JPH0417994A - はんだ組成物 - Google Patents

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〕 本発明は絶縁体上に配設された電極のブリッジ接合に優
れたはんだ組成物に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、この種の電気的接合部、たとえばプリント回路基
板への他の回路基板の接続ははんだで行われているか、
それら電極間において、ある程度距離の離れた場合や、
ある程度以上段差のついた場合、従来のはんだペースト
で電気的接合を行おうとすれば、リフロー時のはんだが
表面張力により盛り上がる高さのために、たとえば第２
，３図示すような、絶縁体（３）上の電極（１）と（２
）との間を結ぶはんだ（８）のブリッジ接続が起こらず
、画電極（１）と（２）との間を電気的に接続ミスが起
ることが多い。

このため、従来は、糸はんだを用いて電極上に盛られた
はんだをはんだごてて何度も修正しなから接続したり、
あるいは導電性接着剤を用いて接続する手法が採られて
いた。前者は接続工程を自動化しにくいため生産量の低
下、コストアップを引き起こし、後者は接着剤と電極と
の間の接触抵抗や信頼性の低下などのために適用できる
範囲は一部分に限られていた。特開昭６３−３０９３９
０号公報にはスルホール接合に適した使用温度では融解
しない金属粒子を混合したはんだ組成物が記載されてい
る。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明者等は電極接合後の再リフローにおいてしばしば
みられる断線がはんだの使用温度では融解することのな
い金属の粒子を特定の条件で含有するはんだ組成物の使
用によって安定的に著しく低減することを見出し本発明
に到達した。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は金属粒とはんだとを含み前記金属粒は前記はん
だの固相線温度より高い融点を有しかつはんだ付け温度
においてはんだ中に固溶しない金属からなり、金属粒の
表面にＣｕまたはＣｕ合金を露出しておらずかつ前記金
属全成分に対する前記金属粒の体積含有率が５ｖｏｌ％
以上かつ２０ｖｏｌ％以下で含むはんだ組成物である。

本発明に適用されるはんだとは電気的に接続しようとす
る電極と合金組成を形成可能な金属を含み接続乃至接続
操作温度では可融の低融点金属又は合金である。

はんだは金属粒と合金組織を形成が可能であれば共晶系
、非共晶系はんだがあるがそのいずれでも使用でき一般
に軟ロウと呼ばれるＰｂ−３ｎ系のコモンソルダー、プ
ランバーソルダー、チンスミスツルター系の組成のもの
が使用され、接続接合の対象となる電極等の金属の種類
によって任意組成を選択することができる。例えば電極
が銅の場合、すすを含む合金、特に５ｎ−Ｐｂ合金が接
合力も高く好ましい。また電極が銀の場合はＳｎ−Ｐｂ
−Ａｇ合金も使用可能である。

本発明のはんだ組成物がペーストの態様であるときは、
はんだ粒の粒径は、１５０μｍ以下、さらには７５μｍ
以下か好ましい。はんだの粒径ははんだペーストの印刷
・塗布性を考慮する。また、粘度偏析を避けるためには
、均一の粒径のものを使用した方が好ましい。ここに、
はんだ粒（金属粒の場合も同じ）の粒径はＪＩＳ　Ｚ８
８０１記載の網ふるいで規定されている目開きに対応す
る。なお、ふるいの粗度を示すメツシュ数は、前記ＪＩ
Ｓ　Ｚ８８０１で規定されているふるいの目開きと金属
線径による算出したものである。

金属粒は、はんだの固相線温度よりも高い融点を持つ金
属材料である。その融点（０Ｃ）ははんだのそれよりも
３５℃以上、更に好ましくは５０°Ｃ以上である。また
、再リフローに対する安定性を確保するためには、その
再リフロー温度より金属粒の融点を高く設定するのが好
ましい。

金属粒は、組成物中のフラックス空気等と反応により酸
化物を形成しにくい材料を選ぶか、あるいは金属粒の表
面を酸化物等の形成しにくい他の金属で被覆したもので
あることが望ましい。更に、金属粒子がはんだ中でその
粒子状を保つためには金属粒子がはんだ温度ではんだ中
へ実質的に固溶することのない材質であることが好まし
い。

上記の条件を満たし更にはんだ４との濡れ性が良い金属
材料の使用が望ましく　Ａｇ、　Ａｕ、　Ｐｔ、　Ｎｉ
、　Ｆｅ。

Ａ　ｊ２　、　Ｃｄ、　Ｚｎ、及び上記１種以上の金属
を含む合金などを例示することができる。また、Ｓｎあ
るいは上記のうちいずれかを含む金属で表面を覆った金
属粒、ガラス粒子、セラミック粒子、樹脂粒子を使用し
ても良いし、２種以上の材質の金属粒を同時に使用する
こともできる。特にＡｇ、　Ａｕ、　Ｐｔ、　Ｎｉ及び
Ａｕ基合金、Ａｇ基合金、Ｎｉ基合金、及びＳｎあるい
は上記金属で表面を覆った金属粒、更にはＡｕ、　Ａｇ
。

