JP5304514B2

JP5304514B2 - 鉛フリーはんだ材料及び電子部品実装構造並びに鉛フリーはんだ材料の製造方法

Info

Publication number: JP5304514B2
Application number: JP2009174627A
Authority: JP
Inventors: 正寿竹野内; 勝治胡
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2009-07-27
Filing date: 2009-07-27
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2029-07-27
Also published as: JP2011025287A

Description

本発明は、鉛フリーはんだ材料及びそれを用いた電子部品実装構造並びに鉛フリーはんだ材料の製造方法に関する。

現在、環境への配慮から、回路基板等の実装に使用されるはんだは、従来の鉛（Ｐｂ）と錫（Ｓｎ）とを含むはんだ（Ｐｂ−Ｓｎ系はんだ）から鉛（Ｐｂ）を含まない鉛フリーはんだへ移行しつつある。しかし、鉛フリーはんだは、鉛（Ｐｂ）が有する応力吸収・応力緩和効果が得られないため、耐久性においてＰｂ−Ｓｎ系はんだに劣ることがある。

又、鉛フリーはんだに移行する以前は、Ｐｂ−Ｓｎ系はんだによって半導体素子と回路基板等が接合され、その際の接合温度(リフローピーク温度)は約２３０℃であった。これに対して、鉛フリーはんだを用いる際の接合温度は約２６０℃にまで上昇し、これに伴い環境に対する負荷(装置出力・プロセス時間)が増加している。

このような現状に鑑みて、例えば平均直径０．０１μｍ〜５μｍでアスペクト比１．０〜１０の金属ファイバーやセラミックファイバーを添加・分散させた鉛フリーはんだ材料が開示されている。開示の鉛フリーはんだ材料によれば、一般的に靭性が低く亀裂が発生しやすい高融点鉛フリーはんだによる接合部において発生した亀裂の進展を抑制でき、接合構造の耐久性が向上する効果が得られる。

特開２００８−３６６９１号公報

しかしながら、開示の鉛フリーはんだ材料は、環境に対する負荷の増加に対しては十分に考慮されていない。

そこで、環境に対する負荷を低減することが可能な鉛フリーはんだ材料及びそれを用いた電子部品実装構造並びに鉛フリーはんだ材料の製造方法を提供することを課題とする。

はんだ中に球状のセラミックスが添加され、前記セラミックスは、ガラス粉末及びフィラー粉末を含み、前記ガラス粉末の配合割合は、前記セラミックス全量に対して８０ｖｏｌ％以上であり、前記フィラー粉末はジルコニアである鉛フリーはんだ材料であることを要件とする。

開示の技術によれば、環境に対する負荷を低減することが可能な鉛フリーはんだ材料及びそれを用いた電子部品実装構造並びに鉛フリーはんだ材料の製造方法を提供することができる。

本実施の形態に係る鉛フリーはんだ材料を用いた半導体装置を模式的に例示する断面図である。球状の一例を説明するための図である。球状のセラミックスの作製方法を示すフローチャートの例である。球状のセラミックスの作製方法を示すフローチャートの他の例である。比較例１で設定したリフロー炉の温度プロファイルを例示する図である。実施例１で設定したリフロー炉の温度プロファイルを例示する図である。実施例２で設定したリフロー炉の温度プロファイルを例示する図である。はんだ中へのセラミックスの添加量と環境に対する負荷との関係を示す表である。はんだ中へのセラミックスの添加量と年間消費電力削減量との関係を示すグラフである。はんだ中へのセラミックスの添加量と接合強度との関係を示す表である。はんだ中へのセラミックスの添加量と接合強度との関係を示すグラフである。

以下、図面を参照して、実施の形態の説明を行う。

まず、本実施の形態に係る鉛フリーはんだ材料を用いた半導体装置（電子部品実装構造）について説明する。図１は、本実施の形態に係る鉛フリーはんだ材料を用いた半導体装置を模式的に例示する断面図である。図１を参照するに、半導体装置３０は、半導体素子１０と、回路基板２０と、接合電極３５とを有する。半導体装置３０において、半導体素子１０と回路基板２０とは、接合電極３５を介して電気的に接続されている。なお、半導体装置３０において、半導体素子１０と回路基板２０との間に、アンダーフィルが充填されていても構わない。

