JP2015205293A - はんだペースト、電子装置の製造方法および電子装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】リフロー処理時の加熱温度を低下させつつ高温環境下でも使用可能なはんだペースト、電子装置の製造方法および電子装置を提供する。【解決手段】はんだペースト40は、7%以上50%以下のSn−Bi系粉末からなる第1はんだ合金粉末41と、残りのSn−Ag系粉末からなる第2はんだ合金粉末42とがフラックス43に混合されて構成されている。そして、第1はんだ合金粉末41は、第1はんだ合金粉末41および第2はんだ合金粉末42を溶融させた溶融はんだ中のBiの含有量が5重量%以上15重量%以下となるように、Biを含有している。【選択図】図4

Description

本発明は、はんだ接続に使用されるはんだペースト、電子装置の製造方法および電子装置に関するものである。
一般に、電子部品が実装されるプリント基板では、電子部品の端子と基板面のランドとの電気的接続に鉛フリーはんだが用いられる。例えば、鉛フリーはんだとして採用されるSn−3.0Ag−0.5Cuは、融点が固相線温度217℃、液相線温度が219℃である。このはんだをリフロー工法にてプリント基板のランドと電子部品の端子とを接合する接合材として使うには、225℃以上に加熱し、溶融させる必要がある。このとき、LEDを始めとする耐熱性の低い部品では、このリフロー温度に耐え切れず故障してしまう場合がある。
この問題を解決するための技術として、例えば、下記特許文献1に開示される電子部品の実装方法が知られている。この電子部品の実装方法では、回路基板の所定の基板電極上にクリームはんだをコーティングした後に、弱耐熱性電子部品を除く他の一般電子部品を所定箇所のクリームはんだ上に装着した状態にてリフロー処理することで、一般電子部品のはんだ付けを行う。このとき、弱耐熱性電子部品用のクリームはんだが予備はんだとして形成される。この予備はんだ上に弱耐熱性電子部品の端子を装着した状態で、400℃程度に加熱された加熱ツールにより予備はんだを再溶融させることで、弱耐熱性電子部品のはんだ付けを行う。これにより、弱耐熱性電子部品にリフロー処理時の熱が影響することを防止している。
特開平10−215064号公報
ところで、上記特許文献1に開示されるような加熱ツールを用いる製造方法では、加熱ツール動作等の工程が増えるために、製造コストが増加するだけでなく製造時間が長くなるという問題がある。また、ビスマス(Bi)等を比較的高い比率で含有させた低融点のはんだであれば、リフロー処理に必要な加熱温度を低くできるため、部品耐熱が低い電子部品に採用することもできるが、電子装置が車両のエンジンルームなど高温環境で使用される場合には、低融点のはんだが溶けてしまう可能性がある。
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、リフロー処理時の加熱温度を低下させつつ高温環境下でも使用可能なはんだペースト、電子装置の製造方法および電子装置を提供することにある。
上記目的を達成するため、特許請求の範囲の請求項1に記載の発明は、はんだ合金粉末およびフラックス(43)を含有するはんだペースト(40)であって、前記はんだ合金粉末を100%としたとき、7%以上50%以下のSn−Bi系粉末からなる第1はんだ合金粉末(41)と、残りのSn−Ag系粉末からなる第2はんだ合金粉末(42)とが前記フラックスに混合され、前記第1はんだ合金粉末は、前記第1はんだ合金粉末および前記第2はんだ合金粉末を溶融させた溶融はんだ中のBiの含有量が5重量%以上15重量%以下となるように、Biを含有することを特徴とする。
