JP2011183430A

JP2011183430A - Solder

Info

Publication number: JP2011183430A
Application number: JP2010050933A
Authority: JP
Inventors: Koichi Hagio; 浩一萩尾; Toshiyuki Moribayashi; 俊之盛林; Junichi Takenaka; 順一竹中; Tadayasu Tani; 忠泰谷
Original assignee: NIPPON GENMA KK
Current assignee: NIPPON GENMA KK
Priority date: 2010-03-08
Filing date: 2010-03-08
Publication date: 2011-09-22

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solder enabling solder joining strength to be considerably increased. <P>SOLUTION: A lead-free solder contains: 2.0 to 10 wt.% of Bi; 0 to 6.0 wt.% of Ag; and 0 to 2.0 wt.% of Cu, and further contains at least one of Ni, P, Ga, Ge and In; and the balance Sn. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、はんだに関する。 The present invention relates to solder.

近年、環境問題に配慮して、鉛（Ｐｂ）を含有しないはんだ（いわゆる鉛フリーはんだ）が広く使用されるようになってきた。この鉛フリーのものは接合信頼性が低下するという問題があった。また、この鉛フリーはんだに於て、強度を改善するために、様々な元素を含有させることが提案されている。なかでも、Ｓｂを含有させたものは、強度が大幅に向上する（例えば、特許文献１参照）。 In recent years, in consideration of environmental problems, solder containing no lead (Pb) (so-called lead-free solder) has been widely used. This lead-free one has a problem that joint reliability is lowered. In addition, it has been proposed that the lead-free solder contains various elements in order to improve the strength. Especially, the thing containing Sb greatly improves the strength (see, for example, Patent Document 1).

しかし、Ｓｂには毒性があり、環境に悪い影響を与えるという欠点があった。 However, Sb is toxic and has the disadvantage of adversely affecting the environment.

特開平５−５０２８６号公報JP-A-5-50286

解決しようとする課題は、鉛フリーはんだとすることで接合信頼性が低下する点、及び、Ｓｂを含有したはんだが環境に悪い影響を与える点である。 Problems to be solved are that the lead-free solder lowers the bonding reliability, and that the solder containing Sb adversely affects the environment.

そこで、本発明に係るはんだは、鉛フリーはんだに於て、Ｂｉを 2.0〜10ｗｔ％含有し、残部は主としてＳｎである。
また、鉛フリーはんだに於て、Ａｇを０〜 6.0ｗｔ％、Ｃｕを０〜 2.0ｗｔ％、Ｂｉを2.0〜10ｗｔ％含有し、残部をＳｎとしたものである。
また、Ａｇを０〜 6.0ｗｔ％、Ｃｕを０〜 2.0ｗｔ％含有し、かつ、Ｎｉ、Ｐ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｉｎのうち少なくともひとつを含有するものである。 Therefore, the solder according to the present invention contains 2.0 to 10 wt% Bi in the lead-free solder, and the balance is mainly Sn.
The lead-free solder contains 0 to 6.0 wt% Ag, 0 to 2.0 wt% Cu, 2.0 to 10 wt% Bi, and the rest is Sn.
Further, it contains 0 to 6.0 wt% of Ag, 0 to 2.0 wt% of Cu, and contains at least one of Ni, P, Ga, Ge, and In.

本発明のはんだによれば、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだよりも、強度を大幅に向上させることができるとともに、環境に優しいものとすることができる。特に、Ｓｎ−Ａｇ−Ｓｂと同程度以上の強度でありながら、毒性がないはんだとすることができる。また、本発明は、Ｐｂ，Ｓｂフリーのはんだであって高信頼性を具備する。 According to the solder of the present invention, it is possible to greatly improve the strength and to be environmentally friendly as compared with Sn—Ag—Cu solder. In particular, it is possible to obtain a solder that is as strong as Sn-Ag-Sb but has no toxicity. The present invention is a Pb and Sb free solder and has high reliability.

