JP2009506203A - 半田合金 - Google Patents

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Abstract

ボールグリッドアレイでの使用に適する合金であって、0.15〜1.5wt%の銅、0.1〜4wt%の銀、0〜0.1wt%のリン、0〜0.1wt%のゲルマニウム、0〜0.1wt%のガリウム、0〜0.3wt%の1種又は複数種の希土類元素、0〜0.3wt%のインジウム、0〜0.3wt%のマグネシウム、0〜0.3wt%のカルシウム、0〜0.3wt%のシリコン、0〜0.3wt%のアルミニウム、0〜0.3wt%の亜鉛、0〜1wt%のアンチモンと、以下の元素、0.02〜0.3wt%のニッケル、0.008〜0.2wt%のマンガン、0.01〜0.3wt%のコバルト、0.005〜0.3wt%のクロム、0.02〜0.3wt%の鉄、及び0.008〜0.1wt%のジルコニウムの少なくとも1種と、残部錫とを、不可避の不純物とともに含む合金。

Description

発明の詳細な説明
本発明は、合金、特に、無鉛半田合金に関する。この合金は、これだけに限らないが、特に、ボールグリッドアレイ及びチップスケールパッケージにおける、半田球の形態での使用に適する。
環境的な理由のため、従来の鉛含有合金に対する無鉛への置き換え需要が増加している。多くの従来の半田合金は、錫−銅共晶組成、Sn−0.7wt%Cuにほぼ基づいている。
ボールグリッドアレイ接合部は、2つの下地間、通常、円形パッド間の半田ビーズである。この接合部の合金は、回路基板上にチップを実装するために使用される。
ボールグリッドアレイ及びチップスケールパッケージでの使用に適する半田合金については幾つかの要求事項がある。第1に、この合金は、銅、ニッケル、ニッケルリン、ニッケルボロン(「無電解ニッケル」)などの様々な下地材料に対して良好な濡れ特性を示さなければならない。半田合金は、下地を溶解し、その界面で下地と金属間化合物を形成する傾向がある。例えば、半田合金中の錫は、下地と、その界面で反応して、金属間化合物を形成するであろう。下地が銅であれば、CuSnの層が形成されるであろう。このような層は、通常、1ミクロンの分率から数ミクロンまでの厚みを有する。この層と銅下地との界面では、CuSnの金属間化合物が存在し得る。このような金属間化合物は、脆い半田接合部となる恐れがある。幾つかの場合では、ボイドが生じることにより、応力のかかる接合部が早期に破壊する恐れがある。
他の重要な要因は、(i)機械特性を高めることになる、合金自体中の金属間化合物の存在、(ii)多重リフロー時の耐酸化性、(iii)ドロス発生率及び(iv)合金安定性である。この後者の考慮事項は、タンク又は浴中に合金を長時間保持する用途で重要となる。
本発明は、従来技術と関連する問題の少なくとも幾つかに取り組み、改良された半田合金を提供することを目的とする。したがって、本発明は、ボールグリッドアレイ又はチップスケールパッケージでの使用に適する合金であって、
0.15〜1.5wt%の銅、
0.1〜4wt%の銀、
0〜0.1wt%のリン、
0〜0.1wt%のゲルマニウム、
0〜0.1wt%のガリウム、
0〜0.3wt%の1種又は複数種の希土類元素、
0〜0.3wt%のインジウム、
0〜0.3wt%のマグネシウム、
0〜0.3wt%のカルシウム、
0〜0.3wt%のシリコン、
0〜0.3wt%のアルミニウム、
0〜0.3wt%の亜鉛、
0〜1wt%のアンチモンと、
以下の元素、
0.02〜0.3wt%のニッケル、
0.008〜0.2wt%のマンガン、
0.01〜0.3wt%のコバルト、
0.005〜0.3wt%のクロム、
0.02〜0.3wt%の鉄、
0.008〜0.1wt%のジルコニウム
