WO2014170963A1 - 鉛フリーはんだボール及び鉛フリーはんだボールの検査方法 - Google Patents

鉛フリーはんだボール及び鉛フリーはんだボールの検査方法 Download PDF

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賢 立花
芳恵 立花
哲也 奥野
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千住金属工業株式会社
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    • G01N21/956—Inspecting patterns on the surface of objects
    • G01N21/95684—Patterns showing highly reflecting parts, e.g. metallic elements

Definitions

  • the present invention relates to a lead-free solder ball having excellent optical inspection properties, and to an optical inspection method using the lead-free solder ball.
  • the lead frame type made of copper, 42 alloy or the like has been used as an electrode for wiring to a printed circuit board of a semiconductor for an electronic device, but the purpose is to reduce the size of the electronic device and improve the calculation speed of the semiconductor. Therefore, a BGA (Ball Grid Array) type in which an electrode is formed with a solder ball under a semiconductor has become mainstream.
  • BGA type semiconductors include BGA, CSP, and the like.
  • the land of the printed circuit board and the lead frame of the semiconductor are joined with a solder paste or the like. Even if it can be judged, since a BGA type semiconductor has an electrode on the back surface of the semiconductor, the solder joint part is hidden by the semiconductor, and the quality of soldering cannot be judged.
  • semiconductors that are bonded to a substrate with a lead frame such as a conventional PLCC can be checked with a tweezers or the like when there is any doubt by visual inspection or inspection with a magnifying glass.
  • the ball electrodes before mounting are exclusively used for the electrode parts of the BGA by using an optical inspection device. It is confirmed whether there is any foreign matter adhering to the solder ball or any abnormality in the solder ball shape. Even with the same defect, the missing solder balls on the BGA electrode can be found by a circuit test by energization performed after mounting on the printed circuit board.
  • solder ball As a solder ball that eliminates such uneven gloss of the solder ball, the present applicant is composed of Ag 4.0 to 6.0 mass%, Cu 1.0 to 2.0 mass%, the remaining Sn, and has a good surface condition.
  • Lead-free solder balls Japanese Patent Laid-Open No. 2003-1481, Patent Document 1
  • atomic% Ag: 3-6%
  • Cu 1-4%
  • Co 0.01-2%
  • Sn lead-free
  • An alloy for solder balls Japanese Patent Laid-Open No. 2004-154865, Patent Document 2
  • solder balls are missing from the electrodes, foreign matter adhered to the solder ball surface, solder Check for abnormal ball shape.
  • solder Check for abnormal ball shape When using a conventional Sn-Pb solder ball, the entire solder ball is glossy, and unless it is a defective product, no error occurred in the optical inspection device. By switching, gloss unevenness occurs, and even if it is not a defective product, a problem that an optical inspection device recognizes an error has occurred.
  • Sn—Ag—Cu solder generally used as lead-free solder, Sn dendritic crystals grow on the surface of the solder ball, and unevenness is likely to occur on the surface of the solder ball.
  • solder balls disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2 solve these problems.
  • the feature of the solder balls of Patent Document 1 and Patent Document 2 is to provide a solder ball having excellent glossiness by making Ag more saturated than the Sn—Ag eutectic composition.
  • Patent Document 2 and the like disclose a solder ball that is superior in gloss by adding Co to the invention of Patent Document 1 to inhibit the growth of Sn dendrites.
  • the solder balls of Patent Document 1 and Patent Document 2 have characteristics that are very excellent as solder balls having gloss.
  • a solder ball having the same gloss as the Sn—Pb solder ball as in Patent Documents 1 and 2 is required, it is difficult to control the growth of Sn dendrites, although the same lot is used.
  • the dendride partially grows and tends to generate irregularities on the solder ball surface.
  • Such a lead-free solder ball is judged by the optical inspection device as a foreign matter adhering to the solder ball, and the work process sometimes stops.
  • Solder balls with Sn-Ag-Cu solder composition as lead-free solder balls have excellent temperature cycle characteristics and excellent joint strength such as shear strength after joining, but Sn dendritic crystals grow during solidification
  • the surface of the solder ball is likely to be uneven. For this reason, even if a good solder ball is used, if the surface of the solder ball is uneven, it may be determined as a defective product when applied to an optical inspection device, and the work process may be stopped.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a lead-free solder ball having an excellent optical inspection property, a solder ball surface having a uniform frosted state with no unevenness due to dendrite growth on the solder ball surface. .