Ｎｉの単独または表面をＡｕ、　Ａｇ、　Ｎｉ、　Ｓｎ
のうちのいずれかの金属あるいは合金で覆った銅粒を用
いることができる。金属の粒径は、抵抗接続接合の信頼
性、プロセス性などから１〜１５０μｍ１好ましくは１
〜７５μｍ、更に好ましくは１〜５０μｍ程度である。

形状は、球形より不定形の方がはんだとの界面面積か太
き（とれ信頼性上好ましい。

フラックスとしては、樹脂系フラックス、特に活性化樹
脂フラックスの使用が好ましい。これはロジン系天然樹
脂またはその変性樹脂を主成分とし、これに活性剤・有
機溶剤・粘度調整剤・ぞの他の添加剤が添加されたもの
である。一般に、変性樹脂には重合ロジン、フェノール
樹脂変性ロジンなど、活性剤には無機系および有機系フ
ラックス、その中でも特にアミン塩酸塩や有機酸系のフ
ラックス、有機溶剤はカルピトール系、エーテル系のも
のが用いられる。なお、金属粒の種類によっては無機系
フラックスを使用することもできる。

本発明のはんだ組成物は、はんだ粒、金属粒、及びフラ
ックスを主要組成成分として混合し調製される。組成物
中金属粒とはんだ粒子の割合は、金属粒容積／（金属粒
容積＋はんだ粒容積）×１００（％）によって算出され
る体積含有率５〜２０ｖｏｌ％の範囲にあるように調整
されなければならない。ここに金属粒及びはんだ粒の容
積は金属粒（はんだ粒）の使用重量を金属（はんだ）の
密度で除して算出される。

組成物中のフラックスは、組成物が均一組成の印刷、塗
布膜を安定して形成し、又リフローしたはんだ粒間およ
びはんだ粒−金属粒間の一体化を引き起こすのに充分な
量で使用される。−船釣な使用量は、はんだ粒の５重量
％以上、好ましくは７重量％以上、さらには好ましくは
１０重量％以上５０重量％以下である。なお、フラック
スは金属粒量の割合が増すに従って、印刷、塗布性か劣
らない範囲でその添加量を増す必要がある。

前述の体積含有率が５ｖｏｌ％未満の場合、金属粒によ
る流動性抑制効果が少なくはんだブリッジ接続が形成さ
れにくく、２０ｖｏｌ％を超えると流動性抑制効果が強
く効きすぎるため最初のりフロー工程で、はんだペース
ト中の未活性フラックスか接合部に残留し再リフロー工
程でブローホールか発生し断線し易くなる。

本発明のはんだ組成物は、はんだの連続相中に金属粒と
フラックスを分散した組成物を固形態で用いるかあるい
ははんだ粒、金属粒及びフラックスを混合したペースト
態で種々の抵抗接続に用いることができる。プリント基
板のプリント回路の抵抗接続、プリント回路とチップ部
品の抵抗接続、スルホール接続には、ペースト態組成物
を用いるのが好適である。

ペースト態組成物によるプリント回路の電極の抵抗接続
は、通常ペースト態組成物の被接続部位への橋かけ塗布
工程、橋かけ塗膜のりフロー工程及び抵抗接続部位の洗
滌工程により製造される。

第１図は、本発明のペースト態はんだ組成物によるプリ
ント回路板上の電極の抵抗接続の各工程に及び作用説明
図である。

（１）塗布工程：　第１図（Ａ）は、スクリン印刷法、
デイスペンサー等により、ペースト態のはんだ組成物を
絶縁基板（３）上のプリント回路の電極１，２に橋かけ
塗布した状態を示す。ペースト態のはんだ組成物の橋か
け塗膜（１０）は、はんだ粒（４Ａ）と金属粒（５Ａ）
がフラックスの相中に分散された構造によりその塗膜形
状を保っている。

（２）リフロー工程：第１図（Ｂ）は、はんだ粒５Ａの
固相線以上かつ金属粒（５）の融点未満の温度で、はん
だペーストをリフローさせてから冷却して固化させた状
態を示す。リフローにより、はんだ粒（４Ａ）は溶融し
て合体して、溶融していない金属粒５を分散させ、また
、接合部の表面にははんだペースト中のフラックスから
生成された残留物が残る。リフロー後冷却凝固した橋か
け塗膜時電極（１）と（２）との間を電気的に導通させ
るはんだ（４）の相中に金属粒（５）が均一に分散して
依存した橋かけ抵抗接続膜が実質的に塗布領域にわたっ
て形成され、その表面がフラックス残留物（７）で覆れ
ている。

