JP2002020807A - はんだボールおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 はんだボールに要求される高い真球度と寸法
精度を合せ持ちながら、平滑な表面形状を有するはんだ
ボールとその製造方法を提供する。 【解決手段】 球の中心を含む断面で観察した際に、最
も大きい１個のデンドライトの面積率が８０％以下であ
るはんだボール。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置などに
おけるマイクロソルダリング用はんだボールにおいて、
特に真球度が高く、搬送性に優れているはんだボールと
その製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイス実装技術のＢＧＡ（ボー
ル・グリッド・アレイ）は広く用いられている。ＢＧＡ
は、キャリアにバンプを設けてはんだパットを形成し、
最終的に基板との接合を行うためには、キャリア上のア
レイ当り、数百、多くの場合数千ものはんだボールを、
精度高くしかも同一平面に取付けられ、このはんだボー
ルには真球に近い精度と平滑な表面と１０ミクロン以内
の寸法精度が要求される。このように用いらるはんだボ
ールの製造方法としては、油中造球法が一般的である。
この方法は、微細に切断したはんだを油中で加熱溶解
し、次いで冷却して得るものである。しかし、この方法
では、微細なはんだ片を製造する工程や洗浄工程が必須
であり、不経済である。

【０００３】最近、この方法に代わるより経済的な方法
として、るつぼ内の溶湯に圧力と振動を付与して前記る
つぼの低部に設けたオリフィスから溶湯を押出し、前記
オリフィスから滴下した溶湯を急冷凝固させて、はんだ
ボールを製造する方法が、米国特許第５，２６６，０９
８号に開示され、均一液滴法と呼ばれている。この方法
は、装置の際上部にピエゾ素子などを用いた振動装置が
設置される。その下に上記溶湯を保持する炉があり、炉
の下にはオリフィスと呼ぶ穴があいている。オリフィス
の外には、このオリフィスから押し出された溶湯の分断
と凝固雰囲気を制御する回収チャンバーがあり、このチ
ャンバーの底ではんだボールを回収する構造になってい
る。

【０００４】炉と回収チャンバーは、雰囲気の制御と減
圧や加圧ができるようになっている。炉の圧力を回収チ
ャンバーより高くすることによって、オリフィスより溶
湯を噴出させる。この溶湯をジェットと呼ぶ。ピエゾ素
子などで発生させた振動をステンレスやセラミック製の
棒等を用いて、炉の中で溶湯にこの振動を付加する。振
動が付加されたジェットには、一定の間隔で流量の大小
があり、このために一定間隔で切断され、均一な体積の
液滴となる。さらに、均一の体積の液滴は、自身の表面
張力によって球状になる。その後に、凝固させることに
よって、均一に球状化したはんだボールを得る。また、
ジェットの周辺に電極を設置し、ジェットとこの電極の
間に電位差を持たせる。これによって、切断された液滴
を同符号に帯電させ、各液滴が反発して、凝固中の接触
による形状や粒径の不良を防止している。この方法は、
真円度と寸法精度の良いはんだボールを、高い生産性で
製造することを可能にする。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明者が種々の組成
のはんだボールを、均一液滴法によって製造したとこ
ろ、はんだボールの表面形状の凹凸に差異が生じた。は
んだボールにおいて、表面形状は非常に重要である。そ
の主な理由は以下の２つある。

【０００６】第一の理由は、はんだボールをＢＧＡパッ
ケージに実装する装置では、はんだボールを連続的に供
給するために停滞することなく転がることが求められる
からである。もし、転がりが悪いと、装置の途中ではん
だボールの供給が止まりので、この供給部分の調整など
が頻繁に必要となり、生産効率を著しく低下させる。第
二に理由は、はんだボールをＢＧＡパッケージに高精度
で並べる方法として、ＢＧＡパッケージに合わせて高精
度に配置したノズル部分を真空に引き、この部分にはん
だボールを吸着させ、所定の位置に配列する方法があ
る。この際に、はんだボールの表面の凸凹がはげしいと
吸着できず、はんだボールが置かれない端子ができ、Ｂ
ＧＡパッケージそのものが不良となるからである。

