WO2001080611A1 - Procede de brasage et joint soude - Google Patents

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WO2001080611A1
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alloy
electrode
layer
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Masayuki Kitajima
Masakazu Takesue
Tadaaki Shono
Motoko Fujioka
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Fujitsu Limited
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    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/26—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 400 degrees C
    • B23K35/262—Sn as the principal constituent
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/22—Secondary treatment of printed circuits
    • H05K3/28—Applying non-metallic protective coatings
    • H05K3/282—Applying non-metallic protective coatings for inhibiting the corrosion of the circuit, e.g. for preserving the solderability
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
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    • H05K3/3457—Solder materials or compositions; Methods of application thereof
    • H05K3/3463—Solder compositions in relation to features of the printed circuit board or the mounting process
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T428/12771—Transition metal-base component
    • Y10T428/12861—Group VIII or IB metal-base component
    • Y10T428/12903—Cu-base component

Definitions

  • the present invention relates to a method for soldering electronic devices with a lead-free solder material and a solder joint formed by the method.
  • lead-tin (Pb-Sn) solder alloys have been widely used for soldering in various electrical and electronic devices from the viewpoints of low melting point and good wettability even in oxidizing atmospheres.
  • solder alloys for example, alloys in which Sb (antimony), Ag (silver), Ge (germanium), Ti (titanium), etc. are added to Sn, have been partially put into practical use. Applications.
  • the properties required for general use of conventional Pb-Sn solder alloys are low melting point and good wettability, reflow treatment is possible, and reaction with base metal. This is because no brittle compound layer or embrittlement layer is formed. Disclosure of the invention
  • the present invention provides a solder joint method and a solder joint that can secure a joint strength equivalent to that of a conventional solder joint using a Pb-Sn solder alloy without adversely affecting the environment and increase the cost.
  • the purpose is to provide without.
  • the above object comprises the following steps:
  • soldering method characterized by including the following.
  • the solder material used in the present invention may further contain at least one element selected from the group consisting of Sb, In, Au, Zn, Bi and A1 in a total amount of 3 wt% or less. Good.
  • One of the typical applications of the present invention is a printed wiring board for electronic components, in which a Cu electrode to be solder-joined is covered with a water-proof coating made of an organic compound containing N (nitrogen). Therefore, long-term storage and solder wettability are ensured.
  • the cost is reduced and the manufacturing period is shortened by using the above-mentioned heat-resistant coating.
  • a resin film of rosin (natural rosin), resin (synthetic resin), or the like has been formed as a protection process for a Cu electrode.
  • the film thickness was as thick as 20 m or more, probing during electrical tests became difficult, and cleaning treatment was necessary after soldering.
  • a water-soluble protective agent has been used to reduce the film thickness so that the cleaning process after soldering can be omitted. That is, the Cu electrode is cleaned by etching with a copper sulfate solution or the like, and then immersed in a solution containing 100 to 500 ppm of a water-soluble protective agent to form a coordinate bonding film.
  • an extremely thin protective film is formed by the coordination bond (chelate bond) between N in the N-containing organic compound and the metal.
  • the film thickness is considered to be less than 300.
  • N-containing organic compound constituting the anti-corrosion film of the present invention examples include imidazole, benzoimidazole, alkylimidazole, benzotriazole, benzotriazole, mercaptobenzothiazole, and pyridine having the structural formulas shown in FIG. A cyclic compound such as a roll and thiazole is used.
  • solder material The properties required as a solder material are as follows. (1) High wettability with base material.
  • Solder bonding can be performed at a sufficiently low temperature so as not to cause thermal damage to electronic devices to be soldered. That is, the melting point is equivalent to the melting point of the conventional Pb—Sn solder of 45 K (183 ° C.).
  • soldering electronic equipment it is necessary to allow molten solder to flow into narrow gaps, so the surface tension, viscosity, and fluidity of the solder material are important.
  • the conventional Pb—Sn solder alloy satisfies the above conditions well, but it was difficult to avoid environmental pollution due to Pb.
  • the solder material used in the present invention is A g 2.Owt% or more 3.
  • the melting point which is the most basic property as a solder material, it is necessary to secure a low melting point (220 ° C or less) equivalent to that of the conventional Pb_Sn solder alloy. If the Ag content is 2.0% or more, a low melting point of 220 ° C or less can be secured. Ag content is less than 2.0 wt% And the melting point rises sharply. On the other hand, when the Ag content is 3.0 Owt% or more, a large amount of needle-like crystals are generated, causing a short circuit between electronic components, and the bonding reliability is reduced.
  • the Ag content is further limited to 2.5 wt% or less within the scope of the present invention, the generation of needle-shaped crystals is almost complete. It is desirable because it can be prevented. Conversely, for applications in which the emphasis must be placed on controlling the thickness of the intermetallic compound layer described below, if the Ag content is further limited to 1.5 wt% or more within the scope of the present invention, the intermetallic compound This is desirable because the thickness of the layer can be further reduced.
