JP2009248156A - はんだボール、はんだ層及びはんだバンプ並びにそれらの形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、Ｓｎを主体とし、ＡｇやＣｕが添加されたはんだ合金において、はんだ付け時の変色に起因したはんだボールの搭載率向上とはんだバンプの欠損判定、高さ測定、ならびに目視検査での不良の問題を解決するはんだボールを提供することにある。
【解決手段】自然酸化により形成された非晶質酸化被膜1aを有し表面の黄化度が所定値以下のはんだボール１を電極端子3a,4aを有する半導体パッケージ３又は回路基板４に載置し、加熱して前記はんだボールを溶かし、前記非晶質酸化被膜1aと前記加熱により形成された結晶質酸化被膜2aとを破損させてはんだボール内の溶融したはんだ1bで前記電極端子3a,4aと接合した突起を形成するはんだバンプ２の形成方法。
【選択図】図４

Description

本発明は、電子部品等のはんだ付けに使用される鉛フリーはんだボール及びそれを用いて形成するはんだ層とはんだバンプ並びにそれらの形成方法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、半導体パッケージも小型化、高集積化の傾向にある。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タイプへと変遷している。その代表的なものがＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）である。ＢＧＡ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へと接続される。

はんだボールによる接続は次の手順で行われる。まず、半導体パッケージ上に並ぶ複数の電極上にはんだボールを搭載した後、はんだの融点以上の温度まで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。次に、マザーボードの電極の位置と、先に半導体パッケージ側に形成したはんだバンプの位置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た後、はんだの融点以上の温度まで再度加熱することで、半導体パッケージの電極とマザーボードの電極とを接合する。

半導体パッケージの電極とマザーボードの電極とがはんだバンプによって接合される際、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、不良品として扱うために欠損率の管理は重要である。また、はんだバンプが欠損していなくても、バンプの高さが電極ごとに大きく異なる場合、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ないため接合されない。

これらの不良を未然に防ぐため、半導体パッケージの電極上にはんだバンプが形成された時点で、ＣＣＤカメラなどからなる画像認識装置によりはんだバンプの欠損を確認したり、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したりする検査が行われ、はんだバンプが全ての電極に形成されており、かつその高さバラつきが許容範囲にあるもののみがマザーボードに搭載される。

半導体パッケージの接合に用いられる代表的な鉛フリーのはんだボール又ははんだ合金としては、特許文献１や特許文献２に開示されているような、Ｓｎを主体とし、ＡｇやＣｕを添加したものが挙げられる。これらの合金は融点が２２０〜２２５℃程度であり、一般的なはんだ付け温度はそれよりも１５〜２０℃高い２４０℃である。これらの温度は、Ｓｎ単体の場合と比較して５〜１０℃程度低いため、半導体パッケージやマザーボードに使用されている樹脂材料の熱損傷による劣化を低減できるといった利点を有する。
特許第３９２５５５４号公報 特開２００４−１１００号公報

このように、Ｓｎを主体とし、ＡｇやＣｕが添加されたはんだ合金は、はんだ付け時の半導体パッケージやマザーボードの熱損傷を低減することが可能である。しかしながら、本発明者がＳｎを主体とし、ＡｇやＣｕが添加されたはんだ合金からなるはんだボールについて検討した結果、半導体パッケージの電極上にはんだボールを搭載した時点、またはバンプを形成した時点で黄色く変色（以下、黄化という。）しており、良好な金属光沢がなくなってしまうという問題が発生した。この黄化したはんだボールおよびはんだバンプでは、画像処理装置における照射光、レーザー測長計におけるレーザー光の反射に乱れが生じる。このため、欠損判定やバンプ高さ測定ができないという問題が発生しており、特にはんだ付け時の雰囲気中酸素濃度が高い場合にこの問題は顕著になった。

また、黄化したはんだボールは半導体パッケージ上の電極とのはんだ付け性が著しく低下する。はんだバンプの場合は欠損判定やバンプ高さ測定を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、その後の目視検査で不良と判断される不具合が発生していた。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する一因となっていた。

