JPH08116169A - 合金はんだ接続アセンブリおよび接続方法 - Google Patents

合金はんだ接続アセンブリおよび接続方法

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JPH08116169A
JPH08116169A JP7274745A JP27474595A JPH08116169A JP H08116169 A JPH08116169 A JP H08116169A JP 7274745 A JP7274745 A JP 7274745A JP 27474595 A JP27474595 A JP 27474595A JP H08116169 A JPH08116169 A JP H08116169A
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JP
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solder
alloy
alloy solder
indium
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JP7274745A
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John L Leicht
ジョン・エル・レイクト
William R Bratschun
ウィリアム・アール・ブラッチュン
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Motorola Inc
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱的に引き起こされる有害な剪断応力を低減
して疲労および機械的障害に耐えるより従順性あるはん
だ接続構造を実現する。 【解決手段】 電子アセンブリ１００は２つの基板１０
６，１０８の接合面２０２，２０４を結合する多数のは
んだ接続１０１を含む。はんだ接続２０１は始めにより
従順性の低いはんだペースト３１２，３１４および従順
性あるプリフォーム２１０をリフロー加熱し、プリフォ
ーム２１０の従順性ある材料がはんだペースト３１２，
３１４内に溶け込む。はんだペースト３１２，３１４の
凝固によって、除々に変化する濃度の従順性ある材料を
有する混合領域５２０，５２２がフィレット２１２，２
１４とプリフォーム２１０との間に形成される。混合領
域５２０，５２２は電子アセンブリ１００の熱サイクル
によって生じる剪断応力をフィレット２１２，２１４か
ら従順性あるプリフォーム２１０内に伝達する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は一般的にはピンレス
（ピン無し）コネクタ構造に関し、かつ、より特定的に
は、はんだ接続構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】電子製造工業は電子集積回路（ＩＣ）パ
ッケージの基板への接続手段としてのピンの使用から離
れつつある。ますます小さな電子部品の製造によって入
力／出力の制約が実感される。さらに、ピンコネクタは
受入れ難いほど高い障害率を有している。ＩＣパッケー
ジおよびピンコネクタのこれらのおよび他の品質の制約
および物理的制約を克服するため、ＩＣパッケージを基
板に接続するのに表面実装はんだ接続構造が開発され
た。
【０００３】表面実装はんだ接続構造を使用するＩＣパ
ッケージはグリッドアレイパッケージ（ｇｒｉｄ ａｒ
ｒａｙ ｐａｃｋａｇｅ）と称される。今日、グリッド
アレイパッケージはコンピュータから電話交換機にいた
る電子機器において使用されている。グリッドアレイパ
ッケージを基板に実装するためには多数のはんだ接続構
造を必要とする。グリッドアレイパッケージをはんだ接
続構造を介して基板に取り付けることによって得られる
電子アセンブリは典型的には以下に説明するように製造
される。
【０００４】はんだ接続構造は一般にはんだフィレット
によって２つの基板の接合面の間に電気的に接続された
ボール形状のはんだ部分（「ボール」）からなる。取付
けおよびはんだ接続構造の作成の前に、はんだフィレッ
トはペースト（「ペースト」）の形式になっている。前
記ボールは典型的にはペーストよりも高い融点を有す
る。電子アセンブリは、始めに、グリッドアレイパッケ
ージの接合面上に配置されたペーストと接触してボール
を配置しかつ、第２に、ペーストの融点より高いがボー
ルの融点より低い熱を加えることによって製作できる。
その結果、溶けたペーストはボールをぬらしかつボール
をグリッドアレイパッケージの接合面に接着しかつ後に
フィレットへと凝固する。電子アセンブリは次に、同様
にペーストを基板の対応する接合面上に施し、グリッド
アレイパッケージに対向するボールの領域をペーストに
接触させ、かつ同様に必要な熱を加えることによって、
完成させることができる。上記方法ならびに他の製造方
法は、例えば、米国特許第５，０６０，８４４号、「相
互接続構造および試験方法」、ビーフン（Ｂｅｈｕｎ）
他、により詳細に説明されている。
【０００５】はんだ接続構造は温度によって引き起こさ
れる剪断応力およびひずみ（ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｓｓ
ｅｓ ａｎｄ ｓｔｒａｉｎｓ）によって生じる累積的