  • the present invention is as follows.
  • the present invention has a solder composition comprising Ag of 0.7 to 2.0% by mass, Cu of 0.3 to 1.0% by mass, Ni of 0.02 to 0.08% by mass, and remaining Sn.
  • a lead-free solder ball characterized in that the solder ball has a maximum surface roughness of 0.5 to 8 ⁇ m.
  • the solder composition is a solder ball having a solder composition in which one or more elements selected from P or Ge are added to the solder composition in a total amount of 0.05% by mass or less. Solder ball.
  • solder ball according to claim 1, wherein 0.003 to 0.1% by mass in total of one or more elements selected from Fe, Co, and Pt is added to the solder composition. .
  • a method for inspecting a solder ball wherein the quality of the solder ball is determined by an optical inspection device using the solder ball having a uniform matt surface on the lead-free solder ball.
  • the lead-free solder balls of the present invention are characterized by having no gloss and a uniform matt surface.
  • the optical inspection apparatus can adjust the light intensity as an acceptance standard so that the surface condition can be adjusted to either glossy or non-glossy.
  • the standard of the recognition device cannot be set, so the solder surface must be unified to either gloss or non-gloss.
  • the surface of the solder ball is uniform, it is easy to adjust the standard for a matte matte type solder ball. Therefore, it becomes a problem whether a uniform matt state of the solder ball surface can be obtained.
  • the surface of the solder ball is in a uniform frosted state. is there.
  • the recognizability is best when the maximum surface roughness of the solder ball surface is 0.5 to 8 ⁇ m.
  • the fact that the maximum surface roughness of the lead-free solder ball surface is uniform is defined as when the maximum surface roughness of the solder ball surface is 0.5-8 ⁇ m in the inspection method of the optical inspection device. it can.
  • the growth of the dendrid crystal of the lead-free solder ball is controlled by regulating the amount of Ag, thereby suppressing the generation of abrupt dendrid crystal.
  • Cu and Ni added to the alloy composition of the lead-free solder ball of the present invention generates an intermetallic compound in the solder composition, thereby dividing dendrite crystal growth and causing unevenness on the surface of the solder ball. It is made uniform.
  • the addition of Cu to the solder composition of the solder balls results in improved temperature cycle characteristics and shear strength, and the addition of Ni results in improved drop impact resistance.
  • the lead-free solder ball of the present invention since it is not determined as a defective product when applied to an optical inspection device, the work process does not stop and efficient assembly of electronic equipment is possible. Further, unlike conventional lead-free solder balls, it is possible to easily determine whether a product is non-defective or defective, so that it is easy to select semiconductor components. Furthermore, since it is in a frosted state from the time when it is supplied as a solder ball, it is easy to recognize the solder ball in the semiconductor assembly process.
  • the surface of the solder ball recognized as matte by the optical inspection device (magnification approximately 1000 times)
  • the surface of the solder ball that was not recognized as frosted by the optical inspection device (approximately 1000 times magnification)
  • Enlarged view of Fig. 1 (Approximately 500 times magnification)
  • Enlarged view of Fig. 2 (Approximately 500 times magnification)
  • the lead-free solder ball having a non-glossy and uniform matte surface of the present invention is preferably used for bump formation on package parts such as BGA.
  • the alloy composition of the lead-free solder ball according to the present invention is as follows.
  • the content of Ag is 0.7 to 2.0% by mass. If the Ag content is less than 0.7% by mass or exceeds 2.0% by mass, a solid-liquid phase coexistence region at the time of solidification cannot be obtained sufficiently, and the behavior at the time of solidification changes, and dendrite crystals grow. It becomes easy to occur, and the partial unevenness of the frost occurs.
  • the alloy for solder balls of the present invention preferably has an Ag content of 0.7 to 2.0% by mass. More preferably, the content is 1.0 to 1.5% by mass.
  • the alloy for solder balls of the present invention preferably has a Cu content of 0.3 to 1.0% by mass. More preferably, it is 0.5 to 1.0% by mass.
  • the Ni content is 0.02 to 0.08 mass%.
  • Ni is added together with Cu to form a compound of Sn, Cu and Ni, and the formed compound is dispersed in the solder structure. Therefore, it plays a role of hindering the growth of the Sn dendrite crystal.
