JP2016111072A - 実装構造体及びｂｇａボール - Google Patents

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Abstract

【課題】自動車エンジンルーム内のような最高１５０℃の高温に繰り返し曝されても高い接続信頼性を確保することが可能なＢＧＡボール及び実装構造体を提供する。【解決手段】ＢＧＡ電極３を有するＢＧＡ８と、回路基板電極６を有する回路基板４と、回路基板電極上に配置されＢＧＡ電極と接続されたはんだ接合部１５を有する。はんだ接合部は、含有率が０．６ｍａｓｓ％以上１．２ｍａｓｓ％以下のＣｕと、含有率が３．０ｍａｓｓ％以上４．０ｍａｓｓ％以下のＡｇと、含有率が０ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下のＢｉと、Ｃｕの含有率に対し含有率が変化するＩｎとを含み、残部がＳｎからなる。【選択図】図１（ａ）

Description

本発明は、主として表面実装技術（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｍｏｕｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＳＭＴ）工法の回路基板に搭載される集積回路部品のパッケージの一種であるＢａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ（ＢＧＡ）が、回路基板に接続された実装構造体及びＢＧＡボールに関するものである。
近年、自動車の電子制御化が進展し、自動車への電子機器の搭載数は増加の一途をたどっている。それに伴い、自動車に搭載される電子機器の搭載スペースを十分に確保することが難しくなり、機器の小型化が求められている。そこで、１枚の回路基板上に様々な機能を有する複数の電子部品を搭載するために、回路基板の高集積化が進んでいる。
このような回路基板の実装高集積化に伴い、集積回路部品も高集積化が進んでいる。従来、自動車に搭載される電子機器では、集積回路部品の４辺に端子を並べたＱＦＰ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）などが主に採用されていたが、集積回路部品からの信号数の増加によりＢＧＡの搭載に限定的ではあるが置き換えつつある。ＢＧＡは集積回路部品の底面に格子状に電極を並べており、ＱＦＰなどと比較してより多くの信号を引き出すことができる。
ＢＧＡは、パッケージ底部に格子状に並んだ電極に球状のはんだ材料であるＢＧＡボールが搭載された形態である。ＢＧＡ電極と回路基板電極とのはんだ付けは、一般に次のように行われる。
図５は、ＢＧＡ電極と回路基板電極のはんだ付け工程を説明する図である。１０１はＢＧＡボール、１０２はＢＧＡ基板、１０３はＢＧＡ電極、１０４は回路基板、１０５は基材、１０６は回路基板電極、１０７ははんだ接合部、１０８はＢＧＡ、１０９は反応層、１１０ははんだペーストを示している。
まず、回路基板１０４の基材１０５上に設けられた回路基板電極１０６上に、Ｓｎが主成分の粉末のはんだとフラックスの混合物であるはんだペースト１１０をあらかじめスクリーン印刷によって供給する。その上にＢＧＡ基板１０２のＢＧＡ電極１０３に、ＢＧＡボール１０１があらかじめはんだ付けされているＢＧＡ１０８を、ＢＧＡボール１０１とはんだペースト１１０が接するように搭載する。
その後、熱風や赤外線など任意の方法で、はんだペースト１１０のはんだの融点まで加熱することによってはんだ及びＢＧＡボール１０１を溶融させ、冷却して凝固させ、はんだ接合部１０７と反応層１０９を形成する。これによりＢＧＡ電極１０３と回路基板電極１０６が、はんだ接合部１０７と反応層１０９を介して接合される。
従来の実装構造体として、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだやＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系はんだのＣｕの割合が３ｍａｓｓ％以上であるＢＧＡボールを用いてＢＧＡと回路基板を接合した実装構造体がある （特許文献１参照。）
特許第４９３９８９１号公報
しかしながら、前記従来の構成では、自動車エンジンルーム内のような環境においては実装構造体として１５０℃の高温環境下での短期的な使用は可能であるものの、車載基準の耐熱疲労特性評価（ここでは−４０℃／１５０℃の試験条件の温度サイクル試験において３０００サイクル以上のサイクル数の場合を耐熱疲労特性が満たされていることとする）では、約１０００サイクルとなり車載基準を満たすことができなかった。
その理由としては以下のように考える。ＢＧＡボール１０１を溶融させ、冷却して凝固させたはんだ接合部１０７中には、初晶Ｃｕ６Ｓｎ５の金属間化合物が生成されることがわかった。この初晶Ｃｕ６Ｓｎ５は硬い性質を有し、かつ初晶のため粗大であることから、はんだ接合部１０７自体の延性は非常に小さくなる。この初晶Ｃｕ６Ｓｎ５の生成の原因は、Ｃｕが３ｍａｓｓ％以上含んだＢＧＡボール１０１に起因するものと思われる。
エンジンルーム内で使用される機器は、自動車の動作と停止により、高温と低温に繰り返し曝される温度環境であるため、温度変化に伴う回路基板１０４とＢＧＡ基板１０２の熱膨張の差によって発生する熱応力がはんだ接合部１０７に繰り返し発生する。
はんだ接合部１０７の延性が小さい場合、ＢＧＡ電極１０３または反応層１０９と、はんだ接合部１０７との接続界面にクラックが発生しやすく、また進展速度も速くなる。接続界面にクラックが発生すると電気的導通確保が不十分である実装構造体となり、そこで車載基準の耐熱疲労特性評価を満たすことが難しくなる。
本発明は、従来の課題を解決するもので、自動車エンジンルーム内のような１５０℃の高温に曝されても耐熱疲労特性に優れ、電気的導通を確保することが可能な実装構造体及びＢＧＡボール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、第１の本発明の実装構造体は、
ＢＧＡ電極を有するＢＧＡと、
