JP2004172540A

JP2004172540A - はんだペーストと電子回路

Info

Publication number: JP2004172540A
Application number: JP2002339301A
Authority: JP
Inventors: Toshiya Akamatsu; 俊也赤松
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2002-11-22
Filing date: 2002-11-22
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2022-11-22
Also published as: JP4168735B2

Abstract

【課題】Ｎｉ電極上に安定したＣｕ−Ｚｎ−Ｎｉ化合物相を均一に形成することができると共に、はんだ粉末の酸化を抑制してはんだ付けの信頼性を向上させるはんだペーストおよび電子回路を提供する。
【解決手段】Ｓｎ−ＡｇまたはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕの少なくとも一つからなるはんだ粉末と、Ｃｕ−ＺｎまたはＣｕ−Ｚｎ−Ｓｎの少なくとも一つからなる拡散抑制合金粉末と、フラックスとを含むように構成する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子や表面実装電子部品をプリント配線基板等に搭載する際に用いるはんだペーストおよびそれらの電子部品を搭載した電子回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体素子や電子部品を基板に電気的に接合するのには、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだが一般的に用いられてきた。その代表的なものが融点１８３℃のＳｎ−３７Ｐｂである。
一方、地下水のＰｂ汚染をはじめとする環境への影響の問題から、Ｐｂの使用の規制が検討されはじめ、Ｐｂを含まない種々のはんだが提案されており、実用に供されている。
【０００３】
また、これらの電子部品を搭載する回路基板の電極としては、当初は主にＣｕが用いられてきた。さらに、電極が拡散することによって信頼性が低下することを抑制するために、従来から半導体チップの電極のバリア層として電解めっきによるＮｉが用いられていた。ところが、コストダウンの要求のために近年では安価に形成できる無電解めっきによるＮｉが主流になりつつある。
【０００４】
Ｐｂを含まないはんだ（以降、Ｐｂフリーはんだと称す）の中でも、組成の９０％以上がＳｎからなるＰｂフリーはんだは、Ｐｂ−Ｓｎ共晶はんだに比べ、電極材料であるＣｕ、Ｎｉが拡散し易いので、はんだ溶融時に生じる液相拡散の問題が顕在化してきている。この問題は無電解めっき化の要求によってもさらに増長される。
【０００５】
例えば、Ｐｂフリーのはんだペーストとしては、できるだけ単純で少ない合金種を組み合わせることにより多様な需要への対応を可能とし、さらには製造工程における偏析の危険を防止することにより製造者の負担を軽減すると共に、多元素合金では得られない優れた特性を有するＰｂフリーのはんだペーストを提供することを目的としたもので、製造容易な共晶組成の２元系合金粉末およびＩｎまたはＩｎを含む合金粉末とフラックスとを混合することにより、偏析の危険を防止しているものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
しかし、このＰｂフリーのはんだペーストを用いると、電極材料であるＣｕまたはＮｉが拡散し易いので、はんだが溶融する際に生じる液相拡散の問題がある。
また、濡れ性が良く、融点が低いＰｂフリーはんだを提供することを目的として、金属間化合物を形成し得る２種以上の金属の組み合わせを含む金属粉末からなり、金属間化合物を形成する前の未反応相および非晶質相を含むＰｂフリーはんだ粉末が提案されている。
【０００７】
