JP2000102894A - 半田ボール及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半田ボールの熱疲労性を改良すると共に、接
合性を高くすること。 【解決手段】 Ｐｂ，Ｓｎ，Ｉｎのいずれかを主要成分
とし、添加成分として、少なくともＦｅ０．１〜２．０
重量％を添加し、かつ表面の突起状欠陥をなくした半田
ボールを提供する。Ｆｅ母合金を液相線温度より２００
〜１０００℃高い温度で溶解し、急冷すると共に、その
母合金を用いて半田インゴットを製造するにも液相線温
度より２００〜１３００℃高い温度で溶解し、急冷す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置等の半
導体パッケージ用基板等における内部あるいは外部接続
用に使用される半田ボールに関し、詳しくは添加成分と
して少なくとも所定量のＦｅを含有する半田ボール及び
その製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近電子部品の実装に当たって、はんだ
付けは基本的接合として重要視されている。半田材料は
基板上にＩＣ、抵抗、コンデンサ、コイル等の小型部品
やＱＦＰ（Quad Flat Package), ＰＬＣＣ（Plastic Le
aded Chip Carier）等の大型部品の接合用に用いられて
いる。

【０００３】この様な接合に用いられる半田材料の形状
としてテープ、ワイヤ、ペレット、ボール等固形状のも
のとペースト状のものとに大別出来る。この中で固形状
半田材料の製造方法は溶解、鋳造工程によりインゴット
を得て、該インゴットを加工する方法が一般的である。
ここでＰｂ，Ｓｎ，Ｉｎのうちのいずれか１種を主要成
分とする固形状半田材料は、先ず該組成の液相線温度よ
り５０〜１５０℃高い温度で溶解、鋳造して、インゴッ
トを製造することを第１工程としている。日本金属学会
編「金属便覧」（昭和３５年１月発行）には鉛及び鉛合
金の鋳造温度は大体固相線より１０〜６０℃高い温度が
用いられ、Ｓｎ及びＳｎ合金の鋳造温度は液相線上５０
〜１００℃の温度が良いと記載されている。又特公平１
−３０５７９号公報には加熱鋳型式水平連続鋳造法が開
示され、この中でＳｎ−３０％Ｚｎ合金の溶解温度に３
６０℃を用いることが開示されており、該温度は液相線
温度より５０℃程度高い温度である。又特開昭５９−１
７０２０７号公報には溶融金属を冷却液中に射出させて
金属繊維を製造する方法が開示され、この中でＰｂ−Ｓ
ｎ合金の溶湯の温度が融点＋１３０〜１５０℃であるこ
とが開示されている。

【０００４】一方従来よりＦＣＢ(Flip Chip Bonding）
用基板や、ＢＧＡ（Ball Glid Aray）等の各種の半導体
パッケージ用基板等における内部あるいは外部接続バッ
ドへの半田バンプの形成、ＰＧＡ(Pin Glid Aray）にお
けるピンの半田接続等に半田材料が用いられている。こ
れらの接続用半田材料としてその取り扱いの容易さから
半田ボールが多用されてきた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】最近半導体装置の高集
積化、小型化が要求され、対応するパッケージもこの流
れにある。例えばこの要求に適合する為にＢＧＡを高集
積化していくと、半導体パッケージ用基板等における内
部あるいは外部接続の電極接合部が小さくなっていき、
該接合部に用いられる半田ボールの熱疲労性能の向上が
求められてきた。

【０００６】本出願人は、先に、Ｐｂ，Ｓｎ，Ｉｎの何
れか１種を主要成分とする半田ボールに、添加成分とし
て少なくとも所定量のＦｅを含有することにより前記熱
疲労性能を向上させることができるとの知見を得た（特
願平９−２６４１６４号参照）。しかしながら、本出願
人はさらに検討する過程で、添加成分として少なくとも
所定量のＦｅを含有する組成の半田インゴットに加工を
施して得られた半田小片を素材として融解して半田ボー
ルを形成すると、半田ボール表面に突起状欠陥が発生
し、球形性能の低下と共に接合性が低下するという問題
があること、突起状欠陥はＮｉ，Ａｇなど他の金属では
なくＦｅが原因であることを見い出した。

