JP5861559B2 - Pb-free In solder alloy - Google Patents

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Description

本発明は、Pbを含まない、いわゆるPbフリーはんだ合金に関し、特に加工性、濡れ性及び応力緩和性の全てに優れているPbフリーIn系はんだ合金に関する。   The present invention relates to a so-called Pb-free solder alloy that does not contain Pb, and particularly to a Pb-free In-based solder alloy that is excellent in all of workability, wettability, and stress relaxation properties.

はんだ合金は、一般的にシートやワイヤなどのはんだ使用時の形状に加工する際の加工性や、伸び率、引張強度、そしてシェア強度などの機械的強度、濡れ性、更には信頼性など、諸特性をバランスよく具えていることが望まれる。これら諸特性の要求は、はんだの接合条件やはんだが使われている製品の使用環境などによって大きく異なる。   Solder alloy is generally workability when processing into the shape when using solder such as sheet and wire, mechanical strength such as elongation rate, tensile strength, shear strength, wettability, and reliability, It is desirable to have various characteristics in a balanced manner. The requirements for these characteristics vary greatly depending on the joining conditions of the solder and the usage environment of the product in which the solder is used.

例えば、コンピューターや通信機器などに使用されるSiチップ等を接合するはんだには、優れた応力緩和性が要求される。その理由は、100mm以上の接合面積を持つような大きなチップが使用されたり、チップに流れる電流が頻繁に断続して加熱と冷却による熱応力が激しく加わったりするためである。また、自動車や太陽電池のような使用環境が苛酷であったりする場合にも、はんだに加わる応力は非常に大きく、加熱と冷却が頻繁に繰り返される。このように加熱と冷却の繰り返しで生じる応力は、Siチップと基板の主成分であるCuの熱膨張率に約5倍の開きがあるため非常に大きなものとなり、更にチップが大きくなるほど応力は大きくなる。 For example, an excellent stress relaxation property is required for a solder for joining a Si chip or the like used in a computer or a communication device. This is because a large chip having a bonding area of 100 mm 2 or more is used, or a current flowing through the chip is frequently interrupted, and thermal stress due to heating and cooling is intensely applied. In addition, even when the usage environment such as an automobile or a solar cell is severe, the stress applied to the solder is very large, and heating and cooling are frequently repeated. Thus, the stress generated by repeated heating and cooling becomes very large because the thermal expansion coefficient of Cu, which is the main component of the Si chip and the substrate, is about five times larger, and the stress increases as the chip becomes larger. Become.

このような非常に大きな応力を緩和し、高い信頼性を確保するためには、応力緩和できる柔らかいはんだを選定することが好ましい。その代表例としてIn系はんだが挙げられるが、Inの柔軟な性質を活かすためには良好に接合できることが必須条件となる。即ち、良好な濡れ性が得られなければ、接合強度が低下し、また接合部にボイドを発生して放熱性も低下するため、Inの柔軟な性質を活かした高い信頼性を得ることはできない。しかし、Inだけでは十分な濡れ性は得られず、更に悪いことにはInは柔らかすぎて、シート形状に加工できない等の問題もある。即ち、Inを薄いシート状に加工しようとすると、圧延ロールに貼り付いたり、均一な厚さにならなかったりするという問題がある。   In order to relieve such a large stress and ensure high reliability, it is preferable to select a soft solder that can relieve the stress. A typical example is In-based solder, but in order to take advantage of the flexible nature of In, it is essential to be able to join well. That is, if good wettability is not obtained, the bonding strength is reduced, and voids are generated in the bonded portion, resulting in a decrease in heat dissipation. Therefore, high reliability utilizing the flexible nature of In cannot be obtained. . However, sufficient wettability cannot be obtained with In alone, and worse, there is a problem that In is too soft and cannot be processed into a sheet shape. That is, if In is processed into a thin sheet, there is a problem that it sticks to a rolling roll or does not have a uniform thickness.

Inは非常に柔らかい金属であり、応力緩和性は最も優れるため、様々な用途のはんだ若しくはろう材として使用されているが、上記のような問題もあるため他の元素と合金化して使用されている。In系合金を用いたはんだ若しくはろう材の具体例として、例えば特許文献1には、Pb、Sn、Inの何れか1種の主要元素に対し、0.001〜10wt%のZn、0.001〜10wt%のSbを添加したことを特徴とする半導体素子用のはんだバンプ形成材料が記載されている。   In is a very soft metal and has the best stress relaxation properties, so it is used as a solder or brazing material for various purposes. However, because of the above problems, it is used by alloying with other elements. Yes. As a specific example of a solder or brazing material using an In-based alloy, for example, Patent Document 1 discloses that 0.001 to 10 wt% Zn, 0.001 to one of Pb, Sn, and In main elements. There is described a solder bump forming material for semiconductor elements, characterized in that 10 wt% Sb is added.

特許文献2には、Pb、Sn、Inの何れか1種の主要元素に対し、0.001〜1wt%のCuと、0.001〜1wt%のNiを添加したことを特徴とする半導体素子用のはんだバンプ形成材料が記載されている。また、特許文献3には、はんだ接合部中及び/又ははんだ接合界面にNiAs型結晶構造を有する金属間化合物を形成し、更にCuの含有量が0.1〜2重量%、Niの含有量が0.01〜0.1重量%、残部がIn又はInとSnよりなることを特徴とする、In−Cu−Ni及び/又はSn−In−Cu−Niからなる鉛フリーはんだ合金組成及び当該鉛フリーはんだ合金が記載されている。   Patent Document 2 discloses a semiconductor element characterized by adding 0.001 to 1 wt% of Cu and 0.001 to 1 wt% of Ni to any one of main elements of Pb, Sn, and In. A solder bump forming material is described. In Patent Document 3, an intermetallic compound having a NiAs-type crystal structure is formed in a solder joint and / or at a solder joint interface, and the Cu content is 0.1 to 2% by weight, and the Ni content is Lead-free solder alloy composition comprising In—Cu—Ni and / or Sn—In—Cu—Ni, characterized in that 0.01 to 0.1% by weight and the balance comprising In or In and Sn, and A lead-free solder alloy is described.

特許文献4には、2.5〜10重量%のCu、0.5〜2.0重量%のP、残部のInの組成、35重量%以下のAg、2.5〜10重量%のCu、0.5〜2.0重量%のP、残部のInの組成、65〜75重量%のSb、25〜35重量%のInの組成、又は50〜60重量%のAg、40〜50重量%のSbの組成を有する金属接合用低温ろう材が記載されている。そして、これらのろう材は薄いステンレス鋼からなる二重壁容器の鋼板用などに好適で、低酸化ポテンシャル雰囲気中においてフラックス無しでろう付けできることも記載されている。   In Patent Document 4, 2.5 to 10% by weight of Cu, 0.5 to 2.0% by weight of P, the balance of In, 35% by weight or less of Ag, and 2.5 to 10% by weight of Cu. 0.5 to 2.0 wt.% P, the balance of In composition, 65 to 75 wt.% Sb, 25 to 35 wt.% In composition, or 50 to 60 wt.% Ag, 40 to 50 wt. A low temperature brazing material for metal bonding having a composition of% Sb is described. It is also described that these brazing materials are suitable for a steel plate of a double wall container made of thin stainless steel and can be brazed without flux in a low oxidation potential atmosphere.