すなわち、有害な鉛を含まないため、はんだ付け作業の際の安全性に優れ、はんだを含む部品の廃棄の際しても環境に与える悪影響を抑えられ、また、金属間化合物を形成し得る２種以上の金属の組み合わせを含む金属粉末を未反応相および非晶質相の状態で含むために金属間化合物より融点が低いので、比較的低温度ではんだ付け作業を行うことができ、部品を損傷する可能性が少なくなるという効果がある。
【０００８】
ここでいう未反応相とは、原料金属粉として少なくとも１種またはそれ以上の金属原子を含む合金粉末と、この合金粉末と融合することで金属間化合物を形成し得る金属単体あるいは第二の合金粉末とを組み合わせたものであり、金属間化合物を形成する前の合金粉末を意味している。
また、ここでいう非晶質相とは、２種の金属を溶かし合わせた場合に現れる中間相のことで、金属的性質の乏しいものを意味している（例えば、特許文献２参照。）。
【０００９】
しかし、電極の拡散の問題には触れておらず、さらに加熱による金属単体あるいは合金粉末の酸化についても考慮していないので、はんだ粉末の酸化という問題がある。
一方、この問題は、Ｓｎを主体としたＰｂフリーはんだをＮｉ電極上に接合するに際し、ＣｕとＺｎを添加したＰｂフリーはんだを用いて接合することで電極上にＣｕ−Ｚｎ−Ｎｉ化合物相を均一に形成させ、Ｎｉ電極の拡散を抑制できることが明らかになった（例えば、特許文献３参照。）。
【００１０】
すなわち、回路基板上の接続電極と電子部品上の接続端子電極のうち少なくとも一方の少なくともＰｂフリーはんだと接触する部分が無電解Ｎｉめっきで形成されており、このＮｉ部分とＰｂフリーはんだとの界面にＣｕ−Ｚｎ−Ｎｉ相を存在させることによってＮｉの拡散を抑制するという効果を発現させている。
しかしながら、回路基板上の接続電極と電子部品上の接続端子電極のうち、少なくとも一方の電極上にＰｂフリーはんだの突起電極を作製するに際し、Ｐｂフリーはんだの粉末形成時に一体化させるためには活性剤が必要となっている。
【００１１】
また、Ｐｂフリーはんだ粉末を用いたはんだペーストで形成したはんだバンプでも表面の酸化が大きく、たとえば回路基板上の接続電極と接合する際にも、濡れ性を促進させるために活性力の高いフラックスが必要である。
ところで、ＣｕとＺｎを添加したＰｂフリーはんだ粉末を用いたはんだペーストで形成したはんだバンプであっても表面は酸化しているので、このはんだバンプを回路基板に接合する際に回路基板の電極との濡れ性を促進させるためには、活性力の高いフラックスが必要である。なお、ここでいう濡れ性とは、はんだ付性の評価方法としてＡＳＴＭ−Ｂ−５４５に規定されている規格に準拠して評価したものである。
【００１２】
【特許文献１】
特開平１１−１３８２９２号公報（第４〜５頁、表１−１）
【００１３】
【特許文献２】
特開２０００−２４６４８３号公報（第２〜３頁、第１図）
【００１４】
【特許文献３】
特開２００２−１８５１３０号公報（第３頁、第１表）
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
このように、Ｓｎ−ＡｇにＣｕとＺｎを添加したはんだを用いて電極と接合すると、電極上にＣｕ−Ｚｎ−Ｎｉ化合物層を均一に形成することができ、これによりＮｉ電極の拡散を抑制することができる。
しかし、ＣｕとＺｎを添加したはんだを用いて形成したはんだバンプでもその表面が酸化している。そのため、このはんだバンプを回路基板に接合する際には回路基板の電極とのぬれ性を促進するために活性力の高いフラックスが必要であり、活性力の高いフラックスの使用はその使用量が増えるほど腐蝕性の高い残渣が生じるので電極の腐蝕に繋がり、信頼性を低下させるという問題がある。
【００１６】
そこで、本発明は、Ｎｉ電極上に安定したＣｕ−Ｚｎ−Ｎｉ化合物相を均一に形成することができると共に、はんだ粉末の酸化を抑制してはんだ付けの信頼性を向上させるはんだペーストおよび電子回路を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上に述べた課題は、本発明の請求項１によれば、Ｓｎ−ＡｇまたはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕの少なくとも一つからなるはんだ粉末と、Ｃｕ−ＺｎまたはＣｕ−Ｚｎ−Ｓｎの少なくとも一つからなる拡散抑制合金粉末と、フラックスとを含むはんだペーストとすることで達成される。
