JP3596445B2 - 半田接合方法ならびに実装構造 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉛フリー半田ペーストを用いた半田接合方法ならびに実装構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子や回路基板などの電子部品を相互に接合する方法として、半田付けが広く用いられている。近年鉛による環境汚染防止の観点から、従来用いられていたスズ・鉛系の半田に替えて、鉛を成分として含まない鉛フリー型の半田が用いられるようになっている。この鉛フリー型の半田として、鉛の替わりに亜鉛を用いた錫・亜鉛系の半田が知られている。この錫・亜鉛系の半田は、従来の錫・鉛系の半田と同様に融点が低いことから、基板や電子部品の焼損を招くことなく半田接合が行えるという長所を有している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この錫・亜鉛系の半田を電子部品の電極材料として最も一般的に用いられている銅電極を接合対象として用いた場合には、以下に説明するような不具合が生じていた。この半田の成分である亜鉛は、銅との間で拡散性の金属化合物（以下、「Ｃｕ／Ｚｎ層」と略記する。）を生成する性質を有しており、この錫・亜鉛系の半田を用いて銅電極を接合すると、半田と銅電極との接合界面には、Ｃｕ／Ｚｎ層が生成する。
【０００４】
そしてこのＣｕ／Ｚｎ層が時間の経過とともに成長すると接合界面には微小なボイドが発生し、このボイドによって接合強度が低下して接合後の信頼性を低下させることとなっていた。このように従来の亜鉛を含む鉛フリー半田ペーストには、銅電極の半田接合において接合強度が確保されないという問題点があった。
【０００５】
そこで本発明は、銅電極の半田接合において強度低下を生じることがなく、接合後の信頼性を確保することができる半田接合方法ならびに実装構造を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の半田接合方法は、銅電極と他の電極を半田により接合する半田接合方法であって、少なくとも錫／亜鉛（Ｓｎ／Ｚｎ）を含む半田粒子と銅（Ｃｕ）をベースとする金属粒子とを、フラックスに混合することによりペースト状にした鉛フリー半田ペーストを用い、接合部の半田の内部において前記金属粒子の周辺に銅（Ｃｕ）と亜鉛（Ｚｎ）の拡散性金属化合物層を形成させることにより、前記銅電極と半田の接合界面における銅（Ｃｕ）と亜鉛（Ｚｎ）の拡散性金属化合物層の形成を抑制するようにした。
【０００８】
請求項２記載の実装構造は、銅電極と他の電極を半田により接合して成る実装構造であって、前記銅電極の半田接合において、少なくとも錫／亜鉛（Ｓｎ／Ｚｎ）を含む半田粒子と銅（Ｃｕ）をベースとする金属粒子とを、フラックスに混合することによりペースト状にした鉛フリー半田ペーストを用い、接合部の半田の内部において前記金属粒子の周辺に銅（Ｃｕ）と亜鉛（Ｚｎ）の拡散性金属化合物層を形成させることにより、前記銅電極と半田の接合界面における銅（Ｃｕ）と亜鉛（Ｚｎ）の拡散性金属化合物層の形成が抑制されている。
【０００９】
各請求項記載の発明によれば、少なくとも錫／亜鉛（Ｓｎ／Ｚｎ）を含む半田粒子と銅（Ｃｕ）をベースとする金属粒子とを、フラックスに混合することによりペースト状にした鉛フリー半田ペーストを用い、接合部の半田の内部において金属粒子の周辺に銅（Ｃｕ）と亜鉛（Ｚｎ）の拡散性金属化合物層を形成させることにより、銅電極と半田の接合界面における銅（Ｃｕ）と亜鉛（Ｚｎ）の拡散性金属化合物層の形成を抑制することができ、銅電極の半田接合において強度低下を防止して接合後の信頼性を確保することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施の形態の電子部品の実装方法の工程説明図、図２は本発明の一実施の形態の鉛フリー半田ペーストの構成を示す模式図、図３は本発明の一実施の形態の電子部品の実装構造における半田接合部の部分断面図である。
【００１１】
まず電子部品の実装方法について説明する。図１（ａ）において、基板１の上面には銅端子２が形成されている。銅端子２の上面には鉛フリー半田ペースト３が塗布されている。銅端子２には、電子部品４に形成された銅バンプ５が鉛フリー半田ペースト３によって半田接合され、これにより電子部品４は基板１に実装される。本発明の半田接合の対象となる銅端子２や銅バンプ４は純銅以外に、銅メッキで形成されたものや、銅合金で作られたものでもよい。本発明ではこれらを総称して銅電極と呼ぶ。
