JP3446517B2 - Ｐｂフリーはんだ材料及びそれを用いた電子機器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、毒性の少ないＰｂ
フリーはんだ合金及びこれを用いた実装品に関するもの
である。このはんだ合金は、有機基板等の回路基板への
ＬＳＩ等の電子部品の接続に適用でき、従来の２２０〜
２３０℃でのはんだ付けに用いられているＰｂーＳｎ共
晶はんだの代替品である。

【０００２】

【従来の技術】従来、有機基板等の回路基板にＬＳＩ等
の電子部品を接続して電子回路基板の製造するには、Ｓ
ｎ−Ｐｂ共晶はんだ、及びこのＳｎ−Ｐｂ共晶はんだ近
傍で、融点も類似なＳｎ−Ｐｂはんだ、或いは、これら
に少量のＢｉやＡｇを添加したはんだ合金が用いられて
いる。

【０００３】これらのはんだには、Ｐｂが約４０重量％
含まれている。いずれのはんだ合金も、融点はほぼ１８
３℃であり、２２０〜２３０℃でのはんだ付けが可能で
あった。また、１５０℃程度の高温での信頼性を保証す
ることができた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のＳｎ−
Ｐｂ共晶はんだ中に含まれているＰｂは人体に有毒な重
金属であり、このＰｂを含む製品を廃棄することによる
地球環境の汚染、生物への悪影響が問題となっている。
この地球環境の汚染は、野ざらしに放置されたＰｂを含
む電気製品から、雨等によってＰｂが溶出することによ
って起こる。Ｐｂの溶出は、最近の酸性雨によって加速
される傾向にある。従って、環境汚染を低減するため
に、大量に使用されている上記のＳｎ−Ｐｂ共晶系はん
だの代替材料としてＰｂを含まない低毒性のはんだ合金
が必要である。

【０００５】このＳｎ−Ｐｂ共晶はんだの代替材料とし
てのＰｂフリーはんだ合金は、以下のような特性を持た
なければならない。

【０００６】まず、従来のＳｎ−Ｐｂ共晶はんだと同様
に２２０〜２３０℃での温度ではんだ付けが可能でなけ
ればならない。これは、ＬＳＩ等の電子部品、及び有機
基板等の回路基板の耐熱性から、これ以上の温度でのは
んだ付けが困難なためである。このために、はんだ合金
の液相線温度はほぼ２１０℃以下でなけらばならない。

【０００７】また、このはんだ合金のぬれ性は、Ｓｎ−
Ｐｂ共晶はんだ、あるいは従来の使用実績のあるＳｎ−
Ａｇ共晶はんだ（３．５重量％のＡｇ、残りＳｎのはん
だ）とほぼ同等である必要がある。もしこのＰｂフリー
はんだが、従来のはんだと比較して、表面の酸化等によ
りぬれ性が極端に悪いと、はんだ付け雰囲気の改善、は
んだ材料に適したフラックス、洗浄材料、及び洗浄方法
の開発、はんだ付けされる電極部の材料開発等の大きな
課題を生じてしまう。

【０００８】はんだ組織としては、クラック進展のきっ
かけになりうる針状等の高アスペクト比の大きな結晶
が、存在しないことが重要である。これらの針状の結晶
がはんだ表面から成長すると、電気的な短絡を起こして
しまうこともある。

【０００９】また、できるだけ高温、即ち、１５０℃、
少なくとも１２５℃での信頼性を確保できなければなら
ない。これは、電気製品の使用時では、部品自体の発
熱、或いは使用環境が高温であることにより、はんだ接
続部の温度が上昇する場合があるためである。

【００１０】また、はんだ合金の伸びは、電子部品、回
路基板間の熱膨張の不一致に適用するために重要であ
る。従って、上記の様な特性を持つＰｂフリーはんだ合
金が必要である。

【００１１】しかし、この様なＰｂフリーはんだ合金は
今まで提供されていない。２元合金であるＳｎ−Ａｇ共
晶はんだ、或いはＳｎ−Ｂｉ共晶はんだはＰｂフリーは
んだであり、階層接続用のはんだとして使用されている
が、融点はそれぞれ２２１℃、１３８℃であり、前者は
２４０℃程度のはんだ付け温度が必要であり、また、後
者は高温での信頼性を確保することが難しい。また、Ｓ
ｎ−Ｚｎ系はんだはＳｎ−Ｚｎ共晶はんだの融点が１９
９℃であるため、融点的にはＳｎ−Ｐｂ共晶はんだの代
替材料として有力であるが、Ｚｎの酸化のために、大気
中で十分なぬれ性を確保することが難しかった。

【００１２】また、特開平７−１１７９号公報、或いは
特開平７ー８８６８０号公報に記載されている様なＰｂ
フリーはんだ合金もあるが、前者は融点が約１３８℃近
辺であり、後者は２２０〜２３０℃でのはんだ付けは困
難であり、両者ともＳｎ−Ｐｂ共晶はんだの代替材料に
はなり得なかった。

