WO2005035180A1 - 鉛フリーはんだボール - Google Patents

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Daisuke Souma
Takahiro Roppongi
Hiroshi Okada
Hiromi Kawamata
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    • H05K3/3463—Solder compositions in relation to features of the printed circuit board or the mounting process

Definitions

  • the present invention relates to a lead-free solder ball used for forming bumps of a surface mount component such as a BGA (ball grid 'array) or CSP (chip size package).
  • a surface mount component such as a BGA (ball grid 'array) or CSP (chip size package).
  • a BGA package is typically a substrate on which a semiconductor integrated circuit (IC) is mounted on the top surface and a series of electrode rows are arranged on the back surface.
  • a round piece of solder called a solder bump is joined to each electrode.
  • the BGA package is placed on the printed circuit board, for example, such that each solder bump contacts a corresponding conductive land, and then soldered to the lands by heating to melt the solder bumps.
  • Each solder bump forms a micro solder joint, which mechanically and electrically connects the BGA knock to the printed circuit board.
  • BGA packages come in very many dimensions and structures.
  • BGA package When a chip has a plane size almost the same as that of an integrated circuit chip on a substrate, it is called a CSP (chip scale package).
  • CSP chip scale package
  • MCM Multi-Chip Module
  • solder bumps on such a BGA there are various methods for forming solder bumps on such a BGA, and a general method is to use solder balls. Since the solder balls are of a fixed amount and are spherical, which can be easily supplied to an appropriate position on the substrate, the shape is optimal for forming a bump of a BGA.
  • the solder ball used for forming the bump of the conventional BGA was an alloy of Pb and Sn.
  • This Pb-Sn alloy solder has a eutectic composition of Pb-63% Sn, and has a melting point of 183 ° C, which is an appropriate temperature that does not thermally damage electronic components. It has excellent wettability to the land of printed circuit boards and printed wiring boards, so it has few soldering failures.
  • solders are Sn-Ag based, Sn-Cu based, and Sn based.
  • solder obtained by adding Cu to the Sn-Ag system has already been patented by the present applicant as Japanese Patent No. 3,027,441.
  • Sn-3Ag-0.5Cu is currently used for soldering many electronic devices because of its excellent properties such as solderability, bonding strength, and thermal fatigue resistance. It is also used as a solder ball for forming BGA bumps.
  • Sn-Ag-Cu-based lead-free solder when used as a solder ball, the surface of the solder ball may have irregularities, which may hinder smooth rolling during solder ball mounting. In some cases, this could cause a supply failure in the equipment. Therefore, to eliminate surface irregularities in Sn-Ag-Cu lead-free solder, Sn-Ag-Cu is selected from Ge, Ni, P, Mn, Au, Pd, Pt, S, Bi, Sb, and In.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-57177 discloses a lead-free solder ball containing 0.006 to 0.1% by mass of at least one of the above.
  • solder ball disclosed in the above publication has an effect that the supply of the solder ball is not hindered because the surface has no irregularities.
  • This solder ball also has the feature that the bonding strength is strong.
  • Ge is further effective in improving the oxidation resistance
  • Ni, P, Mn, Au, Pd, Pt, S, and In are effective in lowering the melting point and increasing the bonding strength.
  • Sb is said to have the effect of improving strength. Disclosure of the invention
  • the force for mounting the solder ball on the BGA by the mounting device suctions the solder ball with a suction jig, and then moves the suction jig to a predetermined position on the BGA. Release the solder balls and mount them on the BGA electrodes.
  • the BGA substrate on which the solder balls are mounted is heated in a reflow furnace to melt the solder balls and form solder bumps.
  • solder balls are mounted even at a single place!
  • the entire BGA package which is expensive, becomes defective. Therefore, as described above, after heating in a reflow furnace to form solder bumps,
  • the bottom surface is inspected with a recognition device to check for the presence of solder bumps. Since the image recognition device determines the solder bump surface force and reflected light, the surface of the solder ball is yellow. Discoloration (hereinafter referred to as yellowing) lowers the reflectance and may cause an error in the judgment of the presence or absence of solder bumps in the image recognition device. In other words, yellowing of the solder bump surface during heating in a reflow furnace is not preferable!