  • the most desirable Ag content that satisfies both conditions simultaneously is 2.5 wto / 0 .
  • the solder alloy and the Cu electrode are joined. That is, generation of an intermetallic compound is essential for bonding.
  • the intermetallic compound layer is too thick, it becomes brittle and the bonding strength decreases. Therefore, it is desirable that the intermetallic compound layer is formed as thin as possible at the time of joining, and it is desirable that the intermetallic compound layer does not easily grow due to the thermal history after joining.
  • the inventor measured the thickness of the intermetallic compound layer at the bonding interface at a temperature of up to 150 ° C., which is considered as a thermal history that the electronic device receives in a use environment.
  • the thickness of the intermetallic compound layer is stably maintained. It was found that it can be suppressed to about m or less. If the Cu content is lower or higher than the above range, the thickness of the intermetallic compound layer increases. As the Cu content that can minimize the thickness of the intermetallic compound layer, 0 • 7 wt% is most desirable.
  • the Ag content is limited to 2.0 wt% or more and less than 3.0 wt%, and the Cu content is limited. Limit the amount to 0.5 to 0.8 wt%.
  • the Ag content can be selected from the range of 2. Owt% or more and 2.5 wt% or less or 2.5 wt% or more and less than 3.0 wt% as necessary.
  • the most desirable composition is 2.5 Ag-0.7 Cu-Sn.
  • the Ag-Cu-Sn solder alloy of the present invention has properties very close to Sn as a main component, has good wettability with Cu, and has high conductivity.
  • the solder alloy according to the present invention includes Sb (antimony), In (indium), Au (gold), Zn (zinc), and Bi (in addition to the above basic composition of Ag-Cu-Sn).
  • Sb antimony
  • In indium
  • Au gold
  • Zn zinc
  • Bi in addition to the above basic composition of Ag-Cu-Sn.
  • One or more elements selected from bismuth) and A1 (aluminum) can contain up to 3 wt% in total.
  • the solder alloy of the present invention contains 0 (oxygen), N, H (hydrogen) and the like as inevitable impurities.
  • 0 oxygen
  • N nitrogen
  • H hydrogen
  • a value of 0 is desirable to be as small as possible, since the alloy may be embrittled.
  • solder alloy containing Sn as a main component
  • Sn is easily oxidized during solder joining. Therefore, non such solder joints N 2 and A r (argon) It is desirable to perform in an oxidizing atmosphere. This prevents the occurrence of poor wetting and poor electrical connection due to oxidation of the solder alloy.
  • the solder joint of the present invention can be performed while applying ultrasonic waves to promote wetting, similarly to the conventional solder joint.
  • FIG. 1 is a chemical structural formula showing a specific example of a protective film made of an organic compound containing N used in the present invention.
  • FIG. 2 is a graph showing the change in the melting point of the alloy with respect to the Ag content for a 0 to 3.5 wt% Ag-0.7 wt% Cu—Sn solder alloy.
  • FIG. 3 is a graph showing a change in the melting point of the alloy with respect to the Cu content for the 3 wtAg_0 to 3 wt% Cu-Sn solder alloy.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the Ag content and the frequency of acicular foreign matter occurrence in a 0 to 4 wt% Ag_0.7 wt% Cu_Sn solder alloy.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a heat-proof coating no flux mixture extruded at the solder joint of the present invention.
  • Figure 6 shows the solder joints formed with 2 wt% Ag_0 to 1.5 wt% Cu_Sn solder alloys at 115 ° C and 150 ° C, respectively. 6 is a graph showing the growth of an intermetallic compound layer when heated for 0 hours, using the thickness of the ⁇ layer alone.
  • Figure 7 shows the solder joints formed with 2wt% Ag—0 to 1.5wt% Cu—Sn solder alloy at 110 ° C and 150 ° C, respectively.
  • 9 is a graph showing the growth of an intermetallic compound layer when heated for 0 hour, with the thickness of 77 layers alone.
  • Figure 8 shows the solder joints formed with 2wt% Ag—0 to l.5wt% Cu—Sn solder alloy at 115 ° C and 150 ° C. 3 is a graph showing the growth of an intermetallic compound layer when heated for 100 hours, respectively, by the total thickness of the ⁇ layer + V layer.
  • Figure 9 shows the solder joints formed from 2.5wt% Ag_0 ⁇ l.5wt% Cu_Sn solder alloy heated at 115 ° C and 150 ° C for 100 hours respectively.
  • 6 is a graph showing the growth of the intermetallic compound layer in the case of performing the above-mentioned process, with the thickness of the ⁇ layer alone.
