JP4081073B2 - はんだ付け方法 - Google Patents

Description

本発明ははんだ付け方法に関し、より詳しくは、鉛を含まないはんだ付け用組成物であって、リフローソルダリング時に合金化してその組成物よりも融点の上昇した合金を形成し、その結果として、はんだ付け済みの基板等に更にはんだ付けを実施する際にもほぼ同一温度条件下ではんだ付けが可能となるはんだ付け用組成物を用いて実施するはんだ付け方法に関する。

例えば、電子回路モジュール等の各種の電子回路装置の製作においては、両面実装タイプの電子部品搭載用基板を用い、該電子部品搭載用基板の一面側に高温はんだを介して電子部品を搭載させ、通炉してはんだ付けした後、他面側にはんだを介して電子部品を搭載させ、再び通炉してはんだ付けしている。従って、電子部品搭載用基板の他面側に電子部品をはんだ付けする際には、その一面側に用いる高温はんだよりも低い融点を持つ低温はんだを用いる必要がある。このように融点の異なる２種類のはんだは、従来は一般的には、鉛含有はんだの鉛含有量を調整することによって用意していた。

ところが、近年、地球環境保全の立場から、鉛を含まないはんだ（鉛フリーはんだ）が要求されてきており、鉛フリーはんだの開発が盛んに行われている。しかしながら、鉛フリーはんだで従来の鉛含有高温はんだに匹敵する高融点のはんだは、現在のところ、実用化されていない。現在実用化されている鉛フリーはんだの融点は、高いものでも２５０℃程度（Ｓｎ−１０Ｓｂで２４６℃）である。

このため、例えば、両面実装タイプの電子部品搭載用基板の片面に鉛フリー高温はんだを用いて電子部品をはんだ付けした後に、その反対側の面に２３０〜２６０℃の範囲内の温度でリフローソルダリングを実施すると、鉛フリー高温はんだを用いてはんだ付けされていた電子部品が電子部品搭載用基板から浮動したり、脱落したりする等の不具合が生じる。

本発明は、上記のような従来技術の問題点の解消された鉛フリーのはんだ付け方法であって、特定組成のはんだ付け組成物を用いることによりリフローソルダリング時に容易に且つ短時間に合金化してその組成物よりも融点の上昇した合金を形成し、その結果として、はんだ付け済みの基板等に更にはんだ付けを実施する際にもほぼ同一温度条件下ではんだ付けが可能となるはんだ付け方法を提供することを目的としている。

本発明者等は上記の目的を達成するために鋭意検討した結果、はんだ付け用組成物として、リフローソルダリング温度で溶融する金属成分と溶融しない金属成分とからなり、リフローソルダリング操作中に合金化する金属組成物を用いることにより上記の目的が達成されることを見いだし、本発明を完成した。

即ち、本発明のはんだ付け方法は、鉛を含まず、第一金属成分としてのＳｎ又はＳｎ−３．５Ａｇと第二金属成分としてのＳｂ、Ｎｉ又はＡｇとの混合物であって第一金属成分と第二金属成分との相対量は、溶融状態の第一金属成分中に第二金属成分が拡散してＳｎ４０〜５５質量％とＳｂ４５〜６０質量％とからなるＳｎ−Ｓｂ系合金組成、Ｓｎ６０〜７４質量％とＮｉ２６〜４０質量％とからなるＳｎ−Ｎｉ系合金組成、又はＳｎ１５〜２４．５質量％とＡｇ７５．５〜８５質量％とからなるＳｎ−Ａｇ系合金組成の合金を形成し得る相対量であるはんだ付け用組成物を用いてはんだ付けする方法であって、該第一金属成分を溶融させ、その溶融物中に該第二金属成分を拡散させて合金化した状態ではんだ付けすることを特徴とする。

また、本発明のはんだ付け方法は、電子部品搭載用基板とその両面にはんだ付けされた複数の電子部品とを含む電子回路装置を形成するはんだ付け方法において、少なくとも片面でのはんだ付けを本発明のはんだ付け方法によって実施することを特徴とする。

