JP7032687B1 - はんだ合金、はんだペースト、はんだボール、はんだプリフォーム、およびはんだ継手 - Google Patents

Abstract

【課題】溶融温度が所定の範囲内であり、引張強度およびシェア強度が高く、ボイドの発生が抑制され、且つ酸化被膜が薄いことにより実装性に優れるはんだ合金、はんだペースト、はんだボール、はんだプリフォーム、およびはんだ継手を提供する。【解決手段】はんだ合金は、質量％で、Ａｇ：２．５～３．７％、Ｃｕ：０．２５～０．９５％、Ｂｉ：３．０～３．９％、Ｉｎ：０．５～２．３％、および残部がＳｎからなる合金組成を有し、前記合金組成は下記（１）式および（２）式を満たす。８．１≦Ａｇ＋２Ｃｕ＋Ｂｉ＋Ｉｎ≦１１．５（１）１．００≦（Ｂｉ＋Ｉｎ）／Ａｇ≦１．６６（２）上記（１）式および（２）式中、Ａｇ、Ｃｕ、Ｂｉ、およびＩｎは、各々合金組成の含有量（質量％）を表す。【選択図】なし

Description

本発明は、信頼性に優れるはんだ合金、はんだペースト、はんだボール、はんだプリフォーム、およびはんだ継手に関する。

電力半導体装置は、例えば銅回路が形成された絶縁基板（以下、単に「ＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ）」と称する。）に複数の素子やヒートシンクが接続された構造である。電力半導体装置を基板に実装する工程は、絶縁基板にＳｉチップ等の電子部品を接合し、その後に当該基板へシートシンクを接合する。このように、電力半導体装置の実装には、例えば、電子部品と実装基板とのリフローはんだ付けを１回目に行い、ヒートシンクのリフローはんだ付けを２回目に行うステップソルダリングが採用されている。

ステップソルダリングの１回目に行うはんだ付けには、高温鉛フリーはんだ合金として、例えば融点が２４５℃であるＳｎ－１０Ｓｂはんだ合金が採用されている。ステップソルダリングの２回目に行うはんだ付けには、１回目に用いるはんだ合金の固相線温度より低い溶融温度を示す合金組成が選択される。

溶融温度が前述の高温鉛フリーはんだ合金より低い合金組成として、例えば、従来から使用されているＳｎ－３Ａｇ－０．５Ｃｕが挙げられる。このはんだ合金を用いたリフローソルダリングは、通常２３５～２４０℃で行われることから上述のような高温鉛フリーはんだ合金の融点との温度差が小さい。このため、熱容量の大きい部品をステップソルダリングの２回目ではんだ付けを行う場合には、温度マージンの確保が難しい。また、Ｓｎ－３Ａｇ－０．５Ｃｕは長期的信頼性が不足している。

そこで、例えば特許文献１～３には、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕはんだ合金の信頼性を向上させる観点から、ＢｉおよびＩｎを含有するＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ－Ｂｉ－Ｉｎはんだ合金が開示されている。特許文献１に記載の発明では、ヒートサイクル試験後のクラック進展、高速シェア強度、ボイド、Ｃｕ食われが評価されている。特許文献２に記載の発明では、ヒートサイクル試験後の亀裂および剥離、ボイドの評価が行われている。特許文献３に記載の発明では、融点、高温での引張強度と伸びが評価されている。

特開２０１９－２０９３５０号 特開２０１６－２６８７９号 特開平１０－１９３１６９号

特許文献１には、Ｂｉの含有量が少ないと亀裂進展抑制効果が低下し、Ｂｉの含有量が多いと脆性破壊が起きることが記載されている。そして、Ｂｉと併せてＩｎをはんだ合金に添加することによりはんだ合金の強度が向上するものの、Ｉｎは酸化し易い合金元素であることからその含有量や他の合金元素との組み合わせ等によってははんだ接合部にボイドが発生することも記載されている。このような観点から、特許文献１には、これらの問題点を解決するため、３質量％未満のＢｉとＩｎを含むはんだ合金が開示されている。具体的には、特許文献１には、Ｓｎ－３．０Ａｇ－０．７Ｃｕ－２．５Ｂｉ－２．０Ｉｎはんだ合金が開示されている。比較例として、Ｓｎ－３．０Ａｇ－０．７Ｃｕ－３．０Ｂｉ－３．０Ｉｎはんだ合金が開示されている。