  • the Ni content is less than 0.02% by mass, the above effects cannot be exhibited. As a result, it is possible to prevent uneven surface unevenness due to growth of Sn dendrite crystals.
  • the alloy for solder balls of the present invention preferably has a Ni content of 0.2 to 0.08 mass%. More preferably, it is 0.05 to 0.08 mass%.
  • one or more elements selected from P or Ge may be added in a total amount of 0.05% by mass or less. After the solder balls are mounted on the module substrate, it is determined whether or not the solder balls are soldered by image recognition. If the solder ball has a discoloration such as yellow, it is determined that the image recognition is defective. Therefore, it is better that the solder balls are not discolored by reflow. By adding P or Ge to the alloy for solder balls to prevent discoloration due to heat or the like, errors in the bump quality inspection can be avoided. If an element selected from P or Ge is added in an amount exceeding 0.05% by mass, the adverse effect that the drop impact resistance deteriorates appears.
  • the alloy composition of the lead-free solder ball according to the present invention 0.001 to 0.1 mass% in total of one or more elements selected from Fe, Co, and Pt may be further added.
  • the addition of Fe, Co, and Pt elements to the alloy for solder balls has the effect of improving the drop because the intermetallic compound layer formed at the bonding interface is refined and the thickness is suppressed. If the element selected from Fe, Co, and Pt is less than 0.003% by mass, the above effect is hardly obtained, and if it exceeds 0.1% by mass, the wettability of the solder is improved. The adverse effect that the height of the solder bump rises and interface peeling occurs due to impact appears.
  • the surface roughness of the solder ball surface of the present invention is preferably 0.5 to 8 ⁇ m. More preferably, it is 2 to 6 ⁇ m.
  • the lead-free solder ball according to the present invention can reduce the ⁇ dose by using a low ⁇ wire. By using this in the periphery of the memory, soft errors can be prevented.
  • a solder alloy having the composition shown in Table 1 was produced, and a solder ball having a diameter of 0.3 mm was produced by an air ball-making method. Using this solder ball, the surface state and maximum surface roughness of the solder ball and the recognition failure rate with the inspection machine were evaluated.
  • a color 3D laser microscope VK-9700 manufactured by KEYENCE was used, and the surface of the solder ball was measured at five points at a magnification of about 1000 times, and the maximum surface roughness values of the respective compositions were compared.
  • the recognition failure rate in the inspection machine was determined by using a color 3D laser microscope VK-9700 manufactured by KEYENCE, which was determined not to be spherical, and was counted as a recognition failure.
  • solder alloy shown in Table 1 above a solder ball having a diameter of 0.3 mm, a glass epoxy substrate (FR-4) having a substrate thickness of 1.2 mm and an electrode size of 0.24 mm, is 0.24 mm ⁇ ⁇ 0.1 mm thick.
  • a flux WF-6400 manufactured by Senju Metal Industry Co., Ltd. was printed, solder balls were mounted, and reflow was performed at 220 ° C. or higher for 40 seconds and a peak temperature of 245 ° C.
  • the shear strength (N) of this sample was measured under a condition of 4000 mm / sec using a shear strength measuring device (manufactured by Dage: SERIES 4000HS).
  • solder alloy shown in Table 1 above using a 1.2 mm thick glass epoxy board (FR-4) with a 0.34 mm diameter solder ball formed with a 0.24 mm x 16 mm slit electrode, Flux WF-6400 manufactured by Metal Industry Co., Ltd. was printed, solder balls were mounted, and reflow was performed under the conditions of 220 ° C. or higher, 40 seconds, and peak temperature of 245 ° C. Thereafter, the wetting spread area was measured according to JIS Z-3197 using a stereomicroscope.
  • Example 1 which are alloy compositions within the scope of the present invention, the maximum surface roughness is 2.6 to 5.3 ⁇ m, and FIG. 1 of Example 5 and FIG. As described above, uniform irregularities are formed on the surface of the solder ball, and the recognition failure rate in the inspection machine is as low as 0.02 to 0.15%, which is excellent in optical inspection.
  • Comparative Example 25 in which the amount of Cu is outside the range of the present invention, the maximum surface roughness is 6.8 ⁇ m, and the recognition failure in the inspection machine is 0.14%, but the liquidus temperature is high because of the high Cu content. Is high and the wetting and spreading rate is 0.34 mm 2 , and the solderability is poor for a BGA type semiconductor and cannot be used.