回路基板電極を有する回路基板と、
前記回路基板電極上に配置され前記ＢＧＡ電極と接続されたはんだ接合部を有し、
前記はんだ接合部は、
Ｃｕの含有率が０．６ ｍａｓｓ％以上１．２ｍａｓｓ％以下のＣｕと
Ａｇの含有率が３．０ ｍａｓｓ％以上４．０ｍａｓｓ％以下のＡｇと、
Ｂｉの含有率が０ ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下のＢｉとを含み、
（１） Ｃｕの含有率が０．６ ｍａｓｓ％以上０．９１ｍａｓｓ％以下の範囲では、
Ｉｎの含有率が５．３＋（６−（１．５５×Ｃｕの含有率＋４．４２８）） ｍａｓｓ％以上６．８＋（６−（１．５７×Ｃｕの含有率＋４．５６４）） ｍａｓｓ％以下であり、残部はＳｎからなり、
（２) Ｃｕの含有率が０．９１ｍａｓｓ％より大きく１．０ｍａｓｓ％以下の範囲では、
Ｉｎの含有率が５．３＋（６−（１．５５×Ｃｕの含有率＋４．４２８）） ｍａｓｓ％以上６．８ｍａｓｓ％以下であり、
残部はＳｎからなり、
（３） Ｃｕの含有率が１．０ ｍａｓｓ％より大きく１．２ｍａｓｓ％以下の範囲では、
Ｉｎの含有率が５．３ ｍａｓｓ％以上６．８ｍａｓｓ％以下であり、残部はＳｎからなり、
前記（１）から（３）の何れかを満たすことを特徴とする。
第２の本発明は、回路基板電極およびＢＧＡ電極の少なくとも一方の表面にＮｉめっきを施しためっき層を有し、めっき層とはんだ接合部との接続界面の反応層が、Ｃｕ６Ｓｎ５にＮｉを含んだ（Ｃｕｙ，Ｎｉ１−ｙ）６Ｓｎ５層（但し０≦ｙ≦１）であることを特徴とする、第１の本発明に記載の実装構造体である。
第３の本発明は、
第１の本発明におけるはんだ接合部を形成するためのはんだボールであって、
Ｃｕの含有率が０．６ ｍａｓｓ％以上１．２ｍａｓｓ％以下のＣｕと
Ａｇの含有率が３．０ ｍａｓｓ％以上４．０ｍａｓｓ％以下のＡｇと、
Ｂｉの含有率が０ ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下のＢｉとを含み、
（１） Ｃｕの含有率が０．６ ｍａｓｓ％以上０．９１ｍａｓｓ％以下の範囲では、
Ｉｎの含有率が５．３＋（６−（１．５５×Ｃｕの含有率＋４．４２８）） ｍａｓｓ％以上６．８＋（６−（１．５７×Ｃｕの含有率＋４．５６４）） ｍａｓｓ％以下であり、残部はＳｎからなり、
（２） Ｃｕの含有率が０．９１ｍａｓｓ％より大きく１．０ｍａｓｓ％以下の範囲では、
Ｉｎの含有率が５．３＋（６−（１．５５×Ｃｕの含有率＋４．４２８）） ｍａｓｓ％以上６．８ｍａｓｓ％以下であり、
残部はＳｎからなり、
（３） Ｃｕの含有率が１．０ ｍａｓｓ％より大きく１．２ｍａｓｓ％以下の範囲では、
Ｉｎの含有率が５．３ ｍａｓｓ％以上６．８ｍａｓｓ％以下であり、残部はＳｎからなり、
前記（１）から（３）の何れかを満たすことを特徴とする。
以上のように、本発明の実装構造体によれば、自動車エンジンルーム内のような最高１５０℃の高温に曝されても耐熱疲労特性が良好であり、電気的導通を確保することが可能となる。
本発明のＢＧＡボールによれば、本発明の実装構造体のはんだ接合部を形成するために用いられ、電気的導通を確保できる実装構造体を形成することができる。
ＢＧＡボール及びはんだペースト中の粉末のはんだにＣｕが十分に含まれている場合（例えば０．８ｍａｓｓ％）、ＢＧＡと無電解Ｎｉめっきが施された回路基板電極を有する回路基板との接合前後の状態を示す図。 ＢＧＡボール及びはんだペースト中の粉末のはんだにＣｕが含まれていないまたは少量の場合（例えば０．３ｍａｓｓ％）の、ＢＧＡと無電解Ｎｉめっきが施された回路基板電極を有する回路基板との接合前後の状態を示す図。 本発明における実施の形態１の実装構造体を説明するための、Ｓｎ−Ｉｎ二元系合金状態図。 本発明における実施の形態１の実装構造体を説明するための、Ｃｕを含有したＳｎ−３．５ｍａｓｓ％Ａｇ−０．５ｍａｓｓ％Ｂｉ−６．０ｍａｓｓ％Ｉｎの組成を持った合金を利用して、無電解Ｎｉめっきを有する回路基板電極に対してはんだ付けを行った後の、はんだ接合部におけるＩｎの含有率の分析結果を示す図。 本発明における実施の形態１の実装構造体を説明するための、Ｉｎが含有されたＳｎ−３．５ｍａｓｓ％Ａｇ−０．５ｍａｓｓ％Ｂｉ−１．２ｍａｓｓ％Ｃｕの組成を持ったはんだ接合部の耐熱疲労特性評価結果を示す図。 ＢＧＡ電極と回路基板電極のはんだ付け工程を説明する図。
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
本発明の実装構造体の効果を明らかにするために、ＢＧＡボールを用いてＢＧＡと回路基板を接合した実装構造体を作製し、評価を行う。
本実施の形態で評価した試料は、次の方法で作製される。
ＢＧＡボールのはんだ材料を構成するＳｎ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｃｕを、Ａｇが３．５ｍａｓｓ％、Ｂｉが０．５ｍａｓｓ％、Ｉｎが５．９ｍａｓｓ％、Ｃｕが０．８ｍａｓｓ％、残部Ｓｎとなり、合計で１００ｇとなるように秤量する。（以下、Ｓｎ−３．５ｍａｓｓ％Ａｇ−０．５ｍａｓｓ％Ｂｉ−５．９ｍａｓｓ％Ｉｎ−０．８ｍａｓｓ％Ｃｕと記す。）
秤量したＳｎが、セラミック製のるつぼ内に投入され、温度が５００℃に調整されている電気式ジャケットヒータの中に設置される。
ＩｎはＳｎが溶融したことが確認された後に投入され、３分間の攪拌が行われる。
Ｂｉが投入され、３分間の攪拌が更に行われる。
Ａｇが投入され、３分間の攪拌が更に行われる。
Ｃｕが投入され、３分間の攪拌が更に行われる。
その後、るつぼは電気式ジャケットヒータから取り出されて２５℃の水が満たされた容器に浸漬され、冷却が行われる。
冷却後、作製したはんだ材料をφ０．３ｍｍのＢＧＡボールに加工する。
作製したＢＧＡボールを用いて、ＢＧＡ基板上のＮｉ膜厚が５μｍ、その上にＡｕフラッシュめっきを施したＢＧＡ電極に対してはんだ付けを行い、ＢＧＡを作製する。
ＢＧＡ電極へのＢＧＡボールのはんだ付けは、次の方法で行われる。
作製したＢＧＡボールをＢＧＡ電極上に搭載し、さらに市販のはんだ付け用フラックスを滴下する。
