サーバー用ＣＰＵ向け無鉛Ｉｎ基はんだ合金及びその製造方法
【課題】 ２６０℃以下のはんだ付け温度で接合でき、チップとパッケージの熱膨張係数差による機械的ストレスを吸収できると共に、表面実装時にも機械的ストレスの吸収が可能なサーバー用ＣＰＵ向けとして好適な無鉛Ｉｎ基はんだ合金を提供する。
【解決手段】 Ｉｎを主成分とし、Ｐｂを含まず、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｚｎのいずれか１元素以上を添加した無鉛Ｉｎ基はんだ合金であって、溶解鋳造時の熔湯温度と鋳型温度との温度差ΔＴを３００℃以上に設定して鋳造し、その鋳塊を３０〜１００℃にて温間押出加工する。これにより、はんだ合金内の金属間化合物あるいは初晶の平均粒径が２５μｍ以下に制御された無鉛Ｉｎ基はんだ合金が得られる。
【解決手段】 Ｉｎを主成分とし、Ｐｂを含まず、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｚｎのいずれか１元素以上を添加した無鉛Ｉｎ基はんだ合金であって、溶解鋳造時の熔湯温度と鋳型温度との温度差ΔＴを３００℃以上に設定して鋳造し、その鋳塊を３０〜１００℃にて温間押出加工する。これにより、はんだ合金内の金属間化合物あるいは初晶の平均粒径が２５μｍ以下に制御された無鉛Ｉｎ基はんだ合金が得られる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、はんだ付け温度が２６０℃以下で接合可能なはんだ合金に関するものであり、更に詳しくは、サーバー用ＣＰＵ向けとして接合後に表面実装に耐え且つ軟質特性を有する無鉛Ｉｎ基はんだ合金に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子部品の接続用材料として、従来から錫（Ｓｎ）や鉛（Ｐｂ）を主成分とするＳｎ−Ｐｂ基はんだが用いられてきた。例えば、Ｓｎ−３７重量％Ｐｂ共晶はんだは、融点が１８３℃と低く、２６０℃以下のはんだ付け温度で接合可能であるため、電子部品の実装用はんだとして広く使用されてきた。
【０００３】
また、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｓｂ系のようなＳｎ基はんだは、耐クリープ特性に優れているため、半導体の低温接合用として用いられている。これらのＳｎ基はんだは融点が２００〜２３０℃程度であるため、Ｓｎ−３７重量％Ｐｂ共晶はんだに代わる無鉛はんだとしても着目され、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだが実用されている。
【０００４】
一方、Ｐｂを主成分とするＰｂ基はんだは、一般に軟質であるため、基板に半導体を接合する場合のように、熱膨張係数の差によって発生する機械的ストレスを吸収することができる。そのためＰｂ基はんだは、はんだ付けの熱疲労強さが優れ、パワートランジスタのように大きなシリコンチップをＣｕ母材に接合する場合に適している。
【０００５】
このように電子部品の接続用材料としては、用途に応じて様々な種類のはんだが使い分けられている。しかし、サーバー用ＣＰＵの分野では、チップとパッケージを接合する際に、熱ダメージを極力抑えるため低いはんだ付け温度で接合でき、且つ接合後のはんだ層に一定の厚みを持たせ、チップとパッケージの熱膨張係数差による機械的ストレスを吸収するという複数の特性が求められるため、１種類のはんだで対応することは難しい状況であった。
【０００６】
そこで、発明者らは、特許文献１に開示されているように、低融点はんだであるＳｎ基はんだやＩｎ基はんだと、高融点はんだであるＰｂ基はんだを機械的に接合することで、２６０℃の低い温度で接合でき且つＰｂ基はんだのようにチップとパッケージの熱膨張係数差による機械的ストレスを吸収することができる積層はんだ材を提案した。尚、かかる積層はんだ材におけるＳｎ基はんだやＩｎ基はんだは、接合時に溶融して薄く濡れ広がるため、チップとパッケージの熱膨張係数差による機械的ストレスの吸収には寄与せず、接合時未溶融のＰｂ基はんだが熱膨張係数の差による機械的ストレスの吸収する。
【０００７】
一方、近年では環境に有害な化学物質に関する規制が厳しくなってきており、電子部品を基板に接合するなどの目的で使用さる各種はんだ材料に関しても例外ではない。このため、サーバー用ＣＰＵ向けはんだにおいても、２６０℃の低い温度で接合でき且つチップとパッケージの熱膨張係数差による機械的ストレスを吸収する無鉛はんだ合金が求められている。
【０００８】
かかる無鉛はんだ合金の候補として、Ｓｎを主成分とするものがあげられる。例えば、特許文献２には、Ａｇが１.０〜４.０重量％、Ｃｕが２.０重量％以下、Ｎｉが０.５重量％以下、Ｐが０.２重量％以下の無鉛Ｓｎ基はんだ合金が記載されている。特許文献３には、Ａｇが０.５〜３.５重量％、Ｃｕが０.５〜２.０重量％、残部がＳｎからなる無鉛はんだが記載されている。また、特許文献４には、Ｃｕが１０.０〜２４.９重量％、Ｓｂが５.０重量％以上、Ｓｎが７０.０重量％以上の無鉛はんだが記載されている。
【０００９】
しかしながら、上記のＳｎを主成分とする無鉛はんだは、はんだ自体がビッカース硬度で１６Ｈｖ程度と従来のＰｂ基はんだ（約８〜９Ｈｖ）に比べると硬く、チップとパッケージの熱膨張係数差による機械的ストレスを吸収する能力に乏しい。そのため、チップサイズ３ｍｍ未満のようなパッケージには使用できても、チップサイズが１５ｍｍ以上になるサーバー用ＣＰＵ向けでは熱膨張係数差による機械的ストレスを吸収することができない。
【００１０】
一方、Ｉｎを主成分とする無鉛はんだは、はんだ自体が軟らかいことから、はんだ接合後に一定の厚みを保持することができれば、チップとパッケージの熱膨張係数差による機械的ストレスを吸収する能力を有すると考えられる。しかしながら、Ｉｎの融点は１５６℃と低く、更にＩｎ基はんだの融点は、代表例であるＩｎ−４８重量％Ｓｎで１１７℃及びＩｎ−３重量％Ａｇで１４１℃とＩｎ単体よりも低くなるため、表面実装時（２６０℃）に再溶融してしまい、機械的ストレスを吸収可能なはんだ厚み（５０μｍ以上）を維持することができない。
【００１１】
このような事情から、無鉛Ｉｎ基はんだを表面実装に耐え得るようにする手段として、主成分であるＩｎ内に酸化ケイ素のフィラーや高融点層（金属間化合物層又は初晶層）を分散して存在させ、表面実装時に溶融したＩｎの濡れ広がりを抑える方法が考えられる。かかるフィラー入りはんだに関しては、特許文献５等に有効性は示されている。しかしながら、フィラー入りはんだは、フィラーが導通性や熱伝導性の障害物となるため、はんだ層の導通性や熱伝導性がパッケージ特性に大きく影響するサーバー向けＣＰＵ用として適用することは難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００９−２６９０７５号公報
【特許文献２】特開１９９９−０７７３６６号公報
【特許文献３】特開平０８−２１５８８０号公報
【特許文献４】特開２００６−０３５３１０号公報
【特許文献５】特開平０８−１７４２７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、上記した従来の事情に鑑み、２６０℃以下のはんだ付け温度で接合でき、チップとパッケージの熱膨張係数差による機械的ストレスを吸収できると共に、表面実装時にも機械的ストレスの吸収が可能なはんだ厚みを維持し得る、サーバー用ＣＰＵ向けとして好適な無鉛Ｉｎ基はんだ合金を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者は、上記目的を達成するため、Ｉｎを主成分とする無鉛Ｉｎ基はんだ合金について、表面実装時にもチップとパッケージの熱膨張係数差による機械的ストレスを吸収する厚みを維持できるように、金属間化合物又は初晶を分散させることを検討した結果、溶融したＩｎを保持する量の金属間化合物や初晶を入れようとすると、粗大な金属間化合物や初晶がダイボンディングの際にはんだの濡れ不具合やチップ傾きなどの不良を引き起こすことが分かった。
