JP2005005630A

JP2005005630A - Conductive ball and external electrode forming method of electronic component using it

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Publication number: JP2005005630A
Application number: JP2003170240A
Authority: JP
Inventors: Rina Murayama; 里奈村山; Masahito Sumikawa; 雅人住川
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2003-06-16
Filing date: 2003-06-16
Publication date: 2005-01-06
Anticipated expiration: 2023-06-16
Also published as: JP3924552B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a conductive ball which can form an external electrode which does not generate cracks, which cause conduction defect and deterioration of mounting reliability, when an electronic component is mounted on a circuit substrate, and an external electrode forming method of the electronic component using the conductive ball. <P>SOLUTION: A conductive ball 1 consists of a core 5 formed of an almost spherical non-metallic material, a Cu layer 4 formed to cover the surface of the core 5 with no space, a solder inner layer 3 formed to cover the surface of the Cu layer 4 with no space and formed of an Sn 10.0 Ag alloy and a solder outer layer 2 which is formed to cover the surface of the solder inner layer 3 with no space and consists of an Sn 3.5 Ag alloy having a liquid phase line temperature lower than the liquid phase line temperature of the Sn 10.0 Ag alloy constituting the solder inner layer 3 and having a solid phase line temperature below the solid phase line temperature of the Sn 10.0 Ag alloy constituting the solder inner layer 3. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品または回路基板上に形成された外部電極形成に用いられる導電性ボールおよびそれを用いた電子部品の外部電極形成方法に関し、特に、信頼性に優れる外部電極を形成することができる導電性ボールおよびそれを用いた電子部品の外部電極形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話や携帯情報機器等の電子機器の小型化および軽量化を行うことを目的として、半導体装置の小型化および高密度化が図られている。そして、この目的のために、ＬＳＩチップを直接回路基板上に載置するベアチップ実装構造や、半導体装置の形状をＬＳＩチップに極力近づけることにより小型化を図った所謂チップサイズパッケージ（ＣｈｉｐＳｉｚｅＰａｃｋａｇｅ：ＣＳＰ）構造の半導体装置を用いた実装構造が提案されている。上記二つの実装構造は、高密度の実装を実現するために、半導体装置の底面に接続部を配置した構造になっている。
【０００３】
これらの実装構造においては、ベアチップあるいはＣＳＰと、それを実装する回路基板との間に熱膨張係数の不整合があるので、両者の接続部には、熱応力に起因する熱歪みが発生する。そして、この熱歪みによる接合材料の金属疲労が、接合部に亀裂を引き起こし、この亀裂がやがて破断に至って、その電子機器の不良の発生を招来するという問題がある。
【０００４】
接合材料の破断を防止するための熱応力緩和構造は、当然にして半導体装置の軽薄短小化、チップサイズの大型化、多ピン化が進む程設置が困難になるので、上記問題は、半導体装置の軽薄短小化、大型化、多ピン化が進むほど深刻になる。
【０００５】
図５は、特開２０００−３１５７０７号公報（特許文献１）等に記載されている第１の従来例の電子部品と回路基板の接続部の断面を示す図であり、図６は、熱応力が繰り返し作用した結果、図５の電子部品と回路基板の接続部に発生した亀裂を示す断面図である。
【０００６】
図５において、５６は電子部品、５７は電子部品のランド、５１は回路基板、５２は回路基板のランド、５４は接続部を示し、図６において、６６は、亀裂を示している。
【０００７】
有機基板に実装されている場合、良好なハンダ接続が得られていても、実装後にハンダ接続に熱応力が繰り返し作用して、接続部５４に大きな歪みが発生する。そして、図６に示すような亀裂６６が発生して、この亀裂６６に起因する破断が起こり、電子機器の故障が発生する。
【０００８】
上記問題を回避出来る接続部としては、特開２００１−９３３２９号公報（特許文献２）に記載されている第２の従来例の接続部がある。
【０００９】
図７は、上記第２の従来例の接続部を形成するときに用いられる導電性ボール７１の構造を示す断面図である。
【００１０】
上記導電性ボール７１は、高分子の球体からなるコア７５の表面をＣｕ層７４で被覆し、更に、Ｃｕ層７４をハンダ層７７で被覆して形成されている。
【００１１】
図８は、図７に示す導電性ボール７１を用いて形成される第２の従来例の接続部８４の断面図である。
【００１２】
第２の従来例の接続部８４は、電子部品８６のランド８７と、回路基板８１のランド８２の間を、図７に示した導電性ボール７１を内包するように、導電性ボール７１の外側からハンダ付けして形成されている。図８に示すように、図７に示すハンダ層７７とハンダ付けするときに用いたハンダとは混ざり合って新たなハンダ層８５を形成している。
【００１３】
図８に示すように、図７に示す導電性ボール７１を用いて接続部８４を形成すると、電子部品８６を回路基板８１に実装したときに、電子部品８６と回路基板８１のギャップを保持することができると共に、電子部品８６と回路基板８１の熱膨張係数の不整合に起因する熱応力を緩和することができて、接続部８４の信頼性を向上させることができる。
【００１４】
図９（Ａ）〜（Ｃ）は、第２の従来例の接続部を製造している途中の、製造途中の接続部を示す断面図である。
【００１５】
以下に、図９（Ａ）〜（Ｃ）を用いて第２の従来例の接続部の形成方法を説明する。
【００１６】
先ず、図９（Ａ）に示されている導電性ボール９１を、樹脂のコア９５の表面をＣｕメッキ９４で被覆し、更にＣｕメッキ９４をＳｎ３．５Ａｇハンダ９０層でメッキして形成する。
【００１７】
次に、図９（Ａ）に示すように、上記導電性ボール９１を、フラックス９８を介してフラックス９８の粘性を利用して電子部品９６のランド９７上に固定する。
【００１８】
続いて、ハンダ層９０の融点以上の温度で第１のリフローを行って、フラックス９８とハンダ層９０を混合して混合層１００を形成し、図９（Ｂ）に９９で示す外部電極を形成する。
【００１９】
最後に、Ｓｎ−Ａｇ系合金の粒子からなるハンダペースト１０３を回路基板１０１のランド１０２上に印刷した後、その上に外部電極９９を接触させるように電子部品９６を載置した状態で、混合層１００の融点以上の温度で第２のリフローを行って、図８に示すような接続部を形成する。
【００２０】
【特許文献１】
特開２０００−３１５７０７号公報
【特許文献２】
特開２００１−９３３２９号公報
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記第２の従来例の接続部では、上記第１のリフローを行うときの温度を高くしすぎると、第２のリフロー中に、図９（Ｃ）に示す外部電極９９の混合層１００と、回路基板１０１のランド１０２上に印刷されたハンダペースト１０３が濡れ合わず、図１０に示すように、外部電極９９の混合層１００と、回路基板１０１のランド１０２上に印刷されたハンダペースト１０３との間に界面１１７が発生して、この界面１１７が接続部に対してクラックとして作用して、実装信頼性が大きく低下するという問題がある。
【００２２】
更に、上記界面１１７が接続部を横断するように接続部全体に広がっている場合には、電子部品と回路基板の間で導通が得られず、初期不良が起こるという問題がある。
【００２３】
本発明者は、上記界面１１７の発生原因について鋭意検討を行い、界面１１７の発生メカニズムを突き止めた。すなわち、本発明者は、上記第１のリフリーを行って外部電極を形成するときに、図１１に示すように、Ｃｕ層１２４とＳｎを含むハンダ層１３０の界面にＣｕ−Ｓｎの金属間化合物１２８が発生し、このＣｕ−Ｓｎの金属間化合物１２８の一部が、外部電極１２９の表面に露出することを突き止め、更に、このＣｕ−Ｓｎの金属間化合物１２８が露出した領域は、Ｓｎ−Ａｇ系ハンダと濡れ性が非常に悪く、第２のリフローを行ったときに、金属間化合物１２８が露出した領域と、Ｓｎ−Ａｇ系ハンダとの間に界面１１７が生じることを突き止めた。
【００２４】
また、本発明者は、金属間化合物層１２８が外部電極１２９の表面上に露出する現象が、次のようなメカニズムで起こることを突き止めた。すなわち、導電性ボールをランド１２７上に載置した状態で第１のリフローを行うとき、ハンダ層１３０とＣｕ層１２４との間に、ハンダ層１３０との濡れ性が悪い金属間化合物層１２８が生成するという現象が起こる。溶融した導電性ボールの最外部のハンダ層１３０には、次の４つの力、すなわち、Ｃｕ層１２４との濡れ力、表面張力、電子部品１２６のランド１２７との濡れ力および重力が働くが、上記金属間化合物層１２８が生成することにより、ハンダ層１３０に作用する力のうちで重力およびランド１２７との濡れ力が、金属間化合物層１２８との間に働く力よりも支配的になり、外部電極１２９の上部のハンダ層１３０がランド１２７側に溶け落ちるという現象が発生する。このようにして、外部電極１２９の上部に、Ｓｎ−Ｃｕ金属間化合物層１２８の露出部分が発生するのである。
【００２５】
上記第１のリフローのピーク温度は、被加熱物内において、熱容量の分布などの要因でバラツキが生じる。一般には低ピーク温度による接続不良を懸念して、リフロー温度を高めに設定することが行われているが、リフロー温度が高すぎる場合には、上記のようなＳｎ−Ｃｕ金属間化合物層１２８の露出の問題が生じる。したがって、リフローピーク温度が多少、高温側に振れた場合にも、安定的に接続部が形成できる技術が求められる。
【００２６】
