WO1995028249A1 - Soudure, procede de connexion par soudure et structure de montage d'un composant electronique - Google Patents

Soudure, procede de connexion par soudure et structure de montage d'un composant electronique Download PDF

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Kenichi Yamamoto
Tasao Soga
Toshiharu Ishida
Hanae Shimokawa
Toshihiro Hachiya
Yoshiro Tuneyosi
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Hitachi, Ltd.
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    • H05K3/3463—Solder compositions in relation to features of the printed circuit board or the mounting process

Definitions

  • the present invention relates to a solder material, a solder connection method, and a mounting structure using the same.
  • Landscape technology a solder material, a solder connection method, and a mounting structure using the same.
  • solders used for connecting LSIs, electronic components, etc. to circuit boards include Sn—Pb alloys, especially Sn 63—Pb 37 eutectic solder (for example, cream solder, 60-257988) is mainly used. Solder paste is used to supply solder for connection.
  • low melting point solder (melting point: 165 ° C) containing 8 wt% of Bi in Sn-Pb based solder shows excellent melt separability. MJ—S—55—91, 1991).
  • the melting point of such low-melting-point solder is much lower than that of the Sn-Pb eutectic (melting point: 183 ° C), so the reliability at high temperatures is reduced by eutectic soldering. There was a problem that it was difficult to secure the average.
  • An object of the present invention is to prevent the occurrence of bridges by soldering using a solder having a composition having a property that bridges are unlikely to occur.
  • An object of the present invention is to provide a solder that does not easily generate a bridge. Disclosure of the invention
  • solder that has reached its melting point has a wetting and spreading force that tends to spread to pads on the board and to the leads of the LSI.
  • the liquid suddenly becomes unstable due to the action of surface tension, gravity, and the tendency of the liquid to unite.
  • the solder paste tends to melt when the temperature becomes high, and when the LSI lead is mounted, the solder sticks out, so that solder pads may come into contact between adjacent pads. In such a case, a bridge is easily formed by the action of surface tension.
  • Solder in a semi-molten state is a state in which a solid phase and a liquid phase are mixed, and has a very high viscosity.
  • the surface tension acts on the liquid phase portion but does not act on the solid phase portion, the surface tension cannot act on the entire solder surface. For this reason, the surface tension is apparently considerably smaller.
  • the solder in a semi-molten state the solder in the liquid phase can spread to the lead of the pad ⁇ LSI on the substrate by the action of the wetting spread force.
  • the wetting spread force is superior, and the effect of surface tension that tends to gather in one place is weak. Therefore, unlike the eutectic solder, the two do not start working at the same time, and the generation of a bridge can be prevented.
  • a specific composition of a solder having such characteristics is defined by the following points A, B, B ', C and D in a phase diagram of a Sn-Bi-Pb ternary alloy.
  • Solder having a composition within the above-mentioned range is added with a quantity of S corresponding to 0 to 0.5 wt% of the above alloy. If b is included, the above effect can be further enhanced by further reducing the surface tension. Further, if the solder having the composition within the above-described range contains Ag in an amount corresponding to 0 to 3 wt% of the above alloy, silver cracking can be prevented.
  • a Sn-Pb-based solder with a temperature difference between the solidus temperature and the liquidus temperature Solder at the same soldering temperature (about 220 to 230 ° C) as the conventional eutectic solder. Make the attachment. It is more preferable that the solder has a melting point (approximately 17 CTC) that is almost the same as that of a conventional crystal solder from the viewpoint of high-temperature reliability.
  • Fig. 1 is a model diagram showing the experimental method
  • Fig. 2 is a diagram showing the size of the bridge
  • Fig. 3 is a bridge size of Sn63-Pb37 eutectic solder and Sn54-Bi1-Pb5.
  • Figure 4 shows the relationship between the solder composition of Sn-Pb solder and Sn-Bi-Pb45 solder and the average bridge size. The figure shows the relationship between the difference between the solidus and liquidus temperatures and the average bridge size.
  • FIG. 6 is a state diagram showing the range of the Sn--Pb--Bi ternary solder composition in the present invention.
  • FIG. 7 is a model diagram showing the metal mask and substrate used in the experiment
  • Figure 8 is a model diagram showing the state of printing and mounting using the metal mask and substrate shown in Figure 7
  • Figure 9 is Figure 8
  • Fig. 10 shows the relationship between the copper pad and the bridge ratio when reblowing is performed in the state shown in Fig. (A).
  • FIG. 4 is a diagram showing a relationship between a copper pad and a bridge ratio.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an experiment for measuring the melt-separability of a solder.
  • the experiment consisted of solder wires (1), copper pads (2) and glass epoxy This is performed using the substrate (3).
  • the melt-separation property was determined based on the bridge formed after placing the solder wire (1) on the adjacent copper pad (2) and performing the rib opening.
  • the reason for using the solder wire is to eliminate the cause of the package as much as possible and to be able to see only the effect of the solder composition.
  • the bridge generation rate varies depending on the copper pad size, solder wire diameter (solder amount), and pitch, but it is necessary to select conditions that match both for the evaluation of melt separation.
  • the spacing between the centers of the copper pads (2) is 0.5 mm pitch, so the solder wire diameter ⁇ 0.3 mm was selected as the optimal condition.
  • Experiments were conducted on three types of copper pad width: 0.28 mm, 0.30 mm, and 032 mm. The resulting bridges are categorized by size.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the bridge size.
  • the bridge between two copper pads (2) like the bridge (5) shown in Fig. 2 (a), is the bridge of size 2 and the bridge (6) shown in Fig. 2 (b).
  • the bridge between the three copper pads (2) is called the size 3 bridge.
  • Figure 3 (a) shows the relationship between the size of bridges and the number of bridges when the experiment was performed using Sn 63-Pb 37 eutectic solder (solid phase temperature: 183 ° C, liquid phase temperature: 183 ° C).
  • Fig. 3 (b) shows the melting point and soldering temperature of Sn 54-Bil-Pb 45 solder, which is close to that of Sn 63-Pb 37 eutectic solder (solidus temperature: 182 ° C, liquidus temperature: 196)
  • the relationship between the size of the bridge and the number of bridges when the experiment was performed at (° C) is shown.
  • the vertical axis is the number of bridges
  • the horizontal axis is the size of the generated bridge.
