(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Sn粉末またはSn基鉛フリーはんだの粉末とCu粉末とを混合した混合粉末にフラックスを混和したソルダペーストであって、Cu粉末表面にNiめっき層が形成され、該Cu粉末が、表面がNiめっき層から形成されたCu粉末であって、該めっき層はNiが露出していることを特徴とするCu粉末を使用したソルダペースト。
【請求項２】
前記Cu粉末の表面に被覆されたNiめっき層は、Niの含有量がCu粉末全体の０．２〜２．０質量％であることを特徴とする請求項１に記載のソルダペースト。
【請求項３】
前記Sn基鉛フリーはんだの粉末が、Sn−Ag、Sn−Cu、Sn−Sb、Sn−Biから選ばれたものであることを特徴とする請求項１または２に記載のソルダペースト
【請求項４】
前記Sn−Ag、Sn−Cu、Sn−Sb、Sn−Biのはんだ組成に、さらに強度添加元素としてAg、Cu、Sb、Bi、Zn、Aｌ、Fe、Co、Ni、Crから選ばれた１種以上を合計で１.０質量％以下添加したものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のソルダペースト
【請求項５】
Sn粉末またはSn基鉛フリーはんだの粉末とAg粉末とを混合したはんだ粉末およびフラックスを混和したソルダペーストにおいて、Ag粉末表面にNiめっき層が形成されて、該めっき層はＮｉが露出していることを特徴とするソルダペースト。
【請求項６】
前記Ag粉末表面に被覆されたNiめっき層は、Niの含有量がAg粉末全体の０.５〜３．０質量％であることを特徴とする請求項５に記載のソルダペースト。
【請求項７】
前記Sn基鉛フリーはんだの粉末が、Sn−Ag、Sn−Cu、Sn−Sb、Sn−Biから選ばれたものであることを特徴とする請求項５または６に記載のソルダペースト。
【請求項８】
前記Sn−Ag、Sn−Cu、Sn−Sb、Sn−Biのはんだ組成に、さらに強度添加元素としてAg、Cu、Sb、Bi、Zn、Aｌ、Fe、Co、Ni、Crから選ばれた１種以上を合計で１．０質量％以下添加したものであることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載のソルダペースト
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれかに記載のソルダペーストを用る、Sn粉末またはSnに固溶する金属を含有するSn基鉛フリーはんだの粉末とCuまたはAg粉末を金属間化合物により接合させる高温はんだのはんだ付け方法であって、前記CuおよびAg粉末表面にNiめっきの被膜を設けることによりSnとCuまたはAgとの金属間化合物の初期生成を抑制して、SnまたはSn基鉛フリーはんだと被接合物とを充分濡らすことにより、はんだ付けを行う電子部品のはんだ付け方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器の接続に用いる耐熱性に優れ、高温状態において高信頼性が発揮できるはんだ合金を得られるはんだ粉末とはんだ付け用フラックスを混和したソルダペーストに関する。
【背景技術】
【０００２】
電子機器は、電子部品をプリント基板などの回路上に配置して特定の機能を持たせたもので、電子部品とプリント基板などの回路の接合には低い温度で接合でき、安価であり、接合信頼性が高いこともあって、古くからはんだが使用されてきた。また電子機器に使用される電子部品には、部品リードなどのプリント基板に接合する端子が必要で、部品本来の機能を果たす部品素子と部品リードなどの端子を電子部品内部で接合する箇所にもはんだが使用されている。
【０００３】
電子機器のはんだ付けに用いるはんだ合金は、ＳｎとＰｂのはんだ合金の中でも溶融温度の低いＳｎ６０％近傍のはんだ合金が用いられている。特にＳｎ６３−Ｐｂ３７の組成は、固相線温度と液相線温度が１８３℃と同一のためにはんだ冷却時のクラックの発生が少なく、ＳｎとＰｂのはんだ合金の中でも最も溶融温度が低いため、電子部品に対する熱による損傷が少く、一般的にはんだと言えばＳｎ６３−Ｐｂ３７はんだ合金を指すほど、広く使用されている。
それに対して、電子部品の内部接合用にＳｎ６３−Ｐｂ３７はんだ合金を使用すると、電子機器を製造するための加熱により、電子部品内部ではんだが溶け出してショートしたり、はんだで接合した部品素子とリードがはずれて、電子部品としての機能が果たせなくなったりする。そのため電子部品の内部接合用のはんだは、Ｓｎ６３−Ｐｂ３７はんだ合金より溶融温度の高いはんだが使用されている。これらのはんだ合金は、プリント基板のはんだ付けに使用されるＳｎ６３−Ｐｂ３７などのはんだと比較して溶融温度が高いので、高温はんだと呼ばれている。
