JP4612661B2

JP4612661B2 - 電子部品のはんだ付け方法

Info

Publication number: JP4612661B2
Application number: JP2007237731A
Authority: JP
Inventors: 良典酒井; 憲一郎末次; 敦史山口
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-09-13
Filing date: 2007-09-13
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2016-06-06
Also published as: JP2008028413A

Description

本発明は、電子回路基板へ部品実装を行うための電子部品のはんだ付け方法に関するものである。

近年の電子部品実装技術において、電子部品を搭載実装した電子回路基板を用
いた商品が増加してきている。それに伴い、はんだ付け部の機械的接合強度の向
上や、熱衝撃強度の向上等の高信頼化への要求が高まってきている。一方、地球
環境保護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法
的規制が検討されている。

以下、従来の電子部品のはんだ付け接合用電極表面のはんだ合金及びそのはん
だ付け方法の概要について、図面を参照しながら説明する。図１は従来の電子部
品接合用電極の電極構成を示す概要図で、図２は従来の電子部品接合用電極の接
合界面における金属組織図である。

図１において、３はＳｎ・Ｐｂ、４はＮｉ、５はＡｇであって、これらは、は
んだ合金で、電子部品７の電極を構成している。特に、電極表面材料にはＳｎ、
Ｐｂ合金が使われている。図２の電子部品接合用電極の接合界面の金属組織図に
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。以上のような従来のはんだ合金は、電極表面における金属組成がＳｎ９０重
量％及びＰｂを１０重量％からなるものが用いられおり、その融点は１８３℃〜
２１０℃である。この電極に接合用金属であるはんだ合金によりはんだ付けを行
うと、その合金組織は、α固溶体１とβ固溶体２がラメラ状となる。

従来のはんだ付けにおいて、電子部品のはんだ付け接合用電極のはんだ合金は
、接合用はんだ合金によりはんだ付けを行うと、その合金組織がラメラ状となり
、特に、高温環境下において繰り返し晒されると、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。

また、環境保護の立場から、はんだ合金（Ｓｎ−Ｐｂ合金）中に含まれる鉛の
規制が進みつつあり、従来のはんだ合金によりはんだ付けされた電子回路基板の
廃棄物は、酸性雨に晒されると、鉛が大量に溶出し、その溶出物質が人体に悪影
響を与えるという問題点が指摘されている。

本発明は上記問題点に鑑み、電子部品のはんだ付けにおいて、はんだ接合部に
鉛を含まないようにするとともに、接合部の合金組織を微細化し、高温環境下で
のくり返し熱疲労特性にも優れたはんだ合金による電子部品の電極表面構成を提
供することを目的とする。

本発明の電子部品のはんだ方法は、Ｓｎが９２〜９７重量％、Ａｇが３．０〜６．０重量％及びＣｕが０．１〜２．０重量％からなり、またＳｎが８１〜９１重量％、Ａｇ３．０〜６．０重量％、Ｂｉが５〜１０重量％、Ｃｕが０．１〜２．０重量％及びＩｎが０．１〜１．０重量％からなり、はんだ付け時の凝固過程において、トップ温度経過後５℃／ｓｅｃ〜１５℃／ｓｅｃの温度勾配で急冷、凝固させることを特徴とする。

また、急冷方法として、急冷吹き付け法を用いたことを特徴とする。

本発明は、Ｓｎを主成分とするはんだに、Ａｇを少量添加することにより、合金組織を微細にし、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により、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により、金属間化合物を生成し接合強度を改善する。また、Ｉｎを少量添加することにより、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。

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により、はんだ合金組織を微細化し、これを分散させるので、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。また、鉛を含まない電子部品の接合用電極を提供できるので、表２に示したような、鉛を含まない接合用金属であるはんだ合金で接合することによって、接合部全体に鉛を含まないはんだ付けが可能である。

