JP4462721B2 - はんだ合金及びはんだボール - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明ははんだ合金の組成およびBGA等に使用されるはんだボールに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、集積回路チップや集積回路基板などの電子部品の接合用には、ほとんどの場合においてSn−Pb系はんだ合金が用いられてきたが、環境保護の観点からPbを含有したはんだは次第に敬遠されており、近い将来、有鉛はんだの使用を全廃しようとの動きもある。これを受けて近年、Pbを使用しない無鉛はんだの開発が精力的に進められている。無鉛はんだは、例えばSn−Pb系はんだの代替となるものであるから、電気的特性を始め、はんだ付け性(被接合体表面とのぬれ性)あるいは接合強度において著しく劣るものであってはならない。これら無鉛はんだの具体例として、Sn−Ag−Cu系はんだ、Sn−Bi系はんだ及びSn−Zn系はんだ等が代用組成として考案されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の無鉛はんだは、はんだ付け性や接合強度あるいは耐酸化性に劣り、これらを改善しようとしてAgやCu等の含有量を増やすと液相線温度が高くなり、はんだリフロー条件等の変更を余儀なくされるという問題があった。
【0004】
本発明の課題は、Pbを添加しなくても、液相線温度がSn−Pb共晶系はんだ合金に近い170〜205℃程度とでき、さらに従来の無鉛はんだよりも強度あるいは耐酸化性が改善されたはんだ合金を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記課題を解決するために、本発明のはんだ合金の構成は、Snを主成分とし、Zn5.0〜10.0質量%及びAl0.01〜0.50質量%を含有することを前提とする。なお、本明細書において、「主成分」(「主体」あるいは「主に」等も同義)とは、着目している物質において、含有率(質量%、以下の説明では重量%ともいう)のもっとも高い成分を意味する。
【0006】
上記のような組成を採用することで、Snを主体としつつPbの含有量を大幅に削減しても、はんだ合金の液相線温度をより低温でのはんだ付けに好適なものに設定できる。これにより、例えば従来のSn−Pb共晶系はんだと同様の接合処理温度が採用できるようになる。液相線温度は具体的には170〜205℃の範囲に調整する。また、Alを上記のように微量添加することにより、はんだ合金の接合強度を向上させることができる。
【0007】
上記本発明の前提構成となるはんだ合金において、Znの含有量が10.0重量%を超えると、はんだ合金の液相線温度と固相線温度との差が大きくなり、偏析や、凝固時の固液共存時間が長くなることによる接続欠陥等が生じ易くなる。また、Znの含有量が多くなりすぎると、はんだの表面の酸化が激しくなり、ぬれ性が著しく劣化するという問題もある。一方、Znの含有量が5.0重量%未満になると、Znを含有することによる液相線温度低下の効果が少なくなる。それ故、Znの含有量は5.0〜10.0重量%の範囲で設定するのが良く、より望ましくは7.0〜9.5重量%の範囲で調整するのが良い。
【0008】
上記本発明の前提構成となるはんだ合金において、Alの含有量が0.01重量%未満になると強度向上効果が不充分となる。一方、0.50重量%を超えてAlを含有させても、それ以上の強度向上効果が見込めなくなるばかりでなく、Alの含有量が過剰となってはんだの流動性に悪影響を及ぼすこともある。それ故、Alの含有量は0.01〜0.50重量%の範囲で設定するのが良く、より望ましくは0.03〜0.20重量%の範囲で設定するのが良い。
【0009】
Al添加によるはんだの強度向上効果は、はんだ合金中に分散形成されている層状の組織(いわゆるラメラ構造)が微細化すること及び析出物の形成と関係していると考えられる。Alの添加はラメラ間隔を細かくする効果を有するとともに、添加されたAlは析出物を形成する。ラメラ間隔が細かくなる効果及び析出物形成による強化の効果によって、強度が向上すると推測される。そして、Alの含有量が0.01重量%未満になるとラメラ間隔の微細化と析出物の形成が十分でなくなるため、強度向上効果が不充分となるものと推測される。なお、ラメラの形成間隔は5μm以下になっているのが良い。ラメラの形成間隔が5μmを超えると、強度向上効果が不十分となる場合がある。他方、ラメラの形成間隔の下限値に特に制限はないが、一般的なはんだリフロー工程におけるリフロー後の冷却速度を考慮すれば、ラメラの形成間隔が1μm未満となることはほとんどない。
