JP7381980B1 - はんだ合金、はんだボール、はんだプリフォーム、はんだ継手、および回路 - Google Patents

Abstract

【課題】濡れ性およびシェア強度に優れ、破壊モードが適正であり、複数回のリフロー後においても接合界面の金属間化合物の成長が抑制されるとともに優れた耐落下衝撃を有し、更には、バンプの形状が適正であるはんだ合金、はんだボール、はんだプリフォーム、はんだ継手、および回路を提供する。【解決手段】はんだ合金は、質量％で、Ａｇ：０．１０～３．００％、Ｃｕ：０．８０～６．００％、Ｎｉ：０．０８～０．６０％、Ｇｅ：０．００１０～０．０１５０％、および残部がＳｎからなる合金組成を有する。合金組成は、好ましくは、更に、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｓｉ、Ｔｉ、および希土類の少なくとも１種を合計で０．１％以下含有する。【選択図】図１

Description

本発明は、はんだ合金、はんだボール、はんだプリフォーム、はんだ継手、および回路に関する。

近年、電子機器は高集積化や軽薄短小が要求されている。電子機器に搭載される電子部品にも小型化、薄型化が要求されている。これらの要求を満足する半導体パッケージとしては、エリアアレイ型の表面実装型パッケージであるＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）が主流である。ＢＧＡは、パッケージの実装基板にはんだボールを等間隔で格子状に配列した外部電極端子を持つ。はんだボールは、電極に載置された後に実装基板ごとリフロー炉で加熱され、溶融することによりはんだバンプを形成する。

電子機器の高集積化や軽薄短小化の更なる要求に対応するため、基板の両面に電子部品を接続することがある。基板の両面に電子部品を接続するためには、一方の面で１回目のリフローはんだ付けが行われた後、他方の面で２回目のリフローはんだ付けが行われる。また、電力半導体基板では、更にヒートシンクを接続するために３回目のリフローはんだ付けが行われる。このように、複数回のリフローはんだ付けを行う場合、１回目もしくは２回目のはんだ付けに用いられたはんだ合金は溶融と凝固が繰り返される。

ところで、従来のＢＧＡではＳｎ－３．０Ａｇ－０．５Ｃｕで代表されるＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系はんだ合金が用いられてきた。しかし、このような複数回のリフローはんだ付けが行われると、はんだ継手を構成するはんだ合金と電極との接合界面にボイドが発生する。ボイドが成長することによりシェア強度や落下衝撃性が劣ってしまう。また、はんだ合金の溶融と凝固が繰り返されることにより、はんだ合金の酸化が進行してしまい、濡れ性が劣化することがあった。

そこで、特許文献１には、複数回のリフローはんだ付けによるはんだ継手の信頼性の劣化を抑制する観点から、Ｃｕを１～９％含有するとともに、種々の任意元素を含有するＳｎ合金が開示されている。具体的には、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ系はんだ合金、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ－Ｇｅ系はんだ合金が開示されている。これらのはんだ合金は更にＰなどを含有する。また、任意元素としてＡｇを含有してもよいことが開示されている。同文献では、ダイの傾き、ボイドの成長、および複数回のリフローはんだ付け後のシェア強度が評価されている。

特許文献２には、はんだ合金の硬度の低下により耐落下衝撃性を向上させるため、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｎｉはんだ合金が開示されている。同文献に記載の発明では、はんだ合金の変色を抑制する元素としてＰとＧｅを含有することが記載されている。

特許文献３には、接合性が良好で安価な５元系はんだ合金として、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｎｉ－Ｇｅはんだ合金が開示されている。同文献に記載の発明では、ボイドの発生率や破断伸びについて評価されている。また、同文献には、ボイドの発生を低減するとともにＣｕ_３Ｓｎの膜厚を薄くすることによって、破断伸びが向上することが記載されている。さらに、同文献には、Ｇｅの添加理由として酸化を抑制することが開示されている。

特許文献４には、Ａｇの含有量を低減しつつ接合強度を向上させるため、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕはんだ合金に、所定量のＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、ＳｍおよびＹｂ、もしくは、Ｙ、ＧｄおよびＤｙの少なくとも１種を含有するはんだ合金が開示されている。同文献には、はんだ合金の凝固組織の結晶を微細化し、機械的な強度を向上させるため、ＮｉやＦｅを更に含有してもよいことが開示されている。また、同文献には、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、ＳｍおよびＹｂ、もしくは、Ｙ、ＧｄおよびＤｙ、およびＮｉ、Ｆｅの酸化によるドロスの発生を抑制するため、非常に酸化しやすい元素としてＰ、Ｇａ、およびＧｅを含有してもよいことが開示されている。

