JPWO2017221861A1 - はんだペーストおよびはんだ接合体 - Google Patents

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Abstract

電子部品とプリント基板の電極間を接合するはんだ接合部において、添加元素の添加効果が得られるとともに、添加元素を含む低融点相を偏析させることがないはんだペーストを提供するために、電子部品をプリント基板に実装するためのはんだペーストであって、錫、銀および銅以外の添加元素が添加された錫−銀−銅系のはんだ合金を含み、はんだ合金は、プリント基板に電子部品を実装した際にプリント基板および電子部品の電極間に形成されるはんだ接合部において、添加効果が発現する最小限度量以上かつ固溶限以下の添加元素が含有される量に調整された添加元素を含有するはんだペーストとする。

Description

本発明は、錫−銀−銅系はんだ合金を含むはんだペーストおよびはんだ接合体に関する。特に、本発明は、錫や銀、銅以外の添加元素を添加した錫−銀−銅系はんだ合金を含むはんだペーストおよびはんだ接合体に関する。
銀の価格高騰に伴い、銀を含むはんだ合金の価格が上昇している。そのため、銀を含むはんだ合金のコスト低減策として、Ｓｎ−１．０Ａｇ−０．７Ｃｕ合金、Ｓｎ−０．３Ａｇ−０．７Ｃｕ合金などの銀含有量を低減した低銀はんだ合金が注目されている（Ｓｎ：錫、Ａｇ：銀、Ｃｕ：銅）。しかし、はんだ合金中の銀を低減すると、はんだ合金の融点の上昇や、接合部におけるＡｇ3Ｓｎ化合物量の低下による強度低下、信頼性低下などが懸念される。低銀はんだ合金に関しては、はんだ合金の機械的強度を上げることを目的とし、銅以外の元素を微量添加させることがある。
また、車載用途などのように高強度なはんだ合金が必要な分野では、比較的高濃度（３〜５％程度）の銀を含有した高銀はんだ合金が用いられる。高銀はんだ合金でも、銅以外の元素を錫中に添加・固溶させて機械的強度を向上させる。すなわち、銀の含有量に関わらず、銀を含むはんだ合金中に銅以外の元素を添加してはんだの特性を向上できる。
特許文献１〜５には、銀を含む鉛フリーはんだ合金に銅以外の元素を添加したはんだ合金について開示されている。特許文献１〜５では、例えば、マグネシウムやアルミニウム、シリコン、リン、カルシウム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、亜鉛、ガリウム、ゲルマニウム、ジルコニウム、アンチモン、インジウム、ビスマスなどの元素を添加する例が開示されている。
特許第２７５２２５８号公報 特開２００４−１５４８４５号公報 特開２００７−２６８５６９号公報 特表２００９−５０６２０３号公報 特開２０１１−５５１０号公報
ところで、ＢＧＡ（Ball Grid Array）をプリント基板に実装する場合、ＢＧＡのはんだボールと、配線に印刷されたはんだペーストとが溶融し合う。ＢＧＡのはんだボールには添加元素を含まないＳｎＡｇＣｕ系合金が用いられる。このような場合、はんだペーストおよびはんだボールに含まれるはんだ合金が融合したはんだ接合部全体において添加元素の含有量が低下し、接合特性の改善効果が発現しない可能性がある。
これに対して、はんだペースト中のはんだ合金における添加元素の含有量を予め増やしておき、はんだ接合部全体における添加元素の含有量を接合強度の改善効果が発現する量にしておく対応策が考えられる。しかし、このような対応策では、はんだボールなどを介さずに実装されるＢＧＡ以外の部品に関しては、はんだ接合部における添加元素が過剰となり、はんだ全体が硬くなり過ぎる、接合界面に添加元素が偏析して界面割れを起こす、など、接合信頼性が低下する可能性がある。
本発明の目的は、上述した課題を解決するために、電子部品およびプリント基板の電極間を接合するはんだ接合部において、添加元素の添加効果が得られるとともに、添加元素が過剰となることがないはんだペーストを提供することにある。
本発明の一態様のはんだペーストは、電子部品をプリント基板に実装するためのはんだペーストであって、錫、銀および銅以外の添加元素が添加された錫−銀−銅系のはんだ合金を含み、はんだ合金は、プリント基板に電子部品を実装した際にプリント基板および電子部品の電極間に形成されるはんだ接合部において、添加効果が発現する最小限度量以上かつ固溶限以下の添加元素が含有される量に調整された添加元素を含有する。