【０００４】
電子部品の内部接合用に用いられる高温はんだの組成は、Ｐｂ−１０Ｓｎ（固相線温度２６８℃、液相線温度３０２℃）、Ｐｂ−５Ｓｎ（固相線温度３０７℃、液相線温度３１３℃）、Ｐｂ−２Ａｇ−８Ｓｎ（固相線温度２７５℃、液相線温度３４６℃）、Ｐｂ−５Ａｇ（固相線温度３０４℃、液相線温度３６５℃）などがあり、主にＰｂが主成分となっている。これらの高温はんだは固相線温度が２６０℃以上のため、プリント基板のはんだ付けに使用するＳｎ６３−Ｐｂ３７共晶はんだを使用したはんだ付け温度が少し高めの２３０℃になっても、Ｐｂ−１０Ｓｎなどの高温はんだではんだ付けした電子部品内部のはんだ付け部は、プリント基板のはんだ付け時に溶融することがない。
【０００５】
電子部品の内部接合に用いるはんだ付けは、その接合部分が微細なため微細なはんだ付けが可能なリフローソルダリングでおこなわれている。ソルダペーストをはんだ付け部に付着させ方法としては、印刷して塗布する方法、ディスペンサ一を用いてソルダペーストを吐出する方法、転写ピンにソルダペーストを付けて転写する方法などがある。リフローソルダリングに用いられるソルダペーストは、はんだ粉末とはんだ付け用のフラックスを混和したもので、電子部品の小型化に伴いソルダペーストに使用されるはんだ粉末も微細な粉末が使用されるようになってきている。これらの微細なはんだ粉末は粉末表面が酸化され易く、粉末表面の清浄なはんだ粉末が必要になっている。
【０００６】
ところで、はんだを用いてはんだ付けされた電子機器が故障したり、古くなって使い勝手が悪くなったりした場合、修理や無理して使うことなく廃棄処分されていた。電子機器を廃棄処分する場合、電子機器を構成するプラスチック、ガラス、金属等は回収して再使用することがあるが、プリント基板は樹脂部に銅箔が接着され、該銅箔にはんだが付着されており、これらを分離回収して再使用することが困難であるため、細かく破砕して埋めたり、そのまま埋め立て処分されたりしていたものである。
【０００７】
近時の化石燃料の多用から地上に降り注ぐ雨は酸性雨となっており、該酸性雨が地中に浸透して埋め立て処分されたプリント基板に接触すると、はんだ中のＰｂ成分を溶出し、Ｐｂ成分を含んだ酸性雨がさらに地中深く浸透して地下水に混入する。そしてＰｂ成分を含んだ地下水を長年月にわたって人類が飲用すると、Ｐｂ成分が体内に蓄積されて、ついにはＰｂ中毒を起こすといわれている。そのため現在、世界的規模でＰｂの使用が規制されるようになってきており、当然、従来のはんだ付けで使用されてきたＰｂ−Ｓｎの高温はんだやＰｂ−Ｓｎの共晶はんだも規制の対象になってきている。
【０００８】
このようにＰｂ−Ｓｎはんだの使用が規制されるようになっていることから、現在ではＰｂを全く含まないＰｂフリーはんだの使用が推奨されるようになってきた。Ｐｂフリーはんだとは、Ｓｎ、Ａｇ、Ｓｂ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｂｉ、ｈ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｐ、Ｇｅ、Ｇａ等の元素を二種以上組み合わせたものである。二元系のＰｂフリーはんだとしては、Ｓｎ−３．５Ａｇ（共晶温度２２１℃）、Ｓｎ−５Ｓｂ（共晶温度２４０℃）、Ｓｎ−０．７５Ｃｕ（共晶温度２２７℃）、Ｓｎ−５８Ｂｉ（共晶温度１３９℃）、Ｓｎ−５２Ｉｎ（共晶温度１１７℃）等があり、三元系、或いはそれ以上の多元系としては上記元素を組み合わせて融点や機械的特性の改善を図ったものがある。現在、多く使用されているＰｂフリーはんだとしてはＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ（固相線温度２１７℃、液相線温度２２０℃）、Ｓｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉ（固相線温度１９０℃、液相線温度１９７℃）、Ｓｎ−２，５Ａｇ−０．５Ｃｕ−１Ｂｉ（固相線温度２１４℃、液相線温度２２１℃）などである。これらの鉛フリーはんだは、従来のＳｎ６３−Ｐｂ３７はんだ合金に比較して、約４０℃近くはんだ合金の溶融温度が高くなっている。
【０００９】
しかしながらＰｂ規制により最初のはんだ付けに高温のＰｂフリーはんだを使おうと思っても、Ｓｎ主成分で固相線温度が２６０℃以上の高温はんだはなかった。例えば固相線温度（共晶温度）が２２１℃のＳｎ−Ａｇ系や固相線温度２２７℃のＳｎ−Ｓｂ系において、Ａｇを増やしていっても液相線温度は上がるが、固相線温度は上がらない。Ｓｎ−Ｓｂ系はＳｂを極端に増やした場合は、液相線温度も極端に上がる。これらに他の元素を添加しても固相温度も高くなり、この特性を変えることはできない。Ｐｂフリーはんだは電子部品の内部接合用の高温はんだとして使用不可能なものと考えられていた。