  • solder composition Such a difference in the results depending on the solder composition is considered to be due to the following mechanism.
  • Sn 63 -Pb 37 eutectic solder it melts instantaneously, so that it spreads on the copper pad by the action of the wetting spreading force at the same time (or faster).
  • surface tension due to the effect of surface tension, a flow occurs in which the solder moves in the horizontal direction (solder line direction) and gathers at one place. The result is a large bridge.
  • the solder having the composition of Sn54-Bi1-Pb45 has a temperature range in which it is in a semi-molten state.
  • the solder In this temperature range, the solder has a high viscosity because it is in a solid-liquid coexisting state.
  • the surface tension itself is lower than that of the Sn63-Pb37 eutectic solder, and the force that tends to gather in one place is small even after it is completely melted. Therefore, the lateral flow of the solder is small and a large bridge cannot be formed. Therefore, many small bridges are formed. Since the wetting spread force can act regardless of the surface tension, the solder can spread on the copper pad.
  • the solder of the bridge portion which had already been configured before reflow was started, was moved to separate each pad, and the bridge size was a small size of a few. It turns out that the bridge is gone.
  • the bridge is large (for example, when the bridge size is 4 or 5), mere formation of the burette does not allow the solder at the bridge to be fully absorbed (cannot be drawn). Remaining, the bridge remains unresolved.
  • the solder having a composition that can produce a large-sized bridge is a solder that can easily form a bridge even in actual use, while the solder that has a composition that can produce many small bridges has a It turned out to be a solder that was difficult to perform.
  • Figure 4 (a) is a graph showing the relationship between the composition of the Sn-Pb solder and the average bridge size.
  • the vertical axis is the average bridge size, and the horizontal axis is the Sn concentration. From Fig. 4 (a), it can be seen that even for Sn-Pb-based solder, the melt-separability is improved by providing a difference between the solidus temperature and the liquidus temperature. However, it was observed that the melt separability deteriorated with Sn5O-Pb50. This is because the liquidus temperature of Sn 50 —Pb 50 is higher than the reflow temperature, which causes a decrease in wettability.
  • Fig. 4 (b) shows the relationship between the Bi concentration and the average bridge size for Sn-Bi-Pb45-based solder with good separability.
  • the vertical axis is the average bridge size, and the horizontal axis is the Bi concentration. From Fig. 4 (b), it can be seen that the melt separability of the Sn-Bi-Pb45 system is constant regardless of the Bi concentration.
  • the Sn—Bi—Pb45 system has a solidus temperature and a liquidus temperature. However, the melting point tends to decrease as the concentration of Bi increases. This fact indicates that the melt-separability does not depend on the level of the melting point.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the difference between the solid-phase temperature and the liquid-phase temperature, and the average bridge size.
  • the vertical axis in Fig. 5 is the average bridge size, and the horizontal axis is the difference between the solidus temperature and the liquidus temperature.
  • the shaded area in the figure is the area where the solder, which was evaluated as having excellent melt separability in this experiment, is distributed.From Fig. 5, the larger the difference between the solidus temperature and the liquidus temperature, the larger the difference. It can be seen that the average bridge size has become smaller. In other words, it can be seen that the solid phase temperature and the liquid phase temperature are different (have a difference), so that the solder is excellent in melt separation property.
  • solder determined to be excellent in melt separation by this method is still excellent in melt separation even if the pitch dimension is changed.
  • solder is effective not only for batch reblow, but also for any connection method (for example, a method in which a lead is pressed with a heating electrode).
  • QFP Quad Flat Package
  • TCP Transmission Carrier Package
  • BGA Ba11 Grid Ar ray
  • PGA Peripheral Component
  • FIG. 6 is a phase diagram of a Sn—Pb—Bi ternary solder.
  • the compositions at points A, B, C, D, A,, B,, C, E, F, G, H, I, I,, I,, in the figure are as follows.
  • the solid line (7) in the figure is the eutectic line
  • the dotted line (8) is the liquidus temperature of 175 °.
  • the C line and the dotted line (9) indicate the line at a liquidus temperature of 200 ° C.
  • the area enclosed by A ', B, B,, C, and D more preferably the area enclosed by ABCD (the hatched area in the figure) It is proposed to use a solder having the composition shown in FIG.
  • the reason why the composition in such a range is preferable is as follows.
  • AB (or A, B) is the limit at which the liquidus temperature is at 200 ° C and reflows at 22 ° C to ensure sufficient wettability.
  • CB (or C, B,) is a 4 wt% B i concentration line. As the B i concentration increases, even though the separability increases, the situation in which the last separation is cut off is slow, and Cutting may occur, and depending on the process, the time required for separation may be prolonged and oxidized, resulting in an apparent increase in viscosity and a tendency to become difficult to cut. However, it was found that it was not recognized when Bi was 4 wt% or less. For example, on the Pb: 46wt% line, three types of solders with different Bi concentrations (here, in Fig.
  • CD or C, D
  • the position of point D is determined in such a way that Bi is not contained and that the average bridge size is 2.4 or less (see Fig. 4 (a)). is there.
  • point C (average bridge size 2.32) was chosen as the limit.
  • the experiment was performed by printing a solder paste on a substrate using a metal mask and reflowing it. The evaluation was based on the ratio of the paste short-circuited portions remaining as bridges after reflow (called the bridge ratio here). The experiment 'evaluation was performed for both cases with and without QFP during reflow.
  • Figure 7 (a) shows the metal mask (10) used in this experiment.
  • the mask thickness of the metal mask (10) is 0.15 mm.
  • holes (11) are formed at intervals corresponding to the pads for printing solder paste.
  • the opening width of the hole (11) is 0.25 mm.
  • the prescribed holes (11) and (11) are connected near the center. ing.
  • bridge pattern (1 1) and the opening connecting the holes are collectively called a "bridge pattern (1 1)".
  • the width of the bridge pattern (1 1) was 0.1
  • Fig. 7 (b) shows the substrate (3) used in this experiment.
  • a copper pad (2) is formed on the substrate (3).
  • Substrate (3) is for 0.5mm pitch QFP.
  • Four types of copper pads (2) were used: 0.25 mm, 0.28 mm, 0.3 Omm, and 0.32 mm.
  • solder that easily forms a bridge was used as the solder that easily forms a bridge.
