JPH09174278A

JPH09174278A - 無鉛はんだ合金およびそれを用いた電子回路装置

Info

Publication number: JPH09174278A
Application number: JP34037795A
Authority: JP
Inventors: Masahide Harada; 正英原田; Yukari Miyazaki; ゆかり宮崎; Tetsuya Nakatsuka; 哲也中塚; Hideyoshi Shimokawa; 英恵下川; Tasao Soga; 太佐男曽我
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-12-27
Filing date: 1995-12-27
Publication date: 1997-07-08

Abstract

(57)【要約】【課題】大形の針状結晶の成長がなく、金属間化合物を
小形化して分散させ、微細はんだ接続部の信頼性を保持
することができる低融点で濡れ性の良好な無公害の新規
な無鉛はんだ合金およびそれを用いて接続した電子回路
装置を提供する。【解決手段】重量％で、６％を超え１１％以下の亜鉛
（Ｚｎ）と、４％以上１２％以下のインジウム（Ｉｎ）
と、０.５％以上３％以下の銀（Ａｇ）、もしくは０.５
％以上３％以下のアンチモン（Ｓｂ）、もしくは上記銀
（Ａｇ）およびアンチモン（Ｓｂ）と、残部が錫（Ｓ
ｎ）および不可避的に混入する不純物からなる無鉛はん
だ合金、およびこのはんだ合金を用いて電子部品を接続
した電子回路装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は鉛を含有しない無鉛
はんだ合金に係り、特に、電子部品の接続、例えばプリ
ント配線基板やセラミック多層基板上へのＬＳＩなどの
半導体装置の接続、または入出力ピンの接続あるいは気
密封止などに好適に使用される無公害の無鉛はんだ合金
およびそれを用いて作製した電子回路装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】錫（Ｓｎ）と鉛（Ｐｂ）からなるはんだ
合金、特に、Ｓｎが６３重量％、Ｐｂが７重量％からな
るはんだ合金は、電子部品の接続に広く用いられてい
る。これは、このはんだ合金の融点が１８３℃と低温で
あること、また接続部分が比較的柔軟であるため、電子
機器のオン／オフごとに接続部に発生する熱ひずみを吸
収することができ、接続部の信頼性を確保できること等
の理由による。ところが、このはんだ合金を用いた電子
機器が地中に廃棄された場合、環境条件によっては人体
に有害なＰｂが溶出し地下水を汚染する。したがって、
Ｐｂなど人体に有害な金属を含まない合金であることが
要望されている。また、電子部品やプリント配線基板の
耐熱性から、この合金は従来のＳｎ−Ｐｂはんだ合金と
同程度の融点を有することが必要である。このような観
点から、Ｐｂを含有しない合金で、かつ、従来のＳｎ−
Ｐｂはんだ合金と同程度の融点を持つはんだ合金として
開発されたものに、米国特許第５２４２６５８号が挙げ
られる。また、融点は従来のＳｎ−Ｐｂはんだより高温
であるが、Ｐｂを含有しない合金で、特に機械的特性を
向上させたはんだ合金として、特開平６−２３８４７９
号公報が挙げられる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来技術である米国特
許５２４２６５８号は、重量（ｗｔ）％で、Ｓｎが７
２.８％以上８９.４％以下、亜鉛（Ｚｎ）６.７％以上
１９.２％以下、インジウム（Ｉｎ）２.７％以上１６.
４％以下を含有する組成からなり、特に、好ましい組成
としてＳｎ８３.６％、Ｚｎ７.６％、Ｉｎ８.８％を挙
げている。この好ましい組成の合金の融点は１８１〜１
８７℃（合金が溶解し始める固相線温度は１８１℃、溶
解が終了する液相線温度は１８７℃）であり、従来のＳ
ｎ−Ｐｂ系はんだ合金の融点と同程度であるので問題は
生じないとしている。ところが、上記合金は、電子部品
のはんだ接続の信頼性において以下に示す問題がある。
すなわち、図９に、Ｓｎ８３.６％、Ｚｎ７.６％、Ｉｎ
８.８％合金の金属顕微鏡写真による凝固組織を示す。
図から明らかなように、長さ数ｍｍに及ぶ大形の針状結
晶１１が成長している。電子部品の微細なはんだ接続
に、この種のはんだ合金を適用した場合には、電子機器
のオン／オフにより、はんだ接続部に発生する熱応力ま
たは熱歪みが、上記大形の針状結晶部に集中して、早期
に応力破壊される恐れがあるので、はんだ接続部の信頼
性を確保することが難しいという問題があった。また、
特開平６−２３８４７９号公報は、機械的特性、特に耐
クリープ特性の改善をはかった、Ｓｎ（残部）−Ａｇ
（１〜６ｗｔ％）−Ｚｎ（０.２〜６.０ｗｔ％）系のは
んだ合金であるが、融点が従来のＳｎ−Ｐｂはんだより
高温である。

