(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属粉とペースト状フラックスを混和したソルダペーストにおいて、金属粉はＳｎの金属間化合物粉が３０〜９０質量％と、残部がＳｎ粉または固相線温度が２１０℃以上のＳｎ主成分のＰｂフリーはんだ粉からなる混合粉であり、該金属間化合物がSn-Ag系金属間化合物、Sn-Cu系金属間化合物、Sn-Ni系金属間化合物、およびSn-Fe系金属間化合物の少なくとも１種であり、該はんだが、ＳｎにＡｇ８．０質量％以下、Ｃｕ２．０質量％以下、Ｓｂ１５質量％以下、Ｎｉ０．５質量％以下、Ｃｒ０．２質量％以下、Ｆｅ０．２質量％以下、Ｐ０．３質量％以下、Ｇｅ０．３質量％以下の一種以上が添加されており、残部Snおよび不可避的不純物からなることを特徴とするステップ・ソルダリング用ソルダペースト。
【請求項２】
両面実装基板の片面にＳｎの金属間化合物が３０〜９０質量％と、残部がＳｎまたは固相線温度２１０℃以上のＳｎ主成分のＰｂフリーはんだの混合物ではんだ付けされている電子部品を備えており、該金属間化合物がSn-Ag系金属間化合物、Sn-Cu系金属間化合物、Sn-Ni系金属間化合物、およびSn-Fe系金属間化合物の少なくとも１種であり、該はんだが、ＳｎにＡｇ８．０質量％以下、Ｃｕ２．０質量％以下、Ｓｂ１５質量％以下、Ｎｉ０．５質量％以下、Ｃｒ０．２質量％以下、Ｆｅ０．２質量％以下、Ｐ０．３質量％以下、Ｇｅ０．３質量％以下の一種以上が添加されており、残部Snおよび不可避的不純物からなることを特徴とする両面実装プリント基板。
【請求項３】
プリント基板の片面に最初のはんだ付けを行い、もう一方の面に二度目のはんだ付けを行うステップ・ソルダリングにおいて、最初のはんだ付けはＳｎの金属間化合物粉が３０〜９０質量％と、残部がＳｎ粉またはＳｎ主成分のＰｂフリーはんだ粉からなる混合粉のソルダペーストを用いてリフロー法で行い、二度目のはんだ付けはＰｂフリーはんだ粉のソルダペーストを用いてリフロー法で行うか、或いはＰｂフリーはんだを用いてフロー法で行い、、該金属間化合物がSn-Ag系金属間化合物、Sn-Cu系金属間化合物、Sn-Ni系金属間化合物、およびSn-Fe系金属間化合物の少なくとも１種であり、該はんだが、ＳｎにＡｇ８．０質量％以下、Ｃｕ２．０質量％以下、Ｓｂ１５質量％以下、Ｎｉ０．５質量％以下、Ｃｒ０．２質量％以下、Ｆｅ０．２質量％以下、Ｐ０．３質量％以下、Ｇｅ０．３質量％以下の一種以上が添加されており、残部Snおよび不可避的不純物からなることを特徴とするステップ・ソルダリング方法。
【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使用するソルダペースト、特に高温状態において高信頼性が発揮できるソルダペースト、耐熱性に優れた電子部品およびプリント基板の両面に電子部品をはんだ付けするステップ・ソルダリング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子部品とプリント基板のはんだ付け方法としては、脂入り線はんだをはんだ鏝ではんだ付けする鏝付け法と、電子部品が搭載されたプリント基板を溶融はんだに接触させてはんだ付けするフロー法と、はんだ粉とペースト状フラックスからなるソルダペーストをプリント基板のはんだ付け部に塗布し、該塗布部に電子部品を搭載してからリフロー炉で加熱してはんだ付けするリフロー法、等がある。
【０００３】
鏝付け法は、作業者やロボットがはんだ付け部一箇所毎にはんだ付けを行うため大量生産には向かないが、他のはんだ付け方法で発生したはんだ付け不良の修正や熱に弱い電子部品を他のはんだ付け方法ではんだ付けした後にはんだ付けするという「後付け」に適している。フロー法は、一度に多数箇所のはんだ付けを行うことができるため大量生産が可能であるが、プリント基板の片面全面に溶融はんだを接触させるため、はんだ付け部に表面実装部品が搭載されているようなプリント基板には適していない。リフロー法は、多数のはんだ付け部にソルダペーストを塗布するため大量生産ができるとともに必要箇所だけにソルダペーストを塗布するため、同一面に表面実装部品が搭載されていても表面実装部品に対して影響を及ぼすことがない。しかしながらリフロー法は、微細で均一なはんだ粉を得るのに多大な手間がかかるため材料コストが高価となることから、信頼性が要求される高級電子機器向きである。このようにそれぞれのはんだ付け方法には一長一短があるため、電子業界では用途によって使い分けている。
【０００４】