  • solder ball disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-57177 has an effect that the unevenness on the surface is improved, so that the solder ball can be easily supplied to the BGA and the bonding strength after soldering is improved.
  • strong solder balls are required to further improve the solderability, that is, the wettability of BGA electrodes and printed circuit board lands.
  • Such a solder ball has a large bonding strength with a relatively large solder ball, for example, a solder ball having a diameter larger than 0.5 mm. This is because the bonding strength of the solder itself is strong. However, when the solder ball has a diameter of 0.5 mm or less, the bonding strength may be reduced.
  • an object of the present invention is to provide a solder ball which is excellent in diametral force, bonding strength at best, does not show yellowing, and exhibits long-term bonding reliability.
  • the present invention is a lead-free solder ball characterized in that Agl.O is 4.0% by mass, Cu is 0.05 to 2.0% by mass, P0.0005 is 0.005% by mass, and the balance is Sn force.
  • Fig. 2 shows a photograph of a metal thread and a cross section of the interface before and after aging when a solder bump is formed on a gold-plated substrate and a metal thread and a cross section of a peeled surface when P is added. It is a photograph.
  • P is a Sn-based solder alloy that not only prevents bump peeling after aging but also yellowing prevention, but when added in large amounts, impairs wettability and generates voids. Element that causes In Sn-Ag-Cu alloys, if the added amount of P is less than 0.0005%, the effect of preventing yellowing does not appear, while if it exceeds 0.005%, solderability is impaired and voids are reduced. Will be generated. Therefore, P: 0.0005-0.005%.
  • the lead-free solder ball of the present invention does not melt! Must not yellow.
  • the yellowing of the lead-free solder ball must not be caused by the yellowing of the lead-free solder ball at the time of acceptance inspection. This is because it is strange.
  • Solder balls used for the BGA are microspheres such as force CSPs whose mainstream is 0.5 to 0.76mm and 0.04 to 0.5mm for wafers. Since the lead-free solder ball of the present invention generates very few voids, it is possible to maintain the bonding strength even in such a microsphere. It has the effect of improving the reliability of solder balls of small spheres such as 0.04-0.5mm.
  • the manufacturing method of the solder ball that is effective in the present invention is not particularly limited, and may be manufactured by any appropriate means. For example, it may be manufactured by employing various ball-in-oil methods, a uniform droplet spraying method, or the like.
  • Example 1
  • Figures 1 and 2 are microstructure photographs of the joint interface between Ni and Sn-3.0Ag-0.5Cu solder on the base of the gold-plated substrate and the cross-sectional structure of the peeled surface by a pull test. Indicates the case without and with. In each case, photographs of the cross-sectional metal structure of the peeled surface before and after aging are also shown.
  • the pull release surface after aging is the same as the interface between the P-rich layer and the Z reaction layer without the addition of P on the gold-plated substrate. ). In the pre-flux substrate, both are at the Cu Sn / Cu Sn interface.
  • the second layer is formed on the gold-plated substrate, and the Cu Sn layer is formed on the pre-flux substrate.
  • the lead-free solder ball of the present invention has excellent wettability with respect to BGA electrodes and lands of a printed circuit board. Therefore, a strong bonding strength can be obtained.
  • the lead-free solder ball of the present invention has an excellent effect for forming a bump of a BGA, it can also be used for forming a bump on a wafer having a smaller electrode in addition to the BGA and CSP. . Since the solder balls for wafer bumps are extremely small with a diameter of 0.1 mm or less and the joint area is also extremely small, even a small void in the soldered part greatly affects the joint strength . However, since the lead-free solder ball of the present invention hardly generates voids, when used for forming a wafer bump, a strong bonding strength can be obtained.
  • solder ball of the present invention a solder bump having excellent bonding reliability can be obtained even when used for a long time or in a high-temperature environment.
  • automotive substrates and industrial equipment substrates are often coated with a resin such as silicone, but the effect of the trace amount of P-added calo, which significantly improves peeling resistance due to aging, is unexpected. Accordingly, the present invention greatly contributes to improvement in reliability of electronic devices.