【０００７】本発明は、前述の事情に鑑みてなされたも
のであり、その目的とするところは半田ボールをＰｂ，
Ｓｎ，Ｉｎの何れか１種を主要成分とし、添加成分とし
て少なくとも所定量のＦｅを含有する半田材料組成で形
成しても、その表面に１μｍ以上の突起状欠陥を抑止し
た半田ボール及びその製造方法を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、上記目
的を達成するために下記が提供される。 （１）Ｐｂ，Ｓｎ，Ｉｎのうちのいずれか１種を主要成
分とし、添加成分として少なくともＦｅ０．１〜２．０
重量％を含有し、その表面に１μｍ以上の突起状欠陥の
ない半田ボール。

【０００９】（２）Ｐｂ，Ｓｎ，Ｉｎのうちいずれか１
種を主要成分とし、添加成分として少なくともＦｅ０．
１〜２．０重量％を含有した半田ボールの製造方法にお
いて、Ｆｅ母合金が該母合金組成の液相線温度より２０
０〜１０００℃高い温度で溶解、急冷鋳造される第１工
程と、半田ボール組成を有する半田インゴットが、Ｆｅ
の添加に前記母合金を用いて、半田ボール組成の液相線
温度より２００〜１３００℃高い温度で溶解され、次い
で急冷鋳造される第２工程と、前記インゴットから融解
・冷却を経て半田ボールを形成する第３工程を含むこと
を特徴とする半田ボールの製造方法。

【００１０】

【発明の実施の形態】半田ボール 本発明の半田ボールではＰｂ，Ｓｎ，Ｉｎのうち何れか
１種を主要成分とする。ここで主要成分とは最も多い成
分のことであり、好ましくは６０％以上であり、更に好
ましくは９０％以上である。

【００１１】本発明の半田ボールは添加成分として少な
くともＦｅ０．１〜２．０重量％を含有する。半田ボー
ルに少なくともＦｅを含有することにより熱疲労性能が
優れることが可能になる。Ｆｅの添加量が０．１重量％
以上であることによって半田ボールの熱疲労性能を向上
させることができる。Ｆｅの添加量は２．０重量％以下
であることがボール中にＦｅを均一に分布し、また突起
の発生を防止することを可能にする点で実用的である。

【００１２】本発明の半田ボールの添加成分としてはＦ
ｅのほか、Ｎｉ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｐｄ，Ｓｂなどを必要に
応じて適宜用いることができる。本発明になる半田ボー
ルの好ましい組成例としては、Ｆｅを０．１〜２．０重
量％、Ｎｉを０．１〜４．９重量％であってその合計量
が０．２〜５．０重量％、Ａｇ及びＩｎのうち少なくと
も１種を０．１〜５．０重量％の添加成分としたものを
例示出来る。この他、半田性能の要求に従って、Ｃｕ，
Ｐｄ，Ｓｂ等を０．０１〜５．０重量％の範囲で更に添
加してもよい。最も好ましくは０．１〜２．０重量％Ｆ
ｅ，０．１〜２．０重量％Ｎｉ，１．０〜５．０重量％
Ａｇ，６０〜６５重量％Ｓｎ，残部Ｐｂの組成である。

【００１３】本発明の半田ボールは、Ｐｂ，Ｓｎ，Ｉｎ
のうちのいずれか１種を主要成分とし、添加成分として
少なくともＦｅ０．１〜２．０重量％を含有し、その表
面に１μｍ以上の突起状欠陥のないものである。前記組
成とすることにより熱疲労性能に優れた半田材料を得る
ことが出来るが、このような組成で半田ボールを形成す
ると、その表面に突起状欠陥が発生したが、本発明によ
れば半田ボールの表面に１μｍ以上の突起状欠陥をなく
すことができた。本発明でいう半田ボール表面の「突起
状欠陥」とは半田ボール表面に半田材料自身が露出した
突起状物であって、その突起の大きさが１μｍ以上のも
のをいう。その大きさとは突起の長さ、幅、高さを含め
最大寸法をいう。突起状の欠陥が接合性を低下させるこ
とを確認している。