【００１０】
さらに電子部品の内部接合用の高温はんだとして、Ｚｎ、Ａｌ、ＧｅにＳｎおよびＩｎを加えた高温はんだやＺｎ、Ａｌ、Ｇｅ、ＭｇにＳｎおよびｌｎを加えた高温はんだも開示されている。
これらの高温はんだは、ぬれ性の悪いＺｎ、Ａｌ、Ｍｇなどを含有しているので電子部品に用いられるには適さなかった。これらの従来の高温はんだは溶融することによって単一の組成になるものであるが、単一組成に溶融させずに金属間化合物で接合する高温はんだとして特開２００２−２５４１９４が開示させている。
【特許文献１】
特開２００２−２５４１９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
電子部品の内部接合用には、プリント基板のはんだ付けに用いるはんだ合金より溶融温度の高い高温はんだが用いられてきた。しかし、世界的規模でＰｂの使用が規制されるようになってきたが、Ｐｂの含まれていない高温はんだは開発されていなかった。
電子部品の内部接合用の高温はんだとして、Ｚｎ、Ａｌ、ＧｅにＳｎおよびＩｎを加えた高温はんだやＺｎ、Ａｌ、Ｇｅ、ＭｇにＳｎおよびＩｎを加えた高温はんだが知られているが、これらのはんだ合金をソルダペースト用のはんだ粉末にすると、主成分のＺｎおよびＡｌが酸化し易いためはんだ粉末表面に厚い酸化被膜を形成し、ぬれ性が非常に悪く、フラックスと混ぜてソルダペーストにして電子部品のはんだ付けに使用しても濡れ不良が発生してしまい、全く使用できるレベルではなかった。
【００１２】
単一組成に溶融させずに金属間化合物で接合する高温はんだとして、ＳｎボールとＣｕボールを有することを特徴とする高温はんだの特許文献１も開示されている。これは一般的なはんだ付けと違いはんだを完全に溶融して単一成分にするのではなく、溶融温度の低いＳｎのみを溶融させＣｕとＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物を生成させることによって、ＳｎボールとＣｕボールを溶融温度の高い金属間化合物で接合しようとするものである。つまりこのはんだ付け方法ではＳｎボールのみが溶融し、Ｃｕは溶融しないで分散体としてのみ用いているのである。
【００１３】
しかし、この高温はんだをチップ部品の耐熱保証温度である約３００℃以下で使用するとＣｕボールの溶融温度である１０８３℃に比較して温度が低いのではんだ自体のぬれ性が悪く、確実な接合が行えず、強度の弱い接合しか行えなかった。その理由として、この高温はんだでは低融点のボールの成分であるＳｎが溶融してプリント基板のランドや電子部品の端子に濡れ広がることによってランドや電子部品との接合が行われており、ＳｎボールとＣｕボールが反応し始めて金属間化合物が成長すると、溶融したＳｎがすべて金属間化合物に置き換わるので、それ以上プリント基板のランドや電子部品の端子に濡れ広がらなくなる。特許文献１ではＳｎがランドや電子部品に充分濡れきらない内にＳｎとＣｕが反応して金属間化合物を形成して金属間化合物が成長してしまうので、ＳｎボールとＣｕボールとの金属間化合物の反応は充分に行われるが、Ｓｎとプリント基板のランドや電子部品の端子との濡れ時間が足らないので濡れ広がらず、強度不足が発生するのである。
【００１４】
さらに特許文献１の高温はんだは、セルフアライメント効果が全くないという問題点も抱えていた。セルフアライメント効果はリフローソルダリングなどに起きる、マウンターの精度が悪くチップ部品などが位置ずれを起こしてマウントされてもリフロー時に正確な位置に戻ってはんだ付けされるもので、位置がずれてマントされてもはんだが溶融してランドや電子部品に濡れるときにチップ部品が表面張力により引っ張られて元の位置に戻るという効果を指す。導電性接着剤にはこのような効果は現れず、電子部品の接合にはんだが広く用いられている理由ともなっている。
【００１５】
本発明が解決しようとする課題は、理論としては確立しているが実用化が進んでいない金属間化合物で接合する高温はんだをチップ部品の耐熱温度である約３００℃以下で使用した場合でも、濡れ不良が発生しない、強度の強いはんだ接合が行えるソルダペーストを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明者らは、ＳｎボールとＣｕボールなどを用いる単一組成に溶融させずに金属間化合物で接合する高温はんだにおいて、Ｃｕボール（Ｃｕ粉末）の表面にＳｎへの拡散を阻害する金属の被膜を設けることによってＳｎとＣｕの金属間化合物の形成を阻害し、Ｓｎがプリント基板のランドや電子部品の端子に充分濡れきる時間を確保することによって、プリント基板のランドや電子部品の端子へのぬれ性を改善できることを見出し、本発明を完成させた。