国際公開第２０２０／１３５９３２号公報 国際公開第２００７／１０２５８８号公報 特開２００８－９３７０１号公報 特開２０１３－０４９０７３号公報

特許文献１では、ＳｎおよびＣｕを含有する合金組成について種々の評価が行われている。しかし、各評価項目に応じて構成元素が異なる合金組成で評価が行われている。例えば、ダイの傾きの評価では、２回目のリフローで溶融しないか、もしくは溶融しても高い粘度が維持されるような融点を示す構成元素を有するはんだ合金が用いられている。ボイドの成長、および複数回のリフローはんだ付け後のシェア強度も同様に、各々異なる構成元素のはんだ合金で評価が行われている。

このように、特許文献１に記載の発明では、種々の評価がなされているものの、ＳｎとＣｕ以外の構成元素は各評価項目に応じて異なる。このため、特許文献１に開示されている評価項目のすべてを満足する合金組成は開示されていない。また、前述のように、同文献にはＡｇを含有してもよいことが開示されている。しかし、Ａｇを含有する合金組成は１組成も評価されていない。このため、特許文献１に記載の発明では、Ａｇの添加効果は立証されていない。

特許文献２および特許文献３に記載の発明では、両発明においてＮｉの含有量を低減し、接合界面の性状を改善することにより、耐落下衝撃性などの改善を図っている。特許文献４に記載の発明では、高価なレアメタルにより接合界面の微細化を図っている。

このように、特許文献１～４では、いずれもはんだ継手の接合界面に関する検討が行われている。当然のことながら、はんだ継手の接合界面の性状を向上させることは、はんだ合金において重要な目的である。ただ、はんだ継手の負荷が大きくなったとしても、破断した箇所が接合界面である破壊モードであってはならない。はんだ継手において、物理的および電気的な負荷は主として接合界面に加わるため、接合界面では強固に接合されていることが望まれる。

このように、はんだ継手の極限状態での評価は、良好なはんだ継手が形成されていることを確認する上で重要な指標となる。しかしながら、破壊モードについては特許文献１～４では検討されていないため、良好な接合界面を備えるはんだ継手が形成されているかどうかは不明である。

また、特許文献１～４で検討されている評価項目は、いずれもはんだ継手が形成された後のものである。はんだ継手が形成される前のはんだ合金の特性として、溶融はんだの優れた濡れ性も重要である。特許文献１～４では、濡れ性について言及されているものの、具体的な合金組成での評価は行われていない。

更に、ＢＧＡなどの基板への接合は、はんだ継手が形成される前の形態として、はんだバンプの形状が適切である必要がある。はんだバンプが異形であると、はんだ付けの際に何等かの問題が発生する可能性が高いためである。しかしながら、はんだ継手を形成するためのはんだバンプの形状については、特許文献１～４では一切検討されていない。

はんだバンプは、はんだボールが電極上で溶融した後に凝固し、電極と接合されることにより形成される。このため、表面は略楕円形を示すことが好ましいと考えられる。一方で、はんだバンプに孔が空いてしまい表面に凹凸が発生したり、針状の金属間化合物がはんだバンプの表面に突出したり、略楕円から大きくずれた異形状であることがある。このようなはんだバンプでは、電子部品と基板との接合不良や短絡が発生しやすい。近年では、電子部品の小型化、薄型化により、異形バンプによる接合不良は年々増加していることから、早急の改善が望まれている。

そこで、本発明の課題は、濡れ性およびシェア強度に優れ、破壊モードが適正であり、複数回のリフロー後においても接合界面の金属間化合物の成長が抑制されるとともに優れた耐落下衝撃性を有し、更には、バンプの形状が適正であるはんだ合金、はんだボール、はんだプリフォーム、はんだ継手、および回路を提供することである。

本発明者らは、特許文献２～４に開示されているはんだ合金について、本発明の課題を解決するために種々の合金組成の検討を行った。具体的には、特許文献２の実施例１０の合金組成である、Ｇｅを含有しないＳｎ－１．０Ａｇ－１．０Ｃｕ－０．１Ｎｉはんだ合金にて評価を行った。この結果、はんだバンプに異常が発生する知見が得られた。

そこで、本発明者らは、Ｓｎ－１．０Ａｇ－１．０Ｃｕ－０．１Ｎｉはんだ合金にＧｅを添加したＳｎ－１．０Ａｇ－１．０Ｃｕ－０．１Ｎｉ－０．０２Ｇｅはんだ合金について評価した。この結果、はんだバンプの異常が見られ、濡れ性が劣る知見が得られた。