の少なくとも1種と、
残部錫と、
不可避の不純物と、
を含む合金を提供する。
本発明をここで更に説明する。以下の項では、本発明の様々な態様をより詳細に定義する。そのように定義する各態様は、そうすべきでないと明確に示されない限り、任意の他の態様又は複数の態様と組み合わせてもよい。特に、好ましいか又は有利である場合に示される任意の特徴は、好ましいか又は有利である場合に示される任意の他の特徴又は複数の特徴と組み合わせてもよい。
銅は、錫と共晶を形成することにより、融点が低下し合金強度が上昇する。過共晶範囲内の銅含量では、液相線温度は上昇するが合金強度も更に上昇する。
この合金は、好ましくは0.15〜1wt%のCu、より好ましくは0.5〜0.9wt%のCu、更により好ましくは0.6〜0.8wt%のCuを含む。
銀では、融点が低下し、銅下地及び他の下地に対する半田の濡れ特性が向上する。
この合金は、好ましくは0.1〜3wt%のAg、より好ましくは0.1〜2wt%のAgを含む。この合金は、0.1〜1wt%のAgを含むことが最も好ましい。この範囲内での好ましい範囲は、0.1〜0.5wt%のAg、より好ましくは0.1〜0.4wt%のAg、更により好ましくは0.1〜0.3wt%のAgである。Agの範囲の下限は、0.2wt%まで上げてもよい。
低い銀含量は、合金の低剛性に耐落下衝撃性向上という必然の結果をもたらすので有利となることが判明した。落下衝撃試験又は他の高歪速度試験では、合金の剛性及び音響インピーダンスが、半田合金を通じて界面(即ち、半田/IMC/下地)に応力がどのように伝達するかを決定する主な役割を果たす。このような応力又は応力波は、この合金によって減衰されることが好ましい。低い銀含量は、この点で合金特性を向上させることが判明した。更に、金属間化合物Ag3Snは、通常、高アスペクト比のラス(laths)及びプレート(plates)として形成されることが判明した。半田接合部を形成する際、Ag3SnのIMCは、その界面(即ち、半田/IMC/下地)で核となる傾向を有する。この構造は応力上昇剤として作用するため、半田接合部が更に脆化し得る。これらの理由のため、本発明による合金中の銀含量は、≦1wt%であることが有利であり、好ましくは≦0.4wt%、より好ましくは≦0.35wt%、更により好ましくは≦0.3wt%である。
存在する場合、この合金は、好ましくはニッケル、コバルト、鉄及びクロムの少なくとも1種を0.02〜0.2wt%含み、より好ましくはニッケル、コバルト、鉄及びクロムの少なくとも1種を0.02〜0.1wt%含む。
存在する場合、この合金は、0.005〜0.3wt%のマグネシウムを含むことが好ましい。この場合では、改良特性は、0.02〜0.3wt%のFeの存在によって得ることができる。
存在する場合、この合金は、0.01〜0.15wt%のマンガンを含むことが好ましく、0.02〜0.1wt%のマンガンを含むことがより好ましい。
ニッケル、コバルト、クロム、マンガン、鉄、アンチモン及びジルコニウムは、金属間化合物成長調節剤(growth modifier)及び結晶微細化剤として作用し得る。例えば、理論で縛られることを望まないが、ニッケルが錫及び銅と金属間化合物を形成することにより金属間化合物CuNiSnが形成し、この金属間化合物中の低溶解性元素の存在によりCuの拡散が遅くなるため、経時的に形成するIMCの量が減少すると考えられる。
マンガン、コバルト及びクロムの各々は、錫中では低溶解性を有し、また、銅及び錫と金属間化合物を形成するとも考えられる。この金属間化合物が存在すると溶融状態から固体状態へ合金を冷却する際に生じる微細構造に影響を及ぼす。より微細な結晶粒組織が認められ、これは、更に合金の外観及び強度に有効である。
