JP2014097532A - 無銀無鉛はんだ組成物 - Google Patents

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Abstract

【課題】引張強度、結合強度および濡れ性能を改善することができ、製造コストを下げることができる無銀無鉛はんだ組成物を提供する。
【解決手段】100重量%の無銀無鉛はんだ組成物に対して、2重量%から8重量%のBi、0.1重量%から1.0重量%のCu、0.01重量%から0.2重量%のNi、Fe、およびCoの少なくとも1つ、ならびに残部のSnを含む、無銀無鉛はんだ組成物。
【選択図】なし

Description

本発明は、はんだ組成物、とりわけ電子部品のはんだ付けに使用に適合した無銀無鉛はんだ組成物に関する。
先行技術において、通常、Sn−Pb合金が電子部品用のはんだとして使用される。鉛およびその化合物によって引き起こされる深刻な環境汚染、ならびに環境保全意識の高まりのために、鉛はんだの使用は、近年、徐々に禁止されてきている。その結果、鉛はんだは無鉛はんだに徐々に置き換えられている。
無鉛はんだのうち、Sn−Ag−Cu(SAC305)無鉛はんだおよびSn−Cu無鉛はんだ、特にSn−Ag−Cu(SAC305)はんだが最も広く使用されている。銀の価格の上昇により、Sn−Ag−Cu合金はんだの価格が上昇し、それによってそれを使用する電子部品実装のコストが上昇している。
したがって、電子実装産業において実装コストを下げるために低い銀含量のSn−Ag−Cuはんだまたは無銀Sn−Cuはんだが一般に使用されている。しかし、前述の低い銀含量または無銀はんだは引張強度が劣り、はんだの濡れ性能は不十分である。したがって、はんだバンプと基材の間のはんだ接合のはんだ付け強度は比較的弱い。不十分な濡れ性能により、はんだバンプは、容易に割れるかまたは剥がれ、それによって結合強度が低下する可能性がある。したがって、電子製品を再加工または廃棄する必要がある可能性がある。
したがって、当業界においてPbおよびAgを含まず、先行技術に伴う欠点を克服することができるはんだ組成物を提供する必要性がある。
本発明の目的は、引張強度、結合強度および濡れ性能を改善することができ、製造コストを下げることができる無銀無鉛はんだ組成物を提供することである。
本発明によると、100重量%の無銀無鉛はんだ組成物に対して、2重量%から8重量%のBi、0.1重量%から1.0重量%のCu、0.01重量%から0.2重量%のNi、Fe、およびCoの少なくとも1つ、ならびに残部のSnを含む無銀無鉛はんだ組成物が提供される。
本発明の他の特徴および利点は、好ましい実施形態の以下の詳細な説明で明らかになるであろう。
本発明による無銀無鉛はんだ組成物の好ましい実施形態は、100重量%の無銀無鉛はんだ組成物に対して、2重量%から8重量%のBi、0.1重量%から1.0重量%のCu、0.01重量%から0.2重量%のNi、Fe、およびCoの少なくとも1つ、ならびに残部のSnを含む。本発明において、製造コストが著しく低下するように、銀を置き換えるためにビスマスが使用される。さらに、引張強度および濡れ性能が驚くほど向上し、その結果、本発明のはんだ組成物は、従来のSn−Ag−Cuはんだ組成物のそれと等しいか、またはより優れた性能を提供する。さらに、本発明のはんだ組成物にNi、Fe、Coの少なくとも1つを添加することによって、結合強度を上げることができる。
