JP2015140454A - Cu核ボール、はんだペーストおよびはんだ継手 - Google Patents

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Abstract

【課題】ソフトエラーの発生を抑制し、実装処理に問題とならない表面粗さを有する低α線量のCu核ボール、はんだペース及びはんだ継手の提供。
【解決手段】コアとなるCuボールの純度は99.9〜99.995%で、このCuボールに含まれる不純物のうち、Pb及び/又はBiの含有量の合計量が1ppm以上で、真球度が0.95以上のCuボールであり、Cuボールに被覆されるはんだめっき被膜は、Snはんだめっき被膜亦はSnを主成分とする鉛フリーはんだ合金からなるはんだめっき被膜であり、Uが5ppb以下で、Thが5ppb以下の含有量であり、Cuボールとはんだめっき被膜の総合のα線量が0.0200cph/cm以下であると共に、上記Cu核ボールの表面粗さは0.3μm以下である。
【選択図】なし

Description

本発明は、表面粗さを改善したα線量が少ないCu核ボール、はんだペーストおよびはんだ継手に関する。
近年、小型情報機器の発達により、搭載される電子部品では急速な小型化が進行している。電子部品は、小型化の要求により接続端子の狭小化や実装面積の縮小化に対応するため、裏面に電極が設置されたボールグリッドアレイ(以下、「BGA」と称する。)が適用されている。
半導体パッケージにBGAを適用した電子部品は、電極を備えた半導体チップが樹脂で封止されると共に、半導体チップの電極には、はんだバンプが形成されている。はんだバンプは、はんだボールを半導体チップの電極に接合したものであり、プリント基板の導電性ランドに接合することでプリント基板に実装される。
近年、更なる高密度実装の要求に対応するため、半導体パッケージが高さ方向に積み重ねられた3次元の高密度実装が検討されている。
3次元高密度実装がなされた半導体パッケージにBGAを適用する場合、半導体パッケージの自重によりはんだボールが潰れてしまうことがある。もしそのようなことが起きると、はんだが電極からはみ出し、電極間の短絡(ショート)が発生することも考えられる。
このような問題を解消するため、はんだボールよりも硬度の高いボールの適用が検討されている。硬度の高いボールとしてはCuボールやCu核ボールを使用したはんだバンプが検討されている。Cu核ボールとは、Cuボールの表面にはんだ被膜(はんだめっき被膜)が形成されたものをいう。
CuボールやCu核ボールは、はんだの融点では溶融しないので、半導体パッケージの重量がはんだバンプに加わっても、実装処理時にはんだバンプが潰れることがないため、半導体パッケージを確実に支えることができる。Cuボールなどの関連技術として例えば特許文献1が挙げられる。
ところで、電子部品の小型化は高密度実装を可能にするが、高密度実装はソフトエラーという問題を引き起こすことになった。ソフトエラーは半導体集積回路(IC回路)のメモリセル中にα線が進入して記憶内容が書き換えられる可能性があるというものである。
α線は、はんだ合金中のU、Th、Poなどの放射性元素やPb、Biなどに含有される放射性同位体がβ崩壊を経て、α崩壊することにより放射されると考えられている。
近年では放射性元素の含有量を低減した低α線のはんだ材料の開発が行われている。関連文献として例えば特許文献2が挙げられる。
また、Cu核ボールではCuボールの表面にはんだめっき被膜が形成されているが、このはんだめっき被膜は均一な膜厚のめっき層である。その反面、めっき処理時の条件などによって結晶の成長が不均一となり、その結果表面に凹凸が生じてしまうことがある。表面に凹凸のあるCu核ボールではボールの転がりが悪くなり、はんだバンプとしてボールを接合するときの接合位置制度が低くなってしまう。
またバンプ形成時に凹凸面に巻き込まれる有機成分がリフロー時に溶融してガス化し、これがはんだめっき被膜中にボイドとして残留してしまうことがある。ボイドが残留すると、これが接合の信頼性を低下させたり、はんだめっき被膜中からガス成分を放出する際にはんだバンプの位置ずれを起こしたりする問題が指摘されている。
はんだめっき被膜の凹凸をできるだけ軽減する技術として特許文献3などが知られている。
国際公開第95/24113号 特許第4472752号公報 特開2010−216004号公報
ところで、特許文献1には真球度の高いCuボールやCu核ボールが記載されている。しかし、特許文献1ではCu核ボールのα線量を低減するという課題は一切考慮されていない。
また、同文献では、はんだ被膜を構成するはんだ合金について、背景技術の説明としてPb−Sn合金が唯一開示されているにすぎない。α線はSnに不純物として含まれるPbの同位体210Pbが210Pb→210Bi→210Po→206Pbに崩壊する過程において、210Poからα線が放射される。
同文献に唯一開示されているPb−Snはんだ合金はPbを多量に含有するため、放射性同位体である210Pbも含有しているものと考えられる。したがって、このはんだ合金がCu核ボールのはんだ被膜に適用されたとしても、α線量の低減化は不可能である。
同文献には、CuボールにSnめっきを行うことや、Cuボールおよび電解液が流動した状態で電解めっきを行うことについては一切開示されていない。