ところで近時の電子機器は所謂、軽薄短小の傾向から、この電子機器に組み込まれるプリント基板も小さくなってきており、小さなプリント基板に対しては合理的な電子部品の実装が求められている。つまり従来の電子機器に組み込まれていたプリント基板は、片面だけに電子部品を実装すれば充分であったが、近時の電子機器に組み込まれる小型化されたプリント基板は多数の電子部品を一枚のプリント基板に実装しなければならなくなってきたため、プリント基板の両面に実装する合理的な手段が採られている。
【０００５】
プリント基板の両面に電子部品を実装するはんだ付け手段はステップ・ソルダリングと呼ばれ、プリント基板の片面ずつはんだ付けを行うものである。ステップ・ソルダリングとしては、先ずプリント基板の片面に最初のはんだ付けをリフロー法で行い、次にもう一方の面に二度目のはんだ付けをやはりリフロー法で行うという「リフロー・リフロー」と、片面に最初のはんだ付けをリフロー法ではんだ付けを行い、次にもう一方の面に二度目のはんだ付けをフロー法で行う「リフロー・フロー」がある。
【０００６】
リフロー・リフローやリフロー・フローに限らずステップ・ソルダリングでは、最初のはんだ付けに用いるはんだ合金は、固相線温度が二度目のはんだ付けに用いるはんだ合金の液相線温度よりも高いものでなければならないとされている。なぜならばステップ・ソルダリングにおいて、二度目のはんだ付けのときのはんだ付け温度で最初にはんだ付けした部分のはんだが溶融すると、最初のはんだ付け部の電子部品が脱落したり、電子部品が脱落しないまでも所定のはんだ付け部からずれて付着し、電子部品としての機能が果たせなくなったりするからである。そこでステップ・ソルダリングでは、最初のはんだ付けに用いるはんだ合金は、二度目のはんだ付け温度で溶融しない所謂「高温はんだ」が使用されていた。
【０００７】
従来のステップ・ソルダリングに使用されてきたはんだ合金は、最初のはんだ付けも二度目のはんだ付けもSn-Pb合金のはんだであった。最初のはんだ付けに用いる高温はんだとしては、Pb-10Sn(固相線温度270℃、液相線温度272℃)、Pb-5Sn（固相線温度307℃、液相線温度313℃）、Pb-5Ag(固相線温度304℃、液相線温度365℃)等、Pb主成分のはんだ合金であり、二度目のはんだ付けに用いるはんだ合金としてはPb-Sn合金のうち融点が最も低く、しかもはんだ付け性に優れたPb-63Sn（共晶温度183℃）の共晶はんだであった。従って、固相線温度が270℃のPb-10Snの高温はんだを用いて最初のはんだ付けを行った場合、共晶はんだを使用した二度目のはんだ付け温度が少し高めの230℃になっても、Pb-10Snではんだ付けしたはんだ付け部は二度目のはんだ付け時に絶対に溶融することがなく、最初にはんだ付けした電子部品が脱落や位置ずれを起こさない。。
【０００８】
このようにPbを含むはんだを用いてステップ・ソルダリングにより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。
【０００９】
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、従来ステップ・ソルダリングで使用されてきた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。
【００１０】
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にAg、Sb、Cu、Zn、Bi、In、Ni、Cr、Fe、P、Ge、Ga等の元素を一種以上添加したものである。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(包晶温度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℃)等（以下、多用Pbフリーはんだという）である。
【００１１】
一般にプリント基板と電子部品をはんだ付けする場合、はんだ付け温度は、はんだ合金の液相線温度＋20〜40℃が適当と言われている。例えばPb規制を考慮してPbフリーはんだを使用する場合、多用PbフリーはんだのSn-3Ag-0.5Cu（固相線温度217℃、液相線温度220℃）は、はんだ付け温度が240〜260℃となる。ステップ・ソルダリングで、このSn-3Ag-0.5Cuを二度目のはんだ付けに使用する場合、最初のはんだ付けに使用するPbフリーはんだは固相線温度が少なくとも260℃以上のものでなければならないものであった。
【００１２】
