JP3601904B2

JP3601904B2 - Solder alloy

Info

Publication number: JP3601904B2
Application number: JP13262696A
Authority: JP
Inventors: 透村田
Original assignee: Nihon Handa Co Ltd
Current assignee: Nihon Handa Co Ltd
Priority date: 1996-04-30
Filing date: 1996-04-30
Publication date: 2004-12-15
Anticipated expiration: 2016-04-30
Also published as: JPH09295183A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプリント基板等に使用されるはんだ合金に関し、特に熱サイクルによる基板の膨脹収縮を吸収し、はんだ付け部に発生するクラックを低減させるはんだ合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子機器の故障の大部分は、はんだ付け部の故障だと言われてきた。はんだ付け部の機械的な故障を形態で分類すると、（１）静的な破壊、（２）熱疲労破壊、（３）クリープ破壊、（４）振動破壊等に分類できる。その内の熱疲労破壊は、構成部材の熱膨張係数に差があると、環境の温度変化や電子回路のＯＮ−ＯＦＦに伴なう温度の上昇下降の繰り返しによって、はんだ接合部が塑性変形し、クラックの発生および進展が繰り返され、いずれは完全に破壊するに至ることをいう。高密度実装に伴なってはんだ接合部が微細化して強度的に弱くなり、使用環境条件が多岐にわたる今日、はんだ接合不良としてもっとも多く発生している破壊現象である。
【０００３】
このような熱疲労破壊を低減させるため、従来のＳｎ−Ｐｂ系はんだ合金に第２、第３の金属元素を加え、耐熱疲労特性を向上させたはんだ合金が報告されている。例えば、特開平６−７１４８０号公報では、Ｓｂ０．０５〜１重量％、Ｔｅ０．０１〜０．２重量％を添加したはんだ合金や、特開平７−１１６８８７号公報では、Ｎｉ０．００２〜０．０２重量％を添加したはんだ合金などが知られている。そして、これらの第２、第３の金属元素を添加する目的は、熱サイクルストレスに耐え得る結晶組織とするため、またははんだ材料の延展性を損なわないため、となっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、Ｓｎ６３−Ｐｂ３７共晶はんだ合金よりもＰｂ含有率の高いはんだ合金、例えばＳｎ４０−Ｐｂ６０、Ｓｎ５−Ｐｂ９５等のはんだ合金の方が耐熱疲労に対し高い性質を示す。この理由は、Ｓｎ６３−Ｐｂ３７共晶はんだ合金に比べ高融点であるため、同じ温度における熱エネルギー的なポテンシャルが低く、高温状態に置かれたはんだ合金の結晶粒の粗大化が遅いため、機械的性質の低下が遅くなるからである。さらに、常温におけるＳｎ６３−Ｐｂ３７共晶はんだ合金の機械的性質は、Ｓｎ４０−Ｐｂ６０はんだ合金、Ｓｎ５−Ｐｂ９５はんだ合金のそれより高いが、１００°Ｃの環境下における機械的性質は、Ｓｎ４０−Ｐｂ６０はんだ合金、Ｓｎ５−Ｐｂ９５はんだ合金の方が高い。
【０００５】
しかしながら、電子機器のフロー法やリフロー法によるはんだ付けは、通常融点が低く、はんだ付け性、機械的性質等の優れたＳｎ６３−Ｐｂ３７共晶はんだ合金を多用している。
【０００６】
本発明の目的は、上述の点に鑑み、熱サイクル条件下においても、はんだ接合部のクラックの発生を低減できるはんだ合金を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のはんだ合金は、Ｓｎ５０〜７０重量％、Ｐｄ０．００５〜０．５重量％、残部がＰｂを基本構成とするものである。また、本発明のはんだ合金は、Ｓｎ５０〜７０重量％、Ｓｂ０．１〜２．０重量％、Ｐｄ０．００５〜０．５重量％、残部がＰｂを基本構成とするものである。さらに、本発明のはんだ合金は、これらのはんだ合金にＣｕを０．０１〜０．３重量％含有したフローはんだ用、やに入りはんだ用、および線はんだ用のものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明について図面を参照して詳細に説明する。
【０００９】
本発明のはんだ合金は、Ｓｎが５０〜７０重量％、Ｐｄが０．００５〜０．５重量％、残部がＰｂを基本構成とするはんだ合金である。また、本発明のはんだ合金は、Ｓｎが５０〜７０重量％、Ｓｂが０．１〜２．０重量％、Ｐｄが０．００５〜０．５重量％、残部がＰｂを基本構成とするはんだ合金である。さらに、これらのはんだ合金にＣｕを０．０１〜０．３重量％添加したフローはんだ用、やに入りはんだ用、および線はんだ用合金である。
【００１０】
