JPH0422595A

JPH0422595A - クリームはんだ

Info

Publication number: JPH0422595A
Application number: JP2128403A
Authority: JP
Inventors: Takashi Ebitani; 戎谷　隆; Takashi Kawakubo; 隆川久保
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-05-18
Filing date: 1990-05-18
Publication date: 1992-01-27

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、電子部品の表面実装に用いるはんだ合金を、
はんだ付け作業中に任意の組成に合金化することができ
、はんだ継ぎ手に必要な最終組成合金の固相温度（融点
）より低い温度ではんだ付けすることが可能なりリーム
はんだに関する。

（従来の技術）はんだ付けは、電子部品を電子回路基板に接続し電気回
路を形成する方法として、最も一般的に行われている方
法である。近年、エレクトロニクスの急速な発展による
電子機器の小形化、電子部品や素子のチップ化により、
はんだ付けも微細で、かつ高密度の接続が要求されるよ
うになってきている。

電子部品の高密度実装のためのはんだ付け法としては、
クリームはんだを用いたりフロー法が一般的である。リ
フロー法には加熱方法の違いにより、温風リフロー、赤
外線リフロー、ベーノ（−フェイズソルダリング等の方
法があり、いずれの方法もプリント基板のランド上にク
リームはんだを印刷により塗布し、その上に電子部品を
載せた後、はんだを溶して基板との接続を行う方法であ
る。

上記リフロー法で使用するクリームはんだとしては、は
んだ金属として融点が１８３℃の６３重量％５ｎ−Ｐｂ
共晶合金粉末を用い、これとペーストとを均一に混合し
たものが一般的に用いられており、リフロー温度（はん
だ付け温度）は上記はんだ金属の融点プラス５０℃とい
うように、はんだ金属の融点＋ａ℃が一つの目安となっ
てきた。

ところが、耐熱性に乏しい電子部品の高密度実装時にお
いては、上述した従来のはんだ合金を用いたはんだ付け
てはりフロー温度が高く、はんだ付け時に電子部品が熱
劣化することによって、不良発生率が高くなるという問
題があった。また、電子部品のリートや電極かはんだ金
属中に溶は込む銅くわれ現象や、銀電極や銀メツキを施
した電子部品の場合、銀がはんだ金属中に溶は込む銀く
われ現象を起こし、はんだ付け強度を著しく低下させて
しまうという問題があった。

そこで、従来から融点（固相温度）の低いはんだ合金に
関する各種の提案がなされており、たとえばＢ１−Ｐｂ
−３ｎ系（特開昭５８−２１８３９４号公報参照）、Ｂ
Ｂｌ−Ｐｂ−３ｎ−Ａ系（特開昭６１−８２９９４号公
報参照）等が知られている。これらのはんだ合金は、最
も多く使用されている　５ｎ−Ｐｂ共晶はんだより固相
温度（融点）が低く、クリームはんだのはんだ合金とし
て使用した場合、リフロー温度を５ｎ−Ｐｂ共晶はんだ
を使用した場合より低下させることができる。

しかし、最近の電子機器の小形化、両面実装化、半導体
パッケージの薄型化等により、上述したようなはんだ合
金を用いたはんだ付けにおいても、はんだ付け温度が高
く、電子部品の信頼性に大きな影響を与えるという新た
な問題が生じてきた。

さらに、上述したようなはんだ合金は、合金系か三元系
あるいは四元系と多元系であるため、組成の調整など製
造上の難しさもあった。

また、従来のはんだ合金より融点が低いＢｉ系の合金と
しては、Ｂｔ−８ｎ二元共晶（融点１３８℃）合金、Ｂ
１−Ｐｂ二元共晶（融点１２４℃）合金、Ｂ１−３ｎ−
Ｐｂ三元共晶（融点９５℃）合金等が知られており、既
にＢ１−３ｎ共晶組成を使用したクリームはんだは市販
されている。しかしなから、Ｂ１−８ｎ共晶合金は、５
ｎ−Ｐｂ共晶はんだに比べると機械的強度には優れるも
のの、伸びがなく、延性に乏しいことから、繰返し応力
を受けるような接合部には不向きであると共に、ぬれ性
がやや劣っていた。また、Ｂ１−Ｐｂ共晶合金は、Ｓｎ
を含まないことから、プリント基板上のＣｕランドとの
間で金属間化合物を生成せず、そのためにぬれ性が悪く
、電子部品の接続を行うことができない。Ｂｔ−３ｎ−
Ｐｂ共晶合金は、ぬれ性、延性とも優れているものの、
機械的強度が低く、電子部品の接続強度や信頼性の点て
難点かあった。このように、従来はんだ合金より融点の
低い合金系においても各種の問題を有していた。

