JPWO2018134673A1 - はんだ接合方法、およびはんだ継手 - Google Patents

Abstract

電子部品の熱的損傷を低減し、優れた接続信頼性を有するはんだ継手を形成して基板の電極と電子部品の電極とを接合するはんだ方法を提供する。はんだ継手を形成することにより基板の電極と電子部品の電極を接合するはんだ接合方法であって、基板の電極に、電子部品の電極に形成したはんだ合金よりも融点の低いＳｎ−Ｂｉ系はんだ合金を形成する。さらに基板の電極に形成されたはんだ合金と電子部品の電極に形成されたはんだ合金が接触するように基板上に前記電子部品を搭載する。さらにピーク加熱温度を１５０〜１８０°Ｃとし、ピーク加熱温度の保持時間を６０秒超え１５０秒以下として基板を加熱する。そして加熱後の冷却速度を３°Ｃノ秒以上として基板を冷却してはんだ継手を形成する。

Description

本発明は、接続信頼性に優れたはんだ継手を形成して基板と電子部品を接合するはんだ接合方法、およびはんだ継手に関する。

近年、電子機器の小型化・薄型化にともない、電子機器に搭載されている電子部品の高集積化が要求されている。電子部品の高集積化のためには高密度実装が必要である。このような高密度実装方法としては、例えばＢＧＡを用いたフリップチップ実装が挙げられる。

フリップチップ実装は、プリント基板に電子部品を搭載し、プリント基板上のはんだバンプとＢＧＡとをリフローにより溶融接合する方法である。プリント基板には多数のはんだバンプが形成されていることから、リフローでは、接続不良がないはんだ継手を形成するためにはんだ合金が十分に溶融するような高温に加熱する。このため、プリント基板およびＢＧＡが高温に曝される。一般的に用いられているＳｎＡｇＣｕはんだ合金は、固相線温度が２２０℃程度であるため、従来では、リフロー時においてプリント基板やＢＧＡはこの温度より高温に曝されていた。

このような条件では、熱による基板の反りが発生することがある。また、プリント基板とＢＧＡの熱膨張係数の差によって、リフロー後の冷却時に応力がはんだ継手に集中してしまい、はんだ継手の破断の恐れもある。さらには、高温でのリフローは、製造コストも割高になってしまう。

このような問題を解消するため、低温接合に関する提案がなされている。例えば特許文献１には、ＢＧＡ側に高融点はんだ合金層を形成し、プリント基板側に低融点合金層を形成し、これらの層を接触させた後、低融点はんだ合金の融点以上、高融点はんだ合金の融点未満の温度域で加熱するはんだ接合方法が提案されている。この方法によれば、上記温度域での加熱によって、高融点はんだ合金が残存するとともに、低融点合金層と高融点合金層とが溶融拡散を用いた接合を実現し、基板への熱的損傷が避けられるとされている。また、上記文献では、１９０℃で４０秒間保持する加熱が行われたが記載されている。さらに、上記文献では、低融点はんだ合金として、Ｓｎ−５８Ｂｉが例示されている。

特開２０００−３０７２２８号公報

しかし、加熱温度が１９０℃では電子部品への熱的損傷を防ぐためには不十分であり、更に加熱温度を下げる必要がある。ただ、特許文献１に記載の発明では錫鉛共晶はんだとほぼ同様の加熱プロセスで良好な接合部が得られる接合方法を提供することを目的としている。そして、特許文献１に記載の接合方法では第２の合金層である低融点合金の溶融拡散を用いて接合を実現している。したがって、融点が１８３℃である６３Ｓｎ−３７Ｐｂ共晶合金層を形成するためには１９０℃以上の加熱温度が必要であるため、加熱温度を下げると特許文献１に記載の溶融拡散による接合が困難になる。

また、特許文献１には、はんだ継手の元素分布を均一にするために更に高い温度および長い時間でも加熱が必要になると記載されている。しかし、高い温度で加熱すると冷却時間を要するため、接続界面の金属間化合物層やはんだ継手を構成するはんだ合金の結晶相が成長し、応力が加えられた時に金属間化合物層の界面や結晶相の界面に応力が集中し、加熱後の冷却時に応力が最も集中する接合界面もしくはその近傍領域から破断する恐れがある。はんだ合金の合金組成を金属間化合物の成長が抑制されるような組成にすることも考えられるが、組成が限定される上、加熱温度や時間によっては金属間化合物の成長を抑制するには限界がある。特に、特許文献１では低融点はんだ合金としてＳｎ−５８Ｂｉを用いており、共晶部分のＢｉは硬くて脆い性質を有するため、はんだ継手の破断が顕著に表れる。

