JP6755546B2 - Joining method - Google Patents
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Description
本発明は、Ｓｎ−Ｃｕ系の鉛フリーはんだ合金を用いて被接合体との接合を行う接合方法に関する。 The present invention relates to a joining method for joining to an object to be joined using a Sn—Cu based lead-free solder alloy.
近年、環境への意識が高まり、鉛を含まない所謂「鉛フリーはんだ合金」が使用されるようになってきた。斯かる鉛フリーはんだ合金は、Ｓｎを主成分とするはんだ合金である。一般に使用されている鉛フリーはんだ合金の代表例としては、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５ＣｕのようなＳｎ−Ｃｕ系の鉛フリーはんだ合金がある。 In recent years, awareness of the environment has increased, and so-called "lead-free solder alloys" that do not contain lead have come to be used. Such a lead-free solder alloy is a solder alloy containing Sn as a main component. A typical example of a commonly used lead-free solder alloy is a Sn-Cu-based lead-free solder alloy such as Sn-3Ag-0.5Cu.
更に、特許文献１にはＳｎ−Ｃｕ系の鉛フリーはんだ合金に微量のＢｉと微量のＮｉとを組み合わせて添加することによって錫ペスト現象の防止及び耐衝撃性の改善という効果を奏することが開示されている。 Further, Patent Document 1 discloses that the addition of a small amount of Bi and a small amount of Ni in combination to a Sn—Cu-based lead-free solder alloy has the effects of preventing the tin pest phenomenon and improving impact resistance. Has been done.
一方、上述したようなＳｎ−Ｃｕ系の鉛フリーはんだ合金を用いて銅基板にはんだ付けを行う場合は、接合部分にＣｕ3Ｓｎの金属間化合物層が生成される。斯かるＣｕ3Ｓｎ層は高温でのＣｕの拡散によって生成される。しかし、該Ｃｕ3Ｓｎ層はもろくて接合部分の接合強度を下げるのでＣｕ3Ｓｎ層の生成は望ましくない。 On the other hand, when soldering to a copper substrate using a Sn—Cu based lead-free solder alloy as described above, an intermetallic compound layer of Cu 3 Sn is formed at the joint portion. Such a Cu 3 Sn layer is formed by diffusion of Cu at a high temperature. However, the formation of the Cu 3 Sn layer is not desirable because the Cu 3 Sn layer is brittle and lowers the bonding strength of the bonded portion.
換言すれば、Ｓｎ−Ｃｕ系の鉛フリーはんだ合金を使用するにあたっては、斯かる接合部分が高温環境におかれる場合におけるＣｕ3Ｓｎ層の生成及びＣｕ3Ｓｎ層に起因する接合強度低下が懸念されるので、これに備え、Ｃｕ3Ｓｎ層の生成を抑制する工夫が必要である。 In other words, when using a Sn—Cu-based lead-free solder alloy, there is concern about the formation of a Cu 3 Sn layer and a decrease in bonding strength due to the Cu 3 Sn layer when such a bonded portion is placed in a high temperature environment. Therefore, in preparation for this, it is necessary to devise a method for suppressing the formation of the Cu 3 Sn layer.
しかしながら、特許文献１においては、Ｓｎ−Ｃｕ系の鉛フリーはんだ合金に微量のＢｉと微量のＮｉとを添加することによって錫ペスト現象を防止し、かつ耐衝撃性を改善しているものの、高温環境におけるＣｕ3Ｓｎ層の生成については考慮されておらず、Ｃｕ3Ｓｎ層の生成に起因する接合強度の低下を解決できない。 However, in Patent Document 1, although the tin pest phenomenon is prevented and the impact resistance is improved by adding a trace amount of Bi and a trace amount of Ni to the Sn—Cu-based lead-free solder alloy, the high temperature is high. The formation of the Cu 3 Sn layer in the environment is not considered, and the decrease in the bonding strength due to the formation of the Cu 3 Sn layer cannot be solved.
本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、Ｓｎ−Ｃｕ系の鉛フリーはんだ合金を用いて銅基板又は銅メッキ基板にはんだ付けを行う場合、斯かる接合部におけるＣｕ3Ｓｎ層の生成を抑制することによって、接合強度の低下を防止することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is the case where a copper substrate or a copper-plated substrate is soldered using a Sn—Cu-based lead-free solder alloy. The purpose is to prevent a decrease in bonding strength by suppressing the formation of a Cu 3 Sn layer at the bonding portion.
本発明に係る接合方法は、Ｓｎ−Ｃｕ系の鉛フリーはんだ合金を用いて被接合体との接合を行う接合方法において、Ｂｉが添加された鉛フリーはんだ合金を用いて被接合体にはんだ付けを行い、Ｃｕ3Ｓｎの生成が抑制された接合部を得ることを特徴とする。 The joining method according to the present invention is a joining method in which a Sn—Cu-based lead-free solder alloy is used to join to the object to be joined, and the lead-free solder alloy to which Bi is added is used for soldering to the object to be joined. Is performed to obtain a joint portion in which the formation of Cu 3 Sn is suppressed.
本発明に係る接合方法は、Ｂｉの添加量は０．１〜５８重量％であることを特徴とする。 The joining method according to the present invention is characterized in that the amount of Bi added is 0.1 to 58% by weight.
本発明に係る接合方法は、前記鉛フリーはんだ合金は、Ｎｉ及びＧｅを更に含むことを特徴とする。 The joining method according to the present invention is characterized in that the lead-free solder alloy further contains Ni and Ge.
