JP2013252548A - 微細部品接合用のソルダペースト - Google Patents

Abstract

【課題】エレクトロマイグレーションを抑制する、微細部品接合用のソルダペーストを提供する。
【解決手段】ＳｎにＣｕが０．１〜３．０重量％、Ｉｎが０．５〜８．０重量％を同時に添加した鉛フリーはんだ合金粉末とペースト状フラックス、または液状フラックスとを混合し、はんだ接合部に発生するエレクトロマイグレーションを抑制することを特徴とする微細部品接合用ソルダペーストである。前記鉛フリーはんだ合金粉末は、強度改善元素としてのＡｇ、Ｓｂ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、融点低下元素としてのＢｉ、Ｚｎ、酸化防止元素としてのＰ、Ｇａ、Ｇｅなどを添加することもできる。
【選択図】なし

Description

本発明は、エレクトロマイグレーションを抑制する、微細部品接合用のソルダペーストに関する。

従来、Ｐｂをほとんど含まない、いわゆる鉛フリーはんだ合金として、特許文献１により提案されたＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ合金、あるいはＳｎ−Ｃｕはんだ合金が広く用いられている。
また、微細部品をプリント基板にはんだ付けする際は、はんだ合金粉末とペースト状または液状フラックスとを混合して、ペースト状にしたソルダペーストを用いたリフローはんだ付法が広く行われている。
特許３０２７４４１号公報

エレクトロマイグレーションは、金属配線、あるいは、はんだ接合部で金属原子と配線部を流れる電子との相互作用により、原子の拡散が引き起こり、電流の流れる方向に金属原子が移動していく現象である。特に電流密度が大きい場合、エレクトロマイグレーションは顕著に発生することが知られている。

半導体分野では、急速な発展に伴う配線の微細化が進み、金属配線の電流密度が増大し、エレクトロマイグレーションの発生による金属配線の断線が問題となっている。特許文献２により提案された、アルミニウムにスカンジウムを均一に添加させたアルミニウム配線を用いることで、エレクトロマイグレーションを防止し、アルミニウム配線で発生する断線は解決されている。
特許３０２１９９６号公報

一方で、はんだ接合部は、半導体分野で使われる金属配線と比べて面積も大きいことから、はんだ接合部においてエレクトロマイグレーションの発生は少ないと考えられていた。しかし、実装基板の微細化とともに、部品の微細化も進み、ソルダペーストを用いたリフローはんだ付法が主流となり、はんだ接合部の面積もかなり小さくなってきている。

例えば、チップコンデンサー、チップ抵抗と呼ばれる部品は、ソルダペーストを用いたリフローはんだ付法によってはんだ付けされる。近年、チップコンデンサー、チップ抵抗は、特に微細化が進んでおり、縦の長さが０．６ｍｍ、横幅が０．３ｍｍの「０６０３」型、縦の長さが０．４ｍｍ、横幅が０．２ｍｍの「０４０２」型がよく使われている。さらに、縦の長さが０．２ｍｍ、横幅０．１ｍｍの「０２０１」型のような超微細なチップコンデンサー、チップ抵抗の使用も検討されている。

このようなことから、今後は、はんだ接合部の面積の減少とともに、はんだ接合部の電流密度の増大が予想され、はんだ接合部において、エレクトロマイグレーションの発生が懸念されている。はんだ接合部にエレクトロマイグレーションが発生すると、はんだ合金に割れ、剥離が発生し、導通がなくなる可能性がある。はんだ接合部の導通がなくなると、電子機器としての機能が果たせなくなり、重大な事故発生の可能性もある。

近年は、実装基板の微細化とともに、はんだ接合部の微細化も進み、接合部の電流密度の増大により、はんだ接合部において、エレクトロマイグレーションの発生が懸念されている。
そこで、本発明は、鉛フリーはんだを用いたはんだ接合部に発生するエレクトロマイグレーションを抑制するソルダペーストを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、Ｃｕが０．１〜３．０重量％、Ｉｎが０．５〜８．０重量％、および残部がＳｎおよび不可避不純物より成る鉛フリーはんだ合金粉末とペースト状または液状フラックスとを混合し、はんだ接合部に発生するエレクトロマイグレーションを抑制することを特徴とする微細部品接合用のソルダペーストである。

本発明のソルダペーストに用いるはんだ合金は、Ｃｕが０．１〜３．０重量％、Ｉｎが０．５〜８．０重量％、および残部がＳｎおよび不可避不純物より成る。Ｃｕ単独、およびＩｎ単独での添加では、はんだ接合部に発生するエレクトロマイグレーションを抑制する効果は低いが、ＣｕおよびＩｎを同時に所定の濃度添加することで、はんだ接合部に発生するエレクトロマイグレーションを抑制させることが出来る。

