JP5322469B2 - 耐落下衝撃性に優れたはんだ合金、およびそれを用いたはんだボール、ならびにはんだ接合部 - Google Patents

Description

本発明は、電子部品等のはんだ付けに使用される、耐落下衝撃性に優れたはんだ合金、およびそれを用いたはんだボール、ならびにはんだ接合部に関するものである。

ＥＵのＲｏＨＳ（Ｔｈｅ ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｃｅｒｔａｉｎ ｈａｚａｒｄｏｕｓ ｓｕｂｓｔａｎｃｅｓ）指令に代表される近年の環境問題への取り組みの一つとして、電子部品の接合に用いられるはんだのＰｂフリー化がある。長年に渡ってＳｎ−Ｐｂ共晶合金がはんだとして用いられてきたが、Ｐｂが人体にとって有害であることから、Ｐｂを含有しない新規のはんだ合金が各種検討されている。

Ｓｎ−Ｐｂ共晶合金の代替材料として必要な特性は、融点が十分に低く、はんだ付け時に電子部品を構成する耐熱性の乏しい樹脂材料に熱的損傷を与えないことや、接合材料として十分な機械的強度を有することなどが挙げられる。現在最も広く適用が検討されているＰｂフリーはんだは、Ｓｎ−Ａｇ合金をベースにしたものである。例えば、特許文献１では、Ｓｎ−Ａｇ合金に、融点を低下させたり、機械的強度を向上させたりする目的でＣｕを添加したＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金が提案されており、中でもＳｎ−３Ａｇ−０．５ＣｕはＰｂフリーはんだとして主流となっている。
また、特許文献２および特許文献３では、Ｓｎ−Ａｇ合金にＺｎを添加したＳｎ−Ａｇ−Ｚｎ系合金が提案されている。Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金と同様、機械的強度を向上する目的でＺｎが使用されている。Ｓｎ−Ａｇ−Ｚｎ系合金の場合も、特許文献２および３に具体的に開示されるように、Ａｇ含有量は質量％で３％か３．５％のいずれかである。これはＳｎ−Ａｇ二元共晶が３．５％であり、はんだの融点を低くすることができるためである。
特開平５−５０２８６号公報 特開平６−２３８４７９号公報 特開２００４−８２２１２号公報

また、携帯電話などのモバイル機器に搭載される電子部品が、Ｐｂフリーはんだによってマザーボードと接合される場合、融点だけでなく、はんだ接合部の耐落下衝撃性が非常に重要となる。これは、モバイル機器を使用したり持ち運んだりしている間に不注意で落としてしまい、機器に衝撃応力が加えられるためである。従来のＳｎ−Ｐｂ共晶はんだは非常に延性に富むため、このような衝撃応力をはんだ自身が変形することで吸収することが可能であった。一方、一般にＰｂフリーはんだはＳｎ−Ｐｂ共晶はんだと比較して延性に乏しいことから、衝撃応力が加えられた際に十分に変形できず、接合しているマザーボードや電子部品に物理的損傷を与えたり、はんだ接合部自体が破壊したりすることが問題となっている。特に、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）のように、リードフレームを介さず電子部品とマザーボードの電極をはんだによって直接接続する場合、衝撃応力が負荷されたときのはんだ接合信頼性がモバイル機器の落下衝撃に対する寿命を決定するうえで極めて重要となる。

特許文献２および３に開示されるＳｎ−Ａｇ−Ｚｎ系合金は、融点がＳｎ−Ｐｂ共晶はんだに比較的近いことに加え、十分な機械的強度を有するといった点で優れるものの、モバイル機器へ適用する際に非常に重要となる耐落下衝撃性についてはこれまで評価されておらず、またモバイル機器への適用の可否についても検討されていなかった。
そこで本発明者は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｚｎ系はんだ合金の耐落下衝撃性について調査した結果、Ａｇ添加量の増加とともに耐落下衝撃性が著しく損なわれ、最も検討されてきた３％程度のＡｇを含有するはんだでは、モバイル機器へ適用するのに十分な耐落下衝撃性を有していないことがわかった。また、Ｚｎ添加量についても同様に調査した結果、Ｚｎ添加量の増加とともに耐落下衝撃性が著しく損なわれることを確認した。

本発明の目的は、融点や機械的強度への要求を満足するだけでなく、耐落下衝撃性に関しても優れたはんだ合金、はんだボール、およびはんだ接合部を提供することにある。

本発明者は、ＡｇおよびＺｎ添加量と耐落下衝撃性との関係について評価を重ねた結果、添加量をそれぞれ厳密に制御することによって、融点や機械的強度をほとんど低下させることなく、耐落下衝撃性の面でも優れたはんだ合金が得られることを見出した。さらに、ＮｉやＢｉを添加することで、耐落下衝撃性を確保しつつ、機械的強度を大幅に向上できることを見出し本発明に到達した。