本発明に係る接合方法は、前記鉛フリーはんだ合金は、Ａｇ，Ｓｂ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｐ，Ｃｏ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｍｎ，Ａｕ，Ｓｉのうち何れかを更に含むことを特徴とする。 The joining method according to the present invention is characterized in that the lead-free solder alloy further contains any one of Ag, Sb, Zn, Ga, In, P, Co, Al, Ti, Mn, Au, and Si. ..
本発明に係る接合方法は、前記接合部は１５０℃にて１２０時間のエージング前後におけるシェアテストでのせん断負荷応力が維持されることを特徴とする。 The joining method according to the present invention is characterized in that the joint portion maintains the shear stress applied in the shear test before and after aging for 120 hours at 150 ° C.
本発明によれば、Ｓｎ−Ｃｕ系の鉛フリーはんだ合金を用いて銅基板又は銅メッキ基板にはんだ付けを行う場合、斯かる接合部におけるＣｕ3Ｓｎ層の生成を抑制でき、Ｃｕ3Ｓｎ層の生成による接合強度の低下を防止できる。 According to the present invention, when soldering to a copper substrate or a copper-plated substrate using a Sn—Cu-based lead-free solder alloy, the formation of a Cu 3 Sn layer at such a joint can be suppressed, and the Cu 3 Sn layer can be suppressed. It is possible to prevent a decrease in bonding strength due to the formation of.
以下に、本発明の実施の形態について、図面に基づいて詳述する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
本発明の実施の形態（以下、本実施例と言う。）に係る接合方法及び該接合方法によって形成された接合部の接合強度について説明する。まず、銅メッキ処理された基板（被接合体）に、Ｓｎ−Ｃｕ系の鉛フリーはんだ合金のはんだ付けを行った。すなわち、斯かる基板に球形のはんだボールを接合させ、前記はんだボールの接合強度を測定した。 The joining method according to the embodiment of the present invention (hereinafter referred to as the present embodiment) and the joining strength of the joining portion formed by the joining method will be described. First, a Sn—Cu-based lead-free solder alloy was soldered to a copper-plated substrate (bonded body). That is, spherical solder balls were bonded to such a substrate, and the bonding strength of the solder balls was measured.
より詳しくは、本実施例に係る接合方法に用いられる前記Ｓｎ−Ｃｕ系の鉛フリーはんだ合金は、０．７重量％のＣｕと、０．０５重量％のＮｉと、０．００６重量％のＧｅとを含み、残部がＳｎである。また、斯かるＳｎ−Ｃｕ系の鉛フリーはんだ合金にはＢｉが更に添加されている。ここでＢｉの添加量は０．１〜５８重量％である。 More specifically, the Sn—Cu-based lead-free solder alloy used in the joining method according to the present embodiment contains 0.7% by weight of Cu, 0.05% by weight of Ni, and 0.006% by weight. Includes Ge and the rest is Sn. Further, Bi is further added to such a Sn—Cu based lead-free solder alloy. Here, the amount of Bi added is 0.1 to 58% by weight.
以下においては、説明の便宜上、Ｂｉが１，１．５，２，３重量％添加された場合を例に挙げて説明する。更に、以下においては、説明の便宜上、１重量％のＢｉが添加された鉛フリーはんだ合金を「Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ＋１Ｂｉ」と言い、１．５重量％のＢｉが添加された鉛フリーはんだ合金を「Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ＋１．５Ｂｉ」と言い、２重量％のＢｉが添加された鉛フリーはんだ合金を「Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ＋２Ｂｉ」と言い、３重量％のＢｉが添加された鉛フリーはんだ合金を「Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ＋３Ｂｉ」と言う。 In the following, for convenience of explanation, a case where 1,1.5,2,3% by weight of Bi is added will be described as an example. Further, in the following, for convenience of explanation, a lead-free solder alloy to which 1% by weight of Bi is added is referred to as "Sn-0.7Cu-0.05Ni + 1Bi", and 1.5% by weight of Bi is added to the lead. The free solder alloy is called "Sn-0.7Cu-0.05Ni + 1.5Bi", and the lead-free solder alloy to which 2% by weight Bi is added is called "Sn-0.7Cu-0.05Ni + 2Bi" and has 3 weights. A lead-free solder alloy to which% Bi is added is called "Sn-0.7Cu-0.05Ni + 3Bi".
一方、本実施例に対する比較例としては、Ｎｉが添加されていないＳｎ−Ｃｕ系の鉛フリーはんだ合金を用いた。詳しくは、０．５重量％のＣｕ及び３重量％のＡｇが含まれ、残部がＳｎである、Ｓｎ−Ｃｕ系の鉛フリーはんだ合金（以下、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕと言う。）と、０．７重量％のＣｕ及び０．０５重量％のＮｉが含まれ、残部がＳｎである、Ｓｎ−Ｃｕ系の鉛フリーはんだ合金（以下、Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉという。）とが比較例として用いられた。特に、Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉにおいては、０．００６重量％のＧｅが更に添加されている。 On the other hand, as a comparative example with respect to this example, a Sn—Cu-based lead-free solder alloy to which Ni was not added was used. Specifically, a Sn—Cu-based lead-free solder alloy (hereinafter referred to as Sn-3Ag-0.5Cu) containing 0.5% by weight of Cu and 3% by weight of Ag and the balance being Sn. , 0.7% by weight of Cu and 0.05% by weight of Ni, and the balance is Sn. Sn—Cu-based lead-free solder alloy (hereinafter referred to as Sn-0.7Cu-0.05Ni). Was used as a comparative example. In particular, in Sn-0.7Cu-0.05Ni, 0.006% by weight of Ge is further added.
