JP2016026884A - Bi-Sn-Al BASED SOLDER ALLOY FOR MEDIUM TO LOW TEMPERATURES AND SOLDER PASTE - Google Patents
Bi-Sn-Al BASED SOLDER ALLOY FOR MEDIUM TO LOW TEMPERATURES AND SOLDER PASTE Download PDFInfo
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Abstract
Description
本発明は、中低温用として好適なＰｂフリーのＢｉ−Ｓｎ−Ａｌ系はんだ合金及びこれを含んだはんだペーストに関する。 The present invention relates to a Pb-free Bi—Sn—Al solder alloy suitable for medium and low temperatures and a solder paste including the same.
近年、環境に有害な化学物質に対する規制がますます厳しくなってきており、この規制は電子部品などを基板に接合する目的で使用されるはんだ材料に対しても例外ではない。はんだ材料には古くからＰｂ（鉛）が主成分として使われ続けてきたが、すでにＲｏＨＳ指令などで鉛は規制対象物質になっている。このため、鉛を含まないはんだ（以降、Ｐｂフリーはんだとも称する）の開発が盛んに行われている。 In recent years, regulations on chemical substances harmful to the environment have become stricter, and this regulation is no exception for solder materials used for the purpose of joining electronic components and the like to substrates. Pb (lead) has been used as a main component for solder materials for a long time, but lead has already been a regulated substance under the RoHS Directive. For this reason, development of solder containing no lead (hereinafter also referred to as Pb-free solder) has been actively conducted.
電子部品を基板に接合する際に使用するはんだは、その使用限界温度によって高温用（約２６０℃〜４００℃）と中低温用（約１４０℃〜２３０℃）とに大別され、それらのうち、中低温用のはんだに関してはＳｎを主成分とするもので鉛フリーはんだが実用化されている。例えば、融点が２１０〜２２０℃程度のＰｂフリーはんだとして、特許文献１にはＳｎを主成分とし、Ａｇを１.０〜４.０質量％、Ｃｕを２.０質量％以下、Ｎｉを０.５質量％以下、Ｐを０.２質量％以下含有するＰｂフリーはんだ合金組成が記載されており、特許文献２にはＡｇを０.５〜３.５質量％、Ｃｕを０.５〜２.０質量％含有し、残部がＳｎからなる合金組成のＰｂフリーはんだが記載されている。
Solders used when joining electronic components to a substrate are roughly classified into high temperature (about 260 ° C. to 400 ° C.) and medium to low temperature (about 140 ° C. to 230 ° C.) depending on the use limit temperature. As for the solder for medium and low temperature, lead-free solder is put into practical use, which contains Sn as a main component. For example, as a Pb-free solder having a melting point of about 210 to 220 ° C., Patent Document 1 includes Sn as a main component, Ag of 1.0 to 4.0 mass%, Cu of 2.0 mass% or less, and Ni of 0. Pb-free solder alloy composition containing 0.5% by mass or less and P by 0.2% by mass or less is described.
さらに、低温用のＰｂフリーはんだとしては、Ｂｉ−４２Ｓｎ系はんだ（５８質量％のＢｉと４２質量％のＳｎとから構成されることを意味しており、以降においても同様である）が知られており、例えば特許文献３には、「ＭＣＭ基板を別の基板上に保持した電子装置では、Ｉ／Ｏピンの最大間隔が５０ｍｍ以上、ピンピッチ（格子パターン）１.３ｍｍ以下の、例えば大型コンピュータ用ＭＣＭの場合、ＭＣＭ基板（窒化アルミ）とマザーボード基板（ガラスポリイミド）の熱膨張率差による位置ずれ、あるいはＭＣＭ基板のそりが深刻な問題となる。現状のＳｎ−３７Ｐｂ系のはんだ合金を使用した場合、はんだ合金をリフローさせるのに約１８０℃の温度まで加熱する必要がある。しかし、このように高い温度まで加熱すると、前記熱膨張率差による位置ずれが顕著となり、接合がほとんど不可能になる。またはんだ合金の凝固後に接合部のはんだ合金に対する永続的な応力歪みが発生し、クリープ特性に問題のあるＳｎ−３７Ｐｂでは熱疲労特性などの接合信頼性に問題が生じる。」という課題を解決するために次のような技術が開示されている。
Furthermore, as a low-temperature Pb-free solder, a Bi-42Sn solder (meaning that it is composed of 58 mass% Bi and 42 mass% Sn, and so on) is also known. For example,
すなわち、はんだ合金の組成として、「Ｓｎを約４２〜５９重量％、Ｂｉを約４１〜５８重量％含むはんだ合金」や「Ｓｎを約４２重量％、Ｂｉを約５７重量％、Ａｇを約１重量％含むはんだ合金」を用いることにより、その作用・効果として、「接合に使用するはんだ合金の固相線温度を約１５０℃以下に下げることにより、はんだ合金が完全に凝固してから室温に温度雰囲気が低下するまでの温度幅を狭めることができる。その結果、各基板の熱収縮量の差により接合部の凝固したはんだ合金に加わる応力歪みを小さくすることができる。また、本発明では、ヤング率が高くて硬いＳｎ，Ｂｉを主成分とするはんだ合金を用いることにより、接合部に生じる応力歪みによるはんだ合金の変形を抑えることができる。以上の効果により接合部の信頼性を向上させることができる。」と記載されている。 That is, as a composition of the solder alloy, “a solder alloy containing about 42 to 59% by weight of Sn and about 41 to 58% by weight of Bi” or “about 42% by weight of Sn, about 57% by weight of Bi, and about 1% of Ag. By using “a solder alloy containing wt%”, the action and effect is as follows: “By lowering the solidus temperature of the solder alloy used for joining to about 150 ° C. or less, the solder alloy is completely solidified to room temperature. The temperature range until the temperature atmosphere is lowered can be narrowed, and as a result, the stress strain applied to the solidified solder alloy at the joint can be reduced due to the difference in thermal shrinkage of each substrate. By using a solder alloy mainly composed of Sn and Bi, which has a high Young's modulus and is hard, deformation of the solder alloy due to stress strain generated in the joint can be suppressed. Thereby improving the reliability. Is described as ".
特許文献４には、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだの課題として「Ｓｎ−Ｂｉ系はんだは、Ｓｎ−Ｐｂ合金やＳｎ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金と比較して酸化しやすく、またその酸化物の除去が困難なためはんだ付け性が悪い場合がある。例えば、不ぬれ部が生じる虞れがあった。また、はんだ付け後のはんだ表面やフラックス残渣に黒色の残渣が付着・混入し、外観検査時の不良が発生しやすい。この黒色の残渣は、ＳｎおよびＢｉの酸化物と考えられる。」と記載されており、この課題を解決するため、「Ｂｉを２０〜６０質量％、Ａｌを０.００１〜０．０１質量％、を含み、残部の主成分をＳｎとしたことを特徴とする鉛フリーはんだ合金」が開示されている。 In Patent Document 4, as a subject of Sn—Bi solder, “Sn—Bi solder is easier to oxidize than Sn—Pb alloy, Sn—Cu alloy, Sn—Ag—Cu alloy, and its oxide. Solderability may be poor due to difficulty in removing solder, for example, there may be a non-wetting part, and black residue adheres and mixes on the solder surface and flux residue after soldering. This black residue is considered to be an oxide of Sn and Bi. ”In order to solve this problem,“ 20 to 60% by mass of Bi and Al is included. A lead-free solder alloy including 0.001 to 0.01% by mass and the remaining main component being Sn is disclosed.
また、特許文献５にはＳｎを主成分とし、Ｂｉが２２.０〜４２.０重量％、及びＡｌが０.０１〜０.５０重量％含有されたはんだ合金が開示されており、これによりＰｂの含有量を１.０重量％以下に留めながら液相線温度をＳｎ−Ｐｂ共晶系はんだ合金に近い１７０〜２０５℃程度にでき、さらに従来の無鉛はんだよりも強度あるいは耐酸化性が改善されたはんだ合金が得られることが記載されている。 Patent Document 5 discloses a solder alloy containing Sn as a main component, Bi of 22.0 to 42.0% by weight, and Al of 0.01 to 0.50% by weight. While keeping the Pb content at 1.0% by weight or less, the liquidus temperature can be set to about 170 to 205 ° C. close to that of the Sn—Pb eutectic solder alloy, and further, the strength or oxidation resistance is higher than that of the conventional lead-free solder. It is described that an improved solder alloy is obtained.
しかしながら、特許文献３のはんだ合金は、半金属であり硬くて脆いＢｉを多く含有するためクラック等の不良が発生し易く、一般的に多用されているＰｂ系はんだやＳｎ系はんだに比べると応力緩和性や接合信頼性に乏しいという問題をかかえている。Ｂｉ−Ｓｎ系はんだ合金がより広く使用されるためには、この硬くて脆い性質を改善することが必須の条件である。
However, since the solder alloy of
また、特許文献３ではＢｉ−Ｓｎ系はんだ合金にＡｇを約１重量％含むことが記載されているが、ＡｇはＳｎと多くの金属間化合物を生成するため、ＳｎとＡｇとを共に含有したはんだ合金はＰｂ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだのようにＡｇ３Ｓｎ金属間化合物を生成する。よって、５７質量％Ｂｉ−４２質量％Ｓｎ−１質量％Ａｇはんだは、その組成から考えると硬さと脆さが助長されると考えられ、応力緩和性に乏しく接合信頼性の低い材料であると推察される。
また、特許文献４に開示されているＢｉ−Ｓｎ系はんだは、酸化に起因する濡れ不良やフラックス残渣による外観検査不良を解決するためにＡｌを０.００１〜０.０１質量％含有するものであり、Ｂｉ−Ｓｎ系はんだの脆い性質を改善することについては何ら言及されていない。また、特許文献５には、「Ｂｉの含有量が４２.０重量％を超えると、液相線温度が低くなりすぎて、Ｓｎ−Ｐｂ共晶系はんだ合金と同様の接合処理温度が採用できなくなる。」と記載されているように、低温はんだ合金には適していない。また、「さらにＢｉが含有されすぎると、接合強度が低くなるといった問題もある。」と記載されており、低温はんだ合金として使用するには問題があると推察される。 In addition, the Bi—Sn solder disclosed in Patent Document 4 contains 0.001 to 0.01% by mass of Al in order to solve poor wetting caused by oxidation and poor visual inspection due to flux residue. There is no mention of improving the brittle nature of Bi-Sn solder. Patent Document 5 states that “If the Bi content exceeds 42.0% by weight, the liquidus temperature becomes too low, and the same bonding treatment temperature as that of the Sn—Pb eutectic solder alloy can be adopted. It is not suitable for low temperature solder alloys, as it is described. Moreover, it is described that “when Bi is contained too much, there is a problem that the bonding strength is lowered”, and it is assumed that there is a problem in using it as a low-temperature solder alloy.
