(57)【要約】【課題】  優れた濡れ広がり性及び接合性により高い接合信頼性を有していることに加えて、品質のバラつきや諸特性の経時変化が少なく、保管性に優れたＳｎ系はんだ合金を提供する。【解決手段】  はんだ合金の表面の色を測定してこれをＪＩＳ  Ｚ８７８１−４のＬ＊ａ＊ｂ＊表示系で表した時、所定の組成を有するＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金の場合は、Ｌ＊が２９.０以上５１.０以下、ａ＊が−３.０５以上−０.０５以下、ｂ＊が−５.２以上０.８以下の範囲であり、所定の組成を有するＳｎ−Ｓｂ系はんだ合金の場合は、Ｌ＊が１４.５以上３８.５以下、ａ＊が−２.４５以上−０.８５以下、ｂ＊が−１４.６以上−０.６以下の範囲内である。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面の色をＪＩＳ  Ｚ８７８１−４のＬ＊ａ＊ｂ＊表示系で表したときにＬ＊が２９.０以上５１.０以下、ａ＊が−３.０５以上−０.０５以下、ｂ＊が−５.２以上０.８以下であり、Ａｇを０.１質量％以上６.５質量％以下、Ｃｕを０.０１質量％以上５.０質量％以下含有し、残部が製造上、不可避的に含まれる元素を除きＳｎからなることを特徴とするＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金。
【請求項２】
Ｎｉ、Ｇｅ、Ｓｂ及びＰの内の１種以上を、Ｎｉの場合は０.０１質量％以上２.００質量％以下、Ｇｅの場合は０.０１質量％以上２.００質量％以下、Ｓｂの場合は０.０１質量％以上８.００質量％以下、Ｐの場合は０.５００質量％以下さらに含有することを特徴とする、請求項１に記載のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金。
【請求項３】
表面の色をＪＩＳ  Ｚ８７８１−４のＬ＊ａ＊ｂ＊表示系で表したときにＬ＊が１４.５以上３８.５以下、ａ＊が−２.４５以上−０.８５以下、ｂ＊が−１４.６以上−０.６以下であり、Ｓｂを０.０１質量％以上２０.００質量％以下含有し、残部が製造上、不可避的に含まれる元素を除きＳｎからなることを特徴とするＳｎ−Ｓｂ系はんだ合金。
【請求項４】
Ａｇ、Ｎｉ及びＰのいずれか１種以上を、Ａｇの場合は０.１質量％以上５.０質量％以下、Ｎｉの場合は０.０１質量％以上２.００質量％以下、Ｐの場合は０.５００質量％以下さらに含有することを特徴とする、請求項３に記載のＳｎ−Ｓｂ系はんだ合金。
【請求項５】
Ａｇを０.１質量％以上６.５質量％以下、Ｃｕを０.０１質量％以上５.０質量％以下含有し、残部が製造上、不可避的に含まれる元素を除きＳｎからなるＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金の選別方法であって、はんだ合金の表面の色を測定してＪＩＳ  Ｚ８７８１−４のＬ＊ａ＊ｂ＊表示系で表したとき、Ｌ＊が２９.０以上５１.０以下、ａ＊が−３.０５以上−０.０５以下、及びｂ＊が−５.２以上０.８以下のうちの少なくともいずれかを満たさない場合は取り除くことを特徴とするＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金の選別方法。
【請求項６】
Ｓｂを０.０１質量％以上２０.００質量％以下含有し、残部が製造上、不可避的に含まれる元素を除きＳｎからなるＳｎ−Ｓｂ系はんだ合金の選別方法であって、はんだ合金の表面の色を測定してＪＩＳ  Ｚ８７８１−４のＬ＊ａ＊ｂ＊表示系で表したとき、Ｌ＊が１４.５以上３８.５以下、ａ＊が−２.４５以上−０.８５以下、及びｂ＊が−１４.６以上−０.６以下のうち少なくともいずれかを満たさない場合は取り除くことを特徴とするＳｎ−Ｓｂ系はんだ合金の選別方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板と電子部品等の接合用などに使用されるＳｎを主成分とするＳｎ系はんだ合金及び該はんだ合金の選別方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、はんだ合金には柔らかくて加工しやすいＰｂが主成分として用いられていたが、近年は環境汚染に対する配慮からＰｂの使用を制限する動きが強くなってきており、例えばＲｏＨＳ指令などではＰｂは規制対象物質になっている。こうした動きに対応して、電子部品などの組立の分野においても、Ｐｂを含まない（無鉛）はんだ合金、即ちＰｂフリーはんだ合金が求められており、既に中低温用（約１４０〜２３０℃）のはんだ合金ではＳｎを主成分とするＰｂフリーのはんだ合金が実用化されている。
【０００３】