【００１４】半田ボールに所定量のＦｅを含みながら突
起をなくすことにより、、熱疲労性のみならず、球状性
および接合性に優れた半田ボールを提供することができ
る。 半田ボールの製造方法 本発明になる半田ボールの製造方法として最も好ましい
製造方法を以下に例示する。この半田ボールは先ず溶湯
を鋳型に鋳込む鋳造工程によりインゴットを製造する。
次いで該インゴットに加工を施してボール状に加工す
る。

【００１５】（１）第１工程（母合金製造） 本発明の半田ボールを製造するためには半田ボール組成
のＦｅの溶解にＦｅ母合金を用いることが必要である。
Ｆｅ母合金は主要成分にＦｅを含有させた合金であり、
Ｆｅ含有量は半田ボール組成のＦｅ含有量の２〜１０倍
のものが好ましい。Ｆｅ母合金を用いることが半田ボー
ルの突起の発生を防止するために必要である。

【００１６】溶解、鋳造装置をチャンバーで覆い、内部
雰囲気はＦｅ母合金の酸化防止の為、無酸化雰囲気とす
ることが好ましく、Ａｒ，Ｎ₂ 等の雰囲気等が用いられ
る。上記雰囲気中でＦｅ母合金をその組成の液相線温度
より２００〜１０００℃、好ましくは２５０〜７００℃
高い温度で溶解する。次いで溶湯を鋳型中に急冷する。
好ましい冷却速度は２０℃／秒以上であり、更に好まし
くは２０〜４００℃／秒である。

【００１７】また、Ｆｅ母合金の製造において溶解温度
を母合金組成の液相線温度より２００℃以上、好ましく
は２５０℃以上高くないと、最終工程で半田ボールを形
成しても、所定量のＦｅを含有する半田ボール表面に突
起状欠陥が生じることを抑止出来ない。また、溶解温度
の上限は均質な組成のものを得る為に高い程よいが設備
の耐久性を考慮して前述の通りとした。

【００１８】（２）第２工程（半田ボール組成のインゴ
ット製造） 前述のＦｅ母合金を用いて本発明の半田ボール組成のイ
ンゴットを製造する。製造設備としては溶解、鋳造装置
をチャンバーで覆い、内部雰囲気は半田材料の酸化防止
の為、Ａｒ，Ｎ₂ 等の無酸化雰囲気とすることが好まし
い。上記雰囲気中で半田ボール組成の合金を該組成の液
相線温度より２００〜１３００℃、好ましくは４００〜
１２００℃高い温度で溶解する。溶解温度を半田ボール
組成の液相線温度より２００℃以上、好ましくは４００
℃以上高い温度にしなければ、最終工程で半田ボールを
形成しても、所定量のＦｅを含有する半田ボール表面に
突起状欠陥が生じることを抑止出来ない。また、溶解温
度の上限は均質な溶解をする為に高い程よいが設備の耐
久性を考慮して前述の通りとした。

【００１９】次いで溶湯を鋳型中に急冷してインゴット
を製造する。従来半田インゴット鋳造時の冷却速度は１
０℃／秒以下の徐冷で行われていたが、本発明の半田ボ
ール組成のインゴット製造では、２０℃／秒以上の急冷
を行う。この急冷を行うことにより、最終工程で半田ボ
ールを形成しても、その表面の突起状欠陥が生じること
を抑止出来るようになる。この冷却速度が極度に大きい
場合インゴット表面にしわが発生するおそれがある。従
って好ましい冷却速度は２０〜４００℃／秒である。

