(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
配合組成の異なる二種以上のはんだ合金粉末と、または配合組成の異なる一種以上のはんだ合金粉末およびSnの単体金属粉末と、フラックスとを混練したソルダペーストであって、前記はんだ合金粉末は、それぞれがAg：８質量％以下および、Cu：５質量％以下の１種または２種を含み、残部Snから成り、これらの二種以上のはんだ合金粉末または一種以上のはんだ合金粉末および前記単体金属粉末の組成割合は、溶解した後の組成がAg：１〜５質量％、Cu：0.5 〜３質量％、残部Snとなるように調整してあることを特徴とするソルダペースト。
【請求項２】
二種のAg-Cu-Sn合金粉末とフラックスとを配合したものである請求項１記載のソルダペースト。
【請求項３】
Ag-Sn 合金粉末とCu-Sn 合金粉末とフラックスとを配合したものである請求項１記載のソルダペースト。
【請求項４】
Ag-Sn 合金粉末とCu-Sn 合金粉末とAg-Cu-Sn合金粉末とフラックスとを配合したものである請求項１記載のソルダペースト。
【請求項５】
配合組成の異なる二種以上のはんだ合金粉末と、または配合組成の異なる一種以上のはんだ合金粉末およびAg、CuおよびSnから選んだ少なくとも１種の単体金属粉末と、フラックスとを混練したソルダペーストであって、前記はんだ合金粉末は、それぞれAg：８質量％以下および、Cu：５質量％以下の１種または２種を含み、残部Snから成り、これらの二種以上のはんだ合金粉末または一種以上のはんだ合金粉末および前記単体金属粉末の組成割合を、溶解した後の組成がAg：１〜５質量％、Cu：0.5 〜３質量％、残部Snとなるように調整したソルダペーストをプリント基板に印刷し、面実装部品を搭載し、次いでリフロー温度250 ℃以下ではんだ付けを行う面実装部品のはんだ付け方法。
【請求項６】
リフロー温度が240 ℃以下である請求項５記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は, プリント基板と電子部品のはんだ付けに用いるソルダペースト、特にはんだ合金が鉛を含まない鉛フリーはんだであるソルダペーストとそれを使ったはんだ付け方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子機器に使用される電子部品には、リード付き部品と表面実装部品(Surface Mounted Device)がある。
【０００３】
リード付き部品は、電子部品本体に長い線状のリードが設置されたものであり、リード付き部品をプリント基板にはんだ付けする場合はフロー法で行う。
このフロー法とは、リード付き部品の長い線状のリードをプリント基板に予め設けられた孔に表面から挿入した後、プリント基板の裏面にフラックス塗布、予備加熱、溶融はんだとの接触、冷却、等の処理を行ってリード付き部品のリードとプリント基板のランドとをはんだ付けするものである。
【０００４】
抵抗やコンデンサーのような単一機能のリード付き部品は電子部品本体の両側面に線状のリードを設置するため、如何に電子部品本体を小さくしても線状リードが突出してしまい、全体の大きさを小さくするには限度があった。またトランジスターやPGA(Pin Grid Array) のように多数の線状リードを有するリード付き部品は、プリント基板の孔に多数の線状リードを完全に挿入することが難しく、それぞれの孔に全てのリードを挿入することができず、線リードを曲げてしまうことがあった。
【０００５】
表面実装部品は、抵抗やコンデンサー等の単一機能の電子部品では、本体の両端に電極が形成されたチップ部品となっており、またQFP (Quad Flat Package) やSOP(Small Outline Package)のようなICパッケージの電子部品では本体の両側面、あるいは本体の四側面に多数の板状のリードが設置されたものである。
【０００６】
この表面実装部品をプリント基板にはんだ付けする場合は、リフロー法を用いる。
