JP2011194410A - COATED Pb-FREE Bi-BASED SOLDER ALLOY AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME - Google Patents
COATED Pb-FREE Bi-BASED SOLDER ALLOY AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME Download PDFInfo
- Publication number
- JP2011194410A JP2011194410A JP2010061346A JP2010061346A JP2011194410A JP 2011194410 A JP2011194410 A JP 2011194410A JP 2010061346 A JP2010061346 A JP 2010061346A JP 2010061346 A JP2010061346 A JP 2010061346A JP 2011194410 A JP2011194410 A JP 2011194410A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- solder
- mass
- solder alloy
- alloy
- coated
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
- Electric Connection Of Electric Components To Printed Circuits (AREA)
Abstract
Description
本発明はコーティングされたPbフリーはんだ合金およびその製造方法に関し、とくにコーティングされるPbフリーはんだ合金が高温用に用いられるBi系のものに関する。本発明は、さらに該コーティングされたPbフリーはんだ合金を用いて電子部品が接合された実装基板、および該実装基板が搭載された各種装置に関する。 The present invention relates to a coated Pb-free solder alloy and a method for producing the same, and more particularly to a Bi-based one in which the coated Pb-free solder alloy is used for high temperatures. The present invention further relates to a mounting substrate on which electronic components are bonded using the coated Pb-free solder alloy, and various devices on which the mounting substrate is mounted.
近年、環境に有害な化学物質に対する規制がますます厳しくなってきており、これは電子部品を基板に接合する目的で使用されるはんだ材料に対しても例外ではない。Pbは、はんだ材料の主成分として古くから使われ続けてきたが、すでにRohs指令等で規制対象物質になっている。このため、Pb(鉛)を含まないはんだ(以降、Pbフリーはんだと称する)の開発が盛んに行われている。 In recent years, regulations on chemical substances that are harmful to the environment have become increasingly strict, and this is no exception for solder materials used for bonding electronic components to substrates. Pb has been used for a long time as a main component of the solder material, but has already been regulated by the Rohs Directive. For this reason, the development of solder that does not contain Pb (lead) (hereinafter referred to as Pb-free solder) has been actively conducted.
電子部品を基板に接合する際に用いるはんだは、その使用限界温度によって高温用(約260℃〜400℃)と中低温用(約140℃〜230℃)に大別され、それらのうち中低温用はんだに関してはSnを主成分とするものでPbフリーが実用化されている。例えば、特許文献1にはAgを1.0〜4.0質量%、Cuを2.0質量%以下、Niを0.5質量%以下、Pを0.2質量%以下含有し、残部がSnからなるPbフリーはんだ合金が開示されている。また、特許文献2にはAgを0.5〜3.5質量%、Cuを0.5〜2.0質量%含有し、残部がSnからなる合金組成のPbフリーはんだが記載されている。 Solders used for bonding electronic components to a substrate are roughly classified into high temperature (about 260 ° C. to 400 ° C.) and medium / low temperature (about 140 ° C. to 230 ° C.) depending on the use limit temperature. As for the solder for solder, Pb-free is practically used because it is mainly composed of Sn. For example, Patent Document 1 contains 1.0 to 4.0% by mass of Ag, 2.0% by mass or less of Cu, 0.5% by mass or less of Ni, and 0.2% by mass or less of P. A Pb-free solder alloy comprising Sn is disclosed. Patent Document 2 describes a Pb-free solder having an alloy composition containing 0.5 to 3.5% by mass of Ag, 0.5 to 2.0% by mass of Cu, and the balance being Sn.
一方、Pbを含まない高温用のはんだ材料に関しては、さまざまな機関で開発が行われている。例えば、Bi系はんだでは、特許文献3に、Biを30〜80質量%含み、溶融される温度が350〜500℃であるBi/Agろう材が開示されている。また、特許文献4に、Biを含む共昌合金に2元共昌合金を加え、さらに添加元素を加えたはんだ合金が開示されており、液相線温度の調整とばらつきの減少が可能な生産方法が開示されている。 On the other hand, high temperature solder materials that do not contain Pb have been developed by various institutions. For example, for Bi-based solder, Patent Document 3 discloses a Bi / Ag brazing material containing 30 to 80% by mass of Bi and having a melting temperature of 350 to 500 ° C. Further, Patent Document 4 discloses a solder alloy in which a binary Kyochang alloy is added to a Kyochang alloy containing Bi, and an additive element is further added, so that the liquidus temperature can be adjusted and variations can be reduced. A method is disclosed.
高温用はんだに一般的に求められる特性としては、上記した適度な液相線温度のほか、はんだと電子部品または基板の濡れ性が良好であることが求められる。このため、特許文献5には、はんだ合金粉末粒子の表面に、当該はんだ合金の構成成分のうちの1種以上によるコーティング層を1層以上設け、且つ当該はんだ合金粉末粒子全体の平均組成が当該はんだ合金の所定の合金組成に等しいことを特徴とするPbフリーはんだ合金粉末が開示されている。そして、当該コーティングによって濡れ広がり性に優れるうえ、予め調整したコーティング材と初期はんだ材の組成がリフロー時に均一に混ざることにより狙いの組成のはんだとなってはんだ付けが可能であると記載されている。 The characteristics generally required for high-temperature solder are required to have good wettability between the solder and the electronic component or the substrate, in addition to the above-mentioned appropriate liquidus temperature. For this reason, in Patent Document 5, the surface of the solder alloy powder particles is provided with one or more coating layers of one or more of the constituent components of the solder alloy, and the average composition of the solder alloy powder particles is A Pb-free solder alloy powder characterized by being equal to a predetermined alloy composition of the solder alloy is disclosed. It is described that the coating has excellent wettability and that the composition of the preliminarily prepared coating material and the initial solder material is uniformly mixed during reflow and can be soldered with the target composition. .
また、特許文献6には、50〜65質量%のCu、15〜29質量%のSn、10質量%のAg、5質量%のBi、5質量%のIn、1質量%以下のZn(Znを含まない場合を含む)からなる合金を溶融して製造した粒子表面にSnで表面処理を施した合金粒子が開示されている。この合金粒子の平均粒子径は、0.1〜20μmであり、各合金粒子は示差走査熱量測定(DSC)によって吸熱ピークが観察される温度として定義される複数の融点を示し、該示差走査熱量測定において少なくとも1つの発熱ピークを示すことが記載されている。 Patent Document 6 discloses that 50 to 65 mass% Cu, 15 to 29 mass% Sn, 10 mass% Ag, 5 mass% Bi, 5 mass% In, 1 mass% or less Zn (Zn Alloy particles are disclosed in which the surface of particles produced by melting an alloy made of an alloy made of Sn is surface-treated with Sn. The average particle diameter of the alloy particles is 0.1 to 20 μm, and each alloy particle exhibits a plurality of melting points defined as temperatures at which endothermic peaks are observed by differential scanning calorimetry (DSC). It is described that the measurement shows at least one exothermic peak.
そして、これら複数の融点は、最も低温の吸熱ピークが観察される温度である初期最低融点、および最も高温の吸熱ピークが観察される温度である最高融点を含み、各合金粒子は少なくとも表面部分において該初期最低融点を示し、各合金粒子を、該初期最低融点またはそれ以上の温度で加熱し、これにより各合金粒子について該初期最低融点を示すその少なくとも表面部分を溶融させた後、各合金粒子を室温まで冷却することによって各合金粒子の溶融部分を固化させることが示されている。このように加熱および固化を経た各合金粒子は、初期最低融点より高い上昇最低融点を示すことが記載されている。すなわち、合金粒子の主成分の一つ(Sn)で表面処理(コーティング)を行い、これらが加熱溶融後、初期最低融点よりも高い最低融点になることが示されている。 The plurality of melting points include an initial lowest melting point at which the lowest endothermic peak is observed and a highest melting point at which the highest endothermic peak is observed, and each alloy particle has at least a surface portion. Each of the alloy particles after exhibiting the initial minimum melting point and heating each alloy particle at a temperature at or above the initial minimum melting point, thereby melting each alloy particle at least its surface portion exhibiting the initial minimum melting point Has been shown to solidify the molten portion of each alloy particle by cooling to room temperature. Thus, it is described that each of the alloy particles that have been heated and solidified exhibits a rising minimum melting point higher than the initial minimum melting point. That is, it is shown that surface treatment (coating) is performed with one of the main components of alloy particles (Sn), and these have a minimum melting point higher than the initial minimum melting point after heating and melting.
鉛を含まない高温用のはんだ材料に関しては、上記のようにさまざまな機関で開発されてはいるものの、Biを主成分とするはんだをはじめとして、未だに実用化の面で許容できる特性を有するはんだ材料は見つかっていないのが実情である。 Although high temperature solder materials that do not contain lead have been developed by various institutions as described above, they still have acceptable characteristics in practical use, including solders mainly composed of Bi. The fact is that no materials have been found.
Biを主成分とするはんだにおいて克服すべき課題は、その脆さと融点が約260℃を超えることができるか否かにある。例えば、Biを主成分とするはんだ合金をワイヤーなどに加工しようとすると、その脆さ故にすぐに折れてしまい取り扱いが非常に困難になることがある。そこで、この脆さを改善したり融点を上げたりすることを目的として様々な元素が添加されている。 The problem to be overcome in the solder containing Bi as a main component is whether or not its brittleness and melting point can exceed about 260 ° C. For example, if an attempt is made to process a solder alloy containing Bi as a main component into a wire or the like, the brittleness may cause it to break immediately, making it very difficult to handle. Therefore, various elements are added for the purpose of improving the brittleness or raising the melting point.
様々な元素を添加することによってBi合金の脆性的性質や融点の問題はかなり改善されるものの、これが逆にはんだと電子部品または基板との接合性、所謂、濡れ性に悪影響を及ぼすことがあった。つまり、Bi系はんだをより使い易く実用的なはんだにするため、様々な元素を添加することが行われているが、これによりかえって濡れ性が低下してしまい、そのための対策が別途必要になるという問題が生じていた。 Although the brittle properties and melting point problems of Bi alloys are considerably improved by adding various elements, this may adversely affect the so-called wettability between solder and electronic components or substrates. It was. In other words, in order to make Bi-based solder easier to use and practical, various elements are added. However, wettability is reduced by this, and measures for that are required separately. There was a problem.
