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WO2018159664A1 - はんだ材料、はんだペースト、フォームはんだ及びはんだ継手 - Google Patents

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WO2018159664A1
WO2018159664A1 PCT/JP2018/007466 JP2018007466W WO2018159664A1 WO 2018159664 A1 WO2018159664 A1 WO 2018159664A1 JP 2018007466 W JP2018007466 W JP 2018007466W WO 2018159664 A1 WO2018159664 A1 WO 2018159664A1
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WO
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solder
mass
core
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less
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PCT/JP2018/007466
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English (en)
French (fr)
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友朗 西野
貴洋 服部
浩由 川▲崎▼
六本木　貴弘
相馬　大輔
佐藤　勇
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Senju Metal Industry Co Ltd
Original Assignee
Senju Metal Industry Co Ltd
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Priority to MYPI2019004917A priority patent/MY198948A/en
Priority to CN202510849956.7A priority patent/CN120663000A/zh
Priority to KR1020197027980A priority patent/KR102517794B1/ko
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Definitions

  • the present invention relates to a solder material in which a metal core is coated with a solder alloy, a solder paste using the solder material, a foam solder, and a solder joint.
  • BGA ball grid array
  • An electronic component to which BGA is applied includes, for example, a semiconductor package.
  • a semiconductor package a semiconductor chip having electrodes is sealed with a resin.
  • Solder bumps are formed on the electrodes of the semiconductor chip. This solder bump is formed by joining a solder ball to an electrode of a semiconductor chip.
  • a semiconductor package using BGA is mounted on a printed circuit board by placing the solder bumps on the printed circuit board so that each solder bump contacts the conductive land of the printed circuit board, and the solder bumps and lands melted by heating are joined. Is done.
  • connection terminals are narrowed and the mounting area is reduced, solder joints are becoming finer and the current density at the joints is increasing. Due to the increase in current density at the joint, there is a concern about the occurrence of electromigration at the joint due to solder.
  • a solder material called a copper core solder ball in which a copper core having a Ni layer of 1.0 to 5.0 ⁇ m on the surface of a copper sphere having a diameter of 20 to 80 ⁇ m, is coated with a layer of a solder alloy having a Sn—Ag—Cu composition is prepared.
  • the technique which performs is proposed (for example, refer patent document 1).
  • a solder material in which a metal core (core) is coated with a solder layer, like a copper core solder ball, is composed of a solder alloy of the same composition, compared to a solder material called a solder ball that does not have a metal core, It is known that the electromigration phenomenon can be suppressed.
  • the copper core solder ball having a solder layer made of the Sn—Ag—Cu composition described in Patent Document 1 is used.
  • a solder material that can further suppress electromigration is used.
  • the present invention has been made to solve such problems, and a solder material that can further suppress the occurrence of electromigration than conventional solder materials, a solder paste using the solder material, foam solder, and solder
  • the object is to provide a joint.
  • the inventors have added a certain amount of Bi to a solder layer of a solder material including a metal core and a solder layer covering the core, thereby suppressing a rise in the temperature of the joint, thereby preventing conventional solder balls and It has been found that the occurrence of electromigration can be significantly suppressed as compared with a solder material having a metal nucleus.
  • the present invention is as follows. (1) A metal core and a solder layer covering the core are provided. Cu content is 0.1 mass% or more and 3.0 mass% or less, Bi content is 0.5 mass% or more and 5.0 mass% or less, Ag content is 0% by mass or more and 4.5% by mass or less, Ni content is 0% by mass or more and 0.1% by mass or less, Solder material with Sn remaining.
  • a metal core and a solder layer covering the core are provided.
  • Cu content is 0.1 mass% or more and 3.0 mass% or less
  • Bi content is more than 1.0% by mass and 5.0% by mass or less
  • Ni content is 0% by mass or more and 0.1% by mass or less
  • Solder material that does not contain Ag and Sn is the balance.
  • solder material as described in said (1) whose content of Ag is more than 1.5 mass% and 4.5 mass% or less.
  • the core is made of a simple metal or alloy of Cu, Ni, Ag, Au, Al, Mo, Mg, Zn, Co.
  • solder material according to any one of the above (1) to (6), wherein the core covered with a layer composed of one or more elements selected from Ni and Co is covered with a solder layer.
  • the heat generated at the junction and the heat transmitted to the junction are dissipated by the core of the metal, the temperature rise of the junction is suppressed, and the state in which the metal element is difficult to move is maintained. Therefore, the effect of suppressing electromigration due to the inclusion of Bi can be obtained.
  • the solder material of the present embodiment is composed of a metal core and a solder layer covering the core. If the core is a sphere, the solder material is referred to as a core ball. In the following embodiment, a nuclear ball will be described.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic structure of the core ball of the present embodiment.
  • the core ball 1A of the present embodiment includes a spherical core 2A and a solder layer 3A that covers the core 2A.
  • the core 2A can have a composition of simple Cu or an alloy composition mainly composed of Cu.
  • the Cu content is 50% by mass or more.
  • the core 2A only needs to have better electrical conductivity than the solder layer 3A, which is a Sn-based solder alloy. Therefore, in addition to Cu, a single metal of Ni, Ag, Au, Al, Mo, Mg, Zn, Co Or an alloy.
  • the core 2A preferably has a sphericity of 0.95 or more from the viewpoint of controlling the standoff height.
  • the sphericity is more preferably 0.990 or more.
  • the sphericity represents a deviation from the sphere.
  • the sphericity is obtained by various methods such as a least square center method (LSC method), a minimum region center method (MZC method), a maximum inscribed center method (MIC method), and a minimum circumscribed center method (MCC method).
