JP2005144495A - はんだ合金およびはんだボール - Google Patents
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Abstract
【課題】 従来提案されている組成系のはんだ合金に対して、その基本的な機械的特性を損なわずに、接合界面の強度を向上できるPbフリーのはんだ合金、そしてはんだボールを提供する。
【解決手段】 質量%で、Ag,Cu,Inのうちから選ばれる1種以上の元素を合計で20%以下、Ruを1%以下含み、残部Snおよび不可避的不純物からなるはんだ合金である。そして、質量%で、Ag,Cu,Inのうちから選ばれる1種以上の元素を合計で20%以下、Ruを1%以下含み、残部Snおよび不可避的不純物からなるはんだボールである。
【選択図】 図1
【解決手段】 質量%で、Ag,Cu,Inのうちから選ばれる1種以上の元素を合計で20%以下、Ruを1%以下含み、残部Snおよび不可避的不純物からなるはんだ合金である。そして、質量%で、Ag,Cu,Inのうちから選ばれる1種以上の元素を合計で20%以下、Ruを1%以下含み、残部Snおよび不可避的不純物からなるはんだボールである。
【選択図】 図1
Description
本発明は、電子部品等のはんだ付けに使用されるはんだ合金およびはんだボールに関する。
昨今の電子機器実装面積の減少に伴って半導体パッケージも小型化傾向にあり、半導体パッケージをマザーボードに接続する実装形態も、従来のリードを用いた周辺端子型から格子状に端子を形成したタイプへ変遷しつつある。代表的なものがBGA(Ball Grid Array)であり、端子部ははんだボールや、はんだペーストを用いて基板に接続されている。
はんだ合金については、近年の環境問題への取り組みの一つとして、はんだのPbフリー化が世界的に進められており、従来用いられてきたSn−Pbはんだは使用禁止になりつつある。代替合金の主たるものはSn−Ag系やSn−Ag−Cu系等多数あるが、基本的にSn主成分であるためSn−Pb共晶はんだに比べると延性に乏しく、外力をはんだの変形で緩和することが困難になっている。特に、Agははんだ主成分であるSnとの共晶点においてSn−Ag化合物を分散晶出させるため、Agによるはんだの硬化は著しい。
一方、CuはやはりSnとの共晶点において化合物を晶出させるがAgほどはんだを硬化させないので、Sn−Cu系は落下等の衝撃に耐えうる変形抵抗の小さいはんだとして有効な組成の一つである。そこで、Sn−Cu系では熱疲労特性の優れた合金として、Sn−Cu系のはんだ合金に融点を下げる目的でInを加えたSn−Cu−In系のはんだ合金の実用化が検討されており、加えて機械的強度を向上させるためのNi,Ge,Pd,Au,Ti,Feを微量添加する手法も提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2000−190090号公報
しかしながら、はんだ合金は、使用において接することとなる半導体パッケージ電極であるCuや、電極上の表面処理に多用されているNiめっきに対して、NiあるいはCuのはんだへの溶出と、それに伴って接合界面に化合物を形成することが懸念され、接合界面強度の劣化要因となる。また、上記の特許文献1に記述されているはんだ合金でも、添加成分であるNi,Ge,Pd,Au,Ti,Feが過剰に添加されると、それら元素がはんだ中に固溶し、接合界面の過剰な硬度上昇を来たすため、はんだの外力に対する追随性を阻害し、落下衝撃による接合界面への応力集中が避けられず、接合界面での信頼性破壊を起こす原因となる。
本発明の目的は、Sn−Ag系やSn−Ag−Cu系、そしてSn−Cu系、Sn−Cu−In系等の、従来提案されている組成系のはんだ合金に対して、その基本的な機械的特性を損なわずに、接合界面に形成される反応層を抑制して上記の接合強度を向上できるPbフリーのはんだ合金、そしてはんだボールを提供することにある。