熱衝撃試験による接合強度変化を示すグラフ図である。It is a graph which shows the joining strength change by a thermal shock test. 熱衝撃試験による接合強度変化を示すグラフ図である。It is a graph which shows the joining strength change by a thermal shock test. 熱衝撃試験による接合強度変化を示すグラフ図である。It is a graph which shows the joining strength change by a thermal shock test. 熱衝撃試験による接合強度変化を示すグラフ図である。It is a graph which shows the joining strength change by a thermal shock test.

本発明の第１の実施の形態のはんだ（はんだ合金）は、Ｂｉを 2.0〜10ｗｔ％（ 2.0ｗｔ％以上10ｗｔ以下。本発明において、同様の表記方法を用いる。）含有し、残部は主としてＳｎである。さらに具体的には、Ａｇを０〜 6.0ｗｔ％、Ｃｕを０〜 2.0ｗｔ％、Ｂｉを 2.0〜10ｗｔ％含有し、残部がＳｎである。Ｂｉが 2.0ｗｔ％未満の場合、強度が極端に低くなる。Ｂｉが10ｗｔ％を超える場合、はんだが溶け始める温度が低くなり過ぎる。 The solder (solder alloy) of the first embodiment of the present invention contains Bi in a range of 2.0 to 10 wt% (2.0 wt% or more and 10 wt or less. In the present invention, the same notation method is used), and the balance is mainly Sn. It is. More specifically, it contains 0 to 6.0 wt% Ag, 0 to 2.0 wt% Cu, 2.0 to 10 wt% Bi, and the rest is Sn. When Bi is less than 2.0 wt%, the strength is extremely low. When Bi exceeds 10 wt%, the temperature at which the solder starts to melt becomes too low.

次に、第２の実施の形態について説明する。Ａｇを０〜 6.0ｗｔ％、Ｃｕを０〜 2.0ｗｔ％、Ｂｉを 2.0〜10ｗｔ％含有し、さらに、Ｎｉ、Ｐ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｉｎのうち少なくともひとつを含有する。そして、残部は、Ｓｎとする。 Next, a second embodiment will be described. It contains 0 to 6.0 wt% Ag, 0 to 2.0 wt% Cu, 2.0 to 10 wt% Bi, and further contains at least one of Ni, P, Ga, Ge, and In. The remainder is Sn.

なお、本発明において、「残部をＳｎとした」とは、残部にＳｎ以外の不可避的不純物を含有する場合を含むものとする。 In the present invention, “the balance is Sn” includes the case where the balance contains inevitable impurities other than Sn.

実施例１、及び、比較例１〜比較例12として、次のようなはんだを製造した。なお、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｚｎを用いたのは、Ｓｎに比較的多く固溶できることによる。
実施例１：Ｓｎ−1.0Ａｇ−0.5Ｃｕ−3.0Ｂｉ
比較例１：Ｓｎ−1.0Ａｇ−0.5Ｃｕ−0.5Ｂｉ
比較例２：Ｓｎ−1.0Ａｇ−0.5Ｃｕ−1.0Ｂｉ
比較例３：Ｓｎ−1.0Ａｇ−0.5Ｃｕ−0.05Ｇａ
比較例４：Ｓｎ−1.0Ａｇ−0.5Ｃｕ−0.1Ｇａ
比較例５：Ｓｎ−1.0Ａｇ−0.5Ｃｕ−0.1Ｇｅ
比較例６：Ｓｎ−1.0Ａｇ−0.5Ｃｕ−0.1Ｚｎ
比較例７：Ｓｎ−1.0Ａｇ−0.5Ｃｕ−0.7Ｚｎ
比較例８：Ｓｎ−1.0Ａｇ−0.5Ｃｕ−1.0Ｉｎ
比較例９：Ｓｎ−1.0Ａｇ−0.5Ｃｕ−0.5Ｂｉ−0.05Ｚｎ
比較例10：Ｓｎ−1.0Ａｇ−0.5Ｃｕ−0.05Ｇａ−0.05Ｇｅ
比較例11：Ｓｎ−Ａｇ−Ｓｂ系
比較例12：Ｓｎ−3.0Ａｇ−0.5Ｃｕ As Example 1 and Comparative Examples 1 to 12, the following solders were manufactured. Bi, In, Ga, Ge, and Zn are used because they can be dissolved in Sn in a relatively large amount.
Example 1: Sn-1.0Ag-0.5Cu-3.0Bi
Comparative Example 1: Sn-1.0Ag-0.5Cu-0.5Bi
Comparative Example 2: Sn-1.0Ag-0.5Cu-1.0Bi
Comparative Example 3: Sn-1.0Ag-0.5Cu-0.05Ga
Comparative Example 4: Sn-1.0Ag-0.5Cu-0.1Ga
Comparative Example 5: Sn-1.0Ag-0.5Cu-0.1Ge
Comparative Example 6: Sn-1.0Ag-0.5Cu-0.1Zn
Comparative Example 7: Sn-1.0Ag-0.5Cu-0.7Zn
Comparative Example 8: Sn-1.0Ag-0.5Cu-1.0In
Comparative Example 9: Sn-1.0Ag-0.5Cu-0.5Bi-0.05Zn
Comparative Example 10: Sn-1.0Ag-0.5Cu-0.05Ga-0.05Ge
Comparative Example 11: Sn-Ag-Sb Comparative Example 12: Sn-3.0Ag-0.5Cu

