JP5716332B2 - Pb-free solder alloy - Google Patents

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Description

本発明は鉛(Pb)を含まないはんだ合金に関し、特に高温用のはんだ合金に関する。   The present invention relates to a solder alloy containing no lead (Pb), and more particularly to a high temperature solder alloy.

近年、環境に有害な化学物質に対する規制が厳しくなってきており、この規制は電子部品などを基板に接合する目的で使用されるはんだ材料に対しても例外ではない。はんだ材料には古くからPb(鉛)が主成分として使われ続けてきたが、すでにRohs指令などで規制対象物質になっている。このため、Pbを含まないはんだ(以降、Pbフリーはんだまたは無鉛はんだとも称する)の開発が盛んに行われている。   In recent years, regulations on chemical substances harmful to the environment have become stricter, and this regulation is no exception for solder materials used for the purpose of joining electronic components to a substrate. Pb (lead) has been used as a main component for solder materials for a long time, but it has already been regulated by the Rohs Directive. For this reason, development of solder containing no Pb (hereinafter also referred to as Pb-free solder or lead-free solder) has been actively conducted.

電子部品を基板に接合する際に使用するはんだは、その使用限界温度によって高温用(約260℃〜400℃)と中低温用(約140℃〜230℃)に大別され、それらのうち中低温用はんだに関してはSnを主成分とするものでPbフリーが実用化されている。例えば、特許文献1にはSnを主成分とし、Agを1.0〜4.0質量%、Cuを2.0質量%以下、Niを0.5質量%以下、Pを0.2質量%以下含有するPbフリーはんだ合金組成が記載されている。また、特許文献2にはAgを0.5〜3.5質量%、Cuを0.5〜2.0質量%含有し、残部がSnからなる合金組成のPbフリーはんだが記載されている。   Solders used when bonding electronic components to a substrate are roughly classified into high temperature (about 260 ° C. to 400 ° C.) and medium / low temperature (about 140 ° C. to 230 ° C.) depending on the limit temperature of use. As for the solder for low temperature, Sn is a main component and Pb free is put into practical use. For example, in Patent Document 1, Sn is the main component, Ag is 1.0 to 4.0 mass%, Cu is 2.0 mass% or less, Ni is 0.5 mass% or less, and P is 0.2 mass%. The following Pb-free solder alloy composition is described. Patent Document 2 describes a Pb-free solder having an alloy composition containing 0.5 to 3.5% by mass of Ag, 0.5 to 2.0% by mass of Cu, and the balance being Sn.

一方、高温用のPbフリーはんだ材料に関しても、さまざまな機関で開発が行われている。例えば、特許文献3には、Biを30〜80質量%含み、溶融温度が350〜500℃のBi/Agろう材が開示されている。また、特許文献4には、Biを含む共晶合金に2元共晶合金を加え、さらに添加元素を加えたはんだ合金が開示されており、このはんだ合金は、4元系以上の多元系はんだではあるものの、液相線温度の調整とばらつきの減少が可能となることが示されている。   On the other hand, development of various high-temperature Pb-free solder materials is also being conducted. For example, Patent Document 3 discloses a Bi / Ag brazing material containing 30 to 80% by mass of Bi and having a melting temperature of 350 to 500 ° C. Patent Document 4 discloses a solder alloy in which a binary eutectic alloy is added to a eutectic alloy containing Bi and an additional element is further added. This solder alloy is a quaternary or higher multi-component solder. However, it has been shown that the liquidus temperature can be adjusted and variations can be reduced.

さらに、特許文献5には、BiにCu−Al−Mn、Cu、またはNiを添加したはんだ合金が開示されており、これらはんだ合金は、Cu層を表面に備えたパワー半導体素子および絶縁体基板に使用した場合、はんだとの接合界面において不要な反応生成物が形成されにくくなるため、クラックなどの不具合の発生を抑制できると記載されている。   Further, Patent Document 5 discloses a solder alloy in which Cu—Al—Mn, Cu, or Ni is added to Bi, and these solder alloys include a power semiconductor element and an insulator substrate having a Cu layer on the surface. It is described that, when used in the above, it is difficult to form an unnecessary reaction product at the joint interface with the solder, so that occurrence of defects such as cracks can be suppressed.

また、特許文献6には、はんだ組成物100質量%のうち、94.5質量%以上のBiからなる第1金属元素と、2.5質量%のAgからなる第2金属元素と、Sn:0.1〜0.5質量%、Cu:0.1〜0.3質量%、In:0.1〜0.5質量%、Sb:0.1〜3.0質量%、およびZn:0.1〜3.0質量%よりなる群から選ばれる少なくとも1種を合計0.1〜3.0質量%含む第3金属元素とからなるはんだ組成物が示されている。   Further, in Patent Document 6, among 100% by mass of the solder composition, a first metal element composed of 94.5% by mass or more of Bi, a second metal element composed of 2.5% by mass of Ag, and Sn: 0.1-0.5% by mass, Cu: 0.1-0.3% by mass, In: 0.1-0.5% by mass, Sb: 0.1-3.0% by mass, and Zn: 0 A solder composition composed of a third metal element containing at least one selected from the group consisting of 0.1 to 3.0% by mass in a total of 0.1 to 3.0% by mass is shown.

また、特許文献7には、副成分としてAg、Cu、ZnおよびSbのうちの少なくとも1種を含有するBi基合金に、0.3〜0.5質量%のNiを含有するPbフリーはんだ組成物が開示されており、このPbフリーはんだは、固相線温度が250℃以上であり、液相線温度が300℃以下であることが記載されている。さらに特許文献8にはBiを含む2元合金が開示されており、この2元合金は、はんだ付け構造体内部において、クラックの発生を抑える効果を有していることが記載されている。   Patent Document 7 discloses a Pb-free solder composition containing 0.3 to 0.5% by mass of Ni in a Bi-based alloy containing at least one of Ag, Cu, Zn and Sb as subcomponents. The Pb-free solder has a solidus temperature of 250 ° C. or higher and a liquidus temperature of 300 ° C. or lower. Further, Patent Document 8 discloses a binary alloy containing Bi, and it is described that this binary alloy has an effect of suppressing the occurrence of cracks in the soldering structure.

特開1999−077366号公報Japanese Patent Laid-Open No. 1999-077366 特開平8−215880号公報JP-A-8-215880 特開2002−160089号公報JP 2002-160089 A 特開2006−167790号公報JP 2006-167790 A 特開2007−281412号公報JP 2007-281212 A 特許第3671815号公報Japanese Patent No. 3671815 特開2004−025232号公報JP 2004-025232 A 特開2007−181880号公報JP 2007-181880 A

前述したように、高温用のPbフリーはんだ材料に関しては、Bi系のはんだ合金が様々な機関で開発されている。このBi系はんだにおいては、(1)電子部品等のNiメタライズ層との反応防止およびNi拡散防止、(2)加工性、および(3)濡れ性の3つの特性を、全て実用レベル以上でバランスさせて、当該Bi系はんだを実用性のあるものにすることが大きな課題となっている。しかしながら、未だこれら3つの特性のバランスのとれた実用性の面で許容できるはんだ材料は見つかっていないのが実情である。   As described above, with respect to high-temperature Pb-free solder materials, Bi-based solder alloys have been developed by various organizations. In this Bi-based solder, the three characteristics of (1) prevention of reaction with Ni metallized layers such as electronic parts and Ni diffusion prevention, (2) workability, and (3) wettability are all balanced at a practical level or more. Thus, making the Bi-based solder practical is a big issue. However, the actual situation is that no acceptable solder material has yet been found in terms of practicality in which these three characteristics are balanced.

