JPS61238932A - 電気移動の活動度を減少する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ、産業上の利用分野　　　　゛ 本発明は鉛をベースとする合金の電気移動（エレクトロ
マイグレーション）抵抗の増大方法、より具体的には鉛
−錫はんだの電気移動抵抗の増大方法に関する。

Ｂ、開示の概要 鉛−錫はんだ中で銅の様な溶質元素と錫の合金を形成し
、この金属間化合物の粒子を略一様に分布させる事によ
って、超小形電子装置の導体もしくは端子として使用す
るはんだ条片の電気移動の活動度が減少し、寿命が延長
する。溶質元素の濃度は錫の濃度の略３倍以下、はんだ
の量の約１０重量％以下に保持される。

Ｃ０従来技術 実際の固体超小形電子構造体に必要な高い電流密度の電
流を流す金属導体は電流によって引起される物質移動に
よって故障を生じがちである。この物質移動によって電
流路の−乃至数個所から材料が除去されて他の一個所も
しくはそれ以上の個所に累積する。この物質移動現象は
電気移動（エレクトロマイグレーション）と呼ばれ、装
置の早期故障の原因となる。それは材料が除去される結
果として電流路に回路の開放が生じ、電流路と隣接導体
間に材料が累積する結果として回路が短絡するからであ
る。

例えばＣ４端子の形成時には（Ｃ−４はＣｏｎｔｒｏｌ
ｌｅｄ　Ｃｏ１１ａｐｓｌ　Ｃｈｉｐ　Ｃｏｎｎｅｃｔ
ｉｏｎ　　：制御圧壊チップ接続の略）、（代表的には
直径が約０．１１ＩＩＩ＋の円である、他の寸法もしく
は形状でもよい）湿潤金属領域が前もって準備された金
属マスク中の開孔を通して誘電体上に蒸着される。湿潤
可能な金属領域はＢＬＭ（ボール制限冶金属）と呼ばれ
、Ｃｒ−Ｃｕ−Ａｕの層から形成され、全体の厚さは約
１ミクロンである。ＢＬＭが形成された後、金属マスク
を介してＰｂ−８ｎはんだ（代表的にはＳｎ約５重量％
）が蒸着され、次にはんだがリフロー（即ち融解）され
て、ポールが形成される。

リフロー中にはんだの錫とＢＬＭの銅が反応して、Ｃｕ
、Ｓｎ及び少量のＣｕ、Ｓｎ、を形成する。初期のりフ
ロー及びその後の基板と結合するためのりフロー中に、
Ｃｕ３Ｓｎ及びＣｕ、Ｓｎ、の一部はくだけて（剥離し
て）液体のはんだ中に入り込み、凝固時にはんだ中に捕
えられる。剥離によるはんだ中のＣｕ、　Ｓ　ｎ　＋　
Ｃｕｌ＋Ｓ　ｎ、粒子の分布は不均一である。

従って鉛−錫はんだ中の銅−錫の金属間化合物の不均一
な分布はＣ４端子中の電気移動による損傷を増大する。

Ｄ０発明が解決しようとする問題点 本発明の目的は鉛をベースとする合金の電気移動活動度
を減少させる事にある。

本発明の他の目的は、はんだ条片終端部に使用される鉛
−錫はんだ中の電気移動活動度を減少することにある。

本発明のさらに他の目的は、鉛−錫はんだ中の金属間化
合物の粒子の分布を略均−にし、以てはんだ中の電気移
動活動度を減少することにある。

Ｅ１問題点を解決するための手段 本発明に従い、鉛−錫はんだの様な鉛をベースとする合
金中の少量の溶質元素の分布を略均−にする事によって
はんだ接続部の電気移動活動度を減少し、寿命を延長す
る方法が与えられる。溶質元素は鉛−錫はんだの場合は
錫と金属間合金を形成する元素であり、銅、銀、金及び
希土類元素を含む。

