JP3879582B2

JP3879582B2 - Solder paste, electronic component and step soldering method

Info

Publication number: JP3879582B2
Application number: JP2002125770A
Authority: JP
Inventors: 稔孫田口; 力弥加藤; 咲枝山形
Original assignee: Senju Metal Industry Co Ltd
Current assignee: Senju Metal Industry Co Ltd
Priority date: 2002-04-26
Filing date: 2002-04-26
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2022-04-26
Also published as: JP2003311469A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プリント基板と電子部品のはんだ付けに使用するソルダペースト、特に高温状態において高信頼性が発揮できるソルダペースト、耐熱性に優れた電子部品およびプリント基板の両面に電子部品をはんだ付けするステップ・ソルダリング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子部品とプリント基板のはんだ付け方法としては、脂入り線はんだをはんだ鏝ではんだ付けする鏝付け法と、電子部品が搭載されたプリント基板を溶融はんだに接触させてはんだ付けするフロー法と、はんだ粉とペースト状フラックスからなるソルダペーストをプリント基板のはんだ付け部に塗布し、該塗布部に電子部品を搭載してからリフロー炉で加熱してはんだ付けするリフロー法、等がある。
【０００３】
鏝付け法は、作業者やロボットがはんだ付け部一箇所毎にはんだ付けを行うため大量生産には向かないが、他のはんだ付け方法で発生したはんだ付け不良の修正や熱に弱い電子部品を他のはんだ付け方法ではんだ付けした後にはんだ付けするという「後付け」に適している。フロー法は、一度に多数箇所のはんだ付けを行うことができるため大量生産が可能であるが、プリント基板の片面全面に溶融はんだを接触させるため、はんだ付け部に表面実装部品が搭載されているようなプリント基板には適していない。リフロー法は、多数のはんだ付け部にソルダペーストを塗布するため大量生産ができるとともに必要箇所だけにソルダペーストを塗布するため、同一面に表面実装部品が搭載されていても表面実装部品に対して影響を及ぼすことがない。しかしながらリフロー法は、微細で均一なはんだ粉を得るのに多大な手間がかかるため材料コストが高価となることから、信頼性が要求される高級電子機器向きである。このようにそれぞれのはんだ付け方法には一長一短があるため、電子業界では用途によって使い分けている。
【０００４】
ところで近時の電子機器は所謂、軽薄短小の傾向から、この電子機器に組み込まれるプリント基板も小さくなってきており、小さなプリント基板に対しては合理的な電子部品の実装が求められている。つまり従来の電子機器に組み込まれていたプリント基板は、片面だけに電子部品を実装すれば充分であったが、近時の電子機器に組み込まれる小型化されたプリント基板は多数の電子部品を一枚のプリント基板に実装しなければならなくなってきたため、プリント基板の両面に実装する合理的な手段が採られている。
【０００５】
プリント基板の両面に電子部品を実装するはんだ付け手段はステップ・ソルダリングと呼ばれ、プリント基板の片面ずつはんだ付けを行うものである。ステップ・ソルダリングとしては、先ずプリント基板の片面に最初のはんだ付けをリフロー法で行い、次にもう一方の面に二度目のはんだ付けをやはりリフロー法で行うという「リフロー・リフロー」と、片面に最初のはんだ付けをリフロー法ではんだ付けを行い、次にもう一方の面に二度目のはんだ付けをフロー法で行う「リフロー・フロー」がある。
【０００６】
リフロー・リフローやリフロー・フローに限らずステップ・ソルダリングでは、最初のはんだ付けに用いるはんだ合金は、固相線温度が二度目のはんだ付けに用いるはんだ合金の液相線温度よりも高いものでなければならないとされている。なぜならばステップ・ソルダリングにおいて、二度目のはんだ付けのときのはんだ付け温度で最初にはんだ付けした部分のはんだが溶融すると、最初のはんだ付け部の電子部品が脱落したり、電子部品が脱落しないまでも所定のはんだ付け部からずれて付着し、電子部品としての機能が果たせなくなったりするからである。そこでステップ・ソルダリングでは、最初のはんだ付けに用いるはんだ合金は、二度目のはんだ付け温度で溶融しない所謂「高温はんだ」が使用されていた。
【０００７】
従来のステップ・ソルダリングに使用されてきたはんだ合金は、最初のはんだ付けも二度目のはんだ付けもSn-Pb合金のはんだであった。最初のはんだ付けに用いる高温はんだとしては、Pb-10Sn(固相線温度270℃、液相線温度272℃)、Pb-5Sn（固相線温度307℃、液相線温度313℃）、Pb-5Ag(固相線温度304℃、液相線温度365℃)等、Pb主成分のはんだ合金であり、二度目のはんだ付けに用いるはんだ合金としてはPb-Sn合金のうち融点が最も低く、しかもはんだ付け性に優れたPb-63Sn（共晶温度183℃）の共晶はんだであった。従って、固相線温度が270℃のPb-10Snの高温はんだを用いて最初のはんだ付けを行った場合、共晶はんだを使用した二度目のはんだ付け温度が少し高めの230℃になっても、Pb-10Snではんだ付けしたはんだ付け部は二度目のはんだ付け時に絶対に溶融することがなく、最初にはんだ付けした電子部品が脱落や位置ずれを起こさない。。
【０００８】
