(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
配線基板の一方の面に、Ｓｎ−Ａｇ−ＣｕにＩｎ、Ｂｉのうち１種以上を添加した第１の鉛フリーはんだを用い、リフローソルダリングで電子部品を表面接続実装し、その後、該配線基板の他の面に、該第１の鉛フリーはんだより融点の高いＳｎ−Ａｇ−Ｃｕの３元系で構成される第２の鉛フリーはんだを用い、フローソルダリングで他の電子部品を接続実装したことを特徴とする混載実装構造体。
【請求項２】
配線基板の一方の面に、Ｓｎ−Ａｇ−ＣｕにＩｎ、Ｂｉのうち１種以上を添加した第１の鉛フリーはんだを用い、リフローソルダリングで電子部品を表面接続実装し、その後、該配線基板の他の面に、該第１の鉛フリーはんだより融点の高い
Ｓｎ−（０〜３．５ｗｔ％）Ａｇ−（０．２〜０．８ｗｔ％）Ｃｕ
の組成で構成される第２の鉛フリーはんだを用い、フローソルダリングで他の電子部品を接続実装したことを特徴とする混載実装構造体。
【請求項３】
請求項１または２記載の混載実装構造体を備えたことを特徴とする電子機器。
【請求項４】
配線基板の一方の面に、Ｓｎ−Ａｇ−ＣｕにＩｎ、Ｂｉのうち１種以上を添加した第１の鉛フリーはんだを用い、リフローソルダリングで電子部品を表面接続実装し、その後、該配線基板の他の面に、該第１の鉛フリーはんだより融点の高いＳｎ−Ａｇ−Ｃｕの３元系で構成される第２の鉛フリーはんだを用い、フローソルダリングで他の電子部品を接続実装することを特徴とする混載実装方法。
【請求項５】
配線基板の一方の面に、Ｓｎ−Ａｇ−ＣｕにＩｎ、Ｂｉのうち１種以上を添加した第１の鉛フリーはんだを用い、リフローソルダリングで電子部品を表面接続実装し、その後、該配線基板の他の面に、該第１の鉛フリーはんだより融点の高い
Ｓｎ−（０〜３．５ｗｔ％）Ａｇ−（０．２〜０．８ｗｔ％）Ｃｕ
の組成のはんだで構成される第２の鉛フリーはんだを用い、フローソルダリングで他の電子部品を接続実装することを特徴とする混載実装方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品を配線基板に、鉛フリーはんだを用いることにより、リフローはんだ付けとフローはんだ付けとで組み立てられた混載実装構造体及び混載実装方法並びに電子機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだ（融点：１８３℃）を用いて電子部品実装が行なわれてきた。かかるはんだの各種の優れた特性から、配線基板の一方の面にリフローソルダリング（はんだ付け部に予めはんだ層を設けておき、これらはんだ付け部のはんだ層を突き合わせ、これらはんだ層を加熱溶融させることにより、はんだ付けを行なうこと。リフローはんだ付けともいう）で電子部品を接続実装し、次に、他方の面にフローソルダリング（はんだ付け部を溶融したはんだに接触もしくは浸漬させてはんだ付けを行なうこと。フローはんだ付けともいう）で電子部品を接続実装する、いわゆる混載実装（以下、かかる混載実装を、リフロー・フローの混載実装という）においても、プロセスや信頼性などでの問題点は少なく、また、部品の耐熱性も、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだのはんだ付け温度に耐えられるものになっている。
【０００３】
鉛を使用しない鉛フリーはんだとしては、特開平８−２１５８８０号公報（以下、従来技術１という）及び特開平１０−１９３１６９号公報（以下、従来技術２という）に記載のものが知られている。
【０００４】
従来技術１には、Ｓｎ残部、Ａｇ（０．５〜３．５ｗｔ（重量）％）、Ｃｕ（０．５〜２．０ｗｔ％）からなり、溶融温度を低くでき、ぬれ及び機械的強度の良好な鉛フリーはんだが記載されている。
【０００５】
また、従来技術２には、１ｗｔ％以上５ｗｔ％以下のＡｇと、夫々０．１ｗｔ％以上１４ｗｔ％以下及び０．１ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下で両者の合計が１５ｗｔ％以下のＢｉ及びＩｎと、０．１ｗｔ％以上２ｗｔ％以下のＣｕとを含んで、残部がＳｎと不可避不純物とからなる鉛フリーはんだ合金が記載されている。これは、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金の融点をさらに下げるとともにコストの上昇を抑え、良好な濡れ性と、室温はもとより高温下においても良好な機械的性質とを兼ね備えたものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、電子部品を高密度実装する場合、▲１▼配線基板の両面に実装できること、即ち、この配線基板の一方の面（Ａ面）をリフローソルダリングではんだ付けし、他方の面（Ｂ面）をフローソルダリングなどではんだ付けするリフロー・フローの混載実装が必須になっている。この場合、フローソルダリング時に基板は大きく反るが、Ａ面のリフローソルダリング継ぎ手を溶融させないことが高信頼性を確保するために必要である。
【０００７】
さらに、この混載実装においては、多ピンのＬＳＩ（Large Scale Integration）端子を高密度で接続したり（▲２▼狭ピッチ接続）、不良の電子部品やなんらかの理由で壊れた電子部品を取り外し、新たな電子部品を再取り付けする作業（▲３▼リペア作業）を、隣接の部品のはんだによる接続部を溶融させることなく、かつ、これら隣接の部品に熱影響を及ぼすことなく、行なうがことできることなどが混載実装の必要条件である。
