JP7778343B2 - High strength, high ductility, and high reliability solder and its manufacturing method - Google Patents
High strength, high ductility, and high reliability solder and its manufacturing methodInfo
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特許法第30条第2項適用 令和3年5月12日 Proceedings of 2021 International Conference on Electronics Packaging (ICEP 2021)にて公開Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act applies May 12, 2021 Published at Proceedings of 2021 International Conference on Electronics Packaging (ICEP 2021)
特許法第30条第2項適用 令和3年6月9日 Vacuum 191(2021) 110370 https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2021.110370にて公開Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act applies. June 9, 2021, Vacuum 191 (2021) 110370. Published at https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2021.110370
特許法第30条第2項適用 令和3年8月10日 Materials & Design 210 (2021)110038 https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110038にて公開Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act applies August 10, 2021 Materials & Design 210 (2021) 110038 https://doi. org/10.1016/j. matdes. Published on 2021.110038
本発明は高い強度と延性を兼ね備えた高い信頼性を有するはんだ及びその効率的な製造方法に関する。 The present invention relates to a highly reliable solder that combines high strength and ductility, and an efficient method for manufacturing the same.
現在、エレクトロニクス製品に利用されている汎用の鉛フリーはんだは、Agの含有量が3.0質量%のSn-3.0質量%Ag-0.5質量%Cuはんだが主流となっている。しかしながら、当該はんだは耐衝撃性に問題があることに加え、近年のAgの高騰の影響もあり、Agの含有量を低減した低Ag鉛フリーはんだの適用が検討されている。 Currently, the mainstream general-purpose lead-free solder used in electronics products is Sn-3.0% by mass Ag-0.5% by mass Cu solder, which contains 3.0% by mass of Ag. However, this solder has problems with impact resistance, and due to the recent rise in the price of Ag, the use of low-Ag lead-free solder with a reduced Ag content is being considered.
低Ag鉛フリーはんだの組成には、Sn-1.0質量%Ag-0.5質量%Cu、Sn-0.3質量%Ag-0.7質量%Cu、Sn-0.1質量%Ag-0.7質量%Cu等が存在するが、これらの低Ag鉛フリーはんだにおいては、十分な引張強度を得ることが難しく、熱疲労特性に劣るとされている。 Low-Ag lead-free solder compositions include Sn-1.0% by mass Ag-0.5% by mass Cu, Sn-0.3% by mass Ag-0.7% by mass Cu, and Sn-0.1% by mass Ag-0.7% by mass Cu, but it is difficult to achieve sufficient tensile strength with these low-Ag lead-free solders, and they are said to have poor thermal fatigue properties.
ここで、はんだの耐熱性を向上させる方法として、例えば、特許文献1(特開2014-237170号公報)においては、「Sbを5質量%以上18質量%以下、Cuを0.5質量%以上2質量%以下、セラミック粒子を0.001質量%以上0.05質量%以下含み、残部がSn及び不可避不純物からなることを特徴とする超音波はんだ接合用鉛フリーはんだ合金」が提案されている。 As a method for improving the heat resistance of solder, for example, Patent Document 1 (JP 2014-237170 A) proposes "a lead-free solder alloy for ultrasonic soldering, characterized by containing 5% to 18% by mass of Sb, 0.5% to 2% by mass of Cu, 0.001% to 0.05% by mass of ceramic particles, and the remainder consisting of Sn and unavoidable impurities."
上記特許文献1に記載の超音波はんだ接合用鉛フリーはんだ合金においては、Sb、Cu及びセラミック粒子を特定の添加量とすることで、優れた初期接合性及び耐熱性を達成しており、「セラミック粒子の添加量が0.001質量%よりも少ない場合、セラミック粒子が強固なAl酸化膜に衝突する頻度が少なく、Al酸化膜を容易に除去することができないため、短時間で接合するのが困難である。一方、セラミック粒子の添加量が0.05質量%よりも多い場合、初期接合性は良好となるものの、はんだ合金内に多く存在するセラミック粒子がはんだ合金組織を著しく劣化させ、ヒートサイクル試験で不良に至る。」とされている。 The lead-free solder alloy for ultrasonic soldering described in Patent Document 1 achieves excellent initial bondability and heat resistance by adding specific amounts of Sb, Cu, and ceramic particles. It states, "If the amount of ceramic particles added is less than 0.001% by mass, the ceramic particles do not collide with the strong Al oxide film very often, making it difficult to remove the Al oxide film, making it difficult to bond in a short time. On the other hand, if the amount of ceramic particles added is more than 0.05% by mass, initial bondability is good, but the large amount of ceramic particles present in the solder alloy significantly deteriorates the solder alloy structure, resulting in a failure in a heat cycle test."
また、特許文献2(特開平11-134933号公報)では、はんだに分散させる硬質導電性粒子として、「粒径が50μm以下のセラミックス粉末に、物理蒸着法により、厚さが0.1~5μmのAu,Ag,Cu,Alまたはそれらの合金からなる導電性金属層と、その上に、厚さが0.05~0.5μmのPt,Pdまたはそれらの合金からなるはんだとの反応抑制層を有し、最表層に厚さが0.1~2μmのNi,Cuまたはそれらの合金をはんだ中への分散促進層として被覆し、かつこれら3層の結晶子径がX線回折の半価幅からシェラーの式で計算した値で、300nm以下であることを特徴とするはんだ分散性に優れる硬質導電性粒子。」が提案されている。 Furthermore, Patent Document 2 (JP 11-134933 A) proposes hard conductive particles to be dispersed in solder, which are "hard conductive particles with excellent solder dispersibility, characterized in that a ceramic powder having a particle size of 50 μm or less is coated by physical vapor deposition with a conductive metal layer of 0.1 to 5 μm thick made of Au, Ag, Cu, Al or an alloy thereof, and a solder reaction suppression layer of 0.05 to 0.5 μm thick made of Pt, Pd or an alloy thereof, and the outermost layer is coated with a 0.1 to 2 μm thick layer of Ni, Cu or an alloy thereof to promote dispersion into the solder, and the crystallite diameter of these three layers is 300 nm or less as calculated using the Scherrer formula from the half-width of X-ray diffraction."
上記特許文献2に記載の硬質導電性粒子においては、「被覆層のX線回折のピ-ク強度の半価幅からシェラーの式によって計算される結晶子径を300nm以下とした場合に、被覆中あるいは溶融はんだ中の熱で被覆層中に発生する熱応力が緩和され、剥離を抑制した硬質導電性粒子が得られる。」とされている。 The hard conductive particles described in Patent Document 2 above are described as follows: "When the crystallite diameter calculated using the Scherrer equation from the half-width of the X-ray diffraction peak intensity of the coating layer is 300 nm or less, the thermal stress generated in the coating layer due to the heat during coating or molten soldering is alleviated, resulting in hard conductive particles that are less susceptible to peeling."
しかしながら、上記特許文献1に記載の超音波はんだ接合用鉛フリーはんだ合金においては、はんだへのセラミック粒子の分散性やはんだとセラミック粒子の密着性等については殆ど考慮されておらず、セラミック粒子の添加量は極めて少ない値に限られている(0.05質量%以下)。即ち、セラミック粒子の添加によるはんだの強度や信頼性等の改善効果は限定的であることに加え、得られる効果はセラミック粒子の種類によっても大きくことなるものと思われる。 However, in the lead-free solder alloy for ultrasonic soldering described in Patent Document 1, little consideration is given to the dispersibility of ceramic particles in the solder or the adhesion between the solder and ceramic particles, and the amount of ceramic particles added is limited to an extremely small value (0.05 mass% or less). In other words, not only is the effect of adding ceramic particles on improving the strength and reliability of the solder limited, but the obtained effect is also thought to vary greatly depending on the type of ceramic particles.
また、上記特許文献2に記載の硬質導電性粒子は、被覆層によってはんだへの分散性が改善されているが、導電性金属層、反応抑制層及び最表層の異なる組成を有する3種類の層を形成させる必要がある。加えて、各層の形成には物理蒸着法を用いる必要があり、大量生産に適さないだけでなく、粒子形状が複雑な場合やナノ粒子等の場合、粒子の表面全体に均質な被覆層を形成させることは極めて困難である。即ち、上記特許文献2の硬質導電性粒子は、汎用接合材であるはんだへの添加材として、コスト面や品質面等で適していない。 Furthermore, while the hard conductive particles described in Patent Document 2 have improved dispersibility in solder due to the coating layer, they still require the formation of three layers with different compositions: a conductive metal layer, a reaction suppression layer, and an outermost layer. In addition, physical vapor deposition must be used to form each layer, which is not only unsuitable for mass production, but also makes it extremely difficult to form a uniform coating layer over the entire surface of particles with complex shapes or in the case of nanoparticles, etc. In other words, the hard conductive particles described in Patent Document 2 are not suitable as an additive to solder, a general-purpose joining material, in terms of cost, quality, etc.