本発明の目的は、Ｓｎを主体とし、ＡｇやＣｕが添加されたはんだ合金において、はんだ付け時の変色に起因したはんだボールの搭載率向上とはんだバンプの欠損判定、高さ測定、ならびに目視検査での不良の問題を解決するはんだボールを提供することにある。

本発明者らは、Ｓｎを主体とし、ＡｇやＣｕが添加されたはんだ合金からなるはんだボールにおける黄化は表面のＳｎ酸化膜が厚くなると生じるものであり、Ｓｎ酸化膜厚を制御することではんだ付け性を損ねることなく変色の発生を大幅に抑制できることを見出し、本発明に到達した。さらには厳密に制御されたわずかな量のＣｒを添加すると、はんだ付け性は向上し、より変色の発生を低減できる。

すなわち本願第一の発明は、質量で０〜４．０％のＡｇと、０〜１．０％のＣｕと、残部Ｓｎ及び不可避的不純物からなり、表面の黄化度が１０以下であることを特徴とするはんだボールである。本発明では表面の酸化膜の厚みが２０ｎｍ以下であることが好ましい。

本願第二の発明は、質量で０〜４．０％のＡｇと、０〜１．０％のＣｕと、残部Ｓｎ及び不可避的不純物からなり、非晶質のＳｎＯ層と結晶質のＳｎＯ_２層とを有することを特徴とするはんだ層である。

本願第三の発明は、質量で０〜４．０％のＡｇと、０〜１．０％のＣｕと、残部Ｓｎ及び不可避的不純物からなり、非晶質のＳｎＯ層と結晶質のＳｎＯ_２層とを有することを特徴とするはんだバンプである。

本発明のはんだボール、はんだ層およびはんだバンプは、０．２〜３ｐｐｍのＣｒが含まれ、表面にＣｒが濃化していることが好ましい。

本願第四の発明は、自然酸化により形成された非晶質ＳｎＯ層を有し表面の黄化度が所定値以下のはんだボールを加熱し、前記非晶質ＳｎＯ層と前記加熱により形成された結晶質ＳｎＯ_２層とを破損させてはんだボール内の溶融したはんだをつなげることを特徴とするはんだ層の形成方法である。

本願第五の発明は、自然酸化により形成された非晶質ＳｎＯ層を有し表面の黄化度が所定値以下のはんだボールを半導体パッケージの電極上に搭載し、電極上のはんだボールを加熱して溶かし、前記非晶質ＳｎＯ層と前記加熱により形成された結晶質ＳｎＯ_２層とを破損させてはんだボール内の溶融したはんだで前記電極上に突起を形成することを特徴とするはんだバンプの形成方法である。

本願第四または第五の発明において、はんだボールは質量で０〜４．０％のＡｇと、０〜１．０％のＣｕと、残部Ｓｎ及び不可避的不純物からなることが好ましい。

本発明によって、Ｓｎを主体とし、ＡｇやＣｕが添加されたはんだ合金からなるはんだボールにおいて、はんだ付け性を損ねることなく、はんだ付け時の変色に起因する、はんだバンプの欠損判定、高さ測定、ならびに目視検査での不良の問題が飛躍的に改善される。

上述のように本発明の重要な特徴は、Ｓｎを主体とし、ＡｇやＣｕが添加されたはんだ合金からなるはんだボールに、製造後の保管状態を厳密に管理し、表面の黄化、つまりは表面のＳｎ酸化膜を制御したことにある。

Ｓｎを主体とし、ＡｇやＣｕが添加されたはんだ合金からなるはんだボールの場合、最も酸化されやすい元素はＳｎであり、はんだボール製造直後から、大気中の酸素と反応し酸化膜が形成される。また、はんだ付け時に雰囲気中の酸素と反応してはんだバンプ表面に酸化皮膜を形成する。いずれもＳｎ酸化膜である。前者は保管時の水分および酸素雰囲気により自然に形成され、厚みが増すにつれてはんだ付け性が低下し、金属光沢のある銀白色から光沢のない黄色へと変化する。後者は加熱により形成され、はんだバンプの色は表面酸化皮膜の厚みが増すにつれて金属光沢のある銀白色から光沢のない黄色へと変化する。つまり、はんだボールおよびはんだバンプの黄化は、はんだ中のＳｎと酸素とが反応した結果、酸化皮膜が厚くなることで発生する。