【０００８】
しかしながら、上記従来技術１，２は、回路基板の片面のみの実装においては有効であるが、上記の混載実装における要求に対応できる鉛フリーのはんだ材料及びはんだ付け方法について配慮されていない。
【０００９】
本発明の目的は、かかる問題点を解消し、鉛フリーはんだを用いて最も厳しい実装プロセスであるリフロー・フローの混載実装を高信頼度で実現できるようにした混載実装構造体及び混載実装方法並びに電子機器を提供することにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、鉛フリーはんだを用いて最も厳しい実装プロセスであるリフロー・フローの混載実装において、部品の耐熱性の範囲内ではんだ接合でき、フローソルダリング時の配線基板の反りに対しても、リフローソルダリング継ぎ手が剥離を起こさない高信頼度ではんだ接合を可能にした混載実装構造体及び混載実装方法並びに電子機器を提供することにある。
【００１１】
本発明のさらに他の目的は、鉛フリーはんだを用いて最も厳しい実装プロセスであるリフロー・フローの混載実装において、接続部の熱疲労特性として、信頼性の評価条件としては厳しい部類に入る−５５〜１２５℃などの温度サイクル試験条件に対しても、保証できる継手を有する混載実装構造体及び混載実装方法並びに電子機器を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明による混載実装構造体は、電子部品の配線基板の一方の面に、Ｓｎ−Ａｇ−ＣｕにＩｎ、Ｂｉのうち１種以上を添加した第１の鉛フリーはんだを用いて、リフローソルダリングで表面接続実装し、その後、他の電子部品を該配線基板の他の面に、該第１の鉛フリーはんだより融点の高いＳｎ−Ａｇ−Ｃｕの３元系で構成される第２の鉛フリーはんだを用いて、フローソルダリングで接続実装して構成するものである。
【００１３】
また、本発明による混載実装構造体は、配線基板の一方の面に、Ｓｎ−Ａｇ−ＣｕにＩｎ、Ｂｉのうち１種以上を添加した第１の鉛フリーはんだを用い、リフローソルダリングで電子部品を表面接続実装し、その後、該配線基板の他の面に、該第１の鉛フリーはんだより融点の高い
Ｓｎ−（０〜３．５ｗｔ％）Ａｇ−（０．２〜０．８ｗｔ％）Ｃｕ
の組成で構成される第２の鉛フリーはんだを用い、フローソルダリングで他の電子部品を接続実装したものである。
【００１４】
本発明による電子機器は、上記の混載実装構造体を備えた構成をなすものである。
【００１５】
本発明による混載実装方法は、電子部品を配線基板の一方の面に、Ｓｎ−Ａｇ−ＣｕにＩｎ、Ｂｉのうち１種以上を添加した第１の鉛フリーはんだを用いて、リフローソルダリングで表面接続実装し、その後、他の電子部品を該配線基板の他の面に、該第１の鉛フリーはんだより融点の高いＳｎ−Ａｇ−Ｃｕの３元系で構成される第２の鉛フリーはんだを用いて、フローソルダリングで接続実装するものである。
【００１７】
また、本発明による混載実装方法は、電子部品を配線基板の一方の面に、Ｓｎ−Ａｇ−ＣｕにＩｎ、Ｂｉのうち１種以上を添加した第１の鉛フリーはんだを用いて、リフローソルダリングで表面接続実装し、その後、他の電子部品を該配線基板の他の面に、該第１の鉛フリーはんだより融点の高い
Ｓｎ−（０〜３．５ｗｔ％）Ａｇ−（０．２〜０．８ｗｔ％）Ｃｕ
の組成のはんだで構成された第２の鉛フリーはんだを用い、フローソルダリングで接続実装するものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面により説明する。
図１は電子機器などに用いられる本発明による混載実装構造体の一実施形態を示す構成図であって、１は混載実装構造体、２は配線基板、３ａはＱＦＰ−ＬＳＩ、３ｂはＳＯＰ−ＬＳＩ、４は電極パッド、５はリフローソルダリングによるはんだ付け継ぎ手（リフローはんだ付け継ぎ手）、６ａはリード部品、６ｂはチップ部品、７は電極、８はフローソルダリングによるはんだ付け継ぎ手（フローはんだ付け継ぎ手）、９，１０はリードである。
【００２１】
同図において、この実施形態として示す鉛フリーはんだによる接続構造の混載実装構造体１は、配線基板２の一方の面（以下、Ａ面という）に４方向にリード９を持つＱＦＰ−ＬＳＩ３ａや２方向にリード９を持つＳＯＰ−ＬＳＩ３ｂ，リード部品６ａが実装され、また、他方の面（以下、Ｂ面という）にチップ部品６ｂが実装されているものとする。
【００２２】
配線基板２は耐熱性が最大２６０℃程度のガラスエポキシなどからなっており、この配線基板２のＡ面には、耐熱性が最大２４０℃であるＱＦＰ(Quad Flat Package)−ＬＳＩ３ａのリード９やＳＯＰ(Small Out−line Package)−ＬＳＩ３ｂのリード９，図示しないＴＳＯＰ(Thin Small Out−line Package)−ＬＳＩのリード，図示しないチップ部品の電極などが、このＡ面に設けられた電極パッド４にＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ、あるいはこれにＩｎ，Ｂｉのうち１種以上を添加した鉛フリーはんだを用いたリフローソルダリングによるはんだ付け継ぎ手、即ち、リフローはんだ付け継ぎ手５により、表面実装接続される。
