JP2007275959A

JP2007275959A - 鉛フリーはんだペースト及び実装構造

Info

Publication number: JP2007275959A
Application number: JP2006107489A
Authority: JP
Inventors: Yoshihide Nishiyama; 佳秀西山
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2006-04-10
Filing date: 2006-04-10
Publication date: 2007-10-25

Abstract

【課題】Ｚｎ析出を効果的に防止し、機械的、電気的信頼性に優れるはんだ付けが可能なＳｎＺｎ系の鉛フリーはんだペーストを提供する
【解決手段】本発明の鉛フリーはんだペーストは、ＳｎＺｎ系はんだ材料からなるはんだ粒子とＣｕを主成分とする金属粒子とを、フラックスと混練してなるものである。
【選択図】なし

Description

本発明は、鉛フリーはんだペースト及び電子部品の実装構造に関するものである。

鉛フリーはんだとして、ＳｎＺｎ系はんだを用いて電子機器のはんだ付けが既に行われ、商品実用化が成されている。しかしながら、ＳｎＺｎ系はんだは反応性の高いＺｎを含有しているため、Ｚｎの反応性に起因する不具合の発生を防止するための提案が種々成されている（例えば特許文献１参照）。
特開２００５−３２４２２７号公報

特許文献１記載の鉛フリーはんだによれば、Ｚｎと水分との反応による水素ラジカルの発生を抑えることができ、チップコンデンサの破損を防止することができる。しかしながら、ＳｎＺｎ系はんだに含まれるＺｎは、はんだ付け後にはんだ中や電極との界面に析出しやすく、Ｚｎ析出が生じると、Ｚｎと水分とが結びつきやすいためにＺｎの析出部分に沿って水分のパスが形成される。そして、電極界面に水分が到達すると係る界面の劣化が生じて接合強度の低下や電気的信頼性の低下を招くおそれがある。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み成されたものであって、Ｚｎ析出を効果的に防止し、機械的、電気的信頼性に優れるはんだ付けが可能なＳｎＺｎ系の鉛フリーはんだペーストを提供することを目的としている。

本発明の鉛フリーはんだペーストは、上記課題を解決するために、ＳｎＺｎ系はんだ材料からなるはんだ粒子と、Ｃｕを主成分とする金属粒子とを、フラックスと混練してなることを特徴とする。このような構成とすることで、当該はんだペーストを用いてはんだ付けを行った際に、前記金属粒子の表面にＺｎとＣｕとの金属間化合物が形成され、実装構造中のはんだに含まれるＺｎ量を低減することができる。これにより、はんだ中にＺｎが析出するのを防止でき、Ｚｎの反応性に起因する水分のパスがはんだ内に形成されるのを防止することができる。従って本発明の鉛フリーはんだペーストによれば、高温高湿環境下において水分によるはんだの機械的、電気的信頼性の低下を良好に防止することができる。また、前記Ｚｎ量の低減により、電子部品の電極表面において、腐食しやすい化合物である過剰にＺｎを含む金属間化合物（ＮｉＺｎ、ＣｕＺｎ等）が形成されるのを防止することができるので、電極表面における接合信頼性を向上させることができる。

本発明の鉛フリーはんだペーストでは、前記金属粒子の含有量が、前記はんだ粒子に対して０．５重量％以上１０重量％以下であることが好ましい。金属粒子の含有量が０．５重量％未満では、金属粒子を添加することによるはんだ中のＺｎ量低減効果を十分に得られない。一方、金属粒子の含有量が１０重量％を超えると、はんだとしての機能が損なわれて電子部品の実装に不具合を生じる。

本発明の鉛フリーはんだペーストでは、前記金属粒子の含有量が、前記はんだ粒子に対して０．５重量％以上５重量％以下であることが望ましい。前記金属粒子の含有量を上記範囲とすることで、はんだ付け性が良好で、かつはんだ付け後の機械的、電気的信頼性に優れる鉛フリーはんだペーストとすることができる。

本発明の鉛フリーはんだペーストでは、前記金属粒子の粒径が、１μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。１μｍ未満の粒子を用いると表面が酸化しやすくなって取り扱いが困難になり、またコストも上昇する。一方、５０μｍ以上であるとはんだ接合部で異物となって機械的、電気的特性が低下する。