また、同文献に記載の電解精錬では、電解析出面が一方向に限られるため、Cuボールのような微小ワークに対して膜厚が均一なめっき被膜を形成することができない。
特許文献2には、α線量が低いSnインゴットの発明が開示されており、単に電解精錬を行うのではなく、電解液に吸着剤を懸濁することによりPbやBiを吸着してα線量を低減することが記載されている。
同文献によれば、PbやBiはSnと標準電極電位が近いため、一般的な電解精錬によりSnを平板電極へ電解析出を行うだけではα線量の低減は困難である。仮に、同文献に記載の電解精錬をCuボールのめっき被膜の形成に適用し、めっき液に吸着剤を懸濁してバレルめっきを行うと、めっき液やワークが攪拌され、同時に吸着剤も攪拌される。この場合、吸着剤に吸着されたPbイオンやBiイオンがキャリアとなり吸着剤とともにはんだ被膜内に取り込まれる可能性がある。
吸着剤を取り込んだはんだ被膜は高いα線を放射する。また、吸着剤の粒径はサブミクロン程度であり非常に小さいため、めっき液を流動させながら懸濁後の吸着剤を分離・回収することは困難であると考えられる。したがって、PbやBiを吸着した吸着剤が被膜に取り込まれないようにすることは難しい。
これらに加えて、特許文献1にはPb−Snはんだ合金が開示されているが、めっき法、溶着法、ろう付け法などが等価な方法として開示されているため、むしろ、α線量の低減を否定することが記載されていることになる。
特許文献1の課題は、真球度が高いCu核ボールを製造することにあるのに対して、同文献には、α線量を低減するという課題を解決するため、電解精錬でSn中のPbを可能な限り除去することが開示されている。
したがって、特許文献1を知る当業者は、同文献に開示されているCu核ボールのα線量を低減するという課題を想起することがなく、しかも、はんだの組成も相反するため、α線量を低減する課題を想起し、さらには、はんだ被膜を構成するPb−Snはんだ合金に代えて、無数に存在するはんだ合金の中からSn系はんだを適用することに想い到るためには、数限りない試行錯誤を要するものと考えられる。
当業者であっても、同文献に開示されているα線量が低いSnインゴットを用いてめっき液を作製し、特許文献1に開示されているめっき法によりCu核ボールを形成することも極めて困難である。
このように、特許文献1や特許文献2に記載の従来技術を適用して製造したCu核ボールは、継手の形成に用いられると、Cu核ボールのはんだ被膜中に存在する放射性元素が継手の電極に拡散してα線が放出される可能性が高い。したがって、高密度実装により新たに問題となってきたソフトエラーは回避できない。
特許文献3には、はんだめっき被膜表面の粗さを取り除くため、その平滑化処理としてはんだめっき被膜表面に、研磨剤などのメディアを接触させて行っている。メディアとしてはこのように機械的に除去する物理的手法の他に酸洗などの化学的手法が開示されている。
しかし、このようなメディアによる平滑化処理では、実装処理に問題とはならない表面粗さ(Ra)とするには、相当長い処理時間を掛ける必要がある。例えば、上述した表面粗さとして算術平均粗さRaが0.3μm以下となるまでには5〜6時間の処理時間を要する。これでは実用化は難しい。
そこで、本発明はソフトエラーの発生を抑制し、実装処理に問題とはならない表面粗さとなされた低α線量のCu核ボール、はんだペーストおよびはんだ継手を提供するものである。
上述した課題を解決するため、本発明ではCuボールとその表面に被覆されたはんだめっき被膜で構成されたCu核ボールであって、そのコアとなるCuボールとはんだめっき被膜とを以下のように構成する。
Cuボールは、純度が99.9%〜99.995%で、真球度が0.95以上で、α線量が0.0200cph/cm2以下であり、Cuボールに含まれる不純物成分のうち放射性同位体を含むPbおよびまたはBiの含有量は1ppm以上であり、同じく放射性元素であるU,Thは5ppb以下、好ましくは2ppb以下となされたコアボールが使用される。
はんだめっき被膜は、SnまたはSnを主成分とするはんだ合金であって、はんだ合金の場合にはSnの含有量は40%以上に選ばれている。はんだめっき被膜の表面粗さは、算術平均粗さRaとして0.3μm以下、好ましくは0.2μm程度となされている。
また、他の実施例では、Cuボールは、純度が99.9%〜99.995%で、真球度が0.95以上のコアボールが使用される。
はんだめっき被覆は、SnまたはSnを主成分とするはんだ合金であって、放射性元素であるU,Thは5ppb以下、好ましくは2ppb以下であり、Cu核ボールのα線量が0.0200cph/cm2以下となされるとともに、はんだめっき被膜の表面粗さは、算術平均粗さRaとして0.3μm以下、好ましくは0.2μm程度となされている。
Cu核ボールははんだ継手としても使用することができるし、はんだペーストの粉末はんだとしても使用することができる。
このような条件を得るにあたり、本発明者らは、まずCu核ボールに使用するCuボールについて選定を行った。その結果、CuボールにPbおよびまたはBiが一定量含有されていなければ、Cuボールの真球度が低下し、はんだめっきを行う時にCuボールへのはんだめっきが均一にならず、結局、得られるCu核ボールの真球度が低下することを知見した。
Cuボールを造球する際の加熱処理温度を1000℃以上の高温下で行うことで、Cuボールに含まれる不純物のうち放射性元素を揮発させてCuボールの低α線量化を実現した。
