JP4432041B2 - はんだ合金およびはんだボール - Google Patents

Description

本発明は、電子部品等のはんだ付けに使用されるはんだ合金およびはんだボールに関する。

昨今の電子機器実装面積の減少に伴って半導体パッケージも小型化傾向にあり、半導体パッケージをマザーボードに接続する実装形態も、従来のリードを用いた周辺端子型から格子状に端子を形成したタイプへ変遷しつつある。代表的なものがＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）であり、端子部ははんだボールや、はんだペーストを用いて基板に接続されている。

はんだ合金については、近年の環境問題への取り組みの一つとして、はんだのＰｂフリー化が世界的に進められており、従来用いられてきたＳｎ−Ｐｂはんだは使用禁止になりつつある。代替合金の主たるものはＳｎ−３質量％Ａｇに代表されるＳｎ−Ａｇ系や、Ｓｎ−３質量％Ａｇ−０．５質量％Ｃｕに代表されるＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系等多数あるが、基本的にＳｎ主成分であるためＳｎ−Ｐｂ共晶はんだに比べると延性に乏しく、外力をはんだの変形で緩和することが困難になっている。特に、Ａｇははんだ主成分であるＳｎとの共晶点においてＳｎ−Ａｇ化合物を分散晶出させるため、Ａｇによるはんだの硬化は著しい。

一方、ＣｕはやはりＳｎとの共晶点において化合物を晶出させるがＡｇほどはんだを硬化させないので、Ｓｎ−Ｃｕ系は落下等の衝撃に耐えうる変形抵抗の小さいはんだとして有効な組成の一つである。また、Ｓｎ−Ｃｕ系はＡｇを含まないため、はんだ合金のコストを低減できるというメリットも有している。そこで、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだにぬれ性を付与する目的で、Ｐ、Ｇｅを微量に添加したはんだ合金が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−０９４１９５号公報

しかしながら、特許文献１のはんだ合金は、使用において接することとなる半導体パッケージ電極上の表面処理に多用されているＮｉめっき等に対して、その接合界面に化合物を形成し、この化合物が異常に厚く、また欠陥を持って形成されるとき、接合界面強度の劣化要因となることが懸念される。特許文献１に記述されているはんだ合金では、はんだ中にＣｕを含んでいることから、このＣｕが接合界面の化合物の成長を助長させるおそれもあり、接合界面での信頼性破壊を起こす原因となる。

また、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだは、Ｓｎ−Ａｇ系はんだに比べて、はんだ中に分散された化合物の結合エネルギーが低く、室温でも容易に拡散して凝集するため、長時間、あるいは溶融点以下の高温で放置されたはんだは均質な分散組織を保てなくなる。ＢＧＡなどのはんだ接合部は、長期にわたって半導体パッケージとマザーボードの熱膨張差に起因する負荷を受けるため、このような組織の不均質化によって、疲労寿命は著しく低下するおそれがある。

以上のような理由から、Ｓｎ−Ａｇ系においても、上記のＳｎ−３質量％ＡｇのＡｇの含有量を少なくすることで、衝撃負荷時に十分な変形をすることのでき、かつ接合界面の化合物を成長させないはんだを実現することが可能である。そして、このようなはんだは融点が通常のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだに比べて１０℃近く高くなり、ぬれ性も十分でないことから、一般的な実用化が困難であったが、本発明者らは改良の余地を見いだしている。

本発明の目的は、従来提案されている組成系のはんだ合金に対して、その基本的な機械的特性を損なわずに、接合界面に形成される反応層を抑制し、かつ実用的な融点とぬれ性を確保することで上記の接合強度を向上できるＰｂフリーのはんだ合金、そしてはんだボールを提供することにある。

本発明者らは、衝撃負荷に対するはんだ接合部を強固にする手段を、はんだ合金組成の改良の面より検討した。その結果、Ｓｎ−Ａｇ系はんだにおけるＡｇの含有量を共晶組成となる含有量よりも大幅に低減し、かつ所定量のＧｅ、好ましくはＩｎとＧｅを同時に含有せしめることで、従来の基本成分を有するはんだ合金であっても、ぬれ性を損なわず、さらなる接合強度の向上が達成できることを見いだし、本発明に到達した。

すなわち、本発明は、質量％で、Ａｇを０．１〜１．０％未満、Ｇｅを０．２％以下含み、残部Ｓｎおよび不可避的不純物からなるはんだ合金である。また質量％で、Ａｇを０．１〜１．０％未満、Ｉｎを０．１〜１０％、Ｇｅを０．２％以下含み、残部Ｓｎおよび不可避的不純物からなるはんだ合金である。本発明のはんだ合金は、Ｒｕ、Ａｌ、Ｐのうちから選ばれる１種または２種以上の元素を質量％の合計で０．１％以下含んでもよい。そして本発明は、これら本発明のはんだ合金の成分組成からなるはんだボールである。

