JPH03230509A

JPH03230509A - 電子装置

Info

Publication number: JPH03230509A
Application number: JP2026742A
Authority: JP
Inventors: Takashi Fukumaki; 服巻　孝; Mitsuo Nakamura; 中村　満夫; Takao Funamoto; 舟本　孝雄
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-02-06
Filing date: 1990-02-06
Publication date: 1991-10-14
Anticipated expiration: 2013-09-24
Also published as: JP2802530B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、金属膜を形成（以下メタライズという）され
た被接合部に、銅系リードにより電子部品がはんだ付さ
れてなる電子装置に係り、特に、はんだ付部分が高温環
境にさらされても反応相の成長が抑制され、熱疲労が生
じにくい、電子部品がプリント基板に接合されてなる電
子装置に関する。

〔従来の技術〕

電気・電子部品には、導電性およびはんだ付性等の面か
ら、被接合部材として主にＣｕまたはＣｕ合金が用いら
れている。そして、これらの被接合部材は、Ｓｎ系また
はＰｂ−３ｎ系のはんだによって接合されるのが一般的
である。このような接合においては、被接合部材のＣｕ
とはんだ中のＳｎとが反応し、被接合部材とはんだの界
面にＣｕ、ＳｎおよびＣｕ、５ｎｓ（以下、Ｃｕ、Ｓｎ
等という）の化合物が形成される。

これらの化合物の層は、はんだ付け（例えば２３０℃×
１０秒間保持）されたその時には非常に薄くて問題とは
ならない。しかし、はんだ付部に電流が流れたり、はん
だ付部が高温雰囲気にさらされたりすると、はんだ付部
では、被接合部材のＣｕとはんだのＳｎとの２反応が徐
々に進み、Ｃｕ。

Ｓｎ等の化合物が形成されていく。この反応は、はんだ
中にＳｎ元素が存在する限り進行して、上記化合物の層
は徐々に厚くなっていく。それに伴ってはんだ付部の機
械的強度が弱くなり、特にはんだ付部に熱応力や外力等
が加わった時に、この層から割れを生じるという不具合
が発生する。また、割れまで至らなくともＣｕ、Ｓｎ等
の化合物の層が増大すれば、電気的抵抗が大きくなり、
好ましいことではない。

そこで、Ｃｕ□Ｓｎ等の化合物の生成を抑制することが
できるはんだとして、特開昭６１−８６０９１号公報で
５ｎ−３ｂ系合金のはんだが提案されている。このはん
だは、ｓｂが５〜１０ｗｔ％、Ｎｉが１ｗｔ％以下で残
りがＳｎからなっており、主にｓｂの作用によってＣｕ
、Ｓｎ等の化合物の生成を抑制するとしている。

なお、プリント基板にスルホールが穿設され、このスル
ホール内に電子部品等のリード線が挿入されてはんだ付
けされる方法が従来より行われている。この方法によれ
ば、リード線が拘束されるため、仮りにＣｕ３Ｓｎ等の
化合物が成長していても、はんだ付部に割れが発生し、
リード線が抜けることはない。しかし近年、電子部品の
搭載密度が高くなり、Ｆ　Ｐ　Ｐ　（Ｆｌａｔ　Ｐｌａ
ｓｔｉｃ　Ｐａｃｋａｇｅ）およびＰＬＣＣ（Ｐｌａｓ
ｔｉｃ　Ｌｅａｄｅｄ　Ｃｈｉｐ　Ｃａｒｒｉｅｒ）等
の面付はんだ付けが多く使用されるようになって来たた
め、面付はんだ付けにおけるＣｕ、Ｓｎ等の化合物の生
成を抑制する技術開発が要望されていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

前述の５ｎ−８ｂ系合金はんだには、Ｓｎが約９０％含
有されていて、Ｃｕ、Ｓｎ等の反応性が非常に高いため
、Ｃｕ、Ｓｎ等の反応を抑制することは実質的には困難
であると考えられる。また、この５ｎ−５ｂ系合金はん
だには、ＮｉやＰも添加されているため、はんだとして
必要なぬれ性およびはんだの加工性においても問題があ
る。