さらに、特許文献５にはＳｎを主成分とし、Ｂｉ２２.０〜４２.０重量％及びＡｌ０.０１〜０．５０重量％を含有するはんだ合金が開示されているが、このような広い組成範囲を有するはんだ合金を一括りにすることはできず、また、特許文献５は液相温度を１７０〜２０５℃にすることを狙ったものであるが、液相線温度が１７０℃〜２０５℃であっても固相線温度が異なると使用に適さない場合もありうる。つまり、はんだ合金は液相線温度と固相線温度とが共に適切なものを選定しないと溶け分かれ現象や低融点相の生成、引いては著しい接合信頼性の低下を招くおそれがある。 Further, Patent Document 5 discloses a solder alloy containing Sn as a main component and containing 22.0 to 42.0% by weight of Bi and 0.01 to 0.50% by weight of Al. Such a wide composition range is disclosed. In addition, Patent Document 5 aims to make the liquidus temperature 170-205 ° C, but the liquidus temperature is 170 ° C-205 ° C. Even if the solidus temperature is different, it may not be suitable for use. In other words, if the solder alloy is not selected so that both the liquidus temperature and the solidus temperature are appropriate, there is a possibility that the phenomenon of melting and the generation of a low melting point phase may be caused, and the bonding reliability may be significantly lowered.
またＰｂ規制に従ってＳｎ−３７質量％ＰｂはんだからＰｂフリーのＳｎ−３質量％Ａｇ−０．５質量％Ｃｕ系はんだに置き換えると、はんだの融点が１８３℃から２１０〜２２０℃程度に上がるため、電子部品等のはんだ接合温度を上げる必要が生じ、これに伴って電子部品等の耐熱温度を上げる必要がある上、はんだ接合時の電気代等のランニングコストも多くかかるようになる。これらのコストアップは、価格競争の激しい半導体業界においては受入れられにくい。 In addition, if the Sn-37 mass% Pb solder is replaced with Pb-free Sn-3 mass% Ag-0.5 mass% Cu-based solder in accordance with the Pb regulations, the melting point of the solder increases from 183 ° C to about 210-220 ° C. It is necessary to increase the soldering temperature of electronic components and the like, and accordingly, it is necessary to increase the heat-resistant temperature of electronic components and the like, and the running cost such as electricity costs at the time of soldering is increased. These cost increases are unlikely to be accepted in the highly competitive semiconductor industry.
このように、中低温用のＰｂフリーはんだ材料に関しては、各種機関で開発が進められてはいるものの未だ課題も多く、大きな市場に成り得ていないのが実情である。本発明はかかる状況に鑑みてなされたものであり、はんだ凝固時の膨張により生じうる残留応力や凝固温度から使用温度までの降温の際に生じうる残留応力が小さく、且つはんだ接合される各種部材等の耐熱温度の上昇や接合時の電気代等のコストアップの要因となる接合温度を従来のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金やＳｎ−Ｐｂ系はんだ合金等の中低温用のはんだ合金に比べて下げることができ、加えて接合性、応力緩和性、及び接合信頼性等に優れた中低温用として特に好適なＢｉ−Ｓｎ−Ａｌ系はんだ合金及びこれを含んだはんだペーストを提供することを目的としている。 As described above, although the Pb-free solder material for medium and low temperatures has been developed by various organizations, there are still many problems and it cannot be a large market. The present invention has been made in view of such a situation, and the residual stress that can be generated by expansion during solidification of solder and the residual stress that can be generated when the temperature is lowered from the solidification temperature to the use temperature are small, and various members to be joined by soldering. Compared to conventional Sn-Ag-Cu solder alloys and Sn-Pb solder alloys such as Sn-Pg solder alloys, the bonding temperature, which increases the heat-resistant temperature, etc. In addition, a Bi-Sn-Al solder alloy particularly suitable for medium and low temperatures having excellent bonding properties, stress relaxation properties, bonding reliability, and the like, and a solder paste including the same are provided. It is aimed.
上記目的を達成するため、本発明が提供するＰｂフリーＢｉ−Ｓｎ−Ａｌ系はんだ合金は、Ｓｎを３８.０質量％以上５８.０質量％未満含有し、Ａｌを０.１質量％を超え１.２質量％以下含有し、残部が製造上不可避的に含有される元素を除きＢｉからなることを特徴としている。また、本発明のＰｂフリーＢｉ−Ｓｎ−Ａｌ系はんだペーストは、上記はんだ合金粉末とフラックスとの混合により作製されることを特徴としている。 In order to achieve the above object, the Pb-free Bi—Sn—Al solder alloy provided by the present invention contains Sn in a range of 38.0% by mass to less than 58.0% by mass, and Al exceeds 0.1% by mass. 1.2% by mass or less, and the balance is made of Bi except for elements inevitably contained in production. Further, the Pb-free Bi—Sn—Al solder paste of the present invention is characterized by being produced by mixing the above solder alloy powder and a flux.
本発明によれば、電子部品と基板との接合などに使用される中低温用はんだとして特に優れている。すなわち、Ｂｉ−Ｓｎの二元系共晶合金に柔らかく延性の高いＡｌを含有させた本発明のＢｉ−Ｓｎ−Ａｌ三元系共晶合金は、Ｂｉ−Ｓｎの脆い性質が大きく改善されており、且つ融点が比較的低いため残留応力が小さい上、接合される電子部品等の耐熱温度の上昇や接合時の電気代等のコストアップの要因となる接合温度を従来のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金やＳｎ−Ｐｂ系はんだ合金等の中低温用のはんだ合金に比べて下げることができ、加えて接合性、応力緩和性、及び接合信頼性等が極めて優れている。 According to the present invention, it is particularly excellent as a medium / low temperature solder used for joining an electronic component and a substrate. That is, the Bi-Sn ternary eutectic alloy of the present invention in which the Bi-Sn binary eutectic alloy contains soft and highly ductile Al greatly improves the brittle nature of Bi-Sn. In addition, since the melting point is relatively low, the residual stress is small, and the bonding temperature that causes the increase in the heat-resistant temperature of the electronic parts to be bonded and the cost increase such as the electricity cost at the time of bonding is the conventional Sn-Ag-Cu type. It can be lowered as compared with solder alloys for medium and low temperatures such as solder alloys and Sn—Pb solder alloys, and in addition, the bondability, the stress relaxation property, the bonding reliability, etc. are extremely excellent.
本発明の一具体例のＰｂフリーはんだ合金は、Ｓｎを３８.０質量％以上５８.０質量％未満、好ましくは４１.０質量％以上５５.０質量％未満含有し、Ａｌを０.１質量％を超え１.２質量％以下、好ましくは０.５質量％を超え１.２質量％以下含有し、残部が製造上不可避的に含有される元素を除きＢｉからなることを特徴としている。この本発明の一具体例のＰｂフリーはんだ合金は、当該はんだ合金の諸特性を適宜調整及び／又は改善するため、Ａｇ、Ｎｉ、Ｓｂ及びＰの１種以上含有していてもよく、また金属組織がラメラ組織であってもよい。さらに、本発明が提供するＰｂフリーＢｉ−Ｓｎ−Ａｌ系はんだペーストは、上記はんだ合金の粉末とフラックスとを混合することで作製することができる。 The Pb-free solder alloy of one specific example of the present invention contains Sn in a range of 38.0% to less than 58.0% by mass, preferably 41.0% to less than 55.0% by mass, and 0.1% in Al. More than 1.2% by mass and more than 1.2% by mass, preferably more than 0.5% by mass and less than 1.2% by mass, and the balance is made of Bi except for elements inevitably contained in production. . The Pb-free solder alloy of one specific example of the present invention may contain one or more of Ag, Ni, Sb, and P in order to appropriately adjust and / or improve various properties of the solder alloy. The tissue may be a lamellar tissue. Furthermore, the Pb-free Bi—Sn—Al solder paste provided by the present invention can be produced by mixing the solder alloy powder and the flux.
上記の組成を有するＰｂフリーのＢｉ−Ｓｎ−Ａｌ系はんだ合金、又はこれを含んだはんだペーストを用いてはんだ接合を行った電子部品実装基板には、一般的な耐熱温度を有する電子部品や基板等を採用することができ、また作製時の接合温度を従来のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金やＳｎ−Ｐｂ系はんだ合金等の中低温用のはんだ合金に比べて下げることができるので、従来のものに比べて品質を下げることなく製造コストを抑えることができる。よって、この電子部品実装基板を搭載した装置は、従来と同等若しくはそれ以上の品質を有する信頼性の高い装置であるにもかかわらず製造コストを抑えることが可能になる。 An electronic component mounting board having a general heat-resistant temperature is used for an electronic component mounting board in which solder bonding is performed using a Pb-free Bi—Sn—Al solder alloy having the above composition or a solder paste containing the same. In addition, it is possible to lower the bonding temperature at the time of production as compared with conventional solder alloys for medium and low temperatures such as Sn-Ag-Cu solder alloys and Sn-Pb solder alloys. The manufacturing cost can be suppressed without lowering the quality compared to the above. Therefore, the device on which the electronic component mounting board is mounted can reduce the manufacturing cost even though it is a highly reliable device having a quality equivalent to or higher than the conventional one.
以下、かかる本発明の一具体例のＰｂフリーはんだ合金及びこれを含んだはんだペーストについて、該はんだ合金の必須の含有元素及び必要に応じて含有される元素、並びに該はんだペーストに含まれるフラックス等の各種成分についてそれぞれ詳しく説明する。 Hereinafter, for the Pb-free solder alloy according to one specific example of the present invention and a solder paste including the same, an essential element contained in the solder alloy, an element contained as necessary, a flux contained in the solder paste, and the like Each of the various components will be described in detail.
