KR20160104086A - 납 프리 땜납 볼 - Google Patents

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KR20160104086A
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mass
solder ball
electrode
ball
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KR1020167022883A
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츠카사 오오니시
요시에 야마나카
겐 다치바나
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센주긴조쿠고교 가부시키가이샤
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Abstract

땜납 볼의 접합 계면에 있어서의 계면 박리를 억제하고, 또한, 땜납 볼과 솔더 페이스트 사이에 발생하는 미융합을 억제한, 전자 부품이 낙하하였을 때의 고장 모드가 낮은 땜납 볼이며, Au 도금 등의 Ni 전극부와 Cu에 수용성 프리플럭스가 도포된 Cu 전극부 모두 사용 가능한 땜납 볼을 제공한다. 본 발명은, Ag 0.5∼1.1질량％, Cu 0.7∼0.8질량％, Ni 0.05∼0.08질량％, 잔량부 Sn의 BGA나 CSP의 전극용 납 프리 땜납 볼이며, 접합되는 프린트 기판이 Cu 전극에서도, 표면 처리에 Au 도금이나 Au/Pd 도금을 사용하는 Ni 전극에서도 낙하 충격성이 양호한 납 프리 땜납 볼이다. 또한, 이 조성에 Fe, Co, Pt로부터 선택되는 원소를 1종 이상을 합계로 0.003∼0.1질량％, 또는 Bi, In, Sb, P, Ge로부터 선택되는 원소를 1종 이상을 합계로 0.003∼0.1질량％ 첨가해도 된다.

Description

납 프리 땜납 볼{LEAD-FREE SOLDER BALL}
본 발명은, 반도체 등의 전자 부품의 전극에 사용하는 납 프리 땜납 볼에 관한 것이다. 특히, Au 도금 등의 Ni 전극부와 Cu에 수용성 프리플럭스가 도포된 Cu 전극부 모두 사용 가능하며, 전극이 탑재된 전자 부품이 낙하하였을 때의 고장 모드가 낮은 납 프리 땜납 볼에 관한 것이다.
최근, 전자 기기의 소형화, 전기 신호의 고속화 등으로부터, 전자 기기에 사용되는 전자 부품도 소형화, 다기능화되어 있다. 소형화, 다기능화된 전자 부품으로서는 BGA(Ball Grid Array), CSP(Chip Size Package), MCM(Multi Chip Module)(이하 대표하여 BGA라 함)이 있다. BGA는, BGA 기판의 이면에 다수의 전극이 기판 그물 형상 위치에 설치되어 있다. BGA를 프린트 기판에 실장하는 경우에는, BGA의 전극과 프린트 기판의 랜드를 땜납으로 접합함으로써 행해진다. BGA의 프린트 기판에의 실장 시에는, 전극마다 땜납을 공급하여 납땜하는 것으로는 막대한 수고를 필요로 할 뿐만 아니라, 기판의 중간 정도에 있는 전극에 외부로부터 땜납을 공급할 수는 없다. 따라서, BGA를 프린트 기판에 실장하기 위해, 미리 BGA의 전극에 땜납을 쌓아 두는 방법이 행해지고 있다. 이것을 땜납 범프의 형성이라 한다.
BGA에의 땜납 범프 형성에는, 땜납 볼, 솔더 페이스트 등을 사용한다. 땜납 볼로 땜납 범프 형성하는 경우에는, BGA 전극에 점착성의 플럭스를 도포하고, 상기 플럭스가 도포된 전극 상에 땜납 볼을 적재한다. 그 후, 상기 BGA 기판을 리플로우로와 같은 가열 장치로 가열하여, 땜납 볼을 용융함으로써, 전극 상에 땜납 범프를 형성하는 것이다. BGA 기판이나 CSP 기판 등의 반도체 기판을 총칭하여 모듈 기판이라 한다. 또한, 솔더 페이스트로 웨이퍼의 랜드에 땜납 범프를 형성하는 경우, 웨이퍼의 랜드와 일치한 곳에 랜드와 동일한 정도의 구멍이 천공된 메탈 마스크를 두고, 메탈 마스크의 상방으로부터 솔더 페이스트를 스퀴지로 긁어 웨이퍼의 랜드에 솔더 페이스트를 인쇄 도포한다. 그 후, 웨이퍼를 리플로우로에 의해 가열하고, 솔더 페이스트를 용융시킴으로써, 땜납 범프를 형성한다.