すなわち、Bi系はんだ合金の主成分をなすBiは、電子部品等に形成されているNiメタライズ層と反応して脆い層を生成したり、Niメタライズ層のNiがBi中に拡散して接合性を極端に低下させたりすることがある。さらにBiは非常に脆いため、そのままではシートやワイヤーに加工するのが困難である。そして、これらNi拡散の問題や脆性的なBiの特性を改善するために各種元素を添加すると、もともとCu等への濡れ性が十分でないBiの濡れ性をさらに低下させてしまうことがある。   That is, Bi, which is the main component of the Bi-based solder alloy, reacts with the Ni metallized layer formed on the electronic component or the like to form a brittle layer, or Ni in the Ni metallized layer diffuses into Bi and has a bonding property. May be drastically reduced. Furthermore, since Bi is very brittle, it is difficult to process into a sheet or a wire as it is. When various elements are added in order to improve the Ni diffusion problem and brittle Bi characteristics, Bi wettability, which originally has insufficient wettability to Cu or the like, may be further reduced.

これに対して、特許文献5には、はんだとの接合表面がCu層ではなくNi層である場合が比較例として挙げられていることからも分かるように、Ni拡散の問題を解決するものではない。また、BiにCu−Al−Mn、Cu、またはNiを添加したはんだ合金では接合界面に多量のBiNiが形成され、その周囲には多数の空隙が観察されると記載されており、さらにBiNiは非常に脆い性質を有し、過酷な条件のヒートサイクルに対して信頼性が得られにくいことが確認できたと記載されているが、単にNiとBiの反応性の問題が提示されているに過ぎない。 On the other hand, Patent Document 5 does not solve the problem of Ni diffusion, as can be seen from the fact that the bonding surface with the solder is not a Cu layer but a Ni layer as a comparative example. Absent. Further, it is described that a large amount of Bi 3 Ni is formed at the joint interface in a solder alloy in which Cu—Al—Mn, Cu, or Ni is added to Bi, and a large number of voids are observed in the periphery thereof. It is described that Bi 3 Ni has a very brittle property and it has been confirmed that it is difficult to obtain reliability with respect to a heat cycle under severe conditions, but a problem of reactivity between Ni and Bi is simply presented. It ’s just that.

また、特許文献6において開示されているようなAgを2.5質量%含有するはんだ組成物では、例えばSnを0.5質量%以上、Znを3.0質量%以上含有しても、BiとNiの反応やBi中へのNiの拡散は抑えることはできず、接合強度が低くて実用に耐えられないはんだ材料であることを実験で確認している。   Further, in the solder composition containing 2.5% by mass of Ag as disclosed in Patent Document 6, for example, even if Sn is contained by 0.5% by mass or more and Zn is contained by 3.0% by mass or more, Bi The reaction between Ni and Ni and the diffusion of Ni into Bi cannot be suppressed, and it has been experimentally confirmed that the bonding strength is low and the solder material cannot withstand practical use.

さらに特許文献5、6には加工性や濡れ性に関する記載がなく、例えば、特許文献5のBi−CuやBi−Ni、BiにMnが添加された合金、さらには特許文献6のBi−2.5Ag(共晶組成)といった組成では合金が非常に脆く、ワイヤーやシートに加工することは困難であることを実験で確認している。   Further, Patent Documents 5 and 6 have no description on workability and wettability. For example, Bi—Cu, Bi—Ni, Bi alloys in which Mn is added to Patent Document 5, and Bi-2 in Patent Document 6 are further disclosed. Experiments have confirmed that a composition such as .5Ag (eutectic composition) is very brittle and difficult to process into a wire or sheet.

すなわち、CuはBiにほとんど固溶しないため加工性を向上させる効果はなく、Niは前述のとおりBiと脆い相を生成してしまう。また、Mnは添加すると変色を起こし、表面の酸化が進んでしまうことを目視で確認している。さらに、AgはBiと共晶組成であっても加工性が向上しない。これは、AgのBi中への分散状態が不均一になっていることによるものではないかと推測される。   That is, since Cu hardly dissolves in Bi, there is no effect of improving workability, and Ni generates a brittle phase with Bi as described above. Further, when Mn is added, discoloration occurs, and it is visually confirmed that the surface oxidation proceeds. Furthermore, even if Ag is a eutectic composition with Bi, the workability is not improved. This is presumed to be due to the non-uniform dispersion state of Ag in Bi.

また、特許文献7に開示されているPbフリーはんだ組成物では、上記したようにNiがBiと脆い合金を生成してしまう。つまり、Bi−Niの2元系状態図を見れば分かるように、Biが多く存在する場合、BiNi合金という脆い合金を作ってしまう。Niを0.3〜0.5質量%含有した場合、非常に脆い合金相がはんだ内に分散することになり、もともと脆いBi系はんだをさらに脆化させてしまうことが推測される。さらに、特許文献7の請求範囲にある組成では、当然、加工性は悪くなると考えられるが、それに関して触れられておらず、濡れ性に関する記述もない。 Moreover, in the Pb-free solder composition disclosed in Patent Document 7, Ni forms a brittle alloy with Bi as described above. That is, as can be seen from the Bi-Ni binary phase diagram, when a large amount of Bi is present, a brittle alloy called Bi 3 Ni alloy is formed. When Ni is contained in an amount of 0.3 to 0.5% by mass, a very brittle alloy phase is dispersed in the solder, and it is assumed that the originally brittle Bi-based solder is further embrittled. Further, in the composition within the scope of claims of Patent Document 7, it is naturally considered that the workability is deteriorated, but there is no mention of it and there is no description about wettability.

また、特許文献4や特許文献8には、Bi中へのNiの拡散の問題やその防止対策に対して何も触れられていない。特に、特許文献8にはBi−Ag系、Bi−Cu系、Bi−Zn系などについて開示されており、この内、Bi−Ag系については特にNi拡散対策が必要であるが、そのことに関して何ら記述されていない。   Further, Patent Document 4 and Patent Document 8 do not mention anything about the problem of diffusion of Ni into Bi and measures for preventing the problem. In particular, Patent Document 8 discloses a Bi-Ag system, a Bi-Cu system, a Bi-Zn system, and the like. Of these, a Bi-Ag system requires a Ni diffusion countermeasure in particular. It is not described at all.

また、Bi−Cu系に関しては、CuのBi中への固溶量が微量であるため融点の高いCu相が析出し、接合性に問題が生じることが考えられるが、これに対する対策が述べられていない。さらに、Bi−Zn系では還元性の強いZnにより濡れ性が下がり、電子部品等の接合が困難であることが推測できるが、これに関しても触れられておらず、NiとBiの反応に関する記述もない。そして、特許文献8には加工性、濡れ性に関する記述もない。   In addition, regarding the Bi-Cu system, it is considered that a Cu phase having a high melting point precipitates due to a very small amount of solid solution of Cu in Bi, and there arises a problem in the bondability. Not. Furthermore, in Bi-Zn system, it is speculated that wettability is lowered by Zn having strong reducibility and it is difficult to join electronic parts etc., but this is not mentioned, and there is also a description about the reaction between Ni and Bi. Absent. Patent Document 8 does not describe workability and wettability.

