JP5367924B1 - はんだ被覆ボールおよびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

本発明による実施形態のはんだ被覆ボール（１０Ａ）は、ボール状のコア（１１）と、コア（１１）を被覆するように形成されたはんだ層（１２）とを有し、はんだ層（１２）は、ＳｎとＢｉとを含み、Ｂｉ含有率が４５質量％以上６５質量％以下で、且つ、Ｂｉの含有率は、内側で高く、外側で低い。他のはんだ被覆ボール（１０Ｂ）は、コア１１とはんだ層１２との間にＮｉめっき層１３をさらに有する。

Description

本発明は、半導体パッケージの入出力端子に用いられるはんだ被覆ボールおよびその製造方法に関する。
はんだ被覆ボールは、主に、電気・電子機器の部品を接続するために用いられる。具体的には、はんだ被覆ボールは、例えば、部品周囲にリード端子を持つＱＦＰ（Ｑｕａｒｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）や、比較的小型で、多ピン化が可能なＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）およびＣＳＰ（Ｃｈｉｐ Ｓｉｚｅ Ｐａｃｋａｇｅ）などの半導体パッケージの入出力端子に用いられる。はんだ被覆ボールは、例えば直径が５０μｍ〜１．５ｍｍ程度の金属または樹脂で形成された微小球の表面に、鉛（Ｐｂ）を含むはんだ層が設けられた構造を有している。
近年、鉛を含むはんだは、環境問題に対応して、無鉛はんだ（Ｐｂフリーはんだ）に置き換えられつつある。例えば、特許文献１や特許文献２には、鉛を含まない錫−銀（Ｓｎ−Ａｇ）系はんだ層を有するはんだ被覆ボールが開示されている。しかしながら、錫−銀系のはんだ層は、融点が高い（例えば２２０℃）という問題がある。
そこで、特許文献３には、錫−ビスマス（Ｓｎ−Ｂｉ）二元系のはんだ層を有するはんだ被覆ボールが開示されている。特許文献３によると、錫−ビスマスの二元系のはんだ層のＢｉの含有率を最内周において１５．０質量％〜２２．０質量％、最外周において２９．０質量％〜４４．０質量％とすることによって、はんだ層の融点を１４０℃まで下げることができる。
特開２００４−１１４１２３号公報 特開２００４−１２８２６２号公報 特開２００７−４６０８７号公報
しかしながら、本発明者の検討によると、特許文献３に記載の技術には下記の問題がある。
図７に示す錫−ビスマスの二元系の状態図から理解されるように、Ｂｉの含有率が低い組成であっても１４０℃で液相が出現し得る。しかしながら、特許文献３に記載されている組成範囲のはんだ層を完全に溶融状態（液相）にするためには、２００℃超の温度に加熱する必要があり、そのため、特許文献３の実施例では、２２０℃でリフローしていると考えられる。また、特許文献３に記載されている組成範囲は、固液共存状態となる組成を多く含むので、２００℃超の温度に加熱しないと、溶融状態が不安定になり、固化後のはんだ層の構造が不均一になりやすい。すなわち、特許文献３に記載のはんだ被覆ボールを１６０℃以下の温度でリフローすると、固化後のはんだ層の構造が不均一になり、結果的に、機械特性のばらつきが大きくなるという問題がある。さらに、特許文献３に記載のように、Ｂｉ濃度をはんだ層の外側で高くするためには、めっきを行いながら、めっき液にＢｉを補充する必要があり、めっき液中のＢｉの濃度の管理が難しい。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、１６０℃以下の温度でリフロー可能なはんだ被覆ボールおよびその製造方法を提供することにある。