本実施例に係る接合方法においては、上述したように、Ｂｉが添加されたＳｎ−Ｃｕ系の鉛フリーはんだ合金を用いて銅メッキ処理された基板にはんだ付けを行う。詳しくは以下のような順序にて行われる。 In the joining method according to this embodiment, as described above, a copper-plated substrate is soldered using a Sn—Cu-based lead-free solder alloy to which Bi has been added. Details are performed in the following order.
i.銅メッキの基板においてはんだ付けを行うべき箇所に約０．０１ｇのフラックスを塗布する。
ii. 上述した、本実施例に係るＳｎ−Ｃｕ系の鉛フリーはんだ合金（以下、単に、本実施例の鉛フリーはんだ合金と言う。）を例えば、３００℃で溶解させ、基板とのはんだ付けを行う。
i. Apply about 0.01 g of flux to the copper-plated substrate where it should be soldered.
ii. The Sn—Cu-based lead-free solder alloy according to this example (hereinafter, simply referred to as the lead-free solder alloy of this example) described above is melted at 300 ° C. and soldered to a substrate. I do.
この際、基板上には、本実施例の鉛フリーはんだ合金のはんだボールが形成される。斯かるはんだボールは直径５００μｍである。以後、斯かるはんだボールを室温で冷却する。これによってシェアテスト用の試料が得られる。 At this time, the solder balls of the lead-free solder alloy of this embodiment are formed on the substrate. Such solder balls have a diameter of 500 μm. After that, the solder balls are cooled at room temperature. This gives a sample for the share test.
なお、同様の方法によって、比較例に係るＳｎ−Ｃｕ系の鉛フリーはんだ合金（以下、単に、比較例の鉛フリーはんだ合金と言う。）のはんだボールが得られる。 By the same method, a solder ball of a Sn—Cu-based lead-free solder alloy (hereinafter, simply referred to as a lead-free solder alloy of the comparative example) according to the comparative example can be obtained.
以上のように得られた、本実施例の鉛フリーはんだ合金のはんだボール、及び、比較例の鉛フリーはんだ合金のはんだボールが当該基板に夫々接合された試料に対してエージング処理を施した後、シェアテストを実施することにより、斯かる接合部における接合強度を測定した。 After the solder balls of the lead-free solder alloy of this example and the solder balls of the lead-free solder alloy of the comparative example obtained as described above are subjected to aging treatment on the samples bonded to the substrate respectively. , The joint strength at such a joint was measured by carrying out a share test.
前記エージング処理は、該試料を１５０℃に１２０時間放置してエージングを行い、その後、室温にて冷却させた。 In the aging treatment, the sample was left at 150 ° C. for 120 hours for aging, and then cooled at room temperature.
このようなエージング処理が施された試料に対して、シェアテストを行った。シェアテストはＤＡＧＥ社製のハイスピードシェア試験機４０００ＨＳを用いて行い、シェア速度は１０ｍｍ／secであった。図１はシェアテストを模式的に説明する模式図である。 A share test was performed on the sample subjected to such an aging treatment. The share test was performed using a high-speed share tester 4000HS manufactured by DAGE, and the share speed was 10 mm / sec. FIG. 1 is a schematic diagram schematically illustrating a share test.
まず、はんだボール２が形成された基板１を基板保持台５に固定する。そして直線移動する基板保持台５の動線上にシェアツール３をセットする。基板保持台５の直線移動の際、シェアツール３の下端部が基板１ではなくはんだボール２にのみ当たるようにシェアツール３をセットする。次いで基板保持台５を１０ｍｍ／secの速度で直線移動させると、シェアツール３と斯かる試料のはんだボール２とが衝突し、最終的にははんだボール２が基板１から剥離される。この際、シェアツール３に装着された応力感知器ははんだボール２との衝突から剥離までに、斯かるはんだボール２によってシェアツール３に与えられるせん断負荷応力を検知する。本実施の形態においては、斯かるせん断負荷応力のうち、最大の値（以下、最大応力という。）を斯かる試料の接合強度として測定した。 First, the substrate 1 on which the solder balls 2 are formed is fixed to the substrate holding base 5. Then, the share tool 3 is set on the flow line of the substrate holding table 5 that moves linearly. When the substrate holding table 5 moves linearly, the share tool 3 is set so that the lower end portion of the share tool 3 hits only the solder balls 2 instead of the substrate 1. Next, when the substrate holding table 5 is linearly moved at a speed of 10 mm / sec, the share tool 3 and the solder balls 2 of such a sample collide with each other, and finally the solder balls 2 are peeled off from the substrate 1. At this time, the stress detector mounted on the share tool 3 detects the shear load stress applied to the share tool 3 by the solder ball 2 from the collision with the solder ball 2 to the peeling. In the present embodiment, the maximum value (hereinafter referred to as the maximum stress) of the shear load stress is measured as the joint strength of the sample.
本実施例及び比較例に係る試料に対してシェアテストを行った結果を表１に示す。
詳しくは、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕと、Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉと、Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ＋１Ｂｉと、Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ＋１．５Ｂｉと、Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ＋２Ｂｉと、Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ＋３Ｂｉとの夫々に対して、シェアテスト用の試料を１１個ずつ用意し、シェアテストを行った。その結果を表１に示す。表１においてはシェアテストの結果値は昇順に示している。
Table 1 shows the results of the share test on the samples according to this example and the comparative example.