好ましくは、この実施形態において、無銀無鉛はんだ組成物は、100重量%の無銀無鉛はんだ組成物に対して、0.003重量%から0.03重量%のGe、GaおよびPの少なくとも1つをさらに含む。したがって、ウェーブソルダリングプロセスにおいて、はんだ組成物の耐酸化活性を向上させることができ、ドロスの発生を減らすことができる。
実施例
実施例1〜52および比較例1〜39用のはんだ組成物の調製
実施例1〜52および比較例1〜39用のはんだ組成物を、表1〜4中に列挙した成分を混合することにより調製した。
濡れ性能(またははんだづけ性)、引張強度、結合強度および耐酸化活性を求めることにより本発明の効果を立証した。
評価手段
1.濡れ性能を、濡れバランス分析法を使用して測定した。各実施例および各比較例のはんだ組成物を250℃未満で加熱して溶融ハンダ浴を形成した。幅10mm、長さ20mmおよび厚さ0.3mmを有する銅パッドにはんだフラックスを塗布し、過剰のはんだフラックスは銅パッドを鉛直に立てることにより液切りし、続いて銅パッドを溶融ハンダ浴に浸漬した。溶融ハンダ組成物の濡れ時間、すなわち、濡れ過程の間に溶融ハンダ組成物が銅パッドへの完全な接着を可能にするのにかかる時間を検出し計算した。はんだ組成物の濡れ性能は、標準に従って以下のように求めた。
○:濡れ時間<2秒;
△:2秒≦濡れ時間<3秒;および
X:濡れ時間≧3秒。
2.引張強度を、Vickers角錐ダイヤモンド圧子を使用し50g重の荷重を15秒間印加して測定した。引張強度の測定のために、各実施例および各比較例のはんだ組成物のはんだバンプをリフローはんだ付けによって銅パッド上に形成した。はんだバンプを切削して切断面を形成し、Vickers角錐ダイヤモンド圧子を使用して、切断面で測定を行った。はんだバンプの切断面に形成された窪みを測定し、微小硬度(Hv)を計算した。引張強度は、標準に従って以下のように求めた。
○:微小硬度>20Hv;
△:15Hv<微小硬度≦20Hv;および
X:微小硬度≦15Hv。
3.結合強度を、はんだバンプの脆性破壊度を検出するためにゾーン剪断結合試験を使用して求めた。各実施例および各比較例のはんだ組成物を銅パッドとともにリフローし、次いで、はんだ組成物から形成されたはんだバンプと銅パッドの間の継ぎ目を高速結合試験器を使用して破壊した。結合強度は、標準に従って以下のように評価した。
○:脆性破壊率<10%;
△:10%≦脆性破壊率<15%;および
X:脆性破壊率≧15%。
4.耐酸化活性を、オーブン中で大気を換気しながら200℃で30分間、実施例38〜54それぞれのはんだ組成物を加熱し、はんだ組成物から形成されたはんだ物品の表面の光沢の変化を観察することにより求めた。具体的には、耐酸化活性は、以下の標準に基いて色変化に対する抵抗性によって求めた。
○:はんだ物品の表面は金属光沢を有する;
△:はんだ物品の表面は帯黄色を示す;および
X:はんだ物品の表面は黄色、青、紫または比較的暗い色を示す。
Figure 2014097532

