JP3204451B2 - 接合材料及びバンプ - Google Patents

接合材料及びバンプ

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は接合材料及び電子部
品のバンプに関し、特により詳しくは電子部品の接合部
に故障を生じさせない接合材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】はんだなどの金属から成る接合材料で接
合される電子部品においては、まず接合材料を加熱溶融
させて電子部品間を接合した後、その接合材料を冷却し
て固化させている。このとき、接合材料は加熱溶融によ
って膨張し、冷却によって収縮することになるが、接合
材料の強度が高い場合、内部応力をその接合材料から成
る接合部だけで弾性的に吸収させることができない。ま
た、外気温その他の環境から受ける熱や装置自体が発生
する熱などによって、熱疲労などのストレスを接合部が
受けることになる。その結果、接合部にクラックが生じ
たり、電子部品の配線が断線したりあるいは剥離した
り、又は絶縁層が破壊したりして、接合材料に接合され
た電子部品そのものを破壊させ、系全体としての信頼性
を低下させるという問題がある。
【０００３】上述の課題を解決するために、種々の提案
がなされており、その一つに接合材料として軟質金属の
使用がある。従来より、主として使用される軟質金属は
鉛であるが、これは物性的には優れているが、環境問題
のためにその使用を制限する必要がある。また、鉛に匹
敵する代表的な軟質金属として、インジウムがある。と
ころが、インジウムは産出量が少なく、高価であること
に加え、融点が低いために適用できる領域が制限される
という問題がある。
【０００４】これに対して、接合材料として、金属コー
ト樹脂ボールが使用されている。たとえばＢＧＡ(ball
grid aray) モジュ−ル用の接合材料として、表面をは
んだメッキした樹脂ボールがある。ところが、このはん
だメッキした樹脂ボールは、樹脂／はんだ界面が大きく
且つ連続しており、疲労亀裂がこの界面に沿って一気に
進行するという問題がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明者は上
述の問題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、本発
明に係る接合材料及び電子部品のバンプを想到するに至
ったのである。
【０００６】本発明の第１の目的は、基本的に接合材料
の母相金属を選ばず、軟質金属に匹敵する性質を有する
とともに、適用可能な領域が広い接合材料を提供するこ
とにある。
【０００７】本発明の第２の目的は、樹脂ボールを使用
した場合において、樹脂／金属界面で剥離・亀裂が発生
したとしても、その剥離・亀裂は強度の高い金属母相で
阻止し、進行させないようにすることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明に係る接合材料
は、金属材料中に、樹脂からなる微小粒子が分散させら
れていることにある。本発明に係る接合材料は、熱疲労
や内部応力に対して、軟質材料とほぼ同等の特性を備え
ており、微小粒子の部分で金属材料の変形を許容して、
接合材料の内部応力の増大を緩和し、熱疲労などのスト
レスを低減することができる。また、微小粒子と金属材
料との界面に生じた剥離や亀裂は界面の箇所に止まり、
金属材料自体に亀裂が入り、他の微小粒子と金属材料と
の界面にまで広がることはない。
【０００９】また、分散させる樹脂粒子として球状若し
くは不定形状の粒子を用い、その粒子を金属コートする
ことにより、母相である金属材料との密着性を向上させ
ることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】次に、本発明に係る接合材料及び
電子部品のバンプの実施形態を図面を参照しつつ詳しく
説明する。
【００１１】まず、本発明に係る接合材料は、金属材料
中に、樹脂からなる微小粒子が分散させられて構成され
る。
【００１２】この電子部品の接合材料の主な態様の一つ
は、加熱溶融させた金属材料中に樹脂の微小粒子を添加
混合した後、冷却・成型して棒状又はワイヤー状あるい
は塊状などのインゴットとして供給することが可能であ
る。たとえば、図１に示すように、棒状に形成された接