次にCu核ボールを構成するはんだ被膜のα線量を低減するため、めっき法を用いてはんだめっき被膜を形成する点に着目して鋭意検討を行った。本発明者らは、めっき液中のPb、Biや、これらの元素のうち放射性同位体の崩壊により生成されるPoを低減するため、Cuボールやめっき液を流動させながらCuボールにめっき被膜を形成する際に、予想外にも、吸着剤を懸濁させなくてもこれらPb、Bi、Poの元素が塩を形成した。この塩は電気的に中性であるために、めっき被膜にこれらの放射性元素が取り込まれず、Cu核ボールを構成するめっき被膜のα線量が低減する知見を得た。
表面粗さに対する平滑化処理は、Cu核ボールをめっき液に浸漬した状態で超音波を照射して行う。この超音波照射によって、短時間に目的とする表面粗さに到達できた。
図1は、純度が99.9%のCuペレットを用いて製造したCuボールのSEM写真である。 図2は、純度が99.995%以下のCuワイヤを用いて製造したCuボールのSEM写真である。 図3は、純度が99.995%を超えるCu板を用いて製造したCuボールのSEM写真である。
本発明を以下により詳しく説明する。本明細書において、Cu核ボールのはんだ被膜の組成に関する単位(ppm、ppb、および%)は、特に指定しない限りはんだ被膜の質量に対する割合(質量ppm、質量ppb、および質量%)を表す。また、Cuボールの組成に関する単位(ppm、ppb、およびWt%)は、特に指定しない限りCuボールの質量に対する割合(質量ppm、質量ppb、および質量%)を表す。
本発明に係るCu核ボールは、Cuボールと、該Cuボールの表面を被覆するはんだめっき被膜とを備える。以下に、Cu核ボールの構成要素であるCuボールとメッキ被膜(はんだめっき被膜)について詳述する。
1.Cuボールについて
Cuボールは、はんだバンプに用いられる際、はんだ付けの温度で溶融しないため、はんだ継手の高さのばらつきを抑えられることから、Cuボールは真球度が高く、直径のバラツキが少ない方が好ましい。
(1a)Cuボールの純度:99.9%以上99.995%以下
Cuボールは純度が99.9%以上99.995%以下であることが好ましい。不純物を適宜含ませることによって、Cuボールの真球度が高まり、十分な量の結晶核を溶融Cu中に確保することができる。
Cuボールを製造する際、所定形状の小片に形成されたCu材は、1000℃あるいはそれ以上の温度で加熱することにより溶融し、溶融Cuが表面張力によって球形となり、これが凝固してCuボールとなる。溶融Cuが液体状態から凝固する過程において、結晶粒が球形の溶融Cu中で成長する。詳細は後述する。
この際、不純物元素が多いと、この不純物元素が結晶核となって結晶粒の成長が抑制される。球形の溶融Cuは、成長が抑制された微細結晶粒によって真球度が高いCuボールとなる。
これに対して不純物元素が少ないと、相対的に結晶核となるものが少なく、粒成長が抑制されずにある方向性をもって成長する。この結果、球形の溶融Cuは表面の一部分が突出して凝固してしまうので、真球度が低い。したがってCuボールの真球度を高めるには、ある程度不純物を含有させることが必要になる。
不純物元素としては後述するように、Sn、Sb、Bi、Zn、As、Ag、Cd、Ni、Pb、Au、P、S、U、Thなどが考えられる。
Cuボールの純度は、真球度の問題に加え、後述するα線量を抑制し、純度の低下によるCuボールの電気電導度や熱伝導率の劣化を抑制する観点から、99.9%以上99.995%以下が好ましい。
後述するはんだめっき被膜では純度が高い方がα線量を低減することができるのに対して、Cuボールでは純度を必要以上に高めなくてもα線量を低減することができる。その理由は以下の通りである。
CuはSnより融点が高いので、造球時の加熱温度はCuの方が高くなる。Cuボールを製造するにあたっては、後述のように従来では行わない高温加熱処理を行うため、この加熱処理過程で不純物中に含まれる210Po、210Pb、210Biなどの放射性元素が揮発する。その結果、不純物中に放射性元素が存在していてもそこから放射されるα線量は影響が懸念される程の量とはならない。
これに対して、Cuボールを被覆するメッキ被膜にも後述するように、PbやBiなどのうち放射性同位体が含まれている場合が多い。
はんだめっき被膜はSnを主成分とするはんだを用いるが、はんだ液中に含まれる放射性元素は、ほとんど揮発することなくめっき液に残存する。したがってメッキ被膜処理の場合には、α線量の低減化が期待できないため、後述するようにPbやBiなどの不純物濃度を下げ、はんだめっき被膜の純度を高めておく必要がある。
(1b)α線量:0.0200cph/cm2以下
Cuボールから放射されるα線量は、0.0200cph/cm2以下が好ましい。この数値は、電子部品の高密度実装においてソフトエラーが問題にならない程度の数値である。
Cuボールを製造するために通常行っている加熱処理工程に加え再度加熱処理を施すことによって、Cuの原材料にわずかに残存する210Poも揮発するので、Cuの原材料と比較してCuボールの方がより一層低いα線量となる。α線量はソフトエラーを抑制する観点から、より好ましくは0.0010cph/cm2以下がよい。
(1c)PbおよびまたはBiの含有量が合計で1ppm以上
Cuボールに含まれる不純物元素のうち、特にPbおよびまたはBiの含有量は、合計で1ppm以上であるのが好ましい。
