JPH08290288A - 無鉛はんだ - Google Patents
無鉛はんだInfo
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- JPH08290288A JPH08290288A JP9533995A JP9533995A JPH08290288A JP H08290288 A JPH08290288 A JP H08290288A JP 9533995 A JP9533995 A JP 9533995A JP 9533995 A JP9533995 A JP 9533995A JP H08290288 A JPH08290288 A JP H08290288A
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Abstract
系はんだの実用化を目的とする。 【構成】 周期率表において IV族B列にある鉛元素に
隣接して存在し、自然環境中で生ずる化合物が人体に対
して無害であるインジウム,ビスマスおよび錫を組合せ
て二成分はんだを構成し、被処理基板のはんだ付け位置
に金,銀,銅,ニッケル,パラジウム,白金の内の一つ
よりなる濡れ性向上層を設けて使用することを特徴とし
て無鉛はんだを構成する。
Description
配線接続に使用する無鉛はんだに関する。はんだ(Sold
er) は融点が450 ℃以下のろう(鑞)付け用の合金を指
し、軟ろうとも云われており、鉛(Pb )ー錫(Sn )
系合金が代表的なものである。
温度を示し、共晶はんだとして標準的に使用されてお
り、Sn 組成比を10〜90%に変えたものも用途に応じて
使用されている。すなわち、Sn 組成比の大きなもの程
接着性は良好であり、またPbの含有量が少ないので毒
性は少ないものゝ機械的に脆いと云う問題がある。一
方、Pb は単独では硬度(ブリネル硬度)が2.5 〜3と
小さく軟らかいものゝ、合金化することにより硬度が増
し、また、Pb-Sn 系の場合は融点が低くなり、流れが
良くなって金属の狭い隙間までろう付けできると云う特
徴がある。
って、半導体部品と配線基板にパターン形成されている
導体線路との回路接続に使われているが、加熱の影響を
避ける必要がある場合があり、このような場合にはPb-
Sn 系よりも更に融点の低いSn-Cd(カドミウム)-Pb
系やBi(ビスマス)-Sn-Pb 系などが使用されてきた。
されているが、多くのはんだはPbを構成要素とする二
成分系或いは三成分系のものが多い。然し、Pb の使用
は環境衛生の面から、また、トランジスタに対するソフ
トエラーの面からも問題があり、使用が敬遠されつゝあ
る。
板を屋外において雨曝しにしておくと、はんだ中のPb
が溶出して地下水を汚染し、人体に悪影響を及ぼすと云
う問題がある。また、天然のPb は四種類の同位元素す
なわち、204 Pb,206 Pb, 207 Pb,208 Pb の混合物で
あり、Pb はトリウム(Th )崩壊系列,ウラニウム
(U)崩壊系列,アクチウム(Ac )崩壊系列の最終生
成物であることから、α崩壊を伴い、α線を放出するこ
とから、このα線の照射によりトランジスタが誤動作
(ソフトエラー)を生ずると云う問題がある。
種の対策が施されている。例えば廃棄電子機器の野積み
を止めるとか、フリップ・チップ・タイプの半導体集積
回路(IC)の装着は、半球状をしたはんだバンプを多
層回路基板上にパターン形成されているバンプ(Bump)
に位置合わせして融着する装着方法が採られているが、
この場合に、はんだバンプより発するα線によるソフト
エラーを防ぐために、はんだバンプをトランジスタがマ
トリックス状に形成してある活性領域からずらせて周辺
領域に形成し、距離を稼ぐことによってα線の照射を防
ぐなどの方法が行われてきた。
であり、本質的な方法として無鉛はんだの実用化が望ま
れている。
二成分系或いは三成分系のはんだが使用されているが、
殆どのものが、Pb を構成成分として含んでいる。すな
わち、Pb は柔軟な金属であって、溶融はんだの流れを
良くし、狭い隙間に侵入させることができるなどの特徴
から採用されている。然し、Pb は野晒しにすると酸性
雨などの影響により炭酸鉛(Pb CO3 )や硫酸鉛(P
b SO4 )となって溶出し、地下水を汚染すると云う問
題があり、また、はんだバンプを構成するPb からはα
線が照射されてトランジスタを誤動作させると云う問題
があり、これらの問題を無くするために無鉛はんだを実
用化することが課題である。
おいて IV族B列にあるPbに隣接して存在し、自然環
境中で生ずる化合物が人体に対して無害であるインジウ
ム,ビスマスおよび錫を組合せて二成分はんだを構成
し、被処理基板のはんだ付け位置に金,銀,銅,ニッケ
ル,パラジウム,白金の内の一つよりなる濡れ性向上層
を設けて使用することを特徴として無鉛はんだを構成す