このようにPbを含むはんだを用いてステップ・ソルダリングによりはんだ付けされた電子機器が故障したり、古くなって使い勝手が悪くなったりした場合、修理や無理して使うことなく廃棄処分されていた。電子機器を廃棄処分する場合、電子機器を構成するプラスチック、ガラス、金属等は回収して再使用することがあるが、プリント基板は樹脂部に銅箔が接着され、該銅箔にはんだが付着されており、これらを分離回収して再使用することが困難であるため、細かく破砕して埋めたり、そのまま埋め立て処分されたりしていたものである。
【０００９】
近時の化石燃料の多用から地上に降り注ぐ雨は酸性雨となっており、該酸性雨が地中に浸透して埋め立て処分されたプリント基板に接触すると、はんだ中のPb成分を溶出し、Pb成分を含んだ酸性雨がさらに地中深く浸透して地下水に混入する。そしてPb成分を含んだ地下水を長年月にわたって人類が飲用すると、Pb成分が体内に蓄積されて、ついにはPb中毒を起こすといわれている。そのため現在、世界的規模でPbの使用が規制されるようになってきており、当然、従来ステップ・ソルダリングで使用されてきたPb-Snの高温はんだやPb-Snの共晶はんだも規制の対象になってきている。
【００１０】
このようにPb-Snはんだの使用が規制されるようになっていることから、現在ではPbを全く含まないPbフリーはんだの使用が推奨されるようになってきた。Pbフリーはんだとは、SnにAg、Sb、Cu、Zn、Bi、In、Ni、Cr、Fe、P、Ge、Ga等の元素を一種以上添加したものである。二元系のPbフリーはんだとしては、Sn-3.5Ag（共晶温度221℃）、Sn-5Sb(包晶温度240℃)、Sn-0.75Cu(共晶温度227℃)、Sn-58Bi(共晶温度139℃)、Sn-52In(共晶温度117℃)等があり、三元系、或いはそれ以上の多元系としては上記元素を組み合わせて融点や機械的特性の改善を図ったものがある。現在、多く使用されているＰｂフリーはんだとしてはSn-3Ag-0.5Cu（固相線温度217℃、液相線温度220℃）、Sn-8Zn-3Bi(固相線温度190℃、液相線温度197℃）、Sn-2.5Ag-0.5Cu-1Bi(固相線温度214℃、液相線温度221℃)等（以下、多用Pbフリーはんだという）である。
【００１１】
一般にプリント基板と電子部品をはんだ付けする場合、はんだ付け温度は、はんだ合金の液相線温度＋20〜40℃が適当と言われている。例えばPb規制を考慮してPbフリーはんだを使用する場合、多用PbフリーはんだのSn-3Ag-0.5Cu（固相線温度217℃、液相線温度220℃）は、はんだ付け温度が240〜260℃となる。ステップ・ソルダリングで、このSn-3Ag-0.5Cuを二度目のはんだ付けに使用する場合、最初のはんだ付けに使用するPbフリーはんだは固相線温度が少なくとも260℃以上のものでなければならないものであった。
【００１２】
従来のPb-Snはんだ合金では、固相線温度が260℃以上のものとしてPb-10Sn、Pb-5Sn、Pb-5Agのような高温はんだがあり、これらの高温はんだはステップ・ソルダリングの最初のはんだ付け用として前述多用Pbフリーはんだを使用した場合にも充分対応可能であった。しかしながらPb規制によりステップ・ソルダリングで最初のはんだ付けに高温のＰｂフリーはんだを使おうと思っても、Sn主成分で固相線温度が260℃以上の高温はんだはなかった。例えば固相線温度（共晶温度）が221℃のSn-Ag系において、Agを増やしていっても液相線温度は上がるが、固相線温度は上がらない。またSn-Cu系やSn-Sb系でも同様にCuやSbを増やしても液相線温度は上がるが、固相線温度は上がらない。これらに他の元素を添加しても固相線温度を上げることはできず、Pbフリーはんだはステップソルダリングの高温はんだとして使用不可能なものと考えられていた。
【００１３】
ステップ・ソルダリングの最初のはんだ付け用として開発されたものではないが、高温で耐熱特性を有するPbフリーはんだがUSP5520752（752特許という)に提案されている。752特許はPbフリーはんだ中に金属間化合物を添加したものであり、固相線温度はステップ・ソルダリングに適した高い温度ではない。また、やはりステップ・ソルダリング用ではないが、非晶質の金属粉同士を混合したPbフリーはんだが特許第3074649号(649特許という）で提案されている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
752特許のPbフリーはんだは、Sn-Ag主成分の合金中にInおよび／またはBiを含有させたSn-Ag-(In、Bi)系合金であり、Sn-Ag-In、Sn-Ag-In-Bi、Sn-Ag-Bi、Sn-Ag-Bi-Cu等である。ここではSn-AgにInやBiのような温度降下作用のある元素を添加したため、これらの合金の固相線温度は二元のSn-Ag合金の固相線温度（221℃）よりも低くくなっている。そこで752特許では、該合金中にSn合金の金属間化合物を点在させることにより高温特性を向上させている。しかしながら、該合金ではんだ付けしたはんだ付け部は、はんだ付け部周囲の温度が210℃以上になると、電子部品を支えることができなくなって、電子部品が脱落したり移動したりしてしまう。つまり752特許は、単にはんだ付け部の機械的特性を改善することを目的としたものであり、ステップ・ソルダリングの最初のはんだ付け用には適していない。
【００１５】
649特許は、未反応相および非晶質相のSn、Ag、Cu、Bi、Zn、In、Au、Ni、Sb、Pd、Pt、Ge金属粉を一種以上混合してはんだ付けするものであり、はんだ付け後にはんだ付け部のはんだが金属間化合物を形成するようになっている。このように、はんだ中に金属間化合物が形成されると、はんだ付け部は脆くなり、はんだ付け部に衝撃が加わると容易に剥離してしまう。また649特許は、微小金属粉を用いることにより融点降下をねらったものであり、ステップ・ソルダリングの最初のはんだ付け用には適していない。
