WO2007102589A1

WO2007102589A1 - 鉛フリーハンダ合金、ハンダボール及び電子部材と、自動車搭載電子部材用鉛フリーハンダ合金、ハンダボール及び電子部材

Info

Publication number: WO2007102589A1
Application number: PCT/JP2007/054582
Authority: WO
Inventors: Tsutomu Sasaki; Masamoto Tanaka; Takayuki Kobayashi; Kazuto Kawakami; Masayoshi Fujishima
Original assignee: Nippon Steel Materials Co., Ltd.; Nippon Micrometal Corporation
Priority date: 2006-03-09
Filing date: 2007-03-08
Publication date: 2007-09-13

Abstract

耐衝撃性、耐振動性に優れた鉛フリーハンダ合金及び該鉛フリーハンダ合金を用いたハンダボール並びに該鉛フリーハンダ合金を用いたハンダバンプを有する電子部材を提供する。Ａｇ：１．０～２．０質量％、Ｃｕ：０．３～１．０質量％、Ｃｏ：０．００５～０．１０質量％、Ｆｅ：０．０００１～０．００５質量％を含有し、残部Ｓｎ及び不可避不純物からなることを特徴とする鉛フリーハンダ合金である。Ｃｏ、Ｆｅを含有することにより、電極との界面に生成するＣｕ6Ｓｎ5金属間化合物層中のＣｕ原子サイトを、Ｃｕより原子半径の小さい原子種で置換し、Ｃｕ6Ｓｎ5金属間化合物層の歪を緩和できるので、Ｃｕ3Ｓｎ金属間化合物とＣｕ6Ｓｎ5金属間化合物との界面で発生する破断を防止することができる。

Description

明細書

鉛フリーハンダ合金、ハンダボール及び電子部材と、自動車搭載電子部材用鉛フリーハンダ合金、ハンダボール及び電子部材

技術分野

[0001] 本発明は、鉛フリーハンダ合金及び該鉛フリーハンダ合金を用いたノヽンダボール並びに該鉛フリーハンダ合金を用いたハンダバンプを有する電子部材と、自動車搭載電子部材用鉛フリーハンダ合金及び該鉛フリーハンダ合金を用いたノ、ンダボール並びに該鉛フリーハンダ合金を用いたハンダバンプを有する自動車搭載用電子部材に関するものである。

背景技術

[0002] 最近の電子部品の小型化、高密度実装化に伴い、プリント配線基板等に電子部品を実装する際には、 BGA (ボールグリッドアレイ）、 CSP (チップサイズパッケージ)技術が用いられるようになつている。また、これらの技術に採用される電極サイズも微細化の一途をたどっている。

[0003] これらの接合においては、半導体基板、電子部品、プリント基板等の上に配置された多数の電極にまずハンダバンプを形成する。電子部材上の電極へのハンダバンプ形成は、各電極にフラックスの粘着力を利用してハンダボールを粘着させ、ついで該電子部材を高温に熱してハンダボールをリフローさせることによって行なう。このハンダバンプを介して半導体基板等とプリント基板等との間を接合する。ここで、ハンダバンプとは、銅あるいはアルミ配線電極上のメツキの上に半球状に盛り上がって形成されたハンダをいう。

[0004] 廃棄された電子装置を廃棄処理するに際し、環境への影響を最少とするため、電子装置に使用するハンダ合金についても鉛フリーハンダ合金が要求されるようになつている。鉛フリーハンダ合金としては、二元系では Snに Agを 3. 5%含有した組成が共晶組成となり、融点は 221°Cと比較的低ぐ広く鉛フリーハンダとして使用されている。

[0005] 近年の電子部品の高密度実装化に伴い、特にノートパソコン、ビデオカメラ、携帯電話、自動車搭載用の電子部材'電子装置等においては表面実装や BGA実装が進み、基板電極パッド面積の縮小が急激に進んでいるため、接合部位のハンダ量を少量ィ匕せざるを得ない状況にある。即ち、ハンダ接合部位の接合面積が低下し、接合部に力かる応力が増大している。また、高密度実装により、高機能 ·小型化が進んだため情報伝達機器の携帯化も急速に進展した。加えて経済活動領域が地球規模に及ぶに至り、従来考えてもいな力つた灼熱の砂漠や極地高地の極寒下等での当該機器が使用される様になつている。このような状況下では、ハンダ接合部が一層厳しい環境下に曝されることを考慮したハンダ実装設計が求められており、そのため、ハンダ材料に対する耐疲労性向上の要求がより一層高まっている。特許文献 1においては、電子機器用の鉛フリーハンダ合金として、 Ag : 3. 0〜5. 0%、 Cu: 0. 5〜3 . 0%、残部 Snからなる耐熱疲労特性に優れた高温ハンダが開示されている。 Agの含有量については、 Agは耐熱疲労特性改善に著しく効果があるが、その添加量が 3 . 0%以下であると耐熱疲労特性を改善する効果が十分でな、として、る。

[0006] また、携帯電話等の持ち運び可能なデジタル製品に関しては、その使用上の特質力使用中に誤って床面に落下させたりぶっけたりする事態を想定する必要がある。このような衝撃に対しても使用する電子部品のハンダ接合部位が破壊しないだけの耐衝撃性を有することが要求される。これに対し、従来の耐疲労性ハンダ合金においては、主にハンダの強度を増大することによって耐疲労性の改善を図っており、その結果として耐衝撃性にっ、てはむしろ低下する傾向が見られた。ハンダ接合部位の耐衝撃性の向上を図るためには、接合部位のハンダ合金として延性の優れた合金を用いることが最も効果的である。

[0007] さらに、自動車に搭載された電子部材は、自動車走行時の振動に対して十分な耐久性を有している必要がある。このような繰り返し振動に対しても使用する電子部品のハンダ接合部位が破壊しな、だけの耐振動性を有することが要求される。これに対し、従来の耐疲労性ノヽンダ合金においては、主にハンダの強度を増大すること〖こよって耐疲労性の改善を図っており、その結果として耐振動性についてはむしろ低下する傾向が見られた。ハンダ接合部位の耐振動性の向上を図るためには、上記した耐振動性の向上と同様に接合部位のハンダ合金として延性の優れた合金を用いることが最ち効果的である。

[0008] 特許文献 2においては、耐衝撃性と耐ヒートサイクル性を向上する鉛フリーハンダ合金として、 Sb : 0. 01〜1質量％、 Ni: 0. 01〜0. 5質量％、残部 Snからなり、さらに Ag : 0. 01〜5質量％および Zまたは Cu: 0. 01〜2質量％が添加された鉛フリーハンダ合金が開示されている。 Sbは耐衝撃性に効果があり、 Niは耐ヒートサイクル性に効果があり、さらに Cuを添加すると耐衝撃性をより向上させ、 Agを添加すると耐ヒートサイクル性をより向上させるとしている。さらに Coを 0. 0005-0. 1質量％添カロすることにより、鉛フリーハンダの黄変防止に効果があるとしている。

[0009] 特許文献 3には、 Sn— 4. 7Ag— 1. 7Cuノヽンダ合金に、さらに Ni、 Fe、 Coを含有させる発明が記載されている。 Ni、 Fe、 Coの各元素は、少なくとも約 0. 01重量％を添加することにより、 Cu電極との接合金属間界面の形態構造が改良され、特に凝固したままの金属間界面の厚さが薄くなるとして、る。

特許文献 1：特開平 5 - 50286号公報

特許文献 2：特開 2004— 141910号公報

特許文献 3：特表 2001 - 504760号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0010] ハンダ合金の耐衝撃性については、シリコンチップ上の電極とプリント基板上の電極とをハンダ接合し、この部材を定盤の上において、その上からロッドタイプ'プロ一ブを落下させ、ハンダ接合に破断が生じるまでの落下回数を耐衝撃落下回数として評価することができる。

[0011] 特許文献 1〜3に記載の鉛フリーハンダ合金については、上記方法で加速度 1500 G程度を負荷して耐衝撃性評価を行ったときに耐衝撃落下回数 50〜60回程度であつた o

[0012] 最近は、ハンダ合金の耐衝撃性に対する要求はさらに厳しくなつている。ロッドタイプ.プローブの落下実験において、 5cmの位置から質量 30gのロッドタイプ'プローブを落下させ、加速度約 10000Gの衝撃を与える耐衝撃性評価において、耐衝撃落下回数 80回を超える良好な耐衝撃性が要求されるようになってきた。このような厳し、条件では、従来のハンダ合金の耐衝撃落下回数は 30回にも満たな、。