【０００７】本発明の目的は、はんだボールに要求され
る高い真球度と寸法精度を合せ持ちながら、平滑な表面
形状を有するはんだボールと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】本発明は上述した表面形
状（凹凸）について、鋭利検討した表面形状が平滑なは
んだボールには特別な金属組織を有していることを知見
し、本発明に到達した。即ち本発明は、球の中心を含む
断面で観察した際に、最も大きい１個のデンドライトの
面積率が８０％以下であるはんだボールである。好まし
くは、Ｓｎの融点を降下させる元素１種または２種以上
を、合計で０．５〜６０質量％含有し、残部が実質的に
Ｓｎからなるはんだボールまたは、２〜６質量％Ａｇを
含有し、さらに０．１〜２．０質量％Ｃｕと０．１〜１
０．０％Ｂｉの１種または２種を含有し、残部が実質的
にＳｎからなるはんだボールである。

【０００９】また、本発明の製造方法としては、るつぼ
内の溶湯に圧力と振動を付与して前記るつぼの底部に設
けたオリフィスから溶湯を押出し、前記オリフィスから
滴下した溶湯を球状に急冷凝固させ、球の中心を含む断
面で観察した際に、最も大きい１個のデンドライトの面
積率を８０％以下とするはんだボールの製造方法であ
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の最も重要な特徴は、球の
中心を含む断面で観察した際に、最も大きい１個のデン
ドライトの面積率が８０％以下であることを特徴とする
はんだボールである。以下に詳しく本発明を説明する。
本発明者は球状に凝固した１ｍｍ以下の直径のはんだボ
ール表面形状と断面の金属組織との関係しついて詳細に
検討した。その結果、はんだボールの最終凝固部分と考
えられるデンドライトの先端付近の形状が、他の部分と
比較して凸凹が大きいことを見出した。

【００１１】一方、凝固方向などからデンドライトが最
初に形成されたと推定される部分の表面は十分に平滑で
あったし、コロニーのみが形成された凝固組織を有する
はんだボールの表面も平滑であった。さらに詳細に観察
をすると、単結晶、あるいは殆どの部分を１個の結晶が
占めている単結晶に近いミクロ組織を有するはんだボー
ルでは、特に最終凝固と考えられる部分、例えばデンド
ライトの先端で、凸凹な形状となることがわかった。

【００１２】一方、２つ以上の結晶が存在するか、ある
いはそれに近いと考えられるミクロ組織を有するはんだ
ボールでは、表面形状が比較的に平滑になる凝固を始め
た部分が広くなることを見出した。さらに、このような
組織でデンドライトの先端がぶつかりあっている場合
は、表面形状が平滑に改善されることを見出した。すな
わち、１個の結晶が全体積の大部分を占めるようなミク
ロ組織は、１つのデンドライトが非常に大きく成長し、
表面形状の平滑な凝固開始の部分が狭く、表面形状が凸
凹している凝固の最終部分が広くなる。

【００１３】次に、このデンドライトの大きさについて
球の中心を含む断面にて検討した。図１に示した模式図
を用いて説明すると、図１（ａ）のように、１つのデン
ドライトが大きい凝固組織では、図の上部になる最終凝
固部で表面形状が凸凹になり、図の下部になる凝固開始
部で表面形状が平滑な部分が少なく、この場合、最も大
きな１個のデンドライトの面積率は何れも８０％を超え
るものとなっており、デンドライトの先端が球の表面に
突出して、表面の平滑性が失われる。

【００１４】一方、図１（ｂ）では、図の上部と下部か
らほぼ均等な大きさのデンドライトが成長した場合を示
しており、この場合は、凝固開始部分が増加し、表面形
状が平滑な部分が広くなり、かつ最終凝固部の表面形状
が凸凹の部分も狭くなると考えらる。この場合の、最も
大きな１個のデンドライトの面積率は何れも８０％以下
であり、球の表面へのデンドライト先端の突出は抑制さ
れ、表面の平滑性が確保される。また、図１（ｃ）に示
したように、デンドライトがなく、コロニーのみから凝
固組織がなる場合も、表面形状は平滑になる。つまり、
球の中心を含む平面、すなわち断面積が最も広くなる断
面で、ミクロ組織を観察して最も広い面積を占めている
１個のデンドライトの面積が、全面積の８０％以下であ
れば、表面形状が凸凹にならず、平滑性を確保できるた
め、本発明では最も広い面積を占めている１個のデンド
ライトの面積を８０％以下と規定した。

