JP6671013B2 - 耐変色性はんだ合金、及び耐変色性はんだ継手 - Google Patents
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Description
はんだ付けに用いるはんだのうち、Sn又はSn系合金を含むはんだは、はんだの表面が酸化すると酸化膜であるSnO被膜を形成して黄色に変化する。このような酸化膜(SnO被膜)の膜厚が厚くなるほど、はんだ表面の黄色度は高くなる。
しかし、特許文献1のはんだにおいては、SnO2膜を形成するために、高エネルギー状態のプラズマ照射等が必要であり、製造工程が複雑となってしまう。
なお、本明細書において、「〜」を用いて数値範囲を表す際は、その範囲は両端の数値を含むものとする。
Sn又はSn系合金と、40〜320質量ppmのAsとを含み、As濃化層を有することを特徴とする耐変色性はんだ材料。
[2]
前記Sn又はSn系合金が、0〜4質量%のAg、0〜1質量%のCu、0〜52質量%のIn、0〜0.15質量%のNi、及び0〜0.015質量%のCoを含み、残部がSnであることを特徴とする[1]に記載のはんだ材料。
[3]
粉末であることを特徴とする、[1]又は[2]に記載のはんだ材料。
[4]
前記粉末が、球径1〜1000μmの球状粉末であることを特徴とする[1]〜[3]のいずれかに記載のはんだ材料
[5]
Sn又はSn系合金と、40〜320質量ppmのAsとを含み、As濃化層を有することを特徴とする耐変色性はんだ継手。
Sn系合金としては、Sn−Ag合金、Sn−Cu合金、Sn−Ag−Cu合金、Sn−Ag−Cu−Ni−Co合金、Sn−In合金、Sn−Bi合金、Sn−Sb合金や前記合金組成にAg、Cu、In、Ni、Co、Sb、Bi、Ge、P、Fe、Zn、Al、Ga等を更に添加した合金が挙げられる。
Sn又はSn系合金は、不可避不純物を含んでいてもよい。
本発明の耐変色性はんだ材料に含まれるSn又はSn系合金は、0〜4質量%のAg、0〜1質量%のCu、0〜52質量%のIn、0〜0.15質量%のNi、及び0〜0.015質量%のCoを含み、残部がSnであることが好ましい。
はんだ材料全体の質量に対するAgの含有量は、0〜4質量%が好ましく、1〜4質量%がより好ましく、1〜3質量%が最も好ましい。
はんだ材料全体の質量に対するCuの含有量は、0〜1質量%が好ましく、0.3〜0.75質量%がより好ましく、0.5〜0.7質量%が最も好ましい。
はんだ材料全体の質量に対するInの含有量は、0〜52質量%が好ましく、0〜10質量%又は40〜52質量%がより好ましい。
上記の各元素の含有量の数値範囲について、各元素ごとに単独で用いても良く、又は、複数の元素の数値範囲を組み合わせて用いても良い。
(判定基準)
5.0mm×5.0mmの大きさのサンプルにおいて、任意の700μm×300μmのエリアを選定し、イオンスパッタリングを併用したXPS分析を行う。サンプル1個につき1つのエリアを選定し、3つのサンプルについてそれぞれ1回ずつ、合計3回の分析を行った。全3回の分析の全てにおいてS1>S2となる場合、As濃化層が形成されていると判断する。
ここで、
S1:XPS分析のチャートにおいて、SiO2換算の深さが0〜2×D1(nm)の領域におけるAsの検出強度の積分値
S2:XPS分析のチャートにおいて、SiO2換算の深さが2×D1〜4×D1(nm)の領域におけるAsの検出強度の積分値
D1:XPS分析のチャートにおいて、O原子の検出強度が最大となったSiO2換算の深さ(Do・max(nm))より深い部分において、O原子の検出強度が最大検出強度(Do・maxにおける強度)の1/2の強度となる最初のSiO2換算の深さ(nm)。