半導体素子１０は、素子本体１１と、パッシベーション膜１２と、ボンディングパッド１３と、バリアメタル１４とを有する。素子本体１１は、例えばシリコンからなる薄板化された半導体基板（図示せず）上に半導体集積回路（図示せず）等が形成されたものである。

パッシベーション膜１２は、素子本体１１の一方の面に形成されたボンディングパッド１３を覆うように設けられている。パッシベーション膜１２は、開口部１２ｘを有し、開口部１２ｘ内にはボンディングパッド１３の一部が露出している。ボンディングパッド１３は、素子本体１１の半導体集積回路（図示せず）等と電気的に接続されている。パッシベーション膜１２の材料としては、例えばシリコン窒化物等を用いることができる。ボンディングパッド１３の材料としては、例えばＡｌ等を用いることができる。バリアメタル１４は、開口部１２ｘ内に露出するボンディングパッド１３上に形成されている。バリアメタル１４の材料としては、例えばＮｉ等を用いることができる。

回路基板２０は、基板本体２１と、ソルダーレジスト膜２２と、電極２３と、めっき膜２４とを有する。基板本体２１は、絶縁層、ビア、配線層等（図示せず）を有する構造体である。基板本体２１は、例えばシリコン、セラミックス、有機系の絶縁樹脂（エポキシ系樹脂やポリイミド系樹脂等）等を主成分とする材料を用いることができる。なお、本実施の形態では、基板本体２１が有機系の絶縁樹脂である場合を例にして、以下の説明を行う。

ソルダーレジスト膜２２は、基板本体２１の一方の面に形成された電極２３を覆うように設けられている。ソルダーレジスト膜２２は、開口部２２ｘを有し、開口部２２ｘ内には電極２３の一部が露出している。電極２３は、基板本体２１の配線層（図示せず）等と電気的に接続されている。ソルダーレジスト膜２２の材料としては、例えば感光性樹脂組成物等を用いることができる。電極２３の材料としては、例えばＣｕ等を用いることができる。めっき膜２４は、開口部２２ｘ内に露出する電極２３上に形成されている。めっき膜２４としては、例えばＮｉ膜とＡｕ膜とを積層したＮｉ／Ａｕ膜等を用いることができる。

接合電極３５は、一方の面が回路基板２０のめっき膜２４上に形成され、他方の面が半導体素子１０のバリアメタル１４上に形成されている。すなわち、接合電極３５は、めっき膜２４とバリアメタル１４とを電気的に接続している。接合電極３５は、はんだ３１中にセラッミクス３２を所定量添加した構造を有する。セラッミクス３２の配合割合は、接合電極３５全量に対して、例えば１０〜５０ｖｏｌ％とすることができる。

はんだ３１の材料は、Ｓｎを含む材料（Ｐｂフリー）であれば特に限定はされないが、一例として、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ等のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材料を挙げることができる。

セラッミクス３２としては、ガラス粉末とフィラー粉末とを含む材料を用いることができる。ガラス粉末の配合割合は、セラッミクス３２全量に対して、例えば８０ｖｏｌ％以上とすることができる。

ガラス粉末の組成の一例を挙げれば、ＺｎＯ：４０〜６０ｖｏｌ％、Ｂ_２Ｏ_３：１５〜３５ｖｏｌ％、ＳｉＯ_２：５〜２０ｖｏｌ％、ＭｇＯ：４〜２０ｖｏｌ％、Ｐ_２Ｏ_５：０．２〜８ｖｏｌ％である。フィラー粉末の一例を挙げれば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、ジルコン（ＺｒＯ_２・ＳｉＯ_２）、ステアタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ_２）、フォルステライト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ_２）である。

はんだ３１中に添加されるセラミックス３２は、球状であることが好ましい。セラミックス３２が球状であると、例えばセラミックス３２が円柱状等である場合に比べて表面積が増えるため、高温に晒されたセラミックス３２の温度保持特性（蓄熱作用）が向上するからである。セラミックス３２の温度保持特性（蓄熱作用）が向上すると、後述するように、リフロー炉を用いて半導体素子１０と回路基板２０とを接合する際の、リフロー炉の消費電力を削減することが可能となり、環境に対する負荷（ＣＯ_２排出量等）を低減することができる。なお、球状とは、必ずしも真球状である必要はなく、真球状に近い形状も含む。真球状に近い形状の一例としては、例えば図２に示すような、多面体において隣接する頂点が円弧状又は直線状に接続された形状等が挙げられる。

