JP2005254254A - Lead-free solder, its manufacturing method and electronic component - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電子機器のモジュール実装の際に行われる温度階層によるはんだ接合に有効な無鉛はんだ、無鉛はんだの製造方法および電子部品に関する。 The present invention relates to a lead-free solder, a lead-free solder manufacturing method, and an electronic component that are effective for solder joining in a temperature hierarchy performed when a module of an electronic device is mounted.
近年、地球環境保護の観点から環境問題に対する関心が高まりつつある中、産業廃棄物の廃棄量の増大が深刻な問題となっている。産業廃棄物に含まれる、例えば、電力制御計算機の基板、家電製品、パソコンなどには、はんだが使用されており、このはんだから鉛などの有害な重金属が流出することがある。例えば、鉛が流出すると、酸性雨などに作用して鉛を含んだ水溶液を生成し、その水溶液が地下水に侵入することがある。 In recent years, with increasing interest in environmental issues from the viewpoint of protecting the global environment, an increase in the amount of industrial waste disposed of has become a serious problem. Solder is used in, for example, power control computer boards, home appliances, personal computers, and the like included in industrial waste, and harmful heavy metals such as lead may flow out from the solder. For example, when lead flows out, it may act on acid rain to produce an aqueous solution containing lead, and the aqueous solution may invade groundwater.
国内では、1998年に家電リサイクル法が成立し、2001年には家電製品について使用済み製品の回収が義務づけられている。欧州では、電気・電子製品廃棄物EU指令により、2004年から鉛を含む特定物質の使用禁止が義務づけられている。このように、鉛の使用に関する法的規制が強化され、鉛フリーはんだの開発が急がれている(例えば、非特許文献1参照。)。また、融点が300℃前後の高融点はんだも規制対象となっており、高融点無鉛はんだの開発が急がれている(例えば、非特許文献2参照。)。 In Japan, the Home Appliance Recycling Law was enacted in 1998, and in 2001 it was obliged to collect used products for home appliances. In Europe, electrical and electronic product waste EU directives have banned the use of certain substances including lead since 2004. In this way, legal regulations regarding the use of lead have been strengthened, and development of lead-free solder has been urgently performed (see, for example, Non-Patent Document 1). Further, high melting point solder having a melting point of around 300 ° C. is also subject to regulation, and development of high melting point lead-free solder is urgently required (for example, see Non-Patent Document 2).
従来のSn−Pb系はんだにおいては、高融点はんだとしてSn−95重量%Pb(融点;310〜314℃)、Sn−90重量%Pb(融点;275〜302℃)などの融点が300℃程度の材料が使用されているが、これに替わる無鉛はんだは開発されていない。また、従来のSn−Pb系はんだにおいては、例えば、高融点はんだであるSn−95重量%Pb、Sn−90重量%Pbなどを330〜350℃の温度ではんだ付けし、その後、このはんだ付け部を溶融しない温度で接合可能な低融点はんだのSn−37重量%Pb(共晶温度183℃)を用いて温度階層接続が行われてきた。 Conventional Sn-Pb solders have high melting points such as Sn-95 wt% Pb (melting point: 310-314 ° C.), Sn-90 wt% Pb (melting point: 275-302 ° C.), and the like. However, no lead-free solder has been developed. In addition, in conventional Sn-Pb solder, for example, Sn-95 wt% Pb, Sn-90 wt% Pb, etc., which are high melting point solders, are soldered at a temperature of 330 to 350 ° C. Temperature hierarchy connection has been performed using Sn-37 wt% Pb (eutectic temperature 183 ° C.), which is a low melting point solder that can be joined at a temperature that does not melt the part.
このような温度階層接続は、チップをダイボンドするタイプの半導体装置や、フリップチップ接続などの半導体装置などで適用されている。さらに、従来のモジュール実装においては、部品を高融点はんだで1次リフロー後、さらにそのモジュールの端子をプリント基板に低融点はんだで2次リフローすることが行なわれている。
上記したモジュール実装において、例えば、従来の無鉛はんだを用いて、温度階層接続をする場合、部品の耐熱性を越えない温度(例えば290℃以下の温度)で、1次リフローし、チップ部品を高融点はんだでモジュール基板に接続して、キャップ封止、または樹脂封止する。その後、Sn−0.7重量%Cu(融点;227℃)の無鉛はんだで2次リフローすることが要求されているが、この無鉛はんだで2次リフローする場合、はんだ接合温度は240〜250℃に達する。したがって、既存の無鉛はんだの中で最も高融点はんだであるSn−5重量%Sb(融点;232℃)を1次リフローに用いても、モジュール内のチップ部品のはんだ接合部が2次リフローで再溶融することが避けられないという問題があった。 In the above-described module mounting, for example, when using conventional lead-free solder for temperature hierarchy connection, primary reflow is performed at a temperature that does not exceed the heat resistance of the component (for example, a temperature of 290 ° C. or less), and the chip component is increased. It is connected to the module substrate with a melting point solder and sealed with a cap or resin. Thereafter, secondary reflow is required with lead-free solder of Sn-0.7 wt% Cu (melting point: 227 ° C.). When secondary reflow is performed with this lead-free solder, the solder joint temperature is 240 to 250 ° C. To reach. Therefore, even if Sn-5 wt% Sb (melting point: 232 ° C.), which is the highest melting point solder among the existing lead-free solders, is used for primary reflow, the solder joints of chip components in the module are subjected to secondary reflow. There was a problem that remelting was inevitable.
さらに、モジュール内のチップ部品のはんだ接合部が2次リフローで再溶融すると、チップ部品の位置がずれるなどの問題があった。 Furthermore, when the solder joint of the chip component in the module is remelted by secondary reflow, there is a problem that the position of the chip component is shifted.
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、高温時に接合強度を維持することができる無鉛はんだ、無鉛はんだの製造方法を提供し、さらに、この無鉛はんだを用いて高温階層接続された電子部品を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made to solve the above problems, and provides a lead-free solder capable of maintaining the bonding strength at high temperatures and a method for producing the lead-free solder. An object is to provide a hierarchically connected electronic component.
上記目的を達成するために、本発明の無鉛はんだは、Sn基合金からなる第1合金相中に、該第1合金相の融点よりも高い融点を有するSb合金からなる第2合金相を含有してなることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the lead-free solder of the present invention contains a second alloy phase made of an Sb alloy having a melting point higher than the melting point of the first alloy phase in the first alloy phase made of an Sn-based alloy. It is characterized by becoming.
ここで、第1合金相には、例えば、Ag、Al、Au、Bi、Co、Cr、Cu、Fe、Ge、In、Mg、Mn、Pd、Si、Sr、Te、Znのいずれか少なくとも1種を含有し、残部がSnおよび不可避不純物からなり、融点が117〜350℃の範囲であるSn基合金が用いられる。 Here, the first alloy phase includes, for example, at least one of Ag, Al, Au, Bi, Co, Cr, Cu, Fe, Ge, In, Mg, Mn, Pd, Si, Sr, Te, and Zn. An Sn-based alloy containing seeds, the balance being Sn and inevitable impurities, and having a melting point of 117 to 350 ° C. is used.
例えば、Sn基合金として、In:52重量%、残部:Snおよび不可避不純物からなるSn合金(融点117℃)、Bi:57重量%、残部:Snおよび不可避不純物からなるSn合金(融点139℃)、Zn:9重量%、残部:Snおよび不可避不純物からなるSn合金(融点198℃)、Cu:4.5重量%、残部:Snおよび不可避不純物からなるSn合金(固相線227℃、液相線350℃)などが挙げられる。 For example, as an Sn-based alloy, In: 52% by weight, balance: Sn alloy consisting of Sn and inevitable impurities (melting point: 117 ° C.), Bi: 57% by weight, balance: Sn alloy consisting of Sn and inevitable impurities (melting point: 139 ° C.) Zn: 9 wt%, balance: Sn alloy consisting of Sn and unavoidable impurities (melting point 198 ° C.), Cu: 4.5 wt%, balance: Sn alloy consisting of Sn and unavoidable impurities (solidus 227 ° C., liquid phase Line 350 ° C.).