上記のAs濃化層の判定基準の詳細な条件は、後述の「(1)As濃化層の有無の評価」の記載に従う。はんだ材料がAs濃化層を有することにより、はんだの黄色変化を抑制することができる。
As濃化層の厚み(SiO2換算)は、0.5〜8.0nmが好ましく、0.5〜4.0nmがより好ましく、0.5〜2.0nmが最も好ましい。As濃化層の厚みが上記範囲内であれば、黄色変化が抑制され、濡れ性に優れたはんだ材料が得られる。
また、はんだ材料が球状粉末である場合、球径は1〜1000μmが好ましく、1〜300μmがより好ましく、1〜120μmが最も好ましい。球状粉末であるはんだ材料の球径が上記範囲内であれば、微細なはんだ付けが可能となる。
はんだ材料が球状粉末である場合、真球度は0.90以上が好ましく、0.95以上がより好ましく、0.99以上が最も好ましい。
本発明において、球状粉末であるはんだ材料の球径及び真球度は、最小領域中心法(MZC法)を用いるCNC画像測定システム(ミツトヨ社製のウルトラクイックビジョン ULTRA QV350−PRO測定装置)を使用して測定する。本願明細書において、真球度とは真球からのずれを表し、例えば500個の各ボールの直径を長径で割った際に算出される算術平均値であり、値が上限である1.00に近いほど真球に近いことを表す。
後述の「(2)黄色変化の抑制の評価」において示すように、本発明において、黄色度b*は、CM−3500d2600d型分光測色計(コニカミノルタ社製)を使用して、D65光源、10度視野において、JIS Z 8722「色の測定方法−反射及び透過物体色」に準じて分光透過率を測定して、色彩値(L*、a*、b*)から求めることができる。
このようにして製造された耐変色性はんだ継手は、濡れ性を維持しながら、表面の黄色変化を抑制することができる。
実施例1〜44及び比較例1〜40それぞれのはんだボールについて、以下のとおり、(1)As濃化層の有無の評価、(2)黄色変化の抑制の評価、及び(3)はんだ濡れ性の評価を行った。
As濃化層の有無は、XPS(X線光電分光法:X-ray Photoelectron Spectroscopy)による深さ方向分析を用いて以下の様に評価した。
(分析条件)
・分析装置:AXIS Nova(クレイトス・アナリティカル社製)
・分析条件:X線源 AlKα線、X線銃電圧 15kV、X線銃電流値 10mA、分析エリア 700μm×300μm
・スパッタ条件:イオン種 Ar+、加速電圧 2kV、スパッタリングレート 0.5nm/min(SiO2換算)
・カーボンテープを貼ったステージ上にはんだボールを隙間なく平坦に敷き詰めたものをサンプルとして分析を行った。サンプルの大きさは5.0mm×5.0mmとした。
(評価手順)
5.0mm×5.0mmの大きさのサンプルにおいて、任意の700μm×300μmのエリアを選定し、イオンスパッタリングを行いながらSn、O、Asの各原子についてXPS分析を行い、XPS分析のチャートを得た。サンプル1個につき1つのエリアを選定し、3つのサンプルについてそれぞれ1回ずつ、合計3回の分析を行った。得られたXPS分析のチャートにおいて、横軸は、スパッタ時間(min)及びスパッタ時間からSiO2標準試料のスパッタエッチングレートを用いて算出したSiO2換算の深さ(nm)のいずれかから選択でき、縦軸は、検出強度(cps)である。以後の測定においては、XPS分析のチャートにおける横軸を、スパッタ時間からSiO2標準試料のスパッタエッチングレートを用いて算出したSiO2換算の深さ(nm)とする。
図1〜3にXPS分析により得られるチャートの例を示す。図1〜3は、同一のサンプルについて縦軸の検出強度(cps)のスケールを変更したものであり、横軸はスパッタ時間から算出したSiO2換算の深さ(nm)である。