[0013] 一方、ハンダ合金の耐振動性については、電子部品を搭載したプリント基板に対して 3点支持による繰返し曲げ試験を行うことで評価することができる。自動車搭載用電子部材においては、要求特性が非常に高いため、基板変位 3mm以上の過負荷の状態での評価が行われて!/、る。

[0014] 特許文献 1及び 2に記載の鉛フリーハンダ合金については、上記方法で耐振動性評価を行ったときに、 Cu—OSP電極上に形成した場合はその成績が曲げ試験で 80

0回以下程度の耐久性があり、 NiZAu電極上に形成した場合は 200回以下程度の耐久性であった。

[0015] 最近の自動車搭載用電子部材においては、ハンダ合金の耐振動性に対する要求はさらに厳しくなつている。上記耐振動性評価の曲げ試験において、 Cu—OSP電極上に形成した場合で 1000回以上、 NiZAu電極上に形成した場合で 200回以上の耐久性を示す良好な耐振動性が要求されるようになってきた。

[0016] 本発明は、耐衝撃性について上記目標性能を実現する鉛フリーハンダ合金及び該鉛フリーハンダ合金を用いたノヽンダボール並びに該鉛フリーハンダ合金を用いたノヽンダバンプを有する電子部材を提供することを目的とする。また、本発明は、耐振動性にっ、て上記目標性能を実現する自動車搭載電子部材用鉛フリーハンダ合金及び該鉛フリ一ハンダ合金を用 V、たノヽンダボール並びに該鉛フリ一ハンダ合金を用 V、たノヽンダバンプを有する自動車搭載用電子部材を提供することを目的とする。課題を解決するための手段

[0017] Cu電極の上に Sn— Ag— Cu系鉛フリーハンダ合金による接合部を形成すると、 C u電極の直上に Cu Sn金属間化合物の層が形成され、さらにその上に Cu Sn金属

3 6 5 間化合物層が形成され、その上にハンダ合金層が形成される。また、標準的 CuZNi ZAuメツキ基板の上に Sn— Ag— Cu系鉛フリーハンダ合金による接合部を形成すると、 Ni電極上に Ni Sn金属間化合物層が形成され、さらにその上に Cu Sn金属

3 4 6 5 間化合物層が形成され、その上にハンダ合金層が形成される。

[0018] これら電極上に形成されたハンダバンプの耐衝撃性を評価する試験を行うと、 Cu 電極上のハンダバンプの場合には Cu Sn金属間化合物と Cu Sn金属間化合物との界面で破断が発生する。 CuZNiZAuメツキ基板上のハンダバンプの場合には Ni

3

Sn金属間化合物と Cu Sn金属間化合物との界面で破断が発生する。いずれの場

4 6 5

合も、 2層に形成された金属間化合物の層間にお、て破断が発生してヽる。

[0019] これら破断発生の原因として、 Cu Sn金属間化合物層の歪が破断の主因であると

6 5

考えることができる。もしそうであれば、 Cu Sn金属間化合物層の歪を緩和すれば、

6 5

2層の金属間化合物層の層間での破断発生が抑えられ、結果としてハンダ接合部の耐衝撃性を向上させることができるはずである。

[0020] Cu Sn金属間化合物層中の Cu原子サイトを、 Cuより原子半径の小さ、原子種で

6 5

置換することにより、 Cu Sn金属間化合物層の歪を緩和できる。 Coが Cuより原子半

6 5

径の小さい原子種に該当する。さらに、ハンダ合金中に微量の Feを含有することにより、効率的に Cu Sn金属間化合物の Cu原子を Coで置換できることを見いだした。

6 5

[0021] そこで、 Ag : l. 0〜2. 0質量⁰ /₀、 Cu: 0. 3〜1. 0質量⁰ /₀を含有する Sn—Ag— Cu 系 10フジーノヽンダ合金に、 Co : 0. 005〜0. 1質量⁰ /_o、Fe : 0. 0001〜0. 005質量

%を含有させ、このハンダ合金を用いて電極との接合部を形成し、耐衝撃性を評価したところ、耐衝撃落下回数が 80回以上と飛躍的に向上することが明らかになった。

[0022] また、上記電極上に形成されたハンダバンプの耐振動性を評価する繰り返し曲げ試験を行うと、最終的に亀裂が発生する箇所は、ハンダ合金の成分によって相違する。特許文献 1に記載のように、 Ag含有量が 3〜4質量％の311— Ag— Cuノヽンダ合金の場合には、 Cu電極上のハンダバンプの場合には Cu Sn金属間化合物と Cu Sn

3 6 金属間化合物との界面で破断が発生する。 CuZNiZAuメツキ基板上のハンダバ

5

ンプの場合には Ni Sn金属間化合物と Cu Sn金属間化合物との界面で破断が発

3 4 6 5

生する。いずれの場合も、 2層に形成された金属間化合物の層間において破断が発生している。一方、 Ag含有量が 1〜2質量％程度の Sn—Ag— Cuノヽンダ合金の場合には、亀裂は金属間化合物層ではなぐハンダ合金の領域内を進展する。即ち、 Ag含有量が 3〜4質量％ではハンダ合金そのものの疲労強度は高いものの金属間化合物層の疲労強度が十分ではなぐ Ag含有量力^〜 2質量％程度ではハンダ合金の疲労強度が十分ではなぐいずれの場合も耐振動性の限界となっていた。

[0023] 以上のとおり、自動車搭載用の電子部材に用いるハンダ合金の耐振動性を向上するためには、ハンダ合金そのものの疲労強度と、電極とハンダ合金との境界に形成される金属間化合物層の疲労強度とを、同時に増大させることが必要であるとわ力つた。これらのうち、電極とハンダ合金との境界に形成される金属間化合物層の疲労強度の増大については、金属間化合物層の境界で発生する破断発生の原因として、 Cu

6

Sn金属間化合物層の歪が破断の主因であると考えることができる。従って、耐衝撃

5

性について上記したと同様に、 Cu Sn金属間化合物層の歪を緩和すれば、 2層の

6 5

金属間化合物層の層間での破断発生が抑えられ、結果としてハンダ接合部の耐振動性を向上させることができるはずである。

[0024] 一方、ハンダ合金そのものの疲労強度の増大について考えると、ハンダ合金中に微量に添加した Fe、 Co等によってハンダ合金の強度が増大し、その結果としてハンダ合金の疲労強度が向上することが判明した。

[0025] 本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、その要旨とするところは以下の通りである。

[0026] 本発明の請求項 1記載の鉛フリーハンダ合金は、 Ag : 1. 0〜2. 0質量⁰ /₀、 Cu: 0.

3〜1. 0質量⁰ /₀、Co : 0. 005〜0. 10質量⁰ /_o、Fe : 0. 0001〜0. 005質量⁰ /₀を含有し、残部 Sn及び不可避不純物力なることを特徴とする鉛フリーハンダ合金である。

[0027] 本発明の請求項 2記載の鉛フリーハンダ合金は、 Co+Fe≤0. 10質量％であることを特徴とする請求項 1に記載の鉛フリーハンダ合金である。

[0028] 本発明の請求項 3記載の鉛フリーハンダ合金は、含有酸素濃度が 0. 0020質量％以下であることを特徴とする請求項 1又は 2に記載の鉛フリーハンダ合金である。

[0029] 本発明の請求項 4記載の鉛フリーハンダ合金は、 Cr: 0. 0005〜0. 0050質量⁰ /₀、 V: 0. 0005-0. 0050質量％の 1種又は 2種を含有することを特徴とする請求項 1 乃至 3のいずれかに記載の鉛フリーハンダ合金である。

[0030] 本発明の請求項 5記載の鉛フリーハンダ合金は、 Ag : 1. 0〜2. 0質量⁰ /₀、 Cu: 0.