本発明の課題は、被接合部にＣｕ系材料を備えてはんだ
付けされた部品のはんだ付部に、Ｃｕ。

Ｓｎ等の脆い化合物が生成、成長するのを抑制するにあ
る。

また、他の目的は、面付はんだで接合され該はんだ付部
の割れに対する信頼性の高い電子部品を用いたワープロ
、パソコン等の機器を提供するにある。

さらに他の目的は、銅系リート並びにプリント基板上の
メタライズ部とはんだとの界面に主としてＣｕＧＳｒ＋
、相を形成し、脆弱なＣｕ、Ｓｎ相の生成を制御するは
んだ付方法と、該方法ではんだ付された電気部品を提供
するにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の課題は、少なくとも表面が銅であるリードフレー
ムに電気的に接続された電子部品を備え、該銅系リード
フレームがはんだによってプリント基板に接合されてい
る電子装置において、前記銅系リードフレームとはんだ
との間に主としてＣｕ。

Ｓ　ｎＳ和からなる反応層が形成されている電子装置に
よって達成される。

上記の課題は、また、前記ＣｕＧＳｎＫ相が、前記反応
層全体の少なくとも６０％の厚みを占めている請求項１
に記載の電子装置によっても達成される。

上記の課題は、また、銅系リードフレームが、重量で、
Ｓｎ０．５〜３％と、Ｎｉ　０．０５−０．５％と、Ｐ
。

Ａ、、ｓｔ、ｚｎ、ｓｂ、Ｍ、、のうち１種以上の合計
で０．０１〜１．０％と、を含有し、残部は本質的にＣ
ｕよりなるものである請求項１または２に記載の電子装
置によっても達成される。

上記の課題は、また、前記はんだが、重量でＺ　、、０
．３〜３％を含有し、残部はＳ。からなる請求項１乃至
３のいずれかに記載の電子装置によっても達成される。

上記の課題は、また、前記はんだが、重量で７１１０９
３〜３％と、Ａｇ、　１．、　Ａｕ、　Ｓ、、、　Ｃｕ
のうち１種以上を合計で１０％以下含有し、残部はＳｎ
からなる請求項１乃至３のいずれかに記載の電子装置に
よっても達成される。

上記の課題は、また、少なくとも表面が銅であるリード
フレームに電気的に接続された電子部品を備え、該銅系
リードフレームがはんだによってメタライズされたプリ
ント基板に接合されている電子装置において、前記銅系
リードフレームとはんだとの間に主としてＣｕ、Ｓｎ、
相からなる反応層が形成され、さらに、Ｃｕ−Ｚｎ相、
Ｃｕ−Ｚｎ５ｎ相、銅系リードフレームとはんだの添加
元素が形成する反応相が含まれている電子装置によって
も達成される。

上記の課題は、また、少なくとも表面が銅であるリード
フレームに電気的に接続された電子部品を備え、該銅系
リードフレームがはんだによってメタライズされたプリ
ント基板に接合されている電子装置において、前記銅系
リードフレームは。

重量で、Ｓｎ０．５〜３％と、Ｎｉ　０．０５〜０．５
％と、ｐ、Ａｉ＋　Ｓｔ、Ｚｎ、Ｓｔ、、Ｍｎのうち１
種以上の合計で０．０１〜１．０％と、を含有し、残部
は本質的にＣｕよりなるものであることと、はんだは、
重量で、Ｚｎ０．３〜３％と、Ａｘ、　ＩＩｌ、　Ａｕ
、　Ｓｂ、　Ｃｕのうちの１種以上を合計で１０％以下
とを含有し、残部はＳｎからなるものであることと、該
はんだが、前記銅系リードフレーム表面に予め配置され
たものである電子装置によっても達成される。

