JP2010103377A - Electronic member with solder bump - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、エレクトロニクス部品の接続に用いられるはんだ合金を用いたはんだバンプを有する電子部材に関するものである。 The present invention relates to an electronic member having solder bumps using a solder alloy used for connecting electronic components.
電子機器に内蔵される電子回路基板において、基板と電子部品とを接合するためにはんだが用いられている。はんだ合金としては、SnとPbとを含有する成分系が従来広く用いられてきた。しかし、近年の環境問題やEU(欧州連合)のRoHS指令(Restriction of the Use of Certain Hazardous Substances in Electrical and Electronic Equipment)等により、Pbを含有しない、いわゆる鉛フリーはんだが広く開発され、実用化されている。鉛フリーはんだ材料として現在標準的に使用されているものの1つに、Sn-Ag-Cu系はんだ材料がある(特許文献1)。その中でも、電子部品実装プロセスにおいては、Sn-3.0%Ag-0.5%Cu、Sn-4.0%Ag-0.5%Cu等の鉛フリーはんだ材料が使用されている。 In an electronic circuit board built in an electronic device, solder is used to join the board and the electronic component. As a solder alloy, a component system containing Sn and Pb has been widely used. However, due to recent environmental issues and the EU (European Union) RoHS Directive (Restriction of the Use of Certain Hazardous Substances in Electrical and Electronic Equipment), so-called lead-free solders that do not contain Pb have been widely developed and put into practical use. ing. One of the standard lead-free solder materials currently used is Sn-Ag-Cu solder material (Patent Document 1). Among these, lead-free solder materials such as Sn-3.0% Ag-0.5% Cu and Sn-4.0% Ag-0.5% Cu are used in the electronic component mounting process.
近年、電子部品の高密度実装化に伴い、基板電極パッド面積の縮小が急激に進んでいるため、接合部位のはんだ量は少量化せざるを得ない状況にあり、前述の鉛フリーはんだのはんだ接合部にかかる負荷はますます増大している。特に近年は、携帯電話等に代表されるモバイル機器において、耐落下衝撃特性と言った接続信頼性が要求されるようになり、上述したはんだ材料以上に高特性なはんだの開発が行われている。 In recent years, as the density of electronic components has been increased, the board electrode pad area has been rapidly reduced, so the amount of solder at the joint must be reduced. The load on the joint is increasing. Particularly in recent years, in mobile devices represented by mobile phones and the like, connection reliability such as drop impact resistance has been required, and development of solder having higher characteristics than the above-described solder materials has been performed. .
特許文献2には、上述した標準的な鉛フリーはんだに比べてAg含有量が低く、特定のAg含有量とすることで、耐落下衝撃性に優れた鉛フリーはんだ合金とすることができることが開示されている。即ち、Ag:1.0〜2.0質量%、Cu:0.3〜1.5質量%を含み、残部Sn及び不可避不純物からなる鉛フリーはんだ合金である。これにより、優れた耐熱疲労特性と耐衝撃性にすることができるとされている。特許文献2には、さらにはんだ合金の強度を向上する目的で、Ni:0.05〜1.5質量%、又は、Fe:0.005〜0.5質量%の範囲で添加することができるとしている。 Patent Document 2 shows that the Ag content is lower than the standard lead-free solder described above, and a specific Ag content enables a lead-free solder alloy with excellent drop impact resistance to be obtained. It is disclosed. That is, it is a lead-free solder alloy containing Ag: 1.0 to 2.0% by mass and Cu: 0.3 to 1.5% by mass, the balance being Sn and inevitable impurities. Thereby, it is supposed that it can be set as the outstanding heat fatigue characteristic and impact resistance. Patent Document 2 states that Ni can be added in the range of 0.05 to 1.5 mass% or Fe: 0.005 to 0.5 mass% for the purpose of further improving the strength of the solder alloy.
特許文献3には、Sn-Ag-Cu系鉛フリーはんだに該はんだに実質的に溶解しない元素を含む微粒子を含ませた鉛フリーはんだが開示されている。これにより、はんだ組織が微細化されて、はんだの機械的強度及び耐熱衝撃性の向上が得られるとしている。また、前記微粒子に含まれる溶解しない元素として、B、Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zr、Nb、Moが挙げられている。 Patent Document 3 discloses a lead-free solder in which Sn—Ag—Cu-based lead-free solder contains fine particles containing an element that does not substantially dissolve in the solder. As a result, the solder structure is refined, and the mechanical strength and thermal shock resistance of the solder are improved. Moreover, B, Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zr, Nb, and Mo are mentioned as an element which is not dissolved in the fine particles.
特許文献4には、溶融温度が250℃以上の高温はんだに対して、Sn-Sb-Ag-Cu系において、接合安定性を改善するために、前記系にSi及びBを添加することが開示されている。前記元素を添加することで、Sbの結晶の肥大化を抑制し、溶融時に各金属同士が馴染み、金属の凝集が妨げられるので、ボイド発生を抑制できるとしている。 Patent Document 4 discloses the addition of Si and B to the high-temperature solder having a melting temperature of 250 ° C. or higher in order to improve the bonding stability in the Sn—Sb—Ag—Cu system. Has been. By adding the above elements, it is said that the enlargement of Sb crystals is suppressed, the metals are adapted to each other at the time of melting, and the aggregation of the metals is prevented, so that the generation of voids can be suppressed.
特許文献5には、カーケンダルボイドの生成を抑制して接合強度を高めたはんだ合金として、Sn-Zn系はんだにGe又はNbを添加する合金が開示されている。これにより、ピール強度が向上するとされている。 Patent Document 5 discloses an alloy in which Ge or Nb is added to Sn—Zn solder as a solder alloy that suppresses the generation of Kirkendall voids and increases the bonding strength. Thereby, it is supposed that peel strength improves.
