JP2011005542A - Ｉｎ含有鉛フリーはんだ合金及び当該はんだを用いたはんだ接合部 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の課題は、低耐熱性電子部品等の実装、特にＴＳＶ技術やビルドアップ工法を利用した電子部品等の実装に適した流動性を有し、はんだ接合部の高信頼性及び放熱性等の優れた電気特性を有した鉛フリーはんだ合金及び当該はんだ合金を用いたはんだ接合部の提供を目的とする。
【解決手段】 はんだ接合部及びはんだ接合界面において、ＮｉＡｓ型結晶構造を有する金属間化合物を形成する鉛フリーはんだ合金組成を用い、当該鉛フリーはんだ合金の組成がＩｎを必須組成とし、更にＣｕ及びＮｉに関して、Ｃｕを０．１〜２．０重量％、Ｎｉを０．０１〜０．１重量％添加させ、残部をＩｎからなる組成の鉛フリーはんだ合金を用いることにより、はんだ接合時の流動性に優れ、はんだ接合部のエージング劣化が抑制される効果、高信頼性及び放熱性等の優れた電気特性を有するはんだ接合部の提供が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉛フリーはんだ合金に関し、詳しくは、はんだ接合部及び／又ははんだ接合界面においてＮｉＡｓ型結晶構造を有する金属間化合物を形成する組成からなるＩｎ含有鉛フリーはんだ合金組成からなるはんだ合金及び当該鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ接合部に関する。

従来、錫鉛共晶はんだが電子部品の接合材料として広く用いられてきた。しかし、近年、鉛の人体及び環境への影響が問題視されるようになり、鉛を配合しない鉛フリーはんだ接合材料の開発が進み、広く実用化されている。
例えば、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだやＳｎ−Ｃｕ−Ｎｉ系はんだが広く用いられている。
しかし、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ及びＳｎ−Ｃｕ−Ｎｉ系はんだの融点は、それぞれ２１７℃〜２２１℃と２２７℃となっており、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだの融点１８３℃に比べ高温である。そのため、一部の低耐熱性電子部品等の実装には使用することが困難である。
そこで、比較的融点の低いＳｎ−Ｚｎ系はんだやＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだにＩｎやＢｉを添加して融点を下げた鉛フリーはんだの提案がなされ、実用化も進んでいる。

また、最近では電子部品の高密度化と、それに用いられるプリント基板等もその要求に応えた種々のタイプのプリント基板が提案されている。
なかでも、高密度化の技術として、シリコン貫通ビア（ＴＳＶ）を利用して複数のシリコンウエハを垂直に積層して半導体の高性能化と小面積化を図る手法やビルドアップ工法を利用して作製されたビルドアップ基板等が注目されている。
そして、電子部品とプリント基板を接合するはんだ接合材料についても微細粉末を配合したペーストタイプのはんだ接合材料（特許文献１）や微小なボールタイプのはんだ接合材料の提案（特許文献２）がなされている。

しかし、ＴＳＶ技術やビルドアップ工法を利用した電子部品、特に低耐熱性電子部品等の実装は、現在提案されている微細粉末を配合したペーストタイプのはんだ接合材料や微小なボールタイプを用いるはんだ接合材料では、作業条件等に規制され、はんだ接合ができなかったり高信頼性のはんだ接合が得られないため、より低耐熱性電子部品等の接合に適した流動性の高いはんだ接合材料が求められている。

従来、はんだ接合に用いるはんだ合金の流動性を阻害する原因の一つがはんだ接合時に発生する金属間化合物であることは知られており、発明者も、はんだ合金組成にＮｉ等の微量金属を添加することにより、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだ合金において、生成する金属間化合物を抑制して流動性向上させた鉛フリーはんだ合金を既に提案（特許文献３）している。
また、鉛フリーはんだ合金にＮｉ等の成分を添加させて、はんだ接合界面やはんだ接合部内に生成する金属間化合物を制御して、はんだ接合界面に発生するクラックの抑制効果を有する鉛フリーはんだ合金も提案（特許文献４）している。

はんだ接合時に発生する金属間化合物は、用いるはんだ合金やプリント基板等の組成によって異なり、種々の組成からなる金属間化合物の種類が知られている。そして、組成の違いにより金属間化合物の性質、はんだ接合に与える内容や影響度も様々であるが、金属間化合物の多くは、その組成の特性に起因して流動性等を阻害し、はんだ接合の強度を低下させる等はんだ付けに悪影響を及ぼしている。
このような金属間化合物の対処として、金属間化合物の発生自体を抑制する方法（特許文献５）や、Ｎｉ添加等により生成する金属間化合物の制御が提案（特許文献４）されているが、何れも融点が２００℃を超えるはんだ合金に関するもので、低耐熱性電子部品等の接合に適した低融点の鉛フリーはんだ合金に関する提案は見当たらない。