【００１５】
この知見に基づいて、金属間化合物や初晶の粒径を微細にし且つ分布を均一化する方法について更に検討を重ね、主成分のＩｎにＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｚｎのいずれか１元素を添加して、急冷鋳造法と温間押出加工を併用することにより、具体的には溶解鋳造時の熔湯温度と鋳型温度との温度差ΔＴを３００℃以上に設定し、得られた鋳塊を３０〜１００℃で温間押出加工することにより、高融点相である金属間化合物や初晶が微細化且つ均一化することを見出し、本発明に至ったものである。
【００１６】
即ち、本発明が提供するサーバー用ＣＰＵ向け無鉛Ｉｎ基はんだ合金の製造方法は、Ｉｎを主成分とし、Ｐｂを含まず、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｚｎのいずれか１元素以上を添加した無鉛Ｉｎ基はんだ合金の製造方法において、溶解鋳造時の熔湯温度と鋳型温度との温度差ΔＴを３００℃以上に設定して鋳造し、得られた鋳塊を３０〜１００℃にて温間押出加工することにより、はんだ合金内の金属間化合物あるいは初晶の平均粒径を２５μｍ以下に制御することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明は上記方法により製造された無鉛Ｉｎ基はんだ合金を提供するものであり、そのサーバー用ＣＰＵ向け無鉛Ｉｎ基はんだ合金は、Ｐｂを含まず、Ｉｎと、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｚｎから選ばれた少なくとも１元素と、残部のＩｎとからなり、はんだ合金内の金属間化合物あるいは初晶の平均粒径が２５μｍ以下であることを特徴とする。
【００１８】
更に、本発明は下記第１〜５のサーバー用ＣＰＵ向け無鉛Ｉｎ基はんだ合金を提供するものである。具体的には、第１の無鉛Ｉｎ基はんだ合金は、Ｉｎを主成分とし、Ｐｂを含まず、３.４〜９.７重量％のＡｕと、残部のＩｎとからなり、はんだ合金内の金属間化合物あるいは初晶の平均粒径が２５μｍ以下であることを特徴とする。
【００１９】
本発明の第２の無鉛Ｉｎ基はんだ合金は、Ｉｎを主成分とし、Ｐｂを含まず、１０.０〜２３.０重量％のＡｇと、残部のＩｎとからなり、はんだ合金内の金属間化合物あるいは初晶の平均粒径が２５μｍ以下であることを特徴とする。
また、第３の無鉛Ｉｎ基はんだ合金は、Ｉｎを主成分とし、Ｐｂを含まず、１.７〜４.０重量％のＣｕと、残部のＩｎとからなり、はんだ合金内の金属間化合物あるいは初晶の平均粒径が２５μｍ以下であることを特徴とする。
【００２０】
本発明の第４の無鉛Ｉｎ基はんだ合金は、Ｉｎを主成分とし、Ｐｂを含まず、４.２〜１２.０重量％のＳｂと、残部のＩｎとからなり、はんだ合金内の金属間化合物あるいは初晶の平均粒径が２５μｍ以下であることを特徴とする。
また、本発明の第５の無鉛Ｉｎ基はんだ合金は、Ｉｎを主成分とし、Ｐｂを含まず、８.５〜３３.５重量％のＺｎと、残部のＩｎとからなり、はんだ合金内の金属間化合物あるいは初晶の平均粒径が２５μｍ以下であることを特徴とする。
【００２１】
上記した本発明の第１〜５の無鉛Ｉｎ基はんだ合金については、主成分（第１元素）のＩｎ及び第２元素のＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｚｎから選ばれた少なくとも１元素に加えて、第３元素として０.００１〜０.０５０重量％のＧｅ及びＰの少なくとも１元素を添加含有させることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、２６０℃以下のはんだ付け温度で接合でき、ダイボンディング時にはんだの濡れ不具合やチップ傾きなどの不良が発生せず、表面実装時には溶融したＩｎの濡れ広がりを抑えてはんだ厚みを維持して、熱膨張係数差による機械的ストレスを吸収することが可能な、サーバー用ＣＰＵ向けとして好適な無鉛Ｉｎ基はんだ合金を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】はんだ合金の母相に分散した化合物（初晶）の粒径の測定方法を示す概略の説明図である。
【図２】実施例で作製した試料ｂ１〜ｂ４と比較例で作製した比較試料３における化合物（初晶）の粒径を示すグラフであり、縦線は化合物（初晶）の横軸Ｘと縦軸Ｙの長さの最大値と最小値の幅を示し、黒丸（●）は横軸Ｘと縦軸Ｙの長さの平均値、即ち粒径を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の無鉛Ｉｎ基はんだ合金は、主成分（第１元素）であるＩｎに、第２元素としてＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｚｎのいずれか１元素を添加し、急冷鋳造法及び温間押出加工により製造することで、主成分とのＩｎと添加した第２元素とで構成される高融点相（金属間化合物あるいは初晶）を微細化且つ均一化させたものである。また、本発明の上記無鉛Ｉｎ基はんだ合金は、更に特性の特性を向上させる場合に、第３元素としてＧｅとＰの少なくとも１元素を添加含有させることができる。
【００２５】
本発明の無鉛Ｉｎ基はんだ合金における主成分はＩｎである。この第１元素のＩｎは、チップ及びパッケージの接合面と反応して両者の接合に寄与する。Ｉｎは軟らかい特性を有し、従来のＰｂ基はんだと同様にチップとパッケージの熱膨張係数差による機械的ストレスを吸収する能力を備えているものの、Ｉｎの融点は１５６℃と低く表面実装温度（２６０℃）に耐える融点を有していない。
【００２６】
第２元素であるＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｚｎは、本発明の無鉛Ｉｎ基はんだ合金に必須の添加元素である。これら第２元素の少なくともいずれか１元素を主成分であるＩｎに添加することによって、高融点相である金属間化合物あるいは初晶を形成して液相線を上げるため、表面実装時に溶融したＩｎの濡れ広がりを抑え、はんだ厚みを維持して熱膨張係数差による機械的ストレスを吸収することが可能となる。
【００２７】
上記第２元素の含有量については、Ａｕは３.４〜９.７重量％、Ａｇは１０.０〜２３.０重量％、Ｃｕは１.７〜４.０重量％、Ｓｂは４.２〜１２.０重量％、及びＺｎは８.５〜３３.５重量％の範囲とする。尚、本発明において、無鉛Ｉｎ基はんだ合金中の各元素の含有量は、製造時に配合した原料全体に対する各元素の量（即ち、添加量）で表している。従って、はんだ合金を分析して得られる各元素の含有量は、製造上不可避的に含まれる不純物元素の量によって若干変動するが、高純度の原料を使用することで実質的な差異はないものと考えられる。
【００２８】
上記第２元素の含有量が各元素における下限よりも少ない場合には、Ｉｎ基はんだ合金中の金属間化合物あるいは初晶の量が過少となるため、表面実装時に溶融したＩｎの濡れ広がりを充分に抑えることができない。一方、含有量が各元素におけるの上限を超えると、Ｉｎ基はんだ合金中の金属間化合物あるいは初晶の量が過多となるため、はんだの基本特性である濡れ性が著しく低下する。
【００２９】