【０００４】本発明の目的は、上記従来技術における問
題点を解消し、大形の針状結晶の成長がなく、金属間化
合物を小形化して分散させ、微細はんだ接続部の信頼性
が確保できる低融点で濡れ性が良く、無公害で新規な組
成の無鉛はんだ合金およびそれを用いて接続した電子回
路装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記本発明の目的を達成
するために、本発明は特許請求の範囲に記載のような構
成とするものである。すなわち、本発明は請求項１に記
載のように、重量％で、６％を超え１１％以下の亜鉛
（Ｚｎ）と、４％以上１２％以下のインジウム（Ｉｎ）
と、０.５％以上３％以下の銀（Ａｇ）と、残部が錫
（Ｓｎ）および不可避的に混入する不純物からなる無鉛
はんだ合金とするものである。また、本発明は請求項２
に記載のように、重量％で、６％を超え１１％以下の亜
鉛（Ｚｎ）と、４％以上１２％以下のインジウム（Ｉ
ｎ）と、０.５％以上３％以下のアンチモン（Ｓｂ）
と、残部が錫（Ｓｎ）および不可避的に混入する不純物
からなる無鉛はんだ合金とするものである。また、本発
明は請求項３に記載のように、重量％で、６％を超え１
１％以下の亜鉛（Ｚｎ）と、４％以上１２％以下のイン
ジウム（Ｉｎ）と、０.５％以上３％以下の銀（Ａｇ）
および０.５％以上３％以下のアンチモン（Ｓｂ）と、
残部が錫（Ｓｎ）および不可避的に混入する不純物から
なる無鉛はんだ合金とするものである。また、本発明は
請求項４に記載のように、請求項１ないし請求項３のい
ずれか１項に記載のはんだ合金を用いて電子部品を接続
して電子回路装置とするものである。また、本発明は請
求項５に記載のように、請求項４において、電子部品の
接続は、プリント配線基板またはセラミック多層基板上
への半導体装置の接続、または入出力ピンの接続、もし
くは気密封止した電子回路装置とするものである。本発
明の無鉛はんだ合金は、上記請求項１ないし請求項３に
記載のように、Ｓｎ−Ｚｎ系の合金に、重量％で、Ａｇ
を０.５％以上３％以下、もしくはＳｂを０.５％以上３
％以下、もしくはＡｇおよびＳｂをそれぞれ０.５％以
上３％以下添加することにより、針状結晶の成長の抑
制、または金属間化合物の小形化が可能となり、はんだ
接続部の強度をいっそう向上できる効果がある。

