JP2019141881A - Lead-free solder alloy - Google Patents
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- Electric Connection Of Electric Components To Printed Circuits (AREA)
Abstract
Description
本発明は、例えば−４０℃以下という極低温においても錫ペストを起こさず、また広がり性と耐衝撃性にも優れた、電子機器のはんだ付けに適したＳｎ−Ｃｕ系の鉛フリーはんだ合金に関する。 The present invention relates to a Sn-Cu-based lead-free solder alloy suitable for soldering electronic equipment, which does not cause tin pest even at an extremely low temperature of, for example, -40 ° C. or less, and is excellent in spreadability and impact resistance. .
古来より金属の接合にはＰｂ−Ｓｎはんだ合金が使用されてきた。ＰＢｂ−Ｓｎはんだ合金は近年には電子機器のはんだ付け、特に電子部品のプリント基板へのはんだ付け、に広く用いられてきた。Ｐｂ−Ｓｎはんだ合金は、共晶組成（Ｐｂ−６３Ｓｎ）での融点が１８３℃であり、はんだ付けを２４０℃以下の温度で行うことができるため、電子部品やプリント基板に対して熱影響を与えない。さらに、この共晶組成付近のＰｂ−Ｓｎはんだ合金は、濡れ性に優れており、はんだ付け不良を発生させない等の優れた特徴を有し、電子機器の信頼性の確保に貢献してきた。 Since ancient times, Pb—Sn solder alloys have been used for joining metals. In recent years, PBb-Sn solder alloys have been widely used for soldering electronic devices, particularly soldering electronic components to printed circuit boards. Pb-Sn solder alloy has a eutectic composition (Pb-63Sn) melting point of 183 ° C and can be soldered at a temperature of 240 ° C or less. Don't give. Furthermore, the Pb—Sn solder alloy in the vicinity of this eutectic composition has excellent wettability and excellent characteristics such as not causing poor soldering, and has contributed to ensuring the reliability of electronic devices.
しかし、近年の環境への意識の高まりから、ＲｏＨＳ規制により鉛に対して規制が加えられるようになった。その結果、鉛を含有するＰｂ−Ｓｎはんだ合金についても、その使用が規制されるようになり、鉛を含まない所謂「鉛フリーはんだ合金」が使用されるようになってきた。 However, due to the recent increase in environmental awareness, regulations for lead have been added to the RoHS regulations. As a result, the use of Pb—Sn solder alloys containing lead has been restricted, and so-called “lead-free solder alloys” that do not contain lead have been used.
鉛フリーはんだ合金は、Ｓｎを主成分とするはんだ合金である。従来から使用されてきた鉛フリーはんだ合金の代表例としては、Ｓｎ−３．５Ａｇ(融点：２２０℃)、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ(融点：２１７〜２２０℃)、Ｓｎ−５Ｓｂ(融点：２４０℃)、Ｓｎ−９Ｚｎ（融点：１９９℃）、Ｓｎ−０．７Ｃｕ(融点：２２７℃)等が挙げられる。このように、鉛フリーはんだ合金はいずれも、Ｐｂ−Ｓｎはんだ合金に比べてＳｎ含有量がかなり高い。 The lead-free solder alloy is a solder alloy containing Sn as a main component. As typical examples of lead-free solder alloys conventionally used, Sn-3.5Ag (melting point: 220 ° C.), Sn-3Ag-0.5Cu (melting point: 217-220 ° C.), Sn-5Sb (melting point: 240 ° C), Sn-9Zn (melting point: 199 ° C), Sn-0.7Cu (melting point: 227 ° C), and the like. Thus, all the lead-free solder alloys have a considerably higher Sn content than the Pb—Sn solder alloys.
これらの鉛フリーはんだ合金のうち、Ｓｎ−３．５ＡｇおよびＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕは、他の鉛フリーはんだ合金に比べてはんだ付け性に優れているが、高価なＡｇを多量に含有するため、価格競争の激しい分野のはんだ付けに使用するのにはあまり適していない。 Among these lead-free solder alloys, Sn-3.5Ag and Sn-3Ag-0.5Cu are superior in solderability to other lead-free solder alloys, but contain a large amount of expensive Ag. Therefore, it is not very suitable for use in soldering in fields where price competition is intense.
Ｓｎ−５Ｓｂは、材料自体は安価ではあるが、融点が高いため、はんだ付け温度も必然的に高くせざるを得ず、電子部品やプリント基板に対する熱影響が問題となり、用途が極めて限定される。 Although Sn-5Sb is a low-cost material itself, its melting point is high, so the soldering temperature must inevitably be increased, and the thermal effect on electronic components and printed circuit boards becomes a problem, and its use is extremely limited. .