【００２０】前記の第１工程、第２工程で溶湯を急冷す
る方法として鋳型中に急冷することが好ましく、更には
水冷手段を有するカーボン鋳型を用いることが好まし
い。該カーボン鋳型としては直接水路を形成した水冷手
段を有するカーボン鋳型、水冷装置を有するＣｕ製型材
と接触させる水冷手段を有するカーボン鋳型等が例示で
きる。

【００２１】ここで前者の直接水路を形成する水冷手段
はカーボン鋳型の大きさ、強度の点で水量に制限がある
ことに対して、後者のＣｕ製型材と接触させる水冷手段
は水量制御が容易であり、大量の冷却水を用いた急冷に
適しているため好ましく用いられる。カーボン鋳型を水
冷装置を有するＣｕ製型材と接触させる水冷手段を図１
を用いて説明する。１は半田インゴット、２はカーボン
鋳型、３は水冷装置を有するＣｕ製型材（水冷装置は図
示省略）である。図１（Ａ）はカーボン鋳型２の下端面
で水冷装置を有するＣｕ製型材３を接触させた状態を示
している。前述の第１工程母合金鋳型のように薄いイン
ゴットの製造に好適に用いられる。図１（Ｂ）はカーボ
ン鋳型２の側面及び下端面で水冷装置を有するＣｕ製型
材３を接触させた状態を示している。半田材料を製造す
るために圧延や押出に供する、前述の第２工程のように
比較的大型のインゴットの製造に好適に用いられる。

【００２２】冷却速度はＣｕ製型材を水冷する水量を調
整することにより２０℃／秒以上の急冷をすることがで
きる。又Ｃｕ製型材を水冷しない場合、冷却速度は１０
℃／秒以下となる。 （３）第３工程（半田ボールの製造） 第３工程では、半田インゴットから融解−冷却を利用し
て半田ボールを製造する。好適には、半田インゴットに
加工を施して半田小片を得た後、半田小片を半田ボール
組成の液相線温度以上の高温部を上部に有し、該組成の
固相線温度以下の低温部を下部に有する液状熱媒体中を
落下せしめて半田ボールを形成することができる。

【００２３】第２工程により製造されたインゴットを押
出、圧延、伸線して得られたテープ又はワイヤを素材と
して、切断や打ち抜き加工を施して半田小片に加工す
る。半田小片は要求される半田ボール外径に対応した重
量から算出して決める。図２に基づいて半田小片から半
田ボールを製造する方法の一例を説明する。まずガラス
管等の円筒状等の容器１１内に、液状熱媒体１２を満た
し、容器１１の上方の一部を外部から加熱ヒータ１３で
加熱して上方の液温を半田材料の液相線温度より高く保
つ。また容器１１の下方の一部を水冷パイプ１４等によ
り冷却して液状熱媒体を半田材料の固相線温度以下に保
つ。この状態で容器１１上部のシュート１５から半田小
片ａ₁ を落下させる。

【００２４】半田小片ａ₁ はその融点より高い温度に保
たれた容器１１の上方の高温液状熱媒体中を重力によっ
て落下し、その間に溶融状態となり表面張力の作用によ
って溶融球形状ａ₂ となる。更に落下を続け容器１１の
下方の低温液状熱媒体中を落下する際に、球形を保った
まま凝固し、容器１１底部に球形の半田ボールａ₃ とし
て堆積する。容器１１の下部に設けた取り出し口１６か
ら該半田ボールａ₃ を取り出す。

【００２５】ここで液状熱媒体としては半田材料の液相
線温度以上でも液状を保ち且つ非酸化性のものであれば
よい。フッ素系エーテル、脂肪酸、ロジン、グリセリン
等が例示出来、この中でもフッ素系エーテルとしてのパ
ーフルオロポリエーテルが好ましく用いられる。

