JP2005296983A

JP2005296983A - はんだ合金およびはんだボール

Info

Publication number: JP2005296983A
Application number: JP2004114846A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Shoji; 辰也庄司; Koji Sato; 光司佐藤
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2004-04-09
Filing date: 2004-04-09
Publication date: 2005-10-27

Abstract

【課題】従来提案されている組成系のはんだ合金に対して、その基本的な機械的特性、ぬれ性を損なわずに、接合界面の強度を向上できるＰｂフリーのはんだ合金、そしてはんだボールを提供する。
【解決手段】質量％で、Ａｇ，Ｃｕ，Ｉｎのうちから選ばれる１種以上の元素を合計で２０％以下、Ａｌを０．００１％以上、Ｐを０．００１％以上含み、かつＡｌとＰの合計は０．２％以下であり、残部Ｓｎおよび不可避的不純物からなるはんだ合金である。そして、質量％で、Ａｇ，Ｃｕ，Ｉｎのうちから選ばれる１種以上の元素を合計で２０％以下、Ａｌを０．００１％以上、Ｐを０．００１％以上含み、かつＡｌとＰの合計は０．２％以下であり、残部Ｓｎおよび不可避的不純物からなるはんだボールである。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子部品等のはんだ付けに使用されるはんだ合金およびはんだボールに関する。

昨今の電子機器実装面積の減少に伴って半導体パッケージも小型化傾向にあり、半導体パッケージをマザーボードに接続する実装形態も、従来のリードを用いた周辺端子型から格子状に端子を形成したタイプへ変遷しつつある。代表的なものがＢＧＡ（ＢａｌｌＧｒｉｄＡｒｒａｙ）であり、端子部ははんだボールや、はんだペーストを用いて基板に接続されている。

はんだ合金については、近年の環境問題への取り組みの一つとして、はんだのＰｂフリー化が世界的に進められており、従来用いられてきたＳｎ−Ｐｂはんだは使用禁止になりつつある。代替合金の主たるものはＳｎ−Ａｇ系やＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系等多数あるが、基本的にＳｎ主成分であるためＳｎ−Ｐｂ共晶はんだに比べると延性に乏しく、外力をはんだの変形で緩和することが困難になっている。特に、Ａｇははんだ主成分であるＳｎとの共晶点においてＳｎ−Ａｇ化合物を分散晶出させるため、Ａｇによるはんだの硬化は著しい。

一方、ＣｕはやはりＳｎとの共晶点において化合物を晶出させるがＡｇほどはんだを硬化させないので、Ｓｎ−Ｃｕ系は落下等の衝撃に耐えうる変形抵抗の小さいはんだとして有効な組成の一つである。また、Ｓｎ−Ｃｕ系はＡｇを含まないため、はんだ合金のコストを低減できるというメリットも有している。そこで、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだにぬれ性を付与する目的で、Ｐ，Ｇｅを微量に添加したはんだ合金の特許が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−０９４１９５号公報

しかしながら、はんだ合金は、使用において接することとなる半導体パッケージ電極であるＣｕや、電極上の表面処理に多用されているＮｉめっきに対して、その接合界面に化合物を形成し、この化合物が異常に厚く、また欠陥を持って形成されるとき、接合界面強度の劣化要因となる。上記の特許文献１に記述されているはんだ合金では、接合界面そのものの強度を向上させるに足りず、むしろ微量成分が過剰に添加された場合、接合界面の化合物の成長を助長させるおそれもあり、接合界面での信頼性破壊を起こす原因となる。

また、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだは、Ｓｎ−Ａｇ系はんだに比べて、はんだ中に分散された化合物の結合エネルギーが低く、室温でも容易に拡散して凝集するため、長時間、あるいは溶融点以下の高温で放置されたはんだは均質な分散組織を保てなくなる。ＢＧＡなどのはんだ接合部は、長期にわたって半導体パッケージとマザーボードの熱膨張差に起因する負荷を受けるため、このような組織の不均質化によって、疲労寿命は著しく低下するおそれがある。

本発明の目的は、Ｓｎ−Ａｇ系やＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、そしてＳｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｉｎ系等の、従来提案されている組成系のはんだ合金に対して、その基本的な機械的特性を損なわずに、接合界面に形成される反応層を抑制し、かつはんだ中の分散組織を微細化させて疲労寿命を向上させることで、上記の接合強度を向上できるＰｂフリーのはんだ合金、そしてはんだボールを提供することにある。

本発明者らは、はんだ接合界面を強固にする手段を、はんだ合金組成の改良の面より検討した。その結果、所定量のＡｌとＰを同時に含有せしめることで、従来の基本成分を有するはんだ合金であっても、ぬれ性を損なわず、さらなる接合強度の向上が達成できることを見いだし、本発明に到達した。

