JPH0318497A - 低融点はんだ - Google Patents

低融点はんだ

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JPH0318497A
JPH0318497A JP2140166A JP14016690A JPH0318497A JP H0318497 A JPH0318497 A JP H0318497A JP 2140166 A JP2140166 A JP 2140166A JP 14016690 A JP14016690 A JP 14016690A JP H0318497 A JPH0318497 A JP H0318497A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ．産業上の利用分野 本発明は、印刷回路基板の低温のはんだ付け及び修理に
適するはんだの組成に関するものである．本発明は、具
体的にはスズからなる低融点はんだの組成中に，二元系
スズ−銅共融点組成以下の量の銅をドーピングしたはん
だに関するものである．この新しいはんだは、はんだフ
ァウンテンや他の従来のはんだ付け技術を用いてはんだ
付けされる材料に応用できる．この新しいはんだは、他
の銅を含むはんだと比べて低い融点を有するので，従来
使用されてきた銅を含むはんだでははんだ付けできなか
った材料を、破壊せずにはんだ付けすることができる． さらに具体的には、本発明は、印刷回路基板又はカード
の組み立て及び修正の使用に適した、銅をドーピングし
た低融点はんだの組戒に関する。
Ｂ．従来の技術 様々な組威のはんだについて従来から報告されている。
元素及び比率の選択によって、特定の応用に適する多く
のはんだが発明されてきた。例えば、カーボン及び半導
体になじませて接合させるためのはんだ（米国特許第４
５１２９５０号参照）、酸化物の形成を防止するための
はんだ（米国特許第４６５４２７５号参照）、引張り強
さを向上させるためのはんだ（米国特許第４５８８６５
７号参照）、はんだアルミニウムを軟化させるためのは
んだ（米国特許第４０７０１９２号参照）、半導体を金
属に接合させるためのはんだ（米国特許第４３５７１６
２号参照），振動を用いて酸化物の表面を接合させるは
んだ（米国特許第４１０６９３０号参照），無鉛飲料水
用管継手をはんだ付けするはんだ（米国特許第４６９５
４２８号参照）、及び宝石類の変色抵抗を改善するはん
だ（米国特許第３６５０７３５号参照）等がある。
しかし本発明が解決しようとする問題は，これらと全く
異なる。即ち、本発明は、スルーホール接続壁面の銅コ
ーティングをはんだに融解させることによって，組立て
及び印刷回路装置内のスルーホール接続の修正を行なう
方法を示すものではない。本明細書で用いられる修正と
は、はんだ付け部においてリフロはんだ付けすることで
ある。
本発明は、全く新しいはんだの組成を提供する。
これによれば、スルーホール又は、ブラインド・バイア
周りの銅の融解を阻止し、市販の銅を含むはんだで可能
とされていた低い温度よりもさらに低い温度ではんだ付
けできる。従って、組立て及び印刷回路基板のスルーホ
ールの周り及びその中秋 のはんだ接合欠陥の讐り返し修正を可能にする。
同時に、積層基板の層はがれ、局部の機械的ひずみ及び
はんだ接合の劣化等の高温度修正に関連する別の問題並
びに取り付けたデバイスの臨界温度を超える問題をも解
決できる。
米国特許第２６７１８４４号では、いくらかの銅をスズ
−鉛のはんだに添加することで、はんだに融解しやすい
銅部分に形成された電気的はんだ付け部分の摩耗は遅く
なるということが確認されている。はんだに銅を３％添
加すると、２５％だけ銅部分融解速度が遅くなった。そ
して５％添加すると、はんだ合金に銅を添加しない時の
速度のわずか１０％にまで遅くなった。銅を添加したは
んだのはんだ付け温度に関する効果は記述されていない
し、この技術は非反応性及び非接触はんだ付け方法の出