例えば特許文献１にはＳｎを主成分とし、Ａｇを１.０〜４.０質量％、Ｃｕを２.０質量％以下、Ｎｉを０.５質量％以下、Ｐを０.２質量％以下含有するＰｂフリーのはんだ合金が記載されている。また、特許文献２にはＡｇを０.５〜３.５質量％、Ｃｕを０.５〜２.０質量％含有し、残部がＳｎからなるＰｂフリーのはんだ合金が記載されている。
【０００４】
更に、特許文献３には上記のようなＰｂフリーはんだ合金の接合性を向上させるため、はんだ合金及び被接合部材の両方とも前処理を行うことなくフラックスレスではんだ接続する技術が開示されている。このはんだ接合方法は、力を加えることにより溶融はんだの表面被膜が破れて濡れ性を確保することができるので、より高い酸素濃度でＬＳＩ、回路基板等の電子回路の被接合部材の接合部間をフラックスレスではんだ接合することができる。具体的には、この電子回路のフラックスレスはんだ接合方法は、被接合部材の両方の接合面にＡｕめっきを施す工程と、上記接合面に接合用のはんだを供給する工程と、上記接合用のはんだを非酸化性若しくは還元性の雰囲気下で加熱溶融して、はんだの新生面を露出させてはんだの濡れ性を確保する工程とを含むことを特徴としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−０７７３６６号公報
【特許文献２】特開平８−２１５８８０号公報
【特許文献３】特開平６−３２６４４８号広報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の特許文献３の技術は、フラックスレスで濡れ性を確保することができる上、ボイドの巻き込みやフラックス残渣に由来する様々な不具合がなくなり、また、フラックス残渣の洗浄工程が不要になるので非常にメリットがある。しかし、特許文献３の技術では、被接合部材の両方の接合面に非常に高価なＡｕを用いてＡｕめっきを施す必要があり、コスト高になるという問題をかかえている。
【０００７】
また、近年の技術の進歩により電子機器はより過酷な条件下で使用される場合が増えており、そのため、電子機器に搭載される電子部品等の接合等に使用されるＳｎを主成分とするはんだ合金には、優れた濡れ広がり性や接合性に加えて、諸特性の経時変化が少なく、保管性に優れていることが求められるようになってきている。このような背景のもと、本発明は優れた濡れ広がり性や接合性を有することにより高い接合信頼性が得られることに加えて、諸特性の経時変化が少なく、長期に亘って高品質の状態を保つことが可能なＳｎ系はんだ合金を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明が提供するＳｎ系はんだ合金の第１の実施形態は、表面の色をＪＩＳ  Ｚ８７８１−４のＬ＊ａ＊ｂ＊表示系で表したときにＬ＊が２９.０以上５１.０以下、ａ＊が−３.０５以上−０.０５以下、ｂ＊が−５.２以上０.８以下であり、Ａｇを０.１質量％以上６.５質量％以下、Ｃｕを０.０１質量％以上５.０質量％以下含有し、残部が製造上、不可避的に含まれる元素を除きＳｎからなることを特徴としている。
【０００９】
また、本発明が提供するＳｎ系はんだ合金の第２の実施形態は、  表面の色をＪＩＳ  Ｚ８７８１−４のＬ＊ａ＊ｂ＊表示系で表したときにＬ＊が１４.５以上３８.５以下、ａ＊が−２.４５以上−０.８５以下、ｂ＊が−１４.６以上−０.６以下であり、Ｓｂを０.０１質量％以上２０.００質量％以下含有し、残部が製造上、不可避的に含まれる元素を除きＳｎからなることを特徴としている。
【００１０】
更に、本発明が提供するＳｎ系はんだ合金の選別方法の第１の実施形態は、Ａｇを０.１質量％以上６.５質量％以下、Ｃｕを０.０１質量％以上５.０質量％以下含有し、残部が製造上、不可避的に含まれる元素を除きＳｎからなるＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金の選別方法であって、はんだ合金の表面の色を測定してＪＩＳ  Ｚ８７８１−４のＬ＊ａ＊ｂ＊表示系で表したとき、Ｌ＊が２９.０以上５１.０以下、ａ＊が−３.０５以上−０.０５以下、及びｂ＊が−５.２以上０.８以下のうちの少なくともいずれかを満たさない場合は取り除くことを特徴としている。
【００１１】
また、本発明が提供するＳｎ系はんだ合金の選別方法の第２の実施形態は、Ｓｂを０.０１質量％以上２０.００質量％以下含有し、残部が製造上、不可避的に含まれる元素を除きＳｎからなるＳｎ−Ｓｂ系はんだ合金の選別方法であって、はんだ合金の表面の色を測定してＪＩＳ  Ｚ８７８１−４のＬ＊ａ＊ｂ＊表示系で表したとき、Ｌ＊が１４.５以上３８.５以下、ａ＊が−２.４５以上−０.８５以下、及びｂ＊が−１４.６以上−０.６以下のうち少なくともいずれかを満たさない場合は取り除くことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、優れた濡れ広がり及び接合性を有することにより高い接合信頼性が得られることに加えて、品質のバラつきや諸特性の経時変化が少なく、保管性に優れたＳｎ系はんだ合金を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ＮｉめっきしたＣｕ基板の上にはんだ合金が接合された接合体の断面図である。