次に、Ｎｉの含有量に着目して検討が行われた。特許文献２の段落００７２および０１３９には、Ｎｉの含有量が０．０７％を超えると、実用上問題ない程度において、リフロー前のはんだ合金を硬くするために耐落下衝撃性が劣ることが説明されている。一方で、同文献の段落００６３には、Ｎｉは、Ｃｕの一部がＮｉに置換された（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５金属間化合物と、隣接するＣｕ_３Ｓｎ金属間化合物との間の歪を緩和する、ことが記載されている。これらを鑑みると、同文献で開示されているＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｎｉ－Ｇｅはんだ合金は、Ｎｉの含有量が０．０７％に近い０．０５％の合金組成のみ開示されていると推察される。

また、特許文献３の図３および図４には、Ｎｉの含有量が０．０５％を超えるとボイドの生成を抑制することができないことが開示されている。そして、同文献の図５には、Ｎｉを０．０３％含有する合金組成は、Ｎｉを０．０７％含有する合金組成と比較して破断伸びが同程度であり、Ｎｉを０．０５％を超えて含有する必要がないことが開示されている。

そこで、本発明者らは、これらの記載を鑑み、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｎｉ－Ｇｅはんだ合金において、Ｎｉの含有量を０．０５％に低減した合金組成の評価を行った。その結果、Ｎｉの含有量が０．０７％の合金組成と同様に、シェア強度が劣るとともに、はんだバンプに異常が発生する知見が得られた。

また、特許文献４には、Ａｇの含有量を低減することが記載されているため、Ａｇの含有量を０．０５％にまで低減したＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｎｉ－Ｇｅはんだ合金について評価が行われた。この結果、はんだバンプの異常は低減したものの、濡れ性とシェア強度が劣る知見が得られた。

これらの知見を鑑みると、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｎｉ－Ｇｅはんだ合金では、従来の合金組成と効果の傾向を鑑みたとしても、本発明の課題を解決することは困難であると考えられる。そこで、本発明者らは、本発明の課題に挙げられているすべての効果を同時に満足するＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｎｉ－Ｇｅはんだ合金を得るため、従来とは異なる方向性として、Ｎｉの含有量を０．０８％以上にまで増加する合金組成で検討することにした。また、Ａｇ、Ｃｕ、およびＧｅの含有量も同時に詳細に調整する検討を行った。

なお、特許文献２の段落００７２および０１３９に記載のように、特性が多少劣化したとしても、実用上問題ない程度の特性が示されることを鑑みると、本発明の課題に掲げられたすべての課題を必要以上に高い水準で達成する必要はないと考えられる。このため、実用上問題ない程度の効果が発揮されるように、上記検討が行われた。

その結果、Ｎｉの含有量を増加した上で、各構成元素が所定の範囲内である場合に、濡れ性およびシェア強度に優れ、破壊モードが適正であり、複数回のリフロー後においても接合界面の金属間化合物の成長が抑制されるとともに優れた耐落下衝撃性を有し、更には、バンプの形状に異常が見られない知見が得られ、本発明は完成した。
これらの知見により得られた本発明は以下のとおりである。

（０） 質量％で、Ａｇ：０．１０～３．００％、Ｃｕ：０．８０～６．００％、Ｎｉ：０．０８～０．６０％、Ｇｅ：０．００１０～０．０１５０％、ならびに残部がＳｎ及び不可避的不純物からなることを特徴とするはんだ合金。
（１） 質量％で、Ａｇ：０．１０～３．００％、Ｃｕ：０．８０～６．００％、Ｎｉ：０．０８～０．６０％、Ｇｅ：０．００１０～０．０１５０％、および残部がＳｎからなる合金組成を有することを特徴とするはんだ合金。

（２） 合金組成は、更に、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｓｉ、Ｔｉ、および希土類の少なくとも１種を合計で０．１％以下含有する、上記（０）または（１）に記載のはんだ合金。

（３） 合金組成は、下記（１）式および（２）式を満たす、上記（０）～上記（２）のいずれか１項に記載のはんだ合金。
０．０００４３≦Ｃｕ×Ｎｉ×Ｇｅ≦０．００１４９ （１）
０．０９≦Ａｇ×Ｃｕ×Ｎｉ≦０．１１ （２）
（１）式および（２）式中、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、およびＧｅは合金組成の含有量（質量％）を表す。

（４） 上記（０）～上記（３）のいずれか１項に記載のはんだ合金からなるはんだボール。

（５） 上記（０）～上記（３）のいずれか１項に記載のはんだ合金からなるはんだプリフォーム。

（６） 上記（０）～上記（３）のいずれか１項に記載のはんだ合金を有するはんだ継手。

（７） 上記（６）に記載のはんだ継手を有する回路。

図１は、実施例３のはんだ合金を用いて作製したはんだ継手における接合界面に形成された金属間化合物の表面ＳＥＭ写真である。 図２は、比較例４のはんだ合金を用いて作製したはんだ継手における接合界面に形成された金属間化合物の表面ＳＥＭ写真である。

