JPH10314980A - はんだ材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 温度特性、濡れ性、機械的特性に優れ、また
安価な無鉛はんだ材料を提供する。 【解決手段】 Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇ系合金にＣｕ，Ｉｎを
添加したＳｎ−Ｂｉ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系合金をはんだ
材料として使用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、配線基板に実装さ
れる各種電子回路素子を接続するためのはんだ材料に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子産業の分野においては、電子
機器の軽薄短小化や多機能化が益々求められるようにな
っており、それに伴って各種電子回路素子の配線基板へ
の実装密度は高くなる一方にある。このため、これら各
種電子回路素子を接続するための接続技術に対してもよ
り一層の高い信頼性が求められるようになっている。

【０００３】高密度実装のための微細はんだ接続（マイ
クロソルダリング）技術において、最も広く使用されて
いるはんだは、Ｓｎ−Ｐｂ系はんだである。このＳｎ−
Ｐｂはんだの共晶組成は、錫６３重量％と鉛３７重量％
からなり、共晶温度は１８３℃である。このＳｎ−Ｐｂ
系はんだは、温度特性、はんだ付け特性、信頼特性等に
優れており、これまでの高密度実装を支える接続材料で
ある。

【０００４】しかしながら、Ｓｎ−Ｐｂ系はんだに含ま
れるＰｂは、使用が制限される方向にあり、将来的には
Ｓｎ−Ｐｂ系はんだも使用ができなくなるものと考えら
れる。このため、Ｓｎ−Ｐｂ系はんだと同様の作業性、
信頼性が得られ、しかも鉛を含まないはんだ材料の開発
が必要になっている。

【０００５】ここで、はんだを開発する上で重要になる
のは、溶融温度特性（液相線温度、固相線温度）、濡れ
性、機械的強度等である。良好なはんだ付け性を得るた
めには、はんだ融液が良好な濡れ性を有することが必要
であり、また低温ではんだ付け作業が行えるようにする
には、はんだの溶融温度が比較的低いことが望ましい。
また、配線の信頼性を高めるためには、はんだが破断し
難いこと、すなわち強度が大きく、延び易いことが必要
である。さらに、配線の耐久性の点からは、はんだが酸
化し難いことが求められる。

【０００６】現在、このような点から無鉛はんだ材料の
開発が進められており、種々の候補が公表されている。
例えば、Ｓｎを基本元素とする２元系の無鉛はんだ材料
としては、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ材料、Ｓｎ−Ｉｎ系はん
だ材料、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ材料、Ｓｎ−Ｚｎ系はんだ
材料等が知られている。しかしながら、これらの無鉛は
んだ材料は、いずれもＳｎ−Ｐｂ共晶はんだと比較する
と、濡れ性の劣化、融点の上昇、疲労強度の低下、ドロ
スの発生、コスト高等の欠点を有していると言わざるを
得ない。

【０００７】但し、このうちＳｎ−Ａｇ系はんだ材料
は、共晶温度が２２１℃と高いことと、コストがかかる
ことが指摘されているものの、耐酸化性とはんだ付け特
性等が優れていることからＳｎ−Ｐｂ系はんだに代わる
ものとして有力視されている。

【０００８】また、Ｓｎ−Ａｇ系にＢｉとＣｕを添加し
たＳｎ−Ｂｉ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ材料も提案されてい
る。このＳｎ−Ｂｉ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ材料の中で
（Ｓｎ，Ｂｉ，Ａｇ，Ｃｕ）＝（９０重量％，７．５重
量％，２重量％，０．５重量％）なる組成比の材料はＡ
ｌｌｏｙ−Ｈと称されている。このはんだ材料は、熱サ
イクルに対する耐久性に優れているが、溶融温度が〜２
１０℃と比較的高く、また強度的に脆いといった問題が
ある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】このように、これまで
提案されている無鉛はんだ材料は、はんだに求められる
要件を十分に満たしておらず、また価格も高価であり、
工業的に使用するのは難しいのが実情である。