特許文献6には、Znを含有するはんだを接合する際に、Cu電極に予めSn-Cu系金属間化合物を形成しておくことで、カーケンダルボイドが発生せず、信頼性の高いはんだを得ることができるとしている。
上述のように、電子部品の高密度実装化やモバイル電子機器の高性能化に伴い、はんだ接合部の信頼性、特に耐落下衝撃特性の要求が高くなり、現状のはんだ合金では十分な性能を発揮できないという問題がある。中でも、半導体パッケージの二次接続や、抵抗、コンデンサ、ダイオード等の部品が実装されるマザーボード基板との接続に使用されるはんだ接合部の性能が不十分である。 As mentioned above, with the high density mounting of electronic components and the high performance of mobile electronic devices, the demands on the reliability of solder joints, especially the drop impact resistance, have increased, and current solder alloys have sufficient performance. There is a problem that it cannot be demonstrated. In particular, the performance of solder joints used for secondary connection of semiconductor packages and connection to a motherboard substrate on which components such as resistors, capacitors, and diodes are mounted is insufficient.
特許文献1は、従来からはんだ部に主に求められてきた熱疲労特性を改善したはんだであり、耐落下衝撃特性は考慮されておらず、接合界面の信頼性が低い。 Patent Document 1 is a solder with improved thermal fatigue characteristics which has been mainly required for solder parts from the past, and does not consider the drop impact resistance characteristics, and has low reliability at the joint interface.
特許文献2は、Ag含有量を低くして特定の範囲内にすることで、はんだに延性を持たせ、耐落下衝撃特性を向上させている。しかし、当該はんだでは、はんだと基板電極間の界面強度が十分ではないため、狭ピッチ化し、はんだ接合部の面積、体積が減少した際に、二次接続側のはんだ接合として必ずしも高い耐落下衝撃特性は得られていない。 In Patent Document 2, by making the Ag content low and within a specific range, the solder is made ductile and the drop impact resistance is improved. However, with this solder, the interface strength between the solder and the substrate electrode is not sufficient, so when the pitch is narrowed and the area and volume of the solder joint are reduced, the impact resistance is always high as a solder joint on the secondary connection side. Characteristics have not been obtained.
特許文献3は、非溶解元素の微粒子に起因してはんだ部の組織が微細化するので、き裂進展が抑制され、耐熱衝撃性を向上させることができるとしている。しかし、耐落下衝撃特性に関しては記載されていない。また、はんだと基板電極間に形成される金属間化合物の厚みが薄くなって接続信頼性が向上すると記載されているが、落下衝撃特性は、同一の金属間化合物厚みであっても、その特性が大きく異なることが実験的にも明らかであり、金属間化合物の厚みだけでは、耐落下衝撃特性の良否は決まらないと考えられる。 Patent Document 3 states that since the structure of the solder portion is refined due to the fine particles of the insoluble element, crack propagation is suppressed and the thermal shock resistance can be improved. However, it does not describe the drop impact resistance. Moreover, although it is described that the thickness of the intermetallic compound formed between the solder and the substrate electrode is reduced and the connection reliability is improved, the drop impact characteristic is the characteristic even when the same intermetallic compound thickness is used. It is clear experimentally that the drop impact characteristics are not determined by the thickness of the intermetallic compound alone.
特許文献4には、微量のSiとBを添加して接合安定性を向上させたはんだ合金が開示されている。これは溶融温度が250℃以上の一次実装用のはんだであり、二次実装やマザーボード基板等との接続には現在のリフロープロセスでは適用できない。さらに半導体パッケージ内部の一次実装では樹脂で封止して用いられるため、高い耐落下衝撃特性を求められることが無い。 Patent Document 4 discloses a solder alloy in which a small amount of Si and B are added to improve joint stability. This is solder for primary mounting with a melting temperature of 250 ° C. or higher, and cannot be applied to secondary mounting or connection to a motherboard board by the current reflow process. Furthermore, since the primary mounting inside the semiconductor package is used by sealing with resin, high drop impact resistance is not required.
特許文献5及び6では、鉛フリーはんだとしては一部の利用に限られているSn-Zn系における界面の接続信頼性向上として、カーケンダルボイドの低下方法が開示されている。しかし、鉛フリーはんだで標準成分となっているこれらの手法はSn-Ag-Cu系では活用することができず、Sn-Ag-Cu系において界面の接合強度を向上させ、落下衝撃特性を向上させた合金が望まれている。 Patent Documents 5 and 6 disclose a method for reducing Kirkendall voids as an improvement in interface connection reliability in the Sn—Zn system, which is limited to some uses of lead-free solder. However, these methods, which are standard components of lead-free solder, cannot be used in Sn-Ag-Cu systems, and improve the interface impact strength and drop impact characteristics in Sn-Ag-Cu systems. Alloys that have been made are desired.
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、鉛フリーはんだとして広く使われているSn-Ag-Cu系を用いて、モバイル機器等で要求される高い耐落下衝撃特性を有するはんだ合金を用いたはんだバンプを有する電子部材を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and uses Sn-Ag-Cu system widely used as lead-free solder, and has high drop impact resistance required for mobile devices and the like. An object of the present invention is to provide an electronic member having solder bumps using a solder alloy.
本発明者らは、はんだバンプを有する電子部材の耐落下衝撃特性向上の手段として、はんだと電極との界面に形成する金属間化合物の特性に着目した。これは、従来はんだでは、落下衝撃のような負荷に対して一般的にこの電極界面で脆性的にき裂が進展し、耐落下衝撃特性が十分ではなかったためである。そこで、はんだに種々の添加元素を加えた際の耐落下衝撃特性及び電極界面の金属間化合物の組織を調査した結果、はんだに特定の量のホウ素を添加した際に電極界面に形成されるボイドが存在する領域の断面厚みが変化し、電極界面におけるき裂進展特性が向上して従来はんだに比べて耐落下衝撃特性が向上することを見出し、本発明に至った。 The present inventors paid attention to the characteristics of the intermetallic compound formed at the interface between the solder and the electrode as a means for improving the drop impact resistance of the electronic member having the solder bump. This is because the conventional solder generally has a brittle crack at the electrode interface against a load such as a drop impact, and the drop impact resistance is not sufficient. Therefore, as a result of investigating the drop impact resistance characteristics when adding various additive elements to the solder and the structure of intermetallic compounds at the electrode interface, voids formed at the electrode interface when a specific amount of boron is added to the solder As a result, the cross-sectional thickness of the region where the metal exists is changed, the crack propagation property at the electrode interface is improved, and the drop impact resistance property is improved as compared with the conventional solder.