ここに、本発明は以下の通りである。
（１）Sn粉末またはSn基鉛フリーはんだの粉末とCu粉末とを混合した混合粉末にフラックスを混和したソルダペーストであって、Cu粉末表面にNiめっき層が形成され、該Cu粉末が、表面がNiめっき層から形成されたCu粉末であって、該めっき層はNiが露出していることを特徴とするCu粉末を使用したソルダペースト。
（２）前記Cu粉末の表面に被覆されたNiめっき層は、Niの含有量がCu粉末全体の０．２〜２．０質量％であることを特徴とする上記（１）に記載のソルダペースト。
（３）前記Sn基鉛フリーはんだの粉末が、Sn−Ag、Sn−Cu、Sn−Sb、Sn−Biから選ばれたものであることを特徴とする上記（１）または（２）に記載のソルダペースト
（４）前記Sn−Ag、Sn−Cu、Sn−Sb、Sn−Biのはんだ組成に、さらに強度添加元素としてAg、Cu、Sb、Bi、Zn、Aｌ、Fe、Co、Ni、Crから選ばれた１種以上を合計で１.０質量％以下添加したものであることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載のソルダペースト。
（５）Sn粉末またはSn基鉛フリーはんだの粉末とAg粉末とを混合したはんだ粉末およびフラックスを混和したソルダペーストにおいて、Ag粉末表面にNiめっき層が形成されて、該めっき層はＮｉが露出していることを特徴とするソルダペースト。
（６）前記Ag粉末表面に被覆されたNiめっき層は、Niの含有量がAg粉末全体の０.５〜３．０質量％であることを特徴とする上記（５）に記載のソルダペースト。
（７）前記Sn基鉛フリーはんだの粉末が、Sn−Ag、Sn−Cu、Sn−Sb、Sn−Biから選ばれたものであることを特徴とする上記（５）または（６）に記載のソルダペースト。
（８）前記Sn−Ag、Sn−Cu、Sn−Sb、Sn−Biのはんだ組成に、さらに強度添加元素としてAg、Cu、Sb、Bi、Zn、Aｌ、Fe、Co、Ni、Crから選ばれた１種以上を合計で１．０質量％以下添加したものであることを特徴とする上記（５）〜（７）のいずれかに記載のソルダペースト
（９）上記（１）ないし（８）のいずれかに記載のソルダペーストを用る、Sn粉末またはSnに固溶する金属を含有するSn基鉛フリーはんだの粉末とCuまたはAg粉末を金属間化合物により接合させる高温はんだのはんだ付け方法であって、前記CuおよびAg粉末表面にNiめっきの被膜を設けることによりSnとCuまたはAgとの金属間化合物の初期生成を抑制して、SnまたはSn基鉛フリーはんだと被接合物とを充分濡らすことにより、はんだ付けを行う電子部品のはんだ付け方法。
【００１７】
本発明に用いられるＣｕ粉末の表面にＳｎへの拡散を阻害する金属は、Ｓｎへの固溶すること、溶融温度がＳｎと同じかＳｎよりも高いこと、Ｓｎに固溶したときにはんだ付け性を阻害しないことなどが挙げられる。このような金属として、Ｓｎ、Ｓｂ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏなどが挙げられ、Ｃｕ粉末表面に被膜することのよりバリアの効果を現す。これらの金属の被膜に対して、ロジンやフラックスなどの有機物の被膜では加熱時に溶融してバリアとしての効果を示さない。それらの金属の中でもＳｎよりも溶融温度が高いこと、Ｓｎへの固溶速度が遅いこと、Ｓｎに固溶したときのはんだ付け性が良好であるという条件を満たす金属としてＮｉが適している。Ｎｉはその融点が１４５３℃であり、Ｓｎには固溶するが固溶速度が遅い特性を持っている。またＡｕめっきの下地に従来から用いられているはんだ付け性に優れた金属である。さらにＮｉは、はんだ中のＳｎに固溶したときにはんだ付性を向上させる効果を持っている。本発明のＳｎ粉末とＣｕ粉末を用いた高温ソルダペーストにおいて、Ｃｕ粉末にＮｉ被膜を形成すると加熱により溶融したＳｎにＮｉが徐々に固溶していき、一定の時間が経つとＮｉ被膜がＳｎ中に固溶して破れるのでＳｎとＣｕが接してＣｕ６Ｓｎ５の金属化合物を生成するようになる。
このように本発明は、Ｃｕ粉末表面にＮｉ被膜のバリア層を設けることによって、ＳｎとＣｕの金属間化合物の形成を阻害し、Ｓｎがプリント基板のランドや電子部品の端子に充分濡れきる時間を確保することによって、プリント基板のランドや電子部品の端子へのぬれ性を改善できることが可能となる。
【００１８】
本発明に用いるＮｉの被膜の形成は、めっきによるものが好ましい。Ｎｉめっきは電解めっき、無電解めっきのどちらでも良い。微細な粉末のめっき方法としては無電解めっきが適するが、無電解めっきはＰを含有しているのでその影響に注意する必要がある。Ｐははんだ付け時に濡れ性を向上させるが、はんだ付け界面に硬い合金層を形成する。そのためＰ含有量が異常に高くならないようにする必要がある。Ｐの含有量が１０質量％以下の場合は無電解めっきにおけるＰの影響は無視できる。