  • the solder ball was composed of 0.7 to 2.0 mass% of Ag, 0.3 to 1.0 mass% of Cu, 0.02 to 0.08 mass% of Ni, and the remaining Sn.
  • the maximum surface roughness of the solder ball surface is 0.5 to 8 ⁇ m, an excellent optical inspection property can be obtained in a uniform frosted state on the surface of the solder ball.
  • the lead-free solder which has a maximum surface roughness of 0.5-8 ⁇ m on the surface of the solder ball of the present invention, has no gloss, has a uniform matte surface, and is excellent in optical inspection. Therefore, for the purpose of downsizing electronic equipment and improving the calculation speed of semiconductors, it is suitable for electronic parts used in BGA (Ball Grid Array) type applications where electrodes are formed with solder balls under the semiconductor. Although it is a material, it has excellent effects when used in wafer level CSP (Chip Scale Package) that can meet specifications with smaller and smaller size compared to other BGA type electronic components. is there.
  • wafer level CSP Chip Scale Package

Abstract

　本発明は、光学式検査性に優れ、はんだボール表面にデンドライドの成長による凹凸がなく、均一なつや消し状態であるはんだボール表面を有する鉛フリーはんだボールである。　本発明は、Ａｇが０．７～２．０質量％、Ｃｕが０．３～１．０質量％、Ｎｉが０．０２～０．０８質量％、残Ｓｎからなるはんだ組成のはんだボールであって、はんだボール表面の最大表面粗さが０．５～８μｍであることを特徴とする鉛フリーはんだボールである。

Description

[規則26に基づく補充 31.07.2013]　鉛フリーはんだボール及び鉛フリーはんだボ－ルの検査方法
　本発明は、光学検査性に優れた鉛フリーはんだボールに関するものであり、その鉛フリーはんだボールを使用する光学検査方法に関する。
　電子機器用の半導体のプリント基板への配線用の電極は、従来は銅や４２アロイなどでできたリードフレームタイプが用いられてきたが、電子機器の小型化と半導体の演算速度の向上の目的から、半導体の下にはんだボールで電極が形成されるＢＧＡ（Ball Grid Array）タイプが主流となってきている。ＢＧＡタイプの半導体には、ＢＧＡ、ＣＳＰなどが含まれる。
　ＢＧＡタイプの半導体のプリント基板実装の問題点として、はんだ接合部分が目視では見えないことと、個々の端子の接合強度が測れないことがある。例えば、従来面実装用に用いられたＰＬＣＣなどの半導体では、プリント基板のランドと半導体のリードフレームをはんだペーストなどで接合するが、その接合部分は検査時に目視や拡大鏡などではんだ付けの良否が判断できても、ＢＧＡタイプの半導体では半導体の裏面に電極があるので、はんだ接合部分が半導体に隠れて、はんだ付けの良否が判別できない。
　また、従来のＰＬＣＣなどのリードフレームで基板に接合させる半導体は、目視や拡大鏡での検査で疑義があるときには、ピンセットなどで引っ張り、リードの接合状態を実際に確認することができるが、ＢＧＡタイプの半導体では、個々のはんだボールの接合状態を確認する方法がないため、もっぱら実装前のボール電極部分を光学式の検査装置を用いて、ＢＧＡの全ての電極部分にはんだボールが存在しているか、はんだボールに異物の付着やはんだボール形状に異常が見られないか、を確認している。