即ち、本発明の要旨とするところは以下のとおりである。 That is, the gist of the present invention is as follows.
本発明の請求項１に係るはんだバンプを有する電子部材は、ホウ素、Ag及びCuを含有し、ホウ素の含有量が0.1質量ppm以上200質量ppm以下、Agの含有量が0.1質量%以上3.0質量%未満、Cuの含有量が0.01質量%以上1.5質量%以下含有し、残部を実質的にSn及びその不可避的不純物からなる合金を用いて形成されたはんだバンプを有する電子部材であり、前記はんだバンプの電子部材の電極との接合界面に形成されるボイドが存在する領域の平均断面厚みが0.01μm以上0.1μm未満であることを特徴とする。 The electronic member having a solder bump according to claim 1 of the present invention contains boron, Ag, and Cu, the boron content is 0.1 mass ppm to 200 mass ppm, and the Ag content is 0.1 mass% to 3.0 mass. Less than%, Cu content is 0.01 mass% or more and 1.5 mass% or less, the balance is an electronic member having a solder bump formed by using an alloy substantially consisting of Sn and its inevitable impurities, the solder An average cross-sectional thickness of a region where a void formed at a bonding interface between the bump and the electronic member electrode is 0.01 μm or more and less than 0.1 μm.
本発明の請求項２に係るはんだバンプを有する電子部材は、請求項１において、前記ボイドが存在する領域における前記ボイド1個の直径の最大値が0.1μm未満であることを特徴とする。 An electronic member having a solder bump according to a second aspect of the present invention is characterized in that, in the first aspect, the maximum value of the diameter of the one void in the region where the void exists is less than 0.1 μm.
本発明の請求項３に係るはんだバンプを有する電子部材は、請求項１又は２において、前記ボイドが存在する領域における前記ボイドの個数密度が100個/μm2以上1000個/μm2未満であることを特徴とする。 An electronic member having a solder bump according to a third aspect of the present invention is the electronic member according to the first or second aspect, wherein the number density of the voids in a region where the void is present is 100 / μm 2 or more and less than 1000 / μm 2. It is characterized by that.
本発明の請求項４に係るはんだバンプを有する電子部材は、請求項１〜３のいずれか1項において、さらにNiを含有することを特徴とする。 An electronic member having a solder bump according to a fourth aspect of the present invention is characterized in that in any one of the first to third aspects, Ni is further contained.
本発明の請求項５に係るはんだバンプを有する電子部材は、請求項４において、前記合金におけるNiの含有量が0.01質量%以上0.1質量%以下であることを特徴とする。 An electronic member having a solder bump according to claim 5 of the present invention is characterized in that, in claim 4, the Ni content in the alloy is 0.01 mass% or more and 0.1 mass% or less.
本発明の請求項６に係るはんだバンプを有する電子部材は、請求項１〜５のいずれか1項において、前記はんだバンプを形成する電極表面がCu/Ni/Au電極であることを特徴とする。 An electronic member having a solder bump according to a sixth aspect of the present invention is characterized in that, in any one of the first to fifth aspects, an electrode surface on which the solder bump is formed is a Cu / Ni / Au electrode. .
本発明の請求項７に係るはんだバンプを有する電子部材は、請求項６において、前記Cu/Ni/Au電極におけるNi膜が無電解Niめっき膜であることを特徴とする。 An electronic member having solder bumps according to claim 7 of the present invention is characterized in that, in claim 6, the Ni film in the Cu / Ni / Au electrode is an electroless Ni plating film.
本発明の請求項８に係るはんだバンプを有する電子部材は、請求項７において、前記無電解NiめっきがNiPによる無電解めっきであり、膜のP含有量が1質量%以上20質量%以下であることを特徴とする。 An electronic member having solder bumps according to an eighth aspect of the present invention is the electronic member according to the seventh aspect, wherein the electroless Ni plating is electroless plating with NiP, and the P content of the film is 1 mass% or more and 20 mass% or less. It is characterized by being.
本発明によれば、電子部品の接続に使用するSn-Ag-Cu系はんだを用いたはんだバンプを有する電子部材において、接合界面の信頼性、特にモバイル機器で要求される耐落下衝撃特性を格段に向上することができる。 According to the present invention, in an electronic member having a solder bump using Sn-Ag-Cu solder used for connecting an electronic component, the reliability of the joint interface, particularly the drop impact resistance required for a mobile device is remarkably improved. Can be improved.
本発明は、Sn-Ag-Cu系はんだを用いたはんだバンプにおける接合界面において、界面に形成されるボイドが存在する領域の形態が耐落下衝撃特性に大きな影響を及ぼすことを見出したことによる。以下に本発明に至った経緯について詳述する。 The present invention is based on the finding that the shape of the region where voids formed at the interface exist at the bonding interface of the solder bump using the Sn-Ag-Cu solder greatly affects the drop impact resistance. The details of the present invention will be described in detail below.