ところで、高温用のPbフリーはんだ合金の場合は、上記3つの特性のバランスがとれていることに加えて、約260℃のリフローに耐え、且つ接合が約400℃以下で行えることも必要である。すなわち、一般的に電子部品や基板には熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂などの比較的耐熱温度の低い材料が多用されているため、作業温度を400℃未満、望ましくは370℃以下にする必要がある。   By the way, in the case of a high-temperature Pb-free solder alloy, in addition to the balance between the above three characteristics, it is also necessary to withstand reflow at about 260 ° C. and to be able to join at about 400 ° C. or less. . In other words, since materials having relatively low heat resistance such as thermoplastic resins and thermosetting resins are generally used for electronic parts and substrates, the working temperature must be less than 400 ° C., preferably 370 ° C. or less. There is.

しかしながら、例えば特許文献3に開示されているBi/Agろう材では、液相線温度が400〜700℃と高いため、接合時の作業温度も400〜700℃以上になると推測され、接合される電子部品や基板の耐熱温度を超えてしまい、良好な接合はできないと考えられる。   However, for example, in the Bi / Ag brazing material disclosed in Patent Document 3, since the liquidus temperature is as high as 400 to 700 ° C., it is estimated that the working temperature at the time of joining is also 400 to 700 ° C. or more and is joined. It is considered that the heat resistance temperature of the electronic component or the substrate is exceeded and good bonding cannot be performed.

このように、従来の鉛を含まない高温用のBi系はんだ合金は、(1)電子部品等のNiメタライズ層との反応防止およびNi拡散防止、(2)加工性、および(3)濡れ性の3つの特性においてバランスのとれた材料であるとはいえず、実用性の面において満足のいくものではなかった。本発明はかかる従来の問題点に鑑みてなされたものであり、濡れ性および加工性に優れ、且つ電子部品等のNiメタライズ層との反応やNi拡散を抑制できるBi系の高温用Pbフリーはんだ合金を提供することを目的としている。   Thus, the conventional high temperature Bi-based solder alloys that do not contain lead are (1) prevention of reaction with Ni metallized layers such as electronic parts and prevention of Ni diffusion, (2) workability, and (3) wettability. Therefore, it cannot be said that the material is balanced in terms of these three characteristics, and is not satisfactory in terms of practicality. The present invention has been made in view of such conventional problems, and is a Bi-based high-temperature Pb-free solder that is excellent in wettability and workability and can suppress reaction with Ni metallized layers such as electronic parts and Ni diffusion. The aim is to provide alloys.

上記目的を達成するため、本発明が提供するPbフリーはんだ合金は、Snを0.01質量%以上4.8質量%以下含有し、A0.03質量%以上1.0質量%以下(0.5質量%以下を除く)含有し、Pを0質量%以上0.5質量%以下含有し、残部が不可避不純物を除いてBiからなることを特徴としている。また、上記Pbフリーはんだ合金は、Cuを0.18質量%以上1.8質量%以下含有してもよく、AgまたはZnのいずれか1種以上を、Agの場合は0.01質量%以上3.0質量%以下、Znの場合は0.01質量%以上0.4質量%未満含有してもよい。 To achieve the above object, Pb-free solder alloys provided by the present invention, the Sn contained less 4.8 wt% 0.01 wt%, the A l 0.03 mass% to 1.0 mass% (0.5 excluding mass% or less) have free, a P containing 0.5 mass% or more 0% by mass and the residue is characterized in that it consists of Bi except inevitable impurities. In addition, the Pb-free solder alloy may contain 0.18% by mass or more and 1.8% by mass or less of Cu. In the case of Ag, 0.01% by mass or more of Ag or Zn. In the case of Zn, it may be contained in an amount of 0.01% by mass or more and less than 0.4% by mass.

本発明によれば、電子部品と基板の接合に必要な強度を有する上、濡れ性および加工性に優れる高温用のPbフリーはんだ合金を提供することができる。すなわち、主成分としてのBiに、所定の金属元素を所定の含有率となるように添加することによって、実質的にリフロー温度260℃以上の耐熱温度を有するとともに、濡れ性および加工性に優れ、さらに電子部品等が有するNi層とはんだ合金中のBiとの反応や、Bi系はんだ中へのNi拡散を抑えることが可能となる。   According to the present invention, it is possible to provide a high-temperature Pb-free solder alloy having strength necessary for joining an electronic component and a substrate, and having excellent wettability and workability. That is, by adding a predetermined metal element to Bi as a main component so as to have a predetermined content rate, the reflow temperature is substantially 260 ° C. or higher, and wettability and workability are excellent. Furthermore, it becomes possible to suppress the reaction between the Ni layer of the electronic component or the like and Bi in the solder alloy and the diffusion of Ni into the Bi-based solder.

本発明のPbフリーはんだは、Snを0.01質量%以上10質量%以下含有し、AlまたはCuのいずれか1種以上を、Alの場合は0.03質量%以上1.0質量%以下、Cuの場合は0.01質量%以上1.8質量%以下含有し、Pを0質量%以上0.5質量%以下含有し、残部が不可避不純物を除いてBiからなることを特徴としている。また、はんだ合金の特性をさらに向上させたい場合は、AgまたはZnのいずれか1種以上を、Agの場合は0.01質量%以上3.0質量%以下、Znの場合は0.01質量%以上0.4質量%未満さらに含有してもよい。   The Pb-free solder of the present invention contains Sn in an amount of 0.01% by mass or more and 10% by mass or less, and contains at least one of Al and Cu, and in the case of Al, 0.03% by mass to 1.0% by mass. In the case of Cu, 0.01 mass% or more and 1.8 mass% or less is contained, P is contained 0 mass% or more and 0.5 mass% or less, and the balance is made of Bi except for inevitable impurities. . In order to further improve the properties of the solder alloy, at least one of Ag and Zn is used. In the case of Ag, 0.01% by mass to 3.0% by mass, and in the case of Zn, 0.01% by mass. % Or more and less than 0.4% by mass.

これにより、約260℃のリフローに耐え、且つ約400℃以下で接合を行い得ることに加えて、(1)電子部品等のNiメタライズ層との反応の防止とNiのBi中への拡散防止、(2)加工性、および(3)濡れ性の3つの特性についてバランスのとれた実用性のある高温用はんだ材料を得ることができる。   With this, in addition to being able to withstand reflow of about 260 ° C. and being able to perform bonding at about 400 ° C. or less, (1) prevention of reaction with Ni metallized layers such as electronic parts and prevention of diffusion of Ni into Bi , (2) Workability, and (3) A practical high-temperature solder material balanced in terms of wettability can be obtained.

すなわち、高温用はんだ材料は約260℃のリフロー温度に耐える必要があるが、Bi系はんだの場合は、さらにBiとNiの反応やBi中へのNi拡散を抑えなければならない。これが不十分であると、電子部品等に設けられているNi層がはんだに含まれるBiと反応し、脆いBi−Ni合金を生成するとともにBi中にNiが拡散して接合部を脆化させるおそれがある。   That is, the high-temperature solder material needs to withstand a reflow temperature of about 260 ° C., but in the case of Bi-based solder, the reaction between Bi and Ni and the diffusion of Ni into Bi must be further suppressed. If this is insufficient, the Ni layer provided on the electronic component or the like reacts with Bi contained in the solder to form a brittle Bi—Ni alloy and Ni diffuses into Bi to make the joint brittle. There is a fear.