尚、外部電極の表面のハンダの濡れ性を改善し、外部電極の上部からハンダが溶け落ちるのを回避できるフラックスとして、活性力が高いハロゲン化物の含有量が多いフラックスがある。しかしながら、ハロゲン化物の含有量が多いフラックスを用いると、自然環境に対する負荷が大きくなるという問題がある。このことから、活性力の弱いフラックスを用いても、外部電極の上部からハンダ合金が溶け落ちるのを防ぐ手段が必要になる。
【００２７】
そこで、本発明の目的は、電子部品を回路基板に実装した際に、導通不良や実装信頼性の低下を引き起こすクラックを生じない外部電極を形成できる導電性ボールおよびその導電性ボールを用いた電子部品の外部電極形成方法を提供することにある。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明の導電性ボールは、
略球状の非金属材料からなるコアと、
上記コアの表面を被覆するように形成されると共に、ＣｕもしくはＮｉ、または、その両方を含む合金から成る第１の層と、
上記第１の層の表面を被覆するように形成されると共に、Ｓｎを含む合金から成る第２の層と、
上記第２の層の表面を被覆するように形成されると共に、上記第２の層を構成する材質の液相線温度よりも低い液相線温度を有し、かつ、上記第２の層を構成する材質の固相線温度以下の固相線温度を有する第３の層と
を備えることを特徴としている。
【００２９】
上記発明の導電性ボールによれば、上記コアの表面に、ＣｕあるいはＮｉ、または、その両方を含む合金から成る第１の層を、例えば、無電解メッキ法等によって被覆させたので、非金属材料に直接電解メッキを行うことができない上記第２の層であるＳｎを含む合金を、上記第１の層を介して上記コアの表面に被覆することができる。
【００３０】
また、上記発明の導電性ボールによれば、上記コアを樹脂等の非金属材料で構成したので、電子部品と回路基板の接続部に生じる応力を、樹脂等の非金属材料からなる上記コアの弾性によって緩和できて、接続部の信頼性を向上させることができる。
【００３１】
また、上記発明の導電性ボールによれば、上記第３の層の液相線温度が上記第２の層を構成する材質の液相線温度よりも低い液相線温度であり、上記第３の層の固相線温度が上記第２の層を構成する材質の固相線温度以下の固相線温度であるので、上記発明の導電性ボールを用いて電子部品に外部電極を形成する場合に、第３の層の合金の液相線温度以上、かつ、第２の層の合金の液相線温度以下の温度でリフローすると、第３の層の流動性が高くできて、第３の層を電子部品のランド上によく濡れ広がらせることができ、冷却後に滑らかな表面形状を形成できる。また、上記リフローによって、第２の層の流動性が高くならないので、第２の層が外部電極の上部から溶け落ちずに、外部電極の表面に、上記第１の層の成分を含んだハンダ合金と濡れ性の悪いＳｎとＣｕ、あるいは、ＳｎとＮｉからなる金属間化合物が露出することを防止できる。したがって、ハンダペーストを用いて電子部品を回路基板に実装する際に、電子部品と回路基板の間の接続部に、上記金属間化合物の露出に起因するクラックが生じることがなくて、導通不良が生じるの防止することができる。
【００３２】
また、一実施形態の導電性ボールは、上記第２の層が、非共晶組成の合金から成ることを特徴としている。
【００３３】
上記実施形態によれば、上記第２の層を、非共晶組成の合金で構成したので、上記第３の層の固相線温度以上で、かつ、上記第２の層の固相線温度以上液相線温度以下の温度で、導電性ボールを載置した電子部品をリフローしたときに、上記第２の層と上記第３の層をより均質に混合できて、上記第２の層と第３の層の境界をよりいっそう明確でないようにできて、滑らかな表面形状を獲得することができる。したがって、上記第２の層と第３の層との境界で層の物性を離散的でなく連続的に変化させることができるので、表面形状に凹凸があることで応力が集中して亀裂が入ることを防止できて、界面に応力が集中したり、界面で剥離が起こったりすることを防止できる。
【００３４】
また、一実施形態の導電性ボールは、上記第２の層と上記第３の層が、同じ金属元素を含み、上記第２の層における上記金属元素の組成と、上記第３の層における上記金属元素の組成は、異なることを特徴としている。
【００３５】
上記実施形態によれば、上記第２の層と上記第３の層を、同じ金属元素を含む合金で構成したため、上記第２の層と上記第３の層の混合に対する相性を良くすることができて、リフロー後に、上記第２の層と上記第３の層の境界で層の物性を連続的に変化させることができる。したがって、界面で剥離が起こることを防止できる。
【００３６】
また、一実施形態の導電性ボールは、上記第２の層が、Ｓｎの組成比が僅かに減少したときに液相線温度が上昇する性質を有する合金から成ることを特徴としている。
【００３７】
上記実施形態によれば、上記第２の層を、Ｓｎの組成比が僅かに減少したときに液相線温度が上昇する性質を有する合金で構成したので、上記実施形態の導電性ボールを用いて電子部品に外部電極を形成する場合、リフロー中に、第２の層と第３の層の間でＳｎを含む金属間化合物が形成されて第２の層中のＳｎの絶対量が減少したとき、上記第２の層の液相線温度を上昇させることができる。したがって、上記第２の層の合金の液相線温度以下の温度でリフローを行えば、上記リフロー中に金属間化合物が生じることによって上記第２の層のＳｎの絶対量が減少して組成が変化しても、固液共存状態を保つことができて、外部電極の上部から上記第２の層が溶け落ちることを防止できて、外部電極の表面に濡れ性の悪い金属間化合物が露出することを防止できる。
【００３８】
また、一実施形態の導電性ボールは、上記第２の層と上記第３の層が、ＳｎとＡｇを含む合金から成り、上記第２の層と上記第３の層の各々で、上記Ａｇが占める割合は、３．５重量パーセント以上５０重量パーセント以下であり、かつ、上記第２の層は、上記第３の層よりもＡｇの割合が高いことを特徴としている。
【００３９】
上記実施形態によれば、上記第２の層と上記第３の層の各々で、上記Ａｇが占める割合を、３．５重量パーセント以上５０重量パーセント以下にしたので、固相線温度を２２１℃と一定値にできると共に、液相線温度をＡｇの比率の増加に伴って単調に増加させることができる。このことから、リフロー中に上記第２の層と上記第３の層の界面で金属間化合物が生成して、上記第２の層におけるＳｎの絶対量が減少すると共に、Ａｇの割合が相対的に増加したとしても、これに対応して上記第２の層の液相線温度も上昇するため、上記第２の層が、安易に液化することがなくて、安定的に固液共存状態を維持することができる。したがって、外部電極の上部から上記第２の層が溶け落ちることがないので、外部電極の表面に金属間化合物が露出することを防止できる。また、上記第２の層のＡｇの割合を、上記第３の層のＡｇの割合よりも高くして、上記第３の層の液相線温度を上記第２の液相線温度よりも低くしたので、リフロー中に、上記第３の層の流動性を高くすることができて、上記第３の層を、電子部品のランド上によく濡れ広がらせることができて、冷却後に滑らかな表面形状を形成することができる。
【００４０】
また、この発明の電子部品の外部電極形成方法は、
請求項１乃至５のいずれか１つに記載の導電性ボールを、電子部品のランド上に載置する工程と、
上記載置された上記導電性ボールを、上記導電性ボールの上記第２の層を構成する合金の液相線温度より低く、かつ、上記導電性ボールの上記第３の層を構成する合金の液相線温度より高いピーク温度を有する温度で加熱する工程と
を備えることを特徴としている。
【００４１】
上記発明の電子部品の外部電極形成方法によれば、上記導電性ボールを、上記導電性ボールの上記第２の層を構成する合金の液相線温度より低く、かつ、上記導電性ボールの上記第３の層を構成する合金の液相線温度より高いピーク温度を有する温度で加熱する工程を備えるので、この工程で、流動性が高い上記第３の層を、電子部品のランド上によく濡れ広がらせることができて、冷却後も滑らかな表面形状を形成することができる。また、固相が存在して流動性がさほど高くない上記第２の層を、外部電極の上部から溶け落ちないようにすることができる。したがって、外部電極の表面に、上記第１の層の成分を含んだハンダ合金と濡れ性の悪いＳｎとＣｕ、あるいは、ＳｎとＮｉからなる金属間化合物が露出することを防止できて、ハンダペーストを用いて電子部品を回路基板に実装する際に、導通不良が生じるのを防止できる。
【００４２】
また、この発明の電子部品の外部電極形成方法は、
電子部品のランド上にハンダペーストを塗布する工程と、
請求項１乃至５のいずれか１つに記載の導電性ボールを、上記ハンダペーストが塗布された電子部品のランド上に載置する工程と、
上記電子部品のランド上に載置した上記導電性ボールを加熱する工程とを備え、
上記ハンダペーストに含まれる合金粒子の液相線温度は、上記第２の層を構成する合金の液相線温度よりも低く、
上記導電性ボールを加熱する工程における加熱温度のピーク温度は、上記第２の層を構成する合金の液相線温度よりも低く、かつ、上記合金粒子の液相線温度よりも高いことを特徴としている。
【００４３】
上記発明の電子備品の外部電極形成方法によれば、上記導電性ボールを加熱する工程における加熱温度のピーク温度を、上記第２の層を構成する合金の液相線温度よりも低く、かつ、上記合金粒子の液相線温度よりも高くしたので、上記ハンダペーストの合金粒子を、電子部品のランドおよび導電性ボールの表面に、均等に濡れ広げることができる。また、導電性ボールの第２の層が、外部電極の表面からランド側に溶け落ちることを防止できて、上記第１の層と上記第２の層との界面に形成された金属間化合物層が表面に露出することを防止できる。
【００４４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００４５】
図１は、本発明の一実施形態の導電性ボール１の中心を含む断面図である。
【００４６】
この導電性ボール１は、該導電性ボール１の中心と略同じ中心を有し、かつ、該導電性ボール１の半径よりも小さな半径を有する球体から成るコア５と、このコア５の表面を隙間無く被覆するように配置されており、かつ、被覆膜の径方向の膜厚が略等しい第１の層の一例としてのＣｕ層４と、このＣｕ層４の表面を隙間無く被覆するように配置されており、かつ、被覆膜の径方向の膜厚が略等しい第２の層の一例としてのハンダ内層３と、このハンダ内膜３の表面を隙間無く被覆するように配置されており、かつ、被覆膜の径方向の膜厚が略等しい第３の層の一例としてのハンダ外層２とから構成されている。
【００４７】
上記コア５は、例えば、エポキシ樹脂、ポリカーボネート、ポリテレフタレート等の有機重合体・有機共重合体等の材料からなっており、電子部品を回路基板に実装したとき、樹脂材料が持つ弾性によって接続部に生じる応力を緩和できるようになっている。また、上記コア５を構成する微粒子は、例えば、懸濁重合法や分散重合法等の合成方法によって合成されている。
【００４８】
尚、コア５の材料として、セラミックス等、リフロー温度では形状が変化しない高融点の無機材料を用いても良く、この場合、電子部品を回路基板に実装するときに、リフロー中においても、コア５が溶融せずにコア５の形状を維持することができて、電子部品と回路基板のギャップをコア５の直径以上に高く保持することができ、外部電極に生じる熱歪みの集中を低減することができる。
【００４９】
上記Ｃｕ層４は、３μｍ以上の厚さを有し、外部電極形成や電子部品を回路基板に実装する際のリフロープロセスや、製品として実使用される間に、Ｃｕがハンダ合金側に拡散しても、コア５の表面に残留するようになっている。尚、上記Ｃｕ層４をコア５に被覆する方法としては、コア５の表面に触媒を付着させて無電解Ｃｕメッキを行ない、更にＣｕ層４の厚さが数μｍ程度になるように、硫酸銅メッキ浴により電解Ｃｕメッキを行なう方法等がある。
【００５０】
