JP3347512B2 - 低温接合用はんだ合金、これを用いた電子機器およびその製造方法 - Google Patents

低温接合用はんだ合金、これを用いた電子機器およびその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、低温接合用はんだ合
金、これを用いた電子機器およびその製造方法に関す
る。本発明は、特に、電子機器産業における回路配線基
板アセンブリにおいて使用されるはんだ合金に関し、こ
のはんだ合金は構成元素としてPbを含まず、しかもそ
れを用いた時のはんだ付け温度が従来の63Sn−37
Pbはんだの融点よりも低いものである。
【0002】
【従来の技術】地球環境保全に対する国際的な意識の高
まりから、廃電子部品からのPbの溶出による水質汚染
がクローズアップされている。Pbは、Snとの合金で
ある融点183℃の63Sn−37Pbはんだとして、
電子機器の製造に広く用いられていることから、その代
替はんだ合金を開発することが急務となっている。ま
た、はんだ付け温度を低くすることは、吸湿した樹脂封
止LSIがはんだ接合時にパーケージクラックを生じる
のを防止することもできることから、電子機器の信頼性
の点でメリットがある。したがって、Pbを構成元素に
含まない低温接合用はんだ合金を開発することは、極め
て有意義である。
【0003】Pbを構成元素として含まない低融点合金
として、Sn,In,Biなどを構成元素とする66I
n−34Bi(融点72℃)、52In−48Sn(融
点117℃)、57Bi−43Sn(融点139℃)な
どが知られている。これらのうちで、66In−34B
iは、電子機器稼働時の内部温度が80℃に達すること
を考慮するとはんだ合金としては実用に適さない。ま
た、52In−48Snは、Inが産出量に乏しく、高
価であることから、はんだ合金としての安定供給や価格
の点で問題が残る。57Bi−43Snは、融点、安定
供給性および価格の点では問題ないが、それ自体が硬く
て脆いという、望ましくない物性を有している。
【0004】電子機器におけるはんだ接合部は、単に電
子機器内でLSIパッケージと回路配線基板とを電気的
に接合するだけではなく、LSIが発熱して熱膨張した
時に、はんだ自体が歪んで(弾塑性変形して)、LSI
パッケージと回路配線基板との間の応力を緩和するとい
う役割をも担っている。したがって、はんだが十分な緩
和作用を発揮するには、負荷に応じて柔軟に弾塑性変形
するように、低いヤング率が求められる。もちろん、ヤ
ング率が低すぎると、はんだの引張強さも小さくなっ
て、接合強度が不足するようになる。したがって、通常
の電子機器で用いられている63Sn−37Pbはんだ
のヤング率が450kg/mm2 程度であることから、63
Sn−37Pbからの代替を行うには、低温接合用はん
だ合金のヤング率もこれと同等であることが求められ
る。
【0005】また、電子機器のON/OFFの繰り返し
による素子の熱膨張および収縮によりはんだが塑性変形
を繰り返すと、最悪の場合には、はんだ接合部に亀裂が
生じて断線することもある。したがって、はんだが塑性
変形の繰り返しに対して十分な耐久性を有するには、引
張試験時に大きく塑性変形して高い破断伸びを示すこと
が望まれる。63Sn−37Pbはんだの破断伸びが3
0%程度であることから、低温接合用はんだ合金の破断
伸びは30%以上であることが望ましい。
【0006】以上のことから、Pbを構成元素に含まな
い低温接合用はんだ合金には、63Sn−37Pbはん
だの代替用途として、450kg/mm2 程度のヤング率と
30%以上の破断伸び値が要求される。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】57Bi−43Snの
引張試験時のヤング率および破断伸びはそれぞれ500
kg/mm2 および20%程度であり、63Sn−37Pb
よりもヤング率が大きく、破断伸びが小さい。したがっ
て、57Bi−43SnのLSIと回路配線基板との間
のミスマッチ緩和能力や繰り返し塑性変形時の耐久能力
は、63Sn−37Pbよりも劣り、これを63Sn−
37Pbに代替して用いた場合、電子機器の長期的信頼
性低下が懸念される。
【0008】本発明は、Pbを構成元素として含まず、
はんだ接合部のミスマッチ緩和能力や繰り返し塑性変形
時の耐久能力が63Sn−37Pbはんだと同等以上で
あって、63Sn−37Pbはんだの融点よりも低い温
度で接合可能なはんだ合金を提供することを目的とす
る。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、上記課
題を解決するため、重量%表示で、 Sn 37〜46 Ag 0.1以上1.0未満 Bi 残部 からなることを特徴とする低温接合用はんだ合金が提供
される。
【0010】iとSnを主たる構成元素とするはんだ
合金において、Agを0.1〜2.5重量%の範囲で添
加することによって、63Sn−37Pbはんだと同等
のヤング率と破断伸びを有し、はんだ接合部の応力緩和
性や繰り返し塑性変形時の耐久性の高いはんだ合金を実
することができる。驚くべきことに、本発明者らは、
Bi−Sn合金に第3元素としてAgを添加し、しかも
その添加量を2.5重量%以下にすることにより、融点
上昇を起こすことなくヤング率を所望のレベルまで低下
でき、破断伸びを著しく増加できることを見出したので
ある。この効果は、Agを付加成分として用いた場合だ
けに限られた特異の効果であり、Agに代えてSb,Z
n,Cu等を添加した場合には、同様な効果は認められ
なかった(表2)。
【0011】Sn−Pb合金やIn−Sn合金に、第3
元素としてAgを添加することは、従来より知られてい
ることではあるが、この添加の目的は高ヤング率化およ
び高強度化を図ることであり、本発明がAgの添加によ
って達成しようとする課題とは全く異なっている。Ag
添加によるはんだの高強度化を教示する文献として、R.
