JP2004122223A

JP2004122223A - 電子部品および電子部品の製造方法

Info

Publication number: JP2004122223A
Application number: JP2002293787A
Authority: JP
Inventors: Masayoshi Date; 伊達　正芳; Masaru Fujiyoshi; 藤吉　優
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2002-10-07
Filing date: 2002-10-07
Publication date: 2004-04-22

Abstract

【課題】Ａｇを主成分とする端子部を具備する電子部品における端子部の食われを抑制し、接合強度の改善を行なう。
【解決手段】質量％でＡｇを３．０〜５．０％、Ｃｕを１．０以下％含み、残部実質的にＳｎからなるはんだ合金であって、該はんだ合金中のＡｇ濃度Ｃ_ＡｇとＣｕ濃度Ｃ_Ｃｕが２．０Ｃ_Ａｇ＋１．２Ｃ_Ｃｕ≧７．０の関係を満たすはんだ合金を用い、Ａｇを主成分とする端子部をはんだ付けすることにより電子部品における端子部の食われを低減する。はんだ合金は質量％でＢｉを１０％以下またはＩｎを５．０％以下含むことが好ましい。さらに、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｓｂ、Ｐ、Ｚｎから選ばれる１種以上の元素を合計で１．０質量％以下含有することが好ましい。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ａｇを主成分とする端子部を具備する電子部品および電子部品の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エレクトロニクス分野では、電子部品と回路を構成するための配線板を電気的に接続する手法としてはんだ接合が用いられている。このはんだ接合用のはんだ合金としてはＳｎとＰｂを主とするＳｎ−Ｐｂ系はんだ合金が長年に渡り用いられてきた。しかし今日、Ｓｎ−Ｐｂ系はんだ合金に含まれるＰｂによる自然環境への影響が問題とされており、Ｓｎ−Ｐｂ系はんだ合金の代わりにＰｂを含まないＰｂフリーはんだ合金の使用が検討されている。その最も有力な候補として、耐熱疲労特性、高温特性に優れるといった特徴を有するＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金が考えられている（例えば、特許文献１参照。）。
特許文献１で提案されているＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金のうち、特に優れた特性を有するＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ（ｍａｓｓ％）の組成のはんだ合金がＪＥＩＴＡ（電子情報技術産業協会）推奨のはんだ組成として広く実用に供されている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００３】
一方、はんだ合金により接合される電子機器を構成する電子部品や回路基板には、エポキシ樹脂やポリイミドといった樹脂材料が多く用いられているが、基板の耐熱性や平坦度、剛性が要求されるような場合にはセラミック基板が用いられている。一般にセラミック基板における端子部および導体層の形成は、セラミックのグリーンシート上に導電粒子と有機成分を混錬してペースト状にしたものを印刷した後、高温まで加熱してセラミックスおよび導電粒子の焼成を行う。導電粒子としては融点がセラミックスの焼成温度に近いＡｇやＣｕを主とする粉末が用いられる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−５０２８６号公報
【非特許文献１】
「日経エレクトロニクス（Ｎｏ．７９５）」　日経ＢＰ社、２００１年５月７日、ｐ．５７−６４（表１等）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
Ｐｂフリーはんだとして広く実用に供されているＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕのはんだ合金は、電子部品の端子部として一般的なＣｕを主成分とする端子部のはんだ付けにおいては安定して優れた接合を達成できることが認められている。