【００１５】次に、上述の最も広い面積を占めている１
個のデンドライトの面積が８０％とすることができる化
学組成について、検討を行った。広く知られているよう
に、純Ｓｎの融点２３２℃以上に融点が高くなると、Ｂ
ＧＡパッケージの耐熱などの問題が生じるだけでなく、
本発明者の検討によれば、デンドライトが８０％を超え
て過剰に成長して、表面の平滑性を損ない易いことを知
見した。そこで、本発明者は、純Ｓｎの融点を下げる元
素と、Ｓｎを主成分としながら、融点が２３２℃未満に
調整できる種々の元素について、表面形状に与える影響
について検討した。

【００１６】上述のＳｎの融点を降下させる元素１種ま
たは２種以上を合計で０．５質量％〜６０質量％含有し
残部がＳｎからなる組成にすることよって、球の中心を
含む断面で観察した際に、最も大きい１個のデンドライ
トの面積率が８０％以下の凝固組織に制御できる。ま
た、６０％を超えて含有すると、はんだとして必要とさ
れる機械的強度を得ることや接合温度の調整が困難にな
る。好ましくは、Ｓｎの融点を降下させる元素を、合計
で２．０質量％以上含有させることであり、これにより
冷却方法などの製造条件への依存が低減され、顕著に表
面形状を平滑にすることが可能になる。このＳｎの融点
を降下させる元素には、例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ｂｉ、Ｐ
ｂ、Ｚｎ、Ｓｅ、Ｇｅ、Ｐ、Ｓ、Ｂ、Ｃ、Ａｌ、Ａｕ、
Ｎｉ、Ｉｎ、Ｍｎ、Ｃｏ等が挙げられる。

【００１７】この他に、表面の形状を平滑にする効果の
あるものとしてＳｂを適量添加することができるが、Ｓ
ｂはＳｎの融点を高める作用があるため、Ｓｎの融点が
２３２℃を超えない範囲内で添加することができる。こ
の場合は、例えばＡｇ等のＳｎの融点を降下させる作用
を有する他の元素と複合添加することが望ましい。

【００１８】本発明において、環境への問題が指摘され
ているＰｂを含まない化学組成のはんだボールとする場
合は、Ｓｎの融点を降下させる元素として、特に２〜６
質量％Ａｇを含有し、さらに０．１〜２．０質量％Ｃｕ
と０．１〜１０．０％Ｂｉの１種または２種を含有させ
ることによって、球の中心を含む断面で観察した際に、
最も大きい１個のデンドライトの面積率が８０％以下の
凝固組織に容易に製造できると同時に、実装時のリフロ
ー温度の制御が容易になる。ここで規定した各元素の規
定理由を説明する。

【００１９】まず、ＡｇはＳｎに２〜６質量％の範囲で
Ａｇを含有させると、液滴を常温ガス雰囲気中で冷却す
る生産性が高い冷却方法でも、はんだボールの凝固組織
は、共晶組織あるいはこれに近い組織となり、複数のデ
ンドライトあるいは複数のコロニーが存在する組織とな
り、１個のデンドライトが面積率８０％以下にする作用
を有する元素であるが、２質量％未満あるいは６質量％
を越えるＡｇの含有は、好ましい凝固組織に制御するこ
とが簡単ではなくなり、冷却方法や液滴の温度などを高
精度で制御することが必要になるため、２〜６質量％の
範囲に規定した。好ましくは１．９〜３．６％の範囲内
である。

【００２０】次に、Ｃｕを０．１〜２．０質量％とＢｉ
を０．１〜１０．０質量％を１種または２種を添加する
と、急冷した凝固組織が共晶組織あるいはこれに近い組
織になるだけでなく、Ｓｎ−Ａｇの２元系の場合よりデ
ンドライトあるいはコロニーの数が増加して、表面の平
滑性を高める。これは、ＣｕやＢｉの添加により、凝固
時に核生成が容易になったためと考えている。この効果
は、０．１〜２．０質量％Ｃｕ、０．１〜１０．０質量
％Ｂｉの範囲でこの効果が得られる。なお、このメカニ
ズムについては明確に解明出来ていないが、これら元素
を添加することにより融点などが変化することと相関が
あると考えている。好ましいＣｕとＢｉの範囲は、Ｃｕ
は０．４〜０．８％、Ｂｉは１．９〜３．６％の範囲で
あり、この範囲に調整すれば溶接温度を低くしたり、は
んだ接合強度を高めたりする効果も得られるため、特に
好ましいからである。