さらに具体的には、本発明の方法は鉛−錫はんだ中に銅
と錫との金属間合金を形成する事を含む。

金属間合金は主にＣｕ、Ｓｎ（及び少量のＣｕ、５ｎｓ
）より成る。はんだ中の銅の濃度は錫の濃度の略３倍以
下であり、電気移動の活動度を少く共０．５重景％減少
するに有効な量からはんだの量の約１０重量％以下の値
に及んでいる。上述の方法により上述の組成及び特性を
有する新規な物質の組成が与えられる。

Ｆ、実施例 鉛−錫合金中の電子の流れによる電気移動活動度及びフ
ラックスの発散位置の発生によって、電流の影響を受け
て材料が移動し、開放回路もしくは短絡を生ずる。鉛−
錫はんだは約５％の錫を含むから、移動する材料の大部
分は鉛の拡散による。

５０°乃至９０℃の範囲の装置の動作温度では。

物質移動は主に結晶粒界に沿う拡散による。

本発明によれば、鉛−錫はんだの端子中の結晶粒界の拡
散及び電気移動の活動度は銅と鉛−錫はんだ中の錫との
金属９間合金を形成する事によってかなり減少する事が
わかった。ｐｂが９５重量％のＰｂ−８ｎはんだに３．
５重量％の銅を添加すると、ｐｂの結晶粒界拡散を１／
１ｏ程度減少するのに有効である事がわかった（実施例
２参照）。

金属間合金は主にＣｕ３Ｓｎより成るが、Ｘｌ１Ａによ
って検出可能な極めて少量のＣｕＧ５ｎ５が同時に形成
されているものと思われる。Ｃｕ、Ｓｎ、はりフロ一温
度からの冷却中に形成される。その量は冷却速度に依存
するが、Ｃｕ５Ｓｎ、の量は金属間合金（即ちＣｕ、Ｓ
ｎ　＋Ｃｕ、Ｓｎ、）の総量の１０重量％以下でなけれ
ばならない。銅−錫合金ははんだ中の銅の濃度が錫の濃
度の約３倍以下で、電気移動の活動度を少なく共０．５
％減少するのに有効な量からはんだの約１０重量％以下
の量の範囲の条件の下に形成される。本発明の方法によ
りはんだ条片の寿命も延びる。

この様にして銅をはんだ自体に添加する事により、銅が
ＢＬＭから剥離する事によって生ずる銅−錫金属間合金
の形成及び分布が不均一になる事が防止される。一つの
好ましい実施例では鉛−錫と銅を同時に付着する事によ
ってＣｕ、Ｓｎがはんだ中に導入される。この同時付着
は例えば第２の蒸着源から銅を鉛−錫（もしくは鉛）と
同時に蒸発する事によって行われる。この蒸発は鉛−錫
と共に純粋な銅を蒸発させるか、銅及び錫の蒸気圧が極
めて接近しているために、一つの源から鉛を蒸発し、そ
の後他の源から銅及び錫を同時に蒸発させた方が好まし
い。組成制御は蒸着されるべき材料の量を注意深く測定
し、鉛−錫合金に加えられる最初の銅の量を電気移動の
活動度を明らかに減少する最小値である約５重量％にセ
ットして両蒸発源を完全に動作させる事によって達成さ
れる。

しかしながら鉛−錫はんだ中の錫の量及びはんだの構造
に依存して、次の処理方法に従ってこの値は上の方に調
節しなければならない。

共蒸着法（ｃｏ−ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）の主な利点
は極めて小さなＣｕ、Ｓｎが極めて多数形成される点に
ある。良く知られている様に鉛−錫の複合体の蒸着中に
は、錫は鉛が蒸着した後に蒸着し、鉛の上にキャップ状
に付着する。これは錫の蒸気圧が鉛と比較してはるかに
低いからである。鉛−錫の付着中に銅の第２の蒸着源を
使用すると、付着の大部分の間はほとんど純粋な鉛と銅
が同時に付着する。

Ｃｕ−Ｐｂの２元相図から知られている様に、鉛と銅は
固態では相互に溶解せず、又反応もしないので、銅は鉛
のマトリックス中で多くの極めて微細な粒子となる。粒
子の寸法は温度及び蒸着速度に依存し、数１００人から
数ミクロンにわたる。