しかしながら、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕのはんだ合金を用いてＡｇを主成分とする端子部の接合を行った場合、端子部における厚さの減少を生じる。これは食われと称される現象であるが、本来、食われを生じていない端子部の剥離強度は、はんだ合金及びはんだ接合部の機械的強度より高いので、はんだ接合後に外部からの負荷により破断する際には、はんだ合金及びはんだ接合部から破断を生じる。しかし、食われを生じた端子部では剥離強度が厚さの減少に伴い著しく低下し、外部からの負荷に対して剥離による破断を発生しやすくなる。この剥離強度の低下は、これらの端子部により接合されている電子部品の断線不良の原因となるため問題である。
【０００６】
本発明の目的は、Ａｇを主成分とする端子部を具備する電子部品における端子部の食われを抑制し、はんだ付け後の電子部品における接合強度の改善を行うことである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、Ａｇを主成分とする端子部を具備する電子部品における食われは、はんだ接合時に溶融したＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金へ端子部からＡｇが溶出することで生じることに着目した。そしてＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金中にＡｇが溶存可能な量を求め、溶融前のはんだ合金の組成を調整することにより、Ａｇの溶出を防ぎ、接合強度を大きく改善できることを見いだし、本発明に到達した。
【０００８】
すなわち本発明は、質量％でＡｇを３．０〜５．０％、Ｃｕを１．０％以下含み、残部実質的にＳｎからなるはんだ合金であって、該はんだ合金中のＡｇ濃度Ｃ_ＡｇとＣｕ濃度Ｃ_Ｃｕが２．０Ｃ_Ａｇ＋１．２Ｃ_Ｃｕ≧７．０の関係を満たすはんだ合金を用い、Ａｇを主成分とする端子部をはんだ付けする電子部品の製造方法である。
【０００９】
好ましくは２．０Ｃ_Ａｇ＋１．２Ｃ_Ｃｕ≧８．５の関係を満たすはんだ合金を用いる。
また、好ましくは前記はんだ合金は質量％でＢｉを１０％以下またはＩｎを５．０％以下含む。
また、好ましくはＡｌ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｓｂ、Ｐ、Ｚｎから選ばれる１種以上の元素を合計で１．０質量％以下含有する。
また、好ましくはＡｇを主成分とする端子部の厚さが２０μｍ以下である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の重要な特徴は、Ａｇを主とする端子部を、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金中のＡｇ濃度とＣｕ濃度が一定の関係を満たすはんだ合金を用いて接合することにより電子部品を製造することである。
本発明でＡｇを主とする端子部の接合にＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金中のＡｇ濃度とＣｕ濃度が一定の関係を満たすはんだ合金を用いて接合するのは、この場合端子部側において、接合後に端子部の食われは殆ど観察されず、接合後の端子部における剥離強度の低下を生じ難いからである。
【００１１】
本発明において端子部の食われを抑制できる理由を以下に詳述する。
既に述べたようにＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金におけるＡｇを主成分とする端子部の食われは、はんだ接合時における溶融したＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金への端子部からのＡｇの溶出により生じる現象である。本発明者の検討では、溶融したＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金を、Ａｇを主成分とする端子部に接触させた場合、Ａｇは溶存可能な限界量まで溶融はんだ合金中へ溶出する。Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕのはんだ合金においてＡｇを主成分とする端子部の食われが大きいのは、溶融前のＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕのはんだ合金中のＡｇ濃度と比べて、溶融後のＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕのはんだ合金中に溶存可能なＡｇ濃度が高い為である。この知見に基づき本発明者は、予めＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金中のＡｇ濃度を溶融時に溶存可能な限界量に近づけておくことで、はんだ接合時に生じる端子部の食われを抑制することができることを見出した。
【００１２】
Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金中のＡｇ濃度を予め溶融時に溶存可能な限界量に近づける方法としては、溶融前のはんだ合金組成におけるＡｇの含有量を高めることの他、Ｃｕの含有量を高めることによっても達成できる。またＢｉ、Ｉｎの添加も有効であることが確認されている。以下に、本発明のはんだ合金組成の限定理由について詳細に説明する。
【００１３】
先ず、最も重要な本発明の特徴は、Ａｇ濃度Ｃ_ＡｇとＣｕ濃度Ｃ_Ｃｕが２．０Ｃ_Ａｇ＋１．２Ｃ_Ｃｕ≧７の関係を満たすＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ合金を用い、電子部品に設けらているＡｇを主成分とする端子部をはんだ付けして電子部品を製造することである。
本発明者の検討によれば、Ａｇ、Ｃｕは何れも一定の量以上含有させることで、溶融時の端子部からのＡｇの溶出を抑制することが可能であるが、ＡｇとＣｕでは端子部の溶出抑制に影響する程度が異なる。具体的にはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金において、はんだ合金中のＡｇ濃度Ｃ_ＡｇとＣｕ濃度Ｃ_Ｃｕを２．０Ｃ_Ａｇ＋１．２Ｃ_Ｃｕ≧７．０の関係を満たすようにＡｇおよびＣｕを含有させることで、はんだ付け時におけるＡｇの溶出を抑制でき、Ａｇを主成分とする端子部の食われ低減の効果が得られる。
【００１４】
さらに、２．０Ｃ_Ａｇ＋１．２Ｃ_Ｃｕ≧８．５の関係を満たすようにＡｇおよびＣｕを含有させることで、Ａｇを主成分とする端子部の食われを一層低減するとことが可能となり、食われによる接合強度の低下が顕著に表れる厚みの小さい端子部のはんだ付けにおいても、接合強度を損なうことなく、はんだ付けすることが可能となる。
【００１５】
なお、本発明においてＡｇは、Ｃｕと比べてはんだ付け時の端子部からのＡｇの溶出に対する抑制効果の高い元素であり、はんだ合金中に少なくとも３．０％以上含有していることが必要である。一方、その含有量が５％以上では、はんだ合金の融点が著しく上昇し電子部品へ熱的損傷を与えることに加え、はんだ合金自体が高価なものになる。よって、本発明においてＡｇは質量％でＡｇを３．０〜５．０％とする。また、Ｃｕを質量％で１．０％以下含有させるのは、はんだ合金に含まれるＣｕも端子部の溶出を抑制する効果があるが、１．０％以上添加するとはんだ合金の融点が著しく上昇し電子部品へ熱的損傷を与えるためである。
【００１６】
また本発明においてＡｇを主成分とする端子部とは、Ａｇの含有量が５０質量％以上の端子部であり、具体的には例えばＡｇ−Ｐｄ端子部や、Ａｇ−Ｐｔ端子部、Ａｇ端子部等である。
【００１７】
さらに、本発明におけるはんだ合金は質量％でＢｉを１０％以下またはＩｎを５．０％以下含むことが好ましい。
Ｂｉを含有させる理由は、Ａｇの食われを抑制する効果を損なうことなく融点を低下させることにある。一方、Ｂｉの含有量が１０質量％以上では、Ｓｎ−Ｂｉ低温共晶が生成し、製品使用時の熱負荷により再溶融する。それゆえ、Ｂｉは１０質量％以下で含有することが好ましい。また、Ｂｉによる融点の低下は、その含有量が１．０質量％以上でより明確となり好ましい。
【００１８】
Ｉｎを含有させる理由は、Ｂｉと同様にＡｇの食われを抑制する効果を損なうことなく融点を低下させることにある。さらにＩｎでは、濡れ性を改善することもできる。一方、Ｉｎの含有量が５．０質量％以上では、常温においてβ−Ｓｎ相がα−Ｓｎ相に相転移しやすくなり、接合部の熱疲労特性が低下する。それゆえ、Ｉｎは５．０質量％以下で含有することが好ましい。また、Ｉｎによる融点低下、濡れ性改善の効果は、その含有量が１．０質量％でより明確となり好ましい。