現によって、時代遅れとなった。この米国特許第２６７
１８４４号では、スズ及び銅の共晶を生友丘企衾主ｋ形
成する必要性を記載している．この共晶は、スズ９９％
及び銅ｌ％からなる（２段、３０〜３７行参照）。さら
に、この二元系スズ−銅共晶を形戒するためには、はん
だ中の銅がいかなる量であっても十分であることを記述
している。たとえば、５０％鉛／５０％スズのはんだ中
で、はんだの全重量の０．５％の量の銅を添加する。
米国特許第４６２２２０５号では，操作温度範囲５０℃
ないし９０℃で電流を流す間に、釦／スズの中にある量
の銅を含むはんだは、はんだ付け部及び銅導電体の間で
の電子の移動を減少させることによって銅導電体の寿命
を延長させた。電子の移動に関して、はんだ中のＣｕ，
Ｓｎ及び極微量のＣｕＧＳｎｓの金属間化合粒子の不均
一な分布が問題となった。この問題を解決するために、
スズとともに金属間化合の合金を形成する元素、例えば
銅を添加した。銅の量は、はんだの少なくとも約０．５
％ないし約１０％以下であり，粒界の拡散を遅くさせる
ためには３．５重量％の銅が好ましく、これによって電
子の移動及び熱移動を抑制させた。
銅を含むはんだは、約１９６４年ごろから一般市場で入
手できるようになり、ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ　Ｂｏｏ
ｋ社のｒはんだ及びはんだ付け（Ｓｏｌｄｅｒｓ　ａｎ
ｄＳｏｌｄｅｒｉｎｇ）　Ｊ　ｐｐ．　６　５　〜６　
６の発表データも入手できるようになった。しかし、こ
の文献は市販されている銅を含むはんだの特定組成を示
さずに、量は“多い”という記述のみである。
市販されているＳａｖｂｉｔ　ｌ　ａｌｌｏｙと呼ばれ
る制品は、Ｍｕｌｔｉｃｏｒｅ　ｏｆ　Ｗｅｓｔｂｕｒ
ｙ，　ＮＹ，社から入手でき、銅は約１．５重量％ない
し約２．０重量％からなる．これは，静的．Ｉ［ＪＬは
んだ付けの応用における銅はんだ付けの寿命を延長させ
るために用いられてきた。この製品のデータによれば，
印刷回路基板及びカードの組み立て及び修正に要求され
る温度範囲よりも高い２７２℃〜２９４℃の温度を推奨
している。
銅をはんだに添加することによる別の問題として、凝固
時間の延長及び架橋、コールドはんだ接続、こぶ状めっ
き，その他の様々な欠陥の形成がある。
Ｃ２発明が解決しようとする課題 本発明は，はんだの機械的特性及びはんだ付け性を劣化
させずに銅表面にはんだ付けし、修正することを目的と
する。
さらに本発明は、銅表面が接しているデバイスの機械的
特性の劣化をふせぐために、十分に低い温度で銅表面に
はんだ付けし、修正することを目的とする． さらに本発明は，低いはんだ付け温度における銅表面へ
のはんだ付けに適する、銅を含むはんだを提供すること
を目的とする． さらに本発明は，はんだへの銅の融解を抑えながら銅め
っきしたスルーホール内ではんだ付けし、修正すること
を目的とする． さらに本発明は、はんだ付けの組み立て及び修正におい
て銅表面へはんだ付けするのに適する、銅を含む、はん
だを提供することを目的とする。
Ｄ．課題を解決するための手段 二元系スズ−銅共融点組成以下となるような量であるが
ゼロではない量の銅をドーピングしたはんだの組成は、
組み立て及び修正の際に、銅をドーピングしたはんだの
中へスルーホールの壁面から融解する銅の量を著しく減
少させることができ、しかもはんだ付け性を劣化させず
，はんだ付け温度を高くする必要もない。多層回路基板
の完成品の剥離や他の温度に関する劣化をさけて、良好
の疲れ特性を与えるような低い温度ではんだ付けできる
銅を含むスズはんだ内で前記のような効果がある。米国
金属協会（Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｆｏｒ
Ｍｅｔａｌｓ）による金属組織学、構造及び相図（Ｍｅ
