(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一はんだ合金粉末は１０〜４５質量％Bi、残部Snからなる合金の粉末であり、第二はんだ合金粉末は９〜１５質量％Zn、残部Snからなる合金の粉末であって、１０〜３０容積％の第一はんだ合金粉末と７０〜９０容積％の第二はんだ合金粉末を均一に混合した混合粉の溶融後の組成が７〜１１質量％Zn、１〜５質量％Bi、残部Snとなるように第一はんだ合金粉末と第二混合粉末を混合した混合粉とフラックスとが混和されていることを特徴とするソルダペ−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−スト、特にはんだ合金がSn-Zn-Bi系の鉛フリ−はんだから成るソルダペ−ストに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子機器に使用される電子部品は、ディスクリ−ト部品と表面実装部品（Surface  Mounted  Device：SMD）がある。
【０００３】
ディスクリ−ト部品は、電子部品本体に長い線状のリ−ドが設置されたもので、ディスクリ−ト部品をプリント基板にはんだ付けする場合はフロ−法で行なう。このフロ−法とは、ディスクリ−ト部品の長い線状のリ−ドをプリント基板に穿設さ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、等の処理を行なってディスクリ−ト部品のリ−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−のような単一機能のディスクリ−ト部品は電子部品本体の両側に線状のリ−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−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−やPGAのように多数の線状リ−ドを有するディスクリ−ト部品は、プリント基板の孔に多数の線状リ−ドを完全に挿入することが難しく、時折、線状リ−ドが孔からずれてしまって、線状リ−ドを曲げてしまうことがあった。そこで電子部品の小型化、線状リ−ドの挿入問題から、近年線状リ−ドのないSMDが多用されるようになってきた。SMDをフロ−法ではんだ付けすると、高温となった溶融はんだが直接SMD全体に触れて熱損傷を起こさせたり、凹凸のあるはんだ付け部にはんだが付着しなかったりするためフロ−法はSMDのはんだ付けに適していない。
【０００５】
SMDは、抵抗やコンデンサ−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やSOPのようなICパッケ−ジの電子部品では本体の両側、或るいは本体の四側に多数の板状のリ−ドが設置されたものである。このSMDをプリント基板にはんだ付けする場合は、リフロ−法で行なう。このリフロ−法とは、プリント基板のはんだ付け部、即ちSMDの電極や板状リ−ドと一致する箇所にはんだ合金粉末とペースト状フラックスからなるソルダペ−ストを印刷や吐出により塗布し、その後、該プリント基板をリフロ−炉で加熱してはんだ合金粉末を溶融させることによりプリント基板と表面実装電子部品のはんだ付けを行なうものである。リフロ−法は、SMD全体が溶融はんだに触れることがなく、また凹凸に関係なくはんだ付けができるというフロ−法にない優れた特長がある。
【０００６】
このリフロー法では、加熱時にペースト状フラックスの突沸を防ぐと同時に、電子部品やプリント基板への熱影響を少なくするために１００〜１５０℃で予備加熱を行ない、その後、ソルダペースト中のはんだ合金粉末を溶融させてはんだ付け部に付着させる本加熱を行なう。本加熱では最高温度となるピーク温度での加熱時間をなるべく短くして電子部品への熱影響を少なくするようにしている。
【０００７】
