JP4152596B2

JP4152596B2 - ハンダ合金、ハンダボール及びハンダバンプを有する電子部材

Info

Publication number: JP4152596B2
Application number: JP2001033878A
Authority: JP
Inventors: 将元田中; 道雄遠藤; 宏平巽
Original assignee: Nippon Steel Chemical and Materials Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Chemical and Materials Co Ltd
Priority date: 2001-02-09
Filing date: 2001-02-09
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2021-02-09
Also published as: JP2002239780A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無鉛ハンダ合金に関するものであり、特に半導体基板やプリント基板等の電子部材における電極のハンダバンプに好適なハンダ合金及びハンダボールである。更に該ハンダ合金を用いたハンダバンプを有する電子部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近の電子部品の小型化、高密度実装化に伴い、プリント配線基板等に電子部品を実装する際には、ＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）、ＣＳＰ（チップサイズパッケージ）技術が用いられるようになっている。また、これらの技術に採用される電極サイズも微細化の一途をたどっている。
【０００３】
これらの接合においては、半導体基板、電子部品、プリント基板等の上に配置された多数の電極にまずハンダバンプを形成する。電子部材上の電極へのハンダバンプ形成は、各電極にフラックスの粘着力を利用してハンダボールを粘着させ、ついで該電子部材を高温に熱してハンダボールをリフローさせることによって行なう。このハンダバンプを介して半導体基板等とプリント基板等との間を接合する。ここで、ハンダバンプとは、銅あるいはアルミ配線電極上のメッキの上に半球状に盛り上がって形成されたハンダをいう。
【０００４】
上記実装技術によって半導体素子や電子部品を基板上に実装した電子装置においては、当該装置を作動させると半導体素子等自身の発熱によって温度が上昇し、装置作動をオフとすると冷却して温度が低下するという加熱・冷却を繰り返す熱サイクルにさらされる。また、電子装置の使用環境によっては、装置全体が高温と低温とを繰り返す環境にさらされる。半導体素子自身が発熱する場合には半導体素子とプリント基板との間に温度差が生じるため、半導体素子とプリント基板との接合部には熱応力が発生する。また、装置全体が熱サイクルを受ける場合においても、半導体素子とプリント基板との間に存在する熱膨張係数差により、同じく半導体素子とプリント基板との接合部に熱応力が発生する。半導体素子とプリント基板との接合はハンダ電極によって行われているので、ハンダ電極の強度及び耐熱疲労強度が低いと、該ハンダ電極部が熱応力によって破壊されることとなる。そのため、このような接合に用いるハンダ合金には優れた耐熱疲労特性が要求される。
【０００５】
近年の電子部品の高密度実装化に伴い、特にノートパソコン、ビデオカメラ、携帯電話等においては表面実装やＢＧＡ実装が進み、基板電極パッド面積の縮小が急激に進んでいるため、接合部位のハンダ量を少量化せざるを得ない状況にある。即ち、ハンダ接合部位の接合面積が低下し、接合部にかかる応力が増大している。また、高密度実装により、高機能・小型化が進んだため情報伝達機器の携帯化も急速に進展した。加えて経済活動領域が地球規模に及ぶに至り、従来考えてもいなかった灼熱の砂漠や極地高地の極寒下等での当該機器が使用される様になっている。このような状況下では、ハンダ接合部が一層厳しい環境下に曝されることを考慮したハンダ実装設計が求められており、そのため、ハンダ材料に対する耐疲労性向上の要求がより一層高まっている。幸いなことに、無鉛ハンダ、特にＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系においては、従来Ｓｎ−Ｐｂ共晶ハンダで見られるＰｂの粗粒化は発生しないため、耐疲労性に関しては実用上ほぼ満足できるレベルにある。
