무연 솔더 합금, 솔더 볼 및 전자 부재와, 자동차 탑재전자 부재용 무연 솔더 합금, 솔더 볼 및 전자 부재 document_id A220623068277

최근의 전자 부품의 소형화, 고밀도 실장화(實裝化)에 따라 프린트 배선 기판 등에 전자 부품을 실장할 때에는 BGA(볼 그리드 어레이), CSP(칩 사이즈 패키지) 기술이 사용되고 있다. 또한, 이 기술들에 채용되는 전극 크기도 미세화의 일로를 걷고 있다. 이들의 접합에 있어서는 반도체 기판, 전자 부품, 프린트 기판 등의 위에 배치된 다수의 전극에 먼저 솔더 범프를 형성한다. 전자 부재 상의 전극에 대한 솔더 범프의 형성은 각 전극에 플럭스의 점착력을 이용하여 솔더 볼을 점착시키고, 이어서 상기 전자 부재를 고온으로 가열하여 솔더 볼을 리플로우시킴으로써 형성한다. 이 솔더 범프를 사이에 두고 반도체 기판 등과 프린트 기판 등과의 사이를 접합한다. 여기에서, 솔더 범프라 함은 구리 또는 알루미늄 배선 전극 상의 도금 위에 반구상으로 쌓아올려 형성한 솔더를 말한다. 폐기된 전자 장치를 폐기 처리할 때에 환경의 영향을 최소화하기 위하여, 전자 장치에 사용하는 솔더 합금에 대하여도 무연 솔더 합금이 요구되게 되었다. 무연 솔더 합금으로서는, 2원계에서는 Sn에 Ag를 3.5% 함유한 조성이 공정(共晶) 조성이 되고, 융점은 221℃로 비교적 낮은 것이 널리 무연 솔더으로서 사용되고 있다. 최근, 전자 부품이 고밀도 실장화함에 따라 특히 노트북 PC, 비디오 카메라, 휴대 전화, 자동차 탑재용의 전자 부재·전자 장치에 있어서는 표면 실장이나 BGA 실장이 진행되고, 기판 전극 패드 면적의 축소가 급격하게 진행되고 있기 때문에 접합 부위의 솔더량을 소량화 하지 않을 수 없는 상황이다. 즉, 솔더 접합 부위의 접합 면적이 줄어들고 접합부에 걸리는 응력이 증대하고 있다. 또한, 고밀도 실장에 의하여 고기능·소형화가 진행되었기 때문에 정보 전달 기기의 휴대화도 급속히 진전되었다. 또한, 경제활동 영역이 지구 규모에 미치게 되어 종래에는 생각하지도 못했던 작열하는 사막이나 극지방 고지의 극한(極寒) 등에서 해당 기기가 사용되게 되었다. 이러한 상황하에서는 솔더 접합부가 한층 혹독한 환경 하에 노출되는 것을 고려한 솔더 실장 설계가 요구되고 있기 때문에 솔더 재료에 대한 내피로성 향상에 대한 요구가 한층 더 높아지고 있다. 특허 문헌 1에는 전자기기용 무연 솔더 합금으로서 Ag: 3.0 내지 5.0%, Cu: 0.5 내지 3.0%, 잔부 Sn으로 이루어지는 내열 피로 특성이 우수한 고온 솔더가 개시되어 있다. Ag 함유량에 대하여는 Ag는 내열 피로 특성 개선에 현저하게 효과가 있지만, 그 첨가량이 3.0% 이하이면 내열 피로 특성을 개선하는 효과가 충분하지 않은 것으로 여겨지고 있다. 또한, 휴대 전화 등의 휴대 가능한 디지털 제품에 관하여서는 그 사용상의 특질상 사용 중에 잘못하여 바닥에 떨어뜨리거나 부딪치거나 하는 사태를 상정할 필요가 있다. 이와 같은 충격에 대하여도 사용하는 전자 부품의 솔더 접합 부위가 파괴되지 않을 정도의 내충격성을 가질 것이 요구된다. 이것에 대하여, 종래의 내피로성 솔더 합금에 있어서는 주로 솔더의 강도를 증대시킴으로써 내피로성의 개선을 도모하고 있어서 그 결과, 내충격성은 오히려 저하되는 경향을 볼 수 있었다. 