(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
亜鉛を含有し錫を基とする合金を接合材料として用いて、表面組成が錫と重量比で０．５％以上かつ７％以下の銀とを有する被覆層が設けられた第１の部材を、第２の部材と接合する部材の接合方法であって、前記被覆層の厚さを１１μｍ以下とし、前記接合材料の加熱溶融される温度は２６０℃以下であることを特徴とする部材の接合方法。
【請求項２】
前記被覆層の厚さをｘ［μｍ］、前記第１の部材を接合するために加熱溶融される前記接合材料の温度をｙ［℃］とするとき、前記ｘ及びｙは、
０．５≦ｘ≦１１  かつ  ２１０≦ｙ≦２３０、あるいは、
０．５≦ｘ≦５．５  かつ  ２３０≦ｙ≦２６０  かつ  ６ｘ＋ｙ≦２６３
を満たすことを特徴とする請求項１記載の部材の接合方法。
【請求項３】
前記第２の部材の表面は、銅、ニッケル、鉄からなる群から選択される成分を有する請求項１又は２に記載の部材の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、錫及び亜鉛を含有する合金を接合材料として用いて、合金による被覆層を有する部材を接合する部材の接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
融点の低い物質を用いて物体同士を接合する接合技術として、はんだ付けは古くから用いられており、その起源は古代メソポタミア文明に遡ることができるとも言われている。
【０００３】
現在、はんだは、電子機器の接合・組立にも使用され、例えば、実装基板における半導体、マイクロプロセッサー、メモリー、抵抗などの電子部品と基板との接合をはじめとして様々な形態の接合に幅広く用いられている。その長所としては、部品を基板に固定するだけでなく、導電性を有する金属をはんだに含有させることにより、有機系の接着剤と異なる電気的接合も兼ね備えている点にある。今日、パーソナルコンピューター、携帯電話やポケットベルなどに代表されるパーソナル機器の急激な普及が進むにつれ、電子部品の実装技術におけるはんだ接合はますますその重要性が増している。
【０００４】
ところが、このような電子機器の普及は人々の生活を豊かにしている反面、技術革新によって古くなっていく機器が多量に廃棄されていることも事実であり、そのリサイクル技術が強く求められている。また、環境汚染を未然に防ぐという観点から、事前に有害性の高い物質を用いない製造方法も提唱されており、これははんだ技術においても例外ではない。現在最も多く使われているのは、錫と鉛とを用いた共晶はんだであり、銅板に対するぬれ性が他の金属混合物よりも優れているという特質を持つ。ところが、この共晶はんだに含まれる鉛に対する有害性の懸念から、廃棄された電子機器を埋め立て処分した場合に長年に渡って酸性雨などに晒されることによる鉛イオンの土壌中への溶出が問題視されている。溶出した金属イオンは、食物連鎖よって生態系の中で濃縮されていくと、家畜や人間などに大きな被害をもたらすことも考えられるため、固定化する技術も提案されているが、土中への長期にわたる拡散については十分なデータが得られていない。また、近年水質汚濁の防止という視点から、法的な規制も強化される状況に至っている。
【０００５】
このような中で、近年、種々の鉛フリーはんだが提唱されているが、低コストで低融点化が狙える錫−亜鉛系鉛フリーはんだが有望視されている。錫−亜鉛系鉛フリーはんだは、溶融時の酸化がフローはんだ付け時の不良率を増大させると言われており、実用化は不可能と言われていたが、本願発明者らは、錫−亜鉛系はんだでの接合の実用化が可能となるように、鋭意研究を進めてきた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