その結果、接合強度が低下し、このはんだ合金で接合されている電子基板を備えた装置の信頼性が損なわれてしまう。Biは半金属であって本質的に脆い金属であるため、これらの脆さの課題を解決するために各種元素を添加することも考えられるが、この場合は、もともと濡れ性に優れていないBiの濡れ性をさらに下げてしまうおそれがある。   As a result, the bonding strength is reduced, and the reliability of the apparatus including the electronic substrate bonded with the solder alloy is impaired. Since Bi is a semimetal and is essentially a brittle metal, it may be possible to add various elements in order to solve these brittleness problems. In this case, Bi that is not originally excellent in wettability. There is a risk of further reducing the wettability.

そこでBiとNiとの反応性について様々な元素を調べた結果、SnがBiよりも優先的にNi層と反応し、合金化すると共に濡れ性も条件によっては必要以上のレベルを確保できることを見出した。また、BiにSnのみを添加した2元系合金の場合は、BiとNiの反応やNi拡散は抑制できるが、加工性が不十分になったり、条件によっては濡れ性も不十分になったりすることが分かった。   Therefore, as a result of investigating various elements regarding the reactivity between Bi and Ni, it was found that Sn reacts preferentially with the Ni layer over Bi, forms an alloy, and wettability can be secured at an unnecessarily high level depending on conditions. It was. Further, in the case of a binary alloy in which only Sn is added to Bi, the reaction between Bi and Ni and Ni diffusion can be suppressed, but the workability becomes insufficient, and the wettability becomes insufficient depending on conditions. I found out that

そこで、この濡れ性改善を第一の目的として実験を行った結果、AlやCuの添加が有効であることが分かった。Alはさらに加工性を向上させる効果を有することも分かった。そして、濡れ性をより一層向上させたい場合は、Pを添加することが好ましいことが分かった。   Therefore, as a result of conducting an experiment for the purpose of improving the wettability, it was found that the addition of Al or Cu is effective. It was also found that Al has an effect of further improving workability. And when improving wettability further, it turned out that adding P is preferable.

接合温度や接合時間、リフロー条件、チップの大きさや形成されているメタライズ層、許容電流など、はんだ材料を用いて作製される製品の製造条件や仕様は様々であり、それらの条件等に合わせてさらに各種元素を添加してもよい。これにより、個々の目的に適合した特性をさらに向上させることが可能となり、本発明のはんだの用途をさらに広げることができる。   There are various manufacturing conditions and specifications for products manufactured using solder materials, such as bonding temperature, bonding time, reflow conditions, chip size, formed metallization layer, and allowable current. Further, various elements may be added. Thereby, it becomes possible to further improve the characteristics suitable for each purpose, and the application of the solder of the present invention can be further expanded.

具体的には、Ni拡散抑制や接合性をより一層向上をさせたい場合は、上記組成に加えてZnを添加すると効果があることが分かった。また、濡れ性をより一層向上させたい場合は、Agを添加すると効果があることが分かった。以下、上記した特徴的な効果が得られる本発明のPbフリーはんだ合金に含まれる元素と、必要に応じて含まれる元素に関して具体的な説明を行う。   Specifically, it was found that when Zn diffusion suppression and bondability were to be further improved, it was effective to add Zn in addition to the above composition. In addition, it was found that adding Ag was effective in further improving wettability. Hereinafter, the elements included in the Pb-free solder alloy of the present invention that can obtain the above-described characteristic effects and the elements included as necessary will be described in detail.

<Bi>
Biは本発明の高温用鉛フリーはんだ合金の主成分をなしている。BiはVa族元素(N、P、As、Sb、Bi)に属し、その結晶構造は、対称性の低い三方晶(菱面体晶)で非常に脆い金属であり、引張試験などを行うとその破面は脆性破面であることが容易に見て取れる。つまり純Biは延性的な性質に乏しい金属である。
<Bi>
Bi is the main component of the high temperature lead-free solder alloy of the present invention. Bi belongs to the Va group element (N, P, As, Sb, Bi), and its crystal structure is a trigonal crystal (rhombohedral crystal) with a low symmetry and a very brittle metal. It can be easily seen that the fracture surface is a brittle fracture surface. That is, pure Bi is a metal with poor ductility.

Va族元素の中からBiを選定した理由は、Va族元素はBiを除き、半金属、非金属に分類され、Biよりもさらに脆いためである。また、Biは融点が271℃であり、高温はんだの使用条件である約260℃のリフロー温度を超えているからである。Biの脆さを克服するためには後述する各種添加元素が必要である。Biが有する脆さ等の特性を改善するために添加する元素の種類や量は、改善する特性によって異なる。したがって、添加する元素の種類や添加量に応じて、必然的にBiの含有量は変化する。   The reason for selecting Bi from the Va group elements is that the Va group elements are classified into semi-metals and non-metals except for Bi, and are more brittle than Bi. Further, Bi has a melting point of 271 ° C., which exceeds the reflow temperature of about 260 ° C., which is the use condition of high-temperature solder. In order to overcome the brittleness of Bi, various additive elements described later are necessary. The type and amount of elements added to improve characteristics such as brittleness of Bi vary depending on the characteristics to be improved. Accordingly, the Bi content inevitably changes depending on the type and amount of the element to be added.

<Sn>
Snは本発明の高温用鉛フリーはんだ合金に含まれる必須の元素である。Snははんだ合金の濡れ性を確保するための重要な役割を担っている。また、Snのもう一つ重要な役割に、Ni拡散を抑制する効果がある。このNi拡散抑制効果はSnとZnのみで確認されているが、SnはZnよりもイオン半径が小さく、3元共晶を引き起こし易いため、よりNiとの反応性に富んでいる。加えて、SnはZnより還元性が弱く酸化しにくいため、Ni拡散の抑制効果を確保しながら濡れ性を向上させることができる。
<Sn>
Sn is an essential element contained in the high temperature lead-free solder alloy of the present invention. Sn plays an important role for ensuring the wettability of the solder alloy. Another important role of Sn is to suppress Ni diffusion. This effect of suppressing Ni diffusion has been confirmed only with Sn and Zn, but Sn has a smaller ion radius than Zn and is likely to cause ternary eutectics, and thus is more reactive with Ni. In addition, since Sn is less reducible than Zn and difficult to oxidize, it is possible to improve wettability while ensuring the effect of suppressing Ni diffusion.

ただし、Bi−Snの2元系合金の場合、製造条件等によっては加工性が問題になることがある。すなわち、Bi−Sn合金は特に加工性に優れるわけではないため、ボールなどの形状には問題なく製造できるが、加工が難しいシート状に圧延加工する場合は、圧延途中でクラックが入ってしまう場合がある。   However, in the case of a Bi—Sn binary alloy, workability may be a problem depending on manufacturing conditions and the like. That is, Bi-Sn alloy is not particularly excellent in workability, so it can be produced without any problem in the shape of a ball or the like, but when rolling into a difficult-to-process sheet, cracks may occur during rolling. There is.

