JP2006102816A - はんだボールおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 はんだボールに要求される高い真球度と寸法精度を合せ持ちながら、平滑な表面形状を有するはんだボールとその製造方法を提供する。
【解決手段】 ＡｇおよびＣｕの１種または２種を合計で０．５〜６０質量％含有し、残部がＳｎおよび不純物からなるガス雰囲気で凝固させたはんだボールであって、球の中心を含む断面で観察した際にデンドライトのない凝固組織であるはんだボールである。好ましくは、これらのはんだボールは、Ａｇを２〜６質量％、Ｃｕを０．１〜２．０質量％含有し、残部がＳｎおよび不純物からなる。
そして、ＡｇおよびＣｕの１種または２種を、合計で０．５〜６０質量％含有し、残部がＳｎおよび不純物からなるはんだボールの製造方法であって、るつぼの底部に設けたオリフィスから滴下した溶湯をガス雰囲気中で球状に急冷凝固させ、球の中心を含む断面で観察した際に、デンドライトのない凝固組織とするはんだボールの製造方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置などにおけるマイクロソルダリング用はんだボールにおいて、特に真球度が高く、搬送性に優れているはんだボールとその製造方法に関する。

半導体デバイス実装技術のＢＧＡ（ボール・グリッド・アレイ）は広く用いられている。ＢＧＡは、キャリアにバンプを設けてはんだパットを形成し、最終的に基板との接合を行うためには、キャリア上のアレイ当り、数百、多くの場合数千ものはんだボールを、精度高くしかも同一平面に取付けられ、このはんだボールには真球に近い精度と平滑な表面と１０ミクロン以内の寸法精度が要求される。このように用いらるはんだボールの製造方法としては、油中造球法が一般的である。この方法は、微細に切断したはんだを油中で加熱溶解し、次いで冷却して得るものである。しかし、この方法では、微細なはんだ片を製造する工程や洗浄工程が必須であり、不経済である。

最近、この方法に代わるより経済的な方法として、るつぼ内の溶湯に圧力と振動を付与して前記るつぼの底部に設けたオリフィスから溶湯を押出し、前記オリフィスから滴下した溶湯を急冷凝固させて、はんだボールを製造する方法が開示され、均一液滴法と呼ばれている（特許文献１）。この方法は、装置の最上部にピエゾ素子などを用いた振動装置が設置される。その下に上記溶湯を保持する炉があり、炉の下にはオリフィスと呼ぶ穴があいている。オリフィスの外には、このオリフィスから押し出された溶湯の分断と凝固雰囲気を制御する回収チャンバーがあり、このチャンバーの底ではんだボールを回収する構造になっている。

炉と回収チャンバーは、雰囲気の制御と減圧や加圧ができるようになっている。炉の圧力を回収チャンバーより高くすることによって、オリフィスより溶湯を噴出させる（この溶湯をジェットと呼ぶ）。ピエゾ素子などで発生させた振動をステンレスやセラミック製の棒等を用いて、炉の中で溶湯にこの振動を付加すると、振動が付加されたジェットには、一定の間隔で流量の大小があり、このために一定間隔で切断され、均一な体積の液滴となる。さらに、均一の体積の液滴は、自身の表面張力によって球状になり、その後に、凝固させることによって、均一に球状化したはんだボールを得る。

また、ジェットの周辺に電極を設置し、ジェットとこの電極の間に電位差を持たせることによって、切断された液滴を同符号に帯電させ、各液滴が反発して、凝固中の接触による形状や粒径の不良を防止している。この方法は、真円度と寸法精度の良いはんだボールを、高い生産性で製造することを可能にする。
米国特許第５，２６６，０９８号明細書

本発明者が種々の組成のはんだボールを、均一液滴法によって製造したところ、はんだボールの表面形状の凹凸に差異が生じた。はんだボールにおいて、表面形状は非常に重要である。その主な理由は以下の２つある。

第一の理由は、はんだボールをＢＧＡパッケージに実装する装置では、はんだボールを連続的に供給するために停滞することなく転がることが求められるからである。もし転がりが悪いと、装置の途中ではんだボールの供給が止まるので、この供給部分の調整などが頻繁に必要となり、生産効率を著しく低下させる。

第二に理由は、はんだボールをＢＧＡパッケージに高精度で並べる方法として、ＢＧＡパッケージに合わせて高精度に配置したノズル部分を真空に引き、この部分にはんだボールを吸着させ、所定の位置に配列する方法がある。この際に、はんだボールの表面の凸凹がはげしいと吸着できず、はんだボールが置かれない端子ができ、ＢＧＡパッケージそのものが不良となるからである。

