JP2023051074A - はんだ合金、はんだボール、はんだプリフォーム、はんだペースト及びはんだ継手 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)質量%で、Ag:1.0~3.7%、Cu:0.4~0.8%、Sb:0.50~2.90%、In:5.00~10.00%、Ni:0.01~0.06%、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。
132≦(In/Sb)×(Sn/Ag)≦450 (1)
251≦In/(Cu×Sb×Ni)≦699 (2)
上記(1)式および(2)式中、In、Sb、Sn、Ag、Cu、およびNiは、合金組成の含有量(質量%)を表す。
(1) Ag:1.0~3.7%
Agは、βSnがγSnに相変態する温度を下げることにより、昇温時にひずみエネルギーを速やかに緩和し、はんだ継手の破断を抑制することができる。また、Ag3Snのネットワークを形成し、はんだ合金自体の強度を向上させることができる。Ag含有量が1.0%未満であると、βSnからγSnへの相変態温度が下がらずに相変態が発生せず、はんだ継手の破断を抑制することができない。また、微細なAg3Snのネットワークが形成されずに強度が低下する。Ag含有量の下限は1.0%以上であり、好ましくは1.5%以上であり、より好ましくは2.0%以上である。一方、Ag含有量が3.7%を超えると粗大なAg3Snの初晶が晶出してしまい、強度が劣化する。Ag含有量の上限は3.7%以下であり、好ましくは3.0%以下であり、より好ましくは2.3%以下である。
Cuは、液相線温度を抑えることにより溶融はんだの濡れ性を向上させることができる。Cu含有量が0.4%未満であるか又は0.8%を超える場合には、液相線温度が上昇してしまい、接合温度での流動性が低下することにより濡れ性が劣化する。また、Cu含有量が0.8%を超えるとSnとの化合物が析出し、接合界面に形成された金属間化合物が硬くなる。Cu含有量の下限は0.4%以上であり、好ましくは0.5%以上である。Cu含有量の上限は0.8%以下であり、好ましくは0.7%以下であり、より好ましくは0.6%以下である。
Sbは、Inを所定量含有するはんだ合金に添加されると、微細なInSb化合物を晶出させ、はんだ合金自体の強度を向上させることができる。また、Sbは、室温を含む使用温度域においてSnに対する固溶限が変化するため、温度変化によりSnへのSbの固溶と析出が繰り返される。また、Sbは、高温域では過飽和固溶体を形成するため、はんだ合金が固溶強化によりバルク強度が向上する。これに伴い液相線温度が低下するために濡れ性が向上する。
Inは、温度変化により変態点に達すると、徐々にβSnをγSnに相変態させることにより、これによりひずみエネルギーを緩和し、はんだ継手の破断を抑制することができる。従来では冷熱サイクル時の体積変化が大きい場合にはんだ継手が破断しやすいと考えられていたが、敢えて、本発明では体積変化が大きくなるように合金組成が調製されているため、従来のはんだ合金よりもはんだ継手の破損を抑制することができる。In含有量が5.0%未満であるとSn相の固相変態が生じない。In含有量の下限は5.0%以上であり、好ましくは6.00%以上であり、より好ましくは7.50%以上である。一方、In含有量が10.00%を超えると液相線温度が下がりすぎ、また、Sn相の固相変態が生じない。In含有量の上限は10.00%以下であり、好ましくは9.00%以下である。
Niは、はんだ付け後にSnへのCuの拡散を阻害し、接合界面に析出する金属間化合物の成長を抑制し、また、接合界面に析出する金属化合物の粗大化を抑制することにより、接合界面の強化を図ることができる。Ni含有量が0.01%未満であると接合界面の強化を図ることができない。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%以上である。一方、Ni含有量が0.06%を超えると液相線温度の上昇により濡れ性が低下する。Ni含有量の上限は0.06%以下であり、好ましくは0.05%以下であり、より好ましくは0.04%以下である。
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。
