JP2004247617A - ＣｕまたはＣｕ合金ボールのはんだ付け方法および金属核はんだボール - Google Patents

Abstract

【課題】Ｃｕボールの表面にはんだを被覆した従来のＣｕ核はんだボールを用いた電子機器を使用中に誤って落とすような外的衝撃や長年月の使用・不使用によるヒートサイクルが加わると、Ｃｕボールとはんだの界面から剥離することがあった。本発明は金属ボールが剥離しにくい金属核はんだボールのはんだ付け方法と金属核はんだボールを提供することにある。
【解決手段】本発明は、核となる金属ボールをはんだ付けする際に、溶融はんだ中にＺｎを存在させて、ＺｎによりＣｕＳｎ金属間化合物層が厚く生成するのを抑制するＣｕまたはＣｕ合金ボールのはんだ付け方法である。また本発明は、Ｚｎを０．００１〜１５質量％含有させたはんだでＣｕボールを被覆した金属核はんだボールであり、Ｃｕ合金ボールがＺｎを０．００１〜５０質量％含有した金属核はんだボールである。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＢＧＡ、ＣＳＰ、ＭＣＭ等の半導体電子部品（以下、単に電子部品という）の電極にＣｕまたはＣｕ合金ボールをはんだ付けする方法および金属核はんだボールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時の電子機器は小型化、高機能化されてきていることから、これに使用される電子部品も小型で高機能化されてきている。従来の電子部品は半導体チップとそれを搭載するキャリアとの接続がワイヤボンディングであったが、さらなる機能アップからリードを大量に設置できるバンプに移ってきている。
【０００３】
一般に電子部品のバンプ形成には、直径が１００〜１０００μｍの微小はんだボールが用いられていた。該はんだボールは、全体が均一組成であり、電子部品の電極に搭載した後、はんだボールを溶融させて電子部品の電極にはんだバンプを形成するものである。そして電子部品をプリント基板に実装するときは、はんだバンプとプリント基板のはんだ付け部とを一致させてからはんだバンプを溶融させることにより電子部品とプリント基板をはんだ付けする。
【０００４】
電子部品の電極にはんだボールだけではんだバンプを形成すると、電子部品をプリント基板に搭載してからはんだバンプを溶融させたときに、電子部品の重さで溶融したはんだがつぶれて隣接したはんだバンプ同士が融合したり、はんだが電子部品の外部に流出したりしてしまうことがある。
【０００５】
このような不都合に鑑み、従来よりＣｕボールの表面にはんだの皮膜を形成した所謂Ｃｕ核はんだボールというものがバンプとして用いられていた。このＣｕ核はんだボールは、核となるＣｕボールが純Ｃｕ、即ちＣｕの純度が９９．９６％以上のものを使用していた。純Ｃｕとは、ＪＩＳでいう電気銅地金であり、ここでは不純物がＡｓ＜０．００３、Ｓｂ＜０．００５、Ｂｉ＜０．００１、Ｐｂ＜０．００５、Ｓ＜０．０１、Ｆｅ＜０．０１に規定されている。
【０００６】
Ｃｕ核はんだボールにおいて、純Ｃｕボールの表面に被覆するはんだは、Ｓｎ−ＰｂはんだやＰｂを含まないＳｎ主成分の鉛フリーはんだである。
【０００７】
Ｃｕ核はんだボールを電子部品基板に接合する場合は、電子部品基板の電極にソルダペーストを塗布し、該塗布部にＣｕ核はんだボールを載置してからリフロー炉のような加熱装置で加熱してソルダペーストを溶融させることにより接合を行う。またＣｕ核はんだボールが接合された電子部品をプリント基板に実装する場合もプリント基板のランドにソルダペーストを塗布してから前述のようにソルダペーストを加熱溶融することにより電子部品とプリント基板のはんだ付けを行う。
【０００８】