【００１２】
ここで、鉛フリー半田ペースト３について説明する。鉛フリー半田ペースト３は鉛成分をほとんど含まない半田ペーストであって、図２の模式図に示すように少なくとも錫／亜鉛（Ｓｎ／Ｚｎ）を含む半田粒子６と銅（Ｃｕ）をベースとする金属粒子７とをフラックス８に混合することによりペースト状にしたものである。この錫・亜鉛系の半田ペーストは、従来の錫・鉛系の半田と同様に融点が低いことから、基板１や電子部品４の焼損を招くことなく半田接合が行えるという長所を有している。ここに示す例では、銅（Ｃｕ）をベースとする金属粒子７を、重量比で３〜３０％の範囲で含有させている。
【００１３】
ここで用いられるＳｎ／Ｚｎの半田粒子６は、Ｓｎ／Ｚｎの共晶（Ｓｎ／９％Ｚｎ）組成近傍のものであり、これにビスマス（Ｂｉ）などの添加元素を含むものであってもよい。また、混合する金属粒子７としては、上記銅（Ｃｕ）をベースとするもの以外にも、亜鉛（Ｚｎ）との相互拡散作用が銅と同等もしくはそれ以上のものであれば銅（Ｃｕ）に替えて用いることができる。
【００１４】
このような鉛フリー半田ペースト３が塗布された銅端子２に対して、図１（ｂ）に示すように銅バンプ５を有する電子部品４が搭載される。搭載後の基板１はリフロー工程に送られ、ここで半田融点以上の温度に加熱することにより、鉛フリー半田ペースト３中の半田粒子６が溶融する。これにより、図１（ｃ）に示すように電子部品４の銅バンプ５は溶融半田３’によって銅端子２に半田接合され、電子部品４は基板１に実装される。
【００１５】
ここで、図３を参照して銅バンプ５と銅端子２との半田接合構造、すなわち銅バンプ５を介した電子部品４の実装構造について説明する。リフロー工程において加熱温度が約２００度に到達すると、半田ペースト中のＳｎ／Ｚｎの半田粒子６が溶融を開始する。これにより、拡散性金属化合物層（Ｃｕ／Ｚｎ層）を形成するべくＣｕとＺｎが優先的に相互拡散する。すなわち、図３（ａ）に示すように、半田粒子６が溶融したＺｎは銅バンプ５との接合界面や鉛フリー半田ペースト３中のＣｕ粒子（金属粒子）７の周囲に移動する傾向にある（矢印参照）。
【００１６】
このとき、鉛フリー半田ペースト３中には多数のＣｕ粒子７が散在していることから、鉛フリー半田ペースト３中のＺｎ粒子の相当部分はこれらのＣｕ粒子７とＣｕ／Ｚｎ層９ａを形成する。したがって、銅バンプ５や銅端子２と溶融半田３’が固化した後の接合界面においては、半田ペースト中にＣｕ粒子が存在しない従来の半田ペーストと比較して、Ｃｕ／Ｚｎ層９ｂの形成が大幅に抑制される。
【００１７】
すなわち、半田接合後の銅端子２の実装構造においては、銅バンプ５や銅端子２と溶融半田３’との接合界面には、脆い特性を有するＣｕ／Ｚｎ層９ｂはごく薄い層でのみ存在する。このため従来の錫・亜鉛系の半田を銅電極に対して用いた場合に発生していたＣｕ／Ｚｎ層の成長による接合界面の強度低下を生じることがない。また接合部の溶融半田３’中においてＣｕ粒子７の周囲のＣｕ／Ｚｎ層９ａにボイドが発生した場合においても、このボイドは接合界面において発生するボイドのように連続して進展することがないため、接合部全体の強度を低下させることがなく、したがって接合強度の信頼性が確保される。
【００１８】
なお、上記実施の形態においては基板１に形成された銅端子２に電子部品４の銅バンプ５を半田接合する例を示しているが、これらの銅端子２や銅バンプ５は予め金や錫などによってメッキされたものであってもよい。これらのメッキ被膜は半田接合過程において半田中に溶解し、メッキ被膜がない銅端子２と同様の結果を示す。また本発明では２つの銅電極（銅端子２，銅バンプ５）の半田付けを例に説明したが、半田付けされる電極のうち少なくとも１つが銅電極である場合にも本発明は有効である。さらに銅電極としては端子やバンプの例以外に、線状のリードでもよい。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によれば、少なくとも錫／亜鉛（Ｓｎ／Ｚｎ）を含む半田粒子と銅（Ｃｕ）をベースとする金属粒子とを、フラックスに混合することによりペースト状にした鉛フリー半田ペーストを用い、接合部の半田の内部において金属粒子の周辺に銅（Ｃｕ）と亜鉛（Ｚｎ）の拡散性金属化合物層を形成させるようにしたので、銅電極と半田の接合界面における銅（Ｃｕ）と亜鉛（Ｚｎ）の拡散性金属化合物層の形成を抑制することができ、銅電極の半田接合において強度低下を防止して接合後の信頼性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の電子部品の実装方法の工程説明図