一方、はんだ接続部の多様化に伴い、使用するはんだは
少量・多品種となり、はんだ付け温度の管理やクリーム
はんだの保存等の問題も生じていた。例えば電子機器の
使用環境も、寒冷地で使われるなど苛酷となってきてい
るが、Ｓｎは温度が低くなると同素変態を起こすことが
知られており、はんだ中のＳｎか同素変態を起こすと、
はんだの性質も変わり事故の原因となることがある。す
なわち、室温では白色銀と呼ばれるβ−９ｎが、極低温
では灰色錫と呼ばれる脆いα−９ｎに変態する。この変
態温度は１３．２℃にあるが、変態速度が遅く実際には
一４５℃でその速度が最大となる。したかつて、はんだ
が極低温の環境に置かれると、その主成分であるＳｎが
変態を起こし、はんだの機械的性質を著しく低下させ、
思わぬ事故を起こすことがあった。

（発明か解決しようとする課題）上述したように、電子機器の小形化、電子部品や素子の
チップ化による高密度実装化に伴い、低い温度ではんだ
付けができ、ぬれ性が良く、優れた機械的性質を有する
はんだ継ぎ手か得られるクリームはんだの開発が強く要
望されている。さらに、上記条件を満足した上て、銀く
われや銅くわれを防止したり、低温脆化を防止したクリ
ームはんだの開発か要望されている。

本発明は、このような課題に対処するためになされたも
ので、はんだ付け温度を低く維持した上で、ぬれ性の悪
いはんだのぬれ性の改善、機械的性質の劣るはんだの機
械的性質の改善等をはんだ付け作業中に行うことかでき
るクリームはんだを提供することを目的としており、さ
らに銀くわれや銅くわれを防止したり、低温脆化を防止
することが可能なりリームはんだを提供することを目的
としている。

［発明の構成］（課題を解決するだめの手段と作用）すなわち本発明のクリームはんだは、はんだ金属と、フ
ラックスとを含有するクリームはんだにおいて、前記は
んだ金属は、少なくとも２種類以上の金属粉末からなり
、前記複数の金属粉末は、はんだ付け作業中に該金属粉
末どうしが合金化することにより、はんだ継ぎ手に必要
な最終組成合金か得られるよう組合わされており、かつ
前記複数の金属粉末の少なくとも　１種は、前記最終組
成合金の固相温度より低い融点を有していることを特徴
としている。

また、本発明のクリームはんだは、上記はんだ金属がは
んだ継ぎ手に必要な最終組成として、旧を２０〜３５重
ｆｆ１９６、Ｓｎを３０〜４０重量％含有し、残部が実
質的にＰｂからなる組成を満足することを特徴としてい
る。

さらに、上記クリームはんだにおいて、上記はんだ金属
が最終組成として、０，３〜３，５重量％のＡｇ、　　
０．１〜３．５重量％のＣｕ、　　０．２〜３．５重量
％のＳｂの少なくとも　１種（ただし、Ａｇ、　Ｃｕｓ
　Ｓｂの合計量は３．５重量％以下）をさらに含むこと
を特徴としている。

本発明のクリームはんだに用いるはんだ金属は、少なく
とも２種類以上の金属粉末、例えば純金属粉末や合金粉
末を、はんだ付け作業中にこれら金属粉末とうしか合金
化することにより、はんだ継ぎ手に必要な最終組成合金
が得られるよう組合わせたものである。そして、本発明
のクリームはんだかその機能を十分に発揮するためには
、上記複数の金属粉末の少なくとも　１種の融点（固相
温度）が、最終組成の融点（固相温度）より低い必要が
ある。これにより、はんだ継ぎ手に必要な最終組成合金
の融点（固相温度）以下の温度ではんだ付け作業を行う
ことが可能となる。

