JP4375485B2 - 鉛フリーはんだ合金の製造方法及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体パッケージ、電子素子等の実装部材をプリント回路板に回路形成を目的として鉛フリーはんだを用いてはんだ接合する際に、プリント回路板の銅ランドと半導体パッケージ、電子素子等リード端子との間にはんだを介してはんだ接合させる鉛フリーはんだ合金、および該はんだを使用してはんだ接合した半導体装置に関するもので、更に詳しく言えば、現行の鉛フリーはんだ合金よりも物理的機械的物性として遥かに柔軟で伸び、靭性に富み、溶融状態での粘性が低く、ぬれ広がり性が良くて、オーバーボリュームになり難く、狭間隔で隣接するリードへブリッジリークし難く、かつ、はんだ接合した微小接合部の接合信頼性が高いはんだ接合を可能にする鉛フリーはんだ合金、また本発明の該鉛フリーはんだ合金を用いてはんだ接合した半導体装置、及び技術の提供に関するものである。

近年、電子機器はますます高信頼性化と小型軽量化が要求され、トランジスタ、ダイオード、ＩＣ、抵抗器、コンデンサーなどの電子素子、コネクターなどの電子部品をプリント回路板にはんだ接合して搭載して電子回路を形成させ、半導体装置や電子装置として広く使用されているが、これら電子素子、電子部品の小型微小化に伴いはんだ接合部も微細化され、ますます高品質信頼性が要求されている。とりわけプリント回路板と電子素子部品間の微小はんだ接合品質には極めて厳しい信頼性が要求されている。
このため、はんだ接合に使用するはんだ合金側にもはんだ接合強度、とりわけ電子素子、電子部品のリードの接合面積およびピッチの微小化に伴うはんだ接合部の高信頼性が要求されている。
また一方では、近年、環境汚染ならびに人体に対する有害性の問題で鉛の使用禁止または規制化が進み、特に電子部品分野においては鉛を含有しない所謂「鉛フリーはんだ合金」がはんだ付け加工に広く使用されており、特に、錫・銀・銅系はんだ合金、及びそれにアンチモンを添加したはんだ合金（特許文献１）、錫・銀・銅系はんだ合金にニッケルまたはゲルマニウムなどを添加したはんだ合金（特許文献２）などが提案され、実用化されている。このほかにも、錫・亜鉛・ニッケル系はんだ合金及び更に銀、銅、ビスマスなどを添加したはんだ合金（特許文献３）など数多くの各種はんだ合金が提案されている。
しかしながら、これらの鉛フリーはんだ合金は溶融時のぬれ性が良くないため、はんだ接合部面積が微細になると、接合部に必要以上の容量ではんだが盛り上がる所謂「オーバーボリューム」やリード間ピッチが狭小の回路では隣接リードにブリッジオーバーしてリークを生じやすい難点があるばかりか、凝固時のはんだの物理的機械的特性の１つである伸びが小さいために通電ｏｎ−ｏｆｆに伴う繰返しヒートサイクルによるはんだ接合部の疲労破断による導通不良など生じやすく、微小化した電子機器の接続信頼性を損なうことも多い。
特開平５−５０２８６（特許３０２７４４１） 特開平１１−７７３６６（特許３２９６２８９） 特開平９−９４６８８（特許３２９９０９１）

本発明は、現在、実用化されている鉛フリーはんだ合金における微小リード・極狭リードピッチ回路の微小部はんだ接合時の難点である上記オーバーボリュームの問題、ブリッジオーバーによる隣接リードとのリークの問題、更には該はんだ接合部の繰返しヒートサイクルによる経時劣化的疲労破断による導通不良の問題を解決することを目的とし、微小電子部品の微細接合部の接合信頼性を飛躍的に向上させる鉛フリーはんだ合金、およびそれを使用することにより微小部のはんだ接合信頼性を飛躍的に向上させた半導体装置を提供するものである。

