JPH11114667A

JPH11114667A - 金属部材の接合方法及び接合体

Info

Publication number: JPH11114667A
Application number: JP9279205A
Authority: JP
Inventors: Kimihiro Tadauchi; 仁弘忠内; Izuru Komatsu; 出小松; Koichi Tejima; 光一手島; Rikiya Kato; 力弥加藤; Atsushi Sugimoto; 淳杉本; Takamasa Suzuki; 孝征鈴木; Mitsuyoshi Hirayama; 充芳平山
Original assignee: Toshiba Corp; Senju Metal Industry Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Senju Metal Industry Co Ltd
Priority date: 1997-10-13
Filing date: 1997-10-13
Publication date: 1999-04-27
Anticipated expiration: 2017-10-13
Also published as: US6220501B1; JP3311282B2

Abstract

(57)【要約】【課題】鉛を含まないハンダを用いたハンダ付けを可
能とする。【解決手段】金属部材の表面に錫及び亜鉛からなるプ
リコートを被覆し、錫及び亜鉛からなるハンダとフラッ
クスとを含有する混合物を介してプリコートを有する金
属部材を互いに接触させながら加熱してフラックスを除
去しハンダを溶融させ、溶融したハンダを固化して該金
属部材を接合する。プリコートの亜鉛含有率及びハンダ
の亜鉛含有率は図１の線Ｂが包囲する範囲内の値（ｘ，
ｙ）となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鉛を含有しない導
電性接合材を用いた電気又は電子部品の接合方法及び接
合された接合体に関する。詳細には、錫／亜鉛ハンダの
ソルダーペーストを使用して回路基板等の電気又は電子
部品を接合する接合方法及び電気又は電子部品の接合体
に関する。

【０００２】

【従来の技術】ハンダ付けは、融点が比較的低い物質を
用いて物体同士を接合する技術であり、古くから用いら
れ、その起源は古代メソポタミア文明に遡ることができ
ると言われている。現代の産業において、ハンダ付けは
電子機器の接合、組立に幅広く使用されている。例え
ば、実装基板においては、半導体、マイクロプロセッサ
ー、メモリー、抵抗などの電子部品を基板に実装するた
めの接合等に用いられている。ハンダ付けの長所は、部
品を基板に固定するだけでなく、ハンダに含まれる金属
の導電性により電気的接続が形成されることであり、こ
の点において有機系の接着剤と異なる。

【０００３】一般的に用いられるハンダは、錫と鉛とに
よる共晶ハンダで、その理論共晶点が１８３℃であり、
基板等の接合に用いられる。錫／鉛共晶ハンダは、多く
の熱硬化性樹脂がガス化を始める温度よりも低いため、
プリント基板などを熱によって損傷しなくて済むという
特長を有している。また、この共晶ハンダは、錫成分が
銅板の界面で特有の金属化合物層を形成し、ハンダと銅
の接着力をより強固にすることも知られている。

【０００４】このような特長を備えた錫と鉛による共晶
ハンダは、電子機器の製造における部品の接合、組立に
おいて重要なものである。厚膜形成、導体回路形成及び
半導体実装のような微細なハンダ付け処理においては、
ハンダ粉末とフラックスとを混合したペースト状のソル
ダーペーストを用いたスクリーン印刷方式等が用いられ
ており、パーソナルコンピューター、携帯電話やポケッ
トベルなどに代表されるパーソナル機器の急激な普及が
進むにつれ、電子部品の実装技術におけるハンダの需要
は益々増大している。

【０００５】電子機器の普及は、人々の生活を豊かにし
ている。しかし、その反面、使用しなくなった電子機器
が多量に廃棄されていることも事実であり、廃棄物によ
り環境汚染が起きることが危ぶまれている。このため、
廃棄物のリサイクル使用や有害性の高い物質を用いない
製造方法が提唱されている。特に、有害性の高い物質の
排除は、環境汚染を未然に防ぐという観点から望まし
く、ハンダによる接合技術においても開発が必要と考え
られている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】錫／鉛共晶ハンダは、
母材に対する濡れ性が他の金属混合物よりも優れている
という特質を有するが、このハンダに含まれる鉛は、廃
棄された電子機器を埋め立て処分した場合、長年に渡っ
て酸性雨などに晒されることにより鉛イオンが土壌中へ
溶出して毒性が問題となることが懸念されている。これ
を解決するために、鉛を固定化する技術が提案されてい
るが、土中への拡散について長期にわたる十分なデータ
は得られていない。さらに、最近のメモリ素子の高密度
化に従い、鉛の放射線（α線）による電子機器の損傷が
クローズアップされており、半導体装置における高密度
実装への対応の面からも鉛の使用に対して見直しが必要
となっている。

【０００７】このような状況から、鉛を含まないハンダ
を用いた接合技術が必要とされている。ところが、鉛を
他の金属に代えたハンダや別の金属の組合せによるハン
ダは、濡れ性が非常に劣り、満足な接合性を発揮しな
い。例えば、錫と亜鉛とのハンダ、錫と銀とのハンダな
どの使用が試みられているが、濡れ性が悪く、接合が難
しい。また、銀を含むハンダは、銀自体が貴金属である
ため、汎用製品として多量に用いることが難しく、用途
も特殊な領域に限定され易い。