前述したように、はんだ接合部のはんだ量が減少する中で、これまでの熱疲労特性と言った従来の接合信頼性に加えて、耐落下衝撃特性と言った接合信頼性の向上が求められている。近年では、アメリカ電子工業会(EIA)の分会である電子機器技術評議会(JEDEC)で決められた規格であるJESD22-B111が、耐落下衝撃特性の評価手法として業界で標準的に用いられるようになってきた。そこで、これまで広く使われており、実質的に鉛フリーはんだの標準成分として用いられているSn-3%Ag-0.5%Cuを用いて耐落下衝撃特性を評価すると、主に、電極とはんだとの間に形成される金属間化合物層で脆性的な破断が起こり、これが原因で耐落下衝撃特性が非常に低くなっていることが判明した。 As described above, as the amount of solder in the solder joints decreases, in addition to the conventional joint reliability such as thermal fatigue characteristics so far, improvement in joint reliability such as drop impact resistance characteristics is required. ing. In recent years, JESD22-B111, a standard established by the Electronic Equipment Technology Council (JEDEC), a subcommittee of the American Electronics Industry Association (EIA), has been used as a standard in the industry as a method for evaluating drop impact resistance. It has become. Therefore, when the drop impact resistance is evaluated using Sn-3% Ag-0.5% Cu, which has been widely used so far and is used as a standard component of lead-free solder, it is mainly used for electrodes and solder. It was found that the brittle fracture occurred in the intermetallic compound layer formed between the two and the drop impact resistance was very low due to this.
そこで、本発明者らは、接合界面の金属間化合物層における落下衝撃時のき裂進展に着目し、き裂進展特性と界面組織について詳細に観察したところ、界面のボイドが存在する領域の平均断面厚みが0.01μm以上0.1μm未満である時にき裂進展が抑制され、落下衝撃特性が向上することを見出した。本発現メカニズムは詳細には不明であるが、以下のように考えている。まずボイドが全くないような場合には、金属間化合物内ではなく、金属間化合物と基板電極の接合界面を脆性的にき裂が進展してしまい、落下特性が低いことを確認した。一方、界面に形成されるボイドの平均断面厚みが0.1μmよりも厚く形成される場合には、形成されたボイド領域内をき裂が容易に進展し、やはり落下衝撃特性は低下した。しかし、界面に形成されるボイド領域の平均断面厚みが0.01μm以上0.1μm未満となった場合、き裂はボイド間を進展するものの、隣接するボイド間の距離が長くもしくは通常き裂伝播する基板並行方向に対して、斜めにき裂伝播することで、落下衝撃特性の向上が確認された。さらに詳細な実験により、このボイド部の個数密度が、100個/μm2以上、1000個/μm2未満で落下衝撃時に最もき裂進展が抑制され、高い落下衝撃特性が得られることが分かった。即ち、ボイドが存在することで、界面に作用する応力状態が変化し、き裂進展経路が変わることで、落下衝撃特性が向上したものと推定している。 Therefore, the present inventors paid attention to the crack growth at the time of drop impact in the intermetallic compound layer at the joint interface, and observed the crack growth characteristics and the interface structure in detail. It has been found that when the cross-sectional thickness is 0.01 μm or more and less than 0.1 μm, the crack propagation is suppressed and the drop impact characteristics are improved. Although this expression mechanism is unknown in detail, it is considered as follows. First, when there was no void at all, it was confirmed that cracks propagated brittlely at the interface between the intermetallic compound and the substrate electrode, not within the intermetallic compound, and the drop characteristics were low. On the other hand, when the average cross-sectional thickness of the void formed at the interface was thicker than 0.1 μm, the crack easily progressed in the formed void region, and the drop impact characteristics were also deteriorated. However, if the average cross-sectional thickness of the void region formed at the interface is 0.01 μm or more and less than 0.1 μm, the crack propagates between the voids, but the distance between adjacent voids is long or the normal crack propagates It was confirmed that the drop impact characteristics were improved by propagating cracks obliquely in the parallel direction. In more detailed experiments, it was found that the number density of the voids is 100 / μm 2 or more and less than 1000 / μm 2 , and crack growth is most suppressed during drop impact, and high drop impact characteristics can be obtained. . That is, it is presumed that the presence of voids changes the stress state acting on the interface, and the crack propagation path changes, thereby improving the drop impact characteristics.
ここで、はんだ中に形成されるボイドについて述べる。一般的に、はんだバンプに形成されるボイドには、リフロー時にフラックスの作用によって金属酸化膜が還元され、その反応に伴い水蒸気が発生するが、その水蒸気やガス成分が溶融はんだ中に取り残されてボイドとなるものや、基板電極のCuやNiとはんだ中のSnとの間の拡散速度の差に起因して形成されるカーケンダルボイド、また、電極めっきの不純物等が起因して形成されるボイド等種々のタイプが知られている。本発明で見出したボイドの分布状態は、上述したボイドのいずれに当たるかは不明であるが、我々は透過電子顕微鏡により、はんだバンプ接合界面に形成されるボイドを詳細に観察した結果、このボイドの形態が上述した範囲である時に、落下衝撃時のき裂進展を抑制し、落下衝撃特性が向上することを見出し、本発明に至った。本発明のボイド形態を実現するためには、ホウ素をSn-Ag-Cu系のはんだに特定量添加することが必要であり、恐らくホウ素が金属格子中の空孔や欠陥、格子間等に偏在することにより、ボイドの形成状態に影響を与えているためと考えている。 Here, the void formed in the solder will be described. In general, voids formed on solder bumps reduce the metal oxide film by the action of flux during reflow and generate water vapor due to the reaction, but the water vapor and gas components are left behind in the molten solder. It is formed due to voids, Kirkendall voids formed due to the difference in diffusion rate between Cu or Ni of the substrate electrode and Sn in the solder, and impurities of electrode plating Various types such as voids are known. The void distribution state found in the present invention is unclear to which of the above-mentioned voids, but as a result of observing in detail the voids formed at the solder bump joint interface by a transmission electron microscope, It has been found that when the form is in the above-described range, the crack propagation at the time of a drop impact is suppressed and the drop impact characteristics are improved, and the present invention has been achieved. In order to realize the void form of the present invention, it is necessary to add a specific amount of boron to the Sn-Ag-Cu solder, and boron is probably unevenly distributed in vacancies and defects in the metal lattice, between the lattices, etc. This is thought to have an effect on the void formation state.
以下、その他の好ましい範囲、限定理由等について述べる。 Hereinafter, other preferable ranges and reasons for limitation will be described.