Abstract

　BGA やCSP の電極にはんだバンプを形成したときに、表面が黄色く変色する（黄変）ことがなく、また、濡れ性も優れており、はんだ接合部にボイドの発生がみられないSn-Ag-Cu系鉛フリーはんだボールであって、Ag：1.0 ～4.0 質量％、Cu：0.05～2.0 質量％、P ：0.0005～0.005 質量％、残部Snから成る、具体的には、直径が0.04～0.5mm の微小はんだボールに効果的である。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

Description

明 細 書
鉛フリーはんだボール
技術分野
[0001] 本発明は、 BGA (ボール.グリッド 'アレイ）や CSP (チップ.サイズ'パッケージ）のよう な表面実装部品のバンプ形成に使用する鉛を含まな ヽはんだボールに関する。 背景技術
[0002] かっての電子部品は、長いリードを有するアキシャル部品が主流であった力 電子 機器の小型化にともな 、、電子部品の搭載点数を少なくするためシングルインライン パッケージ（SIP )やデュアルインラインパッケージ（DIP )ゃクヮッドフラットパッケージ (QFP)等という多機能化された電子部品が出現した。これら SIPや DIPや QFPはそ れぞれ本体の 1側面、両側面、あるいは本体の四側面に短いリードを設置したもので あり、アキシャル部品の場合と比較して実装性は改善されるが、電子部品の本体両 側面や四側面では設置するリード数および最小リード間距離に限りがあった。
[0003] 最近では、電子部品の本体の裏面に電極を設置した電子部品が多く用いられるよ うになつてきた。つまり電子部品の本体裏面は、本体の両側面や四側面よりも面積が 広いため、リードの設置数を SIPや DIPに比べてはるかに多くすることができ、それだ け多機能になる。そのような電子部品とは、本体の裏面に電極が設置された BGAパ ッケージである。
[0004] BGAパッケージは代表的には頂面に半導体集積回路 (IC)を取り付け、裏面に一連 の電極列を配置した基板である。各電極にはんだバンプと呼ばれるはんだの円い塊 を接合する。 BGAパッケージは、例えば各はんだバンプが対応する導電性ランドに 接触するようにプリント回路基板のうえに置き、次いで加熱してはんだバンプを溶融さ せることによりランドにはんだ付けされる。各はんだバンプは微少はんだ接合部を形 成し、これにより BGAノ ッケージをプリント配線基板に機械的にまた電気的に接続す る。はんだバンプを使用することで、多くの均一なはんだ接合部が BGAパッケージの 電極のすべてについて同時に形成できると!、う利点がある。
[0005] BGAパッケージは非常に多くの寸法のものと構造のものとがある。 BGAパッケージ が基板上の集積回路チップとほぼ同じ程度の平面寸法のとき、これを CSP (チップス ケールパッケージ）という。 BGAパッケージが多数の ICチップを含むとき、 MCM (マル チチップモジ ノレ）という。
[0006] このような BGAにはんだバンプを形成するには、各種方法が有り、 一般的方法は、 はんだボールを用いる方法である。はんだボールは、一定量であり、しかも基板上の 適宜位置に供給しやすい球状であるため、 BGAのバンプ形成には最適な形状であ る。
[0007] ところで従来の BGAのバンプ形成用に使用されて!、たはんだボールは、 Pbと Snの 合金であった。この Pb-Sn合金のはんだは、 Pb-63%Snの共晶組成であり、融点が 183 °Cというように電子部品を熱損傷させない適当な温度となっているば力りでなぐ BGAの電極やプリント基板のランドに対する濡れ性に優れているため、はんだ付け 不良も少な 、と ヽぅ優れた特長を有して 、る。