リフロー法とは、プリント基板のはんだ付け箇所に印刷装置やディスペンサー等で少量のソルダペーストを塗布し、この塗布部に表面実装部品の電極や板状リードを一致させて表面実装部品を搭載し、その後、該プリント基板をリフロー炉で加熱してソルダペーストを溶融させることによりプリント基板と表面実装部品のはんだ付けを行う方法である。
【０００７】
このリフロー法に使用するソルダペーストとは、粉末状のはんだ合金とペースト状のフラックスを混練して粘稠性のあるはんだ材料としたものである。
従来のソルダペーストに用いられていた粉末状のはんだ合金は、Sn−Pb共晶合金であった。Sn−Pb共晶合金からなるはんだ（以下、Sn-Pb 共晶はんだという) は、はんだ付け性に優れ、しかも融点が183 ℃と低いため、このSn-Pb 共晶はんだを用いたソルダペーストでは、はんだ付け不良が少ないばかりでなく表面実装部品やプリント基板に対して熱損傷を与えない温度でリフローはんだ付けが行えるという優れた特長を有しているものである。
【０００８】
ところで、ソルダペーストを用いたリフロー法でのリフロー温度は、ソルダペースト中のはんだ合金の融点＋40〜＋50℃にすると溶融したはんだの濡れ広がりが最も良好となり、はんだ付け不良が少なくなる。
【０００９】
従って、Sn−Pb共晶はんだを用いたソルダペーストは、183 ℃の融点よりも約50℃高い230 ℃でリフローはんだ付けを行っている。この230 ℃という温度は電子部品やプリント基板を熱損傷させないためには充分余裕のある温度である。
【００１０】
一般に電子機器は古くなって使い勝手が悪くなったり故障して修理が困難となったりしたものは、地中に埋め立て処分されていた。この埋め立て処分された電子機器に硫黄分を含んだ酸性雨が地中で接触すると、酸性雨はSn−Pbはんだから鉛成分を溶解する。そして鉛成分を含んだ雨水が地中深く浸透して地下水に混入し、地下水を汚染するようになる。
【００１１】
この鉛成分を含んだ地下水を長年月にわたって飲用すると体内に鉛成分が蓄積されて鉛中毒を起こすと言われており、Sn−Pbはんだの使用が規制されるようになってきた。そこで最近では、鉛を全く含まない鉛フリーはんだを使用することが推奨されており、ソルダペーストに用いるはんだも鉛フリーはんだとなってきている。
【００１２】
鉛フリーはんだは、Snを主成分としてSn−Ag系、Sn−Cu系、Sn−Bi系、Sn−Zn系、等がある。
しかしながら、今日提案されている各種鉛フリーはんだにはそれぞれ次のように問題がある。
【００１３】
Sn−Ag系は、Sn−3.5Ag の共晶組成の融点が220 ℃であるため、リフロー温度は260 ℃以上となって電子部品を熱損傷させてしまう。このSn−Ag系の少量のBiやInを添加した場合、固相線温度を下げることはできるが、液相線温度 (融点) を下げることはできない。またこの組成の鉛フリーはんだは、はんだ付け後の表面光沢がなく商品価値が下がるという問題がある。
【００１４】
Sn−Cu系は、Sn−0.7Cu の共晶組成の融点が227 ℃であり、やはりリフロー時に電子部品を熱損傷させるばかりでなく、はんだ付け性が十分でない。Sn−Cu系に少量のBiやInを添加しても前述と同様に融点を下げることはできない。
【００１５】
Sn−Bi系は、Sn−57Biの共晶組成の融点が139 ℃という低い温度であり、リフロー温度が従来のSn−Pb共晶はんだよりもさらに低い温度であるため、リフロー時の電子部品への熱損傷の心配は全くない。しかしながらかかる組成の鉛フリーはんだは、非常に脆い性質を有しているため、はんだ付け後、はんだ付け部に多少の衝撃が加わると容易に剥離するという問題がある。
【００１６】
Sn−Zn系は、Sn−９Znの共晶組成の融点が199 ℃であり、リフロー温度が240 ℃で行えるためリフロー時の熱損傷は少ないが、リフロー時に酸化物が多く発生するばかりでなく、はんだ付け性が悪いという問題がある。
【００１７】
このように、Sn−57Biを含む鉛フリーはんだやSn−９Znを含む鉛フリーはんだを除く他の鉛フリーはんだは、融点が高く、したがって、リフロー温度 (融点＋40〜＋50℃) も高くせざるを得ないことから、電子部品やプリント基板を熱損傷させることが問題となっていた。
