JPWO2015037279A1 - 鉛フリーはんだ、鉛フリーはんだボール、この鉛フリーはんだを使用したはんだ継手およびこのはんだ継手を有する半導体回路 - Google Patents
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Abstract
Description
Agの添加量は、1.2質量%以上で4.5質量%以下(1.2≦Ag≦4.5)が好ましい。
Agは、Snと金属間化合物Ag3Snを形成して耐熱疲労特性(耐ヒートサイクル性)の向上に寄与する。Agはまた、はんだ付け時にはんだ付け部に対する濡れ性を良好にするとともに、液相線温度を低下させる効果がある。
Cuの添加量は、0.25質量%以上0.75質量%以下(0.25≦Cu≦0.75)が好ましい。Cuの添加量が0.25質量%より少ない(Cu<0.25)とはんだ接合部の界面におけるせん断強度(シェア強度)や濡れ性(濡れ広がり)が低下し、Cuの添加量が0.75質量%を超える(0.75<Cu)と、特に濡れ性(濡れ広がり)が悪くなるので、鉛フリーはんだの総合特性のさらなる向上を目指すためには、Cuの添加量は0.75質量%以下(Cu≦0.75)に制限する必要がある。Cuの含有量は、上述の範囲内でも特に、0.3〜0.75質量%が好ましく、その中でも0.5〜0.75質量%がさらに好ましい。
Biの添加量は1質量%以上5.8質量%以下(1≦Bi≦5.8)が好ましい。上限を超えるBi(5.8<Bi)を添加しても、下限未満のBi(Bi<1)を添加しても、何れも耐熱疲労特性が劣化(低下)するので、Biの添加量は、1〜5.8質量%が好ましく、そのなかでも、1〜5質量%が好ましく、特に3〜5質量%が好ましい。5質量%を超えた添加量(5<Bi)とすると、Biの単独相が現れ、Biはもともと脆い金属のため、衝撃特性が悪化してしまう。さらにこの範囲では、溶融温度域(固相線温度と液相線温度の差)が広くなり、実装工程において、部品の位置ずれ等の実装不良が発生する可能性がある。
Niの添加量は、0.01質量%以上0.15質量%以下(0.01≦Ni≦0.15)が好ましい。
この発明に係る鉛フリーはんだは、上記の必須添加物の他に、PやGeを添加してもよい。これは、はんだの酸化を防止してはんだ表面の変色を抑制するためであって、上記の必須添加物に、P、Geからなる群から選んだ1種以上を合計で0.0002〜0.05質量%添加することもできる。これらの添加によって、鉛フリーはんだの総合特性のさらなる向上を計ることができる。
なお、本発明に係る鉛フリーはんだは、低α線材を使用することによりα線量を低減することができる。これをメモリ周辺に使用することによりソフトエラーを防止することができる。
気中造球法で作製した直径0.3mmのはんだボールを用いて耐熱疲労試験を評価した。はんだボールは表1〜5に示す試料数だけ添加量(混合量)を替えて作製する。つまり、試料数だけ評価基板を作製して耐熱疲労試験を行う。耐熱疲労試験は以下の手順で実施する。試料として使用するチップは、WL−CSPチップである。
まず、厚み1.2mmのガラスエポキシ基板(FR−4)を用意し、この上に0.24mm × 16mmのスリット状の電極を形成する。このスリット状電極上に直径が0.24mmφのフラックス(千住金属工業株式会社製フラックスWF−6400)を、厚みが0.1mmとなるように印刷する。
まず厚みが1.2mmで、電極の大きさが直径0.24mmであるガラスエポキシ基板(FR−4)を用意する。次に、この電極の上に直径が0.24mmφで、厚みが0.1mmのフラックス(千住金属工業株式会社製フラックスWF−6400)を印刷する。フラックスの上面に直径0.3mmのはんだボールを搭載し、その状態で220℃以上(ピーク温度245℃)、40秒間のリフローを行う。リフローを行った試料を用いたシェア試験(せん断強度試験)によって、シェア(せん断)強度の測定を行う。