【００１３】従って、本発明の目的は、前述の条件を満
たしたＰｂフリーはんだ及びこれを用いた実装品を提供
することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的は、１０重量％
〜２５重量％のＢｉ、１．５重量％〜３重量％のＡｇ、
残りＳｎ、及び不可避不純物で構成されるＳｎ−Ａｇ−
Ｂｉ系はんだ、或いは、このはんだ合金にＣｕを１重量
％未満含んだＳｎ−Ａｇ−ＢｉーＣｕ系はんだ合金、更
に望ましくはＣｕを０．１重量％未満含んだＳｎ−Ａｇ
−ＢｉーＣｕ系はんだ合金によって達成することができ
る。これらの範囲のはんだ合金の低温で溶融する３元共
晶量は、２０％以下である。

【００１５】以下に、本発明のはんだ合金を選定した理
由を説明する。

【００１６】Ｂｉが０〜６０重量％、Ａｇが０〜５重量
％、残りＳｎの範囲のＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ系はんだについ
て、詳細に溶融特性を検討した。この検討の一例とし
て、２重量％のＡｇ、１３重量％のＢｉ、残りＳｎのは
んだ（ａ）、２重量％のＡｇ、１５重量％のＢｉ、残り
Ｓｎのはんだ（ｂ）、２重量％のＡｇ、２２重量％のＢ
ｉ、残りＳｎのはんだ（ｃ）についての溶融特性を、図
１に示した。これらは、各組成のはんだ合金を、同量ず
つ秤り取り、リフロー炉を用いて溶融、凝固させ、示差
熱分析により溶融特性を調べたものである。リフロー炉
を用いて溶融、凝固させたのは、試料の冷却速度を通常
のはんだ付け時と同様にするためである。示差熱分析は
２℃／分の昇温速度で行った。このような詳細な検討を
上記範囲内の組成について行った結果、２２０〜２３０
℃ではんだ付けを行うためには、液相線温度は少なくと
も２１０℃以下でなければならず、Ｂｉ量は少なくとも
１０重量％以上必要であることがわかった。

【００１７】図２に、１０重量％のＢｉ、２重量％のＡ
ｇ、残りＳｎのはんだ（ｄ）、１０重量％のＢｉ、３重
量％のＡｇ、残りＳｎのはんだ（ｅ）、及び１０重量％
のＢｉ、４重量％のＡｇ、残りＳｎのはんだ（ｆ）の３
種類のはんだ合金の組織の様子を示した。これは、この
はんだ合金を２４０℃で３０秒溶融させた後、８０℃／
分で冷却させて、その組織を断面研磨し、金属顕微鏡で
観察したものである。これから、（ｄ）、（ｅ）のＳｎ
−Ａｇ−Ｂｉ系はんだではＳｎの丸い結晶の間に球状の
Ｂｉ結晶とＡｇ３Ｓｎの小さい結晶が見られたが、Ｓｎ
−Ａｇ−Ｂｉ系はんだ（ｆ）においてはＡｇ３Ｓｎの大
きな針状結晶が晶出していることがわかった。この結果
は、他のＢｉ量についても同様にＡｇ量を変えて組織観
察を行ったところ、同様に、Ｓｎ−Ａｇ２元共晶ライン
をＡｇの濃度を増す方向に越えると、Ａｇ３Ｓｎの初晶
が析出していた。このため、このラインを越えないよう
にＡｇ量は３重量％以下でなければならないことがわか
った。また、Ａｇははんだの機械的性質を改善するため
に添加されているが、１．５重量％以下ではその効果は
見られなかった。また、Ａｇ量が少なくなると、液相線
温度が上昇してしまい、液相線温度と固相線温度との差
が大きくなってしまうことがわかった。従ってＡｇ量は
１．５重量％以上でなければならない。

