JP4143478B2 - はんだ接続構造および電子部品のはんだ接続方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉛（Ｐｂ）を含まないはんだ材料によって耐熱温度が高くない電子部品をはんだ付けする際に用いて好適な電子部品のはんだ接続方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種電子部品の端子部を回路基板のはんだランドにはんだ付けする際には、従来、錫鉛共晶はんだ（６３Ｓｎ−３７Ｐｂ）が広く採用されていたが、近年、鉛による環境汚染を回避するために、鉛を含まないはんだ材料を使用する傾向が高まっている。かかる鉛フリー化の要望に応えるはんだ材料は種々提案されているが、その中でも特に錫−銀−銅系（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系）はんだ材料は耐熱疲労特性やクリープ特性等に優れており、最も注目されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、錫鉛共晶はんだが１８３℃で溶融するのに対し、錫−銀−銅系はんだ材料は融点が約２２０℃と高いため、耐熱温度がさほど高くない非耐熱電子部品を錫−銀−銅系はんだ材料によってはんだ付けすることは好ましくない。すなわち、リード端子付き電子部品群の中には耐熱温度が２００℃程度のものが数多く存在するが、このような非耐熱電子部品の端子部に融点が約２２０℃の錫−銀−銅系はんだ材料を溶融接合させることはできない。
【０００３】
一方、非耐熱電子部品のはんだ付けが可能な鉛フリーのはんだ材料として、錫−亜鉛系（Ｓｎ−Ｚｎ系）はんだ材料が知られている（例えば、特許文献２参照）。この錫−亜鉛系はんだ材料は、例えば錫に８重量％の亜鉛と３重量％のビスマスを添加してなるはんだ合金（Ｓｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉ）であって、融点が約２００℃と低い。そのため、非耐熱電子部品の端子部に錫−亜鉛系はんだ材料を溶融接合させても問題はないが、このはんだ材料を銅箔パターンのような銅を含む導体パターン上に塗布して温度サイクル試験を行うと、銅と亜鉛とが相互作用して接合強度が弱まり、はんだ付けの信頼性が大幅に低下することがわかっている。つまり、錫−亜鉛系はんだ材料を回路基板のはんだランド（銅箔パターン）上に直接塗布してはんだ付けを行っても、所望の信頼性を確保することはできない。
【０００４】
そこで従来、図７に示すように、回路基板１の銅箔パターン２上に下地層としてニッケル（Ｎｉ）メッキ層３と薄い金（Ａｕ）メッキ層４とを形成しておき、この金メッキ層４上に塗布した錫−亜鉛系はんだ５によって低融点のはんだ付けを行うという手法が採用されている。ここで、ニッケルメッキ層３は亜鉛が銅箔パターン２へ拡散するのを抑えるためのものであり、金メッキ層４ははんだ濡れ性の悪いニッケルメッキ層３を被覆して錫−亜鉛系はんだ５を確実に接合させるためのものである。また、符号６は回路基板１の銅箔パターン２に隣接して形成されている端子孔であり、金メッキ層４上に錫−亜鉛系はんだ５を塗布した後、非耐熱電子部品のリード端子３１を端子孔６に挿入してリフロー炉内で約２００℃で加熱することにより、このリード端子３１に錫−亜鉛系はんだ５を溶融接合させることができる。
【０００５】
このように銅箔パターン２上にニッケルメッキ層３および金メッキ層４を介して錫−亜鉛系はんだ５を設けるというはんだ接続構造によれば、銅と亜鉛との相互作用に起因する接合強度の低下が抑制できるので、鉛フリーのはんだ材料によって非耐熱電子部品を確実にはんだ付けすることができる。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−１５８４３８号公報（第３頁、図２）
【０００７】
【特許文献２】
特開２００２−６６７８３号公報（第３頁、図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図７に示す従来のはんだ接続構造は、鉛による環境汚染を回避しつつ非耐熱電子部品のはんだ付けを確実に行えるという利点があるものの、はんだ濡れ性の悪いニッケルメッキ層３を金メッキ層４で被覆しなければならないため、材料費が嵩んで工程数も多く、それゆえ製造コストが高いという不具合があった。