【０００８】現状における電気・電子部品の接合・組立
においては、ソルダーペーストを用いるスクリーン印刷
方式の装置や設備が製造現場に浸透しているため、鉛を
含まないハンダのソルダーペーストの実用化が求められ
ている。しかし、現在のところ、錫／銀／ビスマスハン
ダのような複雑な系におけるソルダーペーストの実用化
が僅かに試みられているのみで、無鉛ソルダーペースト
を用いた部品組立は殆ど実用化されていない。この理由
には、作業環境として特殊な雰囲気や環境等を用いなけ
ればならないような方法では、部品の組立のような工程
は経済的に成り立たないというようなこともある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者らは、
廃棄物中の鉛による環境汚染を防止するために、鉛を含
有しない汎用性の高い金属によるハンダを用いたハンダ
付けについて鋭意研究を重ねた結果、ソルダーペースト
を用いたリフローの前に母材に錫及び亜鉛を含有するプ
リコートを形成し、ソルダーペースト及びプリコートの
組成を工夫することにより、大気雰囲気中でも錫／亜鉛
ハンダによる部品の接合が容易に行えることを見出し、
本発明の接合方法を成すに至った。

【００１０】本発明の金属部材の接合方法は、複数の金
属部材を互いに接合する接合方法であって、該金属部材
の表面に錫／亜鉛合金からなるプリコートを被覆する工
程と、錫及び亜鉛からなるハンダとフラックスとを含有
する混合物を介してプリコートを有する該金属部材を互
いに接触させながら加熱してハンダを溶融させる工程
と、溶融したハンダを固化して該金属部材を接合する工
程とを有し、上記プリコートの亜鉛含有率をｘ（重量
％）、上記ハンダの亜鉛含有率をｙ（重量％）とした
時、ｘ及びｙは以下の式を満たす範囲の値となる。１≦ｘ≦２０、３≦ｙ≦１３、３≦（ｘ＋ｙ）／２≦１３上記加熱は最高温度が２３５℃以上であるのが適してい
る。

【００１１】他の態様によれば、本発明の接合方法は、
金属部材を互いに接合する接合方法であって、該金属部
材の表面に錫及び亜鉛からなるプリコートを被覆する工
程と、錫及び亜鉛からなるハンダとフラックスとを含有
する混合物を介してプリコートを有する該金属部材を互
いに接触させながら加熱してフラックスを除去し２０５
℃以上でハンダを溶融させる工程と、溶融したハンダを
固化して該金属部材を接合する工程とを有し、上記プリ
コートの亜鉛含有率をｘ（重量％）、上記ハンダの亜鉛
含有率をｙ（重量）とした時、ｘ及びｙは以下の式を満
たす範囲の値となる。０．１≦ｘ≦２５、２≦ｙ≦１５、２≦（ｘ＋ｙ）／２
≦１５上記ハンダは、錫／亜鉛合金の粉末であり、前記プリコ
ートとハンダとの混合物の組成は、実質的に錫及び亜鉛
による共晶組成が適している。

【００１２】上記プリコート及びハンダは各々、他金属
の含有量が０．１wt％以下であり、ハンダの含有酸素濃
度は１００ppm 以下であるのが好ましい。

【００１３】上記フラックスは、ロジン系フラックスを
含有し、ハロゲン含有量が０．０６重量％以下が適して
いる。

【００１４】上記加熱は、酸素濃度１０００ppm 以下の
雰囲気中で行われるのが好ましい。上記プリコートを有
する金属部材は、ハンダの溶融工程を行う前に、該プリ
コートの余剰部分を除去するためのクリーニングを行う
のが好ましい。

【００１５】更に、本発明の接合体は、上記接合方法に
よって金属部材を接合させて得られる接合体である。

【００１６】又、他の態様によれば、本発明の接合方法
は、１対の金属部材を互いに接合する接合方法であっ
て、一方の金属部材の表面に錫及び亜鉛からなる第１の
プリコートを被覆する工程と、他方の金属部材の表面に
錫及び亜鉛からなる第２のプリコートを被覆する工程
と、プリコートを有する当該１対の金属部材をフラック
ス又は還元性雰囲気を介して互いに接触又は近接させな
がら加熱して第１のプリコート及び／又は第２のプリコ
ートを溶融させる工程と、溶融したプリコートを固化し
て該金属部材を接合する工程とを有し、上記第１のプリ
コートの亜鉛含有率をｘ（重量％）、上記第２のプリコ
ートの亜鉛含有率をｙ（重量％）とした時、ｘ及びｙは
以下の式を満たす範囲の値となる。１≦ｘ≦２０、３≦ｙ≦１３、３≦（ｘ＋ｙ）／２≦１３上記加熱は最高温度が２３５℃以上が適している。上記
構成に従って、錫／亜鉛合金を用いて低いリフロー温度
で金属部材の接合が良好に行われる。

