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特集 ・低温鉛フリーはんだの科学 と実用化
Sn-Bi系 はんだの実用化状況 と今後の課題
芹 沢 弘二*,下 川 英恵*,寺 崎 健**
Practical Use Situation of Sn-Bi Solder System and Problem in the Future
Koji SERIZAWA*, Hanae SHIMOKAWA* and Takeshi TERASAKI**
*株 式会社 日立製作所生産技術研究所(〒244-0817神 奈川県横浜市戸塚 区吉 田町292)
**株 式会社 日立製作所機械研究所(〒300-0013茨 城 県土浦市神立町502)
*Production Engineering Research Laboratory, Hitachi Ltd. (292 Yoshida-cho, Totsuka-ku, Yokohama-shi, Kanagawa 244-0817)
**Mechanical Engineering Research Laboratory, Hitachi Ltd. (502 Kandatsu-cho, Tsuchiura-shi, Ibaraki 300-0013)
1.は じめに
Sn-Bi系 の低温はんだ材料は,鉛 フリーはんだとして新
たに開発 された材料ではな く,従 来か ら一部の製品で使用
されてきた実績がある。主要な用途は,大 型計算機のよう
な,モ ジュールをマザーボー ドに組み込む実装形態での温
度階層用途であった。 したが って,い くつかの研究が鉛プ
リーはんだの開発に先立つ1980年 代に行われ,報 告されて
いる1)。
この材料が新たに注 目されてきたのは,従 来のSn-Pb共
晶はんだの完全な代替 として使用可能なはんだ材料が開発
できなか ったためである。すなわち,Sn-Pbは んだの用途
の一部を補完する材料 としての価値が注 目されたためであ
る。 しか し,現 状での使用状況 は決 して多 くはな く,基 本
的には従来 と同様に温度階層用 はんだとして極一部の製品
に用いられているのがほとんどであると思われ る。以下,
Sn-Bi系 はんだ材料について概要を述べ る。
2.Sn-Ag-Biは んだの基本 的な性質
表1に は,Sn-Ag-Bi系 はんだとSn-Pbは んだの基本的な
性質を示 した。
Sn-Ag-Biは んだはSn-Pbと 比較すると,電 気抵抗が大
表1.Sn-IAg-57Biの 基礎的性質
き く,熱 伝導率が小 さいなどの点で,は んだ材料 として劣
るように見える。
しか し,実 用上は特殊な用途以外では特に問題 になるレ
ベルではな く,む しろ熱膨張率が低い点では信頼性への効
果などの点で興味がある材料であると考えられる。基本特
性の点からみた場合 には,は んだ材料 としての本質的な問
題 はほとんど見当た らず,む しろ実用性の観点で評価する
ことが重要であると考えられる。
3.は ん だ付 けプ ロセス
Sn-Bi系 はんだとして用い られる主 な組成は表1に 示 し
たように,42mass%Sn,57mass%Biに 約1mass%Agを 加
えたほぼ3元 共 晶の組成である。以下Sn-Ag-Biと 表記す
る。Agを1%加 えた理由は,Sn-Biの 場合には組織の安定
性が悪 く,使 用状態で組織の粗大化が容易に起こり,特 性
が劣化す ることが懸念されたためである。AgはAg3Snと し
て相境界や粒境界に微細に析出して,組 織の粗大化を抑制
し,特 性を安定化することが期待 されている。
この材料はフローおよび リフローのどちらの方式にも適
用可能な材料で,融 点は137℃ といわれており2),Sn-Pb共
晶よりも40℃ 以上低い。 したがって,ぬ れ性や継 ぎ手特性
を満足できる低温でのはんだ付けが可能であれば,大 きな
問題点である低耐熱部品対応には有力な鉛 フリーはんだ材
料にな りうる可能性を有 している。
3.1は んだぬれ性
低融点はんだで懸念 されることは,作 業温度ではんだぬ
れ性 が確保 でき るか どうかで ある。 はんだぬれ性 は,
Sn-Ag-Cuな どの他のPbフ リーはんだと同等であり,実 用
化可能 レベルではあるがSn-Pbよ りは劣 ると言われている。
Bi含 有 によ りSnよ りも表面張力は低下するが,反 応性が
低下するために固/液 界面エネルギが増加 し,結 果として
ぬれ性への効果は相殺 されると言われている3,4)。しか し,
実際には適当なはんだ付け条件を確保すれば,実 用化可能