以上のような状況に鑑み、本発明の目的は、高い強度と延性を兼ね備え、高い信頼性を有するSn-Ag-Cu系はんだ及びその製造方法を提供することにある。より具体的には、セラミックス粒子の添加によって高強度高延性高信頼性が付与されたSn-Ag-Cu系はんだ及びその安価かつ簡便な製造方法を提供することを目的としている。 In light of the above circumstances, the object of the present invention is to provide a highly reliable Sn-Ag-Cu solder that combines high strength and ductility, and a method for manufacturing the same. More specifically, the object is to provide a Sn-Ag-Cu solder that is endowed with high strength, ductility, and reliability by the addition of ceramic particles, and an inexpensive and simple method for manufacturing the same.
本発明者は、上記目的を達成すべく、はんだに分散させるセラミックス粒子の表面処理方法やセラミックス粒子の形状、サイズ及び添加量等について鋭意研究を重ねた結果、セラミックス粒子の表面をNiOで被覆すること等が、上記目的を達成する上で極めて有効であることを見出し、本発明に到達した。 In order to achieve the above objective, the inventors conducted extensive research into surface treatment methods for ceramic particles to be dispersed in solder, as well as the shape, size, and amount of ceramic particles to be added. As a result, they discovered that coating the surfaces of ceramic particles with NiO is extremely effective in achieving the above objective, leading to the creation of the present invention.
即ち、本発明は、Sn-Ag-Cu系はんだにセラミックス粒子が分散し、前記セラミックス粒子がNiOで被覆されていること、を特徴とする高強度高延性高信頼性はんだ、を提供する。 In other words, the present invention provides a high-strength, high-ductility, and high-reliability solder characterized by ceramic particles dispersed in Sn-Ag-Cu solder, with the ceramic particles being coated with NiO.
本発明の高強度高延性高信頼性はんだにおいては、分散させるセラミックス粒子の表面がNiOで被覆されていることが最大の特徴となっている。NiO被膜によってはんだへのセラミックス粒子の分散性が向上し、セラミックス粒子の均一分散が達成されていることに加え、NiO被膜によってセラミックス粒子とはんだの親和性が向上し、当該セラミックス粒子の分散強化が効果的に発現している。加えて、セラミックス粒子の均一分散によって、はんだ層と基材(被接合材)との接合界面における金属間化合物の成長を抑制でき、接合体の高温安定性を向上させることができる(高温環境に保持後も強度及び延性が維持される。)。 The greatest feature of the high-strength, high-ductility, high-reliability solder of the present invention is that the surfaces of the dispersed ceramic particles are coated with NiO. The NiO coating improves the dispersibility of the ceramic particles in the solder, achieving uniform dispersion of the ceramic particles. In addition, the NiO coating improves the affinity between the ceramic particles and the solder, effectively strengthening the dispersion of the ceramic particles. In addition, the uniform dispersion of the ceramic particles suppresses the growth of intermetallic compounds at the bonding interface between the solder layer and the substrate (the material to be bonded), improving the high-temperature stability of the bonded body (strength and ductility are maintained even after exposure to high-temperature environments).
加えて、NiO被膜を形成させたセラミックス粒子をSn-Ag-Cu系はんだに均一分散させることで、当該セラミックス粒子がはんだの微細組織形成の不均一核生成サイトとなること、及び当該セラミックス粒子のピニング効果によってはんだの共晶組織の粗大化が抑制されることによって、はんだの組織が微細化されている。その結果、はんだ層に優れた強度及び延性を付与することができる。 In addition, by uniformly dispersing ceramic particles with a NiO coating in Sn-Ag-Cu solder, the ceramic particles become heterogeneous nucleation sites for the formation of the solder's microstructure, and the pinning effect of the ceramic particles suppresses coarsening of the solder's eutectic structure, thereby resulting in a finer solder structure. As a result, the solder layer can be endowed with excellent strength and ductility.
本発明の高強度高延性高信頼性はんだにおいては、前記セラミックス粒子がZnO粒子及び/又はZrO2粒子であること、が好ましい。Sn-Ag-Cu系はんだの密度及び熱伝導率がそれぞれ7.3g/cm3及び25.0×10-6/Kであるところ、セラミックス粒子をZnO粒子又はZrO2粒子とすることで、これらを近い値とすることができる。具体的には、ZnOの密度及び熱伝導率はそれぞれ5.6g/cm3及び6.5×10-6/Kであり、ZrO2の密度及び熱伝導率はそれぞれ5.9g/cm3及び9.6×10-6/Kである。 In the high-strength, high-ductility, high-reliability solder of the present invention, the ceramic particles are preferably ZnO particles and/or ZrO2 particles. The density and thermal conductivity of Sn-Ag-Cu solder are 7.3 g/ cm3 and 25.0 x 10-6 /K, respectively, but by using ZnO particles or ZrO2 particles as the ceramic particles, these values can be made close to these. Specifically, the density and thermal conductivity of ZnO are 5.6 g/ cm3 and 6.5 x 10-6 /K, respectively, and the density and thermal conductivity of ZrO2 are 5.9 g/ cm3 and 9.6 x 10-6 /K, respectively.
また、本発明の高強度高延性高信頼性はんだにおいては、前記セラミックス粒子がナノ粒子及び/又はテトラポット型のマイクロ粒子であること、が好ましい。ナノ粒子を均一分散させることで、Sn-Ag-Cu系はんだの機械的性質をムラなく向上させることができる。また、テトラポット型のマイクロ粒子を用いることで、当該セラミックス粒子の形状及びサイズに起因して、略球状のセラミックス粒子を用いた場合やナノ粒子を用いた場合と比較して、少量の添加ではんだ層全体の機械的性質を効率的に向上させることができる。 Furthermore, in the high-strength, high-ductility, high-reliability solder of the present invention, it is preferable that the ceramic particles are nanoparticles and/or tetrapod-type microparticles. Uniform dispersion of nanoparticles can improve the mechanical properties of the Sn-Ag-Cu solder evenly. Furthermore, due to the shape and size of the ceramic particles, the use of tetrapod-type microparticles can efficiently improve the mechanical properties of the entire solder layer with a small amount of addition, compared to the use of approximately spherical ceramic particles or nanoparticles.
また、本発明の高強度高延性高信頼性はんだにおいては、前記セラミックス粒子が、前記ZnO粒子及び前記ZrO2粒子であり、前記ZnO粒子が、平均粒径が1~50μmの前記テトラポット型のマイクロ粒子であり、前記ZrO2粒子が、平均粒径が10~500nmの前記ナノ粒子であること、が好ましい。テトラポット型のZnOマイクロ粒子とZrO2ナノ粒子を複合添加することで、Sn-Ag-Cu系はんだの強度、延性及び高温信頼性を、各セラミックス粒子を単独添加する場合と比較して、極めて効率的に向上させることができる。 In the high-strength, high-ductility, high-reliability solder of the present invention, the ceramic particles are preferably the ZnO particles and the ZrO2 particles, the ZnO particles being tetrapod-type microparticles having an average particle size of 1 to 50 μm, and the ZrO2 particles being nanoparticles having an average particle size of 10 to 500 nm. The combined addition of the tetrapod-type ZnO microparticles and ZrO2 nanoparticles can significantly improve the strength, ductility, and high-temperature reliability of the Sn-Ag-Cu solder compared to the case where each ceramic particle is added alone.
また、本発明の高強度高延性高信頼性はんだにおいては、前記セラミックス粒子が、前記ZnO粒子及び前記ZrO2粒子であり、前記ZnO粒子が、平均粒径が10~500nmの前記ナノ粒子であり、前記ZrO2粒子が、平均粒径が1~50μmの前記テトラポット型のマイクロ粒子であること、が好ましい。テトラポット型のZrO2粒子マイクロ粒子とZnOナノ粒子を複合添加することでも、Sn-Ag-Cu系はんだの強度、延性及び高温信頼性を、各セラミックス粒子を単独添加する場合と比較して、極めて効率的に向上させることができる。 In the high-strength, high-ductility, high-reliability solder of the present invention, the ceramic particles are preferably the ZnO particles and the ZrO2 particles, the ZnO particles being nanoparticles with an average particle size of 10 to 500 nm, and the ZrO2 particles being tetrapod-type microparticles with an average particle size of 1 to 50 μm. The combined addition of tetrapod-type ZrO2 microparticles and ZnO nanoparticles can also significantly improve the strength, ductility, and high-temperature reliability of Sn-Ag-Cu based solder compared to the case where each ceramic particle is added alone.
