JP2002307187A - 鉛フリーはんだ及びはんだ継手 - Google Patents
鉛フリーはんだ及びはんだ継手Info
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- JP2002307187A JP2002307187A JP2002032122A JP2002032122A JP2002307187A JP 2002307187 A JP2002307187 A JP 2002307187A JP 2002032122 A JP2002032122 A JP 2002032122A JP 2002032122 A JP2002032122 A JP 2002032122A JP 2002307187 A JP2002307187 A JP 2002307187A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ランドとの接合界面での耐熱疲労性が優れ、
かつ融点が低く、濡れ性が良好であり、ボールグリッド
アレイのボールに特に適したＰｂフリーはんだ及びはん
だ継手を提供する。 【解決手段】 1.0〜3.5％のAg, 0.1〜0.7％のCu及び0.
1〜2.0%のInを含有し、必要により、さらに0.03 〜0.15
％のNi, 0.01〜0.1％のCo, 及び 0.01〜0.1％のFeのう
ち少なくとも1種を含有し、残部Snからなる鉛フリーは
んだ。はんだのSnマトリックスに固溶した元素が接合界
面の金属間化合物の成長を抑え耐熱疲労性を高める。
かつ融点が低く、濡れ性が良好であり、ボールグリッド
アレイのボールに特に適したＰｂフリーはんだ及びはん
だ継手を提供する。 【解決手段】 1.0〜3.5％のAg, 0.1〜0.7％のCu及び0.
1〜2.0%のInを含有し、必要により、さらに0.03 〜0.15
％のNi, 0.01〜0.1％のCo, 及び 0.01〜0.1％のFeのう
ち少なくとも1種を含有し、残部Snからなる鉛フリーは
んだ。はんだのSnマトリックスに固溶した元素が接合界
面の金属間化合物の成長を抑え耐熱疲労性を高める。
Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】本発明は鉛フリーはんだに関
するものであり、さらに詳しく述べるならばボールグリ
ッドアレイ(Ball Grid Array)ボールなどに適した鉛フ
リーはんだに関するものである。さらに、本発明は熱疲
労性に優れたはんだ継手に関するものである。
するものであり、さらに詳しく述べるならばボールグリ
ッドアレイ(Ball Grid Array)ボールなどに適した鉛フ
リーはんだに関するものである。さらに、本発明は熱疲
労性に優れたはんだ継手に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】鉛フリーはんだ用合金として使用されて
いるSn−Ag二元系合金は、共晶点がAｇ＝３．５質量
％、温度が２２１℃である。共晶組成を有するSn−Ag二
元系合金の組織はSn初晶粒界にSn-Ag3Sn共晶が分散して
いる。
いるSn−Ag二元系合金は、共晶点がAｇ＝３．５質量
％、温度が２２１℃である。共晶組成を有するSn−Ag二
元系合金の組織はSn初晶粒界にSn-Ag3Sn共晶が分散して
いる。
【０００３】Sn−Ag系合金としては、Sn-3.5%Ag合金に
0.7%Cuを添加したSn-3.5%Ag-0.7%Cuが知られている。こ
の合金の融点はSn−Ag二元系共晶合金より低い２１７〜
２１９℃であると言われている。米国特許第５５２７６
２８号によるとSn-4.7%Ag-1.7%Cu組成は約２１７℃の共
晶となり、融点が共晶温度を１５℃より高くならない範
囲でSn,Ag,Cu含有量を共晶組成からずらしたはんだが提
案されている。この組織はβSn相中に少なくとも２種の
金属間化合物、例えばCu リッチCu6Sn5 及び Agリッチ
Ag3Snが均一に分散しており、これによって強度及び疲
労強度が高められると説明されている。
0.7%Cuを添加したSn-3.5%Ag-0.7%Cuが知られている。こ
の合金の融点はSn−Ag二元系共晶合金より低い２１７〜
２１９℃であると言われている。米国特許第５５２７６
２８号によるとSn-4.7%Ag-1.7%Cu組成は約２１７℃の共
