JP2014146635A - はんだ接合方法およびはんだボールと電極との接合構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】はんだボールの主成分である第１金属の融点を超えるような高い温度に加熱することを必要とすることなく、はんだボールの形状を保持しつつ、はんだ付け工程での十分な濡れ性や、はんだ付け後の高い接続信頼性を確保することが可能なはんだ接合方法および、該接合方法を用いて形成されるはんだボールと電極との接合構造体を提供する。
【解決手段】主成分である第１金属２１と、第１金属よりも固相線温度が低く、かつ、第１金属と共晶合金を形成する第２金属２２とを含むはんだボール４を用い、はんだボール４を第１金属の固相線温度よりも低い温度で加熱して電極２と接合する。
はんだボール中の前記第２金属の含有割合は１〜１０質量％とする。
第２金属を、電極に含まれる金属と金属間化合物を形成するものとする。
第１金属をＢｉ、第２金属をＳｎとする。
【選択図】図９

Description

本発明は、はんだボールと電極とを接合するはんだ接合方法および該接合方法を用いて接合したはんだボールと電極との接合構造体に関する。

電子部品を実装する際に用いられる導電性接合材料としては、はんだが広く用いられている。

はんだとしては、従来よりＳｎ−Ｐｂ系はんだが一般的に用いられてきたが、近年、Ｓｎ−Ｐｂ系はんだに代わって、Ｐｂを含まない、いわゆるＰｂフリーはんだが広く使用されるに至っている。
そして、そのようなＰｂを含まないはんだを用いた電子装置が特許文献１に開示されている。

すなわち、特許文献１に開示されている電子装置は、電極を備えた電子部品と、上記電極の表面に配設されたはんだ接合材とを備えた電子装置であって、上記はんだ接合材が、（ａ）少なくともＢｉを含む第１の金属と、（ｂ）第２の金属と第３の金属との合金と、（ｃ）第３の金属とを含み、第２の金属は、Ｎｉとの金属間化合物を作ることができるものであることを特徴とするものである。

そして、この電子装置によれば、電極の表面に配設されたはんだ接合材を用いることによって、はんだバンプ形成後に発生する電極内の剥離の問題を解決することが可能になり、高い接合信頼性を実現することができるとされている。

しかしながら、ここで用いられているはんだ接合材を構成するＢｉの融点は２７１℃であり、例えば、電極の表面に配設されたこのはんだ接合材を用いて、電子装置を、例えばプリント回路基板の実装用電極などに実装する場合、はんだ接合材の濡れ性や、接続信頼性を確保するためには、Ｂｉの融点である２７１℃以上の温度に加熱する必要がある。

そして、はんだ付けの際の十分なはんだ濡れ性や、はんだ付け後の高い接続信頼性を実現しようとすると、リフローはんだ付け時のピーク温度を２９０℃〜３００℃程度にすることが必要になる。
そのため、耐熱性の低い電子部品には適用することができないという問題点がある。

特開２０１０−１２９６６４号公報

本発明は、上記課題を解決するものであり、はんだボールの主成分である第１金属の融点を超えるような高い温度に加熱することを必要とすることなく、はんだボールの形状を保持しつつ、はんだ付け工程での十分な濡れ性や、はんだ付け後の高い接続信頼性を確保することが可能なはんだ接合方法および、該接合方法を用いて形成されるはんだボールと電極との接合構造体を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のはんだ接合方法は、
はんだボールと電極とを接合するはんだ接合方法であって、
（ａ）主成分である第１金属と、前記第１金属よりも固相線温度が低く、かつ、前記第１金属と共晶合金を形成する第２金属とを含むはんだボールを用い、
（ｂ）前記はんだボールを前記第１金属の固相線温度よりも低い温度で加熱して電極と接合すること
を特徴としている。

また、本発明のはんだ接合方法においては、前記はんだボール中の前記第２金属の含有割合は１〜１０質量％であることが好ましい。

第２金属の含有割合を１〜１０質量％の範囲とする、すなわち、主成分である第１金属の割合を９０質量％以上にすることで、はんだボールの形状を保持する効果をより確実にすることが可能になり、本発明をさらに実効あらしめることができる。