【図２】本発明の一実施の形態の鉛フリー半田ペーストの構成を示す模式図
【図３】本発明の一実施の形態の電子部品の実装構造における半田接合部の部分断面図
【符号の説明】
１ 基板
２ 銅端子
３ 鉛フリー半田ペースト
４ 電子部品
５ 銅バンプ
７ Ｃｕ粒子（金属粒子）
８ フラックス
９ａ、９ｂ Ｃｕ／Ｚｎ層
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉛フリー半田ペーストを用いた半田接合方法ならびに実装構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子や回路基板などの電子部品を相互に接合する方法として、半田付けが広く用いられている。近年鉛による環境汚染防止の観点から、従来用いられていたスズ・鉛系の半田に替えて、鉛を成分として含まない鉛フリー型の半田が用いられるようになっている。この鉛フリー型の半田として、鉛の替わりに亜鉛を用いた錫・亜鉛系の半田が知られている。この錫・亜鉛系の半田は、従来の錫・鉛系の半田と同様に融点が低いことから、基板や電子部品の焼損を招くことなく半田接合が行えるという長所を有している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この錫・亜鉛系の半田を電子部品の電極材料として最も一般的に用いられている銅電極を接合対象として用いた場合には、以下に説明するような不具合が生じていた。この半田の成分である亜鉛は、銅との間で拡散性の金属化合物（以下、「Ｃｕ／Ｚｎ層」と略記する。）を生成する性質を有しており、この錫・亜鉛系の半田を用いて銅電極を接合すると、半田と銅電極との接合界面には、Ｃｕ／Ｚｎ層が生成する。
【０００４】
そしてこのＣｕ／Ｚｎ層が時間の経過とともに成長すると接合界面には微小なボイドが発生し、このボイドによって接合強度が低下して接合後の信頼性を低下させることとなっていた。このように従来の亜鉛を含む鉛フリー半田ペーストには、銅電極の半田接合において接合強度が確保されないという問題点があった。
【０００５】
そこで本発明は、銅電極の半田接合において強度低下を生じることがなく、接合後の信頼性を確保することができる半田接合方法ならびに実装構造を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の半田接合方法は、銅電極と他の電極を半田により接合する半田接合方法であって、少なくとも錫／亜鉛（Ｓｎ／Ｚｎ）を含む半田粒子と銅（Ｃｕ）をベースとする金属粒子とを、フラックスに混合することによりペースト状にした鉛フリー半田ペーストを用い、接合部の半田の内部において前記金属粒子の周辺に銅（Ｃｕ）と亜鉛（Ｚｎ）の拡散性金属化合物層を形成させることにより、前記銅電極と半田の接合界面における銅（Ｃｕ）と亜鉛（Ｚｎ）の拡散性金属化合物層の形成を抑制するようにした。
【０００８】
請求項２記載の実装構造は、銅電極と他の電極を半田により接合して成る実装構造であって、前記銅電極の半田接合において、少なくとも錫／亜鉛（Ｓｎ／Ｚｎ）を含む半田粒子と銅（Ｃｕ）をベースとする金属粒子とを、フラックスに混合することによりペースト状にした鉛フリー半田ペーストを用い、接合部の半田の内部において前記金属粒子の周辺に銅（Ｃｕ）と亜鉛（Ｚｎ）の拡散性金属化合物層を形成させることにより、前記銅電極と半田の接合界面における銅（Ｃｕ）と亜鉛（Ｚｎ）の拡散性金属化合物層の形成が抑制されている。
【０００９】
各請求項記載の発明によれば、少なくとも錫／亜鉛（Ｓｎ／Ｚｎ）を含む半田粒子と銅（Ｃｕ）をベースとする金属粒子とを、フラックスに混合することによりペースト状にした鉛フリー半田ペーストを用い、接合部の半田の内部において金属粒子の周辺に銅（Ｃｕ）と亜鉛（Ｚｎ）の拡散性金属化合物層を形成させることにより、銅電極と半田の接合界面における銅（Ｃｕ）と亜鉛（Ｚｎ）の拡散性金属化合物層の形成を抑制することができ、銅電極の半田接合において強度低下を防止して接合後の信頼性を確保することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施の形態の電子部品の実装方法の工程説明図、図２は本発明の一実施の形態の鉛フリー半田ペーストの構成を示す模式図、図３は本発明の一実施の形態の電子部品の実装構造における半田接合部の部分断面図である。