【０００６】
一方、携帯電話等の持ち運び可能なデジタル製品に関しては、その使用上の特質から使用中に誤って床面に落下させたりぶつけたりする事態を想定する必要がある。このような衝撃に対しても使用する電子部品のハンダ接合部位が破壊しないだけの耐衝撃性を有することが要求される。これに対し、従来の耐疲労性ハンダ合金においては、主にハンダの強度を増大することによって耐疲労性の改善を図っており、その結果として耐衝撃性についてはむしろ低下する傾向が見られた。ハンダ接合部位の耐衝撃性の向上を図るためには、接合部位のハンダ合金として延性の優れた合金を用いることが最も効果的である。
【０００７】
一方、廃棄された電子装置を廃棄処理するに際し、環境への影響を最少とするため、電子装置に使用するハンダ合金についても無鉛ハンダ合金が要求されるようになっている。
【０００８】
無鉛ハンダ合金としては、二元系ではＳｎにＡｇを３．５％含有した組成が共晶組成となり、融点は２２１℃と比較的低く、広く無鉛ハンダとして使用されている。耐熱疲労特性もそれなりに良好である。
【０００９】
電子部品に用いるハンダ合金については、上述のように優れた耐熱疲労特性を必要とする。特開平５−５０２８６号公報においては、電子機器用の無鉛ハンダ合金として、Ａｇ３．０〜５．０％、Ｃｕ０．５〜３．０％、残部Ｓｎからなる耐熱疲労特性に優れた高温ハンダが開示されている。Ａｇの含有量については、Ａｇは耐熱疲労特性改善に著しく効果があるが、その添加量が３．０％以下であると耐熱疲労特性を改善する効果が十分でないとしている。ここで提案されているハンダ合金の融点は２１８℃前後である。Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダ合金では、Ａｇ４．７％−Ｃｕ１．７％で三元共晶組成となることが報告されており、３％以上のＡｇを含有することによって共晶点近傍の組成として融点を下げ、ハンダ合金としての使いやすさを実現している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
電子部材用鉛フリーハンダ、特に電子部材用鉛フリーハンダボールにおいて、接合信頼性、特に耐衝撃信頼性、耐落下信頼性で重要になる点は、ハンダ材料の延性である。従来Ｓｎ−Ａｇ共晶組成、Ｓｎ−３．５ＡｇやそのＳｎ−Ａｇ共晶組成近傍のＳｎ３．５Ａｇ−０．７Ｃｕでは、延性が優れていることが知られている。更にはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ三元共晶組成であるＳｎ−４．７Ａｇ−１．７Ｃｕも延性に優れていることが知られている。しかし、これらのハンダ合金は、原材料価格的に高価なＡｇを３．０質量％以上含んでいるため、非常に高価なハンダにならざるを得ない。
【００１１】
本発明は、無鉛ハンダ合金であって、Ａｇをさほど使用せず（２質量％以下）、接合信頼性、耐落下衝撃性に優れたハンダ合金を安価に提供でき、電子部材のハンダバンプ用として使用することのできるハンダ合金、該組成のハンダボール、該組成のハンダバンプを有する電子部材を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
（１）Ａｇ：１．２〜１．７質量％、Ｃｕ：０．５〜０．７質量％を含み、残部Ｓｎ及び不可避不純物からなり、Ａｇ₃Ｓｎ金属間化合物を有する無鉛ハンダ合金であって、前記Ａｇ₃Ｓｎ金属間化合物がネットワークを形成して相互に連結されていることを特徴とする無鉛ハンダ合金。
（２）更にＮｉ：０．０５〜１．５質量％を含有することを特徴とする上記（１）に記載の無鉛ハンダ合金。
（３）更にＳｂ：０．００５〜１．５質量％、Ｚｎ：０．０５〜１．５質量％を含み、Ｓｂ、Ｚｎ、Ｎｉの合計含有量が１．５質量％以下であることを特徴とする上記（２）に記載の無鉛ハンダ合金。
（４）Ｏ濃度が１０ｐｐｍ以下であることを特徴とする上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の無鉛ハンダ合金。