Ｓｎ−９Ｚｎは融点が１９９℃であり、従来のＰｂ−Ｓｎ共晶はんだ合金に近いため、電子部品やプリント基板への熱影響の問題はない。しかし、Ｓｎ−９Ｚｎは、濡れ性が悪いばかりでなく、外的衝撃ではんだ付け部が剥離する現象が報告されている。これは、はんだ合金中のＺｎとはんだ付け部のＣｕのイオン化傾向が大きく相違しているためである。それにより、はんだ付け部周囲の湿気が結露したときに、局部電池作用による電気化学的腐食を引き起こし、はんだ付けの剥離が起こり易くなる。 Since Sn-9Zn has a melting point of 199 ° C. and is close to a conventional Pb—Sn eutectic solder alloy, there is no problem of thermal influence on electronic parts and printed boards. However, Sn-9Zn is not only poor in wettability, but a phenomenon that the soldered part peels off due to external impact has been reported. This is because the ionization tendency of Zn in the solder alloy and Cu in the soldering portion is greatly different. Thereby, when the moisture around the soldered portion is condensed, electrochemical corrosion due to the local battery action is caused, and the soldering is easily peeled off.
Ｓｎ−０．７Ｃｕは、安価であり、また表面光沢も比較的高いことから、安価な基板はんだ付け部品（例、コネクタ）のめっきに好んで使用されている。しかし、電子機器のはんだ付けに使用するには濡れ性が十分でないため、濡れ性の改善が求められている。 Sn-0.7Cu is inexpensive and has a relatively high surface gloss. Therefore, Sn-0.7Cu is preferably used for plating of inexpensive board soldering parts (eg, connectors). However, since the wettability is not sufficient for use in soldering electronic devices, improvement in wettability is required.
下記特許文献１には、Ｓｎ−０．７Ｃｕの濡れ性を改善するため、少量のＰまたはＰおよびＧｅを含有するはんだ合金が提案されている。この特許文献に開示されたＳｎ−Ｃｕ系はんだ合金は、種々の特性を改善するため、Ａｇ、Ｓｂ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｂｉ、ＩｎおよびＺｎから選ばれた１種以上の元素を含有しうる。Ｂｉを含有させた例では、２質量％のＢｉを含有する。 Patent Document 1 below proposes a solder alloy containing a small amount of P or P and Ge in order to improve the wettability of Sn-0.7Cu. The Sn—Cu based solder alloy disclosed in this patent document is one kind selected from Ag, Sb, Ni, Co, Fe, Mn, Cr, Mo, Bi, In and Zn in order to improve various properties. The above elements can be contained. In an example in which Bi is contained, 2% by mass of Bi is contained.
電子機器、特に携帯電話、ノート型パソコン、カメラのような携帯型電子機器は、緯度の高い極寒冷地でも使用されている。このような極寒冷地では気温が零下２０℃以下という極低温になることがあり、屋外に持ち出され、使用されることがある携帯型電子機器のはんだ付け部も、このような極低温に曝されることになる。しかし、鉛フリーはんだ合金は、極低温に曝されると、脆くなって破壊される可能性が報告されている。特に、携帯型電子機器は、落下して衝撃が加わることがあるため、はんだ付け部の耐衝撃性が求められる。 Electronic devices, particularly portable electronic devices such as mobile phones, notebook computers, and cameras, are also used in extremely cold regions with high latitudes. In such extremely cold regions, the temperature may be extremely low, ie, below 20 ° C., and the soldered parts of portable electronic devices that may be taken outdoors and used may also be exposed to such extremely low temperatures. Will be. However, it has been reported that lead-free solder alloys may become brittle and break when exposed to cryogenic temperatures. In particular, since portable electronic devices may drop and receive an impact, impact resistance of the soldered portion is required.
一般に鉛フリーはんだ合金が極寒冷地で脆くなるのは錫ペストに原因がある。錫ペストは、常温では軟質で延性に富む正方晶の白色錫（βＳｎ）が、低温において、延性がなく、非常に脆い灰色立方晶の結晶（αＳｎ、灰色錫）に同素変態する現象であり、古くから知られていた。βＳｎからαＳｎへの変態温度は約１３℃であるが、過冷の影響のため、実際には錫ペストは−２０℃以下にならないと起こらず、−４０℃前後で顕著になる。気温が−２０℃を下回る極寒冷地での電子機器の使用が普及するにつれ、錫ペストに起因するはんだ付け部の脆化と剥離が懸念されるようになってきた。 In general, lead-free solder alloys become brittle in extremely cold regions due to tin plague. Tin plas is a phenomenon in which tetragonal white tin (βSn), which is soft and ductile at room temperature, is transformed into a highly brittle gray cubic crystal (αSn, gray tin) at low temperatures that is not ductile and very brittle. It has been known for a long time. The transformation temperature from βSn to αSn is about 13 ° C., but due to the influence of supercooling, tin plague does not actually occur unless it becomes −20 ° C. or lower, and becomes noticeable around −40 ° C. As the use of electronic devices in extremely cold regions where the air temperature is below -20 ° C. has become widespread, there has been a concern about embrittlement and delamination of the soldered portion due to tin plague.