特開平05−251451号公報Japanese Patent Laid-Open No. 05-251451 特開平05−251452号公報Japanese Patent Laid-Open No. 05-251442 特開2011−005542号公報JP 2011-005542 A 特開平07−223089号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 07-223089

上記したようにIn系はんだは優れた応力緩和性を有するが、近年の技術進歩に伴って、コンピューターや通信機器などにおいて、より信頼性の高いはんだに対する要求は高まる一方である。即ち、少ない数のチップに機能を集約化させたり、高機能化に伴ってチップサイズが大きくなったりする結果、より一層高い信頼性が要求される通信分野でのデバイス等で使われるIn系はんだには、更に優れた信頼性、即ち濡れ性並びに応力緩和性が求められている。   As described above, In-based solder has excellent stress relaxation properties, but with the recent technological advancement, there is an increasing demand for more reliable solder in computers and communication devices. In other words, as a result of the integration of functions in a small number of chips and the increase in chip size as functions become higher, In-based solders used in devices in the communication field that require even higher reliability Therefore, further excellent reliability, that is, wettability and stress relaxation properties are required.

しかし、上記特許文献1に記載のはんだバンプ形成材料は、Al固溶体とAl−Sb金属間化合物を形成して接合強度を向上させ、更に高温・高湿環境下における局部電池反応を小さくすることによって耐久性を向上させるものであり、母材そのものの柔軟性を向上させたものではない。そのため、高温・高湿環境下という環境下では優れた性能を発揮すると推測されるが、加熱冷却の繰り返しによって熱応力が頻繁に加わる厳しい環境下において十分耐え得る性能を発揮することは難しい。つまり、一般的に脆いとされる金属間化合物が接合界面にあることに加え、元々Sbは結晶構造が三方晶で脆い元素であることから、繰り返し加わる熱応力を緩和する機能は乏しく、熱応力が頻繁に加わる厳しい環境下では高い信頼性が得られない。   However, the solder bump forming material described in Patent Document 1 improves the bonding strength by forming an Al solid solution and an Al—Sb intermetallic compound, and further reduces the local battery reaction in a high temperature / high humidity environment. It is intended to improve durability and not to improve the flexibility of the base material itself. For this reason, it is estimated that excellent performance is exhibited in an environment of high temperature and high humidity, but it is difficult to exhibit sufficient performance in a severe environment where thermal stress is frequently applied by repeated heating and cooling. In other words, in addition to the fact that intermetallic compounds generally considered to be brittle are present at the bonding interface, Sb is originally a trigonal and brittle element, so it has a poor function to relieve repeated thermal stress, and thermal stress High reliability cannot be obtained in a severe environment in which is frequently applied.

また、上記特許文献2に記載のはんだバンプ形成材料は、ワイヤの細線化と、ボール切断位置の改善を目的としており、In系はんだの中では応力緩和性や信頼性については特段優れたものではないと推測される。即ち、添加元素のNiは主要元素のInと多くの金属間化合物、例えばInNi、InNi、InNi13などの相を生成するため、Niを含有させることで合金が脆化してしまう。そのため、このようなIn系はんだ合金は、特段高い信頼性を有するとは考え難い。 In addition, the solder bump forming material described in Patent Document 2 is intended to make the wire thinner and improve the ball cutting position. Among In-based solders, it is not particularly excellent in terms of stress relaxation and reliability. I guess it is not. That is, since the additive element Ni generates a phase such as the main element In and many intermetallic compounds, for example, InNi 3 , InNi 2 , In 9 Ni 13 , the alloy becomes brittle when Ni is contained. Therefore, it is unlikely that such an In-based solder alloy has a particularly high reliability.

上記特許文献3に記載のPbフリーはんだ合金では、Niの添加により生成した(Cu,Ni)Sn組成からなる金属間化合物が、無添加のCuSn組成からなる金属間化合物の構造に比較して微細化された構造を有することにより、高い信頼性が得られる、即ち、Niの添加を必須として、はんだの結晶構造を微細化することにより高い信頼性を得るものである。しかし、この結晶の微細化によって伸び率が更に向上すると、弾性変形及び塑性変形し易くなってしまい、もともと柔らかくて加工し難いInがより一層加工し難くなってしまうため、ワイヤ形状などのはんだを工業的に製造することが難しくなるという欠点がある。 In the Pb-free solder alloy described in Patent Document 3, an intermetallic compound having a (Cu, Ni) 6 Sn 5 composition formed by adding Ni is a structure of an intermetallic compound having an additive-free Cu 6 Sn 5 composition. Higher reliability can be obtained by having a miniaturized structure compared to the above, that is, high reliability can be obtained by miniaturizing the crystal structure of the solder with the addition of Ni as essential. However, if the elongation is further improved by the refinement of the crystal, it becomes easy to elastically and plastically deform, and In that is originally soft and difficult to process becomes more difficult to process. There is a drawback that it is difficult to manufacture industrially.

更に、上記特許文献4のろう材は、ステンレス鋼板のろう付けを目的としているため敢えて接合温度を上げており、Inの融点の低さ(融点156.6℃)を活かしておらず、Siチップなどの半導体素子接合用として適していない。即ち、接合温度が高いと設備費が高価になり、消費電力も多くなる。更に、接合温度が400℃を超えてくると、各部品の耐熱性にも考慮しなければならなくなる等の不都合が生じることとなる。   Furthermore, since the brazing material of Patent Document 4 is intended for brazing stainless steel plates, the bonding temperature is increased, and the low melting point of In (melting point: 156.6 ° C.) is not utilized. It is not suitable for joining semiconductor elements such as. That is, when the bonding temperature is high, the equipment cost becomes expensive and the power consumption increases. Furthermore, when the bonding temperature exceeds 400 ° C., there arises a disadvantage that the heat resistance of each component must be taken into consideration.

本発明は、上記した従来のIn系はんだ合金に関する問題点に鑑みてなされたものであり、加工性、濡れ性、応力緩和性の全てに優れており、高い信頼性を有するPbフリーIn系はんだ合金、並びに、該はんだ合金を用いて接合した電子部品実装基板と該基板を搭載した半導体装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the problems associated with the above-described conventional In-based solder alloys, and is excellent in all of workability, wettability, and stress relaxation properties, and has high reliability. An object is to provide an alloy, an electronic component mounting substrate bonded using the solder alloy, and a semiconductor device on which the substrate is mounted.

