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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6586883
(24)【登録日】2019年9月20日
(45)【発行日】2019年10月9日
(54)【発明の名称】鉛フリーはんだ合金、はんだ継手および方法
(51)【国際特許分類】
B23K 35/26 20060101AFI20191001BHJP
C22C 13/00 20060101ALI20191001BHJP
B23K 1/00 20060101ALI20191001BHJP
H05K 3/34 20060101ALI20191001BHJP
B23K 101/40 20060101ALN20191001BHJP
【ＦＩ】
B23K35/26 310A
C22C13/00
B23K1/00 330E
H05K3/34 512C
B23K101:40
【請求項の数】6
【全頁数】17
(21)【出願番号】特願2015-530862(P2015-530862)
(86)(22)【出願日】2014年8月1日
(86)【国際出願番号】JP2014070375
(87)【国際公開番号】WO2015019967
(87)【国際公開日】20150212
【審査請求日】2017年7月31日
(31)【優先権主張番号】13/959,321
(32)【優先日】2013年8月5日
(33)【優先権主張国】US
(73)【特許権者】
【識別番号】000199197
【氏名又は名称】千住金属工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001209
【氏名又は名称】特許業務法人山口国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】大西 司
(72)【発明者】
【氏名】吉川 俊策
(72)【発明者】
【氏名】立花 賢
(72)【発明者】
【氏名】山中 芳恵
(72)【発明者】
【氏名】野村 光
(72)【発明者】
【氏名】李 圭伍
【審査官】
川村 裕二
(56)【参考文献】
【文献】
特開２０１０−０８９１１９（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００８−２９０１５０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平０９−１５５５８６（ＪＰ，Ａ）
【文献】
米国特許出願公開第２００７／００７１６３４（ＵＳ，Ａ１）
【文献】
特開２００９−０７０８６３（ＪＰ，Ａ）
【文献】
国際公開第２００９／０１１３９２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
特開２００９−１９３９６７（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特表２０１０−５０５６２５（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００６−２５５７６２（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００７−１０５７５０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１３−２５２５４８（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００５−０４０８４７（ＪＰ，Ａ）
【文献】
米国特許第０５５２０７５２（ＵＳ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｂ２３Ｋ ３５／００−３５／４０
Ｃ２２Ｃ １３／００−１３／０２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
質量％で、Ｉｎ：１.０〜３.０％（ただし、Ｉｎ：１.０％は除く）、Ａｇ：０.１〜１.０％（ただし、Ａｇ：０.５〜１.０％は除く）、Ｃｕ：０.３〜０.７％（ただし、Ｃｕ：０.７％は除く）、および残部Ｓｎからなる合金組成を有する鉛フリーはんだ合金。
【請求項2】
前記合金組成が、質量％で、Ａｇ：０.３〜１.０％（ただし、Ａｇ：０.５〜１.０％は除く）を含有する、請求項１に記載の鉛フリーはんだ合金。
【請求項3】
前記合金組成が、質量％で、Ｉｎ：１.０〜３.０％（ただし、Ｉｎ：１.０％は除く）、Ａｇ：０.１〜１.０％（ただし、Ａｇ：０.５〜１.０％は除く）、Ｃｕ：０.５〜０.７％（ただし、Ｃｕ：０.７％は除く）を含有する、請求項１に記載の鉛フリーはんだ合金。
【請求項4】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の鉛フリーはんだ合金からなるはんだ継手。
