JP2012024803A - Pb-FREE SOLDER ALLOY HAVING EXCELLENT STRESS RELAXATION PROPERTY - Google Patents

Pb-FREE SOLDER ALLOY HAVING EXCELLENT STRESS RELAXATION PROPERTY Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a Pb-free solder alloy which has excellent thermal stress relaxation properties, and can suppress the reaction of Ni-Bi and Ni diffusion on joining of Ni-containing electronic parts and a substrate.SOLUTION: The Pb-free solder alloy essentially consists of Bi, comprises Sn by 1.6 to 10 mass%, does not comprise Zn by >13.5 mass% and does not comprise P by >0.5 mass%, and in which a liquid phase is present at ≥150°C. The Pb-free solder alloy may comprise at least either Zn or P, by ≥0.4 mass% in the case of Zn and by ≥0.001 mass% in the case of P.

Description

本発明はPbを含まないはんだ合金に関し、とくに高温用のはんだ合金に関する。   The present invention relates to a solder alloy containing no Pb, and more particularly to a high temperature solder alloy.

近年、環境に有害な化学物質に対する規制が厳しくなってきており、この規制は電子部品などを基板に接合する目的で使用されるはんだ材料に対しても例外ではない。はんだ材料には古くからPb(鉛)が主成分として使われ続けてきたが、すでにRohs指令などで規制対象物質になっている。このため、Pbを含まないはんだ(以降、Pbフリーはんだまたは無鉛はんだとも称する)の開発が盛んに行われている。   In recent years, regulations on chemical substances harmful to the environment have become stricter, and this regulation is no exception for solder materials used for the purpose of joining electronic components to a substrate. Pb (lead) has been used as a main component for solder materials for a long time, but it has already been regulated by the Rohs Directive. For this reason, development of solder containing no Pb (hereinafter also referred to as Pb-free solder or lead-free solder) has been actively conducted.

電子部品を基板に接合する際に使用するはんだは、その使用限界温度によって高温用(約260℃〜400℃)と中低温用(約140℃〜230℃)に大別され、それらのうち中低温用はんだに関しては、Snを主成分とするはんだ合金でPbフリーが実用化されている。例えば、特許文献1には、Snを主成分とし、Agを1.0〜4.0質量%、Cuを2.0質量%以下、Niを0.5質量%以下、Pを0.2質量%以下含有するPbフリーはんだ合金組成が記載されている。また、特許文献2には、Agを0.5〜3.5質量%、Cuを0.5〜2.0質量%含有し、残部がSnからなる合金組成のPbフリーはんだが記載されている。   Solders used when bonding electronic components to a substrate are roughly classified into high temperature (about 260 ° C. to 400 ° C.) and medium / low temperature (about 140 ° C. to 230 ° C.) depending on the limit temperature of use. With regard to low-temperature solder, Pb-free solder alloys containing Sn as a main component have been put into practical use. For example, in Patent Document 1, Sn is the main component, Ag is 1.0 to 4.0 mass%, Cu is 2.0 mass% or less, Ni is 0.5 mass% or less, and P is 0.2 mass%. Pb-free solder alloy compositions containing up to 10% are described. Patent Document 2 describes a Pb-free solder having an alloy composition containing 0.5 to 3.5% by mass of Ag, 0.5 to 2.0% by mass of Cu, and the balance being Sn. .

一方、高温用のPbフリーはんだ材料に関しても、さまざまな機関で開発が行われている。例えば、特許文献3には、Biを30〜80質量%含み、溶融温度が350〜500℃のBi/Agろう材が開示されている。また、特許文献4には、Biを含む共晶合金に2元共晶合金を加え、さらに添加元素を加えたはんだ合金が開示されており、このはんだ合金は、4元系以上の多元系はんだではあるものの、液相線温度の調整とばらつきの減少が可能となることが示されている。   On the other hand, development of various high-temperature Pb-free solder materials is also being conducted. For example, Patent Document 3 discloses a Bi / Ag brazing material containing 30 to 80% by mass of Bi and having a melting temperature of 350 to 500 ° C. Patent Document 4 discloses a solder alloy in which a binary eutectic alloy is added to a eutectic alloy containing Bi and an additional element is further added. This solder alloy is a quaternary or higher multi-component solder. However, it has been shown that the liquidus temperature can be adjusted and variations can be reduced.

さらに、特許文献5には、BiにCu−Al−Mn、Cu、またはNiを添加したはんだ合金が開示されており、これらはんだ合金は、Cu層を表面に備えたパワー半導体素子および絶縁体基板に使用した場合、はんだとの接合界面において不要な反応生成物が形成されにくくなるため、クラックなどの不具合の発生を抑制できると記載されている。   Further, Patent Document 5 discloses a solder alloy in which Cu—Al—Mn, Cu, or Ni is added to Bi, and these solder alloys include a power semiconductor element and an insulator substrate having a Cu layer on the surface. It is described that, when used in the above, it is difficult to form an unnecessary reaction product at the joint interface with the solder, so that occurrence of defects such as cracks can be suppressed.

また、特許文献6には、はんだ組成物100質量%のうち、94.5質量%以上のBiからなる第1金属元素と、2.5質量%のAgからなる第2金属元素と、Sn:0.1〜0.5質量%、Cu:0.1〜0.3質量%、In:0.1〜0.5質量%、Sb:0.1〜3.0質量%、およびZn:0.1〜3.0質量%よりなる群から選ばれる少なくとも1種を合計0.1〜3.0質量%含む第3金属元素とからなるはんだ組成物が示されている。   Further, in Patent Document 6, among 100% by mass of the solder composition, a first metal element composed of 94.5% by mass or more of Bi, a second metal element composed of 2.5% by mass of Ag, and Sn: 0.1-0.5% by mass, Cu: 0.1-0.3% by mass, In: 0.1-0.5% by mass, Sb: 0.1-3.0% by mass, and Zn: 0 A solder composition composed of a third metal element containing at least one selected from the group consisting of 0.1 to 3.0% by mass in a total of 0.1 to 3.0% by mass is shown.

また、特許文献7には、副成分としてAg、Cu、ZnおよびSbのうちの少なくとも1種を含有するBi基合金に、0.3〜0.5質量%のNiを含有するPbフリーはんだ組成物が開示されており、このPbフリーはんだは、固相線温度が250℃以上であり、液相線温度が300℃以下であることが記載されている。さらに特許文献8にはBiを含む2元合金が開示されており、この2元合金は、はんだ付け構造体内部において、クラックの発生を抑える効果を有していることが記載されている。   Patent Document 7 discloses a Pb-free solder composition containing 0.3 to 0.5% by mass of Ni in a Bi-based alloy containing at least one of Ag, Cu, Zn and Sb as subcomponents. The Pb-free solder has a solidus temperature of 250 ° C. or higher and a liquidus temperature of 300 ° C. or lower. Further, Patent Document 8 discloses a binary alloy containing Bi, and it is described that this binary alloy has an effect of suppressing the occurrence of cracks in the soldering structure.

特開1999−077366号公報Japanese Patent Laid-Open No. 1999-077366 特開平8−215880号公報JP-A-8-215880 特開2002−160089号公報JP 2002-160089 A 特開2006−167790号公報JP 2006-167790 A 特開2007−281412号公報JP 2007-281212 A 特許第3671815号Japanese Patent No. 3671815 特開2004−025232号公報JP 2004-025232 A 特開2007−181880号公報JP 2007-181880 A

高温用のPbフリーはんだ材料に関しては、上記のようにさまざまな機関で開発されてはいるものの、未だ実用化の面で許容できる特性を有するはんだ材料は見つかっていないのが実情である。   Although the Pb-free solder material for high temperature has been developed by various organizations as described above, the actual situation is that a solder material having an acceptable characteristic in terms of practical use has not yet been found.