特許文献２には、Ｂｉの含有量が所定量であればはんだ接合部の亀裂進展抑制効果を向上させることが記載されている。また、所定量のＩｎを含有すると、鉛フリーはんだ合金の溶融温度が低下すると共に、機械的特性および亀裂進展抑制効果が向上することが記載されている。具体的には、特許文献２には、Ｓｎ－３．０Ａｇ－０．５Ｃｕ－３．０Ｂｉ－０．２５Ｉｎはんだ合金が開示されている。

しかし、特許文献１および２には、はんだ合金の強度が向上することが記載されているものの、引張強度については具体的に評価がされていない。これは、特許文献１および２に記載の発明では、亀裂の進展を抑制するためにある程度の強度が必要であることが抽象的に説明されているにすぎないためである。また、特許文献１にはＩｎによる酸化を抑制することが記載されているが、これはボイドの発生を抑制するために酸化を抑制するという観点で記載されているにすぎない。ただ、この程度の酸化抑制効果では、ボイドの発生が抑制されれば、はんだ合金の溶融時および凝固後にある程度の厚い酸化被膜が形成されてもよいことになる。厚い酸化被膜が形成されると、例えば、このようなはんだ合金がペーストに用いられた場合には、フラックスで除去された酸化物の残渣が増加したり、濡れ性の劣化に繋がることがあり、実装性を改善するためには改善の余地が残されている。

特許文献３には、Ｓｎ－Ａｇはんだ合金へのＩｎとＢｉの複合添加、更にはＣｕを添加することにより、融点を下げるとともに優れた機械的特性を付与することが記載されている。しかし、特許文献３に具体的に開示されているはんだ合金の中には、液相線温度（以下、適宜、「溶融温度」と称する。）が高いものが含まれており、ステップソルダリングには不向きな合金組成が含まれている。一方で、溶融温度が比較的低い合金組成として、Ｓｎ－３．０Ａｇ－１．０Ｃｕ－３．０Ｂｉ－１．０Ｉｎはんだ合金、およびＳｎ－３．０Ａｇ－０．５Ｃｕ－３．０Ｂｉ－１．０Ｉｎはんだ合金が開示されている。しかしながら、特許文献３に記載の発明では、引張強度と濡れ性が評価されているものの、はんだ継手に必要なシェア強度が評価されていなく、また、ボイドの発生の抑制についても評価されていない。このため、特許文献３に記載のはんだ合金であっても、シェア強度が低くボイドが発生する可能性があるため、改善の余地が残されている。

このように、特許文献１～３に記載のはんだ合金は、各々の課題を解決することができるとしても、例えば電力半導体装置の実装時における実情が考慮されていないため、ステップソルダリングにおける種々の課題を解決することができるとは言い難い。すなわち、これらの文献に記載の発明では、特許文献１～３に開示されている、所望の融点、高い引張強度およびシェア強度、ボイドの発生の抑制、および酸化被膜の薄膜化を同時に満たすことはできない。上述のように、特許文献１～３に記載の発明では、ＢｉやＩｎの含有量に着目されているものの、ＡｇやＣｕについては別個に調製されている。はんだ合金は、各構成元素が各々別々に機能するのではなく、すべての構成元素が一体となったときに初めて固有の効果を発揮することができる。このため、電力半導体装置を実装する際の種々の課題が同時に解決されるように、各構成元素が全体としてバランスよく含有される必要がある。上述の課題をすべて同時に解決できるはんだ合金を提供するためには、更なる組成探索が不可欠である。

そこで、本発明の課題は、溶融温度が所定の範囲内であり、引張強度およびシェア強度が高く、ボイドの発生が抑制され、且つ酸化被膜が薄いことにより実装性に優れるはんだ合金、はんだペースト、はんだボール、はんだプリフォーム、およびはんだ継手を提供することである。

本発明者らは、特許文献に開示されているはんだ合金において、ステップソルダリングに適用できるようにする必要があることに着目した。前述のように、Ｓｎ－３Ａｇ－０．５Ｃｕはんだ合金のリフロー温度は２３５～２４０℃であるため、熱容量の大きい部品を用いた場合には、左記の温度域の高温側でリフローはんだ付けを行う必要が生じ得る。このように、Ｓｎ－３Ａｇ－０．５Ｃｕはんだ合金では温度マージンの確保が難しい。そこで、本発明者らは、このような温度マージンを考慮して、まずは、溶融温度が１９０～２２０℃になるように各構成元素の含有量を調査した。この温度域は、高温鉛フリーはんだ合金が二回目のリフローはんだ付けで溶融することがないように、余裕を持った温度域である。