【００１６】
ステップ・ソルダリングでは、二度目のはんだ付けにPbフリーはんだを用いることはできるが、前述のようにPbフリーはんだでは固相線温度の高いものがなかったため、Pb規制を知りながらもPb-Snの高温はんだを使わざるを得なかった。従って、ステップ・ソルダリングではんだ付けされた従来の電子部品はPb公害の問題を有しているばかりでなく、機械的強度に弱いPb主成分の高温はんだではんだ付けされていたため、信頼性にも問題があった。
【００１７】
【問題を解決するための手段】
本発明者らは、固相線温度が210℃以上のPbフリーはんだ中に高温の粉が存在していると、多用Pbフリーはんだのはんだ付け温度では粉の周囲のはんだが半溶融状態や溶融状態になってもはんだは流動しないこと、そして電子部品のはんだ付け部にはんだと高温の粉が共存するとはんだが溶融しても電子部品を脱落させたり移動させたりすることがないこと、等を見出し本発明を完成させた。
【００１８】
本発明のソルダペーストは、金属粉とペースト状フラックスを混和したソルダペーストにおいて、金属粉はSnの金属間化合物粉が30〜90質量％と、残部がSn粉またはSn主成分のPbフリーはんだ粉からなる混合粉のソルダペーストである。
【００１９】
本発明の電子部品は、Snの金属間化合物が30〜90質量％と、残部がSnまたはSn主成分のPbフリーはんだの混合物ではんだ付けされている電子部品である。
【００２０】
本発明のステップ・ソルダリング方法は、プリント基板の片面に最初のはんだ付けを行い、もう一方の面に二度目のはんだ付けを行うステップ・ソルダリングにおいて、最初のはんだ付けはSnの金属間化合物粉が30〜90質量％と、残部がSn粉またはSn主成分のPbフリーはんだ粉からなる混合粉のソルダペーストを用いてリフロー法で行い、二度目のはんだ付けはPbフリーはんだ粉のソルダペーストを用いてリフロー法で行うか、或いはPbフリーはんだを用いてフロー法で行うステップ・ソルダリング方法である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明に使用するSn合金粉或いはSn合金は、固相線温度が210℃以上でなければならない。Sn合金粉の固相線温度が210℃よりも低いと、ステップ・ソルダリングの二度目のはんだ付けを多用Pbフリーはんだで行った場合、電子部品が脱落したり移動したりするからである。つまり多用Pbフリーはんだを用いた二度目のはんだ付け温度は最高で260℃になるが、この260℃で金属間化合物を混合したはんだ付け部のはんだが流出したり電子部品の脱落や移動が起こったりしないためには、Sn合金粉の固相線温度は210℃以上であることが望ましい。つまり固相線温度が210℃よりも低いPbフリーはんだは、260℃以上の温度になると、周囲に多数の金属間化合物が存在していても、保持力が弱くなって金属間化合物をはんだ付け部に保持できなくなり、電子部品の脱落や移動が起こってしまう。
【００２２】
本発明に使用するSn合金粉或いはSn合金は、Sn主成分にAg、Cu、Sb、Ni、Cr、Fe、P、Geの一種以上が添加されているものである。Sn合金に添加する元素の添加量は、はんだ付け性、機械的特性等を考慮すると、Agは8.0質量％以下、Cuは2.0質量％以下、Sbは15質量％以下、Niは0.5質量％以下、Crは0.2質量％以下、Feは0.2質量％以下、Pは0.3質量％以下、Geは0.3質量％以下である。また本発明ではPbフリーはんだばかりでなく、融点が232℃のSnを単体で用いることもできる。
【００２３】
本発明の電子部品では、はんだ付け部がSnまたはSn主成分のPbフリーはんだで接合されているものであるが、該はんだ付け部のはんだにはBiやInが添加されていないものでなければならない。なぜならばSn主成分のPbフリーはんだ中にBiやInが添加されていると、固相線温度が本発明が目的とする210℃以下に下がってしまうからである。またPbフリーはんだにBiが添加されるとはんだ付け部が脆くなり、またInが添加されるとソルダペーストにした場合、経時変化が起こりやすくなってしまう。
【００２４】
また本発明に使用するSnの金属間化合物は、Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ni、Sn-Fe合金の金属間化合物が適している。さらに詳細にはSn-Ag合金の金属間化合物としてはAg₃Sn、Sn-Cu合金の金属間化合物としてはCu₃Sn、Cu₆Sn₅、Sn-Ni合金の金属間化合物としてはNi₃Sn₂、Ni₃Sn₄、Sn-Fe合金の金属間化合物としてはFeSn、FeSn₂、等である。また本発明では、金属間化合物は前述Snの二元系に限らず、Snを含む三元系以上の合金の金属間化合物でもよいし、異なる二種以上の金属間化合物を添加してもよい。これらの金属間化合物は脆性を有しているためボールミルのような破砕装置で容易に微粉末にすることができる。SnやSn主成分のPbフリーはんだ中に金属間化合物が30質量％よりも少ないと、はんだ付け周囲が高温となってSnやPbフリーはんだが半溶融したり溶融したりしたときに流出してしまう。しかるに金属間化合物が90質量％よりも多くなると、はんだの接合力が弱くなってしまう。
【００２５】
本発明のステップ・ソルダリング方法では、リフロー・リフローやリフロー・フローのどちらでも採用できる。つまりリフロー・リフローでは最初のはんだ付けに金属間化合物粉が混入されたソルダペーストを用い、二度目のはんだ付けにPbフリーはんだのソルダペーストを用いる。そしてリフロー・フローでは最初のはんだ付けに金属間化合物粉が混入されたソルダペーストを用い、二度目のはんだ付けにPbフリーはんだを溶融させたはんだ槽ではんだ付けを行う。
