JP4144415B2 - 鉛フリーはんだ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子機器のはんだ付け、特に微小なはんだ付け部に適した鉛フリーはんだに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、電子機器の小型化、高速化等から、該電子機器に使用する電子部品も小型で多機能化されてきている。この小型化、多機能化された電子部品としてはBGA、CSP、MCM(Ball Grid Array、Chip Size Package、Multi Chip Module：以下代表してBGAという）がある。BGAは、BGA基板の裏面に多数の電極が碁盤目状位置に設置されている。BGAをプリント基板に実装する場合は、BGAの電極とプリント基板のランドとをはんだで接合することにより行われる。このBGAのプリント基板への実装時、電極毎にはんだを供給してはんだ付けしていたのでは多大な手間がかかるばかりでなく、中程にある電極に外部からはんだを供給することはできない。そこでBGAをプリント基板に実装するために、前もってBGAの電極にはんだを盛り付けておくというはんだバンプの形成がなされている。
【０００３】
BGAへのはんだバンプ形成には、はんだボール、ソルダペースト等を使用する。はんだボールではんだバンプ形成する場合は、BGA電極に粘着性のフラックスを塗布し、該フラックスが塗布された電極上にはんだボールを載置する。その後、該BGA基板をリフロー炉のような加熱装置で加熱して、はんだボールを溶融することにより、電極上にはんだバンプを形成するものである。またソルダペーストでウエハーのランドにはんだバンプを形成する場合、ウエハーのランドと一致した所にランドと同程度の穴が穿設されたメタルマスクを置き、メタルマスクの上からソルダペーストをスキージで掻きならしてウエハーのランドにソルダペーストを印刷塗布する。その後、ウエハーをリフロー炉で加熱し、ソルダペーストを溶融させることにより、はんだバンプを形成する。
【０００４】
ところで従来のBGAでは、はんだバンプ形成用としてSn-Pb合金のはんだボールを用いていた。このSn-Pbはんだボールは、BGAの電極に対するはんだ付け性に優れているばかりでなく、特にSn-Pbの共晶組成は、はんだ付け時にBGA素子や基板等に熱影響を与えない融点を有し、しかも電子機器の使用時にトランスやコイル等から発熱がおきても、該発熱の温度ぐらいでは溶融しないという電子機器のはんだ付けには適した融点を有している。
【０００５】
しかしながらSn-Pbはんだボール使用のBGAを組み込んだ電子機器が古くなって使い勝手が悪くなったり故障したりした場合、機能アップや修理をすることなく、ほとんどが廃棄処分されていた。廃棄処分するときに省資源の見地から、再使用できるものは取り外して再使用するようにしている。例えばケースの樹脂やフレームの金属、電子部品中の貴金属等が再使用の対象である。再使用できないものとしてはんだ付けしたプリント基板がある。なぜならばプリント基板は、プリント基板のランドとはんだとが金属的に接合しており、はんだとランドとを完全に分離することが難しいからである。そこでプリント基板は破砕して埋め立て処分されていた。
【０００６】
この埋め立て処分されたプリント基板に近時のpHの高い酸性雨が接触すると、Sn-Pb中のPbを溶出させ、それが地下水に混入するようになる。Pb成分を含んだ地下水を人や家畜が長年月にわたって飲用するうちに、Pbが体内に蓄積され、Pb中毒を起こすとされている。そこで最近ではPbを含まない所謂鉛フリーはんだの使用が推奨されている。
【０００７】
鉛フリーはんだとは、Sn主成分にAg、Cu、Sb、In、Bi、Zn、Ni、Cr、Co、Fe、P、Ge、Ga等を適宜添加したものである。一般に使用される鉛フリーはんだのうち低中温用としてはSn-Bi系、Sn-In系、Sn-Zn系等があるが、Sn-Bi系は脆性破壊しやすい、Sn-In系は高価格、そしてSn-Zn系は経時変化しやすい、等の問題がある。また低温はんだは、電子機器に組み込んだ後、発熱部品の発熱でケース内の温度が上昇したときに、溶融したり、また溶融しないまでも接合強度が極端に低下したりする。そのため低温の鉛フリーはんだは、特殊用途だけに限られていた。
【０００８】
中高温用（Sn-Pb共晶よりは融点は少し高い）の鉛フリーはんだとしては、Sn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-Ag-Cu系等がある。Sn-Ag系およびSn-Cu系はぬれ性、耐ヒートサイクル性に問題がある。Sn-Ag系およびSn-Cu系の 問題点を解決したのがSn-Ag-Cu系であり、今日鉛フリーはんだとして最も多く使用されているはんだ合金である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
