JP4097813B2 - 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２５０℃以上の高耐熱・高強度のはんだ付けを可能とする鉛フリ−はんだを用いたはんだ付け方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電極とリ−ドをはんだ付けしデバイスを回路板に実装するには、前記はんだ付け部の耐熱性が実装温度（通常２３０℃〜２５０℃）よりも高温でなければならない。
従来、かかるはんだ付けに使用するはんだとしてＰｂ−５Ｓｎ、Ｐｂ−５Ｓｎ−１．５Ａｇ等が知られている。
しかしながら、かかる鉛系はんだでは、廃棄した電子機器から鉛が溶出しこの溶出鉛による生態系への悪影響や環境汚染が問題視されつつあり、鉛フリ−はんだの使用が要請されている。
【０００３】
鉛フリ−のはんだの代表例はＳｎをベ−スとするＳｎ系はんだであるが、錫系はんだは通常融点が２３０℃以下であり、上記デバイスの電極とリ−ドとのはんだ付けには実装温度による制約上使用し難い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来、はんだ付け部の耐熱性及び被快適強度をはんだ自体の融点や強度より高くする方法として「はんだを溶融状態のもとで加圧し母材と合金化されないはんだの低融点成分を排出する」、所謂加圧はんだ付け法が公知である（例えば、特開昭５７−１５６７号）。
この加圧はんだ付け法による耐熱性・機械的強度アップのメカニズムは、「接合面と被着はんだ層との界面に母材（銅）とはんだ成分との合金層（はんだ自体よりも高融点・高強度）を生成させてその合金層上に低融点成分層を存在させ、加圧により低融点成分を排出させて上記高融点・高強度の合金層を残存させる」ことにある。
【０００５】
しかしながら、本発明者の検討結果によれば、Ｓｎ系はんだを用いて上記加圧はんだ付けを行っても、満足な機械的強度を得ることは難しい。その理由は、銅と錫とでＣｕ３Ｓｎ２、Ｃｕ３Ｓｎ或いはＣｕ６Ｓｎ５等の何れかの金属間化合物が生成され、この金属間化合物が上記の合金層内に混在されるために合金層の強度が低くなるためと推定される。
【０００６】
本発明の目的は、加圧はんだ付け法によりはんだ付け部の強度及び耐熱性をはんだ自体の強度及び耐熱性に較べ飛躍的に向上できる鉛フリ−はんだを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係るはんだ付け方法は、Ｉｎ５重量％〜６０重量％、残部Ｓｎのはんだを被接合面に溶融被着させ、被接合部を温度３５０℃〜６００℃、圧力１．０ kg/cm ２ 〜６．０ kg/cm ２ のもとで５〜２００秒加熱・加圧することを特徴とする。
【０００８】
請求項２に係るはんだ付け方法は、Ｉｎ５重量％〜６０重量％、Ａｕ、Ａｇ、ＣｕまたはＢｉの何れか一種または二種以上が０．５重量％〜５重量％、残部Ｓｎのはんだを被接合面に溶融被着させ、被接合部を温度３５０℃〜６００℃、圧力１．０ kg/cm ２ 〜６．０ kg/cm ２ のもとで５〜２００秒加熱・加圧することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１の（イ）乃至図１の（ハ）は本発明に係るはんだ付け方法を工程順に示す図面である。
本発明に係るはんだ付け方法を実施するには、被接合面（銅）にフラックスを塗布したうえで、図１の（イ）に示すようにＩｎが５〜６０重量％、残部がＳｎのはんだを溶融被着させる。このはんだの溶融被着には、例えば、はんだを加熱溶融させたはんだ液にディッピングする方法を使用できる。この被着はんだ層と被接合面との界面にはんだ自体よりも高強度・高融点の合金層ａが生成され、その合金層ａ上に凝固はんだ層ｂが存在することになる。
