WO2016185673A1 - はんだ合金 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a solder alloy used for soldering.
  • the melting point of the solder alloy increases.
  • the amount of the intermetallic compound precipitated at the joint interface is reduced, there is a concern that the strength and reliability of the solder may be reduced.
  • Patent Documents 1 to 3 disclose solder paste using a solder alloy powder to which Bi is not added.
  • Japanese Patent No. 5553181 Japanese Patent No. 2752258 JP 2008-31550 A
  • the solder alloy of the present invention comprises Ag 2.0 to 4.0% by mass, Cu 0.5 to 1.0% by mass, an additive element 0.1 to 0.5% by mass selected from the group consisting of Ca and Mn, and the balance Sn Consists of.
  • Ca suppresses the growth of Sn, CuSn, and AgSn intermetallic compounds. Mn shortens the wetting time.
  • a solder composed of Ag 2.0 to 4.0 mass%, Cu 0.5 to 1.0 mass%, Mn 0.1 to 0.5 mass%, and remaining Sn.
  • a more preferable composition is Ag 2.0 to 4.0% by mass, Cu 0.5 to 1.0% by mass, Mn 0.1 to 0.45% by mass, and the balance Sn.
  • the composition may be composed of Ag 2.0 to 4.0% by mass, Cu 0.5 to 1.0% by mass, Ca 0.1 to 0.5% by mass, Mn 0.1 to 0.5% by mass, and remaining Sn. .
  • a more preferable composition is composed of Ag 2.0 to 4.0 mass%, Cu 0.5 to 1.0 mass%, Ca 0.1 to 0.33 mass%, Mn 0.1 to 0.45 mass%, and the balance Sn. Composition.
  • the additive element having a value close to the solid solubility limit is dissolved in such a manner that it does not become excessive, so that the possibility that the additive element is reprecipitated is low. Furthermore, if the additive element is made not more than the solid solubility limit, the possibility that the additive element is reprecipitated becomes lower.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram showing an example in which a substrate electrode 21 and a component electrode 31 are joined by a solder 10 including a solder alloy according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is an enlarged conceptual diagram of the rectangle A (inside the broken line) in FIG.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram showing an example of joining the substrate electrode 210 and the component electrode 310 with the solder 100 containing Bi.
  • FIG. 4 is an enlarged conceptual diagram of the rectangle B (inside the broken line) in FIG.
  • Bi has a eutectic point (139 ° C.) with Sn. Therefore, when the molten solder solidifies, Bi is biased to a portion where the temperature is high and the solidification is slow (near the bonding interface) due to the temperature gradient, and the Bi concentration near the bonding interface increases. Furthermore, when a compound phase (400 in FIG. 4) of Cu or Ni and Sn at the bonding interface grows due to a temperature load or the like, Sn in the vicinity of the compound phase is consumed. It rises further. And in the location where Bi density
  • the solder powder used for the solder balls of this example has the solder composition shown in this embodiment.
  • the additive element is diffused in Sn, which is the main component of the solder, or is included in the compound phase precipitated at the bonding interface.
  • Example 6 The electronic component of Example 6 is a BGA (Ball Grid Array) type device using the solder balls described above.
  • the electronic component of this example has high reliability when mounted on a substrate and has a long life. Further, in the electronic device in which the electronic component of this embodiment is mounted, the reliability is improved and the life is extended.