PbやBiに含まれている210Pbおよび210Biはβ崩壊により210Poに変化する。α線量を低減するためには、不純物元素であるPbおよびBiの含有量も極力低い方が好ましいが、元々これら放射性元素の含有率は低いので、上述したようにCuボール造球過程での加熱処理によって210Pbや210Biは除去されると考えられる。
一方、Cuボールの真球度を高めるためには不純物元素の含有量が高い方がよいので、Cuボールの硬度と真球度との兼ね合いから、PbおよびまたはBiの含有量は、合計で1ppm以上が好ましい。1ppm以上でも差し支えなく、例えばCuボールの電気伝導度の劣化を抑制する上では、10〜50ppmあるいはそれ以上、例えば1,000ppm程度まで含有させることができる。
(1d)Cuボールの真球度:0.95以上
Cuボールの真球度が0.95未満であると、Cuボールが不定形状になるため、バンプ形成時に高さが不均一なバンプが形成され、接合不良が発生する可能性が高まる。さらにCuボールへのはんだめっきが不均一になり、Cu核ボールを電極に搭載してリフローを行う際、Cu核ボールが位置ずれを起こしてしまい、セルフアライメント性も悪化することになるからである。したがって真球度は、0.95以上、好ましくは0.990程度がよい。
ここに、真球度とは真球からのずれを表す。真球度は、例えば、最小二乗中心法(LSC法)、最小領域中心法(MZC法)、最大内接中心法(MIC法)、最小外接中心法(MCC法)など種々の方法で求めることができる。
この真球度は、Cuボールにメッキ被膜が被覆された状態でも、上述の値を保持しているのが好ましいことは言うまでもない。
(1e)Cuボールの直径:1〜1000μm
本発明を構成するCuボールの直径は1〜1000μmであることが好ましい。この範囲にあると、球状のCuボールを安定して製造でき、また、端子間が狭ピッチである場合の接続短絡を抑制することができるからである。
なお、直径が1〜300μm程度のものは、使用形態は異なるが、ソルダペースト中の粉末として配合することもできる。
Cuボールの下地処理として、はんだめっき被膜(後述する)が形成される前に、予めCuボールの表面を別の金属のめっき層で被覆しておくこともできる。Cuボ―ル表面にNiめっき層やCoめっき層等が被覆されていると、はんだめっき被膜中へのCuの溶出を低減することができるため、CuボールのCu食われを抑制することが可能になる。
2.はんだメッキ被膜について
本発明のCu核ボールは、Cuボールの表面にはんだめっき被膜を所定の厚みとなるように被覆して構成される。
はんだめっき被膜は、主にワークであるCuボールとめっき液を流動させて形成される。めっき液の流動によりめっき液中でPb、Bi、Poなどのうち放射性同位体を有する元素が塩を形成して沈殿することが判明した。一旦塩である析出物が形成されるとめっき液中で安定に存在する。
したがって、本発明に係るCu核ボールは析出物がはんだめっき被膜に取り込まれることがなくなるので、はんだめっき被膜に含まれる放射性元素の含有量を低減でき、結果としてCu核ボール自体のα線量を大幅に低減できる。
(2a)はんだめっき被膜の組成
はんだめっき被膜の組成は、Snか、Snを主成分とする鉛フリーはんだ合金の合金組成である。合金組成としては落下衝撃特性の観点から、好ましくはSn−3Ag−0.5Cu合金がよい。
これ以外の合金組成としては、Sn−Ag合金、Sn−Cu合金、Sn−Ag−Cu合金、Sn−In合金、およびこれらに所定の合金元素を添加したものが挙げられる。いずれもSnの含有量が40質量%以上である。添加する合金元素としては、例えばAg、Cu、In、Ni、Co、Sb、Ge、P、Feなどがある。
はんだめっき被膜の厚さは特に制限されないが、好ましくは100μm以下であれば十分である。一般には20〜50μmであればよい。
(2b)Uの含有量:5ppb以下、Th:5ppb以下
UおよびThは放射性元素であり、ソフトエラーを抑制するにはこれらの含有量を抑える必要がある。UおよびThの含有量は、はんだめっき被膜のα線量を0.0200cph/cm2以下とするため、各々5ppb以下にする必要がある。また、現在または将来の高密度実装でのソフトエラーを抑制する観点から、UおよびThの含有量は各々2ppb以下が好ましい。今回使用した測定方法(ICP−MS)による場合には、UおよびThの含有量として示した数値2ppbは測定限界値である。
(2c)α線量:0.0200cph/cm2以下
本発明に係るCu核ボールの表面から放射されるα線量は、0.0200cph/cm2以下である。この数値は、電子部品の高密度実装においてソフトエラーが問題にならない程度のα線量である。
はんだめっき被膜は100℃程度の温度下で形成されるため、U、Th、Po、BiおよびPbなどのうちの放射性同位体が気化して含有量が低減するとは考え難い。
めっき液やCuボールを流動しながらめっき処理を行うと、U、Th、Pb、Bi、210Poなどのうち放射性同位体はめっき液中で塩を形成して沈殿する。沈殿した塩は電気的に中性であり、めっき液が流動していてもはんだめっき被膜中に混入することがない。塩が沈殿したままになるので、はんだめっき被膜中における放射性元素の含有量が著しく低減する。
はんだめっき被膜中における放射性元素の含有量を著しく低減できるため、本発明に係るCu核ボールのα線量は、0.0200cph/cm2以下に抑えることができ、好ましくは0.0010cph/cm2以下まで抑えることができる。
