JPH02121799A - はんだの処理方法とそのためのフラツクス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ、産業上の利用分野 この発明は、一般的には、はんだ接合に関し、詳しくは
、濡れ特性（ｖｅｔａｂｌｌｔｔｙ）を犠牲にすること
なく鉛／錫はんだ接合の強度を改善するための方法及び
組成に関する。

Ｂ、従来技術 従来より非常によく知られている、はんだ接合のための
低融点組成は、公称９５％の鉛と、５％の錫を含む鉛／
錫組成である。この材料の１つの特定の用途としては、
集積回路チップの、セラミック基板に対する裏側チップ
接着がある。この組成に錫が存在する主要な理由は、は
んだが適用される表面に対するはんだの濡れ特性を高め
ることにある。すなわち、錫が４％または５％以下であ
ると、はんだは、表面を効果的に濡らさず、このことは
、多くの場合、はんだ接合の不良につながる。その障害
の仕組みは、通常は、表面が適切に濡れていなかったた
め、はんだがその表面に対する接着障害を生じたという
ことである。しかし、はんだ組成中に錫が存在すること
は、ある種の欠点をもたらすのであって、その主要なも
のは、錫を多く含むはんだ接合が、純粋な鉛、または錫
を少ししか含まないはんだ接合よりももろい、というこ
とである。このため、姶９５％、錫５％のはんだの使用
は、１つのトレードオフであって、錫は、下層に対して
所望の濡れ特性を与えるに十分なだけ存在しているけれ
ども、錫は、接合の延性を実質的に損なわない量を超え
て必要よりも多く使用されないという訳である。それゆ
え、この鉛はんだ接合におけるトレードオフにおいて、
表面の適切な濡れ特性が保証するとともに半田接合の品
質を低下させることを最小限にとどめるようなだけの錫
が加えられる。上述した錫を低減するための従来技術が
、米国特許第４３３２３４３号に記載されている。これ
においては、はんだ中で錫と反応させるためにフラック
ス中にカルボン酸が導入される。しかし、これが完全に
有効であることは証明されていない。また、他の目的の
ためにフラックスに添加される他の添加物も提案されて
いる。例えば、米国特許第４３６０３９２号け、貯蔵の
間の生分解を防止するためにフラックスにわずかな量（
０゜００２％乃至０．００５％）の炭酸鉛を添加するこ
とを開示する。米国特許第４１６５２４４号においては
、はんだフラックス内である種の反応を引き起こすため
の触媒が開示されており、この触媒は、さまざまな範囲
の有機金属を含む。米国特許第３９７０２３９号は、鉛
酸化物と酢酸化合物を反応させ、これか配位鉛化合物を
形成することを開示する。

Ｃ１発明が解決しようとする問題点 本発明の目的は、濡れ特性（ｖｅｔａｂ口１ｔｙ）を犠
牲にすることなく鉛／錫はんだ接合の強度を改善するた
めの方法及び組成を提供することにある。

Ｄ０問題点を解決するための手段 本発明に従えば、鉛／錫はんだ中に公称４％乃至５％の
錫が維持されるけれども、はんだ接合動作の間に、はん
だ中に合金化されている錫のある部分が除去されるよう
なはんだ接合の方法と組成が提供される。こうして、は
んだは、当初はパッド上に配置されてパッドを適切に濡
らすように作用する。なぜなら、そのはんだは、濡れ特
性のためには十分な錫を含んでいるからである。しかし
、はんだ接合が形成されると、はとんどの錫は除去され
（残量１％以下）、以て、錫を最小限にしてはんだ接合
の品質を十分に高める最大量の鉛の割合をもたらすよう
なはんだ接合が結果的に与えられる。このことは、フラ
ックス中に、はんだ接合動作の間にはんだ中の合金化し
た錫と反応してはんだ中の錫原子を酸化し、フラックス
中の鉛イオンを還元させ、以てフラックス中の鉛をはん
だ中の錫と交換させるような鉛または他の金属化合物を
添加することによって達成される。この酸化還元反応は
、合金化された錫を効果的に除去しくすなわち、１％以
下の錫残量まで）、その錫を、鉛と置換し、以てはんだ
接合の延性を改善する。

