(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子構造体を形成する方法であって、
基板を準備する工程と、
はんだ付けを達成する結合はんだを用いることなく無鉛はんだ部材を前記基板にはんだ付けする工程と
を備え、
前記はんだ部材が約３重量％〜約１５重量％のアンチモンを含有する錫−アンチモン合金を含んでおり、
前記はんだ付け工程が
前記はんだ部材をリフローする工程
を備え、
さらに、
第２の基板を準備する工程と、
無鉛結合はんだを用いて前記はんだ部材を前記第２の基板にはんだ付けする工程と
を備え、
前記はんだ部材を前記第２の基板にはんだ付けする前記工程が、
前記はんだ部材を溶融させる工程
を備えている、
方法。
【請求項２】
前記はんだ部材を前記第２の基板にはんだ付けする前記工程が、
前記錫−アンチモン合金と前記結合はんだとを混合させる工程
を備えている、
請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電子モジュール（たとえばセラミック・ボール・グリッド・アレイ・モジュールまたはプラスチック・ボール・グリッド・アレイ・モジュール）を回路基板にはんだ付けする方法と構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子モジュール（たとえばセラミック・ボール・グリッド・アレイ・モジュールまたはプラスチック・ボール・グリッド・アレイ・モジュール）は通常、鉛含有はんだ相互接続によって回路カードに接続している。
あいにく、鉛は有毒でるあとともに環境にとって有害である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
したがって、電子モジュールを回路カードに高信頼に接続する無鉛（鉛フリー）のはんだ相互接続構造体が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
したがって、本発明は第１の側面で次に示す電子構造体を形成する方法を提供する。
電子構造体を形成する方法であって、
基板を準備する工程と、
はんだ付けを達成する結合はんだを用いることなく無鉛はんだ部材を前記基板にはんだ付けする工程と
を備え、
前記はんだ部材が約３重量％〜約１５重量％のアンチモンを含有する錫−アンチモン合金を含んでいる
方法。
【０００５】
前記錫−アンチモン合金は約５重量％〜約１０重量％のアンチモンを含有しているのが望ましい。
【０００６】
前記はんだ付け工程は
前記はんだ部材をリフローする工程
を備えているのが望ましい。
【０００７】
前記はんだ付け工程によって前記はんだ部材の高さが約２５％〜約３０％低下するのが望ましい。
【０００８】
前記基板はセラミック・ボール・グリッド・アレイ（ＣＢＧＡ）モジュールまたはプラスチック・ボール・グリッド・アレイ（ＰＢＧＡ）モジュールであるのが望ましい。
【０００９】
前記基板は半導体チップであるのが望ましい。
【００１０】
本発明は次に示す電子構造体を形成する方法を提供する。
第１の基板および第２の基板を準備する工程と、
はんだ付けを達成する結合はんだを用いることなく無鉛はんだ部材を前記第１の基板にはんだ付けする工程と、
無鉛結合はんだを用いて前記はんだ部材を前記第２の基板にはんだ付けする工程と
を備え、
前記はんだ部材が約３重量％〜約１５重量％のアンチモンを含有する錫−アンチモン合金を含んでいる
方法。
【００１１】
前記錫−アンチモン合金は約５重量％〜約１０重量％のアンチモンを含有しているのが望ましい。
【００１２】
前記はんだ部材を前記第２の基板にはんだ付けする前記工程は、
前記結合はんだの液化温度を超え前記電子構造体のいかなる部分にも損傷を与えない最高温度未満の温度で前記結合はんだをリフローする工程
を備えているのが望ましい。
【００１３】
前記はんだ部材を前記第２の基板にはんだ付けする前記工程は、
前記結合はんだの液化温度を超え約２５０℃未満の温度で前記結合はんだをリフローする工程
を備えているのが望ましい。
【００１４】
前記はんだ部材を前記第２の基板にはんだ付けする前記工程は、
前記結合はんだの液化温度を超え前記電子構造体のいかなる部分にも損傷を与えない最高温度未満の温度で前記結合はんだをリフローする工程
を備えているのが望ましい。
【００１５】
前記結合はんだは、