ただし、主成分であるＩｎに上記第２元素のいずれか１元素を添加しても、はんだ合金を製造する際に従来一般的に用いられている鋳造条件や押出条件では、高融点相である金属間化合物あるいは初晶が粗大化したり、はんだ合金内に偏在したりするため、はんだの基本特性である濡れ性を阻害することがある。そのため、水冷モールドを用いた急冷鋳造により金属間化合物あるいは初晶の粗大化を防止し、更に温間押出加工により金属間化合物あるいは初晶を均一に分布させることが必要である。
【００３０】
次に、本発明の無鉛Ｉｎ基はんだ合金の製造方法について説明する。まず、主成分であるＩｎと、第２元素であるＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｚｎのいずれか１元素を所定量秤量し、これらの原料を高周波溶解炉用のグラファイト製るつぼに入れる。このグラファイト製るつぼを高周波溶解炉に装入し、酸化を抑制するために窒素ガスを流しながら、原料を加熱溶融させる。金属が溶融しはじめたら、局所的な組成のばらつきが起きないように石英製混合棒でよく撹拌して均一に混合する。
【００３１】
原料が十分溶融したことを確認した後、高周波電源を切り、速やかにるつぼを取り出して、るつぼ内の溶湯を水冷式鋳型に流し込む。この溶解鋳造工程において、熔湯温度と鋳型温度との温度差ΔＴを３００℃以上に設定することが重要である。熔湯温度と鋳型温度との温度差ΔＴが３００℃未満では、高融点相である金属間化合物あるいは初晶が粗大化してしまう。
【００３２】
上記溶解鋳造工程で得られた無鉛Ｉｎ基はんだ合金の鋳塊は、次の押出加工工程において３０〜１００℃の温度にて温間押出加工して、所定形状の無鉛Ｉｎ基はんだ合金とする。この温間押出加工によって、微細化された高融点相の金属間化合物や初晶がはんだ合金中に均一に分散され、本発明の無鉛Ｉｎ基はんだ合金を製造することができる。この押出加工工程における温度が３０℃未満では、高融点相である金属間化合物や初晶をはんだ合金中に十分均一に分散させることが難しくなる。逆に１００℃を超えると押出後の半田表面が荒れやすくなるため、酸化による濡れ性の低下が懸念される。
【００３３】
上記本発明方法によれば、２６０℃以下のはんだ付け温度で接合できるように主成分であるＩｎに第２元素のいずれか１元素を添加した組成であれば、高融点相である金属間化合物あるいは初晶の粗大化や偏在を防止することができる。即ち、製造された無鉛Ｉｎ基はんだ合金は、Ｐｂを含まず、第２元素のＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｚｎから選ばれた少なくとも１元素と、残部の主成分（第１元素）であるＩｎとからなり、金属間化合物あるいは初晶の平均粒径が２５μｍ以下となる。
【００３４】
本発明の無鉛Ｉｎ基はんだ合金は、任意の添加元素としてＧｅ及びＰの第３元素を添加することができる。第３元素のＧｅとＰは、はんだ合金の濡れ性を向上させ、接合時にボイドの発生を低減させる効果がある。即ち、ＧｅとＰは自らが酸化しやすいため、接合時にはんだの主成分であるＩｎよりも優先的に酸化が進み、はんだ母相の酸化を防ぎ、濡れ性を確保する作用がある。この作用により良好な接合が可能となり、ボイドの生成も起こり難くなる。
【００３５】
上記第３元素の含有量は、Ｇｅ及びＰ共に、０.００１〜０.０５０質量％の範囲が好ましい。Ｇｅ又はＰが０.０５０質量％を超えると、これらの酸化物がはんだ合金の表面を覆うことによって、逆に濡れ性を低下させるため好ましくない。更に、Ｐの場合はＩｎへの固溶量が非常に少ないため、含有量が多いと脆いリン酸化物が偏析するなどして信頼性を低下させてしまう。また、Ｇｅ又はＰが下限値の０.００１未満では、上記した母相の還元効果が得られない。
【実施例】
【００３６】
原料として、それぞれ純度９９.９９質量％以上のＩｎ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｚｎ、Ｇｅ及びＰを準備した。これらの原料を、Ｉｎ−Ａｕ、Ｉｎ−Ａｇ、Ｉｎ−Ｃｕ、Ｉｎ−Ｓｂ、Ｉｎ−Ｚｎ、Ｉｎ−Ｇｅなどの各系ごとに、下記表１の各試料ａ１〜ａ４、ｂ１〜ｂ４、ｃ１〜ｃ４、ｄ１〜ｄ４及びｅ−１〜ｅ−４、更にＩｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の試料ｆ１とＩｎ−Ａｇ−Ｇｅ系の試料ｆ２に示す組成となるように秤量し、高周波溶解炉用のグラファイト製るつぼに投入した。
【００３７】
【表１】
【００３８】
上記原料の入ったグラファイト製るつぼを高周波溶解炉に入れ、窒素ガスを原料１ｋｇ当たり０.７リットル／分以上の流量で流した。この状態で溶解炉の電源を入れ、原料を加熱溶融させた。金属が溶融しはじめたら石英製混合棒でよく撹拌し、局所的な組成のばらつきが起きないように均一に混合した。
【００３９】
原料が十分溶融したことを確認した後、高周波電源を切り、速やかにるつぼを取り出して、るつぼ内の溶湯を水冷式鋳型に流し込み、流し込んだ熔湯が凝固して常温になるまで鋳型内で空冷冷却を行って、上記各試料のはんだ母合金を作製した。尚、このとき熔湯温度と鋳型の温度差ΔＴが３００℃以上となるように、溶湯温度を５００℃及び鋳型温度を２５℃に設定した。
【００４０】
このようにして得られた各試料のはんだ母合金を、押出圧力３００トンの熱間押出機により、加工温度３０〜１００℃の範囲内で、板幅２５ｍｍ×板厚３ｍｍ×板長１５００ｍｍの板状に加工した。得られた各試料の板状はんだに対して、ワークロール径３インチの２段ロールを使用して、厚さ３.０ｍｍ→２.４ｍｍ→１.５ｍｍ→１.０ｍｍ→０.７５ｍｍ→０.３５ｍｍ→０.３ｍｍのパススケジュールで冷間圧延を行い、板厚０.３００ｍｍのフープ（帯）状のはんだを作製した。更に、このフープ状サンプルをフォイルカット機により幅２５ｍｍに切り出し、縦２５ｍｍ×横２５ｍｍ×厚さ０.３００ｍｍの個片状はんだサンプルを作製した。
【００４１】
得られた各試料の個片状はんだサンプルについて、化合物（初晶）の粒径測定と共に、はんだ濡れ性試験による濡れ性の評価、接合後のチップ傾き、再溶融試験による再溶融後はんだ厚みを下記の各測定方法及び評価方法により測定評価して、得られた結果を下記表２に示した。尚、各試料の個片状はんだサンプルの厚みは０.３００ｍｍであり、接合後のはんだ厚みは試料ａ１〜ｅ４で０.２００ｍｍ（但し、試料ｄ４は０.２３０ｍｍ及び試料ｅ４は０.２４ｍｍ）、試料f１とｆ２は共に０.１５０ｍｍ以上であった。
【００４２】
＜はんだ濡れ性試験＞
上記各はんだサンプルについて、窒素雰囲気下にて加熱温度２６０℃、加熱時間１分でＣｕ基盤（４０ｍｍ×４０ｍｍ×０.３００ｍｍ）との接合（濡れ性）試験を実施した。試験後の各はんだサンプルについて、平型ピンセットを用いてはんだとＣｕ基盤を剥離させ、剥離できなかった場合を「○」、部分的に剥離できた場合を「△」、容易に剥離できた場合を「×」とした。
【００４３】
＜チップ傾き評価＞
上記はんだ濡れ性試験で用いた装置を使用し、窒素雰囲気下にて加熱温度２６０℃及び加熱時間１分で、Ｃｕ基盤（２０ｍｍ×２０ｍｍ×０.３００ｍｍ）／はんだサンプル／Ｃｕ基盤（４０ｍｍ×４０ｍｍ×０.３００ｍｍ）の順に積層接合した。本試験ではチップ傾きに対するＣｕ基盤の反りの影響を極力抑えるため、使用するＣｕ基盤の反りは０.００５ｍｍ未満とした。接合後の各サンプルについて、４角をマイクロメーターにより測定し、最大値と最小値の差をチップ傾きとして算出した。チップ傾きが０.０１５ｍｍ未満を「○」、０.０１５〜０.０３０ｍｍを「△」、０.０３０ｍｍより大きい場合を「×」とした。
【００４４】
＜再溶融試験＞
上記はんだ濡れ性試験で用いた装置を使用し、窒素雰囲気下にて加熱温度２６０℃及び加熱時間１分で、Ｃｕ基盤（２０ｍｍ×２０ｍｍ×０.３００ｍｍ）／はんだサンプル／Ｃｕ基盤（４０ｍｍ×４０ｍｍ×０.３００ｍｍ）の順に積層接合した。その後、同じ装置を用い窒素雰囲気下にて、加熱温度２６０℃及び加熱時間１０分で再溶融試験を実施した。再溶融試験後のはんだ層の厚みについて、積層接合時のはんだ層の厚みに対し、３／４以上の場合を「○」、１／４〜３／４の場合を「△」、１／４未満の場合を「×」とした。
