JP4023725B2

JP4023725B2 - はんだ合金およびはんだボール

Info

Publication number: JP4023725B2
Application number: JP2002144566A
Authority: JP
Inventors: 正芳伊達; 辰也庄司; 光司佐藤
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2002-05-20
Filing date: 2002-05-20
Publication date: 2007-12-19
Anticipated expiration: 2022-05-20
Also published as: JP2003334688A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エレクトロニクス部品の接続に用いられるはんだ合金およびはんだボールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境汚染の問題から、エレクトロニクス部品を接続するためのはんだ合金として、鉛フリーはんだが用いられるようになっており、種々の合金が提案されている。具体的には例えば、特許第3027441号、US4,778,733号、US4,879,096号、更にUS5,520,752号等が挙げられ、これらははんだの濡れ性や、現状のSn-Pb共晶はんだ合金に近い融点であること等の要求特性を満たす代替はんだ合金として有望視されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した特許第3027441号やUS4,778,733号、US4,879,096号、更にUS5,520,752号等に開示される合金は、上記のはんだ濡れ性や融点の面では十分な信頼性が得られている。しかし、これらの合金の延性は、従来のSn-Pb共晶はんだ合金よりも低い。このためはんだ接合体に外力が作用した際、はんだが外力を吸収しづらく、結果としてはんだ接合界面により多くの外力が負荷される。また、エレクトロニクス部品は長期に渡って使用されるため、初期の接合強度を維持することが望ましいが、使用時の発熱によりはんだ接合部が劣化し、接合界面で剥離しやすくなることが多く報告されている。
【０００４】
本発明者は、上述した合金からなるはんだ合金によりICパッケージとプリント基板の両電極を接合し、この接合体を用いて剥離試験を行った。その結果、はんだ付け直後の段階では比較的良好な接合強度を有し、はんだ内部で破壊していたのに対し、はんだ付けした後長時間放置したものでは、はんだと電極の接合界面で剥離する、いわゆる界面破壊による不良がかなりの頻度で発生することが明らかになった。さらに界面破壊により剥離した接合体の破面を調査したところ、厚く成長した金属間化合物とはんだ合金または電極との界面や、金属間化合物そのものの破壊によることがわかった。さらに言えば、はんだ付けした後長時間放置した際に生じる界面破壊は、厚く成長した金属間化合物に起因することが分かった。
本発明の目的は、はんだ合金とICパッケージやプリント基板の電極との境界に形成される金属間化合物の成長挙動を正しく制御することにより、接合強度に関わる界面破壊の問題が解決できる鉛フリーはんだ合金およびはんだボールを提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、鉛フリーはんだの界面反応に関わる問題を検討し、濡れ性の確保に必要な厚さの金属間化合物は形成するが、一度形成した金属間化合物の成長が従来の鉛フリーはんだ合金に比べて遅くなるようなはんだ合金の組成を鋭意検討した。その結果、Sn-Ag-Cu系はんだ合金において、はんだ合金原料やはんだ合金製造工程、さらにははんだボール製造工程で混入する酸素量を厳密に制御することにより、目的にかなう界面反応の制御が可能となることを見出した。さらに、このはんだ合金は、界面破壊によって引き起こされる接合強度低下の問題を大きく改善できることを見出し、本発明に到達した。
【０００６】
すなわち本発明は、質量％で5.0%以下のAg、1.0%以下のCu、25〜50ppmの酸素を含み、残部Sn と不可避元素からなるはんだ合金である。
加えて本発明は、上記のはんだ合金が球状に凝固されてなるはんだボールである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明における各種元素の作用に関して述べる。
Ag、Cuは、母材となるSnの融点低下と濡れ性改善に効果を及ぼす元素であり、Ag、Cuをそれぞれ5.0%以下、1.0%以下の範囲で添加する。
しかし、AgとCuの場合、それぞれ5.0%及び1.0%を超えて添加しても、これ以上はんだ合金の融点低下が望めず、逆にSnとこれらの元素で構成される初晶金属間化合物の生成量をいたずらに増やして合金の延性低下を招く。
よってAg、Cuはそれぞれ5.0%以下、1.0%以下とした。
【０００８】
酸素は、その含有量が本発明において最も特徴を有する元素である。以下にSn-Ag-Cu系はんだ合金において酸素含有量を規定する理由を述べる。
