(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｎ−3.5Ａｇ−0.75Ｃｕの無鉛はんだの合金粉末と、Ｓｎ−58Ｂｉの低融点はんだの合金粉末と、Ｓｎ−40Ｂｉの低融点はんだの合金粉末とからなり、
上記Ｓｎ−3.5Ａｇ−0.75Ｃｕの無鉛はんだの合金粉末と上記Ｓｎ−58Ｂｉの低融点はんだの合金粉末と上記Ｓｎ−40Ｂｉの低融点はんだの合金粉末とが５：１：１の割合で混合されたペーストはんだ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、鉛の含まれていないペーストはんだに関する。詳しくは、無鉛はんだの合金粉末と、鉛の含まれていない低融点はんだの合金粉末を所定の割合で混合することによって、融点が低く、濡れ性のよいペーストはんだを提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、鉛（Ｐｂ）を含有したはんだとしてはＳｎ−Ｐｂ系の共晶はんだが多用されている。この共晶はんだはその融点が１８３℃程度と低く、しかも濡れ性（親和性）がよいため、プリント基板への実装部品をはんだ付けするときのリフロー処理などのペーストはんだとして、よく用いられている。
【０００３】
最近では、この鉛を含んだ共晶はんだの代わりに、無鉛はんだを使用する試みがなされている。無鉛はんだとしては、
（１）Ｓｎ−3.5Ａｇ−0.7Ｃｕ系
（２）Ｓｎ−2.5Ａｇ−1.0Ｂｉ−0.5Ｃｕ系
（３）Ｓｎ−0.7Ｃｕ系
などの無鉛はんだが知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した無鉛はんだは一般にその融点ＭＰ１が高い。（１）の無鉛はんだの融点は２１７〜２２０℃、（２）の無鉛はんだの融点は２１３〜２１９℃、そして（３）の無鉛はんだの融点は２２７℃であることが知られている。
【０００５】
このように無鉛はんだは、図４のように鉛を含んだ共晶はんだよりもその融点ＭＰ２（１８３℃）が遥かに高く濡れ性が悪いために、無鉛はんだをペーストはんだとしてリフロー処理に使用すると、プリント基板に対するプリヒート温度を高く、かつ処理時間を長くしなければならない。また、リフロー域の温度を２４０〜２５０℃と高めに、処理時間を長く設定する必要がある。このプリヒート域、リフロー域の高温、長時間化（Ｓｎ−Ｐｂ共昌はんだに比べて）は、プリント基板や電子部品の熱劣化を生じさせ、また熱エネルギーの消費増加といった問題も惹起する。
【０００６】
一方、この他の無鉛はんだとしては、Ｓｎ−Ｂｉ系のはんだが知られている。このビスマス（Ｂｉ）を含んだはんだの場合には、周知のようにその融点が前者の場合で１３９℃、後者の場合でも１３９〜１７１℃と、鉛を含んだ共晶はんだの融点よりも低い。
【０００７】
そのため、低温下でリフロー処理が可能になるという特徴を有する反面、ビスマスの含有量が多い関係で、接合強度が弱いこと、さらには機器使用時の発熱により実装部品のはんだ接合部が１００℃以上になると、極端に接合強度が低下してしまうため、何れも信頼性に欠けると言った問題がある。したがって、環境に優しいこのような無鉛はんだを使用するには解決しなければならない問題が山積している。
【０００８】
そこで、この発明はこのような従来の課題を解決したものであって、特に融点が低く、濡れ性のよい、しかも接合強度が強いペーストはんだを提案するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するため、この発明に係るペーストはんだは、Ｓｎ−3.5Ａｇ−0.75Ｃｕの無鉛はんだの合金粉末と、Ｓｎ−58Ｂｉの低融点はんだの合金粉末と、Ｓｎ−40Ｂｉの低融点はんだの合金粉末とからなり、Ｓｎ−3.5Ａｇ−0.75Ｃｕの無鉛はんだの合金粉末とＳｎ−58Ｂｉの低融点はんだの合金粉末とＳｎ−40Ｂｉの低融点はんだの合金粉末とが５：１：１の割合で混合されたことを特徴とする。
【００１０】
