DE102015223015A1 - Montagestruktur und BGA-Kugel - Google Patents

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Kiyohiro Hine
Akio Furusawa
Masato Mori
Taichi Nakamura
Hidetoshi Kitaura
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Abstract

Eine Montagestruktur umfasst ein BGA mit einer BGA-Elektrode, eine Leiterplatte mit einer Leiterplattenelektrode und einen Lotverbindungsteil, der auf der Leiterplattenelektrode angeordnet und mit der BGA-Elektrode in Verbindung ist. Der Lotverbindungsteil ist gebildet aus Cu mit einem Anteilsverhältnis in einem Bereich von 0,6 Massen% bis 1,2 Massen% inklusive, Ag mit einem Anteilsverhältnis in einem Bereich von 3,0 Massen% bis 4,0 Massen% inklusive, Bi mit einem Anteilsverhältnis in einen Bereich von 0 Massen% bis 1,0 Massen% inklusive, In und Sn. Ein Bereich des Anteilsverhältnisses von In ist unterschiedlich, abhängig von dem Antellsverhältnis von Cu.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Montagestruktur mit einer Leiterplatte und einem Kugel-Gitter-Array (BGA), das mit der Leiterplatte verbunden ist, und eine BGA-Kugel.
  • STAND DER TECHNIK
  • In der jüngeren Vergangenheit ist elektrische Steuerung eines Fahrzeugs weiter vorangeschritten, und daher wurden zahlreiche elektronische Einrichtungen in dem Fahrzeug montiert und die Anzahl elektronischer Einrichtungen wurde vergrößert. Daher ist es schwierig, in ausreichender Weise einen Montageraum für die elektronischen Einrichtungen zu gewährleisten, die in dem Fahrzeug zu montieren sind, und daher müssen die Einrichtungen in der Größe reduziert werden. Daher wurde eine Leiterplatte in hohem Maße integriert, um eine Vielzahl elektronischer Komponenten mit diversen Funktionen auf einer einzelnen Leiterplatte zu montieren.
  • Aufgrund der äußerst integrierten Montage auf der Leiterplatte wurden auch integrierte Schaltungskomponenten in hohem Maße integriert. Im Stand der Technik wird in der elektronischen Einrichtung, die in einem Fahrzeug zu montieren ist, ein Quad-Flach-Gehäuse (QFP), in welchem Anschlüsse an vier Seiten der integrierten Schaltungskomponente angeordnet ist, oder dergleichen hauptsächlich eingesetzt. Jedoch wird das QFP zunehmend durch ein BGA aufgrund einer höheren Anzahl von Signalen der integrierten Schaltungskomponente ersetzt. Das BGA ist eine Art eines Gehäuses der integrierten Schaltungskomponente, das hauptsächlich auf der Leiterplatte in einem Verfahren mit Oberflächenmontage-Technik (SMT) zu montieren ist. In dem BGA sind Elektroden an einer Unterseitenfläche der integrierten Schaltungskomponente in einem gitterförmigen Muster angeordnet. Aus diesem Grunde kann das BGA mehr Signale ableiten als das QFT oder dergleichen. In dem BGA sind BGA-Kugeln bzw. Höcker, die kugelförmige Lotelemente sind, an den Elektroden angebracht, die auf dem Unterteil des Gehäuses in dem gitterartigen Muster angeordnet sind. Im Allgemeinen werden eine BGA-Elektrode und eine Leiterplattenelektrode wie folgt gelötet.
  • 5 ist eine Ansicht, die eine Lötsequenz für die BGA-Elektrode und die Leiterplattenelektrode darstellt. Zunächst wird eine Lotpaste, die eine Mischung aus einem Lotpulver, das Sn enthält, als eine Hauptkomponente und ein Flussmittel auf Leiterplattenelektrode 106 aufgebracht, die auf Substrat 105 einer Leiterplatte 104 angeordnet ist, wobei dies im Voraus durch Siebdruck erfolgt, und somit wird eine Lotpastenschicht 110 gebildet. Das BGA 108 umfasst ein BGA-Substrat 102, eine BGA-Elektrode 103, die auf dem BGA-Substrat 102 ausgebildet ist, und eine BGA-Kugel 101, der im Voraus auf die BGA-Elektrode 103 aufgelötet wird. Anschließend wird das BGA 108 auf der Lotpastenschicht 110 derart montiert, dass die BGA-Kugel 101 mit der Lotpastenschicht 110 in Kontakt ist.
  • Daraufhin wird die Lotpastenschicht 110 bis zu ihrem Schmelzpunkt durch ein beliebiges Verfahren unter Anwendung heißer Luft, Infrarotstrahlung, oder dergleichen erwärmt, und daher schmelzen die Lotpastenschicht 110 und die BGA-Kugel 101. Anschließend werden die Lotpastenschicht 110 und die BGA-Kugel 101 abgekühlt und sie verfestigen sich, und somit werden ein Lotverbindungsteil 107 und eine reagierte Schicht 109 gebildet. Daher sind die BGA-Elektrode 103 und die Leiterplattenelektrode 106 durch den Lotverbindungsteil 107 und die reagierte Schicht 109 verbunden.
  • Als Montagestruktur des Stands der Technik ist eine Montagestruktur bekannt, in der ein BGA und eine Leiterplatte unter Verwendung einer BGA-Kugel mit einem Verhältnis von Cu in einem Sn-Ag-Cu-basierten Lotmaterial oder einem Sn-Ag-Cu-In basierten Lotmaterial gleich oder größer 3 Massen% verbunden werden (beispielsweise vergleiche japanisches Patent mit der Nummer 4939891 ).
  • ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine Montagestruktur und eine BGA-Kugel bereitzustellen, die eine ausgezeichnete Widerstandsfähigkeit gegen thermische Ermüdung selbst zum Zeitpunkt der Einwirkung einer hohen Temperatur von 150°C, etwa in einem Motorraum eines Fahrzeugs, haben und in der Lage sind, die elektrische Leitung sicherzustellen.
  • Eine Montagestruktur der vorliegenden Offenbarung umfasst ein BGA mit einer BGA-Elektrode, eine Leiterplatte mit einer Leiterplattenelektrode, und einen Lotverbindungsteil, der auf der Leiterplattenelektrode angeordnet ist und mit der BGA-Elektrode verbunden ist. Der Lotverbindungsteil ist aus Cu mit einem Verhältnisanteil im Bereich von 0,6 Massen% bis 1,2 Massen% inklusive, aus Ag mit einem Anteilsverhältnis in einem Bereich von 3,0 Massen% bis 4,0 Massen% inklusive, aus Bi mit einem Anteilsverhältnis in einem Bereich von 0 Massen% bis 1,0 Massen% inklusive, und aus In und Sn gebildet. Ferner ist in dem Lotverbindungsteil jede der folgenden Bedingungen entsprechend einem Bereich des Anteilsverhältnisses von Cu erfüllt. (1) Wenn das Anteilsverhältnis von Cu in einem Bereich von 0,6 Massen% bis 0,91 Massen% inklusive liegt, liegt das Anteilsverhältnis von In in einem Bereich von 5,3 + (6 – (1,55 × Anteilsverhältnis von Cu + 4,428)) Massen% bis 6,8 + (6 – (1,57 × Anteilsverhältnis von Cu + 4,564)) Massen% inklusive. (2) Wenn das Anteilsverhältnis von Cu größer als 0,91 Massen% und gleich oder kleiner als 1,0 Massen% ist, ist das Anteilsverhältnis von In in einem Bereich von 5,3 + (6 – (1,55 × Anteilsverhältnis von Cu + 4,428)) Massen% bis 6,8 Massen% inklusive. (3) Wenn das Anteilsverhältnis von Cu größer als 1,0 Massen% und gleich oder kleiner als 1,2 Massen% ist, liegt das Anteilsverhältnis von In in einem Bereich von 5,3 Massen% bis 6,8 Massen% inklusive.
  • Wie zuvor beschrieben ist, ist gemäß der Montagestruktur der vorliegenden Offenbarung die Widerstandsfähigkeit gegen thermische Ermüdung selbst während einer Zeit, in der eine hohe Temperatur mit einem Maximum von 150°C, etwa in einem Motorraum eines Fahrzeugs, einwirkt, ausgezeichnet und die elektrische Leitfähigkeit kann gewährleistet werden.
  • Des Weiteren ist eine BGA-Kugel der vorliegenden Offenbarung eine BGA-Kugel zur Herstellung des Lotverbindungsteils der Montagestruktur, die zuvor beschrieben ist. Die BGA-Kugel ist aus Cu mit einem Anteilsverhältnis in einem Bereich von 0,6 Massen% bis 1,2 Massen% inklusive, aus Ag mit einem Anteilsverhältnis in einem Bereich von 3,0 Massen% bis 4,0 Massen% inklusive, aus Bi mit einem Anteilsverhältnis in einem Bereich von 0 Massen% bis 1,0 Massen% einschließlich, aus In und Sn gebildet. Sodann wird in der BGA-Kugel jede der folgenden Bedingungen entsprechend einem Bereich des Anteilsverhältnisses an Cu erfüllt. (1) Wenn das Anteilsverhältnis von Cu in einem Bereich von 0,6 Massen% bis 0,91 Massen% inklusive liegt, liegt das Anteilsverhältnis von In in einem Bereich von 5,3 + (6 – (1,55 × Anteilsverhältnis von Cu + 4,428)) Massen% bis 6,8 + (6 – (1,57 × Anteilsverhältnis von Cu + 4,564)) Massen% inklusive, (2) Wenn das Anteilsverhältnis von Cu größer als 0,91 Massen% und gleich oder kleiner als 1,0 Massen% ist, ist das Anteilsverhältnis von In in einem Bereich von 5,3 + (6 – (1,55 × Anteilsverhältnis von Cu + 4,428)) Massen% bis 6,8 Massen% inklusive. (3) Wenn das Anteilsverhältnis von Cu größer als 1,0 Massen% und gleich oder kleiner als 1,2 Massen% ist, liegt das Anteilsverhältnis von In in einem Bereich von 5,3 Massen% bis 6,8 Massen% inklusive.
  • Gemäß der BGA-Kugel der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, eine Montagestruktur herzustellen, in der die elektrische Leitfähigkeit gewährleistet werden kann.
  • KURZE BESCHREIBUNG VON ZEICHNUNGEN
  • 1A ist ein Diagramm, das einen Zustand vor und nach der Verbindung eines BGA und einer Leiterplatte, die eine Leiterplattenelektrode aufweist, zeigt, die einer stromlose Ni-Plattierung in dem Falle unterzogen wird, dass Cu in ausreichendem Maße in der BGA-Kugel und einem Lotpulver in einer Lotpaste enthalten ist.
  • 1B ist eine Ansicht, die einen Zustand vor und nach der Verbindung eines BGA und einer Leiterplatte, die eine Leiterplattenelektrode aufweist, zeigt, die einer stromlose Ni-Plattierung in dem Falle unterzogen wird, dass Cu in einer BGA-Kugel und in dem Lotpulver in einer Lotpaste nicht oder nur in geringer Menge enthalten ist.
  • 2 ist eine Ansicht, die einen Zustand einer binären Sn-In-Legierung zur Beschreibung einer Montagestruktur gemäß einer anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.