本発明による第1のPbフリーIn系はんだ合金は、Pbを含まず、Inを主成分とするPbフリーIn系はんだ合金であって、Snの含有量が3.9質量%以上11.00質量%以下であり、残部がIn及び不可避的不純物からなることを特徴とする。また、本発明による第2のPbフリーIn系はんだ合金は、Pbを含まず、Inを主成分とするPbフリーIn系はんだ合金であって、Snの含有量が0.01質量%以上11.00質量%以下であり、Agの含有量が0.01質量%以上21.00質量%以下であり、Cuの含有量が0.01質量%以上0.90質量%以下であって、残部がIn及び不可避的不純物からなることを特徴とする。 The first Pb-free In-based solder alloy according to the present invention is a Pb-free In-based solder alloy that does not contain Pb and contains In as a main component, and has a Sn content of 3.9 % by mass or more and 11.00% by mass. % or less and characterized in that the remaining portion is composed of in and inevitable impurities. The second Pb-free In-based solder alloy according to the present invention is a Pb-free In-based solder alloy that does not contain Pb and contains In as a main component, and has a Sn content of 0.01 mass% or more and 11. 00 mass% or less, Ag content is 0.01 mass% or more and 21.00 mass% or less, Cu content is 0.01 mass% or more and 0.90 mass% or less, and the balance is It consists of In and inevitable impurities.

上記第1のPbフリーIn系はんだ合金は、更にCu及びZnの少なくとも1種を含有することができ、Cuを含有する場合その含有量が0.01質量%以上0.90質量%以下であり、Znを含有する場合その含有量が0.01質量%以上3.00質量%以下であることを特徴とする。また、上記第2のPbフリーIn系はんだ合金は、更にZnを含有することができ、その含有量が0.01質量%以上3.00質量%以下であることを特徴とする。 The first Pb-free In-based solder alloy may further contain at least one of Cu and Zn, and when Cu is contained, the content thereof is 0.01% by mass or more and 0.90% by mass or less. In the case where Zn is contained, the content is 0.01 mass% or more and 3.00 mass% or less. The second Pb-free In-based solder alloy can further contain Zn, and the content thereof is 0.01 mass% or more and 3.00 mass% or less.

また、上記第1及び第2のPbフリーIn系はんだ合金は、更にPを含有することができ、その含有量は0.500質量%以下であることが好ましい。更に、上記第1及び第2のPbフリーIn系はんだ合金は、ビッカース硬度(Hv)が0.80以上であることが好ましい。 The first and second Pb-free In-based solder alloys can further contain P, and the content is preferably 0.500% by mass or less. Further, the first and second Pb-free In solder alloys preferably have a Vickers hardness (Hv) of 0.80 or more.

本発明によれば、加工性、濡れ性、応力緩和性の全てに優れ、高い信頼性を有するPbフリーIn系はんだ合金を提供することができる。このPbフリーIn系はんだ合金を用いて電子部品等を基板に接合することによって、大きな熱応力等がかかるような厳しい環境下においても高い信頼性を有する半導体装置を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a Pb-free In-based solder alloy that is excellent in all of workability, wettability, and stress relaxation properties and has high reliability. By bonding an electronic component or the like to the substrate using this Pb-free In-based solder alloy, a semiconductor device having high reliability can be provided even in a severe environment where a large thermal stress is applied.

本発明によるPbフリーIn系はんだ合金は、Pbを含まず、Inを主成分とし、Sn及びAgの少なくとも1種を含有し、製造上不可避的に含まれる元素(不可避不純物)を含んでいる。また、上記した本発明のPbフリーIn系はんだ合金は、更にCu及びZnの少なくとも1種を含有することができ、更にはPを含有することができる。   The Pb-free In-based solder alloy according to the present invention does not contain Pb, contains In as a main component, contains at least one of Sn and Ag, and contains an element inevitably included in production. The Pb-free In-based solder alloy of the present invention described above can further contain at least one of Cu and Zn, and can further contain P.

Inは非常に柔らかい元素であって、応力緩和性に優れている。しかし、Inだけでは柔らかすぎるため、はんだとして使用する際の形状に加工することが困難である。例えば、シート状に圧延加工しようとすると、Inが圧延ロールに貼り付いたり、Inの厚さが均一にならなかったりする。そこで、本発明では、十分な応力緩和性を有しながら、使用形状に容易に加工でき、更に濡れ性にも優れているIn系はんだ合金とすべく、下記に説明する各種元素を含有させている。   In is a very soft element and has excellent stress relaxation properties. However, since In alone is too soft, it is difficult to process into a shape for use as solder. For example, when rolling into a sheet shape, In sticks to a rolling roll or the thickness of In does not become uniform. Therefore, in the present invention, various elements described below are included in order to obtain an In-based solder alloy that has sufficient stress relaxation properties, can be easily processed into a use shape, and has excellent wettability. Yes.

次に、上記した本発明によるPbフリーIn系はんだ合金が含有する必須の元素、あるいは任意に含有させることができる元素について、以下に詳細に説明する。   Next, the essential elements contained in the above-described Pb-free In-based solder alloy according to the present invention or elements that can be optionally contained will be described in detail below.

<In>
Inは、本発明のPbフリーIn系はんだ合金において、主成分をなす必須の元素である。Inは実用的に使用できる元素のうちで最も柔らかく、その柔らかさに起因する非常に優れた応力緩和性のため、熱応力等を十分に吸収することができ、チップ接合体の信頼性を格段に向上させることができる。更に、Inは融点が156℃であり、比較的低い温度で溶融することもはんだ付けにおいて有利である。つまり、低い温度でチップを接合できるため、設備費や電気代等を低く抑えることができる。
<In>
In is an essential element constituting the main component in the Pb-free In-based solder alloy of the present invention. In is the softest of the elements that can be used practically, and because of its excellent stress relaxation properties, it can absorb thermal stress sufficiently, greatly improving the reliability of chip assemblies. Can be improved. Further, In has a melting point of 156 ° C., and melting at a relatively low temperature is advantageous in soldering. That is, since the chip can be bonded at a low temperature, the equipment cost, the electricity bill, etc. can be kept low.

しかし、Inは柔らかすぎるため、In単体では通常のはんだ形状、例えばシート状に加工できなかったり、あるいは濡れ性が必ずしも十分でなかったりする。そのため、本発明のIn系はんだ合金にいては、使用上の十分な応力緩和性を保持したまま、加工性を上げ且つ濡れ性を改善するために、以下に説明する各元素を添加含有させる。各元素を含有させることによって、Inに適度な硬さが加えられ、例えばビッカース硬度(Hv)であれば0.8以上の値となり、シート状等に加工できるようになり、加えて濡れ性も向上する。   However, since In is too soft, In alone cannot be processed into a normal solder shape, for example, a sheet shape, or wettability is not always sufficient. Therefore, in the In-based solder alloy of the present invention, each element described below is added and contained in order to improve workability and improve wettability while maintaining sufficient stress relaxation properties in use. By adding each element, moderate hardness is added to In. For example, if it is Vickers hardness (Hv), it becomes a value of 0.8 or more and can be processed into a sheet shape, etc. In addition, wettability is also obtained. improves.

