JP3925554B2 - 鉛フリーはんだボール - Google Patents

Description

本発明は、ＢＧＡ（ボール・グリッド・アレイ）やＣＳＰ（チップ・サイズ・パッケージ）のような表面実装部品のバンプ形成に使用する鉛を含まないはんだボールに関する。

かつての電子部品は、長いリードを有するアキシャル部品が主流であったが、電子機器の小型化にともない、電子部品の搭載点数を少なくするためシングルインラインパッケージ（ＳＩＰ）やデュアルインラインパッケージ（ＤＩＰ）やクワッドフラットパッケージ（ＱＦＰ）等という多機能化された電子部品が出現した。これらＳＩＰやＤＩＰやＱＦＰはそれぞれ本体の１側面、両側面、あるいは本体の四側面に短いリードを設置したものであり、アキシャル部品の場合と比較して実装性は改善されるが、電子部品の本体両側面や四側面では設置するリード数および最小リード間距離に限りがあった。

最近では、電子部品の本体の裏面に電極を設置した電子部品が多く用いられるようになってきた。つまり電子部品の本体裏面は、本体の両側面や四側面よりも面積が広いため、リードの設置数をＳＩＰやＤＩＰに比べてはるかに多くすることができ、それだけ多機能になる。そのような電子部品とは、本体の裏面に電極が設置されたＢＧＡパッケージである。

ＢＧＡパッケージは代表的には頂面に半導体集積回路（ＩＣ）を取り付け、裏面に一連の電極列を配置した基板である。各電極にはんだバンプと呼ばれるはんだの円い塊を接合する。ＢＧＡパッケージは、例えば各はんだバンプが対応する導電性ランドに接触するようにプリント回路基板のうえに置き、次いで加熱してはんだバンプを溶融させることによりランドにはんだ付けされる。各はんだバンプは微少はんだ接合部を形成し、これによりＢＧＡパッケージをプリント配線基板に機械的にまた電気的に接続する。はんだバンプを使用することで、多くの均一なはんだ接合部がＢＧＡパッケージの電極のすべてについて同時に形成できるという利点がある。

ＢＧＡパッケージは非常に多くの寸法のものと構造のものとがある。ＢＧＡパッケージが基板上の集積回路チップとほぼ同じ程度の平面寸法のとき、これをＣＳＰ（チップスケ−ルパッケージ）という。ＢＧＡパッケージが多数のＩＣチップを含むとき、ＭＣＭ（マルチチップモジュール）という。

このようなＢＧＡにはんだバンプを形成するには、各種方法が有り、一般的方法は、はんだボールを用いる方法である。はんだボールは、一定量であり、しかも基板上の適宜位置に供給しやすい球状であるため、ＢＧＡのバンプ形成には最適な形状である。

ところで従来のＢＧＡのバンプ形成用に使用されていたはんだボールは、ＰｂとＳｎの合金であった。このＰｂ−Ｓｎ合金のはんだは、Ｐｂ−６３％Ｓｎの共晶組成であり、融点が１８３℃というように電子部品を熱損傷させない適当な温度となっているばかりでなく、ＢＧＡの電極やプリント基板のランドに対する濡れ性に優れているため、はんだ付け不良も少ないという優れた特長を有している。

しかしながら、近年、鉛公害が指摘されＰｂ−Ｓｎのはんだボールの使用が問題になっている。つまりＰｂ−Ｓｎはんだではんだ付けした電子機器が故障したり古くなったりした場合は、廃棄処分される。この電子機器は、廃棄されるときその一部は再利用、つまりリサイクルされる。例えば、ケースのプラスチックや、フレームの金属や電子機器の貴金属は通常回収される。しかし、はんだが付着したプリント基板は、破砕して埋め立て処分されている。そしてこの埋め立て処分されたプリント基板に酸性雨が接触すると、はんだがＳｎ−ＰｂはんだのようにＰｂ成分を含むときは、はんだ中のそのＰｂ成分が溶出して、それが地下水に混入する。このようにＰｂ成分を含んだ地下水を人間または生物が長年月飲用すると、Ｐｂが体内に蓄積され鉛中毒を起こすと云われている。

そこで最近では、鉛含有はんだを使用することによるこのような環境・健康問題を回避するために、電子工業分野では、Ｐｂを全く含まない、いわゆる「鉛フリーはんだ」というものが使用されるようになってきた。

鉛フリーはんだの最も代表的なものは、Ｓｎを主成分としたＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ｚｎ系、およびこれらにさらにＡｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｇｅ、Ｐ、Ｇａ等を適宜添加したものである。