上記ハンダ内層３は、Ｓｎを含む合金であり、Ｃｕ層４よりも液相線温度が高い合金で構成されている。また、上記ハンダ外層２は、ハンダ内層３より液相線温度が低い合金で構成されている。詳細には、上記ハンダ内層３とハンダ外層２は、Ｓｎ−Ａｇ合金で構成されており、ハンダ外層２のＡｇ重量パーセント組成は、３．５重量パーセントの組成（これを、Ｓｎ３．５Ａｇと示す）になっており、ハンダ内層３のＡｇ重量パーセント組成は、１０．０重量パーセントの組成（Ｓｎ１０．０Ａｇ）になっている。このように上記ハンダ内層３とハンダ外層２を同じＳｎ−Ａｇ合金で構成することによって、リフロー後にハンダ外層２とハンダ内層３との界面で、物性が大きく変化しないようにして、リフロー処理の前後で、組成が大きく異ならないようにしている。この実施形態の導電性ボールのように、ハンダ内層３とハンダ外層２を構成する材料として、Ｓｎ−Ａｇ合金を採用すると、共晶組成において、材料強度を最も優れたものにできて、かつ、液相線温度も、最も低くすることができる。
【００５１】
図２は、Ｓｎ−Ａｇ合金の状態図であり、Ｓｎ−Ａｇ合金においてＡｇが占める重量パーセントと、共晶温度との関係を示す図である。
【００５２】
図２において、Ｌで示す領域は、液相の状態を示し、Ｌ＋Ｓで示す領域は、液相と固相の共存状態を示し、Ｓで示す領域は、固相の状態を示している。
【００５３】
図２に示すように、Ｓｎ−Ａｇ合金は、Ａｇが３．５重量パーセントの場合に２２１℃の共晶温度を持っている。また、Ａｇが３．５重量パーセント以上５０重量パーセント以下の領域では、固相線温度が２２１℃と一定値になり、かつ、液相線温度がＡｇの比率の増加に伴って単調に増加している。このことから、リフロー中にハンダ内層３とＣｕ層４の界面で金属間化合物が生成して、ハンダ内層３におけるＳｎの絶対量が減少すると共に、Ａｇの割合が相対的に増加したとしても、これに対応して図２にＢで示す液相線温度も上昇するため、ハンダ内層３が、安易に液化することがなくて、安定的に固液共存状態を維持することができる。したがって、外部電極形成時の第１のリフローの最中に、ハンダ内層３の流動性が高くなりすぎることがなくて、外部電極の上部からハンダ内層３が溶け落ちることがないので、外部電極の表面に、図１１に１２８で示したような金属間化合物が露出することがない。
【００５４】
また、Ｓｎ―Ａｇ合金を、図２にＡで示す固相線温度以上の温度で溶融させてから冷却すると、凝固時にＡｇ_３Ｓｎの初晶が形成されるので、共晶組成のＳｎ−Ａｇ合金において、硬いＡｇ_３Ｓｎの微細化した初晶を分散させることができて、強度を向上させることができる。しかしながら、Ａｇが占める重量パーセントの割合を高い値に設定すると、Ａｇ_３Ｓｎが粗大化して、冷却後のＳｎ−Ａｇ合金の強度が低下するので、Ａｇが占める重量パーセントの割合を、Ａｇの組成は３．５重量パーセントに対して大きくなりすぎない値に設定する必要がある。
【００５５】
また、導電性ボールを用いて形成した外部電極を有する電子部品を回路基板に実装する場合、ハンダ内層３の液相線温度を、電子部品の実装において一般的に使われるリフロー温度よりも、十分に高く設定して、電子部品の実装中にハンダ内層３が液相のみの状態にならないようにする必要がある。
【００５６】
詳細には、電子部品をプリント基板に実装する場合のリフロー温度は、２２０〜２６０℃くらいであり、電子部品に外部電極を形成する場合に想定されるリフロー温度は、３００℃以下であるので、ハンダ内層３におけるＡｇ組成重量パーセントを、この実施形態のＡｇ組成１０．０重量パーセントのように、図２に実線Ｂで示す液相線温度２６０℃に対応するＡｇ組成５．５重量パーセント以上、液相線温度３００℃に対応するＡｇ組成１０重量パーセント以下に設定することが望ましい。
【００５７】
尚、ハンダ外層２、ハンダ内層３の形成方法としては、電解メッキ法や、ディップコーティング法等がある。
【００５８】
以上、この実施形態の導電性ボール１では、ハンダ内層３およびハンダ外層２がＳｎ―Ａｇ合金である場合を例に説明を行ったが、この発明の導電性ボールでは、第２の層および第３の層が、Ｓｎ―Ａｇ合金以外のＳｎ−Ｐｂ合金や、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金や、Ｓｎ―Ｚｎ合金等の他のＳｎ系合金でも良く、この場合も、第２の層および第３の層がＳｎ―Ａｇ合金である上記実施形態の導電性ボール１と同様な考えで、Ｐｂ組成重量パーセントや、Ａｇ−Ｃｕ組成重量パーセントや、Ｚｎ組成重量パーセントを決めることができる。
【００５９】
上記実施形態の導電性ボール１によれば、ハンダ外層２については、共晶組成に近いＡｇの重量パーセントが３．５重量パーセントのＳｎ―Ａｇ合金で構成し、ハンダ内層３については、Ｓｎの組成が減少することによって液相線温度が上昇するＡｇの重量パーセントが１０．０重量パーセントのＳｎ―Ａｇ合金で構成したので、リフロー中に、ハンダ内層３とＣｕ層４の界面でＣｕ−Ｓｎ金属間化合物が生成して、ハンダ内層３のＳｎの絶対量が減少しても、上昇したハンダ内層３の液相線温度がリフロー温度以下に下がることがない。
【００６０】
尚、第３の層と第２の層を、Ｓｎ−Ｐｂ合金で成膜する場合には、１８３℃の固相線温度と、Ｓｎが減少するほど高くなる液相線温度とを持つＰｂ重量パーセント組成が３８．１〜８０．８重量パーセントのＳｎ−Ｐｂ合金を使用すると、上記実施形態のＳｎ−Ａｇ合金で得た作用効果と同様の作用効果を得ることができる。また、同様に、第３の層と第２の層を、Ｓｎ−Ｂｉ合金で成膜する場合には、一定の固相線温度と、Ｓｎが減少した場合に上昇する液相線温度を持つＢｉ重量パーセント組成が５７〜９９．９重量パーセントのＳｎ−Ｂｉ合金を使用すると、上記実施形態のＳｎ−Ａｇ合金で得た作用効果と同様の作用効果を得ることができ、第３の層と第２の層を、Ｓｎ−Ｚｎ合金で成膜する場合には、一定の固相線温度と、Ｓｎが減少した場合に上昇する液相線温度を持つＺｎ重量パーセント組成が８．８〜１００重量パーセントのＳｎ−Ｚｎ合金を使用すると、上記実施形態のＳｎ−Ａｇ合金で得た作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
【００６１】
図３（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の電子部品の外部電極形成方法の一実施形態を説明する製造途中の外部電極および完成状態の外部電極を示す断面図である。
【００６２】
以下に、図３（Ａ）、（Ｂ）を用いて、本発明の電子部品の外部電極形成方法の一実施形態の説明を行うことにする。
【００６３】
先ず、図３（Ａ）に示すように、電子部品３６のランド３７上に、ピンを用いて転写する方法等でフラックス３８を塗布し、上記実施形態の導電性ボール１を、フラックス３８上にフラックス３８の粘性を用いて載置する。
【００６４】
上記導電性ボール１を載置する方法としては、真空系を備えたマウンタにランドパターンに対応して穴をあけたジグを用いて、その穴に導電性ボール１を真空吸着し、電子部品３６上で真空を解除することでランド３７上に導電性ボール１を載置する方法等がある。尚、ランド上にフラックスを介して導電性ボールを載置する別の方法としては、ジグに吸着された導電性ボールの下面をフラックス溜まりに押し付け、その後で導電性ボールをランド上に載置する方法等もある。
【００６５】
次に、ランド３７上にフラックス３８を介して導電性ボール１が載置されている状態で、ハンダ外層２の固相線温度以上で、かつ、ハンダ内層３の合金の液相線温度以下の温度でリフローを行い、Ｃｕ層４と図３（Ｂ）に示すハンダ層３０との界面に、Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物（図示せず）を生成する。例えば、この実施形態のように導電性ボール１のハンダ外層２がＳｎ３．５Ａｇで、ハンダ内層３がＳｎ１０Ａｇである場合には、２２１℃以上３００℃以下の温度でリフローを行い、Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物（図示せず）を生成する。この実施形態の方法では、ハンダ外層２の固相線温度以上で、かつ、ハンダ内層３の合金の液相線温度以下の温度でリフローを行ったので、リフロー中に外部電極３１の表面を隙間無くＳｎ−Ａｇ合金で覆うことができて、上記Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物が外部電極３１の表面に露出することを防止することができる。
【００６６】
尚、導電性ボールのハンダ外層とハンダ内層の厚みが薄いと、外部電極を形成するためのハンダの体積が不足し、ランドとコアにはさまれた領域で、外部電極がくびれることがある。そして、電子部品をハンドリングするとき等に、外部電極が衝撃を受けたり、物に当たったりして、上記くびれた部分に応力が集中して、外部電極の破損が発生することがある。このことから、ハンダ外層２とハンダ内層３の厚さの合計を、コア５とランド３７の直径に基づいて変化させて、くびれた部分を防止できる十分な厚さに設定する必要がある。例えば、この実施形態では、ランド３７の直径を０．２８ｍｍφに設定すると共に、コア５の直径が０．２５ｍｍφ、Ｃｕ層４の厚みが５μｍの導電性ボール１を用いて外部電極を形成しているが、ハンダ外層２とハンダ内層３をそれぞれ１０μｍに設定（合わせて２０μｍの厚さに設定）して、くびれのない外部電極を形成するようにしている。
【００６７】
上記フラックス３８の代わりに、電子部品のランド上にハンダペーストを印刷等の手法により塗布して、ハンダペーストの粘性によって、導電性ボールを固定する方法もある。この場合、使用に適する合金は、ハンダペーストに含まれる合金粒子が導電性ボールのハンダ内層よりも低い液相線温度を持つＳｎ３．５ＡｇやＳｎ３Ａｇ０．５Ｃｕ等の合金である。尚、ハンダペーストを用いて導電性ボールを固定する場合でも、ハンダ内層の液相線温度より低く、かつ、ハンダペースト中の合金粒子の液相線温度よりも高いピーク温度で、リフローを行うことによって、Ｃｕ層とハンダ内層との界面に形成されたＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層が、外部電極の表面に露出することを防止することができる。
【００６８】
図４（Ａ）は、回路基板４１のランド４２に、ハンダペースト４３を介して図３（Ｂ）に示す電子部品３６の外部電極３１がマウントされている状態を示す断面図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示されている電子部品３６がマウントされている状態で、リフローを行って、回路基板４１と電子部品３６との間に接続部４４を形成した状態の断面図である。
【００６９】
上記ハンダペースト４３は、マスク印刷等によってランド４２に塗布される。また、上記ハンダペースト４３のハンダ粒子としては、Ｓｎ３．５Ａｇや、Ｓｎ３Ａｇ０．５Ｃｕ等を使用している。また、上記リフローを行うときの温度を、従来、ハンダペーストのハンダ粒子としてＳｎ３．５ＡｇやＳｎ３Ａｇ０．５Ｃｕのハンダ粒子を用いて電極を形成した電子部品を、固体基板のランドに固着するのに用いるリフロー温度と同様の２３０〜２６０℃に設定している。
【００７０】
図４（Ｂ）に示すように、リフローを行った後の状態では、図４（Ａ）に示したリフロー前の状態で存在していたハンダ合金３０とハンダペースト４３が均質に交じり合って、ハンダ合金３０とハンダペースト４３との間の界面５０が消滅し、これら二つの層が混合層４５を形成している。
【００７１】
図４（Ｂ）に示したような接続部４４を形成することによって、樹脂材料からなるコア５の弾性によって、接続部に生じる応力を緩和することができるので、従来のハンダボールを用いて形成された外部電極を持つ電子部品を実装する場合と比較して、温度サイクルにおける実装信頼性を向上させることができる。