Abstract

はんだの強度や延びを向上させるとともに、そのはんだで接合した接合部の信頼性を向上させるために、Ａｇ２．０乃至４．０質量％、Ｃｕ０．５乃至１．０質量％、ＣａおよびＭｎからなる群より選ばれる添加元素０．１乃至０．５質量％、残部Ｓｎからなるはんだ合金とする。

Description

はんだ合金
　本発明は、はんだ付けに使用するはんだ合金に関する。
　錫（以下、Ｓｎ）系の鉛フリーはんだとしては、銀（以下、Ａｇ）や銅（以下、Ｃｕ）をＳｎに添加したＳｎ－３．０Ａｇ－０．５ＣｕなどのＳｎＡｇＣｕ系はんだが広く使われている。近年、銀の価格高騰に伴って、Ａｇを含むはんだの価格が上昇している。そのため、はんだ中のＡｇ含有量を低減させたＳｎ－１．０Ａｇ－０．７ＣｕやＳｎ－０．３Ａｇ－０．７Ｃｕなどの低Ａｇはんだ合金が注目されている。
　ところで、はんだ合金中のＡｇを低減させると、はんだ合金の融点が上昇する。また、低Ａｇはんだ合金では、接合界面に析出する金属間化合物の量が低下するため、はんだの強度や信頼性が低下することが懸念される。
　ＳｎＡｇＣｕ系はんだの融点を低下させ、はんだの強度や信頼性を向上させるためには、ビスマス（以下、Ｂｉ）を添加することが効果的である。車載品などの高強度なはんだが必要な分野では、Ａｇを３～５％（３乃至５％と同義）程度含むＳｎ系はんだにＢｉを添加し、Ｓｎ中にＢｉを固溶させることによって、はんだの機械的強度を向上させる。
　しかしながら、ＳｎＡｇＣｕ系はんだにＢｉを添加すると、電極とはんだとの界面に脆いＢｉが析出し、はんだと電極との接合部の疲労寿命が短くなることがある。したがって、高信頼性および長寿命が求められる製品には、Ｂｉを添加しないはんだを用いることが望まれる。
　特許文献１～３には、Ｂｉを添加しないはんだ合金粉末を用いたソルダペーストが開示されている。
　特許文献１には、Ａｇが１．０～４．０重量％（以下、ｗｔ％）、Ｃｕが０．４～１．０ｗｔ％、アンチモン（以下、Ｓｂ）が１～８ｗｔ％、残部がＳｎであるはんだ合金粉末が開示されている。また、特許文献１には、上述のＡｇＣｕＳｂＳｎ合金に、ニッケル（以下、Ｎｉ）、コバルト（以下、Ｃｏ）および鉄（以下、Ｆｅ）のうち少なくとも１種を０．４ｗｔ％以下の量だけ添加したはんだ合金について開示されている。
　特許文献２には、Ａｇが０．５～３．５ｗｔ％、Ｃｕが０．１～２．８ｗｔ％、Ｓｂが０．２～２．０ｗｔ％、残部がＳｎであるはんだ合金について開示されている。
　特許文献３には、Ａｇが０．１～５ｗｔ％、Ｃｕが０．１～５ｗｔ％、変態遅延元素が１０ｗｔ％以下、酸化抑制元素が１０ｗｔ％以下、残部がＳｎであるはんだ合金について開示されている。特許文献３には、０．０１～１ｗｔ％の変態遅延元素と、０．０１ｗｔ％の酸化抑制元素とを組み合わせてＳｎ系はんだ合金に添加することによって、耐ウイスカ性が向上するという実施例が開示されている。
特許第５５５３１８１号公報 特許第２７５２２５８号公報 特開２００８－３１５５０号公報
　一般に、ＳｎＡｇＣｕ系はんだでは、Ａｇの含有量を減らすとはんだの融点が上がる。ＳｎＡｇＣｕ系はんだの融点を下げるためには、はんだにＢｉを添加することが効果的だが、電極とはんだとの接合界面に脆いＢｉが析出するという問題点があった。
　特許文献１および２の組成のＳｎＡｇＣｕ系はんだは、Ｂｉを含まないため、電極とはんだとの界面に脆い金属Ｂｉが析出することはない。しかしながら、特許文献１には、どのような組成であれば、はんだの機械的性質や信頼性が向上するのかが明らかではない。また、特許文献２では、Ｓｂを添加するため、はんだの延びが低下してしまうという問題点があった。
　特許文献３には、多くの添加元素についてあげられているものの、耐ウイスカ性以外の機械的性質や信頼性に関して最適な合金組成が開示されていない。そのため、特許文献３からは、耐ウイスカ性以外のはんだの機械的性質や信頼性を向上させる際に、どの元素をどの程度添加すればよいのかを判断できないという問題点があった。
　本発明の目的は、上述した課題を解決し、はんだの強度や延びを向上させるとともに、そのはんだで接合した接合部の信頼性を向上させるはんだ合金を提供することにある。
　本発明のはんだ合金は、Ａｇ２．０乃至４．０質量％、Ｃｕ０．５乃至１．０質量％、ＣａおよびＭｎからなる群より選ばれる添加元素０．１乃至０．５質量％、残部Ｓｎからなる。
　本発明によれば、はんだの強度や延びを向上させるとともに、そのはんだで接合した接合部の信頼性を向上させることができるはんだ合金を提供することが可能になる。
