Pbフリーはんだと金属間化合物

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｐｂフリーはんだの金属学的基礎

〔Ⅳ〕　はんだ接合界面と金属間化合物ＩＭＣ　

　　　　接合界面joint interface　電極｜はんだ
　　　　相互接続interconnect　部品｜はんだ｜ＰＣＢ

（１０）　Ｐｂフリーはんだと相互接合

（１０－１）　Pbフリーはんだと金属間化合物ＩＭＣ

　概観

（１０－１－１）　Pbフリーはんだに関係する金属成分間での金属間化合物形成

　Ｐｂフリーはんだは、主成分のＳｎの他に、添加成分（Ag、Cu、Bi、Zn、In、Sb、Ni、Co等）、接合金属（電極：Cu、Ni/Au、
４２アロイ、Pt等）、表面処理あるいははんだめっき成分（Au、Ag、Pd等）などの多くの金属成分と金属間化合物を形成する。
　主なはんだに関係する金属成分間のIMC形成の様子は下表の通りである。
　→はんだ添加成分と接続金属（電極）の状態図

　Snおよびその他はんだ関係金属間での金属間化合物形成（◎：IMC形成）

－

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◎

ｅｕ

　ｓｓ：固溶、ｅｕ：２相

　これらのうち、はんだバルクで特に重要なIMCはAg3Sn、Cu6Sn5、Au4Snなどである。
　接合界面ではＣｕ電極ではＣｕ６Ｓｎ５、Ｎｉ電極ではNi3Sn4が主に形成される。
　Ｓｎ－ＺｎはんだではＣｕ－ＺｎあるいはＮｉ－Ｚｎ系ＩＭＣが界面に形成される。

（１０－１－２）　はんだに関係する主なIMCの特性

（Ａ）　物理的特性

　ＮＩＳＴのCu6Sn5、Cu3Sn、Ni3Sn4のデータ
　

Boesenberg
　Cu6Sn5には多形がある。η（六方）、η’（単斜）

Tsai

Leeによるデータ

Chromikによるデータ

Cech

Albrecht

Song

Klesper

DfR Solutions　

高尾
　

　
　はんだ：Sn-37Pb

Bergmann
　

Ｗａｎｇ

Ｇａｌｙｏｎ

Zhou

（Ｂ）　結晶構造

Ｌｉ

　　　Ａｇ３Ｓｎでは１４７．９２／６＝２４．６５（unit cellにＡｇ６個）、２４．６５／１０．２８＝２．４
　　　ＰｄＳｎ４では２６２．８６／４＝６５．７１（unit cellにＰｄ４個）、６５．７１／８．８５＝７．４
Lee

Ａｎ

these

Nylen

(a) Building block of the PtSn₄ (b) and the β-IrSn₄ (c) structure. (d) Building block of the PdSn₄
(e) and the β-CoSn₃ (f) structure. (g) Building block of the CoGe₂ (h) and the PdSn₂ (i) structure.
(j) Effect of a (0,1/2) shift and a (1/2,1/2) shift (k) between two adjacent 3².4.3.4 nets.

Mun

Downing

Nial
FeSn2
hexagonal a=5.317c=9.236 unit cell 4FeSn2 （12atoms）　226.1
　　　　　　　a=6.52c=5.31 225.8
FeSn
hexagonal a=5.292c=4.440 unit cell 3FeSn(6 atoms)

CoSn2
tetragonal
a=6.348c=5.441 4CoSn2

Ni3Sn4
monoclinic a=12.2 b=4.005 c=5.215β=105°2′unit cell 2Ni3Sn4

Ｓｏｎｇ

＊Ｃｕ３Ｓｎについては密度は８．９というものと１１．３といものが混在

　体積　
　　Ｃｕ３Ｓｎ：　２７．３０／３＝９．１　　Ｃｕ３ＳｎでのＣｕ１個についての体積
　　Ｃｕ６Ｓｎ５：１１８．０１／６＝１９．６７　Ｃｕ６Ｓｎ５でのＣｕ１個についての体積
　　　　　　　　１９．６７／７．１＝２．７７倍

　Ｈａｒｅ　
　　ＡｕＳｎ４　７５．０
　　　　　　　　ＡｕＳｎ４／Ａｕ＝７．４
　　ＡｕＳｎ２　４２．８
　　　　　　　　ＡｕＳｎ２／Ａｕ＝４．２
　　Ａｇ３Ｓｎ　　
　　　　　　　　２４．６５／１０．２８＝２．４

