JP3233268B2 - はんだ付け方法 - Google Patents
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Description
品をはんだ付けする方法に関するものであり、さらに、
回路板および上記回路板の製法に関するものである。
電子の応用分野、特に印刷回路板(PCB)の製造にお
いて、回路板上への部品の組み立て時の機械的、電気的
接続のために広く用いられている。これらのスズはんだ
合金は、集積回路チップをチップ・キャリアおよび基板
に接続する際、チップ・キャリアを基板に接続する際、
および多層印刷回路板で回路形成ランドおよびパッドを
接続する際に有用である。
ばはんだ付けを利用した表面実装により、部品を印刷回
路板上に取り付けることが一般に行われている。この目
的のため、回路板は、接続のための第1の表面を構成す
るパッドを有する回路トレースを特徴とし、同様に、部
品は第2の表面、たとえば接点を有する。
回路板に含まれるパッドの上にはんだ合金を塗布する工
程を有する。
層と接触させる。はんだ合金を加熱して、溶融し、リフ
ローさせるが、加熱は気相リフロー、赤外線リフロー、
レーザ・リフローなどにより行う。冷却すると、はんだ
合金は再び固化し、基板に接着して接続が完了する。は
んだ接続は部品を回路板に物理的に取り付けるだけでな
く、回路板上のトレースと部品の接点とを電気的に接続
して、処理のため、部品との間で電流を導く。
は、従来からスズ鉛(Sn−Pb)合金が使用されてい
る。これらの合金は、機械的強度があり、比較的低コス
トで、導電性があり、ぬれ特性が優れているために選択
されてきた。ぬれ特性とは、溶融したはんだがいかに完
全に、かつ急速に固体表面を被覆するかを示す指標であ
る。さらに、Sn−Pb合金は融点が低いが、このこと
は、多くの部品や印刷回路板が、製造または組み立て中
に高温に曝されることにより破損しやすい材料を使用し
ているため、電子応用分野で特に重要である。
り、健康上有害であると認識されている。最近、各国政
府は電子産業に対して、電子産業に従事する労働者が鉛
に曝されることを減らし、環境に放出される鉛の量を減
少させるために、早期に鉛の代替材料を見いだすよう要
求し始めている。
代のほとんどのCMOSを生産する応用例の場合、特に
重要であり、事実、その細部は、この種の回路板では極
めて薄く、鉛中の放射性同位元素から発生するα線が装
置に重大な問題を引き起こすことがある。
合金が、Sn−Pbはんだ合金の代替として研究され
た。このようなSn−Biはんだ合金を各種の電解質か
ら、特にスルホン酸アルキル浴から電着させることは当
業界では周知であり、Y.N.サナダ(Sanada)、R.
N.ジェダイ(Gedye)、S.アリ(Ali)、サーフェス
・アンド・コーティング・テクノロジー(Surf. & Coa
t. Tech.)、Vol.27、p.151−166、(1
986年)に記載されている。スルホン酸アルキル電解
質によるPCB上へのSn−Bi合金の電着について
は、米国特許第5039576号明細書にも記載されて
いる。
他のはんだ合金が、欧州特許出願第94108684.