この発明において無鉛はんだとしては、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の無鉛はんだ、特にＳｎ−3.5Ａｇ−0.75Ｃｕ系の無鉛はんだの合金粉末が好ましい。またＳｎ−Ｂｉ系低融点はんだのビスマス含有量は、混合する無鉛はんだの融点よりも低くなるような含有量のものが選ばれる。具体的にはＳｎ−Ｂｉ系においてＢｉ含有量は、２２〜８０重量％である。
【００１１】
より具体的には、Ｓｎ−Ｂｉ系低融点はんだとしては、Ｓｎ−58Ｂｉ系又はＳｎ−40Ｂｉ系の低融点はんだの合金粉末が好ましい。一例を示すならば、Ｓｎ−3.5Ａｇ−0.75Ｃｕ系の無鉛はんだの合金粉末と、Ｓｎ−58Ｂｉ系低融点はんだの合金粉末が、２：１の割合で混合することによって、その融点が鉛を含んだ共晶はんだの融点に近くなる。また濡れ性も共晶はんだと同じ位になる。
【００１２】
同様に、Ｓｎ−3.5Ａｇ−0.75Ｃｕ系の無鉛はんだの合金粉末と、Ｓｎ−58Ｂｉ系低融点はんだの合金粉末と、Ｓｎ−40Ｂｉ系低融点はんだの合金粉末が、５：１：１の割合で混合することによって、融点が低く、濡れ性が改善されたペーストはんだを得ることができる。
【００１３】
したがって、このペーストはんだをリフロー処理に使用する場合には、プリント基板に対するプリヒート温度の低温化、リフロー域の短時間化、作業温度の抑制などを図ることができるので、鉛を有する共晶はんだと同じような使用環境下で使用できることになる。ビスマスの含有量を抑えることによって接合強度は低下しない。
【００１４】
【発明の実施の形態】
続いて、この発明に係るペーストはんだの一実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００１５】
この発明では、ペーストはんだとして無鉛はんだの合金粉末と、鉛を含まない低融点はんだの合金粉末とを混合したものである。混合する低融点はんだは、無鉛はんだの融点より低い融点となる低融点はんだである。
【００１６】
無鉛はんだとしては、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｃｕ系又はＳｎ−Ｃｕ系のうち何れかの合金粉末が使用される。低融点はんだとしては、Ｓｎ−Ｂｉ系の合金粉末が使用される。Ｓｎ−Ｂｉ系の低融点はんだを使用する場合には、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系無鉛はんだの融点が２１７〜２２０℃程度であるので、２００℃以下の融点となるような低融点はんだが混合される。
【００１７】
図１はＳｎ−Ｂｉ系のビスマス含有量と固相および液相関係を示すグラフ（状態図）であって、液相線からも明らかなように、融点が２００℃以下となるビスマスの含有量は、２２〜８０重量％の範囲内であることが判る。ビスマス含有量を少なくすればそれだけ融点を下げることができる。ただし、図１からも明らかなように含有量が５７〜５８重量％（Ｓｎ−Ｂｉ共昌組成）のとき、最も低い融点の温度となることがわかる。したがってこの５７〜５８重量％がターニングポイントとなる。
【００１８】
続いて好ましいペーストはんだを例示する。ただし、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系としては、Ｓｎ−3.5Ａｇ−0.75Ｃｕ系の無鉛はんだの合金粉末を例示し、Ｓｎ−Ｂｉ系低融点はんだとしては、Ｓｎ−58Ｂｉ系およびＳｎ−40Ｂｉ系の低融点はんだを例示する。
【００１９】
ここに、Ｓｎ−3.5Ａｇ−0.75Ｃｕ系とは、１００重量％に対し、Ａｇが３．５重量％、Ｃｕが０．７５重量％、そして残りの９５．７５重量％がＳｎであることを示している。Ｓｎ−Ｂｉ系低融点はんだであっても同様であり、Ｓｎ−58Ｂｉ系の低融点はんだの場合には、ビスマスが５８重量％で、残り４２重量％がスズ（Ｓｎ）となる。
【００２０】
このような無鉛はんだと低融点はんだを使用する場合、図２に示すようにその組み合わせとして考えられるのは、