また、第2合金相には、Ag、Al、Au、Bi、Co、Cr、Cu、Fe、Ge、In、Mg、Mn、Pd、Si、Sr、Te、Znのいずれか少なくとも1種を含有し、残部がSbおよび不可避不純物からなり、融点が155〜625℃の範囲であるSb合金が用いられる。 The second alloy phase contains at least one of Ag, Al, Au, Bi, Co, Cr, Cu, Fe, Ge, In, Mg, Mn, Pd, Si, Sr, Te, and Zn. In addition, an Sb alloy whose balance is made of Sb and inevitable impurities and whose melting point is in the range of 155 to 625 ° C. is used.
例えば、Sb合金として、In:99.3重量%、残部:Sbおよび不可避不純物からなるSb合金(融点155℃)、Te:89.5重量%、残部:Sbおよび不可避不純物からなるSb合金(融点424℃)、Bi:55重量%、残部:Sbおよび不可避不純物からなるSb合金(固相線350℃、液相線500℃)、Cu:23.5重量%、残部:Sbおよび不可避不純物からなるSb合金(融点526℃)、Ge:11重量%、残部:Sbおよび不可避不純物からなるSb合金(融点590℃)、Co:1.5重量%、残部:Sbおよび不可避不純物からなるSb合金(融点618℃)などが挙げられる。 For example, as an Sb alloy, In: 99.3% by weight, balance: Sb alloy consisting of Sb and inevitable impurities (melting point 155 ° C.), Te: 89.5 wt%, balance: Sb alloy consisting of Sb and inevitable impurities (melting point) 424 ° C.), Bi: 55 wt%, balance: Sb and Sb alloy consisting of Sb and inevitable impurities (solid phase line 350 ° C., liquidus 500 ° C.), Cu: 23.5 wt%, balance: Sb and inevitable impurities Sb alloy (melting point 526 ° C.), Ge: 11 wt%, balance: Sb alloy consisting of Sb and inevitable impurities (melting point 590 ° C.), Co: 1.5 wt%, balance: Sb alloy consisting of Sb and inevitable impurities (melting point) 618 ° C.).
この無鉛はんだによれば、Sn基合金からなる第1合金相中に、この第1合金相の融点よりも高い融点を有するSb合金からなる第2合金相を含有して無鉛はんだが構成され、第1合金相が溶融状態となる温度において、第2合金粉末を固相に維持してはんだ付けを行うことができる。これによって、はんだ接合部は、第1合金相のぬれ性などの特性を維持したまま、第1合金相に第2合金粉末を均一に分散して含有することができる。 According to this lead-free solder, the lead-free solder is constituted by including the second alloy phase made of the Sb alloy having a melting point higher than the melting point of the first alloy phase in the first alloy phase made of the Sn-based alloy, Soldering can be performed while maintaining the second alloy powder in a solid phase at a temperature at which the first alloy phase is in a molten state. Thereby, the solder joint portion can contain the second alloy powder uniformly dispersed in the first alloy phase while maintaining the characteristics such as the wettability of the first alloy phase.
さらに、第1合金相の融点よりも高い融点を有する第2合金粉末を含有することで、例えば、2次リフローを行う際、第1合金相が溶融状態となっても、第2合金粉末は、固相を維持し、第2合金粉末における表面張力により、溶融した第1合金相が外部に流出するのを防止することができる。また、2次リフローを行う際、第2合金粉末は、中心部は固相を維持し、表面は溶融状態となっていてもよい。 Further, by containing the second alloy powder having a melting point higher than the melting point of the first alloy phase, for example, when performing the secondary reflow, even if the first alloy phase is in a molten state, the second alloy powder is The solid phase can be maintained and the melted first alloy phase can be prevented from flowing out due to the surface tension of the second alloy powder. Moreover, when performing secondary reflow, the center part of the second alloy powder may maintain a solid phase and the surface may be in a molten state.
この無鉛はんだは、使用される用途を限定されるものではないが、例えば、高温階層接続される電子部品と基板の接合、電子部品同士の接合などの1次リフロー時の高融点はんだとして用いることが好ましい。 This lead-free solder is not limited in its application, but it can be used as a high-melting-point solder during primary reflow, for example, bonding of electronic components and boards that are connected in a high-temperature hierarchy, bonding of electronic components, etc. Is preferred.
本発明の無鉛はんだの製造方法は、Ag、Al、Au、Bi、Co、Cr、Cu、Fe、Ge、In、Mg、Mn、Pd、Si、Sr、Te、Znのいずれか少なくとも1種を含有し、残部がSnおよび不可避不純物からなり、融点が117〜350℃の範囲である第1合金の粉末と、Ag、Al、Au、Bi、Co、Cr、Cu、Fe、Ge、In、Mg、Mn、Pd、Si、Sr、Te、Znのいずれか少なくとも1種を含有し、残部がSbおよび不可避不純物からなり、融点が155〜625℃の範囲であるである第2合金の粉末とを所定の比率で均一に混合し、混合物を作製する混合物作製工程と、前記混合物に、フラックスを所定の比率で混合し攪拌して、ぺースト状の混合物を作製するぺースト状混合物作製工程とを具備することを特徴とする。 The lead-free solder manufacturing method of the present invention includes at least one of Ag, Al, Au, Bi, Co, Cr, Cu, Fe, Ge, In, Mg, Mn, Pd, Si, Sr, Te, and Zn. A first alloy powder containing Sn and inevitable impurities, the melting point being in the range of 117 to 350 ° C., and Ag, Al, Au, Bi, Co, Cr, Cu, Fe, Ge, In, Mg A powder of the second alloy containing at least one of Mn, Pd, Si, Sr, Te, Zn, the balance being Sb and inevitable impurities, and having a melting point in the range of 155 to 625 ° C. A mixture preparation step of preparing a mixture by uniformly mixing at a predetermined ratio, and a paste-like mixture preparation step of preparing a paste-like mixture by mixing the flux with the mixture at a predetermined ratio and stirring the mixture. Have The features.
また、本発明の無鉛はんだの製造方法は、Ag、Al、Au、Bi、Co、Cr、Cu、Fe、Ge、In、Mg、Mn、Pd、Si、Sr、Te、Znのいずれか少なくとも1種を含有し、残部がSnおよび不可避不純物からなり、融点が117〜350℃の範囲である第1合金の粉末と、Ag、Al、Au、Bi、Co、Cr、Cu、Fe、Ge、In、Mg、Mn、Pd、Si、Sr、Te、Znのいずれか少なくとも1種を含有し、残部がSbおよび不可避不純物からなり、融点が155〜625℃の範囲であるである第2合金の粉末とを所定の比率で均一に混合し、混合物を作製する混合物作製工程と、前記混合物を冷間または熱間で加圧成形して複合化する複合化工程と、前記複合化された混合物をフィルム状またはワイヤ状に成形する形成工程とを具備することを特徴とする。 The lead-free solder manufacturing method of the present invention includes at least one of Ag, Al, Au, Bi, Co, Cr, Cu, Fe, Ge, In, Mg, Mn, Pd, Si, Sr, Te, and Zn. A first alloy powder containing seeds, the balance being Sn and inevitable impurities, and having a melting point in the range of 117 to 350 ° C .; Ag, Al, Au, Bi, Co, Cr, Cu, Fe, Ge, In , Mg, Mn, Pd, Si, Sr, Te, Zn, the second alloy powder containing at least one selected from the group consisting of Sb and inevitable impurities and having a melting point in the range of 155 to 625 ° C. Are uniformly mixed at a predetermined ratio to produce a mixture, a compounding step in which the mixture is pressed or cold-molded to form a composite, and the composite mixture is formed into a film. Or wire Characterized by comprising a formation step of the form.