本発明を以下により詳しく説明する。本明細書において、はんだ合金組成に関する「％」は、特に指定しない限り「質量％」である。

１． はんだ合金
（１） Ａｇ：０．１０～３．００％
Ａｇは、濡れ性の向上に寄与する。また、微細なＡｇ_３Ｓｎの析出により、シェア強度を向上させることができる。Ａｇの含有量が０．１０％未満であると、濡れ性が低下し、はんだ合金と電極との接合不良によりシェア強度が低下する。Ａｇの含有量の下限は０．１０％以上であり、好ましくは０．５０％以上であり、より好ましくは０．９０％以上である。

一方、Ａｇの含有量が３．００％を超えると、粗大なＡｇ_３Ｓｎの析出によりシェア強度が低下し、複数回のリフローを経ると耐落下衝撃性が低下する。Ａｇの含有量の上限は３．００％以下であり、好ましくは２．５０％以下であり、より好ましくは２．００％以下であり、更に好ましくは１．５０％以下であり、特に好ましくは１．１０％以下であり、最も好ましくは１．００％以下である。

（２） Ｃｕ：０．８０～６．００％
Ｃｕは、接合界面に析出する金属間化合物の成長を制御することにより、シェア強度の向上に寄与する。また、後述するＧｅとともに薄くて脆い化合物が溶融はんだ表面に形成されるものの、溶融はんだの対流により容易に化合物が破壊され、溶融はんだの表面が清浄化されるため、溶融はんだの表面張力の向上によりはんだバンプの異形化が抑制される。さらに、Ｃｕは、耐落下衝撃性および濡れ性が向上するとともに、破壊モードの適正化を図ることができる。

Ｃｕの含有量が０．８０％未満であると、接合界面における金属間化合物の成長を抑制する効果が発揮されず、シェア強度が低下する。また、溶融はんだ表面にＧｅとＣｕとの薄い化合物が形成されず、はんだバンプが異形になる。Ｃｕの含有量の下限は０．８０％以上であり、好ましくは０．９５％以上である。

一方、Ｃｕの含有量が６．００％を超えると、液相線温度が過度に上昇するために濡れ性が劣化する。また、接合界面に粗大な金属間化合物が析出し、耐落下衝撃性、シェア強度が劣り、破壊モードが不適切になる。さらに、溶融はんだ表面にＧｅとＣｕの厚い化合物が多量に析出するため、溶融はんだの表面張力が低下し、はんだバンプが異形になる。Ｃｕの含有量の上限は６．００％以下であり、好ましくは５．００％以下であり、より好ましくは４．００％以下であり、更に好ましくは３．００％以下であり、更により好ましくは２．００％以下であり、特に好ましくは１．２０％以下であり、最も好ましくは１．０５％以下であり、１．００％以下であってもよい。

（３） Ｎｉ：０．０８～０．６０％
Ｎｉは、Ｃｕと同様に、シェア強度の向上、はんだバンプの異形化の抑制に寄与する。さらに、Ｎｉは、耐落下衝撃性および濡れ性が向上するとともに、破壊モードの適正化を図ることができる。Ｎｉの含有量が０．０８％未満であると、接合界面における金属間化合物の成長を抑制する効果が発揮されず、シェア強度が低下する。また、溶融はんだ表面にＧｅとＮｉとの薄い化合物が形成されず、はんだバンプが異形になる。Ｎｉの含有量の下限は０．０８％以上であり、好ましくは０．０９％以上である。

一方、Ｎｉの含有量が０．６０％を超えると、Ｃｕと同様に濡れ性が劣化し、また、接合界面に粗大な金属間化合物が析出し、耐落下衝撃性、シェア強度が劣り、破壊モードが不適切になる。さらに、溶融はんだ表面にＧｅとＮｉとの化合物が多量に析出するため、はんだバンプが異形になる。Ｎｉの含有量の上限は０．６０％以下であり、好ましくは０．５０％以下であり、より好ましくは０．４０％以下であり、更に好ましくは０．３０％以下であり、更により好ましくは０．２０％以下であり、特に好ましくは０．１２％以下であり、最も好ましくは０．１１％以下であり、０．１０％以下であってもよい。

（４） Ｇｅ：０．００１０～０．０１５０％
Ｇｅは、ＣｕおよびＮｉと化合物を形成し、これらが溶融はんだの表面に移動するが、溶融はんだの対流によりこれらの化合物が破壊され、溶融はんだの表面の清浄化により、はんだバンプの異形化が抑制される。Ｇｅの含有量が０．００１０％未満であると、溶融はんだ表面にＣｕおよびＮｉとの化合物が十分に析出されず、はんだバンプが異形になる。Ｇｅの含有量の下限は０．００１０％以上であり、好ましくは０．０００２０％以上であり、より好ましくは０．００５０％以上であり、さらに好ましくは０．００６０％以上である。