Sn-Ag-Cu系鉛フリーはんだは、一般の表面実装部品やディスクリート部品のように比較的接合面積が大きい部分をはんだ付けする場合は、衝撃やヒートサイクルに遭遇しても、従来のSn-Pbはんだ合金よりも優れたものであるが、BGAのような微小電極にはんだバンプを形成した場合は問題となるものであった。
【００１０】
つまり携帯電話、ノート型パソコン、ビデオカメラ、デジタルカメラなどの所謂モバイル電子機器では、外部から受ける衝撃が多く、BGAのはんだ付けにSn-Ag-Cu系鉛フリーはんだを使用したものでは、この衝撃でBGAとプリント基板のはんだ付け部が剥離し、電子機器としての機能を果たせなくなってしまうことがあった。例えば携帯電話では、ワイシャツのポケットに入れておいたものが、前屈みになったときにポケットから滑り落ちてしまったり、最近のメール機能が備わった携帯電話では、片手での操作中に落としたりする。またノート型パソコンは、鞄の中に入れて運ぶときに鞄ごと落とすことが多く、ビデオカメラやデジタルカメラは、使用中に落とすことが多い。このような衝撃が電子機器に加わったときにBGAのはんだ付け部分が剥離する。
【００１１】
またBGAは、バンプ形成後に高温放置試験を行うが、この時に従来のSn-Ag-Cu系鉛フリーはんだを用いたものでは、はんだバンプが黄色く変色する（以下、黄変という）ことがあった。高温放置試験とは、BGAを組み込んだ電子機器が使用中に高温雰囲気中に置かれた場合でも、BGAが熱影響で機能劣化しないことを確認する試験である。この高温放置試験は、電子部品メーカーや電子機器のセットメーカーによって条件が異なるが、通常125℃の高温雰囲気中に12時間放置する。この高温放置試験で、はんだバンプ表面が黄変すると、はんだバンプの検査を画像処理によって行うときに、正確な検査ができず、エラーの原因となるものである。従来のSn-Ag-Cu系鉛フリーはんだボールでBGAにバンプを形成した後、高温放置試験を行うと、黄変することがあった。
【００１２】
さらに電子機器では、使用時に回路に電気を通すと、コイル、パワートランジスター、抵抗等の部品から熱を発し、電子機器のケース内が昇温する。そして電子機器の使用を止めるために通電を切ると、部品からの発熱がなくなってケース内は室温に戻る。このように電子機器の使用・不使用を行うたびに、ケース内が昇温と降温を繰り返すというヒートサイクルが起こる。このヒートサイクルは、当然はんだ付け部にもおよび、はんだ付け部のはんだとプリント基板が熱膨張・収縮を起こす。ところがはんだ付け部における金属のはんだと樹脂のプリント基板では熱膨張率が大いに相違するため、昇温時には、はんだ付け部のはんだが熱膨張で大きく伸びようとするが、それよりも熱膨張率の小さなプリント基板がはんだの伸びを拘束するようになる。そして熱膨張で大きく伸びていたはんだが降温時に大きく縮もうとしても、今度は、その縮みをプリント基板が拘束するようになる。そのため電子機器の使用・不使用により、はんだ付け部がヒートサイクルに曝され、はんだは伸びと縮みを拘束するストレスにより、金属疲労を起こして、ついにはヒビ割れや破壊となり、はんだ付け部が剥離する。Sn-Ag-Cu系鉛フリーはんだは、一般使用ではSn-Pbはんだよりも格段に耐ヒートサイクル性に優れているが、はんだ付け部が微小なBGAのはんだ付けにおいては、耐ヒートサイクルが充分ではなかった。
【００１３】
本発明は、耐衝撃性に優れ、しかもバンプ形成時に黄変しないBGA基板へのはんだバンプ形成用の鉛フリーはんだであり、さらに耐ヒートサイクル性を改善した鉛フリーはんだを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、Sn-Ag-Cu系鉛フリーはんだにおいて、耐衝撃性向上と黄変防止について鋭意研究を重ねた結果、微量のCuとP、Ge、Ga、Al、Siの１種以上を共存させると、これらを解決でき、またSbの添加が耐衝撃性向上に効果があり、さらに該組成に遷移元素を添加すると耐ヒートサイクル性が改善されること、等を見いだして本発明を完成させた。
【００１５】
本発明は、Ａｇ０．０５〜２質量％、Ｃｕ０．０１〜０．５質量％、およびＰ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｓｉのいずれか１種または２種以上を合計で０．００１〜０．０１質量％、残部Ｓｎからなることを特徴とする鉛フリーはんだである。
【００１６】