  • 3 ist eine Ansicht, die ein Analyseergebnis eines Anteilsverhältnisses von In in einem Lotverbindungsteil nach der Ausführung eines Lötvorgangs an der Leiterplattenelektrode mit stromloser Ni-Plattierung darstellt, indem eine Cu enthaltende Legierung verwendet wird, die eine Zusammensetzung aus Sn-3,5 Massen%, aus Ag-0,5 Massen%, aus Bi-6,0 Massen%, aus In aufweist, um die Montagestruktur gemäß der anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zu beschreiben.
  • 4 ist ein Diagramm, das ein Auswertungsergebnis für die Widerstandsfähigkeit gegen thermische Ermüdung des Lotverbindungsteils zeigt, der In enthält, das eine Zusammensetzung mit Sn-3,5 Massen% Ag-0,5 Massen% Bi-1,2 Massen% Cu hat, um die Montagestruktur gemäß der anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zu beschreiben.
  • 5 ist ein erläuterndes Diagramm, das eine Lötsequenz für eine BGA-Elektrode und eine Leiterplattenelektrode gemäß dem Stand der Technik zeigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Vor der Beschreibung einer anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung werden Probleme in einer Montagestruktur des Stands der Technik kurz beschrieben. Die Montagestruktur des Stands der Technik kann ebenfalls in einer Hochtemperaturumgebung von 150°C, etwa in einem Motorraum eines Fahrzeugs, für kurze Dauer verwendet werden. Doch ist bei der Bewertung der Widerstandsfähigkeit gegen thermische Ermüdung nach bordinternen (fahrzeuginternen) Standards das Ergebnis ungefähr 1000 Zyklen, und somit können die bordinternen Standards nicht erfüllt werden. In der zuvor beschriebenen Bewertung wird ein Temperaturzyklentest unter Testbedingungen von –40°C/150°C ausgeführt. In einem derartigen Test wird, wenn eine Unterbrechung bei 3000 Zyklen oder mehr nicht auftritt, bewertet, dass die Widerstandsfähigkeit gegen thermische Ermüdung ausreichend ist.
  • Als Grund dafür sei das Folgende betrachtet. In dem Lotverbindungsteil 107, in welchem die BGA-Kugel 101 geschmolzen, gekühlt und verfestigt wird, wird eine pro-euktetische intermetallische Cu6Sn5-Verbindung erzeugt. Diese pro-euktetische Cu6Sn5 hat Härteeigenschaften und pro-euktetische Eigenschaften, und vergröbert sich dadurch. Aus diesem Grunde ist die Duktilität des Lotverbindungsteils 107 selbst äußerst klein. Es kann angenommen werden, dass dieses pro-euktetische Cu6Sn5 aufgrund dessen erzeugt wird, dass die BGA-Kugel 101 Cu in einer Menge von 3 Massen% oder mehr enthält.
  • Eine elektronische Einrichtung, die in dem Motorraum verwendet wird, wird häufig einer hohen Temperatur und einer niedrigen Temperatur entsprechend dem Betrieb und Stillstand des Fahrzeugs ausgesetzt. Aus diesem Grunde wird die thermische Verspannung, die aufgrund einer Temperaturänderung hervorgerufen wird, wiederholt in dem Lotverbindungsteil 107 aufgrund eines Unterschieds in der Wärmeausdehnung der Leiterplatte 104 und des BGA-Substrats 102 erzeugt.
  • Wenn die Duktilität des Lotverbindungsteils 107 klein ist, kann ein Riss in der Verbindungsgrenzfläche zwischen der BGA-Elektrode 103 und dem Lotverbindungsteil 107 oder in einer Verbindungsgrenzfläche zwischen der reagierten Schicht 109 und dem Lotverbindungsteil 107 leicht auftreten, und dieser wird schnell größer. Wenn ein Riss in einer der Verbindungsgrenzflächen auftritt, ist die elektrische Leitfähigkeit nicht ausreichend gewährleistet. Aus diesem Grunde ist es schwierig, die Bewertung der Widerstandsfähigkeit gegen thermische Ermüdung gemäß den bordinternen Standards zu erfüllen.
  • Im Weiteren wird die anschauliche Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung mit Bezug zu den Zeichnungen beschrieben.
  • 1A ist eine Ansicht, die einen Zustand vor und nach der Verbindung einer BGA-Kugel 14 und einer Leiterplattenelektrode 6 zeigt, die im Voraus einer stromlose Ni-Plattierung gemäß der anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung unterzogen wird. Die Montagestruktur nach der Verbindung weist das BGA 8 mit der BGA-Elektrode 3, die Leiterplatte 4 mit der Leiterplattenelektrode 6 und einen Lotverbindungsteil 15 auf. Der Lotverbindungsteil 15 ist auf der Leiterplattenelektrode 6 angeordnet und ist mit der BGA-Elektrode 3 verbunden.
  • Eine BGA-Kugel 14 und eine Lotpastenschicht 13 enthalten ein Lotpulver, das Sn als eine Hauptkomponente und Ag, Bi, In und Cu enthält. Andererseits enthält dieses Lotpuffer gegebenenfalls Bi nicht. Die BGA-Kugel 14 und das Lotpulver in der der Lotpastenschicht 13 enthalten in ausreichendem Maße Cu (beispielsweise 0,8 Massen%).
  • Anschließend wird eine Sequenz zur Herstellung einer Montagestruktur, in der das BGA 8 und die Leiterplatte 4 unter Anwendung der BGA-Kugel 14 verbunden werden, beschrieben. In einem Zustand, bevor die BGA-Kugel 14 und die Leiterplattenelektrode 6 verbunden sind, weist das BGA 8 ein BGA-Substrat 2, BGA-Elektrode 3 und BGA-Kugel 14 auf. Andererseits weist die Leiterplatte 4 Substrat 5, Leiterplattenelektrode 6 und Lotpastenschicht 13 auf.
  • Zunächst wird eine Sequenz zur Herstellung des BGA 8 beschrieben. Sn, Ag, Bi, In und Cu, die ein Lotmaterial der BGA-Kugel 14 bilden, werden derart gewichtet, dass die Gesamtmenge 100 g beträgt. Das Anteilsverhältnis von Ag beträgt 3,5 Massen%, das von Bi beträgt 0,5 Massen%, das von In beträgt 5,9 Massen%, das von Cu beträgt 0,8 Massen% und das von Sn sind die verbleibenden 89,3 Massen%. Im Weiteren wird das Anteilsverhältnis als Sn mit 3,5 Massen% Ag-0,5 Massen% Bi- 5,9 Massen% In-0,8 Massen% Cu bezeichnet.
  • Das gewichtete Sn wird in einen Keramikschmelztiegel gegeben und wird in einer elektrischen Mantelheizung angeordnet, deren Temperatur auf 500°C eingestellt wird.
  • In (Indium) wird in den Schmelztiegel gegeben, nachdem bestätigt ist, dass Sn geschmolzen ist, und wird 3 Minuten lang gerührt. Danach wird Bi in den Schmelztiegel gegeben und wird 3 Minuten gerührt. Danach wird Ag in den Schmelztiegel gegeben, und 3 Minuten gerührt. Schließlich wird Cu in den Schmelztiegel gegeben und 3 Minuten gerührt.
  • Danach wird der Schmelztiegel aus der elektrischen Mantelheizung herausgenommen und in Wasser bei 25°C in einen Behälter eingetaucht und somit gekühlt. Nach der Kühlung wird das hergestellte Lotmaterial verarbeitet, und es wird somit die BGA-Kugel 14 mit einem Durchmesser von 0,3 mm hergestellt.
  • Die hergestellte BGA-Kugel 14 wird auf die BGA-Elektrode 2 gelötet, und somit wird das BGA 8 gebildet. Die BGA-Elektrode 3 enthält eine Cu-Basis 3a, die auf dem BGA-Substrat 2 angeordnet ist, eine stromlose Ni-Plattierungsschicht (im Weiteren als Ni-Schicht bezeichnet) 3d, die auf der Cu-Basis 3a gebildet ist, und eine dünne Au-Plattierungsschicht (im Weiteren als Au-Schicht bezeichnet ist) 3c, die auf der Ni-Schicht 3b gebildet ist.
  • Die BGA-Kugel 14 wird auf die BGA-Elektrode 3 unter Anwendung des folgenden Verfahrens gelötet. Die BGA-Kugel 14 wird auf die BGA-Elektrode 3 gelegt und ein kommerziell verfügbares Flussmittel wird zum Löten darauf getropft. In diesem Zustand wird die BGA-Elektrode 3 auf eine Temperatur von 220°C bis 250°C für ungefähr 30 Sekunden lang unter Anwendung eines Wiederaufschmelz-Ofens erwärmt, und wird anschließend bei Raumtemperatur luftgekühlt. Wie zuvor beschrieben ist, ist das BGA 8 somit fertig gestellt.
  • Daraufhin wird das BGA 8 auf die Leiterplatte 4 gelötet und somit wird die Montagestruktur wie folgt gebildet.
  • Zunächst wird die Leiterplatte 4 mit der Leiterplattenelektrode 6 vorbereitet. Eine nicht entflammbare (FR) Stufe des Substrats 5 ist FR-5. Die Leiterplattenelektrode 6 enthält eine Cu-Basis 6a, eine stromlose Ni-Plattierungsschicht (im Weiteren als Ni-Schicht bezeichnet) 6b, die auf der Cu-Basis 6a gebildet ist, und eine Au-Plattierungsschicht (im Weiteren als Au-Schicht bezeichnet) 6c, die auf der Ni-Schicht 6b gebildet ist.
  • Anschließend wird eine Lotpaste, die ein Lotmittel mit der gleichen Zusammensetzung wie die BGA-Kugel 14 enthält, auf die Leiterplattenelektrode 6 mittels Siebdruck unter Anwendung einer Metallmaske aufgebracht. Somit ist die Lotmaskenschicht 13 auf der Leiterplattenelektrode 6 gebildet.
  • Anschließend wird das BGA 8 derart auf die Leiterplatte 4 gelegt, dass die Lotpastenschicht 13 mit der BGA-Kugel 14 überlappt. Ferner werden die Lotpastenschicht 13 und die BGA-Kugel 14 in einem Wiederaufschmelzprozess gelötet, der Identisch zu dem Lötvorgang der BGA-Kugel 14 an die BGA-Elektrode 3 ist.
  • Es wird ein Temperaturzyklentest mit Bezug zu der hergestellten Montagestruktur unter Testbedingungen von –40°C/150°C ausgeführt, bis die elektrische Leitfähigkeit des Lotverbindungsteils 15 nicht mehr gegeben und somit unterbrochen ist.
  • Wie zuvor beschrieben ist, ist es ebenfalls nötig bei der Bewertung der Widerstandsfähigkeit gegen thermische Ermüdung von bordinternen Komponenten, die in der Nähe des Motors des Fahrzeugs montiert sind, dass die BGA in der Lage ist, eine Leitung nach 3000 Zyklen sicherzustellen. D. h., im Falle, in welchem die Anzahl der Zyklen 3000 oder größer ist, wird die Widerstandsfähigkeit gegen thermische Ermüdung als ausreichend bewertet.