【００２３】
一方、この配線基板２のＢ面には、リード部品６ａのリード１０が接続される電極７やチップ部品６ｂが接続されている電極７が予め設けられており、配線基板２と電極７を通して貫通する挿入孔が設けられている。ここで、リード部品６ａは、配線基板２のＡ面側に配置されるものであるが、そのリード１０は電極７に接続されるものである。
【００２４】
そこで、配線基板２の上記Ａ面側の実装が終了すると、このＢ面でフローはんだ付け（上記のフローソルダリングによるもので、はんだ付け部を溶融したはんだに接触もしくは浸漬させて行なうはんだ付け）されるべきリード部品６ａのリード１０がＡ面側から貫通した配線基板２の挿入孔に挿入されている電極７の挿入孔に挿入され、このリード１０の先端部がこの電極７から突出した状態に設定される。次に、かかる状態で、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕの３元系の鉛フリーはんだを用いてフローソルダリングによるはんだ付け継ぎ手、即ち、フローはんだ付け継ぎ手８により、電極７にリード部品６ａのリード１０が実装接続される。このとき、チップ部品６ｂが接続される電極７にはんだ層のフローはんだ付け継ぎ手８が形成されることになり、かかるはんだ層を用いてフローソルダリング（即ち、フローはんだ付け）でチップ部品６ｂが電極７に実装接続される。
【００２５】
以上のようにして、鉛フリーはんだによるこの実施形態のリフロー・フローの混載実装構造体が形成され、各種の電子機器に用いられるものであるが、この実施形態は、ＬＳＩなどの電子部品３（ＱＦＰ−ＬＳＩ３ａやＳＯＰ−ＬＳＩ３ｂなど）をガラスエポキシなどの配線基板２のＡ面に、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、あるいはこれにＩｎ，Ｂｉのうち１種以上を添加した鉛フリーはんだを用いたリフローはんだ付け継ぎ手５で、接続実装し、その後、リード部品６ａやチップ部品６ｂをガラスエポキシなどの配線基板２のＢ面に、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕの３元系の鉛フリーはんだを用いたフローはんだ付け継ぎ手８で接続実装して構成されるものである。
【００２６】
なお、上記説明では、電子部品が実装される配線基板２として、耐熱性が低いこと、かつ反り易いことから、最適な接続が得られる条件範囲が狭いガラスエポキシ基板の場合を例としたが、セラミック基板の場合には、耐熱性も優れ、かつ反りも少ないので、熱疲労や配線基板の反りによる部品接続部の剥離の問題がガラスエポキシ基板の場合より少なくなるため、セラミック基板などにも充分適用することができる。
【００２７】
まず、ガラスエポキシなどからなる配線基板２のＢ面のフローはんだ付けプロセスに用いるはんだの組成は、
Ｓｎ−（０〜３．５ｗｔ％）Ａｇ−（０．２〜０．８ｗｔ％）Ｃｕ
であり、Ｂｉを含まないＳｎ−Ａｇ−Ｃｕの３元系の鉛フリーはんだを選択した。これは、Ｂｉを添加したはんだでは、フローはんだ付け温度を低くすることができ、配線基板２及び電子部品３の耐熱性の点から有利であるが、フローはんだ付け時に電極パッド７としてのＣｕパッドからフィレットが剥がれるリフトオフ現象が起こってしまう。その原因は、Ｂｉを含んだはんだでは、溶融温度に幅があるため、Ｂｉの偏析が起こり易いこと、接続強度が弱いことなどがあるためである。
【００２８】
そこで、リフトオフによる欠陥を防止するためには、冷却速度を速くすることが考えられるが、これを実際のプロセスで行なうためには、特別な冷却装置を備えたフローはんだ付け装置が必要となり、また、様々な配線基板１１の厚さ及び様々な熱容量の電子部品を搭載した実装基板で確実に冷却速度を制御することは難しい。
【００２９】
このために、フローはんだ付けのためのはんだを、Ｂｉを含まないＳｎ−Ａｇ−Ｃｕの３元系の鉛フリーはんだとしたものである。このＳｎ−Ａｇ−Ｃｕの３元系の鉛フリーはんだの組成範囲としては、Ａｇの添加量は、Ａｇ3Ｓｎの初晶が発生しない範囲として、３．５ｗｔ％までとし、Ｃｕの添加量は、０．８ｗｔ％を越えると、伸びが低下してくるため、上限を０．８ｗｔ％とした。また、若干Ｃｕが含まれることにより、ＣｕパットやＣｕリードなどをはんだ付け対象とする場合、Ｃｕの食われ防止に効果があるため、Ｃｕの添加量の下限を０．２ｗｔ％とした。かかるはんだ組成を用いることにより、フローはんだ付け面のリフトオフ欠陥を防ぐことができる。
【００３０】
しかし、上記のはんだの組成範囲では、融点が約２１５℃〜２３０℃となるが、配線基板２内の温度の不均一な分布を考慮すると、フローはんだ付け面は電子部品３の耐熱温度である約２４０℃まで加熱されなければならない。さらに、フローはんだ付けでは、加熱時間が短いため、場合によっては、２５０℃付近までの加熱が必要とされる。
【００３１】
従って、配線基板２のＡ面のリフローはんだ付け継ぎ手５は、このフローはんだ付けプロセスに初期的に耐えられ、かつ使用時の耐熱疲労特性も充分確保できるはんだ組成でなくてはならない。
【００３２】
次に、上記の制約を考え、Ａ面のリフローはんだ付けに用いる鉛フリーはんだの組成の実施例について説明する。
【００３３】
鉛フリーはんだを用いたリフローはんだ付けにおいては、高温に曝される時間がフローはんだ付けと比較して長く、冷却速度も遅いため、基板１１や電子部品３の耐熱性が問題となってくる。現状の基板１１や電子部品３の耐熱性を損なわないためには、