製造直後にはんだボールを不活性ガスに封入した瓶と脱酸素剤を同封し、さらにはガスバリアフィルムにより封止することで、外気を遮断する。これにより自然に形成されるＳｎ酸化膜の成長を抑制でき、はんだボールの黄化を低減できる。不活性ガスとしては窒素よりアルゴンが望ましい。ガスバリアフィルムとしては酸素透過度が＜0.5（cc/m²/day/atm）、水蒸気透過度が0.3〜0.7（g/m²/day）を用いることが望ましい。不活性ガス、脱酸素剤、ガスバリアフィルムの三種中少なくとも何れか二種以上を併用すれば黄化低減に効果を見出せる。

一方、加熱により形成されるＳｎ酸化膜ははんだ合金にＣｒを添加した場合、ＣｒはＳｎよりも酸化されやすい元素であるため、はんだ中のＣｒは優先的に酸素と反応し、Ｃｒが濃化したＳｎ酸化皮膜が形成される。このＣｒ濃度が高いＳｎ酸化皮膜は熱的に安定であり、加熱してもその厚みはほとんど変化しない。このため、Ｃｒが添加されたはんだ合金からなるはんだボールによって形成されたはんだバンプは、はんだ付け後もはんだボールとほぼ同様な金属光沢のある銀白色を得ることが可能である。銀白色のはんだバンプは、はんだバンプの欠損判定や高さ測定で不具合が発生する頻度が大幅に低減されるとともに、目視検査においても外観上問題にならない。このようにして、はんだ付け時の変色に起因する半導体パッケージの生産性と歩留まりの問題が飛躍的に改善される。

表面の酸化膜厚を２０ｎｍ以下とする理由は自然に形成されるＳｎ酸化膜は非晶質で弾性変形する。はんだ付け工程時に内部が半溶融状態となった場合２０ｎｍ以下であれば内部の変形にともない酸化膜が破壊される。２０ｎｍより厚い場合、酸化膜は破壊されす、溶融はんだは常に酸化膜に覆われており接合できないためである。

Ａｇの含有量を０〜４．０％とする理由は、ＡｇをＳｎに添加することでＳｎの融点が下がるため、はんだ付け温度を低くすることができるためである。これにより、半導体パッケージやマザーボードに使用されている樹脂材料の熱損傷による劣化を低減することができる。ただし、４．０％を超えるＡｇの添加はかえって融点の上昇を招き、はんだ付け温度を高める必要があるため、熱損傷を引き起こしてしまう。

Ｃｕの含有量を０〜１．０％とする理由は、Ａｇを添加した場合と同様に、ＣｕをＳｎに添加することでＳｎの融点が下がるため、はんだ付け温度を低くすることができるためである。但し、はんだ付け温度を低くする必要がない場合は、Ｃｕの含有量を０としてもよい。ただし、１．０％を超えるＣｕの添加は、かえって融点の上昇を招き、はんだ付け温度を高める必要があるため、熱損傷を増大してしまう。

また、前記記載のはんだボールにＣｒを０．２〜３ｐｐｍ添加すると加熱による変色抑制に顕著な効果が現れる。添加量を０．２〜３ｐｐｍとするのは以下の理由である。添加量が０．２ｐｐｍに満たない場合、Ｓｎ酸化皮膜を熱的に安定化するにはＣｒが不足しており、はんだ付け時の加熱によって酸化皮膜は成長し黄化が進行してしまう。添加量が０．２ｐｐｍ以上になると、Ｓｎ酸化皮膜を熱的に安定化するには十分に濃化できる量であり、黄化の進行が抑制される。一方、Ｃｒはわずかな量であってもＳｎの融点を著しく上昇させる元素であるため、必要量以上に添加するとはんだ合金の融点が上昇し、はんだ付け温度も高くしなければならない。はんだ付け温度が高くなると、結果として半導体パッケージやマザーボードに使用されている樹脂材料の熱損傷による劣化を誘発する恐れがある。本発明者は、Ｃｒの添加量が３ｐｐｍまでは、はんだ付け温度として一般的な２４０℃でのはんだ付けが可能であることを確認している。

