あ ら ま し 今回，新たに低温ではんだ付けが可能な錫（Sn）-ビスマス（Bi）共晶はんだ合金にアンチ モン（Sb）を0.5 mass％添加することにより，高ひずみ速度域での延性および落下衝撃に 対する破断寿命の向上に成功した。本はんだ合金は，Sn-Sb化合物が固相から分散析出し， 凝固組織を微細化する性質を持っており，Sn-Bi共晶はんだの大きな欠点であったぜい弱 な性質を大幅に改善できる。具体的には，延性がSn-Bi共晶はんだの4倍，繰返し落下寿 命は4倍に向上する。衝撃的な負荷に対する耐性を改善できたことにより，携帯電話やノー トPCなどのモバイル機器への適用拡大が期待できる。また，本はんだ合金は融点が低い ため，現行の鉛フリー錫（Sn）-銀（Ag）-銅（Cu）はんだに比べて45℃低い温度（180℃）では んだ付けすることが可能となり，リフローはんだ付け炉に使用する消費エネルギーを約 30％削減するなど，環境負荷低減にもつながる。 本稿では，開発したSn-Bi-Sbはんだ合金の基礎特性に関して研究成果を紹介する。 Abstract
Fujitsu has successfully developed a new lead-free solder alloy for low-temperature semiconductor packaging by introducing 0.5 mass% antimony to eutectic tin-bismuth solder. In this way, it has dramatically improved the solder s high strain rate ductility and drop impact resistance. It was found that in this solder, a fine-grain tin-antimony inter-metallic compound dispersed in the tin-bismuth major phase, thus giving the alloy a fine-grain structure. This would improve the mechanical properties of the eutectic tin-bismuth solder. In particular, the ductility and drop impact resistance were found to be four times those of tin-bismuth solder. This solder alloy s high tolerance to the drop impact made it possible to apply the alloy in mobile electronics such as cellular phones, notebook PCs and so on. Moreover, the low melting point of the alloy paved the way to realize low-temperature device packaging below 180℃. Using this solder, the energy consumption of a solder reflow furnace can be reduced by 30% compared with the conventional tin-silver-copper solder. This paper introduces the basic properties of the newly developed solder alloy, and its potential applications in electronic packaging. ●作山誠樹 ●赤松俊也 ●岡本圭史郎
Low-Temperature Soldering Technology for Environmental Burden
Reduction
ま え が き 持続可能な循環型社会を形成していくため，欧 州を中心に地球環境保全にかかわる法規制の整備 が進められ，性能，品質，コストに加え，環境を 意識した研究・開発が重要視されている。その中で， 2006年7月より施行された欧州RoHS（Restriction of Hazardous Substances）指令は，エレクトロ ニクス業界に大きな影響を与えたことは，記憶に 新しい。実装の世界ではこれまで当然のように使 われてきた錫（Sn）-鉛（Pb）共晶はんだが環境 規制の対象となり，はんだ合金から鉛を取り除 い た， 融 点 が217 ℃ 前 後 のSn-3 mass ％ 銀（Ag） -0.5 mass％銅（Cu）はんだに代替されている。（1），（2） このSn-Ag-Cuはんだは，従来のSn-Pb共晶はんだ に比べて溶融温度が34℃上昇するため，リフロー やリペアなどはんだ付けのすべての作業を30℃以 上高い温度で行うことになる。（3） 作業温度の高温化 は，電子部品の耐熱性，熱ストレスへの配慮，必 要以上に加熱しない厳格な加熱条件の設定など高 いレベルの実装技術を要求し，環境面では製品製 造時の消費エネルギーを増大させる結果につな がっている。とくに，実装工程の中で熱源を使用 するはんだ付け工程の消費エネルギーが占める割 合は約6割と高く，図
