(57)【要約】【課題】錫−鉛はんだ合金の代替えとして十分な特性を有する鉛フリーはんだ合金接合を得る。【解決手段】錫ビスマス合金に少量の金属を添加したはんだ合金と、熱硬化性樹脂とを含有するはんだ合金接合材料であって、はんだ合金は、銅、銀、ニッケル、ゲルマニウム、アンチモン、及びインジウムからなる群から選択される少なくとも１種の金属を２質量％以下、ビスマスを４５または５７質量％、錫を残部として含有する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｎ−５７質量％Ｂｉ−ｘ質量％Ｍ
（但し、Ｍは、銅、銀、ニッケル、ゲルマニウム、アンチモン、及びインジウムからなる群から選択される少なくとも１種の金属であり、ｘは４．０以下である）
で表されるはんだ合金、及び該はんだ合金に対し、５ないし２０質量％の熱硬化性接着剤を含有することを特徴とするはんだ接合材料。
【請求項２】
Ｓｎ−４５質量％Ｂｉ−ｘ質量％Ｍ
（但し、Ｍは、銅、銀、ニッケル、ゲルマニウム、アンチモン、及びインジウムからなる群から選択される少なくとも１種の金属であり、ｘは４．０以下である）
で表されるはんだ合金、及び及び該はんだ合金に対し、５ないし２０質量％の熱硬化性接着剤を含有することを特徴とするはんだ接合材料。
【請求項３】
Ｓｎ−５７質量％Ｂｉ−ｘ質量％Ｍ
（但し、Ｍは、銅、銀、ニッケル、ゲルマニウム、アンチモン、及びインジウムからなる群から選択される少なくとも１種の金属であり、ｘは４．０以下である）
で表されるはんだ合金、及び熱硬化性接着剤を含有することを特徴とするはんだ接合材料。
【請求項４】
Ｓｎ−４５質量％Ｂｉ−ｘ質量％Ｍ
（但し、Ｍは、銅、銀、ニッケル、ゲルマニウム、アンチモン、及びインジウムからなる群から選択される少なくとも１種の金属であり、ｘは４．０以下である）
で表されるはんだ合金、及び熱硬化性接着剤を含有することを特徴とするはんだ接合材料。
【請求項５】
基板、該基板上に設けられた導体パターン、該基板上に該導体パターンと電気的に接続して設けられた接続端子、及び請求項１ないし４のいずれか１項に記載のはんだ接合材料を用いて該接続端子と接合された回路部品を具備することを特徴とするプリント回路配線基板。
【請求項６】
基板、該基板上に設けられた導体パターン、該基板上に該導体パターンと電気的に接続して設けられた接続端子、及び請求項１ないし４のいずれか１項に記載のはんだ接合材料を用いて該接続端子と接合された回路部品を有するプリント回路配線基板と、該プリント回路配線基板と接続された電子部品とを具備することを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パソコン等の電子機器、これに用いられるプリント回路配線基板、及びこのプリント回路配線基板及び電子機器に部品を搭載するために使用される接合材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
はんだ合金は、低温で溶融し、かつ電気的接続特性が良好であるため、電子部品をプリント回路配線基板に実装する際に一般的に使用されている。
【０００３】
このはんだ合金には、引っ張り強度、伸び率、及び熱疲労強度等の機械的特性、はんだのぬれ性、及びはんだ付け性に優れていることが要求される。
【０００４】
はんだ合金としては、例えば錫−鉛合金、錫−銀合金、錫−アンチモン合金、及び錫−ビスマス合金があげられるけれども、従来より、上記特性に優れたはんだ合金として錫−鉛合金が汎用されてきた。
【０００５】
近年、鉛の人体に与える影響が問題となってきた。このため、錫−鉛はんだ合金の代替えとして、上記特性に優れた鉛フリーはんだ合金が望まれている。
【０００６】
しかしながら、鉛フリーはんだ合金は、錫−鉛合金よりも融点が高いものが多いという問題があった。例えばＳｎ−３．０質量％Ａｇ−０．５質量％Ｃｕはんだの融点は約２１９℃であり、錫−鉛共晶はんだの融点である１８３℃に比べて３０℃以上高く、はんだをリフロー加熱する際に、約２４５℃まで加熱が必要である。鉛フリーはんだを用いると、この様な高い温度でのリフローが必要となるため、部品耐熱性が低い部品を採用することができず、また、薄型プリント配線板では、ソリが発生する等の問題があった。
【０００７】
特に、近年、０６０３チップ部品の採用や、次世代０４０２チップ部品の台頭により、高密度実装化が望まれており、これら小型チップ部品における、実装ランドの小型化がすすんでいる。小型化が進むことにより、接合強度の絶対値が下がる傾向があり、これにより破断寿命、耐曲げ性、及び耐落下性等が低下しやすくなっていた。このため、接合全般の信頼性を向上することが求められていた。