約９５．５〜９６．０重量％の錫、約３．５〜４．０重量％の銀、および約０．５〜１．０重量％の銅を含む錫−銀−銅合金
を含んでいるのが望ましい。
【００１６】
前記はんだ部材を前記第２の基板にはんだ付けする前記工程は、
約２３０℃〜約２５０℃の温度で前記結合はんだをリフローする工程
を備えているのが望ましい。
【００１７】
前記はんだ部材を前記第２の基板にはんだ付けする前記工程は、
前記はんだ部材を溶融させる工程
を備えているのが望ましい。
【００１８】
前記はんだ部材を前記第２の基板にはんだ付けする前記工程は、
前記錫−アンチモン合金と前記結合はんだとを混合させる工程
を備えているのが望ましい。
【００１９】
前記はんだ部材を前記第２の基板にはんだ付けする前記工程は、
前記はんだ部材を溶融させる工程
を備えていないのが望ましい。
【００２０】
前記はんだ部材を前記第２の基板にはんだ付けする前記工程は、
前記錫−アンチモン合金と前記結合はんだとを混合させる工程
を備えていないのが望ましい。
【００２１】
前記第１の基板はセラミック・ボール・グリッド・アレイ（ＣＢＧＡ）モジュールまたはプラスチック・ボール・グリッド・アレイ（ＰＢＧＡ）モジュールであるのが望ましい。
【００２２】
前記第１の基板は半導体チップであるのが望ましい。
【００２３】
本発明は第２の側面として次に示す電子構造体を提供する。
基板と、
前記基板にはんだ付けされた無鉛はんだ部材であって、前記はんだ部材と前記基板との間に結合はんだが存在しない、無鉛はんだ部材と
を備えた電子構造体であって、
前記はんだ部材が約３重量％〜約１５重量％のアンチモンを含有する錫−アンチモン合金を含んでいる
電子構造体。
【００２４】
前記錫−アンチモン合金は約５重量％〜約１０重量％のアンチモンを含有しているのが望ましい。
【００２５】
前記基板はセラミック・ボール・グリッド・アレイ（ＣＢＧＡ）モジュールまたはプラスチック・ボール・グリッド・アレイ（ＰＢＧＡ）モジュールであるのが望ましい。
【００２６】
前記基板は半導体チップであるのが望ましい。
【００２７】
本発明は次に示す電子構造体を提供する。
第１の基板と、
第２の基板と、
前記第１の基板にはんだ付けされた無鉛はんだ部材であって、前記はんだ部材と前記第１の基板との間に結合はんだが存在しない、無鉛はんだ部材と
を備え、
前記はんだ部材が約３重量％〜約１５重量％のアンチモンを含有する錫−アンチモン合金を含んでおり、
前記はんだ部材が無鉛結合はんだを用いて前記第２の基板にはんだ付けされている
電子構造体。
【００２８】
前記錫−アンチモン合金は約５重量％〜約１０重量％のアンチモンを含有しているのが望ましい。
【００２９】
前記錫−アンチモン合金は前記結合はんだと混合しているのが望ましい。
【００３０】
前記錫−アンチモン合金は前記結合はんだと混合していないのが望ましい。
【００３１】
前記結合はんだは、
約９５．５〜９６．０重量％の錫、約３．５〜４．０重量％の銀、および約０．５〜１．０重量％の銅を含む錫−銀−銅合金
を含んでいるのが望ましい。
【００３２】
前記第１の基板はセラミック・ボール・グリッド・アレイ（ＣＢＧＡ）モジュールまたはプラスチック・ボール・グリッド・アレイ（ＰＢＧＡ）モジュールであるのが望ましい。
【００３３】
前記第１の基板は半導体チップであるのが望ましい。
【００３４】
本発明は電子モジュールを回路カードに高信頼に結合する無鉛はんだ相互接続構造体を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
図１は本発明の実施形態による、電子モジュール１２上に無鉛はんだボール１６を備えた電子構造体の前方断面図である。電子モジュール１２には、セラミック・ボール・グリッド・アレイ（ＣＢＧＡ）・モジュールまたはプラスチック・ボール・グリッド・アレイ（ＰＢＧＡ）・モジュールなどのチップ・キャリアがある。無鉛はんだボール１６は約３重量％〜約１５重量％のアンチモンを含む錫（すず）−アンチモン（Ｓｎ／Ｓｂ）合金を含んでいる。はんだボール１６は電子モジュール１２上に設けられた導電性パッド３２にはんだ付けされている。はんだボール１６の電子モジュール１２へのはんだ付けは、はんだボール１６中の錫−アンチモン合金の液化温度を超えるリフロー温度ではんだボール１６をリフローすることにより行う。はんだボール１６のリフローはリフロー炉内での加熱など、当業者に知られた方法で行う。はんだボール１６は、電子モジュール１２にはんだ付けする前には符号２６方向の初期高さＨ0 を有するが、電子モジュール１２にはんだ付けした後にはＨ1 の高さまで低くなる（すなわちＨ1 ＜Ｈ0 ）。なぜなら、はんだボール１６をリフローしている間にはんだボール１６の材料が導電性パッド３２上を拡散するからである。
