JP3643008B2 - はんだ付け方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子回路基板のはんだ付けに用いるはんだ付け方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の実装技術において、電子部品の小型化、高密度実装化が急速に進んでいる。それに伴い、はんだ材料の狭ピッチ対応、高信頼性化等の高機能化への要求が急速に高まっている。また、環境への関心が高まる中、電子回路基板などの産業廃棄物の処理についても法的に規制をしようとする動きがある。
【０００３】
以下に上述した従来のはんだ材料の一例について図面を参照にしながら説明する。図２は従来のはんだ材料の合金組織及び従来のはんだ材料と銅ランドとの接合界面での金属組成を示すものである。図２において、１はα固溶体でＳｎリッチ相である。２はβ固溶体でＰｂリッチ相である。３は金属間化合物であり、その組成はＣｕ3 Ｓｎである。４は金属間化合物であり、その組成はＣｕ6 Ｓｎ5 である。５はＣｕランドである。
【０００４】
以上のような従来のはんだ合金はその金属組成がＳｎとＰｂの共晶合金であり、その構成成分としてＳｎを６３重量％及びＰｂを３７重量％からなるもので１８３℃に共晶点をもつものであった。また、その合金組織はα固溶体１とβ固溶体２がラメラ状となっていた。また、はんだ／銅ランド接合界面においては金属間化合物３及び４が形成されていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、環境保護の立場から、はんだ材料（Ｓｎ−Ｐｂ合金）中に含まれ有毒物質である鉛の規制が国際的に急速に進みつつある。従来のはんだ材料によりはんだ付けされたプリント回路基板の廃棄物が酸性雨にさらされると、有害物質である鉛が大量に溶出するので、その毒性により人体が神経障害等の悪影響を受けるという問題点を有していた。また、従来のはんだ材料はその合金組織がラメラ状となっており、高温環境下にさらされると、その組織の肥大化が生じ、はんだに応力がかかるとその組織界面ですべりが生じ、はんだクラックが生じるという問題点を有していた。さらに、はんだ付け時及び高温環境下において、はんだ／銅ランド接合界面に二層の硬く、脆い金属間化合物が成長するので接合界面でクラックが生じるという問題点を有していた。
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑み、はんだ材料中に鉛を含まないようにするとともに、その合金組織を微細化し、また、はんだ／銅ランド接合界面で金属間化合物の成長を抑制することで高温環境下で経時変化が少なく高温疲労特性に優れたはんだ付け方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のはんだ付け方法は、Ａｇを２．５〜４．０重量％、Ｂｉを５〜１８重量％、Ｃｕを０．１〜０．７重量％、Ｉｎを０．１〜１．５重量％含み残部がＳｎであるＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｃｕ−Ｉｎ系のはんだ合金を用いたはんだ付けの凝固過程において、前記はんだ合金を急冷凝固させ金属間化合物を微細分散させることを特徴とする。
【０００９】
【００１０】
本発明によれば、Ｓｎを主成分とするはんだに関し、Ａｇを少量添加することで微細な合金組織を持つ耐熱疲労特性に優れた合金を得ることができる。またＢｉを少量添加することで融点を下げ、及び濡れ性を改善することができる。またＣｕを少量添加することではんだ／銅ランド接合界面での金属間化合物の成長を抑制することができる。また、Ｉｎを少量添加することで合金の伸び特性及び耐熱疲労特性を改善することができる。
【００１１】
本発明において、はんだ合金の組成を上述のように限定した理由を説明する。Ａｇは耐熱疲労特性を改善させるが、その添加量が２．５重量％よりも少なくなれば耐熱疲労特性を改善させる効果が十分ではない。また２２０℃以下の融点を確保するために４．０重量％以下としなければならない。それを越えて添加すると融点は急激に上昇してしまうので好ましくない。よって、Ａｇの好適な添加量は２．５〜４．０重量％である。
【００１２】