（ａ）電子部品３の表面の温度を最高ほぼ２４０℃以下とする必要がある。
また、鉛フリーはんだとして、Ｓｎ−Ａｇの２元系やＳｎ−Ａｇ−Ｃｕの３元系が考えられるが、液相線温度からこれらが正常にぬれるためには、
（ｂ）接続温度として、Ｓｎ−Ａｇの２元系の鉛フリーはんだでは、最低２２５℃、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕの３元系の鉛フリーはんだでは、最低２２０℃が必要である。
【００３４】
リフロー炉として、炉内温度のばらつきが少ない強制対流型のものを用いても、約３００ｍｍ角レベルの大型の配線基板２上の継ぎ手部の温度のばらつきは約１０〜１５℃であるため、最高部の温度を２４０℃とすると、あるはんだ付け継ぎ手では、２２５℃程度になる可能性があり、ぬれを確保できる最低のレベルとなる。従って、部材の耐熱性が確保でき、または、炉内の温度ばらつきを低減した条件では、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕの３元系の鉛フリーはんだをリフローはんだ付けに用いることができるが、耐熱性の悪い部品や部品の熱容量の差が大きく、配線基板２内の温度ばらつきが大きい場合には、高信頼性を確保できる他のはんだが必要である。
【００３５】
このため、リフロー温度を下げる必要があり、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系にＢｉを添加したＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｃｕの４元系の鉛フリーはんだを検討した。
【００３６】
はんだ中のＡｇ，Ｃｕの濃度を夫々３ｗｔ％，０．７ｗｔ％に固定し、Ｂｉを添加したときの融点を図２に示すが、Ｂｉの添加量が３ｗｔ％では、液相線温度が２１６℃、Ｂｉ添加量が５ｗｔ％では、液相線温度は２１３℃まで下がり、部品の耐熱温度や炉内温度のばらつきなどを考慮すると、リフローはんだ付けが容易になってくる。Ｂｉを６ｗｔ％以上添加すると、さらに融点が下がるので、リフローはんだ付けはさらに容易になる。
【００３７】
しかし、Ｂｉの添加量が多くなると、次のような問題を引き起こすことがわかった。
【００３８】
第１の問題は、Ｂｉの添加量が約５ｗｔ％以上に増加すると、材料の伸び特性が、図３に示したように、低下してしまうことである。はんだ材料の伸び特性が低下すると、接続時あるいは使用時に、リフローはんだ付け継ぎ手５に発生する熱応力を緩和できなくなり、信頼性を大幅に低下させる。
【００３９】
第２の問題は、Ｂｉの添加量が約５ｗｔ％以上に多くなると、接合界面の強度（ピール強度）が低下してしまうことである。ＬＳＩのリードとして一般的に用いられている４２ＡｌｌｏｙリードフレームにＳｎメッキを施したリード、及び配線基板２の電極材料として用いられているＣｕに対して、Ｓｎ−３ｗｔ％Ａｇ−０．７ｗｔ％Ｃｕの組成のはんだにＢｉを添加したときの接合界面の強度（垂直方向のピール強度）を夫々図４及び図５に示すが、Ｂｉの量が増えるに従って接続強度が低下していることがわかる。
【００４０】
このような強度低下は、特に、現在よく用いられているＳｎ−１０ｗｔ％Ｐｂでメッキされた４２Ａｌｌｏｙリードに対して顕著になる。この結果を図６に示すが、Ｂｉが２ｗｔ％添加されても、界面強度が大幅に低下することが分かる。この強度低下の原因は、Ｂｉの偏析によるものと考えられる。特に、Ｐｂ入りメタライズの場合の強度低下は、はんだ中のＢｉやＳｎとメッキ膜中から混入したＰｂとがＳｎ−Ｐｂ−Ｂｉ低温相（９７℃）を形成することに起因すると考えられる。
【００４１】
図７は図６に示した強度評価サンプルの接続部のＤＳＣ（示差走査熱量測定：differential scanning calorimetry）測定結果（温度（℃）とヒートフロー（mcal/sec）との関係）を示すものである。但し、図７（ａ）はＢｉの添加量が０ｗｔ％、図７（ｂ）はＢｉの添加量が４ｗｔ％、図７（ｃ）はＢｉの添加量が７ｗｔ％の場合を夫々示し、Ａｇ，Ｃｕの添加量を、上記のように、一定としている。
【００４２】
はんだ中のＢｉ量が約４ｗｔ％までは、図７（ａ），（ｂ）に示すように、１８０℃付近まで溶融に伴う吸熱ピークは見られないが、Ｂｉが約７ｗｔ％になると、図７（ｃ）に示すように、低温相が見られることになる。このような低温相の形成は、実使用環境での劣化を早めることになる。
【００４３】
第３の問題は、このように接続強度の弱いリフローはんだ付け継ぎ手５は、電子部品３の大きさによっては、配線基板２のＢ面でのフローはんだ付け時の配線基板２の反りに耐えきれず、剥離破壊を起こしてしまうことである。この例を次に示す。
【００４４】