すなわち、一般的に電子部品や基板には熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂などの比較的耐熱温度の低い材料が多用されているため、作業温度を400℃未満、望ましくは370℃以下にする必要がある。しかしながら、例えば特許文献3に開示されているBi/Agろう材では、液相線温度が400〜700℃と高いため、接合時の作業温度も400〜700℃以上になると推測され、接合される電子部品や基板の耐熱温度を超えてしまうことになる。   In other words, since materials having relatively low heat resistance such as thermoplastic resins and thermosetting resins are generally used for electronic parts and substrates, the working temperature must be less than 400 ° C., preferably 370 ° C. or less. There is. However, for example, in the Bi / Ag brazing material disclosed in Patent Document 3, since the liquidus temperature is as high as 400 to 700 ° C., it is estimated that the working temperature at the time of joining is also 400 to 700 ° C. or more and is joined. It will exceed the heat resistance temperature of electronic parts and substrates.

また、高温用はんだに一般的に求められる特性としては、高い固相線温度、適度な液相線温度、低温と高温のヒートサイクルに対する高耐久性、良好な熱応力緩和特性、良好な濡れ広がり性などが挙げられるが、はんだ合金の主成分がBiの場合は、とくに、熱応力緩和特性に関する問題と、Bi系はんだに特有の問題であるNiとBiとの反応に関する問題とを解決する必要がある。   The characteristics generally required for high-temperature solder include high solidus temperature, moderate liquidus temperature, high durability against low and high temperature heat cycles, good thermal stress relaxation properties, and good wetting spread. In the case where the main component of the solder alloy is Bi, it is necessary to solve the problem concerning the thermal stress relaxation characteristics and the problem concerning the reaction between Ni and Bi, which is a problem peculiar to the Bi-based solder. There is.

まず、熱応力緩和特性に関する問題について説明する。高温用はんだがパワートランジスタやパワーICなどの使用電力の大きい電子部品の接合に使用される場合、はんだ接合部での発熱量も大きくなるので、常に加熱冷却が繰り返される環境で使用されることになる。一般的に、電子部品の基板にはCuが用いられており、その熱膨張係数は、電子部品の半導体素子に用いられているSiの熱膨張係数に比べて5倍程度大きい。   First, problems related to thermal stress relaxation characteristics will be described. When high-temperature solder is used for joining high-power electronic components such as power transistors and power ICs, the amount of heat generated at the solder joints also increases, so it is always used in an environment where heating and cooling are repeated. Become. In general, Cu is used for a substrate of an electronic component, and its thermal expansion coefficient is about five times larger than the thermal expansion coefficient of Si used for a semiconductor element of the electronic component.

したがって、加熱冷却されるたびにこの熱膨張係数の差による熱応力が生じることになり、この熱応力を緩和する役割をはんだ材料が担うことになる。Biは半金属あって非常に脆く、応力緩和性に優れた材料ではないため、Bi系はんだにとっては、この熱応力緩和特性を向上させることが重要な課題となる。しかしながら、特許文献3、4、7および8にはかかる熱応力緩和特性に関して何ら述べられていない。   Therefore, a thermal stress due to the difference in the thermal expansion coefficient is generated every time the heating and cooling are performed, and the solder material plays a role of relaxing the thermal stress. Since Bi is a semi-metal and very brittle and is not a material having excellent stress relaxation properties, it is important for Bi-based solders to improve this thermal stress relaxation property. However, Patent Documents 3, 4, 7, and 8 are silent about the thermal stress relaxation characteristics.

特許文献5には、2つの部品をBi系はんだ材料で接合してなるパワー半導体モジュールであって、各部品のBi系はんだ材との被接合面にCu層を備える技術が開示されている。これら2つの部品とは、具体的には半導体素子と絶縁部の組み合わせか、または絶縁部と放熱板の組み合わせであり、放熱板の例として、Mo層の両面にCu層を有するCu層/Mo層/Cu層の積層体が示されている。   Patent Document 5 discloses a technology in which a power semiconductor module is formed by joining two components with a Bi-based solder material, and a Cu layer is provided on a surface to be bonded to the Bi-based solder material of each component. These two parts are specifically a combination of a semiconductor element and an insulating part, or a combination of an insulating part and a heat sink. As an example of the heat sink, a Cu layer / Mo having Cu layers on both sides of the Mo layer. A layer / Cu layer stack is shown.

さらに、このCu/Mo/Cuの積層体は熱伝導率が高く、放熱板としての機能を効果的に発揮する上、Cu/Mo/Cuの積層体は熱膨張係数が4ppm/K程度となり、パワー半導体素子の熱膨張係数の値に近くなる結果、加熱冷却サイクル時に顕著な熱応力が生じず、亀裂や剥離などの不具合を発生させないと記載されている。   Furthermore, this Cu / Mo / Cu laminate has a high thermal conductivity, effectively exerts its function as a heat sink, and the Cu / Mo / Cu laminate has a thermal expansion coefficient of about 4 ppm / K. It is described that as a result of being close to the value of the coefficient of thermal expansion of the power semiconductor element, no significant thermal stress occurs during the heating / cooling cycle, and no defects such as cracks and peeling occur.

つまり、特許文献5の技術は、熱応力の問題をはんだ材料で解決するのではなく、放熱板の構造をCu層/Mo層/Cu層の積層体にすることによって、該放熱板の熱膨張係数をパワー半導体素子の熱膨張係数に近づけ、その結果、熱応力が発生しないようにするものである。しかし、このような積層体からなる放熱板は構造が複雑であるためコストがかかり、経済的には極めて不利な技術である。   In other words, the technique of Patent Document 5 does not solve the problem of thermal stress with a solder material, but the thermal expansion of the heat dissipation plate by making the structure of the heat dissipation plate a Cu layer / Mo layer / Cu layer laminate. The coefficient is brought close to the thermal expansion coefficient of the power semiconductor element, so that no thermal stress is generated. However, a heat sink made of such a laminate is expensive because it has a complicated structure, and is a very disadvantageous technology in terms of economy.

特許文献6には、凝固時の応力緩和に関する記述がある。具体的には、はんだ付け時の基板の損傷を抑制するために、はんだ凝固時の応力を緩和させることが有効であり、はんだ凝固時の応力を緩和させる方策として、凝固時に収縮しない合金組成を選択することが挙げられている。そして、凝固時に収縮しない合金組成として凝固時に体積膨張する金属元素を選択し、凝固時に体積膨張する元素としては、BiやGaが挙げられると記載されている。   Patent Document 6 describes a stress relaxation during solidification. Specifically, in order to suppress damage to the substrate during soldering, it is effective to relieve stress during solder solidification, and as a measure to relieve stress during solder solidification, an alloy composition that does not shrink during solidification is used. To choose. In addition, a metal element that expands in volume during solidification is selected as an alloy composition that does not shrink during solidification, and Bi and Ga are listed as elements that expand in volume during solidification.

しかし、凝固時に膨張させても残留応力が軽減できなければ意味がないので、熱応力の問題が解決されているとはいえない。すなわち、凝固時に体積変化しないような材料、例えば、それぞれ膨張及び収縮する2種類の金属元素を使用して、これらの凝固時の体積膨張と体積収縮とがほぼ同程度となるようにしない限り、凝固時の収縮や膨張によって凝固後に応力が残留するのである。以上述べたように、凝固時に体積変化しない材料を実現することなどによって、残留応力が少なく、冷却加熱を繰り返すことによる熱応力緩和性に優れ、信頼性が高いはんだ材料が得られることになるといえる。   However, even if it is expanded at the time of solidification, it is meaningless if the residual stress cannot be reduced, so it cannot be said that the problem of thermal stress is solved. That is, using a material that does not change in volume during solidification, for example, two kinds of metal elements that expand and contract, respectively, unless the volume expansion and volume contraction during the solidification are approximately the same, Stress remains after solidification due to shrinkage and expansion during solidification. As described above, by realizing a material that does not change its volume during solidification, it is possible to obtain a solder material that has low residual stress, excellent thermal stress relaxation by repeated cooling and heating, and high reliability. .

