JPH09216089A - はんだ合金、クリームはんだ、及びはんだ付け方法 - Google Patents

はんだ合金、クリームはんだ、及びはんだ付け方法

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JPH09216089A JP8023547A JP2354796A JPH09216089A JP H09216089 A JPH09216089 A JP H09216089A JP 8023547 A JP8023547 A JP 8023547A JP 2354796 A JP2354796 A JP 2354796A JP H09216089 A JPH09216089 A JP H09216089A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 有毒物質である鉛を含まず、組織が微細で、
その経時変化が少なく、耐熱疲労特性に優れたはんだ合
金を提供する。 【解決手段】 Ｓｎを主成分とするはんだでその組成に
有毒物質である鉛を含んでいないはんだに関し、Ａｇを
少量添加することで微細な合金組織を持ち、組織変化を
少なくすることが可能で、耐熱疲労特性に優れ、Ｂｉを
少量添加することで融点を下げ、及び濡れ性を改善する
ことができ、Ｃｕを少量添加することではんだ／銅ラン
ド接合界面での金属間化合物の成長を抑制して接合強度
を改善でき、またＩｎを少量添加することで合金の伸び
特性を改善して耐熱疲労特性を改善することができるは
んだ合金。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は電子回路基板のはん
だ付けに用いるはんだ合金、クリームはんだ、及びはん
だ付け方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年の実装技術において、電子部品の小
型化、高密度実装化が急速に進んでいる。それに伴い、
はんだ材料の狭ピッチ対応、高信頼性化等の高機能化へ
の要求が急速に高まっている。また、環境への関心が高
まる中、電子回路基板などの産業廃棄物の処理について
も法的に規制をしようとする動きがある。
【０００３】以下に上述した従来のはんだ材料の一例に
ついて図面を参照にしながら説明する。図２は従来のは
んだ材料の合金組織及び従来のはんだ材料と銅ランドと
の接合界面での金属組成を示すものである。図２におい
て、１はα固溶体でＳｎリッチ相である。２はβ固溶体
でＰｂリッチ相である。３は金属間化合物であり、その
組成はＣｕ3 Ｓｎである。４は金属間化合物であり、そ
の組成はＣｕ6 Ｓｎ5である。５はＣｕランドである。
【０００４】以上のような従来のはんだ合金はその金属
組成がＳｎとＰｂの共晶合金であり、その構成成分とし
てＳｎを６３重量％及びＰｂを３７重量％からなるもの
で１８３℃に共晶点をもつものであった。また、その合
金組織はα固溶体１とβ固溶体２がラメラ状となってい
た。また、はんだ／銅ランド接合界面においては金属間
化合物４及び５が形成されていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、環境保
護の立場から、はんだ材料（Ｓｎ−Ｐｂ合金）中に含ま
れ有毒物質である鉛の規制が国際的に急速に進みつつあ
る。従来のはんだ材料によりはんだ付けされたプリント
回路基板の廃棄物が酸性雨にさらされると、有害物質で
ある鉛が大量に溶出するので、その毒性により人体が神
経障害等の悪影響を受けるという問題点を有していた。
また、従来のはんだ材料はその合金組織がラメラ状とな
っており、高温環境下にさらされると、その組織の肥大
化が生じ、はんだに応力がかかるとその組織界面ですべ
りが生じ、はんだクラックが生じるという問題点を有し
ていた。さらに、はんだ付け時及び高温環境下におい
て、はんだ／銅ランド接合界面に二層の硬く、脆い金属
間化合物が成長するので接合界面でクラックが生じると
いう問題点を有していた。
【０００６】本発明は上記問題点に鑑み、はんだ材料中
に鉛を含まないようにするとともに、その合金組織を微
細化し、また、はんだ／銅ランド接合界面で金属間化合
物の成長を抑制することで高温環境下で経時変化が少な
く高温疲労特性に優れたはんだ材料を提供することを目
的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本願の第１発明のはんだ
合金は、上記目的を達成するため、主要構成成分がＳ
ｎ、Ａｇ及びＢｉであって、Ｓｎを８３〜９２重量％、
Ａｇを２．５〜４．０重量％、Ｂｉを５〜１８重量％含
むことを特徴とする。