  • LSC method least square center method
  • MZC method minimum region center method
  • MIC method maximum inscribed center method
  • MCC method minimum circumscribed center method
  • the sphericity is an arithmetic average value calculated when the diameter of 500 nuclei 2A is divided by the major axis. The closer the value is to the upper limit of 1.00, the closer to the sphere.
  • the length of the major axis and the length of the diameter mean a length measured by an ultra quick vision,
  • the diameter of the core 2A constituting the present invention is preferably 1 to 1000 ⁇ m. When in this range, the spherical core 2A can be produced stably, and connection short-circuiting when the terminals are at a narrow pitch can be suppressed.
  • the solder layer 3A is made of a Sn—Ag—Cu—Bi based solder alloy or a Sn—Cu—Bi based solder alloy.
  • the solder layer 3A is formed by performing solder plating on the surface of the core 2A.
  • Bi are 0.5 mass% or more and 5.0 mass% or less. If the Bi content is less than 0.5% by mass, the electromigration suppression effect is not sufficient. Moreover, even if the Bi content exceeds 5.0% by mass, the effect of suppressing electromigration decreases.
  • About content of Bi Preferably it is more than 1.0 mass% and 5.0 mass% or less, More preferably, it is 1.5 mass% or more and 3.0 mass% or less.
  • Cu about content of Cu, they are 0.1 mass% or more and 3.0 mass% or less. If the Cu content is less than 0.1% by mass, the melting temperature is not sufficiently lowered, and heating at a high temperature is required when bonding the bonding material to the substrate, which may cause thermal damage to the substrate. There is. Furthermore, the wettability is not sufficient, and the solder does not spread during the joining. On the other hand, if the Cu content exceeds 3.0% by mass, the melting temperature increases and the wettability also decreases.
  • the Cu content is preferably 0.3% by mass or more and 1.5% by mass or less.
  • the Ag content of Ag is 0 mass% or more and 4.5 mass% or less, and is an arbitrary addition element.
  • Ag is added in an amount of more than 0% by mass and 4.5% by mass or less, the effect of suppressing electromigration is further improved as compared with an alloy to which Ag is not added. If the Ag content exceeds 4.5% by mass, the mechanical strength decreases.
  • the Ag content is preferably 0.1% by mass or more and 4.5% by mass or less, more preferably more than 1.5% by mass and 4.5% by mass. It is as follows.
  • Ni is 0 mass% or more and 0.1 mass% or less, and is an arbitrary addition element.
  • Ni is added in an amount of more than 0% by mass and 0.1% by mass or less, wettability is improved as compared with an alloy to which Ni is not added. If the Ni content exceeds 0.1% by mass, the melting temperature increases and the wettability also decreases.
  • the Ni content is preferably 0.02% by mass or more and 0.08% by mass or less.
  • the diameter of the core ball 1A is preferably 3 to 2000 ⁇ m.
  • a diffusion preventing layer 4 may be provided between the core 2A and the solder layer 3A.
  • the diffusion prevention layer 4 is composed of one or more elements selected from Ni, Co, and the like, and prevents Cu constituting the nucleus 2A from diffusing into the solder layer 3A.
  • the occurrence of electromigration is suppressed.
  • the solder layer 3A is formed of a solder alloy having a composition containing Bi on the surface of the core 2A, the effect of suppressing electromigration by Bi is maintained by the core 2A.
  • FIG. 2 is a configuration diagram showing an example of a solder bump formed of a core ball.
  • the electrode 60A of the substrate 6A and the electrode 70A of the semiconductor package 7A are joined by a solder alloy 30A.
  • the core 2A does not melt at the melting point of the solder alloy 30A.
  • the semiconductor package 7A can be supported. Therefore, the solder bump 5A is prevented from being crushed by the weight of the semiconductor package 7A.
  • the solder layer 3A is covered with the core 2A of Cu having higher thermal conductivity than Sn.
  • the solder bump 5A formed of such a core ball 1A has the core 2A inside the solder alloy 30A in which the substrate 6A and the semiconductor package 7A are joined.
  • the heat generated in the solder bump 5A and the heat transmitted from the semiconductor package 7A and the like are dissipated by the Cu core 2A, so that the temperature rise of the solder bump 5A is suppressed, and the metal element is difficult to move. Kept. Therefore, the effect of suppressing electromigration due to the Bi content is maintained.
  • Cu has higher electrical conductivity than Sn.
  • the current density on the surface of the solder bump is high, but in the solder bump 5A formed by the core ball 1A, the current density of the core 2A is higher than the current density on the surface of the solder bump 5A. Will be higher. Therefore, an increase in current density in the solder bump 5A is suppressed, and the occurrence of electromigration is suppressed.
  • the solder bump 5A formed by the core ball 1A of the present embodiment in which the solder layer 3A is formed of a solder alloy having a composition containing Bi on the surface of the core 2A, the strength against impact such as dropping, and As the strength against expansion and contraction due to temperature change called a heat cycle, the required predetermined strength can be obtained.
  • the solder material is used for solder powder, a core ball 1A, and a solder paste in which a flux is kneaded.
  • the core ball 1A is used for the solder paste
  • the “core ball” may be referred to as a “core powder”.
  • Nuclear powder is an aggregate of a large number of core balls 1A in which each core ball 1A has the above-mentioned characteristics. For example, it is distinguished in the form of use from a single core ball, such as being formulated as a powder in a solder paste. Similarly, when used for the formation of solder bumps, it is normally treated as an aggregate, so the “nuclear powder” used in such a form is distinguished from a single nuclear ball. When the “nuclear ball” is used in a form called “nuclear powder”, the diameter of the nuclear ball is generally 1 to 300 ⁇ m.