【００１０】
このようにして被接合面にはんだを被着させたのちは、図１の（ロ）に示すように被接合面を重ね、上記はんだの融点（液相線温度）よりもやや高い温度のもとで図１の（ハ）に示すように重ね部を加圧する。
【００１１】
この加熱加圧のもとでは、上記合金層ａは溶融することなく固相状態を保持し合金層以外のはんだ層ｂのみが溶融され、この溶融はんだが接合界面から排出され合金層ａが残存されて合金層ａを継手として接合が完了される。
従って、継手である合金層の高強度・高融点に基づきはんだ付け部に高い機械的強度及び高い耐熱性を付与できる。
【００１２】
本発明に係るはんだをＳｎ系とした理由は、鉛フリ−として生態系への悪影響や環境汚染を排除するためである。
【００１３】
本発明に係るはんだにおいて、Ｉｎを５〜６０重量％添加する理由は、上記合金層の強度及び融点を高くしてはんだ付け部の強度及び耐熱性を向上させると共に上記Ｓｎ−Ｉｎはんだを低融点にしてはんだ排出をスム−ズに行わせるためである。
【００１４】
本発明に係るはんだ付け方法において、加圧の条件は、３５０℃〜６００℃、圧力１．０kg/cm２〜６．０kg/cm２、加圧時間５〜２００秒とする。
【００１５】
本発明に係るはんだ付け方法は、被接合面にフラックスを塗布し、これらの被接合面間に板はんだを介在させ、この板はんだを融点以上の加熱で溶融させて母材とはんだとの界面に高融点の合金層を形成させ、その後加圧して合金化されていない本来の融点のままの溶融状態のはんだを排出する方法により実施することもできる。この場合、板はんだに換えクリ−ムはんだの使用も可能である。
【００１６】
本発明に係るはんだ付け方法は、スポット加圧しそのスポットのみに上記合金層の形成と共に本来の融点のままのはんだの排出を行い、そのスポット周囲は本来の融点のままのはんだを残存させることもできる。
【００１７】
本発明ににおいて、はんだ融点の調整、はんだ被着時の濡れ性・作業性の向上のためにＡｕ、Ａｇ、ＣｕまたはＢｉを０．５〜５重量％の範囲内で添加することができる。
本発明に係るはんだにおいて、上記のＳｎ及びＩｎ並びにＡｕ、Ａｇ、ＣｕまたはＢｉ以外の元素をＪＩＳ Ｚ ３２８２に規定されているＡ級の範囲内で不純物として含んでいてもよい（ただし、鉛は０．１重量％以下）。
【００１８】
本発明に係る加圧はんだ付け法は、回路板にフロ−法またはリフロ−法により温度２３０℃〜２５０℃で実装されるデバイスの内部接続例えば、インナ−リ−ドとＩＣの電極との接続に使用できる。
【００１９】
【実施例】
〔実施例１〜４及び参考例１，２〕
使用したはんだは表１に示す組成及び融点（固相線温度−液相線温度）を有するＳｎ−Ｉｎ合金である。
巾１．２ｍｍ，厚さ０．２３ｍｍ，長さ２０ｍｍの銅リボンを２枚重ね、先端部の約３ｍｍにフラックス（ロジン）を塗布したのち、２７０℃で液相化したはんだ浴に５秒間ディッピングしてフラックス残渣を洗浄除去した。更に、図２に示すように、上記銅リボン先端部のはんだ被着面同士を合わせて重ね、図２に示すように先端外径１ｍｍφのヒ−トチップ１とヒ−タ板２（図２において、ｈはヒ−タ）を用い、温度４００℃、圧力４．０kg/cm２、加圧時間１２０秒ではんだを再溶融しつつ加圧した。
【００２０】
このようにして作成した松葉状サンプルを図３に示すように又割きにし引張り試験機で矢印方向に引張試験温度２７０℃（実装温度２３０℃〜２５０℃よりも充分に高い温度）、引張り速度５ｍｍ／minにて破断強度を測定した。その測定結果は表１に示す通りである。
【００２１】
〔表１〕
表１
はんだ組成 融点(℃)(固相線温度-液相線温度) 破断荷重(kgf)
実施例１ Ｓｎ−５Ｉｎ ２１５−２２２ ３．２３
実施例２ Ｓｎ−２０Ｉｎ １７５−２００ ２．４２
実施例３ Ｓｎ−４０Ｉｎ １２０−１４５ ２．４８