本発明の実施形態に係るはんだを用いて接合された接合部の断面構造を示す概念図である。 本発明の実施形態に係るはんだを用いて接合された接合部の断面構造の詳細を示す概念図である。 一般的なＢｉを含むはんだを用いて接合された接合部の断面構造を示す概念図である。 一般的なＢｉを含むはんだを用いて接合された接合部の断面構造の詳細を示す概念図である。 本発明の実施例に係るはんだ合金を含むはんだボールを搭載した電子部品を基板に実装する一例を示す概念図である。
　以下に、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。ただし、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。
　（構成）
　まず、本実施形態に係るはんだ合金について説明する。本実施形態においては、主成分である錫（以下、Ｓｎ）に銀（以下、Ａｇ）や銅（以下、Ｃｕ）を添加したＳｎＡｇＣｕはんだ合金の特性を向上させる組成を示す。
　ＳｎＡｇＣｕはんだ合金では、接合界面にＣｕやニッケル（以下、Ｎｉ）とＳｎとからなる金属間化合物によりはんだと基板もしくは部品の電極が接合される。また、ＳｎＡｇＣｕはんだ合金の融点を下げるために、Ｂｉを添加することがある。ところで、接合界面に析出したＣｕやＮｉとＳｎとからなる金属間化合物とはんだとの間にＢｉが偏析すると、Ｂｉが偏析した箇所の接合信頼性が低下する可能性がある。本実施形態に係るはんだ合金は、ＳｎＡｇＣｕはんだ合金にＢｉ以外の元素を添加することによって、はんだ接合部を長寿命化する。
　本実施形態においては、はんだの延びを向上させる元素をはんだ合金に添加する。本実施形態では、はんだの延びを向上させる元素として、カルシウム（以下、Ｃａ）およびマンガン（以下、Ｍｎ）のうち少なくともいずれかをはんだ合金に添加する。
　ＣａおよびＭｎの２つの元素は、Ｓｎと共晶点を持つ。しかし、ＣａおよびＭｎのそれぞれと、Ｓｎとの共晶点は高いため、一般的なＳｎ系はんだの融点程度の温度では低融点相を生成しない。したがって、これらの元素を添加すれば、はんだの強度と延びを向上させるとともに、界面近傍への添加元素の偏析を防ぐことができる。その結果、本実施形態に係るはんだ合金は、添加元素の偏析を起点としてクラックが発生しうる一般的なはんだ合金と比較して長寿命になる。
　また、はんだの主成分であるＳｎにＣａやＭｎのそれぞれを添加すると、はんだの延びが向上するとともに、次のような特性改善効果があることが分かった。
　Ｃａは、ＳｎやＣｕＳｎ、ＡｇＳｎ金属間化合物の成長を抑制する。Ｍｎは、濡れ時間を短縮する。
　Ｃａの固溶限は約０．３４質量％、Ｍｎの固溶限は約０．４６質量％である。これらの元素のＳｎへの添加量の上限は、固溶限に近い値とするのが好ましく、固溶限以下とすることがより好ましい。なお、固溶限に近い値とは、固溶限を超える値でありながら、添加元素が再析出しない程度の値であり、具体的には０．５質量％以下の値である。
　以上の観点を踏まえ、はんだの長寿命化に好適な組成は下記の通りであることがわかった。以下の組成のはんだは、上述のような観点から導かれたものであって、複数の材料を根拠なく組み合わせた類のものではない。また、Ｃａ、ＭｎおよびＡｌは、互いに共存させてもよい。なお、以下の記載において、数値範囲を示す際に用いている「～」は、「乃至」と同義である。
　Ｃａを添加する場合、Ａｇ２．０～４．０質量％、Ｃｕ０．５～１．０質量％、Ｃａ０．１～０．５質量％、残部Ｓｎからなるはんだで長寿命化が得られる。より好適な組成は、Ａｇ２．０～４．０質量％、Ｃｕ０．５～１．０質量％、Ｃａ０．１～０．３３質量％、残部Ｓｎからなる組成である。
　Ｍｎを添加する場合、Ａｇ２．０～４．０質量％、Ｃｕ０．５～１．０質量％、Ｍｎ０．１～０．５質量％、残部Ｓｎからなるはんだで長寿命化が得られる。より好適な組成は、Ａｇ２．０～４．０質量％、Ｃｕ０．５～１．０質量％、Ｍｎ０．１～０．４５質量％、残部Ｓｎである。
　以上のＣａおよびＭｎは、互いに共存させてもよい。すなわち、Ａｇ２．０～４．０質量％、Ｃｕ０．５～１．０質量％、Ｃａ０．１～０．５質量％、Ｍｎ０．１～０．５質量％、残部Ｓｎからなる組成としてもよい。より好適な組成は、Ａｇ２．０～４．０質量％、Ｃｕ０．５～１．０質量％、Ｃａ０．１～０．３３質量％、Ｍｎ０．１～０．４５質量％、残部Ｓｎからなる組成である。
