JPH11347784A

JPH11347784A - はんだペースト及びそれを用いた電子回路装置

Info

Publication number: JPH11347784A
Application number: JP15159298A
Authority: JP
Inventors: Shinsaku Nakajima; 新作中島
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 1998-06-01
Filing date: 1998-06-01
Publication date: 1999-12-21

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の生産条件を大きく変更することなく、
環境に悪影響を及ぼす惧れのある鉛等の金属を用いるこ
とを回避しつつ、接続部の信頼性、はんだ付け作業にお
ける作業性を確保する。【解決手段】はんだペースト１０は、はんだ材をフラ
ックス３に混合してなるものであって、かかるはんだ材
が、第１の合金（例えば、Sn-Ag系合金）を粉状にして
なる第１の粉状体１と、第１の合金の融点とは異なる融
点の第２の合金（例えば、Sn-Bi系合金）を紛状にして
なる第２の粉状体２とを配合してなるものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、はんだ材をフラッ
クスに混合してなるはんだペースト及びそれを用いた電
子回路装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子部品等の接続に用いられる接合材料
として、はんだペースト（クリームはんだ）と呼ばれる
ものがある。このはんだペーストとは、溶融はんだを粉
末化したものを、松ヤニ、活性剤、増粘剤、チクソ剤等
からなるフラックスに軽量配合し、これを添加混練りし
てペースト状としたものである。

【０００３】従来、かかるはんだペーストには、Su-Pb
系、Su-Pb-Bi系、Su-Pb-Ag系等の合金が溶融はんだとし
て用いられている。このようなはんだペーストによって
電子部品を接続した場合には、かかる合金は比較的柔軟
であるうえ、電子部品の接続部分で発生する熱ひずみを
吸収するため、接続部の信頼性を確保することができ
る。

【０００４】ところが、従来のはんだペーストには、上
記したように、鉛（Pb）が含まれている。この鉛を含む
はんだで接合された電子部品が、廃棄されて酸性雨にさ
らされた場合、条件によっては、はんだに含まれた鉛が
溶出して周囲の環境を汚染する惧れがあるという問題が
あった。

【０００５】これに対して、鉛を使用しないいわゆる無
鉛はんだが開発されている。この無鉛はんだとしては、
スズ（Ｓｎ）と銀（Ａｇ）とを含むSn-Ag系はんだや、
スズ（Ｓｎ）とビスマス（Ｂｉ）とを含むSn-Bi系はん
だなどがある。

【０００６】図６は、これらのはんだの２元状態図であ
る。同図（ａ）は、Sn-Bi系はんだにおいて、Biの含有
量と温度によるはんだの状態を示すものである。同図に
おいて、範囲(イ)ではSnが固体の状態にあり、範囲(ロ)で
は半溶融の状態にある。範囲(ハ)ではSn、Biともに固体
の状態にあり、範囲(ホ)ではともに液体の状態にある。
また、(ニ)ではBiが半溶融の状態にある。

【０００７】かかる図６（ａ）に示すように、Biの含有
量が微量でSnが１００重量％に近い範囲(イ)では、はん
だの融点は232.0℃となるが、Biの含有量が増加するに
つれてその融点は低下する。一方、Biの含有量が１００
重量％に近いときははんだの融点は271.4℃となるが、B
iの含有量が減少するにつれて融点は低下する。これら
双方のはんだの融点の最低温度が一致する温度Ｅは共晶
温度と呼ばれる。

【０００８】この共晶点Ｅにおいては、温度を上昇させ
た場合に半溶融の状態となることなく固体から液体へと
状態を変化させることができ、作業性が良好となる。か
かるSn-Bi系はんだでは、Biの含有量が５７重量％前後
にあるときに共晶点Ｅが生じ、その温度は138.5℃とな
る。

【０００９】図６（ｂ）は、Sn-Ag系はんだの２元状態
を示すものである。同図において、範囲(ヘ)にあってはS
nが半溶融の状態にあり、範囲(チ)ではSn、Agともに固体
である。範囲(リ)では、Sn、Agともに液体の状態にあ
り、範囲(ト)ではAgは半溶融の状態にある。同図におい
ても共晶点Ｅが生じ、この共晶点Ｅでは半溶融の状態と
なることなく固体から液体へと状態が変化することとな
る。かかるSn-Ag系はんだでは、Agの含有量が3.5重量％
前後にあるときに共晶点Ｅが生じ、その温度は221℃と
なる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たSn-Biはんだは、その融点は138.5℃と低いため電子部
品にとって安全な温度で作業できるが、機械的強度が低
いため接合強度の信頼性に欠けるという問題がある。