本発明の一態様のはんだ接合体は、錫、銀および銅以外の添加元素が添加された錫−銀−銅系のはんだ合金を含み、はんだ合金は、プリント基板に電子部品を実装した際にプリント基板および電子部品の電極間に形成され、添加効果が発現する最小限度量以上かつ固溶限以下の添加元素が含有される。
本発明によれば、電子部品とプリント基板の電極間を接合するはんだ接合部において、添加元素の添加効果が得られるとともに、添加元素を含む低融点相を偏析させることがないはんだペーストを提供することが可能になる。
本発明の第１の実施形態に係るはんだペーストを用いて形成されたはんだ接合体の一例を示す概念図である。 本発明の第１の実施形態に係るはんだペーストを印刷した電極にＢＧＡ（Ball Grid Array）のはんだボールを対面させた状態の概念図である。 本発明の第１の実施形態に係るはんだペーストを印刷した電極にＢＧＡ（Ball Grid Array）のはんだボールを載せた状態の概念図である。 本発明の第２の実施形態に係る実装基板を作製段階の状態の概念図である。 本発明の第２の実施形態に係る実装基板の概念図である。 本発明の第２の実施形態に係る実装基板を搭載する電子機器の概念図である。
以下に、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。ただし、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。なお、以下の実施形態の説明に用いる全図においては、特に理由がない限り、同様箇所には同一符号を付す。また、以下の実施形態において、同様の構成・動作に関しては繰り返しの説明を省略する場合がある。
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態に係るはんだペーストについて説明する。本実施形態のはんだペーストは、プリント基板に電子部品を実装する際にプリント基板の電極に塗布するはんだペーストに関する。特に、本実施形態のはんだペーストは、ＢＧＡ（Ball Grid Array）とＢＧＡ以外の電子部品とを混在させて同一のプリント基板に実装する際に、プリント基板の電極に塗布するはんだペーストに関する。なお、本実施形態においては、ＢＧＡのはんだボールが錫、銀および銅以外の添加元素を含有しないものとする。また、本実施形態においては、プリント基板および電子部品の電極間に形成されるはんだ接合部のことをはんだ接合体ともよぶ。
本実施形態のはんだペーストは、プリント基板および電子部品の電極間に形成されるはんだ接合部に、錫、銀および銅に加えて、添加効果が発現する量の添加元素を含有させるように調製されたはんだ合金を含む。また、本実施形態のはんだペーストに含まれるはんだ合金には、プリント基板および電子部品の電極間に形成されるはんだ接合部において、錫との共晶相を形成させないように調整された量の添加元素が添加される。
本実施形態のはんだペーストに含まれるはんだ合金は、プリント基板およびＢＧＡの電極間に形成されるはんだ接合部において、添加効果を発現する最低限度量以上の添加元素が含有されるように調製されればよい。また、本実施形態のはんだペーストに含まれるはんだ合金は、ＢＧＡ以外のはんだ接合部において、はんだ合金中の錫、銀および銅への固溶限度量の総和を超えない量の添加元素が含有されるように調製されればよい。
〔はんだペースト〕
まず、本実施形態に係るはんだペーストについて説明する。
本実施形態のはんだペーストは、ＢＧＡを含む電子部品の電極（以下、部品電極）と、プリント基板に形成された電極（以下、基板電極）との間にはんだ接合部を形成するために用いられる。本実施形態のはんだペーストは、粉末状のはんだ合金、フラックス、溶剤およびチクソトロピック剤（チクソ剤とも呼ぶ）等の材料を混練して作製される。なお、本実施形態のはんだペーストに含まれるフラックス、溶剤およびチクソ剤等の材料については特に限定を加えない。
本実施形態のはんだペーストは、主成分である錫（以下、Ｓｎ）に銀（以下、Ａｇ）および銅（以下、Ｃｕ）を添加したＳｎＡｇＣｕ系合金に、ＡｇおよびＣｕ以外の添加元素を添加した組成のはんだ合金を含む。