Ｅ、実施例 本発明に従うと、フラックスが鉛／Ｂはんだ接合ボール
またはパッドに適用されて、はんだの流動１度以上にフ
ラックスが加熱された時に、玲または他の金属化合物が
はんだ中の錫原子をイオン化し錫原子との酸化還元反応
に入り、以て錫をフラックスからの鉛で置き換えてはん
だ組成から合金化された錫を除去するように、フラック
ス中に、絵または他の金属化合物が溶解される。この酸
（ヒ還元反応において、錫原子は酸化され、鉛イオンは
還元され、以てはんだ中の錫がフラックスからの鉛と置
き換えられる。フラックスに組み込才れる良好な化合物
として酢酸鉛がある。酢酸ｉＱがフラ・ンクスに溶解さ
れ、フラックスとはんだが、はんだ接合が生じるように
はんだの流動温度以上に加熱された時、次の反応が生じ
る： Ｐｂ”　（ＣＨｓＣＯＯ）２−＋Ｓｎｏ＋　　フラック
ス−＞Ｐｂｏ＋Ｓｎ”　（ＣＨ３ＣＯＯ）２レドックス
反応は、岸に５ｎｏ−−＞Ｓｎ÷４＋２ｅ１及びＰｂ＋
＋＋２ｅ　　−＞Ｐｂｏである。これは、フラックス中
の鉛イオンが鉛元素に還元され、はんだ中の錫元素が、
酢酸錫を形成するように錫イオンに酸化される単純な酸
化還元反応である。

もし、多くのフラックスがそうであるように、フラック
スがアビエチン酸などの有機酸を含むなら、それは、ア
ビエチン酸錫を形成するように錫とさらに反応して酢酸
が形成され、それは揮発する。

どの場合にも、根幹となる特徴は、フラックスに含まれ
る化合物が、はんだ付けの間に錫を除去し、その錫を、
フラックスからの還元された金属元素と１き換えるよう
にはんだ中の錫と反応するものでなくてはならない、と
いうことである。尚、鉛以外の金属を使用することもで
きるけれども、好適な金属はやはり鉛である。というの
は、鉛は、はんだのベースとなる金属であって、それゆ
えに別の金属を導入することは通常保証されず、錫を、
はんだ組成以外の金属で置換することは望ましくない。

しかし、特定の状況では、化合物がフラ・ンクスに可溶
であって錫よりも電気陰性度が高い任意の金属を使用す
ることもできよう。このような金属としては、インジウ
ム、カドミウム、亜鉛などがある。

また、別のアニオンを使用することもできる。

例えば、他の有機金属塩に加えて、塩化鉛、炭酢鉛、錫
酸鉛、及び酸化鉛を使用することもできるけれども、そ
れらの溶解度は、フラックスによっては、酢酸鉛はどは
大きくないことがある。

フラックスに含まれるこの組成物の量は、場合によって
異なり、実質的に重量比１％程度の量の鉛イオンでも所
定の結果はもたらすけれども、フラックス中に少なくと
も約２％の鉛イオンが好ましく、フラックスの品質がた
もたれる限りの量の鉛イオンがあってもよいが、１０％
以上の鉛イオンは、基板の錆を促進するがゆえに望まし
くない。

いかなる場合でも、フラックス中に含まれる鉛の量は、
少なくとも、はんだ組成物から除去しようとする錫に化
学量論的に等価な量でなくてはならない。これに関連し
て、鉛に溶解している錫は、容易に除去することができ
ず、除去されるのは、溶解不可能な錫のみであることが
分かっている。

また、はんだ接合のもろさをもたらすのは、溶解してい
ない錫であって溶解した錫でないと信じられている。Ｐ
　ｂ　／　Ｓ　ｎの状態図では、約０．７％の錫が鉛に
溶解可能であり、従って、錫の組成は、本発明の技術を
もちいて、その公称の５％から約０．７％まで減少させ
ることができる。

通常は、フラックスに直接、所望の鉛組成物を単に加え
るたけでよいのであるが、フラックスに鉛塩を添加する
別の技術として次のようなものがある。

すなわち、−旦はんだボールがパッド上に形成され、錫
が、表面を濡らすというその作用を実施してしまうと、
はんだボールは次に、はんだの外表面を酸化するために
、酸化雰囲気中で加熱される。このことは、主として鉛
酸化物を生じさせる。

