JPH0241794A

JPH0241794A - はんだ合金およびこれを用いた電子回路装置

Info

Publication number: JPH0241794A
Application number: JP63190145A
Authority: JP
Inventors: Masahide Harada; 正英原田; Ryohei Sato; 了平佐藤; Muneo Oshima; 大島　宗夫; Fumiyuki Kobayashi; 小林　二三幸; Takatsugu Takenaka; 竹中　隆次; Toshitada Nezu; 根津　利忠; Mitsugi Shirai; 白井　貢; Hideaki Sasaki; 秀昭佐々木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-07-29
Filing date: 1988-07-29
Publication date: 1990-02-09
Also published as: KR900001458A; CN1039987A; KR930002154B1; EP0354392A1; CN1018249B

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野コ本発明は、接続信頼性を向上させたはんだ合金、および
、これを用いた接続部分を有する電子回路装置に関する
。

［従来の技術］大形計算機では、計算速度や稼働効率等を高めるだめに
、−例として、以下のような電子回路装置が提案されて
いる。

まず、高集積化された半導体装置、すなわち、ＬＳＩチ
ップを、回路基板上に多数個、微小はんだボールを用い
て接続することにより搭載する。これらＬＳＩチップの
過熱による破壊を防止するために、冷却キャップをその
上方に配置する。さらに、この基板を外部回路と電気的
、機械的に接続するために接続ピンを接続する。

これらの接続には、機械的、電気的、化学的に高度の信
頼性が要求され、従来より５ｎ−Ｐｂ系のはんだ合金が
広く使用されている。

また、近年、電子回路装置の構造は、複雑化、多層化の
一途を辿っており、各構成要素を順次接続していくため
には１作業温度階層別に融点の異なる多種類のはんだ合
金が必要とされる。この中でも、特に、作業温度が２２
５６Ｃ〜２５０℃であるような接続には、５ｎ−３，５
Ａｇ　（組成の比率は重量％、以下同様）はんだ合金の
使用が、融点と接続強度の点から有効であると考えられ
る。この合金は、「金属データブック」　冨日本金属学
会編；丸善；昭和５９年１月３０日発行；　Ｐ２Ｏ３に
記載されている。

ところが、この５ｎ−３，５Ａｇはんだ合金は、後に詳
しく示すように、Ｓｎの低温変態、Ａｇのマイグレーシ
ョンの発生、Ｓｎボイス力の発生・成長といった問題点
があり、電子回路装置の接続の信頼性を低下させる原因
となっている。

なお、この種のはんだ合金に関連するものとして、利用
分野は本発明と異なるが、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金にＢ
ｉまたはＩｎを添加することにより、超電導線間のはん
だ接合部分から誘起される結合電流を減少させる技術を
開示するものとして、特公昭５８−２９１９８号、同５
８−２９１９９号公報がある。

［発明が解決しようとする課題］５ｎ−３，５Ａｇはんだ合金の第１の問題点は、この合
金中のＳｎの低温変態による影響である。

金属Ｓｎ（β−５ｎ）は、１３℃以下の温度においてα
−５ｎに変態する。実質的には、変態速度が遅いため、
−４０〜−５０℃以下で問題になる。α−３ｎは、灰色
の粉末で非常に脆く、変態の際に２６％の体積増加を伴
なう。５ｎ−３，５Ａｇはんだ合金は、Ｓｎの含有率が
高いため、Ｓｎの低温変態が生じた場合に、はんだ接続
部に破壊が生じる恐れがある。

第２の問題点は、Ａｇのマイグレーションの発生である
。

電子回路装置の微細接続は、セラミック基板表面のメタ
ライズ層に行なわれている場合が多く、また、セラミッ
クの表面には、常に水分が存在しやすいことがわかって
いる。さらに、電子回路装置の微細接続部には、電子回
路の一部としての機能も果たす部分があり、この部分に
は電界が生じる。このように、電子回路装置内のはんだ
微細接続部間は、マイグレーションの生じやすい環境に
ある。さらに、Ａｇはマイグレーションを生じやすい金
属として知られている。５ｎ−３，５Ａｇはんだ合金を
用いて、電子回路装置内の各構成要素の微細接続を行な
った場合、以上の原因によりＡｇのマイグレーションが
生じて電子回路の短絡等につながる可能性がある。