このＣｕ核はんだボールを電子部品やプリント基板に接合するときにＣｕボール表面に被覆したはんだがはんだ付け性に多いに役立っている。即ち、Ｃｕボールだけのものを電子部品基板にソルダペーストではんだ付けしようとすると、Ｃｕは表面が酸化していると、はんだが十分に付着しないため、Ｃｕボールと電子部品の電極間で未はんだやディウエット等のはんだ付け不良を起こすことがある。しかしながらＣｕボールの表面に予めはんだを被覆しておくと、ソルダペーストではんだ付けするときに被覆したはんだとソルダペーストがよくなじんで不良のないはんだ付けが行えるようになる。それ故、電子部品のバンプにはＣｕボールの表面にはんだを被覆したＣｕ核はんだボールが使用されていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで従来のＣｕ核はんだボールと従来のはんだで電子部品を実装した電子機器は、使用中に電子部品が剥離するという問題があった。つまり携帯電話、ノート型パソコン、ビデオカメラ、デジタルカメラ等の所謂モバイル電子機器では、外部から受ける衝撃が多く、電子部品のはんだ付けに従来のＣｕ核はんだボールを使用したものでは、この衝撃で電子部品とプリント基板のはんだ付け部が剥離し、電子機器としての機能を果たせなくなってしまうことがあった。例えば携帯電話では、ワイシャツのポケットに入れておいたものが前屈みになったときにポケットから滑り落ちてしまったり、最近のメール機能が備わった携帯電話では片手の操作中に落としたりする。またノート型パソコンは鞄の中に入れて運ぶときに鞄ごと落とすことが多く、ビデオカメラやデジタルカメラは、使用中に落とすことが多い。このような外的衝撃が電子機器に加わったときに電子部品のはんだ付け部が剥離してしまうものである。
【００１０】
さらに電子機器では、使用時に回路に通電すると、コイル、パワートランジスター、抵抗等の部品から熱を発し、電子機器のケース内が昇温する。そして電子機器の使用を止めるために通電を切ると、部品からの発熱がなくなってケース内は室温に戻る。このように電子機器の使用・不使用を行うたびに、ケース内が昇温と降温を繰り返すというヒートサイクルが起こる。このヒートサイクルは、当然はんだ付け部にもおよび、はんだ付け部のはんだとプリント基板が熱膨張・収縮を起こす。ところがはんだ付け部における金属のはんだと樹脂のプリント基板では熱膨張率が多いに相違するため、昇温時には、はんだ付け部のはんだが熱膨張で大きく伸びようとするが、それよりも熱膨張率の小さなプリント基板がはんだの伸びを拘束するようになる。そして熱膨張で大きく伸びていたはんだが降温時に大きく縮もうとしても、今度は、その縮みをプリント基板が拘束するようになる。そのため電子機器の使用・不使用により、はんだ付け部がヒートサイクルに曝され、はんだは伸びと縮みを拘束するストレスで金属疲労を起こし、ついにはヒビ割れや破壊となって、はんだ付け部が剥離する。従来のＣｕ核はんだボールを用いた電子機器では、電子部品のはんだ付け部がヒートサイクルでヒビ割れや破壊することが多々あった。
【００１１】
本発明は、外的衝撃やヒートサイクルで破壊しにくいＣｕまたはＣｕ合金ボールのはんだ付け方法および金属核はんだボールを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者が従来のＣｕ核はんだボールを電子部品基板やプリント基板にはんだ付けした後、外的衝撃やヒートサイクルでＣｕボールのはんだ付け部が容易に剥離する原因について鋭意検討を行った結果、Ｃｕボールがはんだの界面で剥離しており、さらに該界面の分析を行ったところ、剥離した部分はＣｕＳｎの金属間化合物が厚く成長していた。つまり界面に生成されたＣｕＳｎ金属間化合物は硬くて脆いものであり、これが厚く成長すると衝撃やヒートサイクルで厚くなった金属間化合物層で破壊するものである。
【００１３】
そこで本発明者は、Ｃｕボールとはんだの界面に生成するＣｕＳｎの金属間化合物層を薄くできれば、はんだ付けされたＣｕボールは衝撃やヒートサイクルで容易に剥離しなくなることに着目して本発明を完成した。
【００１４】
本発明は、ＣｕまたはＣｕ合金ボールを電子部品基板やプリント基板にはんだ付けする際に、ＣｕまたはＣｕ合金ボールとはんだの界面におけるＺｎ濃度を高めてＣｕＳｎの金属間化合物の生成を抑制するようにしたことを特徴とするＣｕまたはＣｕ合金ボールのはんだ付け方法である。
