JP3392778B2

JP3392778B2 - 非鉛系接合部材の形成方法、及び回路基板

Info

Publication number: JP3392778B2
Application number: JP09203399A
Authority: JP
Inventors: 仁弘忠内; 光一手島; 出小松; 章岡田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 1999-03-31
Publication date: 2003-03-31
Anticipated expiration: 2019-03-31
Also published as: JP2000280066A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、導電性物質一般の
接合に利用される非鉛系接合部材の形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】錫と鉛による共晶はんだは、その共晶点
が１８３℃であり、銅部材などに用いられるもので、は
んだに用いられる金属単体の融点よりも低いばかりでな
く、多くの熱硬化性樹脂がガス化を始める温度よりも低
いという特徴を有している。このような特徴を備えた錫
と鉛による共晶はんだを鉛を含まないはんだとしては、
錫・銀系はんだや錫・亜鉛系はんだなどが挙げられる。
この様な非鉛系のはんだ材料を電子部品のを回路基板に
実装する場合、はんだ材料を加熱して溶湯とした状態の
ものに回路基板を接触させ、その表面にはんだ層を形成
する事が行われている。しかし、この錫・亜鉛系はんだ
を使用した場合、その溶湯表面にドロスと呼ばれる酸化
物の薄膜や浮遊物が生じてしまい、これが回路基板の銅
配線の表面にはんだがぬれ難い原因を作っていた。この
ドロスは亜鉛の酸化物、或いは錫の酸化物を主としてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来のはんだ付け方法
では、ト゛ロスの発生に起因してはんだ材料が回路基板表
面の金属配線にぬれ難いと言う問題があった。本発明
は、上記問題点に鑑みてなされたもので、ドロスの発生
を抑え、基板に対してはんだが良好にぬれる様にした非
鉛系接合材料の形成方法を提供する事を課題とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１の非鉛系接合部材の形成方法は、亜鉛及び
錫を主成分とし、Ｍｇ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｇ
ｅ、Ｃ、Ｎ、Ｂ、Ｈ及びアンモニアから選ばれる添加剤
を添加したはんだ合金を、不活性ガスを投入した雰囲気
中で加熱して溶湯とする工程と、前記はんだ合金に対し
て濡れ性を有する金属を表面に形成した被接合部材を前
記溶湯の表面に接触させ前記金属の表面にはんだ層を形
成する工程とを有することを特徴とする。本発明者ら
は、種々の実験を経た結果、ドロスの発生原因がはんだ
の溶湯中の酸素濃度に起因することを見出し、発明をす
るに至った。この酸素量が５０ｐｐｍを超えるとドロス
の発生が確実に生じることを突き止め、ドロスの低減に
は前述のＭｇ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｃ、
Ｎ、Ｂ、Ｈ及びアンモニアから選ばれる脱酸剤を添加す
ることが効果的であることを見出した。

【０００５】

【０００６】請求項２の非鉛系接合部材の形成方法は、
請求項１において、前記被接合部材の金属表面に、ハロ
ゲン０．６％以下のフラックス、りん酸、過酸化水素、
硝酸、塩酸、臭化水素酸、及び硫酸のうち少なくとも何
れか１つを塗布することを特徴とする。

【０００７】請求項３の回路基板は、はんだ合金に対し
て塗れ性を有する金属を表面に形成した被接合部材と、
前記金属の表面に、亜鉛及び錫を主成分とし、Ｍｇ、Ｍ
ｎ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｃ、Ｎ、Ｂ、Ｈ及びアン
モニアから選ばれる添加剤を添加したはんだ合金の層を
形成した回路基板において、前記はんだ層は、不活性ガ
スを投入した雰囲気中で加熱した前記はんだ合金を前記
金属表面に接触させて形成されたものであることを特徴
とする。

【０００８】ここで、非鉛系接合部材とは、ＬＳＩ、ゲ
ートアレイ等の集積回路チップ、或いは、トランジス
タ、ダイオード、抵抗素子、コンデンサ素子等のディス
クリート部品、およびそれらを接続する回路基板等であ
る。電子部品等では基板に接続するためのリード配線に
はんだ層が形成され、回路基板等では表面に形成した銅
等の配線パターンの表面にはんだ層が形成される。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明は，錫・亜鉛を主成分とす
る共晶合金を、従来の錫・鉛はんだの製造設備で活用出
来るはんだ付け方法、及び、装置を提供するもので、汎
用はんだとして工業化に寄与するものである。