以上のような制約があるため、最適なSnの添加量は、0.01質量%以上、10質量%以下である。この量が0.01質量%未満では少なすぎてNi拡散抑制効果や濡れ性向上効果が現れない。一方、10質量%より多いと、ボールなどには加工できるものの、シート状に加工することが困難になる場合があるので好ましくない。加えて、Snは融点が低く、リフロー時にある程度の液相生成を許容したとしても溶解による電子部品の位置ずれなどの問題を生ずるおそれがあるので、この点からも添加量は10質量%以下が好ましい。   Due to the above restrictions, the optimum amount of Sn added is 0.01% by mass or more and 10% by mass or less. If this amount is less than 0.01% by mass, the Ni diffusion suppression effect and the wettability improvement effect do not appear. On the other hand, if it is more than 10% by mass, it can be processed into a ball or the like, but it may be difficult to process into a sheet, which is not preferable. In addition, Sn has a low melting point, and even if a certain amount of liquid phase is allowed during reflow, it may cause problems such as displacement of electronic components due to dissolution. preferable.

<Al>
Alは、AlまたはCuのいずれか1種以上が含まれるとの要件の下で本発明の高温用鉛フリーはんだ合金に含まれる元素である。かかる要件の下でAlを添加する目的は、第一に、はんだ合金の濡れ性を向上させることである。加えて、加工性を向上させることも目的としている。濡れ性が向上する理由は、AlはBiやSnよりの還元性が強いため、少量の添加であっても自らが酸化して、はんだ母材を酸化しにくくして濡れ性を改善するからである。
<Al>
Al is an element contained in the high-temperature lead-free solder alloy of the present invention under the requirement that at least one of Al and Cu is contained. The purpose of adding Al under such requirements is to first improve the wettability of the solder alloy. In addition, it aims at improving workability. The reason why wettability is improved is that Al is more reducible than Bi and Sn, so even if it is added in a small amount, it oxidizes itself, making it difficult to oxidize the solder base material and improving wettability. is there.

一方、はんだの加工性が向上する理由は、Al自身が柔らかい元素であることに加え、BiがAl中にわずかにしか固溶しないため、Alの柔軟性を保ったままはんだ中に存在できるからである。さらにZnが加わってAl−Znが共晶組成付近で合金を作った場合は、結晶の微細化効果で一段と加工性が向上する。   On the other hand, the reason why the workability of solder is improved is that Al itself is a soft element, and Bi is only slightly dissolved in Al, so it can exist in the solder while maintaining the flexibility of Al. It is. Further, when Zn is added and an alloy is formed in the vicinity of the eutectic composition of Al—Zn, the workability is further improved due to the crystal refinement effect.

Alの添加によって得られる効果は、上記した濡れ性向上および加工性向上に留まることなく、さらに融点調整にも大きな効果を発揮する。つまり、Bi−Al状態図から分かるように、Alの融点上昇効果は非常に大きく、少量の添加で融点を上げることが可能である。   The effect obtained by the addition of Al is not limited to the above-described improvement in wettability and workability, and further exhibits a great effect in adjusting the melting point. That is, as can be seen from the Bi-Al phase diagram, the effect of increasing the melting point of Al is very large, and the melting point can be increased by adding a small amount.

このように、Alの添加は濡れ性、加工性そして融点の3つの特性を考慮しながら少量添加することになる。Alを添加する場合は、その添加量は0.03質量%以上、1.0質量%以下である。これはAlを1.0質量%より多く添加すると、融点の高いAlが偏析してしまい、接合性を落とすなどの問題が生じてしまうからである。一方、Alの添加量が0.03質量%未満では期待した加工性や融点上昇の効果が実質的に得られないことを確認している。   As described above, Al is added in a small amount in consideration of the three characteristics of wettability, workability, and melting point. When adding Al, the addition amount is 0.03 mass% or more and 1.0 mass% or less. This is because if Al is added in an amount of more than 1.0% by mass, Al having a high melting point is segregated, resulting in a problem that the bonding property is deteriorated. On the other hand, it has been confirmed that when the added amount of Al is less than 0.03 mass%, the expected workability and the effect of increasing the melting point cannot be substantially obtained.

<Cu>
Cuは、前述したように、AlまたはCuのいずれか1種以上が含まれるとの要件の下で本発明の高温用鉛フリーはんだ合金に含まれる元素である。したがって、Cu添加の目的は、Al添加の第一の目的と同じ濡れ性の向上である。しかし、Cu添加による濡れ性向上のメカニズムはAlとは異なっている。つまり、Alは自らが酸化してはんだ母相の酸化を防ぐが、CuはCu自身が酸化しにくいため、はんだ母相に分散してはんだ母相の酸化を防ぐのである。
<Cu>
As described above, Cu is an element contained in the high-temperature lead-free solder alloy of the present invention under the requirement that at least one of Al and Cu is contained. Therefore, the purpose of Cu addition is to improve the same wettability as the first purpose of Al addition. However, the mechanism of wettability improvement by addition of Cu is different from Al. That is, Al oxidizes itself to prevent oxidation of the solder mother phase, but Cu is difficult to oxidize Cu itself, so it is dispersed in the solder mother phase to prevent oxidation of the solder mother phase.

さらにCuは、特にCu基板との濡れ性に関して優れており、濡れ性、接合性を向上させることができる。Cuを添加する場合は、その添加量は0.01質量%以上、1.8質量%以下である。この量が0.01質量%未満では添加量が少なすぎて濡れ性を向上させる効果が期待できない。一方、1.8重量%を超えてしまうと液相線温度が高くなりすぎ、良好な接合ができなくなってしまう。   Furthermore, Cu is particularly excellent in wettability with a Cu substrate, and can improve wettability and bondability. When adding Cu, the addition amount is 0.01 mass% or more and 1.8 mass% or less. If this amount is less than 0.01% by mass, the addition amount is too small and the effect of improving the wettability cannot be expected. On the other hand, if it exceeds 1.8% by weight, the liquidus temperature becomes too high and good bonding cannot be performed.

<P>
Pは、必要に応じて添加される元素であり、Pの添加によって、はんだ合金の濡れ性および接合性をさらに向上させることができる。Pの添加により濡れ性向上の効果が大きくなる理由は、Pは還元性が強く、自ら酸化することによりはんだ合金表面の酸化を抑制することによる。
<P>
P is an element added as necessary, and the addition of P can further improve the wettability and bondability of the solder alloy. The reason why the effect of improving wettability is increased by the addition of P is that P is highly reducible and suppresses oxidation of the solder alloy surface by oxidizing itself.

さらに、Pの添加により接合時にボイドの発生を低減させる効果がある。すなわち、前述したように、Pは自らが酸化しやすいため、接合時にはんだの主成分であるBi、さらにはSnよりも優先的に酸化が進む。その結果、はんだ母相の酸化を防ぎ、濡れ性を確保することができる。これにより良好な接合が可能となり、ボイドの生成も起こりにくくなる。   Furthermore, the addition of P has the effect of reducing the generation of voids during bonding. That is, as described above, since P easily oxidizes itself, oxidation proceeds preferentially over Bi, which is the main component of solder, and further with Sn during bonding. As a result, it is possible to prevent the solder mother phase from being oxidized and to ensure wettability. As a result, good bonding is possible, and void formation is less likely to occur.

Pは前述したように非常に還元性が強いため、微量の添加でも濡れ性向上の効果を発揮する。逆にある量以上では添加しても濡れ性向上の効果は変わらず、過剰な添加ではPの酸化物がはんだ表面に生成されたり、Pが脆弱な相を作り脆化したりするおそれがある。したがって、Pは微量添加が好ましい。   As described above, P has a very strong reducibility, so that the effect of improving wettability is exhibited even when a small amount is added. On the contrary, even if it is added in a certain amount or more, the effect of improving the wettability does not change, and if it is added excessively, P oxide may be generated on the solder surface, or P may form a brittle phase and become brittle. Therefore, P is preferably added in a trace amount.

