耐落下衝撃特性に優れた
鉛フリーはんだボール材料 LF35 の開発
田 中 將 元寺 嶋 晋 一
佐々木1)
2)

勉
3)

合金の規格化も並行して進められ，日本では JEIDA 推奨成.

は じめに分 で あ る Sn 3.0Ag 0.5Cu 合 金 成 分 が JIS 化 ， 米 国 で はNEMI 推奨成分である Sn4.0Ag0.5Cu が標準化，更に EU半導体実装技術分野では，BGA(Ball Grid Array), CSP

でも ITRI が鉛フリーはんだ規格化を推進している．しかし(Chip Size Package)，更には FC(Flip Chip)と呼ばれる新しながら従来 SnPb 共晶はんだとの種々の材料特性の違いが大い実装技術が発展してきた．従来の QFP ( Quad Flat Pack-きい為，各種用途に応じてそれぞれ特徴ある鉛フリーはんだage )ではリードフレームを介してパーケージと基板をはん合金が使い分けられているのが現状である．

だ接続していたが，BGA や CSP では直接はんだボール自体

本報告では，著者らが新たに開発した従来の標準鉛フリーでパッケージと基板を接続する．BGA や CSP はデバイス下はんだでは得ることが出来なかった高耐落下衝撃特性を有す部全面を I / O 接続に活用できることから，実装基板の高密る鉛フリーはんだ LF35 の特性およびその高耐落下衝撃メカ度小型化に適しており，高機能携帯電話やモバイルデジタニズムについて述べる．

ル機器に積極的に活用されてきた．特に半導体の高機能高密度小型化に伴う信号端子数増に対応するため， q0.76 mm ～.

鉛フリーはんだ材料の現状と問題点

q0.3 mm のはんだボールを用いて接続する BGA 実装は急速に発展を遂げ，直近では q0.1 mm クラスのはんだボール接従来の Sn Pb 共晶はんだでは機器オンオフによる熱サイ続する実装技術も実用化している(1)(2) ．現在時点において

クル疲労特性が問題視されていた．一方， Sn Pb 共晶はんBGA は，主流実装接続形態であり，各種半導体機器の高密だは，はんだ材料自体が軟らかいため耐落下衝撃特性は優れ度小型化の重要な要素技術となっている．携帯電話基板に搭ていた．一般的に鉛フリーはんだ合金は，機械的強度が高い載されている各種半導体部品の大半は BGA パッケージといため熱サイクル疲労特性は余り問題とならなかったが，貧弱っても過言ではない．BGA や CSP に使用されているはんだな耐落下衝撃特性が問題であった．携帯電話やモバイルデジ

ボールは，信号伝達の導電部材機能と半導体パッケージを支タル機器では使用時の不注意により，しばしば落としてしまえる構造部材機能を兼ね備えた非常に重要な役割を担う金属う危険性が非常に高い．鉛フリーはんだ合金は，はんだ自体材料となっている．

が硬いため，耐落下衝撃特性が従来 Sn Pb 共晶はんだ合金

一方，はんだ材料においては，EU 規制(RoHS 指令)に端より低い．BGA 鉛フリーはんだボール評価進展に伴い，こを発する家電・デジタル製品の鉛フリー化に伴い， Sn Agの問題が明らかになり，携帯電話やモバイルデジタル機器へ系， SnCu 系， SnZn 系， SnAg Cu 系(SAC 系)等の各種の適用に大きな障害となっていた．標準鉛フリーはんだを携鉛フリーはんだ合金成分が，従来の Sn Pb 系はんだ代替と帯電話等で使用する場合は，アンダーフィル樹脂と呼ばれるして広く使われるようになっている．また，鉛フリーはんだ高コスト樹脂でのデバイス補強が必須であった．

新日本製鐵株式会社技術開発本部 先端技術研究所
新材料研究部1)主幹研究員(総括)2)主任研究員 3)主幹研究員
Development of High Drop Shock Reliability Pbfree Solder Alloy LF35; Masamoto Tanaka, Shinichi Terashima and Tsutomu
Sasaki (Nippon Steel Corporation, Advanced Technology
Research Laboratories)
2008年11月11日受理



.

