JP2007237251A - Lead-free solder alloy, solder ball, and electronic member - Google Patents

Lead-free solder alloy, solder ball, and electronic member Download PDF

Info

Publication number
JP2007237251A
JP2007237251A JP2006064127A JP2006064127A JP2007237251A JP 2007237251 A JP2007237251 A JP 2007237251A JP 2006064127 A JP2006064127 A JP 2006064127A JP 2006064127 A JP2006064127 A JP 2006064127A JP 2007237251 A JP2007237251 A JP 2007237251A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
mass
lead
solder alloy
solder
intermetallic compound
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP2006064127A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tsutomu Sasaki
勉 佐々木
Masamoto Tanaka
将元 田中
Takayuki Kobayashi
孝之 小林
Kazuto Kawakami
和人 川上
Masami Fujishima
正美 藤島
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Micrometal Corp
Nippon Steel Chemical and Materials Co Ltd
Original Assignee
Nippon Steel Materials Co Ltd
Nippon Micrometal Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Steel Materials Co Ltd, Nippon Micrometal Corp filed Critical Nippon Steel Materials Co Ltd
Priority to JP2006064127A priority Critical patent/JP2007237251A/en
Priority to PCT/JP2007/054582 priority patent/WO2007102589A1/en
Publication of JP2007237251A publication Critical patent/JP2007237251A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lead-free solder alloy having excellent falling impact resistance, to provide a solder ball using the lead-free solder alloy, and to provide an electronic member having a solder bump using the lead-free solder. <P>SOLUTION: The lead-free solder alloy has a composition comprising, by mass, 1.0 to 2.0% Ag, 0.3 to 1.0% Cu, 0.005 to 0.10% Co and 0.0001 to 0.005% Fe, and the balance Sn with inevitable impurities. By the incorporation of Co and Fe, a Cu atom site in a Cu<SB>6</SB>Sn<SB>5</SB>intermetallic compound layer produced on the grain boundary with an electrode can be substituted with atomic species having an atomic radius smaller than that of Cu so as to relax the strain of the Cu<SB>6</SB>Sn<SB>5</SB>intermetallic compound layer, thus fracture to be caused on the grain boundary between a Cu<SB>3</SB>Sn intermetallic compound and the Cu<SB>6</SB>Sn<SB>5</SB>intermetallic compound can be prevented. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、鉛フリーハンダ合金及び該鉛フリーハンダ合金を用いたハンダボール並びに該鉛フリーハンダ合金を用いたハンダバンプを有する電子部材に関するものである。   The present invention relates to a lead-free solder alloy, a solder ball using the lead-free solder alloy, and an electronic member having solder bumps using the lead-free solder alloy.

最近の電子部品の小型化、高密度実装化に伴い、プリント配線基板等に電子部品を実装する際には、BGA(ボールグリッドアレイ)、CSP(チップサイズパッケージ)技術が用いられるようになっている。また、これらの技術に採用される電極サイズも微細化の一途をたどっている。   With recent miniaturization and high density mounting of electronic components, BGA (Ball Grid Array) and CSP (Chip Size Package) technologies have been used when mounting electronic components on printed wiring boards and the like. Yes. In addition, the electrode sizes employed in these technologies are continually being miniaturized.

これらの接合においては、半導体基板、電子部品、プリント基板等の上に配置された多数の電極にまずハンダバンプを形成する。電子部材上の電極へのハンダバンプ形成は、各電極にフラックスの粘着力を利用してハンダボールを粘着させ、ついで該電子部材を高温に熱してハンダボールをリフローさせることによって行なう。このハンダバンプを介して半導体基板等とプリント基板等との間を接合する。ここで、ハンダバンプとは、銅あるいはアルミ配線電極上のメッキの上に半球状に盛り上がって形成されたハンダをいう。   In these joining processes, solder bumps are first formed on a large number of electrodes arranged on a semiconductor substrate, electronic component, printed circuit board or the like. The solder bumps are formed on the electrodes on the electronic member by adhering the solder balls to each electrode by using the adhesive force of the flux, and then reflowing the solder balls by heating the electronic members to a high temperature. The semiconductor substrate and the printed circuit board are bonded to each other through the solder bump. Here, the solder bump means solder formed in a hemispherical shape on the plating on the copper or aluminum wiring electrode.

廃棄された電子装置を廃棄処理するに際し、環境への影響を最少とするため、電子装置に使用するハンダ合金についても鉛フリーハンダ合金が要求されるようになっている。鉛フリーハンダ合金としては、二元系ではSnにAgを3.5%含有した組成が共晶組成となり、融点は221℃と比較的低く、広く鉛フリーハンダとして使用されている。   When the discarded electronic device is disposed of, the lead-free solder alloy is required for the solder alloy used for the electronic device in order to minimize the influence on the environment. As a lead-free solder alloy, in a binary system, a composition containing 3.5% of Ag in Sn becomes a eutectic composition, and the melting point is relatively low at 221 ° C., which is widely used as lead-free solder.

近年の電子部品の高密度実装化に伴い、特にノートパソコン、ビデオカメラ、携帯電話等においては表面実装やBGA実装が進み、基板電極パッド面積の縮小が急激に進んでいるため、接合部位のハンダ量を少量化せざるを得ない状況にある。即ち、ハンダ接合部位の接合面積が低下し、接合部にかかる応力が増大している。また、高密度実装により、高機能・小型化が進んだため情報伝達機器の携帯化も急速に進展した。加えて経済活動領域が地球規模に及ぶに至り、従来考えてもいなかった灼熱の砂漠や極地高地の極寒下等での当該機器が使用される様になっている。このような状況下では、ハンダ接合部が一層厳しい環境下に曝されることを考慮したハンダ実装設計が求められており、そのため、ハンダ材料に対する耐疲労性向上の要求がより一層高まっている。特許文献1においては、電子機器用の鉛フリーハンダ合金として、Ag:3.0〜5.0%、Cu:0.5〜3.0%、残部Snからなる耐熱疲労特性に優れた高温ハンダが開示されている。Agの含有量については、Agは耐熱疲労特性改善に著しく効果があるが、その添加量が3.0%以下であると耐熱疲労特性を改善する効果が十分でないとしている。   With the recent trend toward high-density mounting of electronic components, surface mounting and BGA mounting have progressed especially in notebook computers, video cameras, mobile phones, etc., and the area of substrate electrode pads has been rapidly reduced. It is in a situation where the amount has to be reduced. That is, the joint area of the solder joint portion is reduced and the stress applied to the joint portion is increased. In addition, high-density mounting has led to the advancement of high functionality and downsizing, and so information transmission equipment has been rapidly ported. In addition, the area of economic activity has reached the global scale, and the devices are used in the scorching deserts and the extreme cold of the polar highlands that were not thought of in the past. Under such circumstances, there is a demand for a solder mounting design that considers that the solder joint is exposed to a more severe environment, and therefore, there is an increasing demand for improvement in fatigue resistance of the solder material. In Patent Document 1, as a lead-free solder alloy for electronic equipment, high-temperature solder excellent in heat fatigue resistance composed of Ag: 3.0 to 5.0%, Cu: 0.5 to 3.0%, and remaining Sn Is disclosed. As for the Ag content, Ag is remarkably effective in improving the heat fatigue characteristics, but if the added amount is 3.0% or less, the effect of improving the heat fatigue characteristics is not sufficient.

また、携帯電話等の持ち運び可能なデジタル製品に関しては、その使用上の特質から使用中に誤って床面に落下させたりぶつけたりする事態を想定する必要がある。このような衝撃に対しても使用する電子部品のハンダ接合部位が破壊しないだけの耐衝撃性を有することが要求される。これに対し、従来の耐疲労性ハンダ合金においては、主にハンダの強度を増大することによって耐疲労性の改善を図っており、その結果として耐衝撃性についてはむしろ低下する傾向が見られた。ハンダ接合部位の耐衝撃性の向上を図るためには、接合部位のハンダ合金として延性の優れた合金を用いることが最も効果的である。   In addition, for portable digital products such as mobile phones, it is necessary to assume a situation where they are accidentally dropped or bumped on the floor surface during use due to their characteristics of use. Even with respect to such an impact, it is required that the solder joint portion of the electronic component to be used has an impact resistance that does not break. On the other hand, in the conventional fatigue-resistant solder alloys, the fatigue resistance is improved mainly by increasing the strength of the solder, and as a result, the tendency to decrease the impact resistance was seen. . In order to improve the impact resistance of the solder joint part, it is most effective to use an alloy having excellent ductility as the solder alloy of the joint part.

