CN105682374A - 安装结构体和bga球 - Google Patents

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Abstract

本发明的安装结构体具备：具有BGA电极的BGA；具有电路基板电极的电路基板；配置在电路基板电极上、与BGA电极连接的钎焊接合部。钎焊接合部包含：含有率为0.6质量％以上且1.2质量％以下的Cu；含有率为3.0质量％以上且4.0质量％以下的Ag；含有率为0质量％以上且1.0质量％以下的Bi；In；Sn。In的含有率的范围根据Cu的含有率而有所不同。

Description

安装结构体和BGA球
技术领域
本发明涉及具有电路基板和连接于该电路基板的BallGridArray(BGA：球栅阵列)的安装结构体、以及BGA球。
背景技术
近年来，汽车的电子控制化进展，大量的电子设备被搭载到汽车上，其数目增加。随之而来的是，难以充分确保搭载于汽车的电子设备的搭载空间，从而要求设备的小型化。因此，为了在一张电路基板上搭载具有各种功能的许多电子元件，电路基板的高集成化推进。
伴随着这样的电路基板的安装高集成化，集成电路元件也进行着高集成化。一直以来，在搭载于汽车的电子设备中，主要采用在集成电路元件的4边排列端子的QFP(QuadFlatPackage：四方扁平封装)等。但是，由于来自集成电路元件的信号数的增加，虽然是有限的，但QFP正在换成BGA。所谓BGA，主要是搭载于表面贴装技术(SurfaceMountTechnology，SMT)施工方法的电路基板上的集成电路元件的封装的一种。在BGA中，电极以栅格状排列于集成电路元件的底面。因此，BGA与QFP等相比较，能够引出更多的信号。在BGA中，在栅格状排列在封装底部的电极上，搭载有球状的作为钎焊材料的BGA球。BGA电极与电路基板电极的钎焊，一般以如下方式进行。
图5是说明BGA电极与电路基板电极的钎焊步骤的图。首先，在设于电路基板104的基材105上的电路基板电极106上，预先通过丝网印刷供给作为Sn为主成分的焊料粉末和助焊剂的混合物的焊膏，形成焊膏层110。BGA108具有BGA基板102、形成于BGA基板102上的BGA电极103、预先钎焊于BGA电极103上的BGA球101。然后，在焊膏层110之上，以使BGA球101与焊膏层110接触的方式搭载BGA108。
其后，以热风、红外线等任意的方法，将焊膏层110加热至其熔点，由此使焊膏层110和BGA球101熔融。之后，冷却而使之凝固，形成钎焊接合部107和反应层109。由此，BGA电极103和电路基板电极106经由钎焊接合部107和反应层109被接合。
作为现有的安装结构体，已知有使用Sn-Ag-Cu系焊料和Sn-Ag-Cu-In系焊料的Cu的比例为3质量％以上的BGA球来接合BGA与电路基板的安装结构体(例如，参照专利第4939891号公报)。
发明内容
本发明提供一种即使曝露在汽车的发动机室内这样150℃的高温下，耐热疲劳特性也优异，可以确保电连接的安装结构体和BGA球。
本发明的安装结构体具有如下：具有BGA电极的BGA；具有电路基板电极的电路基板；配置在该电路基板电极上、与BGA电极连接的钎焊接合部。钎焊接合部包含含有率为0.6质量％以上且1.2质量％以下的Cu、含有率为3.0质量％以上且4.0质量％以下的Ag、含有率为0质量％以上且1.0质量％以下的Bi、In及Sn。而且，对于钎焊接合部而言，根据Cu的含有率的范围，满足以下的任意一个条件。(1)Cu的含有率在0.6质量％以上且0.91质量％以下的范围时，In的含有率为5.3+(6-(1.55×Cu的含有率+4.428))质量％以上且6.8+(6-(1.57×Cu的含有率+4.564))质量％以下。(2)Cu的含有率大于0.91质量％并在1.0质量％以下的范围时，In的含有率为5.3+(6-(1.55×Cu的含有率+4.428))质量％以上且6.8质量％以下。(3)Cu的含有率大于1.0质量％并在1.2质量％以下的范围时，In的含有率为5.3质量％以上且6.8质量％以下。
如以上，根据本发明的安装结构体，即使曝露在汽车发动机室内这样最高150℃的高温下，耐热疲劳特性也良好，可以确保电连接。
另外本发明的BGA球是用于形成上述安装结构体的钎焊接合部的BGA球。该BGA球包含含有率为0.6质量％以上且1.2质量％以下的Cu、含有率为3.0质量％以上且4.0质量％以下的Ag、含有率为0质量％以上且1.0质量％以下的Bi、In及Sn。而且，对于BGA球而言，根据Cu的含有率的范围，满足以下的任意一个条件。(1)Cu的含有率为0.6质量％以上且0.91质量％以下的范围时，In的含有率为5.3+(6-(1.55×Cu的含有率+4.428))质量％以上且6.8+(6-(1.57×Cu的含有率+4.564))质量％以下。(2)Cu的含有率大于0.91质量％并在1.0质量％以下的范围时，In的含有率为5.3+(6-(1.55×Cu的含有率+4.428))质量％以上且6.8质量％以下。(3)Cu的含有率大于1.0质量％并在1.2质量％以下的范围时，In的含有率为5.3质量％以上且6.8质量％以下。
