JP5030442B2 - 鉛フリーハンダ合金、ハンダボール及び電子部材 - Google Patents

Description

本発明は、鉛フリーハンダ合金及び該鉛フリーハンダ合金を用いたハンダボール並びに該鉛フリーハンダ合金を用いたハンダバンプを有する電子部材に関するものである。

最近の電子部品の小型化、高密度実装化に伴い、プリント配線基板等に電子部品を実装する際には、ＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）、ＣＳＰ（チップサイズパッケージ）技術が用いられるようになっている。また、これらの技術に採用される電極サイズも微細化の一途をたどっている。

これらの接合においては、半導体基板、電子部品、プリント基板等の上に配置された多数の電極にまずハンダバンプを形成する。電子部材上の電極へのハンダバンプ形成は、各電極にフラックスの粘着力を利用してハンダボールを粘着させ、ついで該電子部材を高温に熱してハンダボールをリフローさせることによって行なう。このハンダバンプを介して半導体基板等とプリント基板等との間を接合する。ここで、ハンダバンプとは、銅あるいはアルミ配線電極上のメッキの上に半球状に盛り上がって形成されたハンダをいう。

廃棄された電子装置を廃棄処理するに際し、環境への影響を最少とするため、電子装置に使用するハンダ合金についても鉛フリーハンダ合金が要求されるようになっている。鉛フリーハンダ合金としては、二元系ではＳｎにＡｇを３．５％含有した組成が共晶組成となり、融点は２２１℃と比較的低く、広く鉛フリーハンダとして使用されている。

近年の電子部品の高密度実装化に伴い、特にノートパソコン、ビデオカメラ、携帯電話等においては表面実装やＢＧＡ実装が進み、基板電極パッド面積の縮小が急激に進んでいるため、接合部位のハンダ量を少量化せざるを得ない状況にある。即ち、ハンダ接合部位の接合面積が低下し、接合部にかかる応力が増大している。また、高密度実装により、高機能・小型化が進んだため情報伝達機器の携帯化も急速に進展した。加えて経済活動領域が地球規模に及ぶに至り、従来考えてもいなかった灼熱の砂漠や極地高地の極寒下等での当該機器が使用される様になっている。このような状況下では、ハンダ接合部が一層厳しい環境下に曝されることを考慮したハンダ実装設計が求められており、そのため、ハンダ材料に対する耐疲労性向上の要求がより一層高まっている。特許文献１においては、電子機器用の鉛フリーハンダ合金として、Ａｇ：３．０〜５．０％、Ｃｕ：０．５〜３．０％、残部Ｓｎからなる耐熱疲労特性に優れた高温ハンダが開示されている。Ａｇの含有量については、Ａｇは耐熱疲労特性改善に著しく効果があるが、その添加量が３．０％以下であると耐熱疲労特性を改善する効果が十分でないとしている。

また、携帯電話等の持ち運び可能なデジタル製品に関しては、その使用上の特質から使用中に誤って床面に落下させたりぶつけたりする事態を想定する必要がある。このような衝撃に対しても使用する電子部品のハンダ接合部位が破壊しないだけの耐衝撃性を有することが要求される。これに対し、従来の耐疲労性ハンダ合金においては、主にハンダの強度を増大することによって耐疲労性の改善を図っており、その結果として耐衝撃性についてはむしろ低下する傾向が見られた。ハンダ接合部位の耐衝撃性の向上を図るためには、接合部位のハンダ合金として延性の優れた合金を用いることが最も効果的である。

特許文献２においては、特許文献１に記載のものよりもＡｇ含有量が低く、かつ耐落下衝撃性に優れた鉛フリーハンダ合金として、Ａｇ：１．０〜２．０質量％、Ｃｕ：０．３〜１．５質量％を含み、残部Ｓｎ及び不可避不純物からなることを特徴とする無鉛ハンダ合金が開示されている。これにより、従来の鉛フリーハンダ合金に比較して安価に提供することが可能になり、同時に極めて優れた耐熱疲労特性と耐衝撃性を実現している。特許文献２に記載のものは、ハンダ合金の強度を向上する目的で、Ｎｉ：０．０５〜１．５質量％又はＦｅ：０．００５〜０．５質量％の範囲で添加することができるとしている。