また、請求項4の発明は、請求項1〜3のいずれか一項に記載のはんだペースト(40)を用いて、電子部品(30)の端子(32)とプリント基板(20)のランド(22)とをはんだ接続する電子装置(10)の製造方法であって、前記ランドが形成された前記プリント基板を用意する第1工程と、前記ランド上に前記はんだペーストを配置する第2工程と、前記端子を対応する前記ランド上の前記はんだペーストに接触させるように前記電子部品を前記プリント基板に搭載する第3工程と、前記第1はんだ合金粉末の融点よりも高く前記第2はんだ合金粉末の融点よりも低い所定の温度で加熱することで、溶融した前記第1はんだ合金粉末に前記第2はんだ合金粉末が拡散して混ざるようにして溶融し、両はんだ合金粉末が溶融することで形成されるはんだ(23)により、前記端子と前記ランドとをはんだ接続する第4工程と、を備えることを特徴とする。
なお、特許請求の範囲および上記手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
請求項1の発明では、7%以上50%以下のSn−Bi系粉末からなる第1はんだ合金粉末と、残りのSn−Ag系粉末からなる第2はんだ合金粉末とがフラックスに混合されている。そして、第1はんだ合金粉末は、第1はんだ合金粉末および第2はんだ合金粉末を溶融させた溶融はんだ中のBiの含有量が5重量%以上15重量%以下となるように、Biを含有している。
Sn−Bi系粉末からなる第1はんだ合金粉末は、Sn−Ag系粉末からなる第2はんだ合金粉末よりも融点が低くなるため、当該はんだペーストを比較的低い加熱温度にてリフロー処理しても、第1はんだ合金粉末を溶融させることができる。このリフロー処理中に、溶融した第1はんだ合金粉末に第2はんだ合金粉末が拡散するように混ざるため、比較的融点が高い第2はんだ合金粉末であっても溶融させることができる。そして、このように混ざった第2はんだ合金粉末に第1はんだ合金粉末中のBiが分散することで、溶融した第1はんだ合金粉末中のBiの濃度が低下し、このBiの濃度が5重量%以上15重量%以下となるまで低下するので、両はんだ合金粉末が溶融して形成されるはんだの融点を第1はんだ合金粉末よりも上昇させることができる。
これにより、上記はんだペーストを用いて、電子部品の端子とプリント基板のランドとをはんだ接続することで、リフロー処理時の加熱温度を低下させつつ高温環境下でも使用可能なはんだペーストを実現することができる。特に、上記溶融はんだには、第2はんだ合金粉末を構成するAgが含まれるため、はんだ接続部の冷熱耐久寿命や強度を高めることができる。
請求項4の発明では、第1工程により、ランドが形成されたプリント基板が用意され、第2工程により、ランド上に請求項1〜3のいずれか一項に記載のはんだペーストが配置され、第3工程により、端子を対応するランド上のはんだペーストに接触させるように電子部品がプリント基板に搭載され、第4工程により、第1はんだ合金粉末の融点よりも高く第2はんだ合金粉末の融点よりも低い所定の温度で加熱することで、溶融した第1はんだ合金粉末に第2はんだ合金粉末が拡散して混ざるようにして溶融し、両はんだ合金粉末が溶融することで形成されるはんだにより、端子とランドとがはんだ接続される。
このため、比較的低い所定の温度で第1はんだ合金粉末および第2はんだ合金粉末を溶融させるリフロー処理を行うことができ、リフロー処理中に両はんだ合金粉末が溶融して形成されるはんだの融点を、第1はんだ合金粉末よりも上昇させることができる。そして、上記溶融はんだには、第2はんだ合金粉末を構成するAgが含まれるため、電子部品の端子とプリント基板のランドとをはんだ接続するはんだ接続部の冷熱耐久寿命や強度を高めることができ、リフロー処理時の加熱温度を低下させつつ高温環境下でも使用可能な電子装置を製造することができる。
本実施形態に係る電子装置の概略構成を示す断面図である。 図1の電子部品を拡大して示す断面図である。 電子部品をプリント基板に実装する製造工程の一部を説明するための断面図である。 電子部品をプリント基板に実装する製造工程の一部を説明するための断面図である。 Bi−Sn二元合金状態図である。
以下、本発明に係るはんだペースト、電子装置の製造方法および電子装置を具現化した一実施形態について、図面を参照して説明する。