【０００８】
融点の低い鉛フリーはんだ合金として、例えば２５ないし５８重量％のビスマスと、残部に錫と不可避不純物とを含む錫−ビスマス二元系はんだ合金がある（下記、引用文献１参照）。この錫−ビスマス二元系はんだ合金は、鉛フリーはんだ合金の中では、比較的低融点であるが、部品側の端子めっきにＰｂが含まれている場合、Ｓｎ−Ｐｂ−Ｂｉの低融点共晶（融点約１００℃）になり、熱疲労特性が著しく低下するという問題があった。
【０００９】
従来の表面実装（ＳＭＴ）で使用されるはんだペーストは、はんだ粉末にフラックスを混ぜてペースト状にしたものである。
【００１０】
フラックスには、部品端子や基板端子の表面酸化物を除去するため、ロジン（松やに）、塩素、臭素、または複合化合物である有機酸等が含まれており、スクリーン印刷しやすい粘度調整、部品搭載後に部品が脱落しづらいタック力調整が行われている。しかしながら、例えフラックスを調整しても、錫−ビスマス二元系はんだ合金を用いて、低融点であって、ぬれ性、はんだ付け性、及び種々の機械的特性を十分に満足することができる鉛フリーはんだ合金接合材料を得ることは困難であった。
【特許文献１】特開２０００−１４１０７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みて成されたもので、錫−鉛はんだ合金の代替えとして十分な特性を有する鉛フリーはんだ合金接合を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明のはんだ接合材料は、Ｓｎ−５７質量％Ｂｉ−ｘ質量％Ｍ（但し、Ｍは、銅、銀、ニッケル、ゲルマニウム、アンチモン、及びインジウムからなる群から選択される少なくとも１種の金属であり、ｘは４．０以下である）で表されるはんだ合金、及び熱硬化性接着剤を含有することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明のはんだ接合材料は、Ｓｎ−４５質量％Ｂｉ−ｘ質量％Ｍ  （但し、Ｍは、銅、銀、ニッケル、ゲルマニウム、アンチモン、及びインジウムからなる群から選択される少なくとも１種の金属であり、ｘは４．０以下である）で表されるはんだ合金、及び熱硬化性接着剤を含有することを特徴とする。
【００１４】
本発明のプリント回路配線基板は、基板、該基板上に設けられた導体パターン、該基板上に該導体パターンと電気的に接続して設けられた接続端子、及びＳｎ−５７質量％Ｂｉ−ｘ質量％Ｍ（但し、Ｍは、銅、銀、ニッケル、ゲルマニウム、アンチモン、及びインジウムからなる群から選択される少なくとも１種の金属であり、ｘは４．０以下である）で表されるはんだ合金、及び熱硬化性接着剤を含有するはんだ接合材料を用いて該接続端子と接合された回路部品を具備することを特徴とする。
【００１５】
本発明のプリント回路配線基板は、基板、該基板上に設けられた導体パターン、該基板上に該導体パターンと電気的に接続して設けられた接続端子、及びＳｎ−４５質量％Ｂｉ−ｘ質量％Ｍ（但し、Ｍは、銅、銀、ニッケル、ゲルマニウム、アンチモン、及びインジウムからなる群から選択される少なくとも１種の金属であり、ｘは４．０以下である）で表されるはんだ合金、及び熱硬化性接着剤を含有するはんだ接合材料を用いて該接続端子と接合された回路部品を具備することを特徴とする。
【００１６】
本発明の電子機器は、基板、該基板上に設けられた導体パターン、該基板上に該導体パターンと電気的に接続して設けられた接続端子、及び  Ｓｎ−５７質量％Ｂｉ−ｘ質量％Ｍ（但し、Ｍは、銅、銀、ニッケル、ゲルマニウム、アンチモン、及びインジウムからなる群から選択される少なくとも１種の金属であり、ｘは４．０以下である）で表されるはんだ合金、及び熱硬化性接着剤を含有するはんだ接合材料を用いて該接続端子と接合された回路部品を有するプリント回路配線基板と、該プリント回路配線基板と接続された電子部品とを具備することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の電子機器は、基板、該基板上に設けられた導体パターン、該基板上に該導体パターンと電気的に接続して設けられた接続端子、及びＳｎ−４５質量％Ｂｉ−ｘ質量％Ｍ（但し、Ｍは、銅、銀、ニッケル、ゲルマニウム、アンチモン、及びインジウムからなる群から選択される少なくとも１種の金属であり、ｘは４．０以下である）で表されるはんだ合金、及び熱硬化性接着剤を含有するはんだ接合材料を用いて該接続端子と接合された回路部品を有するプリント回路配線基板と、該プリント回路配線基板と接続された電子部品とを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明を用いると、リフロー温度を十分に低くすることができ、錫−鉛はんだ合金の代替えとして十分な特性を有する鉛フリーはんだ合金接合が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明に係るはんだ接合材料は、錫ビスマス合金に少量の金属を添加したはんだ合金と、熱硬化性樹脂とを含有するはんだ合金接合材料であって、はんだ合金は、銅、銀、ニッケル、ゲルマニウム、アンチモン、及びインジウムからなる群から選択される少なくとも１種の金属を２質量％以下、ビスマスを４５または５７質量％、錫を残部として含有する。