特許文献2においては、耐衝撃性と耐ヒートサイクル性を向上する鉛フリーハンダ合金として、Sb:0.01〜1質量%、Ni:0.01〜0.5質量%、残部Snからなり、さらにAg:0.01〜5質量%および/またはCu:0.01〜2質量%が添加された鉛フリーハンダ合金が開示されている。Sbは耐衝撃性に効果があり、Niは耐ヒートサイクル性に効果があり、さらにCuを添加すると耐衝撃性をより向上させ、Agを添加すると耐ヒートサイクル性をより向上させるとしている。さらにCoを0.0005〜0.1質量%添加することにより、鉛フリーハンダの黄変防止に効果があるとしている。   In Patent Document 2, as a lead-free solder alloy that improves impact resistance and heat cycle resistance, Sb: 0.01 to 1% by mass, Ni: 0.01 to 0.5% by mass, and the balance Sn, Furthermore, a lead-free solder alloy to which Ag: 0.01 to 5% by mass and / or Cu: 0.01 to 2% by mass is added is disclosed. Sb has an effect on impact resistance, Ni has an effect on heat cycle resistance, and when Cu is added, the impact resistance is further improved, and when Ag is added, the heat cycle resistance is further improved. Furthermore, it is said that adding 0.0005 to 0.1% by mass of Co is effective in preventing yellowing of lead-free solder.

特許文献3には、Sn−4.7Ag−1.7Cuハンダ合金に、さらにNi、Fe、Coを含有させる発明が記載されている。Ni、Fe、Coの各元素は、少なくとも約0.01重量%を添加することにより、Cu電極との接合金属間界面の形態構造が改良され、特に凝固したままの金属間界面の厚さが薄くなるとしている。   Patent Document 3 describes an invention in which a Sn-4.7Ag-1.7Cu solder alloy further contains Ni, Fe, and Co. By adding at least about 0.01% by weight of each element of Ni, Fe, and Co, the morphological structure of the intermetallic interface with the Cu electrode is improved. In particular, the thickness of the intermetallic interface that remains solidified is improved. It is going to get thinner.

特開平5−50286号公報JP-A-5-50286 特開2004−141910号公報JP 2004-141910 A 特表2001−504760号公報JP-T-2001-504760

ハンダ合金の耐衝撃性については、シリコンチップ上の電極とプリント基板上の電極とをハンダ接合し、この部材を定盤の上において、その上からロッドタイプ・プローブを落下させ、ハンダ接合に破断が生じるまでの落下回数を耐衝撃落下回数として評価することができる。   With regard to the impact resistance of the solder alloy, the electrode on the silicon chip and the electrode on the printed circuit board are soldered together, and this member is dropped on the surface plate, and the rod type probe is dropped from above to break the solder joint. It is possible to evaluate the number of drops until the occurrence of shock as the number of impact-resistant drops.

特許文献1〜3に記載の鉛フリーハンダ合金については、上記方法で加速度1500G程度を負荷して耐衝撃性評価を行ったときに耐衝撃落下回数50〜60回程度であった。   Regarding the lead-free solder alloys described in Patent Documents 1 to 3, when the impact resistance was evaluated by applying an acceleration of about 1500 G by the above method, the number of impact-resistant drops was about 50 to 60 times.

最近は、ハンダ合金の耐衝撃性に対する要求はさらに厳しくなっている。ロッドタイプ・プローブの落下実験において、5cmの位置から質量30gのロッドタイプ・プローブを落下させ、加速度約10000Gの衝撃を与える耐衝撃性評価において、耐衝撃落下回数80回を超える良好な耐衝撃性が要求されるようになってきた。このような厳しい条件では、従来のハンダ合金の耐衝撃落下回数は30回にも満たない。   Recently, the requirements for the impact resistance of solder alloys have become more severe. In a drop test of a rod type probe, a 30 g mass rod type probe is dropped from a position of 5 cm and an impact resistance evaluation that gives an impact of about 10000 G acceleration. Has come to be required. Under such severe conditions, the number of impact-resistant drops of conventional solder alloys is less than 30 times.

本発明は、耐衝撃性について上記目標性能を実現する鉛フリーハンダ合金及び該鉛フリーハンダ合金を用いたハンダボール並びに該鉛フリーハンダ合金を用いたハンダバンプを有する電子部材を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a lead-free solder alloy that achieves the above target performance for impact resistance, a solder ball using the lead-free solder alloy, and an electronic member having a solder bump using the lead-free solder alloy. To do.

Cu電極の上にSn−Ag−Cu系鉛フリーハンダ合金による接合部を形成すると、Cu電極の直上にCu3Sn金属間化合物の層が形成され、さらにその上にCu6Sn5金属間化合物層が形成され、その上にハンダ合金層が形成される。また、標準的Cu/Ni/Auメッキ基板の上にSn−Ag−Cu系鉛フリーハンダ合金による接合部を形成すると、Ni電極上にNi3Sn4金属間化合物層が形成され、さらにその上にCu6Sn5金属間化合物層が形成され、その上にハンダ合金層が形成される。 When a joint portion made of a Sn—Ag—Cu-based lead-free solder alloy is formed on a Cu electrode, a Cu 3 Sn intermetallic compound layer is formed immediately above the Cu electrode, and a Cu 6 Sn 5 intermetallic compound is further formed thereon. A layer is formed, and a solder alloy layer is formed thereon. Further, when a joint portion made of a Sn—Ag—Cu based lead-free solder alloy is formed on a standard Cu / Ni / Au plated substrate, a Ni 3 Sn 4 intermetallic compound layer is formed on the Ni electrode, Then, a Cu 6 Sn 5 intermetallic compound layer is formed, and a solder alloy layer is formed thereon.

これら電極上に形成されたハンダバンプの耐衝撃性を評価する試験を行うと、Cu電極上のハンダバンプの場合にはCu3Sn金属間化合物とCu6Sn5金属間化合物との界面で破断が発生する。Cu/Ni/Auメッキ基板上のハンダバンプの場合にはNi3Sn4金属間化合物とCu6Sn5金属間化合物との界面で破断が発生する。いずれの場合も、2層に形成された金属間化合物の層間において破断が発生している。 When a test for evaluating the impact resistance of solder bumps formed on these electrodes is performed, fracture occurs at the interface between the Cu 3 Sn intermetallic compound and the Cu 6 Sn 5 intermetallic compound in the case of the solder bump on the Cu electrode. To do. In the case of a solder bump on a Cu / Ni / Au plated substrate, fracture occurs at the interface between the Ni 3 Sn 4 intermetallic compound and the Cu 6 Sn 5 intermetallic compound. In any case, the fracture occurs between the layers of the intermetallic compound formed in the two layers.

これら破断発生の原因として、Cu6Sn5金属間化合物層の歪が破断の主因であると考えることができる。もしそうであれば、Cu6Sn5金属間化合物層の歪を緩和すれば、2層の金属間化合物層の層間での破断発生が抑えられ、結果としてハンダ接合部の耐衝撃性を向上させることができるはずである。 As a cause of the breakage, it can be considered that the strain of the Cu 6 Sn 5 intermetallic compound layer is the main cause of the breakage. If so, if the strain of the Cu 6 Sn 5 intermetallic compound layer is relaxed, the occurrence of breakage between the two intermetallic compound layers can be suppressed, and as a result, the impact resistance of the solder joint is improved. Should be able to.

Cu6Sn5金属間化合物層中のCu原子サイトを、Cuより原子半径の小さい原子種で置換することにより、Cu6Sn5金属間化合物層の歪を緩和できる。CoがCuより原子半径の小さい原子種に該当する。さらに、ハンダ合金中に微量のFeを含有することにより、効率的にCu6Sn5金属間化合物のCu原子をCoで置換できることを見いだした。 By replacing the Cu atom site in the Cu 6 Sn 5 intermetallic compound layer with an atomic species having an atomic radius smaller than that of Cu, the strain of the Cu 6 Sn 5 intermetallic compound layer can be relaxed. Co corresponds to an atomic species having an atomic radius smaller than that of Cu. Furthermore, it has been found that Cu atoms of Cu 6 Sn 5 intermetallic compounds can be efficiently substituted with Co by containing a trace amount of Fe in the solder alloy.

そこで、Ag:1.0〜2.0質量%、Cu:0.3〜1.0質量%を含有するSn−Ag−Cu系鉛フリーハンダ合金に、Co:0.005〜0.1質量%、Fe:0.0001〜0.005質量%を含有させ、このハンダ合金を用いて電極との接合部を形成し、耐衝撃性を評価したところ、耐衝撃落下回数が80回以上と飛躍的に向上することが明らかになった。   Therefore, Sn: Ag-Cu-based lead-free solder alloy containing Ag: 1.0-2.0 mass%, Cu: 0.3-1.0 mass%, Co: 0.005-0.1 mass %, Fe: 0.0001 to 0.005% by mass, using this solder alloy to form a joint with an electrode and evaluating the impact resistance, the impact resistance jumps to 80 times or more. It became clear that it improved.