【００２６】
図１は本発明のソルダペーストではんだ付けした電子部品の部分拡大断面図である。プリント基板１のパッド２と電子部品３の電極４は、Pbフリーはんだ５ではんだ付けされており、該Pbフリーはんだ中には大量のSn合金の金属間化合物の粉６…が混在している。該金属間化合物はSn合金の金属間化合物であるため、Pbフリーはんだとの濡れ性が良好であり、完全にPbフリーはんだと金属的に接合している。このようにPbフリーはんだ中に大量の金属間化合物が金属的に接合した状態で混入していると、はんだ付け部の周囲の温度がPbフリーはんだの固相線温度以上になってPbフリーはんだが半溶融状態や溶融状態になっても、Pbフリーはんだは金属間化合物の粉を保持する。そしてそれが結果的にはPbフリーはんだが電子部品をプリント基板に保持するようになる。
【００２７】
【実施例】
本発明のソルダペーストおよび比較例に使用する混合粉を表１に示す。
【表１】

【００２８】
次に本発明のソルダペーストおよび比較例のソルダペーストを記す。
（実施例１）
○混合粉：90質量％
Ag₃Sn 粉（25μm) 60質量％
Sn粉（15μm） 40質量％
○フラックス：10質量％
重合ロジン 65質量％
水素添加ヒマシ油 7質量％
ジエタノールアミンHBｒ 2質量％
ジエチレングリコールブチルエーテル 26質量％
【００２９】
（実施例２）
○混合粉：90質量％
Ag₃Sn粉（10μm) 50質量％
Sn-3Ag粉（30μm） 50質量％
○フラックス：10質量％
実施例１と同一成分
【００３０】
（実施例３)
○混合粉：90質量％
Ag₃Sn粉（15μm) 50質量％
Sn-3.5Ag-0.75Cu粉（15μm） 50質量％
○フラックス：10質量％
実施例１と同一成分
【００３１】
（実施例４）
○混合粉：90質量％
Cu₃Sn粉（10μm) 70質量％
Sn-0.75Cu粉（10μm） 30質量％
○フラックス：10質量％
実施例１と同一成分
【００３２】
（実施例５）
○混合粉：90質量％
Ag₃Sn粉（25μm) 40質量％
Sn-3Ag-0.75Cu粉（10μm） 60質量％
○フラックス：10質量％
実施例１と同一成分
【００３３】
(比較例１）
○混合粉：90質量％
Cu非晶質粉粉（10μm) 40質量％
Sn非晶質粉（5μm） 60質量％
○フラックス：10質量％
実施例と同一組成
【００３４】
（比較例２）
○混合粉：90質量％
Ag₃Sn粉（25μm) 30質量％
Sn-2Ag-0.5Cu-7.5Bi粉（10μm） 70質量％
○フラックス：10質量％
実施例１と同一成分
【００３５】
（比較例３）
○混合粉：90質量％
Cu粉（200μm) 10質量％
Pb-63Sn粉（10μm） 90質量％
○フラックス：10質量％
実施例１と同一成分
【００３６】
上記実施例と比較例のソルダペーストを両面実装プリント基板の片面に印刷塗布し、ピーク温度がPbフリーはんだの液相線温度＋20℃のリフロー炉で加熱して最初のはんだ付けを行った。その後、該プリント基板のもう一方の面にSn-3Ag-0.5Cuとペースト状フラックスからなるソルダペーストを印刷塗布し、ピーク温度が240℃のリフロー炉で加熱して二度目のはんだ付けを行った。その後、最初のはんだ付け部を観察したところ、実施例では電子部品の落下や位置ずれは皆無であったが、比較例は二度目のはんだ付け時に電子部品の落下や位置ずれが起きていた。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のソルダペーストはステップ・ソルダリングの最初のはんだ付けに使用したときに、リフロー温度をSn粉やPbフリーはんだ粉の液相線温度＋20〜40℃ではんだ付けが行えるため、電子部品に対する熱影響が少なくてすみ、しかもはんだ付け後には二度目のはんだ付け温度が最初のはんだ付けに使用したSn粉やPbフリーはんだ粉の固相線温度より高くなっても該はんだ付け部に実装された電子部品を落下させたり位置ずれさせたりすることがない。また本発明の電子部品は、はんだ付け部周辺の温度が電子部品を接続しているPbフリーはんだの固相線温度以上に曝されても電子部品が落下したり位置ずれしたりしないという信頼性に富むものである。さらに本発明のステップ・ソルダリングは、最初のリフローはんだ付け時に、ソルダペースト中のSn粉やPbフリーはんだ粉の液相線温度＋20〜40℃という低い温度ではんだ付けできるため電子部品に対する熱影響を少なくできるという従来にない優れた効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明ソルダペーストではんだ付けした電子部品のはんだ付け部の部分拡大断面図
【符号の説明】
１プリント基板
２パッド
３電子部品
４電極
５ Pbフリーはんだ
６金属間化合物粉[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is a solder paste used for soldering a printed circuit board and an electronic component, particularly a solder paste capable of exhibiting high reliability in a high temperature state, an electronic component excellent in heat resistance, and an electronic component on both sides of the printed circuit board. The present invention relates to a step soldering method.
