JP2002057177A - 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、平滑な表面形状と清浄な表面を
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】 主にＳｎからなり、１．０〜４．５質量
％Ａｇを含有した場合または、０．３〜１．２質量％Ｃ
ｕを含有した時の、その他の元素が合計で０．０１〜
０．２質量％であるはんだボール若しくは、主にＳｎか
らなり、１．０〜４．５質量％Ａｇかつ０．３〜１．２
質量％Ｃｕを含有し、その他の元素が合計で０．００６
〜０．１質量％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
使用されるはんだボールにおいて、特に表面形状が平滑
であり、搬送性と搭載性に優れているはんだボールおよ
び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。このＢ
ＧＡ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、精度良くしかも同一平面に取付けられる。このため
に、はんだボールには真球度０．９５以上の真球に近い
精度と、平滑な表面と、ボールの直径１００〜１０００
μｍで±１０μｍ以内の寸法精度が要求される場合が多
い。このように用いられ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、均一液滴噴霧法と呼ばれている。この
方法に基づいて本発明者等は、はんだボールを製造する
ために改良を加え、特願２０００−７０５３５号として
提案している。この特願２０００−７０５３５号に提案
する均一液滴噴霧装置は、装置の最上部にピエゾ素子な
どを用いた振動装置が設置され、その下に上記溶湯を保
持する炉がある。炉の下にはオリフィスと呼ぶ穴があ
り、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
ある。このチャンバーの底ではんだボールを回収する構
造を提案している。

【０００４】ここで詳細に図１を用いて、上述の均一液
滴噴霧装置をより具体的に説明する。ピエゾ素子(1)で
振動を発生させ、振動棒(3)を介して、溶湯(4)に振動が
伝わる。溶解チャンバー(5)にはガス供給口(2)よりガス
が供給され加圧された状態になっている。圧力によって
オリフィス(6)から押し出された溶湯は、振動が与えら
れているので一定の間隔で分断され、液滴(8)が形成さ
れる。電極板(7)では、電極板と溶湯の間に電位を与え
ており、これによって液滴を同一電荷に帯電させて液滴
同士が接することを防止している。これらの液滴は、チ
ャンバー(9)内を落下中に自身の表面張力によって球状
化され、ガス雰囲気を飛行中に冷却され、凝固する。回
収チャンバー(9)内には、ガス供給口(11)より、不活性
ガスが供給されていおり、液滴などの酸化を防止してい
る。また、回収チャンバー内の圧力は、溶解チャンバー
(5)中より低くしてある。最終的には、球状凝固体(10)
として、チャンバーの底部に回収される。

【０００５】図１に示す装置では、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。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
加された液柱には、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、均一な体積の液滴は、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、液柱の周
辺に電極を設置し、液柱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、真球度と寸法精度
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。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明者等が種々の組
成のはんだボールを、上述した均一液滴噴霧法によっ
て、鉛フリー材として注目されるＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−
Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の製造したところ、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
は以下の二つである。

【０００７】第一の理由は、例えばはんだボールをＢＧ
Ａ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。第二の理由は、例えばはんだボールをＢＧＡパッケ
ージに高精度で搭載する方法として、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、はんだボールが搭載されない
端子ができ、ＢＧＡパッケージそのものが不良となるか
らである。

【０００８】この他に、はんだボールには、表面が清浄
であることも求められる。はんだボール表面が汚れてい
ると、フラックスを用いても酸化層を除去することが出
来なくなり、接合強度を低下させることになる。このこ
とを考えると、従来の油中冷却は、洗浄を行うにして
も、品質の安定性や生産性の点から好ましくない。液体
窒素中のような極低温環境で冷却させることも技術的に
は可能であるが、Ｓｎを主とした組成のはんだボールで
は、極低温の安定相であるαＳｎになるために非常に脆
いものになる。この脆いはんだボールは分級などで欠け
を生じるので、真球度の高いボールを得られなくなる。
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、平滑な表面形状と清浄な
表面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。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者等は上述したは
んだボール表面形状（凹凸）について鋭意検討した結
果、鉛フリー材として注目されるＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−
Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系におけるはんだボールの表
面形状の平滑性が、合金中の微量元素の含有量に相関が
あることを見出し、表面平滑なはんだボールを得るため
には、適正な微量元素添加量が存在することを知見し、
本発明に到達した。

【００１０】即ち本発明の第一は、主にＳｎからなり、
１．０〜４．５質量％Ａｇ、その他の元素が合計で０．
０１〜０．２質量％であるはんだボールである。また本
発明の第二は、主にＳｎからなり、０．３〜１．２質量
％Ｃｕを含有し、その他の元素が合計で０．０１〜０．
２質量％であるはんだボールであり、本発明の第三は、
主にＳｎからなり、１．０〜４．５質量％Ａｇかつ０．
３〜１．２質量％Ｃｕを含有し、その他の元素が合計で
０．００６〜０．１質量％であるはんだボールである。