【００４５】
＜化合物（初晶）の粒径測定＞
各はんだサンプルについて、樹脂埋め後断面研磨を行い、マイクロスコープ（（株）キーエンス製、ＶＨＸ−９０００）により化合物（初晶）の粒径を測定した。具体的には、図１に示すように、ハンダ合金の母相に分散した化合物（初晶）の横軸Ｘ及び縦軸Ｙの長さを各々測定し、その全測定値の平均を化合物の粒径とした。化合物の粒径が２５μｍ未満の場合を「○」、２５〜５０μｍの場合を「△」、５０μｍを超える場合を「×」とした。測定結果の一例として、試料ｂ１〜ｂ４の評価結果を図２に示す。
【００４６】
【表２】
【００４７】
［比較例］
原料として、それぞれ純度９９.９９質量％以上のＩｎ、Ａｇ、Ｓｎを準備し、これらの原料を下記表３に示すように、比較試料１ではＩｎ単独、比較試料２ではＳｎ−３.５重量％Ａｇ、比較試料３ではＩｎ−１０重量％Ａｇの組成となるように秤量し、高周波溶解炉用のグラファイト製るつぼに投入して、上記実施例と同様に高周波溶解炉で加熱溶融させた。
【００４８】
原料が十分溶融したことを確認した後、高周波溶解炉から速やかにるつぼを取り出して、るつぼ内の溶湯を水冷式鋳型に流し込み、流し込んだ熔湯が凝固して常温になるまで鋳型内で空冷冷却を行って、比較試料１〜３の各はんだ母合金を作製した。尚、このとき比較試料１と２は上記実施例と同じ条件で急冷鋳造したが、比較試料３では溶湯温度を４００℃及び鋳型温度を１５０℃に設定し、熔湯温度と鋳型の温度差ΔＴを２５０℃（徐冷品）とした。
【００４９】
得られた各比較試料のはんだ母合金を、押出圧力３００トンの熱間押出機により、加工温度５０℃にて、板幅２５ｍｍ×板厚３ｍｍ×板長１５００ｍｍの板状に加工した。得られた各試料の板状はんだに対して、ワークロール径３インチの２段ロールを使用して、上記実施例と同様のパススケジュールで冷間圧延を行い、板厚０.３００ｍｍのフープ（帯）状のはんだを作製した。更に、このフープ状サンプルをフォイルカット機により幅２５ｍｍに切り出し、縦２５ｍｍ×横２５ｍｍ×厚さ０.３００ｍｍの個片状はんだサンプルを作製した。
【００５０】
得られた比較試料１〜３の各個片状はんだサンプルについて、上記実施例と同様にして、化合物（初晶）の粒径測定並びに分布調査、はんだ濡れ性試験による接合後のはんだ厚み、接合後のチップ傾き、再溶融試験によるはんだ厚みを測定して評価した。得られた結果を下記表３に示した。また、その一例として比較試料３の評価結果を試料ｂ１〜ｂ４の結果と共に図２に示した。
【００５１】
【表３】
【００５２】
上記表２及び表３において、各評価項目の評価が「○」あるいは「△」であれば実用上問題なく使用できるが、一項目でも「×」の評価があるものは実用上使用することはできない。上記の結果から分かるように、試料ａ２とａ３、試料ｂ２とｂ３、試料ｃ２とｃ３、試料ｄ２とｄ３、試料ｅ２とｅ３、及び試料ｆ１とｆ２は、全ての項目について良好な評価が得られた。
【００５３】
一方、試料ａ１、ｂ１、ｃ１、ｄ１、ｅ１及び比較試料１、２においては再溶融試験後のはんだ層の厚みが著しく低下していることから、これらの試料では再溶融試験時にはんだが溶融するため、再溶融後に厚みを保持できていないことが分かる。従って、これらの試料のはんだは、チップとパッケージの熱膨張係数差による機械的ストレスの吸収できず、サーバー用ＣＰＵ向けとして実用不可能であると考えられる。
【００５４】
また、試料ａ４、ｂ４、ｃ４、ｄ４、ｅ４及び比較試料３では、再溶融後厚みは問題ないが、０.０３０ｍｍ以上のチップ傾きが発生した。即ち、はんだ中に粗大な金属間化合物や初晶が存在するため、チップ傾きを起こしていると考えられる。このことは、化合物の粒径測定結果が他の試料より大きいことからも裏付けられる。従って、これらの試料のはんだも、サーバー用ＣＰＵ向けとして実用不可能である考えられる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、はんだ付け温度が２６０℃以下で接合可能なはんだ合金に関するものであり、更に詳しくは、サーバー用ＣＰＵ向けとして接合後に表面実装に耐え且つ軟質特性を有する無鉛Ｉｎ基はんだ合金に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子部品の接続用材料として、従来から錫（Ｓｎ）や鉛（Ｐｂ）を主成分とするＳｎ−Ｐｂ基はんだが用いられてきた。例えば、Ｓｎ−３７重量％Ｐｂ共晶はんだは、融点が１８３℃と低く、２６０℃以下のはんだ付け温度で接合可能であるため、電子部品の実装用はんだとして広く使用されてきた。
【０００３】
また、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｓｂ系のようなＳｎ基はんだは、耐クリープ特性に優れているため、半導体の低温接合用として用いられている。これらのＳｎ基はんだは融点が２００〜２３０℃程度であるため、Ｓｎ−３７重量％Ｐｂ共晶はんだに代わる無鉛はんだとしても着目され、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだが実用されている。
【０００４】
一方、Ｐｂを主成分とするＰｂ基はんだは、一般に軟質であるため、基板に半導体を接合する場合のように、熱膨張係数の差によって発生する機械的ストレスを吸収することができる。そのためＰｂ基はんだは、はんだ付けの熱疲労強さが優れ、パワートランジスタのように大きなシリコンチップをＣｕ母材に接合する場合に適している。
【０００５】
このように電子部品の接続用材料としては、用途に応じて様々な種類のはんだが使い分けられている。しかし、サーバー用ＣＰＵの分野では、チップとパッケージを接合する際に、熱ダメージを極力抑えるため低いはんだ付け温度で接合でき、且つ接合後のはんだ層に一定の厚みを持たせ、チップとパッケージの熱膨張係数差による機械的ストレスを吸収するという複数の特性が求められるため、１種類のはんだで対応することは難しい状況であった。
【０００６】
そこで、発明者らは、特許文献１に開示されているように、低融点はんだであるＳｎ基はんだやＩｎ基はんだと、高融点はんだであるＰｂ基はんだを機械的に接合することで、２６０℃の低い温度で接合でき且つＰｂ基はんだのようにチップとパッケージの熱膨張係数差による機械的ストレスを吸収することができる積層はんだ材を提案した。尚、かかる積層はんだ材におけるＳｎ基はんだやＩｎ基はんだは、接合時に溶融して薄く濡れ広がるため、チップとパッケージの熱膨張係数差による機械的ストレスの吸収には寄与せず、接合時未溶融のＰｂ基はんだが熱膨張係数の差による機械的ストレスの吸収する。
【０００７】
一方、近年では環境に有害な化学物質に関する規制が厳しくなってきており、電子部品を基板に接合するなどの目的で使用さる各種はんだ材料に関しても例外ではない。このため、サーバー用ＣＰＵ向けはんだにおいても、２６０℃の低い温度で接合でき且つチップとパッケージの熱膨張係数差による機械的ストレスを吸収する無鉛はんだ合金が求められている。
【０００８】
かかる無鉛はんだ合金の候補として、Ｓｎを主成分とするものがあげられる。例えば、特許文献２には、Ａｇが１.０〜４.０重量％、Ｃｕが２.０重量％以下、Ｎｉが０.５重量％以下、Ｐが０.２重量％以下の無鉛Ｓｎ基はんだ合金が記載されている。特許文献３には、Ａｇが０.５〜３.５重量％、Ｃｕが０.５〜２.０重量％、残部がＳｎからなる無鉛はんだが記載されている。また、特許文献４には、Ｃｕが１０.０〜２４.９重量％、Ｓｂが５.０重量％以上、Ｓｎが７０.０重量％以上の無鉛はんだが記載されている。
【０００９】