本発明における複数の金属粉末の組み合わせの具体例と
しては、融点は低いかぬれ性の悪いＢｉ−Ｐｂ二元共晶
合金と、純Ｓｎあるいは５ｎ−Ｐｂ合金との組合わせや
、機械的性質はやや劣るが融点がＢ１−８ｎ−Ｐｂ三元
系で最も低いＢ１−８ｎ−Ｐｂ三元共晶合金と、純りｎ
、純Ｐｂあるいは５ｎ−Ｐｂ合金との組合わせ等が例示
される。

上記Ｂ１−Ｐｂ二元共晶合金（融点１２４℃）粉末と、
純Ｓｎ粉末あるいは５ｎ−Ｐｂ合金粉末との組合わせに
おいては、この金属粉末の組合わせでクリームはんだを
構成した場合、リフロー時の基板加熱により低融点のＢ
１−Ｐｂ三元共晶合金の溶融、クリームはんだ中のＳｎ
と上記Ｂ１−Ｐｂ合金との合金化、あるいは５ｎ−Ｐｂ
合金と旧−Ｐｂ金合金の合金化、プリント基板上のＣｕ
ランドとＳｎとの反応が相次いで起こり、Ｂ１−Ｐｂ三
元共晶合金のぬれ性を改善しつつ、はんだ付け継ぎ手に
必要な最終組成のＢ１−３ｎ−Ｐｂ系のはんだ合金の融
点より低い、Ｂ１−Ｐｂ二元共晶合金の融点＋１０〜２
０℃程度の低温で、はんだ付けが可能となる。

また、Ｂｊ−８ｎ−Ｐｂ三三元共晶金合金融点９５℃）
粉末と、純Ｓｎ粉末、純Ｐｂ粉末あるいは５ｎ−Ｐｂ合
金粉末との組合わせにおいては、この金属粉末の組合わ
せでクリームはんだを構成した場合、リフロー時の基板
加熱により融点の低いＢ１−８ｎ−Ｐｂ三元共晶合金の
溶融、クリームはんだ中のＳｎ、　Ｐｂあるいは５ｎ−
Ｐｂ金合金Ｂ１−３ｎ−Ｐｂ合金との合金化が相次いで
起こり、Ｂ１−８ｎ−Ｐｂ三元共晶合金の機械的性質の
改善を低温はんだ付け作業中に改善することができる。

また、上述したはんだ金属中に必要に応じて、予めＡｇ
５Ｃｕ、　Ｓｂ等を合金化させたり、上記はんだ金属粉
末とＡｇ粉末、Ｃｕ粉末、Ｓｂ粉末等を混合させてクリ
ームはんだとしてもよい。例えば八ｇの添加は、はんだ
付け作業中に他のはんだ金属とＡｇとの合金化が起こる
ことによって、銀くわれ現象を防止し、またＣｕの添加
は同様な合金化により、銅くわれ現象を防止し、さらに
Ｓｂの添加は同様な合金化により、低温脆化現象を防止
する。

なお、本発明におけるはんだ金属は、上述したＢｉを含
む５ｎ−Ｐｂ系の低温はんだに限定されるものではなく
、例えばＰｂ−３ｎはんだ粉末とＡｇ粉末、Ｐｂ−３ｎ
はんだ粉末とＡｇ粉末およびＩｎ粉末、　Ｐｂ−８ｎは
んだ粉末とＡｇ粉末およびＣｕ粉末、５ｎ−Ｐｂはんだ
粉末とＡｇ粉末、Ａｕ−Ｇｅ粉末とＳｂ粉末等でもよく
、さらに三元系、四元系の合金粉末に、二元系、三元系
の合金粉末というような多元系同志の組合わせでもよい
。

また、使用するはんだ金属粉末としては、粒度か１．０
０メツシユ以下のものが好ましく、これによりはんだ付
け作業性のよいクリームはんだが得られる。はんだ金属
粉末の形状は、球状、不定形のどちらでもよく、また表
面が酸化していないことが望ましい。

本発明のクリームはんだにおけるはんだ金属のの合計組
成、換言すればはんだ付けにより得られるはんだ継ぎ手
の最終組成を上述した範囲に限定したのは、以下の理由
による。