一方、Ｇｅの含有量が０．０１５０％を超えると、溶融はんだ表面にＣｕおよびＮｉとの化合物が厚くなり、凝固時にこれらの化合物がはんだ合金の表面に残存するため、はんだバンプが異形になる。これにともない、濡れ性も低下する。Ｇｅの含有量の上限は０．０１５０％以下であり、好ましくは０．０１２０％以下であり、より好ましくは０．０１００％以下であり、特に好ましくは０．００８０％以下である。

（５） Ｂｉ、Ｓｂ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｓｉ、Ｔｉ、および希土類の少なくとも１種を合計で０．１％以下
本発明に係るはんだ合金は、本発明の効果に影響が出ない範囲で、任意元素としてＢｉ、Ｓｂ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｓｉ、Ｔｉ、および希土類の少なくとも１種を合計で０．１％以下の量で含有してもよい。本発明において、希土類元素とは、周期律表において第３族に属するＳｃ、Ｙと原子番号５７～７１に該当するランタン族の１５個の元素を合わせた１７種の元素を表す。任意元素の含有量の上限は特に限定されないが、好ましくは０．１％以下であり、より好ましくは０．０１％以下である。下限も特に限定されないが、好ましくは０．００１％以上である。

（６） （１）式および（２）式
０．０００４３≦Ｃｕ×Ｎｉ×Ｇｅ≦０．００１４９ （１）
０．０９≦Ａｇ×Ｃｕ×Ｎｉ≦０．１１ （２）
（１）式および（２）式中、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、およびＧｅは合金組成の含有量（質量％）を表す。

本発明に係るはんだ合金は、（１）式および（２）式を満たすことが好ましい。これらの式を満たす場合、破壊モードがより適正化され、シェア強度が更に向上し、複数回のリフロー後であっても耐落下衝撃性が更に向上し、接合界面に析出する金属間化合物が微細になり、はんだバンプの異形化も抑制される。（１）式は、はんだバンプの異形化を抑制する元素であるＣｕ、ＮｉおよびＧｅで構成される式である。Ｇｅの含有量はＣｕやＮｉの含有量より少ないが、ＧｅはＣｕやＮｉと化合物を形成し、凝固過程における合金組織の挙動に大きく影響を及ぼすため、少量の添加で大きくはんだ合金の特性に寄与する。このため、Ｇｅに係数を乗ずることなく、各構成元素の含有量をそのまま式として表すことができる。

（２）式は、濡れ性とシェア強度の向上に寄与する、Ａｇ、Ｃｕ、およびＮｉで構成される式である。はんだ継手は接合界面で破断してはならないが、はんだ合金自体の強度が弱すぎてはならない。この点に関して、Ａｇは析出強化型の元素であり、（２）式を満たすことにより、破壊モードが不適切にならない程度において、はんだ合金自体の強度をある程度向上させることができる。また、ＣｕおよびＮｉは、接合界面での微細な金属間化合物の形成と、液相線温度に寄与するため、Ａｇとともにはんだ継手に関する特性全般に影響を及ぼす。

これらの式は、各構成元素が相互に依存することにより得られるものである。合金はすべての構成元素が組み合わされた一体のものであり、各構成元素が相互に影響を及ぼすためである。このように、各構成元素の最適な含有量に調整した上で、更に（１）式および（２）式を満たす本発明に係るはんだ合金は、各構成元素が相互に依存していることが十分に考慮された範囲に設定されている。したがって、各構成元素が上述の範囲内であるとともに、（１）式および（２）式を満たす合金組成は、複数回のはんだ付け後においても優れた耐落下衝撃性を示し、接合界面に析出する金属間化合物の粗大化が抑制される。また、これと同時に、濡れ性、シェア強度に優れ、破壊モードが適正であり、はんだバンプの異形化の抑制をも同時に高い水準で発揮することができる。

（１）式の下限は好ましくは０．０００４３以上であり、より好ましくは０．０００６０以上であり、更に好ましくは０．０００６４以上であり、特に好ましくは０．０００７２以上であり、最も好ましくは０．０００７６以上である。（１）式の上限は好ましくは０．００１４９以下であり、より好ましくは０．００１２０以下であり、更に好ましくは０．００１００以下であり、更により好ましくは０．０００９６以下であり、特に好ましくは０．０００８８以下であり、最も好ましくは０．０００８６以下であり、０．０００８４以下、０．０００８０以下であってもよい。

