JP3708252B2

JP3708252B2 - 電子部品リフロー実装用はんだ合金粉末

Info

Publication number: JP3708252B2
Application number: JP28167496A
Authority: JP
Inventors: 嘉明田中
Original assignee: Uchihashi Estec Co Ltd
Current assignee: Uchihashi Estec Co Ltd
Priority date: 1996-10-02
Filing date: 1996-10-02
Publication date: 2005-10-19
Anticipated expiration: 2016-10-02
Also published as: JPH10109187A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子部品をリフロ−法により実装する場合に使用されるはんだ合金粉末に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子部品を回路基板に実装する場合、リフロ−法、すなわち、回路基板の所定位置に電子部品をクリ−ムはんだ（はんだ粉末とフラックスとの混合物）で粘着し、更に加熱炉に通してクリ−ムはんだを溶融し、而るのち、はんだを冷却凝固させて電子部品を回路基板に電気的・機械的に接合する方法を用いることがあり、このクリ−ムはんだのはんだ粉末には、伝統的にＰｂ−Ｓｎ共晶はんだが使用されてきた。
このＰｂ−Ｓｎ共晶では、固相線温度と液相線温度とが一致するから、融点に達すると固相から液相に即時に移行する。
上記のリフロ−法実装においては、電子部品の加熱の不均一が避けられず、電子部品の片サイド電極のクリ−ムはんだが先に融点に達して液相化され、この際電子部品の他サイド電極のクリ−ムはんだが固相のままである状態が生じ、片サイド電極のクリ−ムはんだの液相化による表面張力で電子部品が起立されて他サイド電極が浮き上がり（いわゆる、マンハッタン現象）、はんだ付け不良が発生することがある。
【０００３】
而るに、固相線温度と液相線温度との間に差があるはんだ合金を、その温度差を上記の不均一温度差に応じて設定して使用すれば、電子部品の上記片サイド電極側が固相線温度と液相線温度との中間温度になってクリ−ムはんだが半溶融状態（固相と液相との混在相状態）となり、他サイド電極側のクリ−ムはんだがまだ固相状態であっても、半溶融状態での表面張力が小さいために電子部品の起立を防止することが可能となり、更に片サイド電極側が液相線温度を越えて液相状態となり、他サイド電極側のクリ−ムはんだがまだ半溶融状態であっても、液相状態と半溶融状態での表面張力の差が小さいために、電子部品の起立を防止することが可能となる。
【０００４】
そこで、液相線温度と固相線温度とに差をもたせてマンハッタン現象を防止することを企図して、ＪＩＳＺ３２８２−１９８６でＳｎ４３ＰｂＢｉ１４（Ｓｎ４３重量％、Ｂｉ１４重量％、残部Ｐｂであり、固相線温度１３５℃、液相線温度１６５℃）が規格され、更に、Ｓｎ４６ＰｂＢｉ８（固相線温度１７５℃、液相線温度１９０℃）やＳｎ５７ＰｂＢｉ３（固相線温度１７５℃、液相線温度１８５℃）も公知である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近来、電子部品の複合化、高機能化、表面実装の高密度化が加速され、電子回路基板の発熱量が増し、通電ヒ−トサイクルに基づきはんだ付け部が受ける繰返し熱応力がますます厳しくなりつつあり、より優れた耐熱疲労特性が要求されている。
しかしながら、上記のＳｎ−Ｐｂ−Ｂｉ系はんだ合金では、溶融液相が冷却されて半溶融状態を通過する際にボイドが形成され易く、またＳｎやＰｂにＢｉが溶け込んで固溶体が形成され易いために、Ｐｂ−Ｓｎ共晶はんだに較べ機械的強度が低く、上記耐熱疲労性の向上を望み難い。
従来、Ｓｎ−Ｐｂ−Ｂｉ系はんだ合金をベ−スにしてＣｕを０．２重量％以下添加した電子部品用はんだ合金が公知である（特公平１−２４５９９号公報）。
【０００６】
しかしながら、本発明者において、マンハッタン現象抑制作用を維持しつつ耐熱疲労特性の向上を達成すべく鋭意検討したところ、ＣｕとＳｂとを特定の割合で添加することにより、上記のＣｕ単独添加では達成できない飛躍的な耐熱疲労性の向上を得ることができることを知った。
本発明の目的は、上記予想外の実験結果に基づき、Ｓｎ−Ｐｂ−Ｂｉ系はんだ合金のマンハッタン現象抑制作用を充分に維持しつつ耐熱疲労特性の飛躍的向上を達成することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電子部品リフロー実装用はんだ合金粉末は、Ｓｎ４０〜７０重量％、Ｂｉ２．５〜１５．０重量％、残部がＰｂのＳｎ−Ｐｂ−Ｂｉ系はんだ合金１００重量部にＣｕ０．５〜２．０重量部とＳｂ０．５〜２．０重量部とが添加されていることを特徴とし、また更に、Ｇａを０．５重量部以下とが添加することができる。
本発明に係る他の電子部品リフロー実装用はんだ合金粉末は、Ｓｎ４０〜７０重量％、Ｂｉ２．５〜１５．０重量％、残部がＰｂのＳｎ−Ｐｂ−Ｂｉ系はんだ合金１００重量部にＣｕ０．５〜２．０重量部とＳｂ０．５〜２．０重量部とＡｇ０．５〜３．５重量部とが添加されていることを特徴とし、また更に、Ｇａを０．５重量部以下とが添加することができる。
【０００８】
本発明において、Ｓｎを４０〜７０重量％とする理由は、４０重量％未満でははんだ付けの作業性が悪くなるばかりか、合金強度及び接合強度が著しく低くなり、接合信頼性が損なわれ、また、液相線温度が高くなる結果、はんだ付け時での基板や表面実装部品への熱衝撃が過酷になり、他方、７０重量％を越えると、コストアップとなるばかりか、前記と同様に液相線温度が高くなる結果、はんだ付け時での基板や表面実装部品への熱衝撃が過酷になるからである。
本発明において、Ｂｉの添加は固相線温度と液相線温度とに差をもたせてマンハッタン現象を抑制するためであり、その添加量を２．５〜１５．０重量％とする理由は、２．５重量％未満ではマンハッタン現象を満足に抑制し難く、他方１５．０重量％を越えると、伸びが減少し脆くなって機械的強度が低下し、接合信頼性を保証し難くなるからである。
【０００９】
本発明において、ＣｕとＳｂとの添加はマンハッタン現象抑制作用を充分に維持しつつ耐熱疲労性を飛躍的に向上させためであり、ＣｕまたはＳｂの単独では不適当であり、Ｃｕを０．５〜２．０重量部、Ｓｂを０．５〜２．０重量部とすることにより耐熱疲労特性の飛躍的向上が達成できる。Ｃｕ２．０重量部以上やＳｂ２．０重量部以上では、液相線温度が高くなって、はんだ付け時での基板や表面実装電子部品への熱的衝撃が相当過酷になる。
