experimental Example 13 ′ (SAC0.1Zn), whisker The occurrence of whiskers was concentrated at the end portion of the solder fillet and at the oxidized location, so the cause of whisker generation is considered to be solder oxidation.
Therefore, SAC (Experimental Example 22 ′), SAC0.1Zn (Experimental Example 13 ′), 60 ° C., 90% relative humidity, and 85 ° C. oven (no humidification) by changing the high-temperature and high-humidity conditions due to changes in solder environment The whisker evaluation of Sn-37Pb (Experimental Example 36) was performed by the method described above, and the results are shown in FIG.
From FIG. 7, in the environment of 60 ° C. and relative humidity of 90%, it was confirmed that only SAC generated 40 μm whiskers in 1000 hours. The growth rate of whiskers is much slower than that in an environment of 85 ° C. and 85% relative humidity. In addition, no whisker was observed in any solder under 85 ° C. oven conditions.

更に、はんだ中のSnの酸化がウィスカ発生に影響を与えているか確認するために、85℃、相対湿度85%環境下、1500時間後のウィスカ発生箇所の断面をEPMAにより観察し(EPMA observation atoms mapping)、SAC(実験例22’)とSAC1Zn(実験例14’)のSnとOの分布状態を電子回折写真(a reflection electronic view)、酸素分布図(oxygen mapping view)及び錫分布図(tin mapping view)により調べた。
その結果、SACにおいて酸化物が発生し、それらに挟まれたはんだから、ウィスカが発生していることが確認された。SAC1Znにおいては、このような酸化物の発生は確認されておらず、ウィスカの発生原因がはんだ中のSnの酸化によることが確認された。 以上の結果からウィスカノ発生メカニズムは以下のとおりと考えられる。
(1)はんだの主成分であるSnが空気中の水分によって酸化されて、低密度の酸化物になる。
(2)酸化によるSnの体積増加によりはんだフィレット内に応力が生じ、フィレット末端部では、はんだ量が少なく応力が集中し易いため、内部応力が蓄積される。
(3)内部応力を解放するためにフィレット末端のSnが押し出され、ウィスカが発生すると考えられる。
Znを添加したはんだ合金は金属光沢が保たれることから、Znを添加することではんだ表面にZn酸化被膜(ZnO)が形成されることにより、はんだ中のSnの酸化が防止され、Snの酸化物の生成による内部応力が発生せず、ウィスカの発生を抑制しているものと考えられる。これはZnの擬性( 擬似) 防食作用ではないかと考えられる。
Furthermore, in order to confirm whether or not the oxidation of Sn in the solder has an influence on the generation of whiskers, a cross section of the whisker generation site after 1500 hours was observed by EPMA in an environment of 85 ° C. and 85% relative humidity (EPMA observation atoms). mapping), SAC (Experimental Example 22 ′) and SAC1Zn (Experimental Example 14 ′) Sn and O distribution states, an electron diffraction view, an oxygen mapping view, and a tin distribution chart (tin) It was investigated by mapping view).
As a result, it was confirmed that oxides were generated in the SAC, and whiskers were generated from the solder sandwiched between them. In SAC1Zn, the generation of such an oxide has not been confirmed, and it has been confirmed that the cause of whisker is due to the oxidation of Sn in the solder. From the above results, it is considered that the whiskerano generation mechanism is as follows.
(1) Sn, which is the main component of solder, is oxidized by moisture in the air and becomes a low-density oxide.
(2) Stress increases in the solder fillet due to the increase in volume of Sn due to oxidation, and internal stress is accumulated at the end of the fillet because the amount of solder is small and stress is likely to concentrate.
(3) It is considered that Sn at the fillet end is pushed out to release internal stress, and whiskers are generated.
Since the metallic luster of the solder alloy to which Zn is added is maintained, by adding Zn, a Zn oxide film (ZnO) is formed on the solder surface, thereby preventing the oxidation of Sn in the solder. It is considered that the internal stress due to the generation of oxide does not occur and the generation of whiskers is suppressed. This is considered to be the pseudo (anti) corrosion action of Zn.