実施例４ Ｓｎ−６０Ｉｎ １２０−１２２ ２．５２
参考例１ Ｓｎ−８０Ｉｎ １３０−１４０ ０．９４５
参考例２ Ｓｎ−２Ｉｎ ２３１−２３２ ０．９２０
【００２２】
〔比較例１〜７〕
表２に示す組成及び融点（固相線温度−液相線温度または共晶温度）を有する各種はんだを使用し、比較例３のＰｂ−５Ｓｎのディッピング温度を３５０℃とした以外は実施例１〜６と同様にして再溶融・加熱のもとではんだ付けして破断強度を測定した。その測定結果は表２に示す通りである。
【００２３】
〔表２〕
表２
はんだ組成 融点(℃)(固相線温度-液相線温度) 破断荷重(kgf)
比較例１ Ｉｎ １５４（融点） ０．０７
比較例２ Ｓｎ ２３２（融点） ０．１５４
比較例３ Ｐｂ−５Ｓｎ ３００−３１４ ０．４７６
比較例４ Ｓｎ−３．５Ａｇ ２２１（共晶点） ０．１７８
比較例５ Ｓｎ−０．７Ｃｕ ２２７（共晶点） ０．１３４
比較例６ Ｓｎ−５Ｂｉ ２０５−２２７ ０．２１５
比較例７ Ｓｎ−８．８Ｚｎ １９９（共晶点） ０．０８
【００２４】
上記測定結果における実施例１〜４と参考例１及び２との対比から、本発明においてＩｎを５〜６０重量％とした臨界的効果が明らかである。
また、比較例３と実施例特に実施例１〜４との対比から、本発明の再溶融・加圧はんだ付け方法によれば、従来の鉛系はんだを使用する方法よりも一段と優れた強度で接合できること、また比較例４〜７と実施例との対比から、本発明に係るはんだを用いた加圧はんだ付け方法によれば、従来の錫系はんだを用いた加圧はんだ付け方法よりも一段と優れた強度ではんだ付けできることが明らかである。
従って、本発明によれば、耐熱性の向上のみならずはんだ付け強度の向上を図ることができる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、鉛フリ−はんだを用い電子デバイスの内部はんだ付けを実装温度よりも充分に高い耐熱性のもとで優れた強度にて行うことができ、回路板に実装するデバィスのはんだ付けの無公害化・信頼性アップに極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るはんだ付け方法の一例を示す図面である。
【図２】 本発明の実施例で使用したはんだ付け方法を示す図面である。
【図３】 本発明に係るはんだ付け方法による試料の破断荷重の測定状態を示す図面である。
【符号の説明】
ａ 合金層
ｂ 本来の融点のままのはんだ層
１ ヒ−トチップ
２ 熱板
ｈ ヒ−タ
【発明の属する技術分野】
本発明は２５０℃以上の高耐熱・高強度のはんだ付けを可能とする鉛フリ−はんだを用いたはんだ付け方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電極とリ−ドをはんだ付けしデバイスを回路板に実装するには、前記はんだ付け部の耐熱性が実装温度（通常２３０℃〜２５０℃）よりも高温でなければならない。
従来、かかるはんだ付けに使用するはんだとしてＰｂ−５Ｓｎ、Ｐｂ−５Ｓｎ−１．５Ａｇ等が知られている。
しかしながら、かかる鉛系はんだでは、廃棄した電子機器から鉛が溶出しこの溶出鉛による生態系への悪影響や環境汚染が問題視されつつあり、鉛フリ−はんだの使用が要請されている。
【０００３】
鉛フリ−のはんだの代表例はＳｎをベ−スとするＳｎ系はんだであるが、錫系はんだは通常融点が２３０℃以下であり、上記デバイスの電極とリ−ドとのはんだ付けには実装温度による制約上使用し難い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来、はんだ付け部の耐熱性及び被快適強度をはんだ自体の融点や強度より高くする方法として「はんだを溶融状態のもとで加圧し母材と合金化されないはんだの低融点成分を排出する」、所謂加圧はんだ付け法が公知である（例えば、特開昭５７−１５６７号）。