本発明者らは、はんだ接合界面を強固にする手段を、はんだ合金組成の改良の面より検討した。その結果、新規に所定量のRuを含有せしめることで、従来の基本成分を有するはんだ合金であっても、さらなる接合強度の向上が達成できることを見いだし、本発明に到達した。
すなわち、本発明は、質量%で、Ag,Cu,Inのうちから選ばれる1種以上の元素を合計で20%以下、Ruを1%以下含み、残部Snおよび不可避的不純物からなることを特徴とするはんだ合金である。そして、質量%で、Ag,Cu,Inのうちから選ばれる1種以上の元素を合計で20%以下、Ruを1%以下含み、残部Snおよび不可避的不純物からなることを特徴とするはんだボールである。
本発明によって、はんだ付けされた電子部品における接合強度を高めることができ、電子機器の様々な使用環境における動作信頼性を向上させることができる。
上述のように、本発明の重要な特徴は、従来提案されてきたSnを主体にAg,Cu,InよりなるPbフリーはんだに対し、Ruを新規に含有させた点にある。
最初に、本発明の最も重要な特徴であるRuについて説明する。本発明では、Snを主体とするはんだ合金にRuを微量添加することが、その実装時の接合強度を向上することを確認した。つまり、Ruを含むSn基共晶合金系のはんだ合金においては、それを用いた実装時の接合界面にRuを含み、その接合強度が向上するものである。この理由は明確ではないが、下記のように考えられる。第一に、本発明のRuは、はんだの主成分であるSnに固溶している状態で、電極側のNi,Cuに対するはんだの固溶限を低下させることが考えられる。従って、Ni,Cu等の電極上でRuを含むはんだを溶融させた場合に、これら電極材料の溶出が抑えられるため、反応層の成長も抑制される。その結果、接合界面を強固にできると考えられる。
第二に、接合時、電極材料とはんだの主成分であるSnとで金属間化合物が形成される際には、はんだ中のRuは金属間化合物に固溶して化合物の格子間結合を強固にする。そして、これが拡散バリアとなって、電極材料とはんだの相互拡散による化合物の成長を抑制することができると考えられる。また、はんだ付けされた後には、半導体パッケージの信頼性テスト等ではんだの融点以下の温度で長時間保持されたり、使用環境から受ける熱や、パッケージを含む電子機器の発する熱で長期間保持された時でも、拡散による金属間化合物の成長が抑制されるので、接合界面の強度劣化は妨げられ、やはり接合信頼性は高められるものと考えられる。
しかし一方、Ruの過度の添加は、はんだの融点を著しく上昇させ、濡れ性の低下を招き、接合信頼性の低下要因となる。よって、Snを主体に構成される本発明のはんだ合金は、Ruを1質量%以下の範囲で、好ましくは0.1質量%以下の範囲で含有するものである。なお、上述したRuの効果を得る上で望ましくは0.001質量%以上とし、さらに望ましくは0.005質量%以上とする。
なお、本発明は、質量%で、Ag,Cu,Inのうちから選ばれる1種以上の元素を合計で20%以下含んだSnを主体とするはんだ合金を基本組成とする。具体的には、はんだを製造するに当たって所望の融点、機械的強度を得るためにAg,Cu,Inのうちから選ばれる1種以上を合計で0.1〜20質量%の範囲で、自由に設定することができるが、はんだとして望ましい融点、機械的特性、濡れ性を得るために、下記のような個々の元素の添加量を設定することがより望ましい。
Agは、はんだ合金の融点を低下させ、またはんだ合金内にAg3Sn化合物粒として分散することによってはんだ合金の耐熱疲労性も向上させる効果を有することから、0.1質量%以上の含有が好ましい。しかし、Sn−Ag化合物のはんだ合金中での分散晶出量が多すぎると、はんだ合金の硬度を著しく上昇させ、界面への過多な応力集中を招くので、添加上限は5質量%が望ましい。