なぜなら、はんだにおいては、鉛が主要成分（約９５％
）であり、錫酸化物はわずかな量である（錫は約５％に
満たないため）。そして、慣用的なフラックスが酸化さ
れたはんだボール上に塗布される。この後のはんだ付け
の間、酸化鉛がまずフラックスに溶解して鉛イオンを形
成し、この鉛イオンが、はんだ中の遊１ｉｌＪｔｌと反
応する。すると、鉛は、金属元素に還元され、錫に置換
され、錫が酸化されて、上述のように、錫イオンとして
フラックス中に移行する。この技術もある程度有効であ
るけれども、これは、正確な量の鉛酸化物をはんだ中に
移行させて良好な接合を保証するように、はんだボール
の表面の鉛酸化物の量を制御することが常に可能ではな
い、という点で幾分制約がある。しかし、制御された環
境のもとでは、この技術は有効であって、実際、錫が濡
らし作用を行なった後で導線のはんだ中に鉛化合物を組
み込むことによって、錫を減少させるのである。

さて、本発明を適用するために、さまざまなタイプのは
んだを使用することができ、そのときの必要条件として
は、はんだが、鉛化合物または鉛組成物が可溶であるよ
うな成分を含むべきである、ということだけである。ま
た、有効なフラックスとしては、ペンゾール・アルコー
ル溶剤をもつＡｌｐｈａ　　１０２−１５００があり、
これは、Ａｌｐｈａ　　Ｍｅｔａｌｓ社から購入するこ
とができる。イソプロピル・アルコールを含むような他
のタイプのフラックスは、酢酸鉛などのある種の鉛化合
物に対して十分な可溶性を示さないこともある。しかし
、フラックスのタイプは、使用すべき鉛化合物のための
溶剤を含むかどうかということ以外は重要ではない。

第１図は、出発材料として様々のフラックス及びはんだ
組成物を利用した６つの異なるはんだ接合における結果
の錫成分を示す図である。このはんだ接合は、８１１１
準的なＩ／Ｃチップ上で実施され、慣用的なフリップ・
チップはんだ付は技術を使用してセラミック基板に対す
るはんだ付けが行なわれた。基本的にはこのはんだ付は
技術とは次のようなものであった。すなわち、基板のチ
・ンプ領域に、ロジン（松やに）フラックスが塗られ、
裏返しにされたチップがそのフラックス上に配置される
。そして、この構造体歯、窒素雰囲気を含む管状炉を通
される。その炉の温度は約３５０℃まで上昇加熱され、
３００℃以上の滞留時間は約２分間である。この構造体
は次に室温まで冷却される。

サンプルＡでは、公称５％Ｓｎ、９５％Ｐｂのはんだが
使用され、−回のフラ・ンクス塗布と一回の加熱が行な
われた。フラックスは鉛化合物を全く含んでいなかった
。結果の組成は、錫が約４％であった。サンプルＢでは
、２重フラックス・２重加熱が行なわれた。すなわち、
フラックス塗布と加熱が行なわれた後、接合の周りに追
加のフラックスが塗布され、接合が再び流動濃度まで加
熱された。結果の錫は、約３．６５％であった。サンプ
ルＣでは、公称５％Ｓｎ、９５％ｐｂのはんだが使用さ
れ、−回のフラックス塗布と一回の加熱が行なわれた。

しかし、フラックスは約１重量％の酢酸鉛を含んでいた
。結果の接合は、約３゜５％の錫を含んでいた。サンプ
ルＤでは、公称５％Ｓｎ、９５％ｐｂのはんだを使用し
て２重フラックス・２重加熱が行なわれた。このとき−
回目のフラックスは鉛化合物を含まず、２回目のフラッ
クスは約１１１１量％の酢酸鉛を含んでいた。結果の接
合の錫は約３．５％であった。サンプルＥは、サンプル
Ｄと同様であるけれども、どちらのフラックスも約１重
量％の酢酸鉛を含む点で異なる。結果の接合の錫は約３
．０５％であった。サンプルＦは、フラックスが約１０
重量％の酢酸鉛を含むこと以外は、サンプルＣと同様で
あり、結果の接合の錫は約１．０％であった。サンプル
Ｇは、２回目のフラックスが約１０重量％の酢酸鉛を含
むこと以外は、サンプルＤと同様であり、結果の接合の
錫は約０．６％であった。サンプルＨは、どちらのフラ
ックスも約１０重量％の酢酸鉛を含むこと以外は、サン
プルＥと同様であり、結果の接合の錫は約０．６％であ
った。