<Sn>
Snは、本発明のPbフリーIn系はんだ合金において、Agと共に少なくとも何れか片方が含有されるべき元素である。即ち、SnとAgは似たような効果を発揮するため、SnとAgのうちの何れか片方又は両方が含有されればよい。
<Sn>
Sn is an element that should contain at least one of them together with Ag in the Pb-free In-based solder alloy of the present invention. That is, since Sn and Ag exhibit similar effects, any one or both of Sn and Ag may be contained.

Snは一般的には柔らかい金属であるが、Inに比較すれば硬い。そのため、Inに適量のSnを含有させることにより硬さを調整することができ、加工性を改善することができる。更に、熱力学的にSnはInよりも酸化し難いため、Snを含有させることによって濡れ性を向上させることができる。   Sn is generally a soft metal, but is harder than In. Therefore, the hardness can be adjusted by adding an appropriate amount of Sn to In, and the workability can be improved. Furthermore, since Sn is less thermally oxidized than In, wettability can be improved by adding Sn.

Snを含有する場合、その含有量は0.01質量%以上11.00質量%以下とする。Snの含有量が0.01質量%未満では含有量が少な過ぎるため、その添加による効果が実質的に現われない。また、11.00質量%を超えてしまうとβ相が生成され、In固溶体との2相の領域に入ってしまう。また、この2相領域はSn含有量(又はIn含有量)に対して狭い領域であり、組織制御が非常に困難になってしまう。当然、β相は金属間化合物であり、非常に硬く脆いため、はんだ合金が硬くなり過ぎて、必要とする応力緩和性が得られなくなる。尚、Snの含有量は、要求特性に合わせて上記範囲内で決めればよいが、0.2質量%以上6.0質量%以下の範囲においてSnの効果がより一層現われやすいため特に好ましい。   When Sn is contained, the content is set to 0.01% by mass or more and 11.00% by mass or less. If the Sn content is less than 0.01% by mass, the content is too small, so that the effect of the addition does not substantially appear. Moreover, when it exceeds 11.00 mass%, a beta phase will be generated and it will enter into a 2 phase field with an In solid solution. Further, this two-phase region is a narrow region with respect to the Sn content (or In content), and the structure control becomes very difficult. Naturally, the β phase is an intermetallic compound and is extremely hard and brittle, so that the solder alloy becomes too hard and the required stress relaxation property cannot be obtained. The Sn content may be determined within the above range in accordance with the required characteristics, but is particularly preferable in the range of 0.2% by mass or more and 6.0% by mass or less because the effect of Sn is more likely to appear.

<Ag>
Agは、本発明のPbフリーIn系はんだ合金において、Snと共に少なくとも何れか片方が含有されるべき元素である。Agを含有させることによって得られる効果は、大別して2つあり、濡れ性の向上並びに加工性の改善である。
<Ag>
Ag is an element which should contain at least one of them together with Sn in the Pb-free In solder alloy of the present invention. The effect obtained by containing Ag is roughly divided into two, which are improvement of wettability and improvement of workability.

まず、Agは、チップの電極や基板等の一番上に最上層として設けるメタライズ層に用いられることからも分るように、濡れ性を向上させる効果が非常に大きい。つまり、濡れ性低下の主要因は、はんだや基板の接合表面に酸化膜が形成されるためであるが、Agは非常に酸化し難く、当然Inよりも酸化し難い。従って、Agは濡れ性を低下させるような厚い酸化膜が形成され難く、更に各種元素と合金化し易いため濡れ性向上には最適な元素である。   First, Ag is very effective in improving wettability, as can be seen from the fact that Ag is used in the metallization layer provided as the uppermost layer on the top of the electrode, substrate, etc. of the chip. In other words, the main cause of the decrease in wettability is that an oxide film is formed on the bonding surface of the solder or the substrate, but Ag is very difficult to oxidize, and naturally it is harder to oxidize than In. Therefore, Ag is an optimal element for improving wettability because it is difficult to form a thick oxide film that lowers wettability, and is easily alloyed with various elements.

また、Agは、Inと共晶合金(共晶点の組成:Ag=3.0質量%)を形成して結晶が微細化し、はんだの伸び率などが向上する。また、この共晶合金はIn固溶体とAgIn金属間化合物から構成されるため、その金属間化合物の効果により硬さを付与することができる。そのため、Agの含有量を調整することによって金属間化合物量を調整でき、その結果として硬さ、伸び率、加工性を調整することができる。 In addition, Ag forms a eutectic alloy (composition of eutectic point: Ag = 3.0% by mass) with In, thereby miniaturizing the crystal and improving the elongation rate of the solder. Moreover, since this eutectic alloy is comprised from In solid solution and AgIn 2 intermetallic compound, hardness can be provided by the effect of the intermetallic compound. Therefore, the amount of intermetallic compounds can be adjusted by adjusting the Ag content, and as a result, the hardness, elongation, and workability can be adjusted.

当然、はんだの加工性は、はんだ製造時の冷却条件等によって結晶粒の大きさなどが変わるため、冷却など製造条件の影響を受ける。はんだの製造条件としては、例えば結晶粒の大きさに注目した場合、微細化する場合は急冷が好ましく、徐冷すると結晶粒が粗大化し、良好な加工性が得られなくなる。従って、Agの含有量は、濡れ性を含め、加工性、応力緩性等のバランスを考慮しながら調整すればよい。   Naturally, the workability of the solder is affected by the manufacturing conditions such as cooling because the size of the crystal grains changes depending on the cooling conditions at the time of solder manufacture. As the solder manufacturing conditions, for example, when attention is paid to the size of crystal grains, rapid cooling is preferable when miniaturizing, and when the cooling is slow, the crystal grains become coarse and good workability cannot be obtained. Therefore, the Ag content may be adjusted in consideration of the balance of workability, stress relaxation, etc., including wettability.

Agを含有する場合、その含有量は0.01質量%以上21.00質量%以下とする。Agの含有量が0.01質量%未満では、含有量が少な過ぎるため、その効果は実質的に現われない。逆に含有量が21.00質量%を超えると、液相線温度が400℃を超えてしまうと共に、固相線温度と液相線温度の差が250℃と大きくなり過ぎて溶け分かれ現象を起こしてしまうため、Ag含有量は21.00質量%を超えてはならない。   When Ag is contained, the content is set to 0.01% by mass or more and 21.00% by mass or less. If the content of Ag is less than 0.01% by mass, the content is too small, so that the effect is not substantially exhibited. Conversely, if the content exceeds 21.00% by mass, the liquidus temperature will exceed 400 ° C, and the difference between the solidus temperature and the liquidus temperature will become too large at 250 ° C, resulting in the phenomenon of melting. As a result, the Ag content should not exceed 21.00% by mass.

特にAgの含有量を1.50質量%以上5.00質量%以下の範囲にすることによって、共晶組織の効果がより顕著に現われ、加工性等の調整が行い易くなるため更に好ましい。このようにAgはSnよりも大きな効果を発揮するが、Agは高価な金属であるため、コストと効果のバランスを考慮して、SnあるいはAgのいずれか片方又は両方を選定し、その含有量を決めればよい。   In particular, by making the Ag content in the range of 1.50 mass% or more and 5.00 mass% or less, the effect of the eutectic structure appears more remarkably and the workability and the like can be easily adjusted, which is more preferable. In this way, Ag exhibits a greater effect than Sn, but since Ag is an expensive metal, either or both of Sn and Ag are selected in consideration of the balance between cost and effect, and its content You can decide.