すなわち本発明は、質量％で、０．１〜２．０％のＡｇと、０．０５〜２．０％のＺｎを含有し、残部Ｓｎ及び不可避的不純物からなる耐落下衝撃性に優れたはんだ合金である。

また、本発明の耐落下衝撃性に優れたはんだ合金は、質量％で、０．１〜１．２％のＡｇを含有することが好ましい。
また、本発明の耐落下衝撃性に優れたはんだ合金は、質量％で、０．１％以下のＮｉまたは２．０％以下のＢｉの何れか一つ以上を含有してもよい。

また、本発明は、前記はんだ合金が球状化されてなるはんだボールである。
また、本発明は、前記はんだ合金およびはんだボールがＮｉ電極に接合されてなるはんだ接合部である。

本発明によって、融点や機械的強度への要求を満足するだけでなく、耐落下衝撃性に関しても優れたはんだ合金、はんだボール、およびはんだ接合部が得られ、モバイル機器における耐落下衝撃性の問題も飛躍的に改善することが可能である。

上述のように、本発明の重要な特徴は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｚｎ系合金におけるＡｇおよびＺｎ添加量と耐落下衝撃性との関係を明らかにし、最適な添加量を見出したことにある。
また、本発明のもう一つの重要な特徴は、前記はんだ合金にわずかな量のＮｉやＢｉを添加することで、耐落下衝撃性を確保しつつ、機械的特性を大幅に改善することができることを見出したことにある。以下に、詳細について説明する。

Ａｇの添加量を質量％で０．１〜２．０％とするのは以下の理由である。
ＡｇをＺｎとともにＳｎに添加した場合、金属間化合物であるＡｇ−Ｓｎ化合物あるいはＡｇ−Ｚｎ化合物を合金中に形成するため、化合物の分散強化により機械的強度を向上することができる。
しかし、その反面、Ａｇ−Ｓｎ化合物やＡｇ−Ｚｎ化合物の形成は、耐落下衝撃性において重要な特性であるはんだの延性を低下させる。２．０％を超えて添加すると、形成される金属間化合物の量が過多となり、はんだの延性が著しく損なわれる。このため、衝撃応力が負荷されてもはんだが十分に変形することができず、電子部品やマザーボードへ物理的損傷を与えたり、はんだ接合部自体が破壊したりすることになる。
Ａｇ添加量を２．０％以下とすることで、耐落下衝撃性は確保され、特に、１．２％以下の添加量とすることで、金属間化合物の形成量を十分低減することが可能であり、耐落下衝撃性が大幅に改善される。一方、Ａｇ添加量が０．１％未満の場合、延性は良好であるものの、機械的強度が不足し、はんだ合金として適さない。このためＡｇ添加量を０．１％以上とする。

また、Ｚｎの添加量を質量％で０．０５〜２．０％とするのは以下の理由である。
前述のように、ＺｎをＡｇとともにＳｎに添加した場合、金属間化合物であるＡｇ−Ｚｎ化合物を合金中に形成する。これらの化合物によって分散強化されることで合金の機械的強度を向上することができる。また、Ｚｎ量がＡｇ量に対して４倍以上多く含む場合、Ｓｎ中にはＡｇ−Ｚｎ化合物に加えＺｎ単体も形成され、機械的強度が向上する。
しかし、その反面、はんだの延性が著しく損なわれ、耐落下衝撃性が大幅に低下する。Ｚｎ単体の形成を抑えるためにはＺｎ添加量を２．０％以下とする。
また、Ｚｎ添加量が０．０５％未満になると、Ｚｎ単体が形成されないばかりか、Ａｇ−Ｚｎ化合物もほとんど形成されず、はんだ接合部としての機械的強度が不足する。このため、Ｚｎ添加量を０．０５％以上とする。

