JP2014138065A - プリント基板のはんだ付け方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】はんだフィレットの表面部分に硬いはんだ組織が形成されることにより、クラックの進行が抑制されるようにするため、Cuが0.5〜0.8質量%、Niが0.04〜0.08質量%、Sbが0.05〜0.09質量%、ならびにPおよびGeからなる群から選択された1種以上の元素を合計で0.001〜0.05質量%、残部Snからなるはんだ合金でフローソルダリングによりはんだ付けを行う。
【選択図】図2
Description
1.はんだ合金のベースを片面基板の反りに追随するSn−Cuはんだ組成にする。
溶融はんだの溶融粘度は低いほど望ましい。これは、本発明が、Sn−Cuはんだ合金にSbを添加して、Sn−Cuはんだ合金に比べて比重の大きいSnとCuとNiの金属間化合物(Cu,Ni)6Sn5を重力で落下させてはんだフィレットの表面部分に析出させるためである。通常、溶融はんだ中には溶存酸素として酸化物が巻き込まれているため、溶融粘度が上昇してしまっている。そこで、はんだ表面の酸化を防止する元素を加えることで溶融はんだ中に巻き込まれる酸化物量を減少させ、溶融粘度を下げることにより、析出させたSnとCuとNiの金属間化合物をはんだフィレットの表面部分へ沈降させやすくすることができる。この効果を発揮する元素はPとGeである。
・Cu:0.5〜0.8質量%
本発明に用いるはんだ合金は、Cuの含有量が0.5質量%未満ではSn−Cuはんだ合金自体の材料強度が低いため、疲労破壊が起こり易い。Cuの含有量が0.8質量%を超えると、はんだ合金の融点が上昇して、はんだ付け性が低下する。
本発明に用いるSn−Cu系はんだ合金に添加するNiは、SnとCuと反応して硬い金属間化合物をはんだフィレット表面部分に形成することで、温度サイクル特性を向上させる。Niの含有量が0.04質量%未満では、SnとCuとNiの金属間化合物の形成が少ないため、はんだフィレット表面部分の強度が充分に確保できず、温度サイクル特性の向上が期待できない。Sn−Cu系はんだ合金にNiを0.08質量%を超えて添加すると、はんだの融点が上昇するので、はんだ付け性が低下する。
本発明に用いるSn−Cu系はんだ合金に添加するSbは、Sn成分中に固溶することで、NiのSn中への固溶限を低下させ、SnとCuとNiの金属間化合物の生成を促し、はんだ付け後に形成されるフィレット表面部分への析出を容易にする効果を発揮する。Sn−Cu系はんだ合金に、Sbを添加せずに単にNiを添加しただけでは、NiのSnに対する固溶限が大きく、期待された量のSnとCuとNiの金属間化合物を析出させることが難しい。
本発明は、Sn−Cu系はんだ合金にSbを添加して、Sn−Cuはんだ合金に比べて重いSnとCuとNiの金属間化合物(Cu,Ni)6Sn5を重力で落下させることにより、この金属間化合物をはんだフィレット表面部分に析出させている。ここで、前述のように、溶融はんだ中の酸化物量を減らすことではんだの溶融粘度を低下させ、金属間化合物の沈降を促進させることが有効である。このため、本発明で用いるはんだ合金では、さらにPおよびGeからなる群から選択された1種以上の元素を加えている。
本発明のプリント基板のはんだ付け方法で用いるプリント基板は、安価で柔軟性に優れる片面基板を用いることが有効である。片面基板としては、好ましくは耐熱性が低い紙フェノール基板(FR−1)や紙エポキシ基板(FR−3)であり、特に好ましくは安価で加工性に優れる紙フェノール基板である。ここで、(FR−)とはプリント基板の難燃性を表す指標として一般的に用いられているものである。本発明のプリント基板のはんだ付け方法は、フローソルダリングによりはんだ付けを行うので、短時間ではんだ付けを行うことができる。このため、本発明では高価で難燃性のグレードが高いプリント基板を用いる必要がないが、耐熱性の高いガラスエポキシ基板にも適用できることは言うまでもない。
本発明のプリント基板のはんだ付け方法は、前述のように、フローソルダリングにより短時間ではんだ付けを行う。しかし、あまりにも高温ではんだ付けを行うとはんだ付け時間が短時間でも電子部品に熱損傷を与えてしまう。また、本発明のポイントは、Sn−Cu系の鉛フリーはんだにNiとSbを添加することで、SnとCuとNiの金属間化合物をはんだフィレット表面部分に堆積させ、温度サイクル特性を向上させることである。したがって、フローソルダリングの溶融はんだの温度は重要である。
はんだ付け後のはんだフィレットを電子顕微鏡で断面観察を行い、表面の金属間化合物の堆積の有無を確認した。このとき、はんだフィレット表面部分に堆積した金属間化合物の厚みが10um未満を×、10〜50umを○、50um超えを◎と判断した。判断結果を表1に示す。
前述のように作成した各3枚のはんだ付け基板をJIS C 0025に規定された温度サイクル試験機に投入し、最高温度85℃、最低温度−40℃、保持時間30分の条件で温度サイクル試験を行った。試験は、200サイクル毎に試験基板を取り出して、1000サイクルまで行い、投入した試験基板にクラックが入り、クラックがフィレット表面部分を貫通したものを破壊とみなし、試験を終了しそのサイクル数を記録する。また、1000cycの時点でクラックがフィレット表面部分を貫通しなかったサンプルに関しては1200cycとした。3枚の平均値を温度サイクル数とし、表1に示す。
前述のように作成した各はんだ組成を、JIS Z 3198−4で規定されたウェッティングバランス法により、濡れ性の評価を実施した。試験条件は、試験装置:レスカ製SAT−5100、ポストフラックス:千住金属工業株式会社製ES−0307LS、溶融はんだの温度:255℃、使用Cu板:10x30x0.3tmm、浸漬時間:10秒である。評価はゼロクロスタイムで判断しており、ゼロクロスタイムが1.0秒未満を◎、1.0〜1.2秒を○、1.2秒超えまたは不濡れ・ディウェッティング・はじきなどのはんだ付け不良が発生したものを×とした。
11、21 基板
12、22 Cuランド
13、23 部品のリード
14、24 はんだフィレット
15、25 クラック
16、26 (はんだフィレットの)表面部分
Claims (6)
- Cuが0.5〜0.8質量%、Niが0.04〜0.08質量%、Sbが0.05〜0.09質量%、ならびにPおよびGeからなる群から選択された1種以上の元素を合計で0.001〜0.05質量%、残部Snからなるはんだ合金を用いてフローソルダリングではんだ付けを行うプリント基板のはんだ付け方法。
- 前記プリント基板は片面基板である、請求項1に記載のプリント基板のはんだ付け方法。
- 前記プリント基板は紙フェノール基板である、請求項1または2に記載のプリント基板のはんだ付け方法。
- 前記フローソルダリングの溶融はんだの温度が245〜260℃である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のプリント基板のはんだ付け方法。
- 前記はんだ付けのはんだ付け時間が1〜15秒である、請求項1〜4のいずれか1項に記載のプリント基板のはんだ付け方法。
- 前記はんだ付け後の冷却速度が100℃/秒以下である、請求項1〜5のいずれか1項に記載のプリント基板のはんだ付け方法。
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