＜Ｂｉ＞
Ｂｉは本発明のＰｂフリーはんだ合金において後述するＳｎと共に主成分をなす必須元素である。ＢｉはＶａ族元素（Ｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ）に属し、その結晶構造は、対称性の低い三方晶（菱面体晶）であるため非常に脆い金属であり、引張試験などを行うとその破面は脆性破面であることが容易に見て取れる。つまり純Ｂｉは延性的な性質に乏しく、本発明者の実験結果ではＢｉの伸び率は１.０％未満であった。また、Ｂｉは凝固時に膨張する金属であり、この凝固時の収縮率（−が膨張、＋が収縮を意味する）は−３.２％〜−３.４％である。この膨張により残留応力が発生し、接合強度や信頼性が低下する。
<Bi>
Bi is an essential element which forms a main component together with Sn described later in the Pb-free solder alloy of the present invention. Bi belongs to the Va group element (N, P, As, Sb, Bi), and its crystal structure is a trigonal crystal (rhombohedral crystal) with low symmetry, so it is a very brittle metal and is subjected to a tensile test or the like. It can be easily seen that the fracture surface is a brittle fracture surface. In other words, pure Bi is poor in ductile properties, and according to the experiment results of the present inventors, the elongation rate of Bi was less than 1.0%. Bi is a metal that expands during solidification, and the contraction rate (− means expansion and + means contraction) during solidification is −3.2% to −3.4%. Residual stress is generated by this expansion, and bonding strength and reliability are lowered.
本発明においてＢｉを含むはんだ合金にＳｎとＡｌを含有させる一つの理由は、Ｂｉが凝固時に膨張する問題を改善するためである。すなわち、凝固時に生ずるＢｉの体積膨張を打ち消すように作用するＳｎやＡｌを含有することによって、Ｂｉの膨張分をＳｎやＡｌの収縮分で減じ、はんだ全体としての体積変化を小さくしている。これにより、はんだ合金の残留応力を低減することが可能となるのである。 One reason for adding Sn and Al to the solder alloy containing Bi in the present invention is to improve the problem that Bi expands during solidification. That is, by containing Sn or Al that acts to counteract the volume expansion of Bi that occurs during solidification, the expansion of Bi is reduced by the shrinkage of Sn or Al, and the volume change of the entire solder is reduced. This makes it possible to reduce the residual stress of the solder alloy.
更に、Ｂｉ−Ｓｎ−Ａｌの三元系合金における共晶点の組成を基本とすることによって、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだやＳｎ−Ｐｂ共晶はんだよりも融点を下げることができる。また、共晶点温度を自在に調整できるので、溶接温度を下げることにより、溶接される各種部材の耐熱温度を下げるたり、はんだ接合時の電気代などのランニングコストを下げたりできる上、酸化の進行を抑制することもできる。加えて、極めて柔軟性に富んだはんだ合金が得られるため、応力緩和性及び接合信頼性にも優れている。 Furthermore, by using the composition of the eutectic point in the ternary alloy of Bi—Sn—Al as a basis, the melting point can be lowered as compared with Sn—Ag—Cu based solder and Sn—Pb eutectic solder. In addition, since the eutectic point temperature can be adjusted freely, lowering the welding temperature can lower the heat resistance temperature of various parts to be welded, reduce running costs such as electricity costs during soldering, and reduce oxidation. Progress can also be suppressed. In addition, since an extremely flexible solder alloy can be obtained, the stress relaxation property and the bonding reliability are also excellent.
＜Ｓｎ＞
Ｓｎは本発明のＰｂフリーはんだ合金において上記したＢｉと共に主成分をなす必須元素である。Ｓｎを含有させる一つ目の目的は、はんだ合金の融点を大きく下げることができることである。Ｂｉ−Ｓｎ二元系合金においてＢｉ−４２質量％Ｓｎの組成が共晶点であり、その共晶点温度は１３９℃となる。これによって低温域まで使用できる合金を得ることができる。
<Sn>
Sn is an essential element which forms a main component together with Bi described above in the Pb-free solder alloy of the present invention. The first purpose of containing Sn is to greatly reduce the melting point of the solder alloy. In the Bi—Sn binary alloy, the composition of Bi-42% by mass Sn is the eutectic point, and the eutectic point temperature is 139 ° C. Thus, an alloy that can be used up to a low temperature range can be obtained.
Ｓｎを含有させる二つ目の目的は、共晶合金とすることによりはんだ合金に柔軟性を付与し、加工性や応力緩和性、接合信頼性等を大きく向上させることにある。すなわち共晶点付近の組成とすることにより結晶構造がラメラ組織となり、機械的特性等が向上するのである。さらにＳｎは基板等との反応性に優れるため、基板や半導体素子との接合強度を高め、接合信頼性の向上に寄与する。加えて、後述するＡｌの収縮分と共にＳｎの収縮分でＢｉの凝固時の膨張分を相殺し、はんだ全体としての凝固時の体積変化を小さくすることができる。これにより、はんだ合金の残留応力が低減し、クラック等が入りづらくなる。 The second purpose of containing Sn is to impart flexibility to the solder alloy by making it an eutectic alloy, and to greatly improve workability, stress relaxation, joint reliability, and the like. That is, by setting the composition in the vicinity of the eutectic point, the crystal structure becomes a lamellar structure, and mechanical characteristics and the like are improved. Furthermore, since Sn is excellent in reactivity with a substrate or the like, it increases the bonding strength with a substrate or a semiconductor element, and contributes to the improvement of bonding reliability. In addition, the expansion of Bi during solidification can be offset by the shrinkage of Sn together with the shrinkage of Al, which will be described later, and the volume change during solidification of the entire solder can be reduced. As a result, the residual stress of the solder alloy is reduced, and cracks and the like are difficult to enter.
本発明におけるＳｎの含有量は３８.０質量％以上５８.０質量％未満であり、好ましくは４１.０質量％以上５５.０質量％未満である。Ｂｉ−Ｓｎ−Ａｌ系はんだ合金においてＳｎ含有量をこのように３８.０質量以上５８.０質量％未満と広い範囲内で適宜選択できるようにすることにより、共晶点温度を約１４０〜約１８０℃程度まで振ることができる。本発明の大きな特長の一つは、このようにＳｎ含有量を上記の範囲内とすることによって中低温域をほぼカバーする広い共晶点温度を実現できることにある。 The Sn content in the present invention is 38.0% by mass or more and less than 58.0% by mass, preferably 41.0% by mass or more and less than 55.0% by mass. In the Bi—Sn—Al based solder alloy, the eutectic point temperature is set to about 140 to about by allowing the Sn content to be appropriately selected within a wide range of 38.0% to less than 58.0% by mass in this way. It can be shaken up to about 180 ° C. One of the major features of the present invention is that a wide eutectic point temperature that substantially covers the mid-low temperature range can be realized by setting the Sn content in the above range.
すなわち、Ｂｉ−Ｓｎ−Ａｌ三元合金の共晶点はＢｉ−Ｓｎ二元合金の４２質量％Ｓｎ共晶点（共晶点温度：１３９℃）からＳｎ−Ａｌ二元合金のＡｌ０.６質量％共晶点（共晶点温度：２２８℃）を繋ぐ線上あり、主にＳｎ含有量を変化させることによって各共晶点の組成のはんだ合金を得ることができる。このように、Ｓｎの含有量を主に変化させることによって所望の共晶点温度を有するはんだ合金を得ることができる上、得られたはんだ合金はラメラ組織になるため柔軟性を有し、よって接合信頼性等が高い優れたはんだ合金を得ることができる。 That is, the eutectic point of the Bi—Sn—Al ternary alloy is from the 42 mass% Sn eutectic point (eutectic temperature: 139 ° C.) of the Bi—Sn binary alloy to Al 0.6 mass of the Sn—Al binary alloy. It is on a line connecting% eutectic points (eutectic point temperature: 228 ° C.), and a solder alloy having a composition of each eutectic point can be obtained mainly by changing the Sn content. As described above, a solder alloy having a desired eutectic point temperature can be obtained by mainly changing the Sn content, and the obtained solder alloy has a lamellar structure and thus has flexibility. An excellent solder alloy having high joining reliability and the like can be obtained.
加えて、主にＳｎ含有量を変化させることによって機械的特性等を調整することができることも大きな特長の一つである。すなわち、Ｂｉ−４２Ｓｎの共晶点とＳｎ−０.６Ａｌの共晶点との間の共晶点を繋ぐ線上において主にＳｎの含有量を変化させることにより機械的特性等が変化し、柔らかく延性のあるＳｎの含有量が多くなるに従って、伸び率が上がって柔らかくなり、Ｂｉ−Ｓｎ系合金の硬くて脆い性質が緩和されていく。このように、本発明のはんだ合金は、融点、機械的特性、濡れ性等の諸特性を非常に広い範囲で調整することが可能であり、これらのバランスを考えながら所望の特性に合わせて組成を調整すればよいのである。 In addition, it is one of the great features that the mechanical characteristics and the like can be adjusted mainly by changing the Sn content. That is, mechanical properties and the like are changed by changing the Sn content mainly on the line connecting the eutectic points between the Bi-42Sn eutectic point and the Sn-0.6Al eutectic point. As the content of the ductile Sn increases, the elongation rate increases and becomes soft, and the hard and brittle nature of the Bi-Sn alloy is relaxed. As described above, the solder alloy of the present invention can adjust various characteristics such as melting point, mechanical characteristics, and wettability in a very wide range, and the composition is adjusted to the desired characteristics while considering these balances. It is only necessary to adjust this.
上記したように、本発明においてはＳｎ含有量を３８.０質量以上５８.０質量％未満とすることで諸特性に優れたはんだ合金を得ることができる。このＳｎ含有量が３８.０質量％未満ではＢｉ含有量が多くなり、硬くて脆い性質が顕著になり、はんだ合金として十分な特性を得ることが難しくなる。一方、Ｓｎ含有量が５８.０質量％以上では融点が高くなり過ぎて本発明のはんだ合金の特長が限定的になったり、場合によってはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだで代替可能になったりする。なお、Ｓｎ含有量が４１.０質量％以上５５.０質量％未満であれば、本発明のはんだ合金の特長がより一層顕著に現われるので好ましい。 As described above, in the present invention, a solder alloy excellent in various characteristics can be obtained by setting the Sn content to 38.0 mass% or more and less than 58.0 mass%. If the Sn content is less than 38.0% by mass, the Bi content increases, the hard and brittle properties become remarkable, and it becomes difficult to obtain sufficient characteristics as a solder alloy. On the other hand, if the Sn content is 58.0% by mass or more, the melting point becomes too high, and the features of the solder alloy of the present invention are limited, or in some cases, it can be replaced with Sn—Ag—Cu based solder. . In addition, if Sn content is 41.0 mass% or more and less than 55.0 mass%, since the characteristic of the solder alloy of this invention appears more notably, it is preferable.