Coは、金属間化合物の成長を抑制し、合金組織を微細にする効果がある任意元素である。Co含有量の上限は、好ましくは0.100%以下であり、より好ましくは0.050%以下であり、さらに好ましくは0.010%以下である。Co含有量の下限は特に限定されないが、合金組織の微細化が図られる観点から、0.001%以上であればよい。
Biは、Sn相に固溶し、はんだ合金の強度を向上させることができる任意元素である。また、適量が添加されるとはんだ合金が脆化せず、高い強度を維持することがある。Bi含有量の上限は、好ましくは5.0%以下であり、より好ましくは1.0%以下であり、さらに好ましくは0.3%以下である。Bi含有量の下限は特に限定されないが、固溶強化が十分に図られる観点から、0.1%以上であればよい。
本発明に係るはんだ合金は、上記の他に、Zr,Fe、Ge、Ga、P、As、Pb、Zn、Mg、Cr、Ti、Mn、Mo、Pt、Pd、Au、Al、およびSiの少なくとも1種を合計で0.1%以下の量で含有してもよい。これらの元素が0.1%以下含有しても、粗大な化合物が析出することがなく、本発明の上記効果を発揮することができる。これらの元素の含有量の合計は、好ましくは0.1%以下であり、より好ましくは0.09%以下であり、さらに好ましくは0.05%以下である。各々の元素の含有量については特に限定されるものではないが、好ましくは0.0003~0.02%である。
132≦(In/Sb)×(Sn/Ag)≦450 (1)
251≦In/(Cu×Sb×Ni)≦699 (2)
上記(1)式および(2)式中、In、Sb、Sn、Ag、Cu、およびNiは、合金組成の含有量(質量%)を表す。
本発明に係るはんだ合金は(1)式および(2)式を満たすことが好ましい。両式を満たすとはんだ合金自体の強度が向上するとともに、液相線温度の適正化により濡れ性の向上を図ることができる。
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プリフォームの形状は、特に限定されるものではなく、板状、リング形状、円筒形状、リボン形状、スクエア形状、ディスク形状、ワッシャ形状、チップ形状、ワイヤ形状などの形態で使用することができる。はんだプリフォームは、融点がはんだ合金よりも高く、溶融はんだに濡れやすい高融点金属粒(たとえばNi粒やCu粒及び、NiやCuを主成分とする合金粉)を内部に含有してもよい。
本発明に係るはんだ合金は、はんだペーストとして使用することができる。はんだペーストは、はんだ合金粉末を少量のフラックスと混合してペースト状にしたものである。本発明に係るはんだ合金は、リフローはんだ付け法によるプリント基板への電子部品の実装に、はんだペーストとして利用してもよい。はんだペーストに用いるフラックスは、水溶性フラックスと非水溶性フラックスのいずれでもよい。典型的にはロジンベースの非水溶性フラックスであるロジン系フラックスが用いられる。
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基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。
表1の各はんだ合金を作製し、はんだ合金の液相線温度を測定した。液相線温度は、JIS Z 3198-1の固相線温度の測定方法と同様のDSCによる方法で実施した。液相線温度が200~215℃の場合には「〇」と評価し、215℃を超える場合には「×」と評価し、200℃を下回る場合にも「×」とした。
所定の金型に表1に示す合金組成からなるはんだ合金を鋳込み、得られたはんだ合金を樹脂でモールドして研磨し、はんだ合金が半分程度研磨された箇所をFE-SEMにて1000倍の倍率で撮影した。断面観察及びEDSによるマッピング組成分析によりAg3Snの緻密性およびInSbの微細化を評価した。マッピング組成分析により各々の化合物を同定し、目視にて最大の結晶粒を選択した。その結晶粒について、間隔が最大となるように平行な2本の接線を引き、その間隔を最大結晶粒径とした。Ag3Snの最大結晶粒径が5μm以上10μm以下である場合には「◎」とし、10μm超え15μm以下である場合には「〇」とし、5μm未満である場合および15μmを超える場合には「×」とした。また、InSbの最大結晶粒径が1.8μm以下である場合には「◎」とし、1.8μm超え7μm以下である場合には「〇」とし、7μmを超える場合には「×」とした。