また、一般的に電子部品や基板には熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂などの比較的耐熱温度の低い材料が多用されているため、作業温度を400℃未満、望ましくは370℃以下にする必要がある。しかしながら、例えば特許文献3に開示されているBi/Agろう材では、液相線温度が400〜700℃と高いため、接合時の作業温度も400〜700℃以上になると推測され、接合される電子部品や基板の耐熱温度を超えてしまうことになる。なお、特許文献3には濡れ性についても触れられていない上、はんだの加工性に関する記述もない。特許文献4に開示されているはんだ合金も濡れ性に関して記載されていない。また、液相線の温度調整のみで4元系以上の多元系はんだになる上、Biの脆弱な機械的特性についての有効な改善策が示されていない。 In general, materials having relatively low heat resistance such as thermoplastic resins and thermosetting resins are often used for electronic parts and substrates, so the working temperature must be less than 400 ° C, preferably 370 ° C or less. There is. However, for example, in the Bi / Ag brazing material disclosed in Patent Document 3, since the liquidus temperature is as high as 400 to 700 ° C., it is estimated that the working temperature at the time of joining is also 400 to 700 ° C. or more and is joined. It will exceed the heat resistance temperature of electronic parts and substrates. Patent Document 3 does not mention wettability and does not describe solder workability. The solder alloy disclosed in Patent Document 4 is not described regarding wettability. Moreover, it becomes a quaternary or higher multi-component solder only by adjusting the temperature of the liquidus, and no effective measures for improving the fragile mechanical properties of Bi have been shown.
Bi系はんだの濡れ性の問題を克服する手段として、特許文献5に示すように、濡れ性のよい金属をはんだにコーティングすることが提案されている。しかし、はんだへのコーティング技術にも多くの課題があり、例えばコーティング後の表面状態や加熱溶融の際の温度や時間が非常に重要である。これらを考慮に入れてコーティングを行うことは、現実には非常に困難であることが推測される。 As a means for overcoming the problem of wettability of Bi-based solder, as shown in Patent Document 5, it has been proposed to coat a metal with good wettability on the solder. However, there are many problems in the solder coating technology. For example, the surface state after coating, the temperature and time at the time of heating and melting are very important. It is presumed that it is very difficult to carry out coating in consideration of these factors.
特許文献5にはこのような重要な条件であるコーティング条件やリフロー条件が全く示されていない。さらに、実施例1では、初期はんだ材としてのSn−10.2Znはんだにコーティング材としてのSnをコーティングし、溶融後の全体のはんだ組成がSn−9Znになることが記載されている。しかしながら、この組成では、コーティング材と初期はんだ材が均一な合金になるまで相当な加熱時間を要すると考えられる。さらに、実際にはメタライズ層との反応があるため、初期はんだ材とコーティング材のみで反応が起き、これらだけが均一な組成なることはあり得ず、現実的に実施可能な技術とは考えにくい。 Patent Document 5 does not show coating conditions and reflow conditions which are such important conditions at all. Furthermore, in Example 1, it is described that Sn-10.2Zn solder as an initial solder material is coated with Sn as a coating material, and the entire solder composition after melting becomes Sn-9Zn. However, with this composition, it is considered that a considerable heating time is required until the coating material and the initial solder material become a uniform alloy. Furthermore, since there is a reaction with the metallized layer, the reaction occurs only with the initial solder material and the coating material, and it is difficult for these to have a uniform composition, and it is difficult to think of a practically feasible technology. .
また、特許文献6に記載されているような6元系組成において、最低融点が上がる組成はごく一部であり、さらに比較的融点の低いSnによる融点上昇効果は大きくなく、高温用はんだには適用できない。さらに合金粒子主成分の表面処理により接合性を向上させるには、表面処理条件、合金粒子の保管や取り扱い条件、加熱溶融時の雰囲気や温度条件等において極めて厳密な作業や管理が必要となり、コスト的にはかなりデメリットが大きく、実用性に乏しいと考えられる。 In addition, in the ternary composition as described in Patent Document 6, the composition that raises the minimum melting point is only a part, and the melting point increasing effect due to Sn having a relatively low melting point is not large. Not applicable. Furthermore, in order to improve the bondability by surface treatment of the main component of alloy particles, extremely strict work and management are required in terms of surface treatment conditions, storage and handling conditions of alloy particles, atmosphere and temperature conditions during heating and melting, etc. In terms of this, the disadvantages are quite large and the practicality is considered to be poor.
以上、述べたように、高温用Pbフリーはんだにおいては、濡れ性をはじめとして多くの課題が残されており、実用化されていないのが実情である。とくに、高温用のPbフリーはんだの候補であるBiを主成分とするはんだにおいては、Bi合金の加工性や融点を上げるために添加される元素により低下する濡れ性を向上させる必要がある。 As described above, in the high-temperature Pb-free solder, many problems such as wettability remain, and the actual situation is that they are not put into practical use. In particular, in a solder mainly composed of Bi, which is a candidate for high-temperature Pb-free solder, it is necessary to improve the wettability which is lowered by an element added to increase the workability and melting point of the Bi alloy.
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、濡れ性および信頼性に優れた高温用のPbフリーのBi系はんだ合金とその製造方法を提供すること、そして該はんだ合金によって接合された実装基板、および該実装基板を搭載する各種装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above problems, and provides a high-temperature Pb-free Bi-based solder alloy excellent in wettability and reliability, a method for manufacturing the same, and a mounting bonded by the solder alloy. An object of the present invention is to provide a substrate and various devices for mounting the mounting substrate.
電子部品を基板に実装する際のいわゆる高温用と言われる場合のリフロー温度は約260℃以上である。従って、電子部品と基板とのはんだ付けに使用される高温用はんだの場合、はんだ合金の固相線は約260℃以上であることが求められる。これを実現するためには、Biを主成分としたPbフリーはんだを採用することが考えられる。 The reflow temperature in the case of so-called high temperature for mounting electronic components on a substrate is about 260 ° C. or higher. Therefore, in the case of high-temperature solder used for soldering an electronic component and a substrate, the solidus wire of the solder alloy is required to be about 260 ° C. or higher. In order to realize this, it is conceivable to employ Pb-free solder containing Bi as a main component.
しかしながら、Bi合金の加工性の改善や融点の向上のために添加する元素により、濡れ性は逆に低下してしまうことが多い。そこで本発明者は、鋭意研究を重ねた結果、Bi系はんだに濡れ性がよいAg、Au、CuまたはNiのうちの少なくとも1元素をコーティングすることにより、Bi系はんだの濡れ性を向上させることが可能であることを見出し、本発明に至った。 However, wettability often decreases conversely due to elements added for improving the workability and melting point of Bi alloys. Therefore, as a result of extensive research, the present inventor has improved the wettability of Bi-based solder by coating Bi-based solder with at least one element of Ag, Au, Cu or Ni having good wettability. Has been found to be possible, leading to the present invention.
すなわち、本発明が提供するコーティングされたPbフリーはんだ合金は、シート状、ワイヤー状またはボール状であって、Biを50質量%以上99.5質量%以下含有するPbフリーはんだ合金と、その表面にコーティングされたAg、Au、CuおよびNiのうちの少なくとも1元素からなる厚さ0.05μm以上1.20μm以下のコーティング膜とからなることを特徴としている。 That is, the coated Pb-free solder alloy provided by the present invention is a sheet-like, wire-like, or ball-like, containing Pb-free solder alloy containing 50 mass% or more and 99.5 mass% or less, and its surface And a coating film having a thickness of 0.05 μm or more and 1.20 μm or less composed of at least one element of Ag, Au, Cu, and Ni.
上記本発明のコーティングされたPbフリーはんだ合金は、さらにZnを0.4質量%以上13.5質量%以下および/またはSnを0.01質量%以上1.5質量%以下含有しているのが好ましく、そのうえさらに、Alを0.02質量%以上2.5質量%以下および/またはPを0.001質量%以上0.500質量%以下含有してもよい。 The coated Pb-free solder alloy of the present invention further contains Zn in an amount of 0.4% by mass to 13.5% by mass and / or Sn in an amount of 0.01% by mass to 1.5% by mass. In addition, Al may be contained in an amount of 0.02% by mass to 2.5% by mass and / or P in an amount of 0.001% by mass to 0.500% by mass.
本発明は、また、上記コーティングされたPbフリーはんだ合金のコーティング膜をメッキ法または蒸着法によりコーティングする方法を提供する。さらに、上記コーティングされたPbフリーはんだ合金を用いて電子部品が接合されている実装基板、およびこの実装基板が搭載されている装置を提供する。 The present invention also provides a method of coating the coating film of the coated Pb-free solder alloy by a plating method or a vapor deposition method. Furthermore, the present invention provides a mounting board on which electronic components are bonded using the coated Pb-free solder alloy, and a device on which the mounting board is mounted.
本発明によれば、環境に有害であって様々な規制を受けているPbを使うことなく、電子部品と基板の接合のための高温用のはんだを提供することができる。このはんだは、所望の強度と信頼性を確保すべく作製されたBiを主成分とするはんだ合金に、Ag、Au、CuおよびNiのうちの少なくとも1つがコーティングされている。これにより、約260℃以上のリフロー温度に十分耐えることができる上、濡れ性や信頼性にも優れたはんだ材料が得られる。その結果、従来不可能であった高温でのはんだ付けが可能となるので、本発明による工業的な貢献度は極めて高い。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the solder for high temperature for joining an electronic component and a board | substrate can be provided, without using Pb which is harmful to an environment and has received various restrictions. In this solder, a Bi-based solder alloy produced to ensure desired strength and reliability is coated with at least one of Ag, Au, Cu, and Ni. Thereby, it is possible to obtain a solder material that can sufficiently withstand a reflow temperature of about 260 ° C. or more and that has excellent wettability and reliability. As a result, since soldering at a high temperature, which has been impossible in the past, becomes possible, the industrial contribution according to the present invention is extremely high.
本発明のコーティングされたPbフリーはんだ合金は、シート状、ワイヤー状またはボール状であって、Biを50質量%以上99.5質量%以下含有するPbフリーはんだ合金と、その表面にコーティングされたAg、Au、CuおよびNiのうちの少なくとも1元素からなる厚さ0.05μm以上1.20μm以下のコーティング膜とからなることを特徴としている。 The coated Pb-free solder alloy of the present invention has a sheet shape, a wire shape or a ball shape, and is coated on the surface thereof with a Pb-free solder alloy containing Bi of 50 mass% or more and 99.5 mass% or less. It is characterized by comprising a coating film composed of at least one element of Ag, Au, Cu and Ni and having a thickness of 0.05 μm or more and 1.20 μm or less.
具体的に説明すると、コーティング対象となるPbフリーはんだ合金は、シート状、ワイヤー状またはボール状の形状を有している。シート状のPbフリーはんだ合金は、主にパワーモジュールのチップ接合の用途に使用され、一般的には幅約3〜30mm、長さ約3〜30mm、厚み約0.05〜0.5mmに成形される。 More specifically, the Pb-free solder alloy to be coated has a sheet shape, a wire shape, or a ball shape. Sheet-like Pb-free solder alloys are mainly used for chip joining applications in power modules and are generally formed to a width of about 3 to 30 mm, a length of about 3 to 30 mm, and a thickness of about 0.05 to 0.5 mm. Is done.