【００３６】
下に示す表１には、様々な錫−アンチモン合金（すなわちＳｎ／Ｓｂ合金）の液化温度と固化温度が示されている。定義的に述べると、はんだの固化温度とはその温度未満になると当該はんだが全体的に固体になる温度のことである。はんだの液化温度とはその温度を超えると当該はんだが全体的に液体になる温度のことである。あるはんだが有限温度範囲で溶融する合金を含んでいる場合、当該はんだの固化温度は液化温度より低い。表１を参照すると、３重量％、５重量％、１０重量％、１５重量％のアンチモンを含有する錫−アンチモン合金の液化温度はそれぞれ２３８℃、２４０℃、２４６℃、２８０℃である。
【００３７】
【表１】
0003689407.tif 000002
【００３８】
留意点を挙げると、三酸化アンチモンは有毒である。したがって、はんだボール１６中で使用する錫−アンチモン合金中にアンチモンが存在し、電子構造体１０の製造とともに三酸化アンチモンが生成される傾向があるとすると、健康上の懸念が生じる。それにもかかわらず、アンチモンを約５５０℃未満の温度で酸化しても三酸化アンチモンは生成されない。１５重量％のアンチモンを含む錫−アンチモン合金を使用する最悪の場合であって、液化温度である２８０℃より２０℃高い温度でリフローを行う場合でさえ、はんだボール１６中の錫−アンチモン合金をリフローするのに要する温度は高々３００℃である。したがって、はんだボール１６の錫−アンチモン合金中にアンチモンを使用しても、はんだボール１６を電子モジュール１２にはんだ付けする間に三酸化アンチモンが生成される危険性は実質的にない。
【００３９】
図１を参照すると、はんだボール１６は当該はんだボール１６と電子モジュール１２との間に結合はんだ（たとえばはんだペースト〔ソルダー・ペースト〕）を介在させることなく、電子モジュール１２にはんだ付けする。はんだボール１６の電子モジュール１２へのはんだ付けは、当業者に知られているように、フラックスを使用して行うことができる。フラックスを使用すると、導電性パッド３２の表面３３から表面酸化物と表面汚染を除去しうるとともに、リフロー前に導電性パッド３２を加熱するときに表面３３が再酸化されるのを防止しうる。したがって、フラックスを使用すると、リフロー温度における液体はんだボール１６との濡れ性が向上する。たとえば、Ｄ・Ｐ・セラフィムら著「電子パッケージングの原理」（第５９１〜５９４頁、マグロウヒル・インク、１９８９年）（D. P. Seraphim et al., "Principle of Electronic Packaging," pages 591-594, McGraw-Hill, Inc., 1989）のフラックス使用の議論を参照されたい。図１には、はんだボール１６の電子モジュール１２へのはんだ付けとともに液体フラックス２０が示されている。当業者に知られた任意の好適なフラックス、たとえば低粘性のフラックス、ペースト状で高粘性のフラックス、および半固体のフラックスを用いることができる。上述したはんだ付けの結果、はんだボール１６は図２に示すように電子モジュール１２にはんだ付けされる。
【００４０】
図１のはんだボール１６を溶融させはんだ付けして図２の構造体を形成すると、はんだボール１６のはんだが導電性パッド３２上を拡散する。そして上述したように、はんだボール１６の始めの高さＨ0 はリフローの結果、Ｈ1 に低くなる。たとえば、始めに直径が８．８９×１０-2ｃｍ（＝３５ミル）（すなわちＨ0 ＝８．８９×１０-2ｃｍ（＝３５ミル））の図１に示す球形のはんだボール１６は、はんだ付けをすると、（図２のはんだボール１６のはんだバンプ形状のように）高さがＨ1 に低くなった半球形状になる。Ｈ1 は一般に球状はんだボール１６の初期直径と導電性パッド３２の表面積に依存する設計パラメータである。Ｈ0 ＝８．８９×１０-2ｃｍ（＝３５ミル）の特定の場合におけるＨ1 の計測値は、約６．４７７×１０-2ｃｍ（＝２５．５ミル）であった。８．８９×１０-2ｃｍから６．４７７×１０-2ｃｍへの高さの減少は、高さがＨ0 からＨ1 へ約２７％減少することを意味する。高さのＨ0 からＨ1 への減少率の代表値は約２５％〜３０％の範囲にある。