電子部品の鉛フリー化では、接合材料としてのはんだそのものの鉛フリー化だけでなく、用いられる部品の被覆めっきの鉛フリー化も重要である。しかし、電子部品や基板電極部の被覆に用いられる錫と鉛とからなる合金めっきは広範囲に用いられており、鉛を含まない種々の合金めっきが提唱されている現在でも鉛フリーのめっきの使用は少ない。このため、接合材料としてのはんだが鉛フリー化されたとしても、接合部材に用いられる鉛を含んだ被覆めっきは長期間にわたって使用継続される可能性が高く、その接合部の挙動や信頼性について不明な点が多い。
【０００７】
本発明は、はんだが鉛フリー化された場合に電子部品のめっきが現行の錫−鉛二元系の組成や銀を含有する組成であっても接合を可能とするために、実質的に鉛を含有せず錫を基とした合金を接合材料として用いて、錫と鉛とからなるめっきあるいは錫と銀とからなる合金で被覆した部材をはんだ接合し、接合界面に悪影響がなく長期にわたって接合体が維持できる技術を提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様によれば、部材の接合方法は、亜鉛を含有し錫を基とする合金を接合材料として用いて、表面組成が錫と重量比で０．５％以上かつ７％以下の銀とを有する被覆層が設けられた第１の部材を、第２の部材と接合する部材の接合方法であって、前記被覆層の厚さを１１μｍ以下とし、前記接合材料の加熱溶融される温度は２６０℃以下であることを要旨とする。
【００１１】
上記被覆層の厚さをｘ［μｍ］、前記第１の部材を接合するために加熱溶融される前記接合材料の温度をｙ［℃］とするとき、ｘ及びｙは、０．５≦ｘ≦１１かつ  ２１０≦ｙ≦２３０、あるいは、０．５≦ｘ≦５．５  かつ  ２３０≦ｙ≦２６０  かつ  ６ｘ＋ｙ≦２６３を満たすとよい。
【００１２】
上記第２の部材の表面は、銅、ニッケル、鉄からなる群から選択される成分を有してよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
錫−亜鉛合金はんだを用いて、種々のめっきで表面を被覆した部材を他の部材とはんだ接合すると、多くの場合は十分に接合強度や耐久性を有する接合が得られる。しかし、錫−鉛めっき又は錫−銀めっきで表面を被覆した部材を接合した場合、ヒートサイクル耐久試験においてリフトオフやクラックの生成が見られる場合がある。しかし、これらの現象は、条件によっては発生を防止することが出来ることがわかった。
【００１５】
錫−亜鉛共晶はんだを用いて銅製部品と接合しためっき被覆部材のヒートサイクル耐久試験においてリフトオフやクラックが発生しなかった部材を調べてみると、概して表１、表２のようになる。
【００１６】
【表１】
0003801893.tif 000002
【表２】
0003801893.tif 000003
これに対し、リフトオフが生じたものを解析すると、結果は例えば表３、表４のようになる。
【００１７】
【表３】
0003801893.tif 000004
【表４】
0003801893.tif 000005
上記のように、めっきによる被覆層が溶融はんだと接触した際に接合界面から溶出する鉛や銀が、はんだ接合の形成状態の不良化と関連する。そして、リフトオフやクラックが発生しなかったものは、いずれも被覆層の厚さが薄いものであり、特に、溶融はんだの温度が低い場合に結果がより明確になる。
【００１８】