本発明者らは、特許文献３に開示されているように、溶融温度が２２０℃以下を示すとともに引張強度が高いとされているＳｎ－３．０Ａｇ－１．０Ｃｕ－３．０Ｂｉ－１．０Ｉｎはんだ合金、およびＳｎ－３．０Ａｇ－０．５Ｃｕ－３．０Ｂｉ－１．０Ｉｎはんだ合金において、シェア強度の向上およびボイドの発生の抑制を図る検討を行った。Ｓｎ－３．０Ａｇ－１．０Ｃｕ－３．０Ｂｉ－１．０Ｉｎはんだ合金は、Ｃｕの含有量が多くＳｎとＣｕの金属間化合物が形成するため、引張強度およびシェア強度が低下する知見が得られた。また、Ｓｎ－３．０Ａｇ－０．５Ｃｕ－３．０Ｂｉ－１．０Ｉｎはんだ合金は、各構成元素の含有量としては大幅に外れているわけではないが、引張強度が劣る知見が得られた。このことから、各構成元素が所定の範囲であっても、添加元素のバランス等により所望の効果が得られない知見も得られた。

また、ボイドの発生が抑制されることになっている特許文献１に記載のＳｎ－３．０Ａｇ－０．７Ｃｕ－３．０Ｂｉ－３．０Ｉｎはんだ合金、およびＳｎ－３．０Ａｇ－０．７Ｃｕ－２．５Ｂｉ－２．０Ｉｎはんだ合金、ならびに特許文献２に記載の、Ｓｎ－３．０Ａｇ－０．５Ｃｕ－３．０Ｂｉ－０．２５Ｉｎはんだ合金についても検討を行った。Ｓｎ－３．０Ａｇ－０．７Ｃｕ－３．０Ｂｉ－３．０Ｉｎはんだ合金は、Ｉｎの含有量が多いためにボイドの発生が十分に抑制されてなく、また、酸化被膜が厚くなる知見が得られた。Ｓｎ－３．０Ａｇ－０．７Ｃｕ－２．５Ｂｉ－２．０Ｉｎはんだ合金は、Ｂｉの含有量が少ないために引張強度が劣る知見が得られた。Ｓｎ－３．０Ａｇ－０．５Ｃｕ－３．０Ｂｉ－０．２５Ｉｎはんだ合金は、Ｉｎの含有量が少ないために引張強度が劣る知見が得られた。

このように、特許文献１～３に記載の発明では、各々において、引張強度およびシェア強度の向上、ボイドの発生の抑制、および酸化被膜の厚さの低減を同時に達成することができない知見が得られた。また、上述の知見により、各構成元素の含有量が所定の範囲内であるだけでは、これらを同時に達成することができない知見も得られた。

そこで、全体のバランスを考慮し、上述の範囲内において各構成元素の含有量を更に詳細に調査した。その結果、各構成元素の含有量が特定の範囲内であるとともに、Ａｇ、Ｃｕ、Ｂｉ、およびＩｎが所定の関係式を満たし、さらには、Ａｇ、ＢｉおよびＩｎが所定の関係式を満たすことにより、初めて、引張強度およびシェア強度の向上、ボイドの発生の抑制、および酸化被膜の厚さの低減を同時に達成することができる知見が得られ、本発明は完成した。なお、本発明では、電力半導体装置に関して例示したが、これらの効果を同時に発揮する必要がある用途であれば、これに限定されることはない。
これらの知見により得られた本発明は以下のとおりである。

（１）質量％で、Ａｇ：２．５～３．７％、Ｃｕ：０．２５～０．９５％、Ｂｉ：３．０～３．９％、Ｉｎ：０．５～２．３％、および残部がＳｎからなる合金組成を有し、前記合金組成は下記（１）式および（２）式を満たすことを特徴とするはんだ合金。

８．１≦Ａｇ＋２Ｃｕ＋Ｂｉ＋Ｉｎ≦１１．５ （１）
１．００≦（Ｂｉ＋Ｉｎ）／Ａｇ≦１．６６ （２）
上記（１）式および（２）式中、Ａｇ、Ｃｕ、Ｂｉ、およびＩｎは、各々合金組成の含有量（質量％）を表す。