な弱体化により限られた寿命を有する。はんだ接続構造
はしばしば異なる構成内容の基板を取り付けなければな
らず、例えば、グリッドアレイパッケージは典型的には
セラミックから構成され、一方プリント回路基板（ＰＣ
Ｂ）はたいていの場合エポキシから構成される。異なる
基板は温度の変化に関して異なる割合で膨脹する傾向が
あるから、はんだ接続構造は機械的な障害なしにそのよ
うな膨脹を受け入れるために柔軟でありまたは弾力性
（ｃｏｍｐｌｉａｎｔ）がなければならない。はんだ接
続構造を使用する電子装置は典型的は周期的な動作から
温度変化を受けるから、該はんだ接続構造は疲労に対し
て耐性のあるものでなければならない。
【０００６】従来技術のはんだ接続構造は典型的には２
つの成分、スズ（ｔｉｎ）および鉛（ｌｅａｄ）、を含
む合金から構成される。前記ボールは約９０％の鉛と１
０％のスズから構成される。前記ペーストおよびそこか
ら生じるフィレットは約６３％のスズと３７％の鉛から
構成される。ボールとペーストの組成は特定のものが選
択され、これはそれによって加熱の間の各面のぬれ性
（ｗｅｔｔｉｎｇ）および取付けが容易に可能となるた
めである。また、従来技術のはんだ接続構造のボールお
よびペーストの成分は同じ応力−ひずみ（ｓｔｒｅｓｓ
−ｓｔｒａｉｎ）性能を有し、それらが単一体としてふ
るまうようにしている。これは剪断強度および張力強度
を伸びに対して比較することによって見ることができ、
従順性（ｃｏｍｐｌｉａｎｃｙ）を定義するのに使用で
きる（マンコ（Ｍａｎｋｏ）による、「はんだおよびは
んだ付け（Ｓｏｌｄｅｒｓ ａｎｄ Ｓｏｌｄｅｒｉｎ
ｇ）」、第２版、マックグロウヒル、ページ１３２、表
４−３を参照）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】従来技術のはんだ接続
構造は主としてスズおよび鉛の合金から構成されるた
め、それらは電子アセンブリの動作の間におけるそれら
の基板の温度に関連する膨脹および収縮に耐えるための
必要な従順性および疲労に対する耐性を欠いている。
【０００８】従って、必要なことはより柔軟性または従
順性がありかつ疲労に対する耐性を有し、かつ温度によ
って引き起こされる剪断応力に耐えることができるコス
ト効率のよい、量産可能なはんだ接続構造である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は疲労に対する耐
性を有するはんだ接続構造を提供する。該はんだ接続構
造は柔軟性または従順性ある（ｃｏｍｐｌｉａｎｔ）は
んだ合金から形成されたプリフォーム（予備的形成品）
からなり、該プリフォームは該プリフォームおよび２つ
のフィレットの徐々に変化する濃度を有する混合された
領域によって、比較的従順性がより低いはんだ合金で形
成される２つのフィレットの間に接続可能に配置され
る。各々のフィレットはさらに基板の接合面に取り付け
られる。
【００１０】該はんだ接続構造のはんだ接続は、コスト
効率のよいより従順性の低いはんだペーストを基板の接
合面上に被着し、前記従順性あるプリフォームを前記ペ
ーストと接触して配置し、かつ前記ペーストおよび前記
プリフォームを加熱して前記プリフォームからの従順性
ある材料（はんだペーストには存在しない）が前記ペー
スト内に溶解して入り、凝固したペーストから生じるフ
ィレットが始めに被着されたペーストに関して組成的に
異なるようにすることによって製造される。前記溶解に
よって生じる従順性ある材料の「剪断（ｓｈａｒｉｎ
ｇ）」は従来技術に対してはんだ接続をより従順性があ
りかつ疲労に対する耐性があるようにしかつ、従って、
有害な剪断応力の印加を緩和することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】図１は、本発明に係わる部分的に
示されたプリント回路基板１０８上に実装されたグリッ
ドアレイＩＣ（集積回路）パッケージ１０６を備えた電
子アセンブリ１００の斜視図を示す。該電子アセンブリ
１００は、コンピュータまたは電話交換機のような、電
子装置内の電気回路の一部からなるものとすることがで
きる。グリッドアレイパッケージ１０６は高密度の入力
／出力を必要とする任意のＩＣ部品、例えばＪＥＤＥＣ
登録第ＭＯ−１５６号に記載されたセラミックボール・
グリッドアレイ・ファミリ、とすることができる。
【００１２】グリッドアレイパッケージ１０６は、エポ
キシおよびグラスファイバから構成できる、回路基板１
０８上に多数のはんだ接続構造１０１によって実装され
ている。はんだ接続構造１０１はグリッドアレイパッケ
ージ１０６の底面に配置された接合面（または表面導
体）の２次元配列を回路基板１０８の上面に配置された
接合面の対応する配列と相互接続する。前記接合面はグ
リッドアレイパッケージ１０６からなる電子部品を配線
パターンまたはトレース１０９を介して回路基板１０８
上に配置された隣接する電子回路（図示せず）へと効率
的に結合する。グリッドアレイパッケージ１０６および
回路基板１０８が図１に示されているが、本はんだ接続
構造１０１は適切な接合面を有する任意の２つの基板を
相互接続できることが理解されるべきである。
【００１３】前記多数のはんだ接続構造１０１は従順性
を持たせ電子アセンブリ１００の動作の間にひずませる
ことによって加えられる応力を緩和することができなけ
ればならない。電子アンブリ１００の動作の間に、熱エ
ネルギ、すなわち、熱、が発生される。電子アセンブリ
