JP2001138088A

JP2001138088A - ハンダ合金、ハンダボール及びハンダバンプを有する電子部材

Info

Publication number: JP2001138088A
Application number: JP32849399A
Authority: JP
Inventors: Masamoto Tanaka; 将元田中; Michio Endo; 道雄遠藤; Hideji Hashino; 英児橋野; Kohei Tatsumi; 宏平巽; Takashi Nakamori; 孝中森; Masami Fujishima; 正美藤島
Original assignee: Nippon Steel Corp; Nippon Micrometal Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp; Nippon Micrometal Corp
Priority date: 1999-11-18
Filing date: 1999-11-18
Publication date: 2001-05-22

Abstract

(57)【要約】【課題】無鉛ハンダ合金であって、適正な融点を有
し、良好な耐熱疲労特性を有し、更にハンダリフロー後
の表面性状が優れていて光学的なバンプ形成評価を行な
うことができ、電子部材のハンダバンプ用として使用す
ることのできるハンダ合金、該組成のハンダボール、該
組成のハンダバンプを有する電子部材を提供する。【解決手段】Ａｇ：２．０〜３．０質量％、Ｃｕ：
０．３〜１．５質量％を含み、残部Ｓｎ及び不可避不純
物からなり、リフロー後の表面性状が滑らかであること
を特徴とする無鉛ハンダ合金、電子部材のハンダバンプ
用無鉛ハンダ合金、電子部材用無鉛ハンダボール。ハン
ダバンプ、接合ハンダ電極の一部又は全部は上記組成の
無鉛ハンダ合金により形成してなることを特徴とする電
子部材。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、リフロー後の表面
性状が滑らかな無鉛ハンダ合金に関するものであり、特
に半導体基板やプリント基板等の電子部材における電極
のハンダバンプに好適なハンダ合金及びハンダボールで
ある。更に該ハンダ合金を用いたハンダバンプを有する
電子部材に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】最近の電子部品の小型化、高密度実装化
に伴い、プリント配線基板等に電子部品を実装する際に
は、ＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）、ＣＳＰ（チップ
サイズパッケージ）技術が用いられるようになってい
る。また、これらの技術に採用される電極サイズも微細
化の一途をたどっている。

【０００３】これらの接合においては、半導体基板、電
子部品、プリント基板等の上に配置された多数の電極に
まずハンダバンプを形成する。電子部材上の電極へのハ
ンダバンプ形成は、各電極にフラックスの粘着力を利用
してハンダボールを粘着させ、ついで該電子部材を高温
に熱してハンダボールをリフローさせることによって行
なう。このハンダバンプを介して半導体基板等とプリン
ト基板等との間を接合する。ここで、ハンダバンプと
は、銅あるいはアルミ電極の上に半球状に盛り上がって
形成されたハンダをいう。

【０００４】上記実装技術によって半導体素子や電子部
品を基板上に実装した電子装置においては、当該装置を
作動させると半導体素子等自身の発熱によって温度が上
昇し、装置作動をオフとすると冷却して温度が低下する
という加熱・冷却を繰り返す熱サイクルにさらされる。
また、電子装置の使用環境によっては、装置全体が高温
と低温とを繰り返す環境にさらされる。半導体素子自身
が発熱する場合には半導体素子とプリント基板との間に
温度差が生じるため、半導体素子とプリント基板との接
合部には熱応力が発生する。また、装置全体が熱サイク
ルを受ける場合においても、半導体素子とプリント基板
との間に存在する熱膨張係数差により、同じく半導体素
子とプリント基板との接合部に熱応力が発生する。半導
体素子とプリント基板との接合はハンダ電極によって行
われているので、ハンダ電極の強度及び耐熱疲労強度が
低いと、該ハンダ電極部が熱応力によって破壊されるこ
ととなる。そのため、このような接合に用いるハンダ合
金には優れた耐熱疲労特性が要求される。

【０００５】一方、廃棄された電子装置を廃棄処理する
に際し、環境への影響を最少とするため、電子装置に使
用するハンダ合金についても無鉛ハンダ合金が要求され
るようになっている。

【０００６】無鉛ハンダ合金としては、二元系ではＳｎ
にＡｇを３．５％含有した組成が共晶組成となり、融点
は２２１℃と比較的低く、広く無鉛ハンダとして使用さ
れている。耐熱疲労特性も良好である。

