JPH10109187A

JPH10109187A - 電子部品実装用はんだ合金

Info

Publication number: JPH10109187A
Application number: JP28167496A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Tanaka; 嘉明田中
Original assignee: Uchihashi Estec Co Ltd
Current assignee: Uchihashi Estec Co Ltd
Priority date: 1996-10-02
Filing date: 1996-10-02
Publication date: 1998-04-28
Anticipated expiration: 2016-10-02
Also published as: JP3708252B2

Abstract

(57)【要約】【課題】Ｓｎ−Ｐｂ−Ｂｉ系はんだ合金のマンハッタン
現象抑制作用を充分に維持しつつ耐熱疲労特性の飛躍的
向上を達成する。【解決手段】Ｓｎ４０〜７０重量％、Ｂｉ２．５〜１
５．０重量％、残部がＰｂのＳｎ−Ｐｂ−Ｂｉ系はんだ
合金１００重量部にＣｕ０．３〜２．０重量部とＳｂ
０．１〜２．０重量部とが添加されている。更に、Ａｇ
０．５〜３．５重量部、また更には、ＰまたはＧａを
０．５重量部以下とが添加することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電子部品の実装に使
用するはんだ合金に関し、特に電子部品をリフロ−法に
より実装する場合に好適に使用されるものである。

【０００２】

【従来の技術】電子部品を回路基板に実装する場合、リ
フロ−法、すなわち、回路基板の所定位置に電子部品を
クリ−ムはんだ（はんだ粉末とフラックスとの混合物）
で粘着し、更に加熱炉に通してクリ−ムはんだを溶融
し、而るのち、はんだを冷却凝固させて電子部品を回路
基板に電気的・機械的に接合する方法を用いることがあ
り、このクリ−ムはんだのはんだ粉末には、伝統的にＰ
ｂ−Ｓｎ共晶はんだが使用されてきた。このＰｂ−Ｓｎ
共晶では、固相線温度と液相線温度とが一致するから、
融点に達すると固相から液相に即時に移行する。上記の
リフロ−法実装においては、電子部品の加熱の不均一が
避けられず、電子部品の片サイド電極のクリ−ムはんだ
が先に融点に達して液相化され、この際電子部品の他サ
イド電極のクリ−ムはんだが固相のままである状態が生
じ、片サイド電極のクリ−ムはんだの液相化による表面
張力で電子部品が起立されて他サイド電極が浮き上がり
（いわゆる、マンハッタン現象）、はんだ付け不良が発
生することがある。

【０００３】而るに、固相線温度と液相線温度との間に
差があるはんだ合金を、その温度差を上記の不均一温度
差に応じて設定して使用すれば、電子部品の上記片サイ
ド電極側が固相線温度と液相線温度との中間温度になっ
てクリ−ムはんだが半溶融状態（固相と液相との混在相
状態）となり、他サイド電極側のクリ−ムはんだがまだ
固相状態であっても、半溶融状態での表面張力が小さい
ために電子部品の起立を防止することが可能となり、更
に片サイド電極側が液相線温度を越えて液相状態とな
り、他サイド電極側のクリ−ムはんだがまだ半溶融状態
であっても、液相状態と半溶融状態での表面張力の差が
小さいために、電子部品の起立を防止することが可能と
なる。

【０００４】そこで、液相線温度と固相線温度とに差を
もたせてマンハッタン現象を防止することを企図して、
ＪＩＳＺ３２８２−１９８６でＳｎ４３ＰｂＢｉ１４
（Ｓｎ４３重量％、Ｂｉ１４重量％、残部Ｐｂであり、
固相線温度１３５℃、液相線温度１６５℃）が規格さ
れ、更に、Ｓｎ４６ＰｂＢｉ８（固相線温度１７５℃、
液相線温度１９０℃）やＳｎ５７ＰｂＢｉ３（固相線温
度１７５℃、液相線温度１８５℃）も公知である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近来、電子
部品の複合化、高機能化、表面実装の高密度化が加速さ
れ、電子回路基板の発熱量が増し、通電ヒ−トサイクル
に基づきはんだ付け部が受ける繰返し熱応力がますます
厳しくなりつつあり、より優れた耐熱疲労特性が要求さ
れている。しかしながら、上記のＳｎ−Ｐｂ−Ｂｉ系は
んだ合金では、溶融液相が冷却されて半溶融状態を通過
する際にボイドが形成され易く、またＳｎやＰｂにＢｉ
が溶け込んで固溶体が形成され易いために、Ｐｂ−Ｓｎ
共晶はんだに較べ機械的強度が低く、上記耐熱疲労性の
向上を望み難い。従来、Ｓｎ−Ｐｂ−Ｂｉ系はんだ合金
をベ−スにしてＣｕを０．２重量％以下添加した電子部
品用はんだ合金が公知である（特公平１−２４５９９号
公報）。

