JP2018167310A - はんだ合金、はんだボール、チップソルダ、はんだペースト及びはんだ継手 - Google Patents
はんだ合金、はんだボール、チップソルダ、はんだペースト及びはんだ継手 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】高温高湿環境において、変色が抑制され、かつ、酸化膜の成長が抑制されたはんだ合金、はんだボール、チップソルダ、はんだペースト及びはんだ継手を提供することを目的とする。
【解決手段】はんだ合金は、Mnを0.005質量%以上0.1質量%以下、Geを0.001質量%以上0.1質量%以下で含み、残部をSnとした。Snを主成分としたはんだ合金において、Mnを0.005質量%以上0.1質量%以下、Geを0.001質量%以上0.1質量%以下で添加することで、Sn酸化物、Mn酸化物及びGe酸化物を含む酸化膜において、Ge酸化物が酸化膜の最表面側に多く分布し、高湿環境でも変色防止効果が得られる。また、MnとO2が反応してSnとO2の反応が抑制され、Sn酸化物の生成が抑制されるので、酸化膜厚の増加を抑制し、融合性が向上される。
【選択図】無し
【解決手段】はんだ合金は、Mnを0.005質量%以上0.1質量%以下、Geを0.001質量%以上0.1質量%以下で含み、残部をSnとした。Snを主成分としたはんだ合金において、Mnを0.005質量%以上0.1質量%以下、Geを0.001質量%以上0.1質量%以下で添加することで、Sn酸化物、Mn酸化物及びGe酸化物を含む酸化膜において、Ge酸化物が酸化膜の最表面側に多く分布し、高湿環境でも変色防止効果が得られる。また、MnとO2が反応してSnとO2の反応が抑制され、Sn酸化物の生成が抑制されるので、酸化膜厚の増加を抑制し、融合性が向上される。
【選択図】無し
Description
本発明は、変色が抑制され、かつ、濡れ性の低下が抑制されたはんだ合金、このはんだ合金を用いたはんだボール、チップソルダ、はんだペースト及びはんだ継手に関する。
電子部品をプリント基板に接合するために用いられるはんだは、一般にSnを主成分とするために、使用される前の保管状況によっては、はんだ表面にSnと空気中のO2が反応してSn酸化物による酸化膜が形成される。この傾向は、高温高湿な環境下で保管されている場合には、その表面に形成される酸化膜の膜厚は厚くなる傾向にあり、表面の光沢も無くなり、黄色の変色を引き起こす場合がある。はんだ表面に酸化膜が残っているとはんだ付け時にフラックスでの除去が困難になり、濡れ性が悪くなるため、その結果融合性が悪くなり、はんだ付け不良が発生する原因になる。
一方、近年、情報機器の小型化により、情報機器に搭載される電子部品においても急速な薄型化が進行している。電子部品は、薄型化の要求により接続端子の狭小化や実装面積の縮小化に対応するため、裏面に電極が設置されたボールグリッドアレイ(以下、BGAと称す)が適用されている。
BGAを適用した電子部品には、例えば半導体パッケージがある。半導体パッケージの電極には、はんだバンプが形成されている。このはんだバンプは、はんだ合金を球状としたはんだボールを半導体パッケージの電極に接合することによって形成されている。
BGAを適用した半導体パッケージは、ソルダペーストが塗布された基板の電極に、各はんだバンプが位置を合わせて載置され、加熱により溶融したソルダペーストと、はんだバンプ及び基板の電極が接合することにより、半導体パッケージは基板に搭載される。
Snを主成分としたはんだボールでは、上述したようにボール表面にSnと空気中のO2が反応してSn酸化物による酸化膜が形成される。はんだボールの表面に酸化膜が形成されると、はんだボールの光沢が無くなったり、黄色に変色したりする現象が起きる。はんだボールの外観検査として、はんだボール表面の変色を利用する場合があり、はんだボール表面の変色を抑制できないと、はんだボールが使用に適さないと判断される可能性が高くなる。
また、保管時等に生成された酸化膜を除去するため接合時に一般にフラックスが用いられるが、酸化膜が充分に除去されずにはんだボールの表面に残ると、濡れ性が悪くなるため、融合性が悪くなる。融合性が悪くなる結果、現象としてはんだ付け不良が発生する原因になる。
保管状態を厳密に管理することにより、はんだボール表面の酸化膜の成長を抑制することも考えられるが、保管状態は様々であり、酸化膜の成長及びこれに伴う融合性の悪化という問題は常につきまとっている。このために、様々な保管状態を想定して、はんだボール表面の酸化膜の成長を抑制できるようにする必要がある。はんだボールを例として説明したがこの問題ははんだボールに係わらずSnを主成分とするはんだ全体に共通した問題点である。
この問題点を解決するために、Snを主成分としたはんだ合金にGeを添加することが一般に行われている(例えば特許文献1)。この特許文献1には、はんだ付けによる接合性を向上させるため、Sn、Ag、Cuを含むはんだ合金に、Ge、Ni、P、Mn、Au、Pd、Pt、S、Bi、Sb、Inの1種または2種以上を合計で0.006〜0.1質量%で添加する技術が開示されており、Geは耐酸化性を向上させること、及び、Ni、P、Mn、Au、Pd、Pt、S、Bi、Sb、Inは融点を低下させる効果や接合強度を高める効果を有することが開示されている。
また、はんだ付けによる接合に求められる品質としては、接合が確実に行われることの他に、外観性も重要である。Snを主成分としたはんだ合金では、Snと空気中のO2が反応してSn酸化物が生成され、酸化膜となってはんだ合金の表面を覆う。Sn酸化物は黄色に変色するためはんだ合金の表面が黄色に変色し、外観検査で不良と判断される場合もある。