<Cu>
Cuは、本発明のPbフリーIn系はんだ合金において、Znと共に少なくとも何れか片方を含有することができる元素である。即ち、Cuは加工性、濡れ性、応力緩和性、更にはコスト等を考慮して、必要に応じて添加含有させることができる。
<Cu>
Cu is an element that can contain at least one of them together with Zn in the Pb-free In-based solder alloy of the present invention. That is, Cu can be added and contained as necessary in consideration of workability, wettability, stress relaxation, and cost.

Cuを含有させることによって期待できる効果は、SnやAgの場合と似ている。即ち、CuはInよりも酸化し難いため、はんだ溶融時にはんだ表面付近に存在することによって、はんだの酸化を抑制し、濡れ性を向上させることができる。   The effect expected by containing Cu is similar to the case of Sn or Ag. That is, since Cu is less likely to oxidize than In, it exists near the solder surface when the solder is melted, so that the oxidation of the solder can be suppressed and the wettability can be improved.

しかし、Cuの場合、Inとの2元系状態図から分るように、含有させられる量が少ない。即ち、Cu含有量の上限値は0.90質量%であり、この値を超えると、Cuの増加に伴い液相線が急峻に立ち上がり、液相線温度が高くなり過ぎると共に液相線温度と固相線温度の差が大きくなりすぎるため、はんだ溶融時に溶け別れ現象が起きてしまう。溶け別れが発生すると、接合強度を著しく低下させてしまい、高い信頼性を得ることはできない。また、Cu含有量の下限値は0.01質量%であるが、この値未満になると含有量が少なすぎるため、Cuを含有させた効果が得られない。   However, in the case of Cu, the amount contained is small, as can be seen from the binary phase diagram with In. That is, the upper limit of the Cu content is 0.90% by mass, and when this value is exceeded, the liquidus rises sharply as Cu increases, the liquidus temperature becomes too high, and the liquidus temperature Since the difference in the solidus temperature becomes too large, a melting phenomenon occurs when the solder melts. When melting and separation occur, the bonding strength is remarkably reduced, and high reliability cannot be obtained. Moreover, although the lower limit of Cu content is 0.01 mass%, since it will be too small if it becomes less than this value, the effect of containing Cu is not acquired.

<Zn>
Znは、本発明のPbフリーIn系はんだ合金において、Cuと共に少なくとも何れか片方を含有することができる元素である。Znを含有させることによって期待できる効果は、濡れ性や加工性の向上である。
<Zn>
Zn is an element that can contain at least one of them together with Cu in the Pb-free In-based solder alloy of the present invention. The effect which can be expected by containing Zn is improvement of wettability and workability.

まず、濡れ性の向上について、Sn、AgそしてCuは、それらの金属自体が熱力学的に酸化し難いため、はんだの表面酸化を抑制するが、Znはその逆である。即ち、Znは、Inよりも酸化し易いため、Zn自体がInよりも優先的に酸化して薄い酸化膜を形成することにより、濡れ性を向上させることができる。つまり、Znが酸化することによって、はんだ母相の酸化が抑制されるため、酸化膜が厚くならないのである。   First, regarding the improvement of wettability, Sn, Ag, and Cu suppress the surface oxidation of the solder because the metals themselves are hardly thermodynamically oxidized, whereas Zn is the opposite. That is, since Zn is more easily oxidized than In, Zn itself is preferentially oxidized over In to form a thin oxide film, thereby improving wettability. In other words, since the oxidation of the solder mother phase is suppressed by the oxidation of Zn, the oxide film does not become thick.

また、Znは加工性にも効果を発揮する。即ち、ZnとInは共晶合金(共晶点の組成:Zn=2.2質量%)を作り、一般的には、結晶が微細化して柔らかいInが更に柔らかくなるため、加工性を低下させかねない。ところが、Zn自体がInよりも硬いため、はんだの柔らかさ(加工性)を微調整するにはZnは適した金属なのである。   Zn also has an effect on workability. That is, Zn and In form a eutectic alloy (eutectic point composition: Zn = 2.2% by mass). Generally, crystals become finer and soft In becomes softer, which reduces workability. It might be. However, since Zn itself is harder than In, Zn is a suitable metal for finely adjusting the softness (workability) of solder.

Znの含有量は、上記したZnの作用に基づいて、加工性、濡れ性、応力緩和性のバランスを考えながらを決めればよいが、具体的には0.01質量%以上3.00質量%以下が好ましい。Zn含有量が0.01質量%未満では、含有量が少なすぎるため、Znの含有による効果が現われない。逆にZn含有量が3.00質量%を超えると、共晶点の組成を超えすぎてしまい、液相線温度と固相線温度の差が広がって、溶け別れが発生したり結晶粒が粗大化したりして加工性の制御が難しくなってしまう。   The Zn content may be determined based on the above-described action of Zn while considering the balance of workability, wettability, and stress relaxation properties. Specifically, the content is 0.01 mass% or more and 3.00 mass%. The following is preferred. If the Zn content is less than 0.01% by mass, the content is too small, so that the effect of Zn content does not appear. Conversely, if the Zn content exceeds 3.00% by mass, the composition of the eutectic point will be exceeded, the difference between the liquidus temperature and the solidus temperature will widen, and melting or segregation will occur. It becomes difficult to control processability due to coarsening.

<P>
Pは、本発明のPbフリーInはんだ合金において、任意に添加できる元素であり、その期待される効果は濡れ性の向上である。
<P>
P is an element that can be optionally added to the Pb-free In solder alloy of the present invention, and the expected effect is improved wettability.

Pは還元性が強く、自ら酸化することによって、はんだ合金表面の酸化を抑制する。十分な濡れ性が確保できない場合には、はんだにPを含有させることによって得られる濡れ性向上の役割は大きい。   P is highly reducible and suppresses oxidation of the solder alloy surface by oxidizing itself. When sufficient wettability cannot be secured, the role of improving wettability obtained by adding P to the solder is great.

また、Pの含有により、接合時にボイドの発生を低減させる効果も得られる。即ち、既に述べたようにPは自らが酸化しやすいため、接合時にはんだ合金の主成分であるIn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、電子部品等の接合面を還元して濡れ性を確保することができる。そして、この接合の際に、はんだや接合面表面の酸化物がなくなるため、酸化膜によって形成される隙間(ボイド)が発生し難くなり、接合性や信頼性等を向上させることができる。   In addition, the inclusion of P also has the effect of reducing the generation of voids during bonding. That is, as already described, since P is easily oxidized by itself, oxidation proceeds preferentially over In which is a main component of the solder alloy at the time of bonding. As a result, it is possible to prevent the solder mother phase from being oxidized and reduce the joint surface of the electronic component or the like to ensure wettability. In this joining, since solder and oxides on the surface of the joining surface disappear, gaps (voids) formed by the oxide film are hardly generated, and the joining property, reliability, and the like can be improved.