特許文献３においては、耐衝撃性と耐ヒートサイクル性を向上する鉛フリーハンダ合金として、Ｓｂ：０．０１〜１質量％、Ｎｉ：０．０１〜０．５質量％、残部Ｓｎからなり、さらにＡｇ：０．０１〜５質量％および／またはＣｕ：０．０１〜２質量％が添加された鉛フリーハンダ合金が開示されている。Ｓｂは耐衝撃性に効果があり、Ｎｉは耐ヒートサイクル性に効果があり、さらにＣｕを添加すると耐衝撃性をより向上させ、Ａｇを添加すると耐ヒートサイクル性をより向上させるとしている。

特許文献４には、優れた強度を有するとともに熱的に安定であり、接合性も良好なハンダ合金として、Ｓｎを主成分とし、Ａｇ：１．０〜４．０重量％、Ｃｕ≦２．０重量％、Ｎｉ≦１．０重量％を含有するハンダ合金が開示されている。Ｃｕはぬれ性を損なうことなく合金の強度と耐熱性を向上させる。Ｎｉを添加すると合金の熱的安定性が増し、強度や熱疲労特性が向上すると主に、Ｃｕ基板と接合する際には接合強度を低下させる要因となる金属間化合物の生成を抑制するとしている。

特許文献５には、Ｓｎ−４．７Ａｇ−１．７Ｃｕハンダ合金に、さらにＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏを含有させる発明が記載されている。Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏの各元素は、少なくとも約０．０１重量％を添加することにより、Ｃｕ電極との接合金属間界面の形態構造が改良され、特に凝固したままの金属間界面の厚さが薄くなるとしている。

特開平５−５０２８６号公報 特開２００２−２３９７８０号公報 特開２００４−１４１９１０号公報 特許第３２９６２８９号公報 特表２００１−５０４７６０号公報

ハンダ合金の耐衝撃性については、シリコンチップ上の電極とプリント基板上の電極とをハンダ接合し、この部材を定盤の上において、ロッドタイプ・プローブを落下させ、ハンダ接合に破断が生じるまでの落下回数を耐衝撃落下回数として評価することができる。

特許文献１〜５に記載の鉛フリーハンダ合金については、上記方法で加速度１５００Ｇ程度を負荷して耐衝撃性評価を行ったときに耐衝撃落下回数５０〜６０回程度であった。

最近は、ハンダ合金の耐衝撃性に対する要求はさらに厳しくなっている。ロッドタイプ・プローブの落下実験において、５ｃｍの位置から質量３０ｇのロッドタイプ・プローブを落下させ、加速度約１００００Ｇの衝撃を与える耐衝撃性評価において、耐衝撃落下回数６０回を超える良好な耐衝撃性が要求されるようになってきた。このような厳しい条件では、従来のハンダ合金の耐衝撃落下回数は３０回にも満たない。

本発明は、耐衝撃性について上記目標性能を実現する鉛フリーハンダ合金及び該鉛フリーハンダ合金を用いたハンダボール並びに該鉛フリーハンダ合金を用いたハンダバンプを有する電子部材を提供することを目的とする。

Ｃｕ電極の上にＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系鉛フリーハンダ合金による接合部を形成すると、Ｃｕ電極の直上にＣｕ₃Ｓｎ金属間化合物の層が形成され、さらにその上にＣｕ₆Ｓｎ₅金属間化合物層が形成され、その上にハンダ合金層が形成される。また、標準的Ｃｕ／Ｎｉ／Ａｕメッキ基板の上にＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系鉛フリーハンダ合金による接合部を形成すると、Ｎｉ電極上にＮｉ₃Ｓｎ₄金属間化合物層が形成され、さらにその上にＣｕ₆Ｓｎ₅金属間化合物層が形成され、その上にハンダ合金層が形成される。