従来のPb-Snはんだ合金では、固相線温度が260℃以上のものとしてPb-10Sn、Pb-5Sn、Pb-5Agのような高温はんだがあり、これらの高温はんだはステップ・ソルダリングの最初のはんだ付け用として前述多用Pbフリーはんだを使用した場合にも充分対応可能であった。しかしながらPb規制によりステップ・ソルダリングで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。またSn-Cu系やSn-Sb系でも同様にCuやSbを増やしても液相線温度は上がるが、固相線温度は上がらない。これらに他の元素を添加しても固相線温度を上げることはできず、Pbフリーはんだはステップソルダリング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。
【００１３】
ステップ・ソルダリングの最初のはんだ付け用として開発されたものではないが、高温で耐熱特性を有するPbフリーはんだがUSP5520752（752特許という)に提案されている。752特許はPbフリーはんだ中に金属間化合物を添加したものであり、固相線温度はステップ・ソルダリングに適した高い温度ではない。また、やはりステップ・ソルダリング用ではないが、非晶質の金属粉同士を混合したPbフリーはんだが特許第3074649号(649特許という）で提案されている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
752特許のPbフリーはんだは、Sn-Ag主成分の合金中にInおよび／またはBiを含有させたSn-Ag-(In、Bi)系合金であり、Sn-Ag-In、Sn-Ag-In-Bi、Sn-Ag-Bi、Sn-Ag-Bi-Cu等である。ここではSn-AgにInやBiのような温度降下作用のある元素を添加したため、これらの合金の固相線温度は二元のSn-Ag合金の固相線温度（221℃）よりも低くくなっている。そこで752特許では、該合金中にSn合金の金属間化合物を点在させることにより高温特性を向上させている。しかしながら、該合金ではんだ付けしたはんだ付け部は、はんだ付け部周囲の温度が210℃以上になると、電子部品を支えることができなくなって、電子部品が脱落したり移動したりしてしまう。つまり752特許は、単にはんだ付け部の機械的特性を改善することを目的としたものであり、ステップ・ソルダリングの最初のはんだ付け用には適していない。
【００１５】
649特許は、未反応相および非晶質相のSn、Ag、Cu、Bi、Zn、In、Au、Ni、Sb、Pd、Pt、Ge金属粉を一種以上混合してはんだ付けするものであり、はんだ付け後にはんだ付け部のはんだが金属間化合物を形成するようになっている。このように、はんだ中に金属間化合物が形成されると、はんだ付け部は脆くなり、はんだ付け部に衝撃が加わると容易に剥離してしまう。また649特許は、微小金属粉を用いることにより融点降下をねらったものであり、ステップ・ソルダリングの最初のはんだ付け用には適していない。
【００１６】
ステップ・ソルダリングでは、二度目のはんだ付けにPbフリーはんだを用いることはできるが、前述のようにPbフリーはんだでは固相線温度の高いものがなかったため、Pb規制を知りながらもPb-Snの高温はんだを使わざるを得なかった。従って、ステップ・ソルダリングではんだ付けされた従来の電子部品はPb公害の問題を有しているばかりでなく、機械的強度に弱いPb主成分の高温はんだではんだ付けされていたため、信頼性にも問題があった。
【００１７】
【問題を解決するための手段】
本発明者らは、固相線温度が210℃以上のPbフリーはんだ中に高温の粉が存在していると、多用Pbフリーはんだのはんだ付け温度では粉の周囲のはんだが半溶融状態や溶融状態になってもはんだは流動しないこと、そして電子部品のはんだ付け部にはんだと高温の粉が共存するとはんだが溶融しても電子部品を脱落させたり移動させたりすることがないこと、等を見出し本発明を完成させた。
【００１８】
本発明のソルダペーストは、金属粉とペースト状フラックスを混和したソルダペーストにおいて、金属粉はSnの金属間化合物粉が30〜90質量％と、残部がSn粉またはSn主成分のPbフリーはんだ粉からなる混合粉のソルダペーストである。
【００１９】
本発明の電子部品は、Snの金属間化合物が30〜90質量％と、残部がSnまたはSn主成分のPbフリーはんだの混合物ではんだ付けされている電子部品である。
【００２０】
