JP5958811B2

JP5958811B2 - はんだ材料及びこれを用いた実装構造体

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Publication number: JP5958811B2
Application number: JP2012156997A
Authority: JP
Inventors: 山口　敦史; 敦史山口; 福原　康雄; 康雄福原
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2012-07-12
Filing date: 2012-07-12
Publication date: 2016-08-02
Anticipated expiration: 2032-07-12
Also published as: JP2014018803A

Description

本発明は、はんだ材料及びこれを用いた実装構造体に関する。

近年の電子部品実装技術において、電子機器の小型化と高機能化を両立するために、電子部品を高密度に搭載実装した電子回路基板の開発が行われている。

また、これに伴い、電子回路基板と電子部品とのはんだによる接合部の機械的強度の向上や熱衝撃強度の向上等、高信頼性の要求も高まっている。

また、このはんだにおいては、地球環境保護の関心の高まりとともに、鉛を含有するＳｎ−Ｐｂ系はんだから、鉛を含有しないはんだ、いわゆる鉛フリーはんだへの移行が図られている。

これらの鉛フリーはんだのうち、２種の金属を主成分とする共晶型はんだとして、Ｓｎ−Ａｇ系はんだが提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２を参照）。

このＳｎ−Ａｇ系はんだの融点は、Ｓｎ−Ｐｂ系はんだの融点（約１８３℃）と比べて３０〜４０℃程度高いため、はんだ付け温度もＳｎ−Ｐｂ系はんだを用いる場合よりも高く設定される。

そのため、Ｓｎ−Ａｇ系はんだを用いた場合、電子部品を実装する際の実装温度が電子部品の耐熱温度以上になることがあり、許容耐熱温度が低い電子部品を熱損傷させてしまう可能性があった。

このような問題に対し、電子部品の熱損傷を軽減、防止するために、Ｓｎ−Ａｇ系はんだに代わる材料として、融点がＳｎ−Ａｇ系はんだよりも低い、１３９℃の融点をもつＳｎ−Ｂｉ系はんだが提案されている（例えば、特許文献３を参照）。

特許第３０２７４４１号公報米国特許第５５２０７５２号特許第３６００１６６号公報

しかしながら、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだは、Ｓｎ−Ａｇ系はんだに比べて融点が低い点では優れたものであるが、一般的に硬くて脆い点が指摘されている。

図３に、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだを用いた電子回路基板と電子部品の実装構造体の接合状態を示す。図３において、電子回路基板１の電極のランド２はＣｕで構成されており、電子部品電極３と電子回路基板１のランド２とは、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ９によって接合されている。

そして、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ９とランド２との接合界面にはＣｕＳｎの合金層１０が形成され、電子部品電極３の電子回路基板１への実装が行われている。

このような構成の接合状態において、高温環境下では、ＣｕＳｎの合金層１０が膨張し、また、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ９が肥大化して、脆いＣｕＳｎの合金層１０とＳｎ−Ｂｉ系はんだ９の界面が剥離したり、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ９が破壊することがあった。

一方、接合部の強度を上げるために、はんだ材料の伸びを改善させる元素としてＩｎが知られており、これまでにＩｎを２５質量％より多く含有させた場合に優れた機械的特性（伸び）を得られることが確認されている。

しかしながら、Ｉｎはレアメタルであるため、Ｉｎを多く含有するはんだ材料はコストが高くなり、安定して供給ができない等の問題がある。

また、コストを抑えるためにＩｎの含有量を低くすると伸びが低下し、所望の機械的特性を得ることができない。そのため、電子部品の接合用はんだ材料として広がっていないのが現状である。

本発明は以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、低融点であって、高温環境下での界面の剥離や破壊を抑制し、接合部の優れた機械的特性を有するはんだ材料及びこれを用いた実装構造体を提供することを課題としている。

本発明は、上記の課題を解決するために、以下のことを特徴としている。

即ち、本発明のはんだ材料は、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｚｎ及びＡｕを必須成分とするはんだ材料であって、前記Ｂｉの含有量が５０〜７０質量％、前記Ｉｎの含有量が１０〜２５質量％、前記Ｚｎと前記Ａｕの含有量の合計量が０．００１〜０．１質量％の範囲であり、残部が前記Ｓｎ及び不可避成分からなることを特徴とする。

