JP2005021929A

JP2005021929A - はんだおよびはんだ接合構造

Info

Publication number: JP2005021929A
Application number: JP2003188488A
Authority: JP
Inventors: Kazuki Tateyama; 和樹舘山; Masako Hirahara; 昌子平原
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2005-01-27

Abstract

【課題】鉛フリーで、優れた濡れ性を有し、かつ耐熱疲労特性の優れたはんだを提供する。
【解決手段】Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系で、Ｐｂ含有量が４００ｐｐｍ以下、Ｂｉが４００〜１０００ｐｐｍ含有されることを特徴とする。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉛フリーはんだおよびそのはんだ接合構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
環境負荷低減技術の必要性から、接合材料としてのはんだの鉛フリー化が進められている。
【０００３】
鉛フリーはんだとしては、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだが知られている。後者のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだは、前者のＳｎ−Ａｇ系はんだに比べて濡れ性が良好であるため、例えば多種の能動素子、受動素子のリード電極を回路基板の電極に接合するのに適している。
【０００４】
一方、各種の能動素子、受動素子が実装された回路基板は原子力制御機器、環境上水道制御機器のような産業機器にそれら機器の制御のために使用されている。このような制御回路基板は、常に動作しているため、熱的に過酷な条件下に曝される。
【０００５】
このような制御回路基板の電極と能動素子、受動素子の電極とを前述した濡れ性が良好なＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだにより接合すると、そのはんだ接合部が熱的に過酷な条件下に曝され、熱疲労によりはんだ接合部が劣化する問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、鉛を含まずに優れた濡れ性を有し、かつ耐熱疲労特性の優れたはんだを提供することを目的とする。
【０００７】
また、本発明は被接合電極と接合電極とが良好に接合され、かつ耐熱疲労特性の優れた接合部を有するはんだ接合構造を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだで、Ｐｂ含有量が４００ｐｐｍ以下、Ｂｉが４００〜１０００ｐｐｍ含有されることを特徴とするはんだが提供される。
【０００９】
また、本発明は被接合電極と接合電極とをＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだにより接合したはんだ接合構造であって、
前記接合部は、Ｂｉが固溶された微細なＳｎ結晶粒およびこの結晶粒の粒界に析出したＡｇ_３Ｓｎを含む組織を有することを特徴とするはんだ接合構造が提供される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１１】
本発明に係るはんだは、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだで、Ｐｂ含有量が４００ｐｐｍ以下、Ｂｉが４００〜１０００ｐｐｍ含有される組成を有する。
【００１２】
前記Ｂｉの含有量を４００ｐｐｍ未満にすると、はんだ接合部のＳｎ結晶およびこの結晶粒界の化合物を十分に微細化することが困難になる。一方、前記Ｂｉの含有量が１０００ｐｐｍを超えると、はんだ接合部に局所的に未固溶状態でＢｉが存在する組織となって、耐熱疲労特性が低下する。より好ましいＢｉの含有量は８００〜１０００ｐｐｍである。
【００１３】
本発明のはんだにおいて、Ａｇ：２．８〜４．０重量％、Ｃｕ：０．４〜１．０重量％で、Ｐｂ含有量が４００ｐｐｍ以下、Ｂｉが４００〜１０００ｐｐｍ、残部がＳｎである組成を有することが好ましい。
【００１４】
本発明に係るはんだは、例えばＱＦＰ（ＱｕａｄＦｌａｔＰａｃｋａｇｅ）を回路基板に実装する工程、ＣＰＳ（Ｃｈｉｐｓｉｚｅｐａｃｋａｇｅ）を回路基板に実装する工程、ＢＡＧ（ＢａｌｌＧｒｉｄＡｌｌａｙ）を回路基板に実装する工程に適用され、前記ＣＰＳ、ＢＡＧではボール状の形態で使用される。
【００１５】
次に、本発明に係るはんだ接合構造を説明する。
【００１６】
このはんだ接合構造は、被接合電極と接合電極とをＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだにより接合し、その接合部がＢｉが固溶された微細なＳｎ結晶粒およびこの結晶粒の粒界に析出したＡｇ_３Ｓｎを含む組織を有する。