また、本発明の高強度高延性高信頼性はんだにおいては、前記セラミックス粒子の含有量が0.2~0.4質量%であること、が好ましい。セラミックス粒子の添加量を0.2質量%以上とすることで、Sn-Ag-Cu系はんだの強度、延性及び高温信頼性を確実に向上させることができ、0.4質量%以下とすることで、凝集等によってセラミックス粒子が不均一に分散することを防止でき、Sn-Ag-Cu系はんだの強度及び延性が低下することを抑制できる。 Furthermore, in the high-strength, high-ductility, high-reliability solder of the present invention, the content of the ceramic particles is preferably 0.2 to 0.4 mass%. By adding ceramic particles in an amount of 0.2 mass% or more, the strength, ductility, and high-temperature reliability of the Sn-Ag-Cu solder can be reliably improved. By adding ceramic particles in an amount of 0.4 mass% or less, uneven dispersion of the ceramic particles due to aggregation, etc., can be prevented, and a decrease in the strength and ductility of the Sn-Ag-Cu solder can be suppressed.
また、本発明は、
前記表面高エネルギー化セラミックス粒子の表面に酢酸ニッケル・4水和物を被覆して酢酸ニッケル・4水和物被覆セラミックス粒子を得る第一工程と、
前記酢酸ニッケル・4水和物被覆セラミックス粒子を加熱し、前記酢酸ニッケル・4水和物を熱分解させてNiO被覆セラミックス粒子を得る第二工程と、
溶融させたSn-Ag-Cu系はんだに前記NiO被覆セラミックス粒子を分散させる第三工程と、を有すること、
を特徴とする高強度高延性高信頼性はんだの製造方法、も提供する。
The present invention also provides
a first step of coating the surfaces of the surface-enhanced ceramic particles with nickel acetate tetrahydrate to obtain nickel acetate tetrahydrate-coated ceramic particles;
a second step of heating the nickel acetate tetrahydrate-coated ceramic particles to thermally decompose the nickel acetate tetrahydrate to obtain NiO-coated ceramic particles;
a third step of dispersing the NiO-coated ceramic particles in molten Sn—Ag—Cu solder;
Also provided is a method for producing high-strength, high-ductility, and high-reliability solder, characterized by:
本発明の高強度高延性高信頼性はんだの製造方法は、第一工程及び第二工程においてセラミックス粒子の表面にNiO被膜を形成し、第三工程において溶融させたSn-Ag-Cu系はんだにNiO被覆セラミックス粒子を分散させて高強度高延性高信頼性はんだを得るものである。セラミックス粒子の表面に溶融させたSn-Ag-Cu系はんだと馴染みのよいNiO被膜が存在していることから、比較的大量のセラミックス粒子を均一分散させることができる。 The method for producing high-strength, high-ductility, high-reliability solder of the present invention involves forming a NiO coating on the surface of ceramic particles in the first and second steps, and then dispersing the NiO-coated ceramic particles in molten Sn-Ag-Cu solder in the third step to obtain high-strength, high-ductility, high-reliability solder. Because the surface of the ceramic particles contains a NiO coating that is compatible with the molten Sn-Ag-Cu solder, a relatively large amount of ceramic particles can be uniformly dispersed.
本発明の高強度高延性高信頼性はんだの製造方法においては、前記第一工程の予備処理として、前記セラミックス粒子の表面に格子ひずみを導入して表面高エネルギー化セラミックス粒子を得る格子ひずみ導入工程を有すること、が好ましい。また、当該格子ひずみ導入工程にはボールミルを用いることが好ましい。ボールミルを用いることで、大量のセラミックス粒子の表面に比較的均一に格子ひずみを導入することができる。本発明の効果を損なわない限りにおいて使用するボールミル装置及び条件は特に限定されず、セラミックス粒子表面に導入される格子ひずみを確認しつつ、適宜最適化すればよい。例えば、ボールミルには遊星ボールミルを使用することができ、セラミックス粒子表面の格子ひずみはXRD測定によって確認することができる。 In the method for producing high-strength, high-ductility, high-reliability solder of the present invention, the preliminary treatment of the first step preferably includes a lattice strain introduction step in which lattice strain is introduced into the surfaces of the ceramic particles to obtain ceramic particles with high surface energy. Furthermore, a ball mill is preferably used for the lattice strain introduction step. By using a ball mill, lattice strain can be introduced relatively uniformly into the surfaces of a large number of ceramic particles. The ball mill device and conditions used are not particularly limited as long as they do not impair the effects of the present invention, and can be optimized as appropriate while checking the lattice strain introduced into the surfaces of the ceramic particles. For example, a planetary ball mill can be used as the ball mill, and the lattice strain on the surfaces of the ceramic particles can be confirmed by XRD measurement.
また、本発明の高強度高延性高信頼性はんだの製造方法においては、前記セラミックス粒子をZnO粒子及び/又はZrO2粒子とすること、が好ましい。ZnO粒子及びZrO2粒子はSn-Ag-Cu系はんだと同程度の比重を有していることから、第三工程においてはんだ内への均一分散を容易に達成することができる。 In the method for producing high-strength, high-ductility, and high-reliability solder of the present invention, the ceramic particles are preferably ZnO particles and/or ZrO2 particles. ZnO particles and ZrO2 particles have a specific gravity similar to that of Sn-Ag-Cu solder, making it easy to achieve uniform dispersion in the solder in the third step.
更に、本発明の高強度高延性高信頼性はんだの製造方法においては、前記第三工程において、前記NiO被覆セラミックス粒子を添加した前記Sn-Ag-Cu系はんだに超音波を印加した状態で攪拌すること、が好ましい。超音波を印加した状態で攪拌することで、NiO被覆セラミックス粒子の凝集が抑制され、極めて効果的にNiO被覆セラミックス粒子を均一分散させることができる。 Furthermore, in the method for producing high-strength, high-ductility, high-reliability solder of the present invention, it is preferable that in the third step, the Sn-Ag-Cu-based solder to which the NiO-coated ceramic particles have been added is stirred while ultrasonic waves are applied. By stirring while ultrasonic waves are applied, aggregation of the NiO-coated ceramic particles is suppressed, and the NiO-coated ceramic particles can be dispersed uniformly very effectively.
本発明によれば、高い強度と延性を兼ね備え、高い信頼性を有するSn-Ag-Cu系はんだ及びその製造方法を提供することができる。より具体的には、セラミックス粒子の添加によって高強度高延性高信頼性が付与されたSn-Ag-Cu系はんだ及びその安価かつ簡便な製造方法を提供することができる。 The present invention provides a highly reliable Sn-Ag-Cu solder that combines high strength and ductility, as well as a method for producing the same. More specifically, it provides a Sn-Ag-Cu solder that is endowed with high strength, ductility, and reliability through the addition of ceramic particles, as well as an inexpensive and simple method for producing the same.
以下、本発明の高強度高延性高信頼性はんだ及びその製造方法の好適な一実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、本発明の一実施形態を示すに過ぎず、これらによって本発明が限定されるものではなく、また、重複する説明は省略することがある。 A preferred embodiment of the high-strength, high-ductility, high-reliability solder and its manufacturing method of the present invention will be described in detail below. Note that the following description merely illustrates one embodiment of the present invention and does not limit the present invention. Furthermore, redundant explanations may be omitted.
1.高強度高延性高信頼性はんだ
本発明の高強度高延性高信頼性はんだは、Sn-Ag-Cu系はんだにセラミックス粒子が分散し、当該セラミックス粒子がNiOで被覆されていることを特徴とするものである。以下、母材となるSn-Ag-Cu系はんだ及びNiO被覆セラミックス粒子について詳細に説明する。
1. High-Strength, High-Ductility, High-Reliability Solder The high-strength, high-ductility, high-reliability solder of the present invention is characterized in that ceramic particles are dispersed in a Sn—Ag—Cu solder, and the ceramic particles are coated with NiO. The Sn—Ag—Cu solder and NiO-coated ceramic particles that serve as the base material are described in detail below.
(1)Sn-Ag-Cu系はんだ
Sn-Ag-Cu系はんだには、はんだ付けに一般的に使用され得る組成を有するSn-Ag-Cu系材料を用いることができる。例えば、0超4質量%以下のAg、0超1.0質量%以下のCuおよび残部のSnを含んで成るはんだ材料を用いることができる。このようなSn-Ag-Cu系材料は約215~約230℃の融点を有し得る。
(1) Sn—Ag—Cu-based solder For Sn—Ag—Cu-based solder, a Sn—Ag—Cu-based material having a composition generally suitable for soldering can be used. For example, a solder material containing more than 0% by mass and not more than 4% by mass of Ag, more than 0% by mass and not more than 1.0% by mass of Cu, and the remainder being Sn can be used. Such Sn—Ag—Cu-based materials can have a melting point of about 215 to about 230°C.
