JPH08323495A - 鉛フリーはんだ及びそれを用いた実装品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】基板にLSI、部品等を接続するために、最高温
度２２０〜２３０℃でのはんだ付けが可能で、かつ１５
０℃の高温でも機械的強度面で十分な信頼性を有する鉛
フリーはんだ及びそれを用いた実装品を提供することを
目的とする。 【解決手段】上記目的は、Zn：３〜９重量％、Bi：１〜
１６重量％、In：１〜１０重量％、残部がSnから成り、
且つZn＋Bi≧９重量％である鉛フリーのはんだにより達
成される。もしくはZn：４〜７重量％、Bi：５〜１３重
量％、In：１〜７重量％、残部がSnから成り、且つZn＋
Bi≧９重量％である鉛フリーのはんだにより達成され
る。これにより環境に優しく、資源的に安定供給可能
で、コスト高にならず、また、従来のPb‐Sn共晶はんだ
と同等のリフロー温度で従来から使用されている有機基
板に半田付けが可能となる半田を提供できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板にＬＳＩ、部
品等を接続するために、従来のＰｂ−Ｓｎ共晶はんだの
代替用として、はんだ付け温度２２０〜２３０℃ではん
だ付けが可能で，かつ機械的強度でもＰｂ−Ｓｎ共晶と
同等の信頼性を有するＰｂフリ−はんだ組成及びそれを
用いた実装品に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に使用されているプリント基板材質
は大部分はガラスエポキシ製である。ガラスエポキシ基
板の耐熱温度はリフロー炉を用いた場合、最高２２０〜
２３０℃である。これに使用する接続用はんだは、Ｐｂ
−６３重量％Ｓｎ共晶はんだ(融点：１８３℃)、若しく
は共晶近傍で融点も類似なはんだ組成が使用されてお
り、汎用的に用いられているガラスエポキシ基板の耐熱
温度(２３０℃)以内で十分な接続が可能であった。ま
た，高温での信頼性は製品によって異なるが最高１５０
℃まで保証できた。以下、重量％をすべて％と示す。

【０００３】最近、米国では、のざらしに放置された電
気製品からはんだ中に含まれる鉛（以下、Ｐｂと記す）
が酸性雨等によって溶出して地下水に溶け込み、これら
の地下水は飲料水に使用されると人体に悪影響を及ぼす
ことが公表されている。そこで、環境、人体への毒性が
少ないように、Ｐｂを含有しないＰｂフリ−はんだ合金
がクローズアップされている。既に２元系はんだではＳ
ｎ−３.５％Ａｇ(融点２２１℃）、Ｓｎ−５％Ｓｂ(融
点２４０℃）はＰｂフリ−はんだとして使用実績があ
る。しかし、融点が高過ぎるためガラスエポキシ基板の
はんだ付けには使用できない。Ｓｎ−９％Ｚｎ(融点１
９９℃の共晶）は融点は下がるが、一般に使用されてい
るガラスエポキシ基板に電子部品を、２２０〜２３０℃
で大気中でリフローできない。すなわち表面が著しく酸
化されやすく、ＣｕもしくはＮｉに対するぬれ性がＳｎ
−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｓｂ系に比べ低下し、一般に使用して
いるロジン系のフラックス(塩素０.２％含有)を用いて
も、通常の２３０℃のリフロー温度では大気中で母材に
対しほとんどぬれず、はんだ付けが困難であることが分
かっている。

【０００４】他方、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ(代表組成Ｓｎ
−５８％Ｂｉ；融点１３８℃)、Ｓｎ−Ｉｎ系はんだ(代
表組成Ｓｎ−５２％Ｉｎ；融点１１７℃)があるが、融
点が低すぎるためＰｂ−Ｓｎ並みの高温強度を保証でき
ない。従ってこれらの組成はＰｂ−６３％Ｓｎ共晶はん
だ代替用のはんだと言えるものではない。このため、新
たな組合せでの要求を満たす新はんだ材料の開発が要求
されている。