根据本发明的BGA球，能够形成可确保电连接的安装结构体。
附图说明
图1A是表示在BGA球和焊膏中的焊料粉末充分含有Cu时，BGA与具有实施了非电解镀Ni的电路基板电极的电路基板的接合前后的状态的图。
图1B是表示在BGA球和焊膏中的焊料粉末中不含Cu或少量时，BGA与具有实施了非电解镀Ni的电路基板电极的电路基板的接合前后的状态的图。
图2是用于说明本发明的实施的方式的安装结构体的Sn-In二元系合金状态图。
图3是用于说明本发明的实施的方式的安装结构体的图，表示利用具有含有Cu的Sn-3.5质量％Ag-0.5质量％Bi-6.0质量％In这一组成的合金，对于具有非电解镀Ni的电路基板电极进行钎焊后，钎焊接合部的In的含有率的分析结果的图。
图4是用于说明本发明的实施的方式的安装结构体的图，是表示具有含有In的Sn-3.5质量％Ag-0.5质量％Bi-1.2质量％Cu这一组成的钎焊接合部的耐热疲劳特性评价结果的图。
图5是现有的BGA电极和电路基板电极的钎焊步骤的说明图。
具体实施方式
在说明本发明的实施方式之前，先简单地说明现有的安装结构体的问题点。即使是现有的安装结构体，在汽车发动机室内这样的环境中，在150℃的高温环境下也可以短期的使用。但是，在车载标准的耐热疲劳特性评价中大约为1000个循环，其不能满足车载标准。还有在上述评价中，实施-40℃/150℃的试验条件的温度循环试验。在这样的试验中，如果3000个循环以上的循环数不发生断线，则评价为满足耐热疲劳特性。
作为其理由认为如下。在使BGA球101熔融，冷却而使之凝固的钎焊接合部107中，生成初晶Cu6Sn5的金属间化合物。该初晶Cu6Sn5具有坚硬的性质，且因为是初晶而粗大。因此，钎焊接合部107自身的延展性非常地小。该初晶Cu6Sn5被认为是由于含有3质量％以上的Cu的BGA球101而生成的。
发动机室内使用的电子设备由于汽车的工作和停止，被反复曝露在高温与低温下。因此，由于电路基板104与BGA基板102的热膨胀的差，导致随温度变化而发生的热应力在钎焊接合部107反复发生。
钎焊接合部107的延展性小时，BGA电极103与钎焊接合部107的连接界面，或反应层109与钎焊接合部107的连接界面容易发生裂纹，裂纹的进展速度也快。若在连接界面发生裂纹，则电连接确保将不充分。因此，难以满足车载标准的耐热疲劳特性评价。
以下，一边参照附图，一边对于本发明的实施的方式进行说明。
图1A是表示本发明的实施的方式的BGA球14与实施了非电解镀Ni的电路基板电极6的接合前后的状态的图。接合后的安装结构体具有如下：具有BGA电极3的BGA8；具有电路基板电极6的电路基板4；钎焊接合部15。钎焊接合部15配置在电路基板电极6上，与BGA电极3连接。
BGA球14和焊膏层13包含Sn为主成分并含有Ag、Bi、In和Cu的焊料粉末。还有，该焊料粉末也可以不含Bi。BGA球14和焊膏层13中的焊料粉末充分地包含Cu(例如0.8质量％)。
接着，说明使用BGA球14，将BGA8和电路基板4加以接合的安装结构体的制作步骤。在接合BGA球14和电路基板电极6之前的状态下，BGA8具有BGA基板2、BGA电极3和BGA球14。另一方面，电路基板4具有基材5、电路基板电极6和焊膏层13。
首先，说明制作BGA8的步骤。称量构成BGA球14的钎焊材料的Sn、Ag、Bi、In、Cu，使其合计为100g。Ag为3.5质量％，Bi为0.5质量％，In为5.9质量％，Cu为0.8质量％，Sn为其余的89.3质量％。以下，记述为Sn-3.5质量％Ag-0.5质量％Bi-5.9质量％In-0.8质量％Cu。
将称量的Sn投入陶瓷制的坩埚内，设置在温度调整到500℃的套式电加热器之中。
确认到Sn熔融之后，将In投入到坩埚内，搅拌3分钟。其后，将Bi投入坩埚内，搅拌3分钟。而后，将Ag投入坩埚内，搅拌3分钟。最后将Cu投入坩埚内，搅拌3分钟。
其后，从套式电加热器中取出坩埚，浸渍到充满容器的25℃的水中，进行冷却。冷却后，加工所制作的钎焊材料，制作直径0.3mm的BGA球14。
将制作的BGA球14对于BGA电极3进行钎焊，制作BGA8。还有，BGA电极3具有如下：设于BGA基板2上的Cu衬底3a；形成于Cu衬底3a上的非电解镀Ni膜(以下，称为Ni膜)3b；形成于Ni膜3b之上的Au闪镀膜(以下，Au膜)3c。