また、本発明において、ＮｉやＢｉを添加することで、耐落下衝撃性を確保しつつ、機械的強度を大幅に向上することが可能である。Ｎｉは、はんだ合金中でＮｉ−Ｓｎ化合物を形成することから、その分散強化によってはんだ合金の機械的強度が向上される。
本発明において、Ｎｉ添加量は、質量％で０．１％以下が好ましい。Ｎｉ添加量が０．１％を越えると、機械的強度は向上するものの、Ｎｉ−Ｓｎ化合物の形成によって融点が上昇するため、Ｎｉ添加量は０．１以下が好ましい。一方、Ｎｉ添加量が０．０１％未満の場合、Ｎｉ−Ｓｎ化合物の形成量が少なく、その効果がほとんど得られないため、Ｎｉ添加量は、０．０１％以上が好ましい。
また、Ｂｉは、Ｓｎ中に固溶することから、固溶強化によって機械的強度を向上させる。本発明において、Ｂｉ添加量は、質量％で２．０％以下が好ましい。Ｂｉ添加量が２．０％を超えると機械的強度が向上する反面、延性が著しく損なわれ、衝撃応力を十分に吸収することができなくなるため、Ｂｉ添加量は、２．０％以下が好ましい。一方、Ｂｉ添加量が０．１％未満の場合、固溶強化による機械的強度の向上がほとんど見込めないため、Ｂｉ添加量は、０．１％以上が好ましい。

以上に述べた本発明のはんだ合金は、球状化してはんだボールとして用いる場合に非常に有効である。これは、前述のように、モバイル機器に搭載される電子部品として多く用いられているＢＧＡでは、はんだ接合部の耐落下衝撃性が特に重要であることによる。本発明のはんだ合金からなるはんだボールを用いて電子部品とマザーボードとを接合することで、モバイル機器の落下衝撃に対する寿命を飛躍的に改善することができる。

また、以上に述べた本発明のはんだ合金およびはんだボールは、Ｎｉ電極に接合された場合にさらに有効である。通常、Ｓｎを主体とするはんだをＮｉ電極に接合した場合、接合界面にはＮｉ−Ｓｎ化合物が形成され、衝撃応力が加えられた際、主にＮｉ−Ｓｎ化合物とＮｉ電極との界面で剥離が発生する。
一方、本発明におけるはんだ合金およびはんだボールを用いた場合、Ｎｉと相性の良いＺｎが優先的に反応するため、接合界面にＮｉ−Ｓｎ−Ｚｎ化合物が形成される。これにより、接合界面の強度が増し、より大きな衝撃応力を吸収することが可能である。この効果は、Ｎｉ電極に限定されるものではなく、Ｎｉの酸化を抑制し、はんだの濡れ性を改善する目的でＡｕやＰｄなどの金属層が形成されている場合にも同様の効果が得られる。

表１に示すＳｎ−Ａｇ−Ｚｎ合金と、それにＮｉまたはＢｉを添加した合金からなるはんだボールを作製した。また、比較材として、Ｐｂフリーはんだとして最も主流となっているＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ（質量％）のはんだボールも準備した。はんだボールは、直径３００μｍおよび４３０μｍの２種類を用意した。

次に、作製したはんだボールをガラス・エポキシ（ＦＲ−４）基板上のＮｉ／Ａｕ電極に接合することで、はんだバンプを形成した。接合条件は、Ｐｂフリーはんだの接合として一般的な条件である、最高加熱温度２４０℃、２２０℃以上の保持時間６０ｓとし、窒素雰囲気中で行った。
また、はんだボールを接合した電極は、４３０μｍのはんだボールに対しては直径３２０μｍ、３００μｍのはんだボールに対しては直径２５０μｍのものを使用した。
接合したはんだ合金の耐落下衝撃性を評価するため、小型シャルピー衝撃試験機を用いた衝撃試験を実施した。具体的には、はんだバンプに重さ２０ｇの振り子を１ｍ／ｓの速度で衝突させ、はんだバンプが吸収した衝撃エネルギーの大きさを求めた。
衝撃吸収エネルギーは、はんだバンプを打撃したときの振り子の速度をレーザー速度計により測定し、打撃によって失われる振り子の運動エネルギーとして求めた。また、衝撃吸収エネルギーの測定に加え、試験後の破面観察を実体顕微鏡により行い、接合界面で破壊した割合を界面破壊確率として求めた。なお、実体顕微鏡により観察した結果、いずれのはんだ合金も２４０℃で接合されていたことから、はんだ合金としての使用に際し、融点に関しては問題がないことを確認できた。

