JP7011208B2 - 鉛フリーかつアンチモンフリーのはんだ合金、はんだボール、およびはんだ継手 - Google Patents
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Description
これらの知見により得られた本発明は次の通りである。
0.029 ≦ (Ag+Cu+Ni+Bi)×Ge < 0.032 (1)式
Sn×Cu×Ni ≦ 5.0 (2)式
上記(1)式および上記(2)式中、Ag、Cu、Ni、Bi、Ge、およびSnは、各々合金組成の含有量(質量%)である。
(4)平均粒径が1~1000μmである、上記(3)に記載のはんだボール。
(5)真球度が0.95以上である、上記(3)または上記(4)に記載のはんだボール。
(6)真球度が0.99以上である、上記(3)または上記(4)に記載のはんだボール。
(8)上記(1)または上記(2)に記載の鉛フリーかつアンチモンフリーのはんだ合金を用いてなるはんだ継手。
1. 合金組成
(1) 0.1~4.5%のAg
Agは結晶粒界で微細なAg3Snを析出させることによりはんだ合金の強度を向上させる元素である。Ag含有量が0.1%未満であるとAgの添加効果が十分に発揮されない。Ag含有量の下限は0.1%以上であり、好ましくは0.5%以上であり、より好ましくは1.0%以上であり、さらに好ましくは2.0%以上であり、特に好ましくは3.0%以上である。一方、Ag含有量が多すぎると、粗大なAg3Snが析出してしまい、強度が劣化する。Ag含有量の上限は4.5%以下であり、好ましくは4.0%以下であり、より好ましくは3.5%以下である。
Cuは、Cu食われを抑制するとともにCu6Sn5による析出強化を図ることができる元素である。Cu含有量が0.20%未満であると、Cu6Sn5の析出量が少なく脆いSnNi化合物が析出するためにはんだ合金自体が脆くなる。Cu含有量の下限は0.20%以上であり、好ましくは0.3%以上であり、より好ましくは0.4%以上であり、さらに好ましくは0.5%以上であり、特に好ましくは0.7%以上であり、最も好ましくは0.75%以上である。一方、Cu含有量が0.85%を超えるとはんだ合金の液相線温度が高く溶融し難い。Cu含有量の上限は0.85%以下であり、好ましくは0.80%以下である。
Biは、一定量添加することでBGAとして用いられるはんだボールの形態に最適な機械的特性を得ることができるため、本発明に係るはんだ合金において必須の元素としてもよい。一定量のBiは、固溶強化により機械的特性を改善する。また、耐クリープ性や濡れ性も改善できる。さらに、Biは、Snに固溶するため(Cu、Ni)6Sn5の結晶構造を歪ませ、Geと共存することにより更にNi食われを抑制することができる。Biは0.2%以上含有する必要があり、1.0%以上含有することがより好ましい。
Niは、Cuと同様にはんだ合金の液相線温度を制御するとともにNi食われを抑制することができる元素である。Ni含有量が0.005%未満であるとNiの添加効果が発揮され難い。Ni含有量の下限は0.005%以上であり、好ましくは0.01%以上であり、より好ましくは0.02%以上であり、さらに好ましくは0.03%以上であり、特に好ましくは0.04%以上である。一方、Ni含有量が0.090%を超えるとはんだ合金の液相線温度が高く溶融し難い。Ni含有量の上限は0.090%以下であり、好ましくは0.080%以下であり、より好ましくは0.068%以下であり、さらに好ましくは0.060%以下である。
Geは、未融合およびNi食われを抑制することができる元素である。Geを含有しない場合には、酸化錫が溶融はんだの表面に形成される。酸化錫は強固であり破壊し難い。一方、はんだ合金中に添加されたGeは、雰囲気中のOと反応し、溶融はんだの表面に硬くて脆い酸化膜を形成する。この酸化膜は脆いために溶融はんだ自体の対流や、チップを載置した際にチップから加わる外力により容易に破壊される。このため、Snの酸化膜の形成が阻害されるとともに溶融はんだの表面に酸化膜が保持されることがなく、Snの酸化膜とは逆に、むしろ、はんだボールとペースト中のはんだ粉末との融合が促進される。
本発明に係るはんだ合金は、Mn、Pd、P、Au、Pt、Cr、Fe、Co、V、Mo、Nbから1種以上を、任意元素として、各々0.01%を上限として含有することができる。これらの元素は機械的特性を改善することができる。
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。不可避的不純物の具体例としては、AsやCdが挙げられる。また、本発明は鉛フリーかつアンチモンフリーではあるが、不可避的不純物としてのPbやSbの含有を除外するものではない。Inを含むと濡れ性が悪化するので含有しない方がよい。また、Mnははんだ合金の製造時に酸化してしまいはんだ合金を製造することが難しいため、含有しなくてもよい。
本発明は、下記(1)式を満たす。
0.004 < (Ag+Cu+Ni+Bi)×Ge < 0.032 (1)式
上記(1)式中、Ag、Cu、Ni、Bi、およびGeは、各々合金組成の含有量(質量%)である。
本発明は、下記(2)式を満たす。
Sn×Cu×Ni ≦ 5.0 (2)式
上記(2)式中、Sn、Cu、およびNiは、各々合金組成の含有量(質量%)である。
本発明に係るはんだ合金は、ΔTが所定の範囲内であれば固液共存領域が狭くなり、溶融はんだの粘度上昇を抑えることができる点で好ましい。ΔTの範囲は好ましくは100℃以下、より好ましくは70℃以下、更に好ましくは40℃以下である。
