(57)【要約】【課題】少なくとも表面にＰｂを含む電極部と他の電極部とをＳｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系合金によりハンダ付けする場合において、Ｐｂ−Ｂｉ化合物の形成に起因する接合強度の低下を抑制すること。【解決手段】ハンダ接合構造Ｘ１は、第１電極部１３および少なくとも表面にＰｂを含む第２電極部２２と、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｂｉ、およびＮｉを含む合金組成を有して第１電極部１３および第２電極部２２と接合しているハンダ材３１と、を備える。【選択図】　図２
2004095907.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極部、および、少なくとも表面にＰｂを含む第２電極部と、
Ｓｎ、Ｚｎ、Ｂｉ、およびＮｉを含む合金組成を有し、前記第１電極部および前記第２電極部と接合しているハンダ材と、を備えることを特徴とする、ハンダ接合構造。
【請求項２】
前記ハンダ材には、Ｐｂ−Ｂｉの組成を有する金属間化合物の結晶粒が分散している、請求項１に記載のハンダ接合構造。
【請求項３】
前記ハンダ材には、Ｎｉを含有する金属粉末が内在している、請求項１または２に記載のハンダ接合構造。
【請求項４】
Ｓｎ、Ｚｎ、およびＢｉを含む合金組成を有するハンダ粉末と、Ｎｉを含有する金属粉末と、フラックスと、を含むことを特徴とする、ハンダペースト。
【請求項５】
前記金属粉末は、金属膜または有機膜で被覆されたＮｉ粒子またはＮｉ合金粒子よりなる、請求項４に記載のハンダペースト。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、配線基板に対する電子部品の実装などに適用することのできるハンダ接合構造、および、これを形成するのに使用されるハンダペーストに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器に対する高性能化および小型化などの要求に伴い、電子機器に組み込まれる電子部品の高密度実装化が急速に進んでいる。そのような高密度実装化に対応すべく、半導体パッケージなどの電子部品は、配線基板に対して表面実装される場合が多い。
【０００３】
図７は、表面実装方法の一例を表す。当該表面実装方法においては、まず、図７（ａ）に示すように、配線基板７１に設けられた電極部７１ａの上に、印刷技術によりハンダペースト７２を供給する。電極部７１ａは、基板表面にパターン形成された銅配線の一部である。また、ハンダペースト７２は、ハンダ粉末とフラックスとの混連物である。次に、図７（ｂ）に示すように、外部接続用の複数のリード７３ａを有する電子部品７３を、配線基板７１に対して位置合せしつつ仮固定する。具体的には、複数のリード７３ａの各々がハンダペースト７２を介して電極部７１ａの上に載置されるように、配線基板７１に対して電子部品７３を搭載する。電子部品７３は、例えば、ＱＦＰ（Ｑｕａｄ　Ｆｌａｔ　Ｐａｃｋａｇｅ）などの半導体パッケージである。次に、図７（ｃ）に示すように、加熱処理すなわちリフロー加熱を経ることによってハンダペースト７２からハンダ材７４すなわちハンダフィレットを形成し、電極部７１ａおよびリード７３ａを、ハンダ材７４を介してハンダ付けする。ハンダ材７４は、ハンダペースト７２に含まれるハンダ粉末がリフロー加熱中に一旦溶融して凝集することによって生じ、冷却の後に電極部７１ａおよびリード７３ａの間で固化する。また、ハンダペースト７２に含まれているフラックスは、リフロー加熱中に揮発するなどして、ハンダ付け部から消失する。このようにして、電子部品７３は、ハンダ材７４を介して配線基板７１に機械的に接合されるとともに電気的にも接続される。
【０００４】
ハンダペースト７２に含有されるハンダ粉末ないしハンダ材７４を構成するためのハンダ材料としては、従来、Ｓｎ−Ｐｂ共晶ハンダなどのＳｎ−Ｐｂ系合金が広く採用されていた。しかしながら、Ｐｂが毒性を有するため、近年では鉛フリーハンダが採用される傾向にある。鉛フリーハンダとしては、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金や、Ｓｎ−Ｚｎ系合金が挙げられる。
【０００５】
Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金は、Ｓｎ−Ｐｂ系合金よりも相当程度に高い融点を有する。例えば、Ｓｎ−３．０ｗｔ％Ａｇ−０．５ｗｔ％Ｃｕ合金の融点（共晶温度）は２１８℃であり、一般的なＳｎ−Ｐｂ系合金の融点（固相線温度）１８３℃より３０℃以上も高温である。ハンダペースト７２中のハンダ粉末としてこのような高融点合金の粉末を採用すると、図７（ｃ）を参照して上述したリフロー加熱には高温を要するので、当該リフロー加熱において耐熱性の低い部品は破損しやすい。
【０００６】