【図２】縦横比の計算に用いる最大のはんだ濡れ広がり長さの長径（Ｘ１）及び最小のはんだ濡れ広がり長さの短径（Ｘ２）を模式的に示す平面図である。
【図３】ＮｉめっきしたＣｕ基板とＳｉチップとをはんだ合金で接合した接合体の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明はＳｎを主成分とするＳｎ系はんだ合金のうちＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金及びＳｎ−Ｓｂ系はんだ合金を対象としており、これらはいずれも固相線温度がおおよそ２１０℃以上である。そして、ＪＩＳ  Ｚ８７８１−４のＬ＊ａ＊ｂ＊表示系ではんだ合金の表面の色を表したときにＬ＊、ａ＊、及びｂ＊がそれぞれ所定の範囲内であることを必須の条件としている。これは、Ｓｎ系はんだ合金でははんだ表面に酸化物や不純物が存在するとはんだ合金の表面特性が好ましい状態ではなくなり、濡れ特性などの諸特性が経時変化し易い不安定な状態になるが、このような不安定な状態ではＳｎ系はんだ合金の表面の色を上記のＬ＊ａ＊ｂ＊表示系で表した時、Ｌ＊、ａ＊及びｂ＊の少なくともいずれかが予め定めておいた範囲から外れることを発明者は見出した。
【００１５】
すなわち、はんだの表面特性が良好な状態のまま安定的に保たれているか否かの判断を、単にはんだ合金の表面の色を把握することで簡易に行い得ることを見出した。但し、このように加工性、応力緩和性、信頼性等の諸特性に影響を及ぼすはんだの表面特性をＬ＊、ａ＊、ｂ＊で把握するには、はんだ合金の組成を所定の範囲内にする必要がある。以下、かかる本発明のＳｎ系はんだ合金の必須元素及び必要に応じて含有させる元素並びにＬ＊ａ＊ｂ＊表示系のＬ＊、ａ＊、ｂ＊について詳細に説明する。
【００１６】
＜Ｌ＊、ａ＊、ｂ＊＞
はんだ合金の濡れ性や接合性をバラツキなく安定させるためにはその表面状態を一定に維持するのが好ましい。一般的に、はんだ合金の表面は酸化物層や僅かではあるが不純物が不可避的に付着しているため、それらがどのような状態で付着しているかを明確に把握することができれば品質管理上好ましい。そこで、例えば電界放射型オージェ電子分光装置などではんだ表面付近の酸化物層や炭素量、はんだ成分などを測定することが考えられるが、このような分析装置を製造ラインに入れてはんだ合金の品質管理を行うのはコストがかかり過ぎて現実的ではない。
【００１７】
本発明者はＳｎ系はんだ合金において濡れ性や接合性に大きく影響するはんだ合金の表面特性をはんだ合金の表面の色（明度、色相、彩度）を測定することにより簡易に把握して制御できることを見出した。すなわち、本発明のＳｎ系はんだ合金は、その表面の色を測定してこれをＪＩＳ  Ｚ８７８１−４のＬ＊ａ＊ｂ＊表示系で表した時、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金の場合は、Ｌ＊が２９.０以上５１.０以下、ａ＊が−３.０５以上−０.０５以下、ｂ＊が−５.２以上０.８以下の範囲であり、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだ合金の場合は、Ｌ＊が１４.５以上３８.５以下、ａ＊が−２.４５以上−０.８５以下、ｂ＊が−１４.６以上−０.６以下の範囲内であることを特徴としている。
【００１８】
ここでＬ＊、ａ＊、ｂ＊はＪＩＳ  Ｚ８７８１において定義される色に関するＬ＊ａ＊ｂ＊表示系であり、明度をＬ＊、色相と彩度をａ＊及びｂ＊で表現したものである。Ｓｎ系はんだ合金の表面の色のＬ＊、ａ＊、ｂ＊を上記の範囲内とすることにより、はんだ合金の表面層における濡れ性や接合性に悪影響を及ぼす酸化層や不純物の付着状態が許容範囲内になり、また、この良好なはんだ表面状態をほぼ均一な状態に保つことができる。その結果、濡れ広がりや被接合体との合金生成をほぼ均一にでき、ボイドの形成を抑えることができる。よって高い接合信頼性を得ることが可能になる。
【００１９】