【００１０】そこで、本発明はこのような従来の実情に
鑑みて提案されたものであり、温度特性、濡れ性、機械
的特性に優れ、また安価な無鉛はんだ材料を提供するこ
とを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに本発明者等が検討を行った結果、Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇ
系はんだ材料にＣｕとＩｎを添加すると、多量に添加す
るとはんだを脆くするＢｉや、高価なＡｇの量を少なく
抑えながら、はんだの特性が改善をされるとの知見を得
るに至った。

【００１２】本発明のはんだ材料は、このような知見に
基づいて完成されたものであり、Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇ−Ｃ
ｕ−Ｉｎ系合金よりなり、Ｓｎ，Ｂｉ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｉ
ｎの組成比が、 １．０重量％≦Ｂｉ≦１２．０重量％ ０．５重量％≦Ａｇ≦６．０重量％ ０．１重量％≦Ｃｕ≦３．０重量％ ０．５重量％≦Ｉｎ≦１０．０重量％ であり、残部が実質的に錫からなることを特徴とするも
のである。

【００１３】このような組成のはんだ材料は、溶融温度
がＳｎ−Ｐｂ系はんだと同程度であるので、現行のＳｎ
−Ｐｂ系はんだのはんだ付けプロセスをそのまま使用す
ることができる。また、濡れ性が良く、機械的強度も優
れるので、良好なはんだ付け性が得られるとともに配線
の信頼性も向上する。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の具体的な実施の形態につ
いて説明する。

【００１５】本発明のはんだ材料は、Ｓｎを基本元素と
するＳｎ−Ｂｉ−Ａｇ系はんだ材料に、Ｃｕ，Ｉｎを添
加したＳｎ−Ｂｉ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系はんだ材料であ
る。

【００１６】このはんだ材料では、溶融温度、はんだ融
液の濡れ性、機械的強度の点から各元素の組成が次のよ
うに選定される。

【００１７】 １．０重量％≦Ｂｉ≦１２．０重量％ ０．５重量％≦Ａｇ≦６．０重量％ ０．１重量％≦Ｃｕ≦３．０重量％ ０．５重量％≦Ｉｎ≦１０．０重量％ 以下、この組成範囲について説明する。

【００１８】まず、Ｂｉの組成比は１．０〜１２．０重
量％である。

【００１９】Ｂｉの組成比が１．０重量％を下回る場合
には、マイクロソルダリングを行うのに十分な濡れ性が
得られなくなり、破断強度も小さくなる。また、Ｂｉ
は、はんだの溶融温度を下げるように作用するので、こ
の組成比があまり少なくなると錫−鉛はんだに比べて溶
融温度が高くなり、現行のはんだプロセスが使えないと
いった不都合が生じる。

【００２０】一方、Ｂｉの組成比が１２．０重量％より
も大きくなると、はんだ融液の濡れ性が低くなる。ま
た、Ｂｉの組成比を大きくしていくと、強度は大きくな
るが、延びが悪くなり、最大荷重時のひずみ（引っ張り
試験に際してはんだ試料にかかる荷重が最大となったと
きの歪み）と破断ひずみ（引っ張り試験に際してはんだ
試料が破断に至るときの歪み）の差がほとんどなくな
る。この場合、はんだに脆い性質が現れ、Ｂｉの組成比
が１２．０重量％よりも大きくなると、このはんだの脆
さが顕著になる。なお、Ｂｉのより好ましい組成範囲
は、２〜８重量％である。

【００２１】次に、Ａｇの組成比は０．５〜６．０重量
％であることが必要である。

【００２２】Ａｇの組成比がこの範囲からはずれる場合
には、はんだ融液の濡れ性が低くなる。また、Ａｇは
３．５重量％よりも低い組成範囲ではんだの溶融温度を
下げるように作用するので、Ａｇの組成比が０．５重量
％よりも少なくなると、溶融温度が高過ぎてしまい、は
んだ付けに際する加熱温度を高めに設定しなければなら
なくなる。また、Ａｇは６重量％よりも低い組成範囲で
破断強度や延びを上げるが、Ａｇの組成比があまり少な
くなると破断強度や延びが不足する。このＡｇのより好
ましい組成範囲は、１〜４重量％である。