  • Figure 10 shows the solder joints formed with 1.5 wt% Ag—0 to 1.5 wt% Cu—Sn solder alloy at 125 ° C and 150 ° C, respectively.
  • 6 is a graph showing the growth of an intermetallic compound layer when heated for 100 hours, with the thickness of the 7th layer alone.
  • Figure 11 shows the solder joints formed with 2.5 wt% Ag—0 to 1.5 wt% Cu—Sn solder alloy at 125 ° C and 150 ° C, respectively.
  • 5 is a graph showing the growth of an intermetallic compound layer when heated for 100 hours, as a total thickness of ⁇ layer + 7 7 layer.
  • Figure 12 shows the solder joints formed from 3 wt% Ag-0 to 1.5 wt% Cu-Sn solder alloy at 115 ° C and 150 ° C, respectively.
  • 4 is a graph showing the growth of an intermetallic compound layer when heated for 100 hours, with the thickness of the ⁇ layer alone.
  • Figure 13 shows the solder joints formed with 3wt% Ag—0 to 1.5wt% Cu_Sn solder alloy at 125 ° C and 150 ° C, respectively.
  • 5 is a graph showing the growth of an intermetallic compound layer when heated for 100 hours, as a single layer thickness.
  • Figure 14 shows the solder joints formed with 3wt% Ag_0 ⁇ l.5wt% Cu_Sn solder alloy at 115 ° C and 150 ° C, respectively.
  • 6 is a graph showing the growth of an intermetallic compound layer when heated for 100 hours, as a total thickness of ⁇ layer + 77 layers.
  • Fig. 15 shows that 2.5 to 3.5 wt% Ag-0.7 wt% Cu-Sn
  • This graph shows the joint strength per connection terminal of an electronic component before and after heating a solder joint formed by a solder alloy, compared to a Pb-Sn solder alloy.
  • Figure 3 and Table 2 show the change in the melting point of the alloy with respect to the Cu content for 3 wt% Ag-0 to 3 wt% Cu-Sn solder alloy. It can be seen that a low melting point of 220 ° C. or less can be obtained in a wide range of Cu content including the range of CuO 0.5 to 0.8 wt% of the present invention. Regarding the relationship between the Cu content and the melting point, similar results were obtained for the Ag content range of the present invention of 2. Owt% or more and less than 3.0 wt%.

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  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Electric Connection Of Electric Components To Printed Circuits (AREA)

Description

明 細 書 はんだ接合方法およびはんだ接合部 技術分野
本発明は、 無鉛はんだ材料による電子機器のはんだ接合方法およ びそれによ り形成されたはんだ接合部に関する。 背景技術
これまで、 各種電気 · 電子機器におけるはんだ接合には、 融点が 低く、 酸化性雰囲気中でも濡れ性が良い等の観点から、 鉛—錫 （ P b - S n ) はんだ合金が広く用いられている。
