JP2022140163A

JP2022140163A - はんだ接合法

Info

Publication number: JP2022140163A
Application number: JP2021040861A
Authority: JP
Inventors: 哲郎西村; Tetsuro Nishimura
Original assignee: Nihon Superior Sha Co Ltd
Current assignee: Nihon Superior Sha Co Ltd
Priority date: 2021-03-12
Filing date: 2021-03-12
Publication date: 2022-09-26

Abstract

【課題】低温でのはんだ接合が可能で、しかも、高い信頼性をも併せ持つ汎用性のある鉛フリーはんだ合金、及びはんだ接合方法を提供する。【解決手段】基板の電極と電子部品の電極とを接合するはんだ組成にＡｇを含有しないはんだ合金を用いることによって、基板とはんだ接合部の接合界面にＡｇ３Ｓｎ金属間化合物を生成することを防止して、高い信頼性を有するはんだ接合を実現させることを可能とした。はんだ接合に用いるのはＳｎ－Ｂｉ系低融点はんだである。【選択図】なし

Description

本発明は、鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ接合方法、及び当該はんだ接合方法を用いたはんだ接合部に関する。

地球環境負荷軽減のため、電子部品の接合材料として鉛フリーはんだが広く普及しており、Ｓｎ-Ａｇ-Ｃｕ系はんだ合金やＳｎ-Ｃｕ-Ｎｉ系はんだ合金はその代表的な組成であるが、耐熱温度が低い電子部品の接合には、ＢｉやＩｎを多く含有する低融点はんだ合金も用いられている。

そして、近年のノートＰＣやスマートフォン、特にウェアラブル機器では、その特性から小型化が進み、消費電力の少ないＣＰＵや長時間動作可能な電源などが必要とされている。
そして、それら電子部品の接合に用いられるはんだ合金も低融点特性に加え、接合信頼性も求められており、それに伴うはんだ付け工法の提案もなされている。
特許文献１では、２．５質量％以上３．１質量％以下のＡｇと、０．６質量％以上１質量％以下のＣｕと、３質量％以上５質量％以下のＳｂと、３．１質量％以上４．５質量％以下のＢｉと、０．０１質量％以上０．１質量％以下のＮｉと、０．００８５質量％以上０．１質量％以下のＣｏとを含み、残部がＳｎからなる鉛フリーはんだを用いて、電極がＳｎ－３Ａｇ－０．５Ｃｕ合金から構成されるＢＧＡのはんだ接合がはんだ接合部に発生するクラックの進展を抑制するという技術が開示されている。
特許文献２では、Ｓｎ－Ｉｎ系ハンダを用いてはんだ接合時に於けるハンダの濡れ性を確保し、ハンダ融点の劇的低下を解決する技術が開示されている。
特許文献３では、電子部品の電極に形成したはんだ合金よりも融点の低いＳｎ－Ｂｉ系はんだ合金を用いて、電子部品の熱的損傷を低減し、優れた接続信頼性を有するはんだ継手を形成し、基板の電極と電子部品の電極とを接合するはんだ接合に関する技術が開示されている。

しかし、特許文献１～特許文献３で開示されているはんだ合金並びにそれを用いたはんだ接合方法に関する技術には、低融点鉛フリーはんだ合金を用いた電子部品電極との接合信頼性を十分に満足する技術の提案がなされていないのが現状である。

一方、最近のＰＣやスマートフォン等に於いては環境に配慮したはんだ付けに加え、接合信頼性やコスト削減の供給をも満たすはんだ合金並びにはんだ付けの方法が求められている。

特開２０２０－１０４１６９号公報登録第６５７９２５３号公報特開２０１８－１２１０５５号公報

本発明は、低温でのはんだ接合が可能で、しかも、高い信頼性をも併せ持つ汎用性のある鉛フリーはんだ合金及びはんだ接合方法の提供を目的とする。

本発明者は、上記目的を達成すべく、低融点の鉛フリーはんだ合金並びに当該はんだ合金を用いたはんだ接合方法に着目して鋭意検討を重ねた結果、基板の電極と電子部品の電極とを接合するはんだ組成にＡｇを含有しないはんだ合金を用いることによって、基板とはんだ接合部の接合界面にＡｇ３Ｓｎ金属間化合物を生成させないことにより、高い信頼性を有するはんだ接合を実現させることを見出し本発明の完成に至った。

すなわち本発明は、Ｃｕは主流の基板電極とＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系鉛フリーはんだ合金ＢＧＡの電子部品の電極を鉛フリーはんだ合金にて接合する場合に、はんだ合金組成にＡｇを含有しない鉛フリーはんだ合金を用いて電子部品の電極とはんだ接合することにより、
基板電極のはんだとの接合界面にＡｇ３Ｓｎの生成させないことに成功し、高い接合信頼性を有するはんだ接合を可能とした。
更に、Ｓｎ－Ｂｉ系鉛フリーはんだ合金を用いることにより、２００℃以下の低温ではんだ接合が可能となり、環境負荷の低減と電子部品の熱損傷の抑制、基板や電子部品の耐熱性を下げることによるコスト低減をも可能とした。

本発明は、低温でのはんだ接合を可能とし、しかも高い接合信頼性を有するはんだ接合が可能となり、環境負荷の低減と電子部品の熱損傷の抑制、基板や電子部品の耐熱性を下げることによるコスト低減が可能になるため、ＰＣ等の電子機器等に広く応用が可能となる。

本発明の実施例１のはんだ組成にて接合したはんだ接合部の断面ＳＥＭ写真。本発明の実施例２のはんだ組成にて接合したはんだ接合部の断面ＳＥＭ写真。比較例１のはんだ組成にて接合したはんだ接合部の断面ＳＥＭ写真。