【０００８】本願の第２発明のはんだ合金は、上記目的
を達成するため、主要構成成分がＳｎ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｃ
ｕ及びＩｎであって、Ｓｎを８０〜９２重量％、Ａｇを
２．５〜４．０重量％、Ｂｉを５〜１８重量％、Ｃｕを
０．１〜０．７重量％、Ｉｎを０．１〜１．５重量％含
むことを特徴とする。
【０００９】本願の第１発明によれば、Ｓｎを主成分と
するはんだに関し、Ａｇを少量添加することで微細な合
金組織を持つ耐熱疲労特性に優れた合金を得ることがで
きる。さらに、Ｂｉを少量添加することで融点を下げ、
及び濡れ性を改善することができる。
【００１０】本願の第２発明によれば、第１発明の上記
特徴点に加え、Ｃｕを少量添加することではんだ／銅ラ
ンド接合界面での金属間化合物の成長を抑制することが
できる。また、Ｉｎを少量添加することで合金の伸び特
性及び耐熱疲労特性を改善することができる。
【００１１】本願の第１、第２発明において、はんだ合
金の組成を上述のように限定した理由を説明する。Ａｇ
は耐熱疲労特性を改善させるが、その添加量が２．５重
量％よりも少なくなれば耐熱疲労特性を改善させる効果
が十分ではない。また２２０℃以下の融点を確保するた
めに４．０重量％以下としなければならない。それを越
えて添加すると融点は急激に上昇してしまうので好まし
くない。よって、Ａｇの好適な添加量は２．５〜４．０
重量％である。
【００１２】Ｂｉは融点を下げ、濡れ性を改善するが、
添加量が５重量％よりも少なければその効果は十分では
ない。また、１８重量％を越えるとはんだ付け強度が得
られなくなるので好ましくない。よって、Ｂｉの添加量
は５〜１８重量％が好適である。
【００１３】Ｃｕは高温特性を改善し、はんだ／銅ラン
ド接合界面の金属間化合物の形成を抑制させる効果があ
るが、０．１重量％よりも少ない添加ではその効果は現
れず、０．７重量％を越えて添加すると硬く、脆くな
る。よって、Ｃｕの好適な添加量は０．１〜０．７重量
％である。
【００１４】Ｉｎは伸び特性、濡れ性及び耐熱疲労特性
を改善させる効果があるが、０．１重量％より少ない添
加ではその効果は現れず、１．５重量％を越えて添加す
ると合金の機械的強度を劣化させる。そのため、Ｉｎの
好適な添加量は０．１〜１．５重量％である。
【００１５】本願の第３発明のクリームはんだは、第１
発明又は第２発明のはんだ合金にフラックスを加えてク
リーム状にしてなるものであって、第１発明又は第２発
明と同様の特徴点を有する。
【００１６】本願の第４発明のはんだ付け方法は、上記
目的を達成するため、第１発明又は第２発明のはんだ合
金によるはんだ付け時の凝固過程において、急冷凝固さ
せ金属間化合物を微細分散させて機械的強度を上昇させ
ることを特徴とする。
【００１７】急冷法としては冷風吹付けが好適であり、
その冷却速度は５〜１５℃／秒、特に１０℃／秒前後が
好適である。
【００１８】本願の第４発明によれば、急冷凝固によっ
てＡｇ3 Ｓｎ、Ｃｕ3 Ｓｎ、ＣｕＳｎ5 の金属間化合物
の成長を抑制して、これらを微細分散させることができ
るので、機械的強度、耐熱疲労特性の向上を図ることが
できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を、表１に示
す実施例１〜３及び比較例１、２に基き具体的に説明す
る。
【００２０】表１は実施例１〜３、比較例１、２のはん
だ合金について、その組成（重量％）、融点、濡れ性、
接合強度、及び熱衝撃特性を示したものである。
【００２１】
【表１】
【００２２】融点は、それぞれのはんだ合金を熱分析に
より測定した。
【００２３】また、濡れ性、接合強度、熱衝撃試験は、
それぞれのはんだ合金を大気用ＲＭＡタイプのクリーム
はんだにしたものを作製しそれを用いて行った。
【００２４】濡れ性については、０．５ｍｍピッチのＯ
ＦＰを実装後、その１リードあたりのピーリング強度を
測定した。
【００２５】熱衝撃試験は、気相式熱衝撃試験機によ
り、試験条件：−４０℃（３０分）〜常温（５分）〜８
０℃（３０分）、５００サイクルで行い、クラックの有
無で評価した。
【００２６】上記はんだ合金をクリームはんだにする場
合、フラックスの種類は特に限定されることはなく、大
気リフロー対応、窒素リフロー対応、ＲＡ、ＲＭＡ等の
フラックスの使用が可能であった。好ましくは、活性力
があり、かつ比較的耐腐食性にも優れる大気用ＲＭＡタ
イプのフラックスが適していた。
【００２７】なお、比較例１はＳｎ９６．５重量％、Ａ
ｇ３．５重量％のはんだ合金であり、比較例２はＳｎ６
３重量％、Ｐｂ３７重量％のはんだ合金である。