更に、本発明の好ましい実施態様においては、電子部品搭載用基板の片面に本発明のはんだ付け方法によって電子部品をはんだ付けし、その後、電子部品搭載用基板の反対側の面に本発明のはんだ付け方法によって電子部品をはんだ付けして、電子部品搭載用基板とその両面にはんだ付けされた複数の電子部品とを含む電子回路装置を形成することを特徴とする。

本発明のはんだ付け方法においては、用いるはんだ付け用組成物中に第一金属成分と第二金属成分とが組成物、即ち混合物として存在しているので、リフローソルダリング操作で比較的短時間に全体が均一に合金化してそのはんだ付け用組成物よりも融点の上昇した合金を形成し、その結果として、はんだ付け済みの基板等に更にはんだ付けを実施する際にもほぼ同一温度条件下ではんだ付けが可能となり、例えば、両面実装タイプの電子部品搭載用基板の片面に電子部品をはんだ付けした後に、その反対側の面にリフローソルダリングを実施しても、先にはんだ付けされていた電子部品が電子部品搭載用基板から浮動したり、脱落したりする等の不具合が生じることがない。

従来の高温はんだは融点が２８０〜２９５℃程度であり、そのようなはんだを用いてはんだ付けする際にはリフロー温度を３２０〜３５０℃程度に設定する必要があった。しかしながら、そのような温度域でははんだ付けされる電子部品に熱的ストレスを与えることになり、電子部品の信頼性を大きく低下させる原因になっており、更に、電子部品を実装するプリント基板として耐熱性のない紙フェノール系樹脂基板等を使用することができないので、金属系の基板等を使用する必要があった。それで、熱的ストレスが低減されることや、通常の樹脂基板が使用できることが望まれており、２６０〜３２０℃程度で実装可能な高温はんだが望まれていた。

リフローソルダリング操作を２６０〜３２０℃で実施する場合を想定すると、融点が１８３℃よりも低い場合には、リフローソルダリング時の溶融状態において濡れ性接触角が５０°よりも小さくなり、ショート不良の危険性があり、また融点が２６０℃よりも高い場合に、リフローソルダリング時の溶融状態において濡れ性接触角が１３０°よりも大きくなり、はんだ付けする部品と基板との固着強度が低くなる傾向があるので、本発明のはんだ付け方法においては、第一金属成分としてＳｎ又はＳｎ−３．５Ａｇを用いる。

本発明のはんだ付け方法においては、第二金属成分としてリフローソルダリング操作の際に溶融することのないＳｂ、Ｎｉ又はＡｇを用いることができる。

第一金属成分と第二金属成分との相対量は、Ｓｎ４０〜５５質量％とＳｂ４５〜６０質量％とからなるＳｎ−Ｓｂ系合金組成、Ｓｎ６０〜７４質量％とＮｉ２６〜４０質量％とからなるＳｎ−Ｎｉ系合金組成、又はＳｎ１５〜２４．５質量％とＡｇ７５．５〜８５質量％とからなるＳｎ−Ａｇ系合金組成の合金を形成し得る相対量である必要がある。なお、本発明において、「溶融状態」とは完全に液相となっている状態だけでなく、一部分固相が残っている状態をも包含する。

本発明のはんだ付け方法で用いるはんだ付け用組成物は、リフローソルダリング時の溶融状態において５０°〜１３０°の範囲内の濡れ性接触角を示すものであることが好ましく、リフローソルダリング時の溶融状態において７０°〜１２０°の範囲内の濡れ性接触角を示すものであることが一層好ましい。本発明でいう濡れ性接触角とは、粉末状のはんだ付け用組成物から直径１ｍｍ、高さ１ｍｍの円筒状の成形体を作製し、Ｃｕ板上に載せて所定温度のリフロー炉に通炉し、得られた試料をはんだの中心点を通り、Ｃｕ板とは垂直な面でＣｕ板と共に切断し、切断面を研磨し、ＳＥＭで観察して、ＪＩＳ Ｃ ００５０（１９９６）の「３．２接触角」で説明されている溶融はんだの接触角として測定して得た値である。

また、本発明のはんだ付け方法で用いるはんだ付け用組成物は、その使用態様に応じて粉末状態のものであっても、圧縮成形した固形物であっても、フラックスを含有するペースト状態のものであってもよい。