ビスマス（Ｂｉ）は、はんだ自体の融点を低下させる効
果があり、少なくとも２０重量％の含有か必要であるが
、過剰に含まれるとはんだ継ぎ手の機械的性質、特に延
性を低下させることから３５重量％以下とする。

錫（Ｓｎ）は、はんだ継ぎ手の機械的性質、ぬれ性、は
んだ付け作業性を向上させるために、３０重量％以上の
含有が必要であるが、過剰の添加ははんだ付け時の融点
上昇につながるので、４０重量％以下とする。

銀（Ａｇ）は、電極および電子部品のリードの銀メツキ
部の銀くわれ現象を防止するものであり、上記効果を得
るためには、０．３重量％以上含有させることが好まし
いが、過剰の添加は融点を上昇させると共にコストの上
昇につながることから、３．５重量％以下とする。

銅（Ｃｕ）は、電極および電子部品のリードの銅くわれ
現象を防止するものであり、上記効果を得るためには、
０，１％以上含有させることが好ましいが、過剰の添加
は融点を上昇させることがら、３．５重量％以下とする
。

Ｓｂ（アンチモン）は、はんだの低温での脆化を防止す
るするものであり、上記効果を得るためには、０．２％
以上含有させることが好ましいが、過剰の添加は融点を
上昇させることから、３．５重量％以下とするか、望ま
しくは０．２重量％〜０．５重量％の範囲である。

また、Ａｇ、　ＣｕＳＳｂの合計量を３．５重量％以下
としたのは、合計量か３．５重量％を超えると融点の上
昇につなかるためである。

一方、本発明のクリームはんだに用いるフラックスとし
ては、ロジン系フラック、ザーシンフラックス、有機酸
系フラックス、合成活性フラックス等の一般のはんだ付
け用のフラックスでよく、特殊なフラックスを必要とし
ない。

（実施例）以下、本発明のクリームはんだの実施例について説明す
る。

まず、第１表に示す合金組成を有するＢ１−Ｐｂ共晶合
金、Ｂｊ−３ｎ−Ｐｂ共晶合金、５ｎ−Ｐｂ共晶合金を
それぞれ溶解炉により溶製した後、アトマイズ法により
それぞれ共晶合金の粉末を作製した。次いて、得られた
共晶合金粉末をふるいにより　２００メツシユ以下の粉
末に選別し、はんだ金属粉末とした。

また、同様な方法によりＳｎ粉末およびＰｂ粉末を作製
した。なお、へｇ粉末、Ｃｕ粉末、Ｓｂ粉末は市販の粉
末（粒度１００メツシユ以下）を用いた。

第　　１　　表＊：共晶組成。

実施例１〜１６上述した各はんだ金属粉末を選択して用い、第２表に示
すように、それぞれ最終組成が２０〜３５重量％Ｂｉ、
　３０〜４０重量％Ｓｎ、残部が実質的にＰｂとなるよ
うに混合した後、それぞれロジン系のフラックスとフラ
ックス含有量が９〜２０重量％となるように均一に混合
して、複数のクリームはんだを作製した。

また、表中の比較例１はＢ１−Ｐｂ共共合合金粉末みに
より製造したＳｎを含有しないクリームはんだであり、
比較例２．３は市販のクリームはんだである。

次に、第２表に示す各クリームはんだをそれぞれ用い、
以下に示す特性評価を行った。

ぬれ性試験は、３ｍｍ　Ｘ　１０ｍｍのランドを設けた
カラスエポキシ基板に、各クリームはんだを厚さ２００
、ｃｚ＋ｎで印刷により塗布し、Ｎ２　　（１５４）　
／＋ｊｎ）雰囲気中にて２５０℃で１０秒間処理して行
った。その結果を第２表に示す。

次に、ぬれ性の良好な結果か得られた各試料を用いて、
はんだ接合部のせん断試験を行い、接合部の強度を調べ
た。せん断試験は、ぬれ性試験に用いたガラスエポキシ
基板を、クリームはんだ量２００μｍ、２００℃で１０
秒間、Ｎ２　　（１５Ｆ　７ｍ１ｎ）雰囲気中で突合せ
、はんだ付けした後にせん断用治具にエポキシ系の接着
剤で接着し、引張り速度０．１ｍｍ／ａ＋ｉｎで行った
。その結果を第２表に併せて示す。