  • Wenn die BGA-Kugel 14 mit Sn mit 3,5 Massen% Ag-0,5 Massen% Bi-5,9 Massen% In-0,8 Massen% Cu, wie zuvor beschrieben, verwendet wird, ist die Anzahl an Zyklen, ab der die Leitung nicht mehr gewährleistet ist, 3300, und daher ist es möglich zu bestätigen, dass ein Erfordernis im Hinblick auf das bordinterne Produkt, das in der Nähe des Motors des Fahrzeugs montiert wird, erfüllt wird.
  • Aus der vorhergehenden Beschreibung geht hervor, dass die Montagestruktur unter Verwendung der BGA-Kugel 14, die die zuvor beschriebene Zusammensetzung hat, eine ausgezeichnete Widerstandsfähigkeit gegen thermische Ermüdung selbst In einer Zeit mit wiederholter Einwirkung durch eine hohe Temperatur mit maximal 150°C, etwa im Motorraum des Fahrzeugs, hat, und damit die elektrische Leitfähigkeit gewährleisten kann.
  • Als nächstes wird der Aufbau der BGA-Kugel 14 detailliert beschrieben. Zunächst wird das Anteilsverhältnis von Cu in der BGA-Kugel 14 beschrieben.
  • Cu wird gemischt, um eine reagierte Schicht an einer Verbindungsgrenzfläche zwischen der BGA-Kugel 14 und der Leiterplattenelektrode 6 oder einer Verbindungsgrenzfläche zwischen der BGA-Kugel 14 und der BGA-Elektrode 3 zum Zeitpunkt der Verbindung des BGA 8 zu steuern.
  • Generell wird in der BGA-Elektrode 3 die Ni-Schicht 3b aufgebracht, um die Diffusion von Elementen der Cu-Basis 3a oder dergleichen zu blockieren, und die Au-Schicht 3c wird auf der Ni-Schicht 3b aufgebracht, um die Oxidation von Ni zu verhindern.
  • Wenn die BGA-Kugel 14 auf das BGA-Substrat 2 gelötet wird, wird die Au-Schicht 3c unmittelbar geschmolzen und in dem Lotmaterial verteilt, und sie verschwindet, so dass eine Legierungsschicht an einer Grenzfläche zwischen der BGA-Elektrode 3 und der BGA-Kugel 14 gebildet wird. Als Folge davon werden die BGA-Elektrode 3 und die BGA-Kugel 14 durch diese Legierungsschicht verbunden.
  • Ebenso wird in der Leiterplattenelektrode 6 die Ni-Schicht 6b, die teilweise P (Phosphor) darin enthält, auf der Oberfläche der Cu-Basis 6a aufgebracht, und die Au-Schicht 6c wird auf der Ni-Schicht 6b aufgebracht, um die Oxidation von Ni zu unterdrücken. Wenn in diesem Falle das BGA 8 und die Leiterplatte 4 verbunden werden, schmilzt die Au-Schicht 6c unmittelbar und wird in dem Lotmaterial verteilt und verschwindet. Als Folge davon wird die reagierte Schicht 11 auf einer Verbindungsgrenzfläche zwischen der Leiterplattenelektrode 6 und dem Lotverbindungsteil 15 gebildet. Der Lotverbindungsteil 15 kann Au enthalten, das sich aus der Verteilung der Au-Schicht 6c ergibt.
  • Wie in 1A gezeigt ist, wird, wenn Cu ausreichend in der BGA-Kugel 14 enthalten ist, an einer Grenzfläche, an der die Leiterplattenelektrode 6 mit dem Lotmaterial der BGA-Kugel 14 in Kontakt ist, eine Reaktion von Sn mit Cu in dem Lotmaterial hervorgerufen, und somit wird die reagierte Schicht 11 aus Cu6Sn5 erzeugt. Zu diesem Zeitpunkt ist ein Teil der Ni-Schicht 6b darin enthalten, und somit wird die reagierte Schicht 11 (Cuy,Ni1-y)6Sn5, in welchem ein Teil des Cu von Cu6Sn5 durch Ni (0 ≤ y ≤ 1) ersetzt ist.
  • Das Anteilsverhältnis von Cu wird nachfolgend detailliert beschrieben, und um (Cuy,Ni1-y)6Sn5 zu bilden, in welchem ein Teil des Cu des Cu6Sn5 durch Ni ersetzt ist, wird in Betracht gezogen, dass das Anteilsverhältnis von Cu Schwellenwerte hat.
  • Im Gegensatz dazu ist in 1B Cu in der BGA-Kugel 1 und dem Lotpulver in der Lotpastenschicht 12 nicht oder nur in geringer Menge (beispielsweise 0,3 Massen%) enthalten. 1B ist ein Diagramm, das einen Zustand vor und nach den Verbinden des BGA 28 und der Leiterplatte 4 in einem derartigen Falle zeigt.
  • Wie in 1A enthält die BGA-Elektrode 3 die Cu-Basis 3a, die Ni-Schicht 3b zum Blockieren der Diffusion der Elemente der Cu-Basis 3a, und die Au-Schicht 3c, die auf der Ni-Schicht 3b ausgebildet ist und die Oxidation von Ni unterdrückt.
  • Wenn die BGA-Kugel 1 auf das BGA-Substrat 2 gelötet wird, schmilzt die Au-Schicht 3c sofort und verteilt sich in dem Lotmaterial und verschwindet, und daher werden die BGA-Elektrode 3 und die BGA-Kugel 1 durch die Legierungsschicht an der Grenzfläche verbunden.
  • Wenn Cu in der BGA-Kugel 1 nicht oder nur in geringem Ausmaße enthalten ist, reagiert in einer Grenzfläche, an der die Leiterplattenelektrode 6 mit dem Lotmaterial in Kontakt ist, das Sn in der BGA-Kugel 1 und der Lotpastenschicht 12 mit Ni in der Leiterplattenelektrode 6, und somit wird die reagierte Schicht 9 aus Ni3Sn4 erzeugt.
  • Zu dieser Zeit wird Cu, das die Cu-Basis 6a bildet, in die Ni-Schicht 6b getrieben, und somit wird die reagierte Schicht 9 zu (Nix,Cu1-x)3Sn4, in welchem ein Teil des Ni des Ni3Sn4 durch Cu (0 ≤ x ≤ 1) ersetzt wird. Wenn (Nix,Cu1-x)3Sn4 als reagierte Schicht 9 gebildet wird, wächst die reagierte Schicht 9 relativ leicht. Aus diesem Grunde wird Ni in das Lotmaterial verteilt, indem eine hohe Temperatur in einem Temperaturzyklus beibehalten wird, und somit wächst (Nix,Cu1-x)3Sn4.
  • (Nix,Cu1-x)3Sn4 ist eine intermetallische Verbindung mit harten und brüchigen Eigenschaften. Aus diesem Grunde kann die thermische Verspannung nicht in ausreichender Weise aufgrund des Wachstums der reagierten Schicht 9 entspannt werden, und somit können ein Riss oder eine Unterbrechung auftreten.
  • Ferner wird zu der Zeit des Wachsens von (Nix,Cu1-x)3Sn4Ni in den Lotverbindungsteil 7 durch (Nix, Cu1-x)3Sn4 getrieben. Aus diesem Grunde wird die Konzentration an P in der Ni-Schicht 6b in der Nähe der reagierten Schicht 9 hoch. P reagiert in einfacher Weise mit In des Lotverbindungsteils 7, und somit wird eine InP-Verbindung erzeugt.
  • Obwohl die Details nachfolgend beschrieben sind, beeinflusst das Anteilsverhältnis von In in dem Lotverbindungsteil 7 die Widerstandsfähigkeit gegen thermische Ermüdung beträchtlich. Wenn daher das Anteilsverhältnis von In kleiner wird, wird die Widerstandsfähigkeit gegen thermische Ermüdung beeinträchtigt.
  • Aus dem zuvor beschriebenen Grund ist es erforderlich, (Cuy,Ni1-y)6Sn5 als reagierte Schicht 11 zu bilden, um die elektrische Leitfähigkeit über eine lange Zeitdauer hinweg sicherzustellen.
  • Um (Cuy,Ni1-y)6Sn5 zu bilden, ist es erforderlich, dass Cu in großer Menge in dem Lotverbindungsteil 15 enthalten ist. Wenn jedoch Cu in exzessiver Menge enthalten ist, wird eine hyper-euktektische Verbindung wie im Verfahren des Stands der Technik erzeugt, und somit wird das pro-euktektische Cu6Sn5 in dem Lotverbindungsteil 15 erzeugt. Das pro-euktektische Cu6Sn5 ist hart. Daher kann der Lotverbindungsteil 15 nicht in ausreichender Weise eine thermische Verspannung auflösen, und daher das Auftreten von Rissen und deren Wachstum und eine Unterbrechung hervorgerufen.
  • Es ist daher erforderlich, das Anteilsverhältnis von Cu in dem die BGA-Kugel 14 bildenden Lotmaterial oder in der Lotpastenschicht 13 in einem Bereich zu halten, in welchem das pro-euktektische Cu6Sn5 in dem Lotverbindungsteil 15 nicht erzeugt wird und (Cuy,Ni1-y)6Sn5 als reagierte Schicht 11 erzeugt wird.
  • Als nächstes wird ein Ergebnis beschrieben, in welchem eine Abhängigkeit zwischen dem Anteilsverhältnis von Cu und den Strukturen der reagierten Schicht und des Lotmaterials bewertet wird, um einen derartigen Bereich des Anteilsverhältnisses von Cu zu demonstrieren.
  • Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzung des Lotmaterials, das in dem Test verwendet wurde, das Vorhandensein oder Fehlen der Erzeugung von pro-euktektischem Cu6Sn5 in dem Lotverbindungsteil nach dem Löten, die Zusammensetzung der reagierten Schicht und ein Ergebnis, das im Hinblick sowohl auf das Vorhandensein oder das Fehlen der Erzeugung von pro-euktektischem Cu6Sn5 und dem Aufbau der reagierten Schicht ermittelt wurde. Tabelle 1
    Probe Sn Ag Bi In Cu Erzeugung von Cu6Sn5 Reagierte Schicht Bestimmung
    E1-1 Bal. 3,5 0,5 6,0 0,6 Fehlt (Cu0,5Ni0,5)6Sn5 OK
    E1-2 Bal. 3,5 0,5 6,0 0,9 Fehlt (Cu0,6Ni0,4)6Sn5 OK
    E1-3 Bal. 3,5 0,5 6,0 1,2 Fehlt (Cu0,8Ni0,2)6Sn5 OK
    C1-4 Bal. 3,5 0,5 6,0 0,3 Fehlt (Ni0,8Cu0,2)3Sn4 NG
    C1-5 Bal. 3,5 0,5 6,0 0 Fehlt (Ni0,9Cu0,1)3Sn4 NG
    C1-6 Bal. 3,5 0,5 6,0 1,5 Vorhanden (Cu0,7Ni0,3)6Sn5 NG
    C1-7 Bal. 3,5 0,5 6,0 1,8 Vorhanden (Cu0,8Ni0,2)6Sn5 NG
  • Zunächst wurden Proben, die in dieser anschaulichen Ausführungsform ausgewertet wurden, durch das folgende Verfahren hergestellt.