【００４１】
結合はんだを介在させることなくはんだボール１６を電子モジュール１２にはんだ付けする本発明に係る方法は、ＣＢＧＡ用に使用される関連技術の方法の範囲外である。関連技術の方法を用いると、直径８．８９×１０-2ｃｍの球状のはんだボール１６は、導電性パッド３２上に設けられた低融点の結合はんだのリフローによってＣＢＧＡと結合してしまう。関連技術の方法の場合、低融点の結合はんだがはんだボール１６が溶融しない温度でリフローするから、はんだボール１６に付随するはんだバンプの高さは（はんだボール１６をＣＢＧＡにはんだ付けしたあとも）初期の８．８９×１０-2ｃｍのままである（すなわちＨ1 ＝Ｈ0 ）。関連技術の方法にははんだバンプの高さＨ1 が本発明の好適な実施形態の方法よりも高いという利点があるが、本発明の好適な実施形態の方法には複雑でないという利点がある。
【００４２】
図３は図２において無鉛結合はんだ（joiner solder)２２を用いて（すなわちリフローして）回路カード３０上に設けられた導電性パッド３４にはんだボール１６をはんだ付けすることにより、電子モジュール１２を回路カード３０に結合させた状態を示す図である。無鉛結合はんだ２２としては、任意の無鉛はんだを用いることができる。また、（後述する）試験は、９５．５Ｓｎ／３．８Ａｇ／０．７Ｃｕ（すなわち９５．５重量％の錫（Ｓｎ）、３．８重量％の銀（Ａｇ）、および０．７重量％の銅（Ｃｕ））を含む結合はんだ２２を使用する場合を示している。したがって、結合はんだ２２中に含まれる有益な種類の合金は表１に示す錫−銀−銅合金（すなわち約９５．５〜９６．０重量％の錫、約３．５〜４．０重量％の銀、および約０．５〜１．０重量％の銅を含む錫−銀−銅合金）である。表１には特定の錫−銀−銅合金の固化温度および液化温度が示されている。また、表１には列挙したすべての錫−銀−銅合金の液化温度が約２１７℃であることも示されている。
【００４３】
結合はんだ２２をリフローしてはんだボール１６を回路カード３０にはんだ付けするには、リフロー温度（ＴREFLOW）を結合はんだ２２の液化温度（ＴL,JOINER）よりも高い温度にする。すなわち、ＴREFLOW＞ＴL,JOINER。リフロー温度の空間分布における不確実性と不均一性に対する手段を講じるため、および結合はんだ２２の空間的な不均質性を考慮に入れるために、リフロー温度ＴREFLOWに対して控えめに温度裕度ΔＴを選定する。すなわち、ＴREFLOW＝ＴL,JOINER＋ΔＴ。ΔＴは任意の値に選定しうるが、１０〜２５℃が代表的な範囲である。所望の裕度ΔＴはすべて本発明の範囲内である。上述した特定の錫−銀−銅合金種の場合、表１によればＴL,JOINERは約２１７℃である。したがって、上述した錫−銀−銅合金種の場合、ＴREFLOWは２１７℃のちょっと上という低さであるが、控えめに少なくとも２３０℃や２３５℃などに選定する。
【００４４】
リフロー温度ＴREFLOWははんだボール１６の溶融特性を考慮して選定する。なぜなら、ＴREFLOWがはんだボール１６の固化温度ＴS,BALLよりも低いと、結合はんだ２２がリフローしている間にはんだボール１６は溶融することができないからである。結合はんだ２２がリフローしている間にはんだボール１６が溶融する場合、結合はんだ２２がリフローしている間にはんだボール１６が溶融する結果、結合はんだ２２のリフローによって電子モジュール１２と回路カード３０との間の高さＨ1 が符号２６方向にΔＨ1 だけさらに低くなる。この高さのさらなる低下ΔＨ1 は溶融したはんだボール１６に作用する電子モジュール１２の重さに起因する。上述した点をまとめると、回路カード３０にはんだ付けしたあとのはんだボールの最終高さＨはＨ1 −ΔＨ1 である。ただし、ＴREFLOW＜ＴS,BALLの場合はΔＨ1 ＝０であり、ＴREFLOW≧ＴS,BALLの場合はΔＨ1 ＞０である。
【００４５】
