WO2009150759A1

WO2009150759A1 - はんだ接合方法及びはんだ継手

Info

Publication number: WO2009150759A1
Application number: PCT/JP2008/070217
Authority: WO
Inventors: 哲郎西村; 益雄古志; 純也増田; 浩司山本
Original assignee: 株式会社日本スペリア社
Priority date: 2008-06-12
Filing date: 2008-11-06
Publication date: 2009-12-17
Also published as: TW200952587A; JP2011198777A

Abstract

　ＢＧＡボールはんだとクリームはんだを用いたはんだ接合において、減圧装置等の付属設備を使用せずに従来設備にてボイドの発生を抑制する。　ボールはんだ合金の液相線温度が該クリームはんだ中のはんだ合金の固相線温度よりも低い関係にあるボールはんだとクリームはんだをリフロー法によって接合する。ボールはんだ合金の液相線温度と、クリームはんだ中のはんだ合金の固相線温度は、少なくとも１°C以上である。ボールはんだ及びクリームはんだに用いるはんだ合金が共晶組成を有する。

Description

はんだ接合方法及びはんだ継手

　本発明は、プリント基板の表面に電子部品を実装する際のボールはんだ及びクリームはんだを用いたはんだ接合方法、及びはんだ接合構造に関する。

　従来、プリント基板の表面に電子部品を実装する際のはんだ付け方法は、長いリード線を有するアキシャル部品が多く用いられてきたが、電子機器の小型化や多機能化に伴い、高集積化された電子部品ＳＩＰやＤＩＰ、ＱＦＰ等が用いられるようになっている。また、近年、多機能化が更に進み、高密度実装対応のため、ＢＡＧパッケージやＣＳＰパッケージが用いられるようになっている。

　このようなＢＡＧパッケージやＣＳＰパッケージでは、プリント基板上に配置するためにはんだ接合には小さなボールはんだが用いられる。この手法としては、プリント基板やＢＧＡボールはんだにクリームはんだを塗布した後にＢＡＧパッケージやＣＳＰパッケージをセットして、リフロー処理によってはんだ接合する方法が公知である。

　ところで、上記手法によって接合されるＢＧＡパッケージやＣＳＰパッケージでは、種々の接合不良が発生している。この接合不良の中でとりわけ接合信頼性に大きく影響を及ぼしているのが、ボイドと呼ばれるはんだ接合内部に形成される小さな空洞である。ボイドが発生するとはんだ接合強度が低下し、クラックの原因ともなるため、ボイド発生の抑制方法が種々検討されている。また、ＢＧＡパッケージ等のはんだ接合において、ＢＧＡパッケージ基板に実装後のＢＧＡボールはんだの高さにバラツキが発生するため、ミクロン単位が要求されるプリント基板実装工程においては、ＢＧＡボールはんだとクリームはんだが相溶せずに接合不良を発生することも問題となっている。

特開２００６－２７２３９７号公報国際公開第２００５／０３５１８０号パンフレット特開２００５－２０５４１８号公報特開２００６－１５９２６６号公報特開平８－２９３６７０号公報

　ボイドの発生を抑制する方法として、特許文献１では、接続部におけるはんだ溶融の時間を長くしてはんだ内から発生するガスが外気に抜ける時間を確保するために二種の異なる熱容量を備えたはんだ粉末を含むクリームはんだに関する提案が行われている。特許文献２では、微小サイズのＢＧＡボールはんだを用いた際のボイド発生抑制のための合金組成に関する提案行われている。さらに、特許文献３では、はんだ接合時に接合部を減圧状態の圧力に調整する減圧装置の提案が行われており、特許文献４では、高温はんだ接合におけるボイド発生抑制のためのはんだ合金組成の提案が行われている。特許文献５では、２種類の融点の異なるはんだ合金を用いてボイドの発生を抑制する提案が行われている。