【０００６】本発明のＰｂを含まない無鉛はんだ合金の
成分組成の設定は、以下の考え方に基づくものである。
まず、電子部品のメタライズに対するはんだの濡れ性を
考慮して、母材となる金属をＳｎとした。しかし、Ｓｎ
の融点は２３２℃、作業温度は２６０℃付近と高く、プ
リント板の耐熱限界（２３０℃付近）を超えるという問
題が生じる。したがって、Ｓｎと共晶を形成して融点を
低下させるためにＺｎを添加することを考えた。Ｚｎを
９ｗｔ％添加すると、融点が１９９℃のＳｎ−Ｚｎ共晶
合金となる。しかし、このＳｎ−Ｚｎ共晶合金は、いま
だ融点がやや高く、またＺｎの酸化膜の影響で電子部品
のメタライズに対する濡れ性が悪いため、この融点と濡
れ性の問題を解決するため、インジウム（Ｉｎ）を添加
した。Ｉｎは、この合金の融点を、さらに低下させる効
果と、電子部品のメタライズに対する濡れ性を向上させ
る効果がある。しかし、上述のＳｎ−Ｚｎ−Ｉｎ合金
は、大形の針状結晶を形成し、電子部品のはんだ接続の
信頼性を低下させる問題がある。この点を改善して、は
んだ接続の強度を向上させるために、ＡｇもしくはＳ
ｂ、もしくはその両方を、請求項１ないし請求項３の記
載の範囲に添加含有させるものである。Ｚｎは、Ｓｎと
の共晶で融点を低下させる効果を考慮して、重量％で、
６％を超え１１％以下とした。また、Ｉｎは、電子部品
のメタライズに対する濡れ性を改善し、かつ融点を低下
させるが、多量に添加するとＳｎ−Ｚｎ−Ｉｎ合金の低
融点相（融点１０５℃程度）が出現するので、これを避
け、融点を当初の目的の１８５℃付近とするため、その
添加量を４％以上１２％以下とした。Ａｇは、添加量が
多くなると融点が上昇すると共に、Ｓｎとの大形の針状
結晶を形成するため、０.５％以上３％以下とした。Ｓ
ｂは、添加量が多くなると融点が上昇すると共に、はん
だ合金が硬くなるため、０.５％以上３％以下とした。
本発明の無鉛はんだ合金は、融点、メタライズに対する
濡れ性、針状結晶の抑制および金属間化合物の小形化等
の観点から、より好ましい組成として、重量％で、Ｓｎ
８０〜８２％、Ｚｎ６.５〜８.５％、Ｉｎ９〜１１％、
Ａｇ１.５〜２.５％、またはＳｂ１.５〜２.５％、もし
くはＡｇおよびＳｂをそれぞれ１.５〜２.５％を含むは
んだ合金が挙げられる。さらに、最も好ましい組成とし
て、Ｓｎ８１％付近、Ｚｎ７％付近、Ｉｎ１０％付近、
Ａｇ２％付近、またはＳｂ２％付近、もしくはＡｇおよ
びＳｂをそれぞれ２％付近を含むはんだ合金が挙げられ
る。なお、上記Ｓｎ−Ｚｎ合金に添加する各元素の作用
として、Ｉｎは融点を低下させると共に、電子部品のメ
タライズに対する濡れ性を向上する。また、Ａｇは大形
の針状結晶を小形化し、また、小形のＳｎ−Ａｇ金属間
化合物を形成するので、これがはんだ接続部に分散され
接続強度が向上する効果がある。また、Ｓｂは大形の針
状結晶を小形化するので、はんだの接続強度を向上させ
る効果がある。

