JP2004058085A - 鉛フリーはんだ合金 - Google Patents

Abstract

【課題】ＢＧＡ等のはんだバンプは、接合部が微小であるため強い接着強度が必要である。従来のＳｎ−Ａｇ系鉛フリーはんだは、はんだバンプのような微小部分に対して充分な接着強度が得られなかった。また従来のＳｎ−Ａｇ系鉛フリーはんだは、バンプ形成後の高温試験においてバンプの表面が黄変することがあり、バンプ検査時の画像処理でエラーの発生することがあった。本発明はバンプの接着強度が強く、また高温下でも黄変しないという鉛フリーはんだ合金を提供することにある。
【解決手段】本発明は、Ａｇ１．０〜５．０質量％、Ｎｉ０．０１〜０．５質量％、およびＰ、Ｇｅ、Ｇａから選ばれた一種以上が０．００１〜０．０５質量％、残部Ｓｎからなる鉛フリーはんだ合金である。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉛を含まないはんだ合金、特にはんだバンプのように微小なはんだ付け部を形成するに適した鉛フリーはんだ合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般にＢＧＡ（Ｂａｌｌ　Ｇｒｉｄ　Ａｒｒｅｙ）、ＣＳＰ（Ｃｈｉｐ　Ｓｉｚｅ　Ｐａｃｋａｇｅ）、ＴＡＢ（Ｔａｐｅ　ＡｕｔｏｍａｔｅｄＢｏｎｄｉｎｇ）、ＭＣＭ（Ｍｕｌｔｉ　Ｃｈｉｐ　Ｍｏｄｕｌｅ）等の多機能部品（以下、ＢＧＡ等という）をプリント基板に実装するには、はんだバンプではんだ付けすることにより行っている。つまりＢＧＡ等では予め電極にはんだバンプを形成しておき、プリント基板への実装時、該はんだバンプをプリント基板のはんだ付け部に当設してからリフロー炉のような加熱装置で加熱してはんだバンプを溶融させる。するとＢＧＡ等に形成されたはんだバンプがＢＧＡ等の電極とプリント基板はんだ付け部の両者間をはんだ付けして導通させるようになる。
【０００３】
またＱＦＰ、ＳＯＩＣ等のウエハーを搭載した電子部品では、ウエハーの電極とウエハーを搭載するワークの電極間を極細の金線で接続するというワイヤーボンディングを行っている。現在のワイヤーボンディング技術は接続作業が非常に高速であり、一箇所の接続が０．１秒以下という短時間で行えるようになっている。しかしながらワイヤーボンディングは如何に高速作業が行えるといえども、電極一箇所毎に金線の接続を行うため、電極が多数設置された電子部品では全ての電極を接続するのに多少の時間を必要としていた。また金線は貴金属であるため材料自体が高価であるばかりでなく、数十μｍの極細線に加工することから、その加工に多大な手間ががかかって、さらに高価となるものであった。そしてまたワイヤーボンディングは、電極がワークの中央部に多数設置されたものに対しては金線同士が接触してしまうため接続が不可能であった。
【０００４】
そこで近時では、ウエハーとワークとの導通を金線を使わずに互いの電極同士を直接接続するというＤＣＡ（Ｄｉｒｅｃｔ　Ｃｈｉｐ　Ａｔｔａｃｈｍｅｎｔ）方式が採り入れられるようになってきた。このＤＣＡ方式とは、ウエハーの電極に予めはんだバンプを形成しておき、ウエハーをワークに実装するときに、ワークの電極にはんだバンプを当設して、該はんだバンプを溶融させることにより両者間で導通を取るようにしたものである。ＤＣＡ方式は、金線を使わないため安価に製造でき、しかも一度の作業で全ての電極の接続ができるため生産性にも優れている。従って、最近ではＤＣＡ方式での電極の接続に、はんだバンプによる接続が多く採用されるようになってきた。このはんだバンプによる接続は、電極がワークの中央部に多数設置されていても、ワークと搭載物の電極を向かい合わせにして、この間をはんだバンプで接続するため、ワイヤーボンディングのように接続物同士が接触することは決して起こらない。
