WO2007081006A1 - はんだ合金、はんだボールおよびそれを用いたはんだ接合部 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a solder alloy, a solder ball, and a solder joint used for soldering an electronic component or the like.
  • Peripheral terminal type force Transition to a type with electrode terminals formed in a grid.
  • a typical force is a BGA (Ball Grid Array).
  • the electrode is connected to the mother board using spherically shaped solder (ie, solder balls).
  • solder Pb-free has been promoted worldwide.
  • the use of conventional Sn-Pb eutectic solder is becoming banned.
  • alternative solders include Sn-based alloys such as Sn-3Ag-0.5Cu (mass%) and Sn-3.5Ag-0.7575Cu (mass%).
  • Sn has a melting point of 232 ° C
  • Semiconductor Thermal damage to the knock can be suppressed.
  • Ag and Cu in Sn have poor ductility compared to conventional Sn-Pb eutectic solder because they harden the solder by forming an intermetallic compound with Sn.
  • a mopile device is dropped, it is a serious problem that it breaks easily at the solder joint interface, and the need for Pb-free solder with excellent drop impact resistance is rapidly increasing.
  • Patent Document 1 Another method is to improve the strength of the solder joint interface.
  • a Sn—Cu alloy having a Cu strength of 7 mass% or more is soldered onto Ni, the Cu—Ni—Sn compound formed at the joint interface does not peel from Ni, It is reported that a stable bond can be obtained.
  • Patent Document 1 clarifies that when a solder containing a large amount of Cu is bonded to a Cu electrode, the biting of the Cu electrode can be suppressed and the bonding strength is improved.
  • Patent Document 3 Sn: Ag-Cu-Ni-based solder, Ag: 0.5-5. Omass%, Cu: 0.3 ⁇ 1.5mass%, Ni: 0.05.5-1. A solder alloy consisting of Sn and unavoidable impurities has been proposed, and this solder has an irregular layer by bonding to the Ni electrode. An interface compound is formed, and this layer exerts an anchoring effect to suppress the probability of fracture at the interface and improve the joint strength.
  • Patent Document 3 includes Ag: l. Omass%, Cu: 0.5 mass%, Ni: 0. lmass%, and the effect is specifically confirmed with the remaining Sn and an inevitable impurity power solder alloy.
  • Patent Document 1 JP-A-11 221695
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2000-190090
  • Patent Document 3 Japanese Patent Laid-Open No. 2003-230980
  • Sn—Cu alloy has a lower melting point than Sn and can suppress thermal damage of the semiconductor package during soldering, and is stable when bonded to a Ni electrode or a Cu electrode. Show the joint strength! There are advantages.
  • Solder alloys with a small amount of Ag added to the Sn-Cu alloy without impairing impact resistance can suppress the growth of Cu-Ni-Sn compounds in high-temperature environments, but stable bonding is possible. I have reached the point where I can gain strength.
  • An object of the present invention is to provide a Pb-free solder alloy, a solder ball, and a solder joint that have excellent drop impact resistance and suppress a decrease in joint strength under a long-time high-temperature environment.
  • the present inventors have found that by adding a strictly controlled amount of Ag and Ni to a Sn-Cu alloy, sufficient bonding strength can be maintained even when left in a high temperature environment for a long time.
  • the headline, the present invention has been reached.
  • solder alloys are provided.
  • the solder alloy contains 0.3 to 1.2% Ag by mass%.
  • the solder alloy contains 0.01% to 0.04% Ni in mass%.
  • the solder alloy of the present invention is spheroidized and can be used as a solder ball.
  • the solder joint of the present invention is suitable as a solder joint obtained by joining a solder alloy to a Ni electrode.
  • (Cu, Ni) Sn compounds other than one type can be formed in a high temperature environment.
  • the joint strength can be maintained by preventing it as much as possible, it is highly resistant to temperature rise during use of the mono equipment, and connection reliability can be maintained.
  • the important feature of the solder alloy of the present invention is that the amount of applied force of Ag and Ni is optimized so that the impact resistance of the Sn—Cu alloy is not hindered. Even when applied to electrodes, the growth of (Cu, Ni) and Sn compounds formed at the bonding interface is suppressed, and as much as possible, only (Cu, Ni) Sn compounds are formed. Maintain strength
  • each additive element is strictly controlled. The reasons for defining each additive element are explained below.
  • the effect is less than 0.5 mass%. small.