これら電極上に形成されたハンダバンプの耐衝撃性を評価する試験を行うと、Ｃｕ電極上のハンダバンプの場合にはＣｕ₃Ｓｎ金属間化合物とＣｕ₆Ｓｎ₅金属間化合物との界面で破断が発生する。Ｃｕ／Ｎｉ／Ａｕメッキ基板上のハンダバンプの場合にはＮｉ₃Ｓｎ₄金属間化合物とＣｕ₆Ｓｎ₅金属間化合物との界面で破断が発生する。いずれの場合も、２層に形成された金属間化合物の層間において破断が発生している。

これら破断発生の原因として、Ｃｕ₆Ｓｎ₅金属間化合物層の歪が破断の主因であると考えることができる。もしそうであれば、Ｃｕ₆Ｓｎ₅金属間化合物層の歪を緩和すれば、２層の金属間化合物層の層間での破断発生が抑えられ、結果としてハンダ接合部の耐衝撃性を向上させることができるはずである。

Ｃｕ₆Ｓｎ₅金属間化合物層中のＣｕ原子サイトを、Ｃｕより原子半径の小さい原子種で置換することにより、Ｃｕ₆Ｓｎ₅金属間化合物層の歪を緩和できる。ＮｉがＣｕより原子半径の小さい原子種に該当する。

そこで、Ａｇ：１．０〜２．０質量％、Ｃｕ：０．３〜１．０質量％を含有するＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系鉛フリーハンダ合金に、Ｎｉ：０．００５〜０．０７質量％を含有させ、このハンダ合金を用いてＣｕ電極との接合部を形成し、耐衝撃性を評価したところ、耐衝撃落下回数が６０回を超え、耐落下衝撃特性が向上することが明らかになった。

本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、その要旨とするところは以下の通りである。
（１）Ａｇ：１．０〜２．０質量％、Ｃｕ：０．３〜１．０質量％、Ｎｉ：０．００５〜０．０７質量％、Ｐ：０．０００５〜０．００５質量％（ただし、Ｐ：０．０００５質量％、０．００５質量％を除く。）を含有し、残部Ｓｎ及び不可避不純物からなることを特徴とする鉛フリーハンダ合金。
（２）さらに、Ｇｅ：０．０００５〜０．０１質量％を含有し、かつＰ＋Ｇｅ≦０．０１質量％であることを特徴とする上記（１）に記載の鉛フリーハンダ合金。
（３）さらに、Ｓｂ：０．０１〜０．５質量％を含有することを特徴とする上記（２）に記載の鉛フリーハンダ合金。
（４）上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の鉛フリーハンダ合金を用いてなることを特徴とするハンダボール。
（５）ボール直径が３００μｍ以下であることを特徴とする上記（４）に記載のハンダボール。
（６）上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の鉛フリーハンダ合金を用いたハンダバンプを有することを特徴とする電子部材。
（７）Ｃｕ電極、Ｎｉ電極又はＣｕ／Ｎｉ／Ａｕメッキ基板上にハンダバンプが形成されてなることを特徴とする上記（６）に記載の電子部材。
（８）複数の電子部品間をハンダ電極によって接合した電子部材であって、該ハンダ電極の一部又は全部は、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の鉛フリーハンダ合金を用いてなることを特徴とする電子部材。

本発明は、Ａｇ：１．０〜２．０質量％、Ｃｕ：０．３〜１．０質量％を含有するＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系鉛フリーハンダ合金に、Ｎｉ：０．００５〜０．０７質量％を含有することにより、該鉛フリーハンダ合金を用いた接合部の耐衝撃性を大幅に改善することが可能となる。

本発明においては、Ａｇ：１．０〜２．０質量％、Ｃｕ：０．３〜１．０質量％を含有するＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系鉛フリーハンダ合金に、Ｎｉ：０．００５〜０．０７質量％を含有することにより、該鉛フリーハンダ合金を用いた接合部の耐衝撃性を大幅に改善することを見出した。以下、ハンダ合金中にＮｉを含有することにより、なぜ耐衝撃性が大幅に改善するに到ったかについて、詳細に推論を行う。

