[发明专利]焊料合金、焊球及使用了它们的焊料接合部

说明书

技术领域

本发明涉及在电子部件等的钎焊中使用的焊料合金、焊球及焊料接合 部。

背景技术

近年来，随着移动电话等移动办公设备的安装面积的减少，半导体封 装也具有小型化的倾向，在母板上连接半导体封装的安装方式从使用目前 的引线的外围端子型向格子状地形成电极端子的类型演变。代表的电极端 子为BGA(Ball Grid Array)，其电极使用成形为球状的焊料(即焊球)与 母板连接。

在半导体封装中，施加各种外力，而作为移动办公设备特有的外力， 可以举出降落冲击。有时是在一边使用移动办公设备一边移动时，有时因 不注意可能会出现脱落。在现有的外围端子型封装中，通过引线变形能够 缓解这种外力。另一方面，在BGA的情况下，由于不经由引线而通过焊 球直接与母板接合，因此，为了不损坏半导体封装及母板，焊料接合部必 须吸收外力。其结果是，受到降落冲击负荷时的焊料接合可靠性对于提高 移动办公设备的寿命变得极为重要。

另一方面，作为致力于以EU的RoHS(The restriction of the use of certain hazardous substances)指令为代表的近年的环境问题之一种，焊料 的无Pb化在世界上正在推进，且正在禁止目前已使用的Sn-Pb共晶焊料 的使用。作为代替焊料的主要的合金可以举出Sn-3Ag-0.5Cu(质量％) 及Sn-3.5Ag-0.75Cu(质量％)这样的Sn基合金。Sn的融点为232℃，与 之相对，通过添加Ag及Cu，可以将其融点降至220℃，由此，可以降低 钎焊温度从而抑制半导体组件的热损伤。但是，因为Sn中的Ag及Cu与 Sn形成金属间化合物而使焊料硬化，所以，与目前的Sn-Pb共晶焊料相 比较韧性不足。其结果是，存在移动设备掉落时，在焊料接合界面容易破 断这一重大问题，对于耐降落冲击性优越的Pb游离焊料的需要迅速地增 强。

作为改善焊料接合部的耐冲击性的方法，可以认为有下面的二种。一 种为改善焊料的韧性而提高变形能力，通过降低焊料中的Ag及Cu的含 量而进行。作为合金元素的添加量，在Sn中通过添加0.35质量％的Ag、 0.75质量％的Cu来得到融点最低的共晶组成。但是，为了降低融点有必 要Ag比Cu更大量地添加，这就存在使焊料硬化这一问题。因此，在专 利文献1及专利文献2中，通过使用不含Ag或含有微量的Ag的Sn-Cu 合金，实施焊料的机械特性的改善。

作为另外一种方法，可以认为是改善焊料接合界面的强度。例如，在 专利文献1中告知，在Ni上焊接Cu为0.7质量％以上的Sn-Cu合金时， 在接合界面上形成的Cu-Ni-Sn化合物没有自Ni剥离，而得到稳定的焊 接。另外，在专利文献1中明确，在Cu电极上接合含有大量Cu的焊料的 情况下，可以抑制Cu电极的腐蚀，从而改善接合强度。

另外，作为改善接合强度的其它方法，如在专利文献3中所公开，提 出在Sn-Ag-Ni系焊料中，含有Ag：0.5～5.5质量％，Cu：0.3～1.5质 量％，Ni：0.05～1.0质量％，余量由Sn及不可避免的杂质组成的焊料合 金，该焊料通过与Ni电极接合而形成不规则的层的界面化合物，通过该 层实现固定效果，从而抑制界面的破断发生概率，改善接合强度。在专利 文献3中通过包含Ag：1.0质量％，Cu：0.5质量％，Ni：0.1质量％，且 余量由Sn及不可避免的杂质组成的焊料合金，具体地确认其效果。

专利文献1：(日本)特开平11-221695号公报

专利文献2：(日本)特开2000-190090号公报

专利文献3：(日本)特开2003-230980号公报

这样，Sn-Cu合金比Sn融点更低，不仅具有可以抑制焊接时的半导 体封装的热损伤，而且，还具有在与Ni电极及Cu电极焊接的情况下，显 示出稳定的接合强度这一优点。

然而，得知专利文献1及2的Sn-Cu系合金中，在Cu含量高的Sn -Cu合金与Ni接合的情况下，当由于半导体封装的发热等，而长时间在 高温下曝露时，Cu-Ni-Sn化合物厚地成长，反而损坏接合强度。

另外，在Sn-Cu合金中，在添加了不损坏耐冲击性的程度的微量的 Ag的焊料合金中，虽然在高温环境下能够抑制Cu-Ni-Sn化合物的成长， 但是无法得到稳定的接合强度。