リフロ−法における加熱温度は、プリント基板に搭載された電子部品に対する熱影響を少なくするため、できるだけ低い本加熱温度で加熱することが推奨されている。この本加熱温度は、プリント基板の大きさ、厚さ、電子部品の実装密度等によって適宜調整するものであり、当然ソルダペ−ストに用いるはんだ合金粉末を完全に溶融させるために、はんだ合金粉末の液相線温度以上となる。従って、ソルダペ−ストに用いるはんだ合金粉末は、液相線温度がなるべく低い方が本加熱温度も低くなり、それだけ電子部品に対する熱影響も少なくできるものである。一般に本加熱温度は、ソルダペ−ストに用いるはんだ合金粉末はんだの液相線温度＋２０〜４０℃といわれている。
【０００８】
従来のソルダペ−ストに用いられていたはんだ合金粉末は、Sn−Pb合金であった。Sn−Pbの共晶はんだは、はんだ付け性に優れ、しかも融点が１８３℃と低いため、この共晶はんだを用いたソルダペ−ストの本加熱温度はSMDやプリント基板に対して熱損傷を与えない本加熱温度で済むという優れた特長を有しているものである。SMDやプリント基板を熱損傷させないためには、本加熱温度は２３０℃以下とし、ここでの加熱時間をできるだけ短くすることが好ましい。
【０００９】
ところで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多く含んだ酸性雨が接触すると、酸性雨はSn−Pbはんだから鉛を溶解し、鉛成分を含んだ水が地中深く浸透して地下水を汚染するようになる。この鉛成分を含んだ地下水を長年月にわたって飲料すると、体内に鉛成分が蓄積され鉛中毒を起こすことが懸念されている。そこで最近では、鉛を全く含まない鉛フリ−はんだを使用することが推奨されており、ソルダペ−ストに用いるはんだも鉛フリ−はんだとなってきている。
【００１０】
鉛フリ−はんだは、Snを主成分として、これにAg、Cu、Bi、Sb、Zn等を適宜添加して用途に応じた特性を出すようになっている。
【００１１】
Sn−Ag系は、Sn−３．５Agの共晶組成の融点が２２０℃であるため、本加熱温度は２５０℃以上となって電子部品を熱損傷させてしまう。このSn−Ag系に少量の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、液相線温度をあまり下げることはできないため、本加熱温度がやはり高くなっていた。またこの組成の鉛フリ−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もあった。
【００１２】
Sn−Cu系は、Sn−０．７Cuの共晶組成の融点が２２７℃であり、やはり本加熱温度が高くなってリフロ−時に電子部品を熱損傷させる。しかも、はんだ付け性が良好でないという問題があった。Sn−Cu系に少量のBiやInを添加しても前述Sn−Ag系と同様に液相線温度を下げることはできない。
【００１３】
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、本加熱温度が従来の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−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−はんだは、Biが大量に含有されているため非常に脆い性質を有しており、はんだ付け後、はんだ付け部に多少の衝撃が加わっただけで容易に剥離するという問題があった。
【００１４】
Sn−９Znの共晶組成は融点が１９９℃であり、本加熱温度が２３０℃以下で行なえるため、リフロ−時の熱損傷は少ない。またこのSn−Zn系に用いるZnは人体に対して無害な金属であるばかりでなく、大量に産出されるため、価格も非常に安価である。従って、Sn−Zn系鉛フリ−はんだは、他の鉛フリ−はんだに比べて安全性、経済性の面で非常に優れているものである。
【００１５】
【発明を解決するための手段】