[0008] し力しながら、近年、鉛公害が指摘され Pb-Snのはんだボールの使用が問題にな つている。つまり Pb-Snはんだではんだ付けした電子機器が故障したり古くなつたりし た場合は、廃棄処分される。この電子機器は、廃棄されるときその一部は再利用、つ まりリサイクルされる。例えば、ケースのプラスチックや、フレームの金属や電子機器 の貴金属は通常回収される。しかし、はんだが付着したプリント基板は、破砕して埋 め立て処分されている。そしてこの埋め立て処分されたプリント基板に酸性雨が接触 すると、はんだが Sn-Pbはんだのように Pb成分を含むときは、はんだ中のその Pb成分 が溶出して、それが地下水に混入する。このように Pb成分を含んだ地下水を人間ま たは生物が長年月飲用すると、 Pbが体内に蓄積され鉛中毒を起こすと云われている
[0009] そこで最近では、鉛含有はんだを使用することによるこのような環境'健康問題を回 避するために、電子工業分野では、 Pbを全く含まない、いわゆる「鉛フリーはんだ」と いうものが使用されるようになってきた。
[0010] 鉛フリーはんだの最も代表的なものは、 Snを主成分とした Sn-Ag系、 Sn-Cu系、
Sn-Bi系、 Sn-Zn系、およびこれらにさらに Ag Cu Zn In, Ni Cr Fe Co Ge P
Ga等を適宜添カ卩したものである。 [0011] このように鉛フリーはんだとしては各種の系のものがある力 それぞれ一長一短があ り、用途によって使い分けている。
Sn-Ag系に Cuを添加した鉛フリーはんだは本発明出願人が既に日本国特許第 3,027,441号として特許を得たものである。この組成の中でも Sn-3Ag-0.5Cuが、はん だ付け性、接合強度、耐熱疲労性等の特性に優れているため、現在は多くの電子機 器のはんだ付けに使用されており、また BGAのバンプを形成するためのはんだボー ルとしても使用されている。
[0012] ところで Sn-Ag-Cu系鉛フリーはんだをはんだボールとした場合、はんだボールの表 面に凹凸が生じることがあり、この凹凸がはんだボール搭載時に、滑らかな転がりを 阻害して、搭載装置での供給不良の原因となることがあった。そこで Sn-Ag-Cu系鉛 フリーはんだにおける表面の凹凸をなくすために、 Sn-Ag-Cu系に Ge、 Ni、 P、 Mn、 Au、 Pd、 Pt、 S、 Bi、 Sb、 Inから選ばれた一種以上を 0.006— 0.1質量％添加した鉛フ リーはんだボールが特開 2002-57177号公報に開示されている。
[0013] 上記公報に開示されたはんだボールは、表面に凹凸がないため、はんだボールの 供給には支障をきたさなくなるという効果を奏するものである。このはんだボールは、 接合強度が強いという特長も有している。上記公報の記載によれば、 Geにはさらに耐 酸ィ匕性向上に効果があり、また Ni、 P、 Mn、 Au、 Pd、 Pt、 S、 Inは融点低下と接合強度 を高める効果があり、そしてまた Sbは強度を向上させる効果があるとされている。 発明の開示
[0014] ところで BGAでは、搭載装置によってはんだボールを BGAに搭載する力 搭載装 置では吸着治具ではんだボールを吸着してから、その吸着治具を BGA上の所定の 位置に移動させ、そこではんだボールをリリースすることにより BGAの電極に搭載す る。はんだボールが搭載された BGA基板をリフロー炉で加熱して、はんだボールを 溶融し、はんだバンプを形成する。
[0015] BGAでは一力所でもはんだボールが搭載されて!ヽな 、と高価な BGAパッケージ全 体が不良となるため、上述のようにリフロー炉で加熱してはんだバンプを形成した後 に画像認識装置でその底面を検査してはんだバンプの有無を確認する。画像認識 装置は、はんだバンプ表面力 反射光で判断するから、はんだボールの表面が黄色 く変色 (以下、黄変という）すると、反射率が低下し、画像認識装置でのはんだバンプ の有無の判断にエラーを生じることがある。つまり、リフロー炉での加熱に際してのは んだバンプ表面の黄変は好ましくな!/、。
[0016] また従来からの知識からも加熱による黄変は金属の劣化の指標と考えられており、 この点からも黄変は好ましくない。