本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、その要旨とするところは以下の通りである。
(1)Ag:1.0〜2.0質量%、Cu:0.3〜1.0質量%、Co:0.005〜0.10質量%、Fe:0.0001〜0.005質量%を含有し、残部Sn及び不可避不純物からなることを特徴とする鉛フリーハンダ合金。
(2)Co+Fe≦0.10質量%であることを特徴とする上記(2)に記載の鉛フリーハンダ合金。
(3)さらに、含有酸素濃度が0.0020質量%以下であることを特徴とする上記(1)又は(2)に記載の鉛フリーハンダ合金。
(4)Feに替え、又はFeとともに、Cr:0.0005〜0.0050質量%、V:0.0005〜0.0050質量%の1種又は2種を含有することを特徴とする上記(1)乃至(3)のいずれかに記載の鉛フリーハンダ合金。
(5)さらに、Sb:0.01〜0.5質量%を含有することを特徴とする上記(1)乃至(4)のいずれかに記載の鉛フリーハンダ合金。
(6)さらに、P:0.0005〜0.005質量%、Ge:0.0005〜0.01質量%の1種又は2種を含有し、かつP+Ge≦0.01質量%であることを特徴とする上記(1)乃至(5)のいずれかに記載の鉛フリーハンダ合金。
(7)上記(1)乃至(6)のいずれかに記載の鉛フリーハンダ合金を用いてなることを特徴とするハンダボール。
(8)ボール直径が300μm以下であることを特徴とする上記(7)に記載のハンダボール。
(9)上記(1)乃至(6)のいずれかに記載の鉛フリーハンダ合金を用いたハンダバンプを有することを特徴とする電子部材。
(10)Cu電極、Ni電極又はCu/Ni/Auメッキ基板上にハンダバンプが形成されてなることを特徴とする上記(9)に記載の電子部材。
(11)複数の電子部品間をハンダ電極によって接合した電子部材であって、該ハンダ電極の一部又は全部は、上記(1)乃至(6)のいずれかに記載の鉛フリーハンダ合金を用いてなることを特徴とする電子部材。
This invention is made | formed based on the said knowledge, The place made into the summary is as follows.
(1) Ag: 1.0-2.0 mass%, Cu: 0.3-1.0 mass%, Co: 0.005-0.10 mass%, Fe: 0.0001-0.005 mass% A lead-free solder alloy characterized by comprising the remainder Sn and inevitable impurities.
(2) The lead-free solder alloy according to (2) above, wherein Co + Fe ≦ 0.10% by mass.
(3) The lead-free solder alloy according to (1) or (2) above, wherein the oxygen concentration is 0.0020% by mass or less.
(4) The above (characterized in that one or two of Cr: 0.0005 to 0.0050 mass% and V: 0.0005 to 0.0050 mass% are contained instead of or together with Fe ( The lead-free solder alloy according to any one of 1) to (3).
(5) The lead-free solder alloy according to any one of (1) to (4) above, further containing Sb: 0.01 to 0.5% by mass.
(6) Furthermore, it contains 1 type or 2 types of P: 0.0005-0.005 mass%, Ge: 0.0005-0.01 mass%, and it is P + Ge <= 0.01 mass%. The lead-free solder alloy according to any one of (1) to (5) above,
(7) A solder ball comprising the lead-free solder alloy according to any one of (1) to (6) above.
(8) The solder ball according to (7), wherein the ball diameter is 300 μm or less.
(9) An electronic member having solder bumps using the lead-free solder alloy according to any one of (1) to (6).
(10) The electronic member as described in (9) above, wherein solder bumps are formed on a Cu electrode, Ni electrode or Cu / Ni / Au plated substrate.
(11) An electronic member in which a plurality of electronic components are joined by solder electrodes, wherein a part or all of the solder electrodes uses the lead-free solder alloy according to any one of (1) to (6) above. An electronic member characterized by comprising:

本発明は、Ag:1.0〜2.0質量%、Cu:0.3〜1.0質量%を含有するSn−Ag−Cu系鉛フリーハンダ合金に、Co:0.005〜0.1質量%、Fe:0.0001〜0.005質量%を含有することにより、該鉛フリーハンダ合金を用いた接合部の耐衝撃性を大幅に改善することが可能となる。   The present invention relates to a Sn—Ag—Cu based lead-free solder alloy containing Ag: 1.0 to 2.0% by mass and Cu: 0.3 to 1.0% by mass, Co: 0.005 to 0.00%. By containing 1% by mass and Fe: 0.0001 to 0.005% by mass, the impact resistance of the joint using the lead-free solder alloy can be greatly improved.

本発明においては、Ag:1.0〜2.0質量%、Cu:0.3〜1.0質量%を含有するSn−Ag−Cu系鉛フリーハンダ合金に、Co:0.005〜0.1質量%、Fe:0.0001〜0.005質量%を含有することにより、該鉛フリーハンダ合金を用いた接合部の耐衝撃性を大幅に改善することを見出した。以下、ハンダ合金中にCoとともに微量のFeを含有することにより、なぜ耐衝撃性が大幅に改善するに到ったかについて、詳細に推論を行う。   In the present invention, the Sn—Ag—Cu lead-free solder alloy containing Ag: 1.0 to 2.0 mass% and Cu: 0.3 to 1.0 mass% is added to Co: 0.005 to 0. It has been found that the impact resistance of the joint using the lead-free solder alloy is significantly improved by containing 0.1 mass% and Fe: 0.0001 to 0.005 mass%. Hereinafter, the reason why the impact resistance has been greatly improved by containing a small amount of Fe together with Co in the solder alloy will be described in detail.

Cu電極の上にSn−Ag−Cu系鉛フリーハンダ合金による接合部を形成すると、Cu電極の直上にCu3Sn金属間化合物の層が形成され、さらにその上にCu6Sn5金属間化合物層が形成され、その上にハンダ合金層が形成される。また、標準的Cu/Ni/Auメッキ基板の上にSn−Ag−Cu系鉛フリーハンダ合金による接合部を形成すると、Ni電極上にNi3Sn4金属間化合物層が形成され、さらにその上にCu6Sn5金属間化合物層が形成され、その上にハンダ合金層が形成される。 When a joint portion made of a Sn—Ag—Cu-based lead-free solder alloy is formed on a Cu electrode, a Cu 3 Sn intermetallic compound layer is formed immediately above the Cu electrode, and a Cu 6 Sn 5 intermetallic compound is further formed thereon. A layer is formed, and a solder alloy layer is formed thereon. Further, when a joint portion made of a Sn—Ag—Cu based lead-free solder alloy is formed on a standard Cu / Ni / Au plated substrate, a Ni 3 Sn 4 intermetallic compound layer is formed on the Ni electrode, Then, a Cu 6 Sn 5 intermetallic compound layer is formed, and a solder alloy layer is formed thereon.

前述のとおり、これら電極上に形成されたハンダバンプの耐衝撃性を評価する試験を行うと、Cu電極上のハンダバンプの場合にはCu3Sn金属間化合物とCu6Sn5金属間化合物との界面で破断が発生する。Cu/Ni/Auメッキ基板上のハンダバンプの場合にはNi3Sn4金属間化合物とCu6Sn5金属間化合物との界面で破断が発生する。いずれの場合も、2層に形成された金属間化合物の層間において破断が発生している。 As described above, when the test for evaluating the impact resistance of the solder bumps formed on these electrodes is performed, in the case of the solder bumps on the Cu electrode, the interface between the Cu 3 Sn intermetallic compound and the Cu 6 Sn 5 intermetallic compound. Breaks. In the case of a solder bump on a Cu / Ni / Au plated substrate, fracture occurs at the interface between the Ni 3 Sn 4 intermetallic compound and the Cu 6 Sn 5 intermetallic compound. In any case, the fracture occurs between the layers of the intermetallic compound formed in the two layers.

本発明においては、Cu6Sn5金属間化合物層の歪が破断の主因であることを見出し、さらにCu6Sn5金属間化合物層の歪を緩和することにより、2層の金属間化合物層の層間での破断発生が抑えられ、結果としてハンダ接合部の耐衝撃性を向上させ得ることを見出した。 In the present invention, the strain of the Cu 6 Sn 5 intermetallic compound layer was found to be the main cause of the breakage, and further, the strain of the two intermetallic compound layers was reduced by relaxing the strain of the Cu 6 Sn 5 intermetallic compound layer. It has been found that the occurrence of breakage between layers can be suppressed, and as a result, the impact resistance of the solder joint can be improved.