以上のことから次のことがいえる。
(1)SnにCoやGeを添加すると、ウィスカの成長を比較的抑制し、Znを0.1重量%〜1.0重量%添加した場合にはウィスカの発生を抑制できる(無い又は顕著に抑制できるとも言える)ことが確認された。
(2)Pbフリーはんだとして一般的なSn−3Ag−0.5CuはんだにZnを0.1重量%〜1.0重量%添加した場合も、ウィスカの発生を抑制できることが確認されたが、Snでウィスカの発生に効果のあったCoやGeの添加は、ウィスカの発生を抑制できる効果がそれほどにはないことが確認された。
(3)Sn- 3Ag- 0.5Cu- 0.1Znはんだは高温高湿条件下(85℃、相対湿度85%)に1500時間放置しておいても、ウィスカの発生が抑制されていることが確認された。
(4)実用可能なPbフリーはんだペーストとして期待されるSn−3Ag−0.5Cu−0.1Znはんだペーストについてもウィスカ抑制効果があることが確認された。その場合、さまざまなリフロー条件においてもウィスカ抑制効果が認められた。
(5)ウィスカの発生原因として、はんだ成分のSnの酸化による内部応力の発生が主原因であると考えられる。
なお、上述した光学顕微鏡、EPMAによる写真については、「エレクトロニクス 実装工学会」の学会発表(2006/2/2)の発表原稿に掲載されている。
From the above, the following can be said.
(1) When Co or Ge is added to Sn, whisker growth is relatively suppressed, and when 0.1 wt% to 1.0 wt% of Zn is added, whisker generation can be suppressed (not present or notably). It can be said that it can be suppressed).
(2) It was confirmed that whisker generation can be suppressed even when 0.1 wt% to 1.0 wt% of Zn is added to Sn-3Ag-0.5Cu solder, which is a general Pb-free solder. Thus, it was confirmed that the addition of Co or Ge, which was effective in generating whiskers, was not so effective in suppressing the generation of whiskers.
(3) Sn-3Ag-0.5Cu-0.1Zn solder has suppressed whisker generation even when left for 1500 hours under high temperature and high humidity conditions (85 ° C., relative humidity 85%). confirmed.
(4) It was confirmed that the Sn-3Ag-0.5Cu-0.1Zn solder paste, which is expected as a practical Pb-free solder paste, has a whisker suppressing effect. In that case, the whisker suppression effect was recognized also in various reflow conditions.
(5) As a cause of whisker generation, it is considered that generation of internal stress due to oxidation of Sn of the solder component is a main cause.
In addition, the above-mentioned photograph by the optical microscope and EPMA is published in the presentation manuscript of the conference presentation (2006/2/2) of “Electronics Packaging Engineering Society”.

高温高湿(85℃、相対湿度85%)下での経時時間とウィスカの長さの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the elapsed time under the high temperature and high humidity (85 degreeC, relative humidity 85%), and the length of a whisker. 図1に示すはんだの種類毎の組成を示す表である。It is a table | surface which shows a composition for every kind of solder shown in FIG. 図4〜6で各マーク(○等)に対応するリフロー条件を示す表である。It is a table | surface which shows the reflow conditions corresponding to each mark ((circle) etc.) in FIGS. はんだペーストを用いたリフローはんだ付接合部(実験例22’(SAC)のもので、フラックス残さの洗浄なしのもの)の高温高湿(85℃、相対湿度85%)下での経時時間とウィスカの長さの関係を示すグラフである。Reflow soldered joints using solder paste (Experimental Example 22 '(SAC) without flux residue washing) under high temperature and high humidity (85 ° C, relative humidity 85%) and whisker It is a graph which shows the relationship of length. フラックスの残さの洗浄ありとする以外は図4と同様のグラフである。FIG. 5 is a graph similar to FIG. 4 except that the flux residue is washed. はんだペーストを用いたリフローはんだ付接合部(実験例14’(SAC1Zn)のもので、フラックス残さの洗浄なしとその洗浄ありのもの)の高温高湿(85℃、相対湿度85%)下での経時時間とウィスカの長さの関係を示すグラフである。Under a high temperature and high humidity (85 ° C., relative humidity: 85%) of a reflow soldered joint using a solder paste (Experimental Example 14 ′ (SAC1Zn), with and without flux residue cleaning) It is a graph which shows the relationship between elapsed time and the length of a whisker. 乾燥状態(85℃オーブン)と60℃、相対湿度90%における経時時間とウィスカの長さの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the elapsed time in the dry state (85 degreeC oven), 60 degreeC, and 90% of relative humidity, and the length of a whisker.

Claims (11)