　一般に、固溶限を超えて添加された添加元素は、はんだ付け直後においては、過冷却によって過剰に固溶する。しかし、添加元素が過剰に固溶したはんだに熱やひずみが加えられると、添加元素の一部は固溶しきれずに再析出する。
　また、一般に、熱負荷によって接合界面で金属間化合物が成長すると、金属間化合物が成長した周辺部においてはＳｎが消費される。そのため、金属間化合物が成長した接合界面では、添加元素の濃度が相対的に増大し、固溶限を超えた添加元素の一部が再析出する。接合界面に添加元素が再析出すると、はんだの機械的特性に大きく影響する。特に、接合界面に添加元素が層状に析出すると、析出した添加元素の層がクラックの起点や伸展経路となる可能性がある。
　本実施形態のはんだでは、固溶限に近い値の添加元素を過剰にならない程度に固溶させるため、添加元素が再析出する可能性は低い。さらに、添加元素を固溶限以下とすれば、添加元素が再析出する可能性はより低くなる。
　本実施形態のはんだ合金によれば、繰り返しの熱負荷や機械的なひずみがはんだ接合部に印可されても、接合界面にクラックが発生しにくくなるため、クラックに起因する信頼性の低下を抑制することができる。
　図１は、本実施形態に係るはんだ合金を含むはんだ１０によって、基板電極２１と、部品電極３１とを接合する一例を示す概念図である。図２は、図１の矩形Ａ（破線内部）を拡大した概念図である。
　図１のように、基板２０の基材２２には基板電極２１が設けられている。基板電極２１の周囲には、レジスト２３が設けられている。また、電子部品３０の基材３２には部品電極３１が設けられている。部品電極３１の周囲にはソルダマスク３３が設けられている。
　図２のように、基板電極２１とはんだ１０との接合部には、化合物相４０が析出する。化合物相４０は、ＣｕやＮｉとＳｎとからなる金属間化合物であり、これにより基板電極２１とはんだ１０とが接合される。本実施形態に係るはんだ合金では、化合物相４０とはんだ１０との間に添加元素が析出することがなく、はんだ中に分散するため、接合部の長寿命化を実現することができる。なお、図２には、基板電極２１とはんだ１０との接合界面について図示したが、部品電極３１とはんだ１０との接合界面についても同様である。
　（Ｂｉの析出）
　ここで、Ｓｎを主成分とするはんだ合金にＢｉを添加したはんだで接合されたはんだ接合部において、接合界面にＢｉが層状に析出してクラックの起点となるメカニズムについて説明する。
　図３は、Ｂｉを含むはんだ１００によって、基板電極２１０と、部品電極３１０とを接合する一例を示す概念図である。図４は、図３の矩形Ｂ（破線内部）を拡大した概念図である。
　図３のように、基板２００の基材２２０には基板電極２１０が設けられている。基板電極２１０の周囲には、レジスト２３０が設けられている。また、電子部品３００の基材３２０には部品電極３１０が設けられている。部品電極３１０の周囲にはソルダマスク３３０が設けられている。
　図４のように、基板電極２１０とはんだ１００との接合部には、化合物相４００が析出する。化合物相４００は、ＣｕやＮｉとＳｎとからなる金属間化合物であり、これにより基板電極２１０とはんだ１００が接合される。また、Ｂｉを含むはんだ１００と化合物相４００との間には、Ｂｉ４００が層状に析出している。さらに、層状のＢｉ４００とはんだ１００との間には、クラック６００が発生している。はんだ１００では、基板電極２１０とはんだ１００との接合部に脆いＢｉ５００が析出する。Ｂｉは常温付近で変形しにくいため、基板電極２１０とはんだ１００との接合部にＢｉ５００が析出すると、Ｂｉ５００の結晶内部および結晶界面でクラック６００が発生しやすくなる。
　そのため、ひずみが加えられることによってＢｉ５００自体もしくは近傍でクラック６００が発生し、接合部の信頼性が低下してしまう可能性がある。なお、図４には、基板電極２１０とはんだ１００との接合界面について図示したが、部品電極３１０とはんだ１００との接合界面についても同様である。
　Ｂｉは、Ｓｎと共晶点（１３９℃）をもつ。そのため、溶融したはんだが凝固するとき、温度勾配によって温度が高く凝固が遅い部分（接合界面近傍）にＢｉが偏り、接合界面近傍のＢｉ濃度が上昇する。さらに、温度負荷などに起因して接合界面のＣｕやＮｉとＳｎとからなる化合物相（図４の４００）が成長すると、化合物相近傍のＳｎが消費されるため、化合物相近傍のＢｉ濃度がさらに上昇する。そして、Ｂｉ濃度が固溶限を超えた箇所では、Ｓｎ（図４の１００）中に固溶していたＢｉ（図４の５００）が接合界面に層状に再析出する。
