JP2009095865A - ニッケル担持ハンダボール - Google Patents

Abstract

【課題】微細な電極間の導電接続に用いられ、電極との密着性に優れ、落下等による衝撃によっても、電極とハンダボールとの接合界面破壊による断線を生じにくいニッケル担持ハンダボールを提供する。
【解決手段】錫を含有する低融点金属からなるハンダボールの表面に、不連続層を形成した状態でニッケルが担持されているニッケル担持ハンダボール。
【選択図】なし

Description

本発明は、微細な電極間の導電接続に用いられ、電極との密着性に優れ、落下等による衝撃によっても、電極とハンダボールとの接合界面破壊による断線を生じにくいニッケル担持ハンダボールに関する。

従来、電子回路基板において、ＩＣやＬＳＩの接続は、それぞれの電極をプリント基板上にハンダ付けすることにより行っていたが、生産効率が悪く、また、高密度化には適さなかった。
これを解決するためにハンダを球状にした、いわゆるハンダボールで基板と接続するＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）等の技術が開発された。この技術によれば、チップ又は基板上に実装されたハンダボールを高温で溶融し基板とチップとを接続することで生産性と、接続信頼性に優れた電子回路を構成することができる。

特許文献１には、銀（２．０〜３．０質量％）、銅（０．３〜１．５質量％）、及び錫（残部）を含有する無鉛ハンダ合金からなる電子部材用無鉛ハンダボールが開示されている。このようなハンダボールを用いて基板とチップとを接合した場合、接続信頼性と、耐熱疲労特性に優れた導電接続をすることが可能とされている。

しかしながら、近年このようなハンダボールが携帯電話等の携帯機器に用いられるところ、落下等の衝撃によって、電極とハンダボールとの接合界面が破壊されたりすることにより断線が生じることがあるという問題があった。
特開２００１−１３８０８８号公報

本発明は、上記現状に鑑み、微細な電極間の導電接続に用いられ、電極との密着性に優れ、落下等による衝撃によっても、電極とハンダボールとの接合界面破壊による断線を生じにくいニッケル担持ハンダボールを提供することを目的とする。

本発明は、錫を含有する低融点金属からなるハンダボールの表面に、不連続層を形成した状態でニッケルが担持されているニッケル担持ハンダボールである。
以下に本発明を詳述する。

本発明者らは、鋭意検討の結果、表面にニッケルを担持させたハンダボールを用いて導電接続させた場合、落下等による衝撃によっても、電極とハンダボールとの接合界面破壊による断線が生じにくいということを見出した。しかしながら、単にハンダボールの表面にニッケルを担持させただけでは、ハンダボールの融点が上昇し、リフロー時に融解しにくくなるという問題もあった。
そこで、本発明者らは更に鋭意検討した結果、ニッケルを不連続層が形成された状態でハンダボールの表面に担持させることで、電極とハンダボールとの高い接合強度が得られることを見出し、本発明を完成させるに至った。

本発明のニッケル担持ハンダボールは、錫を含有する低融点金属からなるハンダボールの表面に、不連続層を形成した状態でニッケルが担持されたものである。

本発明のニッケル担持ハンダボールは、表面にニッケルが不連続層を形成した状態で担持されていることで、基板等の電極の接続に用いた場合、リフロー後にハンダボールと電極との接合界面に微細な金属間化合物の結晶組織が形成される。このような微細な金属間化合物の結晶組織がアンカー効果を発揮すると考えられるため、落下等による衝撃によってもハンダボールと電極との接合界面が破壊されることがなく、断線を生じることがない。また、リフロー時に、ハンダボールの表面に担持したニッケルは、優先的にハンダボールに含有される錫と微細な金属間化合物の結晶組織を形成すると考えられる。
特に、基板等の電極の最表面が、ニッケル−リンめっき層を置換金めっきすることで得られる金めっき層である場合、微細な金属間化合物の結晶組織が形成されることで、ニッケル−リンめっき層由来のニッケルが、ハンダボールへ拡散することを防止することができる。ニッケル−リンめっき層由来のニッケルの拡散が防止されることで、ハンダボールと電極との接合界面の強度に悪影響を与えると考えられる、リン濃縮層の形成を抑制することができる。
また、ハンダボールの表面にニッケルが不連続層を形成した状態で担持されていることで、ニッケルをハンダボールの表面近傍にのみ担持させることができることから、ニッケルの添加量を大幅に削減することができ、少ない添加量で高い接合強度を発揮することができる。
更に、通常、錫を含有する低融点金属にニッケルを含有させると、融点が上昇したり、濡れ性が低下したりする等の不具合が発生することがあるが、本発明では、ニッケルがハンダボールの表面にナノオーダーの大きさで不連続層を形成した状態で担持されているので、ニッケルナノ粒子の低温融着特性が発揮され、融点が上昇するような不具合は発生しない。なお、本発明のニッケル担持ハンダボールは、基板と電子部品とをハンダボールで接続する場合に限らず、積層した電子部品間をハンダボールで接続する場合にも電極とハンダボールとの接合界面破壊による断線を防止することができる。