これらを詳細に調べたところ、被覆層の厚さが、錫−鉛合金の場合には約１２μｍ以下、錫−銀合金の場合には約１１μｍ以下であると、接合部分のクラックやリフトオフの防止が容易になる。好ましくは、錫−鉛合金の場合には１μｍ以上且つ１２μｍ以下、錫−銀合金の場合には０．５μｍ且つ１１μｍ以下、より好ましくは、錫−鉛合金の場合には１μｍ以上且つ４μｍ以下、錫−銀合金の場合には０．５μｍ且つ５．５μｍ以下とする。更に溶融はんだの温度との関連性をも考慮すると、被覆層の厚さをｘ［μｍ］、溶融はんだの温度をｙ［℃］とすると、被覆層が錫−鉛合金の場合、１≦ｘ≦１２、且つ、２１０≦ｙ≦２４０を満たすか、あるいは、１≦ｘ≦４、且つ、２４０≦ｙ≦２６０、且つ、２０ｘ＋３ｙ≦８００を満たすときに良好な接合状態となる。錫−銀合金の場合には、０．５≦ｘ≦１１、且つ、２１０≦ｙ≦２３０を満たすか、あるいは、０．５≦ｘ≦５．５、且つ、２３０≦ｙ≦２６０、且つ、６ｘ＋ｙ≦２６３を満たすときに良好な接合が得られる。
【００１９】
上述の条件設定は、接合される部材の被覆層が錫−鉛合金の場合は、接合界面（被覆層の表面部）において鉛の含有割合が重量比で５％以上かつ９５％以下、錫−銀合金の場合は、接合界面において銀の含有割合が重量比で０．５％以上かつ７％以下であるものにおいて有効である。従って、複数の異なる被覆層が積層された場合、最表面の被覆層がこのような組成であればよい。被覆層は、めっき層に限らず、他の種々の被覆方法によって形成される被覆層が含まれるのはもちろんである。また、被覆層の合金は、パラジウム、金、白金などの金属成分を重量比で１．０％程度以下の割合で含んでいてもよく、不可避量の不純物金属は許容される。
【００２０】
被覆層を有する部材及び接合される他方の部材の材質としては、例えば、銅、鉄、４２アロイ、真鍮、アルミニウムなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００２１】
接合に用いる錫−亜鉛はんだの組成は、錫−亜鉛共晶組成（亜鉛量がモル換算比で約９％）が好ましいが、これに限定されない。亜鉛の含有量がモル換算比で約３〜１２％のはんだの溶融温度が低く、使用し易い。また、鉄、ニッケル、ビスマス、銅、アルミニウム、チタン、けい素などの金属を０．５重量％程度以下の割合で含んでいてもよく、不可避量の不純物金属は許容される。上記のような第三金属元素は、はんだの溶融温度の低下や、濡れ性の向上、はんだの表面性状（色、滑らかさ等）や物性（機械強度、展性、耐久性等）の向上に用いられる。
【００２２】
錫−銀系はんだや錫−ビスマス系はんだでは、鉛のわずかな混入によってリフトオフが多発するといわれているが、錫−亜鉛はんだの場合は、フィレット表層部に残存する鉛の割合が比較的少なくリフトオフの抑制が比較的容易であるため、上記のような被覆層の調整によって良好な接合を行うことができる。また、錫−銀めっきと錫−亜鉛はんだとの組み合わせにおいては、銀と亜鉛との化合物が形成されて接合信頼性が低下することが懸念されているが、本発明に従って錫−銀合金による被覆層の厚さとはんだ付け温度とを適正に調整することにより、良好な接合を行うことが可能となる。
【００２３】
上記のような錫−亜鉛合金はんだを接合材として、上述した被覆層を有する部材同士、あるいは、被覆層を有する部材と他の異なる部材とをはんだ付けにより接合する。はんだ付け方法は、ディップ方式、リフロー方式、フローディップ方式など、従来はんだ付けに用いられている各種方式から適宜選択して用いればよい。この際、溶融はんだの温度は、前述したように、被覆層が錫−鉛合金の場合は、１≦ｘ≦１２、且つ、２１０≦ｙ≦２４０、あるいは、  １≦ｘ≦４、且つ、２４０≦ｙ≦２６０、且つ、２０ｘ＋３ｙ≦８００を満たすような温度ｙ［℃］に、錫−銀合金の場合には、０．５≦ｘ≦１１、且つ、２１０≦ｙ≦２３０、あるいは、０．５≦ｘ≦５．５、且つ、２３０≦ｙ≦２６０、且つ、６ｘ＋ｙ≦２６３を満たすような温度ｙ［℃］に適性に制御される。従って、被覆層が厚い場合には溶融はんだの温度を低く抑える必要がある。但し、はんだ付け温度が極度に高い場合、被覆層の溶出が激しくなるので、２６０℃以下に抑えるのが望ましい。
【００２４】
