JP4732900B2 - クリームはんだ、及びそれを使用したはんだ付け方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子部品のはんだ付けに用いるクリームはんだ、特に、はんだ合金が鉛を含まない鉛フリーはんだ合金を用いたクリームはんだ、及びそれを使用したはんだ付け方法に関する。

電子部品をプリント基板等にはんだ付けする場合、通常、リフロー法が用いられる。リフロー法とは、プリント基板のはんだ付け箇所にクリームはんだを塗布し、この塗布部に電子部品の電極や板状リードを係合させて電子部品を搭載し、このプリント基板をリフロー炉で加熱してクリームはんだを溶融させることによりプリント基板と電子部品のはんだ付けを行う方法である。

このリフロー法に使用するクリームはんだとは、粉末状のはんだ合金とペースト状のフラックスを混練して粘稠性のあるはんだ材料としたものである。クリームはんだに通常用いられていた粉末状のはんだ合金は、従来、Sn−Pb共晶合金であった。

この鉛成分を含んだはんだ合金は、鉛が環境を汚染する見地から、その使用が規制され、所謂「鉛フリーはんだ」の実用化が各企業で積極的に取り組まれており、クリームはんだに用いるはんだも「鉛フリーはんだ」となってきている。

社団法人 電子情報技術産業協会（JEITA: Japan Electronics and Information Technology Industries Association）は、NEDO委託事業の鉛フリー化実用化研究開発対応PGにより蓄積したデータに基づいて、２００１年１１月に鉛フリーはんだ実用化ロードマップを公表し、その中で、SnAgCu材料の推奨組成として、Sn-3.0Ag-0.5Cuを推奨した。上記背景により、現在の日本のSnAgCu系鉛フリーはんだはSn-3.0Ag-0.5Cuの採用が多い。

上記鉛フリーはんだに関する特許出願も各社から広くなされている（例えば、特許文献１および２参照）。

特許文献１は、上記Sn-3.0Ag-0.5Cuを含むSnAgCu系鉛フリーはんだに関するものであり、下記を開示している。即ち、特許文献１の要約の記載を引用すると、「表面実装部品のはんだ付けを行った場合、電子部品やプリント基板に対して熱損傷を起こさせない250℃以下のリフロー温度ではんだ付けしてもパッケージ部品に対しては、はんだ付け部にボイドを発生させず、チップ部品のチップ立ちを起こさせない印刷性に優れた鉛フリーのソルダペーストを提供すること」を課題とし、その解決手段として「配合組成又は配合比率の異なる二種以上のはんだ合金粉末をAg：０〜８質量％、Cu：０〜５質量％、Sn：80〜100質量％から成り、これらの二種以上のはんだ合金粉末を混合して溶解した後の組成がAg：１〜５質量％、Cu：0.5〜３質量％、残部Snとなるように二種以上のはんだ合金粉末を調合してソルダペーストとする。」旨を開示する。

しかしながら、SnAgCu系鉛フリーはんだは、元来、例えばリフロー温度２４０℃の場合、はんだ接合組織が粗くなる問題を有する。その理由は、リフロー温度が、SnAgの融点221℃、SnCuの融点227℃、Snの融点232℃を超えるため完全に溶融し合い、凝固核がないので組織が微細化できないからである。特許文献１の発明によれば、濡れの良い低融点組織が先に溶解するので、ボイドが排出され、ボイドの発生を抑制する効果はあるが、組織が粗い問題は解消されない。

特許文献２は、結晶組織を微細化して、強度や熱疲労特性の向上を図るためになされた発明であり下記を開示している。即ち、特許文献２の要約の記載を引用すると、「Sn-Ag 合金を改良して、優れた強度を有するとともに熱的に安定であり、接合性も良好なSn-Ag 系はんだ合金を提供すること」を課題とし、その解決手段として「スズを主成分とし、銀を１．０〜４．０重量％、銅を２．０重量％以下、ニッケルを１．０重量％以下、リンを０．２重量％以下含有する。また、スズを主成分とし、銀を１．０〜４．０重量％、銅を２．０重量％以下、ニッケルを１．０重量％以下、ゲルマニウムを０．１重量％以下含有してもよい。Cuを添加すると、CuはSn中に固溶し、ぬれ性を損なうことなく合金の強度と耐熱性が向上する。Niを添加するとNiの溶融温度が高いために合金の熱的安定性が増す。またNiを添加すると結晶組織が微細化し、あるいはNi-Sn化合物が生成して強度や熱疲労特性が向上する。PおよびGeを添加するとはんだ溶融時に薄い酸化皮膜を形成し、Snなどのはんだ成分の酸化が抑制される。」旨を開示する。