  • solder that does not easily become a bridge includes Sn37-Bi18-Pb45 low melting point solder and solder with a composition within the range enclosed by ABCD in Fig. 6 (Sn53-Bi2—Pb45) And were used.
  • the surface tension values of these solders are listed for reference. Surface tension at S n 63- P b 37 eutectic solder 500 ° C is a 4 60 X 10- 3 N / m .
  • the surface tension at 500 ° C of Sn37—Bil 8—Pb 45 low melting point solder is 430 ⁇ 10—SNZm.
  • Sn-Pb solder it is generally known that the lower the ratio of Sn, the lower the surface tension. Also, the surface tension of Bi is smaller than that of Sn and Pb.
  • Figure 8 (a) shows the state where the solder paste (12) is printed on the substrate (3) using the metal mask (10). Solder paste (12) is printed on the board (3) and copper pad (2) in a pattern corresponding to the bridge pattern (11). A paste short (13) is formed between the copper pad (2) and the copper pad (2).
  • the short-circuited paste part (13), which is considered to be the cause of the bridge, is that in the actual process, the paste (12) is peeled off at the time of preheating during printing, component mounting, and reflow. This occurs when the pads (2) come into contact with each other.
  • Figure 8 (b) shows the QFP (14) mounted on the printed solder paste.
  • Figures 9 and 10 show the results of evaluating the experimental results.
  • FIG. 9 is a graph showing the relationship between the copper pad width and the bridge ratio when reflowing the state shown in FIG. 8 (a).
  • the vertical axis is the bridge ratio (%), and the horizontal axis is the copper pad width (mm).
  • the opening in the graph indicates the results for Sn63-Pb37 eutectic solder, ⁇ indicates the results for Sn37-Bi8-Pb45 low melting point solder, and ⁇ indicates the results for Sn53-Bi2-Pb45. If reflow is performed without mounting the QFP (14), the amount of solder will be excessive because the solder will not spread to the leads (15) and fillets will not form at the heel of the leads (15).
  • Fig. 10 shows the copper path when reflowing the one in Fig. 8 (b).
  • FIG. 4 is a graph showing a relationship between a pad width and a bridge ratio.
  • the vertical axis is the bridge ratio (%), and the horizontal axis is the copper pad width (mm).
  • the opening indicates the result of Sn 63-Pb 37 eutectic solder
  • the open square indicates the result of Sn 37-Bi 18-Pb 45 low melting point solder
  • the open square indicates the result of Sn 53-Bi 2 -Pb 45.
  • the Sn63-Pb37 eutectic solder is a solder in which ridges are more likely to occur than the Sn37-Bi18-Pb45 low melting point solder or the Sn53-Bi2-Pb45.
  • Sn 53—B 12—purified 45 which is the composition in the area surrounded by ABC D in FIG. 6, is Sn37—B il when reflowed with the QFP (14) mounted.
  • soldering is performed using a solder having excellent melt-separability, generation of a bridge can be prevented. Furthermore, even if solder is connected between a large number of pads to form a large "one" character-shaped bridge in advance, it is possible to separate these solders evenly for each pad with reflow.
  • TCP used as a multi-bin high-density LSI package
  • TCP is usually soldered by applying heat while pressing a lead on a substrate pre-coated with solder. Solder excellent in melt separability can be used for this precoat. By printing this solder with excellent melt-separability on the copper pad and performing reflow, the solder can be supplied on the copper pad. In the case of narrow pitch substrates for TCP, pre-coating with solder paste tends to generate ridges between adjacent pads if there is a paste in the paste.
  • Pre-coating with the solder of the present invention which is excellent in melt-separability, makes it possible to prevent the occurrence of pledges. Also, the cost can be kept lower than other pre-coating methods. In a connection with a pitch of 0.25 mm or less, even if solder is individually supplied to each pattern, a bridging easily occurs because the distance between adjacent patterns is small. Even in this case, if the solder has excellent melt-separation properties, the bridge disappears. In addition, even when the paste and the solder foil (line) were mounted on one character with respect to the pattern, the solder was melted and separated by the pressure of the electrode, and it was confirmed that the solder of the present invention having excellent separability did not form a bridge.
  • the above-mentioned solder of the present invention (the solder having the composition in the area surrounded by AB CD in FIG. 6 or the composition in the area surrounded by A, BB, and CD) If Sb and Ag are further added to the solder (having solder), the melt-separation property is further improved.
  • the addition amount of Ag it is preferable to add an amount of solder corresponding to 0 to 3 wt% of the solder having the composition described above.
  • Sb it is preferable to add an amount of solder corresponding to 0 to 0.5 wt% of the solder having the above-described composition.