【００１７】

【発明の実施の形態】ハンダは、用いる金属の種類及び
組合せによって様々の種類があり、溶融温度によって高
温ハンダ（溶融温度２８０℃以上）、普通ハンダ（溶融
温度１８３〜２８０℃）、低温ハンダ（溶融温度１８３
℃以下）に分類することができる。一般的に用いられる
ハンダは、錫と鉛との共晶組成物からなる普通ハンダで
あり、鉛はハンダに濡れ性を与える成分であるので、鉛
を含有しないハンダ、例えば錫と亜鉛とによるハンダ、
銀と錫とのハンダなどのようなものは濡れ性に劣り、母
材に付着し難い。このため、鉛を含有しないハンダの低
い濡れ性を補うために他の金属を添加しフラックスを混
合してソルダーペーストとして使用することが試みられ
ているが、汎用化に到っているものは殆どない。この理
由として、ハンダの濡れ性を補うためにかなり活性の高
いフラックスが必要となるために適したフラックスが限
られたり、フラックスの活性によりソルダーペーストの
保存性が極めて低くなることが挙げられる。特に、錫／
亜鉛系ハンダのソルダーペーストでは、錫／亜鉛ハンダ
そのものの濡れ性が低く、更に、亜鉛が容易に酸化され
ることによってハンダの濡れ性が低下し易く溶融温度も
高温が必要となるため、大気雰囲気中でのリフローでも
満足な濡れ性を発揮するように高い活性のフラックスを
用いると、ソルダーペーストの保存は極めて難しくな
り、品質も安定しなくなる。

【００１８】本発明は、従来のスクリーン印刷方式の装
置や設備を利用し、保存が可能な低活性のフラックスを
含有したソルダーペーストを用いて部品の接合・組立を
行うことが可能なものであり、接合する金属部材の表面
に錫及び亜鉛からなるプリコートを予め被覆し、この後
に、プリコートを被覆した金属部材にソルダーペースト
を塗布しリフローを行う。金属部材に塗布するソルダー
ペーストは、錫及び亜鉛からなるハンダ粉末とフラック
スとを含有し、プリコート及びハンダ粉末の亜鉛の含有
割合は、図１に示すような特定の範囲に設定される。

【００１９】図１は、プリコートした金属部材にソルダ
ーペーストを塗布して大気中でリフローした時にハンダ
粉末及びプリコートが溶融して金属部材を良好に接合す
ることができるリフロー温度（加熱最高温度）とプリコ
ート及びハンダ粉末の亜鉛含有割合との関係を示すグラ
フで、ｘ軸にプリコートの亜鉛含有割合を、ｙ軸にソル
ダーペーストのハンダ即ちハンダ粉末の亜鉛含有割合を
とり、リフロー温度が２０５℃で良好な接合が形成され
るプリコート及びハンダ粉末の組合せを線Ａで示し、リ
フロー温度が２３５℃で良好な接合が形成される組合せ
を線Ｂで示す。尚、このグラフの作成において、プリコ
ート及びハンダ粉末は、含有酸素割合が５０ppm 未満で
錫及び亜鉛以外の金属成分の含有割合が０．１wt％以下
のものを用いている。

【００２０】図において、プリコート及びハンダ粉末が
共に錫／亜鉛共晶合金（亜鉛９wt％、理論共晶点温度１
９９℃）である場合（図中の点Ｃ）には、リフロー温度
が理論共晶点温度を越えていれば、好適に金属部材が接
合される。つまり、リフロー温度を２３５℃に設定した
時には、線Ｂで囲まれる範囲内の亜鉛含有割合のプリコ
ート及びハンダ粉末の組合せで金属部材の接合ができ、
リフロー温度が２０５℃の時には、線Ａで囲まれる範囲
内の亜鉛含有割合のプリコート及びハンダ粉末の組合せ
で接合が可能である。

【００２１】図１における線Ａ及び線Ｂによって囲まれ
る範囲は、プリコートの亜鉛含有割合：ｘ（wt％）、ハ
ンダ粉末の亜鉛含有割合：ｙ（wt％）によって、各々、
下記式によって近似表記される。

【００２２】（線Ａによる範囲）１≦ｘ≦２０、３≦ｙ≦１３、３≦（ｘ＋ｙ）／２≦１３（線Ｂによる範囲）０．１≦ｘ≦２５、２≦ｙ≦１５、２≦（ｘ＋ｙ）／２≦１５リフロー操作においてプリコート及びソルダーペースト
が加熱されフラックスが気化又は分解すると、ハンダ粉
末とプリコートとは互いに接触する。この状態で加熱温
度が共晶点温度に達すると、理論的には、図２の錫／亜
鉛２成分系状態図から理解されるように、共晶組成の液
相が生じ、プリコート及びハンダ粉末間の接触界面を通
じて拡散・混合が容易な状態となる。更に、共晶点温度
を越えると、固相として残存する錫又は亜鉛が温度に応
じて溶融し液相に拡散して、液相線温度に達すると完全
に溶融する。プリコートの組成とハンダ粉末の組成とが
異なる場合でも、共晶点温度に達すると共晶組成の液層
が生じ始めるが、特に接触界面付近において液層化が加
速される。これは、接触界面を通した拡散・混合によっ
て、接触界面付近における組成の均一化が促進されるこ
とによる。両者の混合によって得られる平均組成におけ
る液相線温度に達すると、両者は完全に溶融混合され
る。従って、プリコート及びハンダ粉末各々の組成より
も両者の平均組成が共晶組成に近いと、各組成の液相線
温度よりも両者の混合組成の液相線温度の方が低くな
り、各々の溶融温度より低い温度で完全に溶融する。ハ
ンダ粉末が完全に溶融して均一な液相を形成すれば、溶
融ハンダの表面張力は減少し溶融ハンダが発揮する濡れ
性は向上する。