Ｂｉは融点を下げ、濡れ性を改善するが、添加量が５重量％よりも少なければその効果は十分ではない。また、１８重量％を越えるとはんだ付け強度が得られなくなるので好ましくない。よって、Ｂｉの添加量は５〜１８重量％が好適である。
【００１３】
Ｃｕは高温特性を改善し、はんだ／銅ランド接合界面の金属間化合物の形成を抑制させる効果があるが、０．１重量％よりも少ない添加ではその効果は現れず、０．７重量％を越えて添加すると硬く、脆くなる。よって、Ｃｕの好適な添加量は０．１〜０．７重量％である。
【００１４】
Ｉｎは伸び特性、濡れ性及び耐熱疲労特性を改善させる効果があるが、０．１重量％より少ない添加ではその効果は現れず、１．５重量％を越えて添加すると合金の機械的強度を劣化させる。そのため、Ｉｎの好適な添加量は０．１〜１．５重量％である。
【００１５】
本発明のはんだ付け方法における急冷法としては、冷風吹付けが好適であり、その冷却速度は５〜１５℃／秒、特に１０℃／秒前後が好適である。
【００１６】
本発明によれば、急冷凝固によってＡｇ3 Ｓｎ、Ｃｕ3 Ｓｎ、ＣｕＳｎ5 の金属間化合物の成長を抑制して、これらを微細分散させることができるので、機械的強度、耐熱疲労特性の向上を図ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、表１に示す参考例、実施例１、２及び比較例１、２に基き具体的に説明する。
【００１８】
表１は参考例、実施例１、２、比較例１、２のはんだ合金について、その組成（重量％）、融点、濡れ性、接合強度、及び熱衝撃特性を示したものである。
【００１９】
【表１】
【００２０】
融点は、それぞれのはんだ合金を熱分析により測定した。
【００２１】
また、濡れ性、接合強度、熱衝撃試験は、それぞれのはんだ合金を大気用ＲＭＡタイプのクリームはんだにしたものを作製しそれを用いて行った。
【００２２】
濡れ性については、０．５ｍｍピッチのＯＦＰを実装後、その１リードあたりのピーリング強度を測定した。
【００２３】
熱衝撃試験は、気相式熱衝撃試験機により、試験条件：−４０℃（３０分）〜常温（５分）〜８０℃（３０分）、５００サイクルで行い、クラックの有無で評価した。
【００２４】
上記はんだ合金をクリームはんだにする場合、フラックスの種類は特に限定されることはなく、大気リフロー対応、窒素リフロー対応、ＲＡ、ＲＭＡ等のフラックスの使用が可能であった。好ましくは、活性力があり、かつ比較的耐腐食性にも優れる大気用ＲＭＡタイプのフラックスが適していた。
【００２５】
なお、比較例１はＳｎ９６．５重量％、Ａｇ３．５重量％のはんだ合金であり、比較例２はＳｎ６３重量％、Ｐｂ３７重量％のはんだ合金である。
【００２６】
（参考例）
参考例のはんだ合金は、Ｓｎ９０．５重量％、Ａｇ３．５重量％、Ｂｉ６重量％の三成分はんだ合金である。
【００２７】
このはんだ合金を大気用ＲＭＡのフラックスを用いてクリームはんだとし、その融点、濡れ性、接合強度、熱衝撃試験を行った。その結果は表１に示すとおりである。又はんだの引張り強度試験を行った結果、８．３ｋｇｆ／ｍｍ2 であり、比較例２が６．５ｋｇｆ／ｍｍ2 であったことに比較すると、強度向上が顕著であった。
【００２８】
次にはんだ付け時の凝固過程において、急冷凝固させると、図１に示すように金属間化合物（Ａｇ3 Ｓｎ）６の成長が抑制され、これを微細分散させることができ、更に機械的強度の上昇、耐熱疲労特性の向上を図ることができた。またはんだ／銅ランド接合界面での金属間化合物の成長を抑制することができた。なお、急冷凝固においては、冷風吹付け法を用い、約１０℃／秒の冷却速度ではんだ付け部を冷却した。
【００２９】
（実施例１）
実施例１のはんだ合金は、Ｓｎ８５．５重量％、Ａｇ３重量％、Ｂｉ１０重量％、Ｃｕ０．５重量％、Ｉｎ１重量％の五成分はんだ合金である。
【００３０】
各試験結果は表１に示すとおりであるが、参考例に比較し、融点の低下、接合強度の向上を図ることができた。
【００３１】
この実施例１のはんだ合金についても、はんだ付け時に急冷凝固させた。その結果更に機械的強度の上昇、耐熱疲労特性の向上を図ることができた。
【００３２】
（実施例２）
実施例２のはんだ合金は、Ｓｎ８０．５重量％、Ａｇ３重量％、Ｂｉ１５重量％、Ｃｕ０．５重量％、Ｉｎ１重量％の五成分はんだ合金である。
【００３３】
実施例２は実施例１に比較して、Ｂｉの含有量を増やしたものであるが、その結果表１に示すように、融点を低下させることに格別の効果があった。
【００３４】