Ｓｎ−３Ａｇ−０．７Ｃｕ−５Ｂｉはんだ（融点：２０４〜２１３℃）で配線基板２のＡ面に大型のＱＦＰ−ＬＳＩ（リード：４２ＡｌｌｏｙにＳｎメッキ）をリフローはんだ付けし、次に、Ｂ面に、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕはんだ（融点：２１８℃）を用いて、２５０℃でフローはんだ付けを行なった。Ｓｎ−３Ａｇ−０．７Ｃｕ−５Ｂｉはんだによるリフローはんだ付けプロセス後、即ち、フローはんだ付け前のＬＳＩのリフローはんだ付け継ぎ手５の強度は、４５°方向のピール試験によると、Ｓｎ−Ｐｂ共晶とほぼ同じであり、充分な強度を有していた。また、−５５〜１２５℃の温度サイクル試験を行なっても、ＱＦＰ−ＬＳＩ３ａのリフローはんだ付け継ぎ手５では、１０００サイクルを充分クリアできるレベルであった。しかし、このリフローはんだ付け継ぎ手５は、フローはんだ付け後、剥離を起こした。この原因を調べるため、フローソルダリングのプロセス（以下、フロープロセスという）時に剥離したリフローはんだ付け継ぎ手５の破面についてＥＤＸ（エネルギー分散形Ｘ線分析法：energy dispersiveX-ray spectroscopy）分析を行なった結果、破壊場所はリード９とリフローはんだ付け継ぎ手５との界面であって、図８に示すように、界面（分析箇所Ａ）には、Ｂｉが４６ｗｔ％とはんだ中の添加率（５ｗｔ％）に比べて、大量に含まれていることが分かった。
【００４５】
このことからして、この接合界面においては、フロープロセス時に固相線の２０４℃近くまで上昇し、さらに、配線基板２の反りも加わるため、界面に沿ってＢｉが偏析（濃度の増加）して接続強度が低下し、この場合、剥離を起こしたものと考えられる。さらに、Ｂｉの添加量の多いはんだでは、フロープロセス時にリフローはんだ付け継ぎ手５の再溶融が起り、かかる現象がさらに顕著になる。
【００４６】
他方、仮にリフロー・フローの混載実装のプロセスで初期的に剥離などの問題はなかったとしても、フロープロセス時の熱により、接続界面でＢｉの濃度が増加すると、電子部品３のリードの剛性が高く、応力的に厳しいＳＯＰ−ＬＳＩやＴＳＯＰ−ＬＳＩなどでのリフローはんだ付け継ぎ手５は、−５５〜１２５℃の温度サイクル条件では、目標寿命を満たすことができない。即ち、電子部品３中のスイッチのＯＮ，ＯＦＦ動作に伴う温度サイクルによって劣化し、弱い応力でも破壊を起こしてしまう接続構造となる。従って、フローはんだ付けの際には、大型ＬＳＩのＡ面でのリフローはんだ付け継ぎ手５の温度が少なくとも固相線温度以下に保つことが高信頼性を保つ上で重要な条件となる。
【００４７】
以上のことからして、Ｂｉの添加量はなるべく少なくする必要がある。ＢｉのＳｎ−Ａｇ−ＣｕはんだのＳｎ晶への固溶限が約１．５ｗｔ％であるため、それ以上Ｂｉを添加すると、融点は下げられるものの、固溶できないＢｉが析出して機械的特性、特に、図３に示したように、信頼性に大きな影響を与える伸びの低下によって脆化し、かつ、接合界面の強度低下を起こすことになる。
【００４８】
図９はＳｎ−３Ａｇ−０．７Ｃｕの組成にＢｉを添加したときの引張強度を示すものであるが、Ｂｉの添加量が増加するにつれてはんだの引っ張り強度が増大し、硬くなっていることがわかる。従って、図３から明らかなように、Ｂｉの添加量が２ｗｔ％までは伸びの劣化はないため、Ｂｉの添加量が２ｗｔ％まではバルク材料の特性は優れていると言え、この添加量の上限値は２ｗｔ％であることがわかった。
【００４９】
逆に、Ｂｉを僅かでも添加することにより、はんだの表面張力が低減し、また、流動性が増加するため、狭ピッチリードのＬＳＩに対するブリッジの低減及びチップ立ちの防止に著しい効果があり、この性質を利用して歩留まり向上に役立てることができる。
【００５０】
以上のことから、はんだバルク材の特性と耐ブリッジ性などの観点から、Ｂｉの添加量として２．０ｗｔ％が上限であることを見出した。これ以上のＢｉの添加量は界面の強度低下につながり、混載実装構造体１における配線基板２のリフローソルダリングする面用のはんだとしては適さない。
【００５１】
以上はＢｉの添加であったが、同様に、はんだ付け温度を低くして、かつ高信頼性を確保するため、配線基板２のＡ面のリフローはんだ付けに用いる鉛フリーはんだとして、Ｓｎ−Ａｇ−ＣｕはんだへのＩｎ添加も検討した。
【００５２】
まず、Ｉｎ添加による融点への影響についてみると、Ｓｎ−３Ａｇ−０．７ＣｕはんだへのＩｎの添加は、図１０に示すように、Ｂｉに対して示す図２と同様に、Ｓｎ−３Ａｇ−０．７Ｃｕはんだへのその添加量の増加とともに融点を低下させる傾向がある。しかし、図１１に示すように、Ｓｎ−Ａｇ−ＣｕはんだへのＩｎの添加量を増加させても、図３と比較して明らかなように、Ｂｉの場合ほど顕著な伸び特性の劣化が起こらないことがわかった。また、図１２に示すように、Ｓｎメッキを施した４２Ａｌｌｏｙリードに対しても、図４と比較して明らかなように、Ｂｉの場合ほど顕著なピール強度の低下を起こさないことがわかった。さらに、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕの３元系はんだに対し、Ｂｉの添加量とＩｎの添加量とをともに変化させた実験を行ない、その系でも、はんだ付け継ぎ手の機械的な信頼性はＢｉの添加量で決まり、Ｉｎの添加量は機械的特性をほとんど損うことがなく、融点を低下される作用をなすことが明らかになった。
【００５３】
次に、Ｂｉの添加範囲を考慮してＩｎ添加量の詳細な検討を行なった結果について説明する。
【００５４】
図１３はＳｎ−３Ａｇ−０．７Ｃｕはんだを例としたときのＢｉ，Ｉｎの添加量に対する液相線温度，固相線温度の変化を示す図であって、縦軸は温度、横軸の左半分は０〜５ｗｔ％のＢｉの添加範囲を、右半分は０〜５ｗｔ％のＩｎの添加範囲を夫々示している。
【００５５】
また、図１４は、図１３と同様のＳｎ−３Ａｇ−０．７Ｃｕはんだを例とし、Ｂｉ，Ｉｎの添加量に対する伸びの変化を示す図であって、縦軸は伸びを示し、横軸は図１３と同様である。
