JP6521160B1 - はんだ合金、はんだ粉末、はんだペースト、およびこれらを用いたはんだ継手 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)As:25〜300質量ppm、Pb:0質量ppm超え5100質量ppm以下、並びにSb:0質量ppm超え3000質量ppm以下、およびBi:0質量ppm超え10000質量ppm以下の少なくとも1種、並びに残部がSnからなる合金組成を有し、下記(1)式および(2)式を満たすことを特徴とするはんだ合金。
0.01≦(2As+Sb)/(Bi+Pb)≦10.00 (2)
上記(1)式および(2)式中、As、Sb、Bi、およびPbは各々合金組成での含有量(質量ppm)を表す。
275≦2As+Sb+Bi+Pb≦25200 (1a)
上記(1a)式中、As、Sb、Bi、およびPbは各々合金組成での含有量(質量ppm)を表す。
275≦2As+Sb+Bi+Pb≦5300 (1b)
上記(1b)式中、As、Bi、およびPbは各々合金組成での含有量(質量ppm)を表す。
上記(2a)式中、As、Sb、Bi、およびPbは各々合金組成での含有量(質量ppm)を表す。
(8)更に、酸化ジルコニウム粉末を有する、上記(7)に記載のはんだペースト。
(1) As:25〜300ppm
Asは、はんだペーストの粘度の経時変化を抑制することができる元素である。Asは、フラックスとの反応性が低く、またSnに対して貴な元素であるために増粘抑制効果を発揮することができると推察される。Asが25ppm未満であると、増粘抑制効果を十分に発揮することができない。As含有量の下限は25ppm以上であり、好ましくは50ppm以上であり、より好ましくは100ppm以上である。一方、Asが多すぎるとはんだ合金の濡れ性が劣化する。As含有量の上限は300ppm以下であり、このましくは250ppm以下であり、より好ましくは200ppm以下である。
Sbは、フラックスとの反応性が低く増粘抑制効果を示す元素である。本発明に係るはんだ合金がSbを含有する場合、Sb含有量の下限は0ppm超えであり、好ましくは25ppm以上であり、より好ましくは50ppm以上であり、さらに好ましくは100ppm以上であり、特に好ましくは300ppm以上である。一方、Sb含有量が多すぎると、濡れ性が劣化するため、適度な含有量にする必要がある。Sb含有量の上限は3000ppm以下であり、好ましくは1150ppm以下であり、より好ましくは500ppm以下である。
本発明に係るはんだ合金は、下記(1)式を満たす必要がある。
上記(1)式中、As、Sb、Bi、およびPbは各々合金組成での含有量(質量ppm)を表す。
275≦2As+Sb+Bi+Pb≦5300 (1b)
上記(1a)および(1b)式中、As、Sb、Bi、およびPbは各々合金組成での含有量(質量ppm)を表す。
本発明に係るはんだ合金は、下記(2)式を満たす必要がある。
上記(2)式中、As、Sb、Bi、およびPbは各々合金組成での含有量(質量ppm)を表す。
上記好ましい態様の中から上限および下限を適宜選択したものが、下記(2a)式である。
上記(2a)式中、BiおよびPbは各々合金組成での含有量(質量ppm)を表す。
Agは、結晶界面にAg3Snを形成してはんだ合金の信頼性を向上させることができる任意元素である。また、Agはイオン化係数がSnに対して貴な元素であり、As、Pb、およびBiと共存することによりこれらの増粘抑制効果を助長する。Ag含有量は好ましくは0〜4%であり、より好ましくは0.5〜3.5%であり、さらに好ましくは1.0〜3.0%である。
本発明に係るはんだ合金の残部はSnである。前述の元素の他に不可避的不純物を含有してもよい。不可避的不純物を含有する場合であっても、前述の効果に影響することはない。また、後述するように、本発明では含有しない元素が不可避的不純物として含有されても前述の効果に影響することはない。Inは、含有量が多すぎるとΔTが広がるため、1000ppm以下であれば前述の効果に影響することはない。
