(57)【要約】【課題】表面に金層を有する端子をソルダペーストにより接合する場合に、熱衝撃に対して強くて信頼性を向上させることができるソルダペーストを提供する。【解決手段】Ｓｎ−Ｚｎ系の第１のはんだ粉と、前記第１のはんだ粉の共晶温度又は固相温度よりも低い固相温度を有する組成とした第２のはんだ粉と、をフラックスに混合することによってソルダペーストを形成する。これにより、例えば表面が金層になされた接続端子１０を有する部品４を接合する場合に、金（Ａｕ）は上記溶融している第２のはんだ粉中に拡散して行き、この第２のはんだ粉中のＳｎと反応して結合し、熱衝撃に悪影響を与えないＡｕ−Ｓｎが形成される。従って、更なる昇温によって第１のはんだ粉が溶融した時には、この溶液中のＺｎが反応すべき溶融Ａｕが非常に少なくなっており、この結果、熱衝撃に対する耐久性の劣化の原因となるＡｕ−Ｚｎ層の形成を積極的に阻止することが可能となる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｎ−Ｚｎ系の第１のはんだ粉と、
前記第１のはんだ粉の共晶温度又は固相温度よりも低い固相温度を有する組成とした第２のはんだ粉と、をフラックスに混合することによって形成したことを特徴とするソルダペースト。
【請求項２】
前記第２のはんだ粉は、前記第１のはんだ粉の共晶温度又は固相温度よりも低い液相温度を有する組成としたことを特徴とする請求項１記載のソルダペースト。
【請求項３】
プリント配線基板上に、部品を、Ｓｎ−Ｚｎ系の第１のはんだ粉と、前記第１のはんだ粉の共晶温度又は固相温度よりも低い固相温度を有する組成とした第２のはんだ粉と、をフラックスに混合することによって形成したソルダペーストを用いて接合してなることを特徴とする実装品。
【請求項４】
少なくとも表面が金層になされた接続端子を有する部品を接合する接合方法において、
Ｓｎ−Ｚｎ系の第１のはんだ粉と、前記第１のはんだ粉の共晶温度又は固相温度よりも低い固相温度を有する組成とした第２のはんだ粉と、をフラックスに混合することによって形成したソルダペーストを用いたことを特徴とする接合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プリント配線基板等に半導体集積回路のチップ等の電子部品を接合する時等に用いる鉛フリーのソルダペースト、実装品及び接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、エレクトロニクス産業等の分野においては、半導体集積回路等の各種電子部品をプリント配線基板等の表面に接合して実装するためにはんだ等のソルダペーストが用いられている。この種のソルダペーストは、プリント配線基板の表面の例えばランドに、ディスペンサーやスクリーン印刷によって選択的に塗布形成され、そして、上記プリント配線基板上に電子部品を搭載して、このソルダペーストが薄く塗布されたランドと、上記電子部品の接合用の端子とを接触させ、この状態で加熱炉内に全体を収容してリフローにより両者を接合することになる。ここでリフローとは、電子部品が搭載されたプリント配線基板を上記ソルダペーストの溶融温度以上に加熱して部品の接合を行う操作をいう。
【０００３】
上記ソルダペーストとしては、従来はその溶融温度（例えば融点１８３℃程度）が低いという利点からＳｎ−Ｐｂ（錫鉛）系のソルダペーストが多用されていたが、最近にあっては、鉛が環境汚染等を引き起こす原因になることが判明したので、主にＳｎ−Ｚｎ（錫亜鉛）系或いはＳｎ−Ｚｎ−Ｂｉ（錫亜鉛ビスマス）系のソルダペーストが用いられる傾向にある（例えば特許文献１参照）。この種のＳｎ−Ｚｎ系のソルダペーストとしてはＳｎ−９Ｚｎソルダペースト（例えば融点（共晶温度）１９７℃程度）等が知られ、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系のソルダペーストとしてはＳｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉ（例えば融点１８７（固相温度）〜１９７（液相温度）℃程度）等が知られている。尚、元素記号の前の数値は、はんだ合金における重量％を示しており、いずれもＳｎが主体的成分となっている。