本発明の目的は、はんだボールに要求される高い真球度と寸法精度を合せ持ちながら、平滑な表面形状を有するはんだボールとその製造方法を提供することである。

本発明は、上述した表面形状（凹凸）について鋭利検討した結果、表面形状が平滑なはんだボールには特別な金属組織を有していることを知見し、本発明に到達した。

すなわち、本発明は、ＡｇおよびＣｕの１種または２種を、合計で０．５〜６０質量％含有し、残部がＳｎおよび不純物からなる、ガス雰囲気で凝固させたはんだボールであって、球の中心を含む断面で観察した際に、デンドライトのない凝固組織であることを特徴とするはんだボールである。そして、デンドライトのない凝固組織は、コロニーからなることを特徴とするはんだボールである。好ましくは、これらのはんだボールは、Ａｇを２〜６質量％、Ｃｕを０．１〜２．０質量％含有し、残部がＳｎおよび不純物からなる。

また、本発明は、ＡｇおよびＣｕの１種または２種を、合計で０．５〜６０質量％含有し、残部がＳｎおよび不純物からなるはんだボールの製造方法であって、るつぼの底部に設けたオリフィスから滴下した溶湯をガス雰囲気中で球状に急冷凝固させ、球の中心を含む断面で観察した際に、デンドライトのない凝固組織とすることを特徴とするはんだボールの製造方法である。

本発明によれば、高い真球度と、寸法精度を併せ持ち、更に表面形状が平滑なはんだボールを得られることができるため、ＢＧＡパッケージに実装する際の不良率の低減に寄与して、生産性の向上や合格率を向上させる。よって、本発明のはんだボールおよびその製造方法は、工業的に非常に重要なものである。

本発明の最も重要な特徴は、球の中心を含む断面で観察した際に、デンドライトのない凝固組織であるはんだボールにある。以下に詳しく本発明を説明する。

本発明者は、球状に凝固した直径１ｍｍ以下のはんだボールの、表面形状と断面の金属組織との関係について詳細に検討した。その結果、はんだボールの最終凝固部分と考えられるデンドライトの先端付近の形状は、他の部分と比較して凸凹が大きいことを見いだした。

つまり、詳細に観察をすると、単結晶、あるいは殆どの部分を１個の結晶が占めている単結晶に近いミクロ組織を有するはんだボールでは、凝固方向などからデンドライトが最初に形成されたと推定される部分の表面は十分に平滑であったところ、特に最終凝固と考えられる部分、例えばデンドライトの先端では、凸凹な形状となることがわかった。すなわち、１個の結晶が全体積の大部分を占めるようなミクロ組織は、１つのデンドライトが非常に大きく成長し、表面形状の平滑な凝固開始の部分が狭く、表面形状が凸凹している凝固の最終部分が広くなる。これに対して、コロニーのみが形成された凝固組織を有するはんだボールの表面は平滑であった。

次に、このデンドライトの大きさについて球の中心を含む断面にて検討した。図１に示した模式図を用いて説明すると、図１（ａ）のように、１つのデンドライトが大きい凝固組織では、図の上部になる最終凝固部で表面形状が凸凹になり、図の下部になる凝固開始部で表面形状が平滑な部分が少なく、デンドライトの先端が球の表面に突出して、表面の平滑性が失われる。この場合、最も大きな１個のデンドライトの面積率は何れも８０％を超えるものとなっていた。一方、図１（ｂ）に示したように、デンドライトがなく、コロニーのみから凝固組織がなる場合は、表面形状は平滑になる。

次に、上述のデンドライトがなく、好ましくはコロニーのみからの凝固組織とすることができる化学組成について、検討を行った。

広く知られているように、はんだボールの融点が純Ｓｎの融点２３２℃以上に高くなると、ＢＧＡパッケージの耐熱等の問題が生じるだけでなく、本発明者の検討によれば、デンドライトが過剰に成長して、表面の平滑性を損ない易いことを知見した。そこで、本発明者は、純Ｓｎの融点を下げる元素と、Ｓｎを主成分としながら、融点が２３２℃未満に調整できる種々の元素について、表面形状に与える影響について検討した。