（以下余白）第表本ぬれ性、◎−良好、Ｏ−やや劣る、×−悪い。

（以下同じ）第２表の結果から明らかなように、クリームはんだ中に
Ｓｎを含まない比較例１は、全くぬれ性を示さない。ま
た、比較例２の市販のクリームはんだによるはんだ接合
部のせん断強さは、最も大きな値を示したが、ぬれ性が
実施例による試料に比べて劣っている。さらに、比較例
３は最も一般的な５ｎ−Ｐｂ共晶はんだを用いたクリー
ムはんだであるか、このクリームはんだはぬれ性はよい
が、せん断強さがやや劣っており、融点が実施例の試料
に比べ高いため、低温でのはんだ付けには向かないこと
が分る。これらに対し、本発明の各実施例によるクリー
ムはんだは、ぬれ性がよく、優れたはんだ付け作業性を
示し、またせん断強さも５ｎＰｂ共品はんだと同等以上
と機械的性質にも優れており、電子部品のはんだ付けに
用いるクリームはんだとして適していることか分る。

実施例１７〜２０上記実施例１と同様にして、第１表に示した各はんだ金
属粉末を選択して用い、第３表に示すように、最終組成
が２０〜３５重量％Ｂｉ、　３０〜４０重量％Ｓｎ、　
　０．３〜３．５重量％Ａｇ、残部が実質的にＰｂとな
るような複数のクリームはんだを作製した。

次に、第３表に示す各クリームはんだをそれぞれ用い、
前述した実施例と同様な方法で、ぬれ性試験およびせん
断強さの測定を行った。また、以下に示す要領で、銀く
われ防止効果を評価した。

実施例１７．１９および比較例２．３のクリームはんだ
に用いた混合粉末を使用し、２５０℃のはんだ槽に銀電
極を焼き付けしたセラミックスコンデンサを浮かべ、銀
電極がはんだ中にくわれて消失するまでの時間を測定し
て、銀くわれ防止効果を評価した。

それらの結果を第４表に示す。

（以下余白）第表第表第４表の結果から明らかなように、本発明の各実施例に
よるクリームはんだは、前述した実施例によるものと同
様に、ぬれ性がよく、優れたはんだ付け作業性を有し、
またせん断強さも５ｎ−Ｐｂ共晶はんだと同等以上と機
械的性質にも優れており、さらに銀くわれも有効に防止
でき、電子部品のはんだ付けに用いるクリームはんだと
して適していることが分る。

実施例２１〜２４上記実施例１と同様にして、第１表に示した各はんだ金
属粉末を選択して用い、第５表に示すように、最終組成
か２０〜３５重量％Ｂｊ、　３０〜４０重量％Ｓｎ、　
　０．１〜３．５重量％Ｃｕ、残部が実質的にＰｂとな
るような複数のクリームはんだを作製した。

次に、第５表に示す各クリームはんだをそれぞれ用い、
前述した実施例と同様な方法で、ぬれ性試験およびせん
断強度の測定を行った。また、以下に示す要領で、銅く
われ防止効果を評価した。

実施例２１．２３および比較例２．３のクリームはんだ
に用いた混合粉末を使用し、２５０℃のはんだ槽に０．
１１φの銅線を浸漬し、銅線がはんだ中にくわれて消失
するまでの時間を測定して、銅くわれ防止効果を評価し
た。

それらの結果を第６表に示す。

（以下余白）第表第表第６表の結果から明らかなように、本発明の各実施例に
よるクリームはんだは、前述した実施例によるものと同
様に、ぬれ性がよく、優れたはんだ付け作業性を有し、
またせん断強さも５ｎ−Ｐｂ共品はんだと同等以上と機
械的性質にも優れており、さらに銅くわれも有効に防止
でき、電子部品のはんだ付けに用いるクリームはんだと
して適していることが分る。

実施例２５〜２８前述した実施例１と同様にして、第１表に示した各はん
だ金属粉末を選択して用い、第７表に示すように、最終
組成が２０〜３５重量％Ｂ１．３０〜４０重量％Ｓｎ、
　　０．２〜３．５重量％Ｓｂ、残部が実質的にＰｂと
なるような複数のクリームはんだを作製した。