그런데 종래의 BGA에서는, 땜납 범프 형성용으로서 Sn―Pb 합금의 땜납 볼을 사용하고 있었다. 이 Sn―Pb 땜납 볼은, BGA의 전극에 대한 납땜성이 우수할 뿐만 아니라, 특히 Sn―Pb의 공정 조성은, 납땜 시에 BGA 소자나 기판 등에 열영향을 미치지 않는 융점을 갖고, 또한 유연한 Pb를 갖고 있으므로 사용한 전자 부품이나 전자 기기 등이 낙하해도 충격을 흡수하고, 전자 부품이나 전자 기기 등의 수명에 큰 공헌을 하고 있었다. 현재, 세계적 규모로 Pb의 사용이 규제되도록 되어 있고, 당연히, 종래의 납땜에서 사용되어 온 Sn―Pb의 공정 조성도 규제되고 있다.
종래, BGA용의 납 프리 땜납 볼의 조성으로서는, Sn―3.0Ag―0.5Cu나 Sn―4.0Ag―0.5Cu 등의 Sn―Ag―Cu계의 땜납 합금이 사용되어 왔다. 이들 납 프리 땜납 합금은 온도 사이클 특성이 우수하지만, 이들 땜납 합금 조성의 땜납 볼을 사용한 휴대 전자 기기는 낙하하였을 때, 땜납 볼 접속 계면으로부터 박리되는 계면 박리가 발생하기 쉽고, 그로 인해 낙하 충격성이 떨어진다고 생각되어 왔다.
휴대 전자 기기의 낙하 충격을 방지하는 납 프리 땜납 볼용의 땜납 합금 조성으로서는, 질량％로, (1)Ag:0.8∼2.0％, (2)Cu:0.05∼0.3％ 및 (3)In:0.01％ 이상 0.1％ 미만, Ni:0.01∼0.04％, Co:0.01∼0.05％ 및 Pt:0.01∼0.1％로부터 선택된 1종 혹은 2종 이상, 잔량부 Sn으로 이루어지는 납 프리 땜납 합금(WO2006/129713A 공보, 특허문헌 1), Ag:1.0∼2.0질량％, Cu:0.3∼1.5질량％를 포함하고, 잔량부 Sn 및 불가피 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 무연 땜납 합금. Sb:0.005∼1.5질량％, Zn:0.05∼1.5질량％, Ni:0.05∼1.5질량％, Fe:0.005∼0.5질량％의 1종 또는 2종 이상을 더 포함하고, Sb, Zn, Ni, Fe의 합계 함유량이 1.5질량％ 이하인 무연 땜납 합금(일본 특허 출원 공개 제2002-239780호 공보, 특허문헌 2), 질량％로, 0.1∼1.5％의 Ag와, 0.5∼0.75％의 Cu와, 12.5≤Cu/Ni≤100의 관계를 만족하는 Ni와, 잔량부 Sn 및 불가피적 불순물로 이루어지는 납 프리 땜납 합금(WO2007/081006A 공보, 특허문헌 3), Ag:1.0∼2.0질량％, Cu:0.3∼1.0질량％, Ni:0.005∼0.10질량％를 함유하고, 잔량부 Sn 및 불가피 불순물로 이루어지는 납 프리 땜납 합금(WO2007/102588A 공보, 특허문헌 4)이 있다. 또한, BGA 기판과 같은 모듈과 프린트 기판의 접합 시에 발생하는 미융합의 해결법으로서, 모듈 기판의 전극부에 플럭스를 도포하는 방법(WO2006-134891A 공보, 특허문헌 5)이 개시되어 있다.
WO2006/129713A 공보 일본 특허 출원 공개 제2002-239780호 공보 WO2007/081006A 공보 WO2007/102588A 공보 WO2006/134891A 공보
이들 특허문헌 1∼4는, Sn―Ag―Cu계 땜납 볼의 내낙하 충격성의 개선을 위해, Ag의 함유량을 저감하여 땜납의 경도를 저하시켜 충격 흡수량을 향상시키거나, Cu의 함유량을 저감하여 랜드와 땜납의 접합면에 발생하는 Cu6Sn5 등의 금속간 화합물층을 얇게 하고, 접합 계면에서 박리되는 것을 방지한 것이며, Ag와 Cu의 함유량을 저감함으로써 발생하는 땜납 자체의 강도를 Ni, Fe, Co 등의 철족 원소를 첨가함으로써 개선하고 있다.