下記特許文献２には、錫を主成分とするはんだ合金における錫ペストの発生を防止するために、(１)Ｐｂ、(２)Ｐｂ＋ＢｉとＡｇの一方または両方、又は(３)Ｂｉ＋Ａｇ、を１５０〜９００ｐｐｍ（＝０．０１５〜０．０９％）の量を含有するはんだ合金が提案されている。はんだ合金系はＳｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系などの多くの組成のどれでもよい。 In Patent Document 2 below, in order to prevent the occurrence of tin pest in a solder alloy containing tin as a main component, (1) Pb, (2) one or both of Pb + Bi and Ag, or (3) Bi + Ag, 150 A solder alloy containing an amount of ˜900 ppm (= 0.015 to 0.09%) has been proposed. The solder alloy system may be any of a number of compositions such as Sn-Cu, Sn-Ag-Cu, Sn-Sb-Ag, and Sn-Zn-Bi.
錫ペストの発生を抑制する目的ではないが、質量％でＢｉを０．１〜５．０％、Ａｇを０．１〜５．０％、Ｓｂを０．１〜３．０％、Ｃｕを０．１〜５．０％、Ｐを０．００１〜０．０１％、Ｇｅを０．０１〜０．１％含有し、残部が錫である鉛フリーはんだ合金が特許文献３に提案されている。また、質量％でＮｉを０．０１〜０．５％、Ｃｕを２％超、５％以下含有し、場合によりＡｇ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｂｉ、ＧｅおよびＰから選ばれた１種以上を０．０１％以上含有していてもよい、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ合金が特許文献４に提案されている。これらの特許文献の実施例では、Ｂｉはいずれも３質量％以上の多量に含有されている。 Although not intended to suppress the occurrence of tin pest, 0.1% to 5.0% Bi, 0.1% to 5.0% Ag, 0.1% to 3.0% Sb, and Cu Patent Document 3 proposes a lead-free solder alloy containing 0.1 to 5.0%, P of 0.001 to 0.01%, Ge of 0.01 to 0.1%, and the balance being tin. Yes. Further, it contains 0.01 to 0.5% of Ni by mass%, more than 2% of Cu and 5% or less, and optionally one or more selected from Ag, In, Zn, Sb, Bi, Ge and P An Sn-Cu-Ni alloy that may contain 0.01% or more is proposed in Patent Document 4. In the examples of these patent documents, Bi is contained in a large amount of 3% by mass or more.
Ｓｎ−Ｃｕ系鉛フリーはんだ合金は安価であるので、上記の携帯型電子機器の製造コストの低減には効果的である。しかし、Ｓｎ−Ｃｕ系鉛フリーはんだ合金は錫ペストを発生しやすく、極寒冷地でははんだ付け部から剥離しやすいという問題があった。前述したように、Ｐｂ−Ｓｎはんだ合金に比べて鉛フリーはんだ合金はＳｎ含有量が高いため、錫ペストがより起こり易い。特に、Ｓｎ−０．７Ｃｕで代表されるＳｎ−Ｃｕ鉛フリーはんだ合金はＳｎ含有量が非常に高いので、錫ペストが最も起こり易いと考えられる。従って、Ｓｎ−Ｃｕ系鉛フリーはんだ合金においては、錫ペストの発生を防止することが極めて重要となる。 Since Sn—Cu-based lead-free solder alloy is inexpensive, it is effective for reducing the manufacturing cost of the portable electronic device. However, the Sn—Cu-based lead-free solder alloy has a problem that tin pest is likely to be generated and is easily peeled off from the soldered portion in an extremely cold region. As described above, since the lead-free solder alloy has a higher Sn content than the Pb—Sn solder alloy, tin pest is more likely to occur. In particular, Sn-Cu lead-free solder alloys typified by Sn-0.7Cu have a very high Sn content, and it is considered that tin plague is most likely to occur. Therefore, in the Sn—Cu based lead-free solder alloy, it is extremely important to prevent the occurrence of tin pest.
また、Ｓｎ−Ｃｕ系鉛フリーはんだ合金は、はんだ付け部に対する濡れ性が十分でなく、はんだ付け不良を発生させることがあった。
特許文献４に開示された鉛フリーはんだ合金は、はんだ付け部に存在するＣｕ導体へのはんだ合金の溶出を抑制するため、２質量％超という多量のＣｕを含有する。そのため、はんだ合金の溶融温度が高く、その用途が限定される。
本発明は、極寒冷地でもはんだ合金が錫ペストにより脆くならず、しかも濡れ性と耐衝撃性に優れたＳｎ−Ｃｕ系鉛フリーはんだ合金を提供することを目的とする。
In addition, Sn—Cu-based lead-free solder alloy has insufficient wettability with respect to the soldered portion, and may cause poor soldering.