BGA球14由以下的方法被钎焊到BGA电极3上。将BGA球14搭载到BGA电极3上，再滴加市场销售的钎焊用助焊剂。在此状态下，将BGA电极3以220℃～250℃的温度，用回流炉加热30秒左右，之后空冷至后室温。如以上这样，完成BGA8。
然后，将BGA8钎焊到电路基板4上，以如下方式制作安装结构体。
首先，准备具有电路基板电极6的电路基板4。基材5的FR级(FlameRetardantGrade：阻燃级)为FR-5。电路基板电极6具有如下：Cu衬底6a；形成于Cu衬底6a上的非电解镀Ni膜(以下，称为Ni膜)6b；形成于Ni膜6b之上的Au镀膜(以下，称为Au膜)6c。
接着，在电路基板电极6之上，使用金属掩模，以丝网印刷供给含有与BGA球14为相同组成的焊料的焊膏。如此在电路基板电极6之上形成焊膏层13。
然后，以使焊膏层13和BGA球14重叠的方式，将BGA8搭载到电路基板4上。此外，经过将BGA球14钎焊到BGA电极3上的同样的回流工艺，对焊膏层13和BGA球14进行钎焊。
对于如以上这样制作的安装结构体，以-40℃/150℃的试验条件进行温度循环试验，直至断裂而无法取得钎焊接合部15的电连接。
如上所述，搭载于汽车的发动机邻域的车载商品的耐热疲劳特性评价中，还要求BGA经过3000个循环以上的循环数仍能够确保导通。还有，3000个循环以上的循环数的情况，评价为满足耐热疲劳特性。
如上所述，使用Sn-3.5质量％Ag-0.5质量％Bi-5.9质量％In-0.8质量％Cu的BGA球14时，变得不能确保导通的循环数为3300个循环，能够确认满足对于搭载于汽车的发动机邻域的车载商品的要求。
由以上观点发出，使用了上述组成的BGA球14的安装结构体，即使反复曝露在汽车发动机室内这样最高150℃的高温下，耐热疲劳特性也优异，可以确保电连接。
接着，对于BGA球14的构成，更详细地加以说明。首先，对于BGA球14中的Cu的含有率进行说明。
Cu出于如下目的而调合，即，控制在接合BGA8时的BGA球14和电路基板电极6的接合界面，或BGA球14和BGA电极3的接合界面的反应层。
通常，在BGA电极3上，出于阻挡Cu衬底3a等的元素的扩散的目的而设有Ni膜3b，为了抑制Ni的氧化，在其上还设有Au膜3c。
将BGA球14钎焊到BGA基板2上时，Au膜3c当即扩散到熔融焊料内而消失，在BGA电极3和BGA球14的界面形成合金层。其结果是，BGA电极3和BGA球14经由该合金层被接合。
在电路基板电极6上，也在Cu衬底6a的表面设有内部含有部分P的Ni膜6b，为了抑制Ni的氧化，再在其上设有Au膜6c。这时，BGA8和电路基板4的接合时，Au膜6c当即扩散到熔融焊料内而消失。其结果是，在电路基板电极6和钎焊接合部15之间的接合界面形成反应层11。钎焊接合部15也可以含有Au膜6c扩散时的Au。
如图1A，在BGA球14中充分包含Cu时，在电路基板电极6与BGA球14的焊料接触的界面，焊料中的Sn与Cu反应，生成Cu6Sn5的反应层11。这时，Ni膜6b的一部分被摄取，反应层11的Cu6Sn5的Cu的一部分被置换成Ni，成为(Cuy，Ni1-y)6Sn5(其中0≤y≤1)。
关于Cu的含有率的详情后述，但为了形成Cu6Sn5的Cu的一部分被置换成Ni的(Cuy，Ni1-y)6Sn5，认为Cu的含有率存在阈值。
另一方面，在图1B中，BGA球1和焊膏层12中的焊料粉末中不含Cu，或只包含少量(例如0.3质量％)。图1B是表示这种情况下，BGA28和电路基板4的接合前后的状态的图。
与图1A同样，BGA电极3具有如下：Cu衬底3a；阻挡Cu衬底3a的元素的扩散的Ni膜3b；形成于Ni膜3b之上，抑制Ni的氧化的Au膜3c。
将BGA球1钎焊到BGA基板2上时，Au膜3c当即扩散到熔融焊料内并消失，BGA电极3和BGA球1经由界面的合金层被接合。
BGA球1中不包含Cu或只有少量时，在电路基板电极6和焊料接接触的界面，BGA球1和焊膏层12中的Sn与电路基板电极6的Ni反应，生成Ni3Sn4的反应层9。
这时，构成Cu衬底6a的Cu在Ni膜6b内扩散，反应层9的Ni3Sn4的Ni的一部分被置换成Cu，成为(Nix，Cu1-x)3Sn4(其中0≤x≤1)。(Nix，Cu1 -x)3Sn4作为反应层9形成时，反应层9容易生长。因此，由于温度循环中的高温保持，导致Ni向焊料一方扩散，(Nix，Cu1-x)3Sn4生长。
(Nix，Cu1-x)3Sn4是具有硬而脆的性质的金属间化合物。因此，由于反应层9的生长导致不能充分缓和热应力，带来裂纹发生和断线。
另外，(Nix，Cu1-x)3Sn4的生长时，Ni经由(Nix，Cu1-x)3Sn4扩散到钎焊接合部7。因此，在Ni膜6b的反应层9附近，Ni膜6b中的P的浓度提高。该P与钎焊接合部7的In容易发生反应，生成InP化合物。