本発明によって、はんだ付けされた電子部品における接合強度を高めることができ、電子機器の様々な使用環境における動作信頼性を向上させることができる。

上述のように、本発明の重要な特徴は、Ａｇ含有量を低く調整したＳｎ−Ａｇ系はんだにＧｅを微量含有させた点、さらには適量のＩｎを含有させた点にある。

最初に、本発明の重要な特徴のひとつであるＡｇについて説明する。本発明では、Ｓｎを主体に、質量％で、Ａｇを０．１〜１．０％未満含有する。Ａｇは、はんだ合金の融点を低下させ、またはんだ合金内にＡｇ_３Ｓｎ化合物粒として分散することによって、はんだ合金の耐熱疲労性も向上させる効果を有することから、０．１質量％以上の含有が必要である。しかし、Ｓｎ−Ａｇ化合物のはんだ合金中での分散晶出量が多すぎると、はんだ合金の硬度を著しく上昇させ、界面への過多な応力集中を招くので、添加上限は１．０質量％を超えないように厳しく制限する必要がある。好ましくは０．８質量％以下である。

本発明において第１の添加元素にＡｇを選択した理由は、Ａｇは電極に多用されるＮｉと化合物を形成しにくいからである。このことは、はんだ接合においてＡｇが直接、接合界面の形成に寄与しないことを意味する。上記のＮｉを用いた電極の場合を例にとれば、例えばＳｎ−Ｃｕ系はんだやＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだは、Ｎｉとの接合界面においてＳｎ−Ｎｉ−Ｃｕ化合物を形成する。この化合物は粗大化しやすいため、接合界面での低信頼性破壊の原因になる。しかしながら、Ｓｎ−Ａｇ系はんだはＮｉとの接合界面においてＳｎ−Ｎｉ化合物を形成するので、Ｃｕを添加するはんだに比べて安定した接合強度が期待できる。

次に、Ｇｅの添加効果について説明する。ＡｇのＳｎへの添加は、Ｓｎ基はんだの表面張力を低下させるはたらきがあるため、その添加量の低減は、ぬれ性の低下に関係する。すなわち、Ａｇの添加量を抑えることは、はんだを酸化させやすくするため、ぬれ性の低下を招き、接合信頼性の低下要因となる。そこで本発明では、Ｇｅを微量添加することによりぬれ性を向上させ、実質的に使用可能なはんだとするものであり、これが本発明の最も重要な特徴の１つである。

本発明において、Ｇｅをはんだに添加すると、溶融したはんだの表面には、優先的にＧｅの酸化膜が形成される。Ｇｅの酸化膜はごく薄く形成されるため、はんだの流動性を阻害せず、かつ溶融はんだを大気から遮断してＳｎの酸化を抑制することができる。しかしながら、ＧｅはＳｎに多く添加されると、はんだの融点を上昇させ、かえってぬれ性を阻害することになる。そのため、Ｓｎを主体に構成される本発明のはんだ合金は、ぬれ性を確保し、優れた接合信頼性を達成するために、Ｇｅを０．２質量％以下の範囲で、好ましくは０．１質量％以下の範囲で含有するものである。なお、０．００２質量％以上の含有が好ましい。

そして、本発明のはんだ合金は、上記の成分組成にＩｎを添加することが望ましい。本発明においてＩｎを添加する理由は、はんだ合金の融点を下げ、さらにはんだ溶融時の濡れ性を向上させることができるためである。Ｉｎ添加によるこれらの効果を発現させるためには０．１質量％以上の添加が好ましい。その一方、過剰に添加するとＳｎへの固溶強化によりはんだの変形抵抗は上昇するが、その硬化の程度はＡｇに比して程ではなく、１０質量％を上限とすることができる。

以上のように、本発明の成分量に調整のされたＳｎ−Ａｇ−Ｇｅ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｇｅ系のはんだ合金は、共晶組成近傍となるようにＡｇ、Ｃｕの添加されたＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ合金に比べて、高速な負荷に対するはんだの変形抵抗が小さく、かつＳｎ−Ａｇ−Ｃｕと同等の融点とぬれ広がり性を有する。これはＡｇの添加量を共晶組成よりも低減させたことによって、はんだの変形を阻害させない程度のＳｎ−Ａｇ化合物を均一にはんだ中に分散させ、かつＧｅの添加で良好なぬれ性を、さらにはＩｎの添加で適切な融点をそれぞれ確保したためである。この作用により、使用時の落下・衝撃で高速な負荷を生じる携帯機器等の用途で高い接合信頼性が得られる。