上述のＳｎの融点を降下させる元素であるＡｇおよびＣｕの１種または２種を、合計で０．５〜６０質量％含有し、残部がＳｎおよび不純物からなる組成にすることよって、球の中心を含む断面で観察した際に、デンドライトのない凝固組織に制御できる。また、６０％を超えて含有すると、はんだとして必要とされる機械的強度を得ることや接合温度の調整が困難になる。好ましくは、Ａｇおよび／またはＣｕを、合計で２．０質量％以上含有させることであり、これにより冷却方法などの製造条件への依存が低減され、顕著に表面形状を平滑にすることが可能になる。

本発明である、環境への問題が指摘されているＰｂを過多に含まない化学組成のはんだボールにおいては、Ｓｎの融点を降下させる元素として、特に２〜６質量％のＡｇと、さらに０．１〜２．０質量％のＣｕを含有させることによって、球の中心を含む断面で観察した際に、デンドライトのない凝固組織に容易に製造できると同時に、実装時のリフロー温度の制御が容易になる。ここで規定した各元素の規定理由を説明する。

まず、Ａｇは、Ｓｎに２〜６質量％の範囲で含有させると、液滴を常温ガス雰囲気中で冷却する生産性が高い冷却方法でも、はんだボールの凝固組織は共晶組織あるいはこれに近い組織となり、複数のコロニーが存在する組織となり、デンドライトの観察されない凝固組織にする作用を有する元素である。しかし、２質量％未満あるいは６質量％を越えるＡｇの含有は、好ましい凝固組織に制御することが簡単ではなくなり、冷却方法や液滴の温度などを高精度で制御することが必要になるため、２〜６質量％の範囲に規定した。好ましくは１．９〜３．６％の範囲内である。

次に、Ｃｕを０．１〜２．０質量％添加すると、急冷した凝固組織が共晶組織あるいはこれに近い組織になるだけでなく、Ｓｎ−Ａｇの２元系の場合よりコロニーの数が増加して、表面の平滑性を高める。これは、Ｃｕの添加により、凝固時に核生成が容易になったためと考えている。なお、このＣｕの添加による効果のメカニズムについては、明確に解明出来てはいないが、Ｃｕを添加することにより融点などが変化することと相関があると考えている。好ましいＣｕの範囲は、０．４〜０．８質量％であり、この範囲に調整すれば溶接温度を低くしたり、はんだ接合強度を高めたりする効果も得られる。

また、Ｎなどの不可避的に含まれる元素も、含有量が増加すると核生成が促進され、表面形状を平滑する効果があると考えられる。よって、はんだに必要とされる、環境への影響、強度、信頼性、濡れ性などが損なわれない範囲では、添加元素として含まれることが好ましい。例えば、ＰｂフリーのＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだボールでは、Ｐｂを含まないことが環境問題への対応から求められるが、環境への影響が少ないと考えられる数１０ｐｐｍ程度のＰｂの含有は、表面形状を平滑にする効果を有する。

次に、上述したはんだボールの製造方法について説明すると、それは具体的には、るつぼの底部に設けたオリフィスから滴下した溶湯を、ガス雰囲気中で球状に急冷凝固させるはんだボールの製造方法である。この溶湯の滴下には、るつぼ内の溶湯に圧力と振動を付与して、前記るつぼの底部に設けたオリフィスから溶湯を押出し、滴下する構成を採用できる。

製造方法で重要な点は、オリフィスから滴下した液滴を特別に急冷凝固させることである。従来の均一液滴法では、溶湯を急冷凝固させて製造するために、凝固組織が直接に表面形状に影響を及ぼすが、本発明のガス雰囲気という、特別な凝固雰囲気での急冷凝固によって、上述してきたようなデンドライトの観察されない凝固組織にし、表面形状が平滑なはんだボールを製造することができる。

急冷の方法としては、液滴を、窒素、アルゴン、水素などの不活性ガス、還元ガスあるいはこれらの混合ガス雰囲気で、好ましくは０．１１ＭＰａ以上の気圧で凝固させることが好ましい。例えば窒素ガス雰囲気中で凝固させるものである。あるいはさらに急冷を行いたい場合には、液体窒素や液体アルゴンなど、０℃以下の安定な液体を用いて凝固させることも好ましい。これによって、例えば、上記の均一液滴法に採用すれば、本法の利点である、高い真円度と寸法精度の良いはんだボールを、高い生産性で製造できる上に、更に、平滑な表面形態をも付与するのに十分な効果を得ることができる。

実施例として示すはんだボールは、本発明の液滴法を用い、るつぼ内の溶湯に圧力と振動を付与して前記るつぼの底部に設けたオリフィスから溶湯を押出し、オリフィスから滴下した溶湯を窒素ガス雰囲気中で０．１５ＭＰａで球状に急冷凝固させて直径６００μｍのはんだボールを製造した。