ｔａｌｌｏｇｒａｐｈｙ．　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ａ
ｎｄ　ＰｈａｓｅＤｉａｇｒａｍｓ）のＰ２９９に定義
されるように、二元系スズ−銅共融点組成以下とは，９
８．１重量％スズ／ｌ．９重景％銅以下の量の銅を含む
ものとして定義される。
Ｅ．実施例 ファウンテン・プロセスを用いた印刷回路基板への素子
の組み立て及び分解，又は修正は、従来スルーホールを
用いて印刷回路基板へ素子やコネクタを連結させるチム
ニを通して、液化したはんだをくみ上げることによって
、実行されている。
また、ウェーブはんだ付け方法やはんだ付けペンも使用
できる。
回路基板のスルーホールの壁面を銅でおおうことで、回
路機構の少なくとも２つのレベル間を電気的に接続する
。スルーホールの中にピンを差し込み、はんだ付けする
ことによって素子を回路基板に取り付けることができる
。ピンとホールの整合ミスや位置決めのミス又は素子の
故障が原因となって、欠陥のある素子やはんだ付けした
ピン接続部を一度取りはずし，再び整合し，かつ再び取
り付ける必要が生じることがある。この手順を，修正と
呼ぶ。この修正を行なうたびに，基板を修正箇所におい
て局部的に加熱することになる。はんだの組成を決定す
る要因は、はんだを液化させ修正に用いるために要求さ
れる温度である。この温度は一般的には、はんだの組成
の液相線温度より約５０℃高くする．はんだを流す量は
最小にし、はんだ付けを行なう領域から流れ出るのでは
なく、むしろとどまる程度にする。はんだ付け時間もや
はり最小にする。温度、はんだ付け時間及び流量を最小
とすることは、導電性スルーホールの壁面からはんだに
銅が融解することを最小限に抑制する効果がある。
６３重量％のスズ７３７重量％の鉛からなる高温の共融
点を有するはんだが従来使用されている．これは、１８
３℃において液化する。しかし、印刷回路基板及びカー
ドの集積密度が上がるにつれて、印刷回路基板を修正す
る必要がでてきた．高温度のはんだ付けを繰り返すこと
によって、積層されている有機樹脂の劣化が起こり、素
子の修正箇所において剥離や破壊を引き起こす可能性が
ある。また、高温度（約１８３℃十約５０℃）のはんだ
付けを繰り返すにつれて、スルーホールの壁面から融解
する銅の量が多くなり、Ｃｕ，Ｓｎ及びＣｕＧＳｎｓの
斜方晶系の金属間化合がはんだ合金内に形成される。
また、素子の集積密度が上がると、回路基板の熱負荷又
は放熱を上げる必要もでてくる。装置の放熱能力の向上
及びその他の改善が要求されるような高集積素子におい
ては，それだけ印刷回路基板装置の修正に必要なはんだ
合金接触時間が長くなることを意味し、これによってス
ルーホール壁面からはんだ中への銅流出の問題が発生す
ることとなり、本発明の必要性も高まる。
ある基準組成範囲内で選択的にインジウムを加えた鉛及
びスズからなるはんだにおいて，銅をドーピシグしたは
んだは，印刷回路基板及びカードにはんだ付けされたス
ルーホール及びブラインド・バイアの組み立て及び複数
回の非破壊低温修正を行なうのに有効であることが発見
された。以下に示す範囲内のはんだ組成が本目的に有効
であろう。
スズ：約５３重量％ないし約５５重量％鉛：約２５重量
％ないし約２７重量％ インジウム：約１８重量％ないし約２２重景％ｆＲ：極
微量より多く，約０．５０重景％まで。
特定の場合には，二元系スズ−銅共融点以下になるよう
に選択される量， 極微量とは、およそ０．０２重量％位である。
具体的には，以下の基準組成が有効であることが見出さ
れた， スズ：５４重量％ 鉛＝２６重量％ インジウム：２０重量％ ＠：二元系スズ−銅共融点以下になるように選択される
極微量より多い量。
さらに、以下の基準組成も有効であることが見出された
。
スズ：６３重景％ 鉛＝３７重量％ 銅：二元系スズ−銅共融点以下になるように選択される
極微量より多い量。
さらに、以下の組成が有効であろう。
スズ：９９重量％ 銅：極微量より多く、約１．０重景％まで。特定の場合