ワイヤー状のPbフリーはんだ合金は、主にトランジスタのチップ接合の用途に使用され、一般的には線径約0.3〜1.0mmに成形される。ボール状のPbフリーはんだ合金は、主にBGA(Ball Grid Array)、CSP(Chip Scale Package)、フリップチップ等のリードレスパッケージにおけるバンプ形成に使用され、一般的には粒径約0.2〜1.0mm程度に成形される。 The wire-like Pb-free solder alloy is mainly used for chip bonding of transistors, and is generally formed to have a wire diameter of about 0.3 to 1.0 mm. Ball-shaped Pb-free solder alloys are mainly used for bump formation in leadless packages such as BGA (Ball Grid Array), CSP (Chip Scale Package), and flip chip, and generally have a particle size of about 0.2 to 0.2. Molded to about 1.0 mm.
本発明においては、これらシート状、ワイヤー状またはボール状に成形されたPbフリーはんだ合金の表面に、Ag、Au、CuおよびNiのうちの少なくとも1元素からなるコーティング膜がコーティングされている。コーティング膜の材料をこのようにAg、Au、CuおよびNiのうちの少なくとも1元素とする理由は、これらは、はんだ材料の濡れ性や接合性、信頼性等を向上させる効果が大きいからである。つまり、Ag、Auは濡れ性や接合性を向上させるためにSiチップの最上層に保護層として形成されることが多い材料である。また、Niはチップの接合性向上を目的として基板上に形成される材料であり、Cuは基板の材料であるため、これらと同じ金属をはんだ合金の表面にコーティングすることによって、接合性や信頼性等を向上させることができる。 In the present invention, a coating film made of at least one element of Ag, Au, Cu, and Ni is coated on the surface of the Pb-free solder alloy formed into a sheet shape, a wire shape, or a ball shape. The reason why the material of the coating film is thus at least one element of Ag, Au, Cu, and Ni is that these have a great effect of improving the wettability, bonding property, reliability, etc. of the solder material. . That is, Ag and Au are materials that are often formed as a protective layer on the top layer of the Si chip in order to improve wettability and bondability. Ni is a material formed on the substrate for the purpose of improving chip bondability, and Cu is a material for the substrate. Therefore, by coating these same metals on the surface of the solder alloy, the bondability and reliability can be improved. Etc. can be improved.
上記コーティング膜は、0.05μm以上1.20μm以下の厚さを有している。コーティング膜の厚さをこの範囲に限定することにより、Pbフリーはんだ合金の特性を損なうことなく良好な濡れ性を得ることができる。0.05μm未満では、膜厚が薄すぎて均一な膜を形成することができず、濡れ性が不十分になる。一方、膜厚が1.20μmを超えてしまうと膜が厚くなりすぎて加工が困難になる。また、はんだ合金に対するコーティング膜の割合が高くなりすぎて、接合後のはんだの組成が企図したはんだの組成からずれて所望の特性が得られなくなるおそれがある。さらに、コーティング膜が厚くなることによって、材料費が嵩むうえ、成膜に時間がかかりコストアップに繋がってしまう。 The coating film has a thickness of 0.05 μm or more and 1.20 μm or less. By limiting the thickness of the coating film to this range, good wettability can be obtained without impairing the characteristics of the Pb-free solder alloy. If it is less than 0.05 μm, the film thickness is too thin to form a uniform film, resulting in insufficient wettability. On the other hand, if the film thickness exceeds 1.20 μm, the film becomes too thick and processing becomes difficult. In addition, the ratio of the coating film to the solder alloy becomes too high, and the composition of the solder after joining may deviate from the intended composition of the solder, and desired characteristics may not be obtained. Furthermore, since the coating film becomes thick, the material cost increases and the film formation takes time, leading to an increase in cost.
本発明のPbフリーはんだ合金はBiを主成分としている。その理由は、Biは融点が271℃であり、高温用はんだの使用条件である約260℃のリフロー温度を超えているからである。しかしながら、BiはVa族元素(N、P、As、Sb、Bi)に属し、その結晶構造は、対称性の低い三方晶(菱面体晶)で非常に脆い金属であり、引張試験などを行うとその破面は脆性破面であることが容易に見て取れる。つまり純Biは延性的な性質に乏しく、ワイヤーなどに加工することが困難な金属である。 The Pb-free solder alloy of the present invention is mainly composed of Bi. The reason is that Bi has a melting point of 271 ° C., which exceeds the reflow temperature of about 260 ° C., which is the use condition of the high-temperature solder. However, Bi belongs to group Va elements (N, P, As, Sb, Bi), and its crystal structure is a trigonal crystal (rhombohedral crystal) with a low symmetry and a very brittle metal. It can be easily seen that the fracture surface is a brittle fracture surface. That is, pure Bi is a metal that has poor ductility and is difficult to process into a wire or the like.
そこで、各種添加元素を添加することによって、このBiの脆さを克服することを行った。添加する元素の種類や量は、Biが有する脆さ等の特性の内、どの特性の改善を目的としているかによって異なる。添加する元素の種類や添加量に応じて、必然的にBiの含有量は変化するので、本発明ではBiの含有率を50質量%以上99.5質量%以下としている。Biの含有量が50質量%未満では、融点、加工性、濡れ性等の特性をバランスよく満たすことが困難になる。一方、Biの含有量が99.5質量%を超えると、Bi成分が多くなりすぎて脆さを改善できなかったり十分な接合性を得られなかったりする。 Therefore, the brittleness of Bi was overcome by adding various additive elements. The kind and amount of the element to be added differ depending on which characteristic is aimed for improvement among characteristics such as brittleness of Bi. The Bi content inevitably changes depending on the type and amount of the element to be added. Therefore, in the present invention, the Bi content is set to 50 mass% or more and 99.5 mass% or less. If the Bi content is less than 50% by mass, it is difficult to satisfy the properties such as the melting point, workability, and wettability in a well-balanced manner. On the other hand, if the Bi content exceeds 99.5% by mass, the Bi component becomes too large to improve the brittleness or to obtain sufficient bondability.
本発明のPbフリーはんだ合金に添加される元素としては、Zn、Sn、AlおよびPを挙げることができる。Znは、Biを主成分とするPbフリーはんだ合金に添加されると、結晶微細化の効果により脆さを克服することができる上、Bi中にZnが固溶することによっても加工性を改善する。ZnをBiとの共晶点よりも多く添加する場合は、Znリッチな相が発現されることになって、より一層加工性が向上する。 Examples of elements added to the Pb-free solder alloy of the present invention include Zn, Sn, Al, and P. When Zn is added to a Pb-free solder alloy containing Bi as a main component, brittleness can be overcome by the effect of crystal refining, and workability is also improved by the solid solution of Zn in Bi. To do. When Zn is added more than the eutectic point with Bi, a Zn-rich phase is expressed, and the workability is further improved.
また、Znの添加により、Biと基板を構成するNi層との反応の抑制や、Bi系はんだ中へのNi層の拡散の抑制が可能となる。これは、ZnはNiとの反応においてBiよりも反応性が高く、Ni層の上面に薄いZn−Ni層を作り、これがバリアーとなってNiとBiの反応を抑えることによるものである。その結果、脆いBi−Ni合金が生成されず、さらにはNiがBi中に拡散することもなく、強固な接合性を実現することができる。 Further, the addition of Zn makes it possible to suppress the reaction between Bi and the Ni layer constituting the substrate and to suppress the diffusion of the Ni layer into the Bi-based solder. This is because Zn is more reactive than Bi in the reaction with Ni, and a thin Zn—Ni layer is formed on the upper surface of the Ni layer, which acts as a barrier to suppress the reaction between Ni and Bi. As a result, a brittle Bi—Ni alloy is not generated, and Ni is not diffused into Bi, so that strong bondability can be realized.
このような優れた効果を発揮するZnの最適な添加量は、Ni層の厚さやリフロー温度、リフロー時間等に左右されるものの、概ね0.4質量%以上、13.5質量%以下である。Znの添加量が0.4質量%未満では、Ni拡散の抑制が不十分であったり、Ni拡散の抑制にZnが消費されて良好な加工性が得られなかったりする。一方、Znを13.5質量%より多く添加すると、液相線温度が400℃を超えてしまい、良好な接合ができなくなってしまう。さらにこの組成範囲内のZnが含まれるはんだ合金に後述するAlを適宜調整して添加することによって、Znリッチ相の加工性をより一層改善することが可能となり、Znの効果をより大きく引き出すことができる。 The optimum addition amount of Zn that exhibits such an excellent effect is approximately 0.4% by mass or more and 13.5% by mass or less, although it depends on the thickness of the Ni layer, the reflow temperature, the reflow time, and the like. . If the added amount of Zn is less than 0.4% by mass, suppression of Ni diffusion is insufficient, or Zn is consumed for suppression of Ni diffusion, and good workability may not be obtained. On the other hand, when Zn is added more than 13.5% by mass, the liquidus temperature exceeds 400 ° C., and good bonding cannot be performed. Furthermore, by appropriately adjusting and adding Al described later to a solder alloy containing Zn within this composition range, it becomes possible to further improve the workability of the Zn-rich phase, and draw out the effect of Zn more greatly. Can do.
Snは、Pbフリーはんだ合金自身の濡れ性を向上させることができる上、Niの拡散も抑制することができる。これは、SnはZnよりもイオン半径が小さく、3元共晶を引き起こし易いため、Niとの反応性に富んでいることによる。加えて、SnはZnより還元性が弱く酸化しにくいため、Znの一部と置換すべくZnに比べて少量のSnを添加することによって、Ni拡散の抑制効果を確保しながら濡れ性を向上させることができる。 Sn can improve the wettability of the Pb-free solder alloy itself, and can also suppress the diffusion of Ni. This is because Sn has a smaller ionic radius than Zn and is likely to cause ternary eutectic, and thus is rich in reactivity with Ni. In addition, since Sn is less reducible than Zn and difficult to oxidize, adding a small amount of Sn to replace a part of Zn improves wettability while ensuring the effect of suppressing Ni diffusion. Can be made.
また、微量のSnを添加することによって、比較的多数の拡散サイトが形成され、これによりZnのZn−Ni合金化が促進される。その結果、Ni層の上に効率的にZn−Ni合金が形成され、Bi中へのNi拡散が抑制される。なお、当然のことながら、Sn自身もNi層の上面で合金化し、Ni拡散の防止に寄与する。 In addition, by adding a small amount of Sn, a relatively large number of diffusion sites are formed, thereby promoting Zn-Zn-Ni alloying. As a result, a Zn—Ni alloy is efficiently formed on the Ni layer, and Ni diffusion into Bi is suppressed. As a matter of course, Sn itself is alloyed on the upper surface of the Ni layer and contributes to prevention of Ni diffusion.
