JPH071179A - 無鉛すず−ビスマスはんだ合金 - Google Patents

無鉛すず−ビスマスはんだ合金

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JPH071179A
JPH071179A JP6081966A JP8196694A JPH071179A JP H071179 A JPH071179 A JP H071179A JP 6081966 A JP6081966 A JP 6081966A JP 8196694 A JP8196694 A JP 8196694A JP H071179 A JPH071179 A JP H071179A
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JP
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component
solder alloy
solidus temperature
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circuit chip
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JP6081966A
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Stephen G Gonya
ステフェン・ギルバート・ゴーニャ
James K Lake
ジェームズ・ケネス・レイク
Randy C Long
ランディ・クリントン・ロング
Roger N Wild
ロジャー・ネイル・ワイルド
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International Business Machines Corp
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C12/00—Alloys based on antimony or bismuth
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10W72/00—Interconnections or connectors in packages
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 無鉛合金を開示する。 【構成】 該合金は固相線温度が低い多成分はんだ合金
であり、少なくとも約５０重量％のＢｉと、最大約５０
重量％のＳｎ（ＳｎおよびＢｉの合計を基準とする）、
ならびに有効量の物理的機械的性質を強化する第３の成
分を含む。この第３成分はＣｕ、Ｉｎ、Ａｇ及びＣｕと
Ａｇの合成物である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は無鉛はんだに関し、特に
無鉛のすず−ビスマスはんだ合金に関する。この合金
は、マイクロエレクトロニクスに適用して特に有用な無
鉛低毒性のはんだ合金である。これらの合金は、集積回
路チップをプリント回路板としてのチップ・キャリヤと
基板に接合したり、またチップ・キャリヤを基板に接合
したり、多層プリント回路板において回路化のランドや
パッドの接合したりする際に有用である。
【０００２】
【従来の技術】はんだ付けは低温で、一般に可逆性の冶
金的接合法である。低温と可逆性は、関与する材料およ
び再加工や技術的変更の必要性から、マイクロエレクト
ロニクスの適用では特に重要である。
【０００３】はんだ接合は後で化学反応が行われる湿潤
プロセスである。溶融はんだは選択的に湿潤する。はん
だの選択的な湿潤性によって、溶融はんだを所望の箇所
に閉じ込めることができる。これは、フリップ・チップ
接着やはんだマスクによる加工において特に重要であ
る。
【０００４】はんだ付け工程は、湿潤化が起こるとすぐ