＜Ａｌ＞
Ａｌは本発明のＰｂフリーはんだ合金において含有される必須元素である。Ａｌを含有させてＢｉ−Ｓｎ−Ａｌ三元系合金とすることによって広い範囲の融点を選定できる上、機械的特性を自在に調整することが可能になる。さらに、Ａｌは非常に柔らかい金属であるため、硬くて脆いＢｉ−Ｓｎ合金に柔軟性を与えることができる。すでに述べたように、本発明のＢｉ−Ｓｎ−Ａｌ系はんだ合金の組成は共晶点付近を基本としているためラメラ組織で構成されており、加工性や応力緩和性に優れているが、Ａｌ固溶体が構成要素の一つであることも柔軟性等に優れる要因になっている。
<Al>
Al is an essential element contained in the Pb-free solder alloy of the present invention. By incorporating Al into a Bi—Sn—Al ternary alloy, a wide range of melting points can be selected, and mechanical characteristics can be freely adjusted. Further, since Al is a very soft metal, flexibility can be given to a hard and brittle Bi—Sn alloy. As described above, the composition of the Bi—Sn—Al solder alloy of the present invention is based on the vicinity of the eutectic point and thus is composed of a lamellar structure, and is excellent in workability and stress relaxation properties. The fact that the solid solution is one of the constituent elements is also a factor of excellent flexibility and the like.
このように優れた効果を発揮させるため、Ａｌの含有量は０.１質量％を超え１.２質量％以下になっている。Ａｌ含有量が０.１質量％以下では含有量が少なすぎて含有させた効果が実質的に現われない。一方、１.２質量％を超えると含有量が多すぎてＡｌの酸化が進行し、はんだ合金も濡れ性や接合信頼性を低下させてしまう恐れがある。なお、Ａｌ含有量が０.５質量％を超え１.２質量％以下であれば、Ａｌの非常に柔らかい性質が硬くて脆いＢｉ−Ｓｎ合金に柔軟性を与えることができ、本発明のはんだ合金の特長がより一層顕著に現われて好ましい。 In order to exhibit such an excellent effect, the content of Al exceeds 0.1% by mass and is 1.2% by mass or less. When the Al content is 0.1% by mass or less, the content is too small and the effect of inclusion is not substantially exhibited. On the other hand, if it exceeds 1.2% by mass, the content is too high, and oxidation of Al proceeds, so that the solder alloy may also deteriorate wettability and bonding reliability. If the Al content exceeds 0.5% by mass and is 1.2% by mass or less, the very soft nature of Al can provide flexibility to the hard and brittle Bi—Sn alloy, and the solder of the present invention. The features of the alloy appear more prominently and are preferable.
＜Ａｇ＞
Ａｇは本発明のはんだ合金において、諸特性を改善するために必要に応じて含有される元素である。Ａｇの含有により得られる主な効果は濡れ性や接合性の向上にある。すなわち、Ａｇは基板等のメタライズ層に使用されることからも分かるように各種金属と合金化し易く濡れ性に優れる。基板等の最上面によく使用されるＣｕ、Ｎｉなどとはとくに反応性がよく、濡れ性に優れ高い接合強度を得ることができる。また、半導体素子の接合面によく使用されるＡｇやＡｕなどのメタライズ層との反応性に優れることは言うまでもない。このようにＡｇを含有させることによって良好な接合が可能になり、よって高い接合信頼性を得ることができる。
<Ag>
Ag is an element contained as necessary in order to improve various properties in the solder alloy of the present invention. The main effect obtained by containing Ag is to improve wettability and bondability. That is, Ag is easily alloyed with various metals and has excellent wettability, as can be seen from the fact that Ag is used in a metallized layer such as a substrate. It is particularly reactive with Cu, Ni and the like often used on the top surface of a substrate or the like, and has excellent wettability and high bonding strength. Moreover, it cannot be overemphasized that it is excellent in the reactivity with metallizing layers, such as Ag and Au, which are often used for the joint surface of a semiconductor element. By containing Ag in this manner, good bonding is possible, and thus high bonding reliability can be obtained.
Ａｇの含有により上記した優れた諸特性向上の効果を発揮させるためにはＡｇの含有量は０.０１質量％以上３.０質量％以下とするのが好ましい。Ａｇ含有量が０.０１質量％未満では含有量が少なすぎて含有することによる効果が実質的に現われない。一方、Ａｇ含有量が３.０質量％を超えるとＡｇ３Ｓｎなどの金属間化合物が許容量を超えて生成したり、ＡｇやＡｇの金属間化合物などが偏析して良好な接合を得ることができなくなるおそれがある。 In order to exhibit the above-described excellent effects of improving various properties due to the inclusion of Ag, the Ag content is preferably 0.01% by mass or more and 3.0% by mass or less. If the Ag content is less than 0.01% by mass, the content is too small and the effect of the inclusion is not substantially exhibited. On the other hand, when the Ag content exceeds 3.0% by mass, an intermetallic compound such as Ag 3 Sn is generated exceeding the allowable amount, or an intermetallic compound such as Ag or Ag segregates to obtain a good joint. There is a risk that it will not be possible.
＜Ｎｉ＞
Ｎｉは本発明のはんだ合金において、諸特性を改善するために必要に応じて含有される元素である。Ｎｉの含有により得られる主な効果は結晶微細化による接合信頼性等の向上にある。すなわち、ＮｉはＳｎやＢｉに僅かにではあるが固溶する。そして、このように僅かにはんだ合金に含有されたＮｉははんだが溶融状態から冷却されて固化する際、まず高融点のＮｉがはんだ中に分散して生成し、そのＮｉを核として結晶が生成する。このため、はんだの結晶が微細化した構造となる。クラックは基本的に粒界に沿って進展していくため、このように微細結晶化されたはんだではクラックが進展しづらくなり、よってヒートサイクル試験等の信頼性が向上する。
<Ni>
Ni is an element contained as necessary in order to improve various characteristics in the solder alloy of the present invention. The main effect obtained by the inclusion of Ni is to improve the bonding reliability and the like by crystal refining. That is, Ni dissolves slightly in Sn and Bi. And when Ni is slightly contained in the solder alloy in this way, when the solder is cooled from the molten state and solidifies, Ni of high melting point is first dispersed and formed in the solder, and crystals are formed using the Ni as a nucleus. To do. For this reason, the solder crystal becomes finer. Since cracks basically propagate along grain boundaries, it is difficult for cracks to progress with such finely crystallized solder, and thus the reliability of heat cycle tests and the like is improved.
このような優れた効果を発揮させるためにはＮｉの含有量は０.０１質量％以上０.７質量％以下であるのが好ましい。このＮｉ含有量が０.０１質量％未満では含有量が少なすぎて効果が現れず、一方、０.７質量％を超えると逆に結晶粒が粗大になってしまい、信頼性等を低下させたり、脆いＮｉＢｉ３金属間化合物が許容量を超えて生成するおそれがある。 In order to exert such excellent effects, the Ni content is preferably 0.01% by mass or more and 0.7% by mass or less. If the Ni content is less than 0.01% by mass, the content is too small to produce an effect. On the other hand, if the Ni content exceeds 0.7% by mass, the crystal grains become coarse and the reliability is lowered. Or brittle NiBi 3 intermetallic compounds may be produced in excess of the allowable amount.
＜Ｓｂ＞
Ｓｂは本発明のはんだ合金において、諸特性を改善するために必要に応じて含有される元素である。Ｓｂの含有により得られる主な効果はＮｉと同様に結晶微細化による接合信頼性等の向上にある。すなわち、ＳｂはＳｎやＢｉに僅かにではあるが固溶し、Ｎｉと同様のメカニズムで結晶微細化が起こり、接合信頼性等が向上する。ＳｂはＢｉと性質が似ているため比較的多くの量を含有させることができる。
<Sb>
Sb is an element contained as necessary in order to improve various properties in the solder alloy of the present invention. The main effect obtained by the inclusion of Sb is to improve the bonding reliability and the like by crystal refining like Ni. That is, although Sb is slightly dissolved in Sn and Bi, crystal refinement occurs by the same mechanism as that of Ni, and the junction reliability and the like are improved. Since Sb is similar in nature to Bi, it can contain a relatively large amount.
このような優れた効果を発揮させるためにはＳｂの含有量は０.０１質量％以上５.０質量％以下であるのが好ましい。このＳｂ含有量が０.０１質量％未満では含有量が少なすぎて効果が現れず、一方、５.０質量％を超えると強度が上がりすぎてチップ接合後の冷却時にはんだが収縮する際、はんだの硬さに負けてチップが割れるおそれがある。 In order to exert such excellent effects, the Sb content is preferably 0.01% by mass or more and 5.0% by mass or less. When the Sb content is less than 0.01% by mass, the content is too small to produce an effect. On the other hand, when the Sb content exceeds 5.0% by mass, the strength increases so much that the solder shrinks during cooling after chip bonding. The chip may break due to the hardness of the solder.
＜Ｐ＞
Ｐは本発明のはんだ合金において、必要に応じて含有される元素であり、Ｐを含有することによって、Ｂｉ−Ｓｎ−Ａｌ系はんだ合金の濡れ性及び接合性をさらに向上させることができる。この効果は、Ａｇ、Ｎｉ、Ｓｂが含有されている場合においても同様に発揮される。Ｐの添加により濡れ性向上の効果が大きくなる理由は、Ｐは還元性が強く、自ら酸化することによりはんだ合金表面の酸化を抑制することによる。
<P>
P is an element contained as needed in the solder alloy of the present invention. By containing P, the wettability and the bondability of the Bi—Sn—Al solder alloy can be further improved. This effect is similarly exhibited even when Ag, Ni, and Sb are contained. The reason why the effect of improving wettability is increased by the addition of P is that P is highly reducible and suppresses oxidation of the solder alloy surface by oxidizing itself.