本発明のステップ・ソルダリング方法は、プリント基板の片面に最初のはんだ付けを行い、もう一方の面に二度目のはんだ付けを行うステップ・ソルダリングにおいて、最初のはんだ付けはSnの金属間化合物粉が30〜90質量％と、残部がSn粉またはSn主成分のPbフリーはんだ粉からなる混合粉のソルダペーストを用いてリフロー法で行い、二度目のはんだ付けはPbフリーはんだ粉のソルダペーストを用いてリフロー法で行うか、或いはPbフリーはんだを用いてフロー法で行うステップ・ソルダリング方法である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明に使用するSn合金粉或いはSn合金は、固相線温度が210℃以上でなければならない。Sn合金粉の固相線温度が210℃よりも低いと、ステップ・ソルダリングの二度目のはんだ付けを多用Pbフリーはんだで行った場合、電子部品が脱落したり移動したりするからである。つまり多用Pbフリーはんだを用いた二度目のはんだ付け温度は最高で260℃になるが、この260℃で金属間化合物を混合したはんだ付け部のはんだが流出したり電子部品の脱落や移動が起こったりしないためには、Sn合金粉の固相線温度は210℃以上であることが望ましい。つまり固相線温度が210℃よりも低いPbフリーはんだは、260℃以上の温度になると、周囲に多数の金属間化合物が存在していても、保持力が弱くなって金属間化合物をはんだ付け部に保持できなくなり、電子部品の脱落や移動が起こってしまう。
【００２２】
本発明に使用するSn合金粉或いはSn合金は、Sn主成分にAg、Cu、Sb、Ni、Cr、Fe、P、Geの一種以上が添加されているものである。Sn合金に添加する元素の添加量は、はんだ付け性、機械的特性等を考慮すると、Agは8.0質量％以下、Cuは2.0質量％以下、Sbは15質量％以下、Niは0.5質量％以下、Crは0.2質量％以下、Feは0.2質量％以下、Pは0.3質量％以下、Geは0.3質量％以下である。また本発明ではPbフリーはんだばかりでなく、融点が232℃のSnを単体で用いることもできる。
【００２３】
本発明の電子部品では、はんだ付け部がSnまたはSn主成分のPbフリーはんだで接合されているものであるが、該はんだ付け部のはんだにはBiやInが添加されていないものでなければならない。なぜならばSn主成分のPbフリーはんだ中にBiやInが添加されていると、固相線温度が本発明が目的とする210℃以下に下がってしまうからである。またPbフリーはんだにBiが添加されるとはんだ付け部が脆くなり、またInが添加されるとソルダペーストにした場合、経時変化が起こりやすくなってしまう。
【００２４】
また本発明に使用するSnの金属間化合物は、Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Ni、Sn-Fe合金の金属間化合物が適している。さらに詳細にはSn-Ag合金の金属間化合物としてはAg3Sn、Sn-Cu合金の金属間化合物としてはCu3Sn、Cu6Sn5、Sn-Ni合金の金属間化合物としてはNi3Sn2、Ni3Sn4、Sn-Fe合金の金属間化合物としてはFeSn、FeSn2、等である。また本発明では、金属間化合物は前述Snの二元系に限らず、Snを含む三元系以上の合金の金属間化合物でもよいし、異なる二種以上の金属間化合物を添加してもよい。これらの金属間化合物は脆性を有しているためボールミルのような破砕装置で容易に微粉末にすることができる。SnやSn主成分のPbフリーはんだ中に金属間化合物が30質量％よりも少ないと、はんだ付け周囲が高温となってSnやPbフリーはんだが半溶融したり溶融したりしたときに流出してしまう。しかるに金属間化合物が90質量％よりも多くなると、はんだの接合力が弱くなってしまう。
【００２５】
本発明のステップ・ソルダリング方法では、リフロー・リフローやリフロー・フローのどちらでも採用できる。つまりリフロー・リフローでは最初のはんだ付けに金属間化合物粉が混入されたソルダペーストを用い、二度目のはんだ付けにPbフリーはんだのソルダペーストを用いる。そしてリフロー・フローでは最初のはんだ付けに金属間化合物粉が混入されたソルダペーストを用い、二度目のはんだ付けにPbフリーはんだを溶融させたはんだ槽ではんだ付けを行う。
【００２６】
図１は本発明のソルダペーストではんだ付けした電子部品の部分拡大断面図である。プリント基板１のパッド２と電子部品３の電極４は、Pbフリーはんだ５ではんだ付けされており、該Pbフリーはんだ中には大量のSn合金の金属間化合物の粉６…が混在している。該金属間化合物はSn合金の金属間化合物であるため、Pbフリーはんだとの濡れ性が良好であり、完全にPbフリーはんだと金属的に接合している。このようにPbフリーはんだ中に大量の金属間化合物が金属的に接合した状態で混入していると、はんだ付け部の周囲の温度がPbフリーはんだの固相線温度以上になってPbフリーはんだが半溶融状態や溶融状態になっても、Pbフリーはんだは金属間化合物の粉を保持する。そしてそれが結果的にはPbフリーはんだが電子部品をプリント基板に保持するようになる。
【００２７】
【実施例】
本発明のソルダペーストおよび比較例に使用する混合粉を表１に示す。
【表１】
0003879582.tif 000002