P bは毒性を有するので、 P bあるいは P b を含有する合金等の 材料の取り扱いについては、 各種の規制がなされている。
更に、 最近の環境保護に対する関心の高ま りに伴い、 P b含有は んだ合金を用いた電子機器等の廃棄処理については、 規制を強化す る趨勢にある。
従来、 P b含有はんだ合金を多量に用いた使用済み電子機器は、 通常の産業廃棄物や一般廃棄物と同様に、 主として埋め立てによ り 廃棄することが一般的であつた。
しかし、 P b含有はんだ合金を多量に用いた使用済み電子機器を そのまま埋め立て等によ り廃棄し続けると、 P bの溶出によって環 境や生物に対して悪影響を及ぼすことが危惧されている。
近い将来には、 P b含有はんだ合金を多量に用いた使用済み電子 機器は、 P bを回収した後に廃棄することが義務づけられることに なるであろう。
しかし、 これまでに、 使用済み電子機器等から効率的に且つ有効 に P bを除去する技術は確立されていない。 また、 P bの回収コス トが製品コス トの上昇を招く恐れがある。
そこで、 無鉛はんだ材料によるはんだ接合技術の開発が強く望ま れている。
無鉛はんだ合金として、 例えば S nに S b (アンチモン） 、 A g (銀） 、 G e (ゲルマニウム） 、 T i (チタン） 等を複合添加した 合金等が一部実用化されているが、 特殊な用途に限定されている。 それは、 従来 P b - S nはんだ合金を用いていた一般的な用途で必 要とされる諸特性、 すなわち低融点で濡れ性が良いこと、 リ フロー 処理が可能であること、 母材と反応して脆い化合物層や脆化層を形 成しないこ と、 等の特性が得られないからである。 発明の開示
本発明は、 環境に対して悪影響を及ぼすことがなく、 従来の P b 一 S nはんだ合金を用いたはんだ接合に匹敵する接合強度を確保し 得るはんだ接合方法およびはんだ接合部を、 コス ト上昇なしに'提供 することを目的とする。
上記の目的は、 本発明によれば、 下記の工程 ：
電子機器の C u電極を、 Nを含む有機化合物から成る防鯖皮膜で 被覆する工程、 および
A g 2 . 0 wt %以上 3 wt %未満、 C u 0 . 5〜 0 . 8 wt %および 残部 S nおよび不可避不純物からなるはんだ材料を用いて、 上記被 覆された C u電極にはんだ接合部を形成する工程、
を含むことを特徴とするはんだ接合方法によつて達成される。
本発明に用いるはんだ材料は、 S b、 I n、 A u、 Z n、 B i お よび A 1 から成る群から選択した少なく とも 1種の元素を合計で 3 wt%以下更に含有してもよい。 本発明の典型的な適用対象の一つは電子部品のプリ ン ト配線基板 であり、 はんだ接合する C u電極を、 N (窒素） を含む有機化合物 から成る防鑌皮膜で被覆するこ とによ り、 長期保存性とはんだ濡れ 性を確保する。
従来、 C u電極に N i めっきを施し、 更に A uめつきを施す方法 が行われてきたが、 コス トが高い上、 めっき処理が煩維なため製造 期間が長いという欠点があった。 更に、 めっ きの廃液処理による環 境汚染が生ずる恐れもあった。
本発明においては上記の防鑌皮膜を用いたことにより、 コス トが 低減され、 かつ製造期間が短縮される。
従来、 C u電極の防鑌処理としては、 ロジン （天然松脂） 、 レジ ン （合成樹脂） 等の樹脂皮膜が形成されていた。 しかし、 皮膜厚さ が 2 0 m以上と厚いため、 電気試験時のプロ一ビングが困難にな る等の理由から、 はんだ接合後に洗浄処理が必要であつた。
一方、 はんだ接合後の洗浄処理を省略できるように、 皮膜厚さを 薄くするために、 水溶性防鑌剤を用いることが行われている。 すな わち、 C u電極を硫酸銅溶液等でエッチングによ り洗浄した後、 水 溶性防鲭剤 1 0 0 0 ~ 5 0 0 0 ppm を含有する溶液中に浸漬して配 位結合皮膜を形成する。
本発明においては、 Nを含有する有機化合物中の Nと金属による 配位結合 （キレート結合） によ り極めて薄い防鑌皮膜が形成される 。 皮膜厚さは 3 0 0 0人以下と考えられる。
本発明の防鑌皮膜を構成する N含有有機化合物と しては、 図 1 に 構造式を示したイ ミ ダゾ一ル、 ベンゾイ ミ ダゾ一ル、 アルキルイ ミ ダゾール、 ベンゾト リアゾール、 メルカプトべンゾチアゾール、 ピ ロール、 チアゾール等の環状化合物が用いられる。
はんだ材料として必要な特性は、 下記のとおりである。 ( 1 ) 母材との濡れ性が高い。
( 2 ) はんだ接合する電子機器に熱損傷を及ぼさないように十分 低い温度ではんだ接合ができる。 すなわち、 融点が従来の P b— S nはんだの融点 4 5 6 K ( 1 8 3 °C ) と同等である。
( 3 ) 母材との反応により脆い金属間化合物や脆化層を形成しな い 0
( 4 ) 自動化に適用可能なペース ト、 粉末、 糸はんだ等の形態で 供給可能である。
( 5 ) はんだ材料中の金属成分の酸化物によ り、 濡れ不良、 ボイ ド、 ブリ ッジ等の欠陥が発生しない。
特に、 電子機器のはんだ接合においては、 溶融はんだを狭い間隙 に流入させる必要があるので、 はんだ材料の表面張力、 粘性、 流動 性等が重要である。
従来の P b— S nはんだ合金は、 上記の条件を良く満足するが、 P bによる環境汚染を避けることが困難であった。
本発明に用いるはんだ材料は、 A g 2. Owt%以上 3.