更に、本発明のはんだ付け方法で用いるはんだ付け用組成物は、微量の第三金属成分を含有することができる。第三金属成分としてＰ、Ｓｉ、Ｇｅ及びＧａを挙げることができ、それらの群より選ばれる少なくとも１種を用いることができる。

本発明のはんだ付け方法においては、上記したはんだ付け用組成物を用い、その第一金属成分を溶融させる。この溶融状態の第一金属成分中に第二金属成分が拡散する。即ち、第二金属成分ははんだ付け温度では溶融しない。しかし、溶融した第一金属成分の溶融物がこの第二金属成分の周囲を覆うので、その溶融物中に第二金属成分が拡散して合金化が進み、均一な組成、ほぼ均一な組成或いは第二金属成分の一部が拡散しないで島状に残った組成となる。この合金化によりはんだ付けが達成される。本発明において、「溶融させる」とは完全に液相となっている状態にするだけでなく、一部分固相が残っている状態にする場合も包含する。

本発明の好ましい態様のはんだ付け方法は、電子部品搭載用基板とその両面にはんだ付けされた複数の電子部品とを含む電子回路装置を形成するはんだ付け方法であり、少なくとも片面でのはんだ付けを本発明のはんだ付け方法によって実施する。即ち、電子部品搭載用基板の片面でのはんだ付けを本発明のはんだ付け方法によって実施し、他の片面でのはんだ付けを本発明以外のはんだ付け方法によって実施してもよい。

また、本発明のはんだ付け方法においては、電子部品搭載用基板の片面に本発明のはんだ付け方法によって電子部品をはんだ付けし、その後、電子部品搭載用基板の反対側の面に本発明のはんだ付け方法によって電子部品をはんだ付けして、電子部品搭載用基板とその両面にはんだ付けされた複数の電子部品とを含む電子回路装置を形成することが好ましい。この場合に、電子部品搭載用基板の両面のそれぞれのはんだ付けに同一のはんだ付け用組成物を用いることができる。

本発明のはんだ付け方法においては、リフローソルダリングにより合金を形成させる。電子部品搭載用基板の両面のそれぞれのはんだ付けを本発明のはんだ付け方法に従って実施する場合には、最初のリフローソルダリングにより形成される合金の融点が次回のリフローソルダリング温度よりも高くなるようにはんだ付け用組成物を選定する必要がある。このように選定することにより次回のリフローソルダリングにおいてはんだの溶融による電子部品の浮動や接合強度の低下を回避することができる。

以下に、電子部品搭載用基板の片面に本発明のはんだ付け方法によって電子部品をはんだ付けし、その後、電子部品搭載用基板の反対側の面に本発明のはんだ付け方法によって電子部品をはんだ付けして、電子部品搭載用基板とその両面にはんだ付けされた複数の電子部品とを含む電子回路装置を形成する本発明のはんだ付け方法を図１〜図４に基づいて説明する。

まず、図１に示すように、電子部品搭載用基板１の片面に導電パターン２及び３を形成し、この導電パターン２及び３のそれぞれの上で、チップ状の電子部品４の端子電極５及び６をはんだ付けする位置に、フラックスを含有するペースト状のはんだ付け用組成物（例えば、第一金属成分がＳｎ微粉末であり、第二金属成分がＮｉ微粉末であり、Ｓｎ：Ｎｉの質量比が７０：３０である組成物）７及び８を塗布する。一般的には、フラックスとしてロジン系のものが用いられるが、これらに限定されるものではなく、その他の成分系のフラックスであってもよい。図１に示す電子部品搭載用基板１は両面実装用基板であり、導電パターン２及び３を形成した面とは反対側の面にも、他の電子部品をはんだ付けするための導電パターン９及び１０が形成されている。

次に、はんだ付け用組成物７及び８の上にチップ状の電子部品４を載せ、所定温度（例えば、２７０℃）のリフロー炉に通炉して、はんだ付け用組成物７及び８を合金化させて合金はんだ１１及び１２を形成させ、図２に示すように、合金はんだ１１及び１２を介して電子部品４の端子電極５及び６をそれぞれ導電パターン２及び３にはんだ付けする。