本発明のはんだ合金において、Ｓｎを５０〜７０重量％とした理由は、電子機器のフロー、リフローはんだ付けにおいて一般的に使用される共晶近傍の融点の低いはんだ合金が、最も耐熱疲労特性の向上を求められているからである。
【００１１】
本発明のはんだ合金において、Ｐｄを添加しているが、Ｐｄを添加すると高温状態あるいは低温状態に置かれたはんだ合金の機械的性質における伸び率を大幅に改善でき、熱サイクルによる基板の膨張収縮をはんだ付け部で吸収できるからである。また、本発明のはんだ合金において、Ｐｄの添加量を０．００５〜０．５重量％に限定した理由は、Ｐｄが０．００５重量％以下でははんだ合金の伸び率を改善できず、またＰｄを０．５重量％以上添加しても伸び率の向上はみられないからである。
【００１２】
本発明のはんだ合金において、Ｓｂを０．１〜２．０重量％添加しているのは、この添加範囲においてＳｂをはんだ合金に添加すると、上記のＰｄと同じく、はんだ合金の伸び率を改善でき、また上記のＰｄを含有するはんだ合金にＳｂを添加すると更に伸び率が向上するからである。
【００１３】
さらに、Ｃｕを０．０１〜０．３重量％添加しているのは、この添加範囲において上記のＳｂと同じくはんだ合金の伸び率を改善でき、また上記のＰｄ、Ｓｂを含有しているはんだ合金にＣｕを添加すると更に伸び率が向上するからである。しかしながら、ＳｎとＣｕは、Ｃｕ_６Ｓｎ_５等の金属間化合物を作りやすく、これらの結晶は２００〜３００μｍ程度の長さの針状の結晶を生成することがあり、表面実装用の微細な回路や、ＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）では、この結晶が回路を短縮させる可能性がある。従って、Ｃｕの添加は、はんだペースト用およびＢＧＡ用のはんだ合金を除いた。
【００１４】
以上のような基本構成を有する本発明のはんだ合金では、Ｓｎ６３−Ｐｂ３７共晶はんだ合金の溶解温度特性を損なうことなく、熱サイクル下において基板とはんだ材との熱膨脹係数の違いによってはんだ接合部に生じるストレスを良く吸収できる。その理由は、高温時および低温時において機械的性質の伸び率の高いはんだ合金を提供することによって、熱サイクル下において基板とはんだ材との熱膨脹係数の違いによってはんだ接合部に生じるストレスを良く吸収できるためである。
【００１５】
【実施例】
本発明のはんだ合金について、表１に示すように、ＪＩＳＺ３２８２におけるＨ６３Ｓに相当するＳｎ６３−Ｐｂ３７共晶はんだ合金を比較例として採用し、１３種類の実施例のはんだ合金と比較試験を行なった。
【００１６】
引張試験は、均一な試料が得られ、添加元素の影響を調べ易い圧延材で行なった。表１の１４種類の合金をそれぞれ溶解温度４００°Ｃで直径８０ｍｍの円筒状に鋳込み、これを油圧押出方式により、厚さ２．０ｍｍ、幅３２ｍｍのテープ状にした。さらに、圧延機を用いて、これを厚み１．０ｍｍにした。このテープを、ＪＩＳＺ２２０１に基づく６号引張試験片に打ち抜いた。圧延したはんだ試験片は常温で再結晶する傾向があり、圧延直後は機械的性質の変化が大きい。このため、試験片を室温で２０日間放置した後に引張試験を行なった。引張試験機の上下チャック間を耐熱布で覆い、外部より熱風を吹き込み、内部の上、中、下３カ所に設けた温度センサーがそれぞれ１００±３°Ｃになるようにし、これを１５分間保持した後、３０ｍｍ／分の速度で引っ張り、材料の伸び率を調べた。試験結果を表１に示す。表１からもわかるように、Ｓｎ６３−Ｐｂ３７共晶はんだ合金に少量のＰｄを添加した場合には伸び率が著しく向上する。また、Ｓｎ６３−Ｐｂ３７共晶はんだ合金に少量のＰｄおよびＳｂを添加した場合にはさらに伸び率が向上する。さらにまた、Ｐｄ、Ｓｂ、Ｃｕの添加がはんだ合金の伸び率を相乗的に改善している。
【００１７】
熱サイクル試験は、表１の１４種類の合金について行なった。使用した基板は、２．５４ピッチで穴径φ０．９のユニバーサル型の紙フェノール片面基板である。使用したコネクターは、Ｓｎメッキを施したリン青銅製の１０ピンで線径はφ０．６４である。はんだ付け条件は、コネクターを酸洗、洗浄、乾燥した後、ＲＡタイプのロジン系フラックスをコネクターピンと基板とに塗布、乾燥してから、基板にコネクターを１０個、すなわち１００ピンを挿入し、２５０°Ｃで浸漬によるはんだ付けを行なった。温度サイクルは−４０°Ｃで３０分、常温さらし時間１０分、＋８０°Ｃで３０分を１０００サイクル行なって、はんだ付け部のクラックの発生個数を実体顕微鏡を用いて調べた。図１は、基板にコネクターがはんだ付けされた状態の図解である。クラックの判定として、図２に示すように、はんだフイレットの周囲１／２周以上亀裂の入っているものをクラックとして数え、また全周にしわが入っているはんだフイレットもクラックとして数えた。試験結果を表１に示す。表１からわかるように、熱サイクル下でフイレット周囲に生じるクラックの個数ははんだ合金の伸び率と反比例しており、Ｐｄ、Ｓｂ、Ｃｕの添加によるはんだ合金の伸び率の改善によって、はんだ合金の耐熱疲労特性が大幅に改善されている。
【００１８】
【表１】