【０００５】
ＢＧＡ等やウエハーに、はんだバンプを形成する方法としては、はんだボールやソルダペーストを使用するのが一般的である。
【０００６】
従来のバンプ形成用はんだ合金は、Ｐｂ−Ｓｎ系のはんだ合金であり、Ｐｂ−Ｓｎ系はんだ合金は前述ＢＧＡ等やウエハーのはんだバンプ用としてのはんだボール、或いはソルダペーストに多く使用されていた。このＰｂ−Ｓｎ系はんだ合金は、はんだ付け性に優れているためワークとプリント基板のはんだ付けを行ったときに、はんだ付け不良の発生が少ないという信頼性に優れたはんだ付けが行えるものである。
【０００７】
ところでＰｂ−Ｓｎ系はんだ合金ではんだ付けされた電子機器が古くなって使い勝手が悪くなったり故障したりした場合、性能のアップや修理等をせず、ほとんどが廃棄処分されていた。廃棄処分される電子機器の構成材料のうちフレームの金属、ケースのプラスチック、ディスプレーのガラス等は回収して再使用されるが、プリント基板は再使用ができないため埋め立て処分されていた。なぜならばプリント基板は、樹脂と銅箔が接着されており、また銅箔にははんだが金属的に接合されていて、それぞれを分離することができないからである。この埋め立て処分されたプリント基板に地中に染み込んだ酸性雨が接触すると、はんだ中のＰｂが酸性雨により溶け出し、Ｐｂ成分を含んだ酸性雨がさらに地中に染み込んで地下水に混入する。このＰｂ成分を含んだ地下水を人や家畜が長年月にわたって飲用すると体内にＰｂが蓄積され、ついにはＰｂ中毒を起こすとされている。そのため世界規模でＰｂの使用が規制されるようになってきており、Ｐｂの含まない所謂「鉛フリーはんだ」が使用されるようになってきた。
【０００８】
鉛フリーはんだとは、Ｓｎを主成分として、それにＡｇ、Ｃｕ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｐ、Ｇｅ、Ｇａ等を適宜添加したものである。
【０００９】
従来から二元系鉛フリーはんだとしてはＳｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｓｂ系、Ｓｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ｚｎ系、Ｓｎ−Ａｇ系、等がある。一般にＳｎ主成分の鉛フリーはんだは、はんだ付け性が従来のＰｂ−Ｓｎはんだに比べて劣るが、特にＳｎ−Ｃｕ系とＳｎ−Ｓｂ系は、さらに劣っている。またＳｎ−Ｂｉ系は、はんだが脆くなることから、はんだ付け部に衝撃が加わると剥離しやすいばかりでなく、リードのメッキから少量のＰｂが混入するとリフトオフが発生することがある。そしてＳｎ−Ｚｎ系はＺｎが卑（ベース）な金属であることからソルダペーストにしたときに経時変化が起って印刷塗布ができなくなったり、はんだ付け後にはんだ付け部との間で電気的な腐食を起こしたりする問題がある。Ｓｎ主成分の鉛フリーはんだとしてはＳｎ−Ａｇ系が他の二元系鉛フリーはんだに比べて、はんだ付け性、脆さ、経時変化、等に優れている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらＳｎ−Ａｇ系鉛フリーはんだは、接合強度、特にはんだ付け面積の小さいはんだ付け部の接合強度が充分に強いとはいえなかった。つまり最近の電子機器は高性能・小型化されてきていることから、それに組み込まれる電子部品も小型化で高機能化されたきており、ＢＧＡ等は電極数が増えているにもかかわらず、全体の大きさは逆に小さくなっている。このように小さくなった電子部品の電極に形成するはんだバンプも小さくなっているが、はんだバンプにおける接着強度は、それよりも大きなバンプと同等の接着強度が要求されている。従来のＳｎ−Ａｇ系鉛フリーはんだは大きなはんだバンプに対して問題なかったが、小さなはんだバンプに対しては接着強度が充分でなくなっている。