Ｐを含有させることで、さらに接合時のボイドの発生を低減させる効果が得られる。これは、Ｐは自らが酸化しやすいため、接合時にはんだの主成分であるＢｉや、主成分ではないが必須成分のＡｌよりも優先的に酸化が進むことによる。これにより、はんだ母相の酸化が抑えられ、濡れ性を確保することができる。その結果、良好な接合が可能となり、ボイドの生成も起こりにくくなる。 By containing P, the effect of reducing the generation of voids during bonding can be obtained. This is because P tends to oxidize by itself, so that oxidation proceeds preferentially over Bi, which is a main component of solder, and Al, which is not a main component but is an essential component. Thereby, oxidation of a solder mother phase is suppressed and wettability can be secured. As a result, good bonding is possible and voids are less likely to occur.
Ｐは、前述したように非常に還元性が強いため、微量の添加でも濡れ性向上の効果を発揮する。逆にある含有量以上では添加しても濡れ性向上の効果は変わらず、過剰な添加ではＰの酸化物がはんだ表面に生成されたり、Ｐが脆弱な相を作り脆化したりするおそれがある。したがって、Ｐは微量添加が好ましい。具体的には、はんだ合金中のＰ含有量の上限値は０.５００質量％が好ましい。Ｐがこの上限値を超えると、その酸化物がはんだ表面を覆い、濡れ性が悪化するおそれがある。さらに、ＰはＢｉへの固溶量が非常に少ないため、含有量が上限値を超えると脆いＰ酸化物が偏析するなどして信頼性を低下させるおそれがある。とくにワイヤなどを加工する場合に、断線の原因になりやすいことを確認している。 As described above, P has a very strong reducibility, and therefore exhibits an effect of improving wettability even when added in a small amount. On the other hand, even if added over a certain content, the effect of improving wettability does not change, and if added excessively, P oxide may be generated on the solder surface, or P may form a brittle phase and become brittle. . Therefore, P is preferably added in a trace amount. Specifically, the upper limit value of the P content in the solder alloy is preferably 0.500% by mass. When P exceeds this upper limit, the oxide covers the solder surface, and the wettability may deteriorate. Furthermore, since P has a very small amount of solid solution in Bi, if the content exceeds the upper limit, brittle P oxide may segregate and the reliability may be lowered. It has been confirmed that wire breakage is likely to occur, especially when processing wires.
＜はんだペースト＞
本発明のＰｂフリーＢｉ−Ｓｎ−Ａｌ系はんだペーストは、上記のはんだ合金を粉末状に加工してフラックスを混合することで作製することができる。はんだ合金をペースト用に粉末状にする方法はとくに限定はないが、溶融はんだを気相中又は液相中で噴霧することにより粉末状のはんだ合金を作製するアトマイズ法により作製するのが好ましい。気相中又は液相中の選択やアトマイズの際の運転条件等は、目的とするはんだ粉の粒径や粒度分布等を考慮して適宜定めればよい。一般的には生産性が高く、比較的細かい粉末を製造できるので気相中アトマイズ法が好ましい。
<Solder paste>
The Pb-free Bi—Sn—Al solder paste of the present invention can be produced by processing the above solder alloy into a powder and mixing the flux. The method of making the solder alloy into a powder form for paste is not particularly limited, but it is preferably produced by an atomizing method in which a molten solder is produced by spraying molten solder in a gas phase or a liquid phase. The operating conditions for selection in the gas phase or liquid phase, atomization, and the like may be appropriately determined in consideration of the particle size and particle size distribution of the target solder powder. In general, the atomizing method in the gas phase is preferable because the productivity is high and a relatively fine powder can be produced.
＜フラックス＞
本発明のはんだペーストに使用するフラックスの種類はとくに限定がなく、例えば、樹脂系、無機塩化物系、有機ハロゲン化物系などを用いてよい。ここでは最も一般的なフラックスである、ベース材にロジンを使用してこれに活性剤及び溶剤を添加したものについて述べる。
<Flux>
The kind of flux used for the solder paste of the present invention is not particularly limited, and for example, a resin system, an inorganic chloride system, an organic halide system, or the like may be used. Here, a description will be given of the most common flux, in which rosin is used as a base material and an activator and a solvent are added thereto.
この一例としてのフラックスは、フラックス全量を１００質量％とした場合、ベース材であるロジンが２０〜３０質量％、活性剤が０.２〜１質量％、溶剤が７０〜８０質量％程度となるように配合することが好ましく、これにより良好な濡れ性及び接合性を有するはんだペーストを得ることができる。ベース材としてのロジンには、例えばウッドレジンロジン、ガムロジン、トール油ロジンなどの天然の未変性なロジンを使用してもよいし、ロジンエステル、水素添加ロジン、ロジン変性樹脂、重合ロジンなどの変性ロジンを使用してもよい。 As an example of this flux, when the total amount of the flux is 100% by mass, the base material is 20-30% by mass of rosin, the activator is 0.2-1% by mass, and the solvent is about 70-80% by mass. It is preferable to mix | blend so that the solder paste which has favorable wettability and joining property can be obtained by this. For the rosin as the base material, natural unmodified rosin such as wood resin rosin, gum rosin and tall oil rosin may be used, or modified rosin ester, hydrogenated rosin, rosin modified resin, polymerized rosin and the like. Rosin may be used.
溶剤には、アセトン、アミルベンゼン、ｎ−アミンアルコール、ベンゼン、四塩化炭素、メチルアルコール、エチルアルコール、イソプロピルアルコール、ｎ−ブタノール、イソブチルアルコール、メチルエチルケトン、トルエン、テレピン油、キシレン、シクロヘキサン、エチレングリコールモノフェニルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、四塩化炭素、トリクロロエタン、アルカンジオール、アルキレングリコール、ブタジオール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、テトラデカンなどを使用することができる。 Solvents include acetone, amylbenzene, n-amine alcohol, benzene, carbon tetrachloride, methyl alcohol, ethyl alcohol, isopropyl alcohol, n-butanol, isobutyl alcohol, methyl ethyl ketone, toluene, turpentine oil, xylene, cyclohexane, ethylene glycol mono Phenyl ether, ethylene glycol monobutyl ether, carbon tetrachloride, trichloroethane, alkanediol, alkylene glycol, butadiol, triethylene glycol, tetraethylene glycol, tetradecane and the like can be used.
活性剤には、リン酸、塩化ナトリウム、塩化アンモニウム、塩化亜鉛、塩化第一錫、アニリン塩酸塩、ヒドラジン塩酸塩、臭化セチルピリジン、フェニルヒドラジン塩酸塩、テトラクロルナフタレン、メチルヒドラジン塩酸塩、メチルアミン塩酸塩、エチルアミン塩酸塩、ジエチルアミン塩酸塩、ブチルアミン塩酸塩、安息香酸、ステアリン酸、乳酸、クエン酸、シュウ酸、コハク酸、アジピン酸、ヒバシン酸、トリエタノールアミン、ジフェニルグアニジン、ジフェニルグアニジンＨＢｒ、エリトリトール、キシリトリトール、ソルボトール、リビトール、スルフォン酸エステル、ターシャリーブチルカルボン酸エステル、イソブチルカルボン酸エステル及びイソプロピルカルボン酸エステルなどを使用することができる。 Activators include phosphoric acid, sodium chloride, ammonium chloride, zinc chloride, stannous chloride, aniline hydrochloride, hydrazine hydrochloride, cetylpyridine bromide, phenylhydrazine hydrochloride, tetrachloronaphthalene, methyl hydrazine hydrochloride, methyl Amine hydrochloride, ethylamine hydrochloride, diethylamine hydrochloride, butylamine hydrochloride, benzoic acid, stearic acid, lactic acid, citric acid, oxalic acid, succinic acid, adipic acid, hivacic acid, triethanolamine, diphenylguanidine, diphenylguanidine HBr, It is possible to use erythritol, xylitolitol, sorbitol, ribitol, sulfonic acid ester, tertiary butyl carboxylic acid ester, isobutyl carboxylic acid ester, isopropyl carboxylic acid ester, and the like.
上記した溶剤及び活性剤の中から目的に合った物質を選択し、それらの添加量を適宜調整することによって好適なフラックスが得られる。例えば、はんだ合金や基板等の接合面の酸化膜が強固である場合は、ロジンや活性剤を多めに添加し、溶剤で粘性や流動性を調整するのが好ましい。 A suitable flux can be obtained by selecting a substance suitable for the purpose from the above-mentioned solvent and activator and adjusting the addition amount thereof appropriately. For example, when the oxide film on the joint surface of a solder alloy or a substrate is strong, it is preferable to add a large amount of rosin or activator and adjust the viscosity and fluidity with a solvent.
本発明のはんだペーストでは、フラックスにチキソ剤を含有させてもよい。これにより、チキソ性を調整することができるので、より一層使い易いはんだペーストになり得る。チキソ剤としては、例えば、ひまし油、オレイン酸アミド、エルカ酸アミド、エチレンビスステアリン酸アマイド、ステアリン酸アミド、Ｎ．Ｎ−ジステアリルアジピン酸アミド等を用いることができる。 In the solder paste of the present invention, a thixotropic agent may be included in the flux. Thereby, since thixotropy can be adjusted, it can become a solder paste which is easier to use. Examples of thixotropic agents include castor oil, oleic acid amide, erucic acid amide, ethylenebisstearic acid amide, stearic acid amide, N.I. N-distearyl adipic acid amide and the like can be used.
上記したはんだ合金とフラックスとを混合することによって得られるはんだペーストは、フラックスの作用によって非常に優れた濡れ性を備えている上、はんだ合金については加工が困難なシート形状等に加工する必要がなく、加工しやすい粉末状で使用することができる。 The solder paste obtained by mixing the solder alloy and the flux described above has very good wettability due to the action of the flux, and the solder alloy needs to be processed into a sheet shape that is difficult to process. And can be used in a powder form that is easy to process.
本発明のはんだ合金は、はんだ形状について特に限定がないので、ワイヤ、ボール、ペーストなどの任意の形状に作製することができる。以下の実施例においては、ワイヤ形状及びペースト形状について説明するが、本発明はかかる実施例の形状に限定されるものではない。まずは、ワイヤ形状のはんだ合金について説明する。 The solder alloy of the present invention is not particularly limited with respect to the solder shape, and can be produced in an arbitrary shape such as a wire, a ball, or a paste. In the following examples, a wire shape and a paste shape will be described, but the present invention is not limited to the shapes of the examples. First, a wire-shaped solder alloy will be described.