尚、Pは、はんだ合金や基板を還元して自らは酸化物になり、気化して雰囲気ガスに流されるため、はんだや基板等に残らない。このため、Pの残渣が信頼性等に悪影響を及ぼす可能性はなく、この点からも優れた元素と言える。   Note that P does not remain on the solder, the substrate or the like because it reduces the solder alloy or the substrate to become an oxide and vaporizes and flows into the atmospheric gas. For this reason, there is no possibility that the residue of P adversely affects reliability and the like, and it can be said that this is an excellent element.

Pを含有する場合の含有量は、0.500質量%以下である。上記のごとくPは非常に還元性が強いため、極めて微量でも濡れ性向上の効果が得られる。ただし、0.500質量%を超えて含有しても、濡れ性向上の効果は殆ど変わらないうえ、過剰な含有によってPやP酸化物の気体が多量に発生してボイド発生率を上げてしまったり、Pが脆弱な相を形成して偏析し、はんだ接合部を脆化して信頼性を低下させたりする恐れがある。特にワイヤ形状などに加工する場合には、断線の原因になりやすいことが確認されている。   Content in the case of containing P is 0.500 mass% or less. As described above, since P is very reducible, the effect of improving wettability can be obtained even with a very small amount. However, even if the content exceeds 0.50% by mass, the effect of improving the wettability is hardly changed, and excessive inclusion increases the generation rate of voids by generating a large amount of P and P oxide gases. There is a risk that P may form a fragile phase and segregate, embrittle the solder joint and reduce reliability. In particular, when processing into a wire shape or the like, it has been confirmed that it tends to cause disconnection.

[実施例1]
原料として、それぞれ純度99.9質量%以上のIn、Sn、Ag、Cu、Zn及びP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、切断及び粉砕などにより3mm以下の大きさに細かくした。次に、これら原料から所定量を秤量して、高周波溶解炉用のグラファイト製坩堝に入れた。
[Example 1]
As raw materials, In, Sn, Ag, Cu, Zn and P having a purity of 99.9% by mass or more were prepared. Large flakes and bulk-shaped raw materials were reduced to a size of 3 mm or less by cutting and crushing while paying attention to ensure that the alloy after melting did not vary in composition depending on the sampling location. Next, a predetermined amount of these raw materials was weighed and put into a graphite crucible for a high-frequency melting furnace.

上記各原料の入った坩堝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0.7リットル/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。原料が溶融しはじめたら混合棒でよく撹拌し、局所的な組成のばらつきが起きないように均一に混合した。十分溶融したことを確認した後、高周波電源を切り、速やかに坩堝を取り出し、坩堝内の溶湯をはんだ母合金の鋳型に流し込んだ。鋳型は、はんだ母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 materials was placed in a high-frequency melting furnace, and nitrogen was flowed at a flow rate of 0.7 liter / min or more per kg of the raw materials in order to suppress oxidation. In this state, the melting furnace was turned on to heat and melt the raw material. When the raw material began to melt, it was thoroughly stirred 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 taken out, and the molten metal in the crucible was poured into the mold of the solder mother alloy. A mold having the same shape as that generally used in the production of a solder mother alloy was used.

このようにして、上記各原料の混合比率を変えることにより、試料1〜18のPbフリーIn系はんだ母合金を作製した。得られた試料1〜18の各はんだ母合金の組成をICP発光分光分析器(SHIMAZU S−8100)を用いて組成分析し、得られた組成分析結果を下記表1に示した。   Thus, the Pb free In type | system | group solder mother alloy of the samples 1-18 was produced by changing the mixing ratio of each said raw material. The compositions of the obtained solder mother alloys of Samples 1 to 18 were subjected to composition analysis using an ICP emission spectroscopic analyzer (SHIMAZU S-8100), and the obtained composition analysis results are shown in Table 1 below.

Figure 0005861559
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次に、上記試料1〜18の各PbフリーIn系はんだ母合金について、下記のごとく圧延機でシート状に加工することにより加工性を評価した。また、シート状に加工した試料1〜18の各はんだ合金について、ビッカース硬度を測定すると共に、下記の方法により濡れ性(接合性)の評価及びヒートサイクル試験による信頼性の評価を行った。尚、はんだの濡れ性ないし接合性等の評価は、はんだ形状に依存しないためワイヤ、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シートの形状で評価した。   Next, the workability of each Pb-free In-based solder mother alloy of Samples 1 to 18 was evaluated by processing it into a sheet with a rolling mill as described below. Moreover, about each solder alloy of the samples 1-18 processed into the sheet form, while measuring Vickers hardness, the following method evaluated the wettability (joinability) and the reliability evaluation by the heat cycle test. The evaluation of solder wettability or bondability does not depend on the solder shape, and may be evaluated by the shape of a wire, a ball, a paste, or the like.

<加工性の評価>
上記表1に示す試料1〜18の各はんだ母合金(厚さ7mmの板状インゴット)を、圧延機を用いて厚さ100μmまで圧延した。In系はんだ合金は非常に柔らかいため、圧延には注意を要する。まず、試料がロールに貼り付かないように必要に応じてオイルを適量かけながら圧延した。このようにロールとシート及びシートとシートの間に油膜を作ることによって、ロールとシート又はシート同士が貼り付くことを抑えることができる。そして、試料の送り速度にも十分な配慮が必要であり、送り速度が速すぎるとシート同士が貼り付きやすくなったり、張力がかかりすぎて切れてしまったりする。逆に送り速度が遅すぎると撓みが発生して巻きずれを起こしたり、均一な厚みのシートが得られなかったりする。
<Evaluation of workability>
Each solder mother alloy (plate-shaped ingot having a thickness of 7 mm) of Samples 1 to 18 shown in Table 1 was rolled to a thickness of 100 μm using a rolling mill. In-based solder alloys are very soft, so care must be taken when rolling. First, rolling was performed while applying an appropriate amount of oil as required so that the sample did not stick to the roll. Thus, by making an oil film between a roll and a sheet | seat and between a sheet | seat and a sheet | seat, it can suppress that a roll, a sheet | seat, or sheets adhere. Also, sufficient consideration must be given to the feed rate of the sample. If the feed rate is too high, the sheets may be easily adhered to each other, or the tension may be applied too much and the sheets may be cut off. On the other hand, if the feeding speed is too slow, bending may occur and winding may be lost, or a sheet having a uniform thickness may not be obtained.

このため、各試料の柔らかさに応じて、送り速度、張力等を調整しながら圧延した。圧延したシートはアルコールでオイル洗浄し、その後、スリッター加工により25mmの幅に裁断した。また、得られた各試料のシート状のIn系はんだ合金について、JIS Z 2244−1961に従い、ビッカース硬度の測定を行い、その結果を下記表2に示した。   For this reason, it rolled, adjusting feed rate, tension, etc. according to the softness of each sample. The rolled sheet was oil-washed with alcohol and then cut into a width of 25 mm by slitting. Further, Vickers hardness was measured according to JIS Z 2244-1961 for the obtained sheet-like In-based solder alloys of each sample, and the results are shown in Table 2 below.

