(57)【要約】【課題】  Ｐｂフリーでありながら再熱処理に耐えることができ、しかも信頼性の高い接合状態を維持することが可能な内部接合用のはんだペーストを提供する。【解決手段】  Ｓｎ又はＳｎ系合金（第１接合成分）と、Ｓｎ又はＳｎ系合金よりも融点が高く表面に酸化膜が形成された金属又は合金（第２接合成分）を含み、これらがフラックス中に分散されてなるはんだペーストである。第２接合成分の金属としては、ＮｉまたはＣｕである。このはんだペーストを用いて電子部品を実装することで、第１接合成分により構成される第１の接合部と、第２接合成分を構成する金属又は合金により構成され、第１の接合部を被覆するように形成される第２の接合部とからなる接合部が形成される。第２接合部は、第１接合部の防御層として機能し、再熱処理時の電子部品の脱落や、はんだの流れ出しが防止される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｎ又はＳｎ系合金と、前記Ｓｎ又はＳｎ系合金よりも融点が高く表面に酸化膜が形成された金属又は合金を含み、これらがフラックス中に分散されていることを特徴とするはんだペースト。
【請求項２】
前記Ｓｎ又はＳｎ系合金よりも融点が高い金属又は合金が、Ｎｉ又はＣｕの少なくとも１種であることを特徴とする請求項１記載のはんだペースト。
【請求項３】
前記Ｓｎ系合金は、Ａｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｓｂから選択される少なくとも１種を含むはんだであることを特徴とする請求項１記載のはんだペースト。
【請求項４】
前記酸化膜の厚さが０．０５〜１μｍであることを特徴とする請求項１記載のはんだペースト。
【請求項５】
前記フラックスは、ロジンと活性剤とを含み、前記活性剤が塩素系活性剤又は臭素系活性剤であることを特徴とする請求項１記載のはんだペースト。
【請求項６】
前記活性剤が、エチルアミンＨＣｌ、アミノジエチルアニリンＨＣｌ、ＮヘキシルＨＢｒ、イソプロピルＨＢｒから選択される少なくとも１種であることを特徴とする請求項５記載のはんだペースト。
【請求項７】
再熱処理される内部接合用途に使用されることを特徴とする請求項１記載のはんだペースト。
【請求項８】
Ｎｉ又はＣｕの少なくとも１種を酸素を含む雰囲気中で熱処理し、表面に酸化膜を形成した後、Ｓｎ又はＳｎ系合金とともにフラックス中に分散することを特徴とするはんだペーストの製造方法。
【請求項９】
電子部品がはんだ付けにより実装されてなる電子部品の実装構造であって、
前記はんだ付けによる接合部が、Ｓｎ又はＳｎ系合金により構成される第１の接合部と、前記Ｓｎ又はＳｎ系合金よりも融点が高い金属又は合金により構成され、第１の接合部を被覆するように形成される第２の接合部を有することを特徴とする電子部品の実装構造。
【請求項１０】
前記第１の接合部と第２の接合部の界面に反応相が形成され、互いに接合されていることを特徴とする請求項９記載の電子部品の実装構造。
【請求項１１】
前記Ｓｎ又はＳｎ系合金よりも融点が高い金属又は合金は、Ｎｉ又はＣｕの少なくとも１種であることを特徴とする請求項９記載の電子部品の実装構造。
【請求項１２】
前記Ｓｎ系合金は、Ａｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｓｂから選択される少なくとも１種を含むはんだであることを特徴とする請求項９記載の電子部品の実装構造。
【請求項１３】
前記電子部品は内部接合され、実装後、再熱処理されていることを特徴とする請求項９記載の電子部品の実装構造。
【請求項１４】
電子部品を請求項１記載のはんだペーストによりはんだ付けし、請求項９記載の実装構造とすることを特徴とする電子部品の実装方法。
【請求項１５】
前記はんだ付けの後、再熱処理を行うことを特徴とする請求項１４記載の電子部品の実装方法。
【請求項１６】
前記再熱処理は、外部接続用のリフローであることを特徴とする請求項１５記載の電子部品の実装方法。
【請求項１７】
前記外部接続用にＳｎ又はＳｎ系合金を用いることを特徴とする請求項１６記載の電子部品の実装方法。
【請求項１８】
前記Ｓｎ系合金は、Ａｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｓｂから選択される少なくとも１種を含むはんだであることを特徴とする請求項１７記載の電子部品の実装方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、はんだペースト及びその製造方法に関するものであり、特に、再熱処理可能な内部接合用のはんだペーストの改良に関する。さらには、前記はんだペーストを用いた電子部品の実装構造及び実装方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境保全の観点から、環境汚染物質、例えばＰｂの使用量の削減、さらには使用の禁止が求められている。そのため、電子部品のはんだ付けに使用するＳｎ−Ｐｂ共晶合金はんだは、Ｓｎ−Ａｇ系のはんだ等に移行しつつある。