Specifically, Sn-3Ag-0.5Cu, Sn-0.7Cu-0.05Ni, Sn-0.7Cu-0.05Ni + 1Bi, Sn-0.7Cu-0.05Ni + 1.5Bi, and Sn-0. For each of .7Cu-0.05Ni + 2Bi and Sn-0.7Cu-0.05Ni + 3Bi, 11 samples for the share test were prepared and the share test was performed. The results are shown in Table 1. In Table 1, the result values of the share test are shown in ascending order.
図２は、表１に記載のシェアテストの結果を図示したグラフである。図２において、白い四角はエージング処理前における最大応力を示し、黒い（ハッチング）四角はエージング処理後における最大応力を示す。 FIG. 2 is a graph illustrating the results of the share test shown in Table 1. In FIG. 2, white squares indicate the maximum stress before the aging treatment, and black (hatched) squares indicate the maximum stress after the aging treatment.
表１及び図２から分かるように、比較例であるＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ及びＳｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉを用いた試料においては、エージング処理前に比べてエージング処理後における最大応力が大きく低下していることが見て取れる。 As can be seen from Table 1 and FIG. 2, in the samples using Sn-3Ag-0.5Cu and Sn-0.7Cu-0.05Ni, which are comparative examples, the maximum stress after the aging treatment is higher than that before the aging treatment. Can be seen to have decreased significantly.
これに対して、本実施例であるＳｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ＋１Ｂｉ，Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ＋１．５Ｂｉ，Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ＋２Ｂｉ，Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ＋３Ｂｉにおいては、エージング処理前に比べてエージング処理後においても最大応力の低下が見られず、維持されている。 On the other hand, in this example, Sn-0.7Cu-0.05Ni + 1Bi, Sn-0.7Cu-0.05Ni + 1.5Bi, Sn-0.7Cu-0.05Ni + 2Bi, Sn-0.7Cu-0. In 05Ni + 3Bi, the maximum stress did not decrease even after the aging treatment as compared with that before the aging treatment, and was maintained.
本実施例であるＳｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ＋１Ｂｉ，Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ＋１．５Ｂｉ，Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ＋２Ｂｉ，Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ＋３Ｂｉの最大応力の平均値に対してｔ検定を求め、その結果（ｔ、Ｐ値、両側ｔ境界値）を表１に示している。斯かるｔ検定の結果から、エージング処理の前後においては、５％有意水準において有意差がないことが分かる。 The maximum stress of Sn-0.7Cu-0.05Ni + 1Bi, Sn-0.7Cu-0.05Ni + 1.5Bi, Sn-0.7Cu-0.05Ni + 2Bi, Sn-0.7Cu-0.05Ni + 3Bi of this example. The t-test was obtained for the average value, and the results (t, P value, bilateral t boundary value) are shown in Table 1. From the results of such t-test, it can be seen that there is no significant difference at the 5% significance level before and after the aging treatment.
すなわち、Ｂｉが添加された鉛フリーはんだ合金を用いた本実施例に係る試料においては、エージング処理の前後を通じて同じ最大応力が得られており、最大応力が低下していない。このような結果から、Ｂｉの添加が最大応力の維持に何らかの影響を与えていると予測された。 That is, in the sample according to this example using the lead-free solder alloy to which Bi was added, the same maximum stress was obtained before and after the aging treatment, and the maximum stress did not decrease. From these results, it was predicted that the addition of Bi had some influence on the maintenance of the maximum stress.
これを確認するために、本実施例及び比較例に係る試料における接合部４の微細構造を観察した。図３〜図５は本実施例及び比較例に係る試料における接合部４の微細構造を示す写真である。なお、図３〜図５は、本実施例及び比較例に係る試料を１５０℃にて１６８時間エージング処理した後における、接合部４での微細構造である。 In order to confirm this, the fine structure of the joint portion 4 in the samples according to this example and the comparative example was observed. 3 to 5 are photographs showing the fine structure of the joint portion 4 in the samples according to the present example and the comparative example. 3 to 5 show the fine structure at the joint 4 after the samples according to the present example and the comparative example were aged at 150 ° C. for 168 hours.
より詳しくは、図３はＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕを用いた試料（以下、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ試料という。）の接合部４の微細構造のＳＥＭ（走査電子顕微鏡）写真であり、図４はＳｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉを用いた試料（以下、Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ試料という。）の接合部４の微細構造のＳＥＭ写真であり、図５はＳｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ＋１．５Ｂｉを用いた試料（以下、Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ＋１．５Ｂｉ試料という。）の接合部４の微細構造のＳＥＭ写真である。 More specifically, FIG. 3 is an SEM (scanning electron microscope) photograph of the microstructure of the junction 4 of the sample using Sn-3Ag-0.5Cu (hereinafter referred to as Sn-3Ag-0.5Cu sample). FIG. 4 is an SEM photograph of the microstructure of the joint portion 4 of a sample using Sn-0.7Cu-0.05Ni (hereinafter referred to as Sn-0.7Cu-0.05Ni sample), and FIG. 5 is a SEM photograph of Sn-. It is an SEM photograph of the fine structure of the joint part 4 of the sample using 0.7Cu-0.05Ni + 1.5Bi (hereinafter, referred to as Sn-0.7Cu-0.05Ni + 1.5Bi sample).