このように鉛フリーはんだとしては各種の系のものがあるが、それぞれ一長一短があり、用途によって使い分けている。
Ｓｎ−Ａｇ系にＣｕを添加した鉛フリーはんだは本発明出願人が既に日本国特許第３，０２７，４４１号として特許を得たものである。この組成の中でもＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕが、はんだ付け性、接合強度、耐熱疲労性等の特性に優れているため、現在は多くの電子機器のはんだ付けに使用されており、またＢＧＡのバンプを形成するためのはんだボールとしても使用されている。

ところでＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系鉛フリーはんだをはんだボールとした場合、はんだボールの表面に凹凸が生じることがあり、この凹凸がはんだボール搭載時に、滑らかな転がりを阻害して、搭載装置での供給不良の原因となることがあった。そこでＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系鉛フリーはんだにおける表面の凹凸をなくすために、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系にＧｅ、Ｎｉ、Ｐ、Ｍｎ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｓ、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｉｎから選ばれた一種以上を０．００６〜０．１質量％添加した鉛フリーはんだボールが特開２００２−５７１７７号公報に開示されている。

上記公報に開示されたはんだボールは、表面に凹凸がないため、はんだボールの供給には支障をきたさなくなるという効果を奏するものである。このはんだボールは、接合強度が強いという特長も有している。上記公報の記載によれば、Ｇｅにはさらに耐酸化性向上に効果があり、またＮｉ、Ｐ、Ｍｎ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｓ、Ｉｎは融点低下と接合強度を高める効果があり、そしてまたＳｂは強度を向上させる効果があるとされている。

ところでＢＧＡでは、搭載装置によってはんだボールをＢＧＡに搭載するが、搭載装置では吸着治具ではんだボールを吸着してから、その吸着治具をＢＧＡ上の所定の位置に移動させ、そこではんだボールをリリースすることによりＢＧＡの電極に搭載する。はんだボールが搭載されたＢＧＡ基板をリフロー炉で加熱して、はんだボールを溶融し、はんだバンプを形成する。

ＢＧＡでは一カ所でもはんだボールが搭載されていないと高価なＢＧＡパッケージ全体が不良となるため、上述のようにリフロー炉で加熱してはんだバンプを形成した後に画像認識装置でその底面を検査してはんだバンプの有無を確認する。画像認識装置は、はんだバンプ表面から反射光で判断するから、はんだボールの表面が黄色く変色（以下、黄変という）すると、反射率が低下し、画像認識装置でのはんだバンプの有無の判断にエラーを生じることがある。つまり、リフロー炉での加熱に際してのはんだバンプ表面の黄変は好ましくない。

また従来からの知識からも加熱による黄変は金属の劣化の指標と考えられており、この点からも黄変は好ましくない。
特開２００２ー５７１７７号公報に開示されたはんだボールは、表面の凹凸が改善されたため、ＢＧＡに供給しやすくなり、はんだ付け後の接合強度が向上するという効果を有している。しかしながら、かかるはんだボールには、はんだ付け性、つまりＢＧＡの電極やプリント基板のランド対する濡れ性に対する更なる改善が求められている。

また、そのようなはんだボールは、大きめのはんだボール、例えば直径が０．５ｍｍよりも大きいはんだボールでは強い接合強度を有している。これは、はんだ自体の接合強度が強いからである。しかしながら、このはんだボールは、特に直径が０．５ｍｍ以下のものであると、接合強度が弱くなることがあった。

さらに長期間の使用後に一部のバンプに剥離が見られることがあり、その改善が求められている。
ここに、本発明の目的は、直径が小さくても接合強度に優れ、黄変が見られず、さらに長期間の接合信頼性を発揮するはんだボールを提供することである。

本発明者らが、かかる特性を改善したはんだボールを開発すべく、種々検討を重ねた結果、次のような知見を得て、本発明を完成した。
（１）直径が小さいはんだボールで接合強度が弱くなる原因は、はんだと電子部品の電極間にボイドが発生したときに、はんだ接合部に対するボイドの占める割合が大きいからである。

つまり、はんだ付け時に、はんだ接合部に発生するボイドは、はんだ付け部の大きさに関係なく、ほぼ同じ大きさとなるため、はんだ付け部が大きいところではボイドの占める割合は小さく、ボイド以外の部分での接合部で充分強度を保持することができる。しかしながら、はんだ付け部が小さいところではボイドの占める割合が大きくなって、実際にはんだと電極が接合する面積が小さくなるためはんだ接合強度が弱くなる。
（２）本発明者らがさらにＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｐ系鉛フリーはんだの濡れ性とボイドについて検討を行ったところ、濡れ性とボイドについてはＰが大いに影響していることが判明した。つまり、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｐ系鉛フリーはんだでは、Ｐの添加量が多すぎると、はんだ付け性を害し、ボイドを発生させてしまうものである。

