JP2001513703A - 鉛無含有錫合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 0.25重量％以下のインジウムと、2.5〜10重量％のアルミニウム、１〜５重量％のマグネシウム及び残余の亜鉛よりなる合金である結晶粒微細剤とを含有してなる、ハンダ接合部用の鉛無含有錫合金。該合金は向上した機械的特性例えばクリープ強さと向上した熱疲れ強さとを有する。

Description

【発明の詳細な説明】 鉛無含有錫合金 本発明は、クリープ強さの如き向上した機械特性と向上した熱疲労強さとを有 する、ハンダ接合部用の鉛無含有錫合金に関し且つかゝる合金を基材とする鉛無 含有ハンダに関する。 ハンダ接合部は多数の電子装置において重要である。更には、増々高い操業温 度でも向上した熱疲労強さを有する電子装置に対して自動車産業からの要望が増 大しつゝある。 多数のハンダは錫−鉛合金を主体とするが、工業プロセス、製品における且つ 製品寿命の終了時の廃物として鉛の毒性は、環境上及び健康上の多大な関心を有 する。 西独特許公開(DE-A)第2713196号及び第3147226号は、注型錫基材のピューター 及びベアリング合金にグレインリファイナー（結晶粒微細剤：grain refiner)と して亜鉛−アルミニウム−マグネシウム合金の使用を開示している。錫合金はイ ンジウムを含有しないのでハンダ接合部用の合金ではない。 欧州特許公開(EP-A)第0702095号はＳｎ，Ｃｕ，Ｓｂ，Ｎｉ，Ｉｎ及びエウチ ナル(Eutinal)，Ａｇ又はＴｉを含有するスライドベアリング用の合金を記載し ている。該合金は一般に0.3〜２重量％のインジウムを含有し、1.5重量％の量の インジウムが用いるのに特に好ましいものである。 鉛無含有合金が開発されてきている。例えばそれぞれ重量％で96.5％の錫と3. 5％の銀とを有する錫／銀合金はハンダ付けを再流動するのに知られている。 ウェーブハンダ付けに用いる鉛無含有合金の別例はそれぞれ99.3重量％の錫と 0.7重量％の銅とよりなる共融錫／銅合金である。 ハンダ付けに用いた鉛無含有合金の尚別の例は96.2重量％の錫と2.5重量％の 銀と0.8重量％の銅と0.5重量％のアンチモンとよりなる合金である。 錫−鉛ハンダ合金は例えば印刷回路板にシリコンチップを配設するのにボール グリッド配列(array)として幅広い用途がある。これらのボールグリッド配列は 回路をつけたり消したりする間に約４cmの幅に亘って150℃までの部品と回路板 との間の温度差に耐え得るために十分な熱疲労強さを有しなければならない。ハ ンダ接合部の熱疲労強さが十分でないならば、ハンダの微細構造が粗くなる。続 いて亀裂の開始及び亀裂の拡がりが生起し、次いでチップと印刷回路板との間の 電気的接触が喪失される。 従って、既知の鉛無含有錫ハンダ合金に関する問題はそれらの熱疲労強さであ る。 本発明者は今般少量のインジウムを含有し且つ既知の鉛無含有錫合金と比較す ると向上した熱疲労強さを有する鉛無含有錫合金を開発した。 第１の本発明の要旨によると、0.25重量％以下のイン ジウムと、2.5〜10重量％のアルミニウム、１〜５重量％のマグネシウム及び残 余の亜鉛よりなる合金であるグレインリファイナーとを含有してなる、ハンダ接 合部用の鉛無含有錫合金が提供される。 錫は、鉛の如き、立方晶の結晶構造を有する金属よりも変形に対してより耐性 である正方晶の結晶構造を有する。 これは、錫が鉛よりも余り延性ではなくこれによって錫が高温にかけた時塑性 変形を余り受けないことを意味する。 更には、鉛錫合金の鉛及び錫成分は流延時に鉛富化領域及び錫富化領域に分離 し、該領域は錫に関して向上した延性を生ずる微細な結晶構造を生成する。 それ故、この微細構造は亀裂を生ずることなく実質的な塑性変形を吸収するこ とができ即ち良好な熱疲労強さを有する。 鉛の代りにエウチナルとして一般に知られる前記のグレインリファイナーを添 加することにより、微細な結晶の微細構造が得られることを本発明者は見出した 。本発明の合金は微細な固定した(pinned)結晶の微細構造を有し、これは再結晶 化を遅延させあるいは熱変形によって誘発される結晶の粗野(coarsening)過程を 遅延させる。これによって良好な熱疲労強さが得られる。 本発明で用いるグレインリファイナーはエウチナルであり、これは合金中に0. 5重量％以下の量で、好ましく は0.1重量％又はそれ以下の量で、最も好ましくは0.01〜0.06重量％の範囲の量 で存在し得る。 鉛合金の流延中に、錫結晶の拡大はグレインリファイナーとしてのエウチナル により遅くなり、これによって微細な微小結晶構造が維持される。本発明者はか ゝる合金を用いて良好な熱疲労強さを達成した。 