【請求項5】
大気中、１６５℃で、電流密度０.１２ｍＡ／μｍ２の電流を通電したとき、通電開始後２５００時間での抵抗値の増加率が、通電開始前の抵抗値に対して３０％以下であり、通電開始後５００時間での抵抗値に対して５％以下である請求項４に記載のはんだ継手。
【請求項6】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の鉛フリーはんだ合金を用いてはんだ継手を形成することからなる、通電中のはんだ継手のエレクトロマイグレーションを抑制する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、高温高電流密度環境で使用可能なＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金、はんだ継手および方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、主にコンピュータに使用するＣＰＵ（Central Processing Unit）では、小型化、高性能化により、ＣＰＵに搭載されている半導体素子の端子当たり電流密度が増加している。将来的には、電流密度が１０４〜１０５Ａ／ｃｍ２程度に達すると言われている。電流密度が増加すると、通電により発生する熱が増大して、端子の温度が上昇し、端子の原子の熱振動が増加する。その結果、はんだ継手におけるエレクトロマイグレーションの発生が著しくなり、はんだ継手が破断することになる。【0003】
エレクトロマイグレーション（以下では「ＥＭ」と略記することがある。）は、はんだ継手のような導電体に電流が流れる時に起こる現象である。熱振動しているはんだ継手中の原子が、電流を生ずる電子と衝突して、運動量が電子から原子に伝達される結果、原子の運動量が増す。運動量が増加した原子は電子の流れに沿ってはんだ継手のアノード側に移動する。原子がはんだ継手のアノード側に移動すると、空格子がはんだ継手のカソード側に生成する。そのような空格子が堆積してボイドが生成する。ボイドが成長すると、最終的にはんだ継手が破断する。このように、エレクトロマイグレーションは通電が起こる部位で発生し、はんだ継手内部でも問題になってきた。【0004】
本明細書で想定するはんだ継手の使用環境は、電流密度が高いＣＰＵ駆動時の環境であり、以下では「高電流密度環境」という。このような環境でのはんだ継手の信頼性の評価は、大気中、１６５℃で、２５００時間継続して０.１２ｍＡ／μｍ２の高電流密度の電流を通電する、エレクトロマイグレーション試験（ＥＭ試験ともいう）により行うことができる。【0005】
従来より鉛フリーはんだ合金としては、Ｓｎ−Ｃｕはんだ合金や、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ合金が広く使用されてきた。Ｓｎ−Ｃｕはんだ合金やＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ合金では、これらの合金の主成分であるＳｎの実効電荷数が大きいため、エレクトロマイグレーションが発生しやすい。この結果、これらの合金からなるはんだ継手は高電流密度環境では破断しやすい。【0006】
特許文献１は、耐熱疲労性を改善してクラックの発生を抑制したＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系はんだ合金を開示する。特許文献１に開示されたＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎはんだ合金は、Ｉｎの微量添加により濡れ性が向上する。その結果、クラックの発生とはんだ継手の破断が抑制される。【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開２００２−３０７１８７号公報
【発明の概要】
【0008】
しかし、特許文献１では、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ合金にＩｎを添加することにより、エレクトロマイグレーション発生が抑えられ、はんだ継手の破断が抑制されることについては示唆も教示も一切ない。特許文献１では耐熱疲労特性に関して言及があるが、高温の高電流密度環境下で長時間通電したときの影響を十分に検討してはいない。つまり、特許文献１ではＣＰＵ駆動時の環境が忠実に再現されてはいない。【0009】
特許文献１で具体的に検討されているはんだ合金は、Ｉｎ含有量が０.５％の合金組成のものである。この合金組成では、Ｉｎ含有量が極めて低いため、Ｉｎの添加によって耐熱疲労特性が十分に改善されたかどうかを確認することは不可能である。高温下の高電流密度環境において長時間通電されたときに、この合金組成がエレクトロマイグレーションとそれに起因する種々の問題を回避することができるかどうか一切立証されていない。したがって、特許文献１に記載のはんだ合金は、近年の電流密度の増加によるエレクトロマイグレーションの増大という問題を解決するとは言い難い。【0010】