　同じ不具合でも、ＢＧＡの電極部分のはんだボールの欠落は、プリント基板に実装後に実施する通電による回路テストで発見できる。しかし、はんだボール電極部分への異物の付着やはんだボール形状の異常による不具合は、はんだ付けがなされるので実装後に実施する通電による回路テストでは、不具合は発見されない。したがって、プリント基板を実装する電子機器メーカは、はんだボール電極部分への　異物の付着やはんだボール形状の異常による不具合を重要視しており、可能な限り光学式の検査装置の検査によって不具合を無くす努力をしている。
　ところが、はんだボールに異物の付着がないか、はんだボール形状に異常が見られないか、の確認を厳しく行うと、従来のＳｎ－Ｐｂはんだボールでは問題にならないことが、鉛フリーはんだボールでは発生している。つまり、従来のＳｎ－Ｐｂはんだボールは全体に光沢があり、光沢ムラなどは発生しないが、現在使用されているＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系の鉛フリーはんだボールでは、光沢ムラが発生し易いため、はんだボール表面の異物の付着や形状異常などを重点的に弾くために、光学式検査装置の感度を強くすると、不具合品でないＢＧＡタイプの半導体まで、不具合として判定してしまい、ラインをストップさせて生産性を悪くしてしまう。光学式検査装置の感度を弱くすると、はんだボール電極部分への異物の付着した物やはんだボール形状の異常な物までも、不具合として判断させないために、市場クレームとなってしまう。
　このような、はんだボールの光沢ムラを解消したはんだボールとして、本出願人はAg4.0～6.0質量％、Cu1.0～2.0質量％、残部Snからなるとともに、表面状態が良好となっている鉛フリーはんだボール（特開２００３－１４８１号公報、特許文献１）や原子％で、Ag：３～６％、Cu：１～４％、Co：0.01～２％、Sn：残部からなる鉛フリーはんだボール用合金（特開２００４－１５４８６５号公報、特許文献２）、を開示している。
特開２００３－１４８１号公報 特開２００４－１５４８６５号公報
　ＢＧＡタイプの半導体では、はんだ付け部が半導体の下面に隠れてしまうので目視での確認ができないため、光学式検査装置を用いて、電極のはんだボールの欠落、はんだボール表面の異物の付着、はんだボール形状の異常などを確認している。
　従来のＳｎ－Ｐｂはんだのはんだボールを使用しているときは、はんだボール全体に光沢があり、不具合品でない限り光学式検査装置でエラーが発生することがなかったが、鉛フリーはんだボールへの切り替えによって、光沢ムラが発生するようになり、不具合品でなくとも光学式検査装置でエラーと認識される問題が生じるようになった。特に、鉛フリーはんだとして一般的に使用されているＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系のはんだでは、はんだボール表面にＳｎのデンドライド状の結晶が成長して、はんだボール表面に凹凸が発生し易い。
　これらを解決したのが、特許文献１や特許文献２のはんだボールである。特許文献１や特許文献２のはんだボールの特徴は、Ｓｎ－Ａｇ共晶組成よりもＡｇを飽和状態にすることで光沢性に優れたはんだボールを提供することである。特許文献２などでは、特許文献１の発明にＣｏを添加することで、Ｓｎのデンドライドの成長を阻害して、より光沢性に優れたはんだボールが開示されている。特許文献１や特許文献２のはんだボールは、光沢性を有するはんだボールとしては非常に優れている特性を有する。
　ところが、特許文献１や特許文献２のような、Ｓｎ－Ｐｂはんだボールと同様の光沢があるはんだボールを求めても、Ｓｎのデンドライドの成長をコントロールすることは難しく、同じロットであるにも関わらず、部分的にデンドライドが成長してはんだボール表面に凹凸が発生してしまう傾向がある。このような鉛フリーはんだボールは、光学式検査装置で、はんだボールの異物付着と判断されて、作業工程が停止することがあった。
　鉛フリーはんだボールとしてＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系のはんだ組成のはんだボールは、温度サイクル特性に優れており、接合後のシェア強度などの接合強度も優れているが、凝固時にＳｎのデンドライド結晶が成長し易く、はんだボール表面に凹凸が生じ易い。そのために、はんだボールとして良品でもはんだボール表面に凹凸があると、光学式検査装置にかけると不具合品と判定されてしまい、作業工程が停止することがあった。