（ａ）ケースＩとII・・・Ｓｎ−3.5Ａｇ−0.75Ｃｕ系（Ａ）とＳｎ−58Ｂｉ系（Ｂ）の混合粉末、
（ｂ）ケースIIIとIV・・・Ｓｎ−3.5Ａｇ−0.75Ｃｕ系（Ａ）とＳｎ−40Ｂｉ系（Ｃ）の混合粉末および
（ｃ）ケースＶ・・・・・Ｓｎ−3.5Ａｇ−0.75Ｃｕ系（Ａ）とＳｎ−58Ｂｉ系（Ｂ）とそしてＳｎ−40Ｂｉ系（Ｃ）の混合粉末
である。
【００２１】
これらの組み合わせのうち、混合比率を変えたときの例が図２に示されている。この図にはこれらの混合粉末としたときの混合比率と、溶融プロセスと、さらに溶融後の金属組成（重量％）が示されている。
【００２２】
ケースＩとIIおよびＶは、Ｓｎ−58Ｂｉ系の低融点はんだが混合されているので、それぞれ溶融温度が１３９℃と、鉛を含んだ共晶はんだの溶融温度（１８３℃）よりも遥かに低くすることができる。これに対してケースIIIとIVの場合には、Ｓｎ−40Ｂｉ系低融点はんだが混合されているので、その溶融温度は共晶はんだの融点よりも僅かに低い温度（１７１℃程度）となる。
【００２３】
ところで、従来から知られている鉛を含む共晶はんだのリフロー温度プロファイルは図３曲線Ｓａで示すようになり、その融点（メルティング・ポイント）は１８３℃である。またＳｎ−3.5Ａｇ−0.75Ｃｕ系の無鉛はんだの場合には、曲線Ｓｂのようにその融点が２２０℃程度となり、プリント基板を余熱（プリヒート）する温度が高くなり、処理時間が長くかかる。また、リフロー域では、濡れを確保するために温度を高めに設定すると共に、リフロー処理時間も長くなる。
【００２４】
また、ビスマスを含む低融点はんだの場合で、Ｓｎ−58Ｂｉ系の低融点はんだでは曲線Ｓｃのようにその融点が１３９℃と低く、したがってプリヒート時間も鉛を含む共晶はんだよりも短いし、したがってリフロー温度も低くなる。
【００２５】
この発明においては、上述したようにペーストはんだとしての混合粉末を得るケースとして幾つかのケースが考えられるが、そのうちケースIIIとIVを除く混合粉末の場合、特にケースＶの場合について考察する。
【００２６】
ケースＶの場合には、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の無鉛はんだと、Ｓｎ−Ｂｉ系であって、その含有量がＳｎ−58Ｂｉ系とＳｎ−40Ｂｉ系とを、それぞれ５：１：１の割合で混合して混合粉末であるペーストはんだを生成した場合である。
【００２７】
Ｓｎ−Ｂｉ系低融点はんだは、同一種類の低融点はんだ自体でのビスマス含有量が２２〜８０重量％の範囲内にあるものが使用される。そして混合された最終的な合金粉末での１００重量％に対して、ビスマス含有量は１４重量％程度となる。
【００２８】
さて、ケースＶのような比率で混合したペーストはんだの温度プロファイルは曲線Ｓｄのようになる。曲線Ｓｄにおいて、温度が急激に上昇するまでの時間がプリヒート時間であり、融点を過ぎてからプロファイル温度が急上昇しピークを過ぎてから低下し始めるまでがリフロー期間であり、そのときの温度がリフロー温度となる。
【００２９】
この曲線Ｓｄからも明らかなように、この発明に係るペーストはんだでは、低融点はんだを混合した合金粉末を使用する関係で、融点が低く、作業温度であるリフロー温度も曲線Ｓｂよりも遥かに下げることができる。もちろんプリヒート温度も低くなるから、プリヒート温度やプリヒート時間は鉛を含む共晶はんだとほぼ同じ時間となる。
【００３０】
これは、まずＳｎ−Ｂｉ系の低融点はんだが先に溶融を開始するからである。因みに、Ｓｎ−58Ｂｉ系の低融点はんだの融点は１３９℃（共晶温度）で、Ｓｎ−40Ｂｉ系低融点はんだではその固相温度が１３９℃で、液相温度が１７１℃であるので、１７１℃で溶融する。
【００３１】