第３の問題は、Ｓｎホイスカの発生・成長である。

このＳｎボイス力は、Ｓｎの表面から自然に発生する結
晶であり、長さ数ミリメートルの細いひげ状態にまで成
長することがある。Ｓｎの含有率が高い５ｎ−３，５Ａ
ｇはんだ合金は、Ｓｎホイスカが発生・成長する可能性
があり、電子回路装置の微細接続部にボイス力が発生・
成長すると短絡等の原因となる。

第４の問題点は、腐食である。

電子回路装置は、自身の発熱により高温下にさらされる
機会が多いため、各構成要素のはんだ接続部に腐食が生
じ、接続強度が劣化する恐れがある。

本発明の第１の目的は、上記のような問題点が発生する
ことなく、機械的、電気的、化学的に高い信頼性をもち
、かつ、作業温度領域が２２５℃〜２５０℃であるよう
なはんだ合金を提供することにある。また、本発明の第
２の目的は、これを使用して電子回路装置の各構成要素
を接続することにより、機械的、電気的、化学的に接続
信頼性の高い電子回路装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］そこで、本発明者等は、電子回路装置の各構成要素を高
い信頼性で接続するために、特に、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ
合金への他元素の添加による効果という観点から、信頼
性の高いはんだ合金を得るための研究を行なった結果、
従来のＳｎ−Ａｇ系はんだ合金（Ａｇ　：　２．０〜８
．０重量％、特に３．５重景％中心）に、Ｓｂ　：　０
．０１〜０．５重量％、Ｐｂ　：　０．０１〜２．０重
量％のうちの１種または２種を添加することにより、前
述の目的を達成することが可能である、という結論を得
た。

すなわち、本発明は、上記課題を解決する手段として、
はんだ合金が、Ｐｂ　：　０．０１〜２．０重量％、Ｓ
ｂ　：　０．０１〜０．５重量％のうちの１種または２
種と、Ａｇ　：　２．０〜８．０重量％を含有し、残部
がＳｎと不可避不純物から成るものであることを特徴と
する。

各元素の組成を上記の如く限定したのは、以下の理由に
よる。

まず、ＳｎにＡｇを添加するのは、強度を向上させるた
めである。強度確保のため、Ａｇの組成を２．０重量％
以」−としている。ＳｎとＡｇは、２元共品系を形成し
、共晶点における組成はＡｇ　：　３．５重量％、融点
は２２］°Ｃである。ここで、本発明の日的のうちの一
つである２２５℃〜２５０℃の作業温度領域を確保する
ため、Ｓｎ−Ａｇ２元系状８図を参照してＡｇの組成を
８．０重量％以下とした。

ｓｂもしくはＰｂまたはこの両方の元素を添加するのは
、上記した四つの問題点を解決するためである。すなわ
ち、■合金中に含まれるＳｎの低調変態の発生を抑え、
■）合金中に含まれるＡｇのマイグレーションの発生を
抑え、■Ｓｎホイスカの発生・成長を防ぎ、■腐食を防
止することのためである。

一方、ｓｂおよびｐｂは、他の金属と合金にした場合、
その硬さを増す性質があり、ｓｂでは０．５重量％を、
　ｐｂでは２．０重量％を越えると、合金が脆くなりす
ぎて、はんだ合金として不適である。一方。

Ｏ０旧重量％未満では、前述の問題点を解決する効果が
見られないので、上記の範囲が好ましい。

なお、本発明において不可避不純物として含まれるもの
は、例えば、Ｃ，Ｎ、０等であり、含有基はｌｏＯｐｐ
ｍ以下である。

［実施例コ以下、本発明の実施例について説明する。

まず、試料１〜６は、本発明による実施例のはんだ合金
で、純度９９．９９％のＳｎと、純度９９．９９％のＡ
ｇと、純度９９．９９％のｐｂまたは９９．９９％のｓ
ｂとを用いて製作した。ここで、試料１〜３は、Ｐｂ、
　ＡｇおよびＳｎを成分とする合金であり、試料４〜６
は、Ｓｂ、　ＡｇおよびＳｎを成分とする合金である。

