JP2007313548A - クリーム半田 - Google Patents

Abstract

【課題】一度固化した鉛フリー半田の再溶融を防止することにより、再溶融にともなう不具合の発生を抑制するとともに、取り扱い性の良好な鉛フリー半田を提供する。
【解決手段】スズと、銅の合金の粉体とフラックスと混合することによりクリーム状とした鉛フリー半田と、銅粉末とを混合したクリーム半田とする。特に、Sn−３％Ag−0.5％Cuのクリーム状の鉛フリー半田８０〜９９wt％と、銅粉末１〜２０wt％とを混合したクリーム半田とする。
【選択図】図１

Description

本発明はクリーム半田に関するものであり、特に、クリーム状としたいわゆる鉛フリー半田に関するものである。

昨今、実装基板への電子部品の接続には、鉛成分を含有しないいわゆる鉛フリー半田が用いられている。すなわち、従来の鉛を含有した半田では、例えばこの鉛を含有した半田で電子部品を実装した実装基板を内蔵した電子機器が自然界に不法投棄された際などに、酸性雨などの酸性の液体との接触によって半田から鉛成分が溶出し、自然界に鉛汚染を生じさせるおそれがあった。

そこで、最悪の事態でも鉛汚染などの環境悪化を発生させないために、鉛を含有しない鉛フリー半田の使用が一般的となっている。

しかしながら、半田において鉛を含有させない場合には、半田の融点が上昇することにより電子部品の実装のための加熱温度が上昇することとなって、電子部品の実装基板への実装にともなって電子部品自体に過大な熱ストレスが加わるおそれがあった。そこで、鉛の代わりにビスマスやインジウムを含有させた場合には半田は比較的低温で溶融するが、逆に高温強度が十分ではなかった（例えば、特許文献１参照。）。

したがって、実装基板への電子部品の実装に使用可能な融点温度、及び電子部品の実装基板への接合後の十分な信頼性を有する鉛フリー半田を求めて様々な研究が現在も行われており、スズに亜鉛、ビスマス、インジウムを添加した鉛フリー半田や、スズに銀と銅を添加した鉛フリー半田が提案され、最近では、使用実績から、スズに銀と銅を添加した鉛フリー半田がよく用いられている。
特開平０８−３４３４９５号公報

しかしながら、一般的に使用されているスズに銀と銅を添加した鉛フリー半田では、この鉛フリー半田を用いて所定の実装基板に電子部品の半田付けを行った後、この実装基板への更なる部品実装や実装基板自体の他の実装基板への実装のために実装基板を再加熱した場合に、鉛フリー半田に再溶融が生じることにより不具合を生じさせるおそれがあった。

具体的には、図４に示すように、所定の絶縁基板100に鉛フリー半田200で所定の電子部品300を実装し、この電子部品300をモールド樹脂400で被覆したモールドパッケージ型ハイブリッドＩＣでは、鉛フリー半田200で電子部品300を絶縁基板100に実装した際に、電子部品300と絶縁基板100との間に微小の隙間500が形成されており、この隙間500にはモールド樹脂400が充填できないことにより、モールド樹脂400での被覆後にも隙間500が残存している。図４中、600は絶縁基板100上に設けた接続端子、700は電子部品300の外部接続端子である。

この状態のモールドパッケージ型ハイブリッドＩＣを所定の実装基板（図示せず）に鉛フリー半田で実装した場合には、実装処理にともなう加熱によって絶縁基板100の接続端子600と電子部品300とを接続した鉛フリー半田200が再溶融して液化し、しかも、液化にともなって膨脹が生じるので、膨脹した鉛フリー半田200が隙間500に流れ込んでショート不良を生じさせるという問題があった。

さらに、再溶融した半田は、半田付けの強度が低下する傾向があり、品質の低下をまねくおそれもあった。

なお、半田における銅の配合量を増大させることによりこれらの特性を改善可能であることは知られているが、銅の配合量を増大させた場合には、半田の濡れ広がり性などの取り扱い上の特性が著しく低下し、製造歩留まりを低下させるおそれがあった。

本発明者らは、このような現状に鑑み、一度固化した鉛フリー半田の再溶融を防止することにより、再溶融にともなう不具合の発生を抑制するとともに、取り扱い性の良好な鉛フリー半田を開発すべく研究を行って本発明を成すに至ったものである。

本発明では、スズと、銅の合金の粉体とフラックスと混合することによりクリーム状とした鉛フリー半田と、銅粉末とを混合したクリーム半田とした。

また、本発明では、Sn−３％Ag−0.5％Cuのクリーム状の鉛フリー半田８０〜９９wt％と、銅粉末１〜２０wt％とを混合したクリーム半田とした。

本発明によれば、クリーム状の鉛フリー半田に銅粉末を添加したクリーム半田としたことによって、加熱による溶融時の特性はクリーム状の鉛フリー半田の特性であって、溶融後に凝固させた場合には、銅粉末の銅とスズとの合金化によって融点を上昇させた状態で凝固させることができ、凝固後にクリーム状の鉛フリー半田の使用温度で溶融が生じることを防止できる。したがって、凝固した半田の再溶融にともなう不具合の発生も防止できる。

