JPH10144718A - スズ基鉛フリーハンダワイヤー及びボール - Google Patents
スズ基鉛フリーハンダワイヤー及びボールInfo
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Abstract
対してぬれ性が良いハンダとしての特性を維持しなが
ら、強度や硬さが高く、バンプ材料として取り扱いが容
易な、従来にない鉛フリーハンダワイヤー及びボールを
提供することを目的とする。 【解決手段】 P0.05〜1.5wt%、Ni 0.5〜5.0wt%、C
u 30wt%、以下、又は/及びAg 10wt%、以下で、Ni
とCuとAgの合計が 35wt%以下を含み、残部がSn及
び不可避不純物よりなる、線径 100μm以下で鉛−スズ
ハンダワイヤーに比べて引張り強度の高いスズ基鉛フリ
ーハンダワイヤー、及び直径1000μm以下で鉛−スズハ
ンダボールに比べて硬さの高いスズ基鉛フリーハンダボ
ール。
Description
製造におけるワイヤーボンディングあるいはBGA(ボ
ールグリッドアレイ:Ball Grid Array)及びCSP(チ
ップサイズパッケージ:Chip Size Package)に用いるス
ズ基鉛フリーハンダワイヤー及びボールに関するもので
ある。
ィングは不可欠なプロセスであり、Pb−Sn共晶合金
を代表とするハンダ材料が広く使われている。しかし、
近年、酸性雨による環境破壊が世界的な問題となってお
り、この酸性雨に特に弱いPbが酸に溶けてイオンにな
り、地球環境を著しく悪化させると言われている。この
ため廃棄電気製品のハンダ付部などにおけるPb成分
が、酸性雨に遭遇した時に出すPbイオンが問題とな
り、鉛を全く含まないハンダ、即ち鉛フリーハンダの開
発が現在重要な課題となっている。
伴うICの多ピン化の進展により狭ピッチ、多ピン、大
型化が進み、基板実装が困難となってきたが、狭ピッチ
の接続を実現するためにワイヤーボンディングやBG
A、CSPの検討が進み、これらに用いる接合材料とし
ては、AuやPb−Snハンダのワイヤーやボールが使
用されている。
加工することも可能で、強度も高く取り扱い易いが、ボ
ンディングする場合、部品をAuメッキする必要があ
り、また次工程でハンダ付工程があるのでAuにハンダ
メッキが必要となるため、工程が複雑であると共に、メ
ッキ廃液による環境上の問題もある。Pb−Snハンダ
ワイヤーは直接ハンダ付でき、最近の伸線技術の向上に
より100μmφ程度のワイヤーができるようになった
が、50μmφ以下への細径化はできず、強度が低いため
取り扱い上問題がある。
した場合、ボールが必要以上に変形し、接着不良が発生
したり、実装後の構造上、接着不良を見つけ難いなどの
問題がある。
害なPbを含まず、低融点でCuに対するぬれ性が良い
ハンダとしての特性を維持しながら、強度や硬さが高
く、ワイヤーボンディング、BGA、CSPに用いる際
に取り扱いが容易な、従来にないスズ基鉛フリーハンダ
ワイヤー及びボールを提供することである。
解決するために、種々のベース成分及び添加成分を検討
した結果、本発明者らが既に提案している特開平8−1
373号「Sn基低融点ろう材」の構成成分及びその効
果範囲が本発明のワイヤー及びボールに必要な諸特性を
全て兼ねそなえており、前記課題を解決できることを見
い出し、本発明を完成したものである。
〜5.0wt%、Cu 30wt%、以下又は/及びAg 10wt%以下
でNiとCuとAgの合計が 35wt%以下を含み、残部が
Sn及び不可避不純物よりなる、線径 100μm以下で、
鉛−スズハンダワイヤーに比べて引張り強度の高いスズ
基鉛フリーハンダワイヤー、及び直径1000μm以下で鉛
スズハンダボールに比べて硬さの高いスズ基鉛フリーハ
ンダボールである。
記のごとく限定した理由を以下に述べる。Pは、本材料
合金製造時に添加、合金化することにより各成分とのリ
ン化物(Sn4P3 、Ni3P、Cu3P、AgP など)を形成し、ハ
ンダ付過程でフラックスと同様の働きをすることによ
り、銅配線とのぬれ性を改善する効果があるが 0.05wt%
未満ではその効果が発揮されず、1.5wt%を超えると上記
効果が緩慢になると共に、ハンダ付過程でのPの蒸発に
よりパッケージ内の雰囲気を劣化させる危険性が生じて
くる。このため、Pの添加範囲を0.05〜1.5wt%と限定し
た。
り安定なNi3P等を形成し、フラックス作用を発揮すると
共に、ハンダ付時のPの蒸発を抑制する効果があるが、
0.5wt% 未満ではその効果が少なく、5.0wt%を超えると
合金の融点(液相線温度)が好ましくない温度まで上昇
してしまうと同時に、伸線が困難となる。このため、N
iの添加範囲を 0.5〜5.0wt%と限定した。Sn−P−N
i三元合金でもハンダ材料として良好なぬれ性を発揮
し、良好なワイヤーやボールを製造することができる
が、これにCu又は/及びAgを添加すことによりSn
−P−Ni三元合金よりも液相線温度が低下し、さらに
ぬれ性が向上する効果がある。CuとAgは各々単独添
加でも複合添加でも同様の上記効果を発揮すると共に、
Cu−Ni、Ag−Ni、Cu−Ag−Niなどの合金
相が材料中に分散することによりワイヤーやボールの強
度が向上し、バンプ材に使用する際の作業性が改善され