本発明による落下衝撃特性の向上が認められるのはSn-Ag-Cu系はんだと電極との間に形成される金属間化合物層のボイド分布に関するものであり、ホウ素の含有量は、0.1質量ppm以上、200質量ppm以下である。0.1質量ppm未満であると、界面の金属間化合物内に形成されるボイドの分布に大きな効果が認められなくなる。また、200質量ppmより多いと、ホウ素の偏析するクラスターのサイズが大きくなり、やはりボイドの分布を好ましく制御することができないため、上限を200質量ppmとした。また、より好ましくは、0.1質量ppm以上100質量ppm以下、さらに好ましくは0.1質量ppm以上50質量ppm以下である。はんだ中のホウ素の分析方法は、例えば、誘導結合プラズマ(ICP)分析法やグロー放電質量分析(GD-MS)法によって行うことができ、ホウ素の含有量を決めることができる。 The improvement of the drop impact characteristics according to the present invention is related to the void distribution of the intermetallic compound layer formed between the Sn-Ag-Cu solder and the electrode, and the boron content is 0.1 mass ppm. As mentioned above, it is 200 mass ppm or less. If it is less than 0.1 ppm by mass, no significant effect is observed in the distribution of voids formed in the intermetallic compound at the interface. On the other hand, if the amount is more than 200 ppm by mass, the size of the cluster that segregates boron becomes large, and the distribution of voids cannot be preferably controlled, so the upper limit was set to 200 ppm by mass. More preferably, it is 0.1 mass ppm or more and 100 mass ppm or less, and further preferably 0.1 mass ppm or more and 50 mass ppm or less. The method for analyzing boron in the solder can be performed by, for example, inductively coupled plasma (ICP) analysis or glow discharge mass spectrometry (GD-MS), and the boron content can be determined.
鉛フリーはんだとして標準的に用いられているSn-Ag-Cu系に対して、Agの含有量が0.1質量%以上3.0質量%未満、Cuの含有量が0.01質量%以上1.5質量%以下、残部Sn及びその不可避的不純物において、上記ホウ素添加による耐落下衝撃特性の向上が顕著になると共に、はんだの熱疲労特性やはんだのぬれ性等に関するその他の接合信頼性もより優れる。Agの含有量が0.1質量%未満であると、はんだの熱疲労特性の低下により好ましくない。Agの含有量が3.0質量%超では、はんだ自身の硬度が向上し、容易に脆性的な界面破断を引き起こす。また、はんだ内に粗大なAg3Snが形成されることもあり、落下衝撃特性を低下させる場合がある。Agの含有量は0.8質量%以上1.5質量%以下であるとさらに好ましい。Cuの含有量は、0.01質量%未満であると、はんだのぬれ性が悪くなる場合があり、ボイドの制御が不適になる。また、1.5質量%超であると、はんだが硬くなり、落下衝撃特性が低下する。さらに好ましいCu濃度は、0.05質量%以上1.2質量%以下である。 Compared to Sn-Ag-Cu series, which is standardly used as lead-free solder, the Ag content is 0.1 mass% or more and less than 3.0 mass%, the Cu content is 0.01 mass% or more and 1.5 mass% or less, and the balance In Sn and its unavoidable impurities, the drop impact resistance is significantly improved by the addition of boron, and other joint reliability relating to solder thermal fatigue characteristics, solder wettability, and the like is also improved. If the Ag content is less than 0.1% by mass, it is not preferable because the thermal fatigue characteristics of the solder are lowered. If the Ag content exceeds 3.0% by mass, the hardness of the solder itself is improved, and brittle interface fracture is easily caused. In addition, coarse Ag 3 Sn may be formed in the solder, which may deteriorate the drop impact characteristics. The Ag content is more preferably 0.8% by mass or more and 1.5% by mass or less. If the Cu content is less than 0.01% by mass, the wettability of the solder may be deteriorated and void control becomes unsuitable. On the other hand, if it exceeds 1.5% by mass, the solder becomes hard and the drop impact characteristics deteriorate. A more preferable Cu concentration is 0.05% by mass or more and 1.2% by mass or less.
また、上述したはんだ組成に加えて、Niの含有量を0.01質量%以上0.1質量%以下とすることで、さらに高い落下衝撃特性が得られる。これは、Niが添加されることでボイドが形成される金属間化合物の状態が変化し、ボイド間のき裂進展を抑制するためと思われる。 In addition to the solder composition described above, by setting the Ni content to 0.01 mass% or more and 0.1 mass% or less, even higher drop impact characteristics can be obtained. This is presumably because the state of the intermetallic compound in which voids are formed is changed by adding Ni, and crack growth between voids is suppressed.
本発明におけるはんだ合金は、所定の量の金属を秤量し、真空溶解、雰囲気溶解、及び大気溶解等いずれの雰囲気においても作製することができる。また、本合金をはんだボールにする場合は、母合金を伸線して一定の長さで切り出し、オイル中で加熱して球状化するワイヤーカット法や、溶融した母合金を噴出して球状化するUDS法(Uniform Droplet Spray法)を用いることができる。また、上述した元素の組成は、例えば、ICP分析法やGD-MS分析法等により測定して決めることができる。 The solder alloy in the present invention can be produced in any atmosphere such as vacuum melting, atmosphere melting, and air melting by weighing a predetermined amount of metal. In addition, when this alloy is used as a solder ball, the master alloy is drawn and cut to a certain length and then heated in oil to form a spheroid, or the molten master alloy is ejected to form a spheroid. UDS method (Uniform Droplet Spray method) can be used. In addition, the composition of the elements described above can be determined by measurement using, for example, ICP analysis, GD-MS analysis, or the like.
