JP2013035016A - 鉛フリーはんだ及びそのはんだを用いたクリームはんだ - Google Patents

Abstract

【課題】耐落下衝撃性が向上した鉛フリーはんだを提供すること。
【解決手段】Ｂｉ、Ｉｎ、Ｃｕ、Ｓｎ、及び不可避不純物で構成され、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｃｕ、及びＳｎの質量比を各々Ａｗｔ％、Ｂｗｔ％、Ｃｗｔ％、及びＤｗｔ％とすると、Ａ、Ｂ、Ｃ、及びＤは、それぞれ下記数１、数２、数３、数４を満たす、鉛フリーはんだである。
【数１】
５５．１≦Ａ≦５７
【数２】
０．１≦Ｂ＜５
【数３】
Ｃ＝Ｂ×１／９９
【数４】
Ｄ≧Ａ×４２／５８
【選択図】 なし

Description

本発明は、回路基板のはんだ付けに使用する、鉛フリーはんだと、そのはんだを用いたクリームはんだに関するものである。

近年、モバイル機器などの軽薄短小化や高機能化の進展につれて、鉛フリーはんだ材料の接続信頼性の一層の向上が求められている。

モバイル機器に関してはその携帯性ゆえに落下によるはんだ接合部の破壊に起因する機器の故障が問題となり、落下衝撃による製品の故障対策として回路基板設計、筐体設計など様々な対策がとられている。

また、上記機器において一般的に用いられている鉛フリーはんだとしては、錫（Ｓｎ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）で構成されるＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ（ｗｔ％）があげられる。この鉛フリーはんだは、融点が２１９℃と高温であるので、回路基板に電子基板をはんだ接合する際にリフロー方式やＤＩＰ工法を用いた場合、その融点の高さゆえにはんだ材料を溶融させるために多くのエネルギーが消費される。

上記より、落下衝撃に対する優れた接続信頼性と、低温でのはんだ接合による省エネルギー化の実現とを両立するはんだ材料が強く求められる。

従来のＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ（ｗｔ％）より融点の低い（２１９℃以下）鉛フリーはんだ組成としては、Ｓｎをベース金属としてビスマス（Ｂｉ）を５８ｗｔ％、Ａｇを１ｗｔ％で添加させたＳｎ−Ｂｉ系共晶合金（融点１３８℃）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図７は特許文献１に記載されたＢｉ−Ｓｎ−Ａｇ合金のＡｇ添加量（ｗｔ％）と破断伸びの関係を示す図である。横軸がＡｇ添加量（ｗｔ％）であり、縦軸が破断伸び（％）を示している。

図７に示すように、１％Ａｇを添加させた合金の破断伸びは、４０％であり、Ａｇを含まないＳｎ−Ｂｉ共晶合金の破断伸び２０％に対して向上しており、電子機器の信頼性を向上させるとの記載がある。

また、はんだ接合部を、樹脂材料を用いて補強し、落下時に発生する応力を緩和させることによって、製品に求められる耐落下衝撃性を確保することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。図８は、特許文献２に記載された従来のはんだ接合部の補強構造を示す図である。

図８において、はんだ接合部に樹脂材料を充填し落下に対する応力を緩和させる機能を付与させる構造がある。図８に示す構造では、基板２００とデバイス２３０が、はんだバンプ２４０にて接合され、その周囲が接着材料２２０によって覆われることによって補強が行われている。

特許第3347512号公報 特許第2589239号公報

しかしながら、特許文献１に記載のはんだを用いた部品と回路基板との接続では、モバイル機器において要求される耐落下衝撃性に関しては、機器に求められる信頼性基準に依存するが、十分な強度を有しているとは言い難く、破断伸びのより高いはんだが求められる。

また、特許文献２では、部品側にあらかじめ形成されたはんだ材料と、回路基板側に塗布された、フラックス機能とはんだ接合部の補強を目的とする樹脂材料により、はんだ接合とはんだ補強を一括で行うプロセスが用いられ、はんだを用いた部品と回路基板との接続構造が形成されている。しかしながら、この構成によれば樹脂の塗布工程や、接着剤硬化など工程が増加する要因となりうる。

以上より、はんだ材料自体の耐落下衝撃性を向上させる事が不可欠である。

本発明は、上記従来のはんだの課題を考慮して、耐落下衝撃性が向上した鉛フリーはんだ及びそれを用いたクリームはんだを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、第１の本発明は、
Ｂｉ、Ｉｎ、Ｃｕ、Ｓｎ、及び不可避不純物で構成され、
前記Ｂｉ、前記Ｉｎ、前記Ｃｕ、及び前記Ｓｎの質量比を各々Ａｗｔ％、Bｗｔ％、Cｗｔ％、及びDｗｔ％とすると、Ａ、Ｂ、Ｃ、及びＤは、それぞれ下記数１、数２、数３、数４を満たす、鉛フリーはんだである。

