JP3796181B2

JP3796181B2 - 無鉛ハンダ合金、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: JP3796181B2
Application number: JP2002036628A
Authority: JP
Inventors: 将元田中; 道雄遠藤
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2002-02-14
Filing date: 2002-02-14
Publication date: 2006-07-12
Anticipated expiration: 2022-02-14
Also published as: JP2003230980A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ａｇを含有する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、ハンダボール及び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、特に微細な電極の場合には、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ハンダの溶融温度以上の温度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と好適である。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、半導体基板やプリント基板の上に配置された電極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】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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からなるハンダ合金が開示されている。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。
【０００７】
半導体基板やプリント基板の上に配置された電極であって、ハンダ合金によって接合を行うための電極にあっては、最も一般的にはＣｕベア電極が用いられる。Ｃｕベア電極はその表面にＣｕが露出しており、この電極にＳｎ系の無鉛ハンダ合金を用いてハンダバンプを形成すると、ハンダリフロー時に溶融したハンダ合金とＣｕ電極との界面においてＳｎとＣｕとが拡散し、界面にＣｕ₆Ｓｎ₅金属間化合物が生成する。Ｃｕ₆Ｓｎ₅金属間化合物はそれ自体が脆いので、界面の金属間化合物の部分で破断する接合破断を起こしやすく、その結果として接合部のシェア強度の低下をもたらすことがある。
【０００８】
Ｃｕベア電極において見られる上記Ｃｕの拡散を抑制するため、Ｃｕの表面に５μｍ程度の厚さでＮｉやＮｉ−Ｐをメッキした電極、あるいはＣｕの表面にＮｉやＮｉ−Ｐをメッキした上に更に０．０５〜０．１μｍ程度の厚さでＡｕをメッキした電極が用いられている。Ｎｉ−Ｐを用いる理由は、これによってメッキ速度を速めることができるためである。Ａｕをメッキする理由は表面の酸化抑制のためである。電極表面にＮｉメッキ層を形成した結果として、電極とハンダ合金との界面にＣｕ₆Ｓｎ₅金属間化合物が生成されないので、脆い金属間化合物による接合破断の発生を防止することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ＣｕやＡｌ等の表面にＮｉ、Ｎｉ−Ｐをメッキした電極あるいは更にその上にＡｕをメッキした電極（以下「表面Ｎｉ電極」という。）にＳｎ系無鉛ハンダ合金を用いてハンダ接合を行った場合、脆いＣｕ₆Ｓｎ₅金属間化合物は生成されないが、界面にはＮｉ₃Ｓｎ₄金属間化合物層やＮｉ−Ｐ−Ｓｎ反応層が形成される。そして、これら金属間化合物とハンダ合金との界面において破断が生じやすい状況が発生する。
【００１０】
本発明は、表面Ｎｉ電極にＳｎ系無鉛ハンダ合金を用いてハンダ接合を行うに際し、金属間化合物とハンダ合金との界面の破断を防止して、より接合強度が高く接合信頼性の良好な接合を得ることのできるハンダ合金、ハンダボール、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。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