本発明による実施形態のはんだ被覆ボールは、ボール状のコアと、前記コアを被覆するように形成されたはんだ層とを有し、前記はんだ層は、ＳｎとＢｉとを含み、Ｂｉ含有率が４５質量％以上６５質量％以下で、且つ、Ｂｉの含有率は、内側で高く、外側で低い。前記はんだ層は、実質的にＳｎとＢｉとだけを含む二元系合金で形成されている。ここで、「実質的にＳｎとＢｉとだけを含む」とは、本発明の効果が得られない程度にまで融点に影響を与えない限り他の元素を含み得ることを意味する。
ある実施形態において、昇温速度が１０℃／分で測定したＤＳＣ曲線におけるオフセット温度は１６０℃以下である。このとき、オンセット温度は１３５℃以上であることが好ましい。
ある実施形態において、前記はんだ被覆ボールは、前記コアと前記はんだ層との間にＮｉめっき層をさらに有する。このとき、前記コアは銅で形成されていることが好ましい。
本発明による実施形態のはんだ被覆ボールの製造方法は、上記のいずれかに記載のはんだ被覆ボールを製造する方法であって、ボール状のコアを用意する工程と、垂直軸を中心に回転しているめっき槽内のめっき液中で前記コアにめっき法ではんだ層を形成する工程とを包含する。
本発明の実施形態によると、１６０℃以下の温度でリフロー可能なはんだ層を有するはんだ被覆ボールおよびその製造方法が提供される。
（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施形態によるはんだ被覆ボール１０Ａおよび１０Ｂの模式的な断面図である。 本発明の実施形態によるはんだ被覆ボールの作製に用いられる、高速回転めっき装置１００の構造を模式的に示す図である。 （ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、本発明の実施形態による実施例のはんだ被覆ボールＡ、ＢおよびＣのＤＳＣ曲線をそれぞれ示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、比較例のはんだ被覆ボールＤおよびＥのＤＳＣ曲線をそれぞれ示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、はんだ被覆ボールＡの断面ＳＥＭ像（組成像）を示す図である。 回転バレル法で作製したはんだ被覆ボールの断面ＳＥＭ像（組成像）を示す図である。 錫−ビスマスの二元系の状態図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態によるはんだ被覆ボールおよびその製造方法を説明する。
図１（ａ）および（ｂ）に、本発明の実施形態によるはんだ被覆ボール１０Ａおよび１０Ｂの模式的な断面図を示す。
図１（ａ）に示すはんだ被覆ボール１０Ａは、ボール状（球状）のコア１１と、コア１１を被覆するように形成されたはんだ層１２とを有する。はんだ層１２は、ＳｎとＢｉとを含み、Ｂｉ含有率が４５質量％以上６５質量％以下で、且つ、Ｂｉの含有率は、内側で高く、外側で低い。はんだ層１２は、実質的にＳｎとＢｉとだけを含む二元系合金で形成されている。コア１１は、金属または樹脂で形成されている。金属は、例えば銅（Ｃｕ）または銅を含む合金、ステンレス鋼（ＳＵＳ）である。コア１１の直径は、例えば５０μｍ以上１．５ｍｍ以下である。
図１（ｂ）に示すはんだ被覆ボール１０Ｂは、コア１１の表面にめっき層１３をさらに有し、めっき層１３の上にはんだ層１２を有している点において、はんだ被覆ボール１０Ａと異なっている。めっき層１３は、例えばニッケル（Ｎｉ）めっき層である。めっき層１３の厚さは、例えば０．１μｍ以上４μｍ以下である。例えば、銅（Ｃｕ）で形成されたコア１１に直接はんだ層１２が形成されたはんだ被覆ボール１０Ａをリフローすると、コア１１とはんだ層１２との界面にＣｕ6Ｓｎ5の金属間化合物が生成され、落下衝撃性が低下することがある。めっき層１３を設けることによって、上記の金属間化合物が生成されるのを防止することができる。