一方、特許文献１には、高融点合金層が残存していても十分な接合信頼性が得られるため、高融点合金層を残すようにはんだ接合条件を比較的低温かつ短時間に設定することも記載されている。この場合、はんだ継手の組織が均一になり難く、はんだ継手の破断を招いてしまう。

そこで、本発明の課題は、電子部品の熱的損傷を低減し、優れた接続信頼性を有するはんだ継手を形成して基板の電極と電子部品の電極とを接合するはんだ接合方法、およびはんだ継手を提供することである。

本発明者らは、特許文献１に記載のように、電子部品側に高融点はんだ合金を形成し、プリント基板側に低融点はんだ合金を形成する構成において、電子部品の熱的損傷を防ぐ観点から、基板側の電極に用いるはんだ合金としてＳｎ−Ｂｉ系低融点はんだ合金を用いた上で、加熱温度を下げることを前提として、鋭意検討を行った。

本発明者らは、まず、加熱温度を下げても組織の均一化による優れた接続信頼性を得るため、加熱時間を従来よりも長めに設定した。ただ、長時間の加熱は、製造コストの増大を招くため、通常では短縮する時間設定がなされる。

ここで、従来では、プリント基板と電子部品との熱膨張差に起因する残留応力を低減する観点から、リフロー後の冷却速度を２℃／ｓ以下にまで遅くせざるを得なかった。しかし、冷却速度を遅くすると、はんだ合金のＢｉ相が粗大化することによりはんだ継手の接続信頼性が劣化する懸念がある。

そこで、本発明者らは、従来よりもリフロー温度を下げ、従来とは異なり長時間の加熱を行った上で、敢えて、リフロー後の冷却速度を速くすることによって、電子部品への熱的損傷を防ぎ、電子部品側の高融点はんだ合金と基板側の低融点はんだ合金との溶融拡散、および低融点はんだ合金と電極との溶融拡散が十分に行われ、さらには基板側の接合界面の金属間化合物層の成長を抑制するとともにＳｎ−Ｂｉ系低融点はんだ合金が微細化し、接合界面および結晶界面への応力集中を抑制して優れた接続信頼性を確保することができる知見を得た。また、加熱温度を下げているため、加熱後に急冷しても、そもそも基板の熱膨張差による残留応力が低減されており、はんだ継手の優れた接続信頼性を維持する知見が得られた。

本発明の第１態様に係る、はんだ継手を形成することにより基板の電極と電子部品の電極を接合するはんだ接合方法は、基板の電極に、電子部品の電極に形成したはんだ合金よりも融点の低いＳｎ−Ｂｉ系はんだ合金を形成し、基板の電極に形成されたはんだ合金と電子部品の電極に形成されたはんだ合金が接触するように基板上に電子部品を搭載し、ピーク加熱温度を１５０〜１８０℃とし、ピーク加熱温度の保持時間を６０秒超え１５０秒以下として基板を加熱し、加熱後の冷却速度を３℃／秒以上として基板を冷却してはんだ継手を形成する工程を含む。

ピーク加熱温度は電子部品の電極に形成したはんだ合金の融点より低くてもよい。
はんだ継手は、５μｍ^２以下の面積を有するＢｉ相の個数のうち、０．５μｍ^２以下の面積を有するＢｉ相の個数が占める割合が、平均で６０％以上であってもよい。

Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ合金は、Ｓｎ−Ｂｉはんだ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｃｕはんだ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｎｉはんだ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｃｕ−Ｎｉはんだ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇはんだ合金、およびＳｎ−Ｂｉ−Ｓｂはんだ合金の少なくとも１種であってもよい。

Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ合金のＢｉ含有量は、質量％で、Ｂｉ：３０〜８０％であってもよい。

電子部品の電極に形成されたはんだ合金は、Ｓｎ−Ｃｕはんだ合金、Ｓｎ−Ａｇはんだ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｎｉはんだ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｓｂはんだ合金、およびＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｂはんだ合金の少なくとも１種であってもよい。