耐落下衝撃鉛フリー材料 LF35 の特徴

環境対応からの家電製品の鉛フリー化要請がなされ，Sn3.0Ag0.5Cu(SAC 系，SAC305)等の標準規格鉛フリー材料が主流となった．携帯電話やモバイルデジタル機器における半導体デバイス接続でも SAC305 は使用されるようになっ新技術・新製品

たが， BGA 接続においては耐落下衝撃特性など靭性改善が場合，接合界面に形成される金属間化合物層( IMC )は半島大きな問題となった．耐落下衝撃特性の規格はセットメーカ

状 IMC が形成され，当該 IMC 中の Cu6Sn5 金属間化合物にーにより異なるが，耐落下評価は JEDEC により実装基板には高圧縮歪みが内在する(5)．一方，本開発 LF35 はんだ材料

加速衝撃値 1500 G，作用時間 0.5 msec の落下衝撃を与えたの接合界面に形成される IMC は平滑である(図)．

際，何回耐えられるかという新たな規格が世界レベルで制定

これは，本開発 LF35 材料には微量に Ni を 500 ppm 添加された．当該業界では，耐落下衝撃回数 30 回程度が一応のしたことが有効に作用しているものである．溶融はんだは基準であった．

Cu と濡れ Cu3Sn を形成し，その後，微量添加 Ni が Ni3Sn4

従来標準鉛フリーはんだである SAC 系はんだは，融点と初晶として IMC 部位に析出濃化する．濃化した Ni3Sn4 は包熱サイクル疲労の観点から開発され， 3.0Ag や 4.0Ag 等の晶反応過程を経て， Cu6Sn5 の Cu サイトが Ni 置換され，高 Ag 系が世界の主流であった．また，携帯電話機器で使用( Cu, Ni )6 Sn5 を形成する．図に示す様に，実際 LF35 のされる実装基板は Cu 電極が主流であり，同基板で使用されIMC 部位を TEM EDX 分析してみると，はんだ中に 500る鉛フリーはんだボールで，高耐落下衝撃特性を発現する鉛ppm 添加された Ni は，Cu6Sn5 金属間化合物中に約 5検出フリーはんだ材料が世界中から待望され，その期待に応え開される．一方 Cu3Sn 中に Ni は全く検出されない．原子半径発した鉛フリーはんだ料ボール材料がLF35である．の小さい Ni(0.124 nm)が原子半径の大きい Cu(0.128 nm)を

本開発 LF35 はんだは，耐落下衝撃特性改善のために高延置換することにより，当該 IMC 層中の応力歪み差，即ち性の活用に注目して開発したものである．即ち，当時の常識Cu6Sn5 の圧縮歪みと Cu3Sn の引張り歪の IMC 層間歪差をに反して，低 Ag 系(1.2Ag )を敢えて世界で最初に選択し，緩和している(図)．

実用化したものである．本開発 LF35 の主要技術開発点は以下の 2 点である．

本開発 Ni 置換は，落下衝撃の際クラック発生箇所となり易い Cu6Sn5 / Cu3Sn 界面での 脆化を， Cu6Sn5 (高圧 縮歪)/

第一は，はんだ材料の軟質化である．Sn 基はんだの低 AgCu3Sn (引張歪)の組み合わせから( Cu, Ni )6 Sn5 (低圧縮歪)/サイド( 1.2Ag )着眼により， BGA 実装基板に負荷が掛かるCu3Sn(引張歪)の組合せに緩和し，高耐落下衝撃特性を発現衝撃変形を“軟らかい材料”で吸収により高耐落下特性を発しているものである．図にそれらの歪緩和関係とクラック現させた．低 Ag サイド組成は，液相線固相線の幅は 5 °C伸展を示す．

以上高くなるデメリットはあったが，落下衝撃改善のため敢えて低 Ag 系を選択した．
第二は金属間化合物の制御である．落下衝撃を与えた場
合，破断亀裂は主に金属間化合物層( Inter metallicCom-pound: IMC)間を伸展する．この課題を改善するため，形成される IMC 層厚さ制御や IMC に内在する歪応力を緩和するため，微量 Ni 元素添加( 500 ppm )により落下衝撃特性を飛躍的に改善した．これにより図の従来はんだとの比較で示す様に，通常の標準鉛フリーはんだに比して数倍高い耐落下衝撃特性を発現する．

.