実質的にＳｎとＢｉとだけを含む二元系合金において、Ｂｉ含有率が４５質量％以上６５質量％以下の組成は、共晶組成（Ｂｉの含有率が５８質量％、図７参照）に近く、固液共存状態となる温度範囲が１３９℃以上１６０℃以下と狭い。従って、１６０℃以下の温度でリフローできるだけでなく、均一で、安定な溶融状態が得られるので、固化後（接合後）のはんだ層の構造の均一性が高く、機械特性のばらつきが小さい。本発明の実施形態によるはんだ被覆ボール１０Ａおよび１０Ｂが有するはんだ層１２は、昇温速度が１０℃／分で測定したＤＳＣ曲線におけるオフセット温度が１６０℃以下であり、オンセット温度は１３５℃以上であることが好ましい。
Ｂｉの含有率が内側（コア１１側）で高く、外側で低いというＢｉの濃度分布は、容易に形成することができる。めっき液中で、Ｓｎは陽極の溶解によって随時めっき液中に補給されるのに対し、Ｂｉはめっきの初期に添加した後、補充しなければ、めっきの進行に連れて、めっき液中のＳｎの存在比率が増大（Ｂｉの存在比率が低下）することになる。したがって、本発明の実施形態によるはんだ被覆ボール１０Ａおよび１０Ｂは、特許文献３に記載のはんだ被覆ボールに比べて、容易に製造することができるという利点を有している。
本発明の実施形態によるはんだ被覆ボールの製造方法は、上記のはんだ被覆ボールを製造する方法であって、ボール状のコアを用意する工程と、垂直軸（鉛直軸）を中心に回転しているめっき槽内のめっき液中でコアにめっき法ではんだ層を形成する工程とを包含することが好ましい。
垂直軸を中心にめっき槽を回転させながらめっきを行う工程は、例えば、図２に示す高速回転めっき装置１００を用いて実施することができる。
高速回転めっき装置１００は、垂直に延びる回転軸１に支持された水平回転可能な、円筒状のめっき槽７を有している。めっき槽７は、円盤状の底部７ａと、底部７ａに接続され、底部７ａを拡張するように続く傾斜部７ｂと、傾斜部７ｂに接続され陰極を有する第１円筒部７ｃと、第１円筒部７ｃに接続され、第１円筒部７ｃよりも内径の小さい第２円筒部７ｄとを有している。めっき槽７の上面は、底部７ａと平行な平板状の上蓋６で覆われ、第２円筒部７ｄに接続されている。回転軸１は、例えばモーターの軸であって、めっき槽底部７ａを支持するとともに、めっき槽７を回転させることができる。勿論、正回転と逆回転の両方をできるようにしてもよい（例えば、最大回転数１０００ｒｐｍ）。
めっき装置１００は、めっき槽７の第１円筒部７ｃに陰極が設けられている。被めっき物５が陰極に接触したときに、被めっき物５に通電され、めっき層が形成される。第１円筒部７ｃに配設する陰極には、例えばチタン、真ちゅう、ステンレス、銅などが使用できる。
上蓋６は、その中央部に、陽極３をめっき槽７内へ入れるための開口部を有している。ここでは、陽極３に錫（Ｓｎ）を用いる。めっき装置１００は、不図示の直流電源を有し、第１円筒部７ｃの陰極と、陽極３との間に電圧を印加する。印加電圧は、印加電流値または電圧を一定に保つように制御される。なお、電流密度を一定に保つように制御してもよいが、操作が煩雑になる。
上蓋６の開口部は、円筒部材８で囲われている。円筒部材８は、めっき槽７の高速回転時または反転時において、めっき液４が飛散するのを防止する。
また、上蓋６は、めっき槽７の高速回転時における、めっき槽７の中心部のめっき液面の変動を抑制する。従って、陽極３の全体または大部分がめっき液４から露出することを防ぐことができるので、均一な膜厚で良好な外観のめっき層を形成することができる。