J. Klein Wassink著、「ソルダリング イン エレクト
ロニクス」に、60Sn−40Pbはんだの20℃での
剪断強さが20N/mm2 であるのに対し、62Sn−3
6Pb−2Agのそれが28N/mm2 と、Agの添加に
よって剪断強さが1.4倍になることが報告されてい
る。
【0012】以上からわかるように、Agを第3元素と
してBi−Sn合金に2.5重量%以下の量で添加する
ことにより、ヤング率を所望のレベルまで低下でき、破
断伸びを著しく増加できるということは、全く予想外の
ことである。Agの添加によって破断伸びが増加する挙
動は、0.1重量%という微量添加時から観察され、1
重量%添加時に破断伸びが最大値を示し、2.5重量%
添加時までその効果が得られることが確認された(図
1)。Ag添加量が2.5重量%を超えると、破断伸び
はAg未添加のBi−Sn合金よりも小さくなる。な
お、Ag添加量が1重量%である点を境に破断伸びが減
少し始めるのは、Ag量の増加によって、硬くて脆いA
g−Sn相が生成するためであると考えられる。また、
Ag添加Bi−Sn合金の内部金属組織においては、A
g添加によって組織が微細化するとともに、空隙も減少
することが確認された。
【0013】
【作用】Bi−Sn合金に第3元素としてAgを添加
し、しかもその添加量を2.5重量%以下に抑えること
で、融点上昇を起こすことなく、ヤング率を63Sn−
37Pbはんだと同等のレベルまで低下させ、破断伸び
を63Sn−37Pbはんだ以上に大きくすることがで
きた。
【0014】
【実施例】下記の表1に重量%表示で示すBi−Sn−
Ag合金を用いて引張試験片を作製し、引張試験を行っ
て、破断伸びとヤング率を求めた。得られた破断伸びを
図1および図2に示し、それらの融点とともにヤング率
を併せて表1に示す。また、これらのうち、実験番号2
〜7および9〜11(本発明例)のはんだ合金を用いて
回路配線基板を組み立てたところ、パッケージクラック
の発生もなく、良好にはんだ接合を行うことができた。
【0015】また、比較のため、第3元素としてSb,
ZnおよびCuを用いた場合のヤング率および破断伸び
を表2に示す。
【0016】
【表1】
【0017】
【表2】
【0018】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
融点が63Sn−37Pbはんだより低く、しかも63
Sn−37Pbはんだを代替するに十分なヤング率、破
断伸びを有するはんだを作製できることから、従来より
も低い温度でのプリント板アセンブリが可能となり、L
SIのプラスチックパッケージへのストレスを軽減で
き、製造する電子機器の信頼性を向上できる。また、こ
のはんだ合金は、はんだ成分中にPbを含んでいないた
め、人体や地球環境に対して安全である。
【図面の簡単な説明】
【図1】Bi−Sn−Ag合金のAg含有量と破断伸び
との関係を示すグラフ。
【図2】Bi−Sn−Ag合金のAgおよびSn含有量
と破断伸びとの関係を示すグラフ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平8−264916(JP,A) 特開 平7−1179(JP,A) 特開 平7−88680(JP,A) 特開 平8−150493(JP,A) 特開 昭53−117627(JP,A) 国際公開94/27777(WO,A1) 欧州特許出願公開711629(EP,A 1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B23K 35/26 C22C 12/00 - 13/02

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量%表示で、 Sn 37〜46 Ag 0.1以上1.0未満 Bi 残部 からなることを特徴とする低温接合用はんだ合金。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の低温接合用はんだ合金を
    用いて接合された部分を含む電子機器。
  3. 【請求項3】 請求項1記載の低温接合用はんだ合金を
    用いて所定部分を接合することを含む電子機器の製造方
    法。
  4. 【請求項4】 180℃以下の温度ではんだ接合が行わ
    れる請求項3記載の方法。
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