JP6417692B2

JP6417692B2 - はんだ組成物、はんだペースト、はんだ接合構造、及び電子機器

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Publication number: JP6417692B2
Application number: JP2014066888A
Authority: JP
Inventors: 裕希百川
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2014-03-27
Filing date: 2014-03-27
Publication date: 2018-11-07
Anticipated expiration: 2034-03-27
Also published as: JP2015188902A

Description

本発明は、はんだ組成物、はんだペースト、はんだ接合構造、及び電子機器に関する。

近年、Ａｇの価格高騰に伴い、Ａｇを成分とするはんだの価格も上昇している。このため、前記はんだのコスト低減策として、はんだ中のＡｇ含有量を低減した低Ａｇはんだが注目されている。前記低Ａｇはんだとしては、具体的には、例えば、Ｓｎ−１．０Ａｇ−０．７Ｃｕ、Ｓｎ−０．３Ａｇ−０．７Ｃｕ等がある。しかしながら、前記はんだ中のＡｇ含有量を低減すると、例えば、はんだ融点の上昇、はんだ中のＡｇ_３Ｓｎ化合物量の低下による接合強度及び信頼性の低下等の問題がある。

そのため、前記問題点に対し、はんだ成分として、Ｂｉを含む合金を用いることがある。これにより、以下の効果を奏する。すなわち、まず、前記合金元素としてＢｉを微量加えることで、はんだの融点（固相線）を下げることができる。また、前記Ｂｉを、例えば、はんだ成分のＳｎ等に固溶させることにより、機械的強度を上げることが出来る。特に、車載等の分野においては、機械的強度が高いはんだが必要とされている。前記はんだとして、具体的には、例えば、前記はんだ中に３％〜５％程度のＡｇを含有させると共に、Ｂｉを添加する場合がある（特許文献１）。これにより、はんだ成分のＳｎ等にＢｉを固溶させ、機械的強度を上げる。

特開２００１−２５９８８４号公報

しかしながら、前記Ｂｉを含むはんだで接合部を形成する場合、図３（Ａ）で示す一般的なはんだ１のように、電子素子電極３ｂ又は基板電極２ｂとの接合界面付近の化合物相４上に層状のＢｉ５ａが析出することがある。前記Ｂｉは常温付近では変形し難く、界面付近に前記層状のＢｉ５ａが偏在すると、同図（Ｂ）（同図（Ａ）における点線で囲んだ部分Ｘの拡大図）に示すように、前記Ｂｉ結晶内部もしくは結晶界面でクラック６が発生し、信頼性低下の原因となる。

そこで、本発明は、はんだと、基板若しくは部品との接合界面へのＢｉ析出を抑制可能なはんだ組成物、はんだペースト、はんだ接合構造、及び電子機器を提供することを目的とする。

本発明のはんだ組成物は、
Ｃｕ粒子と、はんだ粒子とを含み、
前記はんだ粒子は、Ｂｉを含み、
前記Ｂｉの含有率は、前記Ｃｕ粒子及びはんだ粒子の全量に対して、０．１〜４．０質量％であることを特徴とする。

本発明のはんだペーストは、本発明の前記はんだ組成物を含むことを特徴とする。

本発明のはんだ接合構造は、
基板電極、電子素子電極、及びはんだ接合部を含み、
前記基板電極と前記電子素子電極とは、前記はんだ接合部により接合されており、
前記はんだ接合部は、本発明の前記はんだペーストから形成され、
前記Ｃｕ粒子と前記はんだとの界面には、前記Ｃｕ粒子と前記はんだの成分とのＣｕ化合物相が形成されており、前記Ｃｕ粒子及び前記Ｃｕ化合物相の近傍にＢｉが存在することを特徴とする。

本発明の電子機器は、
基板電極と電子素子電極とがはんだで接合されており、前記はんだの接合が、本発明の前記はんだ接合構造を含む事を特徴とする。

本発明によれば、はんだと、基板若しくは部品との接合界面へのＢｉ析出を抑制可能なはんだ組成物、はんだペースト、はんだ接合構造、及び電子機器を提供可能である。

図１は、本発明のはんだ接合構造を説明するための模式図である。図２は、本発明の電子機器の一例を示す断面図である。図３は、一般的なはんだ接合構造を説明するための模式図である。

