JP6713106B2 - 鉛フリーはんだ合金、はんだ材料及び接合構造体 - Google Patents

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Description

関連出願の相互参照
本願は、日本国特願２０１４−３３２３４号の優先権を主張し、引用によって本願明細書の記載に組み込まれる。
本発明は、電子部品のはんだ付けに用いられる鉛フリーはんだ合金、これを含むはんだ材料及び前記鉛フリーはんだ合金を含む接合構造体に関する。
近年、環境問題の観点から鉛をほとんど含まない鉛フリーはんだが、プリント配線板等の電子回路基板に電子部品を実装するために用いられている。
一方、実装基板及び配線の微細化に伴い、部品の微小化も進み、その結果、はんだ接合部の微小化も進んでいる。
かかるはんだ接合部の微小化に伴い、エレクトロマイグレーション（electromigration）の発生によるはんだ接合部におけるボイド、さらには、断線が問題になってきている。そこで、鉛フリーはんだにおいてエレクトロマイグレーションを抑制するための技術が種々検討されている。
例えば、特許文献１には、接続端子表面にＡｇ−Ｓｎ金属からなる保護層を設けることが記載されている。しかし、このように接続端子表面に保護層を設ける場合には、接続構造そのものを変更する必要が生じ、大幅に製造工程の見直しが必要になる。また、保護層を設ける工程が必要になり、製造工程が煩雑になる。そこで、はんだ合金の組成を調整することで、エレクトロマイグレーションを抑制することが検討されている。例えば、特許文献２には、Ｃｕ及びＩｎを特定の含有量含み残部がＳｎである鉛フリーはんだ合金が記載されている。また、特許文献３には、Ｐｄ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｓｂ、Ｉｎ等の金属を含む鉛フリーはんだ合金が記載されている。
しかし、特許文献２及び３に記載のはんだ合金では、エレクトロマイグレーションを抑制する効果が不十分である。
日本国特開２０１３−１３５０１４号 日本国特開２０１３−２５２５４８号 日本国特開２０１４−２７１２２号
本発明は、前記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、はんだ接合部におけるエレクトロマイグレーションの発生を十分に抑制しうる鉛フリーはんだ合金、はんだ材料及び接合構造体を提供することを課題とする。
本発明の鉛フリーはんだ合金は、Ｓｂを３．０質量％超１０質量％以下含み、残部としてＳｎを含む。
本発明の鉛フリーはんだ合金は、残部としてさらにＡｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＧｅからなる群から選択される少なくとも一種の金属を含んでいてもよい。
本発明の鉛フリーはんだ合金は、前記Ａｇを４．０質量％以下含んでいてもよい。
本発明の鉛フリーはんだ合金は、前記Ｃｕを１．０質量％以下含んでいてもよい。
本発明の鉛フリーはんだ合金は、前記Ｎｉ、Ｃｏ及びＧｅを合計で０．１質量％以下含んでいてもよい。
本発明のはんだ材料は、前記鉛フリーはんだ合金と、フラックスとを含む。
本発明の接合構造体は、電極を有する基板と半導体素子とがはんだ接合部を介して接合された接合構造体であって、前記はんだ接合部は、前記鉛フリーはんだ合金を含む。
テストピースの概略を示すＳＥＭ写真。 エレクトロマイグレーション試験に用いた装置の概要を示す該略図。
以下に、本発明に係る鉛フリーはんだ合金、はんだ材料及び接合構造体について説明する。
まず、本実施形態の鉛フリーはんだ合金は、Ｓｂ（アンチモン）を３．０質量％超１０質量％以下含み、残部がＳｎ（錫）である鉛フリーはんだ合金である。
尚、本実施形態において残部とはＳｂ以外の成分を意味する。
本実施形態の鉛フリーはんだ合金は、ＪＩＳ Ｚ ３２８２に定める鉛フリーはんだに用いられるはんだ合金をいう。
本実施形態の鉛フリーはんだ合金（以下、単にはんだ合金ともいう。）は、Ｓｂを３．０質量％超１０質量％以下、好ましくは３．３質量％以上５質量％以下含む。
本実施形態のはんだ合金はＳｎを主成分とする鉛フリーはんだ合金である。
かかるＳｎを主成分とするはんだ合金において、Ｓｂを前記範囲含むことにより、はんだ合金をはんだ接合に用いた場合に、エレクトロマイグレーションを十分に抑制することができる。
尚、本実施形態において、３．０質量％超とは、３．０質量％よりも大きい質量％を意味する。以下、「超」は同様の意味で用いられる。