純度９９．９％以上のＳｎにＡｇ、Ｃｕを添加した合金を作製した後、直径約０．４ｍｍと０．０８５ｍｍのはんだボールに成形した。評価したはんだボールの合金組成は３％Ａｇ、０．５％Ｃｕ、残部Ｓｎとした。はんだボールへの成形には均一液滴噴霧法を用いた。均一液滴噴霧法とは、るつぼ内ではんだ合金を溶解し、溶融はんだ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、排出する際に溶融はんだ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。尚、該成形方法における雰囲気は窒素中で行なった。

はんだボールの封入条件を不活性ガス、脱酸素剤、ガスバリアフィルムの組合せを変え、ＪＩＳ Ｃ ００２８の温湿度サイクル試験を行った後に黄色度と表面の酸素強度を測定した。黄色度はコニカミノルタ製ＣＭ−２６００ｄ型色彩計により行い、１５ｍｍ角のトレイにはんだボールが互いに重ならないように一様に並べた後、キセノンランプから発せられた白色光を当てて、反射光を分光センサによりＬ^＊ａ^＊ｂ^＊表色系における黄色度ｂ^＊を求めた。表面の酸化状況を確かめるため、表面酸素強度を測定した。測定は島津製作所製ＥＰＭ−１６１０型電子線マイクロアナライザーを用い、加速電圧５ｋＶ、試料電流１００ｎｍに電子ビームを調整し、はんだボール表面から得られた酸素ｋα線の特性Ｘ線強度である。

本発明における不活性ガス、脱酸素剤、ガスバリアフィルムの３種中いずれか２種を併用し温湿度サイクル試験を行ったはんだボールは、不活性ガス、脱酸素剤、ガスバリアフィルムの３種中１種または用いていないはんだボールと比較して、ＪＩＳ Ｃ ００２８の温湿度サイクル試験という非常に酸化しやすい環境にあっても試験後の黄色度が１０未満であり、黄化の進行が大幅に抑制されていることがわかる。このように、過酷な環境下においても保管時の水分および酸素雰囲気を制御することで金属光沢が試験後も維持されることにより、半導体パッケージの生産性や歩留まりを飛躍的に改善できる。

作製したはんだボールのはんだ付け時の黄化度合いを評価するため、はんだボールを２４０℃で２ｍｉｎまたは５ｍｉｎ加熱する変色試験を実施し、黄色度ｂ^＊を測定した。Ｓｎを主体とし、ＡｇやＣｕを含むはんだ合金をはんだ付けする場合、通常窒素雰囲気中で行われるが、今回、表面酸化による黄化がより進行しやすい条件として、大気中で加熱した。黄色度と表面酸素強度を測定し、金属光沢の度合いを評価した。

表１に示した直径０．４ｍｍのはんだボールの黄色度測定結果合せ、黄色度を表面酸素強度の関数としてグラフにしたものを図１に示す。図１が示すように、温湿度サイクル試験および加熱による黄色化ともに直線関係にあるが、直線の傾きは異なる。同じ黄色度で比較すると温湿度サイクル試験で形成さる表面酸化膜は酸素を多く取込んでいる。少量の酸素であっても保管状況によっては強固な自然酸化膜が形成され、厚みが増すにつれてはんだ付け性および金属光沢が低下する。

