JPH0815676B2 - 無鉛のすずベースはんだ合金 - Google Patents

無鉛のすずベースはんだ合金

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はマイクロエレクトロニク
スに適用して特に有用な無鉛低毒性のはんだ合金に関す
る。本発明のはんだ合金は主成分がSnであり、これより
少ない量のBi、In、Agを含む高強度多成分はんだ合金で
ある。これらの合金は集積回路チップをチップ・キャリ
ヤと基板に接合する場合に、プリント回路板として有用
であり、またチップ・キャリヤを基板に接合したり、多
層プリント回路板において回路化ランドやパッドの接合
に有用である。
【0002】
【従来の技術】はんだ付けは低温で、一般に可逆性の冶
金的接合法である。低温と可逆性は関与する材料および
再加工や技術的変更の必要性から、マイクロエレクトロ
ニクスの適用では特に重要である。はんだ接合は後で化
学反応が行われる湿潤プロセスである。溶融はんだは選
択的に湿潤する。はんだの選択的な湿潤性によって、溶
融はんだを所望の箇所に閉じ込めることができる。これ
はフリップ・チップ接着やはんだマスクによる加工にお
いて特に重要である。
【0003】はんだ付け工程は湿潤化が起こるとすぐ
に、たとえば数秒台で実施することができ、これははん
だ付けを自動化された高速の大量処理工程に特に好まし
いものとする。湿潤性は接合すべき材料の関数でもあ
り、Cu、Ni、Au及びPdならびにこれらの金属の1つまた
は複数を多く含有している合金ははんだ付けに特に敏感
に反応する。湿潤後に行われる化学反応は溶融はんだと
接合金属材料との間のものであって、その界面に金属間
相領域を形成する。電子パッケージにおいてはんだによ
って形成される金属間層は一般的には二元化合物である
化学量論的化合物であり、はんだ合金の中にSnが含有さ
れる場合には一般にSnを含む。ベース、パッド、または
ランドがCuではんだ合金がSnを多く含有するときは、は
んだ付け中に形成される金属間相はCu−Snである。典型
的なCu−Sn二元化合物はCu3SnとCu6Sn5を含む。
【0004】はんだ合金は組成に応じた強い関数である
溶融温度を特徴とする。純粋な金属は単一で不変の溶融
温度を特徴とするが、合金の凝固点と溶融点は複雑であ
る。合金の凝固点は液相線によって決定される。液相線
より上では、1つまたは複数の液相のみが存在する。合
金の溶融点は固相線によって決定される。固相線よりも
下では、1つまたは複数の固相のみが存在する。これら
の2線すなわち液相線と固相線との間の領域には液相と
固相とが共存する。
【0005】好ましいはんだ合金は共晶であり、すなわ
ち共晶点を特徴とする。共晶点は液相線と固相線とが一
致する点である。共晶からいづれかの方向への濃度の変
化は液相温度の上昇をもたらす。
【0006】組成と急冷速度もはんだ付けされた接合部
の顕微鏡構造と、結果として得られる機械的性質を決定
する。したがって、はんだの組成を慎重に選定すること
と、はんだ付けされた接合部の露熱を慎重に制御するこ
との両方が必要となる。
【0007】電子部品の製造で使用されるはんだ組成は
はんだ合金として湿潤化可能でなければならず、パッド
金属またはランド金属を有する導電性で熱的に安定した
傷つきにくい可塑性の金属間相を形成することができる
成分を少なくとも1種類持たなければならない。この理
由で、最も普遍的なはんだ合金はSn−Pb合金のような鉛
ベースの合金となる。
【0008】これまで、Pb/Snはんだが電子部品用に利
用されてきた。Pb/Sn合金が広範囲にわたって使用され
てきたのには多くの歴史的理由がある。これらの歴史的
理由の中には、Pb/Snはんだ合金の低い液相温度、Pb/Sn
はんだならびに結果として得られるCu/Sn金属間相(はん
だ/Cu接触界面に形成される)の広い温度範囲にわたる加
工性、Pb/Sn合金から得られたCu/Sn金属間相のCuランド
またはCuパッドに対する接着、さらにPb/Sn合金用の樹
脂、融剤、はんだマスクといったプロセス装置と低廉な
添加物が容易に入手できることが含まれる。
【0009】Pb/Snはんだ合金加工に必要な比較的低い
温度は電子パッケージの製造に高分子誘電体が使用され
るときに特に重要である。これらの重合体は高温の組立
て作業では劣化する可能性がある。比較的低い温度で溶
融するはんだ合金はこれらの高分子基板に適合すること
ができる。
【0010】さらに、半導体チップは高い温度において
熱拡散と構造的転換を受ける。低温溶融のはんだはこの
問題を回避する。
【0011】鉛ベースのはんだの「柔軟さ」すなわち可
塑性は特に重要である。この柔軟さすなわち可塑性によ
って、結合された構造物間の熱膨脹係数の不一致、たと
えばセラミック誘電体と高分子誘電体との間、または半
導体チップとセラミックまたは高分子チップ・キャリア
または基板との間の熱膨脹係数の不一致にはんだが適合
できるようになる。しかし鉛は比較的高い蒸気圧を有す
る有毒の重金属である。この使用は嫌われ、取り替える
必要がある。