【０００３】
しかしながら、電子部品を内部接合するための内部接合用はんだについては、現状では代替となるはんだが開発されていないのが実情である。例えば、電子回路モジュール等の各種電子回路基板を作製する場合、予め電子部品を接合用はんだで接合しモールドしたモールド部品をさらにプリント基板に実装し、外部接続用のはんだ付けを行う場合がある。この場合、モールド部品内に接合された電子部品は、外部接続用はんだをはんだ付けする際に、再熱処理されることになる。
【０００４】
したがって、接合用はんだには外部接続用はんだよりも融点の高いはんだを用いる必要があるが、例えば、Ｐｂを含まない接合用はんだであるＳｎ−１０Ｓｂは、融点が２４５℃程度であり、前記再熱処理を考えた場合、十分とは言えない。外部接合用に前記Ｓｎ−１０Ｓｂを用い、外部接続用にＳｎ−Ａｇ系のはんだ（例えばＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ）を用いた場合、外部接続のためのはんだ付け時にリフロー温度が２６０℃程度の高温雰囲気になるため、基板にはんだ付けした電子部品の接合部が溶融し、内部接合した電子部品が脱落する虞れがある。また、電子部品の接合箇所以外の部分に内部接合用のはんだが接合されていた場合、再熱処理によって接合用はんだが融けて流れ出し、他の配線と接触してショートする虞れもある。融点の高いはんだとしては、例えばＳｎ−Ａｕ系合金も知られているが、Ａｕを含むため製造コストの上昇を招き、汎用用途には実用的ではない。
【０００５】
このような状況から、本願出願人は、Ｐｂフリーで高温での再熱処理に耐え得るはんだ付け用組成物を既に提案している（特許文献１を参照）。この特許文献１記載のはんだ付け用組成物は、リフローソルダリング温度で溶融する金属成分と溶融しない金属成分とからなり、リフローソルダリング時に合金化してその組成物よりも融点の上昇した合金を形成し、その結果として、はんだ付け済みの基板等に更にはんだ付けを実施する際にもほぼ同一温度条件下ではんだ付けが可能となる。
【特許文献１】特開２００２−２５４１９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、リフローソルダリング時に例えばＳｎ−Ｓｂ系はんだと高融点金属とを合金化させると、確かに融点が上昇して再熱処理には耐え得るが、脆くなって接合信頼性が低下するという問題があることがわかってきた。
【０００７】
本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、Ｐｂフリーでありながら再熱処理に耐えることができ、しかも信頼性の高い接合状態を維持することが可能なはんだペーストを提供することを目的とし、さらにはその製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、リフロー及びリフロー工程等の高温雰囲気下においても電子部品の脱落を防止することができ、またはんだが融け出すことによるショートの危険性の少ない電子部品の実装構造、並びに実装方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前述の目的を達成するために、本発明のはんだペーストは、Ｓｎ又はＳｎ系合金と、前記Ｓｎ又はＳｎ系合金よりも融点が高く表面に酸化膜が形成された金属又は合金を含み、これらがフラックス中に分散されていることを特徴とする。また、本発明のはんだペーストの製造方法は、Ｎｉ又はＣｕの少なくとも１種を酸素を含む雰囲気中で熱処理し、表面に酸化膜を形成した後、Ｓｎ又はＳｎ系合金とともにフラックス中に分散することを特徴とする。
【０００９】
本発明のはんだペーストを用いてはんだ付けを行うと、Ｓｎ又はＳｎ系合金の表面を被覆してＳｎ又はＳｎ系合金よりも融点が高い金属又は合金の被膜が形成される。形成される金属（又は合金）の被膜は、融点が高く、再熱処理した際に溶融することはない。また、この被膜は、Ｓｎ又はＳｎ系合金と界面において反応し、強固に接合した状態となる。したがって、再熱処理時にＳｎ又はＳｎ系合金が溶融したとしても、前記融点の高い被膜によって接合状態が維持される。また、内部のＳｎ又はＳｎ系合金は、その大部分は合金化されることがなく、したがってこの部分が脆くなることによる接合信頼性の低下が回避される。