（２）上記合金組成は下記（３）式を満たす、請求項１に記載のはんだ合金。
４．４８≦Ａｇ×Ｃｕ×Ｂｉ×Ｉｎ≦７．７ （３）
上記（３）式中、Ａｇ、Ｃｕ、Ｂｉ、およびＩｎは、各々合金組成の含有量（質量％）を表す。

（３）上記（１）または上記（２）に記載のはんだ合金からなるはんだ粉末を有する
はんだペースト。

（４）上記（１）または上記（２）に記載のはんだ合金からなるはんだボール。

（５）上記（１）または上記（２）に記載のはんだ合金からなるはんだプリフォーム。

（６）上記（１）または上記（２）に記載のはんだ合金を有するはんだ継手。

本発明を以下により詳しく説明する。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。

１． はんだ合金
（１） Ａｇ：２．５～３．７％
Ａｇは、含有量がＳｎＡｇＣｕ共晶組成に近いと溶融温度の上昇を回避することができる。また、Ａｇ_３Ｓｎを粒状に析出させるため、はんだ合金の析出強化を図ることができる。Ａｇの含有量が２．５％未満であるとＳｎＡｇＣｕ亜共晶によりはんだ合金の溶融温度が上昇する。また、化合物の析出量が少なく強度が向上しない。Ａｇ含有量の下限は２．５％以上であり、好ましくは２．８％以上であり、より好ましくは２．９％以上である。

一方、Ａｇの含有量が３．７％を超えると、ＳｎＡｇＣｕ過共晶によりはんだ合金の溶融温度が上昇する。また、粗大なＡｇ_３Ｓｎが板状に析出してしまい、強度が劣化する。Ａｇ含有量の上限は３．７％以下であり、好ましくは３．２％以下であり、より好ましくは３．１％以下である。

（２） Ｃｕ：０．２５～０．９５％
Ｃｕは、ＣｕとＡｇの含有量がともにＳｎＡｇＣｕ共晶組成に近いほど、はんだ合金の溶融温度を下げることができる。Ｃｕの含有量が０．２５％未満であるとＳｎＡｇＣｕ亜共晶によりはんだ合金の溶融温度が上昇する。Ｃｕ含有量の下限は０．２５％以上であり、好ましくは０．４５％以上であり、より好ましくは０．５５％以上である。

一方、Ｃｕの含有量が０．９５％を超えると、ＳｎとＣｕの化合物が多量に析出し、引張強度やシェア強度が低下する。また、更にＣｕの含有量が多くなると、強度の低下に加えて、ＳｎＡｇＣｕ過共晶によりはんだ合金の溶融温度が上昇する。Ｃｕ含有量の上限は０．９５％以下であり、好ましくは０．８０％以下であり、より好ましくは０．７０％以下である。

（３） Ｂｉ：３．０～３．９％
Ｂｉは、溶融温度の上昇を回避し、また、Ｓｎの固溶強化によりはんだ合金の強度を向上させることができる。Ｂｉの含有量が３．０％未満であると、Ｂｉの固溶量が少なく強度が十分に向上しない。また、はんだ合金の溶融温度が下がらない。Ｂｉの含有量の下限は３．０％以上であり、好ましくは３．１％以上であり、より好ましくは３．２％以上である。

一方、Ｂｉの含有量が３．９％を超えると、ＳｎＢｉ共晶が析出して固相線温度が下がる。また、Ｂｉが結晶粒界に偏析し、はんだ合金の強度が低下することがある。Ｂｉの含有量の上限は３．９％以下であり、好ましくは３．８％以下であり、より好ましくは３．７％以下であり、更に好ましくは３．４％以下である。

（４） Ｉｎ：０．５～２．３％
Ｉｎは、溶融温度の上昇を回避し、また、Ｓｎの固溶強化によりはんだ合金の強度を向上させることができる。Ｉｎの含有量が０．５％未満であると、Ｉｎの固溶量が少なく強度が十分に向上しない。また、はんだ合金の溶融温度が下がらない。Ｉｎの含有量の下限は０．５％以上であり、好ましくは０．７％以上であり、より好ましくは０．９％以上であり、さらに好ましくは１．０％以上である。

一方、Ｉｎの含有量が２．３％を超えると、溶融はんだが酸化されやすくなりボイドの発生を抑制することができない。また、酸化被膜が厚くなり実装性が劣る。さらに、溶融温度が低くなりすぎる。Ｉｎの含有量の上限は２．３％以下であり、好ましくは１．５％以下であり、より好ましくは１．３％以下である。