ＢＧＡボールが搭載されたＢＧＡ電極を２２０℃〜２５０℃の温度で、３０ｓ程度リフロー炉を用いて加熱し、その後室温まで空冷で冷却を行う。
その後、回路基板へのＢＧＡのはんだ付けを行い、実装構造体を作製する。その方法は次のように行われる。
無電解Ｎｉめっきを施した回路基板電極を有し、基材がＦＲグレード（Ｆｌａｍｅ Ｒｅｔａｒｄａｎｔ Ｇｒａｄｅ）がＦＲ−５グレードである回路基板の回路基板電極上に、メタルマスクを用いてＢＧＡボールと同じ組成のはんだを含むはんだペーストをスクリーン印刷で供給する。印刷されたはんだペーストとＢＧＡボールの位置が重なるようにＢＧＡを搭載し、ＢＧＡ電極へのＢＧＡボールのはんだ付けと同様のリフロープロセスではんだ付けを行う。
作製した実装構造体に対し、温度サイクル試験を、−４０℃／１５０℃の試験条件ではんだ接合部の電気的導通が取れず破断に至るまで行う。
自動車のエンジン近傍に搭載する車載商品の耐熱疲労特性評価においては、３０００サイクル以上のサイクル数で導通を確保できることがＢＧＡにおいて要求される。（ここでは、３０００サイクル以上のサイクル数の場合を耐熱疲労特性が満たされていることとする。）
そこで作製されたＳｎ−３．５ｍａｓｓ％Ａｇ−０．５ｍａｓｓ％Ｂｉ−５．９ｍａｓｓ％Ｉｎ−０．８ｍａｓｓ％ＣｕのＢＧＡボールを用いた場合、導通を確保できなくなるサイクル数は３３００サイクルであり、自動車のエンジン近傍に搭載する車載商品に対する要求を満足することが確認できる。
以上からＳｎ−３．５ｍａｓｓ％Ａｇ−０．５ｍａｓｓ％Ｂｉ−５．９ｍａｓｓ％Ｉｎ−０．８ｍａｓｓ％ＣｕのＢＧＡボールを用いた実装構造体は、自動車エンジンルーム内のような最高１５０℃の高温に繰り返し曝されても、耐熱疲労特性に優れ、電気的導通を確保することが可能であると言える。
次に、本実験の効果を発現するためのＢＧＡボールの構成について、より詳細に評価を行う。
まず、ＢＧＡボールにおける、Ｃｕの含有率について説明する。
Ｃｕの含有は、ＢＧＡを接合する際のＢＧＡボールと回路基板電極、またはＢＧＡボールとＢＧＡ電極との接合界面の反応層を制御することを目的としている。
図１は、ＢＧＡボールと無電解Ｎｉめっきが施された回路基板電極との接合前後の状態を示す図である。
１、１４はＢＧＡボール、２はＢＧＡ基板、３はＢＧＡ電極、４は回路基板、５は基材、６は回路基板電極、７、１５ははんだ接合部、８はＢＧＡ、９、１１は反応層、１２、１３ははんだペーストを示している。
ＢＧＡボール１、１４及びはんだペースト１２、１３は、Ｓｎが主成分でＡｇ、Ｂｉ、Ｉｎ及び／またはＣｕを含有したはんだである。
図１（ａ）は、ＢＧＡボール及びはんだペースト中の粉末のはんだにＣｕが十分に含まれている場合（例えば０．８ｍａｓｓ％）、ＢＧＡと無電解Ｎｉめっきが施された回路基板電極を有する回路基板との接合前後の状態を示す図である。
通常、ＢＧＡ電極３は、その下地のＣｕ ３ａなどの元素の拡散をバリアする目的で無電解Ｎｉめっき ３ｂ、更にその上にＮｉの酸化を抑制するためにＡｕめっき ３ｃが施されている。
ＢＧＡ基板２へのＢＧＡボール１４のはんだ付けにより、ＢＧＡ電極３のＡｕめっき ３ｃは即座に拡散し消失し、ＢＧＡ電極３とＢＧＡボール１４は界面の合金層を介して接合される。
回路基板電極６にもＣｕ ６ａの表面に、内部に一部Ｐを含む無電解Ｎｉめっき ６ｂ、更にその上にＮｉの酸化を抑制するためにＡｕめっき ６ｃが施されている場合、ＢＧＡ８と回路基板４の接合時にＡｕめっき ６ｃははんだ内に即座に拡散し消失し、結果として回路基板電極６とはんだ接合部１５との間で接合界面の反応層１１を形成する。
図１（ａ）のように、ＢＧＡボール１４にＣｕが十分に含まれている場合、回路基板電極６とはんだが接する界面では、はんだ中のＳｎとＣｕが反応しＣｕ６Ｓｎ５の反応層１１ を生成する。
その際に、無電解Ｎｉめっき ６ｂの一部が取り込まれることで、反応層１１はＣｕ６Ｓｎ５のＣｕの一部がＮｉに置換された、（Ｃｕｙ，Ｎｉ１−ｙ）６Ｓｎ５となる。（但し０≦ｙ≦１）
Ｃｕの含有率の詳細については後述するが、Ｃｕ６Ｓｎ５のＣｕの一部がＮｉに置換された（Ｃｕｙ，Ｎｉ１−ｙ）６Ｓｎ５を形成するためには、Ｃｕの含有率の閾値があると考えられる。
一方、図１（ｂ）は、ＢＧＡボール及びはんだペースト中の粉末のはんだにＣｕが含まれていないまたは少量の場合（例えば０．３ｍａｓｓ％）の、ＢＧＡと無電解Ｎｉめっきが施された回路基板電極を有する回路基板との接合前後の状態を示す図である。
図１（ａ）と同様に、ＢＧＡ電極３は、その下地のＣｕ ３ａなどの元素の拡散をバリアする目的で無電解Ｎｉめっき ３ｂ、更にその上にＮｉの酸化を抑制するためにＡｕめっき ３ｃが施されている。
ＢＧＡ基板２へのＢＧＡボール１のはんだ付けにより、ＢＧＡ電極３のＡｕめっき ３ｃは即座に拡散し消失し、ＢＧＡ電極３とＢＧＡボール１は界面の合金層を介して接合される。
ＢＧＡボール１にＣｕが含まれていない、または少量の場合、回路基板電極６とはんだが接する界面では、ＢＧＡボール１にＣｕが存在しない、または少量のため、ＢＧＡボール１およびはんだペースト１２中のＳｎと回路基板電極のＮｉが反応しＮｉ３Ｓｎ４の反応層９を生成する。
その際に、無電解Ｎｉめっき ６ｂの下地のＣｕ ６ａが無電解Ｎｉめっき６ｂ層内を拡散することで、反応層９はＮｉ３Ｓｎ４のＮｉの一部がＣｕに置換された、（Ｎｉｘ，Ｃｕ１−ｘ）３Ｓｎ４となる。（但し０≦ｘ≦１）
（Ｎｉｘ，Ｃｕ１−ｘ）３Ｓｎ４が反応層９として形成された場合、この反応層９は成長しやすく、繰り返し温度サイクル中の高温保持によりＮｉがはんだ側に拡散し成長する。
この（Ｎｉｘ，Ｃｕ１−ｘ）３Ｓｎ４の成長は、２つの悪影響をもたらす。
まず、反応層９の（Ｎｉｘ，Ｃｕ１−ｘ）３Ｓｎ４は硬く脆い性質を有する金属間化合物である。そのため、反応層９の成長によって熱応力の緩和が十分に出来ず、クラック発生や断線につながる。
また、（Ｎｉｘ，Ｃｕ１−ｘ）３Ｓｎ４の成長の際に、Ｎｉが（Ｎｉｘ，Ｃｕ１−ｘ）３Ｓｎ４を介してはんだ接合部７へ拡散するため、無電解Ｎｉめっき ６ｂの反応層９付近に、無電解Ｎｉめっき ６ｂ中のＰが濃化する。このＰははんだ接合部７のＩｎと容易に反応し、ＩｎＰ化合物を生成する。