【０００７】更に三元系では、特開昭６３−１３６８９
号公報に開示されているように、水道管の接合に用いる
ハンダ合金として、Ａｇ：０．０５〜３％（好ましくは
０．１〜２％）、Ｃｕ：０．７〜６％（好ましくは２〜
４％）、残部Ｓｎからなるハンダ合金が提案されてい
る。ここで提案されているハンダ合金の特徴は、広い範
囲で流動性が良く金属に対する濡れがよいことである。
また、耐熱疲労特性については特に言及されていない。

【０００８】一方、電子部品に用いるハンダ合金につい
ては、上述のように優れた耐熱疲労特性を必要とする。
特開平５−５０２８６号公報においては、電子機器用の
無鉛ハンダ合金として、Ａｇ３．０〜５．０％、Ｃｕ
０．５〜３．０％、残部Ｓｎからなる耐熱疲労特性に優
れた高温ハンダが開示されている。Ａｇの含有量につい
ては、Ａｇは耐熱疲労特性改善に著しく効果があるが、
その添加量が３．０％以下であると耐熱疲労特性を改善
する効果が十分でないとしている。ここで提案されてい
るハンダ合金の融点は２１８℃前後である。Ｓｎ−Ａｇ
−Ｃｕ系ハンダ合金では、Ａｇ４．７％−Ｃｕ１．７％
で三元共晶組成となることが報告されており、３％以上
のＡｇを含有することによって共晶点近傍の組成として
融点を下げ、ハンダ合金としての使いやすさを実現して
いる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】近年、ノートパソコ
ン、ビデオカメラ、携帯電話等の超小型電子機器におい
ては、表面実装やＢＧＡ実装が進み、電極の数が増大す
るとともに基板電極パッドの面積の縮小が急速に進んで
いる。このため、個々の電極の面積も非常に小さくなっ
ている。

【００１０】基板等の電極にハンダバンプを形成する工
程においては、ハンダのリフロー後に多数の電極のすべ
てにおいて良好なハンダバンプが形成されたことを確認
するための評価が必要である。通常は、ハンダリフロー
後の電極部に光をあて、その電極部をカメラで撮像し、
画像解析を行なう。正常なハンダバンプが形成された電
極においては、再溶融後凝固した半球状のハンダバンプ
は滑らかな表面性状を有し、反射光の像がバンプの頂上
中央部に集束して観察される。ハンダバンプが形成され
なかった電極は平面状であるため、集束した光の像が観
察されず、不良部として認識することができる。

【００１１】電子部品に用いるハンダ合金として知られ
ている上記特開平５−５０２８６号公報に開示されたも
のを微細ハンダバンプ形成のために使用すると、リフロ
ー後のハンダバンプの表面が滑らかではなくがさついて
いる。このため、上記画像処理による評価を行なうと、
反射光の像がバンプの頂上中央部に集束せず、バンプ全
体から散乱した光の像が得られる。これではバンプ形成
不良部と誤認されてしまい、正しい評価を行なうことが
できない。

【００１２】本発明は、無鉛ハンダ合金であって、適正
な融点を有し、良好な耐熱疲労特性を有し、更にハンダ
リフロー後の表面性状が優れていて光学的なバンプ形成
評価を行なうことができ、電子部材のハンダバンプ用と
して使用することのできるハンダ合金、該組成のハンダ
ボール、該組成のハンダバンプを有する電子部材を提供
することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明の要旨とす
るところは以下のとおりである。（１）Ａｇ：２．０〜３．０質量％、Ｃｕ：０．３〜
１．５質量％を含み、残部Ｓｎ及び不可避不純物からな
り、リフロー後の表面性状が滑らかであることを特徴と
する無鉛ハンダ合金。（２）Ａｇ：２．０〜３．０質量％、Ｃｕ：０．３〜
１．５質量％を含み、残部Ｓｎ及び不可避不純物からな
ることを特徴とする電子部材のハンダバンプ用無鉛ハン
ダ合金。（３）Ａｇ：２．０〜３．０質量％、Ｃｕ：０．３〜
１．５質量％を含み、残部Ｓｎ及び不可避不純物からな
ることを特徴とする電子部材用無鉛ハンダボール。（４）ハンダバンプを有する電子部材であって、該ハン
ダバンプの一部又は全部はＡｇ：２．０〜３．０質量
％、Ｃｕ：０．３〜１．５質量％を含み、残部Ｓｎ及び
不可避不純物からなる無鉛ハンダ合金により形成してな
ることを特徴とする電子部材。（５）複数の電子部品間をハンダ電極によって接合した
電子部材であって、該ハンダ電極の一部又は全部はＡ
ｇ：２．０〜３．０質量％、Ｃｕ：０．３〜１．５質量
％を含み、残部Ｓｎ及び不可避不純物からなる無鉛ハン
ダ合金により形成してなることを特徴とする電子部材。