【００２３】なお、はんだ材料では各元素それぞれの組
成比も重要であるが、他の元素とのバランスも大きな意
味をもつ。ＢｉとＡｇでは、Ｂｉ：Ａｇ（重量比）が
２：１であるのが望ましい。この場合に最も良好な濡れ
性が得られ、特に、Ｂｉの組成比が４重量％、Ａｇの組
成比が２重量％であるのが最適である。

【００２４】一方、Ｃｕの組成比は０．１〜３重量％
に、Ｉｎの組成比は０．５〜１０重量％に選ばれる。

【００２５】Ｃｕ，Ｉｎは、ともにはんだ材料の溶融温
度を下げるとともに、はんだ融液の濡れ性を改善するよ
うに作用する。良好な濡れ性を得るとともにＳｎ−Ｐｂ
系はんだ材料と同等の溶融温度を得るためには、Ｃｕ，
Ｉｎがこの組成範囲とされていることが必要である。

【００２６】特に、Ｉｎは溶融温度が１５６．６℃と低
いため、はんだ材料の溶融温度を効果的に低下させる。
但し、Ｉｎは酸化し易いため、あまり多く添加すると配
線の耐久性が低下する。また、Ｉｎは希少な元素である
ことから、はんだ材料が高価になる。

【００２７】一方、Ｃｕは、濡れ特性を向上させること
が可能な上、基板接合部分の銅パッドのＣｕがはんだに
拡散するのを防止する効果もある。この効果を得るため
にも、Ｃｕ組成比は上述の範囲にすることが必要であ
る。

【００２８】なお、Ｉｎのより好ましい範囲は１〜５重
量％、さらには１．５〜２．５重量％である。また、Ｃ
ｕのより好ましい範囲は０．３〜２重量％、さらには
０．５〜１．０重量％である。

【００２９】本発明では、はんだ材料の組成比を以上の
ように規制する。なお、ここでは組成の残部について
「実質的に錫からなる」としているが、これは、この組
成の残部が、Ｓｎを主体としているが、この他に不可避
的不純物を含むことを排除するものではないという意味
である。

【００３０】

【実施例】以下、本発明の実施例について実験結果に基
づいて説明する。

【００３１】Ｂｉ組成比，Ａｇ組成比の検討 まず、予備実験のためＳｎ−Ｂｉ−Ａｇ系はんだ材料を
作製し、Ｂｉ組成比またはＡｇ組成比と濡れ性の関係を
調べた。

【００３２】純度９９．９９９％のＳｎ、純度９９．９
９９９％のＢｉ、純度９９．９９９％のＡｇを磁性るつ
ぼに投入し、窒素雰囲気となされた電気炉によって、温
度４００℃で２時間加熱溶融させることで３元系はんだ
材料を作製した。なお、各元素の組成比は各実験毎に変
化させるようにした。

【００３３】そして、これらはんだ材料について、ウェ
ッティングバランス法によって濡れ性を評価した。ここ
で、このウェッティングバランス法について簡単に説明
する。

【００３４】ウェッテイング・バランス法は母材（試験
片）をはんだ融液中に浸漬させ、その際の濡れ力Ｆの経
時変化（過度現象）を観測することではんだの濡れ性を
評価する方法である。ここで、濡れ力Ｆは次式によって
求められる値である。