基板の電極に形成されたはんだ合金の融点と電子部品の電極に形成されたはんだ合金の融点の温度差が３０℃以上であってもよい。

Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ合金が、質量％で、Ｂｉ：５８％、及び残部Ｓｎであってもよい。
本発明の第２態様に係る、基板の電極と電子部品の電極を接合するはんだ継手は、基板の電極には、電子部品の電極に形成されたはんだ合金よりも融点の低いＳｎ−Ｂｉ系はんだ合金が形成されており、はんだ継手は、５μｍ^２以下の面積を有するＢｉ相の個数のうち、０．５μｍ^２以下の面積を有するＢｉ相の個数が占める割合が、平均で６０％以上である。

図１は、加熱後の温度プロファイルを変えた場合における、はんだ継手中のＢｉ含有量と、５μｍ^２以下の面積を有するＢｉ相の個数のうち、０．５μｍ^２以下の面積を有するＢｉ相の個数の占める割合との関係を示すグラフである。 図２は、基板の電極に形成されたはんだ合金の合金組成とリフロー時の温度プロファイルとを変更して得られたはんだ継手における、各はんだ継手の破断面ＳＥＭ写真を示し、図２（ａ）は、比較例１の条件で形成したはんだ継手の破断面ＳＥＭ写真であり、図２（ｂ）は、発明例１の条件で形成したはんだ継手の破断面ＳＥＭ写真であり、図２（ｃ）は、比較例２の条件で形成したはんだ継手の破断面ＳＥＭ写真であり、図２（ｄ）は、発明例２の条件で形成したはんだ継手の破断面ＳＥＭ写真であり、図２（ｅ）は、比較例３の条件で形成したはんだ継手の破断面ＳＥＭ写真であり、図２（ｆ）は、発明例３の条件で形成したはんだ継手の破断面ＳＥＭ写真である。

本発明を以下の実施形態を用いて詳しく説明する。以下の形態は例を示したにすぎず、必ずしもこれに限定されるものではない。また、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．はんだ継手の基本構造
本発明の実施形態に係るはんだ接合方法は、はんだ継手を形成することにより基板の電極と電子部品の電極を接合するはんだ接合方法である。

本実施形態のはんだ接合方法で形成されるはんだ継手は、基板の電極と電子部品の電極を接合した接合構造を有する。本実施形態で用いる基板は所謂プリント基板であり、基板の電極にはペーストが塗布されている。電子部品の電極にははんだボールを用いたバンプが形成されている。本実施形態のはんだ接合方法で形成されたはんだ継手は、基板上に電子部品を搭載する際に、基板の電極に塗布されたペーストと電子部品の電極に形成されたはんだバンプが接合することによって形成される。

また、本実施形態で用いる基板は、従来のプリント基板であり、例えば紙フェノールやガラス・エポキシ基板を用いることができる。電極には主にＣｕ電極が用いられる。Ｎｉメッキなどが施されていてもよい。

次に、各工程について詳述する。
２．基板の電極に、電子部品の電極に形成したはんだ合金よりも融点の低いＳｎ−Ｂｉ系はんだ合金を形成する工程
（１）はんだ合金の形成方法
本実施形態のはんだ接合方法では、まず、基板の電極および電子部品の電極にはんだ合金を形成する。電子部品の電極にはリフロー温度で溶融しない高融点はんだ合金を形成し、基板の電極には、リフロー温度で溶融するＳｎ−Ｂｉ系低融点はんだ合金を形成する。

具体的には、例えば、基板の電極上にマスクを配置し、スキージを移動させながらマスク上のペーストをマスクの開口部から基板の電極に塗布する。この他にも、吐出法やプリコートによりペーストを電極に供給してもよい。塗布厚は特に限定されず、０．０５〜０．２ｍｍであればよい。はんだ合金粉末以外のペーストの成分は従来使用されているものでよく、特に限定されない。はんだペーストに用いるフラックスは、水溶性フラックスと非水溶性フラックスのいずれでもよい。典型的にはロジンベースの非水溶性フラックスであるロジン系フラックスが用いられる。