以上のように、Snを少量添加することによってZnの添加量を減らすことができ、その結果、Pbフリーはんだ合金自身の濡れ性を向上させることができる。なお、Bi−Snの2元系合金の場合は、Znを単独で添加するよりも少量でNi拡散を抑制できる。しかし、発明者は、Snが1.5質量%より多く含まれると、合金が脆くなってしまうことを確認している。その理由は、Bi中へのSnの固溶量が少ないため、Snのリッチなβ−Sn相が出現し、これが悪影響を及ぼしていると推測している。したがって、Snを添加する場合はZnと合わせて添加することが好ましい。 As described above, the addition amount of Sn can be reduced by adding a small amount of Sn, and as a result, the wettability of the Pb-free solder alloy itself can be improved. In the case of a Bi—Sn binary alloy, Ni diffusion can be suppressed in a smaller amount than when Zn is added alone. However, the inventor has confirmed that the alloy becomes brittle when Sn is contained more than 1.5 mass%. The reason is that since the amount of Sn dissolved in Bi is small, a β-Sn phase rich in Sn appears, which is presumed to have an adverse effect. Therefore, when adding Sn, it is preferable to add together with Zn.
最適なSnの添加量は、0.01質量%以上、1.5質量%以下である。0.01質量%未満では少なすぎてNi拡散抑制効果や濡れ性向上効果が現れない。一方、1.5質量%より多いと、加工性が低下することを確認しており、その理由は、脆いβ−Snの割合が増加するからではないかと推測している。加えて、Snの融点が低いことも考慮すると、添加量は1.5質量%以下が好ましい。 The optimum amount of Sn added is 0.01% by mass or more and 1.5% by mass or less. If it is less than 0.01% by mass, it is too small, and the effect of suppressing Ni diffusion and improving wettability does not appear. On the other hand, when it is more than 1.5% by mass, it has been confirmed that the workability is lowered, and it is assumed that the reason is that the ratio of fragile β-Sn increases. In addition, considering that Sn has a low melting point, the addition amount is preferably 1.5% by mass or less.
Pは、必要に応じて添加することによって、Bi/Zn/Sn合金の濡れ性および接合性をさらに向上させることができる。この効果は、Alが添加されている場合においても同様に発揮される。Pの添加によりBi/Zn/Sn合金の濡れ性向上の効果が大きくなる理由は、Pは還元性が強く、自ら酸化することによりはんだ合金表面の酸化を抑制することによる。とくに、酸化しやすいZnがBiとの合金における共晶点である2.7質量%よりもZnリッチ側に添加されることがある場合は、P添加による濡れ性向上の効果は大きい。 P can further improve the wettability and bondability of the Bi / Zn / Sn alloy by adding it as necessary. This effect is also exhibited when Al is added. The reason why the effect of improving the wettability of the Bi / Zn / Sn alloy by adding P is large is that P has strong reducibility and suppresses oxidation of the solder alloy surface by oxidizing itself. In particular, when Zn which is easily oxidized is added to the Zn-rich side from 2.7% by mass which is the eutectic point in the alloy with Bi, the effect of improving the wettability by adding P is large.
Pの添加は、さらに接合時にボイドの発生を低減させる効果がある。すなわち、前述したように、Pは自らが酸化しやすいため、接合時にはんだの主成分であるBi、さらにはZnよりも優先的に酸化が進む。その結果、はんだ母相の酸化を防ぎ、濡れ性を確保することができる。これにより良好な接合が可能となり、ボイドの生成も起こりにくくなる。 The addition of P has an effect of further reducing the generation of voids during bonding. That is, as described above, since P is easily oxidized by itself, oxidation proceeds preferentially over Bi, which is the main component of the solder, and also Zn during bonding. As a result, it is possible to prevent the solder mother phase from being oxidized and to ensure wettability. As a result, good bonding is possible, and void formation is less likely to occur.
Pは、前述したように非常に還元性が強いため、微量の添加でもPbフリーはんだ合金自身の濡れ性向上の効果を発揮する。逆にある量以上では添加しても濡れ性向上の効果は変わらず、過剰な添加ではPの酸化物がはんだ表面に生成されたり、Pが脆弱な相を作り脆化したりするおそれがある。したがって、Pは微量添加が好ましい。 As described above, P has a very strong reducibility, so that the effect of improving the wettability of the Pb-free solder alloy itself is exhibited even when a small amount is added. On the contrary, even if it is added in a certain amount or more, the effect of improving the wettability does not change. If it is excessively added, P oxide may be generated on the solder surface, or P may form a brittle phase and become brittle. Therefore, P is preferably added in a trace amount.
具体的には、Pの添加量は0.001質量%以上が好ましく、その上限値は0.500質量%以下である。Pがこの上限値を超えると、その酸化物がはんだ表面を覆い、逆に濡れ性を落とすおそれがある。さらに、PはBiへの固溶量が非常に少ないため、添加量が多いと脆いP酸化物が偏析するなどして信頼性を低下させる。とくにワイヤー状に加工される場合に、断線の原因になりやすいことを確認している。一方、Pの添加量が0.001質量%未満では期待する還元効果が得られず、添加する意味がない。 Specifically, the addition amount of P is preferably 0.001% by mass or more, and the upper limit is 0.50% by mass or less. When P exceeds this upper limit, the oxide covers the solder surface, and conversely, wettability may be reduced. Furthermore, since the amount of solid solution of Bi in P is very small, if the amount is large, brittle P oxide is segregated and the reliability is lowered. In particular, it has been confirmed that it is likely to cause disconnection when processed into a wire shape. On the other hand, if the addition amount of P is less than 0.001% by mass, the expected reduction effect cannot be obtained, and there is no point in adding.
Alは、必要に応じて添加することによって、Pbフリーはんだ合金自身の濡れ性向上の効果と、加工性向上効果と、融点調整効果とを得ることができる。Pbフリーはんだ合金自身の濡れ性が向上する理由は、AlはBiやZnよりの還元性が強いため、少量の添加であっても自らが酸化して濡れ性を改善するからである。 By adding Al as necessary, the effect of improving the wettability of the Pb-free solder alloy itself, the effect of improving workability, and the effect of adjusting the melting point can be obtained. The reason why the wettability of the Pb-free solder alloy itself is improved is that Al is more reducible than Bi or Zn, so even if it is added in a small amount, it oxidizes itself and improves the wettability.
ところで、高温用のはんだ合金においては、Ni拡散の防止対策や濡れ性の向上は重要な課題であり、当然のことながら、高いリフロー温度に耐えうることも重要な課題である。加えて、加工性がよいこともはんだ材料の実用化には欠かせない課題である。Alを添加することによって、このはんだの加工性が向上し、より使い易いはんだ材料が得られる。つまり、AlはZnと共晶組成付近でとくに効果が大きく、この理由は結晶の微細化によるものである。なお、Znを添加しても加工性はある程度確保できるわけであるが、製造の際に課される制約条件が多くなり、場合によっては加工性が不十分になることがある。この際、Alの添加が有効である。 By the way, in a high-temperature solder alloy, measures for preventing Ni diffusion and improving wettability are important issues, and naturally, being able to withstand high reflow temperatures is also an important issue. In addition, good workability is an indispensable issue for the practical application of solder materials. By adding Al, the workability of the solder is improved, and a solder material that is easier to use can be obtained. In other words, Al is particularly effective in the vicinity of the eutectic composition with Zn, which is due to the refinement of the crystal. Although the workability can be ensured to some extent even if Zn is added, the constraints imposed upon the production increase, and the workability may be insufficient in some cases. At this time, addition of Al is effective.
Alの添加によってはんだの加工性が向上する理由は、Bi−Zn−Snの3元系状態図、またはBi−Znの2元系状態図を見れば分かるように、Bi/Zn/Sn系合金には、Znの添加量を適宜調整することによって、Znリッチな相を発現させることができ、AlはこのZnリッチな相の加工性を変えることができるからである。また、AlはZnに固溶して加工性を向上させるとともに、共晶組成付近では結晶を微細化して加工性をさらに向上させることもできる。このため、Alの添加量はBi等への固溶量も加味し、Znに対し質量比で数分の1〜20分の1程度の添加が最適となり、これにより加工性を向上させることができる。 The reason why the workability of the solder is improved by the addition of Al is that the Bi / Zn / Sn alloy can be seen from the Bi-Zn-Sn ternary phase diagram or the Bi-Zn binary phase diagram. This is because a Zn-rich phase can be expressed by appropriately adjusting the amount of Zn added, and Al can change the workability of this Zn-rich phase. Further, Al can be dissolved in Zn to improve the workability, and the workability can be further improved by refining the crystal in the vicinity of the eutectic composition. For this reason, the addition amount of Al also takes into account the solid solution amount in Bi or the like, and the addition of about 1 to 1/20 of the mass ratio with respect to Zn is optimal, thereby improving workability. it can.
Alの添加によって得られる効果は、上記した濡れ性向上および加工性向上に留まることなく、さらに融点調整にも大きな効果を発揮する。つまり、Bi−Al状態図から分かるように、Alの融点上昇効果は非常に大きく、少量の添加で融点を上げることが可能である。 The effect obtained by the addition of Al is not limited to the above-described improvement in wettability and workability, and further exhibits a great effect in adjusting the melting point. That is, as can be seen from the Bi-Al phase diagram, the effect of increasing the melting point of Al is very large, and the melting point can be increased by adding a small amount.
このように、Alの添加は加工性、融点そして濡れ性の3つの特性を考慮しながら少量添加することになる。具体的なAlの添加量は0.02質量%以上が好ましく、その上限値は2.5質量%以下である。2.5質量%より多く添加すると、融点の高いAlが偏析してしまい、接合性を落とすなどの問題を生じてしまう。 As described above, Al is added in a small amount in consideration of three characteristics of workability, melting point and wettability. The specific addition amount of Al is preferably 0.02% by mass or more, and the upper limit is 2.5% by mass or less. If it is added more than 2.5% by mass, Al having a high melting point will segregate, resulting in problems such as deterioration of the bondability.