上述の効果の他、Ｂｉ、Ｉｎは、溶融時にはんだ合金中に溶存可能なＡｇ濃度の限界量を低減し、端子部の食われを抑制する効果も有する。
【００１９】
加えて本発明では、はんだ合金中にＡｌ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｓｂ、Ｐ、Ｚｎから選ばれる１種以上の元素を合計で１．０質量％以下含有することが好ましい。
Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｓｂ、Ｐ及びＺｎははんだ合金中に少量含有させることにより、Ａｇ及びＣｕによるＡｇの食われを抑制する効果を損なうことなく、はんだ合金の強度を向上し、さらにはんだ付け後の接合強度を向上することができる。しかしながら過度に添加すると、はんだ合金の延性を低下し、はんだ付け後の接合部における耐衝撃性を低下させる。よって、これらの元素は１．０質量％以下含有することが好ましい。
【００２０】
また、本発明の電子部品の製造方法では、Ａｇを主成分とする端子部の溶出を抑制できるため、端子部の厚さを薄くすることが可能である。端子部の薄型化は端子部の形成に要するＡｇ量の低減に繋がることから、電子部品のコストを低減することが可能となる。よって、端子部の厚みは小さくすることが好ましい。しかしながら、従来用いられているＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金では、端子部に食われを生じ、接合強度が低減する為、一般に端子部の厚さを２０μｍ以下とすることは困難である。これに対し、本発明によれば、端子部の食われを低減できるので、端子部の厚さを２０μｍ以下にすることができ、延いては電子部品のコストを低減することができる。
【００２１】
はんだ付けの方法としては、フローはんだ付けによる端子部のはんだ付け、はんだ合金粉末を含むはんだ合金ペーストによる端子部のはんだ付け、はんだボールによる端子部のはんだ付け等が挙げられる。前記のはんだ付けのうち第２、第３の方法は、はんだ合金を端子部に載せた後、はんだ合金が溶融する温度以上に加熱して、溶融はんだ合金と端子部を反応させること（以下リフローと称する）によりはんだ合金バンプを形成し、はんだ付けを行うことができる。
【００２２】
【実施例】
質量％でＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ、Ｓｎ−４Ａｇ−０．５Ｃｕ、Ｓｎ−４Ａｇ−０．５Ｃｕ−０．５ＡｌそしてＳｎ−３Ａｇ−１Ｃｕ−５Ｂｉの組成を有する、直径７６０ｕｍのはんだボールを用意した。これらのはんだボールを、Ａｇ−Ｐｄ端子部に載せた後、リフローを施すことによりはんだ合金バンプを形成した。リフロー温度は２４５℃とした。
【００２３】
次に上述した各条件におけるはんだ合金バンプと該端子部との接合強度を評価するため、はんだ合金バンプの引き剥がし試験を実施した。この手法では、端子部を形成した基板を固定した状態で、はんだ合金バンプをツイーザで掴み、はんだ合金バンプを引き剥がすことにより接合強度を測定する。引き剥がし速度は１００μｍ／ｓとし、２０個のはんだ合金バンプに関して測定した。また引き剥がし試験後に破面観察を行い端子部の剥離確率を求めた。
また、各条件につき５個のはんだ合金バンプについて、端子部の食われ量を測定した。測定は、端子部を樹脂埋めした後、断面研磨を行い、光学顕微鏡像をもとに該端子部の厚さ変化を測定した。端子部の厚さ変化は、はんだ接合前の端子部の厚みから、接合後の端子部の厚さを引いた値として求めた。
また、リフローを行った後、さらにリフローを２回、つまり合計リフロー３回行ったものについても同様の評価を行った。
【００２４】
はんだ接合後の接合界面断面の一例としてＳｎ−４Ａｇ−０．５ＣｕおよびＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕはんだ合金により形成したバンプにおける、リフロー３回後の接合界面の光学顕微鏡像を、それぞれ図１（ａ）、図１（ｂ）に示す。
図１（ｂ）より、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕはんだ合金バンプについては端子部において食われを生じていることがわかる。これに対し、図１（ａ）に示すＳｎ−４Ａｇ−０．５Ｃｕはんだ合金バンプについては、ほとんど食われは見られない。
