JP2020116638A - 高温及び振動環境に適合した無鉛ソルダ合金組成物及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
なお、前記無鉛ソルダ合金組成物からなるソルダペースト、ソルダフリーフォーム、ソルダボール、ソルダワイヤ、及びソルダバーを提供することを解決課題とする。
本発明の高温及び振動環境に適合した無鉛ソルダ合金組成物は、Cu:0.1〜10質量%、Bi:0.1〜10質量%、残部Sn及び不可避的不純物からなる無鉛ソルダ合金、Ag:0.1〜10質量%、Bi:0.1〜10質量%、残部Sn及び不可避的不純物からなる無鉛ソルダ合金、又はAg:0.1〜10質量%、Cu:1.0〜10質量%、Bi:0.1〜10質量%、残部Sn及び不可避的不純物からなる無鉛ソルダ合金に、ナノサイズのセラミックス粉末である添加剤が添加されていることを特徴とする。
なお、添加剤の大きさは、1,000nm未満であることを特徴とする。
本発明のソルダペーストは、無鉛ソルダ合金及び添加剤とフラックスを含むことを特徴とする。
本発明のソルダフリーフォームは、前記無鉛ソルダ合金組成物を使用して形成されたことを特徴とする。
本発明のソルダボールは、前記無鉛ソルダ合金組成物を使用して形成されたことを特徴とする。
本発明のソルダワイヤは、前記無鉛ソルダ合金組成物を使用して形成されたことを特徴とする。
本発明のソルダバーは、前記無鉛ソルダ合金組成物を使用して形成されたことを特徴とする。
なお、基地組織(matrix)の結晶粒と金属間化合物の成長によって発生するクラック(Crack)を抑制させる役割をすることにより、ソルダの信頼度とソルダ継手の寿命を増加させる効果がある。
なお、本発明の無鉛ソルダ合金組成物は、ナノサイズのセラミックス粉末が添加されていない従来のSn-Cu-Bi,Sn-Ag-Bi,Sn-Ag-Cu-Bi合金に比して、熱衝撃に対する抵抗が大きな効果がある。
なお、流動性(flow)と湿潤性(wetting properties)が向上して、はんだ付け部の不良を抑制する効果がある。
本発明の高温及び振動環境に適合した無鉛ソルダ合金組成物は、Sn-(0.1〜10)wt%Cu-(0.1〜10)wt%Bi,Sn-(0.1〜10)wt%Ag-(1.0〜10)wt% Bi又はSn-(0.1〜10)wt%Ag-(0.1〜10)wt%Cu-(0.1〜10)wt%Biの無鉛ソルダ合金に、ナノサイズのセラミックス粉末である添加剤を添加することを特徴とする。
本発明の無鉛ソルダ合金組成物は、Biによる析出強化形態であるSn-Cu-Bi,Sn-Ag-Bi又はSn-Ag-Cu-Bi合金系に基づき、分散強化で追加されたナノサイズのセラミックス粉末である添加剤を含むことを特徴とする。
本発明の添加剤は、下記表1のような化学式を有し得る。前記元素の酸化物、窒化物及び炭化物の代表的な化学式を例示したものであって、これに限ることではなく、前記元素の酸化物、窒化物及び炭化物形態の他の化学式を有し得る。
前記添加剤の粒径はナノサイズであって、1,000nm未満であることが好ましい。添加剤の大きさが1,000nm以上の場合、合金内で不純物として作用する問題がある。ただし、添加剤の粒径が小さくなっても、コスト増加の問題を除いては、効果的であるため、下限を置かない。
析出強化型合金は、初期温度が増加した時、結晶粒径を抑制させるが、一定の温度以上で持続的に使用時は濃度差により析出状が消滅されたり、粒内と粒界で結晶粒と持続成長した析出状は脆性を起こして、初期クラック(Crack)の発生地点になり得、粗大化した結晶粒は、クラック(Crack)が容易に進行されることができるので、強度値の低下が大きい。