【００１１】一方、上述した無鉛はんだにおいて、Sn-A
gはんだにあっては、上述したように、融点が221℃と高
いため作業温度は240〜250℃となり、電子部品の熱損傷
の危険性がある。また、このSn-Ag系はんだは、従来のS
n-Pb共晶はんだより機械的強度は優れているが、ヌレ性
に関してはSn-Pb共晶はんだより劣るという問題があっ
た。

【００１２】そこで、本発明は、上記事情に鑑みて成さ
れたものであり、その目的は、従来の生産条件を大きく
変更することなく、環境に悪影響を及ぼす惧れのある鉛
等の金属を用いることを回避しつつ、接続部の信頼性、
はんだ付け作業における作業性を確保することのできる
はんだペースト及びこれを用いた電子回路装置を提供す
ることにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本願請求項１に係る発明は、はんだ材をフラックス
に混合してなるはんだペーストであって、前記はんだ材
が、第１の合金を粉状にしてなる第１の粉状体と、前記
第１の合金の融点とは異なる融点の第２の合金を紛状に
してなる第２の粉状体とを配合してなり、前記第１の合
金がスズ（Ｓｎ）と銀（Ａｇ）とを含み、前記第２の合
金がスズ（Ｓｎ）とビスマス（Ｂｉ）とを含むものであ
る。

【００１４】本願請求項２に係る発明は、請求項１に記
載のはんだペーストであって、前記第１の合金に含まれ
る銀の量が0.1〜5.0重量％であり、前記第２の合金に含
まれるビスマスの量が42〜58重量％であるとともに、前
記第１の粉状体が前記はんだ材に対して７０〜８０重量
％であり、前記第２の粉状体が前記はんだ材に対して２
０〜３０重量％であるものである。

【００１５】本願請求項３に係る発明は、請求項２に記
載のはんだペーストであって、前記第１の合金が、0.1
〜2.0重量％の銅（Ｃｕ）又は1.0〜2.0重量％のインジ
ューム（Ｉｎ）のいずれかを含有するものである。

【００１６】このような本願請求項１乃至３に係るはん
だペーストによれば、このはんだペーストを電子部品等
の母材間に充填し、これを加熱することによりはんだ材
が溶融し、硬化することによって母材間を接合すること
ができる。

【００１７】特に、はんだ材が溶融する際、第１若しく
は第２の粉状体のうち融点の低い一方の粉状体の合金が
先に溶融し、この溶融した合金が、遅れて溶融が開始さ
れ半溶融の状態にある他の粉状体の合金に接触すること
によって他の粉状体の融点を低下させる。本発明のはん
だペーストではこのような作用を利用し、異なる融点の
粉状体を適宜配合することによってはんだ材の融点を調
節することができる。

【００１８】また、このような作用は、Sn-Ag系の合金
とSn-Bi系の合金とを配合することによって、若しくは
これらの合金にさらにCuやInを含有させることによって
も得られるため、環境を害する惧れのある鉛等の金属を
用いることなく、作業性を向上しつつ、信頼性の高い接
合を行うことができる。

【００１９】このとき、Cuを添加した場合には、はんだ
のクリープ特性の改善を図ることができ、一方、Inを添
加した場合にはウイスカーの制御作用を期待することが
できる。

【００２０】さらに、これらのはんだペーストによれ
ば、鉛を含む従来のはんだと同様のヌレ性及び機械的強
度を確保できるとともに、作業温度も従来と等しく設定
することができるため、既存の設備や生産条件を大きく
変更する必要がない。

【００２１】本願請求項４に係る発明は、請求項１乃至
３に記載のはんだペーストを用いて電子部品を接続して
なるものである。

【００２２】このような本願請求項４に係るはんだペー
ストを用いた電子回路装置によれば、有害な金属を用い
る必要がないため、かかる電子回路装置の製造・使用・
廃棄等において環境に悪影響を及ぼす惧れがない。