本発明に係る鉛フリーかつアンチモンフリーのはんだ合金は、BGAに用いられるはんだボールの形態に最適である。はんだボールの真球度は0.90以上が好ましく、0.95以上がより好ましく、0.99以上が最も好ましい。真球度は、例えば、最小二乗中心法(LSC法)、最小領域中心法(MZC法)、最大内接中心法(MIC法)、最小外接中心法(MCC法)など種々の方法で求められる。本発明において、はんだボールの真球度は、最小領域中心法(MZC法)を用いるCNC画像測定システム(ミツトヨ社製のウルトラクイックビジョンULTRA QV350-PRO測定装置)を使用して測定する。本発明において、真球度とは真球からのずれを表し、例えば500個の各ボールの直径を長径で割った際に算出される算術平均値であり、値が上限である1.00に近いほど真球に近いことを表す。
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、本発明に係る「はんだ継手」とは、上述した本発明に係るはんだ合金を用いて接続されており、ICチップと基板との接続部をいい、電極の接続部やダイと基板との接続部を含む。
本発明に係るはんだ合金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。加熱温度はチップの耐熱性やはんだ合金の液相線温度に応じて適宜調整してもよい。チップの熱的損傷を低く抑える観点から240℃程度であることが好ましい。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さらに組織を微細にすることができる。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。
表1に示すはんだ合金について、未融合の有無を検証した。検証方法は、各実施例及び比較例の組成で調合したはんだ合金を鋳造、圧延したものを、打ち抜きして小片状の部材(2mm(縦)×2mm(横)×0.1mm(厚み))を作成した。この小片を所定の大きさの板状に成形し、フラックスを塗布したOSP(水溶性プリフラックス(Organic Solderability Presevation)処理が施されたCu板上に置き、リフローを行った後、表面を洗浄し、温度125℃、湿度100%RHの環境に24時間置いた。さらに、Agが3.0%、Cuが0,5%、残部がSnからなるはんだ合金(Sn-3.0Ag-0.5Cu)を用いて作製したはんだボール(本例の場合、直径300μm)を、小片部材と同様に温度125℃、湿度100%RHの環境に24時間置いた。次に、実施例あるいは比較例のはんだ合金からなる試料上にフラックスを塗布し、はんだボールを所定個数置いた。本例では、はんだボールの数は9個とし、それぞれ5枚用意した。そして、リフローを行った後、未融合のはんだボールの数を計数して、融合不良発生率を算出した。未融合とは、小片とはんだボールが接合していない状態をいう。
未融合のはんだボールが0個以下の場合には「◎」とし、0個超え10個以下の場合には「〇」とし、10個超えの場合には「×」と評価した。
表1および2の各はんだ合金を作製して、はんだの溶融温度を測定した。測定方法は、固相線温度はJIS Z3198-1に準じて行った。液相線温度は、JIS Z3198-1を採用せずに、JIS Z3198-1の固相線温度の測定方法と同様のDSCによる方法で実施した。測定した液相線温度と固相線温度の差であるΔT(K)を求め、ΔT(K)が100K以下を「〇」、100K超を「×」とした。
表1に示すはんだ組成からなる直径0.6mmのはんだボールを作製した。このはんだボールを基板の厚みが1.2mm、電極の大きさが直径0.5mm(Cu-OSP)の基板にはんだ付けを行った。
板厚が250μmであり表1に示す合金組成からなるプリフォームをCu製リードフレームに搭載した。その後、5mm×5mm×200μmtのシリコンチップの基板接合面側にバックメタルを備えるICチップをはんだ合金上に搭載した。バックメタルは、バリア層として0.05μmのTi層、0.20μmのNi層を順次積層したものである。搭載の向きは、このバックメタルを備えるICチップにおいて、Ni層がはんだ合金と当接するような向きとした。はんだ合金およびICチップを搭載した基板を、ピーク温度が240℃となるようにリフロー炉で加熱し、ダイボンディングを行った。
そして、得られたリードフレームの断面について、SEMのモニター上で30000倍に拡大し、任意の10か所について、Ni層の膜厚の平均値を算出した。
結果を表1および2に示す。
Claims (8)
- 質量%で、0.1~4.5%のAgと、0.20~0.85%のCuと、0.2~5.00%のBiと、0.005~0.09%のNiと、0.0005~0.0045%のGeと、残部がSnからなる合金組成を有し、前記合金組成は下記(1)式および(2)式を満たすことを特徴とする鉛フリーかつアンチモンフリーのはんだ合金。
0.029 ≦ (Ag+Cu+Ni+Bi)×Ge < 0.032 (1)式
Sn×Cu×Ni ≦ 5.0 (2)式
上記(1)式および上記(2)式中、Ag、Cu、Ni、Bi、Ge、およびSnは、各々前記合金組成の含有量(質量%)である。 - 前記合金組成は、質量%で、Mn、Pd、P、Au、Pt、Cr、Fe、Co、V、Mo、およびNbからなる群から選択される1種以上を、各々0.01%を上限として含有する、請求項1に記載の鉛フリーかつアンチモンフリーのはんだ合金。
- 請求項1または2に記載の鉛フリーかつアンチモンフリーのはんだ合金からなるはんだボール。
- 平均粒径が1~1000μmである、請求項3に記載のはんだボール。
- 真球度が0.95以上である、請求項3または4に記載のはんだボール。
- 真球度が0.99以上である、請求項3または4に記載のはんだボール。
- 請求項3~6のいずれか1項に記載のはんだボールを用いて形成されたBall Grid Array。
- 請求項1または2に記載の鉛フリーかつアンチモンフリーのはんだ合金を用いてなるはんだ継手。
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