【００７２】
上記実施形態の導電性ボール１によれば、コア５の表面に、Ｃｕ４層を被覆させたので、非金属材料に直接電解メッキを行うことができないＳｎを含むハンダ内層３を、Ｃｕ４層を介してコア５の表面に被覆することができる。
【００７３】
また、上記実施形態の導電性ボール１によれば、コア５を樹脂等の非金属材料で構成したので、電子部品３６と回路基板４１の接続部に生じる応力を、コア５の弾性によって緩和できて、接続部の信頼性を向上させることができる。
【００７４】
また、上記実施形態の導電性ボール１によれば、ハンダ外層２の液相線温度と固相線温度を、夫々、ハンダ内層３を構成する材質の液相線温度よりも低く、かつ、ハンダ内層３を構成する材質の固相線温度以下になるようにしたので、ハンダ外層２の液相線温度以上、かつ、ハンダ内層３の液相線温度以下の温度でリフローを行うことによって、ハンダ外層２の流動性を高くできて、ハンダ外層２を電子部品のランド上によく濡れ広がるようにすることができて、冷却後に滑らかな表面形状を形成することができる。また、上記温度でリフローを行うことによって、ハンダ内層３を固液共存状態にすることができて、流動性が高くなりすぎないようにすることができて、ハンダ内層３を外部電極３１（図３（Ｂ）参照）上部から溶け落ちないようにすることができるので、外部電極３１の表面に、Ｃｕ層４の成分を含んだハンダ合金と濡れ性の悪いＳｎとＣｕからなる金属間化合物が露出することを防止できて、電子部品３６を回路基板４１に接続した際、この接続部４４に導通不良が生じるの防止することができる。
【００７５】
また、上記実施形態の導電性ボールによれば、上記ハンダ内層３を、非共晶組成の合金で構成したので、ハンダ外層２の固相線温度以上で、かつ、ハンダ内層３の固相線温度以上液相線温度以下の温度で、導電性ボール１を載置した電子部品３６をリフローした場合に、ハンダ内層３とハンダ外層２をより均質に混合することができて、滑らかな表面形状を獲得することができる。したがって、ハンダ内層３とハンダ外層２との境界で層の物性を離散的でなく連続的に変化させることができるので、ハンダ内層３とハンダ外層２の界面に亀裂や剥離が生じることを防止できる。
【００７６】
また、上記実施形態の導電性ボール１によれば、上記ハンダ内層３とハンダ外層２を、同じ金属元素を含む合金で構成したため、リフロー後に、ハンダ外層３とハンダ内層２の境界で層の物性を連続的に変化させることができて、界面に亀裂や剥離が生じることを防止できる。
【００７７】
また、上記実施形態の導電性ボール１によれば、上記ハンダ内層３を、Ｓｎの組成比が僅かに減少したときに液相線温度が上昇する性質を有する合金で構成したので、上記実施形態の導電性ボール１を用いて電子部品３６に外部電極３１を形成する場合、リフロー中に、ハンダ内層３とハンダ外層２の間でＳｎを含む金属間化合物が形成されてハンダ内層３中のＳｎの絶対量が減少したとき、ハンダ内層３の液相線温度を上昇させることができる。したがって、上記ハンダ内層３の合金の液相線温度以下の温度でリフローを行うことによって、上記リフロー中に金属間化合物が生じることによってハンダ内層３のＳｎの絶対量が減少するようにハンダ内層３の組成が変化しても、固液共存状態を保つことができて、外部電極３１の上部からハンダ内層３が溶け落ちることを防止できて、外部電極３１の表面に濡れ性の悪い金属間化合物が露出することを防止できる。
【００７８】
また、上記実施形態の導電性ボール１によれば、上記ハンダ内層３のＡｇが占める割合を１０．０重量パーセントにすると共に、ハンダ外層２のＡｇが占める割合を３．５重量パーセントにし、共に３．５重量パーセント以上５０重量パーセント以下にしたので、固相線温度を２２１℃と一定値にできると共に、液相線温度をＡｇの比率の増加に伴って単調に増加させることができる。このことから、リフロー中にハンダ内層３とハンダ外層２の界面で金属間化合物が生成して、ハンダ内層３におけるＳｎの絶対量が減少すると共に、Ａｇの割合が相対的に増加したとしても、これに対応して液相線温度も上昇するため、ハンダ内層３が、安易に液化することがなくて、安定的に固液共存状態を維持することができる。したがって、外部電極３１の上部からハンダ内層３が溶け落ちることがないので、外部電極３１の表面に金属間化合物が露出することを防止できる。また、上記ハンダ内層３のＡｇの割合を、ハンダ外層２のＡｇの割合よりも高くして、ハンダ外層２の液相線温度をハンダ外層２の液相線温度よりも低くしたので、リフロー中に、ハンダ外層２の流動性を高くすることができて、ハンダ外層２を、電子部品３６のランド３７上によく濡れ広がらせることができて、冷却後に滑らかな表面形状を形成することができる。
【００７９】
また、上記実施形態の電子部品の外部電極形成方法によれば、上記導電性ボール１を、導電性ボール１のハンダ内層３を構成する合金の液相線温度より低く、かつ、導電性ボール１のハンダ外層２を構成する合金の液相線温度より高いピーク温度を有する温度で加熱する工程を備えるので、この工程で、流動性が高いハンダ外層２を、電子部品３６のランド３７上によく濡れ広がらせることができて、冷却後も滑らかな表面形状を形成することができる。また、固相が存在して流動性がさほど高くないハンダ内層３を、外部電極３１の上部から溶け落ちないようにすることができる。したがって、外部電極３１の表面に、Ｃｕ層４の成分を含んだハンダ合金と濡れ性の悪いＳｎとＣｕからなる金属間化合物が露出することを防止できて、電子部品３６と回路基板４１を接続したとき、接続部４４に導通不良が生じるの防止できる。
【００８０】
尚、上記実施形態の導電性ボール１では、第１の層としてのＣｕ層４の層厚を３μｍ以上の厚さにしたが、この発明の導電性ボールでは、第１の層としてのＣｕ層の層厚を３μｍより小さくしても良い。
【００８１】
また、上記実施形態の導体性ボール１では、第１の層をＣｕ層４で構成したが、この発明の導体性ボールでは、第１の層をＣｕ層４の代わりにＮｉ層で構成しても良く、第１の層をＣｕ層４の代わりにＣｕとＮｉの合金の層で構成しても良い。そして、これらの場合においても、第１の層をＣｕ層４で構成した場合と同様の作用効果を得ることができる。尚、Ｎｉについても、Ｃｕと同じく、無電解メッキと電解メッキによってコアの表面を被覆することができ、第１の層をＮｉ層で構成した場合、Ｎｉ層と第２の層との界面に形成されるのはＳｎ−Ｎｉ金属間化合物となる。
【００８２】
本発明者は、比較例として、樹脂からなる球状のコアの表面にＣｕメッキを行ない、さらにＳｎ３．５Ａｇをメッキした導電性ボールを用いて、電子部品を回路基板に実装し、電子部品と回路基板との間に形成された接続部の物理的性質を調査した。
【００８３】
詳細には、電子部品上に０．５ｍｍピッチで形成された０．２８ｍｍφのランドにフラックスを塗布し、このフラックス上に、０．２６ｍｍφのコアに３μｍ厚のＣｕ層と１７μｍ厚のＳｎ３．５Ａｇ層を順次被覆した導電性ボールを載置した後、ピーク温度２５０℃でリフローを行なって、外部電極を形成した。続いて、プリント基板のランド上にハンダペーストをマスク印刷した後、先ほどの電子部品を、外部電極の位置とプリント基板のランドの位置とを対応させて載置して、ピーク温度２４５℃でリフローして接続部を作製した。本発明者は、このような方法で、２０サンプルの接続部を形成し、２０のサンプル全てに導通検査を行った。
【００８４】
その結果、比較例の接続部は、上記実施形態の導電性ボール１を用いて形成される接続部と異なり、図１０に示されるような界面１１７を有する形状となり、かつ、２０サンプルの全てにおいて、接続部で導通不良が生じていることを確認した。
【００８５】
【発明の効果】
以上より明らかなように、上記発明の導電性ボールによれば、コアの表面に、ＣｕあるいはＮｉ、または、その両方を含む合金から成る第１の層を、例えば、無電解メッキ法等によって被覆させたので、非金属材料に直接電解メッキを行うことができない上記第２の層であるＳｎを含む合金を、上記第１の層を介して上記コアの表面に被覆することができる。
【００８６】
また、上記発明の導電性ボールによれば、上記第３の層の液相線温度と固相線温度の夫々が、上記第２の層を構成する材質の液相線温度よりも低い液相線温度であると共に、上記第２の層を構成する材質の固相線温度以下の固相線温度であるので、この発明の導電性ボールを用いて電子部品に外部電極を形成する場合に、第３の層の合金の液相線温度以上、かつ、第２の層の合金の液相線温度以下の温度でリフローすることにより、第３の層の流動性を高くできて、第３の層を電子部品のランド上によく濡れ広がらせることができて、冷却後に滑らかな表面形状を形成することができる。また、上記温度を用いてリフローを行えば、第２の層の流動性が高くならないので、第２の層が外部電極の上部から溶け落ちずに、外部電極の表面に、上記第１の層の成分を含んだハンダ合金と濡れ性の悪いＳｎとＣｕ、あるいは、ＳｎとＮｉからなる金属間化合物が露出することを防止できる。したがって、例えば、ハンダペーストを用いて電子部品を回路基板に実装する際に、導通不良が生じるの防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の導電性ボールの断面図である。
【図２】Ｓｎ−Ａｇ合金の状態図である。
【図３】図３（Ａ）は、本発明の電子部品の外部電極形成方法の一実施形態を説明する製造途中の外部電極を示す断面図であり、図３（Ｂ）は、完成状態の外部電極を示す断面図である。
【図４】図４（Ａ）は、回路基板のランドに、ハンダペーストを介して図３（Ｂ）に示す電子部品の外部電極がマウントされている状態を示す断面図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の状態で、リフローを行って、回路基板と電子部品との間に接続部を形成した状態の断面図である。
【図５】第１の従来例の電子部品と回路基板との接続部の断面を示す図である。
【図６】図５に示す第１の従来例の接続部に発生した亀裂を示す断面図である。
【図７】第２の従来例の接続部を形成するときに用いられる導電性ボールの構造を示す断面図である。
【図８】図７に示す導電性ボールを用いて形成される第２の従来例の接続部の断面図である。
【図９】第２の従来例の接続部を製造している最中の、製造途中の接続部を示す断面図である。
【図１０】第２の従来例の接続部に生じた界面を示す断面図である。
【図１１】第２の従来例の接続部の形成に用いる外部電極に発生する問題を説明する断面図である。
【符号の説明】
１導電性ボール
２ハンダ外層
３ハンダ内層
４Ｃｕ層
５コア
３１外部電極
３６電子部品
３７ランド
３８フラックス
４１回路基板
４２ランド
４３ハンダペースト
４４接続部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a conductive ball used for forming an external electrode formed on an electronic component or a circuit board, and an external electrode forming method for an electronic component using the same, and in particular, an external electrode having excellent reliability can be formed. The present invention relates to a conductive ball and a method for forming an external electrode of an electronic component using the same.