［実施例１］
原料として、それぞれ純度９９.９９質量％以上のＢｉ、Ｓｎ、Ａｌ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｓｂ及びＰを準備した。大きな薄片やバルク状の原料については、溶解後の合金においてサンプリング場所による組成のバラツキがなく均一になるように留意しながら切断、粉砕等を行い、３ｍｍ以下の大きさに細かくした。次に、高周波溶解炉用グラファイトるつぼに、これら原料から所定量を秤量して入れた。Ｐは溶融し難く、また酸化して揮発しやすいうえ、第２類の危険物であり、そのまま添加すると発火してしまうため、予めＳｎと合金を作ってから砕いて再溶解させた。
[Example 1]
Bi, Sn, Al, Ag, Ni, Sb and P having a purity of 99.99% by mass or more were prepared as raw materials. Large flakes and bulk-shaped raw materials were cut and pulverized, etc. so as to be uniform with no variation in composition depending on the sampling location in the alloy after melting, and were reduced to a size of 3 mm or less. Next, a predetermined amount of these raw materials was weighed into a graphite crucible for a high-frequency melting furnace. P is difficult to melt, easily oxidizes and volatilizes, and is a second kind of hazardous material. If added as it is, it will ignite, so an alloy with Sn was made in advance and then crushed and redissolved.
原料の入ったるつぼを高周波溶解炉に入れ、酸化を抑制するために窒素を原料１ｋｇ当たり０.７Ｌ／分以上の流量で流した。この状態で溶解炉の電源を入れ、原料を加熱溶融させた。金属が溶融しはじめたら混合棒でよく攪拌し、局所的な組成のばらつきが起きないように均一に混ぜた。十分溶融したことを確認した後、高周波電源を切り、速やかにるつぼを取り出してるつぼ内の溶湯をはんだ母合金の鋳型に流し込んだ。鋳型には、はんだ合金の製造の際に一般的に使用している形状と同様のものを使用した。 The crucible containing the raw material was placed in a high-frequency melting furnace, and nitrogen was flowed at a flow rate of 0.7 L / min or more per 1 kg of the raw material in order to suppress oxidation. In this state, the melting furnace was turned on to heat and melt the raw material. When the metal began to melt, it was stirred well with a mixing rod and mixed uniformly so as not to cause local compositional variations. After confirming that it was sufficiently melted, the high-frequency power supply was turned off, and the molten metal in the crucible was quickly taken out and poured into the mold of the solder mother alloy. A mold having the same shape as that generally used in the manufacture of solder alloys was used.
このようにして各原料の混合比率を様々に変えた試料１〜２７のはんだ母合金を作製した。これら試料１〜２７のはんだ母合金の組成を、ＩＣＰ発光分光分析器（ＳＨＩＭＡＺＵ Ｓ−８１００）を用いて分析した。その分析結果を下記の表１に示す。 In this way, solder mother alloys of Samples 1 to 27 in which the mixing ratios of the respective raw materials were changed in various ways were produced. The compositions of the solder mother alloys of Samples 1 to 27 were analyzed using an ICP emission spectroscopic analyzer (SHIMAZU S-8100). The analysis results are shown in Table 1 below.
次に、上記表１に示す試料１〜２７のはんだ母合金の各々に対して、下記に示すように、濡れ性の評価として目視による基板上でのはんだ合金の広がりの判定、接合性の第１の評価としてボイド率の測定、接合性の第２の評価としてシェア強度の測定、信頼性の評価としてヒートサイクル試験を行った。なお、はんだ合金の濡れ性等の評価は、通常、はんだ形状に依存しないため、ワイヤ、ボール、ペーストなどの形状で評価してもよいが、本実施例においては、ワイヤに成形して評価した。 Next, for each of the solder mother alloys of Samples 1 to 27 shown in Table 1 above, as shown below, as a wettability evaluation, the determination of the spread of the solder alloy on the substrate visually, A void ratio was measured as an evaluation of 1, a shear strength was measured as a second evaluation of bondability, and a heat cycle test was performed as an evaluation of reliability. In addition, since the evaluation of the wettability of the solder alloy does not usually depend on the solder shape, it may be evaluated by the shape of a wire, a ball, a paste, etc. In this example, it was molded into a wire and evaluated. .
＜ワイヤへの加工＞
上記表１に示す試料１〜２７のはんだ母合金を各々押出機にセットし、外径０.８０ｍｍのワイヤを加工した。具体的には、あらかじめ押出機をはんだ組成に適した温度に加熱しておき、各はんだ母合金をセットした。押出機出口から押し出されるワイヤ状のはんだは、まだ熱く酸化が進行し易いため、押出機出口は密閉構造とし、その内部に不活性ガスを流した。これにより、可能な限り酸素濃度を下げて酸化が進まないようにした。油圧で圧力を上げていき、はんだ母合金をワイヤ形状に押し出していった。ワイヤの押出速度はワイヤが切れたり変形したりしないように予め調整しておいた速度とし、同時に自動巻取機を用いて同じ速度で巻き取るようにした。
<Processing into wire>
Each of the solder mother alloys of Samples 1 to 27 shown in Table 1 above was set in an extruder, and a wire having an outer diameter of 0.80 mm was processed. Specifically, the extruder was heated in advance to a temperature suitable for the solder composition, and each solder mother alloy was set. Since the wire-like solder extruded from the extruder outlet is still hot and easily oxidizes, the outlet of the extruder has a sealed structure, and an inert gas is allowed to flow therethrough. As a result, the oxygen concentration was lowered as much as possible to prevent oxidation. The pressure was increased by hydraulic pressure, and the solder mother alloy was extruded into a wire shape. The wire extrusion speed was adjusted in advance so that the wire was not cut or deformed, and at the same time, the wire was wound at the same speed using an automatic winder.
＜濡れ性の評価１＞
濡れ性の評価１としては、上記ワイヤ加工により得たワイヤ状のはんだ合金を用いて行った。まず、濡れ性試験機（装置名：雰囲気制御式濡れ性試験機）を起動し、加熱するヒーター部分に２重のカバーをしてヒーター部の周囲４箇所から窒素を流した（窒素流量：各１２Ｌ／分）。その後、ヒーター設定温度を融点より５０℃高い温度にして加熱した。
<Evaluation of wettability 1>
As the wettability evaluation 1, a wire-like solder alloy obtained by the wire processing was used. First, a wettability tester (device name: atmosphere control type wettability tester) was started, a double cover was applied to the heater part to be heated, and nitrogen was flowed from four locations around the heater part (nitrogen flow rate: each 12 L / min). Thereafter, the heater was set to a temperature higher than the melting point by 50 ° C. and heated.
ヒーター温度が設定温度で安定した後、Ｎｉメッキ層（膜厚：５.０μｍ）が形成されたＣｕ基板（板厚：約０.７０ｍｍ）をヒーター部にセッティングし、２５秒加熱した。次に、はんだ合金を上記Ｃｕ基板の上に載せ、２５秒加熱した。加熱が完了した後はＣｕ基板をヒーター部から取り上げてその横の窒素雰囲気が保たれている場所に一旦移して冷却した。十分に冷却した後、図１に示すようにＣｕ基板１のＮｉ層２上にはんだ試料３が接合された接合体を大気中に取り出してその接合部分を目視により確認した。接合できなかった場合を「×」、接合できたが濡れ広がりが悪かった場合（はんだが盛り上がった状態）を「△」、良好に濡れ広がった状態で接合できた場合（はんだがＣｕ基板に薄く広がった場合）を「○」と評価した。
After the heater temperature was stabilized at the set temperature, a Cu substrate (plate thickness: about 0.70 mm) on which a Ni plating layer (film thickness: 5.0 μm) was formed was set in the heater portion and heated for 25 seconds. Next, the solder alloy was placed on the Cu substrate and heated for 25 seconds. After the heating was completed, the Cu substrate was picked up from the heater part and once moved to a place where the nitrogen atmosphere next to the Cu substrate was maintained and cooled. After sufficiently cooling, the joined body in which the
＜接合性の評価１（ボイド率の測定）＞
上記濡れ性の評価の際と同様にして得た図１に示すような接合体に対して、Ｃｕ基板１上のＮｉ層２とはんだ試料３との間のボイド率をＸ線透過装置（株式会社東芝製、ＴＯＳＭＩＣＲＯＮ−６１２５）を用いて測定した。具体的には、接合体に対してはんだ試料３側からその接合面に垂直にＸ線を照射することでボイド面積と接合面積とを測定し、それらを下記計算式１に代入してボイド率を算出した。
<Evaluation of bondability 1 (measurement of void fraction)>
With respect to the joined body as shown in FIG. 1 obtained in the same manner as in the evaluation of the wettability, the void ratio between the
［計算式１］
ボイド率（％）＝ボイド面積÷（ボイド面積＋はんだ合金とＣｕ基板の接合面積）×１００
[Calculation Formula 1]
Void ratio (%) = void area / (void area + solder alloy / Cu substrate bonding area) × 100
＜接合性の評価２（シェア強度の測定）＞
はんだの接合性を確認するため、図２に示すようなＣｕ基板１（板厚：０.３ｍｍ）上のＮｉ層２（膜厚：３.０μｍ）に各はんだ試料３を介してＳｉチップ４が接合された接合体を作製し、そのシェア強度を測定した。接合体はダイボンダー（Ｗｅｓｔｂｏｎｄ社製、型式：７３２７）を用いて行った。まず装置のヒーター部に窒素ガスを流しながら各はんだ試料の融点より５０℃高い温度になるようにした後、ヒーター部に基板を乗せ１５秒加熱し、その上にはんだ試料を乗せ２０秒加熱し、さらに溶融したはんだの上にチップを載せスクラブを３秒かけた。スクラブ終了後、接合体を速やかに窒素ガスの流れている冷却部に移し、室温まで冷却後、大気中に取り出した。シェア強度は試料２７の測定値を１００％として相対評価を行った。
<Evaluation of bondability 2 (measurement of shear strength)>
In order to confirm the solderability, the Si chip 4 is placed on the Ni layer 2 (film thickness: 3.0 μm) on the Cu substrate 1 (plate thickness: 0.3 mm) as shown in FIG. A bonded body was bonded and the shear strength was measured. The joined body was performed using a die bonder (manufactured by Westbond, model: 7327). First, while flowing nitrogen gas through the heater part of the apparatus, the temperature is set to 50 ° C. higher than the melting point of each solder sample. Then, the substrate is placed on the heater part and heated for 15 seconds, and then the solder sample is placed thereon and heated for 20 seconds. Further, a chip was placed on the molten solder and scrubbing was applied for 3 seconds. After scrubbing, the joined body was immediately transferred to a cooling section where nitrogen gas was flowing, cooled to room temperature, and taken out into the atmosphere. The shear strength was evaluated relative to the measured value of sample 27 as 100%.