ここで、価格の低減及び衝撃特性の向上の観点から、Agの含有量は0超3質量%以下とすることが好ましく、0超2質量%以下とすることがより好ましく、0超1重量%以下とすることが最も好ましい。本発明の高強度高延性高信頼性はんだにおいては、NiO被覆セラミックス粒子の分散によってAgの含有量低下に伴う強度及び熱疲労特性の低下を抑制することができる。 From the standpoint of reducing costs and improving impact properties, the Ag content is preferably greater than 0 and less than 3% by mass, more preferably greater than 0 and less than 2% by mass, and most preferably greater than 0 and less than 1% by mass. In the high-strength, high-ductility, high-reliability solder of the present invention, the dispersion of NiO-coated ceramic particles can suppress the deterioration in strength and thermal fatigue properties that accompanies a decrease in the Ag content.
また、Sn-Ag-Cu系はんだには、NiO被覆セラミックス粒子に加えてフラックスなどの他の成分を更に含んでいてもよい。 In addition to the NiO-coated ceramic particles, the Sn-Ag-Cu solder may also contain other components such as flux.
(2)NiO被覆セラミックス粒子
(2-1)セラミックス粒子
NiO被覆セラミックス粒子はセラミックス粒子の表面にNiO被膜が形成したものである。セラミックス粒子とNiO被膜の間に中間層を含んでいてもよいが、セラミックス粒子とNiO被膜が直接強固に接合されていることが好ましい。
(2) NiO-coated ceramic particles (2-1) Ceramic particles NiO-coated ceramic particles are ceramic particles with a NiO coating formed on the surface. An intermediate layer may be included between the ceramic particles and the NiO coating, but it is preferable that the ceramic particles and the NiO coating are directly and firmly bonded to each other.
セラミックス粒子の材質は本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、従来公知の種々のセラミックスを用いることができる。当該セラミックスとしては、例えば、ZnO、ZrO2、SiC、Si3N4、AlN、Al2O3、SiO2等を挙げることができるが、ZnO又はZrO2とすることが好ましい。 The material of the ceramic particles is not particularly limited as long as it does not impair the effects of the present invention, and various conventionally known ceramics can be used. Examples of the ceramics include ZnO, ZrO2 , SiC , Si3N4 , AlN, Al2O3 , and SiO2 , but ZnO or ZrO2 is preferred.
Sn-Ag-Cu系はんだの密度及び熱伝導率がそれぞれ7.3g/cm3及び25.0×10-6/Kであるところ、セラミックス粒子としてZnO粒子又はZrO2粒子とすることで、これらを近い値とすることができる。具体的には、ZnOの密度及び熱伝導率はそれぞれ5.6g/cm3及び6.5×10-6/Kであり、ZrO2の密度及び熱伝導率はそれぞれ5.9g/cm3及び9.6×10-6/Kである。 The density and thermal conductivity of Sn-Ag-Cu solder are 7.3 g/ cm3 and 25.0 x 10-6 /K, respectively, but by using ZnO particles or ZrO2 particles as the ceramic particles, these values can be made close to these. Specifically, the density and thermal conductivity of ZnO are 5.6 g/ cm3 and 6.5 x 10-6 /K, respectively, and the density and thermal conductivity of ZrO2 are 5.9 g/ cm3 and 9.6 x 10-6 /K, respectively.
また、セラミックス粒子の形状及び大きさは本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、金属材を強化する目的で使用されている従来公知の種々のセラミックス粒子の形状及び大きさとすることができるが、ナノ粒子又はテトラポット型のマイクロ粒子であることが好ましく、ナノ粒子及びテトラポット型のマイクロ粒子を複合添加することがより好ましい。ここで、テトラポット型とは、粒子の中心から4本の脚が放射状に伸びた形状を意味する。 Furthermore, the shape and size of the ceramic particles are not particularly limited as long as they do not impair the effects of the present invention, and can be any of the various shapes and sizes of ceramic particles known in the art for strengthening metal materials. However, nanoparticles or tetrapod-type microparticles are preferred, and it is even more preferable to add a combination of nanoparticles and tetrapod-type microparticles. Here, tetrapod-type refers to a shape with four legs extending radially from the center of the particle.
ナノ粒子を均一分散させることで、Sn-Ag-Cu系はんだの機械的性質をムラなく向上させることができる。また、テトラポット型のマイクロ粒子を用いることで、当該セラミックス粒子の形状及びサイズに起因して、略球状のセラミックス粒子を用いた場合やナノ粒子を用いた場合と比較して、少量の添加ではんだ層全体の機械的性質を効率的に向上させることができる。 By uniformly dispersing nanoparticles, the mechanical properties of Sn-Ag-Cu solder can be improved evenly. Furthermore, by using tetrapod-shaped microparticles, the mechanical properties of the entire solder layer can be improved more efficiently with a small amount added compared to when using roughly spherical ceramic particles or nanoparticles, due to the shape and size of the ceramic particles.
NiO被覆セラミックス粒子を添加することによるSn-Ag-Cu系はんだの強度、延性及び高温信頼性の改善効果は1種類のセラミックス粒子を単独添加しても得ることができるが、ナノ粒子とテトラポット型のマイクロ粒子を複合添加することで、各セラミックス粒子を単独添加する場合と比較して、極めて顕著に当該効果を発現させることができる。 The improvement in strength, ductility, and high-temperature reliability of Sn-Ag-Cu solder achieved by adding NiO-coated ceramic particles can be achieved by adding only one type of ceramic particle. However, by adding a combination of nanoparticles and tetrapod-type microparticles, this effect is significantly more pronounced than when each type of ceramic particle is added alone.
セラミックス粒子の好適な複合添加の組み合わせとしては、平均粒径が1~50μmのテトラポット型のZnOマイクロ粒子と平均粒径が10~500nmのZrO2ナノ粒子の複合添加、及び平均粒径が1~50μmのテトラポット型のZrO2マイクロ粒子と平均粒径が10~500nmのZnOナノ粒子の複合添加、を挙げることができる。セラミックス粒子の平均粒径は、レーザー方式のパーティクルカウンターにより測定することができる。また、電子顕微鏡写真から実測することもでき、更には、当該電子顕微鏡写真から、画像処理装置を用いて算出することもできる。 Suitable combinations of ceramic particles include a combination of tetrapod-type ZnO microparticles with an average particle size of 1 to 50 μm and ZrO2 nanoparticles with an average particle size of 10 to 500 nm, and a combination of tetrapod-type ZrO2 microparticles with an average particle size of 1 to 50 μm and ZnO nanoparticles with an average particle size of 10 to 500 nm. The average particle size of the ceramic particles can be measured using a laser particle counter. It can also be measured from electron microscope photographs, or calculated from the electron microscope photographs using an image processing device.
セラミックス粒子の添加量は本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、Sn-Ag-Cu系はんだの組成及び所望の機械的性質に応じて適宜調整すればよいが、0.2~0.4質量%とすることが好ましい。セラミックス粒子の添加量を0.2質量%以上とすることで、Sn-Ag-Cu系はんだの強度、延性及び高温信頼性を確実に向上させることができ、0.4質量%以下とすることで、凝集等によってセラミックス粒子が不均一に分散することを防止でき、Sn-Ag-Cu系はんだの強度及び延性が低下することを抑制できる。ここで、異なるセラミックス粒子を複合添加する場合、これらの値は合計の添加量である。 The amount of ceramic particles added is not particularly limited as long as it does not impair the effects of the present invention, and can be adjusted appropriately depending on the composition of the Sn-Ag-Cu solder and the desired mechanical properties, but a preferred amount is 0.2 to 0.4 mass%. Adding ceramic particles in an amount of 0.2 mass% or more reliably improves the strength, ductility, and high-temperature reliability of the Sn-Ag-Cu solder, while adding ceramic particles in an amount of 0.4 mass% or less prevents uneven dispersion of the ceramic particles due to aggregation, etc., and suppresses a decrease in the strength and ductility of the Sn-Ag-Cu solder. When different ceramic particles are added in combination, these values refer to the total amount added.
(2-2)NiO被膜
NiO被膜はセラミックス粒子の表面の全体に形成されていることが好ましいが、少なくとも表面の50%以上が被覆されていれば、Sn-Ag-Cu系はんだへの良好な分散性と密着性を得ることができる。
(2-2) NiO Coating It is preferable that the NiO coating is formed on the entire surface of the ceramic particle, but if at least 50% or more of the surface is coated, good dispersibility and adhesion to the Sn—Ag—Cu solder can be obtained.