【００１８】
すなわち、Ｓｎ−ＡｇまたはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕの少なくとも一つからなるはんだ粉末に、Ｃｕ−ＺｎまたはＣｕ−Ｚｎ−Ｓｎの少なくとも一つからなる拡散抑制合金粉末とフラックスとを含むはんだペーストとすることで、Ｓｎ−Ａｇはんだ粉末にＣｕ、Ｚｎ、Ｓｎの粉末を添加したはんだを用いると生じる接合時のＺｎ粉末の表面酸化を防ぐことができ、フラックスの使用量を低減することができるので、はんだ付けの信頼性を向上させることができる。
【００１９】
また、上に述べた課題は、本発明の請求項２によれば、前記はんだ粉末と、前記拡散抑制合金粉末とのそれぞれの粒径が２０μｍを超えない請求項１記載のはんだペーストとすることで達成される。
すなわち、はんだ粉末と拡散抑制合金粉末の粒径を２０μｍ以下とすることによって、従来は多量のフラックスを使用することで濡れ性を向上させていたのを、小さな粒径の粉末であってもフラックスの使用量を減らして濡れ性を維持することができるという効果を生じる。
【００２０】
一方、はんだ粉末および拡散抑制合金粉末が２０μｍより大きくなると、相互の粉末が溶けにくくなる。
また、上に述べた課題は、本発明の請求項３によれば、前記拡散抑制合金粉末の粒径が、前記はんだ粉末の粒径よりも小さい請求項１記載のはんだペーストとすることで達成される。
【００２１】
すなわち、拡散抑制合金粉末の粒径がはんだ粉末の粒径と同程度かそれ以下の粒径とすることにより、両粉末を均一に混合することができるという効果を生じる。一方、拡散抑制合金粉末の方が大きいと、混合した両粉末での拡散抑制効果が、領域によってばらつきがでてくるので好ましくない。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
〔実施例１〕
図１は、本発明の原理説明図である。また、図２は、従来の技術での問題点を示す図である。
【００２３】
ここで、符号１は電子部品の一例として半導体素子を、２は無電解Ｎｉめっき電極を、３１は本発明のはんだペーストを、３２は従来のはんだペーストを、３１１ははんだ粉末を、３１２は拡散抑制合金粉末を、３１３はフラックスを、４は無電解Ｎｉめっき電極上に形成されるＣｕ−Ｚｎ−Ｎｉ化合物相を、５ははんだバンプを、６は酸化膜を、それぞれ示している。
【００２４】
半導体素子１の上に形成した直径０．７ｍｍの無電解Ｎｉめっき電極２に、Ｓｎ−３．５Ａｇはんだ粉末（平均粒径２０μｍ以下）に６０Ｃｕ−４０Ｚｎ拡散抑制合金粉末（平均粒径１５μｍ以下）を２重量％添加し、フラックスと重量比で９０：１０で混合した本発明のはんだペースト３１をスクリーン印刷し、続いてピーク温度２５０℃の窒素リフローによりはんだ付けを行った。
【００２５】
こうして作製したサンプルについて、２５０℃のホットプレート上で１５分加熱したものの拡散量を調査を行ったところ、Ｎｉ電極の拡散はほとんど認められなかった。これにより、Ｓｎ系はんだで懸念される無電解Ｎｉめっき電極２の液相拡散はＳｎ−Ｐｂ共晶はんだと同等であり、良好な接合部を保持できることがわかった。
【００２６】
比較のために、Ｓｎ−３．５Ａｇはんだ粉末（平均粒径２０μｍ以下）だけをフラックスと重量比で９０：１０で混合した従来のはんだペースト３２を用いてスクリーン印刷し、続いてピーク温度２５０℃の窒素リフローによりはんだ付けしたサンプルについて、２５０℃のホットプレート上で１５分加熱を行い、Ｎｉ電極の拡散量を調査を行ったところ、拡散量は、Ｃｕ−Ｚｎ粉末を添加したものと比較して２倍以上であった。
【００２７】
また、１０ｍｍ四方の半導体素子上に形成された直径１１０μｍ、ピッチ２５０μｍの電極上に、スクリーン印刷により実施例１で用いた本発明のはんだペースト３１をスクリーン印刷してはんだの突起電極を形成した。この半導体素子を、ビルドアップ基板に、ピーク温度２５０℃の窒素リフローにより接合した。
このサンプルについて、−２５℃から１２５℃の温度サイクル試験を１０００サイクルまで行ったが、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだと同様に正常に動作した。