晶となり、融点が共晶温度を１５℃より高くならない範
囲でSn,Ag,Cu含有量を共晶組成からずらしたはんだが提
案されている。この組織はβSn相中に少なくとも２種の
金属間化合物、例えばCu リッチCu6Sn5 及び Agリッチ
Ag3Snが均一に分散しており、これによって強度及び疲
労強度が高められると説明されている。
【０００４】本出願人と株式会社豊田中央研究所は高信
頼性Sn−２．５Ag−３．０Bi−１．０In−０．２Cu合金
を開発した（5th Symposium on "Microjoining and Ass
embly Technology in Electronics" February 4-5, 199
9, pages 403 〜 408）。この合金の融点は２０２〜２
１６℃であり、耐熱耐疲労性が優れている。
頼性Sn−２．５Ag−３．０Bi−１．０In−０．２Cu合金
を開発した（5th Symposium on "Microjoining and Ass
embly Technology in Electronics" February 4-5, 199
9, pages 403 〜 408）。この合金の融点は２０２〜２
１６℃であり、耐熱耐疲労性が優れている。
【０００５】BiはSn-Ag系合金の融点を低下させ、強度
を高める作用が顕著であるので、ＰbフリーSn-Ag系はん
だ合金には添加されているものが多い（特許第２８０５
５９５号、特開平８−１３２２７７号、特開平８−１８
７５９０号、特開平８−２０６８７４号、特開平１０−
３４３７６号など）。
を高める作用が顕著であるので、ＰbフリーSn-Ag系はん
だ合金には添加されているものが多い（特許第２８０５
５９５号、特開平８−１３２２７７号、特開平８−１８
７５９０号、特開平８−２０６８７４号、特開平１０−
３４３７６号など）。
【０００６】ところではんだ接合部の熱疲労においては
各構成部品の熱膨張係数の際に起因したひずみが繰り返
して接合部に加えられる。熱疲労特性をひずみ速度変化
引張試験法を用いて評価する研究が「まてりあ」第38巻
第12号（１９９９）第９４２〜９４６頁に発表されてお
り、この研究によると、上記したSn-Ag-Bi-Cu系合金と
ほぼ同じ組成を有する合金の耐熱疲労性が優れていると
評価されている。
各構成部品の熱膨張係数の際に起因したひずみが繰り返
して接合部に加えられる。熱疲労特性をひずみ速度変化
引張試験法を用いて評価する研究が「まてりあ」第38巻
第12号（１９９９）第９４２〜９４６頁に発表されてお
り、この研究によると、上記したSn-Ag-Bi-Cu系合金と
ほぼ同じ組成を有する合金の耐熱疲労性が優れていると
評価されている。
【０００７】特表２００１−５０４７６０（WO９８／３
４７５５，１９９８．８．１３）によると、三元共晶Sn
−４．７％Ag−１．７％Cuには金属間化合物層成長の欠
点があるから、Ni,Co,Feなどを添加する。Cu系導体を、N
i,Co,Feなどを添加したSn系はんだではんだ付するとCu6
Sn5などの金属間化合物層が薄くなる。この公報で提案さ
れている理論によると、Niなどの添加により金属間化合
物凝固層は薄くなり、Niなどは金属間化合物層の形態を
その成長を抑制するように変える。
４７５５，１９９８．８．１３）によると、三元共晶Sn
−４．７％Ag−１．７％Cuには金属間化合物層成長の欠
点があるから、Ni,Co,Feなどを添加する。Cu系導体を、N
i,Co,Feなどを添加したSn系はんだではんだ付するとCu6
Sn5などの金属間化合物層が薄くなる。この公報で提案さ
れている理論によると、Niなどの添加により金属間化合
物凝固層は薄くなり、Niなどは金属間化合物層の形態を
その成長を抑制するように変える。
【０００８】電子部品の電気的接合において、ＢＧＡボ
ールと呼ばれる０．１〜１．２ｍｍの微小球を用いる接
合方式は多ピン化に有効な接合方式であるために、近年
適用が増加している。ＢＧＡ接合用はんだでも鉛フリー
化が進んでおり、Sn-Ag系はんだが使用されている。こ
の接合方式では構成部品の線膨張係数の違いによるひず
みがはんだボールとＮｉもしくはＣｕランド部との接合
領域で起こる。
ールと呼ばれる０．１〜１．２ｍｍの微小球を用いる接
合方式は多ピン化に有効な接合方式であるために、近年
適用が増加している。ＢＧＡ接合用はんだでも鉛フリー