　ＢＧＡボールはんだとクリームはんだを用いたはんだ接合では、接合部にあるＢＧＡボールはんだとクリームはんだがリフロー炉の加熱により、それぞれ溶融する。この場合、クリームはんだ中や接合界面等で発生したガスは、溶融したＢＧＡボールはんだが遮蔽してしまい、ガスが外気へ放出することが妨げられることになり、そのガスは凝固したはんだ接合部に封じ込められてボイドになることが、ボイド発生の原因の一つと考えられている。ところが、特許文献１はクリームはんだのみに関する提案であり、特許文献２はＢＧＡボールはんだのみに関する提案であり、特許文献４は高温はんだに関する組成の提案であり、さらに特許文献５は２種類のはんだ合金を用いる提案であるため、それぞれの場合はともかくとして、ＢＧＡボールはんだとクリームはんだの組み合わせにおいてボイド発生を抑制することについては、有効ではない。また、特許文献３の減圧装置を用いた提案は、リフロー炉に別途装置を取り付ける必要があると同時に、はんだペレットの形状や温度プロファイルの工夫も必要になるという問題がある。また、ＢＧＡパッケージ基板に実装後のＢＧＡボールはんだの高さを精密にコントロールするという技術については、実装技術の向上により改良されつつあるものの、いまだに実用レベルでは接合不良が発生している。

　本発明は、上述した従来の課題を解決しようとするもので、ＢＧＡボールはんだとクリームはんだを用いたはんだ接合において、減圧装置等の付属設備を使用せずに従来設備にてボイドの発生を抑制する発明を開示することを目的とする。

　本発明者らは、上記目的を達成する基本的なアプローチとして、ボイド発生のメカニズムに着目し、ＢＧＡボールはんだとクリームはんだの溶融状態の変化や相対的な溶融温度の違いに着目した。すなわち、ＢＧＡボールはんだの液相線温度が該クリームはんだの固相線温度よりも低いという関係を持つ合金を選択してリフローすることによって、ボイドの発生を飛躍的に減少させたものである。

　また、ＢＧＡボールはんだ合金の液相線温度と、クリームはんだ中のはんだ合金の固相線温度が、少なくとも１℃以上の関係にあることを選択的に採用した。ＢＧＡボールはんだの液相線温度と、クリームはんだ中のはんだ合金の固相線温度は、ある程度離れているほうが好ましいが、１℃の相違があれば、リフロー法の一般的な温度プログラムで加熱しても、先にＢＧＡボールはんだを液体化させることができる。

　さらに、ＢＧＡボールはんだ及びクリームはんだに用いるはんだ合金が共晶組成であることを採用する。共晶の場合には液相線温度と固相線温度が一致するので、それぞれのはんだの溶融が速く、ボイド発生の原因であるガスをはんだ内部から押し出し、ボイドの発生を減少できる。

　さらにまた、ＢＧＡボールはんだとして、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕを主成分とするはんだ合金を一例として採用し、クリームはんだ中のはんだ合金の一例としてＳｎ－Ｃｕ－Ｎｉを主成分とするはんだ合金を採用した。両者共に広く用いられている無鉛はんだ合金であり、はんだの特性面においても信頼性が高い。

　周知のように、合金は共晶点でない場合には合金が完全に液体になる液相線温度と、完全に固体になる固相線温度を持つ。上記のような関係を持つＢＧＡボールはんだに採用するはんだ合金と、クリームはんだに採用するはんだ合金の場合には、プリント基板と半導体パッケージ間に挟まれて接触するクリームはんだとＢＧＡボールはんだを、リフロー炉中の高温に曝露すると、先ず、液相線温度が低いＢＧＡボールはんだが溶融して液体になり、表面張力によって表面が曲面を維持する。続いて、ＢＧＡボールはんだの液相線温度よりも高い固相線温度を持つクリームはんだ中のはんだ粒に対しては、プリント基板からの熱エネルギーと共にＢＧＡボールはんだが接触している箇所からも熱エネルギーが供給され、ＢＧＡボールはんだに接触している付近においてもフラックスの蒸発が始まりガスを発生させる。この発生したガスは溶融したＢＧＡボールはんだの表面張力によって、ＢＧＡボールはんだの内部に侵入することが妨げられ、大部分は外気中に放出される。