그러나 특허문헌 1∼4와 같은 내낙하 충격성 대책의 땜납 볼을 채용해도, 전자 기기의 낙하에 의한 문제가 감소하지 않는다고 하는 문제점이 발생하였다. 이 점을 해석하면, 종래의 Sn―Pb 땜납에 비교하여 증가하고 있는 전자 기기의 낙하에 의한 고장은, 특허문헌 1∼5에 나타낸 바와 같은 땜납 볼과 기판의 접합 계면에서만 발생하는 것은 아닌 것을 알 수 있었다. BGA 기판 등의 모듈 기판과 프린트 기판에 접합할 때에, BGA의 전극에 사용되는 땜납 볼의 땜납 성분과 프린트 기판의 납땜에 사용되는 솔더 페이스트의 땜납 성분이 혼합되지 않는(도 1) 「미융합」이라 하는 문제가, 종래의 Sn―Pb 땜납으로부터, 납 프리 땜납으로의 이행에 수반하여 새롭게 문제로서 발생하였기 때문이다.
그러나 미융합의 발생은 Sn―3.0Ag―0.5Cu 조성의 땜납 볼로부터, 내낙하 충격성 대책으로서 개발된 Sn―Ag―Cu―Ni 조성의 땜납 볼로 이행함에 따라 많이 발생하는 것을 알 수 있었다. 아무래도, 미융합의 원인이, 땜납 볼의 낙하 충격 개선을 위해 첨가한 Ni가 Sn과 금속간 화합물을 형성하여, 땜납 볼 표면에 석출됨으로써, 땜납 볼의 땜납 성분과 솔더 페이스트와 땜납 성분이 혼합되는 것을 방해하고 있는 것이 원인으로 생각된다.
또한, 미융합의 발생 원인으로서 이하도 생각된다. 프린트 기판이 가열되어 크게 휘었을 때에, 땜납 볼과 솔더 페이스트가 이격된다. 땜납 볼과 솔더 페이스트가 이격된 채 가열되면, 땜납 볼은 고온에 의해 표면이 산화된다. 솔더 페이스트로부터 배어 나온 플럭스가 땜납 볼의 표면을 덮고, 이 플럭스가 활성력을 상실하면, 냉각의 과정에서 휨이 복귀되었을 때에, 솔더 페이스트가 땜납 볼과 접촉해도, 땜납 볼의 표면의 산화막을 제거할 수 없으므로, 미융합으로 된다. 이 대책으로서 특허문헌 5의 방법이 유효하다.
그리고 실시예로부터는, 미융합이 땜납 볼의 조성에 의해, 땜납 볼 내부에 형성하는 화합물, Cu6Sn5 또는 (Cu, Ni)6Sn5에 기인하는 것이 판명되었다. 땜납 볼이 접합된 부품을 실장 기판에 탑재할 때, 솔더 페이스트가 인쇄 도포된 실장 기판에 대하여, 땜납 볼이 접합되어 있는 전극측은 하향으로 하여 탑재가 행해진다. 그 후 가열이 행해지고, 솔더 페이스트의 용융과 함께 땜납 볼도 용융하고 융합에 이른다. 그러나 땜납 볼 내부에 형성하는 화합물 Cu6Sn5 또는 (Cu, Ni)6Sn5가 많이 생성되는 경우, 땜납 볼 용융 시에 화합물이 볼 내부를 침강하고, 범프 최표면 부근에 석출되는 현상이 발생한다. 이 현상에 의해, 페이스트와의 융합을 저해하고 융합 불량을 야기하는 요인으로 되어 있는 것을 확인하였다(도 2, 도 3).
BGA나 CSP에 사용되는 땜납 볼에는, 내낙하 충격이 요구된다. 내낙하 충격에 대한 유효한 수단의 하나에 계면 화합물의 개질이 있고, 특허문헌 1∼4에 개시되어 있는 바와 같이, Ni 첨가가 개선의 수단으로 되어 있다. 그러나 미융합의 관점에 있어서는 Ni도 화합물을 생성하는 원소로 되므로, 첨가할 수 있는 양은 한정된다. 미융합을 고려하여 Cu나 Ni 첨가를 억지하면, 내낙하 충격 특성이 상실되므로, BGA나 CSP 등 휴대 기기에 다용으로 탑재되는 땜납 볼에는 부적합으로 되어 버린다.
본 발명이 해결하려고 하는 과제는, 내낙하 충격성 등의 땜납 강도를 향상시킨 Sn―Ag―Cu―Ni 조성의 땜납 볼이라도, 미융합의 발생이 없는 땜납 볼용의 땜납 합금을 개발하는 것이며, 땜납 볼의 접합 계면에 있어서의 계면 박리를 억제하고, 또한, 땜납 볼과 솔더 페이스트 사이에 발생하는 미융합을 억제함으로써, 전자 부품이 낙하하였을 때의 고장 모드가 낮고, 접합되는 프린트 기판이 Cu 전극에 있어서도, Ni 기초에 대하여 Au 도금이나 Au/Pd 도금 표면 처리를 실시한 전해 Ni/Au 전극 및 무전해 Ni/Pd/Au 전극에 있어서도 그 효과가 있는 BGA나 CSP용의 땜납 볼을 얻는 것이다.