【０００５】一方機械的性質に注目した材料としては、
主成分としてＳｎ，ＡｇにＺｎを添加した無鉛ハンダ材
料が特開平６−２３８４７９号公報に記載されている。
このはんだは、Ｓｎ−Ａｇはんだのはんだぬれ性に対す
る優れた特性を維持しながら機械的強度、クリープ特性
を改善するためにＺｎを加えたものである。しかし、Ｓ
ｎ−３.５％Ａｇ−１％Ｚｎ３元合金の融点はその公報
に記載されている様に約２１５℃であり、従来のＳｎ−
Ｐｂ共晶はんだの代替材料としてガラスエポキシ基板の
はんだ付けにそのまま用いることはできない。

【０００６】以上のように、はんだ付け温度及び強度信
頼性が両立できるＰｂ−Ｓｎ共晶はんだの代替材料は見
あたらない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は従来のガラス
エポキシ基板を中心とする有機基板にＬＳＩ、部品等の
電子部品を高信頼で実装するため、２３０℃以下でリフ
ローまたはフローでき、かつ使用実績のある一般のフラ
ックスでＣｕ導体上、および部品のＳｎ系はんだめっき
端子等に対して十分なぬれ性を確保できる、Ｐｂを用い
ない、Ｐｂ−Ｓｎ共晶はんだの代替用はんだを供給する
ことを目的としている。

【０００８】つまり本発明の目的は、融点は１５０℃程
度での高温での使用に耐えるため固相温度が少なくとも
１５０℃以上、望ましくは１５５℃以上、また、基板、
部品に対する熱影響を小さくするため、液相温度は最高
１９５℃以下とすることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、Ｐｂフリーはんだとして、環境への影響が少なく、
人体への毒性が少なく、資源の枯渇の問題がなく、目的
の溶融温度範囲を持ち、ぬれ性を確保できるＳｎ−Ｚｎ
−Ｂｉ−Ｉｎの４元系はんだをベースにしたはんだ組成
を検討した。この４元系はんだの融点はわかっていな
い。このため、組成と融点(固相温度、液相温度)との関
係、組成とぬれ性、物性、機械的特性等の関係等を明ら
かにする必要があった。本発明のはんだは、Ｚｎが３〜
９％、Ｂｉが１〜１６％、Ｉｎが１〜１０％，残部がＳ
ｎであり、且つＺｎ＋Ｂｉ≧９％であるＳｎ−Ｚｎ−Ｂ
ｉ−Ｉｎ系をベースとした合金、望ましくはＺｎが４〜
７％，Ｂｉが５〜１３％，Ｉｎが１〜７％残部がＳｎで
ある合金、あるいはこれらの合金にＡｇを１〜３％、Ｓ
ｂを１〜３％、Ｃｕを１〜３％のうちいずれか１つもし
くは２種以上を添加してぬれ性、機械的性質を改良した
ものである。また更に、これらのはんだ表面にＳｎまた
はＳｎ合金を１〜１０μｍ、もしくはＡｕを０.２μｍ
以下被覆したものである。

【００１０】はんだ組成を上記に限定した理由は次の通
りである。Ｓｎをベースにした２元系共晶はんだのう
ち、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだの代替材料として、Ｓｎ−Ｐ
ｂ共晶はんだの融点１８３℃に最も近いのはＳｎ−９％
Ｚｎ合金である。しかし、この合金でも融点は１９９℃
であり、またＺｎの表面酸化の問題もあり、前述した如
く従来の大気中、２２０℃〜２３０℃のリフローは難し
い。そこで、このＳｎ−Ｚｎ系合金の融点を低温化させ
ることが可能と考えられる材料でかつ、環境、実績、コ
ストの面で総合的に優れるＢｉ、Ｉｎを添加することで
この問題点を解決することにした。

【００１１】まず、Ｉｎについては、Ｉｎが１０％を超
えると環境に対する耐食性に問題が出てくる。またＩｎ
が多くなるとはんだのコストが高くなり実用的でない。
従ってＩｎの添加量は１０％以下、望ましくは７％以下
におさえる必要がある。また、１％以下になると所定の
効果が得られない。