（２）式の下限は好ましくは０．０９以上である。（２）式の上限は好ましくは０．１１以下であり、より好ましくは０．１０以下である。

（７） 残部：Ｓｎ
本発明に係るはんだ合金の残部はＳｎである。前述の元素の他に不可避的不純物を含有してもよい。本発明に係るはんだ合金は、残部がＳｎ及び不可避不純物からなるものであってもよい。不可避的不純物を含有する場合であっても、前述の効果に影響することはない。なお、Ｐは、溶融はんだの表面にＣｕ、Ｎｉ、およびＧｅと化合物を形成し、濡れ性が劣るとともにバンプが変形するため、本発明に係るはんだ合金では含有しない方がよい。Ｆｅは、フラックスなどで除去し難い酸化膜を形成し、濡れ性が劣るとともにバンプが変形するため、本発明に係るはんだ合金では含有しない方がよい。Ｃｅは、はんだ合金の融点が上昇し、酸化膜や化合物を形成するとともに、接合界面に粗大な金属間化合物を形成し、本発明の効果を発揮することができないため、本発明に係るはんだ合金では含有しない方がよい。

２． はんだボール
本発明に係るはんだ合金は、はんだボールとして使用することができる。本発明に係るはんだボールは、ＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）などの半導体パッケージの電極や基板のバンプ形成に用いられる。本発明に係るはんだボールの直径は１～１０００μｍの範囲内が好ましい。はんだボールは、一般的なはんだボールの製造法により製造することができる。

３． はんだプリフォーム
本発明に係るはんだプリフォームの形状は、特に限定されるものではなく、板状、リング形状、円筒形状、リボン形状、スクエア形状、ディスク形状、ワッシャ形状、チップ形状、ワイヤ形状などの形態で使用することができる。はんだプリフォームは、融点がはんだ合金よりも高く、溶融はんだに濡れやすい高融点金属粒（たとえばＮｉ粒やＣｕ粒及び、ＮｉやＣｕを主成分とする合金粉）を内部に含有してもよい。

４． はんだ継手
本発明に係るはんだ継手は、少なくとも２つ以上の被接合部材の接合に好適に使用される。被接合部材とは、例えば、素子、基板、電子部品、プリント基板、絶縁基板、ヒートシンク、リードフレーム、電極端子等を用いる半導体及び、パワーモジュール、インバーター製品など、本発明に係るはんだ合金を用いて電気的に接続されるものであれば特に限定されない。

本発明に係るはんだ合金を用いた接合方法は、例えばリフロー法を用いて常法に従って行えばよい。フローソルダリングを行う場合のはんだ合金の溶融温度は概ね液相線温度から２０℃程度高い温度でよい。また、本発明に係るはんだ合金を用いて接合する場合には、凝固時の冷却速度を考慮した方がさらに合金組織を微細にすることができる。例えば２～３℃／ｓ以上の冷却速度ではんだ継手を冷却する。この他の接合条件は、はんだ合金の合金組成に応じて適宜調整することができる。

５． 回路
本発明に係る回路は電気回路であり、上記で説明したはんだ継手を備えるため、優れた信頼性を必要とする車載電子回路、特に、ハイブリッド半導体回路であることが好ましい。また、はんだ合金を含む本発明は、パワーモジュールに使用することもできる。

６． その他
本発明に係るはんだ合金は、その原材料として低α線量材を使用することにより低α線量合金を製造することができる。このような低α線量合金は、メモリ周辺のはんだバンプの形成に用いられるとソフトエラーを抑制することが可能となる。

本発明を以下の実施例により説明するが、本発明が以下の実施例に限定されることはない。
本発明の効果を立証するため、表１に記載のはんだ合金を用いて、（１）濡れ性、（２）シェア強度、（３）破壊モード、（４）落下衝撃、（５）ＩＭＣ結晶粒径、および（６）異形バンプの評価を行った。

（１） 濡れ性
下記表１および表２に記載のはんだ合金から、直径０．３ｍｍのはんだボールを作製した。フラックス（千住金属工業株式会社製：ＷＦ－６３１７）を、基板（Ｓ／Ｆ：Ｃｕ－ＯＳＰ）に塗布した後、得られたはんだボールを搭載した。次いで、リフロー装置（千住金属工業株式会社製：ＳＮＲ－６１５）を用いてリフローはんだ付け（加熱温度：２２０℃以上、保持時間：４０秒、ピーク温度２４５℃）を行った。リフロー後に、デジタルマイクロスコープ（株式会社キーエンス製：ＶＨＸ－７０００）を用いて、濡れ広がった平面形状の投影像を挟む２本の平行線の距離のうち、最大の長さである濡れ広がり長さを測定した。使用した基板材質は厚み１．２ｍｍのガラスエポキシ基板（ＦＲ－４）である。濡れ広がり長さが、９００μｍ以上である場合には「◎」とし、濡れ広がり長さが、８００μｍ以上９００μｍ未満である場合には「〇」とし、濡れ広がり長さが、８００μｍ未満である場合には「×」とした。本実施例では「〇」および「◎」が実用上問題ない評価結果であった。