【０００６】しかしながら、本発明者において、マンハ
ッタン現象抑制作用を維持しつつ耐熱疲労特性の向上を
達成すべく鋭意検討したところ、ＣｕとＳｂとを特定の
割合で添加することにより、上記のＣｕ単独添加では達
成できない飛躍的な耐熱疲労性の向上を得ることができ
ることを知った。本発明の目的は、上記予想外の実験結
果に基づき、Ｓｎ−Ｐｂ−Ｂｉ系はんだ合金のマンハッ
タン現象抑制作用を充分に維持しつつ耐熱疲労特性の飛
躍的向上を達成することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る電子部品実
装用はんだ合金は、Ｓｎ４０〜７０重量％、Ｂｉ２．５
〜１５．０重量％、残部がＰｂのＳｎ−Ｐｂ−Ｂｉ系は
んだ合金１００重量部にＣｕ０．３〜２．０重量部とＳ
ｂ０．１〜２．０重量部、更にＡｇ０．５〜３．５重量
部とが添加されていることを特徴とする構成であり、ま
た更に、ＰまたはＧａを０．５重量部以下とが添加する
ことができる。本発明は、Ｓｎ４０〜７０重量％、Ｂｉ
２．５〜１５．０重量％、残部がＰｂのＳｎ−Ｐｂ−Ｂ
ｉ系はんだ合金をベ−スにＣｕとＳｂ、更にＡｇ、また
更には必要に応じＰまたはＧａを特定量添加することに
より、Ｓｎ−Ｐｂ−Ｂｉ系はんだ合金のマンハッタン現
象抑制作用を充分に維持しつつ耐熱疲労性を飛躍的に向
上させ得るものである。

【０００８】本発明において、Ｓｎを４０〜７０重量％
とする理由は、４０重量％未満でははんだ付けの作業性
が悪くなるばかりか、合金強度及び接合強度が著しく低
くなり、接合信頼性が損なわれ、また、液相線温度が高
くなる結果、はんだ付け時での基板や表面実装部品への
熱衝撃が過酷になり、他方、７０重量％を越えると、コ
ストアップとなるばかりか、前記と同様に液相線温度が
高くなる結果、はんだ付け時での基板や表面実装部品へ
の熱衝撃が過酷になるからである。本発明において、Ｂ
ｉの添加は固相線温度と液相線温度とに差をもたせてマ
ンハッタン現象を抑制するためであり、その添加量を
２．５〜１５．０重量％とする理由は、２．５重量％未
満ではマンハッタン現象を満足に抑制し難く、他方１
５．０重量％を越えると、伸びが減少し脆くなって機械
的強度が低下し、接合信頼性を保証し難くなるからであ
る。

【０００９】本発明において、ＣｕとＳｂとの添加はマ
ンハッタン現象抑制作用を充分に維持しつつ耐熱疲労性
を飛躍的に向上させためであり、ＣｕまたはＳｂの単独
では不適当であり、それらの添加量をＣｕ０．３〜２．
０重量部とＳｂ０．１〜２．０重量部とする理由は、こ
れらの範囲内で耐熱疲労特性の飛躍的向上が達成でき、
しかもＣｕ２．０重量部以上やＳｂ２．０重量部以上で
は、液相線温度が高くなって、はんだ付け時での基板や
表面実装電子部品への熱的衝撃が相当過酷になるからで
ある。本発明において、Ａｇの添加は、被接合部材がＡ
ｇである場合に、Ａｇ食われ（Ａｇがはんだ中に拡散す
ること、溶食とも称されている）による接合不良が懸念
されるため、これを防止することにある。その添加量を
０．５〜３．５重量部とした理由は、０．５重量部以下
ではＡｇ食われを満足に抑制し難く、他方、３．５重量
部を越えるとコスト高になるばかりか、液相線温度が高
くなって、はんだ付け時での基板や表面実装電子部品へ
の熱的衝撃が過酷になるからである。