  • the use of the solder of the present invention which is excellent in melt-separation properties, allows the conventional soldering of narrow-pitch multi-pin LSIs. 6

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Description

明 細 書 はんだ、 はんだ接続方法おょぴ電子部品の実装構造体 技術分野
本発明は、 はんだ材料、 はんだ接続方法及びそれを用いた実装構造体 に関する。 景技術
現在、 LS I、 電子部品等と回路基板との接続に用いられているはん だには、 Sn— Pb合金、 中でも Sn 63— Pb 37共晶はんだ （例え ば、 クリ一ムはんだ、 特開昭 60— 257988号公報参照） が主に使 用されている。 接続に用いるはんだの供給は、 はんだペーストが用いら れている。
ところで、 実装の高密度化により QFP (Qua d F l a t Pa c k a g e) などの部品の狭ピッチ多ピン化が進んでいる。 この狭ピッ チ多ピン化した LS Iを、 接続する基板のパッドにはんだペーストを供 給した場合、 はんだペーストのだれなどにより、 リフローしたときに端 子間でブリッジが発生してしまう。
共晶はんだの場合、 はんだが融点に達すると瞬時に溶融する。 このた め、 あるパッド上のはんだペーストが隣りのパッド上のはんだペースト と接触していた場合には、 溶融時、 該はんだは、 バ？/ド上に濡れ拡がる 前に、 表面張力の作用によって該隣のパッドとの間にプリッジを形成し てしまう。 溶融時のこのようなふるまいは、 共晶はんだ特有のものであ る。 共晶はんだを用いて狭ピッチ多ピン化した L S Iを接続する場合、 ブリッジの発生を防止することは困難である。 このため、 狭ピッチ化に は、 該はんだに起因した限界がある。
従来の技術では、 共晶はんだを用いて狭ピッチ多ピン化した L S Iを はんだ付けした際、 プリッジの発生をゼロにすることは困難であった。
S n - P b系はんだに B iを 8 w t %入れた低融点はんだ （融点 1 6 5 °C) を用いると溶融分離性が優れることは文献等 （谷口， マイクロ接 合研究委員会資料， M J— S— 5 5— 9 1， 1 9 9 1 ) に示されている。 し力 し、 このような低融点はんだは、 その名のとおり融点が S n— P b 共晶 （融点 1 8 3 °C) より大幅に下がるため、 高温での信頼性を共晶は んだ並に確保することは困難であるという問題があった。
本発明の目的は、 ブリッジが発生しにくい性質を持った組成のはんだ を用いてはんだ付けすることにより、 ブリッジの発生を防止することに ある。
本発明の目的は、 プリッジが発生しにくいはんだを提供することを目 的とする。 発明の開示
上記目的の達成は、 表面張力が小さく、 かつ固相温度と液相温度に差 を持つたはんだを用いることにより解決できることが分かった。
従来の共晶はんだは、 固相温度と液相温.度とに差がないため、 融点に 達したはんだは、 基板上のパッドゃ L S Iのリードにぬれ拡がろうとす るぬれ拡がり力と、 液体が一体化しょうとする表面張力と、 重力と、 の 作用のために急激に不安定な状態をつくる。 また、 んだペーストは高 温になるとだれやすく、 かつ、 L S Iリードを搭載するとペーストがは み出し、 このため隣どうしのパッド間ではんだペー^トが接触する場合 がでてくる。 このような場合に表面張力の作用によりブリッジを形成し やすい。 このプリッジの形成には融点に達し溶融したはんだのパッド及ぴリ一 ドへのぬれ拡がろうとするぬれ拡がり力と、 はんだ自体が 1つに集まろ うとする表面張力と、 が同時に働き始めることが最も影響している。 これを改善するためには、 温度が固相温度と液相温度との間にある時 の半溶融状態での性質を利用するのが有効であることが分かつた。
半溶融状態にあるはんだは、 固相と液相とが混じった状態であり、 粘 度は非常に高い状態になっている。 また、 表面張力は液相の部分には作 用するが固相の部分には作用しないため、 はんだ表面全体に該表面張力 が作用することはできない。 このため、 表面張力は見かけ上相当小さく なっている。 他方、 半溶融状態にあるはんだは、 ぬれ拡がり力の作用に よって液相部のはんだが基板上のパッドゃ L S Iのリードにぬれ拡がる ことができる。 このため、 半溶融状態のはんだでは、 ぬれ拡がり力が勝 り、 一か所に集まろうとする表面張力の作用が弱い。 従って、 共晶はん だのように両者が同時に働き始めることがなく、 プリッジの発生を防止 することができる。
また、 はんだ量が過剰なためにブリッジが発生した場合にも、 はんだ の表面張力が低い場合には、 基板上のパッドゃ L S Iのリードにはんだ がさらにぬれ拡がることができるため、 ブリッジを分離させることがで さる。
このような特性を備えたはんだの具体的組成として、 本発明において は、 S n— B i— P b 3元系合金の状態図における下記点 A， ， B , B ' ， C ， Dに囲まれた範囲內の組成を有する合金をベースにしたことを 特長とするはんだを提案する。
A' ( S n 5 2 w t %, P b 4 8 w t %,· B i 0 w t %) B ( S n 4 8 w t %, P b 4 9 w t %, B i 3 w t %) Β ' ( S n 4 8 w t %, P b 4 8 w t %, B i 4 w t %) C， （S n : 54 t %, P b ： 42 w t %, B i ： 4w t%) D (S n ： 58 w t %, P b ： 42 w t %, B i ： 0 w t %) また、 311—：6 1—卩ゎ 3元系合金の状態図にぉける下記点八， B, C， Dに囲まれた範囲内の組成を有する合金をベースにしたことを特長 とするはんだを提案する。
A (Sn 53 w t %, Pb 47 w t %, B i ： 0 w t %) B (Sn 48 w t %, P b 49 w t %, B i ： 3 w t %) C (S n 54 w t %, P b 42. 5 w t %, B i : 3. 5 w
%)
D ( S n ： 58 w t %, P b ： 42 w t %, B i ： 0 t %) 上述した範囲内の組成を有するはんだに、 上記合金の 0〜0. 5w t %に相当する分量の S bを含めるようにすれば、 表面張力をより低減さ せて上述した効果を更に高めることができる。 また、 上述した範囲内の 組成を有するはんだに、 上記合金の 0〜3 w t%に相当する分量の Ag を含めれば、 銀くわれを防止することができる。