本発明に係るはんだ粉末は、後述するはんだペーストに使用される。本発明に係るはんだ粉末は、JIS Z 3284−1:2014における粉末サイズの分類(表2)において記号1〜8を満たすサイズ(粒度分布)を満たしていることが好ましい。より好ましくは記号4〜8を満たすサイズ(粒度分布)であり、さらに好ましくは記号5〜8を満たすサイズ(粒度分布)である。粒径がこの条件を満たすと、粉末の表面積が大きすぎず粘度の上昇が抑制され、また、微細粉末の凝集が抑制されて粘度の上昇が抑えられることがある。このため、より微細な部品へのはんだ付けが可能となる。
本発明に係るはんだペーストは、前述のはんだ粉末、およびフラックスを含有する。
はんだペーストに使用されるフラックスは、有機酸、アミン、アミンハロゲン化水素酸塩、有機ハロゲン化合物、チキソ剤、ロジン、溶剤、界面活性剤、ベース剤、高分子化合物、シランカップリング剤、着色剤の何れか、または2つ以上の組み合わせで構成される。
−1,3−プロパンジオール、1,2,6−トリヒドロキシヘキサン、ビス[2,2,2−トリス(ヒドロキシメチル)エチル]エーテル、1−エチニル−1−シクロヘキサノール、1,4−シクロヘキサンジオール、1,4−シクロヘキサンジメタノール、エリトリトール、トレイトール、グアヤコールグリセロールエーテル、3,6−ジメチル−4−オクチン−3,6−ジオール、2,4,7,9−テトラメチル−5−デシン−4,7−ジオール等が挙げられる。グリコールエーテル系溶剤としては、ジエチレングリコールモノ−2−エチルヘキシルエーテル、エチレングリコールモノフェニルエーテル、2−メチルペンタン−2,4−ジオール、ジエチレングリコールモノヘキシルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、トリエチレングリコールモノブチルエーテル等が挙げられる。
フラックスの含有量は、はんだペーストの全質量に対して5〜95%であることが好ましく、5〜15%であることがより好ましい。この範囲であると、はんだ粉末に起因する増粘抑制効果が十分に発揮される。
本発明に係るはんだペーストは、酸化ジルコニウム粉末を含有することが好ましい。酸化ジルコニウムは、経時変化に伴うペーストの粘度上昇を抑制することができる。これは、酸化ジルコニウムを含有することにより、はんだ粉末表面の酸化膜厚がフラックス中に投入する前の状態を維持するためと推測される。詳細は不明であるが、以下のように推察される。通常、フラックスの活性成分は常温でもわずかに活性を持っているため、はんだ粉末の表面酸化膜が還元により薄くなり、粉末同士が凝集する原因になっている。そこで、はんだペーストに酸化ジルコニウム粉末を添加することで、フラックスの活性成分が酸化ジルコニウム粉末と優先的に反応し、はんだ粉末表面の酸化膜が凝集しない程度に維持されると推察される。
本発明に係るはんだペーストは、当業界で一般的な方法により製造される。まず、はんだ粉末の製造は、溶融させたはんだ材料を滴下して粒子を得る滴下法や遠心噴霧する噴霧法、バルクのはんだ材料を粉砕する方法等、公知の方法を採用することができる。滴下法や噴霧法において、滴下や噴霧は、粒子状とするために不活性雰囲気や溶媒中で行うことが好ましい。そして、上記各成分を加熱混合してフラックスを調製し、フラックス中に上記はんだ粉末や、場合によっては酸化ジルコニウム粉末を導入し、攪拌、混合して製造することができる。
本発明に係るはんだ継手は、半導体パッケージにおけるICチップとその基板(インターポーザ)との接続、或いは半導体パッケージとプリント配線板との接続に使用するのに適している。ここで、「はんだ継手」とは電極の接続部をいう。
本発明に係るはんだ合金は、上記のようにはんだ粉末として使用することの他、ワイヤ状であってもよい。