（５） （１）式および（２）式
８．１≦Ａｇ＋２Ｃｕ＋Ｂｉ＋Ｉｎ≦１１．５ （１）
１．００≦（Ｂｉ＋Ｉｎ）／Ａｇ≦１．６６ （２）
上記（１）式および（２）式中、Ａｇ、Ｃｕ、Ｂｉ、およびＩｎは、各々合金組成の含有量（質量％）を表す。

本発明に係るはんだ合金は、（１）式を満たすことにより、添加元素の含有量が適量になるため、溶融温度が適切な範囲になる。本発明に係るはんだ合金を構成するこれらの添加元素は、いずれもＳｎに対して寄与することから、引張強度やシェア強度にも影響する。Ｉｎは、多量添加によりボイドが発生し酸化被膜の厚みが増加する原因になりうるが、Ｓｎの固溶強化にも寄与する。このため、間接的には、ボイドの発生を抑制し酸化被膜の厚さを低減するためにも、（１）式を満たす必要がある。したがって、これらの（１）式は本発明の効果を発揮するためには満たさなければならない関係式である。なお、（１）式におけるＣｕの係数は２倍である。これは本発明に係るはんだ合金においては、Ｃｕの含有量が少しでも変化するとはんだ合金の諸特性に大きく影響を与える傾向がある。例えば、溶融温度に着目すると、Ｃｕ含有量の増減量と他元素の含有量の増減量が同じ場合、Ｃｕでは、溶融温度の変化量が多元素と比較して少なくとも２倍以上であると見積もられる。

また、本発明に係るはんだ合金は、（２）式を満たすことにより、より高い強度を示すことができる。Ａｇは析出強化型元素であり、ＢｉおよびＩｎは固溶強化型元素である。固溶強化型元素の含有量が多すぎると固溶限を超えるために余剰元素が存在してしまい、Ｂｉの偏析やはんだ合金の変形が発生しうる。一方、析出強化型元素の含有量が多すぎると化合物の多量析出により、むしろ強度が低下する。そこで、本発明に係るはんだ合金では、前述のように、各々の元素には最適な含有量の範囲があるものの、（２）式を満たすことによりバランスよくＳｎを強化することができる。

これらの式は、各構成元素が相互に依存することにより得られるものである。合金はすべての構成元素が組み合わされた一体のものであり、各構成元素が相互に影響を及ぼすためである。このように、各構成元素の最適な含有量に調整した上で、更に（１）式および（２）式を満たす本発明に係るはんだ合金は、各構成元素が相互に依存していることが十分に考慮された範囲に設定されている。したがって、ステップソルダリングの２回目のはんだ付けにおいて、本発明に係るはんだ合金は、最適な溶融温度、高い引張強度とシェア強度、ボイドの発生の抑制、および酸化被膜の薄膜化を同時に満足することができる。

（１）式の下限は８．１以上であり、好ましくは８．２以上であり、より好ましくは８．３以上であり、更に好ましくは８．４以上であり、特に好ましくは８．５以上であり、最も好ましくは８．６以上である。（１）式の上限は好ましくは１１．５以下であり、より好ましくは９．３以下であり、更に好ましくは９．１以下であり、更により好ましくは８．９以下であり、特に好ましくは８．８以下であり、最も好ましくは８．７以下である。

（２）式の下限は１．００以上であり、好ましくは１．１４以上であり、より好ましくは１．２３以上であり、更により好ましくは１．２８以上であり、特に好ましくは１．３０以上であり、最も好ましくは１．３１以上であり、１．３３以上、１．３５以上であってもよい。（２）式の上限は１．６６以下であり、好ましくは１．６４以下であり、より好ましくは１．６３以下であり、更に好ましくは１．６２以下であり、更により好ましくは１．５７以下であり、特に好ましくは１．５０以下であり、最も好ましくは１．４５以下であり、１．４２以下、１．４０以下であってもよい。

（６） 残部：Ｓｎ
本発明に係るはんだ合金の残部はＳｎである。前述の元素の他に不可避的不純物を含有してもよい。不可避的不純物を含有する場合であっても、前述の効果に影響することはない。なお、ＣｏおよびＮｉは溶融温度を上昇させてしまうため、本発明に係るはんだ合金では含有しない方がよい。