１００の温度が上昇するに応じて、グリッドアレイパッ
ケージ１０６および回路基板１０８の双方が膨脹する。
異なる組成のため、グリッドアレイパッケージ１０６お
よび回路基板１０８は異なる割合の熱膨脹を受ける。セ
ラミック材料からなる、グリッドアレイパッケージ１０
６は該グリッドアレイパッケージ１０６の温度が上昇す
るセ氏の毎温度ごとにほぼ７ｐｐｍ（ｐａｒｔｓ ｐｅ
ｒ ｍｉｌｌｉｏｎ）膨脹する。エポキシおよびグラス
ファイバから構成できる、回路基板１０８は該回路基板
１０８の温度が上昇するセ氏の毎温度ごとにほぼ１８ｐ
ｐｍだけ膨脹する。グリッドアレイパッケージ１０６お
よび回路基板１０８が異なる割合で膨脹するに応じて、
多数のはんだ接続構造１０８に対して応力が分与され
る。
【００１４】同様に、多数のはんだ接続構造１０１は電
子アセンブリ１００が動作を停止したときにひずんだ状
態から弾力的に戻ることができるように従順性がなけれ
ばならない。上で述べた熱膨脹に関連して電子アセンブ
リ１００が動作を停止しかつ冷却されたときにグリッド
アレイパッケージ１０６と回路基板１０８が異なる割合
で引き続き収縮を行う。冷却が発生しかつグリッドアレ
イパッケージ１０６および回路基板１０８が異なる割合
でかつ加熱の間に生じたひずみ状態からの戻りは別とし
て収縮が生じると、多数のはんだ接続構造１０１はまた
該収縮にわたり与えられる付加的な応力にさらされる。
【００１５】従って、上記多数のはんだ接続構造１０１
は有害な応力レベルの累積を防止するために従順性を持
たなければならないのみならず、電子アセンブリ１００
が動作に入りかつ動作を停止するとき異なる割合でグリ
ッドアレイパッケージ１０６および回路基板１０８が周
期的に膨脹する加熱および、引き続く、収縮する冷却に
持ちこたえるよう疲労に対し耐性を持たなければならな
い。
【００１６】図２は、本発明に係わる図１の電子アセン
ブリ１００のはんだ接続構造１０１の１つを構成する部
分的な電子アセンブリ２００の側面断面図を示す。該部
分的な電子アセンブリ２００はグリッドアレイパッケー
ジの一部２０６および回路基板の対応する部分２０８を
含み、これらの要素の間にははんだ接続構造２０１があ
る。はんだ接続構造２０１はグリッドアレイパッケージ
２０６および回路基板２０８の、それぞれ、接合面２０
２および２０４を相互接続する。好ましい実施例では、
接合面２０２および２０４は銅、ニッケル、タングステ
ン、またはモリブデンからなる円形のメタライズされた
パッドとすることができる。グリッドアレイパッケージ
２０６の接合面２０２は導電性を促進するために金のよ
うな材料でめっきすることができる。しかしながら、し
ばしば、接合面２０２上に設けられた金めっきは初期リ
フロー加熱プロセスの間ははんだ接続構造２０１の取付
けを促進するために除去される。
【００１７】はんだ接続構造２０１は球形のプリフォー
ム２１０からなる。球形のプリフォーム２１０は従来技
術において使用されたボールと形状および機能において
同様のものである。球形のプリフォーム２１０は金属合
金はんだから構成される。従来技術に対してより従順性
および疲労への耐性を達成するため、本発明の球形のプ
リフォーム２１０はスズよりもむしろインジウムを含ま
せることができる。前に述べたように、従来技術のはん
だ接続構造のボールは、より従順性の低い材料である、
スズを使用している。その結果、本発明のはんだ接続構
造２０１はより低い応力レベルでひずませることができ
かつ、従って、疲労および障害につながる有害な応力レ
ベルの累積を防止する。
【００１８】はんだ接続構造２０１はさらに一対のフィ
レット２１２および２１４を備えている。該フィレット
２１２および２１４は好ましくは球形のプリフォーム２
１０を構成する金属合金はんだよりも比較的従順性が低
い金属合金はんだとされる。より低い従順性を達成する
ため、フィレット２１２および２１４はスズから構成さ
れる。該フィレット２１２および２１４は球形のプリフ
ォーム２１０をそれぞれの接合面２０２および２０４に
取り付ける。フィレット２１２および２１４はスズを含
みかつ球形のプリフォーム２１０よりも従順性が低いか
ら、フィレット２１２および２１４とそれぞれの接合面
２０２および２０４との間にもろい金属間層（ｉｎｔｅ
ｒｍｅｔａｌｌｉｃ ｌａｙｅｒ）が存在する。
【００１９】はんだ接続構造２０１を疲労に対してより
耐え得るものにするために、フィレット２１２および２
１４はテーパーが付けられており、それによってはんだ
接続構造２０１に伝達される剪断応力をはんだ接続構造
２０１内の最も小さな可能な断面積にかつもろい金属間
層から離れるよう集中させている。はんだ接続構造２０
１の前述の最も小さな可能な断面積（またはそれぞれの
接合面２０２および２０４が円形である場合にフィレッ
ト２１２および２１４の可能な最も小さな直径）はもろ
い金属間層にはなく、むしろフィレット２１２および２
１４の中にかつ従順性ある球形プリフォーム２１０の面
にまたは該面の近くに存在する。前記可能な最も小さな
断面積はそれぞれの接合面２０２および２０４の平坦な
面に平行な断面を取ることによって実現することがで
き、この断面は接合面２０２および２０４の面積より小
さな面積を有する。従って、剪断応力にさらされたと
き、はんだ接続構造２０１はその断面積が可能な最も小
さいところで、前記もろい金属間層ではなく前記従順な
球形プリフォーム２１０の面においてまたはその面の近
くで、最も多く応力を受ける。その結果、剪断応力はは