　本発明が解決しようとする課題は、光学式検査性に優れ、はんだボール表面にデンドライドの成長による凹凸がなく、均一なつや消し状態であるはんだボール表面を有する鉛フリーはんだボールを提供することである。
　本発明者らは、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ系を含むＳｎ－Ａｇ系の鉛フリーはんだボールのデンドライド結晶の成長をコントロールすることは、同じロット内でもバラツキが生じてしまい非常に困難なことから、発想を転換して、はんだボール表面を均一なつや消し状態にすることが、はんだボール表面を均一な光沢状態にするよりも容易であること、Ｓｎ－Ａｇ系はんだのＡｇの量を共晶点より低下させると、Ｓｎのデンドライドの発生をコントロールできる量の範囲が存在すること、そして、表面の最大表面粗さが０．５～８μｍの鉛フリーはんだボールが、光学式検査装置で均一なつや消し状態のボール表面であると判定されること、を見い出して本発明を完成した。
　ここに、本発明は次の通りである。
（１）本発明は、Ａｇが０．７～２．０質量％、Ｃｕが０．３～１．０質量％、Ｎｉが０．０２～０．０８質量％、残Ｓｎからなるはんだ組成のはんだボールであって、はんだボール表面の最大表面粗さが０．５～８μｍであることを特徴とする鉛フリーはんだボールである。
（２）前記はんだ組成に、Ｐ又はＧｅから選択される元素１種以上を合計で０．０５質量％以下添加したはんだ組成のはんだボールであることを特徴とする請求項１に記載の鉛フリーはんだボール。
（３）前記はんだ組成に、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｐｔから選択される元素1種以上を合計で０．００３～０．１質量％添加したことを特徴とする請求項１に記載の鉛フリーはんだボール。
（４）鉛フリーはんだボールの表面が均一なつや消し状態であるはんだボールを用いて、光学式検査装置ではんだボールの良否を判定することを特徴とするはんだボールの検査方法。
　本発明の鉛フリーはんだボールは、光沢が全く無く、均一なつや消し状態の表面を有することが特徴である。光学式検査装置は、その合格基準として光度を調整するために、表面状態が光沢又は非光沢のどちらか一方に基準を合わせることができるようになっているものが一般的である。しかし、表面状態に光沢と非光沢の両方が混在していると認識装置の基準を設定することができないため、はんだの表面が光沢又は非光沢のどちらかに統一させなければならない。はんだボール表面の状態が均一で有りさえすれば、非光沢のつや消しタイプのはんだボール向けに基準を調整することは容易である。そのために、均一なはんだボール表面のつや消し状態が得られるかが課題となる。
　本発明の鉛フリーはんだボールでは、はんだボール表面を均一なつや消し状態としているが、均一なつや消し状態とは、はんだボール表面に微少な凹凸を付けて、はんだボール本来の金属光沢を消した状態である。光学式検査装置で、はんだボールがつや消しと認識されるには、はんだボール表面の最大表面粗さが０．５～８μｍであるときが、最も認識性が良好である。つまり、鉛フリーはんだボール表面の最大表面粗さが均一なつや消し状態であるのは、光学式検査装置の検査方法において、はんだボール表面の最大表面粗さが０．５～８μｍであるときと規定できる。
　本発明の鉛フリーはんだボールでは、Ａｇの量を規定することで鉛フリーはんだボールのデンドライド結晶の成長をコントロールして、急激なデンドライド結晶の発生を抑制している。また、本発明の鉛フリーはんだボールの合金組成に添加されているＣｕやＮｉは、はんだ組成中に金属間化合物を生成させることによって、デンドライド結晶の成長を分断して、はんだボール表面の凹凸を均一化させている。さらに、はんだボールのはんだ組成へのＣｕの添加は、温度サイクル特性の向上やシェア強度の向上をもたらし、Ｎｉの添加は耐落下衝撃性の向上をもたらす。
　本発明の鉛フリーはんだボールを用いることによって、光学式検査装置にかけると不具合品と判定されることもないため、作業工程が停止せず、効率の良い電子機器の組み立て作業が可能となる。また、従来の鉛フリーはんだボールと異なり、良品、不具合品の判定が容易にできるため、半導体部品の選別が容易になる。さらに、はんだボールとして供給している時点からつや消し状態になっているため、半導体の組み立て工程でのはんだボールの認識も容易となる。