【００１１】
まず電子部品の実装方法について説明する。図１（ａ）において、基板１の上面には銅端子２が形成されている。銅端子２の上面には鉛フリー半田ペースト３が塗布されている。銅端子２には、電子部品４に形成された銅バンプ５が鉛フリー半田ペースト３によって半田接合され、これにより電子部品４は基板１に実装される。本発明の半田接合の対象となる銅端子２や銅バンプ４は純銅以外に、銅メッキで形成されたものや、銅合金で作られたものでもよい。本発明ではこれらを総称して銅電極と呼ぶ。
【００１２】
ここで、鉛フリー半田ペースト３について説明する。鉛フリー半田ペースト３は鉛成分をほとんど含まない半田ペーストであって、図２の模式図に示すように少なくとも錫／亜鉛（Ｓｎ／Ｚｎ）を含む半田粒子６と銅（Ｃｕ）をベースとする金属粒子７とをフラックス８に混合することによりペースト状にしたものである。この錫・亜鉛系の半田ペーストは、従来の錫・鉛系の半田と同様に融点が低いことから、基板１や電子部品４の焼損を招くことなく半田接合が行えるという長所を有している。ここに示す例では、銅（Ｃｕ）をベースとする金属粒子７を、重量比で３〜３０％の範囲で含有させている。
【００１３】
ここで用いられるＳｎ／Ｚｎの半田粒子６は、Ｓｎ／Ｚｎの共晶（Ｓｎ／９％Ｚｎ）組成近傍のものであり、これにビスマス（Ｂｉ）などの添加元素を含むものであってもよい。また、混合する金属粒子７としては、上記銅（Ｃｕ）をベースとするもの以外にも、亜鉛（Ｚｎ）との相互拡散作用が銅と同等もしくはそれ以上のものであれば銅（Ｃｕ）に替えて用いることができる。
【００１４】
このような鉛フリー半田ペースト３が塗布された銅端子２に対して、図１（ｂ）に示すように銅バンプ５を有する電子部品４が搭載される。搭載後の基板１はリフロー工程に送られ、ここで半田融点以上の温度に加熱することにより、鉛フリー半田ペースト３中の半田粒子６が溶融する。これにより、図１（ｃ）に示すように電子部品４の銅バンプ５は溶融半田３’によって銅端子２に半田接合され、電子部品４は基板１に実装される。
【００１５】
ここで、図３を参照して銅バンプ５と銅端子２との半田接合構造、すなわち銅バンプ５を介した電子部品４の実装構造について説明する。リフロー工程において加熱温度が約２００度に到達すると、半田ペースト中のＳｎ／Ｚｎの半田粒子６が溶融を開始する。これにより、拡散性金属化合物層（Ｃｕ／Ｚｎ層）を形成するべくＣｕとＺｎが優先的に相互拡散する。すなわち、図３（ａ）に示すように、半田粒子６が溶融したＺｎは銅バンプ５との接合界面や鉛フリー半田ペースト３中のＣｕ粒子（金属粒子）７の周囲に移動する傾向にある（矢印参照）。
【００１６】
このとき、鉛フリー半田ペースト３中には多数のＣｕ粒子７が散在していることから、鉛フリー半田ペースト３中のＺｎ粒子の相当部分はこれらのＣｕ粒子７とＣｕ／Ｚｎ層９ａを形成する。したがって、銅バンプ５や銅端子２と溶融半田３’が固化した後の接合界面においては、半田ペースト中にＣｕ粒子が存在しない従来の半田ペーストと比較して、Ｃｕ／Ｚｎ層９ｂの形成が大幅に抑制される。
【００１７】
すなわち、半田接合後の銅端子２の実装構造においては、銅バンプ５や銅端子２と溶融半田３’との接合界面には、脆い特性を有するＣｕ／Ｚｎ層９ｂはごく薄い層でのみ存在する。このため従来の錫・亜鉛系の半田を銅電極に対して用いた場合に発生していたＣｕ／Ｚｎ層の成長による接合界面の強度低下を生じることがない。また接合部の溶融半田３’中においてＣｕ粒子７の周囲のＣｕ／Ｚｎ層９ａにボイドが発生した場合においても、このボイドは接合界面において発生するボイドのように連続して進展することがないため、接合部全体の強度を低下させることがなく、したがって接合強度の信頼性が確保される。
【００１８】
なお、上記実施の形態においては基板１に形成された銅端子２に電子部品４の銅バンプ５を半田接合する例を示しているが、これらの銅端子２や銅バンプ５は予め金や錫などによってメッキされたものであってもよい。これらのメッキ被膜は半田接合過程において半田中に溶解し、メッキ被膜がない銅端子２と同様の結果を示す。また本発明では２つの銅電極（銅端子２，銅バンプ５）の半田付けを例に説明したが、半田付けされる電極のうち少なくとも１つが銅電極である場合にも本発明は有効である。さらに銅電極としては端子やバンプの例以外に、線状のリードでもよい。