このSn−９Znはんだ合金の粉末をソルダペ−ストに使用した場合、本加熱温度は２３０℃以下で行なえることから、Sn−Bi系以外の他の鉛フリ−はんだよりも本加熱温度を低くすることができる。しかしながら、かかるソルダペ−ストは、プリント基板のはんだ付け部周辺が融点の１９９℃以上になったからといっても、直ぐに溶融するわけではなく、しばらく時間が経過してから溶融するようになる。これは前述のようにプリント基板は大きさ、厚さ、電子部品の実装密度等により部分的に温度差が生じているからである。つまりSn−９Znはんだ合金粉末を用いたソルダペ−ストでは、本加熱温度が液相線温度よりも約３０℃高い２３０℃になってもプリント基板全体がはんだの融点（１９９℃）以上になっていないことがあるため、ソルダペ−ストは直ぐに溶融しない。そして２３０℃の温度で少し長い時間をかけているうちにプリント基板全体が１９９℃以上になるため、そこではじめて合金粉末が溶け始める。本加熱温度としては比較的低い温度とされている２３０℃であっても、加熱時間が長引くと電子部品への熱影響出てしまうものである。
【００１６】
またSn−9Znは、はんだ付け性が悪く、はんだ付け部にボイドやディウエットを大量に発生させるという問題もあった。ここでいうところのボイドとは、はんだ付け部（母材）の表面にはんだに隠れた状態で発生する気泡状の空隙である。はんだ付け部に、このボイドが大量に発生すると、はんだと母材間の接着面積が小さくなるため接着強度が弱くなって、はんだ付け後、電子部品に少しの力がかかっただけで、容易に剥離してしまうようになる。
【００１７】
またディウエットとは、溶融はんだがはんだ付け部全体に完全に濡れ広がらないことである。つまりソルダペ−ストの溶融時に溶融したはんだは、一度は、はんだ付け部に濡れるが、部分的に溶融はんだをはじいてしまい、単にメッキされたような状態ではんだがほとんど付着しなくなる。これがディウエットである。このディウエットも、はんだと母材間の接着面積が小さくなるため、接着強度が弱くなってしまうものである。
【００１８】
本発明者らは、温度的、経済的に優れているが、リフロ−時間が長くなって電子部品に熱影響を与えたり、ボイドやディウエットが大量に発生したりするというＳｎ−９Ｚｎはんだ合金粉末のソルダペ−ストの問題点を解決すべく検討を行なった。その結果、リフロ−時間は液相線が同一温度の合金であっても固相線温度の低い合金の方が短い加熱時間ではんだ合金粉末を完全に溶融させることが分かった。
【００１９】
Sn−９Znはんだ合金の固相線温度を下げるためには、溶融温度を下げる効果のあるInやBiをSn−Zn系合金に添加することが考えられる。このうちInは枯渇する金属であるため非常に高価であるばかりでなく、ソルダペ−ストの合金粉末としてInが含まれていると、フラックスとの反応が激しくなって、ソルダペ−ストの粘度を短時間で急増させてしまう。粘度の増加したソルダペ−ストは、マスクを用いての印刷塗布や細い針先から吐出させるディスペンサ−での塗布ができなくなってしまうものである。
【００２０】
BiはInほど高価でなく、またソルダペ−ストの合金粉末中に含まれていてもフラックスとの反応が少ないというソルダペ−ストには問題のない金属である。Sn−Znの共晶近辺の合金にBiを添加すると、固相線温度を下げることができる。Biは大量に添加すると、脆性が現れ、はんだ付け後、はんだ付け部に加わった衝撃や振動で簡単に剥離してしまう。そのためSn−Zn共晶近辺の合金に添加するBiの添加量は１〜５質量％が適当である。Sn−Zn共晶近辺の合金へのBiの添加量が１質量％よりも少ないと、固相線温度を下げる効果が現れず、しかるに５質量％を超えて添加すると脆性が現れて、はんだ付け部の機械的強度が弱くなってしまう。
【００２１】
本発明では、本加熱温度をなるべく低い温度とするため、液相線温度をSn−Zn共晶の１９９℃よりも少し高い温度である２０５℃までとした。ここでの液相線温度とは、示差熱分析（DSC）のピ−ク温度である。液相線温度を２０５℃以下にするためには、Znの添加量は７〜１１質量％にしなければならない。Znの添加量が７質量％より少なかったり、１１質量％よりも多くなったりすると、液相線温度が２１０℃以上になって、本加熱温度も高くせざるを得ず、電子部品を熱損傷させてしまうことになる。
【００２２】