本発明の鉛フリーはんだペーストでは、前記金属粒子の粒径が、１０μｍ以上３０μｍ以下であることが望ましい。このような範囲の粒径のものを用いることで、取り扱いが容易でコスト的にも有利であり、またはんだ接合部の機械的、電気的特性に優れる鉛フリーはんだペーストとなる。

本発明に係る実装構造は、先に記載の本発明の鉛フリーはんだペーストを用いて基板上に電子部品を実装してなるものである。かかる構成によれば、本発明に係る鉛フリーはんだペーストを用いたことで、高温多湿環境下にあっても優れた機械的、電気的信頼性を呈する実装構造を実現することができる。

また本発明に係る実装構造は、前記電子部品を実装するはんだに含まれる前記金属粒子の表面に、ＣｕとＺｎとの金属間化合物が形成されていることを特徴としている。上述したように本発明に係る鉛フリーはんだペーストを用いてなる実装構造にあっては、電子部品を固定しているはんだ中に金属粒子が含まれており、さらに金属粒子の表面にＣｕとＺｎとの金属間化合物が形成されているという特徴がある。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明に係る実装構造を具備した回路基板の一例を示す概略断面図である。基板１０Ａには、通常複数種の電子部品が実装されるが、図１には、これらの電子部品のうちチップコンデンサ１０の実装構造を示している。
チップコンデンサ１０は、略直方体であり、２つの端面それぞれに外部電極１１が設けられている。外部電極１１のそれぞれには、複数の板状の内部電極１２がチップコンデンサ１０の本体上面と平行に接続されている。一方の外部電極１１に接続している内部電極１２（例えば＋電極）と他方の外部電極１１に接続している内部電極１２（例えば−電極）は、上下に互い違いに配置されている。外部電極１１は、チップコンデンサ１０の本体側から順にＣｕ層とＮｉ層とを形成してなる積層構造の電極である。内部電極１２はＮｉを主成分とする金属により形成されており、図示上下方向で隣接する内部電極１２の間には、絶縁体であるセラミック１３が充填されている。

前記各外部電極１１は、はんだ２０により基板１０Ａのランド１５に固定かつ導電接続されている。ランド１５はＣｕ箔の上にＣｕをメッキし、その上にＮｉをメッキし、更に表面にＡｕを積層した構成であるか、又はＣｕ箔の上にＣｕのみをメッキした構成である。はんだ２０は、本発明に係る鉛フリーはんだペーストを用いてチップコンデンサ１０を実装することにより形成されたものである。すなわち、スクリーン印刷等の方法によりランド１５に前記鉛フリーはんだペーストを塗布し、マウンタ等の搭載機でチップコンデンサ１０を載置した後、リフロー炉等のはんだ付け装置内に基板１０Ａを配置して加熱することで、鉛フリーはんだペーストを溶解させ、その後冷却工程に供することで、外部電極１１とランド１５とを固定するはんだ２０が形成される。

図２（ａ）は、本発明の鉛フリーはんだペーストの模式図であり、図２（ｂ）は、図１に示すはんだ２０と外部電極１１との界面を模式的に示す図である。
本発明の鉛フリーはんだペーストは、ＳｎＺｎ系のはんだ粒子と、Ｃｕを主成分とする金属粒子とを、フラックスと混練してなるものである。図２（ａ）には、はんだ粒子２２としてＳｎ９Ｚｎ（重量％）粒子を用い、金属粒子２１としてＣｕ粒子を用いており、これらをフラックス２３に混練した構成について示している。前記はんだ粒子を構成するＳｎＺｎ系のはんだ材料としては、Ｓｎに５〜１０重量％のＺｎを添加したＳｎＺｎはんだを用いることが好ましく、Ｚｎ含有量は７〜９重量％であることが好ましい。Ｚｎ含有量が少なすぎると溶融温度が高くなるため用途が限られてしまう。またＺｎ含有量が多すぎるとＺｎ析出量が多くなって機械的、電気的特性の低下を招く。また、上記ＳｎＺｎに金属元素を添加したものを用いることもできる。かかる添加金属元素としては、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｓｂ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｆｅ等を例示することができる。前記はんだ粒子の粒径は、特に限定されないが、はんだペースト用途における一般的な粒径である２０μｍ〜６０μｍ程度とすることができる。