図３Ａ〜図５Ａから分かるように、本実施例及び比較例に係る試料の何れにおいても、はんだボール２及び基板１の接合部４には、Ｃｕ6Ｓｎ5及びＣｕ3Ｓｎの金属間化合物層が存在している。Ｃｕ6Ｓｎ5及びＣｕ3Ｓｎの中、はんだボール２側にはＣｕ6Ｓｎ5層が生成されており、基板１側にはＣｕ3Ｓｎ層が生成されている。 As can be seen from FIGS. 3A to 5A, in both the samples according to this example and the comparative example, the intermetallic compound layer of Cu 6 Sn 5 and Cu 3 Sn is formed on the joint portion 4 of the solder ball 2 and the substrate 1. Exists. Among Cu 6 Sn 5 and Cu 3 Sn, a Cu 6 Sn 5 layer is generated on the solder ball 2 side, and a Cu 3 Sn layer is generated on the substrate 1 side.
図３Ｂ〜図５Ｂでは、図３Ａ〜図５ＡにおけるＣｕ3Ｓｎ層を夫々破線で囲んで表示している。図３Ｂ〜図５Ｂから分かるように、比較例であるＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ試料（図３）及びＳｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ試料（図４）のＣｕ3Ｓｎ層の厚みに対し、本実施例であるＳｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ＋１．５Ｂｉ試料のＣｕ3Ｓｎ層が薄いことが視認できる。 In FIGS. 3B to 5B, the Cu 3 Sn layers in FIGS. 3A to 5A are shown surrounded by broken lines, respectively. As can be seen from FIGS. 3B to 5B, with respect to the thickness of the Cu 3 Sn layer of the comparative examples Sn-3Ag-0.5Cu sample (FIG. 3) and Sn-0.7Cu-0.05Ni sample (FIG. 4). It can be visually confirmed that the Cu 3 Sn layer of the Sn-0.7Cu-0.05Ni + 1.5Bi sample of this example is thin.
本実施例及び比較例に係る試料におけるＣｕ3Ｓｎ層の厚みの違いをより明確にするために、図３〜図５における各Ｃｕ3Ｓｎ層に対する厚みの平均値を求めた。斯かる平均値は、各Ｃｕ3Ｓｎ層における１５箇所にて厚みの測定を行い、斯かる測定値に対する平均値である。 In order to clarify the difference in the thickness of the Cu 3 Sn layer in the samples according to this example and the comparative example, the average value of the thickness for each Cu 3 Sn layer in FIGS. 3 to 5 was obtained. Such an average value is an average value with respect to such a measured value obtained by measuring the thickness at 15 points in each Cu 3 Sn layer.
表２は図３〜図５の各Ｃｕ3Ｓｎ層における１５箇所にて厚みを測定した結果、及び、斯かる測定値に対する平均値をまとめたものである。 Table 2 summarizes the results of measuring the thickness at 15 points in each Cu 3 Sn layer of FIGS. 3 to 5 and the average value with respect to such measured values.
また、図６は表２に記載の厚み測定の結果、及び、斯かる測定値に対する平均値を図示したグラフである。 Further, FIG. 6 is a graph showing the results of the thickness measurement shown in Table 2 and the average value with respect to the measured value.
表２から分かるように、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ試料（比較例）におけるＣｕ3Ｓｎ層の厚みの平均値は０．９６μｍであり、Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ試料（比較例）におけるＣｕ3Ｓｎ層の厚みの平均値は０．５７μｍである。これに対し、本実施例であるＳｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ＋１．５Ｂｉ試料におけるＣｕ3Ｓｎ層の厚みの平均値は０．４４μｍであり、比較例に比べて薄い。 As can be seen from Table 2, the average thickness of the Cu 3 Sn layer in the Sn-3Ag-0.5Cu sample (comparative example) is 0.96 μm, and the Sn-0.7Cu-0.05Ni sample (comparative example). The average value of the thickness of the Cu 3 Sn layer in 1 is 0.57 μm. On the other hand, the average thickness of the Cu 3 Sn layer in the Sn-0.7Cu-0.05Ni + 1.5Bi sample of this example is 0.44 μm, which is thinner than that of the comparative example.
また、図６においても、Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ＋１．５Ｂｉ試料におけるＣｕ3Ｓｎ層の厚みが、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ試料及びＳｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ試料におけるＣｕ3Ｓｎ層の厚みより薄いことが確認できる。 Also in FIG. 6, Sn-0.7Cu-0.05Ni + thickness of 1.5Bi Cu 3 Sn layer in the sample, Cu 3 in Sn-3Ag-0.5Cu sample and Sn-0.7Cu-0.05Ni sample It can be confirmed that it is thinner than the thickness of the Sn layer.
更に、表２における平均値の差がいわゆる偶然誤差の範囲内にあるかを調べるために分散の検定（Ｆ検定）を行った。その結果、観測された分散比は５３．７８６５８２５７であり、Ｐ値は２．６１Ｅ‐１２であり、Ｆ境界値は５．１４９１３９であった。 Further, a variance test (F test) was performed to check whether the difference between the average values in Table 2 was within the range of so-called random error. As a result, the observed dispersion ratio was 53.78658257, the P value was 2.61E-12, and the F boundary value was 5.149139.