본 발명자들은, 내낙하 충격성과 미융합 발생율이 모두 낮은 땜납 볼용 땜납 합금이 휴대 전자 기기의 낙하에 의한 문제가 적은 것, 내낙하 충격성 땜납 합금에 함유하는 Ni 등의 철속의 금속이 땜납 볼 표면에 석출되어 버리면 미융합 발생율이 높아지고, 휴대 전자 기기의 낙하에 의한 문제가 많이 발생하는 것, 땜납 합금 중에 첨가한 Ni의 양을 규정함으로써, 미융합, 나아가서는 휴대 전자 기기의 낙하에 의한 문제가 적어지는 것을 발견하고, 본 발명을 완성시켰다.
본 발명에서는, 베이스로 되는 Sn―Ag―Cu 땜납을 Ag가 0.5∼1.1질량％, Cu가 0.7∼0.8질량％, 잔량부 Sn으로 하고 있다. 이 이유로서는, 본 발명의 땜납 볼은, Sn―Ag―Cu 3원 조성의 땜납 합금 중의 Cu의 함유량을 감소시킴으로써, Cu 전극 계면에 Cu6Sn5의 금속간 화합물의 형성을 억제하고 있었던 특허문헌 1∼4의 기술과 달리, Sn―Ag―Cu 3원 조성의 땜납 합금 중의 Cu의 함유량이 공정점인 0.75질량％ 부근에 있어서, Ni를 첨가함으로써 땜납 중의 Cu의 함유량을 줄이지 않더라도 Cu 전극 계면에 Cu6Sn5의 금속간 화합물의 형성을 억제하고 있다.
이것은, 본 발명의 Sn―Ag―Cu 3원 조성의 땜납 합금 중의 Cu의 함유량을 공정점인 0.75질량％ 부근에 한정함으로써, Cu가 포화 상태의 Sn―Ag―Cu 3원 조성의 땜납 합금 중에 Cu 전극으로부터 Cu가 확산되는 것을 억제하고 있다.
본 발명의 땜납 볼의 또 하나의 특징은, Sn―Ag―Cu 3원 조성의 땜납 합금 중의 Cu의 함유량을 공정점인 0.75질량％ 부근으로 함으로써, Cu 전극으로부터의 Cu 확산의 억제뿐만 아니라, Cu와 전율고용의 관계에 있는 Ni에도 마찬가지의 효과가 얻어지므로, Ni 전극에 있어서도 Ni 확산을 억제하는 작용을 갖는 것이다. 또한, 땜납 중에 Ni를 미리 첨가함으로써, 부품 전극 및 기판 전극으로부터의 Ni 및 Cu의 확산 억제 효과가 높아지는 동시에, 미세한 금속간 화합물에 의한 접합 계면의 형성에 의해, Ni 전극에 대해서도 내낙하 충격성이 향상된다.
본 발명의 Ag가 0.5∼1.1질량％, Cu가 0.7∼0.8질량％, 잔량부 Sn의 땜납 볼용 땜납 조성에 첨가하는 Ni의 양은, 0.05∼0.08질량％이다. 본 발명에서는, Sn―Ag―Cu의 땜납 합금 중에 첨가하는 Ni량을 0.05∼0.08질량％로 함으로써, Sn―Ag―Cu 땜납 볼 표면에 Ni가 집중적으로 석출되는 일도 없는, 온도 사이클 특성과 내낙하 충격성이 모두 우수한 BGA용 전극용의 땜납 볼을 얻을 수 있다.
본 발명에서는, Sn―Ag―Cu 3원 조성의 땜납 합금 중의 Cu의 함유량이 공정점인 0.75질량％ 부근에 있어서, Ni를 첨가함으로써 땜납 중의 Cu의 함유량을 줄이지 않더라도 Cu 전극 계면에 Cu6Sn5의 금속간 화합물의 형성을 억제하고 있다. 또한 Sn―Ag―Cu 3원 조성의 땜납 합금 중에 본 발명의 소량의 Ni량을 첨가함으로써, 땜납 중의 SnCu 화합물:Cu6Sn5가 미세화되고, 부품 및 기판 전극 계면에 형성하는 금속간 화합물의 입자도 미세해져, 파괴가 일어나기 어려운 접합 계면이 형성된다.