以下、本発明について、例を挙げて詳細に説明する。ただし、本発明は、以下の実施形態に限定されない。なお、以下の図１〜２において、同一部分には、同一符号を付している。また、図面においては、説明の便宜上、各部の構造は適宜簡略化して示す場合があり、各部の寸法比等は、実際とは異なる場合がある。

本発明において、「平均粒子径」とは、レーザー回析散乱法による粒度分布測定装置を用いて測定したものをいう。

（はんだ組成物）
本発明のはんだ組成物は、前述の通り、Ｃｕ粒子と、はんだ粒子とを含む。ここでいう、「粒子」とは、例えば、粉（粉末）等をいう。

＜Ｃｕ粒子＞
前記Ｃｕ粒子径の平均粒子径（以下、「平均粒子径」を、単に「粒子径」ということがある。）としては、特に制限されず、例えば、前記はんだ粒子の平均粒子径の０．５〜１．５倍である。Ｃｕ粒子径が、はんだ粒子径よりも１．５倍以下であれば、印刷時に印刷版の孔にＣｕ粒子が入りやすい。また、Ｃｕ粒子径が、はんだ粒子径よりも０．５倍以上であれば、Ｃｕ粒子が、はんだ接合時にはんだ中に溶解しにくくなる。具体的には、例えば、はんだ組成物における前記はんだ粒子として、現状一般的に用いられている最大直径が３５μｍのはんだ粒子を用いる場合、前記Ｃｕ粒子としては、直径３５μｍのＣｕ粒子を混練させて用いても良い。

前記Ｃｕ粒子径の平均粒子径としては、さらに、１０〜１００μｍの範囲内であることが好ましく、前記はんだ粒子の径がＩＰＣ（Institute for Interconnecting and Packaging Electronics Circuits）のＴｙｐｅ４規格品であれば、同程度の粒子径の範囲内であることがより好ましい。具体的には、はんだボールの直径が３００μｍのＢａｌｌＧｒｉｄＡｌｌｅｙ型（ＢＧＡ）パッケージにおいては、直径３５μｍのＣｕ粒子を用いることが好ましい。

＜はんだ粒子＞
前記はんだ粒子は、例えば、Ｓｎ基合金（はんだ合金）とＢｉとを含む。前記Ｂｉは、前記はんだ合金粒子中に含まれていてもよいし、前記はんだ合金とは別に、純金属のＢｉ粒子もしくはＢｉ合金粒子として含まれていても良い。前記はんだ粒子は、必要に応じて、その他の金属を含んでも良い。

＜＜Ｂｉ＞＞
前記Ｂｉの含有率は、前記Ｃｕ粒子及びはんだ粒子の全量に対して、０．１質量％〜４．０質量％である。

＜＜その他の金属＞＞
前記その他の金属としては、特に制限されず、例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｃｏ、Ｆｅ等が挙げられる。

以上、本発明のはんだ組成物について例を挙げて説明したが、以下では、はんだが、前記はんだ組成物を含む事による本発明の作用効果について図１を用いて説明する。

すなわち、まず、本発明のはんだ組成物中には、Ｃｕ粒子と、はんだ粒子とが含まれており、前記Ｓｎ基はんだ合金粒子には、Ｂｉが含まれている。そして、前記はんだ組成物を含むペーストに従来公知の方法により、リフロー熱処理を行い、同図（Ａ）に示すような基板電極及び電子素子電極を接合したはんだ接合構造を形成する。このとき、同図（Ａ）に示すように、Ｃｕ粒子６は、はんだ中に均一に分散している。そして、同図（Ｂ）（同図（Ａ）の点線Ｘで囲んだ箇所の拡大図）に示すように、前記Ｃｕ粒子６は、周囲に存在するはんだ粒子中のＳｎと、ＳｎＣｕ化合物相７を形成する。さらに、製品動作時の熱による経時変化（時効効果）により、ＣｕＳｎ化合物相７が成長し、前記Ｓｎが消費され、ＣｕＳｎ化合物相周辺のＳｎ濃度が低下する。これにより、前記Ｓｎ中に固溶していたＢｉ５が、Ｃｕ粒子６及びＣｕＳｎ化合物相７に析出する。これにより、同図（Ｃ）（同図（Ａ）の点線Ｙで囲んだ箇所の拡大図）等に示すように、基板電極２ｂもしくは電子素子電極３ｂとはんだ１との接合界面に生成される化合物相４の周囲にＢｉ５ｂが偏析しなくなる。これにより、接合界面付近での層状のＢｉ形成が抑制される。