次に、第７表に示す各クリームはんだをそれぞれ用い、
前述した実施例と同様な方法で、ぬれ性試験およびせん
断強さ強度の測定を行った。また、以下に示す要領で、
低温脆化防止効果を評価した。

実施例２５．２７および比較例２．３のクリームはんだ
に用いた混合粉末を使用し、２５０℃のはんだ槽より各
はんだを内径５■、長さ　３００ｇｖの耐熱ガラス管に
真空吸引鋳造して得られた丸棒を、ドライアイスを混入
したエタノール中で曲げ試験を行い、割れの有無により
低温脆化防止効果を評価した。

それらの結果を第８表に示す。

（以下余白）第表第表第８表の結果から明らかなように、本発明の各実施例に
よるクリームはんだは、前述した実施例によるものと同
様に、ぬれ性かよく、優れたはんだ付け作業性を有し、
またせん断強さも５ｎ−Ｐｂ共晶はんだと同等以上と機
械的性質にも優れており、さらに低温脆化も有効に防止
でき、電子部品のはんだ付けに用いるクリームはんだと
して適していることが分る。

実施例２９〜３２前述した実施例１と同様にして、第１表に示した各はん
だ金属粉末を選択して用い、第９表に示すように、最終
組成が２０〜３５重量％Ｂ１．３０〜４０重量％Ｓｎ、
および０．３〜３．５重量％Ａｇ、　　０．１〜３．５
重量％Ｃｕ、　　０．２〜３．５重量％Ｓｂの少なくと
も　２種、残部が実質的にＰｂとなるような複数のクリ
ームはんだを作製した。

次に、第９表に示す各クリームはんだをそれぞれ用い、
前述した各実施例と同様な方法で、ぬれ性試験、せん断
強さの測定、銀くわれ防止効果、銅くわれ防止効果、低
温脆化防止効果の各評価を行った。

それらの結果を第１０表に示す。

（以下余白）第表第表［発明の効果コ以上説明したように本発明によるクリームはんだは、極
めて優れたはんだ付け作業性を有し、かつはんだ接合部
の機械的特性も良好なことから、電子部品の実装等に際
して有用なりリームはんだを提供することが可能となる
。

出願人　　　　　　株式会社　東芝

Claims

【特許請求の範囲】

（１）はんだ金属と、フラックスとを含有するクリーム
はんだにおいて、前記はんだ金属は、少なくとも２種類以上の金属粉末か
らなり、前記複数の金属粉末は、はんだ付け作業中に該金属粉末
どうしが合金化することにより、はんだ継ぎ手に必要な
最終組成合金が得られるよう組み合わされており、かつ
前記複数の金属粉末の少なくとも１種は、前記最終組成
合金の固相温度より低い融点を有していることを特徴と
するクリームはんだ。
（２）はんだ金属と、フラックスとを含有するクリーム
はんだにおいて、前記はんだ金属は、はんだ継ぎ手に必要な最終組成とし
て、Ｂｉを２０〜３５重量％、Ｓｎを３０〜４０重量％
含有し、残部が実質的にＰｂからなる組成を満足するこ
と特徴とするクリームはんだ。
（３）請求項２記載のクリームはんだにおいて、前記は
んだ金属は、前記最終組成として、０．３〜３．５重量
％のＡｇ、０．１〜３．５重量％のＣｕ、０．２〜３．
５重量％のＳｂの少なくとも１種（ただし、Ａｇ、Ｃｕ
、Ｓｂの合計量は３．５重量％以下）をさらに含むこと
を特徴とするクリームはんだ。
（４）請求項２または請求項３記載のクリームはんだに
おいて、前記はんだ金属は、少なくとも２種類以上の金属粉末か
らなり、前記複数の金属粉末は、はんだ付け作業中に該金属粉末
どうしが合金化することにより、はんだ継ぎ手に必要な
最終組成合金が得られるよう組み合わされており、かつ
前記複数の金属粉末の少なくとも１種は、前記最終組成
合金の固相温度より低い融点を有していることを特徴と
するクリームはんだ。