  • the Cu electrode melts into Sn up to about 0.8 mass% when soldering is 0.5 mass% or more, it is possible to suppress the decrease in joint strength, which causes little biting of the Cu electrode. Is a sufficient amount.
  • the Cu additive exceeds 0.75 mass%, the melting point will rise and the soldering temperature will need to be raised, which will cause thermal damage to the semiconductor package.
  • Ni in the solder alloy of the present invention forms a compound with Sn, it can be incorporated into a Cu-Ni-Sn compound to prevent the formation of compounds other than (Cu, Ni) Sn compounds.
  • Ni is added in an amount of 0.01 to 0.04 mass%.
  • the melting point is lowered and the solid-liquid coexistence area can be expanded. If the force is less than 0.1 lmass%, those effects can hardly be expected. 0. If it exceeds lmass%, the force that can achieve these effects is added.If added over 5 mass%, it hardens by forming an intermetallic compound with Sn in the solder, and the drop impact resistance is impaired. It becomes close to the Sn-Ag-Cu ternary eutectic composition, and the solid-liquid coexistence zone decreases.
  • the preferable amount of Ag is 0.3 to 1.2 mass%, which can sufficiently expand the solid-liquid coexistence region without impairing the ductility of the solder, and is effective in improving the surface skin.
  • the pinning effect that inhibits the growth of Cu—Ni—Sn composites on the Ni electrode is effectively exerted, thereby suppressing a decrease in strength in a high temperature environment.
  • Ag forms an intermetallic compound with Sn, specifically Ag Sn, which is dispersed in the solder.
  • the solder alloy of the present invention can be bonded to various alloy electrodes. This is because, when bonded to various alloy electrodes, even when the Cu-Ni-Sn compound is exposed to a high temperature environment, Ag forms a compound with Sn, and exhibits a pinning effect. This is because the decrease in bonding strength under high temperature environment can be reduced.
  • the solder when bonded to the Cu electrode contains 0.5 mass% or more of Cu in the solder, so that the strength of the Cu electrode can be maintained at a low level.
  • a metal layer such as Au or Pd is formed on the surface of the Ni electrode formed on the Ni electrode in order to suppress Ni oxidation and improve solder wettability. In this case, the same effect can be obtained.
  • a solder ball having a diameter of 0.3 mm was formed.
  • Table 1 shows the evaluated solder composition.
  • a uniform droplet spray method was used for molding.
  • the uniform droplet spraying method is a method for producing microspheres by melting a solder alloy in a crucible and discharging molten solder from the crucible. By applying vibration to the molten solder when discharging. In this method, the discharged molten metal is converted into microspheres having a uniform volume.
  • the cooling rate in the molding method was about 100 ° CZs.
  • the Sn—Ag—Cu solder of Comparative Example 1 was prepared to compare the characteristics with and without the addition of Ni. In Comparative Example 2, a solder alloy disclosed in Patent Document 3 was prepared.
  • Solder bumps were formed on the electrolytic NiZAu-plated electrodes (hereinafter referred to as Ni electrodes) using the 0.3 mm diameter solder balls shown in Table 1, and the solder joint reliability was evaluated.
  • the diameter of the electrode was 0.25 mm.
  • Soldering was performed by heating to a temperature of 240 ° C.
  • a sample that was allowed to stand at 150 ° C for 500 hours (h) was also prepared.
  • the cross-sectional structure was observed in order to measure the compound thickness.
  • the cross-sectional structure was observed using a scanning electron microscope (manufactured by Hitachi, Ltd., S-3500N type).
  • the thickness of the Cu—Ni—Sn composite was determined as the thickness per unit joint interface length by obtaining the area of the interfacial compound in the cross-sectional structure photograph by image processing. These results are shown in Table 2.
  • the cross-sectional yarns and weaves of Invention Examples 1, 3, 4, 5, 6, 7 and Comparative Example 2 are shown in FIGS. 1 to 5, 11 and 12, respectively.
  • the line analysis was performed using a characteristic X-ray elemental analyzer (manufactured by Horiba, Ltd., EMAX-7000 type).
  • a characteristic X-ray elemental analyzer manufactured by Horiba, Ltd., EMAX-7000 type.
  • Examples 1 and 3 of the present invention are shown in FIGS. 6A, 6B, 7A, and 7B. Therefore, the interfacial compound is presumed to be (Cu, Ni) Sn from the result of observing the concentration ratio of Cu-Ni-Sn compound on the fracture surface after the test.
