(57)【要約】【課題】電子部品等のはんだ付け時に形成されるＣｕ６Ｓｎ５相の破断を抑制した、接合強度に優れた、はんだ接合体を提供する。【解決手段】Ｃｕ電極上に形成されたはんだ接合体において、Ｃｕ電極とＳｎ系はんだ部との接合界面に形成するＣｕ６Ｓｎ５相のＣｕ電極に対する水平面における平均粒径ＤがＤ≦２．０μｍであるはんだ接合体。平均粒径Ｄが１．０μｍ≦Ｄ≦２．０μｍであることが好ましい。Ｓｎ系はんだ部は、０．１質量％以上５質量％以下のＡｇと、０．１質量％以上５質量％以下のＣｕの内少なくとも１種を含有し、残部実質的にＳｎからなることが好ましい。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕ電極上に形成されたはんだ接合体において、Ｃｕ電極とＳｎ系はんだ部との接合界面に形成するＣｕ６Ｓｎ５相のＣｕ電極に対する水平面における平均粒径ＤがＤ≦２．０μｍであることを特徴とするはんだ接合体。
【請求項２】
平均粒径Ｄが１．０μｍ≦Ｄ≦２．０μｍであることを特徴とする請求項１に記載のはんだ接合体。
【請求項３】
Ｓｎ系はんだ部は、０．１質量％以上５質量％以下のＡｇと、０．１質量％以上５質量％以下のＣｕの内少なくとも１種を含有し、残部実質的にＳｎからなることを特徴とする請求項１または２に記載のはんだ接合体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品等のはんだ付け部に形成されるＣｕ−Ｓｎ化合物の形状を規定したはんだ接合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
昨今の電子機器実装面積の減少に伴って半導体パッケージも小型化傾向にあり、半導体パッケージをマザーボードに接続する実装形態も、従来のリードを用いた周辺端子型から格子状に端子を形成したタイプへ変遷しつつある。代表的なものがＢＧＡ（Ｂａｌｌ　Ｇｒｉｄ　Ａｒｒａｙ）であり、端子部ははんだボールや、はんだペーストを用いて基板に接続されている。
ＢＧＡはリード部品のようにリード部で外力などを緩和できず、はんだ接続部に直接負荷が加わる構造であるため、機器落下等の衝撃や、機器の使用環境、機器温度の上昇等に伴う熱応力に対して非常に敏感である。また、はんだバンプの接続部ははんだの表面張力で樽型になっているため、はんだ接続部の金属間化合物が形成された接合界面近傍に応力が集中しやすい。
【０００３】
加えて、近年の環境問題への取り組みの一つとして、はんだのＰｂフリー化が世界的に進められており、従来用いられてきたＳｎ−Ｐｂはんだは使用禁止になりつつある。代替合金の主たるものはＳｎ−Ａｇ系やＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系等多数あるが、基本的にＳｎ主成分であるためＳｎ−Ｐｂ共晶はんだに比べると延性に乏しく、外力をはんだの変形で緩和することが困難になっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
以上の状況から、はんだ接合強度は、はんだと電極との間に形成される金属間化合物である化合物層自体の強度に大きく左右されると考えられる。半導体パッケージに代表されるような電子部品や、マザーボードなどの実装基板の導通端子部分には、Ｃｕ電極が広く使われている。これと他の電子部品や基板とを接続するためにＳｎ系のはんだをはんだ付けすると、多くの組成においてはんだを溶融させた液相Ｓｎと、Ｃｕ電極の固相Ｃｕとの間には、優先的にη相（Ｃｕ６Ｓｎ５相）が生成する。
しかしながら金属間化合物であるＣｕ６Ｓｎ５相の破壊じん性値（ＫＩＣ＝１．４程度）は、母材であるはんだ等の金属（ＫＩＣ＝１０２〜１０３）のそれに比べると格段に小さいため脆く、粗大に成長したものは内部欠陥を起点として粒内破壊を起こしやすい。したがって、化合物中での破断ははんだ接合部の信頼性を著しく低下させる問題となっている。