これらの成分組成を第１表のＮｏ、　１〜６に示した。

次に、試料７〜１１は、比較例としての公知のはんだ合
金で、純度９９．９９％のＳｎと、純度９９．９９％の
Ａｇと、純度９９．９９％のｐｂ、純度９９．９９％の
Ｂｊまたは純度９９．９９％のＩｎとを用いて製作した
。ここで、試料７および８は、ＡｇおよびＳｎを成分と
する合金であり、試料９は、Ｂｉ、ＡｇおよびＳｎを成
分とする合金であり、試料１０は、丁ｎ、　Ａｇおよび
Ｓｎを成分とする合金である。なお、試料１１は、Ｓｎ
−Ａｇ系合金ではないが、参考として加えたもので、ｐ
ｂおよびＳｎを成分とする合金である。これらの成分組
成を第１表のＮｏ、　７〜１１に示した。

第１表次に、上記した本実施例のはんだ合金が、上述した接続
信頼性に関する各種問題点を改善しているか否かを検証
する。

実験の準備として、まず、第１表に示す組成のはんだ合
金を、０．３　ｎｗｎφの微小ボール、および、厚さ０
．６１１ＩＴＩの箔に形成した。このはんだボール、は
んだ箔を用いて以下の実験を行なった。なお、本発明に
よるはんだ合金と作業温度領域は異なるが、極めて広く
使用されている５ｎ−３７Ｐｂ共品はんだ合金（Ｎα１
１）についても、比較のため、同様の実験を行なった。

第１に、はんだ合金中のＳｎの低温変態の有無を調べる
ため、はんだボール１２を、第２図に示すように、セラ
ミック板１３の上に約１ｄの領域に一層に敷きつめたも
のを、第１表のＮα１〜Ｎα１１のはんだ合金に対して
、それぞれ３個ずつ作成し、それぞれ、−６０℃、−３
５℃、−１０℃の低温恒温槽中に放置し、一定時間後、
Ｘ線回折により、各はんだボール中に低温変態で生じた
α−５ｎが存在するかどうかを調べた。

第２にマイグレーション発生の有無を調べるため、第３
図に示すように、セラミック基板１４上にＷ／Ｎｉ／Ａ
ｕのメタライズ層を形成し、その−にに、はんだ材１５
として、先に作成したはんだ箔をメタライズパターンの
大きさに切り出して載せ、さらに、その上にＣｕの細線
１６を載せて、２４０°Ｃで熱処理を行った試料を、第
１表のＮａ　１〜１１のはんだ合金について、それぞれ
３個作成した。これを、８５°Ｃ２８５％ＲＨの恒温恒
湿槽に入れ、第３図に示すように、Ｃｕ細線１６にそれ
ぞれ直流電圧５０Ｖ、３０Ｖ、ＩＯＶを印加し、マイグ
レーションが生じて回路が短絡するまでの時間を測定し
た。

第３に、Ｓｎホイスカの発生の有無を調べるため、第４
図に示すように、１０１００ｎ　Ｘ　２０ｍｍ　Ｘ　５
　ｎｗｎのＣｕ板１７を、はんだ槽で溶融した第１表の
Ｎｎ　１〜Ｎ０１１のはんだ合金中に投入する方法で、
表面にはんだ材１８をコーティングし、５０℃の恒温槽
中に投入して、一定時間後に表面を走査型電子顕微鏡で
観察した。

第４に、腐食の発生の有無を調べるため、本項第１番目
の実験で作成した試料と同様の試料を別途作成し、８５
℃、８５％ＲＨの恒温恒湿槽に放置し、一定時間後、走
査型電子顕微鏡により表面腐食の有無を観察し、また、
はんだボールの重量を測定することにより腐食等による
重量減少を測定した。