  • Comparative Example 2 clearly shows that a portion with a high Sn concentration exists immediately above the Ni electrode as shown in FIGS. 10A and 10B. Similarly, when the concentration ratio of the Cu-Ni-Sn compound on the fracture surface is observed, the interface compound exhibits a two-layer structure of (Cu, Ni) Sn and (Ni, Cu) Sn, and (Ni, Cu) Sn
  • the thickness of the compound is estimated to be 1.2 m.
  • the thickness of the compound is larger than those of Inventive Examples 1 and 3.
  • a micro-shot test was performed in which a 20 g weight pendulum collides with a solder bump at a speed of lmZs, and the probability of breaking at the solder joint interface was determined. . Measurements were made on 25 solder bumps.
  • a pull tester was used as another method for evaluating joint reliability. After pulling the solder bump, a pull test was performed at a speed of 300 mZs to determine the probability of breakage at the solder joint interface. Measurements were made on 50 solder bumps. Impact testing and tension Table 3 shows the measurement results of the interface fracture probability in the test.
  • Examples 1 to 7 of the present invention showed a relatively low interface fracture probability in both the microshot test and the pull test.
  • Examples 1 to 7 of the present invention were able to be reduced so that the interface fracture probability was less than 50% even after being left at a high temperature of 150 ° C. for 500 hours.
  • Examples 1 and 3 of the present invention had a high interface reliability with a high reliability of about 10% after the pull test. This is thought to be due to the suppression of Cu-Ni-Sn compound growth by appropriate addition of Ag and Ni.
  • Comparative Example 2 has a high interface fracture probability after the pull test, and the joint strength is impaired.
  • solder alloy of the present invention is suitably used for soldering electronic parts and the like. Brief Description of Drawings
  • FIG. 1 is a scanning electron micrograph of a cross section of a solder joint part of Example 1 of the present invention after standing at 150 ° C. for 500 hours.
  • FIG. 2 is a scanning electron micrograph of a cross section of a solder joint after standing at 150 ° C. for 500 hours according to Invention Example 3.
  • FIG. 3 is a scanning electron micrograph of a cross section of a solder joint after standing at 150 ° C. for 500 hours in Inventive Example 4.
  • FIG. 4 is a scanning electron micrograph of a cross section of a solder joint after standing at 150 ° C. for 500 hours according to Invention Example 5.
  • FIG. 5 is a scanning electron micrograph of a cross section of a solder joint after standing at 150 ° C. for 500 hours in Comparative Example 2.
  • FIG. 6A is a scanning electron micrograph of a cross section of a solder joint after standing at 150 ° C. for 500 hours according to Invention Example 1.
  • FIG. 6B is a line analysis result corresponding to the scanning electron micrograph shown in FIG. 6A.
  • FIG. 7A is a scanning electron micrograph of a cross section of a solder joint after standing at 150 ° C. for 500 hours according to Invention Example 3.
  • FIG. 7B is a line analysis result corresponding to the scanning electron micrograph shown in FIG. 7A.
  • FIG. 8A is a scanning electron micrograph of a cross section of a solder joint after standing at 150 ° C. for 500 hours according to Invention Example 4.
  • FIG. 8B is a line analysis result corresponding to the scanning electron micrograph shown in FIG. 8A.
  • FIG. 9A is a scanning electron micrograph of a cross section of a solder joint after standing at 150 ° C. for 500 hours according to Invention Example 5.
  • FIG. 9B is a line analysis result corresponding to the scanning electron micrograph shown in FIG. 9A.
  • FIG. 10A is a scanning electron micrograph of the cross section of the solder joint after standing at 150 ° C. for 500 hours in Comparative Example 2.
  • FIG. 10B is a line analysis result corresponding to the scanning electron micrograph shown in FIG. 10A.
  • FIG. 11 is a scanning electron micrograph of a cross section of a solder joint after standing at 150 ° C. for 500 hours according to Invention Example 6. 12] A scanning electron micrograph of the cross section of the solder joint after standing at 150 ° C. for 500 hours in Invention Example 7.
  • FIG. 13A is a scanning electron micrograph of a cross section of a solder joint of Example 6 of the present invention after standing at 150 ° C. for 500 hours.
  • FIG. 13B is a line analysis result corresponding to the scanning electron micrograph shown in FIG. 13A.
  • FIG. 14A is a scanning electron micrograph of a cross section of a solder joint of Example 7 of the present invention after standing at 150 ° C. for 500 hours.