なお、 狭いピッチでの接続に特に適したはんだとして、 本発明のごと く液相温度と固相温度とが異なっている組成の合金に着目した例は今ま でなかった。 このような特質を備えた合金の利用の途を発見し明示した のは本願発明者が初めてである。
固相温度と液相温度との間に温度差のついた S n— P b系はんだで、 従来の共晶はんだの場合とほぼ同一のはんだ付け温度 （約 220〜23 0°C) ではんだ付けを行なう。 該はんだは、 従来の ¾晶はんだとほぼ同 程度の融点 （約 1 7 CTC) を有していることが高温信頼性の観点からは より好ましい。
この場合、 固液共存状態から液相状態にかけて、 LS Iリード及ぴパ ッドへの液相のぬれ拡がり力が作用する。 他方、 表面張力は液相部には 作用するが固相部には作用せず、 見かけ上はんだ表面全体の表面張力は 極端に下がり （液相部の表面張力は大部分が固相部をパインドするエネ ルギ一に費やされる） 、 ぬれ拡がり力に負けてしまう。 このため、 ブリ ッジを防止することができる。 また、 同様な作用により、 既にブリッジ している状態を均一に分離させることもできる。 これにより、 修正工数 が低減し、 実装品製造にかかるコストを下げることができる。 また、 同 時に従来の Sn63— Pb 37共晶はんだ並の信頼性を持たせることが できる。 図面の簡単な説明
第 1図は実験の方法を示すモデル図、 第 2図はブリッジのサイズを示 す図、 第 3図は Sn63— Pb 37共晶はんだ及ぴ S n 54-B i 1 - Pb 5のブリッジサイズとブリッジの個数との関係を示す図、 第 4図 は S n— P b系はんだ及ぴ S n— B i -P b 45系はんだのはんだ組成 と平均プリッジサイズの関係を示す図、 第 5図は固相温度と液相温度の 差と平均プリッジサイズとの関係を示す図、 第 6図は Sn— Pb— B i の 3元系はんだの本発明における組成の範囲を示す状態図、 第 7図は実 験に用いたメタルマスク及び基板を示すモデレ図、 第 8図は第 7図のメ タルマスク及び基板を使って印刷、 搭載を行った状態を示すモデル図、 第 9図は第 8図 （a) の状態でリブローしたときの銅パッドとブリッジ 率との関係を示す図、 第 10図は第 8図 （b) の状態でリフローしたと きの銅パッドとプリッジ率との関係を示す図である。. 発明を実施するための最良の形態
第 1図は、 はんだの溶融分離性を測定するための実験の概略図である。 該実験は、 はんだ線 (1) 、 銅パッド （2) 及び、 ガラスエポキシ製の 基板 （3) を用いて行われる。 この実験は、 隣接した銅パッド （2) 上 にはんだ線 (1) をのせてリブ口一を行った後にできたブリッジの様子 で溶融分離性を判定するものである。 はんだ線を用いた理由は、 パラッ キの要因をできるだけ排除し、 はんだの組成による影響のみを見ること が出来るようにするためである。 なお、 銅パッド寸法、 はんだ線径 （は んだ量） 、 ピッチによってブリッジ発生率が変わるが、 溶融分離性の評 価には両者がマッチングする条件を選ぶ必要がある。 ここでは銅パッド (2) の中心の間隔が 0. 5mmピッチのため、 最適な条件としてはん だ線径 Ψ 0. 3 mmを選んだ。 銅パッド幅については、 0. 28 mm, 0. 30 mm, 032mmの 3種類で実験を行なった。 できたブリッジ は大きさで分類される。
第 2図はブリッジサイズを示す概略図である。 第 2図 （a) に示し たブリッジ （5) のように 2つの銅パッド （2) 間にまたがるものをサ ィズ 2のブリッジ、 第 2図 （b) に示したブリッジ （6) のように 3つ の銅パッド （2) 間にまたがるものをサイズ 3の大きさのブリッジと呼 ぶものとする。
第 3図 （a) に Sn 63— Pb 37共晶はんだ （固相温度： 183°C、 液相温度： 183°C) で実験を行った時のブリッジのサイズとブリッジ の個数の関係を、 第 3図 （b) に融点、 はんだ付け温度も Sn 63— P b 37共晶はんだに近い、 Sn 54— B i l— Pb 45はんだ （固相温 度： 182°C、 液相温度： 1 96°C) で実験を行った時のブリッジのサ ィズとブリッジの個数の関係を示す。 第 3図 （a) 、第 3図 （b) とも に縦軸はブリッジの個数、 横軸は発生したブリッジのサイズである。
Sn 63-Pb 37共晶はんだの場合には、 どのサイズのブリッジも、 発生個数は 10個未満と少ないが、 サイズ 5のような大きなブリッジが できているのがわかる。 このような結果が得られたのは、 一か所に多く のはんだが流れ込んだことで、 他の部分ではプリッジを形成するのに十 分なはんだ量がなくなり、 プリッジにならなかったからである。
S n 5 4 - B i 1一 P b 4 5の場合、 サイズ 2のような小さなブリツ ジが 3 0個以上と多くできているものの、 サイズ 4以上の大きなブリッ ジは出来ていない。
はんだの組成によるこのような結果の違いは、 以下のようなメカ-ズ ムによるものと考えられる。 つまり、 S n 6 3— P b 3 7共晶はんだの 場合には、 瞬間的に溶融状態となるため、 ぬれ拡がり力の作用によって 銅パッド上にぬれ拡がろうとするのと同時に （あるいは早く） 、 表面張 力の作用によって、 はんだが横方向 （はんだ線方向） に移動して一力所 に集まろうとする流れが起こる。 その結果、 大きなブリッジができてし まう。 これに対し、 S n 5 4— B i 1— P b 4 5の組成を有するはんだ は、 半溶融状態となる温度域がある。 この温度域おいて該はんだは、 固 液共存状態にあるため粘度が高い。 また、 表面張力自体も S n 6 3— P b 3 7共晶はんだのものより低く、 完全に溶融した後でも一力所に集ま ろうとする力が小さい。 従って、 はんだの横方向の流れが小さく、 大き なブリッジを形成できない。 そのため、 小さなブリッジが多数形成され ることとなる。 なお、 ぬれ広がり力は表面張力の高低に関係なく作用し えるため、 はんだは銅パッド上をぬれ拡がることができる。
また、 L S Iを搭载の有無による結果の相違は、 以下のようなメカ二 ズムによるものであることが確認された。
L S Iを搭載し、 該リ一ドを銅パッド上に載せていると、 はんだが溶 融するのに伴って、 該はんだがリードのヒール部のフィレツト形成のた めに吸われてしまう （引き寄せられてしまう） 。 そのため、 リフローを 開始するまでの段階で既に構成されてしまっていたブリツジ部分のはん だも各パッドへ分離するように移動し、 ブリッジサイズが 2， 3の小さ なブリッジはなくなつてしまうことがわかった。 他方、 ブリッジが大き い場合 （例えば、 ブリッジサイズが 4， 5の場合》 には、 ブイレット形 成だけでは、 ブリッジ部分のはんだを吸い寄せ切れない （引き寄せきれ ない） 。 従って、 ブリッジ部分にははんだが残り、 ブリッジは解消され ないままとなる。