Ｃｕ電極の上にＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系鉛フリーハンダ合金による接合部を形成すると、Ｃｕ電極の直上にＣｕ₃Ｓｎ金属間化合物の層が形成され、さらにその上にＣｕ₆Ｓｎ₅金属間化合物層が形成され、その上にハンダ合金層が形成される。また、標準的Ｃｕ／Ｎｉ／Ａｕメッキ基板の上にＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系鉛フリーハンダ合金による接合部を形成すると、Ｎｉ電極上にＮｉ₃Ｓｎ₄金属間化合物層が形成され、さらにその上にＣｕ₆Ｓｎ₅金属間化合物層が形成され、その上にハンダ合金層が形成される。

前述のとおり、これら電極上に形成されたハンダバンプの耐衝撃性を評価する試験を行うと、Ｃｕ電極上のハンダバンプの場合にはＣｕ₃Ｓｎ金属間化合物とＣｕ₆Ｓｎ₅金属間化合物との界面で破断が発生する。Ｃｕ／Ｎｉ／Ａｕメッキ基板上のハンダバンプの場合にはＮｉ₃Ｓｎ₄金属間化合物とＣｕ₆Ｓｎ₅金属間化合物との界面で破断が発生する。いずれの場合も、２層に形成された金属間化合物の層間において破断が発生している。

本発明においては、Ｃｕ₆Ｓｎ₅金属間化合物層の歪が破断の主因であることを見出し、さらにＣｕ₆Ｓｎ₅金属間化合物層の歪を緩和することにより、２層の金属間化合物層の層間での破断発生が抑えられ、結果としてハンダ接合部の耐衝撃性を向上させ得ることを見出した。

ハンダ接合された電極部付近の応力形成状況を確認すると、Ｃｕ電極の場合のＣｕ₃Ｓｎ（Ｎｉ電極の場合はＮｉ₃Ｓｎ₄）金属間化合物には圧縮応力が発生し、その上のＣｕ₆Ｓｎ₅金属間化合物層には引張応力が発生している。従って、Ｃｕ₆Ｓｎ₅金属間化合物層中のＣｕ原子サイトを、Ｃｕより原子半径の小さい原子種で置換することにより、Ｃｕ₆Ｓｎ₅金属間化合物層の歪を緩和できることがわかる。ＮｉがＣｕより原子半径の小さい原子種に該当する。

上述のとおり、Ｃｕ電極の上にＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系鉛フリーハンダ合金による接合部を形成すると、Ｃｕ電極の直上にＣｕ₃Ｓｎ金属間化合物の層が形成され、さらにその上にＣｕ₆Ｓｎ₅金属間化合物層が形成される。Ｃｕ₆Ｓｎ₅金属間化合物について詳細に検討する。ハンダ合金中に３ｄ金属元素であるＮｉが含まれる場合、ＮｉはＣｕ₆Ｓｎ₅金属間化合物のＣｕを置換する形で金属間化合物中に含有される。

ＮｉはＣｕに比較して原子半径が小さい。従って、Ｃｕ₆Ｓｎ₅金属間化合物のＣｕがＮｉで置換されると、置換されていない場合と比較して平均的格子定数が小さくなるため金属間化合物が収縮し、Ｃｕ₆Ｓｎ₅金属間化合物層が有していた圧縮応力が緩和され、隣接するＣｕ₃Ｓｎ金属間化合物層との間の歪が緩和されることとなる。

この点を確認するため、Ｃｕ₆Ｓｎ₅相の３ｄ金属元素置換の状態を第一原理計算によって解析した。Ｃｕ₆Ｓｎ₅相の特定のＣｕサイトを３ｄ金属元素で置換したときの、置換元素と隣接Ｃｕ原子及び隣接Ｓｎ原子との距離の平均を第一原理計算によって算出すると、置換元素がＮｉの場合、Ｃｕから置換することによって隣接Ｃｕ原子との距離は増大し、隣接Ｓｎ原子との距離は短縮している。置換元素がＣｒ、Ｖの場合も同様である。

実際、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダ合金について金属間化合物層の成長状況を対比すると、Ｎｉを添加しない場合にはＣｕ₆Ｓｎ₅金属間化合物層が大きくかつ不均一に成長するのに対し、Ｎｉを添加した場合にはＣｕ₆Ｓｎ₅金属間化合物層の厚さが薄くなり、かつ均一成長していることがわかった。このような金属間化合物層の形態変化によっても、金属間化合物層間を起点とする割れの発生を効果的に防止しているものと考えられる。