【００１８】
このように融点の高い鉛フリーはんだを用いたソルダペーストでは、リフロー温度を下げる工夫がなされていた。これは高融点の鉛フリーはんだの粉末と低融点のはんだの粉末を混合してリフロー温度を下げて使用するソルダペーストである。
【００１９】
従来にあっても、二種以上のはんだ粉末を用いてソルダペーストを構成する試みは幾つか提案されている。
例えば、特開平９−295182号公報には、Snを主成分とする２種以上のはんだ合金粉末を混合し、これらの合金粉末の比重差を利用して、傾斜組成とする発明が開示されており、これは濡れ性およびはんだ付け強度の改善を意図するものである。しかし、リフロー温度については実施例においても明らかにすることがない。
【００２０】
特開平11−138292号公報の開示する発明は、多元系はんだ合金を得るために、製造容易な２元系合金粉末と単体金属粉末、あるいは２種以上の２元系合金粉末を用いて構成するソルダペーストを開示しており、リフロー時に溶融遅延を生じ、微小チップ部品のチップ立ち防止に寄与するとしている。しかし、実施例において溶融開始温度および溶融終了温度(181〜219 ℃) への言及はあるが、この場合にもリフロー温度の開示はない。
【００２１】
さらに上記公報の開示するソルダペーストは、Bi、In、Znのうちのいずれかが含有された合金粉末を使用するものである。はんだ付け部にBiが含有されていると前述のように脆性破壊の原因となる。またIn金属粉末やIn合金粉末が含まれたソルダペーストは、Inがソルダペースト中のフラックスと反応して経時変化を起こし、短時間で使用不可能になってしまう。そしてまたZnが含有された鉛フリーはんだは、はんだ付け時に酸化物が多く発生してはんだ付け性を阻害するばかりでなく、はんだ付け部に大きなボイドが形成されて接合強度が弱くなるものである。
【００２２】
特開平11−186712号公報は、組成が異なり、かつ融点の異なる２種以上の合金粉末を含むソルダペーストを開示し、従来のリフロー温度260 ℃を230 ℃にまで低下できる効果を強調している。しかし、実施例で示すように、Sn-58%Bi( 融点139 ℃) を用いることが必須で、これにより、最終的なはんだ合金組成である、Sn-3Ag-4Bi( 融点210 ℃) はんだ合金およびSn-6Bi-1.5Ag-0.4Cu( 融点195 〜214 ℃) はんだ合金の見掛け上の融点を低くしているのである。しかし、いずれも、Biを含有する合金粉末を使用するため、はんだ付け部にBiが含まれるようになり、はんだ付け後に脆性破壊を起こすようになる。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、本出願人は上記従来の鉛フリーはんだよりも機械強度、はんだ付け後の光沢、耐衝撃性に優れた鉛フリーはんだを発明し、既に特許を確立している (特許第3027441 号) 。
【００２４】
従来のように混合する合金粉末中にBi、In、Zn等が含有されていると、上述のようにはんだ付け後に脆性破壊を起こしたり、ソルダペーストが経時変化を起こしたりするという問題がある。
【００２５】
この特許が確立された鉛フリーはんだは、Sn主成分にAgを３〜５質量％、Cuを0.5 〜３質量％添加したSn−Ag−Cu系の鉛フリーはんだであり、接合強度の劣化等がなく、また、かかる合金の粉末はソルダペーストのフラックスとの反応がないため経時変化がほとんどないものである。
【００２６】
このようにSn−Ag−Cu系鉛フリーはんだは、他の組成の鉛フリーはんだに比べて優れた特性を有している。
ところで、かかるはんだ合金の融点は一番低い温度が217 ℃であり、溶融はんだの濡れ広がりを良好にするためにリフロー温度を260 ℃以上にする必要がある。しかも、Sn−Ag−Cu系の鉛フリーはんだを用いたソルダペーストは、はんだ付け部にボイド (空隙) を多数発生させたり、チップ立ちを起こしたりすることがあることから、ボイドの発生を阻止するためリフロー温度を260 ℃以上とする。
【００２７】