さらに、本発明において、前記Ｂｉの含有率は、前述の通り、前記Ｃｕ粒子及びはんだ粒子の全量に対して、０．１〜４．０質量％の範囲内である。

本発明のはんだ組成物において、さらに、前記Ｃｕ粒子及びＢｉは、下記式（１）を満たすことが好ましい。

Ｖ_ｓｏｌ／(２．０×１０^−３)≦Ｓ×ｑ≦Ｖ_ｓｏｌ／(０．５×１０^−３)・・・（１）

前記式（１）中、
前記Ｓは、Ｃｕ粒子の表面積を表し、Ｓ＝４πｒ^２（ｍｍ^２）で表され、
前記ｒは、Ｃｕ粒子の半径を表し、
前記ｑは、はんだ組成物中のＣｕ粒子数を表し、
前記Ｖ_ｓｏｌは、はんだ組成物中に含まれるＢｉの体積を表し、前記Ｖ_ｓｏｌは、下記式（２）で表される。

Ｖ_ｓｏｌ（ｍｍ^３）＝Ｍ／ρ・・・（２）

前記式（２）中、
Ｍは、はんだペースト中に含まれるＢｉの質量（ｇ）を表し、
ρは、Ｂｉの密度を表す。すなわち、ρ=９．７８×１０^−３(ｇ／ｍｍ^３)である。

前記式（１）において、Ｓ×ｑは、経時変化（時効）によりＢｉがＣｕ粒子表面上に析出する場合における、前記Ｃｕ粒子の表面積を示す。前記式（１）を満たすことにより、Ｃｕ粒子の表面に析出するＢｉの厚さｔが０．５×１０^−３ｍｍ〜２．０×１０^−３ｍｍの範囲内に設定される。これにより、はんだと、基板若しくは部品との接合界面へのＢｉ析出を抑制するとともに、Ｃｕ粒子およびＣｕ粒子近傍に析出するＢｉ同士が接触することを抑制することが出来る。これにより、Ｂｉ添加によるはんだ融点の低下及び機械的強度の向上などの効果とともに、Ｂｉを含むはんだを用いた場合に発生するクラックによる信頼性低下を抑制可能である。

以下、前記式（１）について、具体例を挙げて説明する。すなわち、一例として組成が、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ−１．０Ｂｉであって、直径（Φ）300μmのはんだバンプに本発明のはんだ組成物を使用する場合について説明する。

はんだの密度は、各金属の密度から、次のようにして求まる。
Sn：7.37（g/cm³） 95.5mass%×7.37=703.83
Ag：10.49（g/cm³） 3.0mass%×10.49=31.47
Cu：8.94（g/cm³） 0.5mass%×8.94=4.47
Bi：9.78（g/cm³） 1.0mass%×9.78=9.78
749.55（＝703.83＋31.47＋4.47＋9.78）/100 = 7.50g/cm³となる。
次に、はんだバンプの体積を球として概算すれば、V_sol=4πr³/3=0.01413mm³となる。
これより、はんだバンプの質量は、M_sol=0.01413×7.5×10^-3=0.106×10^-3（g）となる。
従って、はんだバンプ中のBiの質量は、1mass%であるから、
M_bi=1.06×10^-6（g）となる。
よって、はんだ中に含まれるBiの体積は、
V_sol=M_bi/ρ=0.108×10^-3 （mm³）となる。
一方、Cu粒子の半径ｒが17.5μmの場合、S=0.00385（mm²）だから、前記式（１）にSおよびV_solを代入すると、ｑは、下記式の範囲内となる。
14 ≦ ｑ ≦ 56