なお、はんだめっき被膜組成としてSnはんだを用いる場合には、はんだめっき被膜の純度は、はんだめっき被膜中のSn以外の不純物の合計含有量である。はんだめっき被膜の合成組成がSn−3Ag−0.5Cuのはんだ合金である場合には、はんだめっき被膜の純度は、はんだめっき被膜中のSn、AgおよびCu以外の不純物の含有量の合計である。
Snはんだめっき被膜に含まれる不純物としては、Ag、Ni、Pb、Au、U、Thなどが挙げられる。Sn−Ag−Cu合金から成るはんだめっき被膜の場合、Sb、Fe、As、In、Ni、Pb、Au、U、Thなどが不純物として挙げられる。
これら不純物中には、特にBiの含有量が少ない方が好ましい。一般に、Biの原料には放射性同位体である210Biが微量に含まれている。したがって、Biの含有量を低減することにより、はんだめっき被膜のα線量を著しく低減することができると考えられる。Biの含有量は、好ましくは15ppm以下であり、より好ましくは10ppm以下であり、特に好ましくは0ppmである。
3.Cu核ボールの製造例
続いて、上述したCu核ボールの製造例を以下に説明する。
(3a)Cuボールについて
(i)材料となるCu材はセラミックのような耐熱性の板(以下、「耐熱板」という。)に置かれ、耐熱板とともに炉中で加熱される。耐熱板には底部が半球状となった多数の円形の溝が設けられている。
溝の直径や深さは、Cuボールの粒径に応じて適宜設定されており、例えば、直径が0.8mmであり、深さが0.88mmである。また、Cu細線を切断して得たチップ形状のCu材(以下、「チップ材」という。)は、耐熱板の溝内に一個ずつ投入される。
(ii)溝内にチップ材が投入された耐熱板は、アンモニア分解ガスが充填された炉内で1100〜1300℃に昇温され、30〜60分間加熱処理が行われる。このとき炉内温度がCuの融点以上になると、チップ材は溶融して球状となる。その後、炉内が冷却され、耐熱板の溝内でCuボールが成形される。
(iii)冷却後、成形されたCuボールは、Cuの融点未満の温度である800〜1000℃で再度加熱処理が行われる。再度の加熱処理は、残留する放射性元素をできるだけ揮発させるようにしてα線量の低減化を図るためである。
また、別の造球方法としては、るつぼの底部に設けられたオリフィスから溶融Cuを滴下し、生成した液滴を冷却してCuボールを造粒するアトマイズ法や、熱プラズマでCuカットメタルを1000℃以上に加熱して造粒する方法がある。
このように造粒されたCuボールは、それぞれ800〜1000℃の温度で30〜60分間再加熱処理を施してもよい。Cuボールを造粒する前にCuボールの原料であるCu材を800〜1000℃で加熱処理してもよい。
Cuボールの原料であるCu材としては、ペレット、ワイヤ、ピラーなどを用いることができる。Cu材の純度は、Cuボールの純度を下げすぎないようにする観点から99.9〜99.99%でよい。さらに高純度のCu材を用いる場合には、前述の加熱処理を行わず、溶融Cuの保持温度を従来と同様に1000℃程度に下げてもよい。
このように、前述の加熱処理はCu材の純度やα線量に応じて適宜省略や変更することができる。また、α線量の高いCuボールや異形のCuボールが製造された場合には、これらのCuボールが原料として再利用されることも可能であり、さらにα線量を低下させることができる。
(3b)はんだめっき被膜処理
上述のようにして作製されたCuボールをめっき液中に浸漬し、めっき液を流動させてめっき被膜を形成する。はんだめっき被膜を形成する方法としては、公知のバレルめっき等の電解めっき法、めっき槽に接続されたポンプがめっき槽中にめっき液に高速乱流を発生させ、めっき液の乱流によりCuボールにめっき被膜を形成する方法、めっき槽に振動板を設けて所定の周波数で振動させることによりめっき液を高速乱流攪拌し、めっき液の乱流によりCuボールにめっき被膜を形成する方法等がある。
直径100μmのCuボールに膜厚20μmのSn−Ag−Cuはんだめっき被膜を形成し、直径約140μmのCu核ボールを形成する例を以下に示す。
(3b-i)Sn−Ag−Cu含有めっき液は、水を主体とする媒体に、スルホン酸類及び金属成分としてSn、Ag及びCuを必須成分として含有している。
金属成分はめっき液中でSnイオン(Sn2+及び/又はSn4+),Agイオン(Ag+)及びCuイオン(Cu+/Cu2+)として存在している。めっき液は、主として水とスルホン酸類からなるめっき母液と金属化合物を混合することにより得られ、金属イオンの安定性のために、好ましくは有機錯化剤を含有する。
めっき液中の金属化合物としては、例えば以下のものを例示することができる。
Sn化合物の具体例としては、メタンスルホン酸、エタンスルホン酸、2−プロパノールスルホン酸、p−フェノールスルホン酸などの有機スルホン酸の錫塩、硫酸錫、酸化錫、硝酸錫、塩化錫、臭化錫、ヨウ化錫、リン酸錫、ピロリン酸錫、酢酸錫、ギ酸錫、クエン酸錫、グルコン酸錫、酒石酸錫、乳酸錫、コハク酸錫、スルファミン酸錫、ホウフッ化錫、ケイフッ化錫などの第一Sn化合物が挙げられる。これらのSn化合物は、一種単独又は二種以上混合して用いることができる。
Cu化合物としては、上記有機スルホン酸の銅塩、硫酸銅、酸化銅硝酸銅、塩化銅、臭化銅、ヨウ化銅、リン酸銅、ピロリン酸銅、酢酸銅、ギ酸銅、クエン酸銅、グルコン酸銅、酒石酸銅、乳酸銅、コハク酸銅、スルファミン酸銅、ホウフッ化銅、ケイフッ化銅などが挙げられる。これらのCu化合物は、一種単独又は二種以上混合して用いることができる。