次に黄色度が約１３の温湿度サイクル試験後と２４０℃加熱後の表面付近の断面を透過型電子顕微鏡により観察した結果を図２、図３に示す。温湿度サイクル試験後の酸化膜は非晶質かつ厚み約４０ｎｍである。対して加熱後の酸化膜は概ね結晶質となっており、厚み約２５ｎｍで観察された。加熱後の酸化膜中に観察される縞模様は格子縞であり、結晶化している様子を表している。

はんだボールの黄化を所定値以下に抑制することにより電極とのはんだ付け性が改善されるメカニズムを図４に示す模式図により説明する。製造初期にＵＤＳ回収チャンバ内の残留酸素または大気に触れることで、はんだボール１表面に非晶質ＳｎＯ酸化膜1aが形成される。温湿度サイクルによる変色は梱包剤を通じて介入した酸素により、ＳｎＯ酸化膜1aがさらに厚く生長する。リフロー条件である２４０℃に加熱すると、最表面は酸化物で覆われており融点が上昇しているため、内部から溶融が始まる。内部が液状となったはんだボールは変形する。温湿度サイクル時に形成される酸化被膜は非晶質なため、一部で塑性変形が生じるものの弾性変形し易くなり、内部とともに変形してしまう。被膜が強固なため、内部が溶融したはんだボールが電極に接触しても被膜は破損しにくく、内部の溶融したはんだと電極とが接合されることはない。一方、加熱時にはＳｎＯ酸化膜1aの表面に更にＳｎＯ_２酸化膜2aが形成される。このＳｎＯ_２酸化被膜は結晶質なため、内部変形に耐えられず塑性変形により破損して、電極端子3a,4aに接触する部分で内部の溶融したはんだ1bと電極端子3a,4aとが接合され、バンプ２を介して半導体パッケージ３が回路基板４に接続される。したがって、はんだボールのはんだ付け性の低下を防ぐためには不活性ガス、脱酸素剤、ガスバリアフィルムの三種中少なくとも何れか二種以上を併用する等の手段により、リフローする前のはんだボールの自然酸化膜の成長を抑制することが重要である。

はんだボールの黄色度ｂ＊と表面酸素強度の関係を示す。 温湿度サイクル試験後のはんだボールの断面ＴＥＭ観察像を示す。 ２４０℃加熱後のはんだボールの断面ＴＥＭ観察像を示す。 はんだボールのはんだ付け工程の形態図を示す。

符号の説明

１ はんだボール
１ａ 非晶質酸化被膜
１ｂ はんだ
２ バンプ
２ａ 結晶質酸化被膜
３ 半導体パッケージ
３ａ 電極端子
４ 回路基板
４ａ 電極端子

Claims (5)

1. 質量で０〜４．０％のＡｇと、０〜１．０％のＣｕと、残部Ｓｎ及び不可避的不純物からなり、表面の黄化度が１０以下であることを特徴とするはんだボール。
2. 質量で０〜４．０％のＡｇと、０〜１．０％のＣｕと、残部Ｓｎ及び不可避的不純物からなり、非晶質のＳｎＯ層と結晶質のＳｎＯ_２層とを有することを特徴とするはんだ層。
3. 質量で０〜４．０％のＡｇと、０〜１．０％のＣｕと、残部Ｓｎ及び不可避的不純物からなり、非晶質のＳｎＯ層と結晶質のＳｎＯ_２層とを有することを特徴とするはんだバンプ。
4. 自然酸化により形成された非晶質ＳｎＯ層を有し表面の黄化度が所定値以下のはんだボールを加熱し、前記非晶質ＳｎＯ層と前記加熱により形成された結晶質ＳｎＯ_２層とを破損させてはんだボール内の溶融したはんだをつなげることを特徴とするはんだ層の形成方法。
5. 自然酸化により形成された非晶質ＳｎＯ層を有し表面の黄化度が所定値以下のはんだボールを半導体パッケージの電極上に搭載し、電極上のはんだボールを加熱して溶かし、前記非晶質ＳｎＯ層と前記加熱により形成された結晶質ＳｎＯ_２層とを破損させてはんだボール内の溶融したはんだで前記電極上に突起を形成することを特徴とするはんだバンプの形成方法。