【００２６】

【実施例】（実施例１）溶解炉及び鋳造用鋳型を雰囲気
調整可能なチャンバーに収容し、次の要領で２．５％Ｆ
ｅ含有Ｓｎ合金をＦｅ母合金として鋳造した。先ずチャ
ンバー内雰囲気を５×１０^-4Torrとした後、Ａｒガス雰
囲気とした。次いで２．５％Ｆｅ含有Ｓｎ合金の溶解温
度を母合金液相線温度＋２５０℃とし、１０分保温し
た。この溶解には内径７５mm、高さ２００mmのカーボン
ルツボを用いて５０kw高周波溶解炉で溶解した。次い
で、図１（Ａ）に示す水冷装置を有するＣｕ製型材の上
に載置した１０mm厚さのカーボン鋳型に鋳込み、急冷し
た。急冷速度は１５０℃／秒であった。

【００２７】次に、半田ボール用インゴットの鋳造にお
いて、溶解する材料が表１に示す半田ボール組成である
こと、半田ボール組成の溶解温度が該組成の液相線温度
＋８７０℃であること、鋳造鋳型が図１（Ｂ）に示す様
に水冷装置を有するＣｕ製型材と下端面及び四側面を接
触させたカーボン鋳型を用いてＣｕ製型材を水冷してイ
ンゴットの寸法を直径５０mm×長さ３００mmとして急冷
し、急冷速度を５０℃／秒としたこと以外は、前記母合
金鋳造と同様にして、半田ボール用インゴットを鋳造し
た。

【００２８】前記インゴットを押し出した後、０．２mm
厚さのテープに圧延し、裁断して０．１２mg／個の半田
小片を作成した。前記半田小片を素材として図２に示す
装置を用いて半田ボールを形成した。液状熱媒体として
パーフルオロポリエーテルを用いた。半田小片は２５０
℃に加熱されて融解し、表面張力で球状化した後、低温
部に降下して冷却固化される。この装置内における半田
の帯留時間は１２〜１５秒程度である。

【００２９】形成された半田ボールの表面状況をＳＥＭ
（×７００）を用いて観察した。ボール半分の面で観察
出来る突起状欠陥の数×２をボール１個の欠陥数とし、
ボール１０個について欠陥数を測定し、その平均値を表
３に示した。 （実施例２〜１１）（比較例１〜６） 実施例２〜１１、比較例１〜４で用いるインゴットが、
半田ボール組成、母合金溶解温度、半田ボール組成イン
ゴット鋳造時の溶解温度と冷却速度、ボール形成用液状
熱媒体の種類を表１〜２の様にしたこと以外は実施例１
と同様にして、半田ボールを形成し、半田ボール表面の
欠陥数の測定を行い、その平均値を表３に示した。

【００３０】

【表１】

【００３１】

【表２】

【００３２】

【表３】

【００３３】（実施例１２）半田ボールの主要成分をＳ
ｎからＰｂあるいはＩｎにかえた場合にも、上記実施例
と同様の結果が得られることが確認された。 （試験結果） （１）実施例１〜１１のものは、Ｓｎを主要成分とし、
Ｆｅを０．１〜２．０重量％含有する半田ボールの製造
方法に於いて、Ｆｅ母合金の溶解温度が該母合金の液相
線温度より２００〜７００℃高い温度であり、半田ボー
ル組成インゴットの溶解温度が該組成の液相線温度より
４００〜１３００℃高い温度であり、その冷却速度を２
０〜４００℃／秒として鋳造した半田ボール組成インゴ
ットを用いて製造した半田ボールであるが、半田ボール
表面に突起状欠陥のない優れたものであった。実施例１
の半田ボール表面を拡大したＳＥＭ像を図３（Ａ）
（Ｂ）に示す。（Ａ）は２００倍の全体像、（Ｂ）は７
００倍の部分像である。半田ボール表面に突起状欠陥が
ないことが判る。

【００３４】（２）Ｓｎを主要成分とし、Ｆｅを１．０
重量％含有する半田ボールの製造方法に於いて、半田ボ
ール組成の溶解に際して、Ｆｅ母合金を用いない比較例
１のものは、半田ボール表面に突起状欠陥が１０個以上
と悪いものであった。 （３）Ｓｎを主要成分とし、Ｆｅを１．０重量％含有す
る半田ボールの製造方法に於いて、Ｆｅ母合金の溶解温
度が該母合金の液相線温度より１５０℃だけ高い温度で
ある比較例２のものは半田ボール表面に突起状欠陥が８
個と悪いものであった。