さらに、本発明の無鉛はんだの製造方法は、Ag、Al、Au、Bi、Co、Cr、Cu、Fe、Ge、In、Mg、Mn、Pd、Si、Sr、Te、Znのいずれか少なくとも1種を含有し、残部がSnおよび不可避不純物からなり、融点が117〜350℃の範囲である第1合金をフィルム状またはワイヤ状に成形する形成工程と、Ag、Al、Au、Bi、Co、Cr、Cu、Fe、Ge、In、Mg、Mn、Pd、Si、Sr、Te、Znのいずれか少なくとも1種を含有し、残部がSbおよび不可避不純物からなり、融点が155〜625℃の範囲であるである第2合金の粉末を、前記フィルム状または
ワイヤ状に成形された第1合金の表面に積層する積層工程と、前記第2合金の粉末が積層された第1合金を、冷間または熱間で加圧成形または圧延して複合化する複合化工程とを具備することを特徴とする。
Furthermore, the method for producing a lead-free solder according to the present invention includes at least one of Ag, Al, Au, Bi, Co, Cr, Cu, Fe, Ge, In, Mg, Mn, Pd, Si, Sr, Te, and Zn. A forming step of forming a first alloy in the form of a film or a wire containing seeds, the balance being Sn and inevitable impurities, and having a melting point in the range of 117 to 350 ° C., Ag, Al, Au, Bi, Co, It contains at least one of Cr, Cu, Fe, Ge, In, Mg, Mn, Pd, Si, Sr, Te, and Zn, the balance is made of Sb and inevitable impurities, and the melting point is in the range of 155 to 625 ° C. A laminating step of laminating a powder of the second alloy, which is, on the surface of the first alloy formed into a film or wire, and a first alloy on which the powder of the second alloy is laminated Or hot Molding or rolling to characterized by comprising a composite step of compounding.
また、本発明の電子部品では、上記した本発明の無鉛はんだのいずれかを使用して部品を基材に接合したことを特徴とする。 The electronic component of the present invention is characterized in that the component is bonded to a base material using any of the lead-free solders of the present invention described above.
この発明によれば、上記した本発明の無鉛はんだのいずれかを使用して、例えば、1次リフローなどの高温条件で部品を基材に接合することによって、2次リフローなどの高温階層接続を可能にすることができる。ここで、部品として、例えば、モーターの可変速駆動用インテリジェントパワーモジュールパワー集積モジュール、コンバータ用モジュールなどが挙げられる。これらのパワーモジュールのセラミックス基板は、はんだでCuベースに実装され、パワーデバイスチップは、セラッミクス基板に集積される。 According to this invention, any one of the above-described lead-free solders of the present invention is used, for example, by joining a component to a substrate under a high temperature condition such as primary reflow, thereby enabling high-temperature hierarchical connection such as secondary reflow. Can be possible. Here, examples of components include an intelligent power module for motor variable speed driving, a power integrated module, a converter module, and the like. The ceramic substrate of these power modules is mounted on a Cu base with solder, and the power device chip is integrated on a ceramic substrate.
本発明の無鉛はんだ、無鉛はんだの製造方法および電子部品によれば、高温時に接合強度を維持することができ、無鉛はんだを用いて高温階層接続された電子部品を提供することができる。 According to the lead-free solder, the lead-free solder manufacturing method, and the electronic component of the present invention, the bonding strength can be maintained at a high temperature, and an electronic component that is connected at a high temperature using lead-free solder can be provided.
以下、本発明の一実施の形態について説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described.
本発明の無鉛はんだは、母相を構成するSn基合金からなる第1合金相中に、この第1合金相の融点よりも高い融点を有するSb合金からなる第2合金相を含有して構成されている。 The lead-free solder of the present invention comprises a second alloy phase made of an Sb alloy having a melting point higher than the melting point of the first alloy phase in the first alloy phase made of an Sn-based alloy constituting the parent phase. Has been.
第1合金相を形成するSn基合金は、例えば、Ag、Al、Au、Bi、Co、Cr、Cu、Fe、Ge、In、Mg、Mn、Pd、Si、Sr、Te、Znのいずれか少なくとも1種を含有し、残部がSnおよび不可避不純物から構成されている。このSn基合金の融点は、117〜350℃となるようにSnに含有される物質の種類や含有量が設定されている。 The Sn-based alloy forming the first alloy phase is, for example, one of Ag, Al, Au, Bi, Co, Cr, Cu, Fe, Ge, In, Mg, Mn, Pd, Si, Sr, Te, Zn It contains at least one kind, and the balance is composed of Sn and inevitable impurities. The kind and content of the substance contained in Sn are set so that the melting point of this Sn-based alloy is 117 to 350 ° C.
ここで、Sn基合金の融点を117〜350℃としたのは、汎用合金の中ではSn−In合金が最も融点が低く、Sn−52重量%Inの共晶温度は117℃である。
また、Sn−4.5重量%Cuの固相線227℃、液相線350℃であり、350℃より高い場合には、被はんだ部品の耐熱温度を越え、部品破損のおそれがあるからである。Sn基合金の融点のさらに好ましい範囲は、180〜260℃である。
Here, the reason why the melting point of the Sn-based alloy is 117 to 350 ° C. is that the Sn—In alloy has the lowest melting point among the general-purpose alloys, and the eutectic temperature of Sn-52 wt% In is 117 ° C.
Also, Sn-4.5 wt% Cu solid phase line is 227 ° C, liquidus line is 350 ° C, and if it is higher than 350 ° C, it will exceed the heat resistance temperature of the part to be soldered and there is a risk of damage to the part. is there. A more preferable range of the melting point of the Sn-based alloy is 180 to 260 ° C.
第1合金相は、例えば、粉末で構成されてもよい。この場合、第1合金粉末の平均粒径は、1〜100μmの範囲が好ましい。第1合金粉末の平均粒径が1μm未満では、表面積が大きいため酸化し易く、微細な粉末は高価である、100μmを越えるとはんだ厚さをコントロルすることが困難となるからである。なお、第1合金粉末の粒径は、特に限定されるものではないが、取扱いの容易さや経済的な観点から、さらに好ましい平均粒径は、10〜50μmである。 The first alloy phase may be composed of powder, for example. In this case, the average particle diameter of the first alloy powder is preferably in the range of 1 to 100 μm. This is because if the average particle size of the first alloy powder is less than 1 μm, the surface area is large so that it is easily oxidized and the fine powder is expensive. If it exceeds 100 μm, it becomes difficult to control the solder thickness. The particle diameter of the first alloy powder is not particularly limited, but a more preferable average particle diameter is 10 to 50 μm from the viewpoint of ease of handling and economics.
第2合金相を形成するSb合金は、例えば、Ag、Al、Au、Bi、Co、Cr、Cu、Fe、Ge、In、Mg、Mn、Pd、Si、Sr、Te、Znのいずれか少なくとも1種を含有し、残部がSbおよび不可避不純物から構成されている。このSb合金の融点は、155〜625℃となるようにSbに含有される物質の種類や含有量が設定されている。 The Sb alloy forming the second alloy phase is, for example, at least one of Ag, Al, Au, Bi, Co, Cr, Cu, Fe, Ge, In, Mg, Mn, Pd, Si, Sr, Te, Zn 1 type is contained and the remainder is comprised from Sb and an unavoidable impurity. The kind and content of the substance contained in Sb are set so that the melting point of this Sb alloy is 155 to 625 ° C.