本発明のＳｎ系はんだ合金は、このように高品質の状態を安定的に保てるので、収率や生産性が高くなり、コスト的なメリットが得られる。また、表面状態が清浄であることによって酸化や腐食等が進行しにくくなり、保管性や耐食性等にも優れたはんだ合金を提供することができる。Ｓｎ系はんだ合金においてＬ＊、ａ＊及びｂ＊の少なくともいずれかが上記の範囲を外れていると、酸化物層が厚かったり、不純物が許容範囲を超えて存在したりする可能性が高くなり、そのようなはんだ合金は高い頻度で濡れ性や接合性に劣るため、結果的に接合信頼性が低いものになる。
【００２０】
これは、はんだ合金の表面が製造初期段階において既に酸化が進行していたり表面に不純物が多く付着していたりすると、その部分を起点としてその後の酸化や腐食が進行し易くなり、よってはんだ合金の諸特性の経時変化が著しくなって、保管性に劣ることになると考えられる。逆に、はんだ表面の酸化がほとんど進行していなかったり不純物がほとんどない場合は、更なる酸化や腐食が比較的緩やかに進行するので優れた濡れ性や接合性を有するはんだ合金になると考えられる。
【００２１】
従って、分光色測計などのＬ＊、ａ＊、ｂ＊の測定が可能な装置を用いて、製造段階のＳｎ系はんだ合金を定期的若しくはロット毎にサンプリングし、その表面のＬ＊、ａ＊、ｂ＊を測定し、それらの少なくとも１つが上記した範囲を外れていればそのサンプリングした試料の母集団となるはんだ合金については以降の製造を中断し、不純物の付着状況等についてより精密な検査を行うような簡易且つ迅速な選別工程を製造ラインに加えることができる。これにより、コストをあまりかけることなく高品質のはんだ合金製品を提供することができる。
【００２２】
＜Ｓｎ＞
Ｓｎは本発明のＳｎ系はんだ合金において主成分をなす元素である。Ｓｎは融点が２３１℃と比較的低温である上、柔らかい金属であるため、Ｓｎを主成分とし、はんだ合金の用途等に応じて適宜他の元素を含有させて合金化することによって、中温域用のはんだ合金に必要な種々の特性を備えたはんだ合金を得ることができる。本発明では、このように用途等に応じて適宜含有される下記の各種元素の含有量によってＳｎの含有量が定まる。
【００２３】
＜Ａｇ＞
Ａｇは本発明のＳｎ系はんだ合金の第１の実施形態であるＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金においては必須元素であり、本発明のＳｎ系はんだ合金の第２の実施形態であるＳｎ−Ｓｂ系はんだ合金においては必要に応じて含有される任意元素である。Ｓｎ−Ａｇ状態図に示されるように、ＳｎとＡｇはＳｎ−３.５質量％Ａｇでβ−Ｓｎ相とＡｇ３Ｓｎから成る共晶合金を生成する。このため、一般にＳｎ−Ａｇ系はんだ合金は共晶はんだとして使用される。その共晶点温度は２２１℃とＳｎ単体より１０℃程度下がり、はんだ合金として使い易くなる。さらにＡｇは酸化されにくくて反応性の高い金属であるため、はんだに含有させると濡れ性や接合性を向上させる。さらにはんだ中にＡｇ３Ｓｎ金属化合物が分散していることにより高い信頼性が得られる。
【００２４】
Ｃｕが含有されたＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金においても上記の性質は基本的に維持される。但し、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金において上記した優れた特性を示すＡｇの含有量は０.１質量％以上６.５質量％以下である。Ａｇ含有量が０.１質量％未満では含有量が少なすぎて実質的に含有させた効果が現れない。一方、Ａｇ含有量が６.５質量％を超えると粗大なＡｇ３Ｓｎが生成してチップ傾きの原因になったり、はんだ合金が硬くて脆くなるので好ましくない。
【００２５】
本発明の第２の実施形態のＳｎ−Ｓｂ系はんだ合金においてＡｇを含有させる目的は、濡れ性の向上と信頼性の向上にある。すなわち、Ａｇを含有させることで前述した酸化されにくくて反応性の高いＡｇの特徴を発揮させることができ、また、はんだ合金内で生成されるＡｇ３Ｓｎによりクラックの進展抑制効果が期待できる。Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金とＳｎ−Ｓｂ系はんだ合金の主な違いはその融点にあり、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだ合金の方がＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金に比べて融点が１０〜３０℃程度高い。主なＡｇの効果については両合金とも似ているが、その含有量は異なる。すなわち、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだ合金においてＡｇを含有する場合はその含有量は０.１質量％以上５.０質量％以下である。この範囲内であれば過剰な金属化合物の生成や固相線温度と液相線温度との差も許容範囲内になるので良好な接合ができ、よって高い信頼性を得ることができる。