本発明に係るはんだペーストを用いた接合方法は、例えばリフロー法を用いて常法に従って行えばよい。フローソルダリングを行う場合のはんだ合金の溶融温度は概ね液相線温度から20℃程度高い温度でよい。また、本発明に係るはんだ合金を用いて接合する場合には、凝固時の冷却速度を考慮した方が組織の微細化の観点から好ましい。例えば2〜3℃/s以上の冷却速度ではんだ継手を冷却する。この他の接合条件は、はんだ合金の合金組成に応じて適宜調整することができる。
作製直後の各はんだペーストについて、株式会社マルコム社製:PCU−205を用い、回転数:10rpm、25℃、大気中で12時間粘度を測定した。12時間後の粘度がはんだペーストを作製後30分経過した時の粘度と比較して1.2倍以下であれば、十分な増粘抑制効果が得られたものとして「○」と評価し、1.2倍を超える場合には「×」と評価した。
フラックスと混合する前のはんだ粉末について、エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製、型番:EXSTAR DSC7020を用い、サンプル量:約30mg、昇温速度:15℃/minにてDSC測定を行い、固相線温度および液相線温度を得た。得られた液相線温度から固相線温度を引いてΔTを求めた。ΔTが10℃以下の場合に「○」と評価し、10℃を超える場合に「×」と評価した。
作製直後の各はんだペーストをCu板上に印刷し、リフロー炉でN2雰囲気中、1℃/sの昇温速度で25℃から260℃まで加熱した後、室温まで冷却した。冷却後のはんだバンプの外観を光学顕微鏡で観察することで濡れ性を評価した。溶融しきれていないはんだ粉末が観察されない場合に「○」と評価し、溶融しきれていないはんだ粉末が観察された場合に「×」と評価した。
Claims (10)
- As:25〜300質量ppm、Pb:0質量ppm超え5100質量ppm以下、並びにSb:0質量ppm超え3000質量ppm以下、およびBi:0質量ppm超え10000質量ppm以下の少なくとも1種、並びに残部がSnからなる合金組成を有し、下記(1)式および(2)式を満たすことを特徴とするはんだ合金。
275≦2As+Sb+Bi+Pb (1)
0.01≦(2As+Sb)/(Bi+Pb)≦10.00 (2)
上記(1)式および(2)式中、As、Sb、Bi、およびPbは各々前記合金組成での含有量(質量ppm)を表す。 - 更に、前記合金組成は下記(1a)式を満たす、請求項1に記載のはんだ合金。
275≦2As+Sb+Bi+Pb≦25200 (1a)
上記(1a)式中、As、Sb、Bi、およびPbは各々前記合金組成での含有量(質量ppm)を表す。 - 更に、前記合金組成は下記(1b)式を満たす、請求項1に記載のはんだ合金。
275≦2As+Sb+Bi+Pb≦5300 (1b)
上記(1b)式中、As、Bi、およびPbは各々前記合金組成での含有量(質量ppm)を表す。 - 更に、前記合金組成は下記(2a)式を満たす、請求項1〜3のいずれか1項に記載のはんだ合金。
0.31≦(2As+Sb)/(Bi+Pb)≦10.00 (2a)
上記(2a)式中、As、Sb、Bi、およびPbは各々前記合金組成での含有量(質量ppm)を表す。 - 更に、前記合金組成は、Ag:0〜4質量%およびCu:0〜0.9質量%の少なくとも1種を含有する、請求項1〜4のいずれか1項に記載のはんだ合金。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載のはんだ合金を有するはんだ粉末。
- 請求項6に記載のはんだ粉末を有するはんだペースト。
- 更に、酸化ジルコニウム粉末を有する、請求項7に記載のはんだペースト。
- 前記酸化ジルコニウム粉末を前記はんだペーストの全質量に対して0.05〜20.0質量%含有する、請求項8に記載のはんだペースト。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載のはんだ合金を有するはんだ継手。
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