【０００９】
本発明は、このような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、回路基板に耐熱電子部品および非耐熱電子部品を実装する際に鉛フリーのはんだ付けが確実かつ安価に行える電子部品のはんだ接続方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するために、本発明による電子部品のはんだ接続方法では、銅を含む導体パターンである面実装用はんだランドとリード端子用はんだランドとが同一面に形成されている回路基板を備え、該回路基板の前記面実装用はんだランドと前記リード端子用はんだランド上にそれぞれ同一の組成からなり、錫−銀−銅系はんだ材料、またはアンチモン、ニッケル、リン、ゲルマニウム、ガリウムのいずれか１種または２種以上の添加物を含む錫−銀−銅系はんだ材料、またはアンチモン、ニッケル、リン、ゲルマニウム、ガリウム、アルミニウム、コバルト、クロム、鉄、マンガン、パラジウム、チタンのいずれか１種または２種以上の添加物を含む錫−銀系はんだ材料のいずれかからなる第１のはんだ部を設けた後、前記面実装用はんだランド上にチップ状電子部品の端子部を搭載して加熱することにより、前記第１のはんだ部を溶融して該端子部を前記面実装用はんだランドに接合させると共に、前記リード端子用はんだランド上の前記第１のはんだ部を溶融させてはんだ下地部となし、次いで、前記リード端子用はんだランド上の前記はんだ下地部上に錫−亜鉛系はんだ材料からなる第２のはんだ部を設け、該リード端子用はんだランドの近傍に形成されている端子孔に別の電子部品のリード端子を挿入した後、前記加熱工程よりも低い温度で加熱することにより、前記第２のはんだ部を溶融して該リード端子を前記はんだ下地部を介して前記リード端子用はんだランドに接合させることとした。
【００１５】
このように錫−銀−銅系はんだ材料や錫−銀系はんだ材料からなる第１のはんだ部を面実装用はんだランド上に設けた後、該ランド上に耐熱性のチップ状電子部品の端子部を搭載して加熱すれば、信頼性の高い鉛フリーのはんだ付けが行える。一方、非耐熱電子部品のはんだ付けは該チップ状電子部品のはんだ付けよりも後に行う必要があるが、第１のはんだ部を面実装用はんだランド上に設ける際にリード端子用はんだランド上にも設けておけば、リード端子用はんだランド上の第１のはんだ部を下地層として低融点の第２のはんだ部を設けることができるので、非耐熱電子部品のリード端子に第２のはんだ部を溶融接合させても信頼性が確保できる。すなわち、下地層である第１のはんだ部によって銅と亜鉛との相互作用に起因する接合強度の低下が抑制されるため、高価な金メッキ層を付設しなくても、鉛フリーの錫−亜鉛系はんだによる非耐熱電子部品のはんだ付けを確実に行うことができる。また、第１のはんだ部はチップ状電子部品をはんだ付けするために予め対応するランド上に設けられるものであるから、第２のはんだ部の下地層を形成するための独立した工程を追加する必要もない。
【００１６】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態について図面を参照して説明すると、図１は本発明の実施形態例に係る回路基板に各種電子部品を実装した状態を示す説明図、図２は図１における非耐熱電子部品のリード端子のはんだ接続構造を示す断面図、図３は該回路基板の各ランドを示す説明図、図４は該回路基板の各ランドに錫−銀−銅系はんだを印刷した状態を示す説明図、図５は該回路基板上にチップ状電子部品を実装した状態を示す説明図、図６は該回路基板のリード端子用はんだランドに錫−亜鉛系はんだを印刷した状態を示す説明図である。
【００１７】
これらの図に示すように、回路基板１０には銅箔パターンである面実装用はんだランド１１とリード端子用はんだランド１２とが同一面に形成されており、リード端子用はんだランド１２の近傍には端子孔１３が穿設されている。ここで、面実装用はんだランド１１は、耐熱性のチップ状電子部品２０の端子部を２１を搭載してはんだ接合される部位である。また、リード端子用はんだランド１２は、端子孔１３に挿入された非耐熱電子部品３０のリード端子３１とはんだ接合される部位である。
【００１８】
