JP2009226481A - Ｓｎ系はんだ合金およびそれを用いたはんだボール - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の目的は、Ｓｎを主体とし、はんだボール形成時やはんだバンプ形成時の黄化や金属光沢の低下に起因した不良の問題と、これらの元素の添加によるはんだ付け性低下の問題の双方を解決するＳｎ系はんだ合金ならびにはんだボールを提供することにある。
【解決手段】 本発明は、質量比で０．５ｐｐｍ以上１５ｐｐｍ未満のＧａを含むＳｎ系はんだ合金である。また、本発明のＳｎ系はんだ合金は、質量比で５０ｐｐｍ以下のＰを含んでもよい。また、本発明のＳｎ系はんだ合金は、ボールとして用いるのに適している。
【選択図】 なし

Description

本発明は、電子部品等のはんだ付けに使用されるＳｎ系はんだ合金およびそれを用いたはんだボールに関するものである。

近年、携帯電話などのモバイル機器における実装面積の減少とＩ／Ｏ端子の多ピン化に伴って、半導体パッケージの小型化、高集積化が進んでいる。これにより、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、従来のリードフレームを用いた周辺端子型から、半導体パッケージの底面に格子状に電極端子を形成したエリアアレイタイプへと変遷している。その代表的なものが、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）やＣＳＰ（Ｃｈｉｐ Ｓｃａｌｅ Ｐａｃｋａｇｅ）である。ＢＧＡやＣＳＰの電極は、球状に成形されたはんだ、つまりはんだボールを用いてマザーボードの電極と機械的、電気的に接続される。

はんだボールによる電極同士の接続は、一般に次の手順で行われる。
先ず、半導体パッケージに並ぶ複数の電極全てに対し、はんだボールを搭載する。次に、はんだの融点以上の温度まで半導体パッケージ全体を加熱してはんだを溶かし、はんだバンプと称されるはんだの突起を電極上に形成する。このように、予め所定の位置に一定量搭載されたはんだを、その融点以上まで加熱して接合する手法は、一般にリフローはんだ付けと称される。
次に、半導体パッケージ側に形成したはんだバンプの位置と、マザーボード上に並ぶ電極の位置とが重なるように、半導体パッケージをマザーボードに搭載し、再度リフローはんだ付けすることで、半導体パッケージ側電極とマザーボード側電極とを接合する。

はんだボールの搭載不良やはんだ濡れ不良によって半導体パッケージの電極にはんだバンプが形成されず欠損していた場合、マザーボードの電極との接合が行われないため、その半導体パッケージは不良品となる。このため、半導体パッケージの電極上にはんだボールを搭載した後や、リフローはんだ付けによりはんだバンプを形成した後に、ＣＣＤカメラなどからなる画像認識装置により、はんだボールやはんだバンプの欠損を確認する検査が行なわれる。
また、はんだバンプが欠損していなくとも、バンプ高さが電極間で大きく異なる場合、高さの低いバンプはマザーボードの電極と接することができず接合されない。このため、レーザー測長計によりはんだバンプの高さばらつきを測定する検査が行われる。これらの検査の結果、はんだバンプが全ての電極に形成されており、かつその高さばらつきが許容範囲にある半導体パッケージのみがマザーボードに搭載される。

接合に用いられる代表的なはんだ合金としては、特許文献１や特許文献２に開示される、Ｓｎを主体とし、ＡｇやＣｕが添加された合金が挙げられる。ＡｇやＣｕは、Ｓｎ中で金属間化合物を形成することにより、はんだ合金としての機械的特性を向上したり、融点を低下させたりするといった利点を有する。