【００３５】Ｆ＝γ・Ｌ・ｃｏｓθ−ｇ・ρ・Ｖ Ｆ：濡れ力 γ：表面張力 Ｌ：母材のはんだ融液中に占める周辺廻りの長さ θ：母材とはんだ融液との接触角 ρ：はんだ融液の密度 Ｖ：母材がはんだ融液中に占める体積 ｇ：重力加速度 母材を所定の速度ではんだ融液に浸漬させ、母材がはん
だ融液に接してからの濡れ力Ｆの経時変化を観測する
と、図１に示すような曲線が得られる。

【００３６】はんだの濡れ性はこの曲線から評価するこ
とができる。すなわち、母材がはんだ融液に接してから
濡れ力が０になるまでの時間（ゼロクロスタイム）Ｔｂ
と、はんだが染み上がって濡れ力が定常になったときの
濡れ力の値Ｆ２が濡れ性の指標となり、ゼロクロスタイ
ムＴｂが短い程、また、濡れ力Ｆ２が大きい値である
程、はんだの濡れ広がり速さが速く、濡れ性が良いこと
を意味する。なお、ここでは試験片をはんだに浸漬した
後１０秒経過時の濡れ力を濡れ力Ｆ２とする。具体的な
測定条件は以下の通りである。

【００３７】 試験片：直径０．６ｍｍの銅片 フラックス：非活性ロジン（タムラ化研社製 商品名Ｎ
Ａ−２００） 試験片の浸漬速度：１０ｍｍ／秒 試験片の浸漬深さ：２ｍｍ 試験片の浸漬時間：１０秒 はんだ温度：２３５℃ このようにして測定されたゼロクロスタイムＴｂと濡れ
力Ｆ２のはんだ組成による変化を図２、図３に示す。な
お、図２は、Ｂｉ組成比を４重量％に固定し、Ａｇ組成
比を１０重量％以下の範囲で変化させた場合の、Ａｇ組
成比とゼロクロスタイムＴｂ及び濡れ力Ｆ２の関係を示
す。また、図３は、Ａｇ組成比を２重量％に固定し、Ｂ
ｉ組成比を２５重量％以下の範囲で変化させた場合の、
Ｂｉ組成比とゼロクロスタイムＴｂ及び濡れ力Ｆ２の関
係を示す。いずれもＢｉ、Ａｇの残部をＳｎ組成比とし
た。

【００３８】図２に示すように、ゼロクロスタイムＴｂ
はＡｇ組成比が２重量％のときに最も短くなり、濡れ力
Ｆ２はＡｇ組成比が２重量％のときに最大になる。この
ことから、はんだの濡れ性は、Ａｇ組成比が２重量％の
ときに最も良くなることがわかる。

【００３９】次に、図３を見ると、ゼロクロスタイムＴ
ｂはＢｉ組成比が４重量％のときに最も短くなり、濡れ
力Ｆ２はＢｉ組成比が４重量％のときに最大になる。こ
のことから、はんだの濡れ性はＢｉ組成比が４重量％の
ときに最も良くなることがわかる。

【００４０】以上の３元系はんだ材料の濡れ性から、Ａ
ｇとＢｉをはんだに含ませる場合、Ｂｉ：Ａｇは２：１
であるのが好ましいことが示唆された。

【００４１】そこで、次に、Ｂｉ：Ａｇが２：１のＳｎ
−Ｂｉ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系はんだ材料を作製し、濡れ
性を評価した。

【００４２】まず、純度９９．９９９％のＳｎ、純度９
９．９９９９％のＢｉ、純度９９．９９９％のＡｇ、純
度９９．９９９９％のＣｕ及び純度９９．９９％のＩｎ
を（Ｉｎ，Ｃｕ）＝（２．０重量％，０．５重量％）な
る組成比で秤量した。なお、ＢｉとＡｇは、Ｂｉ：Ａｇ
が２：１となるように組成比を変化させた。また、Ｂ
ｉ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｉｎの残部をＳｎ組成比とした。そし
て、これら各金属を磁性るつぼに投入し、窒素雰囲気と
なされた電気炉によって、温度４００℃で２時間加熱溶
融させることで５元系のはんだ材料を作製し、ウェッテ
ィングバランス法によって濡れ性を評価した。Ｂｉ組成
比及びＡｇ組成比と、ゼロクロスタイム及び濡れ力Ｆ２
の関係を図４に示す。