しかも、溶融前はクリーム状の鉛フリー半田の特性を有しているので、半田の濡れ広がり性などの取り扱い性の特性を良好に維持することができ、取り扱い性の高いクリーム半田とすることができる。

本発明のクリーム半田は、スズ（Sn）と、銀（Ag）と、銅（Cu）の合金の粉体とフラックスと混合することによりクリーム状とした鉛フリー半田と、銅粉末とを混合したクリーム半田である。

ここで、鉛フリー半田において、銀は鉛の代わりにスズの融点を下げるために添加しているものであり、一方、銅はスズと合金化することにより所定の強度を維持させるために添加しているものであり、このようにスズと銀と銅との合金の粉末を用いることにより、鉛を含有した半田に近い特性を有する鉛フリー半田とすることができている。

そして、本発明では、このスズと銀と銅との合金の粉末とフラックスとを混合して形成したクリーム半田に、さらに銅粉末を添加したクリーム半田とすることにより、図１（ａ）に示すように、クリーム半田の状態では、スズと銀と銅との合金の粉末である合金粉末10と銅粉末20とは、フラックス30を介して混合された状態であるため、このクリーム半田の融点は、通常の合金粉末10とフラックス30とを混合して形成したクリーム半田の融点と同じとすることができる。

また、濡れ広がり性などの特性も通常の合金粉末10とフラックス30とを混合して形成したクリーム半田の特性のままとすることができ、取り扱い性の高いクリーム半田を提供できる。

そして、合金粉末10とフラックス30とを混合して形成したクリーム半田の融点を越える温度まで銅粉末20を混合したクリーム半田を加熱すると、合金粉末10が溶融し、図１（ｂ）に示すように銅粉末20を取り囲みながら合金粉末10が一体化した溶融半田となる。

その後、溶融半田を冷却することにより溶融半田は凝固して一体的な半田となる。以下において、説明の便宜上、溶融半田が凝固した状態を「固体半田」と呼ぶことにする。なお、溶融半田の冷却は、単にヒータなどによる加熱を停止するだけでよい。

固体半田では、合金粉末10が銅粉末20を取り囲んでいることにより、スズと銅の接触面積が増大し、特に、溶融時に溶融状態の合金粉末10のスズと銅粉末20表面の銅とが反応して、銅粉末20の表面においてスズとの合金化が生じることにより、固体半田では銅の含有量が増大した半田となっている。

なお、通常の半田の融点である２００〜２５０℃程度の温度では銅粉末20が溶融状態となることはなく、銅粉末20の全ての銅と合金粉末10のスズとが反応することはなく、銅粉末20の表面においてスズとの合金化が生じるだけである。

しかしながら、実質的には、固体半田中におけるスズと合金化する銅の量を少なくとも銅粉末20の表面積の分だけは増大させることができ、この銅の配合量の増大によって固体半田の融点温度を上昇させることができる。

図２は、スズ（Sn）と銅（Cu）との合金における銅の配合量の増加に伴う液層線の温度推移を示すグラフであり、99.25％Sn−0.75％Cuの共晶点以上の液層線および固層線を示しており、固層線は銅の配合量の変化によってほとんど変化しないが、液層線は銅の配合量が増えるにつれて温度上昇することがわかる。

なお、スズ（Sn）と銀（Ag）と銅（Cu）との合金における液層線の温度推移も図２とほぼ同じであり、銅の配合量を増大させることにより融点を高めることができる。

このように合金粉末10とフラックス30とを混合して形成したクリーム半田に銅粉末20を混合して形成したクリーム半田は、合金粉末10とフラックス30とを混合して形成したクリーム半田の融点温度で溶融し、凝固後の固体半田は合金粉末10とフラックス30とを混合して形成したクリーム半田の融点温度では溶融しないことにより、図３に示すように、所定の絶縁基板41にクリーム半田で所定の電子部品43を実装し、この電子部品43をモールド樹脂44で被覆したモールドパッケージ型ハイブリッドＩＣのクリーム半田として本発明のクリーム半田を用いた場合には、モールドパッケージ型ハイブリッドＩＣの実装基板への接合のため、またはモールドパッケージ型ハイブリッドＩＣへの他の電子部品の接合のために、クリーム半田の溶融温度までモールドパッケージ型ハイブリッドＩＣを加熱した場合でも、絶縁基板41の接続端子46と電子部品43の外部接続端子47とを接続した固体半田42'が再溶融することがなく、シュート不良の発生や接合強度の低下などが生じることを防止できる。