【００２３】上記のように、組成が類似した錫／亜鉛組
成物同士をリフローにより溶融接合するのは、他の金属
とのリフロー接合に比べて溶融時の濡れ性が得られ易
く、大気中でリフローを行っても部品を接合することが
可能となる。又、溶融金属よりも固体金属の方が酸化さ
れ難いことを考慮すると、ハンダ粉末およびプリコート
の溶融が互いの接触界面から進行することはハンダおよ
びプリコートの酸化防止及び濡れ性の維持等の点におい
て非常に都合がよい。尚、本発明においては、ハンダ粉
末が溶融して良好な濡れ性を発揮すればよく、必ずしも
プリコートが完全に溶融することを必要とするものでは
ない。

【００２４】上述から更に、ハンダ粉末は錫／亜鉛合金
の粉末である必要はないことが理解される。即ち、錫粉
末と亜鉛粉末の混合物や錫／亜鉛合金粉末と錫粉末又は
亜鉛粉末との混合物、錫及び亜鉛が不均一混合あるいは
組み合わされたものであっても上述と同様の課程を経て
ハンダの濡れ性が発揮される。又、プリコートについて
も必ずしも均一な被覆である必要はない。

【００２５】尚、液相状態の金属、特に亜鉛は酸素を吸
収して酸化され易く、大気中でのリフローにおいては液
相状態の時間が増加するに従って酸化物が増加する。
又、加熱温度が高いほど金属の酸化は進行する。金属酸
化物が増加すると、ハンダの溶融温度は上昇し濡れ性は
低下する。従って、リフロー温度を低く設定できること
は非常に有益である。又、リフロー温度が高いと、接合
した電気電子部品が熱損傷を起こし易いということもあ
り、低い温度で電気電子部品の接合ができることは好ま
しい。

【００２６】更に、使用するハンダ粉末及びプリコート
自体に含有される酸素又は酸化物が多ければ、同様に溶
融温度の上昇及び濡れ性の低下が生じる。従って、酸素
を多く含有するハンダ粉末及び／又はプリコートを用い
ると、プリコート及びハンダ粉末の表面はフラックスに
よって活性化されていても、内部は酸化物により溶融温
度が高いため、リフロー温度を高くしなければならな
い。この結果、プリコートした金属部材にソルダーペー
ストを塗布してリフローした時に金属部材を良好に接合
することができるリフロー温度は図１とは異なったもの
となる。従来のハンダ付けやソルダーペーストを用いた
接合においてディップ温度又はリフロー温度がハンダ組
成における液相線温度より５０℃程度高く設定する必要
が生じることの主な原因はこの点にあると考えられる。
従って、使用するハンダ粉末及びプリコートは、含有酸
素又は酸化物が少ないもの、好ましくは含有酸素が１０
０ppm 以下であるであるものが望ましい。

【００２７】金属部材をプリコートする方法は特に限定
されるものではなく、スーパーソルダー法、スーパージ
ャフィット法、電気めっき法、無電界めっき法、電気泳
動法、化学蒸着法、スパッタリング法、物理蒸着法、イ
オン注入法、プラズマスプレー法、拡散ボンディング
法、変形ボンディング法、ディップ法、圧着法等の各種
コーティング方法より適宜選択して適用すればよい。プ
リコートの厚さは約５μｍ以上、好ましくは１０〜５０
μｍに設定するのがよい。

【００２８】ディップ法により錫／亜鉛合金を金属部材
にプリコートする場合、非酸化性雰囲気中で溶融した錫
／亜鉛合金に金属部材を浸漬することにより、錫／亜鉛
合金の濡れ性は改善される。特に、酸素及び不純物等の
他の金属成分の含有量が少ない錫／亜鉛合金を用いる
と、濡れ性は良好であり、且つ、溶融温度（ディップ温
度）も液相線温度に近づけることができる。更に、浸漬
する際に金属部材に直接あるいは間接的に超音波のよう
な弾性波等による振動エネルギーを与えることによっ
て、金属部材表面の酸化物膜等が除去されて濡れ性が向
上し、良好な被覆が得られる。あるいは、酸処理あるい
はフラックスを用いた処理によって浸漬直前に金属部材
の表面を洗浄してもよい。配線基板のような基板に設け
られたバンプやパッド等の金属にプリコートを施す場
合、基板表面やプリコートに余分な錫／亜鉛合金が粒子
状あるいはヒゲ状に僅かに付着することがある。このよ
うな粒子やヒゲは、金属部材の接合後にトラブルや見栄
えの低下を生じる恐れがあるので、リフロー前に除去す
るのが好ましい。ディップ法において付着する錫／亜鉛
合金は極微量の粒子で付着力も強くないので、ナイロン
毛、豚毛等のブラシ等を用いて容易に除去することがで
きる。例えば、回転数約２００〜５０００rpm で回転す
る円筒状のナイロンブラシを用い、基板を０．１〜５ｍ
／分程度の速度で移動させながらナイロンブラシ下を通
過させることによって効率よく研磨することができる。
このとき、基板の冷却のために水等を噴射供給してもよ
い。このようなブラシによるクリーニングは、単に余分
な錫／亜鉛合金のヒゲ等を除去するだけでなく、プリコ
ート表面の研磨による濡れ性の向上をも得ることができ
る。