【0010】
上記前提構成に対して、本発明のはんだ合金の第一の構成は、Zn6.0〜8.0質量%、Al0.01〜0.50質量%及びIn6.0〜11.0質量%を含有し、残部がSn及び不可避不純物からなることを特徴とする。
【0011】
上記のような組成範囲のInを含有させることにより、はんだのぬれ性及び耐酸化性を向上させることができる。そして、これを前提として、はんだ合金の液相線温度を適度に低下させるため、Znの含有量は6.0〜8.0重量%に設定する。これにより、例えば従来のSn−Pb共晶系はんだと同様の接合処理温度が採用できるようになる。
【0012】
Inの含有量が6.0重量%未満になると、はんだのぬれ性及び耐酸化性が低下し、はんだ付け性が不充分となる場合がある。一方、Inの含有量が11.0重量%を超えると、合金の例えば液相線温度が低くなり過ぎて、Sn−Pb共晶系はんだ合金と同様の接合処理温度が採用できなくなる。それ故、Inの含有量は6.0〜11.0重量%の範囲で設定するのが良い。
【0013】
次に、本発明のはんだ合金の第二の構成は、Bi22.0〜42.0質量%及びAl0.01〜0.50質量%を含有し、残部がSn及び不可避不純物からなることを特徴とする。
【0014】
上記のような組成を採用することで、第一の構成と同様に、Snを主体としつつPbの含有量を大幅に削減しても、はんだ合金の液相線温度をより低温でのはんだ付けに好適なものに設定できる。これにより、例えば従来のSn−Pb共晶系はんだと同様の接合処理温度が採用できるようになる。液相線温度は具体的には170〜205℃の範囲に調整する。また、Alを上記のように微量添加することにより、はんだ合金の接合強度を向上させることができる。
【0015】
上記本発明のはんだ合金の第二の構成において、Biの含有量が22.0重量%未満になると、合金の例えば液相線温度が高くなり、はんだ付けには不適となる。一方、Biの含有量が42.0重量%を超えると、液相線温度が低くなりすぎて、Sn−Pb共晶系はんだ合金と同様の接合処理温度が採用できなくなる。さらにBiが含有されすぎると、接合強度が低くなるといった問題もある。それ故、Biの含有量は22.0〜42.0重量%の範囲で設定するのが良く、より望ましくは25〜36重量%の範囲で調整するのが良い。また、Alの含有量の限定理由は第一の構成と同様である。
【0016】
本発明のはんだ合金の第一及び第二の構成においては、不可避不純物を除いてPbは含有されていない。
【0017】
また、上記本発明のはんだ合金には、Ni,Cu,Agから選ばれる1種または2種以上を、Niが0.01〜3.0重量%、Cuが0.01〜1.0重量%、Agが0.01〜5.0重量%の範囲にて含有させることができる。
【0018】
上記本発明のはんだ合金に、Ni、Cu、Agを含有させることにより、そのはんだ合金のぬれ性あるいは耐酸化性を向上させることができる。各々の含有量がNiは3.0重量%、Cuは1.0重量%、Agは5.0重量%を超えると液相線温度が高くなり、はんだ付けには不適となる。他方、Ni、Cu、Agの各々の含有量が0.01重量%未満になると、これらの成分を含有させる効果がほとんど得られない。それ故、Ni,Cu,Agの含有量は、望ましくはNiは0.01〜3.0重量%、Cuは0.01〜1.0重量%、Agは0.01〜5.0重量%の範囲で設定するのが良い。各々の含有量の範囲は1種のみ含有させる場合でも、2種以上含有させる場合でも同じである。
【0019】
上記本発明のはんだ合金により、BGA(ボールグリッドアレイ)等に使用されるはんだボールを構成することができる。このようなはんだボールは、例えば遠心噴霧法によって製造することができる。そして、本発明の合金組成の採用により、真球度の高いはんだボールが製造可能となる。その理由としては、本発明のはんだ合金は耐酸化性に優れていることから、酸化による表面張力の変動が防止されることが考えられる。遠心噴霧法は、例えば高速回転する回転円盤に溶融したはんだ合金を流下、衝突させて遠心力により飛散、微粒化させる方法を例示できる。
【0020】
【実施例】
以下、本発明の効果を確かめるために、次の実験を行った。
(参考例)
Sn−9重量%Znの合金組成をベースとして、これにAlを各種含有比率にて添加した場合の、はんだ合金の硬さ変化について調べるために、合金原料を表1の各種組成になるように配合し、溶解することにより各種合金を作製した。次に各合金において、ビッカース硬さをJIS−Z2244に規定されている方法により、マイクロビッカース硬度計を用いて、試験荷重50gfにて測定した。また、はんだ合金の広がり率をJIS−Z3197に規定されている方法で測定した。以上の結果を表1に示す。