本発明において、Ａｇの添加は、被接合部材がＡｇである場合に、Ａｇ食われ（Ａｇがはんだ中に拡散すること、溶食とも称されている）による接合不良が懸念されるため、これを防止することにある。その添加量を０．５〜３．５重量部とした理由は、０．５重量部以下ではＡｇ食われを満足に抑制し難く、他方、３．５重量部を越えるとコスト高になるばかりか、液相線温度が高くなって、はんだ付け時での基板や表面実装電子部品への熱的衝撃が過酷になるからである。
【００１０】
本発明において、Ｇａの添加は、上記添加したＣｕやＳｂによるはんだ合金の濡れ性低下を補償すると共にはんだ合金溶融下での酸化を抑制し当該酸化物の巻き込みによるはんだ接合部の強度低下を防止するためであり、その添加量を０．５重量部以下とする理由は、０．５重量部を越えるとはんだ合金の脆弱化が招来されるからである。
【００１１】
はんだ合金においては、添加元素以外の成分を不純物として含有するのが通常であり、ＪＩＳＺ −３２８２−１９８６−表３に規定されているＡ級の化学成分に従い、本発明に係るはんだ合金においても、Ｚｎを０．００３重量％以下、Ｆｅを０．０３重量％以下、Ａｌを０．００５重量％以下、Ａｓを０．０３重量％以下、Ｃｄを０．００５重量％以下の範囲で含有することが許容される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明において、べ−スのＳｎ−Ｐｂ−Ｂｉ系はんだ合金としては、例えば、日本工業規格で規定された、Ｓｎ４３重量％、Ｂｉ１４重量％、残部Ｐｂ（固相線温度１３５℃、液相線温度１６５℃）、または、公知のＳｎ４６重量％、Ｂｉ８、残部Ｐｂ（固相線温度１７５℃、液相線温度１９０℃）Ｓｎ５７、Ｂｉ３、残部Ｐｂ（固相線温度１７５℃、液相線温度１８５℃）等を使用できる。
【００１３】
本発明に係る電子部品実装用はんだ合金は、リフロ−法におけるクリ−ムはんだとして好適に使用される。この場合、粉末はんだは、例えば、遠心噴霧法により得ることができ、その粒直径は通常６５〜２０μｍであり、フラックスの組成は、ロジン２０〜６０重量％、活性剤０．２〜５重量％、チクソ剤３〜２０重量％、残部溶剤であり、クリ−ムはんだの組成は、通常粉末はんだ８５〜９３重量％、残部フラックスである。
リフロ−法により表面実装を行うには、回路基板の電子部品搭載予定箇所にクリ−ムはんだを印刷し、更に、電子部品をそのクリ−ムはんだの粘着力で仮固定し、次いで、はんだ合金の液相線温度よりも数十度高い温度の加熱炉、例えば赤外線加熱炉等に通してクリ−ムはんだを溶融し、而るのち、はんだを冷却凝固させ、最終的にフラックス残渣の洗浄を行い、これにて実装を終了する。
【００１４】
本発明に係るはんだ合金においては、Ｃｕ及びＳｂの添加量がＳｎ−Ｐｂ−Ｂｉ系はんだ合金のマンハッタン現象抑制作用を充分に維持できる範囲内であり、上記加熱の不均一のために、電子部品の片サイド電極側が固相線温度と液相線温度との中間温度になってクリ−ムはんだが半溶融状態（固相と液相との混在相状態）となり、他サイド電極側のクリ−ムはんだにおいてはまだ固相状態であっても、半溶融状態での表面張力が小さいために電子部品の起立をよく防止でき、更に片サイド電極側が液相線温度を越えて液相状態となり、他サイド電極側のクリ−ムはんだにおいてはまだ半溶融状態であっても、液相状態と半溶融状態での表面張力の差が小さいために、電子部品の起立をよく防止できる。
【００１５】
上記リフロ−法により実装された電子部品のはんだ付け部の通電ヒ−トサイクルに起因する破壊（クラックやしわの発生）のメカニズムは複雑であり、はんだと基板や電子部品との熱膨張収縮係数の差やヤング率の差や環境温度変化等に基づき熱応力が発生し、その熱応力がはんだの破断強度に達したときに破断することを根拠にしてのはんだ合金の抗張力や伸び率の評価だけでは耐熱疲労特性の適確な把握は困難であり、適確な把握のためには、はんだの濡れ状態や電極や導体とはんだとの界面部分での合金層形成による機械的特性（組織の強度、ヤング率、伸び率、熱膨張収縮係数等）の変化を反映させることが妥当である。しかるに、次に述べる接合強度は、はんだの濡れ状態と界面部分での合金層形成による機械的特性の変化を充分に反映して耐熱疲労性を評価できるものであり、この接合強度はつぎのようにして求められる。
【００１６】
すなわち、巾１０ｍｍ、厚み０．５ｍｍの銅箔２枚をギャップを隔てて重ね、片端部にスペ−サを挾着してギャップを０．５ｍｍに設定し、この重ね銅箔の他端部にフラックスを塗布した後、溶融はんだ浴に浸漬して毛細管現象により溶融はんだをギャップ間に深さ１０ｍｍになるように侵入させ、はんだの冷却凝固後、スペ−サを外して銅箔をはんだの侵入端箇所で直角に外側に曲げ、この曲げた両銅箔を引張り端子としてロ−ドセル方式万能試験機を用い、引張り速度５ｍｍ／ｍｉｎ、温度２０℃で破断するときの引張り応力（ｋｇｆ／ｍｍ^２）を測定する。この接合強度によれば、はんだ合金の抗張力や伸び率とは異なり、銅とはんだとの界面での金属学的反応による機械的強度の変化や濡れ性を反映させることができ、はんだ付け部の耐熱疲労性を適確に評価できる。
而るに、本発明に係る実装においては、Ｃｕ０．３〜２．０重量部とＳｂ０．１〜２．０重量部とを添加しているために抜群に優れた接合強度を呈し、極めて優れた耐熱疲労特性を保証できる。
【００１７】
かかる耐熱疲労特性の保証は、機械的に脆弱な固溶体の生成を抑制でき、ボイドの発生を排除でき、かつ濡れ性に優れ、しかも電極や導体とはんだとの界面部分での合金層形成による機械的特性（組織の強度、ヤング率、伸び率、熱膨張収縮係数等）の異変をよく防止できた結果と推定される。
【００１８】
【実施例】
以下の実施例及び比較例において、クリ−ムはんだのはんだ粉末には遠心噴霧法による粒直径６３〜３８μｍのものを使用し、フラックスには、ロジン５０．０重量％、活性剤（シクロヘキシルアミン臭化水素酸塩）１．０重量％、チクソ剤（水素添加ヒマシ油）５．０重量％、残部溶剤（ブチルカルビト−ル）を使用し、クリ−ムはんだの配合は、はんだ粉末９０重量％、残部フラックスとした。
また、マンハッタン現象発生率は、チップ寸法３．２ｍｍ×１．６ｍｍ×０．５ｍｍのチップ抵抗器をガラスエポキシ回路基板にクリ−ムはんだを用いてリフロ−法により実装した試料１０００箇から求めた。
更に、ヒ−トサイクル試験も上記と同様にして製作した試料について行い、１２５℃で１時間加熱、−５５℃で１時間冷却を１サイクルとして５００サイクルを課し、はんだ接合部にクラック、しわ、剥離等が発生したものを不良とし、試料数は１００箇とした。
【００１９】
〔実施例１〜５及び比較例１〜４〕
べ−スのＳｎ−Ｐｂ−Ｂｉ系はんだ合金に、Ｓｎ５７重量％、Ｂｉ３重量％、残部Ｐｂ（固相線温度１７５℃、液相線温度１８５℃）を用いたものであり、使用したはんだ合金の配合は表１（配合の単位は重量部）の通りである。
それぞれの接合強度（実施例１の接合強度を１として示してある。実施例１の接合強度は、６．１８ｋｇｆ／ｍｍ^２）並びにヒ−トサイクル試験の結果は表１に示す通りである。
【００２０】
【表１】