次に、NiとBiの反応に関する問題について説明する。はんだとの接合性を高めるために電子部品の表面にNi層が形成されている場合、このNi層がはんだに含まれるBiと急激に反応してNiとBiとの脆い合金を生成するとともに、Ni層に破壊や剥離が生じてBi中に拡散し、接合強度が著しく低下することがある。したがって、このNiとBiの反応の問題を解決しなければ、Bi系はんだを実用的な材料として使用することができない。Ni層の上にはAgやAuなどの層を設けることもあるが、この場合のAgやAuはNi層の酸化防止や濡れ性向上を目的としているため、すぐにはんだ中に拡散してしまい、Ni拡散を抑制する効果はほとんどない。   Next, problems related to the reaction between Ni and Bi will be described. When a Ni layer is formed on the surface of the electronic component in order to enhance the bondability with the solder, this Ni layer reacts rapidly with Bi contained in the solder to produce a brittle alloy of Ni and Bi, The Ni layer may be broken or peeled and diffused into Bi, and the bonding strength may be significantly reduced. Therefore, Bi-based solder cannot be used as a practical material unless the problem of the reaction between Ni and Bi is solved. A layer of Ag, Au, or the like may be provided on the Ni layer. In this case, Ag or Au is intended to prevent oxidation of the Ni layer and improve wettability, so it quickly diffuses into the solder. There is almost no effect of suppressing Ni diffusion.

特許文献5においても、はんだとの接合表面がCu層ではなくNi層である場合が比較例としてとりあげられており、BiにCu−Al−Mn、Cu、またはNiを添加したはんだ合金では接合界面に多量のBiNiが形成され、その周囲には多数の空隙が観察されると記載されている。また、このBiNiは非常に脆い性質を有し、過酷な条件のヒートサイクルに対して信頼性が得られにくいことが確認できたとも記載されている。 Also in Patent Document 5, the case where the bonding surface with the solder is not the Cu layer but the Ni layer is taken as a comparative example, and in the case of a solder alloy in which Cu—Al—Mn, Cu, or Ni is added to Bi, the bonding interface is used. A large amount of Bi 3 Ni is formed, and a large number of voids are observed around it. Further, it is described that this Bi 3 Ni has a very brittle property and it has been confirmed that it is difficult to obtain reliability with respect to a heat cycle under severe conditions.

また、特許文献6に開示されているようなAgを2.5質量%含有するはんだ組成物では、例えばSnを0.5質量%以上、Znを3.0質量%以上含有しても、BiとNiの反応やBi中へのNiの拡散は抑えることはできず、接合強度が低くて実用に耐えられないはんだ材料であることが実験で確認されている。   Further, in the solder composition containing 2.5% by mass of Ag as disclosed in Patent Document 6, for example, even if Sn is contained by 0.5% by mass or more and Zn is contained by 3.0% by mass or more, Bi The reaction between Ni and Ni and the diffusion of Ni into Bi cannot be suppressed, and it has been experimentally confirmed that the bonding strength is low and the solder material cannot withstand practical use.

また、特許文献7に開示されているPbフリーはんだ組成物では、上記したようにNiがBiと脆い合金を生成してしまう。つまり、Bi−Niの2元系状態図を見れば分かるように、Biが多く存在する場合、脆いBiNi合金を作ってしまう。Niを0.3〜0.5質量%含有した場合、非常に脆い合金相がはんだ内に分散することになり、もともと脆いBi系はんだをさらに脆化させてしまうことが推測される。 Moreover, in the Pb-free solder composition disclosed in Patent Document 7, Ni forms a brittle alloy with Bi as described above. That is, as can be seen from the Bi-Ni binary phase diagram, when a large amount of Bi is present, a brittle Bi 3 Ni alloy is produced. When Ni is contained in an amount of 0.3 to 0.5% by mass, a very brittle alloy phase is dispersed in the solder, and it is assumed that the originally brittle Bi-based solder is further embrittled.

また、特許文献4や特許文献8には、Bi中へのNiの拡散の問題やその防止対策に対しては何も触れられていない。とくに、特許文献8にはBi−Ag系、Bi−Cu系、Bi−Zn系などについて開示されているが、Bi−Ag系についてはとくにNi拡散対策が必要であるにもかかわらず、そのことに関しては何も触れられていない。   In addition, Patent Document 4 and Patent Document 8 do not mention anything about the problem of Ni diffusion into Bi and measures to prevent it. In particular, Patent Document 8 discloses Bi-Ag system, Bi-Cu system, Bi-Zn system, etc., but the Bi-Ag system, in particular, requires measures against Ni diffusion. There is nothing to say about.

Bi−Cu系については、CuのBi中への固溶量が微量であるため、融点の高いCu相が析出して接合性に問題がでることを確認しているが、これに対する対策が述べられていない。さらに、Bi−Zn系では、還元性の強いZnにより濡れ性が下がり、電子部品などの接合が困難であることが推測できるが、これに関しても触れられておらず、NiとBiの反応に関する記述もない。   Regarding Bi-Cu system, since the amount of Cu dissolved in Bi is very small, it has been confirmed that a Cu phase with a high melting point is precipitated and there is a problem in the bonding property. It is not done. Furthermore, in the Bi—Zn system, it is speculated that wettability decreases due to highly reducible Zn, and it is difficult to bond electronic parts and the like, but this is not mentioned, and description of the reaction between Ni and Bi. Nor.

以上述べたように、Pbを含まない高温用のBi系はんだ合金を用いて電子部品と基板を接合する際、電子部品や基板にNiが存在するとBiとNiが反応して脆い合金を形成するとともに、NiがBiはんだ中に拡散してしまう。このため、BiとNiの反応やBi中へのNi拡散を抑制することは、高温用PbフリーのBi系はんだにおいて解決しなければならない重要な課題である。   As described above, when an electronic component and a substrate are joined using a high-temperature Bi-based solder alloy that does not contain Pb, if Ni is present in the electronic component or the substrate, Bi and Ni react to form a brittle alloy. At the same time, Ni diffuses into the Bi solder. For this reason, suppressing the reaction between Bi and Ni and diffusion of Ni into Bi is an important issue that must be solved in high-temperature Pb-free Bi-based solder.

本発明は、Bi系はんだとして高い固相線温度、良好な濡れ性、良好な加工性等の優れた特性を有しているだけでなく、熱応力緩和性に優れ、さらにはNiを含む電子部品や基板を接合する際にNi−Biの反応やNi拡散を抑制できるPbフリーはんだ合金を提供することを目的としている。   The present invention not only has excellent characteristics such as high solidus temperature, good wettability, and good workability as a Bi-based solder, but also has excellent thermal stress relaxation properties, and further includes an electron containing Ni. An object of the present invention is to provide a Pb-free solder alloy capable of suppressing Ni-Bi reaction and Ni diffusion when joining components and substrates.