前記金属粒子としては、Ｃｕからなるものとしてもよく、Ｃｕを主成分として他の金属元素が添加されたものであってもよい。前記金属粒子の粒径は、１μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。１μｍ未満の粒子を用いると表面が酸化しやすくなって取り扱いが困難になり、またコストも上昇する。また、この金属粒子ははんだ付け時にほとんど溶融しないため、はんだ接合部の異物となるため、粒径が大きすぎるとはんだ接合部の機械的、電気的特性が低下するので、５０μｍ以下の粒径とすることが好ましい。また、金属粒子の粒径は１０μｍ以上３０μｍ以下であることが望ましい。このような範囲の粒径のものを用いることで、取り扱いが容易でコスト的にも有利であり、またはんだ接合部の機械的、電気的特性に優れる鉛フリーはんだペーストとなる。

上記金属粒子の含有量は、はんだ粒子に対して０．５重量％以上１０重量％以下であることが好ましい。金属粒子の含有量が０．５重量％未満では、金属粒子を添加することによるはんだ中のＺｎ量低減効果を十分に得られない。一方、金属粒子の含有量が１０重量％を超えると、はんだとしての機能が損なわれて電子部品の実装に不具合を生じる。また金属粒子の含有量は、前記はんだ粒子に対して０．５重量％以上５重量％以下であることが望ましい。前記金属粒子の含有量を上記範囲とすることで、はんだ付け性が良好で、かつはんだ接合部の機械的、電気的信頼性に優れる鉛フリーはんだペーストとすることができる。

また、フラックス２３としては、公知のはんだフラックスを用いることができる。例えば、有機酸等の活性剤、ロジンのベース剤、カルナパウロ等のチキソ剤、エチレングリコール等の溶剤を含んだものを用いることができる。
上記構成を具備した鉛フリーはんだペーストは、はんだ粒子と金属粒子とをフラックスと混練したものであるため、金属粒子を添加しない従来のＳｎＺｎ系はんだペーストと比較してもはんだ溶融温度がほとんど変化せず、２００℃程度の加熱で容易に溶融するものとなっている。

図２（ｂ）は、上記鉛フリーはんだペーストを用いてはんだ付けされたチップコンデンサ１０の外部電極１１を拡大して示す模式図である。また図３は、図２（ｂ）に対応する実装構造の写真であり、図４は、外部電極１１とはんだ２０との界面部分を拡大して示す写真である。

図２から図４に示すように、外部電極１１は、チップコンデンサ１０本体側から順にＣｕ層１１ａとＮｉ層１１ｂとを積層した構成である。本発明に係る鉛フリーはんだペーストを用いてなるはんだ２０には、Ｃｕ粒子である金属粒子２１が混入している。そして、図２（ｂ）に示すように、金属粒子２１の表面には、はんだ付け時にＣｕ粒子中のＣｕと、はんだ粒子に含まれるＺｎとが反応して生成したＣｕＺｎ金属間化合物からなるＣｕＺｎ層２１ａが形成されている。このようにはんだ付け時に金属粒子２１表面にＣｕＺｎ層２１ａが形成されるようになっていることで、はんだ付け時にはんだ粒子に添加されているＺｎがはんだ２０中に析出するのを防止することができ、図３に示すようにＳｎを主体とする均質なはんだ２０を得ることができる。従って、反応性の高いＺｎが呼び水となってはんだ２０に水分のパスが形成されるのを効果的に防止することができ、水分を透過しにくい実装構造を実現することができる。また、上記ＣｕＺｎ層２１ａが形成されることで、図４にも示すように、外部電極１１表面のＮｉ層１１ｂと反応してＺｎを過剰に含むＮｉＺｎ金属間化合物が外部電極１１の表面に形成されるのを効果的に防止することができ、外部電極１１とはんだ２０とが強固に接合した実装構造を得ることができる。

このように本実施形態に係る実装構造では、はんだ２０の水分遮断性に優れ、またはんだ２０と外部電極１１との界面に腐食しやすい金属間化合物が形成されにくくなっているので、チップコンデンサ１０の接合強度に優れており、またチップコンデンサ１０の長期信頼性向上にも寄与しうる実装構造となっている。
ここで、図５及び図６は、本発明に係る鉛フリーはんだペーストを用いた場合と、従来の金属粒子を添加しない鉛フリーはんだペーストを用いた場合のチップコンデンサ１０の絶縁劣化寿命を比較したグラフである。

