JP2003290975A

JP2003290975A - はんだ材料

Info

Publication number: JP2003290975A
Application number: JP2002098481A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Yamashita; 満男山下; Shinji Tada; 慎司多田
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2002-04-01
Filing date: 2002-04-01
Publication date: 2003-10-14

Abstract

(57)【要約】【課題】階層はんだ付け工程における高温側はんだ材
料として好適にして、耐熱性良好な鉛フリーの「はんだ
材料」を提供する。【解決手段】２５〜４０重量％のＡｇと、２４〜４３
重量％のＳｂと、残部としてＳｎとを含む合金からなる
ものとし、その溶融温度は、少なくとも２５０℃以上と
し、また、前記合金粉末とフラックスとを混合してペー
スト状にしてなるものとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、電子機器におけ
る金属接合において使用される「はんだ材料」に関し、
特に鉛公害のない、所謂、鉛フリーの「はんだ材料」に
関する。

【０００２】

【従来の技術】はんだ接合を行う際には、「はんだ材
料」の接合性，耐食性が良好であることが必要であり、
さらに「はんだ材料」は、その熱疲労強度が高い上に所
望の接合温度を有し、また環境上の配慮から鉛を含有し
ないことが望まれる。半導体装置のチップは、パワー通
電時に熱が発生すること、チップの金属導体を接合する
「はんだ接合部」は面接合であることのために、チップ
のはんだ接合部には大きな熱ひずみが発生し、はんだ接
合部を構成する「はんだ合金」は過酷な使用環境下に置
かれるので、「はんだ合金」は熱疲労強度の高いことが
必要である。

【０００３】さらに半導体装置の構成上、半導体装置製
造の過程で、複数回の「はんだ接合」を行う場合に接合
温度の異なる複数種類の「はんだ材料」が用いられるの
で、前工程における「はんだ材料」としては、後工程の
温度プロファイルの影響を受けにくい溶融温度の高い材
料であることが望まれる。

【０００４】上記のように溶融温度レベルの異なるはん
だ付け工程、所謂、階層はんだ付け工程に好適な「はん
だ合金」としては、従来、スズ‐鉛（Sn-Pb）合金が知
られている。スズ‐鉛（Sn-Pb）合金としては、一般
に、３７重量％Pb‐６３重量％Sn共晶組成（共晶温度18
3 ℃）のものが広く使用されているが、Pbの割合を増加
することにより溶融温度を183 ℃から300 ℃付近まで上
げることができ、これにより、前記階層はんだ付け工程
における前工程用の溶融温度を高めたはんだ合金を得て
いる。例えば、９０重量％Pb‐１０重量％Snは、290 ℃
付近に溶融温度を有する。

【０００５】前述のように、スズ‐鉛（Sn-Pb）合金の
場合、Pbの割合を増加することにより溶融温度を高める
ことはできるが、液相温度と固相温度間の固液共存領域
を有し、共晶組織を有する場合、共晶温度が183℃であ
るので、耐熱性が低く比較的低温域で材質劣化が生じや
すいという問題がある。さらに、スズ‐鉛（Sn-Pb）合
金は、Pbを含有するので、対環境性の点で本質的に望ま
しくない。

【０００６】スズ‐鉛（Sn-Pb）合金に代わる「はんだ
合金」でPbを含有せず且つ耐熱性の高い、所謂、鉛フリ
ーの「はんだ合金」としては、共晶温度221 ℃を有する
スズ‐銀（Sn-Ag）合金、あるいは溶融温度232-245 ℃
を有するスズ‐アンチモン（Sn-Sb）合金が知られてい
る。（例えば、特開平１１−７７３６６号公報、特開平
１１−５８０６６号公報、特開平７−２８４９８３号公
報など参照）。

【０００７】上記特開平１１−７７３６６号および特開
平１１−５８０６６号は、本件出願人と同一出願人によ
る出願であって、前者はスズ‐銀（Sn-Ag）合金の改
良、後者はスズ‐アンチモン（Sn-Sb）合金の改良に関
わる「はんだ合金」の発明を開示している。