【００１０】具体的なはんだ材料の主成分とは３から１
２ｗｔ％の亜鉛、残りが実質的に錫からなるはんだ合金
を、溶湯中の酸素濃度が５０ｐｐｍ以下、及び、湯面の
酸化物を避けたところに、被はんだ付け部材をディップ
する方が望ましい。この場合、被接合部材に、ハロゲン
０．６％以下のフラックス、りん酸、過酸化水素、硝
酸、塩酸、臭化水素酸、硫酸のいずれかを塗布すれば、
更に、ぬれ性が改善される。

【００１１】また、はんだ合金の溶解時の雰囲気を窒素
封入等により酸素濃度を５０００ｐｐｍ以下にしてぬれ
性を改善する方法である。特に、金属母材あるいは母材
にメッキ処理を施した表層部に存在する酸化膜あるいは
水酸化物の膜が薄いものである時の効果が著しい。例え
ば、金あるいは金メッキ処理（金フラッシュ処理を含
む）材料、銀あるいは銀メッキ処理材料、白金、パラジ
ウムあるいはパラジウムメッキ処理材料、及びこれらの
合金あるいは合金メッキ処理（フラッシュ処理を含む）
材料が好例として挙げられる。いずれの材料もその表層
部の酸化膜あるいは水酸化物の膜は極めて薄く大気下で
の酸素の吸着が表層部で支配的な材料である。これらの
材料も表面加工処理した時から長期間を経るとメッキ処
理した材料などは表面の酸化が進行してくるが、数ヶ月
以内であれば低酸素雰囲気を保った状況ではんだ付けを
すると、フラックスのような混合物を塗布しなくてもは
んだが母材あるいはメッキ被膜にぬれ性を示し附帯設備
を最小限とすることができる。

【００１２】一般に金属表面の酸化膜や付着物質を除去
するための方法として、電解研磨と化学研磨が知られて
おり、電解研磨は電気エネルギーを用いた陽極溶解で、
その溶解の駆動力を外部の電池起電力に依存し、化学研
磨は金属表面自体の中に内包されている局部電池の起電
力に依存している。電解研磨と化学研磨とを比較する
と、化学研磨の長所として設備費が少ないこと、研磨時
間が短く研磨される物体の形状に関係無く研磨可能で生
産能率が高いことなどからはんだ付けの母材あるいはメ
ッキ処理した表層部の酸化膜あるいは水酸化物の膜の除
去に化学研磨を適用できる。この化学研磨は、被研磨面
と研磨液界面に表面層が生成し、この表面層（拡散層）
の存在によって溶解速度の調整が行われているとするの
が通説となっている。この表面層には、平滑化に寄与す
る粘液層と、光沢化に寄与する固体被膜層がある事が知
られている。

【００１３】一方、低酸素雰囲気でない設備において汎
用性の高い導電性材料としてのアルミニウム等のはんだ
付けも必要となっている。このような母材の酸化膜の除
去には、前出の濃度の高い塩酸、過酸化水素、りん酸、
硝酸、硫酸及びこれの混合物の他、フッ酸を組み合わせ
たアルミニウムの処理も知られている。銅あるいは銅合
金の処理においては、３．３５ｍｏｌ／ｌの硝酸５０容
と、６．０６ｍｏｌ／ｌの硫酸１００容と、少量の塩酸
と、水１００容の混合液を２０℃で数分用いることが古
くから知られているが、液組成物の分解から多量のガス
発生が問題視されていることから、りん酸３０から８０
容量％、硝酸５から２０容量％、氷酢酸１０から５０容
量％、水１０容量％以下の混合物を５５から８０℃の温
度で２から６分用いる方法や、１０Ｍ過酸化水素と２Ｍ
硫酸の飽和アルコールとの混合物を５０℃の温度で１か
ら２分用いる方法等が大気下でのはんだ付けに応用でき
る。

【００１４】さらに、これらの液状混合物を松脂と混合
し塗布してもよい。発明者らは、次のような接合材料を
作成し、それを用いるプロセスと共にその特徴を確認し
た。

【００１５】はんだ溶融槽内にはんだ合金を入れ、その
共晶点である１９９℃よりも３２℃高い２３０℃に一旦
昇温させた後、２２０℃で保持し完全に固形物を溶融さ
せた。この時、脱酸剤としてりんを１％添加し、溶湯中
の酸素量を制御する。また、１９０℃に到達した時点か
ら不活性ガスをはんだ付け対象物が移動する領域に流し
続け、酸素を制御する。

