九州シンクロトロン光研究センター課 題 番 号 ： 081151N（様式第４号）

鉛フリーはんだ微 小接合部に 形成された金属間 化合物の極 点図測 定
Small area p ole figure measu re ments of intermetallics formed at lead -free solder
joint

野 北 和 宏 1 、 宮 岡 志 典 2、 大 谷 亮 太 3 、 隅 谷 和 嗣 3Kazuhiro Nogita 1 , Motonori Miyaoka 2 , Ryota Ohtani 3 , Kazushi Sumitani 3
ク イ ー ン ズ ラ ン ド大 学 1 、 日 本 ス ペ リ ア 社 2 、 九 州 シ ン ク ロ ト ロ ン 3
The University of Queensl and 1 , Nihon Superi or Co. Ltd. 2 , SAGA Light S ource 3１．概要
鉛 フ リ ー は ん だ に お い て 、Cu 6 Sn 5 は 重 要 な 金 属 間 化 合 物 で あ る 。Cu 6 Sn 5 は 固 体 に お い て
二 つ の 結 晶 構 造 を 有 す る 。す な わ ち 、186℃ 以 上 の 温 度 で の 六 方 晶 eta-Cu 6 Sn 5 か ら そ れ 以
下 の 温 度 で の 単 斜 晶 eta'-Cu 6 Sn 5 へ 固 相 変 態 を 起 こ す 。本 研 究 で は 、九 州 シ ン ク ロ ト ロ ンの BL15 に お い て 、鉛 フ リ ー は ん だ 微 小 接 合 部 に 形 成 さ れ た Cu 6 Sn 5 の 極 点 図 測 定 を 試 みた。
Cu 6 Sn 5 is the key intermetallic comp ound for lead- fr ee solders. The Cu 6 Sn 5 has two cr ystal
structures in the solid state, with an allotr opic transfor mation occurring at 186ºC, fro m
monoclinic eta'-Cu 6 Sn 5 at lower temperatures to hexagonal eta-Cu 6 Sn 5 at higher temper atures.
In this study, small area p ole figure measur ements of Cu 6 Sn 5 for med at lead- fr ee solder joint
had been tried at B L15 in Kyushu s ynchr otr on.

２．背景と研究目的：
はんだの対環境性向上で特に重要な点は、基板の Cu とはんだ母体の Sn との界面に形成される数マイクロメーターの Cu6Sn5 金属間化合物相の性状(厚さや界面粗さなど)をいかにして制御するかにかかっているといっても過言ではない。はんだ接合の強度を支配するのは、接合部の Cu6Sn5 金属間化合物であるため、その機械的性質や物性を知る必要がある。それと同時に、電子回路の小型化、高集積化および高電流密度化により、はんだ接合部 Cu6Sn5 金属間化合物相の物性に関するナノレベルでの理解が不可欠となっている。
Cu6Sn5 金属間化合物は、186℃以上の温度で六方晶、それ以下で単斜晶となり、固相変態を起こすことが知られている。固相変態による体積変化は約２％であり、この体積変化は、はんだ界面の接合性に多大なる影響を及ぼすことが懸念される。すなわち、固相変態により、界面にクラックが発生したり、歪エネルギーを蓄積し、接続信頼性を低下させる。極最近、申請者は、
Sn-0.7Cu-xNi バルク試料を用いた TEM による結晶格子像観察および電子線回折図形実験により、このバルク試料中の Cu6Sn5 が(Cu,Ni)6Sn5になることにより、高温安定相の六方晶が室温でも安定化し、単斜晶への固相変態を抑制することを発見した[1]。すなわち、Cu6Sn5 中の微量Ni の存在が、はんだ接合部のクラックの発生を抑制する可能性を示した。この現象は、鉛フリーはんだの接続信頼性の向上に大きな影響を与えるものであるため、工業的に非常に重要な発見である。
前回の（課題番号：080625N）BL15 による Cu6Sn5の粉末 X 線回折および XAFS 測定は、事前に調整された Cu6 Sn5 粉末を用いた実験であり、実際に使用されているはんだ接合部の金属間化合物ではない。実際に Cu 基板とはんだとの接合部に形成される直径約 400µm の BGA はんだ接合部の微小領域の結晶方位に関する情報は、通常の XRDによる極点図測定では得ることができない。極微小領域の Cu6Sn5 の結晶方位を知ることは、鉛フリーはんだの接続信頼性の向上に大きな影響を与えるものである。よって、本研究の目的を、「鉛フリーはんだ微小接合部に形成された金属間化合物の極点図測定」とする。