【００２６】
＜Ｃｕ＞
Ｃｕは本発明のＳｎ系はんだ合金の第１の実施形態であるＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金においては必須元素である。Ｃｕを含有させることによってＣｕ６Ｓｎ５などの金属間化合物が生成され、機械的強度が向上するとともに接合信頼性が増す。但し、Ｃｕの含有量が多すぎると金属間化合物が多くなりすぎ、はんだ合金が硬くて脆くなってしまう。よって、Ｃｕの含有量は０.０１質量％以上５.０質量％以下である。０.０１質量％未満では含有量が少なすぎて実質的に含有させた効果が現れない。一方、５.０質量％を超えると既に述べたようにＣｕ６Ｓｎ５金属間化合物の量が多くなりすぎて硬くて脆くなったり、さらには接合時に十分に溶融しなかったり、金属間化合物が粗大化してチップ傾きやボイド発生の原因となったりしてしまう。Ｃｕ含有量が０.１質量％以上１.５０質量％以下の範囲であれば、上記したＣｕの含有効果がより一層顕著に現われるので好ましい。
【００２７】
＜Ｎｉ、Ｇｅ＞
Ｎｉは本発明のＳｎ系はんだ合金の第１及び第２の実施形態であるＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金及びＳｎ−Ｓｂ系はんだ合金のいずれにおいても必要に応じて含有される任意元素である。また、Ｇｅは前者のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金において必要に応じて含有される任意元素である。Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金においてＮｉやＧｅを含有させる効果はほぼ同様であり、両方を同時に含有させてもよい。
【００２８】
ＮｉやＧｅをＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金中に含有させることにより接合時のはんだ凝固時にそれが核となって結晶が微細化してクラックが進展しにくくなり、信頼性が向上する。さらにＣｕ面との接合において接合界面のＣｕ６Ｓｎ５の成長を抑え、クリープ特性や疲労特性が向上する。このように優れた効果を付与できるＮｉやＧｅの含有量は、Ｎｉを含有する場合は０.０１質量％以上２.００質量％以下、Ｇｅを含有する場合は０.０１質量％以上２.００質量％以下である。この範囲内であれば、良好な接合が可能となるので好ましい。
【００２９】
一方、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだ合金は包晶合金であるが、Ｎｉの効果は上記したＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金の場合と似通っている。すなわち、Ｎｉを含有させることにより、Ｎｉが核となり結晶が微細化したりＣｕ面との過剰な金属間化合物の生成を抑制したりして接合信頼性等を向上させる。Ｓｎ−Ｓｂ系はんだ合金にＮｉを含有させる場合は、その含有量は０.０１質量％以上２.００質量％以下である。この範囲内であれば少なすぎことも多すぎることもなく良好な接合が可能となる。
【００３０】
＜Ｓｂ＞
Ｓｂは本発明のＳｎ系はんだ合金の第１の実施形態であるＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金では必要に応じて含有される任意元素であり、本発明のＳｎ系はんだ合金の第２の実施形態であるＳｎ−Ｓｂ系はんだ合金では必須元素である。Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金においてＳｂを含有させる効果は主に信頼性の向上である。すなわち、Ｓｂを含有させることによりはんだ合金の機械的特性が改善され、これにより接合信頼性等の改善が期待できる。Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金にＳｂを含有させる場合は、その含有量は０.０１質量％以上８.００質量％以下である。この範囲内であれば上記した効果が良好に奏される。
【００３１】