また、前記第２金属が前記電極に含まれる金属と金属間化合物を形成するものであることが好ましい。

電極に含まれる金属と第２金属が金属間化合物を形成することにより、接合部が高融点化し、その後のリフロー工程などにおける接合部の再溶融を防止することが可能になり、高い接合信頼性を実現することが可能になる。

また、前記第１金属がＢｉであり、前記第２金属がＳｎであることが好ましい。

第１金属であるＢｉの融点が２７１℃、第２金属であるＳｎの融点が２３２℃、ＢｉＳｎの共晶点が１３９℃で、共晶点と主成分の融点の差が１００℃以上となるため、許容温度範囲が広くなり、はんだリフローの条件設定などの自由度を向上させることが可能になる。

また、一般的に電極に使用される金属であるＮｉ、Ｃｕ、Ａｕと、例えば、望ましい第２金属として用いられるＳｎなどのはんだ構成金属とが、金属間化合物を形成して高融点化するため、高い接合信頼性を確保することができるようになる。

ただし、本発明において、はんだに用いられる金属は、ＢｉとＳｎに限られるものではなく、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕなどからなる群より、２種類の金属を、その一方が本発明における第１金属となり、他方が本発明における第２金属となるような態様で組み合わせて用いることが可能である。この場合、共晶金属の融点などの条件が、はんだとして利用できるような範囲にあるものが選ばれることになる。

また、本発明の、はんだボールと電極との接合構造体は、上記本発明のはんだ接合方法により、はんだボールと電極とが接合されていることを特徴としている。

本発明のはんだ接合方法は、はんだボールと電極とを接合するはんだ接合方法において、（ａ）主成分である第１金属と、第１金属よりも固相線温度が低く、かつ、第１金属と共晶合金を形成する第２金属とを含むはんだボールを用い、（ｂ）はんだボールを第１金属の固相線温度よりも低い温度で加熱して電極と接合するようにしており、主成分である第１金属の溶融を伴わないことから、はんだ付け工程において、はんだボールが初期の（はんだ付け工程が実施される前の）形状を保持したまま、はんだ接合を行うことが可能になる。

したがって、例えばはんだボールを備えたＩＣチップをプリント回路基板の実装用電極上に実装（ＢＧＡ実装）する場合において、はんだボールが初期の形状を保持するため、ＩＣチップをプリント回路基板の表面（実装用電極の表面）から所定距離だけ浮かせた状態で確実に実装（ＢＧＡ実装）することが可能になる。

また、はんだボールを第１金属の固相線温度よりも低い温度で加熱して電極と接合することができるので、高温でのはんだ付け工程を必要とせず、生産性に優れている。

また、本発明のはんだボールと電極との接合構造体は、本発明のはんだ接合方法によってはんだボールと電極とが接合されていることから、電極とはんだボールとの位置関係の精度が高く、かつ、接合信頼性に優れており、しかも、複雑な製造工程や、特別な生産設備などを必要とすることなく、効率よく形成することができる。

本発明の実施形態において用いたはんだボールの構成を模式的に示す図である。 本発明の実施形態において用いたはんだボールを示す顕微鏡写真である。 ＢｉとＳｎの二元図を示す図である。 本発明の実施形態において、はんだボールをＩＣチップの電極上に載置した状態（リフローする前の状態）を示す図である。 本発明の実施形態において、はんだボールをＩＣチップの電極上に載置してリフローした後の状態を示す図である。 ＩＣチップの電極上に載置されたはんだボールの、リフロー前の状態を示す顕微鏡写真である。 ＩＣチップの電極上に載置されたはんだボールの、リフロー後の状態を示す顕微鏡写真である。 本発明の実施形態において、はんだボールをＩＣチップの電極上に載置し、リフローを行った後、フラックスを除去した状態を示す図である。 本発明の実施形態において、はんだボールが接合されたＩＣチップをプリント回路基板上に載置した状態を示す図である。 本発明の実施形態において、はんだボールが接合されたＩＣチップをプリント回路基板上に載置し、リフローを行った状態を示す図である。 本発明の実施形態において、はんだボールが接合されたＩＣチップをプリント回路基板上に載置し、リフローを行った後、フラックスを除去した状態を示す図である。