また、めっき槽７は、内周部に傾斜部７ｂを有するので、遠心力を受けた被めっき物５は傾斜部７ｂをせり上がる。これにより、被めっき物５がめっき槽７の底部に溜まることを防ぎ、被めっき物５を容易に、第１円筒部７ｃの陰極に接触させることができる。また、第１円筒部７ｃの上に、第１円筒部７ｃよりも内径の小さい第２円筒部７ｄを有するので、被めっき物５を第１円筒部７ｃの陰極に効率的に接触させることができる。傾斜部７ｂの傾斜角αは、０°超９０°未満で、被めっき物５の量やめっき槽７の回転速度等に応じて、適宜設定され得る。例えば、αは４５°である。なお、第２円筒部７ｄの内径は、傾斜部７ｂの最小内径と同程度であることが好ましい。
次に、いくつかの実験結果を例示して、本発明の実施形態によるはんだ被覆ボール１０Ａおよびその製造方法を詳しく説明する。
以下の実験例では、図２に示した高速回転めっき装置１００を用いて、はんだ層１２を有するはんだ被覆ボール１０Ａを作製した。ここで、めっき装置１００のめっき槽７の外周は１８０ｍｍで、回転速度は３５０ｒｐｍとした。めっき液４としては、メタンスルホン酸系のめっき液（例えば、大和化成研究所が市販している）を用いることができる。めっき液は、メタンスルホン酸Ｓｎ、メタンスルホン酸Ｂｉ、メタンスルホン酸および界面活性剤を含んでいる。この他、特許文献３に記載されているめっき液など公知のめっき液を用いることができる。それぞれの濃度は、形成するはんだ層１２の組成に応じて調整した。なお、めっきを開始してからは、メタンスルホン酸Ｂｉを追加せず、印加電流を一定に保つように電圧を調整し、Ｂｉの含有率が内側で高く、外側で低いはんだ層を形成した。コア１１としては、直径が５６０μｍの銅の球を用いた。はんだ層１２の厚さは約２０μｍとした。
図３（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に、本発明の実施形態による実施例のはんだ被覆ボールＡ、ＢおよびＣのＤＳＣ曲線をそれぞれ示す。はんだ被覆ボールＡは、Ｂｉを５３質量％含むＳｎ−Ｂｉ二元系はんだ層を有し、はんだ被覆ボールＢは、Ｂｉを４５質量％含むＳｎ−Ｂｉ二元系はんだ層を有し、はんだ被覆ボールＣは、Ｂｉを６５質量％含むＳｎ−Ｂｉ二元系はんだ層を有する。図４（ａ）および（ｂ）に、比較例のはんだ被覆ボールＤおよびＥのＤＳＣ曲線を示す。はんだ被覆ボールＤは、Ｂｉを１８質量％含むＳｎ−Ｂｉ二元系はんだ層を有し、はんだ被覆ボールＥは、Ｂｉを７９質量％含むＳｎ−Ｂｉ二元系はんだ層を有する。
ＤＳＣの測定には、エスアイアイ・ナノテクノロジー社製の示差走査熱量計ＤＳＣ６２２０を用いた。試料は、４０ｍｇのはんだ被覆ボールで、アルミニウム製のパンを用いた。昇温速度は１０℃／分で、測定温度範囲は１００℃〜２５０℃とし、サンプリング間隔は０．２秒とした。キャリアガスにはアルゴンを用いた。
図３（ａ）に示すように、Ｂｉの含有率が５３質量％のはんだ被覆ボールＡのＤＳＣ曲線において、オンセット温度（融解開始温度）は１３７．４℃であり、オフセット温度（融解終了温度）は１４４．８℃である。このように、はんだ層１２の組成が共晶組成（Ｂｉが５８質量％）に近いので、融解ピークはシャープであり、１６０℃以下の温度で十分にリフローすることが可能な、均質なはんだ層１２を得ることができる。
また、図３（ｂ）に示すように、Ｂｉの含有率が４５質量％のはんだ被覆ボールＢのＤＳＣ曲線においては、オンセット温度は１３６．９℃であり、オフセット温度は１５３．３℃である。このように、Ｂｉの含有率が４５質量％であっても、融解ピークはシャープであり、１６０℃以下の温度で十分にリフローすることが可能な、均質なはんだ層１２を得ることができる。
さらに、図３（ｃ）に示すように、Ｂｉの含有率が６５質量％のはんだ被覆ボールＣのＤＳＣ曲線においては、オンセット温度は１３６．９℃であり、オフセット温度は１５９．８℃である。このように、Ｂｉの含有率が６５質量％であっても、融解ピークはシャープであり、１６０℃以下の温度で十分にリフローすることが可能な、均質なはんだ層１２を得ることができる。