ハンダ接合された電極部付近の応力形成状況を確認すると、Cu電極の場合のCu3Sn(Ni電極の場合はNi3Sn4)金属間化合物には圧縮応力が発生し、その上のCu6Sn5金属間化合物層には引張応力が発生している。従って、Cu6Sn5金属間化合物層中のCu原子サイトを、Cuより原子半径の小さい原子種で置換することにより、Cu6Sn5金属間化合物層の歪を緩和できることがわかる。Co、FeがCuより原子半径の小さい原子種に該当する。 When the state of stress formation in the vicinity of the soldered electrode portion is confirmed, a compressive stress is generated in the Cu 3 Sn in the case of the Cu electrode (Ni 3 Sn 4 in the case of the Ni electrode) intermetallic compound, and the Cu 6 thereon. Tensile stress is generated in the Sn 5 intermetallic compound layer. Therefore, it can be understood that the strain of the Cu 6 Sn 5 intermetallic compound layer can be alleviated by replacing the Cu atom site in the Cu 6 Sn 5 intermetallic compound layer with an atomic species having an atomic radius smaller than that of Cu. Co and Fe correspond to atomic species having an atomic radius smaller than that of Cu.

上述のとおり、Cu電極の上にSn−Ag−Cu系鉛フリーハンダ合金による接合部を形成すると、Cu電極の直上にCu3Sn金属間化合物の層が形成され、さらにその上にCu6Sn5金属間化合物層が形成される。Cu6Sn5金属間化合物について詳細に検討する。ハンダ合金中にCo、Fe等の3d金属元素が含まれる場合、これら3d金属元素はCu6Sn5金属間化合物のCuを置換する形で金属間化合物中に含有される。 As described above, when a joint portion made of a Sn—Ag—Cu-based lead-free solder alloy is formed on a Cu electrode, a Cu 3 Sn intermetallic compound layer is formed immediately above the Cu electrode, and Cu 6 Sn is further formed thereon. 5 Intermetallic compound layer is formed. The Cu 6 Sn 5 intermetallic compound will be examined in detail. When 3d metal elements such as Co and Fe are contained in the solder alloy, these 3d metal elements are contained in the intermetallic compound in the form of replacing Cu of the Cu 6 Sn 5 intermetallic compound.

Co、Feは、いずれもCuに比較して原子半径が小さい。従って、Cu6Sn5金属間化合物のCuがCo、Feで置換されると、置換されていない場合と比較して平均的格子定数が小さくなるため金属間化合物が収縮し、Cu6Sn5金属間化合物層が有していた圧縮応力が緩和され、隣接するCu3Sn金属間化合物層との間の歪が緩和されることとなる。 Both Co and Fe have a smaller atomic radius than Cu. Therefore, the Cu of the Cu 6 Sn 5 intermetallic compound is Co, it is replaced by Fe, intermetallic compound since the average lattice constant is smaller as compared with the case where not substituted shrinks, Cu 6 Sn 5 metal The compressive stress possessed by the intermetallic compound layer is relieved, and the strain between the adjacent Cu 3 Sn intermetallic compound layers is relieved.

この点を確認するため、Cu6Sn5相の3d金属元素置換の状態を第一原理計算によって解析した。Cu6Sn5相の特定のCuサイトを3d金属元素で置換したときの、置換元素と隣接Cu原子及び隣接Sn原子との距離の平均を第一原理計算によって算出すると、置換元素がCo、Feのいずれの場合も、Cuから置換することによって隣接Cu原子との距離は増大し、隣接Sn原子との距離は短縮している。置換元素がMn、Cr、Vの場合も同様である。 In order to confirm this point, the state of 3d metal element substitution of the Cu 6 Sn 5 phase was analyzed by first-principles calculation. When the average of the distance between the substitution element, the adjacent Cu atom and the adjacent Sn atom when the specific Cu site of the Cu 6 Sn 5 phase is substituted with the 3d metal element is calculated by the first principle calculation, the substitution element is Co, Fe In any of the cases, the distance from the adjacent Cu atom is increased by substituting from Cu, and the distance from the adjacent Sn atom is shortened. The same applies when the substitution element is Mn, Cr, or V.

Cu6Sn5金属間化合物は六方晶系であり、結晶中に4種類のCuサイトがある。ここではこれをCu1、Cu2、Cu3、Cu’と呼ぶ。これら4種類の各CuサイトをCo、Feが置換するエネルギーと液相Sn中のCo、Feを模したSn中での置換エネルギーの差を評価した。その結果、いずれの元素においてもCu’サイトが最も安定であり、Fe、Coは各Cuサイト特にCu’サイトに入りやすいことが判明した。従って、ハンダ合金中にCoとFeが共存する場合、Cu6Sn5金属間化合物のCu’サイトをまずFeあるいはCoとFeが優先的に置換するものと推定される。 The Cu 6 Sn 5 intermetallic compound is a hexagonal system, and there are four types of Cu sites in the crystal. Here, this is called Cu1, Cu2, Cu3, Cu ′. The difference between the energy of substituting Co and Fe for each of these four types of Cu sites and the substitution energy in Sn imitating Co and Fe in liquid phase Sn was evaluated. As a result, it was found that the Cu ′ site is the most stable in any element, and that Fe and Co easily enter each Cu site, particularly the Cu ′ site. Therefore, when Co and Fe coexist in the solder alloy, it is presumed that the Cu ′ site of the Cu 6 Sn 5 intermetallic compound is first preferentially substituted by Fe or Co and Fe.

また、Sn−Ag−Cu系ハンダ合金に微量のFeを含有させることにより、溶融したハンダ合金の冷却中に多量のFeSn2金属間化合物が生成し、それが初晶の核となることによりデンドライト構造を微細化させることができる。次の熱処理の際に初晶デンドライト間から結晶が形成されるため、Feの微量添加によってデンドライト構造が微細化された材料については、凹凸の少ない金属間化合物層が形成されることとなる。ただし、Fe含有量が多すぎるとFeSn2金属間化合物相が粗大化するので逆効果となる。 Further, by adding a small amount of Fe to the Sn—Ag—Cu based solder alloy, a large amount of FeSn 2 intermetallic compound is generated during cooling of the molten solder alloy, and this becomes a nucleus of the primary crystal, thereby dendrites. The structure can be refined. Since crystals are formed from the primary dendrite during the next heat treatment, an intermetallic compound layer with less unevenness is formed for a material whose dendrite structure is refined by adding a small amount of Fe. However, if the Fe content is too large, the FeSn 2 intermetallic compound phase becomes coarse, which is counterproductive.

実際、Sn−Ag−Cu系ハンダ合金について金属間化合物層の成長状況を対比すると、Co、Feを添加しない場合にはCu6Sn5金属間化合物層が大きくかつ不均一に成長するのに対し、CoとFeを添加した場合にはCu6Sn5金属間化合物層の厚さが薄くなり、かつ均一成長していることがわかった。このような金属間化合物層の形態変化によっても、金属間化合物層間を起点とする割れの発生を効果的に防止しているものと考えられる。 In fact, when comparing the growth state of the intermetallic compound layer with respect to the Sn—Ag—Cu based solder alloy, the Cu 6 Sn 5 intermetallic compound layer grows large and non-uniformly when Co and Fe are not added. When Co and Fe were added, it was found that the thickness of the Cu 6 Sn 5 intermetallic compound layer was reduced and uniformly grown. It is considered that the occurrence of cracks starting from the intermetallic compound layer is effectively prevented even by such a change in the shape of the intermetallic compound layer.

ハンダ合金中にCoとともに微量のFeを含有することにより、耐衝撃性が大幅に改善するに到った理由は、以上のようなメカニズムによるものと推定される。   It is presumed that the reason why the impact resistance is greatly improved by containing a small amount of Fe together with Co in the solder alloy is due to the mechanism described above.

次に、ハンダ合金中の各合金元素の成分限定理由について説明する。   Next, the reasons for limiting the components of each alloy element in the solder alloy will be described.

Ag:Sn−Ag−Cu系鉛フリーハンダにおいて、Ag含有量が多すぎると、析出するAg3Sn金属間化合物が多くなり、ハンダ合金が脆くなりあるいは硬くなるため、耐落下衝撃特性が悪化する。Ag含有量が2.0質量%以下であれば、良好な耐落下衝撃特性を確保することができる。一方、Ag含有量が少なすぎると、ハンダ合金の液相線温度が高くなる。Ag含有量が1.0質量%以上であれば、十分に低い液相線温度を確保することができる。例えばCu含有量0.5質量%において、Ag含有量が1.0質量%であれば液相線温度は227℃を確保することができる。Ag含有量が1.1〜1.5質量%、特に1.2質量%近傍であると、耐落下衝撃特性が特に良好となるので好ましい。 In Ag: Sn—Ag—Cu-based lead-free solder, if the Ag content is too high, the precipitated Ag 3 Sn intermetallic compound increases, and the solder alloy becomes brittle or hard, so that the drop impact resistance characteristics deteriorate. . If the Ag content is 2.0% by mass or less, good drop impact resistance can be ensured. On the other hand, when there is too little Ag content, the liquidus temperature of a solder alloy will become high. If the Ag content is 1.0% by mass or more, a sufficiently low liquidus temperature can be secured. For example, when the Cu content is 0.5% by mass and the Ag content is 1.0% by mass, the liquidus temperature can be 227 ° C. It is preferable that the Ag content is 1.1 to 1.5% by mass, particularly in the vicinity of 1.2% by mass, since the drop impact resistance is particularly good.