はんだ付けの際に、溶融はんだに超音波などによって振動エネルギーを与えて僅かな冷却による溶融はんだの固形化を抑制させることが好ましい。
【００２５】
はんだ接合を行う雰囲気は、酸化を防止するために、低酸素濃度の非酸化性雰囲気であるのが望ましい。具体的には、酸素濃度を３０００ppm以下、好ましくは１０００ppm以下にすることが好ましい。
【００２６】
この接合方法の応用分野としては、半導体分野で用いられるＩＣパッケージやＣＰＵの導電部の接合；パーソナルコンピューターに内蔵されるハードディスク、液晶パネルの電気回路の接合；ＩＣカード、パーソナルコンピューターやプリンタの接続などに多用されているケーブルコネクタ、通信用ケーブルに多用されている光コネクタ、さらには自動車のラジエーターの接合などが挙げられる。また、基板への部品実装に利用する場合、実装形態としては、片面表面実装、両面表面実装、両面表面実装リード付き部品搭載、片面表面実装リード付き部品搭載、リードスルー実装、チップを重ねた高密度実装などが有る。また、実装部品としては、受動部品としてのセラミック、コンデンサ、インダクタ、ジャンパ、トランジスタ、ダイオード、アルミ電解（コンデンサ）、タンタル半固定抵抗、トリマー、コイルが代表例として挙げられ、能動部品としては、ＩＣ、ＳＩが代表例となり、そのパッケージ外形・形状としては、ＤＩＰ、ＳＯＩＣ、ＳＯＰ、ＱＩＰ、ＱＦＰ、ＰＬＣＣ、ＬＣＣ、ＳＯＪ、ＭＳＰ、さらには、ＢＧＡ、ＦＣ−ＢＧＡ、ＣＳＰ、ＰＬＣ、ＭＣＭ、ＯＥ−ＭＣＭなどが挙げられる。
【００２７】
このようにして、本発明においては、はんだの鉛フリー化の移行過程で不可避とされる錫−鉛めっき被覆部材の接合信頼性を確保できる。また、銀を含有するめっきで被覆された部材を接合するときに接合界面に悪影響を及ぼさずに、長期にわたって接合体が維持できる範囲を提供できる。
【００２８】
【実施例】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
【００２９】
（実施例１）
極低酸素状態で作成し組成比がモル数換算で錫９０．９％以上、亜鉛９％、他の金属元素含有量が０．１％未満である共融物質としてのはんだをはんだ溶融槽内に入れ、そのほぼ理論値としての共晶点である１９８℃よりも１７℃高い２１５℃で保持し、完全にはんだを溶融させた。この時、温度が１９０℃に到達した時点から、はんだ溶融槽上部のはんだ付けする対象物が移動する領域に不活性ガスを流し続けて酸素濃度を３０００ppm以下になるように維持した。
【００３０】
次に、溶融はんだの温度を２４０℃に保持して、溶融はんだを循環ポンプを用いて溶融槽の下部から吸い込み、溶融槽の上部に湧き出させるようにして循環し続けた。
【００３１】
この状態で、下記の仕様の接合する部品を挿入した後に、フラックス（千住金属工業社製：ＨＳＸ−０１）を塗布した下記の仕様の基板を下記の搬送条件でコンベア−により搬送し、フローディップによる接合を実施した。
【００３２】
0003801893.tif 000006
フローディップした基板をコンベアから取り出して冷却した後、拡大鏡による観察を実施したところ、いずれの電極パターンにおいてもはんだのブリッジは認められず、挿入部品へのはんだのスーホール上がりも良好でランド剥離やリフトオフも認められなかった。また、はんだが被覆しているライン状の電極の長手方向に垂直な向きに沿って断面を観察したところ、被覆したはんだの高さは２０〜１００μｍの高さを有しており、両端部の基板面との接触角は鋭角を有していた。
【００３３】
また、複数の接合界面の構成元素をＥＰＭＡによる定量分析で調べたところ、表５、表６のような結果が得られた。
【００３４】
【表５】
0003801893.tif 000007
【表６】
0003801893.tif 000008