Abstract

　本発明は、ｍａｓｓ％で、０．１～１．５％のＡｇと、０．５～０．７５％のＣｕと、１２．５≦Ｃｕ／Ｎｉ≦１００の関係を満たすＮｉと、残部としてのＳｎ及び不可避的不純物から成るＰｂフリーはんだ合金に関するものである。好適には、はんだ合金が、ｍａｓｓ％で０．３～１．２％のＡｇを含む。また、好適には、はんだ合金が、ｍａｓｓ％で０．０１～０．０４％のＮｉを含む。本発明はまた、球状化されてなるはんだボールに関するものである。また、本発明のはんだ合金は、Ｎｉ電極に接合されて成るはんだ接合部として好適である。本発明はんだ合金は、耐落下衝撃性に優れ、長時間の高温環境下における接合強度の低下を抑制できる。

Description

明 細 書
はんだ合金、はんだボールおよびそれを用いたはんだ接合部
技術分野
[0001] 本発明は、電子部品等のはんだ付けに使用されるはんだ合金、はんだボールおよ びはんだ接合部に関するものである。
背景技術
[0002] 近年、携帯電話などのモパイル機器における実装面積の減少に伴って、半導体パ ッケージも小型化の傾向にあり、半導体パッケージをマザ一ボードに接続する実装 形態も、従来のリードを用いた周辺端子型力 格子状に電極端子を形成したタイプ へと変遷している。代表的なものが BGA (Ball Grid Array)である力 その電極は 、球状に成形されたはんだ (つまり、はんだボール)を用いてマザ一ボードに接続され る。
[0003] 半導体パッケージには種々の外力が加えられる力 モパイル機器特有の外力とし て、落下衝撃が挙げられる。これはモパイル機器を使用したり持ち運んだりする際に 、不注意で落としてしまうことがある。従来の周辺端子型パッケージでは、このような 外力をリードが変形することで緩和することができた。一方、 BGAの場合、リードを介 さずはんだボールにより直接マザ一ボートに接合されるため、半導体パッケージやマ ザ一ボードを破損させな 、ためにははんだ接合部が外力を吸収する必要がある。結 果として、落下衝撃が負荷されたときのはんだ接合信頼性が、モノ ィル機器の寿命 を高める上で極めて重要となって 、る。
[0004] 一方、 EUの RoHS (The restriction of the use of certain hazardous substances)指令に代表される近年の環境問題への取り組みの一つとして、はんだ の Pbフリー化が世界的に進められており、従来用 、られてきた Sn - Pb共晶はんだ の使用が禁止になりつつある。代替はんだの主たるものとして、 Sn— 3Ag— 0. 5Cu (mass%)や Sn— 3. 5Ag— 0. 75Cu(mass%)といった、 Sn基合金が挙げられる。
Snの融点が 232°Cであるのに対し、 Agおよび Cuを添カ卩することで、その融点を 22 0°C付近まで下げることが可能であり、これによつてはんだ付け温度を低くして半導体 ノ ッケージの熱的損傷を抑えることができる。ただし、 Sn中の Agや Cuは、 Snと金属 間化合物を形成することではんだを硬化させることから、従来の Sn—Pb共晶はんだ と比較して延性に乏しい。結果として、モパイル機器を落とした際に、はんだ接合界 面で容易に破断することが深刻な問題となっており、耐落下衝撃性に優れた Pbフリ 一はんだに対するニーズが急速に高まっている。
はんだ接合部の耐衝撃性を改善する方法として、次の二つが考えられる。一つは、 はんだの延性を改善して変形能を高めることであり、はんだ中の Agや Cuの含有量を 低減することで行われている。合金元素の添カ卩量としては、 Sn中に、 Agを 3. 5mass %、 Cuを 0. 75mass%添加することで融点が最も低い共晶組成となる。しかし、 Ag は Cuよりも融点を下げるために多量に添加する必要があり、はんだを硬化させるとい う問題があった。そこで、特許文献 1や特許文献 2では、 Agを含まないあるいは微量 の Agを含む Sn—Cu合金を使用することで、はんだの機械的特性の改善を行って!/ヽ る。
もう一つの方法として、はんだ接合界面の強度を改善することが考えられる。例えば 、特許文献 1では、 Cu力 . 7mass%以上の Sn— Cu合金を Ni上にはんだ付けした 際に、接合界面に形成される Cu— Ni— Snィ匕合物が Niから剥離せず、安定した接 合が得られることを報告している。さらに、特許文献 1では、 Cu電極上に Cuを多く含 むはんだを接合した場合、 Cu電極の食われを抑制することができ、接合強度が改善 されることを明らかにしている。