Cu:Sn−Ag−Cu系鉛フリーハンダにおいて、Cu含有量が低すぎるとハンダ合金の液相線温度が高くなる。Cu含有量が0.3質量%以上であれば、ハンダ合金の液相線温度を227℃以下に抑えることができる。一方、Cu含有量が多すぎるとハンダ合金のビッカース硬度が上昇するので好ましくない。Cu含有量が1.0質量%以下であれば、例えばAg含有量1.5質量%においてビッカース硬度上昇代を10%以下に抑えることができる。   In Cu: Sn—Ag—Cu-based lead-free solder, if the Cu content is too low, the liquidus temperature of the solder alloy increases. When the Cu content is 0.3% by mass or more, the liquidus temperature of the solder alloy can be suppressed to 227 ° C. or less. On the other hand, if the Cu content is too large, the Vickers hardness of the solder alloy increases, which is not preferable. If the Cu content is 1.0% by mass or less, for example, when the Ag content is 1.5% by mass, the increase in Vickers hardness can be suppressed to 10% or less.

Co:CoはFeとならんで、本発明においてハンダ合金の耐衝撃性を向上させる主要な含有成分である。Co含有量が0.005質量%以上であれば、前述のCoによる耐衝撃性の向上効果を実現することができる。Co含有量が0.03質量%以上であればより好ましい。一方、Co含有量が0.10質量%を超えると、ハンダ合金の融点が上昇してしまうので好ましくない。また、Co含有量が増大するとハンダ合金の硬さが上昇するため耐衝撃性の観点から好ましくない。Co含有量が0.06質量%以下であればハンダ合金の硬さが十分に低いレベルにあるので好ましい。Co含有量が0.05質量%以下であればより好ましい。   Co: Co, along with Fe, is a main component for improving the impact resistance of the solder alloy in the present invention. When the Co content is 0.005% by mass or more, the above-described effect of improving impact resistance by Co can be realized. More preferably, the Co content is 0.03% by mass or more. On the other hand, if the Co content exceeds 0.10% by mass, the melting point of the solder alloy increases, which is not preferable. Further, if the Co content increases, the hardness of the solder alloy increases, which is not preferable from the viewpoint of impact resistance. A Co content of 0.06% by mass or less is preferable because the hardness of the solder alloy is at a sufficiently low level. More preferably, the Co content is 0.05% by mass or less.

Cu電極等の電極上において溶融ハンダを用いて接合を行う場合、ハンダ合金中に含有するCo成分は、電極上に金属間化合物層が形成される際に優先的に金属間化合物層中に分配される。この分配のため、液相であるハンダ合金中のCo含有量は金属間化合物層の凝固進行とともに減少し、最終凝固後のハンダ合金中Co含有量は、もとのハンダ合金中のCo含有量の20〜50%程度にまで減少する。このようにハンダ合金中のCo含有量が減少する結果として、ハンダ合金自身の硬度が低下する。そのため、落下衝撃時の衝突エネルギーをハンダ合金が吸収することができるので、耐落下衝撃特性改善にも大幅に寄与する。   When bonding using molten solder on an electrode such as a Cu electrode, the Co component contained in the solder alloy is preferentially distributed in the intermetallic compound layer when the intermetallic compound layer is formed on the electrode. Is done. Due to this distribution, the Co content in the liquid phase solder alloy decreases with the progress of solidification of the intermetallic compound layer, and the Co content in the solder alloy after the final solidification is the Co content in the original solder alloy. It decreases to about 20 to 50%. As a result of the decrease in the Co content in the solder alloy as described above, the hardness of the solder alloy itself decreases. Therefore, since the solder alloy can absorb the collision energy at the time of the drop impact, it greatly contributes to the improvement of the drop impact resistance.

Fe:本発明においては、微量のFeを含有することにより、上記Coとの相乗作用によって耐衝撃性を画期的に向上することが可能となる。Fe含有量が0.0001質量%以上であれば本発明の耐衝撃性向上効果を実現することができる。Fe含有量が0.0005質量%以上であればより好ましい。一方、Fe含有量が0.005質量%を超えると、リフロー後のハンダ合金表面がザラついたりガサガサになるというような表面状態の悪化や、ハンダ濡れ性が低下するといった問題が発生する。また、上述のとおり、Fe含有量が多すぎるとFeSn2金属間化合物相が粗大化するので逆効果となるが、Fe含有量が0.005質量%以下であればこの問題も発生しない。 Fe: In the present invention, by containing a small amount of Fe, the impact resistance can be remarkably improved by the synergistic action with Co. If the Fe content is 0.0001% by mass or more, the impact resistance improving effect of the present invention can be realized. More preferably, the Fe content is 0.0005% by mass or more. On the other hand, when the Fe content exceeds 0.005% by mass, problems such as deterioration of the surface state such that the surface of the solder alloy after reflow becomes rough or rugged, and solder wettability decreases. Further, as described above, if the Fe content is too large, the FeSn 2 intermetallic compound phase becomes coarse, which is counterproductive. However, this problem does not occur if the Fe content is 0.005% by mass or less.

本発明においては、CoとFeの含有量を合計で0.10質量%以下とすると好ましい。Co、Feそれぞれの含有量が前記各成分の含有量範囲に入っていたとしても、Co、Feの合計含有量が0.10質量%を超えると、ハンダ合金自身の硬度が高くなって耐落下衝撃特性が低下したり、ハンダ合金の融点が上昇するという問題が発生する。   In the present invention, the total content of Co and Fe is preferably 0.10% by mass or less. Even if the content of each of Co and Fe is in the content range of each of the above components, if the total content of Co and Fe exceeds 0.10% by mass, the hardness of the solder alloy itself increases and the drop resistance There arises a problem that the impact characteristics are deteriorated and the melting point of the solder alloy is increased.

以下、好ましい選択成分について説明する。   Hereinafter, preferable selection components will be described.

O:ハンダ合金中には不純物としてOを含有している。このO濃度が0.0020質量%を超えると、耐落下衝撃特性がO濃度上昇に伴って低下する。そこで、本発明においては、含有酸素濃度が0.0020質量%以下であると好ましい。   O: The solder alloy contains O as an impurity. When the O concentration exceeds 0.0020 mass%, the drop impact resistance characteristics decrease as the O concentration increases. Therefore, in the present invention, the oxygen concentration is preferably 0.0020% by mass or less.

本発明において、耐衝撃性を向上させるための3d金属元素として、上述のようにCoとFeが有効であるが、Feに替え、又はFeとともに、Cr、Vを添加した場合も同じように耐衝撃性を向上する効果を有している。   In the present invention, as described above, Co and Fe are effective as 3d metal elements for improving impact resistance. However, in the case where Cr or V is added instead of Fe or together with Fe, the same resistance to resistance is obtained. It has the effect of improving impact properties.

Cr:Cr含有量0.0005質量%以上で耐衝撃性を向上する効果を発揮することができる。一方、Cr含有量が多すぎるとリフロー後のハンダ性状が悪化したり、ハンダ合金の濡れ性が低下したり、ハンダ合金の融点が急激に上昇する問題が発生するが、Cr含有量が0.0050質量%以下であればこのような問題を発生させることなく耐衝撃性向上効果を発揮することができる。   The effect of improving impact resistance can be exhibited with a Cr: Cr content of 0.0005 mass% or more. On the other hand, if the Cr content is too high, the solder properties after reflow deteriorate, the wettability of the solder alloy decreases, or the melting point of the solder alloy rapidly increases. If it is 0050 mass% or less, the impact resistance improvement effect can be exhibited without generating such a problem.

V:V含有量0.0005質量%以上で耐衝撃性を向上する効果を発揮することができる。一方、V含有量が多すぎると上記Cr過多と同様の問題が発生するが、V含有量が0.0050質量%以下であればこのような問題を発生させることなく耐衝撃性向上効果を発揮することができる。   V: When the V content is 0.0005% by mass or more, the effect of improving impact resistance can be exhibited. On the other hand, if the V content is too large, the same problem as the above-described Cr excess occurs, but if the V content is 0.0050 mass% or less, the effect of improving impact resistance is exhibited without causing such a problem. can do.