図1に示す電子装置10は、比較的高温になりやすい使用環境にて使用されており、例えば、車両に搭載されたエンジン等の車載機器を制御する電子制御装置(Electronic Control Unit)として構成されている。電子装置10は、プリント基板20や電子部品30等を備えており、筐体11内にプリント基板20や他の基板等を収容して構成されている。プリント基板20の実装面21には、ソルダレジストから露出するランド22等にはんだ接続されて、電子部品30や外部コネクタ12等が実装されている。
図2に示すように、電子部品30は、例えば、QFP(Quad Flat Package)型の半導体パッケージである。この電子部品30は、ICチップ等の半導体素子が封止部材により封止されて構成される本体部31と、インナーリード部分が半導体素子とともに封止部材により封止されるように本体部31の各側面から導出される複数のリード端子32とを備えている。電子部品30は、各リード端子32にて対応するランド22とはんだ23を介したはんだ接続がなされることで、プリント基板20と電気的に接続されている。なお、図2等では、便宜上、ソルダレジストの図示を省略している。
はんだ23は、Sn(錫)を主成分とする鉛フリーはんだであって、ランド22に塗布されたはんだペースト40をリフロー処理することで形成されるものである。本実施形態に係るはんだペースト40は、第1はんだ合金粉末41および第2はんだ合金粉末42の2種類のはんだ合金粉末とフラックス43とを含有するように構成される。具体的には、はんだペースト40は、はんだ合金粉末を100%としたとき、7%以上50%以下のSn−Bi(ビスマス)系粉末からなる第1はんだ合金粉末41と、残り(93%以下50%以上)のSn−Ag(銀)系粉末からなる第2はんだ合金粉末42とがフラックス43に混合されて構成される。
特に、第1はんだ合金粉末41は、第1はんだ合金粉末41および第2はんだ合金粉末42を溶融させた溶融はんだ中のBiの含有量が5重量%以上15重量%以下となるように、Biを30重量%以上60重量%以下含有して構成されている。また、第2はんだ合金粉末42は、はんだ寿命(冷熱耐久寿命)を向上させるため、Sn−Ag系粉末中のAgの含有量が1重量%以上4重量%以下となるように構成され、さらに、0.8重量%以下(0〜0.8重量%)となるCu(銅)が添加されて構成されている。
このため、本実施形態では、例えば、第1はんだ合金粉末41として、Sn−58Biが採用されており、第2はんだ合金粉末42として、Sn−3.0Ag−0.5Cuが採用されている。
次に、電子装置10の製造方法の一部として、電子部品30をプリント基板20にはんだ接続する工程について、図3〜図5を用いて詳細に説明する。なお、図3は、電子部品30をプリント基板20に実装する製造工程の一部を説明するための断面図であり、図3(A)は、はんだペースト40をランド22上に印刷した状態を示し、図3(B)は、ランド22上のはんだペースト40に電子部品30の端子32を接触させた状態を示す。図4は、電子部品30をプリント基板20に実装する製造工程の一部を説明するための断面図であり、図4(A)は、第1はんだ合金粉末41が溶融した状態を示し、図4(B)は、溶融した第1はんだ合金粉末41により第2はんだ合金粉末42が溶融した状態を示す。図5は、Bi−Sn二元合金状態図である。
まず、実装面21に設けられるソルダレジスト(図示略)から各ランド22が露出するように配置されるプリント基板20を用意する(図1および図2参照)。なお、この工程は、「第1工程」の一例に相当し得る。
次に、図3(A)に示すように、各ランド22上に、上述のように構成されるはんだペースト40を、所定のはんだ印刷装置等を用いて印刷(塗布)する。なお、図3(A)に示す工程は、「第2工程」の一例に相当し得る。
次に、図3(B)に示すように、端子32を対応するランド22上のはんだペースト40に接触させるように電子部品30をプリント基板20に搭載(マウント)する。なお、図3(B)に示す工程は、「第3工程」の一例に相当し得る。
次に、電子部品30等が搭載されたプリント基板20をリフロー炉にてリフロー処理することにより、所定の温度で加熱する。これにより、はんだペースト40中の両はんだ合金粉末41,42が溶融して低温硬化することで形成されるはんだ23により、端子32とランド22とがはんだ接続される(図2参照)。