に、たとえば数秒台で実施することができ、これははん
だ付けを自動化された高速の大量処理工程に特に好まし
いものとする。
【０００５】湿潤性は接合すべき材料の関数でもあり、
Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ、及びＰｄ、ならびにこれらの金属の
１つまたは複数を多く含有している合金ははんだ付けに
特に敏感に反応する。
【０００６】湿潤後に行われる化学反応は、溶融はんだ
と接合金属材料との間のものであって、その界面に金属
間相領域を形成する。電子パッケージにおいてはんだに
よって形成される金属間層は、一般的には二元化合物で
ある化学量論的化合物であり、はんだ合金の中にＳｎが
含有される場合には一般にＳｎを含む。ベース、パッ
ド、またはランドがＣｕで、はんだ合金がＳｎを多く含
有するときは、はんだ付け中に形成される金属間相はＣ
ｕ−Ｓｎである。典型的なＣｕ−Ｓｎ二元化合物はＣｕ
3ＳｎとＣｕ6Ｓｎ5を含む。
【０００７】はんだ合金は組成に応じた強い関数である
溶融温度を特徴とする。純粋な金属は単一で不変の溶融
温度を特徴とするが、合金の凝固点と溶融点は複雑であ
る。合金の凝固点は液相線によって決定される。液相線
より上では、１つまたは複数の液相のみが存在する。合
金の溶融点は固相線によって決定される。固相線よりも
下では、１つまたは複数の固相のみが存在する。これら
の２線すなわち液相線と固相線との間の領域には、液相
と固相とが共存する。
【０００８】好ましいはんだ合金は共晶であり、すなわ
ち共晶点を特徴とする。共晶点は液相線と固相線とが一
致する点である。共晶からいづれかの方向への濃度の変
化は、液相温度の上昇をもたらす。
【０００９】組成と急冷速度も、はんだ付けされた接合
部の顕微鏡構造と、結果として得られる機械的性質を決
定する。したがって、はんだの組成を慎重に選定するこ
とと、はんだ付けされた接合部の露熱を慎重に制御する
ことの両方が必要となる。
【００１０】電子部品の製造で使用されるはんだ組成
は、はんだ合金として湿潤化可能でなければならず、パ
ッド金属またはランド金属を有する導電性で熱的に安定
した傷つきにくい可塑性の金属間相を形成することがで
きる成分を、少なくとも１種類持たなければならない。
この理由で、最も普遍的なはんだ合金は、Ｓｎ−Ｐｂ合
金のような鉛ベースの合金となる。
【００１１】これまで、Ｐｂ／Ｓｎはんだが電子部品用
に利用されてきた。Ｐｂ／Ｓｎ合金が広範囲にわたって
使用されてきたのには、多くの歴史的理由がある。これ
らの歴史的理由の中には、Ｐｂ／Ｓｎはんだ合金の低い
液相温度、Ｐｂ／Ｓｎはんだならびに結果として得られ
るＣｕ／Ｓｎ金属間相（はんだ／Ｃｕ接触界面に形成さ
れる）の広い温度範囲にわたる加工性、Ｐｂ／Ｓｎ合金
から得られたＣｕ／Ｓｎ金属間相のＣｕランドまたはＣ
ｕパッドに対する接着、さらに、Ｐｂ／Ｓｎ合金用の樹
脂、融剤、はんだマスクといったプロセス装置と低廉な
添加物が容易に入手できることが含まれる。
【００１２】Ｐｂ／Ｓｎはんだ合金加工に必要な比較的
低い温度は、電子パッケージの製造に高分子誘電体が使
用されるときに特に重要である。これらの重合体は高温
の組立て作業では劣化する可能性がある。比較的低い温
度で溶融するはんだ合金は、これらの高分子基板に適合
することができる。
【００１３】さらに、半導体チップは高い温度において
熱拡散と構造的転換を受ける。低温溶融のはんだはこの
問題を回避する。
【００１４】鉛ベースのはんだの「柔軟さ」すなわち可
塑性は特に重要である。この柔軟さすなわち可塑性によ
って、結合された構造物間の熱膨脹係数の不一致、たと
えばセラミック誘電体と高分子誘電体との間、または半
導体チップとセラミックまたは高分子チップ・キャリア
または基板との間の熱膨脹係数の不一致にはんだが適合
できるようになる。
【００１５】しかし鉛は比較的高い蒸気圧を有する有毒
の重金属である。この使用は嫌われ、取り替える必要が
ある。
【００１６】無鉛はんだ合金の例としては、欧州特許第
