JP2015147951A - 核ボール、はんだペースト、フォームはんだ、フラックスコート核ボールおよびはんだ継手 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】コアとなる金属粉は球体であり、金属粉としてCuボールを使用したときの純度は99.9〜99.995%で、Pb又はBiのいずれかの含有量、或いは、Pb及びBiの合計の含有量が1ppm以上であり、真球度が0.95以上のCuボール。Cuボールに被覆されるはんだめっき被膜は、Sn―Bi系合金である。はんだめっき被膜に含まれるUは5ppb以下で、Thが5ppb以下である。核ボールのα線量が0.0200cph/cm2以下であるCuボール。前記はんだめっき被膜はBiを40〜60質量含有したSn−Bi系Pbフリーはんだ合金であるCu核ボール。
【選択図】なし
Description
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。
(1)請求項1記載の球状の金属粉は、金属の純度が99.9%以上99.995%以下で、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以上の球体が使用される。同じく、金属粉を被覆するはんだめっき被膜は、Biを40〜60質量%含有したSn−Bi系Pbフリーはんだ合金で、UとThの含有量がそれぞれ5ppb以下となされると共に、α線量が0.0200cph/cm2以下に選定されたものが使用される。
(2)請求項2記載の金属粉は、金属の純度が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以上となされると共に、α線量が0.0200cph/cm2以下、真球度が0.95以上の球体が使用される。同じく、金属粉を被覆するはんだめっき被膜は、Biを40〜60質量%含有したSn−Bi系Pbフリーはんだ合金が使用される。
(3)請求項3記載のはんだめっき被覆は、UとThの含有量がそれぞれ5ppb以下となされると共に、α線量が0.0200cph/cm2以下となされた上記(2)記載のSn−Bi系Pbフリーはんだ合金が使用される。
(4)請求項1または3において、α線量が0.0020cph/cm2以下となされたはんだめっき被膜が使用される。
(5)請求項1または3において、α線量が0.0010cph/cm2以下となされたはんだめっき被膜が使用される。
(6)請求項1〜5において、金属粉としてはCuボールが使用される。
(7)請求項1〜6において、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た金属粉が使用される。
(8)請求項1〜7において、はんだめっき被覆は、Sn−Bi合金またはAg、Cu、Ni、In、Zn、Sb、Ge、Co、P、Feの中から少なくとも1種以上を含有するSn−Bi系合金が使用される。
(9)請求項1〜8において、核ボールにフラックス層を被覆することでフラックスコート核ボールが構成される。
(10)請求項1〜9において、核ボールを用いてはんだペーストが構成される。
(11)請求項1〜9において、核ボールを用いてフォームはんだが構成される。
(12)請求項1〜9において、核ボールを用いてはんだ継手が構成される。
本発明の核ボールは、球状の金属粉とその表面に形成されたはんだめっき被膜とで構成される。金属粉は高純度で、なおかつその真球度は0.95以上であって、低α線量化されたものである。はんだめっき被膜としてはSn−Bi系合金が使用される。このSn−Bi系合金を使用することで、接合温度の低温化(200℃以下)を実現でき、はんだリフロー時の実装部品への熱ストレスを大幅に軽減できる。
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。
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。
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。
はんだ液中に含まれる放射性元素や放射性同位体は、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。
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。
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。
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。
本発明の核ボール(一例として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。
はんだめっき被膜の組成は、Sn―Bi系合金である。具体的にはSn―Bi合金または、Sn−Bi系合金にAg、Cu、Ni、In、Zn、Sb、Ge、Co、P、Feの元素の中から1種以上の元素を添加した合金である。Sn−Bi−In合金、Sn−Bi−Ag−In合金、Sn−Bi−Ag−Cu合金、Sn−Bi−Ni合金、Sn−Bi−Cu−Ni合金等が挙げられる。いずれもBiの含有量は40質量%以上60質量%以下である。
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(表2参照)。
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(後述の表2参照)。
0.0010cph/cm2以下まで抑えることができる。
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。
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。直径250μmのCuボールに膜厚50μmのSn−Biはんだめっき被膜を形成し、直径約300μmのCu核ボールを形成する例を以下に示す。
(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ボールを造球した。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後述の(表1)に示す。