钎焊接合部7的In的含有率，详情后述，但严重影响到耐热疲劳特性。因此，若In的含有率降低，则耐热疲劳特性降低。
从以上这样的理由出发，为了确保长期的电连接，作为反应层11，需要形成(Cuy，Ni1-y)6Sn5。
为了形成(Cuy，Ni1-y)6Sn5，需要钎焊接合部15大量含有Cu。但是，若过剩地含有Cu，则如现有的方法这样成为过共晶组成，在钎焊接合部15生成初晶Cu6Sn5。初晶Cu6Sn5坚硬。因此，钎焊接合部15不能充分缓和热应力，带来裂纹的发生、进展和断线。
因此，构成BGA球14和焊膏层13的焊料中的Cu的含有率，需要不使钎焊接合部15中生成初晶Gu6Sn5，作为反应层11为(Cuy，Ni1-y)6Sn5生成的范围。
其次，为了表明这样的Cu的含有率的范围，说明Cu的含有率与反应层、钎焊材料的组织的关系的评价结果。
(表1)表示实验中使用的钎焊材料的组成、钎焊后的钎焊接合部的初晶Cu6Sn5有无生成、反应层的组成、初晶Cu6Sn5有无生成与反应层的结构二者联合判定的结果。
【表1】
首先，以如下方法制作本实施的方式中评价的试料。
以规定的含有率且以合计为100g的方式，称量构成BGA球的钎焊材料的Sn、Ag、Bi、In、Cu。称量后至制作安装结构体的步骤与上述同样。
为了确认制作的安装结构体的反应层和焊料中的组织，研磨截面并进行分析、观察。首先，使用磨光纸将截面研磨至P2000(ISO-P规格6344-31998)。其后，实施用3μm的金刚石磨粒、0.05μm的Al2O3磨粒依次研磨的镜面加工。
用扫描型电子显微镜(ScanningElectronMicroscope，SEM)和能量色散型X射线光谱法(EnergyDispersiveX-rayspectroscopy，EDX)，分析经研磨的安装结构体的截面。然后，鉴定反应层和焊料中的组织。各个试料中是否生成Cu6Sn5以及反应层的结构如(表1)所示。
焊料中的初晶Cu6Sn5有无生成的确认结果是，在试样E1-1～E1-3和试样C1-4、C1-5中，未见初晶Cu6Sn5的生成。相对于此，在Cu的含有率为1.5质量％、1.8质量％的试样C1-6、C1-7中，焊料中确认到初晶Cu6Sn5的生成。
接着，确认未见初晶Cu6Sn5的生成的试样E1-1～E1-3和试样C1-4、C1-5的反应层的结构。其结果可知，试样E1-1～E1-3中，作为反应层而生成(Cuy，Ni1-y)6Sn5，在Cu含有量小的试样C1-4、C1-5中，生成(Nix，Cu1-x)3Sn4。
另外在试样C1-6、C1-7中，作为反应层虽然生成的是(Cuy，Ni1-y)6Sn5，但是在焊料中确认到有初晶Cu6Sn5的生成。
以这些结果为基础，在(表1)中，焊料中未生成初晶Cu6Sn5，且作为反应层而生成(Cuy，Ni1-y)6Sn5时判定为OK。另一方面，在焊料中生成初晶Cu6Sn5时和作为反应层生成(Nix，Cu1-x)3Sn4时判定为NG。
基于此判定，由(表1)的钎焊材料的组成可知，Cu的含有率需要为0.6质量％以上且1.2质量％以下的范围。
接着，对于In的含有率与关于钎焊的效果的关系进行说明。图2表示Sn-In二元系合金状态图。Sn-In系焊料在低In区域形成Sn中固溶有In的合金(β-Sn)。
所谓固溶，就是母材金属的晶格中的一部分以原子水平置换成固溶元素的现象。一般来说，固溶元素由于母材金属和固溶元素的原子系的差异，而使母元素的晶格发生应变。因此，能够在应力负载时抑制转移等的结晶缺陷的移动。其结果是，能够使金属的强度提高，另一方面，应力负载时的延展性降低。利用这样的固溶效果，焊料的强度随着固溶元素的含量增大而变大。
BGA与芯片电阻等受动器件等相比较来说更大，因此曝露于高温时所发生的热应力也大。特别是在发动机室这样的150℃的高温环境下，高于屈服应力这样大的热应力发生。因此，延展性降低对耐热疲劳特性造成很大的影响。
使Sn系焊料中固溶有In时，在室温附近的环境下，除了显现出同样的效果以外，若温度变高，则由于相变还会出现不同结构的γ相。就是说，成为不同的二相共存的状态(γ+β-Sn)。像这样成为二相共存状态，高温下的延展性改善。
向γ相的相变，根据In的含有率和温度不同，表现举动也有所不同。如图2所示，β-Sn和γ开始成为二相共存状态的温度，例如像点a和点b的关系这样，In的含有率越多，则温度越低。因此，In的含有率少时，延展性提高的温度更高，温度上升过程中发生的热应力的缓和无法充分进行，裂纹、断线发生。
另一方面，In的含有率过大时，相变在更低的温度下开始。因此，例如像点c这样在最高温度150℃的阶段下，大部分的组织成为γ相。因为从β-Sn向γ相的相变伴有体积变化，所以In的含有率过大时，焊料发生自溃，确保长期的电连接有困难。