【００２３】

【発明の実施の形態】第１の実施形態以下に、本発明の好適な第１の実施形態について詳細に
説明する。図１は、本実施形態に係るはんだペーストを
示すものである。

【００２４】はんだペースト１０は、はんだ材をフラッ
クス３に混合してなるものであり、同図においては、こ
のはんだペースト１０が、基板等の母材４上に転写成形
等によって印刷された状態を示している。

【００２５】そして特に、本実施形態において、かかる
はんだ材は、第１の合金を粉状にしてなる第１の粉状体
１と、第１の合金の融点とは異なる融点の第２の合金を
紛状にしてなる第２の粉状体２とを配合してなるもので
ある。

【００２６】これらの第１、第２の粉状体１、２は、例
えば、溶融した状態の合金を不活性雰囲気の粉末製造装
置の中において噴霧する方法により、さらには噴霧した
ものに高圧ガスを吹き付ける方法等により形成すること
ができる。

【００２７】そして、本実施形態では、第１の粉状体１
としてスズ（Ｓｎ）と銀（Ａｇ）とを含むSn-Ag系合金
を用い、第２の粉状体２としてスズ（Ｓｎ）とビスマス
（Ｂｉ）とを含むSn-Bi系合金を用いる。

【００２８】これらの合金の２元状態は、従来のものと
同様である（図６参照）。すなわち、Sn-Bi系合金にあ
っては、Biの含有量が５７重量％前後にあるときに共晶
点Ｅが生じ、その温度は138.5℃となる。一方、Sn-Ag系
合金にあっては、Agの含有量が3.5重量％前後にあると
きに共晶点Ｅが生じ、その温度は221℃となる。

【００２９】なお、上記フラックス３は、一般に、合金
の表面にある酸化膜と反応してこれを活性化させ、この
酸化膜を除去する作用を有するものであり、従来より用
いられているものを使用することができる。具体的には
松ヤニ、活性剤、増粘剤、チクソ剤を添加混練りしてペ
ースト状としたものを用いる。

【００３０】次いで、このようなはんだペースト１０の
作用について説明する。図２は、図１中のＡで示す部分
を拡大して示すものであり、同図（ａ）は、はんだペー
スト１０の加熱前の状態を示すものである。この同図
（ａ）では、粉状体１、粉状体２の表面には酸化膜が形
成された状態にある。

【００３１】同図（ｂ）は、はんだペースト１０をリフ
ロー炉中において加熱を開始した後の状態を示すもので
ある。リフロー炉中の温度が上昇し138℃に達すると、
先に融点の低い粉状体２が溶融し液体に変化し始める。
一方、粉状体１ではフラックスの作用により粉状体２の
表面にある酸化膜が活性化され除去され始める。

【００３２】このとき、同図（ｃ）に示すように、溶融
した第２の粉状体は、表面が活性化された第１の粉状体
と接触し融合する。これによって、Sn-Ag系合金にBiを
添加した３元無鉛合金が部分的に形成されることとな
り、第１の粉状体の液相温度が降下し、本来の融点であ
る221℃になるのを待たずに第１の粉状体が液化し始め
る。

【００３３】このように、これら異なる融点の粉状体
１、２を適宜配合することによって、はんだ材の融点を
調節することができ、適度な温度においてはんだ材を溶
融させることによって好適な作業性を得ることができ
る。なお、第１、第２の粉状体の好適な配合量について
は、後述する実施例において詳述する。

【００３４】第２の実施形態本実施形態では、前述した、第１の合金として、Sn-Ag
系合金に0.1〜2.0重量％の銅（Ｃｕ）又は1.0〜2.0重量
％のインジューム（Ｉｎ）のいずれかを含有させたもの
を用いる。

【００３５】このような第２の実施形態に係るはんだペ
ーストによれば、上述した作用により先に第２の粉状体
が溶融して第２の粉状体と融合した際、Sn-Ag系合金にB
iを添加したものに、さらにCu若しくはInを添加した合
金が部分的に生じることとなり、より確実に融点の調節
を行うことができ、より好適な作業性を得ることができ
る。