【００１８】次に１５０℃、少なくとも１２５℃での信
頼性を確保するための条件について示す。このような高
温での信頼性を確保するためには、はんだの固相線温度
が重要である。図１に示した様な詳細なはんだの溶融特
性の検討から、このＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ系では、Ｂｉが約
１０重量％以上になると１３８℃付近で溶融する部分が
生じることがわかった。これは測定試料の作成時の冷却
速度によって影響を受け、冷却速度が速い場合にはＢｉ
が約１８重量％以下ではこの溶融ピークは出現しない
が、通常のはんだ付け時の冷却速度によって冷却された
試料では、Ｂｉが１０重量％から１８重量％の範囲内で
も溶融してしまうことがわかった。この１３８℃で溶融
する部分はＳｎ−Ａｇ−Ｂｉの３元共晶組成の部分であ
る。そこで、Ｓｎ−Ａｇ２元共晶ライン上で、Ｂｉ量を
変えた時の１３８℃で溶融する部分の割合を、同量の３
元共晶組成（１重量％のＡｇ、５７重量％のＢｉ、残り
Ｓｎ）のはんだのピーク熱量と比較することによって求
め、図３に示した。これから、１３８℃で溶融する割合
はＢｉ量によって滑らかに変化することがわかった。３
元共晶の割合の少ない範囲であれば、実用上問題がない
と言える。そのため、各種温度サイクル試験を行って検
討した結果、３元共晶の割合は２０％程度以下にする必
要があり、Ｂｉは２５重量％以下にしなければならない
ことがわかった。この高温での信頼性を確保するための
Ｂｉ量は、高温での引張試験によっても確認することが
できた。図４には、Ｂｉ量を変えたときの１５０℃での
引張強度を示した。これは、１５０℃での強度が高温で
の信頼性の目安となるからである。引張試験は０．１ｍ
ｍ／分の引張速さで行った。０．１ｍｍ／分の引張速度
とした理由は、実際の温度サイクル試験時にサンプルが
受ける最大歪速度を再現するため、引張速度に等価変換
したことによる。これからも、Ｂｉが２５重量％以下で
あれば、１５０℃での引張強度を持ち、高温での使用に
耐えられることがわかった。３元共晶がある程度存在し
ても、１５０℃で強度が保証される理由は、３元共晶の
生成メカニズムに基づく。即ち、Ｂｉ量を増すと３元共
晶が生成されるが、融点の高いＳｎ晶の隙間に点在して
いる状況のため、強度を有する。更にＢｉが増すと、Ｓ
ｎ晶の中のＢｉ量が増えＳｎ晶自体の融点が下がり、ま
たＳｎ晶の隙間での３元共晶量も増えるため強度がでな
くなる。ここではＢｉが２５重量％で、３元共晶が２０
％の範囲までは、Ｓｎ晶の隙間を３元共晶が完全に埋め
尽くさないために、１５０℃での強度を有することにな
る。同様に、１２５℃で引張試験を行って引張強度を測
定し、図５に示したが、Ｂｉが２５重量％以上になる
と、引張強度は５ＭＰａ以下となってしまうが、Ｂｉが
２５重量％以下であればＢｉが少なくなるにつれて引張
強度が増し、高温での信頼性を確保できることがわかっ
た。

【００１９】また、Ｃｕは組織改善のために添加した。
ＣｕはＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ系はんだ中では通常Ｃｕ−Ｓｎ
の化合物として存在する。Ｃｕ−Ｓｎ化合物はＣｕ量が
微量であれば小さな球状であるので、Ｓｎの間に分散し
分散強化型の合金になる。これは、少量のＳｎ−Ｃｕ化
合物が存在するだけで効果がある。Ｓｎ中にはＣｕは約
０．００６重量％まで固溶するので、Ｃｕ−Ｓｎ化合物
を生成させるためには、０．００６重量％以上のＣｕの
添加が必要である。しかし、Ｃｕ量が０．１重量％以上
となると、はんだが脆化し始める。Ｃｕ−Ｓｎ化合物が
大型化し、この化合物は硬いために変形しにくく、はん
だ接合部全体としての柔軟性をうばうからである。これ
は、リードの無い構造であるはんだボールを用いた接
続、或いは、実装密度が高まることによりはんだ付け継
ぎ手が小さくなることによって、電子回路の発熱の影響
が大きくなり、接続部にかかる歪みが大きくなった場合
の様に、はんだの柔軟性が必要な接続では特に重要な項
目である。更にＣｕ量を１重量％以上にすると、別の項
目での劣化が見られる。まず、ぬれ性について、図６に
１５重量％のＢｉ、２．５重量％のＡｇ、残りＳｎのは
んだにＣｕを添加したときのはんだのぬれ拡がりを示し
たが、Ｃｕが０．５重量％の場合にぬれ拡がりが最高と
なり、それ以上のＣｕ濃度では、Ｃｕの濃度と共にぬれ
拡がりが低下し、２重量％ではＣｕを添加しなかった場
合よりもぬれ性が劣化していることがわかった。 ま
た、Ｃｕ量が多くなると、はんだ中のＳｎがＣｕとの化
合物生成に消費されるため、相対的にＡｇ量が増し、針
状の大きいＡｇ３Ｓｎの結晶が生じやすくなる。１５重
量％のＢｉ、２．８重量％のＡｇ、残りＳｎのはんだ
に、０．５重量％、１重量％、２重量％のＣｕを添加し
たはんだの組織を観察したが、Ｃｕ添加量が増えるにつ
れてＣｕ−Ｓｎ化合物が増すと共に、１重量％以上のＣ
ｕを添加した場合には、大きいＡｇ３Ｓｎの結晶が生成
することがわかった。この大きいＡｇ３Ｓｎの結晶はク
ラック進展のきっかけとなりうる。従って、これを防止
するためにＡｇ量を予め減らすことが考えられるが、逆
に液相線温度の上昇が起こってしまう。以上から、Ｃｕ
は１重量％以下、望ましくは０．１重量％以下とした。
ぬれ性は、上記の組成範囲のはんだ合金は、大気中でＳ
ｎ−Ａｇ共晶はんだとほぼ同レベルであり、従来のフラ
ックス、電極部材料をそのまま使用できる。