以下に、本発明について詳細に説明する。
本発明のはんだ接合方法は、基板とはんだとの接合界面にＡｇ３Ｓｎ金属間化合物を生成させない鉛フリーはんだ合金組成、すなわち、Ａｇを含有しないはんだ合金組成を用いてはんだ接合を行うことである。
従来は、電子部品の電極と同じ組成のはんだ合金、例えば、Ｓｎ－３Ａｇ－０．５Ｃｕをはんだ接合に使用していた。
最近では、低融点はんだ合金であるＳｎ－Ｂｉ共晶組成やＢｉが３０質量％以上含有した組成をはんだ接合に試みられているが、元来、Ｂｉが多量に含有されたはんだ合金を用いたはんだ接合部は接合部の脆さが指摘されており、接合強度向上の目的でＡｇが０．１～１．０質量％添加された組成が検討されてきた。
しかし、電子機器の連続使用や負荷条件を想定したエージングにより、Ａｇを含有しＢｉが多量に含有する低温鉛フリーはんだ合金では、経時的に接合強度が低下することが判明し、その解決方法を検討した結果、上記の如く、Ａｇを含有しないはんだ合金組成を用いることにより、電子部品の電極組成にＡｇが含まれていても、基板とのはんだ接合界面にＡｇ３Ｓｎが生成しないことを見出し、信頼性の高いはんだ接合方法を完成させた。

一方、Ｃｕを電極とする基板とＳｎ－４Ａｇ－０．５Ｃｕを電極とする電子部品の接合にＡｇを含有しない低温鉛フリーはんだを用いた接合に関して、特許文献１の実施例ではんだ組成と電極の組合せの開示はなされているが、はんだ接合時の冷却方法によりＢｉ層の微細化の有無をポイントとして発明がなされているため、本発明の基板とはんだ接合の接合界面に生成するＡｇ３Ｓｎについては全く触れておらず、Ａｇ３Ｓｎの存在が接合信頼性の有無を左右することの示唆すらなされていない。

更に、本発明のはんだ接合方法に用いる鉛フリーはんだ合金は、Ｓｎ－Ｂｉ系鉛フリーはんだが好ましく、４２Ｓｎ５８Ｂｉ共晶組成やＢｉを３０～５０質量％、Ｓｂを０．１質量％以上３．０質量％以下、Ｃｕを０．１質量％以上２．０質量％以下、Ｎｉを０．００１質量％以上０．５質量％以下、残部Ｓｎ組成が更に好ましく、本発明の効果を有する範囲に於いて、前記組成にＩｎ、Ｐ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｖ、Ｐｄ等の成分を含有させても構わない。
また、本発明の効果を有する範囲に於いて、上記組成以外のＡｇを含有しない鉛フリーはんだ合金組成を用いても構わない。

以下に、実施例を示し、本発明について説明する。
（はんだ合金組成）
・実施例１：Ｓｎ－３７Ｂｉ－０．５Ｃｕ－０．５Ｓｂ－０．０３Ｎｉ
・実施例２：４２Ｓｎ－５８Ｂｉ
・比較例１：Ｓｎ－５７Ｂｉ－１Ａｇ
（試料作成）
・上記はんだ組成を用い、粒径５００μｍのはんだボールを作製し、株式会社日本スペリア社製フラックスＲＭ－５を、無酸素銅を有する基板（１５×１５×１．６ｍｍ、ＦＲ－４）に適量塗布し、前記はんだボールをマウントし、株式会社タムラ製作所社製リフロー装置ＴＮＷ３３－３６ＥＴを用いてリフリーはんだ付けを実施し、評価試料を作製した。
・その後、各評価試料の一部を７５℃の恒温槽に１００時間投入し、エージング処理を行い、断面観察用試料を作製した。
（試料の評価）
・実施例１、実施例２、及び比較例１の各合金組成にて作製した断面観察用試料を日本電子株式会社製走査電子顕微鏡（ＪＳＭ－６３６０ＬＡ）を用い、断面観察を行い、各試料を評価した。
（評価結果）
・評価結果を図１～図３に示す。

図１は本発明の実施例１、図２は本発明の実施例２であり、両方共エージング前後でＢｉ粒子（１）の肥大化以外に変化はなく、Ａｇ３Ｓｎ金属間化合物（４）の生成は見られない。
一方、図３は比較例として、Ａｇを含有するはんだ合金にてはんだ接合した試料であるが、エージング処理前にＡｇ３Ｓｎ金属間化合物の結晶が接合界面付近に見られ、エージング後にはＡｇ３Ｓｎ金属間化合物が肥大していることが分かった。
このように、本発明のはんだ接合方法であるＡｇを含有しない鉛フリーはんだ合金を基板電極とのはんだ接合に用いることにより、エージング処理を行った場合に於いても接合界面及び接合界面付近にＡｇ３Ｓｎの発生が見られないことが分かり、接合信頼性の高い接合であることが判明した。

１Ｂｉ
２Ｓｎ
３基板
４Ａｇ３Ｓｎ

Claims

基板電極と電子部品電極のはんだ接合に於いて、基板とはんだ接合部の接合界面にＡｇ３Ｓｎ金属間化合物を生成させないことを特徴とするはんだ接合方法。
請求項１記載の接合方法に於いて、はんだ接合に用いるはんだ合金にＡｇが含有していないことを特徴とするはんだ接合方法。
請求項１及び請求項２記載のはんだ接合方法に於いて、はんだ接合に用いるはんだ合金組成がＳｎ－Ｂｉ系低融点はんだ組成であることを特徴とするはんだ接合方法。
請求項１～請求項３記載のはんだ接合方法を用いて接合したことを特徴とするはんだ接合部並びに電子機器。