Figure imgf000006_0001
未 満および C u O . 5〜 0. 8wt%を含有し、 残部が実質的に S nか ら成る A g— C u— S n合金であり、 P b を含まず且つ合金成分の A g、 C u、 S nはいずれも安全性の高い元素であるため、 環境汚 染の恐れがなく 、 かつ上記の各必要特性を十分に満たす。
本発明の A g - C u - S nはんだ合金の組成の限定理由を以下に 説明する。
C A g ： 2 . Owt%以上 3 . Owt。/。未満〕
はんだ材料として最も基本的な特性である融点については、 従来 の P b _ S nはんだ合金と同等の低い融点 （ 2 2 0 °C以下） を確保 する必要がある。 A g含有量が 2 . 0\^%以上であれば、 2 2 0 °C 以下の低い融点を確保できる。 A g含有量が 2 . Owt%未満になる と融点が急激に上昇する。 一方、 A g含有量が 3 . Owt%以上にな ると、 針状結晶が多量に発生して電子部品間の短絡を生じ、 接合信 頼性が低下する。 針状結晶による短絡防止および接合信頼性を特に 重視する必要がある用途については、 A g含有量を本発明の範囲内 で更に 2 . 5wt%以下に限定すると、 針状結晶の発生をほぼ完全に 防止できるので望ましい。 逆に、 下記に説明する金属間化合物層の 厚さ抑制を特に重視する必要がある用途については、 A g含有量を 本発明の範囲内で更に 1 . 5wt%以上に限定すると、 金属間化合物 層の厚さを更に薄く できるので望ま しい。 これら両方の条件を同時 に満たす A g含有量として 2. 5wto/0が最も望ましい。
C C u ： 0 . 5〜 0. 8wt%〕
はんだ合金と C u電極との界面に金属間化合物が生成するこ とに よって、 はんだ合金と C u電極とが接合される。 すなわち、 金属間 化合物の生成は接合に必須である。 しかし、 その一方、 金属間化合 物層は厚すぎると脆く なり、 接合強度が低下する。 したがって、 金 属間化合物層は接合時にできるだけ薄く生成するこ とが望ましく 、 接合後の熱履歴によ り成長し難いことが望ましい。 本発明者は、 電 子機器が使用環境で受ける熱履歴として考えられる 1 5 0 °Cまでの 温度について、 接合界面の金属間化合物層の厚さを測定した。 その 結果、 A g含有量が本発明の範囲内であって、 C u含有量が 0 . 5 〜 0. 8wt%の範囲内である場合に、 金属間化合物層の厚さを安定 して 4 m程度以下に抑制できることを見出した。 C u含有量が上 記範囲よ り少なくても多くても、 金属間化合物層の厚さは増加する 。 金属間化合物層の厚さを最も薄く抑制できる C u含有量として 0 • 7wt%が最も望ま しい。
以上の理由によ り本発明の A g _ C u— S nはんだ合金において は、 A g含有量を 2 . Owt%以上 3 . 0 wt%未満に限定し、 C u含 有量を 0. 5〜 0. 8wt%に限定する。 A g含有量は、 必要に応じ て 2. Owt%以上 2. 5wt%以下または 2. 5wt%以上 3. 0 wt% 未満のいずれかの範囲を選択することができる。 最も望ましい組成 は 2. 5 A g - 0. 7 C u— S nである。
一般に、 電子機器のはんだ接合温度が 1 0 K ( 1 0 °C ) 低下する と、 電子部品の寿命は 2倍になると言われており、 はんだ材料の低 融点化は非常に重要である。
更に、 本発明の A g - C u - S nはんだ合金は、 主成分である S nに極めて近い性質を有しており、 C uとの濡れ性が良く、 導電性 も高い。
また、 A gの添加量は少量であるため、 従来の P b - S n合金と 同程度に安価に提供される。
本発明のはんだ合金は、 上記の A g - C u - S n基本組成に加え て、 S b (アンチモン） 、 I n (イ ンジウム） 、 Au (金） 、 Z n (亜鉛） 、 B i (ビスマス） および A 1 (アルミニウム） から選択 した 1種類または複数種類の元素を、 合計で 3 wt%以下含有するこ とができる。
これらの元素 （特に I nおよび B i ) は、 はんだ合金の融点を更 に低下させ、 濡れ性を更に高める。 しかし、 合計量が 3wt%を超え ると、 はんだ接合部の外観、 特に艷が劣化する。 また、 B 〖単独の 含有量が 3wt%を超えると、 特に P b含有材料との接合信頼性が低 下する。
本発明のはんだ合金は不可避的不純物として、 0 (酸素） 、 N、 H (水素） 等を含有する。 特に 0は、 合金を脆化する恐れがあるた め、 極力微量であることが望ましい。
S nを主成分とするはんだ合金は、 はんだ接合の際に S nが酸化 され易い。 そのため、 はんだ接合を N 2 や A r (アルゴン） 等の非 酸化性雰囲気中で行う ことが望ましい。 これにより、 はんだ合金の 酸化による濡れ不良や電気的な接続不良の発生が防止できる。