【００５６】
図１３及び図１４では、いずれにおいても、Ｓｎ−３Ａｇ−０．７ＣｕはんだでのＢｉの添加量を２ｗｔ％とし、このときのＩｎの添加量を０〜５ｗｔ％と変化させたときの液相／固相線温度，伸びの変化を夫々の図面の右半分に破線で示している。
【００５７】
図１３によると、例えば、Ｓｎ−３Ａｇ−０．７Ｃｕ−２Ｂｉ−３Ｉｎ（Ｓｎ−３Ａｇ−０．７ＣｕにＢｉを２ｗｔ％，Ｉｎを３ｗｔ％添加）はんだの融点がＳｎ−３Ａｇ−０．７Ｃｕ−５Ｂｉはんだのそれに近く、Ｓｎ−３Ａｇ−０．７Ｃｕ−２Ｂｉはんだのそれよりも低いことがわかる。これより、Ｓｎ−３Ａｇ−０．７Ｃｕ−２Ｂｉ−３Ｉｎはんだのリフロー温度は、Ｓｎ−３Ａｇ−０．７Ｃｕ−５Ｂｉはんだ並みで可能である。
【００５８】
一方、図１４によると、Ｉｎが添加されても伸びの劣化はほとんどなく、また、接続強度の劣化も少ないため、配線基板２の裏面（Ｂ面）のフロープロセスでも初期的に充分耐えられ、かつ長期的な熱疲労特性も問題ない。
【００５９】
以上のことからして、上記のはんだ組成は混載実装構造体１における上記課題を解決できるものである。
【００６０】
同様に、Ｂｉの添加量が２ｗｔ％までの範囲において、Ｉｎの添加量を変化させる実験を行なった結果、Ｉｎの添加量が４ｗｔ％までの範囲では、配線基板２の目的とするＡ面のリフローはんだ付け用の鉛フリーはんだ組成が得られることがわかった。これは、Ｉｎの添加量が４ｗｔ％以上になると、固相線温度が低くなり、配線基板２の裏面（Ｂ面）のフローはんだ付けプロセスに初期的に耐えられなくなるためである。しかも、Ｉｎが高価であることから、コストの面やＩｎが酸化され易いということのため、ペーストの保管性や印刷性などの影響が出やすいこと、及び固相線温度が下がってＳｎ−Ｉｎ−Ｐｂ−Ｂｉと考えられる低温相が出やすくなるため、はんだ組織が不安定になるなどの問題がある。以上の理由から、Ｉｎの添加量の上限値を４ｗｔ％とした。
【００６１】
また、Ｃｕの組成範囲は、機械的特性を損ねないで、Ｓｎ−Ａｇ結晶の融点を数度下げる効果がある範囲とした。Ｃｕの添加量は、０．８ｗｔ％を越えると、図１５に示したように、Ｃｕを添加しないものに比べて伸びが低下してくるため、Ｃｕの添加量の上限を０．８ｗｔ％とした。しかも、Ｃｕが若干添加されることは、ＣｕパットやＣｕリードなどを対象とする場合、Ｃｕの食われ防止にも効果がある。このため、Ｃｕの添加量の下限を０．２ｗｔ％とした。
【００６２】
Ａｇの添加量については、その添加量を１．５ｗｔ％以下とすると、融点の上昇と機械的特性の低下が生ずる。また、その添加量を３．５ｗｔ％以上とすると、同様に融点の上昇があるとともにＡｇ３Ｓｎの初晶が大きく成長するため、機械的特性が低下し、さらには、コスト高にもなる。従って、Ａｇの添加量は１．５〜３．５ｗｔ％とした。
【００６３】
以上からして、配線基板２のＡ面を鉛フリーはんだを用いてリフローはんだ付けし、Ｂ面を鉛フリーはんだを用いてフローはんだ付けする際に、このＡ面のリフローはんだ付け用の鉛フリーはんだの組成としては、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、あるいはこれにＩｎ，Ｂｉのうち１種以上を添加した
Ｓｎ−（１．５〜３．５ｗｔ％）Ａｇ−（０．２〜０．８ｗｔ％）Ｃｕ
−（０〜４ｗｔ％）Ｉｎ−（０〜２ｗｔ％）Ｂｉ
にすることが最適であることを究明することができた。
【００６４】
従って、図１に示す実施形態としてのリフロー・フローの混載実装構造体１において、配線基板２のＡ面に対して、上記組成範囲のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ、あるいはこれにＩｎ，Ｂｉのうち１種以上を添加した鉛フリーはんだを用いてリフローはんだ付けを行ない、次に、この配線基板２のＢ面に対して、上記組成範囲のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕの３元系の鉛フリーはんだを用いてフローはんだ付けを行なうことにより、配線基板２や電子部品３，６ａの耐熱性の範囲内で初期的な不良を起さず、かつ、長期的にも、優れた熱疲労特性を持つという優れた効果が得られることになる。
【００６５】
次に、図１を用いてリフロー・フロー混載プロセスの実施例について具体的に説明する。
【００６６】
〔実施例１〕
配線基板２として２５０ｍｍ×３００ｍｍのガラスエポキシ基板を用い、この配線基板２のＡ面に、２０８ピンのＱＦＰ−ＬＳＩ３ａやＳＯＰ−ＬＳＩ３ｂ，チップ部品６ａなどをリフローはんだ付けした。この場合、リフローはんだ付けに用いる鉛フリーはんだとして、４元系の鉛フリーはんだであるＳｎ−３Ａｇ−０．７Ｃｕ−５Ｂｉはんだ（融点：２０４〜２１３℃）を用いたものを比較例とし、また、上記の５元系の鉛フリーはんだであるＳｎ−３Ａｇ−０．７Ｃｕ−２Ｂｉ−３Ｉｎはんだ（融点：２０３〜２１２℃）を用いたものを実施例１とした。なお、これらはんだとしては、無洗浄タイプのはんだペースト〔はんだ粒径：平均３０μｍ、塩素含有量：０．０５ｗｔ％、フラックス含有量：１０％〕を用い、プレヒート温度を１５０±１５℃、継ぎ手部温度ｍａｘを２３５℃として、空気中でリフローはんだ付けした。
【００６７】