添加元素の種類は、所望の特性が得られれば特に限定はされない。添加元素を選定する場合の着眼点としては、はんだ合金のＳｎＡｇＣｕ系合金に固溶するとともに、はんだ合金中の他の元素との間に共晶点を持たないことである。はんだ合金中の他の元素との間に共晶点を持たない元素を選択すれば、はんだ付けの際にはんだ接合部に温度勾配が生じていたとしても、添加元素が接合界面に偏析することなく、比較的均質にＳｎＡｇＣｕ系合金中に添加元素を分散できる。なお、本実施形態においては、プリント基板に電子部品の実装温度以下における共晶点について述べており、実装温度を超える温度領域における共晶点については考慮しない。
本実施形態のはんだ合金は、Ｓｎ、ＡｇおよびＣｕ以外に、アンチモン（以下、Ｓｂ）、アルミニウム（以下、Ａｌ）、カルシウム（以下、Ｃａ）およびマンガン（以下、Ｍｎ）からなる群より選ばれる添加元素を含有する。本実施形態のはんだ合金は、Ｓｂ、Ａｌ、ＣａおよびＭｎを単独で添加してもよいし、組み合わせて添加してもよい。Ｓｂ、Ａｌ、ＣａおよびＭｎを組み合わせる場合は、Ｓｂに加えて、Ａｌ、ＣａおよびＭｎのいずれかを添加することが好ましい。なお、Ｓｂ、Ａｌ、ＣａおよびＭｎを任意の比率で組み合わせてもよい。
本実施形態のはんだペーストに含まれるはんだ合金は、プリント基板およびＢＧＡの電極間に形成されるはんだ接合部において、添加効果を発現する最低限度量以上の添加元素が含有されるように調製されればよい。また、本実施形態のはんだペーストに含まれるはんだ合金は、ＢＧＡ以外の電子部品のはんだ接合部において、はんだ合金への固溶限度量の総和を超えない量の添加元素が含有されるように調製される。
ＳｎＡｇＣｕ系合金に対してＳｂ、Ａｌ、ＣａおよびＭｎを単独または組み合わせて添加すると、はんだ接合部を長寿命化できる。本実施形態によれば、固溶強化や延びの向上によってはんだ接合部の特性を改善しながら、基板電極および部品電極とはんだとの接合界面に硬く脆い層が析出しないため、はんだ接合部に応力が印加されても接合界面が容易に破壊されることはない。
ＳｎＡｇＣｕ系合金にＳｂ、Ａｌ、ＣａおよびＭｎを添加することによって発現する添加効果は下記の通りである。
Ｓｂは、Ｓｎに固溶し、かつはんだ合金中の他の元素と共晶点を持たない。そのため、ＳｎＡｇＣｕ系合金を含む一般的なＳｎ系はんだ合金にＳｂを添加しても添加元素を含む合金相が偏析せず、固溶強化機構の働きによって材料の強度を増すことができる。その結果、はんだ接合部形成の際に温度勾配が生じても添加元素が接合界面に偏らず、主成分であるＳｎ中に添加元素を比較的均質に分散させることができる。
また、ＳｎＡｇＣｕ系合金にＳｂを添加すれば、固溶強化によってはんだ合金の強度を増しながら、基板電極と部品電極との間を接合するはんだ接合部において、基板電極および部品電極とはんだ接合部との接合界面に硬く脆い合金相が析出することを防げる。すなわち、ＳｎＡｇＣｕ系合金にＳｂを添加すれば、はんだ接合部に応力が掛かった際に破壊されやすい脆い合金相が接合界面に形成されることはない。
Ｃａ、ＭｎおよびＡｌの３つの元素は、Ｓｂとは異なり、Ｓｎと共晶点を持つ。しかし、Ｃａ、ＭｎおよびＡｌのそれぞれとＳｎとの共晶点は、Ｓｎの融点に近く、低融点相が偏析し難い。また、Ｃａ、ＭｎおよびＡｌの３つの元素は、一般的なＳｎ系はんだ合金の延びを向上させる添加効果がある。したがって、Ｃａ、ＭｎおよびＡｌをＳｎＡｇＣｕ系合金に添加すれば、はんだ合金の強度と延びを向上させるとともに、接合界面近傍への添加元素の偏析を防ぐことができる。添加元素が偏析すると、この偏析部を起点もしくは進展経路としてクラックが発生しやすくなる。それに対し、Ｃａ、ＭｎおよびＡｌのいずれかを添加したはんだ合金は、接合界面近傍に添加元素が偏析することがないために長寿命である。
また、はんだ合金の主成分であるＳｎにＣａ、ＭｎおよびＡｌを添加すると、はんだ合金の延びが向上するとともに、次のような特性改善効果がある。Ｃａは、はんだ接合部におけるＳｎやＣｕＳｎ、ＡｇＳｎ金属間化合物の成長を抑制する。Ｍｎは、濡れ時間を短縮する。Ａｌは、濡れ広がりがやや低下する傾向があるものの、ＡｇＳｎ金属間化合物の成長を抑制する。なお、ＣｕＳｎやＡｇＳｎ金属間化合物は、硬くて脆い特性を持ち、成長しすぎるとクラックの起点となりうる。