んだ接続構造１０１の従順性ある部分のひずみによって
安全に緩和することができる。
【００２０】図２のはんだ接続構造２０１は次のような
プロセスを使用して製造できる。図３の（ａ）は球形の
プリフォーム２１０をグリッドアレイパッケージ２０６
に取り付ける方法における１つの工程を示す。凝固の前
に、フィレット２１２は金属合金からなるはんだペース
ト３１２の形式となっている。はんだペースト３１２は
グリッドアレイパッケージ２０６の接合面２０２上に被
着される。所定の量のはんだペースト３１２が接合面２
０２上に被着されて得られる凝固されたフィレット２１
２が確実にテーパー状になるようにする。
【００２１】球形のプリフォーム２１０は次に矢印３１
６で示された方向に移動されかつはんだペースト３１２
と接触するようにされる。グリッドアレイパッケージ２
０６−接合面２０２−はんだペースト３１２−球形のプ
リフォーム２１０の構造が次に、ワットキンズ・ジョン
ソン（Ｗａｔｋｉｎｓ Ｊｏｈｎｓｏｎ）の対流式オー
ブンモデル番号第１８ＳＭＤ−６６のような、オーブン
によってリフロー加熱される。リフロー加熱ははんだペ
ースト３１２の融点より高い温度まで立ち上がるべきで
あるが、球形プリフォーム２１０の融点より低い温度で
約１５〜６０秒の時間の間行われるべきである。グリッ
ドアレイパッケージ２０６−接合面２０２−はんだペー
スト３１２−球形プリフォーム２１０の構造ははんだペ
ースト３１２の融点よりも高い温度まで加熱され、はん
だペーストがそれが放熱可能な構造における金属に接触
したときに早すぎる冷却を生じることを防止することが
必要である。この時間の間、球形プリフォーム２１０か
らのインジウムが、今や溶解した状態にある、はんだペ
ースト３１２内に溶け込む。インジウムのはんだペース
ト３１２内への溶解ははんだペースト３１２の再合金化
（ｒｅ−ａｌｌｏｙｉｎｇ）として特徴付けることがで
き、すなわち、今やインジウムを含む、はんだペースト
３１２は始めに被着したはんだペースト３１２と明らか
に異なる組成を有する。
【００２２】冷却によって、インジウムを含む前記再合
金化したはんだペースト３１２はフィレット２１２へと
凝固する。溶解したときは一様であるが、はんだペース
ト３１２はフィレット２１２へと凝固したとき多相（ｍ
ｕｌｔｉｐｈａｓｅ）混合物に類似する。フィレット２
１２は図５によりよく図示されているように球形プリフ
ォーム２１０およびはんだペースト３１２から徐々に変
化する材料の組合わせを有する。
【００２３】図３の（ｂ）は球形プリフォーム２１０を
回路基板２０８に取り付ける方法の一工程を示す。該方
法は図３の（ａ）に関して述べた方法と同様である。は
んだペースト３１２と組成が同じ、はんだペースト３１
４が所定量回路基板２０８の接合面２０４上に配置され
る。球形プリフォーム２１０のグリッドアレイパッケー
ジ２０６の反対側の部分は次に矢印３１８で示される方
向に移動されかつはんだペースト３１４と接触するよう
にされる。次に、球形プリフォーム２１０およびはんだ
ペースト３１４はリフロー加熱される。図２のはんだ接
続構造２０１は以上の方法工程から得られる。はんだ接
続構造２０１は図３の（ａ）および（ｂ）によって示さ
れる方法工程の順序を逆にすることによって製造でき、
すなわち、回路基板２０８をグリッドアレイパッケージ
２０６の取付けの前に球形プリフォーム２１０に取り付
けることも可能であることに注目すべきである。
【００２４】図１の電子アセンブリ１００の製造は上に
述べたプロセス工程を拡張して多数のはんだ接続構造１
０１による多数の並列接続を考慮することによって達成
できる。最初に、はんだペースト３１２のような、はん
だペーストが計量ステンシル（ｍｅｔｅｒｉｎｇ ｓｔ
ｅｎｃｉｌ）を使用してグリッドアレイパッケージ１０
６の接合面の２次元配列へとスクリーン印刷される。次
に、球形プリフォーム２１０のような、球形プリフォー
ムが、好ましくはアルミニウムで構成される、テンプレ
ートによって前記接合面と接触しかつ向きを合わせて配
置される。部分的に組み立てられた電子アセンブリは次
に前に述べたようにリフロー加熱されかつ、引続き、凝
固できるようにされる。次に、はんだペースト３１４の
ような、はんだペーストが回路基板１０８上に配置され
た接合面の対応する２次元配列上にスクリーン印刷され
る。グリッドアレイパッケージ１０６の接合面から伸び
る球形のプリフォームが次に回路基板１０８の対応する
接合面と接触するようにされかつリフロー加熱され、そ
して引き続き凝固できるようにされる。前に述べた工程
によっていったん接続されると、グリッドアレイパッケ
ージ１０６は回路基板１０８上に形成された電子回路に
おける他の構成要素とともに動作することができる。
【００２５】図２のはんだ接続コード２０１が図３の
（ａ）および（ｂ）の前に述べた方法工程によって製造
できるようにどのような合金が球形プリフォーム２１０
およびはんだペースト３１２および３１４を構成できる
かを決定する場合に種々の要因を考慮しなければならな
い。該要因は、それらに制限されるものではないが、コ
ンプライアンスおよび疲労耐性、融点の考慮事項、およ
び量産可能性ならびにコストを含む。さらに、前記合金
ははんだペースト３１２および３１４が球形プリフォー
ム２１０および接合面２０２および２０４の双方をぬら
すことができるようにはんだ付けできなければならな
い。
【００２６】コンプライアンスおよび疲労耐性を達成す