【００３５】（４）Ｓｎを主要成分とし、Ｆｅを１．０
重量％含有する半田ボールの製造方法に於いて、半田ボ
ール組成インゴットの溶解温度が該組成の液相線温度よ
り１５０℃だけ高い温度である比較例３のものは半田ボ
ール表面に突起状欠陥が１０個以上と悪いものであっ
た。比較例３の半田ボール表面を拡大したＳＥＭ像を図
４（Ａ）（Ｂ）に示す。（Ａ）は２００倍の全体像、
（Ｂ）は７００倍の部分像である。半田ボール表面に突
起状欠陥が多数生じていることが判る。

【００３６】（５）Ｓｎを主要成分とし、Ｆｅを０．６
重量％含有する半田ボールの製造方法に於いて、半田ボ
ール組成インゴットの冷却速度が１０℃／秒以下の徐冷
である比較例４のものは半田ボール表面に突起状欠陥が
１０個以上と悪いものであった。 （６）Ｓｎを主要成分とし、添加成分としてＦｅを１．
０重量％のみ含有する半田ボールの製造方法に於いて、
半田ボール組成インゴットの溶解温度が該組成の液相線
温度より１５０℃だけ高い温度である比較例５のものは
半田ボール表面に突起状欠陥が１０個以上と悪いもので
あった。

【００３７】（７）比較例３と同様の条件で半田ボール
組成インゴットを製造し、ボール形成用液状熱媒体とし
て、比較例がパーフルオロポリエーテルであることに対
して、グリセリンを用いた比較例６のものも、同様に半
田ボール表面に突起状欠陥が１０個以上と悪いものであ
った。従って半田ボール表面の突起状欠陥はボール形成
用液状熱媒体の種類によっては制御できなかった。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、半田ボールを用いた電
子部品の半田接合においてＰｂ，Ｓｎ，Ｉｎ系の半田に
少なくともＦｅ０．１〜２．０重量％を添加して熱疲労
性能を向上させると共に、Ｆｅを添加したために半田ボ
ールの表面に発生する突起状欠陥を、半田ボールのイン
ゴットの製造工程を工夫してなくし、半田ボールの球状
性と接合性にも優れたものとした。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）（Ｂ）とも合金急冷のための水冷手段を
有する鋳型を示す。

【図２】半田ペレットから半田ボールを製造する１例の
装置を示す。

【図３】実施例１の半田ボールの金属組織を示すＳＥＭ
写真である。

【図４】比較例３の半田ボールの金属組織を示すＳＥＭ
写真である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岸本 浩一 東京都三鷹市下連雀八丁目５番１号 田中 電子工業株式会社三鷹工場内 Ｆターム(参考） 5F067 AB04 BC00 DD00 DD08 EA00

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｐｂ，Ｓｎ，Ｉｎのうちいずれか１種を
   主要成分とし、添加成分として少なくともＦｅ０．１〜
   ２．０重量％を含有し、その表面に１μｍ以上の突起状
   欠陥のない半田ボール。
2. 【請求項２】 Ｐｂ，Ｓｎ，Ｉｎのうちいずれか１種を
   主要成分とし、添加成分として少なくともＦｅ０．１〜
   ２．０重量％を含有した半田ボールの製造方法におい
   て、Ｆｅ母合金が該母合金組成の液相線温度より２００
   〜１０００℃高い温度で溶解、急冷鋳造される第１工程
   と、半田ボール組成を有する半田インゴットが、Ｆｅの
   添加に前記母合金を用いて、半田ボール組成の液相線温
   度より２００〜１３００℃高い温度で溶解され、次いで
   急冷鋳造される第２工程と、前記インゴットから融解−
   冷却を経て半田ボールを形成する第３工程を含むことを
   特徴とする半田ボールの製造方法。