JP2006512212A - 混合された合金からなる無鉛はんだペースト - Google Patents

Abstract

混合された合金からなる無鉛はんだペーストと、同はんだペーストの製造方法、及び使用方法に関する。はんだペーストは、フラックス中に混合された第一の合金の粒子と第二の合金の粒子とを含有する。第一の合金と第二の合金との液相温度の差は、約１５℃未満である。

Description

本発明は、混合された合金からなる無鉛はんだペーストと、同はんだペーストの製造方法、及び使用方法に関する。より詳細には、混合された合金は、はんだプロセスにおけるツームストーン効果を低減するか、又は排除する液相温度を有する少なくとも二種の合金の粒子の組み合わせから構成されている。

電子工業界は、消費者製品から鉛を排除することを強いられており、そのため環境に優しい新たなはんだペーストを製造する試みが盛んに行われている。
特許公報１には、無鉛はんだ合金の粉末とフラックスとから構成されているはんだペーストが開示されている。このはんだ合金の粉末は、１０〜４５重量％のＢｉと、バランス量のＳｎとを含有する、１０〜３０体積％のＳｎ−Ｂｉ合金からなる第一の粉末と、９〜１５重量％のＺｎと、バランス量のＳｎとを含有する、７０〜９０体積％のＳｎ−Ｚｎ合金からなる第二の粉末との混合物から構成されている。混合物は、融解することにより、７〜１１重量％のＺｎと、１〜５重量％のＢｉと、バランス量のＳｎとを含有する組成の合金を形成する。

特許文献２には、主なはんだ粉末と、はんだプロセス中に融解しない付加的な金属粉末成分とを含有する無鉛電気はんだペーストを製造する方法が開示されている。主なはんだ粉末は、従来のはんだペーストに使用されているはんだ粉末と同一である。付加的な粉末は、主な粉末の融点よりも相当高い融点を有する。主要な粉末は、８０〜９９％のＳｎと、１〜２０％のＡｇとを含有している。付加的な粉末の金属は、Ｓｎ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ａｇ，及びＢｉ、並びにこれらの混合物のうちから選択される。
米国特許出願公開第２００２／００４０６２４号明細書 米国特許第６，３６０，９３９号明細書

はんだに関連する問題として、ツームストーンの発生がある。ツームストーンは、一般に、はんだリフロー中、電気構成要素が幾分か鉛直方向に変位することとして定義される。他言すれば、ツームストーンとは、電気構成要素が基板にはんだ付けされる際に、電気構成要素の一方の端部が上方の位置へと変位することを意味する。この問題は、無鉛はんだ付けにおいて特に悪化する。即ち、無鉛はんだ材料は相当高い癒着力（湿潤力）を有しており、これがツームストーン効果を促進する。従って、ツームストーンの発生が低減、又は排除された無鉛はんだ材料を発見することは有益であると想定される。

本発明のはんだペーストは、均質なはんだ材料を提供し、リフロー工程中の望ましくないツームストーンの発生を低減、又は排除する。本発明の一実施形態において、混合された合金からなるはんだペーストを提供する。はんだペーストは、液相温度と固相温度との差が２０℃以下である第一の合金の粒子と、液相温度と固相温度との差が２０℃以下である第二の合金の粒子とを含有している。はんだペースト中には、フラックスも含まれる。第一の合金の粒子と第二の合金の粒子とはフラックスと混合され、第一の合金の液相温度と第二の合金との液相温度との差は、１５℃以下であることが好ましい。

本発明の一実施形態では、第一の合金の粒子の液相温度と固相温度との差は１５℃以下であり、第二の合金の粒子の液相温度と固相温度との差は１５℃以下である。第一の合金
の粒子の液相温度と固相温度との差は１０℃以下であり、第二の合金の粒子の液相温度と固相温度との差は１０℃以下であることが好ましい。第一の合金と第二の合金との液相温度の差は、１０℃以下であることがより好ましい。第一の合金の液相温度と第二の合金の液相温度との差は、５℃以下であることが最も好ましい。

本発明の別の一実施形態において、第一の合金は、Ｓｎ，Ａｇ及び少なくとも一種の更なる金属とを含有する。少なくとも一種の更なる金属は、Ｃｕ，Ｚｎ，Ｂｉ，Ｎｉ，及びＩｎのうちから選択されることが好ましい。第二の合金は、Ｓｎ及びＡｇを含有することがより好ましい。

更なる実施形態において、本発明は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕからなる第一の合金の粒子と、Ｓｎ−Ａｇからなる第二の合金の粒子と、フラックスとを含有する混合された合金からなる無鉛はんだペーストに関する。