-1
に示すように，接合温度を 約50℃引き下げることにより，Sn-Ag-Cuはんだへ の切換えで20％程度上昇したリフロー炉の消費電 ま え が き 力を，30 ∼ 40％削減できるため，低い温度で接合可能な「環境に配慮した接合材料」の開発が望ま れている。 今回，融点が139℃であることから，低温接合の 実現に向けた材料として有望視されているSn-ビス マス（Bi）共晶はんだに，第三元素としてアンチ モン（Sb）を微量に添加することで，延性不足と いう欠点の改善に成功し，衝撃的な負荷にも耐え 得るSn-Bi-Sbはんだ合金を開発した。 低温接合へのアプローチ Sn-Ag-Cuはんだの融点を少しでも低く抑える 取組みは，セットメーカを中心に検討が進められ ている。富士通もこれまでに，均一な温度に加熱 するリフローの実現を目的とするリフローシミュ レータの開発（富士通長野システムエンジニアリ ング：SimPRESSO/RFL）や，めっき端子を切削 することで得られる平坦な端子同士を低温・低荷 重で固相拡散接合する技術，導電性接着剤による 接合技術などの研究を進め，接合温度の低温化へ の有効性を示してきた。（4）−（6） 一方，溶融接合（固 相-液相接合）では，Sn-Pb共晶はんだに対する低 融点はんだとして，融点が139℃のSn-Bi共晶はん だにAgを微量添加したSn-57 mass％ Bi-1 mass％ AgはんだをメインフレームのMCM（Multi-Chip Module）実装に適用した実績がある（図-2
）。（7） は んだ合金を用いた溶融接合は，電子機器実装向け 低温接合へのアプローチ はんだ付け温度（℃） 150 リ フ ロ ー 炉 の 消 費 電 力 （W ） 20 10 0 200 250 Sn-3Ag-0.5Cu Sn-37Pb はんだ付け温度の低温化により 30∼40％の電力削減に期待 はんだ付けの高温化により 20％の電力が上昇 低融点はんだ 図-1 はんだ付け温度とリフロー炉の消費電力の関係Sn-Bi
共晶はんだへの第三元素（Sb
）添加 これまでSn-Bi共晶はんだの延性改善として添加 してきた第三元素Agに代わり，新たにSb添加を検 討した。SbはAgと同様に，Snと金属間化合物を形 成する元素であり，古くからはんだに添加されて きた元素の一つである。とくに，延性がなく極め てもろい灰色Sn（αSn）への変態を抑止する効果 に優れ，強度向上を目的に航空・宇宙用途で使用 されてきた例が多い。また，SbはBiに対して中間 相や規則相をつくらず完全に溶け合う（全率固溶） という，ほかの元素には見られない特徴的な性質 を持っている。（10） このことは，これまでSn-Bi共晶 はんだに微量添加してきたAgが，Biとの間に共晶 点を持つという性質とは大きく異なる点であり， Sb特有の凝固組織が得られると期待できる。Sb
添加によるSn-Bi
共晶はんだの延性改善 Sb添加によるSn-Bi共晶の凝固組織ならびに機械 的特性への影響を評価した。引張試験で得られた Sb添加量に伴う破断伸びの変化を図-3
に示す。ま た，比較のためAg添加による同様の結果を図-4
に 示す。いずれのひずみ速度においても，0.5 mass％ Sb添加までは，添加量とともに伸びが増加する傾 向が見られ，0.5 mass％添加で伸びは極大値を示 す。そのときの伸び量は，無添加のSn-Bi共晶はん だに比べて4倍以上であることが分かった。さらに， 添加量を増やすと破断伸びは減少する傾向を示し，Sn-Bi
共晶はんだへの第三元素（Sb
）添加Sb
添加によるSn-Bi
共晶はんだの延性改善 として広い範囲に適用でき，確実な接合を実現す るために必須な技術と考え，富士通では低融点 Sn-Bi系はんだ合金を使いこなす技術の開発を継続 して進めている。また，Bi系はんだで懸念されて いた部品リードめっきからのPb混入による信頼性 低下は，鉛フリー化が完了した現在では，その心 配も少ないことから，今後の適用拡大が期待できる。Sn-Bi
系はんだの課題 Sn-Bi系のはんだには，Biを含むことに起因する 延性の低さが大きな問題点とされており，その解 決が重要な課題である。Sn-Bi系はんだの延性を改 善することを目的に，凝固組織を変化させ，機械 的な特性を変えるには，第三元素の添加が有効で ある。その代表例として，富士通をはじめとする 多くの研究機関がSn-BiへのAgの微量添加が延性 改善に有効であることを示している。（8），（9） しかし一方で，CSP（Chip Size Package）などパッケージ 形態の変遷によって接合部への衝撃的な負荷は従 来のリードフレーム部品に比べて増大する傾向に あり，そのような場合にはBiの硬くもろい性質に より，延性が著しく低下することも明らかである。 そのため，落下衝撃に対する耐性が要求されるモ バイル機器に適用するのが極めて困難であり，そ の解決がSn-Bi系はんだに課せられた大きな課題で ある。
Sn-Bi