そこで、酸化膜表面の光学特性を変化させることを目的として、Snを主成分としたはんだ合金に、Li、Na、K、Ca、Be、Mg、Sc、Y、ランタノイド、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Mo、Zn、Al、Ga、In、Si、Mnから選出される1種または2種以上を、合計で1質量ppm以上0.1質量%以下で添加する技術が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
特許文献1に記載のように、Snを主成分としたはんだ合金にGeを添加すると、高温環境下でははんだ表面の変色を抑制することはできると考えられる。しかしながら、Ge添加によっても、高温高湿環境下でのはんだ表面の変色を抑制することはできない。また、Snを主成分としMnが添加されたはんだ合金は、濡れ性が低下するため、特許文献1においても、GeとMnを組み合わせて添加した場合のそれぞれの添加量についての記載はなく、GeとMnの同時添加を想定していない。
また、特許文献2には、Snを主成分としたはんだ合金にMnを添加すると、酸化膜表面の光学特性が変化し、表面が同じ厚さに酸化されても、色調が変化して黄変に至らないとの記載はある。しかし、Snを主成分としMnが添加されたはんだ合金では、高温環境下及び高温高湿環境下での変色を抑制することができず、濡れ性も低下する。
以上のように、特許文献1及び特許文献2の何れも、開示された元素の中で、変色を抑制し、かつ、濡れ性の低下を抑制するという作用効果を得る特定の元素(Ge、Mn)の組み合わせについての記載はなく、特に、高温高湿環境においては、このような作用効果を得ることはできない。
本発明は、このような課題を解決するためなされたもので、変色が抑制され、かつ、濡れ性の低下が抑制されたはんだ合金、このはんだ合金を用いたはんだボール、チップソルダ、はんだペースト及びはんだ継手を提供することを目的とする。
本発明は、特定の元素としてMnとGeを所定量複合添加することによって、濡れ性の低下の抑制及び変色の防止を可能としたものである。MnはSnと比較して酸化物を生成しやすく、Mn酸化物の生成でSn酸化物の経時変化による酸化膜の成長を抑制できること、Ge酸化物には変色防止効果があることを見出してなされたものである。
そこで、請求項1に記載の発明は、Mnを0.005質量%以上0.1質量%以下、Geを0.001質量%以上0.1質量%以下で含み、残部をSnとしたはんだ合金である。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明を引用した発明で、Mnの量をGeの量以下としたはんだ合金である。
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の発明を引用した発明で、更に、Cuを0質量%超1質量%以下で含むはんだ合金である。
請求項4に記載の発明は、請求項1または2に記載の発明を引用した発明で、更に、Agを0質量%超4質量%以下、Cuを0質量%超1質量%以下で含むはんだ合金である。
請求項5に記載の発明は、請求項1〜4のいずれか1項に記載の発明を引用した発明で、更に、P、Gaからなる群から選択される少なくとも1種を合計で0.002質量%以上0.1質量%以下で含むはんだ合金である。
請求項6に記載の発明は、請求項1〜5のいずれか1項に記載の発明を引用した発明で、更に、Ni、Co、Feからなる群から選択される少なくとも1種を合計で0.005質量%以上0.3質量%以下で含むはんだ合金である。
請求項7に記載の発明は、請求項1〜6のいずれか1項に記載の発明を引用した発明で、更に、Bi、In、Sbからなる群から選択される少なくとも1種を合計で0.1質量%以上10質量%以下で含むはんだ合金である。
請求項8に記載の発明は、請求項1〜7のいずれか1項に記載のはんだ合金を使用して得たはんだボールである。
請求項9に記載の発明は、請求項1〜7のいずれか1項に記載のはんだ合金を使用して得たチップソルダである。
請求項10に記載の発明は、請求項1〜7のいずれか1項に記載のはんだ合金を使用して得たはんだペーストである。
請求項11に記載の発明は、請求項1〜7のいずれか1項に記載のはんだ合金を使用して得たはんだ継手である。
請求項12に記載の発明は、請求項8に記載のはんだボールを使用して得たはんだ継手である。
請求項13に記載の発明は、請求項9に記載のチップソルダを使用して得たはんだ継手である。
請求項14に記載の発明は、請求項10に記載のはんだペーストを使用して得たはんだ継手である。
本発明では、Snを主成分としたはんだ合金において、Mnを0.005質量%以上0.1質量%以下、Geを0.001質量%以上0.1質量%以下で添加することで、Sn酸化物、Mn酸化物及びGe酸化物を含む酸化膜において、Ge酸化物が酸化膜の最表面側に多く分布し、高温高湿環境でも変色防止効果が得られる。また、Mnを添加することでSn酸化物の生成が抑制されるので、酸化膜厚の増加が抑制され、融合性を向上させることができる。
Snを主成分としたはんだ合金では、はんだ合金の最表面にSn酸化物(SnOX)が生成されることで、変色の要因となる。また、融合性が悪化する。
一方、Snを主成分とし、Geを添加したはんだ合金では、Ge酸化物(GeOz)の変色防止効果で高温環境下では変色を抑制することができるが、高温高湿環境下では変色を抑制できず、また、融合性が悪化する。
さて、酸化物の標準生成自由エネルギーの大きさから、Sn酸化物に比較してMn酸化物が生成されやすいことが知られている。このため、Snを主成分とし、Mnを添加したはんだ合金では、Sn酸化物の生成が抑制される。しかし、Mnの添加では変色防止効果は得られず、高温環境下、高温高湿環境下での変色を抑制することはできない。
これに対し、Snを主成分とし、MnとGeを所定量添加したはんだ合金では、Mnの添加でGe酸化物が、酸化膜の最表面側に偏って分布することを見出した。これにより、高温高湿環境下でも変色防止効果のあるGe酸化物(GeOz)が酸化物による膜の最表面側に残留する。また、Mn酸化物(MnaOy)が生成されることでSn酸化物の生成が抑制される。従って、高温高湿環境下であっても、変色が抑制できることに加えて、Sn酸化物の生成を抑制でき、融合性が向上する。