【００２０】
また、本発明に係るプリント回路配線基板は、基板、基板上に設けられた導体パターン、基板上に導体パターンと電気的に接続して設けられた接続端子、及び上記はんだ合金接続材料を用いて、接続端子と接続された回路部品を有する。
【００２１】
さらに、本発明の電子機器は、上記プリント回路配線基板とこれに接続された電子部品とを有する。
【００２２】
本発明の鉛フリーはんだ合金は、低温で接合が可能であり、基板や部品への熱ダメージが低く、十分なぬれ性、はんだ付け性、及び接合強度が得られ、種々の機械的特性を満足することができるので、錫−鉛はんだ合金の代替えとして十分な特性を有する。
【００２３】
本発明に係るはんだ接合材料は、他の鉛フリーはんだ合金に比べて低い融点を有する錫−ビスマス合金を含むことにより、錫−鉛はんだ合金の代替えとして、十分に低い温度で接合が可能となる。
【００２４】
錫の含有量は、ビスマスの含有量が４５質量％であるとき、５１ないし５５質量％、ビスマスの含有量が５７質量％であるとき、３９ないし４３質量％である。
【００２５】
また、本発明に係るはんだ接合材料は、銅、銀、ニッケル、ゲルマニウム、アンチモン、及びインジウムからなる群から選択される少なくとも１種の添加金属をさらに含むことにより、濡れ性の向上や、酸化の抑制、組織の粗大化を抑えることで高寿命化を図る等の作用が得られる。
【００２６】
ここで、参考として、錫−ビスマス２元合金の状態図を図１に示す。
【００２７】
図示するように、錫−ビスマス２元合金は、ビスマスの含有量が５８質量％であるとき、１３９℃で共晶点Ｅをもつ。この錫−ビスマス２元合金では、液相線１０１に示すように、ビスマスの含有量が０ないし５８質量％の範囲で１３９℃ないし２３２℃の融点を有する合金を作成できる。
【００２８】
本発明に係るはんだ接合材料では、錫−ビスマス２元合金に加えて上記添加金属をさらに用いることにより、この融点を１３９ないし１７０℃程度に抑えることができ、リフロー加熱温度を１６０ないし１９０℃程度まで下げることができる。上記金属の含有量は好ましくは０．０５ないし４質量％である。なお、上記金属の含有量が４質量％を超えると、機械的特性が変わり、また液相点と固相点のずれが大きくなるという不利点がある。
【００２９】
また、本発明に係るはんだ接合材料は、熱硬化性接着剤をさらに含み、ペースト状に調整されることにより、ぬれ性、はんだ付け性が良好となり、熱硬化性接着剤を用いることにより、従来のフラックスのみの使用では得られなかった十分な接合強度が得られ、種々の機械的特性を十分に満足する鉛フリーはんだ合金接合が可能となる。
【００３０】
熱硬化性樹脂の含有量は、はんだ合金に対し、５ないし２０質量％であることが好ましい。５質量％未満であると、はんだのぬれ及び接着強度が不足する傾向があり、２０質量％を超えると、印刷時や加熱時のダレが発生する傾向がある。
【００３１】
また、熱硬化性樹脂は、その熱硬化温度がはんだ合金の融点に対し、１４０ないし１７０℃の範囲であることが好ましい。この範囲であると、はんだ接合時にはんだリフロー加熱温度で熱硬化を行うことが可能であり、耐熱性が低い部品及び基板等を採用することが可能となる。
【００３２】
また、本発明のはんだ接合材料は、薄型プリント回路配線基板に適用した場合でもソリが発生することがない。
【００３３】
薄型プリント回路配線基板としては、例えば部品内蔵プリント回路配線基板があげられる。部品内蔵プリント回路配線基板は、数十μｍないし１００μｍ程度の厚さを有する内層用プリント回路配線基板上に、本発明のはんだ接合材料を用いて回路部品を実装し、この内層用プリント回路配線基板上に絶縁層を含む外層を積層することにより得られる。
【００３４】
本発明を用いると、内層用のプリント回路配線基板を薄くしても、従来のはんだを使用場合のような大きなソリが発生せず、ソリの少ない高品質の実装を行うことができる。
【００３５】
また、本発明によれば、使用する熱硬化性樹脂及びはんだ合金組成を変更して、はんだの溶融・凝固と樹脂成分の熱硬化のタイミングを調整することにより、熱硬化性接着剤の硬化温度よりも、はんだ合金の液相線温度、固相線温度の内片方、または両方を低くすることも可能である。