本発明におけるボイドの個数密度の算出においては、ボイドのサイズが非常に小さいため、透過電子顕微鏡での観察が必要である。観察領域は、接合界面の断面において垂直方向に10nm以上1μm以下、幅方向に200nm以上2μm以下の領域とし、少なくとも5nm程度の直径のボイドを観察できる条件で実施する。また、電子顕微鏡観察は局部観察になるため、最低上記領域を3視野程度観察し、その平均として、ボイドが存在する領域の平均断面厚み及び個数密度を算出する。ここで、接合界面とは、リフロー前の基板の電極最表面近傍を指すものとする。即ち、基板電極とはんだとの接合初期の固液界面とする。また、ボイドが存在する領域の平均断面厚みとは、垂直方向で最上部にあるボイドを水平方向に結んだ線分と垂直方向で最下部にあるボイドを水平方向に結んだ線分で囲まれる領域の平均厚みと定義する。この界面に形成される1個のボイドの最大直径は0.1μm未満であることが望ましい。このサイズよりも大きいボイドがある場合には、応力状態からき裂が容易に進展し、落下衝撃特性が低下する。また最小直径は、通常観察に利用できる分析手法から5nm以上である。 In calculating the number density of voids in the present invention, since the size of the voids is very small, observation with a transmission electron microscope is necessary. The observation region is a region of 10 nm or more and 1 μm or less in the vertical direction and 200 nm or more and 2 μm or less in the width direction in the cross section of the bonding interface, and is performed under the condition that a void having a diameter of about 5 nm can be observed. In addition, since observation with an electron microscope is local observation, at least three areas of the above-mentioned area are observed, and the average cross-sectional thickness and number density of the area where the void exists are calculated as the average. Here, the bonding interface refers to the vicinity of the electrode outermost surface of the substrate before reflow. That is, a solid-liquid interface at the initial stage of bonding between the substrate electrode and the solder is used. In addition, the average cross-sectional thickness of the void-existing region is surrounded by a line segment connecting the void at the top in the vertical direction in the horizontal direction and a line segment connecting the void at the bottom in the vertical direction in the horizontal direction. It is defined as the average thickness of the region. It is desirable that the maximum diameter of one void formed at this interface is less than 0.1 μm. When there is a void larger than this size, the crack easily develops from the stress state, and the drop impact characteristics are deteriorated. The minimum diameter is 5 nm or more based on analytical methods that can be used for normal observation.
本発明におけるボイドの分布領域やその直径等は当然熱処理であるリフローの条件によっても変化するものと思われるが、通常Sn-Ag-Cu系のはんだを用いて電子部材を接合するフローや、リフロー等の条件内においては、特別大きく変化しないものと思われる。 In the present invention, the void distribution region and its diameter, etc., naturally change depending on the reflow conditions that are heat treatments, but usually the flow of joining electronic members using Sn-Ag-Cu solder or reflow It seems that there is no significant change within the above conditions.
また、本発明で対象とする基板電極の表面処理は、一般的に鉛フリーはんだに対して広く用いられているCu-OSP基板及びCu/Ni/Au基板の双方において有効である。特に、Cu/Ni/Au基板に対して高い効果が得られる。これは、ホウ素の効果が特にNiに対して効果的に働くためと思われる。さらに、Cu/Ni/Au基板におけるNi膜の作製方法には電解Niめっきと無電解Niめっきとがあり、電解Niめっきでは一般に結晶質のNi膜が作製され、無電解Niめっきでは非晶質のNi膜が作製される。本ホウ素の効果は特に無電解Niめっきに対して効果的に作用する。NiPの無電解めっきで作製された基板に対して、本発明の効果は非常に高く作用し、基板中のP濃度は、1質量%以上、20質量%以下、特に好ましくは3質量%以上、20質量%以下である。また、その他のNiB等の無電解Niめっきにおいても、本発明の効果を得ることができる。 Further, the surface treatment of the substrate electrode targeted by the present invention is effective for both the Cu-OSP substrate and the Cu / Ni / Au substrate that are generally widely used for lead-free solder. In particular, a high effect can be obtained for a Cu / Ni / Au substrate. This seems to be because the effect of boron works particularly effectively on Ni. In addition, there are electrolytic Ni plating and electroless Ni plating as methods for forming a Ni film on a Cu / Ni / Au substrate. In general, a crystalline Ni film is prepared in electrolytic Ni plating, and amorphous in electroless Ni plating. A Ni film is produced. The effect of this boron acts particularly effectively on electroless Ni plating. The effect of the present invention is very high with respect to the substrate produced by NiP electroless plating, and the P concentration in the substrate is 1% by mass or more, 20% by mass or less, particularly preferably 3% by mass or more, 20% by mass or less. The effects of the present invention can also be obtained in other electroless Ni plating such as NiB.
本発明による電子部材のはんだバンプを作製する方法は、一般的にはスクリーン印刷による方法とはんだボールによる方法とがある。スクリーン印刷法では、前記はんだ合金をアトマイズ法等で微細なはんだ粉とした後、フラックスと混合してペーストとする。次いで、電極上にメタルマスクを用いてスキージングし、ペーストを一定量電極上に載せた後に、リフローすることではんだバンプを形成することができる。また、はんだボールによる方法では、はんだボールをフラックスもしくはペーストを塗布した電極上に並べて、リフローすることではんだバンプを形成することができる。 In general, the method for producing solder bumps of an electronic member according to the present invention includes a screen printing method and a solder ball method. In the screen printing method, the solder alloy is made into fine solder powder by an atomizing method or the like, and then mixed with flux to obtain a paste. Next, squeezing is performed on the electrode using a metal mask, and after a certain amount of paste is placed on the electrode, solder bumps can be formed by reflowing. In the method using solder balls, solder bumps can be formed by arranging the solder balls on an electrode coated with a flux or paste and performing reflow.
このようにして形成されたはんだバンプを有する電子部材は、落下衝撃時に作用する接合界面のき裂進展特性を向上することができ、携帯電話、デジタルカメラ、及びノートパソコン等のモバイル機器の耐落下衝撃特性向上に大きく貢献することができる。 The electronic member having solder bumps formed in this way can improve the crack propagation characteristics of the joint interface that acts at the time of drop impact, and the drop resistance of mobile devices such as mobile phones, digital cameras, and notebook computers. It can greatly contribute to the improvement of impact characteristics.