従ってこの例の場合、Cu粒子の直径Φ35μmにおいては、Cu粒子の個数ｑ=14個以上、56個以下にて調整すればよい。

（はんだペースト）
以下、本発明のはんだペーストについて説明する。前記はんだペーストは、本発明の前記はんだ組成物を含む。

前記はんだペーストは、必要に応じて、さらに、従来公知の添加剤を含んでも良い。前記添加剤としては、例えば、フラックス成分が挙げられる。

＜フラックス成分＞
前記添加剤における、前記フラックス成分としては、特に制限されず、従来のものを使用できる。具体的には、例えば、接合信頼性の観点から熱硬化性樹脂を含有するものであればよく、前記熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂等が挙げられる。これらは、１種を単独で使用しても良いし、２種以上を併用しても良い。また、前記フラックス成分として、さらに溶剤、チクソ剤等を含んでも良い。

＜＜溶剤＞＞
前記添加剤における、前記溶剤としては、特に制限されず、従来のものを使用できる。具体的には、例えば、メタノールなどのアルコール類、エチレングリコール系溶剤等が挙げられる。これらは、１種を単独で使用しても良いし、２種以上を併用しても良い。

＜＜チクソ剤＞＞
前記添加剤における、前記チクソ剤としては、特に制限されず、従来のものを使用できる。具体的には、例えば、水添ヒマシ油、脂肪酸アマイド類等が挙げられる。これらは、１種を単独で使用しても良いし、２種以上を併用しても良い。

前記フラックス成分の前記はんだペーストにおける含有量は、特に制限されない。

（はんだペーストの製造方法）
前記はんだペーストの製造方法は、特に制限されず、従来公知の製造方法に準じて良い。具体的には、例えば、前記はんだ組成物、必要な前記フラックス成分、及びＣｕ粒子を加えたものを混練してはんだペーストを製造する。

（はんだ接合構造）
以下、本発明のはんだ接合構造について、図１の模式図を用いて説明する。

図１は、本発明のはんだ接合構造の一例を示す模式図である。同図に示すはんだ接合構造は、基板電極２ｂ、電子素子電極３ｂ、及びはんだ接合部１を含み、基板電極２ｂと電子素子電極３ｂとは、はんだ接合部１により接合されている。

＜基板電極及び電子素子電極＞
前記基板電極及び電子素子電極としては、特に制限されず、従来公知のものを使用できる。

＜はんだ接合部＞
はんだ接合部１は、本発明の前記はんだ組成物を含む。同図（Ｂ）に、前記はんだ接合部の模式図を示す。同図（Ｂ）に示すように、本発明のはんだ接合構造においては、はんだ中にはＣｕ粒子６が存在し、Ｃｕ粒子の周囲には、はんだ中のＳｎとＣｕＳｎ化合物相７を形成している。製品動作時の熱による経時変化（時効効果）でＣｕＳｎ化合物相７が成長するとＳｎが消費されるため、ＣｕＳｎ化合物相７周辺のＳｎ濃度が低下する。これにより、Ｓｎ中に固溶していたＢｉが、Ｃｕ粒子およびＣｕＳｎ化合物相の近傍に析出して存在する。これにより、基板電極２ｂもしくは電子素子電極３ｂとはんだ１との接合界面に生成される化合物相４の周囲に析出するＢｉ５ｂは相対的に減少して、層状のＢｉ５ｂの形成が抑制される。

本発明において、さらに、前記Ｃｕ粒子及びＣｕＳｎ化合物相（Ｃｕ化合物）の近傍に存在するＢｉにおいて、あるＣｕ粒子及びＣｕ化合物の近傍に存在するＢｉが、他のＣｕ粒子及びＣｕ化合物の近傍に存在するＢｉと、互いに接触せず独立して存在していることが好ましい。ここでいう、「近傍に存在する」とは、前記Ｂｉが、例えば、前記Ｃｕ粒子及びＣｕ化合物の少なくとも一方に接することも含む。

尚、本発明では、Ｃｕ化合物相としてＣｕＳｎ化合物相を例示して説明したが、本発明において、これに限定されない。

（はんだ接合構造の製造方法）
以下、本発明のはんだ接合構造の製造方法の一例を示す。

本発明のはんだ接合構造は、前述の通り、前記はんだペーストを用いて、電子デバイス等の搭載電子素子電極と基板電極とを接続する。すなわち、まず、基板電極にはんだペーストを塗布し、前記搭載電子素子電極を載せてリフロー熱処理を行うことにより、前記搭載電子素子電極と基板電極とを前記はんだペーストを介して接続する。