Ni 첨가량이 0.05질량％ 미만으로 되어 지나치게 적은 경우, 상기한 효과는 얻어지기 어렵고 내낙하 충격성의 향상은 실현되지 않는다. 또한, 첨가량이 0.08질량％를 초과하여 과잉이면, 접합 계면 화합물 중의 Ni의 농도가 상승하고, 취약하고 깨지기 쉬운 접합 계면이 형성되므로, 내낙하 충격성이 감소한다. 또한, 과잉의 Ni 첨가는 땜납 경도의 상승도 피하지 못하여, 내낙하 충격에는 부적합하다. 이와 같이 Ni 첨가량이 적정하지 않은 경우, 내낙하 충격성은 저하되는 경향에 있다.
본 발명의 땜납 볼을 사용함으로써, Cu 전극과 Ni 전극의 양쪽에 있어서 내낙하 충격성을 갖고, 또한, 미융합 억제의 효과에 의해 전극이 탑재된 전자 부품이 낙하하였을 때의 고장 모드가 낮은 땜납 볼을 사용할 수 있는 것은, 빈번히 행해지는 전극의 설계 변경에 유연하게 대응할 수 있다고 하는 이점이 있다.
본 발명의 땜납 볼을 사용함으로써, Cu 랜드에 수용성 프리플럭스(OSP, Organic Solderbility Preservatives라고도 함)를 도포한 Cu 전극도 Au 도금이나 Pd/Au 도금 등의 Ni를 기초에 사용하는 전극을 포함하는 Ni 전극에 있어서도, 전자 부품이 낙하하였을 때의 고장 모드가 낮은 BGA나 CSP의 전극과 프린트 기판의 접합을 얻을 수 있다.
도 1은 미융합 현상의 일례.
도 2는 땜납 볼 내부의 화합물에 의한 솔더 페이스트와의 융합 저해예.
도 3은 땜납 볼 내부의 화합물에 의한 솔더 페이스트와의 융합 저해예의 확대 사진.
도 4는 제2 실시예에 있어서의 접합 계면 화합물층.
도 5는 제9 비교예에 있어서의 접합 계면 화합물층.
도 6은 제10 비교예에 있어서의 접합 계면 화합물층.
도 7은 계면 박리의 모식도.
도 8은 미융합의 모식도.
본 발명의 Cu 전극에도 Ni 전극에도 내낙하 충격성을 갖는 땜납 볼은, 하면 전극을 갖는 BGA나 CSP 등의 PKG 부품에의 범프 형성에 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 땜납 볼의 Sn―Ag―Cu―Ni계 땜납 합금에서, Ag의 함유량이 0.5질량％ 미만에서는 땜납의 강도가 저하되고, 낙하 등에 의한 충격 응력을 부하시킨 경우, 땜납 파괴가 용이하게 일어나기 쉬워진다고 하는 문제가 있다. Ag의 함유량이 1.1질량％를 초과하면 땜납의 경도는 높아져 충격 흡수가 저하되므로, 계면에서의 박리가 야기되어 버린다. 따라서, 본 발명의 땜납 볼용의 합금은, Ag의 함유량이 0.5∼1.1질량％, 보다 바람직하게는 0.9∼1.1질량％이어야 한다.
또한, 본 발명의 땜납 볼의 Sn―Ag―Cu―Ni계 땜납 합금은, Cu의 함유량이 0.7질량％ 미만에서는, Sn―Ag―Cu의 공정점으로부터 이격되므로, Cu 전극에 사용하였을 때에 Cu 전극으로부터 땜납 중에 Cu가 확산됨으로써 Cu 전극 계면에 Cu6Sn5의 금속간 화합물층이 두꺼워져, 내낙하 충격성이 나빠진다. Sn―Ag―Cu―Ni계 땜납 합금의 Cu의 함유량이 0.8질량％를 초과하면 Sn―Ag―Cu의 공정점으로부터 이격되므로, 땜납 합금과 Cu 전극의 반응층 중에 Cu6Sn5의 금속간 화합물이 생기기 쉬워지고, 결과적으로 Cu 전극과 땜납 접합부 계면에 형성되는 Cu6Sn5의 금속간 화합물이 두꺼워진다. 따라서, 본 발명의 땜납 볼의 Sn―Ag―Cu―Ni계 땜납 합금에 함유되는 Cu의 함유량은 0.7∼0.8질량％이어야 한다.