０−３５４−５７０−Ａ２号明細書があり、これには、
４０〜８５％Ｓｎ、１０〜５０％Ｂｉ、１〜１５％Ｃｕ
の合金を含む光学データ記憶媒体が記載されている。
【００１７】米国特許第４９２９４２３号明細書には、
給排水管のために有用であるとして開示された無鉛はん
だ合金が記載されている。この開示された合金は、０．
０８〜２０％のＢｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐ、希土、及び残り
（約８０％）のＳｎを含む。
【００１８】セラフィム、ラスキー、及びリーの「電子
実装の原理(PRINCIPLES OF ELECTRONIC PACKAGING)」に
は、その表１９．１に５８％のＢｉと４２％のＳｎを含
む無鉛合金を示している。
【００１９】しかし、上記の各合金は、電子材料の損害
を回避するために十分な低い温度で流動し、Ｃｕ、Ａ
ｕ、Ａｇ、Ｐｄなどの電子品製造に一般的に使用される
接着材料を湿潤化するが、特に基板やはんだマスクとし
ての有機材料の湿潤化を回避する、という無鉛はんだを
提供することはできない。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】本発明の主な目的は、
無鉛はんだを提供することである。
【００２１】本発明のさらに他の目的は、特に基板やは
んだマスクとしての有機材料の湿潤化を避ける一方で、
Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄなどのエレクロトニクス製造で
一般的に使用される金属の接着によって化学的かつ熱的
に安定した金属間相を湿潤化し形成する無鉛はんだを提
供することである。
【００２２】本発明のもう１つの目的は、電子材料の損
傷を避けるために十分に低い温度で流れる無鉛はんだを
提供することである。
【００２３】
【課題を解決するための手段】これら及びその他の従来
の技術の問題は、本発明の無鉛はんだによって解決され
る。本発明によって一群の無鉛Ｓｎ−Ｂｉはんだが提供
される。これらのはんだは固相線温度が低いことを特徴
とする。合金中の主な金属はＢｉとＳｎである。
【００２４】
【実施例】本発明の好ましい実施例では、固相線温度が
低い多成分はんだ合金はＢｉとＳｎを主成分とし、さら
に有効量の物理的機械的性質を強化する第３の成分を含
む。物理的機械的性質を強化する第３の成分はＩｎ、Ｃ
ｕ、Ａｇ、またはこれらの合成物であってもよい。
【００２５】本発明の特に好ましい例示では、固相線温
度を低くする第３成分はＡｇとＣｕの混合物である。あ
るＢｉ−Ｓｎ−Ｃｕ−Ａｇ合金の組成は、約４６重量％
のＢｉ、約４８重量％のＳｎ、（すなわちＢｉとＳｎの
基本合計では、少なくとも約５０重量％のＳｎ及び約５
０重量％未満のＢｉ）、約４重量％のＣｕ、及び約２％
のＡｇを含む。
【００２６】本発明の一代替実施例では、合金は少なく
とも約５０重量％のＢｉ、約５０重量％までのＳｎ、及
び有効量の物理的機械的性質を強化する第３の成分を含
む。第３の成分はＩｎ、Ｃｕ、Ａｇ、またはＣｕとＡｇ
といったこれらの合成物であってもよい。
【００２７】本発明のある例示では、固相線温度を低く
する第３成分はＣｕである。ある好ましい合金は４８〜
５６重量％のＢｉ、４２〜４８重量％のＳｎ、及び２〜
４重量％のＣｕから成る。
【００２８】本発明の１つの代替実施例では、固相線温
度を低くする第３成分はＩｎである。好ましいＢｉ−Ｓ
ｎ合金は、約５６重量％のＢｉ、約４２重量％のＳｎ、
及び約２重量％のＩｎを含む合金である。
【００２９】これらの組成を次の表に総括する。
【表１】
【００３０】本発明の好ましい一実施例により、集積回
路チップを回路基板に電気的に接続する方法が提供され
る。この相互接続方法には、主成分のＢｉとＳｎ、及び
有効量の物理的機械的性質を強化する第３の成分を含む
はんだ合金を溶着させるステップが含まれる。物理的機
械的性質を強化する第３の成分はＩｎ、Ｃｕ、Ａｇ、ま
たはこれらの合成物であってもよい。この合金は集積回