【００２０】また、図７に、２元共晶ライン上でＢｉ量
を変えたときの室温での伸びを示したが、上記の組成範
囲内のはんだ合金の伸びは、室温で１７％以上あり。実
用上問題無い。

【００２１】更に２２０〜２３０℃でのはんだ付け性、
及び高温での信頼性を向上させるためには、上記の様に
選定した組成のうち、１３重量％〜２０重量％ のＢ
ｉ、２重量％〜３重量％のＡｇ、残りＳｎ、及び不可避
不純物で構成されるＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ系はんだ、或い
は、このはんだ合金にＣｕを１重量％未満含んだＳｎ−
Ａｇ−ＢｉーＣｕ系はんだ合金、更に上記３元系はんだ
合金にＣｕを０．１重量％未満含んだＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ
−Ｃｕ系はんだ合金が望ましい。これは、Ｂｉが１３重
量％以上であればＢｉが１０重量％の場合に比べて液相
線温度が下がり、更に熱容量の大きな部品でも２２０〜
２３０℃でのはんだ付けは容易になりうるからである。
また、ＡｇもＳｎ−Ａｇ２元共晶ラインよりＡｇ量の少
ない領域では、液相線温度を下げる作用を持ち、Ａｇ量
が２重量％以上であればリフロー性は更に向上し、機械
的性質も更に向上するからである。また、Ｂｉ量が２０
重量％以下であれば、１３８℃付近で３元共晶の溶融す
る割合は１０％以下になり、また、１５０℃での引張強
度も５ＭＰａ程度以上、１２５℃での引張強度も１５Ｍ
Ｐａ程度以上有することから、高温での強度、クリープ
特性、振動、衝撃等の信頼性が向上し、高温で使用され
る電気製品に対して信頼性のマージンを拡げることがで
きる。

【００２２】以上に示した様に、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉはん
だ合金の有効範囲を選定した。

【００２３】

【発明の実施の形態】表１に示す６組成のはんだを作成
し、その性質を調べた結果を以下に述べる。

【００２４】

【表１】

【００２５】（実施の形態１）本発明の一例として、１
５重量％のＢｉ、２重量％のＡｇ、残りＳｎの合金を作
成した。この合金の液相線温度は２０７℃、固相線温度
は１５６℃であるが、１３８℃付近で３元共晶の溶融す
る部分があり、その割合は５％であり、実用上問題無
い。室温での引張強度は７７ＭＰａ、１５０℃での引張
強度は１１ＭＰａ、１２５℃での引張強度は２２ＭＰ
ａ、室温での伸び率は１９％であった。また、大気中で
のぬれ性は、Ｓｎ−Ａｇ共晶の９１％であり、Ｓｎ−Ａ
ｇ共晶はんだと同程度と言える。このはんだ合金を粉末
化し、フラックス成分と混練りしはんだペーストを作成
した。このはんだペーストを用いて、０．５ｍｍピッ
チ、２０８ピンのＱＦＰ（Quad Flat Package)ーＬＳＩ
をガラスエポキシ基板にはんだ付けし、ー５５℃３０分
〜１２５℃３０分（１時間／１サイクル）の温度サイク
ル試験を行った。ＱＦＰ−ＬＳＩのリードはＳｎめっき
されている。また、はんだ付け時の最高温度は２２０℃
であった。最も応力が大きく作用するコーナーピンのフ
ィレット表面について、初期から１０００サイクルま
で、電子顕微鏡により追跡調査を行ったが、表面に多少
の変化が生じるだけで、断線に至る様なクラックは生じ
ず、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだと比較して、遜色はなかっ
た。このコーナーピンの断面を研磨し、観察したが、ク
ラックは生じていないことが確認された。従って、上記
組成のはんだ合金は、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだの代替材料
として使用することができる。このはんだ合金について
は、ＢＧＡ（Ball Grid Array）、ＣＳＰ（Chip Size P
ackage）等の接続用のはんだボールとしても使用するこ
とができる。また、表面酸化が少ないので、フローはん
だ付け用のはんだ材として使用することもできる。更
に、はんだ箔として使用し、チップのダイボンド用、モ
ジュール実装用、封止用にも適用可能である。

【００２６】（実施の形態２）同様に、本発明の一例と
して、１５重量％のＢｉ、２．５重量％のＡｇ、残りＳ
ｎの合金を作成した。この合金の液相線温度は２０４
℃、固相線温度は１５５℃、１３８℃付近で３元共晶の
溶融する割合は５％であった。室温での引張強度は７８
ＭＰａ、１５０℃での引張強度は１０ＭＰａ、室温での
伸び率は２０％であった。また、大気中でのぬれ性は、
Ｓｎ−Ａｇ共晶の９２％であった。このはんだ合金をは
んだペースト化し、実施例１と同じ温度サイクル試験を
行った。この結果、最も応力が大きく作用するコーナー
部のはんだフィレット表面は、１０００サイクルまで、
実施例１の結果と同様に、表面に多少の変化が生じるだ
けで、断線に至るクラックは生じなかった。従って、実
施例２のはんだ合金は、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだの代替材
料として有効である。