上記目的を達成するため、本発明のPbフリーはんだ合金は、Biを主成分とするPbフリーはんだ合金であって、Snを1.6質量%以上10質量%以下含有し、Znは13.5質量%を超えて含有しておらず、Pは0.5質量%を超えて含有しておらず、150℃以上で液相が存在することを特徴としている。上記本発明のPbフリーはんだ合金は、ZnおよびPのうちの少なくとも一方が、Znの場合は0.4質量%以上、Pの場合は0.001質量%以上含まれていてもよい。   In order to achieve the above object, the Pb-free solder alloy of the present invention is a Pb-free solder alloy containing Bi as a main component, containing 1.6% by mass to 10% by mass of Sn, and 13.5% of Zn. It does not contain more than mass%, P does not contain more than 0.5 mass%, and is characterized by the presence of a liquid phase at 150 ° C. or higher. In the Pb-free solder alloy of the present invention, at least one of Zn and P may be contained in an amount of 0.4% by mass or more in the case of Zn, and 0.001% by mass or more in the case of P.

本発明によれば、電子部品と基板との接合に必要な強度を有する高温用のPbフリーはんだ合金を提供することができる。すなわち、主成分としてのBiに、所定の金属元素を所定の含有率となるように添加することによって、実質的にリフロー温度260℃以上の耐熱温度を有するとともに、150℃以上で液相が存在することによって優れた熱応力緩和性を有し、さらに電子部品等が有するNi層とはんだ合金中のBiとの反応や、はんだ合金中へのNi拡散を抑えることが可能なBi系はんだ合金を提供することができる。これにより高温でのPbフリーのはんだ付けの信頼性を著しく高めることができるので、工業的な貢献度は極めて高い。   According to the present invention, it is possible to provide a high-temperature Pb-free solder alloy having strength necessary for joining an electronic component and a substrate. That is, by adding a predetermined metal element to Bi as a main component so as to have a predetermined content rate, the reflow temperature is substantially 260 ° C. or higher and a liquid phase is present at 150 ° C. or higher. A Bi-based solder alloy that has excellent thermal stress relaxation properties and can suppress reaction between the Ni layer of electronic components and Bi in the solder alloy and Ni diffusion into the solder alloy. Can be provided. As a result, the reliability of Pb-free soldering at a high temperature can be remarkably improved, and the industrial contribution is extremely high.

EPMAライン分析に際し、Ni膜を有するCu基板上に各試料のはんだ合金をはんだ付けした状態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the state which soldered the solder alloy of each sample on Cu board | substrate which has Ni film | membrane in the case of EPMA line analysis.

本発明のPbフリーはんだ合金組成は、Biを主成分とするPbフリーはんだ合金であって、Snを1.6質量%以上10質量%以下含有し、Znは13.5質量%を超えて含有しておらず、Pは0.5質量%を超えて含有していない。これにより、150℃以上で液相が存在するようになる。このPbフリーはんだ合金の特性をさらに向上させたい場合は、ZnおよびPのうちの少なくとも一方を、Znの場合は0.4質量%以上、Pの場合は0.001質量%以上含有することが好ましい。   The Pb-free solder alloy composition of the present invention is a Pb-free solder alloy containing Bi as a main component, containing 1.6 mass% to 10 mass% of Sn, and Zn exceeding 13.5 mass%. And P does not contain more than 0.5% by mass. Thereby, a liquid phase comes to exist at 150 degreeC or more. In order to further improve the characteristics of this Pb-free solder alloy, at least one of Zn and P should be contained in an amount of 0.4% by mass or more in the case of Zn and 0.001% by mass or more in the case of P. preferable.

Biを主成分とするはんだ合金の実用化においては、解決すべき大きな課題が2つある。第1の課題はBiの脆さに起因して熱応力緩和特性が悪くなる問題であり、第2の課題はBiとNiの反応に起因してはんだ接合部での接合性や信頼性等が低下する問題である。   There are two major problems to be solved in the practical application of a solder alloy containing Bi as a main component. The first problem is the problem that the thermal stress relaxation characteristics deteriorate due to the brittleness of Bi, and the second problem is the bondability and reliability at the solder joint due to the reaction between Bi and Ni. It is a problem that decreases.

まず、第1の課題である脆さに起因する熱応力緩和特性上の問題について述べる。電子部品等のはんだ接合では、溶融したはんだが冷却されて凝固する際に、前述したようにはんだの体積が変化することが一般的である。この凝固時の体積変化によって、はんだや電子部品等に残留応力が発生する。さらに、この電子部品がパワートランジスタやパワーICなどの使用電力が大きい装置として使用される場合、はんだ接合部における発熱量も大きくなるので、とくに温度差が大きく加熱冷却が常に繰り返される環境ではんだが使用されることになる。   First, a problem on thermal stress relaxation characteristics due to brittleness, which is the first problem, will be described. In solder joining of electronic parts or the like, as described above, the volume of solder generally changes when the molten solder is cooled and solidified. Due to the volume change during solidification, residual stress is generated in solder, electronic components, and the like. Furthermore, when this electronic component is used as a device that uses a large amount of power, such as a power transistor or power IC, the amount of heat generated at the solder joints also increases. Will be used.

電子部品を構成する基板の材料がCuの場合は、電子部品の半導体素子の材料であるSiに比べて熱膨張係数が5倍程度大きい。その結果、上記加熱冷却が繰り返されるたびにこれら熱膨張係数の差による熱応力が生じることになる。この熱応力を緩和する役割をはんだ材料が担うことになる。したがって、この熱応力に対して緩和性に優れたはんだ合金でなければ、熱応力に耐え切れず、はんだにクラックが入ったり、接合面で電子部品が剥れたり、または電子部品が割れたりするなどの現象が起きてしまう。   When the material of the substrate constituting the electronic component is Cu, the thermal expansion coefficient is about five times larger than that of Si, which is the material of the semiconductor element of the electronic component. As a result, each time the heating and cooling are repeated, a thermal stress due to the difference between these thermal expansion coefficients occurs. The solder material plays a role of relieving the thermal stress. Therefore, unless the solder alloy has excellent relaxation properties against this thermal stress, it cannot withstand the thermal stress, the solder cracks, the electronic component peels off at the joint surface, or the electronic component cracks. Such a phenomenon will occur.

Biは非常に脆いため応力緩和性に優れた材料ではなく、よって上記熱応力緩和特性を向上させることはBi系はんだの重要な課題である。本発明者は、このBi系はんだの熱応力緩和特性を向上させるという課題を、はんだ凝固時に生じる残留応力を軽減させることにより解決できることを見出した。   Since Bi is very brittle, it is not a material having excellent stress relaxation properties. Therefore, improving the thermal stress relaxation characteristics is an important issue for Bi-based solders. The inventor has found that the problem of improving the thermal stress relaxation characteristics of the Bi-based solder can be solved by reducing the residual stress generated during solder solidification.

すなわち、はんだ溶融後の凝固の際の液相温度と固相温度に差をつけることにより、瞬間的に固相が生成される場合と異なり、はんだ全体が液体である状態から徐々に固体が生成される過程が得られる。これにより、液相部で応力を緩和することが可能となって残留応力が緩和され、よって、加熱冷却が繰り返されても十分に耐えうる熱応力緩和特性を示す材料となり得ることを見出した。また、液相から徐々に固体を生成させる元素として、Snが適していることを突き止めた。   In other words, by making a difference between the liquid phase temperature and the solid phase temperature during solidification after solder melting, unlike the case where a solid phase is generated instantaneously, a solid is gradually generated from a state where the entire solder is in a liquid state. Process is obtained. As a result, it has been found that the stress can be relaxed in the liquid phase portion, the residual stress is relaxed, and therefore, the material can exhibit a thermal stress relaxation characteristic that can sufficiently withstand heating and cooling. Moreover, it discovered that Sn was suitable as an element which produces | generates solid gradually from a liquid phase.

