JP2021169099A - はんだ合金、はんだボールおよびはんだ継手 - Google Patents
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Abstract
Description
このように、はんだ継手を形成するためのはんだ合金は、はんだ継手の電気的特性を確認するためのピンコンタクト性に加えて、機械的特性として接合強度を同時に満足する必要がある。
また、これらの文献においてPと等価な元素として取り扱われているGe、Al、Si、およびSbは、Pのように凝固核として作用せず、濡れ性が劣化する知見も得られた。
これらの知見により得られた本発明は次の通りである。
2.0≦Ag×Cu×Ni/P≦25 (1)式
0.500≦Sn×P≦0.778 (2)式
上記(1)式および(2)式中、Ag、Cu、Ni、P、およびSnは、各々合金組成の含有量(質量%)である。
(4)上記(1)または上記(2)に記載のはんだ合金を有するはんだ継手。
1. 合金組成
(1) Ag:0.8〜1.5%
Agははんだ合金の融点を低下させるとともに濡れ性を向上させる元素である。Ag含有量が0.8%未満であるとSnとの化合物が十分に生成せず、接合界面で余ったSnとCuとの化合物が多量に形成されてしまい、接合強度が劣化する。また、融点が上昇し過ぎてはんだ合金が溶融し難くなる。さらには、濡れ性が低下することにより接合強度が低下する。Ag含有量の下限は0.8%以上であり、好ましくは1.0%以上であり、より好ましくは1.1%以上であり、特に好ましくは1.2%以上である。一方、Ag含有量が多すぎると、はんだ合金の強度が高すぎピンが刺さりにくくなり、ピンコンタクト性が劣化する。Ag含有量の上限は1.5%以下であり、好ましくは1.4%以下であり、より好ましくは1.3%以下である。
Cuは、接合界面で適量のCuSn化合物を形成することにより接合強度を向上させる元素である。Cu含有量が0.1%未満であると、CuSn化合物の析出量が少なく接合強度が向上しない。Cu含有量の下限は0.1%以上であり、好ましくは0.3%以上であり、より好ましくは0.4%以上であり、特に好ましくは0.5%以上である。一方、Cu含有量が1.0%を超えるとCuSn化合物の析出量が多くなりすぎるために却って接合強度が低下する。また、融点が上昇してはんだ合金の液相線温度が高く溶融し難い。Cu含有量の上限は1.0%以下であり、好ましくは0.8%以下であり、より好ましくは0.7%以下であり、特に好ましくは0.6%以下である。
Niは、接合界面に形成されるCuSn化合物を微細にし、また、接合信頼性を向上させる元素である。Ni含有量が0.01%未満であるとCuSn化合物の微細化が不十分になり接合強度が劣化する。Ni含有量の下限は0.01%以上であり、好ましくは0.02%以上であり、より好ましくは0.03%以上であり、さらに好ましくは0.04%以上であり、特に好ましくは0.05%以上である。一方、Ni含有量が0.10%を超えるとNiSn化合物が析出して却って接合強度が低下する。また、融点が上昇するとともに、濡れ性が低下することにより接合強度が低下する。また、はんだ合金の液相線温度が高く溶融し難い。Ni含有量の上限は0.10%以下であり、好ましくは0.07%以下であり、より好ましくは0.06%以下である。
Pは、溶融はんだの冷却時における初相であるSnの凝固核として作用し、高凝固点化を促進することによりSn結晶相の粗大化に寄与する元素である。過冷却は平衡状態において凝固する温度で凝固しない状態を表し、本来初相として析出し始めるSn相が析出しない状態になりうる。そこで、従来でははんだ合金の酸化抑制や変色を抑制するためにはんだ合金の表面で機能する元素として使用されているPを、敢えて凝固核として機能させることに着目した。その結果、Pは溶融はんだ中に分散することにより凝固核として機能して過冷却が抑制され、初相であるSnが凝固時に析出し、Sn結晶相の結晶粒径が大きくなると推察される。
本発明に係るはんだ合金の残部はSnである。前述の元素の他に不可避的不純物を含有してもよい。不可避的不純物を含有する場合であっても、前述の効果に影響することはない。また、本発明では後述する含有しない方がよい元素を不可避的不純物として含有したとしても、本発明の効果を損なうことはない。Sb、Ge、Al、Siは、本発明においては、Pのように凝固核として作用せず、また、濡れ性の低下を招き正常な濡れを阻害して接合強度を低下させるため、含有しない方がよい。
本発明は、下記(1)式および(2)式を満たすことが好ましい。
2.0≦Ag×Cu×Ni/P≦25 (1)式
0.500≦Sn×P≦0.778 (2)式
上記(1)式および(2)式中、Ag、Cu、Ni、P、およびSnは、各々合金組成の含有量(質量%)である。