すなわち、本発明は、質量％で、Ａｇ，Ｃｕ，Ｉｎのうちから選ばれる１種以上の元素を合計で２０％以下、Ａｌを０．００１％以上、Ｐを０．００１％以上含み、かつＡｌとＰの合計は０．２％以下であり、残部Ｓｎおよび不可避的不純物からなることを特徴とするはんだ合金である。そして、質量％で、Ａｇ，Ｃｕ，Ｉｎのうちから選ばれる１種以上の元素を合計で２０％以下、Ａｌを０．００１％以上、Ｐを０．００１％以上含み、かつＡｌとＰの合計は０．２％以下であり、残部Ｓｎおよび不可避的不純物からなることを特徴とするはんだボールである。

本発明によって、はんだ付けされた電子部品における接合強度を高めることができ、電子機器の様々な使用環境における動作信頼性を向上させることができる。

上述のように、本発明の重要な特徴は、従来提案されてきたＳｎを主体にＡｇ，Ｃｕ，ＩｎよりなるＰｂフリーはんだに対し、ＡｌとＰの両方を含有させた点にある。

最初に、本発明の重要な特徴のひとつであるＡｌについて説明する。本発明ではまず、Ｓｎを主体とするはんだ合金にＡｌを微量添加することが、その実装時の接合強度を向上することを確認した。その仕組みは以下のように考えられる。第一に、Ａｌが添加されたはんだを溶融させ電極に接合させると、そのＡｌははんだ中の他の含有元素であるＡｇ，Ｃｕや、或いは接合基板からはんだ中に溶出してくるＡｕ，Ｐｄ，Ｎｉ，Ｃｕ等の金属と優先的に化合物を形成するか、Ｓｎと前述金属との化合物に固溶する。そして、それら化合物ははんだ中に、微細かつ均質に晶出する。化合物の結合エネルギーはＡｌが添加されることによって高められると考えられ、化合物ははんだ中で凝集しにくくなるため、長期にわたり微細かつ均質な分散組織を維持できる。この分散化合物ははんだの接合界面近傍に存在していれば、はんだ付け時に接合界面に形成されるＳｎと電極材料との金属間化合物の成長も抑制することができると考えられる。

第二に、接合時、電極材料とはんだの主成分であるＳｎとで金属間化合物が形成される際には、はんだ中のＡｌは金属間化合物に固溶して化合物の格子間結合を強固にする。そして、これが拡散バリアとなって、電極材料とはんだの相互拡散による化合物の成長を抑制することができると考えられる。また、はんだ付けされた後には、半導体パッケージの信頼性テスト等ではんだの融点以下の温度で長時間保持されたり、使用環境から受ける熱や、パッケージを含む電子機器の発する熱で長期間保持された時でも、拡散による金属間化合物の成長が抑制されるので、接合界面の強度劣化は妨げられ、やはり接合信頼性は高められるものと考えられる。

しかし一方、Ａｌの添加ははんだを酸化させやすくするため、ぬれ性の低下を招き、接合信頼性の低下要因となる。そこで、Ｐを同時に添加することによりぬれ性を向上させ、実質的に使用可能なはんだとするのであり、これが本発明の最も重要な特徴である。溶融したはんだの表面には、優先的にＡｌとＰの酸化膜が形成されるが、Ａｌの酸化膜に比べ、Ｐの酸化膜は融点が低く、大気中で不安定であるため、はんだの流動性を阻害せず、かつ溶融はんだを大気から遮断してＳｎの酸化を抑制することができる。そのため、Ａｌの酸化膜がぬれ性に及ぼす悪影響を打ち消すことができる。

よって、Ｓｎを主体に構成される本発明のはんだ合金は、ぬれ性を確保し、優れた接合信頼性を達成するために、ＡｌとＰの両方を合計で０．２質量％以下の範囲で、好ましくは合計で０．１質量％以下の範囲で含有するものである。なお、上述したＡｌの効果を得る上で、Ａｌの含有量は０．００１質量％以上とし、望ましくは０．０５質量％以下とする。さらにＡｌ添加によるぬれ性の低下を防止するためのＰの添加量は０．００１質量％以上とし、望ましくは０．０５質量％以下とする。

なお、本発明は、質量％で、Ａｇ，Ｃｕ，Ｉｎのうちから選ばれる１種以上の元素を合計で２０％以下含んだＳｎを主体とするはんだ合金を基本組成とする。具体的には、はんだを製造するに当たって所望の融点、機械的強度を得るためにＡｇ，Ｃｕ，Ｉｎのうちから選ばれる１種以上を合計で０．１〜２０質量％の範囲で、自由に設定することができるが、はんだとして望ましい融点、機械的特性、濡れ性を得るために、下記のような個々の元素の添加量を設定することがより望ましい。