特開 2002— 57177号公報に開示されたはんだボールは、表面の凹凸が改善され たため、 BGAに供給しやすくなり、はんだ付け後の接合強度が向上するという効果を 有している。し力しながら、力かるはんだボールには、はんだ付け性、つまり BGAの 電極やプリント基板のランド対する濡れ性に対する更なる改善が求められている。
[0017] また、そのようなはんだボールは、大きめのはんだボール、例えば直径が 0.5mmよ りも大きいはんだボールでは強い接合強度を有している。これは、はんだ自体の接合 強度が強いからである。し力しながら、このはんだボールは、特に直径が 0.5mm以下 のものであると、接合強度が弱くなることがあった。
[0018] さらに長期間の使用後に一部のバンプに剥離が見られることがあり、その改善が求 められている。
ここに、本発明の目的は、直径力 、さくても接合強度に優れ、黄変が見られず、さら に長期間の接合信頼性を発揮するはんだボールを提供することである。
[0019] 本発明者らが、力かる特性を改善したはんだボールを開発すベぐ種々検討を重 ねた結果、次のような知見を得て、本発明を完成した。
(1)直径が小さいはんだボールで接合強度が弱くなる原因は、はんだと電子部品の 電極間にボイドが発生したときに、はんだ接合部に対するボイドの占める割合が大き いからである。
[0020] つまり、はんだ付け時に、はんだ接合部に発生するボイドは、はんだ付け部の大き さに関係なぐほぼ同じ大きさとなるため、はんだ付け部が大きいところではボイドの 占める割合は小さぐボイド以外の部分での接合部で充分強度を保持することができ る。し力しながら、はんだ付け部が小さいところではボイドの占める割合が大きくなつ て、実際にはんだと電極が接合する面積力 、さくなるためはんだ接合強度が弱くなる (2)本発明者らがさらに Sn-Ag-Cu-P系鉛フリーはんだの濡れ性とボイドについて検 討を行ったところ、濡れ性とボイドについては Pが大いに影響していることが判明した 。つまり、 Sn-Ag-Cu-P系鉛フリーはんだでは、 Pの添カ卩量が多すぎると、はんだ付け 性を害し、ボイドを発生させてしまうものである。
[0021] し力しながら、 Pは黄変防止に効果があり、 Sn-Ag-Cu-P系の鉛フリーはんだボール において Pを完全に除外することはできない。
そこで、本発明者らは、このようなはんだボールに関して濡れ性ゃボイド発生に影 響がなぐし力も黄変防止に効果のある Pの添加量を見出したのである。
(3)はんだの性能として最も重要視されることは接合信頼性である。接合界面からの バンプ剥離はただちに導通不良をもたらすことから、はんだそのものの強度よりも重 要視される。 Pの上述の範囲での微量添加には、予想外にもはんだ接合部の長期信 頼性を向上する効果があることをさらに見出した。
[0022] すなわち、本発明は、 Agl.O— 4.0質量％、 Cu0.05— 2.0質量％、 P0.0005一 0.005質量％、残部 Sn力 なことを特徴とする鉛フリーはんだボールである。
本発明によれば、上述の鉛フリーはんだボールがバンプ形成後に表面が黄色く変 色せず、また粒径が小さくても接合強度が確保され、同時に長期にわたる接合信頼 性が発揮される。
図面の簡単な説明
[0023] [図 1]図 1は、 P添加無しの場合、金めつき基板にはんだバンプを形成したときのエー ジングの前後における界面の断面の金属糸且織写真および剥離面の断面の金属糸且織 写真である。
[図 2]図 2は、 P添加有りの場合、金めつき基板にはんだバンプを形成したときのエー ジングの前後における界面の断面の金属糸且織写真および剥離面の断面の金属糸且織 写真である。
[図 3]図 3は、 P添カ卩無しの場合、 Cu-OSP (Organic Surface Preflux:プリフラックス）め つき基板にはんだバンプを形成したときのエージングの前後における界面の断面の 金属組織写真および剥離面の断面の金属組織写真である。
[図 4]図 4は、 P添加有りの場合、プリフラックス基板にはんだバンプを形成したときの エージングの前後における界面の断面の金属糸且織写真および剥離面の断面の金属 組織写真である。
発明を実施するための最良の形態