【００２９】上記のような方法でプリコートを施した金
属部材に、錫／亜鉛ハンダ粉末を配合したソルダーペー
ストが塗布される。このペーストに含有される錫／亜鉛
ハンダ粉末は、上述のように、必要に応じて組成を変更
することができる。

【００３０】ハンダ粉末は、錫及び亜鉛以外の金属不純
物が０．１wt％以下、含有酸素濃度が１０００ppm 以
下、好ましくは１００ppm 以下であるように精製した錫
／亜鉛ハンダであれば、濡れ性が良く、フラックスとし
て活性の高い物質を必要としない。このようなハンダを
粒径４〜１００μｍ程度、好ましくは１０〜５０μｍ程
度以下の粒状に調製してペースト用フラックスと混合し
てソルダーペーストに調整する。ソルダーペーストの塗
布量は、１５０〜２００μｍ程度が好ましい。ハンダ粉
末とフラックスとは通常９：１程度の割合で混合され、
金属部材上に塗布されたソルダーペーストはリフローに
より容積が１／２程度に減少する。

【００３１】錫／亜鉛ソルダーペーストのフラックス
は、一般的なソルダーペーストに用いるフラックス用成
分から適宜取捨選択して用いることができ、選択に当た
っては、ハンダ粉末とフラックスとの分離がないこと、
調整したペーストの印刷が容易であること、フラックス
残渣が腐食性でなく絶縁性であること等を考慮する。例
えば、ロジン又はガムロジン、ウッドロジン、重合ロジ
ン、フェノール変性ロジン等のロジン誘導体をベース
（主成分）としたＲ（ロジン）型フラックス、ＲＭＡ
（マイルド活性化ロジン）型フラックス等を用いること
ができる。活性剤としてフラックスに配合する成分とし
ては、有機アミンハロゲン化水素酸塩、有機酸、有機ア
ミン等が挙げられ、ジフェニルグアニジン臭化水素酸
塩、シクロヘキシルアミン臭化水素酸塩、ジエチルアミ
ン塩酸塩、アジピン酸、セバチン酸、トリエタノールア
ミン、モノエタノールアミン等が適している。チキソ剤
としてフラックスに配合する成分としては、水素添加ヒ
マシ油、脂肪酸アマイド類、オキシ脂肪酸等が挙げられ
る。これらの成分を、必要に応じて溶剤を用いて混合す
ることによってフラックスが得られる。ソルダーペース
トに用いる溶剤は、比較的低粘度の水溶性有機溶剤が適
宜用いられるが、2-アルキル-1,3-ヘキサンジオール
は、ソルダーペーストを印刷方式によって塗布するのに
特に適している点で好ましい。フラックスに配合する主
成分のロジン誘導体の割合を３０〜８０wt％程度、各種
活性剤を計５wt％程度以下、残部が溶剤となるように配
合すると、リフローによるフラックス残渣を少なく抑え
ることができる。ロジン誘導体、活性剤、チキソ剤及び
溶剤を混合し加熱して均質溶液とした後に冷却すること
によりフラックスが調製される。得られたフラックスに
ハンダ粉末を均一に混和すれば、ソルダーペーストが得
られる。ソルダーペーストの粘度の観点から、ハンダ粉
末の割合は、フラックス８〜１５重量部に対して８５〜
９２重量部とするのが好ましい。

【００３２】特に、ロジン４０〜５０重量％、活性剤２
〜３重量％、チキソ剤５〜１０重量％及び溶剤２５〜３
５重量％を含有し、更にパルミチン酸等の有機酸５〜１
０重量％及びジブロモプロパノール等の有機ハロゲン化
合物１〜３重量％が配合されたフラックスは、錫／亜鉛
合金のプリコートを用いた接合に極めて有効である。

【００３３】上述のように調製した錫／亜鉛ソルダーペ
ーストを錫／亜鉛合金によって表面をプリコートした金
属部材にスクリーン印刷方式等の技術を用いて塗布した
後に、接合する金属部材を対にして接触させ、リフロー
を行う。リフロー工程において、１００〜１７０℃程度
の温度に加熱することによって上述のフラックスがプリ
コート及びハンダ粉末の表面を活性化し、ハンダ粉末と
プリコートが接触する。続いて前述のリフロー温度に加
熱することによりハンダ粉末及びプリコートが溶融す
る。この後冷却することにより、金属部材はハンダによ
り接合される。リフロー温度に加熱する時間は２００℃
以上で３０秒以下、２４０℃では１０秒以下であること
が好ましく、必要以上に加熱を続けるとハンダの酸化が
進行し易い。リフローは大気雰囲気中で行うことができ
るが、もちろん、非酸化性雰囲気で行えばさらに効果で
ある。リフローを非酸化性雰囲気で行うと、ハンダ粉末
及びプリコートの酸化が防止されることにより溶融状態
での錫／亜鉛合金の切れあるいは低粘性が維持され、高
密度実装基板の接合のような緻密な接合の形成にも対応
できる。

