JPWO2010122764A1 - はんだ材料および電子部品接合体 - Google Patents
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Abstract
Description
電子部品の銅を含む電極部を、基板の銅を含む電極ランドに、Agを1.0〜4.0重量%、Inを4.0〜6.0重量%、Biを0.1〜1.0重量%、Cu、Ni、Co、FeおよびSbからなる群より選択される1種類以上の元素の合計を1重量%以下(但し0重量%を除く)、および残部のSnを含んで成るはんだ材料によって接合し、および
該はんだ材料を用いて形成された接合部において、電子部品の電極部と基板の電極ランドとの間がCu−Sn金属間化合物で少なくとも部分的に閉塞するまで、熱処理により、電子部品の電極部および基板の電極ランドの双方からCu−Sn金属間化合物を成長させる
ことを含んで成る、製造方法が提供される。
図1に示すように、本実施形態の電子部品接合体10は、電子部品3の銅を含む電極部3aが、基板1の銅を含む電極ランド1a(レジスト1bで覆われていない)に、はんだ材料を用いて形成された接合部(はんだ接合部)5によって接合されている。
次に、本発明のはんだ材料の組成について詳述する。上記の通り、Agを1.0〜4.0重量%、Inを4.0〜6.0重量%、Biを0.1〜1.0重量%、Cu、Ni、Co、FeおよびSbからなる群より選択される1種類以上の元素の合計を1重量%以下(但し0重量%を除く)、および残部のSnを含んで成る、鉛フリーのはんだ材料を使用する。
Agは、Sn−Ag系はんだにおいて、βSn相の周りにAg3Sn化合物として晶出し、熱または機械的な外力によるはんだの変形を低減する役割を果たし得る。高い耐熱疲労特性を得るには、Agをある程度含有している必要があり、−40℃から150℃までの温度サイクル試験に合格するには、Ag含有量は1.0重量%以上であることが好ましい。
Inは、Sn−Ag−Bi−In系はんだにおいて、Ag−Sn化合物相またはβSn相へ溶け込むか、あるいはγSn(In)相として存在する。はんだ中でのγSn相の割合はIn含有量および温度によって変化する。特にSn−Ag−Bi−In系はんだの場合、熱を加えると、ある温度以上でβSn相がγSn相へと変化する変態挙動が発生し、はんだの自己変形が起こり、フィレットの形状が大きく崩れてしまう。従って、温度サイクル試験またはユーザーによる実使用の間に、変態挙動が発生する温度(変態温度)をまたがないことが好ましい。
基板1:高Tgタイプ高耐熱基板R−1755T、両面銅張、厚さ1.2mm(パナソニック電工株式会社製)
電極ランド1a:Cuランド、厚さ35μm、プリフラックス処理剤(タフエース、四国化成工業株式会社製)により表面処理を施したもの
レジスト1b:高耐熱レジスト(太陽インキ製造株式会社製)
電子部品3:チップコンデンサ 1005サイズ(TDK株式会社製 C1005)
電極部3a:Cu電極(TDK株式会社製 C1005)
実装方法:リフローはんだ付け(240℃)
BiをSn−Ag−In系はんだに添加すると、はんだ接合部のヤング率が上昇し、機械的強度が向上する。機械的強度の向上の効果が得られるには、Biをある程度含有している必要があり、Bi含有量は0.1重量%以上であることが好ましい。
以上のようなSn−(1.0〜4.0)Ag−(4.0〜6.0)In−(0.1〜1.0)Biに、Cu、Ni、Co、FeおよびSbからなる群より選択される1種類以上の元素を添加すると、かかる添加元素が界面反応層に溶け込んで、Cu−Sn金属間化合物の形成および成長を促進することができる。
基板1:FR−4基板、両面銅張、厚さ1.2mm(パナソニック電工株式会社製)
電極ランド1a:Cuランド、厚さ35μm、プリフラックス処理剤(タフエース、四国化成工業株式会社製)により表面処理を施したもの
レジスト1b:高耐熱レジスト(太陽インキ製造株式会社製)
電子部品3:チップ部品 5750サイズ(日本ケミコン株式会社製 C5750)
電極部3a:Cu電極(日本ケミコン株式会社製 C5750)
実装方法:リフローはんだ付け(240℃)
添加元素はCoが最も好ましく、次いでNi、CuおよびFe、ならびにSbの順に好ましさが低下していく(CuおよびFeは同等である)。以下、Cu、Ni、Co、FeおよびSbの各元素について、その作用効果を述べる。
NiおよびCoは、いずれも、はんだの溶融性に影響を与えず、かつ、Cu−Sn金属間化合物中に均一に固溶し、Cu−Sn金属間化合物の成長を促進する(ひいては閉塞構造を形成する)ように作用する。
