| 【発明の名称】 |
電子機器およびその接続に用いるはんだ |
| 【発明者】 |
【氏名】中塚 哲也
【氏名】曽我 太佐男
【氏名】下川 英恵
【氏名】石田 寿治
【氏名】奥平 弘明
【氏名】中野 朝雄
【氏名】芹沢 弘二
【氏名】山田 收
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| 【要約】 |
【課題】本発明は、Pbフリーはんだを用いてＬＳＩやチップ部品などの電子部品における回路基板への接続を高信頼に行うことを目的とするものである。特に160℃〜180℃での接続が可能な低温鉛フリーはんだを用いた接続を高信頼に行うことを目的とするものである。
【解決手段】本発明は上記目的を達成するために、電子部品と所定の配線パターンを形成した回路基板とを備え、該電子部品の有する電極と該回路基板の有する配線パターンとをはんだを用いて接続して構成した電子機器であって、該回路基板の配線パターンと該電子部品の電極とを接続する接続部の少なくとも一部の組成がBiを約54重量%以上62重量%以下，Agを約0.5重量%以上0.9重量%以下、Inを約0.3重量%以上3.0重量%以下及び不可避不純物を合計約1.5重量%以下，残りSnであるものである。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】電子部品と所定の配線パターンを形成した回路基板とを備え、該電子部品の有する電極と該回路基板の有する配線パターンとをはんだを用いて接続して構成した電子機器であって、該回路基板の配線パターンと該電子部品の電極とを接続する接続部の少なくとも一部の組成がBiを約54重量%以上62重量%以下，Agを約0.5重量%以上0.9重量%以下、Inを約0.3重量%以上3.0重量%以下及び不可避不純物を合計約1.5重量%以下，残りSnであることを特徴とする電子機器。
【請求項２】前記電子部品の有する電極にCu層もしくはSn-Cu系層を形成して前記回路基板の配線パターンとの間をはんだを用いて接続したことを特徴とする請求項１記載の電子機器。
【請求項３】前記回路基板の配線パターン上にBiを約54重量%以上62重量%以下，Agを約0.5重量%以上0.9重量%以下、Inを約0.3重量%以上3.0重量%以下、及び不可避不純物を合計約１.0重量%以下，残りSnであるはんだを供給して最上層にCu 層もしくはSn-Cu系層が形成された前記電子部品の有する電極と接続することで、前記回路基板の配線パターンと前記電子部品の電極とを接続する接続部の少なくとも一部の組成がBiを約54〜62重量%，Agを約0.5重量%以上0.9重量%以下、Inを約0.3重量%以上3.0重量%以下、及び不可避不純物を合計約1.5重量%以下，残りSnとなることを特徴とする請求項１記載の電子機器。
【請求項４】前記電子部品の有する電極をCu系の材料で構成したことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電子機器。
【請求項５】前記電子部品の有する電極にSn-Bi層もしくはAu層を形成して前記回路基板の配線パターンとの間をはんだを用いて接続したことを特徴とする請求項１記載の電子機器。
【請求項６】前記電子部品の有する電極にCu層もしくはNi層を形成し、その上にSn-Bi層もしくはAu層を形成して前記回路基板の配線パターンとの間をはんだを用いて接続したことを特徴とする請求項１記載の電子機器。
【請求項７】前記電子部品の電極をＣｕ系の材料で構成したことを特徴とする請求項５または６記載の電子機器。
【請求項８】Biを約54重量%以上62重量%以下，Agを約0.5重量%以上0.9重量%以下、Inを約0.3重量%以上3.0重量%以下、及び不可避不純物を合計約1.0重量%以下，残りSnによって構成されることを特徴とする鉛フリーはんだ。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、鉛フリーはんだを用いた接続構造を有する電子機器に係り、特に有機基板などの回路基板にＬＳＩや部品等を接続した接続構造を有する電子機器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、電子機器の接続構造において、温度階層の必要性、実装部品や基板の耐熱性の問題などから、低温Pbフリーはんだ合金による接続が検討されている。例えば、Sn-3.5重量%Ag(融点221℃),Sn-5重量%Sb(融点240℃)などはSn-37重量％Pb(以下Sn-37Pbと略す)はんだに代わるPbフリーはんだ合金として使用実績があるが、Sn-9重量%Zn(融点199℃)と併せて、融点が高すぎる。そのため、耐熱温度の低い電子部品や基板、例えば電解コンデンサの接続などで要求される160℃近くでの低温はんだ付けには使用できない。