一方、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだ合金においてＳｂは主成分をなすため、その役割は、例えばＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金より融点を高くしたり、硬い包晶金属にすることなどを挙げることができる。このように、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだ合金ではＳｂはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金とは異なる役割を担っており、その含有量は０.０１質量％以上２０.００質量％以下である。このＳｂ含有量が０.１質量％未満では含有量が少なすぎて実質的に効果が現れず、一方、２０.０質量％を超えると含有量が多すぎて液相線温度が高くなりすぎたり金属間化合物の生成量が許容範囲を超えてしまったりして良好な接合ができなくなってしまう。Ｓｂ含有量が２.００質量％以上１２.００質量％以下であれば含有させた効果が顕著に現れるので好ましい。
【００３２】
＜Ｐ＞
Ｐは本発明のはんだ合金において濡れ性等の諸特性を向上させるために必要に応じて添加される任意元素である。Ｐが濡れ性を向上させるメカニズムは以下のとおりである。Ｐは還元性が強く、Ｓｎ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｓｂなどよりも優先して自らが酸化するため、はんだ母相の酸化を防ぐ効果がある。また、半導体素子等の接合面を還元して濡れ性を確保する効果も有している。この接合の際にはんだ合金の表面や接合面の表面の酸化物層がなくなるため、酸化膜によって起こる接合不良が発生しにくくなり、その結果、接合性及び信頼性等が向上する。
【００３３】
Ｐの含有量が０.５００質量％以下であれば、Ｐの含有量が多ければ多いほど上記の濡れ性向上の効果は大きくなる。従って、Ｐの含有量を制御することにより、濡れ性を任意に制御することが可能になる。一方、０.５００質量％を超えて含有しても濡れ性向上の効果はあまり変わらず、過剰な含有によってかえってＰやＰ酸化物の気体が多量に発生して接合に支障をきたす虞があることからＰを含有する場合は０.５００質量％以下が好ましい。なお、Ｐの含有量は、０.００１質量％未満では含有量が少なすぎて実質的に含有させた効果が現れない虞があるので０.００１質量％以上であるのが好ましい。
【実施例】
【００３４】
原料として、それぞれ純度９９.９９質量％以上のＳｎ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｓｂ及びＰを準備した。大きな薄片やバルク状の原料については、溶解後の合金においてサンプリング場所による組成のバラツキがなく、均一になるように留意しながら、切断及び粉砕などにより３ｍｍ以下の大きさに細かくした。次に、これら原料から所定量を秤量して、高周波溶解炉用のグラファイト製坩堝に入れた。
【００３５】
上記各原料の入った坩堝を高周波溶解炉に入れ、酸化を抑制するために窒素を原料１ｋｇ当たり０.７リットル／分以上の流量で流した。この状態で溶解炉の電源を入れ、原料を加熱溶融させた。原料が溶融しはじめたら混合棒でよく撹拌し、局所的な組成のばらつきが起きないように均一に混合した。十分溶融したことを確認した後、高周波電源を切り、速やかに坩堝を取り出し、坩堝内の溶湯をはんだ母合金の鋳型に流し込んだ。鋳型は、鋳造後に圧延、プレスを行うことを考慮し、幅４５ｍｍ×厚さ５ｍｍ×長さ２５０ｍｍものを用い、各試料の長さが１５０±５ｍｍとなるように製造した。
【００３６】
このようにして、上記各原料の混合比率を種々に変えた試料１〜５１のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金、及び試料５２〜８７のＳｎ−Ｓｂ系はんだ母合金を作製した。得られた試料１〜８７の各はんだ母合金の組成をＩＣＰ発光分光分析器（ＳＨＩＭＡＺＵ  Ｓ−８１００）を用いて組成分析した。得られた組成分析結果を下記表１〜４に示す。
【００３７】
【表１】
2017113756.tif 000002
【００３８】
【表２】
2017113756.tif 000003
【００３９】
【表３】
2017113756.tif 000004
【００４０】
【表４】
2017113756.tif 000005
【００４１】
次に、上記試料１〜５１のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金及び試料５２〜８７のＳｎ−Ｓｂ系はんだ母合金の各々について、下記のごとく圧延機でシート状に加工し、さらにプレス機で打抜いて、直径３.０ｍｍの円板形状（以下、Φ３ｍｍ品）と８.０ｍｍ×８.０ｍｍの四角形状（以下、□８ｍｍ品）の２種類の打抜き品を製造した。そしてこれら打抜き品について分光色測計を用いてＬ＊、ａ＊、ｂ＊を測定した。さらにΦ３ｍｍ品を基板と接合して濡れ広がり性を評価した。さらに□８ｍｍ品を用いて、基板とチップの接合体を作り接合性、保管性、及び信頼性を評価した。以下、打抜き品の製造方法、そして各種評価方法について詳述する。
【００４２】