３．実験内容：Cu基板のBGA（直径５００µmのはんだボール）からはんだボールを選択的に溶解して除去

し、Cu基板上にIMCのみが露出した試料（露出部は直径約400 µm）のテクスチャー測定を六方晶[10-11]方向の極点図として行った。入射エネ
ルギーは８keVとし、X線ビーム径を最小の0.5mmとした。試料は、Cu基板のみ、Sn-07Cu、Sn-3Ag-05CuおよびSn-07Cu-005NiボールはんだでIMCを形成させた基板の計４種類。また、予備試料として、1cmｘ1cmのCu板上にIMCが形成された試料（全領域にIMCが形成されている）も用意し、万一BGA試料の測定において十分なX線強度を得られない場合、この板状試料に形成されたIMCの極点図測定を行うこととした。
さらに、IMCのみではなく、下地のCuの配向も測定し、方位関係を解析した。

晶からの反射が認められた。
(a)1000900Sn07Cu

800

7006005004003002001000253035404550553540455055

(b)
10 00
9 00

Sn07Cu005Ni

8 00
700
6 00500
4 00
3 00
2 00
100025４．結果、および、考察：
図１に BGA 試料の X 線回折ピークを示す。
(a) Sn-07Cu、(b) Sn-07Cu-005Ni および(c) Cu バ
ックグランドの回折ピークの比較において、
2θ=31°付近に(c)Cu バックグランドではみられない反射が(a)および(b)で確認されたが、バックグランド反射が強く、それらピークの解析までには至らなかった。その原因として、直径約400µm の測定領域に対する X 線ビーム径の広さ(500 µm 以上)、また、Cu 以外の基盤樹脂からの反射が考えられる。
(a)30

図 2 各板試料の XRD プロファイル
今回の実験では、BGA 試料からの回折強度が弱く、バックグランドとの十分な分離が出来なかったため、実験の最終目的である BGA 試料からの極点図測定まで至らなかった。
５．今後の課題：
バックグランドを極力取り除く必要がある。
そのためには、測定試料面以外の Cu および樹脂を事前に取り除く必要がある。また、極点図測定に要する時間も再考する必要がある。

3 00

BGA-Sn07Cu
2 50

2 00

1501005025303540455055(b)550

６．論文発表状況・特許状況
既に前回の実験結果（課題番号：080625N）をICEP2009(Int. Conf. on Electronics Packaging
2009, at Kyoto Japan) お よ び JOM (Apublication of The Minerals, Metals &Materials Society, USA)に投稿中。

BGA-SN100C-1sec

７．参考文献[1] K. Nogita and T. Nishimura, Scripta Materialia
59 (2008) 191-194.

450

350

25015050253035404550553540455055(c)300

BGASn07Cu_Cu_bgd
250

200

150

100502530

図１

各 BGA 試料の XRD プロファイル

図 2 に板状試料の X 線回折ピークを示す。
(a)Sn-07Cu、(b) Sn-07Cu-005Ni の回折ピークにおいて、(a)Sn-07Cu で明らかに 2θ=30-45°に単斜８．キーワード
・XRD
X 線が結晶格子によって回折される現象を利用して物質の結晶構造を調へ、結晶内部で原子がどのように配列しているかを決定する手法。