The lead-free solder alloy disclosed in Patent Document 4 contains a large amount of Cu of more than 2% by mass in order to suppress elution of the solder alloy into the Cu conductor existing in the soldered portion. Therefore, the melting temperature of the solder alloy is high, and its use is limited.
An object of the present invention is to provide a Sn—Cu-based lead-free solder alloy that does not become brittle due to tin plague even in extremely cold regions, and that is excellent in wettability and impact resistance.
本発明者らは、Ｓｎ−０．７Ｃｕで代表される低Ｃｕ、高ＳｎのＳｎ−Ｃｕ系はんだ合金の錫ペストが、０．１質量％以上、１質量％未満という少量のＢｉを単独で含有する合金組成により効果的に防止されることを見出した。しかし、Ｂｉは、それ自体が脆性を有する金属であるため、Ｂｉを含有する鉛フリーはんだ合金は、Ｂｉを含有しないものに比べて耐衝撃性が多少劣るという問題があった。この耐衝撃性の劣化は、微量のＮｉを含有することによって完全に阻止できるだけでなく、耐衝撃性の向上も可能となることが判明した。つまり、本発明に係る鉛フリーはんだ合金は、微量のＢｉと微量のＮｉを組み合わせて含有することにより、低Ｃｕ、高ＳｎのＳｎ−Ｃｕ系はんだ合金の錫ペストの防止と耐衝撃性の改善という、相反する特性を共に達成することができる。さらに、この鉛フリーはんだ合金は、広がり性（濡れ性）も良好であり、はんだ付け不良を発生させにくい。 The present inventors independently used a small amount of Bi of 0.1 mass% or more and less than 1 mass% of a tin paste of a low Cu and high Sn Sn-Cu solder alloy typified by Sn-0.7Cu. It has been found that it is effectively prevented by the alloy composition contained. However, since Bi is a metal having brittleness per se, a lead-free solder alloy containing Bi has a problem that its impact resistance is somewhat inferior to that containing no Bi. It has been found that the deterioration of the impact resistance can be completely prevented by containing a small amount of Ni, and the impact resistance can be improved. That is, the lead-free solder alloy according to the present invention contains a small amount of Bi and a small amount of Ni in combination, thereby preventing tin pest and improving impact resistance of a low Cu, high Sn Sn-Cu solder alloy. Both conflicting properties can be achieved. Furthermore, this lead-free solder alloy also has good spreadability (wetability) and is unlikely to cause poor soldering.
本発明は、質量％で、Ｃｕ：０．５％以上、０．８質量％以下、Ｂｉ：０．１％以上、１％未満、Ｎｉ：０．０２％以上、０．０４％以下、残部Ｓｎからなる合金組成を有する鉛フリーはんだ合金である。 In the present invention, Cu: 0.5% or more, 0.8% by mass or less, Bi: 0.1% or more, less than 1%, Ni: 0.02% or more, 0.04% or less, balance It is a lead-free solder alloy having an alloy composition made of Sn.
本発明に係る鉛フリーはんだ合金において、合金組成は、Ｂｉ含有量が好ましくは０．１質量％以上、０．５質量％以下である。
本発明に係る鉛フリーはんだ合金において、合金組成は、好ましくは、更に、質量％で、Ｓｂ：０．０３〜０．２５％を含有する。
本発明に係る鉛フリーはんだ合金において、合金組成は、好ましくは、更に、質量％で、Ｇｅ：０．００１〜０．１％、およびＰ０．００１〜０．１％の少なくとも１種を含有する。
本発明の鉛フリーはんだ合金は、例えば−４０℃という極低温でも錫ペストを起こさないため、寒冷地においてはんだ付け部が崩壊しない。また、微量のＮｉを含有することにより、Ｂｉを含有することによる耐衝撃性の低下が防止され、さらに、濡れ性がＢｉを含有しないＳｎ−Ｃｕはんだ合金より改善される。従って、本発明により、はんだ付け不良が防止され、耐衝撃性に優れ、錫ペストの問題がない、信頼性の高いはんだ付け部を低コストで作製することが可能となる。
In the lead-free solder alloy according to the present invention, the alloy composition preferably has a Bi content of 0.1% by mass or more and 0.5% by mass or less.
In the lead-free solder alloy according to the present invention, the alloy composition preferably further includes Sb: 0.03 to 0.25% by mass%.
In the lead-free solder alloy according to the present invention, the alloy composition preferably further includes at least one of Ge: 0.001 to 0.1% and P0.001 to 0.1% by mass%. .
Since the lead-free solder alloy of the present invention does not cause tin pest even at an extremely low temperature of, for example, −40 ° C., the soldered portion does not collapse in a cold region. Moreover, by containing a trace amount Ni, the impact resistance fall by containing Bi is prevented, and also wettability is improved from the Sn-Cu solder alloy which does not contain Bi. Therefore, according to the present invention, it is possible to manufacture a highly reliable soldered portion at a low cost, which prevents soldering failure, has excellent impact resistance, and does not have a problem of tin plague.