又、第２の本発明は、
前記Ａは５５．１であり、前記Ｂは４．９５であり、前記Ｃは０．０５であり、前記Ｄは３９．９である、第１の本発明の鉛フリーはんだである。

又、第３の本発明は、
第１又は２の本発明の鉛フリーはんだと、フラックスとを備えた、
クリームはんだである。

以上のように、本発明によれば、耐落下衝撃性が向上した鉛フリーはんだ及びそれを用いたクリームはんだを提供することが出来る。

Ｃｕ―Ｉｎ二元状態図 Ｓｎ−Ｂｉ共晶組織概念図 Ｓｎ初晶の周囲をＳｎ−Ｂｉ共晶組成が取り囲む組織概念図 Ｓｎ相、Ｂｉ相へのＩｎ元素の固溶した組織概念図 本実施例で用いた押し込み試験機の概要を示す図 荷重−押し込み変位量の関係を示す図 特許文献１に記載のＢｉ−Ｓｎ−Ａｇ合金のＡｇ添加量と破断伸びの関係を示す図 特許文献２に記載の基板にリフローした後のはんだ接合部が補強されたデバイスを示す正面から見た断面構成図

以下に、本発明にかかる実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
本発明にかかる実施の形態１の鉛フリーはんだについて説明する。

本発明のはんだの一例に対応する本実施の形態１の鉛フリーはんだは、
Ｂｉ、Ｉｎ、Ｃｕ、Ｓｎ、及び不可避不純物で構成され、
前記Ｂｉ、前記Ｉｎ、前記Ｃｕ、及び前記Ｓｎの質量比を各々Ａｗｔ％、Ｂｗｔ％、Ｃｗｔ％、及びＤｗｔ％とすると、Ａ、Ｂ、Ｃ、及びＤは、それぞれ下記数１、数２、数３、数４を満たす、はんだである。
（数１）５５．１≦Ａ≦５７
（数２）０．１≦Ｂ＜５
（数３）Ｃ＝Ｂ×１／９９
（数４）Ｄ≧Ａ×４２／５８
本実施の形態１では、本構成によって、融点が低く、且つ耐落下衝撃に優れた鉛フリーはんだを提供することが出来る。

上記（数１）〜（数４）の質量比で配合させた場合、Ｓｎ―Ｂｉ共晶組成となるＳｎとＢｉの配合比の近傍において、ＣｕとＩｎを、Ｃｕ−Ｉｎ共晶組成比（（数２）、（数３））で配合させることになる。そして、このＣｕ−Ｉｎ共晶組成比における融点は、１４８℃であることから、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだの伸び、特に衝撃強度を高めてはんだ接合の信頼性を高め、且つ低温でのはんだ接合を可能とすることが出来る。

次に、本実施の形態１のはんだの各構成成分の質量比をどのように構成すべきかについて検討した。

Ｂｉは共晶成分として融点を低下させるが、Ｂｉ質量比が大きい場合、脆い性質のＢｉ相が初晶として形成されるため、はんだが脆化する。このことから、Ｂｉの質量比をＡｗｔ％とすると、Ａは、５５．１≦Ａ≦５７の範囲とする。

Ｉｎは、はんだの伸び、および非接合金属に対する濡れ性を向上させる目的として、その質量比Ｂｗｔ％が０．１ｗｔ％以上となるように配合する。しかしながら、Ｉｎを多く配合させた場合、熱衝撃試験において硬さの異なるγ−Ｓｎ、β−Ｓｎの相変態が引き起こすひずみによって金属組織が崩壊し耐熱衝撃性が低下する。そのため、Ｉｎは、その質量比Ｂｗｔ％が、５ｗｔ％より少なくなるように配合する。

Ｃｕは、はんだの伸びを高める効果を与えるために添加される。このＣｕの融点は１０８３℃と高いため、出来るだけ低融点を確保出来る質量比Ｃｗｔ％で、Ｃｕを添加する必要がある。