【００３６】
以下、図面を参照し、本発明をより詳細に説明する。
【００３７】
図２ないし図４は、本発明に係るプリント回路配線基板の一例のはんだ接合工程を説明するための図を示す。
【００３８】
図２に示すように、まず、導体パターン及びその表面上に導体パターンと電気的に接続して設けられた接続端子２を含む配線基板１を用意する。
【００３９】
次に、熱硬化性接着剤（ガラス転移点Ｔｇ９０℃，熱硬化温度１５５ないし１６０℃）  ７５ないし８５質量％、チクソ剤  １ないし５質量％、硬化剤  ３ないし１０質量％、及びフラックス  ８ないし１２質量％を含む熱硬化性接着剤成分を、Ｂｉ４５質量％、Ｃｕ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｇｅ，Ｓｂ，及びＩｎからなる群から選択される少なくとも１種の金属４質量％以下、及び残部としてＳｎを含むはんだ合金１００質量部に対し、９ないし１２質量部含有するはんだペーストを用意する。
【００４０】
得られたはんだペーストを、図３に示すように、接続端子２上に塗布し、はんだペースト塗布層３を得る。
【００４１】
その後、図４に示すように、接続端子４を有する回路部品５を用意し、その接続端子４とはんだペースト塗布層３とを位置合わせして載置する。
【００４２】
続いて、回路部品５を載置した配線基板１をリフロー炉内で１５０ないし１７０℃で５ないし６分加熱して、はんだの溶融、接合及び熱硬化性接着剤の熱硬化を行う。
【００４３】
これにより、導体パターンを含む基板上に設けられた接続端子と、回路部品に設けられた接続端子とを本発明のはんだ接合材料を用いたはんだ接合層６を介して接合したプリント回路配線基板１０が得られる。
【００４４】
このようにして得られたプリント回路配線基板１０は、破断寿命、耐曲げ性、及び耐落下性等の種々の機械的強度に優れ、接合強度が良好である。
【００４５】
また、図６に、本発明に係るプリント回路配線基板を適用し得る電子機器の一例を表す図を示す。
【００４６】
図示するように、電子機器の一例としてのパーソナルコンピュータは、偏平な矩形箱状の機器本体１０と、同じく偏平な矩形状のディスプレイユニット１２と、を備えている。
【００４７】
機器本体１０は、上面の開口した矩形状のベース部８と、ベース部の開口を覆うようにベース部に接合されたカバー７とで構成されている。そして、機器本体１０は、カバー７によって構成された上壁、一対の側壁２６、後壁２８、および矩形状の底壁を有している。
【００４８】
機器本体１０の上壁には多数のキーを有したキーボード１４が配置されている。その他、機器本体１０の上壁には、電源スイッチ１６、クリックスイッチ１８、インジケータ２０等が設けられている。そして、ディスプレイユニット１２は、機器本体１０の後部に設けられたヒンジ部２２により、キーボード１４の入力操作が可能な図示の開放位置と、キーボードを覆う閉塞位置との間を回動自在に支持されている。
【００４９】
また、機器本体１０内には、光ディスクドライブ２４、フロッピーディスクドライブ３２、カードスロット３６、電池パック３８、その他、種々の電子部品が配設されている。また、機器本体１０内の底壁上には、電子部品が実装されたプリント回路配線基板４２が配設されているとともに、このプリント回路配線基板４２上には、機器本体１０内および電子部品を冷却するための冷却ユニット４４が配設されている。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】錫−ビスマス２元合金の状態図
【図２】本発明に係るプリント回路配線基板の一例のはんだ接合工程
【図３】本発明に係るプリント回路配線基板の一例のはんだ接合工程
【図４】本発明に係るプリント回路配線基板の一例のはんだ接合工程
【図５】本発明に係るプリント回路配線基板の一例のはんだ接合工程
【図６】本発明に係るプリント回路配線基板を適用し得る電子機器の一例を表す図
【符号の説明】
【００５１】
１…配線基板、２，４…接続端子、３…はんだペースト塗布層、５…回路部品、６…はんだ接合層、７…カバー、８…ベース部…、１０…機器本体、１４…キーボード，２５…底壁，４２…プリント回路基板
【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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【図６】
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