(57)【要約】【課題】  小型化、高機能化の進むモバイル機器に対応可能なBGAやCSP実装構造をもつ電子部品の接続には厳しい耐衝撃信頼性が要求されるが、現在多く採用されているSn-Ag-Cu系Pbフリーはんだを用いる場合、融点が高くリフロー条件を高くしなければならないことやAu/Niめっきに接続した場合品質によっては耐衝撃信頼性が低下するといった問題がある。【解決手段】  Sn-Ag-Cu系はんだの代わりにSn-Zn系低融点Pbフリーはんだを用いることによって低コストで耐衝撃信頼性を向上させる。【選択図】  図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Cuで構成された電極パッドを備えた電子回路基板と、Sn-Ag-Cu系はんだでバンプが形成された電子回路部品とがSnとZnを主成分とする接合材により接続されている電子回路装置において、前記Cuと前記バンプとが直接接続されている電子回路装置。
【請求項２】
電極パッドを備えた電子回路基板と、Sn-Ag-Cu系はんだでバンプが形成された電子回路部品とが接合材により接続されている電子回路装置において、
前記電子回路装置が前記電子回路基板に対してひずみが２０００ｐｐｍ以上かかる用途に用いられるものである場合、その電子回路基板は、電極パッドがCuで構成され、SnとZnを主成分とする接合材により前記バンプと前記電極パッドを直接接続された電子回路基板であることを特徴とする電子回路装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は落下衝撃などの負荷にさらされやすい携帯機器に電子部品をPbフリーはんだで接続する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話やPDA（Personal Digital Assistant）等のモバイル機器の小型化、高機能化が進んでおり、これに対応できる実装技術として図１に示すようなBGA（Ball Grid Array）やCSP（Chip Scale Package）が多く用いられている。モバイル機器は落下衝撃などの機械的負荷にさらされやすいため、QFP（Quad Flat Package）のリードのように衝撃を緩和する機構を持たないBGAやCSPでは、はんだ接続部の耐衝撃信頼性を確保することが重要である。
【０００３】
また、近年世界的な環境問題の関心の高まりから、従来から用いられてきたPbを含まないPbフリーはんだの実用化が進んでいる。現在ではこのPbフリーはんだのうち、比較的濡れ性がよい、接続信頼性が高いなどのメリットを持つSn-Ag-Cu系のはんだが多く採用されている。また、Sn-Ag-Cu系はんだの他、Sn-Ag-Cu系はんだのように融点が高いというデメリットを無くしたSn-Zn系、Sn-Ag-In系等の低融点Pbフリーはんだが使用され始めている。ところが、Sn-Zn系はんだを用いたBGA、CSP接続に対してそのはんだ接続部の接続信頼性はまだ明確でない。山口ら；「Sn-Zn-Biはんだを用いたCSP接続部の組織と継ぎ手特性−Ni/Auめっきの影響−」，Mate2003(2003)，pp.309-314や、十河ら；「Sn-8Zn-3Biはんだを用いたCSP実装における継ぎ手信頼性に及ぼす界面構造の影響」，MES2003(2003)，pp.57-60などは熱疲労寿命や曲げ試験等による接続強度の検討を行っているが、モバイル製品にとって必ず検討しなければならないはんだ接続部の耐衝撃信頼性に関してはまだ十分明らかにされていない。
【０００４】
【非特許文献１】山口ら；「Sn-Zn-Biはんだを用いたCSP接続部の組織と継ぎ手特性−Ni/Auめっきの影響−」，Mate2003(2003)，pp.309-314
【０００５】
【非特許文献２】十河ら；「Sn-8Zn-3Biはんだを用いたCSP実装における継ぎ手信頼性に及ぼす界面構造の影響」，MES2003(2003)，pp.57-60
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