以上の１〜４の実験の結果をまとめて第２表に示す。

同表に示す結果によれば、先ず、Ｓｎの低温変態につい
ては、実施例のはんだは、−１０℃、−３５°Ｃおよび
一６０℃において、１００００時間経過時点で、試料１
〜６のいずれについても変態が発生しなかった。

これに対して、比較例のはんだは、−６０℃において、
８０００時間経過時点で、試料７に変態が発生した。ま
た、−６０°Ｃにおいて、９０００時間経過時点で、試
料８に変態が発生した。なお、他のものについては、１
００００時間経過時点では変態が発生しなかった。

マイクレージョンについては、実施例のはんだは、５０
Ｖ、３０Ｖおよび１０■におイテ、１００００時間経過
時点で、試料１〜６のいずれについても短絡を生じなか
った。

これに対して、比較例のはんだは、５０Ｖにおいて、８
０００時間経過時点で試料９に、８５００時間経過時点
で試料１０に、９０００時間経過時点で試料８に、およ
び、９５００時間経過時点で資料７にそれぞれ短絡が発
生した。なお、３０ＶおよびＩＯＶにおいては、１００
００時間経過時点では短絡を生じなかった。また、試料
１１については、５０Ｖ、３０Ｖおよび１０ｖのいずれ
においても、１ｏｏｏ。

時間経過時点では短絡を生じなかった。

ボイス力については、実施例のはんだは、１、００００
０時間経過点で、試料１〜６のいずれについても発生が
みられなかった。

これに対して、比較例のはんだは、７０００時間経過時
点で、試料７および８にホイスカの発生が観察された。

なお、比較例の他の試料９，１０および１１については
、１００００時間経過時点で、ボイス力の発生はみられ
なかった。

腐食については、実施例のはんだは、５０００時間経過
時点で、試料１〜６のいずれについても、重量の減少が
０．０％で、腐食は発生しなかった。

これに対して、比較例のはんだは、５０００時間経過時
点で、試料７および８に１．０％、試料９および１０に
０．１％、試料１１に５．０％の重量減少が各々発生し
、腐食の進行がみられた。

以上の実験結果を整理すると、本発明による実施例のは
んだは、Ｓｎの低温変態、マイグレーション、ボイス力
および腐食のいずれの項目についても、長時間問題を生
じないことが明らかとなった。

これに対して、比較例のはんだは、上記４項目の一部な
いし全部について問題を生じている。この結果より、本
発明によるはんだ合金は、比較例の公知はんだと較べて
、優れた信頼性を示すことがわかり、このはんだ合金を
用いて接続した電子回路装置は優れた接続信頼性を有す
ると言える。

次に、上述した本発明のはんだ合金を用いて接続を行な
う電子回路装置の実施例について、図面を参照して説明
する。

第１図は、Ｐｂ：１．０重量％、　Ａｇ：３．４７重量
％、Ｓｎ：９５．５３重量％の成分組成から成る微小は
んだボールによって、ＬＳＩチップとセラミックの多層
配線基板を接続した部分を有する、本発明の一実施例で
あるところの電子回路装置の概略を示したものである。

本実施例の電子回路装置は、複数個のＬＳＩチップ１を
多層配線基板２上に、所定の配置パターンに従って配置
し、このＬＳＩチップ１上に熱伝導中継部材５を載せ、
該中継部材５上から、上記多層配線基板２に、これを覆
うキャップ４を載置し、このキャップ４の上面に冷却板
３を積層しである。

また、この多層配線基板２は、配線ボード７に設けられ
た接続ピン６に載せて接続され、電子回路を構成してい
る。

この電子回路装置を製造するに際しては、まず、ＬＳＩ
チップ１と、セラミックの多層配線基板２と、冷却板３
と、キャップ４と、熱伝導中継部材５と、接続ピン６と
、配線ボード７と、Ｐｂ：１．．０重量％。