るため、はんだ接続構造２０１の球形プリフォーム２１
０は低い応力でひずむことができる従順性ある合金から
構成すべきである。この従順性またはコンプライアンス
は、典型的には障害応力における高いレベルの伸びによ
って特徴付けられる、インジウムの単純合金（ｓｉｍｐ
ｌｅ ａｌｌｏｙｓ）によって示される（前述のマンコ
（Ｍａｎｋｏ）による、「はんだおよびはんだ付け」、
表４−３を参照）。これらのインジウムの単純合金は約
３および５０％の間の重量パーセントのインジウムおよ
び残りの鉛から構成されるものを含むのが好ましい。特
定の例は約９５％の鉛および５％のインジウム、約９０
％の鉛および１０％のインジウム、約８１％の鉛および
１９％のインジウム、約７５％の鉛および２５％のイン
ジウム、および約５０％の鉛および約５０％のインジウ
ムからなる合金を含む。あるいは、インジウムの受入れ
可能な単純な合金はまた約９０および９７の間の重量パ
ーセントのインジウムおよび残りの銀からなるものを含
む。特定の例は約９０％のインジウムおよび１０％の銀
からなる合金を含む。
【００２７】リフロー加熱の間における球形プリフォー
ム２１０の液化を防止するため、球形プリフォーム２１
０を構成する合金の融点ははんだペースト３１２および
３１４を構成する合金の融点より高くなければならな
い。はんだ接続構造２０１は球形プリフォーム２１０と
はんだペースト３１２および３１４との融点の差が約２
５℃よりも小さくない場合に製作できる。例えば、もし
球形プリフォーム２１０が、約２３７℃の融点を有す
る、９０％のインジウムと１０％の銀の合金から構成さ
れれば、はんだ接続構造２０１は約６３％のスズおよび
３７％の鉛からなる合金で構成されかつ約１８３℃の融
点を有するはんだペースト３１２および３１４によって
球形プリフォーム２１０を接合面２０２および２０４に
取り付けることによって製作できる。製造を容易にする
ため、接合面および他の関連する部品の積極的な温度の
立上りおよび適切な加熱を可能にするためより大きな融
点の差を持つことが好ましい。これは前に述べかつ図５
を参照して以下に説明するようにはんだペースト３１２
および３１４の取付けおよび再合金化を実現する。従っ
て、例えば、好ましいはんだ接続構造２０１は９５％の
鉛および５％のインジウムの合金からなりかつ約３１４
℃の融点を有する球形プリフォーム２１０を６３％のス
ズおよび３７％の鉛の合金からなるはんだペーストと取
り付けることによって製作できる。上述したことに従っ
て、はんだペースト３１２および３１４はまた、約６２
％のスズ、３６％の鉛および２％の銀からなりかつ約１
７９℃の融点を有する合金、および約３５．５％のビス
マス、３５％の鉛、２０％のスズ、および９．５％のカ
ドミウムからなりかつ約９０℃の融点を有する合金によ
って構成できる（前記マンコ（Ｍａｎｋｏ）による、
「はんだおよびはんだ付け」、ページ１１０、表３−１
６を参照）。特定された融点は直接球形のプリフォーム
２１０およびはんだペースト３１２および３１４の合金
を構成する成分元素の割合に依存することに注目すべき
である。
【００２８】球形のプリフォーム２１０およびはんだペ
ースト３１２および３１４に対するもっともらしい組成
を示唆することに加えて、上に述べた合金の使用を正当
化するために量産性およびコストの考慮事項について考
察しなければならない。製造プロセスとの両立性を維持
するために、はんだペースト３１２および３１４は回路
基板２０８のすべての電子部品（グリッドアレイパッケ
ージ２０６に加えての部品）を典型的には回路基板の製
造を開始する一工程インラインスクリーン印刷プロセス
で取り付けることができるはんだ合金から構成されなけ
ればならない。その比較的低いコストのため、スズおよ
び鉛からなるはんだペースト３１２および３１４が典型
的には好まれる。
【００２９】始めにはんだペースト３１２および３１４
においてインジウムを備えた疲労に耐えるはんだ接続構
造を作成することも可能であるが、インジウムを含むは
んだペーストの高いコストおよび他の量産性の考慮事項
はこれを思いとどまらせる。インジウムのコストはスズ
および鉛のコストを大きく超えているためかつ自動化さ
れた組立てを維持しかつ無用のコストおよび品質のばら
つきを防止するために一工程スクリーン印刷製造プロセ
スが望まれるため、はんだペースト３１２および３１４
にインジウムを使用することは実際上実現できない。例
えば、高いコストのため、インジウムを含むはんだペー
ストはグリッドアレイパッケージ２０６を回路基板２０
８に取り付けるためにのみ使用され、従って他の電子部
品の取付けのために回路基板２０８の残りの部分にスズ
−鉛はんだペーストを印刷した後にグリッドアレイパッ
ケージの取付けのために回路基板上にインジウムを含む
はんだペーストをスクリーン印刷するための付加的な製
造工程を必要とする。さらに、インジウムを含む合金は
んだペーストはペースト化合物とのインジウムの反応に
より引き起こされるペーストの望ましくない硬直のため
に短い貯蔵寿命を有することが判定されている。
【００３０】はんだ接続構造２０１を形成するために組
み合わせることができる、上に述べたはんだペースト合
金、球形のプリフォーム合金、およびそれらの融点のい
くつかが明瞭化のため以下の表１に示されている。