例えば、はんだ付け用組成物として、第一金属成分がＳｎ微粉末であり、第二金属成分がＮｉ微粉末であり、Ｓｎ：Ｎｉの質量比が７０：３０である組成物を用い、２７０℃のリフロー炉に通炉すると、溶融したＳｎ中にＮｉが拡散してほぼＳｎ−３０Ｎｉの合金が形成される。このようにして形成された合金の融点は約７９０℃である。従って、このはんだ合金は冷却後には、２６０〜３２０℃の範囲内の温度でリフローソルダリングを実施しても溶融することはない。

図１及び図２に示すようにして電子部品搭載用基板１の片面に電子部品４の端子電極５及び６をそれぞれ導電パターン２及び３にはんだ付けした後、電子部品搭載用基板１を裏返しにする。そして、図３に示すように、電子部品搭載用基板１の反対側の面に形成されている導電パターン９及び１０のそれぞれの上で、チップ状の電子部品１３の端子電極１４及び１５をはんだ付けする位置に、フラックスを含有するペースト状のはんだ付け用組成物（上記のはんだ付け用組成物７及び８と同一の組成物であっても、異なる組成物であってもよい）１６及び１７を塗布する。

次に、はんだ付け用組成物１６及び１７の上にチップ状の電子部品１３を載せ、所定温度（例えば、２７０℃）のリフロー炉に通炉して、はんだ付け用組成物１６及び１７を合金化させて合金はんだ１８及び１９を形成させ、図４に示すように、合金はんだ１８及び１９を介して電子部品１３の端子電極１４及び１５をそれぞれ導電パターン９及び１０にはんだ付けする。リフロー炉に通炉しても上記の合金はんだ１１及び１２が溶融することはない。

以下に、実施例及び比較例に基づいて本発明を具体的に説明する。

実施例１
紙フェノール系樹脂基板又はアルミニウム基板を用いてプリント基板を作製した。また、第一金属成分がＳｎ（融点２３２℃）微粉末であり、第二金属成分がＳｂ（融点６３０．５℃）微粉末であり、Ｓｎ：Ｓｂの質量比が５０：５０である（Ｓｎ−５０Ｓｂ合金の融点は３２５℃である）はんだ粉８０質量部と、ロジン５０質量％、カルビトール３５質量％、ハロゲン化水素酸アミン塩５質量％及びワックス１０質量％からなるフラックス２０質量部とを含有するはんだペーストを調製した。

上記のプリント基板上に０．２５ｍｍ間隔で上記のはんだペーストを、各箇所でのペーストの塗布量が０．５ｍｇとなるように塗布した。それらのはんだペースト上にＣ０６０３（縦０．６ｍｍ×横０．３ｍｍ×厚み０．１ｍｍ）の積層セラミックコンデンサの両端子部が来るようにして載せ、下記の第１表に示すリフロー温度のリフロー炉に滞留時間が１０分となるように通炉してリフローソルダリングを実施した。リフロー温度３２０℃までは紙フェノール系樹脂基板で実施し、３２０℃を超えるリフロー温度ではアルミニウム基板で実施した。各リフロー温度毎に１００個の試料を用いた。

リフローソルダリング後にはんだ間にブリッジが生じているものを不良とし、ブリッジの生じた試料数（ショート個数）を目視で調べた。また、固着強度については、チップ側面から押し、はんだが破壊される時点での押し圧力を測定して固着強度とした。なお、実用上必要な固着強度は１０Ｎ以上である。それらの結果は第１表に示す通りであった。

更に、濡れ性接触角については、Ｓｎ微粉末５０質量％とＳｂ微粉末５０質量％とからなる粉末状のはんだ付け用組成物から直径１ｍｍ、高さ１ｍｍの円筒状の成形体を作製し、Ｃｕ板上に載せて第１表に示すリフロー温度のリフロー炉に滞留時間が１０分となるように通炉し、得られた試料をはんだの中心点を通り、Ｃｕ板とは垂直な面でＣｕ板と共に切断し、切断面を研磨し、ＳＥＭで観察して、ＪＩＳ Ｃ ００５０（１９９６）の「３．２接触角」で説明されている溶融はんだの接触角を測定した。それらの結果は第１表に示す通りであった。