一方、Ｓｎ−Ｚｎ系合金は比較的低い融点を有する。例えば、Ｓｎ−９ｗｔ％Ｚｎ合金の融点（共晶温度）は１９９℃であり、Ｓｎ−８ｗｔ％Ｚｎ−３ｗｔ％Ｂｉ合金は固相線温度１８７℃および液相線温度１９７℃を示す。しかしながら、ＳｎおよびＺｎの２成分合金は、Ｚｎが酸化されやすいことに起因して加熱によって酸化されやすいことが知られている。そのため、ハンダペースト７２中のハンダ粉末としてＳｎおよびＺｎの２成分合金の粉末を採用する場合、図７（ｃ）を参照して上述したリフロー加熱は、窒素雰囲気などの還元雰囲気の下で行わなければならない。これに対し、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系合金は、Ｂｉが共在することに起因して、加熱による酸化が抑制されることが知られている。したがって、ハンダペースト７２中のハンダ粉末として、酸化されにくいＳｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系合金の粉末を採用する場合、図７（ｃ）を参照して上述したリフロー加熱は、大気雰囲気の下で行うことができる。また、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系合金は、リフロー加熱の際の溶融状態において、Ｂｉが共在することに起因して配線基板や電子部品の電極部に対して高い濡れ性を有する。ハンダペースト７２に含まれるハンダ材料が溶融状態において高い濡れ性を有することは、良好なハンダ付けを達成するうえで好適である。
【０００７】
このように、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系合金は、鉛フリーであり、低融点であり、酸化されにくく、高い濡れ性を有するという特長を有し、一般的には優れたハンダ材料である。Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系合金およびこれを含むハンダペーストについては、例えば特開平９−９４６８８号公報および特開平９−２７７０８２号公報に記載されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＳｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系合金によるハンダ付けによると、一部の電子部品については、配線基板に対して良好に接合することができない場合ある。例えば、９０ｗｔ％Ｓｎ−１０ｗｔ％Ｐｂ合金などによるＳｎ−Ｐｂめっきがリードに施されている電子部品を、従来のＳｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系合金によるハンダ付けにより配線基板に表面実装する場合、ハンダ付け部において充分な接合強度が得られない傾向にある。
【０００９】
図８は、従来のＳｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系合金によるハンダ付けによる表面実装方法の一例を表す要部拡大工程図である。当該表面実装方法においては、まず、図８（ａ）に示すように、配線基板８１に設けられた電極部８１ａの上に、印刷技術によりハンダペースト８２を塗布する。電極部８１ａは、基板表面にパターン形成された銅配線の一部である。また、ハンダペースト８２は、ハンダ粉末８２ａとフラックス８２ｂとの混連物である。ハンダ粉末８２ａは、Ｓｎ−８ｗｔ％Ｚｎ−３ｗｔ％Ｂｉ合金などの従来のＳｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系合金よりなる。次に、図８（ｂ）に示すように、外部接続用のリード８３ａを有する電子部品８３を、配線基板８１に対して位置合せしつつ仮固定する。具体的には、リード８３ａがハンダペースト８２を介して電極部８１ａの上に載置されるように、配線基板８１に対して電子部品８３を搭載する。電子部品８３は、例えば、ＱＦＰなどの半導体パッケージである。リード８３ａは、Ｓｎ−Ｐｂめっき膜８３ａ’により被覆されている。Ｓｎ−Ｐｂめっき膜８３ａ’は、リード８３ａに対するハンダの濡れ性の向上に寄与する。次に、図８（ｃ）に示すように、リフロー加熱を経ることによってハンダペースト８２からハンダ材８４を形成し、電極部８１ａおよびリード８３ａを、ハンダ材８４によりハンダ付けする。このようにして、配線基板８１に対して電子部品８３が実装される。ハンダ材８４は、ハンダペースト８２に含まれるハンダ粉末８２ａがリフロー加熱中に一旦溶融して凝集することによって生じ、冷却の後に電極部８１ａおよびリード８３ａの間で固化する。また、フラックス８２ｂは、リフロー加熱中に揮発するなどして、ハンダ付け部から消失する。
【００１０】
リフロー加熱の際、ハンダ材８４に含まれるＺｎと、電極部８１ａを構成するＣｕとが反応する。その結果、図８（ｃ）に示すように、電極部８１ａの表面にはＺｎ−Ｃｕ化合物層８１ａ’が形成される。Ｚｎ−Ｃｕ化合物層８１ａ’は、金属間化合物よりなり、ＺｎとＣｕの親和性が高いために形成されると考えられる。また、リフロー加熱の際、リード８３ａのＳｎ−Ｐｂめっき膜８３ａ’から、溶融状態にあるハンダ材８４にＰｂが溶け出し、このＰｂと、ハンダ材８４に含まれるＢｉとが反応する。その結果、図８（ｃ）に示すように、Ｚｎ−Ｃｕ化合物層８１ａ’に隣接して複数のＰｂ−Ｂｉ化合物塊８５が形成される。Ｐｂ−Ｂｉ化合物塊８５は、金属間化合物よりなる。Ｐｂ−Ｂｉ化合物塊８５がＺｎ−Ｃｕ化合物層８１ａ’の近傍に偏在するのは、Ｐｂ−Ｂｉ化合物塊８５を構成するＰｂ−Ｂｉ化合物の比重が、ハンダ材８４を構成するＳｎ−Ｚｎ−Ｂｉ合金のそれよりも大きく、従って、リフロー加熱により溶融状態にあるハンダ材８４の内部を、溶融状態のＰｂ−Ｂｉ化合物が電極部８１ａまで沈降するためであると考えられる。電極部８１ａに隣接する箇所でＰｂ−Ｂｉ化合物が凝固することによって、電極部８１ａの近傍に偏在する複数のＰｂ−Ｂｉ化合物塊８５が形成される。
【００１１】