【０００５】
本発明の目的は、はんだ付け時に形成されるＣｕ６Ｓｎ５相の破断を抑制した、はんだ付け部の接合強度に優れた、はんだ接合体を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、はんだ付け時に形成されるＣｕ６Ｓｎ５相の形状が接合強度に与える影響を調査した結果、ある粒径の範囲において、はんだ付け部の接合強度が最も優れることを見出し、本発明に到達した。
【０００７】
すなわち本発明は、Ｃｕ電極上に形成されたはんだ接合体において、Ｃｕ電極とＳｎ系はんだ部との接合界面に形成するＣｕ６Ｓｎ５相のＣｕ電極に対する水平面における平均粒径ＤがＤ≦２．０μｍであるはんだ接合体である。平均粒径Ｄは１．０μｍ≦Ｄ≦２．０μｍであることが好ましい。
また、上記Ｓｎ系はんだ部は、０．１質量％以上５質量％以下のＡｇと、０．１質量％以上５質量％以下のＣｕの内少なくとも１種を含有し、残部実質的にＳｎからなることが好ましい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
上述のように本発明の重要な特徴は、はんだ接合部に形成されるＣｕ６Ｓｎ５相の粒径を制御し、接合強度を向上させる点にある。以下に詳細を説明する。
【０００９】
はんだ接合部に外力が加わり、Ｃｕ６Ｓｎ５相近傍にクラックを生じた場合、粒径が大きい場合は、クラックは粒界を通らずに粒内を伝播し、へき開破壊を起こしやすい。特にＣｕ６Ｓｎ５相の粒径が平均で２．０μｍより大きいとこの傾向が強く現れる。これに対し、粒径が平均で２．０μｍ以下になると、本来強度が低い粒界をクラックが伝播しやすくなり、粒界破壊が優勢になる。一方、はんだ接合部におけるＣｕ６Ｓｎ５相は、Ｃｕ面に垂直方向には結晶粒１つ分しか生成しないため、粒界を伝播するクラックの行き着く先ははんだとＣｕ６Ｓｎ５相の界面か、Ｃｕ６Ｓｎ５相とＣｕとの界面になり、粒界を通って破断する場合はクラックは凹凸に伝播する。したがって破断面の形成に要するエネルギーは大きくなり、はんだやＣｕが塑性変形によるクラック先端の応力緩和も加わって、Ｃｕ６Ｓｎ５粒内での破壊モードよりも接合強度は向上すると考えられる。
【００１０】
なお、上記のクラック伝播を妨げて接合強度を上昇させる働きは、Ｃｕ６Ｓｎ５粒径が平均で１．０μｍより小さいと、クラックの経路自体がＣｕ面に水平に近づくため効果が低減することが考えられる。また前述したように、じん性の低いＣｕ６Ｓｎ５粒内破壊が支配的になると、低い外力でもクラックは高速に伝播しやすくなり、その結果接合強度は低下する。従って、１．０μｍ≦Ｄ≦２．０μｍとすることが好ましい。より好ましくは１．０μｍ≦Ｄ≦１．５μｍである。
【００１１】
本発明においてＣｕ６Ｓｎ５相のＣｕ電極に対する水平面における平均粒径Ｄは、以下のように測定する。
まず、はんだ接合部における母相である金属間化合物ではないはんだ合金をエッチングにより除去し、Ｃｕ６Ｓｎ５相を表面に露出さる。露出したＣｕ６Ｓｎ５相を走査型電子顕微鏡にてＣｕパッド面に対して垂直方向から観察し、一辺が５０μｍの正方形の測定面積内に形成している結晶粒数（最大径が０．２５μｍ以下の結晶粒を除く）を計測する。この正方形の面積２５００μｍを計測した結晶粒数で除することで結晶粒の平均の断面積Ｓａｖｅを算出し、２（Ｓａｖｅ／π）１／２を平均粒径Ｄとする。
【００１２】
Ｃｕ６Ｓｎ５相の平均粒径を本発明の範囲とするにおいて、Ｃｕ６Ｓｎ５相を微細化する方法としては、例えばはんだ凝固時の冷却速度の制御や、はんだにおける特定の微量元素含有量の調整等が挙げられる。