本発明は、Ｃｕ粉末表面にＮｉの被膜を形成することによりＳｎがプリント基板のランドや電子部品の端子に充分濡れきる時間を確保するものであるので、Ｃｕ粉末表面に形成させたＮｉの被膜が薄すぎるとバリアの効果が現れず、Ｎｉ被膜が厚すぎるとＳｎがプリント基板のランドや電子部品の端子に充分濡れきった後もＣｕ表面にＮｉ被膜が残ってしまい、ＳｎとＣｕの金属間化合物の生成を阻害してしまう。本発明に良好なＣｕ粉末表面に形成されたＮｉめっきのＮｉの含有量は、Ｃｕ粉末全体の０．２〜２．０質量％であるのが好ましい。より好ましくは、ＮｉめっきのＮｉの含有量がＣｕ粉末全体の１．０〜２，０質量％のときである。
【００１９】
本発明に用いられるＳｎ粉末またはＳｎ基鉛フリーはんだ粉末は、溶融時にプリント基板のランドや電子部品の端子に濡れる必要があり、金属間化合物の生成のための加熱温度で溶融することが求められる。そのため単にＳｎの粉末でも良いが、金属問化合物の生成のための加熱温度で溶融する範囲で他の金属を混ぜて合金とした粉末でも良い。一般的な鉛フリーはんだはＳｎに固溶する金属をＳｎに混ぜて合金としたもので、Ｓｎ単独よりもプリント基板のランドや電子部品の端子に対するぬれ性が良い。このようなＳｎに固溶する金属として、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｚｎなどが考えられ、Ｓｎ基鉛フリーはんだ合金としては、Ｓｎ−Ａｇ  系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｓｂ系、Ｓｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、Ｓｎ−Ｚｎ系のはんだ合金が挙げられる。しかし、本発明のＳｎ基鉛フリーはんだ合金は粉末として用いられるので、酸化が激しいＳｎ−Ｉｎ系、Ｓｎ−Ｚｎ系のはんだ合金は本発明に適さない。
【００２０】
さらに本発明では、金属問化合物の生成のための加熱温度で溶融する範囲でＳｎ粉末またはＳｎ基鉛フリーはんだ粉末に強度添加元素を添加することができる。本発明に適する強度添加元素としては、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒが挙げられる。これらは、加熱によって形成されるＣｕ６Ｓｎ５の金属化合物に分散してはんだ付け強度を上昇させる。ただし、はんだ付け強度向上のための強度添加元素を添加は、合計で１．０質量％以下が望ましい。特にＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＣｒなどはＳｎと金属間化合物を形成しやすく、多く添加すると逆に強度低下をもたらす。
【００２１】
本発明は、加熱温度で溶融しない高温粉末としてＣｕ粉末だけでなくＡｇ粉末を用いても同様の効果を得ることができる。ただしＡｇはＣｕに比較してＳｎに固溶しやすく、バリア層が溶出し始めてからの金属間化合物の生成が速い。そのため高温の粉末にＡｇ粉末を使用する場合は、Ｃｕに比較してバリア層を厚くする必要がある。本発明では、ＮｉめっきのＮｉの含有量がＡｇ粉末全体の０．５〜３．０質量％であるときが良好であり、２．０〜３．０質量％のときが最も好ましい。本発明でＡｇ粉末にＮｉめっきを被覆したときは、加熱することによりＳｎ粉末が溶融してプリント基板のランドや電子部品の端子に濡れ、Ｎｉめっきの被覆がＳｎに固溶することによりＡｇが剥き出しになってＡｇ３Ｓｎの金属間化合物が生成して成長していく。
【００２２】
本発明でＡｇ粉末を用いたときもプリント基板のランドや電子部品の端子を濡らす低融点金属としてＳｎ粉末だけでなく、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｓｂ、Ｓｎ−ＢｉなどのＳｎ基鉛フリーはんだ合金を使用しても良い。さらにこれらのＳｎ基鉛フリーはんだ合金には、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｚｎ、ＡＩ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒから選ばれた強度向上元素１種以上を合計で１．０質量％以下添加しても良い。
【００２３】
本発明における低融点粉末であるＳｎ粉末またはＳｎ基鉛フリーはんだ粉末と高融点粉末であるＮｉめっきＣｕ粉末またはＮｉめっきＡｇ粉末の割合は、Ｓｎ粉末またはＳｎ基鉛フリーはんだ粉末が６０〜８０質量％で、ＮｉめっきＣｕ粉末またはＮｉめっきＡｇ粉末が２０〜４０質量％が好ましい混合割合である。より好ましくは、Ｓｎ粉末またはＳｎ基鉛フリーはんだ粉末が７０質量％で、ＮｉめっきＣｕ粉末またはＮｉめっきＡｇ粉末が３０質量％のときである。