セラミックス粒子の表面にNiO被膜が形成されていることはSEM-EDS観察、TEM-EDS観察及びSTEM-EDS観察等を用いて確認することができる。結晶構造の確認はTEM観察を用いればよく、簡易的にはNiO被覆セラミックス粒子に対してXRD測定(粉末法)を行えばよい。 The formation of a NiO coating on the surface of ceramic particles can be confirmed using SEM-EDS, TEM-EDS, and STEM-EDS observations. The crystal structure can be confirmed using TEM observation, or more simply, by performing XRD measurements (powder method) on NiO-coated ceramic particles.
また、NiO被膜は均一な厚さを有する膜としてセラミックス粒子の表面に形成されていてもよく、微細な粒状のNiOが集合してセラミックス粒子の表面を被覆していてもよい。 The NiO coating may be formed on the surface of the ceramic particles as a film of uniform thickness, or fine granular NiO may be aggregated to cover the surface of the ceramic particles.
NiO被膜とセラミックス粒子の表面の間には中間層が存在してもよいが、NiO被膜とセラミックス粒子の表面が直接強固に接合されていることが好ましい。 Although an intermediate layer may exist between the NiO coating and the surface of the ceramic particles, it is preferable that the NiO coating and the surface of the ceramic particles are directly and firmly bonded.
(3)その他
本発明の高強度高延性高信頼性はんだの一態様としては、例えば、母材となるSn-Ag-Cu系はんだ、NiO被覆セラミックス粒子、及びフラックス(またはフラックスの構成成分)の混合体とすることができる。このような高強度高延性高信頼性はんだは、いわゆるはんだペースト(またはクリームはんだ)として用いることができる。
(3) Others One aspect of the high-strength, high-ductility, high-reliability solder of the present invention can be, for example, a mixture of a Sn—Ag—Cu-based solder base material, NiO-coated ceramic particles, and flux (or components of the flux). Such a high-strength, high-ductility, high-reliability solder can be used as a so-called solder paste (or cream solder).
また、高強度高延性高信頼性はんだは、任意の形態、例えばボールはんだ、糸はんだなどの形態で用いることができ、電子部品の実装プロセスにおいて接合材料として好適に用いることができる。 In addition, high-strength, high-ductility, high-reliability solder can be used in any form, such as solder balls or solder wires, and is suitable for use as a joining material in the mounting process of electronic components.
また、高強度高延性高信頼性はんだをクリームはんだとして用いて、リフローはんだ付けプロセスによって電子回路基板を作製することができる。あるいは、高強度高延性高信頼性はんだをフローはんだ(またははんだ噴流)として用いて、フローはんだ付けプロセスによって電子回路基板を作製することもできる。リフローまたはフローはんだ付けプロセスには当該技術分野において既知のプロセスを適用すればよい。 The high-strength, high-ductility, high-reliability solder can also be used as a solder paste to fabricate electronic circuit boards using a reflow soldering process. Alternatively, the high-strength, high-ductility, high-reliability solder can also be used as a flow solder (or solder jet) to fabricate electronic circuit boards using a flow soldering process. Processes known in the art can be applied to the reflow or flow soldering process.
2.高強度高延性高信頼性はんだの製造方法
図1に本発明の高強度高延性高信頼性はんだの製造方法の工程図を示す。本発明の高強度高延性高信頼性はんだの製造方法は、セラミックス粒子の表面に酢酸ニッケル・4水和物を被覆して酢酸ニッケル・4水和物被覆セラミックス粒子を得る第一工程(S01)と、酢酸ニッケル・4水和物被覆セラミックス粒子を加熱し、酢酸ニッケル・4水和物を熱分解させてNiO被覆セラミックス粒子を得る第二工程(S02)と、溶融させたSn-Ag-Cu系はんだにNiO被覆セラミックス粒子を分散させる第三工程(S03)と、を有している。また、第一工程(S01)の予備処理として、セラミックス粒子の表面に格子ひずみを導入して表面高エネルギー化セラミックス粒子を得る格子ひずみ導入工程(S00)を施すことが好ましい。以下、各工程について詳述する。
2. Manufacturing Method of High-Strength, High-Ductility, High-Reliability Solder Figure 1 shows a process diagram of the manufacturing method of high-strength, high-ductility, high-reliability solder of the present invention. The manufacturing method of high-strength, high-ductility, high-reliability solder of the present invention includes a first step (S01) of coating the surfaces of ceramic particles with nickel acetate tetrahydrate to obtain nickel acetate tetrahydrate-coated ceramic particles, a second step (S02) of heating the nickel acetate tetrahydrate-coated ceramic particles and thermally decomposing the nickel acetate tetrahydrate to obtain NiO-coated ceramic particles, and a third step (S03) of dispersing the NiO-coated ceramic particles in molten Sn—Ag—Cu-based solder. Furthermore, as a pretreatment for the first step (S01), a lattice strain introduction step (S00) is preferably performed to introduce lattice strain into the surfaces of the ceramic particles to obtain surface-enhanced ceramic particles. Each step is described in detail below.
(1)格子ひずみ導入工程(S00)
格子ひずみ導入工程(S00)は、セラミックス粒子の表面に格子ひずみを導入して表面高エネルギー化セラミックス粒子を得るための工程である。
(1) Lattice strain introduction step (S00)
The lattice strain introduction step (S00) is a step for introducing lattice strain into the surfaces of ceramic particles to obtain ceramic particles with high surface energy.
格子ひずみの導入によりセラミックス粒子の表面を高エネルギー化しておくことで、第二工程(S02)によって形成されるNiO被膜とセラミックス粒子の接合強度を増加させることができることに加え、セラミックス粒子の全面にNiO被膜を形成させることができる。一方で、格子ひずみ導入工程によってセラミックス粒子が破損等する場合には、当該工程は省略してもよい。 By increasing the energy of the ceramic particle surface through the introduction of lattice strain, it is possible to increase the bonding strength between the NiO coating formed in the second step (S02) and the ceramic particle, and also to form a NiO coating over the entire surface of the ceramic particle. On the other hand, if the ceramic particle is damaged by the lattice strain introduction step, this step may be omitted.
セラミックス粒子表面への格子ひずみの導入方法は、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されず、従来公知の種々の方法を用いることができるが、ボールミルを用いることが好ましい。ボールミルを用いることで、大量のセラミックス粒子の表面に比較的均一に格子ひずみを導入することができる。本発明の効果を損なわない限りにおいて使用するボールミル装置及び条件は特に限定されず、セラミックス粒子表面に導入される格子ひずみを確認しつつ、適宜最適化すればよい。例えば、ボールミルには遊星ボールミルを使用することができ、適当なメディアを用いて数百rpmの回転速度で1~20時間程度の処理を施せばよい。 The method for introducing lattice strain into the surface of ceramic particles is not particularly limited as long as it does not impair the effects of the present invention, and various conventionally known methods can be used, but it is preferable to use a ball mill. Using a ball mill allows lattice strain to be introduced relatively uniformly into the surface of a large number of ceramic particles. The ball mill device and conditions used are not particularly limited as long as they do not impair the effects of the present invention, and can be optimized as appropriate while checking the lattice strain introduced into the surface of the ceramic particles. For example, a planetary ball mill can be used, and treatment can be carried out using appropriate media at a rotation speed of several hundred rpm for approximately 1 to 20 hours.
(2)第一工程(S01:酢酸ニッケル・4水和物被覆工程)
第一工程(S01)は、表面ひずみ導入工程(S00)で得られた表面高エネルギー化セラミックス粒子の表面に酢酸ニッケル・4水和物を被覆するための工程である。
(2) First step (S01: Nickel acetate tetrahydrate coating step)
The first step (S01) is a step for coating the surface of the surface energy enhanced ceramic particles obtained in the surface strain introducing step (S00) with nickel acetate tetrahydrate.
表面高エネルギー化セラミックス粒子への酢酸ニッケル・4水和物の被覆方法は、本発明の効果を損なわない限りにおいて特に限定されないが、例えば、表面高エネルギー化セラミックス粒子と酢酸ニッケル・4水和物粒子をエタノール中で超音波を印加した状態で攪拌混合し、得られたエタノール溶液を70℃程度に加熱して、全てのエタノールを蒸発させることで達成することができる。 There are no particular limitations on the method for coating high-surface-energy ceramic particles with nickel acetate tetrahydrate, as long as it does not impair the effects of the present invention. For example, coating can be achieved by stirring and mixing high-surface-energy ceramic particles and nickel acetate tetrahydrate particles in ethanol while applying ultrasound, and then heating the resulting ethanol solution to approximately 70°C to evaporate all of the ethanol.
エタノールの蒸発過程において、溶解した酢酸ニッケル・4水和物が高エネルギー化セラミックス粒子の表面で結晶化することで酢酸ニッケル・4水和物が形成する。ここで、セラミックス粒子の表面に格子ひずみが導入されていることで、当該セラミックス粒子の表面が良好な核生成サイトとなり、良好な酢酸ニッケル・4水和物被膜を得ることができる。 During the evaporation of ethanol, the dissolved nickel acetate tetrahydrate crystallizes on the surface of the high-energy ceramic particles, forming nickel acetate tetrahydrate. The introduction of lattice strain on the surface of the ceramic particles makes the surface of the ceramic particles a good nucleation site, allowing for the formation of a good nickel acetate tetrahydrate coating.