このように、Ｐ値は有意水準０．０１よりも小さく、観測された分散比はＦ境界値より大きいので、表２に記載の平均値の間には、１％有意水準において有意差が認められる。 As described above, since the P value is smaller than the significance level of 0.01 and the observed dispersion ratio is larger than the F boundary value, a significant difference is observed at the 1% significance level between the average values shown in Table 2. Be done.
以上における図３〜図６及び表２の記載から、Ｂｉが添加されたＳｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ＋１．５Ｂｉ試料（本実施例）におけるＣｕ3Ｓｎ層の厚みが、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ試料（比較例）及びＳｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ試料（比較例）におけるＣｕ3Ｓｎ層の厚みより薄いことは確実である。 From the above description of FIGS. 3 to 6 and Table 2, the thickness of the Cu 3 Sn layer in the Sn-0.7Cu-0.05Ni + 1.5Bi sample (this example) to which Bi was added is Sn-3Ag-0. It is certain that the thickness is thinner than the thickness of the Cu 3 Sn layer in the .5 Cu sample (Comparative Example) and the Sn-0.7 Cu-0.05Ni sample (Comparative Example).
このようなことから、本実施例に係るＳｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ＋１．５Ｂｉ試料において、Ｂｉの添加がＣｕ3Ｓｎ層の生成を抑制する方向に作用していると考えられる。 From these facts, it is considered that the addition of Bi acts in the direction of suppressing the formation of the Cu 3 Sn layer in the Sn-0.7Cu-0.05Ni + 1.5Bi sample according to this example.
一般に、銅（又は銅メッキ）基板にＳｎを含む鉛フリーはんだ合金を用いてはんだ付けを行った場合は、接合部４にＣｕ6Ｓｎ5層及びＣｕ3Ｓｎ層という金属間化合物層が生成される。特に、Ｃｕ3Ｓｎ層は、高温保持に伴ってＣｕ粒子が拡散してＣｕ6Ｓｎ5層と反応することによって生成される。しかし、Ｃｕ3Ｓｎはその脆性によって接合強度を下げると言われている。 Generally, when a copper (or copper-plated) substrate is soldered using a lead-free solder alloy containing Sn, intermetallic compound layers called Cu 6 Sn 5 layer and Cu 3 Sn layer are generated at the joint portion 4. To. In particular, the Cu 3 Sn layer is formed by the Cu particles diffusing and reacting with the Cu 6 Sn 5 layer as the temperature is maintained. However, Cu 3 Sn is said to reduce the bonding strength due to its brittleness.
以上のことを鑑みると、Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ＋１．５Ｂｉ試料においては、添加されたＢｉがエージング処理中、すなわち高温においてＣｕの拡散を阻止する作用をなしており、これによって、Ｃｕ3Ｓｎ層の生成が抑制されると考えられる。また、Ｃｕ3Ｓｎ層の生成が抑制されることによって、エージング処理後のシェアテストにおいてもエージング処理前と同じ程度の最大応力を維持できると考えられる。 In view of the above, in the Sn-0.7Cu-0.05Ni + 1.5Bi sample, the added Bi acts to prevent the diffusion of Cu during the aging treatment, that is, at a high temperature, whereby Cu It is considered that the formation of the 3 Sn layer is suppressed. Further, it is considered that the maximum stress of the same level as that before the aging treatment can be maintained even in the share test after the aging treatment by suppressing the formation of the Cu 3 Sn layer.
以上においては、Ｂｉの添加量が１〜３重量％である場合を例に挙げて説明したが、これに限るものでなく、Ｂｉの添加量が０．１〜５８重量％である場合においても上述した効果を得られる。 In the above, the case where the amount of Bi added is 1 to 3% by weight has been described as an example, but the present invention is not limited to this, and even when the amount of Bi added is 0.1 to 58% by weight. The above-mentioned effects can be obtained.
また、以上の記載においては、Ｓｎ，Ｂｉ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｇｅを含むＳｎ−Ｃｕ系の鉛フリーはんだ合金の場合において、Ｂｉの添加量のみを変化したときを例に挙げて説明したが、本発明はこれに限るものでない。 Further, in the above description, in the case of a Sn—Cu-based lead-free solder alloy containing Sn, Bi, Cu, Ni, and Ge, the case where only the amount of Bi added is changed has been described as an example. The present invention is not limited to this.
例えば、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｇｅの添加量を変化した場合であっても、上述した効果を得られる。また、本実施例に係る前記Ｓｎ−Ｃｕ系の鉛フリーはんだ合金が、例えば、Ａｇ，Ｓｂ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｐ，Ｃｏ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｍｎ，Ａｕ，Ｓｉのうち何れかを更に含む組成であっても良い。このような添加物を添加した場合においても、上述した効果を奏することを言うまでもない。 For example, the above-mentioned effect can be obtained even when the addition amounts of Cu, Ni, and Ge are changed. Further, the Sn—Cu-based lead-free solder alloy according to the present embodiment further comprises any one of Ag, Sb, Zn, Ga, In, P, Co, Al, Ti, Mn, Au, and Si, for example. The composition may include. Needless to say, even when such an additive is added, the above-mentioned effect is obtained.
以上に記載した比較例及び本実施例に係るＳｎ−Ｃｕ系の鉛フリーはんだ合金の組成を表３及び表４に表示する。本実施例については、Ｂｉ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｇｅの添加量を変化した場合、及び、Ａｇ，Ｓｂ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｐ，Ｃｏ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｍｎ，Ａｕ，Ｓｉのうち何れかを更に添加した場合の組成を示す。 Tables 3 and 4 show the compositions of the Sn—Cu-based lead-free solder alloys according to the comparative examples described above and this embodiment. In this embodiment, when the amount of Bi, Cu, Ni, Ge added is changed, or any of Ag, Sb, Zn, Ga, In, P, Co, Al, Ti, Mn, Au, and Si. The composition when is further added is shown.