【００２４】
本発明の被覆する金属はＮｉが最も好ましいが、前述のＳｎ、Ｓｂ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｆｅ、Ｃｏなどを用いることもできる。本発明の特徴は、Ｓｎ、Ｓｎ基鉛フリーはんだやＩｎなどの低融点金属粉末とＣｕやＡｇなどの高融点金属粉末を用いて、金属間化合物により接合する高温はんだにおいてＣｕやＡｇなどの高融点金属粉末表面にバリア層を設けることによって金属間化合物の生成の時間差を作り、ＳｎやＩｎなどの低融点金属がプリント基板のランドや電子部品の端子に濡れ易くすることである。つまり本発明は、Ｓｎ粉末または、Ｓｎ基鉛フリーはんだの粉末とＣｕおよびＡｇ粉末を金属問化合物により接合させる高温はんだにおいて、ＣｕおよびＡｇ粉末表面にめっきの被膜をすることによりＳｎとＣｕまたはＳｎとＡｇとの金属間化合物の初期生成を抑制して、ＳｎおよびＳｎ基鉛フリーはんだと被接合物とを充分濡らすことによりはんだ付けを行う電子部品のはんだ付け方法である。
【００２５】
本発明では、ＣｕまたはＡｇ粉末表面にめっきの被膜がＳｎに固溶してめっき被膜が破れるまでＳｎまたはＳｎ基鉛フリーはんだは溶融状態が続き、プリント基板のランドや電子部品の端子に接している。そのため、本発明を用いるとはんだ合金とプリント基板のランドや電子部品の端子との接触時間が長くなるため電子部品とランドとの回転モーメントが発生して、特許文献１で問題となっていたセルフアライメント効果と呼ばれるソルダペーストによる電子部晶の位置ずれの修正効果が発生する。
【発明の効果】
【００２６】
本発明を用いることにより、理論としては確立しているが実用化が進んでいない金属間化合物で接合する高温はんだをチップ部品の耐熱温度である約３００℃以下で使用した場合でも、プリント基板のランドや電子部品の端子に濡れ広がらないという濡れ不良が発生しない、強度の強いはんだ接合が行うことが可能になる。
さらに本発明では、低融点金属であるＳｎ粉末またはＳｎ基鉛フリーはんだ粉末の溶融時間が長くなるので、セルフアライメント効果が発生して多少のマウンターでの位置ずれを修正することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】Ｓｎ−３．０質量％Ａｇ−０．５質量％Ｃｕ粉末７０質量％とＣｕ−１．０質量％Ｎｉ粉末３０質量％の混合粉末のＤＳＣチャート
【図２】Ｓｎ−３．０質量％Ａｇ−０．５質量％Ｃｕ粉末７０質量％とＣｕ粉末３０質量％の混合粉末のＤＳＣチャート
【図３】Ｓｎ−３．０質量％Ａｇ−０．５質量％Ｃｕ粉末７０質量％とＣｕ−７．０質量％Ｎｉ粉末３０質量％の混合粉末のＤＳＣチャート
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下の手順で本発明のソルダペーストおよび比較例のソルダペーストを作製した。
【実施例１】
【００２９】
１．低融点合金粉末（粉末粒度２〜１５μｍ）
１．）Ｓｎ粉末
２．）Ｓｎ−３．５質量％Ａｇ粉末
３．）Ｓｎ−０．７質量％Ｃｕ粉末
４．）Ｓｎ−５質量％Ｓｂ粉末
５．）Ｓｎ−５８質量％Ｂｉ粉末
６．）Ｓｎ−３質量％Ａｇ−０．５質量％Ｃｕ粉末
７．）Ｓｎ−５８質量％Ｂｉ−０．８質量％Ａｇ粉末
８．）Ｓｎ−０．７質量％Ｃｕ−０．３質量％Ｓｂ粉末
９．）Ｓｎ−５質量％Ｓｂ−０．０５質量％Ｎｉ−０．１質量％Ｃｏ粉末
１０．）Ｓｎ−３．５質量％Ａｇ−８質量％Ｉｎ粉末
【００３０】
２．高融点粉末（粉末粒度２〜１５μｍ、粉末の被覆はすべてＮｉ９５質量％−Ｐ５質量％の無電解めっきにより行われた）
１  Ｃｕ−０．２質量％Ｎｉ粉末
２  Ｃｕ−１．０質量％Ｎｉ粉末
３  Ｃｕ−１．５質量％Ｎｉ粉末
４  Ｃｕ−２．０質量％Ｎｉ粉末
５  Ｃｕ−７．０質量％Ｎｉ粉末
６  Ｃｕ−３．０質量％Ｓｎ粉末
７  Ａｇ−０．５質量％Ｎｉ粉末
８  Ａｇ−３．０質量％Ｎｉ粉末
９  Ａｇ−７．０質量％Ｎｉ粉末
１０  Ｃｕ粉末
１１  Ａｇ粉末
３．混合粉末
上記の低融点合金粉末と高融点粉末を以下の通り混合する。
実施例１：Ｓｎ粉末＋Ｃｕ−０．２質量％Ｎｉ粉末
実施例２：Ｓｎ粉末＋Ｃｕ−２．０質量％Ｎｉ粉末
実施例３：Ｓｎ−３．５質量％Ａｇ粉末＋Ｃｕ−０．２質量％Ｎｉ粉末
実施例４：Ｓｎ−３．５質量％Ａｇ粉末＋Ｃｕ−１．０質量％Ｎｉ粉末
実施例５：Ｓｎ−３．５質量％Ａｇ粉末＋Ｃｕ−１．５質量％Ｎｉ粉末
実施例６：Ｓｎ−３．５質量％Ａｇ粉末＋Ｃｕ−２．０質量％Ｎｉ粉末
実施例７：Ｓｎ−０．７質量％Ｃｕ粉末＋Ｃｕ−１．０質量％Ｎｉ粉末
実施例８：Ｓｎ−３質量％Ａｇ−０．５質量％Ｃｕ粉末＋Ｃｕ−１．０質量％Ｎｉ粉末
実施例９：Ｓｎ−３．５質量％Ａｇ−８質量％Ｉｎ粉末＋Ｃｕ−１．０質量％Ｎｉ粉末