しかしながら、Ｐは黄変防止に効果があり、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｐ系の鉛フリーはんだボールにおいてＰを完全に除外することはできない。
そこで、本発明者らは、このようなはんだボールに関して濡れ性やボイド発生に影響がなく、しかも黄変防止に効果のあるＰの添加量を見出したのである。
（３）はんだの性能として最も重要視されることは接合信頼性である。接合界面からのバンプ剥離はただちに導通不良をもたらすことから、はんだそのものの強度よりも重要視される。Ｐの上述の範囲での微量添加には、予想外にもはんだ接合部の長期信頼性を向上する効果があることをさらに見出した。

すなわち、本発明は、Ａｇ１．０〜４．０質量％、Ｃｕ０．０５〜２．０質量％、Ｐ０．０００５〜０．００５質量％、残部Ｓｎからなことを特徴とする鉛フリーはんだボールである。
本発明によれば、上述の鉛フリーはんだボールがバンプ形成後に表面が黄色く変色せず、また粒径が小さくても接合強度が確保され、同時に長期にわたる接合信頼性が発揮される。

図１は、Ｐ添加無しの場合、金めっき基板にはんだバンプを形成したときのエージングの前後における界面の断面の金属組織写真および剥離面の断面の金属組織写真である。 図２は、Ｐ添加有りの場合、金めっき基板にはんだバンプを形成したときのエージングの前後における界面の断面の金属組織写真および剥離面の断面の金属組織写真である。 図３は、Ｐ添加無しの場合、Ｃｕ−ＯＳＰ（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｒｅｆｌｕｘ：プリフラックス）めっき基板にはんだバンプを形成したときのエージングの前後における界面の断面の金属組織写真および剥離面の断面の金属組織写真である。 図４は、Ｐ添加有りの場合、プリフラックス基板にはんだバンプを形成したときのエージングの前後における界面の断面の金属組織写真および剥離面の断面の金属組織写真である。

ここで、本発明においてはんだボールの合金組成を上述のように規定した理由を説明すると次の通りである。なお、本明細書において、はんだ合金組成を示す「％」は、特に断りがない限り、「質量％」である。

本発明の鉛フリーはんだボールは、Ａｇの添加量が１．０％よりも少ないと、液相線温度が高くなるため、必然的にはんだ付け温度も高くせざるを得ず、ＢＧＡに対する熱影響が懸念されるようになる。また、Ａｇは、はんだ付け性に効果のある元素であり、Ａｇの添加量が１．０％よりも少ないとはんだ付け性が悪くなって不良発生の原因となる。しかしながら、Ａｇの添加量が４．０％を超えると、ＡｇＳｎ化合物の粗大化が顕著になって接合信頼性を損ない、一方、液相線温度の上昇ではんだ付け温度が高くなってしまう。好ましくは、Ａｇ：１．０〜３．５％である。

Ｃｕは、Ｓｎ−Ａｇ系合金において、融点降下とはんだの強度向上に効果のある元素であり、その添加量が０．０５％よりも少ないと、これらの効果が現れない。しかるにＣｕの添加量が２．０％よりも多くなると液相線温度が高くなって、はんだ付け温度も高くなるばかりでなく、ＳｎＣｕの金属間化合物が大量に析出してはんだ付け性を害するようになる。好ましくは、Ｃｕ：０．０５〜０．７５％である。

Ｐは、Ｓｎ主成分のはんだ合金において、エージング後のバンプ剥離防止に効果があるばかりでなく、黄変防止にも効果があるが、大量に添加すると濡れ性を害し、ボイドを発生させる元素である。Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金においては、Ｐの添加量が０．０００５％よりも少ないと、黄変防止の効果が現れず、一方、０．００５％を超えると、はんだ付け性を害するとともに、ボイドを発生させるようになる。したがって、Ｐ：０．０００５〜０．００５％である。

本発明の鉛フリーはんだボールは、ＢＧＡの電極に搭載してリフロー炉で加熱溶融後、表面が黄変してはならない。これは前述のように、ＢＧＡにはんだバンプ形成後に画像処理、若しくは外観確認を行うときにエラーが発生しないようにするためである。