しかし、特許文献１や特許文献２に開示されるような、Ｓｎを主体とするはんだ合金から形成されるはんだボールや、そのはんだボールを用いて半導体パッケージ上に形成したはんだバンプでは、はんだボール形成時およびはんだバンプ形成時に雰囲気中に存在する酸素と反応することでＳｎが酸化して黄色く変色（以下、黄化という。）し、良好な金属光沢を失ってしまう問題が発生しており、特に、雰囲気中の酸素濃度が高い場合は、この現象が顕著になった。
また、黄化し金属光沢を失ったはんだボールやはんだバンプでは、画像認識装置における照射光や、レーザー測長計におけるレーザー光の反射の乱れを生じるため、欠損判定やバンプ高さ測定ができないという問題があった。
また、黄化し金属光沢を失ったはんだバンプが、欠損判定やバンプ高さ測定を何とか合格することができた場合でも、金属光沢を有さないため見た目が悪く、その後の外観目視検査で不良と判断される不具合も発生し、結果として、半導体パッケージの生産性と歩留まりが大幅に低下した。

近年、半導体パッケージの高機能化に伴って、半導体パッケージ一個あたりの電極の数が急激に増加しているため、欠損率の管理や高さばらつき測定、目視検査の重要性が非常に高まっており、種々の改良が検討されている。

特許文献３〜５では、黄化の進行や金属光沢の低下を抑制する目的で、ＧａやＰを添加したはんだが提案されている。ＧａやＰは、Ｓｎよりも優先的に酸化して表面酸化膜を形成するため、はんだボール形成時やはんだバンプ形成時にＳｎと雰囲気中の酸素との接触を阻止し、Ｓｎの酸化による黄化を抑制することができるとされている。

特許第３０２７４４１号公報 特開２００２−２３９７８０号公報 特開昭５８−１９４５５号公報 特開平１０−２９１０８７号公報 特開２００２−３３６９８８号公報

このように、Ｓｎを主体とし、ＧａやＰが添加されたはんだ合金では、はんだボールやはんだバンプの黄化の進行や金属光沢の低下を抑制されるため、欠損判定、高さ測定、ならびに目視検査における合格率を高めることができるといった点で有効である。
しかし、本発明者らがＳｎを主体とし、Ｇａが添加されたはんだ合金について検討した結果、Ｇａの添加は黄化抑制の観点からは優位であるものの、Ｓｎよりも安定な表面酸化皮膜が形成されることではんだ付け性が損なわれるため、濡れ不良による不具合が発生し、かえって半導体パッケージの生産性と歩留まりが低下してしまうことがわかった。
また、Ｐについても同様の現象が見られた。特に、Ｐはその腐食性や有害性が懸念されており、半導体を構成する部材への使用を極力抑えることが望まれる。

本発明の目的は、Ｓｎを主体とし、はんだボール形成時やはんだバンプ形成時の黄化や金属光沢の低下に起因した不良の問題と、これらの元素の添加によるはんだ付け性低下の問題の双方を解決するＳｎ系はんだ合金ならびにはんだボールを提供することにある。

本発明者らは、Ｓｎを主体し、Ｇａが添加されたＳｎ系はんだ合金について詳細な調査を行った結果、はんだ付け性の低下は、過剰な量のＧａによって酸化膜が厚く成長したためであり、厳密に制御されたわずかな量のＧａを添加することで、はんだ付け性を損ねることなく、黄化の進行や金属光沢の低下を抑制できることを見出した。
また、Ｐを添加したはんだに対して少量のＧａを添加することで、Ｐの使用量を大幅に低減しても同等の効果が得られることを見出し、本発明に到達した。

すなわち本発明は、質量比で０．５ｐｐｍ以上１５ｐｐｍ未満のＧａを含むＳｎ系はんだ合金である。
Ｇａは、１０ｐｐｍ以下含むことが好ましい。
また、本発明のＳｎ系はんだ合金は、質量比で５０ｐｐｍ以下のＰを含んでもよい。
また、本発明のＳｎ系はんだ合金は、質量比でＡｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｂｉ、Ｉｎの１種または２種以上を総量で１０％以下含み、残部Ｓｎおよび不可避的不純物からなることが好ましい。
また、本発明のＳｎ系はんだ合金は、ボールとして用いるのに適している。