本発明の錫合金は更に銀及び／又は銅を含有することができ、その際錫は少な くとも90重量％の量で合金中に存在し、残余の成分は前述した重量％の範囲で存 在するエウチナル、銀及び／又は銅及び／又はビスマス及び／又はアンチモンか ら形成される。 本発明者が見出した所によれば、銀及びエウチナルを含有してなる錫合金は、 既知の錫−鉛合金と同等でしかも銀を単独で含有してなる錫合金よりもずっと良 い熱疲労強さを有するものである。 本発明の合金は0.25重量％以下の量で好ましくは0.2重量％以下の量でインジ ウムを含有する。本発明の合金はまた0.2重量％以下の量でチタン及び／又は0.2 重量％以下の量で亜鉛をも含有し得る。 本発明の合金は当業者に既知の技術によって製造できる。例えばエウチナルの 原（マスター）合金は、亜鉛を溶融し、アルミニウム及びマグネシウムを添加し 、攪拌して溶融し、均質な合金を形成し、これを成形型に注型することにより約 600℃の温度で製造できる。 ６〜12重量％の亜鉛と0.1−１重量％のアルミニウム と0.08〜0.6重量％のマグネシウムとを含有する、錫中のエウチナルの原合金は 、エウチナル合金を溶融した錫に添加して原合金を形成し、これを成形型に注型 することにより製造できる。目的の鉛無含有合金はそれから先ず錫金属を溶融し 、これに主要な合金化金属即ちインジウム及び何れか別の合金化金属を添加して その溶融した混合物を形成することにより製造することができる。次いでエウチ ナル／錫の原合金を溶融した混合物に添加する。 別法として、エウチナル／錫の原合金を製造する工程は省略でき、前記の如く 製造した溶融済み鉛無含有合金にエウチナルを直接添加できる。 本発明を添附図面を参照して更に説明する。 第１図は熱疲労試験にかける集成体の断面図解図であり； 第２図〜第４図は熱疲労試験にかけられた後のハンダボールの走査電子顕微鏡 写真であり； 第５図は熱疲労試験の結果のデータである。 本発明を次の実施例を参照して更に説明する。実施例 ４種類の合金を既知の技術により処方し、その組成を以下の表１に示す。表中 「Ｅｕｔ」は組成が５％のアルミニウムと2.5％のマグネシウムと残余の亜鉛と よりなるエウチナル合金を表わす。 これらの合金を続いて既知の技術によりボールグリッド配列(BGAs)に集成し、 該技術を用いてシリコンダイパッケージを第１図に示した如く集成体に配設する 。 集成体は回路板２とハンダボールのグリッド配列４とシリコンダイ６とパッケ ージ８とを包含してなる。 各々の合金の６種類の集成体を3000回までの熱疲労作業周期（サイクル）にか け、各々のサイクルは+125℃に保持した15分間と、−40℃に勾配させた15分間と 、−40℃に保持した15分間と+125℃に勾配させた15分間とよりなる。 熱疲労サイクルに続いて、第２図〜第４図の走査電子顕微鏡写真をハンダボー ルについて撮影した。 シリコンダイボールグリッド配列のパッケージ(Amkor225 BGA)を用いて多大の 歪下のハンダの特性を調査した。 集成体は何れかの接合部の電気抵抗が５オーム以上となった時には不合格と考 えられる。 走査電子顕微鏡写真は合金の微細構造上の変化の性状と程度とを示す。顕微鏡写真の検討 参考合金１の典型的な顕微鏡写真を第２図に示す。これらの顕微鏡写真はハン ドボールがシリコンダイパッケージ上に接合した場合にはボールの頂部かど（コ ーナー）で微細構造が粗くなり且つ亀裂が開始するのを例証している。これらは 熱疲労サイクル中に最高の歪を生ずる領域であり、ハンダの微細構造が歪環境に よって影響されることを示唆している。 第３図は合金No.２における歪の影響を示す。金属間化合物の分布はハンダボ ールの余り歪を受けない中心でよりもハンダボールの高度に歪を受けたかどでず っと粗いものである。 この影響は合金６でも見られるが、第４図に示される合金16では見られない。 こゝでは金属間化合物の分布は歪の環境下によっては有意な程に影響を受けると は思われない。これらの結果は幾つかの相異なるハンダボールの観察に基づくも のである。熱疲労試験結果の統計的分析 熱疲労試験からの生データを第５図に再現する。これは完了した熱サイクルの 回数に対して各々のパッケージにおける不合格品の個数を示す。結果は各々の合 金に伴なう不合格の確率の尺度を与えるのにウェイブル（Weibull）統計学を用 いて解釈する。各々の合金についてのデータ個所の個数は限定されているので、 数値は概算として処理すべきである。 試験した各々の合金に対する「ウェイブル モジュラ ス」の値を表２に示す。高いウェイブル モジュラスは結果に小さな拡がりがあ ることを示し、然るに低いウェイブル モジュラスは結果に大きな拡がりがある ことを示している。