【００１０】
一方、本発明の電子部品の実装構造は、電子部品がはんだ付けにより実装されてなる電子部品の実装構造であって、前記はんだ付けによる接合部が、Ｓｎ又はＳｎ系合金により構成される第１の接合部と、前記Ｓｎ又はＳｎ系合金よりも融点が高い金属又は合金により構成され、第１の接合部を被覆するように形成される第２の接合部を有することを特徴とする。また、本発明の実装方法は、電子部品を前記はんだペーストによりはんだ付けし、前記実装構造とすることを特徴とする。
【００１１】
前記実装構造では、Ｓｎ又はＳｎ系合金により構成される第１の接合部により、良好な接合状態が確保される。それとともに、Ｓｎ又はＳｎ系合金よりも融点が高い金属又は合金により構成される第２の接合部によって第１の接合部が被覆されているので、例えばリフロー及びリフロー工程等の高温雰囲気下において第１の接合部が溶融状態になっても、接合部全体が溶融して電子部品が脱落するようなことはない。また、前記第２の接合部による被覆により、当該第２の接合部が溶融するはんだの防御層として機能し、第１の接合部が再熱処理時に流れ出すこともない。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、Ｐｂフリーでありながら再熱処理に耐えることができ、しかも信頼性の高い接合状態を維持することが可能なはんだペースト及びその製造方法を提供することが可能である。また、本発明によれば、リフロー及びリフロー工程等の高温雰囲気下においても電子部品の脱落を防止することができ、はんだが融け出すことによるショートの危険性の少ない電子部品の実装構造及び実装方法を実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を適用したはんだペースト、その製造方法、電子部品の実装構造、及び実装方法について、図面を参照して説明する。
【００１４】
本発明のはんだペーストは、Ｓｎ又はＳｎ系合金（以下、第１接合成分と称する。）と、Ｓｎ又はＳｎ系合金よりも融点が高く表面に酸化膜が形成された金属又は合金（以下、第２接合成分と称する。）を含み、これらがフラックス中に分散されてなるものである。
【００１５】
先ず、前記第１接合成分であるが、この第１接合成分としては、Ｓｎ粉又はＳｎ系合金粉を用いる。Ｓｎ系合金は、Ａｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｓｂから選択される少なくとも１種を含み、いわゆるＳｎ系はんだである。選択される金属の添加量に特に制限はないが、実装上、十分な濡れ性を有する組成とすることが好ましい。
【００１６】
一方、第２接合成分としては、前記第１接合成分よりも融点の高い金属粉、あるいは合金粉を用いる。具体的には、Ｎｉ粉、またはＣｕ粉等である。この第２接合成分として用いるＮｉ粉あるいはＣｕ粉は、表面が酸化膜で覆われていることが必要である。酸化膜が形成されていない場合、ＮｉまたはＣｕが第１接合成分であるＳｎと反応し、例えばリフローソルダリング時に合金化してしまい、目的を達成することができない。ただし、第２接合成分として完全な酸化物を使用した場合、第２接合成分が第１接合成分と全く反応しなくなり、第１接合成分と第２接合成分の界面での接合を実現することができない。
【００１７】
前記酸化膜の厚さに制約はないが、前記のような観点から、第２接合成分における酸化膜の厚さは、０．０１〜１μｍとすることが好ましい。酸化膜の厚さを０．０１μｍ未満とすると、厚みの制御が難しく、その結果、合金化が起こる可能性が生ずる。逆に、酸化膜の厚みが１μｍを越えると、酸化膜がフラックスで完全に分解されず、表面に残存する虞れがある。酸化膜がＮｉ粉やＣｕ粉の表面に残存すると、第２接合成分と第１接合成分の反応が不十分になり、第２接合成分からなる被膜と第１接合成分との密着性を十分に確保することが難しくなる。なお、前記密着性が確保されれば、前記第２接合成分に酸化物が残留していても問題はない。
【００１８】
はんだペーストにおける前記第１接合成分と第２接合成分の混合比は、特に制約されないが、例えば、第１接合成分の割合を９５〜６０重量％程度、第２接合成分の割合を５〜４０重量％程度とすることが好ましい。第１接合成分の割合が多くなり過ぎると、第２接合成分により形成される被膜の厚さが薄くなり、十分に機能を発揮しなくなる虞れがある。逆に、第２接合成分の割合が多くなりすぎると、はんだとして機能する部分のボリュームが少なくなりすぎ、良好なはんだ付け状態を維持することが難しくなる虞れがある。
【００１９】