化が進んでおり、Sn-Ag系はんだが使用されている。こ
の接合方式では構成部品の線膨張係数の違いによるひず
みがはんだボールとＮｉもしくはＣｕランド部との接合
領域で起こる。
【０００９】はんだの熱疲労性破壊はバルクで起こるも
のと接合界面で起こるものがある。例えば前掲「まてり
あ」の解説はバルクについて考察している。一方、Sn-
3.5Ag-5BiはんだではバルクはBi添加により強化されて
いるために、接合界面の金属間化合物で疲労破壊が起こ
るとの研究も発表されている（表面実装ポケットブッ
ク、鉛フリーはんだ技術、須賀唯知著、２０００年4月2
8日、初版第2刷、第９０〜９１行）。本発明者らはＢＧ
Ａボールの熱疲労は、接合領域でははんだ接合の際に、
はんだとランドとの間で反応が起こって金属間化合物が
生成し、これが成長する過程と関連していることを究明
した。
のと接合界面で起こるものがある。例えば前掲「まてり
あ」の解説はバルクについて考察している。一方、Sn-
3.5Ag-5BiはんだではバルクはBi添加により強化されて
いるために、接合界面の金属間化合物で疲労破壊が起こ
るとの研究も発表されている（表面実装ポケットブッ
ク、鉛フリーはんだ技術、須賀唯知著、２０００年4月2
8日、初版第2刷、第９０〜９１行）。本発明者らはＢＧ
Ａボールの熱疲労は、接合領域でははんだ接合の際に、
はんだとランドとの間で反応が起こって金属間化合物が
生成し、これが成長する過程と関連していることを究明
した。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】ＢＧＡ接合では、はん
だ球の先端部の狭い接合領域に水平方向のひずみが加え
られるために初期熱疲労が非常に起こり易い。すなわ
ち、はんだ接合部で接合時に生成した接合領域に高濃度
で含まれるＮｉもしくはＣｕのバルクへの拡散をひずみ
が加速するために、接合時に生成した厚さ以上に金属間
化合物が成長し、この結果金属間化合物の生成領域で疲
労破壊が起こる。したがって、本発明はＰｂを含まない
はんだ合金において、接合界面からのＮｉ，Ｃｕのバル
クへの拡散を押さえることにより耐熱疲労性を向上させ
た鉛フリーはんだ、耐熱疲労性が優れたはんだ継手を提
供することを目的とする。
だ球の先端部の狭い接合領域に水平方向のひずみが加え
られるために初期熱疲労が非常に起こり易い。すなわ
ち、はんだ接合部で接合時に生成した接合領域に高濃度
で含まれるＮｉもしくはＣｕのバルクへの拡散をひずみ
が加速するために、接合時に生成した厚さ以上に金属間
化合物が成長し、この結果金属間化合物の生成領域で疲
労破壊が起こる。したがって、本発明はＰｂを含まない
はんだ合金において、接合界面からのＮｉ，Ｃｕのバル
クへの拡散を押さえることにより耐熱疲労性を向上させ
た鉛フリーはんだ、耐熱疲労性が優れたはんだ継手を提
供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明に係る鉛フリーは
んだの第1は、質量百分率で、1.0〜3.5％のAg, 0.1〜0.
7％のCu、及び0.1〜2.0%Inを含有し、残部Sn及び不可避
的不純物から実質的になることを特徴とし、さらに、第
2は、 質量百分率で、1.0〜3.5％のSn, 0.1〜0.7％のA
g、及び0.1〜2.0%Inを含有し、さらに0.03 〜0.15％のN
i, 0.01〜0.1％のCo, 及び 0.01〜0.1％のFe少なくとも
1種を含有し、 残部Snと不可避的不純物から実質的にな
ることを特徴とする。本発明に係るはんだ継手の第1
は、Ni系導体を接合してなるはんだ継手において、はん
だ接合金属が前記Ni系導体との界面に存在するNi-Sn系
金属間化合物層と、バルク部分とからなり、該バルク部
分が請求項１記載の組成を有し、かつAg-Sn系金属間化
合物が分散したSn−Ag共晶組織とCuを固溶したSnマトリ
ックスから実質的になり、また第2はCu系導体を接合し
てなるはんだ継手において、はんだ接合金属が前記Cu系
導体との界面に存在するCu-Sn系金属間化合物層とバル
ク部分とからなり、該バルク部分が請求項１記載の組成
を有し、かつAg-Sn系金属間化合物が分散したSn−Ag共
晶組織とCuを固溶したSnマトリックスから実質的にな
る。以下本発明を詳しく説明する。
んだの第1は、質量百分率で、1.0〜3.5％のAg, 0.1〜0.
