JPH07509662A - すずビスマス半田ペーストと，このペーストを利用して，高温特性の改良された接続を形成する方法 - Google Patents

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】 ススビスマス半田ペーストと、このペーストを利用して、高温特性の改良された 接続を形成する方法技　術　分　野 本発明は、高温特性が強化されだすずビスマス半田接続を形成する半田ペースト に関する。さらに詳しくは、すずビスマス合金の粉末と、製品接続の高温特性を 強化するのに有効な第三金属（金もしくは銀が望ましい）の粉末との混合物によ って構成される半田ペーストに関する。

背　景　技　術 半田ペーストは、たとえば、部材をプリント回路基板などに表面実装するために 、半田接続を形成するのに用いられる。通常のペーストは、半田合金から作られ 粉末によって構成され、この粉末はフラックスを含有する液状ビヒクル内に分散 される。ビヒクルは、消耗性の有機バインダによって構成され、粉末を、自立的 に形状を保持する塗膜内（ｓｅｌｆ−ｓｕｓｔａｉｎｉｎｇ　ｍａｓｓ　ｆｏｌ ｌｏｗｉｎｇ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）に固定できる。接続を形成するため、 基板は、第１の接合面を構成する半田濡れ性の接合パッドを特徴とする。同様に 、部材は、第２の半田濡れ性接合面（例：接点）を含む。

半田ペーストは、たとえば、スクリーン印刷によって接合パッドに塗布されるの に有効であり、その後、部材は、第２接合面が半田ペーストの付着層（ｄｅｐｏ ｓｉｔ）に接する形で配置される。ついでアッセンブリが加熱されてビヒクルを 蒸発させ、半田合金を溶融しリフローする。半田合金は、冷却後直ちに再び固化 して、接合面と接合して接続を完成する。半田接続は部材を基板に物理的に付着 させるのみならず、基板上の接合パッドと、部材の接点とを電気的に接続して、 加工目的の部材との間で電流が流れるようにする。

通常の半田は、すず鉛合金がら作られる。すずビスマス合金から成る無鉛半田合 金を作ることが提案されているが、すずビスマス合金は、微小電子パッケージが その使用中に遭遇する種類の昇温時に、良好な機械特性を示さない傾向がある。

具体的には、このような合金は、１００’Ｃ＜らい低い温度でも、許容不能なほ ど柔らかくなる傾向があり、通常のすず鉛半田と比較して、融解温度が相対的に 低い。

発　明　の　開　示 本発明は、組成的に異なる金属粉末の混合物を含む半田ペーストを意図し、この 粉末は、合金を作って半田接続を形成する。したがって、このペーストは、すず ビスマス半田合金から作られる第１金属粉末によって構成される。このペースト はさらに第２の金属粉末によって構成され、第２の粉末は、融解温度を上昇させ 、すずビスマス合金の機械特性を向上させるのに有効な第三金属から成る。金も しくは銀が第三金属として望ましい。具体的には、１．　０から２．２の重量パ ーセントの金を添加すると、その結果生じる接続の所望の高温特性を大幅に向上 させるのに有効であることが判明した。

本発明の一つの側面では、半田濡れ性の接合面間、たとえばプリント回路基板の 接合パッドと、部材の接点との間に、半田接続を形成する方法が提供される。こ の方法は、接合面を、半田ペーストの付着層に接する形で配置する段階によって 構成され、半田ペーストは、すずビスマス半田合金の粉末と第三金属の粉末との 混合物を含有する。このアッセンブリは加熱されて、すずビスマス半田合金を溶 融する。すずビスマス粉末は、溶融すると直ちに合着して、液状半田を形成し、 液状半田は、半田接続のベースを形成する。同時に、第２粉末の第三金属が液状 半田内に溶融する。液状半田は、冷却後直ちに固化して、接合面と接合して、半 田接続を完成する。この半田接続は、第三金属とすずビスマス合金との合金の結 果、融解温度の上昇を含め、高温機械特性の強化を示す。

図面の簡単な説明 添付図を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は、本発明による半田ペーストを用いた、プリント回路基板と電気部材の アッセンブリの断面図である。

第２図は、半田をリフローして半田接続を形成した後の、第１図のアッセンブリ の断面図である。

第３図は、融解温度を、すずビスマス半田合金中の全濃度との相関関係で示した グラフである。および、第４図は、本発明による半田ペーストから形成される金 含有のすずビスマス合金を含む、いくっがの半田合金について、ヌープ硬さを、 温度との相関関係で示したグラフである。