5号明細書に記載されている。同明細書には、90重量
%を超えるスズ(Sn)と、有効量の銀(Ag)および
ビスマス(Bi)、ならびに任意でアンチモン(Sb)
またはSbと銅(Cu)を含有するはんだ合金を開示し
ている。電着を含めて、上述の合金を得るための各種の
方法が記載されている。
いはんだ合金は、ある種の欠点を有する。これらははん
だ付けおよび冶金学的特性が良好ではなく、はく離強度
およびクリープ抵抗が低い。特に、使用中に超小型電子
パッケージが通常曝される温度では、機械特性が劣る。
の欠点を低減する方法を提供することにある。
u)基板上に亜鉛(Zn)層を付着させる工程と、上記
亜鉛層を被覆するスズ(Sn)はんだ合金を付着させる
工程とを含む、スズはんだ合金を使用して銅基板上に電
子部品をはんだ付けする方法が提供される。
b)を含有しない、たとえばスズとビスマスの(Sn−
Bi)合金である。
はんだ合金の特性がかなり改善されることが確認され
た。
少量(0.3%であれば十分に)存在しても、はんだ付
け工程において有害であることが知られている。その結
果は、合金のぬれ特性が低下する。これは、Znが酸素
と反応しやすく、リフロー中に酸化亜鉛を生成し、電子
部品のピンとはんだ合金との間の接続を不良にし、はん
だの融着を阻止する酸化亜鉛を生成する。
基板上に薄いZn層を付着させると、リフロー中に酸素
と接触せず、したがって酸化されない。非常に薄いZn
層でも、何百倍も厚いはんだ層の機械的、電気的特性を
著しく改善することができる。研究室の試験によれば、
厚さ0.5μm未満のZn層であっても、厚さ50〜1
00μmのはんだ層に影響を与えることが判明した。本
明細書に記載する好ましい実施例では、Zn層の厚さは
0.1μm未満である。
に生成するCuZnSn三元合金のためであると考えら
れる。熱力学的挙動を研究すると、SnとZnのCu原
子に対する吸引相互作用が、相互の反発作用により増大
し、場合によっては軌道の混成により原子価帯に影響を
与え、三元合金の安定性を増大することがわかる。フェ
ルミ・エネルギー順位における状態の数が増大すること
が、界面電気特性の増大しうる原因となると考えられ
る。
一つの重要な効果は、コーティングの経時変化挙動に関
するものである。人工的経時変化実験では、本発明の方
法により得られるCuZnSn三元合金は、他のPbを
含有しないはんだ法と比較して付着物の均一性が高いた
め、良好な挙動を示すことが確認された。
Zn層の付着は、電着法により行われる。しかし、化学
蒸着(CVD)やスパッタリングなどZn層を付着させ
るための他の方法も使用することができる。
して浴に浸漬する。陽極に電流を供給して、浴(この場
合はZn)の塩をそれぞれの金属に陰極還元し、これに
より所期のはんだ合金を回路板に付着させる。導電性の
基板は、基板上に所期の組成のはんだ合金のコーティン
グが所期の厚さに付着するのに十分な時間浸漬したまま
にする。次に、基板をメッキ浴から取り出す。その後、
汚染を最少にするため、メッキされた導電性の基板を、
できるだけ速く完全に洗浄する。
電解液を使用しても行うことができる。酸性電解液は下
記の組成のものとすることができる。 硫酸亜鉛 180g/l 塩化亜鉛 14g/l ホウ酸 12g/l サリチルアルデヒド 1.5g/l デキストリン 3g/l pH 3 温度 室温 電流密度 1A/dm2 付着時間 10秒ないし1分 代替方法として、Zn層を付着させるための電解液とし
て、アルカリ性Zn−Fe浴を使用することもできる。
この電解液は下記の性質を有するものとすることができ
る。 亜鉛 10g/l 鉄 0.08g/l 苛性ソーダ 180g/l 温度 35℃ 電流密度 1A/dm2 付着時間 30秒ないし5分
に付着させる。この場合も、本発明の好ましい実施例に
よれば、付着は電着法により行うが、他の方法を用いる
こともできる。
ルホン酸塩浴を電解液として使用し、下記の操作条件で
電着させることができる。 スズ(メタンスルホン酸第一スズとして) 8g/l ビスマス(メタンスルホン酸ビスマスとして) 20g/l メタンスルホン酸 500ml/l 仕上処理助剤 60ml/l pH 0.3 温度 20〜40℃ 電流密度 0.5〜1A/dm2 50分の付着時間により、50〜100μmの範囲の、
Sn約42%、Bi約58%を含有する均一で共融組成
物に近い層が得られる。共融合金は、すべての成分の液
体および固体濃度を表す曲線が会合する共融点により特
徴付けられ、共融点からいずれの方向に濃度が変化して
も、液体温度が上昇する。