セラッミクス３２の平均粒径は、約１μｍ以上約１００μｍ以下とすることが好ましい。セラッミクス３２の平均粒径が約１μｍよりも小さいと後述する蓄熱作用が発揮され難いからである。又、セラッミクス３２の平均粒径が約１００μｍよりも大きいと好ましくない理由は以下のとおりである。すなわち、市場に流通するはんだボールの最小径が約１００μｍであるため、セラッミクス３２の平均粒径はそれ以下（約１００μｍ以下）としなければいけないからである。

又、後述する球状のセラッミクス３２の作製方法は、微粉末の集合体を形成する方法であり、微粒子集合体の径が大きくなるに従って空孔が含有される割合が増える。空孔が含有された微粒子集合体を焼成した場合、出来上がった焼結体であるセラミックス３２が脆くなる上、セラミックス３２の温度保持特性（蓄熱作用）が大幅に低下する。そのため、セラッミクス３２の平均粒径を約１００μｍ以下として、空孔が含有される割合を抑制しなければいけないからである。

なお、ガラス粉末、フィラー粉末に成形助剤を混ぜた状態でバルクを形成・焼成し、これをメカニカルに砕いて徐々に粒子形状を球に近づける方法を用いれば、セラッミクス３２の平均粒径を約１００μｍよりも大きくできる可能性がある。しかしながら、この方法は製造工程が多くなる上（プロセス時間が長時間化する）、一度焼成したセラミックスを粉砕して粒子形状を整えるためには、別途、より硬いセラミックスを用いる必要があり、不純物混入の虞が高まるため、好ましい方法ではない。

本実施の形態に係る鉛フリーはんだ材料を用いた半導体装置３０は、リフロー炉を用いた加熱プロセス・冷却プロセスにより、接合電極３５を溶融させて半導体素子１０と回路基板２０とを接合し、製造することができる。

一般に、リフロー炉を用いた冷却プロセスにおいて、急激に温度を下げると、はんだが急激に収縮するため、はんだと半導体素子及び回路基板との界面が剥がれる虞がある。従って、リフロー炉を用いた冷却プロセスでは、はんだの温度を急激に下げず徐々に下げるよう、リフロー炉の温度プロファイルを設定している。

ところで、接合電極３５は、はんだ３１中に球状のセラミックス３２を所定量添加した鉛フリーはんだである。又、球状のセラミックス３２は、リフロー炉を用いた加熱プロセスにおいて熱を蓄積するが、その温度保持特性（蓄熱作用）は、円柱状のセラミックス等よりも大きい。そのため、リフロー炉を用いた冷却プロセスにおいて、球状のセラミックス３２の周囲に存在するはんだ３１は、球状のセラミックス３２の蓄熱作用により温め続けられる。すなわち、リフロー炉を用いた冷却プロセスにおいて、リフロー炉の温度を従来より低く設定しても、球状のセラミックス３２の蓄熱作用により、はんだ３１の温度は急激には下がらず、従来と同様にはんだ３１の温度は徐々に下がる。

このように、はんだ３１中に球状のセラミックス３２を所定量添加した鉛フリーはんだ（接合電極３５）を用いることにより、リフロー炉を用いた冷却プロセスにおいて、リフロー炉の温度を従来より低く設定することできる。その結果、リフロー炉を用いた冷却プロセスを短縮化すること（リフロー炉の消費電力を削減すること）が可能となり、環境に対する負荷（ＣＯ_２排出量等）を低減することができる。

次に、セラッミクス３２（球状のセラミックス）の作製方法について説明する。図３は、球状のセラミックスの作製方法を示すフローチャートの例である。図３を参照するに、まず、原料混合・粉砕を行う（Ｓ１０１）。具体的には、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）やジルコニア（ＺｒＯ_２）等のセラミックス製メディア(ボール)を入れた合成樹脂製容器にガラス粉末、フィラー粉末を秤量して有機溶媒とともに混合し、ボールミル装置を使って湿式粉砕することにより粉末の形状を整える。

次に、乾燥・整粒を行う（Ｓ１０２）。具体的には、ガラス粉末、フィラー粉末からなるスラリーの有機溶媒を乾燥させ、乾燥後の粉末を篩掛けして（有機溶媒乾燥後、粉末同士がくっついて見かけの粉末形状が大きくなるため）粉末形状を整える。