しかしながら、上記のＳｎを主成分とする無鉛はんだは、はんだ自体がビッカース硬度で１６Ｈｖ程度と従来のＰｂ基はんだ（約８〜９Ｈｖ）に比べると硬く、チップとパッケージの熱膨張係数差による機械的ストレスを吸収する能力に乏しい。そのため、チップサイズ３ｍｍ未満のようなパッケージには使用できても、チップサイズが１５ｍｍ以上になるサーバー用ＣＰＵ向けでは熱膨張係数差による機械的ストレスを吸収することができない。
【００１０】
一方、Ｉｎを主成分とする無鉛はんだは、はんだ自体が軟らかいことから、はんだ接合後に一定の厚みを保持することができれば、チップとパッケージの熱膨張係数差による機械的ストレスを吸収する能力を有すると考えられる。しかしながら、Ｉｎの融点は１５６℃と低く、更にＩｎ基はんだの融点は、代表例であるＩｎ−４８重量％Ｓｎで１１７℃及びＩｎ−３重量％Ａｇで１４１℃とＩｎ単体よりも低くなるため、表面実装時（２６０℃）に再溶融してしまい、機械的ストレスを吸収可能なはんだ厚み（５０μｍ以上）を維持することができない。
【００１１】
このような事情から、無鉛Ｉｎ基はんだを表面実装に耐え得るようにする手段として、主成分であるＩｎ内に酸化ケイ素のフィラーや高融点層（金属間化合物層又は初晶層）を分散して存在させ、表面実装時に溶融したＩｎの濡れ広がりを抑える方法が考えられる。かかるフィラー入りはんだに関しては、特許文献５等に有効性は示されている。しかしながら、フィラー入りはんだは、フィラーが導通性や熱伝導性の障害物となるため、はんだ層の導通性や熱伝導性がパッケージ特性に大きく影響するサーバー向けＣＰＵ用として適用することは難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００９−２６９０７５号公報
【特許文献２】特開１９９９−０７７３６６号公報
【特許文献３】特開平０８−２１５８８０号公報
【特許文献４】特開２００６−０３５３１０号公報
【特許文献５】特開平０８−１７４２７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、上記した従来の事情に鑑み、２６０℃以下のはんだ付け温度で接合でき、チップとパッケージの熱膨張係数差による機械的ストレスを吸収できると共に、表面実装時にも機械的ストレスの吸収が可能なはんだ厚みを維持し得る、サーバー用ＣＰＵ向けとして好適な無鉛Ｉｎ基はんだ合金を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者は、上記目的を達成するため、Ｉｎを主成分とする無鉛Ｉｎ基はんだ合金について、表面実装時にもチップとパッケージの熱膨張係数差による機械的ストレスを吸収する厚みを維持できるように、金属間化合物又は初晶を分散させることを検討した結果、溶融したＩｎを保持する量の金属間化合物や初晶を入れようとすると、粗大な金属間化合物や初晶がダイボンディングの際にはんだの濡れ不具合やチップ傾きなどの不良を引き起こすことが分かった。
【００１５】
この知見に基づいて、金属間化合物や初晶の粒径を微細にし且つ分布を均一化する方法について更に検討を重ね、主成分のＩｎにＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｚｎのいずれか１元素を添加して、急冷鋳造法と温間押出加工を併用することにより、具体的には溶解鋳造時の熔湯温度と鋳型温度との温度差ΔＴを３００℃以上に設定し、得られた鋳塊を３０〜１００℃で温間押出加工することにより、高融点相である金属間化合物や初晶が微細化且つ均一化することを見出し、本発明に至ったものである。
【００１６】
即ち、本発明が提供するサーバー用ＣＰＵ向け無鉛Ｉｎ基はんだ合金の製造方法は、Ｉｎを主成分とし、Ｐｂを含まず、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｚｎのいずれか１元素以上を添加した無鉛Ｉｎ基はんだ合金の製造方法において、溶解鋳造時の熔湯温度と鋳型温度との温度差ΔＴを３００℃以上に設定して鋳造し、得られた鋳塊を３０〜１００℃にて温間押出加工することにより、はんだ合金内の金属間化合物あるいは初晶の平均粒径を２５μｍ以下に制御することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明は上記方法により製造された無鉛Ｉｎ基はんだ合金を提供するものであり、そのサーバー用ＣＰＵ向け無鉛Ｉｎ基はんだ合金は、Ｐｂを含まず、Ｉｎと、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｚｎから選ばれた少なくとも１元素と、残部のＩｎとからなり、はんだ合金内の金属間化合物あるいは初晶の平均粒径が２５μｍ以下であることを特徴とする。
【００１８】
更に、本発明は下記第１〜５のサーバー用ＣＰＵ向け無鉛Ｉｎ基はんだ合金を提供するものである。具体的には、第１の無鉛Ｉｎ基はんだ合金は、Ｉｎを主成分とし、Ｐｂを含まず、３.４〜９.７重量％のＡｕと、残部のＩｎとからなり、はんだ合金内の金属間化合物あるいは初晶の平均粒径が２５μｍ以下であることを特徴とする。
【００１９】
本発明の第２の無鉛Ｉｎ基はんだ合金は、Ｉｎを主成分とし、Ｐｂを含まず、１０.０〜２３.０重量％のＡｇと、残部のＩｎとからなり、はんだ合金内の金属間化合物あるいは初晶の平均粒径が２５μｍ以下であることを特徴とする。
また、第３の無鉛Ｉｎ基はんだ合金は、Ｉｎを主成分とし、Ｐｂを含まず、１.７〜４.０重量％のＣｕと、残部のＩｎとからなり、はんだ合金内の金属間化合物あるいは初晶の平均粒径が２５μｍ以下であることを特徴とする。
【００２０】
本発明の第４の無鉛Ｉｎ基はんだ合金は、Ｉｎを主成分とし、Ｐｂを含まず、４.２〜１２.０重量％のＳｂと、残部のＩｎとからなり、はんだ合金内の金属間化合物あるいは初晶の平均粒径が２５μｍ以下であることを特徴とする。
また、本発明の第５の無鉛Ｉｎ基はんだ合金は、Ｉｎを主成分とし、Ｐｂを含まず、８.５〜３３.５重量％のＺｎと、残部のＩｎとからなり、はんだ合金内の金属間化合物あるいは初晶の平均粒径が２５μｍ以下であることを特徴とする。
【００２１】
上記した本発明の第１〜５の無鉛Ｉｎ基はんだ合金については、主成分（第１元素）のＩｎ及び第２元素のＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｚｎから選ばれた少なくとも１元素に加えて、第３元素として０.００１〜０.０５０重量％のＧｅ及びＰの少なくとも１元素を添加含有させることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、２６０℃以下のはんだ付け温度で接合でき、ダイボンディング時にはんだの濡れ不具合やチップ傾きなどの不良が発生せず、表面実装時には溶融したＩｎの濡れ広がりを抑えてはんだ厚みを維持して、熱膨張係数差による機械的ストレスを吸収することが可能な、サーバー用ＣＰＵ向けとして好適な無鉛Ｉｎ基はんだ合金を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】はんだ合金の母相に分散した化合物（初晶）の粒径の測定方法を示す概略の説明図である。
【図２】実施例で作製した試料ｂ１〜ｂ４と比較例で作製した比較試料３における化合物（初晶）の粒径を示すグラフであり、縦線は化合物（初晶）の横軸Ｘと縦軸Ｙの長さの最大値と最小値の幅を示し、黒丸（●）は横軸Ｘと縦軸Ｙの長さの平均値、即ち粒径を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の無鉛Ｉｎ基はんだ合金は、主成分（第１元素）であるＩｎに、第２元素としてＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｚｎのいずれか１元素を添加し、急冷鋳造法及び温間押出加工により製造することで、主成分とのＩｎと添加した第２元素とで構成される高融点相（金属間化合物あるいは初晶）を微細化且つ均一化させたものである。また、本発明の上記無鉛Ｉｎ基はんだ合金は、更に特性の特性を向上させる場合に、第３元素としてＧｅとＰの少なくとも１元素を添加含有させることができる。