以上のことから、 この実験で大きなサイズのプリッジができる組成を 持つはんだは、 実使用時にもブリッジのできやすいはんだであり、 一方、 小さなプリッジが多くできる組成を持つはんだは、 実使用時にはプリッ ジのできにくいはんだであることがわかつた。
このような知見に墓づき、 できたブリッジの大きさの平均値 （平均ブ リッジサイズ） に着目してはんだの溶融分離性を評価することにした。 小さなブリッジが多くできる組成を持つはんだはプリッジのできにくい はんだであることから、 平均ブリッジサイズが小さいほど溶融分離性に 優れるはんだであることが分かる。
第 4図 （a ) は S n— P b系はんだの組成と平均ブリッジサイズとの 関係を示したグラフである。 縦軸は平均ブリッジサイズ、 横軸は S n濃 度である。 この第 4図 （a ) か 、 S n— P b系はんだでも固相温度と 液相温度に差を持たせることによって溶融分離性が良くなることが分か る。 しかし、 S n 5 O— P b 5 0で溶融分離性が悪くなるのが認められ た。 これは、 リフロー温度に対して S n 5 0— P b 5 0の液相温度が高 いため、 ぬれ性の低下をもたらしたことによる。
第 4図 （b ) は、 分離性の良い S n— B i— P b 4 5系のはんだにつ いて、 B i濃度と平均ブリッジサイズとの関係を示したものである。 縦 軸は平均ブリッジサイズ、 横軸は B i濃度である。 の第 4図 （b ) か ら、 S n— B i— P b 4 5系では溶融分離性は B iの濃度に依らず一定 であることが分かる。 S n— B i— P b 4 5系は、 固相温度と液相温度 とに差を持っている系であるが、 B iの濃度が多くなるほど融点は下が る傾向にある。 このこと力 ら、 溶融分離性は融点の高低に依存しないこ とが分力ゝる。
第 5図は、 固相温度と液相温度との差と、 平均ブリッジサイズと、 の 関係を示すグラフである。 第 5図の縦軸は平均ブリッジサイズ、 横軸は 固相温度と液相温度の差である。 また、 図中の斜線部分は、 この実験に おいて溶融分離性に優れていると評価されたはんだが分布する領域であ 第 5図から、 固相温度と液相温度との差が大きくなるほど平均ブリッ ジサイズが小さくなつていることが分かる。 即ち、 固相温度と液相温度 とが異なる （差を持つ） ことが溶融分離性の優れたはんだであることが 分かる。
以上のことから、 適切な寸法のはんだ細線を、 はんだ付けする端子上 に横切るように載せてリフロ一する実験を行い、 該実験の結果できたブ リッジについてその平均ブリッジサイズを評価することで、 当該はんだ のプリッジの発生の難易を判定できることが分かった。
この方法で溶融分離性に優れていると判定されたはんだは、 ピッチの 寸法が変わっても、 溶融分離性に優れていることに変わりはない。 また、 このようなはんだは、 一括リブローに限らず、 あらゆる接続方法 （例え ば、 加熱用電極でリードを加圧する方式） に対しても有効である。 さら に、 狭ピッチのはんだ付けが要求される QFP (Qu a d F l a t Pa c k a g e) , TCP (Ta p e Ca r r i e r P a c k a g e) , BGA (B a 1 1 Gr i d Ar r a y) , PGA (P i n Gr i d Ar r a y) , SOP (Sma l l Ou t l i ne Pa c k a g e) などのパッケージや、 フリップチップなど、 あらゆる電子 部品の実装に対しても有効であることに変わりはない。 さらに、 はんだ 0
ペーストを用いたパッド上へのプリコ一トにも利用できる。 .
第 6図は、 Sn— Pb— B iの 3元系はんだの状態図である。 図中の、 点 A， B, C, D、 A， ， B， ， C， E， F， G， H， I， I， ， I， ， における組成は、 下記のとおりである。
A (S n ： 53 w t %, P b 47 w t %, B i ： Ow %)
B (Sn ： 48wt%, P b 49 w t %, B i ： 3 w %)
C (Sn ： 54wt%, Pb 42. 5 w t %, B i ： 3. 5 w t %) D (Sn ： 58wt%, Pb 42 w t %, B i ： 0 w t %)
A， (Sn： 52wt%, Pb ： 48 w ： 0 %) B， (Sn ： 48wt%, Pb : 48 w ： 4 w %) C， (Sn ： 54 w t %, Pb ： 42 w t %, B B B ： 4 w %)
E (Sn 63 w t %, P b 37 w t %, B i i i 0 t %)
F (S n 60 w t %, P b 40 w t %, B i 0 w t %)
G (Sn 55 w t %, P b 45 w t %, B i 0 w t %)
H (Sn 50 w t %, Pb 40 w t %, B i 0 w t %)
I (Sn 46 w t %, Pb 46 w t %, B i 8 w t %)
I， (Sn ： 48wt%, Pb ： 46 w t %, B ： 6 w t %)
I ' ， (Sn： 5 Ow t%, P b ： 46 t %, B i ： 4 w t %) また、 図中の実線 (7) は共晶ライン、 点線 （8) は液相温度 17 5 °Cのライン、 点線 （9) は液相温度 200°Cのラインを示す。
ブリッジの発生を抑制させるという目的に対し本発明では、 A' ， B, B， ， C， ， Dで囲まれた範囲内、 より好ましくは、 ABCDで囲まれ た範囲 （図中、 斜線領域） 内の組成を有するはんだを用いることを提案 する。 このような範囲の組成が好ましい理由は下記 とおりである。
AB (もしくは A， B) は、 液相温度が 200°Cレベルであり、 22 o°cでリフローして、 十分なぬれ性を確保するための限界である。 CB (もしくは C， B， ） は、 B i濃度 4wt%ラインであり、 B i 濃度を増していくと分離性は増しても、 最後の分離に切れる状況が緩慢 であり、 尾を引くような切れ方が生じ、 プロセスによっては分離に要す る時間が長く酸化されやすく、 見かけ上粘性が増して切れにくい状態に なりやすい。 し力 し、 B iが 4 wt%以下ではそれが認められないこと が分かった。 例えば、 Pb ： 46w t%ライン上において、 B i濃度が 異なる 3種類のはんだ （ここでは第 6図における、 ， （B i ： 4w t %) 、 I， （B i ： 6 w t %) 、 I (B i ： 8 w t %) に相当するは んだ） を比較すると、 B i濃度が 6 w t %以上のはんだでは尾を引く現 象が認められた。 従って、 B iの含有量は 4 w t %以下とした。