　Ｂｉの結晶は変形しにくく脆いため、応力が掛かるとクラック（図４の６００）の起点になる。
　以上のようなＢｉの偏析を防ぐためには、はんだ中にＢｉを均一に分散させることが必要である。すなわち、Ｂｉを含むはんだの高信頼性を実現するためには、はんだ付けの際に、はんだ接合部の温度を溶融開始から凝固まで均一に保ち、はんだ接合部に温度勾配を生じさせないことが必要となる。しかしながら、このようなはんだ付け作業を実現することは難しい。また、一般に、Ｂｉをはんだ中に均一に分散させて固溶強化させると、はんだの強度は増大するが、延びが小さくなる。はんだの強度が増大しても延びが小さくなると靱性が落ち、寿命が短くなる可能性がある。
　次に、本発明の実施形態に係るはんだに関する実施例について説明する。ここでは、実施例として、はんだペースト、はんだ接合部の構造、デバイス、はんだ粉末およびはんだボールの製造方法についてあげる。なお、以下に挙げる実施例は一例であって、本実施形態に係るはんだを適用した材料やデバイス、製品などは本発明の範囲に含まれるものである。
　（実施例１）
　実施例１のはんだ粉末は、部品電極と基板電極とをはんだで接合するために用いる。本実施例のはんだ粉末の製造方法については後述する。
　本実施例のはんだ粉末は、本実施形態に示したはんだ組成を有する。添加元素は、はんだの主成分であるＳｎ中に拡散しているか、接合界面もしくははんだ中に析出した化合物相中に含まれている。
　すなわち、Ｃａを添加元素とする組成は、Ａｇ２．０～４．０質量％、Ｃｕ０．５～１．０質量％、Ｃａ０．１～０．５質量％、残部Ｓｎからなる。より好適には、Ａｇ２．０～４．０質量％、Ｃｕ０．５～１．０質量％、Ｃａ０．１～０．３３質量％、残部Ｓｎからなる。
　また、Ｍｎを添加元素とする組成は、Ａｇ２．０～４．０質量％、Ｃｕ０．５～１．０質量％、Ｍｎ０．１～０．５質量％、残部Ｓｎからなる。より好適には、Ａｇ２．０～４．０質量％、Ｃｕ０．５～１．０質量％、Ｍｎ０．１～０．４５質量％、残部Ｓｎからなる。
　本実施例のはんだ粉末を用いてはんだ付けした場合、ＣａやＭｎを含むことにより、接合部の強度と延びを向上する。その結果、Ｂｉを添加する場合にみられる界面近傍への添加元素の偏析と、この偏析によるクラックの発生とを抑えることができる。
　（実施例２）
　実施例２のはんだボールは、主に電子部品の部品電極に搭載され、その部品電極と基板電極とを接合するために用いる。本実施例のはんだボールの製造方法については後述する。
　本実施例のはんだボールに用いるはんだ粉末は、本実施形態に示したはんだ組成を有する。添加元素は、はんだの主成分であるＳｎ中に拡散しているか、接合界面に析出した化合物相中に含まれている。
　すなわち、Ｃａを添加元素とする組成は、Ａｇ２．０～４．０質量％、Ｃｕ０．５～１．０質量％、Ｃａ０．１～０．５質量％、残部Ｓｎからなる。より好適には、Ａｇ２．０～４．０質量％、Ｃｕ０．５～１．０質量％、Ｃａ０．１～０．３３質量％、残部Ｓｎからなる。
　また、Ｍｎを添加元素とする組成は、Ａｇ２．０～４．０質量％、Ｃｕ０．５～１．０質量％、Ｍｎ０．１～０．５質量％、残部Ｓｎからなる。より好適には、Ａｇ２．０～４．０質量％、Ｃｕ０．５～１．０質量％、Ｍｎ０．１～０．４５質量％、残部Ｓｎからなる。
　本実施例のはんだボールを用いた場合、ＣａやＭｎを含むことにより、接合部の強度と延びを向上する。また、Ｂｉを添加する場合にみられる界面近傍への添加元素の偏析と、この偏析によるクラックの発生とを抑えることができる。
　（実施例３）
　実施例３では、上記組成のはんだ粉末およびはんだボールの製造方法について説明する。
　まず、各元素が上記組成になるよう秤量し、真空溶解炉にて所望の温度で溶解してバルク合金を作製する。
　そして、作製したバルク合金を所望の径のはんだ粉末またははんだボールに成型する。はんだ粉末またははんだボールの成型方法には、例えばガスアトマイズ法、遠心噴霧法などを用いることができる。これらの方法で成型する際には、先に用意したバルク合金を溶融した溶湯を、アルゴンや窒素などの不活性ガスを使って球状に凝固させる。このとき、溶湯が酸化しないように、溶湯を容れた容器も不活性ガスの雰囲気に保つことが好ましい。なお、本実施形態の合金組成においては、窒素以外の不活性ガスを用いるのが好ましい。添加元素としてＭｎを含む場合、不活性ガスとして窒素を用いると、Ｍｎが窒化してはんだの表面張力が上昇し、所望の径に成型できない可能性が高い。そのため、添加元素としてＭｎを含む場合には、例えばアルゴン等の不活性ガスを用いることによってＭｎの窒化を抑制すれば、はんだ粉末およびはんだボールを効率よく製造することができる。