一方、下限値の0.02質量%は、AlとZnの共晶組成が重量比でAl=1に対しZn=20程度で、Zn添加量の下限値が0.4質量%程度あることに加え、要求される加工性を加味して実験を行って得られた数値である。0.02質量%未満では期待した加工性や融点上昇の効果は実質的にないことを確認している。なお、Alの添加量が0.02質量%以上2.5質量%以下であれば、はんだ合金全体に比べてさほど多くはないため、はんだに要求される他の特性に悪影響を及ぼすことはない。 On the other hand, the lower limit of 0.02% by mass is that the eutectic composition of Al and Zn is about Zn = 20 with respect to Al = 1 by weight ratio, and the lower limit of Zn addition amount is about 0.4% by mass. In addition, it is a numerical value obtained by conducting an experiment in consideration of required workability. It has been confirmed that if it is less than 0.02% by mass, the expected workability and the effect of increasing the melting point are substantially absent. If the addition amount of Al is 0.02% by mass or more and 2.5% by mass or less, it is not so much as compared with the whole solder alloy, and thus does not adversely affect other characteristics required for the solder. .
次に、本発明のコーティングされたPbフリーはんだ合金の製造方法を説明する。シート状、ワイヤー状またはボール状のはんだ合金を加工する場合は、まずはんだ母合金を作り、得られたはんだ母合金を、シート状、ワイヤー状またはボール状ごとに異なる加工装置にセットして加工する。その後、各形状に加工されたはんだ合金の表面にコーティングを施す。以下、この製造方法を各工程ごとに説明する。 Next, the manufacturing method of the coated Pb-free solder alloy of this invention is demonstrated. When processing sheet-like, wire-like or ball-like solder alloys, first make a solder mother alloy, and set the resulting solder mother alloy in different processing equipment for each sheet-like, wire-like or ball-like shape. To do. Thereafter, the surface of the solder alloy processed into each shape is coated. Hereafter, this manufacturing method is demonstrated for every process.
(はんだ母合金の製造)
まず、はんだ母合金の製造方法について説明する。母合金の製造方法はとくに限定されず、例えば、溶解法、連続鋳造法、還元拡散法、電解法などが挙げられる。このうち、高周波による電磁誘導作用を利用した高周波溶解法は、装置が小型であり、金属に電磁誘導による渦電流を発生させるため非常に短時間で金属を加熱溶解できるため好ましい。以下、高周波溶解法による金属試料の製造方法について説明する。
(Manufacture of solder mother alloy)
First, a method for producing a solder mother alloy will be described. The method for producing the mother alloy is not particularly limited, and examples thereof include a melting method, a continuous casting method, a reduction diffusion method, and an electrolytic method. Among these, the high frequency melting method using the electromagnetic induction action by high frequency is preferable because the apparatus is small and the metal can be heated and melted in a very short time because eddy current is generated in the metal by electromagnetic induction. Hereinafter, the manufacturing method of the metal sample by the high frequency melting method will be described.
まず原料金属を所定量秤量する。その際、各原料金属は適当な大きさに加工することが好ましい。原料金属が大きな塊状であると、とくに高融点金属が含まれる場合などにおいて、他の金属と溶融しづらくなって溶け残る可能性があるからである。秤量した各原料金属をグラファイト坩堝に投入し、さらに高周波溶解炉のコイル中にセットする。坩堝には溶融金属の酸化防止のため不活性ガスを流す。酸化しやすい金属の場合は還元性ガス、例えば水素を不活性ガスに10vol%以上混ぜた混合ガスを用いてもよい。ガス流量は原料1kg当たり0.7L/分以上流すことが好ましい。ガス流量が少なすぎると大気が混入し合金が酸化してしまい、多すぎるとコストアップになってしまう。 First, a predetermined amount of raw metal is weighed. In that case, it is preferable to process each raw metal into an appropriate size. This is because if the raw material metal is in a large lump shape, particularly when a high melting point metal is contained, it may be difficult to melt with other metals and remain undissolved. Each raw material metal weighed is put into a graphite crucible and further set in a coil of a high-frequency melting furnace. An inert gas is passed through the crucible to prevent oxidation of the molten metal. In the case of a metal that is easily oxidized, a reducing gas, for example, a mixed gas in which hydrogen is mixed with 10 vol% or more of an inert gas may be used. The gas flow rate is preferably 0.7 L / min or more per kg of the raw material. If the gas flow rate is too low, the atmosphere is mixed and the alloy is oxidized, and if it is too high, the cost increases.
次に合金投入量、各金属の融点を考慮に入れた適当な温度になるようにコイルに電流を流し加熱する。電流を流しすぎると温度が高くなりすぎて、蒸気圧の高い金属成分が蒸発して企図した組成からずれが生じるので好ましくない。一方、電流が少ないと高融点金属などが十分に溶融せず偏析してしまう。金属が溶融したことを確認したうえでガラス棒で溶融金属を攪拌する。十分に混ざったところで高周波電源を切り、速やかにグラファイト坩堝を取り出してその中の溶融金属を鋳型に流し込む。十分に冷却して金属が固まったことを確認した後、鋳型から取り出す。これにより、母合金のインゴットが得られる。 Next, the coil is heated by passing an electric current so as to obtain an appropriate temperature taking into account the amount of alloy input and the melting point of each metal. If an electric current is passed too much, the temperature becomes too high, and the metal component having a high vapor pressure evaporates and deviates from the intended composition, which is not preferable. On the other hand, when the current is small, the refractory metal or the like does not melt sufficiently and segregates. After confirming that the metal has melted, the molten metal is stirred with a glass rod. When sufficiently mixed, turn off the high-frequency power source, quickly take out the graphite crucible, and pour the molten metal in it into the mold. After sufficiently cooling and confirming that the metal has hardened, it is removed from the mold. Thereby, an ingot of a mother alloy is obtained.
(シート状はんだ合金の加工)
シート状のはんだ合金は、組成に適した条件で圧延機に数回通して所定の厚みに加工することによって得られる。具体的には、圧延機を用いて前述した方法で作製した例えば厚さ5mmの板状インゴットから0.10mmまで圧延することができる。その際、インゴットの送り速度が適切でないと、シートが反ったり厚みにバラツキがでたりしてしまうので、適宜速度を調整しながら圧延していく。その後、スリッター加工により所定の幅に裁断し、シート状のはんだ合金が出来上がる。
(Processing of sheet-like solder alloy)
The sheet-like solder alloy is obtained by processing it to a predetermined thickness by passing it through a rolling mill several times under conditions suitable for the composition. Specifically, for example, a plate-shaped ingot having a thickness of 5 mm produced by the above-described method using a rolling mill can be rolled to 0.10 mm. At that time, if the feeding speed of the ingot is not appropriate, the sheet warps or the thickness varies, so rolling is performed while adjusting the speed as appropriate. Thereafter, the sheet is cut into a predetermined width by slitting, and a sheet-like solder alloy is completed.
(ワイヤー状はんだ合金の加工)
ワイヤー状のはんだ合金は、はんだ母合金を押出機に用いて所定の径のワイヤーに加工することによって得られる。具体的には、あらかじめ押出機をはんだ組成に適した温度に加熱しておき、前述した母合金のインゴットをセットし、ワイヤー状に押し出していく。
(Processing of wire solder alloy)
A wire-like solder alloy is obtained by processing a solder mother alloy into a wire having a predetermined diameter using an extruder. Specifically, the extruder is heated in advance to a temperature suitable for the solder composition, the mother alloy ingot described above is set, and extruded into a wire shape.
押出機の出口から押し出されるワイヤー状のはんだ合金は、まだ熱く酸化が進行し易いため、押出機の出口は密閉構造にしてその内部に不活性ガスを流すことが好ましい。すなわち、押出機の出口では可能な限り酸素濃度を下げてはんだ合金の酸化が進まないようにするのが好ましい。この状態で油圧の圧力を上げていき、はんだ母合金をワイヤー状の形状に押し出していく。その際、ワイヤーの押出速度を調整してワイヤーの切断や変形が生じないようにし、同じ速度でワイヤーを巻き取る。 Since the wire-like solder alloy extruded from the exit of the extruder is still hot and easily oxidized, it is preferable to make the exit of the extruder have a sealed structure and allow an inert gas to flow inside. That is, it is preferable to reduce the oxygen concentration as much as possible at the outlet of the extruder so that the solder alloy does not oxidize. In this state, the hydraulic pressure is increased and the solder mother alloy is extruded into a wire shape. At that time, the wire extrusion speed is adjusted so that the wire is not cut or deformed, and the wire is wound at the same speed.
(ボール状はんだ合金の加工)
ボール状はんだ合金は、気中や液中でのアトマイズ法等によって略均一な粒径を有するボール状のはんだ合金を作製することができる。液中アトマイズ法は金属に合わせ液温を調整でき、高品質のボールを得やすく、とくに油は調整温度幅が広いため好ましい。金属を溶融させるためのヒーターには短時間で加熱溶融でき、スペースをとらない高周波溶解式のものがよい。
(Processing of ball-shaped solder alloy)
The ball-shaped solder alloy can be produced as a ball-shaped solder alloy having a substantially uniform particle size by an atomizing method in the air or in a liquid. The submerged atomization method can adjust the liquid temperature in accordance with the metal, and it is easy to obtain a high-quality ball. In particular, oil is preferable because the adjustment temperature range is wide. The heater for melting the metal is preferably a high-frequency melting type heater that can be heated and melted in a short time and does not take up space.
一方、気中アトマイズ法でもボール状はんだ合金を製造可能である。例えば、均一液滴噴霧法は、はんだ母合金のインゴットを還元雰囲気にした坩堝内で溶解して溶湯とし、溶湯に一定周波数の振動を与えながら不活性ガスを流した隣接するチャンバー内に勢いよく供給することによって、溶湯をボール状にする方法である。はんだ合金組成や粒径、製造量等に応じて、限定するものではないが、上記のような製造方法を適宜選択すればよい。 On the other hand, a ball-shaped solder alloy can be manufactured by an air atomization method. For example, in the uniform droplet spraying method, a solder mother alloy ingot is melted in a crucible in a reducing atmosphere to form a molten metal, and vigorously moves into an adjacent chamber in which an inert gas is flowed while applying a constant frequency vibration to the molten metal. It is a method of making molten metal into a ball shape by supplying it. Although it does not limit according to a solder alloy composition, a particle size, a manufacturing amount, etc., what is necessary is just to select the above manufacturing methods suitably.
このようにして得たシート状、ワイヤー状またはボール状のはんだ合金に対して、次にAg、Au、CuおよびNiのうちの少なくとも1元素からなるコーティング膜をコーティングする。コーティングの方法としては、メッキ法または蒸着法を挙げることができる。メッキ法は、シート状、ワイヤー状およびボール状のはんだ合金のいずれのコーティングにも使用することができるが、蒸着法はシート状およびワイヤー状のはんだ合金のコーティングにとくに適している。以下、メッキ法および蒸着法でコーティングされるはんだ合金として、それぞれシート状およびワイヤー状のはんだ合金を例にとって説明する。 The sheet-like, wire-like or ball-like solder alloy thus obtained is then coated with a coating film made of at least one element of Ag, Au, Cu and Ni. Examples of the coating method include a plating method and a vapor deposition method. The plating method can be used for coating any of sheet-like, wire-like and ball-like solder alloys, while the vapor deposition method is particularly suitable for coating sheet-like and wire-like solder alloys. Hereinafter, sheet-like and wire-like solder alloys will be described as examples of solder alloys to be coated by plating and vapor deposition.