（２） シェア強度
下記表１および表２に記載のはんだ合金から、直径０．３ｍｍのはんだボールを作製した。このはんだボールを、厚みが１．２ｍｍであり電極の大きさが直径０．５ｍｍ（Ｃｕ－ＯＳＰ）である基板に載置し、はんだ付けを行った。はんだ付けを行う個数は１０個とした。はんだ付け条件は、フラックス（千住金属工業株式会社製：ＷＦ－６４００）を電極上に塗布し、加熱温度：２２０℃以上、保持時間：４０秒、ピーク温度２４５℃、冷却速度２℃／ｓのリフロープロファイルとし、リフロー装置（千住金属工業株式会社製：ＳＮＲ－６１５）を用いてはんだ付けを行った。作製した基板を、せん断強度測定装置（Ｎｏｒｄｓｏｎ Ｄａｇｅ社製：ＳＥＲＩＥＳ４０００ＨＳ）によりシェア速度１０００ｍｍ／ｓの条件でシェア強度試験を行った。１０個の平均接合強度が５．５Ｎ以上である場合には「◎」とし、４．６Ｎ以上５．５Ｎ未満である場合には「〇」とし、４．６Ｎ未満である場合には「×」とした。本実施例では「〇」および「◎」が実用上問題ない評価結果であった。

（３）破壊モード
上記シェア強度試験後の試料をデジタルマイクロスコープ（株式会社キーエンス製：ＶＨＸ－７０００）を用いて、バルクもしくは接合界面で破壊されていることを観察した。１０個すべてがはんだ合金（バルク）で破壊している場合には「◎」とし、１０個のうち９個がはんだ合金（バルク）で破壊している場合には「○」とし、１０個のうち８個以下がはんだ合金（バルク）で破壊している場合には「×」とした。本実施例では「〇」および「◎」が実用上問題ない評価結果であった。

（４） 落下衝撃
下記表１および表２に記載のはんだ合金から、直径０．３ｍｍのはんだボールを作製した。このはんだボールをサイズ１２×１２ｍｍのＣＳＰ用のモジュール基板に千住金属工業株式会社製フラックスＷＦ－６３１７を用いてはんだ付けを行い、各組成のはんだ合金を電極用として用いたＣＳＰを作製した。サイズが３０×１２０ｍｍであり、厚みが０．８ｍｍであるガラスエポキシ基板（ＦＲ－４）にソルダペーストで電極パターンに従い印刷して、作製したＣＳＰを搭載して、加熱温度が２２０℃以上、保持時間が４０秒、ピーク温度２４５℃のリフロープロファイルとし、リフロー装置（千住金属工業株式会社製：ＳＮＲ－６１５）を用いてはんだ付けを行い、評価基板を作製した。

作製した評価基板について、次の条件で落下衝撃試験を実施した。試験方法は、評価基板を台座から１０ｍｍ浮かせた位置に専用治具を用いて基板両端を固定させた。ＪＥＤＥＣ規格に則り、加速度１５００Ｇの衝撃を繰り返し加え、初期抵抗値から１．５倍上昇した時点を破断とみなし、落下回数を記録した。破断回数が２１０回以上を「◎」とし、１５０回以上２０９回以下を「〇」とし、１４９回以下を「×」とした。本実施例では「〇」および「◎」が実用上問題ない評価結果であった。

（５） ＩＭＣ結晶粒径
上記、破壊モード観察後の基板を、金属剥離剤を用いて、表面に残存しているはんだバルクの除去を行い、金属間化合物からなる結晶粒を露出させた。その後、走査電子顕微鏡（日本電子株式会社製：ＪＳＭ－７０００Ｆ）を用いて、露出した金属間化合物を３０００倍で撮影した。その後、走査電子顕微鏡に付属されている画像解析ソフト（ＥＭＳＩＳ ＧｍｂＨ社製：Ｓｃａｎｄｉｕｍ）を用いて、撮影した画像から各々の結晶粒の総面積を求め、結晶粒の個数で除することにより結晶粒の平均面積（Ｓ）を算出した。この平均面積（Ｓ）から、（４Ｓ／π）の平方根を求め、結晶粒径とした。ＩＭＣの粒径が３μｍ以下場合には「◎」と評価し、３μｍ超え６μｍ以下の場合には「〇」と評価し、６μｍ超えの場合には「×」と評価した。本実施例では「〇」および「◎」が実用上問題ない評価結果であった。