ハンダ合金中にＮｉを含有することにより、耐衝撃性が大幅に改善するに到った理由は、以上のようなメカニズムによるものと推定される。

次に、ハンダ合金中の各合金元素の成分限定理由について説明する。

Ａｇ：Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系鉛フリーハンダにおいて、Ａｇ含有量が多すぎると、析出するＡｇ₃Ｓｎ金属間化合物が多くなり、ハンダ合金が脆くなりあるいは硬くなるため、耐落下衝撃特性が悪化する。Ａｇ含有量が２．０質量％以下であれば、良好な耐落下衝撃特性を確保することができる。一方、Ａｇ含有量が少なすぎると、ハンダ合金の液相線温度が高くなる。Ａｇ含有量が１．０質量％以上であれば、十分に低い液相線温度を確保することができる。例えばＣｕ含有量０．５質量％において、Ａｇ含有量が１．０質量％であれば液相線温度は２２７℃を確保することができる。

Ｃｕ：Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系鉛フリーハンダにおいて、Ｃｕ含有量が低すぎるとハンダ合金の液相線温度が高くなる。Ｃｕ含有量が０．３質量％以上であれば、ハンダ合金の液相線温度を２２７℃以下に抑えることができる。一方、Ｃｕ含有量が多すぎるとハンダ合金のビッカース硬度が上昇するので好ましくない。Ｃｕ含有量が１．０質量％以下であれば、例えばＡｇ含有量１．５質量％においてビッカース硬度上昇代を１０％以下に抑えることができる。

Ｎｉ：Ｎｉは本発明においてハンダ合金の耐衝撃性を向上させる主要な含有成分である。Ｎｉ含有量が０．００５質量％以上であれば、前述のとおりＮｉによって金属間化合物の歪が低減し耐衝撃性の向上効果を実現することができる。Ｎｉ含有量が０．０４質量％以上であればより好ましい。

従来のＳｎ−Ａｇ−ＣｕハンダボールをＣｕ電極上でリフローすると、電極のＣｕがハンダ合金中に拡散してハンダバンプを硬くする。これに対し、本発明のように微量Ｎｉを含有するハンダ合金を用いると、ＮｉはＣｕ電極近傍で析出してＣｕ₆Ｓｎ₅金属間化合物に取り込まれ、Ｃｕの拡散を抑制する働きを有する。そのため、本発明のハンダ合金を用いてＣｕ電極上にリフローしたハンダバンプはハンダ自体が軟らかく、そのために耐落下衝撃特性がより一層向上する。ただし、ハンダバンプに含まれるＮｉ含有量が多すぎると、ハンダ合金を硬くする作用が現れる。

Ｃｕ電極等の電極上において溶融ハンダを用いて接合を行う場合、ハンダ合金中に含有するＮｉ成分は、電極上に金属間化合物層が形成される際に優先的に金属間化合物層中に分配される。この分配のため、液相であるハンダ合金中のＮｉ含有量は金属間化合物層の凝固進行とともに減少し、最終凝固後のハンダ合金中Ｎｉ含有量は、もとのハンダ合金中のＮｉ含有量の２０〜５０％程度にまで減少する。このようにハンダ合金中のＮｉ含有量が減少する結果として、ハンダ合金自身の硬度が低下する。そのため、落下衝撃時の衝突エネルギーをハンダ合金が吸収することができるので、耐落下衝撃特性改善にも大幅に寄与する。本発明のリフロー前ハンダ合金中のＮｉ含有量が０．０７質量％を超えると、リフロー後ハンダ合金中の残留Ｎｉが多くなりハンダ合金を硬くするので、本発明はＮｉ上限を０．０７質量％とした。さらにＮｉ含有量が０．１２％を超えると液相線温度が高くなるという弊害も発生する。