冷却速度の制御により結晶粒を微細化する場合、核生成温度から凝固完了温度までの冷却速度が粒成長速度に対して十分大であれば、粒成長が抑制できる。通常のベルトコンベア式リフロー炉における、はんだ溶融時のピーク温度から、凝固完了温度すなわち固相線温度までの冷却速度は２〜２．５℃／ｓ程度であるが、結晶粒の微細化のためには３℃／ｓ以上の冷却速度が望ましい。
【００１３】
また、微量元素含有量の調整による結晶粒の微細化は、以下のように行うことができる。
Ｃｕ６Ｓｎ５相はＣｕ電極上で溶融した、はんだにおける液相ＳｎにＣｕが溶出して形成されるが、この際に、核になりうる化合物等が存在すればＣｕ６Ｓｎ５核発生数が増加するため粒径を微細にできる。基本となる合金組成、冷却速度にもよるが、例えば、Ｓｎと化合物を形成するＮｉ、Ｆｅを数１０ｐｐｍ〜数１００ｐｐｍ添加すると前述の効果が得られ易い。また、Ｃｕ６Ｓｎ５相生成時に界面に析出するような物質であれば、界面に濃化することでＣｕ６Ｓｎ５の成長を抑えることができるため、粒微細化に有効であると考えられる。例えば、ＰｂなどはＳｎに固溶するが、Ｃｕ６Ｓｎ５形成時に界面に押し出され濃化する。これははんだ中に数１００ｐｐｍ程度存在すると効果を発揮すると考えられる。
【００１４】
本発明において、Ｓｎ系はんだ部を形成するＳｎ系はんだには、純Ｓｎ以外のはんだも用いることが出来るが、０．１質量％以上５質量％以下のＡｇと、０．１質量％以上５質量％以下のＣｕの内少なくとも１種を含有し、残部実質的にＳｎからなるＳｎ系はんだが好ましい。
ＡｇはＳｎ系はんだの融点を低下させてはんだ接合性を向上させ、かつＳｎ−Ｂｉ系やＳｎ−Ｚｎ系等のように接合部界面近傍にＳｎ、Ｃｕ以外の相を形成してＣｕ６Ｓｎ５相の健全な形成を阻害するようなことがない。一方、多すぎるとはんだ中に過剰なＡｇ３Ｓｎを形成して合金強度を著しく上昇させ、界面への過多な応力集中を招くため、その含有量は０．１質量％以上５質量％以下がよい。またＣｕ電極と接続する際にはんだを溶融させると、その溶解限まではんだ中にＣｕ電極のＣｕが溶け込むことになり、その結果Ｃｕ電極量が減少して強度が低下する。従って、はんだ中にあらかじめＣｕを含有させておくことが望ましい。Ｃｕの添加もはんだの融点を低下させる効果があるが、過剰に添加すると融点をいたずらに上昇させるため、その含有量は０．１質量％以上５質量％以下がよい。
【００１５】
【実施例】
（実施例１）
はんだ付け部のＣｕ６Ｓｎ５粒径と、接続強度の相関性を以下に示す。
相関性の調査には表１に示す組成のφ０．５ｍｍのはんだボールを用いた。はんだボールの組成はグロー放電質量分析法により定量分析で特定した。また、はんだボールは、はんだ溶湯からの液滴を不活性ガス中で直接ボールとする均一液滴噴霧法で製造した。均一液滴噴霧法とは、るつぼ内で金属を溶解し、溶融金属をるつぼから排出することにより微小球を製造する方法であり、排出する際に溶融金属に振動を付与することで、排出された溶融金属を体積の均一な微小球とする方法である。この方法は、例えば特開２００１−２６２２０４号公報に記載されている。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
上記はんだボールを防錆処理済みＣｕランドに窒素雰囲気、ピーク温度２５０℃ではんだ付けを行い、はんだバンプを形成した。上記Ｃｕランドは、厚さ１．０ｍｍのテスト用ガラスエポキシ基板上に形成されたもので、レジスト開口径φ０．４ｍｍの、オーバーレジストタイプである。はんだ付け時の冷却速度は、はんだ溶融時のピーク温度から、凝固完了温度すなわち固相線温度までで３℃／ｓとした。
【００１８】