この回路基板１０にチップ状電子部品２０と非耐熱電子部品３０とを実装する際には、非耐熱電子部品３０の熱損傷を回避するため、まず耐熱性のチップ状電子部品２０を比較的高温（例えば約２３０℃）ではんだ付けして実装し、しかる後、非耐熱電子部品３０をそれよりも低温（例えば約２００℃）ではんだ付けして実装する。また、これら電子部品２０，３０のはんだ付けには、環境汚染を回避するために鉛を含まないはんだ材料を使用する。
【００１９】
具体的には、まず、図３に示す回路基板１０の面実装用はんだランド１１上およびリード端子用はんだランド１２上に、図４に示すように、錫−銀−銅系はんだ材料からなる第１のはんだ部１４を印刷形成する。このはんだ材料は、錫（Ｓｎ）を主成分として３重量％の銀（Ａｇ）と０．５重量％の銅（Ｃｕ）を含むはんだ合金であり、融点は約２２０℃である。
【００２０】
次に、面実装用はんだランド１１上の第１のはんだ部１４上にチップ状電子部品２０の端子部２１を搭載した後、リフロー炉内で約２３０℃で加熱することにより、図５に示すように、第１のはんだ部１４を端子部２１に溶融接合させてチップ状電子部品２０の実装を完了する。前述したように鉛フリーの錫−銀−銅系はんだ材料は耐熱疲労特性等に優れているため、第１のはんだ部１４を端子部２１に溶融接合させることにより、チップ状電子部品２０をランド１１上に確実にはんだ付けすることができる。
【００２１】
しかる後、図６に示すように、リード端子用はんだランド１２上の第１のはんだ部１４上に、錫−亜鉛系はんだ材料からなる第２のはんだ部１５を印刷形成する。このはんだ材料は、錫を主成分として８重量％の亜鉛と３重量％のビスマスを含むはんだ合金（Ｓｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉ）であり、融点は約２００℃である。ここで、ビスマスを添加するのは、錫と亜鉛のみからなるはんだ合金では大気中でのはんだ付けができないからである。
【００２２】
次に、リード端子用はんだランド１２の近傍に形成されている端子孔１３に非耐熱電子部品３０のリード端子３１を挿入した後、リフロー炉内で約２００℃で加熱することにより、図２に示すように、第２のはんだ部１５をリード端子３１に溶融接合させて非耐熱電子部品３０の実装を完了する。前述したように錫−亜鉛系はんだ材料は銅箔パターン上に直接塗布してはんだ付けを行っても、銅と亜鉛との相互作用により接合強度が低下して所望の信頼性を確保することができないが、本実施形態例の場合、下地層である第１のはんだ部１４によって銅と亜鉛との相互作用に起因する接合強度の低下が抑制されるため、高価な金メッキ層を付設しなくても、鉛フリーの低融点のはんだ材料（第２のはんだ部１５）によって非耐熱電子部品３０をランド１２上に確実にはんだ付けすることができる。
【００２３】
このように本実施形態例においては、面実装用はんだランド１１上に設けられてチップ状電子部品２０の端子部２１に溶融接合される第１のはんだ部１４を、リード端子用はんだランド１２上にも設けておくことにより、該ランド１２上の第１のはんだ部１４を、非耐熱電子部品３０のリード端子３１に溶融接合される第２のはんだ部１５の下地層となしている。これにより、錫−亜鉛系はんだ材料（第２のはんだ部１５）で懸念されていた銅と亜鉛との相互作用に起因する接合強度の低下が抑制されるため、耐熱性のチップ状電子部品２０だけでなく非耐熱電子部品３０についても、鉛フリーで信頼性も高いはんだ付けが行える。その結果、信頼性を確保するために付設されていた高価な金メッキ層が不要となり、材料費を大幅に低減できる。また、第１のはんだ部１４は各ランド１１，１２上に一括して形成できるので、ランド１２上に下地層を形成するために独立した工程を追加する必要はなく、それゆえ工程数の増加も回避できる。
【００２４】
なお、上記実施形態例では、第１のはんだ部１４を各ランド１１，１２上に印刷形成した場合について説明したが、ディップはんだ法によって各ランド１１，１２上に第１のはんだ部１４を塗着形成してもよい。
【００２５】
また、上記実施形態例では、第１のはんだ部１４として添加物を含まない錫−銀−銅系はんだ材料を用いた場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、第１のはんだ部１４として、アンチモン、ニッケル、リン、ゲルマニウム、ガリウムのいずれか１種または２種以上を微量添加した錫−銀−銅系はんだ材料を用いてもよい。このほか、第１のはんだ部１４として、アンチモン、ニッケル、リン、ゲルマニウム、ガリウム、アルミニウム、コバルト、クロム、鉄、マンガン、パラジウム、チタンのいずれか１種または２種以上を微量添加した錫−銀系はんだ材料を用いてもよい。