合材料１０の断面構造は、金属材料１２の中に樹脂の微
小粒子１４が点在させられている。棒状又はワイヤー状
の接合材料１０はバンプなどの形成に使用され、塊状な
どのインゴットはフローはんだ付けなどに使用される。
【００１３】接合材料１０の母材である金属材料１２は
共晶はんだ（たとえば、Ｓｎ：Ｐｂ＝６３：３７重量％
やあるいは、Ｓｎ：Ａｇ＝９６．５：３．５など）や三
元合金であるＳｎ−Ｐｂ−Ｂｉ（８重量％）などの合金
や、インジュウム、金、銀、スズなどの金属単体を用い
ることができる。
【００１４】また、微小粒子１４を構成する樹脂として
は、接合材料１０を加熱溶融させたときに、熱分解しな
い程度に耐熱性を備えているものが選定され、たとえば
ポリイミド、ポリアミド、アクリルゴム、グアニジン樹
脂などを挙げることができる。更に、微小粒子１４は、
金属材料１２の収縮に伴う変形を許容するために、軟質
であることが望ましく、樹脂の弾性係数が金属材料のそ
れよりも充分に低いことが望ましい。また、微小粒子１
４の粒径は、たとえばバンプを形成する場合、そのバン
プの中に充分な個数の微小粒子１４が入る大きさであれ
ばよいが、微小粒子１４の平均粒径は接合部寸法の２０
％以下、好ましくは１％〜１５％、より好ましくは２％
〜１０％であるのがよい。微小粒子１４の平均粒径が接
合部寸法と比較して１％より小さすぎると、金属材料１
２の変形を許容することができず、また、２０％より大
きいと、微小粒子１４と金属材料１２との界面に生じた
剥離や亀裂が広がるのを防ぐことができない。微小粒子
１４の形状は球形に限定されず、楕円形、矩形、短繊維
形等々の不定形であってもよく、これらが混在した状態
でもよい。微小粒子１４を構成する樹脂の種類は１種に
限定されず、２種以上の樹脂を適宜分散させて用いても
よい。
【００１５】金属材料１２中に分散させられる微小粒子
１４の量は、金属材料１２に対して、微小粒子１４は４
０体積％以下、好ましくは１体積％〜４０体積％、より
好ましくは５体積％〜２５体積％であるのがよい。な
お、本明細書において、たとえば４０体積％は、体積で
金属材料１００部に対して微小粒子が４０部加えられて
いることを意味する。従って金属材料１２中に分散させ
られる微小粒子１４の量は、４０体積％より多すぎると
電気抵抗が増加して不都合であるだけでなく、接合部の
強度が低下して好ましくない。また、微小粒子１４の量
が１体積％より少なすぎると、微小粒子１４を分散させ
る効果が発揮されなくなり、接合部に各種の故障が生ず
る恐れがあり好ましくない。
【００１６】以上の構成に係る接合材料１０は常法通り
に使用され、たとえば図２に示すように、電子部品１６
のバンプ１８の形成に使用される。得られたバンプ１８
には、それを構成する金属材料１２の中に微小粒子１４
が点在させられている。そして、バンプ１８はリフロー
させられて図示しない基板の回路に接合される。このと
き、金属材料１２自体の強度が高いものであっても、冷
却収縮に伴う変形によって生ずる応力が微小粒子１４に
よって弱められるため、接合部だけでなく、電子部品１
６及び基板側に故障が発生することはない。すなわち、
金属材料１２は硬質の材質であったとしても、微小粒子
１４を金属材料１２の中に分散させることにより、金属
材料１２を軟質の材質にすることができる。また、微小
粒子１４とそれを覆う金属材料１２との界面に剥離や亀
裂を生じたとしても、その剥離や亀裂はその界面に止ま
り、隣接する微小粒子１４の界面に広がることはない。
【００１７】次に、本発明に係る電子部品の接合材料の
他の態様は、図３に示すように、母材となる金属材料か
ら成る金属粒子２０と、樹脂から成る微小粒子１４と、
フラックス２２とを含んで構成され、これらをほぼ均一
に混合し、ペ−スト状で供給される。そして、このペー
スト状の接合材料２４を接続面に塗布した後、加熱して
金属粒子２０を溶融させ、その後、図４に示すように、
冷却することにより電子部品２６，２８を接合する。こ
のとき、溶融させられた金属材料（２０）の中に樹脂か
らなる微小粒子１４は取り込まれ、その状態で固体化さ
せられる。得られた接合部は前述と同様に作用し、また
同様の効果を奏することとなる。
【００１８】なお、上述の金属粒子２０と微小粒子１４
とフラックス２２とを含んで構成される接合材料２４は
必ずしもペースト状である必要はない。たとえば、常温
で固形化するフラックス２２を用いることにより、固形