MnとO2とを反応させることでSnとO2との反応を抑制して、Sn酸化物の生成及び成長を抑制でき得る量として、Mnを0.005質量%以上0.1質量%以下で含む。また、酸化膜の最表面側にGe酸化物が残留し得る量として、Geを0.001質量%以上0.1質量%以下で含む。Snは、80質量%以上で含むことが好ましい。
Snを主成分とし、MnとGeを本発明の範囲内で含むはんだ合金では、Mn酸化物(MnaOy)がSn酸化物の成長を抑制し、変色防止効果のあるGe酸化物(GeOz)が最表面側に残留する。これにより、高温高湿環境下であっても、変色が抑制できることに加えて、酸化物の成長を抑制でき、融合性が向上する。この効果は、MnとGeが本発明の範囲内であれば、他の元素を添加しても損なわれることはない。
そこで、使用目的に応じてCu、あるいは、Cu及びAgを含む。例えば、接合対象物にCuを含む場合にCuがはんだ合金中に溶け出す所謂Cu食われを抑制することを目的として、Cuを0質量%超1質量%以下で含む。また、温度サイクル特性の向上を目的として、Agを0質量%超4質量%以下で含む。Agは、はんだマトリックス中にAg3Snの金属間化合物のネットワーク状の化合物を析出させて、析出分散強化型の合金を作るため、温度サイクル特性の更なる向上を図る効果がある。
更に、使用目的に応じて他の元素を任意に選択することができる。他の元素については、次の元素を任意成分として含んでもよい。
(a)P、Gaからなる群から選択される少なくとも1種
P、Gaからなる群から選択される少なくとも1種の合計の含有量とは、これらの元素の群から選択される元素が1種であれば単体の含有量、2種であれば含有量の合計であり、0.002質量%以上0.1質量%以下とする。より好ましくは0.003質量%以上0.01質量%以下である。
P、Gaからなる群から選択される少なくとも1種の合計の含有量とは、これらの元素の群から選択される元素が1種であれば単体の含有量、2種であれば含有量の合計であり、0.002質量%以上0.1質量%以下とする。より好ましくは0.003質量%以上0.01質量%以下である。
これらの元素は濡れ性を改善する効果がある。各々の元素の含有量について、Pの含有量は好ましくは0.002質量%以上0.005質量%以下であり、Gaの含有量は好ましくは0.002質量%以上0.02質量%以下である。
(b)Ni、Co、Feからなる群から選択される少なくとも1種
Ni、Co、Feからなる群から選択される少なくとも1種の合計の含有量とは、これらの元素の群から選択される元素が1種であれば単体の含有量、2種以上であれば含有量の合計であり、0.005質量%以上0.3質量%以下とする。より好ましくは0.01質量%以上0.05質量%以下である。
Ni、Co、Feからなる群から選択される少なくとも1種の合計の含有量とは、これらの元素の群から選択される元素が1種であれば単体の含有量、2種以上であれば含有量の合計であり、0.005質量%以上0.3質量%以下とする。より好ましくは0.01質量%以上0.05質量%以下である。
これらの元素は、はんだ付け時に半導体素子や外部基板に施されためっき層の成分がはんだ合金中へ拡散することを抑制する。このため、これらの元素ははんだ継手を構成するはんだ合金の組織を維持し、また、接合界面に形成される金属間化合物層の膜厚を薄くする効果を有する。したがって、これらの元素ははんだ継手の接合強度が高めることができる。各々の元素の含有量について、Niの含有量は好ましくは0.02質量%以上0.07質量%以下であり、Coの含有量は好ましくは0.02質量%以上0.04質量%以下であり、Feの含有量は好ましくは0.005質量%以上0.02質量%以下である。これらの元素の中で、特にNiは前述のような効果を発揮する元素として好ましい元素である。
(c)Bi、In、Sbからなる群から選択される少なくとも1種
Bi、In、Sbからなる群から選択される少なくとも1種の合計の含有量とは、これらの元素の群から選択される元素が1種であれば単体の含有量、2種以上であれば含有量の合計であり、0.1質量%以上10質量%以下とする。より好ましくは0.5質量%以上5.0質量%以下であり、特に好ましくは0.8質量%以上4.5質量%以下である。
Bi、In、Sbからなる群から選択される少なくとも1種の合計の含有量とは、これらの元素の群から選択される元素が1種であれば単体の含有量、2種以上であれば含有量の合計であり、0.1質量%以上10質量%以下とする。より好ましくは0.5質量%以上5.0質量%以下であり、特に好ましくは0.8質量%以上4.5質量%以下である。
これらの元素は、はんだ強度を向上させ、接合部の信頼性確保に期待される。各々の元素の含有量について、Biの含有量は好ましくは0.5質量%以上5.0質量%以下であり、Inの含有量は好ましくは0.2質量%以上5.0質量%以下であり、Sbの含有量は好ましくは0.1質量%以上5.0質量%以下である。
以下に、酸化物の生成過程について現在想定される考察に基づいて以下に説明する。Snを主成分としたはんだ合金として、Sn−Ag系、Sn−Cu系等のSn系のはんだ合金を例に説明する。
(1)MnとGeを含むSn系のはんだ合金について(実施例)
MnとGeを含むSn系のはんだ合金では、酸化物生成の初期状態においては、空気中のO2とはんだ合金中のSn、Mn及びGeが反応して、はんだ合金の表面にSn酸化物(SnOX)とMn酸化物(MnaOy)及びGe酸化物(GeOz)による酸化膜が生成される。
MnとGeを含むSn系のはんだ合金では、酸化物生成の初期状態においては、空気中のO2とはんだ合金中のSn、Mn及びGeが反応して、はんだ合金の表面にSn酸化物(SnOX)とMn酸化物(MnaOy)及びGe酸化物(GeOz)による酸化膜が生成される。