【００４３】図４に示すように、Ｂｉ：Ａｇを２：１に
した場合には、いずれのはんだ組成であっても比較的良
い濡れ性が得られるが、Ｂｉ組成比が４重量％、Ａｇ組
成比が２重量％のときに、ゼロクロスタイムＴｂが最も
短く、また濡れ力Ｆ２が最大になり、最も良い濡れ性が
得られる。そして、この組成比を越えると、ゼロクロス
タイムＴｂは長くなり、濡れ力Ｆ２は小さくなる。一
方、Ｂｉ組成比が１重量％未満、Ａｇ組成比が０．５重
量％未満の範囲ではゼロクロスタイムＴｂが長くなる傾
向が見られる。以上のことから、Ｂｉ：Ａｇは２：１で
あるのが好ましいが、マイクロソルダリングを行うのに
十分な濡れ性を得るには、Ｂｉ組成比は１〜１２重量
％、好ましくは２〜８重量％であるのが良く、Ａｇ組成
比は０．５〜６重量％、好ましくは１〜４重量％である
のが良いことがわかった。

【００４４】Ｉｎ組成比，Ｃｕ組成比の検討 Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇ系はんだ材料にＣｕまたはＩｎを添加
し、はんだの溶融温度に対する効果を調べた。

【００４５】純度９９．９９９％のＳｎ、純度９９．９
９９９％のＢｉ、純度９９．９９９％のＡｇと、純度９
９．９９９９％のＣｕまたは純度９９．９９％のＩｎを
磁性るつぼに投入し、窒素雰囲気となされた電気炉によ
って、温度４００℃で２時間加熱溶融させることで４元
系はんだ材料を作製した。なお、各元素の組成比は各実
験毎に変化させるようにした。

【００４６】そして、これらはんだ材料について、ＤＳ
Ｃ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｃ
ａｌｏｒｉｍｅｔｅｒ）を用いて溶融温度を調べた。溶
融温度のはんだ組成による変化を図５に示す。なお、図
５中、実線は（Ｂｉ，Ａｇ）＝（４重量％，２重量％）
を固定し、Ｃｕ組成比を変化させた場合の、Ｃｕ組成比
と溶融温度の関係を示す。また、破線は（Ｂｉ，Ａｇ）
＝（４重量％，２重量％）を固定し、Ｉｎ組成比を変化
させた場合の、Ｉｎ組成比と溶融温度の関係を示す。な
お、いずれも３元素の残部をＳｎ組成比とした。

【００４７】図５に示すように、Ｃｕでは添加量が少な
い範囲ではんだの溶融温度を下げる効果が見られ、この
効果を得るにはＣｕ組成比を０．１〜３重量％、さらに
は０．３〜２重量％とするのが良いのがわかる。

【００４８】一方、Ｉｎでは、添加量を増やせば増やす
程はんだの溶融温度が下がる。但し、Ｉｎには酸化し易
いことと、高価であるという欠点があるため、あまり多
量に添加するのは好ましくない。これとの兼ね合いか
ら。Ｉｎ組成比は０．５〜１０重量％、好ましくは１〜
５重量％とするのが良い。

【００４９】次に、Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系は
んだ材料を作製し、Ｃｕ組成比またはＩｎ組成比と濡れ
性の関係を調べた。

【００５０】純度９９．９９９％のＳｎ、純度９９．９
９９９％のＢｉ、純度９９．９９９％のＡｇ、純度９
９．９９９９％のＣｕ及び純度９９．９９％のＩｎを磁
性るつぼに投入し、窒素雰囲気とされた電気炉によっ
て、温度４００℃で２時間加熱溶融させることではんだ
材料を作製し、ウェッティングバランス法によって濡れ
性を評価した。