また、本発明のはんだ合金には、さらにＲｕ、Ａｌ、Ｐから選ばれる１種または２種以上の元素を合計で０．１質量％以下添加することができる。これらの元素のうち、特にＲｕ、Ａｌは電極材料であるＣｕ、Ｎｉ等とはんだとの接合界面に濃化することで、接合界面に形成する反応層の成長を抑制し接合信頼性を向上させるばかりでなく、はんだ中に化合物を分散させて熱疲労特性を向上させる効果がある。また、特にＰは溶融はんだ表面に優先的に酸化することでＳｎの酸化を抑制し、はんだのぬれ性を向上させるはたらきがあり、Ｇｅと併せて添加することでその効果をさらに高めることができる。但しこれらの元素は過剰な添加により融点の著しい上昇や、溶融はんだの著しい酸化を招くため、かえって接合信頼性を阻害する。よって、望ましい添加量範囲は、合計で０．１質量％以下である。また、それぞれの元素における添加量範囲は０．００１質量％〜０．０５質量％とすることが望ましい。

Ｃｕを添加しない本発明のはんだ合金にとっては、例えばＣｕ電極と接続する際にはんだを溶融させた時、溶融はんだ中にＣｕ電極のＣｕが溶け込めば、その結果、接合後のはんだ中には若干量のＣｕが含有することとなる。しかし、Ｃｕが変形抵抗に対しては硬化作用の小さいことに加えて、Ｃｕを採用しない別の手法により接合強度を確保している本発明であれば、接合後のはんだに、例えば１質量％までのＣｕが含有されても、問題はない。しかし、Ｎｉ等の他の多くの電極材料にも対応できるよう、本発明のはんだ合金はＣｕを無添加としている。

本発明のはんだ合金は、その使用の一形態としてはんだボールとすることができる。この場合、はんだボールは、例えば所定の成分組成に調整した溶融はんだ合金を滴下し、滴下した液滴を球状に凝固することで製造することが好ましい。この製造方法であれば、はんだ合金を一旦インゴットとして鋳造した後、機械的に定量分断し、球状化する方法に比べて、インゴット中の偏析が懸念されることもなく、全てのボール毎の成分比は等しくなり、従来の製造方法では得ることが困難であった均質なはんだボールを安定して製造することができる。

上述の製造方法としては、例えば特開２００１−２６２２０４号公報、米国特許公報ＵＳ５２６６０９８等に記載されているような、均一液滴噴霧法を用いるのがよい。均一液滴噴霧法とは、るつぼ内で金属を溶解し、溶融金属をるつぼから排出することにより微小球を製造する方法であり、排出する際に溶融金属に振動を付与することで、排出された溶融金属を体積の均一な微小球とする方法である。以下に均一液滴噴霧法を適用したはんだボールの製造方法の一例を図１、２に基づいて説明する。

図１において均一液滴発生部１２により体積のそろった均一液滴が形成され、チャンバー７を落下する過程で表面張力により球形となった後、凝固し連続回収缶１３上に堆積する。図２は、図１における均一液滴発生部１２を拡大した図である。るつぼ３中の溶融はんだ合金１は伝達部材５および加振ロッド６を介して振動子４により振動を付与された状態で、溶融はんだ合金１にはチャンバー７に対して正の差圧が加えられ、この差圧が溶融はんだ合金１を流れとしてオリフィス２を通して押出す。振動と、溶融はんだ合金１の表面張力とにより、溶融はんだ合金１の流れは連続した滴下溶滴８から、破砕して、高電圧プレート１１を通り、均一な直径で真球度の高い独立した液滴９を形成する。その後、液滴９は、冷却管１０により冷されたチャンバー７内を移動し、ガス中で凝固する。

この製造方法は、特に直径が５０〜１０００μｍのはんだボールを製造する場合に好適である。従来製法では、はんだボール直径が小さくなればなる程、そのサイズ効果によりボール１つ当たりに存在する偏析の度合いが高まるため、ボール各々の組成バラツキが顕著になるが、この製造方法では上述の範囲のいかなる粒径でも、組成バラツキの極めて少ないはんだボールを製造することが出来る。

以上に述べた本発明のはんだ合金、そしてはんだボールであれば、例えばＣｕやＮｉ等の電気伝導性の高い金属からなる一以上の電極との接合に際し、接合界面反応層の成長の抑制と微細分散組織の均質化、加えてぬれ性の向上により、落下衝撃や熱疲労に対する接合信頼性を向上させることができる。

