(57)【要約】【課題】はんだ合金の溶融、冷却凝固を複数回行う場合であっても、作動時に相変態に伴う体積変化、及び体積変化に起因した歪や亀裂の発生などを抑制した信頼性の高い接合部を生産性良く形成可能なはんだ接合部の製造方法を提供すること。【解決手段】Ｃｕ：０．３〜７．６重量％、残部がＳｎ及び不可避不純物である合金を１８６℃以上に昇温した後１８６℃以下に冷却する冷却工程を複数回繰り返し行うはんだ接合部の製造方法であって、各冷却工程において、合金を１８６℃以上に昇温した後、合金の温度の経時変化を示す冷却温度線がＣｕ６Ｓｎ５の安定斜方晶と六方晶の混在領域を通過し、かつ、１６０〜１３７℃の温度範囲の保持時間が９６〜３０５秒となるように冷却する、はんだ接合部の製造方法。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕ：０．３〜７．６重量％、残部がＳｎ及び不可避不純物である合金を１８６℃以上に昇温した後１８６℃以下に冷却する冷却工程を複数回繰り返し行うはんだ接合部の製造方法であって、
各冷却工程において、合金を１８６℃以上に昇温した後、合金の温度の経時変化を示す冷却温度線がＣｕ６Ｓｎ５の１８６℃以上で安定な六方晶と、１８６℃以下で安定な斜方晶の混在領域を通過し、かつ、１６０〜１３７℃の温度範囲での保持時間が９６〜３０５秒となるように冷却する、はんだ接合部の製造方法。
【請求項２】
冷却温度線がＣｕ６Ｓｎ５の安定斜方晶と六方晶の前記混在領域を通過し、かつ、１７５〜１２０℃の温度範囲での保持時間が４，０００秒以下となるように冷却する、請求項１記載のはんだ接合部の製造方法。
【請求項３】
Ａｇ、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｍｎ、Ｉｎから選択される少なくとも１種の元素を含む、請求項１又は２に記載のはんだ接合部の製造方法。
【請求項４】
Ｎｉの含量が、０．０３重量％以下である、請求項１〜３の何れか１項に記載のはんだ接合部の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、はんだ接合部の製造方法に関し、特に錫銅系はんだ合金を用いたはんだ接合部の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
環境上から、ミクロ電子部品の組み立てに用いる大半のはんだ合金は鉛の含有を減少した組成に変わっている。そして、現在では多くのはんだ合金は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕや、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ合金を主成分としている。はんだ界面の接合部では、作業中、及び冷却中にＣｕ６Ｓｎ５金属間化合物（以下、単に「Ｃｕ６Ｓｎ５金属間化合物」又は「Ｃｕ６Ｓｎ５」と標記する場合がある。）が形成され、マイクロ電子回路のはんだ信頼性に大きく影響を及ぼす、はんだと界面の間の連続相を形成することになる。したがって、Ｃｕ６Ｓｎ５の結晶構造を安定した状態に維持することは、電子部品の信頼できる製造とサービスに適用するうえで重要である。電子製品のライフサイクルの間で変化する可能性がある様々な結晶構造中に存在するＣｕ６Ｓｎ５金属間化合物を考えた場合、特にこの金属間化合物の安定化は重要な課題である。
【０００３】
このＣｕ６Ｓｎ５金属間化合物は、１８６℃以下で六方晶から斜方晶の結晶構造に固相変態する。錫銅系の合金を用いてはんだ接合部を形成する場合、通常２３０℃より高い温度まで昇温した後冷却して凝固させる。冷却の際に六方晶のＣｕ６Ｓｎ５金属間化合物が形成され、電子部品に残存すると、その作動時に固相変態が起こる可能性がある。そして、この変態に伴って体積変化等が発生すると金属間化合物そのものに亀裂が発生することで、接合部の強度が低下したり、電気抵抗が増加したりする場合がある。また、はんだリフロー工程を複数回繰り返すと、その度に結晶構造が変化することとなるため、その繰り返しによりＣｕ６Ｓｎ５金属間化合物に亀裂が発生する可能性が生じる。