具体的には、Pの添加量は0.001質量%以上が好ましく、その上限値は0.5質量%である。Pがこの上限値を超えると、その酸化物がはんだ表面を覆い、逆に濡れ性を落とすおそれがある。さらに、PはBiへの固溶量が非常に少ないため、添加量が多いと脆いP酸化物が偏析するなどして信頼性を低下させる。特にワイヤーなどを加工する場合に、断線の原因になりやすいことを確認している。一方、Pの添加量が0.001質量%未満では期待する還元効果が得られず、添加する意味がない。   Specifically, the addition amount of P is preferably 0.001% by mass or more, and the upper limit is 0.5% by mass. When P exceeds this upper limit, the oxide covers the solder surface, and conversely, wettability may be reduced. Furthermore, since the amount of solid solution of Bi in P is very small, if the amount is large, brittle P oxide is segregated and the reliability is lowered. It has been confirmed that wire breakage is likely to occur, especially when processing wires and the like. On the other hand, if the addition amount of P is less than 0.001% by mass, the expected reduction effect cannot be obtained, and there is no point in adding.

<Ag>
本発明の高温用鉛フリーはんだ合金は、Agを含有してもよい。Agは電子部品の最上面のメタライズ層に使用されることからも分かるように、濡れ性を向上させる効果が非常に大きい。一方でBi系はんだの場合、AgはNiとBiの反応、そしてBi系はんだ中へのNi拡散を助長する機能を有し、その観点からはAgの添加は好ましくない。
<Ag>
The high temperature lead-free solder alloy of the present invention may contain Ag. As can be seen from the fact that Ag is used for the metallized layer on the uppermost surface of the electronic component, the effect of improving the wettability is very large. On the other hand, in the case of Bi-based solder, Ag has a function of promoting the reaction between Ni and Bi and diffusion of Ni into the Bi-based solder. From this viewpoint, addition of Ag is not preferable.

しかし、電子部品の接合条件によっては、Niメタライズ層の上にAgなどのメタライズ層を数μm、場合によっては10μm程度形成することがある。このように、Niメタライズ層の上に数〜10μm程度のAgメタライズ層が存在する場合は、はんだ中に所定量のAgを含むことによって、上記問題を生ずることなく濡れ性の効果を発現させることができる。具体的には、Niメタライズ層の上のAgメタライズ層が厚い場合などにおいて、濡れ性を最優先する際、Agを0.01質量%以上、3.0質量%以下含めることが好ましい。   However, depending on the joining condition of the electronic component, a metallized layer such as Ag may be formed on the Ni metallized layer to have a thickness of several μm, or in some cases about 10 μm. As described above, when an Ag metallized layer of about several to 10 μm is present on the Ni metallized layer, the wettability effect can be exhibited without causing the above problem by including a predetermined amount of Ag in the solder. Can do. Specifically, when the Ag metallized layer on the Ni metallized layer is thick, it is preferable to include Ag in an amount of 0.01% by mass to 3.0% by mass when wettability is given the highest priority.

Agの添加量を3.0質量%以下とする理由は、Agはその添加量の増加に伴って前述したようにNi拡散を助長する効果を増していくため、Agの添加量が3.0質量%を超えると、接合時間が短時間であったり、あるいはNiの上のAgメタライズ層が薄い場合でも、BiとNiの反応が進んだり、Ni拡散が発生したりする可能性が高くなるからである。一方、0.01質量%未満では添加量が少なすぎて濡れ性向上の効果を期待できない。   The reason why the addition amount of Ag is 3.0% by mass or less is that Ag increases the effect of promoting Ni diffusion as described above with an increase in the addition amount, so that the addition amount of Ag is 3.0. If the mass% is exceeded, there is a high possibility that the reaction between Bi and Ni proceeds or Ni diffusion occurs even when the joining time is short or the Ag metallized layer on Ni is thin. It is. On the other hand, if the amount is less than 0.01% by mass, the addition amount is too small to expect improvement in wettability.

<Zn>
本発明の高温用鉛フリーはんだ合金は、Znを含有してもよい。ZnはNi拡散抑制する効果が認められる数少ない元素である。一方でZnは酸化しやすいため、はんだ合金の濡れ性を低下させてしまうことが多い。したがって、Znの添加量は状況に応じて適宜定められる。例えば、濡れ性を第一優先とする場合、その添加量は最小限に留めることが好ましい。一方で、他の添加元素によって既に濡れ性が確保されており、単にNi拡散を抑制する効果を向上させたい場合は積極的に添加してよい。さらにAlとZnを同時に添加した場合は共晶組成付近で加工性を向上させる効果を得ることができる。
<Zn>
The high temperature lead-free solder alloy of the present invention may contain Zn. Zn is one of the few elements that has an effect of suppressing Ni diffusion. On the other hand, since Zn is easily oxidized, it often reduces the wettability of the solder alloy. Therefore, the addition amount of Zn is appropriately determined according to the situation. For example, when the wettability is the first priority, it is preferable to keep the addition amount to a minimum. On the other hand, when the wettability is already ensured by other additive elements and it is desired to simply improve the effect of suppressing Ni diffusion, it may be positively added. Furthermore, when Al and Zn are added simultaneously, the effect of improving workability in the vicinity of the eutectic composition can be obtained.

Znの最適な添加量は、Ni層の厚さやリフロー温度、リフロー時間等に左右されるものの、概ね0.01質量%以上、0.4質量%未満である。これは、Znに期待する効果はNi拡散を抑制する効果であり、本発明においてはSnが十分に添加されているため、0.4質量%以上添加しても効果は飽和しており意味を成さないうえ、濡れ性を低下させてしまうからである。一方、0.01質量%未満では添加量が少なすぎて添加の効果を期待できない。   The optimum addition amount of Zn is approximately 0.01% by mass or more and less than 0.4% by mass although it depends on the thickness of the Ni layer, the reflow temperature, the reflow time, and the like. This is because the effect expected of Zn is an effect of suppressing Ni diffusion. In the present invention, Sn is sufficiently added, so the effect is saturated even if added in an amount of 0.4% by mass or more. This is because it does not make it possible and reduces wettability. On the other hand, if it is less than 0.01% by mass, the addition amount is too small to expect the effect of addition.

まず、原料としてそれぞれ純度99.9重量%以上のBi、Sn、Al、Cu、P、AgおよびZnを準備した。大きな薄片やバルク状の原料については、溶解後の合金においてサンプリング場所による組成のバラツキがなく均一になるように留意しながら切断、粉砕等を行い、3mm以下の大きさに細かくした。次に、高周波溶解炉用グラファイトるつぼに、これら原料から所定量を秤量して入れた。   First, Bi, Sn, Al, Cu, P, Ag and Zn having a purity of 99.9% by weight or more were prepared as raw materials. Large flakes and bulk-shaped raw materials were cut and pulverized, etc. so as to be uniform with no variation in composition depending on the sampling location in the alloy after melting, and were reduced to a size of 3 mm or less. Next, a predetermined amount of these raw materials was weighed into a graphite crucible for a high-frequency melting furnace.