本発明に係るはんだ合金は、凝固開始温度を表す凝固温度である液相線温度が200℃以上であることが好ましい。本発明に係るSn−Ag−Cu−Ni−Pはんだ合金において、液相線温度が200℃以上であれば、溶融はんだの凝固時においてSn結晶相が十分に成長するために、良好なピンコンタクト性が得られる。本発明において液相線温度は、好ましくは205℃以上であり、特に好ましくは210℃以上である。
本発明に係るはんだ合金は、はんだボールとして使用することができる。本発明に係るはんだボールは、BGA(ボールグリッドアレイ)などの半導体パッケージの電極や基板のバンプ形成に用いられる。本発明に係るはんだボールの直径は1〜1000μmの範囲内が好ましい。はんだボールは、一般的なはんだボールの製造法により製造することができる。
本発明に係るはんだ継手は、半導体パッケージにおけるICチップとその基板(インターポーザ)との接続、或いは半導体パッケージとプリント配線板とを接合して接続する。すなわち、本発明に係るはんだ継手は電極の接続部をいい、一般的なはんだ付け条件を用いて形成することができる。
本発明に係るはんだ合金を用いた接合方法は、例えばリフロー法を用いて常法に従って行えばよい。加熱温度はチップの耐熱性やはんだ合金の液相線温度に応じて適宜調整してもよい。チップの熱的損傷を低く抑える観点から、はんだ合金の溶融温度は概ね液相線温度から20℃程度高い温度でよい。また、本発明に係るはんだ合金を用いて接合する場合には、凝固時の冷却速度を考慮した方がさらに組織を微細にすることができる。例えば2〜3℃/s以上の冷却速度ではんだ継手を冷却する。この他の接合条件は、はんだ合金の合金組成に応じて適宜調整することができる。
表1の各はんだ合金を作製して、溶融はんだの凝固温度(液相線温度)を測定した。測定方法は、DSC(Q2000:TA Instruments社)装置を使用して、300℃に昇温後100℃まで24℃/minの冷却速度で冷却した。凝固時には発熱反応を伴うため、DSC曲線では図1に示すように発熱ピークが見られる。本実施例で測定する凝固温度である凝固開始温度(凝固時の液相線温度)は発熱開始温度であり、図1のA点とした。
凝固温度が200℃以上である場合には「〇」とし、200℃未満である場合には「×」とした。
表1に示すはんだ合金から直径0.6mmのはんだボールを作製した。作製したはんだボールを、厚みが1.2mmであり電極の大きさが直径0.5mm(Cu−OSP)である基板にはんだ付けを行った。はんだ付けを行う個数は60個とした。はんだ付け条件は、フラックス(千住金属工業株式会社製:WF−6400)を電極上に塗布し、ピーク温度245℃、冷却速度2℃/sのリフロープロファイルとし、リフロー装置(千住金属工業株式会社製:SNR−615)を用いてはんだ付けを行った。
通電したはんだバンプの割合が95%以上である場合を「◎」とし、95%未満90%以上である場合を「○」とし、90%未満である場合を「×」とした。
表1に示すはんだ合金から直径0.6mmのはんだボールを作製した。作製したはんだボールを、厚みが1.2mmであり電極の大きさが直径0.5mm(Cu−OSP)である基板にはんだ付けを行った。はんだ付けを行う個数は5個とした。はんだ付け条件は、フラックス(千住金属工業株式会社製:WF−6400)を電極上に塗布し、ピーク温度245℃、冷却速度2℃/sのリフロープロファイルとし、リフロー装置(千住金属工業株式会社製:SNR−615)を用いてはんだ付けを行った。
5個の平均接合強度が4.6N以上である場合には「◎」とし、3.2N以上4.6N未満である場合には「〇」とし、3.2N未満である場合には「×」とし、本実施例では「◎」および「〇」が実用上問題ない接合強度であると評価した。
結果を表1に示す。
比較例10はSbを含有するため、ピンコンタクト性が劣った。比較例11〜13はPを含有せず、且つ各々Ge、Al、Siを含有するため、ピンコンタクト性および接合強度の両特性が劣った。
Claims (4)
- 質量%で、Ag:0.8〜1.5%、Cu:0.1〜1.0%、Ni:0.01〜0.10%、P:0.006%〜0.009%、および残部がSnからなる合金組成を有することを特徴とするはんだ合金。
- 前記合金組成は下記(1)式および(2)式を満たす、請求項1に記載のはんだ合金。
2.0≦Ag×Cu×Ni/P≦25 (1)式
0.500≦Sn×P≦0.778 (2)式
上記(1)式および(2)式中、Ag、Cu、Ni、P、およびSnは、各々前記合金組成の含有量(質量%)である。 - 請求項1または2に記載のはんだ合金からなるはんだボール。
- 請求項1または2に記載のはんだ合金を有するはんだ継手。
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