　本実施例によれば、上述のような組成を用いることによって、はんだの強度と延びを向上できる。また、本実施例によれば、はんだ接合界面付近において添加元素が層状に析出しにくくなるため、添加元素が層状に析出した場合に内部または界面に発生するクラックやその伸展を防止でき、高信頼性なはんだ接合を実現できる。
　（実施例４）
　実施例４のはんだペーストは、部品電極と基板電極とをはんだで接合するために用いる。本実施例のはんだペーストは、はんだ粉末、フラックス、溶剤およびチクソトロピック剤（チクソ剤とも呼ぶ）等の材料を混練して作製される。なお、本実施例のはんだペーストに含まれるフラックス、溶剤およびチクソ剤等の材料については限定を加えない。
　本実施例のはんだペーストに用いるはんだ粉末は、本実施形態に示したはんだ組成を有する。
　すなわち、Ｃａを添加元素とする組成は、Ａｇ２．０～４．０質量％、Ｃｕ０．５～１．０質量％、Ｃａ０．１～０．５質量％、残部Ｓｎからなる。より好適には、Ａｇ２．０～４．０質量％、Ｃｕ０．５～１．０質量％、Ｃａ０．１～０．３３質量％、残部Ｓｎからなる。
　また、Ｍｎを添加元素とする組成は、Ａｇ２．０～４．０質量％、Ｃｕ０．５～１．０質量％、Ｍｎ０．１～０．５質量％、残部Ｓｎからなる。より好適には、Ａｇ２．０～４．０質量％、Ｃｕ０．５～１．０質量％、Ｍｎ０．１～０．４５質量％、残部Ｓｎからなる。
　本実施例のはんだペーストを用いてはんだ付けした場合、ＣａやＭｎを含むことにより、接合部の強度と延びを向上する。また、Ｂｉを添加する場合にみられる界面近傍への添加元素の偏析と、この偏析によるクラックの発生とを抑えることができる。
　（実施例５）
　実施例５のはんだ接合構造は、主成分であるＳｎ中に拡散した添加元素、または析出した化合物相中に置換した添加元素を含む。本実施例のはんだ接合構造に用いるはんだは、本実施形態に示したはんだ組成を有する。
　すなわち、Ｃａを添加元素とする組成は、Ａｇ２．０～４．０質量％、Ｃｕ０．５～１．０質量％、Ｃａ０．１～０．５質量％、残部Ｓｎからなる。より好適には、Ａｇ２．０～４．０質量％、Ｃｕ０．５～１．０質量％、Ｃａ０．１～０．３３質量％、残部Ｓｎからなる。
　また、Ｍｎを添加元素とする組成は、Ａｇ２．０～４．０質量％、Ｃｕ０．５～１．０質量％、Ｍｎ０．１～０．５質量％、残部Ｓｎからなる。より好適には、Ａｇ２．０～４．０質量％、Ｃｕ０．５～１．０質量％、Ｍｎ０．１～０．４５質量％、残部Ｓｎからなる。
　本実施例のはんだ接合構造においては、ＣａやＭｎを含むことにより、接合部の強度と延びを向上する。また、図２のように、電子部品や基板の電極とはんだとの接合界面に形成される金属間化合物層４０と、はんだ合金１０との間に、Ｂｉを添加した場合にみられた層状もしくは点状の添加元素の再結晶相が析出しない。そのため、本実施例のはんだ接続部においては信頼性の高い接合を実現できる。
　さらに、Ｃａが添加元素として加えられた接合部においては、これら元素が接合界面のＣｕＳｎやＮｉＳｎなどの化合物層の元素と置換し、これら化合物層の成長を抑制する効果もある。ＣｕＳｎやＮｉＳｎなどの化合物層は硬く脆いため、厚さが増すと割れや剥離の原因となる。そのため、Ｃａを添加することによって化合物層の成長を抑えれば、より高信頼性・長寿命なはんだ接合構造を実現できる。
　（実施例６）
　実施例６の電子部品は、前述したはんだボールを用い、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ　Ｇｒｉｄ　Ａｒｒａｙ）タイプのデバイスとしたものである。
　この電子部品のはんだボールは、本実施形態で示したはんだ組成を有する。
　すなわち、Ｃａを添加元素とする組成は、Ａｇ２．０～４．０質量％、Ｃｕ０．５～１．０質量％、Ｃａ０．１～０．５質量％、残部Ｓｎからなる。より好適には、Ａｇ２．０～４．０質量％、Ｃｕ０．５～１．０質量％、Ｃａ０．１～０．３３質量％、残部Ｓｎからなる。
　また、Ｍｎを添加元素とする組成は、Ａｇ２．０～４．０質量％、Ｃｕ０．５～１．０質量％、Ｍｎ０．１～０．５質量％、残部Ｓｎからなる。より好適には、Ａｇ２．０～４．０質量％、Ｃｕ０．５～１．０質量％、Ｍｎ０．１～０．４５質量％、残部Ｓｎからなる。