本発明の課題は、高温・高電流密度環境下におけるエレクトロマイグレーションに起因するボイド成長を抑制することにより、はんだ継手の接続抵抗の上昇を抑えることができる鉛フリーはんだ合金を提供することである。【0011】
本発明者らは、エレクトロマイグレーション発生を抑制するため、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎはんだ合金の組成を精密に検討した。すなわち、本発明者らは、Ｓｎ原子が電子の流れに沿ってアノード側に移動する際にカソード側に空格子が生成し、この空格子をＩｎが埋めることにより空格子の成長が抑制されるのではないかと考えた。その結果、本発明者らは、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎはんだ合金のＩｎの添加量を１.０〜１３.０％とすることにより、空格子の生成とエレクトロマイグレーションに起因するボイド成長とを効果的に抑制できることを知り、本発明を完成させた。【0012】
上述の課題を解決するために、請求項１に記載の鉛フリーはんだ合金は、質量％で、Ｉｎ：１.０〜３.０％（ただし、Ｉｎ：１.０％は除く）、Ａｇ：０.１〜１.０％（ただし、Ａｇ：０.５〜１.０％は除く）、Ｃｕ：０.３〜０.７％（ただし、Ｃｕ：０.７％は除く）、および残部Ｓｎからなる合金組成を有するものである。
【0013】
請求項２に記載の鉛フリーはんだ合金は、請求項１において、前記合金組成が、質量％で、Ａｇ：０.３〜１.０％（ただし、Ａｇ：０.５〜１.０％は除く）を含有するものである。
【0014】
請求項３に記載の鉛フリーはんだ合金は、請求項１において、前記合金組成が、質量％で、Ｉｎ：１.０〜３.０％（ただし、Ｉｎ：１.０％は除く）、Ａｇ：０.１〜１.０％（ただし、Ａｇ：０.５〜１.０％は除く）、Ｃｕ：０.５〜０.７％（ただし、Ｃｕ：０.７％は除く）を含有するものである。【0016】
請求項４に記載のはんだ継手は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の鉛フリーはんだ合金からなるものである。【0017】
請求項５に記載のはんだ継手は、請求項５において、大気中、１６５℃で、０.１２ｍＡ／μｍ２の電流密度で２５００時間通電した後の抵抗値の増加率が、通電開始前の抵抗値に対して３０％以下であり、通電開始から５００時間後の抵抗値に対して５％以下であるものである。【0018】
請求項６に記載の通電中のエレクトロマイグレーションを抑制する方法は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の鉛フリーはんだ合金を用いてはんだ継手を形成することからなるものである。【0019】
これにより、本発明に関わる鉛フリーはんだ合金は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ合金に１.０〜１３.０％の量でＩｎを含有するため、この種の鉛フリーはんだ合金で起こり易いエレクトロマイグレーションの発生を抑制することができる。また、Ｉｎ含有量が５〜１０％であると、エレクトロマイグレーション発生をより効果的に抑制することに加えて、高温下で優れた機械的特性を示すことができる。【0020】
また、本発明に関わるはんだ継手は、上記のような鉛フリー合金からなるので、高温・高電流密度環境下においてもエレクトロマイグレーションに起因する破断を阻止することができる。【0021】
更に、本発明に関わる通電中のはんだ継手のエレクトロマイグレーションを抑制する方法は、通電中のはんだ継手のエレクトロマイグレーションによるボイド成長を抑制することできる。【図面の簡単な説明】
【0022】
【発明を実施するための形態】
【0023】
本発明を以下で詳しく説明する。本明細書において、はんだ合金組成に関する「％」は、特に指定しない限り「質量％」である。【0024】
本発明に係るＳｎ−Ｉｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ合金は、Ｉｎを１.０〜１３.０％含有するため、エレクトロマイグレーションに起因するボイド成長を抑制することができる。ＳｎとＩｎとエレクトロマイグレーションとの関係を次に詳述する。【0025】