エレクトロマイグレーションは、金属中に高密度電流が流れた際に、金属電子が移動する現象であり、かかる、金属電子の移動によって金属部分に欠落部分（ボイド）が生じることになる。特に、実装部品の微細化によってはんだ接合部が微小になると、電流が少なくても電流密度が高くなるため、エレクトロマイグレーションが発生しやすくなる。例えば、半導体素子とインターポーザー基板とを電気的に接続するインナーバンプのようなはんだ接合部等のように、従来のプリント基板の部品実装におけるはんだ接合部に比べて極めて微小なはんだ接合部においては、はんだ接合部に高密度電流が流れてエレクトロマイグレーションが発生し、ボイド、あるいは、断線等が生じる虞がある。かかるエレクトロマイグレーションは、通常、１０ｋＡ／ｃｍ２以上のような高密度電流で発生しやすくなるが、はんだ接合部が球状のバンプである場合には、バンプ径が８０μｍのバンプの場合には３１．４ｍＡ程度の電流でも電流集中部において１０ｋＡ／ｃｍ２以上の高密度電流が流れる可能性がある。よって、はんだ接合部が小さくなるほどより小さい電流でもエレクトロマイグレーションが発生しやすくなる。
本実施形態のはんだ合金は、エレクトロマイグレーションが発生しにくいため、特に、半導体素子とインターポーザー基板とを電気的に接続するインナーバンプのような微小はんだ接合部に好適に用いられる。
本実施形態のはんだ合金は、例えば、溶融開始温度である固相線温度が２２０℃〜２４０℃、好ましくは２３０℃〜２３６℃、凝固開始温度である液相線温度が２２１℃〜２５０℃、好ましくは２３０℃〜２４５℃の範囲である。
前記範囲の固相線温度及び液相線温度であることで、エレクトロマイグレーションを抑制しつつ、はんだ合金の流動性を適切な範囲に維持でき、且つはんだ接合後の溶融を抑制することができる。
一般的にＳｎを主成分とする鉛フリーはんだ合金は、Ｓｎよりも溶融温度の低い鉛を含まないため、溶融温度が高いことが知られている。そこでＳｎよりも溶融温度の低い金属を含む合金とすることではんだ合金の溶融温度を調整することができる。一方、溶融温度が低くなりすぎると、例えば、前述のようなインナーバンプに用いられた場合に、マザーボードとなる基板に部品を実装する際に、インナーバンプが溶融してしまうという問題が起きる。よって、インナーバンプに用いられるはんだ合金は液相線温度が例えば、汎用鉛フリーはんだ（Ｓｎ３Ａｇ０．５Ｃｕ）の液相線温度である２２０℃以上であることが好ましい。
本実施形態のはんだ合金は溶融温度が前記範囲であることで、エレクトロマイグレーションを抑制しつつ、はんだ合金の流動性を適切な範囲に維持でき、且つはんだ接合後の溶融を抑制することができる。
本実施形態のはんだ合金は、残部としてＳｎ以外に、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｏ（コバルト）及びＧｅ（ゲルマニウム）からなる群から選択される少なくとも一種の金属をさらに含んでいてもよい。
これらの金属をさらに含むことで、よりエレクトロマイグレーションを抑制できる。
残部中の各金属の好ましい含有量は、特に限定されるものではないが、たとえば、Ｓｎは９４．９質量％以上１００質量％以下、好ましくは、９６質量％以上１００質量％以下である。
また、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＧｅの総量は、残部のうちの０．００１質量％以上５．１質量％以下、好ましくは、０．５質量％以上４．０質量％以下である。
各成分のより具体的な含有量は、例えば、以下のとおりである。
本実施形態のはんだ合金は、Ｓｎを８４．４質量％以上９７．０質量％以下含んでいてもよい。
本実施形態のはんだ合金は、Ａｇを０．１質量％以上４．５質量％以下、好ましくは１．０質量％以上３．５質量％以下含んでいてもよい。
Ａｇを前記範囲含むことで、よりエレクトロマイグレーションを抑制できる。
本実施形態のはんだ合金が、Ｃｕを含む場合には、０．１質量％以上１．２質量％以下、好ましくは０．５質量％以上０．７質量％以下含んでいてもよい。
本実施形態のはんだ合金が、Ｎｉを含む場合には、０．０１質量％以上０．１質量％以下、好ましくは０．０３質量％以上０．０７質量％以下含んでいてもよい。
本実施形態のはんだ合金は、Ｃｏを含む場合には、０．０１質量％以上０．１質量％以下、好ましくは０．０３質量％以上０．０７質量％以下含んでいてもよい。
本実施形態のはんだ合金は、Ｇｅを含む場合には、０．００１質量％以上０．１質量％以下、好ましくは０．００５質量％以上０．０１質量％以下含んでいてもよい。
尚、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｇｅの合計の含有量としては、０質量％超０．１質量％以下であってもよい。
この場合、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｇｅの合計の含有量とは、Ｎｉ、Ｃｏ及びＧｅからなる群から選択される少なくとも一種の金属の合計量を意味し、一種のみの場合にはその金属の含有量を意味する。
Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｇｅを前記範囲含むことで、よりエレクトロマイグレーションを抑制できる。
すなわち、本実施形態のはんだ合金の一例としては、Ｓｂを３．０質量％超１０質量％以下と、残部としてのＳｎとからなる鉛フリーはんだ合金が挙げられる。
この場合、残部はＳｎ１００質量％である。
また、本実施形態のはんだ合金の他の一例としては、Ｓｂを３．０質量％超１０質量％以下含み、残部がＳｎと、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＧｅからなる群から選択される少なくとも一種の金属とからなる鉛フリーはんだ合金が挙げられる。
この場合、残部は、Ｓｎが８４．６９質量％以上９６．９９９質量％以下、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＧｅからなる群から選択される少なくとも一種の金属の合計量が３．００１質量％以上１５．３１質量％以下である。
尚、本実施形態のはんだ合金は、残部として不可避不純物を含んでいてもよい。
この場合には、本実施形態のはんだ合金の一例としては、Ｓｂを３．０質量％超１０質量％以下と、残部としてのＳｎ及び不可避不純物とからなる鉛フリーはんだ合金である。
また、本実施形態のはんだ合金の他の一例としては、Ｓｂを３．０質量％超１０質量％以下含み、残部がＳｎと、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＧｅからなる群から選択される少なくとも一種の金属と不可避不純物とからなる鉛フリーはんだ合金である。
尚、本実施形態において前記各金属の含有量は、スパーク放電発光分光分析を用いて、ＪＩＳ Ｚ ３９１０に記載の方法によって測定した値をいう。
次に、前述のような本実施形態のはんだ合金を用いたはんだ材料について説明する。
本実施形態のはんだ材料は、前記鉛フリーはんだ合金と、フラックスとを含むはんだ材料である。
フラックスは、特に限定されるものでなく、公知のフラックスを用いることができるが、例えば、ロジン系、合成樹脂系等、公知のはんだ材料に用いられるものが挙げられる。
本実施形態のはんだ材料における、はんだ合金及びフラックスの含有量は特に限定されるものではないが、例えば、はんだ合金８５質量％以上９５質量％以下、好ましくは８８質量％以上９０質量％以下、フラックス５質量％以上１５質量％以下、好ましくは１０質量％以上１２質量％以下である。
本実施形態のはんだ材料に用いるはんだ合金は粉末状であることが好ましい。粉末状のはんだ合金である場合には、前記フラックスと混合することで、ペースト状のはんだ材料（ソルダーペースト）とすることが容易にできる。
尚、本実施形態のはんだ合金は、前述のように粉末状にしてフラックスと混合してソルダーペースト等として使用する以外にも、棒状、帯状、あるいは球状等の種々の形状に成形して使用してもよい。
次に、前述のような本実施形態のはんだ合金及びはんだ材料が用いられた接合構造体について説明する。
本実施形態のはんだ接合体は、電極を有する基板と半導体素子とがはんだ接合部を介して接合された接合構造体であって、前記はんだ接合部は、前述の本実施形態の鉛フリーはんだ合金を含んでいる。
本実施形態の接合構造体は、電極を有する基板と半導体素子とがはんだ接合部を介して接合された接合構造体であって、前記はんだ接合部は、前述の鉛フリーはんだ合金を含む接合構造体である。
電極を有する基板と半導体素子とがはんだ接合部を介して接合された接合構造体とは、例えば、フリップチップ実装によって形成された半導体パッケージが挙げられる。
フリップチップ実装によって形成された半導体パッケージは、半導体素子の下面にはんだバンプを形成し、基板上の電極とはんだ接合によって接続するもので、リード線を半導体素子の横に引き出す必要がなく、半導体素子のサイズに近い微小な半導体パッケージを得ることができる。
一方、かかる接合構造体におけるはんだ接合部は、極めて微小なサイズになるため、高密度電流が流れやすくエレクトロマイグレーションが発生しやすくなる。
さらに、かかる接合構造体のはんだ接合部は、接合構造体をさらにマザーボードとなる基板に実装する際にも熱にさらされることになるため、一度半導体素子を実装した後には容易に溶融しないことが要求される。
本実施形態の接合構造体において、前述のような本実施形態のはんだ材料を用いた場合には、エレクトロマイグレーションを十分に抑制できると同時に、半導体素子を接合する際には適切な温度で溶融し、接合構造体を基板に実装する際には溶融することはない。
尚、本実施形態のはんだ合金は、電極を有する基板と半導体素子とがはんだ接合部を介して接合された接合構造体のはんだ接合部に使用される以外にも、通常の電子部品とプリント基板の電極との接合部に用いてもよい。