しかしながら、そのように高いリフロー温度は、表面実装部品やプリント基板にとっては熱損傷の点から好ましくない。
従って、電子部品やプリント基板の熱損傷を可及的少とするためには、かかる鉛フリーはんだを用いたソルダペーストでも、リフロー温度250 ℃以下、好ましくは240 ℃以下でリフローはんだ付けを行なうことが求められる。
【００２８】
この250 ℃という温度は、Sn−Ag−Cu系合金の共晶組成のときの融点から30℃だけ高い温度であり、ボイド対策として理想とする融点＋40〜＋50℃よりも低いものである。実際、この250 ℃以下というリフロー温度では、Sn−Ag−Cu系の鉛フリーはんだのソルダペーストを十分に濡れ広がらせることができず、はんだ付け不良やボイドの大量発生が見られた。
【００２９】
さらに従来のSn−Ag−Cu系の鉛フリーはんだの粉末を用いたソルダペーストでチップ部品のはんだ付けを行うと、リフロー温度の高低にかかわらずチップ部品が立ち上がってしまうという「チップ立ち」も多数発生させていた。
【００３０】
本発明の課題は、機械的特性や光沢に優れたSn−Ag−Cu系の鉛フリーはんだを用いたソルダペーストであるにもかかわらず、表面実装部品のはんだ付けを行った場合、電子部品やプリント基板に対して熱損傷を起こさせない250 ℃以下のリフロー温度、つまり融点＋40〜＋50℃よりも低いリフロー温度ではんだ付けしてもパッケージ部品に対しては、はんだ付け部にボイドを発生させないばかりでなく、またチップ部品に対してはチップ立ちを起こさせないソルダペーストおよびそれを利用したはんだ付け方法を提供することにある。
【００３１】
別の面からは、本発明の課題は、Biを添加することなく、つまり低融点のBi含有はんだ合金を用いることなく、融点＋40〜＋50℃よりも低いリフロー温度ではんだ付けしてもパッケージ部品に対しては、はんだ付け部にボイドを発生させないばかりでなく、またチップ部品に対してはチップ立ちを起こさせないソルダペーストおよびそれを利用したはんだ付け方法を提供することにある。
【００３２】
さらに本発明の課題は、融点＋40〜＋50℃よりも低いリフロー温度ではんだ付けしてもパッケージ部品に対しては、はんだ付け部にボイドを発生させないばかりでなく、またチップ部品に対してはチップ立ちを起こさせないばかりか、印刷性を改善することができるソルダペーストおよびそれを利用したはんだ付け方法を提供することである。
【００３３】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、かかる課題を解決すべく、２種以上の融点の異なるはんだ合金粉末を配合したソルダペーストに着目し、Sn-Ag-Cu系はんだ合金についてもBi含有低融点はんだ合金を用いることなく、リフロー処理に際してのはんだ合金の低融点化を図ることが可能かについて検討を重ねた。
【００３４】
その結果、融点の低下を図ることなく、はんだ合金が完全に溶融するまでに要する時間を延長することによって、ソルダペーストを用いたリフローはんだ付けでは、合金粉末が溶融開始から完全に溶融するまでに十分な時間をかけることによって、融点＋40〜＋50℃よりも低いリフロー温度ではんだ付け部にはボイドが発生せず、またチップ部品ではチップ立ちが起こらないことを見い出して本発明を完成させた。
【００３５】
さらに、本発明者らは、予想外にも濡れ性と印刷性とが同時に改善されることを知り、本発明を完成した。
ここに、本明細書で言う「印刷性」とは、印刷によってソルダペーストをプリント基板の所定部位に凸形状に載せてから、リフロー処理を行った場合に、溶融したはんだ合金が凸形を保持しつつ溶融・凝固する、形状維持特性を言うのであって、一般に濡れ性がよいソルダーペーストでは、溶融時にはんだ合金が拡がってしまい、所定凸部を形成できないことが知られている。かかる印刷性ははんだ付け性の信頼性の指標になるものである。
【００３６】
具体的には、リフロー処理後に、目視あるいは顕微鏡観察によって、ソルダペーストが供給された部位、つまりプリント基板のマウント部分にディウエット(dewetting、赤目) が発生することなく、はんだが溶融しているか否かによって判定した。
