JP2002224881A

JP2002224881A - はんだボール

Info

Publication number: JP2002224881A
Application number: JP2001028349A
Authority: JP
Inventors: Koji Sato; 光司佐藤; Takeshi Kuboi; 健久保井; Masayoshi Date; 正芳伊達
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2001-02-05
Filing date: 2001-02-05
Publication date: 2002-08-13

Abstract

(57)【要約】【課題】はんだ合金とNiやCuで、メタライズされたパ
ッケージやプリント基板の端子面との境界に形成される
金属間化合物の成長挙動を正しく制御することが可能
な、耐衝撃特性にかかわる界面破壊の問題が解決できる
鉛フリーのはんだボールを提供する。【解決手段】質量％で（5.0%以下のAg、1.0%以下のC
u、2.0%以下のBi）から選ばれる一種または二種以上を
含有し、且つ0.005％以上、0.05％以下のAsを含有し、
残部が実質的にSnからなるはんだボール。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エレクトロニクス
部品の接続に用いられるはんだボールに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、エレクトロニクス部品の接続に用
いられるはんだボールには、環境問題から鉛フリーはん
だ合金が用いられるようになっており、種々の提案がな
されている。具体的には例えば、特許第3027441号、US
4,778,733号、US4,879,096号、更にUS5,520,752号等が
挙げられ、これらははんだ濡れ性、耐酸化性、できる限
り現状のSn-Pb共晶はんだ合金に近い低い融点、といっ
た要求特性を満足する合金として、Sn-Pb共晶はんだ合
金の代替はんだ合金として有望視されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述した特許第302744
1号やUS4,778,733号、US4,879,096号、更にUS5,520,752
号等に開示される合金は、上記のはんだ濡れ性や耐酸化
性の点では十分な信頼性が得られる。しかし、近年市場
が急成長している携帯電話などのプリント基板やパッケ
ージの接合部にこれらの合金が、はんだボールとして用
いられる場合、これまで、はんだボールに要求されてき
た温度サイクル特性や高温放置特性に加えて、耐衝撃特
性が要求されるようになってきた。

【０００４】本発明者は、上述した従来の合金からなる
はんだボールをリフローすることで形成したパッケージ
とプリント基板の接合体を用いて衝撃試験を行なった結
果、従来のSn-Pb共晶はんだ合金を用いた端子が比較的
良好な耐衝撃性を有していたのに対し、これらの合金
は、はんだとパッドの接合界面から剥離するいわゆる界
面破壊による不良がかなりの頻度で発生することを明ら
かにした。さらにこの界面を調査したところ、厚く成長
した金属間化合物とはんだ合金またはパッドとの界面
や、金属間化合物そのものの破壊によることがわかっ
た。本発明の目的は、はんだ合金とNiやCuで、メタライ
ズされたパッケージやプリント基板の端子面との境界に
形成される金属間化合物の成長挙動を正しく制御するこ
とが可能な、耐衝撃特性にかかわる界面破壊の問題が解
決できる鉛フリーのはんだボールを提供することであ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者は、鉛フリーは
んだボールの界面反応に関わる問題を検討し、濡れ性の
確保に必要な厚さの金属間化合物は形成するが、一度形
成した界面金属間化合物の成長が従来の鉛フリーはんだ
ボールに比べて遅いはんだボールの組成を鋭意検討し
た。その結果、従来のSn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-Bi系はん
だ合金およびこれらを組み合わせたSn基の合金系におい
て、極微量のAsの添加により、目的にかなう界面反応の
制御が可能となることを見出した。さらに、このはんだ
ボールは、エレクトロニクス部品の接続端子の界面破壊
によって引き起こされる耐衝撃特性低下の問題を大きく
改善できることを見いだし本発明に到達した。

【０００６】すなわち本発明は、質量％で（5.0%以下の
Ag、1.0%以下のCu、2.0%以下のBi）から選ばれる一種ま
たは二種以上を含有し、且つ0.005％以上、0.05％以下
のAs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。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明における各種元素の
作用に関して述べる。Ag、Cu,およびBiは、母材となるS
nの融点低下と濡れ性改善に効果を及ぼす元素であり、A
g、Cu、及びBiの一種または二種以上を、それぞれ5.0
%、1.0%、及び2.0%以下の範囲で添加できる。しかし、A
gとCuの場合、それぞれ5.0%及び1.0%を超えて添加して
も、これ以上はんだ合金の融点低下が望めず、逆にSnと
これらの元素の初晶金属間化合物の生成量をいたずらに
増やして合金の延性低下を招く。また、Biの場合、2.0%
を超える過度の添加は、融点低下には寄与するものの、
いたずらに合金の固液共存領域を広めて、接続不良に対
する感受性を高める。よって、Ag、Cu、及びBiは、一種
または二種以上を添加することができるが、Ag、Cu、及
びBiの上限は、それぞれ5.0%、1.0%、及び2.0%以下の範
囲とする。