真球度は、0.95以上要求される。真球度はCNC画像測定システムで測定した。
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。SEM写真の倍率は100倍である。
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。
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。
はんだめっき被膜は、Sn−Bi系合金が使用される。このSn−Bi系合金を使用することで、はんだ接合時の接合温度を200℃以下、就中160℃程度まで下げることができた。
純度99.9%のCuペレットで製造したCuボールを用い、以下の条件でSn−Biはんだめっき被膜を形成する。
実施例において使用しためっき液は、水を主体とする媒体に、アルキルスルホン酸化合物系またはアルカノールスルホン酸化合物系と、Sn,Biを必須成分とする金属化合物を混合したものである。金属成分はめっき液中でSnイオン、Biイオンとして存在しているので、これら金属イオンの安定性を確保するためには、有機錯化剤を含有させた方が好ましい。
また後述する(表2)中に示した比較例1では、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鉢状のくぼみを設けた。
はんだめっき被膜を組成する合金としては、Sn―Bi系合金である。具体的には上述したように、Sn―Bi合金または、Sn−Bi合金にAg、Cu、Ni、In、Zn、Sb、Ge、Co、P、Feの元素の中から1種以上の元素を添加した合金で、Sn−Bi−In合金、Sn−Bi−Ag−In合金、Sn−Bi−Ag−Cu合金、Sn−Bi−Ni合金、Sn−Bi−Cu−Ni合金等が挙げられる。いずれもBiの含有量は40質量%以上60質量%以下である。
めっき液としては、メタンスルホン酸Sn、メタンスルホン酸Biの他に、メタンスルホン酸、界面活性剤などを使用することができる。メタンスルホン酸Snとしてはメタンスルホン酸第一錫を、メタンスルホン酸Biとしては、トリス(メタンスルホン酸)Biを、界面活性剤としてはα−ナフトールポリエトキシレートを、有機錯化剤としてはメルカブタン化合物の一種であるアセチルシステインをそれぞれ使用した。
はんだめっき液の原料であるSnシート材およびBi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、放射性元素である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)により行った。
Biは精錬したものが使用される。例えば4N程度まで精錬したものが使用される。この精錬処理の段階で、金属化合物中に含まれる放射性元素や放射性同位体をある程度取り除くことができる。
Bi中の放射性同位体としては、半減期が非常に長いものと非常に短いものとが存在し、半減期が長い放射性同位体は例えば209Biがある。その半減期は1.9×1019年と非常に長いので、めっき処理時に壊変した半減期の短い放射性同位体を沈殿させれば、Bi中でそれ以上の壊変はほとんどおこらず、α線量が高まることはないからである。
本発明に係る核ボールでは、はんだめっき被覆の表面にフラックス層を形成してフラックスコート核ボールとしてもよい。フラックス層は金属表面の酸化防止及び金属酸化膜の除去を行う活性剤として作用する化合物を含む1種類あるいは複数種類の成分で構成される。
Claims (12)
- コアとなる球状の金属粉と、
該金属粉の表面を被覆するはんだめっき被膜を備えた核ボールであって、
前記金属粉は、金属の純度が99.9%以上99.995%以下で、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以上の球体であり、
前記はんだめっき被膜は、Biを40〜60質量%含有したSn−Bi系Pbフリーはんだ合金で、UとThの含有量がそれぞれ5ppb以下となされると共に、
前記核ボールのα線量が0.0200cph/cm2以下となされた
ことを特徴とする核ボール。 - コアとなる球状の金属粉と、
該金属粉の表面を被覆するはんだめっき被膜を備えた核ボールであって、
前記金属粉は、金属の純度が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、α線量が0.0200cph/cm2以下、真球度が0.95以上の球体であり、
前記はんだめっき被膜は、Biを40〜60質量%含有したSn−Bi系Pbフリーはんだ合金である
ことを特徴とする核ボール。 - 前記はんだめっき被覆は、UとThの含有量がそれぞれ5ppb以下となされると共にα線量が0.0200cph/cm2以下となされた
ことを特徴とする請求項2に記載の核ボール。 - 前記はんだめっき被覆のα線量が0.0020cph/cm2以下となされた
ことを特徴とする請求項1または3に記載の核ボール。 - 前記はんだめっき被覆のα線量が0.0010cph/cm2以下となされた
ことを特徴とする請求項1または3に記載の核ボール。 - 前記金属粉は、Cuボールである
ことを特徴とする請求項1〜5に記載の核ボール。 - 前記金属粉は、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1〜6に記載の核ボール。 - Sn−Bi系合金として、Sn−Bi合金または、Ag、Cu、Ni、In、Zn、Sb、Ge、Co、P、Feの中から少なくとも1種以上を含有するSn−Bi合金が使用される
ことを特徴とする請求項1〜7に記載の核ボール。 - 請求項1〜8のいずれかに記載の核ボールを被覆するフラックス層を備える
ことを特徴とするフラックスコート核ボール。 - 請求項1〜9のいずれか1項に記載の核ボールを用いた
ことを特徴とするはんだペースト。 - 請求項1〜9のいずれか1項に記載の核ボールを用いた
ことを特徴とするフォームはんだ。 - 請求項1〜9のいずれか1項に記載の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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