【００１２】Ｂｉ量についてはＢｉが１７％を超えると
Ｉｎを添加した時に固相温度が１５０℃を下回ってしま
う。更にＢｉを多く添加すると、はんだの脆化を引き起
こす。このためＢｉは１６％以下、望ましくは１３％以
下とした。つまりＢｉが１６％以下であれば固相温度１
５０℃以上を確保でき、１３％以下であれば固相温度１
５５℃以上を確保できるからである。この固相温度１５
０℃を基準としているのは、１５０℃程度の使用状態で
の信頼性を確保するためである。従って固相温度を１５
５℃以上にすれば、１５０℃程度の使用状態での信頼性
をさらに向上させることができる。また、Ｂｉが１％以
上、望ましくは５％以上としたのは、それ以下であれ
ば、液相温度が上昇しすぎてしまうからである。つま
り、ＢｉやＩｎを添加すると全体の液相温度は下降する
ものの、Ｂｉが５％未満（特に１％未満）であれば、本
発明の期待する液相温度：１９５℃以下を実現できない
からである。

【００１３】Ｚｎは酸化されやすく酸化膜は強固であ
り、ぬれ性を劣化させる要因となる。このためＺｎの添
加量はできるだけ少なくする必要がある。Ｚｎは９％以
下であれば、従来のロジン系フラックス（ハロゲン含
有）、Ｎ2雰囲気下で、ぬれ性が確保できる。従ってＺ
ｎ量は９％以下、望ましくは７％以下とした。 Ｚｎ量
は９％以下であれば、O2が１００ppmの場合に必要なぬ
れ性を確保でき、７％以下であれば、O2が１０００ppm
の場合に必要なぬれ性を確保できるからである（図６参
照：図６については後述する）。 Ｚｎを３％以上、望
ましくは４％以上としたのは、それ以下であれば、液相
温度が上昇しすぎてしまい、ＢｉやＩｎを添加したとし
ても、本発明の期待する液相温度：１９５℃以下、固相
温度：１５０℃以上を実現できないからである。

【００１４】前述の如く、Ｚｎ，Ｂｉ，Ｉｎが少ないＳ
ｎリッチの領域では、融点（液相温度）が高くなってし
まうので、Ｓｎ−Ｚｎ系合金にＩｎ、Ｂｉを添加して、
目的の融点域（液相温度：１９５℃以下）に入るには、
Ｚｎは３％以上、Ｂｉは１％以上で且つ、Ｚｎ＋Ｂｉが
９％以上、望ましくはＺｎが４％以上、Ｂｉが５％以上
である必要がある。ここでＺｎ＋Ｂｉを９％以上とした
のは、Ｚｎ＋Ｂｉが９％未満であれば、全体の液相温度
は２０５℃以上となり、Ｉｎを添加したとしても本発明
の期待する液相温度：１９５℃以下を実現できないから
である。

【００１５】以上から、このような組成のはんだ合金は
Ｐｂを含有しないので、環境、人体に対して毒性が少な
く、融点的には２２０〜２３０℃のリフローが可能であ
り、かつ１５０℃付近での接続信頼性も保証でき、ぬれ
性、機械的強度、コストの面に優れたはんだ合金を供給
することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明をさらに詳細に説明
する。

【００１７】図１はＳｎ−Ｚｎ−Ｂｉの３元系はんだの
公知の状態図〔International Critical Tables、2(192
7)、418〕である。全体の概略的な融点(液相温度)の温
度分布は分かるが、詳細な分布、明確な温度等は分かっ
ていないのが実状である。また、液相温度と固相温度と
の関係は不明である。更にこれらＳｎ−Ｚｎ−Ｂｉの３
元系合金にＩｎを添加した４元系はんだについては液相
温度さえも知られていない。そこで、まずＳｎ−Ｚｎ−
Ｂｉ３元系について、固相温度を測定した結果を図２に
示す。合金の作成はそれぞれ材料を正確に秤り取り、Ｎ
2雰囲気中でるつぼ内で加熱し、十分撹拌した後急冷さ
せて行った。融点測定はＤＳＣ（Differential Scannin
g Calorimetry）を用いて２℃／分の昇温速度で行っ
た。図２はＺｎが３，５，７，９％のとき、Ｂｉ量を変
えたときの固相温度である。この結果から、Ｚｎが３〜
９％の範囲で、Ｚｎの量によって固相温度は変わらず、
ほぼＢｉの量によって固相温度が決まることがわかっ
た。Ｂｉは１７％の含有量を超えると固相温度は１５０
℃を下まわってしまう。従って１５０℃での信頼性を確
保するためには、更にＩｎを１％以上添加することを考
えれば、Ｂｉ量は１６％以下、望ましくは固相温度が１
５５℃以上になるように１３％以下である必要がある。