上記の課題は、さらに、少なくとも表面が銅であるリー
ドフレームをはんだによってメタライズされたプリント
基板に接合する電子部品のプリント基板への接合方法に
おいて、前記銅系リードフレームは、重量で、Ｓｎ０．
５−３％と、Ｎｔ　Ｏ，０５〜０．５％と、Ｐ、Ａｇ、
Ｓｉ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｍｎのうち１種以上の合計で０．０
１〜１．０％と、を含有し、残部は本質的にＣｕよりな
るものであり、重量で、０．３〜３％の２．と、Ａｇ、
Ｉ。ｒ　Ａｕ、ｓ＝、Ｃｕのうち１種以上を合計で１０
％以下とを含有し、残部はＳｎからなるはんだが、予め
前記リードフレームの接合面に付着されたのち、接合が
行われる電子部品のプリント基板への接合方法によって
も達成される。

一般にプリント基板上には配線回路があらかじめ形成さ
れており、各種電子部品は、前記配線回路の所定の位置
にはんだ付等により接合される。

この配線回路の形成をここでは一般的にメタライズとい
う。

〔作用〕

Ｃｕ系リードフレームがＺｎを０．３−３．０ｗｔ％含
有するはんだではんだ付けされると、はんだ付部の反応
相には主としてＣｕ、Ｓｎ５相が生成されるとともに、
Ｃｕ−Ｚｎ、Ｃｕ−Ｚｎ−Ｓｎの合金相が形成され、は
んだ付部が高温環境にさらされても脆いＣｕ３Ｓｎ相の
成長が抑制される。

このような反応相をもつはんだ付部で結合された電気部
品は、高温環境下に長時間さらされても。

はんだ付部に割れが発生せず、安定した動作が維持され
る。

〔実施例〕

無酸素銅又はＣｕ合金からなるＣｕ系リードフレームか
らなる被接合部材がＳｎ系合金はんだではんだ付けされ
ると、被接合部材のＣｕとはんだ中のＳｎとは親和力が
強いため、Ｓｎが選択的に拡散し、被接合部材とはんだ
の界面にＣｕ、Ｓｎ等の反応相が形成され、この反応相
は高温雰囲気のもとで成長する。Ｃｕ系合金がＳｎ系合
金はんだではんだ付けされる限り、この現象は避けられ
ない。

そこで、Ｃｕとの親和力がＳｎよりも強くかつ化合物を
形成し難い元素について種々実験が行われた結果、Ｚｎ
が、この目的に最適であることが判明した。ＺｎはＣｕ
に対する合金生成エンタルピがＳｎよりも小さく、つま
り、反応相を形成しやすい。

また、Ｚｎがどのようなはんだに含有されるかによって
も、その効果は異なってくる。検討した結果、Ｚｎが ■　Ｓｎはんだ ■　Ｓｎ３ｗｔ％以下で残部ｐｂはんだ■　Ｓｂ３ｗｔ
％以下で残部Ｓｎはんだ等に含有された場合に効果が良
好であり、■　Ｓ　ｎ　３０〜６０ｗｔ％で残部ｐｂは
んだに含有された場合は良好な結果は得られなかった。

良く使われている上記■のはんだには、Ｃｕ、Ｓｎ相の
成長を抑制する効果はみられない。

必要なＺｎの含有量は、はんだの種類によっても若干具
なるが、全体的には、０．３〜３ｗｔ％の範囲で効果的
である。更に０．５〜１．５ｗｔ％の範囲で、効果が顕
著である。Ｚｎが０．３ｗｔ％未満では、Ｃｕ、Ｓｎ相
の成長を抑制する能力がやや不足し、３％を超えると、
Ｃｕ３Ｓｎ相の成長を抑制する効果はあるものの、はん
だ材としての流動性等が低下するので好ましくない。

また、０．３〜３ｗｔ％のＺｎを含有し、残部Ｓｎのは
んだの中に、Ｓｂ、Ｉｎ、Ａｇ、Ａｕ。

Ｃｕのうちの１種類以上が添加されても、はんだ付性が
損われない程度であればよい。もっとも、これらの元素
はＺｎと被接合部材の反応を妨げるものであってはなら
ない。添加量としては、約３％以下が妥当である。

また、被接合部材の材質がＣｕ系合金のときにはＣｕ、
Ｓｎ相が反応相としてはんだ付部に形成されやすいが、
被接合部材が他の材質、例えばＦｅ系、Ｎｉ系等の場合
は反応速度が遅く、化合物の形成に長期間を要するので
、問題にならない。