図５及び図６のグラフに示す寿命試験では、はんだ粒子（Ｓｎ９Ｚｎ）に対する金属粒子（Ｃｕ）の含有量を変えた５条件（０重量％：従来品、１重量％、３重量％、５重量％、１０重量％）のサンプルを用意し、各サンプルの鉛フリーはんだペーストを用いてチップコンデンサをプリント配線基板上にはんだ付けした後、プリント配線基板を高温多湿環境（８０℃／８０％ＲＨ）に保持し、所定時間経過ごとにチップコンデンサの絶縁抵抗を測定した。この試験によれば、はんだ２０及び外部電極１１を透過してチップコンデンサ１０本体に侵入した水分によって生じる内部電極１２間の絶縁性低下をモニタしているので、はんだ接合部の水分遮断性はんだ２０及びはんだ２０と外部電極１１との界面における水分遮断性等を評価することができる。

図５のグラフにおいて、横軸は鉛フリーはんだペーストにおけるはんだ粒子に対する金属粒子の添加量（重量％）であり、縦軸はエラーバーを含む各サンプルの絶縁劣化寿命である。図６のグラフにおいて、横軸は経過時間（劣化寿命）であり、縦軸は各サンプルの絶縁抵抗である。より詳細には、図５は、金属粒子の含有量を変えた各条件について、複数のサンプルの測定結果を集計したものであり、図５中、四角印でプロットした位置が各条件の平均値となっている。また図６のグラフは、各条件の代表的なサンプルについて絶縁抵抗の変化を経過時間に対してプロットした結果を示すものである。

図６に示すように、鉛フリーはんだペーストに金属粒子を混練することで、金属粒子を添加しない条件（含有量０重量％）に対して劣化寿命の著しい向上が確認されている。すなわち、本発明に係る鉛フリーはんだペーストを用いたはんだ接合部にあっては、はんだ２０の水分遮断性が向上しており、外部電極１１とはんだ２０との界面における金属間化合物の生成も効果的に抑えられていることがわかる。また複数のサンプルの測定結果においても、図５に示すように、金属粒子の含有量を増やすほど劣化寿命が延びる傾向が確認されている。従って本発明に係る鉛フリーはんだペーストによれば、金属粒子を添加しない従来のＳｎＺｎ系はんだペーストに比して、信頼性に優れるはんだ接合部を形成可能である。

以上のように本実施形態によれば、基板１０Ａにチップコンデンサ１０をハンダ付けするためのはんだペーストとしてはんだ粒子と金属粒子とをフラックスに混練してなる鉛フリーはんだペーストを用いたため、反応性の高いＺｎの析出を効果的に防止したはんだ２０（はんだ接合部）を形成することができ、高温多湿環境下で回路基板を使用しても、チップコンデンサ１０の絶縁性が低下しにくく、信頼性に優れた実装構造を実現することができる。

本発明に係る実装構造を具備した回路基板の断面構成図はんだペーストの構成図及びはんだと電極との界面を示す模式図。同、実装構造の断面写真。チップコンデンサの電極とはんだとの界面を示す断面写真。Ｃｕ粒子の添加量とチップコンデンサの劣化寿命との関係を示すグラフ。Ｃｕ粒子の添加量に対する絶縁劣化の変化を示すグラフ。

符号の説明

１０チップコンデンサ（電子部品）、１０Ａ基板、１１外部電極、１１ａＣｕ層、１１ｂＮｉ層、１２内部電極、１３セラミック、１５ランド、２０はんだ、２１Ｃｕ粒子（金属粒子）、２２はんだ粒子、２３フラックス

Claims

ＳｎＺｎ系はんだ材料からなるはんだ粒子と、Ｃｕを主成分とする金属粒子とを、フラックスと混練してなることを特徴とする鉛フリーはんだペースト。
前記金属粒子の含有量が、前記はんだ粒子に対して０．５重量％以上１０重量％以下であることを特徴とする請求項１に記載の鉛フリーはんだペースト。
前記金属粒子の含有量が、前記はんだ粒子に対して０．５重量％以上５重量％以下であることを特徴とする請求項１に記載の鉛フリーはんだペースト。
前記金属粒子の粒径が、１μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の鉛フリーはんだペースト。
前記金属粒子の粒径が、１０μｍ以上３０μｍ以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の鉛フリーはんだペースト。
請求項１から５のいずれか１項に記載の鉛フリーはんだペーストを用いて基板上に電子部品を実装してなる実装構造。
前記電子部品を実装するはんだに含まれる前記金属粒子の表面に、ＣｕとＺｎとの金属間化合物が形成されていることを特徴とする請求項６に記載の実装構造。