以下、実施例により、より具体的に本発明効果を説明する
(実施例1)
表1に示すAg濃度、Cu濃度、B濃度、残部Snの各成分となるように、純金属を秤量し、アルミナ坩堝を使用して高周波溶解炉によりはんだ合金を作製した。作製したはんだ合金の組成分析は、ICP分析法及びGD-MS分析法で行った。作製した各はんだ合金を用いて、直径300μmのはんだボールをUDS法により作製した。
Hereinafter, the effects of the present invention will be described more specifically with reference to examples.
(Example 1)
Pure metals were weighed so as to have the Ag concentration, Cu concentration, B concentration, and remaining Sn components shown in Table 1, and a solder alloy was prepared by a high-frequency melting furnace using an alumina crucible. The composition analysis of the produced solder alloy was performed by ICP analysis method and GD-MS analysis method. A solder ball having a diameter of 300 μm was produced by the UDS method using each of the produced solder alloys.
はんだボールを実装するサンプルとして、部品側は、0.5mmピッチで、パッド数228ピンの12mm角チップスケールパッケージ(CSP)を用いた。このCSPの電極表面処理はCu電極にNi及びAuめっきを処したCu/Ni/Auである。また、マザーボード側基板として、132×77×1(mm)サイズ、電極表面処理がCu/Ni/Auである基板を用いた。最初に、CSP上にボールを搭載してリフローし、バンプを形成した後、CSPをプリント基板上に実装した。フラックスには水溶性フラックスを用いた。また、リフロー温度は250℃とした。 As a sample for mounting solder balls, a 12 mm square chip scale package (CSP) with a pitch of 0.5 mm and 228 pins was used on the component side. The electrode surface treatment of CSP is Cu / Ni / Au in which Cu and Ni are plated with Ni and Au. Further, as the mother board, a board having a size of 132 × 77 × 1 (mm) and an electrode surface treatment of Cu / Ni / Au was used. First, a ball was mounted on the CSP, reflowed, bumps were formed, and the CSP was mounted on a printed circuit board. A water-soluble flux was used as the flux. The reflow temperature was 250 ° C.
耐落下衝撃特性の評価は、JEDEC規格のJESD 22-B111に準拠した方法で行い、落下毎の部品の抵抗値をモニターしながら、抵抗値が初期値の2倍になった時点の落下回数を故障と定義した。また、耐落下衝撃特性は、累積故障率5%の落下回数とし、1〜30回を×、30〜60回を○、60回〜100回を◎、100回〜150回を○◎とした。また、マザーボード側基板の接合界面におけるボイド状態をTEM（Transmission Electron Microscope、透過型電子顕微鏡）で観察した。 The drop impact resistance was evaluated by a method in accordance with JEDEC standard JESD 22-B111. While monitoring the resistance value of each part, the number of drops when the resistance value doubled the initial value was measured. It was defined as a failure. In addition, the drop impact resistance characteristics are defined as the number of drops with a cumulative failure rate of 5%, 1 to 30 times ×, 30 to 60 times ○, 60 to 100 times ◎, 100 to 150 times ○ ◎. . In addition, the void state at the bonding interface of the mother board was observed with a TEM (Transmission Electron Microscope).
その結果も表１に併記している。No.1-1〜1-6の試験により、ホウ素の含有量が0.1ppm以上200ppm以下で、ボイドが存在する領域の平均断面厚みが0.01μm以上0.1μm未満となり顕著な耐落下衝撃特性向上が見られた。また、No.1-7〜1-12では、Ag濃度の影響を調査した。Ag濃度が0.05質量%のNo.１-7では、125℃20分、-40℃20分の熱サイクル特性が極端に悪く、接合信頼性が悪かった。また、Ag濃度が3質量%以上のNo.1-11、1-12では、落下衝撃特性が悪かった。はんだの硬度をビッカース硬度で調べると、No.1-11、1-12は、例えばNo.1-9の合金よりも50％程度硬度が高いため、はんだが硬いために、落下特性が低下したものと思われる。No.1-13〜1-19では、Cu濃度の影響を調査した。Cu濃度が0.008質量%のNo.1-13では、他の組成に比べてぬれ性が低下し、落下衝撃特性は悪かった。Cu濃度が1.6質量%のNo.1-19では、はんだのビッカース硬度が高く、はんだが硬いために落下特性が低下した。これらの結果から、ホウ素、Ag及びCuを含有し、ホウ素の含有量が0.1質量ppm以上200質量ppm以下、Agの含有量が0.1質量%以上3.0質量%未満、Cuの含有量が0.01質量%以上1.5質量%以下含有し、残部を実質的にSn及びその不可避的不純物からなる合金を用いて形成されたはんだバンプを有する電子部材であり、前記はんだバンプの電子部材の電極との接合界面に形成されるボイドが存在する領域の平均断面厚みが0.01μm以上0.1μm未満である合金は、落下特性の顕著な向上が見られた。 The results are also shown in Table 1. According to the tests of No.1-1 to 1-6, when the boron content is 0.1ppm or more and 200ppm or less, the average cross-sectional thickness of the area where voids are present is 0.01μm or more and less than 0.1μm, and the drop impact resistance is remarkably improved. It was seen. In Nos. 1-7 to 1-12, the influence of Ag concentration was investigated. In No. 1-7 with an Ag concentration of 0.05 mass%, the thermal cycle characteristics at 125 ° C. for 20 minutes and −40 ° C. for 20 minutes were extremely poor, and the bonding reliability was poor. In addition, Nos. 1-11 and 1-12 with an Ag concentration of 3% by mass or more had poor drop impact characteristics. When the hardness of the solder is examined by the Vickers hardness, No. 1-11 and 1-12 are about 50% harder than the No. 1-9 alloy, for example. It seems to be. In No.1-13 to 1-19, the influence of Cu concentration was investigated. In No. 1-13 with a Cu concentration of 0.008% by mass, the wettability decreased compared to other compositions, and the drop impact characteristics were poor. In No. 1-19 with a Cu concentration of 1.6% by mass, the Vickers hardness of the solder was high, and the drop characteristics deteriorated because the solder was hard. From these results, containing boron, Ag and Cu, boron content is 0.1 mass ppm or more and 200 mass ppm or less, Ag content is 0.1 mass% or more and less than 3.0 mass%, Cu content is 0.01 mass% An electronic member having solder bumps formed by using an alloy containing 1.5% by mass or less and the balance being substantially composed of Sn and its inevitable impurities, and at the bonding interface between the solder bumps and the electrodes of the electronic member An alloy having an average cross-sectional thickness in the region where the voids are formed is 0.01 μm or more and less than 0.1 μm shows a significant improvement in drop characteristics.