【００２１】
表１から明らかな通り、実施例ではヒ−トサイクル試験の不良発生率が０％であり、比較例１や比較例２との対比からこの効果がＣｕとＳｂとの相乗効果によるものであることが推定できる。また、Ｃｕ０．３重量部以下及びＳｂ０．１重量部以下ではヒ−トサイクル試験の不良発生率を０にできず、更にＣｕ２．０重量部以上及びＳｂ２．０重量部以上ではヒ−トサイクル試験の不良発生率を０にできないことが比較例３、比較例４から明らかであり、本発明におけるＣｕ及びＳｂの添加量限定の意義が確認できる。
実施例が耐熱疲労性に優れていることは、ヒ−トサイクル試験の不良発生率が０で、かつ接合強度にも優れていることから裏付けられる。
なお、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだ合金についてのマンハッタン現象発生率は１５％〜２０％であり、本発明によれば、べ−スのＳｎ−Ｐｂ−Ｂｉ系はんだ合金のマンハッタン現象抑制効果も充分に維持できることが表１から確認できる。
【００２２】
〔実施例６〜１０〕
べ−スのＳｎ−Ｐｂ−Ｂｉ系はんだ合金に、Ｓｎ４６重量％、Ｂｉ８重量％、残部Ｐｂ（固相線温度１７５℃、液相線温度１９０℃）を用いたものであり、使用したはんだ合金の配合は表２（配合の単位は重量部）の通りである。
それぞれの接合強度（実施例１の接合強度を１として示してある）並びにヒ−トサイクル試験の結果は表２に示す通りである。
【００２３】
【表２】