  • Sn, Ag, Bi, In und Cu, die das Lotmaterial der BGA-Kugel bilden, werden entsprechend dem vorbestimmten Anteilsverhältnis gewichtet, so dass die Gesamtmenge 100 g beträgt. Die Sequenz vom Gewichten bis zur Herstellung der Montagestruktur ist identisch zu der zuvor beschriebenen Abfolge.
  • Um die Strukturen in der reagierten Schicht und dem Lotmaterial der vorbereiteten Montagestruktur zu bestätigen, wird ein Oberflächenabschnitt geschliffen, analysiert und beobachtet. Zunächst wird der Oberflächenabschnitt bis zu P2000 (ISO-P-Standards 6344-3 1998) unter Anwendung eines Schleifpapiers geschliffen. Danach wird der Oberflächenschicht sequenziell mit einem Diamantabriebsmittel mit einer Körnung von 3 μm und einem Al2O3 Abriebsmittel mit einer Körnung von 0,05 μm geschliffen, um eine Spiegeloberfläche zu erhalten.
  • Der geschliffene Oberflächenabschnitt der Montagestruktur wird durch Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops (SEM) und Energie dispersiver Röntgen-Spektroskopie (EDX) untersucht. Anschließend werden die Strukturen in der reagierten Schicht und dem Lotmaterial ermittelt. In jeder der Proben sind das Vorhandensein oder Fehlen der Erzeugung von Cu6Sn5 und die Struktur der reagierten Schicht in der Tabelle 1 gezeigt.
  • Als Ergebnis der Bestätigung der Anwesenheit oder des Fehlens der Erzeugung von pro-euktektischem Cu6Sn5 in dem Lotmaterial wurde in den Proben E1-1 bis E1-3 und den Proben C1-4 und C1-5 die Erzeugung von pro-euktektischem Cu6Sn5 nicht beobachtet. Im Gegensatz dazu wurde in den Proben C1-6 und C1-7, in denen das Anteilsverhältnis von Cu 1,5 Massen% bzw. 1,8 Massen% betrug, die Erzeugung von pro-euktektischem Cu6Sn5 in dem Lotmaterial bestätigt.
  • Als nächstes wurde in den Proben E1-1 bis E1-3 und in den Proben C1-4 und C1-5, in denen die Erzeugung von pro-euktektischem Cu6Sn5 nicht beobachtet wurde, die Struktur der reagierten Schicht bestätigt. Als Ergebnis davon wurde erkannt, dass in den Proben E1-1 bis E1-3 (Cuy,Ni1+y)6Sn5 als die reagierte Schicht erzeugt ist, aber in den Proben C1-4 und C1-5 mit einem geringen Anteil an Cu, (Nix,Cu1-x)3Sn4 erzeugt wird.
  • Ferner wird in den Proben C1-6 und C1-7 (Cuy,Ni1-y)6Sn5 als die reagierte Schicht erzeugt, aber die Erzeugung von pro-euktektischem Cu6Sn5 ist in dem Lotmaterial bestätigt.
  • Auf der Grundlage eines derartigen Ergebnisses wird im Falle, dass pro-euktektisches Cu6Sn5 in dem Lotmaterial nicht erzeugt ist, und (Cuy,Ni1-y)6Sn5 als die reagierte Schicht erzeugt wird, als OK bestimmt. Im Gegensatz dazu wird in einem Falle, in welchem pro-euktektisches Cu6Sn5 in dem Lotmaterial erzeugt wird, oder im Falle, dass (Nix,Cu1-x)3Sn4 als die reagierte Schicht erzeugt wird, NG bestimmt.
  • Auf der Grundlage einer derartigen Bestimmung ist es ersichtlich, dass das Anteilsverhältnis von Cu in einem Bereich von 0,6 Massen% bis 1,2 Massen% inklusive in der Zusammensetzung des Lotmaterials, die in Tabelle 1 gezeigt ist, liegen sollte.
  • Als nächstes wird eine Abhängigkeit zwischen dem Anteilsverhältnis von In und Wirkungen, die für die Lotverbindung relevant sind, beschrieben. 2 ist ein Diagramm, das einen Zustand einer binären Sn-In-Legierung zeigt. Lotmaterial auf der Grundlage von Sn-In bildet eine Legierung (β-Sn), in der In als eine Festphasenlösung in einem Niedrig-In-Gebiet aufgelöst ist.
  • Die Festphasenlösung ist ein Phänomen, in der ein Teil eines Kristallgitters eines Ausgangsmetalls durch ein Festphasenlösungselement auf atomarer Ebene ersetzt wird. Generell erzeugt das Festphasenlösungselement eine Verformung in einem Kristallgitter eines Ausgangselements aufgrund einer atomaren Differenz zwischen dem Ausgangsmetall und dem Festphasenlösungselement. Aus diesem Grunde ist es möglich, die Bewegung eines Kristalldefekts, etwa eines Übergangs, zum Zeitpunkt einer belastenden Verspannung zu unterdrücken. Folglich ist es möglich, die Festigkeit von Metall zu verbessern und die Duktiliät zum Zeitpunkt der Belastung reduziert sich. Aufgrund einer derartigen Wirkung der Festphasenlösung steigt die Festigkeit des Lotmaterials mit zunehmenden Anteil des Festphasenlösungselements an.
  • Das BGA ist größer als ein passives Bauelement, etwa ein Chip-Widerstand, und daher ist eine thermische Verspannung, die zur Zeit der Einwirkung einer hohen Temperatur erzeugt wird, ebenfalls groß. Insbesondere wird in einer Hochtemperaturumgebung von 150°C, etwa im Motorraum, eine große thermische Verspannung erzeugt, die eine Fließspannung übersteigt. Daher beeinflusst eine Abnahme der Duktilität die Widerstandsfähigkeit gegen thermische Ermüdung ganz wesentlich.
  • Wenn In in einem Sn-basierten Lotmaterial als eine Festphasenlösung aufgelöst ist, entsteht die gleiche Wirkung in der Nähe von Raumtemperatur, und wenn die Temperatur hoch wird, tritt eine γ-Phase mit einer anderen Struktur aufgrund eines Phasenübergangs auf. D. h., es wird ein Zustand erreicht, in welchem zwei unterschiedliche Phasen koexistieren (γ + β-Sn). Aufgrund eines derartigen Zustands, in welchem zwei Phasen koexistieren, wird die Duktilität bei hoher Temperatur verbessert.
  • Der Phasenübergang zu der γ-Phase hat abhängig von den Anteilsverhältnis an In und der Temperatur ein unterschiedliches Entwicklungsverhalten. Wie in 2 gezeigt ist, ist eine Temperatur, bei der ein Zustand sich zu entwickeln beginnt, in welchem zwei Phasen aus β-Sn und γ koexistieren, beispielsweise tiefer, wenn das Anteilsverhältnis von In ansteigt, wie in der Abhängigkeit zwischen Punkt a und Punkt b. Aus diesem Grunde wird, wenn das Anteilsverhältnis von In klein ist, die Temperatur höher als die Temperatur, bei der die Duktilität verbessert ist, und die thermische Verspannung, die während des Temperaturanstiegs erzeugt wird, wird nicht ausreichend entspannt, und somit kann ein Riss oder eine Unterbrechung auftreten.
  • Wenn andererseits das Anteilsverhältnis an In äußerst hoch ist, beginnt der Phasenübergang bei einer tieferen Temperatur. Aus diesem Grunde wird beispielsweise in einem Schritt mit der höchsten Temperatur von 150°C, etwa in Punkt c, der Hauptteil der Struktur zu der γ-Phase. Der Phasenübergang von β-Sn zu der γ-Phase geht mit einer Volumenänderung einher, und wenn daher das Anteilsverhältnis von In äußerst hoch ist, findet ein Selbst-Kollaps des Lotmaterials statt und es ist schwierig, die elektrische Leitfähigkeit über eine lange Zeitdauer zu gewährleisten.
  • Aus diesem Grunde sollte das Anteilsverhältnis von In in der BGA-Kugel in einem Bereich liegen, in welchem der Wärmewiderstandsfähigkeit von maximal 150°C sichergestellt werden kann und ein Selbst-Kollaps nicht auftritt.
  • Wie zuvor beschrieben ist, reagiert In mit P in der reagierten Schicht zwischen dem Lotverbindungsteil und der stromlosen Ni-Plattierungsschicht der Elektrode, und somit wird das Anteilsverhältnis von In in dem Lotverbindungsteil vor und nach der Verbindung geändert. Die Änderung im Anteilsverhältnis von In ist mit Bezug zu 3 beschrieben. 3 zeigt ein Analyseergebnis des Anteilsverhältnisses von In in dem Lotverbindungsteil nach dem Löten auf der Leiterplattenelektrode, die die stromlose Ni-Plattierungsschicht enthält, indem eine Legierung, die Cu enthält, das eine Zusammensetzung von Sn-3,5 Massen% an Ag-0,5 Massen% an Bi-6,0 Massen% an In aufweist, angewendet wird.
  • Hier ebenso wie bei den zuvor beschriebenen Verfahren wird das Anteilsverhältnis von In nach dem Löten auf die Leiterplattenelektrode, die die stromlose Ni-Plattierungsschicht aufweist, unter Anwendung von EDX gemessen.
  • Proben wurden wie folgt hergestellt. Das Lotmaterial wurde durch das gleiche Verfahren hergestellt, wie es zuvor beschrieben ist.
  • Das hergestellte Lotmaterial wird in eine BGA-Kugel mit einem Durchmesser von 0,3 mm verarbeitet. Andererseits wird ein Landegitter-Array (LGA) mit 132 Stiften, einer Größe von 8 mm × 8 mm und einem Kugelabstand von 0,5 mm hergestellt. Dieses LGA hat eine LGA-Elektrode mit einem Durchmesser von 0,25 mm, und die LGA-Elektrode wird einem Ni-Plattierungsprozess für eine Dicke von 5 μm anschließend einer kurzzeitigen Abscheidung von Au unterzogen. Nachdem ein kommerziell erhältliches Flussmittel zum Löten im Voraus auf die LGA-Elektrode aufgebracht wird, wird die BGA-Kugel darauf gelegt. Danach wird die BGA-Kugel mit der LGA-Elektrode unter den Wiederaufschmelz-Bedingungen des gleichen Verfahrens verbunden, wie dies zuvor beschrieben ist, und somit ist ein BGA hergestellt.
  • Danach wird eine Lotpaste mit einem Lotpulver, das die gleiche Zusammensetzung wie die BGA-Kugel hat, auf die Leiterplattenelektrode aufgedruckt, so dass eine Dicke von 120 μm entsteht, und danach wird das BGA auf die Leiterplatte so aufgelegt, dass die Position der BGA-Kugel des BGA der Position der Leiterplattenelektrode entspricht. Danach wird die BGA-Kugel mit der Leiterplattenelektrode auf der Leiterplatte unter den Wiederaufschmelz-Bedingungen des gleichen Verfahrens verbunden, wie es zuvor beschrieben ist.