Ａｇ：　３．／１７重量％、　Ｓｎ：９５．５３重量％
から成るはんだ合金から作った微小はんだボール８と、
Ｐｂ：３７．０重量％、　Ｓｎ：６３．０重量％から成
るはんだ合金９と、Ｐｂ：９８．０重量％、　Ｓｎ：２
．０重量％から成るはんだ合金１ｏと、Ａｇニア２．０
重量％、　Ｃｕ：２８．０重量％から成る銀ろう１１を
準備する。

しかる後に、まず、セラミックの多層配線基板２の裏面
と接続ピン６との間に、Ａｇニア２．０重量％。

Ｃｕ　：　２８　、０重量％から成る銀ろう１１を介在
させて、８００℃に加熱した後、冷却する熱処理（以下
、単に熱処理と呼ぶ）を行なうことによって、両者を接
続する。

次に、セラミックの多層配線基板２の表面とＬＳＩチッ
プ１との間に、Ｐｂ：１，０重量％、　Ａｇ：３，４７
重量％、　Ｓｎ：９５．５３重量％から成るはんだ合金
から作った微小はんだボール８を介在させて、２４０　
’Ｃの熱処理を行なうことによって、両者を接続する。

一方、冷却板３とキャップ４との間にＰｂ：９８．０重
量％、　Ｓｎ：２．０重量％から成るはんだ合金１０を
介在させて、３４０℃の熱処理を行なうことによって両
者を接続する。

さらに、セラミックの多層配線基板２上に接続されたＬ
ＳＩチップ１上に熱伝導中継部材５を配置した後、セラ
ミックの多層配線基板２０周辺と、先に接続した冷却板
３とキャップ４のキャップ４側の周辺との間に、Ｐｂ：
　３７．０重量％、　Ｓｎ：６３．０重量％から成るは
んだ合金９を介在させて、２００℃の熱処理を行なうこ
とによって両者を接続する。

以上、本発明の一実施例について述べたが、本発明は、
上述の実施例に限定されるものではなく、さらに変形可
能なものである。本発明のはんだ合金は、例えば第１図
に示す構成の電子回路装置においては、はんだ合金９ま
たは１０の接続箇所にも適用できる。ただし、このそれ
ぞれの場合、他の接続箇所に使用するはんだ合金は、温
度階層を考慮して選定する必要がある。また、電子回路
装置の構成要素は、第１図の実施例に限定されるもので
はない。

［発明の効果］以上説明したように、本発明によるはんだ合金は、従来
公知のＳｎ−Ａｇ系はんだ合金と比較して、（１）はん
だ合金中のＳｎが低温変態しにくいこと、（２）マイグ
レーシゴンが発生しにくいこと、（３）ボイス力が発生
しにくいこと、（４）腐食しにくいことの効果がある。

また、このように、本発明によるはんだ合金を用いた電
子回路装置の接続部分は、機械的、電気的、化学的に高
い信頼性を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の電子回路装置の構成を示す
要截断斜視図、第２図、第３図、第４図ははんだ合金の
信頼性評価試験に用いた試料の概要を示す斜視図である
。１・・ＬＳＩチップ、２・・多層配線基板、３・・・冷
却板、４・・・キャップ、５・・・熱伝導中継部材、６
・・・接続ピン、７・配線ボード、８・・はんだボール
、９・はんだ合金、１０・・・はんだ合金、１１・・銀
ろう。

Claims

【特許請求の範囲】１、Ｐｂ：０．０１〜２．０重量％、Ｓｂ：０．０１〜
０．５重量％のうちの１種または２種と、Ａｇ：２．０
〜８．０重量％を含有し、残部がＳｎと不可避不純物か
ら成ることを特徴とするはんだ合金。２、Ｐｂ：０．０１〜２．０重量％、Ｓｂ：０．０１〜
０．５重量％のうちの１種または２種と、Ａｇ：２．０
〜８．０重量％を含有し、残部がＳｎと不可避不純物か
ら成るはんだ合金で接続した部分を有することを特徴と
する電子回路装置。