【００２４】
〔実施例１１〜１５〕
べ−スのＳｎ−Ｐｂ−Ｂｉ系はんだ合金に、Ｓｎ４３重量％、Ｂｉ１４重量％、残部Ｐｂ（固相線温度１３５℃、液相線温度１６５℃）を用いたものであり、使用したはんだ合金の配合は表３（配合の単位は重量部）の通りである。
それぞれの接合強度（実施例１の接合強度を１として示してある）並びにヒ−トサイクル試験の結果は表３に示す通りである。
【００２５】
【表３】

【００２６】
【発明の効果】
本発明に係る電子部品用はんだ合金よれば、Ｓｎ−Ｐｂ−Ｂｉ系はんだ合金のマンハッタン現象抑制作用を充分に維持し得、かつ、Ｓｎ−Ｐｂ−Ｂｉ系はんだ合金の耐熱疲労性に劣る不利をよく解消して耐熱疲労特性の飛躍的向上を達成でき、電子部品実装時の不良率を低減しつつ実装後での耐熱疲労に対する信頼性を飛躍的に向上できる。

Claims

Ｓｎ４０〜７０重量％、Ｂｉ２．５〜１５．０重量％、残部がＰｂのＳｎ−Ｐｂ−Ｂｉ系はんだ合金１００重量部にＣｕ０．５〜２．０重量部とＳｂ０．５〜２．０重量部とが添加されていることを特徴とする電子部品リフロー実装用はんだ合金粉末。
Ｓｎ４０〜７０重量％、Ｂｉ２．５〜１５．０重量％、残部がＰｂのＳｎ−Ｐｂ−Ｂｉ系はんだ合金１００重量部にＣｕ０．５〜２．０重量部とＳｂ０．５〜２．０重量部とＡｇ０．５〜３．５重量部とが添加されていることを特徴とする電子部品リフロー実装用はんだ合金粉末。
Ｇａが０．５重量部以下添加されている請求項１または２記載の電子部品リフロー実装用はんだ合金粉末。