また、接合強度を改善する別の方法としては、特許文献 3で開示されるように、 Sn — Ag— Cu— Ni系はんだでは、 Ag : 0. 5〜5. Omass%、Cu: 0. 3〜1. 5mass%、 Ni: 0. 05-1. Omass%を含み、残部 Sn及び不可避的不純物からなるはんだ合金 が提案されており、このはんだは Ni電極に接合することで不規則な層の界面化合物 を形成し、この層がアンカー効果を奏することで界面における破断発生確率を抑え、 接合強度を改善している。特許文献 3では、 Ag : l. Omass%、 Cu: 0. 5mass%、 Ni : 0. lmass%を含み、残部 Sn及び不可避的不純物力 なるはんだ合金で具体的に その効果が確認されている。
特許文献 1 :特開平 11 221695号公報 特許文献 2：特開 2000 - 190090号公報
特許文献 3：特開 2003 - 230980号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0006] このように、 Sn—Cu合金は Snよりも融点が低ぐはんだ付け時の半導体パッケ一 ジの熱的損傷を抑えることができる上、 Ni電極や Cu電極に接合された場合に安定し た接合強度を示すと！、つた利点がある。
しかしながら、特許文献 1および 2の Sn—Cu系合金は、 Cu含有量が高い Sn—Cu 合金が Ni電極に接合された場合、半導体パッケージの発熱等により長時間高!ヽ温 度に曝されると、 Cu— Ni— Snィ匕合物が厚く成長し、力えって接合強度が損なわれる ことがわかった。
また、 Sn—Cu合金に耐衝撃性を損なわな 、程度の微量の Agを添加したはんだ合 金では、高温環境下において Cu— Ni— Snィ匕合物の成長を抑制できるものの、安定 した接合強度を得るところまでには至って 、な 、。
[0007] さらには、特許文献 3に具体的に開示されている、 Sn- 1. OAg— 0. 5Cu— 0. IN i、 Sn- 1. 5Ag-0. 5Cu— 0. lNi、 Sn— 2. 5Ag-0. 5Cu— 0. lNi、 Sn— 3. 0 Ag— 0. 5Cu-0. lNi、 Sn— 4. OAg— 0. 5Cu— 0. lNi、 Sn— 2. 5Ag— 1. OCu -0. lNi(mass%)はんだ合金が Ni電極に接合された場合、 100時間程度の短時 間に高温環境下へ曝された環境でのはんだ接合部は、 Cu— Ni— Snィ匕合物の成長 が生じないことで接合強度を維持できる。しかし、 500時間以上の長時間に高温環境 下へ曝されたはんだ接合部は、 Cu— Ni— Snィ匕合物の著しい成長が生じ、この成長 した化合物はアンカー効果を奏することができないため、接合強度を損なってしまう。
[0008] 本発明の目的は、耐落下衝撃性に優れ、長時間の高温環境下における接合強度 の低下を抑制した Pbフリーはんだ合金、はんだボール、およびはんだ接合部を提供 することにある。
課題を解決するための手段
[0009] 本発明者らは、 Sn—Cu合金に厳密に制御した量の Agおよび Niを添加することに より、高温環境下に長時間放置された場合にも十分な接合強度を維持できることを 見出し、本発明に到達した。
[0010] カゝくして、本発明によれば、以下のはんだ合金が提供される。
mass%で 0. 1〜1. 5%の Agと、 mass%で 0. 5〜0. 75%の Cuと、 mass%で 12 . 5≤CuZNi≤100の関係を満たす Niと、残部 Sn及び不可避的不純物からなるは んだ合金。
好ましくは、前記はんだ合金は、 mass%で 0. 3〜1. 2%の Agを含む。 また、好ましくは、前記はんだ合金は、 mass%で 0. 01-0. 04%の Niを含む。 本発明のはんだ合金は、球状化されて、はんだボールとして使用できる。 また本発明のはんだ接合部は、はんだ合金は Ni電極に接合されてなるはんだ接合 部として好適である。
発明の効果
[0011] 本発明により、高温環境下において (Cu, Ni) Sn化合物の 1種類以外の形成を
6 5
できるだけ防ぐことで接合強度を維持できるため、モノィル機器の使用中の温度上 昇に対しても高!、接続信頼性を維持できる。