3〜1. 0質量％、Co : 0. 005〜0. 10質量％を含有し、残部 Sn及び不可避不純物力らなり、さらに、 Cr: 0. 0005〜0. 0050質量⁰ /₀、 V: 0. 0005〜0. 0050質量⁰ /₀の 1種又は 2種を含有することを特徴とする鉛フリーハンダ合金である。

[0031] 本発明の請求項 6記載の鉛フリーハンダ合金は、 Sb : 0. 01〜0. 5質量％を含有することを特徴とする請求項 1乃至 5のいずれかに記載の鉛フリーハンダ合金である

[0032] 本発明の請求項 7記載の鉛フリーハンダ合金は、 P:0. 0005〜0. 005質量⁰ /₀、 G e :0. 0005〜0. 01質量％の 1種又は 2種を含有し、かつ P + Ge≤0. 01質量％であることを特徴とする請求項 1乃至 6のいずれかに記載の鉛フリーハンダ合金である。

[0033] 本発明の請求項 8記載のハンダボールは、請求項 1乃至 7のいずれかに記載の鉛フリーハンダ合金を用いてなることを特徴とするハンダボールである。

[0034] 本発明の請求項 9記載のハンダボールは、ボール直径が 300 μ m以下であることを特徴とする請求項 8に記載のハンダボールである。

[0035] 本発明の請求項 10記載の電子部材は、請求項 1乃至 7のいずれかに記載の鉛フリ一ハンダ合金を用いたハンダバンプを有することを特徴とする電子部材。

[0036] 本発明の請求項 11記載の電子部材は、 Cu電極、 Ni電極又は CuZNiZAuメツキ基板上にハンダバンプが形成されてなることを特徴とする請求項 10に記載の電子部材。

[0037] 本発明の請求項 12記載の電子部材は、複数の電子部品間をノ、ンダ電極によって接合した電子部材であって、該ハンダ電極の一部又は全部は、請求項 1乃至 7のいずれかに記載の鉛フリーハンダ合金を用いてなることを特徴とする電子部材である。

[0038] 本発明の請求項 13記載の自動車搭載電子部材用鉛フリーハンダ合金は、請求項 1に記載の鉛フリーハンダ合金を用いてなることを特徴とする自動車搭載電子部材用鉛フリーハンダ合金である。

[0039] 本発明の請求項 14記載の自動車搭載電子部材用鉛フリーハンダ合金は、含有酸素濃度が 0. 0020質量％以下であることを特徴とする請求項 13に記載の自動車搭載電子部材用鉛フリーハンダ合金である。

[0040] 本発明の請求項 15記載の自動車搭載電子部材用鉛フリーハンダ合金は、 Cr:0.

0005〜0. 0050質量⁰ /₀、 V:0. 0005〜0. 0050質量⁰ /₀の 1種又は 2種を含有することを特徴とする請求項 13又は 14に記載の自動車搭載電子部材用鉛フリーハンダ合金である。

[0041] 本発明の請求項 16記載の自動車搭載電子部材用鉛フリーハンダ合金は、 Sb :0. 01〜0. 5質量％を含有することを特徴とする請求項 13乃至 15のいずれかに記載の自動車搭載電子部材用鉛フリーハンダ合金である。

[0042] 本発明の請求項 17記載の自動車搭載電子部材用鉛フリーハンダ合金は、 P： 0. 0

005〜0. 005質量⁰ /₀、 Ge:0. 0005〜0. 01質量⁰ /₀の 1種又は 2種を含有し、力つ P

+ Ge≤0. 01質量％であることを特徴とする請求項 13乃至 16のいずれかに記載の自動車搭載電子部材用鉛フリーハンダ合金である。

[0043] 本発明の請求項 18記載の自動車搭載電子部材用ハンダボールは、請求項 13乃至 17のいずれかに記載の自動車搭載電子部材用鉛フリーハンダ合金を用いてなることを特徴とする自動車搭載電子部材用ハンダボールである。

[0044] 本発明の請求項 19記載の自動車搭載電子部材用ハンダボールは、ボール直径が

300 μ m以下であることを特徴とする請求項 18に記載の自動車搭載電子部材用ハンダボールである。

[0045] 本発明の請求項 20記載の自動車搭載電子部材用ハンダボールは、請求項 13乃至 17のいずれかに記載の自動車搭載電子部材用鉛フリーハンダ合金を用いたノヽンダバンプを有することを特徴とする自動車搭載用電子部材である。

[0046] 本発明の請求項 21記載の自動車搭載用電子部材は、 Cu電極、 Ni電極又は CuZ NiZAuメツキ基板上にハンダバンプが形成されてなることを特徴とする請求項 20に記載の自動車搭載用電子部材である。

[0047] 本発明の請求項 22記載の自動車搭載用電子部材は、複数の電子部品間をハンダ電極によって接合した電子部材であって、該ハンダ電極の一部又は全部は、請求項 13乃至 17のいずれかに記載の自動車搭載電子部材用鉛フリーハンダ合金を用いてなることを特徴とする自動車搭載用電子部材である。本発明の請求項 23記載の電子部材は、複数の電子部品間をノ、ンダ電極によって接合した電子部材であって、該ハンダ電極の一部又は全部は、請求項 13乃至 17のいずれかに記載の自動車搭載電子部材用鉛フリーハンダ合金を用いてなり、自動車に搭載されていることを特徴とする電子部材である。

発明の効果

[0048] 本発明は、 Ag: 1. 0〜2. 0質量％、 Cu:0. 3〜1. 0質量％を含有する Sn— Ag— Cu系口、フリーノヽンダ合金【こ、 Co : 0. 005〜0. 1質量⁰ /_o、Fe : 0. 0001〜0. 005質量％を含有することにより、電極とハンダ合金との境界に形成される金属間化合物層の層間での破断発生を抑えることができる。従って、本発明では、該鉛フリーハンダ合金を用いた接合部の耐衝撃性を大幅に改善することが可能となる。

[0049] さらに、本発明は、上記構成を採用することにより、ハンダ合金そのものの疲労強度と、電極とハンダ合金との境界に形成される金属間化合物層の疲労強度とを、同時に増大させることができる。従って、本発明では、該鉛フリーハンダ合金を用いた接合部の耐振動性を大幅に改善し、自動車搭載用電子部材の耐振動特性を向上することが可能となる。

発明を実施するための最良の形態

[0050] 1.実施形態

(1)第 1実施形態

本発明においては、 Ag : l. 0〜2. 0質量％、 Cu: 0. 3〜1. 0質量％を含有する S n— Ag— Cu系口、フリーノヽンダ合金【こ、 Co : 0. 005〜0. 1質量⁰ /_o、Fe : 0. 0001〜0 . 005質量％を含有することにより、該鉛フリーハンダ合金を用いた接合部の耐衝撃性を大幅に改善することを見出した。以下、ハンダ合金中に Coとともに微量の Feを含有することにより、なぜ耐衝撃性が大幅に改善するに到ったかについて、詳細に推論を行う。

[0051] Cu電極の上に Sn— Ag— Cu系鉛フリーハンダ合金による接合部を形成すると、 C u電極の直上に Cu Sn金属間化合物の層が形成され、さらにその上に Cu Sn金属

[0052] 前述のとおり、これら電極上に形成されたハンダバンプの耐衝撃性を評価する試験を行うと、 Cu電極上のハンダバンプの場合には Cu Sn金属間化合物と Cu Sn金属

3 6 5 間化合物との界面で破断が発生する。 CuZNiZAuメツキ基板上のハンダバンプの場合には Ni Sn金属間化合物と Cu Sn金属間化合物との界面で破断が発生する。、ずれの場合も、 2層に形成された金属間化合物の層間におヽて破断が発生して!/ヽる。

[0053] 本発明においては、 Cu Sn金属間化合物層の歪が破断の主因であることを見出し

6 5

、さらに Cu Sn金属間化合物層の歪を緩和することにより、 2層の金属間化合物層

6 5

の層間での破断発生が抑えられ、結果としてハンダ接合部の耐衝撃性を向上させ得ることを見出した。

[0054] ハンダ接合された電極部付近の応力形成状況を確認すると、 Cu電極の場合の Cu

3

Sn(Ni電極の場合は Ni Sn )金属間化合物には圧縮応力が発生し、その上の Cu S

3 4 6 n金属間化合物層には引張応力が発生している。従って、 Cu Sn金属間化合物層

5 6 5

中の Cu原子サイトを、 Cuより原子半径の小さい原子種で置換することにより、 Cu Sn

6 金属間化合物層の歪を緩和できることがわかる。 Co、 Feが Cuより原子半径の小さ

5

い原子種に該当する。

[0055] 上述のとおり、 Cu電極の上に Sn— Ag— Cu系鉛フリーハンダ合金による接合部を形成すると、 Cu電極の直上に Cu Sn金属間化合物の層が形成され、さらにその上

3

に Cu Sn金属間化合物層が形成される。 Cu Sn金属間化合物について詳細に検

6 5 6 5

討する。ハンダ合金中に Co、 Fe等の 3d金属元素が含まれる場合、これら 3d金属元素は Cu Sn金属間化合物の Cuを置換する形で金属間化合物中に含有される。

6 5

[0056] Co、 Feは、いずれも Cuに比較して原子半径が小さい。従って、 Cu Sn金属間化

6 5 合物の Cuが Co、 Feで置換されると、置換されていない場合と比較して平均的格子定数が小さくなるため金属間化合物が収縮し、 Cu Sn金属間化合物層が有してい