はんだ接合部７のＩｎの含有率は、詳細は後述するが、耐熱疲労特性に大きく影響するため、Ｉｎの含有率の低下は耐熱疲労特性に対して悪影響をもたらす。
そのため、長期間の電気的導通を確保するためには、反応層１１として（Ｃｕｙ，Ｎｉ１−ｙ）６Ｓｎ５を形成する必要がある。
この（Ｃｕｙ，Ｎｉ１−ｙ）６Ｓｎ５を形成するためには、はんだ接合部１５にＣｕを多く含む必要がある。しかしながら、Ｃｕを過剰に含有すると、従来の方法のように過共晶組成となりはんだ付け後のはんだ接合部１５に初晶Ｃｕ６Ｓｎ５が生成する。初晶Ｃｕ６Ｓｎ５が生成すると、はんだ接合部１５は硬い性質となる。そのため、熱応力を十分緩和できずクラックの発生、進展及び断線につながる。
これらより、はんだ中のＣｕの含有率は、はんだ接合部１５中に初晶Ｃｕ６Ｓｎ５を生成せず、反応層１１として（Ｃｕｙ，Ｎｉ１−ｙ）６Ｓｎ５が生成する範囲とする必要がある。
本発明の効果を発現するためのＣｕの含有率を明らかにするために、Ｃｕの含有率と反応層、はんだ材料の組織との関係を評価する。
表１は、実験で用いたはんだ材料の組成、はんだ付け後のはんだ接合部における初晶Ｃｕ６Ｓｎ５の生成の有無、反応層における組成、および初晶Ｃｕ６Ｓｎ５の生成の有無と反応層の構造の両方を加味して判定した結果を示す。
Figure 2016111072
まず本実施の形態で評価した試料は、次の方法で作製される。
ＢＧＡボールのはんだ材料を構成するＳｎ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｃｕを、所定の含有率で、かつ合計で１００ｇとなるように秤量する。
秤量後の実装構造体を作製するまでの工程は、上述と同様である。
作製した実装構造体の反応層及びはんだ中の組織を確認するために、断面研磨を行った。
研磨紙を用いて＃２０００まで研磨する。
その後、３μｍのダイヤモンド砥粒、０．０５μｍのＡｌ２Ｏ３砥粒で順に研磨を行い鏡面加工する。
研磨した実装構造体を走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、ＳＥＭ）及びエネルギー分散型Ｘ線分光法（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ、ＥＤＸ）を用いて分析し、反応層及びはんだ中の組織の同定を行った。それぞれの試料でのＣｕ６Ｓｎ５の生成、反応層の構造は表１に示している通りである。
次に、はんだ中の初晶Ｃｕ６Ｓｎ５の生成の有無を確認した結果、実施例１−１〜１−３および比較例１−４、１−５では初晶Ｃｕ６Ｓｎ５の生成は見られなかった。それに対して、Ｃｕの含有率が１．５ ｍａｓｓ％、１．８ ｍａｓｓ％であった比較例１−６、１−７でははんだ中に初晶Ｃｕ６Ｓｎ５の生成が確認された。
次に、初晶Ｃｕ６Ｓｎ５の生成が見られなかった実施例１−１〜１−３および比較例１−４、１−５の反応層の構造を確認した結果、実施例１−１〜１−３では反応層として（Ｃｕｙ，Ｎｉ１−ｙ）６Ｓｎ５が生成したのに対し、Ｃｕ含有量の小さい比較例１−４、１−５では（Ｎｉｘ，Ｃｕ１−ｘ）３Ｓｎ４が生成した。
また比較例１−６、１−７では、反応層として（Ｃｕｙ，Ｎｉ１−ｙ）６Ｓｎ５が生成されていたもののはんだ中に初晶Ｃｕ６Ｓｎ５の生成が確認された。
これらの結果を基に、はんだ中に初晶Ｃｕ６Ｓｎ５を生成せず、かつ反応層として（Ｃｕｙ，Ｎｉ１−ｙ）６Ｓｎ５が生成する場合を本発明の効果が発現されているとし、○と判定した。
はんだ中に初晶Ｃｕ６Ｓｎ５を生成した場合や、反応層として（Ｎｉｘ，Ｃｕ１−ｘ）３Ｓｎ４を生成する場合を×とした。
この判定をもとに表１のはんだ材料の組成から、Ｃｕの含有率は０．６ｍａｓｓ％以上１．２ｍａｓｓ％以下の範囲とする必要がある。
次に、Ｉｎの含有率とはんだ接合に関する効果について説明する。図２は、Ｓｎ−Ｉｎ二元系合金状態図を示す。
図２に示すように、Ｓｎ−Ｉｎ系はんだは低Ｉｎ領域でＳｎにＩｎが固溶した合金（β−Ｓｎ）を形成する。
固溶とは、母金属の結晶格子中の一部が固溶元素に原子レベルで置き換わる現象である。一般的に固溶元素の効果は、母金属と固溶元素の原子系の差により母元素の結晶格子にひずみを発生させることによって、応力負荷時に転移などの結晶欠陥の移動を抑制することができる。その結果、金属の強度を向上させることができる一方、応力負荷時の延性は低下する。固溶効果によるはんだの強度向上は、固溶元素の含有量が大きいほど大きくなる。
ＢＧＡはチップ抵抗などの受動素子などと比較して大きいため、高温に曝された際に発生する熱応力も大きい。特にエンジンルームのような１５０℃の高温環境では、降伏応力を超えるような大きな熱応力が発生するため、延性低下は耐熱疲労特性に大きな影響を及ぼす。
Ｓｎ系はんだにＩｎを固溶させた場合、室温付近の環境では同様の効果を発現するのに加え、温度が高くなると、異なる構造のγ相が相変態により現れる。つまり、異なる２相が共存する状態（γ＋β−Ｓｎ）となる。この２相共存状態になることで、高温での延性が改善することを我々は新たに明らかにしている。
このγ相への相変態は、Ｉｎの含有率と温度によって発現挙動が異なる。図２に示すように、β−Ｓｎとγの２相共存状態になり始める温度は、例えば点ａと点ｂの関係のように、Ｉｎの含有率が多いほどより低い温度となる。そのため、Ｉｎの含有率が少ない場合、延性が向上する温度もより高くなる。
そのため、Ｉｎの含有率が少ない場合、温度上昇過程において発生する熱応力の緩和が十分に行われず、クラックや断線に至る。
一方、Ｉｎの含有率が大きすぎる場合、より低い温度で相変態が開始されるため、例えば点ｃのように最高温度１５０℃の段階では大半の組織がγとなる。β−Ｓｎからγへの相変態は体積変化を伴うため、Ｉｎの含有率が大きすぎる場合ははんだが自己崩壊し、長期間の電気的導通の確保が困難である。
そのため、本発明のＢＧＡボールのＩｎの含有率は、最高１５０℃の耐熱性を確保でき、かつ自己崩壊が発生しない範囲とすることが必要である。
本発明の効果を発現するためのＩｎの含有率について、以下に説明する。
はんだ接合部では、前述のように電極の無電解Ｎｉめっきとの反応層でＩｎとＰの反応が生じるため、接合前と接合後のはんだ接合部のＩｎの含有率は変化する。