本発明のはんだ接合は、 従来のはんだ接合と同様に、 濡れ促進の ために超音波を印加しながら行う こ ともできる。 図面の簡単な説明
図 1 は、 本発明に用いる Nを含有する有機化合物から成る防鑌皮 膜の具体例を示す化学構造式である。
図 2 は、 0〜 3 . 5 wt%A g - 0 . 7wt%C u— S nはんだ合金 について、 A g含有量に対する合金の融点の変化を示すグラフであ る。
図 3 は、 3 wt A g _ 0〜 3 wt% C u - S nはんだ合金について 、 C u含有量に対する合金の融点の変化を示すグラフである。
図 4は、 0〜 4wt%A g _ 0 . 7 wt% C u _ S nはんだ合金にお ける A g含有量と針状異物発生頻度との関係を示すグラフである。 図 5、 本発明のはんだ接合部において押し出された防鑌皮膜ノフ ラッ クス混合物を模式的に示す断面図である。
図 6 は、 2wt%A g _ 0〜 l . 5 wt% C u _ S nはんだ合金によ り形成したはんだ接合部について、 1 1 5 °Cおよび 1 5 0 °Cでそれ ぞれ 1 0 0時間加熱した場合の金属間化合物層の成長を、 ε層単独 の厚さで示すグラフである。
図 7は、 2wt%A g— 0〜 1 . 5 wt% C u— S nはんだ合金によ り形成したはんだ接合部について、 1 1 5 °Cおよび 1 5 0 °Cでそれ ぞれ 1 0 0時間加熱した場合の金属間化合物層の成長を、 77層単独 の厚さで示すグラフである。
図 8は、 2wt%A g— 0〜 l . 5wt%C u— S nはんだ合金によ り形成したはんだ接合部について、 1 1 5 °Cおよび 1 5 0 °Cでそれ ぞれ 1 0 0時間加熱した場合の金属間化合物層の成長を、 ε層 + V 層合計の厚さで示すグラフである。
図 9 は、 2 . 5wt%A g _ 0〜 l . 5wt%C u _ S nはんだ合金 により形成したはんだ接合部について、 1 1 5 °Cおよび 1 5 0 °Cで それぞれ 1 0 0時間加熱した場合の金属間化合物層の成長を、 ε層 単独の厚さで示すグラフである。
図 1 0 は、 1 . 5wt%A g— 0〜 1 . 5 wt%C u— S nはんだ合 金によ り形成したはんだ接合部について、 1 2 5 °Cおよび 1 5 0 °C でそれぞれ 1 0 0時間加熱した場合の金属間化合物層の成長を、 7? 層単独の厚さで示すグラフである。
図 1 1 は、 2 . 5wt%A g— 0〜 1 . 5 wt%C u— S nはんだ合 金によ り形成したはんだ接合部について、 1 2 5 °Cおよび 1 5 0 °C でそれぞれ 1 0 0時間加熱した場合の金属間化合物層の成長を、 ε 層 + 7?層合計の厚さで示すグラフである。
図 1 2 は、 3 wt% A g— 0〜 1 . 5 wt% C u - S nはんだ合金に よ り形成したはんだ接合部について、 1 1 5 °Cおよび 1 5 0 °Cでそ れぞれ 1 0 0時間加熱した場合の金属間化合物層の成長を、 ε層単 独の厚さで示すグラフである。
図 1 3 は、 3wt%A g— 0〜 1 . 5 wt% C u _ S nはんだ合金に よ り形成したはんだ接合部について、 1 2 5 °Cおよび 1 5 0 °Cでそ れぞれ 1 0 0時間加熱した場合の金属間化合物層の成長を、 層単 独の厚さで示すグラフである。
図 1 4 は、 3wt%A g _ 0〜 l . 5 wt% C u _ S nはんだ合金に よ り形成したはんだ接合部について、 1 1 5 °Cおよび 1 5 0 °Cでそ れぞれ 1 0 0時間加熱した場合の金属間化合物層の成長を、 ε層 + 77層合計の厚さで示すグラフである。
図 1 5は、 2 . 5〜 3 . 5 wt% A g - 0 . 7wt% C u— S nはん だ合金によ り形成したはんだ接合部の加熱前後の電子部品の 1接続 端子当りの接合強度を、 P b— S nはんだ合金と対比して示すグラ フである。 発明を実施するための最良の形態
実施例 1
本実施例によって、 本発明における A g含有量の範囲の限定理由 を更に具体的に説明する。
A g - C u - S n合金の融点に及ぼす A g含有量および C u含有 量の影響を調べた。 具体的には、 0〜 3 . 5 wt%A g— 0〜 3 wt% C u— S nはんだ合金について、 融点を測定した。 図 2および表 1 に、 0〜 3 . 5 wt% A g - 0. 7 wt% C u— S nはんだ合金につい て、 A g含有量に対する合金の融点の変化を示す。 図 2および表 1 に示したとおり、 本発明で規定した A g含有量の下限値 2 . 0以上 で 2 2 0 °C以下の低い融点が得られる。 A g含有量が 2 . 0 セ％未 満になると、 融点が急激に上昇する。 このような A g含有量と融点 との関係は、 本発明で規定した C u含有量の範囲 0 . 5〜 0. 8wt %について同様である。 なお、 表 1 中の P b— S nは従来の 3 7wt %P b— S nはんだ合金である。