7％のCu、及び0.1〜2.0%Inを含有し、残部Sn及び不可避
的不純物から実質的になることを特徴とし、さらに、第
2は、 質量百分率で、1.0〜3.5％のSn, 0.1〜0.7％のA
g、及び0.1〜2.0%Inを含有し、さらに0.03 〜0.15％のN
i, 0.01〜0.1％のCo, 及び 0.01〜0.1％のFe少なくとも
1種を含有し、 残部Snと不可避的不純物から実質的にな
ることを特徴とする。本発明に係るはんだ継手の第1
は、Ni系導体を接合してなるはんだ継手において、はん
だ接合金属が前記Ni系導体との界面に存在するNi-Sn系
金属間化合物層と、バルク部分とからなり、該バルク部
分が請求項１記載の組成を有し、かつAg-Sn系金属間化
合物が分散したSn−Ag共晶組織とCuを固溶したSnマトリ
ックスから実質的になり、また第2はCu系導体を接合し
てなるはんだ継手において、はんだ接合金属が前記Cu系
導体との界面に存在するCu-Sn系金属間化合物層とバル
ク部分とからなり、該バルク部分が請求項１記載の組成
を有し、かつAg-Sn系金属間化合物が分散したSn−Ag共
晶組織とCuを固溶したSnマトリックスから実質的にな
る。以下本発明を詳しく説明する。
【００１２】本発明は、熱疲労特性がSn-Pb共晶はんだ
より優れたSn−Ag共晶及び亜共晶組成を基本として、バ
ルクとしての機械的特性及び濡れ性がSn−Ag共晶より悪
化せず、かつ界面反応を抑えるように、選択された添加
元素を量を特定して添加した。以下の説明において組成
の百分率は質量％である。
より優れたSn−Ag共晶及び亜共晶組成を基本として、バ
ルクとしての機械的特性及び濡れ性がSn−Ag共晶より悪
化せず、かつ界面反応を抑えるように、選択された添加
元素を量を特定して添加した。以下の説明において組成
の百分率は質量％である。
【００１３】本発明において、Agは濡れ性向上と融点低
下のために添加される。Ag含有量は1.0％未満であると
融点が上昇し、一方３．５％を超えるとAg3Sn初晶が生
成するので好ましくない。したがって、Agの含有量は
１．０〜３．５％であり、より好ましくは１．０〜３．
０％である。
下のために添加される。Ag含有量は1.0％未満であると
融点が上昇し、一方３．５％を超えるとAg3Sn初晶が生
成するので好ましくない。したがって、Agの含有量は
１．０〜３．５％であり、より好ましくは１．０〜３．
０％である。
【００１４】Cuは融点低下効果を有し、またSn中に固溶
する。驚くべきことにＢＧＡの凝固速度は速いので多量
のCuが固溶するために、ランド部のCu,Niとの相互拡散
が抑制される。この結果、ランド部の金属がはんだバル
ク中に拡散することが防止される。Cu含有量は０．１％
未満であるとこれらの効果が少なく、一方０．７％を超
えるとCu6Sn5が初晶として析出して、強度や疲労特性を
劣化する。したがってCu含有量は０．１〜０．７％であ
り、好ましくは０．２〜０．５％である。
する。驚くべきことにＢＧＡの凝固速度は速いので多量
のCuが固溶するために、ランド部のCu,Niとの相互拡散
が抑制される。この結果、ランド部の金属がはんだバル
ク中に拡散することが防止される。Cu含有量は０．１％
未満であるとこれらの効果が少なく、一方０．７％を超
えるとCu6Sn5が初晶として析出して、強度や疲労特性を
劣化する。したがってCu含有量は０．１〜０．７％であ
り、好ましくは０．２〜０．５％である。
【００１５】Ag及びCu並びに後述のNi,Co及びFeは延び
の低下を招く。Inはこれらの添加元素による伸びと濡れ
性の低下を抑える作用がある。Inの含有量が０．１％未
満であると、これらの効果が少なく２．０％を超える
と、Inの酸化物が増えて逆に濡れ性が低下する。したが
って、Inの含有量は０．１〜２．０％であり、より好ま
しくは０．１〜１．０％である。はんだの延びが高い
と、疲労破壊による亀裂の伝播が阻止され耐熱疲労性が
改良される。なお上述のとおり疲労破壊は金属間化合物
層の成長に起因する。
の低下を招く。Inはこれらの添加元素による伸びと濡れ
性の低下を抑える作用がある。Inの含有量が０．１％未
満であると、これらの効果が少なく２．０％を超える
と、Inの酸化物が増えて逆に濡れ性が低下する。したが
って、Inの含有量は０．１〜２．０％であり、より好ま
しくは０．１〜１．０％である。はんだの延びが高い
と、疲労破壊による亀裂の伝播が阻止され耐熱疲労性が
改良される。なお上述のとおり疲労破壊は金属間化合物
層の成長に起因する。
【００１６】上記成分の残部は実質的にSnである。この