発明を実施するための最良の形態 好適な実施例において、本発明による半田ペーストは、無鉛半田接続を形成して 、電気部材をプリント回路基板上にマウントするのに用いられる。このペースト の適切な製法は、すずビスマス半田の粉末を含有する商業的な半田ペーストに、 金粉を添加することである。好適なすずビスマス半田の粉末は、約６０重量パー セントがビスマス、残りがすすから成る近共晶（ｎｅａｒ　ｅｕｒｅｃ＋ｉｃ） 合金によって構成され、不純物として０．１パ一セント未満の鉛を含有するのが 望ましい。このすずビスマス粉末は−２００から＋３２５メツシユの大きさで、 ビヒクル内に分散される。

ビヒクルは、高沸点のアルコールおよびグリコール溶剤から成り、また白色松や に（ｗｈＨｅ　ｒｏｓｉｎ）化合物によって構成されるフラックスを含有する。

このペーストはまた、粉末を粘着性被覆層内に接合するのに有効な消耗性の有機 バインダ（エチル・セルロース化合物が適する）を含む。

適切なペーストは、Ｉｎｄａｌｌｏｙ　２８１という商標名でアメリカのＩｎｄ ｉｕｍ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから商業的に入手可能である。

金粉が、すずビスマス半田ペーストに添加されて、本発明によるペーストを作る 。この金粉は、約５から１０ミクロンの寸法を有する粒子を特徴とした。金の添 加は、金属粉末の総重量を基に計算して約１．０から２．２重量パーセントが望 ましい。

第１図を参照して、抵抗器などの個別部材１０を、本発明による半田ペーストを 利用して、プリント回路基板１２にマウントするためのアッセンブリを示す。プ リント回路基板１２は、誘電基板１８に付着された金属鋼トレース１６によって 構成され、誘電基板はＦＲ４カードという種類のもので、エポキシ樹脂およびガ ラス繊維の膜から成る。

トレース１６は、部材１０を付着する箇所である表面実装バッド２０を含む。基 板１２はさらに半田ストップ２２によって構成され、半田ストップは、半田非濡 れ性の障壁を設けるエポキシ・ベースまたはその他の適切なポリマー樹脂から成 る。半田ストップ２２はトレース１６に施されて、半田合金が広がるのをブロッ クし、これによりリフロー中、半田合金を接合パッド２０に限定する。半田ペー ストの付着層２４は、すずビスマス半田の粉末と金粉の混合物によって構成され 、スクリーン印刷によって接合パッド２０に塗布される。部材１０は、パラジウ ム銀合金から作られる接点３０によって構成され、この接点が、接続の接合面を 構成する。半田ペーストの付着（ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）　２４後、部材１０は 、接点３０が付着層２４に接する形で、プリント回路基板１２と共に組み立てら れる。

接続を完成するため、第１図に示すアッセンブリは、１４０℃以上の温度（１６ ０℃以上が望ましい）に加熱されて、半田合金をリフローする。加熱の初期段階 中、付着層２４内の残留溶剤および有機バインダが分解して蒸発する。

アッセンブリが約１３８．５℃以上（共融温度）で加熱されるにつれ、すずビス マス粒子が溶融、合着して、液相を作る。同時に、この液相は金粉を溶融し始め る。昇温で、接合パッド２０と接点３０を濡らす一様な液体が形成される。濡れ 性は、白色松やにフラックスの作用によって促進される。アッセンブリは冷却さ れて、第２図の半田接続３２を作り、この接続が接合パッド２０および接点３０ と接合し、その間を間断なく埋めていって、部材１０を基板１２に付着し、また パッド２０と接点３０とを電気的に接続する。接続３２は、第１金属粉末の半田 合金に由来するすすとビスマスから実質的に構成され、第２金属粉末由来の金を （約１．０から２．２重量パーセントの量が望ましし））含む。