図 3および表 2 に、 3 wt% A g— 0〜 3 wt% C u - S nはんだ合 金について、 C u含有量に対する合金の融点の変化を示す。 本発明 の範囲 C u O . 5〜 0 . 8wt%を含む広い範囲の C u含有量におい て、 2 2 0 °C以下の低い融点が得られることが分かる。 C u含有量 と融点の関係については、 本発明の A g含有量範囲 2. Owt%以上 3 . 0 wt%未満について同様の結果が得られた。
次に、 0 〜 3 . 5 wt A g - 0 . 7wt%C u— S n合金および 3
A g - 0. 5〜 1 . 3wt% C u - S n合金についてはんだ接合強度

Claims

を調べた。 接合手順は実施例 2 と同様である。 表 3および表 4 に結 果を示したように、 本発明の組成範囲のはんだ合金は、 従来の P b 一 S nはんだ合金よ り高い接合強度が得られる。 更に、 接合強度に影響を及ぼす針状結晶の発生頻度を調べた。 図 4 に、 0〜 4wt%A g— 0. 7wt%C u— S nはんだ合金について 、 A g含有量と針状結晶 （針状異物） の発生頻度との関係を示す。 図 4 に示したように、 A g含有量が 3 . 0 wt%以上になると、 針状 結晶が多量に発生する。 このように多量の針状結晶が発生すると、 電子部品間の短絡を生じ、 接合信頼性が低下する。 針状結晶による 短絡防止および接合信頼性を特に重視する必要がある用途について は、 A g含有量を 2 . 5wt%以下に限定すると、 図 4に示したよう に針状結晶の発生をほぼ完全に防止できるので、 更に望ま しい。 な お、 同図は 0〜 4 wt% A g— 0. 7wt%C u— S nはんだ合金につ いて測定した結果であるが、 本発明で規定した C u含有量の範囲 0 . 5〜 0. 8wt%について同様の結果が得られている。 実施例 2 本実施例によつて、 本発明における C u含有量の範囲の限定理由 を更に具体的に説明する。 S n— 2 . 0〜 3 . O A g— 0〜 1 . 5 C uの組成を有する各は んだ合金を溶製した。 銅張積層板から成るプリ ン ト配線基板の C u電極に、 N含有有機 化合物として、 アルキルべンゾト リァゾール化合物の防鑌皮膜を形 成した。 上記皮膜を備えた C u電極上に上記各はんだ合金によ り、 下記手 順ではんだ接合部を形成した。 1 ) 上記各合金から製造したはんだ粉末 （粒径 2 0〜 4 2 m程 度） 9 Owt%と、 フラッ クス分 （活性剤 +樹脂分） 1 0wt%とを混 合してはんだペース トを作成した。 上記皮膜を備えた C u電極上に 上記はんだペース トをスク リ一ン印刷して、 均一な厚さ （約 1 5 0 11 m ) のはんだペース ト層を形成した。 2 ) はんだペース ト層を備えた各 C u電極上に、 電子部品の接続 端子を搭載した。 接続端子は、 4 2ァロイ （ F e _ 4 2 wt % N i合 金） から成る。 3 ) はんだペース ト層を 4 9 8 K ( 2 2 5 °C ) 以上に加熱して、 はんだを溶融させた後、 加熱を停止して室温まで放冷した。 これに よ り、 C u電極と 4 2ァロイ接続端子とを接合するはんだ接合部が 形成された。 Nを含有する有機化合物から成る防鑌皮膜は、 上記の加熱により 分解し、 はんだペース ト中に含まれている酸性のフラッ クスと反応 して C u電極/ 4 2ァロイ接合部から排除される。 すなわち、 図 5 に示すよう に、 防鯖皮膜とフラッ クスとの混合物 3 は、 溶融したは んだ合金 2 によ り C u電極 1 との界面から押し出されると考えられ る。 そのため、 C u電極上に被覆された防鑌皮膜がはんだ接合界面 に残留するこ とがない。 防鑌皮膜が排除された後、 溶融はんだ合金中の S nと電極の C u が反応してはんだ合金/ C u電極界面に 2種類の金属間化合物 （ ε 相 ： C u 3 S n、 7相 ： C u 6 S n 5 ) が生成する。 すなわち界面 構造は、 C u / £層/ 7?層/はんだ合金となる。 金属間化合物が生成することによってはんだ合金と C u電極とが 接合される。 すなわち、 金属間化合物の生成は接合に必須である。 しかし、 その一方、 金属間化合物層は厚すぎると脆くなり、 接合強 度が低下する。 したがって、 金属間化合物層は接合時にできるだけ 薄く生成するこ とが望ましく、 接合後の熱履歴によ り成長し難いこ とが望ましい。 