評価方法は、次のとおりとした。使用する基板は、1608、2012、3216、5025チップ部品を実装できるガラエポ基板（ガラスエポキシ基板）（ＦＲ−４）を用い、メタルマスクを用いてクリームフラックスを印刷した。はんだは、まず箔を作成し、それを、17.2± 2.0mgの重量に細く切ったものを作製した。基板の3216チップ電極部分にはんだ箔の小片を乗せ、更にクリームフラックスを少量塗布した。この上にチップ部品を乗せ、リフロー炉で実装した。リフロー温度条件は、通常の鉛フリーはんだで使用している条件とした。信頼性試験は、タバイエスペック株式会社製熱衝撃試験器（ＴＳＶ− 350）を用いて、−40℃と 125℃を各10分ずつ繰り返すという条件で熱衝撃試験をおこなった。そして、1000サイクル毎に接合強度測定をおこない、試験は3000サイクルまでおこなった。 The evaluation method was as follows. As a substrate to be used, a glass epoxy substrate (glass epoxy substrate) (FR-4) on which 1608, 2012, 3216, and 5025 chip components can be mounted was used, and cream flux was printed using a metal mask. For the solder, a foil was first prepared, and then cut into a weight of 17.2 ± 2.0 mg. A small piece of solder foil was placed on the 3216 chip electrode portion of the substrate, and a small amount of cream flux was further applied. A chip component was placed on this and mounted in a reflow furnace. The reflow temperature conditions were the same as those used for normal lead-free solder. In the reliability test, a thermal shock test was performed using a thermal shock tester (TSV-350) manufactured by Tabai Espec Co., Ltd. under the condition of repeating −40 ° C. and 125 ° C. for 10 minutes each. The bonding strength was measured every 1000 cycles, and the test was conducted up to 3000 cycles.

図１〜図４は、各はんだで実装した3216チップ抵抗部品の熱衝撃試験後接合強度測定結果を示す。この結果より、実施例１が、比較例１〜比較例12よりも接合信頼性が高いこと、すなわち、耐熱衝撃試験特性が優れることが分かった。具体的には、1000サイクルでの強度は、13.6kgfである。 1 to 4 show the measurement results of the bonding strength after a thermal shock test of a 3216 chip resistor component mounted with each solder. From this result, it was found that Example 1 had higher bonding reliability than Comparative Examples 1 to 12, that is, excellent thermal shock test characteristics. Specifically, the strength at 1000 cycles is 13.6 kgf.