【００３６】特に、Cuを添加した場合には、はんだのク
リープ特性の改善を図ることができ、一方、Inを添加し
た場合には針状の結晶が生じるいわゆるウイスカーの制
御作用を期待することができる。

【００３７】第３の実施形態本実施形態では、上記第１、第２の実施形態に用いたは
んだペーストを使用して電子部品を接続して電子回路装
置を構成する。図３は、かかる電子回路装置５０ａ若し
くは５０ｂの外観を示すものである。

【００３８】すなわち、同図（ａ）及び（ｂ）におい
て、はんだペーストをスクリーン等を用いてプリント基
板５１若しくは５８のはんだ付け用の銅パターン上に塗
布し、この上に接続する電子部品５２、５４、５６若し
くは５９を配置してチッ素雰囲気中において、例えば22
0℃で加熱溶融させることによって、これらの電子部品
の接合部５３、５５、５７若しくは６０をプリント基板
５１若しくは５８上に接合する。

【００３９】このようなはんだペーストを用いた電子回
路装置５０ａ若しくは５０ｂによれば、有害な金属であ
る鉛等を用いる必要がないため、電子回路装置５０ａ、
５０ｂの製造・使用・廃棄において環境に悪影響を及ぼ
す惧れがない。

【００４０】

【実施例】以下に、本発明に係るはんだペーストの実施
例について説明する。

【００４１】《試験条件》本実施例では、本発明におけ
る第１の粉状体としてSn-Ag系粉末合金を用い、第２の
粉状体としてSn-Bi系粉末合金を用い、これらの混合比
率によるリフロー温度とはんだ溶融性との関係について
の試験を行った。図４は、かかる試験の結果をまとめた
ものである。

【００４２】本試験において、Sn-Ag系粉末合金として
はSnが96.5重量％、Agが3.5重量％とし、Sn-Bi系粉末合
金としては、Snが42重量％、Biが58重量％とした。

【００４３】そして、本試験では、これらの粉末合金の
混合比率を20％刻みで変化させ、各混合比率におけるは
んだの溶融性、ボール発生、ヌレ性について調べ、さら
に各ケースについて、リフローピーク温度を220℃、210
℃、200℃及び190℃と変化させて、リフローピーク温度
の影響を調べた。

【００４４】また、本実施例に係るはんだペーストを加
熱して得られた３元合金、すなわちSn-Ag系粉末合金にB
iを添加した合金に関し、溶融後の合金組成及びその融
点との関係を調べるとともに、かかる３元合金における
Biの添加量と引張強度及び伸び率との関係について試験
した。

【００４５】《試験結果》先ず、リフロー温度とはんだ
の溶融性等との関係について説明する。図４は、リフロ
ー温度と、はんだの溶融性、ボール発生及びヌレ性との
関係を示すものである。

【００４６】同図によれば、図中斜線で表した範囲にお
いて比較的良好なはんだ溶融性等を得ることができる。
特に、リフローピーク温度が210℃、220℃の範囲におい
ては、Sn-Ag系粉末合金が70％〜80％のときに、溶融
性、ボール発生、ヌレ性いずれにおいても良好な結果を
得ることができる。

【００４７】また、Sn-Ag系粉末合金が70％のときに
は、リフローピーク温度が200℃であっても、溶融性、
ボール発生、ヌレ性いずれにおいても良好な結果を得る
ことができる。

【００４８】なお、合金混合比率がSn-Ag系粉末合金60
％では、リフローピーク温度が200℃〜220℃の範囲にお
いて、若干のボール発生が認められるが、溶融性、ヌレ
性に関しては良好な結果が得られた。また、Sn-Ag系粉
末合金が90％の場合であっても、リフローピーク温度が
220℃のときは、溶融性、ボール発生、ヌレ性のいずれ
においても良好な結果を得ることができる。

【００４９】次に、溶融後の合金組成に関する試験結果
について説明する。表１は、Sn-Ag系粉末合金とSn-Bi系
粉末合金との混合比率と、溶融後合金組成及びその融点
との関係を表すものである。