る効果を発揮する。
線温度が好ましくない温度まで上昇し、良好なぬれ性を
発揮しなくなると共に、材料が硬くなり過ぎ靱性が低下
するため、ワイヤーに加工できなくなることから、以下
のごとく上限を限定した。
Ag 10wt%以下、複合添加の場合はNiとCuとAgの
合計が 35wt%以下である。本発明のスズ基鉛フリーハン
ダ材料は、多くの場合過共晶合金となり、固相線温度は
約 220℃と低いが、液相線温度は最高約 600℃まで上昇
する。しかし、ハンダ付性(ぬれ性)、加工性には問題
なく、むしろ初晶として晶出する合金相が適度に分散す
るため、ワイヤーやボールの強度を向上させ、取り扱い
の容易なバンプ材として使用できる特長を有してしてい
る。また、合金の構成上、特に高価で有毒な元素は含ん
でおらず、環境上問題なく、線膨張係数はPb−Snハ
ンダと同等であり、電気伝導性はPb−Snハンダより
良好で、有用である。
は、合金インゴットを押し出し加工した後、伸線加工を
繰り返すことにより製造することができ、線径 100μm
以下の極細線が得られる。また、本発明のスズ基鉛フリ
ーハンダボールは、急冷凝固法、ガスアトマイズ法など
により製造することができ、直径1000μm以下の球状ボ
ールが得られる。
説明する。表1に示す本発明例及び比較例の合金組成に
ついて、下記の方法で作製したワイヤー及びボールの特
性を調査し、評価した。
た地金を電気炉で溶解した後、金型に鋳造して均一なイ
ンゴットを作製し、押し出し加工及び伸線加工を行い、
得られたワイヤーについて下記の特性を評価した。 ワイヤー加工の難易:伸線加工し、ワイヤーを作製す
る際にどこまで細径化できるかどうか調査し、加工性を
下記の基準で評価した。 ○: 50μmφ以下まで伸線可能 △: 100μmφ程度まで伸線可能 ×: 100μmφまでの伸線困難 100μmφワイヤーの引張り破断荷重:強度を比較す
るため、 100μmφワイヤーについて、ロードセル付デ
ジタル引張り試験機により引張り破断荷重を測定し、ワ
イヤーの引張り強さの指標とした。 100μmφワイヤーのぬれ性:と同様の 100μmφ
ワイヤーについて銅箔上に市販のハンダ用フラックスを
塗布してハンダ付を行い、銅箔に対するぬれ性を下記の
基準で評価した。 良:銅箔に対し、良好なぬれ性を示す。 不良:銅箔に対し、ぬれ性が不良で、接合不良を生ずる
場合がある。
なインゴットを作製した後、液相線温度以上に加熱、再
溶解し、急冷凝固法により粉末を製造し、選別した約 5
00μmφのボールについて、下記の特性を評価した。 ボールの硬さ:ボールを樹脂に埋込み、ペーパー研
摩、バフ研摩した後、ボール断面の硬さを微小硬さ計
(荷重50gf)により測定し、ボールの変形強度の指標と
した。 ボールのぬれ性:銅箔上に市販のハンダ用フラックス
を塗布し、その上にボールを載せ、 250℃に加熱し、銅
箔に対するぬれ性を評価した。評価基準はワイヤーと同
様とした。
評価した結果を表2に示す。No.1〜6は本発明例を示
すが、本発明のスズ基鉛フリーハンダワイヤーは、50μ
mφ以下の線径まで加工でき、 100μmφワイヤーで評
価した引張り破断荷重はいづれも50gf以上で、Pb−S
n共晶ハンダ(比較例 No.10)より引張り強度が高く、
銅箔に対するぬれ性も良好であることがわかる。また、
本発明のスズ基鉛フリーハンダボールは、Pb−Sn共
晶ハンダ(比較例 No.10)より硬さが高く、変形強度に
優れ、銅箔に対するぬれ性も良好であることがわかる。
の範囲から外れた組成である。No.7はPとNiが下限を
下回った組成であるが、この場合ワイヤー加工が困難
で、ワイヤーの引張り強度やボールの硬さが低く、ぬれ
性も不良で、この点からもぬれ性や強度に対するPとN
iの効果が明らかである。
が、この場合、ワイヤーに加工するのが困難となり、ま
た、液相線が高くなりすぎるためぬれ性が劣化する。N
o.9は、PとNiを含まず、Cu+Agを過剰に含む組
成であるが、この場合、合金が硬くなりすぎ脆くなるた
めワイヤーに加工するのが困難となり、Pを含有せず、
液相線が高すぎるため、ぬれ性も不良となる。
鉛フリーハンダワイヤー及びボールは、環境上有害なP
bを含まず、低融点でCuに対する良好なぬれ性を有
し、強度や硬さが高く、電気伝導性が良好であり、バン
プ材料として有効な特徴を発揮する効果を有するもの
で、産業の発展に寄与するところ大なる発明である。
Claims (2)
- 【請求項1】 P 0.05 〜1.5wt%、Ni 0.5〜5.0wt%、
Cu 30wt%、以下、又は/及びAg 10wt%以下で、Ni
とCuとAgの合計が 35wt%以下、残部Sn及び不可避
不純物よりなる線径 100μm以下で鉛−スズハンダワイ
ヤーに比べて引張り強度の高いスズ基鉛フリーハンダワ
イヤー。 - 【請求項2】 P 0.05 〜1.5wt%、Ni 0.5〜5.0wt%、
Cu 30wt%、以下、又は/及びAg 10wt%以下で、Ni
とCuとAgの合計が 35wt%以下、残部Sn及び不可避
不純物よりなる直径1000μm以下で鉛−スズハンダボー
ルに比べて硬さの高いスズ基鉛フリーハンダボール。
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