【０００４】
上記両ソルダペーストは、Ｓｎ−Ｐｂ系のソルダペースト程には融点が低くならないが、環境汚染の原因となる鉛が不要なことから広く使用されている。
また、このソルダペーストの鉛フリー化と共に、接合抵抗をより低下させる目的で電子部品の端子の表面に金めっき等により薄く金層を形成したものも開発されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−１３８２９２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記したように、表面に金層が形成された端子を、上記したソルダペーストにより接合した場合、この接合部分である界面に、ソルダペースト中のＺｎが端子側の金（Ａｕ）と反応して層状に化合物Ａｕ−Ｚｎが形成されてしまう。そして、このＡｕ−Ｚｎ層がヒートサイクルなどの熱衝撃に対して十分な強度を有していないことから、比較的簡単に剥がれてしまって信頼性が低下する等の不都合があった。特に、この現象は、端子における金層の膜厚が非常に薄い場合、例えば０．１μｍ程度の時にはそれ程発生していなかったが、それ以上に膜厚が厚くなると、頻繁に発生してしまうことから、上記問題点の早期解決が望まれている。
【０００７】
また、例えばプリント配線基板上に部品を実装して成る実装品において、このプリント配線基板のランド等に銅を用いている場合には、このランド表面の銅（Ｃｕ）とソルダーペースト中のＺｎとが反応して層状に化合物Ｃｕ−Ｚｎが形成される場合がある。このＣｕ−Ｚｎ層が多量に存在した場合には上記Ａｕ−Ｚｎ層の場合と同様の問題が発生し、信頼性への悪影響が懸念されている。  従って、上述したような化合物Ａｕ−ＺｎやＣｕ−Ｚｎの形成を、可能な限り阻止して接合部を化合物Ｓｎ−Ｃｕで支配することが切望されている。
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、表面に金層を有する端子をソルダペーストにより接合する場合に、熱衝撃に対して強くて信頼性を向上させることができるソルダペースト、実装品及び接合方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、接合部の界面にＡｕ−ＺｎやＣｕ−Ｚｎが形成する前に、ＡｕやＣｕを他の元素と結合させてしまうことにより、熱衝撃に対して劣るＡｕ−Ｚｎ層やＣｕ−Ｚｎ層の形成を効果的に阻止することができる、という知見を得ることにより、本発明に至ったものである。
請求項１に係る発明は、Ｓｎ−Ｚｎ系の第１のはんだ粉と、前記第１のはんだ粉の共晶温度又は固相温度よりも低い固相温度を有する組成とした第２のはんだ粉と、をフラックスに混合することによって形成したことを特徴とするソルダペーストである。
【０００９】
請求項２に係る発明は、前記第２のはんだ粉は、前記第１のはんだ粉の共晶温度又は固相温度よりも低い液相温度を有する組成としたことを特徴とする請求項１記載のソルダペーストである。
請求項３に係る発明は、プリント配線基板上に、部品を、Ｓｎ−Ｚｎ系の第１のはんだ粉と、前記第１のはんだ粉の共晶温度又は固相温度よりも低い固相温度を有する組成とした第２のはんだ粉と、をフラックスに混合することによって形成したソルダペーストを用いて接合してなることを特徴とする実装品である。
請求項４に係る発明は、少なくとも表面が金層になされた接続端子を有する部品を接合する接合方法において、Ｓｎ−Ｚｎ系の第１のはんだ粉と、前記第１のはんだ粉の共晶温度又は固相温度よりも低い固相温度を有する組成とした第２のはんだ粉と、をフラックスに混合することによって形成したソルダペーストを用いたことを特徴とする接合方法である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係るソルダペースト、実装品及び接合方法の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明のソルダペーストを用いて電子部品を接合する時の状態を示す図、図２は図１中の一部を示す拡大断面図である。