現在、携帯電話などのモバイル機器では、接続信頼性が高いことからPbフリーはんだとしてSn-Ag-Cu系のはんだが採用されている。しかし、このはんだは融点が高く低耐熱性部品の搭載が困難であることや、パッドのメタライズがAu／Niめっきの場合めっきの品質によっては衝撃によりはんだ／メタライズ接続界面で破断が生じ、耐衝撃信頼性が著しく低下することが分かっている。特に携帯電話ではコネクタ部分にAuめっきが必要であるため、実装基板のパッドメタライズは表面にAuのあるものでなければならず、表面にAuのあるメタライズとしてはAu／Niめっきがもっとも一般的であるため大きな問題である。
【０００７】
耐衝撃信頼性を向上させる方法としては、補強パッドの形成やパッケージ／実装基板間のアンダーフィル注入などが考えられるが、パッド配置が制限されることや、アンダーフィル注入によるコストアップなどが新たな問題となる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題は、Cuで構成された電極パッドを備えた電子回路基板と、Sn-Ag-Cu系はんだでバンプが形成された電子回路部品とがSnとZnを主成分とする接合材により接続されている電子回路装置において、前記Cuと前記バンプとが直接接続されている電子回路装置で解決することができる。
【０００９】
上記課題は、電極パッドを備えた電子回路基板と、Sn-Ag-Cu系はんだでバンプが形成された電子回路部品とが接合材により接続されている電子回路装置において、前記電子回路装置が前記電子回路基板に対してひずみが２０００ｐｐｍ以上かかる用途に用いられるものである場合、その電子回路基板を、電極パッドがCuで構成され、SnとZnを主成分とする接合材により前記バンプと前記電極パッドを直接接続された電子回路基板とすることでも解決できる。
【発明の効果】
【００１０】
Sn-Zn系はんだを用いてBGAパッケージ部品をモバイル製品に搭載することにより、低コストで耐衝撃信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１２】
図２に今回評価に用いたパッケージと実装基板の構成、図３にそのメタライズ構成、図４にはんだ種及びはんだリフロー条件を示す。今回の評価ではSn3Ag0.5Cu（M.P.217℃）バンプの形成されているパッケージをSn8Zn3Bi（M.P.190~198℃）ペーストで実装基板に接続したものを用いたが、実装基板への接続時にバンプが溶融する場合、溶融しない場合のそれぞれの評価を行うため、リフロー条件のピーク温度を、Sn3Ag0.5Cuの融点217℃以上の温度及び217℃以下の温度からそれぞれ選定した。またリファレンスとして、Sn3Ag0.5Cuバンプの形成されているパッケージをSn3Ag0.5Cuペーストで実装基板に接続したものも用いた。パッケージの実装基板への接続はN2雰囲気でリフロー炉を用いた。
【００１３】
耐衝撃信頼性は衝撃曲げ試験により評価した。図５に衝撃曲げ試験装置の模式図を示す。この衝撃曲げ試験装置に、図４のリフロー条件により接続したサンプルをパッケージ搭載面が下になるようにセットし、搭載面の裏面より鉄棒を落下させ、はんだ／メタライズ接続界面破壊発生の有無を確認することにより耐衝撃信頼性を評価した。
【００１４】
鉄棒落下による衝撃は、あらかじめ実装基板にひずみゲージのついたサンプルを用いて鉄棒を落下させ、このときの実装基板のひずみが1500，2000，2500，3000ppmになるよう落下させる高さを調整することにより定めた。また、このとき固定間スパンは90mmとした。
【００１５】
界面破壊発生有無の確認は、衝撃曲げ試験後サンプルのパッケージ／実装基板間に赤いインク液を注入し、恒温槽で乾燥させた後パッケージを引き剥がして破面を観察し、界面破壊しているパッドの破面上にインク液があるかどうかにより判断した。インク液は市販のインクをアルコールに溶かしたものを用いた。また恒温槽での乾燥条件は120℃、1時間とした。
【００１６】
パッケージを図４のそれぞれのはんだにより実装基板に接続したサンプルに対し、衝撃曲げ試験を行い界面破壊発生の有無を確認した結果を図６、図７に示す。図６より、パッケージ側のはんだ／メタライズ接続界面での破壊は今回評価した全てのリフロー条件において発生しなかった。
【００１７】