比較例11（Ｓｎ−Ａｇ−Ｓｂ系）の耐熱衝撃試験特性が優れる理由を推測すると、ＳｂはＳｎ中に多く固溶することができ、Ｓｎ中に異種元素を固溶させることで固溶硬化させ、剛性を高めることで熱応力に耐える強度が向上したのではないかと考えられる。すなわち、これまではんだはできるだけ軟らかくして、はんだが歪みを吸収しやすくなるほど、信頼性は高いと考えられていたが、ある程度はんだ強度を向上させることで、部品接合部の熱応力耐性がさらに向上できるのではないかと考えられる。本発明では、毒性のあるＳｂを含有する比較例11のはんだよりも、さらに耐熱衝撃試験特性が優れ、かつ、毒性がないはんだを発明したものである。 Presuming the reason why the thermal shock test characteristics of Comparative Example 11 (Sn—Ag—Sb series) are excellent, Sb can be dissolved in a large amount in Sn, and solid solution hardening can be achieved by dissolving different elements in Sn. It is considered that the strength to withstand thermal stress has been improved by increasing the rigidity. In other words, until now it was thought that the solder was as soft as possible and the more easily the solder absorbs the strain, the higher the reliability, but by improving the solder strength to some extent, the thermal stress resistance of the joints of the parts is further improved It may be possible. In the present invention, the solder of Comparative Example 11 containing toxic Sb is further invented as a solder having superior thermal shock test characteristics and no toxicity.

本発明は、設計変更可能であって、例えば、上記以外の元素を少量含有するも良い。 The present invention can be changed in design, and may contain a small amount of elements other than those described above, for example.

以上のように、本発明は、鉛フリーはんだに於て、Ｂｉを 2.0〜10ｗｔ％含有し、残部は主としてＳｎであるので、強度（耐熱衝撃試験特性）を大幅に向上させることができるとともに、環境に優しいものとすることができる。特に、Ｓｎ−Ａｇ−Ｓｂ系と同程度以上の強度でありながら、毒性がなく、かつ、高信頼性はんだとすることができる（すなわち、Ｂｉには毒性がない）。 As described above, the present invention contains 2.0 to 10 wt% Bi in lead-free solder, and the balance is mainly Sn, so that the strength (thermal shock test characteristics) can be greatly improved. Can be environmentally friendly. In particular, it has a strength equal to or higher than that of the Sn—Ag—Sb system, but is not toxic and can be a highly reliable solder (that is, Bi is not toxic).

また、鉛フリーはんだに於て、Ａｇを０〜 6.0ｗｔ％、Ｃｕを０〜 2.0ｗｔ％、Ｂｉを 2.0〜10ｗｔ％含有し、残部をＳｎとしたので、強度を大幅に向上させることができるとともに、環境に優しいものとすることができる。特に、Ｓｎ−Ａｇ−Ｓｂ系と同程度以上の強度でありながら、毒性がなく、かつ、高信頼性のはんだとすることができる。 Moreover, in lead-free solder, Ag is 0 to 6.0 wt%, Cu is 0 to 2.0 wt%, Bi is 2.0 to 10 wt%, and the balance is Sn, so the strength can be greatly improved. At the same time, it can be environmentally friendly. In particular, it is possible to provide a highly reliable solder that is not toxic but has a strength comparable to or higher than that of the Sn—Ag—Sb system.

また、Ｂｉを 2.0〜10ｗｔ％含有すると共に、Ａｇを０〜 6.0ｗｔ％、Ｃｕを０〜 2.0ｗｔ％含有し、かつ、Ｎｉ、Ｐ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｉｎのうち少なくともひとつを含有するので、強度を大幅に向上させることができるとともに、環境に優しいものとすることができる。特に、Ｓｎ−Ａｇ−Ｓｂ系と同程度以上の強度でありながら、毒性がなく、かつ、高信頼性のはんだとすることができる。 Further, Bi is contained in an amount of 2.0 to 10 wt%, Ag is contained in an amount of 0 to 6.0 wt%, Cu is contained in an amount of 0 to 2.0 wt%, and at least one of Ni, P, Ga, Ge, and In is contained. The strength can be greatly improved and it can be made environmentally friendly. In particular, it is possible to provide a highly reliable solder that is not toxic but has a strength comparable to or higher than that of the Sn—Ag—Sb system.

Claims

A lead-free solder containing 2.0 to 10 wt% Bi, with the balance being mainly Sn.

A lead-free solder comprising 0 to 6.0 wt% of Ag, 0 to 2.0 wt% of Cu, 2.0 to 10 wt% of Bi, and the rest being Sn.

The solder according to claim 1, containing 0 to 6.0 wt% of Ag, 0 to 2.0 wt% of Cu, and containing at least one of Ni, P, Ga, Ge, and In.