本発明の別の一実施形態において、第一の合金は、２．３〜４．３重量％のＡｇと、０．４〜１．２重量％のＣｕと、残りのＳｎとを含有する。第一の合金は、２．５〜４．１重量％のＡｇと、０．５〜１．０重量％のＣｕと、残りのＳｎとを含有することが好ましい。

更なる別の一実施形態において、第二の合金は、２．０〜５．０重量％のＡｇと、残りのＳｎとを含有する。第二の合金は、２．３〜４．２重量％のＡｇと、残りのＳｎとを含有することが好ましい。

本発明は、はんだペーストを製造する方法にも関する。一実施形態において本方法は、液相温度と固相温度との差が２０℃以下である第一の合金の粒子を提供する工程と、液相温度と固相温度との差が２０℃以下である第二の合金の粒子を提供する工程とを含み、ここで第一の合金の液相温度と第二の合金の液相温度との差は、１５℃以下である。第一の合金の粒子と第二の合金の粒子とがフラックスと混合されて、はんだペーストが形成される。

一実施形態において、はんだペースト中の粒子混合物は、少なくとも５０重量％の第一の合金と、５０重量％以下の第二の合金とを含有する。はんだペースト中の粒子混合物は、５０〜９０重量％の第一の合金と、１０〜５０重量％の第二の合金とを含有することが好ましい。

本発明は、電気構成要素を基板に対してはんだ付けする方法にも関する。一実施形態において、本方法は、混合された合金からなる無鉛はんだペーストを、基板に塗布する工程を含む。混合された合金からなる無鉛はんだペーストは、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕからなる第一の合金の粒子と、Ｓｎ−Ａｇからなる第二の合金の粒子と、フラックスとを含有し、第一の合金の粒子と第二の合金の粒子とがフラックスと混合される。混合された合金からなる無鉛はんだペースト上に電気構成要素を配置して、電気構成要素と、基板と、はんだペーストとを加熱して第一の合金と第二の合金とを融解して流動させる。次いで、電気構成要素と、基板と、融解した第一の合金と第二の合金とを冷却して、電気構成要素を基板に対して固定する。

本発明は、はんだペーストと、はんだペーストの製造方法と、はんだペーストにより互いにはんだ付けされた基板と電気構成要素とを提供する。本発明によるはんだペーストは、混合された合金からなるはんだペーストであり、合金同士は互いに類似した融解特性を有している。本発明のはんだペーストを使用して基板に電気構成要素をはんだ付けすると
、はんだ付けされた製品はツームストーン効果を殆ど生じない。即ち、電気構成要素は同構成要素の一方の端部が対向する端部に関して傾斜された角度をなすように、基板に対してはんだ付けされるのではなく、基板に対して比較的平坦に接着されるものと想定される。

本発明によるはんだペーストは、第一の合金組成物の粒子と、第二の合金組成物の粒子とを含有している。これらの粒子がフラックスと混合されて、はんだペーストが形成される。その後、はんだペーストは電気構成要素を基板に対してはんだ付けする際に使用される。

はんだペースト中に含まれる第一の合金の液相温度と固相温度の差は、約２０℃以下であることが好ましい。液相温度とは一般に、合金が完全に融解した状態にあるときの最低温度を意味する。固相温度とは、合金が完全に固体であるか、又は非融解状態にあるときの最高温度を意味する。液相温度と固相温度との差は、約１５℃以下であることが好ましい。液相温度と固相温度との差は、約１０℃以下であることがより好ましい。

本発明の一実施形態において、第一の合金は、Ｓｎ，Ａｇ及び少なくとも一種の更なる金属を含有している。第一の合金は、約２２５℃以下の液相温度を有し、好ましくは約２２２℃以下の液相温度を有し、最も好ましくは約２２０℃以下の液相温度を有する。

第一の合金中の少なくとも一種の更なる金属は、Ｃｕ，Ｚｎ，Ｂｉ，Ｎｉ，及びＩｎのうちから選択される。更なる金属は、Ｃｕが好ましい。
本発明の一実施形態において、第一の合金は、第三の金属としてのＣｕと、第四の金属とを含有している。第四の金属は、固相温度と液相温度との差を増大させない。第四金属はＺｎ，Ｂｉ，Ｎｉ，及びＩｎのうちから選択されることが好ましい。第四金属は、Ｂｉがより好ましい。第四金属が存在している場合、第四金属は合金の総重量の約０．１〜５重量％を占める。