Ｓｎ主成分の鉛フリーはんだにおいて、Ａｇは、はんだ付け性を向上させる効果がある。一般に広い面積を有するはんだ付け部、例えばプリント基板のはんだ付け部のような広いはんだ付け部に対しては、Ａｇは０．３質量％以上添加されていれば、はんだ付け部によく広がって充分なはんだ付け部となる。しかしながら、ＢＧＡでは使用するはんだボールが直径０．２５〜０．７６ｍｍの小径であり、しかも該はんだボールをはんだ付けするバンプ形成部の直径が使用するはんだボールの直径よりも小さいため、はんだ付け時に、はんだが充分なはんだ付け性を有していなくても、はんだはバンプ形成部全域に完全に付着する。従って、バンプ形成用に用いる鉛フリーはんだとしては、Ａｇの添加量が０．０５質量％以上あればバンプ形成部に充分に濡れて確実なはんだ付け部を形成する。しかるにＡｇの添加量が５質量％を超えると溶融温度が急激に高くなって、バンプ形成時にＢＧＡ素子を熱損傷させてしまう。本発明ではＡｇ２質量％以下とする。
【００１７】
前述のようにSn-Ag-Cu系鉛フリーはんだは、一般の表面実装部品や長いリードのあるディスクリート部品をはんだ付けした場合、耐衝撃性に優れている。つまりはんだ付け面積が或る程度大きい場合は、電子機器を落としたぐらいでは、はんだ付け部が剥離するようなことはないが、はんだ付け面積が小さいBGAでは、電子機器を落下させたような衝撃で剥離することがある。
【００１８】
本発明において、Ｐ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｓｉの１種または２種以上とＣｕとを共存させると、バンプ形成時にＳｎと他の金属、例えばはんだ付け部(電極やランド)の材料であるＣｕやＮｉ等とで形成される金属間化合物の成長を抑制して落下衝撃ではんだ付け部が剥離するのを防ぐ効果を奏するようになる。Ｐ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｓｉの存在下において、Ｃｕの含有量が０．０１質量％よりも少ないと金属間化合物抑制効果が現れない。Ｃｕはボイド発生の原因となるものであり、Ｃｕの添加量にともなってボイド発生も多くなるが、０．５質量％までの添加であればボイドが増えた分以上に金属間化合物抑制効果の方が強く現れ、結果的には落下衝撃に対して強くなる。従って、本発明ではＣｕの添加量を０．０１〜０．５％質量とした。
【００１９】
またＳｎ主成分の鉛フリーはんだにおいて、Ｐ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｓｉは、はんだバンプ形成時に加熱されることによりはんだバンプ表面が黄変するのを防止する効果もある。Ｐ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｓｉの１種または２種以上の合計が０．００１質量％未満では、この効果が現れず、しかるに０．０１質量％よりも多くなるとはんだ付け性を害するようになる。
【００２０】
はんだ付け面積の大きい部分をＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系鉛フリーはんだではんだ付けしたものは、耐ヒートサイクル性に優れているが、ＢＧＡのようにはんだ付け部が微小なものでは、長年月にわたってヒートサイクルに曝されると、はんだ付け部にヒビ割れや破壊が発生することがある。本発明では、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系に、さらにＭｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｗ、Ａｕ、Ｌａの遷移元素の１種または２種以上を微量添加して耐ヒートサイクル性を向上させることもできる。前述のように、電子機器では使用・不使用を繰り返すことにより、はんだ付け部にヒートサイクルがかかるが、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｐに微量の上記遷移元素を１種または２種以上添加すると耐ヒートサイクル性を向上させる効果がある。遷移元素の添加量が０．１質量％を超えると融点が高くなるばかりでなく、はんだ付け性を阻害するようになる。耐ヒートサイクル性向上効果が現れるのは、上記遷移元素の１種または２種以上が０．００１質量％以上であり、好適には０．００５〜０．０５質量％である。
【００２１】
さらにまた本発明は、融点を下げるために上記組成にＩｎ，Ｚｎのいずれか１種または２種を５質量％以下添加することもできる。これらの融点降下元素は５質量％よりも多くなると、これらとＳｎの二元系の低い固相線温度、例えばＳｎ−Ｉｎ系の１１７^ｏＣ、Ｓｎ−Ｚｎ系の１９９^ｏＣが現れてしまい、耐熱性に問題がでてきてしまう。
【００２２】