【０００７】

【発明の実施の形態】

〈第一の実施の形態〉まず、純度９９.９％のＳｎ、Ｚ
ｎ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ａｇを準備する。これをそれぞれ、重
量％で、Ｓｎ８１％、Ｚｎ７％、Ｉｎ１０％、Ａｇ２％
の割合となるように混合し、窒素の雰囲気中で均一に混
合、溶融し、冷却してインゴットとする。次に、この合
金が当初の目標とした性質を有しているか、否かを検証
する。まず、上記のインゴットの一部を少量削り取り、
示差熱測定装置で合金の融点を測定する。その結果を図
２に示す。固相線温度は１７３℃、液相線温度は２００
℃であり、当初の目標とした１８５℃前後の適正な融点
を有することが分かった。次に、この合金の組織を明ら
かにするため、上記インゴットの一部を鏡面研磨し、金
属顕微鏡で観察した結果を図１に示す。従来例として示
した図９では、大形の針状結晶が存在しているのに対
し、本実施の形態による合金では、金属間化合物１２は
小形化して分散している。電子部品の微細はんだ接続に
おいて、電子回路装置のパワ−のオン／オフごとに、は
んだ接続部に熱歪みや、熱応力が発生する場合には、従
来例で示す大形の針状結晶１１に沿って破壊され易く、
はんだ接続をした電子製品の信頼性は保証されない。こ
れに対し、本発明の無鉛はんだ合金では、小形の金属間
化合物が分散しているため、従来の大形の針状結晶によ
る応力破壊は発生しない。

【０００８】〈第２の実施の形態〉次に、重量％で、Ｓ
ｎ８１％、Ｚｎ７％、Ｉｎ１０％、Ｓｂ２％を含有する
組成のはんだ合金を、第１の実施の形態と同様にして作
製した。このはんだ合金が当初の目標とした性質を有し
ているか、否かを検証する。まず、上記インゴットの一
部を少量削り取り、示差熱測定装置で、合金の融点を測
定した。その結果を図４に示す。図において、固相線温
度は１６２℃、液相線温度は１９２℃であり、適正な融
点を有することが分かった。さらに、上記合金の組織を
明らかにするために、上記インゴットの一部を鏡面研磨
し、金属顕微鏡で観察した結果を図３に示す。図に示す
ように、小形の金属間化合物が分散して存在し、電子部
品の接続信頼性に優れたはんだ合金が得られることが分
かった。

【０００９】〈第３の実施の形態〉重量％で、Ｓｎ８０
％、Ｚｎ７％、Ｉｎ１０％、Ａｇ１％、Ｓｂ２％の組成
からなるインゴットを第１の実施の形態と同様にして作
製した。まず、上記インゴットの一部を少量削り取り、
示差熱測定装置で、合金の融点を測定した。その結果を
図６に示す。固相線温度は１７５℃、液相線温度は１９
９℃であり、適正な融点を有することが分かった。さら
に、この合金の組織を明らかにするため、このインゴッ
トの一部を鏡面研磨し、金属顕微鏡で観察した結果を図
５に示す。図に示すように、小形の金属間化合物が分散
して存在し、はんだ接続の信頼性に優れることが分かっ
た。次に、上記インゴットを粉末にし、フラックスと均
一に混合してクリ−ム状のはんだペ−ストを作製した。
これを、スクリ−ンなどを用いて、プリント配線基板の
はんだ付け用の銅パタ−ン上に塗布し、この上に、対応
する電子部品を配置して窒素雰囲気中、２２０℃で加熱
溶融させることによりはんだ接続した。接続後の電子部
品装置の概観を図７に示す。

【００１０】〈第４の実施の形態〉重量％で、Ｓｎ８１
％、Ｚｎ７％、Ｉｎ１０％、Ａｇ２％の組成からなるイ
ンゴットを第１の実施の形態と同様にして作製した。こ
れを元に、直径が約０.２ミリメ−トルのはんだボ−ル
を作製した。はんだボ−ルを作製する方法は、溶融はん
だをノズルの先端から霧状に吹き出させ、オイル中で冷
却凝固させることにより作製した。次に、はんだボ−ル
を、ＬＳＩのはんだ接続用電極端子に、フラックスと共
に整列搭載し、窒素雰囲気中で約２２０℃に加熱するこ
とにより、はんだバンプを形成した。次に、このはんだ
バンプ付きＬＳＩを、プリント配線基板のはんだ付け用
電極端子の上に、はんだバンプを下にしてフラックスと
共に配置し、窒素雰囲気中で約２２０℃に加熱してはん
だ接続した。接続後の電子部品装置の外観を図８に示
す。本実施の形態では、ＬＳＩをプリント配線基板上に
搭載し接続したが、プリント配線基板の代わりにセラミ
ック多層基板上に搭載接続してもよい。また、搭載する
部品はＬＳＩに限定されるものではない。