特許文献２に記載のハンダ合金は、耐落下衝撃性の向上を目的としたものであり、選択元素としてさらにＮｉを含有できるとしている。しかし特許文献２に記載のものは、Ｎｉ添加の目的がハンダ合金の強度向上にある。ハンダ合金の強度増大は耐衝撃性にはかえって悪影響を及ぼすことは特許文献２にも記載のとおりである。そして、同文献の実施例におけるＮｉ含有量は０．３質量％以上であり、このような高いＮｉ含有量では本発明の良好な耐衝撃性を実現することはできない。

以下、好ましい選択成分について説明する。

Ｏ：ハンダ合金中には不純物としてＯを含有している。このＯ濃度が０．００２０質量％を超えると、耐落下衝撃特性がＯ濃度上昇に伴って低下する。そこで、本発明においては、含有酸素濃度が０．００２０質量％以下であると好ましい。

本発明において、耐衝撃性を向上させるための３ｄ金属元素として、上述のようにＮｉが有効であるが、さらにＣｒ、Ｖを添加した場合も同じように耐衝撃性を向上する効果を有している。

Ｃｒ：Ｃｒ含有量０．０００５質量％以上で耐衝撃性を向上する効果を発揮することができる。一方、Ｃｒ含有量が多すぎるとリフロー後のハンダ性状が悪化したり、ハンダ合金の濡れ性が低下したり、ハンダ合金の融点が急激に上昇する問題が発生するが、Ｃｒ含有量が０．００５０質量％以下であればこのような問題を発生させることなく耐衝撃性向上効果を発揮することができる。

Ｖ：Ｖ含有量０．０００５質量％以上で耐衝撃性を向上する効果を発揮することができる。一方、Ｖ含有量が多すぎると上記Ｃｒ過多と同様の問題が発生するが、Ｖ含有量が０．００５０質量％以下であればこのような問題を発生させることなく耐衝撃性向上効果を発揮することができる。

Ｓｂ：ハンダ合金中にＳｂを含有させると、母相であるＳｎデンドライト中に分散し、鉛フリーハンダ合金の熱サイクル試験等での熱疲労特性を改善することができる。Ｓｂ含有量が０．０１質量％以上で熱サイクル疲労特性を改善させることができる。一方、Ｓｂ含有量が０．５質量％を超えるとハンダ合金を硬くすることから、耐落下衝撃特性が悪化することとなるので、上限を０．５質量％とする。

Ｐ及びＧｅ：鉛フリーハンダ合金中にＰとＧｅの一方又は両方を添加すると、ハンダ表面の変色を抑制することができる。ともに０．０００５質量％以上含有すると変色抑制効果を発揮することができる。一方、ＰまたはＧｅの含有量が多すぎると耐落下衝撃特性が低下するが、Ｐ：０．００５質量％以下、Ｇｅ：０．０１質量％以下であれば良好な耐落下衝撃特性を維持することができる。

ＰとＧｅをともに含有させる場合、Ｐ＋Ｇｅ≦０．０１質量％とすると耐落下衝撃特性を良好に保持できるので好ましい。

上記記載の成分を含有する鉛フリーハンダ合金を用いたハンダボールとすると好ましい。半導体基板、電子部品、プリント基板等の電子部材上の多数の電極にフラックスの粘着力を利用して本発明のハンダボールを粘着させ、ついで電子部材を高温に熱してハンダボールをリフローさせることにより、電極上にハンダバンプを形成する。このハンダバンプを介して半導体基板等とプリント基板等との間を接合する。このようにして形成したハンダ合金による接合部は、極めて良好な耐衝撃特性を発揮することができる。

本発明のハンダボールは直径を３００μｍ以下とすると好ましい。ハンダボールの直径が小さくなるほど、ハンダボールを用いて形成したハンダ接合部の接合断面積が小さくなるため、耐落下衝撃特性が厳しくなる。そのため、ハンダボールの直径が小さいほど本発明による耐落下衝撃特性の向上効果を発揮することができる。ハンダボール直径が３００μｍ以下の小径ボールにおいて、本発明の耐落下衝撃特性を十分に発揮することが可能となるからである。

上記記載の成分を含有する鉛フリーハンダ合金を用いたハンダバンプを有する電子部材とすると好ましい。このハンダバンプを介して半導体基板等とプリント基板等との間を接合する。このようにして形成したハンダ合金による接合部は、極めて良好な耐衝撃特性を発揮することができる。