【００３４】接合する金属部材は、プリコートがなされ
るものであればよく、銅、銀、金、ニッケル、アルミニ
ウム、ＳＵＳステンレス鋼等の単種の金属部材だけでな
く、合金材及び複合金属材等の部材についても適用可能
である。又、精細なハンダ接合にも十分対応でき、狭い
間隔を有する細線状の金属部材では、線幅及び線間隔が
０．３mm程度の部材のハンダ接合に対応できる。従っ
て、基板の実装や各種電気電子部品の接合のためのハン
ダ接合に使用することができる。電気電子部品の例とし
ては、半導体分野で用いられるＩＣパッケージ、ＣＰＵ
の導電部、パーソナルコンピュータに内蔵されるハード
ディスク、液晶パネルの電気回路、ＩＣカード、パーソ
ナルコンピュータやプリンタの接続に用いられるケーブ
ルコネクタ、通信用ケーブルに用いられる光コネクタ、
自動車のラジエータ等が挙げられる。基板の実装形態に
は、片面表面実装、両面表面実装、両面表面実装リード
付き部品搭載、片面表面実装リード付き部品搭載、リー
ドスルー実装等があるが、いずれにおいても本発明の接
合材を使用することができる。又、実装部品としては、
受動部品としてのセラミックコンデンサ、インダクタ、
ジャンパ、トランジスタ、ダイオード、アルミ電解コン
デンサ、タンタル半固定抵抗、トリマー、コイル等が挙
げられ、能動部品としては、ＩＣ、ＳＩ等が代表例であ
る。パッケージ形状としては、ＳＯＩＣ、ＳＯＰ、ＱＩ
Ｐ、ＱＦＰ、ＰＬＣＣ、ＬＣＣ、ＳＯＪ、ＭＳＰ、ＢＧ
Ａ、ＦＣ−ＢＧＡ、ＣＳＰ、ＰＬＣ、ＭＣＭ、ＯＥ−Ｍ
ＣＭ及び複数チップを重ねる高密度チップ等が挙げられ
る。

【００３５】接合する金属部材の材質に応じてプリコー
トの組成やプリコート方法を適宜選択することができ
る。

【００３６】本発明は、更に、プリコート及びフラック
スのみを用いた金属部材の接合に応用することができ
る。即ち、接合する１対の金属部材を被覆するプリコー
トの亜鉛含有割合の組合せが図１における線Ａ又は線Ｂ
による範囲内の値（ｘ，ｙ）となるように組成の組合せ
を設定し、前述のフラックスをプリコートに塗布して、
あるいは、還元性雰囲気中に配置して、金属部材を対向
させてリフローする。このようにすることにより、プリ
コート同士の接触界面から拡散融合が促進され、良好に
接合される。この場合、対向させた金属部材のうち上側
に配置される金属部材のプリコートの亜鉛含有割合が図
１のソルダーペーストのハンダに対応するように設定す
るのが望ましい。

【００３７】上記還元性雰囲気としては、窒素等の不活
性ガスに還元性を有するガス状物質を適量含有した雰囲
気が用いられ、還元性を有するガス状物質には、水素；
メタノール蒸気、エタノール蒸気、プロパノール蒸気等
のアルコール蒸気、蟻酸、酢酸等の酸蒸気などが挙げら
れる。

【００３８】上述のように、本発明の構成に従えば、現
状の電気・電子組立品の組立製造工程において用いられ
ているソルダーペースト用の装置及び設備を利用して、
鉛を含有しない汎用性の高い錫／亜鉛系ハンダを用いた
部品の接合が、大気雰囲気中で実現される。

【００３９】プリコートする金属及びハンダ粉末の双方
に錫／亜鉛合金を用い、他の金属成分を用いないことに
より、接合部分の組成が複雑にならないので、接合部品
及び接合後の接合体は、回収、リサイクルにおける取扱
いが簡易になり、回収金属の再利用にも有利である。

【００４０】

【実施例】以下、実施例により本発明を詳細に説明す
る。

【００４１】（実施例１）金属錫９１重量部及び金属亜
鉛９重量部を減圧下で加熱溶融して、組成が錫９０．９
wt％以上、亜鉛９wt％、その他の微量元素総量０．１wt
％未満で含有酸素濃度が６ppm の錫／亜鉛ハンダを調製
した。このハンダを窒素雰囲気中で粒状化して粒径分布
が２０〜５０μｍのハンダ粉末を得た。

【００４２】他方、重合ロジン（松脂）５７重量部、溶
剤としてテレピネオール２６重量部、硬化ヒマシ油（チ
キソ剤）１０重量部、ジフェニルグアニジン臭化水素酸
塩（活性剤）２重量部、パルミチン酸３重量部及び２，
３−ジブロモ−１−プロパノール２重量部を混合しなが
ら加熱した後に冷却して均質のフラックスを調製した。
このフラックス１０重量部と前述のハンダ粉末９０重量
部とを窒素雰囲気中で攪拌混合してソルダーペーストを
得た。

【００４３】更に、金属錫９１重量部及び金属亜鉛９重
量部を窒素雰囲気中で加熱溶融して溶融ハンダを調製
し、下記の仕様の基板を溶融ハンダに浸漬しながら１０
秒間周波数２８ｋＨｚの弾性波を基板に与えて基板の銅
パッドパターンを錫／亜鉛ハンダでプリコートした。

【００４４】［基板仕様］寸法：長さ１００mm×幅１２０mm×厚さ１mm 材質：ソルダーレジスト塗布ガラスエポキシ樹脂銅パッド部のパターン：１６８pin ＱＦＰ対応パターン銅パッド寸法：長さ５mm×幅０．３mm、銅パッド間隔：
０．５mm 次に、上記ソルダーペーストを回路基板用印刷機のメタ
ルマスク上に供給し、窒素気流中でスキージ印刷法によ
り下記の印刷条件に従ってプリコートした基板上に塗布
した。