LF35 の高耐落下衝撃特性のメカニズム

LF35 の高耐落下衝撃改善主因は，上述の如く，低 Ag 軟

図2

LF35 と標準はんだの接合部に形成せる金属間化合物の断面写真．

図3

LF35 の金属間化合物部位の TEM & EDX 分析
結果．(部位 1 & 2 は Cu6Sn5，部位 3 は Cu3Sn)

質材と微量 Ni 添加による IMC 改善であり，そのメカニズムを以下に説明する(3)(4)．鉛フリー標準はんだ(SAC305)の

図1

LF35と標準はんだの各基板における耐落下衝撃特性．

ま て り あ 第48巻 第 3 号(2009)Materia Japan



図4

LF35 の微量添加 Ni による Cu6Sn5 金属間化合物の Cu サイトの Ni 置換による歪緩和機構．

図 5 LF35 の微量添加 Ni による金属間化合物の歪差緩和により落下衝撃改善されたクラック伸展状態説明．

.

図6

LF70,SAC105,SAC305 の WLP での TCT 結果．

図7

LF75, LF35, SAC105 の Ni/Au 基板や CuOSP
基板での落下衝撃テストのワイブルプロット．

特許および実用化状況
.

まとめ

本開発鉛フリーはんだ LF35 特許および関連特許は 2001
年から順次出願しており，既に LF35 および関連は特許登録

本報告では，優れた耐落下衝撃特性を発現する鉛フリーはされている(6)．また本開発 LF35 は新日鐵関連会社である日んだ材料 LF35 やそれをベースに改善したはんだ材料である

鉄マイクロメタル(Nippon Micrometal Corp.: NMC)より，LF70 や LF75 について報告した．携帯電話やモバイル電子製造供給され， BGA 用はんだボール材料として世界各地で機器の需要はここ数年で爆発的広がりを見せており，今後も使用されている．2002年製品化，2003年に半導体 DSP 世界需要を拡大していくものと考えられる．また，平行して高機最大手メーカーと携帯電話世界最大手メーカーの本格採用に能小型化も更に発展するものと考えられ，そこでは BGA,始まり，世界大手半導体各社や世界大手携帯各社の大半で使CSP, FC 接続等のはんだボール接続が主体となる．はんだ用されるに到っている．携帯電話の世界的普及に伴い，高耐ボール接続での各種接合信頼性の中でも，特に耐落下衝撃特落下衝撃特性ボール使用も急増し，LF35 のデファクト化も性の重要度は益々高まる．低 Ag 系鉛フリーはんだに着眼し，世界的認知の下にある． q0.3 mm クラスの鉛フリーはんだ

接合金属間化合物中の Ni 置換格子歪緩和により，高耐落下ボールにおいて，LF35 の全世界シェアは約50であり， 累衝撃特性を有する鉛フリーはんだボール LF35 を世界に先駆積出荷数は10000億個に達している．

け開発実用化し，世界に供給し，携帯電話の信頼性向上に貢更に本開発 LF35 技術をコアとして LF70 ， LF75 等の改献した．本開発 LF35 等の耐落下衝撃特性に優れた鉛フリー善材料を開発した(7)． LF70 は LF35 の耐熱疲労特性を微量はんだ材料技術は，世界を支える重要技術であると確信する．

元素添加により，更に改善したものである．特に次期実装形態の主力となると考えられる WLCSP での使用に適するように改善したものである(8)．図に LF70 の TCT 結果を示す．
また， LF75(8) は， LF35 が Cu OSP 基板で優れた耐落下衝撃特性を発現するように， Ni / Au 基板においても優れた耐落下衝撃特性を発現するように，各種の極微量添加元素から選択し開発した材料である．図に LF75 の落下衝撃評価結果を示す．



文献

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新技術・新製品