エレクトロニクス素子接合部のナノキャラクタリゼーションと実装部信頼性評価への適用

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14350386
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 小林 紘二郎 大阪大学, 大学院・工学研究科, 教授 (70026277)
• 研究分担者: 上西 啓介 大阪大学, 大学院・工学研究科, 講師 (80223478) ; 廣瀬 明夫 大阪大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (70144433)
• キーワード: 鉛フリーはんだ / エレクトロニクス実装部 / 界面反応 / 接合強度 / ナノスケールキャラクタリゼーション / QFP / BGA / CSP

研究概要

昨年度に引き続き、各種鉛フリーはんだを用いたBGAおよびCSP実装部ならびにQFP接合部をを模擬したCu円板接合体を対象として、リフロー後および高温放置試験後の組織解析と接合強度評価を行った。今年度得られた結果の概要を以下に示す。
(1)ナノ/ミクロ接合部組織形成機構の解明
BGA、CSPにおけるNi-P/AuめっきCuランドとの接合部では、Sn-AgはんだはNi-Sn化合物の形成によりNiめっきとの界面にPリッチを形成したが、Sn-Ag-CuはんだではCu-Sn系化合物の形成によりPリッチ層の形成が抑制された。また、Auめっき厚さが増加するほどPリッチ層の形成が顕著となった。Sn-Zn-Biはんだではリフロー温度が低い場合Au-Zn化合物が界面に層状に形成したが、リフロー温度が上昇すると、界面反応が進行しNi-Sn-Cu-Zn化合物が形成した。Cuとの接合部では、Sn-Ag-CuはんだはCu-Sn化合物層を形成したが、Sn-Zn-Biはんだは初期にCu-Zn化合物層を形成し高温放置後にCu-Sn化合物層を形成した。
(2)実装部の強度評価と界面ナノ構造との関連の解明
Ni-P/AuめっきCuランド接合部では、Sn-Agはんだ継手よりSn-Ag-Cuはんだ継手のほうが高強度であったが、いずれもAuめっき厚さの増加とともに強度が低下した。これらの継手ではPリッチ層の形成が強度低下の主因であった。Sn-Zn-Bi継手では、層状のAu-Zn層が形成すると強度が低く、リフロー温度が高く界面反応が進行すると強度が上昇した。Cu円板接合体ではSn-Ag-Cuはんだ継手におけるCu-Sn層の成長は強度に悪影響を及ぼさなかったが、Sn-Zn-Biはんだ継手では、Cu-Zn層とCu-Sn層の共存が大きな強度低下をもたらした。
(3)接合界面構造予測手法の確立
Sn-Zn-BiはんだとCuとの接合部を対象に、リフロー過程および高温放置過程での界面反応層成長を速度論的に検討し、反応層成長速度式を提示した。

研究成果

• [文献書誌] Akio Hirose: "Joint Strength and Interfacial Microstructure between Sn-Ag-Cu and Sn-Zn-Bi Solders and Cu Substrate"Science and Technology of Advanced Materials. 5・1(印刷中). (2004)
• [文献書誌] 柳川博人: "Sn-Zn-Bi系鉛フリーはんだとCu電極との界面反応現象の解明"エレクトロニクス実装学会誌. 7・1. 47-53 (2004)
• [文献書誌] Hiroaki Iwanishi: "Properties of Quad Flat Package Joints Using Sn-Zn-Bi Solder with Varying Lead-Plating Materilas"Journal of Electronic Materials. 32・12. 1540-1546 (2003)
• [文献書誌] Tomoyuki Hiramori: "Sn-Ag Based Solders Bonded to Ni-P/Au Plating -Effect of Interfacial Structure on Joint Strength"Materials Transaction. 44・11. 2357-2383 (2003)
• [文献書誌] 平森智幸: "無電解Ni-P/AuめっきとSn-Ag系鉛フリーはんだの界面反応と接合部強度"エレクトロニクス実装学会誌. 6・6. 503-515 (2003)
• [文献書誌] 酒谷茂昭: "Sn/Ag多層めっきCuコアはんだボールとNi/AuめっきパッドとのBGA接合性評価"エレクトロニクス実装学会誌. 6・6. 509-515 (2003)
• [文献書誌] 十河陽介: "Sn-8Zn-3BiとNi/Auめっきの界面反応に及ぼすフロー温度の影響"Proc.10th Sympo.on Microjoining and Assembly Technologies for Electronics. 10. 137-142 (2004)
• [文献書誌] 伊藤元剛: "Sn-Ag-Cuはんだと無電解NiP/Auめっき接合体の界面ナノ構造の継手強度への影響"Proc.10th Sympo.on Microjoining and Assembly Technologies for Electronics. 10. 159-164 (2004)
• [文献書誌] 平森智幸: "Sn-Ag系鉛フリーはんだボールのNi-P/AuめっきCSP接合部強度評価"Proc.10th Sympo.on Microjoining and Assembly Technologies for Electronics. 10. 165-170 (2004)