上述の第１接合成分及び第２接合成分は、フラックスに分散され、はんだペーストとして調製される。このとき、用いるフラックスは任意であるが、前記酸化膜に対する還元性を考慮した場合、活性剤として特定の活性剤を含むフラックスを用いることが好ましい。フラックスは、通常、ロジンと活性剤とを含む。活性剤は、塩素（Ｃｌ）系、フッ素（Ｆ）系、臭素（Ｂｒ）系等があるが、前記還元性を考慮すると、塩素系あるいは臭素系であることが好ましい。具体的には、エチルアミンＨＣｌ、アミノジエチルアニリンＨＣｌ、ＮヘキシルＨＢｒ、イソプロピルＨＢｒ等が好ましい。
【００２０】
本発明のはんだペーストは、通常のはんだペーストと同様、第１接合成分及び第２接合成分をフラックス中に分散すればよい。ただし、第２接合成分については、予め酸化膜を形成しておく必要があり、例えば、Ｎｉ粉、またはＣｕ粉を酸素を含む雰囲気中で熱処理し、表面に酸化膜を形成した後、Ｓｎ又はＳｎ系合金とともにフラックス中に分散する。前記熱処理の際の温度、処理時間、酸素濃度等をコントロールすることにより、酸化膜の厚みを制御することが可能である。なお、酸化膜を形成する手法としては、これに限らず、酸化膜を形成し得る手法であれば特に限定されるものではない。
【００２１】
本発明のはんだペーストを用いてはんだ付けした場合、先ずＳｎ又はＳｎ系合金（第１接合成分）が溶融し、Ｓｎ又はＳｎ系合金よりも融点が高く表面に酸化膜が形成された金属又は合金（第２接合成分）はその表面に浮き上がる。浮き上がった金属又は合金においては、フラックスの還元作用によって酸化膜が還元され、金属又は合金の被膜を形成して前記Ｓｎ又はＳｎ系合金の表面を被覆する。表面を被覆する金属又は合金の被膜は、Ｓｎ又はＳｎ系合金の表面と反応し、反応相が形成される。これにより第１接合成分と第２接合成分とが強固に接合された状態となる。
【００２２】
図１は、本発明のはんだペーストを用いてはんだ付けした電子部品の実装構造を示すものである。本実装構造では、前述のはんだペーストを用いたはんだ付けにより基板１に電子部品（例えばセラミックコンデンサ）２が実装されている。電子部品２は、両端部に端子電極３，４を有し、これらが基板１に設けられた接続電極５，６とはんだ付けされ、電気的に接続されている。
【００２３】
はんだペーストによるはんだ付けにより、接合部７が構成されるが、この接合部７は、Ｓｎ又はＳｎ系合金（第１接合成分）により形成される第１接合部７ａと、その表面を被覆する第２接合部７ｂとからなる。第２接合部７ｂは、Ｓｎ又はＳｎ系合金よりも融点が高い金属（第２接合成分）、例えばＮｉ、Ｃｕにより形成される。この第１接合部７ａと第２接合部７ｂとの界面には、先に述べたように反応相が形成され、強固に結合した状態となる。なお、前記界面に反応相が形成されることは、色調の変化により容易に確認することができる。前記界面には色調の異なる層が形成され、これが前記反応相に相当する。
【００２４】
前記電子部品２は、前記接合部７によりはんだ付けされ基板１に実装されるが、このとき第１接合部７ａが主にはんだとしての機能を果たす。すなわち、第１接合部７ａが電子部品２の端子電極３，４と接触しており、端子電極３，４と接続電極５，６がはんだ付けされる。
【００２５】
一方、第２接合部７ｂは、前記第１接合部７ａの表面を被覆する形で形成されており、再熱処理時の電子部品２の脱落を防止し、第１接合部７ａの流れ出しを防止する機能を有する。すなわち、再熱処理時に温度が上昇し、第１接合部７ａが溶融したとしても、第２接合部７ｂによって第１接合部７ａが端子電極３，４と接触した状態が保たれ、電子部品２の脱落が防止される。また、例えば接合部７が電子部品２の端子電極３，４以外の部分に形成されている場合、第１接合部７ａが溶融したとしても第２接合部７ｂが防御壁として働き、第１接合部７ａが流れ出してショート等を引き起こすことはない。
【００２６】
以上のように、本発明のはんだペーストは、再熱処理される用途、すなわち内部接合のためのはんだ付けに使用することが有効である。以下、本発明のはんだペーストを内部接合用に用いた場合の実装方法について説明する。
【００２７】
電子部品を基板に内部接合し、さらに外部接続する場合、先ず、本発明のはんだペーストを用いた電子部品の実装を行う。このはんだペーストによる電子部品の実装構造は、先の図１に示した通りである。再熱処理が必要な場合としては、前記基板に取り付けられた電子部品をモールドし、電子部品が実装された基板をモールド部品として他の基板に実装する場合や、前記電子部品を基板の片面に実装した後、基板の他面に対してはんだリフローを行う場合等が挙げられる。
【００２８】