第２図は、上述のフリップ・チップ接合技術によってセ
ラミック基板に接合された６個のサンプルＩ１０チップ
の組を示す図である。これらのサンプルにおいて、すべ
てのはんだ付けは、２重フラックス・２重加熱により行
なわれた。サンプル１．２及び３において、フラックス
は鉛化合物を含まず、サンプル４．５及び６において、
フラックスは５％の鉛化合物を含んでいた。サンプル１
及び４のはんだは、公称５％のＳｎを含み、サンプル２
及び５のはんだは、公称３％のＳｎを含み、サンプル３
及び６のはんだは、公称２％のＳｎを含んでいた。

第１図及び第２図は、鉛化合物をフラックスに含有させ
ることが、結果の接合組成中の錫の呈をいかに顕著に減
少させるかを視覚的に示す図である。

第３図には、はんだ接合の品質の改善が視覚的にボされ
ている。これにおいては、第２図からの６つの同一の例
がさまざまな温度サイクルにさらされ、電気的故障が生
じたがどうがかテストされた。このテストは、次のよう
にして行なわれた。

すなわち、短絡されたチップ・セラミック構造体が、０
℃及び１００℃の間の温度サイクルに一時間に３回の割
合でさらされた。このチップは、開路が生じたがどうが
、周期的に電気的テストをなされた。このとき、もしチ
ップ上のどれかのはんだ接合に欠陥が生じると、そのチ
ップ全体がテストに失格する。それゆえ、このテストの
基準は、温度サイクルの後で電気的テストに失格したチ
ップの総数である。尚、チップ当りの失格はんだ接合の
総数は、決定されなかった。

この６つ全ての場合において、８００サイクルでは故障
が生じてもそれはごく少数であり、しかし、故障は、は
んだフラックス４．５及び６の場合よりもはんだフラッ
クス１．２及び３の場合の方がやや多いことが見て取れ
る。ところが、１２００サイクルでは、サンプル１にお
いて、４５チップ中１２個の故障が生じ、サンプル２に
おいて、４５チップ中１３個の故障が生じ、サンプル３
において、４５チップ中１４個の故障が生じた。

しかし、フラックス中に鉛化合物を使用したサンプル４
．５及び６では、チップの故障はそれぞれ、わずか４．
３及び４個であ７た。１６００サイクルでは、サンプル
１．２及び３においては、それぞれ２７．２９及び２６
という相当な数のチップに故障があられれ、それに対し
て、サンプル４．５及び６では、故障のチップの数はか
なり少なかった。特に、はんだ中に当初十分な量の錫が
あり、フラックス中に５％の酢酸鉛を含有させたサンプ
ル４において顕著な故障の低減が認められた。これは、
はんだ中に錫を残したままにしておく慣用的なはんだ接
合技術に対して、本発明を実施することによるはんだ接
合強度の著しい改善が存在することを劇的に示すもので
ある。

Ｆ１発明の詳細 な説明したように、本発明によれば、フラックス中に鉛
化合物またはその他の適当な金属化合物を含有させて、
はんだ接合の後、はんだ中の錫元素を、酸化還元反応に
よってフラックス中の金属元素と置換することにより、
はんだ接合の延性及び強度を向上させることができると
ともに、当初のはんだ組成に十分な量の錫を加えること
を可能ならしめるので、はんだの濡れ特性を損なわない
という、顕著な効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、フラックス中の異なる鉛化合物の含有量に対
する、結果の接合の残存錫の量を示す図、第２図は、異
なる組成のはんだに対する、２種類のフラックスの使用
による結果の接合の残存錫の量を示す図、 第３図は、第２図の対応サンプルに複数回の温度サイク
ルを実行した後の故障チップの数を示す図である。 出願人　インターナシリナル・ビジネス・マシーンズ・
コーポレーシヨン 代理人　弁理士　山本仁朗（他１名）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）鉛及び錫を含むはんだの錫の量を減少させるため
   の方法であって、 （ａ）錫よりも電気陰性度が強い金属の化合物を、上記
   はんだから除去しようとする錫の量に少なくとも化学量
   論的に等しい量だけ含むフラックスを用意する段階と、 （ｂ）上記フラックスを上記はんだに塗布する段階と、 （ｃ）上記フラックス中の金属化合物が上記はんだ中の
   遊離錫と反応して、上記金属化合物中の金属を還元する
   とともに、該遊離錫を酸化させるように、上記はんだと
   上記フラックスとを上記はんだの融点以上に加熱する段
   階を有する、 はんだの処理方法。
2. （２）鉛及び錫を含むはんだ用のフラックスであって、
   錫よりも電気陰性度が強い金属の化合物が、上記はんだ
   中に溶解していない錫を除去するのに有効な量だけ溶解
   されているフラックス。