【０００３】一方、Sn-52重量%In(融点117℃)などもあるが、これでは融点が低すぎるため接続部の高温における強度を確保することが難しい。また、Inのコストが高いことが問題となり、一般量産品には適用しづらく、はんだの性質を改善するための数重量％程度の微量添加ができる程度である。
【０００４】また、Sn-58重量%Bi(融点138℃)(以下Sn-58Biと略す)は融点の面では問題ないが、材料自体が硬く脆いため、接続面積を大きくできる構造物には適するが、微細接続が必要な近年の電子部品のリード等を高信頼で接続することは不可能である。
【０００５】よって、これらの２元系の鉛フリーはんだをそのまま電子機器の接続構造に使用するのは困難である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、Pbフリーはんだを用いてＬＳＩやチップ部品などの電子部品における回路基板への接続を高信頼に行うことを目的とするものである。特に160℃〜180℃での接続が可能な低温鉛フリーはんだを用いた接続を高信頼に行うことを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達成するために特許請求の範囲の通りに構成したものである。
【０００８】ここで、電子部品と回路基板との接続部にBiを約54重量%以上62重量%以下，Agを約0.5重量%以上0.9重量%以下、Inを約0.3重量%以上3.0重量%以下、及び不可避不純物を合計約1.0重量%以下，残りSn の組成の合金を使用した理由について以下に説明する。
【０００９】まず、我々は、Sn-58Biの硬くて脆い性質を改善するために、Sn-58Bi にInを添加することついて検討した。その理由は、Inは延性、展性に富む金属材料であること、また、数重量％程度の範囲ならはんだのベース材料であるSnと共晶反応をおこしてもベース材の融点を大きく変化させる事が無いことによる。
【００１０】そこで、以下のようにサンプルを作製してはんだの信頼性について評価した。
【００１１】（１）サンプルピッチが0.5mm、リード数208、リード材質が42アロイ、リードめっきがSn-1重量%Biの30mm角QFP-LSIを使用し、このQFP-LSIをSn-58Bi付近のBiの一部をInで置き換えた数種類の組成のはんだペーストにより接続したサンプルを作製した。
【００１２】（２）試験方法サンプルのリードを図１に示す方法で基板面より45°の方向へ引っ張り、破断するまでの最大強度(これを45°ピール強度と呼ぶことにする)を測定した。
【００１３】図2はその試験結果である。
【００１４】これによるとはんだ内のInの含有量が0.3重量％以上で、接続強度が向上し始めることがわかる。またこのとき、接続後のはんだ中に不可避不純物の主成分であるCuが約0.5重量％含まれていることもわかった。これは、基板電極からのCuの溶け込みによるもので、厳密には、はんだ接続部にはSn,Bi,In,Cu等が主に存在していることになる。
【００１５】また、Inの添加量が1.0重量％に達したあたりで45°ピール強度はほぼ一定値となるが、3.0重量％を超えて添加すると、接続部内にSn,PbとInから構成される低融点の共晶相の出現が顕著となり、高温での信頼性が低下することがわかった。また、はんだ付け時の温度やはんだ付けに費やす時間によっては、不可避不純物の主成分である基板電極からのCuの溶け込み量は通常の値から増加するが、これにより金属間化合物の粗大な結晶がはんだ中に出現し、これがはんだ中のクラック進展経路となりやすくなるため、信頼性が低下しはじめることもわかった。また、このとき接続部はんだ内のCuの含有量が1.5重量％を超えることに相当することがわかった。