後でより詳しく説明するように、本発明に係るはんだ合金を用いて作製されたはんだ継手を高温下で通電すると、Ｓｎ原子が優先的に電子の流れに沿ってはんだ継手のアノード側に移動し、カソード側には空格子が残る。他方、Ｉｎ原子は、はんだ継手のカソード側に生成した空格子を埋めるので、はんだ継手のアノード側にはＳｎリッチ層が、カソード側にはＩｎリッチ層が生成する。この現象ははんだ合金のＩｎ含有量が多いほど顕著になり、Ｉｎリッチ層およびＳｎリッチ層の膜厚が厚くなる。その結果、このようなはんだ継手に対して高温下で電流密度の高い電流を通電するＥＭ試験を行うと、５００時間程度が経過するまでは、はんだ継手の抵抗値が上昇する抵抗シフトがみられる。このＥＭ試験の初期段階にみられる抵抗上昇は、上述した層分離（Ｓｎリッチ層およびＩｎリッチ層の生成）により引き起こされると考えられる。【0026】
表１に示すように、Ｉｎの抵抗率はＳｎの約８倍である。このため、Ｓｎ−Ｉｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ合金からなるはんだ継手の抵抗がＥＭ試験の初期段階で上昇するのは、Ｉｎリッチ層の成長に起因すると考えられる。この初期段階の抵抗増大は、Ｉｎリッチ層が厚いほど大きくなると予測される。【0027】
Ｓｎ原子の移動によりカソード側に生成した空格子をＩｎ原子が埋める時に、Ｉｎ原子は、元はβ−Ｓｎが占めていた空格子のサイトを置換して固溶することができる。このようなＩｎ原子の置換による固溶は、カソード側におけるボイドの核形成を抑制し、それにより、はんだ継手のエレクトロマイグレーション耐性（エレクトロマイグレーションに起因するボイド成長の抑制）を向上させると考えられる。【0028】
【表1】
【0029】
拡散係数が異なる２元素からなる二元系合金では、これら２元素が同じ方向に移動しようとする場合、拡散係数がより大きい一方の元素が優先的に目的とする方向に移動して、空格子が生成する。一方、拡散係数がより小さい他方の元素は、形成された空格子を埋める。一般的に、実効電荷数が大きいほど、拡散係数も大きくなる。ＳｎおよびＩｎの実効電荷数はそれぞれ−１８および−２である。ここで、実効電荷数とはエレクトロマイグレーションの発生しやすさを示す値である。したがって、実効電荷数の絶対値がより大きいＳｎ原子が優先的に電子の流れに沿って目的の方向に移動し、Ｉｎ原子はＳｎ原子の移動により形成された空格子を埋める。【0030】
従って、Ｉｎリッチ層の形成は、次の２つのステップ、すなわち、ＥＭにより誘起されたアノード側へのＳｎ原子の流れの発生と、逆方向へのＩｎ原子の流れの発生を経て起こる。Ｓｎ原子の流れは、Ｓｎ原子が電子と衝突して運動量の伝達を受けることにより生ずる。このＳｎ原子の移動のために、Ｉｎ原子は通電前に占めていた元の格子位置に留まることができず、Ｓｎとは反対の方向に移動することになる。Ｓｎ原子が電子とともにはんだ継手のアノード側に向かって移動を開始すると、圧縮応力がはんだ継手のアノード側に生じる。他方では、引張応力がはんだ継手のカソード側に生ずるため、アノードとカソードとの間に応力勾配が形成される。この応力勾配が十分に大きければ、比較的動き難いＩｎ原子でも、はんだ継手のアノード側からカソード側へ移動を開始する。したがって、ＥＭ試験の初期段階で抵抗増大として現れるＩｎリッチ層の形成には多少の時間を要する。後述する図６〜図７Ｂに示すように、Ｉｎリッチ層の形成に要する時間は、例えば１００〜５００時間の範囲であり、Ｉｎ含有量に依存する（Ｉｎ含有量が少ないほど短い）。特許文献１に記載のはんだ合金のようにＩｎ含有量が微量であると、Ｉｎリッチ層が形成されるまでの時間は短縮されるが、Ｉｎ原子の空格子への充填が不十分となり、ボイドが成長してしまう。【0031】
Ｓｎ原子によって薄いＳｎリッチ層がはんだ継手のアノード側の界面で形成されてしまうと、ほぼすべてのＩｎ原子はこのＳｎリッチ層からカソード側へ移動する。【0032】
図１は、ＥＭ試験終了後のはんだ継手中のＩｎの濃度とはんだ継手のアノード側からの距離との関係を模式的に示す。図１に示すように、はんだ継手に高電流密度の電流を長時間通電した後、はんだ継手のアノード側からの距離が小さいＳｎリッチ層におけるＩｎ濃度（Ｃ１）はほぼゼロとなり、カソード側とアノード側との間のはんだ継手の中央部（はんだマトリックス）（図１にはＳｎ−Ｉｎ層と表示）でのＩｎ濃度はＣ２となる。アノード側から遠くに位置するＩｎリッチ層のＩｎ濃度はＣ２よりずっと高くなる。この場合、Ｓｎリッチ層の成長速度は、次の式（１）で表すことができる。【0033】
【数1】
【0034】
式中、ｙはＳｎリッチ層の厚さであり、ｔは通電時間であり、Ｃ１およびＣ２はそれぞれＳｎリッチ層のＩｎ含有量およびはんだ合金中のＩｎ濃度であり、ＪＳｎはＥＭで誘発されるＳｎの原子流束、ＣＳｎ、ＤＳｎおよびｚ＊はそれぞれベースはんだ中の拡散種であるＳｎの濃度、拡散係数および実効電荷数であり、ρははんだ合金の抵抗率であり、κはボルツマン定数であり、Ｔは温度であり、ｅは電子の電荷であり、ｊは電流密度である。【0035】
ＥＭで誘発されるＳｎの原子流束が限定的である場合、Ｓｎリッチ層の成長速度ｄｙ／ｄｔは一定となるので、Ｓｎリッチ層の成長速度が通電時間に対して線形依存性を有することになる。しかし、Ｓｎリッチ層中のＩｎの拡散が限定的であれば、Ｓｎリッチ層の成長速度は、より遅いＩｎ原子の拡散によって制御されることになるので、下記の式（２）で表すことができる。【0036】