路チップの電気接点の上に溶着される。はんだ合金は、
ウェーブはんだ溶着、電気溶着によって、またははんだ
ペーストとして使用することができる。
【００３１】次に、回路基板の電気リードを集積回路チ
ップの電気接点の上ではんだ合金と接触させる。チップ
を「フリップ・チップ」形態に実装しようとする場合に
は、回路基板の電流リードは基板上のパッドであり、は
んだ合金溶着部はパッドと接触させられる。代替方法と
して、集積回路チップを表を上にして実装しようとする
場合には、電流リードはワイヤ・リードであり、またタ
ブ内部リード接続部であり、これらは集積回路チップの
上表面のはんだ合金接点と接触させられる。
【００３２】基板の電流リードとはんだ溶着部は接触を
保つが、はんだ合金は加熱されて、その結果はんだ合金
は湿潤化し、回路基板の電気リードに接着する。加熱は
気相リフロー、赤外線リフロー、レーザ・リフローなど
によって実施される。
【００３３】本発明の結果として得られる超小形電気回
路パッケージは、集積回路チップ・モジュールであり、
これは回路チップ・キャリアすなわち基板、半導体集積
回路チップ、及び回路チップ・キャリアと半導体集積回
路チップとの間のはんだ接着電気相互接続部としての、
Ｂｉ及びＳｎという主要部分とＩｎ、Ｃｕ、Ａｇまたは
これらの組合せであってかまわない有効量の物理的機械
的性質を強化する第３の成分とで形成された合金を有し
ている。
【００３４】次の例示を参照して本発明を理解すること
ができる。
【００３５】一連の４８重量％Ｓｎ−５２重量％Ｂｉは
んだ合金を準備して、種々のはんだ特性についてテスト
した。
【００３６】あるテストでは、はんだ合金を準備して液
固温浸についてテストした。Ｃｕ温浸のテストでは、Ｃ
ｕは１２０秒間で液状はんだの中に０．３５ミルだけ温
浸した。別の液固温浸テストでは、１２０℃で１００時
間後に測定されたＩＭＣ厚さは１１０ミルであった。
【００３７】別のテストでは、合金を２００ｐｓｉの荷
重下８０℃でテストし、圧縮クリープ特性を判定した。
直径０．００６インチのはんだ球の第２段階クリープに
おける４０時間後の圧縮強度は０．４７であった。
【００３８】１分当たり０．０５インチでは、引張強度
は９９（１００ポンド／平方インチ）と測定され、降伏
強度は８３（１００ポンド／平方インチ）と測定され、
また伸び率はすべて４３％と測定された。１分当たり
０．００２インチでは、引張強度は６７（１００ポンド
／平方インチ）と測定され、降伏強度は５１（１００ポ
ンド／平方インチ）と測定され、また伸び率はすべて５
４％と測定された。これは共晶Ｐｂ／Ｓｎに関する良好
な高強度特性を示すものである。
【００３９】また合金を２３℃の４．３％たわみにおけ
るサイクル疲労テストを行った。疲労は３サイクル（５
サイクル／分）後と８サイクル（１サイクル／分）後に
起こった。
【００４０】合金の融点は１３８℃と測定された。
【００４１】本発明を特定の好ましい実施例と例示見本
について説明したが、これは本発明の範囲をこれによっ
て限定することを目的とするものではなく、本発明は、
特許請求の範囲のみによって限定されるものである。
【００４２】以下に、実施例を整理して記載する。 （１）少なくとも約５０重量％のＢｉと、約５０重量％
までのＳｎ（Ｓｎ＋Ｂｉを基準とする）と、有効量の物
理的機械的性質を強化する第３成分を含み、この第３成
分は（ｉ）Ｃｕ、（ii）Ｉｎ、（iii）Ａｇ、（iv）Ｃ
ｕとＡｇ、及び（ｖ）これらの合成物から成る群から選
択される、固相線温度の低い多成分はんだ合金である。 （２）固相線温度を低くする第３成分がＣｕである
（１）記載の固相線温度の低い多成分はんだ合金であ
る。 （３）４８〜５６重量％のＢｉと、４２〜４８重量％の
Ｓｎと、２〜４重量％のＣｕから成る（２）記載の固相
線温度の低い多成分はんだ合金である。 （４）固相線温度を低くする第３成分がＩｎである
（１）記載の固相線温度の低い多成分はんだ合金であ
る。 （５）約５６重量％のＢｉと、約４２重量％のＳｎと、