[0002]
[Prior art]
In recent years, semiconductor devices have been reduced in size and density in order to reduce the size and weight of electronic devices such as mobile phones and portable information devices. For this purpose, a bare chip mounting structure in which an LSI chip is directly mounted on a circuit board, or a so-called chip size package (Chip Size Package) in which the size of the semiconductor device is reduced as close as possible to the LSI chip. A mounting structure using a semiconductor device having a (CSP) structure has been proposed. The above two mounting structures have a structure in which a connecting portion is arranged on the bottom surface of the semiconductor device in order to realize high-density mounting.
[0003]
In these mounting structures, since there is a mismatch in thermal expansion coefficient between the bare chip or CSP and the circuit board on which the bare chip or CSP is mounted, thermal distortion caused by thermal stress occurs at the connection portion between them. And there is a problem that the metal fatigue of the joining material due to this thermal strain causes a crack in the joint, and this crack eventually breaks, leading to the occurrence of defects in the electronic device.
[0004]
Naturally, the thermal stress relaxation structure for preventing the fracture of the bonding material is difficult to install as the semiconductor device becomes lighter and thinner, the chip size is increased, and the number of pins is increased. As the number of pins becomes smaller, larger, and the number of pins increases, the situation becomes more serious.
[0005]
FIG. 5 is a diagram showing a cross-section of a connection portion between a first conventional example electronic component and a circuit board described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-315707 (Patent Document 1) and the like, and FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view showing a crack generated in a connection portion between the electronic component and the circuit board in FIG. 5 as a result of repeated action.
[0006]
5, 56 is an electronic component, 57 is a land of the electronic component, 51 is a circuit board, 52 is a land of the circuit board, 54 is a connection portion, and 66 in FIG. 6 is a crack.
[0007]
When mounted on the organic substrate, even if good solder connection is obtained, thermal stress repeatedly acts on the solder connection after mounting, and a large distortion occurs in the connection portion 54. And the crack 66 as shown in FIG. 6 generate | occur | produces, the fracture | rupture resulting from this crack 66 occurs, and the failure of an electronic device generate | occur | produces.
[0008]
As a connection part that can avoid the above problem, there is a connection part of a second conventional example described in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-93329 (Patent Document 2).
[0009]
FIG. 7 is a cross-sectional view showing the structure of the conductive ball 71 used when forming the connection portion of the second conventional example.
[0010]
The conductive ball 71 is formed by covering the surface of a core 75 made of a polymer sphere with a Cu layer 74 and further covering the Cu layer 74 with a solder layer 77.
[0011]
FIG. 8 is a cross-sectional view of a connecting portion 84 of a second conventional example formed using the conductive ball 71 shown in FIG.
[0012]
The connecting portion 84 of the second conventional example is located outside the conductive ball 71 so as to enclose the conductive ball 71 shown in FIG. 7 between the land 87 of the electronic component 86 and the land 82 of the circuit board 81. It is formed by soldering. As shown in FIG. 8, the solder layer 77 shown in FIG. 7 and the solder used when soldering are mixed to form a new solder layer 85.
[0013]
As shown in FIG. 8, when the connection portion 84 is formed using the conductive ball 71 shown in FIG. 7, the gap between the electronic component 86 and the circuit board 81 is maintained when the electronic component 86 is mounted on the circuit board 81. In addition, the thermal stress caused by the mismatch between the thermal expansion coefficients of the electronic component 86 and the circuit board 81 can be alleviated, and the reliability of the connecting portion 84 can be improved.
[0014]
FIGS. 9A to 9C are cross-sectional views showing connection parts in the process of manufacturing the connection parts of the second conventional example.
[0015]
Below, the formation method of the connection part of the 2nd prior art example is demonstrated using FIG. 9 (A)-(C).
[0016]
First, the conductive ball 91 shown in FIG. 9A is formed by coating the surface of the resin core 95 with Cu plating 94 and further plating the Cu plating 94 with a Sn3.5Ag solder 90 layer.
[0017]
Next, as shown in FIG. 9A, the conductive ball 91 is fixed on the land 97 of the electronic component 96 using the viscosity of the flux 98 through the flux 98.
[0018]
Subsequently, a first reflow is performed at a temperature equal to or higher than the melting point of the solder layer 90, the flux 98 and the solder layer 90 are mixed to form the mixed layer 100, and an external electrode indicated by 99 in FIG. 9B is formed. To do.
[0019]
Finally, after the solder paste 103 made of Sn-Ag alloy particles is printed on the land 102 of the circuit board 101, the electronic component 96 is placed on the land 102 so that the external electrode 99 is in contact with the solder paste 103. A second reflow is performed at a temperature equal to or higher than the melting point of the layer 100 to form a connection portion as shown in FIG.
[0020]
[Patent Document 1]
JP 2000-315707 A
[Patent Document 2]
JP 2001-93329 A
[0021]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the connection part of the second conventional example, if the temperature during the first reflow is too high, the mixed layer 100 of the external electrode 99 shown in FIG. Then, the solder paste 103 printed on the lands 102 of the circuit board 101 does not wet, and the solder paste printed on the mixed layer 100 of the external electrodes 99 and the lands 102 of the circuit board 101 as shown in FIG. There is a problem in that an interface 117 is generated between the interface 103 and the interface 117, and the interface 117 acts as a crack on the connection portion, so that the mounting reliability is greatly reduced.
[0022]
Further, when the interface 117 extends across the connection portion so as to cross the connection portion, there is a problem in that electrical conduction cannot be obtained between the electronic component and the circuit board, and an initial failure occurs.
[0023]
The present inventor has intensively studied the cause of the generation of the interface 117 and found the generation mechanism of the interface 117. That is, when the inventor forms the external electrode by performing the first refree, as shown in FIG. 11, the intermetallic compound of Cu—Sn is formed at the interface between the Cu layer 124 and the solder layer 130 containing Sn. 128, the Cu-Sn intermetallic compound 128 is partially exposed to the surface of the external electrode 129, and the region where the Cu-Sn intermetallic compound 128 is exposed is Sn-- It was found that the interface 117 was generated between the region where the intermetallic compound 128 was exposed and the Sn-Ag solder when the second reflow was performed because the wettability with the Ag solder was very poor.
[0024]
Further, the present inventor has found that the phenomenon in which the intermetallic compound layer 128 is exposed on the surface of the external electrode 129 occurs by the following mechanism. That is, when the first reflow is performed with the conductive ball placed on the land 127, the intermetallic compound layer 128 having poor wettability with the solder layer 130 is formed between the solder layer 130 and the Cu layer 124. The phenomenon of generating occurs. The outermost solder layer 130 of the molten conductive ball is subjected to the following four forces: the wetting force with the Cu layer 124, the surface tension, the wetting force with the land 127 of the electronic component 126, and gravity. When the intermetallic compound layer 128 is generated, gravity and the wetting force with the land 127 among the forces acting on the solder layer 130 become more dominant than the force acting with the intermetallic compound layer 128. A phenomenon occurs in which the solder layer 130 above the external electrode 129 melts toward the land 127 side. In this way, an exposed portion of the Sn—Cu intermetallic compound layer 128 is generated above the external electrode 129.
[0025]
The peak temperature of the first reflow varies due to factors such as the distribution of heat capacity in the object to be heated. In general, the reflow temperature is set to be high in consideration of poor connection due to a low peak temperature. However, when the reflow temperature is too high, the Sn—Cu intermetallic compound layer 128 as described above is used. Exposure issues arise. Therefore, there is a need for a technique that can stably form the connection even when the reflow peak temperature slightly fluctuates to the high temperature side.
[0026]
Incidentally, as a flux that improves the wettability of the solder on the surface of the external electrode and can prevent the solder from melting from the upper part of the external electrode, there is a flux having a high content of halide with high activity. However, when a flux having a high halide content is used, there is a problem that the load on the natural environment increases. For this reason, a means for preventing the solder alloy from being melted from the upper part of the external electrode is required even when a flux having a weak activity is used.
[0027]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a conductive ball capable of forming an external electrode that does not cause a crack that causes poor conduction or reduced mounting reliability when an electronic component is mounted on a circuit board, and an electronic device using the conductive ball. An object of the present invention is to provide a method for forming an external electrode of a component.
[0028]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the conductive ball of the present invention is:
A core made of a substantially spherical non-metallic material;
A first layer formed to cover the surface of the core and made of an alloy containing Cu or Ni or both;
A second layer made of an alloy containing Sn and formed to cover the surface of the first layer;
The second layer is formed so as to cover the surface of the second layer, has a liquidus temperature lower than the liquidus temperature of the material constituting the second layer, and the second layer A third layer having a solidus temperature less than or equal to the solidus temperature of the constituent material;
It is characterized by having.
[0029]
According to the conductive ball of the present invention, the first layer made of an alloy containing Cu or Ni or both is coated on the surface of the core by, for example, an electroless plating method. An alloy containing Sn, which is the second layer that cannot be directly electroplated on the material, can be coated on the surface of the core via the first layer.
[0030]
Further, according to the conductive ball of the present invention, since the core is made of a non-metallic material such as a resin, the stress generated in the connection part between the electronic component and the circuit board is reduced by the stress of the core made of the non-metallic material such as a resin. It can be relaxed by elasticity, and the reliability of the connecting portion can be improved.
[0031]
Further, according to the conductive ball of the present invention, the liquidus temperature of the third layer is lower than the liquidus temperature of the material constituting the second layer, and the third layer In the case where an external electrode is formed on an electronic component using the conductive ball of the present invention, since the solidus temperature of the layer is a solidus temperature below the solidus temperature of the material constituting the second layer In addition, when the reflow is performed at a temperature equal to or higher than the liquidus temperature of the third layer alloy and equal to or lower than the liquidus temperature of the second layer alloy, the fluidity of the third layer can be increased. The layer can be wetted and spread well on the lands of the electronic component, and a smooth surface shape can be formed after cooling. In addition, since the fluidity of the second layer does not increase by the reflow, the second layer does not melt from the upper part of the external electrode, and the solder containing the component of the first layer on the surface of the external electrode It is possible to prevent exposure of an intermetallic compound composed of Sn and Cu or Sn and Ni having poor wettability with the alloy. Therefore, when the electronic component is mounted on the circuit board using the solder paste, a crack caused by the exposure of the intermetallic compound does not occur in the connection portion between the electronic component and the circuit board, and the conduction failure is caused. It can be prevented from occurring.