(はんだ合金へのメッキ)
まず、作製したはんだ合金に均一かつ密着性よくメッキが施されるようにするため、前処理を行う。具体的には、上記加工法で得られたシート状のはんだ合金をエアーブローし、付着している異物を取り除く。次に、このはんだ合金を水洗し、さらに酸洗浄する。これらを必要に応じて数回繰り返してはんだ合金の表面をきれいに仕上げる。その後、速やかに乾燥して前処理を完了する。
(Plating to solder alloy)
First, pretreatment is performed so that the solder alloy thus produced is plated uniformly and with good adhesion. Specifically, the sheet-like solder alloy obtained by the above processing method is air blown to remove the adhered foreign matter. Next, this solder alloy is washed with water and further acid washed. These are repeated several times as necessary to finish the surface of the solder alloy cleanly. Thereafter, it is quickly dried to complete the pretreatment.
次に、上記前処理を終えたはんだ合金をシアン浴に浸してAg、Au、CuおよびNiのうちの少なくとも1つからなるストライクメッキを行い、さらにその上にAg、Au、CuおよびNiのうちの少なくとも1つからなるメッキを施す。メッキが施されたはんだ合金は、続いて付着した溶液を洗い流してから速やかに乾燥する。これによりコーティングされたはんだ合金が出来上がる。出来上がったはんだ合金は、酸化したり水分が付着したりしないように密閉性のある容器に保管する。 Next, the pre-treated solder alloy is immersed in a cyan bath to perform strike plating composed of at least one of Ag, Au, Cu and Ni, and further on Ag, Au, Cu and Ni. The plating which consists of at least 1 of these is given. The plated solder alloy is subsequently dried immediately after washing off the adhering solution. This produces a coated solder alloy. The finished solder alloy is stored in a hermetically sealed container so that it does not oxidize or adhere to moisture.
(はんだ合金への蒸着法)
はんだ合金に蒸着する方法としては、例えば、ガラス板等の支持材にコーティング対象となるはんだ合金を取り付け、この支持材を、はんだ合金を支持している面が下を向くように蒸着機内に設置して蒸着させる方法を挙げることができる。蒸着の際、はんだ合金の表面にコーティング膜を均一に蒸着させるため、コーティングされるはんだ合金は、取り付け部を除いて支持材から離間しているのが好ましい。蒸着用金属を飛ばす方法としては、電子ビーム法または抵抗加熱法のどちらであっても構わない。
(Vapor deposition method on solder alloy)
As a method of vapor deposition on the solder alloy, for example, a solder alloy to be coated is attached to a support material such as a glass plate, and this support material is installed in the vapor deposition machine so that the surface supporting the solder alloy faces downward. And vapor deposition. In order to deposit the coating film uniformly on the surface of the solder alloy during the deposition, it is preferable that the solder alloy to be coated is separated from the support material except for the attachment portion. As a method for skipping the metal for vapor deposition, either an electron beam method or a resistance heating method may be used.
例えば、電子ビーム法の場合は、アルミナ製の皿(ハースライナー)に蒸着用金属を載せ、所定の位置にセットする。蒸着機の釜を閉じて粗引き用のローターリーポンプで絶対圧力で10Pa以下まで真空引きした後、ターボ分子ポンプに切り替えて高真空まで真空引きする。ここで良好な真空引きができずに大気が残っていると、金属が酸化して高純度の金属膜を形成できなくなる。したがって、少なくとも1.0×10−3Pa以下まで真空度を上げるのが望ましい。次に膜厚計の電源を入れる。コーティング膜が均一に形成されるように、支持材が取り付けられているステージを回転させる。電子ビームのスイッチを入れ、ガラス窓から蒸着用金属の加熱具合を観察するとともに膜厚計で膜厚形成速度を監視しながら電流を少しずつ上げていく。 For example, in the case of the electron beam method, a metal for vapor deposition is placed on an alumina dish (hearth liner) and set at a predetermined position. The vapor deposition machine is closed and vacuumed to 10 Pa or less with an absolute pressure by a rotary pump for roughing, then switched to a turbo molecular pump and vacuumed to a high vacuum. Here, if the air cannot be vacuumed well and the atmosphere remains, the metal is oxidized and a high-purity metal film cannot be formed. Therefore, it is desirable to raise the degree of vacuum to at least 1.0 × 10 −3 Pa or less. Next, turn on the film thickness meter. The stage to which the support material is attached is rotated so that the coating film is uniformly formed. Switch on the electron beam, observe the heating condition of the deposition metal from the glass window, and gradually increase the current while monitoring the film formation rate with a film thickness meter.
蒸着速度は5(Å/秒)以上、50(Å/秒)未満が好ましい。5(Å/秒)未満ではコーティングに時間がかかるとともに膜の酸素濃度が高くなる傾向がある。50(Å/秒)以上では蒸着速度が速すぎて膜が不均一になってしまう。所定の膜厚に達した時点で電子ビーム電源のスイッチを切る。ターボ分子ポンプを停止し、蒸着機内に不活性ガスを導入する。蒸着機内の圧力が大気圧に達したことを確認した後、コーティングされたはんだ合金を取り出す。これによりコーティングされたはんだ合金が出来上がる。 The deposition rate is preferably 5 (Å / sec) or more and less than 50 (Å / sec). If it is less than 5 (Å / sec), it takes time for coating and the oxygen concentration of the film tends to increase. If it is 50 (Å / sec) or more, the deposition rate is too high and the film becomes non-uniform. When the predetermined film thickness is reached, the electron beam power supply is turned off. The turbo molecular pump is stopped and an inert gas is introduced into the vapor deposition machine. After confirming that the pressure in the vapor deposition machine has reached atmospheric pressure, the coated solder alloy is taken out. This produces a coated solder alloy.
以上説明した本発明のコーティングされたPbフリーはんだ合金を、電子部品と基板との接合に使用することによって、良好な濡れ性が得られるので、ヒートサイクルが繰り返される環境などの過酷な条件下で使用される場合であっても、耐久性のある信頼性の高い電子基板を提供することができる。よって、この電子基板を、例えば、サイリスタやインバータなどのパワー半導体装置、自動車などに搭載される各種制御装置、太陽電池などの過酷な条件下で使用される装置に搭載することによって、それら各種装置の信頼性をより一層高めることができる。 Since the coated Pb-free solder alloy of the present invention described above is used for joining an electronic component and a substrate, good wettability can be obtained. Therefore, under severe conditions such as an environment in which a heat cycle is repeated. Even when used, a durable and highly reliable electronic substrate can be provided. Therefore, by mounting this electronic board on, for example, power semiconductor devices such as thyristors and inverters, various control devices mounted on automobiles, devices used under harsh conditions such as solar cells, these various devices Can be further improved in reliability.
以下、実施例により本発明のコーティングされたPbフリーはんだ合金に関してより具体的に説明するが、本発明はこの実施例によって何ら制限されるものではない。 Hereinafter, the coated Pb-free solder alloy of the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to the examples.
[実施例1]
(はんだ母合金の製造)
まず、はんだ母合金を以下に示す高周波溶解法で製造した。Snを僅かに含んだBi/4%Zn(「%」表記は質量%を表しており、「%」表記がないものは残部を意味する。以下同様。)のはんだ組成を狙い、原料としてそれぞれ純度99.9質量%以上のBi、ZnおよびSnを準備した。これらを所定量秤量し、グラファイト坩堝に投入した後、高周波溶解炉のコイル中にセットした。グラファイト坩堝には溶融金属の酸化防止のため、水素を不活性ガスに10vol%以上混ぜた混合ガスを用いた。この混合ガスを原料1kg当たり0.8L/分の流量で供給した。
[Example 1]
(Manufacture of solder mother alloy)
First, a solder mother alloy was manufactured by the high frequency melting method shown below. Bi / 4% Zn containing slightly Sn (“%” represents mass%, “%” means the remainder, the same shall apply hereinafter), aiming at the solder composition, Bi, Zn and Sn having a purity of 99.9% by mass or more were prepared. A predetermined amount of these were weighed and put into a graphite crucible, and then set in a coil of a high-frequency melting furnace. For the graphite crucible, a mixed gas in which 10 vol% or more of hydrogen was mixed with an inert gas was used to prevent oxidation of the molten metal. This mixed gas was supplied at a flow rate of 0.8 L / min per kg of the raw material.
次に合金投入量および各金属の融点を考慮した適当な温度になるようにコイルに電流を流して加熱した。金属が溶融したことを確認してからガラス棒で溶融金属を攪拌した。十分に混ざったところで高周波電源を切り、速やかにグラファイト坩堝を取り出して、グラファイト坩堝内の溶融金属を鋳型に流し込んだ。十分に冷却した後、金属が固まったことを確認してから鋳型から取り出した。 Next, the coil was heated by passing an electric current so as to obtain an appropriate temperature in consideration of the amount of alloy input and the melting point of each metal. After confirming that the metal was melted, the molten metal was stirred with a glass rod. When sufficiently mixed, the high frequency power supply was turned off, the graphite crucible was quickly taken out, and the molten metal in the graphite crucible was poured into the mold. After sufficiently cooling, it was taken out from the mold after confirming that the metal had hardened.
このようにして厚さ5mmの板状インゴットである試料1のはんだ母合金を作製した。さらに試料1と同様にして試料2〜33のはんだ母合金を作製した。これら試料1〜33のはんだ母合金の組成をICP発光分光分析器(SHIMAZU S−8100)を用いて分析した。 Thus, the solder mother alloy of Sample 1 which is a plate-like ingot having a thickness of 5 mm was produced. Further, in the same manner as Sample 1, solder mother alloys of Samples 2 to 33 were produced. The compositions of the solder mother alloys of Samples 1 to 33 were analyzed using an ICP emission spectroscopic analyzer (SHIMAZU S-8100).