ここで、はんだペースト40からはんだ23が形成される工程について、図4(A)(B)を参照して詳述する。なお、図4(A)(B)に示す工程は、「第4工程」の一例に相当し得る。
上記リフロー処理では、所定の温度として、第1はんだ合金粉末41の融点(139℃)よりも高く第2はんだ合金粉末42の融点(固相線温度217℃,液相線温度が219℃)よりも低い温度、例えば、200℃で、はんだペースト40が加熱される。
これにより、まず、図4(A)に例示するように、第1はんだ合金粉末41および第2はんだ合金粉末42のうち、融点が低い第1はんだ合金粉末41が溶融する。そして、図4(B)に例示するように、この溶融した第1はんだ合金粉末41に第2はんだ合金粉末42が拡散して混ざるように溶融する。このように、溶融した第1はんだ合金粉末41により、第2はんだ合金粉末42の融点未満の温度であっても当該第2はんだ合金粉末42を溶融することができる。なお、リフロー温度等によっては、例えば、図4(B)に例示するように、第2はんだ合金粉末42の一部が溶け残る場合もある。また、フラックス43は、残渣としてはんだ23の周りに残る。
上述のように混ざった第2はんだ合金粉末42に第1はんだ合金粉末41中のBiが分散することで、溶融した第1はんだ合金粉末41中のBiの濃度が低下する。この場合、図5からわかるように、第1はんだ合金粉末41からBiが分散した直後では、液相線温度T1が上昇するものの、固相線温度T2は変化しないため、第1はんだ合金粉末41の部分が溶け始める温度は、139℃のままである。
さらに第1はんだ合金粉末41からBiが分散することでBiの濃度が20重量%以下になると、固相線温度T2が上昇する。例えば、Sn−58Biからなる25.9%の第1はんだ合金粉末41と、Sn−3.0Ag−0.5Cuからなる74.1%の第2はんだ合金粉末42とを溶融させている場合には、はんだ23のBiの含有量がおよそ15重量%となり、固相線温度T2は、160℃程度に上昇する(図5のPa参照)。すなわち、150℃程度までの使用が可能であるはんだ23を実現することができる。
また、Sn−30Biからなる16.6%の第1はんだ合金粉末41と、Sn−3.0Ag−0.5Cuからなる83.4%の第2はんだ合金粉末42とを溶融させている場合には、はんだ23のBiの含有量がおよそ5重量%となり、固相線温度T2は、210℃程度に上昇する(図5のPb参照)。すなわち、200℃程度までの使用が可能であるはんだ23を実現することができる。
このように、両はんだ合金粉末41,42が溶融して形成されるはんだ23の融点を、第1はんだ合金粉末41中のBiの濃度に応じて、第1はんだ合金粉末41よりも上昇させることができる。特に、第1はんだ合金粉末41は、溶融はんだ中のBiの含有量が5重量%以上15重量%以下となるように構成されているため、150℃以上での使用が可能であるはんだ23を実現することができる。
なお、第1はんだ合金粉末41として採用されるSn−Bi系粉末中のBiの濃度を30重量%未満にすると、例えば、目標とするリフロー温度を200℃とするときにこの温度で第1はんだ合金粉末41が溶けない場合がある。このため、本実施形態では、第1はんだ合金粉末41として採用されるSn−Bi系粉末中のBiの濃度を30重量%以上(60重量%以下)としている。
また、第1はんだ合金粉末41として採用されるSn−Bi系粉末中のBiの濃度を60重量%よりも大きくすると、溶融はんだ中のBiの含有量を15重量%以下とするために、はんだ合金粉末100%中の第1はんだ合金粉末41の比率を減らす必要がある。そうすると、第2はんだ合金粉末42が第1はんだ合金粉末41に溶けにくくなり、第2はんだ合金粉末42を溶融させるために必要な時間が長くなり、リフロー時間も長くなってしまう。このため、本実施形態では、第1はんだ合金粉末41として採用されるSn−Bi系粉末中のBiの濃度を60重量%以下(30重量%以上)としている。