【００２７】（実施の形態３）同様に、本発明の一例と
して、２０重量％のＢｉ、２．５重量％のＡｇ、残りＳ
ｎの合金を作成した。この合金の液相線温度は２００
℃、固相線温度は１３８℃、１３８℃付近で３元共晶の
溶融する割合は１０％であった。室温での引張強度は７
５ＭＰａ、１５０℃での引張強度は５ＭＰａ、室温での
伸び率は２５％であった。また、大気中でのぬれ性は、
Ｓｎ−Ａｇ共晶の８７％であった。このはんだ合金をは
んだペースト化し、実施例１と同じ温度サイクル試験を
行った。この結果、最も応力が大きく作用するコーナー
部のはんだフィレット表面は、１０００サイクルまで、
実施例１の結果と同様に、表面に多少の変化が生じるだ
けで、断線に至る様なクラックは生じず、Ｓｎ−Ｐｂ共
晶はんだと比較して遜色はなかった。従って、実施例３
のはんだ合金は、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだの代替材料とし
て有効である。

【００２８】（実施の形態４）同様に、本発明の一例と
して、１５重量％のＢｉ、２．８重量％のＡｇ、０．５
重量％のＣｕ、残りＳｎの合金を作成した。この合金の
液相線温度は２０４℃、固相線温度は１５７℃、３元共
晶の溶融する割合は５％であった。室温での引張強度は
８３ＭＰａ、１５０℃での引張強度は１１ＭＰａ、室温
での伸び率は２１％であった。また、大気中でのぬれ性
は、Ｓｎ−Ａｇ共晶の９０％であった。このはんだ合金
をはんだペースト化し、ＴＳＯＰ（Thin Small Outline
Package）、チップ部品をガラスエポキシ基板にはんだ
付けし、実施例１と同条件で温度サイクル試験を行っ
た。ＴＳＯＰ、チップ部品は、リードが短いため、或い
はリード無し部品であるため、はんだ内で熱膨張の差に
適用しなくてはならず、長いリードを持つＱＦＰ−ＬＳ
Ｉに比べて厳しい接続である。このような温度サイクル
試験を行ったＴＳＯＰのコーナー部のはんだフィレット
表面について、１０００サイクルまで観察を行った結
果、多少の劣化は認められるが、断線に至る様なクラッ
クは生じていないことが確認できた。また、チップ部品
でも大きな変化は無く、断面観察によってもクラックは
生じていないことが確認でき、ＳｎーＰｂ共晶と比較し
ても遜色は無かった。また、このようにはんだ付けした
チップ部品について、せん断試験を行ったが、１２５℃
での高温放置試験後、及び、上記の温度サイクル試験１
０００サイクル後でも、初期に比べてせん断強度の劣化
は見られなかった。また、従来使用されているＳｎ−Ｐ
ｂ共晶とほぼ同じせん断強度を有した。また、電気的な
導通試験でも問題は無かった。

【００２９】（実施の形態５）１８重量％のＢｉ、２重
量％のＡｇ、残りＳｎの合金をＢＧＡの接続に利用した
例を示す。図８のように、ＢＧＡ本体１上に上記組成の
はんだボール２をはんだ付けした。はんだボール径は0.
76ｍｍであり、はんだ付け温度は２２５℃で行った。こ
のＢＧＡ３に対して、プリント基板４側に同じ組成のは
んだペースト５を印刷し、同じ条件ではんだ付けを行っ
た。以上のような課程を経ることによって、Ｐｂを用い
ない低毒性のＢＧＡ接続を行うことができる。このプリ
ント基板に接続されたＢＧＡについて、実施例１と同様
の温度サイクル試験を行っが、実用上問題の無いことが
わかった。

【００３０】また、ＢＧＡ本体に接続されているはんだ
ボール２が高融点のはんだ、例えばＳｎ−Ａｇ共晶はん
だ等であっても、プリント基板側に用いるはんだを本発
明のはんだを用いれば、２２０〜２３０℃での接続が可
能である。このように、本発明のはんだはＢＧＡ等のは
んだボールを用いた接続にも利用することができる。