CuNiSn金属間化合物の成長速度は、無ニッケル合金の場合より低いことが判明した。
コバルトは、界面の金属間化合物形成速度を遅くすることが判明した。
本発明の好ましい一実施形態では、この合金は、0.005〜0.3wt%のクロム、好ましくは0.01〜0.3wt%のクロム、より好ましくは0.02〜0.2wt%のクロム、更により好ましくは0.03〜0.1wt%のクロムを含む。上記で論じた最大1wt%のAgと組み合わせた最大0.3wt%のCrにより、改良特性を有する合金が生じる。特に、添加Cr含有合金は、いわゆるモード1の破壊の場合の低いボールプル強度を有することが判明した。モード1は、好ましい破壊モードである。これは、半田中のネッキング破壊及び引張破壊であり、界面での破壊ではない。Crの他にNiの存在によっても好ましい結果が得られる。
クロムは、合金を軟化し耐酸化性を向上させることも見出した。
マンガンは、界面の金属間化合物成長速度を低下させることが判明した。
ジルコニウムは、半田の界面成長を低減することが判明した。
インジウム、亜鉛、マグネシウム、カルシウム、ガリウム及びアルミニウムは、拡散補償剤(diffusion compensator)として作用し得る。適切な高速拡散種の添加は、もし添加しなければ、例えば、結果としてボイドが形成すること(ホースチン(Horsting)又はカーケンドール)になる、半田・下地界面から離れる正味の原子流となりそうなものとのバランスをとるのに効果的となり得る。インジウムは、半田の濡れ性に対して有利な影響を及ぼすことが判明した。インジウムは、半田の融点を下げる。インジウムは、半田接合部中のボイドの形成を低減するためにも作用し得る。インジウムは、Snリッチ基質の強度も改善し得る。亜鉛も、インジウムと同様に作用することが判明した。
アルミニウムは、金属相の形状を変えることが判明した。アルミニウムは、存在し得る任意のアンチモンと化合することもできる。(クロム、ゲルマニウム、シリコン及びリンと同様に)アルミニウムは、酸化還元性の点からも有利となり得る。
リン、ゲルマニウム及びガリウムは、ドロス還元剤として作用し得る。
存在する場合、合金は、1種又は複数種の希土類元素を最大0.05wt%含むことが好ましい。1種又は複数種の希土類元素は、セリウム、ランタン、ネオジム及びプラセオジムから選択される2種以上の元素を含むことが好ましい。
本発明による合金は、無鉛又は本質的に無鉛である。この合金は、従来の鉛含有半田合金に比べて環境有利性を与える。
本発明による合金は、通常、CSP用途向けの半田球として供給されることになるが、融剤を場合により併用する、棒材、スティック又はインゴットとしても供給してもよい。この合金は、ワイヤー、例えば、融剤を組み込んだコアードワイヤー、球又は片(strip)から切断若しくは打ち抜いたプレフォーム或いは半田の形態でも供給してもよい。これらは、半田付けプロセスにより要求される場合、単に合金であっても適切な融剤で被覆されていてもよい。この合金は、半田ペーストを作製するために、融剤とブレンドされた粉末としても供給してもよい。
本発明による合金は、2つ以上の下地を共に半田付けする手段及び/又は下地を被覆するための手段として、溶融半田浴中で使用してもよい。
本発明による合金は、不可避の不純物を含有し得るが、この不純物は、全体で、組成物の1wt%を超える可能性のないことは認識されよう。この合金は、好ましくは組成物の0.5wt%以下、より好ましくは組成物の0.3wt%以下、更により好ましくは組成物の0.1wt%以下の量で不可避の不純物を含有する。
本発明による合金は、記載した元素から本質的になることができる。したがって、必須である前記元素(即ち、Sn、Cu、Ag並びにNi、Co、Mn、Fe、Zr及びCrの少なくとも1種)以外に、他の不特定の元素が組成物中に存在してもよいが、但し、組成物の主要特性はこれらの存在により実質的に影響を及ぼされないことは認識されよう。