はんだとＣｕパッドとに生成するＣｕ６Ｓｎ５相粒径は、以下のように測定した。まず、上記はんだバンプをメルテックス社製メルストリップＨＮ−８４３を用いてエッチングして除去し、Ｃｕ６Ｓｎ５相を表面に露出させた。その後、走査型電子顕微鏡にて倍率　×５ｋにてＣｕパッド面に対して垂直方向から観察し、Ｃｕパッドに水平な面でのＣｕ６Ｓｎ５相粒径を測定し、平均粒径Ｄを算出した。図１に本発明の一例を示す組成（ａ）におけるＣｕ６Ｓｎ５相の写真を、図２に比較例である組成（ｄ）にけるＣｕ６Ｓｎ５相の写真を示す。ｍａｓｓ％でＦｅを０．０１５％、Ｎｉを０．００８％、Ｐｂを０．０３２％含有する（ａ）はこれらを殆ど含まない（ｄ）に比べＣｕ６Ｓｎ５相が微細化されている。組成（ａ）〜（ｄ）における平均粒径を表１に併せて示す。
【００１９】
次に、上記ランドが形成されたテスト用ガラスエポキシ基板とはんだバンプとの接続強度を万能ボンドテスタ（デイジ社製Ｄａｇｅ４０００）を用いて、バンプシア試験を行い測定した。データは化合物層で破断したものだけを有効なものとし、各１０点計測して組成（ａ）〜（ｄ）のＣｕ６Ｓｎ５平均粒径と接続強度（シア強度）との相関性を調べた。図３に平均粒径と接続強度との関係を示す。
平均粒径が１．２２μｍである（ａ）が特に高い接続強度を有することがわかる。はんだバンプのシア試験後の破断面を走査型電子顕微鏡で観察したところ、粒径が小さく破断強度の高かった（ａ）は、主にＣｕ６Ｓｎ５粒界と、はんだとＣｕ６Ｓｎ５相の界面で破断していた。粒径が大きく接続強度の弱かった（ｄ）は、Ｃｕ６Ｓｎ５粒内破壊が主であった。
【００２０】
【表２】
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【００２１】
（実施例２）
実施例１で用いた（ａ）〜（ｄ）と同じ組成を持つはんだボールを１５ｍｍ角の半導体パッケージに搭載・リフローしてバンプを形成した。リフロー条件は実施例１と同様にして行った。パッケージの電極パッドは防錆処理されたＣｕであり、リフローによってＣｕ６Ｓｎ５相が形成された。次に、テスト用ガラスエポキシ基板に千住金属製Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕペーストを印刷し、パッケージを実装した。実装のリフロー条件は、バンプ形成条件と同等とした。これら実装基板に携帯機器を模擬するため１５０ｇの錘を貼り付けた後、基板を高さ１ｍ〜２ｍから水平落下させ、落下時の衝撃力に対する接合部の破断の程度を評価した。
評価に際し、予め、落下させる高さと落下時の衝撃力との相関を求めておき、目標の衝撃力となる高さから実装基板を落下させた。落下時の衝撃力は、基板のパッケージ隅のバンプ付近に貼り付けた歪みゲージの最大基板歪みによって評価した。
【００２２】
表２は落下高さに対応する最大基板歪み（落下時の衝撃力）と、はんだバンプの破断との関係を示している。実施例１でＣｕ６Ｓｎ５粒径が１．２２μｍである（ａ）では最大基板歪み０．２５％でも唯一接合部が破断せず、実施例１において図１に示した接合強度の高い結果を反映している。
したがって、はんだ付け時に形成されるＣｕ６Ｓｎ５粒径を制御することにより、はんだ接合部の強度を高める効果のあることが示された。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によって、はんだ付けされた電子部品におけるＣｕ−Ｓｎ反応層近傍の接合強度を高めることができ、電子機器の様々な使用環境における動作信頼性を向上させることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明である平均粒径Ｄ≦２．０μｍのＣｕ６Ｓｎ５相の一例を示す走査電子顕微鏡写真である（組成（ａ））。
【図２】比較例である平均粒径Ｄ＞２．０μｍのＣｕ６Ｓｎ５相の一例を示す走査電子顕微鏡写真である（組成（ｄ））。
【図３】Ｃｕ電極上に形成したＣｕ６Ｓｎ５相の平均粒径と、接続強度の関係を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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