次に、球状に成形を行う（Ｓ１０３）。具体的には、ガラス粉末、フィラー粉末からなる原料粉に流動運動を与えながら成形助剤（バインダー）を散布し、雪だるまを作るときのように原料粉が転がりながら球状に成形される現象を利用して所望の大きさに粒子形状を調整する。なお、例えばパウレック製転動流動コーティング装置「マルチプレックス」を用いることにより、原料粉に流動運動を与えることができる。

次に、焼成を行う（Ｓ１０４）。具体的には、ガラス粉末、フィラー粉末、バインダーからなる成形体を大気圧、約１２００〜約１６００℃の雰囲気で焼成することにより、所望の大きさの球状の焼結体(ボール)が得られる。なお、例えば東海高熱工業製落下式急速焼成炉「タワーキルン」を用いることにより、成形体を焼成することができる。このようにして、球状のセラミックスを作製することができる。

セラッミクス３２（球状のセラミックス）は以下のような方法で作製しても構わない。図４は、球状のセラミックスの作製方法を示すフローチャートの他の例である。図４を参照するに、まず、原料混合・粉砕を行う（Ｓ２０１）。具体的には、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）やジルコニア（ＺｒＯ_２）等のセラミックス製メディア(ボール)を入れた合成樹脂製容器にガラス粉末、フィラー粉末、成形助剤(バインダー)を秤量して有機溶媒とともに混合し、ボールミル装置を使って湿式粉砕することにより粉末の形状を整え、スラリーを作製する。

次に、スラリーを乾燥させ球状に成形する（Ｓ２０２）。具体的には、ステップ２０１で作製したガラス粉末、フィラー粉末、成形助剤からなるスラリーをスプレードライヤーに供給し、約７０〜約１４０℃程度に加熱した窒素とともに霧状に噴射することにより、スラリー中の粒子が窒素による加熱下で結合して、顆粒状粒子が成形される。

次に、焼成を行う（Ｓ２０３）。具体的には、ガラス粉末、フィラー粉末、バインダーからなる成形体を大気圧、約１２００〜約１６００℃の雰囲気で焼成することにより、所望の大きさの球状の焼結体(ボール)が得られる。なお、例えば東海高熱工業製落下式急速焼成炉「タワーキルン」を用いることにより、成形体を焼成することができる。このようにして、球状のセラミックスを作製することができる。なお、セラッミクス３２（球状のセラミックス）は、上記方法ではなく、公知のアルコキシド法、液中加水分解法等によって作製しても構わない。

接合電極３５（鉛フリーはんだ材料のはんだボール）は、球状のセラッミクス３２を、はんだ３１中に添加・調合し、はんだ３１の融点以上（液相線温度）セラミックス３２の融点以下の温度で溶融した後に冷却することにより作製できる。例えば、はんだ３１としてＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだ材料を用いた場合の融点は約２２０℃である。又、セラッミクスの融点は一般に約６００℃以上である。従って、この場合には、セラッミクス３２を、はんだ３１中に添加・調合し、例えば２６０℃の温度で溶融した後に冷却することにより、接合電極３５（鉛フリーはんだ材料のはんだボール）を作製できる。

このように、本実施の形態では、半導体素子と回路基板とが接合電極を介して電気的に接続されている半導体装置において、接合電極に球状のセラミックスを添加した鉛フリーはんだを用いる。そのため、リフロー炉を用いた冷却プロセスにおいて、球状のセラミックスの周囲に存在するはんだは、球状のセラミックスの蓄熱作用により温め続けられる。すなわち、リフロー炉を用いた冷却プロセスにおいて、リフロー炉の温度を従来より低く設定しても、球状のセラミックスの蓄熱作用により、はんだの温度は急激には下がらず、従来と同様にはんだの温度は徐々に下がる。その結果、リフロー炉を用いた冷却プロセスを短縮化すること（リフロー炉の消費電力を削減すること）が可能となり、環境に対する負荷（ＣＯ_２排出量等）を低減することができる。

なお、はんだ中に球状のセラミックスを添加した鉛フリーはんだ材料を介して回路基板と接合される電子部品は、半導体素子には限定されない。例えば抵抗やコンデンサを含む受動部品、トランジスタやＩＣを含む半導体素子等を含む様々な電子部品が、はんだ中に球状のセラミックスを添加した鉛フリーはんだ材料を介して回路基板の片面又は両面上に接合された電子部品実装構造を実現することができる。又、２個以上の部品が、はんだ中に球状のセラミックスを添加した鉛フリーはんだ材料を介して、相互に接合された部品接合構造を実現することができる。部品の一例を挙げれば、上述の電子部品、線材、放熱等に利用される金属板等である。