（電子機器）
以下、本発明の電子機器について図２を用いて説明する。

同図は、本発明の電子機器の一例を示す。同図に示すように、本発明の電子機器１０は、基板１１と、はんだ接合体１２と、電子部品１３と、を含む。同図に示すように、はんだ接合体１２及び電子部品１３は、例えば、前記順序で前記基板１１上に搭載されている。基板１１及び電子部品１３は、特に制限されず、従来公知のものを使用できる。はんだ接合体１２は、本発明の前記はんだ接合構造をしており、はんだ接合部１２を介して基板電極２ｂ及び電子素子電極３ｂを接合している。本発明の前記電子機器は、従来公知の各種の電子機器の製造に従来公知の各種の方法で使用することができる。

以上、本発明の電子機器の一例について説明したが、本発明の電子機器は、基板電極と、電子素子電極とが、はんだで接合されており、前記はんだの接合が、本発明の前記はんだ接合構造を含むものであれば、これに限定されない。

以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は、上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。

１はんだ接合部
２ｂ基板電極
３ｂ電子素子電極

Claims

Ｃｕ粒子と、はんだ粒子とを含み、
前記はんだ粒子は、Ｓｎ基合金であり、
前記はんだ粒子は、Ｂｉを含み、
前記Ｂｉの含有率は、前記Ｃｕ粒子及びはんだ粒子の全量に対して、０．１質量％〜４．０質量％であり、
前記Ｃｕ粒子の平均粒子径は、前記はんだ粒子の平均粒子径の０．５倍〜１．５倍の範囲内であることを特徴とするはんだ組成物。
Ｃｕ粒子と、はんだ粒子とを含み、
前記はんだ粒子は、Ｓｎ基合金であり、
前記はんだ粒子は、Ｂｉを含み、
前記Ｂｉの含有率は、前記Ｃｕ粒子及びはんだ粒子の全量に対して、０．１質量％〜４．０質量％であり、
前記Ｃｕ粒子の平均粒子径が、１０〜１００μｍの範囲内であることを特徴とするはんだ組成物。
Ｃｕ粒子と、はんだ粒子とを含み、
前記はんだ粒子は、Ｓｎ基合金であり、
前記はんだ粒子は、Ｂｉを含み、
前記Ｂｉの含有率は、前記Ｃｕ粒子及びはんだ粒子の全量に対して、０．１質量％〜４．０質量％であり、
前記Ｃｕ粒子及びＢｉが、下記式（１）を満たすことを特徴とするはんだ組成物。

Ｖ _ｓｏｌ／（２．０×１０ ^−３）≦Ｓ×ｑ≦Ｖ _ｓｏｌ／（０．５×１０ ^−３）…（１）

（式（１）中、
Ｖ _ｓｏｌは、Ｖ _ｓｏｌ＝Ｍ（前記はんだ組成物中のＢｉの質量（ｇ））／ρ（Ｂｉの密度：９．７８×１０ ^−３（ｇ／ｍｍ ^３））で表され、
Ｓは、Ｃｕ粒子の表面積（ｍｍ ^２）であり、
ｑは、前記はんだ組成物中のＣｕ粒子数である。）
請求項１から３のいずれか一項に記載のはんだ組成物を含むことを特徴とするはんだペースト。
基板電極、電子素子電極、及びはんだ接合部を含み、
前記基板電極と前記電子素子電極とは、前記はんだ接合部により接合されており、
前記はんだ接合部は、請求項４記載のはんだペーストから形成され、
前記Ｃｕ粒子と前記はんだとの界面には、前記Ｃｕ粒子と前記はんだの成分とのＣｕ化合物相が形成されており、前記Ｃｕ粒子及び前記Ｃｕ化合物相の近傍にＢｉが存在することを特徴とするはんだ接合構造。
前記Ｃｕ粒子及びＣｕ化合物の近傍に存在するＢｉにおいて、あるＣｕ粒子及びＣｕ化合物の近傍に存在するＢｉが、他のＣｕ粒子及びＣｕ化合物の近傍に存在するＢｉと、互いに接触せず独立して存在している請求項５記載のはんだ接合構造。
基板電極と、電子素子電極とが、はんだで接合されており、前記はんだの接合が、請求項５又は６記載の接合構造を含むことを特徴とする電子機器。