　　　　　　Ａｕ　１０．２１
　　　　　　Ａｇ　１０．２８　　　
　　　　　　Ｐｄ　８．８５

Miler

Au system

　　γ：Ｃｕ５Ｚｎ８、Ｃｕ９Ａｌ４、Ａｇ５Ｚｎ８、Ｃｏ５Ｚｎ２１、Ｆｅ５Ｚｎ２１、Ｎｉ５Ｚｎ２１、Ｐｄ５Ｚｎ２１、Ｐｔ５Ｚｎ２１
　　β：ＣｕＺｎ、Ｃｕ３Ａｌ、Ｃｕ３Ｉｎ、ＡｇＺｎ、Ｃｕ５Ｓｎ、ＡｕＺｎ

Ｊｅｅ

ＭｎＳｎ２


Cu6Sn5
Cu3Sn
Ni3Sn4
Ag3Sn
AuSn4
FeSn2
CoSn2
PdSn4
PtSn4

Cu5Zn8（γ）
Ni5Zn21（γ）
AgZn3
Ag5Zn8（γ）
AuZn3
AuZn

（１０－１－３）　はんだ中のIMC

　Ｐｂフリーはんだの中心となる、Ｓｎ－Ｃｕ系、Ｓｎ－Ａｇ系、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ系はＳｎとＡｇ及びＣｕとの間でＩＭＣが形成され、これがはんだの
機械的特性に大きな影響を与える。
　この点がＳｎ－Ｐｂはんだとの大きな違いである。
　はんだ中のIMCは初晶、共晶、過飽和固溶体からの析出（時効）として形成される。
　βSnの過冷却が大きい場合や過共晶（共晶組成よりＣｕ、Ａｇが多い）では初晶として大きなIMCが形成されやすい。
　Ｓｎ－Ｃｕ系、Ｓｎ－Ａｇ系、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ系ではAg3Sn、Cu6Sn5の大きなファセット相が形成されることがある。

　はんだと電極との相互接合では接合金属（電極）つまり回路基板のパッド、表面処理・部品の端子めっき、特にCuやAu、Ａｇの
溶解の影響が見逃せない。
　ＩＭＣの晶出ないし析出ははんだの分散強化ないしは析出強化をもたらす。
　しかし巨大なファセット相は応力集中源となり、疲労での亀裂発生源ともなる。　
　
　Ｐｂフリーはんだでは共晶系はんだであってもＳｎ－Ｐｂのような典型的共晶組織を示すものはＳｎ－Ｂｉなどで多くない。
　ＳｎＣｕ、ＳｎＡｇ、ＳｎＡｇＣｕなどでは蜂の巣状組織がみられる。

（１０－１－４）　はんだ相互接合とＩＭＣ

　はんだ相互接合でははんだ成分同志によるＩＭＣのほかに主にＳｎと接続金属（電極）、たとえばＣｕあるいはＮｉとのＩＭＣが形成される。
　相互接合でのはんだの組織は放熱、電極成分の溶解等により界面の影響を大きく受ける。
　またエージングなどの影響を受ける。
　はんだはホモロガス温度が常温付近にあるため１００℃前後の低い温度でも大きく組織が変化する。

　微量添加成分（電極からの溶解成分）の影響
　　　バルク
　　　　ＩＭＣ形成せず
　　　　ＩＭＣ形成に関与
　　　　Ｓｎと新ＩＭＣ相を形成
　　　　微量添加成分同志でＩＭＣ相を形成
　　　　既存ＩＭＣに固溶
　　　界面へ影響
　　　　Ｃｕ６Ｓｎ５、Ｎｉ３Ｓｎ４に固溶（置換）
　　　　　　　Ｃｕ置換、Ｎｉ置換、Ｓｎ置換
　　　　Ｃｕ、ＮｉとＩＭＣ形成
　　　　ＳｎとＩＭＣを形成し界面に堆積
　　　　　　　　　　
Henshall

Cho

Ｃｈｏｉ　形態
　

　Jackson parameter αは
　　　α＝ξΔＳ／Ｒ　　　　　ΔＳ＝ΔＨ／Ｔ　　ΔＳ：溶融エントロピー、ΔＨ：溶解熱
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ξ：結晶学因子＜＝１
であり、
　　　α≦２　　ノンファセット成長
　　　α＞２　　ファセット成長　
とされる。
　ＣｈｏｉあるいはYangによると