以下、比較例及び実施例を参照しながら、接合電極に球状のセラミックスを添加した鉛フリーはんだを用いることにより、環境に対する負荷を低減することが可能であることを示す。

〈比較例１〉
比較例１では、図１において、接合電極３５（はんだ３１中にセラッミクス３２を所定量添加した構造）に代えて、接合電極３５Ｘ（セラミックス３２を添加せず、はんだ３１のみからなる構造）を用いて、半導体素子１０と回路基板２０とを接合した例を示す。

始めに、はんだ３１の材料としてＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕを用い、セラミックス３２を添加しない粒径６００μｍのはんだボール（接合電極３５Ｘ）を作製した。

次いで、作製したはんだボール（接合電極３５Ｘ）を用い、図１に示す半導体素子１０のバリアメタル１４と回路基板２０のめっき膜２４とを接合した。具体的には、半導体素子１０とはんだボール（接合電極３５Ｘ）と回路基板２０とをチップボンダーで仮接合した後、リフロー炉（ピーク温度設定：２６０℃）に投入した。

図５は、比較例１で設定したリフロー炉の温度プロファイルを例示する図である。図５に示すように、リフロー炉は加熱ゾーン９箇所、冷却ゾーン３箇所から構成される。装置入口からピーク温度領域付近までが約６分で、ピーク温度領域から装置出口までの時間が約３分となるよう温度プロファイルを設定し、半導体素子１０のバリアメタル１４と回路基板２０のめっき膜２４とをはんだボール（接合電極３５Ｘ）を溶融させて接合した。

このときの冷却速度は約１℃／秒となった。又、半導体素子１０と回路基板２０とを接合する際のリフロー炉の消費電力は１３ｋＷとなり、１日８時間の使用を１年間続けた場合の年間消費電力は３７，９６０ｋＷｈで、ＣＯ_２排出量は１４，７２８ｋｇと算出された。

又、半導体素子１０のバリアメタル１４と回路基板２０のめっき膜２４とを接合したはんだボール（接合電極３５Ｘ）の接合強度を評価したところ、接合強度は平均で２．３１ｋｇとなることがわかった。

〈実施例１〉
実施例１では、図１において、接合電極３５として、はんだ３１に球状のセラミックス３２を１０ｖｏｌ％添加したはんだボールを用いて、半導体素子１０と回路基板２０とを接合した例を示す。

始めに、図３の方法により、平均粒径５μｍの球状のセラッミクス３２を作製した（球状のセラッミクス３２は、図４の方法等により作製しても構わない）。球状のセラミックス３２の組成は、ガラス粉末を８５ｖｏｌ％（ＺｎＯ：４０ｖｏｌ％、Ｂ_２Ｏ_３：２５ｖｏｌ％、ＳｉＯ_２：７ｖｏｌ％、ＭｇＯ：１６ｖｏｌ％、Ｐ_２Ｏ_５：７ｖｏｌ％）、フィラー粉末（ＺｒＯ_２）を１５ｖｏｌ％とした。

次いで、球状のセラッミクス３２をはんだ３１に添加し、はんだ３１を９０ｖｏｌ％、球状のセラミックス３２を１０ｖｏｌ％含む鉛フリーはんだを作製した。なお、はんだ３１の材料としては、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕを用いた。球状のセラミックス３２のはんだ３１中への添加は、自転・公転攪拌混合機を用いて行った。

次いで、球状のセラミックス３２を添加したはんだ３１をＳＵＳ製ディンプルプレートに印刷充填し、窒素雰囲気で２６０℃に加熱して、粒径６００μｍのはんだボール（接合電極３５）を作製した。

次いで、作製したはんだボール（接合電極３５）を用い、図１に示す半導体素子１０のバリアメタル１４と回路基板２０のめっき膜２４とを接合した。具体的には、半導体素子１０とはんだボール（接合電極３５）と回路基板２０とをチップボンダーで仮接合した後、リフロー炉（ピーク温度設定：２６０℃）に投入した。