ところで、ＳｎＡｇＣｕ系合金にＳｂを添加すると、固溶強化によってはんだ合金の材料強度は増大するものの、はんだ合金の延びが低下する。そのため、ＳｎＡｇＣｕ系合金にＳｂを添加しただけでは、はんだ合金の延びが小さくなることによって靱性が落ち、結果として長寿命化できないことがある。そのため、ＳｎＡｇＣｕ系合金にＳｂを添加した際には、Ｃａ、ＭｎおよびＡｌのいずれかを添加することによってはんだ合金の強度と延びを向上させることが好ましい。
ＳｎＡｇＣｕ系合金に対するＳｂの固溶限は、およそ１．０３質量％である。また、ＳｎＡｇＣｕ系合金に対するその他の添加元素の固溶限は、Ｃａでは約０．３４質量％、Ｍｎでは約０．４６質量％、Ａｌでは約０．２３質量％である。これらの固溶限は、Ｓｎと添加元素との状態図から読み取られる値であり、多少の誤差を含む。
一般に、固溶限を超えて添加された添加元素は、はんだ付け直後においては過冷却によって過剰にはんだ合金に固溶する。しかし、添加元素が過剰に固溶したはんだ接合部に熱やひずみが加えられると、添加元素の一部ははんだ合金中に固溶しきれずに再析出する。また、一般に、熱負荷によってはんだ接合界面で金属間化合物が成長すると、成長した金属間化合物の周辺部においてＳｎが消費される。そのため、金属間化合物が成長した接合界面では、添加元素の濃度が相対的に増大し、固溶限を超えた添加元素の一部が再析出しやすくなる。はんだ接合界面に添加元素が再析出すると、はんだ合金の機械的特性に大きく影響する。特に、接合界面に添加元素が層状に析出すると、析出した添加元素の層がクラックの起点や伸展経路となる可能性がある。
本実施形態のはんだ合金では、ＳｎＡｇＣｕ系合金への固溶限以下の添加元素を固溶させるため、はんだ接合部において添加元素が再析出する可能性は低い。
以上の観点を踏まえると、はんだの長寿命化に好適な組成は下記の通りである。以下の組成のはんだ合金は、上述のような観点から導かれたものであって、複数の材料を根拠なく組み合わせた類のものではない。また、Ｓｂ、Ｃａ、ＭｎおよびＡｌは、互いに共存させてもよい。
ＳｎＡｇＣｕ系合金にＳｂを添加する場合、Ｓｂを０．１質量％以上添加すれば添加効果が得られる。また、ＳｎＡｇＣｕ系合金へのＳｂの固溶限は１．０３質量％である。そのため、本実施形態においては、０．１〜１．０３質量％のＳｂがはんだ接合部に含有されるように、はんだペースト中のはんだ合金に添加するＳｂの量を調整する。
ＳｎＡｇＣｕ系合金にＣａを添加する場合、Ｃａを０．１質量％以上添加すれば添加効果が得られる。また、ＳｎＡｇＣｕ系合金へのＣａの固溶限は０．３４質量％である。そのため、本実施形態においては、０．１〜０．３４質量％のＣａがはんだ接合部に含有されるように、はんだペースト中のはんだ合金に添加するＣａの量を調整する。
ＳｎＡｇＣｕ系合金にＭｎを添加する場合、Ｍｎを０．１質量％以上添加すれば添加効果が得られる。また、ＳｎＡｇＣｕ系合金へのＭｎの固溶限は０．４６質量％である。そのため、本実施形態においては、０．１〜０．４６質量％のＭｎがはんだ接合部に含有されるように、はんだペースト中のはんだ合金に添加するＭｎの量を調整する。
ＳｎＡｇＣｕ系合金にＡｌを添加する場合、Ａｌを０．１質量％以上添加すれば添加効果が得られる。また、ＳｎＡｇＣｕ系合金へのＡｌの固溶限は０．２３質量％である。そのため、本実施形態においては、０．１〜０．２３質量％のＡｌがはんだ接合部に含有されるように、はんだペースト中のはんだ合金に添加するＡｌの量を調整する。
以上のように、本実施形態においては、はんだペースト中のはんだ合金へのＳｂ、Ｃａ、ＭｎおよびＡｌの添加量は、はんだ接合部において添加効果が発現する最低限の量を下限に設定し、ＳｎＡｇＣｕ系合金への固溶限を上限に設定する。
上述の添加元素の組成は、はんだペースト中のはんだ合金に添加する添加元素の仕込み組成ではなく、実装後の電子部品の電極とプリント基板の電極との間に形成されたはんだ接合部における添加元素の組成である。本実施形態においては、ＢＧＡに搭載されるはんだボールは、ＡｇやＣｕ以外の添加元素が添加されていないＳｎＡｇＣｕ系合金を想定する。そのため、はんだペースト中のはんだ合金の組成を上述のように設定すると、はんだボール中のＳｎＡｇＣｕ系合金によって希釈され、はんだ接合部における添加元素の組成比は適切な数値よりも小さくなる。