　一方、クリームはんだ中のはんだ粒は、ＢＧＡボールはんだの質量と比較すると極めて小さい単位あたりの質量であり、大きな熱量を有している液体状のＢＧＡボールはんだに接触すると極めて短時間で溶融し、ＢＧＡボールはんだの一部としてとり込まれることになる。

　このように、本発明では、ＢＧＡボールはんだを先に溶融させて表面張力で形状を維持する液体状態を完成させ、続いてＢＧＡボールはんだの熱量によって質量の極めて小さいクリームはんだ中のはんだ粒を溶融させてＢＧＡボールはんだ中にとり込むものである。一方、クリームはんだのクリーム成分については、フラックス機能を発揮させる必要があるために、その蒸発温度ははんだ合金の溶融温度よりも相当低いことは周知であり、その成分によって接合物表面を効果的にぬらすものの、発生したガスがＢＧＡボールはんだ内部に取り込まれることはない。

　上記、本発明の作用の理解をより高めるために、本発明の関係とは逆の、クリームはんだ中のはんだ合金の液相線温度が、ＢＧＡボールはんだの固相線温度よりも低い関係について説明する。この場合には、先ずクリームはんだ中のクリーム成分の蒸発に続いて、クリームはんだ中のはんだ粒の溶融が始まる。その溶融したクリームはんだとＢＧＡボールはんだの接触部分からＢＧＡボールはんだの溶融が始まる。その一方でクリームはんだ中で発生した泡状のガスはクリームはんだの中央部分に集中しながら浮上する。そうすると、ＢＧＡボールはんだの溶融に伴って、先に溶融しているクリームはんだ中のはんだ粒がＢＧＡボールはんだと一体化するのと同時に、泡状のガスも浮力によってＢＧＡボールはんだ中に取り込まれることになり、ボイドが発生する。この一連のプロセスが、２種類のはんだの溶融に焦点をあてたボイド発生のメカニズムである。なお、このような関係では、最初に一部のクリームはんだが溶融した時、その溶融したクリームはんだの表面張力でＢＧＡボールはんだが持ち上げられ、他の箇所の未溶融クリームはんだとＢＧＡボールはんだが離れて非接触になる。非接触になった箇所のクリームはんだとＢＧＡボールはんだが溶融した後に接触しても、互いに相溶することは困難であり接合不良を生じる。

　本発明のはんだ接合方法、及びこの方法によって完成したはんだ継手は、従来のリフロー設備も用いることができ、しかも従来のはんだ接合に比べ、ボイドの発生が極度に抑制される。

本発明に係るクリームはんだ及びＢＧＡボールはんだのはんだ溶融前の状態を表した概略図。はんだ接合後のボイド発生状態をＸ線透過型検査装置にて撮影した写真。（黒円がはんだ断面で、その中の白い斑点状の模様が発生したボイド。）

符号の説明

１　ＢＧＡパッケージ基板
２　ＢＧＡボールはんだ
３　クリームはんだ
４　プリント基板

　以下に、本発明の好ましい実施の形態を図面とともに、かつ、実施例に基づいて説明する。
　一般にプリント基板の表面に電子部品を実装する場合、リフロー炉にて加熱して接合される前は、図１に示すようにＢＧＡボールはんだとクリームはんだが装着されている。ここで、１はＢＧＡパッケージ基板、２はＢＧＡボールはんだ、３はクリームはんだ、４はプリント基板である。この図では、クリームはんだ３は、プリント基板４に予め印刷することを前提としているが、ＢＧＡボールはんだ２の下端にクリームはんだ３を付着させ、この状態でクリームはんだ３をプリント基板４に接触させる組み合わせを採用しても、本発明が達成する作用効果は同様である。

　ＢＧＡボールはんだ２の組成は、特に制限はなく、例えば鉛フリーはんだ合金として公知のＳｎ－Ａｇ合金や、Ｓｎ－Ｃｕ合金、あるいは、Ｓｎ－Ｉｎ合金、Ｓｎ－Ｂｉ合金、Ｓｎ－Ｚｎ合金、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ合金、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉ合金等を採用することが可能である。また、有鉛はんだ合金のＳｎ－Ｐｂ合金をＢＧＡボールはんだとして採用することについても、本発明は排除しない。そして、ＢＧＡボールはんだのサイズ、形状に関しても、特に制限はなく、市販されているものであっても、図１の構造に採用するものは広く本発明におけるＢＧＡボールはんだの概念に含む。