従来電子部品の接合等に広く用いられているSn-Pb共晶はんだ合金の融点は183℃であるが、はんだと電極との反応を促進させて十分な接合強度を得るために、はんだ付けは230℃程度まで加熱して行う。一方、鉛フリーはんだ合金はSn-Pb共晶はんだ合金と比較して一般に融点が高く、中でもSn-Ag-Cu系はんだ合金は約40℃も高い。しかしながら、Sn-Ag-Cu系はんだ合金を用いる場合であっても、電子部品の耐熱性を考慮し、Sn-Pb共晶はんだ合金と同様の加熱条件ではんだ付けを行うことが必要となることがある。このような場合、Sn-Ag-Cu系はんだ合金でははんだの溶融時間が短くなり、結果としてはんだと電極との間の反応時間が短くなる。はんだ中の酸素ははんだと電極との反応を阻害するため、Sn-Ag-Cu系はんだ合金では特に酸素含有量の低減が重要となる。
【０００９】
前述の知見に加え、本発明者は、酸素の極微量の含有は、接合界面における初期の金属間化合物生成には悪影響を及ぼさず、はんだ付け後の接合界面に形成された金属間化合物層の成長速度を著しく低下させる効果を持つことを明らかにした。実験的検証により、この効果をもたらすために最低限25ppm以上の酸素の含有が必要であるが、50ppmを超える過度の酸素の含有はかえってはんだ合金の濡れ性を劣化させ、その結果接合強度の低下を招くことを明らかにした。
よって、本発明において酸素は25ppm以上、50ppm以下の含有とする。
【００１０】
酸素含有の効果に関して、本発明者は、以下のように考えている。酸素はSnに固溶するが、固溶量が極微量の場合、接合時の金属間化合物の形成に殆ど影響しない。従って、金属間化合物の生成速度は低下することなく、接合界面では適度な厚さの金属間化合物を形成する。一方、この金属間化合物形成反応において固溶度の関係からSnから吐き出された酸素は、金属間化合物表面に濃化するようになる。濃化した酸素は、金属間化合物表面での反応を妨げ、接合強度の低下の原因となる過度の金属間化合物の成長を抑制する。その結果、接合強度の低下を抑制する。特に、本発明におけるSn-Ag-Cu系はんだ合金は、従来のSn-Pb共晶はんだ合金やSn-Zn共晶はんだ合金等と比較してSnの含有量が高く、はんだ中のSnと電極との間に形成される金属間化合物層が成長しやすいため、酸素による金属間化合物層の成長抑制は有効である。
【００１１】
なお、Snは鉛フリーはんだ合金において、十分に低い融点、および安定で延性と靭性に富むマトリックスを形成するために必須の母材である。したがって、上記の添加元素を除き、残部は実質的にSnとする。ここで実質的なSnとは、はんだ合金を構成する元素の原料などから混入する不可避元素を含むSnであることを意味する。
以上述べた、本発明のはんだ合金は、ICパッケージとプリント基板の両電極を接合した際の、界面剥離に対する耐性を高めることにより、優れた接合強度を有するものとなる。
【００１２】
本発明のはんだ合金を製造するには、例えばはんだを構成する元素の原料を４N純度のものとし、原料中に含まれる酸素量を予め測定しておく。次に真空誘導溶解炉で原料を溶解する。この際、Snよりも酸化しやすいAl、Ti、Si等の元素をはんだ溶湯に添加し、溶湯中の酸素とこれらの元素とを反応させて酸化物を形成させる。この酸化物は比重が軽いためにスラグとして溶融はんだの上部に浮遊させ、分離することが可能である。よってこれらの元素の添加量を厳密に制御することにより、はんだ中の酸素量を制御することが可能である。
【００１３】
また、はんだ合金を電子部品の接合に用いる場合、直径が1mmに満たないような微小球である、はんだボールとして用いられることが多い。本発明のはんだボールは、例えば図３、４に一例を示す装置により、非酸化性ガス雰囲気中で凝固して製造することが出来る。図３において均一液滴発生部１２により体積のそろった均一液滴が形成され、チャンバ８を落下する過程で表面張力により球形となった後、凝固し連続回収缶１３上に堆積する。
図４に均一液滴発生部１２を拡大した図を示す。溶湯１は伝達部材５及び加振ロッド６を介して振動子４により振動を付与された状態で、溶湯１にはチャンバ７に対して正の差圧が加えられ、この差圧が溶湯１を流れとしてオリフィス２を通して押出す。振動と、溶湯１の表面張力とにより、溶湯１がオリフィス２から流出するにつれて、溶湯１の流れは連続した滴下溶滴８から、破砕して均一な直径で真球度の高いの独立した溶滴９を形成する。その後、溶滴は、チャンバ内を移動し、ガス中で凝固する。
【００１４】
上述の方法によれば、チャンバ７内の雰囲気を自由に制御することが可能であり、例えばチャンバ内を窒素雰囲気等の非酸化性ガス雰囲気とすることにより、はんだボール製造時におけるはんだ合金中の酸素含有量の変化を低く抑えることが可能である。
【００１５】
【実施例】
純度４NのSn、Ag、Cuを出発原料とし、真空誘導溶解炉を用いて表１に示す各種の合金のインゴットを作製した。溶解の際、Alを添加し、はんだ中の酸素含有量を６〜93ppmの間で変化させた。なお、酸素含有量の測定はガス分析により行った。
【００１６】
【表１】