この実施例２のはんだ合金についても、はんだ付け時に急冷凝固させた。その結果更に機械的強度の上昇、耐熱疲労特性の向上を図ることができた。
【００３５】
【発明の効果】
以上から明らかなように本発明は、Ｓｎを主成分とするはんだに関し、Ａｇを少量添加することで微細な合金組織を持ち、組織変化を少なくすることが可能で、耐熱疲労特性に優れた合金を得ることができる。さらに、Ｂｉを少量添加することで融点を下げ、及び濡れ性を改善することができる。また、Ｃｕを少量添加することではんだ／銅ランド接合界面での金属間化合物の成長を抑制することができるので接合強度を改善することができる。また、Ｉｎを少量添加することで合金の伸び特性を改善して耐熱疲労特性を改善することができる。
【００３６】
また、はんだ付けの冷却過程において急冷凝固させることではんだ合金組織を微細化し、かつはんだ／銅ランド接合界面の金属間化合物の成長を抑制することができるために機械的強度及び耐熱疲労特性に優れたはんだ合金を得ることができる。
【００３７】
また、その組成に有毒物質である鉛を含んでいないはんだを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態におけるはんだ合金の組織を示す図。
【図２】 従来のはんだ材料の合金組織及びはんだ／銅ランド接合界面での金属組成を示す図。
【発明の属する技術分野】
本発明は電子回路基板のはんだ付けに用いるはんだ付け方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の実装技術において、電子部品の小型化、高密度実装化が急速に進んでいる。それに伴い、はんだ材料の狭ピッチ対応、高信頼性化等の高機能化への要求が急速に高まっている。また、環境への関心が高まる中、電子回路基板などの産業廃棄物の処理についても法的に規制をしようとする動きがある。
【０００３】
以下に上述した従来のはんだ材料の一例について図面を参照にしながら説明する。図２は従来のはんだ材料の合金組織及び従来のはんだ材料と銅ランドとの接合界面での金属組成を示すものである。図２において、１はα固溶体でＳｎリッチ相である。２はβ固溶体でＰｂリッチ相である。３は金属間化合物であり、その組成はＣｕ3 Ｓｎである。４は金属間化合物であり、その組成はＣｕ6 Ｓｎ5 である。５はＣｕランドである。
【０００４】
以上のような従来のはんだ合金はその金属組成がＳｎとＰｂの共晶合金であり、その構成成分としてＳｎを６３重量％及びＰｂを３７重量％からなるもので１８３℃に共晶点をもつものであった。また、その合金組織はα固溶体１とβ固溶体２がラメラ状となっていた。また、はんだ／銅ランド接合界面においては金属間化合物３及び４が形成されていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、環境保護の立場から、はんだ材料（Ｓｎ−Ｐｂ合金）中に含まれ有毒物質である鉛の規制が国際的に急速に進みつつある。従来のはんだ材料によりはんだ付けされたプリント回路基板の廃棄物が酸性雨にさらされると、有害物質である鉛が大量に溶出するので、その毒性により人体が神経障害等の悪影響を受けるという問題点を有していた。また、従来のはんだ材料はその合金組織がラメラ状となっており、高温環境下にさらされると、その組織の肥大化が生じ、はんだに応力がかかるとその組織界面ですべりが生じ、はんだクラックが生じるという問題点を有していた。さらに、はんだ付け時及び高温環境下において、はんだ／銅ランド接合界面に二層の硬く、脆い金属間化合物が成長するので接合界面でクラックが生じるという問題点を有していた。
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑み、はんだ材料中に鉛を含まないようにするとともに、その合金組織を微細化し、また、はんだ／銅ランド接合界面で金属間化合物の成長を抑制することで高温環境下で経時変化が少なく高温疲労特性に優れたはんだ付け方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のはんだ付け方法は、Ａｇを２．５〜４．０重量％、Ｂｉを５〜１８重量％、Ｃｕを０．１〜０．７重量％、Ｉｎを０．１〜１．５重量％含み残部がＳｎであるＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｃｕ−Ｉｎ系のはんだ合金を用いたはんだ付けの凝固過程において、前記はんだ合金を急冷凝固させ金属間化合物を微細分散させることを特徴とする。