この加圧はんだ付け法による耐熱性・機械的強度アップのメカニズムは、「接合面と被着はんだ層との界面に母材（銅）とはんだ成分との合金層（はんだ自体よりも高融点・高強度）を生成させてその合金層上に低融点成分層を存在させ、加圧により低融点成分を排出させて上記高融点・高強度の合金層を残存させる」ことにある。
【０００５】
しかしながら、本発明者の検討結果によれば、Ｓｎ系はんだを用いて上記加圧はんだ付けを行っても、満足な機械的強度を得ることは難しい。その理由は、銅と錫とでＣｕ３Ｓｎ２、Ｃｕ３Ｓｎ或いはＣｕ６Ｓｎ５等の何れかの金属間化合物が生成され、この金属間化合物が上記の合金層内に混在されるために合金層の強度が低くなるためと推定される。
【０００６】
本発明の目的は、加圧はんだ付け法によりはんだ付け部の強度及び耐熱性をはんだ自体の強度及び耐熱性に較べ飛躍的に向上できる鉛フリ−はんだを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係るはんだ付け方法は、Ｉｎ５重量％〜６０重量％、残部Ｓｎのはんだを被接合面に溶融被着させ、被接合部を温度３５０℃〜６００℃、圧力１．０ kg/cm ２ 〜６．０ kg/cm ２ のもとで５〜２００秒加熱・加圧することを特徴とする。
【０００８】
請求項２に係るはんだ付け方法は、Ｉｎ５重量％〜６０重量％、Ａｕ、Ａｇ、ＣｕまたはＢｉの何れか一種または二種以上が０．５重量％〜５重量％、残部Ｓｎのはんだを被接合面に溶融被着させ、被接合部を温度３５０℃〜６００℃、圧力１．０ kg/cm ２ 〜６．０ kg/cm ２ のもとで５〜２００秒加熱・加圧することを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１の（イ）乃至図１の（ハ）は本発明に係るはんだ付け方法を工程順に示す図面である。
本発明に係るはんだ付け方法を実施するには、被接合面（銅）にフラックスを塗布したうえで、図１の（イ）に示すようにＩｎが５〜６０重量％、残部がＳｎのはんだを溶融被着させる。このはんだの溶融被着には、例えば、はんだを加熱溶融させたはんだ液にディッピングする方法を使用できる。この被着はんだ層と被接合面との界面にはんだ自体よりも高強度・高融点の合金層ａが生成され、その合金層ａ上に凝固はんだ層ｂが存在することになる。
【００１０】
このようにして被接合面にはんだを被着させたのちは、図１の（ロ）に示すように被接合面を重ね、上記はんだの融点（液相線温度）よりもやや高い温度のもとで図１の（ハ）に示すように重ね部を加圧する。
【００１１】
この加熱加圧のもとでは、上記合金層ａは溶融することなく固相状態を保持し合金層以外のはんだ層ｂのみが溶融され、この溶融はんだが接合界面から排出され合金層ａが残存されて合金層ａを継手として接合が完了される。
従って、継手である合金層の高強度・高融点に基づきはんだ付け部に高い機械的強度及び高い耐熱性を付与できる。
【００１２】
本発明に係るはんだをＳｎ系とした理由は、鉛フリ−として生態系への悪影響や環境汚染を排除するためである。
【００１３】
本発明に係るはんだにおいて、Ｉｎを５〜６０重量％添加する理由は、上記合金層の強度及び融点を高くしてはんだ付け部の強度及び耐熱性を向上させると共に上記Ｓｎ−Ｉｎはんだを低融点にしてはんだ排出をスム−ズに行わせるためである。
【００１４】
本発明に係るはんだ付け方法において、加圧の条件は、３５０℃〜６００℃、圧力１．０kg/cm２〜６．０kg/cm２、加圧時間５〜２００秒とする。
【００１５】