特開２００８−２３８２５３号公報 特開２００８−１７２１８９号公報 特許第３１５２９４５号公報 国際公開２００９／５１２５５号公報 特開２００５−２８８４７８号公報

本発明は、低耐熱性電子部品等の実装、特にＴＳＶ技術やビルドアップ工法を利用した電子部品等の実装に適した流動性を有し、はんだ接合部の高信頼性及び放熱性等の優れた電気特性を有した鉛フリーはんだ合金及び当該はんだ合金を用いたはんだ接合部の提供を目的とする。

本発明者は、上記目的を達成すべく、鉛フリーはんだ合金組成及び金属間化合物に着目して鋭意検討を重ねた結果、はんだ接合部及びはんだ接合界面において、ＮｉＡｓ型結晶構造を有する金属間化合物を形成する鉛フリーはんだ合金組成を用い、当該鉛フリーはんだ合金の組成がＩｎを必須組成とし、更にＣｕ及びＮｉを特定量添加することにより、はんだ接合時の流動性に優れ、はんだ接合部のエージング劣化が少なくなること、また、はんだ接合部に高信頼性及び放熱性等の優れた電気特性を有することを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち本発明は、Ｉｎを必須組成とし、Ｃｕを０．１〜２．０重量％、Ｎｉを０．０１〜０．１重量％添加させた組成からなる鉛フリーはんだ合金を用いることにより、はんだ接合時の流動性に優れ、はんだ接合部のエージング劣化が抑制される効果、高信頼性及び放熱性等の優れた電気特性を有する。
そして、上記組成の鉛フリーはんだ合金組成にＳｎを添加させた組成からなる鉛フリーはんだ合金を用いても本発明の効果は変わらない。
また、上記組成の鉛フリーはんだ合金と接合するプリント基板等の母材材質がＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｓｎ、Ｉｎ及びＦｅから選択される１種又は２種以上、及び／又はＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｓｎ、Ｉｎ及びＦｅから選択される１種又は２種以上で表面処理された場合において、より相乗的の本発明の効果を有する。
上記母材材質の他、Ｓｉ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｇａ、及びＺｎから選択される１種又は２種以上、及び／又はＳｉ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｇａ、及びＺｎから選択される１種又は２種以上で表面処理された場合の母材においても本発明の効果を有する。

本発明によれば、本発明に使用できる鉛フリーはんだ合金の液相線付近においても流動性に優れるため、低耐熱性電子部品の高密度はんだ実装が可能となり、しかも、はんだ接合部のエージング劣化が少なく、高信頼性及び放熱性等の優れた電気特性効果が得られるため、電子部品の微細化、高密度化が可能となる。

Ｃｕ−Ｉｎ状態図 Ｎｉ−Ｉｎ状態図 Ｉｎ−Ｓｎ状態図 Ｃｕ−Ｓｎ状態図 Ｎｉ−Ｓｎ状態図 Ｃｕ−Ｎｉ状態図 Ａｇ−Ｉｎ状態図 Ｉｎ−Ｐｄ状態図 Ｉｎ−Ｐｔ状態図 Ｉｎ−Ｚｎ状態図 Ａｌ−Ｉｎ状態図 Ｇａ−Ｉｎ状態図 Ｓｉ−Ｉｎ状態図 Ｇｅ−Ｉｎ状態図 はんだ接合界面に形成したＣｕ_６Ｓｎ_５組成のみの金属間化合物と（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５組成を含む金属間化合物の表面を比較した電子顕微鏡写真。

以下に、本発明について詳細に説明する。
従来、はんだ接合部やはんだ接合界面に金属間化合物が形成されることは知られており、その際、生成される金属間化合物の組成は用いるはんだ合金の組成や母材等により異なる。例えば、銅配線を施したプリント基板等の母材に、Ｓｎを主成分とする鉛フリーはんだ合金を用いてはんだ接合を行った場合、接合母材とはんだの接合界面にＣｕ_６Ｓｎ_５等の金属間化合物が生成され、金属間化合物層が形成される。
これは、プリント基板等の母材組成であるＣｕ等の金属に鉛フリーはんだ合金の組成であるＳｎ等が接触し、濡れが生じ、はんだにＣｕが拡散する際、はんだ接合界面に金属間化合物の組成である例えばＣｕの濃化現象が発生し、Ｃｕ_６Ｓｎ_５金属間化合物が生成し、接合界面に当該金属間化合物の層を形成すると考えられる。
また、プリント基板等の母材組成にＣｕ等が存在しない場合であっても、本発明の鉛フリーはんだ合金を用いることによって、はんだ接合界面に同様のＣｕ_６Ｓｎ_５組成の金属間化合物層が形成すると考えられる。