次に CD (もしくは C， D) について説明する。 点 Dの位置は、 B i が含有されていない状態であって、 且つ、 平均ブリッジサイズが 2. 4 以下 （第 4図 （a) 参照） となるようにとの観点力決定されたものであ る。
3元系の共晶ライン （7) に近づくと液相と固相との温度差が小さく なるために、 分離性が悪くなる。 従って、 その限界として C点 （平均ブ リッジサイズ 2. 32) を選んだ。
これまでの述べてきた議論は、 はんだ線についての実験結果に基づく ものであった。 次に、 実際に使われているはんだペーストを用いた実験 に基づく評価結果の一例を説明する。
実験は、 メタルマスクを用いてはんだペーストを基板に印刷し、 これ をリフローすることで行った。 そして、 その評価は、，リフロー後にぺー スト短絡部がブリッジとして残っているものの割合 （ここでは、 ブリツ ジ率と呼ぶ） に基づいて行った。 該実験'評価は、 リフロー時に QFP を搭載している場合と、 搭載していない場合との両方の場合について行 つた。 2
第 7図 （a) に本実験に用いたメタルマスク （10) を示す。 メタル マスク （10) のマスク厚さは 0. 15mmである。 メタ^^マスク （1
0) には、 はんだペーストを印刷するために、 パッドに対応した間隔で 孔 （11) が形成されている。 該孔 （11) の開口幅は 0. 25 mmで ある。 また、 はんだペーストを印刷した際に隣どうしのパッド上のはん だペーストがつながった状態を実験的に作り出すため、 所定の孔 （11) と孔 （11) とは、 その中央付近がつなげられている。 以下、 該孔 （1
1) および孔同士をつないだ開口部分を総称して" ブリッジパターン (1 1) " と呼ぶ。 実験には、 ブリッジパターン （1 1) の幅が 0. 1
5mmと 0. 20mmとの 2種類のメタルマスク （10) を用いた。 第 7図 （b) に、 本実験に用いた基板 (3) を示す。 該基板 （3) に は銅パッド （2) が形成されている。 基板 （3) は、 0. 5mmピッチ QFP用のものである。 銅パッド （2) の幅は、 0. 25mm， 0. 2 8mm, 0. 3 Omm, 0. 32 mmの 4種類のものを用いた。
実験には、 ブリッジになりやすいはんだと、 ブリッジになりにくいは んだと、 を用いた。 ブリッジになり易いはんだとしては、 Sn63— P b 37共晶はんだを用いた。 一方、 プリッジになりにくいはんだとして は、 Sn37-B i 18— P b 45低融点はんだと、 第 6図中の ABC Dで囲まれた範囲中の組成のはんだ （Sn53— B i 2— Pb45) と、 を用いた。 なお、 参考までにこれらのはんだの表面張力の値を挙げてお く。 S n 63— P b 37共晶はんだの 500°Cにおける表面張力は、 4 60 X 10— 3N/mである。 Sn37— B i l 8— Pb 45低融点は んだの 500°Cにおける表面張力は、 430 X 10— SNZmである。 Sn-P b系はんだにおいては、 一般的に S nの比率が低下するほどそ の表面張力が小さくなることが知られている。 また、 B iの表面張力は Sn, Pbと比べて小さく、 該 B iを添加されると Sn— Pb系はんだ 3
はその表面張力が低下する。
メタルマスク （10) を用いてはんだペースト （12) を基板 (3) に印刷した状態を第 8図 （a) に示す。 基板 (3) および銅パッド （2) 上には、 ブリッジパターン （11) に対応したパターンで、 はんだぺー スト （12) が印刷されている。 銅パッド （2) と銅パッド （2) とを つなぐように、 ペースト短絡部 （13) ができている。 なお、 ブリッジ 発生の原因として考えられるペースト短絡部 （13) は、 実際の工程で はペースト （12) 印刷、 部品搭載、 リフローを行う際の予熱時にはん だペースト （12) がだれて、 これが銅パッド （2) 間で互いに接触し て生じるものである。
はんだペーストを印刷したものに QFP (14) を搭載した様子を第 8図 （b) に示した。
実験結果を評価した結果を第 9図、 第 10図に示した。
第 9図は、 第 8図 （a) の状態のものをリフローした場合の、 銅パッ ド幅とブリッジ率の関係を示すグラフである。 縦軸はブリッジ率 （％) 、 横軸は銅パッド幅 （mm) である。 グラフ中の口は Sn63— Pb 37 共晶はんだ、 ▽は Sn37— B i l 8— Pb45低融点はんだ、 〇は S n53— B i 2— Pb45の結果を示す。 QFP (14) を搭載せずに リフローを行った場合、 リード （15) へのはんだのぬれ拡がりや、 リ —ド （15) のヒール部でのフィレツト形成がないためはんだ量は過剰 となる。 Sn 63— Pb 37共晶はんだの場合、 ペースト短絡部 （13) はすべてブリッジとなって残った。 これに対して、 $n53-B i 2— Pb 45は約半分のペースト短絡部 (13) が分離し、 Sn37— B i 18— Pb 45低融点はんだの場合には約 90%の ースト短絡部 (1 3) が分離した。
第 10図は、 第 8図 （b) の状態のものをリフローした場合の、 銅パ 4
ッド幅とブリッジ率の関係を示すグラフである。 縦軸はブリッジ率 （％) 、 横軸は銅パッド幅 （mm) である。 また、 グラフ中の口は Sn 63— Pb 37共晶はんだ、 ▽は Sn 37-B i 18-Pb 45低融点はんだ、 〇は Sn53— B i 2— Pb45の結果を示す。 QFP (14) を搭載 してリフ口一を行った場合、 リード （15) へのはんだのぬれ拡がりや、 リード （15) のヒール部でのフィレット形成があるため、 それらには んだが吸収されプリッジ率は第 9図と比較して小さい値をとる。 Sn 3 7-B i 18-Pb 45低融点はんだの場合には、 ペースト短絡部 (1 3) はすべて分離した。 また、 Sn53— B i 2— Pb45も 95%以 上のものが分離した。 これに対して、 Sn 63— Pb 37共晶はんだの 場合には、 約半分のペースト短絡部 （13) が分離しないで残った。
これらの結果から、 Sn63— Pb 37共晶はんだは、 Sn37— B i 18— Pb45低融点はんだや Sn53— B i 2— Pb45と比較し てプリッジが発生しやすいはんだであると言える。