또한, 본 발명의 땜납 볼의 Sn―Ag―Cu―Ni계 땜납 합금은, Ni의 함유량이 0.05질량％ 미만에서는, Ni를 첨가한 효과가 나타나지 않고 Ni 전극으로부터 Ni가 확산되기 쉬워지고, 계면에 금속간 화합물이 형성되기 쉬워지므로, Sn―Ag―Cu―Ni계 땜납 합금 중의 Ni의 함유량은, 0.05질량％ 이상이어야 한다. 마찬가지로, Ni의 함유량이 0.08질량％를 초과하면, 접합 계면에 형성하는 금속간 화합물 중의 Ni 농도가 상승하고 접합 강도가 저하되어 버리는 것 외에, 땜납 경도의 상승이 수반되므로 충격이 부하된 경우, 계면 박리가 발생하기 쉬워진다. 또한, Ni의 함유량이 0.08질량％를 초과하면, 미융합 발생율이 높아진다. 그로 인해, 본 발명의 땜납 볼의 Sn―Ag―Cu―Ni계 땜납 합금 중의 Ni의 함유량은 0.05∼0.08질량％일 필요가 있다.
본 발명의 땜납 볼의 Sn―Ag―Cu―Ni계 땜납 합금에, Fe, Co, Pt로부터 선택되는 원소를 1종 이상을 합계로 0.003∼0.1질량％ 더 첨가해도 된다. Fe, Co, Pt 원소의 땜납 볼용의 합금에의 첨가는, 접합 계면에 형성하는 금속간 화합물층을 미세화하고, 두께를 억제하므로, 낙하 개선의 효과가 있다. Fe, Co, Pt로부터 선택되는 원소가 0.003질량％ 미만에서는 상기한 효과가 극히 얻어지기 어렵고, 0.1질량％를 초과하여 첨가하면 땜납 범프 경도가 상승하고 충격에 대하여 계면 박리가 발생한다고 하는 폐해가 나타난다.
본 발명의 땜납 볼의 Sn―Ag―Cu―Ni계 땜납 합금에, Bi, In, Sb, P, Ge로부터 선택되는 원소를 1종 이상을 합계로 0.003∼0.1질량％ 더 첨가해도 된다.
땜납 볼은 모듈 기판에 탑재된 후, 화상 인식에 의해 납땜되어 있는지 여부의 판정이 행해진다. 만일 땜납 볼에 황색 등의 변색이 있으면, 화상 인식에 있어서 문제라고 판정된다. 그로 인해, 땜납 볼은 리플로우에 의해 변색되지 않는 쪽이 좋다.
Bi, In, Sb, P, Ge의 첨가에 의한 효과는, 열 등에 의한 변색을 방지함으로써, 범프 품질 검사에 있어서의 에러를 회피할 수 있다. Bi, In, Sb, P, Ge로부터 선택되는 원소가, 0.003질량％ 미만에서는 상기한 효과가 극히 얻어지기 어렵고, 0.1질량％를 초과하여 첨가하면 땜납 범프의 경도가 증가하고, 낙하 개선 효과가 손상될 우려가 있다.
본 발명의 땜납 볼은 전극용으로서 사용된다. 땜납 볼의 직경은, 0.1㎜ 이상, 바람직하게는 0.3㎜ 이상, 보다 바람직하게는 0.5㎜ 이상이다. 최근에는 전자 기기의 소형화가 진행되고, 전자 부품에 탑재되는 땜납 볼도 계속해서 미세화되고 있다. 플립 칩의 접합에는 0.1㎜ 이하의 땜납 볼이 범용적으로 사용되고 있고, 본 발명 땜납 볼과 같은, 플립 칩을 내장하는 CSP나 BGA를 대상으로 한 전극용 땜납 볼은 0.1㎜ 이상이 주류로 되어 있다.
실시예
다음의 표의 조성의 땜납 합금을 만들고, 기중 조구법으로 직경 0.3㎜의 땜납 볼을 제작하였다. 이 땜납 볼을 사용하여, 이하의 수순으로 CSP 기판을 제작하였다.
Figure pat00001
1.제작한 각 조성의 땜납 볼을 사이즈 12×12㎜의 전해 Ni/Au, 전해 Ni/Pd/Au, Cu 랜드에 OSP로 처리된 전극을 갖는 CSP용의 모듈 기판에, 센쥬 긴조꾸 고오교오(千住金屬工業) 가부시끼가이샤제 플럭스 WF―6400을 사용하여 리플로우 납땜을 하고, 각 조성의 땜납을 전극용으로서 사용한 CSP를 제작하였다.
2.사이즈 30×120㎜, 두께 0.8㎜의 글래스 에폭시 기판(FR―4)에 솔더 페이스트로 전극 패턴에 따라 인쇄하여, 1.에서 제작한 CSP를 탑재하여, 220℃ 이상 40초, 피크 온도 245℃의 조건에서 리플로우를 행하였다.
3.다음의 조건에서, 낙하 충격 시험을 실시하였다. 시험 방법은, 2.에서 제작한 CSP 탑재 글래스 에폭시 기판을 사용하고, 받침대로부터 10㎜ 부상시킨 위치에 전용 지그를 사용하여 기판 양단부를 고정시켰다. JEDEC 규격에 준하여, 가속도 1500G의 충격을 반복해서 가하고, 초기 저항값으로부터 1.5배 상승한 시점을 파단으로 간주하고, 낙하 횟수를 기록하였다.