【００１６】次に、さらなる強度改善として、前述の試験結果により選定されたSn-58Bi合金中のBiを0.3重量％以上3.0重量％以下のInと置き換えた合金に、前述のInの場合と同様、はんだのベース材料であるSnと共晶反応をおこしてもベース材の融点を大きく変化させず、はんだ全体の融点を大きく変化させる事無く改善ができるAgの添加を試みることにした。試験方法については前述の試験と同様である。
【００１７】その結果を図３に示す。
【００１８】これによるとAgの含有量が0.5重量％以上で、接続強度が向上し始めることがわかった。また、約1.0重量％以上のAgを添加したとしても機械的強度は向上しないこともわかった。次に、Bi含有量が合金の凝固組織に与える影響を調べるための実験を行った。方法は、Bi含有量が50重量％以上65重量％以下の表１に示す合金で作製した直径１ｍｍのはんだボールを、基板上の電極を想定したCu板上で塩素量0.2重量%のフラックス中で160℃にて溶融させた後、通常の表面実装接続部におけるはんだ付け後の冷却速度である100℃/minで室温まで冷却させ、はんだ表面の凝固組織を観察するという方法をとった。
【００１９】
【表１】
【００２０】その結果、Biは54重量%以上62重量%以下の範囲ではクラック状の引け巣がはんだ表面に発生しておらず、なめらかなはんだ表面を得ることができることがわかった。これはBi含有量が54重量%以上62重量%以下の範囲では、合金の固相線温度、液相線温度の差が小さく、共晶組成のはんだの場合と同様、はんだ凝固時に、はんだが一様に凝固するためであると考えられる。
【００２１】そして、Sn-Bi系の２元共晶組成である Sn-58Biはその融点が138℃であることが知られており、160℃という従来のSn-37Pbのはんだ付け温度220℃と比較すると、はるかに低温での接続が可能であることがわかっている。
【００２２】そこで、溶融特性を調べるために、提案組成範囲から数種類のはんだペーストを作製し、160℃におけるはんだペーストのCu電極へのぬれ性を測定した。その結果、いずれの組成のはんだペーストも100%以上のぬれ性を示し、ペーストの印刷部分は確実にぬれが得られ、２元共晶組成である Sn-58Biと同じ接続プロセスを使用することが可能であることがわかった。これにより、アルミ電解コンデンサ等の低い耐熱温度(約230℃)に対しても大きなマージンを確保しながら接続ができることがわかった。
【００２３】ところで、最上層にCu 層もしくはSn-Cu系層が形成された電子部品の有する電極からの溶け込みまでを考慮すると、回路基板の配線パターン上にBiを約54重量%以上62重量%以下，Inを約0.3重量%以上3.0重量%以下，Agを約0.5重量%以上0.9重量%以下、不可避不純物を合計約1.0重量%以下，残りSnであるはんだを供給して、回路基板の配線パターンと前記電子部品の電極とを接続する接続部の少なくとも一部の組成をBiを約54重量%以上62重量%以下，Inを約0.3重量%以上3.0重量%以下，Agを約0.5重量%以上0.9重量%以下、不可避不純物を合計1.5重量%以下，残りSnとすることが好ましい。
【００２４】なお、電子部品の電極の最上層にCu 層もしくはSn-Cu系層を形成した方が、Sn-Bi-In-Ag系のはんだとの相性（界面強度など）は良い。また溶け込みによる組成比率の制御も容易となる。これはSn-Bi系のメタライズ、Sn-Ag系のメタライズについても同様のことが言える。逆に、Sn-Bi-In-Ag系のはんだを使用することで、Sn-In系、Sn-Cu系、Sn-Bi系、Sn-Ag系のいずれのメタライズを使用したとしても溶け込みに対する信頼性を確保することが容易であり、基板側のメタライズに応じてはんだ組成を再検討すると言ったような煩わしさも少ないと言ったメリットもある。
【００２５】また、電子部品の電極材料にＣｕを用いた場合、電極の最上層にCu 層もしくはSn-Cu系層を形成し、さらにSn-Bi-In-Ag系のはんだを用いることで、電子部品の電極とメタライズとの界面強度やメタライズとはんだ材料との界面強度を含め、電子部品の電極と回路基板の配線パターンとの間に形成される接続部分の信頼性を向上させることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。
【００２７】上記はんだの接続強度を評価するために次の実験を行った。