約２重量％のＩｎから成る（４）記載の固相線温度の低
い多成分はんだ合金である。 （６）主成分であるＢｉとＳｎと、有効量の物理的機械
的性質を強化する第３成分を含み、この第３成分は
（ｉ）Ｃｕ、（ii）Ｉｎ、（iii）Ａｇ、（iv）Ｃｕと
Ａｇ、及び（ｖ）これらの合成物から成る群から選択さ
れる、固相線温度の低い多成分はんだ合金である。 （７）固相線温度を低くする第３成分がＡｇとＣｕ含む
（１）記載の固相線温度の低い多成分はんだ合金であ
る。 （８）約４６重量％のＢｉと、約４８重量％のＳｎと、
約４重量％のＣｕと、約２重量％のＡｇから成る（７）
記載の固相線温度の低い多成分はんだ合金である。 （９）集積回路チップを回路基板に電気的に接続させる
方法において、ａ．ｉ.少なくとも約５０重量％のＢｉ
と、ii. 約５０重量％までのＳｎと、iii.（ｉ）Ｃ
ｕ、（ii）Ｉｎ、（iii）Ａｇ、（iv）ＣｕとＡｇ、及
び（ｖ）これらの合成物から成る群から選択された有効
量の物理的機械的性質を強化する第３成分を含むはんだ
合金を、集積回路チップの電気接点に溶着させるステッ
プと、ｂ．回路基板の電気リードを集積回路チップの電
気接点の上に接触させるステップと、ｃ．はんだ合金を
加熱して、その結果はんだ合金は湿潤化し、回路基板の
電気リードに接着させるステップを含む前記の方法であ
る。 （１０）回路基板の電気リードがパッド、ワイヤ・リー
ド、タブ内部リード接続部から成る群から選択される
（９）記載の方法である。 （１１）回路チップ・キャリアと、半導体集積回路チッ
プと、はんだ合金から成る集積回路チップ・モジュール
において、はんだ合金は、ｉ. 少なくとも約５０重量
％のＢｉと、ii. 約５０重量％までのＳｎと、iii.
（ｉ）Ｃｕ、（ii）Ｉｎ、（iii）Ａｇ、（iv）Ｃｕと
Ａｇ、及び（ｖ）これらの合成物から成る群から選択さ
れた有効量の物理的機械的性質を強化する第３成分を、
前記の回路チップ・キャリアと前記の半導体集積回路チ
ップとの間の電気はんだ接着相互接続部として含む、前
記の集積回路チップ・モジュールである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/52 Ｅ 7376−4Ｍ Ｈ０５Ｋ 3/34 ５１２ Ｃ 7128−4Ｅ (72)発明者 ジェームズ・ケネス・レイク アメリカ合衆国13760ニューヨーク州エン ディコット ウェスト・ウェンデル・スト リート620 (72)発明者 ランディ・クリントン・ロング アメリカ合衆国18818ペンシルヴェニア州 フレンズビル アール・アール１号、ボッ クス34エー (72)発明者 ロジャー・ネイル・ワイルド アメリカ合衆国13827ニューヨーク州オウ ェゴ デイ・ホーロウ・ロード3360

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】少なくとも約５０重量％のＢｉと、約５０
    重量％までのＳｎ（Ｓｎ＋Ｂｉを基準とする）と、有効
    量の物理的機械的性質を強化する第３成分を含み、この
    第３成分は（ｉ）Ｃｕ、（ii）Ｉｎ、（iii）Ａｇ、（i
    v）ＣｕとＡｇ、及び（ｖ）これらの合成物から成る群
    から選択される、固相線温度の低い多成分はんだ合金。
  2. 【請求項２】固相線温度を低くする第３成分がＣｕであ
    る請求項１に記載の固相線温度の低い多成分はんだ合
    金。
  3. 【請求項３】４８〜５６重量％のＢｉと、４２〜４８重
    量％のＳｎと、２〜４重量％のＣｕから成る請求項２に
    記載の固相線温度の低い多成分はんだ合金。
  4. 【請求項４】固相線温度を低くする第３成分がＩｎであ
    る請求項１に記載の固相線温度の低い多成分はんだ合
    金。
  5. 【請求項５】約５６重量％のＢｉと、約４２重量％のＳ
    ｎと、約２重量％のＩｎから成る請求項４に記載の固相
    線温度の低い多成分はんだ合金。
  6. 【請求項６】主成分であるＢｉとＳｎと、有効量の物理