因此，BGA球的In的含有率需要为能够确保最高150℃的耐热性、且不会发生自溃的范围。
如上所述，在钎焊接合部和电极的非电解镀Ni之间的反应层中，In与P发生反应，在此接合前和接合后的钎焊接合部的In的含有率变化。一边参照图3，一边对于In的含有率的变化进行说明。图3表示利用具有含有Cu的Sn-3.5质量％Ag-0.5质量％Bi-6.0质量％In的这一组成的合金，对于具有非电解镀Ni的电路基板电极进行钎焊之后，钎焊接合部的In的含有率的分析结果。
在此，与前述的方法同样，利用EDX，测量与具有非电解镀Ni的电路基板电极进行钎焊之后的In的含有率。
试料以如下方式制作。钎焊材料的制作与前述的方法同样。
将制作的钎焊材料加工成直径0.3mm的BGA球。另一方面，准备引脚数132，尺寸8mm×8mm，焊球间距0.5mm的LGA(landgridarray：栅格阵列)。该LGA具有直径0.25mm的LGA电极，对于LGA电极，实施厚5μm的Ni镀覆，在其上实施闪镀Au。在该LGA电极上，预先滴加市场销售的钎焊用助焊剂之后搭载上述BGA球。其后，以前述的方法同样的回流条件，在LGA电极上接合BGA球而制作BGA。
之后，将含有与BGA球相同组成的焊料粉末的焊膏，以达到厚120μm的方式印刷到电路基板电极上之后，使BGA的BGA球的位置与电路基板电极的位置对应，以此方式在电路基板上搭载BGA。然后，再以前述的方法同样的回流条件将BGA球接合到电路基板上的电路基板电极上。
还有，作为电路基板电极，使用在Cu上实施了厚5μm的非电解镀Ni和在其上实施了闪镀Au的电极；以及Cu预焊剂的电极两种。
只对BGA电极实施非电解镀Ni时的钎焊接合部的In的含有率，在Cu的含有率为0时是5.1质量％，但若Cu的含有率增大，则In的减少受到抑制，因此增大。于是，Cu的含有率为0.4质量％时，In的含有率为5.2质量％。此外，若Cu的含有率成为0.9质量％，则In的含有率为5.99质量％。
BGA电极、电路基板电极均实施非电解镀Ni时的钎焊接合部的In的含有率，在Cu的含有率为0时是5.1质量％，但若Cu的含有率增大，则In的减少受到抑制，因此增大。于是，Cu的含有率为0.5质量％时，In的含有率为5.21质量％。此外，若Cu的含有率为0.9质量％，则In的含有率为5.83质量％。
若两者比较，则BGA电极、电路基板电极均实施非电解镀Ni时，In的含有率的变化量大。因此，Cu的含有率的下限值，优选以两面实施非电解镀Ni时的数值计算。另一方面，上限值以只对BGA电极实施非电解镀Ni时的数值计算。
使用Cu的含有率处于0.5质量％以上且0.9质量％以下的范围时的数值，在BGA电极、电路基板电极均实施了非电解镀Ni的情况下，若描绘表示Cu的含有率与In的含有率的关系的近似直线，则能够得到以下的一次函数的图形。
(In的含有率)＝1.55×(Cu的含有率)+4.428…(1)
另一方面，只对BGA电极实施非电解镀Ni时，若描绘近似直线，则能够得出以下的一次函数的图形。
(In的含有率)＝1.57×(Cu的含有率)+4.564…(2)
图3中表示的是这些近似直线。
如上所述，Cu的含有率为0.6质量％以上且1.2质量％以下的范围时，在钎焊接合部中不会生成初晶Cu6Sn5，且作为反应层生成(Cuy，Ni1-y)6Sn5。需要在此范围内，成为在0.6质量％以上且1.0质量％以下的Cu的含有率的范围内考虑遵循(1)式、(2)式减少In的含有率的组成。
接下来，对于满足车载标准的耐热疲劳特性的In的含有率，对于In的含有率的减少不会发生的Cu的含有率大于1.0质量％的情况进行说明。
图4是用于说明本实施的方式的安装结构体的图，是表示具有含有In的Sn-3.5质量％Ag-0.5质量％Bi-1.2质量％Cu这一组成的钎焊接合部的耐热疲劳特性评价结果的图。
在此评价中，以如下安装结构体为对象，即，具有实施了非电解镀Ni的电路基板电极，并在基材为FR-5级的电路基板上安装有前述的BGA。纵轴的试验循环数表示如下的In含有率，即，对于这样的安装结构体以-40℃/150℃的试验条件实施温度循环试验时，直至钎焊接合部无法取得电连接而断裂的循环数。横轴表示钎焊接合部的In含有率。
在汽车的发动机邻域所搭载的车载商品的耐热疲劳特性评价中，要求BGA能够经3000个循环以上的循环数而确保导通。
该循环数，在钎焊后固溶于钎焊接合部的In的含有率为5.5质量％(3350循环)、6.0质量％(3600循环)和6.5质量％(3450循环)时，在3000个循环以上。另一方面，In的含有率为5.0质量％以下或7.0质量％以上时，则低于3000个循环。