図2に示すように、各サンプルのXPS分析のチャートにおいて、O原子の検出強度が最大となったSiO2換算の深さをDo・max(nm)とした。そして、Do・maxより深い部分において、O原子の検出強度が、最大検出強度(Do・maxにおける強度)の1/2の強度となる最初のSiO2換算の深さをD1(nm)とした。
図3に示すように、各サンプルのXPS分析のチャートにおいて、最表面から深さ2×D1までの領域(SiO2換算の深さが0〜2×D1(nm)の領域)におけるAsの検出強度の積分値(S1)と、深さ2×D1からさらに2×D1だけ深い部分までの領域(SiO2換算の深さが2×D1〜4×D1(nm)の領域)におけるAsの検出強度の積分値(S2)との比較を行った。そして、以下の基準に基づいて評価を行った。
・全3回の測定の全てにおいてS1>S2となる
:As濃化層が形成されている(○)
・全3回の測定のうちの2回以下の回数でS1>S2となる
:As濃化層が形成されていない(×)
空気雰囲気の恒温槽を200℃に加熱し、各はんだボール(球径0.3mm)を恒温槽中で2時間加熱した。L*a*b*表色系における黄色度b*について、加熱前及び加熱後のはんだボールの測定を行い、加熱後のb*から加熱前のb*を引いた増加量(Δb*)を算出した。ただし、実施例38〜44及び比較例35〜40のSn−In系はんだについては、融点が200℃以下であるため、100℃に加熱した恒温槽中で20日間加熱して同様の測定及び算出を行った。
黄色度b*は、CM−3500d2600d型分光測色計(コニカミノルタ社製)を使用して、D65光源、10度視野において、JIS Z 8722「色の測定方法−反射及び透過物体色」に準じて分光透過率を測定して、色彩値(L*、a*、b*)から求めた。なお、色彩値(L*、a*、b*)は、JIS Z 8729「色の表示方法―色彩値L*a*b*表色系及びL*U*V*表色系」に規定されているとおりである。
各金属組成のはんだボールにおいて、Asを添加しない比較例1、7、13、19、25、27、33又は35のはんだボールのΔb*(Δb*(基準))との比較を行い、以下の基準に基づいて評価を行った。
Δb*の値がΔb*(基準)の50%以下である :○○(非常に良好)
Δb*の値がΔb*(基準)の50%を超え70%以下である:○(良好)
Δb*の値がΔb*(基準)の70%より大きい :×(不可)
Bare−Cu(裸銅)の電極パッド(基板に設けた電極の開口径(Solder Resist Opening): 0.24mm)に、フラックスWF−6400(千住金属工業社製)を厚みが0.115mmとなるように印刷し、その上に各はんだボールをマウントした。はんだボールをマウントした電極パッドを、25℃から昇温速度1℃/secにてN2雰囲気下で260℃まで昇温し、リフローした。ただし、実施例38〜44及び比較例35〜40のSn−In系はんだについては、融点が200℃以下であるため、温度範囲を25℃〜180℃に設定し、それ以外の条件は同様にしてリフローした。リフロー後に、はんだボールをマウントした電極パッドを、蒸留水中に浸漬し、1分間超音波洗浄を行った。はんだ付けされずに洗浄工程でなくなってしまったバンプ数(ミッシングバンプ数)をカウントし、以下の基準に基づいて評価を行った。
100バンプ中のミッシングバンプが0個 :○○(非常に良好)
100バンプ中のミッシングバンプが1〜5個 :○(良好)
100バンプ中のミッシングバンプが6個以上 :×(不可)
以下の表1に示す組成で実施例1〜7及び比較例1〜6のはんだ用金属材料を調合した。調合した実施例1〜7及び比較例1〜6のはんだ用金属材料から滴下法によりはんだボール(球径0.3mm)を製造した。得られた実施例1〜7及び比較例1〜6のはんだボールを、空気中において乾燥装置を用いて30分間乾燥させ、Asをはんだボール表面側に濃化させた。