Ａｇは、はんだ合金の融点を低下させ、またはんだ合金内にＡｇ_３Ｓｎ化合物粒として分散することによってはんだ合金の耐熱疲労性も向上させる効果を有することから、０．１質量％以上の含有が好ましい。しかし、Ｓｎ−Ａｇ化合物のはんだ合金中での分散晶出量が多すぎると、はんだ合金の硬度を著しく上昇させ、界面への過多な応力集中を招くので、添加上限は５質量％が望ましい。

Ｃｕの添加量については、はんだ合金中のＣｕ量が低い場合、Ｃｕ電極と接続する際にはんだを溶融させた時、その溶解限まで溶融はんだ中にＣｕ電極のＣｕが溶け込むことになり、その結果Ｃｕ電極量が減少して接合部の強度が低下することが懸念される。よって０．１質量％以上のＣｕを予めはんだ合金中に含有させることで、この強度の低下を抑制することができ、望ましい。しかしながら、過度に添加すると逆に融点を上昇させるため、その含有量は５質量％以下とすることが好ましい。

Ｉｎは、はんだ合金の融点を下げ、さらにはんだ溶融時の濡れ性を向上させることができることから、０．１質量％以上の添加が好ましい。その一方、過剰に添加するとＳｎへの固溶強化によりはんだの変形抵抗は上昇するが、その硬化の程度はＡｇに比して程ではなく、１０質量％を上限とすることができる。

また、上述したＡｇ，Ｃｕ，Ｉｎの組み合わせにおいては、Ａｌの含有により微細組織化と、接合界面化合物の成長が抑制されている本発明のはんだ合金にとって、Ａｇを無添加とすることも可能であるが、特に耐熱疲労性を必要とする場合には、Ａｇの含有量を１．５質量％以下とすることで、はんだ合金の硬化を抑制しつつ、融点の低下、耐熱疲労性の向上を達成することができる。

そして、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｉｎ系のはんだ合金であれば、Ａｇの添加されたＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系等のはんだ合金に比べて、高速な負荷に対するはんだの変形抵抗が小さいという特徴を有する。これはＣｕ，Ｉｎの共晶組織が、Ｃｕ，Ａｇの共晶組織に比べて、はんだの硬さ上昇に及ぼす影響が極めて小さいためである。この作用により、使用時の落下・衝撃で高速な負荷を生じる携帯機器等の用途で高い接合信頼性が得られる。

その他、さらに融点を低下させる必要のある場合はＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系にＩｎを添加した組成系も選定することができる。また、はんだ合金の融点を大幅に低下させたい場合は、Ｓｎ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｉｎから構成される系のみならず，Ｓｎ−Ｚｎ系，Ｓｎ−Ｉｎ系，Ｓｎ−Ｂｉ系等の，中温、低温はんだと呼ばれる系にＡｌ，Ｐの両方を添加した系も選択することができる。

また、本発明のはんだ合金には、さらにＦｅ，Ｎｉ，Ｃｏから選ばれる１種以上の元素を合計で０．００５〜０．０５質量％添加することもできる。これらの元素は電極材料であるＣｕとはんだとの接合界面に濃化することで、接合界面に形成する反応層の成長を抑制し接合信頼性を向上させるばかりでなく、はんだ中に化合物を分散させて熱疲労特性を向上させる効果がある。但し添加する場合は、過剰な添加がかえって接合信頼性を阻害することは上述の通りであり、合計で０．０５質量％以下とすることが重要である。

本発明のはんだ合金は、その使用の一形態としてはんだボールとすることができる。この場合、はんだボールは、例えば所定の成分組成に調整した溶融はんだ合金を滴下し、滴下した液滴を球状に凝固することで製造することが好ましい。この製造方法であれば、はんだ合金を一旦インゴットとして鋳造した後、機械的に定量分断し、球状化する方法に比べて、インゴット中の偏析が懸念されることもなく、全てのボール毎の成分比は等しくなり、従来の製造方法では得ることが困難であった均質なはんだボールを安定して製造することができる。

上述の製造方法としては，例えば特開２００１−２６２２０４号公報、米国特許公報ＵＳ５２６６０９８等に記載されているような、均一液滴噴霧法を用いるのが良い。均一液滴噴霧法とは、るつぼ内で金属を溶解し、溶融金属をるつぼから排出することにより微小球を製造する方法であり、排出する際に溶融金属に振動を付与することで、排出された溶融金属を体積の均一な微小球とする方法である。以下に均一液滴噴霧法を適用したはんだボールの製造方法の一例を図１，２に基づいて説明する。