この合金は、通常、少なくとも90wt%の錫、好ましくは94〜99.5%の錫、より好ましくは95〜99%の錫、更により好ましくは97〜99%の錫を含むことになろう。したがって、本発明は、ボールグリッドアレイ又はチップスケールパッケージに使用する合金であって、
95〜99wt%の錫、
0.15〜1.5wt%の銅、
0.1〜4wt%の銀、
0〜0.1wt%のリン、
0〜0.1wt%のゲルマニウム、
0〜0.1wt%のガリウム、
0〜0.3wt%の1種又は複数種の希土類元素、
0〜0.3wt%のインジウム、
0〜0.3wt%のマグネシウム、
0〜0.3wt%のカルシウム、
0〜0.3wt%のシリコン、
0〜0.3wt%のアルミニウム、
0〜0.3wt%の亜鉛、
0〜1wt%のアンチモンと、
以下の元素、
0.02〜0.3wt%のニッケル、
0.008〜0.2wt%のマンガン、
0.01〜0.3wt%のコバルト、
0.005〜0.3wt%のクロム、
0.02〜0.3wt%の鉄、及び
0.008〜0.1wt%のジルコニウム
の少なくとも1種と
不可避の不純物と
を含む合金を更に提供する。
本発明による合金は、ボールグリッドアレイ又はチップスケールパッケージを含めた用途に特に好適である。したがって、本発明は、ボールグリッドアレイ又はチップスケールパッケージにおける、本明細書に記載の半田合金の使用も提供する。
本発明は、本明細書に記載の半田合金組成物を含むボールグリッドアレイ又はチップスケールパッケージ接合部も提供する。
以下は、本発明を更に説明する非限定的実施例である。
(実施例1)
鋳造用鉄坩堝(或いはセラミック坩堝を使用してもよい)中でSnを溶融させることによって、合金を調製した。溶融したSnに、Sn−3wt%Cuの合金、並びにSn−5wt%Ag及びSn−0.35wt%Niの合金を添加した。これらの添加は、350℃の合金浴温で行った。リンをSn−0.3%Pの合金形態で添加するために、この浴を300℃に冷却した。
この合金をサンプリングして、
Ag 0.3wt%
Cu 0.7wt%
Ni 0.03wt%
P 0.006wt%
及び残部錫
の組成を確認した。
次いで、この合金組成物を、不活性の鉛直カラム中に金属流として噴流させた。この金属流を、溶融釜を通じて出口に又はその付近に掛けられる磁気歪振動エネルギーを適用することによって球状化した。
同様に、この合金組成物をパンチングし、次いで球として球状化することができた。
球の形で得られるこの合金は、ボールグリッドアレイ接合部又はチップスケールパッケージに使用できる。融剤を、CSPのパッドにプリントするか、又はピン転写する。次いで、この球を取り、型板を通して融剤付パッド上に付着させるか又は振り落とす。次いで、このパッケージを、ピーク温度240℃〜260℃の標準リフローオーブン中でリフローする。
合金及び半田の接合性能を、150℃で最大1000時間経時したパッケージ中で評価した。IMC成長を、標準の金属組織法によって測定した。機械的ボールプル試験は、半田接合部破壊モード(脆性又は延性)を評価するために使用した。
(実施例2)
以下の合金組成物を、実施例1と同様に調製した(全てwt%)。
Ag 0.3
Cu 0.7
Ni 0.2
P 0.006
Sn 残部
この合金は、球の形態で得ることができ、ボールグリッドアレイ接合部又はチップスケールパッケージに使用することができる。
(実施例3)
以下の合金組成物を、実施例1と同様に調製した。
Ag 0.3
Cu 0.7
Co 0.2
P 0.006
Sn 残部
この合金は、球の形態で得ることができ、ボールグリッドアレイ接合部又はチップスケールパッケージに使用することができる。