　本発明に用いられるクリームはんだについても、組成及び組成の配合量等に特に制限はなく、一般的には、はんだ粉末と樹脂成分、活性剤、チキソ剤、溶剤等より構成されるフラックスからなるペースト状のはんだ組成物を指す。

　本発明のクリームはんだに用いられるはんだ粉末は、無鉛はんだの世界的傾向に鑑みると、一般的には鉛の成分を含有しない無鉛はんだ粉末が好ましいが、本発明が達成する作用効果にはそれに限定する必要はない。具体的には、Ｓｎ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｓｂ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｔｅ等が挙げられる。また、はんだ粉末の含有量についても、特に限定する必要はないが、はんだペースト中に７０～９５重量％程度含有されるのが一般的であろう。はんだ粒の形状についても、球形、不定形等特に限定する必要はないが、熱を均一に供給することなどから球形が好適に用いることができ、その粒子径は、粒子範囲が０．１～１００μｍの粉体を一例として用いる。

　次に、クリームはんだに用いられる樹脂成分を例示すると、ロジン系樹脂等が挙げられる。ロジン系樹脂とはロジン及びその変性ロジン等の誘導体が挙げられ、これらは併用することもできる。具体的には例えばガムロジン、ウッドロジン、重合ロジン、フェノール変性ロジンやこれらの誘導体が挙げられるが、アクリル系樹脂を併用することも可能である。また、樹脂の含有量は、フラックス中に２５～７５重量％程度含有されているのが一般的であるが、限定されるものではない。

　実施形態におけるクリームはんだに用いられる活性剤を例示すると、有機アミンのハロゲン化水素酸塩として、ジフェニルグアニジン臭化水素酸塩、シクロヘキシルアミン臭化水素酸塩、ジエチルアミン塩酸塩、トリエタノールアミン臭化水素酸塩、モノエタノールアミン臭化水素酸塩が挙げられ、また、有機酸としては、マロン酸、コハク酸、マレイン酸、グルタル酸、スベリン酸、アジピン酸、セバシン酸等が挙げられる。また、活性剤の含有量は、フラックス中に０．０１～３０重量％程度含有されているのが一般的であるが、限定されるものではない。

　また、クリームはんだに用いられるチキソ剤を例示すると、水素添加ヒマシ油、脂肪酸アマイド類、オキシ脂肪酸類、カスターワックス等が挙げられる。また、チキソ剤の含有量は、特に制限はされないが、フラックス中に０．０１～１５％程度含有されているのが一般的であるが、限定されるものではない。

　本発明のクリームはんだに用いられる溶剤は、ヘキシルカルビトール、ブチルカルビトール、エチレングリコールモノブチルエーテル等が挙げられる。また、溶剤の含有量は、特に制限はされないが、フラックス中２０～８０重量％程度含有されているのが一般的であるが、限定されるものではない。

　本実施形態において、ＢＧＡボールはんだと、クリームはんだの組成を上記のとおり具体的に開示したが、本発明において必要なことは、物性として、ＢＧＡボールはんだ合金の液相線温度が、クリームはんだに含まれるはんだ粒としてのはんだ合金の固相線温度よりも低いことであり、これを達成することができる合金の組み合わせは全て本発明の範囲に含まれる。

　以下に、実施例を説明する。
〔試料〕
　試験に使用したボールはんだ及びクリームはんだの組成等の条件を表１に示す。

　試験に使用したプリント基板モデル及びＢＧＡパッケージモデルの条件を表２に示す。

〔試験装置〕
　・リフロー炉：株式会社タムラ製作所製　ＴＮＰ２５－５３８ＥＭ
　・Ｘ線透過型検査装置：株式会社島津製作所製　ＳＭＸ－１６０ＣＴ　

〔試験方法〕
　１．表２に示すＢＧＡパッケージに表１に示すボールはんだを実装し、リフロー炉で加熱後、メチレンクロライドを用いて洗浄した。
　２．表２に示すプリント基板に表１に示すクリームはんだをそれぞれ印刷して、ボールはんだ実装ＢＧＡパッケージを実装し、リフロー炉で表３に示す条件にてはんだ接合させて表４に示すボールはんだとクリームはんだの組合せの実施例及び比較例を作成した。
　３．上記２で得られた継手を、Ｘ線透過型検査装置を用いてボイド発生状況を評価した。