本発明の一実施形態において、第一の合金は、約２．３〜４．３重量％のＡｇと、約０．４〜１．２重量％のＣｕと、残りのＳｎとを含有する。第一の合金は、約２．５〜４．１重量％のＡｇと、約０．５〜１．０重量％のＣｕと、残りのＳｎとを含有することが好ましい。

第二の合金は、第一の合金と類似する融解特性を有することが好ましい。このことを目的として、はんだペースト中に含まれる第二の合金の液相温度と固相温度との差は、約２０℃以下であることが望ましい。液相温度と固相温度との差は、約１５℃以下であることが好ましい。液相温度と固相温度との差は、約１０℃以下であることがより好ましい。

本発明の一実施形態において、第二の合金はＳｎとＡｇとを含有している。第一の合金は、約２２５℃以下の液相温度を有し、好ましくは約２２２℃の液相温度を有し、最も好ましくは約２２０℃の液相温度を有する。

本発明の一局面において、第二の合金は、約２．０〜５．０重量％のＡｇと、残りのＳｎとを含有する。第二の合金は、約２．３〜４．２重量％のＡｇと、残りのＳｎとを含有することが好ましい。

本発明の別の一局面において、第一の合金の液相温度と第二の合金の液相温度との差は、１５℃以下である。第一の合金の液相温度と第二の合金の液相温度との差は、１０℃以下であることが好ましい。第一の合金の液相温度と第二の合金の液相温度との差は、５℃以下であることがより好ましい。

本発明にて使用される合金は、従来の手段により製造され得る。一実施形態において、適量の金属を金属又はセラミックス製のるつぼ内で混合して、同金属が融解するまで混合物を加熱することにより合金が製造される。その後、融解した金属を鋳型内に注入する。金属が冷却して固化すると、インゴットが形成される。

インゴットは任意の従来の手段により合金の粒子に形成され得る。このような手段には、ガス噴霧や遠心噴霧等がある。粒子は、約２００〜４００メッシュの平均粒径を有することが好ましい。より粒径の小さい粒子を使用することも可能である。結果として得られた粒子をフラックスと混合して、はんだペーストが形成される。

本発明の合金ペーストのフラックス部分は、電気構成要素を基板材にはんだ付けする際に使用される従来の任意の適切なフラックス材であり得る。このフラックス材の例にはロジンフラックスがある。ロジンフラックスは、非水溶性を備えた、ロジンを基材とするフラックスが好ましい。フラックス中のロジンは、天然ロジン、及び高分子ロジン等の変性ロジンのいずれであってもよい。フラックスは、活性剤、及び溶媒を含有してもよい。

本発明によるはんだペーストは、第一の合金と第二の合金とをフラックスと混合することにより形成される。粒子混合物はフラックスに添加されるか、又フラックスと混合される。粒子混合物は、少なくとも５０重量％の第一の合金と、５０重量％以下の第二の合金とを含有することが好ましい。粒子混合物は、約５０〜９０重量％の第一の合金と、約１０〜５０重量％の第二の合金とを含有することが好ましい。粒子混合物は、約５５〜８５重量％の第一の合金と、約１５〜４５重量％の第二の合金とを含有することがより好ましい。粒子混合物は、約６０〜８０重量％の第一の合金と、約２０〜４０重量％の第二の合金とを含有することが最も好ましい。

一般にはんだペーストは、約４２〜８３重量％の第一の合金と、約９〜４２重量％の第二の合金と、約８〜１６重量％のフラックスとを含有するものと想定される。はんだペーストは、約４７〜７７重量％の第一の合金と、約１４〜３９重量％の第二の合金と、約９〜１４重量％のフラックスとを含有することが好ましい。はんだペーストは、約５３〜７２重量％の第一合金と、約１８〜３５重量％の第二の合金と、約１０〜１２重量％のフラックスとを含有することがより好ましい。

本発明のはんだペーストは、無鉛はんだペーストであると見なされる。本発明によれば、はんだペースト自体が含有する無鉛化手段は、ペーストの総量を基準として約３０００ｐｐｍ以下の鉛を含有している。はんだペーストは、ペーストの総量を基準として、約２０００ｐｐｍ以下の鉛を含有することが好ましく、約１０００ｐｐｍ以下の鉛を含有することがより好ましい。

本発明によるはんだペーストは、回路基板等の基板に対して塗布される。はんだペーストは、刷り込み、又はスクリーン印刷等の任意の従来の方法によって塗布される。はんだペーストを基板上に塗布した後、プリント回路基板上のはんだペースト上に電気構成要素を配置して、このアセンブリを炉内に配置して、はんだ粉末が十分に融解して流動する温度にまで加熱する。温度が低下する際に、融解したはんだが固化して、電気構成要素とはんだ結合を形成する。この種の方法は、従来のはんだリフローと称され得る。