すなわち、Biに所定の含有量のSnを添加することにより、はんだ材料全部が液体の状態から固体が析出しはじめる液相温度とはんだ材料全部が固体になる固相温度(Bi−Sn2元系合金の固相温度:139℃)の差を例えば90℃以上にすることができ、凝固時の残留応力を液相により吸収し、残留応力を大きく軽減できることを確認したのである。   That is, by adding Sn with a predetermined content to Bi, the liquidus temperature at which the solid begins to precipitate from the state where all the solder material is in the liquid state and the solid phase temperature at which the entire solder material becomes solid (Bi-Sn binary alloy) The solid phase temperature of 139 ° C.) can be made 90 ° C. or more, for example, and it has been confirmed that the residual stress during solidification can be absorbed by the liquid phase and the residual stress can be greatly reduced.

ところで、液相温度と固相温度に上記したような差をつけると、従来の高温用はんだに比べて低い温度で液相が生成されることになるため、リフロー時にはんだが溶けて電子部品を固定できず位置ずれを起こしてしまうことなどが懸念される。しかし、この点については、Snの含有量を10質量%以下にすることによって、リフロー時に発生する液相の割合を制限し、これによりリフロー時であっても電子部品が動くことなく、位置ずれの問題が発生しないことを確認している。   By the way, if the difference between the liquid phase temperature and the solid phase temperature is made as described above, a liquid phase is generated at a temperature lower than that of the conventional high-temperature solder. There is a concern that it cannot be fixed and will be displaced. However, in this respect, by limiting the content of the liquid phase generated at the time of reflow by limiting the Sn content to 10% by mass or less, the electronic component does not move even at the time of reflow. Confirm that the problem does not occur.

次に、第2の課題であるBiとNiの反応に起因する問題について述べる。Bi系はんだの場合は、BiとNiが反応し、脆い相を生成するとともにBi中へNiが拡散する現象が生じることがある。具体的に説明すると、電子部品等に設けられているNi層がはんだに含まれるBiと反応し、脆いBi−Ni合金を生成するとともにBi中にNiがバルク状で拡散して接合部を脆化させてしまうのである。その結果、接合強度が極端に低下し、このはんだ合金で接合されている電子基板を備えた装置の信頼性を損なうおそれがある。よって、この現象を抑えなければ、Bi系はんだは実用的に使える材料にはなり難い。   Next, a problem caused by the reaction between Bi and Ni, which is the second problem, will be described. In the case of Bi-based solder, Bi and Ni may react to generate a brittle phase and Ni may diffuse into Bi. More specifically, the Ni layer provided on the electronic component reacts with Bi contained in the solder to produce a brittle Bi-Ni alloy and Ni diffuses in a bulk state in Bi to make the joint brittle. It will make it. As a result, the bonding strength is extremely reduced, and the reliability of the device including the electronic substrate bonded with the solder alloy may be impaired. Therefore, unless this phenomenon is suppressed, Bi solder is unlikely to be a practically usable material.

そこでNiとの反応性について様々な元素を調べた結果、ZnとSnがBiよりも優先的にNi層と反応し、合金化することを見出した。また、BiにZnのみを添加した2元系合金の場合は、加工性はある程度確保できるものの、Znは還元性が強いため濡れ性が悪くなり、接合性が低下する場合があるという知見を得た。さらに、この濡れ性の悪化に対しては、Sn、Pが有効であることを突き止めた。以下、上記した特徴的な効果が得られる本発明のPbフリーはんだ合金に含まれる元素および必要に応じて添加される元素に関して説明を行う。   Therefore, as a result of examining various elements with respect to the reactivity with Ni, it was found that Zn and Sn react with the Ni layer preferentially over Bi and alloy. In addition, in the case of a binary alloy in which only Zn is added to Bi, the workability can be secured to some extent, but the knowledge that Zn has a strong reducibility, so that wettability is deteriorated and bondability may be lowered. It was. Furthermore, it was found that Sn and P are effective for the deterioration of wettability. Hereinafter, the elements contained in the Pb-free solder alloy of the present invention that can obtain the above-described characteristic effects and elements added as necessary will be described.

<Bi>
Biは本発明の高温用Pbフリーはんだ合金の第1元素、すなわち主成分をなしている。BiはVa族元素(N、P、As、Sb、Bi)に属し、その結晶構造は対称性の低い三方晶(菱面体晶)で非常に脆い金属であり、引張試験などを行うとその破面は脆性破面であることが容易に見て取れる。つまり純Biは延性的な性質に乏しく、このため熱応力緩和特性も悪い。
<Bi>
Bi is the first element, that is, the main component of the high-temperature Pb-free solder alloy of the present invention. Bi belongs to the Va group elements (N, P, As, Sb, Bi), and its crystal structure is a trigonal crystal (rhombohedral crystal) with a low symmetry and a very brittle metal. It can be easily seen that the surface is a brittle fracture surface. In other words, pure Bi is poor in ductile properties and, therefore, has poor thermal stress relaxation characteristics.

このような脆いBiに起因する熱応力緩和特性上の問題を克服するため、後述する各種元素が添加される。添加する元素の種類や量は、Biが有する脆さなどの諸特性のうちどの特性をどの程度改善するかによって異なる。したがって、添加する元素の種類やその含有量に応じて、はんだ合金中のBiの含有量は必然的に変化する。   In order to overcome such problems in thermal stress relaxation characteristics caused by brittle Bi, various elements described later are added. The kind and amount of the element to be added differ depending on how much of the characteristics such as brittleness of Bi are improved. Therefore, the content of Bi in the solder alloy inevitably changes depending on the type of element to be added and its content.

Va族元素の中からBiを選定した理由は、Va族元素はBiを除き、半金属、非金属に分類され、Biよりもさらに脆いためであり、加えて、Biは271℃の融点を有し、高温はんだの使用条件である約260℃のリフロー温度を超えており、後述する元素を本発明の範囲内で添加しても実質的に260℃以上のリフローに耐えうるからである。   The reason for selecting Bi from the group Va elements is that the group Va elements are classified as semi-metals and non-metals except for Bi, and are more brittle than Bi. In addition, Bi has a melting point of 271 ° C. However, it exceeds the reflow temperature of about 260 ° C., which is the use condition of the high-temperature solder, and even if an element described later is added within the scope of the present invention, it can substantially withstand reflow of 260 ° C. or higher.

<Sn>
Snは本発明の高温用Pbフリーはんだ合金の第2元素であり、必須の元素である。Snは、既に述べたように2つの大きな役割を果たしており、加えて、濡れ性を向上させる効果も有している。まず一つめの役割である熱応力緩和特性向上のメカニズムについて説明する。Biを主成分とするはんだにSnを一定量添加することにより、固相温度と液相温度に差がつき、これにより凝固時に発生する残留応力を軽減することができる。
<Sn>
Sn is a second element and an essential element of the high-temperature Pb-free solder alloy of the present invention. As described above, Sn plays two major roles and, in addition, has an effect of improving wettability. First, the mechanism for improving thermal stress relaxation characteristics, which is the first role, will be described. By adding a certain amount of Sn to the solder containing Bi as a main component, there is a difference between the solid phase temperature and the liquid phase temperature, thereby reducing the residual stress generated during solidification.

具体的に説明すると、Snの含有量を1.6質量%以上10質量%以下とすることによって液相温度と固相温度の差を90℃以上確保することができる。これにより、凝固時に発生する残留応力が軽減され、その結果、熱応力緩和特性が向上する。この効果は、はんだの主成分がBiのようなとくに脆い金属の場合、顕著に現れる。   More specifically, the difference between the liquid phase temperature and the solid phase temperature can be secured at 90 ° C. or more by setting the Sn content to be 1.6 mass% or more and 10 mass% or less. Thereby, the residual stress generated during solidification is reduced, and as a result, the thermal stress relaxation characteristics are improved. This effect is noticeable when the main component of the solder is a particularly brittle metal such as Bi.