【００２８】（実施例１）実施例１のはんだ合金は、Ｓ
ｎ９０．５重量％、Ａｇ３．５重量％、Ｂｉ６重量％の
三成分はんだ合金である。
【００２９】このはんだ合金を大気用ＲＭＡのフラック
スを用いてクリームはんだとし、その融点、濡れ性、接
合強度、熱衝撃試験を行った。その結果は表１に示すと
おりである。又はんだの引張り強度試験を行った結果、
８．３ｋｇｆ／ｍｍ2 であり、比較例２が６．５ｋｇｆ
／ｍｍ2 であったことに比較すると、強度向上が顕著で
あった。
【００３０】次にはんだ付け時の凝固過程において、急
冷凝固させると、図１に示すように金属間化合物（Ａｇ
3 Ｓｎ）６の成長が抑制され、これを微細分散させるこ
とができ、更に機械的強度の上昇、耐熱疲労特性の向上
を図ることができた。またはんだ／銅ランド接合界面で
の金属間化合物の成長を抑制することができた。なお、
急冷凝固においては、冷風吹付け法を用い、約１０℃／
秒の冷却速度ではんだ付け部を冷却した。
【００３１】（実施例２）実施例２のはんだ合金は、Ｓ
ｎ８５．５重量％、Ａｇ３重量％、Ｂｉ１０重量％、Ｃ
ｕ０．５重量％、Ｉｎ１重量％の五成分はんだ合金であ
る。
【００３２】各試験結果は表１に示すとおりであるが、
実施例１に比較し、融点の低下、接合強度の向上を図る
ことができた。
【００３３】この実施例２のはんだ合金についても、は
んだ付け時に急冷凝固させた。その結果更に機械的強度
の上昇、耐熱疲労特性の向上を図ることができた。
【００３４】（実施例３）実施例３のはんだ合金は、Ｓ
ｎ８０．５重量％、Ａｇ３重量％、Ｂｉ１５重量％、Ｃ
ｕ０．５重量％、Ｉｎ１重量％の五成分はんだ合金であ
る。
【００３５】実施例３は実施例２に比較して、Ｂｉの含
有量を増やしたものであるが、その結果表１に示すよう
に、融点を低下させることに格別の効果があった。
【００３６】この実施例３のはんだ合金についても、は
んだ付け時に急冷凝固させた。その結果更に機械的強度
の上昇、耐熱疲労特性の向上を図ることができた。
【００３７】
【発明の効果】以上から明らかなように本発明は、Ｓｎ
を主成分とするはんだに関し、Ａｇを少量添加すること
で微細な合金組織を持ち、組織変化を少なくすることが
可能で、耐熱疲労特性に優れた合金を得ることができ
る。さらに、Ｂｉを少量添加することで融点を下げ、及
び濡れ性を改善することができる。また、Ｃｕを少量添
加することではんだ／銅ランド接合界面での金属間化合
物の成長を抑制することができるので接合強度を改善す
ることができる。また、Ｉｎを少量添加することで合金
の伸び特性を改善して耐熱疲労特性を改善することがで
きる。
【００３８】また、はんだ付けの冷却過程において急冷
凝固させることではんだ合金組織を微細化し、かつはん
だ／銅ランド接合界面の金属間化合物の成長を抑制する
ことができるために機械的強度及び耐熱疲労特性に優れ
たはんだ合金を得ることができる。
【００３９】また、その組成に有毒物質である鉛を含ん
でいないはんだを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態におけるはんだ合金の組織を
示す図。
【図２】従来のはんだ材料の合金組織及びはんだ／銅ラ
ンド接合界面での金属組成を示す図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０５Ｋ 3/34 ５１２ Ｈ０５Ｋ 3/34 ５１２Ｃ

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 主要構成成分がＳｎ、Ａｇ及びＢｉであ
    って、Ｓｎを８３〜９２重量％、Ａｇを２．５〜４．０
    重量％、Ｂｉを５〜１８重量％含むことを特徴とするは
    んだ合金。
  2. 【請求項２】 主要構成成分がＳｎ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｃｕ
    及びＩｎであって、Ｓｎを８０〜９２重量％、Ａｇを
    ２．５〜４．０重量％、Ｂｉを５〜１８重量％、Ｃｕを
    ０．１〜０．７重量％、Ｉｎを０．１〜１．５重量％含
    むことを特徴とするはんだ合金。
  3. 【請求項３】 請求項１又は２記載のはんだ合金にフラ
    ックスを加えてクリーム状にしてなるクリームはんだ。
  4. 【請求項４】 請求項１又は２記載のはんだ合金による
    はんだ付け時の凝固過程において、急冷凝固させ金属間
    化合物を微細分散させて機械的強度を上昇させることを
    特徴とするはんだ付け方法。
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