次いで、前記モールド部品や基板に対して再熱処理である外部接続用のリフローが行われる。このとき、前記電子部品を内部接合したモールド部品や基板は、リフロー工程等において高温雰囲気下に晒されることになる。外部接続用にＳｎ−Ａｇ系はんだ、例えばＳｎ−Ａｇ−Ｃｕを用いた場合には、前記リフロー工程において２６０℃程度の高温に晒される。
【００２９】
ここで電子部品の内部接合用に本発明のはんだペーストを用い、図１に示す実装構造とすれば、再熱処理である外部接続用のリフロー工程において、電子部品の脱落が起こることはなく、内部接合用のはんだの流れによりショートが起こることもない。
【実施例】
【００３０】
以下、本発明を適用した具体的な実施例について、実験結果に基づいて説明する。
【００３１】
（実施例１）
金属粉への酸化膜の形成
平均粒径１２μｍのＣｕ粉を用意し、４００℃で１時間の熱処理を行った。このとき、酸素量を変えることで、酸化膜厚を制御した。形成された酸化膜の膜厚は、０．０５μｍ、０．１μｍ、０．５μｍ、１．０μｍ、２．０μｍであった。なお、酸化膜の膜厚は、Ｃｕ粉を樹脂に埋めて研磨し、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察することにより求めた。
【００３２】
はんだペーストの作製
平均粒径１２μｍのＳｎ粉と、酸化膜を形成したＣｕ粉、さらには酸化処理を行っていないＣｕ粉を重量比で８０：２０となるような割合で混合し、フラックス中に分散させて、はんだペーストを得た。
【００３３】
電子部品の実装及び試験
Ｃｕからなるランドパターンが形成された紙フェノール基板に、作製したはんだペーストを塗布し、その上にＣ５７５０（縦５．７ｍｍ×横５．０ｍｍ×厚み４ｍｍ）形状のコンデンサ素子を載せ、２６０℃のリフロー温度で前記コンデンサ素子を紙フェノール基板に実装した。
【００３４】
その後、図２に示す方法で、２６０℃の温度環境下、荷重による落下試験を行った。なお、図２において、電子部品２に相当するコンデンサ素子の実装構造は、図１に示すものと同じであり、ここではその説明は省略する。このコンデンサ素子を実装した基板を９０°傾け、電子部品２上に重り８を載せて落下試験を行った。荷重は、５ｇ、１０ｇ、１５ｇ、２０ｇとした。各荷重条件下で試験試料３０個について試験を行った。結果を表１に示す。なお、表中の数値は、落下した個数を示す。
【００３５】
また、図３に示すパターンを用いて、はんだ膜を形成し、基板を横にして２６０°で保持し、はんだが融けてブリッジが形成されるか否かを調べた。なお、図３に示すように、基板１１上にはパターン１２が形成されているが、各パターン１２の幅Ｗは２ｍｍ、間隔ｐは１ｍｍとした。試験試料は３０枚用意し、ブリッジの生じた枚数を調べた。結果を表１に併せて示す。
【００３６】
【表１】
2005103554.tif 000003
【００３７】
この表１から明らかなように、厚さ０．０５〜１μｍの酸化膜を形成したＣｕ粉を用いたはんだペーストによる実装において、コンデンサ素子の脱落が生じず、また配線パターン間にブリッジが発生することもない。これに対して、酸化膜の厚さがゼロの場合には、合金化によりはんだが脆くなり、コンデンサ素子の落下が見られた。また、酸化膜の厚さが厚くなりすぎると、第１接合部と第２接合部とが接合されず、急激に結果が悪くなっている。
【００３８】
（実施例２）
本実施例では、Ｃｕ粉の代わりにＮｉ粉を用い、先の実施例１と同様の試験試料を作製し、落下試験及びブリッジ形成試験を行った。結果を表２に示す。
【００３９】
【表２】
2005103554.tif 000004
【００４０】
Ｎｉ粉を用いた場合にも、Ｃｕ粉の場合と同様、厚さ０．０５〜１μｍの酸化膜を形成することで、コンデンサ素子の脱落が生じず、また配線パターン間にブリッジが発生することもないことが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明を適用した電子部品の実装構造の一例を示す断面図である。
【図２】落下試験の方法を示す概略斜視図である。
【図３】ブリッジ形成試験に用いた基板の平面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  基板、２  電子部品、３，４  端子電極、５，６  接続電極、７  接合部、７ａ  第１接合部、７ｂ  第２接合部、８  重り、１１  基板、１２  パターン
【図１】
2005103554.tif 000005
【図２】
2005103554.tif 000006
【図３】
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