ここで、Sb合金の融点を155〜625℃としたのは、汎用合金の中ではSb−In合金が最も融点が低く、Sb−99.3重量%Inの共晶温度は155℃である。液相線温度625℃より高い場合には、第1合金相と表層部の溶融反応のために要する時間が長く、また、合金元素の含有量が多くなるため、材料特性が低下するおそれがあり、材料が高価になるからである。Sb合金の融点のさらに好ましい範囲は、250℃〜550℃である。 Here, the melting point of the Sb alloy is set to 155 to 625 ° C. The Sb—In alloy has the lowest melting point among the general-purpose alloys, and the eutectic temperature of Sb-99.3 wt% In is 155 ° C. When the liquidus temperature is higher than 625 ° C., the time required for the melting reaction between the first alloy phase and the surface layer portion is long, and the content of the alloy element increases, so that the material characteristics may be deteriorated. This is because the material becomes expensive. A more preferable range of the melting point of the Sb alloy is 250 ° C to 550 ° C.
また、第2合金相は、例えば、粉末で構成されてもよい。この場合、第2合金粉末の平均粒径は、0.1〜25μmの範囲が好ましい。第2合金粉末の平均粒径が0.1μm未満では、取扱いが難しくさらにコストが高くなり、25μmを越えると、第1合金相内に均一に分散させることが難しく、低い含有率で最大の効果を得るのが困難となる。 Further, the second alloy phase may be composed of powder, for example. In this case, the average particle size of the second alloy powder is preferably in the range of 0.1 to 25 μm. If the average particle size of the second alloy powder is less than 0.1 μm, handling becomes difficult and the cost becomes higher. If the average particle size exceeds 25 μm, it is difficult to disperse uniformly in the first alloy phase, and the maximum effect is achieved with a low content. It becomes difficult to obtain.
この第2合金相は、第1合金相中に1〜50体積%の含有率で含有される。ここで、第1合金相中における第2合金相の含有率を1〜50体積%としたのは、第2合金相の含有率が1体積%未満では、効果が小さく、50体積%を超えると融点が高くなり温度の制御が難しくなるからである。 The second alloy phase is contained in the first alloy phase at a content of 1 to 50% by volume. Here, the content rate of the second alloy phase in the first alloy phase is set to 1 to 50% by volume because the effect is small when the content rate of the second alloy phase is less than 1% by volume and exceeds 50% by volume. This is because the melting point becomes high and it becomes difficult to control the temperature.
本発明の無鉛はんだは、第1合金粉末、第2合金粉末およびフラックスなどを混合したペースト状の形状を採ることができる。また、無鉛はんだは、第1合金粉末と第2合金粉末とを混合し、冷間または熱間で加圧形成して複合化し、フィルム状やワイヤ状などの所定の形状に形成されたものであってもよい。また、フィルム状やワイヤ状などの所定の形状に形成された無鉛はんだにおいて、第2合金粉末が、例えば表面などに偏倚して複合化されてもよい。 The lead-free solder of the present invention can take a paste-like shape in which the first alloy powder, the second alloy powder, a flux, and the like are mixed. The lead-free solder is a mixture of the first alloy powder and the second alloy powder, formed by pressing in cold or hot to form a composite, such as a film or wire. There may be. Moreover, in the lead-free solder formed in a predetermined shape such as a film shape or a wire shape, the second alloy powder may be compounded while being biased to the surface, for example.
次に、ペースト状、フィルム状およびワイヤ状を有する無鉛はんだについて、図1〜3を参照して説明する。 Next, a lead-free solder having a paste shape, a film shape, and a wire shape will be described with reference to FIGS.
図1には、ペースト状に形成された無鉛はんだの断面図が示されている。図2には、フィルム状に形成された無鉛はんだの斜視図が示され、また、図3には、ワイヤ状に形成された無鉛はんだの斜視図が示されている。 FIG. 1 shows a cross-sectional view of a lead-free solder formed in a paste form. 2 shows a perspective view of the lead-free solder formed in a film shape, and FIG. 3 shows a perspective view of the lead-free solder formed in a wire shape.
まず、図1に示されたペースト状に形成されたペースト状無鉛はんだ20について説明する。
ペースト状無鉛はんだ20は、Ag、Al、Au、Bi、Co、Cr、Cu、Fe、Ge、In、Mg、Mn、Pd、Si、Sr、Te、Znのいずれか少なくとも1種を含有し、残部がSnおよび不可避不純物からなり、融点が117〜350℃の範囲であるSn基合金の粉末で形成される第1合金粉末21と、Ag、Al、Au、Bi、Co、Cr、Cu、Fe、Ge、In、Mg、Mn、Pd、Si、Sr、Te、Znのいずれか少なくとも1種を含有し、残部がSbおよび不可避不純物からなり、融点が155〜625℃の範囲であるSb合金の粉末で形成される第2合金粉末22と、固形分を含有するフラックス23とから構成されている。
First, the paste-like lead-
The paste-like lead-
第1合金粉末21と第2合金粉末22との混合物に混入されるフラックス23は、はんだと、はんだで接合される部材との間の酸化皮膜を除去し、加熱中に再び酸化するのを防止するものである。このフラックス23として、一般的に用いられているアミンハロゲン塩または有機酸などの活性化剤が用いられる。また、フラックス23に含有されるバインダは、高分子材料とアルコールなどから構成される。
The
このペースト状無鉛はんだ20におけるフラックス23の含有率は、10〜15重量%の範囲で適宜に設定することができる。フラックス23の含有率が10重量%未満では、無鉛はんだと、無鉛はんだで接合される部材との間の酸化皮膜を除去し、加熱中に再び酸化するのを防止する効果が小さく、15重量%を超える範囲では、その効果の向上を望めない。
The content rate of the
また、フラックス23中における固形分の含有率は、30〜60重量%の範囲で適宜に設定することができる。固形分の含有率が30重量%より小さい場合には、要素部品の表面に塗布または印刷されたはんだの付着状態が不十分となり、60重量%より大きい場合には、残渣が多くなり、はんだ接合部にボイド欠陥が生じ易いからである。
Moreover, the solid content in the
このペースト状無鉛はんだ20は、次のように製造される。
まず、第2合金粉末22を、第1合金粉末21に対して1〜50体積%の混合割合で第1合金粉末21に均一に混合し、混合物を構成する。この混合比は、設定条件などによって、この範囲内で適宜に設定される。続いて、この混合物にバインダを含有したフラックス23を所定量混入し、均一に攪拌して、ペースト状無鉛はんだ20が得られる。
This paste-like lead-
First, the
このように、無鉛はんだをペースト状にしたことで、固体の無鉛はんだを配置し難い接合部の接合や複雑な形状の部材同士の接合などを、このペースト状無鉛はんだ20を用いて容易に行うことができる。また、複雑な形状の接合部に、ペースト状無鉛はんだ20を的確に注入することができるので、はんだ付けの信頼性を向上させることができる。
Thus, by making the lead-free solder into a paste, it is possible to easily perform joining of joints where it is difficult to place solid lead-free solder, joining of members having complicated shapes, and the like using the paste-like lead-
次に、図2に示されたフィルム状に形成されたフィルム状無鉛はんだ30について説明する。