図６は、実施例１で設定したリフロー炉の温度プロファイルを例示する図である。図６に示すように、リフロー炉は加熱ゾーン９箇所、冷却ゾーン３箇所から構成される。装置入口からピーク温度領域付近までが約６分で、ピーク温度領域から装置出口までの時間が約２分となるよう温度プロファイルを設定し、半導体素子１０のバリアメタル１４と回路基板２０のめっき膜２４とをはんだボール（接合電極３５）を溶融させて接合した。

このときの冷却速度は約１．５℃／秒となった。すなわち、はんだ３１に球状のセラミックス３２を１０ｖｏｌ％添加したことにより、ピーク温度領域で高温に晒された球状のセラミックス３２の蓄熱作用によりはんだ３１が温め続けられるため、冷却速度を比較例１より速くすることが可能となった。冷却速度を比較例１より速くしても、球状のセラミックス３２の蓄熱作用によりはんだ３１が温め続けられるため、はんだ３１の温度が急激に下がることはなく、はんだ３１の温度を比較例１と同等の早さで徐々に下げることができる。

又、冷却速度が速くなった結果、半導体素子１０と回路基板２０とを接合する際のリフロー炉の消費電力は１２．５ｋＷに下がり（比較例１では１３．０ｋＷ）、１日８時間の使用を１年間続けた場合の年間消費電力は３６，５００ｋＷｈに下がった（比較例１では３７，９６０ｋＷｈ）。すなわち、実施例１では、比較例１を基準としたときの年間消費電力削減量を１，４６０ｋＷｈとすることができた。

又、実施例１のＣＯ_２排出量は１４，１６２ｋｇに下がった（比較例１では１４，７２８ｋｇ）。すなわち、実施例１では、比較例１を基準としたときのＣＯ_２排出削減量を５６６ｋｇとすることができた。

又、半導体素子１０のバリアメタル１４と回路基板２０のめっき膜２４とを接合したはんだボール（接合電極３５）の接合強度を評価したところ、接合強度は平均で２．１２ｋｇとなり、比較例１の２．３１ｋｇよりは低下するものの、実用上問題のない範囲であることがわかった。

更に、半導体素子１０のバリアメタル１４と回路基板２０のめっき膜２４とを接合したはんだボール（接合電極３５）の断面をＳＥＭで確認したところ、はんだボール（接合電極３５）とバリアメタル１４との界面、及びはんだボール（接合電極３５）とめっき膜２４との界面においてクラック等の発生は確認されなかった。

〈実施例２〉
実施例２では、図１において、接合電極３５として、はんだ３１に球状のセラミックス３２を４０ｖｏｌ％添加したはんだボールを用いて、半導体素子１０と回路基板２０とを接合した例を示す。

始めに、実施例１で作製した球状のセラッミクス３２をはんだ３１に添加し、はんだ３１を６０ｖｏｌ％、球状のセラミックス３２を４０ｖｏｌ％含む鉛フリーはんだを作製した。なお、はんだ３１の材料としては、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕを用いた。球状のセラミックス３２のはんだ３１中への添加は、自転・公転攪拌混合機を用いて行った。

図７は、実施例２で設定したリフロー炉の温度プロファイルを例示する図である。図７に示すように、リフロー炉は加熱ゾーン９箇所、冷却ゾーン１箇所から構成される。装置入口からピーク温度領域付近までが約６分で、ピーク温度領域から装置出口までの時間が約３０秒となるよう温度プロファイルを設定し、半導体素子１０のバリアメタル１４と回路基板２０のめっき膜２４とをはんだボール（接合電極３５）を溶融させて接合した。

このときの冷却速度は約５℃／秒となった。すなわち、はんだ３１に球状のセラミックス３２を４０ｖｏｌ％添加したことにより、ピーク温度領域で高温に晒された球状のセラミックス３２の蓄熱作用によりはんだ３１が温め続けられるため、冷却速度を比較例１より速くすることが可能となった。冷却速度を比較例１より速くしても、球状のセラミックス３２の蓄熱作用によりはんだ３１が温め続けられるため、はんだ３１の温度が急激に下がることはなく、はんだ３１の温度を比較例１と同等の早さで徐々に下げることができる。

又、実施例２は実施例１よりも球状のセラミックス３２の添加量が多いため、冷却速度を実施例１よりも更に速くすることが可能となった。すなわち、冷却速度を実施例１より速くしても、球状のセラミックス３２の添加量を１０ｖｏｌ％から４０ｖｏｌ％に増やしたことにより蓄熱作用が向上したため、はんだ３１の温度が急激に下がることはなく、はんだ３１の温度を比較例１及び実施例１と同等の早さで徐々に下げることができる。このように、球状のセラミックス３２の添加量が多いほど、冷却速度を速くできることが確認された。