光学式検査装置でつや消しと認識されたはんだボールの表面（倍率約１０００倍） 光学式検査装置でつや消しと認識されなかったはんだボールの表面（倍率約１０００倍） 図１の拡大図（倍率約５００倍） 図２の拡大図（倍率約５００倍）
　本発明の非光沢で均一なつや消し状態の表面を有する鉛フリーはんだボールは、ＢＧＡ等のパッケージ部品へのバンプ形成に用いるのが好ましい。
　本発明に係る鉛フリーはんだボールの合金組成は以下の通りである。
　Ａｇの含有量は０．７～２．０質量％である。Ａｇの含有量が０．７質量％未満又は２．０質量％を超えると、凝固時の固相―液相共存領域が十分に得られず凝固時の挙動が変化し、デンドライト結晶の成長が発生しやすくなり、つや消しの部分的なムラが生じる。したがって、本発明のはんだボール用の合金は、Ａｇの含有量が０．７～２．０質量％が良い。より好ましくは、１．０～１．５質量％である。
　Ｃｕの含有量は０．３～１．０質量％である。Ｃｕの含有量が０．３質量％未満では、Ｓｎのデンドライド結晶が成長し、はんだボールの表面の凹凸にムラが生じる。また、Ｃｕの含有量が１．０質量％を超えると、液相線温度が上がり、濡れ性が悪くなる。したがって、本発明のはんだボール用の合金は、Ｃｕの含有量が０．３～１．０質量％が良い。より好ましくは、０．５～１．０質量％である。
　Ｎｉの含有量は０．０２～０．０８質量％である。Ｎｉ量が本発明の組成範囲内で適量に調整されたときには、ＮｉはＣｕと一緒に添加されることにより、ＳｎとＣｕとＮｉの化合物を形成し、その形成した化合物がはんだ組織中に分散して存在することによりＳｎのデンドライド結晶の成長を妨げる役割を果たす。Ｎｉの含有量が０．０２質量％未満では、上記の効果が発揮されない。結果的に、Ｓｎデンドライト結晶の成長に起因した表面状態の不均一な凹凸状態を防ぐことが出来る。
　一方、Ｎｉの含有量が０．０８質量％を超えると、液相線温度が上がり、濡れ性が悪くなる。したがって、本発明のはんだボール用の合金は、Ｎｉの含有量が０．２～０．０８質量％が良い。より好ましくは、０．０５～０．０８質量％である。
　本発明に係る鉛フリーはんだボールの合金組成には、さらに、Ｐ又はＧｅから選択される元素１種以上を合計で０．０５質量％以下添加してもよい。はんだボールはモジュール基板に搭載された後、画像認識によってはんだ付けされているか否かの判定が行われる。もし、はんだボールに黄色などの変色があった場合は、画像認識において不具合と判断される。そのため、はんだボールはリフローで変色されない方がよい。Ｐ又はＧｅのはんだボール用の合金への添加により、熱などによる変色を防止することで、バンプ品質検査におけるエラーを回避することができる。Ｐ又はＧｅから選択される元素が０．０５質量％を超えて添加すると、耐落下衝撃性が悪くなるという弊害が現れる。
　本発明に係る鉛フリーはんだボールの合金組成には、さらに、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｐｔから選択される元素１種以上を合計で０．００３～０．１質量％添加してもよい。Ｆｅ、Ｃｏ、Ｐｔ元素のはんだボール用の合金への添加は、接合界面に形成する金属間化合物層を微細化し、厚みを抑制するため、落下改善の効果がある。Ｆｅ、Ｃｏ、Ｐｔから選択される元素が０．００３質量％未満では上記の効果が極めて得られ難く、０．１質量％を超えて添加するとはんだの濡れ性が向上する。はんだバンプ高度が上昇し衝撃に対し界面剥離が発生するという弊害が現れる。
　光学式検査装置において、その合格基準を非光沢に合わせた場合に、本発明のはんだボール表面で、最大表面粗さが０．５μｍ未満では、光沢として認識されてエラーが生じる。また、８μｍを超えると、はんだボール表面に引け巣が生じ、凹凸にムラが生じ易い。したがって、本発明のはんだボール表面の表面粗さは、０．５～８μｍが良い。より好ましくは、２～６μｍである。
　なお、本発明に係る鉛フリーはんだボールは、低α線材を使用することによりα線量を低減することができる。これをメモリ周辺に使用することによりソフトエラーを防止することができる。
　表１の組成のはんだ合金を作り、気中造球法で直径０．３ｍｍのはんだボールを作製した。このはんだボールを用いて、はんだボールの表面状態と最大表面粗さと検査機での認識不具合率を評価した。