　図５は、本実施例の電子部品３の一例である。電子部品３は、チップや配線などの内部構成を含む本体３５と、本体３５の内部構成に電気的に接続された部品電極上に搭載されたはんだボール３６とが部品基板３０を挟んで対向する構造を有するＢＧＡタイプの電子部品である。はんだボール３６は、本実施例形態に係るはんだ合金の組成を有する。
　電子部品３は、例えばコンピュータやサーバなどの電子機器に含まれる基板２０に実装される。なお、電子部品３は、コンピュータやサーバ以外の電子機器に含まれる基板に実装されてもよい。
　本実施例の電子部品は、基板に実装した際の信頼性が高く、長寿命である。また、本実施例の電子部品を実装した電子機器では、信頼性向上や長寿命化が実現される。
　以上、実施形態および実施例を参照して本発明を説明してきたが、本発明は上記実施形態および実施例に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
　この出願は、２０１５年５月２０日に出願された日本出願特願２０１５－１０２９１５を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
　１０　　はんだ
　２０　　基板
　２１　　基板電極
　２２　　基材
　２３　　レジスト
　３０　　電子部品
　３１　　部品電極
　３２　　基材
　３３　　ソルダマスク
　４０　　化合物相

Claims (10)

  1. 　Ａｇ２．０乃至４．０質量％、Ｃｕ０．５乃至１．０質量％、ＣａおよびＭｎからなる群より選ばれる添加元素０．１乃至０．５質量％、残部Ｓｎからなるはんだ合金。
  2. 　Ａｇ２．０乃至４．０質量％、Ｃｕ０．５乃至１．０質量％、Ｃａ０．１乃至０．３３質量％、残部Ｓｎからなる請求項１に記載のはんだ合金。
  3. 　Ａｇ２．０乃至４．０質量％、Ｃｕ０．５乃至１．０質量％、Ｍｎ０．１乃至０．４５質量％、残部Ｓｎからなる請求項１に記載のはんだ合金。
  4. 　Ａｇ２．０乃至４．０質量％、Ｃｕ０．５乃至１．０質量％、Ｃａ０．１乃至０．３３質量％、Ｍｎ０．１乃至０．４５質量％、残部Ｓｎからなる請求項１に記載のはんだ合金。
  5. 　請求項１乃至４のいずれか一項に記載のはんだ合金を含むはんだ粉末。
  6. 　請求項５に記載のはんだ粉末と、フラックスと、チクソトロピック剤と、溶剤とを混練させたはんだペースト。
  7. 　電子部品の電極と、前記電子部品を実装する基板の電極とを請求項１乃至４のいずれかに記載のはんだ合金を用いて接合したはんだ接合構造。
  8. 　請求項１乃至４のいずれか一項に記載のはんだ合金を含むはんだボール。
  9. 　請求項８に記載のはんだボールを電極に搭載した電子部品。
  10. 　請求項９に記載の電子部品を実装した基板を含む電子機器。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017221861A1 (ja) * 2016-06-21 2017-12-28 日本電気株式会社 はんだペーストおよびはんだ接合体

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6355092B1 (ja) * 2017-05-11 2018-07-11 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 はんだ合金およびそれを用いた接合構造体

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5527628A (en) * 1993-07-20 1996-06-18 Iowa State University Research Foudation, Inc. Pb-free Sn-Ag-Cu ternary eutectic solder
JP2004261863A (ja) * 2003-01-07 2004-09-24 Senju Metal Ind Co Ltd 鉛フリーはんだ
JP2008031550A (ja) * 2006-06-26 2008-02-14 Hitachi Cable Ltd ＰｂフリーのＳｎ系材料及び配線用導体並びに端末接続部並びにＰｂフリーはんだ合金
US20100203353A1 (en) * 2009-02-06 2010-08-12 Iowa State University Research Foundation, Inc. Pb-Free Sn-Ag-Cu-Mn Solder