そこで、本実施形態においては、ＢＧＡのはんだボールのＳｎＡｇＣｕ合金の量と、はんだペースト中のはんだ合金の量とを考慮し、はんだ接合部における添加元素の組成比が適切な数値になるように添加元素の添加量を調製する。なお、実際には、はんだ接合部と電極との接合界面において電極材料とはんだ合金との合金相が生成するため、生成する合金相の組成も考慮して添加元素の量を設定する方が好ましい。
例えば、ＢＧＡに搭載されたはんだボール１個の量をＱbとし、そのはんだボール１個をはんだ接合するのに用いるはんだペースト中のはんだ合金の量をＱpとする。また、はんだペースト中のはんだ合金に含まれる添加元素の比率をＡpとする。このとき、はんだ接合部の添加元素の比率Ａtotalは、以下の式１を用いて計算できる。なお、はんだ合金の量と、添加元素の比率とは、同一の単位系で設定する。
Ａtotal＝Ａp×Ｑp／（Ｑb＋Ｑp）・・・（１）
そして、式１を変形した式２を用いると、はんだペースト中のはんだ合金に含ませておくべき添加元素の比率Ａpを計算できる。
Ａp＝Ａtotal×（Ｑb＋Ｑp）／Ｑp＝Ａtotal×（Ｑb／Ｑp＋１）・・・（２）
すなわち、はんだペースト中のはんだ合金に含ませておくべき添加元素の比率Ａpを、はんだ接合部のＳｎＡｇＣｕ合金への添加元素の固溶限の総和Ａlimit以下に設定すれば、添加元素の添加効果が得られる。すなわち、本実施形態においては、以下の式３を満たすように、はんだペースト中のはんだ合金に含ませておくべき添加元素の比率Ａpを調製すればよい。
Ａp＝Ａtotal×（Ｑb／Ｑp＋１）≦Ａlimit・・・（３）
ＢＧＡのはんだボール１個の量Ｑbが既知であれば、はんだ接合部に添加すべき添加元素の量を式３から求めることができる。はんだ接合部に含有させる添加元素の量は、はんだペースト中のはんだ合金における添加元素の比率や、はんだ合金を含むはんだペーストの量によって設定できる。
なお、はんだ合金の量を質量で考慮する場合は、添加元素の比率Ａpは質量比で考慮すればよい。その場合、以下の式４を満たすように添加元素の比率Ａpを設定すればよい。
Ａp＝Ａtotal×（Ｗb／Ｗp＋１）≦Ａlimit・・・（４）
ただし、式４において、ＷbはＢＧＡに搭載されたはんだボール１個の質量、Ｗpははんだボール１個をはんだ接合するのに用いるはんだペースト中のはんだ合金の質量である。この場合、添加元素の比率Ａpおよび添加元素の固溶限の総和Ａlimitは質量パーセント等の質量に関する比率（重量比や質量比）を用いる。
また、はんだ合金の量を体積で考慮する場合は、添加元素の比率Ａpは体積比で考慮すればよい。その場合、以下の式５を満たすように添加元素の比率Ａpを設定すればよい。
Ａp＝Ａtotal×（Ｖb／Ｖp＋１）≦Ａlimit・・・（５）
ただし、式５において、ＶbはＢＧＡに搭載されたはんだボール１個の体積、Ｖpははんだボール１個をはんだ接合するのに用いるはんだペースト中のはんだ合金の体積である。この場合、添加元素の比率Ａpおよび添加元素の固溶限の総和Ａlimitは体積パーセント等の体積に関する比率を用いる。
例えば、はんだペーストの供給対象に対するはんだペーストの供給量が一定の場合、供給対象ごとにはんだ合金中の添加元素の比率を変えればよい。また、全ての供給対象に対して同一組成のはんだペーストを用いる場合、供給対象ごとにはんだペーストの供給量を変えればよい。
なお、はんだペーストの供給対象とは、ＢＧＡやその他の電子部品の部品電極との間ではんだ接合部を形成させるプリント基板の基板電極のことである。電子部品の部品電極の表面状態は、部品ごとに異なる。例えば、ＢＧＡであれば、ＢＧＡのはんだボールと、基板電極に塗布されたはんだペースト中のはんだ合金とを溶融させてはんだ接合部を形成させる。また、例えば、はんだめっきを施した端子を有する電子部品であれば、端子に施されたはんだめっきと、基板電極に塗布されたはんだペースト中のはんだ合金とを溶融させてはんだ接合部を形成させる。また、例えば、Ｓｎめっきを施した端子を有する電子部品であれば、端子に施されたＳｎめっきと、基板電極に塗布されたはんだペースト中のはんだ合金とを溶融させてはんだ接合部を形成させる。
ところで、めっきを施していない端子を有する電子部品であれば、端子そのものと、基板電極に塗布されたはんだペースト中のはんだ合金とによってはんだ接合部を形成させる。そのため、はんだペースト中のはんだ合金に含有される添加元素の比率をＢＧＡと同様に設定してしまうと、はんだ接合部における添加元素の比率が固溶限を超える可能性がある。そのため、はんだペースト中のはんだ合金に含有される添加元素の比率の上限は、はんだ合金に対する添加元素の固溶限以下とすることが好ましい。はんだペースト中のはんだ合金に含有される添加元素の比率の上限をはんだ合金に対する添加元素の固溶限以下にすれば、いずれのはんだ接合部においても添加元素の比率が固溶限を超えることはない。