本発明は、炭素数が１３〜２０の有機脂肪酸５〜８０質量％を含有する油からなる液温１８０〜３００℃の溶液中に、現在、広く実用されている通常の鉛フリーはんだ合金、即ち、錫を主成分としこれに銀、銅、亜鉛、ビスマス、アンチモン、ニッケル、ゲルマニウムのいずれか１種以上の金属を添加した溶融鉛フリーはんだ合金を浸漬し撹拌処理し、該鉛フリーはんだ中の酸化物及び不純物を除去することにより、従来にない物性を持ったぬれ広がり性が良くて、はんだの物理的機械的物性として柔軟で伸び、靭性に優れ、それを用いてはんだ接合した接合部、特に微細接合部の接合信頼性が高いはんだ接合を可能にするはんだ合金、及びそれを使用することにより微小部のはんだ接合信頼性を飛躍的に向上させた半導体装置、及びその技術の提供に関するものである。

更に詳しく言えば、本発明で用いる有機脂肪酸は炭素数１２以下でも使用可能ではあるが吸水性があり、高温で使用する関係からあまり好ましくない。また、炭素数２１以上の有機脂肪酸では融点が高いこと及び浸透性が悪くまた取扱いし難く処理後の該鉛フリーはんだ合金の防錆効果も不充分になる。望ましくは炭素数１６のパルミチン酸、炭素数１８のステアリン酸が最適であり、そのいずれか１種を１０〜７０質量％と残部エステル合成油からなる液温１８０〜３００℃の溶液を用いることにより、該鉛フリーはんだ合金内部に存在する酸化物や不純金属を除去し、従来にない物理的機械的化学的物性、特に、柔軟で伸び、靭性に富み、溶融時の粘性が低く（見た目の感覚でも従来の鉛フリーはんだと比較して明らかに「さらさら」感がある）、はんだぬれ性のよい優れた清浄な鉛フリーはんだ合金が得られる。
該有機脂肪酸濃度については１０質量％以下でも効果はあるが、補充管理など煩雑なこと、また７０質量％以上では液粘度も高くなり、該鉛フリーはんだ合金との撹拌抵抗及び混合浸透性に問題を生じるため、好ましくは１０〜７０質量％である。液温は使用する鉛フリーはんだ合金の融点で決まり、少なくとも該融点以上の高温領域で有機脂肪酸溶液と溶融した該鉛フリーはんだを激しく撹拌接触させる必要がある。
また上限温度は発煙の問題や省エネの観点から３００℃程度であり、望ましくは使用する鉛フリーはんだの融点以上の温度〜２７０℃である。また、エステル合成油を混合する理由は液粘度を下げて均一な撹拌処理を行うこと及び有機脂肪酸の高温発煙性抑制にあり、その濃度は有機脂肪酸濃度で決まる。

撹拌方法は、加熱装置のついたステンレス容器に上記有機脂肪酸とエステル合成油を入れて所定の温度に加温しながら通常のバッチ式ステンレス製インペラ撹拌子などを用いて撹拌して均一に溶液化させ、その中に予め別槽で溶融させた該鉛フリーはんだ合金液を少量ずつ激しく撹拌しながら注入すればよい。撹拌はスタティックミキサーを使うと短時間で該鉛フリーはんだ中の酸化物および不純物の除去が効率的に出来る。

鉛フリーはんだ合金の種類は、実際に錫・銀・銅系とそれにニッケル、ゲルマニウムを添加した市販の合金、及び錫・亜鉛系合金にニッケル、銀を添加した合金を中心に上記本発明の有機脂肪酸とエステル合成汕で浸漬撹拌処理を実施しその効果を検証したが、これ以外の鉛フリーはんだ合金に該本発明処理を適用すれば同様の効果が得られるものと類推される。