(3)第二工程(S02:熱分解工程)
第二工程(S02)は、表面高エネルギー化セラミックス粒子の表面に形成させた酢酸ニッケル・4水和物被膜を熱分解し、NiO被覆セラミックス粒子を得るための工程である。
(3) Second step (S02: thermal decomposition step)
The second step (S02) is a step for obtaining NiO-coated ceramic particles by thermally decomposing the nickel acetate tetrahydrate coating formed on the surface of the surface-enhanced ceramic particles.
NiO被覆は、熱分解による酢酸ニッケル・4水和物被膜/表面高エネルギー化セラミックス粒子系の自己集積化現象によって形成される。具体的には、酢酸ニッケル・4水和物被覆セラミックス粒子を窒素雰囲気の炉中で約500℃に加熱保持した後、炉令すればよい。約500℃での保持時間は処理を施す酢酸ニッケル・4水和物被覆セラミックス粒子の量やNiO被覆の形成状況等から適宜調整すればよいが、例えば、1~10分程度とすることができる。 The NiO coating is formed by the self-assembly phenomenon of a nickel acetate tetrahydrate coating/surface-enhanced ceramic particle system due to thermal decomposition. Specifically, the nickel acetate tetrahydrate-coated ceramic particles are heated to approximately 500°C in a furnace in a nitrogen atmosphere and then cooled. The holding time at approximately 500°C can be adjusted as appropriate depending on the amount of nickel acetate tetrahydrate-coated ceramic particles to be treated and the formation of the NiO coating, but can be, for example, approximately 1 to 10 minutes.
(4)第三工程(S03:NiO被覆セラミックス粒子分散工程)
第三工程(S03)は、溶融させたSn-Ag-Cu系はんだにNiO被覆セラミックス粒子を分散させて、本発明の高強度高延性高信頼性はんだを得るための工程である。
(4) Third step (S03: NiO-coated ceramic particle dispersion step)
The third step (S03) is a step for obtaining the high-strength, high-ductility, and high-reliability solder of the present invention by dispersing NiO-coated ceramic particles in molten Sn—Ag—Cu-based solder.
本発明の効果を損なわない限りにおいて、溶融させたSn-Ag-Cu系はんだへのNiO被覆セラミックス粒子の分散方法は特に限定されないが、NiO被覆セラミックス粒子を添加した溶融Sn-Ag-Cu系はんだに超音波を印加した状態で攪拌することが好ましい。超音波を印加した状態で攪拌することで、NiO被覆セラミックス粒子の凝集が抑制され、極めて効果的にNiO被覆セラミックス粒子を均一分散させることができる。 There are no particular limitations on the method for dispersing NiO-coated ceramic particles in molten Sn-Ag-Cu solder as long as it does not impair the effects of the present invention. However, it is preferable to stir the molten Sn-Ag-Cu solder to which the NiO-coated ceramic particles have been added while applying ultrasonic waves. By stirring while applying ultrasonic waves, aggregation of the NiO-coated ceramic particles is suppressed, allowing for extremely effective uniform dispersion of the NiO-coated ceramic particles.
また、セラミックス粒子をZnO粒子及び/又はZrO2粒子とすることで、Sn-Ag-Cu系はんだへのセラミックス粒子の均一分散を簡便かつ効率的に達成することができる。ZnO粒子及びZrO2粒子はSn-Ag-Cu系はんだと同程度の比重を有していることから、分散工程における沈殿や凝集等を抑制することができる。 Furthermore, by using ZnO particles and/or ZrO2 particles as the ceramic particles, it is possible to easily and efficiently achieve uniform dispersion of the ceramic particles in the Sn—Ag—Cu solder. Because the ZnO particles and ZrO2 particles have a specific gravity similar to that of the Sn—Ag—Cu solder, precipitation and aggregation during the dispersion process can be suppressed.
以上、本発明の代表的な実施形態について説明したが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。また、以下、実施例において本発明の高強度高延性高信頼性はんだ及びその製造方法について更に説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。 The above describes representative embodiments of the present invention, but the present invention is not limited to these. Furthermore, the high-strength, high-ductility, high-reliability solder and its manufacturing method of the present invention will be further described in the following examples, but the present invention is not limited to these examples in any way.
(1)セラミックス粒子へのNiO被覆
市販のZrO2粒子(HW NANO,中国製)に対してNiO被覆を施した。ZrO2粒子は粒径が60~120nmの略球状のナノ粒子である。ZrO2粒子のTEM写真を図2に示す。
(1) NiO Coating on Ceramic Particles Commercially available ZrO2 particles (HW NANO, China) were coated with NiO. The ZrO2 particles were roughly spherical nanoparticles with diameters of 60 to 120 nm. A TEM photograph of the ZrO2 particles is shown in Figure 2.
遊星ボールミル(Tencan XQM-0.4L,中国製)を用い、ZrO2粒子に対して400rpmで1~20時間の格子ひずみ導入処理を施した(表面ひずみ導入工程)。なお、遊星ボールミルには50gのZrO2粒子と50gのZrO2製メディアを挿入した。ZrO2製メディアのサイズは直径1~5mmである。 Using a planetary ball mill (Tencan XQM-0.4L, manufactured in China), the ZrO2 particles were subjected to a lattice strain introduction process at 400 rpm for 1 to 20 hours (surface strain introduction process). 50 g of ZrO2 particles and 50 g of ZrO2 media were placed in the planetary ball mill. The ZrO2 media had a diameter of 1 to 5 mm.
ボールミル処理前のZrO2粒子及び各処理時間で得られたZrO2粒子に対してXRD測定を行い、ZrO2の(-111)及び(111)に対応するピークの半価幅の変化によって格子ひずみの導入量を評価した。なお、(-111)及び(111)に対応するピークの2θはそれぞれ28.2°及び31.5°である。得られた半価幅の変化を図3に示す。ボールミルを用いた処理を施すことで半価幅が増加しており、格子ひずみが導入されたことが確認できる。また、半価幅は処理時間の増加に伴って大きくなっており、当該処理時間によってセラミックス粒子表面の格子ひずみ量を制御できることが分かる。 XRD measurements were performed on the ZrO2 particles before ball milling and on the ZrO2 particles obtained after each treatment time. The amount of lattice strain introduced was evaluated based on the change in the half-width of the peaks corresponding to the (-111) and (111) ZrO2 . The 2θ of the peaks corresponding to the (-111) and (111) ZrO2 was 28.2° and 31.5°, respectively. The resulting changes in half-width are shown in Figure 3. The half-width increased with ball milling, confirming the introduction of lattice strain. Furthermore, the half-width increased with increasing treatment time, indicating that the amount of lattice strain on the ceramic particle surface can be controlled by the treatment time.
次に、表面高エネルギー化ZrO2粒子と酢酸ニッケル・4水和物粒子(和光純薬工業社製)をNi/Zr=10%となるモル比で、超音波を印加したエタノール中に添加した。表面高エネルギー化ZrO2粒子と酢酸ニッケル・4水和物粒子を含むエタノールを70℃に昇温し、エタノールが完全に蒸発するまで保持し、表面高エネルギー化ZrO2粒子の表面に酢酸ニッケル・4水和物を形成させた(第一工程)。 Next, surface-enhanced ZrO2 particles and nickel acetate tetrahydrate particles (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were added to ethanol under ultrasonic irradiation at a molar ratio of Ni/Zr = 10%. The ethanol containing the surface-enhanced ZrO2 particles and nickel acetate tetrahydrate particles was heated to 70°C and held until the ethanol was completely evaporated, forming nickel acetate tetrahydrate on the surfaces of the surface-enhanced ZrO2 particles (first step).
次に、酢酸ニッケル・4水和物被覆表面高エネルギー化ZrO2粒子を窒素雰囲気とした炉中に挿入し、500℃で5分間保持した後に炉令して、酢酸ニッケル・4水和物被覆を熱分解させ、NiO被膜を形成させた(第二工程)。炉の昇温速度は20℃/分とした。 Next, the nickel acetate tetrahydrate-coated surface-enhanced ZrO2 particles were placed in a furnace with a nitrogen atmosphere, held at 500°C for 5 minutes, and then cooled to thermally decompose the nickel acetate tetrahydrate coating and form a NiO coating (second step). The furnace temperature was increased at a rate of 20°C/min.