表２に、４３０μｍのはんだボールに対する衝撃吸収エネルギーと界面破壊確率を、表３に、３００μｍのはんだボールに対する値を示す。また、現在Ｐｂフリーはんだとして主流となっている比較例３の衝撃吸収エネルギーに対する相対比を表２、３に併記する。
ボール径が４３０μｍの場合、比較例３の衝撃吸収エネルギーは０．２ｍＪであり、９０％のはんだバンプが界面破壊を示した。また、比較例１および比較例２に示すＡｇ量やＺｎ量が高いはんだも同レベルの衝撃吸収エネルギーと界面破壊確率を示した。
一方、本発明例１〜３や本発明例６の衝撃吸収エネルギーは、表２の相対比に示すように、比較例３の約２倍以上の高い値を示し、界面破壊も抑制することができた。また、本発明２、３および６と比較例２との比較から、Ａｇ量を低減することで耐落下衝撃性が向上していることを確認できた。同様に、本発明例３と比較例１とを比較すると、Ｚｎ量を低いレベルに制御することによっても耐落下衝撃性が改善されている。
以上のように、Ａｇ量とＺｎ量の厳密な制御が、耐落下衝撃性の改善に非常に有効であることが確認できた。

ボール径が３００μｍの場合、比較例３はわずか０．０５ｍＪの衝撃吸収エネルギーしかなく、１００％の界面破壊確率を示した。また、Ｚｎ量の多い比較例１もほぼ同様であった。
これに対し、表３の相対比に示すように、本発明例３では、Ｚｎ量を制御することで衝撃吸収エネルギーがおよそ７倍まで向上し、界面破壊確率は１０％未満にまで低減することができた。また、本発明例４および５が示すように、ＮｉやＢｉが添加されたはんだについても比較例１および３と比較して耐落下衝撃性が大幅に改善されていることが確認できた。
このように、Ｓｎ−Ａｇ−Ｚｎ系はんだ合金において、厳密なＡｇ量とＺｎ量の制御により耐落下衝撃性を飛躍的に向上することができた。

モバイル機器における落下衝撃を想定した基板落下試験を実施し、本発明におけるはんだ合金の有効性を評価した。
直径３００μｍのはんだボールを用いて、３４５個のＮｉ／Ａｕ電極を有するＢＧＡにはんだバンプを形成した後、ガラス・エポキシ（ＦＲ−４）基板のＣｕ電極に接合することで、落下試験用試験基板を作製した。電極径の大きさは、ＢＧＡのＮｉ／Ａｕ電極が２５０μｍ、マザーボードのＣｕ電極が２８０μｍである。また、評価に用いたマザーボードの大きさは１３２×７７×１ｍｍである。なお、マザーボード１枚当り４個のＢＧＡが搭載されており、各はんだ組成に対して２つの試験基板、つまり合計８個のＢＧＡを接合した。

次に、ドロップテーブルに試験基板を水平に固定した後、水平姿勢を保った状態で５０回落下させた。このとき、ドロップテーブルに加えられる落下衝撃は１５００Ｇ、０．５ｍｓの半正弦波となるような高さに設定した。また、試験基板には、導通抵抗測定用の回路が形成されており、バイアス変化を試験中に測定することで導通の有無を確認し、断線したときの落下回数を寿命として求めた。
また、はんだの機械的強度としてはんだのビッカース硬さを測定し、耐落下衝撃性への影響を調査した。ビッカース硬さ試験における負荷荷重は５０ｇとした。

表４に、落下試験におけるＢＧＡの平均寿命と、はんだのビッカース硬さを示す。これから明らかなように、本発明におけるはんだ合金を用いて接合されたＢＧＡの平均寿命は３０回以上となっており、Ｚｎ添加量が最適化されていない比較例１や、Ｚｎの添加されていない比較例３と比較して、耐落下衝撃性が飛躍的に改善されている。
また、本発明例２および本発明例３は、それぞれＮｉまたはＢｉを添加することにより、耐落下衝撃性を確保しつつ、ビッカース硬さが向上していることから、機械的強度が向上していると推定される。
このように、本発明におけるはんだ合金、はんだボールおよびはんだ接合部は、融点や機械的強度への要求を満足するだけでなく、耐落下衝撃性に関しても優れており、モバイル機器における耐落下衝撃性の問題を飛躍的に改善することが可能であることを確認した。

Claims (4)

1. 質量％で、０．１〜２．０％のＡｇと、０．０５〜２．０％のＺｎを含有し、残部Ｓｎ及び不可避的不純物からなり、
   質量％で、０．１％以下のＮｉまたは２.０％以下のＢｉの何れか一つ以上を含有することを特徴とする耐落下衝撃性に優れたはんだ合金。
2. 質量％で、０．１〜１．２％のＡｇを含有することを特徴とする請求項１に記載の耐落下衝撃性に優れたはんだ合金。
3. 請求項１または２に記載のはんだ合金が、球状化されてなることを特徴とするはんだボール。
4. 請求項１または２に記載のはんだ合金が、Ｎｉ電極に接合されてなることを特徴とするはんだ接合部。