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によれば、少なくとも錫／亜鉛（Ｓｎ／Ｚｎ）を含む半田粒子と銅（Ｃｕ）をベースとする金属粒子とを、フラックスに混合することによりペースト状にした鉛フリー半田ペーストを用い、接合部の半田の内部において金属粒子の周辺に銅（Ｃｕ）と亜鉛（Ｚｎ）の拡散性金属化合物層を形成させるようにしたので、銅電極と半田の接合界面における銅（Ｃｕ）と亜鉛（Ｚｎ）の拡散性金属化合物層の形成を抑制することができ、銅電極の半田接合において強度低下を防止して接合後の信頼性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の電子部品の実装方法の工程説明図
【図２】本発明の一実施の形態の鉛フリー半田ペーストの構成を示す模式図
【図３】本発明の一実施の形態の電子部品の実装構造における半田接合部の部分断面図
【符号の説明】
１ 基板
２ 銅端子
３ 鉛フリー半田ペースト
４ 電子部品
５ 銅バンプ
７ Ｃｕ粒子（金属粒子）
８ フラックス
９ａ、９ｂ Ｃｕ／Ｚｎ層
Claims (2)
- 銅電極と他の電極を半田により接合する半田接合方法であって、少なくとも錫／亜鉛（Ｓｎ／Ｚｎ）を含む半田粒子と銅（Ｃｕ）をベースとする金属粒子とを、フラックスに混合することによりペースト状にした鉛フリー半田ペーストを用い、接合部の半田の内部において前記金属粒子の周辺に銅（Ｃｕ）と亜鉛（Ｚｎ）の拡散性金属化合物層を形成させることにより、前記銅電極と半田の接合界面における銅（Ｃｕ）と亜鉛（Ｚｎ）の拡散性金属化合物層の形成を抑制することを特徴とする半田接合方法。
- 銅電極と他の電極を半田により接合して成る実装構造であって、前記銅電極の半田接合において、少なくとも錫／亜鉛（Ｓｎ／Ｚｎ）を含む半田粒子と銅（Ｃｕ）をベースとする金属粒子とを、フラックスに混合することによりペースト状にした鉛フリー半田ペーストを用い、接合部の半田の内部において前記金属粒子の周辺に銅（Ｃｕ）と亜鉛（Ｚｎ）の拡散性金属化合物層を形成させることにより、前記銅電極と半田の接合界面における銅（Ｃｕ）と亜鉛（Ｚｎ）の拡散性金属化合物層の形成が抑制されていることを特徴とする実装構造。
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|---|---|---|---|
| JP2000256923A JP3596445B2 (ja) | 2000-08-28 | 2000-08-28 | 半田接合方法ならびに実装構造 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000256923A JP3596445B2 (ja) | 2000-08-28 | 2000-08-28 | 半田接合方法ならびに実装構造 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002176867A Division JP4071049B2 (ja) | 2002-06-18 | 2002-06-18 | 鉛フリー半田ペースト |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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| JP3596445B2 true JP3596445B2 (ja) | 2004-12-02 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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| JP2006272397A (ja) * | 2005-03-29 | 2006-10-12 | Toyota Motor Corp | クリームはんだ |
| JP2007275959A (ja) * | 2006-04-10 | 2007-10-25 | Seiko Epson Corp | 鉛フリーはんだペースト及び実装構造 |
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2000
- 2000-08-28 JP JP2000256923A patent/JP3596445B2/ja not_active Expired - Lifetime
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