ＣｕやＡｌ等の表面にＮｉ、Ｎｉ−Ｐをメッキした電極あるいは更にその上にＡｕをメッキした電極（表面Ｎｉ電極）にＳｎ系無鉛ハンダ合金３ｂを用いてハンダ接合を行った場合、電極とハンダ合金との界面においてＮｉ₃Ｓｎ₄金属間化合物が均一に生成し、その結果として金属間化合物層４は図１（ｂ）に示すように界面に層状に形成され、金属間化合物４とハンダ合金３ｂとの界面は比較的平面的である。それに対し、Ｓｎ系無鉛ハンダ合金としてＮｉを含有させたハンダ合金３ａを用いた場合には、電極とハンダ合金３ａとの界面においてＮｉ₃Ｓｎ₄金属間化合物４が不均一に生成し、その結果として金属間化合物４は図１（ａ）に示すように不規則な層を形成する。図１において、電極はＣｕ電極１の上にＮｉまたはＮｉ−Ｐをメッキした構造の電極となっている。
【００１２】
従来のＮｉ₃Ｓｎ₄金属間化合物４とハンダ合金３ｂとの界面が平面的である場合（図１（ｂ））には、当該界面において破断が生じやすい状況であったが、Ｎｉ₃Ｓｎ₄金属間化合物４とハンダ合金３ａとの界面が不規則な層を形成すると（図１（ａ））、この不規則な層がアンカー効果を奏するため、界面における破断が生じにくくなり、結果として電極とハンダ合金層との接合強度を増大することができる。
【００１３】
本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、その要旨とするところは以下のとおりである。
（１）Ａｇ：０．５〜５．０質量％、Ｃｕ：０．３〜１．５質量％、Ｎｉ：０．０５〜１．０質量％、Ｚｎを０．０５質量％以上含み、ＮｉとＺｎの合計が１．０質量％以下であり、残部Ｓｎ及び不可避不純物からなることを特徴とする表面Ｎｉ電極の接合に用いる無鉛ハンダ合金。
（２）更にＳｂ：０．０５〜１．５質量％、Ｆｅ：０．００５〜０．５質量％の１種又は２種以上を含み、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｆｅ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（１）に記載の無鉛ハンダ合金。
【００１４】
（３）上記（１）又は（２）に記載の無鉛ハンダ合金よりなり、表面Ｎｉ電極の接合に用いる電子部材用ハンダボール。
（４）電極とその上に形成したハンダバンプを有する電子部材であって、該電極の一部又は全部はその表面がＮｉによって形成されてなり、該ハンダバンプの一部又は全部は上記（１）又は（２）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。
（５）複数の電子部品上の電極間をハンダ合金によって接合した電子部材であって、該電極の一部又は全部はその表面がＮｉによって形成されてなり、該ハンダ合金の一部又は全部は上記（１）又は（２）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。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明は、Ａｇを０．５〜５．０質量％含有するＳｎ基無鉛ハンダ合金に適用することができる。Ａｇを０．５〜５．０質量％含有するＳｎ基無鉛ハンダ合金において、表面Ｎｉ電極の接合に用いた場合にＮｉ₃Ｓｎ₄金属間化合物とハンダ合金との平面的な界面における破断が問題となるからである。また、Ａｇ含有量が５．０質量％以下であればハンダ合金の融点は２２５℃以上になることはないからであり、またＡｇ含有量が０．７質量％以上であればやはりハンダ合金の融点は２２５℃以上になることはないからである。
【００１６】
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、ハンダ内部組織が微細化され、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ので好ましい。
【００１７】
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ので、Ｃｕ含有量は１．５質量％以下が好ましい。また、従来、Ｓｎ−Ａｇ系無鉛ハンダ合金においては、Ａｇ含有量が３．０％以下となると耐熱疲労特性が悪化すると考えられていたが、Ｃｕ含有量を１．５質量％以下に限定することにより、ハンダ合金の延性を低下させることなく耐熱疲労特性を確保することができる。
【００１８】
即ち、Ｃｕ含有量１．５質量％以下かつＡｇ含有量３．０質量％以下とすることにより、高価なＡｇの含有量が少ないために安価であってかつ耐熱疲労特性の良好なＳｎ−Ａｇ無鉛ハンダ合金とすることができる。
【００１９】