Ｐｂ−Ｂｉ化合物の融点は、例えば４４ｗｔ％Ｐｂ−５６ｗｔ％Ｂｉの組成を有する場合、約１２５℃（共晶温度）である。これに対し、ハンダ材８４を構成するＳｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系合金については、例えば、Ｓｎ−８ｗｔ％Ｚｎ−３ｗｔ％Ｂｉの組成を有する場合、固相線温度は１８７℃であり、液相線温度が１９７℃である。いずれもＰｂ−Ｂｉ化合物の融点より高い。そのため、リフロー加熱後の冷却過程においては、ハンダ材８４が凝固状態した後に、Ｐｂ−Ｂｉ化合物塊８５が溶融状態にある温度領域が存在する。冷却過程でそのような温度領域を経る際、配線基板８１の反りに起因する応力や、配線基板８１と電子部品８３の熱膨張差に起因する応力がハンダ付け部に作用すると、図８（ｄ）に示すように、ハンダ材８４と電極部８１ａとの間の少なくとも一部において剥離が生ずる。ハンダ材８４と電極部８１ａとの間に空隙８６が形成される。その結果、当該ハンダ付け部の接合強度は低くなる。そのため、当該ハンダ付け部に過剰の応力が作用すると、図９に示すように、リード８３ａが電極部８１ａから外れてしまう場合がある。
【００１２】
また、従来のＳｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系合金によるハンダ付けによると、配線基板の両面の各々に電子部品を表面実装する場合に、リードは電極部から外れやすい。両面表面実装方法においては、まず、図８（ｂ）を参照して上述したのと同様にして、図１０（ａ）に示すように、配線基板８１の一方の面に対して電子部品８３Ａを仮固定する。次に、図８（ｃ）を参照して上述したのと同様にしてリフロー加熱を経ることによって、図１０（ｂ）に示すように、配線基板８１に対して電子部品８３Ａをハンダ付けして実装する。このとき、ハンダ付け部におけるハンダ材８４には、図８（ｃ）に示すように、複数のＰｂ−Ｂｉ化合物塊８５が形成される。また、配線基板８１は、図１０（ｂ）に示すように反る傾向にある。そのため、図８（ｄ）を参照して上述したように、ハンダ材８４と電極部８１ａとの間には剥離が生ずやすい。次に、図８（ｂ）を参照して上述したのと同様にして、図１０（ｃ）に示すように、配線基板８１の他方の面に対して電子部品８３Ｂを仮固定する。次に、図８（ｃ）を参照して上述したのと同様にしてリフロー加熱を行うと、その昇温過程において、配線基板８１と電子部品８３Ａを接合するハンダ材８４の内部に形成されていたＰｂ−Ｂｉ化合物塊８５は、ハンダ材８４よりも先に溶融する。これとともに、配線基板８１は、図１０（ｃ）に示すのとは反対側に反る傾向にある。そのため、図１０（ｄ）に示すように、電子部品８３Ａの少なくとも一部のリード８３ａが電極部８１ａから外れてしまう場合があるのである。
【００１３】
上掲の特開平９−９４６８８号公報および特開平９−２７７０８２号公報は、従来のＳｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系合金によるハンダ付けにおける以上のような不具合を解決するための技術については、開示していない。
【００１４】
本発明は、このような事情のもとで考え出されたものであって、少なくとも表面にＰｂを含む電極部と他の電極部とをＳｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系合金によりハンダ付けする場合においてＰｂ−Ｂｉ化合物の形成に起因する接合強度の低下を抑制することのできるハンダ接合構造、および、これを形成するのに使用されるハンダペーストを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の側面によると、ハンダ接合構造が提供される。このハンダ接合構造は、第１電極部、および、少なくとも表面にＰｂを含む第２電極部と、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｂｉ、およびＮｉを含む合金組成を有し、第１電極部および第２電極部と接合しているハンダ材と、を備えることを特徴とする。
【００１６】
このようなハンダ接合構造におけるハンダ材の内部では、第１電極部の近傍などにおけるＰｂ−Ｂｉ化合物塊の偏在化は抑制されている。その結果、Ｐｂ−Ｂｉ化合物塊の偏在化に起因する第１電極部と第２電極部との間の接合強度の低下は抑制されている。
【００１７】
本発明の第１の側面に係るハンダ接合構造におけるハンダ材は、リフロー加熱などの加熱処理を経ることによってハンダペーストなどから形成されたＳｎ−Ｚｎ−Ｂｉ−Ｎｉ合金であり、第１電極部および第２電極部に対して溶融接合している。第２電極部は、例えばＳｎ−Ｐｂめっきが施されていることにより表面にＰｂを含んでいる。本ハンダ接合構造の形成において、ハンダ材形成材料から生ずるハンダ材を第１電極部および第２電極部に溶融接合する際には、溶融状態にあるハンダ材へ第２電極部からＰｂが溶け出し、このＰｂと、ハンダ材に含まれるＢｉとが反応して、ハンダ材中にＰｂ−Ｂｉ化合物が生成する。しかしながら、ハンダ材に含まれるＮｉが、Ｐｂ−Ｂｉ化合物の成長を抑制する。このような、ＮｉによるＰｂ−Ｂｉ化合物に対する成長抑制効果については、本発明者により確認されている。ハンダ材中のＮｉは、本ハンダ接合構造の形成において、構成元素としてＮｉを含有するハンダ粉末を含むハンダペーストを使用することによって当該ハンダ材に供給することができる。或は、ハンダ材中のＮｉは、本ハンダ接合構造の形成において、ハンダ粉末と、これとは別のＮｉ含有粉末とを含むハンダペーストを使用することによっても当該ハンダ材に供給することができる。Ｎｉにより成長が抑制されているＰｂ−Ｂｉ化合物は、溶融ハンダ材の内部にて比較的小さなサイズで存在するので、ハンダ材内部での自重による移動が少なく且つハンダ材内部に分散する傾向にある。そのため、本ハンダ接合構造のハンダ材においては、第１電極部の近傍などにおけるＰｂ−Ｂｉ化合物の偏在化は抑制されるのである。