次に二つめの役割であるNi拡散抑制効果について説明する。この役割もBi系はんだを実用性のあるものにするための重要な役割である。すなわち、SnはZnよりもイオン半径が小さくて3元共晶を引き起こし易いため、Niとの反応性に富んでいる。これにより、Ni層の上面と反応してSn−Ni合金を生成し、BiとNiとの反応と、NiのBi中への拡散とを抑制することができる。   Next, the second effect of suppressing Ni diffusion will be described. This role is also an important role for making Bi-based solder practical. That is, Sn has a smaller ionic radius than Zn and easily causes ternary eutectic, and therefore has high reactivity with Ni. Thereby, it reacts with the upper surface of the Ni layer to produce a Sn—Ni alloy, and the reaction between Bi and Ni and the diffusion of Ni into Bi can be suppressed.

また、Snは微量添加であっても比較的多数の拡散サイトが形成される。後述するZnが添加された場合などは、Snが存在していることによりZnのZn−Ni合金化が促進される。その結果、Ni層の上にZn−Ni合金も形成され、Bi中へのNi拡散が、Snのみを添加したときよりも抑制される。   Moreover, a relatively large number of diffusion sites are formed even if Sn is added in a small amount. When Zn described later is added, the presence of Sn promotes Zn-Zn-Ni alloying. As a result, a Zn—Ni alloy is also formed on the Ni layer, and Ni diffusion into Bi is suppressed more than when only Sn is added.

最適なSnの含有量は、1.6質量%以上10質量%以下である。この量が1.6質量%未満では液相温度と固相温度にあまり差がつかないので良好な熱応力緩和特性が得られにくい。一方、10質量%より多く含まれると、前述したように260℃のリフロー時において生ずる液相の割合が多すぎてリフロー時に電子部品がずれるなどの問題が生じてしまう。   The optimum Sn content is 1.6 mass% or more and 10 mass% or less. If this amount is less than 1.6% by mass, there is not much difference between the liquid phase temperature and the solid phase temperature, and it is difficult to obtain good thermal stress relaxation characteristics. On the other hand, when the content is more than 10% by mass, the ratio of the liquid phase generated at the time of reflowing at 260 ° C. is too large as described above, which causes a problem that the electronic component is shifted at the time of reflowing.

<Zn>
Znは必要に応じて添加される元素であり、添加することによって加工性の向上が期待できる。これは、BiにZnを添加することによってZnリッチ相が生成され、これにより脆さを克服することができる上、Bi中にZnが固溶して加工性が改善されるからである。なお、ZnをBiとの共晶点よりも多く添加する場合は、Znリッチな相がより多く生成されるので、より一層加工性が向上する。
<Zn>
Zn is an element added as necessary, and the workability can be improved by adding Zn. This is because by adding Zn to Bi, a Zn-rich phase is generated, and thereby brittleness can be overcome, and Zn is dissolved in Bi to improve workability. In addition, when Zn is added more than the eutectic point with Bi, more Zn-rich phases are generated, so that the workability is further improved.

また、Znの添加により、最も重要な効果であるBiとNiの反応の抑制や、Bi系はんだ中へのNi層の拡散の抑制も可能となる。これは、Snと同様にZnはNiとの反応においてBiよりも反応性が高く、Ni層の上面に薄いZn−Ni層を作り、これがバリアーとなってNiとBiの反応を抑えることによる。その結果、脆いBi−Ni合金が生成されず、さらにはNiがBi中に拡散することもなく、強固な接合性を実現することができる。   Further, by adding Zn, it is possible to suppress the reaction between Bi and Ni, which is the most important effect, and to suppress diffusion of the Ni layer into the Bi-based solder. This is because, like Sn, Zn is more reactive than Bi in the reaction with Ni, and a thin Zn—Ni layer is formed on the upper surface of the Ni layer, which acts as a barrier to suppress the reaction between Ni and Bi. As a result, a brittle Bi—Ni alloy is not generated, and Ni is not diffused into Bi, so that strong bondability can be realized.

さらに、Znを添加することにより液相温度を調整することが可能となる。例えば、Snを10質量%含むBi−Sn2元系合金では、液相温度と固相温度の差が90℃となるため液相温度は約230℃となるが、Znを添加することにより液相温度を260℃以上にすることが可能となる。   Furthermore, the liquidus temperature can be adjusted by adding Zn. For example, in a Bi-Sn binary alloy containing 10 mass% of Sn, the liquidus temperature is about 230 ° C because the difference between the liquidus temperature and the solidus temperature is 90 ° C. The temperature can be increased to 260 ° C. or higher.

このような優れた効果を発揮するZnの最適な含有量は、Ni層の厚さやリフロー温度、リフロー時間等に左右されるものの、概ね0.4質量%以上13.5質量%以下である。Znの含有量が0.4質量%未満では、Ni拡散の抑制が不十分であったり、Ni拡散の抑制にZnが消費されて良好な加工性が得られなかったりする。一方、Znの含有量が13.5質量%より多くなると、液相線温度が400℃を超えてしまい、良好な接合ができなくなってしまう。   The optimum content of Zn that exhibits such excellent effects is generally 0.4 mass% or more and 13.5 mass% or less, although it depends on the thickness of the Ni layer, the reflow temperature, the reflow time, and the like. If the Zn content is less than 0.4% by mass, the suppression of Ni diffusion is insufficient, or Zn is consumed for the suppression of Ni diffusion, and good workability may not be obtained. On the other hand, if the Zn content is more than 13.5% by mass, the liquidus temperature exceeds 400 ° C., and good bonding cannot be performed.

<P>
Pは必要に応じて添加される元素であり、Pの添加によって、はんだ合金の濡れ性および接合性をさらに向上させることができる。この効果は、Znが添加されている場合においても同様に発揮される。Pの添加により濡れ性向上の効果が大きくなる理由は、Pは還元性が強く、自ら酸化されることによりはんだ合金表面の酸化を抑制することによるものである。
<P>
P is an element added as necessary, and the addition of P can further improve the wettability and bondability of the solder alloy. This effect is also exhibited when Zn is added. The reason why the effect of improving wettability is increased by the addition of P is that P is highly reducible and suppresses oxidation of the solder alloy surface by being oxidized by itself.

Pの添加により、さらに接合時のボイドの発生を低減させる効果がある。すなわち、前述したように、Pは自らが酸化されやすいため、接合時にはんだの主成分であるBi、さらにはZnよりも優先的に酸化が進む。その結果、はんだ母相の酸化を防ぎ、濡れ性を確保することができる。これにより良好な接合が可能となり、ボイドの生成も起こりにくくなる。   The addition of P has the effect of further reducing the generation of voids during bonding. That is, as described above, since P is easily oxidized by itself, oxidation proceeds preferentially over Bi, which is a main component of solder, and also Zn during bonding. As a result, it is possible to prevent the solder mother phase from being oxidized and to ensure wettability. As a result, good bonding is possible, and void formation is less likely to occur.

Pは前述したように非常に還元性が強いため、微量の添加でも濡れ性向上の効果を発揮する。逆にある量以上では添加しても濡れ性向上の効果は変わらず、過剰な添加ではPの酸化物がはんだ表面に生成されたり、Pが脆弱な相を作り脆化したりするおそれがある。したがって、Pは微量添加が好ましい。   As described above, P has a very strong reducibility, so that the effect of improving wettability is exhibited even when a small amount is added. On the contrary, even if it is added in a certain amount or more, the effect of improving the wettability does not change. If it is excessively added, P oxide may be generated on the solder surface, or P may form a brittle phase and become brittle. Therefore, P is preferably added in a trace amount.