本発明によれば、Ｓｎ系はんだ合金において、はんだ付け性を損ねることなく、はんだボール形成時やはんだバンプ形成時の黄化および金属光沢低下に起因するはんだボールおよびはんだバンプの欠損判定、はんだバンプの高さ測定、ならびに目視検査における不良の問題が飛躍的に改善され、半導体パッケージの生産性および歩留まりを向上することができる。
また、腐食性や有害性が懸念されるＰの使用量を大幅に低減することが可能である。

上述のように本発明の重要な特徴は、Ｓｎ系はんだ合金に、厳密に制御したわずかな量のＧａを添加したことにある。
Ｓｎを主体とするはんだ合金にＧａを添加した場合、最も酸化されやすい元素はＧａであり、はんだボール形成時やはんだバンプ形成時に雰囲気中の酸素と反応し、はんだボールやはんだバンプの表面にＧａを含む酸化皮膜を形成する。これにより、Ｓｎと雰囲気中の酸素との接触を阻止することができ、はんだボールやはんだバンプは金属光沢のある銀白色を保つ。
しかし、Ｇａの添加量が多くなるに従い、酸化膜が厚く成長するため、はんだ付け性が著しく低下してしまう。このため、Ｇａの添加量を厳密に制御することが重要である。

本発明のＳｎ系はんだ合金において、Ｇａの添加量を０．５ｐｐｍ以上１５ｐｐｍ未満とするのは以下の理由である。
Ｇａの添加量が０．５ｐｐｍ未満の場合、成分コントロールが非常に難しく、安定したはんだ合金やはんだボールの作製が困難であるため、実用的でない。Ｇａの添加量が０．５ｐｐｍ以上であれば、Ｇａを含む表面酸化膜が形成されるには十分な量であり、黄化の進行や金属光沢の低下を大幅に抑制することができる。
また、Ｇａの添加量は、１５ｐｐｍ未満でも黄化抑制や金属光沢の維持には十分な添加量であり、これを超えて添加すると、余剰なＧａが積極的に雰囲気中の酸素と反応することで厚い表面酸化膜が形成されるため、はんだ付け性が著しく損なわれてしまう。また、ＧａはＳｎと比較して非常に高価な金属であるため、本発明のＳｎ系はんだ合金は、Ｇａの使用量を必要最小限に抑えることが好ましい。
また、Ｇａの添加量は、１０ｐｐｍ以下であっても黄化や金属光沢の低下を抑制する効果があり、さらに５ｐｐｍ以下でも同様の効果が得られるため、成分コントロールが可能な範囲でＧａの使用量を低減することも可能である。

また、本発明のＳｎ系はんだ合金には、５０ｐｐｍ以下のＰを含んでもよい。
Ｐは、Ｇａほどではないものの、黄化を抑制する効果が認められる元素である。加えて、Ｐの酸化膜は、Ｇａの酸化膜と比較して熱的に不安定であるため、フラックスと呼ばれる酸化膜を還元除去する有機材料を用いてリフローはんだ付けする場合、比較的容易に還元することが可能である。ただし、Ｐの添加量が５０ｐｐｍを超えると、ＧａとＰからなる酸化膜が表面に厚く形成されてしまうため、はんだ付け性を著しく損ねることとなる。

また、本発明のＳｎ系はんだ合金は、Ｓｎを主体とし、機械的特性の向上やはんだ合金の融点を下げるなどの目的で、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｂｉ、Ｉｎなどを添加してもよく、その総量は質量比で１０％以下が望ましい。本発明のＳｎ系はんだ合金は、これらの元素が添加された場合にも、本発明において規定する量のＧａやＰを添加することにより、黄化や金属光沢の低下を抑えられる上、はんだ付け性を確保することができる。