発明を実施するための最良の形態
[0012] 前記のとおり、本発明のはんだ合金の重要な特徴は、 Sn—Cu合金の耐衝撃性を 阻害しないように、 Agおよび Niの添力卩量を最適化して、 Cu電極はもちろん Ni電極に 適用した場合でも、接合界面に形成される（Cu, Ni)と Snィ匕合物の成長を抑え、可 能な限り、 (Cu, Ni) Sn化合物のみを形成することにより十分な接合強度を維持で
6 5
きることを見出したことにある。
[0013] 本発明者の検討によれば、 Sn— Cu— Ag— Ni合金において、 Niの添カ卩量が多す ぎると、高温環境下において接合界面に（Cu, Ni) Snと（Ni, Cu) Snの二層の化
6 5 3 4 合物を形成することがある。このはんだ接合部について接合強度試験を実施すると、
(Cu, Ni) Snと (Ni, Cu) Snの界面で剥離し、かえって接合強度が損なわれるこ
6 5 3 4
とがわかった。そのため、各添加元素を厳密に制御したものである。以下に各添加元 素の規定理由を説明する。
[0014] Cu: 0. 5〜0. 75mass%
Cuを Snに添加することで融点が下がる力 0. 5mass%未満の場合はその効果が 小さい。例えば、 Cu電極の場合、はんだ付け時に 0. 8mass%程度まで Cu電極が S n中に溶け込む力 0. 5mass%以上であれば、 Cu電極の食われも小さぐ接合強度 の低下を抑制するには十分な量である。
また、 Cuの添カ卩は、 0. 75mass%を超えると融点の上昇を招き、はんだ付け温度 を高める必要があるため、半導体パッケージの熱的損傷を与えてしまう。
例えば、 0. 75mass%を超えると、 Cuが過剰になり、接合界面だけでなくはんだ内 にも粗大な Cu— Ni— Sn化合物が形成され、はんだの延性が損なわれる。
[0015] Cuの添カ卩量に対して 12. 5≤CuZNi≤100の関係式を満たすNi
Cuが 12. 5NUり少ない場合、高温環境下において（Cu, Ni) Sn化合物が単独
6 5
で存在することが困難となり、 (Ni, Cu) Sn化合物も析出する。そのため、接合強度
3 4
試験を実施すると、 (Cu, Ni) Snと (Ni, Cu) Snの界面で剥離し、接合強度が損
6 5 3 4
なわれることになる。一方、 Cuが lOONiを超える場合、じ11ー？^ 311ィ匕合物中の？^ の占める割合が少ないため、 Cu— Ni— Snィ匕合物の成長を抑えることができなくなり 、接合強度を維持することは困難である。
また、本発明のはんだ合金における厳密に制御された Niは Snと化合物を形成する ため、 Cu— Ni— Snィ匕合物へとり込まれ、（Cu, Ni) Sn化合物以外の形成を防ぐこ
6 5
とによって、強度低下を抑えることが可能である。
また、好ましくは、 Niは、 0. 01〜0. 04mass%添カ卩すると良い。
[0016] Ag : 0. 1〜1. 5mass%
Agの添カ卩により融点が低下するとともに、固一液共存域を広げることが可能である 力 0. lmass%未満の場合、それらの効果はほとんど期待できない。 0. lmass% 以上になると、それらの効果が得られる力 1. 5mass%を超えて添加すると、はんだ 中に Snと金属間化合物を形成することで硬化し、耐落下衝撃性が損なわれる上、 S n-Ag- Cu三元共晶組成に近くなり、固 液共存域が縮小する。
好ましい Agの量は 0. 3〜1. 2mass%であり、はんだの延性を損ねることなく固— 液共存域を十分に拡大することが可能であり、表面肌の改善に有効である。また、例 えば、 Ni電極に接合した場合において、 Ni電極上の Cu— Ni— Snィ匕合物の成長を 阻害するピンニング効果が有効に発揮され、高温環境下での強度低下を抑える。 また、 Agは Snとの金属間化合物、具体的には Ag Snを形成し、はんだ中に分散し
3
て存在するため、 Cu—Ni— Snィ匕合物が成長する際にピンユング効果を発揮し成長 を遅延させる。
[0017] 本願発明のはんだ合金は、種々の合金電極に接合することが可能である。これは、 種々の合金電極に接合された場合、 Cu— Ni— Snィ匕合物が高温環境に曝された場 合も、 Agが Snと化合物を形成することでピンユング効果を発揮するとともに、高温環 境下での接合強度の低下を縮小できるためである。