また、前記はんだ材料において、Ｇｅ、Ｇａ及びＳｂの群から選ばれる少なくとも１種の金属を含み、前記Ｇｅの含有量が０．００１〜０．０５質量％、前記Ｇａの含有量が０．００１〜０．０５質量％、前記Ｓｂの含有量が０．１〜３質量％の範囲であることが好ましい。

また、本発明の実装構造体は、前記はんだ材料により接合したことを特徴とする。

本発明のはんだ材料によれば、低融点であって、高温環境下での界面の剥離や破壊を抑制し、接合部の優れた機械的特性を有するはんだ材料及びこれを用いた実装構造体を提供することができる。

本発明の実装構造体の構成を示す概略断面図である。本発明の接合部の状態を示す概略断面図である。従来の実装構造体の構成を示す概略断面図である。接合強度の測定に用いたＣｕ円板継手を示す概略断面図である。Ｃｕ円板継手を治具にセットした状態を示す概略断面図である。

以下に、本発明のはんだ材料について詳細に説明する。

本発明は、Ｓｎ、Ｂｉ及びＩｎを必須成分とするはんだ材料である。

本発明の必須成分であるＳｎ、Ｂｉ及びＩｎのうち、Ｂｉ及びＩｎは、はんだ材料を低融点とするために配合するものである。

はんだ材料中のＢｉの含有量は、５０〜７０質量％、好ましくは５２〜６０質量％、より好ましくは５５質量％である。

Ｂｉをこの含有量とすることにより、高温環境下での伸びを大きくすることができ、低融点と高信頼性を両立させることができる。

Ｂｉの含有量が５０質量％未満であると、低融点化の効果が十分に得られない場合があり、Ｂｉの含有量が７０質量％を超えると脆弱になる場合がある。

また、Ｉｎの含有量は１０〜２５質量％、好ましくは１５〜２０質量％の範囲である。Ｉｎの含有量をこの範囲とすることにより、伸びを大きくすることができ、低融点と高信頼性を両立させることができる。

Ｉｎの含有量が１０質量％未満であると、低融点化の効果が十分に得られない場合があり、Ｉｎの含有量が２５質量％を超えるとコストが高くなる。

また、Ｓｎの含有量は、Ｂｉ及びＩｎで規定した含有量及び、他の成分を含有させた場合の残部とする。

上記のような、Ｓｎ、Ｂｉ及びＩｎの配合量とすることにより、従来のＳｎ−Ａｇ系はんだに比べて融点が大幅に低い、１２０℃〜８５℃の範囲の低融点のはんだ材料とすることができる。

また、本発明のはんだ材料は、上記の必須の成分に加えて、ＺｎとＡｕを合わせて含有させることができる。ＺｎとＡｕを合わせて含有させることにより、高温環境下でも回路基板とはんだとの剥離等が発生しない高信頼性を有するはんだ材料とすることができる。

以下に、ＺｎとＡｕを合わせて含有させることにより剥離等の発生が抑制される機序について説明する。

ＺｎとＡｕを合わせて含有させないはんだ材料、例えば、Ｚｎのみを含有するはんだ材料を用いて電子回路基板と電子部品を接合した場合、電子回路基板のＣｕのランドと、はんだ材料の界面に、高温環境下で脆弱なＣｕＺｎの合金層が形成する。

これに対し、ＺｎとＡｕを合わせて含有させたはんだ材料では、図１に示すように電子回路基板１の電極であるＣｕのランド２と、電子部品電極３を接合するはんだ材料４の界面にはＺｎＡｕの合金層５が形成する。

即ち、ＺｎＡｕの合金層５がＣｕＺｎ層の形成前に優先的に形成され、ＣｕＺｎの合金層の形成を阻害するバリア層として働く。これにより、ＣｕＺｎの合金層の形成を防止することができる。