【００１８】次に、Ｉｎ添加の効果を示す。Ｂｉを１０
％、Ｚｎを５％、残りＳｎを混ぜた合金(Ｓｎ−１０％
Ｂｉ−５％Ｚｎ)にＩｎを２、５％添加した時の融点を
図３に示す。Ｓｎ−１０％Ｂｉ−５％Ｚｎ合金では、液
相温度は２０２℃と高いため、ガラスエポキシ基板に対
して、電子部品を２２０〜２３０℃でリフローはんだ付
けすることは困難である。しかし、このはんだ合金にＩ
ｎを添加すると、図３のように固相温度、液相温度とも
に下がり、Ｉｎを５％添加した時には液相温度が１８９
℃、固相温度が１５０℃と目的の融点領域に入ることが
わかった。このように、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ３元系合金に
Ｉｎを添加してゆくと、固相温度、液相温度がともに下
がり、目的の融点領域のはんだ合金が得られることがわ
かった。この結果は、他の組成のＳｎ−Ｚｎ−Ｂｉ合金
についても同様で、Ｉｎ添加により融点が下がる。

【００１９】また、Ｉｎは、はんだのぬれ性を向上させ
る働きをする。Ｂｉを１５％、Ｚｎを５％、残りＳｎを
混ぜた合金(Ｓｎ−１５％Ｂｉ−５％Ｚｎ)にＩｎを１、
３、５％添加した合金について、はんだのぬれ性を測定
した。測定は、直径１ｍｍの各組成のはんだボールをＣ
ｕ板上にのせ、フラックスを塗布し、ホットプレート上
で１００℃／分で液相温度より５０℃高い温度まで加熱
し、凝固後の拡がり面積を測定した。雰囲気は、大気中
で行った。この結果、Ｉｎを加えない合金の拡がり面積
を１００％とすると、１、３、５％添加した合金の拡が
り面積はそれぞれ１０３％、１１０％、１１３％となっ
た。即ち、Ｉｎの添加により、はんだのぬれ性が向上す
る。

【００２０】次に、Ｚｎ，Ｂｉが少ない領域について説
明する。図４は、Ｚｎが５％以下の範囲内で、Ｂｉ量を
変えたときの液相温度である。これから、Ｂｉ量が一定
の時は、Ｚｎが少なくなると液相温度が上昇し、Ｚｎ量
が一定の時はＢｉ量が少なくなると液相温度が上昇する
ことがわかった。また、図５にＢｉ量を１０％に固定し
たときの液相温度と固相温度の温度差を示したが、Ｚｎ
が少なくなると温度差が大きくなる。従ってＩｎを１〜
１０％添加して、目的の融点領域のはんだ合金を得るた
めには、Ｉｎ添加により融点が下がることを考慮する
と、Ｚｎは３％以上、Ｂｉは１％以上で且つ、Ｂｉ＋Ｚ
ｎが９％以上、望ましくはＺｎは４％以上、Ｂｉは５％
以上である必要がある。

【００２１】次に、Ｚｎ量のぬれに及ぼす影響を示す。
図６は、Ｓｎ−１０％Ｂｉ−２％ＩｎにＺｎを添加した
時のはんだの拡がり面積を示した。実験は、組成を変え
たはんだボールをＣｕ板上にのせ、フラックスを塗布
し、ホットプレート上で１００℃／分で液相温度より５
０℃高い温度まで加熱し、拡がり面積を測定した。雰囲
気は、酸素を１００ｐｐｍ以下、及び、１０００ｐｐｍ
以上含む窒素中で行った。はんだボールの大きさは、直
径１ｍｍであり、フラックスはロジン系で塩素を０．２
％含有するものを用いた。この結果から、酸素が１００
ｐｐｍ以下ではＺｎが９％で少しぬれ性が劣化するだけ
だが、酸素が１０００ｐｐｍ以上になるとＺｎが７％で
ぬれが劣化することがわかった。現状の窒素リフロー炉
を用いることなどを考えると、Ｚｎは、９％以下、望ま
しくは７％以下である必要がある。