代表例として、10時間のボールミル処理を施した場合のNiO被覆ZrO2粒子のXRDパターンを図4に示す。ZrO2に起因する回折ピークに加えて、NiOに起因する回折ピークを確認することができる。 As a representative example, the XRD pattern of NiO-coated ZrO2 particles after 10 hours of ball milling is shown in Figure 4. In addition to the diffraction peaks attributable to ZrO2 , diffraction peaks attributable to NiO can also be confirmed.
10時間のボールミル処理を施した場合のNiO被覆ZrO2粒子のTEM観察像を図5、当該NiO被覆ZrO2粒子表面のHRTEM観察像を図6にそれぞれ示す。また、当該NiO被覆ZrO2粒子のSTEM-EDSマッピングを図7に示す。これらの結果から、ZrO2粒子の表面全体が微小粒状のNiOによって被覆されていることが確認できる。 Figure 5 shows a TEM image of the NiO-coated ZrO2 particles after 10 hours of ball milling, and Figure 6 shows an HRTEM image of the surface of the NiO-coated ZrO2 particles. Figure 7 also shows STEM-EDS mapping of the NiO-coated ZrO2 particles. These results confirm that the entire surface of the ZrO2 particles is coated with fine NiO particles.
市販のテトラポット型のZnOマイクロ粒子(粒径:5~20μm)に対しても、表面ひずみ導入工程を施さなかったこと以外はZrO2ナノ粒子と同様にして、NiO被覆を施した。当該ZnOマイクロ粒子のSEM写真を図8に示す。また、NiO被覆テトラポット型ZnOマイクロ粒子の表面写真を図9に示す。図9において、ZnOマイクロ粒子の表面が白色微小粒状のNiOによって被覆されていることが確認できる。また、表面ひずみ導入工程を施していないことから、テトラポット形状が維持されている。 Commercially available tetrapod-shaped ZnO microparticles (particle size: 5-20 μm) were also coated with NiO in the same manner as ZrO2 nanoparticles, except that the surface strain introduction process was not performed. An SEM photograph of the ZnO microparticles is shown in Figure 8. A surface photograph of the NiO-coated tetrapod-shaped ZnO microparticles is shown in Figure 9. It can be seen in Figure 9 that the surfaces of the ZnO microparticles are coated with white, fine NiO particles. Furthermore, because the surface strain introduction process was not performed, the tetrapod shape is maintained.
(2)Sn-Ag-Cu系はんだへのNiO被覆セラミックス粒子の分散
Sn-1.0質量%Ag-0.5質量%Cuはんだを380℃に加熱して溶融させ、NiO被覆セラミックス粒子を添加した。次に、出力80Wの超音波を印加した状態で攪拌後、冷却して本発明の高強度高延性高信頼性はんだを得た(第三工程)。添加したNiO被覆セラミックス粒子の種類及び量は表1に示すとおりであり、NiO被覆ZrO2粒子の単独添加、NiO被覆テトラポット型ZnOマイクロ粒子の単独添加、及びこれら両粒子の複合添加とした。なお、NiO被覆を施さない場合は、何れの場合もZrO2粒子及び/又はZnO粒子をはんだ中に均一分散させることができなかった。
(2) Dispersion of NiO-coated ceramic particles in Sn-Ag-Cu solder. Sn-1.0 wt% Ag-0.5 wt% Cu solder was heated to 380°C to melt, and NiO-coated ceramic particles were added. Next, the mixture was stirred with an 80 W ultrasonic wave and then cooled to obtain the high-strength, high-ductility, and high-reliability solder of the present invention (third step). The types and amounts of NiO-coated ceramic particles added were as shown in Table 1. NiO-coated ZrO2 particles alone, NiO-coated tetrapod-type ZnO microparticles alone, and a combination of these particles were used. Note that without the NiO coating, it was not possible to uniformly disperse ZrO2 and/or ZnO particles in the solder in any case.
NiO被覆ZrO2粒子の単独添加で得られた各高強度高延性高信頼性はんだの微細組織(SEM写真)を図10に示す。比較としてNiO被覆ZrO2粒子を添加しない場合についても示している。図10において、0.3質量%のNiO被覆ZrO2粒子を添加させても顕著な欠陥等は認められず、良好な分散状態が得られていることが分かる。 Figure 10 shows the microstructures (SEM photographs) of the high-strength, high-ductility, high-reliability solders obtained by adding only NiO-coated ZrO2 particles. For comparison, the microstructures of the solders without NiO-coated ZrO2 particles are also shown. Figure 10 shows that even with 0.3 mass% of NiO-coated ZrO2 particles added, no significant defects were observed, indicating a good dispersion state.
NiO被覆ZrO2粒子を単独添加した場合の添加量とはんだの引張特性の関係を図11に示す。また、NiO被覆テトラポット型ZnOマイクロ粒子を単独添加した場合の添加量とはんだの引張特性の関係を図12に示す。更に、NiO被覆ZrO2粒子とNiO被覆テトラポット型ZnOマイクロ粒子を複合添加した場合のZnOマイクロ粒子の添加量とはんだの引張特性の関係を図13に示す。複合添加の場合は、合計の添加量を0.3質量%で統一している。 Figure 11 shows the relationship between the amount of NiO-coated ZrO2 particles added alone and the tensile properties of the solder. Figure 12 shows the relationship between the amount of NiO-coated tetrapod-type ZnO microparticles added alone and the tensile properties of the solder. Figure 13 shows the relationship between the amount of ZnO microparticles added and the tensile properties of the solder when NiO-coated ZrO2 particles and NiO-coated tetrapod-type ZnO microparticles are added together. In the case of combined addition, the total amount added is standardized to 0.3 mass%.
NiO被覆ZrO2粒子を単独添加した場合及びNiO被覆テトラポット型ZnOマイクロ粒子を単独添加した場合において、これらの添加によるはんだの引張特性の向上が認められ、強度及び延性を共に改善できることが分かる。ここで、NiO被覆ZrO2粒子を単独添加する場合は0.3質量%で強度と延性が共に最大値となり、NiO被覆テトラポット型ZnOマイクロ粒子を単独添加する場合、強度は0.3質量%、延性は0.1質量%で最大値を示している。 When NiO-coated ZrO2 particles were added alone, and when NiO-coated tetrapod-type ZnO microparticles were added alone, the addition of these particles improved the tensile properties of the solder, revealing that both strength and ductility could be improved. Here, when NiO-coated ZrO2 particles were added alone, both strength and ductility reached their maximum values at 0.3% by mass, while when NiO-coated tetrapod-type ZnO microparticles were added alone, strength reached its maximum at 0.3% by mass and ductility reached its maximum at 0.1% by mass.
一方で、NiO被覆ZrO2粒子とNiO被覆テトラポット型ZnOマイクロ粒子を複合添加することで、単独添加の場合よりも良好なはんだの引張特性を得ることができる。0.18質量%のNiO被覆ZrO2粒子と0.12質量%のNiO被覆テトラポット型ZnOマイクロ粒子を複合添加した場合、強度及び延性が単独添加の何れの場合よりも高い値を示している。 On the other hand, the combined addition of NiO-coated ZrO2 particles and NiO-coated tetrapod-type ZnO microparticles can provide better tensile properties than when either is added alone. When 0.18% by mass of NiO-coated ZrO2 particles and 0.12% by mass of NiO-coated tetrapod-type ZnO microparticles are combined, the strength and ductility are higher than when either is added alone.
(3)高強度高延性高信頼性はんだを用いた接合
得られた各高強度高延性高信頼性はんだに対して圧延及びパンチングを施し、直径4mm、厚さ100μmのはんだ材とした。次に、直径10mmのディスク状の銅材と直径3mmのディスク状の銅材の間に当該はんだ材を配置し、接合温度260℃、接合時間50秒の条件で銅材同士を接合した。
(3) Bonding using high-strength, high-ductility, high-reliability solders. Each of the obtained high-strength, high-ductility, high-reliability solders was rolled and punched to form solder materials with a diameter of 4 mm and a thickness of 100 μm. Next, the solder materials were placed between a 10 mm diameter disk-shaped copper material and a 3 mm diameter disk-shaped copper material, and the copper materials were bonded together at a bonding temperature of 260° C. for a bonding time of 50 seconds.