【００１５】
また別の発明は、純銅のＣｕボールの表面がＺｎを０．００１〜１５質量％含有したはんだで被覆されていることを特徴と金属核はんだボールである。
【００１６】
さらにまた別の発明は、Ｚｎ０．００１〜５０質量％、残部ＣｕからなるＣｕ合金ボールの表面がはんだで被覆されていることを特徴とする金属核はんだボールである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
Ｓｎを含んだはんだでＣｕの母材に対してはんだ付けを行うと、Ｃｕの溶融温度にならなくてもＣｕがはんだ中のＳｎと合金化する。これは溶融はんだ中のＳｎがＣｕに拡散して合金化するものであり、はんだと母材の界面でＣｕＳｎの金属間化合物層が生成される。ＣｕＳｎの金属間化合物は硬くて脆い性質を有しているため、界面に該金属間化合物層が厚く生成されると衝撃やヒートサイクルで母材が容易に剥離してしまうものである。しかしながらＣｕ母材に対してはんだ付けを行っているときに溶融はんだや母材中にＺｎが存在すると、Ｚｎがはんだと母材の界面に集まってＺｎ濃度が高くなる。するとＺｎがＣｕＳｎの金属間化合物層の生成を抑制するようになり、界面でのＣｕＳｎの金属間化合物層は薄い層にとどまることになる。
【００１８】
本発明の金属核はんだボールとは、図１に示すようにＣｕまたはＣｕ合金ボール１の表面にはんだ２が被覆されたものである。本発明の金属核はんだボールは、金属ボールを純銅として、純銅のボールを被覆するはんだははんだ２にＺｎを添加したもの、或いは金属ボールをＣｕ−Ｚｎ合金とし、該金属ボールの表面をＳｎ−Ｐｂ系はんだやＰｂフリーはんだで被覆したものである。
【００１９】
本発明で純銅のＣｕボールに被覆するはんだとしては、Ｚｎを添加したＳｎ−Ｐｂはんだ、或いはＺｎを添加した鉛フリーはんだである。これらのはんだ中へのＺｎの含有量が０．００１質量％よりも少ないと、Ｃｕボールのはんだ付け時にＺｎによるＣｕＳｎ金属間化合物の生成抑制効果が現れない。しかるに被覆はんだ中にＺｎが１５質量％よりも多くなるとはんだ付け性を阻害するようになってしまう。
【００２０】
本発明で金属ボールとしてＣｕ−Ｚｎ合金を使用する場合、該金属ボールを被覆するはんだはＳｎ−Ｐｂ系はんだやＰｂフリーはんだである。Ｓｎ−Ｐｂ系はんだとは、Ｓｎ−Ｐｂ合金、或いは該合金に他の金属を添加したものである。Ｃｕ−Ｚｎ合金ボールは、はんだ付け時にＣｕ−Ｚｎ合金からＺｎが溶融したはんだ中に溶け出して界面でのＣｕＳｎ金属間化合物層の生成を抑制するものである。Ｃｕ−Ｚｎ合金中のＺｎ含有量が０．００１質量％よりも少ないとＣｕＳｎ金属間化合物層生成の抑制効果が現れず、しかるにＣｕボール中のＺｎ含有量が５０質量％を越えると、やはりはんだ付け性が悪くなる。本発明に使用するＣｕ−Ｚｎ合金としては、一般に市販されている真鍮が入手容易である。
【００２１】
【実施例】
（実施例１）
○金属核はんだボール
金属ボール：直径２００μｍの純Ｃｕボール
被覆はんだ：Ｐｂ−６３Ｓｎ−０．１Ｚｎ
被覆厚さ：２０μｍ
○金属核はんだボールのはんだ付け
Ｐｂ−６３Ｓｎのソルダペーストを塗布したＣＳＰ基板（１０×１０ｍｍ）の１５０個の電極に上記金属核はんだボールを搭載し、ピーク温度が２４０℃のリフロー炉で加熱して金属核はんだボールをはんだ付けした。さらにランドにＰｂ−６３Ｓｎのソルダペーストを塗布したガラエポのプリント基板（３０×１２０ｍｍ）の中央に該ＣＳＰ基板を搭載し、リフロー炉で加熱してＣＳＰとプリント基板のはんだ付けを行った。はんだ付け後の純Ｃｕボールとはんだの模式的組織を図２に示す。図２からも分かるようにＣｕボール１とはんだ３の界面にはＣｕＳｎの金属間化合物層４が薄く生成されていた。
【００２２】
（実施例２）
○金属核はんだボール
金属ボール：直径２００μｍの純Ｃｕボール
被覆はんだ：Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ−１Ｚｎ