6 5

た圧縮応力が緩和され、隣接する Cu Sn金属間化合物層との間の歪が緩和されるこ

3

ととなる。

[0057] この点を確認するため、 Cu Sn相の 3d金属元素置換の状態を第一原理計算によ

6 5

つて解析した。 Cu Sn相の特定の Cuサイトを 3d金属元素で置換したときの、置換元

6 5

素と隣接 Cu原子及び隣接 Sn原子との距離の平均を第一原理計算によって算出すると、置換元素が Co、 Feのいずれの場合も、 Cuから置換することによって隣接 Cu原子との距離は増大し、隣接 Sn原子との距離は短縮している。置換元素が Mn、 Cr、 V の場合も同様である。 [0058] Cu Sn金属間化合物は六方晶系であり、結晶中に 4種類の Cuサイトがある。ここ

6 5

ではこれを Cul、 Cu2、 Cu3、 Cu'と呼ぶ。これら 4種類の各 Cuサイトを Co、 Feが置換するエネルギーと液相 Sn中の Co、 Feを模した Sn中での置換エネルギーの差を評価した。その結果、いずれの元素においても Cu'サイトが最も安定であり、 Fe、 Co は各 Cuサイト特に Cu'サイトに入りやすいことが判明した。従って、ハンダ合金中に Coと Feが共存する場合、 Cu Sn金属間化合物の Cu'サイトをまず Feあるいは Coと

6 5

Feが優先的に置換するものと推定される。

[0059] また、 311—八₈—じ11系ハンダ合金に微量の 6を含有させることにょり、溶融したノヽンダ合金の冷却中に多量の FeSn金属間化合物が生成し、それが初晶の核となるこ

2

とによりデンドライト構造を微細化させることができる。次の熱処理の際に初晶デンドライト間から結晶が形成されるため、 Feの微量添カ卩によってデンドライト構造が微細化された材料については、凹凸の少ない金属間化合物層が形成されることとなる。ただし、 Fe含有量が多すぎると FeSn金属間化合物相が粗大化するので逆効果となる。

2

[0060] 実際、 Sn— Ag— Cu系ハンダ合金について金属間化合物層の成長状況を対比すると、 Co、 Feを添加しない場合には Cu Sn金属間化合物層が大きくかつ不均一に

6 5

成長するのに対し、 Coと Feを添加した場合には Cu Sn金属間化合物層の厚さが薄

6 5

くなり、かつ均一成長していることがわ力つた。このような金属間化合物層の形態変化によっても、金属間化合物層間を起点とする割れの発生を効果的に防止しているものと考えられる。

[0061] ハンダ合金中に Coとともに微量の Feを含有することにより、耐衝撃性が大幅に改善するに到った理由は、以上のようなメカニズムによるものと推定される。

[0062] 次に、ハンダ合金中の各合金元素の成分限定理由について説明する。

[0063] Ag : Sn— Ag— Cu系鉛フリーハンダにおいて、 Ag含有量が多すぎると、析出する Ag Sn金属間化合物が多くなり、ハンダ合金が脆くなりあるいは硬くなるため、耐落

3

下衝撃特性が悪ィ匕する。 Ag含有量が 2. 0質量％以下であれば、良好な耐落下衝撃特性を確保することができる。一方、 Ag含有量が少なすぎると、ハンダ合金の液相線温度が高くなる。 Ag含有量が 1. 0質量％以上であれば、十分に低い液相線温度を確保することができる。例えば Cu含有量 0. 5質量％において、 Ag含有量が 1. 0 質量％であれば液相線温度は 227°Cを確保することができる。 Ag含有量が 1. 1〜1 . 5質量％、特に 1. 2質量％近傍であると、耐落下衝撃特性が特に良好となるので好ましい。

[0064] Cu: Sn— Ag— Cu系鉛フリーハンダにおいて、 Cu含有量が低すぎるとハンダ合金の液相線温度が高くなる。 Cu含有量が 0. 3質量％以上であれば、ハンダ合金の液相線温度を 227°C以下に抑えることができる。一方、 Cu含有量が多すぎるとハンダ合金のビッカース硬度が上昇するので好ましくない。 Cu含有量が 1. 0質量％以下であれば、例えば Ag含有量 1. 5質量％においてビッカース硬度上昇代を 10%以下に抑えることができる。

[0065] Co： Coは Feとならんで、本発明にお!/、てハンダ合金の耐衝撃性を向上させる主要な含有成分である。 Co含有量が 0. 005質量％以上であれば、前述の Coによる耐衝撃性の向上効果を実現することができる。 Co含有量が 0. 03質量％以上であればより好ましい。一方、 Co含有量が 0. 10質量％を超えると、ハンダ合金の融点が上昇してしまうので好ましくない。また、 Co含有量が増大するとハンダ合金の硬さが上昇するため耐衝撃性の観点力好ましくない。 Co含有量が 0. 06質量％以下であればノヽンダ合金の硬さが十分に低いレベルにあるので好ましい。 Co含有量が 0. 05質量％以下であればより好まし!/、。

[0066] Cu電極等の電極上において溶融ハンダを用いて接合を行う場合、ハンダ合金中に含有する Co成分は、電極上に金属間化合物層が形成される際に優先的に金属間化合物層中に分配される。この分配のため、液相であるハンダ合金中の Co含有量は金属間化合物層の凝固進行とともに減少し、最終凝固後のハンダ合金中 Co含有量は、もとのハンダ合金中の Co含有量の 20〜50%程度にまで減少する。このようにハンダ合金中の Co含有量が減少する結果として、ハンダ合金自身の硬度が低下する。そのため、落下衝撃時の衝突エネルギーをノヽンダ合金が吸収することができるので、耐落下衝撃特性改善にも大幅に寄与する。

[0067] Fe :本発明においては、微量の Feを含有することにより、上記 Coとの相乗作用によつて耐衝撃性を画期的に向上することが可能となる。 Fe含有量が 0. 0001質量％以上であれば本発明の耐衝撃性向上効果を実現することができる。 Fe含有量が 0. 00 05質量％以上であればより好ましい。一方、 Fe含有量が 0. 005質量％を超えると、リフロー後のハンダ合金表面がザラついたりガサガサになるというような表面状態の悪化や、ハンダ濡れ性が低下するといつた問題が発生する。また、上述のとおり、 Fe 含有量が多すぎると FeSn金属間化合物相が粗大化するので逆効果となるが、 Fe

2

含有量が 0. 005質量％以下であればこの問題も発生しない。

[0068] 本発明においては、 Coと Feの含有量を合計で 0. 10質量％以下とすると好ましい。 Co、 Feそれぞれの含有量が前記各成分の含有量範囲に入っていたとしても、 Co、 Feの合計含有量が 0. 10質量％を超えると、ハンダ合金自身の硬度が高くなつて耐落下衝撃特性が低下したり、ハンダ合金の融点が上昇するという問題が発生する。

[0069] 以下、好ま、選択成分につ!、て説明する。

[0070] O :ハンダ合金中には不純物として Oを含有している。この O濃度が 0. 0020質量 %を超えると、耐落下衝撃特性が O濃度上昇に伴って低下する。そこで、本発明においては、含有酸素濃度が 0. 0020質量％以下であると好ましい。

[0071] 本発明において、耐衝撃性を向上させるための 3d金属元素として、上述のように C oと Feが有効である力 Feに替え、又は Feとともに、 Cr、 Vを添カロした場合も同じように耐衝撃性を向上する効果を有して、る。

[0072] Cr: Cr含有量 0. 0005質量％以上で耐衝撃性を向上する効果を発揮することができる。一方、 Cr含有量が多すぎるとリフロー後のハンダ性状が悪ィ匕したり、ハンダ合金の濡れ性が低下したり、ハンダ合金の融点が急激に上昇する問題が発生するが、 Cr含有量が 0. 0050質量％以下であればこのような問題を発生させることなく耐衝撃性向上効果を発揮することができる。

[0073] V:V含有量 0. 0005質量％以上で耐衝撃性を向上する効果を発揮することができる。一方、 V含有量が多すぎると上記 Cr過多と同様の問題が発生する力 V含有量が 0. 0050質量％以下であればこのような問題を発生させることなく耐衝撃性向上効果を発揮することができる。

[0074] Sb :ハンダ合金中に Sbを含有させると、母相である Snデンドライト中に分散し、鉛フリーハンダ合金の熱サイクル試験等での熱疲労特性を改善することができる。 Sb 含有量が 0. 01質量％以上で熱サイクル疲労特性を改善させることができる。一方、 Sb含有量が 0. 5質量％を超えるとハンダ合金を硬くすることから、耐落下衝撃特性が悪ィ匕することとなるので、上限を 0. 5質量％とする。