【００２８】
因みに、２０００サイクルではＳｎ−Ｐｂ共晶はんだでは一部に誤動作が発生したが、本サンプルでは誤動作は発生しなかった。
〔実施例２〕
Ｓｎ−３．５Ａｇはんだ粉末（平均粒径２０μｍ以下）に６０Ｃｕ−４０Ｚｎ拡散抑制合金粉末（平均粒径１５μｍ以下）を２重量％混合し、フラックスと重量比で９０：１０で混合した本発明のはんだペースト３１を、エッチングで窪みを形成したＳｉ基板にスクリーン印刷し、続いてピーク温度２５０℃の窒素リフローによりはんだボールを作製した。
【００２９】
フラックスを滴下したＣｕ基板上にこのはんだボールを載せ、ホットプレート上で２５０℃に加熱してはんだ付けを行ったサンプルについて、ＡＳＴＭ−Ｂ−５４５に準拠して濡れ性の評価を実施した。
その結果、Ｓｎ−３．５Ａｇはんだの濡れ性が７８％であったのに対し、拡散抑制合金粉末を添加した本発明のはんだペースト３１の濡れ性は７２％と、ほとんど同等であった。
【００３０】
比較のために、特許文献３で用いたＳｎ−３．５Ａｇ−０．５Ｃｕ−１Ｚｎのはんだ粉末を用いて作製したはんだボールでは６１％と低い値を示した。
この結果により、Ｃｕ−Ｚｎ拡散抑制合金粉末を添加する効果が明らかになった。
（付記１）Ｓｎ−ＡｇまたはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕの少なくとも一つからなるはんだ粉末と、Ｃｕ−ＺｎまたはＣｕ−Ｚｎ−Ｓｎの少なくとも一つからなる拡散抑制合金粉末と、フラックスとを含むことを特徴とするはんだペースト。
（付記２）前記はんだ粉末と、前記拡散抑制合金粉末とのそれぞれの粒径が２０μｍを超えないことを特徴とする請求項１記載のはんだペースト。
（付記３）前記拡散抑制合金粉末の粒径が、前記はんだ粉末の粒径よりも小さいことを特徴とする請求項１記載のはんだペースト。
（付記４）請求項１記載のはんだペーストを用いて形成された突起電極を有することを特徴とする電子回路。
（付記５）前記突起電極が、Ｎｉからなることを特徴とする請求項４記載の電子回路。
（付記６）前記フラックスが、ロジンからなることを特徴とする請求項１記載のはんだペースト。
【００３１】
【発明の効果】
本発明のはんだペーストを用いることによって、ＰｂフリーのＳｎ系はんだで懸念されている無電解Ｎｉめっきの液相拡散を、従来のＳｎ−Ｐｂ共晶はんだと同等にでき、かつ、フラックスの使用量を抑えることで、信頼性の高いはんだ付け性を確保することができる。
【００３２】
また、接合の信頼性も確保することが明らかとなり、安価な無電解Ｎｉめっきの使用を可能にするという効果があり、製品の高信頼化に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を説明する図。
【図２】従来の技術での問題点を示す図。
【符号の説明】
１半導体素子
２無電解Ｎｉめっき電極
３１本発明のはんだペースト
３１１はんだ粉末
３１２拡散抑制合金粉末
３１３フラックス
３２Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｚｎ系はんだペースト
３２１Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｚｎ系はんだ粉末
４Ｃｕ−Ｚｎ−Ｎｉ化合物相
５はんだバンプ
６酸化膜

Claims

Ｓｎ−ＡｇまたはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕの少なくとも一つからなるはんだ粉末と、
Ｃｕ−ＺｎまたはＣｕ−Ｚｎ−Ｓｎの少なくとも一つからなる拡散抑制合金粉末と、
フラックスと
を含むことを特徴とするはんだペースト。
前記はんだ粉末と、前記拡散抑制合金粉末とのそれぞれの粒径が２０μｍを超えない
ことを特徴とする請求項１記載のはんだペースト。
前記拡散抑制合金粉末の粒径が、前記はんだ粉末の粒径よりも小さい
ことを特徴とする請求項１記載のはんだペースト。
請求項１記載のはんだペーストを用いて形成された突起電極を有する
ことを特徴とする電子回路。
前記突起電極が、Ｎｉからなる
ことを特徴とする請求項４記載の電子回路。