【００３７】
なお、通常、「印刷性」とは孔板を使ってソルダペーストを印刷する場合の孔形状の再現性、あるいはその精度を言うが、い本件明細書では上述のようにリフロー処理後の形状維持特性として定義するのであって、この場合の印刷性は濡れ性とは相反する特性と言うことができる。
【００３８】
つまり、本発明は、融点 (配合組成) の異なる二種以上の合金粉末 (または金属粉末) を混合し、(i) 両合金粉末が完全に溶融するまでに時間がかかること、(ii)そのように両合金粉末が完全に溶融されるまでに時間がかかるにも関わらず、溶融はんだ合金の凸形状維持特性が顕著であること、そして(iii) リフロー温度が250 ℃以下と低いにもかかわらず、ボイド発生が顕著に改善されることを知り、本発明を完成した。
【００３９】
ここに、本発明は、次の通りである。
（１）配合組成の異なる二種以上のはんだ合金粉末と、または配合組成の異なる一種以上のはんだ合金粉末およびSnの単体金属粉末と、フラックスとを混練したソルダペーストであって、前記はんだ合金粉末は、それぞれがAg：８質量％以下および、Cu：５質量％以下の１種または２種を含み、残部Snから成り、これらの二種以上のはんだ合金粉末または一種以上のはんだ合金粉末および前記単体金属粉末の組成割合は、溶解した後の組成がAg：１〜５質量％、Cu：0.5 〜３質量％、残部Snとなるように調整してあることを特徴とするソルダペースト。
【００４０】
(2) 二種のAg-Cu-Sn合金粉末とフラックスとを配合したものである上記(1) 記載のソルダペースト。
(3) Ag-Sn 合金粉末とCu-Sn 合金粉末とフラックスとを配合したものである上記(1) 記載のソルダペースト。
【００４１】
（４）Ag-Sn 合金粉末とCu-Sn 合金粉末とAg-Cu-Sn合金粉末とフラックスとを配合したものである上記（１）記載のソルダペースト。
（５）配合組成の異なる二種以上のはんだ合金粉末と、または配合組成の異なる一種以上のはんだ合金粉末およびAg、CuおよびSnから選んだ少なくとも１種の単体金属粉末と、フラックスとを混練したソルダペーストであって、前記はんだ合金粉末は、それぞれAg：８質量％以下および、Cu：５質量％以下の１種または２種を含み、残部Snから成り、これらの二種以上のはんだ合金粉末または一種以上のはんだ合金粉末および前記単体金属粉末の組成割合を、溶解した後の組成がAg：１〜５質量％、Cu：0.5 〜３質量％、残部Snとなるように調整したソルダペーストをプリント基板に印刷し、面実装部品を搭載し、次いでリフロー温度250 ℃以下ではんだ付けを行う面実装部品のはんだ付け方法。
【００４２】
(6) リフロー温度が240 ℃以下である上記(5) 記載の方法。
ここに、本発明は、別の面からは、 Ag ：１〜５質量％、Cu：0.5 〜３質量％、残部Snから成るはんだを使い面実装部品をリフロー法によりはんだ付けするに際して、配合組成の異なる二種以上のはんだ合金粉末と、または配合組成の異なる一種以上のはんだ合金粉末およびAg、CuおよびSnから選んだ少なくとも１種の単体金属粉末とフラックスとを混練したソルダペーストであって、前記はんだ合金粉末は、それぞれAg：0 〜８質量％、Cu：0 〜５質量％、Sn：80質量％以上から成り、これらの二種以上のはんだ合金粉末または一種以上のはんだ合金粉末および前記単体金属粉末の組成割合を、溶解した後の組成がAg：１〜５質量％、Cu：0.5 〜３質量％、残部Snとなるように調整して得られたソルダペーストを使用し、リフロー温度を250 ℃以下とすることを特徴とする、面実装部品をリフロー法によりはんだ付けを行うに際しての濡れ性および印刷性の同時改善方法である。
【００４３】
この態様におけるリフロー温度は、240 ℃以下とすることができる。
【００４４】
【発明の実施の形態】