【００５０】

【表１】同表からも判るように、溶融後においてはSn、Ag、Biを
含む３元合金が生成されている。そして、同表におい
て、Sn-Ag系合金の混合比率が60〜80％の範囲について
表しているが、この範囲では溶融後の合金組成はBiが1
1.6〜23.2％となる。また、この範囲ではいずれの場合
も固相融点が138℃となり、液相融点が200℃〜209℃と
なり、良好な作業温度を確保することが可能である。

【００５１】図５は、本実施例に係るSn-Ag系粉末合金
にBiを添加したときの、Biの添加量と、合金の引張強度
及び伸び率の関係を示すものである。

【００５２】Sn-Ag系合金の混合比率が70％であるとき
は、表１の結果より、溶融後の合金組成においてBiが1
7.4％となるが、この値に基づいて図５（ａ）を参照す
ると、このBi添加量17.4％のときの引張強度は約110MPa
以上となり、良好な引張強度の範囲に含まれていること
が判る。また、同図（ｂ）を参照すると、このBi添加量
17.4％のときの３元合金の伸び率は約15％となり適度な
靭性が得られることが判る。

【００５３】以上の試験結果により、Sn-Ag系粉末合金
とSn-Bi系粉末合金との最も最適な混合比率はSn-Ag系合
金が70〜80％、Sn-Bi系合金が20〜30％の範囲であり、
そのときのリフローピーク温度は200℃〜220℃であるこ
とが判った。

【００５４】なお、220℃ではんだ付け作業を行う場合
であって、温度バラツキが生じるときには、Sn-Ag系合
金を90％以上混合する際には注意を要する。また、Sn-B
i系合金を40〜20％混合した組成では、溶融後のBiの混
合量が20〜10％となるため、高温クリープ特性に対する
注意を要するが、接合強度及びヒートサイクル性では従
来のSn-Bi-Pb系合金より良好であるといえる。

【００５５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のはんだペ
ースト及びこれを用いた電子回路装置によれば、従来の
生産条件を大きく変更することなく、環境に悪影響を及
ぼす惧れのある鉛等の金属を用いることを回避しつつ、
接続部の信頼性、はんだ付け作業における作業性を確保
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係るはんだペースト
を模式的に示す図である。

【図２】図１中のＡで表した範囲を拡大して示すもので
あり、本実施形態における第１、第２の粉状体を模式的
に示すものである。

【図３】本発明の第３の実施形態で用いられる電子回路
装置の斜視図である。

【図４】本発明の実施例における試験結果を示す図表で
あり、リフロー温度とはんだ溶融性等との関係を示すも
のである。

【図５】本発明の実施例における試験結果を表すグラフ
であり、Sn-Ag系合金へのBiの添加量と引張強度若しく
は伸び率との関係を示すものである。

【図６】従来の無鉛はんだの２元状態を示す図である。

【符号の説明】

１第１の粉状体（Sn-Ag系粉末合金）２第２の粉状体（Sn-Bi系粉末合金）３フラックス１０はんだペースト５０ａ、５０ｂ電子回路装置５２、５４、５７、５９電子部品

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】はんだ材をフラックスに混合してなるは
んだペーストであって、前記はんだ材が、第１の合金を
粉状にしてなる第１の粉状体と、前記第１の合金の融点
とは異なる融点の第２の合金を紛状にしてなる第２の粉
状体とを配合してなり、前記第１の合金がスズ（Ｓｎ）
と銀（Ａｇ）とを含み、前記第２の合金がスズ（Ｓｎ）
とビスマス（Ｂｉ）とを含むことを特徴とするはんだペ
ースト。
【請求項２】請求項１に記載のはんだペーストであっ
て、前記第１の合金に含まれる銀の量が0.1〜5.0重量％
であり、前記第２の合金に含まれるビスマスの量が42〜
58重量％であるとともに、前記第１の粉状体が前記はん
だ材に対して７０〜８０重量％であり、前記第２の粉状
体が前記はんだ材に対して２０〜３０重量％であること
を特徴とするはんだペースト。
【請求項３】請求項２に記載のはんだペーストであっ
て、前記第１の合金が、0.1〜2.0重量％の銅（Ｃｕ）又
は1.0〜2.0重量％のインジューム（Ｉｎ）のいずれかを
含有することを特徴とするはんだペースト。
【請求項４】請求項１乃至３に記載のはんだペースト
を用いて電子部品を接続してなることを特徴とする電子
回路装置。