図３は、Ｃｕを含有したＳｎ−３．５ｍａｓｓ％Ａｇ−０．５ｍａｓｓ％Ｂｉ−６．０ｍａｓｓ％Ｉｎの組成を持った合金を利用して、無電解Ｎｉめっきを有する回路基板電極に対してはんだ付けを行った後の、はんだ接合部におけるＩｎの含有率の分析結果を示す図である。
図３を参照しながら、Ｉｎの含有率の変化について説明する。
ここでは、前述された方法と同様に、ＥＤＸによる、無電解Ｎｉめっきを有する回路基板電極とのはんだ付けが行われた後のＩｎの含有率の測定が行われる。
同試料は、次のようにして作製される。
まず、はんだ材料の作製は、前述の方法と同様である。
作製したはんだ材料を、直径０．３ｍｍのＢＧＡボールに加工し、ピン数１３２、サイズ８ｍｍ×８ｍｍ、ボールピッチ０．５ｍｍのＬＧＡ（ｌａｎｄ ｇｒｉｄ ａｒｒａｙ）の、膜厚５μｍのＮｉめっきとその上にＡｕフラッシュめっきを施した直径０．２５ｍｍのＬＧＡ電極に、予め市販のはんだ付け用フラックスを滴下した後に搭載する。その後、前述の方法と同様のリフロー条件で接合を行うことでＢＧＡ電極にＢＧＡボールを接合したＢＧＡを作製する。
その後、同じはんだ組成のはんだを用いたはんだペーストを予め回路基板電極に厚さ１２０μｍ印刷した後に、ＢＧＡのＢＧＡボールと回路基板電極の位置が対応するようにＢＧＡを搭載する。その後、更に前述の方法と同様のリフロー条件で接合を行うことでＢＧＡを回路基板上の回路基板電極に接合する。
なお、回路基板電極はＣｕに膜厚５μｍの無電解Ｎｉめっきとその上にＡｕフラッシュめっきを施したものと、Ｃｕプリフラックスのものの２種類を用いる。
ＢＧＡ電極のみ無電解Ｎｉめっきの場合のはんだ接合部のＩｎの含有率は、（１）Ｃｕの含有率がゼロである場合は５．１ｍａｓｓ％であるが、（２）Ｃｕの含有率が増大すると、Ｉｎの減少が抑制されるので、増大していき、（３）Ｃｕの含有率が０．４ｍａｓｓ％ある場合は５．２ｍａｓｓ％となり、そして（４）Ｃｕの含有率が０．９ｍａｓｓ％になると５．９９ｍａｓｓ％になる。
ＢＧＡ電極、回路基板電極共に無電解Ｎｉめっきした場合のはんだ接合部のＩｎの含有率は、（１）Ｃｕの含有率がゼロである場合は５．１ｍａｓｓ％であるが、（２）Ｃｕの含有率が増大すると、Ｉｎの減少が抑制されるので、増大していき、（３）Ｃｕの含有率が０．５ｍａｓｓ％である場合は５．２１ｍａｓｓ％となり、そして（４）Ｃｕの含有率が０．９ｍａｓｓ％になると５．８３ｍａｓｓ％になる。
両者を比較すると、ＢＧＡ電極、回路基板電極共に無電解Ｎｉめっきした場合の方がＩｎの含有率の変化量が大きいため、Ｃｕの含有率の下限値は、両面に無電解Ｎｉめっきを施した際の数値で算出することが望ましく、逆に上限値はＢＧＡ電極のみに無電解Ｎｉめっきを施した際の数値で算出することが望ましい。
Ｃｕの含有率が０．５ｍａｓｓ％から０．９ｍａｓｓ％であるときの数値を用いて、ＢＧＡ電極、回路基板電極共に無電解Ｎｉめっきを施した場合で近似直線を描くと、一次関数
（数１）
（Ｉｎの含有率）＝１．５５×（Ｃｕの含有率）＋４．４２８
のグラフが得られ、
ＢＧＡ電極のみに無電解Ｎｉめっきを施した場合で近似直線を描くと、一次関数
（数２）
（Ｉｎの含有率）＝１．５７×（Ｃｕの含有率）＋４．５６４
のグラフが得られる。
したがって、はんだ接合部中に初晶Ｃｕ６Ｓｎ５を生成せず、かつ反応層として（Ｃｕｙ，Ｎｉ１−ｙ）６Ｓｎ５が生成するＣｕの含有率の範囲である０．６ｍａｓｓ％以上１．２ｍａｓｓ％以下において、０．６ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下のＣｕの含有率の範囲では（数１）、（数２）に従ったＩｎの含有率の減少を考慮した組成とする必要がある。
次に、車載基準の耐熱疲労特性を満足するＩｎの含有率について、Ｉｎの含有率の減少が発生しないＣｕの含有率が１．０ｍａｓｓ％より大きい場合について説明する。
図４は、本発明における実施の形態１の実装構造体を説明するための、Ｉｎが含有されたＳｎ−３．５ｍａｓｓ％Ａｇ−０．５ｍａｓｓ％Ｂｉ−１．２ｍａｓｓ％Ｃｕの組成を持ったはんだ接合部の耐熱疲労特性評価結果を示す図である。
縦軸の試験サイクル数は、無電解Ｎｉめっきを施した回路基板電極を有し、基材がＦＲグレード（Ｆｌａｍｅ Ｒｅｔａｒｄａｎｔ Ｇｒａｄｅ）がＦＲ−５グレードである回路基板に、前述のＢＧＡが実装された実装構造体において、温度サイクル試験が−４０℃／１５０℃の試験条件で実施された際に、はんだ接合部の電気的導通が取れず破断に至ったサイクル数である。
自動車のエンジン近傍に搭載する車載商品の耐熱疲労特性評価においては、３０００サイクル以上のサイクル数で導通を確保できることがＢＧＡにおいて要求される。
同サイクル数は、はんだ付け後にはんだ接合部に固溶しているＩｎの含有率が５．５ｍａｓｓ％（３３５０サイクル）、６．０ｍａｓｓ％（３６００サイクル）および６．５ｍａｓｓ％（３４５０サイクル）である場合は３０００サイクル以上であるが、Ｉｎの含有率が５．０ｍａｓｓ％以下または７．０ｍａｓｓ％以上である場合は３０００サイクル未満である。
Ｉｎの含有率が５．０ｍａｓｓ％及び７．０ｍａｓｓ％の場合について、耐熱疲労特性評価を完了した後にはんだ接合部の断面観察を行ったところ、５．０ｍａｓｓ％の場合は熱疲労中のクラックの進展によると思われる破断が見られ、７．０ｍａｓｓ％の場合は前述のようなはんだ組織の自己崩壊が見られた。
近似曲線が、上記の数値データを用いることによって得られる二次関数
（数３）
（試験サイクル数）
＝−１２００×（Ｉｎの含有率）２＋１４４６０×（Ｉｎの含有率）−３９９００
のグラフとして図示されている。
したがって、車載基準である３０００サイクル以上のサイクル数を確保することができるＩｎの含有率の範囲はおよそ５．３ ｍａｓｓ％〜６．８ｍａｓｓ％であり、管理幅はおよそ±０．７５ｍａｓｓ％である。
そして、大量生産におけるはんだ合金のＩｎの含有率の変動幅はおよそ±０．５ｍａｓｓ％であるので、Ｉｎの含有率の中央値は５．８（＝５．３＋０．５）ｍａｓｓ％以上６．３（＝６．８−０．５）ｍａｓｓ％以下であることが望ましい。