電子部品の電極には、電極の直径に応じて１００〜１０００μｍの直径を有するはんだボールを搭載してバンプを形成する。

（２）基板の電極に形成するはんだ合金の合金組成
本実施形態に用いる基板の電極には、電子部品の電極に形成されたはんだ合金よりも融点の低いＳｎ−Ｂｉ系はんだ合金を形成する。このような低融点はんだ合金は、基板の熱的損傷を抑制するための低温接合の際に必須である。このように、本実施形態の基板側に用いるはんだ合金は、融点（液相線温度）が低い方がよく、１５０℃以下であることが望ましい。このようなＳｎ−Ｂｉ系はんだ合金としては、Ｓｎ−Ｂｉはんだ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｃｕはんだ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｎｉはんだ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｃｕ−Ｎｉはんだ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇはんだ合金、およびＳｎ−Ｂｉ−Ｓｂはんだ合金の少なくとも１種が挙げられる。

Ｓｎ−Ｂｉはんだ合金にＣｕやＮｉを添加する場合、Ｃｕ：０．１〜１．０％、Ｎｉ：０．０１〜０．１％であることが望ましい。また、これらのＳｎ−Ｂｉ−Ｃｕはんだ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｎｉはんだ合金、およびＳｎ−Ｂｉ−Ｃｕ−Ｎｉはんだ合金は、はんだ継手の接合界面における金属間化合物の成長を抑制することができるため、本実施形態のように長時間の加熱を行っても優れた接続信頼性を維持することが可能となる。この他に、はんだ合金の融点が１５０℃以下となる範囲でＡｇやＳｂを含有してもよい。

また、これらの合金組成において、Ｂｉ含有量は３０〜８０％であることが望ましい。Ｂｉ含有量が上記範囲内であれば、融点（固相線温度）が１３８℃で一定である。そのため、このようなＢｉ含有量を有する合金が基板のはんだバンプに用いられることによって、加熱時に基板の電極に形成されたはんだ合金が溶融を開始し、電子部品の自重により電子部品のバンプが基板のバンプを押圧しながらはんだ継手を形成することができる。また、液相線温度を低温にシフトさせて加熱温度を下げ、電子部品や基板への熱的損傷をより低減する観点から、Ｂｉ含有量は、３５〜７０％であることがより望ましく、５３〜６１％であることが更に望ましい。

Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ合金としては、共晶組成であるＢｉ：５８％、及び残部Ｓｎ合金が特に好ましい。この合金組成は共晶組成であるため、１３８℃以上の温度で液相になることから、低温で容易にはんだ継手を形成することができる。

（３）電子部品の電極に形成するはんだ合金の合金組成
電子部品の電極に形成されたはんだ合金は、例えば、Ｓｎ−Ｃｕはんだ合金、Ｓｎ−Ａｇはんだ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｎｉはんだ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｓｂはんだ合金、およびＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｂはんだ合金の少なくとも１種であることが望ましい。

これらは、リフロー時に溶融しないような融点を示すことが好ましく、融点（固相線温度）が２００℃以上であればよい。

（４）各はんだ合金の融点の温度差
基板の電極に形成されたはんだ合金の融点（液相線温度）と電子部品の電極に形成されたはんだ合金の融点（固相線温度）の温度差は３０℃以上であることが望ましい。３０℃以上であれば、温度制御の誤差を考慮しても電子部品の電極に形成されたはんだ合金が溶融することがない。融点の温度差は４０℃以上であることがより好ましく、５０℃以上であることが更に好ましい。なお、液相線温度や固相線温度は、例えば、ＤＳＣを用いて測定することができる。

３．基板の電極に形成されたはんだ合金と電子部品の電極に形成されたはんだ合金が接触するように基板上に電子部品を搭載する工程
次に、基板の電極と電子部品の電極が接触するように基板上に電子部品を搭載する。バンプが形成された電子部品をフィーダーにより供給し、部品装着装置にて電子部品を基板に搭載する。部品装着装置の方式としては、例えば、ワンバイワン方式、インライン方式、マルチ方式などが挙げられる。

４．ピーク加熱温度を１５０〜１８０℃とし、前記ピーク加熱温度の保持時間を６０秒超え１５０秒以下として基板を加熱する工程
（１）ピーク加熱温度
電子部品を搭載した基板をリフロー炉に導入し、リフロー時のピーク加熱温度を１５０〜１８０℃として基板を加熱する。この温度域は、電子部品の電極に形成したはんだ合金の融点より低いことが望ましい。すなわち、この温度域は、基板の電極に形成したはんだ合金が溶融するとともに電子部品の電極に形成したはんだ合金が溶融しない温度域であることが望ましい。この温度域であれば、基板や電子部品の熱的損傷を防ぐことができる。また、加熱温度が低く抑えられていることから、基板、電子部品、およびはんだ合金の熱膨張率の差による影響が低減し、急冷時のはんだ継手への応力集中を抑制することが可能となる。