[0032]
In addition, the conductive ball of one embodiment is characterized in that the second layer is made of an alloy having a non-eutectic composition.
[0033]
According to the embodiment, since the second layer is made of an alloy having a non-eutectic composition, the solidus temperature of the second layer is equal to or higher than the solidus temperature of the third layer. When the electronic component on which the conductive ball is placed is reflowed at a temperature equal to or lower than the liquidus temperature, the second layer and the third layer can be mixed more homogeneously, and the second layer The boundary of the third layer can be made less clear and a smooth surface shape can be obtained. Therefore, since the physical properties of the layer can be changed continuously instead of discretely at the boundary between the second layer and the third layer, stress is concentrated and cracks occur due to irregularities in the surface shape. This can prevent the stress from concentrating on the interface or peeling at the interface.
[0034]
Further, in the conductive ball of one embodiment, the second layer and the third layer contain the same metal element, the composition of the metal element in the second layer, and the above in the third layer. The composition of the metal element is different.
[0035]
According to the embodiment, since the second layer and the third layer are made of an alloy containing the same metal element, compatibility with the mixing of the second layer and the third layer can be improved. In addition, after the reflow, the physical properties of the layer can be continuously changed at the boundary between the second layer and the third layer. Therefore, it is possible to prevent peeling at the interface.
[0036]
The conductive ball of one embodiment is characterized in that the second layer is made of an alloy having a property that the liquidus temperature rises when the Sn composition ratio is slightly decreased.
[0037]
According to the above embodiment, since the second layer is made of an alloy having a property that the liquidus temperature rises when the Sn composition ratio is slightly decreased, the conductive ball of the above embodiment is used. When an external electrode is formed on an electronic component, an intermetallic compound containing Sn is formed between the second layer and the third layer during reflow, and the absolute amount of Sn in the second layer is reduced. Sometimes the liquidus temperature of the second layer can be increased. Therefore, if reflow is performed at a temperature lower than the liquidus temperature of the alloy of the second layer, an intermetallic compound is generated during the reflow, so that the absolute amount of Sn in the second layer is reduced and the composition is reduced. Even if it changes, the solid-liquid coexistence state can be maintained, the second layer can be prevented from melting from the upper part of the external electrode, and the intermetallic compound having poor wettability is exposed on the surface of the external electrode. Can be prevented.
[0038]
In one embodiment, the second layer and the third layer are made of an alloy containing Sn and Ag, and each of the second layer and the third layer includes the Ag. The second layer is characterized in that the proportion of Ag is higher than that of the third layer, and the proportion of Ag is higher than that of the third layer.
[0039]
According to the embodiment, since the proportion of Ag in each of the second layer and the third layer is set to 3.5 weight percent or more and 50 weight percent or less, the solidus temperature is 221 ° C. The liquidus temperature can be monotonously increased as the Ag ratio increases. From this, an intermetallic compound is formed at the interface between the second layer and the third layer during reflow, the absolute amount of Sn in the second layer is reduced, and the proportion of Ag is relatively high. Therefore, the liquidus temperature of the second layer also rises correspondingly, so that the second layer does not easily liquefy and can stably coexist with solid and liquid. Can be maintained. Therefore, since the second layer does not melt from the upper part of the external electrode, it is possible to prevent the intermetallic compound from being exposed on the surface of the external electrode. Further, the Ag ratio of the second layer is set higher than the Ag ratio of the third layer, and the liquidus temperature of the third layer is set lower than the second liquidus temperature. As a result, the fluidity of the third layer can be increased during reflow, and the third layer can be well wetted and spread on the lands of the electronic component. A shape can be formed.
[0040]
Further, the external electrode forming method of the electronic component of the present invention is
Placing the conductive ball according to any one of claims 1 to 5 on a land of an electronic component;
The conductive ball placed above is lower than the liquidus temperature of the alloy constituting the second layer of the conductive ball and the alloy constituting the third layer of the conductive ball. Heating at a temperature having a peak temperature higher than the liquidus temperature; and
It is characterized by having.
[0041]
According to the method for forming an external electrode of an electronic component of the invention, the conductive ball is lower than a liquidus temperature of an alloy constituting the second layer of the conductive ball, and the conductive ball has the above-mentioned value. Since the method includes the step of heating at a temperature having a peak temperature higher than the liquidus temperature of the alloy constituting the third layer, the third layer having high fluidity is often placed on the land of the electronic component in this step. It can be wet and spread, and a smooth surface shape can be formed even after cooling. In addition, the second layer, which has a solid phase and is not so high in fluidity, can be prevented from being melted from the upper part of the external electrode. Therefore, it is possible to prevent the surface of the external electrode from exposing the solder alloy containing the component of the first layer and the poorly wettable Sn and Cu, or the intermetallic compound composed of Sn and Ni, and the solder paste. When the electronic component is mounted on the circuit board using this, it is possible to prevent a conduction failure from occurring.
[0042]
Further, the external electrode forming method of the electronic component of the present invention is
Applying solder paste on the lands of electronic components;
Placing the conductive ball according to any one of claims 1 to 5 on a land of an electronic component coated with the solder paste;
Heating the conductive ball placed on the land of the electronic component,
The liquidus temperature of the alloy particles contained in the solder paste is lower than the liquidus temperature of the alloy constituting the second layer,
The peak temperature of the heating temperature in the step of heating the conductive ball is lower than the liquidus temperature of the alloy constituting the second layer and higher than the liquidus temperature of the alloy particles. It is said.
[0043]
According to the external electrode forming method for electronic equipment of the invention, the peak temperature of the heating temperature in the step of heating the conductive ball is lower than the liquidus temperature of the alloy constituting the second layer, and Since the temperature is higher than the liquidus temperature of the alloy particles, the alloy particles of the solder paste can be spread evenly on the lands of the electronic parts and the surfaces of the conductive balls. Further, the second layer of the conductive ball can be prevented from melting from the surface of the external electrode to the land side, and the intermetallic compound layer formed at the interface between the first layer and the second layer. Can be prevented from being exposed to the surface.
[0044]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiments.
[0045]
FIG. 1 is a cross-sectional view including the center of a conductive ball 1 according to an embodiment of the present invention.
[0046]
The conductive ball 1 has a core 5 made of a sphere having a center substantially the same as the center of the conductive ball 1 and a radius smaller than the radius of the conductive ball 1, and a surface of the core 5. The Cu layer 4 as an example of the first layer which is arranged so as to cover without a gap and the radial thickness of the coating film is substantially equal, and the surface of the Cu layer 4 is covered without a gap. And a solder inner layer 3 as an example of a second layer having a substantially equal radial thickness of the coating film, and the solder inner film 3 so as to cover the surface of the solder inner film 3 without a gap. And a solder outer layer 2 as an example of a third layer having a substantially equal thickness in the radial direction of the coating film.
[0047]
The core 5 is made of a material such as an organic polymer or an organic copolymer such as epoxy resin, polycarbonate, or polyterephthalate, for example. When the electronic component is mounted on a circuit board, the connection portion is formed by the elasticity of the resin material. It is possible to relieve the stress generated in The fine particles constituting the core 5 are synthesized by, for example, a synthesis method such as a suspension polymerization method or a dispersion polymerization method.
[0048]
In addition, as the material of the core 5, an inorganic material having a high melting point that does not change its shape at the reflow temperature, such as ceramics, may be used. In this case, when the electronic component is mounted on the circuit board, the core 5 Can maintain the shape of the core 5 without melting, can maintain the gap between the electronic component and the circuit board higher than the diameter of the core 5, and reduce the concentration of thermal strain generated in the external electrode. Can do.
[0049]
The Cu layer 4 has a thickness of 3 μm or more, and Cu diffuses to the solder alloy side during external electrode formation or reflow process when mounting electronic components on a circuit board or during actual use as a product. However, it remains on the surface of the core 5. As a method for coating the core 5 with the Cu layer 4, a catalyst is attached to the surface of the core 5, electroless Cu plating is performed, and the thickness of the Cu layer 4 is about several μm. There is a method of performing electrolytic Cu plating with a copper plating bath.
[0050]
The solder inner layer 3 is an alloy containing Sn, and is made of an alloy having a liquidus temperature higher than that of the Cu layer 4. The solder outer layer 2 is made of an alloy having a liquidus temperature lower than that of the solder inner layer 3. Specifically, the solder inner layer 3 and the solder outer layer 2 are made of a Sn-Ag alloy, and the Ag weight percent composition of the solder outer layer 2 is a 3.5 weight percent composition (this is represented as Sn3.5Ag). The solder inner layer 3 has an Ag weight percent composition of 10.0 weight percent (Sn 10.0 Ag). Thus, by constituting the solder inner layer 3 and the solder outer layer 2 with the same Sn-Ag alloy, the physical properties do not change greatly at the interface between the solder outer layer 2 and the solder inner layer 3 after the reflow. Therefore, the composition is not greatly different. When the Sn-Ag alloy is used as the material constituting the solder inner layer 3 and the solder outer layer 2 as in the conductive ball of this embodiment, the material strength can be made the best in the eutectic composition, and The liquidus temperature can also be the lowest.
[0051]
FIG. 2 is a phase diagram of the Sn—Ag alloy, showing the relationship between the weight percentage of Ag in the Sn—Ag alloy and the eutectic temperature.
[0052]
In FIG. 2, a region indicated by L indicates a liquid phase state, a region indicated by L + S indicates a coexistence state of the liquid phase and the solid phase, and a region indicated by S indicates a solid phase state.
[0053]
As shown in FIG. 2, the Sn—Ag alloy has a eutectic temperature of 221 ° C. when Ag is 3.5 weight percent. Also, in the region where Ag is in the range of 3.5 weight percent to 50 weight percent, the solidus temperature becomes a constant value of 221 ° C., and the liquidus temperature increases monotonously as the Ag ratio increases. ing. From this, even if the intermetallic compound is generated at the interface between the solder inner layer 3 and the Cu layer 4 during reflow, the absolute amount of Sn in the solder inner layer 3 is decreased, and the proportion of Ag is relatively increased, Correspondingly, the liquidus temperature indicated by B in FIG. 2 also rises, so that the solder inner layer 3 is not easily liquefied and the solid-liquid coexistence state can be stably maintained. Therefore, the fluidity of the solder inner layer 3 does not become too high during the first reflow during the formation of the outer electrode, and the solder inner layer 3 does not melt from the upper part of the outer electrode. The intermetallic compound as indicated by 128 in FIG. 11 is not exposed on the surface.