[0075] P及び Ge :鉛フリーハンダ合金中に Pと Geの一方又は両方を添加すると、ハンダ表面の変色を抑制することができる。ともに 0. 0005質量％以上含有すると変色抑制効果を発揮することができる。一方、 Pまたは Geの含有量が多すぎると耐落下衝撃特性が低下する力 P : 0. 005質量％以下、 Ge : 0. 01質量％以下であれば良好な耐落下衝撃特性を維持することができる。

[0076] Pと Geをともに含有させる場合、 P + Ge≤0. 01質量％とすると耐落下衝撃特性を良好に保持できるので好まし、。

[0077] 上記記載の成分を含有する鉛フリーハンダ合金を用いたノ、ンダボールとすると好ましい。半導体基板、電子部品、プリント基板等の電子部材上の多数の電極にフラックスの粘着力を利用して本発明のハンダボールを粘着させ、っ、で電子部材を高温に熱してハンダボールをリフローさせることにより、電極上にハンダバンプを形成する。このハンダバンプを介して半導体基板等とプリント基板等との間を接合する。このようにして形成したノヽンダ合金による接合部は、極めて良好な耐衝撃特性を発揮することがでさる。

[0078] 本発明のハンダボールは直径を 300 μ m以下とすると好ましい。ハンダボールの直径が小さくなるほど、ハンダボールを用いて形成したハンダ接合部の接合断面積が小さくなるため、耐落下衝撃特性が厳しくなる。そのため、ハンダボールの直径が小さ、ほど本発明による耐落下衝撃特性の向上効果を発揮することができる。ハンダボール直径が 300 μ m以下の小径ボールにおいて、本発明の耐落下衝撃特性を十分に発揮することが可能となるからである。

[0079] 上記記載の成分を含有する鉛フリーハンダ合金を用いたノ、ンダバンプを有する電子部材とすると好ま U、。このハンダバンプを介して半導体基板等とプリント基板等との間を接合する。このようにして形成したノヽンダ合金による接合部は、極めて良好な耐衝撃特性を発揮することができる。

[0080] 上記本発明のハンダバンプを有する電子部材は、 Cu電極、 Ni電極又は CuZNi ZAuメツキ基板上にハンダバンプが形成されてなることとすると好まヽ。鉛フリーハンダ合金と Cu電極、 Ni電極又は Cu/NiZAuメツキ基板との接合部における耐衝撃特性を改善する効果を有してヽるからである。

[0081] 複数の電子部品間をノヽンダ電極によって接合した本発明の電子部材であって、該ハンダ電極の一部又は全部を上記本発明の鉛フリーハンダ合金を用いてなる電子部材は、そのハンダ電極が極めて良好な耐衝撃特性を発揮することができる。

[0082] なお、上記本発明の鉛フリーハンダ合金を用いてなるハンダバンプ、ハンダ電極は、前述のとおり、接合時にハンダ合金中の Co成分は金属間化合物中に優先して分配され、ハンダ金属部分に分配される Co含有量はもとのハンダ合金中の Co含有量よりも少、なくなる。

[0083] (2)第 2実施形態

本発明においては、 Ag : l. 0〜2. 0質量％、 Cu: 0. 3〜1. 0質量％を含有する S n—Ag— Cu系の自動車搭載電子部材用鉛フリーハンダ合金に、 Fe : 0. 0001-0. 005質量％、Co : 0. 005-0. 1質量％を含有することにより、該鉛フリーハンダ合金を用いた接合部の耐振動性を大幅に改善することを見出した。以下、ハンダ合金中に Coとともに微量の Feを含有することにより、なぜ耐振動性が大幅に改善するに到つたかについての推論は、上記第 1実施形態において耐衝撃性について述べたのと同様であるので、簡単に説明する。

[0084] ハンダ合金中に Co、 Feを含有させると、その大半は上述のように電極界面に優先して分配し、金属間化合物層間の歪を緩和し、厚みを均一に薄くするように働く。一方、ハンダ内においても微量に残存した Co、 Feにより、ハンダ合金自身の疲労強度が向上することが判明した。即ち、これら成分を微量に含有させることにより、金属間化合物層付近での疲労強度とハンダ合金の疲労強度の両方を同時に改善することが可能になるのである。

[0085] ハンダ合金中に Coとともに微量の Feを含有することにより、耐振動性が大幅に改善するに到った理由は、以上のようなメカニズムによるものと推定される。

[0086] 次に、ハンダ合金中の各合金元素の成分限定理由について説明する。

[0087] Ag : Sn— Ag— Cu系の自動車搭載電子部材用鉛フリーハンダにおいて、 Ag含有量が多すぎると、析出する Ag Sn金属間化合物が多くなり、ハンダ合金が脆くなりあるいは硬くなるため、耐振動特性が悪化する。 Ag含有量が 2. 0質量％以下であれば、良好な耐振動特性を確保することができる。一方、 Ag含有量が少なすぎると、ハンダ合金の液相線温度が高くなる。 Ag含有量が 1. 0質量％以上であれば、十分に低い液相線温度を確保することができる。例えば Cu含有量 0. 5質量％において、 A g含有量が 1. 0質量％であれば液相線温度は 227°Cを確保することができる。

[0088] Cu: Sn— Ag— Cu系の自動車搭載電子部材用鉛フリーハンダにおいて、 Cu含有量が低すぎるとハンダ合金の液相線温度が高くなる。 Cu含有量が 0. 3質量％以上であれば、ハンダ合金の液相線温度を 227°C以下に抑えることができる。一方、 Cu 含有量が多すぎるとハンダ合金のビッカース硬度が上昇するので好ましくな、。 Cu 含有量が 1. 0質量％以下であれば、例えば Ag含有量 1. 5質量％においてピッカース硬度上昇代を 10%以下に抑えることができる。

[0089] Co :本発明においては前述のとおり、ハンダ合金中に Coを含有することによってさらに良好な耐振動性を得ることができる。 Co含有量が 0. 005質量％以上であれば、 Co含有による耐振動性向上効果を実現することができる。一方、 Co含有量が多すぎると、ハンダ合金自身の硬度が高くなり耐振動特性が低下したり、ハンダ合金の融点が上昇するという問題が発生する力 Co含有量が 0. 10質量％以下であればこの問題は発生しない。

[0090] Cu電極等の電極上において溶融ハンダを用いて接合を行う場合、ハンダ合金中に含有する Co成分は、電極上に金属間化合物層が形成される際に優先的に金属間化合物層中に分配される。この分配のため、液相であるハンダ合金中の Co含有量は金属間化合物層の凝固進行とともに減少し、最終凝固後のハンダ合金中 Co含有量は、もとのハンダ合金中の Co含有量の 20〜50%程度にまで減少する。このようにハンダ合金中の Co含有量が減少する結果として、ハンダ合金自身の硬度が低下する。そのため、繰り返し曲げ試験時の衝撃エネルギーをノヽンダ合金が吸収することができるので、耐振動特性改善にも大幅に寄与する。

[0091] Fe :本発明においては、微量の Feを含有することにより、耐振動性を画期的に向上することが可能となる。 Fe含有量が 0. 0001質量％以上であれば本発明の耐振動性向上効果を実現することができる。 Fe含有量が 0. 0005質量％以上であればより好ましい。一方、 Fe含有量が 0. 005質量％を超えると、リフロー後のハンダ合金表面がザラついたりガサガサになるというような表面状態の悪ィ匕や、ハンダ濡れ性が低下するといつた問題が発生する。また、上述のとおり、 Fe含有量が多すぎると FeSn

2 金属間化合物相が粗大化するので逆効果となるが、 Fe含有量が 0. 005質量％以下であればこの問題も発生しない。また、 Fe含有量が高いと耐振動特性に若干の悪影響を与えるが、 Fe含有量が 0. 001質量％以下であれば全く問題ない。

[0092] 本発明においては、 Coと Feの含有量を合計で 0. 10質量％以下とすると好ましい。 Co、 Feそれぞれの含有量が前記各成分の含有量範囲に入っていたとしても、 Co、 Feの合計含有量が 0. 10質量％を超えると、ハンダ合金自身の硬度が高くなつて耐振動特性が低下したり、ハンダ合金の融点が上昇するという問題が発生する。

[0093] 以下、好ま、選択成分につ!、て説明する。

[0094] O :ハンダ合金中には不純物として Oを含有している。この O濃度が 0. 0020質量

%を超えると、耐振動特性が O濃度上昇に伴って低下する。そこで、本発明においては、含有酸素濃度が 0. 0020質量％以下であると好ましい。

[0095] 本発明において、耐振動性を向上させるための 3d金属元素として、上述のように F eと Coが有効であるが、 Cr、 Vを添加した場合も同じように耐振動性を向上する効果を有している。