【００１７】
前記被接合電極は、例えば回路基板に形成されたＣｕ電極を挙げることができる。前記接合電極は、例えば半導体素子などの能動素子のＣｕ、４２アロイ、Ｆｅ−Ｎｉ合金からなるリード電極、および抵抗体、コンデンサなどの受動素子のチップ電極を挙げることができる。
【００１８】
本発明に係るはんだ接合構造は、具体的には図１に示すように回路基板１のＣｕ電極２に半導体素子３の４２アロイリード電極４がはんだ接合部５を介して接合された構造を有する。この接合部５は、前述したようにＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだからなり、Ｂｉが固溶された微細なＳｎ結晶粒およびこの結晶粒の粒界に析出したＡｇ_３Ｓｎを含む組織を有する。
【００１９】
このような接合構造は、例えば次のような方法により製造される。
【００２０】
（１）図２の（Ａ）に示すように回路基板１のＣｕ電極２に本発明に係るはんだからなる層、すなわちＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだで、Ｐｂ含有量が４００ｐｐｍ以下、Ｂｉが４００〜１０００ｐｐｍ含有される組成のはんだ層６を例えばメタルマスクを用いて形成する。つづいて、図２の（Ｂ）に示すように半導体素子３のＳｎめっきされた４２アロイリード電極４を前記はんだ層６に押し当てる。この後、窒素雰囲気中、所定の温度で前記はんだ層をリフローして前述した図１に示すはんだ接合構造を製造する。
【００２１】
（２）図４の（Ａ）に示すように回路基板１のＣｕ電極２にＳｎ−Ｂｉ合金層７を成膜する。つづいて、図４の（Ｂ）に示すようにＳｎ−Ｂｉ合金層７上にＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ層８を例えばメタルマスクを用いて形成する。次いで、図４の（Ｃ）に示すように表面にＳｎめっき層９が形成されたＣｕ（または４２アロイ）のリード電極４を有する半導体素子３を用意し、このＳｎめっき層９付きＣｕ（または４２アロイ）のリード電極４を前記はんだ層８に押し当てる。この後、窒素雰囲気中、所定の温度で前記Ｓｎ−Ｂｉ合金層、はんだ層およびＳｎめっき層をリフローして前述した図１に示すはんだ接合構造を製造する。
【００２２】
なお、前記（２）の製造方法においてはリフロー後の接合部のＢｉ含有量が４００〜１０００ｐｐｍになるように前記Ｓｎ−Ｂｉ合金層、はんだ層およびＳｎめっき層の厚さ、面積をそれぞれ設定する。
【００２３】
前記（２）の製造方法においては、回路基板のＣｕ電極上にＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ層を直接形成し、半導体素子のＣｕリード電極表面にＳｎ−Ｂｉめっき層を形成して同様に窒素雰囲気中、所定の温度でリフローして前述した図１に示すはんだ接合構造を製造してもよい。この場合、リフロー後の接合部のＢｉ含有量が４００〜１０００ｐｐｍになるように前記はんだ層およびＳｎ−Ｂｉめっき層の厚さ、面積をそれぞれ設定する。
【００２４】
以上説明したように、本発明に係るはんだはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだで、Ｐｂ含有量が４００ｐｐｍ以下、Ｂｉが４００〜１０００ｐｐｍ含有される組成を有するため、電極同士を良好に接合できる。また、このはんだは溶融、冷却後においてＳｎ結晶にＢｉが均一に固溶してそのＳｎ結晶を微細化し、かつこの結晶粒界に微細な化合物（例えばＡｇ_３Ｓｎ）を析出した組織を有する。その結果、鉛フリーで、優れた耐熱疲労特性が発現され、熱的に過酷な条件下に曝されても、安定した接合状態を維持でき、従来のＳｎ−Ｐｂはんだと同等以上の接合信頼性を確保できる。
【００２５】
本発明に係るはんだ接合構造は、被接合電極と接合電極とをＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだにより接合し、その接合部がＢｉが固溶された微細なＳｎ結晶粒およびこの結晶粒の粒界に析出したＡｇ_３Ｓｎを含む組織を有するため、前記接合部により前記被接合電極と接合電極とが強固に接合でき、かつその接合部自体の耐熱疲労特性を向上できる。その結果、前記接合部を含む被接合電極と接合電極が熱的に過酷な条件下に曝されても、前記接合部へのダメージを低減して信頼性の高い接合構造を実現できる。
【００２６】
【実施例】
以下、本発明の実施例を前述した図面を参照して詳細に説明する。
【００２７】
（実施例１）
図２の（Ａ）に示すようにＣＥＭ−３を基材とした回路基板１のＣｕ電極２にＳｎ−３ｗｔ％Ａｇ−０．５ｗｔ％Ｃｕの組成でＰｂ含有量が１００ｐｐｍ、Ｂｉが８００ｐｐｍ含有された厚さ１５０μｍのはんだ層６をメタルマスクを用いて形成した。つづいて、図２の（Ｂ）に示すようにＱＦＰ（半導体素子）３のＳｎめっきされた４２アロイリード電極４を前記はんだ層６に押し当てた。この後、窒素雰囲気中、前記リード電極をピーク温度２３０〜２３５℃の温度で前記はんだ層をリフローすることにより図１に示すようにＱＦＰ（半導体素子）３の４２アロイリード電極４を回路基板１のＣｕ電極２にはんだ接合部５を介して接合した。このはんだ接合部は、Ｂｉが固溶された平均粒径４μｍのＳｎ結晶粒およびこの結晶粒の粒界に析出した平均粒径０．４μｍのＡｇ_３Ｓｎを含む組織を有していた。