【００１０】本発明において、ＰまたはＧａの添加は、
上記添加したＣｕやＳｂによるはんだ合金の濡れ性低下
を補償すると共にはんだ合金溶融下での酸化を抑制し当
該酸化物の巻き込みによるはんだ接合部の強度低下を防
止するためであり、その添加量を０．５重量部以下とす
る理由は、０．５重量部を越えるとはんだ合金の脆弱化
が招来されるからである。

【００１１】はんだ合金においては、添加元素以外の成
分を不純物として含有するのが通常であり、ＪＩＳＺ
−３２８２−１９８６−表３に規定されているＡ級の化
学成分に従い、本発明に係るはんだ合金においても、Ｚ
ｎを０．００３重量％以下、Ｆｅを０．０３重量％以
下、Ａｌを０．００５重量％以下、Ａｓを０．０３重量
％以下、Ｃｄを０．００５重量％以下の範囲で含有する
ことが許容される。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明において、べ−スのＳｎ−
Ｐｂ−Ｂｉ系はんだ合金としては、例えば、日本工業規
格で規定された、Ｓｎ４３重量％、Ｂｉ１４重量％、
残部Ｐｂ（固相線温度１３５℃、液相線温度１６５
℃）、または、公知のＳｎ４６重量％、Ｂｉ８、残部
Ｐｂ（固相線温度１７５℃、液相線温度１９０℃）Ｓ
ｎ５７、Ｂｉ３、残部Ｐｂ（固相線温度１７５℃、液相
線温度１８５℃）等を使用できる。

【００１３】本発明に係る電子部品実装用はんだ合金
は、リフロ−法におけるクリ−ムはんだとして好適に使
用される。この場合、粉末はんだは、例えば、遠心噴霧
法により得ることができ、その粒直径は通常６５〜２０
μｍであり、フラックスの組成は、ロジン２０〜６０重
量％、活性剤０．２〜５重量％、チクソ剤３〜２０重量
部％、残部溶剤であり、クリ−ムはんだの組成は、通常
粉末はんだ８５〜９３重量％、残部フラックスである。
リフロ−法により表面実装を行うには、回路基板の電子
部品搭載予定箇所にクリ−ムはんだを印刷し、更に、電
子部品をそのクリ−ムはんだの粘着力で仮固定し、次い
で、はんだ合金の液相線温度よりも数十度高い温度の加
熱炉、例えば赤外線加熱炉等に通してクリ−ムはんだを
溶融し、而るのち、はんだを冷却凝固させ、最終的にフ
ラックス残渣の洗浄を行い、これにて実装を終了する。

【００１４】本発明に係るはんだ合金においては、Ｃｕ
及びＳｂの添加量がＳｎ−Ｐｂ−Ｂｉ系はんだ合金のマ
ンハッタン現象抑制作用を充分に維持できる範囲内であ
り、上記加熱の不均一のために、電子部品の片サイド電
極側が固相線温度と液相線温度との中間温度になってク
リ−ムはんだが半溶融状態（固相と液相との混在相状
態）となり、他サイド電極側のクリ−ムはんだにおいて
はまだ固相状態であっても、半溶融状態での表面張力が
小さいために電子部品の起立をよく防止でき、更に片サ
イド電極側が液相線温度を越えて液相状態となり、他サ
イド電極側のクリ−ムはんだにおいてはまだ半溶融状態
であっても、液相状態と半溶融状態での表面張力の差が
小さいために、電子部品の起立をよく防止できる。