次いで、得られたはんだボールを、ボールの中心を含む断面観察に供し、デンドライトが観察されるものについては、その面積率を測定した。観察方法は、球の中心を含む断面もしくはこれに近い断面になるように、ボールに鏡面研磨を行い、２質量％ＨＣｌ＋５質量％ＨＮＯ_３＋メタノールの混酸で腐食を行い、断面の直径が５９０〜６１０μｍであるもののみを２０個無作為に選択して、光学顕微鏡でミクロ組織を観察し画像解析により測定した。そして、デンドライトが観察されるものについては、２０個のはんだボールの中で１個のデンドライトで最も高い面積率であった値を、表１には示している。デンドライトがなく、コロニーのみであったものは「なし」として示した。

表面形状の評価は、傾斜をつけた板の上ではんだボールを転がす試験（転がし試験）で行った。転がし試験の結果から基準をつくり、傾斜を転がっている最中に斜面上で止まるものが全体の０．１％以上見られたものを、転がりの悪かったものとして×、斜面を転がっている最中に斜面上で止まるものが０．１％未満であったものを、良品として○として示している。なお、Ｎｏ．１〜４のＰｂ含有量は、２０ｐｐｍ程度であった。

表１の結果について説明する。Ｎｏ．１は、ＳｎにＡｇが５．５質量％含有した組成であるが、凝固組織はコロニーのみが形成されており、デンドライトは観察されず、表面形状は非常に平滑である。Ｎｏ．２は、ＳｎにＡｇおよびＣｕが、合計で２．０質量％以上含有した組成であるが、断面の凝固組織にはデンドライトは観察されず、表面形状が平滑なはんだボールである。

Ｎｏ．３は、ＳｎにＣｕが０．４質量％含有した組成であり、断面には１つのデンドライトが大きい凝固組織が観察された。最大のデンドライトの面積率は８２％にもなっており、表面形状も非常に凸凹であり、転がりも著しく悪かった。Ｎｏ．３のように、Ｃｕ含有量が低いと、１つのデンドライトが非常に大きく成長し、表面形状が凸凹になる。

Ｎｏ．４は、ＳｎにＡｇが０．３質量％含有した組成であり、断面には１つのデンドライトが大きい凝固組織が観察された。最大のデンドライトの面積率は８４％にもなり、表面形状は凸凹している。このはんだボールを走査式電子顕微鏡で観察した写真を、図２、３に示す。図２ではデンドライトの最終凝固の先端が突出したために、明らかに表面形状が凸凹していることがわかる。一方、図３は、凝固が開始した部分であるために、平滑になっている。このように、Ｎｏ．４のはんだボールでは、平滑な面もあるが、多くの表面では、デンドライト先端が突出し、凸凹な形状になっている。Ｎｏ．１とＮｏ．４を比較すれば、Ａｇ含有量の増加によって、１つのデンドライトが大きく成長することが抑制され、Ｎｏ．１ではコロニーのみが形成され、表面形状が改善される。

なお、本発明のはんだボールは、寸法精度が５９０〜６１０μｍの範囲にあるものが製造した全てのボールの９２％であり、円相当径を最大径で割って定義した真球度についても、２０個のボールを測定した結果、０．９９８以上であった。

はんだボールの断面金属組織の模式図である。 比較例としてのはんだボールの顕微鏡写真である。 比較例としてのはんだボールの顕微鏡写真である。

Claims (4)

1. ＡｇおよびＣｕの１種または２種を、合計で０．５〜６０質量％含有し、残部がＳｎおよび不純物からなる、ガス雰囲気で凝固させたはんだボールであって、球の中心を含む断面で観察した際に、デンドライトのない凝固組織であることを特徴とするはんだボール。
2. 球の中心を含む断面で観察した際に、コロニーからなる凝固組織であることを特徴とする請求項１に記載のはんだボール。
3. Ａｇを２〜６質量％、Ｃｕを０．１〜２．０質量％含有し、残部がＳｎおよび不純物からなることを特徴とする請求項１または２に記載のはんだボール。
4. ＡｇおよびＣｕの１種または２種を、合計で０．５〜６０質量％含有し、残部がＳｎおよび不純物からなるはんだボールの製造方法であって、るつぼの底部に設けたオリフィスから滴下した溶湯をガス雰囲気中で球状に急冷凝固させ、球の中心を含む断面で観察した際に、デンドライトのない凝固組織とすることを特徴とするはんだボールの製造方法。