【００２１】また、Ｎなどの不可避的に含まれる元素
も、含有量が増加すると核生成が促進され、デンドライ
トの数が増加し表面形状を平滑する効果があると考えら
れる。よって、半田に必要とされる環境への影響、強
度、信頼性、濡れ性などが損なわれない範囲で、添加元
素として含まれることが好ましい。例えば、Ｐｂフリー
のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだボールでは、Ｐｂを含ま
ないことが環境問題への対応から求められが、環境への
影響が少ないと考えられる数１０ｐｐｍ程度のＰｂの含
有は、表面形状を平滑にする効果を有する。

【００２２】次に、上述したはんだボールの製造方法に
ついて説明する。具体的には、るつぼ内の溶湯に圧力と
振動を付与して前記るつぼの低部に設けたオリフィスか
ら溶湯を押出し、前記オリフィスから滴下した溶湯を球
状に急冷凝固させる均一液滴法によって、上述したはん
だボールを製造する方法である。本発明の均一液滴法で
は、溶湯を急冷凝固させて製造するために、凝固組織が
直接に表面形状に影響を及ぼす。製造方法で重要な点
は、オリフィスから滴下した液滴を特別に急冷凝固させ
ることである。これによって、上述してきたような最も
大きい１個のデンドライトの面積率を８０％以下にし、
表面形状が平滑なはんだボールを製造することができ
る。

【００２３】急冷の方法としては、液滴を、窒素、アル
ゴン、水素などの不活性ガス、還元ガスあるいはこれら
の混合ガス雰囲気で、好ましくは０．１１ＭＰａ以上の
気圧で凝固させる。あるいはさらに急冷を行いたい場合
には、液体窒素や液体アルゴンなど、０℃以下の安定な
液体を用いて凝固させることによって、均一液滴法の利
点である、高い真円度と寸法精度の良いはんだボール
を、高い生産性で製造できる上に、更に、平滑な表面形
態をも付与するに十分な効果を得ることができる。

【００２４】

【実施例】本発明の実施例について説明する。実施例と
して示すはんだボールは、本発明の液滴法を用い、るつ
ぼ内の溶湯に圧力と振動を付与して前記るつぼの底部に
設けたオリフィスから溶湯を押出し、オリフィスから滴
下した溶湯を窒素ガス雰囲気中で０．１５ＭＰａで球状
に急冷凝固させて直径６００μｍのはんだボールを製造
した。次いで、得られたはんだボールを、ボールの中心
を含む断面観察に供し、デンドライトの面積率を測定し
た。面積率の測定方法は、球の中心を含む断面もしくは
これに近い断面になるように鏡面研磨を行い、２質量％
ＨＣｌ＋５質量％ＨＮＯ３＋メタノールの混酸で腐食を
行い、断面の直径が５９０〜６１０μｍであるもののみ
を２０個無作為に選択して、光学顕微鏡でミクロ組織を
観察し画像解析により測定した。そして、この表１には
２０個の中で１個のデンドライトで最も高い面積率であ
った値を示している。また、デンドライトがなく、コロ
ニーのみであったものは「なし」として示した。

【００２５】表面形状は、傾斜をつけた板の上ではんだ
ボールを転がす試験(転がし試験)をおこなった。転がり
試験の結果から基準をつくり、傾斜を転がっている最中
に斜面上で止まるものが全体の０．１％以上見られたも
のを転がりの悪かったものとして×、斜面を転がってい
る最中に斜面上で止まるものが０．１％未満であったも
のを、良品として○、斜面を転がっている最中に斜面上
で止まるものが０．１％未満であったが、斜め方向へ転
がったものは、形状が少し凸凹しているものを△として
示している。なお、Ｎｏ．２〜Ｎｏ．１５のＰｂ含有量
は、２０ｐｐｍ程度であった。

【００２６】

【表１】

【００２７】表１の結果について説明する。Ｎｏ．１
は、現在もっとも一般的に使用されているはんだ組成で
あるが、はんだボールの凝固組織は、コロニーのみから
なっており、表面形状は平滑であった。Ｎｏ．２は、Ｓ
ｎにＣｕが０．４質量％含有した組成であり、最大のデ
ンドライトの面積率が８２％になっており、表面形状も
非常に凸凹であり、転がりも著しく悪かった。Ｎｏ．３
は、ＳｎにＣｕが０．５質量％含有した組成になると、
最大のデンドライトの面積率が７９％となり、表面形状
も平滑に改善され、転がりは良くなる。