【００１８】
このように、本発明の第１の側面に係るハンダ接合構造によると、第１電極部の近傍などにおけるＰｂ−Ｂｉ化合物の偏在化を抑制することができる。その結果、本ハンダ接合構造によると、Ｐｂ−Ｂｉ化合物の偏在化に起因する第１電極部と第２電極部との接合強度の低下を抑制することが可能となるのである。
【００１９】
本発明の第２の側面によると、実装構造体が提供される。この実装構造体は、第１電極部を有する配線基板と、少なくとも表面にＰｂを含む第２電極部を有して配線基板に搭載されている電子部品と、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｂｉ、およびＮｉを含む合金組成を有し、第１電極部および第２電極部と接合しているハンダ材と、を備えることを特徴とする。
【００２０】
このような構成の実装構造体は、本発明の第１の側面に係るハンダ接合構造を含んでいる。したがって、本発明の第２の側面によっても、第１の側面に関して上述した効果が奏される。
【００２１】
好ましくは、ハンダ材には、Ｐｂ−Ｂｉの組成を有する金属間化合物の結晶粒が分散している。Ｐｂ−Ｂｉ化合物結晶粒の分散性が高いほど、本ハンダ接合構造の接合強度は高くなる傾向にある。
【００２２】
好ましくは、ハンダ材には、Ｎｉを含有する金属粉末が内在している。このような構成は、ハンダ接合構造の形成において、充分な体積のＮｉ含有金属粉末を含むハンダペーストをハンダ材形成材料として採用する場合に、達成することができる。Ｎｉ含有金属粉末を含むハンダペーストをハンダ材形成材料として採用すると、電極間の溶融接合の際にＮｉ含有金属粉末からハンダ材に対してＮｉが溶け出す。また、このような構成によると、ハンダ材に対して比較的多量のＮｉを供給することが可能であり、従って、このような構成は、ＮｉによるＰｂ−Ｂｉ化合物の成長抑制効果を充分に享受するうえで好適である。
【００２３】
好ましくは、ハンダ材におけるＺｎの含有率は７〜９ｗｔ％であり、Ｂｉの含有率は１〜５ｗｔ％であり、Ｎｉの含有率は０．００１〜０．１ｗｔ％であって、残部はＳｎである。ハンダ材を構成するための合金としては、このような組成を有するものが好適である。
【００２４】
本発明の第３の側面によると、ハンダペーストが提供される。このハンダペーストは、Ｓｎ、Ｚｎ、およびＢｉを含む合金組成を有するハンダ粉末と、Ｎｉを含有する金属粉末と、フラックスと、を含むことを特徴とする。
【００２５】
このようなハンダペーストによると、本発明の第１の側面に係るハンダ接合構造および第２の側面に係る実装構造体を形成することができる。具体的には、第１および第２の側面におけるハンダ材を形成するためのハンダ材形成材料として、第３の側面に係るハンダペーストを使用することによって、ハンダ粉末由来のＳｎ、ＺｎおよびＢｉ、並びに、金属粉末由来のＮｉによりハンダ材が形成され、第１および第２の側面に係るハンダ接合構造を形成することができる。したがって、本発明の第３の側面によっても、形成されるハンダ接合構造において、第１の側面に関して上述したのと同様の効果が奏される。
【００２６】
好ましくは、金属粉末におけるＮｉの含有量は、ハンダ粉末を構成するハンダの液相線温度における当該ハンダに対する固溶限界量以上である。このような構成によると、ハンダ材に対して多量のＮｉを供給することが可能である。より多量のＮｉが金属粉末からハンダ材に溶け出すことは、Ｐｂ−Ｂｉ化合物の成長を抑制するうえで好適である。
【００２７】
好ましくは、金属粉末は、金属膜または有機膜で被覆されたＮｉ粒子またはＮｉ合金粒子よりなる。Ｎｉの表面には強固な酸化被膜が形成されやすいが、このような構成によると、当該酸化膜の形成は抑制される。表面に酸化膜が形成されない場合には、当該金属粉末に対する溶融状態のハンダ材の濡れ性は高く、従って、当該金属粉末はハンダ材において良好に分散することとなる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係るハンダ接合構造Ｘ１を伴う実装構造体Ｙを表す。図２は、図１の要部拡大断面図であり、ハンダ接合構造Ｘ１の断面を表す。
【００２９】
実装構造体Ｙは、配線基板１０および電子部品２０を備える。配線基板１０は、絶縁基板１１と、その表面にパターン形成された銅配線１２とを有する。銅配線１２の一部は電極部１３を構成している。配線基板１０は、電極部１３を外部に露出させるための開口部を有する保護膜（図示略）により被覆されている。当該保護膜により、絶縁基板１１や銅配線１２が保護される。絶縁基板１１は、セラミックやガラスエポキシ樹脂などにより構成されている。銅配線１２は、例えば蒸着やスパッタリングにより形成することができる。
【００３０】
電子部品２０は、本実施例では、半導体チップ（図示略）と、これを封止する樹脂パッケージ２１と、外部接続用の複数のリード２２とを備えるＱＦＰである。リード２２の各々は、樹脂パッケージ２１の側面から外部に延出しており、図１に示すように屈曲している。リード２２は、図２に示すように、Ｓｎ−Ｐｂめっき膜２３により被覆されている。Ｓｎ−Ｐｂめっき膜２３は、例えば９０ｗｔ％Ｓｎ−１０ｗｔ％Ｐｂ合金よりなり、リード２２に対する後述のハンダ材の濡れ性を向上させるために、めっき技術により形成されたものである。
【００３１】