(シート状加工またはワイヤー状加工)
次に、上記表1の試料1〜33のはんだ母合金のうち、試料1〜9および17〜25についてはシート状に加工した。具体的には、上記にて作製した厚さ5mmの板状インゴットから、圧延機を用いて厚さ0.10mmまで圧延した。その際、インゴットの送り速度を調整しながら圧延した。その後、スリッター加工により25mm幅に裁断した。
(Sheet processing or wire processing)
Next, among the solder mother alloys of Samples 1 to 33 in Table 1 above, Samples 1 to 9 and 17 to 25 were processed into sheets. Specifically, the plate-shaped ingot having a thickness of 5 mm produced above was rolled to a thickness of 0.10 mm using a rolling mill. At that time, rolling was performed while adjusting the feeding speed of the ingot. Then, it cut | judged to 25 mm width by the slitter process.
一方、試料10〜16および26〜33のはんだ母合金については、押出機にセットして外径0.80mmのワイヤー状に加工した。具体的には、あらかじめ押出機をはんだ組成に適した温度に加熱しておき、母合金のインゴットをセットした。押出機の出口は密閉構造にしてその内部に不活性ガスを流し、酸化が進まないように可能な限り酸素濃度を下げた。この状態で油圧を用いて圧力をかけてはんだ母合金をワイヤー形状に押し出していった。その際、ワイヤーが切れたり変形しないように、ワイヤーの押出速度と巻き取り速度とを調整しながら巻き取った。 On the other hand, the solder mother alloys of Samples 10 to 16 and 26 to 33 were set in an extruder and processed into a wire shape having an outer diameter of 0.80 mm. Specifically, the extruder was heated in advance to a temperature suitable for the solder composition, and a master alloy ingot was set. The exit of the extruder was sealed, and an inert gas was allowed to flow through it, and the oxygen concentration was lowered as much as possible to prevent oxidation. In this state, the solder mother alloy was extruded into a wire shape by applying pressure using hydraulic pressure. At that time, the wire was wound while adjusting the extrusion speed and the winding speed so that the wire was not cut or deformed.
(メッキまたは蒸着によるコーティング)
次に、シート状に加工した試料1〜9および17〜25のはんだ合金に対して、それぞれメッキ法で様々な厚みのコーティング膜を表面に施した。具体的には、まず前処理として、各シート状のはんだ合金をエアーブローし、はんだ合金の表面に付着していた異物を取り除いた。次に、水洗および酸洗浄を数回繰り返した。その後、速やかに乾燥して前処理を完了した。
(Coating by plating or vapor deposition)
Next, coating films of various thicknesses were applied to the surfaces of the solder alloys of Samples 1 to 9 and 17 to 25 processed into a sheet by a plating method, respectively. Specifically, first, as a pretreatment, each sheet-like solder alloy was air blown to remove foreign substances adhering to the surface of the solder alloy. Next, water washing and acid washing were repeated several times. Then, it dried quickly and completed the pretreatment.
次に、前処理を終えたシート状のはんだ合金をシアン浴に浸し、Ag、Au、Cu、またはNiのいずれかでストライクメッキを行った。さらに、その上にストライクメッキで使用した金属と同じ種類の金属でメッキを施した。メッキ後は、シートに付着している溶液を洗い流し、速やかに乾燥した。出来上がったシート状のはんだ合金は、酸化や水分の付着が起きないように、密閉性のある容器に保管した。 Next, the pre-processed sheet-like solder alloy was immersed in a cyan bath and subjected to strike plating with any of Ag, Au, Cu, or Ni. Furthermore, it was plated with the same type of metal as used for strike plating. After plating, the solution adhering to the sheet was washed away and dried quickly. The finished sheet-like solder alloy was stored in a hermetically sealed container so that oxidation and adhesion of moisture did not occur.
一方、ワイヤー状に加工した試料10〜16および26〜33のはんだ合金には、それぞれ蒸着法で様々な厚みのコーティング膜を表面に施した。具体的には、まず、ワイヤー状に加工された各試料を貼り付けて蒸着するためのガラス板を用意し、その片面側に、ワイヤー状に加工された各試料の両端部をそれぞれ支持するための高さ10mm程度の支持台を2つ設けた。ワイヤー状に加工された各試料を所定の長さに切断し、その両端部をそれぞれ上記2つの支持台に貼り付けた。尚、試料や装置が汚染されないように、作業時は保護手袋、保護マスク等を着用し、試料はピンセットで取り扱った。 On the other hand, coating films of various thicknesses were applied to the surfaces of the solder alloys of Samples 10 to 16 and 26 to 33 processed into a wire shape, respectively, by vapor deposition. Specifically, first, to prepare a glass plate for attaching and vapor-depositing each sample processed into a wire shape, and to support both ends of each sample processed into a wire shape on one side thereof, respectively. Two support stands having a height of about 10 mm were provided. Each sample processed into a wire shape was cut into a predetermined length, and both end portions thereof were attached to the two support tables. In order to prevent contamination of the sample and the apparatus, protective gloves and a protective mask were worn during the work, and the sample was handled with tweezers.
このガラス板を、電子ビーム法による蒸着が可能な蒸着機内に、各試料を支持している面が下を向くようにセットした。さらに、アルミナ製の皿(ハースライナー)に蒸着用金属としてAg、Au、Cu、またはNiを載せ、これを所定の位置にセットした。蒸着機の釜を閉じてローターリーポンプで粗引きを行った後、さらにターボ分子ポンプに切り替えて高真空まで真空引きした。コーティング膜が均一に形成されるように、ガラス板をセットしているステージは回転させた。 This glass plate was set in a vapor deposition machine capable of vapor deposition by the electron beam method so that the surface supporting each sample faced downward. Furthermore, Ag, Au, Cu, or Ni was placed as a metal for vapor deposition on an alumina dish (hearth liner), and this was set at a predetermined position. After the vapor deposition machine was closed and roughing was performed with a rotary pump, it was further switched to a turbo molecular pump and evacuated to a high vacuum. The stage on which the glass plate was set was rotated so that the coating film was uniformly formed.
この状態で電子ビームのスイッチを入れ、ガラス窓から蒸着金属の加熱具合を観察するとともに膜厚計の膜厚形成速度を監視しながら電流を少しずつ上げていった。約10(Å/秒)の速度で所定の膜厚まで金属膜を蒸着させていった。所定の膜厚に達したところで電子ビーム電源のスイッチを切った。ターボ分子ポンプを停止させ、蒸着機内に不活性ガスを入れて大気圧に達した後、試料を取り出した。 In this state, the electron beam was turned on, and the current was gradually increased while observing the heating condition of the deposited metal from the glass window and monitoring the film forming speed of the film thickness meter. A metal film was deposited to a predetermined film thickness at a speed of about 10 (の / sec). When the predetermined film thickness was reached, the electron beam power supply was turned off. The turbo molecular pump was stopped, an inert gas was put in the vapor deposition machine and the atmospheric pressure was reached, and then the sample was taken out.
上記の方法で設けられたコーティング膜の膜厚を、EPMAライン分析により測定した。具体的に説明すると、コーティングされたはんだ合金を各々樹脂に埋め込み、研磨機を用い粗い研磨紙から順に細かいものを用い、最後にバフ研磨を行った。その後、EPMA(装置名:SHIMADZU EPMA−1600)を用いてライン分析を行い、コーティング膜の膜厚を測定した。膜厚は任意に3箇所、膜厚が薄いものに関しては5箇所測定し、平均値を採用した。このようにして測定した各試料のコーティング膜の膜厚を、コーティング膜の材質、はんだ合金の形状および組成と共に下記の表1に示す。 The film thickness of the coating film provided by the above method was measured by EPMA line analysis. More specifically, each coated solder alloy was embedded in a resin, and finer ones were used in order from coarse abrasive paper using a grinder, and finally buffed. Thereafter, line analysis was performed using EPMA (device name: SHIMADZU EPMA-1600) to measure the film thickness of the coating film. The film thickness was arbitrarily measured at three places, and the thin film thickness was measured at five places, and an average value was adopted. The film thickness of the coating film of each sample thus measured is shown in Table 1 below together with the material of the coating film, the shape and composition of the solder alloy.
次に、上記表1に示す試料1〜33のコーティングされたはんだ合金に対して、それぞれ下記に示す濡れ性評価(接合性評価)、ヒートサイクル試験、および大気中耐熱試験を行った。 Next, the wettability evaluation (bondability evaluation), the heat cycle test, and the heat resistance test in air were performed on the coated solder alloys of Samples 1 to 33 shown in Table 1 above.
<濡れ性評価(接合性評価)>
Cu基板(板厚:約0.80mm)にNiメッキ(膜厚:約1.2μm)したものと各コーティングされたはんだ合金を準備した。濡れ性試験(装置名:雰囲気制御式濡れ性試験機)において、試験対象を載せて加熱するヒーター部分に2重のカバーをしてヒーター部周囲4箇所から窒素を流した(窒素流量:各12L/分)。ヒーター温度を330℃に設定し温度が安定するまで保持した。
<Wettability evaluation (bondability evaluation)>
A Cu substrate (plate thickness: about 0.80 mm) plated with Ni (film thickness: about 1.2 μm) and each coated solder alloy were prepared. In the wettability test (device name: atmosphere control type wettability tester), a double cover was placed on the heater part to be heated by placing the test object, and nitrogen was flowed from four locations around the heater part (nitrogen flow rate: 12 L each / Min). The heater temperature was set to 330 ° C. and held until the temperature stabilized.
温度が安定した後、NiメッキしたCu基板を載せて25秒加熱し、その後、各コーティングされたはんだ合金をCu基板の上に載せ、25秒加熱する。加熱が終了した後、ヒーター部分の横の窒素フローによる窒素雰囲気が保たれている箇所にCu基板をずらして冷却した。十分に冷却した後、Cu基板を大気中に取り出した。接合できなかった場合を「×」、接合できたが濡れ広がりが悪かった場合を「△」、接合でき濡れ広がった場合を「○」と評価した。 After the temperature is stabilized, a Ni-plated Cu substrate is placed and heated for 25 seconds, and then each coated solder alloy is placed on the Cu substrate and heated for 25 seconds. After the heating was completed, the Cu substrate was shifted to the place where the nitrogen atmosphere by the nitrogen flow beside the heater part was maintained and cooled. After sufficiently cooling, the Cu substrate was taken out into the atmosphere. The case where bonding was not possible was evaluated as “×”, the case where bonding was possible but the wet spread was bad was evaluated as “Δ”, and the case where bonding was possible and wet spread was evaluated as “◯”.
