JP2557574B2 - はんだの接合構造 - Google Patents

はんだの接合構造

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JP2557574B2 JP3109410A JP10941091A JP2557574B2 JP 2557574 B2 JP2557574 B2 JP 2557574B2 JP 3109410 A JP3109410 A JP 3109410A JP 10941091 A JP10941091 A JP 10941091A JP 2557574 B2 JP2557574 B2 JP 2557574B2
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    • H05KPRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00Printed circuits
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    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05K3/3457Solder materials or compositions; Methods of application thereof

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  • Parts Printed On Printed Circuit Boards (AREA)
  • Electric Connection Of Electric Components To Printed Circuits (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、基板上に形成されるは
んだの接合構造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、ハイブリッドICの耐環境特性は
高い水準のものが求められるようになってきた。特に、
自動車用のICは種々の温度条件に対する優れた耐久
性、中でも低温状態と高温状態とを繰り返す、いわゆる
ヒートサイクルに対する耐久性能が要求されている。
【0003】従来より、一般に自動車等に用いられるハ
イブリッドICは次のように作成される。すなわち、図
11に示すように、アルミナ製のハイブリッドIC基板
(以下単に基板という)22上にパターンの切ってある
図示しないスクリーンマスクを配置し、謄写版印刷の要
領で、基板22上に後述する導体23の構成要素を含む
ペーストを塗布して回路パターンを形成し、いわゆるス
クリーン印刷を施す。そして、それを焼成することによ
り、前記基板22上に導体23が形成される。
【0004】この導体23は、一般的には銀及び白金
〔Ag/Pt=99.0〜99.3/1.0〜0.7
(重量比)〕により形成される。また、前記基板22と
導体23との間には、焼成して導体23を形成する際
に、ペースト中のビスマスや銅が混入された複合アルミ
ニウム酸化物を主成分とする接合層25が形成される。
次に、前記導体23上の所定の位置に、はんだ層24を
形成するはんだクリームを塗布し、その上から電子部品
27を配置する。その後、前記はんだクリームを溶融さ
せるいわゆるリフロー工程に供することにより、はんだ
層24を形成し、はんだ層24と電子部品27とを接合
する。前記はんだ層24は、一般的には銀、錫及び鉛
〔Ag/Sn/Pb=2/62/36(重量比)〕によ
り形成されている。また、さらに、リフロー工程の際に
熱履歴を受けることにより、前記導体23とはんだ層2
4との間には、導体23中の銀と、はんだ層24中の錫
とが拡散したことによる銀−錫合金層(金属間化合物)
26が形成される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
ように構成されたはんだの接合構造は、前記ヒートサイ
クルの回数が増えれば増えるほど、導体23を基板22
から引き剥す際の強度が著しく低下してしまっていた。
この剥離状態を観察した結果、基板22と接合層25と
の間での剥離がほとんどであった。
【0006】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたものであって、その目的は強固な接合力が得られる
とともに、その接合力がヒートサイクルの繰り返しによ
っても低下しにくいはんだの接合構造を、その製造工数
を増加させることなく低コストで成し得るようにする
とにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、基板上に導体を形成するとともに、その
上にはんだ層を形成してなる接合構造であって、前記導
体を銀及び白金により形成するとともに、前記はんだ層
を錫及び銀により形成した。
【0008】
【作用】はんだ層は錫及び銀により形成されているので
延性及び柔軟性を有し、ヒズミ等がはんだ層により吸収
される。導体とはんだ層との間の合金層の成長が少な
く、かつ、均一にでき、この合金層が銀−錫拡散のバリ
ヤとして働く。この合金層は導体上へのはんだ層の形成
の際に自発的に形成されるので、はんだ付けと別の工程
で銀−錫拡散のバリヤを形成する手間がなく、製造工数
の増加を抑えて低コストで強固な接合力が得られるとと
もに、その接合力がヒートサイクルの繰り返しによって
も低下しにくいはんだの接合構造が得られる。
【0009】
【実施例】 (実施例及び比較例)以下、本発明を自動車用のハイブ