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な レベ ル で あ る。
3.2は ん だ 付 け条 件
は ん だ 付 け に よ り,十 分 な 接 続 性 を 確 保 す るた め に は,
ぬ れ と 同時 に 母 材 と の反 応 が 重 要 な 要 素 で あ る。 反 応 の 基
本 はBiよ り も含 有 量 が 少 な いSnが 担 って い る。Biは 反 応
性 が低 く,被 接 続 材 とほ とん ど反 応 す る こ とは な く,Sn-Pb
共 晶 のPbと 同様 に融 点 を 下 げ る働 き を して い る。 実 際 の
は ん だ 付 け で は,酸 化 膜 な どが 比 較 的 還 元 しや す いCuに
対 して は190℃ で は ん だ 付 け 可 能 で あ る が,強 固 な 酸 化 膜
で か つ 反 応 が 起 こ り難 いNi/AuやPd/Niの メ タ ラ イ ズ に 対
して は,210℃ 程 度 の温 度 が 必 要 と い わ れ て い る5)。 した
が って,融 点 の低 下 ほ ど に は 低 温 で の は ん だ付 け はで き な
い 。 しか し,210℃ と して も,現 行 のSn-Pbよ り も低 温 度
で の実 装 で あ り,220℃ 程 度 の 極 端 な 低 耐 熱 部 品 に 対 して
は 有 力 な は ん だ 材 料 で あ る。
3.3は ん だ 付 け組 織 と界 面 反 応
は ん だ付 け に よ る組 織 は,図1と 図26)に 状 態 図 を ま た図
3に は組 織 の 一 例 を 示 した よ うに,基 本 的 に は βSnと αBi
の 共 晶 組 織 で あ る。Agは 図2の よ うに0 .8%付 近 で3元 共
晶 を 呈 す る が,Ag3Snと してSnとBiの 粒 界 に 微 細 に析 出
す る と考 え られ て い る6)。Cu母 材 と の 反 応 は,基 本 的 に 他
のSnベ ー ス の は ん だ 材 料 と 同 様 で あ り,界 面 に はCu6Sn5
とCu3Snが 形 成 され る。 しか し,図4に 示 した よ う に,Sn
の量 は通 常 のSnべ 一 ス材 料 よ り も少 な い の で,化 合 物 の 成
長 速 度 は遅 い 。 この 化 合 物 層 は エ ー ジ ン グ に よ ってCu3Sn
に変 化 して,時 間 の1/2乗 則 に した が って 成 長 し,長 時 間
経 過 す る とは ん だ と化 合 物 の 界 面 に は薄 いBiリ ッチ層 が形
成 さ れ,強 度 が 低 下 す る と言 わ れ て い る1),6)~8)。信 頼 性 確
保 の 観 点 か ら は,こ の 化 合 物 成 長 に は十 分 な 注 意 が必 要 で
あ る。
NiやPdな ど につ い て も,基 本 的 な 反 応 はSnが 担 って お
り,Sn-Pb系 と同 様 で あ る。 しか し,低 温 度 で の 実 装 で あ
り,Cuの 場 合 と同様 に反 応 速 度 は遅 くな る と考 え られ る。
3.4は ん だ 付 け欠 陥
は ん だ 付 け の 欠 陥 と して,鉛 フ リー は ん だ 材 料 に特 徴 的
な こ と は,(1)ぬ れ 不 良,(2)フ ィ レ ッ トリフ テ ィ ン グ,(3)ラ
ン ドは く離,(4)ひ け巣 の 発 生 な どが あ る。 ぬ れ 不 良 に つ い
て は,ぬ れ 性 の項 で 触 れ た よ う にSn-Pbよ り も劣 る と い う
点 を あ らか じめ考 慮 して お く必 要 が あ る。 他 のPbフ リー は
ん だ で も同 様 で あ るが,ラ ン ドのCuを 完 全 に ぬ ら さ な い
Cu見 え や 赤 見 え と呼 ば れ る状 況 な ど に対 して は,信 頼 性 と
の 兼 ね 合 い で 目視 基 準 を 再 検 討 す る こ と も必 要 に な る 。
フ ィ レ ッ ト リフ テ ィ ン グ につ い て み る と,発 生 メ カ ニ ズ ム
か ら も明 らか な よ うに,共 晶 組 成 で あ り固 液 共 存 領 域 を も
た な い こ と,融 点 が低 くはん だ 付 け温 度 が 低 い こ とな どが
あ り,実 質 上 ほ と ん ど発 生 しな い9)。 ラ ン ドは く離 に つ い
て は,は ん だ の 硬 さ 自体 は大 き い もの の,は ん だ付 け 温 度