특허문헌 2와 같은 Ni를 많이 함유한 Sn―Ag―Cu―Ni계 땜납 합금을 사용한 땜납 볼에서는, Ni 전극과 납땜하는 경우라도 내낙하 충격성이 얻어지고 있지 않은 것을 알 수 있다.
미융합 발생율에 있어서도 마찬가지의 땜납 볼을 사용하고, 이하의 수순으로 CSP 기판을 제작하였다.
1.제작한 각 조성의 땜납 볼을 온도 110℃, 습도 85％, 시간 24hr의 처리를 실시하였다.
2.사이즈 36×50㎜, 두께 1.2㎜ 글래스 에폭시 기판(FR―4)에 솔더 페이스트로 전극 패턴에 따라 인쇄를 행하고, 1.에서 제작한 땜납 볼을 탑재하여, 220℃ 이상 40초, 피크 온도 245℃의 조건에서 리플로우를 행하였다.
3.실체 현미경을 사용하여, 땜납 볼과 솔더 페이스트의 미융합수를 기록하고, 미융합 발생율을 산출하였다.
계속해서 제작한 땜납 볼을 사용하여, 습윤 확산 시험을 이하의 수순으로 실시하였다. 사용한 기판 재질은 미융합 발생율을 조사한 기판과 마찬가지의 것을 사용하였다.
1.0.24㎜×16㎜의 슬릿 형상의 전극을 형성한 두께 1.2㎜ 글래스 에폭시 기판(FR―4)을 사용하고, 0.24㎜φ×두께 0.1㎜의 센쥬 긴조꾸 고오교오 가부시끼가이샤제 플럭스 WF―6400을 인쇄하고, 땜납 볼을 탑재하여, 220℃ 이상 40초, 피크 온도 245℃의 조건에서 리플로우를 행하였다.
2.실체 현미경을 사용하여, 습윤 확산 면적을 측정하였다.
제7, 제9, 제10, 제11, 제13 비교예는 Cu 함유량이 0.8질량％를 초과하거나, 혹은 Ni 함유량이 0.07질량％를 초과하여 함유하는 땜납 볼 합금 조성이므로, 미융합 발생율이 8％를 상회하고 억제 효과는 얻어지고 있지 않다.
특히, 제13 비교예에 있어서의 특허문헌 2 기재의 땜납 조성 Sn―1.5Ag0.5Cu―0.5Ni의 미융합 발생율은, 각별히 증가하고 있다. 이것은, 땜납 중에 있어서의 Ni 함유량이 지나치게 많으므로, 생성 화합물량이 과다해져 페이스트와의 융합성을 저해하고, 결과적으로 미융합의 발생율을 증가시켜 버리고 있다.
마찬가지로 제10, 제11 비교예는, Cu 함유량이 지나치게 많으므로 생성 화합물이 과다해져 미융합 발생을 유인하고 있다.
또한, 제1∼제2 비교예에 있어서는, Ag량이 적으므로 현저한 습윤 확산의 저하가 보인다. 실제로 제1 실시예와 비교하면, 습윤 확산 면적이 약 20％ 이상 저하되어 있다. 습윤 확산이 불충분한 경우, 양호한 접합이 얻어지지 않고 접합 강도를 충분히 유지할 수 없을 가능성이 있다.
제3∼제6, 제8, 제12, 제14, 제15 비교예에 있어서는, 미융합 발생율이 5％를 하회하고, 또한 충분한 습윤 확산를 확보하고 있지만, Ag, Cu, Ni 함유량이 최적화되어 있지 않으므로, 낙하 개선 효과가 얻어지지 않게 된다.
여기서, Sn1Ag에 있어서의 Cu 함유량을 0.7질량％에 고정하고 Ni 함유량에 대해 착안한다. Ni 함유량이 0.08질량％를 초과하고 0.1질량％를 선택한 경우, 미융합 발생율은 현저하게 증가해 버린다. 반대로 0.05질량％를 하회하고 0.02질량％를 선택한 경우, 미융합에의 억제 효과는 갖지만, 낙하 특성의 내성이 얻어지고 있지 않다. 이와 같이 Ni 함유량을 0.05∼0.08질량％로 선택함으로써 미융합 억제와 내낙하 개선을 겸비한 땜납 합금이 얻어진다.