【表１】 −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− はんだ 球形の 融点 ペースト プリフォーム （℃） の合金 の合金 −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− ６３％Ｓｎ／３７％Ｐｂ １８３ ３５．５％Ｂｉ／３５％Ｐｂ ／２０％Ｓｎ／９．５％Ｃｄ ９０ ６２％Ｓｎ／３６％Ｐｂ／２％Ａｇ １７９ ９５％Ｐｂ／５％Ｉｎ ３１４ ９０％Ｐｂ／１０％Ｉｎ ３００ ８１％Ｐｂ／１９％Ｉｎ ２８０ ７５％Ｐｂ／２５％Ｉｎ ２６４ ９０％Ｉｎ／１０％Ａｇ ２３７ ５０％Ｐｂ／５０％Ｉｎ ２０９ −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
【００３１】上に述べたことに従って、第１、第２およ
び第３、および第４の行のはんだペースト合金は第５、
第６、第７、第８、第９または第１０の行の球形プリフ
ォームの合金と組み合わせてはんだ接続構造２０１を形
成することができる。例えば、第１の行のはんだペース
トを構成する６３％のスズおよび３７％の鉛の合金は第
７行の球形プリフォームを構成する８１％の鉛および１
９％のインジウムの合金と組み合わせることができる。
あるいは、同様に、第２および第３行のはんだペースト
を構成する３５．５％のビスマス、３５％の鉛、２０％
のスズ、および９．５％のカドミウムの合金は第９行の
球形のプリフォームを構成する９０％のインジウムおよ
び１０％の銀の合金と、あるいは第１０行の球形のプリ
フォームを構成する５０％の鉛および５０％のインジウ
ムの合金と組み合わせることができる。
【００３２】図４は、従来技術のはんだ接続構造４０１
の顕微鏡的断面側面図４００を示す。図４の顕微鏡的側
面図４００は実質的に従来技術のはんだ接続構造の顕微
鏡写真と同様にされている。このはんだ接続構造４０１
はフィレット４１２および４１４の間に配置された球形
のプリフォーム４１０を備えている。従来のはんだ接続
構造４０１の球形プリフォーム４１０は約９０％の鉛お
よび１０％のスズから構成される。フィレット４１２お
よび４１４は約６３％の鉛および３７％のスズから構成
される。同じ組成のため、球形プリフォーム４１０およ
びフィレット４１２および４１４は同じ応力−ひずみ性
能を示し、このはんだ接続構造４０１が機械的に一様な
構造のようにふるまうことが示唆される。しかしなが
ら、いたるところにスズが存在するため、このはんだ接
続構造４０１は加えられる熱的に引き起こされる応力を
適切に緩和するようにひずむための従順性（ｃｏｍｐｌ
ｉａｎｃｅ）を欠いている。その結果、これらの応力は
このはんだ接続構造４０１内に累積する傾向があり最終
的に疲労および機械的障害につながる。
【００３３】顕微鏡的側面図４００はフィレット４１２
および４１４を構成する９０％の鉛および１０％のスズ
の合金と、球形プリフォーム４１０を構成する６３％の
鉛および３７％のスズの合金との間で明白な接合部分を
示している。リフロー加熱の間に、後に凝固してフィレ
ット４１２および４１４を形成するはんだペーストは単
に球形プリフォーム４１０の表面をぬらすだけである。
その結果、従来のはんだ接続構造４０１は上に述べた剪
断応力の影響を極めて受けやすくなる。
【００３４】図５は、本発明に係わる図２のはんだ接続
構造２０１の顕微鏡的側面図５００を示す。図５の顕微
鏡的側面図５００ははんだ接続構造２０１の顕微鏡写真
に実質的に適合するようにされている。顕微鏡的側面図
５００は一対のフィレット５１２および５１４の間に配
置された球形のプリフォーム５１０を示している。図４
のフィレット４１２および４１４を構成する合金と球形
プリフォーム４１０を構成する合金との間の明白な接合
部に対し、顕微鏡的側面図５００はそれぞれのフィレッ
ト５１２および５１４と球形プリフォーム５１０との間
に位置する混合したまたは溶け合った領域５２０および
５２２を示している。
【００３５】溶け合った領域５２０および５２２は後に
凝固してフィレット５１２および５１４を形成するはん
だペーストの再合金化（ｒｅ−ａｌｌｏｙｉｎｇ）から
生じる。リフロー加熱の間に、球形プリフォーム５１０
は頭を切り取って短くしたような形状になる。この切り
詰めは球形プリフォーム５１０を構成するインジウムの
いくらかが、はんだペースト３１２および３１４のよう
な、はんだペースト内に溶け込む結果として生じる。は
んだペースト内に溶解する球形プリフォーム５１０の量
は前記図３の（ａ）および（ｂ）に関連して説明した方
法ステップの間に接合面上に被着されるはんだペースト
の量に正比例する。
【００３６】溶け合った領域５２０および５２２は従順
性のより少ないフィレット５１２および５１４の従順性
ある球形プリフォーム５１０への接合を実現する。溶け
合った領域５２０および５２２は熱的に引き起こされる
応力をより従順性の少ないフィレット５１２および５１
４から従順性ある球形プリフォーム５１０へと転送し機
械的障害なしにまたは、特に、より従順性の少ないフィ
レット５１２および５１４からの従順性ある球形プリフ
ォーム５１０の剪断または分離を引き起こすことなしに
はんだ接続構造５０１の弾力的な曲げまたはひずみを可
能にする。
【００３７】溶け合った領域５２０および５２２そして
それぞれのフィレット５１２および５１４ははんだペー
ストから球形プリフォーム５１０への材料の組合わせの
除々の変化からなる。例えば、６３％のスズと３７％の
鉛からなるはんだペースト３１２および３１４および８
１％の鉛と１９％のインジウムからなる球形プリフォー
ム５１０の組合わせをリフロー加熱することにより、約