（５）強度（ＭＰａ）×延性（％）が１５００以上であることを特徴とする上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の無鉛ハンダ合金。
（６）上記（１）乃至（５）のいずれかに記載のハンダ合金よりなることを特徴とする電子部材用無鉛ハンダボール。
（７）ハンダバンプを有する電子部材であって、該ハンダバンプの一部又は全部は、上記（１）乃至（５）のいずれかに記載のハンダ合金よりなることを特徴とする電子部材。
（８）前記ハンダバンプの１辺の長さが０．２ｍｍ以下であることを特徴とする上記（７）に記載の電子部材。
（９）複数の電子部品間をハンダ電極によって接合した電子部材であって、該ハンダ電極の一部または全部は、上記（１）乃至（５）のいずれかに記載のハンダ合金よりなることを特徴とする電子部材。
（１０）前記ハンダ電極の１辺の長さが０．２ｍｍ以下であることを特徴とする上記（９）に記載の電子部材。
（１１）携帯電話に用いることを特徴とする上記（７）乃至（１０）のいずれかに記載の電子部材。
【００１３】
従来、電子部品用の無鉛ハンダ合金としては、Ａｇの含有量は３％以上必要であるとされていた。本発明においては、Ａｇ含有量１．５質量％付近においてハンダ合金の伸びが著しく向上するＡｇ成分範囲が存在することを見出し、これによってハンダ合金の延性を顕著に増大して耐熱疲労特性及び耐衝撃性の改善を実現した。
【００１４】
本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、Ａｇ：１．２〜１．７質量％、Ｃｕ０．５〜０．７質量％を含有するＳｎ系ハンダ合金組成を適用することにより、安価な無鉛ハンダ合金を提供し、耐熱疲労特性と耐衝撃性を著しく向上し、リフロー後の表面性状の確保を同時に実現することを可能にした。
【００１５】
【発明の実施の形態】
Ａｇ含有量が０．５〜３質量％の範囲にあり、かつＣｕ含有量が０．３〜２．０質量％の範囲にあるＳｎハンダ合金であれば、従来のＳｎ−Ｐｂハンダ合金やＳｎハンダ合金と同等の延性を有し、更にこれらに比較して良好な耐疲労特性を有している。本発明においては、更にＡｇ含有量を１．０〜２．０質量％の範囲とすることにより、ハンダ合金の伸びが著しく向上し、延性の増大を図ることができる。Ａｇ含有量が１．０〜１．７質量％の範囲にあれば、伸びの向上効果を最も顕著に得ることができる。
【００１６】
Ｓｎ−Ａｇ系のハンダ合金にＣｕを添加すると、Ｃｕ含有量１．５質量％までは固相線温度（融点）が低下するが、それを超えると急激に固相線温度が上昇する。尚、本発明ではＣｕ含有量上限を、上記記載の範囲内で表１の実施例３に基づいて０．７質量％とした。
【００１７】
Ｓｎ−Ａｇ系合金においては、凝固組織の中にＡｇ₃Ｓｎ金属間化合物のネットワークが生成し、ハンダの強度や疲労特性を向上させる。Ｓｎ−Ａｇのみの合金においてはＡｇ₃Ｓｎ金属間化合物のネットワークが相互に十分に連結されないが、Ｓｎ−Ａｇ系のハンダ合金にＣｕを０．３質量％以上添加すると、内部のＡｇ₃Ｓｎ金属間化合物のリング状ネットワークが密になり、ハンダバンプの強度、疲労特性を向上し、電子部品用として必要な強度や耐熱疲労特性を確保することが可能になる。尚、本発明ではＣｕ含有量下限を、上記記載の範囲内で表１の実施例２に基づいて０．５質量％とした。
【００１８】
本発明はＳｎ基ハンダ合金である。Ｓｎは１３．２℃で変態する特性を有している。低温におけるＳｎ変態時には破断が進行しやすい。本発明のハンダ合金に更にＳｂ：０．００５〜１．５質量％を含有させることにより、低温におけるＳｎ変態を抑制することができ、寒冷地条件にける耐熱疲労特性をより一層向上させることができる。
【００１９】
Ｓｂ含有量は、０．００５質量％未満ではＳｎの低温変態の抑制効果が十分ではないので、下限を０．００５質量％とする。また、１．５質量％を超えるとリフロー後のハンダ表面がさつきが抑えられず、かつ耐熱疲労特性改善効果も減少するので、上限を１．５質量％とする。
【００２０】
本発明のハンダ合金にさらにＺｎ、Ｎｉ又はＦｅを添加することにより、ハンダ合金の強度を向上することができる。
【００２１】
