(57)【要約】      （修正有）【課題】微小箇所のはんだ付けにおいて優れた特性を発揮、特にバンプの接合強度が強く、また高温下でも黄変しない鉛フリーはんだ合金の提供。【解決手段】本発明は、質量％で、Ａｇ：１．０〜５．０％、Ｎｉ：０．０１〜０．５％、Ｃｏ：０．００１〜０．０５％、残部Ｓｎからなることを特徴とする鉛フリーはんだ合金であり、さらに質量％で、Ｐ、Ｇｅ、およびＧａから選ばれた一種以上を０．００１〜０．０５％含有する鉛フリーはんだ合金である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ａｇ：１．０〜５．０％、Ｎｉ：０．０１〜０．５％、Ｃｏ：０．００１〜０．０５％、残部Ｓｎからなることを特徴とする鉛フリーはんだ合金。
【請求項２】
質量％で、Ａｇ：１．０〜５．０％、Ｎｉ：０．０１〜０．５％、Ｃｏ：０．００１〜０．０５％、ならびにＰ、Ｇｅ、およびＧａから選ばれた一種以上が０．００１〜０．０５質量％、残部Ｓｎからなることを特徴とする鉛フリーはんだ合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉛フリーはんだ合金、特に微小箇所のはんだ付けにおいて優れた特性を発揮する鉛フリーはんだ合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＢＧＡ（Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒｅｙ）、ＣＳＰ（Ｃｈｉｐ  ｓｉｚｅ  Ｐａｃｋａｇｅ）、ＴＡＢ（Ｔａｐｅ  Ａｕｔｏｍａｔｅｄ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）、ＭＣＭ（Ｍｕｌｔｉ  Ｃｈｉｐ  Ｍｏｄｕｌｅ）等の多機能部品（以下、ＢＧＡ等という）はプリント基板に実装されている。実装方法としては、例えば以下の方法が挙げられる。ＢＧＡ等の電極に予めはんだバンプを形成しておき、プリント基板への実装時に、該はんだバンプをプリント基板のはんだ付け部に当設してからリフロー炉のような加熱装置で加熱してはんだバンプを溶融させる。するとＢＧＡ等の電極がはんだバンプを介してプリント基板のはんだ付け部に接合して両者が導通する。
【０００３】
またＱＦＰ、ＳＯＩＣ等のウエハを搭載した電子部品では、ワイヤーボンディングによりウエハの電極とウエハを搭載するワークの電極とが極細の金線で接続される。現在のワイヤーボンディング技術は接続作業が非常に高速であり、一箇所の接続が０．１秒以下という短時間で行えるようになっている。しかしながらワイヤーボンディングは如何に高速作業が行えるといえども、電極一箇所毎に金線の接続を行うため、電極が多数設置された電子部品では全ての電極を接続するのに多少の時間を必要としていた。また金線は貴金属であるため材料自体が高価であるばかりでなく、数十μｍの極細線に加工されることから、その加工に多大な手間がかかるとともに高価である。そしてまたワイヤーボンディングでは、電極がワークの中央部に多数設置されたものに対しては金線同士が接触し短絡してしまうことがある。
【０００４】
そこで近時では、互いの電極同士を直接接続するというＤＣＡ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｈｉｐ  Ａｔｔａｃｈｍｅｎｔ）方式が採り入れられるようになってきた。ＤＣＡ方式とは、ウエハの電極に予めはんだバンプを形成しておき、ウエハをワークに実装するときに、ワークの電極にはんだバンプを当設して、該はんだバンプを溶融させることにより両者間で導通を取るようにしたものである。ＤＣＡ方式は、金線を使わないため安価に製造でき、しかも一度の作業で全ての電極の接続ができるため生産性にも優れている。従って、最近ではＤＣＡ方式によるはんだバンプでの接続が多く採用されるようになってきた。このはんだバンプによる接続は、電極がワークの中央部に多数設置されていても、ワークの電極とウエハの電極とを対向させはんだバンプで接続するため、ワイヤーボンディングのような短絡は発生し難い。
【０００５】