エレクトロマイグレーションを抑制する機構について、詳しくは解明されていないが、はんだ合金中では、ＣｕはＳｎ−Ｃｕ（Ｃｕ６Ｓｎ５）金属間化合物、ＩｎはＳｎが固溶したＳｎＩｎ固溶体を形成する。エレクトロマイグレーションは、はんだ接合部で金属原子と接合部を流れる電子との相互作用により、原子の拡散が引き起こり、電流の流れる方向に金属原子が移動していく現象であることから、特にはんだ接合部の電流密度が高いとき、はんだ合金中に点在したＳｎ−Ｃｕ金属間化合物、およびＳｎＩｎ固溶体がこの原子移動を大きく抑制させる効果があるものと考えられる。

同時に添加するＣｕの添加量が０．１重量％以下、Ｉｎの添加量が０．５重量％以下であると、エレクトロマイグレーションを抑制する効果は低い。また、同時に添加するＣｕの添加量が３．０重量％超であると、はんだ合金の液相線温度が上昇し、はんだ合金の流動性が低下するため、はんだ付性の低下を招く恐れがあるので、不適である。また、Ｉｎの添加量が８．０％超であると、はんだ合金の固相線温度が大きく低下し、はんだ接合部が高温に曝された場合、はんだ接合部のはんだ合金が一部溶融する恐れがある。その上、Ｉｎは希少金属であり、近年価格が高騰しているため、多量に含有させることは好ましくない。

ソルダペーストの合金として、ＳｎにＣｕを０．１〜３．０重量％以下、Ｉｎが０．５〜８．０重量％以下添加した鉛フリーはんだ合金は、はんだ接合部に発生するエレクトロマイグレーションを抑制する効果があるものの、はんだ接合部に大きな強度が要求される場合、十分ではない。このような場合、機械的特性を改善し、はんだ接合部の強度を向上させる元素として、Ａｇ、Ｓｂ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒなどの金属元素のいずれか一種または二種以上を添加することもできる。これらの金属元素は、鉛フリーはんだ合金の主成分であるＳｎに固溶、あるいは金属間化合物を形成して機械的特性を改善する効果がある。しかし、添加量が多いと液相線温度が上昇するため、Ａｇおよび／またはＳｂの添加量は４．０重量％以下、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒの添加量については、合計で０．３重量％以下がそれぞれ望ましい。

また、リフローはんだ付温度を低くする必要がある場合、例えば、プリント基板に搭載した電子部品の熱劣化を抑制する目的で、融点低下元素として、Ｂｉ、Ｚｎのいずれか一種または二種を添加することもできる。しかし、Ｂｉの添加量が多いとはんだ合金の脆性が増してしまい、さらに、Ｚｎの添加量が多いと、溶融時にはんだ合金が酸化され、はんだ付性が低下してしまうため、Ｂｉおよび／またはＺｎの添加量は、３．０重量％以下が望ましい。

さらに、リフローはんだ付時のはんだ合金の酸化を防ぐ目的で、Ｐ、Ｇａ、Ｇｅなどの酸化防止元素のいずれか一種または二種以上を添加することもできる。しかし、添加量が多いと、はんだ合金の脆化やはんだ付性が低下してしまうため、Ｐ、Ｇａ、Ｇｅの添加量については、合計で０．３重量％以下がそれぞれ望ましい。

以下、本発明を、その実施例に基づいて説明する。
表１、および表２に示したＳｎにＣｕ、Ｉｎを同時に添加した鉛フリーはんだ合金粉末９０重量％（平均粒径２０〜３０マイクロメートル）とペースト状フラックス１０重量％とを混合し、ソルダペーストを作製した。
チップ部品搭載用基板にマスクを用いて、前記作製のソルダペーストを印刷塗布後、その塗布部に試験用チップ部品（縦３．２ｍｍ、横１．６ｍｍ、厚さ０．６ｍｍのＮｉめっきＣｕ板）を搭載した。その後、リフロー炉で基板を加熱して、ソルダペーストを溶融させることにより、試験用チップと基板とのはんだ付を行った。はんだ付後に、基板を１２０℃の環境下に放置し、はんだ接合部に１０Ａの条件下にて通電を行った。１００時間経過後にはんだ接合部の断面観察を行い、エレクトロマイグレーション発生の有無を確認した。試験結果を表３に示す。