さらに、はんだ付け基板の接合信頼性を調べるためヒートサイクル試験（−４０〜１２５℃）を行い、１０００サイクル後の接合界面の状態を調べたところ、錫−鉛めっき部品及び錫−銀めっき部品のいずれについても、従来の錫−鉛共晶はんだの場合よりもクラックの進行が小さく、１００μｍを超える大きなクラックは認められなかった。
【００３５】
錫−鉛めっき部品のめっき厚さが異なる部品（厚さ：３μｍ、５μｍ及び７μｍ）を用いて、実施例１同様の操作を繰り返して基板に部品を接合し、同様にヒートサイクル試験を行ったところ、いずれの部品の場合も、１００μｍを超える大きなクラックは認められなかった。
【００３６】
さらに、錫−銀めっき部品についてもめっき厚さが異なる部品（厚さ：３μｍ、５μｍ及び７μｍ）を用いて、実施例１同様の操作を繰り返して基板に部品を接合し、同様にヒートサイクル試験を行った。この結果、いずれの部品の場合も、１００μｍを超える大きなクラックは認められなかった。
【００３７】
（比較例１）
１３μｍの厚さに錫−鉛めっきが施された部品を用いたことを除いては実施例１と同様の操作を繰り返して部品の接合を行い、ヒートサイクル試験を行ったところ、１００μｍを超える大きなクラックが接合界面付近に認められ、鉛の偏析による影響が顕著であった。
【００３８】
また、１２μｍの厚さに錫−銀めっきが施された部品を用いたことを除いては実施例１と同様の操作を繰り返して部品の接合を行い、ヒートサイクル試験を行ったところ、１００μｍを超える大きなクラックが接合界面付近に認められ、銀の偏析による影響が顕著であった。
【００３９】
（実施例２）
接合する基板及び部品の仕様、溶融はんだの温度を表７のように変更したこと以外は実施例１と同様の操作を繰り返してはんだ接合を行い、得られた試料１〜１２の接合部品について同様にヒートサイクル試験を行って拡大鏡により接合界面の状態を調べた。接合部の１００μｍ以上のクラックの有無を表７に示す。
【００４０】
0003801893.tif 000009
【表７】
0003801893.tif 000010
錫−鉛めっきの厚さが１２μｍ以下の場合は、溶融はんだの温度を２１０〜２６０℃の範囲内で変化させて接合を行った結果のいずれにおいても、搭載したスルーホール用部品であるＤＩＰ、抵抗のいずれについても基板のスルーホールの上側にはんだが上がり、良好なフィレットを形成している。これに対し、錫−鉛めっきの厚さが１２μｍを超える場合、上記のようにはんだ付け温度が低くても、クラックの発生が見られ、不良となりやすい。
【００４１】
（実施例３）
接合する基板及び部品の仕様、溶融はんだの温度を表８のように変更したこと以外は実施例１と同様の操作を繰り返してはんだ接合を行い、得られた試料１３〜２３の接合部品について同様にヒートサイクル試験を行って拡大鏡により接合界面の状態を調べた。接合部の１００μｍ以上のクラックの有無を表８に示す。
【００４２】
0003801893.tif 000011
【表８】
0003801893.tif 000012
錫−銀めっきの厚さが１１μｍ以下の場合は、溶融はんだの温度を２１０〜２６０℃の範囲内で変化させて接合を行った結果のいずれにおいても、搭載したスルーホール用部品であるＤＩＰ、抵抗のいずれについても基板のスルーホールの上側にはんだが上がり、良好なフィレットを形成している。これに対し、錫−銀めっきの厚さが１１μｍを超える場合、上記のようにはんだ付け温度が低くても、粗大なクラックの発生が見られ、不良となりやすい。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、電子部品のめっきが現行の錫−鉛二元系の組成や銀を含有する組成であっても、鉛フリー化されたはんだを用いて、接合界面に悪影響がなく長期にわたって接合体を維持可能となる接合が可能となる。