<ヒートサイクル試験>
上記濡れ性評価に使用したはんだが接合されたCu基板を用いて以下のヒートサイクル試験を行った。すなわち、はんだが接合された各Cu基板を−40℃の冷却と135℃の加熱を1サイクルとして、これを200、400、600回繰り返した。その後、上記した膜厚測定時と同様にはんだが接合された各Cu基板を樹脂に埋め込み、断面研磨を行い、SEM(装置名:HITACHI S−4800)により接合面の観察を行った。接合面にはがれが生じていたり、あるいははんだにクラックが入っていた場合を「不良」、そのような「不良」がなく、初期状態と同様の接合面を保っていた場合を「良」とした。
<Heat cycle test>
The following heat cycle test was performed using the Cu substrate to which the solder used for the wettability evaluation was bonded. That is, each of the Cu substrates to which the solder was joined was subjected to 200, 400, and 600 times, with -40 ° C. cooling and 135 ° C. heating as one cycle. Thereafter, each Cu substrate to which the solder was bonded was embedded in the resin in the same manner as in the film thickness measurement described above, cross-section polishing was performed, and the bonding surface was observed by SEM (device name: HITACHI S-4800). The case where the joint surface is peeled or the solder is cracked is judged as “bad”, and the case where there is no such “bad” and the same joint surface as the initial state is kept as “good”. .
<大気中耐熱試験>
濡れ性評価ではんだを基板に接合した試料に対して、オーブンを用いて大気雰囲気中で160℃、100、300、500時間の耐熱試験を行った。所定時間経過後、試料を取り出して冷却した。その後、試料を樹脂に埋め込み、断面研磨を行い、SEM(装置名:HITACHI S−4800)により接合面の観察を行った。接合面にはがれが生じていたり、はんだにクラックが入っていた場合を「×」、そのような不良がなく、初期状態と同様の接合面を保っていた場合を「○」とした。
<Atmospheric heat resistance test>
A heat resistance test at 160 ° C., 100, 300, and 500 hours was performed in an air atmosphere using an oven on a sample in which solder was bonded to a substrate in wettability evaluation. After a predetermined time, the sample was taken out and cooled. Then, the sample was embedded in resin, cross-section polishing was performed, and the bonding surface was observed by SEM (device name: HITACHI S-4800). The case where the joint surface was peeled off or the solder was cracked was indicated as “X”, and the case where there was no such defect and the same joint surface as in the initial state was maintained as “◯”.
これら濡れ性評価(接合性評価)、ヒートサイクル試験、および大気中耐熱試験の結果を下記の表2に示す。 The results of the wettability evaluation (bondability evaluation), the heat cycle test, and the heat resistance test in air are shown in Table 2 below.
上記表2の結果より、試料1〜16のコーティングされたはんだ合金は全ての評価項目において優れた特性を示していることが分かる。一方、コーティング膜厚に関して本発明の要件から外れる試料17〜33のコーティングされたはんだ合金ではいずれかの評価項目において好ましくない結果となった。 From the results of Table 2 above, it can be seen that the coated solder alloys of Samples 1 to 16 exhibit excellent characteristics in all evaluation items. On the other hand, the coated solder alloys of Samples 17 to 33 that deviate from the requirements of the present invention with respect to the coating thickness resulted in undesirable results in any of the evaluation items.
[実施例2]
原料に純度99.9質量%以上のAlおよびPを追加し、原料の混合比率を変えた以外は上記実施例1と同様にして試料34〜43のはんだ母合金を作製した。これら試料34〜43のはんだ母合金に対して、実施例1と同様にして組成分析およびコーティング膜の膜厚測定を行った。その結果を下記の表3に示す。
[Example 2]
Solder mother alloys of Samples 34 to 43 were produced in the same manner as in Example 1 except that Al and P having a purity of 99.9% by mass or more were added to the raw materials and the mixing ratio of the raw materials was changed. Composition analysis and coating film thickness measurement were performed on the solder mother alloys of Samples 34 to 43 in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 3 below.
上記表3の試料34〜43のコーティングされたはんだ合金に対して、実施例1と同様に濡れ性評価(接合性評価)、ヒートサイクル試験、および大気中耐熱試験を行った。その結果を下記の表4に示す。 The coated solder alloys of Samples 34 to 43 in Table 3 were subjected to wettability evaluation (bondability evaluation), heat cycle test, and atmospheric heat resistance test in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 4 below.
上記表4の結果より、試料34〜40のコーティングされたはんだ合金は全ての評価項目において優れた特性を示していることが分かる。一方、Biの含有率に関して本発明の要件から外れる試料41〜43のコーティングされたはんだ合金ではいずれかの評価項目において好ましくない結果となった。 From the results of Table 4 above, it can be seen that the coated solder alloys of Samples 34 to 40 show excellent characteristics in all evaluation items. On the other hand, the coated solder alloys of Samples 41 to 43 that deviate from the requirements of the present invention with respect to the Bi content resulted in undesirable results in any of the evaluation items.
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010061346A JP2011194410A (en) | 2010-03-17 | 2010-03-17 | COATED Pb-FREE Bi-BASED SOLDER ALLOY AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010061346A JP2011194410A (en) | 2010-03-17 | 2010-03-17 | COATED Pb-FREE Bi-BASED SOLDER ALLOY AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2011194410A true JP2011194410A (en) | 2011-10-06 |
Family
ID=44873276
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2010061346A Pending JP2011194410A (en) | 2010-03-17 | 2010-03-17 | COATED Pb-FREE Bi-BASED SOLDER ALLOY AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2011194410A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102699562A (en) * | 2012-06-11 | 2012-10-03 | 太原理工大学 | Aluminum low-temperature soft solder and manufacturing method thereof |
Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH08164495A (en) * | 1994-10-11 | 1996-06-25 | Hitachi Ltd | Leadless solder for connecting organic substrate, and mounted substrate using it |
JPH08164496A (en) * | 1994-10-11 | 1996-06-25 | Hitachi Ltd | Sn-zn solder, sn-zn-bi solder, method for surface treatment of same, and mounted substrate using it |
JPH08323495A (en) * | 1995-03-31 | 1996-12-10 | Hitachi Ltd | Lead-free solder and packaging component using it |
JP2001353590A (en) * | 2000-06-12 | 2001-12-25 | Murata Mfg Co Ltd | Composition of solder and soldered article |
JP2005161397A (en) * | 2004-06-30 | 2005-06-23 | Kiyohito Ishida | Solder and its manufacturing method |
JP2006310507A (en) * | 2005-04-28 | 2006-11-09 | Hitachi Ltd | Semiconductor device |
JP2007181880A (en) * | 2006-12-19 | 2007-07-19 | Murata Mfg Co Ltd | Solder, soldering structure, and hole-through ceramic capacitor |
JP2008072006A (en) * | 2006-09-15 | 2008-03-27 | Toyota Central R&D Labs Inc | Joined body |
-
2010
- 2010-03-17 JP JP2010061346A patent/JP2011194410A/en active Pending
Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH08164495A (en) * | 1994-10-11 | 1996-06-25 | Hitachi Ltd | Leadless solder for connecting organic substrate, and mounted substrate using it |
JPH08164496A (en) * | 1994-10-11 | 1996-06-25 | Hitachi Ltd | Sn-zn solder, sn-zn-bi solder, method for surface treatment of same, and mounted substrate using it |
JPH08323495A (en) * | 1995-03-31 | 1996-12-10 | Hitachi Ltd | Lead-free solder and packaging component using it |
JP2001353590A (en) * | 2000-06-12 | 2001-12-25 | Murata Mfg Co Ltd | Composition of solder and soldered article |
JP2005161397A (en) * | 2004-06-30 | 2005-06-23 | Kiyohito Ishida | Solder and its manufacturing method |
JP2006310507A (en) * | 2005-04-28 | 2006-11-09 | Hitachi Ltd | Semiconductor device |
JP2008072006A (en) * | 2006-09-15 | 2008-03-27 | Toyota Central R&D Labs Inc | Joined body |
JP2007181880A (en) * | 2006-12-19 | 2007-07-19 | Murata Mfg Co Ltd | Solder, soldering structure, and hole-through ceramic capacitor |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102699562A (en) * | 2012-06-11 | 2012-10-03 | 太原理工大学 | Aluminum low-temperature soft solder and manufacturing method thereof |
CN102699562B (en) * | 2012-06-11 | 2015-02-25 | 太原理工大学 | Aluminum low-temperature soft solder and manufacturing method thereof |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
TW201418477A (en) | Solder alloy | |
JP4807465B1 (en) | Pb-free solder alloy | |
TW201522667A (en) | Au-sn-ag series solder alloy, electronic component sealed using same au-sn-ag series solder alloy, and electronic component-equipped device | |
WO2012077415A1 (en) | Pb-FREE SOLDER ALLOY HAVING Zn AS MAIN COMPONENT | |
JP5962461B2 (en) | Au-Ge-Sn solder alloy | |
JP5212573B2 (en) | Bi-Al-Zn Pb-free solder alloy | |
US20160234945A1 (en) | Bi-BASED SOLDER ALLOY, METHOD OF BONDING ELECTRONIC COMPONENT USING THE SAME, AND ELECTRONIC COMPONENT-MOUNTED BOARD | |
JP5828618B2 (en) | Pb-free Zn solder alloy with coating film and method for producing the same | |
JP5672132B2 (en) | Pb-free solder alloy mainly composed of Zn and method for producing the same | |
JP2012066270A (en) | Pb-FREE SOLDER ALLOY | |
JP2011194410A (en) | COATED Pb-FREE Bi-BASED SOLDER ALLOY AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME | |
JP2014093425A (en) | ELECTRONIC COMPONENT HAVING JUNCTION WITH SOLDER ALLOY MAINLY COMPOSED OF Zn | |
JP5979083B2 (en) | Pb-free Au-Ge-Sn solder alloy | |
JP5526997B2 (en) | Electronic component and substrate for Bi-based solder bonding and electronic component mounting substrate | |
JP2013123741A (en) | Pb-free solder alloy having excellent plastic deformation property | |
JP2011161495A (en) | Pb-FREE SOLDER ALLOY | |
JP5652001B2 (en) | Pb-free solder alloy based on Zn | |
JP2016068123A (en) | Au-Sn-Ag-BASED SOLDER ALLOY, SEALED OR JOINED ELECTRONIC EQUIPMENT USING THE SAME AND ELECTRONIC DEVICE MOUNTING THE ELECTRONIC EQUIPMENT | |
JP2017035708A (en) | Sb-Cu SOLDER ALLOY CONTAINING NO Pb | |
JP2016016453A (en) | Au-Ge-Sn-based solder alloy | |
JP5655714B2 (en) | Semiconductor device using Bi solder | |
JP5861526B2 (en) | Ge-Al solder alloy not containing Pb | |
JP2014024109A (en) | Bi-Sb-BASED Pb-FREE SOLDER ALLOY | |
Wang et al. | Preparation of Sn—Ag—In ternary solder bumps by electroplating in sequence and reliability | |
JP6128062B2 (en) | Au-Ge-Sn solder alloy |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20121122 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20131030 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20131112 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20140114 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20140212 |