（３）洗滌工程：　第１図（Ｃ）に示されるフラックス
残留物（７）を除去してえられる抵抗接続体の構造を示
す。この抵抗接続体は実質的にリフロー時に発生するガ
スを含まず、はんだ自体の表面張力による盛り上がりの
認められないものである。電極（１）、　（２）と連続
した抵抗接続ハンタ相と合金を形成しているので電極と
はんだとの接合強度が高く、比抵抗の著しく低い抵抗接
続体であって再リフローによっても実質的に構造が変化
しない。

はんだブリッジによる導通は、リフローで溶融したはん
だが残りの金属粒同士を合体させることにより起こり、
通常の電極の形状配置の下では、いったん電極間のはん
だブリッジが起これば、その後完全にはんだを溶融させ
た状態にしても、その後に冷却固化させてもブリッジ接
合は保たれる。

塗布膜のりフローは電極の寸法や位置関係などによるが
、基本的には、上述のりフロー温度条件を満足する限り
、用いるはんだ粒の固相線と金属粒の融点間の温度で加
熱することによって行なわれる。

リフロー温度は、接続接合強度の点から、はんだの融点
よりも５℃以上高い温度とする。さらには２０℃以上高
い温度とするのが好ましい。上限温度は基板の耐熱性に
よって選ばれるが、あまり高すぎると、フラックスが炭
化して活性作用がなくなるので、注意が必要である。数
秒以上あればよい。

加熱方法としては、熱風加熱、赤外線加熱、ペーパーフ
ェーズソルダリング、レーザー加熱、ホットプレート、
抵抗加熱、はんだごて加熱などがあるが、より高い導通
の再現性を得るためには、はんだが溶融し始めてから、
リフローのピーク温度に達するまでの昇温速度は遅い方
が好ましく、熱風加熱や赤外線加熱が特に好ましい。

リフロー処理に先立って、リフロー時の急激な温度上昇
による基板への熱応力を緩和するためと同時に、フラッ
クス中の揮発成分を完全に放散させてリフロー時のガス
発生を抑えるために予備加熱を行うことが好ましい。予
備加熱の条件は基板の材質や構造などによって異なるが
、はんだの融点よりも低い温度、より好ましくははんだ
の融点よりも２０°Ｃ〜６０°Ｃ低い温度とする。例え
ば、Ｓｎ：Ｐｂ　＝６３　：　３７の組成のはんだ（共
晶はんだ）の場合には、温度１２０°Ｃ−１６０℃で予
備加熱することが好ましい。これより高すぎると、フラ
ックスが硬化し、はんだ付着性が悪くなり、逆に低すぎ
ると、フラックスの揮発成分の放散が不充分でガスの滞
留を起こし、はんだ不濡れの原因となる。加熱時間も基
板の熱容量、はんだペーストの量、フラックスの量や種
類、加熱方式などにより異なるが、基板の表面および内
部か規定の温度に達してから１〜３分程度の間にわたっ
て予備加熱することが好ましい。

リフロー後、生成したフラックス残留物７は、必要に応
じて洗浄を行う。洗浄剤として、トリクロロトリフルオ
ロエタンに代表されるフロン系溶剤や１−１−１　　ト
リクロルエタンなどの塩素系溶剤を用いてシャワー洗浄
・超音波洗浄や蒸気洗浄などが適用しうる。

〔実施例〕

次に、本発明を実施例により詳述するが、本発明はかか
る実施例にのみ限定されるものではない。

実施例１ 通常の方法によって形成した第２図に示す絶縁体（３）
上に電極（１）および（２）を形成したプリント回路基
板を６体用意した。各基板において、ｌの値は、それぞ
れ０．０８ｍｍ、　０．２５ｍｍ、　０．４　ｍｍ、０
．７ｍｍ、　１．５　ｍｍ。

６、Ｏｍｍであった。

次に、メタルマスクを用いたスクリーン印刷法によって
、下記組成のなるはんだペースト■を各基板の２つの電
極（１）および（２）上に、これら電極にまたげて塗布
した。