系はんだの課題 System board Fujitsu GS8900 Sn-57Bi-1Ag Multi-Chip Module LSI 図-2 Sn-Bi系はんだを採用したメインフレーム Fig.2-Mainframe adopting Sn-Bi solder.3.0 mass％を超えるSb添加ではSn-Bi共晶はんだよ りも伸びが低下した。この傾向は，図-4のように Agを添加した場合に見られていた延性変化の挙動 と類似しているが，最大伸びを示した添加組成に 注目すると，Sbを添加したSn-Biはんだの高ひずみ 速度側での延性低下は，約7％とAg添加の場合（約 25％低下）に比べて小さいことが分かる。 Sn-Bi-Sbはんだの組織写真を図
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に示す。色の 濃い部分はSn相，薄い部分はBi相であり，微量の Sbを添加することにより共晶組織が微細化してい る。また，引張試験結果で顕著に延性改善を示し たSn-Bi-0.5Sbの共晶組織が最も細かいことが分か る。添加元素であるSbの分布状態を調査するため， Sbを1.0 mass％まで高めたSn-Bi-1.0SbについてEPMA（Electron Probe Micro Analyzer）分析を 行った。結果を図
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に示す。添加したSbはSnとBi の共晶組織境界付近のSn相中に微細に点在してい ることが確認された。Sn-Sbの二元系状態図より， Sbは金属間化合物SnSbとして存在していると考え られ，（11） 微細なSnSbがSnとBi相の境界付近に析出 していることが共晶組織の粗大化を抑制し，微細 化につながったと考える。 図-7
はBiを57 mass％に固定してSb添加量を変 化させたときの三元計算状態図である。Sb添加量 が0.5 mass％の場合について着目すると，融点は 141.6℃近傍であり，温度が低下するとSn中への Sbの固溶限が減少し，100℃付近で固溶限を超え たSbがSnSbとして固相から析出する。このSn相 破 断 伸 び （ ％ ） 0 1 2 3 Sb添加量（mass％） 4 5 7％低下 0 10 20 30 40 50 試験温度：室温 （n＝3） 低ひずみ速度 3.3×10-4/sec 高ひずみ速度 2.0×10-3/sec 破 断 伸 び （ ％ ） 試験温度：室温 （n＝3） 低ひずみ速度 3.3×10-4/sec 高ひずみ速度 2.0×10-3/sec 0 1 2 3 4 5 0 10 20 30 40 50 Ag添加量（mass％） 25％低下 図-3 異なるひずみ速度におけるSb添加Sn-Biはんだの延性変化Fig.3-Ductility of Sn-Bi solder under high and low strain rate improved by adding antimony.
図-4 異なるひずみ速度におけるAg添加Sn-Biはんだの延性変化
の特筆すべき延性改善の効果と一致する。
Sn-Bi-Sb
はんだの落下衝撃に対する信頼性BGA（Ball Grid Allay）を180℃で接合した断
面の写真を図
-8
に示す。接合状態は良好であり， 現行のSn-Ag-Cuはんだに比べて45℃低い温度で接 合が可能であることを確認した。また，各はんだ で接合したサンプルの落下試験の結果を図-9
に示 す（試験サンプル数は各3個である）。繰返し落下 15回後の抵抗増加率はSn-Bi，Sn-Bi-Agはんだと もに50％以上であるのに対して，Sn-Bi-SbはんだSn-Bi-Sb
はんだの落下衝撃に対する信頼性 の境界層付近に固相から析出した微細なSnSbが共 晶組織の粗大化を抑制することで，共晶組織が微 細化したと計算状態図からも推測できる。一方， Sb添加量が1.0 mass％を超えると凝固開始時に はBiの初晶が晶出しやすくなり，さらに添加量が 5 mass％以上になるとBiのほかにSnSbが初晶とし て晶出しやすくなることから，Sbの過剰な添加は 延性を低下させると考える。したがって，微細な SnSb化合物を析出させ，共晶組織の粗大化を抑制 するSbの添加量は，極わずか0.5 mass％近傍が望 ましく，このことは図-3に示す0.5 mass％ Sb添加 Sn-Bi Sn-Bi-0.1Sb Sn-Bi-0.5Sb 10µm Sn-Bi-1.0Sb Sn-Bi-3.0Sb Sn-Bi-5.0Sb Sn相 Bi相 （a）組織写真 （b）Sbの分布 10 µm 10 µm SnSb化合物 Bi相 Sn相 図-5 Sb添加Sn-Biはんだの微細な共晶組織 Fig.5-Eutectic microstructure of Sn-Bi-xSb solder.図-6 Sn-Bi-1.0Sbはんだ中のSbの分散状態