しかし、ナノ分散強化型合金は、温度が上昇してもナノサイズのセラミックス粉末が成長するか、消滅しないので、結晶粒の周りに均一に分散されて合金の結晶粒及び金属間化合物が粗大化されることを抑制することができる。
本発明のソルダフリーフォームは、本発明に係る無鉛ソルダ合金組成物からなり、シートの形態であることを特徴とする。本発明のソルダボールは、本発明に係る無鉛ソルダ合金組成物からなり得る。本発明のソルダワイヤは、本発明に係る無鉛ソルダ合金組成物からなり得る。本発明のソルダバーは、本発明に係る無鉛ソルダ合金組成物からなり得る。前記の製品形態で製造された高温及び振動環境に適合した無鉛ソルダ合金組成物は、電子製品又は自動車電装品、半導体デバイスに接合用材料として利用できる。
無鉛ソルダ合金にセラミックス粉末である添加剤を無鉛ソルダ合金組成物に比して、0.01乃至2.0wt%混合した無鉛ソルダ合金組成物とフラックスを88.5wt%:11.5wt%の比率で混合して、ソルダペーストを製造する。
セラミックス粉末である添加剤をフラックスに分散させた後、無鉛ソルダ合金の粉末と混合してソルダペーストを製造する。
無鉛ソルダ合金にセラミックス粉末である添加剤を無鉛ソルダ合金組成物に比して、0.01乃至2.0wt%混合した無鉛ソルダ合金組成物とフラックスを88.5wt%:11.5wt%の比率で混合してソルダペーストを製造する。
無鉛ソルダ合金にセラミックス粉末である添加剤を無鉛ソルダ合金組成物に比して、0.01乃至2.0wt%混合した無鉛ソルダ合金組成物を、圧延を通して0.1mmのソルダフリーフォームを製造する。
セラミックス粉末である添加剤を添加せずに、無鉛ソルダ合金の粉末とフラックスを混合してソルダペーストを製造する。
セラミックス粉末である添加剤を添加しない無鉛ソルダ合金を、圧延を通して0.1mm厚さのソルダフリーフォームを製造する。
無鉛ソルダ合金に、セラミックス粉末である添加剤を0.005wt%混合した無鉛ソルダ合金組成物とフラックスを88.5wt%:11.5wt%の比率で混合して、ソルダペーストを製造する。
無鉛ソルダ合金に、セラミックス粉末である添加剤を2.1wt%混合した無鉛ソルダ合金組成物とフラックスを88.5wt%:11.5wt%の比率で混合して、ソルダペーストを製造する。
<評価項目>
1.OSP,HASL,Snなどの表面処理されたPCB基板の上端にペースト塗布。
2.微細構造の観察:結成粒径(Grain size)、金属間化合物(IMC)のサイズ。
3.熱衝撃テスト:高温環境耐久性評価(-40℃〜125℃,各10分維持,3000cycle)
4.接合強度:熱衝撃前/後 せん断強度
5.拡散性試験(spreading test):JIS Z 3197
6.粘着力試験:JIS Z 3284
7.ボイド(Void)評価:ソルダリング後、X−Rayでボイド含量測定。
8.湿潤性試験:JIS Z 3284
(1)熱衝撃テスト及び接合強度
熱衝撃テスト及び接合強度は、高温環境における信頼性があるかどうかを確認するために実施した。熱衝撃テストは、エレベーター式熱衝撃テスタを使用し、-40℃で10分間維持後、125℃で10分維持を1cycleとして、1000cycle,2000cycle,3000cycleである時の強度変化を測定し、靭性(toughness)を計算した。接合強度は、せん断強測定器を用いて、shear height 60 μm, test speed 300μm/s, Land speed 100μm/sで測定し、5つの試片を測定してその平均及び平均偏差を測定し、靭性(toughness)は、Stress-Strain curveで面積値を、積分を通して計算した。