【数2】
【0037】
式中、ＪＩｎはアノード側からの、つまりＳｎリッチ層からのＩｎの拡散流束であり、ＤＩｎはＩｎの拡散係数であり、ＣＩｎははんだ合金のＩｎ濃度であり、ｘはＳｎリッチ層に対して垂直方向でのＳｎリッチ層からの距離である。Ｓｎリッチ層またはＩｎリッチ層の成長速度がはんだ合金のＩｎ濃度に依存し、かつ放物線形依存性を有することからみると、このことは式（２）と一致している。【0038】
上述したように、本発明に係るＳｎ−Ｉｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ合金では、Ｉｎを十分な量で含有するため、通電によってＳｎ原子が優先的にアノード側に移動する結果としてＳｎ原子がはんだ継手のアノード側でＳｎリッチ層を形成した後、前述の応力勾配により、Ｉｎ原子がはんだ継手のカソード側に移動して、カソード側でＩｎリッチ層を形成する。その際に、Ｓｎ原子の移動で生ずる空格子をＩｎ原子が埋めることで、空格子の生成を抑制することができる。その結果、エレクトロマイグレーションに起因するボイド成長を抑制することが可能となり、結果としてはんだ継手の破断を防止することができる。【0039】
本発明に係るはんだ合金の合金組成について次に説明する。【0040】
本発明に係るはんだ合金のＩｎ含有量は１.０％以上１３.０％以下である。Ｉｎは通電中のエレクトロマイグレーション発生を抑制し、高温下でのはんだ合金の機械的特性を向上させると共に、はんだ合金の融点を下げる。Ｉｎ含有量が１３.０％より多いと、はんだ合金の機械的特性、特に延性が劣化する。Ｉｎ含有量が１.０％未満では、Ｉｎ添加による効果を十分に発揮させることができない。Ｉｎ含有量の下限は好ましくは２.０％であり、より好ましくは５.０％である。Ｉｎ含有量の上限は好ましくは１３．０％であり、より好ましくは１０.０％である。【0041】
破断点伸びを劣化させずに優れた引張強度を得る観点から、Ｉｎ含有量は５.０〜１０.０％の範囲内であることが特に好ましい。本発明に係るＳｎ−Ｉｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ合金は、はんだ付けが行われ、得られたはんだ継手が通電された後も、図１に示すように、はんだ継手のカソードとアノードとの間の中央部（図１にＳｎ−Ｉｎ層として表示）では当初のはんだ合金の組成を維持している。本発明に係るはんだ合金では、通電によりエレクトロマイグレーションが起こった後もＩｎがＳｎ相に固溶しているため、高温下ではんだ合金の引張強度が高く、破断点伸びの劣化を抑制することができる。したがって、本発明に係るはんだ合金のＩｎ含有量が５.０〜１０.０％であると、エレクトロマイグレーションによるはんだ継手の破断が抑制されることに加え、高温下で優れた機械的特性を得ることができる。【0042】
本発明に係るはんだ合金のＡｇ含有量は０.１〜４.０％である。Ａｇは、はんだ合金の濡れ性や引張強度などの機械的特性を向上させるのに有効である。Ａｇ含有量が４.０％より多いと、はんだ合金の液相線温度（ＬＬともいう）が上昇してしまう。Ａｇ含有量が０.１％未満では濡れ性が劣化する。Ａｇ含有量は、好ましくは０.３％以上３.０％以下である。【0043】
本発明に係るはんだ合金のＣｕ含有量は０.３〜１.０％である。Ｃｕは、はんだ合金の濡れ性や引張強度などの機械的特性を向上させ、典型的にはＣｕ製である電極または端子のＣｕ喰われを抑制するのに有効である。Ｃｕ含有量が１.０％より多いと、はんだ合金の濡れ性が劣化し、液相線温度が上昇する。Ｃｕ含有量が０.３％未満では、はんだ継手の接合強度が劣化する。Ｃｕの含有量は、好ましくは０.５％以上０.７％以下である。【0044】
本発明に係るはんだ合金は、Ｉｎ：１.０〜１３.０％、Ａｇ：０.３〜３.０％、Ｃｕ：０.３〜１.０％、および残部Ｓｎからなる合金組成であることが好ましく、Ｉｎ：２.０〜１３.０％、Ａｇ：０.３〜３.０％、Ｃｕ：０.５〜０.７％、および残部Ｓｎからなる合金組成であることがより好ましい。本発明に係る別の好ましいはんだ合金は、Ｉｎ：５.０〜１０.０％、Ａｇ：０.１〜１.５％、Ｃｕ：０.３〜１.０％、および残部Ｓｎからなる合金組成である。【0045】
本発明に係るはんだ合金を用いた接合方法は、リフロー法を用いて常法に従って行えばよく、本発明に係るはんだ合金を用いることにより特殊な条件を課すものではない。具体的には、一般にはんだ合金の液相線温度より数℃〜約２０℃高い温度でリフローはんだ付けが行われる。【0046】
本発明に係るはんだ継手は、半導体パッケージにおけるＩＣチップとその基板（インターポーザ）との接続、或いは半導体パッケージとプリント配線板との接続に使用するのに適している。ここで「はんだ継手」とは、２つの端子を接続している場合の一方の端子から他方の端子までの部分を意味する。【0047】