以下に本発明を実施するための形態として、以下の実施例を示して、本発明の特徴とするところをさらに詳しく説明する。

［実施の形態の概要］
本発明のはんだ接合方法では、主成分である第１金属（例えばＢｉ）と、第１金属よりも固相線温度が低く、かつ、第１金属と共晶合金（例えばＢｉＳｎ）を形成する第２金属（例えばＳｎ）とを含むはんだボールを用い、このはんだボールを接合対象である電極と接合させ、第１金属の固相線温度よりも低い温度で加熱することにより、はんだボールと電極とを接合する。

すなわち、本発明のはんだ接合方法では、二元系においてそれぞれの固相線温度よりも低い固相線温度をもつような共晶金属を形成する２つの金属（第１金属および第２金属）を含んだ合金系を用いる。
そして、上記第１金属を主たる成分とし、上記第２金属を従たる成分とした場合に、第１金属として、第２金属よりも融点の高いものを用いる。例えば、主たる成分である第１金属をＢｉ（融点２７１℃）とし、従たる成分である第２金属をＳｎ（融点２３２℃）とし、かつ、第２金属であるＳｎの含有割合が１〜１０質量％のはんだボールを用いた場合、融点が１３９℃の共晶合金（共晶組成）（ＢｉＳｎ）が形成されるため、低い温度ではんだ接合を行うことができる。

言い換えると、本発明においては、母相となる第１金属に、共晶合金を形成するような第２金属を添加し、母相の固相線温度以下の温度に加熱することによって第２金属および共晶合金を溶融させる一方、溶融していない第１金属によりはんだボールの形状（外形）を保持させ、その状態で、溶融した金属（第２金属と共晶金属（主として共晶金属））によりはんだ付けを行う。そして、これが本発明がその作用効果を奏するための基本的な構成となる。

なお、本発明においては、さらに機械的強度を向上するために、はんだボールに、例えばＣｕを０．１５〜１質量％程度含ませておくことができる。

また、本発明においては、通常、はんだボールとして、はんだボールを構成する各金属材料を一度溶融させて略球状に成形したものが用いられる。

本発明のはんだ接合方法においてはんだ付けが行われるメカニズムは、以下の通りである。
例えば、リフローはんだ付けなどの方法で、２５０℃ピークプロファイルの条件ではんだ付けを行う場合、はんだボールと電極とが加熱され、温度が１３９℃を超えると、はんだボールを構成する第１金属（例えばＢｉ（融点２７１℃））と、第２金属（例えばＳｎ（融点２３２℃））の共晶合金ＢｉＳｎ（融点１３９℃）が部分溶融し（図２のＢｉ−Ｓｎ二元図参照）、肉汁のような状態ではんだボールから滲み出して、接合対象である電極上に濡れ広がる。このとき、融点が１３９℃より高い金属（Ｂｉ）は溶融せず形状を保っている。

そして、さらに加熱が進むと（ピーク温度２５０℃）、第２金属であるＳｎが電極およびはんだボールに含まれているＣｕ、Ａｕ、Ｎｉなどと金属間化合物を生成し、はんだボールと電極との接合部のほとんどの領域では、高融点の金属しか存在しない状態となり耐熱性が向上する。

なお、本発明において、はんだ付け工程における温度は、上述の共晶合金（ＢｉＳｎ）のみが溶融する温度としてもよく、また、共晶合金（ＢｉＳｎ）だけではなく、Ｓｎも溶融する温度にまで温度を上昇させてもよい。すなわち、母相のＢｉが溶融しない範囲において、はんだ付け工程の温度を自由に設定することができる。

［実施形態］
この実施形態では、はんだボールをＩＣチップの電極に接合し、さらに、接合されたはんだボールを介して、ＩＣチップをプリント回路基板（ガラスエポキシ基板）の実装用電極上に実装する（ＢＧＡ実装する）場合を例にとって説明する。

まず、ＩＣチップをプリント回路基板の実装用電極上にＢＧＡ実装するために用いられるはんだボールを作製した。
はんだボールは、金属Ｂｉと、金属Ｓｎ、金属Ｃｕを
Ｂｉ：９８．８５質量％
Ｓｎ： １．０質量％
Ｃｕ： ０．１５質量％
の割合で含有するはんだボール形成用の材料を加熱して溶融させ、略球状に成形することにより作製した。