ＳｎにＣｕ単独、およびＩｎ単独を添加した鉛フリーはんだ合金粉末９０重量％とペースト状フラックス１０重量％を混合したソルダペーストを用いて、試験用チップと基板とのはんだ付を行い、はんだ接合部のエレクトロマイグレーション試験を実施した結果、はんだ接合部にエレクトロマイグレーションの発生が確認された。本はんだ接合部では、試験チップ部品の陽極側に通常のはんだ接合部では見られない厚みの金属間化合物層（厚さ５０〜１００マイクロメートル）が確認され、陰極側は基板のＣｕ配線が一部消失する現象が確認された。本現象は、はんだ接合部の電流密度が非常に高い（計算値２０ｋＡ／ｃｍ２）ために、通常では見られない原子の拡散が引き起こり、電流の流れる陽極方向に金属原子が移動したものと推測され、これにより、はんだ接合部にエレクトロマイグレーションが発生したものと断定した。

その一方で、ＳｎにＣｕが０．１〜３．０重量％、Ｉｎが０．５〜８．０重量％を同時に添加した鉛フリーはんだ合金粉末９０重量％とペースト状フラックス１０重量％を混合したソルダペーストを用いて、試験用チップと基板とのはんだ付を行い、はんだ接合部のエレクトロマイグレーション試験を実施した結果、いずれのはんだ接合部においても、陽極側の金属間化合物層の厚さは１０マイクロメートルで以下あり、エレクトロマイグレーションの発生は確認できなかった。

さらに、ＳｎにＣｕが０．１〜３．０重量％、Ｉｎが０．５〜８．０重量％を同時に添加し、強度改善元素であるＡｇ、Ｓｂ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒを添加した鉛フリーはんだ合金粉末、融点低下元素である、Ｂｉ、Ｚｎを添加した鉛フリーはんだ合金粉末、および酸化防止元素Ｐ、Ｇａ、Ｇｅを添加した鉛フリーはんだ合金粉末９０重量％とペースト状フラックスを混合したソルダペースト１０重量％を用いて、試験用チップと基板とのはんだ付を行い、はんだ接合部のエレクトロマイグレーション試験を実施した結果、いずれのはんだ接合部においても陽極側の金属間化合物層の厚さは１０マイクロメートル以下であり、エレクトロマイグレーションの発生は確認できなかった。

以上の結果、本発明の微細部品接合用ソルダペーストは、ＳｎにＣｕが０．１〜３．０重量％、Ｉｎが０．５〜８．０重量％を同時に添加した鉛フリーはんだ合金粉末とペースト状フラックスを混合したソルダペーストであり、それは鉛フリーはんだ接合部に発生するエレクトロマイグレーションを効果的に抑制し、それにより、実装基板の微細化が進みはんだ接合部の面積が小さくなっても、信頼性に優れた鉛フリーはんだ接合部が得られることが判った。

本発明は、リフローはんだ付法に限らず、フローはんだ付法、デイップはんだ付法、レーザーはんだ付法、超音波はんだ付法、摩擦はんだ付法、やに入りはんだを用いたマニュアルソルダリング（手はんだ付）法など、はんだ接合部の面積が小さく、エレクトロマイグレーションの発生が懸念される様々なはんだ付法に応用可能である。

Claims (5)

1. Ｃｕが０．１〜３．０重量％、Ｉｎが０．５〜８．０重量％、および残部がＳｎおよび不可避不純物より成る鉛フリーはんだ合金の粉末とペースト状または液状のフラックスとを混合し、はんだ接合部に発生するエレクトロマイグレーションを抑制することを特徴とする微細部品接合用のソルダペースト。
2. 前記鉛フリーはんだ合金の強度改善元素として、Ａｇおよび／またはＳｂを４．０重量％以下含有し、はんだ接合部に発生するエレクトロマイグレーションを抑制することを特徴とする請求項１記載の微細部品接合用のソルダペースト。
3. 前記鉛フリーはんだ合金の強度改善元素として、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒから成る群から選択される１種または２種以上の元素を合計で０．３重量％以下含有し、はんだ接合部に発生するエレクトロマイグレーションを抑制することを特徴とする請求項１又は２記載の微細部品接合用のソルダペースト。
4. 前記鉛フリーはんだ合金の融点低下元素として、Ｂｉおよび／またはＺｎを３．０重量％以下含有し、はんだ接合部に発生するエレクトロマイグレーションを抑制することを特徴とする請求項１又は２記載の微細部品接合用のソルダペースト。
5. 前記鉛フリーはんだ合金の酸化防止元素として、Ｐ、Ｇａ、およびＧｅから成る群から選択される１種または２種以上の元素を合計で０．３重量％以下含有し、はんだ接合部に発生するエレクトロマイグレーションを抑制することを特徴とする請求項１又は２記載の微細部品接合用のソルダペースト。