特にCoは、NiよりもSn中へ固溶し易いので、電子部品の接合部に供給すべきはんだ材料(より詳細にははんだ合金)を再現性よく調製できる(換言すれば、はんだ組成のバラツキが起こり難い)という利点がある。
また、Feは、Cu−Sn金属間化合物の成長を促進する(ひいては閉塞構造を形成する)作用効果に問題はないが、他の元素に比べて若干酸化し易い傾向にある。
次に、図1を参照して上述した電子部品接合体の製造方法について説明する。
基板1:高Tgタイプ高耐熱基板R−1755T、両面銅張、厚さ1.2mm(パナソニック電工株式会社製)
電極ランド1a:Cuランド、厚さ35μm、プリフラックス処理剤(タフエース、四国化成工業株式会社製)により表面処理を施したもの
レジスト1b:高耐熱レジスト(太陽インキ製造株式会社製)
電子部品3:チップコンデンサ 1005サイズ(TDK株式会社製 C1005)
電極部3a:Cu電極(TDK株式会社製 C1005)
実装方法:リフローはんだ付け(150℃から170℃までのプリヒートを約100秒間行った後、本加熱を240℃で3分間保持する)
1a 電極ランド
1b レジスト
3 電子部品
3a 電極部
5 接合部(またははんだ接合部)
5a Cu−Sn金属間化合物
5b はんだ母相
10 電子部品接合体
A 電子部品の電極部と基板の電極ランドとが互いに対向している間の部分
B フィレット部分
61 基板
61a 電極ランド
61b レジスト
63 電子部品
63a 電極部
65 接合部
65a Cu−Sn金属間化合物
65b はんだ母相
67 亀裂
70 電子部品接合体
電子部品の銅を含む電極部を、基板の銅を含む電極ランドに、Agを1.0〜4.0重量%、Inを4.0〜6.0重量%、Biを0.1〜1.0重量%、Cu、Ni、Co、FeおよびSbからなる群より選択される1種類以上の元素の合計を1重量%以下(但し0重量%を除く)、および残部のSnを含んで成るはんだ材料によって接合し、および
該はんだ材料を用いて形成された接合部において、電子部品の電極部と基板の電極ランドとの間がCu−Sn金属間化合物で少なくとも部分的に閉塞するまで、熱処理により、電子部品の電極部および基板の電極ランドの双方からCu−Sn金属間化合物を成長させる
ことを含んで成る、製造方法が提供される。
図1に示すように、本実施形態の電子部品接合体10は、電子部品3の銅を含む電極部3aが、基板1の銅を含む電極ランド1a(レジスト1bで覆われていない)に、はんだ材料を用いて形成された接合部(はんだ接合部)5によって接合されている。
次に、本発明のはんだ材料の組成について詳述する。上記の通り、Agを1.0〜4.0重量%、Inを4.0〜6.0重量%、Biを0.1〜1.0重量%、Cu、Ni、Co、FeおよびSbからなる群より選択される1種類以上の元素の合計を1重量%以下(但し0重量%を除く)、および残部のSnを含んで成る、鉛フリーのはんだ材料を使用する。
Agは、Sn−Ag系はんだにおいて、βSn相の周りにAg3Sn化合物として晶出し、熱または機械的な外力によるはんだの変形を低減する役割を果たし得る。高い耐熱疲労特性を得るには、Agをある程度含有している必要があり、−40℃から150℃までの温度サイクル試験に合格するには、Ag含有量は1.0重量%以上であることが好ましい。
Inは、Sn−Ag−Bi−In系はんだにおいて、Ag−Sn化合物相またはβSn相へ溶け込むか、あるいはγSn(In)相として存在する。はんだ中でのγSn相の割合はIn含有量および温度によって変化する。特にSn−Ag−Bi−In系はんだの場合、熱を加えると、ある温度以上でβSn相がγSn相へと変化する変態挙動が発生し、はんだの自己変形が起こり、フィレットの形状が大きく崩れてしまう。従って、温度サイクル試験またはユーザーによる実使用の間に、変態挙動が発生する温度(変態温度)をまたがないことが好ましい。
基板1:高Tgタイプ高耐熱基板R−1755T、両面銅張、厚さ1.2mm(パナソニック電工株式会社製)
電極ランド1a:Cuランド、厚さ35μm、プリフラックス処理剤(タフエース、四国化成工業株式会社製)により表面処理を施したもの
レジスト1b:高耐熱レジスト(太陽インキ製造株式会社製)
電子部品3:チップコンデンサ 1005サイズ(TDK株式会社製 C1005)
電極部3a:Cu電極(TDK株式会社製 C1005)
実装方法:リフローはんだ付け(240℃)
BiをSn−Ag−In系はんだに添加すると、はんだ接合部のヤング率が上昇し、機械的強度が向上する。機械的強度の向上の効果が得られるには、Biをある程度含有している必要があり、Bi含有量は0.1重量%以上であることが好ましい。