[0002]
[Prior art]
As a soldering method of an electronic component and a printed circuit board, a soldering method of soldering a greased wire solder with a soldering iron, a flow method of soldering a printed circuit board on which an electronic component is mounted by contacting the molten solder, and There is a reflow method in which a solder paste composed of solder powder and paste-like flux is applied to a soldering portion of a printed circuit board, an electronic component is mounted on the application portion, and then heated and soldered in a reflow furnace.
[0003]
The brazing method is not suitable for mass production because the worker or robot performs soldering at each soldering part, but it is not suitable for mass production. It is suitable for “retrofitting” in which soldering is performed after soldering by another soldering method. The flow method can be mass-produced because a large number of solders can be soldered at a time, but surface-mounted components are mounted on the soldering part to bring the molten solder into contact with the entire surface of one side of the printed circuit board. It is not suitable for such a printed circuit board. The reflow method applies solder paste to a large number of soldered parts, enabling mass production and applying solder paste only to the necessary locations, so surface mount components can be applied to surface mount components even if they are mounted on the same surface. There is no effect. However, the reflow method is suitable for high-grade electronic equipment that requires reliability because it takes a lot of time and effort to obtain a fine and uniform solder powder, resulting in high material costs. As described above, since each soldering method has advantages and disadvantages, it is selectively used depending on the application in the electronic industry.
[0004]
By the way, since the recent electronic devices are so-called light, thin and small, the printed circuit boards incorporated in the electronic devices are also becoming smaller, and rational electronic component mounting is required for small printed circuit boards. In other words, it was sufficient to mount electronic components on only one side of a printed circuit board incorporated in a conventional electronic device, but a miniaturized printed circuit board incorporated in a recent electronic device has many electronic components. Since it has become necessary to mount on a single printed circuit board, rational means of mounting on both sides of the printed circuit board have been adopted.
[0005]
Soldering means for mounting electronic components on both sides of the printed board is called step soldering, and solders one side of the printed board at a time. For step soldering, the first soldering is performed on one side of the printed circuit board by the reflow method, and then the second soldering is performed on the other side by the reflow method. There is a “reflow flow” in which the first soldering is performed by the reflow method and then the second soldering is performed on the other surface by the flow method.
[0006]
In step soldering, not limited to reflow, reflow, and reflow, the solder alloy used for the first soldering is one whose solidus temperature is higher than the liquidus temperature of the solder alloy used for the second soldering. It is said that it must be. Because, in step soldering, if the solder of the soldered part first melts at the soldering temperature at the second soldering, the electronic part of the first soldered part will not fall off or the electronic part will not fall off This is because even if it is displaced from the predetermined soldering portion, the function as an electronic component cannot be performed. Therefore, in step soldering, a so-called “high temperature solder” that does not melt at the second soldering temperature is used as the solder alloy used for the first soldering.
[0007]
The solder alloy that has been used for conventional step soldering was Sn-Pb alloy solder for both the first soldering and the second soldering. The high-temperature solder used for the first soldering includes Pb-10Sn (solidus temperature 270 ° C, liquidus temperature 272 ° C), Pb-5Sn (solidus temperature 307 ° C, liquidus temperature 313 ° C), Pb -5Ag (solidus temperature 304 ° C, liquidus temperature 365 ° C) etc., Pb main component solder alloy, the lowest melting point of Pb-Sn alloy as the solder alloy used for the second soldering, Moreover, it was a Pb-63Sn (eutectic temperature 183 ° C.) eutectic solder with excellent solderability. Therefore, when the first soldering is performed using Pb-10Sn high-temperature solder with a solidus temperature of 270 ° C, even if the second soldering temperature using eutectic solder is 230 ° C, which is a little higher The soldered part soldered with Pb-10Sn never melts during the second soldering, and the electronic parts soldered first do not fall off or be displaced. .
[0008]
In this way, when an electronic device soldered by step soldering using a solder containing Pb fails or becomes old and unusable, it was discarded without being repaired or used excessively. . When disposing of electronic equipment, plastic, glass, metal, etc. that make up the electronic equipment may be recovered and reused, but the printed circuit board has copper foil adhered to the resin part and solder adheres to the copper foil. Therefore, it is difficult to separate and recover these and reuse them, so they were finely crushed and buried, or were disposed of as landfills.
[0009]
The rain that falls on the ground due to the recent heavy use of fossil fuel is acid rain, and when the acid rain penetrates into the ground and contacts the printed circuit board that has been disposed of in landfill, the Pb component in the solder is eluted and Pb Acid rain containing ingredients penetrates deeper into the ground and enters groundwater. And if human beings drink groundwater containing Pb component for many years, it is said that Pb component accumulates in the body and eventually causes Pb poisoning. As a result, the use of Pb is now being regulated on a global scale. Naturally, Pb-Sn high-temperature solder and Pb-Sn eutectic solder that have been used in conventional step soldering are also regulated. It has become a target.
[0010]
Since the use of Pb—Sn solder is regulated in this way, it is now recommended to use Pb-free solder that does not contain Pb at all. Pb-free solder is obtained by adding one or more elements such as Ag, Sb, Cu, Zn, Bi, In, Ni, Cr, Fe, P, Ge, and Ga to Sn. Binary Pb-free solders include Sn-3.5Ag (eutectic temperature 221 ° C), Sn-5Sb (peritectic temperature 240 ° C), Sn-0.75Cu (eutectic temperature 227 ° C), Sn-58Bi (eutectic temperature) Crystallization temperature of 139 ° C), Sn-52In (eutectic temperature of 117 ° C), etc. There are ternary or higher multicomponent systems that improve the melting point and mechanical properties by combining the above elements. . Currently used Pb-free solder is Sn-3Ag-0.5Cu (solidus temperature 217 ° C, liquidus temperature 220 ° C), Sn-8Zn-3Bi (solidus temperature 190 ° C, liquidus) 197 ° C.), Sn-2.5Ag-0.5Cu-1Bi (solidus temperature 214 ° C., liquidus temperature 221 ° C.), etc. (hereinafter referred to as “multiple Pb-free solder”).