ところが、図７に示すように実装基板側でははんだ／メタライズ接続界面での破壊が発生した。実装基板のメタライズがCuの場合、Sn8Zn3Biペーストによる接続ではリフロー回数の多いサンプルにおいて界面破壊が発生した。しかし、Sn3Ag0.5Cuペーストに比べ界面破壊が発生する割合は少なかった。実装基板メタライズがAu/Ni-Pの場合はCuの場合に比べ界面破壊が著しく増加し、ピーク温度の高いリフロー条件のサンプルで界面破壊が多く発生した。基板ひずみ全240パッドのうち半数以上破壊する場合も存在した。しかし、この場合もSn3Ag0.5Cuペーストに比べ界面破壊が発生する割合は少なかった。
【００１８】
次に界面破壊の多く発生したAu/Ni-Pメタライズをもつ実装基板に接合した場合について断面観察及びEDX分析を行い、接合界面の状態を検討した結果を述べる。Sn8Zn3Biペーストを用いてAu/Ni-Pメタライズをもつ実装基板にBGA接合したサンプルについて、衝撃曲げ試験により界面破壊の発生した、最高温度234℃、198℃以上39s×1回、4回及び最高温度211℃、198℃以上38s×1回の破面観察結果を図８に示す。最高温度が211℃の場合、主にはんだ／Au-Zn系化合物界面で破壊が生じていた。ところが最高温度が234℃の場合、破壊はAu-Zn系化合物とNi-Pめっきの界面で生じていた。
【００１９】
界面破壊発生有無確認後のサンプルに対し実装基板側の接合界面近傍を断面観察した結果を図９に示す。最高温度234℃のリフロー条件のサンプルは、引き剥がし時に全て実装基板側の接合界面で破壊したため、パッケージ側、実装基板側それぞれについて観察した。最高温度211℃、198℃以上38sのリフロー条件で1回及び4回リフローした場合、接合界面にはAu-Zn系の化合物が2層形成されており、はんだとNi-Pめっきは反応していなかった。この2層のうちNi-Pめっき側はAuとZnの2元系化合物であるのに対し、はんだ側にはAu、Znの他、AgやSnが含まれている多元系の化合物であった。また、リフロー4回の場合、接合界面の状態はほぼリフロー1回の場合と同様であったが、場所によっては図９に見られるように、Au-Zn(-Ag-Sn)化合物が厚くなっている部分が存在した。最高温度が211℃であるため、Sn8Zn3Biペーストは溶融するが、Sn3Ag0.5Cuバンプは溶融しない。しかし溶融したSn8Zn3Biペースト中へ周辺部からSn3Ag0.5Cuバンプが溶解し、これに伴い溶解したAgが接合界面の化合物と反応する。Sn3Ag0.5Cuバンプ中のCuはAgに比べ微量であり、接合界面にはAu-Zn(-Ag-Sn)化合物層が成長すると考えられる。
【００２０】
これに対し、最高温度234℃、198℃以上39sのリフロー条件で1回及び4回リフローした場合、接合界面にはAu-Zn(-Cu-Ag-Sn)化合物が1層形成されており、最高温度211℃の場合と同様、はんだとNi-Pめっきは反応していなかった。また、形成されている化合物はリフロー回数に依存せず、リフロー4回後の化合物の状態はリフロー1回の場合と同様であった。最高温度が234℃であるためSn3Ag0.5Cuバンプは溶融し、バンプ中のAg、CuがAu-Zn化合物と反応してAu-Zn(-Cu-Ag-Sn)化合物が形成されると考えられる。また、リフロー回数に依存しないことから、Au-Zn(-Cu-Ag-Sn)化合物が形成された後は、この化合物層がバリア層となりこの層の下のNi-Pメタライズと反応しないと考えられる。
【００２１】
以上から、Sn8Zn3Biペーストを用いてAu/Ni-Pメタライズをもつ実装基板にBGA接合した場合、はんだはNi-Pメタライズと反応せず、接合界面にはAu-Zn系化合物が形成される。また、Au-Zn系化合物中にCuが含まれ多元系の化合物1層である場合、Au-Zn系化合物／Ni-Pめっき界面の強度が低下し、より低い2000ppmの基板ひずみ条件において界面破壊が発生すると考えられる。
【００２２】
Sn3Ag0.5Cuペーストを用いてAu/Ni-Pメタライズをもつ実装基板にBGA接合したサンプルについて破面観察結果を図10に示す。破壊は、Sn-Cu-Ni化合物とNi-Pめっき界面で生じていた。また、界面破壊発生有無確認後のサンプルに対し実装基板側の接合界面近傍を断面観察した結果を図11に示す。この場合も引き剥がし時に全て実装基板側の接合界面で破壊したため、パッケージ側、実装基板側それぞれについて観察した。いずれの条件においても、接合界面にはSn-Cu-Ni系の化合物が形成されており、リフロー1回に比べリフロー4回の場合化合物厚さが厚くなっていた。破面の位置から推定して、はんだとNi-Pめっきが反応して形成されるP濃縮層近傍で破壊が生じたと考えられる。