【００１４】本発明者らの研究の結果、特開平５−５０
２８６号公報に開示された電子部品用ハンダ合金を用い
た場合にバンプ表面にがさつきが生じる原因は、凝固後
の組織内部のデンドライトが大きく成長し、その影響が
表面にも現れ、バンプ表面にβ−Ｓｎデンドライトが顕
著になり、荒れたがさがさの表面性状となるためである
ことが明らかになった。そして、表面性状を良好にする
ためにはＡｇの含有量が重要であり、Ａｇの含有量を３
質量％以下とすることによってがさつきが解消し、リフ
ロー後の優れた表面性状が得られることを見出した。

【００１５】本発明は上記知見に基づいてなされたもの
であり、Ａｇ：２．０〜３．０質量％、Ｃｕ：０．３〜
１．５質量％を含み、残部Ｓｎ及び不可避不純物からな
るハンダ合金の組成を適用することにより、融点の適正
化、良好な耐熱疲労特性の確保を図りつつ、リフロー後
の表面性状の確保を同時に実現することを可能にした。

【００１６】従来、電子部品用の無鉛ハンダ合金として
は、Ａｇの含有量は３％以上必要であるとされていた。
特開昭６３−１３６８９号公報に開示された水道管の接
合に用いられていたハンダ合金は、Ｃｕを好ましくは２
〜４％含むことにより、電子部品用接点材として不可欠
な延性が低く、硬く脆い性質を有する理由で電子部品用
には使えないと考えられていた。本発明においては、Ｃ
ｕ含有量を１．５質量％以下と限定することにより、ハ
ンダ合金の延性を低下させることなく耐疲労性を確保
し、Ａｇ含有量３．０質量％以下であっても、Ｃｕを同
時添加することにより電子部品用として必要とされる融
点を確保でき、更にリフロー後の表面性状にも優れた品
質を確保できることを見出し、本発明に到ったものであ
る。

【００１７】

【発明の実施の形態】Ａｇの含有量が少なすぎるとハン
ダ合金の固相線温度（融点）が上昇し、２２０℃近傍で
活用できるハンダとしての機能が失われる。Ａｇの含有
量が２．０質量％以上であれば、適切な融点を有し、２
２０℃近傍で活用することができる。また、Ａｇの含有
量が３．０質量％以下であれば、リフロー後のβ−デン
ドライトの成長を抑え、がさつきのない良好な表面性状
のハンダバンプを実現することができる。

【００１８】Ｓｎ−Ａｇ系のハンダ合金にＣｕを添加す
ると、Ｃｕ含有量１．５質量％までは固相線温度（融
点）が低下するが、それを超えると急激に固相線温度が
上昇する。そのため、本発明ではＣｕ含有量上限を１．
５質量％とする。

【００１９】Ｓｎ−Ａｇ系合金においては、凝固組織の
中にＡｇ₃Ｓｎ金属間化合物のネットワークが生成し、
ハンダの強度や疲労特性を向上させる。Ｓｎ−Ａｇのみ
の合金においてはＡｇ₃Ｓｎ金属間化合物のネットワー
クが相互に十分に連結されないが、Ｓｎ−Ａｇ系のハン
ダ合金にＣｕを０．３質量％以上添加すると、内部のＡ
ｇ₃Ｓｎ金属間化合物のリング状ネットワークが密にな
り、ハンダバンプの強度、疲労特性を向上し、電子部品
用として必要な強度や耐熱疲労特性を確保することが可
能になる。そのため、本発明ではＣｕ含有量下限を０．
３質量％とする。