なお、表面状態を調整するため、５０〜２００℃の温度で大気、窒素、水素中での熱処理を行った。さらに比較例において故意に表面状態を悪くする必要がある試料についてはオイルに漬けた後、軽い洗浄を行い、故意にオイルがはんだ表面に残るように調整した。
【００４３】
＜打抜き品の製造方法＞
上記表１〜４に示す試料１〜８７のはんだ母合金（厚さ５ｍｍの板状インゴット）の各々を、圧延機を用いて厚さ５０μｍまで圧延した。圧延作業には関しては以下に注意を払い加工した。まず、試料がロールに貼り付かないように必要に応じて潤滑油を適量かけながら圧延した。このようにロールとシート及びシートとシートの間に油膜を作ることによって、ロールとシート又はシート同士が貼り付くことを抑えることができる。そして、試料の送り速度にも配慮が必要であり、送り速度が速すぎるとシート同士が貼り付きやすくなったり、張力がかかりすぎて切れてしまったりする。逆に送り速度が遅すぎると撓みが発生して巻きずれを起こしたり、均一な厚みのシートが得られなかったりする。
【００４４】
得られた各シートはプレス機を用いて打抜き品に加工した。具体的にはシートをプレス機にセットして、その後、潤滑油を供給しながら打抜いていき、打抜き品を有機溶剤の入った容器に回収していった。形状は各試料について、Φ３ｍｍ品、□８ｍｍ品の２種類の形状に加工した。その後、打抜き品を有機溶剤によって洗浄し、真空乾燥機で真空引きしながら２時間乾燥し、評価用の試料を得た。そして、表面状態を調整するため必要に応じて５０〜２００℃の温度で大気、窒素、又は水素中で熱処理したり、オイルに漬けたりした後、軽い洗浄を行った。
【００４５】
＜Ｌ＊、ａ＊、ｂ＊の測定＞
上記した試料１〜８７について、Ｌ＊、ａ＊、ｂ＊を分光色測計（コニカミノルタオプティクス株式会社製、型式：ＣＭ−５）を用いて測定した。まず、標準光源によって装置の校正を行った。その後、試料を測定台に載せ、蓋を閉じて自動で測定を行った。測定は正反射光を除去した測定とした（本装置においてＳＣＥモード、正反射光を除去する測定モード）。各試料の測定結果は上記表１〜４に示した。
【００４６】
＜濡れ広がり性の評価（縦横比の測定）＞
濡れ性試験機（装置名：雰囲気制御式濡れ性試験機）を起動し、加熱するヒーター部分に２重のカバーをしてヒーター部の周囲４箇所から窒素ガスを１２Ｌ／分の流量で流した。その後、ヒーター設定温度を各試料の融点より５０℃高い温度にして加熱した。ヒーター温度が設定値で安定した後、Ｎｉめっき（膜厚：３.０μｍ）したＣｕ基板（板厚：０.３ｍｍ）をヒーター部にセッティングして２５秒加熱し、次にΦ３ｍｍ品のはんだ合金試料をＣｕ基板上に載せて２５秒加熱した。この加熱が完了した後、Ｃｕ基板をヒーター部から取り上げ、その横の窒素雰囲気が保たれている場所に一旦設置して冷却し、十分に冷却した後大気中に取り出した。
【００４７】
得られた図１に示すようなＣｕ基板のＮｉ層にはんだ合金が接合された接合体について、濡れ広がったはんだ合金の縦横比を求めた。具体的には、図２に示す最大のはんだ濡れ広がり長さを長径（Ｘ１）、最小のはんだ濡れ広がり長さ短径（Ｘ２）を測定し、下記計算式１により縦横比を算出した。計算式１の縦横比が１に近いほど基板上に真円状に濡れ広がっており、濡れ広がり性がよいと判断できる。逆に１よりも大きくなるに従い濡れ広がり形状が真円からずれていき、溶融はんだの移動距離にバラつきがでて反応が不均一になり、合金層の厚みや成分にバラつきが大きくなって均一で良好な接合ができなくなってしまう。さらにある方向に多くのはんだが流れるように広がってはんだ量が過剰な箇所とはんだが無い箇所ができ、接合不良や場合よっては接合できなかったりしてしまう。
【００４８】
［計算式１］
縦横比＝長径÷短径
【００４９】
＜接合性の評価（ボイド率の測定）＞
接合性の評価には上記の□８ｍｍ品を用いて行った。まず、ダイボンダー（ウウェストボンド社製、ＭＯＤＥＬ：７３２７Ｃ）を起動し、加熱するヒーター部分にカバーをしてヒーター部の周囲から窒素を流した（窒素流量：合計８Ｌ／分）。その後、ヒーター設定温度を融点より５０℃高い温度にして加熱した。ヒーター温度が設定値で安定した後、Ｎｉめっき（膜厚：３.０μｍ）したＣｕ基板（板厚：０.３ｍｍ）をヒーター部にセッティングして２５秒加熱した。次に、□８ｍｍ品のはんだ合金試料をＣｕ基板の上に載せて２５秒加熱し、その直後にＳｉチップを載せて３秒間スクラブした。スクラブが終了した後はＣｕ基板をヒーター部から取り上げてその横の窒素雰囲気が保たれている場所に一旦設置して冷却した。十分に冷却した後、Ｓｉチップ接合体を大気中に取り出した（図３参照）。
【００５０】