特許文献２の発明においては、Ni-Sn金属間化合物の融点がリフロー温度より高いために、これが凝固核となり、組織の微細化が実現できる。しかしながら、反面、溶融開始時のぬれ広がる際の流動性が阻害されるため、ボイドが発生し易くなり、場合により引け巣、偏析凝固などの発生があることが判明した。
特開２００２−１２６８９３号公報 特開平１１−７７３６６号公報

そこで、本発明の課題は、特許文献２に記載された、「Ag1.0〜4.0wt%、Cu2.0wt%以下、Ni1.0wt%以下、Ge0.1wt%以下、残部Snなるはんだ合金」を用いたはんだ接合において、ボイド発生の抑制を図り、さらに接合組織のさらなる微細化を図ったクリームはんだ、及びそれを使用したはんだ付け方法を提供することにある。

上記課題は、以下により達成される。即ち、Sn-Ag-Cu-Geからなる第１粉末合金と、Sn-Cu-Ni-Geからなる第２粉末合金との混合物に、フラックスを混練りしてなるクリームはんだであって、前記第１粉末合金の各元素の組成wt%が、Ag1.0〜8.0wt%、Cu0.2〜3.0wt%、Ge0.001〜0.1wt%、残部Sn、前記第２粉末合金の各元素の組成wt％が、Cu0.4〜3.0wt%、Ni0.01〜5.0wt%、Ge0.1wt%以下、残部Sn、前記第１粉末合金と第２粉末合金の量比が、５０：５０〜８０：２０であり、前記混合物の溶融後の組成がAg1.0〜4.0wt%、Cu2.0wt%以下、Ni1.0wt%以下、Ge0.1wt%以下、残部Snとなるように調整したことを特徴とする（請求項１の発明）。
また、Sn-Ag-Cu-Geからなる第１粉末合金と、Sn-Cu-Ni-Geからなる第２粉末合金との混合物に、フラックスを混練りしてなるクリームはんだであって、前記第１粉末合金の各元素の組成wt%が、Ag1.0〜8.0wt%、Cu0.2〜3.0wt%、Ge0.1wt%以下、残部Sn、前記第２粉末合金の各元素の組成wt％が、Cu0.4〜3.0wt%、Ni0.01〜5.0wt%、Ge0.001〜0.1wt%、残部Sn、
前記第１粉末合金と第２粉末合金の量比が、５０：５０〜８０：２０であり、前記混合物の溶融後の組成がAg1.0〜4.0wt%、Cu2.0wt%以下、Ni1.0wt%以下、Ge0.1wt%以下、残部Snとなるように調整したことを特徴とする（請求項２の発明）。

また、Sn-Ag-Cuからなる第１粉末合金と、Sn-Cu-Ni-Geからなる第２粉末合金との混合物に、フラックスを混練りしてなるクリームはんだであって、前記第１粉末合金の各元素の組成wt%が、Ag1.0〜8.0wt%、Cu0.2〜3.0wt%、残部Sn、前記第２粉末合金の各元素の組成wt％が、Cu0.4〜3.0wt%、Ni0.01〜5.0wt%、Ge0.001〜0.1wt%、残部Sn、前記第１粉末合金と第２粉末合金の量比が、５０：５０〜８０：２０であり、前記混合物の溶融後の組成がAg1.0〜4.0wt%、Cu2.0wt%以下、Ni1.0wt%以下、Ge0.1wt%以下、残部Snとなるように調整したことを特徴とする（請求項３の発明）。

さらに、Sn-Ag-Cu-Geからなる第１粉末合金と、Sn-Cu-Niからなる第２粉末合金との混合物に、フラックスを混練りしてなるクリームはんだであって、前記第１粉末合金の各元素の組成wt%が、Ag1.0〜8.0wt%、Cu0.2〜3.0wt%、Ge0.001〜0.1wt%、残部Sn、前記第２粉末合金の各元素の組成wt％が、Cu0.4〜3.0wt%、Ni0.01〜5.0wt%、残部Sn、前記第１粉末合金と第２粉末合金の量比が、５０：５０〜８０：２０であり、前記混合物の溶融後の組成がAg1.0〜4.0wt%、Cu2.0wt%以下、Ni1.0wt%以下、Ge0.1wt%以下、残部Snとなるように調整したことを特徴とする（請求項４の発明）。

また、電子部品のはんだ付け方法としては、前記請求項１ないし４のいずれか１項に記載のクリームはんだを使用することを特徴とする（請求項５の発明）。

この発明によれば、ボイド発生の抑制と、はんだ接合組織の超微細化を図ることが可能となり、これにより、接合強度や熱的耐久性が大きい、鉛フリーのクリームはんだ、及びそれを使用したはんだ付け方法が提供できる。