【０００８】Asは、本発明において最も特徴を有する添
加元素であり、端子面と接するはんだボールの耐衝撃性
を向上させる最も重要な元素である。本発明において、
Asの極微量の添加は、界面の初期の金属間化合物生成に
は悪影響を及ぼさず適度な厚さの化合物層を形成する一
方で、繰り返しのはんだリフロー処理時の化合物層の生
成速度を著しく低下させる効果を持つことを明らかにし
た。また、その際、化合物の表面形態をジグザグにし、
はんだ合金と化合物層の境界面積を増やすことで、結果
として界面強度を高める効果ももたらすことを明らかに
した。実験的検証により、この効果をもたらすために最
低限0.005%以上のAsの添加が必要であるが、0.050%を超
える過度のAsの添加は却ってはんだ合金の濡れ性を劣化
させると同時に界面強度の低下も招くことを明らかにし
た。よって、本発明においてAsは、0.005%以上、0.05%
以下の添加とする。

【０００９】Asのこれらの効果に関して、本発明者は、
以下のように考えている。即ちAsのSnに対する固溶度は
大変小さいが、代表的なメタライズ材料であるNiやCuと
Snとの金属間化合物相中の固溶度よりは高い。そこで、
金属間化合物の形成初期には、Asは特に、その化合物生
成速度を低下させることなく、As無添加材と同様に適度
な厚さの化合物を形成する。しかし、この化合物形成反
応において固溶度の関係から吐き出されたAsは、化合物
表面に濃化するようになる。よって、濃化されたAsは、
結果として、金属間化合物層の拡散による成長を妨げる
と同時に、金属間化合物とはんだ合金界面の表面エネル
ギーを低下させる役割を果たし、ジグザグな界面を安定
化させると考えられる。

【００１０】Snは、鉛フリーはんだボールにおいて、十
分に低い融点、優れた耐酸化性、および安定で延性と靭
性に富むマトリックスを形成するために必須の母材であ
る。したがって、上記の添加元素を除き残部は、実質的
にSnとする。以上述べた、本発明のはんだボールは、パ
ッケージとプリント基板の接合部材として熱サイクル特
性や高温放置特性において優れた特性を与えると同時
に、界面はく離に対する耐性を高めるため、優れた耐衝
撃性を有するものとなる。

【００１１】なお、本発明のはんだボールを製造するに
は、例えば図６に示すように、Ｎ₂-8%H₂混合還元性ガス
雰囲気で加圧(加圧装置は図示せず)された出湯ルツボ
(9)の底部に設けられたオリフィス(10)と呼ぶ孔を通し
て一定量の溶湯を押し出す。振動部は、振動子(11)、伝
達部材(12)、加振ロッド(13)で構成され、振動は加振ロ
ッドを介して、オリフィス近傍の溶湯(14)に振動を付与
することで、この一定量の溶湯を均一なサイズに分断
し、液滴(15)としてN₂不活性ガス雰囲気で満たされた凝
固チャンバ(16)内に排出され、凝固チャンバ内で凝固し
た液滴は、はんだボール(17)となり、後に回収されるこ
とになるのである。なお、この装置で大量生産を行おう
とすると、出湯ルツボにサイフォン管で連結された供給
ルツボを設けて、連続的に溶湯を供給できるようにすれ
ば、例えば5000万個を超えるはんだボールを製造するこ
とも可能である。

【００１２】

【実施例】（実施例１）純度４NのSn、Ag、Pb、Cu、Bi
及びAsを出発原料とし、真空誘導溶解炉を用いて表１に
示す各種の合金のインゴットを作製した。

【００１３】

【表１】

【００１４】このインゴットを用いて図６に示されるは
んだボール製造装置により、狙い直径300μmのはんだボ
ールを製造した。その後、分級処理により直径300μm±
5μmに粒度を調整し、これを供試材とした。基板材料と
して、樹脂(3)付き銅箔を選び、はんだボールのパッド
をCuのエッチングにより形成した。次にこの部分にSnめ
っきを施し、Snめっき付きCuパッドとした後、パッド周
辺にソルダーレジスト(4)を塗布した。このパッド上に
フラックスを塗布し、さらに表１の組成を有するNo.1,
2,3,21,及び22のボール各30個を搭載した。この状態
で、N₂雰囲気、ピーク温度245℃、220℃以上の保持時間
60秒の条件のリフロー処理により、はんだバンプ(1)を
形成した。はんだバンプの断面の模式図を図１に示す。