【００２２】以上のように定められた組成のＳｎ−Ｚｎ
−Ｂｉ−Ｉｎの合金のうち、いくつかの組成の合金につ
いてのはんだ付け性、強度等を述べる。

【００２３】〔実施例１〕Ｓｎ−１０％Ｂｉ−５％Ｚｎ
−５％Ｉｎはんだは、上記の様に目的の融点域にあるの
で、ガラスエポキシ基板に対して電子部品と２２０〜２
３０℃ではんだ付けが可能であり、また高温における信
頼性を確保することができる。このＳｎ−１０％Ｂｉ−
５％Ｚｎ−５％Ｉｎ合金を粒径４０〜５０μｍ程度の粉
末状にして、これにフラックス成分を全体の約１０％混
ぜてはんだペーストを作成した。フラックス成分は溶
剤、ロジン、活性剤、有機ハロゲン、粘稠剤等である。
はんだの粘度は約５０万ｃｐｓに調整した。有機ハロゲ
ン中に含まれる塩素量は約０.１５％とした。このはん
だペーストをガラスエポキシ基板上に約１５０μｍの厚
みになるように印刷し、０.５mmピッチのＱＦＰ(Quad F
lat Package)を搭載して１００ｐｐｍの酸素濃度にした
Ｎ2雰囲気中でリフローした。０.５mmピッチＱＦＰのリ
ードは４２アロイ上にＳｎめっきが７μｍ程度施してあ
る。リフロー温度は予熱が１４０℃約３０秒、本加熱が
２２０℃を３０秒、最高温度は２３０℃とした。このよ
うに上記はんだ合金ではんだ付けしたＱＦＰのリード部
は、従来のＳｎ−Ｐｂ共晶はんだペーストを用いた場合
と比べ、フィレット部の形成が十分とは言えないが実用
上問題のない範囲である。またフラックスの適正化によ
りぬれ性も十分確保される。

【００２４】はんだ付けしたＱＦＰに対して信頼性を確
認するため、−５５℃を３０分、１２５℃を３０分を１
サイクルとする温度サイクル試験を行い、ＳＥＭ（Scan
ningElectron Microscopy）ではんだフィレット部のク
ラックの発生を観察した。この結果５００サイクルでも
僅かなクラックが発生するだけで、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はん
だと同様で寿命に影響を与える程のものではない。ま
た、上記はんだペーストでＱＦＰをはんだ付けした基板
を炭化水素系の有機溶剤で洗浄し、絶縁抵抗を測定した
がＳｎ−Ｐｂ共晶はんだペーストを用いた場合と同程度
の絶縁抵抗が得られた。このようにＳｎ−１０％Ｂｉ−
５％Ｚｎ−５％Ｉｎの合金を用いることにより、Ｐｂを
含有しなくても、従来のＳｎ−Ｐｂ共晶はんだと同様に
はんだ付けが可能であることが確認できた。

【００２５】〔実施例２〕実施例１と同様にＢｉを１３
％、Ｚｎを５％、残りＳｎ(Ｓｎ−１３％Ｂｉ−５％Ｚ
ｎ)合金についてＩｎを添加した例を示す。Ｓｎ−１３
％Ｂｉ−５％Ｚｎ合金では、液相温度は１９４℃、固相
温度は１５７℃であり、ほぼ目的の融点を有するが、更
に液相温度を下げるためにＩｎを３％添加した。このＳ
ｎ−１３％Ｂｉ−５％Ｚｎ−３％Ｉｎ合金においては、
液相温度は１８９℃、固相温度は１５１℃となり、２２
０〜２３０℃でのリフローはんだ付けが可能である。こ
のはんだ合金に対して実施例１と同様にフラックス成分
と混ぜ合わせてはんだペーストを試作した。はんだ付け
性を０.５mmピッチのＱＦＰリードをベーパーリフロー
ではんだ付けした結果、Ｓｎ−Ｐｂ共晶と同様の結果が
得られた。ベーパーリフローはＮ2リフロ−と同様に、
はんだの酸化によるぬれの大幅な低下をおさえることが
できる。

【００２６】〔実施例３〕Ｂｉを１５％、Ｚｎを５％、
残りＳｎであるＳｎ−１５％Ｂｉ−５％Ｚｎ合金に対し
てＩｎを添加してはんだ合金を作成し合金の強度を測定
した。試料はそれぞれの合金を１（ｔ）×２（ｗ）mm×
平行部１０mmの試験片に加工した。