また、はんだペースト中のはんだ合金に添加する添加元素の下限値は、はんだ接合部において、添加元素を添加することによって発現する添加効果が得られる比率に設定する必要がある。はんだ接合部において添加元素の比率が下がる要因は、ＢＧＡのはんだボールや、ＢＧＡ以外の電子部品の端子に施されたはんだめっきにおける添加元素の比率が小さいまたは含まない場合である。
一般に、はんだペースト中のはんだ合金に添加する添加元素が最も低下するのは、はんだ合金の量が多いＢＧＡのはんだボールとの組合せである。すなわち、はんだ接合部中の添加元素が最も低下するのはＢＧＡのはんだ接合部である。そのため、はんだペースト中のはんだ合金に含有させる添加元素の比率は、ＢＧＡのはんだボールを基準とすればよい。特に、プリント基板に実装するＢＧＡのはんだボールのうち最も大きなはんだボールによって形成されるはんだ接合部における添加元素の比率が上述の下限値を超えるように、はんだペースト中のはんだ合金の添加元素の比率を設定すればよい。
以上の観点から、ＢＧＡを含む電子部品をプリント基板に実装する際に用いるはんだペースト中のはんだ合金における添加元素の比率は、以下の基準で設定すればよい。
はんだペースト中のはんだ合金における添加元素の比率の下限値は、ＢＧＡのはんだボールと、はんだペースト中のはんだ合金とがはんだ接合体を形成した際を基準とする。
はんだペースト中のはんだ合金における添加元素の比率の上限値は、はんだ合金に対する添加元素の固溶限以下にする。
はんだペースト中のはんだ合金における添加元素の比率を上述の下限値と上限値との間に設定すれば、はんだ接合部において、添加元素の添加効果を得られるとともに、低融点相の形成を抑制できるはんだペーストを提供できる。
〔はんだ接合部〕
ここで、本実施形態のはんだペーストを用いて実装する電子部品の電極とプリント基板の電極とを接合するはんだ接合部について図面を参照しながら説明する。以下においても電子部品としてＢＧＡを例に挙げて説明する。
図１は、本実施形態に係るはんだペーストを用いて形成されたはんだ接合部１０の近傍を示す概念図である。図２は、ＢＧＡをプリント基板に実装する前の状態を示す概念図である。図３は、ＢＧＡをプリント基板に載せたリフロー前の状態を示す概念図である。なお、図１〜図３は、はんだ接合部１０近傍を図示したものであり、ＢＧＡやプリント基板に含まれる構成のうち大部分を省略して図示している。
図２のように、ＢＧＡの基材２２には部品電極２１とソルダマスク２３が形成される。部品電極２１は、ＢＧＡを構成する配線に電気的に接続される。はんだボール１１は、ＢＧＡの部品電極２１に搭載される。
また、図２のように、ＢＧＡを実装するプリント基板の配線基板３２の主面には基板電極３１とレジスト３３が形成される。基板電極３１は、プリント基板の配線に電気的に接続される。基板電極３１には、はんだボール１１と基板電極３１とをはんだ接合するためのはんだペースト１２が塗布される。図３のように、ＢＧＡに搭載されたはんだボール１１を、はんだペースト１２が塗布された基板電極３１上に搭載した状態でリフローすることによって、図１のはんだ接合部１０が形成される。すなわち、はんだ接合部１０は、ＢＧＡを含む電子部品を載せたプリント基板を適切な温度プロファイルでリフローした際に、はんだボール１１とはんだペースト１２とが溶融し合うことによって形成される。
はんだ接合部１０は、部品電極２１と基板電極３１との間を機械的および電気的に接続する接合部である。本実施形態においては、はんだ接合部１０における添加元素の比率を添加元素の添加効果が得られる下限値と添加元素の固溶限との間に設定する。
〔はんだ合金の製造方法〕
ここで、本実施形態に係るはんだペーストのはんだ合金の製造方法の一例について説明する。なお、本実施形態においては、はんだペーストのはんだ合金は粉末状に形成させる例について説明する。
まず、各元素が所望の組成になるよう秤量し、真空溶解炉にて所望の温度で溶解してバルク合金を作製する。