ピーク加熱温度が１５０℃未満であると、Ｂｉ相が偏析して微細組織が得られず、また、溶融拡散が不十分であるため、電極とはんだ合金との接合や、高融点はんだ合金と低融点はんだ合金の接合が完了せず、はんだ継手の破断を招くおそれがある。一方、ピーク加熱温度が１８０℃を超えると、電子部品や基板への熱的損傷が懸念される。したがって、ピーク加熱温度は１６５〜１８０℃であることが好ましい。

（２）保持時間
ピーク加熱温度の保持時間は６０秒超え１５０秒以下である。従来では、製造時間の短縮やコストの低減の観点から、保持時間がせいぜい４０秒程度に抑えられていた。しかし、本実施形態では、はんだ継手の接続信頼性を向上させるため、従来ではむしろ避けられていたこのような長時間の加熱によって十分な溶融時間が確保されるために組織が均一化し、また、溶融拡散が十分に行われる。また、本実施形態のはんだ接合方法では、ピーク加熱温度が前述のように低く抑えられているため、保持時間を長くしても接合界面の金属間化合物層の成長を抑制するとともにはんだ合金の結晶粒径を微細にすることができる。その結果、優れた接続信頼性が得られる。

保持時間が６０秒以下では、凝固時にＢｉ相が偏析し、また、溶融拡散が不十分であるために接合が完了しない。このため、後述のように冷却速度が速いと基板、電子部品、およびはんだ合金の熱膨張係数の差によりはんだ継手が破断する。一方、保持時間が１５０秒を超えると製造時間が長くなりすぎるために好ましくない。ピーク加熱温度の保持時間は、確実に溶融拡散させ、かつ生産性を損なわない観点から９０〜１２０秒であることがより好ましい。

なお、ペースト中の溶剤を除去するため、基板をリフロー炉に導入する前に、５０〜１００℃の範囲の温度で予備加熱を行ってもよい。

５．加熱後の冷却速度を３℃／秒以上として基板を冷却してはんだ継手を形成する工程
加熱後の冷却速度が３℃／秒以上の範囲になるように基板を加熱温度から室温まで冷却する。従来では、リフロー後の冷却は空冷で行われており、概ね１℃／秒程度の冷却速度である。これは、基板、電子部品、はんだ合金の熱膨張係数の違いによるはんだ継手への応力集中を避けるためである。しかし、本実施形態では、リフロー炉に冷却手段を別途設けて基板の冷却速度を上げることによって、接合界面の金属間化合物層の成長を抑制するとともにＳｎ−Ｂｉ系低融点はんだ合金中のＢｉ相が微細になり、接合界面および結晶界面への応力集中を抑制して優れた接続信頼性を確保することができる。また、加熱温度を下げているため、加熱後に急冷しても、そもそも基板の熱膨張差による残留応力が低減されており、はんだ継手の優れた接続信頼性を維持することができる。

冷却速度が３℃／秒未満であると、冷却までに時間を要するため、金属間化合物層が成長するとともにＢｉ相が粗大になる。一方、冷却速度の上限は冷却設備の観点から７℃／秒以下であることが好ましく、５℃／秒以下であることがより好ましく、４℃／秒以下であることが更に好ましい。

冷却速度を上げる手段としては特に限定されることはなく、コンプレッサなどを用いて冷風にて基板を冷却したり、冷却媒体を基板に押し当てて冷却してもよいが、安定した冷却速度を確保する観点から、コンプレッサを用いた冷却が好ましい。

本実施形態に係るはんだ接合方法は、従来よりも低温で接合するために基板や電子部品の損傷を抑えることができる。また、リフロー炉の発熱体の損傷も抑えることができるため、コストの低減を図ることができる。

６．はんだ継手
本実施形態に係るはんだ接合方法で形成したはんだ継手では、その断面を観察した時に、基板電極側の任意の領域において、５μｍ^２以下の面積を有するＢｉ相の個数のうち、０．５μｍ^２以下の面積を有するＢｉ相の個数が占める割合は、平均で６０％以上であることが望ましい。本実施形態では、低融点はんだ合金の組織に着目し、前述のように加熱条件および冷却条件を所定の範囲に設定してはんだ合金の組織を制御することによって、従来では達成されなかった優れた接続信頼性を実現することができる。このためには、低融点はんだ合金にとって必須であるＢｉ相の面積に着目する必要がある。すなわち、はんだ継手の断面を観察した時に、面積が小さく微細なＢｉ相の数が、面積が大きく粗大なＢｉ相の数に対して多く存在すれば、微細なＢｉ相が多数存在することになるため、組織の微細化が図られていることになる。