このように初期状態で酸化膜が形成されたはんだ合金が、H2OやO2が所定量以上存在する高温高湿下に置かれると、はんだ合金の最表面側に形成されているSn酸化物とMn酸化物及びGe酸化物による酸化膜の一部が、高いエネルギーを持つH2Oにより破壊されると考えられる。
酸化膜の一部が破壊されると、Sn酸化物とMn酸化物の標準生成自由エネルギーの大きさの関係から、Sn酸化物の生成が抑制されてMn酸化物が生成され、Mn酸化物が酸化膜の厚さ方向に対してほぼ均等に分布する。
また、Snを主成分とし、所定量のMnとGeを含むはんだ合金では、酸化膜最表面側のSn酸化物は減少し、Ge酸化物が酸化膜の最表面側に偏って分布する。
これにより、MnとGeを含むSn系のはんだ合金では、Sn酸化物の生成が抑制され、かつ、Ge酸化物が酸化膜の最表面側に偏って分布するので、Ge酸化物の変色防止効果によって、変色が抑制できる。
(2)MnとGeを含まないSn系のはんだ合金(比較例)
MnとGeを含まないSn系のはんだ合金では、酸化物生成の初期状態においては、空気中のO2とはんだ合金中のSnが反応して、はんだ合金の表面にSn酸化物(SnOX)による酸化膜が生成される。
MnとGeを含まないSn系のはんだ合金では、酸化物生成の初期状態においては、空気中のO2とはんだ合金中のSnが反応して、はんだ合金の表面にSn酸化物(SnOX)による酸化膜が生成される。
このように初期状態で酸化膜が形成されたはんだ合金が、高温下あるいは高温高湿下に晒されることにより、表面に形成された酸化膜の一部が破壊されると考えられ、はんだ合金中のSnとO2が反応し、更にSn酸化物が生成されると考えられる。
これにより、MnとGeを含まないSn系のはんだ合金では、Sn酸化物が変色の要因となる。
(3)Mnを含みGeを含まないSn系のはんだ合金(比較例)
Mnを含みGeを含まないSn系のはんだ合金では、酸化物生成の初期状態においては、空気中のO2とはんだ合金中のSn及びMnが反応して、はんだ合金の表面にSn酸化物(SnOX)とMn酸化物(MnaOy)による酸化膜が生成される。
Mnを含みGeを含まないSn系のはんだ合金では、酸化物生成の初期状態においては、空気中のO2とはんだ合金中のSn及びMnが反応して、はんだ合金の表面にSn酸化物(SnOX)とMn酸化物(MnaOy)による酸化膜が生成される。
このように初期状態で酸化膜が形成されたはんだ合金が、高温下あるいは高温高湿下に晒されることにより、表面に形成された酸化膜の一部が破壊されると考えられる。
Sn酸化物とMn酸化物の標準生成自由エネルギーの大きさから、Sn酸化物の生成が抑制されてMn酸化物が生成される。
しかし、Mn酸化物には変色防止効果が無く、Mnを含みGeを含まないSn系のはんだ合金では、Mn酸化物がSn酸化物と同様に変色してしまい変色を抑制することができない。
(4)Geを含みMnを含まないSn系のはんだ合金(比較例)
Geを含みMnを含まないSn系のはんだ合金では、酸化物生成の初期状態においては、空気中のO2とはんだ合金中のSn及びGeが反応して、はんだ合金の表面にSn酸化物(SnOX)とGe酸化物(GeOz)による酸化膜が生成される。
Geを含みMnを含まないSn系のはんだ合金では、酸化物生成の初期状態においては、空気中のO2とはんだ合金中のSn及びGeが反応して、はんだ合金の表面にSn酸化物(SnOX)とGe酸化物(GeOz)による酸化膜が生成される。
このように初期状態で酸化膜が形成されたはんだ合金が、高温下あるいは高温高湿下に晒されることにより、表面に形成された酸化膜の一部が破壊されると考えられる。
これにより、Geを含みMnを含まないSn系のはんだ合金では、Sn酸化物の成長による酸化膜の変色を抑制できない。
<変色防止効果の評価>
以下の表1〜表32に示す組成で実施例と比較例のはんだ合金を調合し、変色防止効果について検証した。なお、表1〜表32における組成率は質量%である。
以下の表1〜表32に示す組成で実施例と比較例のはんだ合金を調合し、変色防止効果について検証した。なお、表1〜表32における組成率は質量%である。
変色防止効果の評価は以下の手順で行った。
(1)試料の作製
調合したはんだ合金を鋳造、圧延して板材を作成した。この板材を小片状(2mm(縦)×2mm(横)×0.1mm(厚み))に打ち抜きして試料を作成した。
調合したはんだ合金を鋳造、圧延して板材を作成した。この板材を小片状(2mm(縦)×2mm(横)×0.1mm(厚み))に打ち抜きして試料を作成した。
(2)検証方法
以上のように作成された実施例及び比較例の各試料を高温環境及び高温高湿環境に保管して、変色の有無を確認した。保管条件は、高温高湿環境では、温度125℃、湿度100%RHで試料を24時間置いた。高温放置では、温度150℃で試料を7日間放置した。変色の確認は、KEYENCE製DIGITAL MICROSCOPE VHX−500Fを使用して行った。確認の結果、変色が全く見られなかったものを◎、若干の光沢の変化が確認されたものを○、やや変色が見られたものを△、変色したものを×と評価した。
以上のように作成された実施例及び比較例の各試料を高温環境及び高温高湿環境に保管して、変色の有無を確認した。保管条件は、高温高湿環境では、温度125℃、湿度100%RHで試料を24時間置いた。高温放置では、温度150℃で試料を7日間放置した。変色の確認は、KEYENCE製DIGITAL MICROSCOPE VHX−500Fを使用して行った。確認の結果、変色が全く見られなかったものを◎、若干の光沢の変化が確認されたものを○、やや変色が見られたものを△、変色したものを×と評価した。
表1〜表32に示すように、実施例及び比較例の何れも、初期状態では変色が見られなかった。MnとGeを添加し、添加量の比率がMn<Geである実施例4、7、8では、高温高湿環境でも高温放置環境でも変色が全く見られなかった。添加量の比率がMnとGeで等量である実施例5、9、11〜13でも同様に、高温高湿環境でも高温放置環境でも変色が全く見られなかった。添加量の比率がMn>Geである実施例1、2、3、6、10では、高温高湿環境及び高温放置で若干の光沢の変化が確認された。