[0054]
Further, when the Sn—Ag alloy is melted at a temperature equal to or higher than the solidus temperature shown by A in FIG. ₃ Since the primary crystal of Sn is formed, in a Sn—Ag alloy having a eutectic composition, hard Ag ₃ Sn refined primary crystals can be dispersed and the strength can be improved. However, if the weight percentage of Ag is set to a high value, Ag ₃ Since Sn is coarsened and the strength of the Sn-Ag alloy after cooling is lowered, it is necessary to set the ratio of the weight percent of Ag to a value in which the composition of Ag does not become too large with respect to 3.5 weight percent. There is.
[0055]
Also, when an electronic component having an external electrode formed using a conductive ball is mounted on a circuit board, the liquidus temperature of the solder inner layer 3 is sufficiently higher than the reflow temperature generally used for mounting the electronic component. Therefore, it is necessary to prevent the solder inner layer 3 from being in a liquid phase only during the mounting of the electronic component.
[0056]
Specifically, the reflow temperature when the electronic component is mounted on the printed circuit board is about 220 to 260 ° C., and the reflow temperature assumed when the external electrode is formed on the electronic component is 300 ° C. or less. The Ag composition weight percent in the solder inner layer 3 is not less than 5.5 weight percent of the Ag composition corresponding to the liquidus temperature 260 ° C. shown by the solid line B in FIG. It is desirable to set the Ag composition corresponding to a liquidus temperature of 300 ° C. to 10 weight percent or less.
[0057]
As a method for forming the solder outer layer 2 and the solder inner layer 3, there are an electrolytic plating method, a dip coating method, and the like.
[0058]
In the conductive ball 1 of this embodiment, the case where the solder inner layer 3 and the solder outer layer 2 are Sn—Ag alloys has been described as an example. However, in the conductive ball of the present invention, the second layer and the second layer 3 may be another Sn-based alloy such as an Sn—Pb alloy other than the Sn—Ag alloy, an Sn—Ag—Cu alloy, or an Sn—Zn alloy. In this case as well, the second layer and the third layer The Pb composition weight percentage, the Ag—Cu composition weight percentage, and the Zn composition weight percentage can be determined based on the same idea as that of the conductive ball 1 of the above embodiment in which the layer of Sn—Ag alloy.
[0059]
According to the conductive ball 1 of the above embodiment, the solder outer layer 2 is made of an Sn—Ag alloy having a weight percent of Ag close to the eutectic composition of 3.5 weight percent, and the solder inner layer 3 is made of Sn. Since the weight percentage of Ag whose liquidus temperature is increased by decreasing the composition is composed of an Sn-Ag alloy with 10.0 weight percent, Cu-Sn at the interface between the solder inner layer 3 and the Cu layer 4 during reflow. Even if the intermetallic compound is generated and the absolute amount of Sn in the solder inner layer 3 is decreased, the elevated liquidus temperature of the solder inner layer 3 does not fall below the reflow temperature.
[0060]
In the case where the third layer and the second layer are formed of an Sn—Pb alloy, the weight of Pb having a solidus temperature of 183 ° C. and a liquidus temperature that increases as Sn decreases. When the Sn—Pb alloy having a percent composition of 38.1 to 80.8 weight percent is used, the same effects as those obtained with the Sn—Ag alloy of the above embodiment can be obtained. Similarly, when the third layer and the second layer are formed of an Sn—Bi alloy, they have a certain solidus temperature and a liquidus temperature that rises when Sn decreases. When a Sn-Bi alloy having a Bi weight percent composition of 57-99.9 weight percent is used, the same effect as that obtained with the Sn-Ag alloy of the above embodiment can be obtained. When the second layer is formed of a Sn—Zn alloy, the Zn weight percentage composition having a constant solidus temperature and a liquidus temperature that increases when Sn decreases is 8.8 to 100. When a weight percent Sn—Zn alloy is used, the same effect as that obtained with the Sn—Ag alloy of the above embodiment can be obtained.
[0061]
3A and 3B are cross-sectional views showing an external electrode in the middle of manufacture and an external electrode in a completed state for explaining an embodiment of a method for forming an external electrode of an electronic component of the present invention.
[0062]
Hereinafter, an embodiment of a method for forming an external electrode of an electronic component according to the present invention will be described with reference to FIGS.
[0063]
First, as shown in FIG. 3A, a flux 38 is applied onto a land 37 of an electronic component 36 by a method such as transfer using a pin, and the conductive ball 1 of the above embodiment is applied onto the flux 38. It is mounted using the viscosity of the flux 38.
[0064]
As a method for placing the conductive ball 1, a jig provided with a hole corresponding to a land pattern is mounted on a mounter equipped with a vacuum system, and the conductive ball 1 is vacuum-sucked into the hole to thereby form an electronic component 36. There is a method of placing the conductive ball 1 on the land 37 by releasing the vacuum above. As another method of placing the conductive ball on the land via the flux, the lower surface of the conductive ball adsorbed by the jig is pressed against the flux pool, and then the conductive ball is placed on the land. There are also methods.
[0065]
Next, in a state where the conductive ball 1 is placed on the land 37 via the flux 38, the temperature is higher than the solidus temperature of the solder outer layer 2 and lower than the liquidus temperature of the alloy of the solder inner layer 3. Reflow is performed at a temperature to generate a Cu—Sn intermetallic compound (not shown) at the interface between the Cu layer 4 and the solder layer 30 shown in FIG. For example, when the solder outer layer 2 of the conductive ball 1 is Sn3.5Ag and the solder inner layer 3 is Sn10Ag as in this embodiment, reflow is performed at a temperature of 221 ° C. or higher and 300 ° C. or lower, and Cu—Sn metal An intermediate compound (not shown) is produced. In the method of this embodiment, since the reflow is performed at a temperature equal to or higher than the solidus temperature of the solder outer layer 2 and equal to or lower than the liquidus temperature of the alloy of the solder inner layer 3, the surface of the external electrode 31 is spaced from the surface during reflow. The Cu—Sn intermetallic compound can be prevented from being exposed to the surface of the external electrode 31.
[0066]
In addition, if the thickness of the solder outer layer and the solder inner layer of the conductive ball is thin, the volume of the solder for forming the external electrode is insufficient, and the external electrode may be constricted in a region sandwiched between the land and the core. When handling an electronic component, the external electrode may receive an impact or hit an object, and stress may concentrate on the constricted portion, causing damage to the external electrode. For this reason, it is necessary to change the total thickness of the solder outer layer 2 and the solder inner layer 3 based on the diameters of the core 5 and the land 37 and set it to a thickness sufficient to prevent the constricted portion. For example, in this embodiment, the external electrode is formed using the conductive ball 1 in which the diameter of the land 37 is set to 0.28 mmφ, the diameter of the core 5 is 0.25 mmφ, and the thickness of the Cu layer 4 is 5 μm. However, the solder outer layer 2 and the solder inner layer 3 are each set to 10 μm (total thickness is set to 20 μm) so as to form a constricted external electrode.
[0067]
In place of the flux 38, there is a method in which a solder paste is applied onto a land of an electronic component by a technique such as printing, and the conductive balls are fixed by the viscosity of the solder paste. In this case, an alloy suitable for use is an alloy such as Sn3.5Ag or Sn3Ag0.5Cu in which the alloy particles contained in the solder paste have a lower liquidus temperature than the solder inner layer of the conductive ball. Even when the conductive balls are fixed using solder paste, reflow should be performed at a peak temperature lower than the liquidus temperature of the solder inner layer and higher than the liquidus temperature of the alloy particles in the solder paste. Thus, it is possible to prevent the Cu—Sn intermetallic compound layer formed at the interface between the Cu layer and the solder inner layer from being exposed on the surface of the external electrode.
[0068]
4A is a cross-sectional view showing a state in which the external electrode 31 of the electronic component 36 shown in FIG. 3B is mounted on the land 42 of the circuit board 41 via the solder paste 43. As shown in FIG. FIG. 4B shows a state in which the reflow is performed in the state where the electronic component 36 shown in FIG. 4A is mounted, and the connection portion 44 is formed between the circuit board 41 and the electronic component 36. It is sectional drawing.
[0069]
The solder paste 43 is applied to the lands 42 by mask printing or the like. Further, as the solder particles of the solder paste 43, Sn3.5Ag, Sn3Ag0.5Cu, or the like is used. Further, the temperature at which the reflow is performed is conventionally used to fix an electronic component in which an electrode is formed using solder particles of Sn3.5Ag or Sn3Ag0.5Cu as solder particles of a solder paste to a land of a solid substrate. It is set to 230 to 260 ° C. similar to the reflow temperature.
[0070]
As shown in FIG. 4B, in the state after reflowing, the solder alloy 30 and the solder paste 43 that existed in the state before reflowing shown in FIG. The interface 50 between the solder alloy 30 and the solder paste 43 disappears, and these two layers form a mixed layer 45.
[0071]
By forming the connection portion 44 as shown in FIG. 4B, the stress generated in the connection portion can be relieved by the elasticity of the core 5 made of a resin material. Therefore, the connection portion 44 is formed using a conventional solder ball. The mounting reliability in the temperature cycle can be improved as compared with the case of mounting the electronic component having the external electrode.
[0072]
According to the conductive ball 1 of the above-described embodiment, since the surface of the core 5 is coated with the Cu4 layer, the solder inner layer 3 containing Sn that cannot be directly electroplated on the nonmetallic material is disposed via the Cu4 layer. Thus, the surface of the core 5 can be coated.
[0073]
Further, according to the conductive ball 1 of the above embodiment, since the core 5 is made of a non-metallic material such as a resin, the stress generated in the connection portion between the electronic component 36 and the circuit board 41 can be relieved by the elasticity of the core 5. Thus, the reliability of the connecting portion can be improved.
[0074]
Further, according to the conductive ball 1 of the above embodiment, the liquidus temperature and the solidus temperature of the solder outer layer 2 are respectively lower than the liquidus temperature of the material constituting the solder inner layer 3, and the solder Since the temperature is lower than the solidus temperature of the material constituting the inner layer 3, soldering is performed by performing reflow at a temperature higher than the liquidus temperature of the solder outer layer 2 and lower than the liquidus temperature of the solder inner layer 3. The fluidity of the outer layer 2 can be increased, the solder outer layer 2 can be well wetted and spread over the lands of the electronic component, and a smooth surface shape can be formed after cooling. Further, by performing reflow at the above temperature, the solder inner layer 3 can be in a solid-liquid coexistence state and the fluidity can be prevented from becoming too high. 3 (B)) Since it can be prevented from melting from the upper part, a solder alloy containing the component of the Cu layer 4 and an intermetallic compound composed of Sn and Cu having poor wettability are formed on the surface of the external electrode 31. It is possible to prevent the exposure, and when the electronic component 36 is connected to the circuit board 41, it is possible to prevent the connection portion 44 from being defectively connected.
[0075]
Moreover, according to the conductive ball of the above embodiment, since the solder inner layer 3 is made of an alloy having a non-eutectic composition, the solder solid temperature of the solder inner layer 3 is higher than the solidus temperature of the solder outer layer 2. When the electronic component 36 on which the conductive ball 1 is placed is reflowed at a temperature not lower than the liquidus temperature and not higher than the liquidus temperature, the solder inner layer 3 and the solder outer layer 2 can be mixed more homogeneously, resulting in a smooth surface shape. Can be earned. Therefore, since the physical properties of the layer can be changed continuously instead of discretely at the boundary between the solder inner layer 3 and the solder outer layer 2, it is possible to prevent the interface between the solder inner layer 3 and the solder outer layer 2 from cracking or peeling. .
