半導体パッケージにおけるCu基板とPbフリーはんだとの界面反応とその形態制御

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13650751
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 劉 興軍 東北大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (00323072)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 大沼 郁雄 東北大学, 大学院・工学研究科, 助手 (20250714) ; 貝沼 亮介 東北大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (20202004) ; 石田 清仁 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 教授 (20151368)
• Keywords: 界面反応 / 組織形態 / 状態図 / 拡散対法 / Pbフリーはんだ / 半導体パッケッジ / 速度論の解析 / 相平衡

Research Abstract

去年度は、Cu基板/Sn-X(X : Ag, Bi, In, Sb, Pb, Zn)基合金との固/液界面挙動及び組織形態を明らかにし、また、DICTRA(拡散変態シミュレーション)によりCu/Sn基合金との拡散反応及び中間相の成長の計算を試みた。今年度は、今まで得られた結果に基づいて、Cu基板とSn系はんだとの界面で形成される金属化合物の形態と合金元素、相平衡等との関連性を調査し、更に、熱力学と拡散データペースを構築し、熱力学と速度論の両面の解析を融合して、拡散反応生成物を予測し、また、組織の安定性を評価した。
純Cu/Sn基はんだとの固液拡散において、界面に生成するε相(Cu3Sn)は放物線則に従った成長を示す、しかし、η相(Cu6Sn5)/Sn基はんだの固液界面において、大きな凸凹を有する界面になる。これはGrooving効果により粒界拡散の成長が生じることを確認した。これによって、η相に対して、放物線則に従った成長とGroovingによる成長が同時におこっていることが考えられた。
DICTRA法を用いた速度論的解析を行うのに必要なFcc構造での空孔を介する準安定状態の自己拡散係数、不純物拡散係数、合金におけるトレーサ拡散係数を推定することが可能となった。評価したパラメータを用いて、Cu/Sn基はんだ界面に存在する溶解挙動及び金属化合物の成長挙動のシミュレーションを行い、計算結果は実験結果との良い一致を得られた。

Research Products

• [Publications] X.J.Liu: "Experimental Determination and Thermodynamic Calculation of the Phase Equilibria and Surface Tension in the Sn-Ag-In System"Journal of ELECTRONIC MATERIALS. 31・11. 1139-1151 (2002)
• [Publications] X.J.Liu: "Development of Pb-free Solders in Electronic Packaging Designed by Thermodynamic and Kinetics"Journal of Iron and Steel International. 6・1. 333-336 (2002)