【００１９】
熱分析試験は、凝固点降下法で行なった。実施例１３について、液相線温度と固相線温度とを測定した。試験結果を表２に示す。なお、比較例の溶解温度特性は、ＪＩＳＺ３２８２の記載より抜粋した。表２からもわかるように、Ｓｎ６３−Ｐｂ３７共晶はんだ合金に少量のＰｄ、Ｓｂ、Ｃｕを添加しても、液相線温度および固相線温度はあまり変化がなく、Ｓｎ６３−Ｐｂ３７共晶はんだ合金の溶解温度特性は損なわれることはない。
【００２０】
【表２】

【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のはんだ合金によれば、Ｐｄの添加によってはんだ合金の伸び率が改善されるので、幅広い温度域において熱サイクルによる基板の膨脹収縮を吸収することができ、Ｓｎ６３−Ｐｂ３７共晶はんだ合金の溶解温度特性を損なうことなく、はんだ合金の耐熱疲労特性を改善させることができるという効果がある。
【００２２】
また、本発明のはんだ合金によれば、ＰｄおよびＳｂの添加によってはんだ合金の伸び率が著しく改善されるので、幅広い温度域において熱サイクルによる基板の膨脹収縮を吸収することができ、Ｓｎ６３−Ｐｂ３７共晶はんだ合金の溶解温度特性を損なうことなく、はんだ合金の耐熱疲労特性を改善させることができるという効果がある。
【００２３】
さらに、本発明のはんだ合金によれば、Ｐｄ、ＳｂおよびＣｕの添加によってはんだ合金の伸び率が相乗的に改善されるので、幅広い温度域において熱サイクルによる基板の膨脹収縮を吸収することができ、Ｓｎ６３−Ｐｂ３７共晶はんだ合金の溶解温度特性を損なうことなく、はんだ合金の耐熱疲労特性を改善させることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のはんだ合金の熱サイクル試験に用いた基板とコネクターとのはんだ付けの図解を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面断面図である。
【図２】本発明のはんだ合金の熱サイクル試験におけるクラックの判定基準を説明する図であり、（ａ）はクラック、（ｂ）はしわを示す図である。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a solder alloy used for a printed board or the like, and more particularly to a solder alloy that absorbs expansion and contraction of a board due to a thermal cycle and reduces cracks generated in a soldered portion.
[0002]
[Prior art]
It has been said that the majority of electronic equipment failures are due to soldered joint failures. When the mechanical failure of the soldering part is classified by form, it can be classified into (1) static fracture, (2) thermal fatigue fracture, (3) creep fracture, (4) vibration fracture and the like. Among them, thermal fatigue destruction causes the solder joints to undergo plastic deformation due to repeated changes in temperature due to environmental temperature changes and ON / OFF of electronic circuits if the thermal expansion coefficients of the components differ. , Cracks are repeatedly generated and propagated, and eventually lead to complete destruction. With high-density mounting, solder joints become finer and weaker in strength, and in a wide variety of operating environment conditions, it is a destructive phenomenon that occurs most often as poor solder joints.
[0003]
In order to reduce such thermal fatigue fracture, a solder alloy has been reported in which a second and third metal element is added to a conventional Sn-Pb-based solder alloy to improve the thermal fatigue resistance. For example, in JP-A-6-71480, a solder alloy containing 0.05 to 1% by weight of Sb and 0.01 to 0.2% by weight of Te is added. A solder alloy to which 02% by weight is added is known. The purpose of adding these second and third metal elements is to provide a crystal structure that can withstand thermal cycle stress or to not impair the spreadability of the solder material.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In general, a solder alloy having a higher Pb content, for example, a solder alloy such as Sn40-Pb60 and Sn5-Pb95, has a higher property against thermal fatigue than a Sn63-Pb37 eutectic solder alloy. The reason is that the melting point is higher than that of the Sn63-Pb37 eutectic solder alloy, so that the thermal energy potential at the same temperature is low, and the crystal grains of the solder alloy placed at a high temperature are coarsened slowly, so that the mechanical This is because the deterioration of properties is delayed. Furthermore, the mechanical properties of the Sn63-Pb37 eutectic solder alloy at room temperature are higher than those of the Sn40-Pb60 solder alloy and the Sn5-Pb95 solder alloy, but the mechanical properties under the environment of 100 ° C are Sn40-Pb60 solder alloy. Alloy and Sn5-Pb95 solder alloy are higher.
[0005]
However, soldering of electronic equipment by a flow method or a reflow method generally uses a Sn63-Pb37 eutectic solder alloy having a low melting point and excellent solderability and mechanical properties.