＜実施例１＞
まず、本発明のソルダペーストは、例えばプリント配線基板２の表面に、集積回路等の電子部品である部品４をリフロー等により接合する時に用いられる。このプリント配線基板２の表面には、導電性の金属、例えば銅よりなる複数のパッド６が形成されており、このパッド６の上面に本発明のソルダペースト８がディスペンサやスクリーン印刷等によって選択的に形成されている。
【００１１】
また、部品４の下面には、上記パッド６に対応させて複数の端子１０が形成されており、この端子１０の表面には、接合後の接合強度を確保するために所定の厚さｔの金層１２が金めっき等により形成されている。尚、この端子１０の全体を金で形成してある場合もある。また、一般的には１つのプリント配線基板２上に上述したような部品４が複数個接合されるのが一般的である。
そして、このプリント配線基板２上に上記部品４を搭載した状態でこれらを加熱炉内で加熱することにより、図２（Ｂ）に示すように、上記ソルダペースト８を介して両者が接合されることになる。これにより、本発明の実装品が形成される。
ここで、本発明のソルダペースト８は、前述したように環境汚染を防止するために鉛フリー（鉛無し）のものが用いられる。すなわち、上記本発明に係るソルダペースト８は、Ｓｎ−Ｚｎ系の第１のはんだ粉と、前記第１のはんだ粉の共晶温度又は固相温度よりも低い固相温度を有する組成とした第２のはんだ粉と、をフラックスに混合することによって形成されている。
【００１２】
具体的には、上記第１のはんだ粉はＳｎ−９Ｚｎ（Ｚｎは９重量％）を用いることができ、第２のはんだ粉はＳｎ−１０Ｂｉ−２．８Ａｇ−０．６Ｃｕ（Ｂｉは１０重量％、Ａｇは２．８重量％、Ｃｕは０．６重量％）を用いることができる。尚、はんだ粉は、共に錫（Ｓｎ）を主体としている。この場合、粉全体に占める重さは、上記第１のはんだ粉が例えば７０％、上記第２のはんだ粉が３０％であり、式で表すと以下のようになる。
（Ｓｎ−９Ｚｎ）×７０％＋（Ｓｎ−１０Ｂｉ−２．８Ａｇ−０．６Ｃｕ）×３０％
これらの第１及び第２のはんだ粉がフラックスに混合されてペースト状になされる。このソルダペーストの溶融後の組成は以下のようになる。
Ｓｎ−６．３Ｚｎ−３Ｂｉ−０．８４Ａｇ−０．１８Ｃｕ
【００１３】
上述の場合、第１のはんだ粉の共晶温度は略１９７℃、第２のはんだ粉の固相温度は、上記第１のはんだ粉の共晶温度よりも低い略１８１℃であり、液相温度は略２０５℃である。
このような第１と第２のはんだ粉をフラックスに混ぜることによって形成したソルダペースト８を用いることによって、加熱炉内では第１のはんだ粉より先に第２のはんだ粉が溶融を開始することになり、この結果、端子１０の表面の金層１２の金（Ａｕ）や、パッド６の表面の銅（Ｃｕ）は上記溶融している第２のはんだ粉中に拡散して行き、この第２のはんだ粉中に多量に存在するＳｎと反応して結合し、熱衝撃に悪影響を与えないＡｕ−ＳｎあるいはＣｕ−Ｓｎが形成される。従って、更なる昇温によって第１のはんだ粉が溶融した時には、この溶液中のＺｎが反応すべき溶融Ａｕや溶融Ｃｕが非常に少なくなっており、この結果、熱衝撃に対する耐久性の劣化の原因となるＡｕ−Ｚｎ層やＣｕ−Ｚｎ層の形成を積極的に阻止することが可能となる。すなわち、第１のはんだ粉が溶融する前に、ＡｕやＣｕと結合し易い材料、この場合はＳｎを多量に含む第２のはんだ粉を先に溶融させてこのＳｎと、ＡｕやＣｕとを先に反応させてしまうことにより、Ａｕ−Ｚｎ層やＣｕ−Ｚｎ層の形成を阻止するようになっている。
従って、リフロー工程において、第１のはんだ粉が共晶である場合はその共晶温度と第２のはんだ粉の固相温度との間の温度範囲、また、第１のはんだ粉が共晶でない場合は、その固相温度と第２のはんだ粉の固相温度との間の温度範囲と、昇温勾配とを考慮した温度プロファイルを設定することで、Ａｕ−ＳｎやＣｕ−Ｓｎの生成をより促すことができる。
これは、方法として更に効果的にＡｕ−Ｚｎ層やＣｕ−Ｚｎ層の形成を阻止することができるものである。
【００１４】