４２％のスズ、４０％の鉛、および１８％のインジウム
の組成を有する溶け合った領域５２０および５２２そし
てそれぞれのフィレット５１２および５１４を生じる。
６２％のスズ、３６％の鉛および２％の銀からなるはん
だペースト３１２および３１４そして８１％の鉛および
１９％のインジウムからなる球形プリフォーム５１０を
リフロー加熱することにより約４２％のスズ、４０％の
鉛、１８％のインジウムおよびわずかの量の銀の組成を
有する溶け合った領域５２０および５２２そしてそれぞ
れのフィレット５１２および５１４を生じ、この場合前
記銀のわずかな量は典型的には０．１％より少ないもの
である。６２％のスズ、３６％の鉛、および２％の銀か
らなるはんだペースト３１２および３１４と９０％の鉛
および１０％のインジウムからなる球形プリフォーム５
１０の組合わせによって約６４％のスズ、３２％の鉛、
４％のインジウム、およびわずかな量の銀の組成を有す
る溶け合った領域５２０および５２２そしてそれぞれの
フィレット５１２および５１４が形成される。また、６
２％のスズ、３６％の鉛、および２％の銀からなるはん
だペーストおよび９５％の鉛と５％のインジウムからな
る球形プリフォームは組合わされて約７６％のスズ、２
２％の鉛、２％のインジウム、およびわずかの量の銀の
組成を有する溶け合った領域５２０および５２２そして
それぞれのフィレット５１２および５１４を形成する。
インジウムがフィレット５１２および５１４にわたり存
在するが、インジウムのより高い濃度部分は溶け合った
領域５２０および５２２の近くと溶け合った領域５２０
および５２２の中に存在するのが典型的な例である。
【００３８】さらに、温度サイクルの試験によって本発
明に係わる上に述べた組合わせの合金を有するはんだ接
続構造の疲労寿命および信頼性は従来のはんだ接続構造
のものを超えていることが示された。例えば、本発明に
係わる８１％の鉛と１９％のインジウムからなる球形プ
リフォームから製作された多数のはんだ接続構造５０１
の約５℃から１００℃までの温度サイクルによって、ほ
ぼ２，２９０サイクルの後も何らの疲労も現われなかっ
た。９０％の鉛と１０％の鈴からなる球形プリフォーム
から製作された従来技術のはんだ接続構造の同じ試験で
は５２９サイクルで最初の障害が、１，２４８サイクル
で２番目の障害が、そして２，２２６サイクルで第３の
障害が発生している。
【００３９】２つの別個の元素を含む合金からなる従来
技術のはんだ接続構造と異なり、はんだ接続構造５０１
は第３の従順性ある元素、インジウム、を含んでいる。
はんだ接続構造５０１の従順性および疲労耐性は球形プ
リフォーム５１０とフィレット５１２および５１４の間
のインジウムの「共有（ｓｈａｒｉｎｇ）」（上に述べ
た溶解により生成される）の結果として存在する。
【００４０】はんだ接続構造５０１の上に述べた実施例
は球形プリフォームを使用するが、他の形状のはんだ合
金プリフォームを使用して疲労に耐えかつ従順性あるは
んだ接続構造を製造することも可能である。例えば、従
順性あるブロック形状、たる形状、または角柱形状のプ
リフォームもまたより従順性の低いフィレットおよび溶
け合った領域を介して（フィレットと接合面との間の）
金属間層から伝達される応力を受けかつ均等に分配する
ことができる。
【００４１】
【発明の効果】本発明ははんだ接続構造のための疲労に
耐えるはんだ接続を提供する。２つの基板の接合面を結
合する、はんだ接続構造は２つのより従順性の低い金属
合金はんだフィレットの間に接続可能に配置された従順
性あるまたは弾力性ある金属合金はんだプリフォームか
ら構成される。該はんだ接続構造は、鉛およびスズから
構成できる、はんだペーストを前記基板の１つの接合面
に被着することによって製作される。鉛およびインジウ
ムのような、より従順性または弾力性ある合金からな
る、プリフォームが前記ペーストと接触して配置され
る。前記プリフォームおよびペーストは次に充分にリフ
ロー加熱され、それによって従順性あるプリフォームか
らのインジウムがはんだペースト内に溶け込み、効果的
にはんだペーストを再合金化する。凝固したペーストか
ら生じる、フィレットは前記プリフォームおよびはんだ
ペーストの双方の金属合金はんだと組成の上で異なる
鉛、スズおよびインジウムを含む別個の金属合金はんだ
から構成される。上記プロセスは次に他の基板をプリフ
ォームに取り付けるために再び行なわれる。プリフォー
ムおよび再合金化したフィレットはインジウムを共有す
るから、はんだ接続構造はより従順性または弾力性があ
り、したがって熱的に引き起こされる有害な剪断応力を
低減することによって疲労および機械的障害に耐えるよ
うになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる回路基板上に実装されたグリッ
ドアレイ集積回路パッケージを含む電子アセンブリの斜
視図である。
【図２】２−２線に沿った図１の電子アセンブリのはん
だ接続構造の１つを含む部分的な電子アセンブリの断面
側面図である。
【図３】図２のはんだ接続構造の製造方法を示す断面的
説明図である。
【図４】従来技術のはんだ接続構造を示す顕微鏡的断面
側面図である。
【図５】本発明に係わる図２のはんだ接続構造を示す顕
微鏡的断面側面図である。
【符号の説明】