は、PCBの部品に損傷を与えたり、回路板の導電特性
を劣化させたりすることをさけるのに十分低い融点を持
つ。
はんだ合金との付着は、Cu基板上で行われる。Cu基
板上に電子部品が接触している場合には、Zn層とはん
だ合金との付着を基板に接続される部品上で行っても、
基板上で行うのと同等であることはもちろんである。
代表される超小型電子装置分野で、部品を回路板上に組
み込むのに特に有用である。しかし、この方法は、電子
部品をCu基板に接続しなければならない場合には、ど
のような場合でも使用することができる。この方法は、
現行のはんだ付け方法および材料と両立し、一般に使用
されているほとんどの、電子装置の組立に使用する鉛を
含有するはんだの代替物として、リフロー温度、処理薬
品、および装置を変更することなく利用することができ
る。
の事項を開示する。
を付着させる工程と、上記亜鉛層を被覆するスズ(S
n)はんだ合金を付着させる工程とを含む、スズはんだ
合金を使用して銅基板上に電子部品をはんだ付けする方
法。 (2)Snはんだ合金が鉛(Pb)を含有しないことを
特徴とする、上記(1)に記載の方法。 (3)鉛を含有しないSnはんだ合金が、スズとビスマ
スの(Sn−Bi)合金であることを特徴とする、上記
(2)に記載の方法。 (4)Zn層を付着させる工程が、電着法により行われ
ることを特徴とする、上記(1)ないし(3)のいずれ
か一項に記載の方法。 (5)Zn層の電着が、酸電着浴を使用して行われるこ
とを特徴とする、上記(4)に記載の方法。 (6)Zn層の電着が、アルカリZn−Fe電着浴を使
用して行われることを特徴とする、上記(4)に記載の
方法。 (7)Zn層の厚さが、0.1μm未満であることを特
徴とする、上記(1)ないし(6)のいずれか一項に記
載の方法。 (8)上記(1)ないし(7)のいずれか一項に記載の
方法によりはんだ付けされた電子部品を有する電子装
置。 (9)スズはんだ合金を使用して銅基板上に電子部品が
はんだ付けされた印刷回路板を製造する方法において、
銅(Cu)基板上に亜鉛(Zn)層を付着させる工程
と、上記亜鉛層を被覆するスズ(Sn)はんだ合金を付
着させる工程とを含む方法。 (10)Snはんだ合金が鉛(Pb)を含有しないこと
を特徴とする、上記(9)に記載の方法。 (11)鉛を含有しないSnはんだ合金が、スズとビス
マスの(Sn−Bi)合金であることを特徴とする、上
記(10)に記載の方法。 (12)上記(9)、(10)、(11)のいずれか一
項に記載の方法により製造された印刷回路板。
Claims (10)
- 【請求項1】銅(Cu)基板上に薄い亜鉛(Zn)層を
電着させる工程と、 上記亜鉛層を被覆する鉛(Pb)を含まないスズ(S
n)はんだ合金を電着させる工程とを含む、 スズはんだ合金を使用して銅基板上に電子部品をはんだ
付けする方法。 - 【請求項2】 鉛を含有しないSnはんだ合金が、スズと
ビスマスの(Sn−Bi)合金であることを特徴とす
る、請求項1に記載の方法。 - 【請求項3】 Zn層の電着が、酸電着浴を使用して行わ
れることを特徴とする、請求項1または2に記載の方
法。 - 【請求項4】 Zn層の電着が、アルカリZn−Fe電着
浴を使用して行われることを特徴とする、請求項1〜3
のいずれか1項に記載の方法。 - 【請求項5】 Zn層の厚さが、0.1μm未満であるこ
とを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一項に記載の
方法。 - 【請求項6】 請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法
によりはんだ付けされた電子部品を有する電子装置。 - 【請求項7】 スズはんだ合金を使用して銅基板上に電子
部品がはんだ付けされた印刷回路板を製造する方法にお
いて、 銅(Cu)基板上に薄い亜鉛(Zn)層を電着させる工
程と、 上記亜鉛層を被覆する鉛(Pb)を含まないスズ(S
n)はんだ合金を電着させる工程とを含む方法。 - 【請求項8】 鉛を含有しないSnはんだ合金が、スズと
ビスマスの(Sn−Bi)合金であることを特徴とす
る、請求項7に記載の方法。 - 【請求項9】 Zn層の厚さが、0.1μm未満であるこ
とを特徴とする、請求項7または8に記載の方法。 - 【請求項10】 請求項7、8、または9のいずれか一項
に記載の方法により製造された印刷回路板。
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