拡散性の実験は、JIS Z 3197規格によって実施した。先ず、A 30mmX30mmX0.3mmの銅彫刻を研磨した後、アルコールで洗浄する。乾燥後、均一な酸化膜を生成するために、150℃の温度で1時間の間加熱する。0.3gのソルダ粉末を0.03gのフラックスと混合し、銅彫刻の中央に置く。その彫刻を250℃で加熱されたホットプレートに置く。しばらくして銅彫刻の中央に位置したソルダ粉末が溶け始める。銅彫刻を250℃で溶融されたソルダ槽に30秒の間維持して、ソルダ粉末が完全に溶けて広がると、銅彫刻をソルダ槽から取り出し、常温で冷却させる。冷却された銅板上に広がっているソルダを使用して拡散性を実験し、その拡散率を測定する。
粘着性の試験は、厚さ0.2mm、直径6.5mmの孔を有するメタルマスクを用いて、グラス板又はセラミックス基板にソルダペーストを印刷する。前記印刷されたソルダペーストを円柱形STS材質のプローブ(直径5.10±0.13mm)を用いて加圧計が取り付けられた粘着性測定器から以下の条件で粘着性を測定し、この時の最大荷重を5回測定して平均値を算出する。
‐プローブ下降速度:2.0mm/s
‐ペースト加圧圧力:50±5g
‐ペースト加圧時間:0.2秒以内
‐プローブ上昇速度:10mm/s
Void試験は、ソルダリング直後、チップ(Chip)の下部にソルダが形成された層のボイドサイズをX-Ray装備を介して測定する。全体面積対比ボイドが占める面積を比率で計算して結果を記録する。ボイド面積が大きいほどソルダ接合面積が小さいという意味であり、これは電気抵抗が増加し、熱放出性能域から超えて性能に悪影響を与える。
湿潤性の試験は、スクリンプリントを利用してソルダペーストをPCB基板に塗布し、 reflow工程時、隣り合う回路とブリッジが形成されるかどうかを評価することであって、評価方法は、JIS Z 3284附属書10の表1(下記表3)に示した拡散された状態により区分して表示する。
(1)接合強度及び靭性(toughness)
本発明において、製造したソルダ合金組成物をペーストとフリーフォームで製造して、PCB基板に実装及びレフロー以後、初期、1000cycle,2000cycle,3000cycleの熱衝撃テスートを進行した。以後、接合強度を、測定結果をチップの大きさと種類によって図4(a) MLCC 1210、図4(b) QFP44で示した。
下記表4には、無鉛ソルダ合金の組成別の拡散率を測定した結果を示した。比較例5乃至6及び実施例5乃至6の場合、製品の形態がソルダフリーフォームのため、評価結果から除外した。
製品の形態がソルダペーストである試料の拡散率を測定した結果、表4のように比較例よりナノサイズのセラミックス粉末である添加剤を0.01〜2.0wt%添加した実施例が拡散性が優秀なことを確認した。しかしながら、ナノサイズのセラミックス粉末が0.005wt%では(比較例9)効果がなかった。これは、ナノサイズのセラミックス粉末が0.01〜2.0wt%で添加された時は、合金の流動性がよくなって、拡散性に影響を与えるが、範囲を0.01wt%未満では効果がないのが分かる。拡散率がよいソルダは、はんだ付け時に敏感な電子部品や回路基板によく拡散されて、はんだ付け部のヒレがよく形成されるので、はんだ付け部の不良減少と感度向上などの長所として作用することができる。
下記表5には、無鉛ソルダ合金組成別にボイド測定結果を示した。
比較例より0.01〜2.0wt%のナノサイズのセラミックス粉末が添加された実施例の場合を見る時、ボイド特性が優秀なことを確認した。これは、ナノサイズのセラミックス粉末が添加されることにより、合金の流動性がよくなって、ボイド減少に影響を与えるものと判断した。しかしながら、前記数値範囲を脱した0.005wt%では(比較例9)、ナノサイズのセラミックス粉末が効果がないのが分かり、2.1wt%では(比較例10)、ナノサイズのセラミックス粉末が添加されることにより、ディウェッティング(dewetting)を発生させ、ボイド率を高めることが分かる。なお、Bi含量を増加させると、融点が低下し、湿潤性が一部よくなれるが、Biが適正含量以上の場合、硬化させる特性があるので、ボイドも同様に増加されることができる。よって、Bi含量は、10wt%以下であるのが望ましい。