Sb:ハンダ合金中にSbを含有させると、母相であるSnデンドライト中に分散し、鉛フリーハンダ合金の熱サイクル試験等での熱疲労特性を改善することができる。Sb含有量が0.01質量%以上で熱サイクル疲労特性を改善させることができる。一方、Sb含有量が0.5質量%を超えるとハンダ合金を硬くすることから、耐落下衝撃特性が悪化することとなるので、上限を0.5質量%とする。   Sb: When Sb is contained in the solder alloy, it is dispersed in the parent phase, Sn dendrite, and the thermal fatigue characteristics of the lead-free solder alloy in a thermal cycle test or the like can be improved. Thermal cycle fatigue characteristics can be improved when the Sb content is 0.01% by mass or more. On the other hand, if the Sb content exceeds 0.5% by mass, the solder alloy is hardened and the drop impact resistance is deteriorated, so the upper limit is made 0.5% by mass.

P及びGe:鉛フリーハンダ合金中にPとGeの一方又は両方を添加すると、ハンダ表面の変色を抑制することができる。ともに0.0005質量%以上含有すると変色抑制効果を発揮することができる。一方、PまたはGeの含有量が多すぎると耐落下衝撃特性が低下するが、P:0.005質量%以下、Ge:0.01質量%以下であれば良好な耐落下衝撃特性を維持することができる。   P and Ge: When one or both of P and Ge is added to the lead-free solder alloy, discoloration of the solder surface can be suppressed. When both are contained in an amount of 0.0005% by mass or more, a discoloration suppressing effect can be exhibited. On the other hand, when the content of P or Ge is too large, the drop impact resistance is deteriorated. However, if P: 0.005% by mass or less and Ge: 0.01% by mass or less, good drop impact resistance is maintained. be able to.

PとGeをともに含有させる場合、P+Ge≦0.01質量%とすると耐落下衝撃特性を良好に保持できるので好ましい。   When both P and Ge are contained, it is preferable to satisfy P + Ge ≦ 0.01% by mass because the drop impact resistance can be maintained well.

上記記載の成分を含有する鉛フリーハンダ合金を用いたハンダボールとすると好ましい。半導体基板、電子部品、プリント基板等の電子部材上の多数の電極にフラックスの粘着力を利用して本発明のハンダボールを粘着させ、ついで電子部材を高温に熱してハンダボールをリフローさせることにより、電極上にハンダバンプを形成する。このハンダバンプを介して半導体基板等とプリント基板等との間を接合する。このようにして形成したハンダ合金による接合部は、極めて良好な耐衝撃特性を発揮することができる。   A solder ball using a lead-free solder alloy containing the components described above is preferable. By adhering the solder ball of the present invention to a large number of electrodes on an electronic member such as a semiconductor substrate, electronic component, printed circuit board, etc. by using the adhesive force of the flux, and then reflowing the solder ball by heating the electronic member to a high temperature A solder bump is formed on the electrode. The semiconductor substrate and the printed circuit board are bonded to each other through the solder bump. The joint portion made of the solder alloy thus formed can exhibit extremely good impact resistance characteristics.

本発明のハンダボールは直径を300μm以下とすると好ましい。ハンダボールの直径が小さくなるほど、ハンダボールを用いて形成したハンダ接合部の接合断面積が小さくなるため、耐落下衝撃特性が厳しくなる。そのため、ハンダボールの直径が小さいほど本発明による耐落下衝撃特性の向上効果を発揮することができる。ハンダボール直径が300μm以下の小径ボールにおいて、本発明の耐落下衝撃特性を十分に発揮することが可能となるからである。   The solder ball of the present invention preferably has a diameter of 300 μm or less. The smaller the diameter of the solder ball, the smaller the joint cross-sectional area of the solder joint formed using the solder ball, so that the drop impact resistance becomes severe. For this reason, the smaller the diameter of the solder ball, the more the effect of improving the drop impact resistance according to the present invention can be exhibited. This is because the small impact ball having a solder ball diameter of 300 μm or less can sufficiently exhibit the drop impact resistance of the present invention.

上記記載の成分を含有する鉛フリーハンダ合金を用いたハンダバンプを有する電子部材とすると好ましい。このハンダバンプを介して半導体基板等とプリント基板等との間を接合する。このようにして形成したハンダ合金による接合部は、極めて良好な耐衝撃特性を発揮することができる。   An electronic member having solder bumps using a lead-free solder alloy containing the components described above is preferable. The semiconductor substrate and the printed circuit board are bonded to each other through the solder bump. The joint portion made of the solder alloy thus formed can exhibit extremely good impact resistance characteristics.

上記本発明のハンダバンプを有する電子部材は、Cu電極、Ni電極又はCu/Ni/Auメッキ基板上にハンダバンプが形成されてなることとすると好ましい。鉛フリーハンダ合金とCu電極、Ni電極又はCu/Ni/Auメッキ基板との接合部における耐衝撃特性を改善する効果を有しているからである。   The electronic member having the solder bump of the present invention is preferably formed by forming a solder bump on a Cu electrode, a Ni electrode or a Cu / Ni / Au plated substrate. This is because it has the effect of improving the impact resistance characteristics at the joint between the lead-free solder alloy and the Cu electrode, Ni electrode or Cu / Ni / Au plated substrate.

複数の電子部品間をハンダ電極によって接合した本発明の電子部材であって、該ハンダ電極の一部又は全部を上記本発明の鉛フリーハンダ合金を用いてなる電子部材は、そのハンダ電極が極めて良好な耐衝撃特性を発揮することができる。   An electronic member of the present invention in which a plurality of electronic components are joined together by solder electrodes, and an electronic member in which a part or all of the solder electrodes are made of the lead-free solder alloy of the present invention has an extremely low solder electrode. Good impact resistance can be exhibited.

なお、上記本発明の鉛フリーハンダ合金を用いてなるハンダバンプ、ハンダ電極は、前述のとおり、接合時にハンダ合金中のCo成分は金属間化合物中に優先して分配され、ハンダ金属部分に分配されるCo含有量はもとのハンダ合金中のCo含有量よりも少なくなる。   In addition, as described above, the solder bump and the solder electrode using the lead-free solder alloy of the present invention are preferentially distributed in the intermetallic compound and distributed to the solder metal portion in the solder alloy at the time of bonding. The Co content is less than the Co content in the original solder alloy.

表1〜表5に示す各成分を有するハンダ合金を用い、直径300μmのハンダボールを作成した。   Using solder alloys having the components shown in Tables 1 to 5, solder balls having a diameter of 300 μm were prepared.

ハンダボールを接合する電極を有する基板として、FR−4製のプリント基板を用意した。プリント基板のサイズは160mm×64mm×0.8mm(厚さ)である。プリント基板上には、240μmφサイズの電極が324個配置されている。電極としてCu−OSPを用いたものとNi(3〜5μmメッキ)/Au(0.03〜0.05μmメッキ)の2種類を用いた。ハンダボールを介して上記プリント基板と接合する実装部品として、9.6mm角、厚さ0.7mmのシリコンチップを用いた。シリコンチップ上には、プリント基板上の電極と対応する位置に240μmφサイズの電極が324個配置されている。電極材質はCr(0.07μm)/Ni(0.8μm)/Au(0.1μm)である。プリント基板とシリコンチップの電極間がハンダ接合されると、各電極を直列でつなぐ回路が形成されるようになっている。   A printed circuit board made of FR-4 was prepared as a substrate having electrodes for joining solder balls. The size of the printed circuit board is 160 mm × 64 mm × 0.8 mm (thickness). On the printed board, 324 electrodes of 240 μmφ size are arranged. Two types of electrodes, Cu-OSP and Ni (3-5 μm plating) / Au (0.03-0.05 μm plating), were used. A silicon chip having a size of 9.6 mm square and a thickness of 0.7 mm was used as a mounting component to be joined to the printed circuit board via a solder ball. On the silicon chip, 324 electrodes having a size of 240 μmφ are arranged at positions corresponding to the electrodes on the printed circuit board. The electrode material is Cr (0.07 μm) / Ni (0.8 μm) / Au (0.1 μm). When the electrodes of the printed circuit board and the silicon chip are solder-bonded, a circuit for connecting the electrodes in series is formed.

実装プロセスとして、まず上記シリコンチップ側の電極に、用意したハンダボールを搭載した上でリフローし、ハンダバンプを形成する。次にハンダバンプを形成したシリコンチップをプリント基板にフリップチップ接続し、ピーク温度250℃でリフローし、シリコンチップの電極とプリント基板の電極とを接合し、評価部材を形成した。   As a mounting process, first, a prepared solder ball is mounted on the electrode on the silicon chip side and then reflowed to form a solder bump. Next, the silicon chip on which the solder bumps were formed was flip-chip connected to the printed circuit board, reflowed at a peak temperature of 250 ° C., the silicon chip electrode and the printed circuit board electrode were joined, and an evaluation member was formed.