（７） （３）式
４．４８≦Ａｇ×Ｃｕ×Ｂｉ×Ｉｎ≦７．７ （３）
上記（３）式中、Ａｇ、Ｃｕ、Ｂｉ、およびＩｎは、各々合金組成の含有量（質量％）を表す。

（３）式は、添加元素同士のバランスを考慮した関係式を示す好ましい態様である。（３）式は各元素の含有量を乗じているために各元素の相互依存性が高く、（３）式を満たすとはんだ合金全体のバランスが高い水準で保たれる。したがって、最適な溶融温度、高い引張強度とシェア強度、ボイドの発生の抑制、および酸化被膜の薄膜化が更に向上する点で好ましい。（３）式の下限は好ましくは４．４８以上であり、より好ましくは４．７０以上であり、更に好ましくは４．７５以上であり、特に好ましくは４．８２以上であり、最も好ましくは５．２８以上であり、５．７６以上、６．２７以上、６．５０以上、６．５１以上であってもよい。（３）式の上限は好ましくは７．７以下であり、より好ましくは７．１７以下であり、更に好ましくは７．１４以下であり、更により好ましくは６．９４以下であり、最も好ましくは６．７２以下である。

（８） はんだ合金の溶融温度
本発明に係るはんだ合金は、例えばステップソルダリングによりはんだ付けを２回行う場合には、２回目のはんだ付けに使用されることが好ましい。このような使用形態では、２回目に使用されるはんだ合金の溶融温度は、１回目に使用されるはんだ合金の固相線温度より低いことが好ましい。例えば１回目のはんだ付けにおいて２４５℃の溶融温度で溶融するＳｎ－１０Ｓｂはんだ合金を用いる場合、熱容量の大きい部品を用いる場合における十分な温度マージンが考慮される。本発明に係るはんだ合金の溶融温度は２１１～２２０であることが好ましく、２１１～２１４℃であることが特に好ましい。

本発明に係るはんだ合金の固相線温度は、溶融温度と固相線温度との温度差が大きくなりすぎず、部材の食われ、位置ずれ、再酸化、ボイドの発生などの実装性が低下しないような温度域であることが望ましい。本発明に係るはんだ合金の固相線温度は１９８℃以上であることが好ましく、２００℃以上であることがより好ましく、２０３℃以上であることが更に好ましく、２０４℃以上であることが特に好ましい。上限は特に限定されないが、２１１℃以下であればよい。

２． はんだペースト
本発明に係るはんだペーストは、上述の合金組成からなるはんだ粉末とフラックスとの混合物である。本発明において使用するフラックスは、常法によりはんだ付けが可能であれば特に制限されない。したがって、一般的に用いられるロジン、有機酸、活性剤、そして溶剤を適宜配合したものを使用すればよい。本発明において金属粉末成分とフラックス成分との配合割合は特に制限されないが、好ましくは、金属粉末成分：８０～９０質量％、フラックス成分：１０～２０質量％である。

３．はんだボール
本発明に係るはんだ合金は、はんだボールとして使用することができる。本発明に係るはんだボールは、ＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）などの半導体パッケージの電極や基板のバンプ形成に用いられる。本発明に係るはんだボールの直径は１～１０００μｍの範囲内が好ましい。はんだボールは、一般的なはんだボールの製造法により製造することができる。

４．はんだプリフォーム
本発明に係るはんだプリフォームの形状は、特に限定されるものではなく、板状、リング形状、円筒形状、リボン形状、スクエア形状、ディスク形状、ワッシャ形状、チップ形状、ワイヤ形状などの形態で使用することができる。はんだプリフォームは、融点がはんだ合金よりも高く、溶融はんだに濡れやすい高融点金属粒（たとえばＮｉ粒やＣｕ粒及び、ＮｉやＣｕを主成分とする合金粉）を内部に含有してもよい。

５． はんだ継手
本発明に係るはんだ継手は、少なくとも２つ以上の被接合部材の接合に好適に使用される。被接合部材とは、例えば、素子、基板、電子部品、プリント基板、絶縁基板、ヒートシンク、リードフレーム、電極端子等を用いる半導体及び、パワーモジュール、インバーター製品など、本発明に係るはんだ合金を用いて電気的に接続されるものであれば特に限定されない。

６． その他
本発明に係るはんだ合金は、その原材料として低α線量材を使用することにより低α線量合金を製造することができる。このような低α線量合金は、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となる。

本発明を以下の実施例により説明するが、本発明が以下の実施例に限定されることはない。
本発明の効果を立証するため、表１に記載のはんだ合金を用いて、溶融温度、引張強度、シェア強度、ボイドの面積率、酸化被膜の厚さを測定した。