又、冷却速度が速くなった結果、半導体素子１０と回路基板２０とを接合する際のリフロー炉の消費電力は、冷却ゾーンを比較例１の３箇所から１箇所に削減できるため１０ｋＷに下がり（比較例１では１３．０ｋＷ）、１日８時間の使用を１年間続けた場合の年間消費電力は２９，２００ｋＷｈに下がった（比較例１では３７，９６０ｋＷｈ）。すなわち、実施例２では、比較例１を基準としたときの年間消費電力削減量を８，７６０ｋＷｈとすることができた。

又、実施例２のＣＯ_２排出量は１１，３３０ｋｇに下がった（比較例１では１４，７２８ｋｇ）。すなわち、実施例２では、比較例１を基準としたときのＣＯ_２排出削減量を３，３９９ｋｇとすることができた。

又、半導体素子１０のバリアメタル１４と回路基板２０のめっき膜２４とを接合したはんだボール（接合電極３５）の接合強度を評価したところ、接合強度は平均で１．８５ｋｇとなり、比較例１の２．３１ｋｇよりは低下するものの、実用上問題のない範囲であることがわかった。

〈実施例３〜５〉
実施例３では、図１において、接合電極３５として、はんだ３１に球状のセラミックス３２を２０ｖｏｌ％添加したはんだボールを用いて、実施例１及び２と同様な確認を行った。

又、実施例４では、図１において、接合電極３５として、はんだ３１に球状のセラミックス３２を３０ｖｏｌ％添加したはんだボールを用いて、実施例１及び２と同様な確認を行った。

更に、実施例５では、図１において、接合電極３５として、はんだ３１に球状のセラミックス３２を５０ｖｏｌ％添加したはんだボールを用いて、実施例１及び２と同様な確認を行った。

実施例３〜５の結果を、比較例１並びに実施例１及び２の結果と合わせて、図８〜図１１にまとめた。なお、図８は、はんだ中へのセラミックスの添加量と環境に対する負荷との関係を示す表、図９は、はんだ中へのセラミックスの添加量と年間消費電力削減量との関係を示すグラフ（図８の表中のデータに基づいてプロットしたもの）、図１０及び図１１は、はんだ中へのセラミックスの添加量と接合強度との関係を示す表及びグラフである。なお、図８において、原単位とは１ｋＷｈの電気を発電する時に排出されるＣＯ_２の量である。

図８及び図９を参照するに、半導体素子１０と回路基板２０とを接合する際のリフロー炉の消費電力（年間消費電力）は、はんだ３１中への球状のセラミックス３２の添加量を増やすほど減少することが確認された。すなわち、リフロー炉の年間消費電力削減量は、はんだ３１中への球状のセラミックス３２の添加量を増やすほど増加し、はんだ３１中への球状のセラミックス３２の添加はリフロー炉の年間消費電力削減に大きく寄与することができる。

又、リフロー炉の年間消費電力が削減されたことにともない、ＣＯ_２排出量が減少し、ＣＯ_２排出削減量が増加する。すなわち、ＣＯ_２排出削減量は、はんだ３１中への球状のセラミックス３２の添加量を増やすほど増加し、はんだ３１中への球状のセラミックス３２の添加はリフロー炉のＣＯ_２排出量削減に大きく寄与することができる。

又、図１０及び図１１を参照するに、半導体素子１０のバリアメタル１４と回路基板２０のめっき膜２４とを接合したはんだボール（接合電極３５）の接合強度（平均値）は、はんだ３１中への球状のセラミックス３２の添加量を増やすほど減少することが確認された。しかしながら、接合強度（平均値）の減少量は小さく、はんだ３１へ５０ｖｏｌ％の球状のセラミックス３２を添加した場合にも、１．７０ｋｇの接合強度（平均値）が確保されている。１．７０ｋｇの接合強度（平均値）は、実用上十分な接合強度である。すなわち、接合強度（平均値）は、はんだ３１中への球状のセラミックス３２の添加量を増やすほど減少するが、はんだ３１中への球状のセラミックス３２の添加量が５０ｖｏｌ％以下であれば、実用上十分な接合強度（平均値）が確保できる。