[0006]
An object of the present invention is to provide a solder alloy that can reduce the occurrence of cracks in a solder joint even under thermal cycling conditions in view of the above points.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The solder alloy of the present invention has a basic composition of 50 to 70% by weight of Sn, 0.005 to 0.5% by weight of Pd, and the balance being Pb. The solder alloy of the present invention has a basic composition of 50 to 70% by weight of Sn, 0.1 to 2.0% by weight of Sb, 0.005 to 0.5% by weight of Pd, and the balance being Pb. Furthermore, the solder alloys of the present invention are those for flow soldering, flux cored wire, and wire soldering which contain 0.01 to 0.3% by weight of Cu in these solder alloys.
[0008]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0009]
The solder alloy of the present invention is a solder alloy having Sn of 50 to 70% by weight, Pd of 0.005 to 0.5% by weight, and the balance being Pb. In addition, the solder alloy of the present invention is a solder having a basic composition of 50 to 70% by weight of Sn, 0.1 to 2.0% by weight of Sb, 0.005 to 0.5% by weight of Pd, and the balance of Pb. Alloy. Furthermore, these are alloys for flow soldering, flux cored soldering, and wire soldering in which 0.01 to 0.3% by weight of Cu is added to these solder alloys.
[0010]
In the solder alloy of the present invention, the reason why Sn is set to 50 to 70% by weight is that a solder alloy having a low melting point in the vicinity of a eutectic generally used in electronic device flow and reflow soldering has the most heat-resistant fatigue characteristics. It is because improvement is required.
[0011]
Although Pd is added to the solder alloy of the present invention, the addition of Pd can greatly improve the elongation percentage in the mechanical properties of the solder alloy placed in a high or low temperature state, and the expansion and contraction of the substrate due to thermal cycling. Is absorbed by the soldering portion. In addition, the reason why the addition amount of Pd is limited to 0.005 to 0.5% by weight in the solder alloy of the present invention is that when Pd is 0.005% by weight or less, the elongation of the solder alloy cannot be improved, Is not added even if 0.5% by weight or more is added.
[0012]
In the solder alloy of the present invention, 0.1 to 2.0% by weight of Sb is added. When Sb is added to the solder alloy in this addition range, the elongation rate of the solder alloy is improved as in the case of Pd. This is because addition of Sb to the above-mentioned solder alloy containing Pd further improves the elongation.
[0013]
Further, the addition of 0.01 to 0.3% by weight of Cu can improve the elongation rate of the solder alloy in the same range as in the case of Sb in this addition range, and the solder containing Pd and Sb described above. This is because the addition of Cu to the alloy further improves the elongation. However, Sn and Cu tend to form an intermetallic compound such as Cu ₆ Sn ₅ , and these crystals may generate needle-like crystals having a length of about 200 to 300 μm. In a BGA (ball grid array), this crystal may shorten the circuit. Therefore, the addition of Cu excluded solder alloys for solder paste and BGA.
[0014]
In the solder alloy of the present invention having the basic structure as described above, the solder joint portion is formed by a difference in coefficient of thermal expansion between the substrate and the solder material under a heat cycle without impairing the melting temperature characteristics of the Sn63-Pb37 eutectic solder alloy. The generated stress can be well absorbed. The reason is that by providing a solder alloy with high elongation of mechanical properties at high and low temperatures, it absorbs the stress generated at the solder joint due to the difference in thermal expansion coefficient between the board and the solder material under thermal cycling This is because we can do it.