７〜１１Zn、１〜５Bi、残部Snの組成の鉛フリ−はんだ、例えばSn−８Zn−３Biは固相線温度が１９０℃、液相線温度が１９６℃であり、固相線温度と液相線温度の温度差が６℃である。このはんだ合金粉末を用いたソルダペ−ストは、リフロ−時、プリント基板が固相線温度の１９０℃になると熱容量の小さい部分では溶融が始まり、液相線温度の１９６℃を超えて本加熱温度、例えば２３０℃に到達するころには熱容量の大きい部分も溶融するため、ソルダペ−ストの未溶融はなくなる。つまりSn−Zn系の合金にBiを少量添加した合金は、固相線温度が下がるため、リフロ−時には短時間で未溶融がなくなるという特長を有したものである。
【００２３】
このように７〜１１質量％Zn、１〜５質量％Bi、残部Snからなるはんだ合金粉末を用いたソルダペ−ストは、短時間で未溶融がなくなるという効果があるが、Sn−９Znはんだ合金粉末のソルダペーストと同様、はんだ付け部にボイドやディウエットが多量に発生するという問題は残っている。
【００２４】
本発明は、リフロ−時にソルダペ−ストの未溶融がなく、しかもボイドやディウエットの発生がきわめて少ないというソルダペ−ストを提供することにある。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、ボイドやディウエットが発生する原因について鋭意研究を行なった結果、次のような現象で発生することが判明した。例えばSn−８Zn−３Biを用いたソルダペ−ストのリフロー法におけるボイドの発生のメカニズムは、先ず１００〜１５０℃の予備加熱時にはんだ合金粉末の固相線温度よりも低い軟化点のフラックスが液化する。液化したフラックスは合金粉末の粒子間に留まっている。そして加熱温度がさらに高まると液状フラックスは気化してガスとなり、合金粉末は固相線温度の１９０℃を超えると溶け始める。このとき合金粉末は全体が溶け始めるため、フラックスのガスは合金粉末の粒子間に留まり、それがボイドとなってしまうものである。
【００２６】
またこのSn−８Zn−３Bi合金の粉末を用いたソルダペ−ストにおけるディウエットの発生のメカニズムは、Sn−８Zn−３Bi合金自体の濡れ性が悪いため、ソルダペ−ストのはんだ合金粉末が溶融しても広がらず、凝縮した状態のディウエットとなってしまうものである。
【００２７】
本発明者らは、Sn−Zn−Bi系鉛フリ−はんだのソルダペ−ストにおいてボイドやディウエットを発生させない手段について検討を重ねた結果、固相線温度と組成が異なる二種のはんだ合金粉末を混合するとともに、該二種のはんだ合金粉末を一定割合で混合するとボイドやディウエットが発生しないことを見い出し、本発明を完成させた。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明は、第一はんだ合金粉末は１０〜４５質量％Bi、残部Snからなる合金の粉末であり、第二はんだ合金粉末は９〜１５質量％Zn、残部Snからなる合金の粉末であって、１０〜３０容積％の第一はんだ合金粉末と７０〜９０容積％の第二はんだ合金粉末を均一に混合した混合粉の溶融後の組成が７〜１１質量％Zn、１〜５質量％Bi、残部Snとなるように第一はんだ合金粉末と第二混合粉末を混合した混合粉がフラックスと混和されていることを特徴とするソルダペ−ストである。
【００２９】
本発明は、組成の異なる第一はんだ合金粉末と第二はんだ合金粉末を用い、これら二種のはんだ合金粉末を混合した混合粉とフラックスとを混和したソルダペ−ストである。第一はんだ合金粉末は、濡れ性が良好なSn−Bi合金の粉末であり、第二はんだ合金粉末は濡れ性が乏しいSn−Zn合金の粉末である。
【００３０】
第一はんだ合金粉末の組成は１０〜４５質量％Bi、残部Snである。第一はんだ合金粉末は、共晶組成でなく固相線と液相線の温度差が２５℃以上となる組成でなければならない。つまり第一はんだ合金粉末は、固相線温度が１３９℃であり、液相線温度は１６９℃以上のものである。このように固相線温度と液相線温度の差を２５℃以上としたのは、リフロ−時、第二はんだ合金粉末よりも固相線温度の低い第一はんだ合金粉末が先に溶けるが、このとき溶け始めから完全に溶け終わるまでの半溶融状態の時間が長いと、予備加熱で液化したフラックスを粘度の高い半溶融状態のはんだが時間をかけて徐々にはんだの外に追い出すことができるからである。しかしながら、この第一はんだ合金粉末は、固相線温度と液相線温度があまり離れていないと、半溶融状態の時間が短くなるため、液化したフラックスを完全に外に追い出すことができなくなる。