が低 い こ とで 発 生 応 力 も小 さ い と考 え られ,実 際 の は ん だ
図1.Sn-Bi系 平 衡 状 態 図(金 属 デ ー タ ブ ッ ク)
図2.Sn-57Bi/A9系 の 平 衡 状 態 図
図3.Sn-1Ag-57Biの 断面 組 織
図4.Sn-Biに お け るSn含 有 量 と化 合 物 の 成 長7)
(0.88Tm,400h後)
エ レ ク トロニ ク ス実 装 学 会 誌Vol .6 No.5(2003) 395
付けでもほとん ど発生 しないと考えられる。ひけ巣につい
て も,過 冷却などが小さいバランスのとれた共晶組成であ
ることか ら,通 常のSn-Ag-Cu系 などよりも発生の程度は
少なく,表 面光沢もSn-Pbは んだと類似 している。
以上のように,ぬ れ性の若干の低下を除けばSn-Ag-Bi
系低温はんだは,は んだ付け欠陥の発生 も少な く,プ ロセ
ス的な実用性は高い材料であると考え られる。
3.5機 械的な性質 と信頼性
3.5.1機 械的な性質
表2に は,材 料の引張特性 をまとめて示 した。25℃ と
125℃ を比較すると,Sn-Pbと 比較す ると強度が大きいこ
と,伸 びも比較的多いことがわかる。 また,Sn-Ag-Biは
んだは,強 度や耐力の温度依存性が非常に大きいことがわ
か る。 これは,融 点が低 いことに関連 しているが,100
℃を超えるような高温度での使用は難 しいことを示 している。
Sn-AgにBiを 添加 してい くと図5に 示 したように強度は
急激に増加 し,10%以 上になると逆 に低下 して くる。伸び
表2.Sn-1Ag-57Biの 引 張 特 性
引張速度=1.67E-4/s
図5.Sn-3Agへ のBi添 加による機械特性の変化
はいったん急激に低下するが,こ こで問題 にしている高Bi
濃度になると増加 してSn-Ag-Bi共 晶近辺では極大値 をと
る10),11)。また,一 般に歪み速度依存性が大きいという特徴
を有 している。継ぎ手強度は,バ ルク材料よりもさらにBi
含有量への依存性が大きくなる。図6に 示 したように,特
に鉛入 りのめっき リー ドでは,Bi含 有量がわずかに増える
だけで継 ぎ手強度は急激に低下す る。 これは,他 のBiを 含
有するPbフ リーはんだ と同じであり,接 続界面近傍に低
融点層が形成 されることによる。 したが って,実 用化 には
鉛 フリーメタライズ化が望まれるところである。Pb入 りメ
タライズ以外 では,一 般 の継 ぎ手性能 と して考 えれば,
Sn-1Ag-57Biは 十分な強度を有する。 また,高 温放置によ
る強度 も,図76)に 示 したように比較的低温度では,強 度の
低下はほとんどなく高温(1℃)で 強度が低下 して くる傾向
が見 られる。
一方,挿 入実装でのPb入 りメタライズの使用 は,特 性
図6.Sn-3.5Agへ のBi添 加 に よ る 継 ぎ 手 強度 変 化
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図7.QFP継 ぎ手 の高温放 置による強度変化
図8.Sn-1Ag-57Biの ク リー プ強 度
面では大 きな問題 はないと考え られる。 メタライズのPb
は,は んだ浴中に溶解 ・希釈され,性 能にはほとん ど影響
を及ぼさない。 しか し,Pb入 りメタライズ起因の浴の汚染
は十分に注意す る必要がある。
クリープ特性については,図8に 示 したように高温度で
は非常に弱いが12),13),室温を含む低温度ではSn-Pbよ りも
強いことが知 られてお り,製 品の使用環境(温 度,実 装部
品,実 装形態など)に あわせた設計を行えばよい。
Sn-Ag-Biの 変形機構 は,Biが 少ない場合 には主 にBiで
固溶硬化 したβSnの 粒内変形が主体であるのに対 して,Bi
が多い共晶付近の組成では,βSnと αBiの粒界すべ りが支
配的であり14),通 常の材料 とはまったく異な った超塑性的
な変形機構を有する。さらにBiが 増えると,粒 界すべ りは
起 こりにくくな り,Biの 双晶変形が起 こって くる。
図9.(a)Sn-1Ag-57Biの ね じ り疲 労 特 性,(b)Sn-40Pbの ね じ り疲 労 特 性
3.5.2温 度サイクル寿命
Sn-Ag-Bi系 低温材料では,基 本的な低サイクル疲労は
図9に 示 したように,従 来のSn-Pbと 比較 しても大きな違
いはない。 しか し,融 点が低いので温度サイクル寿命 は試
験の最高温度に注意する必要がある。通常行われる最高温