また、はんだ合金粉末100%中の第1はんだ合金粉末41の比率を50%よりも大きくすると、溶融はんだ中のBiの含有量を15重量%以下とするために、Sn−Bi系粉末中のBiの濃度を30重量%未満にする必要がある。そうすると、上述したように目標とするリフロー温度で第1はんだ合金粉末41が溶けない場合があるため、本実施形態では、はんだ合金粉末100%中の第1はんだ合金粉末41の比率を50%以下(7%以上)としている。
また、はんだ合金粉末100%中の第1はんだ合金粉末41の比率を7%よりも小さくすると、溶融はんだ中のBiの含有量が5重量%未満となる場合がある。溶融はんだ中のBiの含有量が5重量%未満になると、Sn−Ag系粉末からなる第2はんだ合金粉末42を溶かすことができない場合がある。このため、本実施形態では、はんだ合金粉末100%中の第1はんだ合金粉末41の比率を7%以上(50%以下)としている。
以上説明したように、本実施形態に係るはんだペースト40では、7%以上50%以下のSn−Bi系粉末からなる第1はんだ合金粉末41と、残りのSn−Ag系粉末からなる第2はんだ合金粉末42とがフラックス43に混合されている。そして、第1はんだ合金粉末41は、第1はんだ合金粉末41および第2はんだ合金粉末42を溶融させた溶融はんだ中のBiの含有量が5重量%以上15重量%以下となるように、Biを含有している。
そして、本実施形態に係る電子装置10の製造方法では、ランド22が形成されたプリント基板20が用意され(第1工程)、ランド22上にはんだペースト40が配置され(第2工程)、端子32を対応するランド22上のはんだペースト40に接触させるように電子部品30がプリント基板20に搭載され(第3工程)、第1はんだ合金粉末41の融点よりも高く第2はんだ合金粉末42の融点よりも低い所定の温度で加熱することで、溶融した第1はんだ合金粉末41に第2はんだ合金粉末42が拡散して混ざるようにして溶融し、両はんだ合金粉末41,42が溶融することで形成されるはんだ23により、端子32とランド22とがはんだ接続される(第4工程)。
このため、比較的低い所定の温度で第1はんだ合金粉末41および第2はんだ合金粉末42を溶融させるリフロー処理を行うことができ、リフロー処理中に両はんだ合金粉末41,42が溶融して形成されるはんだ23の融点を、第1はんだ合金粉末41よりも上昇させることができる。そして、上記溶融はんだ23には、第2はんだ合金粉末42を構成するAgが含まれるため、電子部品30の端子32とプリント基板20のランド22とをはんだ接続するはんだ(はんだ接続部)23のはんだ寿命(冷熱耐久寿命)や強度を高めることができ、リフロー処理時の加熱温度を低下させつつ高温環境下でも使用可能な電子装置10を製造することができる。特に、上述のように構成されるはんだペースト40をランド22上に印刷する構成であるため、従来仕様と同等の印刷装置を用いることができ、はんだペースト40を印刷するための印刷工程が複雑になることもない。
なお、第1はんだ合金粉末41として、Sn−58Biを採用することに限らず、Biを30重量%以上60重量%以下含有するSn−Bi系粉末を採用してもよい。この場合でも、両はんだ合金粉末41,42を溶融させた溶融はんだ中のBiの含有量が5重量%以上15重量%以下となることで、上記効果を奏する。
特に、溶融はんだ中のBiの含有量を5重量%以上15重量%以下とすることを前提に、Biの含有量が低い第1はんだ合金粉末41を採用する場合には、はんだ合金粉末を100%としたときの第1はんだ合金粉末41の比率を、Biの含有量が高いSn−Bi系粉末を採用する場合よりも、大きくすることができる。このように第1はんだ合金粉末41の比率を比較的大きくすることで、第2はんだ合金粉末42が第1はんだ合金粉末41に溶けやすくなるので、第2はんだ合金粉末42を溶融させるために必要な時間が短縮されて、リフロー時間の短縮を図ることができる。