以下１本発明の実施例を図面を参照して説明する。第１
図は基本的なＦ、ＰＰはんだ付継手を示し。

電子部品１は、リードフレーム２を介してプリント基板
３上にメタライズされた導体膜４に接続さ九、前記リー
ドフレーム２と前記導体膜４とは。

はんだ５によって固定されて電子装置を形成している。

ミクロ的に観察されたはんだ付部には、リードフレーム
２側に反応相６が、導体膜４側には前記反応相６と、は
んだ相８をはさんで反応相７が、それぞれ形成されてい
る。前記反応相６，７が、Ｃｕ、Ｓｎ等の化合物からな
る相である。

第１図に示される構成で、はんだの種類とはんだ付温度
および保持時間を、第１表に示すように種々に変えては
んだ付けが行われ得られたはんだ付部に対し、熱サイク
ル試験が行われた。

第１表で、Ｃｕと表示されたものは１００％Ｃｕ、５ｎ
−１，５％５ｂ−０，５％Ｚｎは、ｓｂが１．５％、Ｚ
ｎが０．５％、残りがＳｎを意味する０％は全で重量％
である。はんだ付温度と保持筒　　１　　表時間で、２６０’ＣＸ１０秒と記載されているのは、２
６０℃に１０秒間保持してはんだ付けが行われた事を示
す。以下の説明でも同様である。

試料１〜４が、本発明に係るものであり、試料５．７は
試料１との比較のために、試料６は試料２との比較のた
めに作成された。

はんだ付けされた面付はんだ付継手部品の試料１〜７に
、−５５℃〜＋１５０’Ｃ１１サイクルで１時間の熱サ
イクルが、５００時間及び１００゜時間に亘って加えら
れた。５００時間、１０００時間経過した試料が切断さ
れ、断面顕微鏡によりミクロ割れの有無が調査された。

第２表は調査結果をまとめて示している。

第２表 ○：はんだ付部に割れは見られない。

×：はんだ付部に割れがある。

なお、はんだ付されるリードフレーム表面には、あらか
じめ、該当するはんだがめっきされたが、印刷等の方法
により、リードフレームの接合面側にのみ付着、配置し
ておくとよい。

第２表に示されるように試料１〜４には、熱サイクル５
００時間及び１０００時間経過後においてもはんだ付部
には割れは認められなかった。当然ながらリードフレー
ム２側の反応相６と導体膜４の反応相７は形成されてい
た。しかしこれらの反応相６，７およびはんだ相８のど
こにも割れは発生していなかった。反応相６，７にはＥ
ＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｐｒｏｂｅ　Ｍｉｃｒｏ　
Ａｎａｌｙｓｉｓ）分析結果から試料１ではＣｕ、Ｚｎ
、Ｓｎと、わずかにｓｂが含有され、試料２ではＣｕ、
Ｚｎ、Ｓｎからなり、試料３ではＣｕ、Ｚｎ、Ａｇから
なり、試料４では、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｓｎからなって
いた。つまり、従来割れの問題となっていた被接合部材
とＳｎという２元反応相は見られず、Ｚｎ添加のはんだ
を用いた効果が表れており、この現象はＳｎよりもＺｎ
の反応が著しいことを意味している。

これに対し、試料５，６は熱サイクル５００時間で既に
割れが発生していた。その箇所も当然の如＜ＣｕとＳｎ
の成分からなる反応相６，７が。

割れの起点になっていた。反応相を更に詳しく観察する
とリードフレーム２側の反応相とはんだ５側の反応相の
２相から成っていた。そして割れはリードフレーム２側
の反応相が起点となりはんだ５側反応相に連がっていた
。割れは可成多く発生していた。また、試料７の継手に
ついては、５００時間経過時点では割れは認められなか
ったが、１０００時間後には割れが明らかに認められた
。