さらに、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系において、添加Ａｇ濃度を例えば３．０質量％に固定した場合、Ｃｕ添加量を０．５〜１．０質量％と添加量を増やした場合に、ハンダ合金強度が添加量に比例して改善されるが、１．０質量％以上では、強度改善は見られないことから、望ましいＣｕ添加量は、０．５〜１．０質量％である。また、Ａｇの添加量に関しても、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系において、添加Ｃｕ濃度を例えば０．５質量％に固定した場合、Ａｇ添加量を１．０〜２．０質量％と添加量を増やした場合に、ハンダ合金の延性特性は改善されるが、２．０質量％以上では顕著な延性改善は見られなかったことから、前述した３．０質量％以下に加えて、より望ましいＡｇ添加量は、１．０〜２．０質量％である。
【００２０】
ハンダ合金中にＮｉを含有すると、電極上でのハンダリフロー時に、電極表面のＮｉメッキ層とハンダ合金との間のＮｉ濃度勾配を小さくすることができ、Ｎｉメッキ層からハンダ合金中へのＮｉの拡散速度を遅くすることができる。これにより、Ｎｉ₃Ｓｎ₄金属間化合物の成長が抑えられ、結果として電極とハンダ合金層との間には不均一なＮｉ₃Ｓｎ₄金属間化合物相が形成されるのである。
【００２１】
Ｎｉ含有量０．０５％未満ではＮｉの拡散抑制に効果がなく、アンカー効果を有する金属間化合物層を形成することができないので、Ｎｉ含有量下限を０．０５質量％とする。また、Ｎｉ含有量が１．０質量％を超えるとハンダ合金の融点が急激に上昇するので、上限を１．０質量％とする。さらに添加Ｎｉ含有量が０．５質量％を超えると、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダ合金の機械的特性における延性特性が低下することから、より望ましいＮｉ添加量は０．０５〜０．５質量％である。
【００２２】
本発明のハンダ合金にさらにＺｎ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。Ｚｎ含有量は、０．０５質量％未満の添加量では、強度向上に効果がないので、下限を０．０５質量％とする。またＮｉとＺｎの合計含有量が１．０質量％を超えるとハンダ合金の融点が急激に上昇するので、ＮｉとＺｎの合計含有量上限を１．０質量％とする。
【００２３】
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：０．０５〜１．５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。
【００２４】
Ｓｂ含有量は、０．０５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０．０５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。
【００２５】
本発明のハンダ合金にさらに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。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。
【００２６】
本発明ハンダに、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｓｂ、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、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｆｅの合計含有量を１．５質量％以下とする。
【００２７】
本発明で用いる表面Ｎｉ電極は、半導体基板あるいはプリント基板等の上に形成された電極であって、ＣｕやＡｌ等の表面にＮｉ、Ｎｉ−Ｐをメッキした電極あるいは更にその上にＡｕをメッキした電極である。Ｎｉのメッキ厚みは５μｍ程度であり、電着によりＮｉメッキ、あるいは、Ｎｉ−Ｐ又はＮｉ−Ｂ等の無電解メッキによりメッキ層は形成される。Ｎｉメッキは、Ｃｕとハンダが反応、相互拡散により厚い化合物層を作らないようにするため、バリアとして形成する。さらに、Ｎｉメッキの酸化防止のため、必要に応じて０．０５〜０．１μｍ程度のフラッシュＡｕメッキが施されている電極構造である。
【００２８】
本発明の上記（３）のように、上記組成のハンダ合金よりなり、表面Ｎｉ電極の接合に用いる電子部材用ハンダボールは、このハンダボールを用いて表面Ｎｉ電極上に形成したハンダバンプと電極との間の界面接合強度が改善されるので、電子部材用ハンダボールとして好適である。
【００２９】
また、本発明の上記（４）は、電極とその上に形成したハンダバンプを有する電子部材であって、該電極の一部又は全部はその表面がＮｉによって形成されてなり、該ハンダバンプの一部又は全部は上記組成のハンダ合金によって形成されているので、ハンダバンプと電極との間の界面接合強度が改善され、ハンダ接合部の接合信頼性の優れた電子部材とすることができる。
【００３０】