このようにして作製されたはんだボール４は、図１Ａに模式的な構成を示し、図１Ｂに顕微鏡写真を示すように、母材であるＢｉ２１に、Ｓｎ２２が分散した構造を有している。

それから、次の手順で、ＩＣチップの電極に、はんだボールを接合するとともに、はんだボールを接合したＩＣチップを、プリント回路基板の実装電極上に実装した。
（１）図３に示すように、ＩＣチップ１が備える電極２、すなわち、厚みが１〜２０μｍのＣｕ層２ａ上に、厚みが１〜１０μｍのＮｉ層（めっき層）２ｂが形成され、さらにその上に、厚みが０．０１〜０．５μｍのＡｕ層（めっき層）２ｃが形成された構造を有する電極２に、フラックス３を塗布した後、マウンタにより、はんだボール４を電極２上に載置する。

（２）次に、２５０℃でリフロー処理（１回目のリフロー処理）を行い、はんだボール４の内部の金属（ＢｉＳｎ共晶合金およびＳｎ）を溶融させる（図４、図５Ａ、図５Ｂ参照）。
これにより、はんだボール４から、ＢｉＳｎ共晶合金およびＳｎ（はんだ接合材５）が電極２上に浸み出し（流れ出し）、滲み出したはんだ接合材５により、はんだボール４と電極２とがはんだ接合される。

なお、図５Ａはリフロー前のはんだボール４の状態、図５Ｂはリフロー後の、はんだボール４と電極２が接合されている状態を示す図（顕微鏡写真）である。
図５Ｂに示すように、リフロー処理により、はんだボール４から溶融した金属（共晶合金およびＳｎ）が浸み出し、ＩＣチップの電極２の表面に濡れ広がっていることがわかる。そして、このはんだボール４から滲み出した金属（はんだ接合材５）によりはんだボール４と電極２とがはんだ接合されていることがわかる。

なお、はんだボール４の内部から金属（共晶合金およびＳｎ）が溶融してＩＣチップ１の電極２上に流下した後のはんだボール４の内部には、図５Ｂに示すように、流下した金属に対応する空隙（空洞）６が形成されることになる。

ただし、２５０℃でのリフロー処理を行った場合にも、はんだボール４の母相であるＢｉ２１は、融点が２７１℃と、リフロー温度の２５０℃よりも高いため、リフローはんだ付けの工程で、Ｂｉ（はんだボール４の母相）が溶融することはなく、はんだボール４の形状や高さに変化が生じることはない。

また、ＩＣチップ１の電極２上に流下した後のはんだボール４の内部からの金属中のＳｎは、電極２を構成する金属（Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｕ）と金属間化合物を形成し、高融点化する。

（３）その後、洗浄を行って、はんだボール４と電極２の接合部からフラックス３（図４）を除去する。なお、図６はフラックスを除去した後の状態を示している。

（４）それから、図７に示すように、プリント回路基板（ガラスエポキシ基板）１１の実装用電極１２、すなわち、この実施形態では、厚みが１〜２０μｍのＣｕ層１２ａ上に、厚みが１〜１０μｍのＮｉ層（めっき層）１２ｂが形成され、さらにその上に、厚みが０．０１〜０．５μｍのＡｕ層（めっき層）１２ｃが形成された構造を有する実装用電極１２に、フラックス３を塗布し、マウンタにより、はんだボール４が電極２に接合された状態のＩＣチップ１を、はんだボール４がプリント回路基板１１の実装用電極１２と対向するような姿勢で載置する。

（５）その後、２５０℃でのリフロー処理（２回目のリフロー処理）を行い、はんだボール４の内部のＢｉＳｎ共晶合金とＳｎを溶融させる（図８参照）。
これにより、はんだボール４から、ＢｉＳｎ共晶合金およびＳｎ（はんだ接合材５）が実装用電極１２上に浸み出し（流れ出し）、滲み出したはんだ接合材５により、はんだボール４と実装用電極１２とがはんだ接合される。