上記ニッケルがハンダボールの表面に連続層を形成した状態で担持されている場合、ハンダボールと担持されているニッケルとの界面に粗大な金属間化合物の結晶組織が形成されやすい。その結果、上記ニッケルが連続層を形成した状態で担持されているハンダボールが回路基板等の接続に用いられると、落下等の衝撃により粗大な金属間化合物の結晶組織が壊れたり、クラックが粗大な金属間化合物の結晶組織に沿って伝播したりすることにより断線の原因となることがある。
更に、上記ニッケルがハンダボールの表面に連続層を形成した状態で担持されていると、リフロー時にハンダボールが融解しにくくなることがあり、基板等の接続に用いることができないこともある。

本発明において、「不連続層を形成した状態でニッケルが担持されている」とは、ハンダボールの表面にニッケルが点状に付着した状態を意味する。
なお、ハンダボールの表面に不連続層を形成した状態で担持されているニッケルの一部が、ハンダボール中に拡散していてもよい。

本発明のニッケル担持ハンダボールにおけるニッケルの担持量は、不連続層を形成した状態でニッケルが担持されているニッケル担持ハンダボール全体に占める、ニッケルの担持量としては特に限定されないが、ニッケルの担持量の好ましい下限が０．００１重量％、好ましい上限が２重量％である。ニッケルの担持量が０．００１重量％未満であると、接合界面において微細な金属間化合物の結晶組織が生成されず、落下等の衝撃による電極とハンダボールとの接合界面の破壊を防ぐことができず、断線を生じることがある。ニッケルの担持量が２重量％を超えると、不連続層を形成した状態でハンダボールの表面にニッケルを担持することができなくなることがある。
上記ニッケルの担持量のより好ましい下限は０．００５重量％、より好ましい上限は１．５重量％である。

上記ハンダボールの平均粒子径の好ましい下限は３０μｍ、好ましい上限は２０００μｍである。上記ハンダボールの平均粒子径を３０〜２０００μｍの範囲内とすることで、ボールグリッドアレイやチップサイズパッケージ等のバンプ形成に使用することができる。なお、上記ハンダボールの平均粒子径は、無作為に選んだ５０個のハンダボールについての粒子径を測定し、これらを算術平均した粒子径とする。
なお、上記ハンダボールの形状は特に限定されないが、球状であることが好ましい。

本発明に使用されるハンダボールは、錫を含有する低融点金属で構成されていれば特に限定されない。上記ハンダボールを構成する低融点金属は、錫を必須金属として含有していれば錫のみで構成されていてもよく、錫以外の他の金属を含有していてもよい。例えば、他の金属として、銀、アンチモン、銅、ビスマス、インジウム、ゲルマニウム、アルミニウム、亜鉛等の金属を含有させることもできる。上記低融点金属としては、具体的には、錫／銀、錫／銅、錫／銀／銅、錫／亜鉛、錫／ビスマス等の合金を挙げることができる。
特に本発明においては、上記ハンダボールの融点を低下させることができることから、上記低融点金属は、錫／銀、又は錫／銀／銅を用いることが好ましい。

上記低融点金属に銀を含有させる場合、不連続層を形成した状態でニッケルが担持されているニッケル担持ハンダボール全体に占める、銀の含有量としては特に限定されないが、好ましい下限は０．５重量％、好ましい上限は１０重量％である。銀の含有量が０．５〜１０重量％の範囲内であると、本発明のニッケル担持ハンダボールの融点を低下させることができる。銀の含有量のより好ましい下限は０．７重量％、より好ましい上限は５重量％である。

本発明のニッケル担持ハンダボールにおける錫の含有量としては特に限定されず、不連続層を形成した状態でニッケルが担持されているニッケル担持ハンダボールから、ニッケル及び銀等の錫以外の金属を差し引いた残部を錫の含有量とすることができる。不連続層を形成した状態でニッケルが担持されているニッケル担持ハンダボール全体に占める、錫の含有量としては、好ましい下限は８８重量％、好ましい上限は９９．４９９９重量％である。

本発明の不連続層を形成した状態でニッケルが担持されているニッケル担持ハンダボールの製造方法としては特に限定されず、例えば、以下の方法により製造することができる。

まず、錫を含有する低融点金属で構成されるハンダボールの表面にニッケルが不連続層を形成した状態で担持させる。
上記ハンダボールの表面にニッケルが不連続層を形成した状態で担持させる方法としては、例えば、無電解めっき法、電解めっき法、スパッタリング法等が挙げられる。なかでも、無電解めっき液の濃度、ｐＨ、反応温度、めっき反応時間等を適宜設定することで、ニッケルの担持量を制御することが可能となるため、無電解めっき法を用いることが好ましい。