ｓｂの効果は少し見られるが１０００時間経過後の割れ
を抑制するには不十分であった。

上記実験結果はプリント基板でのＦＰＰ面付はんだ付継
手について割れの有無を調査した結果を示すものである
が、この他の面付はんだ付１例えば第２図に示されるＰ
ＬＣＣ等の継手についても同様のリードフレーム、導体
膜、はんだの組合せで熱サイクル試験が実施された。そ
して、前記試料１〜４に対応するＺｎを用いたはんだ付
継手には割れが検出されなかった。さらに本実施例は、
プリント基板以外にアルミナ、ムライト等の基板の面付
はんだ付継手にも適用できる。

また、Ｃｕ系リードフレームとはんだとの界面に生成し
、高温放置により成長する反応相が、Ｚｎ添加されたは
んだを用いることによって、成長が抑制される効果を明
らかにするために、試料２の作成に用いられた５ｎ−１
％Ｚｎのはんだと試料５の作成に用いられたＰｂ−５０
％Ｓｎの従来のはんだを用いた面付部品に対し、１５０
’Ｃ１５００ｈ及び１０００ｈの高温放湿試験が行われ
た。夫々の高温放置試験後に各面付部品は櫂脂に埋込ま
れ、反応層の断面部の顕微鏡組織写真から反応層の厚さ
が測定された。測定結果を第３図に示す。試料５のＰｂ
−５０％Ｓｎはんだを用いた反応層厚さは初期（はんだ
何時の反応層厚さ）で約２μｍであるのに対し、５００
ｈ経過すると約１０μｍ、１０００ｈ経過すると約１５
μｍと時間の経過につれ著しく反応層は成長する。そし
て反応層はε相（Ｃｕ、Ｓｎ）とη相（Ｃｕ　６Ｓ　ｎ
　ｓ　）の２相からなっていることが判った。第２表の
熱サイクル試験で検出された割れの発生点がこのε相で
あることも判明した。割れは反応層が薄い初期の状態で
は見られず、従って反応層の成長が抑制されれば割れは
発生し難い。

それに対し、試料２の５ｎ−１％Ｚｎはんだを用いた場
合の反応層厚さは、５００ｈで約３μｍ、１０００ｈで
６μｍ以下にしか成長せず、試料５と比較し成長が遅い
ことが明らかである。しかも反応相は１相であり、主に
（９５％）η相（Ｃｕ。

Ｓ　ｎ５）であり、その他にＣｕ、Ｚｎ、、ＣｕＺｎ等
がＸ線回折結果から認められたがε相は、検知されなか
った。そして第２表に示す結果においても反応相に割れ
は見出せなかった。このように本発明のはんだ付により
実装された電子部品は反応層厚の成長が遅く、割れも生
じ難いことが分る。

割れ抑制のためにはη相が反応層の厚さに占める割合は
、少くとも６０％が必要である。

以上、述へたように試料１〜４の作成に用いられたよう
なはんだを用いてＣｕ系合金からなる被接合部材がはん
だ付けされると、被接合部材とはんだとの界面に主に、
ＣｕＧＳｎ、相が形成されるとともに、その他にＣｕ　
−Ｚ　ｎ　、　Ｃｕ　−Ｚ　ｎ　−Ｓｎの合金相が形成
され、Ｃｕ、Ｓｎ相の成長が抑制される。このような反
応相をもつはんだ付部により結合されたはんだ付物品は
脆いＣｕ、Ｓｎ相が成長できないため熱応力や外力が作
用しても、はんだ付部に割れが発生し難い。

このようなはんだ付けにより電子部品が実装されたプリ
ント基板は、パソコン、ワープロ、ビデオカメラ、テレ
ビ、エレベータ制御、自動車用マイコン等に適用された
どき、高温環境に長時間さらされても、はんだ付部に割
れが発生せず、機器の安定した動作を維持する効果を奏
する。

また、Ｆｅ−４２％Ｎ１にＣｕめっきが施されたリード
フレームを備えた部品に本発明が適用された場合も、Ｃ
ｕのリードフレームにＺｎめっきが施され、従来のＳｎ
系合金はんだが用いられた場合も同様の効果が得られる
。