  • solder material according to the present invention is used for foam solder in which the core balls 1A are dispersed in the solder.
  • a solder alloy having a composition of Sn-3Ag-0.5Cu each numerical value is% by mass
  • the present invention is not limited to this solder alloy.
  • the solder material according to the present invention is used for a solder joint of an electronic component.
  • the solder material according to the present invention may be applied to a column, pillar, or pellet having a columnar Cu as a nucleus.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a schematic structure of the Cu core column of the present embodiment.
  • the spherical core ball 1A is used as the solder material.
  • the present invention is not limited to this.
  • a cylindrical Cu core column 1B can be used as the solder material.
  • the configuration, material, and the like of the Cu nucleus column 1B are the same as those of the Cu nucleus ball 1A described above, only different portions will be described below.
  • the Cu nucleus column 1B has a predetermined size and a Cu column 2B that is an example of a nucleus that secures a gap between the semiconductor package and the printed circuit board, and a coating layer that covers the Cu column 2B.
  • the solder layer 3B which is an example is provided.
  • the Cu column 2B is formed in a cylindrical shape, but is not limited to this, and may be, for example, a rectangular column.
  • the Cu column 2B preferably has a wire diameter (diameter) D2 of 20 to 1000 ⁇ m and a length L2 of 20 to 10000 ⁇ m.
  • the thickness of the solder layer 3B is not particularly limited, but for example, 100 ⁇ m (one side) or less is sufficient. Generally, it may be 20 to 50 ⁇ m.
  • the Cu core column 1B preferably has a wire diameter (diameter) D1 of 22 to 2000 ⁇ m and a length L1 of 22 to 20000 ⁇ m.
  • Example core balls, comparative core balls and solder balls were prepared with the compositions shown in Table 1 below, and subjected to an electromigration test to measure resistance to electromigration (EM) when a large current was applied.
  • the composition ratio in Table 1 is mass%.
  • Examples 1 to 13 and Comparative Examples 1 to 7 core balls having a diameter of 300 ⁇ m were prepared.
  • solder balls having a diameter of 300 ⁇ m were prepared.
  • a diffusion preventing layer having a thickness of 2 ⁇ m on one side was formed of Ni on a Cu core having a diameter of 250 ⁇ m, and a solder layer was formed so that the diameter was 300 ⁇ m.
  • the solder layer was formed by a known plating method.
  • Known plating methods include electrolytic plating methods such as barrel plating, and a pump connected to the plating tank generates a high-speed turbulent flow in the plating solution, and a plating film is formed on the spherical core by the turbulent flow of the plating solution.
  • electrolytic plating methods such as barrel plating
  • a pump connected to the plating tank generates a high-speed turbulent flow in the plating solution, and a plating film is formed on the spherical core by the turbulent flow of the plating solution.
  • There are a method of forming a method in which a plating plate is vibrated at a high speed by providing a vibrating plate in a plating tank and vibrated at a predetermined frequency, and a plating film is formed on a spherical core by the turbulent flow of the plating solution.
  • the electromigration test was performed using a core ball of each example shown in Table 1 and a core ball and a solder ball of a comparative example on a package substrate having a size of 13 mm ⁇ 13 mm having a Cu electrode having a diameter of 0.24 mm.
  • Reflow soldering was performed using a flux to produce a package.
  • a solder paste is printed on a glass epoxy substrate (FR-4) having a size of 30 mm ⁇ 120 mm and a thickness of 1.5 mm, and the package produced as described above is mounted and held at a temperature range of 220 ° C. or higher for 40 seconds, Reflow was performed under conditions where the peak temperature was 245 ° C., and a sample was prepared.
  • a resist film having a film thickness of 15 ⁇ m is formed, and an opening having an opening diameter of 240 ⁇ m is formed in the resist film. Solder balls were joined.
  • the semiconductor package substrate to which the core ball or solder ball was bonded in this way was mounted on a printed wiring board.
  • a solder paste having a solder alloy composition of Sn-3.0Ag-0.5Cu was printed with a thickness of 100 ⁇ m and a diameter of 240 ⁇ m, and the core balls or solder balls of the examples or comparative examples were printed.
  • the joined semiconductor package substrate was connected to a printed wiring board in a reflow furnace. As reflow conditions, the peak temperature was 245 ° C. in the atmosphere, preheating was performed at 140 to 160 ° C. for 70 seconds, and main heating was performed at 220 ° C. or more for 40 seconds.
  • the sample prepared above was connected to a compact variable switching power supply (manufactured by Kikusui Electronics Co., Ltd .: PAK35-10A), and the current was adjusted to a current density of 12 kA / cm 2 in a silicon oil bath maintained at 150 ° C. Shed. During the current application, the electric resistance of the sample was continuously measured, and when the increase was 20% from the initial resistance value, the test was terminated and the test time was recorded. As a result of the EM test, the electromigration evaluation (EM evaluation) was satisfied for the test time exceeding 800 hours.
  • EM evaluation electromigration evaluation
  • Cu core balls of Examples 1 to 10 having a solder layer made of a Sn—Ag—Cu—Bi based solder alloy having a Bi content of 0.5 mass% to 5.0 mass%.
  • the test time for EM evaluation Exceeded 800 hours In the Cu core balls of Examples 11 to 13 having the solder layer of the Sn—Cu—Bi based solder alloy having a content of 0.5% by mass or more and 5.0% by mass or less, the test time for EM evaluation Exceeded 800 hours.