[0024] ここで、 本発明においてはんだボールの合金組成を上述のように規定した理由を 説明すると次の通りである。なお、本明細書において、はんだ合金組成を示す「％」 は、特に断りがない限り、「質量％」である。
[0025] 本発明の鉛フリーはんだボールは、 Agの添加量力 S1.0 %よりも少な 、と、液相線温 度が高くなるため、必然的にはんだ付け温度も高くせざるを得ず、 BGAに対する熱 影響が懸念されるようになる。また、 Agは、はんだ付け性に効果のある元素であり、 Ag の添加量が 1.0 %よりも少ないとはんだ付け性が悪くなつて不良発生の原因となる。 しかしながら、 Agの添加量力 .0 %を超えると、 AgSnィ匕合物の粗大化が顕著になつ て接合信頼性を損ない、一方、液相線温度の上昇ではんだ付け温度が高くなつてし まう。好ましくは、 Ag: 1.0一 3.5 %である。
[0026] Cuは、 Sn-Ag系合金において、融点降下とはんだの強度向上に効果のある元素で あり、その添カ卩量が 0.05%よりも少ないと、これらの効果が現れない。しかるに Cuの添 加量が 2.0 %よりも多くなると液相線温度が高くなつて、はんだ付け温度も高くなるば 力りでなぐ SnCuの金属間化合物が大量に析出してはんだ付け性を害するようになる 。好ましくは、 Cu: 0.05— 0.75%である。
[0027] Pは、 Sn主成分のはんだ合金において、エージング後のバンプ剥離防止に効果が あるばかりでなぐ黄変防止にも効果があるが、大量に添加すると濡れ性を害し、ボイ ドを発生させる元素である。 Sn-Ag-Cu系合金においては、 Pの添カ卩量が 0.0005%よ りも少ないと、黄変防止の効果が現れず、一方、 0.005 %を超えると、はんだ付け性 を害するとともに、ボイドを発生させるようになる。したがって、 P: 0.0005— 0.005 %で ある。
[0028] 本発明の鉛フリーはんだボールは、 BGAの電極に搭載してリフロー炉で加熱溶融 後、表面が黄変してはならない。これは前述のように、 BGAにはんだバンプ形成後に 画像処理、若しくは外観確認を行うときにエラーが発生しないようにするためである。
[0029] また本発明の鉛フリーはんだボールは、溶融しな!、までも、高温に放置したときにも 黄変してはならない。高温放置で黄変してはならないのは、鉛フリーはんだボールの 使用者が受け入れ検査の時に、高温放置で黄変しないことを条件としており、高温 放置で黄変しなければ、溶融時にも黄変しな 、として 、るからである。
[0030] BGAに使用するはんだボールは、 0.5— 0.76mmが主流である力 CSPやウェハー では 0.04— 0.5mmのような微小球のはんだボールが使用される。本発明の鉛フリー はんだボールは、ボイドの発生が極めて少ないため、そのような微小球においても接 合強度を保持することができる。特〖こ 0.04— 0.5mmのような微小球のはんだボールに おいて信頼性向上の効果がある。
[0031] BGAが実装された電子機器は、使用時に高温に曝されることがあり、 例えば 100
°C以上の高温に曝されることがある力 本発明に力かるはんだボールを使用してバン プを形成することにより、 バンプの剥離は見られず、むしろそのような 1種のエージン グによりバンプの接合力は強化され、そのような過酷な使用環境下でも接合信頼性 は確保される。
[0032] 本発明に力かるはんだボールの製造方法は、特に制限されず、適宜手段で製造す ればよぐ例えば、各種油中造球法、均一液滴噴霧法などを採用して製造してもよい 実施例 1
[0033] 本例では、表 1に示す各種組成を有するはんだ合金を調整し、以下のような各種特 性評価を行った。結果は表 1にまとめて示す。
まず、各はんだ合金の液相線温度および固相線温度を示差熱分析による加熱曲 線で測定した。表中で、 S.T.は固相線温度、し T.は液相線温度を示す。
[0034] 次に、油中造球法により直径 0.5mmのはんだボールを作製後、大気中で 125でに 12時間放置後、目視により球表面における黄変状態を観察した。はんだボールの表 面が全く黄変しな力つたものを良、少し黄変したものを可、黄変が激しいものを不可と して、耐黄変性を評価した。