【００３１】（実施の形態６）１５重量％のＢｉ、２．
５重量％のＡｇ、０．０８重量％のＣｕ，残りＳｎの合
金を用いた８ｍｍビデオ用の電子回路基板の製造方法を
示す。まず、このはんだ合金を２５〜４５μｍの大きさ
に粉末化し、これをフラックス成分と混練りし、はんだ
ペーストを作成した。このはんだペーストを０．１５ｍ
ｍ厚のメタルマスクを用いて、プリント配線基板上に個
別供給した。このはんだペーストが供給されたプリント
基板上に部品搭載機を用いて各種電子部品を搭載し、窒
素リフロー炉を通してはんだ付けを行った。窒素リフロ
ー炉中の酸素濃度は１００ｐｐｍとした。はんだ付け温
度は、各種部品の熱容量の差により同一基板上でも差が
あるが、予熱はほぼ１５０℃で、最高温度は最も温度が
上がった箇所でも２３０℃となるようにした。この後、
裏面についても同様にはんだペーストの印刷、各種部品
の搭載、窒素リフローによる加熱を行った。この電子回
路基板には、０．４ｍｍピッチのＱＦＰ−ＬＳＩ、１０
０５と呼ばれる縦１．０ｍｍ、横０．５ｍｍの大きさの
チップ部品等が含まれている。はんだ付け後は洗浄は行
わなかった。このようにはんだ付けを行った後、自動外
観検査装置を用いてはんだ付け部の外観検査を行った。
この結果、従来のＳｎ−Ｐｂ共晶と比較してはんだ表面
の光沢が少ないために、虚報率が少なかった。また、は
んだ付け性も、従来のＳｎ−Ｐｂ共晶を用いてはんだ付
けした基板と比較したが、プリント基板上のＣｕパッド
へのぬれ拡がりが若干悪いが、実用上十分なレベルであ
った。

【００３２】その中で、部品搭載時の位置ずれにより、
脱落していたチップ部品が数個見られたが、これははん
だごてで容易に修正することができた。

【００３３】このように製作した８ｍｍビデオ用電子回
路基板を、実際の８ｍｍビデオ本体に組み入れ、電気的
チェック、振動試験、高温高湿試験等の製品検査を行っ
たが、特に問題は無かった。このように、Ｐｂを含まな
い低毒性のＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｃｕはんだを用いて、は
んだ付け温度を最高２３０℃として加熱することによっ
て、環境、生物に毒性の少ない電子回路基板を製造する
ことができた。

【００３４】（実施の形態７）１５重量％のＢｉ、２．
８重量％のＡｇ、残りＳｎの合金を０．５ｍｍピッチの
ＱＦＰ−ＬＳＩ、及びＴＳＯＰにはんだ付けした。はん
だ付け温度は最高温度が２３０℃とした。これらの電子
部品のリード電極は、従来、４２アロイに９０重量％の
Ｓｎ、１０重量％のＰｂの組成のはんだめっき（以下、
Ｓｎ−１０Ｐｂと記す）を施したものが用いられてい
る。しかし、これらも有毒なＰｂを含有するため、リー
ド電極もＰｂフリー化する必要がある。そこで本実施の
形態では、４２アロイ上にＣｕめっきを施してから、８
重量％のＢｉ、残りＳｎの組成のはんだめっき（以下、
Ｓｎ−８Ｂｉと記す）を施した。Ｃｕめっきのめっき厚
は５μｍ、Ｓｎ−８Ｂｉめっきの厚みは１０μｍとし
た。上記のはんだ付けを行った基板について実施の形態
１と同じ温度サイクル試験を行ったが、十分な信頼性が
得られた。

【００３５】リード電極を上記の様な構成にした理由
は、はんだ付け後の割基板作業、或いはプロービングテ
スト時に基板が反り、又はハンドリング等によって接続
したＬＳＩ等のはんだ接続部に大きな応力がかかるた
め、それに耐えられるはんだ接続部の強度を確保しなく
てはならないためである。従って、十分な接続強度を有
する構成とするために、本発明のはんだ合金と、各種の
Ｐｂフリー材料を用いたリードとの接続強度を調べたの
で、以下に説明する。