【００１６】酸素の制御により、溶湯中の酸素を５０ｐ
ｐｍ以下、好ましくは３０ｐｐｍ以下とすることにより
その効果が顕著となる。温度５００Ｋ（２２６．８４
℃）におけるはんだ材料に関する酸化物の生成自由エネ
ルギーとして、次の様な値が知られている。

【００１７】ＣｕＯ：−１１０ｋＪ／ｍｏｌＣｕ₂Ｏ：−１３２ｋＪ／ｍｏｌＺｎＯ：−３００ｋＪ／ｍｏｌこれらの値から、いったん酸化物となってしまうと銅に
比べて亜鉛は元の金属単体に戻りにくいことがわかる。
また、はんだの溶湯中にディップするテストピースの表
面にも金属酸化物が存在している。このテストピースの
表面の酸化膜は、溶湯中の酸素を制御することによりそ
の厚みも変化させることも可能である。溶湯中の酸素を
低くするとディップしたテストピースの表面に存在して
いる酸素を亜鉛が容易に奪うこと、さらに、Ｃｕ₂Ｏか
ら酸化物の生成自由エネルギーの絶対値が小さいＣｕＯ
への変化を促すことから、テストピースとはんだとの接
触が容易となりぬれ性が改善される。

【００１８】また、溶湯中に存在する酸素は溶湯中の亜
鉛そのものとも結びつきやすいが、酸素量を少なくする
ほど溶湯表面に浮遊していく酸化物の量（ドロス）を減
らすことができる。生じた酸化物の量が少なければ、デ
ィップ時にテストピースと溶湯との接触妨害が軽減され
るため、ブリッジなどのはんだ付け不良を防止すること
ができる。浮遊物の厚みが少ないほどこの効果は著し
く、回収も容易となる。次に、溶融槽はんだの中に、大
きさが５０ｍｍ×１０ｍｍ×１．０ｍｍの３種類の銅試
験片を用意した上で、溶融槽はんだの中に長手方向の下
から３０ｍｍの部分を溶融したはんだに浸漬し、１０秒
後に引き上げた。この結果を示したのが表１である。

【００１９】

【表１】［表中の記号説明］二重丸：非常に優れる ○：優れる
△：普通 ×：劣る ×：非常に劣るはんだ付け方法としては、溶湯中の酸素が５０ｐｐｍ以
下、かつ、湯面の酸化膜を除去することが必要条件であ
るが、試験片の表層部に存在する酸化膜あるいは水酸化
物の厚みが増大するほどはんだの接触角が増大し、ぬれ
性を悪化させることが明らかとなった。従って、酸化膜
厚を減少させることがはんだ付け不良を起さない要素の
一つであると考えられる。例えば、ニッケル／金フラッ
シュめっきした銅試験片においても表層部に存在する酸
化膜、あるいは水酸化物のマクの厚みが増大するほどは
んだの接触角が増大し、ぬれ性を悪化させるため同様な
現象が生じることが明らかとなった。従って、銅片以外
の金属表面についても酸化膜あるいは水酸化物の厚みを
減少させることがはんだ付け不良を起さない要素の一つ
であると考えられる。このため、一度酸化された金属表
面も酸化膜を薄くすれば錫・亜鉛系はんだ材料でも十分
なぬれ性を確保することが可能なことがわかる。

【００２０】また、テストピースや基板ではんだ付けし
た後の糸はんだ（錫・亜鉛系で脂入りのものを含む）に
よる手修正も、従来の錫・鉛を成分とする糸はんだと同
じ条件で可能となることも判った。

【００２１】以上のことから、本発明の実施形態とし
て、拡がりを有する導電性物質の表面に接合させるとき
に、はんだ付けができなかった材料の表面に対して十分
なぬれ性が確保できるため、高密度な電子部品実装品を
提供することも可能となる。

【００２２】さらに、はんだ付けを行う領域の雰囲気
と、はんだ付け対象物の表層部の酸化物あるいは水酸化
物の厚さを薄くすることにより錫・亜鉛系はんだもはん
だ付けが可能になる。