請求項１に記載の発明は、Ｓｎが８１〜９１重量％、Ａｇ３．０〜６．０重量％、Ｂｉが５〜１０重量％、Ｃｕが０．１〜２．０重量％及びＩｎが０．１〜１．０重量％からなる、はんだ合金で構成された電子部品のはんだ付け方法であって、はんだ付け時の凝固過程において、トップ温度経過後プリヒート温度まで５℃／ｓｅｃ〜１５℃／ｓｅｃの温度勾配で急冷、凝固させることを特徴とする電子部品のはんだ付け方法であり、Ｂｉを少量添加することにより、濡れ性を改善することができる。さらに、Ｉｎを少量添加することにより、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。さらに、はんだ付け時の凝固過程において、トップ温度経過後プリヒート温度まで５℃／ｓｅｃ〜１５℃／ｓｅｃの温度勾配で急冷、凝固させることを特徴とするはんだ付け方法であり、はんだ付け時の凝固過程において、急冷凝固させることによって、Ａｇ₃Ｓｎ、Ｃｕ₃Ｓｎ、Ｃｕ₆Ｓｎ₅等の金属化合物を微細分散させるので、機械化強度及び耐熱疲労特性を向上することができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。

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３．０重量％よりも少なければその効果は十分ではない。また、２２０℃以上２５０℃以下の融点を確保するためには、６．０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３．０〜６．０重量％である。

Ｂｉは、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。

Ｃｕは、高温特性を改善し、接合材料として、機械的強度を向上する効果があるが、０．１重量％よりも少ない添加ではその効果は現れず、２．０重量％を越えて添加すると硬く、脆くなり、特性を劣化させてしまう。よって、Ｃｕの好適な添加量は０．１〜２．０重量％である。

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％よりも少ない添加ではその効果が現れず、１．０重量％を越えて添加する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０．１〜１．０重量％である。

以下、実施の形態を、表１、及び表２に基づき具体的に説明する。

表１は本発明の実施例１、２におけるはんだ合金と比較例１、２のはんだ合金についてその組成、融点、濡れ性、接合強度、及び熱衝撃特性について比較したものである。

融点は、それぞれのはんだ合金を熱分析により測定した。

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。

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。

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。

上記の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。

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。

また、接合用金属としてのはんだ合金は、表２に示すはんだ合金を使用した。
（実施の形態１）
実施例１のはんだ合金は、Ｓｎ９４．５重量％、Ａｇ５．０重量％、Ｃｕ０．５重量％の三成分はんだ合金である。

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。また、表１に記載していないが、はんだの引張り強度試験を行った結果、８．３ｋｇｆ／ｍｍ²であった。比較例２の同試験結果が６．５ｋｇｆ／ｍｍ²であったことと比較すると、引張り強度の点でも顕著な向上があった。

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、金属間化合物（Ａｇ₃Ｓｎ）の成長が抑制され、これを微細分散させるので、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。前記のα固溶体、β固溶体においても、同様に組織の微細化を実現できた。

なお、急冷凝固手段としては、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。
（実施の形態２）
実施例２のはんだ合金は、Ｓｎ８９．５重量％、Ａｇ３重量％、Ｂｉ５重量％、Ｃｕ１．５重量％、Ｉｎ１重量％の五成分はんだ合金である。

各試験結果は表１に示すとおりであるが、実施例１に比較し、融点の低下及び接合強度の向上を図ることができた。

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、実施例１と同様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。

なお、急冷凝固手段としては、実施例１において記載したように、冷風吹付法が好適であり、その冷却速度は５〜１５℃／秒、特に１０℃／秒前後が好適である。

さらに、急冷凝固によって、Ａｇ₃Ｓｎ、Ｃｕ₃Ｓｎ及びＣｕ₆Ｓｎ₅等の生成される金属酸化物を微細分散させるので、機械的強度及び耐熱疲労特性を向上することができる。

従来の電子部品接合用電極の電極構成を示す概要図である。従来の電子部品接合用電極の接合界面における金属組織図である。

符号の説明

１固溶体
２ β固溶体
３Ｓｎ・Ｐｂ合金
６電子部品

Claims

Ｓｎが８１〜９１重量％、Ａｇ３．０〜６．０重量％、Ｂｉが５〜１０重量％、Ｃｕが０．１〜２．０重量％及びＩｎが０．１〜１．０重量％からなる、はんだ合金で構成された電子部品のはんだ付け方法であって、はんだ付け時の凝固過程において、トップ温度経過後プリヒート温度まで５℃／ｓｅｃ〜１５℃／ｓｅｃの温度勾配で急冷、凝固させることで、金属化合物Ａｇ_３Ｓｎ，Ｃｕ_３Ｓｎ，Ｃｕ_６Ｓｎ_５を微細分散させることを特徴とする電子部品のはんだ付け方法。
急冷方法として、冷風吹き付け法を用いることを特徴とする請求項１記載の電子部品のはんだ付け方法。