組成をもつはんだ合金は、室温での引張強さが約４２〜
４４Mpa、 室温での伸びが約３８〜４０％、広がり率が
約７６〜７９％、融点が２１０〜２２０℃である。本出
願人らが先に開発したSn−２．５Ag−３．０Bi−１．０
In−０．２Cu合金（以下「開発品」と言う）は室温での
引張強度が約６２ＭＰａ、室温での伸びが約２５％であ
り、融点は２０２〜２１６℃、広がり率は約８４％であ
る。これら二つの合金を対比すると、本発明はBiを除く
ことにより強度が低下し、伸びが増大していることが分
かる。開発品で耐熱疲労性を評価している冷熱サイクル
試験ではＢｉ添加はバルクの疲労強度を高める効果が認
められるが、はんだボールを用いた本発明の冷熱サイク
ル試験法ではＢｉ添加は接合界面の疲労強度を損なう結
果が得られる。
組成をもつはんだ合金は、室温での引張強さが約４２〜
４４Mpa、 室温での伸びが約３８〜４０％、広がり率が
約７６〜７９％、融点が２１０〜２２０℃である。本出
願人らが先に開発したSn−２．５Ag−３．０Bi−１．０
In−０．２Cu合金（以下「開発品」と言う）は室温での
引張強度が約６２ＭＰａ、室温での伸びが約２５％であ
り、融点は２０２〜２１６℃、広がり率は約８４％であ
る。これら二つの合金を対比すると、本発明はBiを除く
ことにより強度が低下し、伸びが増大していることが分
かる。開発品で耐熱疲労性を評価している冷熱サイクル
試験ではＢｉ添加はバルクの疲労強度を高める効果が認
められるが、はんだボールを用いた本発明の冷熱サイク
ル試験法ではＢｉ添加は接合界面の疲労強度を損なう結
果が得られる。
【００１７】上記成分に対して、任意成分としてNi,Co
及び／又はFeを添加することができる。Ni，Co及び／又
はFeは部分的に又は完全にSnマトリックスに固溶しそし
て耐熱疲労性を高める。
及び／又はFeを添加することができる。Ni，Co及び／又
はFeは部分的に又は完全にSnマトリックスに固溶しそし
て耐熱疲労性を高める。
【００１８】Ni:NiはSn中に固溶して、ランドのNi,Cuと
の相互拡散を抑制し、Ni,Cuがはんだバルクに拡散する
ことを防止する効果をもっている。Niの含有量が０．０
３％未満であると、これらの効果が少なく、一方０．１
５％を超えるとNi3Sn4が初晶として晶出するためにバル
クの機械的性質が大幅に変化し、さらに濡れ性も低下す
る。したがったNiの含有量は０．０３〜０．１５％であ
り、好ましくは０．０３〜０．１％である。この範囲内
ではNiはSnマトリックス中に一部固溶すると考えられ
る。
の相互拡散を抑制し、Ni,Cuがはんだバルクに拡散する
ことを防止する効果をもっている。Niの含有量が０．０
３％未満であると、これらの効果が少なく、一方０．１
５％を超えるとNi3Sn4が初晶として晶出するためにバル
クの機械的性質が大幅に変化し、さらに濡れ性も低下す
る。したがったNiの含有量は０．０３〜０．１５％であ
り、好ましくは０．０３〜０．１％である。この範囲内
ではNiはSnマトリックス中に一部固溶すると考えられ
る。
【００１９】Co:CoはSn中に固溶して、ランドのNi,Cuと
の相互拡散を抑制し、Ni,Cuがはんだバルクに拡散する
ことを防止する効果をもっている。Coの含有量が０．０
１％未満ではこれらの効果が少なく、一方０．１％を超
えると融点が急激に上昇するために、Co含有量は０．０
１〜０．１％であり、より好ましくは０．０１〜０．０
５％である。この範囲内ではCoはSnマトリックス中に全
体があるいはほぼ全体が固溶すると考えられる。
の相互拡散を抑制し、Ni,Cuがはんだバルクに拡散する
ことを防止する効果をもっている。Coの含有量が０．０
１％未満ではこれらの効果が少なく、一方０．１％を超
えると融点が急激に上昇するために、Co含有量は０．０
１〜０．１％であり、より好ましくは０．０１〜０．０
５％である。この範囲内ではCoはSnマトリックス中に全
体があるいはほぼ全体が固溶すると考えられる。
【００２０】Fe:FeはSn中に固溶して、ランドのNi,Cuと
の相互拡散を抑制し、Ni,Cuがはんだバルクに拡散する
ことを防止する効果をもっている。Feの含有量が０．０
１％未満ではこれらの効果が少なく、一方０．１％を超
えると融点が急激に上昇するために、Feの含有量は０．
０１〜０．１％であり、より好ましくは０．０１〜０．
０５％である。この範囲内ではFeはSnマトリックス中に
一部固溶すると考えられる。
の相互拡散を抑制し、Ni,Cuがはんだバルクに拡散する