NiO被覆セラミックス粒子を添加していないはんだ材(比較はんだ材)と0.18質量%のNiO被覆ZrO2粒子と0.12質量%のNiO被覆テトラポット型ZnOマイクロ粒子を複合添加したはんだ材を用いた場合(本発明の高強度高延性高信頼性はんだ材)における、接合界面断面及びはんだ層断面のSEM写真を図14に示す。比較はんだ材では接合界面に厚い金属間化合物層が形成し、はんだの組織が粗大化している。これに対し、本発明の高強度高延性高信頼性はんだにおいては、金属間化合物層の形成及びはんだ組織の粗大化が抑制されていることが分かる。 Figure 14 shows SEM photographs of the cross section of the joint interface and solder layer for a solder material (comparative solder material) without the addition of NiO-coated ceramic particles and a solder material (high-strength, high-ductility, high-reliability solder material of the present invention) with a composite addition of 0.18 mass% NiO-coated ZrO2 particles and 0.12 mass% NiO-coated tetrapod-type ZnO microparticles. In the comparative solder material, a thick intermetallic compound layer was formed at the joint interface, resulting in coarsening of the solder structure. In contrast, in the high-strength, high-ductility, high-reliability solder of the present invention, it can be seen that the formation of the intermetallic compound layer and the coarsening of the solder structure were suppressed.
更に、接合体の接合強度を評価するために、継手強度試験機(株式会社レスカ製,STR-1001)を用いてせん断試験を行った。接合体をステージに設置し、せん断速度1.0mm/分、せん断高さ200μmで接合体の上部にせん断荷重を印加し、破断時の最大荷重を接合部の面積で除したものを接合強度とした。各処理条件に対して4つの接合体の接合強度を測定し、その平均を当該処理条件における接合強度とした。 Furthermore, to evaluate the bond strength of the bonded bodies, a shear test was performed using a joint strength testing machine (STR-1001, manufactured by Rhesca Corporation). The bonded bodies were placed on a stage, and a shear load was applied to the top of the bonded bodies at a shear rate of 1.0 mm/min and a shear height of 200 μm. The maximum load at break was divided by the area of the bonded part to determine the bond strength. The bond strength of four bonded bodies was measured for each treatment condition, and the average was taken as the bond strength for that treatment condition.
図14に示す比較はんだ材と本発明の高強度高延性高信頼性はんだ材を用いて得られた接合体の金属間化合物層の厚さ及びせん断強度を図15及び図16にそれぞれ示す。本発明の高強度高延性高信頼性はんだ材を用いた場合は金属間化合物層の厚さが比較はんだ材を用いた場合の半分程度に抑制されており、せん断強度は15%増加している。 The thickness and shear strength of the intermetallic compound layer of the joint obtained using the comparative solder material shown in Figure 14 and the high-strength, high-ductility, high-reliability solder material of the present invention are shown in Figures 15 and 16, respectively. When the high-strength, high-ductility, high-reliability solder material of the present invention was used, the thickness of the intermetallic compound layer was reduced to about half of that when the comparative solder material was used, and the shear strength was increased by 15%.
図14に示す比較はんだ材と本発明の高強度高延性高信頼性はんだ材を用いて得られた接合体を150℃で保持し、高温安定性を評価した。保持時間は128~1008時間とした。比較はんだ材を用いた場合及び本発明の高強度高延性高信頼性はんだ材を用いた場合の金属間化合物層及びはんだ層の変化(接合界面断面及びはんだ層断面のSEM写真)を図17及び図18にそれぞれ示す。 Joints obtained using the comparative solder material shown in Figure 14 and the high-strength, high-ductility, high-reliability solder material of the present invention were held at 150°C to evaluate high-temperature stability. The holding time was 128 to 1008 hours. Figures 17 and 18 show the changes in the intermetallic compound layer and solder layer (SEM photographs of the joint interface cross section and solder layer cross section) when the comparative solder material and the high-strength, high-ductility, high-reliability solder material of the present invention were used, respectively.
比較はんだ材を用いた場合、保持時間の増加に伴って金属間化合物層の厚さが増加していることに加え、金属間化合物層にマイクロクラックが発生している。これに対し、本発明の高強度高延性高信頼性はんだ材を用いた場合、金属間化合物層の成長が抑制されていることに加え、はんだ層の微細組織に大きな変化は認められない。 When the comparative solder material was used, the thickness of the intermetallic compound layer increased with increasing holding time, and microcracks appeared in the intermetallic compound layer. In contrast, when the high-strength, high-ductility, high-reliability solder material of the present invention was used, the growth of the intermetallic compound layer was suppressed, and no significant changes were observed in the microstructure of the solder layer.
150℃で各時間保持した後の接合体のせん断強度を図19に示す。図19には、比較としてAg量を増加させたSn-3.0質量%Ag-0.5質量%Cuはんだの値も示している。本発明の高強度高延性高信頼性はんだ材を用いた接合体は優れた高温安定性を有しており、高温保持による強度低下は殆ど認められない。特に、1008時間保持後のせん断強度はSn-3.0質量%Ag-0.5質量%Cuはんだを用いた場合よりも高い値となっている。 Figure 19 shows the shear strength of the joints after holding for various times at 150°C. For comparison, Figure 19 also shows the value for Sn-3.0% by mass Ag-0.5% by mass Cu solder, which has an increased Ag content. Joints made using the high-strength, high-ductility, high-reliability solder material of the present invention have excellent high-temperature stability, with almost no decrease in strength due to high-temperature holding. In particular, the shear strength after holding for 1008 hours is higher than when Sn-3.0% by mass Ag-0.5% by mass Cu solder is used.
Claims (5)
前記セラミックス粒子がNiOで被覆され、
前記セラミックス粒子がZnO粒子及び/又はZrO 2 粒子であり、
前記セラミックス粒子がナノ粒子及び/又はテトラポット型のマイクロ粒子であり、
前記ZnO粒子が、平均粒径が5~20μmのテトラポット型のマイクロ粒子であり、
前記ZrO 2 粒子が、平均粒径が60~120nmのナノ粒子であり、
前記セラミックス粒子の含有量が0.2~0.4質量%であること、
を特徴とする高強度高延性高信頼性はんだ。 Ceramic particles are dispersed in the Sn-Ag-Cu solder.
the ceramic particles are coated with NiO ;
The ceramic particles are ZnO particles and/or ZrO2 particles ,
the ceramic particles are nanoparticles and/or tetrapod-type microparticles,
the ZnO particles are tetrapod-type microparticles having an average particle size of 5 to 20 μm,
The ZrO2 particles are nanoparticles having an average particle size of 60 to 120 nm,
The content of the ceramic particles is 0.2 to 0.4 mass %;
High strength, high ductility and high reliability solder.
前記酢酸ニッケル・4水和物被覆セラミックス粒子を加熱し、前記酢酸ニッケル・4水和物を熱分解させてNiO被覆セラミックス粒子を得る第二工程と、
溶融させたSn-Ag-Cu系はんだに前記NiO被覆セラミックス粒子を分散させる第三工程と、を有し、
前記セラミックス粒子がZnO粒子及び/又はZrO 2 粒子であり、
前記セラミックス粒子がナノ粒子及び/又はテトラポット型のマイクロ粒子であり、
前記ZnO粒子が、平均粒径が5~20μmのテトラポット型のマイクロ粒子であり、
前記ZrO 2 粒子が、平均粒径が60~120nmのナノ粒子であり、
前記セラミックス粒子の含有量を0.2~0.4質量%とすること、
を特徴とする高強度高延性高信頼性はんだの製造方法。 a first step of coating the surfaces of ceramic particles with nickel acetate tetrahydrate to obtain nickel acetate tetrahydrate-coated ceramic particles;
a second step of heating the nickel acetate tetrahydrate-coated ceramic particles to thermally decompose the nickel acetate tetrahydrate to obtain NiO-coated ceramic particles;
a third step of dispersing the NiO-coated ceramic particles in molten Sn—Ag—Cu solder ;
The ceramic particles are ZnO particles and/or ZrO2 particles ,
the ceramic particles are nanoparticles and/or tetrapod-type microparticles,
the ZnO particles are tetrapod-type microparticles having an average particle size of 5 to 20 μm,
The ZrO2 particles are nanoparticles having an average particle size of 60 to 120 nm,
The content of the ceramic particles is 0.2 to 0.4 mass %;
A method for manufacturing high-strength, high-ductility, and highly reliable solder characterized by the above.
を特徴とする請求項2に記載の高強度高延性高信頼性はんだの製造方法。 a lattice strain introduction step for introducing lattice strain into the surfaces of the ceramic particles to obtain ceramic particles with high surface energy as a pretreatment for the first step;
3. The method for producing high- strength, high-ductility, high-reliability solder according to claim 2 , wherein:
を特徴とする請求項3に記載の高強度高延性高信頼性はんだの製造方法。 using a ball mill in the lattice strain introduction step;
4. The method for producing high-strength, high-ductility, high-reliability solder according to claim 3 , wherein:
を特徴とする請求項2~4のうちのいずれかに記載の高強度高延性高信頼性はんだの製造方法。
In the third step, the Sn—Ag—Cu-based solder to which the NiO-coated ceramic particles have been added is stirred while applying ultrasonic waves;
5. The method for producing high-strength, high-ductility, high-reliability solder according to claim 2 , wherein:
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