以上においては１．２ｍａｓｓ％ＣｕのＣｕの含有率を有したＢＧＡボールが利用される場合について説明したが、０．６ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下のＣｕの含有率の場合は、前述のように接合前後でＩｎの含有率の変化が生じる。
そのため、ＢＧＡ電極及び回路基板電極に無電解Ｎｉめっきを施す場合、Ｃｕの含有率が０．６ｍａｓｓ％の場合のＩｎの含有率の変化量は０．６ｍａｓｓ％であるため、例えばＢＧＡ電極及び回路基板電極に無電解Ｎｉめっきを施す場合に、Ｓｎ−３．５ｍａｓｓ％Ａｇ−０．５ｍａｓｓ％Ｂｉ−０．６ｍａｓｓ％Ｃｕ −５．５ｍａｓｓ％Ｉｎの組成を有したＢＧＡボール及びはんだペーストを用いると、はんだ付け後のはんだ接合部のＩｎの含有率が４．９ｍａｓｓ％となり、車載基準の信頼性を満たすことが出来ない。
Ｃｕの含有率とＩｎの含有率との間には、Ｃｕの含有率が０．６ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下の範囲では、図３の近似式に示すような相関関係があり、
Ｉｎの含有率の下限値は、
０．６ ｍａｓｓ％≦Ｃｕの含有率≦１．０ｍａｓｓ％の範囲では、５．３＋（６−（１．５５×Ｃｕの含有率＋４．４２８）） ｍａｓｓ％≦Ｉｎの含有率であり、
１．０ｍａｓｓ％＜Ｃｕの含有率≦１．２ｍａｓｓ％の範囲では、 ５．３ｍａｓｓ％≦Ｉｎの含有率である。
Ｉｎの含有率の上限値は、
０．６ ｍａｓｓ％≦Ｃｕの含有率≦０．９１ｍａｓｓ％の範囲では、Ｉｎの含有率≦６．８＋（６−（１．５７×Ｃｕの含有率＋４．５６４）） ｍａｓｓ％であり、
０．９１ｍａｓｓ％＜Ｃｕの含有率≦１．２ｍａｓｓ％の範囲では、 Ｉｎの含有率≦６．８ｍａｓｓ％である。
表２は、ＢＧＡ電極及び回路基板電極に無電解Ｎｉめっきを施した実装構造体における、反応層の構造、はんだ付け前のＢＧＡボール及びはんだペーストの各種組成、そしてはんだ付け後におけるはんだ接合部のＩｎの含有率変化との関係を実施例２−１〜２−９および比較例２−１〜２−８について説明しており、信頼性が判定されている。
Ｃｕ６Ｓｎ５生成に関しては、はんだ接合部に初晶Ｃｕ６Ｓｎ５が生成していない場合を○とし、生成している場合を×としている。
反応層の構造に関しては、はんだ付け後のはんだ接合部の断面観察とＥＤＸ分析を行い、○は（Ｃｕｙ，Ｎｉ１−ｙ）６Ｓｎ５が生成している場合を示している。
Figure 2016111072
Ｉｎの含有率変化については、回路基板電極へのはんだ付けが行われた後の、はんだ接合部におけるＩｎの含有率の分析を、ＥＤＸを利用して行うことにより測定される。
Ｉｎの含有率変化についての判定に関しては、○ははんだ接合部のＩｎの含有率が５．３ ｍａｓｓ％〜６．８ｍａｓｓ％の範囲に含まれていることを示しており、×はＩｎの含有率が５．３ｍａｓｓ％未満または６．８ｍａｓｓ％より大きい範囲であることを示している。なおこの判定に関しては、前述の車載基準である３０００サイクル以上のサイクル数を確保することができるＩｎの含有率の範囲はおよそ５．３〜６．８ｍａｓｓ％に定めたことを理由としている。
信頼性判定に関しては、車載商品の耐熱疲労特性評価においての温度サイクル試験のサイクル数を３０００サイクル以上または３５００サイクル以上の要求仕様を満たしていることを基準として、○は３０００サイクルではんだ接合部の破断に至るクラックがなく、信頼性基準が満足されることを示しており、◎は３５００サイクル以上ではんだ接合部の破断に至るクラックがなく基準が満足されることを示しており、×ははんだ接合部の破断に至るクラックが発生し、基準が満足されないことを示している。
実施例２−１〜２−９の信頼性判定から、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎの組成にＣｕが含有されるはんだ接合部では、初晶Ｃｕ６Ｓｎ５生成が見られず、反応層が（Ｃｕｙ，Ｎｉ１−ｙ）６Ｓｎ５となっており、Ｉｎの含有率の減少が抑制されたことがわかる。
比較例２−１、及び従来の実装構造体であるＣｕを３ｍａｓｓ％以上含んだ比較例２−７、２−８においては、Ｃｕの含有が過剰であるため、はんだ接合部に初晶Ｃｕ６Ｓｎ５が生成していることから、判定は×である。
比較例２−２、２−４〜２−６においては、Ｃｕが十分含有されていないので、はんだ付け後の反応層が（Ｎｉｘ，Ｃｕ１−ｘ）３Ｓｎ４となっていることから、それらの判定は×である。
また、比較例２−２、２−４、２−６においては、Ｉｎの含有率の減少を抑制するために有効なＣｕ元素が十分含有されていないので、はんだ接合部のＩｎの含有率が４．９ｍａｓｓ％〜５．１ｍａｓｓ％（Ｉｎの含有率変化は−０．８ｍａｓｓ％）であることから、また、比較例２−３においてはＩｎの含有率に対してＣｕの含有率が大きくＩｎの含有率が７．０ｍａｓｓ％（Ｉｎの含有率変化は無し）であったことから、それらについての判定は×である。
これらの実施例及び比較例の−４０℃／１５０℃耐熱疲労特性評価においては、実施例２−１〜２−９では車載基準の３０００サイクル以上を導通確保しており○である。特に実施例２−１、２−３〜２−５、２−８においては３５００サイクル後も導通確保していたことから、判定は◎である。
それに対して、比較例２−１〜２−６、及び従来例である比較例２−７、２−８では、初晶Ｃｕ６Ｓｎ５生成、反応層の成長、及びはんだ接合部の自己崩壊により、いずれも車載基準の３０００サイクルより前に破断に至ったことから、これらの判定は×である。
次に表３は、回路基板電極がＣｕプリフラックスを施した電極である場合における、反応層の構造、はんだ付け前のＢＧＡボールおよびはんだペースト１３の組成、そしてはんだ付け後におけるはんだ接合部のＩｎの含有率変化との関係を実施例３−１〜３−９および比較例３−１〜３−７について説明しており、信頼性が判定されている。各種判定に関しては、前述の表２と同様である。
Ｃｕ６Ｓｎ５生成に関しては、はんだ接合部に初晶Ｃｕ６Ｓｎ５が生成していない場合を○とし、生成している場合を×としている。
反応層の構造に関しては、はんだ付け後のはんだ接合部の断面観察とＥＤＸ分析を行い、○は（Ｃｕｙ，Ｎｉ１−ｙ）６Ｓｎ５が生成している場合を示している。