【００２７】引張速度が０.０５mm／minの時の引張強度
を図７に示した。Ｉｎを加えることにより融点を低下さ
せるとともに強度も改善することがわかった。この合金
について、１２５℃で２００時間高温放置をし、同条件
で引張強度を測定したが、高温放置による強度の劣化は
見られなかった。

【００２８】また、Ｂｉが１３％、Ｚｎが５％、残りが
ＳｎであるＳｎ−１３％Ｂｉ−５％Ｚｎ合金にＩｎを添
加したはんだ合金について室温、及び高温での伸び率を
測定した結果を図８に示した。高温での伸び率は、各組
成について１００℃、１２５℃、１５０℃の高温槽内に
放置して十分平衡に達したところで測定を行なった。こ
の結果、Ｉｎの添加により高温での伸びが上昇すること
がわかった。従って、Ｉｎの添加により、接続時の材料
間の熱膨張差によって生じる応力を緩和でき、製品の信
頼性が向上するといえる。

【００２９】このように高温で伸びの良いはんだは、リ
−ドの無い構造、つまり、Ｓｉチップのダイボンディン
グ、ＢＧＡ(Ball Grid Array)、フリップチップ実装の
ようなはんだバンプを用いた構造体、及び、はんだ箔を
用いたモジュ−ル接合等において特に効果がある。これ
は、ＱＦＰ等のようにリ−ドを用いてはんだ付けされる
構造体では、部品、基板材料間の熱膨張差によって発生
する応力が、リ−ドの変形によって吸収され、はんだへ
の影響を小さくすることができる。また、実稼動時のく
り返し応力もリ−ドの変形によって吸収できる。従っ
て、伸びの悪いはんだでも使用可能範囲は広い。しか
し、リ−ドのないはんだのみを介した構造では、熱膨張
差によって発生する応力を、すべてはんだが吸収しなけ
ればならない。このため、伸びの悪い、硬いはんだ材料
では、応力を吸収できず、界面に応力が集中してクラッ
クが発生し、はんだ付け界面での破壊が起こってしま
う。しかし、Ｉｎを添加することにより、高温での伸び
が向上し、且つ柔らかくなるので、はんだにかかる応力
をはんだ内の変形によって吸収できる。また、Ｓｉチッ
プをダイボンドする場合などは、柔らかい接合ができる
ので、Ｓｉチップの破壊を防止できる。従って、特には
んだバンプを用いた実装構造体、及びＳｉチップを接合
する構造体の信頼性向上に寄与できる。

【００３０】〔実施例４〕Ｚｎを７％、Ｂｉを８％、Ｉ
ｎを５％、残りＳｎからなる合金(Ｓｎ−７％Ｚｎ−８％
Ｂｉ−５％Ｉｎ合金)を用いて、約１００μｍのはんだ
ボールを作成した。このはんだ合金は目的の融点領域を
有する。このはんだボールに２μｍのＳｎめっき、Ｓｎ
−Ｂｉめっき及び、Ｓｎ−Ｉｎめっきと３種類の表面処
理を施した。表面処理の前処理として、Ｓｎ−７％Ｚｎ
−８％Ｂｉ−５％Ｉｎ合金を硫酸を含む溶液に浸せきさ
せ表面の酸化膜を完全に除去した。めっきはバレルめっ
きで行った。このように表面処理すると、表面はＳｎも
しくはＳｎ−ＢｉめっきもしくはＳｎ−Ｉｎめっきで覆
われているため、ぬれの阻害原因となるＺｎの溶融時の
酸化が起きにくいため、表面が被覆されていないはんだ
ボールに比べて、基板パッド、部品の端子上のぬれ性を
確保できる。このため、活性の弱い通常のフラックスを
用いて、最高２３０℃の温度でエアーリフローが可能と
なる。このときはんだ上に被覆したＳｎまたはＳｎ−Ｂ
ｉまたはＳｎ−Ｉｎ量はペースト中のはんだ量と比較し
て少ないので、成分はほとんど変化しない。従って、最
終的なはんだ組成の融点は、もとのはんだの融点とほと
んど変わらなかった。この表面処理を施したはんだボー
ルについて２３０℃におけるＣｕ板上でのぬれ拡がり面
積を測定した。フラックスはロジン、及び有機ハロゲン
を塩素が０.１５％になるように添加したイソプロピル
アルコール溶液を用いた。これによるとＳｎめっきまた
はＳｎ−ＢｉめっきまたはＳｎ−Ｉｎめっきを施したは
んだボールの拡がり面積は、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだを１
００％とすると、それぞれ７５％、７４％、７８％であ
り実用化可能なぬれ性を確保でき、被覆をしなかったは
んだボールの６８％よりぬれ性が向上した。