したがって、Ｂｉ相の微細化を達成した本実施形態では、大きな応力が加えられても応力が分散されるため、熱膨張率が大きく異なる基板や電子部品を用いたとしても破断しない程度にまで応力を緩和することができる。

このような効果を発揮することができるはんだ継手は、０．５μｍ^２以下の面積を有するＢｉ相を多数有する合金組織である必要がある。上記効果がより十分に発揮されるようにするため、５μｍ^２以下の面積を有するＢｉ相の個数のうち、０．５μｍ^２以下の面積を有するＢｉ相の個数が占める割合は、平均で、６０％以上であることが望ましく、６５％以上であることがさらに望ましい。

また、本実施形態のはんだ継手は、電極との接合界面近傍に３〜５μｍの金属間化合物層を有していてもよい。

１．はんだ継手の形成
基板のＣｕ電極に形成するはんだ合金組成と加熱条件および冷却条件を表１に示す。本実施例で用いた基板はＦＲ−４のガラス・エポキシ基板であり、電極径が３２５μｍ、一辺の長さが１０５ｍｍ、板厚が０．８ｍｍである。これに、電極径が４５０μｍ、―辺の長さが２０ｍｍのＣｕ電極を備える電子部品（ＢＧＡ）を搭載した。ＢＧＡ（表１では「Ｄｅｖｉｃｅ」と称する。）の電極に形成したはんだ合金の合金組成は表１に示すようにＳＡＣ４０５（Ｓｎ−４Ａｇ−０．５Ｃｕ（Ａｇ：４％、Ｃｕ：０．５％、残部Ｓｎ）、固相線温度：２１７℃）であり、直径が２９０μｍのはんだボールを用いてはんだバンプを形成した。基板の電極に形成したはんだ合金の合金組成は表１に示した通りである。表１の「合金組成」欄に記載した合金組成において、元素の前に記載した数字は含有量（質量％）を表し、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｎｉ以外の残部はＳｎであることを表す。また、基板側のはんだ合金の液相線温度はいずれもＢＧＡ側の固相線温度より低いことをＤＳＣにて確認した。Ｓｎ−５８Ｂｉの液相線温度は１４１℃であり、Ｓｎ−３５Ｂｉ−０．５Ｃｕ−０．０３Ｎｉの液相線温度は１８４℃であり、Ｓｎ−７０Ｂｉ−０．５Ｃｕ−０．０３Ｎｉの液相線温度は１８０℃であった。固相線温度および液相線温度は、ティー・エイ・インスツルメント・ジャパン株式会社製のＤＳＣ（型番：Ｑ２０００）により、大気中で５℃／ｍｉｎで昇温して得られたＤＳＣ曲線から求めた。

この合金組成のはんだ合金粉末を含有するはんだペーストを基板の電極上に１００μｍ塗布した。その後、表１に示す条件で基板を加熱および冷却して、厚さが２００μｍのはんだ継手を形成した。加熱温度および冷却速度は基板に熱電対を取りつけて測定した。

はんだ合金の冷却方法として、実施例と比較例５〜６では加熱後の基板の、ＢＧＡを搭載している面とは反対側の面を保冷剤に押し付けて急冷し、比較例１〜４では基板を大気中で冷却した。冷却速度は、熱電対を基板に当接し室温に冷却されるまでの温度と時間を測定して求めた値である。

２．はんだ継手の破断面観察
形成したはんだ継手の破断面を走査型電子顕微鏡（日本電子株式会社製：ＪＳＭ−５６００ＬＶ）にて観察モードをＢＥＩとして１０００倍のＳＥＭ写真を撮影した。はんだ継手の接合界面近傍領域から任意に１２８μｍ×９６μｍの３領域を選択し、その３か所のＢｉ相の面積を求めた。Ｂｉ相の面積は、ＳＥＭ写真において、１ドットが０．０４μｍ^２であり、２ドットまでをノイズとし、３ドットである０．１２μｍ^２以上の白い部分をＢｉ相と判定して求めた。求めたＢｉ相の面積のうち、０．５μｍ^２以下の面積を有するものが微細化したＢｉ相であるとした。各領域で５μｍ^２以下の面積を有するＢｉ相の個数のうち、０．５μｍ^２以下の面積を有するＢｉ相の個数の占める割合を計測し、各々の平均値を求めた。