以下に本発明をより詳しく説明する。以下の説明中、合金組成を示す「％」は、特にことわりがないかぎり「質量％」を意味する。
本発明に係るＳｎ−Ｃｕ系鉛フリーはんだ合金は、Ｃｕ：０．５％以上、０．８％以下、Ｂｉ：０．１％以上、１％未満、Ｎｉ：０．０２％以上、０．０４％以下、残部Ｓｎから本質的になる。この鉛フリーはんだ合金は、Ｓｎ含有量が９８％以上（より正確には９８．１６％以上）、典型的には９９％以上、と高いにもかかわらず錫ペストを起こさず、また広がり性と耐衝撃性が良好である。
The present invention is described in more detail below. In the following description, “%” indicating an alloy composition means “mass%” unless otherwise specified.
The Sn—Cu-based lead-free solder alloy according to the present invention includes Cu: 0.5% or more and 0.8% or less, Bi: 0.1% or more, less than 1%, Ni: 0.02% or more, and 0.0. 04% or less, essentially consisting of the remainder Sn. Although this lead-free solder alloy has a Sn content of 98% or more (more precisely 98.16% or more), typically 99% or more, it does not cause tin pest, and has a spreading property. Good impact resistance.
Ｃｕは耐衝撃性の向上と固相線温度を下げる効果がある。Ｃｕ含有量が０．５％より少ないと、それらの効果が現れない。一方、Ｃｕ含有量が０．８％を超えると、はんだ合金の液相線温度が高くなりすぎる。 Cu has the effect of improving impact resistance and lowering the solidus temperature. If the Cu content is less than 0.5%, those effects do not appear. On the other hand, if the Cu content exceeds 0.8%, the liquidus temperature of the solder alloy becomes too high.
Ｂｉは、錫ペスト防止ばかりでなく、はんだ合金の濡れ性向上に対しても効果がある。Ｂｉ含有量が０．１％未満では錫ペスト発生防止効果が少ないばかりでなく、はんだ合金の濡れ性向上にも効果が少ない。一方、Ｂｉを１％以上の量で含有すると、Ｂｉの脆性が顕著に現れるようになり、はんだ合金の耐衝撃性が低下する。そのため、Ｂｉ含有量は０．１％以上、１％未満とする。 Bi is effective not only for preventing tin pest but also for improving the wettability of the solder alloy. If the Bi content is less than 0.1%, not only the effect of preventing the occurrence of tin pest is small, but also the effect of improving the wettability of the solder alloy is small. On the other hand, when Bi is contained in an amount of 1% or more, the brittleness of Bi becomes prominent and the impact resistance of the solder alloy is lowered. Therefore, the Bi content is 0.1% or more and less than 1%.
Ｂｉによる脆性をさらに効果的に抑制する必要がある場合、例えば、成形されたペレット、ワッシャー形状などのプリフォームを生産する場合などでは、成形の際にプリフォームの端部が欠けることを防止するために、Ｂｉ含有量を０．１％以上、０．５％以下にすることが好ましい。このように、Ｂｉ含有量が少量でもＢｉの上記効果は十分に得られる。 When it is necessary to more effectively suppress brittleness due to Bi, for example, when producing preforms such as molded pellets and washer shapes, the end of the preform is prevented from being chipped during molding. Therefore, the Bi content is preferably 0.1% or more and 0.5% or less. Thus, even if the Bi content is small, the above effect of Bi can be sufficiently obtained.
Ｎｉ含有すると耐衝撃性および耐ヒートサイクル性の向上が得られる。Ｎｉ含有量が０．０２％より少ないと、その効果がない。一方、０．０４％を超えてＮｉを含有すると、はんだ合金の液相線温度が高くなりすぎて、一般的なはんだ付け温度である２５０℃でのはんだ付けが不可能となる。 When Ni is contained, the impact resistance and heat cycle resistance can be improved. If the Ni content is less than 0.02%, there is no effect. On the other hand, if Ni exceeds 0.04%, the liquidus temperature of the solder alloy becomes too high, and soldering at 250 ° C., which is a general soldering temperature, becomes impossible.
本発明に係るはんだ合金は鉛フリーはんだ合金である。即ち、鉛は意図的には全く含有されない。合金成分の金属材料から鉛が不可避的に混入することがあっても、鉛の含有量は一般に５００ｐｐｍ未満であり、高純度原料を使用すれば１００ｐｐｍ未満となる。 The solder alloy according to the present invention is a lead-free solder alloy. That is, lead is intentionally not contained at all. Even if lead is inevitably mixed in from the metal material of the alloy component, the lead content is generally less than 500 ppm, and less than 100 ppm if a high-purity raw material is used.