図１、２に模式図を示す装置を用いて均一液滴噴霧法により、表１に示す組成のφ０．３ｍｍのはんだボールを製造した。これらはんだボールをテスト用ガラスエポキシ基板に搭載・リフローしてバンプを形成した。リフローは窒素雰囲気中、ピーク温度２４５℃にて行った。基板の電極パッドは１８μｍ厚のＣｕの上に６μｍのＮｉめっきと、Ｎｉめっきの上に０．３μｍのＡｕめっきがされているものを用いた。

次に、別のテスト用ガラスエポキシ基板にタムラ化研製Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ（質量％）ペーストを印刷し、基板同士を付き合わせてはんだ接合して、はんだジョイントを作製した。印刷に用いたマスクはＮｉのアディティブ法で作製されたメタルマスクであり、開口径はφ０．２５ｍｍ、厚さ０．１ｍｍである。ジョイント作製のリフロー条件は、バンプ形成条件と同等とした。

そして、はんだ接合されたジョイントの衝撃試験を行った。付き合わせてはんだ接合されたガラスエポキシ基板同士を引きはがすように１０ｇの錘を衝突させ、衝撃を繰り返し付加して、はんだ接合部の断線寿命を評価した。錘の基板への衝突直前の速度は１．１ｍ／ｓとなるように設定された。衝撃試験は、基板の最外周に配置されたバンプを通る配線の抵抗値を計測しながら行った。そして抵抗値が、初期抵抗値から１０％以上の増加を示した時点で断線と判定した。試験は各組成につき５点づつ実施した。

また、はんだのぬれ性を、はんだボールのぬれ広がり試験で評価した。１．６ｍｍ角のＮｉ、Ａｕめっきされた電極上に上記メタルマスクでアルファメタルズ製水溶性フラックスを印刷し、その中央にはんだボールを搭載した後、バンプ形成と同様の条件でリフローを行い、はんだボールが溶融して電極上にぬれ広がった面積を測定した。各組成につき２０点測定し、その平均値からぬれ広がり面積の円相当直径を求め、ボール直径で除した値をぬれ広がり性の指標とした。

表２に、表１に示した各組成のはんだボールを用いて作製したはんだジョイントの破断寿命の平均値と、はんだボールのぬれ広がり性を示す。

Ｓｎ−Ａｇ−Ｇｅ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｇｅ系の本発明（ａ）〜（ｅ）と、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｇｅ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の比較例（ｆ）、（ｇ）をそれぞれ比較すると、本発明（ａ）〜（ｅ）はＡｇ添加量の低減により総じて高い衝撃寿命を達成しているが、なかでも適量のＡｌまたはＲｕを含有する（ｃ）、（ｄ）の衝撃寿命が向上している。

また、ぬれ性については、Ｓｎ−０．７Ｃｕ−０．０２Ｇｅの比較例（ｆ）は本発明組成と同様、ぬれ広がり円相当径にしてはんだボール径の５倍近くぬれ広がっており、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ（ｇ）に比べて優れたぬれ広がり性を有しているが、衝撃寿命で本発明のＳｎ−Ａｇ−Ｇｅ系に劣っている。本発明（ａ）〜（ｅ）においては、適量のＩｎを含む（ｂ）〜（ｅ）が良好なぬれ広がりを示しており、なかでもさらに適量のＰを含んだ（ｅ）のぬれ性が向上している。

本発明のはんだボールを製造する装置の一例を示す断面模式図である。 本発明のはんだボールを製造する装置の均一液滴発生部の一例を示す断面模式図である。

符号の説明

１ 溶融はんだ合金、２ オリフィス、３ るつぼ、４ 振動子、５ 伝達部材、６ 加振ロッド、７ チャンバー、８ 連続した液滴、９ 独立した液滴、１０ 冷却管、１１ 高電圧プレート、１２ 均一液滴発生部、１３ 連続回収缶

Claims (4)

1. 質量％で、Ａｇを０．１〜１．０％未満、Ｇｅを０．２％以下含み、残部Ｓｎおよび不可避的不純物からなることを特徴とするはんだ合金。
2. 質量％で、Ａｇを０．１〜１．０％未満、Ｉｎを０．１〜１０％、Ｇｅを０．２％以下含み、残部Ｓｎおよび不可避的不純物からなることを特徴とするはんだ合金。
3. Ｒｕ、Ａｌ、Ｐのうちから選ばれる１種または２種以上の元素を質量％の合計で０．１％以下含むことを特徴とする請求項１または２に記載のはんだ合金。
4. 請求項１ないし３のいずれかの成分組成からなることを特徴とするはんだボール。

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