MnとGeを添加し、添加量の比率がMnとGeで等量であり、P、Ga、Ni、Co、Fe、Bi、Inの何れかあるいは全てを添加した実施例14〜実施例21では、高温高湿環境でも高温放置環境でも変色が全く見られなかった。
所定量のMnとGeを含み、MnとGeで添加量の比率が等量であり、更にCu及びAgを含み、Mn、Ge、Ag及びCuの含有量を所定の範囲で増減させ、残部をSnとした実施例22〜実施例35では、MnとGeの含有量が0.01質量%である場合、高温高湿環境及び高温放置で若干の光沢の変化が確認された。一方、MnとGeの含有量を0.01質量%から増やしていくと、高温高湿環境でも高温放置環境でも変色が全く見られなかった。
所定量のMnとGeを含み、MnとGeで添加量の比率が等量であり、更にCu及びAgとPを含み、Pの含有量を所定の範囲で増減させ、残部をSnとした実施例36〜実施例39では、高温高湿環境でも高温放置環境でも変色が全く見られなかった。
所定量のMnとGeを含み、MnとGeで添加量の比率が等量であり、更にCu及びAgとGaを含み、Gaの含有量を所定の範囲で増減させ、残部をSnとした実施例40〜実施例43では、高温高湿環境でも高温放置環境でも変色が全く見られなかった。
所定量のMnとGeを含み、MnとGeで添加量の比率が等量であり、更にCu及びAgとNiを含み、Niの含有量を所定の範囲で増減させ、残部をSnとした実施例44〜実施例49では、高温高湿環境でも高温放置環境でも変色が全く見られなかった。
所定量のMnとGeを含み、MnとGeで添加量の比率が等量であり、更にCu及びAgとCoを含み、Coの含有量を所定の範囲で増減させ、残部をSnとした実施例50〜実施例55では、高温高湿環境でも高温放置環境でも変色が全く見られなかった。
所定量のMnとGeを含み、MnとGeで添加量の比率が等量であり、更にCu及びAgとFeを含み、Feの含有量を所定の範囲で増減させ、残部をSnとした実施例56〜実施例61では、高温高湿環境でも高温放置環境でも変色が全く見られなかった。
所定量のMnとGeを含み、MnとGeで添加量の比率が等量であり、更にCu及びAgとBiを含み、Biの含有量を所定の範囲で増減させ、残部をSnとした実施例62〜実施例68では、高温高湿環境でも高温放置環境でも変色が全く見られなかった。
所定量のMnとGeを含み、MnとGeで添加量の比率が等量であり、更にCu及びAgとInを含み、Inの含有量を所定の範囲で増減させ、残部をSnとした実施例69〜実施例75では、高温高湿環境でも高温放置環境でも変色が全く見られなかった。
所定量のMnとGeを含み、MnとGeで添加量の比率が等量であり、更にCu及びAgとSbを含み、Sbの含有量を所定の範囲で増減させ、残部をSnとした実施例76〜実施例82では、高温高湿環境でも高温放置環境でも変色が全く見られなかった。
所定量のMnとGeを含み、MnとGeで添加量の比率が等量であり、更にCu及びAgとPを含み、Mn、Ge、Cu、Ag及びPの含有量を所定の範囲で増減させ、残部をSnとした実施例83〜実施例154では、MnとGeの含有量が0.01質量%である場合、高温高湿環境及び高温放置で若干の光沢の変化が確認された。一方、MnとGeの含有量を0.01質量%から増やしていくと、高温高湿環境でも高温放置環境でも変色が全く見られなかった。
所定量のMnとGeを含み、MnとGeで添加量の比率が等量であり、更にCu及びAgとGaを含み、Mn、Ge、Cu、Ag及びGaの含有量を所定の範囲で増減させ、残部をSnとした実施例155〜実施例226では、MnとGeの含有量が0.01質量%である場合、高温高湿環境及び高温放置で若干の光沢の変化が確認された。一方、MnとGeの含有量を0.01質量%から増やしていくと、高温高湿環境でも高温放置環境でも変色が全く見られなかった。
所定量のMnとGeを含み、MnとGeで添加量の比率が等量であり、更にCu及びAgとNiを含み、Mn、Ge、Cu、Ag及びNiの含有量を所定の範囲で増減させ、残部をSnとした実施例227〜実施例274では、MnとGeの含有量が0.01質量%である場合、高温高湿環境及び高温放置で若干の光沢の変化が確認された。一方、MnとGeの含有量を0.01質量%から増やしていくと、高温高湿環境でも高温放置環境でも変色が全く見られなかった。
所定量のMnとGeを含み、MnとGeで添加量の比率が等量であり、更にCu及びAgとCoを含み、Mn、Ge、Cu、Ag及びCoの含有量を所定の範囲で増減させ、残部をSnとした実施例275〜実施例322では、MnとGeの含有量が0.01質量%である場合、高温高湿環境及び高温放置で若干の光沢の変化が確認された。一方、MnとGeの含有量を0.01質量%から増やしていくと、高温高湿環境でも高温放置環境でも変色が全く見られなかった。
所定量のMnとGeを含み、MnとGeで添加量の比率が等量であり、更にCu及びAgとFeを含み、Mn、Ge、Cu、Ag及びFeの含有量を所定の範囲で増減させ、残部をSnとした実施例323〜実施例370では、MnとGeの含有量が0.01質量%である場合、高温高湿環境及び高温放置で若干の光沢の変化が確認された。一方、MnとGeの含有量を0.01質量%から増やしていくと、高温高湿環境でも高温放置環境でも変色が全く見られなかった。
所定量のMnとGeを含み、MnとGeで添加量の比率が等量であり、更にCu及びAgとBiを含み、Mn、Ge、Cu、Ag及びBiの含有量を所定の範囲で増減させ、残部をSnとした実施例371〜実施例496では、MnとGeの含有量が0.01質量%である場合、高温高湿環境及び高温放置で若干の光沢の変化が確認された。一方、MnとGeの含有量を0.01質量%から増やしていくと、高温高湿環境でも高温放置環境でも変色が全く見られなかった。