在In的含有率为5.0质量％的情况和7.0质量％的情况下，若在耐热疲劳特性评价完毕后观察钎焊接合部的截面，则5.0质量％时，可见被认为是由于热疲劳中的裂纹的进展导致的断裂。另一方面，7.0质量％时，可见前述这样的焊料组织的自溃。
还有图4表示使用上述的数值数据所得到的近似曲线。该近似曲线表示以下的二次函数。
(试验循环数)＝-1200×(In的含有率)2+14460×(In的含有率)-39900…(3)
因此，能够确保作为车载标准的3000个循环以上的循环数的In的含有率的范围大致为5.3质量％以上且6.8质量％以下，管理幅度大约±0.75质量％。
还有，因为大量生产的焊料合金的In的含有率的变动幅度大约为±0.5质量％，所以优选In的含有率的中央值为5.8(＝5.3+0.5)质量％以上且6.3(＝6.8-0.5)质量％以下。
还有，在以上的说明中，利用的是Cu的含有率为1.2质量％的BGA球，但Cu的含有率为0.6质量％以上且1.0质量％以下时，如上所述，In的含有率在接合前后会发生变化。
对BGA电极和电路基板电极实施非电解镀Ni时，Cu的含有率为0.6质量％时的In的含有率的变化量为0.6质量％。因此，对BGA电极和电路基板电极实施非电解镀Ni时，若使用例如具有Sn-3.5质量％Ag-0.5质量％Bi-0.6质量％Cu-5.5质量％In这一组成的BGA球和焊膏，则钎焊后的钎焊接合部的In的含有率为4.9质量％。这样一来，不能满足车载标准的可靠性。
在Cu的含有率与In的含有率之间，在Cu的含有率为0.6质量％以上且1.0质量％以下的范围内，存在图3的近似直线所示的相关关系。因此，In的含有率的下限值如下。
在0.6质量％≤Cu的含有率≤1.0质量％的范围时，In的含有率的下限值为5.3+(6-(1.55×Cu的含有率+4.428))质量％。
在1.0质量％＜Cu的含有率≤1.2质量％的范围时，In的含有率的下限值为5.3质量％。
另一方面，In的含有率的上限值如下。
在0.6质量％≤Cu的含有率≤0.91质量％的范围时，In的含有率的上限值为6.8+(6-(1.57×Cu的含有率+4.564))质量％。
在0.91质量％＜Cu的含有率≤1.2质量％的范围，In的含有率的上限值为6.8质量％。
(表2)表示对BGA电极和电路基板电极实施了非电解镀Ni的试样E2-1～E2-9和试样C2-1～C2-8的安装结构体的钎焊材料的组成、Cu6Sn5有无生成、反应层的结构。还有，钎焊材料的组成表示钎焊前的BGA球和焊膏所含的焊料粉末的组成。另外(表3)表示在相同的试样中，钎焊后的钎焊接合部的In的含有率变化、温度循环试验的结果和基于此的可靠性判定结果。
在(表2)中，Cu6Sn5的生成不为优选。另外关于反应层的结构，进行钎焊后的钎焊接合部的截面观察和EDX分析，OK表示生成(Cuy，Ni1- y)6Sn5的情况。
【表2】
【表3】
关于(表3)所示的In的含有率变化，是通过对电路基板电极进行钎焊之后，利用EDX进行钎焊接合部的In的含有率的分析而测量。
关于In的含有率变化的判定，OK表示钎焊接合部的In的含有率包含在5.3质量％～6.8质量％的范围内。NG表示In的含有率低于5.3质量％或大于6.8质量％。还有，关于该判定，其理由是，将能够确保作为前述的车载标准的3000个循环以上的循环数的In的含有率的范围定于大约5.3～6.8质量％。
关于可靠性判定，其标准是，使车载商品的耐热疲劳特性评价中的温度循环试验的循环数满足3000个循环以上或3500循环以上的要求规格。OK表示在3000个循环下，没有钎焊接合部达到断裂的裂纹，满足可靠性标准。EX表示满足的标准是，在3500个循环以上都没有钎焊接合部达到断裂的裂纹。NG表示钎焊接合部达到断裂的裂纹发生，不满足标准。
由试样E2-1～E2-9的可靠性判定可知，在Sn-Ag-Bi-In的组成中含有Cu的钎焊接合部，未见初晶Cu6Sn5生成，反应层为(Cuy，Ni1-y)6Sn5，In的含有率的减少受到抑制。
在试样C2-1和作为现有的安装结构体的使Cu含有3质量％以上的试样C2-7、C2-8中，Cu的含有过剩。因此，在钎焊接合部生成初晶Cu6Sn5而不为优选。
在试样C2-2、C2-4～C2-6中，因为没有充分含有Cu，所以钎焊后的反应层为(Nix，Cu1-x)3Sn4，因此判定为NG。
另外，在试样C2-2、C2-4、C2-6中，对用于抑制In的含有率的减少有效的Cu元素未充分含有。因此，钎焊接合部的In的含有率为4.9质量％～5.1质量％，In的含有率变化为-0.8质量％。另外，在试样C2-3中，相对于In的含有率而言，Cu的含有率大，In的含有率为7.0质量％。对于这些试样的判定为NG。
试样E2-1～E2-9的-40℃/150℃耐热疲劳特性评价中，经过车载标准的3000个循环以上可确保导通，为OK以上。特别是在试样E2-1、E2-3～E2-5、E2-8中，在3500个循环后仍可确保导通，因此判定为EX。