本発明に係るはんだ継手は、大気中、１６５℃、電流密度０.１２ｍＡ／μｍ２で通電されたとき、通電２５００時間後の抵抗値の増加率が、通電開始前の抵抗値に対して３０％以下、通電５００時間後の抵抗値に対して５％以下であることが好ましい。その結果、本発明に係るはんだ継手は、このような高温、高電流密度環境で長時間通電されても、エレクトロマイグレーションに起因する破断が発生しない。【0048】
本発明に係るはんだ継手は、通電を行わない時には高温下で優れた耐熱性を有すると考えられる。このため、本発明に係るはんだ継手は、一般的なはんだ付け条件を用いて、前述の接合方法により形成することができる。【0049】
本発明に係る通電中のはんだ継手のエレクトロマイグレーションの抑制方法は、本発明に係るはんだ合金を用いて、例えば、半導体素子と基板との接合のためのはんだ継手を形成することにより実現される。本発明では、動作中にＣＰＵ内部で通電が起こるはんだ継手において起こりうる、通電中のはんだ継手のエレクトロマイグレーションによるボイド成長を抑制することができる。【0050】
本発明に係るはんだ合金はプリフォーム、線材、ソルダペースト、はんだボール（はんだ球ともいう）などの形態で使用することができる。例えば、はんだボールの直径は、１〜１００μｍの範囲内が好ましい。【0051】
本発明に係るはんだ合金は、その原材料として低α線材を使用することにより低α線のはんだボールを製造することができる。このような低α線のはんだボールは、メモリ周辺のはんだバンプの形成に用いられるとソフトエラーを抑制することが可能になる。【実施例】
【0052】
種々の鉛フリーＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎはんだ合金が、該はんだ合金から形成したはんだ継手のエレクトロマイグレーションを調査し、かつその機械的特性を評価するために、調製された。【0053】
１．エレクトロマイグレーションの測定（ＥＭ試験）ＥＭ試験の前に、まず、Ｓｎ−４Ｉｎ−１Ａｇ−０.５Ｃｕはんだ合金、Ｓｎ−７Ｉｎ−１Ａｇ−０.５Ｃｕはんだ合金、およびＳｎ−１３Ｉｎ−１Ａｇ−０.５Ｃｕはんだ合金のはんだ付け性が調査された。試験はんだ合金のはんだボールが、Ｎｉ／Ａｕ皮膜を有するＣｕパッド上に載置されて、水溶性非ハロゲンフラックスを用いてリフローすることによりはんだ付けして、はんだバンプを形成した。
【0054】
図４は、Ｓｎ−７Ｉｎ−１Ａｇ−０.５Ｃｕはんだ合金から作製されたはんだバンプの断面の倍率５０００倍でのＳＥＭ写真である。はんだバンプ４１とＮｉ皮膜４２との間の界面に金属間化合物４３が生成していた。この金属間化合物４３は典型的な針状のＮｉ−Ｓｎ金属間化合物であり、はんだ合金とＮｉ／Ａｕ皮膜とのはんだ反応が非常に良好であることを示している。即ち、この鉛フリーはんだ合金のはんだ付け性は優れていることが確認された。図４に示したようなＮｉ−Ｓｎ金属間化合物の生成は、Ｉｎ含有量が４％または１３％である残りの本発明に係るはんだ合金から作製されたはんだバンプにおいても認められた。したがって、本発明に係るこれら全てのはんだ合金ははんだ付け性に優れている。【0055】
図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれＥＭ試験に用いられたＦＣＬＧＡ（Flip Chip Land Grid Array）パッケージ１０の模式的縦断面図および模式的平面図を示す。一例として、図２Ａに示すように、ＦＣＬＧＡパッケージ１０は、１０ｍｍ×１０ｍｍ×厚さ７５０μｍの寸法のダイ１１と、２２ｍｍ×２２ｍｍ×厚さ１.０ｍｍの寸法のダイ基板１２と、３５ｍｍ×３５ｍｍ×厚さ１.２ｍｍの寸法の有機ラミネート基板１３とから構成される。ダイ１１とダイ基板１２とはフリップチップ（ＦＣ）接合１４され、ダイ基板１２と有機ラミネート基板１３はＢＧＡ接合されている。【0056】
本実施例では、上述した方法により、本発明に係るはんだ合金または比較用のはんだ合金からなるはんだボールから形成されたＦＣ接合はんだ継手を有するＦＣＬＧＡパッケージを用いて、はんだ継手のＥＭ試験が実施された。本発明に係るはんだ合金の組成は、Ｓｎ−（４、７または１３）Ｉｎ−１Ａｇ−０.５Ｃｕであり、比較用のはんだ合金の組成はＳｎ−０.７Ｃｕであった。【0057】
ＥＭ試験では、図３に模式的に示すように、一列全体のはんだバンプを、同じ極性かつ同じ電流で同時に試験することができるように試験装置が設計された。すなわち、この部品では、電流の流れの向きが同じである一列のはんだ継手の全体の抵抗を測定することが可能であった。【0058】