所定量のMnとGeを含み、MnとGeで添加量の比率が等量であり、更にCu及びAgとInを含み、Mn、Ge、Cu、Ag及びInの含有量を所定の範囲で増減させ、残部をSnとした実施例497〜実施例622では、MnとGeの含有量が0.01質量%である場合、高温高湿環境及び高温放置で若干の光沢の変化が確認された。一方、MnとGeの含有量を0.01質量%から増やしていくと、高温高湿環境でも高温放置環境でも変色が全く見られなかった。
所定量のMnとGeを含み、MnとGeで添加量の比率が等量であり、更にCu及びAgとSbを含み、Mn、Ge、Cu、Ag及びSbの含有量を所定の範囲で増減させ、残部をSnとした実施例623〜実施例748では、MnとGeの含有量が0.01質量%である場合、高温高湿環境及び高温放置で若干の光沢の変化が確認された。一方、MnとGeの含有量を0.01質量%から増やしていくと、高温高湿環境でも高温放置環境でも変色が全く見られなかった。
所定量のMnとGeを含み、MnとGeで添加量の比率が等量であり、更にCu及びAgを含むと共に、P、Ga、Ni、Co、Fe、Bi、Inの中から選択された2つ以上を含み、Mn、Ge、Cu及びAgの含有量を所定の範囲で増減させると共に、P、Ga、Ni、Co、Fe、Bi、Inの中から選択された2つ以上の含有量を所定の範囲で増減させ、残部をSnとした実施例749〜実施例808では、高温高湿環境でも高温放置環境でも変色が全く見られなかった。
所定量のMnとGeを含み、MnとGeで添加量の比率が等量であり、更にCuを含むと共に、P、Ga、Ni、Co、Fe、Bi、Inの中から選択された何れかを含み、
Mn、Geの含有量を所定の範囲で増減させると共に、P、Ga、Ni、Co、Fe、Bi、Inの中から選択された何れかの含有量を所定の範囲で増減させ、残部をSnとした実施例809〜実施例949では、MnとGeの含有量が0.01質量%である場合、高温高湿環境及び高温放置で若干の光沢の変化が確認された。一方、MnとGeの含有量を0.01質量%から増やしていくと、高温高湿環境でも高温放置環境でも変色が全く見られなかった。
Mn、Geの含有量を所定の範囲で増減させると共に、P、Ga、Ni、Co、Fe、Bi、Inの中から選択された何れかの含有量を所定の範囲で増減させ、残部をSnとした実施例809〜実施例949では、MnとGeの含有量が0.01質量%である場合、高温高湿環境及び高温放置で若干の光沢の変化が確認された。一方、MnとGeの含有量を0.01質量%から増やしていくと、高温高湿環境でも高温放置環境でも変色が全く見られなかった。
Cuの含有量を所定の範囲で増減させた実施例950〜実施例1090、実施例1091〜実施例1231でも、MnとGeの含有量が0.01質量%である場合、高温高湿環境及び高温放置で若干の光沢の変化が確認された。一方、MnとGeの含有量を0.01質量%から増やしていくと、高温高湿環境でも高温放置環境でも変色が全く見られなかった。
所定量のMnとGeを含み、MnとGeで添加量の比率が等量であり、更にCuを含むと共に、P、Ga、Ni、Co、Fe、Bi、Inの中から選択された2つ以上を含み、Mn、Ge及びCuの含有量を所定の範囲で増減させると共に、P、Ga、Ni、Co、Fe、Bi、Inの中から選択された2つ以上の含有量を所定の範囲で増減させ、残部をSnとした実施例1232〜実施例1248では、高温高湿環境でも高温放置環境でも変色が全く見られなかった。
これに対し、Mn及びGeを添加しない比較例1、2では、高温高湿環境でも高温放置環境でも変色が見られた。Mnを添加しGeを添加しない比較例3〜7でも同様に、高温高湿環境でも高温放置環境でも変色が見られた。Geを添加しMnを添加しない比較例8、10、12では、Geの添加量を増やすことで、高温放置では変色抑制効果が得られるが、高温高湿環境では変色が見られた。Mn及びGeを添加した比較例9、11、13〜18では、MnあるいはGeの何れか、または両方を本発明の範囲外で過剰添加した場合でも、比較例9では若干の光沢の変化が確認されたものの、比較例11,13〜18では高温高湿環境でも高温放置環境でも変色が全く見られなかった。
以上の結果から、Snを主成分としたはんだ合金に、MnとGeを添加することで、高温高湿環境でも高温放置環境でも変色防止効果が得られることが判り、添加量の比率がMn≦Geであれば、より良好な変色防止効果が得られることが判った。
<酸化物の分布>
次に、上述した表1〜表31に示す高温高湿環境及び高温放置環境での変色防止効果を検証した実施例のはんだ合金について、酸化膜中でのSn酸化物、Mn酸化物及びGe酸化物の分布について検証した。
次に、上述した表1〜表31に示す高温高湿環境及び高温放置環境での変色防止効果を検証した実施例のはんだ合金について、酸化膜中でのSn酸化物、Mn酸化物及びGe酸化物の分布について検証した。
図1は、Snを主成分とし、MnとGeを含む場合の主たる元素の分布を示す。図1のグラフにおいて、縦軸に含有量、横軸に元素が分布する最表面からの深さを示す。なお、酸素、炭素等の他の含有元素については図示しない。
Snを主成分とし、MnとGeを含む実施例1では、Ge酸化物が酸化膜の最表面から10nm程度の範囲に多く分布していることが判り、Ge酸化物が酸化膜の最表面側に多く分布していることが判る。また、Mnが最表面から略均一に分布していることが判る。これに対し、最表面のSnが減少していることが判る。なお、MnとGeの添加量を変えた実施例2〜実施例1248の場合も、同様の分布を示す。
図1に示す元素の分布から、Snを主成分とし、所定量のMnとGeが添加されたはんだ合金では、Ge酸化物が、酸化膜の最表面側に偏って分布し、最表面にSn酸化物が生成されることが抑制されることが判る。
このように、変色防止効果のあるGe酸化物が最表面側に多く分布することで、変色が抑制される。また、Mn酸化物が酸化膜の厚さ方向に対してほぼ均等に分布するので、Sn酸化物の生成が抑制される。
<融合性の評価>