【００２５】
本発明の無鉛Ｉｎ基はんだ合金における主成分はＩｎである。この第１元素のＩｎは、チップ及びパッケージの接合面と反応して両者の接合に寄与する。Ｉｎは軟らかい特性を有し、従来のＰｂ基はんだと同様にチップとパッケージの熱膨張係数差による機械的ストレスを吸収する能力を備えているものの、Ｉｎの融点は１５６℃と低く表面実装温度（２６０℃）に耐える融点を有していない。
【００２６】
第２元素であるＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｚｎは、本発明の無鉛Ｉｎ基はんだ合金に必須の添加元素である。これら第２元素の少なくともいずれか１元素を主成分であるＩｎに添加することによって、高融点相である金属間化合物あるいは初晶を形成して液相線を上げるため、表面実装時に溶融したＩｎの濡れ広がりを抑え、はんだ厚みを維持して熱膨張係数差による機械的ストレスを吸収することが可能となる。
【００２７】
上記第２元素の含有量については、Ａｕは３.４〜９.７重量％、Ａｇは１０.０〜２３.０重量％、Ｃｕは１.７〜４.０重量％、Ｓｂは４.２〜１２.０重量％、及びＺｎは８.５〜３３.５重量％の範囲とする。尚、本発明において、無鉛Ｉｎ基はんだ合金中の各元素の含有量は、製造時に配合した原料全体に対する各元素の量（即ち、添加量）で表している。従って、はんだ合金を分析して得られる各元素の含有量は、製造上不可避的に含まれる不純物元素の量によって若干変動するが、高純度の原料を使用することで実質的な差異はないものと考えられる。
【００２８】
上記第２元素の含有量が各元素における下限よりも少ない場合には、Ｉｎ基はんだ合金中の金属間化合物あるいは初晶の量が過少となるため、表面実装時に溶融したＩｎの濡れ広がりを充分に抑えることができない。一方、含有量が各元素におけるの上限を超えると、Ｉｎ基はんだ合金中の金属間化合物あるいは初晶の量が過多となるため、はんだの基本特性である濡れ性が著しく低下する。
【００２９】
ただし、主成分であるＩｎに上記第２元素のいずれか１元素を添加しても、はんだ合金を製造する際に従来一般的に用いられている鋳造条件や押出条件では、高融点相である金属間化合物あるいは初晶が粗大化したり、はんだ合金内に偏在したりするため、はんだの基本特性である濡れ性を阻害することがある。そのため、水冷モールドを用いた急冷鋳造により金属間化合物あるいは初晶の粗大化を防止し、更に温間押出加工により金属間化合物あるいは初晶を均一に分布させることが必要である。
【００３０】
次に、本発明の無鉛Ｉｎ基はんだ合金の製造方法について説明する。まず、主成分であるＩｎと、第２元素であるＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｚｎのいずれか１元素を所定量秤量し、これらの原料を高周波溶解炉用のグラファイト製るつぼに入れる。このグラファイト製るつぼを高周波溶解炉に装入し、酸化を抑制するために窒素ガスを流しながら、原料を加熱溶融させる。金属が溶融しはじめたら、局所的な組成のばらつきが起きないように石英製混合棒でよく撹拌して均一に混合する。
【００３１】
原料が十分溶融したことを確認した後、高周波電源を切り、速やかにるつぼを取り出して、るつぼ内の溶湯を水冷式鋳型に流し込む。この溶解鋳造工程において、熔湯温度と鋳型温度との温度差ΔＴを３００℃以上に設定することが重要である。熔湯温度と鋳型温度との温度差ΔＴが３００℃未満では、高融点相である金属間化合物あるいは初晶が粗大化してしまう。
【００３２】
上記溶解鋳造工程で得られた無鉛Ｉｎ基はんだ合金の鋳塊は、次の押出加工工程において３０〜１００℃の温度にて温間押出加工して、所定形状の無鉛Ｉｎ基はんだ合金とする。この温間押出加工によって、微細化された高融点相の金属間化合物や初晶がはんだ合金中に均一に分散され、本発明の無鉛Ｉｎ基はんだ合金を製造することができる。この押出加工工程における温度が３０℃未満では、高融点相である金属間化合物や初晶をはんだ合金中に十分均一に分散させることが難しくなる。逆に１００℃を超えると押出後の半田表面が荒れやすくなるため、酸化による濡れ性の低下が懸念される。
【００３３】
上記本発明方法によれば、２６０℃以下のはんだ付け温度で接合できるように主成分であるＩｎに第２元素のいずれか１元素を添加した組成であれば、高融点相である金属間化合物あるいは初晶の粗大化や偏在を防止することができる。即ち、製造された無鉛Ｉｎ基はんだ合金は、Ｐｂを含まず、第２元素のＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｚｎから選ばれた少なくとも１元素と、残部の主成分（第１元素）であるＩｎとからなり、金属間化合物あるいは初晶の平均粒径が２５μｍ以下となる。
【００３４】
本発明の無鉛Ｉｎ基はんだ合金は、任意の添加元素としてＧｅ及びＰの第３元素を添加することができる。第３元素のＧｅとＰは、はんだ合金の濡れ性を向上させ、接合時にボイドの発生を低減させる効果がある。即ち、ＧｅとＰは自らが酸化しやすいため、接合時にはんだの主成分であるＩｎよりも優先的に酸化が進み、はんだ母相の酸化を防ぎ、濡れ性を確保する作用がある。この作用により良好な接合が可能となり、ボイドの生成も起こり難くなる。
【００３５】
上記第３元素の含有量は、Ｇｅ及びＰ共に、０.００１〜０.０５０質量％の範囲が好ましい。Ｇｅ又はＰが０.０５０質量％を超えると、これらの酸化物がはんだ合金の表面を覆うことによって、逆に濡れ性を低下させるため好ましくない。更に、Ｐの場合はＩｎへの固溶量が非常に少ないため、含有量が多いと脆いリン酸化物が偏析するなどして信頼性を低下させてしまう。また、Ｇｅ又はＰが下限値の０.００１未満では、上記した母相の還元効果が得られない。
【実施例】
【００３６】
原料として、それぞれ純度９９.９９質量％以上のＩｎ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｚｎ、Ｇｅ及びＰを準備した。これらの原料を、Ｉｎ−Ａｕ、Ｉｎ−Ａｇ、Ｉｎ−Ｃｕ、Ｉｎ−Ｓｂ、Ｉｎ−Ｚｎ、Ｉｎ−Ｇｅなどの各系ごとに、下記表１の各試料ａ１〜ａ４、ｂ１〜ｂ４、ｃ１〜ｃ４、ｄ１〜ｄ４及びｅ−１〜ｅ−４、更にＩｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の試料ｆ１とＩｎ−Ａｇ−Ｇｅ系の試料ｆ２に示す組成となるように秤量し、高周波溶解炉用のグラファイト製るつぼに投入した。
【００３７】
【表１】
【００３８】
上記原料の入ったグラファイト製るつぼを高周波溶解炉に入れ、窒素ガスを原料１ｋｇ当たり０.７リットル／分以上の流量で流した。この状態で溶解炉の電源を入れ、原料を加熱溶融させた。金属が溶融しはじめたら石英製混合棒でよく撹拌し、局所的な組成のばらつきが起きないように均一に混合した。
【００３９】
原料が十分溶融したことを確認した後、高周波電源を切り、速やかにるつぼを取り出して、るつぼ内の溶湯を水冷式鋳型に流し込み、流し込んだ熔湯が凝固して常温になるまで鋳型内で空冷冷却を行って、上記各試料のはんだ母合金を作製した。尚、このとき熔湯温度と鋳型の温度差ΔＴが３００℃以上となるように、溶湯温度を５００℃及び鋳型温度を２５℃に設定した。
【００４０】
