無鉛軟釬料合金的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及能夠在高溫高電流密度環(huán)境下使用的Sn-Ag-化系軟針料合金。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，對于主要在電腦中使用的CPU(中央處理單元（Central Processing Unit))，由于小型化、高性能化，因而搭載于CPU的半導體元件的平均每個端子中的電流密 度增加。據(jù)說將來電流密度可達到IO 4~l〇5A/cm2左右。電流密度增加時，由于通電而產(chǎn)生的 熱增大，端子的溫度上升，端子的原子熱振動增加。其結(jié)果，針焊接頭中的電遷移的發(fā)生變 明顯，使針焊接頭斷裂。
[0003] 電遷移（W下有時簡記作巧r)是在針焊接頭那樣的導電體中流通電流時發(fā)生的 現(xiàn)象。正在進行熱振動的針焊接頭中的原子與產(chǎn)生電流的電子發(fā)生碰撞，動量從電子傳遞 至原子，結(jié)果原子的動量增加。動量增加了的原子沿著電子流向針焊接頭的陽極側(cè)移動。原 子向針焊接頭的陽極側(cè)移動時，在針焊接頭的陰極側(cè)生成空位。運樣的空位堆積而生成空 隙。若空隙生長，則最終會使針焊接頭斷裂。如此，電遷移在發(fā)生通電的部位產(chǎn)生，在針焊接 頭內(nèi)部也會成為問題。
[0004] 本說明書中設(shè)想的針焊接頭的使用環(huán)境為電流密度高的CPU驅(qū)動時的環(huán)境，W下 稱為"高電流密度環(huán)境"。運樣的環(huán)境下的針焊接頭的可靠性的評價可W通過在大氣中、在 165 °C下持續(xù)2500小時流通0.12mA/皿2的高電流密度的電流的電遷移試驗(也稱為EM試驗） 來進行。
[0005] W往作為無鉛軟針料合金，廣泛使用有Sn-Cu軟針料合金、Sn-Ag-Cu軟針料合金。 對于Sn-化軟針料合金、Sn-Ag-化軟針料合金，作為運些合金的主要成分的Sn的有效電荷數(shù) 較大，因此容易產(chǎn)生電遷移。其結(jié)果，由運些合金形成的針焊接頭在高電流密度環(huán)境下容易 斷裂。
[0006] 專利文獻1公開了，改善耐熱疲勞性而抑制了裂紋產(chǎn)生的Sn-Ag-Cu-In系軟針料合 金。專利文獻1中公開的Sn-Ag-Cu-In軟針料合金通過In的微量添加而使?jié)櫇裥蕴岣?。其結(jié) 果，能夠抑制裂紋的產(chǎn)生和針焊接頭的斷裂。
[0007] 現(xiàn)有技術(shù)文獻 [000引專利文獻
[0009] 專利文獻1:日本特開2002-307187號公報

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 發(fā)明要解決的問題
[0011] 然而，專利文獻1中，關(guān)于通過在Sn-Ag-Cu軟針料合金中添加In而抑制電遷移發(fā) 生、抑制針焊接頭的斷裂，沒有任何記載也沒有任何啟示。專利文獻1中，雖然有提及耐熱疲 勞特性，但沒有充分研究在高溫的高電流密度環(huán)境下長時間通電時的影響。即，專利文獻1 中并未忠實地再現(xiàn)CPU驅(qū)動時的環(huán)境。
[0012] 專利文獻I中具體研究的軟針料合金為In含量為0.5%的合金組成。該合金組成 中，In含量極低，因此，無法確認通過添加In是否充分改善了耐熱疲勞特性。完全無法證明 在高溫下的高電流密度環(huán)境下長時間通電時，該合金組成是否能夠避免電遷移和由其引起 的各種問題。因此，很難說專利文獻1中記載的軟針料合金解決了近年來的由電流密度的增 加導致的電遷移增大運樣的問題。
[0013] 本發(fā)明的課題在于，提供通過抑制由高溫、高電流密度環(huán)境下的電遷移導致的空 隙生長從而能夠抑制針焊接頭的連接電阻的上升的無鉛軟針料合金。
[0014] 本發(fā)明人等為了抑制電遷移發(fā)生而精密地研究了 Sn-Ag-Cu-In軟針料合金的組 成。即，本發(fā)明人等認為，Sn原子沿著電子流而向陽極側(cè)移動時，在陰極側(cè)生成空位，通過In 填埋該空位而可能抑制了空位的生長。其結(jié)果，本發(fā)明人等發(fā)現(xiàn)，通過將Sn-Ag-Cu-In軟針 料合金的In的添加量設(shè)為1.0~13.0%，從而可W有效地抑制由空位的生成和電遷移導致 的空隙生長，從而完成了本發(fā)明。