特に、合金粉末10とフラックス30とを混合して形成したクリーム半田は、スズ96.5wt％、銀３wt％、銅0.5wt％の合金「Sn−３％Ag−0.5％Cu」を用いたクリーム半田が望ましく、このクリーム半田８０〜９９wt％と、銅粉末１〜２０wt％とを混合することが望ましい。

下表は、市販の銅粉とスズ粉との混合ペーストで構成したクリーム半田と、「Sn−３％Ag−0.5％Cu」のクリーム半田８０wt％と銅粉末２０wt％とを混合したクリーム半田と、「Sn−３％Ag−0.5％Cu」のクリーム半田９０wt％と銅粉末１０wt％とを混合したクリーム半田との、「半田溶解」、「半田の濡れ広がり」、「半田と電極の接合」、「セルフアライメント」、「リフロー再溶融」の項目について比較試験を行った結果を示したものである。

「半田溶解」は２５０℃でクリーム半田が完全に溶解するかを確認した試験であり、「半田の濡れ広がり」は溶解した半田の接合面との馴染みの状態を確認した試験であり、「半田と電極の接合」は半田と電極との接合強度を確認した試験であり、「セルフアライメント」は溶融した半田によるセルフアライメント性の有無を確認した試験であり、「リフロー再溶融」は、溶融後に凝固した固体半田を２５０℃に加熱して再溶融が生じるかを確認した試験である。

表１に示すように、「Sn−３％Ag−0.5％Cu」のクリーム半田の配合量が多ければ多いほど、半田接合で要求される濡れ広がり性や強度、及びセルフアライメント性が良好であり、一方、銅の配合量が増えるにつれて溶融時に形成される銅とスズの合金量が増えることによって溶融半田の粘性が低下し、濡れ広がり性やセルフアライメント性の低下を招く一方で、再溶融しにくくなっていることがわかる。

これらのことから、「Sn−３％Ag−0.5％Cu」のクリーム半田と、銅粉末の配合量は、クリーム半田８０〜９９wt％と、銅粉末１〜２０wt％とすることが望ましく、好適には、クリーム半田８５〜９０wt％と、銅粉末１０〜１５wt％とすることが望ましい。

なお、本実施形態では銅粉末には１０μｍ程度の粒径の粉末を用いているが、前述したように、「Sn−３％Ag−0.5％Cu」のクリーム半田に混合する銅粉末は、量よりも表面積の影響が大きいため、粒径の小さい銅粉末を用いる場合には、銅粉末の配合量を少なくする方が望ましく、約２０μｍ以下の粒径の銅粉末を用いることが望ましい。２０μｍ以上の粒径の銅粉末を用いた場合には、スズとの合金化に寄与しない銅の量が増えることにより、接合強度の低下を招きやすくなるおそれがある。

このように、スズと、銀と、銅の合金の粉体である合金粉体とフラックスと混合することによりクリーム状とした鉛フリー半田と、銅粉末とを混合したクリーム半田を用いることにより、このクリーム半田の溶融前の融点と、溶融して凝固した後の融点とを、クリーム半田を溶融させることにより異ならせることができ、従来では異なる融点を有する材料として半田と銀ペーストとを用いて行っていた接合処理を半田だけで行うことができ、銀ペーストの代替品として使用することができる。

しかも、合金粉体とフラックスとを配合してクリーム状とした鉛フリー半田に銅粉末とを混合したクリーム半田は、従来のクリーム状とした鉛フリー半田と同じ取り扱い性を有しているので、所定の接合面への半田印刷による塗布をおこなうことができ、銀ペーストのようにディスペンサ塗布の必要性がなく、生産性の向上を図ることができる。

本発明の実施形態に係る半田ペーストの（ａ）溶融前、（ｂ）溶融後の状態を模式的に示した説明図である。 スズと銅との合金における銅の配合量の増加に伴う液層線の温度推移を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る半田ペーストを用いたモールドパッケージ型ハイブリッドＩＣの再加熱後の要部説明図である。 従来の半田ペーストを用いたモールドパッケージ型ハイブリッドＩＣの再加熱後の要部説明図である。

符号の説明

10 合金粉末
20 銅粉末
30 フラックス
41 絶縁基板
42' 固体半田
43 電子部品
44 モールド樹脂
46 接続端子
47 外部接続端子

Claims (2)

1. スズと、銀と、銅の合金の粉体とフラックスと混合することによりクリーム状とした鉛フリー半田と、銅粉末とを混合したクリーム半田。
2. Sn−３％Ag−0.5％Cuのクリーム状の鉛フリー半田８０〜９９wt％と、銅粉末１〜２０wt％とを混合したクリーム半田。

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