Cuの添加量については、はんだ合金中のCu量が低い場合、Cu電極と接続する際にはんだを溶融させた時、その溶解限まで溶融はんだ中にCu電極のCuが溶け込むことになり、その結果Cu電極量が減少して接合部の強度が低下することが懸念される。よって0.1質量%以上のCuを予めはんだ合金中に含有させることで、この強度の低下を抑制することができ、望ましい。しかしながら、過度に添加すると逆に融点を上昇させるため、その含有量は5質量%以下とすることが好ましい。
Inは、はんだ合金の融点を下げ、さらにはんだ溶融時の濡れ性を向上させることができることから、0.1質量%以上の添加が好ましい。その一方、過剰に添加するとSnへの固溶強化によりはんだの変形抵抗は上昇するが、その硬化の程度はAgに比して程ではなく、10質量%を上限とすることができる。
また、上述したAg,Cu,Inの組み合わせにおいては、Ruの含有によりCu電極の溶出が抑制されている本発明のはんだ合金にとって、Cuを無添加とすることも可能である。この場合、AgとInとを複合して含有し、且つAgの含有量を1.5質量%以下とすることで、はんだ合金の硬化を抑制しつつ、融点の低下、耐熱疲労性の向上を達成することができる。
そして、Sn−Cu−In系のはんだ合金であれば、Agの添加されたSn−Ag−Cu系等のはんだ合金に比べて、高速な負荷に対するはんだの変形抵抗が小さいという特徴を有する。これはCu,Inの共晶組織が、Cu,Agの共晶組織に比べて、はんだの硬さ上昇に及ぼす影響が極めて小さいためである。この作用により、使用時の落下・衝撃で高速な負荷を生じる携帯機器等の用途で高い接合信頼性が得られる。
その他、耐熱疲労特性を重視する場合は、化合物による分散強化効果の高いSn−Ag−Cu系を選定できるし、さらに融点を低下させる必要のある場合はSn−Ag−Cu系にInを添加した組成系も選定することができる。
また、本発明のはんだ合金には、さらにFe,Ni,Coから選ばれる1種以上の元素を合計で0.005〜0.05質量%添加することもできる。これらの元素は電極材料であるCuとはんだとの接合界面に濃化することで、接合界面に形成する反応層の成長を抑制し接合信頼性を向上させるばかりでなく、はんだ中に化合物を分散させて熱疲労特性を向上させる効果がある。但し添加する場合は、過剰な添加がかえって接合信頼性を阻害することは上述の通りであり、合計で0.05質量%以下とすることが重要である。
本発明のはんだ合金は、その使用の一形態としてはんだボールとすることができる。この場合、はんだボールは、例えば所定の成分組成に調整した溶融はんだ合金を滴下し、滴下した液滴を球状に凝固することで製造することが好ましい。この製造方法であれば、はんだ合金を一旦インゴットとして鋳造した後、機械的に定量分断し、球状化する方法に比べて、インゴット中の偏析が懸念されることもなく、全てのボール毎の成分比は等しくなり、従来の製造方法では得ることが困難であった均質なはんだボールを安定して製造することができる。
上述の製造方法としては,例えば特開2001−262204号公報、米国特許公報US5266098等に記載されているような、均一液滴噴霧法を用いるのが良い。均一液滴噴霧法とは、るつぼ内で金属を溶解し、溶融金属をるつぼから排出することにより微小球を製造する方法であり、排出する際に溶融金属に振動を付与することで、排出された溶融金属を体積の均一な微小球とする方法である。以下に均一液滴噴霧法を適用したはんだボールの製造方法の一例を図1,2に基づいて説明する。
図1において均一液滴発生部12により体積のそろった均一液滴が形成され、チャンバー7を落下する過程で表面張力により球形となった後、凝固し連続回収缶13上に堆積する。図2は、図1における均一液滴発生部12を拡大した図である。るつぼ3中の溶融はんだ合金1は伝達部材5および加振ロッド6を介して振動子4により振動を付与された状態で、溶融はんだ合金1にはチャンバー7に対して正の差圧が加えられ、この差圧が溶融はんだ合金1を流れとしてオリフィス2を通して押出す。振動と、溶融はんだ合金1の表面張力とにより、溶融はんだ合金1の流れは連続した滴下溶滴8から、破砕して、高電圧プレート11を通り、均一な直径で真球度の高い独立した液滴9を形成する。その後、液滴9は、冷却管10により冷されたチャンバー7内を移動し、ガス中で凝固する。