実施例１０：Ｓｎ−０．７質量％Ｃｕ−０．３質量％Ｓｂ粉末＋Ｃｕ−１．０質量％Ｎｉ粉末
実施例１１：Ｓｎ粉末＋Ａｇ−０．５質量％Ｎｉ粉末
実施例１２：Ｓｎ粉末＋Ａｇ−３．０質量％Ｎｉ粉末
比較例１：Ｓｎ粉末＋Ｃｕ粉末
比較例２：Ｓｎ粉末＋Ｃｕ−７．０質量％Ｎｉ粉末
比較例３：Ｓｎ−３．５質量％Ａｇ粉末＋Ｃｕ粉末
比較例４：Ｓｎ−３．５質量％Ａｇ粉末＋Ｃｕ−７．０質量％Ｎｉ粉末
比較例５：Ｓｎ粉末＋Ａｇ粉末
比較例６：Ｓｎ粉末＋Ａｇ−７．０質量％Ｎｉ粉末
４．フラックス
重合ロジン    ５３質量％
硬化ヒマシ油    ５質量％
ジフェニルグァニジン・ＨＢｒ  ０．４質量％
セバチン酸      ２質量％
ジエチレングリコールモノへキシルエーテル  ３９．６質量％
【００３１】
４．ソルダペーストの製造方法
１．各混合粉末の配合に従い、低融点合金粉末を１２６０ｇ、高融点粉末５４０ｇを攪拌機に投入して５分間混合する。
２．フラックス２００ｇを攪拌機に投入する。
３．攪拌機を約２０分間攪拌する。
４．攪拌機から取り出すと２,０００ｋｇのソルダペーストが得られる。
実施例２
［００３２］
実施例１により製造したソルダペーストの金属間化合物の生成量をＤＳＣによる吸収熱量により測定する。
［表１］
0004826630.tif 000002
【００３３】
１．試験方法
１．５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．８ｍｍのアルミナ基板に開口部３０ｍｍ×３０ｍｍ、厚み０．１５ｍｍのメタルマスクを用いて実施例１で作製したソルダペーストをそれぞれスキージで印刷する。
２．２７０℃に設定したはんだバス上でアルミナ基板を６０秒間加熱して、はんだ接合片を得る。
３．得られたはんだ接合片を洗浄してアルミナ基板から剥がした後、ＤＳＣ（示差熱量計）で第１固相線温度、第１ピーク温度、第１ピーク温度における吸熱量、第２固相線温度、第２ピーク温度、第２ピーク温度における吸熱量を測定する。
４．ＤＳＣの測定は、ＳＩＩ社製示差熱量計を用いて昇温速度５℃／ｍｉｎで測定した。
【００３４】
２．測定結果
実施例および比較例のソルダペーストをＤＳＣ測定した結果の第１固相線温度、第１ピーク温度、第２固相線温度、第２ピーク温度、第１熱量、第２熱量を表１に示す。
実施例１、実施例３〜６と、それに対応するＮｉめっきが形成されていない組成である比較例１および比較例３を比較すると、実施例１、実施例３〜６は第１熱量、第２熱量において比較例１および比較例３と比べて少ない値になっており、ＳｎおよびＳｎ−ＡｇとＣｕが滑らかに反応していることが判る。
それに対して実施例１、実施例３〜６と、それに対応するＮｉめっき形成が厚い組成である比較例２および比較例４は、第２熱量がほとんど検出されていない。このことは比較例２および比較例４が、ＳｎおよびＳｎ−ＡｇとＣｕとの反応がほとんど進んでいないことを示している。
【００３５】
次に実際のＤＳＣチャートで説明すると、図１が実施例８のＳｎ−３質量％Ａｇ−０．５Ｃｕ質量％粉末７０質量％とＣｕ−１．０質量％Ｎｉ粉末３０質量％の混合粉末のソルダペーストのＤＳＣチャート、図２はＮｉめっきが形成されていない組成であるＳｎ−３質量％Ａｇ−０．５Ｃｕ質量％粉末７０質量％とＣｕ％粉末３０質量％の混合粉末のソルダペーストのＤＳＣチャート、図３はＮｉめっき形成が厚い組成であるＳｎ−３質量％Ａｇ−０．５Ｃｕ質量％粉末７０質量％とＣｕ−７．０質量％Ｎｉ粉末３０質量％の混合粉末のソルダペーストのＤＳＣチャートを示している。
図１と図２を比較すると、図２は第２熱量のピークが大きく現れているのに対して、図１は第２熱量のピークはなだらかに現れている。さらに図３では第２熱量のピークはほとんど現れていない。ここで第２熱量のピークの出現は、ＳｎおよびＳｎ−ＡｇとＣｕとの金属間化合物の生成を示しているので、比較例に当たる図２は急激にＳｎおよびＳｎ−ＡｇとＣｕとの金属間化合物の生成しており、図３はＳｎおよびＳｎ−ＡｇとＣｕとの金属間化合物を生成していないのに対して、実施例８に当たる図１はＳｎおよびＳｎ−ＡｇとＣｕとの金属間化合物を滑らかに生成していることがわかる。
【実施例３】
【００３６】
実施例１により製造したソルダペーストを用いて、各温度、各加熱時間別のはんだ片の溶融状態からソルダペーストのぬれ性を判断する。
【表２】
0004826630.tif 000003
【００３７】
１．試験方法
１．５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．８ｍｍのアルミナ基板に開口部３０ｍｍ×３０ｍｍ、厚み０．１５ｍｍのメタルマスクを用いて実施例１で作製したソルダペーストをそれぞれスキージで印刷する。