３．接続信頼性試験
上記１．のようにはんだ継手が形成された実装基板を用い、ＢＧＡの４隅に歪ゲージを貼り付けその歪量を常時モニターしながら繰り返し曲げ試験を行った。曲げ試験の結果を評価するため、ＢＧＡと基板との間の接合インピーダンス（Ω）を測定し、そのインピーダンスが初期値から１０％以上増加した時点のサイクル数を計測した。

使用した電子部品（ＢＧＡ）を搭載した実装基板においては歪量１０００μＳｔｒａｉｎにおける曲げ回数が１００，０００サイクルを最大曲げサイクル数とし、それを達成した場合には、製品に用いても問題ないと判断できるため、評価を「○」とした。１００，０００サイクルに満たない場合、評価を「×」とした。尚、曲げ試験に関しては “ＩＰＣ／ＪＥＤＥＣ−９７０７ Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ｂｅｎｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｂｏａｒｄ ｌｅｖｅｌ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｓ” に基づいて行った。

上記により測定した結果を表１に示す。

表１から明らかなように、実施例のリフロープロファイルで形成したはんだ継手は、５μｍ^２以下の面積を有するＢｉ相の個数のうち、０．５μｍ^２以下の面積を有するＢｉ相の個数の占める割合が平均で６０％以上の結果を示した。これは、加熱後の急冷によりＢｉ相の微細化が十分に行われたことを表す。上記３．の繰り返し曲げ試験では、最大曲げサイクル数である１００，０００サイクルを達成する結果が得られた。

一方、比較例の条件で形成したはんだ継手は、５μｍ^２以下の面積を有するＢｉ相の個数のうち、０．５μｍ^２以下の面積を有するＢｉ相の個数の占める割合が平均で６０％を下回る結果しか得られなかった。上記３．の接続信頼性試験では、いずれの組成も１００，０００サイクルに到達しない時点で早期にインピーダンスが１０％以上増加しサイクル数を達成しなかった。

比較例１〜４では、冷却速度が遅くＢｉ相の微細化が不十分であるため、サイクル数が少なかった。比較例５および比較例６は、加熱保持時間が短いためＢｉ相が偏析して微細化度が低く、サイクル数が少なかった。

表１の結果の一部を抽出して図１に示す。図１は、加熱後の温度プロファイルを変えた場合における、はんだ継手中のＢｉ含有量と、５μｍ^２以下の面積を有するＢｉ相の個数のうち、０．５μｍ^２以下の面積を有するＢｉ相の個数の占める割合との関係を示すグラフである。図１の縦軸は、５μｍ^２以下の面積を有するＢｉ相の個数のうち、０．５μｍ^２以下の面積を有するＢｉ相の個数の占める割合であり、横軸は基板の電極に形成されたはんだ合金中のＢｉ含有量を示す。具体的な合金組成は、「３５Ｂｉ」がＳｎ−３５Ｂｉ−０．５Ｃｕ−０．０３Ｎｉ（実施例１および比較例１で用いた組成）であり、「５８Ｂｉ」がＳｎ−５８Ｂｉ（実施例２および比較例２で用いた組成）であり、「７０Ｂｉ」がＳｎ−７０Ｂｉ−０．５Ｃｕ−０．０３Ｎｉ（実施例３および比較例３で用いた組成）である。また、「ｓｉｇｈｔ１」、「ｓｉｇｈｔ２」、「ｓｉｇｈｔ３」ははんだ継手の破断面から選択した任意の３領域を表し、「Ａｖｅ．」は各合金組成での値の平均を表す。図１に示すように、本実施例では、リフロープロファイルの適正化を図ることによって、はんだ合金組成によらず、５μｍ^２以下の面積を有するＢｉ相の個数の平均うち、０．５μｍ^２以下の面積を有するＢｉ相の個数の平均の占める割合が高い数値を示すことがわかる。