合金６は最低のモジュラス（最高の拡がり）を有し、然るに 鉛無含有合金のうちでは、合金16は最高のモジュラス（最低の拡がり）を有する 。 ウェイブル統計学を用いて特定の不合格確率に対する熱サイクルの回数を予測 することもできる。１％の不合格品に対して算出した熱サイクル回数を表２に示 す。これはまた合金16が、試験した鉛無含有合金のうちで最良であることを示し ている。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１１年１月１１日（１９９９．１．１１） 【補正内容】 請求の範囲 １．インジウムと結晶粒微細剤とを含有する鉛無含有ハンダ合金であって、次 の成分： (a) 0.25重量％以下の量のインジウムと； (b) 2.5〜10重量％のアルミニウムと１〜５重量％のマグネシウムと残余の亜 鉛とよりなる合金であって0.01〜0.5重量％の量での結晶粒微細剤と； (c) 場合によっては銀及び／又は銅及び／又はビスマス及び／又はアンチモン ；及び／又は亜鉛及び／又はチタンと； (d) 残余の錫とよりなる結晶粒微細剤をインジウムに加えて含有する鉛無含有 ハンダ合金。 ２．結晶粒微細剤は0.2重量％以下の量で存在する請求の範囲１記載のハンダ 合金。 ３．結晶粒微細剤は0.1重量％以下の量で存在する請求の範囲２記載のハンダ 合金。 ４．結晶粒微細剤は0.01〜0.06重量％の量で存在する請求の範囲３記載のハン ダ合金。 ５．0.2重量％以下の量でチタンを含有してなる請求の範囲１〜４の何れかに 記載のハンダ合金。 ６．0.2重量％以下の量で亜鉛を含有してなる請求の範囲１〜５の何れかに記 載のハンダ合金。 ７．0.2重量％以下のインジウムを含有してなる請求の範囲１〜６の何れかに 記載のハンダ合金。 ８．請求の範囲１〜７の何れかに記載のハンダ合金を 含有してなる、回路板上の電子部品を整列するボールグリッド配列。 ９．請求の範囲１〜７の何れかに記載のハンダ合金を含有してなる、電子部品 と回路板との間の接合部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，Ｍ Ｗ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ， ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，Ｅ Ｓ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ，ＩＤ ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ， ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，Ｍ Ｇ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ， ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，Ｖ Ｎ，ＹＵ，ＺＷ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．0.25重量％以下のインジウムと、2.5〜10重量％のアルミニウム、１〜５ 重量％のマグネシウム及び残余の亜鉛よりなる合金である結晶粒微細剤とを含有 してなる、ハンダ接合部用の鉛無含有錫合金。 ２．結晶粒微細剤は0.2重量％以下の量で存在する請求の範囲１記載の合金。 ３．結晶粒微細剤は0.1重量％以下の量で存在する請求の範囲２記載の合金。 ４．結晶粒微細剤は0.01〜0.06重量％の量で存在する請求の範囲３記載の合金 。 ５．銀も更に含有してなる請求の範囲１〜４の何れかに記載の合金。 ６．銅も更に含有してなる請求の範囲１〜５の何れかに記載の合金。 ７．少なくとも90重量％の錫と、0.25重量％以下のインジウムと、残余の結晶 粒微細剤、銀及び／又は銅及び／又はビスマス及び／又はアンチモンとを含有し てなる請求の範囲１〜６の何れかに記載の合金。 ８．0.2重量％以下の量でチタンを更に含有してなる請求の範囲１〜７の何れ かに記載の合金。 ９．0.2重量％以下の量で亜鉛を更に含有してなる請求の範囲１〜８の何れか に記載の合金。 10．0.2重量％以下のインジウムを含有してなる請求の範囲１〜９の何れかに 記載の合金。 11．請求の範囲１〜10の何れかに記載の合金を含有してなる鉛無含有ハンダ。 12．請求の範囲１〜10の何れかに記載の合金又は請求の範囲11記載のハンダを 含有してなる、回路板上の電子部品を整列するボールクリッド配列。 13．請求の範囲１〜10の何れかに記載の合金又は請求の範囲11記載のハンダ合 金を含有してなる、電子部品と回路板との間の接合部。