この製造方法は、特に直径が50〜1000μmのはんだボールを製造する場合に好適である。従来製法では、はんだボール直径が小さくなればなる程、そのサイズ効果によりボール1つ当たりに存在する偏析の度合いが高まるため、ボール各々の組成バラツキが顕著になるが、この製造方法では上述の範囲のいかなる粒径でも、組成バラツキの極めて少ないはんだボールを製造することが出来る。
以上に述べた本発明のはんだ合金、そしてはんだボールであれば、例えばCuやNi等の電気伝導性の高い金属からなる一以上の電極との接合に際し、はんだによる電極の浸食と界面反応層の成長を抑制でき、落下衝撃等の衝撃に対する接合信頼性を向上させることができる。
図1,2に模式図を示す装置を用いて均一液滴噴霧法により、表1に示す組成のφ0.3mmのはんだボールを製造した。これらはんだボールを15mm角の半導体パッケージに搭載・リフローしてバンプを形成した。リフローは窒素雰囲気中、ピーク温度250℃にて行った。パッケージの電極パッドは18μm厚のCuの上に6μmのNiめっきと、Niめっきの上に0.05μmのAuめっきがされているものを用いた。
次に、テスト用ガラスエポキシ基板にニホンハンダ製Sn−3Ag−0.5Cu(質量%)ペーストを印刷し、パッケージを実装した。印刷に用いたマスクはNiのアディティブ法で作製されており、開口径はφ0.25mm、厚さ0.1mmである。実装のリフロー条件は、バンプ形成条件と同等とした。これら実装基板に携帯機器を模擬するため150gの錘を貼り付けた後、基板を高さ0.4mから繰り返し水平落下させ、はんだ接合部の断線寿命を評価した。落下試験は、パッケージの最外周に配置されたバンプを通る配線の抵抗値を計測しながら行った。そして抵抗値が、初期抵抗値から20%以上の増加を示した時点で断線と判定した。
図3に、表1に示した各組成のはんだボールを用いたパッケージの破断寿命を示す。Ruを添加していない(c),(d)に比べて、Sn−Cu−In系にRuを添加した本発明の(a)と、Sn−Ag−In系にRuを添加した本発明の(b)のはんだボールを用いたパッケージは優れた耐衝撃性を示している。
1 溶融はんだ合金、2 オリフィス、3 るつぼ、4 振動子、5 伝達部材、6 加振ロッド、7 チャンバー、8 連続した液滴、9 独立した液滴、10 冷却管、11 高電圧プレート、12 均一液滴発生部、13 連続回収缶
Claims (2)
- 質量%で、Ag,Cu,Inのうちから選ばれる1種以上の元素を合計で20%以下、Ruを1%以下含み、残部Snおよび不可避的不純物からなることを特徴とするはんだ合金。
- 質量%で、Ag,Cu,Inのうちから選ばれる1種以上の元素を合計で20%以下、Ruを1%以下含み、残部Snおよび不可避的不純物からなることを特徴とするはんだボール。
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JP2003385302A JP2005144495A (ja) | 2003-11-14 | 2003-11-14 | はんだ合金およびはんだボール |
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JP2009043695A (ja) * | 2007-08-10 | 2009-02-26 | Showa Tekkusu:Kk | 鉄道用レールと通電用ケーブル端子の接合方法 |
JP2011214061A (ja) * | 2010-03-31 | 2011-10-27 | Jx Nippon Mining & Metals Corp | α線量が少ないインジウム又はインジウムを含有する合金 |
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