また、 Cu電極に接合された場合のはんだは、はんだ中の Cuが 0. 5mass%以上含 まれるので、 Cu電極の食われも小さぐ接合強度を維持できる。
Ni電極に接合された場合においては、 Ni電極上に形成される Ni電極の表面に、 N iの酸ィ匕を抑制し、はんだ濡れ性を改善する目的で Auや Pdなどの金属層が形成さ れる場合があるが、この場合にも同様の効果が得られる。
例
[0018] Sn— Cu合金へ Agおよび Niを添カ卩した合金を作製した後、直径 0. 3mmのはんだ ボールを成形した。評価したはんだ組成を表 1に示す。成形には均一液滴噴霧法を 用いた。均一液滴噴霧法とは、るつぼ内ではんだ合金を溶解し、溶融はんだをるつ ぼから排出することにより微小球を製造する方法であり、排出する際に溶融はんだに 振動を付与することで、排出された溶融金属を体積の均一な微小球とする方法であ る。尚、該成形方法における冷却速度は約 100°CZsであった。比較例 1の Sn— Ag — Cu系はんだは、 Niの添加有無による特性比較を行なうために用意した。比較例 2 には特許文献 3に開示されるはんだ合金を用意した。
[0019] [表 1] 表 1
Figure imgf000009_0001
電解 NiZAuめっきした電極（以降、 Ni電極と称す）に、表 1に示す直径 0. 3mmの はんだボールを用いてはんだバンプを形成し、はんだ接合信頼性を評価した。ここで 、電極の直径は 0. 25mmとした。はんだ付けは、温度 240°Cまで加熱することで行 ない、高温環境下での劣化挙動を評価するため、はんだ付け後に 150°Cで 500時 間 (h)放置した試料も併せて作製した。このようにして作製した試料において、化合 物厚さ測定を行うため断面組織観察を行なった。尚、断面組織観察は走査型電子顕 微鏡（日立製作所製、 S— 3500N型）を用いて行なった。 Cu— Ni-Snィ匕合物の厚 さは、断面組織写真における界面化合物の面積を画像処理により求め、単位接合界 面長当たりの厚さとして求めた。これらの結果を表 2に示す。本発明例 1、 3、 4、 5、 6 、 7そして比較例 2の断面糸且織をそれぞれ図 1〜5、 11、 12に示す。
次に、化合物の組成を線分析で調査した。線分析は、特性 X線元素分析装置 (堀 場製作所製、 EMAX— 7000型)を用いて行なった。代表例として、本発明例 1、 3、 4、 5と比較例 2の線分析結果を図 6A, 6B, 7A, 7B, 8A, 8B, 9A, 9B, 10A, 10 B、 13A, 13B, 14A, 14Bに示す。
本発明例 1、 3は、図 6A, 6B、 7A, 7Bのように、 Ni電極直上で Sn濃度の高い箇所 が存在しないため、試験後の破壊破面における Cu—Ni—Snィ匕合物の濃度比を観 察した結果から、界面化合物は（Cu, Ni) Snであると推定される。
6 5
一方、比較例 2は、図 10A, 10Bのように、 Ni電極直上で Sn濃度の高い箇所が存 在することがわ力る。同様に破壊破面の Cu—Ni— Snィ匕合物の濃度比を観察すると 、界面化合物が（Cu, Ni) Snと（Ni, Cu) Snの二層構造を呈し、（Ni, Cu) Sn
6 5 3 4 3 4 化合物の厚さは 1. 2 mと推定される。
[0021] 表 2および図 1、 2、 6、 7より、本発明例 1および 3は Agおよび Niにより化合物の成 長が抑制されており、 (Cu, Ni) Sn化合物が形成されていることがわかる。一方、表
6 5
2および図 5、 10より、比較例 2は（Cu， Ni) Snと（Ni， Cu) Sn化合物が形成され
6 5 3 4
ており、本発明例 1および 3と比較して化合物の厚さが厚いことがわかる。
[0022] [表 2] 表 2
Figure imgf000010_0001
接合信頼性を評価する方法として小型シャルピー衝撃試験機を用い、はんだバン プに重さ 20gの振り子を lmZsの速度で衝突させるマイクロショット試験を行い、はん だ接合界面で破壊する確率を求めた。測定は 25個のはんだバンプに対して行った。 また、接合信頼性を評価するもう一つの方法としてプル試験機を用い、はんだバン プを掴んだ後、 300 mZsの速度で引張るプル試験を行い、はんだ接合界面で破 壊する確率を求めた。測定は 50個のはんだバンプに対して行った。衝撃試験と引張 試験における界面破壊確率の測定結果を表 3に示す。