なお、以下の表1〜6中の各成分の数値は、はんだ用金属材料全体の質量に対する各成分の質量%を表し、Sn以外の元素については配合時に実際に計量した量であり、Snについては合計が100質量%となるように残部として配合した量を意味する。また、以下の表1〜6において、各はんだ用金属材料に用いたSnは、3N材であり不可避不純物を含むものである。
上記の表1に示す組成の代わりに、以下の表2に示す組成を用いた以外は実施例1〜7及び比較例1〜6と同様にして、実施例8〜14及び比較例7〜12のはんだボールを製造した。
上記の表1に示す組成の代わりに、以下の表3に示す組成を用いた以外は実施例1〜7及び比較例1〜6と同様にして、実施例15〜21及び比較例13〜18のはんだボールを製造した。
上記の表1に示す組成の代わりに、以下の表4に示す組成を用いた以外は実施例1〜7及び比較例1〜6と同様にして、実施例22〜29及び比較例19〜26のはんだボールを製造した。
上記の表1に示す組成の代わりに、以下の表5に示す組成を用いた以外は実施例1〜7及び比較例1〜6と同様にして、実施例30〜37及び比較例27〜34のはんだボールを製造した。
上記の表1に示す組成の代わりに、以下の表6に示す組成を用いた以外は実施例1〜7及び比較例1〜6と同様にして、実施例38〜44及び比較例35〜40のはんだボールを製造した。
Claims (7)
- 40質量ppm以上320質量ppm以下のAsと、残部のSnからなり、As濃化層を有し、前記As濃化層の存在は以下の判定基準により確認されるものであり、前記As濃化層は、耐変色性はんだ合金の最表面からSiO 2 換算の深さで2×D1(nm)までの領域であり、前記As濃化層のSiO 2 換算の厚みが0.5〜8.0nmであることを特徴とする耐変色性はんだ合金。
(判定基準)
5.0mm×5.0mmの大きさのサンプルにおいて、任意の700μm×300μmのエリアを選定し、イオンスパッタリングを併用したXPS分析を行う。サンプル1個につき1つのエリアを選定し、3つのサンプルについてそれぞれ1回ずつ、合計3回の分析を行う。全3回の分析の全てにおいてS1>S2となる場合、As濃化層が形成されていると判断する。
ここで、
S1:XPS分析のチャートにおいて、SiO2換算の深さが0〜2×D1(nm)の領域におけるAsの検出強度の積分値
S2:XPS分析のチャートにおいて、SiO2換算の深さが2×D1〜4×D1(nm)の領域におけるAsの検出強度の積分値
D1:XPS分析のチャートにおいて、O原子の検出強度が最大となったSiO2換算の深さ(Do・max(nm))より深い部分において、O原子の検出強度が最大検出強度(Do・maxにおける強度)の1/2の強度となる最初のSiO2換算の深さ(nm)。 - 0質量%超過4質量%以下のAg、0質量%超過1質量%以下のCu、0.05質量%以上0.15質量%以下のNi、0質量%超過0.015質量%以下のCo、40質量ppm以上320質量ppm以下のAs、及び残部のSnからなり、As濃化層を有し、前記As濃化層の存在は以下の判定基準により確認されるものであり、前記As濃化層は、耐変色性はんだ合金の最表面からSiO 2 換算の深さで2×D1(nm)までの領域であり、前記As濃化層のSiO 2 換算の厚みが0.5〜8.0nmであることを特徴とする耐変色性はんだ合金。
(判定基準)
5.0mm×5.0mmの大きさのサンプルにおいて、任意の700μm×300μmのエリアを選定し、イオンスパッタリングを併用したXPS分析を行う。サンプル1個につき1つのエリアを選定し、3つのサンプルについてそれぞれ1回ずつ、合計3回の分析を行う。全3回の分析の全てにおいてS1>S2となる場合、As濃化層が形成されていると判断する。
ここで、
S1:XPS分析のチャートにおいて、SiO2換算の深さが0〜2×D1(nm)の領域におけるAsの検出強度の積分値