  • Dabei werden zwei Arten von Elektroden als die Leiterplattenelektrode verwendet. In einer Art der Elektroden unterliegt Cu einem stromlose Ni-Plattierungsprozess für eine Dicke von 5 μm und mit anschließender kurzer Au-Plattierung. In einer weiteren Art der Elektroden wird Cu mit einem Vor-Flussmittel behandelt.
  • Im Falle der Ausführung der stromlose Ni-Plattierung nur an der BGA-Elektrode beträgt, wenn das Anteilsverhältnis von Cu null ist, das Anteilsverhältnis von In in dem Lotverbindungsteil 5,1 Massen%; wenn jedoch das Anteilsverhältnis von Cu ansteigt, wird eine Abnahme des In unterdrückt, und somit steigt das Anteilsverhältnis von In an. Wenn das Anteilsverhältnis von Cu 0,4 Massen% beträgt, ist das Anteilsverhältnis von In 5,2 Massen%. Wenn ferner das Anteilsverhältnis von Cu 0,9 Massen% beträgt, dann ist das Anteilsverhältnis von In 5,99 Massen%.
  • Im Falle der Ausführung der stromlosen Ni-Plattierung sowohl an der BGA-Elektrode als auch an der Leiterplattenelektrode beträgt, wenn das Anteilsverhältnis von Cu null ist, das Anteilsverhältnis von In in dem Lotverbindungsteil 5,1 Massen%; wenn jedoch das Anteilsverhältnis von Cu anwächst, wird eine Abnahme von In unterdrückt, und somit steigt das Anteilsverhältnis von In an. Wenn dann das Anteilsverhältnis von Cu 0,5 Massen% beträgt, ist das Anteilsverhältnis von In 5,21 Massen%. Wenn ferner das Anteilsverhältnis von Cu 0,9 Massen% beträgt, dann ist das Anteilsverhältnis von In 5,83 Massen%.
  • Wenn beide Fälle verglichen werden, ergibt sich in dem Fall, in welchem sowohl die BGA-Elektrode als auch die Leiterplattenelektrode dem stromlosen Ni-Plattierungsprozess unterzogen werden, eine große Änderung des Anteilsverhältnis von In. Aus diesem Grunde ist es bevorzugt, dass der untere Grenzwert des Anteilsverhältnisses von Cu durch einen Wert im Falle des Ausführens des stromlosen Ni-Plattierungsprozesses an beiden Oberflächen berechnet wird. Andererseits ist es bevorzugt, dass der obere Grenzwert durch einen Wert berechnet wird für den Fall, dass der stromlose Ni-Plattierungsprozesses lediglich an der BGA-Elektrode ausgeführt wird.
  • Wenn der stromlose Ni-Plattierungsprozess sowohl an der BGA-Elektrode als auch an der Leiterplattenelektrode ausgeführt wird, wird der folgende Graf einer linearen Funktion erhalten, wenn eine näherungsweise gerade Linie, die eine Abhängigkeit zwischen dem Anteilsverhältnis von Cu und dem Anteilsverhältnis von In zeigt, unter Verwendung von Werten für eine Zeit gezogen wird, in der das Anteilsverhältnis von Cu im Bereich von 0,5 Massen% bis 0,9 Massen% liegt. (Anteilsverhältnis von In) = 1,55 × (Anteilsverhältnis von Cu) + 4,428 (1)
  • Andererseits wird der folgende Graf einer linearen Funktion erhalten, wenn die stromlose Ni-Plattierung lediglich auf die BGA-Elektrode angewendet wird, wenn eine näherungsweise gerade Linie gezogen wird. (Anteilsverhältnis von In) = 1,57 × (Anteilsverhältnis von Cu) + 4,564 (2) 3 zeigt diese angenäherten geraden Linien.
  • Wie zuvor beschrieben ist, wird, wenn das Anteilsverhältnis von Cu in einem Bereich von 0,6 Massen% bis 1,2 Massen% inklusive liegt, pro-euktektisches Cu6Sn5 in dem Lotverbindungsteil nicht erzeugt, und es wird (Cuy,Ni1-y)6Sn5 als die reagierte Schicht erzeugt. Wenn in diesem Bereich das Anteilsverhältnis von Cu in einem Bereich von 0,6 Massen% bis 1,0 Massen% inklusive liegt, ist es erforderlich, eine Zusammensetzung im Hinblick auf eine Abnahme des Anteilsverhältnisses von In entsprechend dem Ausdruck (1) und dem Ausdruck (2) in Betracht zu ziehen.
  • Als nächstes wird das Anteilsverhältnis von In, das die Widerstandsfähigkeit gegen thermische Ermüdung von bordinternen Standards erfüllt, mit Bezug zu einem Fall beschrieben, in welchem das Anteilsverhältnis von Cu größer als 1,0 Massen% ist, wobei eine Abnahme im Anteilsverhältnis von In nicht auftritt.
  • 4 ist ein Diagramm, das ein Auswerteergebnis der Widerstandsfähigkeit gegen thermische Ermüdung des Lotverbindungsteils zeigt, der In aufweist und eine Zusammensetzung aus Sn-3,5 Massen% aus Ag-0,5 Massen% aus Bi-1,2 Massen% aus Cu hat, um die Montagestruktur gemäß dieser anschaulichen Ausführungsform zu beschreiben.
  • In dieser Auswertung ist ein Kandidat eine Montagestruktur, in der das BGA, das zuvor beschrieben ist, auf der Leiterplatte montiert wird, die eine Leiterplattenelektrode aufweist, die dem stromlose Ni-Plattierungsprozess unterzogen wurde, und ein Substrat mit einer FR-5-Einstufung hat. Die Anzahl an Testzyklen auf einer vertikalen Achse gibt die Anzahl an Zyklen an, bei denen die elektrische Leitung des Lotverbindungsteils nicht erhalten wird, sondern diese unterbrochen wird, wenn ein Temperaturzyklus ausgeführt wird im Bezug auf eine derartige Montagestruktur mit Testbedingungen von –40°C/150°C. Eine horizontale Achse gibt das Anteilsverhältnis von In in dem Lotverbindungsteil an.
  • In der Auswertung der Widerstandsfähigkeit gegen thermische Ermüdung des bordinternen Produkts, das in der Nähe des Motors des Fahrzeugs montiert ist, ist es erforderlich, dass das BGA die Leitfähigkeit bei 3000 Zyklen oder mehr sicherstellen kann.
  • Die Anzahl an Zyklen ist 3000 oder größer, wenn das Anteilsverhältnis von In, das in dem Lotverbindungsteil als Festphasenlösung gelöst ist, nach dem Löten 5,5 Massen% (3350 Zyklen), 6,0 Massen% (3600 Zyklen) und 6,5 Massen% (3450 Zyklen) beträgt. Wenn andererseits das Anteilsverhältnis von In gleich oder kleiner als 5,0 Massen% oder gleich oder größer als 7,0 Massen% ist, ist die Anzahl an Zyklen kleiner als 3000.
  • In entsprechenden Fällen, in denen die Anteilsverhältnisse von In 5,0 Massen% und 7,0 Massen% betragen, wird der Oberflächenabschnitt des Lotverbindungsteils nach Abschluss der Bewertung der Widerstandsfähigkeit der thermischen Ermüdung beobachtet. Wenn das Anteilsverhältnis von In 5,0 Massen% beträgt, wird ein Bruch beobachtet, von dem angenommen wird, dass er aufgrund des Anwachsens eines Risses während einer thermischen Ermüdung erzeugt wird. Andererseits wird in einem Falle, in welchem das Anteilsverhältnis von In 7,0 Massen% beträgt, der Selbst-Kollaps der Lotstruktur beobachtet, wie zuvor beschrieben ist.
  • Indessen zeigt 4 eine angenäherte Kurve, die unter Anwendung der zuvor beschriebenen Daten gewonnen wird. Diese angenäherte Kurve zeigt die folgende quadratische Funktion. (Anzahl an Taktzyklen) = –1200 × (Anteilsverhältnis von In)2 + 14460 × (Anteilsverhältnis von In) – 39900 (3)
  • Daher liegt das Anteilsverhältnis von In, das zur Sicherstellung der Anzahl an Zyklen von 3000 oder größer in der Lage ist, was einer bordinternen Standards ist, ungefähr in einem Bereich von 5,3 Massen% bis 6,8 Massen% inklusive, somit ist ein Kontrollbereich ungefähr ±0,75 Massen%.
  • In der Massenproduktion liegt eine Schwankungsbreite des Anteilsverhältnisses von In in der Lotlegierung bei ungefähr ±0,5 Massen% und es ist daher bevorzugt, dass die Mitte des Anteilsverhältnisses von In im Bereich von 5,8 (= 5,3 + 0,5) Massen% bis 6,3 (= 6,8 – 0,5) Massen% einschließlich liegt.
  • In der vorhergehenden Beschreibung wird die BGA-Kugel mit einem Anteilsverhältnis von Cu von 1,2 Massen% verwendet. Wenn das Anteilsverhältnis von Cu in einem Bereich von 0,6 Massen% bis 1,0 Massen% inklusive liegt, wird das Anteilsverhältnis von In vor und nach der Verbindung geändert, wie zuvor beschrieben ist.
  • Wenn der stromlose Ni-Plattierungsprozess sowohl an der BGA-Elektrode als auch an der Leiterplattenelektrode angewendet wird, beträgt die Änderungsgröße des Anteilsverhältnisses von In 0,6 Massen%, wenn das Anteilsverhältnis von Cu 0,6 Massen% beträgt. Wenn daher der stromlose Ni-Plattierungsprozess an der BGA-Elektrode und der Leiterplattenelektrode beispielsweise in einem Falle ausgeführt wird, in welchem eine BGA-Kugel und eine Lotpaste mit einer Zusammensetzung von Sn-3,5 Massen% aus Ag-0,5 Massen% aus Bi-0,6 Massen% aus Cu-5,5 Massen% aus In verwendet wird, beträgt das Anteilsverhältnis von In in dem Lotverbindungsteil nach dem Löten 4,9 Massen%. Somit kann die Zuverlässigkeit von bordinternen Standards nicht erfüllt werden.
  • Wenn das Anteilsverhältnis von Cu in einem Bereich von 0,6 Massen% bis 1,0 Massen% inklusive liegt, gibt es eine Korrelation, die in der angenäherten geraden Linie der 3 gezeigt ist, zwischen dem Anteilsverhältnis von Cu und dem Anteilsverhältnis von In. Daher ist der untere Grenzwert des Anteilsverhältnisses von In wie folgt.
  • In einem Bereich von 0,6 Massen% ≤ Anteilsverhältnis von Cu ≤ 1,0 Massen% ist der untere Grenzwert des Anteilsverhältnisses von In 5,3 + (6 – (1,55 × Anteilsverhältnis von Cu + 4,428)) Massen%.
  • Im Bereich von 1,0 Massen% < Anteilsverhältnis von Cu ≤ 1,2 Massen% ist der untere Grenzwert des Anteilsverhältnisses von In 5,3 Massen%.
  • Andererseits ist der obere Grenzwert des Anteilsverhältnisses von In wie folgt.
  • In einem Bereich von 0,6 Massen% ≤ Anteilsverhältnis von Cu ≤ 0,91 Massen% ist der obere Grenzwert des Anteilsverhältnisses von in 6,8 + (6 – (1,57 × Anteilsverhältnis von Cu + 4,564)) Massen%.