【００２８】(実施例１)まず、厚さ1.6mm、縦90mm、横140mm基板面の銅箔厚18mmのガラスエポキシ基板にリードピッチ:0.5mm、リード幅:0.2mm、リード材質:42アロイ、リードめっき:Sn-10Pb(単位:重量%)、4辺のリード総本数:208、寸法32mm角のQFP(Quad Flat Package)-LSI、リードピッチ:0.5mm、リード幅:0.2mm、２辺のリード総本数:56、寸法14mm×18mmの短辺側にリードのついたTSOP(Thin Small Outline Package)、そして寸法1.6mm×3.2mmのチップ部品を表２に示す提案組成のはんだペーストにより基板に160℃で窒素リフロー装置により酸素濃度100ppmにて接続した。
【００２９】また、信頼性比較用にSn-58Bi,Sn-37Pbにて同じ部品を接続した基板も作製した。但し、Sn-37Pbは融点が183℃と比較的高温であるため、接続温度を220℃とした。
【００３０】次に、これらの基板を用いて、一般家電品の信頼性試験に多く採用されている-40〜85℃、１サイクル／ｈの条件での温度サイクル試験を行った。
【００３１】その結果を表２に示す。
【００３２】
【表２】
【００３３】これによると、試験合格判定基準となっている1000サイクル経過後、Sn-58BiにてTSOPを接続した方の基板からはTSOPの一部のリード接続部破断が見られた。よって、Sn-58BiはTSOPのようにリードが短くリードによる応力緩和が期待できない一部の電子部品の接続には適さないが、提案組成は高信頼であるSn-37Pbと同様に使用できることがわかった。
【００３４】(実施例２)厚さ1.6mm、縦90mm、横140mm基板面の銅箔厚18mmのガラスエポキシ基板にリードピッチ:0.5mm、リード幅:0.2mm、リード材質:42アロイ、リードめっき:Sn-10Pb(単位:重量%)、4辺のリード総本数:208、寸法32mm角のQFP(Quad Flat Package)-LSIを表３に示す提案組成のはんだペーストにより基板に160℃で窒素リフロー装置により酸素濃度100ppmにて接続した。
【００３５】また、信頼性比較用にSn-58Bi、Sn-37Pbにて同じ部品を接続した基板も作製した。但し、Sn-37Pbは融点が183℃と比較的高温であるため、接続温度を220℃とした。
【００３６】次に、接続後のQFP-LSIのリードを図１の方法で45°ピール強度を測定し平均値を算出した。その結果を表３に示す。
【００３７】
【表３】
【００３８】その結果、Sn-58Bi以外は十分な強度が確保されており、提案組成は高信頼であるSn-37Pbと同様に使用できることがわかった。
【００３９】(実施例３)厚さ1.6mm、縦90mm、横140mm基板面の銅箔厚18mmのガラスエポキシ基板にリードピッチ:0.5mm、リード幅:0.2mm、リード材質:42アロイ、リードめっき:Sn-1Bi(単位:重量%)、4辺のリード総本数:208、寸法32mm角のQFP(Quad Flat Package)-LSIを表４に示す提案組成のはんだペーストにより基板に160℃で窒素リフロー装置により酸素濃度100ppmにて接続した。
【００４０】
【表４】
【００４１】また、信頼性比較用にSn-58Bi、Sn-37Pbにて同じ部品を接続した基板も作製した。但し、Sn-37Pbは融点が183℃と比較的高温であるため、接続温度を220℃とした。
【００４２】次に、接続後のQFP-LSIのリードを図１の方法で45°ピール強度を測定し平均値を算出した。結果を表４に示す。
【００４３】その結果、Sn-58Bi以外は、十分な強度が確保されており、提案組成は高信頼であるSn-37Pbと同様に使用できることがわかった。
【００４４】(実施例４)厚さ1.6mm、縦90mm、横140mm基板面の銅箔厚18mmのガラスエポキシ基板にリードピッチ:0.5mm、リード幅:0.2mm、リード材質:42アロイ、リードめっき:Cu下地めっき上にSn-8Bi(単位:重量%)、4辺のリード総本数:208、寸法32mm角のQFP(Quad Flat Package)-LSIを表５に示す提案組成のはんだペーストにより基板に160℃で窒素リフロー装置により酸素濃度100ppmにて接続した。
【００４５】
【表５】