(実施例4)
以下の合金組成物を、実施例1と同様に調製した。
Ag 0.3
Cu 0.7
Cr 0.05
P 0.006
Sn 残部
この合金は、球の形態で得ることができ、ボールグリッドアレイ接合部又はチップスケールパッケージに使用することができる。
(実施例5)
実施例1〜4の組成物に対応し、リン含量をGeで置き換えた合金を調製した。
(実施例6)
以下の合金組成物を、実施例1と同様に調製した。
Ag 0.3
Cu 0.7
Co 0.2
Sn 残部
この合金は、球の形態で得ることができ、ボールグリッドアレイ接合部又はチップスケールパッケージに使用することができる。
(実施例7)
以下の合金組成物を、実施例1と同様に調製した。
Ag 0.3
Cu 0.7
Ni 0.10
Ge 0.10
P 0.006
Sn 残部
この合金は、球の形態で得ることができ、ボールグリッドアレイ接合部又はチップスケールパッケージに使用することができる。
(実施例8)
以下の合金組成物を、実施例1と同様に調製した。
Ag 0.3
Cu 0.7
Ni 0.2%
Sn 残部
この合金は、球の形態で得ることができ、ボールグリッドアレイ接合部又はチップスケールパッケージに使用することができる。
(実施例9)
以下の合金組成物を、実施例1と同様に調製した。
Ag 0.3
Cu 0.7
Fe 0.1
Mg 0.05
Sn 残部
この合金は、球の形態で得ることができ、ボールグリッドアレイ接合部又はチップスケールパッケージに使用することができる。
(実施例10)
以下の合金組成物を、実施例1と同様に調製した。
Ag 0.3
Cu 0.7
Cr 0.05
Co 0.2
Sn 残部
この合金は、球の形態で得ることができ、ボールグリッドアレイ接合部又はチップスケールパッケージに使用することができる。
(実施例11)
以下の合金組成物を、実施例1と同様に調製した。
Ag 0.3
Cu 0.7
Cr 0.05
Ni 0.2
Sn 残部
この合金は、球の形態で得ることができ、ボールグリッドアレイ接合部又はチップスケールパッケージに使用することができる。
(実施例12)
以下の合金組成物を、実施例1と同様に調製した。
Ag 0.3
Cu 0.7
Cr 0.05
Fe 0.2
Sn 残部
この合金は、球の形態で得ることができ、ボールグリッドアレイ接合部又はチップスケールパッケージに使用することができる。
(実施例13)
以下の合金組成物を、実施例1と同様に調製した。
Ag 0.3
Cu 0.7
Cr 0.05
Fe 0.2
Mg 0.1
Sn 残部
この合金は、球の形態で得ることができ、ボールグリッドアレイ接合部又はチップスケールパッケージに使用することができる。

Claims (34)

  1. ボールグリッドアレイ又はチップスケールパッケージでの使用に適する合金であって、
    0.15〜1.5wt%の銅、
    0.1〜4wt%の銀、
    0〜0.1wt%のリン、
    0〜0.1wt%のゲルマニウム、
    0〜0.1wt%のガリウム、
    0〜0.3wt%の1種又は複数種の希土類元素、
    0〜0.3wt%のインジウム、
    0〜0.3wt%のマグネシウム、
    0〜0.3wt%のカルシウム、
    0〜0.3wt%のシリコン、
    0〜0.3wt%のアルミニウム、
    0〜0.3wt%の亜鉛、
    0〜1wt%のアンチモンと、
    以下の元素、
    0.02〜0.3wt%のニッケル、
    0.008〜0.2wt%のマンガン、
    0.01〜0.3wt%のコバルト、
    0.005〜0.3wt%のクロム、
    0.02〜0.3wt%の鉄、及び
    0.008〜0.1wt%のジルコニウム
    の少なくとも1種と、