【００１１】

【発明の効果】本発明の無鉛はんだ材料は、有害な鉛を
含有していないため安全に使用される。また、従来から
使用されているＳｎ−Ｐｂ共晶はんだ合金と同程度の融
点を有するため、耐熱性の観点から従来の電子部品やプ
リント配線基板に対しても適用できる。さらに、大形の
針状結晶の形成が無く、金属間化合物を小形化して分散
させることができるので、電子部品の微細はんだ接続部
の信頼性を確保することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態で例示した無鉛はん
だ合金の組織を示す金属顕微鏡写真のスケッチ図。

【図２】本発明の第１の実施の形態で例示した無鉛はん
だ合金の示差熱測定結果による融点を示す図。

【図３】本発明の第２の実施の形態で例示した無鉛はん
だ合金の組織を示す金属顕微鏡写真のスケッチ図。

【図４】本発明の第２の実施の形態で例示した無鉛はん
だ合金の示差熱測定結果による融点を示す図。

【図５】本発明の第３の実施の形態で例示した無鉛はん
だ合金の組織を示す金属顕微鏡写真のスケッチ図。

【図６】本発明の第３の実施の形態で例示した無鉛はん
だ合金の示差熱測定結果による融点を示す図。

【図７】本発明の第３の実施の形態で例示した無鉛はん
だ合金を用いて接続した電子回路装置の外観を示す斜視
図。

【図８】本発明の第４の実施の形態で例示した無鉛はん
だ合金を用いて接続した電子回路装置の外観を示す斜視
図。本発明の一実施例のはんだ合金を用いて接続した電
子回路装置の概観図。

【図９】従来の無鉛はんだ合金の組織の一例を示す金属
顕微鏡写真のスケッチ図。

【符号の説明】

１…プリント配線基板２…電子部品３…はんだ接続部４…電子部品５…はんだ接続部６…電子部品７…はんだ接続部８…プリント配線基板９…ＬＳＩ１０…はんだボ−ルによる接続部１１…針状結晶１２…金属間化合物１３…固溶体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者下川英恵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 (72)発明者曽我太佐男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

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、６％を超え１１％以下の亜鉛
（Ｚｎ）と、４％以上１２％以下のインジウム（Ｉｎ）
と、０.５％以上３％以下の銀（Ａｇ）と、残部が錫
（Ｓｎ）および不可避的に混入する不純物からなること
を特徴とする無鉛はんだ合金。
【請求項２】重量％で、６％を超え１１％以下の亜鉛
（Ｚｎ）と、４％以上１２％以下のインジウム（Ｉｎ）
と、０.５％以上３％以下のアンチモン（Ｓｂ）と、残
部が錫（Ｓｎ）および不可避的に混入する不純物からな
ることを特徴とする無鉛はんだ合金。
【請求項３】重量％で、６％を超え１１％以下の亜鉛
（Ｚｎ）と、４％以上１２％以下のインジウム（Ｉｎ）
と、０.５％以上３％以下の銀（Ａｇ）および０.５％以
上３％以下のアンチモン（Ｓｂ）と、残部が錫（Ｓｎ）
および不可避的に混入する不純物からなることを特徴と
する無鉛はんだ合金。
【請求項４】請求項１ないし請求項３のいずれか１項に
記載のはんだ合金を用いて電子部品を接続してなること
を特徴とする電子回路装置。
【請求項５】請求項４において、電子部品の接続は、プ
リント配線基板またはセラミック多層基板上への半導体
装置の接続、または入出力ピンの接続、もしくは気密封
止であることを特徴とする電子回路装置。