[0035] 上記のはんだボールを使用して、酸素濃度 lOOppm以下の窒素雰囲気下でピーク 温度 240°C、はんだの液相線温度以上の保持時間 40秒のリフロー条件で、 BGAの 電極にバンプを形成後、東芝社製の X線検査装置を使用してはんだバンプにおける ボイドの発生の有無および大きさを観察した。はんだ付け部におけるボイドの占める 面積の割合が 10%未満を良、 10— 30%を可、 30%超を不可とした。
[0036] 表 1の結果から、本発明の鉛フリーはんだボールは、黄変ゃボイドの発生がないこ とが分かる。
従って、本発明の鉛フリーはんだボールは、 BGAではんだバンプを形成後、画像 処理装置ではんだバンプの検査を行ったときにエラーがないため正確な検査が行え 、またはんだ付け時の不良発生が少ないば力りでなく強レ、接合強度が得られるもの である。
[0037] [表 1]
Figure imgf000010_0001
実施例 2
[0038] 本例では、はんだ接合部の接合信頼性を、高温放置、つまりエージング前後のプ ル強度測定によるバンプ破壊形態力 評価した。
試験条件は次の通りであった。
[0039] 本例におけるはんだ合金組成は、 Sn- 3.0Ag- 0.5Cuと Sn- 4.0Ag- 0.5Cuに Pを 0—
400ppm添カ卩したものである。かかるはんだ合金から直径 0.5mmのはんだボールを油 中造球法により製造し、これを基板に予め設けたランドに載置させ、酸素濃度 lOOppm以下とした窒素雰囲気下で 240 °Cのピーク温度で液相線温度以上の温度に 40秒間保持してそれを溶融させるリフロー処理によりはんだバンプを形成した。このと きの基板はそれぞれ金めつき基板と Cu-OSP (プリフラックス)基板を用いた。
[0040] バンプ形成後に、エージングを大気雰囲気下 150 °Cで 200時間行った。
エージングの前後において、英国 Dege社製の測定装置を使って、プル速度 300 μ m /sec,プル閉圧力 lOPSi、プル保持時間 2秒でプル試験を行い、はんだバンプを 剥離して、 剥離した割合、つまり界面剥離率、およびプル保持時間 2秒経過までの 最大プル強度（50点の平均値）を求めた。
[0041] 表 2、表 3に示すこれらの結果は、エージング前後のプル強度測定において、界面 力も剥離したはんだバンプの割合を示している。すなわち、界面剥離率が小さいほど 接合界面の接合信頼性が高いことを示している。カツコ内は、最大プル強度の平均 値を示す。
[0042] 表 2、表 3に示す通り、リフロー直後の界面剥離率は Pの有無で変わりない。エージ ング後では金めつき、プリフラックス両基板にぉ 、ても P無添加組成の方が界面剥離 数の減少率が大き ヽことが解る。
[0043] この効果ははんだに添加された微量 Pが、接合反応層の構造を変化させたことによ る。
図 1および図 2は、金めつき基板の下地の Niと Sn-3.0Ag-0.5Cuはんだの接合界面と プル試験による剥離面の断面組織の顕微鏡組織写真であり、それぞれ P添カロ (30ppm)の無し、有りの場合を示す。なお、それぞれにはエージング前後における剥 離面の断面金属組織写真をも併せて示してある。
[0044] 図 3および図 4は、プリフラックス基板の下地の Cuと Sn-3.0Ag-0.5Cuはんだの接合 界面とプル試験による剥離面の断面組織の顕微鏡組織写真であり、それぞれ P添カロ (30ppm)の無し、有りの場合を示す。なお、それぞれにはエージング前後における剥 離面の断面金属組織写真をも併せて示してある。
[0045] これらの結果からも分力るようにエージング前の反応層には両基板にぉ 、て、 P添 加の有無で違いは無い。その時のプルによる剥離面は金めつき基板では Pリッチ層（ P-rich layer, P添加の場合） Z反応層界面、プリフラックス基板では CuZCu Sn界面
6 5 である。