本実施形態にかかるはんだ合金、はんだ材料および接合構造体は以上のとおりであるが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は前記説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明の鉛フリーはんだ合金は、Ｓｂを３．０質量％超１０質量％以下含み、残部としてＳｎを含むため、接合部のはんだ材料として用いた場合にも、エレクトロマイグレーションを十分に抑制することができる。
よって、本発明によれば、はんだ接合部におけるエレクトロマイグレーションの発生を十分に抑制しうる鉛フリーはんだ合金、はんだ材料及び接合構造体を提供することができる。
次に、本発明の実施例について比較例と併せて説明する。なお、本発明は下記の実施例に限定して解釈されるものではない。
（はんだ合金）
表１に記載の組成の各はんだ合金を準備した。
Figure 0006713106
（エレクトロマイグレーション耐性試験）
図１にエレクトロマイグレーション耐性を測定するためのテストピースの概略を示す。
テストピース（試験片）は、銅電極の間に、こて先２００μｍのはんだこて（ＵＮＩＸ−ＪＢＣ、ジャパンユニックス社製）を用いて各はんだ合金をはんだ付けすることで作製した。はんだ接合部の厚みは９μｍになるように調整した。
また、銅電極表面は＃２０００の耐水研磨紙を用いて研磨してから、＃４０００の耐水研磨紙を用いて仕上げ研磨した。
各テストピースを用いて、図２に示す装置でエレクトロマイグレーションを測定した。測定方法は、銅電極にプローブを接触させて、平均電流密度５０ｋＡ／ｃｍ２で通電して電圧値を測定した。テストピースは、セラミックヒータ上に載置して６０℃に加熱しながら通電した。
電圧値が測定不能になった時間を破断時間として表１に示す。
また、同様の測定方法で、実施例１，４及び比較例１について平均電流密度１００ｋＡ／ｃｍ２で、２００ｋＡ／ｃｍ２で通電して電圧値を測定し、電圧値が測定不能になった時間を破断時間として表２に示す。
さらに、実施例４及び比較例１については平均電流密度１０ｋＡ／ｃｍ２で通電して電圧値を測定し、電圧値が測定不能になった時間を破断時間として表２に示す。
Figure 0006713106
（溶融性能試験）
各はんだ合金の溶融性能を測定した。
各はんだ合金の固相線温度及び液相線温度を示差走査熱量測定 (Differential scanning calorimetry；ＤＳＣ法)で昇温速度１０Ｋ／ｍｉｎにて測定した。
結果を表１に示す。
表１に示すように、実施例はいずれも破断時間が１５０時間以上であり、エレクトロマイグレーションの発生が抑制されていたことが明らかである。
また、実施例は固相線温度が２３０℃以上であり且つ液相線温度が２４０℃であった。すなわち、実施例では溶融性能が適切な範囲に調整されていた。
さらに、表２に示すように、比較例１では、平均電流密度１０ｋＡ／ｃｍ２においても破断時間が短く、すなわち、エレクトロマイグレーションが生じていた。一方、実施例１及び４では、平均電流密度１０ｋＡ／ｃｍ２、及びより高い平均電流密度である５０ｋＡ／ｃｍ２、１００ｋＡ／ｃｍ２、２００ｋＡ／ｃｍ２においても、比較例１に比べて破断時間が長く、すなわち、エレクトロマイグレーションの発生がより抑制されていた。
以上より、各実施例では、幅広い電流密度の範囲において確実にエレクトロマイグレーションの発生が抑制されていたことが明らかである。


Claims (5)

  1. Ｓｂ：３．０質量％超１０質量％以下、
    Ａｇ：０．１質量％以上４．５質量％以下、
    Ｃｕ：０質量％以上１．２質量％以下、
    Ｎｉ：０質量％以上０．１質量％以下、
    Ｃｏ：０質量％以上０．１質量％以下、
    Ｇｅ：０．００１質量％以上０．１質量％以下、並びに、
    残部：Ｓｎ及び不可避的不純物、
    からなり、
    前記Ｎｉ、Ｃｏ及びＧｅを合計で０質量％超０．１質量％以下含む鉛フリーはんだ合金。
  2. 前記Ａｇを０．１質量％以上４．０質量％以下含む請求項１に記載の鉛フリーはんだ合金。
  3. 前記Ｃｕを０．１質量％以上１．０質量％以下含む請求項１又は２に記載の鉛フリーはんだ合金。
  4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の鉛フリーはんだ合金と、フラックスとを含むはんだ材料。
  5. 電極を有する基板と半導体素子とがはんだ接合部を介して接合された接合構造体であって、前記はんだ接合部は、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の鉛フリーはんだ合金からなる接合構造体。
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