には，二元系スズ−銅共融点以下になるように選択され
る量。
さらに、以下の組成も有効であろう。
スズ：５０重量％ 鉛：５０重量％ 銅：極微量より多く、約０．５重量％まで。特定の場合
には、二元系スズ−銅共融点以下になるように選択され
る量。
例えば，５４スズ／２６鉛／２０インジウムの低温融解
はんだを用いてはんだ付けし、修正は行なわない銅めっ
きスルーホール１を形成する。そして，これと全く同じ
組戊のはんだを用いてはんだ付けし、４回修正を行なっ
た後の銅めっきスルーホール２を形或する。さらに、上
記組成と同じ基準組成ではあるが、０．１４重量％の銅
をドーピングしているはんだを用いてはんだ付けし，４
回修正を行なった後の銅めっきスルーホール３を形或す
る．４回修正を行なった後の銅めっきスルーホール２は
，修正しなかった銅めっきスルーホール１と比べて、銅
めっき層が明らかに不連続であり，電気的につながって
いなかった。一方、銅をドーピングしたはんだを用いた
場合、４回修正を行なった後でも銅めっき層は電気的に
連続していることが，銅めっきスルーホール３において
観察された、 この結果は、およそ８５００個のスルーホールについて
はんだ付けし、修正し、ｉｌｌ察することによって得ら
れた。
従来の銅をドーピングしない鉛／スズのはんだを用いて
はんだ付けし４回修正を行なうと，銅めっきスルーホー
ルの壁面には銅が全く残らなかった． 表ｌは、はんだの組成を重量％で示した表である。はん
だ付け性、銅融解性及び疲れ強さのデータを後出の図に
統計的に示すために、これらのサンプルを試験した。は
んだは基本的には６３スズ／３７鉛の重量％であり、そ
こに銅のドーパントを０．１３重量％ないし１．５２重
量％の範囲で加える。
表１．はんだの組成 表２は，第１図に規定される標準はんだ球の広がり試験
に、表１にあげたはんだ組成をかけて評価した時の結果
を示している。
銅をドーピングした二元系をはんだのはんだ付け性／湿
潤性に関して「可」から「最優」の評価で分類した。こ
のはんだ組成の範囲内では、銅ドーバントが低濃度であ
ると非常に良い湿潤性を示すが、高濃度であってもそれ
ほど悪くはなかった。
要するに、すべての試験されたサンプルの組成は満足で
きる結果であった．１．５２重量％以上の銅ドーバント
量であると．湿潤性は悪くなり，二元系スズ−銅共融点
量より高くなると次第に悪くなっていくことが予想でき
る。加えて、二元系スズ−銅共融点量より高くなる銅の
ドーバントの量であると、はんだの粒子が大きくなるこ
とも予想できる，金属技術（Ｍｅｔａｌｓ　Ｔｅｃｈｎ
ｏ］．ｏｇｙ）　１　９　７５年２月号のｐｐ７３〜８
５にある「スズ−鉛はんだの湿潤特性ｊ　（“Ｗｅｔｔ
ｉｎｇＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　Ｔｉｎ−Ｌｅａｄ
　Ｓｏｌｄｅｒｓ”Ａｃｋｒｏｙｄらによる）は、銅等
の様々なドーパントがスズ−鉛のはんだの湿潤性に悪影
響を及ぼすことを記述している， 表２．はんだ付け性／湿潤性評価結果 第２図は、銅をはんだに接触させた時、表↓に示した様
々なはんだ組成へ融解する銅の量を、７５秒までの時間
経過とともに示した図である。データは以下の方法によ
って得られた。幅１０’（２５．４ａｍ）長さ１５’　
　（３８．１国）の金属箔上におよそ０、８ｍｉｌ　（
２　．　０　３　２　Ｘ　１　０−’ｃｍ）の厚さの銅
を電気めっきすることによって、試験媒質を準備した。
試験媒質を幅１’．（２．５４■）長さ１　／　２　’
　　（　１　．　２　７　ａＩ１　）の試験片に分けた
。
蛍光ｘｉを用いて初期非破壊測定を行なった。ＳＦＴか
ら市販されているＳＦＴ／１５７蛍光Ｘ線コーティング
厚さ標準を用いて銅コーティングの厚さを測定した。±
１　μｉｎ　（２．　５４　Ｘ　１　０−’ａｎ）の分
解能で±１５０μｉｎ　（３．８１Ｘ１０−’ＣＩｌ１
）のサンプル標準厚さがある。はんだはすべて約２５０