上記本発明のハンダバンプを有する電子部材は、Ｃｕ電極、Ｎｉ電極又はＣｕ／Ｎｉ／Ａｕメッキ基板上にハンダバンプが形成されてなることとすると好ましい。鉛フリーハンダ合金とＣｕ電極、Ｎｉ電極又はＣｕ／Ｎｉ／Ａｕメッキ基板との接合部における耐衝撃特性を改善する効果を有しているからである。

複数の電子部品間をハンダ電極によって接合した本発明の電子部材であって、該ハンダ電極の一部又は全部を上記本発明の鉛フリーハンダ合金を用いてなる電子部材は、そのハンダ電極が極めて良好な耐衝撃特性を発揮することができる。

なお、上記本発明の鉛フリーハンダ合金を用いてなるハンダバンプ、ハンダ電極は、前述のとおり、接合時にハンダ合金中のＮｉ成分は金属間化合物中に優先して分配され、ハンダ金属部分に分配されるＮｉ含有量はもとのハンダ合金中のＮｉ含有量よりも少なくなる。

表１〜４に示す各成分を有するハンダ合金を用い、直径３００μｍのハンダボールを作成した。

ハンダボールを接合する電極を有する基板として、ＦＲ−４製のプリント基板を用意した。プリント基板のサイズは１６０ｍｍ×６４ｍｍ×０．８ｍｍ（厚さ）である。プリント基板上には、２４０μｍφサイズの電極が３２４個配置されている。電極としてＣｕ−ＯＳＰを用いたものとＮｉ（３〜５μｍメッキ）／Ａｕ（０．０３〜０．０５μｍメッキ）の２種類を用いた。ハンダボールを介して上記プリント基板と接合する実装部品として、９．６ｍｍ角、厚さ０．７ｍｍのシリコンチップを用いた。シリコンチップ上には、プリント基板上の電極と対応する位置に２４０μｍφサイズの電極が３２４個配置されている。電極材質はＣｒ（０．０７μｍ）／Ｎｉ（０．８μｍ）／Ａｕ（０．１μｍ）である。プリント基板とシリコンチップの電極間がハンダ接合されると、各電極を直列でつなぐ回路が形成されるようになっている。

実装プロセスとして、まず上記シリコンチップ側の電極に、用意したハンダボールを搭載した上でリフローし、ハンダバンプを形成する。次にハンダバンプを形成したシリコンチップをプリント基板にフリップチップ接続し、ピーク温度２５０℃でリフローし、シリコンチップの電極とプリント基板の電極とを接合し、評価部材を形成した。

耐落下衝撃特性の評価は、株式会社ティーテック製全自動衝撃試験装置ＢＩＴ−６００Ｓを用いた。上記接合した評価部材を、シリコンチップ側を下にして定盤に配置する。次に質量３０ｇのロッドタイプ・プローブを５ｃｍの高さから評価部材上に落下させる。評価部材に加わる衝撃加速度は、加速度センサー（ＴＥＡＣ社製）でモニターしており、評価部材上での衝撃加速度は８０００Ｇから１２０００Ｇである。

破断の評価は、評価部材中の前記回路に定電流電源を接続し、電圧をモニタリングして、抵抗値が初期値の２倍になる時点までの繰り返し落下回数を耐衝撃落下回数とした。このとき、落下時の基板たわみにより生じる瞬断を破断として認識するため、１ＭＨｚのサンプリングレートを持つ測定器を使用した。

耐落下衝撃特性の評価において、Ｃｕ−ＯＳＰ電極を用いた基板の場合には、破断までの落下回数が０〜３０回を×、３１〜６０回を△、６１〜８０回を○、８１回以上を◎とした。一方、Ｎｉ／Ａｕ電極を用いた基板の場合には、破断までの落下回数が０〜１０回を×、１１〜２０回を△、２１〜４０回を○、４１回以上を◎とした。