具体的には、Pの含有量は0.001質量%以上が好ましく、その上限値は0.500質量%である。Pがこの上限値を超えると、その酸化物がはんだ表面を覆い、逆に濡れ性を落とすおそれがある。さらに、PはBiへの固溶量が非常に少ないため、含有量が多いと脆いP酸化物が偏析するなどして信頼性を低下させる。とくにワイヤなどを加工する場合には、断線の原因になりやすいことを確認している。一方、Pの含有量が0.001質量%未満では期待する還元効果が得られず、添加する意味がない。   Specifically, the P content is preferably 0.001% by mass or more, and the upper limit is 0.500% by mass. When P exceeds this upper limit, the oxide covers the solder surface, and conversely, wettability may be reduced. Furthermore, since P has a very small amount of solid solution in Bi, if the content is large, brittle P oxide is segregated, and the reliability is lowered. It has been confirmed that wire breakage is likely to occur, especially when processing wires and the like. On the other hand, if the P content is less than 0.001% by mass, the expected reduction effect cannot be obtained, and there is no point in adding it.

以上説明した本発明のPbフリーはんだ合金によってNiを含む電子部品と基板とを接合して得られる装置であれば、ヒートサイクルが繰り返される過酷な条件下であっても、長期間に亘って良好に使用することができる。すなわち、このPbフリーはんだ合金を、例えば、サイリスタやインバータなどのパワー半導体装置、自動車などの各種制御装置、太陽電池などの過酷な条件下で使用される装置に搭載される電子基板の高温用はんだとして使用することによって、それら各種装置の信頼性をより一層高めることができる。   The apparatus obtained by joining the electronic component containing Ni and the substrate with the Pb-free solder alloy of the present invention described above is good over a long period even under severe conditions where the heat cycle is repeated. Can be used for That is, this Pb-free solder alloy is used for, for example, power semiconductor devices such as thyristors and inverters, various control devices such as automobiles, and high-temperature solders for electronic boards mounted on devices used under harsh conditions such as solar cells. As a result, the reliability of these various devices can be further enhanced.

原料として、それぞれ純度99.9質量%以上のBi、Zn、SnおよびPを準備した。大きな薄片やバルク状の原料については、溶解後の合金においてサンプリング場所による組成のバラツキがなく均一になるように留意しながら切断、粉砕などを行い、3mm以下の大きさに細かくした。次に、高周波溶解炉用グラファイトるつぼに、これら原料から所定量を秤量して入れた。   Bi, Zn, Sn and P having a purity of 99.9% by mass or more were prepared as raw materials. Large flakes and bulk raw materials were cut and pulverized into fine pieces of 3 mm or less while paying attention to the uniformity of the composition of the melted alloy without any variation in the sampling location. Next, a predetermined amount of these raw materials was weighed into a graphite crucible for a high-frequency melting furnace.

原料の入ったるつぼを高周波溶解炉に入れ、酸化を抑制するために窒素を原料1kg当たり0.7L/分以上の流量で流した。この状態で溶解炉の電源を入れ、原料を加熱溶融させた。金属が溶融しはじめたら混合棒でよく攪拌し、局所的な組成のバラツキが起きないように均一に混ぜた。十分に溶融、混合したことを確認した後、高周波電源を切り、速やかにるつぼを取り出してるつぼ内の溶湯をはんだ母合金の鋳型に流し込んだ。鋳型には、はんだ合金の製造の際に一般的に使用している形状と同様のものを使用した。   The crucible containing the raw material was placed in a high-frequency melting furnace, and nitrogen was flowed at a flow rate of 0.7 L / min or more per 1 kg of the raw material in order to suppress oxidation. In this state, the melting furnace was turned on to heat and melt the raw material. When the metal began to melt, it was thoroughly stirred with a mixing rod and mixed uniformly so as not to cause local compositional variations. After confirming that the mixture was sufficiently melted and mixed, the high frequency power supply was turned off, and the molten metal in the crucible from which the crucible was taken out was poured into the solder mother alloy mold. A mold having the same shape as that generally used in the manufacture of solder alloys was used.

このようにして各原料の混合比率を変えることにより試料1〜16のはんだ母合金を作製した。これら試料1〜16のはんだ母合金の組成を、ICP発光分光分析器(SHIMAZU S−8100)を用いて分析した。その分析結果を下記の表1に示す。   In this way, solder mother alloys of Samples 1 to 16 were produced by changing the mixing ratio of each raw material. The compositions of the solder mother alloys of Samples 1 to 16 were analyzed using an ICP emission spectroscopic analyzer (SHIMAZU S-8100). The analysis results are shown in Table 1 below.

Figure 2012024803
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次に、上記表1に示す試料1〜16のはんだ母合金の各々に対して、下記に示す濡れ性(接合性)評価、EPMAライン分析(Ni拡散防止効果の評価)、およびヒートサイクル試験を行った。なお、はんだ合金の濡れ性などの評価は、通常、はんだ形状に依存しないため、ワイヤ、ボール、ペーストなどの形態で評価してもよいが、本実施例においては、ワイヤに成形して評価した。ワイヤの成形は下記の加工法で行った。   Next, for each of the solder mother alloys of Samples 1 to 16 shown in Table 1, the following wettability (joinability) evaluation, EPMA line analysis (evaluation of Ni diffusion prevention effect), and heat cycle test are performed. went. The evaluation of the wettability of the solder alloy ordinarily does not depend on the solder shape, so it may be evaluated in the form of a wire, a ball, a paste, etc. In this example, the evaluation was performed by forming the wire. . The wire was formed by the following processing method.

上記表1に示す試料1〜16のはんだ母合金を各々押出機にセットし、外径0.80mmのワイヤを加工した。具体的には、あらかじめ押出機をはんだ組成に適した温度に加熱しておき、各はんだ母合金を金型にセットした。押出機出口から押し出されるワイヤ状のはんだは、まだ熱く酸化が進行し易いため、押出機出口は密閉構造とし、その内部に不活性ガスを流した。これにより、可能な限り酸素濃度を下げて酸化が進まないようにした。油圧で圧力を上げていき、はんだ母合金をワイヤ形状に押し出していった。ワイヤの押出速度はワイヤが切れたり変形したりしないように予め調整しておいた速度とし、同時に自動巻取機を用いて同じ速度で巻き取るようにした。   Each of the solder mother alloys of Samples 1 to 16 shown in Table 1 above was set in an extruder, and a wire having an outer diameter of 0.80 mm was processed. Specifically, the extruder was heated in advance to a temperature suitable for the solder composition, and each solder mother alloy was set in a mold. Since the wire-like solder extruded from the extruder outlet is still hot and easily oxidizes, the outlet of the extruder has a sealed structure, and an inert gas is allowed to flow therethrough. As a result, the oxygen concentration was lowered as much as possible to prevent oxidation. The pressure was increased by hydraulic pressure, and the solder mother alloy was extruded into a wire shape. The wire extrusion speed was adjusted in advance so that the wire was not cut or deformed, and at the same time, the wire was wound at the same speed using an automatic winder.

<濡れ性(接合性)評価>
濡れ性(接合性)評価は、上記ワイヤ加工法で得たワイヤ状のはんだ合金を用いて行った。まず、濡れ性試験機(装置名:雰囲気制御式濡れ性試験機)を起動し、加熱するヒーター部分に2重のカバーをしてヒーター部の周囲4箇所から窒素を流した(窒素流量:各12L/分)。その後、ヒーター設定温度を340℃にして加熱した。
<Evaluation of wettability (bondability)>
Evaluation of wettability (bondability) was performed using a wire-like solder alloy obtained by the wire processing method. First, a wettability tester (device name: atmosphere control type wettability tester) was started, a double cover was applied to the heater part to be heated, and nitrogen was flowed from four locations around the heater part (nitrogen flow rate: each 12 L / min). Then, the heater set temperature was set to 340 ° C. and heated.