ることにより解決することができる。
係数の違いにより生ずる応力を吸収できるような柔軟さ
を有すること、 DIP(Dual-in-line Package) 方式やQFP(Qu
adruped Flat Package)方式をとる半導体装置を装着す
る場合のように高い接合強度をもっていること、 狭い隙間の間にも浸透できるように良好な流れ性を
もっていること、 であり、これらの条件を満たす代表的なものがPb37 S
n63 共晶はんだである。
当たって、Pb の代替となる元素の必要条件を検討した
結果、Pb と類似の性質を示すことが必須条件であり、
これは元素の周期律表においてPb の周囲にあり、且
つ、毒性を有しない金属元素の組合せが適当であると考
えた。
で、元素番号82のPb を囲んで元素番号49のIn,元素番
号50のSn,元素番号51のSb,元素番号81のTl,元素番号
83のBi が存在するが、Tl とSb はPb と同様に化合
物は有毒なことから必要条件から外れ、結局、In,Bi,
Sn の組合せ、すなわち、In-Bi 系、Bi-Sn 系およ
びIn-Sn 系をPb レスはんだの候補として選んだ。そ
して、図2に示すメニスコグラフ試験などを行い、はん
だ付け性を調べた結果、何れの組合せについても良好な
結果を得ることができた。
として共晶はんだが融点が最も低く、また、析出した合
金組成が同一であることから望ましいが、一方、Pb S
n 系はんだにおいて、Sn の組成比10〜90重量%のもの
が使用されているように組成比の異なる二成分合金が次
第に析出し、最終的に共晶合金が析出しても一向に差し
障りない。
明すると、はんだ付けする試験片1にフラックスを塗布
した後、圧力センサを備えたメニスコグラフ試験機に装
着し(1の段階)、同図(A)に示すようにはんだ浴2
の中に挿入すると、当初は溶融はんだが試験片1を弾き
出そうとする反撥力3が現れ(2の段階)、同図(B)
に示すように反撥力3が記録されるが、加温されたフラ
ックスにより試験片1の表面にある酸化膜が除去される
に従って濡れ性を生じて試験片1がはんだ浴2の中への
引き込み力4が生ずる(4の段階)。こゝで、メニスコ
グラフ試験は試験片1をはんだ浴2の挿入した後、試験
片1に加わる力が反撥力3から引き込み力4に変わるま
での時間を濡れ時間として評価する方法である。
はそのまゝでははんだ付けできない金属があり、また、
濡れ性の悪い金属があることからはんだ付け性向上のた
めの予備処理が必要となる。
ローム(Cr )やアルミ(Al )のように表面に不動態
皮膜を備える金属はそのまゝでははんだ付けできない。
また、Pb Sn 系はんだに対して金(Au )は濡れ性は
極めて良好ではあるが、PbSn 系はんだと容易に合金
を作って溶け込む(通称喰われ)と云う問題があり、そ
のために被処理基板のはんだ付け位置には濡れ性向上層
/バリア層/密着性向上層の三層構造の表面処理が行わ
れることが多い。
はスパッタ法や真空蒸着法などの手段によりTi やCr
など、被処理基板との接着性の優れた金属膜を密着性向
上層として形成し、この上にニッケル(Ni )のよう
に、はんだ付け性は良いが融点が高く(Ni の融点は14
55℃)容易にはんだ喰われが生じない金属膜をバリア層
として形成し、更に、この上にAu ,銀(Ag ),銅
(Cu ), パラジウム(Pd ), 白金(Pt )など、は
んだの濡れ性の良い金属膜を濡れ性向上層として形成し
ている。そして、濡れ性向上層/バリア層/密着性向上
層の膜厚は3000Å/1000Å/1000Å程度をとることが多
い。
いても、従来のPb Sn 系はんだに使用されている三層
構造と同様な処理を施した結果、良好なはんだ付け性を
得ることができた。
ハを40×5 mm の寸法に切断した後、このSi 片に密着
性向上層としてチタン(Ti )を1000Åの厚さに、バリ
ア層としてニッケル(Ni )を1000Åの厚さにスパッタ
した後、この上に濡れ性向上層として金(Au ),銀
(Ag )の二種類の金属をスパッタして試験片とし、は
んだ付け性を調べた。
Bi 系状態図において、共晶組成イ(共晶温度72℃) を
示すIn-34wtBi と、In2Bi の合金組成( 融点89℃)
と、In Bi の合金組成( 融点110 ℃) を示す3種類の
はんだ浴について、それぞれの浴温を130 ℃,150℃およ
び160 ℃に保ち、Ag を濡れ性向上層とする試料を用い
てメニスコグラフ試験を行った。
平均値は2.23秒,1.52 秒および1.57秒であって良好な結
果を得ることができた。 実施例2:(Sn-Bi 系) はんだ浴としては、図4に示すSn-Bi 系状態図におい
て、共晶組成イ(共晶温度139 ℃) を示すSn-57wtBi
とSn-79wtBi(融点200 ℃) の2種類のはんだ浴につい
て、それぞれの浴温を190 ℃および265 ℃に保ち、Au