  • the test time for EM evaluation exceeded 1300 hours.
  • the test time for EM evaluation tends to decrease when the Bi content is 5.0% by mass or more, but the Cu core ball of Example 6 in which the Bi content is 5.0% by mass is also tested for EM evaluation. Time exceeded 800 hours.
  • the Cu core balls of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 having a solder layer made of Sn—Ag—Cu solder alloy not containing Bi, and the solder layer made of Sn—Cu solder alloy containing no Bi were used.
  • the test time for EM evaluation was less than 800 hours.
  • Comparative Example 6 having a Bi content of 0.2% by mass and Bi content of 10.0% by mass
  • the EM evaluation test time was less than 800 hours.
  • the Bi content is less than 0.5 mass% or more than 5.0 mass%.
  • the test time for EM evaluation was less than 800 hours, and the desired resistance to EM was not obtained.
  • solder ball of Comparative Example 9 made of a Sn—Ag—Cu—Bi based solder alloy having a Bi content of 0.5 mass%, even if the composition of the solder alloy is the same as in Example 1, the EM evaluation The test time was significantly less than 800 hours.
  • the Bi content it was found that the effect of suppressing electromigration can be obtained by setting the content to 0.5 mass% or more and 5.0 mass% or less. Moreover, it turned out that preferable content of Bi is 1.5 to 3.0 mass%.
  • Example 3 in which the Ag content was 4.5% by mass, the test time for EM evaluation exceeded 1300 hours. Furthermore, it has been found that even if the Ni content is more than 0% by mass and 0.1% by mass or less, the effect of suppressing electromigration can be obtained. In Example 4 in which the Ni content was 0.1% by mass, the test time for EM evaluation exceeded 1400 hours.

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Abstract

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はんだ材料を提供する。　はんだ材料は、ＣｕまたはＣｕ合金で構成される球状の核２Ａと、核２Ａを被覆するはんだ層３Ａを備え、はんだ層３Ａは、　Ｃｕの含有量が０．１質量％以上３．０質量％以下、　Ｂｉの含有量が０．５質量％以上５．０質量％以下、　Ａｇの含有量が０質量％以上４．５質量％以下、　Ｎｉの含有量が０質量％以上０．１質量％以下、　Ｓｎが残部である核ボール１Ａである。

Description

はんだ材料、はんだペースト、フォームはんだ及びはんだ継手
　本発明は、金属の核がはんだ合金で被覆されたはんだ材料、このはんだ材料を使用したはんだペースト、フォームはんだ及びはんだ継手に関する。
　近年、小型情報機器の発達により、搭載される電子部品では急速な小型化が進行している。電子部品は、小型化の要求により接続端子の狭小化や実装面積の縮小化に対応するため、裏面に電極が設置されたボールグリッドアレイ（以下、「ＢＧＡ」と称する）が適用されている。
　ＢＧＡを適用した電子部品には、例えば半導体パッケージがある。半導体パッケージでは、電極を有する半導体チップが樹脂で封止されている。半導体チップの電極には、はんだバンプが形成されている。このはんだバンプは、はんだボールを半導体チップの電極に接合することによって形成されている。ＢＧＡを適用した半導体パッケージは、各はんだバンプがプリント基板の導電性ランドに接触するように、プリント基板上に置かれ、加熱により溶融したはんだバンプとランドとが接合することにより、プリント基板に搭載される。
　接続端子の狭小化や実装面積の縮小化により、はんだによる接合部の微細化が進み、接合部での電流密度が上昇している。接合部での電流密度の上昇により、はんだによる接合部でのエレクトロマイグレーションの発生が懸念される。