本実施例に係るＳｎ−Ｃｕ系の鉛フリーはんだ合金の具体的組成を以下に説明する。 The specific composition of the Sn—Cu-based lead-free solder alloy according to this embodiment will be described below.
Ｂｉの添加量は０．１重量％〜５８重量％で、Ｃｕが０．７重量％、Ｎｉが０．０５重量％、Ｇｅが０．００６重量％（表３中、Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ＋０．１Ｂｉ、Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ＋１Ｂｉ、Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ＋１．５Ｂｉ、Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ＋２Ｂｉ、Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ＋３Ｂｉ、Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ＋４Ｂｉ、Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ＋６Ｂｉ、Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ＋８Ｂｉ、Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ＋２１Ｂｉ、Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ＋５８Ｂｉ）であり、残部がＳｎである。 The amount of Bi added was 0.1% by weight to 58% by weight, Cu was 0.7% by weight, Ni was 0.05% by weight, and Ge was 0.006% by weight (Sn-0.7Cu- in Table 3). 0.05Ni + 0.1Bi, Sn-0.7Cu-0.05Ni + 1Bi, Sn-0.7Cu-0.05Ni + 1.5Bi, Sn-0.7Cu-0.05Ni + 2Bi, Sn-0.7Cu-0.05Ni + 3Bi, Sn- 0.7Cu-0.05Ni + 4Bi, Sn-0.7Cu-0.05Ni + 6Bi, Sn-0.7Cu-0.05Ni + 8Bi, Sn-0.7Cu-0.05Ni + 21Bi, Sn-0.7Cu-0.05Ni + 58Bi). , The rest is Sn.
Ｂｉが１．５重量％、Ｎｉが０．０５重量％、Ｇｅが０．００６重量％で、Ｃｕの添加量は０．１〜２．０重量％（表４中、Ｓｎ−０．０５Ｎｉ−１．５Ｂｉ＋０．１Ｃｕ、Ｓｎ−０．０５Ｎｉ−１．５Ｂｉ＋０．２Ｃｕ）であり、残部がＳｎである。 Bi is 1.5% by weight, Ni is 0.05% by weight, Ge is 0.006% by weight, and the amount of Cu added is 0.1 to 2.0% by weight (Sn-0.05Ni- in Table 4). 1.5Bi + 0.1Cu, Sn-0.05Ni-1.5Bi + 0.2Cu), and the balance is Sn.
Ｂｉが１．５重量％、Ｃｕが０．７重量％、Ｇｅが０．００６重量％で、Ｎｉの添加量は０．０５〜０．５重量％（表４中、Ｓｎ−０．７Ｃｕ−１．５Ｂｉ＋０．５Ｎｉ）であり、残部がＳｎである。 Bi is 1.5% by weight, Cu is 0.7% by weight, Ge is 0.006% by weight, and the amount of Ni added is 0.05 to 0.5% by weight (Sn-0.7Cu- in Table 4). 1.5 Bi + 0.5 Ni), and the rest is Sn.
Ｂｉが１．５重量％、Ｃｕが０．７重量％、Ｎｉが０．０５重量％で、Ｇｅの添加量は０．００６〜０．１重量％（表４中、Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ−１．５Ｂｉ＋０．１Ｇｅ）であり、残部がＳｎである。 Bi is 1.5% by weight, Cu is 0.7% by weight, Ni is 0.05% by weight, and the amount of Ge added is 0.006 to 0.1% by weight (Sn-0.7Cu- in Table 4). 0.05Ni-1.5Bi + 0.1Ge), and the balance is Sn.
Ａｇ，Ｓｂ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｐ，Ｃｏ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｍｎ，Ａｕ，Ｓｉのうち何れかを更に添加した場合においては、例えば、Ｂｉが１．５重量％、Ｃｕが０．７重量％、Ｎｉが０．０５重量％、Ｇｅが０．００６重量％である場合に対して斯かる添加が行われたときを表３に示している。 When any of Ag, Sb, Zn, Ga, In, P, Co, Al, Ti, Mn, Au, and Si is further added, for example, Bi is 1.5% by weight and Cu is 0.7. Table 3 shows the cases where such addition was performed when the weight was 0.05% by weight, Ni was 0.05% by weight, and Ge was 0.006% by weight.
詳しくは、Ａｇの添加量は４．０重量％までであり（表４中、Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ−１．５Ｂｉ＋１Ａｇ，Ｓｎ−０．７Ｃｕ‐０．０５Ｎｉ−１．５Ｂｉ＋２Ａｇ，Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ−１．５Ｂｉ＋３Ａｇ，Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ−１．５Ｂｉ＋４Ａｇ）、残部がＳｎである。 Specifically, the amount of Ag added is up to 4.0% by weight (in Table 4, Sn-0.7Cu-0.05Ni-1.5Bi + 1Ag, Sn-0.7Cu-0.05Ni-1.5Bi + 2Ag, Sn. -0.7Cu-0.05Ni-1.5Bi + 3Ag, Sn-0.7Cu-0.05Ni-1.5Bi + 4Ag), and the rest is Sn.