リッドICに具体化した一実施例を種々の比較例と比較
しつつ、図1〜10に基づいて説明する。図1は本実施
例におけるハイブリッドIC1を模式的に示す要部断面
図である。同図に示すように、アルミナ製の基板2の上
には導体3が配線されている。前記導体3は、基板2上
にパターンの切ってあるスクリーンマスクを配置し、謄
写版印刷の要領で、導体3の構成要素を含むペーストを
塗布して回路パターンを形成し、スクリーン印刷を施
す。そして、それを焼成することにより形成される。こ
の導体3は、銀及び白金により形成されており、そのう
ち、白金の占める割合は0.8重量%である。なお、白
金の占める割合は0.7〜1.0重量%程度が最も好ま
しい。また、前記基板2と導体3との間には、焼成して
導体3を形成する際に、ペースト中のビスマスや銅が混
入された複合アルミニウム酸化物を主成分とする接合層
5が形成されている。
【0010】前記導体3の上には、はんだ層4が形成さ
れており、その上にはリード線7が配置されている。前
記はんだ層4は、前記導体3上の所定の位置に、はんだ
層4の成分を含有したはんだクリームを塗布し、その上
からリード線7を配置した後、リフロー工程に供するこ
とにより形成される。前記はんだ層4は、錫及び銀のみ
によって形成されており(実施例1)、そのうち、銀の
占める割合は3.5重量%である。なお、銀の占める割
合は0.1〜5.0重量%程度が最も好ましい。また、
さらに、リフロー工程の際に熱履歴を受けることによ
り、前記導体3とはんだ層4との間には、導体3中の銀
と、はんだ層4中の錫とが拡散したことによる銀−錫合
金層(金属間化合物)6が形成されている。ただし、こ
の合金層(金属間化合物)6は、本実施例の組成の場
合、種々の熱履歴を受けても拡散が起こりにくく、きわ
めて薄いものとなっている。
【0011】次に、本実施例と、従来のはんだ接合構造
とを比較した結果について説明する。なお、比較例1と
して錫62重量%/鉛36重量%/銀2重量%の組成比
を有するはんだを、比較例2として錫46重量%/鉛4
6重量%/ビスマス8重量%の組成比を有するはんだ
を、比較例3として錫10重量%/鉛88重量%/銀2
重量%の組成比を有するはんだをそれぞれ用いた。前記
比較例1〜3及び実施例1のはんだ組成及び機械的特性
を表1に示す。
【0012】
【表1】
【0013】次に、前記4種類のはんだ接合構造を有す
る基板2をヒートサイクル試験に供した際の、ヒートサ
イクルに対する累積故障率の関係を図2に、また、ヒー
トサイクルに対する引き剥がし強度の関係を図3に示
す。なお、このヒートサイクル試験においては、低温槽
として−55℃の気槽中に30分放置した後、高温槽と
して150℃の気槽中に30分放置し、1サイクル
(回)とした。
【0014】図2に示すように、比較例1,2における
はんだ材料は、250サイクル時点で故障率が高くなっ
ている。それに比べ、比較例3及び実施例1におけるは
んだ材料は、故障が発生し始めるのも遅く、その増加度
合も小さい。つまり、故障が起こりにくいことがわか
る。一方、図3に示すように、比較例2,3におけるは
んだ材料は、初期の引き剥がし強度が比較例1及び実施
例1におけるはんだ材料に比べ、30%程度低い。ま
た、比較例1におけるはんだ材料は、初期の引き剥がし
強度では実施例1におけるはんだ材料と等しいものの、
250回のサイクル数を経た場合、当初の40%程度に
まで引き剥し強度が低下してしまった。ところが、実施
例1におけるはんだ材料は250回のサイクル数を経た
後でも当初の90%程度の引き剥し強度を保持すること
ができた。また、1000回を経た後でも、当初の強度
の5割以上を保持することができ、優れた耐久性を示し
た。
【0015】次に、引き剥がし時における剥離モードに
ついて調べた。図4〜6は引き剥がし時におけるそれぞ
れ異なった剥離モードを示す顕微鏡写真である。図4に
示すモードはリード線7とはんだ層4の接合部で破壊
し、リード線7がはんだから抜けた状態を示す。図5に
示すモードは導体3があった箇所に茶色の膜を残して導
体3全体が剥離している状態を示す。図6に示すモード
は基板2の白い下地が見えた状態で剥離している状態を
示す。
【0016】比較例1,2におけるはんだ材料は、ほと
んどの場合、図5又は図6に示すモードで剥離し、一
方、比較例3及び実施例1におけるはんだ材料は、図4
に示すモードで剥離する場合が多かった。図5又は図6
に示すモードで剥離するということは、導体3と基板2
との接合部が劣化したことを示す。すなわち、実施例1
におけるはんだ材料は、導体3と基板2との接合部の劣
化が少ないといえる。
【0017】次に、はんだ材料の違いによる接合部の劣
化状況を表2に示す。
【0018】
【表2】
【0019】同表に示すように、比較例1,2における
はんだ材料は、結晶粒の粗大化、はんだクラック(はん
だ層4に生じる亀裂)、基板クラック(基板2に生じる
亀裂)ともに250サイクルの段階で発生するが、比較
例3及び実施例1におけるはんだ材料は、前記結晶粒の
粗大化、はんだクラック、基板クラックが発生し始める
のが遅い。すなわち、実施例1におけるはんだ材料は、
ヒートサイクルに対して優れた耐久性を有しているとい
える。
【0020】さて、前述のような劣化は、あくまで推測
の域を超えないが、銀を主成分とする導体3中にはんだ
材料の錫が拡散し、Ag3Sn等の銀−錫合金層(金属
間化合物)6を形成し、その時に体積が増加することが
原因で起こり、その結果、接合強度が低下するものと考
えられる。そこで、比較例1におけるはんだ材料と、実
施例1におけるはんだ材料との前記拡散状況の変化を調
べた。
【0021】図7に実施例1におけるはんだ材料の初期