℃に保持された。メニスコグラフ湿潤バランスによって
静止液体はんだの中へ１０＋ｎｎの深さまで試験片を沈
め、１５秒間、３０秒間、４５秒間．６０秒間及び７５
秒間経過させた。金属組織を切断することによって最終
測定を行なった。初期測定値から最終測定値を差し引き
、銅の融解量を決定した。各時間間隔に対してこれらの
値を平均し．「銅融解量対峙間」のグラフにプロットし
た。第２図のデータから、試験範囲内でははんだ中の銅
の重量％が多くなる程、スルーホールの壁面からの銅融
解量は少なくなることが明らかである，これらの結果に
基づいて，もしはんだ中の銅の量が二元系スズ−銅共融
点よりも多く含まれても、はんだ中への銅融解量減少は
ほんの少量であることが予想できる。従って，二元系ス
ズ−銅共融点以上の銅含有はんだ組成として銅の融解速
度を改善しても，銅融解量の減少への貢献は少なく，は
んだ付けの温度を高くする必要性が生ずるという欠点が
発生することとなる。第３図は、表１に示される様々な
組成のはんだの疲れ試験の結果を示す図である．金属ハ
ンドブック（米国金属学会：Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ｓｏｃ
ｉｅｔｙ　ｆｏｒ　Ｍｅｔａｌｓ）　Ｐ　２　８　〜３
　４に記載されるＡＳＴＭ＃４６６軸疲れ試験（Ａｘｉ
ａｌＦａｔｉｇｕｅ　Ｔｅｓｔｉｎｇ）の手法を用いて
．試験サンプルを調整しデータを得た７故障サイクル数
を以下の方法で決定した。銅線を、片端のバーの直径と
比べてよりせまい直径を有する中央領域のどちらかの片
端の疲れバーにはんだ付けした。ＡＳＴＭの手法と適合
する周波数及び振幅の可変疲労試験機に，バーを装填し
た。チャート記録器は、はんだに室温で疲れサイクルを
加え、時間経過に対する抵抗を，グラフに記録した。電
気的抵抗の１０％の増加は８０％ないし９０％のはんだ
の破損に相当し、これを故障と定義した。概して言えば
、０．１３重量％ないし０．４７重量％の少量の銅から
なるはんだは故障までのサイクル数が最も多く、よく耐
えることができるが、０．８２重量％ないし工．５２重
量％の多量の銅からなるはんだは故障までのサイクル数
が１／３程少ないことが図からわかる。従って、二元系
スズ−銅共融点より高くなる位の銅の量を含むはんだ組
成は．疲れに対する耐性は低い。
第４図はスルーホールの壁面から融解した銅の量を厚さ
で示す図である。スルーホール壁面は、二元系スズ−銅
共融点以下になるような０．１０重量％ないし０．２０
重量％の量の銅をドーピングした三元系はんだに接して
いた。三元系はんだの基準組成は、重量％の比で５４ス
ズ／２６鉛／２０インジウム及び銅のドーパントであっ
た。さらに図は、銅をドーピングしていないはんだ（図
中の左端）と比較し、これに融解した銅の量を示してい
る。データは以下の方法で得られた。金属組織の断面！
ｌ！察によって、何もないカード上で初期測定を行なっ
た。最悪のケースを想定したハードウェア生産試験を表
わすために、４つのカード生産技術及び８つの異なる素
子を準備し，各素子を，各カード生産技術に要求される
最大量のはんだファウンテンで修正した．はんだを，約
２０４℃に保持した，はんだ接触時間は各素子で基本的
に同じ時間とし、異なる型の素子の場合は若干変化させ
たが、合計で約２００秒までの接触時間とした。モジュ
ールの位置及びモジュールにＦｌ３接するめっきスルー
ホール内で金属組織の断面観察で，最終測定（修正の最
高回数後）を行なった。すべての点のデータを平均して
各モジュールの位置の値とし、さらにそのデー・夕を平
均して各モジュール形式の値とした．平均最終測定値を
平均初期測定値から引き、銅融解の平均量を決定した。
すべての素子を用いてこれらの値を求め、平均して各は
んだ中の銅の量ごとの値を出した。そしてその値を「銅
融解量対はんだ中の銅のｉ（重量％）』のグラフにプロ
ットした。初期状態、銅をドービングしていないはんだ