　上記各サンプルの組み合わせにおいて、それぞれの液相線温度及び固相線温度から明らかなように、ボールはんだＡとクリームはんだＣの組み合わせのみが、ボールはんだ合金の液相線温度がクリームはんだ合金の固相線温度よりも低い関係である。
〔試験結果〕
　試験結果を表４及び図２に示す。

　表４より、本発明の実施例１は比較例１及び比較例２と比べると、明らかにボイドの発生率が低い。また、図２のようにＸ線で内部を透過すれば白点のボイド部分が確認でき、ボイドの発生が少ないことが明らかである。このことから、上記実施例の関係では、はんだ継手内部のボイドの発生が減少していることがわかる。即ち、ボールはんだの液相線温度がクリームはんだの固相線温度に比べて低い実施例１のみがボイドの発生が減少しているのに対して、ボールはんだの液相線温度がクリームはんだの固相線温度よりも高い比較例２については、液相線温度と固相線温度が同じである比較例１よりもボイドが多く発生している。この３者の関係からも、ＢＧＡボールはんだの液相線温度をクリームはんだに用いたはんだ粒の固相線温度よりも低い関係を採用することによって、ボイドの発生が減少するという結論を導き出すことができる。

　また、前述の試験において、ＢＧＡボールはんだ及びクリームはんだがそれぞれ溶融していく状況を観察していると、リフロー炉で加熱後、本発明の実施例は先ずＢＧＡボールはんだ２が溶融し、次にクリームはんだ３が溶融する経緯を経るが、クリームはんだ３が溶融する際に、先に開示したようにガスが中央付近に集中して浮上することがないので、溶融したＢＧＡボールはんだ２を一瞬持上げる作用は働かず、それぞれのはんだが溶け込み合いながらはんだ接合部を形成していく過程が解明された。そして、１００個のはんだ全てに接合不良がないことも確認された。このことによりＢＧＡパッケージ基板１に実装したＢＧＡボールはんだの高さに多少のバラツキが生じたものが含まれていたとしても、はんだ接合終了時にはＢＧＡパッケージとプリント基板双方にしっかりとしたはんだ接合部が形成される。従って、本発明を採用することにより、従来から問題とされていた、ＢＧＡボールはんだの高さバラツキによる接合不良の防止効果も発揮することになる。

　本発明のはんだ接合方法は、ボイドの発生を著しく抑制するばかりでなく、はんだ接合不良をも防止する効果を有するため、特に信頼性を必要とするＢＧＡパッケージやＣＳＰパッケージ等の電子部品接合に広く応用が期待できる。

Claims

プリント基板の表面に電子部品を実装する際において、ボールはんだとクリームはんだを用いるはんだ接合方法であって、該ボールはんだ合金の液相線温度が該クリームはんだ中のはんだ合金の固相線温度よりも低い関係にあるボールはんだとクリームはんだをリフロー法によって接合することを特徴とするはんだ接合方法。
ボールはんだ合金の液相線温度と、クリームはんだ中のはんだ合金の固相線温度が、少なくとも１℃以上である請求項１記載のはんだ接合方法。
ボールはんだ及びクリームはんだに用いるはんだ合金が共晶組成を有していることを特徴とする請求項１乃至請求項２記載のはんだ接合方法。
ボールはんだは、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕを主成分とするはんだ合金であり、クリームはんだ中のはんだ合金は、Ｓｎ－Ｃｕ－Ｎｉを主成分とするはんだ合金である請求項１～３のいずれか記載のはんだ接合方法。
請求項１～４のいずれかの方法を用いて得られたはんだ継手。