そのため、本発明は、蒸発可能なビヒクル内に分散された金属粉末の混合物を含 む半田ペーストを提供する。この混合物は主に、すずとビスマスの半田合金から 成る粉末力）ら作られる。一般に、約３０から７０重量ノ（−セントのビスマス を含有するすす合金は、融解温度が、エポキシ・ベースのプリント回路基板のよ うな従来の基板材料上でリフローを可能にするほど低く、実質的に鉛を含まなし ）高純度で利用可能である。好適な合金は、約４８から６８重量ノく−セントの ビスマスを含む。また、半田粉末（こ最初力）ら他の合金物質を少量（通常４％ 未満）含有して、機械特性を強化することもできる。このペーストはさら（こ、 第三金属を含有する第２金属粉末の少量の添加によって構成され、すずビスマス 半田の機械特性を強化する。すずビスマス半田と合金を作るのに適した第三金属 には、金および銀力τ含まれ、金が望ましい。好適な実施例の第２金属粉末１よ 、純粋形態の第三金属から成るが、第三金属は、すすもしく【よビスマスとの合 金を含め、前もって合金にしたものでもよい。加熱して半田ペーストをリフロー する間、すずビスマス粉末が最初に溶融してリフローする。本発明の大きなｆｊ 点は、すずビスマス半田のりフローが比較的低？にで始まることであり、この温 度は、接続を形成する金含有合金の融解温度よりも大幅に低い。これによって、 リフローの初期段階中、接合面の濡れ性が促進され、この濡れ性は強い半田接合 の形成に不可欠である。上記事項にも拘らず、第三金属が最終的に液相中に溶融 して、すずおよびビスマスと合金を作り、高温特性が強化された接続を形成する 。

第３図は、融解温度を、５８重量パーセントがビスマス、残りがすずから成る合 金中の金濃度との相関関係で示したグラフである。図に示すように、１重量パー セントのように低い金の濃度で、合金の融解温度が大幅に上昇する。濃度が約２ ．２重量パーセントを超えると、融解温度は約２１０℃を超える。通常の加工法 では、溶融を加速し、サイクル・タイムを減らすために、半田は融解温度より２ ０℃から４０℃高い温度でリフローされる。したがって、金を約２．２重量パー セント以上含有する合金は、高いリフロ一温度が必要となり、これが、電子パッ ケージで通常見られる他の機能に損傷を与える傾向がある。また、これより高い 金濃度では、すす金の内側の金属相（１ｎｎｅｒ　ｍｅｔａｌｌｉｃｐｈａｓｅ ）の形成が顕著になり、接続の機械特性を低下させる傾向がある。製品接続中の 好適な金濃度は、約１．０から２．２の重量パーセントの金である。

第５図は、ヌープ硬さくグラム／ミクロン）を温度との相関関係で示したグラフ である。曲線Ａは、全約２．０重量パーセント、ビスマス５８重量パーセント、 残りがすずから成る合金の新しい硬さを示し、この合金は本発明により製造され るペーストによって作られる。比較目的のため、曲線Ｂは、金を含まない同等の すずビスマス合金の硬さを示し、曲線Ｃは、銀約２重量パーセント、船釣３６重 量パーセント、残りがすすから成る標準的なすず鉛半田合金を示す。図に示すよ うに、金を添加すると、昇温時のビスマスすず半田合金の硬さが大幅に上昇し、 約１１０’Ｃがら１５０℃の範囲内では、すず鉛合金に匹敵する硬さとなる。

一般に、硬さは、強度の増加を示すと考えられ、本発明によるペースト由来のす ずビスマス金の合金は、結果として、より強力で耐久性のある接続を生じ、この 接続は、微小電子パッケージがその使用中に遭遇する種類の温度の急上昇に、よ り耐えられる。

第３図および第４図は、すずビスマス合金への金の添加に関するが、すずビスマ ス合金における同様の融解温度の上昇は、銀を添加しても達成されると考えられ る。したがって、銀は、すずとビスマスの合金によって形成される接続の高温特 性を強化するのに、適切に代用できる。

図に示す実施例では、本発明による金の添加を含有するように作られた半田ペー ストを用いて、個別部材をプリント回路基板にマウントした。リフロー中、半田 ペーストの金属粉末は合着して液状半田を形成し、液状半田は、プリント回路基 板の接合パッドである第１接合面と、部材の接点である第２接合面とを濡らし、 冷却後直ちに固化して、所望の半田接続を形成する。銅プラチナ銀合金が接合面 に選択されたが、接合面は、半田濡れ性であるニッケルもしくはその他の任意の 金属がらも、強い半田接合の形成に適する形で作られる。また、本発明は、プリ ント回路基板もしくはセラミック・チップ・キャリヤなどの基板と、集積回路チ ップ上に配置される接合バンドとの間に、半田バンプ接続を形成するのにも容易 に対応できる。