【００３６】表面に各種のはんだめっき、Ｐｄめっき等
を施したモデルリードを作成した。モデルリードの材質
は４２アロイであり、表面のめっきの下地として、Ｃｕ
めっき、Ｎｉめっき、或いは下地無しの３種類を検討し
た。モデルリードの幅は３ｍｍで、はんだ付け部の長さ
が約２２ｍｍになるように９０°の角度に折り曲げてあ
る。これらのはんだ付け方法は、プリント基板上の幅
３．５ｍｍ、長さ２５ｍｍのＣｕパッド上に、パッドと
同じ大きさの本発明の組成によるはんだ箔を載せ、その
上に、上記のモデルリードをのせ、大気中で、最高温度
２２０℃ではんだ付けした。このとき、塩素量が０．２
％のフラックスを用いた。これを洗浄した後、垂直方向
に５ｍｍ／分の速さで引っ張って、ピール試験を行い、
最も強度が大きくなるフィレット部強度を求めた。ピー
ル試験は、はんだ付け後初期、はんだ付け後の経時変化
による接続部強度劣化を考慮し、はんだ付け後に１２５
℃で１６８時間放置後、また、リード電極のぬれ性が劣
化した場合を考慮して、モデルリードを１５０℃で１６
８時間放置してからはんだ付けした後と、３種類行っ
た。はんだ組成は、発明の範囲内で、Ｂｉ量、Ａｇ量、
Ｃｕ量を変えて検討した。この結果、このはんだ組成範
囲では同じ傾向が見られ、４２アロイ上に下地としてＣ
ｕめっきを施した場合に接続強度が向上していることが
わかった。これは、Ｂｉと４２アロイとの反応性が低い
ため、従来のＳｎ−Ｐｂ共晶と比較して、十分な化合物
が生成できず、強度が得られないためである。Ｃｕの存
在により、接続強度が増すことから、４２アロイリード
ではなく、Ｃｕ系リードフレームを用いても十分な接続
強度が得られる。また、表面の組成は、Ｂｉを２５重量
％程度まで含有するＳｎ−Ｂｉ組成の場合、十分な接続
強度が得られることがわかった。これらの結果のうち、
１５重量％のＢｉ、２．８重量％のＡｇ、残りＳｎのは
んだと、４２アロイ上にＳｎ−８Ｂｉめっきを１０μｍ
、４２アロイ上にＣｕ下地めっきを５μｍ施してから
Ｓｎ−８Ｂｉめっきを１０μｍ施したモデルリードとの
フィレット部強度を図９に示した。図９には、従来使用
しているＰｂを含有している組み合わせの場合のフィレ
ット部強度も同様に示した。これから、４２アロイ上に
Ｃｕ下地めっきを施し、この上にＳｎ−８Ｂｉめっきを
施した構成では、４２アロイ上に直接Ｓｎ−８Ｂｉめっ
きを施した場合と比べて接続強度は大きく、また、従来
の使用しているＳｎ−Ｐｂ共晶はんだとＳｎ−１０Ｐｂ
めっきリードとの構成以上の接続強度が得られることが
わかった。このように、本発明のはんだ合金は、下地と
してＣｕを用いるか、またＣｕ系リードフレームを使用
し、この上にＳｎ−８Ｂｉめっき等の表面処理すること
により、十分な強度を有する接続部が得られる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のはんだ合
金であれば、従来大量に使用されているＳｎ−Ｐｂ共晶
はんだの代替材料としての、低毒性のＰｂフリーはんだ
を提供できる。このはんだ合金は、はんだ付け温度が従
来と変わらず、また、ぬれ性も従来使用されているＳｎ
−Ａｇ共晶はんだと同程度なので、フラックス、電極材
料の特別な開発を必要としない。また、低温で溶融する
３元共晶量も２０％以下であるので、高温での信頼性を
確保することができ、電子部品を回路基板に高信頼に接
続することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】３種類のＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ系はんだの溶融特
性。

【図２】３種類のＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ系はんだの組織を表
した写真。

【図３】Ｓｎ−Ａｇ２元共晶ライン近辺でのＢｉ量を変
えたときの３元共晶の割合。

【図４】Ｂｉ量を変えたときの１５０℃での引張強度。

【図５】Ｂｉ量を変えたときの１２５℃での引張強度。

【図６】Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ系はんだ中のＣｕ量を変えた
ときのぬれ特性。

【図７】Ｂｉ量を変えたときの室温での伸び特性。

【図８】本発明をＢＧＡに適用した例。

【図９】本発明のはんだと、リードとの接続強度。

【符号の説明】

１．ＢＧＡ本体 ２．はんだボール ３．ＢＧＡ ４．プリント基板 ５．はんだペースト

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｈ０５Ｋ 3/34 ５１２ Ｈ０１Ｌ 21/92 ６０３Ｂ (72)発明者 石田 寿治 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 原田 正英 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 浜野 恵 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 山本 健一 東京都小平市上水本町五丁目20番１号株 式会社日立製作所半導体事業部内 (56)参考文献 特開 平９−216089（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−327791（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−192877（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−52791（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−132277（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−206874（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−326554（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 35/26 H05K 3/24 H05K 3/34 H01L 21/60