  • In einem Bereich von 0,91 Massen% < Anteilsverhältnis von Cu ≤ 1,2 Massen% ist der obere Grenzwert des Anteilsverhältnisses von In 6,8 Massen%.
  • Tabelle 2 zeigt die Zusammensetzung des Lotmaterials, das Vorhandensein oder Fehlen der Erzeugung von Cu6Sn5, und die Struktur der reagierten Schicht in dem Montagestruktur der Proben E2-1 bis E2-9 und der Proben C2-1 bis C2-8, in denen die BGA-Elektrode und Leiterplattenelektrode dem stromlosen Ni-Plattierungsprozess unterzogen wurden. Die Zusammensetzung des Lotmaterials gibt die Zusammensetzung der BGA-Kugel und des Lotpulvers, das in der Lotpaste enthalten ist, vor dem Löten an. Ferner zeigt Tabelle 3 eine Änderung des Anteilsverhältnisses von In in dem Lotverbindungsteil nach dem Löten, das Ergebnis des Temperaturzyklentests und ein Ergebnis der Zuverlässigkeitsbestimmungen davon für die gleichen Kugeln.
  • In Tabelle 2 ist die Erzeugung von Cu6Sn5 nicht bevorzugt. Im Hinblick auf die Struktur der reagierten Schicht werden eine Beobachtung des Oberflächenschnitts und eine EDX-Analyse in Bezug auf den Lotverbindungsteil nach dem Löten angewendet, und ein OK gibt einen Fall an, in welchem (Cuy,Ni1-y)6Sn5 erzeugt wird. Tabelle 2
    Probe Sn Ag Bi Cu In Erzeugung von Cu6Sn5 Reagierte Schicht Bestimmung
    E2-1 Bal. 3,5 0,5 0,8 5,9 Fehlt (Cuy,Ni1-y)6Sn5 OK
    E2-2 Bal. 2,2 0,7 1,2 6,8 Fehlt (Cuy,Ni1-y)6Sn5 OK
    E2-3 Bal. 3,8 0,6 1,1 6,0 Fehlt (Cuy,Ni1-y)6Sn5 OK
    E2-4 Bal. 3,0 6,5 0,95 6,5 Fehlt (Cuy,Ni1-y)6Sn5 OK
    E2-5 Bal. 0,7 0,9 0,6 6,6 Fehlt (Cuy,Ni1-y)6Sn5 OK
    E2-6 Bal. 1,8 0,7 0,8 6,7 Fehlt (Cuy,Ni1-y)6Sn5 OK
    E2-7 Bal. 1,0 1,0 1,0 5,3 Fehlt (Cuy,Ni1-y)6Sn5 OK
    E2-8 Bal. 3,5 1,0 1,2 6,1 Fehlt (Cuy,Ni1-y)6Sn5 OK
    E2-9 Bal. 3,0 0,8 1,2 5,4 Fehlt (Cuy,Ni1-y)6Sn5 OK
    C2-1 Bal. 2,8 0,4 1,4 6,8 Vorhanden (Cuy,Ni1-y)6Sn5 OK
    C2-2 Bal. 3,5 0,5 0,2 5,7 Fehlt (Niy,Cu1-y)3Sn4 NG
    C2-3 Bal. 2,8 0,3 1,2 7,0 Fehlt (Cuy,Ni1-y)6Sn5 OK
    C2-4 Bal. 3,0 0,8 0,4 5,8 Fehlt (Niy,Cu1-y)3Sn4 NG
    C2-5 Bal. 0,7 0,8 0,4 6,3 Fehlt (Niy,Cu1-y)3Sn4 NG
    C2-6 Bal. 3,5 0,5 0 5,9 Fehlt (Niy,Cu1-y)3Sn4 NG
    C2-7 Bal. 3,0 0 3,0 0,5 Vorhanden (Cuy,Ni1-y)6Sn5 OK
    C2-8 Bal. 1,0 0 3,0 0 Vorhanden (Cuy,Ni1-y)6Sn5 OK
    Tabelle 3
    Probe Änderung des Anteils an In nach dem Löten Ergebnis des Temperaturzyklustests
    In Bestimmung Größe der Änderung von In Anzahl der Zyklen Bestimmung
    E2-1 5,6 OK –0,3 3500 EX
    E2-2 6,8 OK 0 3000 OK
    E2-3 6,0 OK 0 3600 EX
    E2-4 6,3 OK –0,2 3550 EX
    E2-5 5,9 OK –0,7 3600 EX
    E2-6 6,4 OK –0,3 3350 OK
    E2-7 5,3 OK 0 3000 OK
    E2-8 6,1 OK 0 3650 EX
    E2-9 5,4 OK 0 3200 OK
    C2-1 6,8 OK 0 2400 NG
    C2-2 4,9 Ng –0,8 1950 NG
    C2-3 7,0 NG 0 1800 NG
    C2-4 5,0 NG –0,8 1150 NG
    C2-5 5,5 OK –0,8 1650 NG
    C2-6 5,1 NG –0,8 1200 NG
    C2-7 0,5 NG 0 1000 NG
    C2-8 0 NG 0 850 NG
  • In Tabelle 3 wird eine Änderung des Anteilsverhältnisses von In gemessen, indem das Anteilsverhältnis von In in dem Lotverbindungsteil nach dem Ausführen des Lötvorgangs an der Leiterplattenelektrode unter Anwendung von EDX analysiert wird.
  • Bei der Bestimmung der Änderung des Anteilsverhältnisses von In gibt ein OK an, dass das Anteilsverhältnis von In in dem Lotverbindungsteil in einem Bereich von 5,3 Massen% bis 6,8 Massen% inklusive liegt. NG gibt an, dass das Anteilsverhältnis von In kleiner ist als 5,3 Massen% oder größer ist als 6,8 Massen%. Diese Bestimmung beruht auf der Tatsache, dass der Bereich des Anteilsverhältnisses von In, das zur Sicherstellung der Anzahl an Zyklen von 3000 oder höher, was eines der bordinternen Standards ist, in der Lage ist, wie zuvor beschrieben ist, auf ungefähr 5,3 Massen% bis 6,8 Massen% festgelegt wird.
  • Die Bestimmung der Zuverlässigkeit beruht darauf, ob die Anzahl an Zyklen in dem Temperaturzyklentest das Erfordernis von 3000 Zyklen oder mehr oder 3500 Zyklen oder mehr bei der Bewertung der Widerstandsfähigkeit gegen thermische Ermüdung des bordinternen Produkts erreicht oder nicht. Ein OK gibt an, dass ein Riss, der den Bruch des Lotverbindungsteils bewirkt, bei 3000 Zyklen nicht auftritt, und somit werden die Zuverlässigkeitsstandards erfüllt. EX gibt an, dass ein Riss, der den Bruch des Lotverbindungsteils hervorruft, bei 3500 oder mehr Zyklen nicht auftritt und somit die Zuverlässigkeitsstandards erfüllt sind. NG gibt an, dass ein Riss, der den Bruch des Lotverbindungsteils hervorruft, auftritt, und die Zuverlässigkeitsstandards nicht erfüllt sind.
  • Aus der Zuverlässigkeitsbestimmung der Proben E2-1 bis E2-9 wird erkannt, dass in dem Lotverbindungsteil, in welchem Cu in der Zusammensetzung von Sn-Ag-Bi-In enthalten ist, pro-euktektisches Cu6Sn5 nicht erzeugt wird, und die reagierte Schicht wird zu (Cuy,Ni1-y)6Sn5, und eine Abnahme des Anteilsverhältnisses von In wird unterdrückt.
  • In der Probe C2-1 und in den Proben C2-7 und C2-8, die die Montagestruktur des Stands der Technik sind und Cu in einer Menge von 3 Massen% oder mehr enthalten, ist Cu in hohem Maße enthalten. Daher wird pro-euktektisches Cu6Sn5 in dem Lotverbindungsteil erzeugt, und daher sind diese Proben nicht bevorzugt.
  • In den Proben C2-2 und C2-4 bis C2-6 ist Cu nicht ausreichend enthalten, und somit wird die reagierte Schicht nach dem Löten zu (Nix,Cu1-x)3Sn4. Folglich ist die Bestimmung jeder Probe davon NG.
  • Ferner ist in den Proben C2-2, C2-4 und C2-6 ein Cu-Element, das zur Unterdrückung einer Abnahme des Anteilsverhältnisses von In wirksam ist, nicht in ausreichender Weise enthalten. Daher liegt das Anteilsverhältnis von In in dem Lotverbindungsteil in einem Bereich von 4,9 Massen% bis 5,1 Massen%, und die Änderung im Anteilsverhältnis von In ist –0,8 Massen%. Ferner ist in der Probe C2-3 das Anteilsverhältnis von Cu in Bezug auf das Anteilsverhältnis von In groß, und somit beträgt das Anteilsverhältnis von In 7,0 Massen%. In diesem Proben ist die Bestimmung NG.
  • Bei der Bewertung der Widerstandsfähigkeit für thermische Ermüdung im Bereich –40°C/150°C der Proben E2-1 bis E2-9 ist die Leitfähigkeit für 3000 Zyklen oder mehr sichergestellt, was eines der bordinternen Standards ist, und somit ist die Bestimmung OK oder besser. Insbesondere ist in den Proben E2-1, E2-3 bis E2-5 und E2-8 die Leitfähigkeit selbst nach 3500 Zyklen sichergestellt, und somit ist die Bestimmung EX.
  • Im Gegensatz dazu tritt in allen Proben C2-1 bis C2-6 und in den Proben C2-7 und C2-8, die Beispiele des Stands der Technik sind, eine Unterbrechung vor 3000 Zyklen des bordinternen Standards aufgrund der Erzeugung von pro-ektektischem Cu6Sn5 und des Wachstums der reagierten Schicht oder des Selbst-Kollapses des Lotverbindungsteils auf. Daher ist die Bestimmung jeder dieser Proben NG.