被覆厚さ：２０μｍ
○金属核はんだボールのはんだ付け
上記金属核はんだボールを実施例１と同様にしてＣＳＰとプリント基板のはんだ付けを行った。ただしソルダペーストはＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕを使用した。
【００２３】
（実施例３）
○金属核はんだボール
Ｃｕ合金ボール：直径２００μｍのＣｕ−３０Ｚｎ合金ボール
被覆はんだ：Ｐｂ−６３Ｓｎ
被覆厚さ：２０μｍ
○金属核はんだボールのはんだ付け
上記金属核はんだボールを実施例１と同様にしてＣＳＰとプリント基板のはんだ付けを行った。
【００２４】
（比較例１）
○Ｃｕ核はんだボール
Ｃｕボール：直径２００μｍの純Ｃｕボール
被覆はんだ：Ｐｂ−６３Ｓｎ
被覆厚さ：２０μｍ
○Ｃｕ核はんだボールのはんだ付け
上記Ｃｕ核はんだボールを実施例１と同様にしてＣＳＰとプリント基板のはんだ付けを行った。はんだ付け後の純Ｃｕボールとはんだの模式的組織を図３に示す。図３ではＣｕボール１とはんだ３の界面にはＣｕＳｎの金属間化合物層４が実施例１の金属間化合物層よりも厚く生成されているのが分かる。
【００２５】
実施例１の金属核はんだボールと比較例１のＣｕ核はんだボールを用いて実装されたプリント基板の耐衝撃試験を行った。耐衝撃試験は以下の通りである。
耐衝撃試験：ＣＳＰが実装されたガラエポのプリント基板を外形４０×２００×８０（ｍｍ）のステンレス製で下部中央に三角形の衝突部が形成された枠状治具上に治具と間隔をあけて固定する。そして該治具を５００ｍｍの高さから落下させてプリント基板に衝撃を与える。このとき両端を治具に固定されたプリント基板は、中央部が振動し、プリント基板とＣＳＰ基板のはんだ付け部は、この振動による衝撃を受ける。この耐衝撃試験でＣＳＰ基板が剥離するまでの落下回数を測定する。
【００２６】
衝撃試験の結果、実施例の金属核はんだボールを用いたプリント基板では３０回以上の落下でもＣＳＰは剥離しなかったが、比較例のＣｕ核はんだボールを用いたプリント基板では１８回でＣＳＰが剥離した。
【００２７】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によれば、ＣｕまたはＣｕ合金ボールとはんだの界面に脆いＣｕＳｎの金属間化合物層が厚く生成しないため、該金属核はんだボールを用いた電子機器を使用中に誤って落下させるような外的衝撃を加えたり電子機器を長年月にわたって使用・不使用を繰り返しても、電子部品とＣｕまたはＣｕ合金ボールとが容易に剥離しないという信頼性に富むものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】金属核はんだボールの断面図
【図２】本発明の金属核はんだボールではんだ付けした界面組織の模式図
【図３】従来のＣｕ核はんだボールではんだ付けした界面組織の模式図
【符号の説明】
１ ＣｕまたはＣｕ合金ボール
２ 被覆はんだ
３ はんだ
４ 金属間化合物層

Claims (5)

1. ＣｕまたはＣｕ合金ボールを電子部品基板やプリント基板にはんだ付けする際に、ＣｕまたはＣｕ合金ボールとはんだの界面におけるＺｎ濃度を高めてＣｕＳｎの金属間化合物の生成を抑制するようにしたことを特徴とするＣｕまたはＣｕ合金ボールのはんだ付け方法。
2. 純銅のＣｕボールの表面がＺｎを０．００１〜１５質量％含有したはんだで被覆されていることを特徴と金属核はんだボール。
3. 前記はんだは、Ｚｎを０．００１〜１５質量％含有したＳｎ−Ｐｂ系はんだ、或いはＰｂフリーはんだであることを特徴とする請求項２記載の金属核はんだボール。
4. Ｚｎ０．００１〜５０質量％、残部ＣｕからなるＣｕ合金ボールの表面がはんだで被覆されていることを特徴とする金属核はんだボール。
5. 前記はんだは、Ｓｎ−Ｐｂはんだ、或いはＰｂフリーはんだであることを特徴とする請求項４記載の金属核はんだボール。

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