　直径が２０～８０μｍの銅球表面に１．０～５．０μｍのＮｉ層を有する銅コアを、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ組成のはんだ合金の層で被覆した銅コアはんだボールと称すはんだ材料を作成する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。銅コアはんだボールのように、金属の核（コア）をはんだ層で被覆したはんだ材料は、同一組成のはんだ合金で構成され、金属のコアを有さないはんだボールと称すはんだ材料に比べて、エレクトロマイグレーション現象を抑制できるという点が知られている。
特開２０１０－１０３５０１号公報
　しかし、前述の通り、接合部の微細化に伴いエレクトロマイグレーション発生の可能性が高まってきている為、特許文献１に記載されたＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ組成からなるはんだ層を有する銅コアはんだボールよりも更にエレクトロマイグレーションを抑制できるはんだ材料が求められている。
　本発明は、このような課題を解決するためなされたもので、従来のはんだ材料よりも更に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はんだ材料、このはんだ材料を使用したはんだペースト、フォームはんだ及びはんだ継手を提供することを目的とする。
　本発明者らは、金属の核と、核を被覆するはんだ層を備えるはんだ材料のはんだ層に対してＢｉを一定量添加し、接合部の温度上昇を抑制することで、従来のはんだボールや金属の核を有するはんだ材料よりも格段に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ことを知見した。
　そこで、本発明は次の通りである。
（１）金属の核と、核を被覆するはんだ層を備え、はんだ層は、
　Ｃｕの含有量が０．１質量％以上３．０質量％以下、
　Ｂｉの含有量が０．５質量％以上５．０質量％以下、
　Ａｇの含有量が０質量％以上４．５質量％以下、
　Ｎｉの含有量が０質量％以上０．１質量％以下、
　Ｓｎが残部であるはんだ材料。
（２）金属の核と、核を被覆するはんだ層を備え、はんだ層は、
　Ｃｕの含有量が０．１質量％以上３．０質量％以下、
　Ｂｉの含有量が１．０質量％超５．０質量％以下、
　Ｎｉの含有量が０質量％以上０．１質量％以下、
　Ａｇを含まず、Ｓｎが残部であるはんだ材料。
（３）Ａｇの含有量が１．５質量％超４．５質量％以下である上記（１）に記載のはんだ材料。
（４）核は、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｏの金属単体、あるいは合金で構成される上記（１）～（３）のいずれかに記載のはんだ材料。
（５）核は、球状の核ボールである上記（１）～（４）のいずれかに記載のはんだ材料。
（６）核は、カラム状の核カラムである上記（１）～（４）のいずれかに記載のはんだ材料。
（７）Ｎｉ及びＣｏから選択される１元素以上からなる層で被覆された核が、はんだ層で被覆される上記（１）～（６）のいずれかに記載のはんだ材料。
（８）上記（１）～（７）のいずれかに記載のはんだ材料を使用したはんだペースト。
（９）上記（１）～（７）のいずれかに記載のはんだ材料を使用したフォームはんだ。
（１０）上記（１）～（７）のいずれかに記載のはんだ材料を使用したはんだ継手。
　本発明では、接合部で発生した熱、接合部に伝達された熱が、金属の核で放熱されるので、接合部の温度上昇が抑制され、金属元素が移動しにくい状態が保たれる。従って、Ｂｉの含有によるエレクトロマイグレーションの抑制効果を得ることができる。
本実施の形態の核ボールの模式的な構造を示す断面図である。 核ボールで形成したはんだバンプの一例を示す構成図である。 本実施の形態のＣｕ核カラムの模式的な構造を示す断面図である。
　本実施の形態のはんだ材料は、金属の核と、この核を蓋うはんだ層で構成される。核が球体である場合、はんだ材料は、核ボールと称される。以下の実施の形態は、核ボールについて説明する。
　図１は、本実施の形態の核ボールの模式的な構造を示す断面図である。本実施の形態の核ボール１Ａは、球状の核２Ａと、核２Ａを被覆するはんだ層３Ａで構成される。
　核２Ａは、Ｃｕ単体の組成とすることもできるし、Ｃｕを主成分とする合金組成とすることもできる。核２Ａを合金により構成する場合、Ｃｕの含有量は５０質量％以上である。また、核２Ａとしては、Ｓｎ系はんだ合金であるはんだ層３Ａよりも電気伝導性が良ければよいので、Ｃｕ以外にも、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｏの金属単体や合金により構成しても良い。
　核２Ａは、スタンドオフ高さを制御する観点から真球度が０．９５以上であることが好ましい。真球度は、より好ましくは０．９９０以上である。本発明において、真球度とは真球からのずれを表す。真球度は、例えば、最小二乗中心法（ＬＳＣ法）、最小領域中心法（ＭＺＣ法）、最大内接中心法（ＭＩＣ法）、最小外接中心法（ＭＣＣ法）など種々の方法で求められる。詳しくは、真球度とは、５００個の各核２Ａの直径を長径で割った際に算出される算術平均値であり、値が上限である１．００に近いほど真球に近いことを表す。本発明での長径の長さ、および直径の長さとは、ミツトヨ社製のウルトラクイックビジョン、ＵＬＴＲＡ　ＱＶ３５０－ＰＲＯ測定装置によって測定された長さをいう。
　本発明を構成する核２Ａの直径は１～１０００μｍであることが好ましい。この範囲にあると、球状の核２Ａを安定して製造でき、また、端子間が狭ピッチである場合の接続短絡を抑制することができる。
　はんだ層３Ａは、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｂｉ系のはんだ合金、または、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｂｉ系のはんだ合金で構成される。核ボール１Ａは、核２Ａの表面にはんだめっきを行うことではんだ層３Ａが形成される。