図２に示すように、銅配線１２の電極部１３およびリード２２の間には、ハンダ材３１が介在している。ハンダ材３１は、構成元素として少なくともＳｎ、Ｚｎ、Ｂｉ、およびＮｉを含有する合金よりなる。また、ハンダ材３１は、電極部１３とリード２２とに溶融接合しており、これらを電気的かつ機械的に接続している。ハンダ材３１には、Ｎｉ含有粉末３２およびＰｂ−Ｂｉ化合物粒３３が分散している。
【００３２】
本実施形態のハンダ接合構造Ｘ１は、このような電極部１３と、リード２２と、ハンダ材３１とからなる。
【００３３】
図３は、ハンダ接合構造Ｘ１の形成方法を表す。ハンダ接合構造Ｘ１の形成においては、まず、図３（ａ）に示すように、メタルマスクを使用したスクリーン印刷などにより、配線基板１０における電極部１３の上にハンダペースト３０を塗布する。ハンダペースト３０は、ハンダ粉末３１’と、Ｎｉ含有粉末３２と、フラックス３４との混連物である。
【００３４】
ハンダ粉末３１’は、構成元素として少なくともＳｎ、Ｚｎ、およびＢｉを含有する合金よりなる。そのような合金としては、例えばＳｎ−８ｗｔ％Ｚｎ−３ｗｔ％Ｂｉ合金が挙げられる。ハンダ合金粉末３１’の重量平均粒径は、例えば２０〜４０μｍである。
【００３５】
Ｎｉ含有粉末３２は、構成元素として少なくともＮｉを含有する金属粉末である。Ｎｉ含有粉末３２は、好ましくは、後述のリフロー加熱時に溶融可能な金属膜または消失可能な有機膜で被覆されたＮｉ粒子またはＮｉ合金粒子よりなる。金属膜は、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｐｂ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｉｎから選択される単元素のめっき、或は、これらのうち少なくとも一つを含む合金のめっきが好ましい。Ｎｉ粒子やＮｉ合金粒子が金属膜または有機膜により被覆されている場合、ハンダ粉末３１’が溶融する際において、当該Ｎｉ粒子やＮｉ合金粒子の酸化が抑制される。金属膜または有機膜自体は、ハンダ粉末３１’が溶融する際にＮｉ粒子やＮｉ合金粒子の表面から消失する。そのため、当該溶融ハンダとＮｉ含有粉末３２との濡れ性が向上し、Ｎｉ含有粉末３２をハンダ材３１において適切に分散させることが可能となる。本実施形態では、ハンダペースト３０に含まれるＮｉ含有粉末３２におけるＮｉの総含有量は、ハンダペースト３０に含まれるハンダ粉末３１’を構成するハンダの液相線温度における当該ハンダに対する固溶限界量以上である。Ｎｉ含有粉末３２の重量平均粒径は、例えば４０μｍ以下、さらに好ましくは５〜４０μｍ、最も好ましくは５〜２０μｍである。Ｎｉ含有粉末３２の重量平均粒径が大き過ぎると、ハンダ材３１内でのＮｉ含有粉末３２の分散性が低下する。重量平均粒径が小さ過ぎるのは、Ｎｉ含有粉末３２どうしが凝集しやすいため好ましくない。また、Ｎｉ含有粉末３２の分散性を向上するという観点からは、Ｎｉ含有粉末３２の形状は、略球形であるのが好ましい。
【００３６】
フラックス３４は、例えば、ロジン、溶媒、粘調剤、界面活性剤を含んでいる。本実施形態では、ロジン１００重量部と、溶媒５０〜９０重量部と、粘調剤５〜２０重量部と、界面活性剤０．５〜１０重量部とを混合したものを使用するのが好ましい。溶媒としては、例えば、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、ベンゼン、トルエン、α−テレビネオールを挙げることができる。粘調剤としては、例えば、グリセリン、ポリエチレングリコール、硬化ひまし油を挙げることができる。界面活性剤としては、例えば、ジメチルアミン塩酸塩、アミンハロゲン化水素酸塩、ジフェニルグアニジン、臭化水素を挙げることができる。
【００３７】
ハンダ接合構造Ｘ１の形成においては、次に、図１に示す電子部品２０を、配線基板１０に対して位置合せしつつ仮固定する。具体的には、図３（ｂ）に示すように、リード２２がハンダペースト３０を介して電極部１３の上に載置されるように、配線基板１０に対して電子部品２０を搭載する。
【００３８】
次に、図３（ｃ）に示すように、リフロー加熱を経ることによってハンダペースト３０からハンダ材３１を形成し、電極部１３およびリード２２を、ハンダ材３１によりハンダ付けする。リフロー加熱におけるピーク温度は、例えば２１５℃である。ハンダ材３１は、ハンダペースト３０に含まれるハンダ粉末３１’がリフロー加熱中に一旦溶融して凝集することによって生じ、冷却の後に電極部１３およびリード２２の間で固化する。また、フラックス３４は、リフロー加熱中に揮発するなどして、ハンダ付け部から消失する。
【００３９】
リフロー加熱の際には、ハンダ材３１に含まれるＺｎと、電極部１３を構成するＣｕとが反応する。その結果、電極部１３の表面にはＺｎ−Ｃｕ化合物層１３’が形成される。また、リフロー加熱の際には、溶融状態にあるハンダ材３１に対し、リード２２のＳｎ−Ｐｂめっき膜２３からＰｂが溶け出す。そして、このＰｂと、ハンダ材３１に含まれるＢｉとが反応して、ハンダ材３１中にＰｂ−Ｂｉ化合物が生成する。一方、リフロー加熱の際には、Ｎｉ含有粉末３２からＮｉがハンダ材３１に溶け出す。Ｎｉがハンダ材３１に溶け出るので、ハンダ材３１の合金組成が変化し、当該合金組成にＮｉが含まれることとなる。Ｎｉ粒子やＮｉ合金粒子の融点は、リフロー加熱温度よりも相当程度に高温であるので、Ｎｉ含有粉末３２自体は、リフロー加熱において溶融しない。Ｎｉ含有粉末３２が、金属膜または有機膜により被覆されているＮｉ粒子またはＮｉ合金粒子よりなる場合、上述のように、リフロー加熱においてハンダ材３１に対するＮｉ含有粉末３２の濡れ性が向上し、Ｎｉ含有粉末３２はハンダ材３１において適切に分散する。Ｎｉ含有粉末３２がハンダ材３１内に適切に分散することは、ハンダ材３１に対するＮｉ溶出の均等化に寄与する。ハンダ材３１に溶け出たＮｉは、Ｐｂ−Ｂｉ化合物の成長を抑制する効果を有する。Ｎｉにより成長が抑制されているＰｂ−Ｂｉ化合物は、溶融状態にあるハンダ材３１の内部にて比較的小さなサイズで存在するので、ハンダ材３１内部での自重による移動が少なく且つハンダ材３１内部に分散する傾向にある。そのため、図３（ｃ）に示すように、凝固したハンダ材３１内部において析出した微小なＰｂ−Ｂｉ化合物粒３３は、分散する傾向にあり、電極部１３の近傍に偏在しにくい。