下記表6には、無鉛ソルダ合金組成別湿潤性の測定結果を示した。
比較例より0.01〜2.0wt%のナノサイズのセラミックス粉末を添加した実施例の湿潤程度を比較してみたとき、その特性が優秀なことを確認した。これは、ナノサイズのセラミックス粉末が添加されることにより、合金の流動性がよくなって、湿潤性に影響を与えるものと判断した。しかしながら、前記数値範囲を脱した0.005wt%のナノサイズのセラミックス粉末が添加された場合(比較例9)には、効果がないことがわかり、2.1wt%のナノサイズのセラミックス粉末が添加された場合(比較例10)には、かえって湿潤性が低下することがわかる。
Claims (10)
- Cu:0.1〜10質量%、Bi:0.1〜10質量%、残部Sn及び不可避的不純物からなる無鉛ソルダ合金、Ag:0.1〜10質量%、Bi:0.1〜10質量%、残部Sn及び不可避的不純物からなる無鉛ソルダ合金、又はAg:0.1〜10質量%、Cu:1.0〜10質量%、Bi:0.1〜10質量%、残部Sn及び不可避的不純物からなる無鉛ソルダ合金に、ナノサイズのセラミックス粉末である添加剤が添加されていることを特徴とする、高温及び振動環境に適合した無鉛ソルダ合金組成物。
- 前記添加剤は、B(ホウ素),Ti(チタニウム),Al(アルミニウム),V(バナジウム),Cr(クロミウム),Mn(マンガン),Fe(鉄),Co(コバルト),Ni(ニッケル),Zr(ジルコニウム),Nb(ノイブ),Mo(モリブデン),Y(イトリウム),La(ランタン),Sn(錫),Si(シリコン),Ag(銀),Bi(ビスマス),Cu(銅),Au(金),Mg(マグネシウム),Pd(パラジウム),Pt(白金)、又はZn(亜鉛)元素の酸化物、窒化物及び炭化物からなる群から選ばれる1種以上を含むことを特徴とする、請求項1に記載の高温及び振動環境に適合した無鉛ソルダ合金組成物。
- 前記添加剤の含量は、無鉛ソルダ合金組成物に比して0.01乃至2.0wt%であることを特徴とする、請求項1に記載の振動環境に適合した無鉛ソルダ合金組成物。
- 前記添加剤の大きさは、1,000mm未満であることを特徴とする、請求項1に記載の振動環境に適合した無鉛ソルダ合金組成物。
- 請求項1乃至4の何れか1項に記載の無鉛ソルダ合金及び添加剤とフラックスを含むことを特徴とする、ソルダペースト。
- 請求項1乃至4の何れか1項に記載の無鉛ソルダ合金組成物を使用して形成される、ソルダフリーフォーム。
- 請求項1乃至4の何れか1項に記載の無鉛ソルダ合金組成物を使用して形成される、ソルダボール。
- 請求項1乃至4の何れか1項に記載の無鉛ソルダ合金組成物を使用して形成される、ソルダワイヤ。
- 請求項1乃至4の何れか1項に記載の無鉛ソルダ合金組成物を使用して形成される、ソルダバー。
- Cu:0.1〜10質量%、Bi:0.1〜10質量%、残部Sn及び不可避的不純物からなる無鉛ソルダ合金、Ag:0.1〜10質量%、Bi:0.1〜10質量%、残部Sn及び不可避的不純物からなる無鉛ソルダ合金、又はAg:0.1〜10質量%、Cu:1.0〜10質量%、Bi:0.1〜10質量%、残部Sn及び不可避的不純物からなる無鉛ソルダ合金を溶融させるステップと、前記溶融された無鉛ソルダ合金に、ナノサイズのセラミックス粉末である添加剤を添加するステップと、を含むことを特徴とする、合金組成物の製造方法。
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