表1に示す各はんだ合金から、φ0.6mmのはんだボールを調製した。このはんだボールを恒温槽を用いて、-40℃⇔125℃条件のヒートサイクル環境に200サイクル曝し、Sn相の固相変態が発生する環境下で評価を実施した。その後、恒温槽から取り出したはんだボールの真球度を評価した。真球度は、CNC画像測定システムで測定した。装置は、ミツトヨ社製のウルトラクイックビジョン、ULTRA QV350-PROである。真球度が0.95未満であれば「◎」と評価し、真球度が0.95以上0.99未満であれば「〇」と評価し、真球度が0.99以上であれば「×」と評価した。
表1に示す各はんだ合金から、φ0.6mmのはんだボールを調製したはんだボールをCuパット上に搭載した後、245℃でリフローを行い、はんだバンプを作製した。はんだバンプとCuパットの接合界面の断面を撮影した断面SEM写真から、金属間化合物(IMC)の厚みを測定することにより接合界面の均一微細化を評価した。接合界面が均一で微細になっている場合には金属間化合物層が薄くなることから、評価5では、均一微細化の評価を金属間化合物の厚みで評価した。断面SEM写真を画像解析ソフト(西華産業株式会社製:Scandium)により解析し、金属間化合物層の厚みを計測した。金属間化合物の厚みが1.5μm以下であれば「◎」、1.5μm超え2.5μm以下であれば「〇」、2.5μm超えであれば「×」と評価した。
評価結果を表1~3に示す。
表1~3から明らかなように、実施例1~44は構成元素がいずれも適正であるため、液相線温度が所定の範囲内の温度を示した。また、Ag3Snが緻密でInSbが微細であり、βSnからγSnへの固相変態が確認され、接合界面の組織が均一で微細になっていた。特に、(1)式および(2)式を満たす実施例3~8、14、15、および18~44は、すべての評価で優れた結果を示すことが確認された。
比較例2および3は、Ag含有量が適正ではないため、バルク強度が向上する程度にAg3Snが緻密にならなかった。
比較例7および8は、Sb含有量が適正ではないため、バルク強度が向上する程度にInSbが微細にならなかった。
比較例12および13は、Ni含有量が少ないために接合界面の均一微細化を確認することができなかった。また、比較例12はSbを含有しないため、InSb化合物が析出されなかった。
比較例14は、Ni含有量が多いために優れた濡れ性を示す液相線温度にはならなかった。
Claims (9)
- 質量%で、Ag:1.0~3.7%、Cu:0.4~0.8%、Sb:0.50~2.90%、In:5.00~10.00%、Ni:0.01~0.06%、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。
- 更に、質量%で、Co:0.100%以下を含有する、請求項1に記載のはんだ合金。
- 更に、質量%で、Bi:5.0%以下を含有する、請求項1または2に記載のはんだ合金。
- 更に、質量%で、Zr,Fe、Ge、Ga、P、As、Pb、Zn、Mg、Cr、Ti、Mn、Mo、Pt、Pd、Au、Al、およびSiの少なくとも1種を合計で0.1%以下を含有する、請求項1~3のいずれか1項に記載のはんだ合金。
- 前記合金組成は、下記(1)式および(2)式を満たす、請求項1~4のいずれか1項に記載のはんだ合金。
132≦(In/Sb)×(Sn/Ag)≦450 (1)
251≦In/(Cu×Sb×Ni)≦699 (2)
上記(1)式および(2)式中、In、Sb、Sn、Ag、Cu、およびNiは、前記合金組成の含有量(質量%)を表す。 - 請求項1~5のいずれか1項に記載のはんだ合金からなるはんだボール。
- 請求項1~5のいずれか1項に記載のはんだ合金からなるはんだプリフォーム。
- 請求項1~5のいずれか1項に記載のはんだ合金からなるはんだ粉末を有するはんだペースト。
- 請求項1~5のいずれか1項に記載のはんだ合金を有するはんだ継手。
Priority Applications (6)
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