ことを防止する効果をもっている。Feの含有量が０．０
１％未満ではこれらの効果が少なく、一方０．１％を超
えると融点が急激に上昇するために、Feの含有量は０．
０１〜０．１％であり、より好ましくは０．０１〜０．
０５％である。この範囲内ではFeはSnマトリックス中に
一部固溶すると考えられる。
【００２１】上記したはんだはＢＧＡボールに限らず、
表面実装において接合界面のひずみが大きくなる箇所に
は有効に使用することができる。
表面実装において接合界面のひずみが大きくなる箇所に
は有効に使用することができる。
【００２２】続いて、本発明に係る継手について説明す
る。本発明に係る第1のはんだ継手は、Ni系導体を接合
してなるはんだ継手に関するものである。Ni-Sn系金属
間化合物層がNi系導体との界面に存在する。このNi-Sn
系金属間化合物層はボールのNi系導体との接合部に存在
し、かつボールの周縁表面に存在する。はんだのバルク
はCu-Sn系金属間化合物及びAg-Sn系金属間化合物が分散
したSn−Ag共晶組織を有する。はんだのバルクは第１又
は第２のはんだ組成を有する。第１の組成の場合はCuが
Ｓｎマトリックス中に固溶し、また第２の組成の場合は
Fe,Ni,Coのうち添加されているものがSnマトリックス中
に固溶する。
る。本発明に係る第1のはんだ継手は、Ni系導体を接合
してなるはんだ継手に関するものである。Ni-Sn系金属
間化合物層がNi系導体との界面に存在する。このNi-Sn
系金属間化合物層はボールのNi系導体との接合部に存在
し、かつボールの周縁表面に存在する。はんだのバルク
はCu-Sn系金属間化合物及びAg-Sn系金属間化合物が分散
したSn−Ag共晶組織を有する。はんだのバルクは第１又
は第２のはんだ組成を有する。第１の組成の場合はCuが
Ｓｎマトリックス中に固溶し、また第２の組成の場合は
Fe,Ni,Coのうち添加されているものがSnマトリックス中
に固溶する。
【００２３】これらの継手構造を順に説明する。Ni系導
体との界面に存在するNi-Sn系金属間化合物層はＮｉラ
ンドと本発明のはんだが反応することにより生成したNi
3Sn4などの金属間化合物層から主としてなる。この金属
間化合物は熱サイクルにより成長する。
体との界面に存在するNi-Sn系金属間化合物層はＮｉラ
ンドと本発明のはんだが反応することにより生成したNi
3Sn4などの金属間化合物層から主としてなる。この金属
間化合物は熱サイクルにより成長する。
【００２４】次に、バルク層は上記したはんだ組成を有
している。その組織は凝固の過程で生成したものであ
る。すなわちまずCu,Inなどを固溶しながらSnマトリッ
クスが結晶化し、その後共晶反応が起こってSnとAg-Sn
系金属間化合物の共晶組織が生成し、同様に分散する。
共晶点は３．５％Ag、残部Snである。共晶反応後もしく
は同時にさらに晶出反応が起こってCu-Sn 系金属間化合
物が生成する。凝固後のＳｎマトリックスには、Cu,Fe,
Ni,Co,Agは少量固溶する。固溶したCu,Fe,Ni,Coははん
だマトリックス中のSnが上記金属間化合物層のNiまたは
Cuと相互拡散するのを遅らせ、その結果バルク層に金属
間化合物が発生することを防止する。上記した金属間化
合物は上記した生成過程を反映した分布を呈しており、
微細であるので、バルク層と金属間化合物層は光学顕微
鏡で識別できる。
している。その組織は凝固の過程で生成したものであ
る。すなわちまずCu,Inなどを固溶しながらSnマトリッ
クスが結晶化し、その後共晶反応が起こってSnとAg-Sn
系金属間化合物の共晶組織が生成し、同様に分散する。
共晶点は３．５％Ag、残部Snである。共晶反応後もしく
は同時にさらに晶出反応が起こってCu-Sn 系金属間化合
物が生成する。凝固後のＳｎマトリックスには、Cu,Fe,
Ni,Co,Agは少量固溶する。固溶したCu,Fe,Ni,Coははん
だマトリックス中のSnが上記金属間化合物層のNiまたは
Cuと相互拡散するのを遅らせ、その結果バルク層に金属
間化合物が発生することを防止する。上記した金属間化
合物は上記した生成過程を反映した分布を呈しており、
微細であるので、バルク層と金属間化合物層は光学顕微
鏡で識別できる。
【００２５】本発明に係る第２のはんだ継手は、Cu系導
体を接合してなるはんだ継手に関するものであり、はん
だ接合金属はCu系導体との界面に存在するCu-Sn系金属
間化合物層と、バルク部とから構成される。はんだのバ
ルクはSn-Ag共晶組織を有し、かつCu-Sn系金属間化合物
又はAg-Sn系金属間化合物が分散している。第１の組成