【０００９】
【００１０】
本発明によれば、Ｓｎを主成分とするはんだに関し、Ａｇを少量添加することで微細な合金組織を持つ耐熱疲労特性に優れた合金を得ることができる。またＢｉを少量添加することで融点を下げ、及び濡れ性を改善することができる。またＣｕを少量添加することではんだ／銅ランド接合界面での金属間化合物の成長を抑制することができる。また、Ｉｎを少量添加することで合金の伸び特性及び耐熱疲労特性を改善することができる。
【００１１】
本発明において、はんだ合金の組成を上述のように限定した理由を説明する。Ａｇは耐熱疲労特性を改善させるが、その添加量が２．５重量％よりも少なくなれば耐熱疲労特性を改善させる効果が十分ではない。また２２０℃以下の融点を確保するために４．０重量％以下としなければならない。それを越えて添加すると融点は急激に上昇してしまうので好ましくない。よって、Ａｇの好適な添加量は２．５〜４．０重量％である。
【００１２】
Ｂｉは融点を下げ、濡れ性を改善するが、添加量が５重量％よりも少なければその効果は十分ではない。また、１８重量％を越えるとはんだ付け強度が得られなくなるので好ましくない。よって、Ｂｉの添加量は５〜１８重量％が好適である。
【００１３】
Ｃｕは高温特性を改善し、はんだ／銅ランド接合界面の金属間化合物の形成を抑制させる効果があるが、０．１重量％よりも少ない添加ではその効果は現れず、０．７重量％を越えて添加すると硬く、脆くなる。よって、Ｃｕの好適な添加量は０．１〜０．７重量％である。
【００１４】
Ｉｎは伸び特性、濡れ性及び耐熱疲労特性を改善させる効果があるが、０．１重量％より少ない添加ではその効果は現れず、１．５重量％を越えて添加すると合金の機械的強度を劣化させる。そのため、Ｉｎの好適な添加量は０．１〜１．５重量％である。
【００１５】
本発明のはんだ付け方法における急冷法としては、冷風吹付けが好適であり、その冷却速度は５〜１５℃／秒、特に１０℃／秒前後が好適である。
【００１６】
本発明によれば、急冷凝固によってＡｇ3 Ｓｎ、Ｃｕ3 Ｓｎ、ＣｕＳｎ5 の金属間化合物の成長を抑制して、これらを微細分散させることができるので、機械的強度、耐熱疲労特性の向上を図ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、表１に示す参考例、実施例１、２及び比較例１、２に基き具体的に説明する。
【００１８】
表１は参考例、実施例１、２、比較例１、２のはんだ合金について、その組成（重量％）、融点、濡れ性、接合強度、及び熱衝撃特性を示したものである。
【００１９】
【表１】
融点は、それぞれのはんだ合金を熱分析により測定した。
【００２１】
また、濡れ性、接合強度、熱衝撃試験は、それぞれのはんだ合金を大気用ＲＭＡタイプのクリームはんだにしたものを作製しそれを用いて行った。
【００２２】
濡れ性については、０．５ｍｍピッチのＯＦＰを実装後、その１リードあたりのピーリング強度を測定した。
【００２３】
熱衝撃試験は、気相式熱衝撃試験機により、試験条件：−４０℃（３０分）〜常温（５分）〜８０℃（３０分）、５００サイクルで行い、クラックの有無で評価した。
【００２４】
上記はんだ合金をクリームはんだにする場合、フラックスの種類は特に限定されることはなく、大気リフロー対応、窒素リフロー対応、ＲＡ、ＲＭＡ等のフラックスの使用が可能であった。好ましくは、活性力があり、かつ比較的耐腐食性にも優れる大気用ＲＭＡタイプのフラックスが適していた。
【００２５】
なお、比較例１はＳｎ９６．５重量％、Ａｇ３．５重量％のはんだ合金であり、比較例２はＳｎ６３重量％、Ｐｂ３７重量％のはんだ合金である。
【００２６】
（参考例）
参考例のはんだ合金は、Ｓｎ９０．５重量％、Ａｇ３．５重量％、Ｂｉ６重量％の三成分はんだ合金である。
【００２７】
このはんだ合金を大気用ＲＭＡのフラックスを用いてクリームはんだとし、その融点、濡れ性、接合強度、熱衝撃試験を行った。その結果は表１に示すとおりである。又はんだの引張り強度試験を行った結果、８．３ｋｇｆ／ｍｍ2 であり、比較例２が６．５ｋｇｆ／ｍｍ2 であったことに比較すると、強度向上が顕著であった。
【００２８】