フィルム状無鉛はんだ30は、Ag、Al、Au、Bi、Co、Cr、Cu、Fe、Ge、In、Mg、Mn、Pd、Si、Sr、Te、Znのいずれか少なくとも1種を含有し、残部がSnおよび不可避不純物からなり、融点が117〜350℃の範囲であるSn基合金で形成される第1合金相31と、この第1合金相31に均一に分散して含有され、Ag、Al、Au、Bi、Co、Cr、Cu、Fe、Ge、In、Mg、Mn、Pd、Si、Sr、Te、Znのいずれか少なくとも1種を含有し、残部がSbおよび不可避不純物からなり、融点が155〜625℃の範囲であるSb合金の粉末で形成される第2合金粉末32とから構成されている。
Next, the film-like lead-
The film-like lead-
このフィルム状無鉛はんだ30の厚さは、20〜200μmの範囲が好ましい。厚さが、20μmより小さい場合には十分な接合強度を得ることが難しく、200μmより大きい場合には200μm熱伝導性や電気伝導度が低下するからである。
The film-like lead-
このフィルム状無鉛はんだ30は、次のように製造される。
まず、第2合金粉末32を、第1合金相31を形成する第1合金粉末に対して1〜50体積%の混合割合で第1合金粉末に均一に混合し、混合物を構成する。この混合比は、設定条件などによって、この範囲内で適宜に設定される。続いて、この混合物を金型に充填し、加圧および加熱して第1合金粉末と第2合金粉末32とを一体に融着させて複合材料を得る。続いて、この複合材料を、例えば、圧延加工して、フィルム状無鉛はんだ30が得られる。
This film-like lead-
First, the
ここで、フィルム状無鉛はんだ30の他の一例として、第2合金粉末が表面に偏倚して複合化されたフィルム状無鉛の製造方法について説明する。
Here, as another example of the film-like lead-
第1合金相31を形成する第1合金粉末を金型に充填し、加圧および加熱して第1合金粉末を融着させて複合材料を得る。続いて、複合化した第1合金の表面に、第2合金粉末32を積層し、圧延加工して、表面に第2合金粉末が偏倚して複合化されたフィルム状無鉛はんだを得ることができる。
The first alloy powder forming the
次に、図3に示されたワイヤ状に形成されたワイヤ状無鉛はんだ40について説明する。
ワイヤ状無鉛はんだ40は、Ag、Al、Au、Bi、Co、Cr、Cu、Fe、Ge、In、Mg、Mn、Pd、Si、Sr、Te、Znのいずれか少なくとも1種を含有し、残部がSnおよび不可避不純物からなり、融点が117〜350℃の範囲であるSn基合金で形成される第1合金相41と、この第1合金相41に均一に分散して含有され、Ag、Al、Au、Bi、Co、Cr、Cu、Fe、Ge、In、Mg、Mn、Pd、Si、Sr、Te、Znのいずれか少なくとも1種を含有し、残部がSbおよび不可避不純物からなり、融点が155〜625℃の範囲であるSb合金の粉末で形成される第2合金粉末42とから構成されている。
Next, the wire-shaped lead-
The wire-shaped lead-
このワイヤ状無鉛はんだ40は、次のように製造される。
まず、第2合金粉末42を、第1合金相41を形成する第1合金粉末に対して1〜50体積%の混合割合で第1合金粉末に均一に混合し、混合物を構成する。この混合比は、設定条件などによって、この範囲内で適宜に設定される。続いて、この混合物を金型に充填し、加圧および加熱して第1合金粉末と第2合金粉末42とを一体に融着させて複合材料を得る。続いて、この複合材料を、例えば、引抜き加工して、ワイヤ状無鉛はんだ40が得られる。
The wire-shaped lead-
First, the
ここで、ワイヤ状無鉛はんだ40の製造方法は、上記した方法に限られるものではなく、例えば、第1合金粉末と第2合金粉末42との混合物を所定の形状の金型に詰めて、加圧および加熱して形成することもできる。
Here, the manufacturing method of the wire-shaped lead-
また、ワイヤ状無鉛はんだ40は、第1合金粉末を溶融し、その中に第2合金粉末42を混合することなどで均一に分散させ、これを所定の形状の金型に流し込み、その後冷却して形成することもできる。なお、溶融した第1合金粉末に、第2合金粉末42を混合してワイヤ状無鉛はんだ40を製造する場合には、溶融した第1合金粉末の温度は、第2合金粉末42の融点よりも低い温度に設定され、第2合金粉末42は溶融せずに、固体の状態を維持したまま分散される。
Further, the lead-
また、ワイヤ状無鉛はんだ40の他の一例として、例えば、次の方法によって、第2合金粉末が表面に偏倚して複合化されたワイヤ状無鉛はんだを製造することができる。
As another example of the wire-shaped lead-
第1合金相41を形成する第1合金粉末を金型に充填し、加圧および加熱して第1合金粉末を融着させて複合材料を得る。続いて、複合化した第1合金の表面に、第2合金粉末42を積層し、加圧成形して、表面に第2合金粉末が偏倚して複合化されたワイヤ状無鉛はんだを得ることができる。
The mold is filled with the first alloy powder forming the
上記したように、無鉛はんだは、ペースト状に限らず、フィルム状、ワイヤ状などの形状を採ることができ、無鉛はんだを使用する用途に応じて最適な形態の無鉛はんだを用いることができる。なお、無鉛はんだの形状は、上記した形状に限られるものではなく、適宜に用途に応じて形状を変えて形成することができる。 As described above, the lead-free solder is not limited to the paste form, but can take a film form, a wire form, or the like, and an optimum form of the lead-free solder can be used depending on the use for which the lead-free solder is used. In addition, the shape of the lead-free solder is not limited to the above-described shape, and can be formed by appropriately changing the shape according to the application.
ここで、第1合金粉末21、第2合金粉末22、32、42のような無鉛合金を球状または不定形状の粉末に形成する方法の一例を説明する。
Here, an example of a method for forming a lead-free alloy such as the
まず、無鉛合金を加熱し溶融し、この溶融した混合物を、例えば、N2ガス、Heガス、Arガス、N2/Ar混合ガスなどの不活性ガスを用いたアトマイズ法などによって微粒化し、固化する。このアトマイズ法は、溶融した混合物を不活性ガスとともにノズルから亜音速または超音速で噴射して、不活性ガスのジェット流によって溶融した混合物を微粒化するものである。そして、微粒化された無鉛合金の粉末から、例えば、篩などを用いて所定の範囲の平均粒径を有する粉末が選別される。 First, a lead-free alloy is heated and melted, and the melted mixture is atomized by, for example, an atomizing method using an inert gas such as N 2 gas, He gas, Ar gas, N 2 / Ar mixed gas, and solidified. To do. In this atomizing method, a molten mixture is jetted together with an inert gas from a nozzle at a subsonic speed or supersonic speed, and the molten mixture is atomized by a jet stream of the inert gas. Then, from the atomized lead-free alloy powder, a powder having an average particle diameter in a predetermined range is selected using, for example, a sieve.
微粒化され固化された無鉛合金の粉末は、ノズルから噴射される不活性ガスのジェット流の速度が大きい方がより平均粒径の小さなものとなる。特に、ジェット流が、例えば、音速の2〜3倍程度の超音速状態に達すると、衝撃波による微粒化の効果が加わり、粉末の平均粒径をより小さくすることができる。また、不活性ガスをジェット流として用いるため、粉末の表面における酸化を抑制することができる。不活性ガスの代わりに空気や水を用いることもできるが、空気や水を用いた場合には、粉末の表面の酸化を抑制する効果が小さく、また、特に水を用いた場合には粉末の形状が球状になり難いので、ジェット流には不活性ガスを用いるのが好ましい。 The lead-free alloy powder that has been atomized and solidified has a smaller average particle diameter when the velocity of the jet flow of the inert gas injected from the nozzle is larger. In particular, when the jet flow reaches, for example, a supersonic state of about 2 to 3 times the speed of sound, the effect of atomization by a shock wave is added, and the average particle diameter of the powder can be further reduced. Further, since the inert gas is used as the jet flow, oxidation on the surface of the powder can be suppressed. Air or water can be used in place of the inert gas. However, when air or water is used, the effect of suppressing the oxidation of the powder surface is small. It is preferable to use an inert gas for the jet stream because the shape is unlikely to be spherical.