0.003重量%〜5重量%の亜鉛又は亜鉛化合物と、
それ以外の残部が基本的にスズ又はスズ化合物と、
を含むSn−Zn系はんだであって、
前記亜鉛又は亜鉛化合物が、当該はんだ内又は表面において擬似防食部であることを特徴とするSn−Zn系はんだ。
0.003% to 5% by weight of zinc or zinc compound;
The remainder is basically tin or a tin compound,
Sn-Zn solder containing
Sn-Zn-based solder, wherein the zinc or zinc compound is a pseudo-corrosion-preventing part in or on the surface of the solder.
0.003重量%〜5重量%の亜鉛又は亜鉛化合物と、
それ以外の残部が基本的にスズ又はスズ化合物と、
を含むSn−Zn系はんだであって、
前記亜鉛又は亜鉛化合物によりSn−Zn系はんだ部のいずれかに形成された擬似防食部が、当該Sn−Zn系はんだに形成されることを特徴とするSn−Zn系はんだ。
0.003% to 5% by weight of zinc or zinc compound;
The remainder is basically tin or a tin compound,
Sn-Zn solder containing
A pseudo-corrosion-proof portion formed on any of the Sn-Zn-based solder portions by the zinc or zinc compound is formed on the Sn-Zn-based solder.
請求項1又は2に記載された、上記擬似防食部がSn−Zn系はんだから発生するウィスカを防止する手段であることを特徴とするSn−Zn系はんだ。   The Sn-Zn solder according to claim 1 or 2, wherein the pseudo anticorrosion part is a means for preventing whiskers generated from the Sn-Zn solder. 請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の亜鉛化合物は、亜鉛酸化物であることを特徴とするSn−Zn系はんだ。   The Sn-Zn solder according to any one of claims 1 to 3, wherein the zinc compound is zinc oxide. 請求項4に記載の亜鉛酸化物は、不動態膜であることを特徴とするSn−Zn系はんだ。   The zinc oxide according to claim 4 is a passive film, Sn-Zn system solder. Sn−Zn系はんだにMg、Al、P、Ti、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ga、Ge、Mo、Ag、In、Au、Biからなる群より選ばれた少なくとも1種を添加したことを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の鉛フリーはんだ。   At least one selected from the group consisting of Mg, Al, P, Ti, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ga, Ge, Mo, Ag, In, Au, and Bi was added to the Sn—Zn solder. The lead-free solder according to any one of claims 1 to 5, wherein: Sn−Zn系はんだはZnを0.003重量%〜5重量%、Agを0.1重量%〜5重量%および/またはCuを0.1重量%〜3重量%含有し、残部をSnとすることを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載の鉛フリーはんだ。   Sn—Zn-based solder contains 0.003% to 5% by weight of Zn, 0.1% to 5% by weight of Ag, and / or 0.1% to 3% by weight of Cu, with the balance being Sn. The lead-free solder according to any one of claims 1 to 6, wherein: 請求項1ないし7のいずれかに記載の鉛フリーはんだの合金を有する棒はんだ、はんだボール又は成形はんだからなることを特徴とするはんだ加工物。   A solder workpiece comprising a bar solder, a solder ball or a molded solder having the lead-free solder alloy according to any one of claims 1 to 7. 請求項1ないし7のいずれかに記載の鉛フリーはんだの粉末と、フラックス成分とを配合してなることを特徴とするソルダーペースト。   A solder paste comprising the lead-free solder powder according to any one of claims 1 to 7 and a flux component. Zn5重量%〜13重量%、残部Snからなる第1の鉛フリーはんだ粉末又は該第1の鉛フリーはんだ粉末に、Mg、Al、P、Ti、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ga、Ge、Mo、Ag、In、Au、Biからなる群より選ばれた少なくとも1種を添加した第2の鉛フリーはんだ粉末と、主成分がSnからなる第3の鉛フリーはんだ粉末又は該第3の鉛フリーはんだ粉末に、Mg、Al、P、Ti、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ga、Ge、Mo、Ag、In、Au、Biからなる群より選ばれた少なくとも1種を添加した第4の鉛フリーはんだ粉末を、請求項1ないし7のいずれかに記載のSn−Znはんだ又は鉛フリーはんだのZnが0.003重量%〜5重量%の組成になるように混合した鉛フリーはんだ粉末と、フラックスとを配合してなることを特徴とするソルダーペースト。   To the first lead-free solder powder comprising Zn 5 wt% to 13 wt% and the balance Sn or the first lead-free solder powder, Mg, Al, P, Ti, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ga, A second lead-free solder powder to which at least one selected from the group consisting of Ge, Mo, Ag, In, Au, and Bi is added, and a third lead-free solder powder comprising Sn as a main component, or the third At least one selected from the group consisting of Mg, Al, P, Ti, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ga, Ge, Mo, Ag, In, Au, and Bi is added to the lead-free solder powder Lead mixed with the fourth lead-free solder powder mixed so that the Sn-Zn solder or lead-free solder Zn in any one of claims 1 to 7 has a composition of 0.003% to 5% by weight. Free solder powder and flat Graphics and solder paste, characterized in that by blending a. 電子部品とプリント基板の少なくとも一方が銅系材料からなるはんだ付け部を有し、請求項1ないし7のいずれかに記載の鉛フリーはんだ、請求項8に記載のはんだ加工物又は請求項9若しくは10に記載のソルダーペーストを用いて上記プリント基板に上記電子部品がはんだ付けされていることを特徴とする電子部品はんだ付け基板。   At least one of an electronic component and a printed circuit board has a soldering portion made of a copper-based material, the lead-free solder according to any one of claims 1 to 7, the solder processed product according to claim 8, or the claim 9 or An electronic component soldering board, wherein the electronic component is soldered to the printed board using the solder paste according to 10.
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