加熱は、所望であれば、二段階にて実行され得る。二段階の加熱工程において、温度は比較的一定に、約１００〜１７０℃の予熱温度にて保持される。その後、温度は約２４０℃以下、好ましくは約２３０℃以下に上昇される。

加熱後、アセンブリは冷却されて、電気構成要素がはんだ付けされている基板が形成される。本発明にて提供される合金粉末の組成によって、ツームストーン等の問題が低減、又は排除される。結果として、均質なはんだ合金により基板に電気構成要素が固定されている、基板と電気構成要素との組み合わせが形成される。

本発明のはんだペーストは、任意数の電気構成要素を、任意数の適切な基板に対してはんだ付けする際に使用され得る。電気構成要素には、表面実装アセンブリに使用される構成要素等がある。このような構成要素ははんだ可能な末端部を有し、同末端部は、はんだペーストが融解して液化し、その液体が冷却されて固化する際にはんだペーストによって接着される。このような電気構成要素の例には、ボールグリッドアレイ（Ball Grid Array)（ＢＧＡ）、シンスモール実装パッケージ(Thin Small Outline Package)（ＴＳＯＰ）、キャパシタ、レジスタ、エア巻きコイル（air wound coil）、及び電子アセンブリに使用される任意の他の電気構成要素がある。

本発明に使用される基板は、電気構成要素に対して接続されるに適した任意の種類の基板であり得る。このような基板には、はんだ可能な、かつ本発明にて説明されたリフロー温度に晒されることが可能な基板が含まれる。一般にこのような基板は、セラミックス及びガラスエポキシ材からなり、可撓性又は剛性のタイプのものであり得る。適切な基板の特定の例には、電子アセンブリにて一般に使用されているプリント配線板(Printed Wiring Boards)、セラミック基板(Ceramic substrate)がある。プリント配線板は、電気を通す電線、パッド及びバイアを有するグラスファイバーを包囲する複層のエポキシ複合材からなる。

本発明のはんだペーストと本方法とを使用すれば、無鉛はんだ材料によって基板に対して堅固に固定された電気構成要素が獲得されると想定される。本発明のはんだ材料は、均質で、非常に所望されるはんだ特性を有すると想定される。硬化したはんだは、はんだ合金中の要素からなる相の混合を含む。相の特定の寸法及び形状は、冷却速度と、二種の合金が互いに融解した後に、冷却により固化した後の、最終的な特定の合金組成とに依存する。

本発明を完全に説明したが、本発明はその趣旨と範囲とから逸脱せずに、請求項に記載される幅広いパラメータにおいて実行され得ることが理解されよう。

Claims (10)

1. 液相温度と固相温度との差が２０℃以下である第一の合金の粒子と、
   液相温度と固相温度との差が２０℃以下である第二の合金の粒子と、
   フラックスとを含有し、第一の合金の粒子と第二の合金の粒子とはフラックスと混合され、第一の合金の液相温度と第二の合金との液相温度との差が１５℃以下である混合された合金からなるはんだペースト。
2. 前記第一の合金の粒子の液相温度と固相温度との差が１５℃以下であり、第二の合金の粒子の液相温度と固相温度との差が１５℃以下である請求項１に記載の方法。
3. 前記第一の合金の粒子の液相温度と固相温度との差が１０℃以下であり、第二の合金の粒子の液相温度と固相温度との差が１０℃以下である請求項１に記載の方法。
4. 前記第一の合金の液相温度と第二の合金の液相温度との差が１０℃以下である請求項１に記載の方法。
5. 前記第一の合金の液相温度と第二の合金の液相温度との差が５℃以下である請求項１に記載の方法。
6. 前記第一の合金は、Ｓｎ，Ａｇ及び少なくとも一種の更なる金属を含有する請求項１に記載の方法。
7. 前記少なくとも一種の更なる金属は、Ｃｕ，Ｚｎ，Ｂｉ，Ｎｉ及びＩｎから選択される請求項６に記載の方法。
8. 前記第二の合金は、Ｓｎ及びＡｇを含有する請求項１に記載の方法。
9. Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕからなる第一の合金の粒子と、
   Ｓｎ−Ａｇからなる第二の合金の粒子と、
   フラックスとを含有し、第一の合金の粒子と第二の合金の粒子とがフラックスと混合される、混合された合金からなる無鉛はんだペースト。
10. 前記第一の合金は、２．３〜４．３重量％のＡｇと、０．４〜１．２重量％のＣｕと、残りのＳｎとを含有する請求項９に記載の混合された合金からなる無鉛はんだペースト。