【００２６】
このように微量の添加物を含む錫−銀−銅系はんだ材料や錫−銀系はんだ材料は、添加物の含有量が０．１重量％程度で、融点が２２０℃程度であることが好ましい。そして、第１のはんだ部１４が、アンチモンやニッケルを添加した錫−銀−銅系はんだ材料または錫−銀系はんだ材料からなる場合には、耐熱疲労特性が一層向上するという効果が期待できる。また、第１のはんだ部１４が、リンやゲルマニウム、ガリウム等を添加した錫−銀−銅系はんだ材料または錫−銀系はんだ材料からなる場合には、酸化が抑制されるため、はんだ付け時の信頼性が向上するという効果を期待できる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記載されるような効果を奏する。
【００２９】
錫−銀−銅系はんだ材料や錫−銀系はんだ材料からなる第１のはんだ部を面実装用はんだランド上に設ける際にリード端子用はんだランド上にも設けておき、面実装用はんだランド上にチップ状電子部品を実装した後、リード端子用はんだランド上の第１のはんだ部上に、低融点の錫−亜鉛系はんだ材料からなる第２のはんだ部を設けて非耐熱電子部品のリード端子をはんだ付けするという電子部品のはんだ接続方法においては、リード端子用はんだランド上の第１のはんだ部が下地層となり、銅と亜鉛との相互作用に起因する接合強度の低下が抑制されるため、高価な金メッキ層を付設しなくても第２のはんだ部によるはんだ付けの信頼性が確保でき、下地層を形成するための独立した工程を追加する必要もない。それゆえ、材料費等の製造コストを大幅に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態例に係る回路基板に各種電子部品を実装した状態を示す説明図である。
【図２】図１における非耐熱電子部品のリード端子のはんだ接続構造を示す断面図である。
【図３】該回路基板の各ランドを示す説明図である。
【図４】該回路基板の各ランドに錫−銀−銅系はんだを印刷した状態を示す説明図である。
【図５】該回路基板上にチップ状電子部品を実装した状態を示す説明図である。
【図６】該回路基板のリード端子用はんだランドに錫−亜鉛系はんだを印刷した状態を示す説明図である。
【図７】錫−亜鉛系はんだによる従来のはんだ接続構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１０ 回路基板
１１ 面実装用はんだランド
１２ リード端子用はんだランド
１３ 端子孔
１４ 第１のはんだ部（はんだ下地部）
１５ 第２のはんだ部（はんだ接合部）
２０ チップ状電子部品
２１ 端子部
３０ 非耐熱電子部品
３１ リード端子

Claims (1)

1. 銅を含む導体パターンである面実装用はんだランドとリード端子用はんだランドとが同一面に形成されている回路基板を備え、該回路基板の前記面実装用はんだランドと前記リード端子用はんだランド上にそれぞれ同一の組成からなり、錫−銀−銅系はんだ材料、またはアンチモン、ニッケル、リン、ゲルマニウム、ガリウムのいずれか１種または２種以上の添加物を含む錫−銀−銅系はんだ材料、またはアンチモン、ニッケル、リン、ゲルマニウム、ガリウム、アルミニウム、コバルト、クロム、鉄、マンガン、パラジウム、チタンのいずれか１種または２種以上の添加物を含む錫−銀系はんだ材料のいずれかからなる第１のはんだ部を設けた後、前記面実装用はんだランド上にチップ状電子部品の端子部を搭載して加熱することにより、前記第１のはんだ部を溶融して該端子部を前記面実装用はんだランドに接合させると共に、前記リード端子用はんだランド上の前記第１のはんだ部を溶融させてはんだ下地部となし、次いで、前記リード端子用はんだランド上の前記はんだ下地部上に錫−亜鉛系はんだ材料からなる第２のはんだ部を設け、該リード端子用はんだランドの近傍に形成されている端子孔に別の電子部品のリード端子を挿入した後、前記加熱工程よりも低い温度で加熱することにより、前記第２のはんだ部を溶融して該リード端子を前記はんだ下地部を介して前記リード端子用はんだランドに接合させることを特徴とする電子部品のはんだ接続方法。

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