図 6〜 1 4およぴ表 5〜 7 に、 各はんだ合金によ り形成したはん だ接合部について、 1 1 5 °Cおよび 1 5 0 °Cでそれぞれ 1 0 0時間 加熱した場合の金属間化合物層の成長を、 ε層単独、 77層単独、 ε 層 +？?層合計の厚さで示す。 特に、 図 8、 図 1 1 、 図 1 4から分か るように、 上記加熱後の金属間化合物層の厚さ （合計厚さ） は、 本 発明の範囲内の組成のはんだ合金を用いた場合は、 ほぼ 4 m以下 である。 特に、 C u含有量を本発明範囲の 0 . 5 〜 0 . 8 wt %とす ることによ り、 安定して金属間化合物層の厚さを低減することがで きる。 また、 A g含有量は、 本発明の範囲内で 2 . 5 wt %以下の範 囲よ り も 2 . 5 wt %以上の範囲の方が金属間化合物層の厚さが薄く なる傾向がある。 このよ うに本発明によるはんだ接合部は、 金属間化合物の成長が 遅く、 長期に渡り高い信頼性が確保される。 実施例 3 加熱処理後の接合強度を調べた。 図 1 5 に、 2 . 5〜 3 . 5 wt % A g - 0 . 7 wt % C u - S nはんだ合金について、 接合したままの 状態、 1 2 5 °Cで 1 0 0時間加熱後、 および 1 5 0 °Cで 1 0 0時間 加熱後の接合強度を示す。 図の結果から、 本発明により、 従来の P b — S nはんだ合金と同等の接合強度が得られることが分かる。 特 に、 従来の P b— S nはんだ合金による接合強度は加熱 （熱履歴） によ り単調に低下するのに対して、 本発明による接合強度は加熱に よ りむしろ向上する傾向が認められる。 1 〜 3 . 5 A g - 0 . 7 C u - S nA g濃度 （wt%) 融点 （°C)0 . 0 2 2 6 . 5 00 . 3 2 2 6 . 5 0
1 . 5 2 2 2 . 7 0
2 . 0 2 1 8 . 0 3
2 . 5 2 1 7 . 5 0
3 . 0 2 1 7 . 6 0
3 . 5 2 1 8 . 4 2
P b - S n 1 8 3 . 0 0
3 A g — 0 〜 3 C u— S n
C u濃度 （wt%) 融点 （°C)
0 . 0 2 2 1 . 6 3
0 . 1 2 2 0 . 6 3
0 . 2 2 1 8 . 4 7
0 . 3 2 1 8 . 1 0
0 . 4 2 1 8 . 1 7
0 . 5 2 1 8 . 8 0
0 . 6 2 1 8 . 1 7
0 . 7 2 1 7 . 6 0
0 . 8 2 1 7 . 7 3
1 . 3 2 1 7 . 4 5
1 ， 5 2 1 7 . 8 3
3 . 0 2 1 8 . 6 7 表 3
A g濃度 （wt% ) 接合強度 （ N )
P b — S n 4 . 8 0
0 . 0 6 . 丄 0
0 . 3 7 . 6 0
2 . 5 7 . 0 6
3 . 0 7 . 2 5
3 . 5 8 . 3 8
C u濃度 （wt%) 接合強度 （ N )
0 . 5 8 . 0 4
0 . 6 8 . 2 9
0 . 7 7 . 0 8
0 . 8 8 . 4 3
1 . 3 7 . 2 9
Figure imgf000017_0001
表 6
2. 5Ag系 単位： u m
Figure imgf000018_0001
表 7
3. OAg系 単位： m
Figure imgf000019_0001
産業上の利用可能性
以上説明したように、 本発明によれば、 P bによる環境汚染を生 ずることなく、 従来の P b— S nはんだ合金に比べてコス トを上昇 させずに同等の接合強度を確保できる。
請 求 の 範 囲
1 . 下記の工程 ：
電子機器の C u電極を、 Nを含む有機化合物から成る防鯖皮膜で 被覆する工程、 および
A g 2 . 0 wt%以上 3wt%未満、 C u 0. 5〜 0 . 8wt%および 残部 S nおよび不可避不純物からなるはんだ材料を用いて、 上記被 覆された C u電極にはんだ接合部を形成する工程、
を含むことを特徴とするはんだ接合方法。
2. 前記はんだ材料が A g 2. 0〜 2 . 5 wt%を含有するこ とを 特徴とする請求項 1記載のはんだ接合方法。
3. 前記はんだ材料が A g 2. 5wt%以上 3 . Owt%未満を含有 することを特徴とする請求項 1記載のはんだ接合方法。
4. 前記はんだ材料が、 S b、 I n、 A u、 Z n、 B i および A 1 から成る群から選択した少なく とも 1種の元素を合計で 3 1:%以 下更に含有することを特徴とする請求項 1 から 3 までのいずれか 1 項記載のはんだ接合方法。
5. 請求項 1 から 4 までのいずれか 1項記載のはんだ接合方法に よ り形成されたはんだ接合部。
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