このときの配線基板２の表面温度はｍａｘ２４３℃（ガラスエポキシ基板の耐熱性：ｍａｘ２６０℃）、上記の電子部品３，６ａの表面はｍａｘ２３８℃（部品の耐熱性：ｍａｘ２４０℃）である。使用したリフロー炉は、強制循環型の赤外炉である。また、ＱＦＰ−ＬＳＩ３ａのリードのピッチは０．５ｍｍ，０．４ｍｍである。このとき、リフローはんだ付けを行なったはんだ接続部（はんだ付け継ぎ手）は、比較例，実施例１のいずれにおいても、全く問題はなかった。
【００６８】
以上のリフローはんだ付け後、実施例１の配線基板２のＢ面では、上記の３元系の鉛フリーはんだであるＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕはんだ（融点：２１８℃）を用い、また、比較例の配線基板２のＢ面では、２元系の鉛フリーはんだであるＳｎ−０．７Ｃｕはんだ（融点：２２７℃）を用いて、夫々ｍａｘ２３５℃〜ｍａｘ２６０℃の範囲でフローはんだ付けを行なった。
【００６９】
このフローはんだ付けにより、配線基板２のＡ面をＳｎ−３Ａｇ−０．７Ｃｕ−５Ｂｉはんだでリフローはんだ付けした比較例では、ＱＦＰ−ＬＳＩ３ａの１辺で剥がれたリード９が見られた。また、剥がれなかったリード９についても、同一位置のリード継ぎ手が弱いことが分かった。接合されている近傍のリード継ぎ手は強いので、配線基板２の反りによってある一定位置に負担がかかり、そこで集中的に剥離するモードと判断した。フロー温度を低くして配線基板２のＡ面の温度を下げた場合についても検討したが、フローはんだ付け面で溶融不足の箇所がいくつか見られたが、初期的には破断は見られず、Ａ面のリフローはんだ付け側には問題がなかった。しかし、リードが短かく、応力的に厳しいＴＳＯＰ−ＬＳＩ（図１で図示せず）は、その後の−５５〜１２５℃の温度サイクル試験での寿命が、目標としている１０００サイクルをクリアできず、５００〜７５０サイクルで断線した。従って、リフロー・フロー混載プロセスに耐えられず、かつ、寿命でも問題があるので、配線基板２のＢ面でＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ３元系の鉛フリーはんだでフローはんだ付けを行なう前に、これとは反対側のＡ面でＳｎ−３Ａｇ−０．７Ｃｕ−５Ｂｉはんだでリフローはんだ付けによる接続構造は、混成実装構造体として良好な性能を得ることが困難であると判断した。
【００７０】
これに対して、実施例１では、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ−Ｉｎの５元系の鉛フリーはんだであるＳｎ−３Ａｇ−０．７Ｃｕ−２Ｂｉ−３Ｉｎはんだで配線基板２のＡ面をリフローはんだ付けすると、この後のフローはんだ付けでも、フローはんだ付けの条件によらず、リードの剥離は起らなかった。さらには、その後の−５５〜１２５℃の温度サイクル試験でも１０００サイクル以上をクリアできた。これより、融点，はんだ付け温度はＳｎ−３Ａｇ−０．７Ｃｕ−５Ｂｉはんだ並みで、しかも、高信頼性のはんだ組成を得ることができた。
【００７１】
また、配線基板２のＡ面のリフローはんだ付けをＳｎ−３Ａｇ−０．７Ｃｕ−１Ｂｉ−２Ｉｎはんだで行ない、その後の配線基板２のＢ面のフローはんだ付けをＳｎ−３Ａｇ−０．７Ｃｕはんだで行ない、上記と同様の実験を行なったが、この場合でも、初期的及び長期信頼性の面でも問題がなかった。即ち、Ｓｎ−３Ａｇ−０．７Ｃｕ−１Ｂｉ−２Ｉｎはんだでリフローはんだ付けした後、Ｓｎ−３Ａｇ−０．７Ｃｕはんだを用い、２５０℃のはんだ浴温度でかつ１ｍ／ｍｉｎのコンベア速度でフローはんだ付けを行なったが、リフローはんだ付け継ぎ手５が最大１９５℃まで上昇した。これは、リフローはんだ付け用のはんだの固相線温度以下であり、リフローはんだ付け継ぎ手５を再溶融させず、かつ、配線基板２の反りに対しても充分な接合界面強度を確保していることから、混載実装に耐えられる組み合わせである。なお、電子部品のリードの表面処理はＳｎ−１０ｗｔ％Ｐｂメッキであるため、その融点も多少低下するが、それでも、再溶融現象は起きていなかった。
【００７２】
さらに、Ｉｎの添加量を多くして融点を下げたＳｎ−３Ａｇ−０．７Ｃｕ−２Ｂｉ−４Ｉｎはんだの場合でも、同様に、プロセス及び信頼性をクリアできた。
【００７３】
次に、Ｓｎ−３Ａｇ−０．７Ｃｕ−３Ｉｎはんだ（融点：２０７〜２１６℃）とＳｎ−３Ａｇ−０．７Ｃｕはんだとを用いてリフローはんだ付けを行なった結果を示す。
【００７４】
Ｓｎ−３Ａｇ−０．７Ｃｕ−３Ｉｎはんだの継ぎ手の温度はｍａｘ２３６℃であって、耐熱性はクリアできる。また、Ｓｎ−３Ａｇ−０．７Ｃｕはんだによるリフローはんだ付け時の継ぎ手の温度は、従来型の赤外線リフロー炉ではんだ付けを行なうと、ｍａｘ２４５℃であって、このときの配線基板２の表面温度はｍａｘ２６５℃であり、基板の耐熱温度を越えていた。また、電子部品３，６などの表面温度もｍａｘ２４５℃となり、部品の膨れや異臭が発生した。しかし、炉内の温度分布を低減した強制対流型のリフロー炉を用いることにより、耐熱性の範囲内でリフロー可能であることを確認した。従って、これらについて、配線基板２のＢ面のフローはんだ付けはＳｎ−３Ａｇ−０．７Ｃｕはんだを用いて行ない、はんだ付け継ぎ手の信頼性評価を行なった。これらのリフロー・フロー混載プロセスでのはんだ付け継ぎ手の剥がれはなかった。この理由は、Ｂｉが含まれていないため、接合界面の強度が高いことによるものと考える。温度サイクル試験を行なった結果は、両者とも、−５５〜１２５℃の温度サイクル試験では、１０００サイクル以上をクリアし、信頼性として充分優れている。