表１に各はんだ合金バンプにおける端子部の食われ量の平均値を示す。Ｓｎ−４Ａｇ−０．５Ｃｕ、Ｓｎ−４Ａｇ−０．５Ｃｕ−０．５ＡｌおよびＳｎ−３．２Ａｇ−０．８Ｃｕ−５Ｂｉはんだ合金バンプでは食われ小さく、特にＳｎ−４Ａｇ−０．５Ｃｕはんだ合金バンプでは、僅かな食われしか生じていない。これに対して、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕはんだ合金バンプでは食われ量が多い。
【００２５】
【表１】

【００２６】
これらについて引き剥がし試験を行った結果、食われがほとんど見られないＳｎ−４Ａｇ−０．５Ｃｕ、Ｓｎ−４Ａｇ−０．５Ｃｕ−０．５ＡｌおよびＳｎ−３．２Ａｇ−０．８Ｃｕ−５Ｂｉはんだ合金バンプでは、大半がはんだ合金バンプにおいてはんだ合金部分で破断したのに対し、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕはんだ合金バンプでは高い割合で端子部の剥離により破断を生じた。端子部剥離確率、及び接合強度の平均値を表１に併せて示す。また表１に示す結果をもとに、リフロー回数と強度、食われ量と端子部剥離確率の関係をまとめた結果をそれぞれ図２、図３に示す。
【００２７】
食われ量の大きいＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕはんだ合金バンプでは、図２に示すように、端子部の剥離により破断を生じたはんだ場合に、はんだ合金で破断を生じた場合よりも著しく強度が低くなっている。一方、食われ量の小さい本発明例では、剥離により破断を生じたはんだ場合の強度も、はんだ合金で破断を生じた場合と比べて、僅かにな強度の低下が見られるのみである。
【００２８】
図３から端子部での剥離による破断は、端子部の食われ量が大きいほど高い頻度で生じている。
以上より、Ａｇを主成分とする端子部を、質量％でＡｇを３．０〜５．０％、Ｃｕを１．０％以下含み、残部実質的にＳｎからなるはんだ合金であって、該はんだ合金中のＡｇ濃度Ｃ_ＡｇとＣｕ濃度Ｃ_Ｃｕが２．０Ｃ_Ａｇ＋１．２Ｃ_Ｃｕ≧７．０の関係を満たすはんだ合金を用いて接合することで接合強度を改善できることがわかる。特に２．０Ｃ_Ａｇ＋１．２Ｃ_Ｃｕ≧８．５の関係を満たすはんだ合金を用いる場合には、その効果が著しい。加えて、本発明の電子部品では断線を生じ難いことがわかる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によればＡｇを主成分とする端子部を有する電子部品における端子部の食われの問題を改善することができ、Ａｇを主成分とする端子部を具備する電子部品のＰｂフリー化にとって欠くことのできない技術となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｓｎ−３Ａｇ−０．５ＣｕおよびＳｎ−４Ａｇ−０．５Ｃｕはんだ合金バンプにおけるリフロー３回後の接合界面の光学顕微鏡像を示す。
【図２】各条件におけるＡｇを主成分とする端子部と各々のはんだ合金バンプとの接合強度を示す。
【図３】端子部の食われ量と端子部剥離確率との関係を示す。

Claims

質量％でＡｇを３．０〜５．０％、Ｃｕを１．０以下％含み、残部実質的にＳｎからなるはんだ合金であって、該はんだ合金中のＡｇ濃度Ｃ_ＡｇとＣｕ濃度Ｃ_Ｃｕが２．０Ｃ_Ａｇ＋１．２Ｃ_Ｃｕ≧７．０の関係を満たすはんだ合金を用い、Ａｇを主成分とする端子部をはんだ付けすることを特徴とする電子部品の製造方法。
２．０Ｃ_Ａｇ＋１．２Ｃ_Ｃｕ≧８．５の関係を満たすはんだ合金を用いることを特徴とする請求項１に記載の電子部品の製造方法。
はんだ合金は質量％でＢｉを１０％以下またはＩｎを５．０％以下含むことを特徴とする請求項１または２に記載の電子部品の製造方法。
Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｓｂ、Ｐ、Ｚｎから選ばれる１種以上の元素を合計で１．０質量％以下含有することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の電子部品の製造方法。
Ａｇを主成分とする端子部の厚さが２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の電子部品の製造方法。