【００２０】以上のように、本発明においては、無鉛ハ
ンダ合金としてＡｇ：２．０〜３．０質量％、Ｃｕ：
０．３〜１．５質量％を含み、残部Ｓｎ及び不可避不純
物からなるハンダ合金の組成を適用することにより、融
点の適正化、良好な耐熱疲労特性の確保を図りつつ、リ
フロー後の表面性状の確保を同時に実現することを可能
にした。これにより、このハンダ合金を電子部材のハン
ダバンプ用として使用したときに、光学的な手段でバン
プ形成評価を行なうことができる。

【００２１】上記組成のハンダボールは、ハンダバンプ
を形成するためのハンダボールとして好適である。特に
直径が３００μｍ以下の微細ハンダボールにおいては、
従来の組成では形成したハンダバンプの評価を光学的手
段で行なうことは困難であるが、本発明のハンダボール
を用いた場合には表面性状が優れているために光学的手
段によるハンダバンプの評価を行なうことができる。

【００２２】更に、上記組成のハンダバンプを有する電
子部材は、微細かつ多数のハンダバンプを形成する場合
においても、ハンダバンプの良否を的確に評価すること
ができ、良好な品質の電子部材とすることができる。特
に、ハンダバンプの１辺の長さが０．２ｍｍ以下の微小
ハンダバンプにおいて、従来組成のハンダバンプでは実
現することのできない良好な成績を得ることができる。
上記組成のハンダ電極によって複数の電子部品間を接合
した電子部材は、製造工程においてハンダバンプの良好
性を的確に評価されているためにハンダ電極の品質が良
好であり、さらに該ハンダ電極は好適な耐熱疲労特性を
有しているという優れた特徴を有するものである。

【００２３】

【実施例】（実施例１）表１に示す組成のハンダ合金を
用いて直径７６０μｍのハンダボールを作成し、このハ
ンダボールを基板上の電極にフラックスの粘着力を用い
て付着させた上、リフロー炉にて加熱して、リフロー後
のハンダバンプの表面性状を観察した。基板の上方の光
源から光をあて、基板上の電極を撮像し、ハンダバンプ
で反射する光の像を比較した。光の像が半球状のバンプ
の頂部のみに集束している場合には合格、光の像が電極
の全体に散乱している場合にはバンプ形成不良と判断さ
れる。

【００２４】

【表１】

【００２５】本発明例１は本発明の組成のハンダ合金、
比較例１はＳｎ−Ａｇ系、比較例２はＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ
−Ｃｕ系、比較例３はＰｂ−Ｓｎ系の有鉛ハンダであ
る。各実施例のリフロー後におけるハンダバンプの表面
性状を撮影し、図１〜図４に倍率３０倍の写真として示
す。図１は本発明例１、図２は比較例１、図３は比較例
２、図４は比較例３に対応する。本発明例１及び比較例
３（有鉛ハンダ）については、光の像がバンプの頂部に
のみ集束し、良好な評価結果が得られた。リフロー後の
表面性状が良好であったためである。比較例１、２につ
いては、光の像がバンプ表面全体に広がり、バンプとし
ては不合格の評価結果となった。リフロー後にがさつき
のある表面性状となり、光が乱反射したためである。

【００２６】（実施例２）実施例１と同じ表１に示す成
分のハンダ合金を用い、直径３００μｍのハンダボール
を作成した。このハンダボールを用いて、シリコンチッ
プ部品とプリント基板との間をフリップチップ接続し、
これを試験片として温度サイクル熱衝撃試験を行なっ
た。

【００２７】シリコンチップ部品は、シリコンチップ上
に直径２００μｍの電極ランドをチップ周辺に６４個配
置し、電極のピッチ間隔は０．３ｍｍとした。プリント
基板は片面配線のガラスエポキシ樹脂基板であり、シリ
コンチップ上の電極ランドと対応する位置に同じく電極
ランドを配置している。まず、シリコンチップ部品とプ
リント基板の双方の電極ランドに上記ハンダボールを付
着させ、リフロー炉で加熱してリフローしてハンダバン
プを形成した。次に該ハンダバンプを有するシリコンチ
ップ部品とプリント基板とを該ハンダバンプ部において
相互に接触させ、再度リフロー炉で加熱して双方の電極
部を接合しすることによりシリコンチップ部品とプリン
ト基板とをフリップチップ接続し、試験片とした。