リフローを行うと、微細な銅の粒子はＣｕ、Ｓｎ（及び
Ｃｕ、　Ｓ　ｎ、　）の形成のための異種的な位置とし
て働き、Ｃ＋１＝Ｓｎは鉛−錫の前に凝固する。特定の
機構による説明をまつ迄もなく、銅の濃度が比較的低い
系では少なく共、金属間合金（粒子）の大部分は最終凝
固構造体の結晶粒界に形成される傾向がある様に思われ
る０本発明に従い減少される拡散（電気移動）は一般に
使用温度では結晶粒界に沿って生ずる。従って少なく共
結晶粒界は均一に充填している事が重要であると考えら
れる。

他方銅の濃度が高くなり、数％程度になると、銅及び錫
の金属間化合物の分布ははんだ全体にわたって略均−に
なるものと考えられる。銅−錫の金属間粒子が結晶粒界
に沿ってもしくは粒子全体にわたってもしくはその成る
組合せ全体にわたって略均−に分布しているかどうかは
問題でなく、粒子の分布がそれらのパターンの一つに該
当する事が重要である。

本発明の方法を使用した結果として、はんだ中のＣｕ、
Ｓｎの量はＢＬＭ構造に影響を与える事なく増大し、電
気移動の抵抗を減少させる事なく薄い銅のＢＬＭの使用
を可能にする。電気移動の抵抗の改良は、ＢＬＭ中の銅
の厚さを一定にした場合、電気移動抵抗はりフローを行
うたび増大する点から明らかである。各リフロー・サイ
クル中、Ｃｕ、ＳｎがＢＬＭから剥離し、ＢＬＭ中のＣ
ｕ、Ｓｎの厚さを減少し、一方ＢＬＭの近くのはんだ中
のＣｕ、Ｓｎの量を増大する。剥離が生ずるのはＣｕ及
びＣｕ、Ｓｎの結晶粒界が液体のはんだ中に優先的に溶
解し、従って粒子を溶融体中に解放するからである。こ
の様に、電気移動抵抗の増大はＢＬＭ中の銅を（かなり
）薄くしても得られる。

はんだ中の銅濃度はＣｕ−５ｎ合金を形成する際にすべ
ての錫を使い果すのを避けるために錫濃度の約３倍以下
に保持される。さらに銅の量は少なく共電、気移動の活
動度を減少するに有効でなければならない。この点に関
してＰｂ（９５重量％）−８ｎ（５重量％）のはんだ中
に少なく共電０．５重量％の銅を加えるだけで十分であ
る事がわかっている。はんだの機械的性質に悪影響を与
えるのを避けるために銅の最大量ははんだの量の約１０
重量％以下である。銅の量ははんだの総量の約３乃至４
重量％である事が好ましく、約３．５重量％が最適であ
る。この範囲にある時鉛の結晶粒界拡散度は約１２６℃
の温度で１／１０に減少する。

はんだ中の鋼のこまかな、略均−な分布は種々の方法で
達成される。上述の如き鉛−１１（もしくは鉛）と銅の
共蒸着、銅粒子の鉛−錫溶融体への添加、成分の共めっ
き、イオン・インプランテーション及び固体拡散が所望
の分布を達成する方法の例である。銅の粒子を鉛−錫溶
融体に添加する時には、短時間のみリフローされる小さ
な導体に対して、約１ミクロン程度の小さな粒子が使用
される。溶解状態により時間を費すより大きな導体の場
合には、より大きな粒子が使用される。次に構造体は熱
処理され（これは航空機合金の如く室温でも行われる）
、もしくは溶融され、そして凝固される。