JP2010247167A (ja) * 2009-04-14 2010-11-04 Nippon Steel Materials Co Ltd 無鉛ハンダ合金、ハンダボール及びハンダバンプを有する電子部材
JP2014160822A (ja) * 2014-02-24 2014-09-04 Agere Systems Inc 改良された機械的特性を有するＰｂフリーのハンダ・バンプ

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5405577A (en) 1993-04-29 1995-04-11 Seelig; Karl F. Lead-free and bismuth-free tin alloy solder composition
US7282175B2 (en) 2003-04-17 2007-10-16 Senju Metal Industry Co., Ltd. Lead-free solder
US20050100474A1 (en) * 2003-11-06 2005-05-12 Benlih Huang Anti-tombstoning lead free alloys for surface mount reflow soldering
US20080159904A1 (en) * 2005-08-24 2008-07-03 Fry's Metals, Inc. Solder alloy
US9175368B2 (en) * 2005-12-13 2015-11-03 Indium Corporation MN doped SN-base solder alloy and solder joints thereof with superior drop shock reliability
KR101436714B1 (ko) 2010-06-01 2014-09-01 센주긴조쿠고교 가부시키가이샤 납프리 솔더 페이스트
CN103906598A (zh) * 2011-08-02 2014-07-02 阿尔法金属公司 高冲击韧性的焊料合金
WO2014057261A1 (en) * 2012-10-09 2014-04-17 Alpha Metals, Inc. Lead-free and antimony-free tin solder reliable at high temperatures

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5527628A (en) * 1993-07-20 1996-06-18 Iowa State University Research Foudation, Inc. Pb-free Sn-Ag-Cu ternary eutectic solder
JP2004261863A (ja) * 2003-01-07 2004-09-24 Senju Metal Ind Co Ltd 鉛フリーはんだ
JP2008031550A (ja) * 2006-06-26 2008-02-14 Hitachi Cable Ltd ＰｂフリーのＳｎ系材料及び配線用導体並びに端末接続部並びにＰｂフリーはんだ合金
US20100203353A1 (en) * 2009-02-06 2010-08-12 Iowa State University Research Foundation, Inc. Pb-Free Sn-Ag-Cu-Mn Solder
JP2010247167A (ja) * 2009-04-14 2010-11-04 Nippon Steel Materials Co Ltd 無鉛ハンダ合金、ハンダボール及びハンダバンプを有する電子部材
JP2014160822A (ja) * 2014-02-24 2014-09-04 Agere Systems Inc 改良された機械的特性を有するＰｂフリーのハンダ・バンプ

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017221861A1 (ja) * 2016-06-21 2017-12-28 日本電気株式会社 はんだペーストおよびはんだ接合体

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