また、第2はんだ合金粉末42として、Sn−3.0Ag−0.5Cuを採用することに限らず、Agの含有量が1重量%以上4重量%以下であるSn−Ag系粉末を採用してもよい。このように、Agを含有させることで、はんだ寿命を向上させることができる。また、はんだ寿命をさらに向上させるため、第2はんだ合金粉末42として、0.8重量%以下となるCuを添加してなるSn−Ag系粉末を採用することもできるし、4重量%以下(0〜4重量%)となるSb(アンチモン)を添加してなるSn−Ag系粉末を採用することもできるし、0.8重量%以下となるCuおよび4重量%以下となるSb(アンチモン)の双方を添加してなるSn−Ag系粉末を採用することもできる。
なお、はんだ寿命向上のため、Sn−Bi系粉末に対して単にAgやCuを添加する構成では、AgSnやCuSn等が生成されて、固相線温度T2が変化せずに液相線温度T1が上昇してしまい、リフロー温度が高くなってしまうという問題を解消することができない。本発明では、上述のように第1はんだ合金粉末41および第2はんだ合金粉末42をフラックス43に混合させたはんだペースト40を用いることで、上記問題を解決することができる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下のように具体化してもよい。
(1)本発明に係るはんだペースト40は、車両用の電子制御装置に採用されることに限らず、比較的高温になりやすい使用環境にて使用される電子装置やその他の装置に採用されてもよい。
10…電子装置
20…プリント基板
22…ランド
23…はんだ
30…電子部品
32…端子
40…はんだペースト
41…第1はんだ合金粉末
42…第2はんだ合金粉末
43…フラックス

Claims (5)

  1. はんだ合金粉末およびフラックス(43)を含有するはんだペースト(40)であって、
    前記はんだ合金粉末を100%としたとき、7%以上50%以下のSn−Bi系粉末からなる第1はんだ合金粉末(41)と、残りのSn−Ag系粉末からなる第2はんだ合金粉末(42)とが前記フラックスに混合され、
    前記第1はんだ合金粉末は、前記第1はんだ合金粉末および前記第2はんだ合金粉末を溶融させた溶融はんだ中のBiの含有量が5重量%以上15重量%以下となるように、Biを含有することを特徴とするはんだペースト。
  2. 前記第2はんだ合金粉末は、Sn−Ag系粉末中のAgの含有量が1重量%以上4重量%以下であることを特徴とする請求項1に記載のはんだペースト。
  3. 前記第2はんだ合金粉末は、Sn−Ag系粉末に含有量が0.8重量%以下となるCuおよび4重量%以下となるSbの少なくともいずれか1つを添加してなることを特徴とする請求項1または2に記載のはんだペースト。
  4. 請求項1〜3のいずれか一項に記載のはんだペースト(40)を用いて、電子部品(30)の端子(32)とプリント基板(20)のランド(22)とをはんだ接続する電子装置(10)の製造方法であって、
    前記ランドが形成された前記プリント基板を用意する第1工程と、
    前記ランド上に前記はんだペーストを配置する第2工程と、
    前記端子を対応する前記ランド上の前記はんだペーストに接触させるように前記電子部品を前記プリント基板に搭載する第3工程と、
    前記第1はんだ合金粉末の融点よりも高く前記第2はんだ合金粉末の融点よりも低い所定の温度で加熱することで、溶融した前記第1はんだ合金粉末に前記第2はんだ合金粉末が拡散して混ざるようにして溶融し、両はんだ合金粉末が溶融することで形成されるはんだ(23)により、前記端子と前記ランドとをはんだ接続する第4工程と、
    を備えることを特徴とする電子装置の製造方法。
  5. プリント基板(20)とこのプリント基板にはんだ接続される電子部品(30)とを備える電子装置(10)であって、
    請求項1〜3のいずれか一項に記載のはんだペースト(40)をリフロー処理することで形成されるはんだ(23)を用いて、前記電子部品の端子(32)と前記プリント基板のランド(22)とがはんだ接続されていることを特徴とする電子装置。
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