【００２３】

【実施例】以下、例示的であるが、限定的ではない実施
例を説明することによって本発明をより深く理解するこ
とができる。（実施例１）はんだ溶融槽内に錫９０．９ｗｔ％以上、亜鉛９．０ｗ
ｔ％、その他の不可避な成分０．１ｗｔ％以下のはんだ
合金を入れ、その共晶点である１９９℃よりも３２℃高
い２３０℃に一旦昇温させた後、２２０℃で保持し完全
に固形物を溶融させた。この時、脱酸剤としてＭｇ、Ｍ
ｎ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｈ或いはアンモニアを
０．００１〜１ｗｔ％程度の範囲で添加し、溶湯中の酸
素量を制御した。添加した後にドロスの発生は見られな
かった。

【００２４】また、雰囲気の酸素量は１９０℃に到達し
た時点から不活性ガスを投入し続けて酸素を制御する。
この時、湯面上の酸化物はステンレス板等で堰を作り除
いた。

【００２５】溶融槽はんだの中に、次の仕様の試験基板
を用意し、溶融槽はんだの中に長手方向の下から１００
ｍｍの部分を溶融したはんだに浸漬し、１０秒後に引き
上げた。この時使用した被接合部材である基板の仕様を
以下に示した。

【００２６】［基板の仕様］寸法：１２０ｍｍｌ×１００ｍｍｗ×１ｍｍｔ材質：ソルダーレジスト塗布ガラスエポキシ基板パッド部のパターン：６４ｐｉｎＱＦＰ対応パター
ンパッド寸法：５ｍｍｌ×０．３ｍｍｗパッドピッチ：０．５ｍｍパッド部めっき：銅めっき処理冷却後、試験基板についての解析、観察を実施したとこ
ろはんだは試験基板上にぬれ広がり、ブリッジ、未はん
だは認められなかった。後述する比較例１との比較が必
要であるが、上述した実施例１により、従来、鉛を含有
しないはんだとしての錫・亜鉛系の合金は、亜鉛が酸化
し易くはんだをはんだ付け対象母材にはんだをぬれ広が
らせることが困難であったが、錫・亜鉛を主成分とする
共晶合金を、従来の錫・鉛はんだの製造設備で活用出来
る非鉛系接合材料の製造方法を提供するもので、汎用は
んだとして工業化に寄与するものである。

【００２７】

【００２８】（実施例２）実施例２として、被はんだ付
け部材に、ハロゲン０．６％以下のフラックス、りん
酸、過酸化水素、硝酸、塩酸、臭化水素酸、硫酸のいず
れかを各々塗布し、その他は（実施例１）と同一の工程
で実施した。この実施例では、脱酸剤としてＣを０．５
％添加し、溶湯中の酸素量を制御した。添加した後にド
ロスの発生は見られなかった。

【００２９】冷却後、試験基板についての解析、観察を
実施したところはんだは試験基板上にぬれ広がり、ブリ
ッジ、未はんだは認めれらなかった。（実施例３）はんだ付けする金属部材表面の酸化膜の厚さを酸による
表面除去、機械的研磨を行い、その他は（実施例１）と
同一の方法で実施した。ただし、この実施例では、脱酸
剤としてＮを０．０１ｗｔ％添加し、溶湯中の酸素量を
制御した。冷却後、試験基板についての解析、観察を実
施したところはんだは試験基板上にぬれ広がり、ブリッ
ジ、未はんだは認められなかった。

【００３０】（実施例４）（実施例１）と同じ組成の合
金の溶解時の雰囲気酸素濃度が５０００ｐｐｍ以下と
し、（実施例１）の方法で実施した。ただし、この実施
例では、脱酸剤としてＢを０．１ｗｔ％添加し、溶湯中
の酸素量を制御した。冷却後、試験基板についての解
析、観察を実施したところはんだは試験基板上にぬれ広
がり、ブリッジ、未はんだは認められなかった。

【００３１】（比較例１）はんだ溶融槽内に（実施例１）と同じ組成のはんだ合金
を入れ、その共晶点である１９９℃よりも３２℃高い２
３０℃に一旦昇温させた後、２２０℃で保持し完全に固
形物を溶融させた。この時、脱酸剤による溶湯中の酸素
低減を行わず、かつ湯面の酸化膜を除去せず、各種試験
片をディップした。