〔発明の効果〕

以上説明したように１本発明によれば電子装置のはんだ
付部が長時間、高温環境にさらされても、反応相の脆い
部分が成長せず、はんだ付部に割れが発生しないので、
電子装置の安定な動作が維持される効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例である面付はんだ付けで接合さ
れた電子装置の断面図、第２図は本発明の他の実施例を
示す電子装置の断面図、第３図は高温放置後の反応層厚
を測定した結果を示すグラフである。１・・・電子部品、２・・・リードフレーム、３・・・
プリント基板、４・・導体膜、５・・・はんだ。６．７・・・反応相、８・・・はんだ相。

Claims

【特許請求の範囲】１、少なくとも表面が銅であるリードフレームに電気的
に接続された電子部品を備え、該銅系リードフレームが
はんだによってプリント基板に接合されている電子装置
において、前記銅系リードフレームとはんだとの間に主
としてＣｕ＿６Ｓｎ＿５相からなる反応層が形成されて
いることを特徴とする電子装置。２、前記Ｃｕ＿６Ｓｎ＿５相は、前記反応層全体の少な
くとも６０％の厚みを占めている請求項１に記載の電子
装置。３、銅系リードフレームが、重量で、Ｓｎ０．５〜３％
と、Ｎ＿１０．０５〜０．５％と、Ｐ、Ａｓ、Ｓｉ、Ｚ
ｎ、Ｓｂ、Ｍｎのうち１種以上の合計で０．０１〜１．
０％と、を含有し、残部は本質的にＣｕよりなるもので
あることを特徴とする請求項１または２に記載の電子装
置。４、前記はんだが、重量でＺｎ０．３〜３％を含有し、
残部はＳｎからなることを特徴とする請求項１乃至３の
いずれかに記載の電子装置。５、前記はんだが、重量でＺｎ０．３〜３％と、Ａｓ、
Ｉｎ、Ａｕ、Ｓｂ、Ｃｕのうち１種以上を合計で１０％
以下含有し、残部はＳｎからなることを特徴とする請求
項１乃至３のいずれかに記載の電子装置。６、少なくとも表面が銅であるリードフレームに電気的
に接続された電子部品を備え、該銅系リードフレームが
はんだによってメタライズされたプリント基板に接合さ
れている電子装置において、前記銅系リードフレームと
はんだとの間に主としてＣｕ＿６Ｓｎ＿５相からなる反
応層が形成され、さらに、Ｃｕ−Ｚ＿ｎ相、Ｃｕ−Ｚｎ
−Ｓｎ相、銅系リードフレームとはんだの添加元素が形
成する反応相が含まれていることを特徴とする電子装置
。７、少なくとも表面が銅であるリードフレームに電気的
に接続された電子部品を備え、該銅系リードフレームが
はんだによってメタライズされたプリント基板に接合さ
れている電子装置において、前記銅系リードフレームは
、重量で、Ｓｎ０．５〜３％と、Ｎｉ０．０５〜０．５
％と、Ｐ、Ａｓ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｍｎのうち１種以
上の合計で０．０１〜１．０％と、を含有し、残部は本
質的にＣｕよりなるものであることと、はんだは、重量
で、Ｚｎ０．３〜３％と、Ａｓ、Ｉｎ、Ａｕ、Ｓｂ、Ｃ
ｕのうちの１種以上を合計で１０％以下とを含有し、残
部はＳｎからなるものであることと、該はんだが、前記
銅系リードフレーム表面に予め配置されたものであるこ
ととを特徴とする電子装置。８、少なくとも表面が銅であるリードフレームをはんだ
によってメタライズされたプリント基板に接合する電子
部品のプリント基板への接合方法において、前記銅系リ
ードフレームは、重量で、Ｓｎ０．５〜３％と、Ｎｉ０
．０５〜０．５％と、Ｐ、Ａｓ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｍ
ｎのうち１種以上の合計で０．０１〜１．０％と、を含
有し、残部は本質的にＣｕよりなるものであることと、
はんだは、重量で、Ｚｎ０．３〜３％と、Ａｇ、Ｉｎ、
Ａｕ、Ｓｂ、Ｃｕのうち１種以上を合計で１０％以下と
を含有し、残部はＳｎからなるものであることと、該は
んだが、予め前記リードフレームの接合面に付着された
のち、接合が行われることを特徴とする電子部品のプリ
ント基板への接合方法。