    残部錫とを、
    不可避の不純物とともに含む合金。
  2. 0.15〜1wt%のCuを含む、請求項1に記載の合金。
  3. 0.5〜0.9wt%のCuを含む、請求項2に記載の合金。
  4. 0.6〜0.8wt%のCuを含む、請求項3に記載の合金。
  5. 0.1〜1wt%のAgを含む、前記請求項のいずれか一項に記載の合金。
  6. 0.1〜0.4wt%のAgを含む、請求項5に記載の合金。
  7. 0.1〜0.35wt%のAgを含む、請求項6に記載の合金。
  8. 0.1〜0.3wt%のAgを含む、請求項7に記載の合金。
  9. 0.005〜0.3wt%のクロムを含む、前記請求項のいずれか一項に記載の合金。
  10. 0.01〜0.3wt%のクロムを含む、請求項9に記載の合金。
  11. 0.02〜0.2wt%のクロムを含む、請求項10に記載の合金。
  12. 0.03〜0.1wt%のクロムを含む、請求項11に記載の合金。
  13. ニッケル、コバルト、鉄及びクロムの少なくとも1種を0.02〜0.2wt%含む、請求項1〜8のいずれか一項に記載の合金。
  14. ニッケル、コバルト、鉄及びクロムの少なくとも1種を0.02〜0.1wt%含む、請求項13に記載の合金。
  15. 0.01〜0.3wt%のマグネシウムを含む、前記請求項のいずれか一項に記載の合金。
  16. 0.02〜0.3wt%の鉄を含む、請求項15に記載の合金。
  17. 0.01〜0.15wt%のマンガンを含む、前記請求項のいずれか一項に記載の合金。
  18. 0.02〜0.1wt%のマンガンを含む、請求項17に記載の合金。
  19. 0.05〜0.3wt%のインジウムを含む、前記請求項のいずれか一項に記載の合金。
  20. 0.1〜0.2wt%のインジウムを含む、請求項19に記載の合金。
  21. 0.01〜0.3wt%のカルシウムを含む、前記請求項のいずれか一項に記載の合金。
  22. 0.1〜0.2wt%のカルシウムを含む、請求項21に記載の合金。
  23. 0.01〜0.3wt%のシリコンを含む、前記請求項のいずれか一項に記載の合金。
  24. 0.1〜0.2wt%のシリコンを含む、請求項23に記載の合金。
  25. 0.008〜0.3wt%のアルミニウムを含む、前記請求項のいずれか一項に記載の合金。
  26. 0.1〜0.2wt%のアルミニウムを含む、請求項25に記載の合金。
  27. 0.01〜0.3wt%の亜鉛を含む、前記請求項のいずれか一項に記載の合金。
  28. 0.1〜0.2wt%の亜鉛を含む、請求項27に記載の合金。
  29. 0.05〜1wt%のアンチモンを含む、前記請求項のいずれか一項に記載の合金。
  30. 0.1〜0.5wt%のアンチモンを含む、請求項29に記載の合金。
  31. 1種又は複数種の前記希土類元素が、セリウム、ランタン、ネオジム及びプラセオジムから選択される1種又は複数種(好ましくは2種以上)の元素を含む、前記請求項のいずれか一項に記載の合金。
  32. 棒材、スティック、ソリッドワイヤー若しくはフラックスコアードワイヤー、箔若しくは片、プレフォーム、又は粉末若しくはペースト(粉末と融剤のブレンド)、又はボールグリッドアレイ接合部に使用するための半田球、又はプレフォーム型の半田片の形態である、前記請求項のいずれか一項に記載の合金。
  33. 請求項1〜32のいずれか一項に記載の合金を含む、半田ボールグリッドアレイ又はチップスケールパッケージ接合部。
  34. ボールグリッドアレイ又はチップスケールパッケージにおける、請求項1〜32のいずれか一項に記載の合金の使用。
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