上記の炭素数が１３〜２０の有機脂肪酸５〜８０質量％と残部エステル合成からなる液温１８０（使用する鉛はんだ合金材料の融点以上の温度）〜３００℃の溶液中に、現在、広く実用されている通常の鉛フリーはんだ合金、即ち、錫を主成分としこれに銀、銅、亜鉛、ビスマス、アンチモン、ニッケル、ゲルマニウムのいずれか１種以上の金属を添加した溶融鉛フリーはんだ合金を注入し浸漬撹拌処理すると、該溶融鉛フリーはんだ合金中に存在する錫酸化物、銅酸化物、銀酸化物、あるいはその他の添加金属の酸化物および微量混入している鉄、鉛、珪素、カリウムなどの酸化不純物が有機脂肪酸のカルボニル基と反応して取り込まれケン化物となり、該鉛フリーはんだ合金内部から分離除去される。
撹拌時間は該鉛フリーはんだ合金の投入量および撹拌機の構造および撹拌条件にもよるが、一般的には１０〜６０分間程度強撹拌すれば充分である。その後、比重差を利用して反応槽最下部より上記酸化物および大半の不純物が分離除去され清浄化された該鉛フリーはんだ合金を溶融状態で鋳型等に取り出し、凝固させ、通常のはんだ付け装置に投入してはんだ接合すればよい。

上述の条件で製造した本発明の鉛フリーはんだ合金の物理的機械的及び化学的特性を調べると、以下の実施例（１〜３）に示した通り、現在広く使われている鉛フリーはんだ合金（比較例１〜３）に較べて、伸び、破断伸びが著しく向上していること、はんだ接合の際のはんだぬれ性も遥かによく、また溶融時の粘性も低く、微小部のはんだ接合に最適な鉛フリーはんだ合金であることが確認された。即ち、リード面積が０．０８ｍｍφ、隣接リード間隔が０．０８ｍｍの極狭ピッチにおいてもオーバーボリューム、およびブリッジオーバーして隣接リードにリークすることなく、また高低温ヒートサイクルに伴う微小はんだ接合部の疲労破断による電子回路の導通不良もなく、本発明鉛フリーはんだによる接合部の長期接続信頼性が優れていることがわかった。

実施例および比較例

比較例１

銀２．５質量％、銅０．５質量％、残部錫からなる鉛フリーはんだ合金

比較例２

銀２．５質量％、銅０．５質量％、ニッケル０．０１質量％、ゲルマニウム０．００５質量％、残部錫からなる鉛フリーはんだ合金

比較例３

亜鉛８．０質量％、ニッケル０．０５質量％、銀１．０質量％、残部錫からなる鉛フリーはんだ合金

上記比較例１と同じ組成の、銀２．５質量％、銅０．５質量％、残部錫からなる鉛フリーはんだ合金を予め溶融させておき、ステアリン酸５０質量％と残部エステル合成からなる液温２６０℃の溶液中に少量ずる滴下しながら上下２段に設置されたステンレスインペラー付回転式撹拌機で激しく撹拌しながら、３０分後に処理槽の最下部から還元清浄化された該鉛フリーはんだを取り出し、評価試験に供した。

上記比較例２と同じ組成の、銀２．５質量％、銅０．５質量％、ニッケル０．０１質量％、ゲルマニウム０．００５質量％、残部錫からなる鉛フリーはんだ合金を予め溶融させておき、パルミチン酸４０質量％と残部エステル合成からなる液温２５５℃の溶液中に少量ずる滴下しながら上下２段に設置されたステンレスインペラー付回転式撹拌機で激しく撹拌しながら、６０分後に処理槽の最下部から還元清浄化された該鉛フリーはんだを取り出し、評価試験に供した。

上記比較例３と同じ組成の、亜鉛８．０質量％、ニッケル０．０５質量％、銀１．０質量％、残部錫からなる鉛フリーはんだ合金を予め溶融させておき、パルミチン酸４０重量％とステアリン酸２０質量％と残部エステル合成からなる液温２８０℃の溶液中に少量ずる滴下しながら上下２段に設置されたステンレスインペラー付回転式撹拌機で激しく撹拌しながら、２０分後に処理槽の最下部から還元清浄化された該鉛フリーはんだを取り出し、評価試験に供した。