また、本発明のＳｎ系はんだ合金は、はんだボールとして使われる場合、さらに有効である。これは、黄化や金属光沢の低下を抑制したはんだ合金をボールやそれを用いて形成したはんだバンプとして提供することで、欠損判定、はんだバンプの高さ測定、ならびに目視検査における不良率を大幅に低減できると同時に、はんだ付け性を確保できるためである。
特に、近年の半導体パッケージの多ピン化により電極数は増加の一途を辿っており、それに伴い使用されるはんだボールやはんだバンプの数も急激に増加し、はんだボールの直径は５００μｍ以下が適用されることから、本発明のＳｎ系はんだ合金をはんだボールとして用いることで、半導体パッケージの生産性や歩留まりを大きく向上することができる。

また、本発明のＳｎ系はんだ合金からはんだボールやはんだバンプを形成する際の雰囲気中の酸素濃度が高い場合、はんだに添加されたＧａやＰと雰囲気中酸素とが反応することで、はんだボール表面やはんだバンプ表面に厚い酸化膜が形成されやすくなるため、黄化の進行やはんだ付け性の低下を招きやすい。したがって、本発明のＳｎ系はんだ合金からはんだボールやはんだバンプを形成する際の雰囲気は、窒素やアルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気や、少量の水素を含む還元ガス雰囲気が望ましい。
また、本発明のＳｎ系はんだ合金は、所定量のＧａやＰを添加することにより、雰囲気中の酸素濃度が高い場合でも酸素との反応が少なく、黄化とはんだ付け性の低下の問題を飛躍的に改善でき、さらに雰囲気中の酸素濃度を下げることで、より良好な特性を得ることが可能である。

純度９９．９％以上のＳｎに、所定量のＧａおよびＰを添加した表１に示すＳｎ系はんだ合金を作製した。このとき、機械的特性を向上させたり、融点を低下させたりする目的で、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｂｉ、Ｉｎを添加したはんだ合金も作製した。
次に、作製したＳｎ系はんだ合金をアルミナルツボに入れ、２４０℃で１０ｍｉｎ、大気中で加熱した後、空冷凝固した。
熱処理後のはんだ合金の黄化の程度と金属光沢を定量評価するため、ＪＩＳ Ｚ ８７２９で規定されるＬ^＊ａ^＊ｂ^＊表色系における黄色度ｂ^＊と、ＣＩＥ １９３１ 標準表色系で規定されるＹｘｙ系における反射率Ｙを色彩計により測定した。

評価したＳｎ系はんだ合金の合金組成と、黄色度および反射率の測定結果を表１に示す。
本発明例１〜５と比較例１との比較から、Ｇａを０．７〜１４ｐｐｍ添加した本発明例１〜５のＳｎ系はんだ合金の黄色度は、Ｇａを添加しない純Ｓｎ（比較例１）の値と比較して１／５に低減されていることが確認できた。このとき、目視検査で黄化したと判定される黄色度は５程度であった。
Ｇａが添加された本発明例１〜５における合金は、大気中での加熱という非常に酸化しやすい環境にあっても、全て５未満の値を示しており、目視検査に対しても十分に満足することが確認できた。また、反射率は７０％を超えており、大気中加熱後も十分な金属光沢を維持していることがわかった。
また、本発明例２と本発明例１３、本発明例６と本発明例１４、本発明例７と本発明例１９のそれぞれを比較することにより、Ｇａ単独添加の場合よりも、ごく少量のＰを併せて添加することで、黄化の進行をわずかではあるがさらに低減できていることが確認できた。