솔더 접합 부위의 내충격성, 내진동성의 향상을 꾀하기 위하여는 접합 부위의 솔더 합금으로서 연성이 우수한 합금을 사용하는 것이 가장 효과적이다. 또한, 자동차에 탑재된 전자 부재는 자동차 주행시의 진동에 대하여 충분한 내구성을 가지고 있을 필요가 있다. 이와 같은 반복 진동에 대하여도 사용하는 전자 부품의 솔더 접합 부위가 파괴되지 않을 정도의 내진동성을 가질 것이 요구된다. 이에 대하여, 종래의 내피로성 솔더 합금에 있어서는 주로 솔더의 강도를 증대시킴으로써 내피로성의 개선을 도모하고 있고, 그 결과, 내진동성에 대하여는 오히려 저하되는 경향을 볼 수 있었다. 솔더 접합 부위의 내진동성의 향상을 도모하기 위하여는 전술한 내진동성의 향상과 마찬가지로 접합 부위의 솔더 합금으로서 연성이 우수한 합금을 사용하는 것이 가장 효과적이다. 특허 문헌 2에는 특허 문헌 1에 기재된 것보다 Ag 함유량이 낮고, 또한 내낙하 충격성이 우수한 무연 솔더 합금으로서 Ag: 1.0 내지 2.0 질량%, Cu: 0.3 내지 1.5 질량%를 포함하고, 잔부 Sn 및 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 무연 솔더 합금이 개시되어 있다. 이것에 의하여, 종래의 무연 솔더 합금과 비교하여 염가로 제공하는 것이 가능하게 됨과 동시에 극히 우수한 내열 피로 특성과 내충격성을 실현하고 있다. 특허 문헌 2에 기재된 것은 솔더 합금의 강도를 향상시킬 목적으로 Ni: 0.05 내지 1.5 질량% 또는 Fe: 0.005 내지 0.5 질량%의 범위에서 첨가할 수 있다고 되어 있다. 특허 문헌 3에는 내충격성과 내열 사이클성을 향상시키는 무연 솔더 합금으로서 Sb: 0.01 내지 1 질량%, Ni: 0.01 내지 0.5 질량%, 잔부 Sn으로 구성되고, 또한 Ag: 0.01 내지 5 질량% 및/또는 Cu: 0.01 내지 2 질량%가 첨가된 무연 솔더 합금이 개시되어 있다. Sb는 내충격성에 효과가 있고, Ni는 내열 사이클성에 효과가 있으며, 또한 Cu를 첨가하면 내충격성을 더 향상시키고, Ag를 첨가하면 내열 사이클성을 더 향상시킨다고 되어 있다. 특허 문헌 4에는 우수한 강도를 가지는 동시에 열적으로 안정되고, 접합성도 양호한 솔더 합금으로서 Sn를 주성분으로 하고, Ag: 1.0 내지 4.0 중량%, Cu≤2.0 중량%, Ni≤1.0 중량%를 함유하는 솔더 합금이 개시되어 있다. Cu는 젖음성을 해치지 않고, 합금의 강도와 내열성을 향상시킨다. Ni를 첨가하면 합금의 열적 안정성이 증가하고 강도나 열피로 특성이 향상되며, 주로 Cu 기판과 접합할 때에는 접합 강도를 저하시키는 요인이 되는 금속간화합물의 생성을 억제한다고 되어 있다. 특허 문헌 5에는 Sn-4.7Ag-1.7Cu 솔더 합금에, 또한 Ni, Fe, Co를 함유시키는 발명이 기재되어 있다. Ni, Fe, Co의 각 원소는 적어도 약 0.01 중량%를 첨가함으로써, Cu 전극과의 접합 금속간 계면의 형태 구조가 개량되고, 특히 응고한 그대로의 금속간 계면의 두께가 얇아진다고 하고 있다. 특허 문헌 1: 일본 공개 특허 공보 평5-50286호 특허 문헌 2: 일본 공개 특허 공보 2002-239780호 특허 문헌 3: 일본 공개 특허 공보 2004-141910호 특허 문헌 4: 일본 특허 제3296289호 공보 특허 문헌 5: 일본국 특표2001-504760호