Ag化合物としては、上記有機スルホン酸の銀塩、硫酸銀、酸化銀、塩化銀、硝酸銀、臭化銀、ヨウ化銀、リン酸銀、ピロリン酸銀、酢酸銀、ギ酸銀、クエン酸銀、グルコン酸銀、酒石酸銀、乳酸銀、コハク酸銀、スルファミン酸銀、ホウフッ化銀、ケイフッ化銀などが挙げられる。これらのAg化合物は、一種単独又は二種以上混合して用いることができる。
めっき液中の各金属の配合量は、Sn2+として0.21〜2mol/L、好ましくは0.25〜1mol/L、Ag+として0.01〜0.1mol/L、好ましくは0.02〜0.05mol/L、Cu2+として0.002〜0.02mol/L、好ましくは0.003〜0.01mol/Lである。めっきに関与するのはSn2+であるので、 Sn2+の量を調整すればよい。
Cuイオン濃度に対するAgイオン濃度(Ag/Cuモル比)は、4.5〜5.58の範囲となるものが好ましく、この範囲であれば、Sn−3Ag−0.5Cu合金のような融点の低いSn−Ag−Cuめっき被膜を形成することができる。
(3b-ii)ファラディの電気分解の法則により下記式(1)により所望のはんだめっきの析出量を見積もり、電気量を算出して、算出した電気量となるように電流をめっき液に通電し、Cuボールおよびめっき液を流動させながらめっき処理を行う。
直径100μmのCuボールに膜厚20μmのSn−Ag−Cuはんだめっき被膜を形成する場合、約0.0108クーロンの電気量を要する。
めっき槽の容量はCuボールおよびめっき液の総投入量に応じて決定することができる。
w(g)=(I×t×M)/(Z×F)・・・式(1)
式(1)中、wは電解析出量(g)、Iは電流(A)、tは通電時間(秒)、Mは析出する元素の原子量(Snの場合、118.71)、Zは原子価(Snの場合は2価)、Fはファラディ定数(96500クーロン)であり、電気量Q(A・秒)は(I×t)で表される。
本発明では、Cuボールおよびめっき液を流動させながらめっきを行うが、流動させる方法については特に限定されない。例えば、バレル電解めっき法のようにバレルの回転よりCuボールおよびめっき液を流動させることができる。
(3b-iii)めっき処理後、大気中やN2
雰囲気中で所定時間乾燥することで、本発明に係るCu核ボールが得られる。このはんだめっき被膜処理は、Cuを核としたカラム、ピラーやペレットの形態に応用することもできる。
本発明に係るCu核ボールの真球度とα線量を測定するために以下のようなCu核ボール(試料)を作製した。以下に説明する。
4.試料用Cuボールの作製例
(4a)Cuボール
真球度が高いCuボールの作製条件を調査した。純度が99.9%のCuペレット、純度が99.995%以下のCuワイヤ、および純度が99.995%を超えるCu板を準備した。各々をるつぼの中に投入した後、るつぼの温度を1200℃に昇温し、45分間加熱処理を行い、るつぼ底部に設けたオリフィスから溶融Cuを滴下し、生成した液滴を冷却してCuボールを造粒した。これにより平均粒径が250μmのCuボールを作製した。作製したCuボールの元素分析結果および真球度を表1に示す。以下に、真球度の測定方法を詳述する。
(4b)Cuボールの真球度
真球度はCNC画像測定システムで測定した。
装置は、ミツトヨ社製のウルトラクイックビジョン、ULTRA QV350−PROである。真球度とは、500個の各Cuボールの直径を、そのCuボールの長径で割った際に算出される算術平均値であり、値が上限である1.00に近いほど真球に近いことを表す。
本発明での長径の長さおよび直径の長さは、それぞれミツトヨ社製のウルトラクイックビジョン、ULTRA QV350−PRO測定装置によって測定された長さをいう。
また、作製された各々のCuボールのSEM写真は図1〜3に示される。図1は、純度が99.9%のCuペレットを用いて製造したCuボールのSEM写真である。図2は、純度が99.995%以下のCuワイヤを用いて製造したCuボールのSEM写真である。図3は、純度が99.995%を超えるCu板を用いて製造したCuボールのSEM写真である。SEM写真の倍率は100倍である。
(4c)Cuボールのα線量
α線量の測定にはガスフロー比例計数器のα線測定装置を用いた。測定サンプルは300mm×300mmの平面浅底容器にCuボールを容器の底が見えなくなるまで敷き詰めたものである。この測定サンプルをα線測定装置内に入れ、PR−10ガスフローにて24時間放置した後、α線量を測定した。
測定に使用したPR−10ガス(アルゴン90%−メタン10%)は、PR−10ガスをガスボンベに充填してから3週間以上経過したものである。
3週間以上経過したボンベを使用したのは、ガスボンベに進入する大気中のラドンによりα線が発生しないように、JEDEC(Joint Electron Device Engineering Council)で定められたJEDEC STANDARD−Alpha Radiation Measurement in Electronic Materials JESD221に従ったためである。
(4d)Cuボールの元素分析
元素分析は、UおよびThについては誘導結合プラズマ質量分析(ICP−MS分析)、その他の元素については誘導結合プラズマ発光分光分析(ICP−AES分析)により行った。
作製したCuボールの元素分析結果、α線量を(表1)に示す。