本発明に係るはんだ付け方法は、被接合面にフラックスを塗布し、これらの被接合面間に板はんだを介在させ、この板はんだを融点以上の加熱で溶融させて母材とはんだとの界面に高融点の合金層を形成させ、その後加圧して合金化されていない本来の融点のままの溶融状態のはんだを排出する方法により実施することもできる。この場合、板はんだに換えクリ−ムはんだの使用も可能である。
【００１６】
本発明に係るはんだ付け方法は、スポット加圧しそのスポットのみに上記合金層の形成と共に本来の融点のままのはんだの排出を行い、そのスポット周囲は本来の融点のままのはんだを残存させることもできる。
【００１７】
本発明ににおいて、はんだ融点の調整、はんだ被着時の濡れ性・作業性の向上のためにＡｕ、Ａｇ、ＣｕまたはＢｉを０．５〜５重量％の範囲内で添加することができる。
本発明に係るはんだにおいて、上記のＳｎ及びＩｎ並びにＡｕ、Ａｇ、ＣｕまたはＢｉ以外の元素をＪＩＳ Ｚ ３２８２に規定されているＡ級の範囲内で不純物として含んでいてもよい（ただし、鉛は０．１重量％以下）。
【００１８】
本発明に係る加圧はんだ付け法は、回路板にフロ−法またはリフロ−法により温度２３０℃〜２５０℃で実装されるデバイスの内部接続例えば、インナ−リ−ドとＩＣの電極との接続に使用できる。
【００１９】
【実施例】
〔実施例１〜４及び参考例１，２〕
使用したはんだは表１に示す組成及び融点（固相線温度−液相線温度）を有するＳｎ−Ｉｎ合金である。
巾１．２ｍｍ，厚さ０．２３ｍｍ，長さ２０ｍｍの銅リボンを２枚重ね、先端部の約３ｍｍにフラックス（ロジン）を塗布したのち、２７０℃で液相化したはんだ浴に５秒間ディッピングしてフラックス残渣を洗浄除去した。更に、図２に示すように、上記銅リボン先端部のはんだ被着面同士を合わせて重ね、図２に示すように先端外径１ｍｍφのヒ−トチップ１とヒ−タ板２（図２において、ｈはヒ−タ）を用い、温度４００℃、圧力４．０kg/cm２、加圧時間１２０秒ではんだを再溶融しつつ加圧した。
【００２０】
このようにして作成した松葉状サンプルを図３に示すように又割きにし引張り試験機で矢印方向に引張試験温度２７０℃（実装温度２３０℃〜２５０℃よりも充分に高い温度）、引張り速度５ｍｍ／minにて破断強度を測定した。その測定結果は表１に示す通りである。
【００２１】
〔表１〕
表１
はんだ組成 融点(℃)(固相線温度-液相線温度) 破断荷重(kgf)
実施例１ Ｓｎ−５Ｉｎ ２１５−２２２ ３．２３
実施例２ Ｓｎ−２０Ｉｎ １７５−２００ ２．４２
実施例３ Ｓｎ−４０Ｉｎ １２０−１４５ ２．４８
実施例４ Ｓｎ−６０Ｉｎ １２０−１２２ ２．５２
参考例１ Ｓｎ−８０Ｉｎ １３０−１４０ ０．９４５
参考例２ Ｓｎ−２Ｉｎ ２３１−２３２ ０．９２０
【００２２】
〔比較例１〜７〕
表２に示す組成及び融点（固相線温度−液相線温度または共晶温度）を有する各種はんだを使用し、比較例３のＰｂ−５Ｓｎのディッピング温度を３５０℃とした以外は実施例１〜６と同様にして再溶融・加熱のもとではんだ付けして破断強度を測定した。その測定結果は表２に示す通りである。
【００２３】
〔表２〕
表２
はんだ組成 融点(℃)(固相線温度-液相線温度) 破断荷重(kgf)
比較例１ Ｉｎ １５４（融点） ０．０７
比較例２ Ｓｎ ２３２（融点） ０．１５４
比較例３ Ｐｂ−５Ｓｎ ３００−３１４ ０．４７６
比較例４ Ｓｎ−３．５Ａｇ ２２１（共晶点） ０．１７８
比較例５ Ｓｎ−０．７Ｃｕ ２２７（共晶点） ０．１３４
比較例６ Ｓｎ−５Ｂｉ ２０５−２２７ ０．２１５
比較例７ Ｓｎ−８．８Ｚｎ １９９（共晶点） ０．０８
【００２４】
上記測定結果における実施例１〜４と参考例１及び２との対比から、本発明においてＩｎを５〜６０重量％とした臨界的効果が明らかである。