【００２８】
次に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記す。
（実施例１）
○混合粉：90質量％
Ag3Sn  粉（25μm)                 60質量％ 
Sn粉（15μm）                    40質量％
○フラックス：10質量％
重合ロジン                          65質量％
水素添加ヒマシ油                     7質量％
ジエタノールアミンHBｒ             2質量％
ジエチレングリコールブチルエーテル  26質量％
【００２９】
（実施例２）
○混合粉：90質量％
Ag3Sn粉（10μm)                   50質量％
Sn-3Ag粉（30μm）                 50質量％
○フラックス：10質量％
実施例１と同一成分
【００３０】
（実施例３)
○混合粉：90質量％
Ag3Sn粉（15μm)                  50質量％ 
Sn-3.5Ag-0.75Cu粉（15μm）        50質量％
○フラックス：10質量％
実施例１と同一成分
【００３１】
（実施例４）
○混合粉：90質量％
Cu3Sn粉（10μm)                  70質量％
Sn-0.75Cu粉（10μm）             30質量％
○フラックス：10質量％
実施例１と同一成分
【００３２】
（実施例５）
○混合粉：90質量％
Ag3Sn粉（25μm)                 40質量％
Sn-3Ag-0.75Cu粉（10μm）         60質量％
○フラックス：10質量％
実施例１と同一成分
【００３３】
(比較例１）
○混合粉：90質量％
Cu非晶質粉粉（10μm)            40質量％
Sn非晶質粉（5μm）              60質量％
○フラックス：10質量％
実施例と同一組成
【００３４】
（比較例２）
○混合粉：90質量％
Ag3Sn粉（25μm)                   30質量％
Sn-2Ag-0.5Cu-7.5Bi粉（10μm）      70質量％
○フラックス：10質量％
実施例１と同一成分
【００３５】
（比較例３）
○混合粉：90質量％
Cu粉（200μm)                      10質量％ 
Pb-63Sn粉（10μm）                  90質量％
○フラックス：10質量％
実施例１と同一成分
【００３６】
上記実施例と比較例のソルダペーストを両面実装プリント基板の片面に印刷塗布し、ピーク温度がPbフリーはんだの液相線温度＋20℃のリフロー炉で加熱して最初のはんだ付けを行った。その後、該プリント基板のもう一方の面にSn-3Ag-0.5Cuとペースト状フラックスからなるソルダペーストを印刷塗布し、ピーク温度が240℃のリフロー炉で加熱して二度目のはんだ付けを行った。その後、最初のはんだ付け部を観察したところ、実施例では電子部品の落下や位置ずれは皆無であったが、比較例は二度目のはんだ付け時に電子部品の落下や位置ずれが起きていた。
【００３７】
【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ステップ・ソルダリングの最初のはんだ付けに使用したときに、リフロー温度をSn粉やPbフリーはんだ粉の液相線温度＋20〜40℃ではんだ付けが行えるため、電子部品に対する熱影響が少なくてすみ、しかもはんだ付け後には二度目のはんだ付け温度が最初のはんだ付けに使用したSn粉やPbフリーはんだ粉の固相線温度より高くなっても該はんだ付け部に実装された電子部品を落下させたり位置ずれさせたりすることがない。また本発明の電子部品は、はんだ付け部周辺の温度が電子部品を接続しているPbフリーはんだの固相線温度以上に曝されても電子部品が落下したり位置ずれしたりしないという信頼性に富むものである。さらに本発明のステップ・ソルダリングは、最初のリフローはんだ付け時に、ソルダペースト中のSn粉やPbフリーはんだ粉の液相線温度＋20〜40℃という低い温度ではんだ付けできるため電子部品に対する熱影響を少なくできるという従来にない優れた効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明ソルダペーストではんだ付けした電子部品のはんだ付け部の部分拡大断面図
【符号の説明】
１  プリント基板
２  パッド
３  電子部品
４  電極
５  Pbフリーはんだ
６  金属間化合物粉
【図１】
0003879582.tif 000003