一方、図４（ａ）に示す、Ｂｉの含有率が１８質量％のはんだ被覆ボールＤのＤＳＣ曲線においては、オンセット温度は１３８．０℃であり、十分に低いが、オフセット温度は１８５．２℃と１６０℃を超えている。また、図４（ｂ）に示す、Ｂｉの含有率が７９質量％のはんだ被覆ボールＥのＤＳＣ曲線においては、オンセット温度は１３６．９℃であり、十分に低いが、オフセット温度は１９５．８℃と１６０℃を大きく超えている。このように、共晶組成から大きく外れると、はんだ層は１６０℃以下の温度で完全に融解せず、また、固化後の構造も不均一になりやすい。

従って、１６０℃以下の温度でリフローが可能で、均質なはんだ層１２を得るためには、Ｂｉの含有率は４５質量％以上であることが好ましい。一方、Ｂｉの含有率は６５質量％以下であることが好ましく、さらにＢｉ含有量が少ない方が融点がより低くなるため、Ｂｉの含有率が５８質量％未満である（共晶組成よりもＢｉ含有率が低い）ことがさらに好ましい。図７の状態図からは、Ｂｉの含有率が４５質量％の合金と同じ融点となるＢｉの含有率は６５質量％を超えるが、Ｂｉの含有率が大き過ぎると、はんだの接合強度のばらつきが大きくなる等の問題が発生する。これは、Ｂｉの含有率が共晶組成を超えると、Ｂｉの溶融状態が不安定となり、はんだ層１２を溶融固化した後の構造が不均一となるためと考えられる。特に、Ｂｉの含有率が６５質量％を超えると、機械特性のばらつきが大きくなる。
図５（ａ）および（ｂ）に、上記のはんだ被覆ボールＡの断面のＳＥＭによる組成像を示している。図５（ａ）は図５（ｂ）の拡大図である。図６に、特許文献３に記載の回転バレル法で作製したはんだ被覆ボールの断面ＳＥＭ像（組成像）を示す。
図５（ａ）、（ｂ）と図６との比較から、バレルめっき法を採用すると、はんだ層内に「す（空隙）」が形成されているのに対し（図６）、高速回転めっき装置を用いることによって、「す」のない緻密なはんだ層１２が得られることがわかる（図５（ａ）および（ｂ））。
また、図５（ａ）および（ｂ）において、比較的明るい点が内側に多く分布していることから、Ｓｎよりも重元素であるＢｉの含有率が内側（コア側）で高くなっていることがわかる。一般に、ＳＥＭの組成像において、軽元素は比較的暗く、重元素は比較的明るく観察される。
このように、高速回転めっき装置を用いると、緻密なはんだ層を有する実施例のはんだ被覆ボールを容易に製造することができる。
本発明には、半導体パッケージの入出力端子に用いられるはんだ被覆ボールおよびその製造方法に好適に用いられる。
１０Ａ、１０Ｂ 被覆ボール
１１ コア
１２ はんだ層
１３ めっき層（Ｎｉめっき層）

Claims (4)

  1. ボール状のコアと、
    前記コアを被覆するように形成されたはんだ層とを有し、
    前記はんだ層は、ＳｎとＢｉとを含み、Ｂｉ含有率が４５質量％以上６５質量％以下で、且つ、Ｂｉの含有率は、内側で高く、外側で低い、はんだ被覆ボール。
  2. 昇温速度が１０℃／分で測定したＤＳＣ曲線におけるオフセット温度が１６０℃以下である、請求項１に記載のはんだ被覆ボール。
  3. 前記コアと前記はんだ層との間にＮｉめっき層をさらに有する、請求項１または２に記載のはんだ被覆ボール。
  4. 請求項１から３のいずれかに記載のはんだ被覆ボールの製造方法であって、
    ボール状のコアを用意する工程と、
    垂直軸を中心に回転しているめっき槽内のめっき液中で前記コアにめっき法ではんだ層を形成する工程とを包含する、はんだ被覆ボールの製造方法。
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