の場合はCuがSnマトリックス中に固溶し、また第２の組
成の場合はFe,Ni,Coのうち添加されているものがSnマト
リックス中に固溶する。この継手においてはバルク部に
固溶したCu,Fe,Ni,Coがランド部からのCuの拡散を阻止
し、金属間化合物層の成長を抑える。その他の点は第１
の継手と同じである。以下実施例により本発明を詳しく
説明する。
体を接合してなるはんだ継手に関するものであり、はん
だ接合金属はCu系導体との界面に存在するCu-Sn系金属
間化合物層と、バルク部とから構成される。はんだのバ
ルクはSn-Ag共晶組織を有し、かつCu-Sn系金属間化合物
又はAg-Sn系金属間化合物が分散している。第１の組成
の場合はCuがSnマトリックス中に固溶し、また第２の組
成の場合はFe,Ni,Coのうち添加されているものがSnマト
リックス中に固溶する。この継手においてはバルク部に
固溶したCu,Fe,Ni,Coがランド部からのCuの拡散を阻止
し、金属間化合物層の成長を抑える。その他の点は第１
の継手と同じである。以下実施例により本発明を詳しく
説明する。
【００２６】
【実施例】表１に組成を示すはんだ合金を溶解し、強度
試験片に鋳造し、また通常の方法で直径０．３ｍｍのは
んだボール（ＢＧＡボール）として成形した。
試験片に鋳造し、また通常の方法で直径０．３ｍｍのは
んだボール（ＢＧＡボール）として成形した。
【００２７】広がり率評価方法 広がり率測定は、銅板を研磨紙（＃１５００）で研磨し
た後イソプロピルアルコールで洗浄し、１５０℃×1時
間酸化処理したものにフラックスを塗布し、はんだ供試
材を２５０℃で溶融させ、３０秒保持後高さ変化から求
めた。結果を表１に示す。
た後イソプロピルアルコールで洗浄し、１５０℃×1時
間酸化処理したものにフラックスを塗布し、はんだ供試
材を２５０℃で溶融させ、３０秒保持後高さ変化から求
めた。結果を表１に示す。
【００２８】強度試験方法 円筒形試験片（平行部長さ：３０ｍｍ、平行部直径：２
ｍｍ）にはんだ合金を鋳造し、組織安定化のために１０
０℃×２４時間の処理を行った。引張試験については、
ひずみ速度１×１０-3／sec、試験温度２５℃で行い、
ｎ数は３とした。結果を表１に示す。
ｍｍ）にはんだ合金を鋳造し、組織安定化のために１０
０℃×２４時間の処理を行った。引張試験については、
ひずみ速度１×１０-3／sec、試験温度２５℃で行い、
ｎ数は３とした。結果を表１に示す。
【００２９】熱疲労特性 熱疲労特性は熱衝撃試験により評価した。２７個のＢＧ
Ａボールをフラックスを用いて接合しさらに、SnAg共晶
はんだペーストを用いて評価基板（ＦＲ−４，Cuランド
＋Niメッキ）に実装したものを用いた。試験条件は−４
０℃（２０ｍｉｎ）←→１２５℃（５ｍｉｎ）で１００
０サイクルまで行った。評価については、熱衝撃試験に
よる応力が大きい５個のＢＧＡボールについて断面観察
を行い、ランドと接合面長さに対するクラックの進行率
と接合界面における金属間化合物層の厚さで行った。結
果を表２に示す。クラック進行率については５個中最も
高いものを示す。金属間化合物の厚さは５個のＢＧＡボ
ールの平均値を示す。
Ａボールをフラックスを用いて接合しさらに、SnAg共晶
はんだペーストを用いて評価基板（ＦＲ−４，Cuランド
＋Niメッキ）に実装したものを用いた。試験条件は−４
０℃（２０ｍｉｎ）←→１２５℃（５ｍｉｎ）で１００
０サイクルまで行った。評価については、熱衝撃試験に
よる応力が大きい５個のＢＧＡボールについて断面観察
を行い、ランドと接合面長さに対するクラックの進行率
と接合界面における金属間化合物層の厚さで行った。結
果を表２に示す。クラック進行率については５個中最も
高いものを示す。金属間化合物の厚さは５個のＢＧＡボ
ールの平均値を示す。
【００３０】
【表１】
【００３１】
【表２】
【００３２】
【発明の効果】表１，２により本発明実施例の引張強
度、伸び及び広がり率は従来のSn-AgもしくはSn-Ag-Cu
系はんだと同程度であり、一方耐熱疲労特性は著しく改
善されていることが分かる。
度、伸び及び広がり率は従来のSn-AgもしくはSn-Ag-Cu
系はんだと同程度であり、一方耐熱疲労特性は著しく改
善されていることが分かる。
Claims (16)
- 【請求項１】 質量百分率で、1.0〜3.5％のAg, 0.1〜
0.7％のCu及び0.1〜2.0%のInを含有し、残部実質的にSn
及び不可避的不純物からなる鉛フリーはんだ。 - 【請求項２】 質量百分率で、1.0〜3.5％のAg, 0.1〜