表1、図1および2に示すように、純度が99.9%のCuペレットおよび99.995%以下のCuワイヤを用いたCuボールは、いずれも真球度が0.990以上を示した。一方、表1および図3に示すように、純度が99.995%を超えるCu板を用いたCuボールは、真球度が0.95を下回った。
このため、以下に示す例は、いずれも99.9%のCuペレットで製造したCuボールを用いて作製されたCu核ボールを試料として用いた。
(試料1)
試料1のCu核ボールの作製例を以下に示す。
純度99.9%のCuペレットで製造したCuボールについて、以下の条件でSnはんだめっき被膜を形成してCu核ボールを作製した。
Cu核ボールは、直径250μmのCuボールに膜厚が50μmのSnはんだめっきが被覆されるように、電気量を約0.17クーロンとして以下のめっき液を用いてめっき処理を行った。はんだめっき被膜の膜厚が50μmとなっていることは、Cu核ボールの断面をSEM写真により観察した。処理後、大気中で乾燥し、Cu核ボールを得た。
(試料1で使用したはんだめっき液)
撹拌容器にめっき液調整に必要な水の1/3に、54重量%のメタンスルホン酸水溶液の全容を入れ敷水とした。次に、錯化剤であるメルカプタン化合物の一例であるアセチルシステインを入れ溶解確認後、他の錯化剤である芳香族アミノ化合物の一例である2,2’−ジチオジアニリンを入れた。薄水色のゲル状の液体になったら速やかにメタンスルホン酸第一錫を入れた。
次にめっき液に必要な水の2/3を加え、最後に界面活性剤の一例であるα−ナフトールポリエトキシレート(EO10モル)3g/Lを入れ、めっき液の調整は終了した。めっき液中のメタンスルホン酸の濃度が2.64mol/L、錫イオン濃度が0.337mol/L、であるめっき液を作成した。
本例で使用したメタンスルホン酸第一錫は、下記Snシート材を原料として調製したものである。はんだめっき液の原料であるSnシート材の元素分析、およびCu核ボールの表面に形成されたはんだめっき被膜の元素分析は、UおよびThについては高周波誘導結合質量分析(ICP−MS分析)、その他の元素については高周波誘導結合プラズマ発光分光分析(ICP−AES分析)により行われた。
Snシート材のα線量は、300mm×300mmの平面浅底容器にSnシート材を敷いたこと以外Cuボールと同様に測定した。Cu核ボールのα線量は、前述のCuボールと同様に測定した。またCu核ボールの真球度についてもCuボールと同じ条件で測定を行った。これらの測定結果を表2に示す。
(試料2)
試料2のCu核ボールの作製例を以下に示す。
純度99.9%のCuペレットで製造したCuボールについて、膜厚が50μmのSn−Ag−Cuはんだめっき被膜を形成してCu核ボールを作製した。
(試料2で使用したはんだめっき液)
はんだめっき液は、(Sn−Ag−Cu)めっき液である。
撹拌容器にめっき液調整に必要な水の1/3に、54重量%のメタンスルホン酸水溶液の全容を入れ敷水とした。
次に、撹拌しながら所要量の酸化銀の全容を入れ完全に黒沈がなく透明に成ったことを確認後速やかに、水酸化第二銅の全容を入れ完全に溶解してから、錯化剤であるメルカプタン化合物の一例であるアセチルシステインを入れ溶解確認後、他の錯化剤である芳香族アミノ化合物の一例である2,2’−ジチオジアニリンを入れた。
薄水色のゲル状の液体になったら速やかにメタンスルホン酸第一錫を入れた。液は黄色透明になった。次にめっき液に必要な水の2/3を加え、最後に界面活性剤の一例であるα−ナフトールポリエトキシレート(EO10モル)3g/Lを入れ、めっき液の調整は終了した。めっき液中のメタンスルホン酸の濃度が2.64mol/L、錫イオン濃度が0.337mol/L、銅イオン濃度が0.005mol/L、銀イオン濃度が0.0237mol/Lであるめっき液を作成した。
このようにしてめっき液を作製した後、試料1で用いたα線量が0.203cph/cm2のSnシート材、α線量が<0.0010cph/cm2であり純度が6NのCu板材およびα線量が<0.0010cph/cm2であり、純度が5NのAgチップ材を使用したことの他、試料1と同様にめっき液を作製してCu核ボールを作製し、元素分析およびα線量、真球度の測定を行った。測定結果を表2に示す。
本例でも錫イオンは上記Snシート材に由来するものであり、銀イオン、銅イオンについても、それぞれ上記Agチップ材、Cu板材に由来するものである。
(比較試料)
純度99.9%のCuペレットで製造したCuボールについて、溶着法を用いて以下の条件でSnはんだ被膜を形成してCu核ボールを作製した。
具体的には、はんだ付けが困難であるアルミニウム板の所定の位置に多数のすりばち状のくぼみを設けた。また、前述のSnシート材を用いて、周知のアトマイズ法により直径が300μmのSnボールを予め作製しておいた。
アルミニウム基板に設けた各くぼみに、CuボールおよびSnボールを1つずつ入れてフラックスを噴霧した。その後、アルミニウム板を加熱炉中で270℃に加熱してSnボールを溶融させる。溶融SnはCuボールにまわりに濡れ、表面張力によりCuボールを被覆した。
このようにして比較試料のCu核ボールを作製した。はんだ被膜の膜厚は50μmであった。作製した比較試料について、試料1と同様に、元素分析およびα線量、真球度を測定した。測定結果を表2に示す。
表2によれば、試料1では、α線量は0.0010cph/cm2未満を示した。試料1のCu核ボールは、湿式めっき法によりはんだめっき被膜を形成することによりα線量が低減することが立証された。