む す び 本研究では，Sn-Bi共晶はんだに第三元素として 0.5 mass％のSbを添加した結果，Sn-Bi共晶組織が 微細化し，優れた延性が得られ，解決すべき大き な課題であった耐落下衝撃性を改善できることを 明らかにした。この優れた性質にから，その適用 範囲を，デジタルTV向けLCDやPDPなどから，高 い落下衝撃耐性が要求される携帯電話やノートPC などのモバイル機器に拡大できる。また，低融点 はんだの適用は，リフローの消費エネルギーを低 く抑えた低環境負荷の実現にも貢献でき，今後の む す び では15％以下であり，落下衝撃に対する耐性がSb 添加によって向上する。破壊部分の観察結果から， 落下5回後では，Sn-Bi，Sn-Bi-Agはんだともに， はんだ内部にクラックが発生しているのに対して， Sn-Bi-Sbはんだではクラックは発生していない。 一方，落下40回後では，すべてのはんだでクラッ クがはんだ内部に見られたものの，損傷度はSn-Bi-Sbはんだが最小であることを確認した。このよ うな落下衝撃に対する耐久性の向上は，Sn-Bi-Sb はんだの共晶組織が微細化し，はんだ自体の延性 が向上した結果であると考えられる。 0 1 2 3 4 5 Sb含有量（mass％） 温 度 （ ℃ ） 0 50 100 150 200 250 L L＋SnSb Sn＋Bi（2）＋SnSb Sn＋Bi（1）＋SnSb L＋Bi a Sn＋Bi（2） Sn，Sb Bi SnSb化合物の 析出 凝固（b点） 固相（c点） 液相（a点） b c （b）ρ-ρ′ラインでの組織変化 ρ′ （a）計算状態図 （Sn-57Bi） L＋Bi＋SnSb Sn＋Bi（1）＋Bi（2） Sn＋Bi（1） （a）Sn-Bi （b）Sn-Bi-Sb 100µm 100µm 図-7 Sn-57BiにSbを添加したはんだの三元計算状態図
Fig.7-Calculated (Sn-57Bi)1-y-Sby ternary phase diagram.
図-8 180℃で接合したSn-BiおよびSn-Bi-Sbはんだの断面 Fig.8-Cross-sectional view of Sn-Bi and Sn-Bi-Sb solder at 180ºC.
Packaging，Vol.11，No.3，p.217-222（2008）． （6） 伊達仁昭ほか：硬化時間3秒の短タクト型異方導電 性接着剤．Matelial stage，Vol.1，No.7，p.47-50（2001）． （7） 堀越英二ほか：先端実装技術．FUJITSU，Vol.54， No.4，p.337-342（2003）． （8） 菅沼克昭ほか：Sn-Bi共晶合金の組織および機械的 性質へ及ぼすAg添加の影響．エレクトロニクス実装学 会誌，Vol.6，No.5，p.414-419（2003）．
（9） M. McCormack et al.：Significantly Improved Mechanical Properties of Bi-Sn Solder Alloys by Ag-Doping．Journal of Electronic Materials，Vol.26， No.8，p.954-958（1997）．
（10）M. Hansen et al.：Constitution of Binary Alloys. Second edition，McGraw-Hill Book Company，New York，p.332-334（1958）．
（11）M. Hansen et al.：Constitution of Binary Alloys. Second edition，McGraw-Hill Book Company，New York，p.1175-1177（1958）． 生産技術のイノベーションをもたらすものと期待 する。 最後に，本研究を進めるに当たり，大阪大学大 学院工学研究科教授の上西啓介様に，多大なるご 指導を頂きましたこと，深く感謝致します。 参 考 文 献 （1） 塚田 裕：実装技術の未来-IC パッケージの実装技術． エレクトロニクス実装学会誌，Vol.23，No.1，p.57-60 （2007）． （2） 菅沼克昭：鉛フリーはんだの最新研究動向．電子材 料別冊，p.16-21（2001）． （3） 松村唯伸ほか：鉛フリーはんだによるアセンブリ技 術．FUJITSU，Vol.56，No.6，p.545-551（2005）． （4） 作山誠樹ほか：赤外線リフロー技術．エレクトロニ クス実装学会誌，Vol.2，No.7，p.561-565（1999）． （5） T. Sakai et al.：A new flip-chip bonding method
using ultra-precision cutting of metal/adhesive layers．Journal of Japan Institute of Electronics
0 2 4 6 8 10 0 10 20 30 40 落下回数（回） 接 続 抵 抗 （ Ω ） Sn-Bi Sn-Bi-Ag Sn-Bi-Sb 5µm （a）Sn-Bi （b）Sn-Bi-Ag （c）Sn-Bi-Sb
印加したひずみ量：2000 µε
クラック クラック
5回落下試験後の接合部断面写真
図-9 繰返し落下試験における接合部の抵抗変化
作山誠樹（さくやま せいき） 基盤技術研究所集積技術研究部 所属 現在，半導体パッケージの実装技術に 従事。 赤松俊也（あかまつ としや） 次世代ものづくり技術研究センター 所属 現在，半導体パッケージの実装技術に 従事。 岡本圭史郎（おかもと けいしろう） 基盤技術研究所集積技術研究部 所属 現在，半導体パッケージの実装技術に 従事。