[0011]
Generally, when soldering a printed circuit board and an electronic component, it is said that the soldering temperature is suitably the liquidus temperature of the solder alloy +20 to 40 ° C. For example, when using Pb-free solder in consideration of Pb regulations, Sn-3Ag-0.5Cu (solid phase temperature 217 ° C, liquidus temperature 220 ° C), a general-purpose Pb-free solder, has a soldering temperature of 240 to 260 It becomes ℃. When using this Sn-3Ag-0.5Cu for the second soldering in step soldering, the Pb-free solder used for the first soldering must have a solidus temperature of at least 260 ° C or higher It was a thing.
[0012]
In conventional Pb-Sn solder alloys, there are high-temperature solders such as Pb-10Sn, Pb-5Sn, and Pb-5Ag with a solidus temperature of 260 ° C or higher. These high-temperature solders are the first to be used in step soldering. Even when using the above-mentioned Pb-free solder for soldering, it was possible to cope with it sufficiently. However, even if we decided to use high-temperature Pb-free solder for the first soldering in the step soldering due to Pb regulations, there was no high-temperature solder with a main component of Sn and a solidus temperature of 260 ° C or higher. For example, in the Sn-Ag system where the solidus temperature (eutectic temperature) is 221 ° C, the liquidus temperature rises even if Ag is increased, but the solidus temperature does not rise. Similarly, in the Sn-Cu system and Sn-Sb system, increasing the Cu and Sb similarly increases the liquidus temperature, but does not increase the solidus temperature. Even if other elements were added to these, the solidus temperature could not be raised, and it was thought that Pb-free solder could not be used as a high-temperature solder for step soldering.
[0013]
Although it was not developed for the first soldering of step soldering, Pb-free solder having heat resistance at high temperatures has been proposed in USP5520752 (referred to as the 752 patent). The 752 patent adds an intermetallic compound to Pb-free solder, and the solidus temperature is not high enough for step soldering. Also, although not for step soldering, Pb-free solder in which amorphous metal powders are mixed is proposed in Japanese Patent No. 3074649 (referred to as the 649 patent).
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
The Pb-free solder of the 752 patent is an Sn-Ag- (In, Bi) alloy in which In and / or Bi is contained in an alloy based on Sn-Ag, and Sn-Ag-In, Sn-Ag- In-Bi, Sn-Ag-Bi, Sn-Ag-Bi-Cu, and the like. Here, Sn-Ag was added with elements that have a temperature drop effect such as In and Bi, so the solidus temperature of these alloys is lower than the solidus temperature (221 ° C) of the binary Sn-Ag alloys. It has become. Therefore, in the 752 patent, high temperature characteristics are improved by interstitial intermetallic compounds of Sn alloy in the alloy. However, when the temperature around the soldered portion becomes 210 ° C. or higher, the soldered portion soldered with the alloy cannot support the electronic component, and the electronic component falls off or moves. In other words, the 752 patent is only intended to improve the mechanical properties of the soldering part and is not suitable for the initial soldering of step soldering.
[0015]
The 649 patent is a mixture of one or more of unreacted and amorphous phase Sn, Ag, Cu, Bi, Zn, In, Au, Ni, Sb, Pd, Pt, and Ge metal powders and soldered. After soldering, the solder in the soldering part forms an intermetallic compound. As described above, when an intermetallic compound is formed in the solder, the soldered portion becomes brittle and easily peels off when an impact is applied to the soldered portion. The 649 patent aims at lowering the melting point by using fine metal powder and is not suitable for the first soldering of step soldering.
[0016]
In step soldering, Pb-free solder can be used for the second soldering, but as mentioned above, there was no Pb-free solder with a high solidus temperature, so Pb-Sn while knowing Pb regulations I had to use high-temperature solder. Therefore, conventional electronic parts soldered by step soldering not only have Pb pollution problems, but also are soldered with Pb-based high-temperature solder that is weak in mechanical strength, so reliability is improved. There was also a problem.
[0017]
[Means for solving problems]
When high-temperature powder is present in a Pb-free solder having a solidus temperature of 210 ° C. or higher, the present inventors have found that the solder around the powder is in a semi-molten state or melted at the soldering temperature of the general-purpose Pb-free solder. The solder does not flow even when it is in a state, and if the solder and high-temperature powder coexist in the soldering part of the electronic component, the electronic component will not fall off or move even if the solder melts. Heading The present invention has been completed.
[0018]
The solder paste of the present invention is a solder paste in which metal powder and paste-like flux are mixed. The metal powder is 30 to 90% by mass of Sn intermetallic compound powder, and the balance is Sn powder or Pb-free solder powder containing Sn as a main component. This is a mixed paste solder paste.
[0019]
The electronic component of the present invention is an electronic component in which an intermetallic compound of Sn is 30 to 90% by mass, and the balance is soldered with a mixture of Sn or a Sn-based Pb-free solder.