【００４０】
このように、ハンダ接合構造Ｘ１においては、その形成過程において生じ得るＰｂ−Ｂｉ化合物の成長が抑制されている。成長が抑制されて比較的小さな結晶粒として固化するＰｂ−Ｂｉ化合物粒３３は、ハンダ材３１の下方部すなわち電極部１３の近傍に偏在しにくく、ハンダ材３１の内部において分散する傾向にある。このように、ハンダ材３１内部でのＰｂ−Ｂｉ化合物の偏在が抑制されているため、ハンダ接合構造Ｘ１は、良好な接合強度を達成することができる。具体的には、ハンダ材３１は、リード２２とともに電極部１３に対しても高強度で接合することができる。
【００４１】
図４は、第２の実施形態に係るハンダ接合構造Ｘ２の断面図であり、ハンダ接合構造Ｘ１についての図２に相当するものである。ハンダ接合構造Ｘ２は、ハンダ接合構造Ｘ１に代えて、実装構造体Ｙのハンダ付け部に適用可能である。
【００４２】
ハンダ接合構造Ｘ２は、ハンダ材３１にＮｉ含有粉末３２が内在していない点において、ハンダ接合構造Ｘ１と異なる。本実施形態におけるハンダ材３１の他の構成については、第１の実施形態におけるハンダ材３１に関して上述したのと同様である。
【００４３】
図５は、ハンダ接合構造Ｘ２の形成方法を表す。ハンダ接合構造Ｘ２の形成においては、まず、図５（ａ）に示すように、メタルマスクを使用したスクリーン印刷などにより、配線基板１０における電極部１３の上にハンダペースト３０を塗布する。ハンダペースト３０は、ハンダ粉末３１’と、フラックス３４との混連物である。
【００４４】
本実施形態におけるハンダ粉末３１’は、第１の実施形態におけるハンダ粉末３１’とは異なり、構成元素として少なくともＳｎ、Ｚｎ、、Ｂｉ、およびＮｉを含有する合金よりなる。そのような合金としては、Ｚｎの含有率が７〜９ｗｔ％、Ｂｉが１〜５ｗｔ％、Ｎｉが０．００１〜０．１ｗｔ％であって、残部がＳｎよりなるものが好ましい。ハンダ合金粉末３１’の重量平均粒径は、例えば２０〜４０μｍである。
【００４５】
フラックス３４としては、第１の実施形態におけるフラックス３４と同一のものを使用することができる。
【００４６】
ハンダ接合構造Ｘ２の形成においては、次に、図１に示すような電子部品２０を、配線基板１０に対して位置合せしつつ仮固定する。具体的には、図５（ｂ）に示すように、リード２２がハンダペースト３０を介して電極部１３の上に載置されるように、配線基板１０に対して電子部品２０を搭載する。
【００４７】
次に、図５（ｃ）に示すように、第１の実施形態において図３（ｃ）を参照して上述したように、リフロー加熱を経ることによって電極部１３およびリード２２をハンダ材３１によりハンダ付けする。
【００４８】
リフロー加熱の際には、ハンダ材３１に含まれるＺｎと、電極部１３を構成するＣｕとが反応する。その結果、電極部１３の表面にはＺｎ−Ｃｕ化合物層１３’が形成される。また、リフロー加熱の際には、第１の実施形態において上述したように、ハンダ材３１中にＰｂ−Ｂｉ化合物が生成する。一方、ハンダ材３１は、その構成元素としてＮｉを含有する。このＮｉは、Ｐｂ−Ｂｉ化合物の成長を抑制する効果を有する。Ｎｉにより成長が抑制されているＰｂ−Ｂｉ化合物は、溶融状態にあるハンダ材３１の内部にて比較的小さなサイズで存在するので、ハンダ材３１内部での自重による移動が少なく且つハンダ材３１内部に分散する傾向にある。そのため、図５（ｃ）に示すように、凝固したハンダ材３１内部において、微小なＰｂ−Ｂｉ化合物粒３３は、分散する傾向にあり、電極部１３の近傍に偏在しにくい。
【００４９】
このように、ハンダ接合構造Ｘ２においては、その形成過程において生じ得るＰｂ−Ｂｉ化合物の成長が抑制されている。このように、ハンダ材３１内部でのＰｂ−Ｂｉ化合物の偏在が抑制されているため、ハンダ接合構造Ｘ２によっても、ハンダ接合構造Ｘ１と同様に、良好な接合強度を達成することができる。
【００５０】
【実施例】
次に、本発明の実施例について比較例とともに説明する。
【００５１】
【実施例１】
＜ハンダペーストの作製＞
ハンダペーストの作製においては、まず、フラックスを調製した。具体的には、ロジン（商品名：ＫＥ−６０４、荒川化学製）６０重量部と、溶剤としてのジエチレングリコールモノブチルエーテル３６重量部と、粘調剤としての硬化ひまし油（商品名：カスターワックス、伊藤精油製）３重量部と、界面活性剤としてのジメチルアミン塩酸塩１重量部とを混連することによって、フラックスを調製した。次に、ハンダ粉末としてのＳｎ−８ｗｔ％Ｚｎ−３ｗｔ％Ｂｉ合金粉末８０重量部と、Ｎｉ含有粉末８重量部と、上述のようにして調製したフラックス１２重量部とを混連することによって、本実施例のハンダペーストを作製した。Ｓｎ−８ｗｔ％Ｚｎ−３ｗｔ％Ｂｉ合金粉末の重量平均粒径は３０μｍである。Ｓｎ−８ｗｔ％Ｚｎ−３ｗｔ％Ｂｉ合金の固相線温度は１８７℃であって、液相線温度は１９７℃である。本実施例で用いたＮｉ含有粉末は、単体Ｎｉ粒子にＳｎめっき（厚さ１．５μｍ）を施してなる複合粒子よりなり、その重量平均粒径は２０μｍである。本実施例のハンダペーストおよびハンダ粉末の組成は、表１に掲げる。