はんだボール１６の高さが初期高さＨ0 に比べてたとえばＨ0 −Ｈ1 、ΔＨ1 、またはＨ0 −Ｈ1 ＋ΔＨ1 だけ低くなると、熱遷移たとえば熱試験や実稼働の間にはんだボール１６にかかる剪断（せんだん）ひずみが増大する。剪断ひずみは１／Ｈに比例するが、電子モジュール１２の熱膨張率（ＣＴＥ）と回路カード３０のＣＴＥとの間の不一致の結果である。たとえば、回路カードのＣＴＥが約１４〜２２ｐｐｍ／℃の範囲であるのに対して、セラミック・チップ・キャリアを備えた電子モジュール１２のＣＴＥは約６〜１１ｐｐｍ／℃の範囲である。また、有機チップ・キャリアを備えた電子モジュール１２のＣＴＥは約６〜２４ｐｐｍ／℃の範囲である。剪断ひずみが大きくなるのにつれて、はんだボール１６の導電性パッド３４への被着の熱疲労寿命（ＴＦＬ）が短くなる。ＴＦＬは（１／剪断ひずみ）2 に比例する。すなわち、ＴＦＬはＨ2 に比例する。したがって、結合はんだ２２のリフローの間にはんだボール１６が溶融しない場合には、結合はんだ２２のリフローの間にはんだボール１６が溶融する場合よりもＴＦＬが長くなる。留意点を挙げると、結合はんだ２２のリフローの間にはんだボール１６が溶融する場合であっても、一般にΔＨ1 はＨ0 −Ｈ1 よりも小さい。たとえば、Ｈ0 ＝８．８９×１０-2ｃｍ（＝３５ミル）の場合、Ｈ1 は約６．４７７×１０-2ｃｍ（＝２５．５ミル）であり、ΔＨ1 は約５．０８×１０-3ｃｍ（＝２．０ミル）〜８．８９×１０-3ｃｍ（＝３．５ミル）である。これらの値は電子モジュール１２の重さに依存する（５．０８×１０-3ｃｍ（＝２．０ミル）と８．８９×１０-3ｃｍ（＝３．５ミル）はそれぞれ、下に示す表２の厚さ１．５ｍｍのＣＢＧＡモジュールと厚さ２．９ｍｍのＣＢＧＡモジュールを使用した場合の断面計測値に対応している）。したがって、リフロー温度をはんだボール１６の固化温度未満に制限するのが望ましい。また、温度が十分に高いと、電子構造体１０の一部たとえば回路カード３０の電子デバイスまたは電子素子などが損傷される。したがって、リフロー温度は電子構造体１０のどの部分にも損傷を与えない最高温度未満に維持する。電子構造体１０のどの部分にも損傷を与えない最高温度は場合にもよるが、特に約２５０℃である。したがって、リフロー温度の有益な範囲は、特に約２３０℃〜約２５０℃である。
【００４６】
表１が示すところによれば、錫−アンチモン（Ｓｎ／Ｓｂ）合金でアンチモンの含有量が３重量％〜１５重量％の範囲の場合、ＴS,BALLは２３３〜２４６℃の範囲である。したがって、はんだボール１６はリフローの間に溶融しないのは、錫−アンチモン合金においてアンチモンの含有量が３重量％、５重量％、１０重量％、１５重量％であり、ＴREFLOWがそれぞれ２３３℃未満、２３４℃未満、２４５℃未満、２４６℃未満の場合である。留意点を挙げると、アンチモンを１０重量％含有する錫−アンチモン合金のＴS,BALL（２４５℃）は、アンチモンを１５重量％含有する錫−アンチモン合金のＴS,BALLである２４６℃より１℃低いだけである。それにもかかわらず、Ｓｎ／Ｓｂ比が増大すると（すなわち含有アンチモンの重量パーセントが減少すると）、構造上の特性（たとえば脆〔ぜい〕性）が良好になる。したがって、はんだボール１６の錫−アンチモン合金においては、アンチモンを１５重量％含有するものよりアンチモンを１０重量％含有するものを使用するほうが望ましい。以上の結果、錫−アンチモン合金において好ましいアンチモンの重量パーセントは約５〜１０％、または約３〜１０％である。
【００４７】
下に示す表２には、様々な溶融はんだ構造体のＴＦＬ試験の結果が示されている。この試験によって、図３に示す電子構造体１０に似た電子構造体のＴＦＬを、はんだボール１６の材料と結合はんだ２２の材料の様々な実施形態（ケース＃１、ケース＃２、ケース＃３、ケース＃４として示す）について確認した。ケース＃１とケース＃２は鉛含有はんだを含んでいるから、本発明の範囲外である。ケース＃１はＴＦＬについてケース＃２、ケース＃３、ケース＃４の比較対象となる参照ケースとして用いた。ケース＃２はＴＦＬについてケース＃１、ケース＃３、ケース＃４の比較対象としてのみ使用した。回路カード３０は６個の電子モジュール１２を搭載していた。６個の電子モジュールの各々は２５×２５個のはんだボール１６ジョイントを備えたセラミック・ボール・グリッド・アレイ（ＣＢＧＡ）を備えていた。上記２５×２５個のはんだボール１６ジョイントは回路カード３０上に設けられ対応する２５×２５個の導電性パッド３４上に設けられた結合はんだ２２（すなわちはんだペースト）とそれぞれ接合した。したがって、回路カード３０上のはんだジョイントの合計個数は３７５０（すなわち６×２５×２５）であった。２種類の厚さ（すなわち１．５ｍｍと２．９ｍｍ）のＣＢＧＡを試験した。