[0020]
In the step soldering method of the present invention, the first soldering is performed on one side of the printed circuit board and the second soldering is performed on the other side. Solder paste is 30% to 90% by weight and the balance is Sn powder or a mixed powder solder paste consisting of Sn-based Pb-free solder powder. The second soldering is solder paste of Pb-free solder powder. This is a step soldering method that is performed by a reflow method using Pb or by a flow method using Pb-free solder.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The Sn alloy powder or Sn alloy used in the present invention must have a solidus temperature of 210 ° C. or higher. This is because if the solidus temperature of the Sn alloy powder is lower than 210 ° C., when the second soldering of the step soldering is performed with a general-purpose Pb-free solder, the electronic components may drop or move. In other words, the maximum soldering temperature for the second time using Pb-free solder is 260 ° C, but at 260 ° C, the solder of the soldering part mixed with intermetallic compounds flows out, and the electronic components fall off and move. Therefore, it is desirable that the solidus temperature of the Sn alloy powder is 210 ° C. or higher. In other words, Pb-free solder whose solidus temperature is lower than 210 ° C, when the temperature reaches 260 ° C or higher, even if there are many intermetallic compounds around it, the holding power becomes weak and the intermetallic compounds are soldered. The electronic parts cannot be held, and the electronic components are dropped or moved.
[0022]
The Sn alloy powder or Sn alloy used in the present invention is one in which one or more of Ag, Cu, Sb, Ni, Cr, Fe, P, and Ge are added to the Sn main component. The amount of element added to the Sn alloy is 8.0% by mass or less for Ag, 2.0% by mass or less for Cu, 15% by mass or less for Sb, and 0.5% by mass or less for Ni when considering solderability, mechanical properties, etc. Cr is 0.2 mass% or less, Fe is 0.2 mass% or less, P is 0.3 mass% or less, and Ge is 0.3 mass% or less. In the present invention, not only Pb-free solder but also Sn having a melting point of 232 ° C. can be used alone.
[0023]
In the electronic component of the present invention, the soldered portion is joined with Sn or Pb-free solder containing Sn as a main component, but the solder of the soldered portion should not contain Bi or In. Don't be. This is because if Bi or In is added to the Sn-based Pb-free solder, the solidus temperature falls to 210 ° C. or lower, which is the target of the present invention. In addition, when Bi is added to Pb-free solder, the soldered portion becomes brittle, and when In is added, when solder paste is used, a change with time tends to occur.
[0024]
Further, the Sn intermetallic compound used in the present invention is suitably an Sn—Ag, Sn—Cu, Sn—Ni, or Sn—Fe alloy intermetallic compound. More specifically, the intermetallic compound of Sn-Ag alloy is Ag ₃ Sn, the intermetallic compound of Sn-Cu alloy is Cu ₃ Sn, Cu ₆ Sn ₅ , and the intermetallic compound of Sn-Ni alloy is Ni ₃ Sn. ₂ , Ni ₃ Sn ₄ , Sn—Fe alloy intermetallic compounds include FeSn, FeSn ₂ , and the like. In the present invention, the intermetallic compound is not limited to the above-described Sn binary system, but may be an intermetallic compound of a ternary or higher alloy containing Sn, or two or more different intermetallic compounds may be added. . Since these intermetallic compounds are brittle, they can be easily made into a fine powder by a crushing device such as a ball mill. If the intermetallic compound is less than 30% by mass in the Sn or Sn-based Pb-free solder, it will flow out when Sn or Pb-free solder is semi-molten or melted due to the high temperature around the soldering area. End up. However, when the amount of intermetallic compounds exceeds 90% by mass, the joining force of the solder becomes weak.
[0025]
In the step soldering method of the present invention, either reflow / reflow or reflow / flow can be employed. That is, in reflow / reflow, solder paste mixed with intermetallic powder is used for the first soldering, and Pb-free solder paste is used for the second soldering. In the reflow flow, solder paste mixed with intermetallic powder is used for the first soldering, and soldering is performed in a solder bath in which Pb-free solder is melted for the second soldering.
[0026]
FIG. 1 is a partially enlarged sectional view of an electronic component soldered with the solder paste of the present invention. The pad 2 of the printed circuit board 1 and the electrode 4 of the electronic component 3 are soldered with Pb-free solder 5, and a large amount of Sn alloy intermetallic compound powder 6 is mixed in the Pb-free solder. . Since the intermetallic compound is an intermetallic compound of an Sn alloy, the wettability with the Pb-free solder is good, and it is completely metallic with the Pb-free solder. If a large amount of intermetallic compounds are mixed in the Pb-free solder in a metallic state, the temperature around the soldering part exceeds the solidus temperature of the Pb-free solder and the Pb-free solder Pb-free solder retains the powder of intermetallic compound even when it becomes semi-molten or molten. As a result, the Pb-free solder holds the electronic component on the printed circuit board.
[0027]
【Example】
Table 1 shows the mixed powder used in the solder paste of the present invention and the comparative example.
[Table 1]

[0028]
Next, the solder paste of the present invention and the solder paste of the comparative example will be described.