そこで、本発明者は、溶融状態から凝固までのプロセスにおいて冷却温度を制御することによって、凝固した接合部に生成するＣｕ６Ｓｎ５金属間化合物を、それに伴う体積変化が最小限になる温度領域で積極的に安定した状態の斜方晶に変態させ、作動時あるいは製造時に相変態に伴う体積変化、及び体積変化に起因した歪や亀裂の発生などを抑制する方法を提案している（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第６１１８２４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載のように、本発明者は、１８６℃以上で溶融するＳｎ−Ｃｕ二元合金、あるいはこれに対して他の元素を含むがＣｕ６Ｓｎ５金属間化合物を生成する合金では、冷却温度履歴によっては、Ｃｕ６Ｓｎ５金属間化合物の全てが六方晶から斜方晶に変態する場合と、六方晶のうちの一部だけが斜方晶に変態し、六方晶と斜方晶が混在する場合があることを知見した。そして、冷却温度と冷却時間との関係から、冷却履歴とＣｕ６Ｓｎ５金属間化合物の結晶構造の関係を実験により導出した（図１参照）。図１に示すように、Ｘ軸に時間（秒）、Ｙ軸に温度（℃）で示した二次元図において、冷却温度と冷却時間の関係から、（１）１００％安定斜方晶Ｃｕ６Ｓｎ５（η’−Ｃｕ６Ｓｎ５）に変態する領域（単斜晶領域）と、（２）η’−Ｃｕ６Ｓｎ５に変態しない状態の六方晶Ｃｕ６Ｓｎ５（η−Ｃｕ６Ｓｎ５）が混在する領域（斜方晶と六方晶の混合領域）と、（３）比較的短時間で冷却した場合の１００％準安定η−Ｃｕ６Ｓｎ５領域（六方晶領域）が存在し、これらが１８６℃以下の温度において、２つの時間−温度−変態曲線（ＴＴＴ曲線）により区画されることを確認した。そして、図１に基づき、Ｃｕ６Ｓｎ５金属間化合物を安定した状態の斜方晶に変態させる方法として、（ｉ）１４０〜１６０℃程度で４０００秒程度保持することによって、単斜晶領域を通過させ、全てのＣｕ６Ｓｎ５金属間化合物を六方晶から斜方晶に変態させる方法、（ii）１２０〜１７５℃程度で２００秒程度保持することによって、単斜晶と六方晶の混合領域を通過させ、一部のＣｕ６Ｓｎ５金属間化合物を六方晶から斜方晶に変態させる方法を提案した。
【０００６】
特許文献１に記載の発明では、前記（ｉ）の方法により、全てのＣｕ６Ｓｎ５金属間化合物を斜方晶に変態させることが最善であり、前記（ii）の方法により斜方晶と六方晶との混合状態に変態させることは次善であるという立場であった。これは、作動時のＣｕ６Ｓｎ５金属間化合物の変態をより確実に防止できると考えたためである。
【０００７】
しかし、（ｉ）の方法では、１４０〜１６０℃程度の温度範囲での経過時間（保持時間とも称する。）として４０００秒程度の時間を必要とすることから、はんだ接合部の製造工程の実情に鑑みるとより短時間の冷却工程が求められる。特に、はんだ接合部の製造工程においては、接合が不十分な可能性がある場合は、はんだ合金を溶融、冷却する工程を複数回行うことが多い。そのため、冷却時間が長いことは生産性の低下、製造コストの上昇を招くことになる。
【０００８】
また、（ii）の方法に関しては斜方晶と六方晶との混合物であり作動時のＣｕ６Ｓｎ５金属間化合物の変態を避けられず、斜方晶が存在することによる意義は必ずしも十分ではない可能性があると考えられた。そのため、１２０〜１７５℃程度の温度範囲での経過時間（保持時間とも称する。）は２００秒程度ではあっても、その効果は必ずしも十分なものとはならないと考えられた。
【０００９】
そこで、本発明の目的とするところは、はんだ合金の溶融、冷却凝固を複数回行う場合であっても、作動時に相変態に伴う体積変化、及び体積変化に起因した歪や亀裂の発生などを抑制した信頼性の高い接合部を生産性良く形成可能なはんだ接合部の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、前述の課題解決のために鋭意検討を行った。その結果、意外にも、Ｃｕ６Ｓｎ５金属間化合物の安定斜方晶と六方晶の混在領域を所定の条件で通過させると、はんだ合金の溶融、冷却凝固を複数回行っても、信頼性の高い接合部を生産性良く形成可能であることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００１１】
本発明は、Ｃｕ：０．３〜７．６重量％、残部がＳｎ及び不可避不純物である合金を１８６℃以上に昇温した後１８６℃以下に冷却する冷却工程を複数回繰り返し行うはんだ接合部の製造方法であって、各冷却工程において、合金を１８６℃以上に昇温した後、合金の温度の経時変化を示す冷却温度線がＣｕ６Ｓｎ５の１８６℃以上で安定な六方晶と、１８６℃以下で安定な斜方晶の混在領域を通過し、かつ、１６０〜１３７℃の温度範囲での保持時間が９６〜３０５秒となるように冷却する、はんだ接合部の製造方法に関する。