[0096] Cr: Cr含有量 0. 0005質量％以上で耐振動性を向上する効果を発揮することができる。一方、 Cr含有量が多すぎるとリフロー後のハンダ性状が悪ィ匕したり、ハンダ合金の濡れ性が低下したり、ハンダ合金の融点が急激に上昇する問題が発生するが、 Cr含有量が 0. 0050質量％以下であればこのような問題を発生させることなく耐振動性向上効果を発揮することができる。

[0097] V:V含有量 0. 0005質量％以上で耐振動性を向上する効果を発揮することができる。一方、 V含有量が多すぎると上記 Cr過多と同様の問題が発生する力 V含有量が 0. 0050質量％以下であればこのような問題を発生させることなく耐振動性向上効果を発揮することができる。

[0098] Sb :ハンダ合金中に Sbを含有させると、母相である Snデンドライト中に分散し、鉛フリーハンダ合金の熱サイクル試験等での熱疲労特性を改善することができる。 Sb 含有量が 0. 01質量％以上で熱サイクル疲労特性を改善させることができる。一方、 Sb含有量が 0. 5質量％を超えるとハンダ合金を硬くすることから、耐振動特性が悪化することとなるので、上限を 0. 5質量％とする。

[0099] P及び Ge :鉛フリーハンダ合金中に Pと Geの一方又は両方を添加すると、ハンダ表面の変色を抑制することができる。ともに 0. 0005質量％以上含有すると変色抑制効果を発揮することができる。一方、 Pまたは Geの含有量が多すぎると耐振動特性が低下するが、 P : 0. 005質量％以下、 Ge : 0. 01質量％以下であれば良好な耐振動特性を維持することができる。

[0100] Pと Geをともに含有させる場合、 P + Ge≤0. 01質量％とすると耐振動特性を良好に保持できるので好ましヽ。

[0101] 上記記載の成分を含有する自動車搭載電子部材用鉛フリーハンダ合金を用いた自動車搭載電子部材用ハンダボールとすると好ましい。半導体基板、電子部品、プリント基板等の電子部材上の多数の電極にフラックスの粘着力を利用して本発明のハンダボールを粘着させ、つ、で電子部材を高温に熱してハンダボールをリフローさせることにより、電極上にハンダバンプを形成する。このハンダバンプを介して半導体基板等とプリント基板等との間を接合する。このようにして形成したノヽンダ合金による接合部は、極めて良好な耐振動特性を発揮することができるので、自動車搭載電子部材用として好適に使用することができる。

[0102] 本発明のハンダボールは直径を 300 μ m以下とすると好ましい。ハンダボールの直径が小さくなるほど、ハンダボールを用いて形成したハンダ接合部の接合断面積が小さくなるため、耐振動特性が厳しくなる。そのため、ハンダボールの直径が小さいほど本発明による耐振動特性の向上効果を発揮することができる。ハンダボール直径力 m以下の小径ボールにおいて、本発明の耐振動特性を十分に発揮することが可能となるからである。

[0103] 本発明の自動車搭載用電子部材は、上記記載の成分を含有する鉛フリーハンダ合金を用いたノヽンダバンプを有する電子部材とすると好ま U、。このハンダバンプを介して半導体基板等とプリント基板等との間を接合する。このようにして形成したノヽンダ合金による接合部は、極めて良好な耐振動特性を発揮することができるので、自動車搭載用電子部材として好適に使用することができる。

[0104] 上記本発明のハンダバンプを有する自動車搭載用電子部材は、 Cu電極、 Ni電極又は CuZNiZAuメツキ基板上にハンダバンプが形成されてなることとすると好ましい。鉛フリーハンダ合金と Cu電極、 Ni電極又は CuZNiZAuメツキ基板との接合部における耐振動特性を改善する効果を有しているからである。

[0105] 複数の電子部品間をノヽンダ電極によって接合した本発明の電子部材であって、該ハンダ電極の一部又は全部を上記本発明の鉛フリーハンダ合金を用いてなる自動車搭載用電子部材は、そのハンダ電極が極めて良好な耐振動特性を発揮することができるので、自動車搭載用電子部材として好適に使用することができる。

[0106] 複数の電子部品間をノヽンダ電極によって接合した本発明の電子部材であって、該ハンダ電極の一部又は全部を上記本発明の鉛フリーハンダ合金を用いてなり、自動車に搭載されてヽる電子部材は、そのハンダ電極が極めて良好な耐振動特性を発揮することができるので、自動車走行時に受ける振動に十分に耐えることができる。

[0107] なお、上記本発明の鉛フリーハンダ合金を用いてなるハンダバンプ、ハンダ電極は、前述のとおり、接合時にハンダ合金中の Co成分は金属間化合物中に優先して分配され、ハンダ金属部分に分配される Co含有量はもとのハンダ合金中の Co含有量よりも少、なくなる。

2.実施例

( 1)第 1実施形態に対応する実施例

表 1〜表 5に示す各成分を有するハンダ合金を用い、直径 300 mのハンダボ一ルを作成した。

[0108] ハンダボールを接合する電極を有する基板として、 FR— 4製のプリント基板を用意した。プリント基板のサイズは 160mm X 64mm X 0. 8mm (厚さ）である。プリント基板上には、 240 πι φサイズの電極が 324個配置されている。電極として Cu—OSP を用ぃたものと?^ (3〜5 111メッキ）7八11 (0. 03〜0. 05 mメツキ）の 2種類を用いた。ハンダボールを介して上記プリント基板と接合する実装部品として、 9. 6mm角、厚さ 0. 7mmのシリコンチップを用いた。シリコンチップ上には、プリント基板上の電極と対応する位置に 240 μ ΐη φサイズの電極が 324個配置されている。電極材質は Cr (0. 07 ^ πι) /Νί (0. 8 μ η /Αη (0.： L m)である。プリント基板とシリコンチップの電極間がハンダ接合されると、各電極を直列でつなぐ回路が形成されるようになつている。

[0109] 実装プロセスとして、まず上記シリコンチップ側の電極に、用意したノヽンダボールを搭載した上でリフローし、ハンダバンプを形成する。次にハンダバンプを形成したシリコンチップをプリント基板にフリップチップ接続し、ピーク温度 250°Cでリフローし、シリコンチップの電極とプリント基板の電極とを接合し、評価部材を形成した。

[0110] 耐落下衝撃特性の評価は、株式会社ティーテック製全自動衝撃試験装置 BIT— 6 OOSを用いた。上記接合した評価部材を、シリコンチップ側を下にして定盤に配置する。次に質量 30gのロッドタイプ ·プローブを 5cmの高さから評価部材上に落下させる。評価部材に加わる衝撃加速度は、加速度センサー (TEAC社製)でモニターしており、評価部材上での衝撃加速度は 8000Gから 12000Gである。

[0111] 破断の評価は、評価部材中の前記回路に定電流電源を接続し、電圧をモニタリングして、抵抗値が初期値の 2倍になる時点までの繰り返し落下回数を耐衝撃落下回数とした。このとき、落下時の基板たわみにより生じる瞬断を破断として認識するため、 1MHzのサンプリングレートを持つ測定器を使用した。

[0112] 耐落下衝撃特性の評価において、 Cu— OSP電極を用いた基板の場合には、破断までの落下回数力 S〇〜30回を X、 31〜40回を△、 41〜80回を〇、 81〜120回を ◎、 121回以上を(§)(§)とした。一方、 NiZAu電極を用いた基板の場合には、破断までの落下回数力^)〜 20回を X、 21〜30回を△、 31〜40回を〇、 41〜60回を◎、 6 1回以上を◎◎とした。