[0076]
Further, according to the conductive ball 1 of the above embodiment, since the solder inner layer 3 and the solder outer layer 2 are made of an alloy containing the same metal element, the physical properties of the layer at the boundary between the solder outer layer 3 and the solder inner layer 2 after reflowing. Can be continuously changed, and it is possible to prevent cracks and peeling at the interface.
[0077]
Further, according to the conductive ball 1 of the above embodiment, the solder inner layer 3 is made of an alloy having a property that the liquidus temperature rises when the Sn composition ratio is slightly decreased. When the external electrode 31 is formed on the electronic component 36 using the conductive ball 1, an intermetallic compound containing Sn is formed between the solder inner layer 3 and the solder outer layer 2 during reflow, and Sn in the solder inner layer 3 is formed. When the absolute amount of is decreased, the liquidus temperature of the solder inner layer 3 can be increased. Therefore, by performing reflow at a temperature lower than the liquidus temperature of the alloy of the solder inner layer 3, the solder inner layer 3 so that the absolute amount of Sn in the solder inner layer 3 is reduced due to the formation of intermetallic compounds during the reflow. Even if the composition changes, the solid-liquid coexistence state can be maintained, the solder inner layer 3 can be prevented from melting from the upper part of the external electrode 31, and the surface of the external electrode 31 has poor wettability. Can be prevented from being exposed.
[0078]
Further, according to the conductive ball 1 of the above embodiment, the proportion of Ag in the solder inner layer 3 is 10.0 weight percent, and the proportion of Ag in the solder outer layer 2 is 3.5 weight percent. Since it is 3.5 weight percent or more and 50 weight percent or less, the solidus temperature can be made constant at 221 ° C., and the liquidus temperature can be monotonously increased as the ratio of Ag increases. From this, even if the intermetallic compound is generated at the interface between the solder inner layer 3 and the solder outer layer 2 during reflow, the absolute amount of Sn in the solder inner layer 3 is decreased, and the proportion of Ag is relatively increased, Correspondingly, the liquidus temperature also rises, so that the solder inner layer 3 is not easily liquefied and can stably maintain a solid-liquid coexistence state. Therefore, since the solder inner layer 3 does not melt from the upper part of the external electrode 31, it is possible to prevent the intermetallic compound from being exposed on the surface of the external electrode 31. Further, since the Ag ratio of the solder inner layer 3 is made higher than the Ag ratio of the solder outer layer 2, and the liquidus temperature of the solder outer layer 2 is made lower than the liquidus temperature of the solder outer layer 2, Furthermore, the fluidity of the solder outer layer 2 can be increased, and the solder outer layer 2 can be well wetted and spread on the lands 37 of the electronic component 36, and a smooth surface shape can be formed after cooling. .
[0079]
Further, according to the external electrode forming method for an electronic component of the above embodiment, the conductive ball 1 is lower than the liquidus temperature of the alloy constituting the solder inner layer 3 of the conductive ball 1 and the conductive ball 1 The solder outer layer 2 is heated at a temperature having a peak temperature higher than the liquidus temperature of the alloy constituting the solder outer layer 2. Therefore, in this step, the solder outer layer 2 having high fluidity is often placed on the land 37 of the electronic component 36. It can be wet and spread, and a smooth surface shape can be formed even after cooling. Further, it is possible to prevent the solder inner layer 3 in which the solid phase is present and the fluidity is not so high from being melted from the upper part of the external electrode 31. Therefore, it is possible to prevent the surface of the external electrode 31 from exposing the intermetallic compound composed of the solder alloy containing the component of the Cu layer 4 and Sn and Cu having poor wettability, and connect the electronic component 36 and the circuit board 41. When this is done, it is possible to prevent the connection portion 44 from being defectively connected.
[0080]
In the conductive ball 1 of the above embodiment, the thickness of the Cu layer 4 as the first layer is 3 μm or more. However, in the conductive ball of the present invention, the Cu layer as the first layer is used. The layer thickness may be smaller than 3 μm.
[0081]
In the conductive ball 1 of the above embodiment, the first layer is configured by the Cu layer 4. However, in the conductive ball of the present invention, the first layer is configured by the Ni layer instead of the Cu layer 4. Alternatively, the first layer may be composed of an alloy layer of Cu and Ni instead of the Cu layer 4. In these cases, the same effects as those obtained when the first layer is formed of the Cu layer 4 can be obtained. As for Cu, similarly to Cu, the surface of the core can be covered by electroless plating and electrolytic plating. When the first layer is composed of the Ni layer, the interface between the Ni layer and the second layer is formed. The Sn—Ni intermetallic compound is formed.
[0082]
As a comparative example, the inventor performs Cu plating on the surface of a spherical core made of resin, and further mounts an electronic component on a circuit board using a conductive ball plated with Sn3.5Ag. The physical properties of the connection formed with the substrate were investigated.
[0083]
Specifically, a flux is applied to a land of 0.28 mmφ formed at a pitch of 0.5 mm on an electronic component, and a 3 μm-thick Cu layer and a 17 μm-thick Sn3.5Ag are coated on a 0.26 mmφ core on this flux. After placing conductive balls sequentially covering the layers, reflow was performed at a peak temperature of 250 ° C. to form external electrodes. Subsequently, solder paste is mask-printed on the land of the printed circuit board, and then the electronic component is placed with the position of the external electrode corresponding to the position of the land of the printed circuit board and reflowed at a peak temperature of 245 ° C. Thus, a connection part was produced. The inventor formed 20 sample connecting portions by such a method, and conducted continuity tests on all 20 samples.
[0084]
As a result, the connection part of the comparative example has a shape having an interface 117 as shown in FIG. 10 unlike the connection part formed using the conductive ball 1 of the above embodiment, and in all 20 samples. It was confirmed that poor continuity occurred at the connection part.
[0085]
【The invention's effect】
As is clear from the above, according to the conductive ball of the present invention, the first layer made of an alloy containing Cu or Ni or both is coated on the surface of the core by, for example, an electroless plating method or the like. Therefore, the surface of the core can be coated via the first layer with the alloy containing Sn, which is the second layer, which cannot be directly electroplated on the nonmetallic material.
[0086]
According to the conductive ball of the present invention, the liquidus temperature and the solidus temperature of the third layer are lower than the liquidus temperature of the material constituting the second layer. When the external electrode is formed on the electronic component using the conductive ball of the present invention, since the solidus temperature is equal to or lower than the solidus temperature of the material constituting the second layer, By reflowing at a temperature equal to or higher than the liquidus temperature of the third layer alloy and equal to or lower than the liquidus temperature of the second layer alloy, the fluidity of the third layer can be increased. The layer can be wetted and spread well on the lands of the electronic component, and a smooth surface shape can be formed after cooling. In addition, if reflow is performed using the above temperature, the fluidity of the second layer does not increase, so that the second layer does not melt from the top of the external electrode, and the first layer is formed on the surface of the external electrode. It is possible to prevent the exposure of an intermetallic compound composed of Sn and Cu or Sn and Ni having poor wettability and a solder alloy containing the above components. Therefore, for example, when an electronic component is mounted on a circuit board using a solder paste, it is possible to prevent poor conduction.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a conductive ball according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a phase diagram of a Sn—Ag alloy.
FIG. 3 (A) is a cross-sectional view showing an external electrode in the middle of manufacture, illustrating an embodiment of a method for forming an external electrode of an electronic component of the present invention, and FIG. 3 (B) is a completed state. It is sectional drawing which shows an external electrode.
4A is a cross-sectional view showing a state where external electrodes of the electronic component shown in FIG. 3B are mounted on the lands of the circuit board via solder paste, FIG. FIG. 4B is a cross-sectional view of a state in which reflow is performed in the state of FIG. 4A and a connection portion is formed between the circuit board and the electronic component.
FIG. 5 is a view showing a cross section of a connecting portion between a first conventional example of an electronic component and a circuit board.
6 is a cross-sectional view showing a crack generated in the connection portion of the first conventional example shown in FIG.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a structure of a conductive ball used when forming a connection portion of a second conventional example.
FIG. 8 is a cross-sectional view of a connection portion of a second conventional example formed using the conductive ball shown in FIG.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a connection part in the process of manufacturing the connection part of the second conventional example.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing an interface generated in a connection portion of a second conventional example.
FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating a problem that occurs in an external electrode used for forming a connection portion of a second conventional example.
[Explanation of symbols]
1 Conductive ball
2 Solder outer layer
3 Solder inner layer
4 Cu layer
5 cores
31 External electrode
36 Electronic components
37 rand
38 flux
41 Circuit board
42 rand
43 Solder paste
44 connections

Claims

A core made of a substantially spherical non-metallic material;
A first layer formed to cover the surface of the core and made of an alloy containing Cu or Ni or both;
A second layer made of an alloy containing Sn and formed to cover the surface of the first layer;
The second layer is formed so as to cover the surface of the second layer, has a liquidus temperature lower than the liquidus temperature of the material constituting the second layer, and the second layer And a third layer having a solidus temperature equal to or lower than a solidus temperature of a constituent material.

The conductive ball according to claim 1,
The conductive ball is characterized in that the second layer is made of an alloy having a non-eutectic composition.

The conductive ball according to claim 1,
The second layer and the third layer include the same metal element,
The conductive ball, wherein the composition of the metal element in the second layer is different from the composition of the metal element in the third layer.

The conductive ball according to claim 1,
The conductive ball is characterized in that the second layer is made of an alloy having a property of increasing the liquidus temperature when the Sn composition ratio is slightly decreased.

The conductive ball according to claim 1,
The second layer and the third layer are made of an alloy containing Sn and Ag,
The proportion of Ag in each of the second layer and the third layer is not less than 3.5 weight percent and not more than 50 weight percent, and the second layer is more than the third layer. A conductive ball characterized in that the ratio of Ag is also high.

Placing the conductive ball according to any one of claims 1 to 5 on a land of an electronic component;
The conductive ball placed above is lower than the liquidus temperature of the alloy constituting the second layer of the conductive ball and the alloy constituting the third layer of the conductive ball. And a step of heating at a temperature having a peak temperature higher than the liquidus temperature.

Applying solder paste on the lands of electronic components;
Placing the conductive ball according to any one of claims 1 to 5 on a land of an electronic component coated with the solder paste;
Heating the conductive ball placed on the land of the electronic component,
The liquidus temperature of the alloy particles contained in the solder paste is lower than the liquidus temperature of the alloy constituting the second layer,
The peak temperature of the heating temperature in the step of heating the conductive ball is lower than the liquidus temperature of the alloy constituting the second layer and higher than the liquidus temperature of the alloy particles. A method for forming an external electrode of an electronic component.