次に、上述した無鉛はんだを使用して接合された接合部について、図4および5を参照して説明する。なお、ここでは、無鉛はんだに上述したペースト状無鉛はんだ20を利用した場合について説明する。
Next, the joint part joined using the lead-free solder mentioned above is demonstrated with reference to FIG. 4 and 5. FIG. Here, the case where the paste-like lead-
図4には、ペースト状無鉛はんだ20を第1要素部材50と第2要素部材51との間に設置した状態の断面図が示されている。また、図5には、図4に示した積層接合部材52をはんだ付けした後のはんだ接合部60の断面が示されている。
FIG. 4 shows a cross-sectional view of a state in which the paste-like lead-
図4に示すように、ペースト状無鉛はんだ20を第1要素部材50と第2要素部材51との間に配置する。そして、この積層接合部材52を、例えば、大気中または不活性ガス雰囲気中において、ペースト状無鉛はんだ20を構成する第1合金粉末21の融点以上の温度に加熱する。そして、第1合金粉末21を融解した後、冷却工程を経て、図5に示すような断面形状のはんだ接合部60を得る。
As shown in FIG. 4, the paste-like lead-
ここで、第1合金粉末21を融解した状態において、第2合金粉末22は、第1合金粉末21よりも融点が高いため、溶融状態とはならず、固相を維持している。したかって、冷却工程を経て凝固した後には、図5に示すように、第1合金粉末21が溶融して凝固した第1合金相61中に、第2合金粉末22がほぼ均一に分散された状態になっている。また、第2合金粉末22の表面には、第2合金粉末22を構成するSb合金と第1合金相61を構成するSn基合金とが合金化反応して形成された金属間化合物相63が形成される。
Here, in the state in which the
また、ペースト状無鉛はんだ20を使用してはんだ付けされた第1要素部材50と第2要素部材51を、例えば、ワイヤボンドするために2次リフローし、第1合金相61が溶融状態になっても、固相を維持する第2合金粉末22との表面張力により液相の第1合金相61が外部に流出するのを防止することができる。
The
この場合に、第1合金相61の外部への流出を第2合金粉末22との表面張力によって防止するためには、第2合金粉末22が第1合金相61に均一に分散されていることが好ましい。さらに、粒径の小さい第2合金粉末22を用いて、第2合金粉末22の数密度を高めた状態で含有することが好ましい。
In this case, in order to prevent the
なお、ここでは、無鉛はんだとしてペースト状無鉛はんだ20を使用した一例を示したが、フィルム状無鉛はんだ30、ワイヤ状無鉛はんだ40を使用した場合も同様のはんだ接合部を形成する。
Here, an example in which the paste-like lead-
また、第1要素部材50は、例えば、パワーモジュールのCu放熱板などで構成することができ、第2要素部材51は、例えば、セラミックス基板などの電子部材などで構成することができる。
Moreover, the
上記したように、Sn基合金からなる第1合金相中に、この第1合金相の融点よりも高い融点を有するSb合金からなる第2合金相を含有してなる本発明の無鉛はんだを用いることで、第1合金相が溶融状態となる温度において、第2合金粉末の固相の状態を維持してはんだ付けを行うことができる。これによって、はんだ接合部は、第1合金相のぬれ性などの特性を維持したまま、第1合金相に第2合金粉末を均一に分散して含有することができる。 As described above, the lead-free solder of the present invention containing the second alloy phase made of Sb alloy having a melting point higher than the melting point of the first alloy phase in the first alloy phase made of Sn-based alloy is used. Thus, soldering can be performed while maintaining the solid state of the second alloy powder at a temperature at which the first alloy phase is in a molten state. Thereby, the solder joint portion can contain the second alloy powder uniformly dispersed in the first alloy phase while maintaining the characteristics such as the wettability of the first alloy phase.
さらに、第1合金相の融点よりも高い融点を有する第2合金粉末を含有することで、例えば、2次リフローを行う際、第1合金相が溶融状態となっても、第2合金粉末は、固相を維持し、第2合金粉末における表面張力により、溶融した第1合金相が外部に流出するのを防止することができる。 Further, by containing the second alloy powder having a melting point higher than the melting point of the first alloy phase, for example, when performing the secondary reflow, even if the first alloy phase is in a molten state, the second alloy powder is The solid phase can be maintained and the melted first alloy phase can be prevented from flowing out due to the surface tension of the second alloy powder.
これによって、無鉛はんだを用いても、高温階層接続が可能となり、高温時に接合強度を維持してはんだ付けすることができ、無鉛はんだによるはんだ付けの信頼性を向上させることができる。 As a result, even when lead-free solder is used, high-temperature hierarchical connection is possible, soldering can be performed while maintaining bonding strength at high temperatures, and the reliability of soldering using lead-free solder can be improved.
次に、本発明の具体的な実施例について説明する。 Next, specific examples of the present invention will be described.
(実施例1)
平均粒径25〜45μmのSn−0.7重量%Cuの粉末からなる第1合金粉末と、平均粒径0.1〜10μmのSb−2.5重量%Coの粉末からなる第2合金粉末とを、第1合金粉末と第2合金粉末との体積比が10対1の割合で均一に混合し、混合物を作製した。続いて、この混合物にバインダを含有したフラックスを混合し、ペースト状無鉛はんだを作製した。なお、ペースト状無鉛はんだにおけるフラックスの含有率は、12重量%とした。
(Example 1)
First alloy powder made of Sn-0.7 wt% Cu powder having an average particle size of 25-45 μm, and second alloy powder made of Sb-2.5 wt% Co powder having an average particle size of 0.1-10 μm Were mixed uniformly at a volume ratio of 10: 1 to the first alloy powder and the second alloy powder to prepare a mixture. Subsequently, a flux containing a binder was mixed with this mixture to prepare a paste-like lead-free solder. In addition, the content rate of the flux in a paste-form lead-free solder was 12 weight%.
次に、作製したペースト状無鉛はんだを坩堝に注入し、窒素ガス雰囲気中で昇温速度80℃/分で溶融試験を行ない、ペースト状無鉛はんだ中に挿入した熱電対により第1合金粉末および第2合金粉末の温度を測定した。また、所定の温度段階におけるペースト状無鉛はんだを冷却後、その断面の観察を行い、第1合金粉末および第2合金粉末の状態の確認を行った。 Next, the prepared paste-like lead-free solder is poured into a crucible, a melting test is performed at a temperature rising rate of 80 ° C./min in a nitrogen gas atmosphere, and the first alloy powder and The temperature of the two alloy powders was measured. Moreover, after cooling the paste-form lead-free solder in a predetermined temperature stage, the cross section was observed, and the state of the first alloy powder and the second alloy powder was confirmed.
加熱温度が上昇し227℃に達すると、第1合金粉末は、溶融し、融点が623℃の第2合金粉末は、固相を維持していた。さらに、加熱温度を上昇させ300℃に達すると、第1合金粉末の液相が第2合金粉末の表面部と合金化反応し融合したものの、第2合金粉末の中心部は、固相を維持していた。 When the heating temperature rose and reached 227 ° C., the first alloy powder was melted, and the second alloy powder having a melting point of 623 ° C. maintained a solid phase. Furthermore, when the heating temperature is increased to reach 300 ° C., the liquid phase of the first alloy powder is alloyed with the surface portion of the second alloy powder and fused, but the central portion of the second alloy powder maintains a solid phase. Was.