[0024] [表 3] 表 3
Figure imgf000011_0001
[0025] 表 3より、本発明例 1〜7は、マイクロショット試験およびプル試験ともに相対的に低 い界面破壊確率を示した。プル試験において本発明例 1〜7は、 150°Cの高温で 50 0時間放置後も界面破壊確率が 50%を下回る程に低減できた。特に、本発明例 1、 3はプル試験後の界面破壊確率が 10%程度と 、つた高 、信頼性を得ることを確認し た。これは、 Agおよび Niの適切な添カ卩により、 Cu— Ni— Sn化合物の成長を抑制し たことによると考えられる。
一方、比較例 2は、プル試験後の界面破壊確率は高ぐ接合強度が損なわれてい る。
また、比較例 2における破壊破面の濃度分析の結果、比較例 2では (Ni, Cu) Sn
3 4 相当の濃度であることが確認できた。
また、表 3より、 CuZNi比が 20という低い値側では、特に Ni含有量が低い側で、プ ル試験後の界面破壊確率が低くなつており、高 、信頼性を得ることが確認できた。 産業上の利用可能性
[0026] 本発明のはんだ合金は、電子部品等のはんだ付けに好適に使用される。 図面の簡単な説明
[図 1]本発明例 1の 150°C - 500時間放置後のはんだ接合部断面の走査型電子顕 微鏡写真である。
[図 2]本発明例 3の 150°C— 500時間放置後のはんだ接合部断面の走査型電子顕 微鏡写真である。
[図 3]本発明例 4の 150°C— 500時間放置後のはんだ接合部断面の走査型電子顕 微鏡写真である。
[図 4]本発明例 5の 150°C— 500時間放置後のはんだ接合部断面の走査型電子顕 微鏡写真である。
[図 5]比較例 2の 150°C— 500時間放置後のはんだ接合部断面の走査型電子顕微 鏡写真である。
[図 6A]本発明例 1の 150°C— 500時間放置後のはんだ接合部断面の走査型電子顕 微鏡写真である。
[図 6B]図 6Aに示す走査型電子顕微鏡写真に対応する線分析結果である。
[図 7A]本発明例 3の 150°C— 500時間放置後のはんだ接合部断面の走査型電子顕 微鏡写真である。
[図 7B]図 7Aに示す走査型電子顕微鏡写真に対応する線分析結果である。
[図 8A]本発明例 4の 150°C— 500時間放置後のはんだ接合部断面の走査型電子顕 微鏡写真である。
[図 8B]図 8Aに示す走査型電子顕微鏡写真に対応する線分析結果である。
[図 9A]本発明例 5の 150°C— 500時間放置後のはんだ接合部断面の走査型電子顕 微鏡写真である。
[図 9B]図 9Aに示す走査型電子顕微鏡写真に対応する線分析結果である。
[図 10A]比較例 2の 150°C— 500時間放置後のはんだ接合部断面の走査型電子顕 微鏡写真である。
[図 10B]図 10Aに示す走査型電子顕微鏡写真に対応する線分析結果である。
[図 11]本発明例 6の 150°C— 500時間放置後のはんだ接合部断面の走査型電子顕 微鏡写真である。 圆 12]本発明例 7の 150°C— 500時間放置後のはんだ接合部断面の走査型電子顕 微鏡写真である。
[図 13A]本発明例 6の 150°C— 500時間放置後のはんだ接合部断面の走査型電子 顕微鏡写真である。
[図 13B]図 13 Aに示す走査型電子顕微鏡写真に対応する線分析結果である。
[図 14A]本発明例 7の 150°C— 500時間放置後のはんだ接合部断面の走査型電子 顕微鏡写真である。
圆 14B]図 14Aに示す走査型電子顕微鏡写真に対応する線分析結果である。

Claims

請求の範囲
[1] mass%で、 0. 1〜1. 5%の Agと、 0. 5〜0. 75%の Cuと、 12. 5≤Cu/Ni≤10
0の関係を満たす Niと、残部 Sn及び不可避的不純物力 成るはんだ合金。
[2] mass%で、0. 3〜1. 2%の Agを含む請求項 1に記載のはんだ合金。
[3] mass%で、 0. 01-0. 04%の Niを含む請求項 1または請求項 2に記載のはんだ 合金。
[4] 請求項 1または請求項 3の何れかに記載のはんだ合金が球状ィ匕されてなるはんだ ボーノレ。
[5] 請求項 1または請求項 3の何れかに記載のはんだ合金が Ni電極に接合されてなる はんだ接合部。
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