Ｚｎ含有量は、０．０５質量％未満の添加量では、強度向上に効果はなく、また１．５質量％を超える添加では、リフロー後のハンダ表面のがさつきが出始め、延性も低下し始めるので、成分範囲を０．０５〜１．５質量％とする。
【００２２】
Ｎｉ含有量は、０．０５質量％未満の添加量では、強度向上に効果はなく、また１．５質量％を超える添加では、延性が低下し始めるので、成分範囲を０．０５〜１．５質量％とする。更に、０．０５質量％以上のＮｉ添加では、Ｎｉメッキ電極基板との接合の際に、濃度勾配差による基板メッキＮｉの拡散を抑制し、Ｎｉ₃Ｓｎ₄等の金属間化合物の成長を抑制できる。
【００２３】
Ｆｅ含有量は、０．００５質量％未満では強度向上に効果はなく、また０．５質量％を超えると延性が低下し、ハンダ表面がざらつき、濡れ性が悪くなることから、成分範囲を０．００５〜０．５質量％とする。
【００２４】
本発明ハンダに、Ｓｂ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｆｅを、これらの１種、又は２種以上を添加すると、強度は改善されるが、これらの１種、又は２種以上、またはＳｂ，Ｚｎ，Ｎｉ、Ｆｅの合計含有量が１．５質量％を超えて添加すると、ハンダの延性が低下し始めることから、Ｓｂ，Ｚｎ，Ｎｉ、Ｆｅの合計含有量を１．５質量％以下とする。
【００２５】
本発明ハンダ合金を溶解混錬する際、溶解雰囲気を非酸化雰囲気にし、ハンダ合金中の固溶酸素濃度を低下させると、強度は約１０％向上する。本ハンダ合金を、大気中溶解混錬した材料を、グローディスチャージ質量分析（Ｇｄｍａｓｓ）で分析すると、十数ｐｐｍの酸素が検出される。一方、アルゴン雰囲気等の非酸化雰囲気で溶解混錬したハンダ合金の酸素検出量は、数ｐｐｍレベルとなる。酸素検出量が１０ｐｐｍ以下である場合、そのシェア強度は、大気溶解のものに比して、１０％強度は改善された。よって本発明の上記（３）ではハンダ合金中の酸素濃度を１０ｐｐｍ以下にする。
【００２６】
本発明のハンダ合金を使用した電子部材においては、ハンダ電極が優れた延性と強度を有するため、耐熱疲労特性と耐衝撃性に優れた電子部材とすることができる。
【００２７】
また、本発明のハンダボールを用いて製造した電子部材は、ハンダ電極が優れた延性と強度を有するため、耐熱疲労特性と耐衝撃性に優れた電子部材とすることができる。
【００２８】
更に、上記組成のハンダバンプを有する電子部材は、微細かつ多数のハンダバンプを形成する場合においても、良好な品質の電子部材とすることができる。特に、ハンダバンプの１辺の長さが０．２ｍｍ以下の微小ハンダバンプにおいて、従来組成のハンダバンプでは実現することのできない良好な成績を得ることができる。上記組成のハンダ電極によって複数の電子部品間を接合した電子部材は、ハンダ電極が極めて良好な耐熱疲労特性と耐衝撃性を有しているという優れた特徴を有するものである。
【００２９】
【実施例】
表１に示す成分のハンダ合金を作製し、それぞれの機械特性評価を実施した。実施例１〜１０が本発明例であり、比較例１はＡｇが本発明下限以下であり、比較例２はＡｇが本発明上限以上であり、比較例３は従来の３．５Ａｇの高価な無鉛ハンダ合金である。
【００３０】
【表１】

【００３１】
ハンダ合金の延性・強度特性については、延性（％）、強度（ＭＰａ）を評価し、さらに強度（ＭＰａ）×延性（％）を算出した。強度×延性が１５００以上の場合は耐衝撃性が安定して優れているとして「○」と評価し、強度×延性が１３００〜１５００の場合は耐衝撃性に優れているとして「△」と評価し、強度×延性が１３００未満は「×」と評価した。
【００３２】
本発明例１〜１０はいずれも良好な強度×延性の成績を実現した。
実施例３と実施例５との比較から明らかなように、酸素以外の成分が同一成分でも、Ａｒ雰囲気の非酸化雰囲気で溶解混練した実施例５は、酸素濃度が５ｐｐｍであるため、酸化雰囲気で溶解混練して酸素濃度が１６ｐｐｍである実施例３と比較し、強度が約１割向上している。
【００３３】
比較例１はＡｇ含有量が低すぎ、比較例２はＡｇ含有量が高すぎ、それぞれ延性が低下し、結果として強度×延性の値が１３００未満となり、十分な耐衝撃性が得られなかった。
【００３４】