このように、300℃の高温において、第1合金粉末は、溶融して液相となり、第2合金粉末は、固相を維持する、液相と固相とが共存した状態が維持されることがわかった。 Thus, at a high temperature of 300 ° C., the first alloy powder is melted into a liquid phase, and the second alloy powder is maintained in a solid phase, in which the liquid phase and the solid phase coexist. I understood.
さらに、本実施例のSn−0.7重量%Cuの粉末からなる第1合金粉末と、Sb−2.5重量%Coの粉末からなる第2合金粉末と、フラックスとを均一に混合したペースト状無鉛はんだを使用して、チップと基板を1次リフロー接続した後、Sn−0.7重量%Cuはんだを用いてチップをダイボンドした。 Furthermore, the paste which uniformly mixed the 1st alloy powder which consists of the powder of Sn-0.7 weight% Cu of this example, the 2nd alloy powder which consists of the powder of Sb-2.5 weight% Co, and the flux After the chip and the substrate were subjected to primary reflow connection using a lead-free solder, the chip was die-bonded using Sn-0.7 wt% Cu solder.
ダイボンド温度が300℃に達したものの、1次リフローに用いたペースト状無鉛はんだが、上記したように液相と固相とが共存した状態を維持し、溶融した第1合金粉末が流出することなく、チップと基板の接続を維持することができた。 Although the die bond temperature has reached 300 ° C., the paste-like lead-free solder used for the primary reflow maintains the state where the liquid phase and the solid phase coexist as described above, and the molten first alloy powder flows out. The connection between the chip and the substrate could be maintained.
(実施例2)
平均粒径25μm以下のSn−0.7重量%Cuの粉末からなる第1合金粉末と、平均粒径3μm以下のSb−2.5重量%Coの粉末からなる第2合金粉末とを、第1合金粉末と第2合金粉末との体積比が5対1の割合で均一に混合し、混合物を作製した。続いて、この混合物にフラックスを混合し、ペースト状無鉛はんだを作製した。なお、ペースト状無鉛はんだにおけるフラックスの含有率は、12重量%とした。
(Example 2)
A first alloy powder made of Sn-0.7 wt% Cu powder having an average particle size of 25 μm or less, and a second alloy powder made of Sb-2.5 wt% Co powder having an average particle size of 3 μm or less, The volume ratio of 1 alloy powder and 2nd alloy powder was uniformly mixed in the ratio of 5 to 1, and the mixture was produced. Subsequently, flux was mixed with this mixture to produce a paste-like lead-free solder. In addition, the content rate of the flux in a paste-form lead-free solder was 12 weight%.
次に、作製したペースト状無鉛はんだを坩堝に注入し、窒素ガス雰囲気中で昇温速度80℃/分で溶融試験を行ない、ペースト状無鉛はんだ中に挿入した熱電対により第1合金粉末および第2合金粉末の温度を測定した。また、所定の温度段階におけるペースト状無鉛はんだを冷却後、その断面の観察を行い、第1合金粉末および第2合金粉末の状態の確認を行った。 Next, the prepared paste-like lead-free solder is poured into a crucible, a melting test is performed at a temperature rising rate of 80 ° C./min in a nitrogen gas atmosphere, and the first alloy powder and The temperature of the two alloy powders was measured. Moreover, after cooling the paste-form lead-free solder in a predetermined temperature stage, the cross section was observed, and the state of the first alloy powder and the second alloy powder was confirmed.
加熱温度が上昇し227℃に達すると、第1合金粉末は、溶融し、融点が623℃の第2合金粉末は、固相を維持していた。さらに、加熱温度を上昇させ350℃に達すると、第1合金粉末の液相が第2合金粉末の表面部と合金化反応し融合したものの、第2合金粉末の中心部は、固相を維持していた。 When the heating temperature rose and reached 227 ° C., the first alloy powder was melted, and the second alloy powder having a melting point of 623 ° C. maintained a solid phase. Further, when the heating temperature is increased and reaches 350 ° C., the liquid phase of the first alloy powder is alloyed with the surface portion of the second alloy powder, and the central portion of the second alloy powder maintains a solid phase. Was.
このように、350℃の高温において、第1合金粉末は、溶融して液相となり、第2合金粉末は、固相を維持する、液相と固相とが共存した状態が維持されることがわかった。 Thus, at a high temperature of 350 ° C., the first alloy powder is melted into a liquid phase, and the second alloy powder is maintained in a solid phase, in which the liquid phase and the solid phase coexist. I understood.
さらに、本実施例のSn−0.7重量%Cuの粉末からなる第1合金粉末と、Sb−2.5重量%Coの粉末からなる第2合金粉末と、フラックスとを均一に混合したペースト状無鉛はんだを使用して、チップと基板を1次リフロー接続した後、Sn−0.7重量%Cuはんだを用いてチップをダイボンドした。 Furthermore, the paste which uniformly mixed the 1st alloy powder which consists of the powder of Sn-0.7 weight% Cu of this example, the 2nd alloy powder which consists of the powder of Sb-2.5 weight% Co, and the flux After the chip and the substrate were subjected to primary reflow connection using a lead-free solder, the chip was die-bonded using Sn-0.7 wt% Cu solder.
ダイボンド温度が350℃に達したものの、1次リフローに用いたペースト状無鉛はんだが、上記したように液相と固相とが共存した状態を維持し、溶融した第1合金粉末が流出することなく、チップと基板の接続を維持することができた。 Although the die bond temperature has reached 350 ° C., the paste-like lead-free solder used for the primary reflow maintains the state where the liquid phase and the solid phase coexist as described above, and the molten first alloy powder flows out. The connection between the chip and the substrate could be maintained.
(実施例3)
平均粒径5μm以下のSn−0.7重量%Cuの粉末からなる第1合金粉末と、平均粒径1μm以下のSb−2.5重量%Coの粉末からなる第2合金粉末とを、第1合金粉末と第2合金粉末との体積比が10対1の割合で均一に混合し、混合物を作製した。続いて、この混合物にバインダを含有したフラックスを混合し、ペースト状無鉛はんだを作製した。なお、ペースト状無鉛はんだにおけるフラックスの含有率は、12重量%とした。
(Example 3)
A first alloy powder made of Sn-0.7 wt% Cu powder having an average particle diameter of 5 μm or less and a second alloy powder made of Sb-2.5 wt% Co powder having an average particle diameter of 1 μm or less, The volume ratio of 1 alloy powder and 2nd alloy powder was uniformly mixed in the ratio of 10: 1, and the mixture was produced. Subsequently, a flux containing a binder was mixed with this mixture to prepare a paste-like lead-free solder. In addition, the content rate of the flux in a paste-form lead-free solder was 12 weight%.
次に、作製したペースト状無鉛はんだを坩堝に注入し、窒素ガス雰囲気中で昇温速度80℃/分で溶融試験を行ない、ペースト状無鉛はんだ中に挿入した熱電対により第1合金粉末および第2合金粉末の温度を測定した。また、所定の温度段階におけるペースト状無鉛はんだを冷却後、その断面の観察を行い、第1合金粉末および第2合金粉末の状態の確認を行った。 Next, the prepared paste-like lead-free solder is poured into a crucible, a melting test is performed at a temperature rising rate of 80 ° C./min in a nitrogen gas atmosphere, and the first alloy powder and The temperature of the two alloy powders was measured. Moreover, after cooling the paste-form lead-free solder in a predetermined temperature stage, the cross section was observed, and the state of the first alloy powder and the second alloy powder was confirmed.