【0021】
【表1】
【0022】
Alを添加することにより、添加しない場合と比較してはんだ合金の硬さが明らかに大きくなっていることがわかる。また、はんだ合金の硬さは、Alの添加量が増加するに従い大きくなるが、Alの添加量が0.50重量%以上ではAl添加量を増加させても、大幅な硬さの増加は見られないこともわかる。
【0023】
(実施例2)
Sn−29重量%Biの合金組成をベースとして、これにAlを各種含有比率にて添加した場合の、はんだ合金の硬さ変化について、実施例1と同様に調べた。結果を表2に示す。
【0024】
【表2】
【0025】
Sn−Zn系はんだ合金と同様に、Alを添加することによりはんだ合金の硬さが大きくなっていることがわかる。
【0026】
(実施例3)
表3に示す各種はんだ合金を実施例1と同様に調製し、広がり率を調べた。なお、表3には示差熱分析により測定した各はんだ合金の固相線温度及び液相線温度も合わせて示している。
【0027】
【表3】
【0028】
この結果によると、Sn−Zn系はんだ合金にInを添加することによって、はんだ合金の広がり率が明らかに向上していることがわかる。これは、Inを本発明の組成範囲で含有することにより、はんだのぬれ性が向上するためであると考えられる。また、Znを5.0〜10.0、Inを6.0〜11.0の範囲で調整することにより、Sn−Pb共晶系はんだ合金と同等の液相線温度及びぬれ性を有するはんだ合金を得ることが可能であることがわかる。
【0029】
(実施例4)
表4に示す組成にて、Ni、CuあるいはAgを含有するはんだ合金を実施例1と同様に調製し、広がり率によるぬれ性及びはんだの液相線を測定した。表4にその結果を示す。
【0030】
【表4】
【0031】
すなわち、Ni,Cu、Agを1種あるいは2種以上、Niは0.01〜3.0重量%、Cuは0.01〜1.0重量%、Agは0.01〜5.0重量%の範囲で添加することにより、液相線温度をそれほど上昇させることなく、広がり率が示すぬれ性も良好に維持できていることがわかる。
【0032】
(実施例5)
表5に示す各種組成の合金からなるはんだボールを遠心噴霧法により作製した。具体的には、図1のような遠心噴霧装置において、高速回転する回転円盤1の中心に溶融したはんだ合金2を上方から流下し、回転円盤に衝突させて遠心力により飛散、微粒化させることによりはんだボール3を作製した。なお、具体的な遠心噴霧の条件は、円盤材質はTiとし、円盤の半径は100mm、円盤の回転数は15000rpmとした。作製したはんだボールは、標準ふるいを用いて粒度分布を測定するとともに、粒度100〜106μmの範囲に属するボールの回収率と、粒度の標準偏差を求めた。また、粒度100〜106μmの範囲に属するボールについては、真球度(ボールの表面に外接する最小球面と、ボール表面の各点との半径方向の距離の最大値)を、公知の3次元形状測定装置を用いて測定した。結果を表5に示す。粒度分布の結果は、表に示す各粒度クラス(単位:μm、ただし、各クラスは下限値を含み、上限値は含まない)に属するはんだボールの重量割合(重量%)にて示している。また、真球度の判定は、真球度が30μm未満なら良好(○)、30以上であり60μm未満なら可(△)、60以上なら不可(×)としている。
【0033】
【表5】
【0034】
すなわち、本発明の組成を有するはんだ合金にて構成されるはんだボールは粒度分布幅が狭く、所望の粒度(100〜106μm)の回収率が高いと同時に、真球度も良好であることがわかる。このような回収率及び真球度の高いBGA用はんだボールが得られる理由は、はんだ合金の耐酸化性が向上したためであると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図1】遠心噴霧法によるはんだボールの製造方法を説明する図。
Claims (4)
- Zn6.0〜8.0質量%、Al0.01〜0.50質量%及びIn6.0〜11.0質量%を含有し、残部がSn及び不可避不純物からなることを特徴とするはんだ合金。
- Bi22.0〜42.0質量%及びAl0.01〜0.50質量%を含有し、残部がSn及び不可避不純物からなることを特徴とするはんだ合金。
- Ni,Cu,Agから選ばれる1種または2種以上を、Niが0.01〜3.0質量%、Cuが0.01〜1.0質量%、Agが0.01〜5.0質量%の範囲で含有することを特徴とする請求項1又は2に記載のはんだ合金。
- 請求項1ないし3のいずれか1項に記載のはんだ合金にて構成されたことを特徴とするはんだボール。
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