Example 1
○ Mixed powder: 90% by mass
Ag ₃ Sn powder (25μm) 60% by mass
Sn powder (15μm) 40% by mass
○ Flux: 10% by mass
Polymerized rosin 65% by mass
Hydrogenated castor oil 7% by mass
Diethanolamine HBr 2% by mass
Diethylene glycol butyl ether 26% by mass
[0029]
(Example 2)
○ Mixed powder: 90% by mass
Ag ₃ Sn powder (10μm) 50% by mass
Sn-3Ag powder (30μm) 50% by mass
○ Flux: 10% by mass
Same components as in Example 1
(Example 3)
○ Mixed powder: 90% by mass
Ag ₃ Sn powder (15μm) 50% by mass
Sn-3.5Ag-0.75Cu powder (15μm) 50% by mass
○ Flux: 10% by mass
Same components as in Example 1
Example 4
○ Mixed powder: 90% by mass
Cu ₃ Sn powder (10μm) 70% by mass
Sn-0.75Cu powder (10μm) 30% by mass
○ Flux: 10% by mass
Same components as in Example 1
(Example 5)
○ Mixed powder: 90% by mass
Ag ₃ Sn powder (25μm) 40% by mass
Sn-3Ag-0.75Cu powder (10μm) 60% by mass
○ Flux: 10% by mass
Same components as in Example 1
(Comparative Example 1)
○ Mixed powder: 90% by mass
Cu amorphous powder (10μm) 40% by mass
Sn amorphous powder (5μm) 60% by mass
○ Flux: 10% by mass
Same composition as Example
(Comparative Example 2)
○ Mixed powder: 90% by mass
Ag ₃ Sn powder (25μm) 30% by mass
Sn-2Ag-0.5Cu-7.5Bi powder (10μm) 70% by mass
○ Flux: 10% by mass
Same components as in Example 1
(Comparative Example 3)
○ Mixed powder: 90% by mass
Cu powder (200μm) 10% by mass
Pb-63Sn powder (10μm) 90% by mass
○ Flux: 10% by mass
Same components as in Example 1
The solder pastes of the above examples and comparative examples were printed and applied to one side of a double-sided printed circuit board, and heated in a reflow oven with a peak temperature of Pb-free solder liquidus temperature + 20 ° C. for initial soldering. After that, a solder paste composed of Sn-3Ag-0.5Cu and paste flux was printed and applied to the other surface of the printed circuit board, and the soldering was performed for the second time by heating in a reflow oven with a peak temperature of 240 ° C. . Thereafter, when the first soldering portion was observed, there was no drop or misalignment of the electronic component in the example, but in the comparative example, the drop or misalignment of the electronic component occurred during the second soldering.
[0037]
【The invention's effect】
As explained above, when the solder paste of the present invention is used for the first soldering of step soldering, the reflow temperature is soldered at the liquidus temperature of Sn powder or Pb-free solder powder + 20-40 ° C. It is possible to reduce the thermal effect on electronic components, and even after soldering, even if the second soldering temperature is higher than the solidus temperature of Sn powder or Pb-free solder powder used for the first soldering The electronic components mounted on the soldering part will not be dropped or displaced. In addition, the electronic component of the present invention is reliable in that the electronic component does not fall or shift even when the temperature around the soldered part is exposed to the solidus temperature of the Pb-free solder connecting the electronic component. It is rich. Furthermore, the step soldering of the present invention is capable of soldering at the temperature of the liquidus temperature of Sn powder or Pb-free solder powder in solder paste + 20-40 ° C at the time of the first reflow soldering. The present invention has an unprecedented excellent effect that can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partially enlarged sectional view of a soldered portion of an electronic component soldered with a solder paste of the present invention.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Printed circuit board 2 Pad 3 Electronic component 4 Electrode 5 Pb free solder 6 Intermetallic compound powder

Claims

In solder paste in which metal powder and paste-like flux are mixed, the metal powder is 30 to 90% by mass of Sn intermetallic compound powder, and the remainder is Sn powder or Pb-free of Sn main component with a solidus temperature of 210 ° C or higher Ri mixed powder der made of solder powder, the intermetallic compound is Sn-Ag-based intermetallic compound, Sn-Cu intermetallic compound, at least of Sn-Ni intermetallic compound, and Sn-Fe based intermetallic compound 1 The solder is Sn 8.0% by weight or less, Cu 2.0% by weight or less, Sb 15% by weight or less, Ni 0.5% by weight or less, Cr 0.2% by weight or less, Fe 0.2% by weight or less, A solder paste for step soldering , wherein one or more of P 0.3 mass% or less and Ge 0.3 mass% or less are added, and the balance consists of Sn and inevitable impurities .

Provided with an electronic component on one side of a double-sided mounting board that is 30% to 90% by mass of Sn intermetallic compound and the remainder is soldered with a mixture of Sn or a Pb-free solder composed mainly of Sn with a solidus temperature of 210 ° C. or higher The intermetallic compound is at least one of a Sn-Ag intermetallic compound, a Sn-Cu intermetallic compound, a Sn-Ni intermetallic compound, and a Sn-Fe intermetallic compound, and the solder is Sn: Ag 8.0% by mass or less, Cu 2.0% by mass or less, Sb 15% by mass or less, Ni 0.5% by mass or less, Cr 0.2% by mass or less, Fe 0.2% by mass or less, P 0.3% by mass or less, A double-sided printed circuit board , wherein one or more of Ge of 0.3% by mass or less is added, and the balance is Sn and inevitable impurities .

In the step soldering where the first soldering is performed on one side of the printed circuit board and the second soldering is performed on the other side, the first soldering is 30 to 90% by mass of Sn intermetallic powder, and the remainder Is performed by a reflow method using a solder paste of a mixed powder composed of Sn powder or Sn-based Pb-free solder powder, and the second soldering is performed by a reflow method using a solder paste of Pb-free solder powder, or performed by flow method using a Pb-free solder, the intermetallic compound is Sn-Ag-based intermetallic compound, Sn-Cu intermetallic compound, the Sn-Ni intermetallic compound, and Sn-Fe based intermetallic compound At least one kind of the solder is Sn 8.0% by mass or less, Cu 2.0% by mass or less, Sb 15% by mass or less, Ni 0.5% by mass or less, Cr 0.2% by mass or less, Fe0. Mass%, P0.3% by weight or less, are added one or more of the following Ge0.3 mass%, step soldering method characterized by the balance Sn and unavoidable impurities.