の４回修正後及び０．１４重量％銅をドーピングしたは
んだの顕微鏡写真によって、銅のドーピングの利点が示
された。前述の二元系はんだと同様に三元系はんだにお
いても、銅の融解量は銅ドーパントの増加とともに急激
に減り，試験された限界の０．２０重量％まで減り続け
た。
要するに、二元系スズ−銅共融点以下になるように選択
されるはんだの組成は、以下の理由により、はんだ付け
並びしこ銅及び銅クラソド材の修正に望ましい。
（ａ）二元系スズ−銅共融点より高くなるようなはんだ
組成に要求されるはんだ付け温度よりも、低いはんだ付
け温度での組み立て及び修正に使用できる。
（ｂ）二元系スズ−銅共融点より高くなるようなはんだ
組成と比べて、改善された疲れ状態を示す。
（ｃ）二元系スズ−銅共融点より高くなるような多量の
銅を含むはんだと比べて、遅い速度で加工品から銅が融
解する。
（ｄ）二元系スズ−銅共融点より高くなるようなはんだ
を超える改善されたはんだ付け性を示す。
本発明の組成は，銅をコーディングした回路基板のはん
だ付け及び修正に有効であり、しかも銅からなり、低温
はんだ付けが望まれ，必要とされるどのような材料のは
んだ付けにも適用できることは、当業者には明らかであ
ろう。
Ｆ，発明の効果 本発明の二元系ススー銅共融点組成以下となるような量
であるが、ゼロではない量の銅をドーピングしたはんだ
は、組み立て及び修正の際に、はんだ中ヘスルーホール
の壁面から融解する銅の量を著しく減少させることがで
き．しかもはんだ付け性を劣化させず、はんだ付け温度
を高くする必要もない。さらに多層回路基板の完成品の
剥離や他の温度に関する劣化をさけて．良好の疲れ特性
を与える低い温度ではんだ付けすることを可能とした。
【図面の簡単な説明】
第１図は、標準はんだ球の広がり試験を示す図、及びそ
の測定した結果を評価するための基準を示す図、第２図
は、表↓にあげた様々な組成のはんだに融解した銅の量
と時間との関係を示す図，第３図は、表■にあげた様々
な組成のはんだと疲れに起因する故障までのサイクル数
との関係を示す図、第４図は，基準組成５４重量％スズ
／２６鉛／２０インジウムの三元系はんだへ異なる量の
銅をドーピングした場合の、銅量とスルーホールの壁面
からの銅の融解量の関係を示す図である。

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）スズ及び銅を含む低融点はんだであり、前記銅の
    量は、二元系スズ−銅共融点組成以下になるように選択
    されることを特徴とする低融点はんだ。
  2. （２）さらに鉛を含むことを特徴とする請求項１記載の
    低融点はんだ。
  3. （３）さらにインジウムを含むことを特徴とする請求項
    ２記載の低融点はんだ。
  4. （４）金属組成が以下のような重量％であることを特徴
    とする請求項３記載の低融点はんだ。 スズ：約５３重量％ないし約５５重量％ 鉛：約２５重量％ないし約２７重量％ インジウム：約１８重量％ないし約２２重量％銅：二元
    系スズ−銅共融点組成以下になるように選択される量
  5. （５）基準組成がスズ５４重量％／鉛２６重量％／イン
    ジウム２０重量％であるはんだに、銅０．１２重量％な
    いし０．２０重量％をドーピングしたことを特徴とする
    請求項４記載の低融点はんだ。
  6. （６）基準組成がスズ６３重量％／鉛３７重量％のはん
    だに、銅を二元系スズ−銅共融点組成以下になるように
    選択される量をドーピングしたことを特徴とする請求項
    ２記載の低融点はんだ。
  7. （７）基準組成がスズ５０重量％／鉛５０重量％のはん
    だに、銅を二元系スズ−銅共融点組成以下になるように
    選択される量をドーピングしたことを特徴とする請求項
    ２記載の低融点はんだ。
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