【００３１】同はんだ合金に対してＡｕめっきを０.１
μｍ被覆したはんだボールを同様に作成したが、このは
んだボールも被覆しないはんだボールに比較してぬれが
改善したことを確認した。

【００３２】〔実施例５〕図９に、本発明のはんだをパ
ワ−モジュ−ル実装に適用した例を示す。図９中の
（ａ）はＡｌ2Ｏ3基板、（ｂ）はＣｕ基板を使用した例
である。

【００３３】 １）Ｚｎ８％、Ｂｉ８％、Ｉｎ１０％、残りＳｎ ２）Ｚｎ８％、Ｂｉ５％、Ｉｎ１０％、残りＳｎ ３）Ｚｎ８％、Ｂｉ４％、Ｉｎ１０％、Ａｇ１％、残り
Ｓｎ 上記はんだ箔（ｔ＝０．１〜０．１５ｍｍ厚）１を作
り、蒸着、電子ビ−ム等でメタライズ２を施した１０ｍ
ｍ角のＳｉチップ３を、厚膜のメタライズを施したＡｌ
2Ｏ3基板４、Ｃｕ基板５等にはんだ付けした。Ｓｉチッ
プ３には、Ｃｒ（０．１μｍ厚）−Ｎｉ（１．５μｍ
厚）−Ａｕ（０．１μｍ厚）のメタライズ２を施し、Ａ
ｌ2Ｏ3基板４には、Ｗ−Ｎｉめっき−Ａｕめっきのメタ
ライズ６、Ｃｕ基板５にはＮｉめっき７を施した。はん
だ付けは、窒素雰囲気中で、はんだ箔表面を清浄後、高
温まで安定な酸化防止膜を塗布後に行なった。接合後の
温度サイクル試験（−５５〜１２５℃）での１０００サ
イクル後の特性劣化は、熱膨張係数の差の大きいＣｕ基
板の場合でも少なかった。

【００３４】Ｉｎを１０％入れることで、はんだ自体の
硬さを低減し、高温での伸びを向上させることができ
る。このため、Ｓｉチップに対する応力的負担が少な
く、大形チップでもダイボンドが可能である。はんだ供
給法として、はんだ箔以外にはんだペ−ストでも可能で
ある。はんだペ−ストの粒径は３０〜５０μｍとし、ぺ
−ストのポットライフ向上のため、粒子表面が直接ロジ
ンを接しない処理を施して、接続時に溶けて接合される
工夫を施した。

【００３５】

【発明の効果】以上のように、本発明のＳｎ−Ｚｎ−Ｂ
ｉ−Ｉｎ系はんだは、Ｐｂを含有しないので環境、人体
に対して有害でなく、資源的に安定して供給可能で涸渇
の問題がなく、コスト高にならず、かつ、従来のＰｂ−
Ｓｎ共晶はんだと同等のリフロー温度で従来から使用さ
れているガラスエポキシ基板に、同一のリフロー装置で
はんだ付けできる。本はんだは強度が強く、特に高温で
の強度、耐クリープ強度に優れる。電子部品の継手とし
ても従来のＰｂ−Ｓｎ共晶と同等の信頼性を有してい
る。なお、有機基板をとしてガラスエポキシを対象とし
たが、コンポジット基板、紙フェノール基板、紙エポキ
シ基板、ケプラーエポキシ基板等も耐熱温度としてはガ
ラスエポキシ基板とほぼ同等であることから、適用可能
である。ガラスポリイミド、ケプラーポリイミド、セラ
ミック基板等は耐熱温度は高いので、これらのはんだを
使用しても温度的制約は受けない。