【００１２】
本発明の実施形態では、冷却温度線がＣｕ６Ｓｎ５の安定斜方晶と六方晶の前記混在領域を通過し、かつ、１７５〜１２０℃の温度範囲での保持時間が４，０００秒以下となるように冷却してもよい。
【００１３】
本発明の実施形態では、合金が、Ａｇ、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｍｎ、Ｉｎから選択される少なくとも１種の元素を含んでもよい。
【００１４】
本発明の実施形態では、Ｎｉの含量が、０．０３重量％以下であってもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、はんだ合金の溶融、冷却凝固を複数回行う場合であっても、作動時に相変態に伴う体積変化、及び体積変化に起因した歪や亀裂の発生などを抑制した信頼性の高い接合部を、生産性良く、形成可能なはんだ接合部の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】Ｃｕ６Ｓｎ５金属間化合物の時間、温度、相変態の関係を示した図である。
【図２】試験例１ａ〜４ｃの評価結果を示した図である。（ａ）は、接合強度の測定結果を示したものであり、（ｂ）は、冷却工程を１回行った時の接合強度に対する変化率の算出結果を示したものである。
【図３】試験例５ａ〜８ｃの評価結果を示した図である。（ａ）は、接合強度の測定結果を示したものであり、（ｂ）は、冷却工程を１回行った時の接合強度に対する変化率の算出結果を示したものである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１８】
本発明に係るはんだ接合部の製造方法の実施形態では、Ｃｕ：０．３〜７．６重量％、残部がＳｎ及び不可避不純物である合金を１８６℃以上に昇温した後１８６℃以下に冷却する冷却工程を複数回繰り返し行う。そして、複数回繰り返し行われる各冷却工程において、合金を１８６℃以上に昇温した後、合金の温度の経時変化を示す冷却温度線が、図１に示す、Ｃｕ６Ｓｎ５金属間化合物の１８６℃以上で安定な六方晶と、１８６℃以下で安定な斜方晶の混在領域を通過し、かつ、１６０〜１３７℃の温度範囲の保持時間が９６〜３０５秒になるように冷却する。
【００１９】
このように、複数回行われる冷却工程において、特許文献１に記載の発明の場合とは異なり、１６０〜１３７℃での温度保持時間が、９６〜３０５秒であっても、この条件下で、合金の温度の経時変化を示す冷却温度線が、図１に示す、Ｃｕ６Ｓｎ５の安定斜方晶と六方晶の混在領域を通過していれば、信頼性の高い接合部が形成される。これは、（１）１３７〜１６０℃の温度で、例えば４０００秒程度保持すると、Ｃｕ６Ｓｎ５の相変態は起こるものの、結晶が成長することで亀裂（クラック）が発生し、かえってクラックの発生量が増加すること、（２）図１に示す各結晶相の境界を表すＴＴＴ曲線のうち、斜方晶と六方晶の混合領域と１００％準安定η−Ｃｕ６Ｓｎ５領域（六方晶領域）との境界を示すＴＴＴ曲線（以下、「混晶ＴＴＴ曲線」と称する場合がある。）を越すと急激に相変態が起こり短時間でも斜方晶の割合が多くなり得ること、等が要因と考えられる。尚、１３７〜１６０℃での保持時間を長くすることでクラックの発生量が増加すること、短時間で相変態が起こることは、実験により確認している。
【００２０】
冷却工程では、合金を１８６℃以上に昇温した後は、合金の温度の経時変化を示す冷却温度線がＣｕ６Ｓｎ５の安定斜方晶と六方晶の混在領域を通過し、かつ、１６０〜１３７℃の温度範囲の保持時間が９６〜３０５秒となるように冷却すればよい。信頼性を向上する観点から当該温度範囲での保持時間（経過時間）は、１００秒以上が好ましく、１３０秒以上がより好ましい。この際の温度と時間の関係は、逆進的な昇温をさせない限りは、特に限定はない。漸次降温してもよいし、一定温度に保持する時間を適宜設けてもよい。言い換えると降温速度を一定にしてもよいし、任意に変化させてもよい。また、より効率的な冷却を行う観点から、冷却温度線がＣｕ６Ｓｎ５の安定斜方晶と六方晶の混在領域を通過し、かつ、１７５〜１２０℃の温度範囲の保持時間が４，０００秒以下となるように冷却してもよい。
【００２１】