はんだ成分中のＺｎとＡｕの含有量の合計量は０．００１〜０．１質量％の範囲、好ましくは０．０１〜０．０５質量％の範囲である。ＺｎとＡｕの合計量をこの範囲とすることにより、１μｍ以下のＺｎＡｕの薄い合金層を形成させることができ、高温環境下で界面剥離を生じない良好な層を形成することが可能となる。

ＺｎとＡｕの含有量の合計量が０．００１質量％未満であると、ＣｕＺｎの合金層の形成を阻害するバリア層として機能しない可能性があり、０．１質量％を超えると、ＡｕＺｎの合金層が１μｍを超え、高温環境下で脆弱になり、界面剥離をおこす可能性がある。

また、本発明のはんだ材料では、Ｇｅ、Ｇａ及びＳｂの群から選ばれる少なくとも１種の金属を更に含有させることができる。Ｇｅ、Ｇａ及びＳｂは、はんだ材料の接続部の機械的特性の向上を目的に含有させるものである。

図２に、Ｇｅ、Ｇａ及びＳｂの群から選ばれる少なくとも１種の金属を含有させた接合部の状態の概略断面図を示す。図２は、ランド２の上にＺｎＡｕの合金層５を介してはんだ材料が形成された状態である。

Ｓｎ、Ｂｉ及びＩｎからなるはんだ材料に対して、Ｇｅ、Ｇａ及びＳｂの群から選ばれる少なくとも１種の金属を含有させると、Ｇｅ、Ｇａ、Ｓｂは、Ｓｎと固溶して、歪みのある硬いＳｎの結晶粒６が形成する。

この歪みのある硬いＳｎの結晶粒６は、比較的歪のない柔らかいＢｉの結晶粒７、ＢｉＩｎの結晶粒８と接しており、高温環境下では、歪のない柔らかいＢｉの結晶粒７、ＢｉＩｎの結晶粒８と、Ｇｅ、Ｇａ及びＳｂとＳｎとが固溶した歪みのある硬いＳｎの結晶粒６の間で滑りが発生して伸びやすくなる。

その結果、はんだ材料の脆さを解消することができ、優れた機械的特性を有するはんだ材料とすることができる。

本発明のはんだ材料のＧｅの含有量は、０．００１〜０．０５質量％、好ましくは０．０１〜０．０５質量％の範囲である。Ｇｅの含有量をこの範囲とすることにより、ＳｎとＧｅが適切に固溶し、優れた機械的特性を有するはんだ材料とすることができる。

Ｇｅの含有量が０．００１質量％未満では、Ｓｎとの固溶による機械的特性に対する効果が得られない場合があり、また０．０５質量％を超えるとＳｎとの固溶ができなくなり、Ｓｎ中に析出して、機械的特性についての効果が得られない場合がある。

また、Ｇａの含有量は０．００１〜０．０５質量％、好ましくは０．０１〜０．０５質量％の範囲である。Ｇａの含有量をこの範囲とすることにより、ＳｎとＧａが適切に固溶し、優れた機械的特性を有するはんだ材料とすることができる。

Ｇａの含有量が０．００１質量％未満では、Ｓｎとの固溶による機械的特性に対する効果が得られない場合があり、また０．０５質量％を超えるとＳｎとの固溶ができなくなり、Ｓｎ中に析出して、機械的特性についての効果が得られない場合がある。

また、Ｓｂの含有量は０．１〜３．０質量％、好ましくは１．０〜３．０質量％の範囲である。Ｓｂの含有量をこの範囲とすることにより、ＳｎとＧａが適切に固溶し、優れた機械的特性を有するはんだ材料とすることができる。

Ｓｂの含有量が０．１質量％未満では、Ｓｎとの固溶による機械的特性に対する効果が得られない場合があり、また３．０質量％を超えるとＳｎとの固溶ができなくなり、Ｓｎ中に析出して、機械的特性についての効果が得られない場合がある。