加工性の評価1として、得られたシート状のIn系はんだ合金を観察し、傷やクラック、撓みが全くなかった場合を「○」、シート長さ10m当たり傷やクラック、撓みが1〜3箇所ある場合を「△」、シート長さ10m当たり傷やクラック、撓みが4箇所以上ある場合、シート加工中にシートが切れてしまった場合、及びシートが圧延ロールに貼り付いてシートに加工できなかった場合を「×」とした。   As evaluation 1 of workability, the obtained sheet-like In-based solder alloy was observed, and “◯” when no scratches, cracks, or deflections were observed, and scratches, cracks, or deflections per sheet length of 10 m were 1 to 3. “△” when there are places, if there are 4 or more scratches, cracks, or deflections per 10 m of sheet length, if the sheet breaks during sheet processing, and the sheet sticks to the rolling roll and can be processed into a sheet The case where there was not was set as "x".

更に、加工性の評価2として、長さ10mのシート状のIn系はんだ合金のシート厚さを1mおきにマイクロメーターで測定し、測定したシート厚さが全ての測定点で100±3μmの範囲に入っていた場合を「○」、この範囲を1点以上の測定点で外れた場合を「×」と評価した。これらの加工性の評価1及び2の評価結果を下記表2に示した。   Furthermore, as a workability evaluation 2, the sheet thickness of a sheet-like In-based solder alloy having a length of 10 m was measured with a micrometer every 1 m, and the measured sheet thickness was in a range of 100 ± 3 μm at all measurement points. The case where it was included was evaluated as “◯”, and the case where it was outside this range at one or more measurement points was evaluated as “x”. The evaluation results of these processability evaluations 1 and 2 are shown in Table 2 below.

<濡れ性(接合性)の評価>
シート状に加工した試料1〜18の各はんだ合金を、濡れ性試験機(装置名:雰囲気制御式濡れ性試験機)を用いて評価した。即ち、濡れ性試験機のヒーター部に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12リットル/分の流量で流しながら、ヒーター設定温度を各試料の融点よりも約30℃高い温度に設定して加熱した。設定したヒーター温度が安定した後、Cu基板(板厚:約0.70mm)をヒーター部にセッティングして25秒間加熱した。
<Evaluation of wettability (bondability)>
Each solder alloy of Samples 1 to 18 processed into a sheet shape was evaluated using a wettability tester (device name: atmosphere control type wettability tester). That is, the heater part of the wettability tester is covered with a double cover, and the heater set temperature is about 30 ° C. higher than the melting point of each sample while flowing nitrogen at a flow rate of 12 liters / minute from four places around the heater part. Heat was set at a high temperature. After the set heater temperature was stabilized, a Cu substrate (plate thickness: about 0.70 mm) was set in the heater section and heated for 25 seconds.

次に、各試料のはんだ合金をCu基板の上に載せ、25秒間加熱した。加熱が完了した後、Cu基板をヒーター部から取り上げ、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接合部分を確認した。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、接合できなかった場合を「×」、接合できたが濡れ広がりが悪い場合(はんだが広がらなかった場合)を「△」、接合でき且つ濡れ広がりが良い場合(はんだが薄く濡れ広がった状態)を「○」と評価した。得られた評価結果を下記表2に示した。   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 taken up from the heater part, and once installed in a place where the nitrogen atmosphere next to it was kept, it was cooled. After sufficiently cooling, it was taken out into the atmosphere and a joint portion was confirmed. The joint between the solder alloy of each sample and the Cu substrate is visually checked, and “X” indicates that the bonding cannot be performed, “△” indicates that the bonding is successful but the wetting spread is poor (the solder does not spread), A case where bonding was possible and wetting and spreading was good (a state where the solder was thin and spreading) was evaluated as “◯”. The obtained evaluation results are shown in Table 2 below.

<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。この試験は、上記した濡れ性の評価においてはんだ合金がCu基板に接合できた試料(濡れ性の評価が○又は△の試料)を各々2個ずつ用いて行った。即ち、各試料のはんだ合金が接合されたCu基板2個のうちの1個に対しては、−55℃の冷却と+125℃の加熱を1サイクルとするヒートサイクル試験を途中確認のため500サイクルまで繰り返した。残る1個に対しては、同様のヒートサイクル試験を1000サイクルまで繰り返した。
<Heat cycle test>
A heat cycle test was conducted to evaluate the reliability of solder joints. This test was performed using two samples each having a solder alloy bonded to a Cu substrate in the above-described wettability evaluation (samples having a wettability evaluation of ◯ or Δ). That is, for one of the two Cu substrates to which the solder alloy of each sample is bonded, 500 cycles are used for confirmation during the heat cycle test in which cooling at −55 ° C. and heating at + 125 ° C. are performed as one cycle. Repeat until. For the remaining one, the same heat cycle test was repeated up to 1000 cycles.

その後、500サイクル及び1000サイクルのヒートサイクル試験を実施した各試料について、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。この観察の結果、接合面に剥がれが生じるか又ははんだにクラックが入った場合を「×」、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。得られた評価結果を下記の表2に示した。   Then, about each sample which performed the heat cycle test of 500 cycles and 1000 cycles, the Cu board | substrate with which the solder alloy was joined was embedded in resin, cross-section grinding | polishing was performed, and SEM (device name: HITACHI S-4800) performed the joining surface. Observations were made. As a result of this observation, the case where the joint surface peeled or the solder cracked was indicated as “X”, and the case where there was no such defect and the same joint surface as in the initial state was indicated as “◯”. . The obtained evaluation results are shown in Table 2 below.

Figure 0005861559
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上記表2から分るように、本発明による試料1〜11の各PbフリーIn系はんだ合金は、加工性、濡れ性及び信頼性の全ての評価項目において良好な特性を示している。即ち、シート状に加工しても傷やクラック、撓みの発生が無く、且つシート厚さも均一に加工でき、しかも濡れ性及び信頼性も良好であった。特に濡れ性における良好な結果は、Ag又はSnの効果が大きく、はんだ表面の酸化を抑制した結果、はんだ合金がCu基板に接触した瞬間に基板上に濡れ広がったと考えられる。   As can be seen from Table 2 above, each of the Pb-free In-based solder alloys of Samples 1 to 11 according to the present invention exhibits good characteristics in all evaluation items of workability, wettability, and reliability. That is, even when processed into a sheet shape, there was no generation of scratches, cracks or deflection, the sheet thickness could be processed uniformly, and wettability and reliability were also good. Particularly good results in wettability are considered to be that the effect of Ag or Sn is great, and as a result of suppressing the oxidation of the solder surface, the solder alloy spreads on the substrate at the moment of contact with the Cu substrate.