【００１５】上記のリフロー処理を四回実施し、各回毎
の断面ミクロ観察を行ないはんだバンプとメタライズさ
れたCuパッドとの間に形成される界面金属間化合物の生
成と成長の状況を観察した。代表例として、本発明例N
o.2と比較例No.21の断面写真を図２に示す。図２-a)
は、本発明例No.2であり、明らかに比較例No.21に比べ
て界面の金属間化合物層の厚さが小さく、かつジグザグ
に界面が形成されている様子がわかる。

【００１６】両者の界面金属間化合物層の厚さをミクロ
組織観察から計測し、リフロー回数で整理したものが図
３である。図中a)は、本発明例No.2を示し、b)は、比較
例No.21である。両者のリフロー一回目の金属間化合物
層の厚さはほぼ同等であるが、比較例がリフロー回数と
ともに化合物が単調に成長しているのに対し、本発明例
では、その成長挙動が明らかにゆるやかである。両者の
バンプを日本電子工業会規格EIAJ ET-7407附属書11に記
載のボール引きはがし強度測定方法(プローブ加熱圧着
法)に準じて界面強度を評価した結果、本発明例No.2は4
10gf、No.21は390gfであり、明らかに本発明例の方が高
い界面強度を有することがわかった。

【００１７】（実施例２）次に表１に示す全組成のはん
だボールを用いて耐衝撃特性を評価した。供試材の製造
手順を以下に示す。１．ICチップ/応力緩衝接着樹脂層/フレキシブルテープ
配線層/ソルダーレジストの構成からなるパッドピッチ
0.5mm-全パッド数40のチップスケールパッケージ(CSP)
を準備し、フレキシブルテープ配線層のCuパッド上に無
電解NiめっきとAuめっきを順次実施。２．上記CSPのパッド上にフラックスを塗布後、はんだ
ボールを搭載し、実施例１と同じ条件のリフロー処理を
行ない、CSP上にはんだバンプを形成。但し、比較例No.
23のみは、リフローピーク温度225℃、200℃以上60秒。３．ガラスエポキシ基板/電解銅箔/ソルダーレジストの
構成からなるパッドピッチ0.5mm-全パッド数40のプリン
ト配線板を準備。４．３のプリント配線板のCuパッド上にフラックスを塗
布後、上記２のCSPをマウントし、(2)項と同じ条件でニ
回目のリフロー処理を実施し、CSPをプリント配線板に
実装。この状態ではんだバンプを介した電気回路が形成
され、バンプの導通不良による断線が検出可能となる。

【００１８】これらの工程を経た実装基板の衝撃試験の
模式図を図４に示す。実装基板は、プリント配線板側を
上面とし、このプリント配線板(6)の両端を支持梁(7)で
ささえる。このプリント配線板の上方1ｍより直径15ｍ
ｍの鋼球(8)を確実にCSP(5)の中心位置上面に繰り返し
落下させ、各回毎の配線の断線状況を確認した。断線に
至るまでの繰り返し衝撃回数を表２に示す。

【００１９】

【表２】

【００２０】図５は、基本組成がSn-2.9%Ag-0.5%Cuで、
Asの含有量だけが異なる実験例である。この図から、本
発明例No.1,2,及び3が、比較例No.21と22に比べ明らか
に耐衝撃性に優れていることがわかり、本発明における
As含有量の的確な制御の重要性が明らかである。さら
に、本発明例は、Sn-Pb共晶合金である比較例No.23と比
しても、遜色無い特性が得られ、鉛フリー合金として、
Sn-Pb共晶合金の代替材料として大変有望である。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば鉛フリーはんだ合金の耐
衝撃特性を飛躍的に改善することができ、Sn−Pb共晶合
金に取って替わる鉛フリーはんだ合金の実用化にとって
欠くことのできない技術となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】はんだバンプの断面模式図である。

【図２】リフロー後のはんだバンプ断面の金属組織の顕
微鏡写真である。

【図３】界面金属間化合物の成長挙動を示す図である。

【図４】実装基板の衝撃試験の模式図である。

【図５】断線に至るまでの繰り返し衝撃回数を示す図で
ある。

【図６】はんだボール製造装置を示す模式図である。

【符号の説明】

１．はんだバンプ、２．Snめっき付きCuパッド、３．樹
脂、４．ソルダーレジスト、５．チップスケールパッケ
ージ(CSP)、６．プリント配線板、７．支持梁、８．鋼
球、９．出湯ルツボ、１０．オリフィス、１１．振動
子、１２．伝達部材、１３．加振ロッド、１４．溶湯、
１５．液滴、１６．凝固チャンバ、１７．はんだボール

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】質量％で（5.0%以下のAg、1.0%以下のC
u、2.0%以下のBi）から選ばれる一種または二種以上を
含有し、且つ0.005％以上、0.05％以下のAsを含有し、
残部が実質的にSnからなることを特徴とするはんだボー
ル。