【００２８】
得られたＱＦＰ実装回路基板について、温度サイクル試験を実施してはんだ接合部におけるリード接合強度を評価した。また、比較例１としてＢｉを含有しないＳｎ−３ｗｔ％Ａｇ−０．５ｗｔ％Ｃｕのはんだを使用して作製したＱＦＰ実装回路基板についても同様な評価を行なった。温度サイクル試験には、エスペック社製の冷熱衝撃試験器ＴＳＡ−７０ｈを使用し、試験条件は−４０℃で３０分間保持し、この後１２５℃で３０分間保持する操作を１サイクルとした。なお、試験は３００サイクルまで行い、初期、１００サイクル後、および３００サイクル後のＱＦＰ実装回路基板について、ＱＦＰのリード電極の接合強度を調べた。
【００２９】
その結果を図３に示す。図３から明らかなようにＢｉを含有した実施例１のＱＦＰ実装回路基板におけるはんだ接合部は比較例１のそれに比べて温度サイクルによるダメージが小さいことがわかった。
【００３０】
（実施例２）
図４の（Ａ）に示すようにＣＥＭ−３を基材とした回路基板１のＣｕ電極２に厚さ１０μｍのＳｎ−２ｗｔ％Ｂｉ合金層７を成膜した。つづいて、図４の（Ｂ）に示すようにＳｎ−２ｗｔ％Ｂｉ合金層７上に厚さ１５０μｍのＳｎ−３ｗｔ％Ａｇ−０．５ｗｔ％Ｃｕはんだ層８をメタルマスクを用いて形成した。次いで、図４の（Ｃ）に示すように表面に厚さ５μｍのＳｎめっき層９が形成された４２アロイリード電極４を有するＱＦＰ（半導体素子）３を用意し、このＳｎめっき層９付き４２アロイリード電極４を前記はんだ層８に押し当てた。この後、窒素雰囲気中、前記リード電極をピーク温度２３０〜２３５℃の温度で前記Ｓｎ−Ｂｉ合金層、はんだ層およびＳｎめっき層をリフローすることにより図１に示すようにＱＦＰ（半導体素子）３の４２アロイリード電極４を回路基板１のＣｕ電極２にはんだ接合部５を介して接合した。このはんだ接合部は、Ｂｉが固溶された平均粒径４μｍのＳｎ結晶粒およびこの結晶粒の粒界に析出した平均粒径０．４μｍのＡｇ_３Ｓｎを含む組織を有していた。
【００３１】
得られたＱＦＰ実装回路基板について、実施例１と同様に温度サイクル試験を実施してはんだ接合部におけるリード接合強度を評価した。また、比較例２として回路基板のＣｕ電極に厚さ１０μｍのＢｉを含有しないＳｎ層を成膜し、Ｓｎ−３ｗｔ％Ａｇ−０．５ｗｔ％Ｃｕのはんだを使用して作製したＱＦＰ実装回路基板についても同様な評価を行なった。
【００３２】
その結果を図５に示す。図５から明らかなようにＢｉを含有した実施例２のＱＦＰ実装回路基板におけるはんだ接合部は比較例２のそれに比べて温度サイクルによるダメージが小さいことがわかった。
【００３３】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、優れた濡れ性を有し、かつ耐熱疲労特性に優れ、原子力制御機器、環境上水道制御機器のような産業機器に使用され、常に電流が流れた状態に置かれ、熱的に過酷な条件下に曝される各種の能動素子、受動素子が実装された回路基板における接合に好適なはんだを提供することができる。
【００３４】
また、本発明によれば被接合電極と接合電極とが良好に接合され、かつ耐熱疲労特性の優れた接合部を有し、原子力制御機器、環境上水道制御機器のような産業機器に使用され、常に電流が流れた状態に置かれ、熱的に過酷な条件下に曝される各種の能動素子、受動素子が実装された回路基板などのはんだ接合構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るはんだ接合構造を示す断面図。
【図２】本発明に係るはんだ接合構造の製造工程の一例を示す断面図。
【図３】実施例１および比較例１のＱＦＰ実装回路基板におけるはんだ接合部の信頼性を評価するためのグラフ。
【図４】本発明に係るはんだ接合構造の製造工程の他の例を示す断面図。
【図５】実施例２および比較例２のＱＦＰ実装回路基板におけるはんだ接合部の信頼性を評価するためのグラフ。
【符号の説明】
１…回路基板、２…電極、３…半導体素子（ＱＦＰ）、４…リード電極、６…はんだ層。

Claims

Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだで、Ｐｂ含有量が４００ｐｐｍ以下、Ｂｉが４００〜１０００ｐｐｍ含有されることを特徴とするはんだ。
被接合電極と接合電極とをＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだにより接合したはんだ接合構造であって、
前記接合部は、Ｂｉが固溶された微細なＳｎ結晶粒およびこの結晶粒の粒界に析出したＡｇ_３Ｓｎを含む組織を有することを特徴とするはんだ接合構造。
前記被接合電極は、回路基板に形成され、前記接合電極は能動素子または受動素子の電極であることを特徴とする請求項２記載のはんだ接合構造。