以上のようなSn−(1.0〜4.0)Ag−(4.0〜6.0)In−(0.1〜1.0)Biに、Cu、Ni、Co、FeおよびSbからなる群より選択される1種類以上の元素を添加すると、かかる添加元素が界面反応層に溶け込んで、Cu−Sn金属間化合物の形成および成長を促進することができる。
基板1:FR−4基板、両面銅張、厚さ1.2mm(パナソニック電工株式会社製)
電極ランド1a:Cuランド、厚さ35μm、プリフラックス処理剤(タフエース、四国化成工業株式会社製)により表面処理を施したもの
レジスト1b:高耐熱レジスト(太陽インキ製造株式会社製)
電子部品3:チップ部品 5750サイズ(日本ケミコン株式会社製 C5750)
電極部3a:Cu電極(日本ケミコン株式会社製 C5750)
実装方法:リフローはんだ付け(240℃)
添加元素はCoが最も好ましく、次いでNi、CuおよびFe、ならびにSbの順に好ましさが低下していく(CuおよびFeは同等である)。以下、Cu、Ni、Co、FeおよびSbの各元素について、その作用効果を述べる。
NiおよびCoは、いずれも、はんだの溶融性に影響を与えず、かつ、Cu−Sn金属間化合物中に均一に固溶し、Cu−Sn金属間化合物の成長を促進する(ひいては閉塞構造を形成する)ように作用する。
特にCoは、NiよりもSn中へ固溶し易いので、電子部品の接合部に供給すべきはんだ材料(より詳細にははんだ合金)を再現性よく調製できる(換言すれば、はんだ組成のバラツキが起こり難い)という利点がある。
また、Feは、Cu−Sn金属間化合物の成長を促進する(ひいては閉塞構造を形成する)作用効果に問題はないが、他の元素に比べて若干酸化し易い傾向にある。
次に、図1を参照して上述した電子部品接合体の製造方法について説明する。
基板1:高Tgタイプ高耐熱基板R−1755T、両面銅張、厚さ1.2mm(パナソニック電工株式会社製)
電極ランド1a:Cuランド、厚さ35μm、プリフラックス処理剤(タフエース、四国化成工業株式会社製)により表面処理を施したもの
レジスト1b:高耐熱レジスト(太陽インキ製造株式会社製)
電子部品3:チップコンデンサ 1005サイズ(TDK株式会社製 C1005)
電極部3a:Cu電極(TDK株式会社製 C1005)
実装方法:リフローはんだ付け(150℃から170℃までのプリヒートを約100秒間行った後、本加熱を240℃で3分間保持する)
1a 電極ランド
1b レジスト
3 電子部品
3a 電極部
5 接合部(またははんだ接合部)
5a Cu−Sn金属間化合物
5b はんだ母相
10 電子部品接合体
A 電子部品の電極部と基板の電極ランドとが互いに対向している間の部分
B フィレット部分
61 基板
61a 電極ランド
61b レジスト
63 電子部品
63a 電極部
65 接合部
65a Cu−Sn金属間化合物
65b はんだ母相
67 亀裂
70 電子部品接合体
Claims (4)
- Agを1.0〜4.0重量%、Inを4.0〜6.0重量%、Biを0.1〜1.0重量%、Cu、Ni、Co、FeおよびSbからなる群より選択される1種類以上の元素の合計を1重量%以下(但し0重量%を除く)、および残部のSnを含んで成るはんだ材料。
- 電子部品の銅を含む電極部が、基板の銅を含む電極ランドに、はんだ材料を用いて形成された接合部によって接合されており、該はんだ材料は、Agを1.0〜4.0重量%、Inを4.0〜6.0重量%、Biを0.1〜1.0重量%、Cu、Ni、Co、FeおよびSbからなる群より選択される1種類以上の元素の合計を1重量%以下(但し0重量%を除く)、および残部のSnを含んで成る、電子部品接合体。
- はんだ材料を用いて形成された接合部において、電子部品の電極部と基板の電極ランドとの間がCu−Sn金属間化合物で少なくとも部分的に閉塞されている、請求項2に記載の電子部品接合体。
- 電子部品の銅を含む電極部が、基板の銅を含む電極ランドに、はんだ材料を用いて形成された接合部によって接合された電子部品接合体の製造方法であって、
電子部品の銅を含む電極部を、基板の銅を含む電極ランドに、Agを1.0〜4.0重量%、Inを4.0〜6.0重量%、Biを0.1〜1.0重量%、Cu、Ni、Co、FeおよびSbからなる群より選択される1種類以上の元素の合計を1重量%以下(但し0重量%を除く)、および残部のSnを含んで成るはんだ材料によって接合し、および
該はんだ材料を用いて形成された接合部において、電子部品の電極部と基板の電極ランドとの間がCu−Sn金属間化合物で少なくとも部分的に閉塞するまで、熱処理により、電子部品の電極部および基板の電極ランドの双方からCu−Sn金属間化合物を成長させる
ことを含んで成る、製造方法。
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