【０００８】前記特開平１１−７７３６６号公報に記載
された「はんだ合金」は、「スズを主成分とし、銀を
１．０〜４．０重量％、銅を２．０重量％以下、ニッケ
ルを１．０重量％以下、リンを０．２重量％以下含有す
るもので、スズ‐銀（Sn-Ag）合金を改良して、優れた
強度を有するとともに熱的に安定であり、接合性も良好
なスズ‐銀系はんだ合金を提供する」ことを特徴とす
る。

【０００９】また、前記特開平１１−５８０６６号公報
に記載された「はんだ合金」は、「Snが主成分で、Sbが
3.0 重量％以下、Agが3.5 重量％以下、CuもしくはNiま
たはCuとNiの両者でCuが1.0 重量％以下、Niが1.0 重量
％以下含有し、さらに0.2 重量％以下のP もしくは0.1
重量％以下のGeを含有するもので、優れた強度を有する
とともに熱的に安定であり、接合性も良好なスズ‐アン
チモン系はんだ合金を提供する」ことを特徴とする。

【００１０】さらに、上記スズ‐アンチモン系はんだ材
料としては、前記特開平７−２８４９８３号公報にも記
載されており、同公報に開示された「はんだ材料」は、
「発熱を伴う半導体装置の部品を接合する半田材料とし
て、温度170℃において優れた延性を有すると共に冷間
加工性に優れたＳｎ-Ｓｂ系のテープ又はワイヤー状半
田材料を提供する」ことを目的として、「Ｓｂ５〜１５
重量％、Ａｇ２〜１５重量％を含み、残部が不可避不純
物を除いて実質的にＳｎからなる半田材料を不活性雰囲
気中で溶解し、これを鋳造してインゴットを作成した
後、このインゴットを押出に供し、更に圧延加工又は伸
線加工による冷間加工を行い所定形状、寸法のテープ又
はワイヤに仕上げる」旨のはんだ材料の合金組成ならび
にその製造方法を開示している。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前述のよう
なスズ‐銀（Sn-Ag）系はんだ合金またはスズ‐アンチ
モン（Sn-Sb）系はんだ合金は、鉛フリーの環境対応型
「はんだ合金」ではあるものの、前記階層はんだ付け工
程用の「はんだ合金」として使用する場合には、下記の
ような問題がある。

【００１２】Sn-Ag系はんだ合金は、Sn-3.5重量％Agに
おいて、共晶温度221℃を有する。３７重量％Pb‐６３
重量％Sn共晶はんだ（共晶温度183 ℃）に替わる代表的
な鉛フリーはんだは、上記共晶組成3.5重量％Ag付近を
中心とするSn-Ag合金系である。Agの添加は、ぬれ性及
び熱疲労強度を改善するためである。従って、Sn-3.5重
量％Ag（共晶温度221℃）に対する高温側階層はんだと
しては、250℃以上の溶融温度を有するはんだ合金が望
まれる。

【００１３】Sn-Ag系はんだ合金において、Ag量を増加
することによって溶融温度を上げることはできるが、こ
の場合、液相温度は上昇するが、70重量％Ag（液相温度
620℃）まで共晶温度を固相温度として有する。そのた
め、Ag量を増加した場合の加熱・冷却曲線は、状態図
上、液相線温度300℃を有する12重量％Agであっても、
加熱時溶融、冷却時凝固が、共晶温度221℃付近にて支
配的に生じ、250℃以上での接合は困難である。

【００１４】また、Sn-Sb系はんだ合金は、8.5重量％Sb
において、包晶点（包晶温度246℃）を有する。Sb量を
増加することにより、液相温度を上げ、強度的にもすぐ
れたものが得られる。しかしながら、Sn-Sb系はんだ合
金は、はんだ接合時のぬれ性が悪い。また、Sb量を増加
した場合の加熱・冷却曲線は、状態図上、液相線温度30
0℃を有する16重量％Sbであっても、同様に、加熱時溶
融、冷却時凝固は、包晶温度246℃付近にて支配的に生
じており、やはり250℃以上での接合は困難である。