ところで、従来使用されていたＰｂ−Ｓｎ系はんだ合金は前述ＢＧＡ等やウエハのはんだバンプ用としてのはんだボール、或いはソルダペーストに多く使用されていた。このＰｂ−Ｓｎ系はんだ合金は、はんだ付け性に優れているため、ワークとプリント基板のはんだ付けを行ったときにはんだ付け不良の発生が少なく、信頼性に優れたはんだ付けが行える。
【０００６】
Ｐｂ−Ｓｎ系はんだ合金ではんだ付けされた電子機器が故障して廃棄処分される際、電子機器の構成材料のうちフレームの金属、ケースのプラスチック、ディスプレーのガラス等は回収して再使用されるが、プリント基板は再使用ができないため埋め立て処分されていた。なぜならばプリント基板は、樹脂と銅箔が接着されており、また銅箔にははんだが金属的に接合されており、それぞれを分離することができないからである。この埋め立て処分されたプリント基板に地中に染み込んだ酸性雨が接触すると、はんだ中のＰｂが酸性雨により溶け出し、Ｐｂ成分を含んだ酸性雨がさらに地中に染み込んで地下水に混入する。このＰｂ成分を含んだ地下水を人類が長年月にわたって飲用すると体内にＰｂが蓄積され、ついにはＰｂ中毒を起こすとされている。そのため世界規模でＰｂの使用が規制されるようになってきており、Ｐｂを含まず、Ｓｎを主成分として、それにＡｇ、Ｃｕ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｐ、Ｇｅ、Ｇａ等を適宜含有する、所謂「鉛フリーはんだ合金」が使用されるようになってきた。
【０００７】
従来から二元系鉛フリーはんだ合金としてはＳｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｓｂ系、Ｓｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ｚｎ系、Ｓｎ−Ａｇ系、等がある。一般にＳｎ主成分の鉛フリーはんだ合金は、はんだ付け性が従来のＰｂ−Ｓｎはんだに比べて劣るが、特にＳｎ−Ｃｕ系とＳｎ−Ｓｂ系のはんだ付け性は劣っている。またＳｎ−Ｂｉ系は、はんだが脆くなることから、はんだ付け部に衝撃が加わると剥離しやすい。そしてＳｎ−Ｚｎ系では、Ｚｎが卑（ベース）な金属であることからソルダペーストにしたときに経時変化が起って印刷塗布ができなくなったり、はんだ付け後にはんだ付け部との間で電気的な腐食を起こしたりする問題がある。Ｓｎ主成分の鉛フリーはんだ合金の中でもＳｎ−Ａｇ系が他の二元系鉛フリーはんだ合金に比べて、はんだ付け性、脆性、耐経時変化性、等に優れている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながらＳｎ−Ａｇ系鉛フリーはんだは、接合強度、特にはんだ付け面積の小さいはんだ付け部の接合強度が充分に強いとはいえなかった。最近の電子機器は高性能化・小型化が進み、それに組み込まれる電子部品も小型化・高機能化が要求されている。ＢＧＡ等の電子部品は、全体の大きさが小さくなっているにもかかわらず電極数が増えている。これにともない電子部品の電極に形成するはんだバンプも小さくなっているが、小さいはんだバンプにおいても、それよりも大きなバンプと同等の接合強度が要求されている。従来のＳｎ−Ａｇ系鉛フリーはんだ合金は大きなはんだバンプに対して問題なかったが、はんだバンプの小型化に対応できず、十分な接合強度が得られない。
【０００９】
また従来のＳｎ−Ａｇ系鉛フリーはんだ合金は、高温に曝されると表面が黄色に変色（黄変）することがあった。この黄変は、Ｓｎ−Ａｇ系鉛フリーはんだ合金を用いたＢＧＡ等の電子部品に対して高温放置試験を行ったときに発生する。ＢＧＡ等の高温放置試験とは、ＢＧＡ等を組み込んだ電子機器が使用中に高温雰囲気中に置かれた場合でも、ＢＧＡ等が熱影響で機能劣化しないことを確認する試験である。この高温放置試験は、電子部品メーカーや電子機器のセットメーカーによって条件が異なるが、例えば通常１２５℃の高温中に１２時間放置する。この高温放置試験ではんだバンプ表面が黄変すると、画像処理によりはんだバンプの検査を行うときに、正確な検査ができず、エラーの原因となる。
【００１０】