【００１５】上記リフロ−法により実装された電子部品
のはんだ付け部の通電ヒ−トサイクルに起因する破壊
（クラックやしわの発生）のメカニズムは複雑であり、
はんだと基板や電子部品との熱膨張収縮係数の差やヤン
グ率の差や環境温度変化等に基づき熱応力が発生し、そ
の熱応力がはんだの破断強度に達したときに破断するこ
とを根拠にしてのはんだ合金の抗張力や伸び率の評価だ
けでは耐熱疲労特性の適確な把握は困難であり、適確な
把握のためには、はんだの濡れ状態や電極や導体とはん
だとの界面部分での合金層形成による機械的特性（組織
の強度、ヤング率、伸び率、熱膨張収縮係数等）の変化
を反映させることが妥当である。しかるに、次に述べる
接合強度は、はんだの濡れ状態と界面部分での合金層形
成による機械的特性の変化を充分に反映して耐熱疲労性
を評価できるものであり、この接合強度はつぎのように
して求められる。

【００１６】すなわち、巾１０ｍｍ、厚み０．５ｍｍの
銅箔２枚をギャップを隔てて重ね、片端部にスペ−サを
挾着してギャップを０．５ｍｍに設定し、この重ね銅箔
の他端部にフラックスを塗布した後、溶融はんだ浴に浸
漬して毛細管現象により溶融はんだをギャップ間に深さ
１０ｍｍになるように侵入させ、はんだの冷却凝固後、
スペ−サを外して銅箔をはんだの侵入端箇所で直角に外
側に曲げ、この曲げた両銅箔を引張り端子としてロ−ド
セル方式万能試験機を用い、引張り速度５ｍｍ／ｍｉ
ｎ、温度２０℃で破断するときの引張り応力（ｋｇｆ／
ｍｍ²）を測定する。この接合強度によれば、はんだ合
金の抗張力や伸び率とは異なり、銅とはんだとの界面で
の金属学的反応による機械的強度の変化や濡れ性を反映
させることができ、はんだ付け部の耐熱疲労性を適確に
評価できる。而るに、本発明に係る実装においては、Ｃ
ｕ０．３〜２．０重量部とＳｂ０．１〜２．０重量部と
を添加しているために抜群に優れた接合強度を呈し、極
めて優れた耐熱疲労特性を保証できる。

【００１７】かかる耐熱疲労特性の保証は、機械的に脆
弱な固溶体の生成を抑制でき、ボイドの発生を排除で
き、かつ濡れ性に優れ、しかも電極や導体とはんだとの
界面部分での合金層形成による機械的特性（組織の強
度、ヤング率、伸び率、熱膨張収縮係数等）の異変をよ
く防止できた結果と推定される。なお、本発明に係る電
子部品用はんだ合金はリフロ−法に好適に使用される
が、フロ−法及びやに入りはんだとしても使用できる。

【００１８】

【実施例】以下の実施例及び比較例において、クリ−ム
はんだのはんだ粉末には遠心噴霧法による粒直径６３〜
３８μｍのものを使用し、フラックスには、ロジン５
０．０重量％、活性剤（シクロヘキシルアミン臭化水素
酸塩）１．０重量％、チクソ剤（水素添加ヒマシ油）
５．０重量％、残部溶剤（ブチルカルビト−ル）を使用
し、クリ−ムはんだの配合は、はんだ粉末９０重量％、
残部フラックスとした。また、マンハッタン現象発生率
は、チップ寸法３２ｍｍ×１６ｍｍ×０．５ｍｍのチッ
プ抵抗器をガラスエポキシ回路基板にクリ−ムはんだを
用いてリフロ−法により実装した試料１０００箇から求
めた。更に、ヒ−トサイクル試験も上記と同様にして製
作した試料について行い、１２５℃で１時間加熱、−
５５℃で１時間冷却を１サイクルとして５００サイクル
を課し、はんだ接合部にクラック、しわ、剥離等が発生
したものを不良とし、試料数は１００箇とした。