次に、本発明の実施形態について述べる。なお、クリームはんだの具体的な実施例や評価結果等については、後述する実施例の項で述べる。

本発明は、溶融開始時のぬれ広がる際の流動性阻害を防止するため、合金粉末を溶融開始温度の異なる２つの組成に分け、第１粉末合金にはNiを含有させず、含有させたとしても極微量とすることにより低融点組成として良好な流動性をもたせ、遅れて溶融する第２粉末合金にはNiを含有させる（もしくは第１粉末合金より高濃度に含有させる）ことにより、フラックスの揮発ガスの排出を容易とし、ボイド発生の抑制を図ることを特徴とする。

また本発明は、前述のように、第２粉末合金にはNiを比較的高濃度に含有せしめることにより、第２粉末合金が遅れて溶融し、かつ溶融時間が短くなり、凝固核となるNiを含む金属間化合物が通常よりも多く分布するようになる。そのため、２種混合としない従来の単一粉末に比較して、βSn初晶の成長を阻害し組織微細化効果が得られる特徴がある。

Geは、第１粉末合金および／または第２粉末合金に含有し、溶融後の組成がAg1.0〜4.0wt%、Cu2.0wt%以下、Ni1.0wt%以下、Ge0.1wt%以下、残部Snとなるように調整されればよい。

溶融後の組成を上記のようにするために、第１粉末合金および第２粉末合金の各元素の組成wt%は、以下の範囲とすることが好ましい。即ち、第１粉末合金は、Ag1.0〜8.0wt%、Cu3.0wt%以下、Ge0.1wt%以下、残部Snとし、第２粉末合金は、Cu3.0wt%以下、Ni0.01〜5.0wt%、Ge0.1wt%以下、残部Snの範囲とする。また、より好ましくは、第１粉末合金は、Ag2.0〜6.0wt%、Cu0.2〜1.0wt%、Ge0.001〜0.05wt%、残部Snとし、第２粉末合金は、Cu0.4〜1.0wt%、Ni0.03〜1.0wt%、Ge0.001〜0.05wt%、残部Snの範囲とする。

フラックスとしては、例えば後述するような公知のものが使用できる。

次に、図１〜４に基づき、本発明の実施例とその評価結果等について、比較例と共に述べる。図１は本発明の実施例および比較例の組成と評価結果を示す図、図２ははんだ接合組織におけるβSn初晶粒サイズの平均面積率に関する実施例および比較例の比較図、図３ははんだ接合組織におけるβSn初晶粒サイズの面積率分布に関する実施例および比較例の比較図、図４は実施例および比較例のはんだ接合組織の顕微鏡写真を示す。

図１には、実施例１〜３について、第１粉末合金および第２粉末合金の各組成と混合する際の各重量％と、溶融後の組成、ならびにボイド発生率とはんだ接合組織の状態を観察した結果を示す。また単一粉末を使用した比較例１および２についても、上記と同様の評価結果を比較して示す。

図１において、クリームはんだを構成する際のフラックスおよびクリームはんだの調整方法やボイド発生率の測定方法等の具体的内容は下記のとおりである。
（１）フラックスの調整
重合ロジン５０部、ブチルカルビトール４６部、シクロヘキシルアミンＨＢｒ塩０．５部、アジピン酸０．５部、水素添加ヒマシ油３部を容器に仕込み、加熱溶解させた。
（２）クリームはんだの調整
実施例および比較例に示すはんだ粉末組成（粒径２５〜４５μm）８９wt%および（１）項で調整したフラックス１１wt%を容器にとり、攪拌してクリームはんだを調整した。
（３）ボイド試験
プリント配線板上の３０ヶ所のパッドにクリームはんだを塗布してから、大気リフロー炉で予備加熱温度150℃,60sec、本加熱温度240℃,20secとなるように温度プロファイルを作成し、上記プリント配線板５枚をはんだ付け後、はんだ付け部をX線検査装置にてボイドの発生数を測定した。合計１５０ヶ所のパッドに発生したボイドのうちボイドの面積がパッド面積に対して３０％以上のものをボイド発生としてカウントし、ボイド発生率を求めた。

図１の結果から明らかなように、本発明によれば、ボイド発生率は０もしくは小さく、また、はんだ接合組織は超微細である。なお、実施例２のボイド発生率は小さいものの、他の実施例に比較して、わずかながらもボイドが発生した理由は、下記のとおりと考えられる。即ち、実施例２の場合、Agの割合が比較的少ないので、若干はんだの流動性が悪くなりフラックスの揮発ガスの排出が阻害されたことが原因と考えられる。