＜信頼性の評価１（ヒートサイクル試験１）＞
はんだ接合の信頼性を評価するためにヒートサイクル試験１を行った。この試験は、上記濡れ性評価１と同様にしてはんだ合金が接合されたＣｕ基板を各試料に対して２つずつ作製し、それぞれ−５５℃の冷却と１２５℃の加熱とからなる冷却加熱サイクルを３００サイクル及び５００サイクル繰り返した。その後、はんだ合金が接合されたＣｕ基板を樹脂に埋め込み、断面研磨を行い、ＳＥＭ（装置名：ＨＩＴＡＣＨＩ Ｓ−４８００）により接合面の観察を行った。接合面に剥がれやはんだにクラックが入っていた場合を「×」、そのような不良がなく、初期状態と同様の接合面を保っていた場合を「○」とした。上記の評価結果を表２に示す。
<Reliability evaluation 1 (heat cycle test 1)>
A heat cycle test 1 was conducted to evaluate the reliability of solder joints. In this test, two Cu substrates to which solder alloys were bonded were prepared for each sample in the same manner as in the wettability evaluation 1, and a cooling and heating cycle comprising cooling at −55 ° C. and heating at 125 ° C., respectively. Was repeated for 300 and 500 cycles. Thereafter, the Cu substrate to which the solder alloy was bonded was embedded in the resin, the cross-section was polished, and the bonded surface was observed by SEM (device name: HITACHI S-4800). The case where the joint surface was peeled off or the solder was cracked was indicated as “X”, and the case where there was no such defect and the same joint surface as in the initial state was maintained as “◯”. The evaluation results are shown in Table 2.
上記表２の結果から分かるように、本発明の要件を満たす試料１〜１８のはんだ合金は、各評価項目において良好な特性を示している。つまり、濡れ性の評価１では、ＮｉめっきＣｕ基板への濡れ性は非常に良好であり、とくにＰを添加した試料は非常に濡れ広がり方が早く、試料がＣｕ基板に接した瞬間に薄く濡れ広がった。接合性の評価１としてのボイド率の測定では全ての試料においてボイドは発生しなかった。接合性の評価２としてのシェア強度の測定では全て１２０％以上であり高い接合強度が得られることを確認できた。信頼性の評価１としてのヒートサイクル試験１においても良好な結果が得られており、いずれも５００サイクル経過後も不良は現れなかった。
As can be seen from the results of Table 2 above, the solder alloys of Samples 1 to 18 that satisfy the requirements of the present invention show good characteristics in each evaluation item. That is, in the wettability evaluation 1, the wettability to the Ni-plated Cu substrate is very good. In particular, the sample to which P is added spreads very quickly, and the sample wets thinly as soon as the sample contacts the Cu substrate. Spread. In the measurement of the void ratio as the bondability evaluation 1, no void was generated in all the samples. In the measurement of the shear strength as the
一方、本発明の要件を満たしていない比較例の試料１９〜２７のはんだ合金は、上記評価のうち少なくともいずれかにおいて好ましくない結果となった。つまり、濡れ性の評価１では、ＮｉめっきＣｕ基板への濡れ性は試料２３及び２５で接合できなかった。接合性の評価１としてのボイド率の測定では少なくとも７％以上のボイドが発生した。接合性の評価２としてのシェア強度の測定では１００％以下であった。信頼性の評価としてのヒートサイクル試験１においては全ての試料において５００サイクルまでに不良が発生した。次にはんだペーストの実施例について説明する。
On the other hand, the solder alloys of Samples 19 to 27 of Comparative Examples that did not satisfy the requirements of the present invention resulted in undesirable results in at least any of the above evaluations. That is, in the wettability evaluation 1, the wettability to the Ni-plated Cu substrate could not be joined by the samples 23 and 25. In the measurement of the void ratio as the bondability evaluation 1, at least 7% or more voids were generated. In the measurement of the shear strength as the
［実施例２］
＜はんだ合金粉末の製造方法＞
粉末を製造するためのアトマイズ用として直径１４０ｍｍの円柱形状の母合金が作製可能な鋳型を使用した以外は上記実施例１と同様にして、原料の混合比率をそれぞれ異なる試料３１〜５７のはんだ母合金を作製した。これらの試料３１〜５７のはんだ母合金の各々に対して、ＩＣＰ発光分光分析器（ＳＨＩＭＡＺＵ Ｓ−８１００）を用いて組成分析を行った。得られた分析結果を下記表３に示す。
[Example 2]
<Method for producing solder alloy powder>
Solder mothers of samples 31 to 57 having different mixing ratios of raw materials in the same manner as in Example 1 above, except that a mold capable of producing a columnar mother alloy with a diameter of 140 mm was used for atomization for producing powder. An alloy was made. Composition analysis was performed on each of the solder mother alloys of Samples 31 to 57 using an ICP emission spectroscopic analyzer (SHIMAZU S-8100). The obtained analysis results are shown in Table 3 below.
次に、高周波溶解方式の気相中アトマイズ装置（日新技研株式会社製）を用いて、上記した試料３１〜５７のはんだ母合金をそれぞれ１ロットずつ気相中アトマイズすることで粉末に加工していった。具体的には、各はんだ母合金の試料を高周波溶解るつぼに投入し、蓋をして密閉した後、窒素フローして実質的に酸素が無い状態にした。試料排出口や回収容器部分も同様に窒素フローして酸素が無い状態にした。 Next, the solder mother alloys of the above-mentioned samples 31 to 57 are each atomized in the gas phase by using a high-frequency melting type gas-phase atomizing apparatus (manufactured by Nisshin Giken Co., Ltd.) to process into powder. I went. Specifically, each solder mother alloy sample was put into a high-frequency melting crucible, covered and sealed, and then nitrogen-flowed to make it substantially free of oxygen. Similarly, the sample discharge port and the collection container were made to flow in a nitrogen-free state.
この状態で高周波電源のスイッチを入れ、はんだ母合金を４００℃以上に加熱し、合金が十分溶融した状態で溶融したはんだ母合金に窒素で圧力を加えてアトマイズした。このようにしてアトマイズで作製されたはんだ微粉を容器に回収し、この容器中で十分に冷却してから大気中に取り出した。十分に冷却してから取り出す理由は、高温状態で取り出すと発火したり、はんだ微粉が酸化して濡れ性等の効果を下げてしまうからである。取り出した各粉末はそれぞれ目開きが２０μｍと５０μｍの篩で分級して、粒径が２０〜５０μｍのはんだ合金粉末試料（以下、はんだ微粉とも称する）を得た。 In this state, the high frequency power supply was turned on, the solder mother alloy was heated to 400 ° C. or higher, and the solder mother alloy melted in a state where the alloy was sufficiently melted was applied with nitrogen and atomized. Thus, the solder fine powder produced by atomization was collect | recovered in the container, and after fully cooling in this container, it took out in air | atmosphere. The reason for taking out after sufficiently cooling is that if taken out in a high temperature state, it will ignite or the solder fine powder will oxidize and reduce the effect of wettability. Each taken out powder was classified by a sieve having openings of 20 μm and 50 μm, respectively, to obtain a solder alloy powder sample (hereinafter also referred to as solder fine powder) having a particle size of 20 to 50 μm.
＜はんだペーストの製造方法＞
次に、上記はんだ母合金の試料３１〜５７から作製したはんだ微粉をそれぞれフラックスと混合してはんだペーストを作製した。フラックスには、ベース材としてロジンを、活性剤としてジエチルアミン塩酸塩（（Ｃ２Ｈ５）２ＮＨ・ＨＣｌ）を、溶剤としてエチルアルコールを用いた。それぞれの含有量はフラックスを１００質量％として、ロジンが２１質量％、ジエチルアミン塩酸塩が０.４質量％、残部をエチルアルコールとした。このフラックスと上記はんだ微粉とをフラックス９.１質量％、はんだ微粉９０.９質量％の割合で調合し、小型ブレンダーを用いて混合してはんだペーストとした。
<Method for producing solder paste>
Next, the solder fine powder produced from the samples 31 to 57 of the solder mother alloy was mixed with a flux to produce a solder paste. In the flux, rosin was used as a base material, diethylamine hydrochloride ((C 2 H 5 ) 2 NH · HCl) was used as an activator, and ethyl alcohol was used as a solvent. The respective contents were such that the flux was 100% by mass, rosin was 21% by mass, diethylamine hydrochloride was 0.4% by mass, and the balance was ethyl alcohol. This flux and the above-mentioned solder fine powder were mixed at a ratio of 9.1 mass% flux and 90.9 mass% solder fine powder, and mixed using a small blender to obtain a solder paste.
