JP2014065065A - 無鉛はんだ合金、ソルダーペースト組成物及びプリント配線板 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】3重量%以上5重量%以下のBiと、1重量%以上3重量%以下のInと、0.3重量%以上1重量%以下のCuと、2.5重量%以上4.5重量%以下のAgとを含み、残部がSnと不可避不純物とからなることを特徴とする無鉛はんだ合金。
【選択図】なし
Description
またInを含むはんだ合金をソルダーペースト組成物に用いる場合、リフロー時のソルダーボールの発生やはんだ未融解が起こり易くなり、電子部品と基板の接合不良といったオープン不良やショートを引き起こす虞がある。特に近年では車載用基板においても実装部品の小型化、高密度化が進んでおり、これに伴いソルダーペースト組成物による印刷パターンも微細化している。しかし、印刷パターンが微細化すればソルダーペーストの未融解率は高くなる。
このように、特に高信頼性が要求される車載用基板においては、ソルダーボールの発生やはんだの未融解は回避すべき問題の1つとなっている。
更には、Inを多く含有するはんだ合金を用いて形成するはんだ接合部は、低温下でも相変態及び体積変化が起こり易くなる。そのため、このようなはんだ接合部は変形し易くなり、長時間の使用により強度及び耐熱衝撃性が低下する虞がある。
特に、本発明の無鉛はんだ合金は、150℃といった高熱下における引張強さに優れている。そのため、−40℃から125℃の冷熱サイクル下で発生する熱膨張及び収縮といった熱応力にも耐えることができる、優れた熱衝撃性を有するはんだ接合部を提供することができる。
更に本発明の無鉛はんだ合金は上記組成からなることにより、これを用いて形成するはんだ接合部の高温環境下でのγ−SnInへの変態量を少なくし、はんだ接合部の自己変形をより抑制することができる。
更に、無鉛はんだ合金のAgの含有量を3重量%以上4重量%以下とした場合、その延伸性を更に向上することができる。
更に、無鉛はんだ合金のCuの含有量を0.5重量%以上0.7重量%以下とした場合、その耐熱衝撃性を更に向上することができる。
更に、無鉛はんだ合金のBiの含有量を3重量%以上4重量%以下とした場合、その延伸性と耐熱衝撃性を更に向上することができる。
更に、無鉛はんだ合金のInの含有量を2重量%以上2.5重量%以下とした場合、ソルダーボールの発生率を抑制すると共に、その機械的特性を更に向上することができる。
特に本発明に用いられるフラックス組成物としては、樹脂成分として無水マレイン酸骨格を構造に含む水添ロジンを含み、更に活性剤として炭素数が5〜20の有機酸と炭素数が3以下の有機酸を併用したものがより好ましく用いられる。
以下の組成を混練し、フラックス組成物を得た。
無水マレイン酸骨格を構造に含む水添ロジン 50重量%
硬化ヒマシ油(ケイエフ・トレーディング(株))
5重量%
アジピン酸(関東電化工業(株)製) 3重量%
マロン酸(十全化学(株)製) 0.2重量%
ジフェニルグアニジン臭化水素酸塩 1重量%
ジエチレングリコールモノヘキシルエーテル 40.8重量%
(イ)上記アで得られた付加反応生成物500gと5%パラジウムカーボン(含水率50%)6.0gとを1リットル回転式オートクレーブに仕込んで系内の酸素を除去し、水素を用いて系内を100MPaに加圧して220℃まで昇温させた。その後、220℃の温度で水素化反応を3時間行い、無水マレイン酸骨格を構造に含む水添ロジンを得た。尚、本実施例においては、得た無水マレイン酸骨格を構造に含む水添ロジンを更に以下の条件で精製する。
(ウ)無水マレイン酸骨格を構造に含む水添ロジン400gとキシレン200gとを反応容器に仕込みこれを加熱して溶解させた。その後、溶解物からキシレン150gを留去した。次に、シクロヘキサン150gを反応容器に加え、これを室温まで冷却した後に、結晶の収量が約40gに達したところでその上澄み液を別の反応容器に移動させ、室温下で再結晶させた。その後、更にこれの上澄み液を除去し、シクロヘキサン20gで洗浄した後、このシクロヘキサンを留去した。
表1に記載の組成となるように、本発明に係る各はんだ合金を調整した。
更にこの各はんだ合金89重量%と、上記フラックス組成物11重量%とを混合し、本発明に係るソルダーペースト組成物を作製した。尚、表1に記載の数値の単位は、特に断り書きがない限り重量%である。
表2に記載の組成となるように、比較例となる各はんだ合金を調整した。
更にこの各はんだ合金89重量%と、上記フラックス組成物11重量%とを混合し、比較例となるソルダーペースト組成物を作製した。尚、表2に記載の数値の単位は、特に断り書きがない限り重量%である。
各はんだ合金について、示差走査熱量測定装置(製品名:EXSTAR DSC6200、セイコーインスツル(株)製)を用いて固相線温度と液相線温度を測定した。尚、測定条件は、昇温速度を常温〜150℃までは10℃/min、150℃〜250℃までは2℃/minとし、サンプル量と10mgとした。
各ソルダーペースト組成物について、JIS規格Z3284附属書11で定める条件に準じて各試験片を作製及びソルダーボール試験を実施し、試験後の各試験片の外観全体について以下の通り評価した。尚、作製した各試験片は180℃のホットプレートを用いて60秒間プリヒート処理した後に270℃のソルダバスにて溶融させた。
