JPH0788681A - 無鉛高温すずベース多成分はんだ - Google Patents

無鉛高温すずベース多成分はんだ

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 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接着部を
湿潤化し形成する無鉛はんだを提供する。 【構成】 主成分としてのSnと有効量のAg、Bi、
Inを含む、固相線温度が高く強度の高い多成分はんだ
合金を開示する。 【効果】 本発明による無鉛で固相線温度が高く強度の
高い多成分はんだ合金によって、従来の技術における欠
点が解決される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、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に関
する。本発明のはんだ合金は主成分がSnであり、これ
より少ない量のBi、In、Agを含む高強度多成分は
んだ合金である。これらの合金は、集積回路チップをチ
ップ・キャリヤと基板に接合する場合に、プリント回路
板として有用であり、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ランドや
パッドの接合に有用である。
【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】「セラミック品を接着するための軟はんだ
合金(SOFT-SOLDER ALLOY FOR BONDING CERAMIC ARTICLE
S)」に関するベーム他の米国特許第4797328号に
は、事前金属被覆なしにセラミック部品を接着するため
の軟はんだ合金が記載されている。アルミナ部品を銅部
品に接着させるために有用であると開示された合金は、
86〜99%のSn、0〜13%のAgまたはCuもし
くはその両方、0〜10%のIn、及び1〜10%のT
iを含む。
【0017】「ビスマス、銀、及びアンチモンを含むす
ずベースの無鉛はんだ組成(TIN BASE LEAD-FREE SOLDER
COMPOSITION CONTAINING BISMUTH, SILVER, AND ANTIM
ONY)」に関するスタンリー・タルマンの米国特許第48
06309号には、90〜95%のSn、3〜5%のS
b、1〜4.5%のBi、及び0.1〜1.5%のAg
を含むはんだ組成が記載されている。タルマンは、はん
だの融点を約425度F(218℃)にまで低下させる
ためのBiの使用を説明している。
【0018】
【発明が解決しようとする課題】本発明の第1の目的
は、無鉛はんだを提供することである。
【0019】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
に安定した接着部を湿潤化し形成する無鉛はんだを提供
することである。
【0020】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。
【0021】
【課題を解決するための手段】本発明によって上記の目
的は達成され、従来の技術における欠点は、主成分Sn
と有効量のAg、Bi、Inを含む固相線温度が高く使
用温度が高く強度の高い多成分はんだ合金によって解決
される。
【0022】したがって、本発明の好ましい実施例によ
れば、約78重量%のSn、約2.0重量%のAg、約
9.8重量%のBi、及び9.8重量%のInを含むは
んだ合金が提供される。
【0023】
【実施例】本発明の一実施例によって、集積回路を回路
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、Sn、Ag、Bi、Inを含むはんだ合金
を集積回路チップの電気接点の上に溶着させるステップ
が含まれる。一般的には、この合金は約78重量%のS
n、約2.0重量%のAg、約9.8重量%のBi、及
び約9.8重量%のInを含む。はんだ合金は、ウェー
ブはんだ溶着、電気溶着によって適用され、またははん
だペーストとして使用することができる。
【0024】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。
【0025】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。
【0026】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Sn、Ag、Bi及びInの合金(約
78重量%のSn、約2.0重量%のAg、約9.8重
量%のBi、及び約9.8重量%のInを含んでいるこ
とが好ましい)の、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を有して
いる。
【0027】本発明を次の例示を参照して理解すること
ができる。 例 下記の組成を有する1種類のサンプル合金を準備した。
【表1】
【0028】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。
【0029】以下に、実施例を整理して記載する。 (1)Sn、Ag、Bi、及びInを含む、高固相線温
度、高使用温度、高強度の多成分はんだ合金である。 (2)少なくとも約78重量%のSn、約2.0重量%
のAg、約9.8重量%のBi、及び約9.8重量%の
Inを含む、(1)記載の高固相線温度、高使用温度、
高強度の多成分はんだ合金である。 (3)集積回路チップを回路基板に電気的に接続する方
法において、a.Sn、Ag、Bi、及びInを含むは
んだ合金を集積回路チップの電気接点の上に溶着させる
ステップと、b.回路基板の電気リードを集積回路チッ
プの電気接点の上のはんだ合金に接触させるステップ
と、c.はんだ合金を加熱して、湿潤化させ、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。 (4)回路基板の電気リードが、パッド接続部、ワイヤ
・リード接続部、タブ内部リード接続部の群から選択さ
れる(3)記載の方法である。 (5)はんだ合金が、約78重量%のSn、約2.0重
量%のAg、約9.8重量%のBi、及び約9.8重量
%のInを含む(3)記載の方法である。 (6)回路チップ・キャリア、半導体集積回路チップ、
及び前記の回路チップ・キャリアと前記の半導体集積回
路チップとの間のはんだ合金接着電気相互接続部を有
し、前記のはんだ合金が約78重量%のSn、約2.0
重量%のAg、約9.8重量%のBi、及び約9.8重
量%のInを含む、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 (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 (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】Sn、Ag、Bi、及びInを含む、高固
    相線温度、高使用温度、高強度の多成分はんだ合金。
  2. 【請求項2】少なくとも約78重量%のSn、約2.0
    重量%のAg、約9.8重量%のBi、及び約9.8重
    量%のInを含む、請求項1に記載の高固相線温度、高
    使用温度、高強度の多成分はんだ合金。
  3. 【請求項3】集積回路チップを回路基板に電気的に接続
    する方法において、 a.Sn、Ag、Bi、及びInを含むはんだ合金を集
    積回路チップの電気接点の上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
    の上のはんだ合金に接触させるステップと、 c.はんだ合金を加熱して、湿潤化させ、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。
  4. 【請求項4】回路基板の電気リードが、パッド接続部、
    ワイヤ・リード接続部、タブ内部リード接続部の群から
    選択される請求項3に記載の方法。
  5. 【請求項5】はんだ合金が、約78重量%のSn、約
    2.0重量%のAg、約9.8重量%のBi、及び約
    9.8重量%のInを含む請求項3に記載の方法。
  6. 【請求項6】回路チップ・キャリア、半導体集積回路チ
    ップ、及び前記の回路チップ・キャリアと前記の半導体
    集積回路チップとの間のはんだ合金接着電気相互接続部
    を有し、前記のはんだ合金が約78重量%のSn、約
    2.0重量%のAg、約9.8重量%のBi、及び約
    9.8重量%のInを含む、集積回路チップ・モジュー
    ル。
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