0.7％のCu及び0.1〜2.0%Inを含有し、さらに0.03 〜0.1
5％のNi, 0.01〜0.1％のCo, 及び 0.01〜0.1％のFeのう
ち少なくとも1種を含有し、残部実質的にSn及び不可避
的不純物からなる鉛フリーはんだ。 - 【請求項３】 ボールグリッドアレイ(BGA)ボール用で
ある請求項１又は２記載の鉛フリーはんだ。 - 【請求項４】 ボールの直径が０．１から１．２mmであ
る請求項3記載の鉛フリーはんだ。 - 【請求項５】 Ni系導体を接合してなるはんだ継手にお
いて、はんだ接合金属が前記Ni系導体との界面に存在す
るNi-Sn系金属間化合物層とバルク部分からなり、該バル
ク部分が、請求項１記載の組成を有し、かつAg-Sn系金
属間化合物が分散したSn-Ag共晶組織とCuが固溶したSn
マトリックスとから実質的になるはんだ継手。 - 【請求項６】 前記バルク部分が請求項２の組成を有す
る請求項５記載のはんだ継手。 - 【請求項７】 前記Fe,Ni及びCoの少なくとも１種が少
なくとも一部Snマトリックス中に固溶した請求項６記載
のはんだ継手。 - 【請求項８】 前記バルク部分がボールグリッドアレイ
のボール状である請求項５又は６項記載のはんだ継手。 - 【請求項９】 前記ボールの直径が０．１〜１．２ｍｍ
である請求項８記載のはんだ継手。 - 【請求項１０】 前記Ni-Sn系金属間化合物層がボールの
Ｎi系導体との接合面周縁であってボール先端面に形成
されている請求項９記載のはんだ継手。 - 【請求項１１】 Cu系導体を接合してなるはんだ継手に
おいて、はんだ接合金属が前記Cu系導体との界面に存在
するCu-Sn系金属間化合物層とバルク部分からなり、該
バルク部分が、請求項１記載の組成を有し、かつAg-Sn
系金属間化合物が分散したSn-Ag共晶組織とCuが固溶し
たSnマトリックスとから実質的になるはんだ継手。 - 【請求項１２】 前記バルク部分が請求項２の組成を有
する請求項１１記載のはんだ継手。 - 【請求項１３】 前記Fe,Ni及びCoの少なくとも１種が
少なくとも一部Snマトリックス中に固溶した請求項１２
記載のはんだ継手。 - 【請求項１４】 前記バルク部分がボールグリッドアレ
イのボール状である請求項１１又は１２記載のはんだ継
手。 - 【請求項１５】 前記ボールの直径が０．１〜１．２ｍ
ｍである請求項１４記載のはんだ継手。 - 【請求項１６】 前記Ni-Sn系金属間化合物層がボールの
Cu系導体との接合面周縁であってボール先端面に形成さ
れている請求項１５記載のはんだ継手。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2002032122A JP3776361B2 (ja) | 2001-02-09 | 2002-02-08 | 鉛フリーはんだ及びはんだ継手 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001033206 | 2001-02-09 | ||
| JP2001-33206 | 2001-02-09 | ||
| JP2002032122A JP3776361B2 (ja) | 2001-02-09 | 2002-02-08 | 鉛フリーはんだ及びはんだ継手 |
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|---|---|
| JP2002307187A true JP2002307187A (ja) | 2002-10-22 |
| JP3776361B2 JP3776361B2 (ja) | 2006-05-17 |
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| JP2002032122A Expired - Fee Related JP3776361B2 (ja) | 2001-02-09 | 2002-02-08 | 鉛フリーはんだ及びはんだ継手 |
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-
2002
- 2002-02-08 JP JP2002032122A patent/JP3776361B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JP3776361B2 (ja) | 2006-05-17 |
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