【００４５】［印刷条件］メタルマスク厚：１．２mm、印刷速度：１．５回／分印刷方向：基板長手方向印刷機による印刷を５００回繰り返したが、ソルダーペ
ーストの粘着性等の物性に特に変化は見られなかった。

【００４６】更に、ソルダーペーストを印刷塗布した５
００個のうちの１つの基板をチップマウンタに搭載し、
錫／亜鉛（組成：亜鉛９重量％）でプリコートしたＱＦ
Ｐチップを所定位置に位置決めして基板上に載置し、加
熱炉に導入して図３に示す温度プロファイルに従って以
下の条件でリフローを実施した。

【００４７】［リフロー条件］リフロー時間：６分、予備加熱温度：１５０℃、最高加
熱温度：２１０℃ 炉内雰囲気：大気リフロー後、基板を冷却し、接合部分を切断して、断面
の観察によりハンダの濡れ性を調べたところ、ハンダの
濡れ角は鋭角であり、個々のランド間におけるブリッジ
形成は見られなかった。又、意図しないハンダボールの
付着も発生せず、濡れ性は良好であった。

【００４８】他の基板についても同様にリフロー処理を
行い、５００個の基板におけるハンダ付けの不良発生率
を調べたところ、０．６％であった。

【００４９】（実施例２）金属錫９７．５重量部及び金
属亜鉛２．５重量部を減圧下で加熱溶融して、組成が錫
９７．４wt％以上、亜鉛２．５wt％、その他の微量元素
総量０．１wt％未満で含有酸素濃度が４ppm の錫／亜鉛
ハンダを調製した。このハンダを窒素雰囲気中で粒状化
して粒径分布が２０〜５０μｍのハンダ粉末を得た。

【００５０】他方、実施例１と同様の操作によって調製
したフラックス１０重量部と前述のハンダ粉末９０重量
部とを窒素雰囲気中で攪拌混合してソルダーペーストを
得た。

【００５１】又、金属錫９１重量部及び金属亜鉛９重量
部を窒素雰囲気中で加熱溶融して溶融ハンダを調製し、
下記の仕様の基板を溶融ハンダに浸漬しながら１５秒間
周波数２８ｋＨｚの弾性波を実施例１で用いたと同様の
基板に与えて基板の銅パッドパターンを錫／亜鉛ハンダ
でプリコートした。

【００５２】次に、上記ソルダーペーストを回路基板用
印刷機のメタルマスク上に供給し、窒素気流中でスキー
ジ印刷法により実施例１と同様の印刷条件に従ってプリ
コートした基板上に塗布した。

【００５３】印刷機による印刷を５００回繰り返した
が、ソルダーペーストの粘着性等の物性に特に変化は見
られなかった。

【００５４】更に、ソルダーペーストを印刷塗布した５
００個のうちの１つの基板をチップマウンタに搭載し、
錫／亜鉛（組成：亜鉛９重量％）でプリコートしたＱＦ
Ｐチップを所定位置に位置決めして基板上に載置して加
熱炉に導入した。この後、リフローの最高加熱温度を２
１０℃から２３５℃に上げたこと以外は実施例１と同様
にリフローを実施した。

【００５５】リフロー後、基板を冷却し、接合部分を切
断して、断面の観察によりハンダの濡れ性を調べたとこ
ろ、ハンダの濡れ角は鋭角であり、個々のランド間にお
けるブリッジ形成は見られなかった。又、意図しないハ
ンダボールの付着も発生せず、濡れ性は良好であった。

【００５６】他の基板についても同様にリフロー処理を
行い、５００個の基板におけるハンダ付けの不良発生率
を調べたところ、０．８％であった。

【００５７】（比較例１）金属錫９８．５重量部及び金
属亜鉛１．５重量部を減圧下で加熱溶融して、組成が錫
９８．４wt％以上、亜鉛１．５wt％、その他の微量元素
総量０．１wt％未満で含有酸素濃度が４ppm の錫／亜鉛
ハンダを調製した。このハンダを窒素雰囲気中で粒状化
して粒径分布が２０〜５０μｍのハンダ粉末を得た。

【００５８】上記ハンダ粉末を用いたこと以外は実施例
を同様の操作を繰り返して、基板のプリコート、ソルダ
ーペーストの調製及び塗布並びにリフローによるＱＦＰ
チップの実装を行い、５００個の基板におけるハンダ付
けの不良発生率を調べたところ、３％であった。

【００５９】（比較例２）リフローにおける最高加熱温
度を２１０℃に下げたこと以外は実施例２と同様の操作
を繰り返し、基板のプリコート、ソルダーペーストの調
製及び塗布並びにリフローによるＱＦＰチップの実装を
行った。

【００６０】５００個の基板についてリフロー処理にお
けるハンダ付けの不良発生率を調べたところ、５％であ
った。

【００６１】

【発明の効果】本発明によれば、錫／亜鉛ハンダによる
金属部材の接合方法が提供され、微細で複雑な形状のハ
ンダ付けも鉛を含有しないハンダを使用して行うことが
できる。従って、各種機器等の接合部分を鉛を含有しな
いハンダにより接合することができ、廃棄物に含まれる
鉛を減少させることが可能であり、廃棄物のリサイクル
にも有効である。故に、本発明によって得られる接合体
は産業上及び環境対策上極めて優れている。