表1はこの発明に係る鉛フリーはんだの総合特性を示す。実施例1〜5および14は、Agを2.0質量%に固定したときの実験データである。Ag以外の添加量として、実施例1は本発明の請求項2における下限値を全て選択したときであり、実施例2はCuのみ上記下限値より僅かにアップさせたときであり、実施例3は、Ag以外は全て中間値を選択したときであり、実施例4はCuのみ上限値とし、それ以外は全て上記下限値としたときであり、実施例5はNiが前記下限値で、Cuを上限値、Biは中間値(3.0)としたときの数値である。実施例14は、実施例1と同じ値に設定すると共に、添加する金属としてPを下限値の0.0002質量%だけ添加したときのデータである。
表2は、Cu、BiおよびNiの配合量を固定し、Agの配合量を変えて、残部をSnとした場合(Ag=0〜6.0、Cu=0.75、Bi=3.0、Ni=0.02)の耐熱疲労特性および濡れ性を示す。Agの配合量は、比較例8では「0」、比較例9ではこの発明より低い値の「1」、実施例5では「2」、実施例16では「2.5」、実施例17では「3.5」、実施例18では「4」、比較例10ではこの発明より高い値の「5」、比較例11では更に高い「6」にそれぞれ選定した。これをグラフ化したものが図3である。上記特性の規定値もこの図中に示した。
表3は、Ag、BiおよびNiの配合量を固定し、Cuの配合量を変えて、残部をSnとした場合(Ag=2.0、Cu=0〜1.0、Bi=1、Ni=0.02)の濡れ性およびシェア特性を示す。Cuの配合量は、比較例12では「0」、比較例3ではこの発明より低い値の「0.2」、実施例1では「0.3」、実施例2では「0.5」、実施例19では「0.7」、実施例4では「0.75」、比較例13ではこの発明より高い値の「0.8」、比較例14では更に高い「1」にそれぞれ選定した。これをグラフ化したものが図4である。上記特性の規定値もこの図中に示した。
表4は、Ag、CuおよびNiの配合量を固定し、Biの配合量を変えて、残部をSnとした場合(Ag=2.0、Cu=0.75、Bi=0〜7.0、Ni=0.02)の耐熱疲労特性を示す。Biの配合量は、比較例15では「0」、比較例16ではこの発明より低い値の「0.9」、実施例4では「1」、実施例5では「3」、実施例20では「4」、実施例21では「5」、比較例17ではこの発明より高い値の「6」、比較例18ではさらに高い「7」にそれぞれ選定した。これをグラフ化したものが図5である。上記特性の規定値もこの図中に示した。
表5は、Ag、CuおよびBiの配合量を固定し、Niの配合量を変えて、残部をSnとした場合(Ag=2.0、Cu=0.75、Bi=3.0、Ni=0〜0.20)の耐熱疲労特性および濡れ性を示す。Niの配合量は、比較例19では「0」、実施例22ではこの発明の下限値「0.01」、実施例5では「0.02」、実施例23では「0.03」、実施例24では「0.1」、実施例25では「0.12」、実施例26では「0.15」、比較例20ではこの発明より高い値の「0.16」、比較例21では更に高い「0.20」にそれぞれ選定した。これをグラフ化したものが図6である。上記特性の規定値もこの図中に示した。
融点に関しては、液相線温度が240℃を超えないように金属の添加量を選定したため、比較例よりも低い値(215〜225℃)が得られている。これによってリフロー処理時における回路素子の熱損傷を未然に防止できる。
上述では、この発明に係る鉛フリーはんだを球状にし、球状にした鉛フリーはんだボールを半導体チップ2に接続して試料チップを作製し、この試料チップを回路基板7に搭載することでWL−CSPチップ20を構成した。そしてこのWL−CSPチップ20と共に他の電子部品を回路基板7に実装することで半導体回路15を得ることができる。
5・・・・はんだバンプ電極
7・・・・回路基板
10・・・CSPパッケージ
15・・・半導体回路
20・・・WL−CSPチップ
Biの添加量は1質量%以上5.8質量%以下((1≦Bi≦5.8)(ただし、1.0〜1.3質量%を除く))が好ましい。上限を超えるBi(5.8<Bi)を添加しても、下限未満のBi(Bi<1)を添加しても、何れも耐熱疲労特性が劣化(低下)するので、Biの添加量は、1〜5.8質量%(ただし、1.0〜1.3質量%を除く。)が好ましく、そのなかでも、1〜5質量%が好ましく、特に3〜5質量%が好ましい。5質量%を超えた添加量(5<Bi)とすると、Biの単独相が現れ、Biはもともと脆い金属のため、衝撃特性が悪化してしまう。さらにこの範囲では、溶融温度域(固相線温度と液相線温度の差)が広くなり、実装工程において、部品の位置ずれ等の実装不良が発生する可能性がある。