また本発明の鉛フリーはんだボールは、溶融しないまでも、高温に放置したときにも黄変してはならない。高温放置で黄変してはならないのは、鉛フリーはんだボールの使用者が受け入れ検査の時に、高温放置で黄変しないことを条件としており、高温放置で黄変しなければ、溶融時にも黄変しないとしているからである。

ＢＧＡに使用するはんだボールは、０．５〜０．７６ｍｍが主流であるが、ＣＳＰやウエハーでは０．０４〜０．５ｍｍのような微小球のはんだボールが使用される。本発明の鉛フリーはんだボールは、ボイドの発生が極めて少ないため、そのような微小球においても接合強度を保持することができる。特に０．０４〜０．５ｍｍのような微小球のはんだボールにおいて信頼性向上の効果がある。

ＢＧＡが実装された電子機器は、使用時に高温に曝されることがあり、例えば１００℃以上の高温に曝されることがあるが、本発明にかかるはんだボールを使用してバンプを形成することにより、バンプの剥離は見られず、むしろそのような１種のエージングによりバンプの接合力は強化され、そのような過酷な使用環境下でも接合信頼性は確保される。

本発明にかかるはんだボールの製造方法は、特に制限されず、適宜手段で製造すればよく、例えば、各種油中造球法、均一液滴噴霧法などを採用して製造してもよい。

本例では、表１に示す各種組成を有するはんだ合金を調整し、以下のような各種特性評価を行った。結果は表１にまとめて示す。
まず、各はんだ合金の液相線温度および固相線温度を示差熱分析による加熱曲線で測定した。表中で、Ｓ．Ｔ．は固相線温度、Ｌ．Ｔ．は液相線温度を示す。

次に、油中造球法により直径０．５ｍｍのはんだボールを作製後、大気中で１２５℃に１２時間放置後、目視により球表面における黄変状態を観察した。はんだボールの表面が全く黄変しなかったものを良、少し黄変したものを可、黄変が激しいものを不可として、耐黄変性を評価した。

上記のはんだボールを使用して、酸素濃度１００ｐｐｍ以下の窒素雰囲気下でピーク温度２４０℃、はんだの液相線温度以上の保持時間４０秒のリフロー条件で、ＢＧＡの電極にバンプを形成後、東芝社製のＸ線検査装置を使用してはんだバンプにおけるボイドの発生の有無および大きさを観察した。はんだ付け部におけるボイドの占める面積の割合が１０％未満を良、１０〜３０％を可、３０％超を不可とした。

表１の結果から、本発明の鉛フリーはんだボールは、黄変やボイドの発生がないことが分かる。
従って、本発明の鉛フリーはんだボールは、ＢＧＡではんだバンプを形成後、画像処理装置ではんだバンプの検査を行ったときにエラーがないため正確な検査が行え、またはんだ付け時の不良発生が少ないばかりでなく強い接合強度が得られるものである。

本例では、はんだ接合部の接合信頼性を、高温放置、つまりエージング前後のプル強度測定によるバンプ破壊形態から評価した。
試験条件は次の通りであった。

本例におけるはんだ合金組成は、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５ＣｕとＳｎ−４．０Ａｇ−０．５ＣｕにＰを０〜４００ｐｐｍ添加したものである。かかるはんだ合金から直径０．５ｍｍのはんだボールを油中造球法により製造し、これを基板に予め設けたランドに載置させ、酸素濃度１００ｐｐｍ以下とした窒素雰囲気下で２４０℃のピーク温度で液相線温度以上の温度に４０秒間保持してそれを溶融させるリフロー処理によりはんだバンプを形成した。このときの基板はそれぞれ金めっき基板とＣｕ−ＯＳＰ（プリフラックス）基板を用いた。

バンプ形成後に、エージングを大気雰囲気下１５０℃で２００時間行った。
エージングの前後において、英国Ｄｅｇｅ社製の測定装置を使って、プル速度３００μｍ／ｓｅｃ、プル閉圧力１０ＰＳｉ、プル保持時間２秒でプル試験を行い、はんだバンプを剥離して、剥離した割合、つまり界面剥離率、およびプル保持時間２秒経過までの最大プル強度（５０点の平均値）を求めた。

表２、表３に示すこれらの結果は、エージング前後のプル強度測定において、界面から剥離したはんだバンプの割合を示している。すなわち、界面剥離率が小さいほど接合界面の接合信頼性が高いことを示している。カッコ内は、最大プル強度の平均値を示す。