【００７５】
これらの結果から、本発明に係るＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ、あるいはこれにＩｎ、Ｂｉのうち１種以上を添加した鉛フリーはんだ、即ち、
Ｓｎ−（１．５〜３．５ｗｔ％）Ａｇ−（０．２〜０．８ｗｔ％）Ｃｕ
−（０〜２ｗｔ％）Ｂｉ−（０〜４ｗｔ％）Ｉｎ
は、リフロー・フロー混載実装において、バランスのとれた優れた組成であることが確認された。なお、リフロー・フロー混載実装のように、始めにリフローはんだ付けを行ない、その後にフローはんだ付けを行なう場合、始めに行なうリフローはんだ付け用の材料の方が、その後のフローはんだ付け用の材料より融点が同じか高いことが従来の方法であったが、本発明においては、リフローはんだ付け用の材料の方の融点がＢｉ，Ｉｎを添加した場合は低くなり、従来と異なる方法である。
【００７６】
また、配線基板２のＡ面のリフローはんだ付け用のはんだ組成は、混載実装の場合に限らず、リフロー面だけに用いてもよい。
【００７７】
さらに、リフロー・リフロー・フローの混載実装、またその他の別付け部品があっても、上記組み合わせで高信頼な実装基板を得ることができる。
【００７８】
さらにまた、階層はんだ付けが必要な場合には、Ｓｎ−５８Ｂｉはんだ、またはこの周辺の組成にＡｇ，Ｃｕなどを少量加えたはんだによる階層接続も可能である。
【００７９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、鉛フリーはんだを用いて最も厳しい実装プロセスであるリフロー・フローはんだ付けの混載実装を高信頼度で実現できる効果を奏する。
【００８０】
また、本発明によれば、鉛フリーはんだを用いて最も厳しい実装プロセスであるリフロー・フローはんだ付けの混載実装において、部品の耐熱性の範囲内ではんだ接合でき、フローはんだ付け時の基板の反りに対しても、フローはんだ付け前に行なったリフローはんだ付けのはんだ継ぎ手が剥離を起こさない、高信頼度ではんだ接合を可能にすることができる。
【００８１】
さらに、本発明によれば、鉛フリーはんだを用いて最も厳しい実装プロセスであるリフロー・フローはんだ付けの混載実装において、接続部の熱疲労特性として、−５５〜１２５℃の温度サイクル試験条件に対しても保証できるはんだ付け継ぎ手を有する混載実装構造体を実現することができる。
【００８２】
さらにまた、本発明によれば、鉛フリーはんだを用いて最も厳しい実装プロセスであるリフロー・フローはんだ付けの混載実装において、耐熱疲労特性，耐クリープ性及び耐高温に優れ、かつ高密度実装に対して高歩留まりで実装することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による混載実装構造体の一実施形態を示す構成図である。
【図２】Ｓｎ−３Ａｇ−０．７ＣｕはんだにＢｉを添加したときの液相線温度及び固相線温度の変化を示す図である。
【図３】Ｓｎ−３Ａｇ−０．７ＣｕはんだにＢｉを添加したときの２０℃における伸びの変化を示す図である。
【図４】Ｓｎ−３Ａｇ−０．７ＣｕはんだにＢｉを添加したときのＳｎメッキした４２アロイリードとのピール強度を示す図である。
【図５】Ｓｎ−３Ａｇ−０．７ＣｕはんだにＢｉを添加したときのＣｕに対するピール強度を示す図である。
【図６】Ｓｎ−３Ａｇ−０．７ＣｕはんだにＢｉを添加したときのＳｎ−１０Ｐｂメッキした４２アロイリードとのピール強度を示す図である。
【図７】Ｂｉの添加量が異なるＳｎ−３Ａｇ−０．７ＣｕはんだのＤＳＣ測定結果を示す図である。
【図８】剥離部のＥＤＸ分析結果を示す図である。
【図９】Ｓｎ−３Ａｇ−０．７ＣｕはんだにＢｉを添加したときの２０℃における引張強度を示す図である。
【図１０】Ｓｎ−３Ａｇ−０．７ＣｕはんだにＩｎを添加したときの固相線温度及び液相線温度を示す図である。
【図１１】Ｓｎ−３Ａｇ−０．７ＣｕはんだにＩｎを添加したときの２０℃における伸びを示す図である。
【図１２】Ｓｎ−３Ａｇ−０．７ＣｕはんだにＩｎを添加したときのＳｎメッキした４２アロイリードとのピール強度を示す図である。
【図１３】Ｓｎ−３Ａｇ−０．７ＣｕはんだにＢｉとＩｎとを添加したときの固相線温度及び液相線温度並びにリフロー温度を示す図である。
【図１４】Ｓｎ−３Ａｇ−０．７ＣｕはんだにＢｉとＩｎとを添加したときの２０℃における伸びを示す図である。
【図１５】Ｓｎ−３ＡｇはんだにＣｕを添加したときの２０℃における伸びを示す図である。
【符号の説明】
１  混載実装構造体
２  配線基板
３ａ  ＱＦＰ−ＬＳＩ
３ｂ  ＳＯＰ−ＬＳＩ
４  電極
５  Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｂｉの５元系の鉛フリーはんだ
６ａ  リード部品
６ｂ  チップ部品
７  電極
８  Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕの３元系の鉛フリーはんだ
９，１０  リード
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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