【００３１】
第二はんだ合金粉末の組成は７〜１１Zn、残部Snである。第二はんだ合金粉末は、固相線温度が１９９℃であり、前述第一はんだ合金粉末の固相線温度の１３９℃よりも６０℃高くなっている。第一はんだ合金粉末の固相線温度と第二はんだ合金粉末の固相線温度の差が大きいと濡れ性の良好な第一はんだ合金粉末が濡れ性に劣る第二はんだ合金粉末よりも先に溶融することで、はんだ付け部に第一はんだ合金のメッキを形成する。
【００３２】
本発明では、第一はんだ合金粉末と第二はんだ合金粉末の混合割合を第一はんだ合金粉末が１０〜３０容積％、第二はんだ合金粉末が７０〜９０容積％にしてある。このような容積割合にした理由は合金粉末には空隙があり、該空隙の容積が１０〜３０容積％であり、固相線温度の低い第一はんだ合金粉末が先に溶融したときに、空隙間に存在している液状フラックスを追い出して第二はんだ合金粉末間に溶融した第一合金が充填できるようにするためである。このとき、第一はんだ合金粉末の量が１０容積％よりも少ないと第二はんだ合金粉末間を完全に充填することができなくなってボイドが発生してしまう。しかるに第一はんだ合金粉末が３０容積％よりも多いとリフロー時ソルダペーストの印刷塗布部よりも広がると言うダレを起こしたり、微小はんだボールを発生させたりする。
【００３３】
【実施例】
(実施例１)
第一はんだ合金粉末：Sn‐１５Bi合金粉末    ２０容積％
第二はんだ合金粉末：Sn‐１０Zn合金粉末    ８０容積％
(第一はんだ合金粉末と第二はんだ合金粉末の溶融後の組成：Sn-8Zn-3Bi)
第一はんだ合金粉末と第二はんだ合金粉末の混合粉末：９００ｇ
樹脂系ペースト状フラックス                      ：１００ｇ
【００３４】
（実施例２）
第一はんだ合金粉末：Sn‐２０Bi合金粉末    １５容積％
第二はんだ合金粉末：Sn‐１０Zn合金粉末    １０容積％
(第一はんだ合金粉末と第二はんだ合金粉末の溶融後の組成：Sn-８Zn-３Bi)
第一はんだ合金粉末と第二はんだ合金粉末の混合粉末：９００ｇ
樹脂系ペースト状フラックス                      ：１００ｇ
【００３５】
(比較例１)
Sn−8Zn−3Bi合金粉末  ：９００ｇ
樹脂系ペース状フラックス：１００ｇ
【００３６】
(比較例２)
第一はんだ合金粉末：Sn−５７Bi合金粉末    ３００ｇ
第二はんだ合金粉末：Sn‐  ９Zn合金粉末    ７００ｇ
（第一はんだ合金粉末と第二はんだ合金粉末の溶融後の組成：Sn-6.2Zn-17.1Bi）
第一はんだ合金粉末と第二はんだ合金粉末の混合粉末：９００ｇ
樹脂系ペースト状フラックス                      ：１００ｇ
【００３７】
上記実施例と比較例のソルダペーストをリフロー法によりSMDとプリント基板のはんだ付けを行なった。本加熱温度は２３０℃、本加熱時間（ピーク温度の加熱時間）は２０〜６０秒である。その結果、実施例のソルダペーストではんだ付けしたはんだ付け部にはボイドやディウエットの発生がきわめて少なく、またソルダペーストを印刷塗布したはんだ付け部全域にはんだが均一に付着していた。一方、比較例１のソルダペーストはボイドやディウエットが大量に発生しており、また比較例２のソルダペーストはディウエットは少ないがボイドが大量に発生していた。
【００３８】
【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は、リフロー時の本加熱温度を低くして電子部品への熱影響を少なくできるばかりでなく、ピーク時間を短くしても、はんだ合金粉末の未溶融がないため接着不良が少なく、またはんだ付け部にボイドやディウエット等、接着強度を弱める欠陥がきわめて少ないため、信頼性のあるはんだ付け部が得られるという従来の鉛フリーはんだを用いたソルダペーストにはない優れた効果を奏するものである。