ＥＭ試験はチャンバ内で実施された。試験するＦＣＬＧＡパッケージをいれたチャンバが１６５℃に加熱され、この温度に維持された。温度が定常状態に安定した後で、試験部品（ＦＣＬＧＡパッケージ）に９５０ｍＡの一定の電流が通電され、抵抗が２５００時間以上にわたってその場で連続的に監視された。通電中の各はんだバンプの電流密度は０.１２ｍＡ／μｍ２［９５０ｍＡ／（π×(１００μｍ／２)２）により算出］であった。【0059】
Ｓｎ−７Ｉｎ−１Ａｇ−０.５Ｃｕはんだ合金についての試験結果が、比較例のＳｎ−０.７Ｃｕはんだ合金の結果とともに以下の表２に示されている。表２は、ＥＭ試験開始から種々の時間が経過した後の抵抗の増大率を示す。表２の値はいずれも５列のはんだ継手についての平均である。【0060】
【表2】
【0061】
図５は、比較例であるＳｎ−０.７Ｃｕはんだ合金から作製したはんだ継手の抵抗値と試験時間との関係を示すグラフである。図６は、本発明に係るＳｎ−７Ｉｎ−１Ａｇ−０.５Ｃｕはんだ合金から作製したはんだ継手の抵抗値と試験時間との関係を示すグラフである。図５および６は、それぞれ各組成について５列のはんだ継手でのエレクトロマイグレーションの結果を示す。表２に示したデータは、このグラフのデータから５列のはんだ継手の測定値の平均値として求めたものである。【0062】
図５に示すように、比較例のＳｎ−０.７Ｃｕはんだ合金は、ある時間が経過すると急激に抵抗値が上がるという典型的なエレクトロマイグレーションによる抵抗シフトを示した。具体的には、表２にも示すように、抵抗値の増大は試験開始から約９００時間までは非常にゆるやかであった。この９００時間という時間は、ボイドの核形成が始まり、それが成長して急激に品質が劣化するまでの時間であると考えられる。９００時間を越えると抵抗値は急激に上昇し、１５００時間での抵抗の上昇率は６２％程度であり、２５００時間までにはんだ継手の２列で導通不良（破断）がみられた。さらに、図５の５列の全てのはんだ継手の抵抗は９００時間経過後、特に１２００時間経過後に著しいふらつきを示して、抵抗が著しく不安定になった。また、５列のはんだ継手間の抵抗のばらつきも大きかった。【0063】
一方、図６および表２に示すように、Ｓｎ−７Ｉｎ−１Ａｇ−０.５Ｃｕはんだ合金から作製したはんだ継手の抵抗値は、ＥＭ試験のきわめて早い段階（約１０時間まで）で２％程度増加した。そして、５００時間で抵抗値が２３％上昇した。その後、抵抗値はほぼ一定値にとどまり、２５００時間後でも抵抗値の上昇率はわずか２８％であることから証明されるように、安定なままであった。また、５列のはんだ継手間の抵抗のばらつきや各列のはんだ継手の抵抗のふらつきも図５に比べて小さかった。図７Ａおよび図７Ｂに示すように、Ｉｎが４％または１３％である本発明に係る他のはんだ合金の場合も、図６と同様の傾向を示した。すなわち、初期の抵抗増大の後は、２５００時間後も抵抗は安定なままであった。初期の抵抗値の増大は、Ｉｎ含有量が高いほど大きくなった。【0064】
エレクトロマイグレーションのメカニズムが、ＥＭ試験後のはんだ継手の断面において走査式電子顕微鏡（ＳＥＭ）および電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用いて調査された。【0065】
図８および図９は、ＥＭ試験を２５００時間行った後の、それぞれ比較例であるＳｎ−０.７Ｃｕはんだ合金から作製したはんだ継手および本発明に係るＳｎ−７Ｉｎ−１Ａｇ−０.５Ｃｕはんだ合金から作製したはんだ継手の断面のＳＥＭ写真である。これらの図に示すように、ダイ基板上に形成されたＮｉ／Ａｕめっきを有するＣｕパッド５６または６６とダイ上に形成されたＣｕパッド５１および６１とを接続するように、はんだ継手５３または６３がはんだボールから形成された。ＥＭ試験では、ダイ基板上のＣｕパッド５６または６６からダイ上に形成されたＣｕパッド５１および６１に向かう方向に電子が流れるようにはんだ継手５３または６３に電流が流れた。したがって、ダイ基板上のＣｕパッド５６または６６がカソードとなり、ダイ上のＣｕパッド５１または６１がアノードとなる。【0066】
図８および図９に示すように、アノードであるＣｕパッド５１および６１のいずれにもその上にＣｕ−Ｓｎ金属間化合物５２または６２が生成していた。カソードのＣｕパッド５６および６６のいずれにも、その上にＮｉめっき層５５または６５が観察された。これらのＣｕ−Ｓｎ金属間化合物５２または６２とニッケルめっき層５５または６５との間がはんだ継手５３または６３で接続されていた。はんだ継手５３および６３のいずれにおいても、カソード５６または６６とＮｉめっき層５５または６５との間にボイド５４または６４が生成していた。【0067】
図８に示すように、比較例のＳｎ−０.７Ｃｕはんだ合金を用いた場合、ボイド５４はカソード５６上のＮｉめっき層５５近傍ではんだ継手５３内に線または層をなすように生成していた。はんだ継手内でのこのような形態でのボイドの生成は、ストレスを受けた時に該はんだ継手の破壊を生じ易い。一方、図９に示すように、本発明に係るＳｎ−７Ｉｎ−１Ａｇ−０.５Ｃｕはんだ合金を用いた場合には、カソード６６上のＮｉめっき層６５の近傍ではんだ継手６３内に生成したボイド６４は、層を形成することがなく、離間したボイド集団を形成していた。したがって、ＥＭ試験２５００時間後でもはんだ継手の導通不良の恐れが少ない。【0068】