【００５２】
＜表面実装＞
上述のようにして作製したハンダペーストを使用するハンダ付けによって、９０ｗｔ％Ｓｎ−１０ｗｔ％Ｐｂめっきが施されたリードを有するＱＦＰを、一部が電極部である銅配線パターンを有する配線基板に対して表面実装した。具体的には、まず、メタルマスクを使用したスクリーン印刷により、配線基板における電極部の上にハンダペーストを塗布した。次に、ＱＦＰのリードがハンダペーストを介して電極部の上に載置されるように、配線基板に対してＱＦＰを搭載した。次に、リフロー加熱（ピーク温度２１５℃）を経ることによって、ハンダペーストからハンダ材を形成し、電極部とリードをハンダ材によりハンダ付けした。このようにして配線基板に対してＱＦＰを実装し、ハンダ付け部において、本実施例のハンダ接合構造を形成した。
【００５３】
【実施例２〜６】
Ｎｉ含有粉末として、単体Ｎｉ粒子にＳｎめっき（厚さ１．５μｍ）を施してなる複合粒子に代えて、単体Ｎｉ粒子にＡｕめっき（厚さ０．０８μｍ）を施してなる複合粒子（実施例２）、単体Ｎｉ粒子にＳｎ−１０ｗｔ％Ｂｉめっき（厚さ１．５μｍ）を施してなる複合粒子（実施例３）、単体Ｎｉ粒子にＳｎ−３．５ｗｔ％Ａｕめっき（厚さ１．５μｍ）を施してなる複合粒子（実施例４）、単体Ｎｉ粒子に厚さ２μｍの有機被膜を形成してなる複合粒子（実施例５）、または、５０ｗｔ％Ｓｎ−５０ｗｔ％Ｎｉ合金粒子（実施例６）を用いた以外は、実施例１と同様にして各実施例のハンダペーストを作製した。そして、実施例１のハンダペーストに代えて、各実施例のハンダペーストを使用した以外は、実施例１と同様にして、各実施例ごとに配線基板に対してＱＦＰを実装し、ハンダ付け部において、各実施例のハンダ接合構造を形成した。実施例２〜６のハンダペーストおよびハンダ粉末の組成は、表１に掲げる。
【００５４】
【実施例７】
＜ハンダペーストの作製＞
ハンダ粉末としてのＳｎ−８ｗｔ％Ｚｎ−３ｗｔ％Ｂｉ−０．００１ｗｔ％Ｎｉ合金粉末８８重量部と、実施例１と同一のフラックス１２重量部とを混連することによって、本実施例のハンダペーストを作製した。本実施例のハンダ粉末の重量平均粒径は３０μｍである。本実施例のハンダペーストおよびハンダ粉末の組成は、表１に掲げる。
【００５５】
＜表面実装＞
実施例１のハンダペーストに代えて、上述のようにして作製したハンダペーストを使用した以外は、実施例１と同様にして、配線基板に対してＱＦＰを実装し、ハンダ付け部において、本実施例のハンダ接合構造を形成した。
【００５６】
【実施例８〜１４】
ハンダ粉末の合金組成を、Ｓｎ−８ｗｔ％Ｚｎ−３ｗｔ％Ｂｉ−０．００１ｗｔ％Ｎｉに代えて、Ｓｎ−８ｗｔ％Ｚｎ−３ｗｔ％Ｂｉ−０．０５ｗｔ％Ｎｉ（実施例８）、Ｓｎ−８ｗｔ％Ｚｎ−３ｗｔ％Ｂｉ−０．０１ｗｔ％Ｎｉ（実施例９）、Ｓｎ−８ｗｔ％Ｚｎ−３ｗｔ％Ｂｉ−０．１ｗｔ％Ｎｉ（実施例１０）、Ｓｎ−８ｗｔ％Ｚｎ−１ｗｔ％Ｂｉ−０．０５ｗｔ％Ｎｉ（実施例１１）、Ｓｎ−８ｗｔ％Ｚｎ−５ｗｔ％Ｂｉ−０．０５ｗｔ％Ｎｉ（実施例１２）、Ｓｎ−７ｗｔ％Ｚｎ−３ｗｔ％Ｂｉ−０．０５ｗｔ％Ｎｉ（実施例１３）、または、Ｓｎ−９ｗｔ％Ｚｎ−３ｗｔ％Ｂｉ−０．０５ｗｔ％Ｎｉ（実施例１４）とした以外は、実施例７と同様にして、各実施例のハンダペーストを作製した。そして、実施例１のハンダペーストに代えて、各実施例のハンダペーストを使用した以外は、実施例１と同様にして、各実施例ごとに配線基板に対してＱＦＰを実装し、ハンダ付け部において、各実施例のハンダ接合構造を形成した。実施例８〜１４のハンダペーストおよびハンダ粉末の組成は、表１に掲げる。
【００５７】
【比較例１】
ハンダ粉末としてのＳｎ−８ｗｔ％Ｚｎ−３ｗｔ％Ｂｉ合金粉末９０重量部と、実施例１と同一のフラックス１０重量部とを混連することによって、本比較例のハンダペーストを作製した。本比較例のハンダ粉末の重量平均粒径は３０μｍである。そして、実施例１のハンダペーストに代えて、本比較例のハンダペーストを使用した以外は、実施例１と同様にして、配線基板に対してＱＦＰを実装し、ハンダ付け部において、本比較例のハンダ接合構造を形成した。本比較例のハンダペーストおよびハンダ粉末の組成は、表１に掲げる。
【００５８】
【比較例２】
ハンダ粉末としてのＳｎ−８ｗｔ％Ｚｎ−３ｗｔ％Ｂｉ合金粉末８８重量部と、実施例１と同一のフラックス１２重量部とを混連することによって、本比較例のハンダペーストを作製した。本比較例のハンダ粉末の重量平均粒径は３０μｍである。そして、実施例１のハンダペーストに代えて、本比較例のハンダペーストを使用した以外は、実施例１と同様にして、配線基板に対してＱＦＰを実装し、ハンダ付け部において、本比較例のハンダ接合構造を形成した。本比較例のハンダペーストおよびハンダ粉末の組成は、表１に掲げる。
【００５９】
【表１】
2004095907.tif 000003
【００６０】
【評価】
＜接合強度測定＞
実施例１〜１４および比較例１，２のハンダ接合構造について、リードと電極部との間の接合強度を測定した。具体的には、引張強度試験機（ＤＡＧＥ２４００ＰＣ、アークテック製）を使用して、配線基板に対して略垂直な方向へＱＦＰを配線基板から引張り、ＱＦＰが配線基板から外れた時の引張り力に基づいて、単一のハンダ接合構造の接合強度を算出した。この結果は図６のグラフに表す。Ｎｉ含有粉末を含むハンダペーストを使用して形成された実施例１〜６のハンダ接合構造、および、Ｎｉを含有するハンダ粉末を含むハンダペーストを使用して形成された実施例７〜１４のハンダ接合構造は、９００ｇｆ以上の接合強度を示した。これに対し、Ｎｉ含有粉末を含まず且つハンダ粉末にＮｉを含有しないハンダペーストを使用して形成された比較例１，２のハンダ接合構造は、４００ｇｆ程度の接合強度しか示さなかった。このように、実施例１〜１４のハンダ接合構造によると、高い接合強度を得られることが判った。