加熱温度が上昇し227℃に達すると、第1合金粉末は、溶融し、融点が623℃の第2合金粉末は、固相を維持していた。さらに、加熱温度を上昇させ275℃に達すると、第1合金粉末の液相が第2合金粉末の表面部と合金化反応し融合したものの、第2合金粉末の中心部は、固相を維持していた。 When the heating temperature rose and reached 227 ° C., the first alloy powder was melted, and the second alloy powder having a melting point of 623 ° C. maintained a solid phase. Further, when the heating temperature is increased and reaches 275 ° C., the liquid phase of the first alloy powder is alloyed with the surface portion of the second alloy powder and fused, but the central portion of the second alloy powder maintains a solid phase. Was.
このように、275℃の高温において、第1合金粉末は、溶融して液相となり、第2合金粉末は、固相を維持する、液相と固相とが共存した状態が維持されることがわかった。 Thus, at a high temperature of 275 ° C., the first alloy powder melts into a liquid phase, and the second alloy powder maintains a solid phase, and a state in which the liquid phase and the solid phase coexist is maintained. I understood.
さらに、本実施例のSn−0.7重量%Cuの粉末からなる第1合金粉末と、Sb−2.5重量%Coの粉末からなる第2合金粉末と、フラックスとを均一に混合したペースト状無鉛はんだを使用して、チップと基板を1次リフロー接続した後、Sn−0.7重量%Cuはんだを用いてチップをダイボンドした。 Furthermore, the paste which uniformly mixed the 1st alloy powder which consists of the powder of Sn-0.7 weight% Cu of this example, the 2nd alloy powder which consists of the powder of Sb-2.5 weight% Co, and the flux After the chip and the substrate were subjected to primary reflow connection using a lead-free solder, the chip was die-bonded using Sn-0.7 wt% Cu solder.
ダイボンド温度が300℃に達したものの、1次リフローに用いたペースト状無鉛はんだが、上記したように液相と固相とが共存した状態を維持し、溶融した第1合金粉末が流出することなく、チップと基板の接続を維持することができた。 Although the die bond temperature has reached 300 ° C., the paste-like lead-free solder used for the primary reflow maintains the state where the liquid phase and the solid phase coexist as described above, and the molten first alloy powder flows out. The connection between the chip and the substrate could be maintained.
(比較例1)
平均粒径25〜45μmのSn−5重量%Sb(融点:232℃)の合金粉末にフラックスを混合し、ペースト状無鉛はんだを作製した。なお、ペースト状無鉛はんだにおけるフラックスの含有率は、12重量%とした。次に、このペースト状無鉛はんだを使用し、チップと基板を1次リフロー接続した後、Sn−0.7重量%Cuはんだを用いてチップをダイボンドした。
(Comparative Example 1)
A flux was mixed with an alloy powder of Sn-5 wt% Sb (melting point: 232 ° C.) having an average particle diameter of 25 to 45 μm to prepare a paste-like lead-free solder. In addition, the content rate of the flux in a paste-form lead-free solder was 12 weight%. Next, this paste-like lead-free solder was used to perform primary reflow connection between the chip and the substrate, and then the chip was die-bonded using Sn-0.7 wt% Cu solder.
ダイボンド温度が300℃まで上昇するに伴ない、溶融したSn−5重量%Sbはんだが外部に流出し、チップと基板の接続状態を維持することができなかった。 As the die bond temperature rose to 300 ° C., the melted Sn-5 wt% Sb solder flowed out, and the connection state between the chip and the substrate could not be maintained.
この結果と実施例1〜3における結果を比較すると、母相を形成する第1合金粉末に、この第1合金粉末よりも融点の高い第2合金粉末を含有することで、第1合金粉末の融点に達しても、溶融した第1合金粉末が外部に流出するのを防止することができることが明らかになった。これによって、本発明の無鉛はんだを使用したはんだ付けにおいて、高温階層接続が可能となり、高温時に接合強度を維持してはんだ付けすることができることがわかった。 Comparing this result with the results in Examples 1 to 3, the first alloy powder forming the parent phase contains the second alloy powder having a melting point higher than that of the first alloy powder. It has become clear that even when the melting point is reached, the molten first alloy powder can be prevented from flowing out. As a result, it has been found that, in soldering using the lead-free solder of the present invention, high-temperature hierarchical connection is possible, and soldering can be performed while maintaining joint strength at high temperatures.
20…ペースト状無鉛はんだ、21…第1合金粉末、22…第2合金粉末、23…フラックス。 20 ... Paste-free lead-free solder, 21 ... 1st alloy powder, 22 ... 2nd alloy powder, 23 ... Flux.
Claims (10)
前記混合物に、フラックスを所定の比率で混合し攪拌して、ぺースト状の混合物を作製するぺースト状混合物作製工程と
を具備することを特徴とする無鉛はんだの製造方法。 Contains at least one of Ag, Al, Au, Bi, Co, Cr, Cu, Fe, Ge, In, Mg, Mn, Pd, Si, Sr, Te, Zn, and the remainder from Sn and inevitable impurities A powder of the first alloy, and at least one of Ag, Al, Au, Bi, Co, Cr, Cu, Fe, Ge, In, Mg, Mn, Pd, Si, Sr, Te, Zn. A mixture preparation step of uniformly mixing the second alloy powder consisting of Sb and inevitable impurities at a predetermined ratio, and producing a mixture;
A paste-like mixture producing step of producing a paste-like mixture by mixing a flux with the mixture at a predetermined ratio and stirring the mixture.
前記混合物を冷間または熱間で加圧成形して複合化する複合化工程と、
前記複合化された混合物をフィルム状またはワイヤ状に成形する形成工程と
を具備することを特徴とする無鉛はんだの製造方法。 Contains at least one of Ag, Al, Au, Bi, Co, Cr, Cu, Fe, Ge, In, Mg, Mn, Pd, Si, Sr, Te, Zn, and the remainder from Sn and inevitable impurities A powder of the first alloy, and at least one of Ag, Al, Au, Bi, Co, Cr, Cu, Fe, Ge, In, Mg, Mn, Pd, Si, Sr, Te, Zn. A mixture preparation step of uniformly mixing the second alloy powder consisting of Sb and inevitable impurities at a predetermined ratio, and producing a mixture;
A compounding step of compressing and molding the mixture cold or hot;
And a forming step of forming the composite mixture into a film form or a wire form.
Ag、Al、Au、Bi、Co、Cr、Cu、Fe、Ge、In、Mg、Mn、Pd、Si、Sr、Te、Znのいずれか少なくとも1種を含有し、残部がSbおよび不可避不純物からなる第2合金の粉末を、前記フィルム状またはワイヤ状に成形された第1合金の表面に積層する積層工程と、
前記第2合金の粉末が積層された第1合金を、冷間または熱間で加圧成形または圧延して複合化する複合化工程と
を具備することを特徴とする無鉛はんだの製造方法。 Contains at least one of Ag, Al, Au, Bi, Co, Cr, Cu, Fe, Ge, In, Mg, Mn, Pd, Si, Sr, Te, Zn, and the remainder from Sn and inevitable impurities Forming a first alloy formed into a film or wire;
Contains at least one of Ag, Al, Au, Bi, Co, Cr, Cu, Fe, Ge, In, Mg, Mn, Pd, Si, Sr, Te, Zn, and the remainder from Sb and inevitable impurities A laminating step of laminating the second alloy powder formed on the surface of the first alloy formed into the film shape or the wire shape;
And a compounding step of compounding the first alloy on which the powder of the second alloy is laminated by cold forming or rolling in a cold or hot manner.
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