（１） 溶融温度
表１に記載した各合金組成を有するはんだ合金について、ＤＳＣ曲線から各々の温度を求めた。ＤＳＣ曲線は、株式会社日立ハイテクサイエンス社製のＤＳＣ（型番：ＥＸＳＴＡＲ６０００）により、大気中で５℃／ｍｉｎで昇温して得られた。得られたＤＳＣ曲線から液相線温度を求め、溶融温度とした。また、ＤＳＣ曲線から固相線温度も評価した。

溶融温度が２１１～２１４℃である場合にはステップソルダリングにおける２回目のはんだ付けにおいて十分な温度マージンを持つことができるため「◎」と評価した。２１５～２２０ ℃である場合には実用上問題ない温度であるため「〇」と評価した。２１１℃未満および２２０℃を超える場合には「×」と評価した。また、固相線温度は２０４～２１１℃である場合には「◎」と評価した。１９８～２０３℃である場合には「〇」とした。２０４℃未満および２１１℃を超える場合には「×」と評価した。

（２） 引張強度
引張強度はＪＩＳＺ３１９８－２に準じて測定された。表１に記載の各はんだ合金について、金型に鋳込み、ゲージ長が３０ｍｍ、直径８ｍｍの試験片が作製された。作製された試験片は、Ｉｎｓｔｒｏｎ社製のＴｙｐｅ５９６６により、室温で、６ｍｍ／ｍｉｎのストロークで引っ張られ、試験片が破断したときの強度が計測された。本発明では、引張強度が６７ＭＰａ以上である場合には十分な強度であるため「◎」と評価した。引張強度が６７ＭＰａ未満、６３ＭＰａ以上である場合には実用上問題ない強度であるため「〇」と評価した。引張強度が６３ＭＰａ未満である場合には「×」と評価した。

（３）シェア強度
平均粒径が２０μｍである表１に記載のはんだ合金組成を有するはんだ合金粉末を作製し、作製したはんだ合金粉末と公知のロジン系フラックスを８９質量％：１１質量％の割合で混和して、各はんだ合金のはんだペーストを作製した。はんだペーストは、厚さが０．８ｍｍのプリント基板（材質：ＦＲ－４）に厚さが１２０μｍのメタルマスクでＣｕ電極に印刷した後、チップ抵抗部品をマウンターで実装して、最高温度２３５℃、保持時間６０秒の条件でリフローはんだ付けをし、試験基板を作製した。

この試験基板を、せん断強度測定装置（ＲＨＥＳＣＡ社製 ＳＴＲ－１０００）により、６ｍｍ／ｍｉｎの条件でシェア強度（Ｎ）を測定した。シェア強度が、６７Ｎ以上である場合、十分なシェア強度が得られるレベルであると判断して「◎」と評価した。６３Ｎ超え６６Ｎ以下である場合、実用上問題なく使用することができるレベルであると判断して「〇」と評価した。６２Ｎ未満である場合には「×」と評価した。

（４）ボイドの面積率
「シェア強度」で作製した試験基板を、東芝ＦＡシステムエンジニアリング株式会社製ＴＯＳＭＩＣＲＯＮ－６０９０ＦＰを用いて３０倍のＸ線平面写真をモニタに表示し、表示された画像からボイドを検出して面積率を求めた。検出に使用した画像解析ソフトはＳｏｆｔ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ製ｓｃａｎｄｉｕｍである。画像上、ボイドとそれ以外の部分はコントラストが異なるため、画像解析により識別可能であり、ボイドのみを検出することで測定を行った。測定したボイドの面積率が、シリコンチップの面積に対して３．２％以下の場合、ボイドは「◎」と評価し、３．２％超え４．１％以下の場合、ボイドは「〇」と評価し、４．１％を超える場合、ボイドは「×」とした。

（５）酸化被膜の厚さ
表１に記載のはんだ合金を厚さが０．１ｍｍのリボン状のプリフォームに加工して、１０ｍｍ四方のプリフォームに裁断し、１５０℃の恒温槽で１２０分、加熱処理を行った。得られたプリフォームの酸化膜厚をＦＥ－ＡＥＳ（電界放射型オージェ電子分光法）にて酸化被膜の厚さを測定した。酸化被膜の膜厚は、以下の装置及び条件で測定された。なお、酸化被膜の厚さの測定値はＳｉＯ_２換算により求めた。酸化被膜の厚さが１．８ｎｍ以下である場合には、十分に酸化被膜の形成が抑制されているため「◎」と評価した。酸化被膜の厚さが１．８ｎｍ超え２．８ｎｍ以下である場合には、問題なく実装することができるため「〇」と評価した。酸化被膜の厚さが２．８ｎｍ超えである場合には「×」と評価した。