ヒーター温度が340℃で安定した後、表面にNi膜(膜厚:4.0μm)を備えたCu基板(板厚:約0.70mm)をヒーター部にセッティングし、25秒加熱した。次に、はんだ合金を上記Cu基板の上に載せ、25秒加熱した。加熱が完了した後はCu基板をヒーター部から取り上げてその横の窒素雰囲気が保たれている場所に一旦移して冷却した。十分に冷却した後、大気中に取り出して接合部分を確認した。接合できなかった場合を「×」、接合できたが濡れ広がりが悪かった場合(はんだが盛り上がった状態)を「△」、接合でき良好に濡れ広がった場合(はんだがCu基板に薄く広がった状態)を「○」と評価した。   After the heater temperature was stabilized at 340 ° C., a Cu substrate (plate thickness: about 0.70 mm) having a Ni film (film thickness: 4.0 μm) on the surface was set in the heater portion and heated for 25 seconds. Next, the solder alloy was placed on the Cu substrate and heated for 25 seconds. After the heating was completed, the Cu substrate was picked up from the heater part and once moved to a place where the nitrogen atmosphere next to the Cu substrate was maintained and cooled. After sufficiently cooling, it was taken out into the atmosphere and a joint portion was confirmed. “X” when the bonding was not possible, “△” when the bonding was successful but the wetting and spreading was poor (the state where the solder was raised), and when the welding was successful and spreading (the solder was thinly spread on the Cu substrate) ) Was evaluated as “◯”.

<EPMAライン分析(Ni拡散防止効果の評価)>
Cu基板に設けたNi膜がBiと反応して薄くなったりNiがBi中に拡散したりしていないかを確認するためにEMPAによるライン分析を行った。なお、この分析は、上記濡れ性評価と同様にして得たはんだ合金が接合されたCu基板を用いて行った。まず、濡れ性評価で得たはんだ合金が接合されたCu基板を樹脂に埋め込み、研磨機を用いて粗い研磨紙から順に細かいものに変えていきながら研磨し、最後にバフ研磨を行った。その後、EPMA(装置名:SHIMADZU EPMA−1600)を用いてライン分析を行い、Niの拡散状態等を調べた。
<EPMA line analysis (evaluation of Ni diffusion prevention effect)>
In order to confirm whether the Ni film provided on the Cu substrate was thinned by reaction with Bi or Ni was not diffused into Bi, line analysis by EMPA was performed. This analysis was performed using a Cu substrate to which a solder alloy obtained in the same manner as the wettability evaluation was bonded. First, a Cu substrate to which a solder alloy obtained by wettability evaluation was bonded was embedded in a resin, and was polished using a polishing machine while gradually changing from coarse abrasive paper to a fine one, and finally buffed. Thereafter, line analysis was performed using EPMA (device name: SHIMADZU EPMA-1600) to examine the diffusion state of Ni and the like.

測定方法ははんだ合金が接合されたCu基板の断面を横から見たときのCu基板とNi膜の接合面を原点0としてはんだ側をX軸のプラス方向とした(図1参照)。測定においては任意に5箇所を測定して最も平均的なものを採用した。Ni膜が反応して明らかに薄くなっていたりNiがはんだ中に拡散したりしていた場合を「×」、Ni膜の厚みが初期状態とほとんど変わらずNiがはんだ中に拡散していない場合を「○」と評価した。   The measuring method was such that when the cross section of the Cu substrate to which the solder alloy was bonded was viewed from the side, the bonding surface of the Cu substrate and the Ni film was the origin 0 and the solder side was the positive direction of the X axis (see FIG. 1). In the measurement, five points were arbitrarily measured and the average one was adopted. When the Ni film reacts and becomes thin or Ni diffuses in the solder, “X”, when the Ni film thickness is almost the same as the initial state and Ni does not diffuse in the solder Was evaluated as “◯”.

<ヒートサイクル試験>
はんだ接合の信頼性を評価するためにヒートサイクル試験を行った。なお、この試験は、上記濡れ性評価と同様にして得たはんだ合金が接合されたCu基板を用いて行った。まず、はんだ合金が接合されたCu基板に対して、−50℃の冷却と135℃の加熱を1サイクルとして、これを所定のサイクル繰り返した。その後、はんだ合金が接合されたCu基板を樹脂に埋め込み、断面研磨を行い、SEM(装置名:HITACHI S−4800)により接合面の観察を行った。接合面に剥がれやはんだにクラックが入っていた場合を「×」、そのような不良がなく、初期状態と同様の接合面を保っていた場合を「○」とした。上記の評価および試験の結果を表2に示す。
<Heat cycle test>
A heat cycle test was conducted to evaluate the reliability of solder joints. This test was performed using a Cu substrate to which a solder alloy obtained in the same manner as the wettability evaluation was bonded. First, with respect to the Cu board | substrate with which the solder alloy was joined, -50 degreeC cooling and 135 degreeC heating were made into 1 cycle, and this was repeated predetermined cycle. Thereafter, the Cu substrate to which the solder alloy was bonded was embedded in the resin, the cross-section was polished, and the bonded surface was observed by SEM (device name: HITACHI S-4800). The case where the joint surface was peeled off or the solder was cracked was indicated as “X”, and the case where there was no such defect and the same joint surface as in the initial state was maintained as “◯”. The evaluation and test results are shown in Table 2.

Figure 2012024803
Figure 2012024803

上記表2から分かるように、試料1〜11のはんだ母合金は、各評価項目において良好な特性を示している。つまり、濡れ性は非常に良好であり、Ni拡散も抑制されていることが確認できた。さらに信頼性に関する試験であるヒートサイクル試験においても良好な結果が得られており、500回行っても不良は現れなかった。以上よりSnを添加したことによる効果が確認できた。一方、比較例の試料12〜16のはんだ母合金は、いずれかの特性において好ましくない結果となった。   As can be seen from Table 2 above, the solder mother alloys of Samples 1 to 11 show good characteristics in each evaluation item. That is, it was confirmed that the wettability was very good and Ni diffusion was also suppressed. Furthermore, good results were obtained in a heat cycle test, which is a test related to reliability, and no defect appeared even after 500 times. From the above, the effect of adding Sn could be confirmed. On the other hand, the solder mother alloys of Samples 12 to 16 of the comparative example had undesirable results in any of the characteristics.

Claims (2)

Biを主成分とするPbフリーはんだ合金であって、Snを1.6質量%以上10質量%以下含有し、Znは13.5質量%を超えて含有しておらず、Pは0.5質量%を超えて含有しておらず、150℃以上で液相が存在することを特徴とするPbフリーはんだ合金。   A Pb-free solder alloy containing Bi as a main component, containing Sn in an amount of 1.6 mass% to 10 mass%, Zn not containing more than 13.5 mass%, and P of 0.5 A Pb-free solder alloy characterized by not containing more than% by mass and having a liquid phase at 150 ° C. or higher. ZnおよびPのうちの少なくとも一方が、Znの場合は0.4質量%以上、Pの場合は0.001質量%以上含まれていることを特徴とする、請求項1に記載のPbフリーはんだ合金。   2. The Pb-free solder according to claim 1, wherein at least one of Zn and P is contained in an amount of 0.4 mass% or more in the case of Zn and 0.001 mass% or more in the case of P. 3. alloy.
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