また、上記のように形成したはんだ継手の破断面写真を示す。図２は、基板の電極に形成されたはんだ合金の合金組成とリフロー時の温度プロファイルとを変更して得られたはんだ継手における、各はんだ継手の破断面ＳＥＭ写真を示し、図２（ａ）は、比較例１の条件で形成したはんだ継手の破断面ＳＥＭ写真であり、図２（ｂ）は、実施例１の条件で形成したはんだ継手の破断面ＳＥＭ写真であり、図２（ｃ）は、比較例２の条件で形成したはんだ継手の破断面ＳＥＭ写真であり、図２（ｄ）は、実施例２の条件で形成したはんだ継手の破断面ＳＥＭ写真であり、図２（ｅ）は、比較例３の条件で形成したはんだ継手の破断面ＳＥＭ写真であり、図２（ｆ）は、実施例３の条件で形成したはんだ継手の破断面ＳＥＭ写真である。

図２中、白い部分がＢｉ相である。図２（ｂ）、（ｄ）および（ｆ）に示すように、リフロープロファイルの適正化が図られた実施例１〜３では、Ｂｉ相の微細化を確認することができる。一方、図２（ａ）、（ｃ）および（ｅ）に示すように、比較例１〜３ではＢｉ相の面積が大きく実施例１〜３と比較して全体的に粗大であることがわかる。上記以外の実施例および比較例でも同様の結果が得られた。このように、実施例１〜３では、はんだ継手を構成するはんだ合金の組織が微細になり応力が緩和されることによって、繰り返し曲げ試験において１００，０００サイクルを超える結果が得られたと考えられる。

以上のように、本実施形態に係るはんだ接合方法ではんだ継手を形成することによって、基板や電子部品の熱的損傷を低減し、優れた接続信頼性を示すことができる。

Claims (9)

1. はんだ継手を形成することにより基板の電極と電子部品の電極を接合するはんだ接合方法であって、
   前記基板の電極に、前記電子部品の電極に形成したはんだ合金よりも融点の低いＳｎ−Ｂｉ系はんだ合金を形成し、
   前記基板の電極に形成されたはんだ合金と前記電子部品の電極に形成されたはんだ合金が接触するように前記基板上に前記電子部品を搭載し、
   ピーク加熱温度を１５０〜１８０℃とし、前記ピーク加熱温度の保持時間を６０秒超え１５０秒以下として前記基板を加熱し、
   加熱後の冷却速度を３℃／秒以上として前記基板を冷却して前記はんだ継手を形成する
   ことを特徴とするはんだ接合方法。
2. 前記ピーク加熱温度は前記電子部品の電極に形成したはんだ合金の融点より低い、請求項１に記載のはんだ接合方法。
3. 前記はんだ継手は、５μｍ^２以下の面積を有するＢｉ相の個数のうち、０．５μｍ^２以下の面積を有するＢｉ相の個数が占める割合が、平均で６０％以上である、請求項１または２に記載のはんだ接合方法。
4. 前記Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ合金は、Ｓｎ−Ｂｉはんだ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｃｕはんだ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｎｉはんだ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｃｕ−Ｎｉはんだ合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇはんだ合金、およびＳｎ−Ｂｉ−Ｓｂはんだ合金の少なくとも１種である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のはんだ接合方法。
5. 前記Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ合金のＢｉ含有量は、質量％で、Ｂｉ：３０〜８０％である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のはんだ接合方法。
6. 前記電子部品の電極に形成されたはんだ合金は、Ｓｎ−Ｃｕはんだ合金、Ｓｎ−Ａｇはんだ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｎｉはんだ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｓｂはんだ合金、およびＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｂはんだ合金の少なくとも１種である、請求項１〜５のいずれか１項に記載のはんだ接合方法。
7. 前記基板の電極に形成されたはんだ合金の融点と前記電子部品の電極に形成されたはんだ合金の融点の温度差が３０℃以上である、請求項１〜６のいずれか１項に記載のはんだ接合方法。
8. 前記Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ合金が、質量％で、Ｂｉ：５８％、及び残部Ｓｎである、請求項１〜７のいずれか１項に記載のはんだ接合方法。
9. 基板の電極と電子部品の電極を接合するはんだ継手において、
   前記基板の電極には、前記電子部品の電極に形成されたはんだ合金よりも融点の低いＳｎ−Ｂｉ系はんだ合金が形成されており、
   前記はんだ継手は、５μｍ^２以下の面積を有するＢｉ相の個数のうち、０．５μｍ^２以下の面積を有するＢｉ相の個数が占める割合が、平均で６０％以上であることを特徴とするはんだ継手。

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