そして、作製したバルク合金を所望の大きさのはんだ粉末に成型する。はんだ粉末の成型方法には、例えばガスアトマイズ法、遠心噴霧法などを用いることができる。これらの方法ではんだ粉末を成型する際には、先に用意したバルク合金を溶融した溶湯を、アルゴンや窒素などの不活性ガスを使って球状に凝固させる。このとき、溶湯が酸化しないように、溶湯を容れた容器も不活性ガスの雰囲気に保つことが好ましい。なお、本実施形態の合金組成においては、窒素以外の不活性ガスを用いるのが好ましい。なぜならば、添加元素としてＭｎを含む場合、不活性ガスとして窒素を用いると、Ｍｎが窒化してはんだの表面張力が上昇し、所望の径に成型できない可能性が高いためである。添加元素としてＭｎを含む場合には、例えばアルゴン等の不活性ガスを用いることによってＭｎの窒化を抑制すれば、はんだ粉末を効率よく製造することができる。
以上のように、本実施形態によれば、電子部品およびプリント基板の電極間を接合するはんだ接合部において、添加元素の添加効果が得られ、低融点相の生成が抑制されたはんだ接合部を形成できるはんだペーストを提供できる。
また、本実施形態によれば、電子部品およびプリント基板の電極間を接合するはんだ接合部において、繰り返しの熱負荷や機械的なひずみによって生じるクラックが原因となる信頼性低下を抑制できる。その結果、本実施形態のペーストを用いて形成させたはんだ接合部は、添加元素を添加しないはんだ接合部と比較して長寿命化できる。
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る実装基板について説明する。本実施形態の実装基板は、第１の実施形態のはんだペーストを用いて、プリント基板に電子部品を実装したものである。
本実施形態に係る実装基板は、ＢＧＡ以外の電子部品も搭載する。図４および図５は、ＢＧＡを含む複数の電子部品を同一のプリント基板に実装する例を示す概念図である。
図４は、プリント基板１００に複数の電子部品を実装する前の状態を示す概念図である。図４の例では、ＢＧＡ１０１、表面実装部品１０２および挿入部品１０３をプリント基板１００に実装する。
ＢＧＡ１０１、表面実装部品１０２および挿入部品１０３をプリント基板１００に実装する際には、各電子部品の部品電極に対応する基板電極上に第１の実施形態のはんだペーストを印刷しておく。はんだペーストは、基板電極の位置が開放されたメタルマスクを介して、スキージを用いてプリント基板１００の電極上に印刷できる。また、はんだペーストは、プリント基板１００の基板電極上にはんだペーストを滴下するディスペンサを用いプリント基板１００の電極上に印刷してもよい。図４においては、電子部品の電極との間にはんだ接合部を形成させるために、プリント基板１００の電極上にはんだペーストが印刷された状態を示している。
図５は、プリント基板１００に複数の電子部品を実装した実装基板１１０の概念図である。図５の実装基板１１０には、ＢＧＡ１０１、表面実装部品１０２および挿入部品１０３が実装されている。各電子部品の部品電極は、プリント基板１００の基板電極との間ではんだ接合部を形成する。各電子部品の電極と、プリント基板１００の電極との間には、添加元素の添加効果が得られ、低融点相の生成が抑制されたはんだ接合部が形成される。
図６は、本実施形態の実装基板が搭載された電子機器１２０の概念図である。例えば、ＢＧＡ１０１、表面実装部品１０２および挿入部品１０３などの電子部品は、コンピュータやサーバなどの電子機器１２０に含まれる実装基板１１０に搭載される。なお、表面実装部品１０２および挿入部品１０３などの電子部品は、コンピュータやサーバ以外の電子機器１２０に搭載される実装基板１１０に実装されてもよい。
本実施形態によれば、実装基板上に実装された電子部品の全てのはんだ接合部において高信頼性が得られる実装基板が得られる。また、本実施形態によれば、添加元素の添加比率を最適化することで、はんだ接合界面付近における添加元素の層状析出が抑制され、添加元素内部や界面でのクラック発生や伸展を防止でき、高信頼性のはんだ接合体および電子機器を実現できる。
以上、実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
この出願は、２０１６年６月２１日に出願された日本出願特願２０１６−１２２４７０を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