原料の入ったるつぼを高周波溶解炉に入れ、酸化を抑制するために窒素を原料1kg当たり0.7L/分以上の流量で流した。この状態で溶解炉の電源を入れ、原料を加熱溶融させた。金属が溶融しはじめたら混合棒でよく攪拌し、局所的な組成のばらつきが起きないように均一に混ぜた。十分溶融したことを確認した後、高周波電源を切り、速やかにるつぼを取り出し、るつぼ内の溶湯をはんだ母合金の鋳型に流し込んだ。鋳型は、はんだ合金の製造の際に一般的に使用している形状と同様のものを使用した。   The crucible containing the raw material was placed in a high-frequency melting furnace, and nitrogen was flowed at a flow rate of 0.7 L / min or more per 1 kg of the raw material in order to suppress oxidation. In this state, the melting furnace was turned on to heat and melt the raw material. When the metal began to melt, it was stirred well with a mixing rod and mixed uniformly so as not to cause local compositional variations. After confirming sufficient melting, the high frequency power supply was turned off, the crucible was quickly removed, and the molten metal in the crucible was poured into the solder mother alloy mold. A mold having the same shape as that generally used in the production of a solder alloy was used.

このようにして試料1のはんだ母合金を作製した。さらに原料の混合比率を変えた以外は試料1と同様にして試料2〜21のはんだ母合金を作製した。これら試料1〜21のはんだ母合金の組成をICP発光分光分析器(SHIMAZU S−8100)を用いて分析した。その分析結果を下記の表1に示す。   In this way, the solder mother alloy of Sample 1 was produced. Further, solder mother alloys of Samples 2 to 21 were produced in the same manner as Sample 1 except that the mixing ratio of the raw materials was changed. The compositions of the solder mother alloys of Samples 1 to 21 were analyzed using an ICP emission spectroscopic analyzer (SHIMAZU S-8100). The analysis results are shown in Table 1 below.

Figure 0005716332
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次に、上記表1の試料1〜21のはんだ母合金の各々に対して、下記のごとく押出機でワイヤー状に加工し、試料1〜21のはんだ母合金のワイヤー加工性を評価した。また、ワイヤー状に加工した各試料のはんだ合金に対して、濡れ性(接合性)の評価、EPMAライン分析(Ni拡散防止効果の評価)、およびヒートサイクル試験を行った。尚、はんだの濡れ性や接合性等の評価は、通常はんだ形状に依存しないため、ワイヤー、ボール、ペーストなどの形状で評価してもよいが、本実施例においては、ワイヤー状に成形して評価した。   Next, it processed into the wire shape with the extruder as follows with respect to each of the solder mother alloys of the samples 1-21 of the said Table 1, and the wire workability of the solder mother alloys of the samples 1-21 was evaluated. Moreover, the wettability (joinability) evaluation, the EPMA line analysis (evaluation of Ni diffusion prevention effect), and the heat cycle test were performed with respect to the solder alloy of each sample processed into the wire shape. In addition, since evaluation of solder wettability, bondability, etc. does not usually depend on the shape of the solder, it may be evaluated by the shape of a wire, a ball, a paste, etc. In this embodiment, it is molded into a wire shape. evaluated.

<ワイヤー加工性の評価>
上記表1に示す試料1〜21のはんだ母合金を各々押出機にセットし、外径0.80mmのワイヤーを加工した。具体的には、あらかじめ押出機をはんだ組成に適した温度に加熱しておき、各試料のはんだ母合金をセットした。押出機出口から押し出されるワイヤー状のはんだは、まだ熱く酸化が進行し易いため、押出機出口は密閉構造とし、その内部に不活性ガスを流した。これにより、可能な限り酸素濃度を下げて酸化が進まないようにした。
<Evaluation of wire workability>
The solder mother alloys of Samples 1 to 21 shown in Table 1 above were set in an extruder, and a wire having an outer diameter of 0.80 mm was processed. Specifically, the extruder was heated in advance to a temperature suitable for the solder composition, and the solder mother alloy of each sample was set. The wire-like solder extruded from the extruder outlet is still hot and easily oxidized, so the outlet of the extruder has a sealed structure and an inert gas is allowed to flow through the inside. As a result, the oxygen concentration was lowered as much as possible to prevent oxidation.

この状態で油圧で圧力を上げていき、はんだ母合金をワイヤー形状に押し出していった。ワイヤーの押出速度はワイヤーが切れたり変形したりしないように予め調整しておいた速度とし、同時に自動巻取機を用いて同じ速度で巻き取るようにした。このようにしてワイヤー状に加工するとともに自動巻取機で60mを巻き取ったとき、1度も断線しなかった場合を「○」、1〜3回断線した場合を「△」、4回以上断線した場合を「×」として評価した。   In this state, the pressure was increased by hydraulic pressure, and the solder mother alloy was extruded into a wire shape. The wire extrusion speed was adjusted in advance so that the wire was not cut or deformed, and at the same time, the wire was wound at the same speed using an automatic winder. In this way, when processing into a wire shape and winding up 60 m with an automatic winder, “○” indicates that the wire was not disconnected once, “△” indicates that the wire was disconnected 1-3 times, “Δ”, 4 times or more The case where it was disconnected was evaluated as “×”.

<濡れ性評価(接合性評価)>
この濡れ性評価は、上記ワイヤー加工性の評価の際に得たワイヤー状のはんだ合金を用いて行った。まず、濡れ性試験機(装置名:雰囲気制御式濡れ性試験機)を起動し、加熱するヒーター部分に2重のカバーをしてヒーター部の周囲4箇所から窒素を流した(窒素流量:各12L/分)。その後、ヒーター設定温度を340℃にして加熱した。
<Wettability evaluation (bondability evaluation)>
This wettability evaluation was performed using the wire-shaped solder alloy obtained in the evaluation of the wire workability. First, a wettability tester (device name: atmosphere control type wettability tester) was started, a double cover was applied to the heater part to be heated, and nitrogen was flowed from four locations around the heater part (nitrogen flow rate: each 12 L / min). Then, the heater set temperature was set to 340 ° C. and heated.

設定したヒーター温度が340℃で安定した後、表面にNiめっき層(膜厚:4.0μm)を備えたCu基板(板厚:約0.70mm)をヒーター部にセッティングし、25秒加熱した。次に、各試料のはんだ合金をCu基板の上に載せ、25秒加熱した。加熱が完了した後はCu基板をヒーター部から取り上げてその横の窒素雰囲気が保たれている場所に一旦設置して冷却した。十分に冷却した後、大気中に取り出して各試料のはんだ合金とCu基板との接合部分を目視で確認した。確認の結果、接合できなかった場合を「×」、接合できたが濡れ広がりが悪かった場合(はんだが盛り上がった状態)を「△」、接合でき濡れ広がった場合(はんだが薄く濡れ広がった状態)を「○」と評価した。   After the set heater temperature was stabilized at 340 ° C., a Cu substrate (plate thickness: about 0.70 mm) provided with a Ni plating layer (film thickness: 4.0 μm) on the surface was set in the heater part and heated for 25 seconds. . Next, the solder alloy of each sample was placed on a Cu substrate and heated for 25 seconds. After the heating was completed, the Cu substrate was picked up from the heater part, and once installed in a place where the nitrogen atmosphere next to it was maintained, it was cooled. After sufficiently cooling, the sample was taken out into the atmosphere and the joint between the solder alloy of each sample and the Cu substrate was visually confirmed. As a result of the confirmation, “X” indicates that the bonding was not possible, “△” indicates that the bonding was successful but the wetting spread was poor (the state where the solder was swelled), and “Weighted” where the bonding was possible (the solder was thinly spreading) ) Was evaluated as “◯”.