【００２８】形成した試験片について、−４０℃（３０
分）と＋１２５℃（３０分）を繰り返す温度サイクル条
件で加熱と冷却を繰り返した。温度サイクル繰り返し回
数（ＴＣＴサイクル数）を１００サイクル〜９００サイ
クルの間で１００サイクル間隔で行ない、ハンダ電極の
破断発生率との関係を調査した。各ＴＣＴサイクル数毎
の破断発生率（％）の評価結果を表２に示す。本発明例
１及び比較例１のハンダ合金を用いた試験片では破断発
生率が低く、耐熱疲労特性に優れているのに対し、比較
例３（有鉛ハンダ）は高い破断発生率となった。比較例
２はＢｉを含んでいるため２割程度耐疲労性が低下し
た。

【００２９】

【表２】

【００３０】実施例１及び２の結果から、本発明の組成
を有するハンダ合金を用いた場合、リフロー後の表面性
状及び耐熱疲労特性の両方において優秀な成績を得るこ
とができた。

【００３１】（実施例３）表３に示す組成のハンダ合金
を用いて直径３００μｍのハンダボールを作成し、上記
実施例１と同様にしてハンダバンプを形成し、ハンダバ
ンプの表面性状を観察した。その結果、本発明例２〜４
はいずれも、比較例１及び比較例２と比較して、リフロ
ー後のハンダバンプ表面観察においては、それぞれの実
施例においても光の像が半球状のバンプ頂部のみに集束
した極めて表面性状が優れたものが得られた。

【００３２】

【表３】

【００３３】

【発明の効果】本発明の組成を有するハンダ合金を用い
ることにより、リフロー後のハンダバンプの表面性状が
良好となり、バンプ形成の良否判断を光学的手段で的確
に行なうことが可能になった。同時に、好適な融点を有
し、更に優れた耐熱疲労特性を実現することができた。
本発明の組成を有するハンダボールを用いてハンダバン
プを形成することができる。また、本発明の組成のハン
ダバンプを形成した電子部材、本発明の組成のハンダ電
極で電子部品間を接合した電子部材は、不良が混在しな
い品質の高い電極を形成し、かつ電極の耐熱疲労特性が
優れているという効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の本発明例１におけるリフロー後のハ
ンダバンプを撮影した３０倍の写真である。

【図２】実施例１の比較例１におけるリフロー後のハン
ダバンプを撮影した３０倍の写真である。

【図３】実施例１の比較例２におけるリフロー後のハン
ダバンプを撮影した３０倍の写真である。

【図４】実施例１の比較例３におけるリフロー後のハン
ダバンプを撮影した３０倍の写真である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者遠藤道雄富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内 (72)発明者橋野英児富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内 (72)発明者巽宏平富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内 (72)発明者中森孝埼玉県入間市大字狭山ヶ原158−１株式会社日鉄マイクロメタル内 (72)発明者藤島正美埼玉県入間市大字狭山ヶ原158−１株式会社日鉄マイクロメタル内Ｆターム(参考） 5E319 BB01 BB04 CC33

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ａｇ：２．０〜３．０質量％、Ｃｕ：
０．３〜１．５質量％を含み、残部Ｓｎ及び不可避不純
物からなり、リフロー後の表面性状が滑らかであること
を特徴とする無鉛ハンダ合金。
【請求項２】Ａｇ：２．０〜３．０質量％、Ｃｕ：
０．３〜１．５質量％を含み、残部Ｓｎ及び不可避不純
物からなることを特徴とする電子部材のハンダバンプ用
無鉛ハンダ合金。
【請求項３】Ａｇ：２．０〜３．０質量％、Ｃｕ：
０．３〜１．５質量％を含み、残部Ｓｎ及び不可避不純
物からなることを特徴とする電子部材用無鉛ハンダボー
ル。
【請求項４】ハンダバンプを有する電子部材であっ
て、該ハンダバンプの一部又は全部はＡｇ：２．０〜
３．０質量％、Ｃｕ：０．３〜１．５質量％を含み、残
部Ｓｎ及び不可避不純物からなる無鉛ハンダ合金により
形成してなることを特徴とする電子部材。
【請求項５】複数の電子部品間をハンダ電極によって
接合した電子部材であって、該ハンダ電極の一部又は全
部はＡｇ：２．０〜３．０質量％、Ｃｕ：０．３〜１．
５質量％を含み、残部Ｓｎ及び不可避不純物からなる無
鉛ハンダ合金により形成してなることを特徴とする電子
部材。