度が125℃ の試験は避 けることが無難である。特に表面実
装で,Sn-Pbめ っきリー ドや基板を用いる場合には,他 の
Bi含 有の鉛 フリーはんだと同様に,接 続界面近傍に融点が
約97℃ の3元 共晶組成が形成 され,致 命的な破壊を生 じる
ことがわかっている15),16)。したがって,こ の低融点相よ り
も低い温度(例 えば90℃ 以下)で の試験が妥当であるし,
使用環境 もこれより低い温度で設計する必要がある。 この
温度範囲であれば,図10に 示 したように温度サイクルによ
る強度の低下もほとんどな く,従 来のSn-Pbは んだと同等
の寿命であることが確認6),17)されている。図11に は,温 度
サイクル品の概観写真例 を示 した。表面の しわの形成は,
Sn-Pbよ りも起 こりに くいことがわかる。 したが って,温
度サイクル寿命の点では製品の使用温度環境を十分に考慮
した上であれば,か なりの分野で使用は可能であると考え
られる。
図10.Sn-58Bi-XAgの 疲 労 特 性6)
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図11.挿 入部品の温度サイ クル評価例(0~90℃)
表3.Sn-IAg-57Biの 衝 撃(シ ャル ピー)試 験 結 果
3.5.3そ の 他 の性 質
Bi含 有 は ん だ の特 有 の 硬 さか ら,耐 衝 撃 性 につ いて もBi
量 の 増 加 に よ っ て 衝 撃 吸 収 エ ネ ル ギ は 急 激 に 低 下 し,
Sn-Pbよ り も劣 る こ とが 知 られ て い る15)。 ク リー プ で 述 べ
た よ う に超 塑 性 変 形 を伴 う た め に,歪 速 度 依 存 性 は極 め て
大 き く,表3に 示 した よ う に,従 来 のSn-Pbと 比 較 す る と
吸 収 エ ネ ル ギ は数 分 の1程 度 の 値 に な って い る。 製 品 対 応
で 安 全 性 の確 認 が 必 要 で あ る。 イオ ンマ イ グ レー シ ョ ンに
つ い て は,基 本 的 に はSn-Pbと 同 等 と考 え て よ く18),フ
ラ ッ ク ス残 渣 や 表 面 の 汚 染 の影 響 の 方 が 大 き い。 ま た,一
部 の 人 々の 間 で懸 念 され て い るBiの 安 全 性 につ いて も,Pb
と比 較 す る と安 全 で あ る と の確 認 の デ ー タが 得 られ つ つ あ
る19),20)。
4.ま と め
Sn-Ag-Bi系 低 温 は ん だ は,使 用 条 件 を考 慮 す れ ばSn-Pb
の1つ の 代 替 材 料 と して,今 ま で以 上 に 多 くの分 野 で 実 用
化 可 能 で あ る と考 え ら れ る 。 特 に,現 在,Sn-1Ag-57Bi
ペ ー ス トは 商 業 ベ ー スで 入 手 可 能 で あ り,実 用 上 入 手 性 で
問 題 に な る こ と は な い 。 ま た,装 置 的 に も従 来 の もの で 条
件 変 更 を行 え ば特 に 大 き な 問 題 は な い。
課 題 と して残 る点 は,Sn-Pbめ っ き な ど に 対 す る対 応 で
あ る。 特 に,表 面 実 装 で は,原 則 的 にSn-Pbめ っ き部 品 や
基 板 は使 用 を避 け る こ とが 必 要 で あ る と考 え られ る。
(2003.5.20-受理)
文 献
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芹沢 弘二(せ りざわ こうじ)
昭和22年 生まれ。昭和47年,東 北大学大学院工
学研究科金属加工学専攻修士課程修了。同年,株
式会社 日立製作所横浜研究所に入社。その後,研
究所の合併・名称変更があり,現 在,株 式会社 日
立製作所生産技術研究所に所属。主要研究テーマ
は,環 境対応次世代接合技術の開発。実装,特 に
接続 プロセス開発に従事。
下川 英恵(し もかわ はなえ)
昭和42年 生 まれ。平成2年,お 茶の水女子大学理
学部化学科卒業。現在,株 式会社 日立製作所生産
技術研究所において,環 境対応次世代接続技術の
開発に従事。
寺崎 健(て らさき たけし)
昭和43年 生 まれ。平成5年,名 古屋大学大学院工
学研究科機械工学専攻修士課程修了。現在,株 式
会社 日立製作所機械研究所 において,鉛 フ リーは
んだ接続の信頼性技術の開発に従事。
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