この鉛フリーはんだ合金は、前記４元素（Ｓｎ，Ｃｕ，Ｂｉ，Ｎｉ）のみからなるものであることが好ましいが、はんだ合金の各種特性を改善するために他の元素を少量であれば含有しうる。例えば、０．０３〜０．２５％のＳｂを含有することにより、耐衝撃性を改善することができる。また、特許文献１に従って、０．００１〜０．１％のＰを単独で、またはこのＰを０．００１〜０．１％のＧｅと一緒に含有することにより、濡れ性を改善することができる。他の元素を含有する場合でも、その合計含有量が０．５％以下、好ましくは０．３％以下、より好ましくは０．１％以下となるようにする。また、Ｓｎ含有量が９９％以上であることが好ましい。 This lead-free solder alloy is preferably composed of only the four elements (Sn, Cu, Bi, Ni), but contains a small amount of other elements in order to improve various properties of the solder alloy. sell. For example, impact resistance can be improved by containing 0.03 to 0.25% Sb. Further, according to Patent Document 1, the wettability can be improved by containing 0.001 to 0.1% of P alone or together with 0.001 to 0.1% of Ge. it can. Even when other elements are contained, the total content is 0.5% or less, preferably 0.3% or less, more preferably 0.1% or less. Moreover, it is preferable that Sn content is 99% or more.
本発明に係る鉛フリーはんだ合金の形状は特に制限されず、例えば、粉末状、ボール状、棒状、線状、脂入りはんだ、成形されたペレットもしくはワッシャーなどの形状のはんだプリフォームなどでよい。 The shape of the lead-free solder alloy according to the present invention is not particularly limited, and may be, for example, a powder preform, a ball shape, a rod shape, a wire shape, a greased solder, a solder preform having a shape such as a molded pellet or washer.
この鉛フリーはんだ合金は、電子機器のはんだ付け、特に電子部品のプリント基板へのはんだ付けに使用するのに適しているが、他の用途にも適用可能である。電子機器のはんだ付けの場合には、リフロー法またはフロー法が用いられることが多い。 This lead-free solder alloy is suitable for use in soldering electronic devices, particularly soldering electronic components to printed circuit boards, but is also applicable to other applications. In the case of soldering electronic equipment, a reflow method or a flow method is often used.
電子部品とは、電子機器を構成する部品であり、能動部品（例、半導体素子、ＩＣなど）、受動部品（抵抗、コンデンサ、インダクタなど）、ならびに機構部品（スイッチ、コネクタ、可変抵抗、キーボードなど）を包含する。電子機器は、本発明においては、電子部品を実装したプリント基板を内蔵するものを意味する。 Electronic components are components that make up electronic devices, such as active components (eg, semiconductor elements, ICs, etc.), passive components (resistors, capacitors, inductors, etc.), and mechanical components (switches, connectors, variable resistors, keyboards, etc.) ). In the present invention, an electronic device means a device containing a printed circuit board on which an electronic component is mounted.
例えば、テレビ、ＤＶＤにおける電子部品のプリント基板へのはんだ付けは、棒状または線状のはんだ合金を噴流はんだ槽に投入して溶融させた溶融はんだを用いるフロー法により行うことができる。携帯電話やパーソナルコンピューターに組み込まれるＢＧＡやＣＳＰ等の電子部品のプリント基板へのはんだ付けでは、電極にバンプを形成するために微小はんだボールが使用でき、これも１種のリフローはんだ付け法である。ＱＦＰ、ＳＯＰのような表面実装部品のプリント基板へのはんだ付けは、はんだ粉末をはんだ付け用フラックスと混合して調製されたソルダペーストを用いて、リフロー法により行うことができる。 For example, soldering of electronic components to a printed circuit board in a television or DVD can be performed by a flow method using a molten solder in which a rod-like or linear solder alloy is put into a jet solder bath and melted. When soldering electronic parts such as BGA and CSP incorporated into a mobile phone or a personal computer to a printed circuit board, micro solder balls can be used to form bumps on the electrodes, which is also a kind of reflow soldering method. . Soldering of a surface mount component such as QFP or SOP to a printed circuit board can be performed by a reflow method using a solder paste prepared by mixing solder powder with a soldering flux.
ソルダペーストははんだ粉末をはんだ付け用フラックスと混合したものである。ソルダペーストに使用されるフラックスは、水溶性フラックスと非水溶性フラックスのいずれでもよいが、典型的には、適当な活性剤、溶剤、チキソ剤を含有するロジンベースの非水溶性フラックスであるロジン系フラックスである。 Solder paste is a mixture of solder powder and soldering flux. The flux used in the solder paste may be either a water-soluble flux or a water-insoluble flux, but typically a rosin that is a rosin-based water-insoluble flux containing a suitable activator, solvent, and thixotropic agent. It is a system flux.