耐落下衝撃特性の評価は、株式会社ティーテック製全自動衝撃試験装置BIT−600Sを用いた。上記接合した評価部材を、シリコンチップ側を下にして定盤に配置する。次に質量30gのロッドタイプ・プローブを5cmの高さから評価部材上に落下させる。評価部材に加わる衝撃加速度は、加速度センサー(TEAC社製)でモニターしており、評価部材上での衝撃加速度は8000Gから12000Gである。   Evaluation of the drop impact resistance was performed using a fully automatic impact testing apparatus BIT-600S manufactured by TETECH. The joined evaluation member is placed on the surface plate with the silicon chip side down. Next, a rod type probe having a mass of 30 g is dropped onto the evaluation member from a height of 5 cm. The impact acceleration applied to the evaluation member is monitored by an acceleration sensor (manufactured by TEAC), and the impact acceleration on the evaluation member is 8000G to 12000G.

破断の評価は、評価部材中の前記回路に定電流電源を接続し、電圧をモニタリングして、抵抗値が初期値の2倍になる時点までの繰り返し落下回数を耐衝撃落下回数とした。このとき、落下時の基板たわみにより生じる瞬断を破断として認識するため、1MHzのサンプリングレートを持つ測定器を使用した。   For the evaluation of breakage, a constant current power source was connected to the circuit in the evaluation member, the voltage was monitored, and the number of repeated drops until the resistance value was double the initial value was defined as the number of impact-resistant drops. At this time, a measuring instrument having a sampling rate of 1 MHz was used in order to recognize a momentary break caused by substrate deflection at the time of dropping as a break.

耐落下衝撃特性の評価において、Cu−OSP電極を用いた基板の場合には、破断までの落下回数が0〜30回を×、31〜40回を△、41〜80回を○、81〜120回を◎、121回以上を◎◎とした。一方、Ni/Au電極を用いた基板の場合には、破断までの落下回数が0〜20回を×、21〜30回を△、31〜40回を○、41〜60回を◎、61回以上を◎◎とした。   In the evaluation of the drop impact resistance, in the case of a substrate using a Cu-OSP electrode, the number of drops until breakage is 0 to 30 times x, 31 to 40 times is Δ, 41 to 80 times is ○, 81 to 81 120 times were evaluated as ◎, and 121 times or more as ◎. On the other hand, in the case of a substrate using a Ni / Au electrode, the number of drops until breakage is 0 to 20 times x, 21 to 30 times are Δ, 31 to 40 times are ○, 41 to 60 times are ◎, 61 The number of times was ◎◎.

Figure 2007237251
Figure 2007237251

Figure 2007237251
Figure 2007237251

Figure 2007237251
Figure 2007237251

Figure 2007237251
Figure 2007237251

表1〜表4に評価結果を示す。表中において、本発明範囲から外れる成分値についてはアンダーラインを付した。   Tables 1 to 4 show the evaluation results. In the table, component values outside the scope of the present invention are underlined.

表1〜表2において、Ag、Cu、Co、Feの含有量が本発明範囲内にある水準については、耐落下衝撃特性が良好であり、その他品質も特に問題はなかった。Co、Fe含有量が本発明範囲を下側に外れた水準は、耐落下衝撃特性が不良であった。Co含有量が本発明範囲を上側に外れた水準については、液相線温度が上昇するとともに、耐落下衝撃特性が不良であった。Fe含有量が本発明範囲を上側に外れた水準については濡れ性が低下した。Au含有量が1.2質量%の水準は特に耐落下衝撃特性が良好であった。   In Tables 1 and 2, regarding the level where the contents of Ag, Cu, Co, and Fe are within the range of the present invention, the drop impact resistance was good, and the other qualities were not particularly problematic. When the Co and Fe contents were out of the range of the present invention, the drop impact resistance was poor. When the Co content was outside the range of the present invention, the liquidus temperature increased and the drop impact resistance was poor. When the Fe content was outside the range of the present invention, the wettability decreased. When the Au content was 1.2% by mass, the drop impact resistance was particularly good.

表3には、Ag、Cu、Co、Feに加え、Sb、P、Geを単独あるいは複合で添加した場合の結果を示した。Sb添加剤については熱疲労特性を評価し、P、Ge添加剤については変色を評価した。   Table 3 shows the results when Sb, P and Ge are added alone or in combination with Ag, Cu, Co and Fe. Thermal fatigue characteristics were evaluated for the Sb additive, and discoloration was evaluated for the P and Ge additives.

熱疲労特性は、落下衝撃特性試験用と同じ実装品(Cu−OSP電極)を用いて、−40℃保持20分,125℃保持20分を繰り返し、回路が破断するまでの高温−低温の繰り返し数(熱サイクル数)を計測することで評価し、破断が見られ始める回数が1000回以上である場合を○、750回以上である場合を△、500回以下を×とした。   For thermal fatigue characteristics, using the same mounting product (Cu-OSP electrode) as for the drop impact characteristics test, holding at −40 ° C. for 20 minutes and holding at 125 ° C. for 20 minutes is repeated until the circuit breaks. It was evaluated by measuring the number (the number of thermal cycles). The case where the number of times the fracture started to be observed was 1000 times or more was evaluated as ◯, the case where it was 750 times or more was evaluated as Δ, and the number of 500 times or less was evaluated as ×.

変色についての評価は、作製した評価ハンダボールを、白磁製の角皿に入れ、それらを大気雰囲気中に150℃200時間保持した後、初期状態標本を基にした肉眼による官能検査により実施した。まったく変化がなかった場合を○、最も変化したSn−3.0Ag−0.5Cuボールを×、その中間の変色をしめしたものを△とした。   The evaluation of discoloration was performed by putting the prepared evaluation solder balls into a white porcelain square dish, holding them in an air atmosphere at 150 ° C. for 200 hours, and then performing a sensory test with the naked eye based on an initial state sample. The case where there was no change at all was indicated by ◯, the most changed Sn-3.0Ag-0.5Cu ball was indicated by ×, and the intermediate discoloration was indicated by Δ.

本実施例55〜58については、Sb含有量が本発明範囲内の水準は熱疲労特性が良好であった。Sb含有量が本発明範囲を上側に外れる本比較例10は、耐落下衝撃特性が不良であるとともに熱疲労特性がやや低下した。   Regarding Examples 55 to 58, the thermal fatigue properties were good when the Sb content was within the range of the present invention. In Comparative Example 10 in which the Sb content deviates from the range of the present invention, the drop impact resistance is poor and the thermal fatigue characteristics are slightly deteriorated.

本実施例59〜72については、P、Ge及びその合計含有量が本発明範囲内の水準は変色状況が良好であった。P、Ge含有量が本発明範囲の上限を外れる水準は、耐落下衝撃特性が不良であった。   Regarding Examples 59 to 72, P, Ge, and the total content thereof were within the scope of the present invention, and the discoloration was good. When the P and Ge contents deviated from the upper limit of the range of the present invention, the drop impact resistance was poor.

本実施例73〜76は、さらにCr又はVを含有する水準であり、いずれも耐落下衝撃特性が良好であった。   In Examples 73 to 76, Cr or V was further contained, and all of them had good impact resistance against dropping.

表4には、Co、Feを含有しない比較例を示す。いずれについても、耐落下衝撃特性が不良であった。   Table 4 shows a comparative example not containing Co and Fe. In all cases, the drop impact resistance was poor.