Ｉｎの含有率変化については、回路基板電極へのはんだ付けが行われた後の、はんだ接合部におけるＩｎの含有率の分析を、ＥＤＸを利用して行うことにより測定される。
Ｉｎの含有率変化についての判定に関しては、○ははんだ接合部のＩｎの含有率が５．３ ｍａｓｓ％〜６．８ｍａｓｓ％の範囲に含まれていることを示しており、×はＩｎの含有率が５．３ｍａｓｓ％未満または６．８ｍａｓｓ％より大きい範囲であることを示している。なおこの判定に関しては、前述の車載基準である３０００サイクル以上のサイクル数を確保することができるＩｎの含有率の範囲はおよそ５．３〜６．８ｍａｓｓ％に定めたことを理由としている。
信頼性判定に関しては、車載商品の耐熱疲労特性評価においての温度サイクル試験のサイクル数を３０００サイクル以上または３５００サイクル以上の要求仕様を満たしていることを基準として、○は３０００サイクルではんだ接合部の破断に至るクラックがなく、信頼性基準が満足されることを示しており、◎は３５００サイクル以上ではんだ接合部の破断に至るクラックがなく基準が満足されることを示しており、×ははんだ接合部の破断に至るクラックが発生し、基準が満足されないことを示している。
Figure 2016111072
実施例３−１〜３−９では、いずれの評価項目においても基準を満足しており、○または◎の判定である。
従来の実装構造体であるＣｕを３ｍａｓｓ％以上含んだ比較例３−６、３−７においては、はんだ接合部に初晶Ｃｕ６Ｓｎ５が生成していることから初晶Ｃｕ６Ｓｎ５の判定は×である。さらにサイクル数が１１００サイクル、９００サイクルであり車載基準の３０００サイクル以上も満たさないことから、はんだ付け後の判定も×であった。
比較例３−１、３−３〜３−５においては、Ｃｕが十分含有されていないので、はんだ付け後の反応層が（Ｎｉｘ，Ｃｕ１−ｘ）３Ｓｎ４となっていることから反応層の構造の判定は×である。さらに車載基準の３０００サイクル以上を満たさないことから、はんだ付け後の判定も×であった。
また、比較例３−１、３−３、３−５、及び従来の実装構造体である比較例３−６，３−７においては、Ｉｎの含有率の減少を抑制するために有効なＣｕ元素が十分含有されていないので、はんだ接合部のＩｎの含有率が４．９ｍａｓｓ％〜５．１ｍａｓｓ％（Ｉｎの含有率変化は−０．８ｍａｓｓ％）であったことから、比較例３−２においてはＩｎの含有率に対してＣｕの含有率が大きくＩｎの含有率が７．０ｍａｓｓ％（Ｉｎの含有率変化は無し）であったことから、それらについての判定は×である。
次に、表４はＢｉを含有していないＢＧＡボール及びはんだペーストの各種組成とＩｎの含有率変化との関係を実施例４−１〜４−１０について説明しており、信頼性が判定されている。各種判定に関しては、前述の表２と同様である。
Figure 2016111072
この表４の実施例４−１〜４−１０においては、信頼性判定の結果が全て基準を満足しているから、ＢＧＡボールにＢｉが含有されていなくとも、Ｉｎの含有率の変化に影響を与えないことがわかる。ＢＧＡボールのＢｉは、合金の溶融温度を調整するために加えられており、耐熱疲労特性にＢｉ含有量は影響を与えない。
表２、表３、表４の実施例２−１〜４−１０に示す信頼性判定の結果から、ＢＧＡのはんだ付けにおいて車載商品の耐熱疲労特性評価を満足するためには、
ＢＧＡ電極を有するＢＧＡと、
回路基板電極を有する回路基板と、
前記回路基板電極上に配置され前記ＢＧＡ電極と接続されたはんだ接合部を有し、
前記はんだ接合部は、
Ｃｕの含有率が０．６ ｍａｓｓ％以上１．２ｍａｓｓ％以下のＣｕと
Ａｇの含有率が３．０ ｍａｓｓ％以上４．０ｍａｓｓ％以下のＡｇと、
Ｂｉの含有率が０ ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下のＢｉとを含み、
（１） Ｃｕの含有率が０．６ ｍａｓｓ％以上０．９１ｍａｓｓ％以下の範囲では、
Ｉｎの含有率が５．３＋（６−（１．５５×Ｃｕの含有率＋４．４２８）） ｍａｓｓ％以上６．８＋（６−（１．５７×Ｃｕの含有率＋４．５６４）） ｍａｓｓ％以下であり、残部はＳｎからなり、
（２） Ｃｕの含有率が０．９１ｍａｓｓ％より大きく１．０ｍａｓｓ％以下の範囲では、
Ｉｎの含有率が５．３＋（６−（１．５５×Ｃｕの含有率＋４．４２８）） ｍａｓｓ％以上６．８ｍａｓｓ％以下であり、
残部はＳｎからなり、
（３） Ｃｕの含有率が１．０ ｍａｓｓ％より大きく１．２ｍａｓｓ％以下の範囲では、
Ｉｎの含有率が５．３ ｍａｓｓ％以上６．８ｍａｓｓ％以下であり、残部はＳｎからなり、
前記（１）から（３）の何れかを満たすことを特徴とする実装構造体であれば、はんだ付け後のＢＧＡの信頼性判定の基準を満足させることが可能となる。
より望ましくは、
ＢＧＡ電極を有するＢＧＡと、
回路基板電極を有する回路基板と、
前記回路基板電極上に配置され前記ＢＧＡ電極と接続されたはんだ接合部を有し、
前記はんだ接合部は、
Ｃｕの含有率が０．６ ｍａｓｓ％以上１．２ｍａｓｓ％以下のＣｕと
Ａｇの含有率が３．０ ｍａｓｓ％以上４．０ｍａｓｓ％以下のＡｇと、
Ｂｉの含有率が０ ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下のＢｉとを含み、
（１） Ｃｕの含有率が０．６ ｍａｓｓ％以上０．９１ｍａｓｓ％以下の範囲では、
Ｉｎの含有率が５．５＋（６−（１．５５×Ｃｕの含有率＋４．４２８）） ｍａｓｓ％以上６．３＋（６−（１．５７×Ｃｕの含有率＋４．５６４）） ｍａｓｓ％以下であり、残部Ｓｎからなり、
（２） Ｃｕの含有率が０．９１ｍａｓｓ％より大きく１．０ｍａｓｓ％以下の範囲では、
Ｉｎの含有率が５．５＋（６−（１．５５×Ｃｕの含有率＋４．４２８）） ｍａｓｓ％以上６．３ｍａｓｓ％以下であり、
残部Ｓｎからなり、
（３） Ｃｕの含有率が１．０ ｍａｓｓ％より大きく１．２ｍａｓｓ％以下の範囲では、
Ｉｎの含有率が５．５ ｍａｓｓ％以上６．３ｍａｓｓ％以下であり、残部はＳｎからなり、前記（１）から（３）の何れかを満たすことを特徴とする実装構造体であれば、はんだ付け後のＢＧＡの信頼性をより高く保つことが可能となる。