　Ｂｉの含有量については、０．５質量％以上５．０質量％以下である。Ｂｉの含有量が０．５質量％未満だと十分なエレクトロマイグレーションの抑制効果がでない。またＢｉの含有量が５．０質量％を超えてもエレクトロマイグレーションの抑制効果が低下してしまう。Ｂｉの含有量について、好ましくは１．０質量％超５．０質量％以下、より好ましくは１．５質量％以上３．０質量％以下である。
　Ｃｕの含有量については、０．１質量％以上３．０質量％以下である。Ｃｕの含有量が０．１質量％未満だと溶融温度が十分に下がらず、接合材を基板に接合する際に高温での加熱が必要になることで、基板に熱ダメージを与えてしまう恐れがある。さらに濡れ性も十分でなく、接合の際にはんだが濡れ広がらない。またＣｕの含有量が３．０質量％を超えてしまうと、溶融温度が上昇し、さらに濡れ性も低下してしまう。Ｃｕの含有量について、好ましくは０．３質量％以上１．５質量％以下である。
　Ａｇの含有量については、０質量％以上４．５質量％以下であり、任意添加元素である。Ａｇを０質量％超４．５質量％以下で添加するとＡｇを添加していない合金よりも更にエレクトロマイグレーションの抑制効果が向上する。Ａｇの含有量が４．５質量％を超えると機械的強度が低下してしまう。Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｂｉ系のはんだ合金である場合、Ａｇの含有量について、好ましくは０．１質量％以上４．５質量％以下、より好ましくは１．５質量％超４．５質量％以下である。
　Ｎｉの含有量については、０質量％以上０．１質量％以下であり、任意添加元素である。Ｎｉを０質量％超０．１質量％以下で添加するとＮｉを添加していない合金よりも濡れ性が向上する。Ｎｉの含有量が０．１質量％を超えると溶融温度が上昇し、さらに濡れ性も低下してしまう。Ｎｉを添加する場合、Ｎｉの含有量について、好ましくは０．０２質量％以上０．０８質量％以下である。
　核ボール１Ａの直径は３～２０００μｍであることが好ましい。
　核ボール１Ａは、核２Ａとはんだ層３Ａとの間に、拡散防止層４が設けられていても良い。拡散防止層４は、Ｎｉ及びＣｏ等から選択される１元素以上で構成され、核２Ａを構成するＣｕがはんだ層３Ａに拡散することを防止する。
　Ｂｉを含有したはんだ合金では、エレクトロマイグレーションの発生が抑制される。核２Ａの表面に、Ｂｉを含有する組成のはんだ合金ではんだ層３Ａが形成された核ボール１Ａでは、Ｂｉによるエレクトロマイグレーションの抑制効果が、核２Ａにより維持される。
　図２は、核ボールで形成したはんだバンプの一例を示す構成図である。はんだバンプ５Ａは、基板６Ａの電極６０Ａと、半導体パッケージ７Ａの電極７０Ａが、はんだ合金３０Ａで接合される。図１に示す核ボール１Ａを利用したはんだバンプ５Ａでは、基板６Ａにはんだ合金３０Ａで接合された半導体パッケージ７Ａの重量がはんだバンプ５Ａに加わっても、はんだ合金３０Ａの融点では溶融しない核２Ａにより半導体パッケージ７Ａを支えることができる。従って、半導体パッケージ７Ａの自重によりはんだバンプ５Ａが潰れることが抑制される。
　その理由を検証すると、ＢｉはＳｎと比較して電気抵抗が大きいので、Ｂｉを含有したはんだバンプに電流が流れると、Ｂｉを含有しないはんだバンプと比較して、はんだバンプの温度が上昇する。はんだバンプの微細化により電流密度が増加すると、温度上昇が顕著になる。また、半導体パッケージ等で発生した熱がはんだバンプに伝達されることでも、はんだバンプの温度が上昇する。はんだバンプの温度が上昇することで、金属原子が移動し易い状態となり、エレクトロマイグレーションが発生すると考えられる。
　これに対し、本実施の形態の核ボール１Ａでは、Ｓｎに比較して熱伝導性の高いＣｕの核２Ａではんだ層３Ａが被覆される。このような核ボール１Ａで形成されたはんだバンプ５Ａは、基板６Ａと半導体パッケージ７Ａを接合したはんだ合金３０Ａの内部に核２Ａが入っている。これにより、はんだバンプ５Ａで発生した熱、半導体パッケージ７Ａ等から伝達された熱が、Ｃｕの核２Ａで放熱されるので、はんだバンプ５Ａの温度上昇が抑制され、金属元素が移動しにくい状態が保たれる。従って、Ｂｉの含有によるエレクトロマイグレーションの抑制効果が維持される。
　また、ＣｕはＳｎと比較して電気伝導性が高い。はんだボールにより形成されるはんだバンプでは、はんだバンプの表面の電流密度が高くなるが、核ボール１Ａにより形成されたはんだバンプ５Ａでは、はんだバンプ５Ａの表面の電流密度より、核２Ａの電流密度の方が高くなる。従って、はんだバンプ５Ａにおける電流密度の増加が抑制され、エレクトロマイグレーションの発生が抑制される。
　更に、核２Ａの表面に、Ｂｉを含有する組成のはんだ合金ではんだ層３Ａが形成された本実施の形態の核ボール１Ａで形成されたはんだバンプ５Ａでは、落下等の衝撃に対する強度、及び、ヒートサイクルと称される温度変化による伸縮に対する強度とも、必要とされる所定の強度を得ることができる。
　本発明に係るはんだ材料の適用例について説明すると、はんだ材料は、はんだ粉末と、核ボール１Ａと、フラックスが混練されたはんだペーストに用いられる。ここで、核ボール１Ａがはんだペーストに用いられるような場合、「核ボール」は「核パウダ」と称されてもよい。
　「核パウダ」は、上述の特性を個々の核ボール１Ａが備えた、多数の核ボール１Ａの集合体である。例えば、はんだペースト中の粉末として配合されるなど、単一の核ボールとは使用形態において区別される。同様に、はんだバンプの形成に用いられる場合にも、集合体として通常扱われるため、そのよう形態で使用される「核パウダ」は単一の核ボールとは区別される。「核ボール」が「核パウダ」と称される形態で使用されるような場合、一般的に、核ボールの直径は１～３００μｍである。