Ｓｎ−Ｂｉ系低融点はんだが順次溶融を開始すると、その溶融金属中に含まれるＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の無鉛はんだも徐々に溶融拡散する。このためＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系無鉛はんだ単独よりもプリヒート温度が低く、しかもプリヒート時間が短くなる。そして図示からも明らかなように、リフロー温度もややＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系無鉛はんだ単独の場合よりも低くなり、リフロー時間も若干短縮される。
【００３２】
また、このようにビスマスの含有比率を低く抑えることによって接合強度を保つことができ、それに伴って実装精度が高まるため、実装部品の信頼性を確保できる。低融点であるため、実装部品およびプリント基板に対する濡れ性も改善される。
【００３３】
上述した実施の形態はＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系無鉛はんだとして、その組成比がＳｎ−3.5Ａｇ−0.75Ｃｕ系の無鉛はんだの合金粉末を使用し、Ｓｎ−Ｂｉ系低融点はんだとして、その組成比がＳｎ−58Ｂｉ系とＳｎ−40Ｂｉ系の低融点はんだを例にとって説明したが、無鉛はんだとしてはこれ以外にもビスマスを含んだＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｃｕ系の無鉛はんだや、銀（Ａｇ）を除いたＳｎ−Ｃｕ系の無鉛はんだを使用して合金粉末を生成しても同様な温度プロファイル特性を得ることができる。
【００３４】
また低融点はんだとしてはビスマスの含有量が２０〜８０重量％のＳｎ−Ｂｉ系低融点はんだとすることによって、常に無鉛はんだよりも早い時点から溶融するようになるので、上述した組成比は一例に過ぎない。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したようにこの発明では、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｃｕ系又はＳｎ−Ｃｕ系のうち何れかの無鉛はんだ合金粉末と、この無鉛はんだ合金粉末よりも融点の低いＳｎ−Ｂｉ系の低融点はんだ合金粉末とを混合してペーストはんだを組成したものである。
【００３６】
組成分のうち、低融点はんだの合金粉末を使用することによって、はんだの融点を下げることができるから、プリント基板を余熱するためのプリヒート温度を低く抑えることができるほか、リフロー処理するときの作業温度（ピーク温度）が下がり、リフロー時間も短くできる。さらに、実装部品やプリント基板に対する濡れ性が改善される他、作業温度を下げることができるため、熱による実装部品の熱損傷を防止でき、部品の酸化問題も克服できる。
【００３７】
リフロー温度を低く抑えることができるから、リフロー炉の電力量を削減できる他に、ペーストはんだは低温側から徐々に溶融を開始するので、部品（チップ部品）の部品立ち（マンハッタン現象）を防止できる。濡れ開始温度が低いので、はんだ濡れ性が改善される。
【００３８】
これらの特徴に加えて、ビスマスの含有量を制限することによって実装部品の接合強度を高めることができるなどの特徴を有する。
【００３９】
したがってこの発明に係るペーストはんだは、各種電子機器に搭載されるプリント基板への部品実装時の固着をリフロー炉を用いて行うような場合に、そのプリント基板に使用されるペーストはんだとして使用して極めて好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｓｎ−Ｂｉ系の温度プロファイルを示す特性図である。
【図２】混合粉末のペーストはんだの配合比と特性との関係を示す図である。
【図３】ペーストはんだの温度プロファイルである。
【図４】鉛を含んだペーストはんだの温度プロファイルである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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