このようにして得た試料３１〜５７のはんだペーストの各々に対して、濡れ性の評価２として粉末のはんだ溶け残りの確認を行い、濡れ性の評価３として長短比の測定を行い、接合性の評価３としてボイド率の測定を行い、接合性の評価４としてシェア強度の測定を行い、信頼性の評価としてヒートサイクル試験を行った。以下、各評価法について詳細に説明する。
For each of the solder pastes of Samples 31 to 57 obtained in this manner, the residual solder powder was confirmed as
＜濡れ性の評価２（はんだ粉末の溶け残りの確認）＞
濡れ性の評価２として、Ｎｉ層（層厚：約２.５μｍ）を形成させたＣｕ基板（板厚：約０.７０ｍｍ）にマスクを使って各試料のはんだペーストを直径２.０ｍｍ、厚さ１５０μｍの形状に印刷し、そのはんだペーストが印刷された基板を以下のように加熱、接合して接合体を作り、光学顕微鏡ではんだ粉末の溶け残りが無いか確認した。
<Evaluation of wettability 2 (confirmation of unmelted solder powder)>
As the
具体的に説明すると、まず濡れ性試験機（装置名：雰囲気制御式濡れ性試験機）を起動し、加熱されるヒーター部分に２重のカバーをしてヒーター部の周囲４箇所から窒素を流した（窒素流量：各１２Ｌ／分）。その後、ヒーター設定温度を各試料の融点より５０℃高いく設定して加熱した。ヒーター温度が設定温度で安定した後、各試料のはんだペーストを塗布したＣｕ基板をヒーター部にセッティングし、２５秒加熱した。その後、Ｃｕ基板をヒーター部から取り上げて、その横の窒素雰囲気が保たれている場所に一旦移して冷却した。十分に冷却した後、大気中に取り出した。 More specifically, first, a wettability tester (device name: atmosphere control type wettability tester) is started, a double cover is applied to the heater part to be heated, and nitrogen is supplied from four locations around the heater part. (Nitrogen flow rate: 12 L / min each). Then, the heater set temperature was set to 50 ° C. higher than the melting point of each sample, and heated. After the heater temperature was stabilized at the set temperature, the Cu substrate coated with the solder paste of each sample was set in the heater part and heated for 25 seconds. Thereafter, the Cu substrate was picked up from the heater part, temporarily moved to a place where the nitrogen atmosphere next to the Cu substrate was maintained, and cooled. After sufficiently cooling, it was taken out into the atmosphere.
取り出した接合体は、はんだ粉末の溶け残りを確認するためあえて洗浄等は行わなかった。このようにして作製した各接合体に対して、はんだが接合された面をはんだ接合面に垂直な方向から光学顕微鏡で観察してはんだ粉末の溶け残りが無いか確認した。そして、はんだ粉末が残っていた場合を「×」、はんだ粉末が残っておらずはんだ粉末が溶けてきれいな金属光沢のあるはんだが基板に濡れ広がっていた場合を「○」とした。 The taken-out joined body was not dared to be washed in order to confirm the unmelted solder powder. For each joined body thus produced, the surface on which the solder was joined was observed with an optical microscope from a direction perpendicular to the solder joined surface to confirm whether there was any undissolved solder powder. The case where the solder powder remained was indicated as “X”, and the case where the solder powder did not remain and the solder powder melted and a clean metallic glossy solder spread on the substrate was indicated as “◯”.
＜濡れ性の評価３（長短比の測定）＞
濡れ性の評価３として、上記はんだ粉末の溶け残りの確認の際に作製した接合体と同様の接合体をはんだペーストの試料毎に作製し、その接合体をアルコールで洗浄した後、真空乾燥した。このようにして得た図３に示すようなＣｕ基板１上のＮｉ層２上にはんだ試料３が接合された接合体に対して、濡れ広がったはんだ試料３の長短比を求めた。具体的には、図４に示すように最大のはんだ濡れ広がり長さである長径Ｘ１、及び最小のはんだ濡れ広がり長さである短径Ｘ２を測定し、それらを下記計算式２に代入して長短比を算出した。
<Evaluation of wettability 3 (measurement of long / short ratio)>
As the
［計算式２］
長短比＝長径Ｘ１÷短径Ｘ２
[Calculation Formula 2]
Long / short ratio = major axis X1 ÷ minor axis X2
上記計算式２の長短比が１に近いほど基板上に円形状に濡れ広がっており、濡れ広がり性がよいと判断できる。逆に長短比が１より大きくなるに従って濡れ広がり形状が円形からずれていくので、溶融はんだの移動距離にバラつきがでて反応が不均一になったり合金層の厚みや成分バラつきが大きくなったりして均一で良好な接合ができなくなってしまう。さらにある方向に多くのはんだが流れるように広がってはんだ量が過剰な箇所とはんだが無い箇所ができ、接合不良や場合よっては接合できなかったりしてしまう。
It can be determined that the closer the length ratio in the
＜接合性の評価３（ボイド率の測定）＞
接合性の評価３として、上記のはんだ粉末の溶け残りの確認の際に作製した接合体と同様の接合体をはんだペーストの試料毎に作製し、その接合体をアルコールで洗浄した後、真空乾燥した。このようにして得た図３に示すような接合体に対して、Ｃｕ基板１上のＮｉ層２とはんだ試料３との間のボイド率をＸ線透過装置（株式会社東芝製、ＴＯＳＭＩＣＲＯＮ−６１２５）を用いて測定した。具体的には、上記実施例１の場合と同様に、接合体に対してはんだ試料３側からその接合面に垂直にＸ線を照射することでボイド面積と接合面積とを測定し、それらを前述した計算式１に代入してボイド率を算出した。
<Evaluation of bondability 3 (measurement of void fraction)>
As a
＜接合性の評価４（シェア強度の測定）＞
はんだの接合性を確認するため、図２に示すようなＣｕ基板１（板厚：０.７ｍｍ）上のＮｉ層２（層厚：２.５μｍ）に各試料のはんだ試料３を介してＳｉチップ４が接合された接合体を作製し、そのシェア強度を測定した。
<Evaluation of bondability 4 (measurement of shear strength)>
In order to confirm the solderability, the Si layer 2 (layer thickness: 2.5 μm) on the Cu substrate 1 (plate thickness: 0.7 mm) as shown in FIG. A joined body to which the chip 4 was joined was produced, and the shear strength was measured.
具体的にはダイボンダー装置（Ｗｅｓｔｂｏｎｄ製、型式：３７２７Ｃ）のヒーター部に窒素ガスを流しながら各はんだ試料の融点より４０℃高い温度になるように設定した後、各試料のはんだペーストをマスクを使って２.０ｍｍ×２.０ｍｍ、厚さ１２０μｍの形状に印刷したＣｕ基板をヒーター部に乗せて３５秒加熱し、溶融したはんだの上に２.０ｍｍ×２.０ｍｍのＳｉチップを載せてスクラブを５秒かけた。スクラブ終了後、得られたＳｉチップ接合体を速やかに窒素ガスの流れている冷却部に移し、室温まで冷却してから大気中に取り出した。このようにして得たＳｉチップ接合体に対してシェア強度試験を用いてシェア強度を測定した。具体的には接合体を装置に固定してＳｉチップを治具によって横方向から押してシェア強度を測定した。シェア強度はＢｉ−４２質量％Ｓｎはんだペーストを用いた試料５７の値を１００％として相対評価を行った。 Specifically, after setting the temperature to be 40 ° C. higher than the melting point of each solder sample while flowing nitrogen gas through the heater part of the die bonder device (manufactured by Westbond, model: 3727C), the solder paste of each sample is used with a mask. A Cu substrate printed in the shape of 2.0 mm x 2.0 mm and 120 μm in thickness is placed on the heater and heated for 35 seconds, and a 2.0 mm x 2.0 mm Si chip is placed on the molten solder and scrubbed. For 5 seconds. After scrubbing, the obtained Si chip joined body was quickly transferred to a cooling section where nitrogen gas was flowing, cooled to room temperature, and taken out into the atmosphere. The shear strength was measured using the shear strength test for the Si chip joined body thus obtained. Specifically, the bonded body was fixed to the apparatus, and the shear strength was measured by pushing the Si chip from the lateral direction with a jig. The shear strength was evaluated relative to the value of Sample 57 using Bi-42 mass% Sn solder paste as 100%.
＜信頼性の評価２（ヒートサイクル試験２）＞
はんだ接合の信頼性を評価するためにヒートサイクル試験２を行った。この試験は、上記はんだ粉末の溶け残りの確認の際に作製した接合体と同様の接合体を作製し、それらをアルコールで洗浄した後、真空乾燥したものを用いて試験した。かかる接合体は各試料に対して２つずつ作製し、それぞれ−４０℃の冷却と２５０℃の加熱とからなる冷却加熱サイクルを３００サイクル及び５００サイクル繰り返した。その後、はんだ合金が接合されたＣｕ基板を樹脂に埋め込み、断面研磨を行い、ＳＥＭ（日立製作所製 Ｓ−４８００）により接合面の観察を行った。接合面にはがれやはんだにクラックが入っていた場合を「×」、そのような不良がなく、初期状態と同様の接合面を保っていた場合を「○」とした。上記した結果を表４に示す。
<Reliability evaluation 2 (heat cycle test 2)>
A
上記表４から分かるように、本発明の要件を満たす試料３１〜４８のはんだ合金を含んだはんだペーストは、各評価項目において良好な特性を示している。すなわち、濡れ性の評価２では粉末の溶け残りは全く無かった。濡れ性の評価３では長短比が全て１.０１以下であり円状に均一に濡れ広がっていた。接合性の評価３ではボイドは一切発生しなかった。接合性の評価４ではＢｉ−４２質量％Ｓｎはんだペーストを用いた試料５７のシェア強度１００％に対して全て１１０％以上の高い値を示した。信頼性の評価では５００サイクルまで不良が発生しなかった。このように良好な結果が得られた理由は本発明のはんだ合金が適正な組成範囲内であり、はんだペーストが適切な条件で製造されたからであると言える。
As can be seen from Table 4 above, the solder paste containing the solder alloys of Samples 31 to 48 that satisfy the requirements of the present invention shows good characteristics in each evaluation item. That is, in the
一方、比較例である試料４９〜５７の各はんだペーストは、上記の評価のうち少なくともいずれかにおいて好ましくない結果となった。すなわち、はんだ粉末の溶け残りは試料４９〜５６で発生し、長短比は１.０５以上であった。さらにシェア強度は７０〜１００％と低く、ボイド率については４〜１３％程度であってボイドがかなりの割合で発生した。信頼性の評価であるヒートサイクル試験では全ての試料において３００サイクルまでに不良が発生した。 On the other hand, each solder paste of Samples 49 to 57, which is a comparative example, resulted in an undesirable result in at least one of the above evaluations. That is, unmelted solder powder was generated in samples 49 to 56, and the long / short ratio was 1.05 or more. Furthermore, the shear strength was as low as 70 to 100%, the void ratio was about 4 to 13%, and voids were generated at a considerable rate. In the heat cycle test, which is an evaluation of reliability, defects occurred in all samples up to 300 cycles.
１ Ｃｕ基板
２ Ｎｉ層
３ はんだ試料
４ Ｓｉチップ
1
Claims (7)
The apparatus which mounts the board | substrate with which the electronic component of Claim 6 is mounted.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
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| JP2014137197 | 2014-07-02 | ||
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