また、実施の形態におけるＢＧＡボールを構成するＡｇの含有率は、以下の理由により決定している。前述にも説明しているが、熱疲労特性は、Ｓｎに対するＩｎの固溶作用により向上されているため、Ｉｎ量によって熱疲労特性は大きく変化する。しかしながらＡｇはＳｎに固溶しないため熱疲労特性は大きく変化しない。
また、Ａｇ量は、融点に影響を与えることから、Ａｇの含有率が４ｍａｓｓ％を超えると融点が２３５℃以上になり、はんだ付け時のぬれ広がりが悪くなるため使用できない。よって、Ａｇの含有率の最大値は４ｍａｓｓ％とした。また、Ａｇの含有率が小さくなると、Ａｇ３ＳｎのＳｎ相への析出量が少なくなり、機械的強度の特性が低下するため、Ａｇの含有率の最小値は０．３ｍａｓｓ％とした。
次に、本実施の形態におけるＢＧＡボールを構成するＢｉの含有率は、以下の理由により決定している。最小値は、表４で説明したように、熱疲労特性に影響を与えないことからゼロも可能である。またＢｉははんだ接合部内部で偏析する性質を持つことから１ｍａｓｓ％を超えると偏析量が多くなり、脆くなるために使用できない。よってＢｉの含有率の最大値は１ｍａｓｓ％とした。
以上からＡｇとＢｉはＢＧＡボールの熱疲労特性に影響を与えないため、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−ＩｎでのＩｎの含有率の効果は、Ｓｎ−Ａｇ−ＩｎやＳｎ−Ｂｉ−Ｉｎでも同様に扱うことができると考える。
更に、本実施の形態におけるＢＧＡ電極及び回路基板電極のめっき構成は、無電解Ｎｉめっきの上にＡｕフラッシュめっきを施しているが、本発明の効果は無電解Ｎｉめっきを施しためっき層を有する電極全てに適用可能である。具体的には、例えば無電解Ｎｉめっきに、更にＰｄめっき、Ａｕフラッシュめっきを施したものなどにも適用可能である。
本発明の実装構造体は、ＢＧＡ電極を有するＢＧＡと回路基板電極を有する回路基板とが、前述のはんだ接合部によって接合されていることを特徴とし、回路基板に実装されるはんだ接合部の、耐熱疲労特性を満たすことが可能な実装構造体を提供することができる。
本発明におけるはんだ材料および実装構造体は、無電解ＮｉめっきされたＢＧＡ電極を有するＢＧＡに対するはんだ付けにおいても耐熱疲労特性を満たすことが可能であり、たとえば、エンジンルームなどの高温環境でも電気的導通確保が求められる車載用のＢＧＡ部品の端子接合用ＢＧＡボール等に利用するために有用である。
１ ＢＧＡボール
２ ＢＧＡ基板
３ ＢＧＡ電極
４ 回路基板
５ 基材
６ 回路基板電極
８ ＢＧＡ
７ はんだ接合部
９ 反応層
１１ 反応層
１２ はんだペースト
１３ はんだペースト
１４ ＢＧＡボール
１５ はんだ接合部
１０１ ＢＧＡボール
１０２ ＢＧＡ基板
１０３ ＢＧＡ電極
１０４ 回路基板
１０５ 基材
１０６ 回路基板電極
１０７ はんだ接合部
１０８ ＢＧＡ
１０９ 反応層
１１０ はんだペースト

Claims (3)

  1. ＢＧＡ電極を有するＢＧＡと、
    回路基板電極を有する回路基板と、
    前記回路基板電極上に配置され前記ＢＧＡ電極と接続されたはんだ接合部を有し、
    前記はんだ接合部は、
    Ｃｕの含有率が０．６ ｍａｓｓ％以上１．２ｍａｓｓ％以下のＣｕと
    Ａｇの含有率が３．０ ｍａｓｓ％以上４．０ｍａｓｓ％以下のＡｇと、
    Ｂｉの含有率が０ ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下のＢｉとを含み、
    （１） Ｃｕの含有率が０．６ ｍａｓｓ％以上０．９１ｍａｓｓ％以下の範囲では、
    Ｉｎの含有率が５．３＋（６−（１．５５×Ｃｕの含有率＋４．４２８）） ｍａｓｓ％以上６．８＋（６−（１．５７×Ｃｕの含有率＋４．５６４）） ｍａｓｓ％以下であり、残部はＳｎからなり、
    （２） Ｃｕの含有率が０．９１ｍａｓｓ％より大きく１．０ｍａｓｓ％以下の範囲では、
    Ｉｎの含有率が５．３＋（６−（１．５５×Ｃｕの含有率＋４．４２８）） ｍａｓｓ％以上６．８ｍａｓｓ％以下であり、
    残部はＳｎからなり、
    （３） Ｃｕの含有率が１．０ ｍａｓｓ％より大きく１．２ｍａｓｓ％以下の範囲では、
    Ｉｎの含有率が５．３ ｍａｓｓ％以上６．８ｍａｓｓ％以下であり、残部はＳｎからなり、
    前記（１）から（３）の何れかを満たすことを特徴とする実装構造体。
  2. 回路基板電極およびＢＧＡ電極の少なくとも一方の表面にＮｉめっきを施しためっき層を有し、めっき層とはんだ接合部との接続界面の反応層が、Ｃｕ６Ｓｎ５にＮｉを含んだ（Ｃｕｙ，Ｎｉ１−ｙ）６Ｓｎ５層（但し０≦ｙ≦１）であることを特徴とする請求項１に記載の実装構造体。
  3. 請求項１に記載の実装構造体のはんだ接合部を形成させるためのＢＧＡボールであって
    Ｃｕの含有率が０．６ ｍａｓｓ％以上１．２ｍａｓｓ％以下のＣｕと
    Ａｇの含有率が３．０ ｍａｓｓ％以上４．０ｍａｓｓ％以下のＡｇと、
    Ｂｉの含有率が０ ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下のＢｉとを含み、
    （１） Ｃｕの含有率が０．６ ｍａｓｓ％以上０．９１ｍａｓｓ％以下の範囲では、
    Ｉｎの含有率が５．３＋（６−（１．５５×Ｃｕの含有率＋４．４２８）） ｍａｓｓ％以上６．８＋（６−（１．５７×Ｃｕの含有率＋４．５６４）） ｍａｓｓ％以下であり、残部はＳｎからなり、
    （２） Ｃｕの含有率が０．９１ｍａｓｓ％より大きく１．０ｍａｓｓ％以下の範囲では、
    Ｉｎの含有率が５．３＋（６−（１．５５×Ｃｕの含有率＋４．４２８）） ｍａｓｓ％以上６．８ｍａｓｓ％以下であり、
    残部はＳｎからなり、
    （３） Ｃｕの含有率が１．０ ｍａｓｓ％より大きく１．２ｍａｓｓ％以下の範囲では、
    Ｉｎの含有率が５．３ ｍａｓｓ％以上６．８ｍａｓｓ％以下であり、残部はＳｎからなり、
    前記（１）から（３）の何れかを満たすことを特徴とするＢＧＡボール。
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