Niの添加量は、0.01超〜0.1質量%未満が好ましい。
Agの添加量は、1.2質量%以上で4.5質量%以下(1.2≦Ag≦4.5)(ただし、1.2〜1.5質量%を除く)が好ましい。
Agは、Snと金属間化合物Ag3Snを形成して耐熱疲労特性(耐ヒートサイクル性)の向上に寄与する。Agはまた、はんだ付け時にはんだ付け部に対する濡れ性を良好にするとともに、液相線温度を低下させる効果がある。
Claims (16)
- Ag:1.2〜4.5質量%、Cu:0.25〜0.75質量%、Bi:1〜5.8質量%、Ni:0.01〜0.15質量%、残部Snからなる
ことを特徴とする鉛フリーはんだ。 - Ag:2〜4質量%、Cu:0.3〜0.75質量%、Bi:1〜5質量%、Ni:0.02〜0.15質量%、残部Snからなる
ことを特徴とする請求項1に記載の鉛フリーはんだ。 - Ag:2.5〜3.5質量%、Cu:0.5〜0.75質量%、Bi:3〜5質量%、Ni:0.03〜0.12質量%、残部Snからなる
ことを特徴とする請求項1に記載の鉛フリーはんだ。 - 請求項1から3のいずれかの鉛フリーはんだとして、P、Geからなる群から選んだ少なくとも1種を合計量で、0.0005〜0.05質量%を添加する
ことを特徴とする鉛フリーはんだ。 - Ag:1.2〜4.5質量%、Cu:0.25〜0.75質量%、Bi:1〜5.8質量%、Ni:0.01〜0.15質量%、残部Snからなる
ことを特徴とする鉛フリーはんだボール。 - Ag:2〜4質量%、Cu:0.3〜0.75質量%、Bi:1〜5質量%、Ni:0.02〜0.15質量%、残部Snからなる
ことを特徴とする請求項5に記載の鉛フリーはんだボール。 - Ag:2.5〜3.5質量%、Cu:0.5〜0.75質量%、Bi:3〜5質量%、Ni:0.03〜0.12質量%、残部Snからなる
ことを特徴とする請求項5に記載の鉛フリーはんだボール。 - 鉛フリーはんだとして、P、Geからなる群から選んだ少なくとも1種を合計量で、0.0005〜0.05質量%を添加する
ことを特徴とする請求項5から7のいずれかに記載の鉛フリーはんだボール。 - Ag:1.2〜4.5質量%、Cu:0.25〜0.75質量%、Bi:1〜5.8質量%、Ni:0.01〜0.15質量%、残部Snからなる鉛フリーはんだを用いた
ことを特徴とするはんだ継手。 - Ag:2〜4質量%、Cu:0.3〜0.75質量%、Bi:1〜5質量%、Ni:0.02〜0.15質量%、残部Snからなる鉛フリーはんだを用いた
ことを特徴とする請求項9に記載のはんだ継手。 - Ag:2.5〜3.5質量%、Cu:0.5〜0.75質量%、Bi:3〜5質量%、Ni:0.03〜0.12質量%、残部Snからなる鉛フリーはんだ用いた
ことを特徴とする請求項9に記載のはんだ継手。 - 鉛フリーはんだとして、P、Geからなる群から選んだ少なくとも1種を合計量で、0.0005〜0.05質量%を添加された鉛フリーはんだを用いた
ことを特徴とする請求項9から11のいずれかに記載のはんだ継手。 - Ag:1.2〜4.5質量%、Cu:0.25〜0.75質量%、Bi:1〜5.8質量%、Ni:0.01〜0.15質量%、残部Snからなる鉛フリーはんだを用いた
ことを特徴とする半導体回路。 - Ag:2〜4質量%、Cu:0.3〜0.75質量%、Bi:1〜5質量%、Ni:0.02〜0.15質量%、残部Snからなる鉛フリーはんだを用いた
ことを特徴とする請求項13に記載の半導体回路。 - Ag:2.5〜3.5質量%、Cu:0.5〜0.75質量%、Bi:1〜4質量%、Ni:0.03〜0.12質量%、残部Snからなる鉛フリーはんだ用いた
ことを特徴とする請求項13に記載の半導体回路。 - 鉛フリーはんだとして、P、Geからなる群から選んだ少なくとも1種を合計量で、0.0005〜0.05質量%を添加された鉛フリーはんだを用いた
ことを特徴とする請求項13から15のいずれかに記載の半導体回路。
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