[0046] エージング後のプル剥離面は、金めつき基板の P添加無しでは Pリッチ層 Z反応層 界面と同じであるが、 P添加組成では、反応層中（第 1層 Z第 2層界面）に変化して いる。プリフラックス基板ではどちらも Cu Sn/Cu Sn界面であるが P添加組成の方では
3 6 5
Cu Sn層が薄く形成される。
6 5
[0047] このように、金めつき基板では第 2層の形成により、プリフラックス基板では Cu Sn層
6 5 の薄化効果によって、長期使用および高温環境下においても接合信頼性が向上し たことは明らかである。
[0048] P添カ卩による力かる接合信頼性の改善効果は本発明によって初めて見出された現 象である。またこの効果ははんだ粒径に左右されな 、ものである。
[0049] [表 2]
Figure imgf000012_0001
[0050] [表 3] プル試験による界面剥離率
(%)
母材はんだ組成 P添加量 リフロ一後 エージング後
(wt )
0 90(10.35N) 22(8.21N)
0.001 88(10.52N) 0(8.87N)
Sn-3.0Ag-0.5Cu 0.003 88(10.78N) 0(8.83N)
0.005 64(10.22N) 0(8.51N)
0.04 74(10.94N) 24(8.22N)
0 64(11.58N) 24(9.33N)
0.001 82(11.04N) 0(9.39N)
Sn-4.0Ag-0.5Cu 0.003 68(11.67N) 0(9.86N)
0.005 72(11.29N) 0(9.44N)
0.04 80(11.65N) 32(9.91N)
産業上の利用の可能性
[0051] 本発明の鉛フリーはんだボールは、溶融させたり高温に曝したりしても表面が黄変 しない。従って、本発明の鉛フリーはんだボールを用いて BGAの電極にはんだバン プを形成後、画像処理装置でバンプ形成有無の検査をしたときに、エラーがなくなる ため正確な検査ができる。
[0052] また本発明の鉛フリーはんだボールは、 BGAの電極やプリント基板のランドに対す る濡れ性に優れていることから、はんだ付け不良の発生がないば力りでなぐボイドの 発生も非常に少ないため強い接合強度を得ることができるものである。
[0053] 本発明の鉛フリーはんだボールは、 BGAのバンプ形成用として優れた効果を奏す るものであるが、 BGAや CSPの他、電極がさらに小さいウェハーにバンプを形成する 場合にも使用できる。ウェハーバンプ用のはんだボールは、直径が 0.1mm以下とい う極微小であり、接合面積も極微小となるため、はんだ付け部に小さなボイドが発生し ただけで、接合強度に大いに影響してくる。 し力しながら、本発明の鉛フリーはんだボールは、ボイドの発生がほとんどな 、ため 、ウェハーバンプ形成に使用した場合、強い接合強度が得られるものである。
さらに、本発明に力かるはんだボールによれば、長期の使用あるいは高温環境した での使用に際しても、接合信頼性に優れたはんだバンプが得られる。特に、車載基 板および産業機器基板はシリコーンなどの樹脂でコーティングされることが多いが、 そのときのエージングによってむしろ耐剥離性が顕著に改善されるという微量 P添カロ の作用効果は予想外であり、それにより本発明は、電子機器の信頼性の向上に大き く寄与するものである。

Claims

請求の範囲
[1] Ag:1.0— 4.0質量0 /0、 Cu:0.05一 2.0質量0 /0、 P:0.0005— 0.005質量0 /0、残部 Snか ら成る合金組成を有することを特徴とする鉛フリーはんだボール。
[2] 前記合金組成において、 Ag:1.0— 3.5質量％である、請求項 1記載の鉛フリーはん だボール。
[3] 前記合金組成にお!、て、 Cu:0.05— 0.75質量％である、請求項 1記載のはんだボ 一ノレ。
[4] 粒径が 0.04— 0.5mmである、請求項 1ないし 3のいずれかに記載の鉛フリーはんだ ボーノレ。
[5] 請求項 1記載のはんだボール力も形成されたはんだバンプ。
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