계속해서, Sn1Ag에 있어서의 Ni 함유량을 0.05질량％에 고정한 경우에서의 Cu 함유량에 대해, 미융합 억제 및 내낙하 개선을 수반하는 범위를 확인한다. Cu 함유량이 0.8질량％를 초과하고 1질량％를 선택한 경우, 미융합 발생율이 현저하게 증가한다. 또한 0.7질량％를 하회하고 0.5질량％를 선택한 경우, 낙하 개선 효과가 수반되지 않아, 양자를 겸비하는 땜납 합금으로서는, Cu 함유량 0.7∼0.8질량％가 최적이라고 판단한다.
결론적으로, Ag 0.5∼1.1질량％, Cu 0.7∼0.8질량％, Ni 0.05∼0.08질량％, 잔량부 Sn으로 이루어지는 땜납 조성에 있어서, Au 도금 등의 Ni 전극부와 Cu에 수용성 프리플럭스가 도포된 Cu 전극부 모두 사용 가능하며, 계면 박리 억제 효과와 미융합 억제 효과의 양쪽을 겸비하고 있으므로, 전극이 탑재된 전자 부품이 낙하하였을 때의 고장 모드가 낮은 땜납 합금이 얻어진다.
본 발명에 의해, Cu 전극에 있어서도 Ni 전극에 있어서도 내낙하 충격성을 갖는 전극용 땜납 볼이 제공된다. Sn―Ag―Cu의 3원 조성의 땜납 합금에 첨가하는 Ni의 양이 0.1질량％를 초과하여 과잉으로 되면, 땜납 볼 표면에 Ni를 포함하는 화합물이 석출되기 쉬워지는 동시에, 실장 페이스트와의 융합 불량을 일으키기 쉽다. 본 발명의 땜납 볼은 Ni량을 0.05∼0.08질량％로 억제하고 있으므로, 화합물이 땜납 볼 표면에 석출되는 현상이 나타나기 어렵고, 미융합 현상의 억제에도 효과가 있다.
1 : BGA 부품
2 : 실장 기판
3 : 땜납 범프 융합
4 : 땜납 범프 미융합
5 : 실장 가열 후의 땜납 볼
6 : 실장 가열 후의 솔더 페이스트
7 : 미융합 개소
8 : 융합 저해 요인의 화합물
9 : BGA측 전극
10 : 내낙하 특성을 갖는 접합 계면 화합물
11 : 땜납 범프
12 : Cu 함유량 부족에 의한 내낙하 특성을 갖지 않는 접합 계면 화합물
13 : Ni 함유량 부족에 의한 내낙하 특성을 갖지 않는 접합 계면 화합물
14 : 랜드

Claims (9)

  1. Ag 0.5∼1.1질량％, Cu 0.7∼0.8질량％, Ni 0.05∼0.08질량％, 잔량부 Sn으로 이루어지는 땜납 조성을 갖고, BGA, CSP용의 모듈 기판에 장착되고, 전극용으로서 사용하는 땜납 볼을 실장 기판에 마련된 솔더 페이스트의 상방에서 상기 솔더 페이스트와 융합하여, 상기 모듈 기판과 실장 기판을 접합하는, 납땜 접합부.
  2. 제1항에 있어서, 상기 땜납 조성이, Ag 0.9∼1.1질량％, Cu 0.7∼0.8질량％, Ni 0.05∼0.08질량％, 잔량부 Sn으로 이루어지는 땜납 조성의, 납땜 접합부.
  3. 제1항에 있어서, 상기 땜납 조성이, Ag 1.0질량％, Cu 0.75질량％, Ni 0.07질량％, 잔량부 Sn으로 이루어지는 땜납 조성의, 납땜 접합부.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 땜납 조성에, Fe, Co, Pt로부터 선택되는 원소를 1종 이상을 합계로 0.003∼0.1질량％ 첨가한 것을 특징으로 하는, 납땜 접합부.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 땜납 조성에, Bi, In, Sb, P, Ge로부터 선택되는 원소를 1종 이상을 합계로 0.003∼0.1질량％ 첨가한 것을 특징으로 하는, 납땜 접합부.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 땜납 볼은, 직경이 0.1㎜ 이상의 직경을 갖는, 납땜 접합부.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 땜납 볼은, 직경이 0.3㎜ 이상의 직경을 갖는, 납땜 접합부.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 땜납 볼은, 직경이 0.5㎜ 이상의 직경을 갖는, 납땜 접합부.
  9. 전해 Ni/Au 전극, 무전해 Ni/Pd/Au 전극, Cu―OSP 전극으로부터 선택한 전극을 갖는 모듈 기판에 대하여 땜납 범프를 형성하는 방법이며, 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 상기 땜납 볼을 사용하여 납땜하는, 모듈 기판의 땜납 범프 형성 방법.
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