測定装置：ＵＬＶＡＣ－ＰＨＩ，ＩＮＣ製 走査型ＦＥオージェ電子分光分析装置
測定条件：Ｂｅａｍ Ｖｏｌｔａｇｅ：１０ｋＶ， 試料電流：１０ｎＡ（Ａｒイオン銃を用いたスパッタ深さの測定方法は、ＩＳＯ／ＴＲ １５９６９に準拠。）
評価結果を表１および表２に示す。

表１から明らかなように、実施例１～２２はいずれもＡｇ、Ｃｕ、Ｂｉ、およびＩｎの含有量が本発明の範囲内であるとともに、（１）式および（２）式を満たす。このため、ステップソルダリングにてはんだ付けを行うことができる程度に溶融温度が低く、引張強度およびシェア強度が高く、ボイドの面積率が低く、且つ酸化被膜の厚さが薄くなることがわかった。特に、（３）式を満たす実施例１～６、９、１０、１２～１４、および１７は、引張強度およびシェア強度が更に高く、ボイドの発生が抑制され、酸化被膜が薄くなることがわかった。

一方、比較例１および比較例２は、Ａｇの含有量が不適切であるため、溶融温度が所望の範囲内から外れ、強度が劣った。比較例３は、Ｃｕの含有量が少ないため、溶融温度が上昇した。比較例４および５は、Ｃｕの含有量が多いため、強度が劣った。比較例６は、Ｃｕの含有量が多すぎるため、強度が劣り、溶融温度が高かった。比較例７は、Ｂｉの含有量が少なく、Ｉｎの含有量が多く、更に（１）式および（２）式を満たさないため、すべての結果が劣った。比較例８は、Ｂｉの含有量が少ないため、強度が劣り、溶融温度が高かった。比較例９は、Ｂｉの含有量が多いため、強度が劣り、溶融温度が低かった。

比較例１０は、Ｉｎの含有量が少なく、且つ（１）式を満たさないため、溶融温度が上昇し、強度が劣った。比較例１１は、Ｉｎの含有量が少ないため、溶融温度がさらに上昇し、強度が劣った。比較例１２は、Ｉｎの含有量が多く、（２）式を満たさないため、すべての結果が劣った。

比較例１３および比較例１４は、（１）式を満たさないため、溶融温度が適正ではなかった。特に、比較例１４は、（１）式の上限を超えるため、溶融温度が適正ではないことに加えて、その他のすべての結果も劣った。比較例１５および比較例１６は、（２）式を満たさないため、強度が劣った。特に、比較例１６は、（２）式の上限を超えるため、強度が劣ることに加えて、酸化被膜が厚くなった。比較例１７および比較例１８は、ＮｉまたはＣｏを含有するため、溶融温度が高く、ボイドの面積率が増加した。

Claims (6)

1. 質量％で、Ａｇ：２．５～３．７％、Ｃｕ：０．２５～０．９５％、Ｂｉ：３．０～３．９％、Ｉｎ：０．５～２．３％、および残部がＳｎからなる合金組成を有し、前記合金組成は下記（１）式および（２）式を満たすことを特徴とするはんだ合金。
   ８．１≦Ａｇ＋２Ｃｕ＋Ｂｉ＋Ｉｎ≦１１．５ （１）
   １．００≦（Ｂｉ＋Ｉｎ）／Ａｇ≦１．６６ （２）
   上記（１）式および（２）式中、Ａｇ、Ｃｕ、Ｂｉ、およびＩｎは、各々前記合金組成の含有量（質量％）を表す。
2. 上記合金組成は下記（３）式を満たす、請求項１に記載のはんだ合金。
   ４．４８≦Ａｇ×Ｃｕ×Ｂｉ×Ｉｎ≦７．７ （３）
   上記（３）式中、Ａｇ、Ｃｕ、Ｂｉ、およびＩｎは、各々前記合金組成の含有量（質量％）を表す。
3. 請求項１または２に記載のはんだ合金からなるはんだ粉末を有するはんだペースト。
4. 請求項１または２に記載のはんだ合金からなるはんだボール。
5. 請求項１または２に記載のはんだ合金からなるはんだプリフォーム。
6. 請求項１または２に記載のはんだ合金を有するはんだ継手。