【００１７】
このインゴットを用いて図３、４の装置により、狙い直径300μmのはんだボールを製造した。なお、はんだボールの製造はチャンバ内を窒素雰囲気として行った。
【００１８】
次に接合強度を測定するための基板として、φ250umのCu電極を17行17列、計289個有するガラス布エポキシ樹脂基板を用意し、Cu電極1個当たりボールを1個ずつ搭載した。
この状態で、窒素雰囲気中、ピーク温度230℃、220℃以上の保持時間を60秒とするリフロー処理により、はんだバンプを形成した。
上記のリフロー処理を行った後、使用中の発熱による金属間化合物の成長を想定し、150℃で100h、500h、1000hの熱処理を行ったものを併せて作製した。それぞれの試料に関して断面ミクロ観察を行い、はんだバンプとCu電極との間に形成される金属間化合物の生成と成長の状況を観察し、接合界面における金属間化合物層の厚さをミクロ組織観察から計測した。また、接合強度ははんだバンプ30個についてツィーザと称される治具によりバンプを掴んで引き上げ、その破壊強度として測定した。さらに破壊後に破面観察を行い、接合界面で破壊する頻度について調査した。
【００１９】
熱処理前後での金属間化合物層の厚さ、接合強度の平均値、界面剥離の確率を表１に併せて示す。また酸素含有量が34ppmのはんだボールを用いた接合界面の接合直後（No.d1）の金属顕微鏡写真を図１に、１０００時間熱処理後（No.d4）の写真を図２に示す。
図１に示すように接合後にはCu₆Sn₅（明るく見える層）、及びCu₃Sn（暗く見える層）の二層を有する金属間化合物層を形成しており、この金属間化合物層は図２に示すように熱処理により成長する。
【００２０】
表１より、酸素含有量が50ppm以上の場合、接合に必要な金属間化合物層が十分に形成されないため接合強度が低く、界面剥離する確率もほぼ100％と高い。酸素含有量が50ppm以下では接合に必要な金属間化合物層が十分に形成されるため熱処理前の接合強度は高く、界面剥離するものが見られない。しかし、酸素含有量が6ppmの場合は、1000hの熱処理後には金属間化合物層の成長量が大きく、界面剥離する確率がほぼ100％となっている。
これに対し、酸素含有量10ppmのものでは金属間化合物層の成長が抑えられており、界面剥離の確率が30％以下となっている。
特に酸素含有量が25〜35ppmでは、設処理前〜500ｈの熱処理まででは界面剥離を生じておらず、金属間化合物層の形成を適切に制御できていることがわかる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば鉛フリーはんだ合金の接合強度低下を飛躍的に抑制することができ、Sn−Pb共晶合金に取って替わる鉛フリーはんだ合金の実用化にとって欠くことのできない技術となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のはんだボールを用いた接合体で、接合直後に接合界面に形成した金属間化合物層の一例（試料No.ｄ１）を示す走査電子顕微鏡写真である。
【図２】本発明のはんだボールを用いた接合体で、１０００時間の熱処理後に接合界面に形成した金属間化合物層の一例（試料No.ｄ４）を示す走査電子顕微鏡写真である。
【図３】本発明のはんだボールを製造する装置の一例を示す断面模式図である。
【図４】本発明のはんだボールを製造する装置の均一液滴発生部一例を示す断面模式図である。
【符号の説明】
１溶湯、２オリフィス、３るつぼ、４振動子、５伝達部材、６加振ロッド、７チャンバー、８連続した溶滴、９独立した溶滴、１０ダミーボール、１１高電圧プレート、１２均一液滴発生部、１３連続回収缶、１４冷却管

Claims

質量％で5.0%以下のAg、1.0%以下のCu、25〜50ppmの酸素を含み、残部Sn と不可避元素からなることを特徴とするはんだ合金。
請求項１に記載のはんだ合金が球状に凝固されてなるはんだボール。