図１において均一液滴発生部１２により体積のそろった均一液滴が形成され、チャンバー７を落下する過程で表面張力により球形となった後、凝固し連続回収缶１３上に堆積する。図２は、図１における均一液滴発生部１２を拡大した図である。るつぼ３中の溶融はんだ合金１は伝達部材５および加振ロッド６を介して振動子４により振動を付与された状態で、溶融はんだ合金１にはチャンバー７に対して正の差圧が加えられ、この差圧が溶融はんだ合金１を流れとしてオリフィス２を通して押出す。振動と、溶融はんだ合金１の表面張力とにより、溶融はんだ合金１の流れは連続した滴下溶滴８から、破砕して、高電圧プレート１１を通り、均一な直径で真球度の高い独立した液滴９を形成する。その後、液滴９は、冷却管１０により冷されたチャンバー７内を移動し、ガス中で凝固する。

この製造方法は、特に直径が５０〜１０００μｍのはんだボールを製造する場合に好適である。従来製法では、はんだボール直径が小さくなればなる程、そのサイズ効果によりボール１つ当たりに存在する偏析の度合いが高まるため、ボール各々の組成バラツキが顕著になるが、この製造方法では上述の範囲のいかなる粒径でも、組成バラツキの極めて少ないはんだボールを製造することが出来る。

以上に述べた本発明のはんだ合金、そしてはんだボールであれば、例えばＣｕやＮｉ等の電気伝導性の高い金属からなる一以上の電極との接合に際し、接合界面反応層の成長の抑制と微細分散組織の均質化、加えてぬれ性の向上により、落下衝撃や熱疲労に対する接合信頼性を向上させることができる。

図１，２に模式図を示す装置を用いて均一液滴噴霧法により、表１に示す組成のφ０．３ｍｍのはんだボールを製造した。これらはんだボールを１５ｍｍ角の半導体パッケージに搭載・リフローしてバンプを形成した。リフローは窒素雰囲気中、ピーク温度２５０℃にて行った。パッケージの電極パッドは１８μｍ厚のＣｕの上に６μｍのＮｉめっきと、Ｎｉめっきの上に０．０５μｍのＡｕめっきがされているものを用いた。

次に、テスト用ガラスエポキシ基板にニホンハンダ製Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ（質量％）ペーストを印刷し、パッケージを実装した。印刷に用いたマスクはＮｉのアディティブ法で作製されており、開口径はφ０．２５ｍｍ、厚さ０．１ｍｍである。実装のリフロー条件は、バンプ形成条件と同等とした。

実装されたパッケージの落下衝撃試験を行った。実装基板に携帯機器を模擬するため１５０ｇの錘を貼り付けた後、基板を高さ０．４ｍから繰り返し水平落下させ、はんだ接合部の断線寿命を評価した。落下試験は、パッケージの最外周に配置されたバンプを通る配線の抵抗値を計測しながら行った。そして抵抗値が、初期抵抗値から２０％以上の増加を示した時点で断線と判定した。図３に、表１に示した各組成のはんだボールを用いたパッケージの破断寿命を示す。

破断寿命はおおむねＡｇの含有量に依存する傾向があるが、Ａｌ，Ｐの両元素を添加した本発明（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）と、添加していない比較例（ｆ），（ｇ），（ｈ）をそれぞれ比較すると、Ａｌ，Ｐの添加による衝撃寿命の向上が見受けられる。同様の基本組成を有する（ｃ）と（ｇ）の場合、Ｐのみを添加した（ｇ）は最低寿命値が低く、接合界面破断モードが予測されるが、ＡｌとＰの両方を添加した（ｃ）は安定した耐衝撃性を示している。

本発明のはんだボールを製造する装置の一例を示す断面模式図である。本発明のはんだボールを製造する装置の均一液滴発生部の一例を示す断面模式図である。本発明および比較例のはんだボールを用いて作製されたパッケージの落下試験による破断寿命を示すグラフ図である。

符号の説明

１溶融はんだ合金、２オリフィス、３るつぼ、４振動子、５伝達部材、６加振ロッド、７チャンバー、８連続した液滴、９独立した液滴、１０冷却管、１１高電圧プレート、１２均一液滴発生部、１３連続回収缶

Claims

質量％で、Ａｇ，Ｃｕ，Ｉｎのうちから選ばれる１種以上の元素を合計で２０％以下、Ａｌを０．００１％以上、Ｐを０．００１％以上含み、かつＡｌとＰの合計は０．２％以下であり、残部Ｓｎおよび不可避的不純物からなることを特徴とするはんだ合金。
質量％で、Ａｇ，Ｃｕ，Ｉｎのうちから選ばれる１種以上の元素を合計で２０％以下、Ａｌを０．００１％以上、Ｐを０．００１％以上含み、かつＡｌとＰの合計は０．２％以下であり、残部Ｓｎおよび不可避的不純物からなることを特徴とするはんだボール。