〔はんだペースト■の組成〕

はんだ粒材質　　Ｓｎ／Ｐｂ＝　６３／３７はんだ粒径
　　　３００メツシユ はんだ粒形状　　不定形 金属粒材質　　　銀 金属粒径　　　　３５０メツシユ 金属粒形状　　　不定形 フラックス　　　弱活性ロジン 混合比（体積比） （はんだ粒）：（金属粒）：（フラックス）・９０：１
０：１０５金属粒の体積含有率　　　１０ｖｏｌ％その
後、１２０°Ｃの熱風オーブン中で１０分間予備加熱し
た後、２１５°Ｃ熱風オーブン中で３分間リフローさせ
、ついで１−１−１　１−リクロルエタンで超音波洗浄
して表面のフラックス残留物を除去電極（１）　、（２
）の抵抗接続した回路基板を得た。リフローしたはんだ
はほぼ１００％の収率て２電極間にまたがるようにブリ
ッジされており、接合強度も通常のはんだと比べて何ら
遜色はなかった。また、２３０℃Ｘ　３０　ｓｅ＋：の
条件で再リフローしたところ初期導通のあった接続部は
全て断線の発生はみられなかった。

実施例２ 既知のプリント基板の製法により、第３図に示すような
絶縁基板（３）上の電極（１）及び電極（２）に段差（
１）か０．０６．０．２．０．３５．０．５．０．７　
ｍｍの５通りのプリント基板を用意した。電極（１）、
　、　（２）の距離は０．０８である。

次に、実施例１で用いたはんだペースト■を２つの電極
ｌおよび２上にまたげてように塗布した。

その後、１２０℃の熱風オーブン中で１０分間予備加熱
した後、２１５°Ｃの熱風オーブン中で３分間リフロー
させ、ついで１−１−１　トリクロルエタンで超音波洗
浄して表面のフラックス残留物を除去して第１図（Ｃ）
の如き接続接合を形成したプリント基板を得た。得られ
た接続接合は、はんだがほぼ１００％の収率で第１図（
Ｃ）のように２電極間にまたがるブリッジされており、
接合強度も通常のはんだと比べて何ら遜色はなかった。

２３０℃Ｘ　３０　ｓｅｃの条件で再リフローしたとこ
ろ初期導通のあった接続部は全て断線がみられなかった
。

比較例 実施例１で使用したはんだペース■の代わりにＳｎ／Ｐ
ｂ　＝６３／３７合金のはんだペースト（千住金属工業
（株制、商品名、　５ＰＴ−５５−６３）を用いる以外
は、実施例１及び２と全く同様にして２電極間接合した
プリント基板を得た。接続接合の収率は以下に示すよう
に劣るものであった。

第２図の構造における抵抗接続収率 第３図の構造における抵抗接続収率 実施例３ 第１表に示すはんだペースト■〜■を用いる以外は、実
施例１及び２と全く同様にして電気的接合部を２００ケ
所形成した。なお、各々のペーストのはんだ粒、金属粒
の粒径及び形状、またフラックスの材質ははんだペース
ト■と同様であった。

また、はんだペースト■、■、■、■及び■で使用した
金属粒の表面のメツキ層は無電解メツキによるものであ
る。

いずれの電気的接合部においても、リフローしたはんだ
はほぼ１００％の収率で２電極間にまたがるようにブリ
ッジされており、接合強度も通常のはんだと比べて何ら
遜色はなっかた。また２３００ＣＸ３０ｓｅｃの条件で
再リフローしたところ初期導通のあった接続部は全て断
線の発生はなく、その後の信頼性も良好であった。

以下余白 〔発明の効果〕 本発明によれば、従来の共晶系のはんだのみを使用した
場合に比べて電極間距離の大きい場合の接続接合が可能
となり生産性に優れると同時に電極配置の設計の自由度
を向上させることができる。

本発明のはんだ組成物によれば接続接合の信頼性は従来
のはんだよりもはるかに優れている。しかも従来のはん
だに比べて再リフローによって起こる接続接合の破壊は
はるかに少ない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のはんだ組成物の使用態様を示す、第２
図及び第３図は本発明実施例における電極を説明する斜
視図である。 １−・−電極、２，２“°−“電極、３”′絶縁体、４
　はんだ、４Ａ“°はんだ粒、訃−゛金属粒、６−゛フ
ラックス、７−フラックス残留物、８−はんだ。 特許出願人　　旭化成工業株式会社 第２図 第１ （Ｂ） 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　金属粒とはんだとを含み、前記金属粒は前記はんだの
   固相線温度より高い融点を有し、かつはんだ付け温度に
   おいてはんだ中に実質的に固溶しない金属からなり金属
   粒の表面においてＣｕ又はＣｕ基合金を露出ししておら
   ずかつ前記金属全成分に対する前記金属粒の体積含有率
   が５ｖｏｌ％以上かつ２０ｖｏｌ％以下で含むはんだ組
   成物