【００１１】また、本発明は、これらの組成系におい
て、その他の元素のうちＧｅを０．１質量％以下を添加
することも可能であり、上述のはんだボールは、球状化
した液滴をガス雰囲気中で冷却凝固させたするはんだボ
ール。また本発明は、上述のはんだボールの製造方法に
おいて、はんだ溶湯をるつぼ内に保持し、該溶湯に圧力
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、該オリフィスから滴下した球状液
滴をガス雰囲気中で冷却凝固させるはんだボールの製造
方法である。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の最も重要な点は、Ｓｎ−
Ａｇを基本元素とする場合では、ＳｎとＡｇ以外の元素
を合計で０．０１質量％以上含有することであり、Ｓｎ
−Ｃｕを基本元素とする場合は、ＳｎとＣｕ以外の元素
を合計で０．０１質量％以上含有することであり、Ｓｎ
−Ａｇ−Ｃｕを基本元素とする場合ではＳｎ、Ａｇ、Ｃ
ｕ以外の元素を０．００６質量％以上含有することであ
る。本発明においては、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、
Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の共晶を構成するＳｎ、Ａｇ、Ｃｕ
以外の元素は、基本的に表面形状を改善する点からはど
のような元素でも良い。ただし、はんだとして必要な特
性を損なわない元素であることが良いことは当然であ
る。よって、本発明で言うその他の元素のうち、好まし
い元素は、Ｇｅ、Ｎｉ、Ｐ、Ｍｎ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、
Ｓ、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｉｎである。さらにこれらの元素は一
種または二種以上添加してもよい。また、ここに列挙し
た個々の元素は、その他の元素全体の中での主となって
いることが好ましい。特に、このうちＧｅについては耐
酸化性を向上させるなど有益な効果がある。Ｎｉ、Ｐ、
Ｍｎ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｓ、Ｉｎなども融点を低下さ
せる効果や接合強度を高める効果などがあり、用途に適
したはんだ特性にできるので好ましい。Ｓｂは強度を向
上させる効果がある元素である。

【００１３】次に本発明において、Ｓｎ−Ａｇあるいは
Ｓｎ−Ｃｕを基本元素とする場合は、その他の元素の含
有量を合計で０．０１質量％とした理由を説明する。図
２に示すように、その他の元素を０．０１質量％未満し
か含まないＳｎ−３．５質量％Ａｇでは表面形状が非常
に凹凸になる。一方、図３に示すように、その他の元素
を０．０１質量％以上含有するＳｎ−３．５質量％Ａｇ
では、平滑な表面になっている。このように、その他の
元素が０．０１質量％以上含有していると、表面形状が
平滑になることがわかる。Ｓｎ−ＡｇあるいはＳｎ−Ｃ
ｕを基本元素とする場合は、その他の元素が０．０１質
量％未満になると、表面形状が凹凸になる原因は明らか
に出来ていない。

【００１４】しかし、本発明者は次のように推定してい
る。表面形状が凹凸になっているはんだボールの金属組
織を観察すると、明確な結晶粒界がなくβ−Ｓｎ単結晶
と分散するＡｇ−ＳｎまたはＣｕ−Ｓｎ系の金属間化合
物相からなると考えられるような金属組織である。ま
た、共晶組成でない組成系であってもデンドライトが認
められない金属組織であると表面形状が凹凸となる。一
方、平滑な表面のはんだボールの金属組織を観察する
と、β−Ｓｎ多結晶と考えられような金属組織であり、
かつ、共晶組成でない組成系ではデンドライトが認めら
れる。このような金属組織の違いから、その他の元素量
０．０１質量％未満の単結晶組織の方が、その他の元素
量０．０１質量％以上の多結晶組織に比較して、急激に
凝固したと考えられる。多結晶の方が緩やかに凝固でき
た理由は、その他の元素を多く含有したために固液共存
領域が広がると同時に融点が低くなったためと考えられ
る。これによって、結晶粒の複数個生成やデンドライト
の成長が可能となったと推定している。

【００１５】はんだがボール状に急激に凝固すると、凝
固時の体積収縮による形状変化を表面張力によって球状
に修正する時間がなく凝固が完了するために、凹凸の形
状となる。一方、凝固が比較的に緩やかに進行すると、
一部が凝固し体積収縮が起こって、液滴表面に凹凸が発
生しても、再度表面張力によって形状を曲面に補正する
時間があると考えている。また、表面が不均一核生成の
核として働くものと推定しており、この核生成部は平滑
形状を取ることから、多結晶体は必然的に平滑な表面の
割合が増えるものと考えている。