【実施例２】
【００２３】
次に図２のパッケージ及び実装基板を用いて、Sn3Ag0.5Cu（M.P.217℃）バンプの形成されているパッケージをSn9Zn（M.P.199℃）ペーストで実装基板に接続したものに対し耐衝撃信頼性の検討を行った。図12にパッケージと基板のメタライズ構成、図13にリフロー条件を示す。パッケージの実装基板への接続はN2雰囲気でリフロー炉を用いた。
【００２４】
耐衝撃信頼性は同様に図５の衝撃曲げ試験により評価した。パッケージを図13のリフロー条件により実装基板に接続したサンプルに対し、衝撃曲げ試験を行い界面破壊発生の有無を確認した結果を図14、図15に示す。図14より、パッケージ側のはんだ／メタライズ接続界面での破壊は今回評価した全てのリフロー条件において発生しなかった。ところが、図15に示すように実装基板側でははんだ／メタライズ接続界面での破壊が発生した。最高温度230℃、199℃以上42sの条件でリフローを4回行った場合、評価した3パッケージのうち1パッケージではんだ／メタライズ接続界面での破壊が発生した。しかし、この場合も図６、図７に示すSn3Ag0.5Cuペーストに比べ界面破壊が発生する割合は少なかった。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来技術において、はんだバンプにより電子部品を基板上に搭載接続する場合の接続構造。
【図２】実施例１において、耐衝撃信頼性の検討を行うために用いたパッケージと実装基板の構成。
【図３】実施例１において、耐衝撃信頼性の検討を行うために用いたパッケージと実装基板のメタライズ構成。
【図４】実施例１において、パッケージを実装基板上に接続するために用いたはんだの種類とそのリフロー条件。
【図５】実施例１において、耐衝撃信頼性の検討を行うために用いた衝撃曲げ試験装置の模式図。
【図６】実施例１において、衝撃曲げ試験後のパッケージ側のはんだ／メタライズ接続界面で破壊が発生したパッケージ数の割合。
【図７】実施例１において、衝撃曲げ試験後の実装基板側のはんだ／メタライズ接続界面で破壊が発生したパッケージ数の割合。
【図８】実施例１において、Sn8Zn3Biペーストを用いて接続したサンプルの衝撃曲げ試験後に界面破壊の発生したパッドの破面のSEM観察結果。
【図９】実施例１において、Sn8Zn3Biペーストを用いて接続したサンプルの実装基板側はんだ／メタライズ界面近傍断面のSEM観察結果。
【図１０】実施例１において、Sn3Ag0.5Cuペーストを用いて接続したサンプルの衝撃曲げ試験後に界面破壊の発生した破面のSEM観察結果。
【図１１】実施例１において、Sn3Ag0.5Cuペーストを用いて接続したサンプルの実装基板側はんだ／メタライズ界面近傍断面のSEM観察結果。
【図１２】実施例２において、耐衝撃信頼性の検討を行うために用いたパッケージと実装基板のメタライズ構成。
【図１３】実施例２において、パッケージを実装基板上に接続するために用いたリフロー条件。
【図１４】実施例２において、衝撃曲げ試験後のパッケージ側のはんだ／メタライズ接続界面で破壊が発生したパッケージ数の割合。
【図１５】実施例２において、衝撃曲げ試験後の実装基板側のはんだ／メタライズ接続界面で破壊が発生したパッケージ数の割合。
【符号の説明】
【００２６】
１・・・電子部品
２・・・電極パッド
３・・・はんだバンプ
４・・・はんだペースト
５・・・基板
６・・・ロッド
７・・・実装基板
８・・・パッケージ
９・・・固定間スパン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2005223028.tif 000010
【図９】
2005223028.tif 000011
【図１０】
2005223028.tif 000012
【図１１】
2005223028.tif 000013
【図１２】
2005223028.tif 000014
【図１３】
2005223028.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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