【００１９】〔実施例１〜８及び比較例１〜４〕べ−ス
のＳｎ−Ｐｂ−Ｂｉ系はんだ合金に、Ｓｎ５７重量％、
Ｂｉ３重量％、残部Ｐｂ（固相線温度１７５℃、液相線
温度１８５℃）を用いたものであり、使用したはんだ合
金の配合は表１（配合の単位は重量部）の通りである。
それぞれの接合強度（実施例１の接合強度を１として示
してある。実施例１の接合強度は、６．１８ｋｇｆ／ｍ
ｍ²）並びにヒ−トサイクル試験の結果は表１に示す通
りである。

【００２０】

【表１】

【００２１】表１から明らかな通り、実施例ではヒ−ト
サイクル試験の不良発生率が０％であり、比較例１や比
較例２との対比からこの効果がＣｕとＳｂとの相乗効果
によるものであることが推定できる。また、Ｃｕ０．３
重量部以下及びＳｂ０．１重量部以下ではヒ−トサイク
ル試験の不良発生率を０にできず、更にＣｕ２．０重量
部以上及びＳｂ２．０重量部以上ではヒ−トサイクル試
験の不良発生率を０にできないことが比較例３、比較例
４から明らかであり、本発明におけるＣｕ及びＳｂの添
加量限定の意義が確認できる。実施例が耐熱疲労性に優
れていることは、ヒ−トサイクル試験の不良発生率が０
で、かつ接合強度にも優れていることから裏付けられ
る。なお、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだ合金についてのマンハ
ッタン現象発生率は１５％〜２０％であり、本発明によ
れば、べ−スのＳｎ−Ｐｂ−Ｂｉ系はんだ合金のマンハ
ッタン現象抑制効果も充分に維持できることが表１から
確認できる。

【００２２】〔実施例９〜１６〕べ−スのＳｎ−Ｐｂ−
Ｂｉ系はんだ合金に、Ｓｎ４６重量％、Ｂｉ８重量％、
残部Ｐｂ（固相線温度１７５℃、液相線温度１９０℃）
を用いたものであり、使用したはんだ合金の配合は表２
（配合の単位は重量部）の通りである。それぞれの接合
強度（実施例１の接合強度を１として示してある）並び
にヒ−トサイクル試験の結果は表２に示す通りである。

【００２３】

【表２】

【００２４】〔実施例１７〜２４〕べ−スのＳｎ−Ｐｂ
−Ｂｉ系はんだ合金に、Ｓｎ４３重量％、Ｂｉ１４重量
％、残部Ｐｂ（固相線温度１３５℃、液相線温度１６５
℃）を用いたものであり、使用したはんだ合金の配合は
表３（配合の単位は重量部）の通りである。それぞれの
接合強度（実施例１の接合強度を１として示してある）
並びにヒ−トサイクル試験の結果は表３に示す通りであ
る。

【００２５】

【表３】

【００２６】

【発明の効果】本発明に係る電子部品用はんだ合金よれ
ば、Ｓｎ−Ｐｂ−Ｂｉ系はんだ合金のマンハッタン現象
抑制作用を充分に維持し得、かつ、Ｓｎ−Ｐｂ−Ｂｉ系
はんだ合金の耐熱疲労性に劣る不利をよく解消して耐熱
疲労特性の飛躍的向上を達成でき、電子部品実装時の不
良率を低減しつつ実装後での耐熱疲労に対する信頼性を
飛躍的に向上できる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｓｎ４０〜７０重量％、Ｂｉ２．５〜１
５．０重量％、残部がＰｂのＳｎ−Ｐｂ−Ｂｉ系はんだ
合金１００重量部にＣｕ０．３〜２．０重量部とＳｂ
０．１〜２．０重量部とが添加されていることを特徴と
する電子部品実装用はんだ合金。
【請求項２】Ｓｎ４０〜７０重量％、Ｂｉ２．５〜１
５．０重量％、残部がＰｂのＳｎ−Ｐｂ−Ｂｉ系はんだ
合金１００重量部にＣｕ０．３〜２．０重量部とＳｂ
０．１〜２．０重量部とＡｇ０．５〜３．５重量部とが
添加されていることを特徴とする電子部品実装用はんだ
合金。
【請求項３】ＰまたはＧａが０．５重量部以下添加され
ている請求項１または２記載の電子部品実装用はんだ合
金。