—方、 第 6図の ABC Dで囲まれた範囲中の組成である Sn 53— B 12—卩ゎ45は、 QFP (14) を搭載してリフローを行った場合に は、 Sn37— B i l 8— Pb45低融点はんだ並の溶融分離性を持つ ていた。 また、 このはんだは、 B i濃度が 2%であることから B i添加 による強度低下もほとんどない。 つまり、 このはんだ （Sn53— B i 2-P b 45) は、 Sn 63— Pb 37共晶はんだ並の信頼性を有して いた。 さらに、 はんだペーストによるこの溶融分離性評価実験の結果は、 はんだ線を用いた実験の結果と一致している。 従つ' 、 この溶融分離性 に優れたはんだを用いてはんだ付けを行えば、 プリッジの発生を防止で きる。 さらには、 多数のパッド間にはんだがつらな て"一" 文字状の 大きなブリッジが予めできている場合でも、 リフローに伴ってこれらの はんだをパッドごとに均一に分離させることも可能である。 5
本発明の応用として、 多ビン高密度 L S Iのパッケージとして利用さ れている T C Pの例について示す。 T C Pは、 通常はんだがプリコート された基板にリ一ドを圧着しながら加熱を行ない、 はんだ付けされる。 このプリコートに溶融分離性に優れたはんだを用いることが出来る。 銅 パッド上にこの溶融分離性に優れたはんだを印刷し、 リフローを行なう ことによって、 銅パッド上にはんだを供給することが出来る。 狭ピッチ の T C P用の基板の場合、 はんだペーストによるプリコートは、 ペース トにだれなどがあった場合、 隣どうしのパッド間でプリッジが発生しや すい。
溶融分離性に優れた本発明のはんだでプリコートを行なえば、 プリッ ジの発生を防止することが可能となる。 また、 他のプリコート法よりも コストを低く抑えることが出来る。 0 . 2 5 mmピッチ以下の接続では、 各パターンに個別にはんだを供給しても隣接間距離が小さいためブリッ ジになり易い。 この場合でも、 はんだが溶融分離性に優れていれば、 ブ リッジはなくなる。 また、 ペースト、 はんだ箔 （線） をパターンに対し て一文字上に搭載した場合においても、 電極の加圧により溶融分離し、 分離性に優れた本発明のはんだはブリッジにならないことを確認した。
ここでは特にデータを示さないが、 上述した本発明のはんだ （第 6図 における AB C Dに囲まれた領域内の組成を有するはんだ、 あるいは、 A， B B， C Dに囲まれた領域内の組成を有するはんだ） にさらに S b， A gを添加すればさらに溶融分離性が高まる。 添加量は、 A gにつ いては、 上述した組成のはんだの 0〜3 w t %に相 する量のはんだを 添加することが好ましい。 S bについては、 上述した組成のはんだの 0 〜 0 . 5 w t %に相当する量のはんだを添加することが好ましい。
以上説明したとおり、 溶融分離性に優れた本発明のはんだを用いるこ とによって、 狭ピッチ多ピンの L S Iのはんだ付けにおいても、 従来の 6
共晶はんだでは不可避であったブリッジの発生を防止できる。 これによ り、 ブリツジに起因した製品の歩留まり低下を解消することができる。 また、 修正などの工程を減らすことができる。 さらには、 はんだペース トを印刷する際、 はんだ量を多めに印刷することができるため、 未はん だなどの防止も可能になる。

Claims

7 請 求 の 鳄 囲
1. Sn-P 共晶はんだよりも表面張力が小さく、 且つ、 固相温度 と液相温度とが異なることを特徴とするはんだ。
2. その融点が 170°C以上であることを特徴とする請求の範囲 1記 载のはん: o
3. S n— P b系もしくは S n— B i一 P b系のはんだにおいて、
Sn— B i— Pb 3元系合金の状態図における下記点 A， ， B， B， C， ， Dに囲まれた範囲内の組成を有する合金をベースにしたこと、
A' (Sn 52 w t %, Pb 48 w t %, B i 0 w %)
B (Sn 48 w t %, P b 49 w t %, B i 3 w %)
B, (Sn 48 w t %, P b 48 w t %, B i 4 w %)
C, (Sn 54 w t %, Pb 42 w t %, B i 4 w %)
D (Sn 58 w t %, Pb 42 w t %, B i 0 w %) を特徴とするはんだ。
4. Sn— Pb系もしくは Sn— B i— Pb系のはんだにおいて、 S n— B i— Pb 3元系合金の状態図における下記点 A, B, C, Dに囲 まれた範囲内の組成を有する合金をベースにしたこと、
A (Sn ： 53wt%, P b ： 47 w t %, B i ： 0 w t %) B (Sn ： 48wt%, P b ： 49 w t %, B i ： 3 w t %) C ( S n ： 54 w t %, P b ： 42. 5 w t %, B i : 3. 5 w t
%)
D ( S n ： 58 w t %, P b ： 42 w t %, B j ： 0 w t %) を特長とするはんだ。
5. 上記合金の 0〜0. 5wt%に相当する分量の Sbを含むことを 特徴とする請求の範囲 3または 4記載のはんだ。
6. 上記合金の 0〜 3 w t %に相当する分量の A gを含むことを特徴 とする請求の範囲 3または 4記載のはんだ。
7. Sn-Pb共晶はんだよりも表面張力が小さく且つ固相温度と液 相温度とが異なるはんだを用いて、 電子部品の端子部を接続固定するこ とを特徴とする電子部品のはんだ接続方法。
8. 上記はんだとして、 請求の範囲 2， 3または 4記載のはんだを用 いることを特徴とする請求の範囲 7記載の電子部品のはんだ接続方法。
9. 複数の電子部品と、 上記電子部品の端子を接続固定したはんだと、 を備え、 上記はんだは、 Sn— Pb共晶はんだよりも表面張力が小さく 且つ固相温度と液相温度とが異なるものであることを特徴とする電子部 品の実装構造体。
10. 上記はんだとして、 請求の範囲 2， 3または 4記載のはんだを 用いることを特徴とする請求の範囲 9記載の電子部品の実装構造体。
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WO (1) WO1995028249A1 (ja)

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EP0770449A1 (en) * 1995-10-30 1997-05-02 AT&T Corp. Low temperature solder alloy and articles comprising the alloy

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JPH07336043A (ja) 1995-12-22

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