    的機械的性質を強化する第３成分を含み、この第３成分
    は（ｉ）Ｃｕ、（ii）Ｉｎ、（iii）Ａｇ、（iv）Ｃｕ
    とＡｇ、及び（ｖ）これらの合成物から成る群から選択
    される、固相線温度の低い多成分はんだ合金。
  7. 【請求項７】固相線温度を低くする第３成分がＡｇとＣ
    ｕ含む請求項１に記載の固相線温度の低い多成分はんだ
    合金。
  8. 【請求項８】約４６重量％のＢｉと、約４８重量％のＳ
    ｎと、約４重量％のＣｕと、約２重量％のＡｇから成る
    請求項７に記載の固相線温度の低い多成分はんだ合金。
  9. 【請求項９】集積回路チップを回路基板に電気的に接続
    させる方法において、 ａ．ｉ. 少なくとも約５０重量％のＢｉと、 ii. 約５０重量％までのＳｎと、 iii.（ｉ）Ｃｕ、（ii）Ｉｎ、（iii）Ａｇ、（iv）Ｃ
    ｕとＡｇ、及び（ｖ）これらの合成物から成る群から選
    択された有効量の物理的機械的性質を強化する第３成分
    を含むはんだ合金を、集積回路チップの電気接点に溶着
    させるステップと、 ｂ．回路基板の電気リードを集積回路チップの電気接点
    の上に接触させるステップと、 ｃ．はんだ合金を加熱して、その結果はんだ合金は湿潤
    化し、回路基板の電気リードに接着させるステップを含
    む前記の方法。
  10. 【請求項１０】回路基板の電気リードがパッド、ワイヤ
    ・リード、タブ内部リード接続部から成る群から選択さ
    れる請求項９に記載の方法。
  11. 【請求項１１】回路チップ・キャリアと、半導体集積回
    路チップと、はんだ合金から成る集積回路チップ・モジ
    ュールにおいて、はんだ合金は、 ｉ. 少なくとも約５０重量％のＢｉと、 ii. 約５０重量％までのＳｎと、 iii.（ｉ）Ｃｕ、（ii）Ｉｎ、（iii）Ａｇ、（iv）Ｃ
    ｕとＡｇ、及び（ｖ）これらの合成物から成る群から選
    択された有効量の物理的機械的性質を強化する第３成分
    を、前記の回路チップ・キャリアと前記の半導体集積回
    路チップとの間の電気はんだ接着相互接続部として含
    む、前記の集積回路チップ・モジュール。
JP6081966A 1993-06-16 1994-04-20 無鉛すず−ビスマスはんだ合金 Pending JPH071179A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US079064 1993-06-16
US08/079,064 US5368814A (en) 1993-06-16 1993-06-16 Lead free, tin-bismuth solder alloys

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH071179A true JPH071179A (ja) 1995-01-06

Family

ID=22148192

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Application Number Title Priority Date Filing Date
JP6081966A Pending JPH071179A (ja) 1993-06-16 1994-04-20 無鉛すず−ビスマスはんだ合金

Country Status (5)

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US (1) US5368814A (ja)
EP (1) EP0629467B1 (ja)
JP (1) JPH071179A (ja)
KR (1) KR0122864B1 (ja)
DE (1) DE69418096D1 (ja)

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