また、実施例２として、前記第２のはんだ粉は、前記第１のはんだ粉の共晶温度又は固相温度よりも低い液相温度を有する組成とする。具体的には、実施例２として、上記第１のはんだ粉はＳｎ−９Ｚｎ（Ｚｎは９重量％）［これは実施例１と同じもの］を用いることができ、第２のはんだ粉はＳｎ−４０Ｂｉ−０．１Ｃｕ（Ｂｉは４０重量％、Ｃｕは０．１重量％）を用いることができる。尚、はんだ粉は、共に錫（Ｓｎ）を主体としている。この場合、粉全体に占める重さは、上記第１のはんだ粉が例えば７０％、上記第２のはんだ粉が３０％であり、式で表すと以下のようになる。
（Ｓｎ−９Ｚｎ）×７０％＋（Ｓｎ−４０Ｂｉ−０．１Ｃｕ）×３０％
これらの第１及び第２のはんだ粉がフラックスに混合されてペースト状になされる。このソルダペーストの溶融後の組成は以下のようになる。
Ｓｎ−６．３Ｚｎ−１２Ｂｉ−０．０３Ｃｕ
上述の場合、第１のはんだ粉の共晶温度は、実施例１で説明したように略１９７℃、第２のはんだ粉の固相温度は、上記第１のはんだ粉の共晶温度よりも低い略１３８℃であり、液相温度も上記第１のはんだ粉の共晶温度よりも低い略１７０℃である。
この実施例２の場合にも、先の実施例１の場合と同様に、熱衝撃に対する耐久性の劣化の原因となるＡｕ−Ｚｎ層やＣｕ−Ｚｎ層の形成を積極的に阻止することが可能となる。すなわち、第１のはんだ粉が溶融する前に、Ａｕと結合し易い材料、この場合はＳｎを多量に含む第２のはんだ粉を先に溶融させてこのＳｎと、ＡｕやＣｕとを先に反応させてしまうことにより、Ａｕ−Ｚｎ層やＣｕ−Ｚｎ層の形成を阻止するようになっている。
【００１５】
また、図２（Ａ）に示すように端子１０に形成されている金層１２の厚さｔは、一般的には、例えば０．３μｍ以上であり、メーカにもよるが例えば０．６μｍ程度である。
ここで、本発明のソルダペーストと従来のソルダペーストの熱衝撃に対する評価を行ったので、その評価結果について説明する。
図３は従来のＳｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉソルダペーストを用いた時の接合部を示す拡大断面図、図４は先に説明した本発明のソルダペーストにおける実施例１を用いた時の２箇所の接合部を示す拡大断面図であり、共に顕微鏡写真とその模式図を示してある。尚、この時の端子の金層１２の厚さｔ（図２（Ａ）参照）は０．６μｍである。また、ヒートサイクルに関しては−２５℃（１５分放置）と１２５℃（１５分放置）の間を１００回往復する熱衝撃を加えた。
【００１６】
図３に示すように、従来のソルダペーストを用いた場合には端子とソルダペーストとの界面部分に一層のＡｕ−Ｚｎ層が明確に発生している。そして、上記した１００回のヒートサイクルを加えた結果、このＡｕ−Ｚｎ層で剥離が発生して電子部品が浮き上がってしまった。
これに対して、図４に示す本発明のソルダペーストを用いた場合には、端子とソルダペーストとの界面部分にはＡｕ−Ｚｎ層が発生していなかった。ただし、細かく分割されたＡｕ−Ｚｎ層１４が溶融後のソルダペースト内に僅かに分散された状態で散在していた。そして、これに上記した１００回ヒートサイクルを加えた結果、界面部分での剥離や剥がれは何ら見られず、しかも電子部品の浮き上がりも見られず、耐久性が高く、信頼性も高いことが判明した。
【００１７】
また、上述した評価試験を、端子の金層１２の厚さｔを０．３μｍに設定して行ったところ、上述した評価結果と同様な結果となった。
尚、上記実施例では第１のはんだ粉としてＳｎ−９Ｚｎはんだ粉を用いたが、これに限定されず、他の重量比、例えばＳｎ−８ＺｎやＳｎ−１１．５Ｚｎを用いてもよい。
また、実施例１では第２のはんだ粉として、Ｓｎ−１０Ｂｉ−２．８Ａｇ−０．６Ｃｕを用いたが、これに限定されずに、第２のはんだ粉が第１のはんだ粉の共晶温度または固相温度よりも低い固相温度を有していればよく、例えばＳｎ−１３Ｂｉ−３Ｚｎがある。
【００１８】
さらに、実施例１、２以外のソルダペーストの例として、第１のはんだ粉にＳｎ−８Ｚｎを用い、第２のはんだ粉にＳｎ−１３Ｂｉ−３Ｚｎを用いてそれぞれを９：１に混合したソルダペーストがある。このソルダペーストの溶融後の組成は、Ｓｎ−７．５Ｚｎ−１．３Ｂｉである。