【００１１】
また従来のＳｎ−Ａｇ系鉛フリーはんだは、高温に曝されると表面が黄色に変色（黄変）することがあった。この黄変は、Ｓｎ−Ａｇ系鉛フリーはんだを用いたＢＧＡ等の電子部品に対して高温放置試験を行ったときに発生する。ＢＧＡ等の高温放置試験とは、ＢＧＡ等を組み込んだ電子機器が使用中に高温雰囲気中に置かれた場合でも、ＢＧＡ等が熱影響で機能劣化しないことを確認する試験である。この高温放置試験は、電子部品メーカーや電子機器のセットメーカーによって条件が異なるが、通常１２５℃の高温雰囲気中に１２時間放置する。この高温放置試験で、はんだバンプ表面が黄変すると、はんだバンプの検査を画像処理によって検査をするときに、正確な検査ができず、エラーの原因となるものである。
【００１２】
本発明は、他の鉛フリーはんだよりも優れた特性を有するＳｎ−Ａｇ系鉛フリーはんだにおいて、はんだバンプ用としての欠点を改良した鉛フリーはんだ、即ち微小なはんだバンプであっても充分な接着強度を有し、しかもはんだ付け後に高温に曝されても黄変しないというはんだバンプ形成用鉛フリーはんだを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、Ｓｎ−Ａｇ系鉛フリーはんだの欠点を改良するために鋭意研究を重ねた結果、Ｓｎ−Ａｇ系にＮｉとＰ、Ｇｅ、Ｇａ等を少量添加すると、これらの相乗作用で、はんだ組織が微細化し、接着強度が改善されるとともに、高温下においてもはんだの表面が黄変しないことを見出し本発明を完成させた。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明は、Ａｇ１．０〜５．０質量％、Ｎｉ０．０１〜０．５質量％、およびＰ、Ｇｅ、Ｇａから選ばれた一種以上が０．００１〜０．０５質量％、残部Ｓｎからなることを特徴とする鉛フリーはんだ合金である。
【００１５】
Ｓｎ−Ａｇ系鉛フリーはんだにおいて、Ａｇは接着強度とはんだ付け性向上に効果があるが、１．０質量％よりも少ない添加ではこれらの効果が表れない。しかるにＡｇが５．０質量％よりも多くなっても、それ以上の効果は期待できないばかりでなく、Ａｇは高価であるため大量の添加は経済的にも好ましくない。
【００１６】
Ｓｎ−Ａｇ系鉛フリーはんだでＡｇを最大添加量である５．０質量％にしても、微小はんだバンプでは充分な接着強度は得られない。そこでＳｎ−Ａｇ系にＮｉとＰ、Ｇｅ、Ｇａから選ばれた一種以上を同時に添加すると微小はんだバンプにおいて接着強度がさらに向上する。Ｓｎ−Ａｇ系へのＮｉの添加量が０．００１質量％よりも少ないと微小はんだバンプにおいて接着強度向上の効果が表れず、しかるに０．５質量％よりも多くなると融点が高くなりすぎて、はんだ付け性に影響が出てくる。またＮｉを添加したＳｎ−Ａｇ合金にＰ、Ｇｅ、Ｇａから選ばれた一種以上を０．００２〜０．０１質量％添加すると、はんだ組織が微細化し、Ｎｉとの相乗作用でさらに強度が向上する。
【００１７】
ワークやウエハーにはんだバンプを形成し、ＢＧＡ等の電子部品として完成させた後に前述のように高温放置試験を行うと、Ｓｎ−Ａｇ系鉛フリーはんだは、はんだバンプ表面が黄変してしまう。Ｐ、Ｇｅ、Ｇａは、Ｓｎ−Ａｇ系鉛フリーはんだにおいて、強度の向上効果ばかりでなく、はんだ付け後の黄変を防止する効果もある。Ｐ、Ｇｅ、ＧａはＳｎ−Ａｇ系合金中に、それぞれ単独で添加してもよく、或いはこれらを一種以上同時に添加してもよい。Ｐ、Ｇｅ、Ｇａの単独添加、或いは一種以上の同時添加においても添加量が０．００１質量％よりも少ないと黄変防止ができず、しかるに添加量が０．０５質量％よりも多く添加すると、はんだ付け性を阻害するようになる。