その際、はんだ接合部及びはんだ接合界面に生成する金属間化合物の結晶構造がＮｉＡｓ型である場合、本発明の効果を有することになる。
本発明者が特許文献４にて提案した鉛フリーはんだ合金もＮｉＡｓ型に近い結晶構造を有する金属間化合物組成である（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５を接合界面に形成させることによって、はんだ接合界面に発生するクラックを抑制する効果を齎している。

本発明は、係る条件を満たすＮｉＡｓ型結晶構造を有する金属間化合物を生成し、且つ低耐温性電子部品等の接合が可能な温度域においても、高信頼性と優れた電気特性効果を有するはんだ接合を可能とするため、Ｉｎを必須組成として含有させることによりはんだ合金の液相線温度を低下させると共に、Ｃｕ及びＮｉを特定量添加することにより、はんだ合金の液相線付近での流動性を著しく向上させて、スルーホール上がり等のはんだ接合時のはんだ接合特性を向上させた。
更に、Ｃｕ及びＮｉの含有量に関してＣｕを０．１〜２．０重量％、Ｎｉを０．０１〜０．１重量％をはんだ合金に添加することによって、はんだ接合部及びはんだ接合界面等に生成、形成する金属間化合物の結晶構造をＮｉＡｓ型に近い結晶構造となるよう制御して、はんだ接合部の接合強度を向上させたのである。

本発明の、Ｉｎ、Ｃｕ、Ｎｉ，及びＳｎを組成とする鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ接合部及びはんだ接合界面にＮｉＡｓ型結晶構造を有する金属間化合物を生成することについて状態図を用いて説明する。
図１は、Ｃｕ−Ｉｎの状態図であるが、当該状態図より、Ｉｎの配合量が３５ａｔｍ％付近において、ηとなる域においてＣｕＩｎ_２からなるＮｉＡｓ型結晶構造を示す化合物組成がみられる。

図２は、Ｎｉ−Ｉｎの状態図であるが、当該状態図より、Ｉｎの配合量が４０重量％付近において、Ｎｉ_１３Ｉｎ_９からなるＮｉＡｓ型結晶構造を示す化合物組成がみられる。

図３は、Ｉｎ−Ｓｎの状態図であるが、当該状態図より、Ｉｎの配合量が４４．８〜４９．２ａｔｍ％において共晶となることがわかる。

図４は、Ｃｕ−Ｓｎの状態図であるが、当該状態図より、Ｃｕ配合量が５９〜６０．９重量％付近において、ηとなる域においてＣｕ_６Ｓｎ_５からなるＮｉＡｓ型結晶構造を示す化合物組成がみられる。

図５は、Ｎｉ−Ｓｎの状態図であるが、当該状態図より、Ｃｕ配合量が４０ａｔｍ％付近において、Ｎｉ_３Ｓｎ_２からなるＮｉＡｓ型結晶構造を示す化合物組成がみられる。

図６は、Ｃｕ−Ｎｉの状態図であるが、当該状態図より、ＣｕとＮｉが全固溶の関係にあることがわかる。

図７は、Ａｇ−Ｉｎの状態図であるが、当該状態図より、Ａｇ配合量が３３〜６７ａｔｍ％付近において、ＡｇＩｎ_２からなるＮｉＡｓ型結晶構造を示す化合物組成がみられる。

図８は、Ｉｎ−Ｐｄの状態図であるが、当該状態図より、Ｐｄ配合量が５５〜６０ａｔｍ％付近において、Ｉｎ_３Ｐｄ_５からなるＮｉＡｓ型結晶構造と推測する化合物組成がみられる。

図９は、Ｉｎ−Ｐｔの状態図であるが、当該状態図より、Ｐｔ配合量が７０ａｔｍ％付近において、ＮｉＡｓ型結晶構造を示す化合物組成がみられる。

図１０はＩｎ−Ｚｎの状態図、図１１はＡｌ−Ｉｎの状態図、図１２はＧａ−Ｉｎの状態図、図１３はＳｉ−Ｉｎの状態図、図１４はＧｅ−Ｉｎの状態図であるが、何れの状態図も金属間化合物の生成が見られない。

図１〜図５の状態図により、Ｉｎを必須組成とするはんだ合金にＣｕ及びＮｉを配合した場合、ＩｎとＣｕ、ＩｎとＮｉはそれぞれＮｉＡｓ型結晶構造を形成する配合域を有し、ＳｎとＮｉ、ＳｎとＣｕもそれぞれＮｉＡｓ型結晶構造を形成する配合域を有することがわかる。
また、図６より、ＣｕとＮｉは全固溶の関係にあることから、はんだ接合部に生成する金属間化合物は、その生成過程においてスムーズにＣｕとＮｉが一部置換して、（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５組成からなる金属間化合物を生成し、はんだ接合界面に（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５組成からなる層を形成する。