なお、本発明のはんだ材料は、このはんだ材料のみを用いて電子回路基板と電子部品を接合することができるほか、本発明のはんだ材料の効果を阻害しない範囲において、本発明のはんだ材料とフラックス、溶剤等を混合したクリームはんだとして用いることができる。

また、本発明のはんだ材料と、エポキシ樹脂等を主成分とする熱硬化性樹脂組成物、フラックス等を混合した樹脂強化型クリームはんだとして用いることもできる。

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。

表１に示す組成の、参考例１、実施例１〜４及び比較例１〜５のはんだ材料を作成し、それぞれのはんだ材料について、融点、接合強度、熱衝撃を以下の条件で測定及び評価を行った。
（融点）
各はんだ材料の融点を熱分析器（ＳＩＩ製DSC7020）を用いて測定した。
（接合強度）
各はんだ材料を用いてクリームはんだとし、図４に示すようにＣｕ円板継手を作成した。Ｃｕ円板１２は直径５ｍｍのものを用い、表面を2000番のエメリー紙で研磨した後、５％希塩酸で酸洗して用いた。

このＣｕ円板１２と、直径１０ｍｍ、厚さ５ｍｍの円盤状の継ぎ手１３を、厚さ１２０μｍに印刷したクリームはんだ１１により加熱し接合した。接合後、作成したＣｕ円板継手を図５に示す治具１４にセットし、室温で引張試験機（島津製作所製 AGS-X）を用いて矢印１５の方向に荷重を加え、接合強度を測定して機械的特性について評価した。
（熱衝撃）
各はんだ材料を用いて、電子回路基板上のＣｕのランド部にチップコンデンサーの電極を接合して試料として、熱衝撃試験を行った。熱衝撃試験は、気相式熱衝撃試験機（エスペック製TSA-71H）を用いて、−４０℃（３０分）〜常温（５分）〜８０℃（３０分）、１０００サイクルの条件で行い、試験後の試料について目視により接合部表面のクラック、界面剥離の有無を観察し、以下の基準で評価した。
○：クラック、界面剥離なし
×：クラック、界面剥離あり
上記の融点、接合強度及び、熱衝撃の測定及び評価結果を表１に示す。

本発明のはんだ材料は、比較例１のＳｎ−Ａｇ系はんだの融点よりも１００℃以上低い温度での実装に用いることができ、許容耐熱温度が低い電子部品やデバイスへの実装を、熱損傷を与える可能性を最小限度にし、又は実質的になくして、高品質な実装構造体を実現できることが確認された。

また、各含有成分について、本発明で規定した含有量の範囲とした実施例１〜４は、規定した含有量から外れた比較例２〜５と比較して、融点は高いものの、接合強度、熱衝撃に関しては全て良好な結果であった。

これらの結果から、本願発明のはんだ材料は、従来のＳｎ−Ａｇ系はんだよりも大幅に低融点であり、高温環境下での界面の剥離や破壊が抑制され、優れた機械的特性を有するはんだ材料であることが確認された。

１電子回路基板
２ランド
３電子部品電極
４はんだ材料
５ＺｎＡｕの合金層
６Ｓｎの結晶粒
７Ｂｉの結晶粒
８ＢｉＩｎの結晶粒
９はんだ材料
１０ＣｕＳｎの合金層

Claims

Ｓｎ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｚｎ及びＡｕを必須成分とするはんだ材料であって、前記Ｂｉの含有量が５０〜７０質量％、前記Ｉｎの含有量が１０〜２５質量％、前記Ｚｎと前記Ａｕの含有量の合計量が０．００１〜０．１質量％の範囲であり、残部が前記Ｓｎ及び不可避成分からなることを特徴とするはんだ材料。
Ｇｅ、Ｇａ及びＳｂの群から選ばれる少なくとも１種の金属を含み、前記Ｇｅの含有量が０．００１〜０．０５質量％、前記Ｇａの含有量が０．００１〜０．０５質量％、前記Ｓｂの含有量が０．１〜３質量％の範囲であることを特徴とする請求項１に記載のはんだ材料。
請求項１又は２に記載のはんだ材料により接合したことを特徴とする実装構造体。