【００２８】Ｎｏ．４は、ＳｎにＣｕが２．０質量％含
有した組成であり、最大のデンドライトの面積率が５９
％となり、表面形状は著しく平滑に改善される。Ｎｏ．
２から４を比較すると分かるように、Ｃｕ含有量が増加
するに従って、最大のデンドライトの面積率が減少し、
表面形状が平滑になる。特に、本発明である０．５質量
％以上Ｃｕを含有したＮｏ．３は、０．５質量％未満で
あるＮｏ．２と比較して、表面形状も平滑に改善さる。

【００２９】Ｎｏ．５は、ＳｎにＡｇが０．３質量％含
有した組成であり、最大のデンドライトの面積率が８４
％になり、表面形状は凸凹している。このはんだボール
を走査式電子顕微鏡で観察した写真を、図２、３に示
す。図２ではデンドライトの最終凝固の先端が突出した
ために、明らかに表面形状が凸凹していることがわか
る。一方、図３は、凝固が開始した部分であるために、
平滑になっている。このように、Ｎｏ．５のはんだボー
ルでは、平滑な面もあるが、多くの表面では、デンドラ
イト先端が突出し、凸凹な形状になっている。

【００３０】Ｎｏ．６は、ＳｎにＡｇが１．９質量％含
有した組成であり、最大のデンドライトの面積率が６６
％になり、表面形状も平滑になる。Ｎｏ．７は、Ｓｎに
Ａｇが３．５質量％含有した組成であり、最大のデンド
ライトの面積率が５５％になり、表面形状は平滑にな
る。このはんだボールを走査式電子顕微鏡で観察した写
真を、図４、５に示す。これら図から、明らかに表面形
状が、Ｎｏ．５と比較して、平滑であることがわかる。
また、図５は２個の結晶からなっていると考えられる。

【００３１】Ｎｏ．８は、ＳｎにＡｇが５．５質量％含
有した組成であり、コロニーのみが形成されており、表
面形状は非常に平滑である。Ｎｏ．５から８を比較する
と、Ｃｕの含有を変えた場合と同様であり、Ａｇ含有量
が増加する従って、最大のデンドライトの面積率が減少
し、さらにＮｏ．８ではコロニーのみが形成され、表面
形状が改善される。Ｎｏ．９からＮｏ．１５は、Ｓｎに
Ａｇ、Ｃｕ、Ｂｉ、Ｇｅを合計で２．０質量％以上含有
し、最大のデンドライトの面積率が６０％未満になり、
表面形状が平滑なはんだボールである。なお、本発明の
はんだボールは、寸法精度が５９０〜６１０μｍの範囲
あるものが製造した全てのボールの９２％であり、円相
当径を最大径で割って定義した真球度について、２０個
のボールを測定した結果、０．９９８以上であった。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、高い真球度と、寸法精
度を併せ持ち、更に表面形状が平滑なはんだボールを得
られることができるため、ＢＧＡパッケージに実装する
際の不良率の低減に寄与して、生産性の向上や合格率の
向上させる。よって、本発明のはんだボールおよびその
製造方法は、工業的に非常に重要なものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】はんだボールの断面金属組織の模式図である。

【図２】比較例としてのはんだボールの顕微鏡写真であ
る。

【図３】比較例としてのはんだボールの顕微鏡写真であ
る。

【図４】本発明のはんだボールの顕微鏡写真である。

【図５】本発明のはんだボールの顕微鏡写真である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ２２Ｃ 13/02 Ｃ２２Ｃ 13/02

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 球の中心を含む断面で観察した際に、最
   も大きい１個のデンドライトの面積率が８０％以下であ
   ることを特徴とするはんだボール。
2. 【請求項２】 Ｓｎの融点を降下させる元素１種または
   ２種以上を、合計で０．５〜６０質量％含有し、残部が
   実質的にＳｎからなる請求項１に記載のはんだボール。
3. 【請求項３】 ２〜６質量％Ａｇを含有し、さらに０．
   １〜２．０質量％Ｃｕと０．１〜１０．０％Ｂｉの１種
   または２種を含有し、残部が実質的にＳｎからなる請求
   項１に記載のはんだボール。
4. 【請求項４】 るつぼ内の溶湯に圧力と振動を付与して
   前記るつぼの底部に設けたオリフィスから溶湯を押出
   し、前記オリフィスから滴下した溶湯を球状に急冷凝固
   させ、球の中心を含む断面で観察した際に、最も大きい
   １個のデンドライトの面積率を８０％以下とするはんだ
   ボールの製造方法。