図１はＩｎとＣｕの２元状態図である。図１の縦軸は、温度（℃）を示している。尚、下方の横軸は、Ｉｎ／（Ｃｕ＋Ｉｎ）×１００（ａｔ％）を示しており、上方の横軸は、Ｉｎ／（Ｃｕ＋Ｉｎ）×１００（ｗｔ％）を示している。ＩｎとＣｕは、その質量比が１Ｃｕ−９９Ｉｎ（ｗｔ％）で共晶組成（融点１４８℃）となるため、この質量比にてＳｎ−Ｂｉ系（融点１３８℃）のはんだに配合させることにより、従来の融点２１９℃のＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ（ｗｔ％）のはんだに比較して融点の低い合金を形成することが可能である。

すなわち、Ｃｕを添加しても低融点に確保できるＣｕ−Ｉｎの共晶組成は９９：１ｗｔ％であるから、Ｃｗｔ％を（数３）のようにＣ＝Ｂ×１／９９とする。

残部がＳｎの質量比となるが、脆いＢｉ相の初晶を形成させないために、上記（数４）
の関係を満たすようにＳｎが配合される。すなわち、Ｓｎ−Ｂｉ共晶組成におけるＳｎとＢｉの質量比（ｗｔ％）は、Ｓｎ：Ｂｉ＝４２：５８であるが、この質量比以上にＳｎを配合することによって、Ｓｎが共晶組成以上に配合される関係となるため、初晶としてＳｎ相が形成し、脆いＢｉ相の形成を抑制できる。

図２は、Ｓｎ−Ｂｉ共晶組成の概念図である。又、図３は、Ｂｉを本発明のＳｎ、Ｂｉの質量比（（数１）、（数４））にて合金化させた場合のＳｎ−Ｂｉ合金組成を示す概念図である。図２においてはＳｎとＢｉが共晶組成としてＳｎ相４０２、Ｂｉ相４０１に分離した相が形成される。

一方、Ｓｎ−Ｂｉ共晶組成であるＳｎ：Ｂｉ＝４２：５８（ｗｔ％）の質量比に比較して、（数１）、（数４）に示すようにＳｎとＢｉを配合した場合、Ｓｎが共晶組成以上に配合される関係となる。そのため、図３に示すようにＢｉ初晶が形成されることなくＳｎ初晶５０１が形成され、その周囲をＳｎ−Ｂｉ共晶組成が取り囲む組織が形成される。

このように異なるはんだ組成界面が形成されることにより、すべり面５０２を形成することができる。このすべり面５０２の形成とＳｎ初晶の変形がおこり、Ｓｎ−Ｂｉ合金特有の初晶Ｂｉ形成による脆性低下は回避される。

図４は、Ｓｎ相４０２、Ｂｉ相４０１にＩｎ元素６０１が固溶した組織概念図である。組織中のＢｉ相４０１、Ｓｎ相４０２中にＩｎ元素６０１を固溶させることにより、Ｉｎを微細化して合金中に分散させて、Ｂｉ固溶体に起因する脆化を軽減して、はんだの伸びを高めることができる。

尚、本発明の不可避不純物とは、原料中に元々存在するもの、製造工程において不可避的に混入するものであり、本来は不要であるが、特性に影響を及ぼさない程度の微量であるため、許容されている不純物のことである。

次に、実施例について説明する。

本実施例では、（数１）〜（数４）を満たす３種類の異なる配合比で形成したはんだを用いて、押し込み試験による伸び量の計測を行った。尚、比較例としてＳｎ―Ｂｉ共晶組成のはんだを用いて、押し込み試験による伸び量の計測も行った。

具体的には、実施例１〜３のはんだは、以下の（表１）に示すような質量比で、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｃｕを混合させて形成された。

試験は、幅１０ｍｍ、長さ４０ｍｍ、厚み１ｍｍの試験片を試験片の長さ方向に対して、幅１０ｍｍにて２辺保持し、先端Ｒ０．５ｍｍのかまぼこ状の押し込みツールを用いて試験片中央部を押し込み、押し込み変位量と荷重を測定した。図５は、押し込み試験の概念図である。試験片１０と、試験片１０の長辺を固定する固定ツール１１と、試験片１０の中央部を上方から押し込む押し込みツール１２が設けられている。この押し込みツール１２によって、試験片１０の中央部を押し込む（矢印Ｂ）ことによって、試験片１０は、長手方向（矢印Ｃ）に伸びることになる。

図６は、本試験によって得られる荷重−押し込み変位量の関係を示す図である。金属が降伏し破断する外挿点Ａにおける押し込み変位量を伸び量とした。図６の縦軸は、荷重（Ｎ）を示しており、横軸は、押し込み変位量（ｍｍ）を示している。