このように、半導体素子と回路基板とを接合する際に、所定量の球状のセラミックスを添加した鉛フリーはんだを用いることにより、ピーク温度領域で高温に晒された球状のセラミックスの蓄熱作用によりはんだが温め続けられる。その結果、球状のセラミックスを添加していないはんだを用いる場合に比べて、半導体素子と回路基板との接合時の冷却プロセスの短縮化（リフロー炉の消費電力の削減）が可能となり、環境に対する負荷（ＣＯ_２排出量等）を低減することができる。

なお、はんだ中への球状のセラミックスの添加量は、約１０ｖｏｌ％以上約５０ｖｏｌ％以下であることが好ましい。はんだ中への球状のセラミックスの添加量が１０ｖｏｌ％よりも少ないと、環境に対する負荷（ＣＯ_２排出量等）を低減する効果が十分に得られないためである。又、はんだ中への球状のセラミックスの添加量が５０ｖｏｌ％よりも大きいと、実用上十分な接合強度（平均値）が確保できないためである。

以上、好ましい実施の形態及び実施例について詳説したが、上述した実施の形態及び実施例に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態及び実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

以上の実施の形態及び実施例１〜５を含む実施の形態及び実施例に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
はんだ中に球状のセラミックスを添加した鉛フリーはんだ材料。
（付記２）
前記セラミックスの配合割合は、全量に対して１０ｖｏｌ％以上５０ｖｏｌ％以下である付記1記載の鉛フリーはんだ材料。
（付記３）
前記セラミックスは、平均粒径１μｍ以上１００μｍ以下である付記1又は２記載の鉛フリーはんだ材料。
（付記４）
前記はんだは、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系である付記１乃至３の何れか一に記載の鉛フリーはんだ材料。
（付記５）
前記セラミックスは、ガラス粉末及びフィラー粉末を含む付記１乃至４の何れか一に記載の鉛フリーはんだ材料。
（付記６）
１個以上の電子部品が、付記１乃至５の何れか一に記載の鉛フリーはんだ材料を介して、回路基板の片面又は両面上に接合された電子部品実装構造。
（付記７）
２個以上の部品が、付記１乃至５の何れか一に記載の鉛フリーはんだ材料を介して、相互に接合された部品接合構造。
（付記８）
はんだ中に球状のセラミックスを添加・調合する工程と、
前記セラミックスを添加・調合した前記はんだを、前記はんだの融点以上（液相線温度）であり前記セラミックスの融点以下である温度で溶融した後に冷却する工程と、を有する鉛フリーはんだ材料の製造方法。

１０半導体素子
１１素子本体
１２パッシベーション膜
１３ボンディングパッド
１４バリアメタル
１２ｘ、２２ｘ開口部
２０回路基板
２１基板本体
２２ソルダーレジスト膜
２３電極
２４めっき膜
３０半導体装置
３１はんだ
３２セラッミクス
３５接合電極

Claims

はんだ中に球状のセラミックスが添加され、
前記セラミックスは、ガラス粉末及びフィラー粉末を含み、
前記ガラス粉末の配合割合は、前記セラミックス全量に対して８０ｖｏｌ％以上であり、
前記フィラー粉末はジルコニアである鉛フリーはんだ材料。
前記セラミックスの配合割合は、全量に対して１０ｖｏｌ％以上５０ｖｏｌ％以下である請求項１記載の鉛フリーはんだ材料。
前記セラミックスは、平均粒径１μｍ以上１００μｍ以下である請求項１又は２記載の鉛フリーはんだ材料。
前記はんだは、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系である請求項１乃至３の何れか一項記載の鉛フリーはんだ材料。
１個以上の電子部品が、請求項１乃至４の何れか一項記載の鉛フリーはんだ材料を介して、回路基板の片面又は両面上に接合された電子部品実装構造。
はんだ中に球状のセラミックスを添加・調合する工程と、
前記セラミックスを添加・調合した前記はんだを、前記はんだの融点以上（液相線温度）であり前記セラミックスの融点以下である温度で溶融した後に冷却する工程と、を有し、
前記セラミックスは、ガラス粉末及びフィラー粉末を含み、
前記ガラス粉末の配合割合は、前記セラミックス全量に対して８０ｖｏｌ％以上であり、
前記フィラー粉末はジルコニアである鉛フリーはんだ材料の製造方法。