上述した表1〜表32に示す高温高湿環境及び高温放置環境での変色防止効果を検証した各実施例と比較例のはんだ合金について、融合性を検証した。検証方法は、各実施例及び比較例の組成で調合したはんだ合金を鋳造、圧延したものを、打ち抜きして小片状の部材(2mm(縦)×2mm(横)×0.1mm(厚み))を作成した。この小片を所定の大きさの板状に成形し、フラックスを塗布したOSP(水溶性プリフラックス(Organic Solderability Preservative)処理が施されたCu板上に置き、リフローを行った後、表面を洗浄し、温度125℃、湿度100%RHの環境に24時間置いた。さらに、Agが3.0質量%、Cuが0,5質量%、残部がSnからなるはんだ合金(Sn−3.0Ag−0.5Cu)を用いて作製したはんだボール(本例の場合、直径300μm)を、小片部材と同様に温度125℃、湿度100%RHの環境に24時間置いた。次に、実施例あるいは比較例のはんだ合金からなる試料上にフラックスを塗布し、はんだボールを所定個数置いた。本例では、はんだボールの数は9個とし、それぞれ5枚用意した。そして、リフローを行った後、未融合のはんだボールの数を計数して、融合不良発生率を算出した。未融合とは、Cu板とはんだボールが接合されていない状態をいう。
上述した表1〜表32に示す高温高湿環境及び高温放置環境での変色防止効果を検証した各実施例と比較例のはんだ合金について、融合性を検証した。検証方法は、各実施例及び比較例の組成で調合したはんだ合金を鋳造、圧延したものを、打ち抜きして小片状の部材(2mm(縦)×2mm(横)×0.1mm(厚み))を作成した。この小片を所定の大きさの板状に成形し、フラックスを塗布したOSP(水溶性プリフラックス(Organic Solderability Preservative)処理が施されたCu板上に置き、リフローを行った後、表面を洗浄し、温度125℃、湿度100%RHの環境に24時間置いた。さらに、Agが3.0質量%、Cuが0,5質量%、残部がSnからなるはんだ合金(Sn−3.0Ag−0.5Cu)を用いて作製したはんだボール(本例の場合、直径300μm)を、小片部材と同様に温度125℃、湿度100%RHの環境に24時間置いた。次に、実施例あるいは比較例のはんだ合金からなる試料上にフラックスを塗布し、はんだボールを所定個数置いた。本例では、はんだボールの数は9個とし、それぞれ5枚用意した。そして、リフローを行った後、未融合のはんだボールの数を計数して、融合不良発生率を算出した。未融合とは、Cu板とはんだボールが接合されていない状態をいう。
Snを主成分とし、MnとGeを含む実施例1〜実施例1248では、融合不良発生率は0である。
Snを主成分とし、Mn及びGeを含まない比較例1、2、Snを主成分とし、Mnを含みGeを含まない比較例2〜7、Snを主成分とし、Geを含みMnを含まない比較例8、10、12では、何れも融合不良が発生した。なお、Mn及びGeを添加した比較例9、11、13〜18では、Mnを本発明の範囲外で過剰添加した比較例9、11、13であれば、融合不良発生率は0であった。これに対し、Ge、またはGeとMnの両方を本発明の範囲外で過剰添加した比較例14〜18では、融合不良が発生した。
<濡れ性の評価>
上述した表1〜表32に示す高温高湿環境及び高温放置環境での変色防止効果を検証した各実施例と比較例のはんだ合金について、濡れ性を検証した。検証方法は、各実施例及び比較例の組成で調合したはんだ合金を鋳造、圧延したものを、打ち抜きして小片状の部材(2mm(縦)×2mm(横)×0.1mm(厚み))を作成した。この小片を温度125℃、湿度100%RHの環境に24時間置いた。次に、OSP処理されたCu板と、Cu板にNiめっきし、このNiめっきにさらにAuめっきしたNi/Auめっき板の各板の上にフラックスを塗布し、高温高湿処理した小片を載せリフローを行った。はんだ合金の濡れ広がった面積を測定し、OSP処理されたCu板では5.0mm2、Ni/Auめっき板では11.0mm2以上に広がったものを合格とした。
上述した表1〜表32に示す高温高湿環境及び高温放置環境での変色防止効果を検証した各実施例と比較例のはんだ合金について、濡れ性を検証した。検証方法は、各実施例及び比較例の組成で調合したはんだ合金を鋳造、圧延したものを、打ち抜きして小片状の部材(2mm(縦)×2mm(横)×0.1mm(厚み))を作成した。この小片を温度125℃、湿度100%RHの環境に24時間置いた。次に、OSP処理されたCu板と、Cu板にNiめっきし、このNiめっきにさらにAuめっきしたNi/Auめっき板の各板の上にフラックスを塗布し、高温高湿処理した小片を載せリフローを行った。はんだ合金の濡れ広がった面積を測定し、OSP処理されたCu板では5.0mm2、Ni/Auめっき板では11.0mm2以上に広がったものを合格とした。
Snを主成分とし、MnとGeを含む実施例1〜実施例1248では、OSP処理されたCu板に対する濡れ性、Ni/Auめっき板に対する濡れ性とも、低下は見られなかった。
Mnを含みGeを含まない比較例2〜7では、Mnの添加量が増えると、OSP処理されたCu板に対する濡れ性、Ni/Auめっき板に対する濡れ性とも低下した。Mn及びGeを添加した比較例9、11、13〜18では、Mnを本発明の範囲外で過剰添加した比較例9、11、13、Ge、またはGeとMnの両方を本発明の範囲外で過剰添加した比較例14〜18の何れの場合も、OSP処理されたCu板に対する濡れ性、Ni/Auめっき板に対する濡れ性とも低下した。Ge、Mnを本発明の範囲外で過剰添加した場合には、濡れ性が低下することが見て取れる。
以上の結果から、Snを主成分とし、Mnを0.005質量%以上0.1質量%以下、Geを0.001質量%以上0.1質量%以下で含むはんだ合金では、MnとO2が反応してSnとO2の反応が抑制され、経時変化による酸化膜の最表面側へのSn酸化物の分布が抑制され、変色防止効果を有するGe酸化物を含む酸化膜が最表面側に残存することで、高温高湿環境でも変色防止効果が得られることが判った。好ましくは、MnとGeの添加量の比率をMn≦Geとすれば、高温高湿環境でも高温放置環境でもより良好な変色防止効果が得られることが判った。