比較例１
実施例１で用いたはんだペーストの代わりに、市販のＰｂ−１０Ｓｎ（単一合金）（融点２９０℃）はんだペーストを用いた以外は、実施例１と同様にしてチップ間のショート個数を調べ、固着強度及び濡れ性接触角を測定した。それらの結果は第２表に示す通りであった。

第２表のデータから明らかなように、市販のＰｂ−１０Ｓｎはんだペーストを用いた場合には、はんだの融点が２９０℃であるので、リフロー温度が３００℃以下の場合には固着することがなく、リフロー温度が３２０℃以上の場合には固着強度が得られるが、濡れ性接触角が小さくなり、ショートが多発した。これに対して、第１表のデータから明らかなように、５０Ｓｎ＋５０Ｓｂのはんだ付け用組成物を用いる本発明のはんだ付け方法では、２６０〜３２０℃の好ましいリフロー温度において十分な強度を確保でき、ショートの発生を防止することができ、且つ濡れ性も好適であった。

実施例２
実施例１で用いたはんだペーストの代わりに、第一金属成分がＳｎ−３．５Ａｇ（融点２２１℃）微粉末であり、第二金属成分がＡｇ（融点９６０．５℃）微粉末であり、Ｓｎ−３．５Ａｇ：Ａｇの質量比が２４．９：７５．１であり（Ｓｎ−７６Ａｇ合金の融点は４８０℃である）、実施例１で用いたフラックスを含有するはんだペーストを用い、第３表に示すリフロー温度を用いた以外は、実施例１と同様にしてチップ間のショート個数を調べ、固着強度及び濡れ性接触角を測定した。それらの結果は第３表に示す通りであった。

比較例２
実施例２で用いたはんだペーストの代わりに、第一金属成分がＳｎ−３．５Ａｇ（融点２２１℃）微粉末であり、第二金属成分がＡｇ（融点９６０℃）微粉末であり、Ｓｎ−３．５Ａｇ：Ａｇの質量比が７２．５：２７．５であり（Ｓｎ−３０Ａｇ合金の融点は２２１℃である）、実施例１で用いたフラックスを含有するはんだペーストを用いた以外は、実施例２と同様にしてチップ間のショート個数を調べ、固着強度及び濡れ性接触角を測定した。それらの結果は第４表に示す通りであった。

第４表のデータから明らかなように、比較例２のはんだペーストを用いた場合に、リフロー温度が２６０〜３００℃の場合にもショート不良が認められ、リフロー温度がそれよりも高くなるとショート個数が多くなっていた。これに対し、第３表のデータから明らかなように、本発明のはんだ付け方法では、測定した全温度域でショート不良は認められず、固着強度も十分であり、濡れ性も良好であった。

実施例３
実施例１で用いたはんだペーストの代わりに、第一金属成分がＳｎ（融点２３２℃）微粉末であり、第二金属成分がＮｉ（融点１４５３℃）微粉末であり、Ｓｎ：Ｎｉの質量比が７０：３０であり（Ｓｎ−３０Ｎｉ合金の融点は７９０℃である）、実施例１で用いたフラックスを含有するはんだペーストを用い、第５表に示すリフロー温度を用いた以外は、実施例１と同様にしてチップ間のショート個数を調べ、固着強度及び濡れ性接触角を測定した。それらの結果は第５表に示す通りであった。

比較例３
実施例３で用いたはんだペーストの代わりに、第一金属成分がＳｎ（融点２３２℃）微粉末であり、第二金属成分がＮｉ（融点１４５３℃）微粉末であり、Ｓｎ：Ｎｉの質量比が９０：１０であり（Ｓｎ−１０Ｎｉ合金の融点は２２１℃である）、実施例１で用いたフラックスを含有するはんだペーストを用いた以外は、実施例３と同様にしてチップ間のショート個数を調べ、固着強度及び濡れ性接触角を測定した。それらの結果は第６表に示す通りであった。