<EPMAライン分析(Ni拡散防止効果の評価)>
Cu基板に設けた膜厚4.0μmのNiめっき層が、各試料のはんだ合金中のBiと反応して薄くなったりNiがBi中に拡散したりなどしていないか確認するためにEMPAによるライン分析を行った。なお、この分析は、上記濡れ性評価と同様にして得た各試料のはんだ合金が接合されたCu基板を用いて行った。まず、各試料のはんだ合金が接合されたCu基板を樹脂に埋め込み、研磨機を用い粗いて研磨紙から順に細かいものを用いて研磨し、最後にバフ研磨を行った。その後、EPMA(装置名:SHIMADZU EPMA−1600)を用いてライン分析を行い、Niの拡散状態等を調べた。
<EPMA line analysis (evaluation of Ni diffusion prevention effect)>
In order to confirm whether the Ni plating layer with a film thickness of 4.0 μm provided on the Cu substrate reacts with Bi in the solder alloy of each sample and does not become thin or Ni diffuses into Bi. Line analysis was performed. This analysis was performed using a Cu substrate to which a solder alloy of each sample obtained in the same manner as the wettability evaluation was bonded. First, a Cu substrate to which a solder alloy of each sample was bonded was embedded in a resin, and was polished using a polishing machine and then gradually polished from a polishing paper, and finally buffed. Thereafter, line analysis was performed using EPMA (device name: SHIMADZU EPMA-1600) to examine the diffusion state of Ni and the like.

測定方法は、各試料のはんだ合金が接合されたNiめっき層を備えたCu基板の断面を横から見たとき、Cu基板とNiめっき層の接合面を原点としてはんだ側をX軸のプラス方向とした。測定においては任意に5箇所を測定して最も平均的なものを採用した。Niめっき層が反応して明らかに薄くなっていたりNiがはんだ中に拡散したりしている場合を「×」、Niめっき層の厚みが初期状態とほとんど変わらずNiがはんだ中に拡散していない場合を「○」と評価した。   The measurement method is as follows. When a cross section of a Cu substrate provided with a Ni plating layer to which a solder alloy of each sample is bonded is viewed from the side, the bonding side of the Cu substrate and the Ni plating layer is the origin and the solder side is the positive direction of the X axis It was. In the measurement, five points were arbitrarily measured and the average one was adopted. When the Ni plating layer reacts and becomes thin or Ni diffuses in the solder, “X” indicates that the Ni plating layer has almost the same thickness as the initial state, but Ni diffuses in the solder. The case where there was not was evaluated as "(circle)".

<ヒートサイクル試験>
はんだ接合の信頼性を評価するためにヒートサイクル試験を行った。なお、この試験は、上記濡れ性評価と同様にして得た各試料のはんだ合金が接合されたCu基板を用いて行った。まず、各試料のはんだ合金が接合されたCu基板に対して、−50℃の冷却と125℃の加熱を1サイクルとして、これを所定のサイクル繰り返した。
<Heat cycle test>
A heat cycle test was conducted to evaluate the reliability of solder joints. In addition, this test was done using Cu board | substrate with which the solder alloy of each sample obtained similarly to the said wettability evaluation was joined. First, with respect to the Cu substrate to which the solder alloy of each sample was bonded, cooling at −50 ° C. and heating at 125 ° C. were taken as one cycle, and this was repeated for a predetermined cycle.

その後、各試料のはんだ合金が接合されたCu基板を樹脂に埋め込み、断面研磨を行い、SEM(装置名:HITACHI S−4800)により接合面の観察を行った。接合面にはがれやはんだにクラックが入っていた場合を「×」、そのような不良がなく、初期状態と同様の接合面を保っていた場合を「○」とした。上記した評価の結果を下記の表2に示す。   Thereafter, the Cu substrate to which the solder alloy of each sample was bonded was embedded in the resin, cross-section polishing was performed, and the bonded surface was observed by SEM (device name: HITACHI S-4800). The case where the joint surface was peeled or cracked in the solder was indicated as “×”, and the case where there was no such defect and the same joint surface as in the initial state was maintained as “◯”. The results of the above evaluation are shown in Table 2 below.

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上記表2から分かるように、本発明の要件を満たしている試料1〜15のはんだ母合金は、いずれも全ての評価項目において良好な結果が得られた。具体的には、ワイヤーに加工しても切れることなく自動巻き取りができた。また、濡れ性も良好であり、特にPが添加された試料9、10、Agが添加された試料11、12、15は極めて良好であり、はんだがCu基板に触れた瞬間にCu基板上に薄く濡れ広がった。さらに、Ni拡散が抑制されていることが確認できた。信頼性に関する試験であるヒートサイクル試験においても良好な結果が得られており、500回経過後も不良は現れなかった。   As can be seen from Table 2 above, all of the solder mother alloys of Samples 1 to 15 that satisfy the requirements of the present invention obtained good results in all evaluation items. Specifically, even if it was processed into a wire, it could be automatically wound without being cut. In addition, the wettability is also good. Particularly, the samples 9, 10 to which P is added and the samples 11, 12, and 15 to which Ag is added are very good, and the solder touches the Cu substrate at the moment when it touches the Cu substrate. It spread thinly and wet. Furthermore, it was confirmed that Ni diffusion was suppressed. Good results were also obtained in a heat cycle test, which is a test related to reliability, and no defect appeared even after 500 times.

一方、本発明の要件を満たしていない比較例の試料16〜21のはんだ母合金は、いずれかの評価項目において好ましくない結果となった。具体的には、ワイヤー加工時には全ての試料において1回以上断線し、試料18、19はCu基板に接合できなかった。さらに試料20ではNi拡散が認められた。そして、ヒートサイクル試験においては、全ての試料で300回までに不良が発生した。   On the other hand, the solder mother alloys of Samples 16 to 21 of Comparative Examples not satisfying the requirements of the present invention resulted in undesirable results in any of the evaluation items. Specifically, at the time of wire processing, all samples were disconnected once or more, and samples 18 and 19 could not be bonded to the Cu substrate. Further, in sample 20, Ni diffusion was observed. In the heat cycle test, defects occurred in all samples up to 300 times.

Claims (3)

Snを0.01質量%以上4.8質量%以下含有し、A0.03質量%以上1.0質量%以下(0.5質量%以下を除く)含有し、Pを0質量%以上0.5質量%以下含有し、残部が不可避不純物を除いてBiからなることを特徴とするPbフリーはんだ合金。 The Sn contained 4.8 wt% or less than 0.01 mass% (excluding 0.5% by mass or less) The A l 0.03 wt% to 1.0 wt% has free and 0 mass P % Pb-free solder alloy characterized by containing 0.5% to 0.5% by mass and the balance being Bi except for inevitable impurities. Cuを0.18質量%以上1.8質量%以下さらに含有していることを特徴とする、請求項1に記載のPbフリーはんだ合金。The Pb-free solder alloy according to claim 1, further comprising Cu in an amount of 0.18% by mass to 1.8% by mass. AgまたはZnのいずれか1種以上を、Agの場合は0.01質量%以上3.0質量%以下、Znの場合は0.01質量%以上0.4質量%未満さらに含有していることを特徴とする、請求項1又は2に記載のPbフリーはんだ合金。 In the case of Ag, one or more of Ag or Zn is contained in an amount of 0.01% by mass to 3.0% by mass, and in the case of Zn, 0.01% by mass or more and less than 0.4% by mass. The Pb-free solder alloy according to claim 1 or 2 , wherein
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