【００４８】
表２に列挙した試験のすべてについて、電子モジュール１２にはんだ付けする前のはんだボール１６の厚さは８．８９×１０-2ｃｍ（＝３５ミル）であった（すなわちすべての試験についてＨ0 ＝８．８９×１０-2ｃｍ（＝３５ミル）であった）。ケース＃１の場合、はんだボール１６ははんだペーストで電子モジュール１２に溶融することなくはんだ付けしたあとも、また６３Ｓｎ／３７Ｐｂはんだペーストで回路カード３０に結合したあとも８．８９×１０-2ｃｍ（＝３５ミル）の直径を維持して球形のままであった（すなわちＨ＝Ｈ1 ＝Ｈ0 ）。ケース＃２、ケース＃３、ケース＃４は各々、はんだボール１６を電子モジュール１２にはんだ付けする間に、Ｈ1 ┤６．４７７×１０-2ｃｍ（＝２５．５ミル）になるようにはんだボール１６が溶融した。また、ケース＃２、ケース＃３、ケース＃４では、はんだボール１６を回路カード３０にはんだ付けする間に、１．５ｍｍ厚のＣＢＧＡモジュールを使用した場合にはΔＨ1 ┤５．０８×１０-3ｃｍ（＝２．０ミル）に、２．９ｍｍ厚のＣＢＧＡモジュールを使用した場合にはΔＨ1 ┤８．８９×１０-3ｃｍ（＝３．５ミル）になるようにはんだボール１６が溶融した。
【００４９】
【表２】
0003689407.tif 000003
【００５０】
表２にまとめた試験には、連続熱サイクルが含まれていた。各熱サイクルは０℃から１００℃への１５分間の遷移と１００℃から０℃への１５分間の遷移とを含む３０分間であった。０℃から１００℃への遷移には、０℃から１００℃近辺への１２．５分間かけた接近とそれに続く１００℃への漸近接近すなわち緩やかな接近とが含まれていた。また、１００℃から０℃への遷移には、１００℃から０℃近辺への１２．５分間かけた接近とそれに続く０℃への漸近接近すなわち緩やかな接近とが含まれていた。
【００５１】
試験はケース＃１、ケース＃２、ケース＃３、ケース＃４の各々について、３個の回路カード、１個の回路カード当り６個のモジュール、合計１８個のモジュールで開始した。すべてのケース（すなわちケース＃１、ケース＃２、ケース＃３、ケース＃４）について、３０分間の各試験サイクルでは上述したように、０℃から１００℃または１００℃から０℃への熱サイクルに１８個のモジュールをすべてさらした。各モジュールは６２５個のはんだジョイントを備えていた。これら６２５個のはんだジョイントは半径中心（「中点」）から環状に分布しており、各環のはんだジョイントは中点からの距離（「ＤＮＰ」）がほぼ同じになるように分布していた。各環のはんだジョイントは縫い目パターンを形成するように互いに接続されていた。最外周の７個の環の各々について、２点電気抵抗測定を行った。この２点電気抵抗測定は熱サイクル前、そして１００サイクル後、２００サイクル後、および３００サイクル後に行った。モジュール中の少なくとも１つの環の電気抵抗を測定した結果、少なくとも１００オーム増加していたら、当該モジュールは故障したものと判定した。各抵抗測定の後、ＮFAILED／ＮTOTAL として故障確率を算出した。ただし、ＮTOTAL は試験したモジュールの総数（すなわち１８）であり、ＮFAILEDは抵抗測定の結果、故障と判定されたモジュールの個数である。次いで、ＮFAILED／ＮTOTAL 対ｌｏｇ10ＮCYCLESをプロットし、および／または作表して「故障曲線」を作成した。（「Ａおよび／またはＢ」は「ＡおよびＢ、Ａ、またはＢ」を表わす。）ただし、ＮCYCLESは最後の抵抗測定を行った時点のサイクル数である。故障曲線（すなわちＮFAILED／ＮTOTAL 対ｌｏｇ10ＮCYCLES）を対数正規分布としてモデル化してＮ５０を算出した。ただし、Ｎ５０とは５０％以上のモデルが故障しているサイクル数のことである。このように、故障曲線からＮ５０を統計的に抽出した。表２に基づく解析では、Ｎ５０をＴＦＬの指標として用いた。留意点を挙げると、表２のＴＦＬはケース＃１のＴＦＬが１．０をとるように正規化されている。したがって、ケース＃１はケース＃２、ケース＃３、ケース＃４のＴＦＬを比較する際に依拠する基準として機能する。
【００５２】