[00巧]用于解決問題的方案
[0016] 為了解決上述課題，權(quán)利要求1所述的無鉛軟針料合金具有W質(zhì)量％計111:1.0~ 13.0%、Ag:0.1~4.0%、〇!:0.3~1.0%且余量基本上由Sn組成的合金組成。
[0017] 根據(jù)權(quán)利要求1，權(quán)利要求2所述的無鉛軟針料合金中將Ag含量設(shè)為0.3~3.0質(zhì) 量％。
[0018] 根據(jù)權(quán)利要求1，權(quán)利要求3所述的無鉛軟針料合金W質(zhì)量％計含有In: 2.0~ 13.0%，Ag:0.3~3.0%，Cu:0.5~0.7%。
[0019] 根據(jù)權(quán)利要求1，權(quán)利要求4所述的無鉛軟針料合金含有In:5.0~10.0%，Ag:0.1 ~1.5%，Cu:0.3 ~1.0%。
[0020] 權(quán)利要求5的針焊接頭由權(quán)利要求1~4中任一項所述的無鉛軟針料合金形成。
[0021] 根據(jù)權(quán)利要求5,權(quán)利要求6所述的針焊接頭在大氣中，在165°C下，W電流密度 0.12mA/Mi2的電流通電2500小時后的電阻值的增加率相對于通電開始前的電阻值為30% W下，相對于從通電開始起500小時后的電阻值為5% W下。
[0022] 權(quán)利要求7所述的抑制通電中的電遷移的方法包括:使用權(quán)利要求1~4中任一項 所述的無鉛軟針料合金而形成針焊接頭。
[0023] 發(fā)明的效果
[0024] 由此，本發(fā)明的無鉛軟針料合金在Sn-Ag-Cu軟針料合金中W1.0~13.0%的量含 有In,因此可W抑制此類無鉛軟針料合金中容易發(fā)生的電遷移。另外，In含量為5~10%時， 可W更有效地抑制電遷移發(fā)生，而且在高溫下顯示出優(yōu)異的機械特性。
[0025] 另外，本發(fā)明的針焊接頭由上述那樣的無鉛合金形成，因此在高溫、高電流密度環(huán) 境下也可W阻止由電遷移導致的斷裂。
[0026] 進而，本發(fā)明的抑制通電中的針焊接頭的電遷移的方法可W抑制由通電中的針焊 接頭的電遷移導致的空隙生長。
【附圖說明】
[0027] 圖1為示意性地示出EM試驗結(jié)束后的距陰極的距離與針焊接頭中的In濃度的關(guān)系 的圖。
[002引圖2A為EM試驗中使用的FCLGA封裝體的示意性截面圖。
[0029] 圖2B為EM試驗中使用的FCLGA封裝體的示意性俯視圖。
[0030] 圖3為示意性示出供于EM試驗的針焊接頭的電子(el的流動方向的簡圖。
[0031] 圖4為示出由Sn-7In-lAg-0.5Cu軟針料合金形成的針焊接頭與Ni/Au被覆電極的 交界處形成的金屬間化合物的截面SEM照片。
[0032] 圖5為W與EM試驗的試驗時間的關(guān)系示出由比較例的Sn-0.7CU軟針料合金形成的 針焊接頭的電阻值的變化的圖。
[0033] 圖6為W與EM試驗的試驗時間的關(guān)系示出由本發(fā)明的Sn-IAg-0.5化-7In軟針料合 金形成的針焊接頭的電阻值的變化的圖。
[0034] 圖7A為W與EM試驗的試驗時間的關(guān)系示出由本發(fā)明的Sn-I Ag-0.5Cu-4In軟針料 合金形成的針焊接頭的電阻值的變化的圖。
[0035] 圖7B為W與EM試驗的試驗時間的關(guān)系示出由本發(fā)明的Sn-IAg-0.5化-13In軟針料 合金形成的針焊接頭的電阻值的變化的圖。
[0036] 圖8為Ni/Au被覆Cu電極上由比較例的Sn-0.7CU軟針料合金形成的針焊接頭的EM 試驗2500小時后的截面沈M照片。
[0037] 圖9為Ni/Au被覆Cu電極上由本發(fā)明的Sn-7In-lAg-0.5Cu軟針料合金形成的針焊 接頭的EM試驗2500小時后的截面沈M照片。
[0038] 圖IOA為拉伸試驗中使用的試驗片的俯視圖。
[0039] 圖IOB為圖IOA所示的拉伸試驗中使用的試驗片的端面圖。
[0040] 圖11為W與其In含量的關(guān)系示出Sn-(0~15)