【００１８】
なお、本発明は、微小はんだ付け部における接着強度の向上と高温下でのはんだ表面の黄変防止を目的としたものであり、この目的に適した用途としてははんだバンプであるが、一般のはんだ付けに使用しても接着強度や黄変防止にに効果を発揮する。はんだバンプ形成には、はんだボールやソルダペーストとして使用することが多い。即ちＢＧＡ等には、はんだボールをＢＧＡ等の基板に搭載し、該はんだボールを溶融させることによりはんだバンプを形成し、ウエハーには、ソルダペーストをウエハー上に塗布し、該ソルダペーストを溶融させることによりはんだバンプを形成するものである。
【００１９】
【実施例】
鉛フリーはんだ合金の実施例と比較例を表１に示す。
【００２０】
【表１】

【００２１】
表１の説明
基板限界曲げ試験：ＣＳＰ基板とプリント基板間のはんだバンプが破壊するまでのプリント基板の変形量を測定する。この試験では、プリント基板の変形量が大きいほど、はんだの接着強度が強く、１０ｍｍ以上であれば電子機器に実装しても過酷な使用条件下で充分な信頼性があるものといえる。
（曲げ試験の工程は以下のとおりである）
▲１▼厚さ０．８ｍｍ、大きさ３０×１２０ｍｍのＣＳＰ用基板に設置された１５０個の電極に直径０．３ｍｍのはんだボールを載置する。
▲２▼はんだボールが載置されたＣＳＰ用基板をリフロー炉で加熱して電極にはんだバンプを形成する。
▲３▼はんだバンプが形成されたＣＳＰ用基板をガラエポのプリント基板に搭載し、リフロー炉で加熱してＣＳＰ用基板をプリント基板にはんだ付けする。
▲４▼ＣＳＰ用基板がはんだ付けされたプリント基板を１２５℃の恒温槽に１０日間放置してエージングを行う。
▲５▼エージング後のプリント基板をＣＳＰ用基板が下側となるようにして曲げ試験の保持治具上に載置し、ＣＳＰ用基板の中央位置となる上方から加圧治具で荷重をかけていく。このときにＣＳＰ用基板とプリント基板間のはんだバンプが破壊するまでのプリント基板の変形量、即ち加圧治具がプリント基板に接してからＣＳＰ基板とプリント基板間のはんだバンプが破壊するまでの加圧治具の移動距離を測定する。
変色試験（黄変）：高温加熱後のはんだ表面の黄変を目視で観察する。
（黄変試験の工程は以下のとおりである）
▲１▼ＣＳＰ用基板に直径０．３ｍｍのはんだボールを載置する。
▲２▼ＣＳＰ用基板に載置したはんだボールをリフロー炉で溶融してはんだバンプを形成する。
▲３▼はんだバンプが形成されたＣＳＰ用基板を１５０℃の恒温槽中に２４時間放置後、目視にて黄変状態を観察する。黄変がほんとんどないものを無、黄変が顕著なものを有とする。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の鉛フリーはんだ合金は、バンプ形成後の接着強度が従来のＳｎ−Ａｇ系鉛フリーはんだ合金よりも強いため、はんだバンプではんだ付けした後にワークやウエハーが脱落したりワークとプリント基板、ウエハーとワーク間が導通不良になったりすることがないという信頼性に富むものである。また本発明の鉛フリーはんだ合金は、はんだバンプ形成後、高温試験を行っても黄変しないことから、はんだバンプの画像検査時にエラーが発生せず、検査性においても優れた効果を奏するものである。

Claims (1)

1. Ａｇ１．０〜５．０質量％、Ｎｉ０．０１〜０．５質量％、およびＰ、Ｇｅ、Ｇａから選ばれた一種以上が０．００１〜０．０５質量％、残部Ｓｎからなることを特徴とする鉛フリーはんだ合金。