　また、本発明に係るはんだ材料は、核ボール１Ａがはんだ中に分散しているフォームはんだに用いられる。はんだペースト及びフォームはんだでは、例えば、組成がＳｎ－３Ａｇ－０．５Ｃｕ（各数値は質量％）であるはんだ合金が使用される。なお、本発明はこのはんだ合金に限定するものではない。更に、本発明に係るはんだ材料は、電子部品のはんだ継手に用いられる。また、本発明に係るはんだ材料は、柱状のＣｕを核としたカラム、ピラーやペレットの形態に応用されてもよい。
　図３は、本実施の形態のＣｕ核カラムの模式的な構造を示す断面図である。上述した例では、はんだ材料として球状の核ボール１Ａを用いた場合について説明したが、これに限定されることはない。例えば、はんだ材料として円柱状のＣｕ核カラム１Ｂを用いることもできる。なお、Ｃｕ核カラム１Ｂの構成や材料等については上述したＣｕ核ボール１Ａと共通するため、以下では異なる部分についてのみ説明する。
　本発明に係るＣｕ核カラム１Ｂは、所定の大きさを有して半導体パッケージとプリント基板との間で間隔を確保する核の一例であるＣｕカラム２Ｂと、Ｃｕカラム２Ｂを被覆する被覆層の一例であるはんだ層３Ｂとを備えている。なお、本例では、Ｃｕカラム２Ｂを円柱状に構成したが、これに限定されることはなく、例えば四角柱であっても良い。
　Ｃｕカラム２Ｂは、線径（直径）Ｄ２が２０～１０００μｍであり、長さＬ２が２０～１００００μｍであることが好ましい。
　はんだ層３Ｂの厚さは、特に制限されないが、例えば１００μｍ（片側）以下であれば十分である。一般には２０～５０μｍであれば良い。
　Ｃｕ核カラム１Ｂは線径（直径）Ｄ１が２２～２０００μｍであり、長さＬ１が２２～２００００μｍであることが好ましい。
　以下の表１に示す組成で実施例の核ボール、比較例の核ボールとはんだボールを作成し、大電流印加時のエレクトロマイグレーション（ＥＭ）に対する耐性を測定するエレクトロマイグレーション試験を行った。表１における組成率は質量％である。
　実施例１～実施例１３、比較例１～比較例７では、直径が３００μｍの核ボールを作成した。比較例８～比較例１１では、直径が３００μｍのはんだボールを作成した。核ボールは、直径が２５０μｍのＣｕの核に、膜厚が片側で２μｍの拡散防止層をＮｉで形成し、直径が３００μｍとなるようにはんだ層を形成した。はんだ層は、公知のめっき法により行った。
　公知のめっき法としては、バレルめっき等の電解めっき法、めっき槽に接続されたポンプがめっき槽中にめっき液に高速乱流を発生させ、めっき液の乱流により球状の核にめっき被膜を形成する方法、めっき槽に振動板を設けて所定の周波数で振動させることによりめっき液が高速乱流攪拌され、めっき液の乱流により球状の核にめっき被膜を形成する方法等がある。
　エレクトロマイグレーション試験は、表１に示す各実施例の核ボールと、比較例の核ボール及びはんだボールを使用して、直径０．２４ｍｍのＣｕ電極を有するサイズ１３ｍｍ×１３ｍｍのパッケージ基板上に水溶性フラックスを用いてリフローはんだ付けをし、パッケージを作製した。その後、サイズ３０ｍｍ×１２０ｍｍ、厚み１．５ｍｍのガラスエポキシ基板（ＦＲ－４）にソルダペーストを印刷して、上記で作製したパッケージを搭載して、２２０℃以上の温度域で４０秒間保持し、ピーク温度を２４５℃とする条件でリフローを行いサンプルを作製した。
　エレクトロマイグレーション試験に使用する半導体パッケージ基板には、膜厚が１５μｍのレジスト膜を形成し、レジスト膜に開口径が２４０μｍの開口部を形成して、リフロー炉で実施例あるいは比較例の核ボールあるいははんだボールを接合した。
　このように核ボールあるいははんだボールが接合された半導体パッケージ基板を、プリント配線板に実装した。プリント配線板には、はんだ合金の組成がＳｎ－３．０Ａｇ－０．５Ｃｕであるソルダペーストを、厚さを１００μｍ、径を２４０μｍとして印刷し、実施例または比較例の核ボールあるいははんだボールが接合された半導体パッケージ基板を、リフロー炉でプリント配線板に接続した。リフロー条件としては、大気でピーク温度を２４５℃とし、予備加熱を１４０～１６０℃で７０秒、本加熱を２２０℃以上で４０秒行った。
　ＥＭ試験は上記にて作製したサンプルをコンパクト可変スイッチング電源（菊水電子工業株式会社製：ＰＡＫ３５－１０Ａ）に接続し、１５０℃に保持したシリコンオイルバス中で電流密度１２ｋＡ／ｃｍ２となるように電流を流す。電流印加中は連続的にサンプルの電気抵抗を測定し、初期抵抗値から２０％上昇時を試験終了とし、試験時間を記録した。ＥＭ試験の結果、試験時間が８００時間を超えたものについて、エレクトロマイグレーションの評価（ＥＭ評価）を満たすものとした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　Ｂｉの含有量が０．５質量％以上５．０質量％以下であるＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｂｉ系のはんだ合金によるはんだ層を有した実施例１～実施例１０のＣｕ核ボール、Ｂｉの含有量が０．５質量％以上５．０質量％以下であるＳｎ－Ｃｕ－Ｂｉ系のはんだ合金によるはんだ層を有した実施例１１～実施例１３のＣｕ核ボールでは、ＥＭ評価の試験時間が８００時間を超えた。
　Ｂｉの含有量が１．５質量％である実施例２のＣｕ核ボールでは、ＥＭ評価の試験時間が１３００時間を超えた。Ｂｉの含有量が５．０質量％以上でＥＭ評価の試験時間が減少する傾向にあるが、Ｂｉの含有量が５．０質量％である実施例６のＣｕ核ボールでも、ＥＭ評価の試験時間が８００時間を超えた。
　これに対し、Ｂｉを含有しないＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系のはんだ合金によるはんだ層を有した比較例１、比較例２のＣｕ核ボール、Ｂｉを含有しないＳｎ－Ｃｕ系のはんだ合金によるはんだ層を有した比較例３のＣｕ核ボールでは、ＥＭ評価の試験時間が８００時間未満であった。