Figure 2014097532
表1を参照すると、実施例1〜12の結果は、Bi含量が2重量%から8重量%の範囲である場合、そのはんだ組成物は、優れた引張強度および結合強度、ならびにより高い濡れ性能を示すことがわかる。比較例1〜8に示すように、はんだ組成物がBiを含まないかまたは1.0重量%のBiを含む場合、はんだ組成物は劣った引張強度および濡れ性能を示す。比較例9〜10に示すように、はんだ組成物が10重量%のBiを含む場合、濡れ性能および引張強度は、実施例9〜12と比較してそれ以上は改善されない。さらに、高いBi含量のために、結合強度は悪影響を受け、はんだ組成物の融点は低下して好ましくなく、その結果、この合金組成物を使用することができない。
他方、比較例11〜14に示すように、はんだ組成物がBiを含まないが1.0重量%のAgを含む場合、引張強度および濡れ性能は極端に劣る。比較例15〜20に示すように、はんだ組成物がBiを含まないが2.0重量%または3.0重量%のAgを含む場合、引張強度および濡れ性能はわずかに改善されるが、まだ不十分である。比較例21〜22に示すように、はんだ組成物がBiを含まないが8.0重量%のAgを含む場合、引張強度は改善されるが、濡れ性能は不十分で、融点が高いので使用に適さない。一方で、結合強度も悪影響を受ける。
さらに、実施例1〜4のはんだ組成物(それぞれ2.0重量%のBiを有する)の特性は、8.0重量%のAgを有する各比較例21〜22のものより良好である。したがって、Agを有するはんだ組成物と比較して、同じ量のBiを含有するはんだ組成物は優れた特性を示す。この発明によれば、銀をビスマスへ置き換え、2.0重量%から8.0重量%内にBi含量を制御することにより、引張強度および濡れ性能を改善することができ、製造コストを下げ、その結果、本発明のはんだ組成物の市場競争力を増強することができる。
Figure 2014097532
表2を参照すると、実施例13〜19に示すように、はんだ組成物のCu含量が0.1重量%から1.0重量%の範囲である場合、はんだ組成物は優れた濡れ性能、引張強度および結合強度を有する。
比較例23〜25に示すように、はんだ組成物がCuを含まないか、または0.05重量%のCuを含む場合、濡れ性能および結合強度は劣る。比較例26〜27に示すように、はんだ組成物が1.2重量%のCuを含む場合、はんだ組成物の融点は上がり、濡れ性能および結合強度は過剰なCu含量のために低下する。したがって、Cu含量が0.1重量%から1.0重量%の範囲の場合、所望の効果を達成することができる。
Figure 2014097532
Figure 2014097532
表3を参照すると、実施例20〜25に示すように、Ni、FeまたはCoの少なくとも1つの含量が0.01重量%である場合、はんだ組成物は、優れた引張強度、十分な濡れ性能および結合強度を有する。実施例26〜37に示すように、Ni、FeまたはCoの少なくとも1つの含量が0.1重量%または0.2重量%である場合、結合強度はさらに改善される。Ni、FeまたはCo元素の添加は、脆いCuSn金属相の発生を抑制し、脆くないCuSn金属相の発生を容易にする。したがって、はんだバンプと銅パッドの間の結合強度を著しく増強することができる。
比較例28〜33に示すように、Ni、FeまたはCoの少なくとも1つの含量が0.005重量%である場合、Ni、FeまたはCoの含量は、脆いCuSn金属相の発生を抑制するには不十分であり、そのため結合強度が低下する。比較例34〜39に示すように、Ni、FeまたはCoの少なくとも1つの含量が0.3重量%である場合、過剰のNi、FeまたはCoに起因する緩い構造により結合強度も低下する。
Figure 2014097532
表4を参照すると、実施例42〜50に示すように、Ge、PまたはGaの少なくとも1つの含量が0.003重量%から0.03重量%の範囲である場合、はんだ組成物は優れた濡れ性能、引張強度、結合強度および耐酸化活性を有する。これは、Ge、PまたはGa元素がはんだ物品の表面に耐酸化層を形成することができ、その結果環境の酸素を隔離し、はんだ組成物の耐酸化活性を改善するからである。
実施例38〜41に示すように、はんだ組成物がGe、PまたはGaの少なくとも1つを含まないか、または0.001重量%含む場合、耐酸化活性は不十分になる。実施例51〜52に示すように、GeまたはGaの含量が0.05重量%である場合、効果は実施例42〜50と同じである。すなわち、濡れ性能、引張強度、結合強度および耐酸化活性はそれ以上改善されず、材料消費は増加し、そのため、結果として製造コストの上昇を招く。
したがって、Ge、PまたはGaの少なくとも1つの含量が0.003重量%から0.03重量%の範囲である場合、耐酸化活性効果を達成することができる。
要約すると、本発明において、高価な銀のビスマスへの置き換えで製造コストを下げることができ、それとともに引張強度および濡れ性能を改善して、本発明のはんだ組成物の市場競争力を増強することができる。同時に、0.1wt%から1.0重量%内に銅の含量を制御することによって、はんだ組成物の結合強度および濡れ性能を改善することができる。Ni、FeまたはCoの少なくとも1つの含量を0.01重量%から0.2重量%内になるように制御することにより結合強度を増強することができる。さらに、Ge、PまたはGaの少なくとも1つを0.003重量%から0.03重量%添加することによってはんだ組成物の耐酸化活性を改善することができる。したがって、本発明による無銀無鉛はんだ組成物は、前述の優れた特性を有しコストが下がる。
最も実用的で好ましい実施形態と考えられるものに関連して本発明が記載されたが、本発明が、開示された実施形態に限定されず、最も広い解釈の趣旨および範囲内に含まれる様々な構成、および同等の構成に及ぶよう意図されることは理解される。

Claims (2)

  1. 100重量%の無銀無鉛はんだ組成物に対して、2重量%から8重量%のBi、0.1重量%から1.0重量%のCu、0.01重量%から0.2重量%のNi、Fe、およびCoの少なくとも1つ、ならびに残部のSnを特徴とする、無銀無鉛はんだ組成物。
  2. 100重量%の無銀無鉛はんだ組成物に対して、0.003重量%から0.03重量%のGe、GaおよびPの少なくとも1つをさらに特徴とする、請求項1に記載の無銀無鉛はんだ組成物。
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