２．  ２７０℃に設定したはんだバス上でアルミナ基板を３０秒、１２０秒の２つの加熱時間で加熱して、はんだ接合片を得る。
２．試験結果
得られたはんだ接合片を表２に示す。
比較例２、４及び６は、CuおよびAg表面にNiが7.0質量%被覆されてもので、はんだが充分にぬれる時間が得られるため、ぬれ性試験においては実施例に相当するものであるが、各実験の組成を合わせるため敢えて比較例に入れた。
まとめとして、Ｃｕ粉末及びAg粉末にＮｉが被覆していないものは濡れが悪く、はんだ片が丸まっていないのに対して、Ｃｕ粉末及びAg粉末表面にＮｉめっきをしたものは０．２質量％でもはんだ片が丸まっている。また、低融点粉末のはんだ組成によりバラツキはあるものの、Ｃｕ粉末及びAg粉末表面に１．０質量％のＮｉめっきを施すとはんだ片は球状になっている。
【実施例４】
【００３８】
実施例１により製造したソルダペーストのセルフアライメント効果を測定する。
【００３９】
１．試験方法
ｌ．１００ｍｍ×８０ｍｍ×１．０ｍｍの３２１６サイズのチップランドが形成されたガラスエポキシ基板にセルフアライメント効果専用メタルマスクを用いて、わざと約１０°傾けてスキージで印刷する。
２．３２１６のチップ抵抗およびコンデンサーをマウンターで搭載する。
３．ピーク温度２７０°、ピーク時間３０〜６０秒でガラスエポキシ基板をリフローして、チップがランドの位置に戻ったかどうかを判定する。
判断基準は、チップが完全に戻ったもの  ○
チップが戻りはしなかったが移動したもの  △
チップが動かなかったもの    ×
とした。ガラスエポキシ基板上のチップ部品の中で１００個を選定して、その基板の中で○、△、×の中で一番多いものをそのソルダペーストの判定とした。
４．セルフアライメント効果の結果を表１に示す。
２．試験結果
【実施例５】
【００４０】
【表３】
0004826630.tif 000004
【００４１】
実施例１により製造したソルダペーストで電子機器の基板をはんだ付けして、その後プリント基板を反転させ、一般的な鉛フリーはんだのリフロー条件でリフローを行い、電子部品の落下があるかを調べる。基板をそのはんだ付けのプル強度を測定する。
【００４２】
１．試験方法
１．  １００ピンのＱＦＰのランドが形成された１００ｍｍ×８０ｍｍ×１．０ｍｍのガラスエポキシ基板に専用メタルマスクを用いて各ソルダペーストを印刷する。
２．印刷したソルダペースト上にマウンターで１００ピンのＱＦＰを搭載して、ピーク温度２７０℃、ピーク時間３０〜６０秒でガラスエポキシ基板をリフローする。
３．放置冷却後基板を反転させ、ピーク温度２７０℃、ピーク時間４０〜８０秒で基板を再度リフローする。
４．  ２度目のリフロー後にＱＦＰの落下がないか調べる。
５．判定基準は、ＱＰＦの落下のないもの  ○
ＱＰＦの落下のあったもの  ×      とした。
２．結果
判定結果を表３に示す。本発明のソルダペーストではんだ付けしたものは２度目のリフローでも部品が落下することはなかった。
【実施例６】
【００４３】
実施例１により製造したソルダペーストで電子機器の基板をはんだ付けして、そのはんだ付けのシェア強度を測定する。
【００４４】
１．試験方法
１．  １００ピンのＱＦＰのランドが形成された１００ｍｍ×８０ｍｍ×１．０ｍｍのガラスエポキシ基板に専用メタルマスクを用いて各ソルダペーストを印刷する。
２．印刷したソルダペースト上にマウンターで３２１６ピンのＱＦＰを搭載して、ピーク温度２７０°、ピーク時間３０〜６０秒でガラスエポキシ基板をリフローする。
３．放置冷却後、レスカ製のプッシュプルゲージを用いて中程から５チップを選択してシェアー強度を測定する。
２．結果
測定結果を表３に示す。一般に電子機器において５０Ｎ以上の接合強度があれば問題ないとされている。従ってＮｉ被覆を行ったＣｕ粉末を用いた材料は、他の場合と比較しても何れも問題なく、同等又はそれ以上の初期接合強度を有していた。
【００４５】
本発明の高融点金属にＮｉを被覆したソルダペーストは、プリント基板のランドや電子部品の電極に対してぬれ性が良く、セルフアラインメント効果も持ち合わせており、さらに電子部品を実装しても良好な接合強度を持ったはんだ付けが得られるものである。このソルダペーストは、ステップソルダリングに用いてもはんだが溶融せず、高温はんだの代換え品としても充分使用可能である。
【産業上の利用可能性】
【図１】
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【図２】
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【図３】
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