ハンダ合金の耐落下衝撃性を評価するため、本発明合金を基に、φ３００μｍの電子部材接続用ハンダボールを作製した。それぞれについて以下に示すＳｉチップ部品と基板をハンダ付けし（２４０ボール）、それをフリップチップ接続したものを試験片とした。落下衝撃試験は、同フリップチップ接続した衝撃試験片を、金属板にネジ止め固定し、高さ５０ｃｍから落下させた。落下後、最も衝撃の大きいチップ周辺部位のハンダ接合部（６４ポイント）のすべてを電気的に導通があるかを評価し、一点でも導通が無いハンダ接合部位が生じた時点で破断とし、耐落下衝撃性を評価した。平均耐落下衝撃数で４０回以上は、耐落下衝撃性が特に優れているとして「○」と評価し、平均耐落下衝撃数で３０回〜４０回は優れているとして「△」と評価し、平均耐落下衝撃数３０回未満は「×」と評価して表１に記載した。本発明例である実施例１〜１０は、いずれも良好な耐落下衝撃性を示した。
【００３５】
上記落下強度試験に用いるＳｉチップ部品は、Ｓｉチップ上にφ２００μｍの電極ランドを合計２４０配置したものであり、最外郭の周囲に６４配置である。またピッチ間隔は０．３ｍｍである。プリント基板は、片面配線のガラスエポキシ樹脂基板であり、Ｓｉチップと同様に配置し、それらを本発明ハンダ合金のφ３００μｍのボールでフリップチップ接続した。
【００３６】
本発明の実施例１〜１０と比較例３の３．５Ａｇハンダ合金とを対比すると、本発明はＡｇの含有量が少ないので安価なハンダ合金を提供することが可能になり、さらに比較例３と同等あるいはそれ以上の良好な耐衝撃性、耐落下衝撃性を得ることができた。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の組成を有する無鉛ハンダ合金を用いることにより、従来の無鉛ハンダ合金に比較して安価に提供することが可能になり、同時に極めて優れた耐熱疲労特性と耐衝撃性を実現することができた。
【００３８】
本発明の組成を有するハンダボールを用いてハンダバンプを形成することができる。また、本発明の組成のハンダバンプを形成した電子部材、本発明の組成のハンダ電極で電子部品間を接合した電子部材は、電極の耐熱疲労特性と耐衝撃性が優れているという効果を有するものである。

Claims

Ａｇ：１．２〜１．７質量％、Ｃｕ：０．５〜０．７質量％を含み、残部Ｓｎ及び不可避不純物からなり、Ａｇ₃Ｓｎ金属間化合物を有する無鉛ハンダ合金であって、前記Ａｇ₃Ｓｎ金属間化合物がネットワークを形成して相互に連結されていることを特徴とする無鉛ハンダ合金。
更にＮｉ：０．０５〜１．５質量％を含有することを特徴とする請求項１に記載の無鉛ハンダ合金。
更にＳｂ：０．００５〜１．５質量％、Ｚｎ：０．０５〜１．５質量％を含み、Ｓｂ、Ｚｎ、Ｎｉの合計含有量が１．５質量％以下であることを特徴とする請求項２に記載の無鉛ハンダ合金。
Ｏ濃度が１０ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の無鉛ハンダ合金。
強度（ＭＰａ）×延性（％）が１５００以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の無鉛ハンダ合金。
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のハンダ合金よりなることを特徴とする電子部材用無鉛ハンダボール。
ハンダバンプを有する電子部材であって、該ハンダバンプの一部又は全部は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のハンダ合金よりなることを特徴とする電子部材。
前記ハンダバンプの１辺の長さが０．２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項７に記載の電子部材。
複数の電子部品間をハンダ電極によって接合した電子部材であって、該ハンダ電極の一部または全部は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のハンダ合金よりなることを特徴とする電子部材。
前記ハンダ電極の１辺の長さが０．２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項９に記載の電子部材。
携帯電話に用いることを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の電子部材。