そして、図７〜図９においては、図１〜図５同様にＮｉＡｓ型結晶構造を形成する配合域を有することがわかる。
また、図１０〜図１４において、Ｚｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｉ、及びＧｅは、Ｉｎと金属間化合物を生成することはないが、きれいな固溶関係にあるため、本発明の鉛フリーはんだ合金を用いてはんだ接合した場合、はんだ接合界面にはＩｎと金属間化合物を形成する金属組成であるＣｕやＮｉとにより生成するＣｕＩｎ_２やＮｉ_１３Ｉｎ_９金属間化合物のＩｎがＺｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｉ、及びＧｅが一部置換したＮｉＡｓ型結晶構造に近い金属間化合物を形成することが予測され、本発明の効果を有すると考えられる。

その結果、本発明の鉛フリーはんだ合金を用いてはんだ接合を行った場合、図１５に示すように、本発明の構成成分であるＮｉを添加し生成した（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５組成からなる金属間化合物は、無添加のＣｕ_６Ｓｎ_５組成からなる金属間化合物の構造に比較して、微細化且つ平坦化された構造を有し、それにより、当該組成を有する本発明の鉛フリーはんだ合金組成を用いたはんだ接合部は、高信頼性及び放熱性等の優れた電気特性を有すると考えられる。

本発明の鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ接合において、鉛フリーはんだ合金と接合するプリント基板等の母材材質がＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｓｎ、Ｉｎ及びＦｅから選択される１種又は２種以上、及び／又はＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｓｎ、Ｉｎ及びＦｅから選択される１種又は２種以上で表面処理された場合において、より相乗的の本発明の効果を有する。
また、上記母材材質の他、Ｓｉ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｇａ、及びＺｎから選択される１種又は２種以上、及び／又はＳｉ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｇａ、及びＺｎから選択される１種又は２種以上で表面処理された場合においても本発明の効果を有する。
これは、上記プリント基板等の母材材質であるＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｓｎ、Ｉｎ、ＦｅやＳｉ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｇａ、Ｚｎに対して、本発明の構成成分であるＮｉが拡散しにくい特性があり、はんだ接合界面に対して、ＣｕにＮｉが一部置換した（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５等を組成とする金属間化合物層が形成することにより、バリア効果を有するからである。

本発明の鉛フリーはんだ合金の組成の配合量において、Ｃｕが０．１〜２．０重量％、Ｎｉが０．０１〜０．１重量％、残部をＩｎ及びＳｎよりなる配合範囲であれば、図１〜図１４の状態図に示す関係がはんだ接合部及び／又ははんだ接合界面において成立すると考えられる。

本発明のはんだ合金の液相線付近での流動性を著しく向上させるため、積層数が多く、しかも低耐熱性電子部品の高密度実装が可能となる。また、はんだ接合部のエージング劣化が少なく、高信頼性及び放熱性等の優れた電気特性効果を有するため、高密度化、微細化を必要とする電子部品等の製造、実装に広く応用が可能である。

Claims (5)

1. 鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ接合において、はんだ接合部中及び／又ははんだ接合界面にＮｉＡｓ型結晶構造を有する金属間化合物を形成することを特徴とする鉛フリーはんだ合金組成及び当該鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ接合部。
2. 鉛フリーはんだ合金組成が、Ｉｎ−Ｃｕ−Ｎｉ及び／又はＳｎ−Ｉｎ−Ｃｕ−Ｎｉからなる請求項１記載の鉛フリーはんだ合金組成及び当該鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ接合部。
3. Ｃｕの含有量が０．１〜２重量％、Ｎｉの含有量が０．０１〜０．１重量％、残部がＩｎ又はＩｎとＳｎよりなることを特徴とする請求項２記載の鉛フリーはんだ合金組成及び当該鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ接合部。
4. 請求項１〜請求項３記載の鉛フリーはんだ合金組成を用いてはんだ接合を行う場合の対象母材の組成がＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｓｎ、Ｉｎ及びＦｅから選択される１種又は２種以上、及び／又はＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｏ、Ｓｎ、Ｉｎ及びＦｅから選択される１種又は２種以上で表面処理されたものであることを特徴とするはんだ接合部。
5. 請求項１〜請求項３記載の鉛フリーはんだ合金組成を用いてはんだ接合を行う場合の対象母材の組成がＳｉ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｇａ、及びＺｎから選択される１種又は２種以上、及び／又はＳｉ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｇａ、及びＺｎから選択される１種又は２種以上で表面処理されたものであることを特徴とするはんだ接合部。

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