Ｉｎの添加量は５１．０重量％までであり（表４中、Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ−１．５Ｂｉ＋６Ｉｎ，Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ−１．５Ｂｉ＋５１Ｉｎ）、残部がＳｎである。 The amount of In added is up to 51.0% by weight (in Table 4, Sn-0.7Cu-0.05Ni-1.5Bi + 6In, Sn-0.7Cu-0.05Ni-1.5Bi + 51In), and the balance is Sn. Is.
Ｓｂの添加量は１０．０重量％までであり（表４中、Ｓｎ−０．７Ｃｕ‐０．０５Ｎｉ−１．５Ｂｉ＋５Ｓｂ，Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ−１．５Ｂｉ＋１０Ｓｂ）、残部がＳｎである。 The amount of Sb added is up to 10.0% by weight (in Table 4, Sn-0.7Cu-0.05Ni-1.5Bi + 5Sb, Sn-0.7Cu-0.05Ni-1.5Bi + 10Sb), and the balance is Sn. Is.
Ｐの添加量は０．１重量％までであり（表４中、Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ−１．５Ｂｉ＋０．１Ｐ）、残部がＳｎである。 The amount of P added is up to 0.1% by weight (Sn-0.7Cu-0.05Ni-1.5Bi + 0.1P in Table 4), and the balance is Sn.
Ｍｎの添加量は０．１重量％であり（表４中、Ｓｎ−０．７Ｃｕ‐０．０５Ｎｉ−１．５Ｂｉ＋０．１Ｍｎ）、残部がＳｎである。 The amount of Mn added was 0.1% by weight (Sn-0.7Cu-0.05Ni-1.5Bi + 0.1Mn in Table 4), and the balance was Sn.
Ａｕの添加量は０．１重量％までであり（表４中、Ｓｎ−０．７Ｃｕ‐０．０５Ｎｉ−１．５Ｂｉ＋０．１Ａｕ）、残部がＳｎである。 The amount of Au added is up to 0.1% by weight (Sn-0.7Cu-0.05Ni-1.5Bi + 0.1Au in Table 4), and the balance is Sn.
Ｚｎの添加量は０．４重量％までであり（表４中、Ｓｎ−０．７Ｃｕ‐０．０５Ｎｉ−１．５Ｂｉ＋０．４Ｚｎ）、残部がＳｎである。 The amount of Zn added is up to 0.4% by weight (Sn-0.7Cu-0.05Ni-1.5Bi + 0.4Zn in Table 4), and the balance is Sn.
Ｇａの添加量は１．０重量％までであり（表４中、Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ−１．５Ｂｉ＋１Ｇａ）、残部がＳｎである。 The amount of Ga added is up to 1.0% by weight (Sn-0.7Cu-0.05Ni-1.5Bi + 1Ga in Table 4), and the balance is Sn.
Ｓｉの添加量は０．１重量％までであり（表４中、Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ−１．５Ｂｉ＋０．１Ｓｉ）、残部がＳｎである。 The amount of Si added is up to 0.1% by weight (Sn-0.7Cu-0.05Ni-1.5Bi + 0.1Si in Table 4), and the balance is Sn.
Ｃｏの添加量は０．１重量％までであり（表４中、Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ−１．５Ｂｉ＋０．１Ｃｏ）、残部がＳｎである。 The amount of Co added is up to 0.1% by weight (Sn-0.7Cu-0.05Ni-1.5Bi + 0.1Co in Table 4), and the balance is Sn.
Ａｌの添加量は０．１重量％までであり（表４中、Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ−１．５Ｂｉ＋０．１Ａｌ）、残部がＳｎである。 The amount of Al added is up to 0.1% by weight (Sn-0.7Cu-0.05Ni-1.5Bi + 0.1Al in Table 4), and the balance is Sn.
Ｔｉの添加量は０．１重量％までであり（表４中、Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０５Ｎｉ−１．５Ｂｉ＋０．１Ｔｉ）、残部がＳｎである。 The amount of Ti added is up to 0.1% by weight (Sn-0.7Cu-0.05Ni-1.5Bi + 0.1Ti in Table 4), and the balance is Sn.
１ 基板
２ はんだボール
４ 接合部
1 Board 2 Solder ball 4 Joint
Claims (3)
添加物を含む鉛フリーはんだ合金を用いて銅基板又は銅メッキ基板にはんだ付けを行い、
Ｂｉが添加されていない場合に比べてＣｕ3Ｓｎの生成が抑制された接合部を得ることとし、
前記添加物は、
１超過〜３未満重量％のＡｇと、
６〜１０未満重量％のＩｎと、
５超過〜１０重量％のＳｂと、
０超過〜０．１重量％のＰ、Ｍｎ、Ａｕ、Ｓｉ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｔｉの何れか一つと、
０超過〜０．４重量％のＺｎと
のうち、何れか一つを含むことを特徴とする接合方法。 In a joining method for joining a copper substrate or a copper-plated substrate using a Sn-Cu- Ni-Bi-Ge- based lead-free solder alloy.
Solder to a copper substrate or a copper-plated substrate using a lead-free solder alloy containing additives .
It was decided to obtain a joint in which the formation of Cu 3 Sn was suppressed as compared with the case where Bi was not added .
The additive is
1 excess to less than 3 weight% Ag and
In with less than 6 to 10% by weight,
5 excess to 10% by weight Sb,
Exceeding 0 to 0.1% by weight of P, Mn, Au, Si, Co, Al, Ti, and
With Zn exceeding 0 to 0.4% by weight
A joining method comprising any one of them .
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