また、比較例２に示すように、Ｇａを１５ｐｐｍ以上加えても黄化改善効果が見られず、酸化膜が厚くなることでかえって反射率が低下していることを確認した。
また、比較例３〜７と、本発明例６〜１２との比較により、ＳｎにＡｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｂｉ、Ｉｎを添加しても、黄化の進行や反射率の低下を抑制することができないのに対し、厳密に制御された少量のＧａを添加することで、飛躍的に特性が改善できることが確認できた。
また、比較例１、比較例８と本発明例１３との比較から、純Ｓｎに少量のＰを単独で添加した場合には、かえって黄化が進行してしまうのに対し、Ｇａをわずか１ｐｐｍ添加することで、黄化が抑制され、反射率も大幅に改善されていることが確認できた。
また、比較例９と本発明例１４との比較から、ＡｇやＣｕを添加したＳｎ系合金においても、少量のＧａをＰと併せて添加することで特性が改善された。

黄化の進行や反射率の低下を抑制するＧａ添加の効果を明らかにするために、表１に示した本発明例１〜５と、比較例２のはんだ合金の表面における酸素濃度およびＧａ濃度を、ＥＰＭＡを用いて測定した。なお、ＥＰＭＡ表面分析におけるＧａの検出限界は５０質量ｐｐｍである。
表２に測定結果を示す。本発明例の極少量のＧａを添加したはんだ合金であっても、表面Ｇａ濃度が添加量に対して非常に高く、表面に濃化していた。本発明のＳｎ系はんだ合金は、はんだ中の極少量のＧａが表面に濃化することにより、黄化の進行と反射率の低下を抑制していると推測される。また、Ｇａの少量化により、はんだ付け性の向上も期待できる。

純度９９．９９％以上のＳｎに、表３に示す所定量のＧａ、Ｐ、Ａｇ、Ｃｕを添加したＳｎ系はんだ合金から、直径３００μｍのＳｎ系はんだボールを均一液滴噴霧法により作製した。ここで、はんだボールの作製は、はんだボール表面が極力酸化しないように窒素雰囲気中で行った。
次に、リフローはんだ付けによるはんだボールの変色を想定した大気中加熱実験を実施した。具体的な手順としては、上記で作製したＳｎ系はんだボールをＳｉウェハ上に並べた後、２４０℃に加熱したヒーターの上に３０ｓ放置することで加熱した。大気中加熱による黄化の進行度合いを定量化するために、加熱前後のはんだボールを１０ｍｍ角の範囲に配列したのち、実施例１と同条件のＬ^＊ａ^＊ｂ^＊表色系における黄色度ｂ^＊を色彩計で測定した。

評価したＳｎ系はんだボールの合金組成と、黄色度の測定結果を表３に示す。比較例３１と本発明例３１乃至３３との比較から、Ｇａを１５ｐｐｍ未満添加した本発明例３１乃至３３のＳｎ系はんだボールの黄色度は、Ｇａを添加していない比較例３１よりも黄化の進行が大幅に低減されており、加熱前と比較して２倍以内であった。
また、目視検査で黄化したと判定される黄色度は５程度であるが、Ｇａを添加した本発明例３１乃至３３のはんだボールは、大気中加熱という非常に酸化しやすい環境にあっても全て５未満の値を示しており、目視検査に対しても十分に満足することがわかる。
また、本発明例３３が示すように、Ｇａ単独添加の場合よりも、ごく少量のＰを併せて添加することで、黄化の進行がさらに低減できていることが確認できた。

Claims (5)

1. 質量比で０．５ｐｐｍ以上１５ｐｐｍ未満のＧａを含むことを特徴とするＳｎ系はんだ合金。
2. 質量比で０．５ｐｐｍ以上１０ｐｐｍ以下のＧａを含むことを特徴とする請求項１に記載のＳｎ系はんだ合金。
3. 質量比で５０ｐｐｍ以下のＰを含むことを特徴とする請求項１または２に記載のＳｎ系はんだ合金。
4. 質量比でＡｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｂｉ、Ｉｎの１種または２種以上を総量で１０％以下含み、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請求項１ないし３の何れかに記載のＳｎ系はんだ合金。
5. 請求項１ないし４の何れかに記載のはんだ合金からなることを特徴とするはんだボール。