また、１８６℃以上に昇温後１６０℃に至るまで及び１３７℃未満になった後は、効率的に接合部を冷却することができれば降温速度は特に限定はない。１８６℃以上に昇温後１６０℃に至るまではＣｕ６Ｓｎ５の安定斜方晶と六方晶の混在領域を通過させる観点から、１８６℃以上に昇温して冷却を開始した後、１４０〜１６０℃で図１に示す混晶ＴＴＴ曲線と効率的に交差するように、逆進的に昇温させることなく合金の冷却温度線を制御するのが好ましい。
【００２２】
冷却工程の繰り返し回数は、はんだ接合を行う基材等の特性等により適宜決定することができるが、繰り返し回数が多くなると、接合強度が低下する傾向にあるため、極端に回数を多くするのは望ましくない。また、繰り返し時の冷却条件は、同じでもよいし、異なってもよい。
【００２３】
合金の成分組成は、Ｃｕ０．３〜７．６重量％、残部がＳｎ及び不可避不純物であってよい。つまり、残部は実質的にＳｎが９９．７〜９２．４重量％で微量の不可避不純部を含み得る。Ｃｕの含量が０．３重量％未満である場合、良好なはんだ接合部を形成することができなくなる傾向にある。７．６重量％を超えると、Ｃｕ３Ｓｎ金属間化合物も形成され、Ｃｕ６Ｓｎ５の生成量が相対的に低下する。そのため、本発明を適用する意義が低下する。
【００２４】
合金には、Ｃｕ６Ｓｎ５の生成を大きく阻害しなければ、ＳｎとＣｕ以外に他の金属を含んでもよい。このような金属元素としては、例えば、Ａｇ、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｍｎ、Ｉｎ等が挙げられる。これらは、１種含んでもよいし、２種以上含んでもよい。なお、Ｎｉを０．０３重量％より多く含むと前述のような冷却工程を経ることなく良好な接合部を形成可能である。そのため、前述の冷却工程を意義あらしめる観点からは、Ｎｉの含量は、０．０３重量％以下が望ましく、０．０２重量％以下がより好ましい。
【００２５】
以上のような実施形態に係るはんだ接合部の製造方法は、Ｓｎ−Ｃｕはんだ合金やＣｕ６Ｓｎ５の生成を大きく阻害しない他の金属を含むＳｎ−Ｃｕ系はんだ合金を用いて行われる各種のはんだ付けにおいて好適に適用可能である。
【実施例】
【００２６】
実施例により、本願発明の実施形態をより詳細に説明する。
【００２７】
（試験例１ａ〜４ｃ）
＜はんだ接合部の製造＞
Ｃｕが０．７重量％、残部がＳｎと不可避不純物であるＳｎ−０．７Ｃｕ合金（株式会社日本スペリア社製、ＳＣ０７）を用い、粒子径５００μｍのはんだボールを作製した。銅箔基板の実装箇所に「フラックスＲＭ−５」（株式会社日本スぺリア製）を塗布した後、はんだボールを搭載した。リフロー装置（Ｍａｎｎｃｏｒｐ社製、ＢＴ３００）を用いて、窒素雰囲気下で、以下の温度履歴となるようにはんだ接合部の製造を行った。
【００２８】
その後、室温から約５分間で約２４０℃まで昇温した後、表１のような条件で冷却した。リフローを繰り返す場合は、常温まで冷却後、同様の操作を繰り返した。常温に冷却後、ＩＰＡ（イソプロピルアルコール）にて洗浄して、フラックスを除去後、後述する評価を行った。尚、各条件において、はんだボールは２０箇所に実装し、それぞれ下記の評価を行った。また、表１より、試験例１〜４の１６０〜１３７℃の経過時間はそれぞれ、９５ｓ、１５５ｓ、１７４ｓ、３０５ｓである。
【００２９】
【表１】
2020066041.tif 000002
【００３０】
＜評価＞
各試験例１ａ〜４ｃで得られたはんだ接合部２０箇所をインパクトシェア試験機（ＤＡＧＥ社製  ４０００ＨＳ）にセットし、２，０００ｍｍ／秒でのせん断負荷応力を測定した。せん断負荷応力の最大値の平均値を接合強度とした。評価結果を図２に示す。図２には、接合強度の結果（図２ａ）と、冷却工程を１回行った時の接合強度に対する変化率の算出結果（図２ｂ）を示した。
【００３１】
（試験例５ａ〜８ｃ）
はんだ合金を、Ｃｕが０．５重量％、Ａｇが３．０重量％、残部がＳｎと不可避不純物であるＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ合金（株式会社日本スペリア社製、ＳＡＣ３０５）を用いた以外は、それぞれ試験例１ａ〜４ｃと同様にしてはんだ接合部を製造し、評価を行った。評価結果を図３ａ、ｂに示す。
【００３２】
図２、３から分かるように、所定の条件を満たす冷却工程（試験例２〜４）を行うことで、冷却工程を１回のみを行った場合に比べて、複数回行った場合の接合強度の低下を抑制することが可能であることが分かる。
【図１】
2020066041.tif 000003
【図２】
2020066041.tif 000004
【図３】
2020066041.tif 000005