ハンダ接合の耐落下衝撃特性は、ハンダリフロー後のハンダ合金が軟らかいほど特性が向上する。一方、Ｃｕ電極上にハンダをリフローしたとき、電極のＣｕがハンダ中に拡散するとハンダを硬くする。また、ハンダ合金中のＮｉ含有量が高すぎると残留Ｎｉがハンダを硬くする。そこで、Ｃｕ−ＯＳＰ電極上にハンダボールを搭載した上でリフローし、リフロー前後でのハンダ合金の硬さの変化を評価した。リフロー前後でのＨＶ硬度差が４０％未満であれば○、４０％以上であれば×とした。

熱疲労特性は、落下衝撃特性試験用と同じ実装品（Ｃｕ−ＯＳＰ電極）を用いて、−４０℃保持２０分，１２５℃保持２０分を繰り返し、回路が破断するまでの高温−低温の繰り返し数（熱サイクル数）を計測することで評価し、破断が見られ始める回数が１０００回以上である場合を○、７５０回以上である場合を△、５００回以下を×とした。

変色についての評価は、作製した評価ハンダボールを、白磁製の角皿に入れ、それらを大気雰囲気中に１５０℃２００時間保持した後、初期状態標本を基にした肉眼による官能検査により実施した。まったく変化がなかった場合を○、最も変化したＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕボールを×、その中間の変色をしめしたものを△とした。

表１〜４において、本発明範囲から外れる成分値にはアンダーラインを付している。

表１、２に示す結果から明らかなように、Ｎｉ含有量が０．００５〜０．０７質量％の範囲で耐衝撃特性、リフロー前後の硬度変化ともに良好であった。Ｎｉ含有量が０．００３質量％のものはＮｉ添加による耐衝撃性向上効果が得られず、Ｎｉ含有量が０．１質量％になるとリフロー前後の硬度変化が大きくなった。さらにＮｉ含有量が０．１２質量％になると耐衝撃特性が低下するとともに、液相線温度の上昇が見られた。

表３によると、Ｓｂ含有量０．０１質量％で熱疲労特性の改善が見られた。Ｓｂ含有量が０．５質量％となるとリフロー前後の硬度変化が大きくなり、Ｓｂ含有量が０．７５質量％となると耐衝撃特性が悪化する結果となった。

同じく表３によると、Ｐ含有量０．０００５質量％以上、Ｇｅ含有量０．０００５質量％以上で変色特性が向上した。一方、Ｐ含有量０．０１質量％、Ｇｅ含有量０．０２質量％、Ｐ＋Ｇｅ含有量０．０１２５質量％で耐衝撃特性が低下するとともに、リフロー前後の硬度変化が高くなった。

表４によると、Ｎｉを含有しない比較例において、耐衝撃特性、リフロー前後の硬度変化のいずれも不良となった。

Claims (8)

1. Ａｇ：１．０〜２．０質量％、Ｃｕ：０．３〜１．０質量％、Ｎｉ：０．００５〜０．０７質量％、Ｐ：０．０００５〜０．００５質量％（ただし、Ｐ：０．０００５質量％、０．００５質量％を除く。）を含有し、残部Ｓｎ及び不可避不純物からなることを特徴とする鉛フリーハンダ合金。
2. さらに、Ｇｅ：０．０００５〜０．０１質量％を含有し、かつＰ＋Ｇｅ≦０．０１質量％であることを特徴とする請求項１に記載の鉛フリーハンダ合金。
3. さらに、Ｓｂ：０．０１〜０．５質量％を含有することを特徴とする請求項２に記載の鉛フリーハンダ合金。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の鉛フリーハンダ合金を用いてなることを特徴とするハンダボール。
5. ボール直径が３００μｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載のハンダボール。
6. 請求項１乃至３のいずれかに記載の鉛フリーハンダ合金を用いたハンダバンプを有することを特徴とする電子部材。
7. Ｃｕ電極、Ｎｉ電極又はＣｕ／Ｎｉ／Ａｕメッキ基板上にハンダバンプが形成されてなることを特徴とする請求項６に記載の電子部材。
8. 複数の電子部品間をハンダ電極によって接合した電子部材であって、該ハンダ電極の一部又は全部は、請求項１乃至３のいずれかに記載の鉛フリーハンダ合金を用いてなることを特徴とする電子部材。