次に、図２〜４について述べる。図４の顕微鏡写真は、最終凝固組成をSn-3.5Ag-0.5Cu-0.07Ni-0.01Geとした比較例１の単一粉末（図４ａ））と、本発明の実施例１に係る混合粉末を使用した時のリフロー加熱後の組織（図４ｂ））の写真である。図２は、比較例１（単一粉末）、実施例１（混合粉末）のリフローはんだ付け後の断面観察写真からβSn初晶領域の面積を測定し、任意の観察視野面積に対する、βSn初晶粒サイズの面積率を100点測定し、その平均値を比較して示した図である。図２および図４に示すように、本発明の混合粉末の場合、βSn初晶のサイズが超微細組織となっているのがわかる。

さらに、図３は、測定した100点のβSn初晶粒の分布をヒストグラムにて示すが、比較例１の単一粉末（ａ図）に対し、実施例１の混合粉末（ｂ図）では、βSn初晶粒のサイズが比較的均一に分布していることがわかる。

本発明の実施例および比較例の組成と評価結果を示す図。 はんだ接合組織におけるβSn初晶粒サイズの平均面積率に関する実施例および比較例の比較図。 はんだ接合組織におけるβSn初晶粒サイズの面積率分布に関する実施例および比較例の比較図。 実施例および比較例のはんだ接合組織の顕微鏡写真。

符号の説明

なし

Claims (5)

1. Sn-Ag-Cu-Geからなる第１粉末合金と、Sn-Cu-Ni-Geからなる第２粉末合金との混合物に、フラックスを混練りしてなるクリームはんだであって、
   前記第１粉末合金の各元素の組成wt%が、Ag1.0〜8.0wt%、Cu0.2〜3.0wt%、Ge0.001〜0.1wt%、残部Sn、
   前記第２粉末合金の各元素の組成wt％が、Cu0.4〜3.0wt%、Ni0.01〜5.0wt%、Ge0.1wt%以下、残部Sn、
   前記第１粉末合金と第２粉末合金の量比が、５０：５０〜８０：２０であり、
   前記混合物の溶融後の組成がAg1.0〜4.0wt%、Cu2.0wt%以下、Ni1.0wt%以下、Ge0.1wt%以下、残部Snとなるように調整したことを特徴とするクリームはんだ。
2. Sn-Ag-Cu-Geからなる第１粉末合金と、Sn-Cu-Ni-Geからなる第２粉末合金との混合物に、フラックスを混練りしてなるクリームはんだであって、
   前記第１粉末合金の各元素の組成wt%が、Ag1.0〜8.0wt%、Cu0.2〜3.0wt%、Ge0.1wt%以下、残部Sn、
   前記第２粉末合金の各元素の組成wt％が、Cu0.4〜3.0wt%、Ni0.01〜5.0wt%、Ge0.001〜0.1wt%、残部Sn、
   前記第１粉末合金と第２粉末合金の量比が、５０：５０〜８０：２０であり、
   前記混合物の溶融後の組成がAg1.0〜4.0wt%、Cu2.0wt%以下、Ni1.0wt%以下、Ge0.1wt%以下、残部Snとなるように調整したことを特徴とするクリームはんだ。
3. Sn-Ag-Cuからなる第１粉末合金と、Sn-Cu-Ni-Geからなる第２粉末合金との混合物に、フラックスを混練りしてなるクリームはんだであって、
   前記第１粉末合金の各元素の組成wt%が、Ag1.0〜8.0wt%、Cu0.2〜3.0wt%、残部Sn、
   前記第２粉末合金の各元素の組成wt％が、Cu0.4〜3.0wt%、Ni0.01〜5.0wt%、Ge0.001〜0.1wt%、残部Sn、
   前記第１粉末合金と第２粉末合金の量比が、５０：５０〜８０：２０であり、
   前記混合物の溶融後の組成がAg1.0〜4.0wt%、Cu2.0wt%以下、Ni1.0wt%以下、Ge0.1wt%以下、残部Snとなるように調整したことを特徴とするクリームはんだ。
4. Sn-Ag-Cu-Geからなる第１粉末合金と、Sn-Cu-Niからなる第２粉末合金との混合物に、フラックスを混練りしてなるクリームはんだであって、
   前記第１粉末合金の各元素の組成wt%が、Ag1.0〜8.0wt%、Cu0.2〜3.0wt%、Ge0.001〜0.1wt%、残部Sn、
   前記第２粉末合金の各元素の組成wt％が、Cu0.4〜3.0wt%、Ni0.01〜5.0wt%、残部Sn、
   前記第１粉末合金と第２粉末合金の量比が、５０：５０〜８０：２０であり、
   前記混合物の溶融後の組成がAg1.0〜4.0wt%、Cu2.0wt%以下、Ni1.0wt%以下、Ge0.1wt%以下、残部Snとなるように調整したことを特徴とするクリームはんだ。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載のクリームはんだを使用することを特徴とする電子部品のはんだ付け方法。