[0113] [表 1] 含有量 (質量％) 耐落下衝撃特性

その他劣化

Cu-OSP Ni/Au

Sn Ag Cu Co Fe する品質亀† 亀†

本実施例 1 残部 1.0 0.3 0.005 0.0010 Δ Δ

本実施例 2 残部 1.0 0.3 0.005 0.0050 Δ Δ

本実施例 3 残部 1.0 0.3 0.030 0.0010 ◎ ◎

本実施例 4 残部 1.0 0.3 0.030 0.0050 〇〇

本実施例 5 残部 1.0 0.3 0.040 0.0010 ◎ ©

本実施例 6 残部 1.0 0.3 0.040 0.0050 〇〇

本実施例 7 残部 1.0 0.3 0.050 0.0010 ◎ ©

本実施例 8 残部 1.0 0.3 0.050 0.0050 〇〇

本実施例 9 残部 1.0 0.3 0.100 0.0010 Δ Δ

本実施例 10 残部 1.0 0.3 0.100 0.0050 Δ Δ

本実施例 11 残部 1.0 1.0 0.040 0.0010 Δ Δ

本実施例 12 残部 1.0 1.0 0.040 0.0050 Δ Δ

本実施例 13 残部 2.0 0.3 0.040 0.0010 Δ Δ

本実施例 14 残部 2.0 0.3 0.040 0.0050 Δ Δ

本実施例 15 残部 2.0 0.3 0.040 0.0010 Δ Δ

本実施例 16 残部 2.0 0.3 0.040 0.0050 Δ Δ

本比較例 1 残部 1.2 0.5 0.003 く 0.0001 X X

本実施例 17 残部 1.2 0.5 0.005 0.0010 〇〇

本実施例 18 残部 1.2 0.5 0.005 0.0050 Δ Δ

本実施例 19 残部 1.2 0.5 0.020 0.0010 ◎ 〇

本実施例 20 残部 1.2 0.5 0.020 0.0050 ◎ ◎

本実施例 23 残部 1.2 0.5 0.040 0.0001 〇〇

本実施例 24 残部 1.2 0.5 0.040 0.0010

本実施例 25 残部 1.2 0.5 0.040 0.0050 ◎ ◎

本比較例 2 残部 1.2 0.5 0.040 0.0075 〇〇濡れ性本実施例 27 残部 1.2 0.5 0.050 0.0010 ◎ ◎

本実施例 28 残部 1.2 0.5 0.050 0.0050 ◎ ◎

本実施例 29 残部 1.2 0.5 0.100 0.0010 Δ Δ

本実施例 30 残部 1.2 0.5 0.100 0.0050 Δ Δ

本比較例 3 残部 1.2 0.5 0.120 0.0050 X X 液相線温度

含有量 (質量％) 耐落下衝撃特性

その他劣化

Cu-OSP Ni/Au

Sn Ag Cu Co Fe する品質電極電極

本比較例 4 残部 1.0 0.7 0.003 く 0.0001 X X

本実施例 31 残部 1.0 0.7 0.005 0.0010 〇〇

本実施例 32 残部 1.0 0.7 0.005 0.0050 〇〇

本実施例 33 残部 1.0 0.7 0.030 0.0010 ◎ ◎

本実施例 34 残部 1.0 0.7 0.030 0.0050 〇〇

本実施例 35 残部 1.0 0.7 0.040 0.0001 〇〇

本実施例 36 残部 1.0 0.7 0.040 0.0010 ◎ ◎

本実施例 37 残部 1.0 0.7 0.040 0.0050 〇〇

本比較例 5 残部 1.0 0.7 0.040 0.0075 〇〇濡れ性本実施例 39 残部 1.0 0.7 0.050 0.0010 ◎

本実施例 40 残部 1.0 0.7 0.050 0.0050 〇〇

本実施例 41 残部 1.0 0.7 0.100 0.0010 Δ Δ

本実施例 42 残部 1.0 0.7 0.100 0.0050 Δ Δ

本比較例 6 残部 1.0 0.7 0.120 0.0050 X X 液相線温度本比較例 7 残部 1.5 0.7 0.003 く 0.0001 X X

本実施例 43 残部 1.5 0.7 0.005 0.0010 〇〇

本実施例 44 残部 1.5 0.7 0.005 0.0050 〇〇

本実施例 46 残部 1.5 0.7 0.030 0.0050 〇〇

本実施例 47 残部 1.5 0.7 0.040 0.0001 〇〇

本実施例 49 残部 1.5 0.7 0.040 0.0050 〇〇

本比較例 8 残部 1.5 0.7 0.040 0.0075 〇〇濡れ性本実施例 51 残部 1.5 0.7 0.050 0.0010 ◎ ◎

本実施例 52 残部 1.5 0.7 0.050 0.0050 〇〇

本実施例 53 残部 1.5 0.7 0.100 0.0010 Δ Δ

本実施例 54 残部 1.5 0.7 0.100 0.0050 Δ Δ

本比較例 9 残部 1.5 0.7 0.120 0.0050 X X 液相線温度

含有量 (質量％) X元素添加量耐落下衝撃特性その他品質質量 Cu-OSP Ni/Au

Sn Ag Cu Co Fe 評価評価元素 ppm 電極電極項目結果本比較例 10 残部 1.2 0.5 0.040 0.0010 Sb 10 〇〇 X 本実施例 55 残部 1.2 0.5 0.040 0.0010 Sb 100 〇〇〇本実施例 56 残部 1.2 0.5 0.040 0.0010 Sb 500 〇〇熱疲労〇本実施例 57 残部 1.2 0.5 0.040 0.0010 Sb 5000 Δ Δ 〇本比較例 11 残部 1.2 0.5 0.040 0.0010 Sb 7500 X X Δ 本比較例 12 残部 1.2 0.5 0.040 0.0010 P 1 © © X 本実施例 58 残部 1.2 0.5 0.040 0.0010 P 5 〇〇 Δ 本実施例 59 残部 1.2 0.5 0.040 0.0010 P 10 〇〇〇本実施例 60 残部 1.2 0.5 0.040 0.0010 P 50 Δ Δ 〇本比較例 13 残部 1.2 0.5 0.040 0.0010 P 100 X X 〇本比較例 14 残部 1.2 0.5 0.040 0.0010 Ge 1 ◎ ◎ 変色 X 本実施例 61 残部 1.2 0.5 0.040 0.0010 Ge 5 〇〇 Δ 本実施例 62 残部 1.2 0.5 0.040 0.0010 Ge 10 〇〇〇本実施例 63 残部 1.2 0.5 0.040 0.0010 Ge 50 〇〇〇本実施例 64 残部 1.2 0.5 0.040 0.0010 Ge 100 Δ Δ 〇本比較例 15 残部 1.2 0.5 0.040 0.0010 Ge 200 X X 〇本比較例 16 残部 1.2 0.5 0.040 0.0010 P+Ge 1+1 © ◎ X 本実施例 65 残部 1.2 0.5 0.040 0.0010 P+Ge 5+5 〇〇 Δ 本実施例 66 残部 1.2 0.5 0.040 0.0010 P+Ge 〇〇

変色本実施例 67 残部 1.2 0.5 0.040 0.0010 P+Ge Δ 〇本実施例 68 残部 1.2 0.5 0.040 0.0010 P+Ge 50+50 Δ Δ 〇本比較例 17 残部 1.2 0.5 0.040 0.0010 P+Ge 50十 75 X X 〇本実施例 69 残部 1.2 0.5 0.040 0.0010 Cr 10 © 〇

本実施例 71 残部 1.2 0.5 0.040 0.0010 Cr 50 〇 Δ

本実施例 72 残部 1.2 0.5 0.040 0.0010 V 50 〇 Δ

[0116] [表 4]

比較実施例におけるコメント： ND =検出できず

[0117] 表 1〜表 4に評価結果を示す。表中において、本発明範囲から外れる成分値につ V、てはアンダーラインを付した。

[0118] 表 1〜表 2において、 Ag、 Cu、 Co、 Feの含有量が本発明範囲内にある水準については、耐落下衝撃特性が良好であり、その他品質も特に問題はな力つた。 Co、 Fe 含有量が本発明範囲を下側に外れた水準は、耐落下衝撃特性が不良であった。 Co 含有量が本発明範囲を上側に外れた水準については、液相線温度が上昇するとともに、耐落下衝撃特性が不良であった。 Fe含有量が本発明範囲を上側に外れた水準については濡れ性が低下した。 Ag含有量が 1. 2質量％の水準は特に耐落下衝撃特性が良好であった。

[0119] 表 3には、 Ag、 Cu、 Co、 Feにカロえ、 Sb、 P、 Geを単独あるいは複合で添カ卩した場合の結果を示した。 Sb添加剤については熱疲労特性を評価し、 P、 Ge添加剤については変色を評価した。

[0120] 熱疲労特性は、落下衝撃特性試験用と同じ実装品 (Cu—OSP電極)を用いて、 -

40°C保持 20分， 125°C保持 20分を繰り返し、回路が破断するまでの高温低温の繰り返し数 (熱サイクル数)を計測することで評価し、破断が見られ始める回数が 100

0回以上である場合を〇、 750回以上である場合を△、 500回以下を Xとした。

[0121] 変色についての評価は、作製した評価ハンダボールを、白磁製の角皿に入れ、それらを大気雰囲気中に 150°C200時間保持した後、初期状態標本を基にした肉眼による官能検査により実施した。まったく変化がな力つた場合を〇、最も変化した Sn