表１に示す組成を有する鉛フリーはんだ合金を用いて、以下に示す要領で、錫ペスト、耐衝撃性、および広がり性について試験した。使用した合金原料は、いずれもＰｂ含有量が３００ｐｐｍ以下のものであった。表中、試験Ｎｏ．１〜３の合金が本発明に従った組成を有する。試験結果も表１に併せて示す。 Using a lead-free solder alloy having the composition shown in Table 1, tin pest, impact resistance, and spreadability were tested in the following manner. All of the alloy raw materials used had a Pb content of 300 ppm or less. In the table, test no. 1-3 alloys have a composition according to the invention. The test results are also shown in Table 1.
［錫ペスト試験］
各組成の鉛フリーはんだ合金を、長辺３０ｍｍ、短辺２０ｍｍ、長さ２００ｍｍの解放鋳型（舟型）に鋳込んで、棒状鋳造物を得た。この鋳造物の外周を旋盤で切削して、直径８ｍｍ、長さ１１０ｍｍの棒状はんだ試料を得た。この棒状試料を−４０℃の冷凍庫に約１００００時間放置した後、冷凍庫から取り出して、その表面を目視観察した。
[Tin plague test]
A lead-free solder alloy having each composition was cast into an open mold (boat type) having a long side of 30 mm, a short side of 20 mm, and a length of 200 mm to obtain a rod-shaped casting. The outer periphery of the cast was cut with a lathe to obtain a bar-shaped solder sample having a diameter of 8 mm and a length of 110 mm. The rod-shaped sample was left in a freezer at −40 ° C. for about 10,000 hours, then removed from the freezer, and the surface thereof was visually observed.
棒状試料の表面が、冷凍庫に放置する前と全く変わらないものを○（図１の写真）、棒状試料の表面に大きな点状物が現れたものを△（図２の写真）、完全に自然崩壊したものを×（図３の写真）と評価する。棒状試料の表面に現れる点状物が錫ペストにより生じた灰色錫（αＳｎ）である。 The surface of the rod-shaped sample is the same as it was before being left in the freezer (circle) (photo in Fig. 1), and the surface of the rod-shaped sample with large dots appeared on the surface (triangle) (photo in Fig. 2). What collapsed is evaluated as x (photo of FIG. 3). The dot-like material appearing on the surface of the rod-shaped sample is gray tin (αSn) generated by tin plague.
［耐衝撃性試験（落下試験）］
耐衝撃性は、ＪＥＤＥＣのＪＥＳＤ２２−Ｂ１１１の規格に準拠して実施した落下試験により評価した。
[Impact resistance test (drop test)]
The impact resistance was evaluated by a drop test conducted in accordance with JEDEC JESD22-B111 standard.
各組成の鉛フリーはんだ合金から、油中造球法によって、直径０．３ｍｍのはんだボールを作製した。このはんだボールを使ってＣＳＰ基板上に常法によりはんだバンプを形成した（加熱条件：２２０℃×４０秒、酸素濃度１００ｐｐｍ以下）。このはんだバンプつきＣＳＰ基板を、市販の鉛フリーソルダペースト（はんだ合金：Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ；フラックス：ロジン系）を用いて、プリント基板にリフロー法により実装した。リフロー加熱条件は２２０℃×４５秒間であり、雰囲気は大気であった。 A solder ball having a diameter of 0.3 mm was produced from a lead-free solder alloy having each composition by a ball-in-oil method. Using this solder ball, a solder bump was formed on the CSP substrate by a conventional method (heating conditions: 220 ° C. × 40 seconds, oxygen concentration of 100 ppm or less). The CSP substrate with solder bumps was mounted on a printed circuit board by a reflow method using a commercially available lead-free solder paste (solder alloy: Sn-3Ag-0.5Cu; flux: rosin). The reflow heating conditions were 220 ° C. × 45 seconds, and the atmosphere was air.
ＣＳＰ基板が実装されたプリント基板を、プリント基板を下側にして台座に取り付けた。２つの基板間のはんだ付け部の電気抵抗を測定し、この電気抵抗を初期値とする。次いで、台座を、落下地点より３１０ｍｍの高さから、落下地点であるエポキシ樹脂製の台に自由落下させて、基板間に衝撃を与えた。その後、２つの基板間のはんだ付け部の電気抵抗を測定した。 The printed circuit board on which the CSP board was mounted was attached to the base with the printed circuit board facing down. The electrical resistance of the soldered part between the two substrates is measured, and this electrical resistance is taken as the initial value. Next, the pedestal was freely dropped from a height of 310 mm from the drop point onto an epoxy resin stand as a drop point, and an impact was applied between the substrates. Thereafter, the electrical resistance of the soldered portion between the two substrates was measured.