表２において、ケース＃１でははんだボール１６に融点が約３１０℃の高融点９０Ｐｂ／１０Ｓｎ合金を、結合はんだ２２に融点が約１８３℃の低融点の６３Ｓｎ／３７Ｐｂ共晶合金を使用している。したがって、はんだボール１６を溶融させることなく結合はんだ２２をリフローさせるのに選定しうる温度範囲がきわめて広い。それゆえ、ケース＃１の熱疲労寿命（ＴＦＬ）は許容しうるものであるから、ケース＃２、ケース＃３、ケース＃４を比較する際の基準として機能しうるように、１．０に正規化した。また、ケース＃１ははんだボール１６と結合はんだ２２が異なる温度で溶融する点で二重溶融ケースを代表している。平均ピーク・リフロー温度（＜ＴPK＞）はケース＃１とケース＃２では２１５℃、ケース＃３とケース＃４では２４０℃であった。したがって、表１の固化温度と液化温度に基づくと、ケース＃２、ケース＃３、ケース＃４では結合はんだ２２のリフロー中にはんだボール１６が溶融していた。それゆえ、結合はんだ２２のリフローの結果、はんだボール１６の高さは厚さ２．９ｍｍの厚いＣＢＧＡモジュールでは６．４７７×１０-2ｃｍ（＝２５．５ミル）から５．５８８×１０-2ｃｍ（＝２２ミル）に低下（すなわち初期高さである８．８９×１０-2ｃｍ（＝３５ミル）からは３７％の減少）し、１．５ｍｍＣＢＧＡモジュールでは６．４７７×１０-2ｃｍ（＝２５．５ミル）から５．９６９×１０-2ｃｍ（＝２３．５ミル）に低下（すなわち初期高さである８．８９×１０-2ｃｍ（＝３５ミル）からは３３％の減少）した。
【００５３】
ケース＃２とケース＃３ははんだボール１６と結合はんだ２２が同じ温度で溶融する単一溶融ケースである。なぜなら、ケース＃２とケース＃３の各々で、はんだボール１６と結合はんだ２２は同じ合金を含んでいるからである。ケース＃２では融点が１８３℃の６３Ｓｎ／３７Ｐｂ共晶合金を使用し、ケース＃３では融点が２１７℃の９５．５Ｓｎ／３．８Ａｇ／．７Ｃｕ合金を使用している。ケース＃２の電子構造体１０の熱疲労寿命（ＴＦＬ2 ）は厚さ１．５ｍｍのＣＢＧＡモジュールと厚さ２．９ｍｍのＣＢＧＡモジュールの場合、それぞれＴＦＬ1 の３８％と３５％にすぎない。また、ケース＃３の電子構造体１０の熱疲労寿命（ＴＦＬ3 ）は厚さ１．５ｍｍのＣＢＧＡモジュールと厚さ２．９ｍｍのＣＢＧＡモジュールの場合、それぞれＴＦＬ1 の７６％と６９％にすぎない。上述したように、ＣＢＧＡモジュールの厚さに対してＴＦＬ2 とＴＦＬ3 がばらつくのは純粋に統計的なものであり、実質的な有意性はない。
【００５４】
ケース＃４は二重溶融のケースである。すなわち、はんだボール１６は９５Ｓｎ／５Ｓｂ合金を含んでおり、結合はんだ２２は液化温度が２１７℃の９５．５Ｓｎ／３．８Ａｇ／．７Ｃｕ合金を含んでいる。ケース＃２およびケース＃３と顕著に異なる点として、ケース＃４の熱疲労寿命（ＴＦＬ4 ）は１．５ｍｍ厚のＣＢＧＡモジュールと２．９ｍｍ厚のＣＢＧＡモジュールの場合、それぞれＴＦＬ1 の９０％と９３％である。ケース＃２およびケース＃３の場合と同様に、ＣＢＧＡモジュールの厚さに対するＴＦＬ4 の上述したばらつきは純粋に統計的なものであり、実質的な有意性はない。ケース＃４が示すところによれば、はんだボール１６がＣＢＧＡモジュールの製造（図２参照）および回路カードの組み立てのの双方の間に溶融し、合計高さが初期高さのＨ0 ＝８．８９×１０-2ｃｍ（＝３５ミル）から最終高さＨ＝約５．５８８×１０-2ｃｍ（＝２２ミル）〜約５．９６９×１０-2ｃｍ（＝２３．５ミル）に低下するにもかかわらず、ケース＃４の熱疲労寿命ＴＦＬ4 は基準であるＴＦＬ1 とほぼ等しい。ケース＃４の場合、もしはんだボール１６が２回目（すなわち結合はんだ２２のリフローの間）に溶融しなければ、ＴＦＬ4 は上述した０．９０〜０．９３という値を超えるものと期待される。はんだボール１６が結合はんだ２２のリフローの間に溶融しないようにするには、たとえば結合はんだ２２を２３４℃未満でリフローさせる、あるいははんだボール１６に９０Ｓｎ／１０Ｓｂ合金を使用し結合はんだ２２のリフローを２４５℃未満で行う、などの方法をとる。上述の期待にもかかわらず、ケース＃４のＴＦＬ4 という結果（これは本発明の実施形態を示す）は満足できるものである。それは、はんだボール１６が結合はんだ２２のリフローの間に溶融するか否かにかかわらず、ケース＃４で基準熱疲労寿命ＴＦＬ1 の９０〜９３％を維持できるかぎり、満足できるものである。これは、合計高さがはんだボール１６の初期高さ（８．８９×１０-2ｃｍ（＝３５ミル））から３３％〜３７％も低下することに鑑みれば予期せぬ有利な結果である。
【００５５】