このようにして得られた各試料のはんだ母合金を、押出圧力３００トンの熱間押出機により、加工温度３０〜１００℃の範囲内で、板幅２５ｍｍ×板厚３ｍｍ×板長１５００ｍｍの板状に加工した。得られた各試料の板状はんだに対して、ワークロール径３インチの２段ロールを使用して、厚さ３.０ｍｍ→２.４ｍｍ→１.５ｍｍ→１.０ｍｍ→０.７５ｍｍ→０.３５ｍｍ→０.３ｍｍのパススケジュールで冷間圧延を行い、板厚０.３００ｍｍのフープ（帯）状のはんだを作製した。更に、このフープ状サンプルをフォイルカット機により幅２５ｍｍに切り出し、縦２５ｍｍ×横２５ｍｍ×厚さ０.３００ｍｍの個片状はんだサンプルを作製した。
【００４１】
得られた各試料の個片状はんだサンプルについて、化合物（初晶）の粒径測定と共に、はんだ濡れ性試験による濡れ性の評価、接合後のチップ傾き、再溶融試験による再溶融後はんだ厚みを下記の各測定方法及び評価方法により測定評価して、得られた結果を下記表２に示した。尚、各試料の個片状はんだサンプルの厚みは０.３００ｍｍであり、接合後のはんだ厚みは試料ａ１〜ｅ４で０.２００ｍｍ（但し、試料ｄ４は０.２３０ｍｍ及び試料ｅ４は０.２４ｍｍ）、試料f１とｆ２は共に０.１５０ｍｍ以上であった。
【００４２】
＜はんだ濡れ性試験＞
上記各はんだサンプルについて、窒素雰囲気下にて加熱温度２６０℃、加熱時間１分でＣｕ基盤（４０ｍｍ×４０ｍｍ×０.３００ｍｍ）との接合（濡れ性）試験を実施した。試験後の各はんだサンプルについて、平型ピンセットを用いてはんだとＣｕ基盤を剥離させ、剥離できなかった場合を「○」、部分的に剥離できた場合を「△」、容易に剥離できた場合を「×」とした。
【００４３】
＜チップ傾き評価＞
上記はんだ濡れ性試験で用いた装置を使用し、窒素雰囲気下にて加熱温度２６０℃及び加熱時間１分で、Ｃｕ基盤（２０ｍｍ×２０ｍｍ×０.３００ｍｍ）／はんだサンプル／Ｃｕ基盤（４０ｍｍ×４０ｍｍ×０.３００ｍｍ）の順に積層接合した。本試験ではチップ傾きに対するＣｕ基盤の反りの影響を極力抑えるため、使用するＣｕ基盤の反りは０.００５ｍｍ未満とした。接合後の各サンプルについて、４角をマイクロメーターにより測定し、最大値と最小値の差をチップ傾きとして算出した。チップ傾きが０.０１５ｍｍ未満を「○」、０.０１５〜０.０３０ｍｍを「△」、０.０３０ｍｍより大きい場合を「×」とした。
【００４４】
＜再溶融試験＞
上記はんだ濡れ性試験で用いた装置を使用し、窒素雰囲気下にて加熱温度２６０℃及び加熱時間１分で、Ｃｕ基盤（２０ｍｍ×２０ｍｍ×０.３００ｍｍ）／はんだサンプル／Ｃｕ基盤（４０ｍｍ×４０ｍｍ×０.３００ｍｍ）の順に積層接合した。その後、同じ装置を用い窒素雰囲気下にて、加熱温度２６０℃及び加熱時間１０分で再溶融試験を実施した。再溶融試験後のはんだ層の厚みについて、積層接合時のはんだ層の厚みに対し、３／４以上の場合を「○」、１／４〜３／４の場合を「△」、１／４未満の場合を「×」とした。
【００４５】
＜化合物（初晶）の粒径測定＞
各はんだサンプルについて、樹脂埋め後断面研磨を行い、マイクロスコープ（（株）キーエンス製、ＶＨＸ−９０００）により化合物（初晶）の粒径を測定した。具体的には、図１に示すように、ハンダ合金の母相に分散した化合物（初晶）の横軸Ｘ及び縦軸Ｙの長さを各々測定し、その全測定値の平均を化合物の粒径とした。化合物の粒径が２５μｍ未満の場合を「○」、２５〜５０μｍの場合を「△」、５０μｍを超える場合を「×」とした。測定結果の一例として、試料ｂ１〜ｂ４の評価結果を図２に示す。
【００４６】
【表２】
【００４７】
［比較例］
原料として、それぞれ純度９９.９９質量％以上のＩｎ、Ａｇ、Ｓｎを準備し、これらの原料を下記表３に示すように、比較試料１ではＩｎ単独、比較試料２ではＳｎ−３.５重量％Ａｇ、比較試料３ではＩｎ−１０重量％Ａｇの組成となるように秤量し、高周波溶解炉用のグラファイト製るつぼに投入して、上記実施例と同様に高周波溶解炉で加熱溶融させた。
【００４８】
原料が十分溶融したことを確認した後、高周波溶解炉から速やかにるつぼを取り出して、るつぼ内の溶湯を水冷式鋳型に流し込み、流し込んだ熔湯が凝固して常温になるまで鋳型内で空冷冷却を行って、比較試料１〜３の各はんだ母合金を作製した。尚、このとき比較試料１と２は上記実施例と同じ条件で急冷鋳造したが、比較試料３では溶湯温度を４００℃及び鋳型温度を１５０℃に設定し、熔湯温度と鋳型の温度差ΔＴを２５０℃（徐冷品）とした。
【００４９】
得られた各比較試料のはんだ母合金を、押出圧力３００トンの熱間押出機により、加工温度５０℃にて、板幅２５ｍｍ×板厚３ｍｍ×板長１５００ｍｍの板状に加工した。得られた各試料の板状はんだに対して、ワークロール径３インチの２段ロールを使用して、上記実施例と同様のパススケジュールで冷間圧延を行い、板厚０.３００ｍｍのフープ（帯）状のはんだを作製した。更に、このフープ状サンプルをフォイルカット機により幅２５ｍｍに切り出し、縦２５ｍｍ×横２５ｍｍ×厚さ０.３００ｍｍの個片状はんだサンプルを作製した。
【００５０】
得られた比較試料１〜３の各個片状はんだサンプルについて、上記実施例と同様にして、化合物（初晶）の粒径測定並びに分布調査、はんだ濡れ性試験による接合後のはんだ厚み、接合後のチップ傾き、再溶融試験によるはんだ厚みを測定して評価した。得られた結果を下記表３に示した。また、その一例として比較試料３の評価結果を試料ｂ１〜ｂ４の結果と共に図２に示した。
【００５１】
【表３】
【００５２】
上記表２及び表３において、各評価項目の評価が「○」あるいは「△」であれば実用上問題なく使用できるが、一項目でも「×」の評価があるものは実用上使用することはできない。上記の結果から分かるように、試料ａ２とａ３、試料ｂ２とｂ３、試料ｃ２とｃ３、試料ｄ２とｄ３、試料ｅ２とｅ３、及び試料ｆ１とｆ２は、全ての項目について良好な評価が得られた。
【００５３】
一方、試料ａ１、ｂ１、ｃ１、ｄ１、ｅ１及び比較試料１、２においては再溶融試験後のはんだ層の厚みが著しく低下していることから、これらの試料では再溶融試験時にはんだが溶融するため、再溶融後に厚みを保持できていないことが分かる。従って、これらの試料のはんだは、チップとパッケージの熱膨張係数差による機械的ストレスの吸収できず、サーバー用ＣＰＵ向けとして実用不可能であると考えられる。
【００５４】
また、試料ａ４、ｂ４、ｃ４、ｄ４、ｅ４及び比較試料３では、再溶融後厚みは問題ないが、０.０３０ｍｍ以上のチップ傾きが発生した。即ち、はんだ中に粗大な金属間化合物や初晶が存在するため、チップ傾きを起こしていると考えられる。このことは、化合物の粒径測定結果が他の試料より大きいことからも裏付けられる。従って、これらの試料のはんだも、サーバー用ＣＰＵ向けとして実用不可能である考えられる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｉｎを主成分とし、Ｐｂを含まず、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｚｎのいずれか１元素以上を添加した無鉛Ｉｎ基はんだ合金の製造方法において、溶解鋳造時の熔湯温度と鋳型温度との温度差ΔＴを３００℃以上に設定して鋳造し、得られた鋳塊を３０〜１００℃にて温間押出加工することにより、はんだ合金内の金属間化合物あるいは初晶の平均粒径を２５μｍ以下に制御することを特徴とするサーバー用ＣＰＵ向け無鉛Ｉｎ基はんだ合金の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法により製造された無鉛Ｉｎ基はんだ合金であって、Ｐｂを含まず、Ｉｎと、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｚｎから選ばれた少なくとも１元素と、残部のＩｎとからなり、はんだ合金内の金属間化合物あるいは初晶の平均粒径が２５μｍ以下であることを特徴とするサーバー用ＣＰＵ向け無鉛Ｉｎ基はんだ合金。
【請求項３】