【００５１】ゼロクロスタイムＴｂと濡れ力Ｆ２のはん
だ組成による変化を図６、図７に示す。なお、図６は、
（Ｂｉ，Ａｇ，Ｉｎ）＝（４重量％，２重量％，２重量
％）に固定し、Ｃｕ組成比を３重量％以下の範囲で変化
させた場合の、Ｃｕ組成比とゼロクロスタイムＴｂ及び
濡れ力Ｆ２の関係を示す。また、図７は、（Ｂｉ，Ａ
ｇ，Ｃｕ）＝（４重量％，２重量％，１重量）に固定
し、Ｉｎ組成比を１０重量％以下の範囲で変化させた場
合の、Ｉｎ組成比とゼロクロスタイムＴｂ及び濡れ力Ｆ
２の関係を示す。なお、いずれもＢｉ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｉ
ｎの残部をＳｎ組成比とした。

【００５２】まず、図６を見ると、Ｃｕ組成比が０．１
〜３重量％の範囲では比較的良好な濡れ性が得られる
が、特にＣｕ組成比が０．５〜１．０重量％の範囲でゼ
ロクロスタイムが短くなり、濡れ力Ｆ２が大きくなる。
このことから、マイクロソルダリングを行うのに十分な
濡れ性を得るには、Ｃｕ組成比を０．５〜１．０重量％
とするのが望ましいことがわかった。

【００５３】次に、図７を見ると、Ｉｎ組成比が０．５
〜１０重量％の範囲では比較的良好な濡れ性が得られる
が、特にＩｎ組成比が１．５〜２．５重量％の範囲でセ
ロタイム時間が短くなり、濡れ力Ｆ２が大きくなる。こ
のことから、マイクロソルダリングを行うのに十分な濡
れ性を得るには、Ｉｎ組成比を１．５〜２．５重量％と
するのが望ましいことがわかった。

【００５４】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明のはんだ材料はＳｎ−Ｂｉ−Ａｇ系にＣｕとＩｎを添
加したものであり、多量に添加するとはんだを脆くする
Ｂｉや、高価な元素であるＡｇ，Ｉｎの組成比を低く抑
えながら、溶融温度を適正化でき、またはんだ融液の濡
れ性や機械的特性を改善することができる。したがっ
て、本発明によれば、作業性に優れるとともに高い配線
信頼性が得られる無鉛はんだ材料が低い価格で提供でき
るようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ウェッティングバランス法で測定される典型的
な濡れ性を示す模式図である。

【図２】はんだ材料のＡｇ組成比と、ゼロクロスタイム
Ｔｂ及び濡れ力Ｆ２の関係を示す特性図である。

【図３】はんだ材料のＢｉ組成比と、ゼロクロスタイム
Ｔｂ及び濡れ力Ｆ２の関係を示す特性図である。

【図４】はんだ材料のＢｉ組成比及びＡｇ組成比と、ゼ
ロクロスタイムＴｂ及び濡れ力Ｆ２の関係を示す特性図
である。

【図５】はんだ材料のＣｕ組成比及びＩｎ組成比と、溶
融温度の関係を示す特性図である。

【図６】はんだ材料のＣｕ組成比と、ゼロクロスタイム
Ｔｂ及び濡れ力Ｆ２の関係を示す特性図である。

【図７】はんだ材料のＩｎ組成比と、ゼロクロスタイム
Ｔｂ及び濡れ力Ｆ２の関係を示す特性図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系合金よ
   りなり、Ｓｎ，Ｂｉ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｉｎの組成比が、 １．０重量％≦Ｂｉ≦１２．０重量％ ０．５重量％≦Ａｇ≦６．０重量％ ０．１重量％≦Ｃｕ≦３．０重量％ ０．５重量％≦Ｉｎ≦１０．０重量％ であり、残部が実質的に錫からなることを特徴とするは
   んだ材料。