もしＴＦＬを正規化せずに絶対的な観点で（すなわち電子構造体１０が故障するまでのサイクル数の観点で）表わすべきだとしたら、厚さ２．９ｍｍの厚いＣＢＧＡモジュールのＴＦＬは厚さ１．５ｍｍの薄いＣＢＧＡモジュールのＴＦＬより短くなる。なぜなら、ＣＢＧＡモジュールが厚くなると、ＣＢＧＡモジュールは堅くなり、薄くて柔軟性のあるＣＢＧＡモジュールより剪断応力に対する抵抗が小さくなるからである。このような事情があるにもかかわらず、表２が示すところによれば、ＴＦＬは正規化形式で表わすと、ＣＢＧＡモジュールの厚さに敏感ではない。したがって、ケース＃４を本発明の実施形態として用いることによる利点は、他のはんだ組成とは対照的に、ＣＢＧＡモジュールの厚さと無関係であるという点である。
【００５６】
上述したように、リフロー温度がはんだボール１６の固化温度未満の場合、はんだボール１６は結合はんだ２２のリフロー中に溶融しない。リフロー温度がはんだボール１６の固化温度超、液化温度未満の場合、はんだボール１６はリフロー中に部分的に溶融する。リフロー温度がはんだボール１６の液化温度を超える場合、はんだボール１６はリフロー中に完全に溶融し、さらに図４に示すように、はんだボール１６の液化した材料が結合はんだ２２の材料と混合する。
【００５７】
図４は表２のケース＃４の場合に図３のはんだボール１６の材料と図３の結合はんだ２２の材料とが混合した画像４０を示す図である。この画像４０に示すものは回路基板３０の導電性パッド３４上に形成されている。図４の画像４０において、はんだボール１６と結合はんだ２２とを見分けることはできない。画像４０ははんだボール１６の材料と結合はんだ２２の材料とが混合する様子を示している。このような混合は結合はんだ２２のリフロー中にはんだボール１６を溶融させることにより実現することができる。逆に、結合はんだ２２のリフロー中にはんだボール１６が溶融しなければ、はんだボール１６の材料と結合はんだ２２の材料とは混合しない。
【００５８】
この開示では、本発明の好適な実施形態の無鉛はんだボール１６と無鉛結合はんだ２２の有用性を説明した。ここでは無鉛はんだボール１６を錫−アンチモン合金を含むものとして説明したが、無鉛はんだボール１６は他の材料たとえば特に銅、ビスマス、亜鉛、銀、およびニッケルなどを少量または微量含んでいてもよい。
【００５９】
ここでは説明目的に本発明の実施形態を説明したが、多くの変更と変形をなしうることは当業者にとって明らかである。
【００６０】
図１〜図３でははんだボール１６をはんだボールと称したが、はんだボール１６はここで説明した電子モジュール１２や回路カード３０へのはんだボール１６のはんだ付けに適合した任意の幾何学的形状をとりうる。したがって、はんだボール１６は一般に、特にはんだボール形状（すなわちほぼ球形）、はんだ円柱形状（すなわちほぼ円筒形状）などの形状をしたはんだ部材を含む。
【００６１】
図１〜図３の電子モジュール１２および回路カード３０をそれぞれ電子モジュールおよび回路カードと称したが、電子モジュール１２は一般に第１の基板（たとえば特にＣＢＧＡモジュールやＰＢＧＡモジュールなどの電子モジュール、半導体チップなど）であり、回路カード３０は一般に第２の基板（たとえば特に回路カード、セラミック・マルチチップ基板など）である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の実施形態による、電子モジュール上に設けられたはんだボールを備えた電子構造体の前方断面図である。
【図２】図１においてはんだボールを電子モジュールにはんだ付けした状態を示す図である。
【図３】図２において結合はんだを用いてはんだボールを回路カードにはんだ付けすることにより電子モジュールを回路カードに結合させた状態を示す図である。
【図４】図３のはんだボールの材料と図３の結合はんだの材料とが混合した状態を示す画像を示す図である。
【符号の説明】
【００６３】
１０  電子構造体
１２  電子モジュール
１６  はんだボール
２０  液体フラックス
２６  方向
３０  回路カード
３２  導電性パッド
３４  導電性パッド
４０  画像
【図１】
0003689407.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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