本発明は一定の実施例に関して説明してきたが、上記の説明に限定することを意 図するものではなく、以下に示す請求の範囲に記載される範囲にとどめることを 意図する。

融解１度を縦軸、全濃度を横軸にとったグラフ１．０　２．０ ビスマスすず合金中の金のパーセント 第３図 硬さを縦軸、温度を横軸にとったグラフ温度（°Ｃ） 第４図

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．第１金属粉末と第２金属粉末との混合物によって構成される半田ペーストで あって、前記第１金属粉末は、主にすずおよびビスマスから成る半田合金から作 られ、前記第２金属粉末は、金および銀によって構成されるグループから選択さ れた、前記半田合金内に溶融してその融解温度を上昇させるのに有効な量、存在 する第三金属によって構成されることを特徴とする半田ペースト。
2. ２．前記半田合金が、約３０から７０重量パーセントがビスマスで、残りの大半 がすずによって構成されること、また前記第三金属の粉末が、前記金属粉末の総 重量を基にその約１．０から２．２重量パーセントの量、存在することを特徴と する、請求項１記載の半田ペースト。
3. ３．前記半田合金が、４８から６８重量パーセントのビスマスおよびすずによっ て実質的に構成されることを特徴とする、請求項２記載の半田ペースト。
4. ４．半田ペーストであって、 蒸発可能なビヒクル， 前記蒸発可能なビヒクル内に分散され、４８から６８重量パーセントのビスマス およびすずによって実質的に構成される半田合金から作られる第１金属粉末，お よび、前記蒸発可能ビヒクル内に分散され、実質的に金から作られる第２金属粉 末であって、前記第２金属粉末は、前記金属粉末の総重量を基にその約１．０か ら２．２重量パーセントの量、存在する第２金属粉末， によって構成されることを特徴とする半田ペースト。
5. ５．第１半田濡れ性接合面および第２半田濡れ性接合面を接合する半田接続を形 成する方法であって、前記第１および第２接合面を、半田ペーストに接する形で 配置して、アッセンブリを形成する段階であって、前記半田ペーストは、第１お よび第２金属粉末の混合物によって構成され、前記第１金属粉末は、主にすずお よびビスマスから成る半田合金から作られ、前記第２金属粉末は、金および銀に よって構成されるグループから選択された第三金属によって構成される段階， 前記アッセンブリを、半田合金を溶融して液状半田を形成し、前記第三金属を前 記液状半田内に溶融するのに有効な温度に加熱する段階，および、 前記アッセンブリを冷却して、前記第１および第２接合面と接合された、前記第 三金属を前記半田接続の前記融解温度を上昇させるのに有効な量、含有する半田 合金から成る半田接続を形成する段階， によって構成されることを特徴とする方法。
6. ６．前記半田合金が、約３０から７０重量パーセントのビスマスと、残りの大半 がすずによって構成されること、また前記第三金属が、前記半田接続内で約１． ０から２．２重量パーセントの濃度を生じるのに有効な量、存在することを特徴 とする請求項５記載の方法。
7. ７．前記半田合金が、４８から６８重量パーセントのビスマスおよびすずによっ て実質的に構成されることを特徴とする、請求項６記載の方法。
8. ８．電気部材をプリント回路基板に付着させる半田接続を形成する方法であって 、 半田ペーストの付着層を、プリント回路基板の接合パッドの上に塗布する段階で あって、前記ペーストは、蒸発可能なビヒクル内に分散された第１金属粉末およ び第２金属粉末によって構成され、前記第１金属粉末は、約３０から７０重量パ ーセントのビスマスおよびすずから成る半田合金から作られ、前記第２金属粉末 は実質的に金から成る段階， 前記部材の半田濡れ性接合面を、前記プリント回路基板上の前記付着層に接する 形で配置して、アッセンブリを形成する段階， 前記アッセンブリを加熱して、前記ビヒクルを蒸発させ、前記半田合金を溶融し て、液状半田を形成する段階であって、前記第２金属粉末は、前記液状半田の中 に溶融する段階，および、 前記アッセンプリを冷却して、前記液状半田を固化して、前記部材を前記プリン ト回路基板と接合する半田接続を形成する段階であって、前記半田接続は、主に すずビスマス半田合金から成り、約１．０から２．２重量パーセントの金を含有 する段階， によって構成されることを特徴とする方法。
9. ９．前記加熱段階が、前記アッセンブリを約１４０℃以上で加熱する段階によっ て構成されることを特徴とする、請求項８記載の方法。
10. １０．前記加熱段階が、前記アッセンブリを約１６０℃以上で加熱する段階によ って構成されることを特徴とする、請求項８記載の方法。