更に、上記試料1〜11の各はんだ合金は、ヒートサイクル試験においてもサイクル数1000回という厳しい条件にも関わらず割れなどが発生せず、良好な接合性と信頼性を示し、Inの柔軟な性質による応力緩和性が十分に発揮されたものと考えられる。また、ビッカース硬度は全て1.1以上とIn単体(試料18)よりも高い値となり、適度な硬度となっていることが分る。このような厳しい条件でも十分に機能する本発明のPbフリーIn系はんだ合金は、熱応力が頻繁に加わり、より一層高い信頼性が要求される用途においても十分に耐え得ることができる。   Further, each of the solder alloys of Samples 1 to 11 does not generate cracks or the like in the heat cycle test, despite severe conditions such as 1000 cycles, and exhibits good bondability and reliability. It is considered that the stress relaxation property due to the properties was sufficiently exhibited. Further, the Vickers hardness is 1.1 or more, which is higher than that of In alone (sample 18), indicating that the hardness is appropriate. The Pb-free In-based solder alloy of the present invention that functions satisfactorily even under such severe conditions can sufficiently withstand applications where thermal stress is frequently applied and even higher reliability is required.

一方、比較例である試料12〜18の各はんだ合金は、Sn、Ag、Cu、Zn、Pのうちの何れかの含有量が適切でなかったため、2つ以上の評価で好ましくない結果となった。例えば、まずIn単体である試料18は、ビッカース硬度が0.78であり、柔らかすぎるため圧延の際にロールに貼り付いてしまい、厚さ100μmまで圧延できず、その後の評価を行うことができなかった。また、試料14は多くのクラックが生じた。濡れ性についても試料12と17を除いて好ましくない結果となり、特にヒートサイクル試験では全ての試料(接合できなかった試料13、14、16、18を除く)で1000回までに不良が発生した。   On the other hand, each of the solder alloys of Samples 12 to 18 as a comparative example has an unfavorable result in two or more evaluations because the content of any of Sn, Ag, Cu, Zn, and P is not appropriate. It was. For example, sample 18 which is an In simple substance has a Vickers hardness of 0.78 and is too soft to stick to a roll during rolling, and cannot be rolled to a thickness of 100 μm. There wasn't. Sample 14 had many cracks. Regarding the wettability, except for Samples 12 and 17, unfavorable results were obtained. In particular, in the heat cycle test, defects occurred up to 1000 times in all the samples (excluding Samples 13, 14, 16, and 18 that could not be joined).

[実施例2]
上記実施例1で製造した本発明による試料1〜11の各PbフリーIn系はんだ合金について、半導体装置に実装した状態を想定して疑似的な評価を行った。即ち、試料1〜11の各はんだ合金で縦横25mm×25mm及び厚さ100±3μmのシート状はんだを準備し、これらシート状の各はんだを用いてダミーチップ(縦横25mm×25mm)とAgめっき層が形成されたCu基板を接合した。
[Example 2]
The Pb-free In-based solder alloys of Samples 1 to 11 according to the present invention manufactured in Example 1 were evaluated in a pseudo manner assuming that they were mounted on a semiconductor device. That is, a sheet-like solder having a length and width of 25 mm × 25 mm and a thickness of 100 ± 3 μm is prepared from each solder alloy of Samples 1 to 11, and a dummy chip (25 mm × 25 mm) and an Ag plating layer are prepared using each of the sheet-like solders. The Cu substrate on which was formed was bonded.

その後、上記のダミーチップを接合したCu基板を樹脂封止して、−50℃の冷却と+150℃の加熱を1000サイクル繰り返す温度サイクル試験と、温度80℃及び湿度80%で1000時間保持する恒温恒湿試験を行った。これらの試験後に樹脂を開封し、はんだの染み出し、はんだ接合部のボイド発生、ダミーチップ又ははんだ接合部の割れ発生等を観察した。その結果、全ての試料に不良の発生は無く、実装した状態でも良好な信頼性が確認された。   Thereafter, the Cu substrate to which the dummy chip is bonded is resin-sealed, a temperature cycle test in which cooling at −50 ° C. and heating at + 150 ° C. is repeated 1000 cycles, and a constant temperature that is maintained at a temperature of 80 ° C. and a humidity of 80% for 1000 hours. A constant humidity test was performed. After these tests, the resin was unsealed, and solder bleeding, void generation at the solder joint, crack generation at the dummy chip or solder joint, and the like were observed. As a result, no defects occurred in all the samples, and good reliability was confirmed even when mounted.

Claims (7)

Pbを含まず、Inを主成分とするPbフリーIn系はんだ合金であって、Snの含有量が3.9質量%以上11.00質量%以下であり、残部がIn及び不可避的不純物からなることを特徴とするPbフリーIn系はんだ合金。 Free of Pb, a Pb-free In-based solder alloy mainly containing In, Sn content is less 3.9 wt% or more 11.00 wt%, the remaining part of In and inevitable impurities A Pb-free In-based solder alloy. Cu及びZnの少なくとも1種を更に含有し、Cuを含有する場合その含有量が0.01質量%以上0.90質量%以下であり、Znを含有する場合その含有量が0.01質量%以上3.00質量%以下であることを特徴とする、請求項1に記載のPbフリーIn系はんだ合金。 It further contains at least one of Cu and Zn. When Cu is contained, the content is 0.01 mass% or more and 0.90 mass% or less, and when Zn is contained, the content is 0.01 mass%. The Pb-free In-based solder alloy according to claim 1, wherein the Pb-free In-based solder alloy is at least 3.00% by mass. Pbを含まず、Inを主成分とするPbフリーIn系はんだ合金であって、Snの含有量が0.01質量%以上11.00質量%以下であり、Agの含有量が0.01質量%以上21.00質量%以下であり、Cuの含有量が0.01質量%以上0.90質量%以下であって、残部がIn及び不可避的不純物からなることを特徴とするPbフリーIn系はんだ合金。A Pb-free In-based solder alloy not containing Pb and containing In as a main component, the Sn content is 0.01 mass% or more and 11.00 mass% or less, and the Ag content is 0.01 mass% % Pb-free In, characterized in that the Cu content is 0.01 mass% or more and 0.90 mass% or less, and the balance is In and inevitable impurities. Solder alloy. Znを更に含有し、その含有量が0.01質量%以上3.00質量%以下であることを特徴とする、請求項3に記載のPbフリーIn系はんだ合金。The Pb-free In-based solder alloy according to claim 3, further comprising Zn and having a content of 0.01% by mass to 3.00% by mass. Pを含有し、その含有量が0.500質量%以下であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載のPbフリーIn系はんだ合金。 The Pb-free In-based solder alloy according to any one of claims 1 to 4, wherein the Pb-containing In-based solder alloy contains P and has a content of 0.5% by mass or less. ビッカース硬度(Hv)が0.80以上であることを特徴とする、請求項1〜のいずれかに記載のPbフリーIn系はんだ合金。 The Pb-free In solder alloy according to any one of claims 1 to 5 , wherein the Vickers hardness (Hv) is 0.80 or more. 請求項1〜のいずれかに記載のPbフリーIn系はんだ合金を用いて接合されている電子部品。 Electronic components are bonded using a Pb-free In-based solder alloy according to any one of claims 1-6.
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