Claims (11)

Ag:1.0〜2.0質量%、Cu:0.3〜1.0質量%、Co:0.005〜0.10質量%、Fe:0.0001〜0.005質量%を含有し、残部Sn及び不可避不純物からなることを特徴とする鉛フリーハンダ合金。   Ag: 1.0 to 2.0 mass%, Cu: 0.3 to 1.0 mass%, Co: 0.005 to 0.10 mass%, Fe: 0.0001 to 0.005 mass% A lead-free solder alloy comprising the remaining Sn and inevitable impurities. Co+Fe≦0.10質量%であることを特徴とする請求項2に記載の鉛フリーハンダ合金。   The lead-free solder alloy according to claim 2, wherein Co + Fe ≦ 0.10 mass%. さらに、含有酸素濃度が0.0020質量%以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の鉛フリーハンダ合金。   The lead-free solder alloy according to claim 1 or 2, wherein the oxygen concentration is 0.0020% by mass or less. Feに替え、又はFeとともに、Cr:0.0005〜0.0050質量%、V:0.0005〜0.0050質量%の1種又は2種を含有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の鉛フリーハンダ合金。   It replaces with Fe, or contains 1 type or 2 types of Cr: 0.0005-0.0050 mass% and V: 0.0005-0.0050 mass% with Fe. The lead-free solder alloy according to any one of the above. さらに、Sb:0.01〜0.5質量%を含有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の鉛フリーハンダ合金。   Furthermore, Sb: 0.01-0.5 mass% is contained, The lead-free solder alloy in any one of the Claims 1 thru | or 4 characterized by the above-mentioned. さらに、P:0.0005〜0.005質量%、Ge:0.0005〜0.01質量%の1種又は2種を含有し、かつP+Ge≦0.01質量%であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の鉛フリーハンダ合金。   Furthermore, it contains one or two of P: 0.0005 to 0.005 mass%, Ge: 0.0005 to 0.01 mass%, and P + Ge ≦ 0.01 mass%. The lead-free solder alloy according to any one of claims 1 to 5. 請求項1乃至6のいずれかに記載の鉛フリーハンダ合金を用いてなることを特徴とするハンダボール。   A solder ball comprising the lead-free solder alloy according to any one of claims 1 to 6. ボール直径が300μm以下であることを特徴とする請求項7に記載のハンダボール。   The solder ball according to claim 7, wherein the ball diameter is 300 μm or less. 請求項1乃至6のいずれかに記載の鉛フリーハンダ合金を用いたハンダバンプを有することを特徴とする電子部材。   An electronic member comprising solder bumps using the lead-free solder alloy according to claim 1. Cu電極、Ni電極又はCu/Ni/Auメッキ基板上にハンダバンプが形成されてなることを特徴とする請求項9に記載の電子部材。   The electronic member according to claim 9, wherein a solder bump is formed on a Cu electrode, a Ni electrode, or a Cu / Ni / Au plated substrate. 複数の電子部品間をハンダ電極によって接合した電子部材であって、該ハンダ電極の一部又は全部は、請求項1乃至6のいずれかに記載の鉛フリーハンダ合金を用いてなることを特徴とする電子部材。   An electronic member in which a plurality of electronic components are joined by solder electrodes, wherein a part or all of the solder electrodes are formed using the lead-free solder alloy according to any one of claims 1 to 6. Electronic member to be used.
JP2006064127A 2006-03-09 2006-03-09 Lead-free solder alloy, solder ball, and electronic member Withdrawn JP2007237251A (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006064127A JP2007237251A (en) 2006-03-09 2006-03-09 Lead-free solder alloy, solder ball, and electronic member
PCT/JP2007/054582 WO2007102589A1 (en) 2006-03-09 2007-03-08 Lead-free solder alloy, solder ball and electronic member, and lead-free solder alloy, solder ball and electronic member for automobile-mounted electronic member

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006064127A JP2007237251A (en) 2006-03-09 2006-03-09 Lead-free solder alloy, solder ball, and electronic member

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2007237251A true JP2007237251A (en) 2007-09-20

Family

ID=38583295

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006064127A Withdrawn JP2007237251A (en) 2006-03-09 2006-03-09 Lead-free solder alloy, solder ball, and electronic member

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2007237251A (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012128356A1 (en) * 2011-03-23 2012-09-27 千住金属工業株式会社 Lead-free solder alloy
JP2013211508A (en) * 2012-03-01 2013-10-10 Nec Corp Lsi package and manufacturing method of the same
WO2013153595A1 (en) 2012-04-09 2013-10-17 千住金属工業株式会社 Solder alloy
JPWO2012053178A1 (en) * 2010-10-22 2014-02-24 パナソニック株式会社 Semiconductor junction structure and manufacturing method of semiconductor junction structure
WO2015045856A1 (en) * 2013-09-30 2015-04-02 株式会社オートネットワーク技術研究所 Electric contact material for connector, and method for producing same
JP7376842B1 (en) 2023-02-21 2023-11-09 千住金属工業株式会社 Solder alloys, solder balls, solder pastes and solder joints

Cited By (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPWO2012053178A1 (en) * 2010-10-22 2014-02-24 パナソニック株式会社 Semiconductor junction structure and manufacturing method of semiconductor junction structure
JP5546067B2 (en) * 2010-10-22 2014-07-09 パナソニック株式会社 Semiconductor junction structure and manufacturing method of semiconductor junction structure
WO2012128356A1 (en) * 2011-03-23 2012-09-27 千住金属工業株式会社 Lead-free solder alloy
WO2012127642A1 (en) * 2011-03-23 2012-09-27 千住金属工業株式会社 Lead-free solder alloy
US9844837B2 (en) 2011-03-23 2017-12-19 Senju Metal Industry Co., Ltd. Lead-free solder alloy
CN103561903B (en) * 2011-03-23 2017-03-22 千住金属工业株式会社 Lead-free solder alloy
JP5660199B2 (en) * 2011-03-23 2015-01-28 千住金属工業株式会社 Lead-free solder alloy
CN103561903A (en) * 2011-03-23 2014-02-05 千住金属工业株式会社 Lead-free solder alloy
JP2013211508A (en) * 2012-03-01 2013-10-10 Nec Corp Lsi package and manufacturing method of the same
EP2679335A4 (en) * 2012-04-09 2014-12-03 Senju Metal Industry Co Solder alloy
KR20140130750A (en) 2012-04-09 2014-11-11 센주긴조쿠고교 가부시키가이샤 Solder alloy
US8932519B2 (en) 2012-04-09 2015-01-13 Senju Metal Industry Co., Ltd. Solder alloy
EP2679335A1 (en) * 2012-04-09 2014-01-01 Senju Metal Industry Co., Ltd. Solder alloy
CN103476540B (en) * 2012-04-09 2015-11-25 千住金属工业株式会社 Solder alloy
KR101590289B1 (en) 2012-04-09 2016-02-01 센주긴조쿠고교 가부시키가이샤 Solder alloy
CN103476540A (en) * 2012-04-09 2013-12-25 千住金属工业株式会社 Solder alloy
WO2013153595A1 (en) 2012-04-09 2013-10-17 千住金属工業株式会社 Solder alloy
WO2015045856A1 (en) * 2013-09-30 2015-04-02 株式会社オートネットワーク技術研究所 Electric contact material for connector, and method for producing same
US9966163B2 (en) 2013-09-30 2018-05-08 Autonetworks Technologies, Ltd. Electric contact material for connector and method for producing same
JP7376842B1 (en) 2023-02-21 2023-11-09 千住金属工業株式会社 Solder alloys, solder balls, solder pastes and solder joints

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5019764B2 (en) Lead-free solder alloys, solder balls and electronic components
KR101397271B1 (en) Lead-free solder alloy, solder ball and electronic member, and lead-free solder alloy, solder ball and electronic member for automobile-mounted electronic member
JP5030442B2 (en) Lead-free solder alloys, solder balls and electronic components
JP4152596B2 (en) Electronic member having solder alloy, solder ball and solder bump
US9700963B2 (en) Lead-free solder ball
KR101455966B1 (en) Lead-Free Solder Ball
KR101355694B1 (en) Solder ball for semiconductor mounting and electronic member
JP2007237252A (en) Lead-free solder alloy for electronic member to be mounted on automobile, solder ball and electronic member
KR101738841B1 (en) HIGH-TEMPERATURE SOLDER JOINT COMPRISING Bi-Sn-BASED HIGH-TEMPERATURE SOLDER ALLOY
KR102153273B1 (en) Solder alloy, solder paste, solder ball, resin-embedded solder and solder joint
KR20100113626A (en) Lead-free solder alloy
US9175368B2 (en) MN doped SN-base solder alloy and solder joints thereof with superior drop shock reliability
WO2019171710A1 (en) Solder alloy, solder paste, solder ball, resin cored solder, and solder joint
JP2007237251A (en) Lead-free solder alloy, solder ball, and electronic member
JP5973992B2 (en) Solder alloy
KR102342394B1 (en) Solder Alloy, Solder Paste, Preform Solder, Solder Ball, Wire Solder, Resin Flux Cored Solder, Solder Joint, Electronic Circuit Board and Multilayer Electronic Circuit Board
Liu et al. The superior drop test performance of SAC-Ti solders and its mechanism
TWI540015B (en) Lead free solder ball
EP2747933B1 (en) A mn doped sn-base solder alloy and solder joints thereof with superior drop shock reliability
WO2007102589A1 (en) Lead-free solder alloy, solder ball and electronic member, and lead-free solder alloy, solder ball and electronic member for automobile-mounted electronic member
KR20240013669A (en) Solder alloy, solder ball, solder paste and solder joint
JP5167068B2 (en) Electronic member having solder balls and solder bumps

Legal Events

Date Code Title Description
A300 Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300

Effective date: 20090512