【００１６】Ｓｎ−ＡｇあるいはＳｎ−Ｃｕを基本元素
とする場合は、その他の元素の含有量の上限は０．２質
量％とした。これは、０．２質量％を越えて含有させて
も表面形状を平滑にする効果はあるが、０．２質量％の
場合と比較して、表面形状の効果に差異はない。一方
で、はんだの特性に与える影響が大きくなる。よって、
はんだの必要特性である強度などの変化が、許容できる
範囲内ということから、上限を０．２質量％とした。

【００１７】一方、基本元素がＳｎ−Ａｇ−Ｃｕの３種
類になる場合では、その他の元素の下限を０．００６質
量％とした。この系では、ＳｎにＡｇとＣｕを共に含有
しているので、微量元素として添加する場合に近い効果
効果が得られ、少量でも表面が平滑になる効果が認めら
れるためである。。また、基本元素がＳｎ―Ａｇ―Ｃｕ
の３種類の場合では、その他の元素の上限を０．１質量
％とした。これは、この系では、その他の元素を０．１
質量％含有した段階で、これを越えて含有した場合と表
面形状改善の差異がなくなるからである。

【００１８】本発明において、基本元素は、主にＳｎか
らなり１．０〜４．５質量％Ａｇ、主にＳｎからなり
０．３〜１．２質量％Ｃｕ、および主にＳｎからなり
１．０〜４．５Ａｇ質量％Ａｇかつ０．３〜１．２質量
％Ｃｕの３種類とした。この理由は、“鉛フリーはんだ
規格化のための研究開発プロジェクト”成果報告発表
会、平成１２年６月２２日 芝浦工業大学 主催：社団
法人 日本溶接協会、企画：鉛フリーはんだ規格化のた
めの研究開発プロジェクト委員会で報告されているよう
に、この基本組成系がはんだとしての特性に特に優れて
いるからである。例えば、ＳｎにＡｇやＣｕを適量添加
することによって、融点の最適化、ぬれ性の向上などが
可能である。

【００１９】その他の元素の中にＧｅを含有させると、
耐酸化性を向上させることが可能である。含有量として
は、０．００５質量％以上を含有させるとその効果はよ
り明確なものとなる。また、不可避的に含有する不純物
があるので、基本元素がＳｎ−Ａｇ−Ｃｕの３種類の場
合においても、その他の元素の影響が機械的な強度など
のはんだ特性に現れないようにするために、Ｇｅ量を
０．１質量％以下とした。

【００２０】本発明のはんだボールは、例えば図１に示
す均一液滴噴霧装置を用いてるつぼ内の溶湯に圧力と振
動を付与して、このるつぼの底部に設けたオリフィスか
ら溶湯を押出し、このオリフィスから滴下した溶湯が球
状化し、ガス雰囲気中で冷却凝固させると良い。ガス雰
囲気とは、窒素、アルゴンや炭酸ガスの不活性ガス雰囲
気、さらにはこれらのガスに一部Ｈ_２やＣＯガスなどを
混合した還元性ガス雰囲気中で冷却を行うことによっ
て、清浄な表面を有するはんだボールを得ることが出来
る。

【００２１】また、本発明者が検討した結果、ガス油中
冷却を採用した均一液滴噴霧法の装置、あるいは、はん
だ片を油中で加熱溶融し冷却する方法では、形状を補正
するために、加熱した油に入れ表面張力で球形にし、油
に温度勾配をつくり徐々に凝固させることができる。す
なわち、凝固速度を遅くできるものである。これに対し
て、ガス雰囲気中で冷却を採用した均一液滴法の装置で
は、空中で球状に凝固するため、形状を補正する必要が
ないが、凝固は非常に急激に進むことになる。そのため
本発明で課題となる表面形状の凹凸の問題が顕著にな
る。すなわち、本発明者は、清浄な表面を得るためにガ
ス雰囲気中で冷却を行う場合には、その他の元素を適量
含有させることが表面形状を平滑にするために非常に重
要である。このように、はんだボールの凹凸の発生は、
凝固速度が早い場合に顕著になると推定されるため、本
発明の適用は、冷却速度の速い空冷凝固のはんだボール
に対して特に有効である。

【００２２】

【実施例】本発明の実施例について説明する。図１に示
す均一液滴噴霧法を用いた製造装置により、はんだ溶湯
をるつぼ内に保持し、該溶湯に圧力と振動を付与して、
該るつぼの底部に設けたオリフィスから溶湯を押出し、
該オリフィスから滴下した球状液滴を窒素ガス雰囲気中
で冷却凝固させることにより、直径６００μｍのはんだ
ボールを製造した。表１に供試した組成を挙げると同時
に、各組成と表面形状の相関について行った実験結果を
まとめる。このはんだボールの評価方法について説明す
る。図２に示すような表面形状になったものを○とし
た。図３に示すような凹凸のある表面形状になったもの
を×とした。