　また、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｂｉ系のはんだ合金によるはんだ層を有したＣｕ核ボールであっても、Ｂｉの含有量が０．２質量％の比較例４、Ｂｉの含有量が１０．０質量％の比較例５では、ＥＭ評価の試験時間が８００時間未満であった。このように、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｂｉ系のはんだ合金によるはんだ層を有したＣｕ核ボールであっても、Ｂｉの含有量が０．５質量％未満、または、５．０質量％超であると、ＥＭ評価の試験時間が８００時間未満であり、ＥＭに対する所望の耐性が得られなかった。
　更に、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｂｉ系のはんだ合金によるはんだ層を有したＣｕ核ボールであっても、Ｂｉの含有量が０．２質量％の比較例６、Ｂｉの含有量が１０．０質量％の比較例７では、ＥＭ評価の試験時間が８００時間未満であった。このように、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｂｉ系のはんだ合金によるはんだ層を有したＣｕ核ボールであっても、Ｂｉの含有量が０．５質量％未満、または、５．０質量％超であると、ＥＭ評価の試験時間が８００時間未満であり、ＥＭに対する所望の耐性が得られなかった。
　Ｂｉの含有量が３．０質量％、Ｎｉの含有量が０．０２質量％であるＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｂｉ－Ｎｉ系のはんだ合金による比較例８のはんだボールでは、はんだ合金の組成が実施例５と同じであっても、ＥＭ評価の試験時間が８００時間を大幅に下回った。
　Ｂｉの含有量が０．５質量％であるＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｂｉ系のはんだ合金による比較例９のはんだボールでは、はんだ合金の組成が実施例１と同じであっても、ＥＭ評価の試験時間が８００時間を大幅に下回った。
　Ｂｉを含有しないＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系のはんだ合金による比較例１０のはんだボール、Ｂｉを含有しないＳｎ－Ｃｕ系のはんだ合金による比較例１１のはんだボールでも、ＥＭ評価の試験時間が８００時間を大幅に下回った。
　以上のことから、金属の核を被覆するはんだ層が、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｂｉ系のはんだ合金、または、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｂｉ系のはんだ合金で構成されるはんだ材料において、Ｂｉの含有量を０．５質量％以上５．０質量％以下とすることで、エレクトロマイグレーションの抑制効果が得られることが判った。また、Ｂｉの好ましい含有量は、１．５質量％以上３．０質量％以下であることが判った。
　なお、Ｃｕの含有量を０．１質量％以上３．０質量％以下とすることで、エレクトロマイグレーションの抑制効果が阻害されないことが判った。また、Ａｇの含有量を０質量％超４．５質量％以下とすることで、Ａｇを含有しないはんだ合金よりもエレクトロマイグレーションの抑制効果が得られることが判った。Ａｇの含有量を４．５質量％とした実施例３では、ＥＭ評価の試験時間が１３００時間を超えた。更に、Ｎｉの含有量を０質量％超０．１質量％以下含有しても、エレクトロマイグレーションの抑制効果が得られることが判った。Ｎｉの含有量を０．１質量％とした実施例４では、ＥＭ評価の試験時間が１４００時間を超えた。
　１Ａ・・・核ボール、２Ａ・・・核、３Ａ・・・はんだ層、３０Ａ・・・はんだ合金、４・・・拡散防止層、５Ａ・・・はんだバンプ、６Ａ・・・基板、６０Ａ・・・電極、７Ａ・・・半導体パッケージ、７０Ａ・・・電極

Claims (10)

  1. 　金属の核と、
    　前記核を被覆するはんだ層を備え、
    　前記はんだ層は、
    　Ｃｕの含有量が０．１質量％以上３．０質量％以下、
    　Ｂｉの含有量が０．５質量％以上５．０質量％以下、
    　Ａｇの含有量が０質量％以上４．５質量％以下、
    　Ｎｉの含有量が０質量％以上０．１質量％以下、
    　Ｓｎが残部である
    　ことを特徴とするはんだ材料。
  2. 　金属の核と、
    　前記核を被覆するはんだ層を備え、
    　前記はんだ層は、
    　Ｃｕの含有量が０．１質量％以上３．０質量％以下、
    　Ｂｉの含有量が１．０質量％超５．０質量％以下、
    　Ｎｉの含有量が０質量％以上０．１質量％以下、
    　Ａｇを含まず、Ｓｎが残部である
    　ことを特徴とするはんだ材料。
  3. 　Ａｇの含有量が１．５質量％超４．５質量％以下である
    　ことを特徴とする請求項１に記載のはんだ材料。
  4. 　前記核は、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｏの金属単体、あるいは合金で構成される
    　ことを特徴とする請求項１～請求項３の何れか１項に記載のはんだ材料。
  5. 　前記核は、球状の核ボールである
    　ことを特徴とする請求項１～請求項４の何れか１項に記載のはんだ材料。
  6. 　前記核は、カラム状の核カラムである
    　ことを特徴とする請求項１～請求項４の何れか１項に記載のはんだ材料。
  7. 　Ｎｉ及びＣｏから選択される１元素以上からなる層で被覆された前記核が、前記はんだ層で被覆される
    　ことを特徴とする請求項１～請求項６のいずれか１項に記載のはんだ材料。
  8. 　請求項１～７のいずれか１項に記載のはんだ材料を使用した
    　ことを特徴とするはんだペースト。
  9. 　請求項１～７のいずれか１項に記載のはんだ材料を使用した
    　ことを特徴とするフォームはんだ。
  10. 　請求項１～７のいずれか１項に記載のはんだ材料を使用した
    　ことを特徴とするはんだ継手。
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