表２、表３に示す通り、リフロー直後の界面剥離率はＰの有無で変わりない。エージング後では金めっき、プリフラックス両基板においてもＰ無添加組成の方が界面剥離数の減少率が大きいことが解る。

この効果ははんだに添加された微量Ｐが、接合反応層の構造を変化させたことによる。
図１および図２は、金めっき基板の下地のＮｉとＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕはんだの接合界面とプル試験による剥離面の断面組織の顕微鏡組織写真であり、それぞれＰ添加（３０ｐｐｍ）の無し、有りの場合を示す。なお、それぞれにはエージング前後における剥離面の断面金属組織写真をも併せて示してある。

図３および図４は、プリフラックス基板の下地のＣｕとＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕはんだの接合界面とプル試験による剥離面の断面組織の顕微鏡組織写真であり、それぞれＰ添加（３０ｐｐｍ）の無し、有りの場合を示す。なお、それぞれにはエージング前後における剥離面の断面金属組織写真をも併せて示してある。

これらの結果からも分かるようにエージング前の反応層には両基板において、Ｐ添加の有無で違いは無い。その時のプルによる剥離面は金めっき基板ではＰリッチ層（Ｐ−ｒｉｃｈ ｌａｙｅｒ、Ｐ添加の場合）／反応層界面、プリフラックス基板ではＣｕ／Ｃｕ_６Ｓｎ_５界面である。

エージング後のプル剥離面は、金めっき基板のＰ添加無しではＰリッチ層／反応層界面と同じであるが、Ｐ添加組成では、反応層中（第１層／第２層界面）に変化している。プリフラックス基板ではどちらもＣｕ_３Ｓｎ／Ｃｕ_６Ｓｎ_５界面であるがＰ添加組成の方ではＣｕ_６Ｓｎ_５層が薄く形成される。

このように、金めっき基板では第２層の形成により、プリフラックス基板ではＣｕ_６Ｓｎ_５層の薄化効果によって、長期使用および高温環境下においても接合信頼性が向上したことは明らかである。

Ｐ添加によるかかる接合信頼性の改善効果は本発明によって初めて見出された現象である。またこの効果ははんだ粒径に左右されないものである。

本発明の鉛フリーはんだボールは、溶融させたり高温に曝したりしても表面が黄変しない。従って、本発明の鉛フリーはんだボールを用いてＢＧＡの電極にはんだバンプを形成後、画像処理装置でバンプ形成有無の検査をしたときに、エラーがなくなるため正確な検査ができる。

また本発明の鉛フリーはんだボールは、ＢＧＡの電極やプリント基板のランドに対する濡れ性に優れていることから、はんだ付け不良の発生がないばかりでなく、ボイドの発生も非常に少ないため強い接合強度を得ることができるものである。

本発明の鉛フリーはんだボールは、ＢＧＡのバンプ形成用として優れた効果を奏するものであるが、ＢＧＡやＣＳＰの他、電極がさらに小さいウエハーにバンプを形成する場合にも使用できる。ウエハーバンプ用のはんだボールは、直径が０．１ｍｍ以下という極微小であり、接合面積も極微小となるため、はんだ付け部に小さなボイドが発生しただけで、接合強度に大いに影響してくる。

しかしながら、本発明の鉛フリーはんだボールは、ボイドの発生がほとんどないため、ウエハーバンプ形成に使用した場合、強い接合強度が得られるものである。
さらに、本発明にかかるはんだボールによれば、長期の使用あるいは高温環境したでの使用に際しても、接合信頼性に優れたはんだバンプが得られる。特に、車載基板および産業機器基板はシリコーンなどの樹脂でコーティングされることが多いが、そのときのエージングによってむしろ耐剥離性が顕著に改善されるという微量Ｐ添加の作用効果は予想外であり、それにより本発明は、電子機器の信頼性の向上に大きく寄与するものである。

Claims (5)

1. Ａｇ：１．０〜４．０質量％、Ｃｕ：０．０５〜２．０質量％、Ｐ：０．０００５〜０．００５質量％、残部Ｓｎから成る合金組成を有することを特徴とする鉛フリーはんだボール。
2. 前記合金組成において、Ａｇ：１．０〜３．５質量％である、請求項１記載の鉛フリーはんだボール。
3. 前記合金組成において、Ｃｕ：０．０５〜０．７５質量％である、請求項１記載のはんだボール。
4. 粒径が０．０４〜０．５ｍｍである、請求項１ないし３のいずれかに記載の鉛フリーはんだボール。
5. 請求項１記載のはんだボールから形成されたはんだバンプ。

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