とAg を濡れ性向上層とする試料を用いてメニスコグラ
フ試験を行った。
平均値はAu を濡れ性向上層とする試料については0.52
秒および0.28秒、また、Ag を濡れ性向上層とする試料
については0.42秒および0.32秒であって良好な結果を得
ることができた。 実施例3:(In-Sn 系) はんだ浴としては、図5に示すIn-Sn 系状態図におい
て、共晶組成イ(共晶温度117 ℃) を示すIn-48wtSn
とIn-30wtSn (融点130 ℃) の2種類のはんだ浴につ
いて、それぞれの浴温を190 ℃および180 ℃に保ち、A
u とAg を濡れ性向上層とする試料を用いてメニスコグ
ラフ試験を行った。
平均値はAu を濡れ性向上層とする試料については0.48
秒および0.33秒、また、Ag を濡れ性向上層とする試料
については0.83秒および0.67秒であって良好な結果を得
ることができた。
用したAu を濡れ性向上層とする試料についてメニスコ
グラフ試験を行った結果は濡れ時間の平均値は0.46秒で
あり、これに較べてIn-Bi 系,Sn-Bi 系およびIn-
Sn 系の何れについても同様な結果を得ることができ、
これにより無鉛はんだとして使用できることが明らかに
なった。
Claims (1)
- 【請求項1】 周期律表において IV族B列にある鉛元
素に隣接して存在し、自然環境中で生ずる化合物が人体
に対して無害であるインジウム,ビスマスおよび錫を組
合せて二成分はんだを構成し、被処理基板のはんだ付け
位置に金,銀,銅,ニッケル,パラジウム,白金の内の
一つよりなる濡れ性向上層を設けて使用することを特徴
とする無鉛はんだ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP09533995A JP3185600B2 (ja) | 1995-04-20 | 1995-04-20 | はんだ層 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP09533995A JP3185600B2 (ja) | 1995-04-20 | 1995-04-20 | はんだ層 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH08290288A true JPH08290288A (ja) | 1996-11-05 |
JP3185600B2 JP3185600B2 (ja) | 2001-07-11 |
Family
ID=14134951
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP09533995A Expired - Fee Related JP3185600B2 (ja) | 1995-04-20 | 1995-04-20 | はんだ層 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3185600B2 (ja) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000141079A (ja) * | 1998-09-04 | 2000-05-23 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | 無鉛はんだ合金 |
JP2004202581A (ja) * | 2002-12-24 | 2004-07-22 | Agilent Technol Inc | ハーメチックシールを形成するシステム及び方法 |
US7009299B2 (en) * | 1998-11-20 | 2006-03-07 | Agere Systems, Inc. | Kinetically controlled solder |
WO2010008752A3 (en) * | 2008-06-23 | 2010-03-25 | Williams Advanced Materials, Inc. | Gold-tin-indium solder for processing compatibility with lead-free tin-based solder |
CN108971793A (zh) * | 2018-08-24 | 2018-12-11 | 云南科威液态金属谷研发有限公司 | 一种低温无铅焊料 |
-
1995
- 1995-04-20 JP JP09533995A patent/JP3185600B2/ja not_active Expired - Fee Related
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JP3185600B2 (ja) | 2001-07-11 |
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