- 3. OAg-0. 5Cuボールを X、その中間の変色をしめしたものを△とした。

[0122] 本実施例 55〜57については、 Sb含有量が本発明範囲内の水準は熱疲労特性が良好であった。 Sb含有量が本発明範囲を上側に外れる本比較例 11は、耐落下衝撃特性が不良であるとともに熱疲労特性がやや低下した。

[0123] 本実施例 58〜68については、 P、 Ge及びその合計含有量が本発明範囲内の水準は変色状況が良好であった。 P、 Ge含有量が本発明範囲の上限を外れる水準は

、耐落下衝撃特性が不良であった。

[0124] 本実施例 69〜72は、さらに Cr又は Vを含有する水準であり、いずれも耐落下衝撃特性が良好であった。

[0125] 表 4には、 Co、 Feを含有しない比較例を示す。いずれについても、耐落下衝撃特

'性が不良であった。

[0126] (2)第 2実施形態に対応する実施例

表 5及び表 6に示す各成分を有するハンダ合金を用い、直径 300 mのハンダボールを作成した。

[0127] ハンダボールを接合する電極を有する基板として、 FR— 4製のプリント基板を用意した。プリント基板のサイズは 160mmX 64mm X 0. 8mm (厚さ）である。プリント基板上には、 250 m φサイズの電極（パッド）が 18行 18列の格子状に 324個配置されている。電極として Cu— OSPを用いたものと Ν 3〜5 /ζ πιメツキ） ZAu(0. 03〜 0. 05 mメツキ）の 2種類を用いた。ハンダボールを介して上記プリント基板と接合する実装部品として、 9. 6mm角、厚さ 0. 7mmのシリコンチップを用いた。シリコンチップ上には、プリント基板上の電極と対応する位置に 240 μ ΐη φサイズの電極が 324 個配置されている。電極材質は Cr(0. 07 m) ZNi(0. 8 m) ZAu(0. 1 m)である。プリント基板とシリコンチップの電極間がハンダ接合されると、各電極を直列でつなぐ回路が形成されるようになって!/、る。

[0128] 実装プロセスとして、まず上記シリコンチップ側の電極に、用意したノヽンダボールを搭載した上でリフローし、ハンダバンプを形成する。次にハンダバンプを形成したシリコンチップをプリント基板にフリップチップ接続し、ピーク温度 250°Cでリフローし、シリコンチップの電極とプリント基板の電極とを接合し、評価部材を形成した。

[0129] 耐振動特性の評価は、 3点支持による繰返し曲げ試験とし、支持スパン 100mm、基板変位 3mm、基板変位速度 60mmZsecとした。破断の評価として、実装部品の電気抵抗が初期値の 2倍になった時点の繰返し曲げ回数とした。

[0130] 耐振動性評価基準として、 Cu—OSP電極を用いた場合は、曲げ回数 0〜999回を

[0131] また NiAu電極を用いた場合は、 0〜199回を X、 200〜399回を△、 400〜499 回を〇、 500〜999回を◎、 1000〜1999回を◎〇、 2000回以上を嶋とした。

[0132] 結果を表 5及び表 6に示す。

[0133] [表 5]

[0134] [表 6]

[0135] 表 5は Coと Feを含有する本発明のハンダ合金を用いた場合である。 Co含有量が本発明範囲内にある実施例は、いずれも繰り返し曲げ特性結果について改善が見られている。

[0136] 表 6は、 Co、 Feのいずれをも含有しない比較例である。繰り返し曲げ試験結果が不良であつ 7こ。

Claims

請求の範囲

[I] Ag:l.0〜2.0質量⁰ /₀、 Cu:0.3〜1.0質量⁰ /₀、 Co:0.005〜0. 10質量⁰ /₀、 Fe

:0.0001-0.005質量％を含有し、残部 Sn及び不可避不純物カゝらなることを特徴とする鉛フリーハンダ合金。

[2] Co + Fe≤0.10質量％であることを特徴とする請求項 1に記載の鉛フリーハンダ合金。

[3] さらに、含有酸素濃度が 0.0020質量％以下であることを特徴とする請求項 1又は

2に記載の鉛フリーハンダ合金。

[4] さらに、 Cr:0.0005〜0.0050質量⁰ /₀、 V:0.0005〜0.0050質量⁰ /₀の 1種又は 2種を含有することを特徴とする請求項 1乃至 3のいずれかに記載の鉛フリーハンダ合金。

[5] Ag:l.0〜2.0質量％、 Cu:0.3〜1.0質量％、 Co:0.005〜0. 10質量％を含有し、残部 Sn及び不可避不純物からなり、さらに、 Cr:0.0005〜0.0050質量％、 V:0.0005-0.0050質量％の 1種又は 2種を含有することを特徴とする鉛フリーハンダ合金。

[6] さらに、 Sb:0.01〜0.5質量％を含有することを特徴とする請求項 1乃至 5のいずれかに記載の鉛フリーハンダ合金。

[7] さらに、 P:0.0005〜0.005質量⁰ /₀、 Ge:0.0005〜0.01質量⁰ /₀の 1種又は 2種を含有し、かつ P + Ge≤0.01質量％であることを特徴とする請求項 1乃至 6のいずれかに記載の鉛フリーハンダ合金。

[8] 請求項 1乃至 7のいずれかに記載の鉛フリーハンダ合金を用いてなることを特徴とするハンダボール。

[9] ボール直径が 300 μ m以下であることを特徴とする請求項 8に記載のハンダボール

[10] 請求項 1乃至 7のいずれかに記載の鉛フリーハンダ合金を用いたノヽンダバンプを有することを特徴とする電子部材。

[II] Cu電極、 Ni電極又は CuZNiZAuメツキ基板上にハンダバンプが形成されてなることを特徴とする請求項 10に記載の電子部材。

[12] 複数の電子部品間をノヽンダ電極によって接合した電子部材であって、該ハンダ電極の一部又は全部は、請求項 1乃至 7のいずれかに記載の鉛フリーハンダ合金を用

V、てなることを特徴とする電子部材。

[13] 請求項 1に記載の鉛フリーハンダ合金を用いてなることを特徴とする自動車搭載電子部材用鉛フリーハンダ合金。

[14] さらに、含有酸素濃度が 0. 0020質量％以下であることを特徴とする請求項 13に記載の自動車搭載電子部材用鉛フリーハンダ合金。

[15] さらに、 Cr:0. 0005〜0. 0050質量⁰ /₀、 V:0. 0005〜0. 0050質量⁰ /₀の 1種又は 2種を含有することを特徴とする請求項 13又は 14に記載の自動車搭載電子部材用鉛フリーハンダ合金。

[16] さらに、 Sb:0. 01〜0. 5質量％を含有することを特徴とする請求項 13乃至 15のいずれかに記載の自動車搭載電子部材用鉛フリーハンダ合金。

[17] さらに、 P:0. 0005〜0. 005質量⁰ /₀、 Ge :0. 0005〜0. 01質量⁰ /₀の 1種又は 2種を含有し、かつ P + Ge≤0. 01質量％であることを特徴とする請求項 13乃至 16のいずれかに記載の自動車搭載電子部材用鉛フリーハンダ合金。

[18] 請求項 13乃至 17のいずれかに記載の自動車搭載電子部材用鉛フリーハンダ合金を用いてなることを特徴とする自動車搭載電子部材用ハンダボール。

[19] ボール直径が 300 μ m以下であることを特徴とする請求項 18に記載の自動車搭載電子部材用ハンダボール。

[20] 請求項 13乃至 17のいずれかに記載の自動車搭載電子部材用鉛フリーハンダ合金を用いたノ、ンダバンプを有することを特徴とする自動車搭載用電子部材。

[21] Cu電極、 Ni電極又は CuZNiZAuメツキ基板上にハンダバンプが形成されてなることを特徴とする請求項 20に記載の自動車搭載用電子部材。

[22] 複数の電子部品間をノヽンダ電極によって接合した電子部材であって、該ハンダ電極の一部又は全部は、請求項 13乃至 17のいずれかに記載の自動車搭載電子部材用鉛フリーハンダ合金を用いてなることを特徴とする自動車搭載用電子部材。

[23] 複数の電子部品間をノヽンダ電極によって接合した電子部材であって、該ハンダ電極の一部又は全部は、請求項 13乃至 17のいずれかに記載の自動車搭載電子部材用鉛フリーハンダ合金を用いてなり、自動車に搭載されていることを特徴とする電子部材。