また、本発明のニッケル担持ハンダボールを用いてなる導電接続構造体もまた、本発明の１つである。

本発明によれば、微細な電極間の導電接続に用いられ、電極との密着性に優れ、落下等による衝撃によっても、電極とハンダボールとの接合界面破壊による断線を生じにくいニッケル担持ハンダボールを提供することができる。

以下に実施例を掲げて本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されない。

（実施例１）
錫、銀及び銅を含有する合金からなる球状のハンダボール（平均粒子径３００μｍ、錫：銀：銅＝９６．５重量％：３重量％：０．５重量％）の表面に下記無電解ニッケルめっき液を用いて、無電解めっきを行った。下記無電解ニッケルめっき液（液温３７℃、ｐＨ１０．５）にハンダボールを添加し、めっき液を３７℃に保ちながら攪拌し、無電解ニッケルめっき反応を開始させた。ハンダボールを添加してから２分後（めっき反応時間２分）に、攪拌を停止し、無電解ニッケルめっき液を濾過した。濾過物を水で洗浄した後、５０℃の真空乾燥機で乾燥させ、表面にニッケルが担持されたハンダボールを得た。
なお、蛍光Ｘ線分析装置（島津製作所社製「ＥＤＸ−８００ＨＳ」）で分析したところ、ニッケルが担持されているハンダボールに占める、ニッケルの担持量は０．００５重量％であった。

無電解ニッケルめっき液組成
酢酸ニッケル ：３５ｇ／Ｌ
ヒドラジン一水和物 ：５０ｇ／Ｌ
エチレンジアミン四酢酸 ：２０ｇ／Ｌ
乳酸 ：７５ｇ／Ｌ
ホウ酸 ：２５ｇ／Ｌ

（実施例２）
反応温度を３７℃、及びめっき反応時間を５分に変更したこと以外は、実施例１と同様にして微量のニッケルが担持されたハンダボールを得た。
なお、ニッケルの担持量は０．１重量％であった。

（実施例３）
反応温度を４０℃、及びめっき反応時間を３５分に変更したこと以外は、実施例１と同様にして微量のニッケルが担持されたハンダボールを得た。
なお、ニッケルの担持量は２重量％であった。

（比較例１）
錫、銀及び銅を含有する合金からなる球状のハンダボール（平均粒子径３００μｍ、錫：銀：銅＝９６．５重量％：３重量％：０．５重量％）をハンダボールとして用いた。

（比較例２）
反応温度を６０℃、及びめっき反応時間を６０分に変更したこと以外は、実施例１と同様にしてニッケルが担持されたハンダボールを得た。
なお、ニッケルの担持量は１０重量％であった。

＜評価＞
実施例及び比較例で得られたハンダボールについて以下の評価を行った。結果を表１に示した。

（１）ハンダボールの表面観察
実施例１〜３及び比較例２で得られたハンダボールの断面を電界放射型走査電子顕微鏡ＦＥ−ＳＥＭ（日立製作所社製「Ｓ−４１００」）で撮影を行った。実施例１〜３で得られたハンダボールの表面には、不連続層を形成した状態でニッケルが担持されていることが確認された。しかし、比較例２で得られたハンダボールの表面には、ニッケルめっき層が形成されており、連続層を形成した状態でニッケルが担持されていることが確認された。

（２）落下強度試験
実施例１〜３及び比較例１、２で得られたハンダボールを、チップサイズ６ｍｍ角の電極ランドを０．５ｍｍピッチで１１２個を配置したシリコンチップに実装した。次いで、ハンダボールを実装したシリコンチップ１５個を基板に実装し、ＪＥＤＥＣ規格ＪＥＳＤ２２−Ｂ１１１に従い、落下強度試験を行った。
断線が確認されるまで落下を行い、実装した１５個のシリコンチップの断線が起こるまでの落下回数を計測し平均落下回数を求めた。
なお、電極ランドは、ニッケル−リンめっき層を、置換金めっきすることで形成された金めっき層を最表面に有する。

本発明によれば、微細な電極間の導電接続に用いられ、電極との密着性に優れ、落下等による衝撃によっても、電極とハンダボールとの接合界面破壊による断線を生じにくいニッケル担持ハンダボールを提供することができる。

Claims (2)

1. 錫を含有する低融点金属からなるハンダボールの表面に、不連続層を形成した状態でニッケルが担持されていることを特徴とするニッケル担持ハンダボール。
2. 請求項１記載のニッケル担持ハンダボールを用いてなることを特徴とする導電接続構造体。