【００２３】Ｎｏ．１からＮｏ．６は、Ｓｎ―１．０〜
４．５質量％Ａｇについて、微量のその他の元素を添加
して、比較検討した結果である。表１に各組成と表面形
状の相関について行った実験結果をまとめる。Ｎｏ．１
〜６は、Ｓｎ−Ａｇを基本元素とする合金系についての
結果である。本発明のその他の元素を０．０１質量％以
上含有しているＮｏ．１〜３の表面形状は平滑であっ
た。Ｎｏ．１、２、３には、それぞれＭｎ、Ｇｅ、Ｂｉ
が添加されている。一方、その他の元素の含有量が０．
０１質量％未満であるＮｏ．４〜６の表面形状は、凹凸
になった。この結果から、Ｓｎ−Ａｇを基本元素とする
系で表面形状を平滑にするためには、その他の元素を
０．０１質量％以上含有する必要があることがわかる。

【００２４】Ｎｏ．７〜１２は、Ｓｎ−Ｃｕを基本元素
とする合金系についての結果である。本発明のその他の
元素を０．０１質量％以上含有するＮｏ．７〜９の表面
形状は平滑であった。Ｎｏ．７、８、９には、それぞれ
Ｎｉ、Ｓｂ、Ｐが添加されている。一方、その他の元素
の含有量が０．０１質量％未満であるＮｏ．１０〜１２
の表面形状は、凹凸になった。この結果から、Ｓｎ−Ｃ
ｕを基本元素とする系で表面形状を平滑にするために
は、その他の元素を０．０１質量％以上含有する必要が
あることがわかる。

【００２５】Ｎｏ．１３〜２２は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕを
基本元素とする合金系についての結果である。本発明の
その他の元素を０．００６質量％以上含有しているＮ
ｏ．１３〜１７の表面形状は平滑であった。Ｎｏ．１
３、１４、１５、１６、１７には、それぞれＡｕ、Ｐ
ｄ、Ｇｅ、Ｉｎ、ＧｅとＩｎが添加されている。一方、
その他の元素の含有量が０．００６未満であるＮｏ．１
８〜２２の表面形状は、凹凸になった。この結果から、
Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕを基本元素とする系で表面形状を平滑
にするためには、その他の元素を０．００６質量％以上
含有する必要があることがわかる。

【００２６】

【表１】

【００２７】表１に示した本発明のはんだボールを３０
０個用意し、表面清浄を目視と電子顕微鏡で確認し、表
面清浄が保たれていることを確認した。次に、真球度と
寸法精度を測定し、真球度は０．９５〜０．９７、寸法
精度は６００μｍ±７μｍの範囲内であった。

【００２８】

【発明の効果】表面形状が平滑なはんだボール、ＢＧＡ
パッケージに実装する際に扱いやすくなり、生産性の向
上や合格率の向上に寄与する。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】本発明のはんだボールを製造する装置の一例を
示す模式図である。

【図２】本発明のはんだボールの表面形態を示す顕微鏡
写真である。

【図３】比較材のはんだボールの表面形態を示す顕微鏡
写真である。

【符号の説明】

１．ピエゾ素子、２．ガス供給口、３．振動棒、４．溶
湯、５．溶解チャンバー、６．オリフィス、７．電極
板、８．液滴、９．チャンバー、１０．球状凝固体、１
１．ガス供給口

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主にＳｎからなり、１．０〜４．５質量
   ％Ａｇを含有し、その他の元素が合計で０．０１〜０．
   ２質量％であることを特徴とするはんだボール。
2. 【請求項２】 主にＳｎからなり、０．３〜１．２質量
   ％Ｃｕを含有し、その他の元素が合計で０．０１〜０．
   ２質量％であることを特徴とするはんだボール。
3. 【請求項３】 主にＳｎからなり、１．０〜４．５質量
   ％Ａｇかつ０．３〜１．２質量％Ｃｕを含有し、その他
   の元素が合計で０．００６〜０．１質量％であることを
   特徴とするはんだボール。
4. 【請求項４】 その他の元素中、Ｇｅの含有量が０．１
   質量％以下であることを特徴とする請求項１乃至３の何
   れかに記載のはんだボール。
5. 【請求項５】 請求項１乃至４の何れかに記載のはんだ
   ボールは、球状化した液滴をガス雰囲気中で冷却凝固さ
   せたことを特徴とするはんだボール。
6. 【請求項６】 請求項１乃至４の何れかに記載のはんだ
   ボールの製造方法において、はんだ溶湯をるつぼ内に保
   持し、該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、該オリフィス
   から滴下した球状液滴をガス雰囲気中で冷却凝固させる
   ことを特徴とするはんだボールの製造方法。