S2:XPS分析のチャートにおいて、SiO2換算の深さが2×D1〜4×D1(nm)の領域におけるAsの検出強度の積分値
D1:XPS分析のチャートにおいて、O原子の検出強度が最大となったSiO2換算の深さ(Do・max(nm))より深い部分において、O原子の検出強度が最大検出強度(Do・maxにおける強度)の1/2の強度となる最初のSiO2換算の深さ(nm)。 - 0質量%超過4質量%以下のAg、0質量%超過1質量%以下のCu、0質量%超過0.15質量%以下のNi、0.01質量%以上0.015質量%以下のCo、40質量ppm以上320質量ppm以下のAs、及び残部のSnからなり、As濃化層を有し、前記As濃化層の存在は以下の判定基準により確認されるものであり、前記As濃化層は、耐変色性はんだ合金の最表面からSiO 2 換算の深さで2×D1(nm)までの領域であり、前記As濃化層のSiO 2 換算の厚みが0.5〜8.0nmであることを特徴とする耐変色性はんだ合金。
(判定基準)
5.0mm×5.0mmの大きさのサンプルにおいて、任意の700μm×300μmのエリアを選定し、イオンスパッタリングを併用したXPS分析を行う。サンプル1個につき1つのエリアを選定し、3つのサンプルについてそれぞれ1回ずつ、合計3回の分析を行う。全3回の分析の全てにおいてS1>S2となる場合、As濃化層が形成されていると判断する。
ここで、
S1:XPS分析のチャートにおいて、SiO2換算の深さが0〜2×D1(nm)の領域におけるAsの検出強度の積分値
S2:XPS分析のチャートにおいて、SiO2換算の深さが2×D1〜4×D1(nm)の領域におけるAsの検出強度の積分値
D1:XPS分析のチャートにおいて、O原子の検出強度が最大となったSiO2換算の深さ(Do・max(nm))より深い部分において、O原子の検出強度が最大検出強度(Do・maxにおける強度)の1/2の強度となる最初のSiO2換算の深さ(nm)。 - 0質量%超過52質量%以下のIn、40質量ppm以上320質量ppm以下のAs、及び残部のSnからなり、As濃化層を有し、前記As濃化層の存在は以下の判定基準により確認されるものであり、前記As濃化層は、耐変色性はんだ合金の最表面からSiO 2 換算の深さで2×D1(nm)までの領域であり、前記As濃化層のSiO 2 換算の厚みが0.5〜8.0nmであることを特徴とする耐変色性はんだ合金。
(判定基準)
5.0mm×5.0mmの大きさのサンプルにおいて、任意の700μm×300μmのエリアを選定し、イオンスパッタリングを併用したXPS分析を行う。サンプル1個につき1つのエリアを選定し、3つのサンプルについてそれぞれ1回ずつ、合計3回の分析を行う。全3回の分析の全てにおいてS1>S2となる場合、As濃化層が形成されていると判断する。
ここで、
S1:XPS分析のチャートにおいて、SiO2換算の深さが0〜2×D1(nm)の領域におけるAsの検出強度の積分値
S2:XPS分析のチャートにおいて、SiO2換算の深さが2×D1〜4×D1(nm)の領域におけるAsの検出強度の積分値
D1:XPS分析のチャートにおいて、O原子の検出強度が最大となったSiO2換算の深さ(Do・max(nm))より深い部分において、O原子の検出強度が最大検出強度(Do・maxにおける強度)の1/2の強度となる最初のSiO2換算の深さ(nm)。 - 粉末であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1つに記載のはんだ合金。
- 前記粉末が、球径1〜1000μmの球状粉末であることを特徴とする請求項5に記載のはんだ合金
- 請求項1〜6のいずれか1つに記載の耐変色性はんだ合金から形成される耐変色性はんだ継手。
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