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の配線パターンを形成した回路基板
   と、該配線パターンと接続する電極を備えた電子部品と
   からなる電子機器であって、 前記電子部品の有する電極にCuめっきおよびSn‐Biめっ
   きを施した電極を有する電子部品と、該回路基板の配線
   パターンを、１０重量％〜２５重量％のＢｉ、１．５重
   量％〜３重量％のＡｇ、残りがＳｎで構成されるＳｎ−
   Ａｇ−Ｂｉ系はんだにより接続したことを特徴とする電
   子機器。
2. 【請求項２】 所定の配線パターンを形成した回路基板
   と、該配線パターンと接続する電極を備えた電子部品と
   からなる電子機器であって、 前記電子部品の有する電極にCuめっきおよびSn‐Biめっ
   きを施した電極を有する電子部品と、該回路基板の配線
   パターンを、１０重量％〜２５重量％のＢｉ、１．５重
   量％〜３重量％のＡｇ、１重量％未満のＣｕ、残りがＳ
   ｎで構成されるＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｃｕ系はんだにより
   接続したことを特徴とする電子機器。
3. 【請求項３】 リード電極を有する半導体装置と電子基
   板の電極をはんだにより接続した電子機器であって、 該リード電極は４２アロイリードと該４２アロイリード
   の上にめっき形成されたＣｕ層およびＳｎ−Ｂｉ層を有
   し、該はんだは、１０重量％〜２５重量％のＢｉと、
   １．５重量％〜３重量％のＡｇと、残りがＳｎであるＳ
   ｎ−Ａｇ−Ｂｉ系鉛フリーはんだであることを特徴とす
   る電子機器。
4. 【請求項４】 リード電極を有する半導体装置と電子基
   板の電極をはんだにより接続した電子機器であって、 該リード電極は４２アロイリードと該４２アロイリード
   の上にめっき形成されたＣｕ層およびＳｎ−Ｂｉ層を有
   し、該はんだは、１０重量％〜２５重量％のＢｉ、１．
   ５重量％〜３重量％のＡｇ、１重量％未満のＣｕ、残り
   がＳｎであるＳｎ−Ａｇ−ＢｉーＣｕ系鉛フリーはんだ
   であることを特徴とする電子機器。
5. 【請求項５】 リード電極を有する半導体装置と電子基
   板の電極をはんだにより接続した電子機器であって、 該リード電極はＣｕリードと該Ｃｕリードの上にめっき
   形成されたＳｎ−Ｂｉ層を有し、 該はんだは、１０重量％〜２５重量％のＢｉと、１．５
   重量％〜３重量％のＡｇと、残りがＳｎであるＳｎ−Ａ
   ｇ−Ｂｉ系鉛フリーはんだであることを特徴とする電子
   機器。
6. 【請求項６】 リード電極を有する半導体装置と電子基
   板の電極をはんだにより接続した電子機器であって、 該リード電極はＣｕリードと該Ｃｕリードの上にめっき
   形成されたＳｎ−Ｂｉ層を有し、 該はんだは、１０重量％〜２５重量％のＢｉ、１．５重
   量％〜３重量％のＡｇ、１重量％未満のＣｕ、残りがＳ
   ｎであるＳｎ−Ａｇ−ＢｉーＣｕ系鉛フリーはんだこと
   を特徴とする電子機器。
7. 【請求項７】 請求項３から６のいずれか１項に記載の
   電子機器であって、 該半導体装置のリード電極と該電子基板の電極を接続す
   るはんだ接続部では、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ三元共晶量が２
   ０％以下であることを特徴とする電子機器。
8. 【請求項８】 請求項１から７のいずれか１項に記載の
   電子機器であって、 該Ｓｎ−Ｂｉ層のBi含有量は２５重量％以下であること
   を特徴とする電子機器。
9. 【請求項９】 半導体装置のリード電極と電子基板の電
   極をはんだ接続する電子機器の製造方法であって、 ４２アロイリードと該４２アロイリードの上にめっき形
   成されたＣｕ層およびＳｎ−Ｂｉ層を有するリード電極
   を、１０重量％〜２５重量％のＢｉと、１．５重量％〜
   ３重量％のＡｇと、残りがＳｎであるＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ
   系鉛フリーはんだを用いてはんだ付けを行い接続させる
   工程を有することを特徴とする電子機器の製造方法。
10. 【請求項１０】 半導体装置のリード電極と電子基板の
    電極をはんだ接続する電子機器の製造方法であって、 ４２アロイリードと該４２アロイリードの上にめっき形
    成されたＣｕ層およびＳｎ−Ｂｉ層を有するリード電極
    を、１０重量％〜２５重量％のＢｉ、１．５重量％〜３
    重量％のＡｇ、１重量％未満のＣｕ、残りがＳｎである
    Ｓｎ−Ａｇ−ＢｉーＣｕ系鉛フリーはんだを用いてはん
    だ付けを行い接続させる工程を有することを特徴とする
    電子機器の製造方法。
11. 【請求項１１】 半導体装置のリード電極と電子基板の
    電極をはんだ接続する電子機器の製造方法であって、 Ｃｕリードと該Ｃｕリードの上にめっき形成されたＳｎ
    −Ｂｉ層を有するリード電極を、１０重量％〜２５重量
    ％のＢｉと、１．５重量％〜３重量％のＡｇと、残りが
    ＳｎであるＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ系鉛フリーはんだを用いて
    はんだ付けを行い接続させる工程を有することを特徴と
    する電子機器の製造方法。
12. 【請求項１２】 請求項９から１１のいずれか１項に記
    載の電子機器の製造方法であって、 上記はんだ付けを行う温度は２２０℃から２３０℃であ
    ることを特徴とする電子機器の製造方法。