【００３２】冷却後、試験片についての解析、観察を実
施したところはんだは試験片上にほとんどぬれ広がら
ず、縁辺部の断面観察により接触角は測定不能であっ
た。この結果を表２に示した。

【００３３】

【表２】

【００３４】［表中の記号説明］二重丸：非常に優れる ○：優れる
△：普通 ×：劣る ××：非常に劣る（実施例５）次の様なスルーホール型基板での実施例を
示す。この時、（実施例１）と同じ組成のはんだの噴流
は、噴流する開口部を従来のノズルよりも狭めるか、基
板がはんだと接触する幅を調整しはんだが噴流槽内で接
触する面積を狭めることにより、酸化物の発生量を抑制
した。また、単位時間当たりに循環させるはんだの量を
従来のはんだ量の５０％から９８％ととしてもはんだの
酸化防止効果がある。

【００３５】さらに、基板をコンベアーで流す時には、
基板通過後から次の基板通過までに、噴流部分にフラッ
クスを滴下したり、強制的に板で酸化物を掬ってわずか
な酸化物の滞留も防止できる。この実施例５で使用した
基板の仕様を以下に示した。

【００３６】[基板使用] 寸法：５０ｍｍｌ×５０ｍｍｗ×１ｍｍｔ材質：ソルダーレジスト塗布ガラスエポキシ基板パッド部のパターン：１６ｐｉｎ挿入ＩＣパターンリードピッチ：１．３ｍｍパッド部のメッキ：銅めっき処理この基板にＩＣ部品を挿入した後コンベアーにのせ、フ
ローディップ槽に次の条件で通過させはんだ付けを実施
した。この時、（実施例１）と同一の溶湯制御、（実施
例２）と同一の被はんだ付け部材に、ハロゲン０．６％
以下のフラックス、りん酸、過酸化水素、硝酸、塩酸、
臭化水素酸、硫酸の各々を塗布、（実施例３）と同一の
はんだ付けする金属部材表面の酸化膜の厚さを酸による
表面除去、機械的研磨する方法、（実施例４）と同一の
合金の溶解時の雰囲気酸素濃度が５０００ｐｐｍ以下と
する方法のいずれか１つもしくは複数を組み合わせて試
験を行った。

【００３７】［はんだ付け条件］コンベアースピード：０．８ｍ／ｓｅｃコンベアー角度：３度ディップ時間：１０ｓｅｃ冷却後、試験した実装基板についての解析、観察を実施
したところはんだは試験基板上のパッドにぬれ広がり、
ブリッジは皆無であり、はんだ上がりも良好であった。

【００３８】

【発明の効果】上記構成によって、ドロスの発生を抑
え、はんだが良好にぬれることを改善した非鉛系接合材
料の形成方法を提供する事ができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岡田章神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内 (56)参考文献特開平９−94688（ＪＰ，Ａ) 特開平８−52564（ＪＰ，Ａ) 特開平11−10385（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 1/00 B23K 3/00 B23K 35/00 H05K 3/34

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】亜鉛及び錫を主成分とし、Ｍｇ、Ｍｎ、
Ａｌ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｃ、Ｎ、Ｂ、Ｈ及びアンモニ
アから選ばれる添加物を添加したはんだ合金を、加熱し
て溶湯とする工程と、前記はんだ合金に対して濡れ性を有する金属を表面に形
成した被接合部材を前記溶湯の表面に接触させ前記金属
の表面にはんだ層を形成する工程とを有することを特徴
とする非鉛系接合部材の形成方法。
【請求項２】前記被接合部材の金属表面に、ハロゲン
０．６％以下のフラックス、りん酸、過酸化水素、硝
酸、塩酸、臭化水素酸、及び硫酸のうち少なくとも何れ
か１つを塗布することを特徴とする請求項１に記載の非
鉛系接合部材の形成方法。
【請求項３】はんだ合金に対して塗れ性を有する金属
を表面に形成した被接合部材と、前記金属の表面に、亜
鉛及び錫を主成分とし、Ｍｇ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｆ
ｅ、Ｇｅ、Ｃ、Ｎ、Ｂ、Ｈ及びアンモニアから選ばれる
添加剤を添加したはんだ合金の層を形成した回路基板で
あって、前記はんだ層は、加熱した前記はんだ合金を前記金属表
面に接触させて形成されたものであることを特徴とする
回路基板。