ＥＭ試験中の原子の流れを判定するため、２５００時間のＥＭ試験後にＥＰＭＡデータが収集された。この結果から、Ｓｎ−０.７Ｃｕはんだ合金から作製したはんだ継手は典型的なエレクトロマイグレーションのメカニズムで挙動することがわかった。すなわち、高密度電子流がＳｎ原子と衝突すると、Ｓｎ原子がアノード側に移動し、一方でボイドは電子の流れとは反対向きに移動しカソード側に蓄積されたことがわかった。【0069】
本発明に係るＩｎ含有Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ合金では、Ｉｎ原子が電子流に逆らって移動するのに対し、Ｓｎ原子は電子と一緒に移動し、それによりアノード側にＳｎリッチ層を、カソード側にＩｎリッチ層を形成する。これらの層の形成は既に述べたメカニズムにより起こると考えられる。【0070】
２．機械的特性表３［Ｓｎ−ｘＩｎ−１Ａｇ−０.５Ｃｕ（ｘ＝０〜１５）］および表４［Ｓｎ−ｘＩｎ−（０または１）Ａｇ−０．７Ｃｕ（ｘ＝０〜１５）］に示す組成のはんだ合金が鋳型に鋳込まれて、図１０Ａおよび図１０Ｂに示す形状の試験片を作製した。例えば、各試験片の平行部Ｐｌの寸法は、直径８ｍｍ、長さ３０ｍｍであった。また、試験機器に取り付けられる、平行部Ｐｌの外側の両固定部Ｆｘの寸法は、それぞれ直径１０ｍｍ、長さ１５ｍｍであった。更に、平行部Ｐｌと各固定部Ｆｘの間は、それぞれ平行部Ｐｌから固定部Ｆｘに向かってテーパー状に生成されており、この試験片の全長は６８ｍｍであった。試験片は、各はんだ合金を、その組成の液相線温度＋１００℃の温度で、図１０Ａおよび図１０Ｂに示した形状に加工された割型の鋳型に鋳込んだ後、室温まで空冷し、鋳型から形成された鋳片を取り出すことにより作製された。
【0071】
引張試験機を用いて、各試験片に大気中、室温（ＲＴ）または１２５℃で６ｍｍ／ｍｉｎの速度で張力を加え、ロードセルから読みとった荷重および変位から引張強度および破断点伸びが算出された。結果を以下の表３および表４に併記する。【0072】
【表3】
【0073】
【表4】
【0074】
表３および表４から、Ｃｕの含有量が０.５％と０.７％のいずれのはんだ合金でも、全ての合金組成において同様の傾向を示すことがわかる。具体的には、引張強度は、Ｃｕ含有量０.５％の場合はＩｎ含有量が４％以上で、Ｃｕ含有量が０.７％の場合にはＩｎ含有量が５％以上で、室温と１２５℃のいずれの温度でも高い値を示した。また、１２５℃ではＩｎ含有量が１３％を超えると破断点伸びが急激に低下した。【0075】
図１１は、Ｓｎ−（０〜１５）Ｉｎ−１Ａｇ−０.５Ｃｕはんだ合金の室温および１２５℃での引張強度とＩｎ含有量との関係を示すグラフである。図１２は、Ｓｎ−（０〜１５）Ｉｎ−１Ａｇ−０.５Ｃｕはんだ合金の室温および１２５℃での破断点伸びとＩｎ含有量との関係を示すグラフである。高温での測定温度を１２５℃にしたのは、近年の半導体素子では駆動温度が１００℃に達することがあり、さらに過酷な環境での測定が必要なためである。【0076】
図１１に示すように、引張強度は、Ｉｎ含有量が４％を超えたあたりから急激に向上し、Ｉｎ含有量が５〜１０％では１２５℃という高温でも高い値を示した。一方、Ｉｎ含有量が１３％を超えると引張強度が低下した。図１２に示すように、破断点伸びはＩｎ含有量が多くなるにつれて徐々に低下し、１２５℃ではＩｎ含有量が１３％を超えると急激に低下した。表４に示すように、Ｓｎ−（０〜１５）Ｉｎ−(０，１)Ａｇ−０.７Ｃｕはんだ合金も、引張強度と破断点伸びについて図１１及び１２と同様の傾向を示した。【0077】
上述した通り、本発明に係るはんだ合金は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ合金に１.０〜１３.０％の量でＩｎを含有するため、この種の鉛フリーはんだ合金で起こり易く、最終的にはんだ継手の破損を生ずるエレクトロマイグレーションの発生を抑制することができる。また、Ｉｎ含有量が５〜１０％であると、本発明に係るはんだ合金は、エレクトロマイグレーション発生をより効果的に抑制することに加えて、高温下で優れた機械的特性を示すことができる。【0078】
したがって、本発明に係るはんだ合金は、ＣＰＵの他、太陽光発電の電力変換装置や産業用モータの大電流インバータなど、高電圧・大電流を扱う機器にも用いることができる。特に、Ｉｎ含有量が５〜１０％のはんだ合金は機械的特性に優れることから、電気自動車（ＥＶ）やプラグインハイブリッド車（ＰＨＶ）のモータ制御用インバータに搭載されたパワー半導体に用いることができる。