[0015]
【Example】
As shown in Table 1, the Sn63-Pb37 eutectic solder alloy corresponding to H63S in JIS Z 3282 was used as a comparative example for the solder alloy of the present invention, and a comparative test was performed with the solder alloys of 13 types of examples. .
[0016]
The tensile test was performed on a rolled material from which a uniform sample was obtained and the effect of the added element could be easily examined. Each of the 14 types of alloys shown in Table 1 was cast into a cylinder having a melting temperature of 400 ° C. and a diameter of 80 mm, which was formed into a tape having a thickness of 2.0 mm and a width of 32 mm by a hydraulic extrusion method. This was further reduced to a thickness of 1.0 mm using a rolling mill. The tape was punched into a No. 6 tensile test piece based on JIS Z 2201. Rolled solder test pieces tend to recrystallize at room temperature, and the mechanical properties change greatly immediately after rolling. For this reason, after the test piece was left at room temperature for 20 days, a tensile test was performed. Cover the space between the upper and lower chucks of the tensile tester with a heat-resistant cloth and blow hot air from the outside so that the temperature sensors provided at the upper, middle, and lower three points inside each become 100 ± 3 ° C, and hold this for 15 minutes. After that, the material was pulled at a speed of 30 mm / min, and the elongation of the material was examined. Table 1 shows the test results. As can be seen from Table 1, when a small amount of Pd is added to the Sn63-Pb37 eutectic solder alloy, the elongation is significantly improved. Further, when a small amount of Pd and Sb are added to the Sn63-Pb37 eutectic solder alloy, the elongation is further improved. Furthermore, the addition of Pd, Sb, and Cu synergistically improves the elongation of the solder alloy.
[0017]
The heat cycle test was performed on the 14 alloys shown in Table 1. The substrate used was a universal paper phenol single-sided substrate having a pitch of 2.54 and a hole diameter of φ0.9. The connector used was a 10-pin Sn-plated phosphor bronze pin having a wire diameter of φ0.64. The soldering conditions were as follows: after pickling, washing and drying the connector, applying an RA type rosin-based flux to the connector pins and the board and drying it, inserting 10 connectors into the board, that is, 100 pins, Soldering by immersion was performed at ° C. The temperature cycle was performed at −40 ° C. for 30 minutes, room temperature exposure time for 10 minutes, and + 80 ° C. for 30 minutes for 1000 cycles, and the number of cracks generated in the soldered portion was examined using a stereoscopic microscope. FIG. 1 is an illustration of a state where a connector is soldered to a substrate. As shown in FIG. 2, cracks were counted as cracks when the cracks were １／ or more round the periphery of the solder fillet, and solder fillets having wrinkles all over the circumference were also counted as cracks. Table 1 shows the test results. As can be seen from Table 1, the number of cracks generated around the fillet under the heat cycle is inversely proportional to the elongation percentage of the solder alloy, and the addition of Pd, Sb, and Cu improves the elongation percentage of the solder alloy, thereby improving the solder alloy. The thermal fatigue properties have been greatly improved.
[0018]
[Table 1]