【００１５】さらに、250℃以上での接合温度を有する
鉛フリーはんだ合金としては、Au-Sn合金(80重量％Au-2
0重量％Sn共晶組成、共晶温度280℃)が知られている
が、本合金は高価格であり、多用するには実用的には不
向きである。

【００１６】この発明は、上記のような問題点に鑑みて
なされたもので、本発明の課題は、耐熱性良好にして鉛
フリーの「はんだ合金」からなり、その溶融温度が２５
０℃以上であって、階層はんだ付け工程における高温側
はんだ材料として好適な「はんだ材料」を提供すること
にある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
め、この発明の「はんだ材料」は、２５〜４０重量％の
Ａｇと、２４〜４３重量％のＳｂと、残部としてＳｎと
を含む合金からなるものとする（請求項１の発明）。

【００１８】前記請求項１の発明の実施態様としては、
下記請求項２ないし３の発明が好ましい。即ち、前記請
求項１に記載のはんだ材料において、その溶融温度は、
少なくとも２５０℃以上とする（請求項２の発明）。ま
た、前記請求項１または２に記載のはんだ材料におい
て、前記合金粉末とフラックスとを混合してペースト状
にしてなるものとする（請求項３の発明）。

【００１９】詳細は後述するように、Sn-Ag-Sb三元合金
の状態図のコンピュータ解析結果によれば、Sn-Ag-Sb三
元合金の包晶反応温度は２２６℃であり、かつ、２５０
℃以上であって比較的温度が低い領域に固相線があっ
て、包晶反応に関わらないＡｇ，Ｓｂの成分濃度領域が
存在することが判明し、この領域の成分を有するはんだ
合金は、はんだ接合時に、包晶温度（２２６℃）の支配
的影響を受けず、高温側階層はんだとして好適であるこ
とが判明した。

【００２０】後述する三つの状態図から、上記２５０℃
以上に固相線があって、包晶反応に関わらない固相線を
示す三元合金の成分の最大範囲を選定すると、請求項１
の発明のように、２５〜４０重量％Ａｇ、２４〜４３重
量％Ｓｂ、残部Ｓｎからなる合金となる。

【００２１】また、半導体などの接合対象物の熱変形や
材料の熱劣化を防止する観点から、接合部の周囲部材を
過度に加熱しないようにすることが望ましい。従って、
高温側階層はんだの溶融温度はできるだけ低い方が望ま
しく、前記請求項２の発明のように、溶融温度が少なく
とも250℃以上であることが望ましい。250℃以上の意義
は、低温側はんだ合金の温度レベルとの関係においてで
あり、また、「少なくとも」の意義は、例えば、CuやNi
などの添加物を用いた場合においても、250℃以上を確
保することである。

【００２２】さらに、前記請求項３の発明のように、本
合金を粉末とし、フラックスと混合したペースト状の、
所謂、クリームはんだとして使用すれば、粉末粒子間の
溶融拡散が容易に生じやすくなるので、平衡状態図上の
融解温度以下で融解する。フラックスとしては、公知の
材料が使用できる。

【００２３】

【発明の実施の形態】図１〜図３に基づき、この発明の
実施の形態について以下に述べる。図１〜図３は、Sn-A
g-Sb三元合金の状態図のコンピュータ解析結果を示し、
図１はSn-25重量％Ag、図２はSn-30重量％Ag、図３はSn
-40重量％Agの状態図を示す。各図において、縦軸は温
度（℃）、横軸はSb重量％を示す。

【００２４】多成分系の合金の平衡状態図は、存在し得
る相のギブスの自由エネルギを求め、次に系としての最
低のエネルギ状態を求められれば、理論的に構成するこ
とができる。最近では、専用のソフトウェアにより理論
計算が可能であり、実験が行なわれていない系や領域に
おける相平衡の予測する場合に有効な手段となってい
る。

【００２５】特に、三元系以上の多元系状態図を、すべ
ての組成・温度領域で実験的に作成することは不可能で
あり、また、これらの状態図を二次元的に図的に表現す
ることができないので、コンピュータ計算が不可欠であ
る。図１〜図３は、コンピュータによる三次元の解析結
果を、周知の手法により一部の断面図として、二次元的
に示した図である。