【0012】「セラミック品を接着するための軟はんだ
合金(SOFT-SOLDER ALLOY FOR BONDING CERAMIC ARTICLE
S)」に関するベーム他の米国特許第4797328号には、事
前金属被覆なしにセラミック部品を接着するための軟は
んだ合金が記載されている。アルミナ部品を銅部品に接
着させるために有用であると開示された合金は86〜99%
のSn、0〜13%のAgまたはCuもしくはその両方、0〜10%
のIn及び1〜10%のTiを含む。
【0013】「ビスマス、銀及びアンチモンを含むすず
ベースの無鉛はんだ組成(TIN BASELEAD-FREE SOLDER CO
MPOSITION CONTAINING BISMUTH, SILVER, AND ANTIMON
Y)」に関するスタンリー・タルマンの米国特許第480630
9号には、90〜95%のSn、3〜5%のSb、1〜4.5%のBi及
び0.1〜1.5%のAgを含むはんだ組成が記載されている。
タルマンははんだの融点を約218℃にまで低下させるた
めのBiの使用を説明している。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】本発明の第1の目的は
無鉛はんだを提供することである。
【0015】本発明のさらに他の目的は特に基板やはん
だマスクとしての有機材料の湿潤化を避ける一方で、C
u、Au、Ag、Pdなどのエレクロトニクス製造で一般的に
使用される金属の接着によって化学的かつ熱的に安定し
た接着部を湿潤化し形成する無鉛はんだを提供すること
である。
【0016】本発明のもう1つの目的は電子材料の損傷
を避けるために十分に低い温度で流れる無鉛はんだを提
供することである。
【0017】
【課題を解決するための手段】本発明によって上記の目
的は達成され、従来の技術における欠点は主成分Snと有
効量のAg、Bi、Inを含む固相線温度が高く使用温度が高
く強度の高い多成分はんだ合金によって解決される。
【0018】したがって、本発明の好ましい実施例によ
れば、約78.4重量%のSn、約2.0重量%のAg、約9.8重量
%のBi及び約9.8重量%のInよりなるはんだ合金が提供
される。
【0019】
【実施例】本発明の一実施例によって、集積回路を回路
基板に電気的に接続する方法が提供される。この相互接
続方法では、Sn、Ag、Bi、Inよりなるはんだ合金を集積
回路チップの電気接点の上に溶着させる。この合金は約
78重量%のSn、約2.0重量%のAg、約9.8重量%のBi及び
約9.8重量%のInよりなる。はんだ合金はウェーブはん
だ溶着、電気溶着によって適用され、またははんだペー
ストとして使用することができる。
【0020】次に、回路基板の電気リードを集積回路チ
ップの電気接点の上ではんだ合金と接触させる。チップ
を「フリップ・チップ」形態に実装しようとする場合に
は、回路基板の電流リードは基板上のパッドであり、は
んだ合金溶着部はパッドと接触させられる。代替方法と
して、集積回路チップを表を上にして実装しようとする
場合には、電流リードはワイヤ・リードであり、またタ
ブ内部リード接続部であり、これらは集積回路チップの
上表面のはんだ合金接点と接触させられる。
【0021】基板の電流リードとはんだ溶着部は接触を
保つが、はんだ合金は加熱されて、その結果はんだ合金
は湿潤化し、回路基板の電気リードに接着する。加熱は
気相リフロー、赤外線リフロー、レーザ・リフローなど
によって実施される。
【0022】本発明の結果として得られる超小形電気回
路パッケージは集積回路チップ・モジュールであり、こ
れは回路チップ・キャリアすなわち基板、半導体集積回
路チップ及びSn、Ag、Bi及びInの合金(約78重量%のS
n、約2.0重量%のAg、約9.8重量%のBi及び約9.8重量%
のInよりなる)の回路チップ・キャリアと半導体集積回
路チップとの間のはんだ接着電気相互接続部を有してい
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジェームズ・ケネス・レイク アメリカ合衆国13760ニューヨーク州エン ディコット ウェスト・ウェンデル・スト リート620 (72)発明者 ランディ・クリントン・ロング アメリカ合衆国18818ペンシルヴェニア州 フレンズビル アール・アール1号、ボッ クス34エー (72)発明者 ロジャー・ネイル・ワイルド アメリカ合衆国13827ニューヨーク州オウ ェゴ デイ・ホーロウ・ロード3360 (56)参考文献 特開 平2−70033(JP,A) 特開 昭58−6793(JP,A) 特開 平2−217193(JP,A) 特公 平3−28996(JP,B2)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】78.4重量パーセントのSn、2.0重量パーセ
    ントのAg、9.8重量パーセントのBi及び9.8重量パーセン
    トのInよりなる無鉛のすずベースはんだ合金。
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