そしてさらにまた本発明は、Sbを1質量％以下添加することもできる。Sbの添加は、耐衝撃性向上に効果がある。Sbの添加量が1質量％を超えると、脆性が現れるようになり、かえって耐衝撃性を弱めることになる。
【００２３】
実施例と比較例を表１に示す。
【００２４】
【表１】

【００２５】
表１の説明
耐衝撃：はんだバンプではんだ付けしたCSP基板とプリント基板間に落下による衝撃を与えて、はんだ付け部が剥離するまでの落下回数を測定する。
（衝撃試験の工程は以下のとおりである）
▲１▼直径0.25mmの電極が150個設置されたCSP用基板（大きさ10×10mm）にソルダペーストを印刷塗布し、該塗布部に直径0.3mmのはんだボールを載置する。
▲２▼はんだボールが載置されたCSP用基板をリフロー炉で加熱して電極にはんだバンプを形成する。
▲３▼はんだバンプが形成されたCSP用基板を30×120mmのガラエポのプリント基板の中央に搭載し、リフロー炉で加熱してCSP用基板をプリント基板にはんだ付けする。
▲４▼CSP用基板がはんだ付けされたプリント基板の両端を、外形40×200×80mmのステンレス製で下部中央に三角形の衝突部が設けられた枠状治具上に治具と間隔をあけて固定する。
▲５▼治具を500mmの高さから落下させてプリント基板に衝撃を与える。このとき両端を治具に固定されたプリント基板は、中央が振動し、プリント基板とCSP用基板のはんだ付け部は、振動による衝撃を受ける。この落下試験でCSP用基板が剥離するまでの落下回数を測定する。
【００２６】
黄変：高温加熱後のはんだ表面の黄変を目視で観察する。
（黄変試験の工程は以下のとおりである）
▲１▼CSP用基板に直径0.3mmのはんだボールを載置する。
▲２▼CSP用基板に載置したはんだボールをリフロー炉で溶融してはんだバンプを形成する。
▲３▼はんだバンプが形成されたCSP用基板を150℃の恒温槽中に24時間放置後、目視にて黄変状態を観察する。黄変がほんとんどないものを無、黄変が顕著なものを有とする。
【００２７】
耐ヒートサイクル：電子部品を実装したプリント基板にヒートサイクルをかけて、はんだ付け部の破壊が発生するまでの回数を測定する。
（ヒートサイクル試験の工程は以下のとおりである）
▲１▼直径0.25mmの電極が150個設置されたCSP用基板（大きさ10×10mm）にソルダペーストを印刷塗布し、該塗布部に直径0.3mmのはんだボールを載置する。
▲２▼はんだボールが載置されたCSP用基板をリフロー炉で加熱して電極にはんだバンプを形成する。
▲３▼はんだバンプが形成されたCSP用基板を120×140mmのガラエポのプリント基板に搭載し、リフロー炉で加熱してCSP用基板をプリント基板にはんだ付けする。
▲４▼CSP用基板がはんだ付けされたプリント基板を、−40℃に10分間、＋120℃に10分間それぞれ曝すというヒートサイクルをかけて、はんだ付け部にヒビ割れや破壊が発生して導通不良になるまでのサイクル数を測定する。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の鉛フリーはんだで形成したはんだバンプは、モバイル電子機器が外的衝撃を受けてもBGAのはんだ付け部が容易に剥離しないため、BGAを多く使用しているモバイル電子機器においては信頼性が向上するものであり、また高温放置試験においても黄変しないことから、画像検査が正確に行えるという従来にない優れた効果を有している。さらにまた本発明の鉛フリーはんだは、BGAの微小なはんだ付け部において耐ヒートサイクル性が向上しているため、長年月の使用・不使用の繰り返しでも、はんだ付け部が破壊しにくいという長寿命化も図れるものである。

Claims (4)

1. Ａｇ０．０５〜２質量％、Ｃｕ０．０１〜０．５質量％、およびＰ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｓｉのいずれか１種または２種以上を合計で０．００１〜０．０１質量％、残部Ｓｎからなることを特徴とする鉛フリーはんだ。
2. Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｗ、Ａｕ、Ｌａの１種または２種以上が０．１質量％以下添加されていることを特徴とする請求項１記載の鉛フリーはんだ。
3. Ｉｎ、Ｚｎのいずれか１種または２種が５質量％以下添加されていることを特徴とする請求項１または２に記載の鉛フリーはんだ（ただし、Ａｇ：２−５質量％、Ｃｕ：０．１−２質量％、Ｐ：０．００１−０．３質量％、Ｚｎ：０．０００５−０．１質量％、残部Ｓｎからなる組成と重複する組成範囲を除く）。
4. Ｓｂが１質量％以下添加されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の鉛フリーはんだ。