の接合材料２４とすることも可能である。
【００１９】また、金属粒子２０は１種類の金属から構
成されていてもよいが、２種類以上の金属から成る合金
で構成されていてもよい。更に、図５に示すように、接
合材料３０の母相金属となる金属材料が合金である場
合、金属粒子は２種又は３種以上の金属単体の粒子３
２，３４，…の集合体で構成することも可能である。こ
の場合、２種以上の金属粒子３２，３４，…はそれぞれ
所定の割合で混ぜ合わされており、これらの２種以上の
金属粒子３２，３４，…を加熱溶融させることにより、
所定の合金になるように構成されている。したがって、
この接合材料３０を加熱溶融させた後は、たとえば前述
の図２や図４に示す構成になる。
【００２０】次に、上述の各実施形態において、図６に
示すように、樹脂から成る微小粒子３６は、接合材料の
母相となる金属材料とは異種の金属３８により被覆され
ているのも好ましい。金属３８の融点が接合材料の母相
となる金属材料４０の融点よりも高い場合、微小粒子３
６の軟化温度が金属材料４０の溶融温度よりも低いとき
であっても、微小粒子３６は金属３８によって被覆され
ていて、保護されることになる。また、金属３８は、金
属材料４０と密着性が優れ、且つ強度が高いことが好ま
しく、この場合、溶融させられた金属材料４０の中から
微小粒子３６が浮き出ることはほとんどなく、金属材料
４０の内部に大きな応力が生じたとしても、金属材料４
０と金属３８との界面に剥離などが生じることはない。
【００２１】更に、図７に示すように、樹脂から成る微
小粒子３６は、接合材料の母相となる金属材料（４２）
と同種の金属４２により被覆されているのも好ましい。
この実施形態においては、金属４２の層を厚く形成し
て、微小粒子３６を金属４２により被覆した粒子４４
と、フラックス４６とを含み、接合材料４８を構成する
のも好ましい。本例においては、粒子４４の金属４２を
溶融させたとき、樹脂から成る微小粒子３６は予め金属
４２の中に埋設されているため、微小粒子３６が金属
（金属材料）４２の外部に浮き出ることはない。なお、
金属４２から成る１つの粒子４４の中に埋設されている
微小粒子３６は１つに限られず、複数であってもよい。
【００２２】樹脂から成る微小粒子３６の表面に接合材
料の母相となる金属材料と同種又は異種の金属を被覆す
る方法は、メッキ法をはじめ、たとえば１又は複数の微
小粒子３６を核として金属粉末の中に取り込んだ後、焼
成するなど、公知の手法によってなされる。
【００２３】以上、本発明に係る接合材料を電子部品の
接合材料を例にして、その実施形態を種々図示して説明
したが、本発明は図示した例示に限定されるものではな
いのは言うまでもない。特に、金属材料は必ずしも導電
性を必要とせず、たとえば部材と部材を単に接合するこ
とを目的とする構造用の接合材料であってもよい。
【００２４】また、本発明の接合材料は、母材金属、分
散させる樹脂の選択及び樹脂粒子表面の処理法、サイ
ズ、添加量などにより目的の性質を持つものに制御でき
る。その他、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲内で、
当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加え
た態様で実施し得るものである。
【００２５】
【実施例】接合材料の母相となる金属材料として６３Ｓ
ｎ／３７Ｐｂから成る共晶はんだを用い、その中に平均
粒径５μｍ程度の樹脂粒子を分散させた。図８に拡大断
面図を示す。図中の黒色部が樹脂粒子であり、良好に金
属母相中に分散していることがわかる。
【００２６】
【発明の効果】本発明に係る電子部品の接合材料は、金
属材料中に樹脂からなる微小粒子を分散させることによ
り、基本的に母相金属の種類を選ばず、軟質金属に匹敵
する性質が得られ、接合材料として適用可能な領域が広
くなる。また、本発明の接合材料は、微小粒子を金属中
に分散させるため、樹脂と金属との界面での剥離・亀裂
の進行は、強度の高い金属母相で阻止され、隣接する領
域に進行することはない。更に、本発明に係る電子部品
の接合材料は、微小粒子を金属中に分散させるものであ
るため、金属材料の使用量が少なくなり、金属材料が高
価な金属であったとしても、コストダウンを図ることが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電子部品の接合材料の１実施形態