また、その他の例として、第１のはんだ粉にＳｎ−９Ｚｎを用い、第２のはんだ粉にこのＳｎ−１３Ｂｉ−３Ｚｎを用いてそれぞれを９：１に混合したソルダペーストがある。このソルダペーストの溶融後の組成はＳｎ−８．４Ｚｎ−１．３Ｂｉである。
【００１９】
発明者らが鋭意研究した結果、第１のはんだ粉と第２のはんだ粉として使用できる系及び組成比率と、第１のはんだ粉と第２のはんだ粉の有効な配合比率とを見い出した。これについて詳述する。
まず、第１のはんだ粉として使用できるはんだ粉の系はＳｎ−Ｚｎ系であり、組成比率ａ，ｂ，ｃ（重量％）は以下の通りである。ここでいうＳｎ−Ｚｎ系とは主成分の系を意味しており、以下に示す範囲でα（Ｂｉ，Ｉｎ等）を含んでいてもよいものである。
＜第１のはんだ粉として使用できる系と組成比率＞
Ｓｎ−ａＺｎ−ｂα
（５≦ａ≦１２，０≦ｂ≦５）ただし、αはＢｉ，Ｉｎ等である。
【００２０】
第２のはんだ粉については以下の通りである。
＜第２のはんだ粉として使用できる系と組成比率＞
▲１▼    Ｓｎ−ｃＢｉ−ｄＡｇ−ｅα
▲２▼    Ｓｎ−ｃＢｉ−ｄＺｎ−ｅβ
▲３▼    Ｓｎ−ｃＢｉ−ｆＩｎ−ｅα
（０≦ｃ≦５７，０≦ｄ≦５，０≦ｅ≦５，０≦ｆ≦５２）である。ｃ〜ｆは組成比率（重量％）を示す。また、αはＧａ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｚｎ等であり、βはαに対してＺｎを含まないものである。また、上記▲１▼〜▲３▼は重複する場合がある（例えば、ｄ＝ｆ＝０，α，βが同じ成分の場合）が、理解を容易にするためそれぞれを記載している。
【００２１】
また第１のはんだ粉と第２のはんだ粉との配合比率は、その比をＡ：１とすると、１．５≦Ａ≦１０である。
【００２２】
以上説明した系，組成比率及び配合比率の範囲内で適宜組成と各比率を選択してソルダペーストを形成すればよい。
【００２３】
以上詳述した実施例では、電子部品として集積回路を用いた場合を例にとって説明したが、これに限定されず、他の電子部品、例えばコネクタ等を接続する場合にも本発明を適用し得る。
また、これらの部品をプリント配線基板に実装した実装品においては、このプリント配線基板として種々のものが適用し得る。例えばプリント配線基板としては単層でも多層でもよく、また例えば基板の片側または両側にビルドアップ層を積層した、いわゆるビルドアップ基板であってもよい。例えば図５には本発明の実装品の一例の拡大断面図が示されている。すなわち図５に示すように、プリント配線基板２にはビルドアップ層２ａが形成されており、このビルドアップ層２ａ上のパッド６に、部品４の端子１０をソルダペースト８により接合してこの部品４を実装している。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のソルダペースト、実装品及び接合方法によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
表面に金層を有する端子をソルダペーストにより接合する場合に、熱衝撃に対して強くて信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のソルダペーストを用いて電子部品を接合する時の状態を示す図である。
【図２】図１中の一部を示す拡大断面図である。
【図３】従来のＳｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉソルダペーストを用いた時の接合部を示す拡大断面図である。
【図４】本発明のソルダペーストにおける実施例１を用いた時の２箇所の接合部を示す拡大断面図である。
【図５】本発明の実装品の一例を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
２…プリント配線基板、４…部品、６…パッド、８ソルダペースト、１０…端子、１２…金層、１４…Ａｕ−Ｚｎ層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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