【００４６】また、信頼性比較用にSn-58Bi、Sn-37Pbにて同じ部品を接続した基板も作製した。但し、Sn-37Pbは融点が183℃と比較的高温であるため、接続温度を220℃とした。
【００４７】次に、接続後のQFP-LSIのリードを図１の方法で45°ピール強度を測定し平均値を算出した。結果を表５に示す。
【００４８】その結果、Sn-58Bi以外は、十分な強度が確保されており、提案組成は高信頼であるSn-37Pbと同様に使用できることがわかった。
【００４９】(実施例５)厚さ1.6mm、縦90mm、横140mm基板面の銅箔厚18mmのガラスエポキシ基板にリードピッチ:0.5mm、リード幅:0.2mm、リード材質: Cu、リードめっき: Sn-1Bi(単位:重量%)、4辺のリード総本数:208、寸法32mm角のQFP(Quad Flat Package)-LSIを表６に示す提案組成のはんだペーストにより基板に160℃で窒素リフロー装置により酸素濃度100ppmにて接続した。
【００５０】
【表６】
【００５１】また、信頼性比較用にSn-58Bi、Sn-37Pbにて同じ部品を接続した基板も作製した。但し、Sn-37Pbは融点が183℃と比較的高温であるため、接続温度を220℃とした。
【００５２】次に、接続後のQFP-LSIのリードを図１の方法で45°ピール強度を測定し平均値を算出した。結果を表６に示す。
【００５３】その結果、Sn-58Bi以外は、十分な強度が確保されており、提案組成は高信頼であるSn-37Pbと同様に使用できることがわかった。
【００５４】(実施例６)厚さ1.6mm、縦90mm、横140mm基板面の銅箔厚18mmの凹形状電極を持ったガラスエポキシ基板にピッチ:1.8mm、直径:0.2mm、リード材質:コバール、リードめっき:Ni(下地側)／Au ２層めっき、ピン総本数:1019、寸法42mm角のムライト製PGA(Pin Grid Array)を表７に示す提案組成のはんだペーストにより基板に160℃で窒素リフロー装置により酸素濃度100ppmにて接続した。この実装品接続部断面の概略図を図６に示す。
【００５５】また、信頼性比較用にSn-58Bi、Sn-37Pbにて同じ部品を接続した基板も作製した。但し、Sn-37Pbは融点が183℃と比較的高温であるため、接続温度を220℃とした。
【００５６】次に、これらの基板を用いて、低温はんだの信頼性試験に多く採用されている0〜90℃、１サイクル／ｈの条件での温度サイクル試験を行った。
【００５７】その結果を表７に示す。
【００５８】
【表７】
【００５９】これによると、試験合格基準となっている1000サイクル経過後、Sn-58Biにて接続を行った基板のPGA接続部の一部にピン破断が見られたが、提案組成は高信頼であるSn-37Pbと同様に使用できることがわかった。
【００６０】
【発明の効果】本発明によれば、Pbフリーはんだを用いてＬＳＩやチップ部品などの電子部品における回路基板への接続を高信頼に行うことができる。特に160℃〜180℃での接続が可能な低温鉛フリーはんだを用いた接続を高信頼に行うことができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５１０８
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
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| 【出願日】 |
平成１２年６月１２日（２０００．６．１２） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７５０９６
【弁理士】
【氏名又は名称】作田 康夫
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| 【公開番号】 |
特開２００１−３５８４５９（Ｐ２００１−３５８４５９Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年１２月２６日（２００１．１２．２６） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−１８０７１８（Ｐ２０００−１８０７１８） |
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