を示す拡大断面模式図である。
【図２】本発明に係るバンプの拡大断面模式図である。
【図３】本発明に係る電子部品の接合材料の他の実施形
態を示す拡大断面模式図である。
【図４】本発明に係る電子部品の接合材料によって電子
部品を接合した接合部を示す拡大断面模式図である。
【図５】本発明に係る電子部品の接合材料の更に他の実
施形態を示す拡大断面模式図である。
【図６】本発明に係る電子部品の接合材料の更に他の実
施形態を示す拡大断面模式図である。
【図７】本発明に係る電子部品の接合材料の更に他の実
施形態を示す拡大断面模式図である。
【図８】実施例における接合材料の拡大断面図である。
【符号の説明】
１０，２４，３０，４８：接合材料 １２，４０：金属材料 １４，３６：微小粒子 １６，２６，２８：電子部品 １８：バンプ ２０：金属粒子 ２２，４６：フラックス ３２，３４，４４：粒子 ３８，４２：金属
フロントページの続き (72)発明者 宍戸 逸朗 滋賀県野洲郡野洲町大字市三宅800番地 日本アイ・ビー・エム株式会社 野洲 事業所内 (56)参考文献 特開 平８−264932（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−288291（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−213400（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−236529（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−235096（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−180036（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/60 H01L 21/60 311 H01L 21/52

Claims (13)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 金属材料中に、樹脂からなる微小粒子が
    分散させられている接合材料。
  2. 【請求項２】 前記金属材料は、２種以上の金属の合金
    から成る請求項１に記載する接合材料。
  3. 【請求項３】 前記微小粒子は、前記金属材料と同種又
    は異種の金属により被覆されている請求項１又は請求項
    ２に記載する接合材料。
  4. 【請求項４】 金属材料から成る金属粒子と、該金属材
    料と同種又は異種の金属により被覆されている、樹脂か
    ら成る微小粒子と、フラックスとを含む接合材料。
  5. 【請求項５】 前記請求項４に記載する接合材料は、ペ
    ースト状である接合材料。
  6. 【請求項６】 前記金属粒子は、２種以上の金属の合金
    から成る請求項４又は請求項５に記載する接合材料。
  7. 【請求項７】 前記金属粒子は、１種又は２種以上の金
    属単体の粒子の集合体である請求項４、又は請求項５に
    記載する接合材料。
  8. 【請求項８】 金属材料から成る金属粒子の中に樹脂か
    ら成る複数の微小粒子を埋設して成る粒子と、フラック
    スとを含む接合材料。
  9. 【請求項９】 前記微小粒子は、球状又は不定形状であ
    る請求項１、請求項４、又は請求項８に記載する接合材
    料。
  10. 【請求項１０】 前記微小粒子は、１種又は２種以上の
    樹脂単体の粒子の集合体である請求項１、請求項４、又
    は請求項８に記載する接合材料。
  11. 【請求項１１】 前記微小粒子の平均粒径は、接合部寸
    法の１％〜２０％である請求項１、請求項４、又は請求
    項８に記載する接合材料。
  12. 【請求項１２】 前記金属材料に対して、微小粒子を１
    体積％〜４０体積％添加する請求項１乃至請求項８に記
    載する接合材料。
  13. 【請求項１３】 電子部品のバンプにおいて、 金属材料から成るバンプの中に少なくとも樹脂から成る
    複数の微小粒子が埋設されていることを特徴とする電子
    部品のバンプ。
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