Ｉｎを主成分とし、Ｐｂを含まず、３.４〜９.７重量％のＡｕと、残部のＩｎとからなり、はんだ合金内の金属間化合物あるいは初晶の平均粒径が２５μｍ以下であることを特徴とするサーバー用ＣＰＵ向け無鉛Ｉｎ基はんだ合金。
【請求項４】
Ｉｎを主成分とし、Ｐｂを含まず、１０.０〜２３.０重量％のＡｇと、残部のＩｎとからなり、はんだ合金内の金属間化合物あるいは初晶の平均粒径が２５μｍ以下であることを特徴とするサーバー用ＣＰＵ向け無鉛Ｉｎ基はんだ合金。
【請求項５】
Ｉｎを主成分とし、Ｐｂを含まず、１.７〜４.０重量％のＣｕと、残部のＩｎｎとからなり、はんだ合金内の金属間化合物あるいは初晶の平均粒径が２５μｍ以下であることを特徴とするサーバー用ＣＰＵ向け無鉛Ｉｎ基はんだ合金。
【請求項６】
Ｉｎを主成分とし、Ｐｂを含まず、４.２〜１２.０重量％のＳｂと、残部のＩｎとからなり、はんだ合金内の金属間化合物あるいは初晶の平均粒径が２５μｍ以下であることを特徴とするサーバー用ＣＰＵ向け無鉛Ｉｎ基はんだ合金。
【請求項７】
Ｉｎを主成分とし、Ｐｂを含まず、８.５〜３３.５重量％のＺｎと、残部のＩｎとからなり、はんだ合金内の金属間化合物あるいは初晶の平均粒径が２５μｍ以下であることを特徴とするサーバー用ＣＰＵ向け無鉛Ｉｎ基はんだ合金。
【請求項８】
Ｉｎを主成分とし、Ｐｂを含まず、３.４〜９.７重量％のＡｕと、０.００１〜０.０５０重量％のＧｅ及びＰの少なくとも１元素と、残部のＩｎとからなり、はんだ合金内の金属間化合物あるいは初晶の平均粒径が２５μｍ以下であることを特徴とするサーバー用ＣＰＵ向け無鉛Ｉｎ基はんだ合金。
【請求項９】
Ｉｎを主成分とし、Ｐｂを含まず、１０.０〜２３.０重量％のＡｇと、０.００１〜０.０５０重量％のＧｅ及びＰの少なくとも１元素と、残部のＩｎとからなり、はんだ合金内の金属間化合物あるいは初晶の平均粒径が２５μｍ以下であることを特徴とするサーバー用ＣＰＵ向け無鉛Ｉｎ基はんだ合金。
【請求項１０】
Ｉｎを主成分とし、Ｐｂを含まず、１.７〜４.０重量％のＣｕと、０.００１〜０.０５０重量％のＧｅ及びＰの少なくとも１元素と、残部のＩｎとからなり、はんだ合金内の金属間化合物あるいは初晶の平均粒径が２５μｍ以下であることを特徴とするサーバー用ＣＰＵ向け無鉛Ｉｎ基はんだ合金。
【請求項１１】
Ｉｎを主成分とし、Ｐｂを含まず、４.２〜１２.０重量％のＳｂと、０.００１〜０.０５０重量％のＧｅ及びＰの少なくとも１元素と、残部のＩｎとからなり、はんだ合金内の金属間化合物あるいは初晶の平均粒径が２５μｍ以下であることを特徴とするサーバー用ＣＰＵ向け無鉛Ｉｎ基はんだ合金。
【請求項１２】
Ｉｎを主成分とし、Ｐｂを含まず、８.５〜３３.５重量％のＺｎと、０.００１〜０.０５０重量％のＧｅ及びＰの少なくとも１元素と、残部のＩｎとからなり、はんだ合金内の金属間化合物あるいは初晶の平均粒径が２５μｍ以下であることを特徴とするサーバー用ＣＰＵ向け無鉛Ｉｎ基はんだ合金。
【請求項１】
Ｉｎを主成分とし、Ｐｂを含まず、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｚｎのいずれか１元素以上を添加した無鉛Ｉｎ基はんだ合金の製造方法において、溶解鋳造時の熔湯温度と鋳型温度との温度差ΔＴを３００℃以上に設定して鋳造し、得られた鋳塊を３０〜１００℃にて温間押出加工することにより、はんだ合金内の金属間化合物あるいは初晶の平均粒径を２５μｍ以下に制御することを特徴とするサーバー用ＣＰＵ向け無鉛Ｉｎ基はんだ合金の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法により製造された無鉛Ｉｎ基はんだ合金であって、Ｐｂを含まず、Ｉｎと、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｚｎから選ばれた少なくとも１元素と、残部のＩｎとからなり、はんだ合金内の金属間化合物あるいは初晶の平均粒径が２５μｍ以下であることを特徴とするサーバー用ＣＰＵ向け無鉛Ｉｎ基はんだ合金。
【請求項３】
Ｉｎを主成分とし、Ｐｂを含まず、３.４〜９.７重量％のＡｕと、残部のＩｎとからなり、はんだ合金内の金属間化合物あるいは初晶の平均粒径が２５μｍ以下であることを特徴とするサーバー用ＣＰＵ向け無鉛Ｉｎ基はんだ合金。
【請求項４】
Ｉｎを主成分とし、Ｐｂを含まず、１０.０〜２３.０重量％のＡｇと、残部のＩｎとからなり、はんだ合金内の金属間化合物あるいは初晶の平均粒径が２５μｍ以下であることを特徴とするサーバー用ＣＰＵ向け無鉛Ｉｎ基はんだ合金。
【請求項５】
Ｉｎを主成分とし、Ｐｂを含まず、１.７〜４.０重量％のＣｕと、残部のＩｎｎとからなり、はんだ合金内の金属間化合物あるいは初晶の平均粒径が２５μｍ以下であることを特徴とするサーバー用ＣＰＵ向け無鉛Ｉｎ基はんだ合金。
【請求項６】
Ｉｎを主成分とし、Ｐｂを含まず、４.２〜１２.０重量％のＳｂと、残部のＩｎとからなり、はんだ合金内の金属間化合物あるいは初晶の平均粒径が２５μｍ以下であることを特徴とするサーバー用ＣＰＵ向け無鉛Ｉｎ基はんだ合金。
【請求項７】
Ｉｎを主成分とし、Ｐｂを含まず、８.５〜３３.５重量％のＺｎと、残部のＩｎとからなり、はんだ合金内の金属間化合物あるいは初晶の平均粒径が２５μｍ以下であることを特徴とするサーバー用ＣＰＵ向け無鉛Ｉｎ基はんだ合金。
【請求項８】
Ｉｎを主成分とし、Ｐｂを含まず、３.４〜９.７重量％のＡｕと、０.００１〜０.０５０重量％のＧｅ及びＰの少なくとも１元素と、残部のＩｎとからなり、はんだ合金内の金属間化合物あるいは初晶の平均粒径が２５μｍ以下であることを特徴とするサーバー用ＣＰＵ向け無鉛Ｉｎ基はんだ合金。
【請求項９】
Ｉｎを主成分とし、Ｐｂを含まず、１０.０〜２３.０重量％のＡｇと、０.００１〜０.０５０重量％のＧｅ及びＰの少なくとも１元素と、残部のＩｎとからなり、はんだ合金内の金属間化合物あるいは初晶の平均粒径が２５μｍ以下であることを特徴とするサーバー用ＣＰＵ向け無鉛Ｉｎ基はんだ合金。
【請求項１０】
Ｉｎを主成分とし、Ｐｂを含まず、１.７〜４.０重量％のＣｕと、０.００１〜０.０５０重量％のＧｅ及びＰの少なくとも１元素と、残部のＩｎとからなり、はんだ合金内の金属間化合物あるいは初晶の平均粒径が２５μｍ以下であることを特徴とするサーバー用ＣＰＵ向け無鉛Ｉｎ基はんだ合金。
【請求項１１】
Ｉｎを主成分とし、Ｐｂを含まず、４.２〜１２.０重量％のＳｂと、０.００１〜０.０５０重量％のＧｅ及びＰの少なくとも１元素と、残部のＩｎとからなり、はんだ合金内の金属間化合物あるいは初晶の平均粒径が２５μｍ以下であることを特徴とするサーバー用ＣＰＵ向け無鉛Ｉｎ基はんだ合金。
【請求項１２】
Ｉｎを主成分とし、Ｐｂを含まず、８.５〜３３.５重量％のＺｎと、０.００１〜０.０５０重量％のＧｅ及びＰの少なくとも１元素と、残部のＩｎとからなり、はんだ合金内の金属間化合物あるいは初晶の平均粒径が２５μｍ以下であることを特徴とするサーバー用ＣＰＵ向け無鉛Ｉｎ基はんだ合金。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１３−２２６１９（Ｐ２０１３−２２６１９Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５９４９７（Ｐ２０１１−１５９４９７）
【出願日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【出願人】（０００１８３３０３）住友金属鉱山株式会社 (2,015)
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２１日（２０１１．７．２１）
【出願人】（０００１８３３０３）住友金属鉱山株式会社 (2,015)
[ Back to top ]