【００６１】
＜ハンダ接合構造の内部観察＞
実施例１〜１４および比較例１，２のハンダ接合構造の断面を電子顕微鏡により観察した。その結果、実施例１〜１４のハンダ接合構造においては、図３（ｃ）または図５（ｃ）に示すように、ハンダ材と電極部との間に空隙は観測されなかった。すなわち、剥離現象は生じていなかった。これに対し、比較例１，２のハンダ接合構造では、観察したハンダ接合構造の約５０％において、図８（ｄ）に示すような剥離現象が確認された。また、実施例１〜１４および比較例１，２の全てのハンダ接合構造において、ハンダ材が接合する電極部表面においてＺｎ−Ｃｕ化合物層が確認された。更に、実施例１〜１４のハンダ接合構造においては、Ｐｂ−Ｂｉ化合物は、比較的小さな結晶粒としてハンダ材に分散していた。当該結晶粒の直径は、１０〜２０μｍ程度であった。これに対し、比較例１，２のハンダ接合構造においては、Ｐｂ−Ｂｉ化合物は、比較的大きな塊として、電極部の近傍に偏在していた。
【００６２】
以上のまとめとして、本発明の構成およびそのバリエーションを以下に付記として列挙する。
【００６３】
（付記１）第１電極部、および、少なくとも表面にＰｂを含む第２電極部と、
Ｓｎ、Ｚｎ、Ｂｉ、およびＮｉを含む合金組成を有し、前記第１電極部および前記第２電極部と接合しているハンダ材と、を備えることを特徴とする、ハンダ接合構造。
（付記２）前記ハンダ材には、Ｐｂ−Ｂｉの組成を有する金属間化合物の結晶粒が分散している、付記１に記載のハンダ接合構造。
（付記３）前記ハンダ材には、Ｎｉを含有する金属粉末が内在している、付記１または２に記載のハンダ接合構造。
（付記４）前記ハンダ材におけるＺｎの含有率は７〜９ｗｔ％であり、Ｂｉの含有率は１〜５ｗｔ％であり、Ｎｉの含有率は０．００１〜０．１ｗｔ％であって、残部はＳｎである、付記１から３のいずれか１つに記載のハンダ接合構造。
（付記５）Ｓｎ、Ｚｎ、およびＢｉを含む合金組成を有するハンダ粉末と、Ｎｉを含有する金属粉末と、フラックスと、を含むことを特徴とする、ハンダペースト。
（付記６）前記金属粉末におけるＮｉの含有量は、前記ハンダ粉末を構成するハンダの液相線温度における当該ハンダに対する固溶限界量以上である、付記５に記載のハンダペースト。
（付記７）前記金属粉末は、金属膜または有機膜で被覆されたＮｉ粒子またはＮｉ合金粒子よりなる、付記５または６に記載のハンダペースト。
（付記８）第１電極部を有する配線基板と、
少なくとも表面にＰｂを含む第２電極部を有して前記配線基板に搭載されている電子部品と、
Ｓｎ、Ｚｎ、Ｂｉ、およびＮｉを含む合金組成を有し、前記第１電極部および前記第２電極部と接合しているハンダ材と、を備えることを特徴とする、実装構造体。
【００６４】
【発明の効果】
本発明によると、少なくとも表面にＰｂを含む電極部と他の電極部とをＳｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系合金によりハンダ付けする場合において、Ｐｂ−Ｂｉ化合物の形成に起因して当該ハンダ付け部の接合強度が低下するのを、抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るハンダ接合構造を伴う実装構造体の斜視図である。
【図２】図１の要部拡大断面図である。
【図３】第１の実施形態に係るハンダ接合構造の形成方法を表す。
【図４】第２の実施形態に係るハンダ接合構造を表す。
【図５】第２の実施形態に係るハンダ接合構造の形成方法を表す。
【図６】実施例および比較例のハンダ接合構造についての接合強度測定の結果を表す。
【図７】配線基板に対する電子部品の表面実装方法の一例を表す。
【図８】従来のＳｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系合金によるハンダ付けによる表面実装方法の一例を表す。
【図９】従来のハンダ接合構造において、電子部品のリードが配線基板の電極部から外れた状態を表す。
【図１０】従来の両面表面実装方法において、電子部品のリードが配線基板の電極部から外れる場合を表す。
【符号の説明】
Ｘ１，Ｘ２　　　ハンダ接合構造
Ｙ　　　実装構造体
１０，７１，８１　　　配線基板
１３，７１ａ，８１ａ　　　電極部
２０　　　電子部品
２２　　　リード
２３　　　Ｓｎ−Ｐｂめっき膜
３０，７２，８２　　　ハンダペースト
３１　　　ハンダ材
３１’，８２ａ　　　ハンダ粉末
３２　　　Ｎｉ含有粉末
３３　　　Ｐｂ−Ｂｉ化合物粒
３４　　　フラックス
【図１】
2004095907.tif 000004
【図２】
2004095907.tif 000005
【図３】
2004095907.tif 000006
【図４】
2004095907.tif 000007
【図５】
2004095907.tif 000008
【図６】
2004095907.tif 000009
【図７】
2004095907.tif 000010
【図８】
2004095907.tif 000011
【図９】
2004095907.tif 000012
【図１０】
2004095907.tif 000013