相对于此，在试样C2-1～C2-6和作为现有例的试样C2-7、C2-8中，由于初晶Cu6Sn5生成、反应层的生长、或钎焊接合部的自溃，均在车载标准的3000个循环之前达到断裂。因此，这些试样的判定为NG。
(表4)表示电路基板电极是实施了Cu预焊剂的电极的试样E3-1～E3-9和试样C3-1～C3-7的安装结构体的钎焊材料的组成、Cu6Sn5有无生成、反应层的结构。另外(表5)表示在相同的试样中，钎焊后的钎焊接合部的In的含有率变化、温度循环试验的结果和基于此的可靠性判定结果。关于各种判定，与前述的(表2)、(表3)同样。
【表4】
【表5】
在试样E3-1～E3-9中，无论在哪个评价项目均满足标准，判定为OK或EX。
试样C3-6、C3-7是现有的安装结构体，含有Cu为3质量％以上。在这些试样中，因为在钎焊接合部生成初晶Cu6Sn5而不为优选。此外循环数为1100个循环、900个循环，均不满足车载标准的3000个循环以上，因此钎焊后的判定为NG。
在试样C3-1、C3-3～C3-5中，因为Cu含有不充分，所以钎焊后的反应层为(Nix，Cu1-x)3Sn4。因此，反应层的结构的判定为NG。此外由于不满足车载标准的3000个循环以上，所以钎焊后的判定也是NG。
另外，在试样C3-1、C3-3、C3-5和作为现有的安装结构体的试样C3-6、C3-7中，在用于抑制In的含有率的减少方面有效的Cu元素未充分含有。因此，钎焊接合部的In的含有率为4.9质量％～5.1质量％，In的含有率变化是-0.8质量％。另外，在试样C3-2中，相对于In的含有率而言，Cu的含有率大，In的含有率为7.0质量％。因此，关于这些试样的In含量变化的判定为NG。
(表6)、(表7)表示对于使用不含Bi的BGA球和焊膏的试样E4-1～E4-10的安装结构体，与(表2)、(表3)同样进行评价的结果。
【表6】
【表7】
在试样E4-1～E4-10中可知，由于可靠性判定的结果全部满足标准，所以即使BGA球中不含Bi，也不会对In的含有率的变化造成影响。BGA球的Bi，为了调整合金的熔融温度而添加，Bi含量对于耐热疲劳特性没有影响。
根据(表2)～(表7)的试样E2-1～E4-10所示的可靠性判定的结果，在BGA的钎焊中，为了满足车载商品的耐热疲劳特性评价，钎焊接合部包含：含有率为0.6质量％以上且1.2质量％以下的Cu；含有率为3.0质量％以上且4.0质量％以下的Ag；含有率为0质量％以上且1.0质量％以下的Bi、In和Sn。而且，
(1)Cu的含有率为0.6质量％以上、0.91质量％以下的范围时，In的含有率为5.3+(6-(1.55×Cu的含有率+4.428))质量％以上且6.8+(6-(1.57×Cu的含有率+4.564))质量％以下。
(2)Cu的含有率大于0.91质量％并在1.0质量％以下的范围时，In的含有率为5.3+(6-(1.55×Cu的含有率+4.428))质量％以上且6.8质量％以下。
(3)Cu的含有率大于1.0质量％并在1.2质量％以下的范围时，In的含有率为5.3质量％以上且6.8质量％以下。
如果是满足上述(1)至(3)的任意一项的安装结构体，则可以满足钎焊后的BGA的可靠性判定的标准。
更优选为，钎焊接合部包含含有率为0.6质量％以上且1.2质量％以下的Cu、含有率为3.0质量％以上且4.0质量％以下的Ag、含有率为0质量％以上且1.0质量％以下的Bi、In和Sn。而且，
(1)Cu的含有率为0.6质量％以上且0.91质量％以下的范围时，In的含有率为5.5+(6-(1.55×Cu的含有率+4.428))质量％以上且6.3+(6-(1.57×Cu的含有率+4.564))质量％以下。
(2)Cu的含有率大于0.91质量％并在1.0质量％以下的范围时，In的含有率为5.5+(6-(1.55×Cu的含有率+4.428))质量％以上且6.3质量％以下。
(3)Cu的含有率大于1.0质量％并在1.2质量％以下的范围时，In的含有率为5.5质量％以上且6.3质量％以下。
如果是满足上述(1)至(3)中任一项的安装结构体，则可以将钎焊后的BGA的可靠性保持得更高。
另外，构成实施的方式的BGA球的Ag的含有率，由以下的理由决定。如上所述，热疲劳特性由于In对于Sn的固溶作用而提高。因此，In量导致耐热疲劳特性大幅变化。但是，因为Ag没有固溶在Sn中，所以耐热疲劳特性不会发生巨大变化。
另外，由于Ag量对熔点造成影响，所以若Ag的含有率高于4质量％，则熔点变为235℃以上，钎焊时难以润湿扩展。因此，使Ag的含有率的最大值为4质量％。另外，若Ag的含有率变小，则Ag3Sn向Sn相的析出量变少，机械强度的特性降低。因此，使Ag的含有率的最小值为0.3质量％。