さらに、本発明の上記（５）は、複数の電子部品上の電極間をハンダ合金によって接合した電子部材であって、該電極の一部又は全部はその表面がＮｉによって形成されてなり、該ハンダ合金の一部又は全部は上記組成のハンダ合金によって形成されているので、ハンダバンプと電極との間の界面接合強度が改善され、ハンダ接合部の接合信頼性の優れた電子部材とすることができる。
【００３１】
【実施例】
表１に示す成分のハンダ合金を作成し、表面Ｎｉ電極へのリフロー後のシェア強度並びに１５０℃、１００ｈ時効した後のシェア強度を測定した。シェア強度評価に用いたハンダ合金は、それぞれφ３００μｍのハンダボール形状にし、Ｎｉ／Ａｕ電極基板上でリフロー後、シェア強度を評価した。シェア強度の測定は、それぞれ２０個のハンダバンプをシェアし、その平均で評価した。さらに同試料を１５０℃、１００ｈ時効し、そのシェア強度を評価した。
【００３２】
【表１】

【００３３】
表１において、本発明例Ｎｏ．１、２が本発明のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｎｉ系ハンダ合金であり、比較例Ｎｏ．１〜１０はＮｉを添加しない比較例、比較例Ｎｏ．１１は添加合金量が過剰な場合の比較例である。
【００３４】
本発明例Ｎｏ．１、２において、いずれも２５０ｇｆ以上の優れたシェア強度を示した。また本発明例Ｎｏ．１、２においての１５０℃、１００ｈ時効後のシェア強度変化は数％程度であった。
【００３５】
一方、Ｎｉを添加しなかった比較例Ｎｏ．１〜１０においては、リフロー後のシェア強度の低さに加えて、１５０℃、１００ｈ時効後のシェア強度変化は１０％以上の変化を示した。Ｎｉ添加により優れた接合特性が得られることが明らかである。
【００３６】
ハンダ合金と電極との接合断面を観察したところ、Ｎｉを添加した本発明例では、図１（ａ）で模式的に示したような、凹凸を有する接合界面を形成していた。一方、比較例Ｎｏ．１〜１０のようなＮｉ無添加ハンダ材料では、比較的平坦な接合界面が形成されており、Ｎｉ₃Ｓｎ₄金属間化合物４とハンダ合金３との界面で比較的破断しやすい構造を形成しており、信頼性の高い接合界面ではない。
【００３７】
比較例Ｎｏ．１１においては、ＮｉとＺｎの合計が１．０質量％を超えているため、接合特性が大幅に低下している（本発明例Ｎｏ．１との比較）。
【００３８】
【発明の効果】
本発明は、Ａｇ含有Ｓｎ系無鉛ハンダ合金にＮｉを含有することにより、表面Ｎｉ電極にハンダ接合を行ったときに電極とハンダの界面にＮｉ₃Ｓｎ₄金属間化合物が不均一に生成し、アンカー効果によって電極とハンダ合金層との接合強度を増大することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】表面Ｎｉ電極とハンダ合金層との接合界面の断面を示す模式図であり、（ａ）は本発明のＮｉ含有無鉛ハンダ合金を用いた場合、（ｂ）は従来のＮｉを含有しない無鉛ハンダ合金を用いた場合である。
【符号の説明】
１Ｃｕ電極
２表面Ｎｉ（Ｎｉ−Ｐ）メッキ層
３ハンダ合金層
３ａ本発明のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｎｉハンダ合金層
３ｂ比較例のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕハンダ合金層
４Ｎｉ₃Ｓｎ₄金属間化合物層

Claims

Ａｇ：０．５〜５．０質量％、Ｃｕ：０．３〜１．５質量％、Ｎｉ：０．０５〜１．０質量％、Ｚｎを０．０５質量％以上含み、ＮｉとＺｎの合計が１．０質量％以下であり、残部Ｓｎ及び不可避不純物からなることを特徴とする表面Ｎｉ電極の接合に用いる無鉛ハンダ合金。
更にＳｂ：０．０５〜１．５質量％、Ｆｅ：０．００５〜０．５質量％の１種又は２種以上を含み、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｆｅ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１に記載の無鉛ハンダ合金。
請求項１又は２に記載の無鉛ハンダ合金よりなることを特徴とする表面Ｎｉ電極の接合に用いる電子部材用ハンダボール。
電極とその上に形成したハンダバンプを有する電子部材であって、該電極の一部又は全部はその表面がＮｉによって形成されてなり、該ハンダバンプの一部又は全部は請求項１又は２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。
複数の電子部品上の電極間をハンダ合金によって接合した電子部材であって、該電極の一部又は全部はその表面がＮｉによって形成されてなり、該ハンダ合金の一部又は全部は請求項１又は２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。