１０ はんだ接合部
１１ はんだボール
１２ はんだペースト
２１ 部品電極
２２ 基材
２３ ソルダマスク
３１ 基板電極
３２ 配線基板
３３ レジスト

Claims (10)

  1. 電子部品をプリント基板に実装するためのはんだペーストであって、
    錫、銀および銅以外の添加元素が添加された錫−銀−銅系のはんだ合金を含み、
    前記はんだ合金は、
    前記プリント基板に前記電子部品を実装した際に前記プリント基板および前記電子部品の電極間に形成されるはんだ接合部において、添加効果が発現する最小限度量以上かつ固溶限以下の前記添加元素が含有される量に調整された前記添加元素を含有するはんだペースト。
  2. 前記はんだ合金は、
    アンチモン、アルミニウム、カルシウムおよびマンガンからなる群より選ばれる前記添加元素を少なくとも一種類含有する請求項１に記載のはんだペースト。
  3. 前記はんだ合金は、
    アンチモンを含有するとともに、アルミニウム、カルシウムおよびマンガンからなる群より選ばれる元素のうち少なくとも一種を含有する請求項１または２に記載のはんだペースト。
  4. ＢＧＡ（Ball Grid Array）を含む前記電子部品を前記プリント基板に実装するためのはんだペーストであって、
    前記はんだ合金は、
    前記電子部品を実装した実装基板において、前記ＢＧＡの前記はんだ接合部においては前記添加元素の添加効果が発現する最低限の量以上の前記添加元素を含有し、前記ＢＧＡ以外の前記電子部品の前記はんだ接合部においては錫、銀および銅への固溶限度量の総和を超えない量の前記添加元素が含有される量に調製された前記添加元素を含有する請求項１乃至３のいずれか一項に記載のはんだペースト。
  5. 前記はんだ接合部の前記添加元素の含有量が、
    Ａp＝Ａtotal（１＋Ｑb／Ｑp）≦Ａlimit
    ただし、
    Ａp：はんだペーストに含まれる前記添加元素の比率
    Ａtotal：前記ＢＧＡの１つの前記はんだ接合部に含まれる前記添加元素の比率
    Ｑb：接合前のはんだボールの量
    Ｑp：１つのはんだボールを接合するために前記プリント基板の電極上に供給されるはんだペーストの量
    Ａlimit：１つの前記はんだ接合部に含有される錫、銀および銅へ前記添加元素の固溶限の総和
    なる式で表される請求項４に記載のはんだペースト。
  6. 接合前のはんだボールの量Ｑbと、前記ＢＧＡの１つのはんだボールを接合するために前記プリント基板の電極上に供給されるはんだペーストの量Ｑpとを質量で表記する場合、前記ＢＧＡの一つの前記はんだ接合部に含まれる前記添加元素の比率Ａtotalが０．０１質量パーセント以上に設定される請求項５に記載のはんだペースト。
  7. 接合前のはんだボールの量Ｑbと、前記ＢＧＡの１つのはんだボールを接合するために前記プリント基板の電極上に供給されるはんだペーストの量Ｑpとを質量で表記する場合、前記ＢＧＡ以外の前記電子部品の前記はんだ接合部に含まれる前記添加元素の含有量の最大値が、
    前記添加元素としてアンチモンが含有される場合は１．０３質量パーセント、
    前記添加元素としてアルミニウムが含有される場合は０．２３質量パーセント、
    前記添加元素としてカルシウムが含有される場合は０．３４質量パーセント、
    前記添加元素としてマンガンが含有される場合は０．４６質量パーセントに設定される請求項５または６に記載のはんだペースト。
  8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載のはんだペーストを用いて前記電子部品および前記プリント基板の電極間に形成された前記はんだ接合部を含む実装基板。
  9. 請求項８に記載の実装基板を含む電子機器。
  10. 錫、銀および銅以外の添加元素が添加された錫−銀−銅系のはんだ合金を含み、
    前記はんだ合金は、
    プリント基板に電子部品を実装した際に前記プリント基板および前記電子部品の電極間に形成され、添加効果が発現する最小限度量以上かつ固溶限以下の前記添加元素が含有されるはんだ接合体。
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