の状態を、図8に実施例1におけるはんだ材料のヒート
サイクル試験500回後の状態をそれぞれ示す。また、
図9に比較例1におけるはんだ材料の初期の状態を、図
10に比較例1におけるはんだ材料のヒートサイクル試
験500回後の状態をそれぞれ示す。これらの図に示す
ように、比較例1におけるはんだ材料は500サイクル
後は銀−錫合金層(金属間化合物)6が形成されている
のに対し、実施例1におけるはんだ材料は500サイク
ル後も銀−錫合金層(金属間化合物)6は初期に比べて
もあまり形成されず、ほとんど変化がない。
【0022】さらに、前記各はんだ材料の試験初期と試
験後(500サイクル終了時)における存在元素の定量
分析を行った。その結果を表3に示す。
【0023】
【表3】
【0024】同表に示すように、比較例1,2における
はんだ材料は初期において、構成元素の割合は一定では
なく、位置によって異なっていたが、試験後は錫が導体
3材料内全体に拡散し、その比率はAg:Sn≒3:1
となっている。一方、比較例3及び実施例1におけるは
んだ材料は、初期及び試験後ともに構成元素の割合はほ
ぼ一定でその比率はAg:Sn≒3:1となっている。
このことから、実施例1におけるはんだ材料は、初期に
おいて導体3とはんだ層4との間に安定した銀−錫合金
層(金属間化合物)6が薄く形成され、高温下において
導体3への錫の拡散のバリアとして作用し、それ以上の
金属化合物の成長を抑止するものと考えられる。
【0025】以上詳述したように、本実施例のハイブリ
ッドIC1(実施例1)は、基板2上の導体3を銀及び
白金により形成するとともに、はんだ層4を錫及び銀の
みにより形成したので、強固にはんだ接合することがで
きるとともに、接合部位はヒートサイクルに対して優れ
た耐久性能を発揮することができ、又、銀−錫拡散のバ
リヤとして作用する合金層6は導体3上へのはんだ層4
の形成の際に自発的に形成されるので、はんだ付けと別
の工程で銀−錫拡散のバリヤを形成する手間がなく、製
造工数の増加を抑えて低コスト化を図ることができる。
【0026】
【発明の効果】本発明によれば、強固な接合力が得られ
るとともに、その接合力がヒートサイクルの繰り返しに
よっても低下しにくいはんだの接合構造を、その製造工
数を増加させることなく低コストで実現することができ
という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施例のはんだの接合構造を説明するための
ICを模式的に示す部分断面図である。
【図2】ヒートサイクルの回数に対する累積故障率の関
係を示すグラフである。
【図3】ヒートサイクルの回数に対する導体の引き剥し
強度の関係を示すグラフである。
【図4】引き剥がし時における剥離モードを示す金属組
織の顕微鏡写真である。
【図5】図4とは別の剥離モードを示す金属組織の顕微
鏡写真である。
【図6】図4,5とは別の剥離モードを示す金属組織の
顕微鏡写真である。
【図7】実施例1におけるはんだ材料の初期状態の結晶
の構造を示す顕微鏡写真である。
【図8】実施例1におけるはんだ材料のヒートサイクル
試験後状態の結晶の構造を示す顕微鏡写真である。
【図9】比較例1におけるはんだ材料の初期状態の結晶
の構造を示す顕微鏡写真である。
【図10】比較例1におけるはんだ材料のヒートサイク
ル試験後状態の結晶の構造を示す顕微鏡写真である。
【図11】従来のはんだの接合構造を説明するためのI
Cを模式的に示す部分断面図である。
【符号の説明】
2…基板、3…導体、4…はんだ層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−139995(JP,A) 特開 昭61−196598(JP,A) 実開 平3−2673(JP,U)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基板(2)上に導体(3)を形成するとと
    もに、その上にはんだ層(4)を形成してなる接合構造
    であって、前記導体(3)を銀及び白金により形成する
    とともに、前記はんだ層(4)を錫及び銀により形成し
    たことを特徴とするはんだの接合構造。
JP3109410A 1991-03-22 1991-05-14 はんだの接合構造 Expired - Lifetime JP2557574B2 (ja)

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US08/210,605 US5489803A (en) 1991-03-22 1994-03-18 Solder-bonded structure

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JP3-59094 1991-03-22
JP5909491 1991-03-22
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS57139995A (en) * 1981-02-24 1982-08-30 Mitsubishi Electric Corp Method of producing hybrid integrated circuit
JPH06105828B2 (ja) * 1985-02-26 1994-12-21 京セラ株式会社 電子部品の実装構造
JP3002673U (ja) * 1994-04-01 1994-09-27 マルイ包装株式会社 魚の変形防止部材の構造

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