はんだ中の銅−錫金属間化合物の分布が略一様である事
は不可欠である。それは分布が不均一な時は、銅−錫金
属間化合物のない個所で過度の電気移動を生ずるからで
ある。従って、この様な金属間粒子がない位置では大き
な電流密度及び高温（ジュール熱による）を生じ、若干
の電気移動が生じた後に電流を流すための領域を効果的
に減少する。この結果、粒子が不均一に分布していると
、早期の故障を生ずる。特定の理論をまつ必要もなく、
鉛−錫はんだ中のＣｕ５Ｓｎ（及びおそら＜Ｃｕ。

Ｓｎ、）の微粒子の存在は結晶粒界の拡散を緩慢にし、
電気移動に対する抵抗を増大するものと考えられ机 本発明の実施に使用される鉛をベースとする組成は鉛−
・錫はんだである事が好ましい、この様な組成は代表的
には９５重量％のｐｂ及び５重量％Ｓｎを含むが、しか
しながら他の鉛−錫組成も本発明の方法に使用されるに
適している。さらに本発明の方法はビスマスの濃度が錫
に近い、例えばＰｂ：　Ｓｎ：　Ｂｉが９０：５：５の
鉛−錫−ビスマス３元合金にも有用である。

鉛−錫はんだの電気移動を減少するのに銅を使用する例
が示されたが、銀及び金もしくは、錫と一つもしくはそ
れ以上の金属間化合物を形成する他の元素の様な銅と類
似の性質を有する他の元素もこれ等のはんだ中に同様の
改良を与える事が予想される。この様な他の元素の例は
希土類元素を含む。

以上の説明は主にＣ−４端子の電気移動活動度の改良に
向けられたが１本発明の方法は又ジョゼフソン電極を補
強し、ソーレ（Ｓ　ｏｒｅｔ）効果（温度勾配中の拡散
）を減少するのにも適切に使用出来る０本発明は結晶粒
界の拡散を緩慢にする働きがあり、この様な効果は電気
移動そして又熱移動を緩慢にする。

例Ｉ Ｃ−４端子の場合の電気移動のデータが銅の厚さの関数
として蓄積された。これ等のデータを以下に示す。故障
率は１５０℃で動作するＣ−４端子について、電流１．
１Ａの場合に測定された。

ＢＬＭ中のＣｕの厚さ１人　　　　率、％／Ｋ　　　−
ＬＯＯＫ　　ｌ！ｆｆ１００００　　　　　　４．４Ｘ
１０−”５０００　　　　　　２、ｌＸｌ０””２５０
０　　　　　　１．３Ｘ１０−’明らかに、銅の厚さが
１００００人から２５００人に減少すると故障率は１０
倍増大する。

例２ 錫の濃度を保持し、鉛を銅で置換した場合の。

鉛−錫中のｐ　ｂ２０３放射性トレーサによる結晶粒界
の拡散の研究がなされた。温度は１２６℃である。

この結果が以下に示されている。

銅の添加（重量％）　　拡散速度（ｃＪ／秒、１２６℃
）０　　　　　　　　５．２（＋０．８）ＸＩＯ−”０
．３　　　　　　２．８（＋０．８）ＸＩＯ−”１．４
　　　　　　１゜４（＋２．０）ＸＩＯ−”３．５　　
　　　　　５．２（±０．８）ＸＩＯ−”明らかに、５
重量％の錫を含む鉛−錫合金中の鉛の結晶粒界の拡散は
１２６℃の温度で３．５重量％の銅を添加した時に１／
１０に減少する。

Ｇ０発明の効果 以上のように、この発明によれば、鉛をベースとする合
金の電気移動（エレクトロマイグレーション）の活動度
が減少されるので、この合金を用いた接点の寿命が増大
するという効果が得られる。

出願人　　インターナショナル・ビジネス・マシーンズ
・コーポレーション 代理人　　弁理士　　山　　本　　仁　　朗（外１名）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）鉛をベースとする合金に少なく共０．５重量％の
   溶質元素を添加する事より成る、鉛をベースとする合金
   を含む端子部の電気移動の活動度を減少する方法。
2. （２）上記溶質元素が銅、銀、金及び希土類元素からな
   るグループから選択されてなる特許請求の範囲第（１）
   項記載の方法。