伸び率は、比較例１のＳｎ−Ｂｉ共晶合金の伸び量を基準とし、それに対する割合として算出した。

（表１）は、Ｓｎ−Ｂｉ共晶組成（比較例１）及び実施例１〜３におけるはんだを用いた押し込み試験結果を示す。

上記表１に示すように、耐衝撃性の指標となるはんだ伸び量は、Ｂｉの質量を５５．１wt%、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｃｕの質量比を各々３９．９、４．９５、０．０５wt%の質量比で構成された、実施例３のはんだ材料が最大となり、比較例１のＳｎ−Ｂｉ共晶合金に比較して、２．４倍もの伸びを示した。この結果より、Ｓｎ−Ｂｉ共晶組成の脆さを大幅に改善していることがわかる。

又、本発明の質量比にて構成された合金は、実施例１、２に示すようにＣｕ、Ｉｎの質量比が少なくてもＳｎ−Ｂｉ共晶はんだよりは伸びが向上するため、微量の添加でもその効果が発現することがわかる。

また、本発明におけるはんだの融点はＩｎ質量比に依存し、Ｉｎ質量比が大きくなるにつれて低下する。４２Ｓｎ−５８Ｂｉｗｔ％共晶組成の融点が１３８℃であるが、本発明における（数１）〜（数４）の配合でＩｎの最大質量比４．９５ｗｔ％においては１３４℃であり、低温でのはんだ接合が可能である。

以上のように、実施の形態１による合金によれば、Ｓｎ−Ｂｉ共晶合金に比較して伸びが大きく向上し、融点も同程度であるため、モバイル機器などの耐落下衝撃性の向上と、低温でのはんだ接合が可能なるため省エネルギー化が可能となる。

（実施の形態２）
次に、本発明にかかる実施の形態２について説明する。本実施の形態２のクリームはんだは、実施の形態１のはんだを用いたものである。

上記実施の形態１の（数１）〜（数４）の質量比にて、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｃｕを配合し溶解させてはんだのインゴットとする。この配合にて形成された合金を微粉化してフラックスと混練することによって、本実施の形態２のクリームはんだが作成される。

混合したクリームはんだを、はんだ付けに使用する際は、はんだ付け作業の、被接合金属上でクリームはんだを加熱する過程において、十分に溶融可能な、例えば融点以上の１７０℃で必要な溶融時間を保持した後、急冷して凝固させ接合する使用方法が好ましく採用される。溶融時間としては２０〜３０ｓｅｃ程度を確保するのがよい。

このように溶融後に急冷するのは、はんだ凝固時の組織の粗大化を防ぐためであり、冷却速度は、５〜１５℃／sec がよく、特に、１０℃／sec 程度が良い。この方法により、合金中のＢｉと粉末からＣｕ、Ｉｎとの化合物を溶融過程で充分に形成させて分散させることが可能となり、はんだの接合強度を上昇させることができる。

また、クリームはんだに調製するためのフラックスについては、大気用のＲＭＡ対応のフラックスを含めて、大気対応用、窒素対応用、ＲＡ（Ｒｏｓｉｎ Ａｃｔｉｖａｔｅｄ）、ＲＭＡ（Ｒｏｓｉｎ Ｍｉｌｄ Ａｃｔｉｖａｔｅｄ）等のフラックスを利用することができ、特に、フラックスの種類は制限されない。

本発明の鉛フリーはんだ及びそれを用いたクリームはんだは、耐落下衝撃性が向上するという効果を発揮し、モバイル機器だけでなく弱耐熱部品など低温でのはんだ接合用途にも適用できる。

１０ 試験片
１１ 固定ツール
１２ 押し込みツール
２００ 基板
２２０ 接着材料
２３０ デバイス
２４０ はんだバンプ
４０１ Ｂｉ相
４０２ Ｓｎ相
５０１ すべり面
５０２ Ｓｎ初晶
６０１ Ｉｎ原子

Claims (3)

1. Ｂｉ、Ｉｎ、Ｃｕ、Ｓｎ、及び不可避不純物で構成され、
   前記Ｂｉ、前記Ｉｎ、前記Ｃｕ、及び前記Ｓｎの質量比を各々Ａｗｔ％、Ｂｗｔ％、Ｃｗｔ％、及びＤｗｔ％とすると、Ａ、Ｂ、Ｃ、及びＤは、それぞれ下記数１、数２、数３、数４を満たす、鉛フリーはんだ。
   

   

   

   

   
2. 前記Ａは５５．１であり、前記Ｂは４．９５であり、前記Ｃは０．０５であり、前記Ｄは３９．９である、請求項１記載の鉛フリーはんだ。
3. 請求項１又は２記載の鉛フリーはんだと、フラックスとを備えた、クリームはんだ。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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