◎ 溶融したはんだが1つの大きな球となり、その周囲にはソルダーボールが発生していない。
○ 溶融したはんだが1つの大きな球となり、その周囲に発生した直径75μm以下のソルダーボールは3つ以下である。
△ 溶融したはんだが1つの大きな球となり、その周囲に発生した直径75μm以下のソルダーボールは3つ以上であるが、半連続の環状には並んでいない。
× 溶融したはんだが1つの大きな球となり、その周囲に多数の細かい球が半連続の環状に並んでいる。
各はんだ合金について、JIS規格Z2241で定める条件に準じて各試験片を作製及び伸び率を測定し、これについて以下の通り評価した。尚、各試験片のサイズはJIS4号とした。
○ 30%超50%以下
△ 10%超30%以下
× 10%以下
各はんだ合金について、JIS規格Z2241で定める条件に準じて各試験片を作製及び引張強さを測定し、これについて以下の通り評価した。尚、引張強さは常温下と150℃下とそれぞれの温度条件下で測定した。
〔室温〕
◎ 70Mpa超
〇 60Mpa超70Mpa以下
△ 50Mpa超60Mpa以下
× 50Mpa以下
〔150℃〕
◎ 20Mpa超
〇 18Mpa超20Mpa以下
△ 16Mpa超18Mpa以下
× 16Mpa以下
FR−4ガラスエポキシ基板:サイズ 100mm×80mm×1.6mm
はんだ付けパターン:面積 1.6mm×0.5mm
チップ抵抗部品: サイズ 3.2mm×1.6mm×0.6mm
上記ガラスエポキシ基板上に設けたはんだ付けパターン上に、各ソルダーペースト組成物を用いて上記チップ抵抗部品をはんだ付けすることにより、はんだ接合部を有する各プリント配線板を作製した。はんだ付けは、厚さ150μmのメタルマスクを用いてはんだ付けパターンの電極部分に各ソルダーペースト組成物を印刷し、ピーク温度を240℃に設定したリフロー炉(製品名:TNP25−538EM、タムラ製作所(株)製)にてこれを加熱することにより行った。
その後、−40℃(30分間)〜125℃(30分間)の条件に設定したヒートショック試験装置(製品名:ES−76LMS、日立アプライアンス(株)製)を用い、上記冷熱サイクルを3,000回繰り返す環境下に上記プリント配線板を曝すことで、各試験用プリント配線板を作製した。
そして各試験用プリント配線板の対象部分を切り出し、これをエポキシ樹脂(製品名:エポマウント(主剤及び硬化剤)、リファインテック(株)製)を用いて封止した。更に湿式研磨機(製品名:TegraPol−25、丸本ストルアス(株)製)を用いて各試験用プリント配線板に実装されたチップ抵抗部品の中央断面が分かるような状態とし、そのはんだ接合部の組織内部に進行したクラックの長さを測定顕微鏡(製品名:STM6、オリンパス(株)製)を用いて測定した。
各試験用プリント配線板のクラックの長さについて、以下の通り評価した。
◎ 5mm以下
○ 5mm超6mm未満
△ 6mm以上7mm未満
× 7mm以上
また本発明のはんだ合金を用いたソルダーペースト組成物は、優れた機械的強度や耐熱衝撃性を有すると共に、リフロー時のソルダーボールの発生を抑制できることが分かる。
そして、本発明のはんだ合金及びソルダーペースト組成物を用いて形成したはんだ接合部を有するプリント配線板は、過酷な環境下で長期に渡って使用される車載用基板に好適に用いることができる。
Claims (9)
- 3重量%以上5重量%以下のBiと、1重量%以上3重量%以下のInと、0.3重量%以上1重量%以下のCuと、2.5重量%以上4.5重量%以下のAgとを含み、残部がSnと不可避不純物とからなることを特徴とする無鉛はんだ合金。
- 3重量%以上4重量%以下のBiと、2重量%以上2.5重量%以下のInと、0.5重量%以上0.7重量%以下のCuと、3重量%以上4重量%以下のAgとを含み、残部がSnと不可避不純物とからなることを特徴とする無鉛はんだ合金。
- Ni、Co、Fe、Mn、Cr及びMoのいずれか1種以上を合計で0.005重量%以上0.05重量%以下含むことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の無鉛はんだ合金。
- P、Ga、Ge及びSbのいずれか1種以上を合計で3重量%以下含むことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の無鉛はんだ合金。
- 室温下での引張強さは70Mpa以上であり、150℃下での引張強さは20Mpa以上であることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の無鉛はんだ合金。
- 請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の無鉛はんだ合金と、フラックス組成物とを含むことを特徴とするソルダーペースト組成物。
- 請求項6に記載のソルダーペースト組成物を用いて形成するはんだ接合部を備えることを特徴とするプリント配線板。
- 冷熱サイクル履歴を与える前後において前記はんだ接合部に含まれるSnマトリックスにInが固溶することを特徴とする請求項7に記載のプリント配線板。
- 請求項6に記載のソルダーペースト組成物であって、これを用いて形成するはんだ接合部の変態点が150℃以上であることを特徴とするソルダーペースト組成物。
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