濡れ性を確認するため、得られたＳｉチップ接合体のボイド率をＸ線透過装置（株式会社東芝製、ＴＯＳＭＩＣＲＯＮ−６１２５）を用いて測定した。具体的にははんだ合金試料でＳｉチップとＣｕ基板とが接合されたＳｉチップ接合体の接合面に向けてＳｉチップの真上から垂直にＸ線を透過し、以下の計算式２を用いてボイド率を算出した。
【００５１】
［計算式２］
ボイド率＝ボイド面積÷（ボイド面積＋はんだとＣｕ基板との接合面積）×１００（％）
【００５２】
＜保管性の評価＞
はんだ試料を長期間保管した場合、はんだ表面が腐食したり、酸化したりして表面状態が変わってしまうと濡れ性や接合性を低下させてしまい、良好な接合ができなくなってしまう。さらにはんだ表面が経時変化してしまうと接合状態にバラつきを生じてしまう。従って、はんだ表面が環境によって変化しないことは良好な接合を得るために重要なことである。この保管性を評価するため、恒温恒湿下での試験を行った。
【００５３】
具体的には各□８ｍｍ品を恒温恒湿槽（ヤマト科学株式会社製、型式：ＩＷ２４２）に入れ、８５℃−８５％ＲＨ−１０００時間の試験を行った。試料１の恒温恒湿試験前の酸化膜厚の厚さを１００として、各試料の恒温恒湿試験前後の酸化膜厚を相対評価した。酸化膜厚の定義ははんだ合金表面付近の最高酸化濃度を１００％として、はんだ表面から深さ方向に酸素濃度を測定していったときに酸素濃度が５０％まで減少したときのはんだ表面からの深さ（距離）とした。はんだ合金表面付近の酸化物層の厚さは電界放射型オージェ電子分光装置（ＵＬＶＡＣ−ＰＨＩ製、型式：ＳＡＭ−４３００）により行った。
【００５４】
＜信頼性の評価（ヒートサイクル試験）＞
はんだ接合の信頼性を評価するためにヒートサイクル試験を行った。この試験は、上記した接合性の評価においてはんだ合金がＣｕ基板に接合できた試料（濡れ性の評価が○又は△の試料）を各々２個ずつ用いて行った。即ち、各試料のはんだ合金が接合されたＣｕ基板２個のうちの１個に対しては、−４０℃の冷却と＋１５０℃の加熱を１サイクルとするヒートサイクル試験を途中確認のため５００サイクルまで繰り返した。残る１個に対しては、同様のヒートサイクル試験を１０００サイクルまで繰り返した。
【００５５】
その後、５００サイクル及び１０００サイクルのヒートサイクル試験を実施した各試料について、はんだ合金が接合されたＣｕ基板を樹脂に埋め込み、断面研磨を行い、ＳＥＭ（装置名：ＨＩＴＡＣＨＩ  Ｓ−４８００）により接合面の観察を行った。この観察の結果、接合面に剥がれが生じるか又ははんだにクラックが入った場合を「×」、そのような不良がなく、初期状態と同様の接合面を保っていた場合を「○」とした。
得られた信頼性の評価結果を上記の濡れ広がり性等の評価結果と共に下記の表５〜８に示す。
【００５６】
【表５】
2017113756.tif 000006
【００５７】
【表６】
2017113756.tif 000007
【００５８】
【表７】
2017113756.tif 000008
【００５９】
【表８】
2017113756.tif 000009
【００６０】
上記表５〜８から分るように、本発明による試料１〜３５及び５２〜７６の各Ｓｎ系はんだ合金の試料は、濡れ広がり性、接合性、保管性、及び信頼性の全ての評価項目において良好な特性を示している。即ち、濡れ広がり性の評価では、縦横比が１.０４以下であり、接合性評価ではボイド率が０.２％以下であり、均一な濡れ広がり、非常に優れた接合性を示した。さらに保管性の評価では試験前後で酸化膜厚がほとんど変化なく、はんだ合金表面が変化しづらく非常に優れた保管性を示し、信頼性評価では１０００サイクルまでに不良は一切発生しなかった。このように優れた結果が得られた理由は本発明のはんだ合金においてＬ＊、ａ＊、ｂ＊が適正な範囲内にあり、かつはんだ合金組成が適切な範囲にあるためだと考えられる。
【００６１】
一方、比較例である試料３６〜５１及び７７〜８７の各はんだ合金は、Ｌ＊、ａ＊、ｂ＊が適切な範囲にないか、又は、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｓｂ及びＰのうちのいずれかの含有量が適切でなかったため、各種評価で好ましくない結果となった。すなわち、濡れ広がり性評価では全ての試料が１.２以上であり、接合性の評価ではボイド率が８％以上であり、保管性の評価では試験前の酸化膜が相対比較で試料１の３倍以上あり、さらに試験後で５倍以上に厚くなっている。そして、信頼性評価では５００サイクルまでに不良が発生した。
【符号の説明】
【００６２】
１      Ｃｕ基板
２      Ｎｉ層
３      はんだ合金
４      Ｓｉチップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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