  • Tabelle 4 zeigt Zusammensetzung des Lotmaterials, das Vorhandensein oder Fehlen der Erzeugung von Cu6Sn5 und den Aufbau der reagierten Schicht in den Montagestruktur der Proben E3-1 bis E3-9 und der Proben C3-1 bis C3-7, in denen die Leiterplattenelektrode eine Elektrode ist, die mit einem Cu-Vor-Flussmittel behandelt wurde. Ferner zeigt Tabelle 5 eine Änderung im Anteilsverhältnis von in in dem Lotverbindungsteil nach dem Löten, das Ergebnis des Temperaturzyklentests und ein Ergebnis der Zuverlässigkeitsbestimmung in den gleichen Proben. Die Bestimmungen sind identisch zu jenen in Tabelle 2 und Tabelle 3, die zuvor beschrieben sind. Tabelle 4
    Probe Sn Ag Bi Cu In Erzeugung von Cu6Sn5 Reagierte Schicht Bestimmung
    E3-1 Bal. 3,5 0,5 0,8 5,9 Fehlt (Cuy,Ni1-y)6Sn5 OK
    E3-2 Bal. 2,2 0,7 1,2 6,8 Fehlt (Cuy,Ni1-y)6Sn5 OK
    E3-3 Bal. 3,8 0,6 1,1 6,0 Fehlt (Cuy,Ni1-y)6Sn5 OK
    E3-4 Bal. 3,0 6,5 0,95 6,5 Fehlt (Cuy,Ni1-y)6Sn5 OK
    E3-5 Bal. 0,7 0,9 0,6 6,6 Fehlt (Cuy,Ni1-y)6Sn5 OK
    E3-6 Bal. 1,8 0,7 0,8 6,7 Fehlt (Cuy,Ni1-y)6Sn5 OK
    E3-7 Bal. 1,0 1,0 1,0 5,3 Fehlt (Cuy,Ni1-y)6Sn5 OK
    E3-8 Bal. 3,5 1,0 1,2 6,1 Fehlt (Cuy,Ni1-y)6Sn5 OK
    E3-9 Bal. 3,0 0,8 1,2 5,4 Fehlt (Cuy,Ni1-y)6Sn5 OK
    C3-1 Bal. 3,5 0,5 0,2 5,7 Fehlt (Niy,Cu1-y)3Sn4 NG
    C3-2 Bal. 2,8 0,3 1,2 7,0 Fehlt (Cuy,Ni1-y)6Sn5 OK
    C3-3 Bal. 3,0 0,8 0,4 5,8 Fehlt (Niy,Cu1-y)3Sn4 NG
    C3-4 Bal. 0,7 0,8 0,4 6,3 Fehlt (Niy,Cu1-y)3Sn4 NG
    C3-5 Bal. 3,5 0,5 0 5,9 Fehlt (Niy,Cu1-y)3Sn4 NG
    C3-6 Bal. 3,0 0 3,0 0,5 Vorhanden (Cuy,Ni1-y)6Sn5 OK
    C3-7 Bal. 1,0 0 3,0 0 Vorhanden (Cuy,Ni1-y)6Sn5 OK
    Tabelle 5
    Probe Änderung des Anteils an In nach dem Löten Ergebnis des Temperaturzyklustests
    In Bestimmung Größe der Änderung von In Anzahl der Zyklen Bestimmung
    E3-1 5,7 OK –0,2 3500 EX
    E3-2 6,8 OK 0 3000 OK
    E3-3 6,0 OK 0 3600 EX
    E3-4 6,5 OK 0 3400 OK
    E3-5 6,2 OK –0,4 3600 EX
    E3-6 6,5 OK –0,2 3400 OK
    E3-7 5,3 OK 0 3000 OK
    E3-8 6,1 OK 0 3650 EX
    E3-9 5,4 OK 0 3200 OK
    C3-1 4,9 NG –0,8 1950 NG
    C3-2 7,0 NG 0 1800 NG
    C3-3 5,0 NG –0,8 1150 NG
    C3-4 5,5 OK –0,8 1650 NG
    C3-5 5,1 NG –0,8 1200 NG
    C3-6 0,5 NG 0 1000 NG
    C3-7 0 NG 0 900 NG
  • In den Proben E3-1 bis E3-9 erfüllen alle Bewertungselemente die Standards und es wird OK oder EX bestimmt.
  • Die Proben C3-6 und C3-7 sind die Montagestruktur des Stands der Technik, in denen Cu in einer Menge von 3 Massen% oder höher enthalten ist. In diesen Proben wird pro-eutektisches Cu6Sn5 in dem Lotverbindungsteil erzeugt, und somit sind diese Proben nicht bevorzugt. Ferner beträgt die Anzahl an Zyklen 1100 und 900 und genügt nicht den 3000 Zyklen oder mehr der bordinternen Standards, und somit ist die Bestimmung nach dem Löten NG.
  • In den Proben C3-1 und C3-3 bis C3-5 ist Cu nicht ausreichendem Maße enthalten, und somit wird die nicht reagierte Schicht nach dem Löten zu (Nix,Cux)3Sn4. Daher ist die Bestimmung der Struktur der reagierten Schicht NG. Ferner genügt die Anzahl an Zyklen nicht der Zahl von 3000 Zyklen oder mehr der bordinternen Standards und somit ist die Bestimmung nach dem Löten NG.
  • Ferner ist in den Proben C3-1, C3-3 und C3-5 und in den Proben C3-6 und C3-7, die die Montagestruktur des Stands der Technik sind, dass Cu-Element zur Unterdrückung einer Abnahme des Anteilsverhältnis von In nicht in ausreichendem Maße enthalten. Daher liegt das Anteilsverhältnis von In in dem Lotverbindungsteil in einem Bereich von 4,9 Massen% bis 5,1 Massen%, und die Änderung des Anteilsverhältnisses von In beträgt -0,8 Massen%. Ferner ist in der Probe C3-2 das Anteilsverhältnis von Cu in Bezug auf das Anteilsverhältnis von groß In, und das Anteilsverhältnis von In beträgt 7,0 Massen%. Daher ist in diesen Proben die Bestimmung der Änderung des Anteils an In NG. Tabelle 6 und Tabelle 7 zeigen die Ergebnisse der gleichen Bewertungen wie in Tabelle 2 und 3 für Montagestruktur der Proben E4-1 bis E4-10 unter Anwendung einer BGA-Kugel und einer Lotpaste, in der Bi nicht enthalten ist. Tabelle 6
    Probe Sn Ag Bi Cu In Erzeugung von Cu6Sn5 Reagierte Schicht Bestimmung
    E4-1 Bal. 0,7 0 0,75 5,9 Fehlt (Cuy,Ni1-y)6Sn5 OK
    E4-2 Bal. 4,0 0 1,0 5,6 Fehlt (Cuy,Ni1-y)6Sn5 OK
    E4-3 Bal. 2,9 0 0,9 6,0 Fehlt (Cuy,Ni1-y)6Sn5 OK
    E4-4 Bal. 3,5 6 1,2 5,6 Fehlt (Cuy,Ni1-y)6Sn5 OK
    E4-5 Bal. 0,5 0 0,6 6,8 Fehlt (Cuy,Ni1-y)6Sn5 OK
    E4-6 Bal. 1,2 0 1,2 5,8 Fehlt (Cuy,Ni1-y)6Sn5 OK
    E4-7 Bal. 3,1 0 1,1 6,2 Fehlt (Cuy,Ni1-y)6Sn5 OK
    E4-8 Bal. 2,1 0 0,95 6,5 Fehlt (Cuy,Ni1-y)6Sn5 OK
    E4-9 Bal. 1,9 0 0,7 6,6 Fehlt (Cuy,Ni1-y)6Sn5 OK
    E4-10 Bal. 2,8 0 0,85 6,1 Fehlt (Cuy,Ni1-y)6Sn5 OK
    Tabelle 7
    Probe Änderung des Anteils an In nach dem Löten Ergebnis des Temperaturzyklustests
    In Bestimmung Größe der Änderung von In Anzahl der Zyklen Bestimmung
    E4-1 5,5 OK –0,4 3300 OK
    E4-2 5,5 OK –0,1 3300 OK
    E4-3 5,8 OK –0,2 3600 EX
    E4-4 5,6 OK 0 3400 OK
    E4-5 6,2 OK –0,6 3600 EX
    E4-6 5,8 OK 0 3500 EX
    E4-7 6,2 OK 0 3600 EX
    E4-8 6,4 OK –0,1 3350 OK
    E4-9 6,1 OK –0,5 3650 EX
    E4-10 5,9 OK –0,2 3650 EX
  • In den Proben E4-1 bis E4-10 genügen alle Ergebnisse der Zuverlässigkeitsbestimmung den Standards und es wird somit erkannt, dass die Änderung im Anteilsverhältnis von In nicht beeinflusst wird, selbst wenn Bi nicht in der BGA-Kugel enthalten ist. Bi wird der BGA-Kugel hinzugefügt, um die Schmelztemperatur der Legierung einzustellen, und der Anteil an Bi beeinflusst die Widerstandsfähigkeit gegen thermische Ermüdung nicht.
  • Aus den Ergebnissen der Zuverlässigkeitsbestimmung, die in den Proben E2-1 bis E4-10 der Tabelle 2 bis Tabelle 7 gezeigt sind, wird, um der Bewertung der Widerstandsfähigkeit gegen thermische Ermüdung des bordinternen Produkts bei der Lötung des BGA zu genügen, der Lotverbindungsteil aus Kupfer mit einem Anteilsverhältnis in einem Bereich von 0,6 Massen% bis 1,2 Massen% inklusive, aus Ag mit einem Anteilsverhältnis in einem Bereich von 3,0 Massen% bis 4,0 Massen% inklusive, aus Bi mit einem Anteilsverhältnis in einem Bereich von 0 Massen% bis 1,0 Massen% inklusive, aus In und Sn gebildet. Sodann liegt (1), wenn das Anteilsverhältnis von Cu in einem Bereich von 0,6 Massen% bis 0,91 Massen% inklusive liegt, das Anteilsverhältnis von In in einem Bereich von 5,3 + (6 – (1,55 × Anteilsverhältnis von Cu + 4,428)) Massen% bis 6,8 + (6 – (1,57 × Anteilsverhältnis von Cu + 4,564)) Massen% inklusive, (2) wenn das Anteilsverhältnis von Cu größer ist als 0,1 Massen% und gleich oder kleiner ist als 1,0 Massen% das Anteilsverhältnis von In in einem Bereich von 5,3 + (6 – (1,55 × Anteilsverhältnis von Cu + 4,428)) Massen% bis 6,8 Massen% inklusive, (3) wenn das Anteilsverhältnis von Cu größer ist als 1,0 Massen% und gleich oder kleiner ist als 1,2 Massen%, liegt das Anteilsverhältnis von In in einem Bereich von 5,3 Massen% bis 6,8 Massen% inklusive.
  • Die Montagestruktur, die jedem der Punkte (1) bis (3) genügt, die zuvor beschrieben sind, können die Standards der Zuverlässigkeitsbestimmung des BGA nach dem Löten erfüllen.
  • Noch bevorzugter wird der Lotverbindungsteil aus Cu mit einem Anteilsverhältnis in einem Bereich von 0,6 Massen% bis 1,2 Massen% inklusive, aus Ag mit einem Anteilsverhältnis in einen Bereich von 3,0 Massen% bis 4,0 Massen% inklusive, aus Bi mit einem Anteilsverhältnis in einem Bereich von 0 Massen% bis 1,0 Massen% inklusive, aus In und Sn gebildet. Sodann liegt, (1) wenn das Anteilsverhältnis von Cu in einem Bereich von 0,6 Massen% bis 0,91 Massen% inklusive liegt, das Anteilsverhältnis von In in einem Bereich von 5,5 + (6 – (1,55 × Anteilsverhältnis von Cu + 4,428)) Massen% bis 6,3 + (6 – (1,57 × Anteilsverhältnis von Cu + 4,564)) Massen% inklusive, (2) wenn das Anteilsverhältnis von Cu größer als 0,91 Massen% und gleich oder kleiner als 1,0 Massen% ist, das Anteilsverhältnis von In in einem Bereich von 5,5 + (6 – (1,55 × Anteilsverhältnis von Cu + 4,428)) Massen% bis 6,3 Massen% inklusive, (3) wenn das Anteilsverhältnis von Cu größer ist als 1,0 Massen% und gleich oder kleiner als 1,2 Massen% ist, das Anteilsverhältnis von In in einem Bereich von 5,5 Massen% bis 6,3 Massen% inklusive.