另外，构成本实施的方式的BGA球的Bi的含有率，由以下的理由决定。最小值如(表6)、(表7)中说明的，由于对耐热疲劳特性不造成影响，所以也可以是0。另外Bi具有在钎焊接合部的内部偏析的性质。因此，若高于1质量％，则偏析量变多，BGA球变脆。因此使Bi的含有率的最大值为1质量％。
还有，Ag和Bi因为对BGA球的耐热疲劳特性不造成影响，所以认为Sn-Ag-Bi-In中的In的含有率的效果在Sn-Ag-In和Sn-Bi-In中也能够同样地看待。
此外，作为本实施的方式的BGA电极和电路基板电极的镀覆构成，说明的是在非电解镀Ni之上实施闪镀Au的情况，但本发明的效果可以适用于全部具有实施了非电解镀Ni的镀层的电极。具体来说，例如可以适用于非电解镀Ni，还可以适用于实施了镀Pd、闪镀Au的等等。
本实施的方式的安装结构体中，具有BGA电极的BGA和具有电路基板电极的电路基板由前述的钎焊接合部接合。具有这样的特征的安装结构体，能够满足安装于电路基板的钎焊接合部的耐热疲劳特性。
如上，本发明的钎焊材料和安装结构体在对于具有进行了非电解镀Ni的BGA电极的BGA的钎焊中，也可以满足耐热疲劳特性。因此，譬如利用于在发动机室等的高温环境仍要求确保电导通的车载用的BGA部品的端子接合用BGA球等方面有用。

Claims (5)

1.一种安装结构体，其具备：
具有BGA电极的BGA；
具有电路基板电极的电路基板；
配置在所述电路基板电极上、与所述BGA电极连接的钎焊接合部，
所述钎焊接合部包含：含有率为0.6质量％以上且1.2质量％以下的Cu；含有率为3.0质量％以上且4.0质量％以下的Ag；含有率大于0质量％并在1.0质量％以下的Bi；In；Sn，其中，
(1)Cu的含有率为0.6质量％以上且0.91质量％以下的范围时，In的含有率为5.3+(6-(1.55×Cu的含有率+4.428))质量％以上且6.8+(6-(1.57×Cu的含有率+4.564))质量％以下，
(2)Cu的含有率大于0.91质量％并在1.0质量％以下的范围时，In的含有率为5.3+(6-(1.55×Cu的含有率+4.428))质量％以上且6.8质量％以下，
(3)Cu的含有率大于1.0质量％并在1.2质量％以下的范围时，In的含有率为5.3质量％以上且6.8质量％以下。
2.根据权利要求1所述的安装结构体，其中，还具备设于所述电路基板电极和所述BGA电极的至少一侧的表面的Ni镀层，所述Ni镀层和所述钎焊接合部的连接界面的反应层是在Cu6Sn5中含Ni的(Cuy，Ni1-y)6Sn5层，其中0≤y≤1。
3.一种BGA球，其包含：含有率为0.6质量％以上且1.2质量％以下的Cu；含有率为3.0质量％以上且4.0质量％以下的Ag；含有率大于0质量％并在1.0质量％以下的Bi；In；Sn，
(1)Cu的含有率为0.6质量％以上且0.91质量％以下的范围时，In的含有率为5.3+(6-(1.55×Cu的含有率+4.428))质量％以上且6.8+(6-(1.57×Cu的含有率+4.564))质量％以下，
(2)Cu的含有率大于0.91质量％并在1.0质量％以下的范围时，In的含有率为5.3+(6-(1.55×Cu的含有率+4.428))质量％以上且6.8质量％以下，
(3)Cu的含有率大于1.0质量％并在1.2质量％以下的范围时，In的含有率为5.3质量％以上且6.8质量％以下。
4.一种安装结构体，其具备：
具有BGA电极的BGA；
具有电路基板电极的电路基板；
配置在所述电路基板电极上、与所述BGA电极连接的钎焊接合部，
所述钎焊接合部包含：含有率为0.6质量％以上且1.2质量％以下的Cu；含有率为3.0质量％以上且4.0质量％以下的Ag；In；Sn，
(1)Cu的含有率为0.6质量％以上且0.91质量％以下的范围时，In的含有率为5.3+(6-(1.55×Cu的含有率+4.428))质量％以上且6.8+(6-(1.57×Cu的含有率+4.564))质量％以下，
(2)Cu的含有率大于0.91质量％并在1.0质量％以下的范围时，In的含有率为5.3+(6-(1.55×Cu的含有率+4.428))质量％以上且6.8质量％以下，
(3)Cu的含有率大于1.0质量％并在1.2质量％以下的范围时，In的含有率为5.3质量％以上且6.8质量％以下。
5.根据权利要求4所述的安装结构体，其中，还具备设于所述电路基板电极和所述BGA电极的至少一侧的表面的Ni镀层，所述Ni镀层和所述钎焊接合部的连接界面的反应层是在Cu6Sn5中含有Ni的(Cuy，Ni1-y)6Sn5层，其中0≤y≤1。
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