落下後の電気抵抗が、導通不良と見なされる落下前の電気抵抗初期値の１２０％になるまで、この落下による衝撃付与を繰り返し、その間の落下回数を記録した。落下回数が４０回以上の場合を〇（耐衝撃性が十分）、落下回数が４０回より少ない場合は×（耐衝撃性が不十分）であると評価した。 The application of impact by this drop was repeated until the electrical resistance after dropping reached 120% of the initial electrical resistance value before dropping, which was regarded as poor conduction, and the number of drops during that time was recorded. A case where the number of drops was 40 times or more was evaluated as ◯ (impact resistance was sufficient), and a case where the number of drops was less than 40 was evaluated as x (impact resistance was insufficient).
［はんだ合金広がり試験］
各鉛フリーはんだ合金の広がり性（濡れ性）は、ＪＩＳ Ｚ ３１９８−３（鉛フリーはんだ試験方法−広がり試験方法）に準じて試験した。広がり率が７０％以上を○、７０％未満を×とした。
[Solder alloy spreading test]
The spreadability (wettability) of each lead-free solder alloy was tested according to JIS Z 3198-3 (lead-free solder test method-spread test method). A spread rate of 70% or more was rated as ◯, and a spread rate of less than 70% was rated as x.
［溶融温度］
各鉛フリーはんだ合金の溶融温度を、ＪＩＳ Ｚ ３１９８−１（鉛フリーはんだ試験方法−第一部：溶融温度範囲測定方法）に準じて測定した。
[Melting temperature]
The melting temperature of each lead-free solder alloy was measured according to JIS Z 3198-1 (Lead-free solder test method-Part 1: Melting temperature range measurement method).
表１からわかるように、従来のＳｎ−Ｃｕ系鉛フリーはんだ合金（試験Ｎｏ．４のＳｎ−０．７Ｃｕ）は、−４０℃の極低温に長期間放置すると錫ペストにより崩壊した。これに対し、本発明の鉛フリーはんだ合金（試験Ｎｏ．１〜３）は、−４０℃に長期間放置しても表面が全く変化せず、錫ペストは完全に防止された。さらに、広がり試験結果からわかるように、濡れ性も従来のＳｎ−Ｃｕ系鉛フリーはんだ合金より優れ、落下試験においても良好な耐衝撃性を示した。 As can be seen from Table 1, the conventional Sn-Cu-based lead-free solder alloy (Sn-0.7Cu of Test No. 4) collapsed by tin plague when left at a very low temperature of -40 ° C for a long time. In contrast, the lead-free solder alloys of the present invention (Test Nos. 1 to 3) did not change the surface at all even when left at −40 ° C. for a long time, and tin pest was completely prevented. Furthermore, as can be seen from the spread test results, the wettability was also superior to that of the conventional Sn—Cu-based lead-free solder alloy, and good impact resistance was exhibited in the drop test.
錫ペスト防止の目的は、試験Ｎｏ．５〜６、８および１０に示すように、比較的多量のＡｇ、ＳｂまたはＢｉを含有することによっても達成された。しかし、これらの元素は耐衝撃性に悪影響を及ぼし、またＳｂや３％のＢｉはを含有すると広がり性も改善できなかった。Ｂｉの代わりに微量のＧｅを含有する試験Ｎｏ．９は、錫ペストは防止できなかったが、耐衝撃性や広がり性は良好であった。多量のＺｎを含有する試験Ｎｏ．７〜８の鉛フリーはんだ合金は、いずれも特に耐衝撃性に劣っていた。 The purpose of tin plague prevention is test no. It was also achieved by containing relatively large amounts of Ag, Sb or Bi, as shown in 5-6, 8 and 10. However, these elements adversely affect the impact resistance, and when Sb and 3% Bi are contained, the spreadability cannot be improved. Test No. containing a small amount of Ge instead of Bi No. 9 could not prevent tin pest, but had good impact resistance and spreadability. Test No. containing a large amount of Zn. All the 7-8 lead-free solder alloys were particularly inferior in impact resistance.
また、表２〜表４に示す組成を有する鉛フリーはんだ合金を用いて、上記と同様に、錫ペスト、耐衝撃性、および広がり性について試験した。使用した合金原料は、いずれもＰｂ含有量が３００ｐｐｍ以下のものであった。表中、試験Ｎｏ．１１〜７７８３の合金は本発明に従った組成を有する。 Moreover, using the lead-free solder alloys having the compositions shown in Tables 2 to 4, the tin pest, impact resistance, and spreadability were tested in the same manner as described above. All of the alloy raw materials used had a Pb content of 300 ppm or less. In the table, test no. Alloys 11 to 7783 have compositions according to the present invention.
いずれも、本発明に従った表１のＮｏ．１〜３の組成と同様に、錫ペスト、耐衝撃性および広がり性に優れる結果を示した。
Both of these are Nos. In Table 1 according to the present invention. Similar to the compositions 1 to 3, the results were excellent in tin plague, impact resistance and spreadability.
Claims (6)
The method to solder an electronic component to a printed circuit board using the lead-free solder alloy of any one of Claims 1-4.
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