試料2では、はんだめっき被膜の組成をSn−2.95Ag−0.29Cuとした場合のはんだα線量は0.0010cph/cm2未満を示した。試料2のCu核ボールは、試料1と同様に、めっき法によりはんだめっき被膜を形成することによりα線量が低減することが立証された。試料1,2で作成したCu核ボールは作成後1年を経過してもα線の上昇は見られなかった。
一方、比較試料では、α線量は0.183cph/cm2を示し、Snシート材と同程度のα線量を示した。比較試料のCu核ボールは、ソフトエラーを回避できる程度のα線量まで低減できなかった。
Cu核ボールの表面粗さの評価
表面粗さ用の試料としては、試料1や2で示したCu核ボールを使用できるはもちろんであるが、今回は新たに表面粗さ用の試料を作製した。
(5a)表面粗さの試料
(試料1)で用いられたと同様なCuボール(Cn材を使用、直径200μmで、純度は99.9%以上99.995%以下)を用いる。このCuボールに対して下地用のめっき処理を行う。この例では、2μmのNiめっき処理を行った。
その後、このCuボールに対してSn100%のめっき処理を膜厚が48μmとなるまで実施した。したがって得られたCu核ボールの直径は250μmとなる。
このCu核ボールとめっき液をそのまま300ccのビーカーに採取して超音波機に掛けて超音波を照射した。超音波機は市販の超音波洗浄機(アズワン社製US−CLEANER)を使用して、この例では出力80W、40kHzの周波数で行った。所定時間経過後イオン交換水で洗浄し、その後温風乾燥させて表面粗さ測定用の試料とした。
表面粗さの評価(画像評価)は、KEYENCE社製のレーザ顕微鏡(型番VK−9510/JISB0601−1994対応)を使用して行った。評価面積はできるだけ狭い範囲が好ましいので、この例では、直径が250μmのCu核ボールを使用しているので、Cu核ボールの頂点の最も平坦な部分を中心として、25×25μmの範囲で測定した。z軸上における測定ピッチは0.1μmである。
(5b)表面粗さの評価
このような条件でCu核ボールの算術平均粗さRaとして、任意の10個所の表面粗さを測定し、それらの算術平均を真の算術平均粗さとして使用した。同時に、超音波の照射時間(処理時間)を換えて測定した結果を(表3)として示す。
(表3)の結果から明らかなように、超音波を50〜60分程度照射することによって、算術平均粗さRaは0.3μm以下となり、60分の照射では0.22μm程度まで改善されることが確認された。因みに、この程度の算術平均粗さRaを得るには、特許文献3では5〜6時間の処理時間を要している。超音波の周波数や出力レベルを適宜調整すれば、さらに良い結果が得られる。
以上のように、本発明ではソフトエラーの発生を抑制し、実装処理に問題とはならない表面粗さとなされた低α線量のCu核ボールを提供できる。
本発明に係わるCu核ボールは、はんだ継手用としても、はんだペースト用としても適用できることは言うまでもない。

Claims (7)

  1. コアとなるCuボールと、該Cuボールの表面を被覆するはんだめっき被膜と備えるCu核ボールであって、
    該Cuボールは純度が99.9%以上99.995%以下で、Uが5ppb以下で、Thが5ppb以下の含有量となされ、PbおよびまたはBiの含有量の合計量が1ppm以上となされた、真球度が0.95以上、α線量が0.0200cph/cm2以下のCuボールであり、
    前記はんだめっき被膜は、Snはんだめっき被膜またはSnを主成分とする鉛フリーはんだ合金からなるはんだめっき被膜であり、
    上記Cu核ボールの算術平均表面粗さは0.3μm以下となされた
    ことを特徴とするCu核ボール。
  2. コアとなるCuボールと、該Cuボールの表面を被覆するはんだめっき被膜と備えるCu核ボールであって、
    該Cuボールは純度が99.9%以上99.995%以下で、真球度が0.95以上であり、
    前記はんだめっき被膜は、Snはんだめっき被膜またはSnを主成分とする鉛フリーはんだ合金からなるはんだめっき被膜であり、Uが5ppb以下で、Thが5ppb以下の含有量となされ、
    Cu核ボールのα線量が0.0200cph/cm2以下であり、
    上記Cu核ボールの算術平均表面粗さは0.3μm以下となされた
    ことを特徴とするCu核ボール。
  3. 上記表面粗さは、0.22μm以下である
    ことを特徴とする請求項1または2のいずれか1項に記載のCu核ボール。
  4. 前記Cuボールは、前記はんだめっき被膜で被覆される前に予めNiおよびCoから選択される1元素以上からなるめっき層で被覆されている
    ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のCu核ボール。
  5. α線量が0.0200cph/cm2以下である
    ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のCu核ボール。
  6. 請求項1〜5のいずれか1項に記載のCu核ボールを用いた
    ことを特徴とするはんだペースト。
  7. 請求項1〜6のいずれか1項に記載のCu核ボールを使用して形成された
    ことを特徴とするはんだ継手。
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