【００２６】図１の状態図を代表として、以下に詳細に
述べる。図１の状態図において、曲線で囲まれた各領域
は、全固体領域（金属または合金で表示）、全液体領域
（Liquidで表示）と固液共存領域（Ｌならびに金属また
は合金で表示）とに分類される。

【００２７】図１において、液相線は、凝固時に100％
液体から固相が晶出しはじめる温度で、加熱時に100％
液体になる温度のラインを示す。また、固相線は、凝固
時に100％固体になる温度で、加熱時に100％固体から液
体状態が生じ始める温度のラインを示す。包晶反応（温
度２２６℃）のラインも、固相線の一部である。

【００２８】図１のSn-25重量％Agの状態図において、
２５０℃において固相線と交わる点ＡのSb重量％は、約
３３％である。また、点Ａを含む固相線の終端部ａの高
温側温度は約３７０℃で、そのSb重量％は、約４３％で
ある。

【００２９】また、同様にして、図２のSn-30重量％Ag
の状態図において、２５０℃において固相線と交わる点
ＢのSb重量％は、約３０％である。また、点Ｂを含む固
相線の終端部ｂの高温側温度は約３７０℃で、そのSb重
量％は、約４０％である。さらに、図３のSn-40重量％A
gの状態図において、２５０℃において固相線と交わる
点ＣのSb重量％は、約２４％である。また、点Ｃを含む
固相線の終端部ｃの高温側温度は約３７０℃で、そのSb
重量％は、約３３％である。

【００３０】従って、包晶反応に関わらない固相線を示
す三元合金の成分の最大範囲を選定すると、請求項１の
発明のように、２５〜４０重量％Ａｇ、２４〜４３重量
％Ｓｂ、残部Ｓｎからなる合金である。実際上は、ニー
ズに応じて、上記範囲内から、好ましい範囲を選定す
る。溶融温度ができるだけ低い方が望ましい場合には、
各状態図において、Sb重量％の低いものを選定すること
が好ましい。

【００３１】

【実施例】純度99.99重量％以上の金属Sn,Ag,Sbを使用
し、セラミックるつぼ中において溶製し、Sn-30重量％A
g-30重量％Sb合金を作製した。この合金は、図２の状態
図における点Ｂに略該当する合金である。この合金を加
熱溶融したところ、３００℃付近で溶融し始めた。

【００３２】また、前記Sn-30重量％Ag-30重量％Sb合金
をフラックスと混合したクリームハンダを用いて、半導
体チップと銅板の間に塗布し、350℃まで加熱した。そ
の結果、310〜340℃付近で溶融し始め、上記はんだ材料
は、階層はんだ付け工程における高温側はんだ材料とし
て好適であることが確認された。

【００３３】

【発明の効果】前述のように、この発明の「はんだ材
料」は、２５〜４０重量％のＡｇと、２４〜４３重量％
のＳｂと、残部としてＳｎとを含む合金からなるものと
し、その溶融温度は、少なくとも２５０℃以上とし、ま
た、前記合金粉末とフラックスとを混合してペースト状
にしてなるものとしたので、階層はんだ付け工程におけ
る高温側はんだ材料として好適にして、耐熱性良好な鉛
フリーの「はんだ材料」を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】Sn-Ag-Sb三元合金の状態図のコンピュータ解析
結果を示す図（Sn-25重量％Agの場合の状態図）

【図２】Sn-Ag-Sb三元合金の状態図のコンピュータ解析
結果を示す図（Sn-30重量％Agの場合の状態図）

【図３】Sn-Ag-Sb三元合金の状態図のコンピュータ解析
結果を示す図（Sn-40重量％Agの場合の状態図）

【符号の説明】

なし。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２５〜４０重量％のＡｇと、２４〜４３
重量％のＳｂと、残部としてＳｎとを含む合金からなる
ことを特徴とするはんだ材料。
【請求項２】請求項１に記載のはんだ材料において、
その溶融温度は、少なくとも２５０℃以上とすることを
特徴とするはんだ材料。
【請求項３】請求項１または２に記載のはんだ材料に
おいて、前記合金粉末とフラックスとを混合してペース
ト状にしてなることを特徴とするはんだ材料。