（６）異形バンプ
下記表１および表２に記載のはんだ合金から、直径０．３ｍｍのはんだボールを作製した。このはんだボールを、厚みが１．２ｍｍであり電極の大きさが直径０．５ｍｍ（Ｃｕ－ＯＳＰ）である基板に載置し、にはんだ付けを行った。はんだ付けを行う個数は３０個とした。はんだ付け条件は、フラックス（千住金属工業株式会社製：ＷＦ－６４００）を電極上に塗布し、加熱温度：２２０℃以上、保持時間：４０秒、ピーク温度２４５℃、冷却速度２℃／ｓのリフロープロファイルとし、リフロー装置（千住金属工業株式会社製：ＳＮＲ－６１５）を用いてはんだ付けを行った。はんだ付け後、走査電子顕微鏡（日本電子株式会社製：ＪＳＭ－７０００Ｆ）を用いて観察を行った。３０個中、異形バンプが０個の場合には「◎」とし、１個以上２個以下の場合には「〇」とし、３個以上の場合には、「×」とした。本実施例では「〇」および「◎」が実用上問題ない評価結果であった。
評価結果を表１および表２に示す。

表１および表２から明らかなように、実施例１～４０はいずれもＡｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、およびＧｅの含有量が適切であるため、すべての評価項目で「〇」もしくは「◎」であった。また、（１）式および（２）式を満たす実施例２～４、８、９、１７、１８、２６、２７、２９～４０は、はんだ継手としての評価項目である破壊モード、シェア強度、落下衝撃、および異形バンプがいずれも「◎」であり、優れた効果を発揮することがわかった。

一方、比較例１は、Ａｇの含有量が少ないため、濡れ性およびシェア強度が劣った。比較例２は、Ａｇの含有量が多いため、シェア強度および落下衝撃が劣った。比較例３は、Ｃｕの含有量が少ないため、シェア強度が劣り、異形バンプが多数発生した。比較例４は、Ｃｕの含有量が多いため、すべての評価が劣った。

比較例５は、Ｎｉを含有しないため、破壊モードが不適切であり、シェア強度が劣った。比較例６および比較例７は、Ｎｉの含有量が少ないため、シェア強度が劣り、異形バンプが多数発生した。比較例８は、Ｎｉの含有量が多いため、すべての評価が劣った。比較例９および比較例１０は、Ｇｅの含有量が少ないため、異形バンプが多数発生した。比較例１１は、Ｇｅの含有量が多いため、濡れ性が劣り、異形バンプが多数発生した。比較例１２および比較例１３は、各々ＰおよびＦｅを含有するため、濡れ性が劣り、異形バンプが多数発生した。比較例１４～１６は、Ｃｅを含有するため、すべての評価が劣った。

図１は、実施例３のはんだ合金を用いて作製したはんだ継手における接合界面に形成された金属間化合物の表面ＳＥＭ写真である。図２は、比較例４のはんだ合金を用いて作製したはんだ継手における接合界面に形成された金属間化合物の表面ＳＥＭ写真である。図１および図２に示す粒子はＩＭＣ（金属間化合物）であり、上記「（５）ＩＭＣ結晶粒径」で撮影したＳＥＭ写真の画像である。図１および図２から明らかなように、実施例３のＩＭＣは比較例４のＩＭＣより微細であった。また、実施例３のＩＭＣは比較例４のＩＭＣと比較して、結晶粒の形状が丸みを帯びており、ＩＭＣの表面の凹凸が小さかった。このため、実施例３は、破壊モードが適正であり、シェア強度が高く、優れた耐落下衝撃性を示した。これは、他の実施例でも同様であり、特に、実施例２、４、８、９、１７、１８、２６、２７、２９～４０では優れた結果を示した。

Claims (7)

1. 質量％で、Ａｇ：０．１０～３．００％、Ｃｕ：０．８０～６．００％、Ｎｉ：０．０８～０．６０％、Ｇｅ：０．００１０～０．０１５０％、および残部がＳｎからなる合金組成を有することを特徴とするはんだ合金。
2. 前記合金組成は、更に、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｔｉ、および希土類の少なくとも１種を合計で０．１％以下含有する、請求項１に記載のはんだ合金。
3. 前記合金組成は、下記（１）式および（２）式を満たす、請求項１または２に記載のはんだ合金。
   ０．０００４３≦Ｃｕ×Ｎｉ×Ｇｅ≦０．００１４９ （１）
   ０．０９≦Ａｇ×Ｃｕ×Ｎｉ≦０．１１ （２）
   上記（１）式および（２）式中、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、およびＧｅは前記合金組成の含有量（質量％）を表す。
4. 請求項１または２に記載のはんだ合金からなるはんだボール。
5. 請求項１または２に記載のはんだ合金からなるはんだプリフォーム。
6. 請求項１または２に記載のはんだ合金を有するはんだ継手。
7. 請求項６に記載のはんだ継手を有する回路。