【図面の簡単な説明】

【図１】公知となっているＳｎ−Ｚｎ−Ｂｉ ３元系状
態図(液相温度)を示す。

【図２】熱分析による Ｚｎ：３〜９％、Ｂｉ：０〜３
０％、残りＳｎの範囲内の固相温度を示す。

【図３】熱分析による Ｚｎ：５％、Ｂｉ：１０％、Ｉ
ｎ：２〜５％、残りＳｎの範囲内の液相、固相温度を示
す。

【図４】各Ｂｉ含有量のはんだ合金について，Ｚｎ：０
〜５％の範囲内の液相温度を示す。

【図５】熱分析による Ｂｉ：１０％、Ｚｎ：０〜５
％、残りＳｎの範囲内の固相、液相温度差を示す。

【図６】Ｂｉ：１０％、Ｉｎ：２％、残りＳｎの時、Ｚ
ｎ量のぬれ性に及ぼす影響を示す。

【図７】Ｚｎ：５％、Ｂｉ：１５％、Ｉｎ：０〜５％、
残りＳｎの範囲内の引張強度を示す。

【図８】Ｚｎ：５％、Ｂｉ：１３％、Ｉｎ：０〜２％、
残りＳｎの範囲内の室温、高温伸びを示す。

【図９】本発明のはんだをパワ−モジュ−ル実装に適用
した例を示す。

【符号の説明】

１：はんだ箔 ２：Ｃｒ−Ｎｉ−Ａｕ ３：Ｓｉチップ ４：Ａｌ2Ｏ3基板 ５：Ｃｕ基板 ６：Ｗ−Ｎｉめっき−Ａｕめっき ７：Ｎｉめっき

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石田 寿治 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式 会社日立製作所生産技術研究所内

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｚｎ：３〜９重量％，Ｂｉ：１〜１６重量
   ％，Ｉｎ：１〜１０重量％，残部がＳｎから成り，且つ
   Ｚｎ＋Ｂｉ≧９重量％であることを特徴とする鉛フリ−
   はんだ。
2. 【請求項２】Ｚｎ：４〜７重量％，Ｂｉ：５〜１３重量
   ％，Ｉｎ：１〜７重量％，残部がＳｎから成ることを特
   徴とする鉛フリーはんだ。
3. 【請求項３】電子部品と、該電子部品を実装する基板と
   を、Ｚｎ：３〜９重量％，Ｂｉ：１〜１６重量％，Ｉ
   ｎ：１〜１０重量％，残部がＳｎから成り、且つＺｎ＋
   Ｂｉ≧９重量％である鉛フリーはんだにより接続したこ
   とを特徴とする実装品。
4. 【請求項４】電子部品と、該電子部品を実装する基板と
   を、Ｚｎ：４〜７重量％，Ｂｉ：５〜１３重量％，Ｉ
   ｎ：１〜７重量％，残部がＳｎから成る鉛フリーはんだ
   により接続したことを特徴とする実装品。
5. 【請求項５】請求項１または２記載の鉛フリーはんだに
   おいて，Ｓｂ：１〜３重量％，Ａｇ：１〜３重量％，Ｃ
   ｕ：１〜３重量％のいずれか１つもしくは２種以上含有
   することを特徴とする鉛フリ−はんだ。
6. 【請求項６】前記鉛フリーはんだは、Ｓｂを１〜３重量
   ％，Ａｇを１〜３重量％，Ｃｕを１〜３重量％のいずれ
   か１つもしくは２種以上含有すること特徴とする請求項
   ３または４記載の実装品。
7. 【請求項７】請求項１、２、５のいずれかに記載の鉛フ
   リーはんだにおいて、その表面をＳｎもしくはＳｎを含
   む合金で１〜１０μｍの厚さで覆ったことを特徴とする
   鉛フリ−はんだ。
8. 【請求項８】前記鉛フリーはんだは、その表面をＳｎも
   しくはＳｎを含む合金で１〜１０μｍの厚さで覆ったこ
   とを特徴とする請求項３、４、６のいずれかに記載の実
   装品。
9. 【請求項９】請求項１、２、５のいずれかに記載の鉛フ
   リーはんだおいて、その表面をＡｕあるいはその合金で
   ０.２μｍ以下の厚さで覆ったことを特徴とする鉛フリ
   −はんだ。
10. 【請求項１０】前記鉛フリーはんだは、その表面をＡｕ
    あるいはその合金で０.２μｍ以下の厚さで覆ったこと
    を特徴とする請求項３、４、６のいずれかに記載の実装
    品。