【図面の簡単な説明】

【図１】金属部材が接合されるリフロー温度とプリコー
ト及びソルダーペーストのハンダの亜鉛含有割合との関
係を示すグラフである。

【図２】錫及び亜鉛による２成分系相図である。

【図３】本発明に係る接合方法のリフローにおける温度
プロファイルの一例を示すグラフである。

【符号の説明】

Ａ２０５℃で良好な接合が形成されるプリコート及び
ハンダの組合せＢ２３５℃で良好な接合が形成されるプリコート及び
ハンダの組合せ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＢ２３Ｋ 35/363 Ｂ２３Ｋ 35/363 ＣＨ０５Ｋ 3/34 ５０５Ｈ０５Ｋ 3/34 ５０５Ｆ (72)発明者手島光一神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者加藤力弥東京都足立区千住橋戸町23番地千住金属工業株式会社内 (72)発明者杉本淳東京都足立区千住橋戸町23番地千住金属工業株式会社内 (72)発明者鈴木孝征東京都足立区千住橋戸町23番地千住金属工業株式会社内 (72)発明者平山充芳東京都足立区千住橋戸町23番地千住金属工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の金属部材を互いに接合する接合方
法であって、該金属部材の表面に錫／亜鉛合金からなる
プリコートを被覆する工程と、錫及び亜鉛からなるハン
ダとフラックスとを含有する混合物を介してプリコート
を有する該金属部材を互いに接触させながら加熱してハ
ンダを溶融させる工程と、溶融したハンダを固化して該
金属部材を接合する工程とを有し、上記プリコートの亜
鉛含有率をｘ（重量％）、上記ハンダの亜鉛含有率をｙ
（重量％）とした時、ｘ及びｙは以下の式を満たす範囲
の値となることを特徴とする金属部材の接合方法。１≦ｘ≦２０、３≦ｙ≦１３、３≦（ｘ＋ｙ）／２≦１３
【請求項２】前記加熱は最高温度が２３５℃以上であ
る請求項１記載の接合方法。
【請求項３】金属部材を互いに接合する接合方法であ
って、該金属部材の表面に錫及び亜鉛からなるプリコー
トを被覆する工程と、錫及び亜鉛からなるハンダとフラ
ックスとを含有する混合物を介してプリコートを有する
該金属部材を互いに接触させながら加熱してフラックス
を除去し２０５℃以上でハンダを溶融させる工程と、溶
融したハンダを固化して該金属部材を接合する工程とを
有し、上記プリコートの亜鉛含有率をｘ（重量％）、上
記ハンダの亜鉛含有率をｙ（重量）とした時、ｘ及びｙ
は以下の式を満たす範囲の値となることを特徴とする金
属部材の接合方法。０．１≦ｘ≦２５、２≦ｙ≦１５、２≦（ｘ＋ｙ）／２
≦１５
【請求項４】前記ハンダは錫／亜鉛合金の粉末であ
り、前記プリコートとハンダとの混合物の組成は、実質
的に錫及び亜鉛による共晶組成となる請求項１〜３のい
ずれかに記載の接合方法。
【請求項５】前記プリコート及びハンダは各々、他金
属の含有量が０．１wt％以下であり、ハンダの含有酸素
濃度は１００ppm 以下である請求項１〜４のいずれかに
記載の接合方法。
【請求項６】前記フラックスは、ロジン系フラックス
を含有し、ハロゲン含有量が０．０６重量％以下である
請求項１〜５のいずれかに記載の接合方法。
【請求項７】前記加熱は、酸素濃度１０００ppm 以下
の雰囲気中で行われることを特徴とする請求項１〜６の
いずれかに記載の接合方法。
【請求項８】前記プリコートを有する金属部材は、ハ
ンダの溶融工程を行う前に、該プリコートの余剰部分を
除去するためのクリーニングを行うことを特徴とする請
求項１〜７のいずれかに記載の接合方法。
【請求項９】請求項１〜８のいずれかに記載の接合方
法によって金属部材を接合させて得られる接合体。
【請求項１０】１対の金属部材を互いに接合する接合
方法であって、一方の金属部材の表面に錫及び亜鉛から
なる第１のプリコートを被覆する工程と、他方の金属部
材の表面に錫及び亜鉛からなる第２のプリコートを被覆
する工程と、プリコートを有する当該１対の金属部材を
フラックスを介してあるいは還元性雰囲気中で互いに接
触又は近接させながら加熱して第１のプリコート及び／
又は第２のプリコートを溶融させる工程と、溶融したプ
リコートを固化して該金属部材を接合する工程とを有
し、上記第１のプリコートの亜鉛含有率をｘ（重量
％）、上記第２のプリコートの亜鉛含有率をｙ（重量
％）とした時、ｘ及びｙは以下の式を満たす範囲の値と
なることを特徴とする金属部材の接合方法。１≦ｘ≦２０、３≦ｙ≦１３、３≦（ｘ＋ｙ）／２≦１３
【請求項１１】前記加熱は最高温度が２３５℃以上で
ある請求項１０記載の接合方法。