物理的機械的評価方法は、上記比較例１〜３及び実施例１〜３の各鉛フリーはんだ合金をステンレス（ＳＵＳ ３０４）製鋳造金型（ＪＩＳ ６号）を用い、評点間距離 Ｌ＝５０ｍｍ、直径 ８ｍｍφ、チャッキング部長さ Ｌ＝２０ｍｍ、直径 １０ｍｍφの試験片を作成し、ＪＩＳ Ｚ ４４２１）の試験方法により島津製作所製引張り試験機（ＡＧ１００型）を用い、室温２５℃において、それぞれ繰返し３（ｎ＝３）で、荷重負荷速度 ５ｍｍ／ｍｉｎで試験測定した。
また、化学的物性評価方法は、上記比較例１〜３及び実施例１〜３の各鉛フリーはんだ合金をメニスコグラフによるはんだ濡れ性試験方法によりそれぞれ繰返し５（ｎ＝５）でゼロクロス時間を測定した。その際、測定ピンは０．４ｍｍφの純銅線を使用した。

その結果は下記［表１］の通り、実施例の清浄化鉛フリーはんだ合金では比較例に較べて物理的機械的特性のうち特に伸びが１．５倍以上大きく、破断し難いことを示唆している。また、はんだ濡れ性でも圧倒的に濡れ易く、溶融状態における粘性、即ち、さらさら感も従来のはんだ合金にない低粘性を保有している。これは、凝固後のはんだ内部結晶組織で見ると、本発明の鉛フリーはんだ合金の場合（実施例１）は結晶粒界が小さい（［図１］）のに対して、同じ組成で本発明の処理をしていない鉛フリーはんだ合金の場合（比較例２）は柱状結晶の長さが長いことが知見された（［図２］）。また、伸びの大きさに対して実施例の引張強度は比較例と大差なく、従って、靭性も強靭で長期ヒートサイクル試験での膨張収縮による疲労破壊も生じ難いことが確認された。

産業上の利用の可能性

以上の通り、本発明の技術は明らかに従来の鉛フリーはんだ合金にない高い伸びと強靭性、特に微小面積接合部の繰返しヒートサイクル疲労による接合破断リスクが小さく従って微細化する電子機器のはんだ接合の長期高信頼性確保を可能にする鉛フリーはんだ合金として工業的に価値が高い技術である。

本発明の鉛フリーはんだ合金（実施例２）の内部断面結晶組織事例 従来の鉛フリーはんだ合金（比較例２）の内部断面結晶組織事例

Claims (4)

1. 炭素数が１３〜２０の有機脂肪酸５〜８０質量％と残部エステル合成油からなる液温１８０〜３００℃の溶液中に、錫を主成分としこれに銀、銅、亜鉛、ビスマス、アンチモン、ニッケル、ゲルマニウムのいずれか１種以上の金属を添加した溶融鉛フリーはんだ合金を浸漬し撹拌処理することにより、該鉛フリーはんだ中に存在する金属酸化物及び不純物を除去したことを特徴とする電子部品用鉛フリーはんだ合金の製造方法。
2. 請求項１記載の電子部品用鉛フリーはんだ合金の製造方法において、
   有機脂肪酸としては、パルミチン酸、ステアリン酸のいずれか１種を用いることを特徴とする、電子部品用鉛フリーはんだ合金の製造方法。
3. 炭素数が１３〜２０の有機脂肪酸５〜８０質量％と残部エステル合成油からなる液温１８０〜３００℃の溶液中に、錫を主成分としこれに銀、銅、亜鉛、ビスマス、アンチモン、ニッケル、ゲルマニウムのいずれか１種以上の金属を添加した溶融鉛フリーはんだ合金を浸漬し撹拌処理することにより、該鉛フリーはんだ中に存在する金属酸化物及び不純物を除去した電子部品用鉛フリーはんだ合金を使用して半田接合したことを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 請求項３記載の半導体装置の製造方法において、
   有機脂肪酸としては、パルミチン酸、ステアリン酸のいずれか１種を用いることを特徴とする、半導体装置の製造方法。

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