１００ 電子アセンブリ １０１ はんだ接続構造 １０６ グリッドアレイＩＣパッケージ １０８ 回路基板 １０９ 配線パターン ２００ 電子アセンブリの一部 ２０１ はんだ接続構造 ２０２，２０４ 接合面 ２０６ グリッドアレイパッケージ ２０８ 回路基板 ２１０ 球形プリフォーム ２１２，２１４ フィレット ３１２，３１４ はんだペースト ５００ 顕微鏡的側面図 ５０１ はんだ接続構造 ５１０ 球形プリフォーム ５１２，５１４ フィレット ５２０，５２２ 溶け合った領域

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板（２０６，２０８）の接合面（２０
    ２，２０４）への溶融合金接続を形成する方法であっ
    て、 （ａ）前記接合面（２０２，２０４）上に第１の融点を
    有する第１の合金はんだ（３１２，３１４）を被着する
    段階（図３（ａ）および（ｂ））、 （ｂ）前記第１の合金はんだ（３１２，３１４）と接触
    して柔軟性ある材料から形成される第２の合金はんだ
    （２１０）を配置する段階（図３（ａ））であって、該
    第２の合金はんだ（２１０）は前記第１の融点よりも大
    きな第２の融点を有するもの、そして （ｃ）前記第１の合金はんだ（３１２，３１４）および
    前記第２の合金はんだ（２１０）を前記第１の融点と前
    記第２の融点との間の温度に加熱して（図３（ｂ））、
    前記弾力性ある材料を前記第２の合金はんだ（２１０）
    から前記第１の合金はんだ（３１２，３１４）へと溶け
    込ませかつ前記第１の合金はんだ（３１２，３１４）を
    前記第１の合金はんだ（３１２，３１４）および前記第
    ２の合金はんだ（２１０）と組成が異なる第３の合金は
    んだ（５２０，５２２）へと変換する段階、 を具備することを特徴とする基板（２０６，２０８）の
    接合面（２０２，２０４）への溶融合金接続を形成する
    方法。
  2. 【請求項２】 前記段階（ｂ）において配置された前記
    第２の合金はんだ（２１０）は第１のインジウム合金は
    んだからなることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記段階（ａ）において被着された前記
    第１の合金はんだ（３１２，３１４）は実質的にインジ
    ウムがないことを特徴とする請求項２に記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記第３の合金はんだ（５２０，５２
    ２）は第２のインジウム合金はんだからなることを特徴
    とする請求項３に記載の方法。
  5. 【請求項５】 さらに、 （ｄ）前記溶融合金接続を冷却して（図３（ａ）および
    （ｂ））前記第３の合金はんだ（５２０，５２２）を前
    記第２の合金はんだ（２１０）および前記第１の合金は
    んだ（３１２，３１４）の元素の多相混合物へと凝固す
    る段階、 を具備することを特徴とする請求項１に記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記第１の融点は第２の融点よりも約２
    ５℃またはそれ以上の温度だけ低いことを特徴とする請
    求項１に記載の方法。
  7. 【請求項７】 前記第２の合金はんだ（２１０）は約３
    および５０の間の重量％のインジウムと残りの実質的な
    鉛からなることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  8. 【請求項８】 前記第２の合金はんだ（２１０）は約９
    ０および９７の間の重量％のインジウムと残りの実質的
    な銀からなることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  9. 【請求項９】 第１の基板（２０６／２０８）の第１の
    接合面（２０２／２０４）および第２の基板（２０８／
    ２０６）の第２の接合面（２０４／２０２）を相互接続
    する溶融合金接続アセンブリ（５０１）であって、 第１の融点を有する柔軟性あるはんだ合金で形成される
    プリフォーム（５１０）、 前記第１の融点よりも低い第２の融点を有するより柔軟
    性の低い組成が異なるはんだ合金で形成される第１のフ
    ィレット（５１２／５１４）および第２のフィレット
    （５１４／５１２）であって、前記第１のフィレット
    （５１２／５１４）および前記第２のフィレット（５１
    ４／５１２）は第１の接合面（２０２／２０４）および
    第２の接合面（２０４／２０２）のそれぞれの１つに取
    り付けられているもの、 を具備し、前記プリフォーム（５１０）は、前記プリフ
    ォーム（５１０）と前記第１のフィレット（５１２／５
    １４）および前記第２のフィレット（５１４／５１２）
    の除々に変化する濃度を有する溶け合った領域（５２
    ０，５２２）を生じさせるのに充分に加熱することによ
    って、前記第１のフィレット（５１２／５１４）および
    前記第２のフィレット（５１４／５１２）の間に接続可
    能に配置されていることを特徴とする溶融合金接続アセ
    ンブリ（５０１）。
  10. 【請求項１０】 前記プリフォーム（５１０）はインジ
    ウムの単純はんだ合金で構成されることを特徴とする請
    求項９に記載のアセンブリ。
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