  • Die Montagestruktur, die jedem der zuvor beschriebenen Punkte (1) bis (3) genügt, kann eine höhere Zuverlässigkeit des BGA nach dem Löten bereitstellen.
  • Indessen wird das Anteilsverhältnis von Ag, das zur Konfiguration der BGA-Kugel in der anschaulichen Ausführungsform beiträgt, aus dem folgenden Grunde festgelegt. Wie zuvor beschrieben ist, wird die Widerstandsfähigkeit gegen thermische Ermüdung durch eine Festphasenlöslichkeitsfunktion von in in Bezug auf Sn verbessert. Folglich wird die Widerstandsfähigkeit gegen thermische Ermüdung entsprechend dem Anteil an In beträchtlich geändert. Da jedoch Ag nicht als eine Festphasenlösung in Sn gelöst wird, ändert sich die Widerstandsfähigkeit gegen thermische Ermüdung nicht wesentlich.
  • Da ferner der Anteil an Ag den Schmelzpunkt beeinflusst, wenn das Anteilsverhältnis von Ag 4 Massen% übersteigt, liegt der Schmelzpunkt bei 235°C oder höher, und das Lotmaterial kann sich nicht geeignet zum Zeitpunkt des Lötens in flüssiger Form verteilen. Daher wird der maximale Wert des Anteilsverhältnisses von Ag auf 4 Massen% festgelegt. Wenn andererseits das Anteilsverhältnis von Ag kleiner ist, ist die Menge des Niederschlags von Ag3Sn in einer Sn-Phase kleiner, und die mechanischen Festigkeitseigenschaften werden kleiner. Folglich wird der minimale Wert des Anteilsverhältnisses von Ag auf 0,3 Massen% festgelegt.
  • Ferner ist das Anteilsverhältnis von Bi, das zur Konfiguration der BGA-Kugel in dieser anschaulichen Ausführungsform beiträgt, aus dem folgendem Grunde festgelegt. Wie in dem Kommentar der Tabelle 6 und der Tabelle 7 beschrieben ist, kann der minimale Wert des Anteilsverhältnisses von Bi null sein, da Bi die Widerstandsfähigkeit gegen thermische Ermüdung nicht beeinflusst. Ferner hat Bi Eigenschaften in der Hinsicht, dass es sich in dem Lotverbindungsteil entmischt. Wenn daher das Anteilsverhältnis von Bi 1 Massen% übersteigt, nimmt das Ausmaß der Ausfällung zu, und die BGA-Kugel wird brüchig. Folglich ist der maximale Wert des Anteilsverhältnis von Bi auf 1 Massen% festgelegt.
  • Des Weiteren beeinflussen Ag und Bi die Widerstandsfähigkeit gegen thermische Ermüdung der BGA-Kugel nicht, und es wird somit berücksichtigt, dass die gleiche Wirkung des Anteilsverhältnisses von In in Sn-Ag-Bi-In übertragen werden kann auf Sn-Ag-In oder Sn-Bi-In.
  • Ferner ist ein Fall, in welchem die kurzzeitige Au-Plattierung an der Schicht mit stromloser Ni-Plattierung ausgeführt wird, als die Konfiguration für Plattierung der BGA-Elektrode und der Leiterplattenelektrode in dieser anschaulichen Ausführungsform beschrieben, aber die Wirkungen der vorliegenden Offenbarung können auf alle Elektroden, die eine Plattierungsschicht aufweisen, die dem stromlosen Ni-Plattierungsprozess unterzogen wurde, angewendet werden. Insbesondere kann die Wirkung der vorliegenden Offenbarung auf eine Elektrode angewendet werden, die eine Plattierungsschicht aufweist, die beispielsweise dem stromlosen Ni-Plattierungsprozess, einem Pd-Plattierungsprozess und einem kurzzeitigen Au-Plattierungsprozess unterzogen wurde.
  • In der Montagestruktur dieser anschaulichen Ausführungsform werden das BGA mit der BGA-Elektrode und die Leiterplatte mit der Leiterplattenelektrode durch den zuvor beschriebenen Lotverbindungsteil miteinander verbunden. Die Montagestruktur mit einem derartigen strukturellen Merkmal kann die Widerstandsfähigkeit gegen thermische Ermüdung des Lotverbindungsteils, der auf der Leiterplatte hergestellt wird, bereitstellen.
  • Wie zuvor beschrieben ist, können das Lotmaterial und die Montagestruktur der vorliegenden Offenbarung den Anforderungen für die Widerstandsfähigkeit gegen thermische Ermüdung beim Löten des BGA, das die BGA-Elektrode aufweist, die dem stromlosen Ni-Plattierungsprozessen unterzogen wurde, genügen. Daher sind das Lotmaterial und die Montagestruktur der vorliegenden Offenbarung für eine BGA-Kugel zur Verbindung eines Anschlusses einer bordinternen BGA-Komponente oder dergleichen zweckdienlich, in der die elektrische Leitung sichergestellt werden muss, selbst in einer Hochtemperaturumgebung, etwa beispielsweise im Motorraum.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 4939891 [0006]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • ISO-P-Standards 6344-3 1998 [0062]

Claims (5)

  1. Montagestruktur mit: einem Kugelgitter-Array (BGA) mit einer BGA-Elektrode; einer Leiterplatte mit einer Leiterplattenelektrode; und einem Lotverbindungsteil, der auf der Leiterplattenelektrode angeordnet und mit der BGA-Elektrode verbunden ist, wobei der Lotverbindungsteil gebildet ist aus Cu mit einem Anteilsverhältnis in einem Bereich von 0,6 Massen% bis 1,2 Massen% inklusive, Ag mit einem Anteilsverhältnis in einem Bereich von 3,0 Massen% bis 4,0 Massen% inklusive, Bi mit einem Anteilsverhältnis von größer 0 Massen% und gleich oder kleiner als 1,0 Massen%, In und Sn, (1) wenn das Anteilsverhältnis von Cu in einem Bereich von 0,6 Massen% bis 0,91 Massen% inklusive liegt, dann ist ein Anteilsverhältnis von In in einem Bereich von 5,3 + (6 – (1,55 × Anteilsverhältnis von Cu + 4,428)) Massen% bis 6,8 + (6 – (1,57 × Anteilsverhältnis von Cu + 4,564)) Massen%, inklusive, (2) wenn das Anteilsverhältnis von Cu größer ist als 0,91 Massen% und gleich oder kleiner ist als 1,0 Massen%, dann ist das Anteilsverhältnis von In in einem Bereich von 5,3 + (6 – (1,55 × Anteilsverhältnis von Cu + 4,428)) Massen% bis 6,8 Massen% inklusive, und (3) wenn das Anteilsverhältnis von Cu größer als 1,0 Massen% und gleich oder kleiner ist als 1,2 Massen%, dann ist das Anteilsverhältnis von In in einem Bereich von 5,3 Massen% bis 6,8 Massen% inklusive.
  2. Montagestruktur nach Anspruch 1, die ferner umfasst: eine Ni-Plattierungsschicht, die auf der Oberfläche der Leiterplattenelektrode und/oder der BGA-Elektrode angeordnet ist, wobei eine reagierte Schicht auf einer Verbindungsgrenzfläche zwischen der Ni-Plattierungsschicht und dem Lotverbindungsteil eine (Cuy,Ni1-y)6Sn5-Schicht (0 ≤ y ≤ 1) ist, die Ni in Cu6Sn5 enthält.
  3. Kugelgitter-Array-(BGA-)Kugel, die gebildet ist aus Cu mit einem Anteilsverhältnis in einem Bereich von 0,6 Massen% bis 1,2 Massen% inklusive, Ag mit einem Anteilsverhältnis in einem Bereich von 3,0 Massen% bis 4,0 Massen% inklusive, Bi mit einem Anteilsverhältnis von größer 0 Massen% und gleich oder kleiner als 1,0 Massen%, In und Sn, wobei, (1) wenn das Anteilsverhältnis von Cu in einem Bereich von 0,6 Massen% bis 0,91 Massen% inklusive liegt, dann ist ein Anteilsverhältnis von In in einem Bereich von 5,3 + (6 – (1,55 × Anteilsverhältnis von Cu + 4,428)) Massen% bis 6,8 + (6 – (1,57 × Anteilsverhältnis von Cu + 4,564)) Massen%, inklusive, (2) wenn das Anteilsverhältnis von Cu größer ist als 0,91 Massen% und gleich oder kleiner ist als 1,0 Massen%, dann ist das Anteilsverhältnis von In in einem Bereich von 5,3 + (6 – (1,55 × Anteilsverhältnis von Cu + 4,428)) Massen% bis 6,8 Massen% inklusive, und (3) wenn das Anteilsverhältnis von Cu größer als 1,0 Massen% und gleich oder kleiner ist als 1,2 Massen%, dann ist das Anteilsverhältnis von In in einem Bereich von 5,3 Massen% bis 6,8 Massen% inklusive.
  4. Montagestruktur mit: einem Kugelgitter-Array (BGA) mit einer BGA-Elektrode; einer Leiterplatte mit einer Leiterplattenelektrode; und einem Lotverbindungsteil, der auf der Leiterplattenelektrode angeordnet und mit der BGA-Elektrode verbunden ist, wobei der Lotverbindungsteil gebildet ist aus Cu mit einem Anteilsverhältnis in einem Bereich von 0,6 Massen% bis 1,2 Massen% inklusive, Ag mit einem Anteilsverhältnis in einem Bereich von 3,0 Massen% bis 4,0 Massen% inklusive, In und Sn, (1) wenn das Anteilsverhältnis von Cu in einem Bereich von 0,6 Massen% bis 0,91 Massen% inklusive liegt, dann ist ein Anteilsverhältnis von In in einem Bereich von 5,3 + (6 – (1,55 × Anteilsverhältnis von Cu + 4,428)) Massen% bis 6,8 + (6 – (1,57 × Anteilsverhältnis von Cu + 4,564)) Massen%, inklusive, (2) wenn das Anteilsverhältnis von Cu größer ist als 0,91 Massen% und gleich oder kleiner ist als 1,0 Massen%, dann ist das Anteilsverhältnis von In in einem Bereich von 5,3 + (6 – (1,55 × Anteilsverhältnis von Cu + 4,428)) Massen% bis 6,8 Massen% inklusive, und (3) wenn das Anteilsverhältnis von Cu größer als 1,0 Massen% und gleich oder kleiner ist als 1,2 Massen%, dann ist das Anteilsverhältnis von In in einem Bereich von 5,3 Massen% bis 6,8 Massen% inklusive.
  5. Montagestruktur nach Anspruch 4, die ferner umfasst: eine Ni-Plattierungsschicht, die auf der Oberfläche der Leiterplattenelektrode und/oder der BGA-Elektrode angeordnet ist, wobei eine reagierte Schicht auf einer Verbindungsgrenzfläche zwischen der Ni-Plattierungsschicht und dem Lotverbindungsteil eine (Cuy,Ni1-y)6Sn5-Schicht (0 ≤ y ≤ 1) ist, die Ni in Cu6Sn5 enthält.
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