　表面粗さの測定には、ＫＥＹＥＮＣＥ社製のカラー３Dレーザー顕微鏡ＶＫ－９７００を使用し、倍率約１０００倍ではんだボール表面を５点測定し、各組成における表面最大粗さの値を比較した。
　検査機での認識不具合率は、ＫＥＹＥＮＣＥ社製のカラー３Ｄレーザー顕微鏡ＶＫ－９７００を使用し、球状として判断されなかったのものを認識不具合と判断し、認識不具合の発生率を集計した。
　前記の表1に示すはんだ合金、直径0.3mmのはんだボールを基板厚みが1.2mm、電極の大きさが直径0.24mmであるガラスエポキシ基板(FR-4)を用い、0.24mmφ×厚み0.1mmに千住金属工業株式会社製フラックスWF-6400を印刷し、はんだボールを搭載して220℃以上、40秒、ピーク温度245℃の条件でリフローを行った。このサンプルを、せん断強度測定装置(Dage社製 : SERIES 4000HS)により、4000mm/secの条件でせん断強度(N)を測定した。
　前記の表1に示すはんだ合金、直径0.3mmのはんだボールを0.24mm × 16mmのスリット状の電極を形成した厚み1.2mmガラスエポキシ基板(FR-4)を用い、0.24mmφ×厚み0.1mmに千住金属工業株式会社製フラックスWF-6400を印刷し、はんだボールを搭載して220℃以上、40秒、ピーク温度245℃の条件でリフローを行った。その後、実体顕微鏡を用いて、濡れ広がり面積をＪＩＳ Ｚ－３１９７に準じて測定した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１より、本発明の範囲内の合金組成である実施例１～１６では、最大表面粗さが２．６～５．３μｍで、実施例５の図１及びその拡大図の図３が示すとおり、はんだボール表面に均一な凹凸が形成されており、検査機での認識不具合率は０．０２～０．１５％と低く、光学式検査性に優れている。
　比較例１７～３０では、比較例２３の図２及びその拡大図の図４が示すとおり引け巣が生じて、最大表面粗さは平均約１０μｍ以上であり、検査機での認識不具合率は平均約１％である。これは、認識不具合率が平均約０．１％である実施例１～１６と比較して約１０倍高い。
　Ｃｕ量が本発明の範囲外である比較例２５は、最大表面粗さが６．８μｍ、検査機での認識不具合は０．１４％であるが、Ｃｕの含有量が多いため液相線温度が高く、濡れ広がり率が０．３４ｍｍ2であり、ＢＧＡタイプの半導体に対しては、はんだ付け性が悪く使用することができない。
　結論として、Ａｇが０．７～２．０質量％、Ｃｕが０．３～１．０質量％、Ｎｉが０．０２～０．０８質量％、残Ｓｎからなるはんだ組成のはんだボールであって、はんだボール表面の最大表面粗さが０．５～８μｍであることを特徴とする鉛フリーはんだボールにおいて、はんだボール表面に均一なつや消し状態で、優れた光学式検査性を得られる。
　本発明のはんだボール表面の最大表面粗さが０．５～８μｍであることを特徴とする鉛フリーはんだは、光沢が全く無く、均一なつや消し状態の表面を有し、光学式検査性に優れているため、電子機器の小型化と半導体の演算速度の向上の目的から、半導体の下にはんだボールで電極が形成されるＢＧＡ（Ball Grid Array）タイプの用途で使用される電子部品に適する接合材料であるが、他にも従来のＢＧＡタイプの電子部品と比較し、より薄く小さいサイズで仕様を満たすことが可能なウェハーレベルＣＳＰ(Chip Scale Package)に使用して優れた効果を奏するものである。

Claims (4)

  1. 　Ａｇが０．７～２．０質量％、Ｃｕが０．３～１．０質量％、Ｎｉが０．０２～０．０８質量％、残Ｓｎからなるはんだ組成のはんだボールであって、はんだボール表面の最大表面粗さが０．５～８μｍであることを特徴とする鉛フリーはんだボール。
  2. 　前記はんだ組成に、Ｐ又はＧｅから選択される元素１種以上を合計で０．０５質量％以下添加したはんだ組成のはんだボールであることを特徴とする請求項１に記載の鉛フリーはんだボール。
  3. 　前記はんだ組成に、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｐｔから選択される元素1種以上を合計で０．００３～０．１質量％添加したことを特徴とする請求項１に記載の鉛フリーはんだボール。
  4. 　鉛フリーはんだボール表面が均一なつや消し状態であるはんだボールを用いて、光学式検査装置ではんだボールの良否を判定することを特徴とするはんだボールの検査方法。
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