次にはんだ付け時の凝固過程において、急冷凝固させると、図１に示すように金属間化合物（Ａｇ3 Ｓｎ）６の成長が抑制され、これを微細分散させることができ、更に機械的強度の上昇、耐熱疲労特性の向上を図ることができた。またはんだ／銅ランド接合界面での金属間化合物の成長を抑制することができた。なお、急冷凝固においては、冷風吹付け法を用い、約１０℃／秒の冷却速度ではんだ付け部を冷却した。
【００２９】
（実施例１）
実施例１のはんだ合金は、Ｓｎ８５．５重量％、Ａｇ３重量％、Ｂｉ１０重量％、Ｃｕ０．５重量％、Ｉｎ１重量％の五成分はんだ合金である。
【００３０】
各試験結果は表１に示すとおりであるが、参考例に比較し、融点の低下、接合強度の向上を図ることができた。
【００３１】
この実施例１のはんだ合金についても、はんだ付け時に急冷凝固させた。その結果更に機械的強度の上昇、耐熱疲労特性の向上を図ることができた。
【００３２】
（実施例２）
実施例２のはんだ合金は、Ｓｎ８０．５重量％、Ａｇ３重量％、Ｂｉ１５重量％、Ｃｕ０．５重量％、Ｉｎ１重量％の五成分はんだ合金である。
【００３３】
実施例２は実施例１に比較して、Ｂｉの含有量を増やしたものであるが、その結果表１に示すように、融点を低下させることに格別の効果があった。
【００３４】
この実施例２のはんだ合金についても、はんだ付け時に急冷凝固させた。その結果更に機械的強度の上昇、耐熱疲労特性の向上を図ることができた。
【００３５】
【発明の効果】
以上から明らかなように本発明は、Ｓｎを主成分とするはんだに関し、Ａｇを少量添加することで微細な合金組織を持ち、組織変化を少なくすることが可能で、耐熱疲労特性に優れた合金を得ることができる。さらに、Ｂｉを少量添加することで融点を下げ、及び濡れ性を改善することができる。また、Ｃｕを少量添加することではんだ／銅ランド接合界面での金属間化合物の成長を抑制することができるので接合強度を改善することができる。また、Ｉｎを少量添加することで合金の伸び特性を改善して耐熱疲労特性を改善することができる。
【００３６】
また、はんだ付けの冷却過程において急冷凝固させることではんだ合金組織を微細化し、かつはんだ／銅ランド接合界面の金属間化合物の成長を抑制することができるために機械的強度及び耐熱疲労特性に優れたはんだ合金を得ることができる。
【００３７】
また、その組成に有毒物質である鉛を含んでいないはんだを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態におけるはんだ合金の組織を示す図。
【図２】 従来のはんだ材料の合金組織及びはんだ／銅ランド接合界面での金属組成を示す図。
Claims (3)
- Ａｇを２．５〜４．０重量％、Ｂｉを５〜１８重量％、Ｃｕを０．１〜０．７重量％、Ｉｎを０．１〜１．５重量％含み残部がＳｎであるＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｃｕ−Ｉｎ系のはんだ合金を用いたはんだ付けの凝固過程において、前記はんだ合金を急冷凝固させ金属間化合物を微細分散させるはんだ付け方法。
- 銅ランドにはんだ付けするに際し、Ａｇを２．５〜４．０重量％、Ｂｉを５〜１８重量％、Ｃｕを０．１〜０．７重量％、Ｉｎを０．１〜１．５重量％含み残部がＳｎであるＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｃｕ−Ｉｎ系のはんだ合金を用いたはんだ付けの凝固過程において、前記はんだ合金を急冷凝固させ金属間化合物を微細分散させるはんだ付け方法。
- はんだ合金を、冷風吹付けにより５〜１５℃／秒の冷却速度で急冷凝固させる請求項１または２記載のはんだ付け方法。
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|---|---|---|---|
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| JP02354796A JP3220635B2 (ja) | 1996-02-09 | 1996-02-09 | はんだ合金及びクリームはんだ |
| JP2000122905A JP3643008B2 (ja) | 1996-02-09 | 2000-04-24 | はんだ付け方法 |
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