また、比較例３と実施例特に実施例１〜４との対比から、本発明の再溶融・加圧はんだ付け方法によれば、従来の鉛系はんだを使用する方法よりも一段と優れた強度で接合できること、また比較例４〜７と実施例との対比から、本発明に係るはんだを用いた加圧はんだ付け方法によれば、従来の錫系はんだを用いた加圧はんだ付け方法よりも一段と優れた強度ではんだ付けできることが明らかである。
従って、本発明によれば、耐熱性の向上のみならずはんだ付け強度の向上を図ることができる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、鉛フリ−はんだを用い電子デバイスの内部はんだ付けを実装温度よりも充分に高い耐熱性のもとで優れた強度にて行うことができ、回路板に実装するデバィスのはんだ付けの無公害化・信頼性アップに極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るはんだ付け方法の一例を示す図面である。
【図２】 本発明の実施例で使用したはんだ付け方法を示す図面である。
【図３】 本発明に係るはんだ付け方法による試料の破断荷重の測定状態を示す図面である。
【符号の説明】
ａ 合金層
ｂ 本来の融点のままのはんだ層
１ ヒ−トチップ
２ 熱板
ｈ ヒ−タ
Claims (2)
- Ｉｎ重量５％〜６０重量％、残部Ｓｎのはんだを被接合面に溶融被着させ、被接合部を温度３５０℃〜６００℃、圧力１．０ kg/cm ２ 〜６．０ kg/cm ２ のもとで５〜２００秒加熱・加圧することを特徴とするはんだ付け方法。
- Ｉｎ重量５％〜６０重量％、Ａｕ、Ａｇ、ＣｕまたはＢｉの何れか一種または二種以上が０．５重量％〜５重量％、残部Ｓｎのはんだを被接合面に溶融被着させ、被接合部を温度３５０℃〜６００℃、圧力１．０ kg/cm ２ 〜６．０ kg/cm ２ のもとで５〜２００秒加熱・加圧することを特徴とするはんだ付け方法。
Priority Applications (1)
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| JP32455198A JP4097813B2 (ja) | 1998-10-28 | 1998-10-28 | はんだ付け方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32455198A JP4097813B2 (ja) | 1998-10-28 | 1998-10-28 | はんだ付け方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000135557A JP2000135557A (ja) | 2000-05-16 |
| JP4097813B2 true JP4097813B2 (ja) | 2008-06-11 |
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ID=18167086
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP32455198A Expired - Fee Related JP4097813B2 (ja) | 1998-10-28 | 1998-10-28 | はんだ付け方法 |
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| JP6037300B2 (ja) * | 2012-03-15 | 2016-12-07 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 回路部材接合構造体 |
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1998
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