[0019]
The thermal analysis test was performed by a freezing point depression method. For Example 13, the liquidus temperature and the solidus temperature were measured. Table 2 shows the test results. The melting temperature characteristics of the comparative examples were extracted from the description of JIS Z 3282. As can be seen from Table 2, even if a small amount of Pd, Sb, and Cu are added to the Sn63-Pb37 eutectic solder alloy, the liquidus temperature and the solidus temperature do not change so much. The melting temperature characteristics of the alloy are not impaired.
[0020]
[Table 2]

[0021]
【The invention's effect】
As described above, according to the solder alloy of the present invention, since the elongation of the solder alloy is improved by the addition of Pd, the expansion and contraction of the substrate due to the thermal cycle can be absorbed in a wide temperature range, and Sn63- This has the effect of improving the thermal fatigue resistance of the solder alloy without impairing the melting temperature characteristics of the Pb37 eutectic solder alloy.
[0022]
Further, according to the solder alloy of the present invention, the addition of Pd and Sb significantly improves the elongation of the solder alloy, so that the expansion and contraction of the substrate due to the thermal cycle can be absorbed in a wide temperature range, and Sn63-Pb37 can be absorbed. This has the effect of improving the thermal fatigue resistance of the solder alloy without impairing the melting temperature characteristics of the eutectic solder alloy.
[0023]
Furthermore, according to the solder alloy of the present invention, the addition of Pd, Sb and Cu synergistically improves the elongation rate of the solder alloy, so that expansion and contraction of the substrate due to thermal cycling can be absorbed in a wide temperature range. And Sn63-Pb37 eutectic solder alloy can be improved in heat-resistant fatigue characteristics without impairing the melting temperature characteristics.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B are illustrations of soldering of a board and a connector used in a thermal cycle test of a solder alloy of the present invention, wherein FIG. 1A is a plan view and FIG.
FIGS. 2A and 2B are diagrams for explaining a criterion for determining a crack in a heat cycle test of the solder alloy of the present invention, wherein FIG. 2A is a diagram showing cracks and FIG. 2B is a diagram showing wrinkles.

Claims

Solder alloy having Sn of 50 to 70% by weight, Pd of 0.005 to 0.5% by weight, and the balance being Pb.

Solder alloy having Sn of 50 to 70% by weight, Sb of 0.1 to 2.0% by weight, Pd of 0.005 to 0.5% by weight, and the balance being Pb.

3. An alloy for flow soldering, flux cored solder, and wire solder, which further contains 0.01 to 0.3% by weight of Cu in the solder alloy of claim 1 or 2.