さらに、本試験結果から、ボイドが存在する領域におけるボイド1個の直径の最大値が0.1μm未満である時により高い落下衝撃特性が得られ（1-2〜1-5、1-8〜1-10、1-14〜1-17）、さらにボイドが存在する領域におけるボイドの個数密度が100個/μm2以上、1000個/μm2未満であるときにもより高い落下衝撃特性が得られた（1-3〜1-5、1-8、1-9、1-14〜1-17）。 Furthermore, from this test result, when the maximum value of the diameter of one void in the region where the void is present is less than 0.1 μm, higher drop impact characteristics can be obtained (1-2 to 1-5, 1-8 to 1). -10, 1-14 to 1-17), and even when the number density of voids in the void-existing region is 100 / μm 2 or more and less than 1000 / μm 2 , higher drop impact characteristics can be obtained. (1-3 to 1-5, 1-8, 1-9, 1-14 to 1-17).
(実施例2)
実施例2では、主にNiの添加効果を調べた。評価サンプルの作製は実施例1と同様に行った。No.2-1〜2-6は、No1-1〜1-6の合金に、さらにNiを0.03質量％添加した成分になる。落下特性の評価結果は、それぞれNiを添加しなかったものに対して、5%累積故障の回数が同等未満であったものを×、同等であったものを△、20％以上向上したものを○、30％以上向上したものを◎、40％以上向上したものを○◎とした。また、No.2-7〜No.2-12では、Ni含有量の効果を調査したもので、評価結果は、No.2-7のNi無添加のものを基準(Ref.)として、No.2-7と同等であったものを△、20％以上落下特性が向上したものを○、30％以上向上したものを◎として評価した。
(Example 2)
In Example 2, the effect of adding Ni was mainly examined. The evaluation sample was produced in the same manner as in Example 1. Nos. 2-1 to 2-6 are components obtained by adding 0.03% by mass of Ni to the alloys of No. 1-1 to 1-6. The result of evaluation of the drop characteristics is that the number of 5% cumulative failure was less than equivalent to x when Ni was not added. ○, 30% or more improved ◎, 40% or more improved ◎. In No.2-7 to No.2-12, the effect of Ni content was investigated, and the evaluation result was No.2-7 with no Ni added as a standard (Ref.). .2-7 was evaluated as △, 20% or more improved drop characteristics were evaluated as ○, and 30% or more improved as ◎.
その評価も表2に示している。まず、No.2-1〜No.2-6の結果では、本発明範囲であるホウ素を0.1質量ppm以上200質量ppm以下である合金系にNiを添加することで、更なる落下特性の向上が見られた。また、No.2-7〜No.2-13の結果から、Niの添加量として、0.01質量％以上0.1質量％以下である時に、落下特性の向上が見られた。 The evaluation is also shown in Table 2. First, in the results of No.2-1 to No.2-6, the addition of Ni to the alloy system in which the present invention range is 0.1 mass ppm or more and 200 mass ppm or less further improves the drop characteristics. It was observed. Further, from the results of No. 2-7 to No. 2-13, the drop characteristics were improved when the amount of Ni added was 0.01% by mass or more and 0.1% by mass or less.
(実施例3)
実施例3では、基板の表面処理の影響を調べた。評価したはんだ組成は、Sn-1.2Ag-1.0Cu-0.05Ni(質量%)にBを5ppm添加したはんだを用いて、実施例1と同様な評価サンプルを作製したが、プリント基板の表面処理をNo.3-1では、Cr/Ni/Auのスパッタ膜、No.3-2では、Cu/Ni/Auのスパッタ膜、No.3-3はCu/Ni/Auの無電解めっきでNi膜はNiBめっき液、No.3-4は、Cu/Ni/Auの無電解めっきでNi膜はNi-6質量％Pめっき液をそれぞれ用いて作製した。
(Example 3)
In Example 3, the influence of the substrate surface treatment was examined. The evaluated solder composition was Sn-1.2Ag-1.0Cu-0.05Ni (mass%) using a solder containing 5 ppm of B, and an evaluation sample similar to Example 1 was prepared. No.3-1 is Cr / Ni / Au sputtered film, No.3-2 is Cu / Ni / Au sputtered film, No.3-3 is Cu / Ni / Au electroless plated Ni film Is a NiB plating solution, No. 3-4 is a Cu / Ni / Au electroless plating, and a Ni film is prepared using a Ni-6 mass% P plating solution.
実施例3の評価では、No.3-1の落下衝撃特性を基準(Ref.)として、5%累積故障率が10%以上高いものを○、20%以上高いものを◎、30%以上高いものを○◎として評価した。その結果、およびTEM観察によるボイド分布の結果を表３に示す。Cu/Ni/Auで○、さらにNiBの無電解めっきで◎、NiPの無電解めっきで○◎とそれぞれ特性が向上した。 In the evaluation of Example 3, based on the drop impact characteristics of No. 3-1 as a reference (Ref.), 5% cumulative failure rate is 10% or more higher, ○ 20% or higher is ◎, 30% or higher The thing was evaluated as ○ ◎. The results and the results of void distribution by TEM observation are shown in Table 3. The characteristics were improved with Cu / Ni / Au ○, NiB electroless plating ◎, NiP electroless plating ○ ◎.
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20120110 |