（６）その後、洗浄を行って、接合部からフラックス３を除去する。これにより、図９に示すような、はんだボール１と電極２，１２との接合構造体が得られる。

このとき、プリント回路基板１１の実装用電極１２上に流下した、はんだボール４の内部からの金属（主にＳｎ）は、実装用電極１２を構成する金属（Ａｕ，Ｎｉ，Ｃｕ）との間で金属間化合物を形成し、高融点化することから、信頼性の高いはんだ付け接合が行われる。

なお、２５０℃でのリフロー処理（２回目のリフロー処理）を行った場合にも、１回目のリフロー処理の場合と同様に、はんだボール４の母相であるＢｉは、その融点が２７１℃と、リフロー温度の２５０℃よりも高いため、リフローはんだ付けの工程で、はんだボール４の母相は溶融せず、はんだボール４の形状には変化が生じないため、ＩＣチップ１の下面とプリント回路基板１１の上面（実装用電極１２の上面）との距離（高さ）は保持される。したがって、信頼性の高いＢＧＡ実装を行うことができる。

なお、２回目のリフロー処理の場合も、１回目のリフロー処理の場合と同様に、はんだボール４の内部から金属（共晶合金およびＳｎ）が溶融してプリント回路基板１１の実装用電極１２上に流下した後のはんだボール４の内部には、流下した金属に対応する空隙（空洞）６が形成されることになる。

また、上述のように、ＩＣチップ１の電極２と、はんだボール４をはんだ接合している金属（はんだ接合材５）は、上述のように、電極２を構成する金属（Ａｕ，Ｎｉ，Ｃｕ）と金属間化合物を形成して高融点化しているので、この２回目のリフロー処理で再溶融することはなく、この点でもはんだ接合の信頼性は高く保たれる。

また、上記実施形態のはんだ接合方法によれば、はんだボール内に予め接合材となるＳｎおよび共晶合金（ＢｉＳｎ）が含まれているため、別途接合材の構成材料を添加する必要がなく、プロセスの簡略化、それによる生産性の向上を図ることができる。

また、この実施形態で用いたはんだボールにおいては、母相であるＢｉに囲まれて閉じ込められたＳｎは、リフローなどが繰り返されるとそれに対応して溶融を繰り返すが、Ｂｉに囲まれているため、はんだフラッシュを引き起こすような態様で外部に急激に流出するおそれはない。また、このように、母材であるＢｉ中にＳｎが閉じ込められた形態は、本発明のはんだ付け構造体の特徴的な構成でもある。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明を適用してはんだ接合すべき対象物の種類や、接合工程における条件などに関し、発明の範囲内において、種々の応用、変形を加えることが可能である。

１ ＩＣチップ
２ ＩＣチップの電極
２ａ ＩＣチップの電極を構成するＣｕ層
２ｂ ＩＣチップの電極を構成するＮｉ層
２ｃ ＩＣチップの電極を構成するＡｕ層
３ フラックス
４ はんだボール
５ はんだ接合材
６ 空隙（空洞）
１１ プリント回路基板
１２ プリント回路基板の実装用電極
１２ａ 実装用電極を構成するＣｕ層
１２ｂ 実装用電極を構成するＮｉ層
１２ｃ 実装用電極を構成するＡｕ層
２１ 第１金属
２２ 第２金属

Claims (5)

1. はんだボールと電極とを接合するはんだ接合方法であって、
   （ａ）主成分である第１金属と、前記第１金属よりも固相線温度が低く、かつ、前記第１金属と共晶合金を形成する第２金属とを含むはんだボールを用い、
   （ｂ）前記はんだボールを前記第１金属の固相線温度よりも低い温度で加熱して電極と接合すること
   を特徴とするはんだ接合方法。
2. 前記はんだボール中の前記第２金属の含有割合は１〜１０質量％であることを特徴とする請求項１記載のはんだ接合方法。
3. 前記第２金属が前記電極に含まれる金属と金属間化合物を形成するものであることを特徴とする請求項１または２記載のはんだ接合方法。
4. 前記第１金属がＢｉであり、前記第２金属がＳｎであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のはんだ接合方法。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のはんだ接合方法により、はんだボールと電極とが接合されていることを特徴とする、はんだボールと電極との接合構造体。