また、Snを主成分とし、上述した所定量のMnとGeを含むはんだ合金では、MnとO2が反応してSnとO2の反応が抑制され、Sn酸化物の成長が抑制されるので、酸化膜厚の増加を抑制できることが判った。酸化膜厚の増加を抑制することで、はんだ付け時にフラックスで酸化物の除去が十分に行え、融合性が向上する。
なお、Snを主成分とし、Mnを0.005質量%以上0.1質量%以下、Geを0.001質量%以上0.1質量%以下、更に、Agを0質量%超4質量%以下、Cuを0質量%超1質量%以下で含むはんだ合金、また、Snを主成分とし、Mnを0.005質量%以上0.1質量%以下、Geを0.001質量%以上0.1質量%以下、更に、Cuを0質量%超1質量%以下で含むはんだ合金でも、変色防止効果が得られ、かつ、融合性が向上する。
<はんだ合金の適用例>
図2は、本発明のはんだ合金の適用例を示す構成図である。Snを主成分とし、Mnを0.005質量%以上0.1質量%以下、Geを0.001質量%以上0.1質量%以下で含むはんだ合金は、球状のはんだボール10としても良い。はんだボール10の直径は、1〜1000μmであることが好ましい。この範囲にあると、球状のはんだボールを安定して製造でき、また、端子間が狭ピッチである場合の接続短絡を抑制することができる。ここで、はんだボールの直径が1〜50μm程度である場合、「はんだパウダ」と称されてもよい。
図2は、本発明のはんだ合金の適用例を示す構成図である。Snを主成分とし、Mnを0.005質量%以上0.1質量%以下、Geを0.001質量%以上0.1質量%以下で含むはんだ合金は、球状のはんだボール10としても良い。はんだボール10の直径は、1〜1000μmであることが好ましい。この範囲にあると、球状のはんだボールを安定して製造でき、また、端子間が狭ピッチである場合の接続短絡を抑制することができる。ここで、はんだボールの直径が1〜50μm程度である場合、「はんだパウダ」と称されてもよい。
図3は、本発明のはんだ合金の他の適用例を示す構成図である。Snを主成分とし、Mnを0.005質量%以上0.1質量%以下、Geを0.001質量%以上0.1質量%以下で含むはんだ合金は、チップソルダ11としても良い。チップソルダ11は、例えば、直方体形状に構成される。
他の適用例としては、Snを主成分とし、Mnを0.005質量%以上0.1質量%以下、Geを0.001質量%以上0.1質量%以下で含むはんだ合金を、所定の大きさの粉末状とし、フラックスと混合させたはんだペーストとしても良い。
Snを主成分とし、Mnを0.005質量%以上0.1質量%以下、Geを0.001質量%以上0.1質量%以下、更に、Agを0質量%超4質量%以下、Cuを0質量%超1質量%以下で含むはんだ合金、また、Snを主成分とし、Mnを0.005質量%以上0.1質量%以下、Geを0.001質量%以上0.1質量%以下、更に、Cuを0質量%超1質量%以下で含むはんだ合金は、上述したはんだボール10、チップソルダ11、はんだペーストとしても良い。
本発明によるはんだ合金、はんだボール、チップソルダ、はんだペーストは、半導体チップとの接合や電子部品とプリント基板の接合に使用され形成されるはんだ継手となる。
また、本発明のはんだ合金は、球状の金属核がはんだ合金による被覆層で被覆された核ボール、柱状の金属核がはんだ合金による被覆層で被覆されたカラムとしても良く、はんだ合金のα線量が0.0200cph/cm2以下であってもよい。α線量が0.0200cph/cm2以下の場合、電子機器のソフトエラーを防止できる。
Claims (14)
- Mnを0.005質量%以上0.1質量%以下、Geを0.001質量%以上0.1質量%以下で含み、残部をSnとした
ことを特徴とするはんだ合金。 - Mnの量をGeの量以下とした
ことを特徴とする請求項1に記載のはんだ合金。 - 更に、Cuを0質量%超1質量%以下で含む
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のはんだ合金。 - 更に、Agを0質量%超4質量%以下、Cuを0質量%超1質量%以下で含む
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のはんだ合金。 - 更に、P、Gaからなる群から選択される少なくとも1種を合計で0.002質量%以上0.1質量%以下で含む
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のはんだ合金。 - 更に、Ni、Co、Feからなる群から選択される少なくとも1種を合計で0.005質量%以上0.3質量%以下で含む
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のはんだ合金。 - 更に、Bi、In、Sbからなる群から選択される少なくとも1種を合計で0.1質量%以上10質量%以下で含む
ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のはんだ合金。 - 請求項1〜7のいずれか1項に記載のはんだ合金を使用した
ことを特徴とするはんだボール。 - 請求項1〜7のいずれか1項に記載のはんだ合金を使用した
ことを特徴とするチップソルダ。 - 請求項1〜7のいずれか1項に記載のはんだ合金を使用した
ことを特徴とするはんだペースト。 - 請求項1〜7のいずれか1項に記載のはんだ合金を使用した
ことを特徴とするはんだ継手。 - 請求項8に記載のはんだボールを使用した
ことを特徴とするはんだ継手。 - 請求項9に記載のチップソルダを使用した
ことを特徴とするはんだ継手。 - 請求項10に記載のはんだペーストを使用した
ことを特徴とするはんだ継手。
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