第６表のデータから明らかなように、比較例３のはんだペーストを用いた場合に、リフロー温度が２６０〜２７０℃の場合にもショート不良が認められ、リフロー温度がそれよりも高くなるとショート個数が多くなっていた。これに対し、第５表のデータから明らかなように、本発明のはんだ付け方法では、測定した全温度域でショート不良は認められず、固着強度も十分であり、濡れ性も良好であった。

実施例４
電子部品搭載用基板の両面に導電パターンを形成した。その片面の導電パターン上に実施例１で用いてはんだペーストを塗布し、そのはんだペースト上に電子部品を載せ、実施例１と同様にして２７０℃でリフローソルダリングを実施した。リフローソルダリング後の固着強度は２４Ｎであった。

次いで、片面に電子部品をはんだ付けした電子部品搭載用基板を裏返しにし、反対側の面に形成された導電パターン上に実施例１で用いてはんだペーストを塗布し、そのはんだペースト上に電子部品を載せ、実施例１と同様にして下記の第７表に示すリフロー温度で２回目のリフローソルダリングを実施した。２回目のリフローソルダリング後に、最初のリフローソルダリングで形成されたはんだ付け部分の固着強度を測定した。その結果は第７表に示す通りであった。

第７表のデータから明らかなように、本発明のはんだ付け方法によって形成したはんだは、その後に再度リフローソルダリング条件下に置いても、固着強度が変化する（低下する）ことはない。従って、本発明のはんだ付け方法は電子部品搭載用基板の両面に電子部品をはんだ付けするのに適している。

本発明の両面はんだ付け方法の第一段階を示す概略図である。 本発明の両面はんだ付け方法の図１に示す段階の次の段階を示す概略図である。 本発明の両面はんだ付け方法の図２に示す段階の次の段階を示す概略図である。 本発明の両面はんだ付け方法の図３に示す段階の次の段階を示す概略図である。

符号の説明

１ 電子部品搭載用基板
２、３、９、１０ 導電パターン
４、１３ 電子部品
５、６、１４、１５ 端子電極
７、８、１６、１７ はんだ付け用組成物
１１、１２、１８、１９ 合金はんだ

Claims (6)

1. 鉛を含まず、第一金属成分としてのＳｎ又はＳｎ−３．５Ａｇと第二金属成分としてのＳｂ、Ｎｉ又はＡｇとの混合物であって第一金属成分と第二金属成分との相対量は、溶融状態の第一金属成分中に第二金属成分が拡散してＳｎ４０〜５５質量％とＳｂ４５〜６０質量％とからなるＳｎ−Ｓｂ系合金組成、Ｓｎ６０〜７４質量％とＮｉ２６〜４０質量％とからなるＳｎ−Ｎｉ系合金組成、又はＳｎ１５〜２４．５質量％とＡｇ７５．５〜８５質量％とからなるＳｎ−Ａｇ系合金組成の合金を形成し得る相対量であるはんだ付け用組成物を用いてはんだ付けする方法であって、該第一金属成分を溶融させ、その溶融物中に該第二金属成分を拡散させて合金化した状態ではんだ付けすることを特徴とするはんだ付け方法。
2. 粉末状態のはんだ付け用組成物を用いる請求項１記載のはんだ付け方法。
3. ペースト状態のはんだ付け用組成物を用いる請求項１記載のはんだ付け方法。
4. 電子部品搭載用基板とその両面にはんだ付けされた複数の電子部品とを含む電子回路装置を形成するはんだ付け方法において、少なくとも片面でのはんだ付けを請求項１〜３の何れかに記載のはんだ付け方法によって実施することを特徴とするはんだ付け方法。
5. 電子部品搭載用基板の片面に請求項１〜３の何れかに記載のはんだ付け方法によって電子部品をはんだ付けし、その後、電子部品搭載用基板の反対側の面に請求項１〜３の何れかに記載のはんだ付け方法によって電子部品をはんだ付けして、電子部品搭載用基板とその両面にはんだ付けされた複数の電子部品とを含む電子回路装置を形成することを特徴とするはんだ付け方法。
6. 電子部品搭載用基板の両面のそれぞれのはんだ付けに同一のはんだ付け用組成物を用いる請求項５記載のはんだ付け方法。

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