本発明は、ソルダペーストに使用する合金粉末がSn、Ag、Cuのいずれかから成る合金であって、配合組成や配合比率の異なった合金粉末を混合したもの、あるいはこれらの合金粉末とSn、Ag、Cu等の単体の金属粉末とを混合したものである。そしてこれら二種以上の合金粉末、あるいは合金粉末と単体金属粉末を混合したものを溶融した後の組成はAgが１〜５質量％、Cuが0.5 〜３質量％、残部がSnとなるものである。
【００４５】
粉末の粒径について特に制限はなく、従来のように10〜70μm 程度であればよく、場合によって、一方を粗粒径、他方を微細粒径とすることも目的によっては好ましい。
【００４６】
本発明に使用する配合組成の異なる粉末とは、Sn−Ag、Sn−Cu、Sn−Ag−Cu等の組成の異なる合金粉末、あるいはSn、Ag、Cu等の単体金属の粉末であり、配合比率の異なる粉末とは、例えばSn−0.5Ag −0.1Cu とSn−３Ag−１Cuのように配合組成は同一であって成分の添加量が異なるものである。
【００４７】
本発明では、それらの組合わせはいずれであってもよいが、二種以上の粉末を混合して溶解した後の組成がAg：１〜５質量％、Cu：0.5 〜３質量％、残部Snとなるようにする。
【００４８】
Agが１質量％よりも少ないとはんだ付け性が悪くなり、一方、５質量％を超えると硬くなってはんだ付け部の耐衝撃性が悪くなる。好ましくは、1.0 質量％以上、4.0 質量％以下である。
【００４９】
Cuは0.5 質量％よりも少ないとはんだの機械的強度が充分でなく、３質量％よりも多くなると融点が高くなりすぎてリフロー処理時に電子部品やプリント基板を熱損傷させてしまう。好ましくは、0.5 質量％以上1.0 質量％以下である。
【００５０】
【実施例】
表１は本発明のソルダペーストの実施例および比較例を示したものである。
実施例１はリフロー後の組成がSn−3.9Ag −0.6Cu となり、実施例２はリフロー後の組成がSn−3.0Ag −0.5Cu となるものである。
【００５１】
実施例および比較例におけるフラックス成分は下記の如くであり、ソルダペーストは粉末( 粒径10〜70 mμ) が89質量％、フラックスが11質量％である。
重合ロジン (樹脂)                 50質量％
ヘキシレングリコール (溶剤)       44質量％
ジフェニールグアニジンHBr(活性剤)  1質量％
硬化ひまし油 (チキソ剤)            5質量％
(i) ボイド試験
35箇所のパッドにソルダペーストを塗布してから、大気雰囲気のリフロー炉でリフロー温度240 ℃で加熱後、はんだ付け部をＸ線検査装置で観察してボイドの発生数を測定する。35箇所のパッドに発生したボイドの合計の数を示す。
【００５２】
(ii)チップ立ち試験
リフロー炉：酸素濃度が100ppm  以下の窒素雰囲気
リフロー温度：240 ℃
チップ立ち試験：0402型のチップ部品320 個と、0603型のチップ部品360 個の計680 個を搭載し、チップ立ちの割合(%) を算出し、これをもって耐チップ立ち防止特性を評価した。
【００５３】
(iii) 印刷性試験
0.4 mmピッチのQFP パターンを備えたファインピッチ基板用メタルマスク (厚さ150 μm)を使用し、印刷機によって印刷を行った後、基板をリフロー温度に相当する240 ℃にて加熱後、はんだ付け部を実体顕微鏡で観察した。基板上の印刷したはんだ付け部に未はんだ部、つまりディウエット (赤目) 部がなく、はんだの印刷形状が維持されながらはんだが溶融している場合を○とし、ディウエット (赤目) 部が見られるかあるいははんだが溶融していない場合を×とした。
【００５４】
結果は表１にまとめて示す。
【００５５】
【表１】
0003654161.tif 000002
【００５６】
【発明の効果】
本発明のソルダペーストは、はんだ付け後の組成が機械的特性や光沢に優れたSn−Ag−Cu系の鉛フリーはんだとなり、しかもリフロー温度を電子部品やプリント基板が熱損傷を起こさない250 〜240 ℃にしても、はんだ付けのボイドの発生が極めて少ないばかりでなく、チップ部品に対してチップ立ちを起こさせにくく、しかも印刷特性に優れているという従来のSn−Ag−Cu系の鉛フリーはんだを用いたソルダペーストでは得られない優れた効果を奏するものである。