本発明は、他の鉛フリーはんだ合金よりも優れた特性を有するＳｎ−Ａｇ系鉛フリーはんだ合金において、特に微小なはんだ付け部であっても充分な接合強度を有し、しかもはんだ付け後に高温に曝されても黄変しない鉛フリーはんだ合金を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、Ｓｎ−Ａｇ系鉛フリーはんだ合金の欠点を改良するために鋭意研究を重ねた結果、この合金がＮｉとＣｏを少量含有すると、これらの相乗作用で接合強度が改善され、また該合金にＰ、Ｇｅ、Ｇａ等を少量含有すると高温下においてもはんだ合金の表面が変色しないことを見出し本発明を完成した。
この知見により得られた本発明は次の通りである。
【００１２】
（１）質量％で、Ａｇ：１．０〜５．０％、Ｎｉ：０．０１〜０．５％、Ｃｏ：０．００１〜０．０５％、残部Ｓｎからなることを特徴とする鉛フリーはんだ合金。
（２）質量％で、Ａｇ：１．０〜５．０％、Ｎｉ：０．０１〜０．５％、Ｃｏ：０．００１〜０．０５％、ならびにＰ、Ｇｅ、およびＧａから選ばれた一種以上が０．００１〜０．０５質量％、残部Ｓｎからなることを特徴とする鉛フリーはんだ合金。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明の鉛フリーはんだ合金は、はんだ付け後の接合強度が従来のＳｎ−Ａｇ系鉛フリーはんだ合金よりも強いため、はんだ付けした後にワークやウエハが脱落したりワークとプリント基板間が導通不良になったりすることがないという信頼性に富むものである。また本発明の鉛フリーはんだ合金は、はんだ付け後、高温試験を行っても黄変しないことから、はんだバンプ用として用いた場合、はんだバンプの画像検査時にエラーが発生せず、検査性においても優れた効果を奏するものである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明を以下により詳しく説明する。本明細書において、はんだ合金組成に関する「％」は、特に指定しない限り「質量％」である。
【００１５】
Ｓｎ−Ａｇ系鉛フリーはんだ合金において、Ａｇは接合強度とはんだ付け性向上に効果があるが、１．０％よりも少ない添加ではこれらの効果が表れない。一方Ａｇが５．０％よりも多くなっても、それ以上の効果は期待できないばかりでなく、Ａｇは高価であるため含有量が多いと経済的にも好ましくない。Ａｇ含有量の上限は、好ましくは３．０％以下である。
【００１６】
Ｓｎ−Ａｇ系鉛フリーはんだ合金でＡｇを最大含有量である５．０％にしても、微小はんだバンプでは充分な接合強度は得られない。Ｓｎ−Ａｇ系鉛フリーはんだ合金がＮｉとＣｏを同時に含有すると微小なはんだ付け部において接合強度がさらに向上する。Ｎｉの含有量が０．０１％よりも少ないと接合強度向上の効果が表れず、一方０．５％よりも多くなると融点が高くなりすぎて、はんだ付け性に影響が出てくる。
【００１７】
またＮｉを含有するＳｎ−Ａｇ合金がＣｏを０．００１〜０．０５％含有すると、Ｎｉとの相乗作用でさらに接合強度が向上する。Ｃｏの含有量が０．００１％よりも少ないと接合強度向上の効果が表れず、一方０．０５％よりも多くなるとＮｉ同様、融点が高くなりはんだ付け性が劣化する。
【００１８】
ワークやウエハにはんだバンプが形成されたＢＧＡ等の電子部品に対して高温放置試験を行うと、Ｓｎ−Ａｇ系鉛フリーはんだ合金で構成されるはんだバンプの表面が黄変してしまう。Ｐ、Ｇｅ、およびＧａは、Ｓｎ−Ａｇ系鉛フリーはんだ合金において、はんだ付け後の黄変を防止する効果がある。Ｐ、Ｇｅ、およびＧａはＳｎ−Ａｇ系はんだ合金中に、それぞれ単独で添加してもよく、或いはこれらを一種以上同時に添加してもよい。Ｐ、Ｇｅ、およびＧａの単独、或いは一種以上を同時に含有したとしても、含有量が０．００１％よりも少ないと黄変防止ができず、一方含有量が０．０５％よりも多いと、はんだ付け性を阻害するようになる。
【００１９】
本発明に係るはんだ合金の残部はＳｎである。前述の元素の他に不可避的不純物を含有してもよい。不可避的不純物を含有する場合であっても、前述の効果に影響することはない。また、後述するように、本発明では含有しない元素が不可避的不純物として含有されても前述の効果に影響することはない。
【００２０】
なお、本発明は、接合強度の向上、特にはんだバンプのような微小なはんだ付け部において優れた接合強度を有する鉛フリーはんだ合金であり、また本発明はさらにＰ、Ｇｅ、およびＧａを添加することにより高温下でもはんだ表面が黄変しにくい鉛フリーはんだ合金である。本発明は、近年のＢＧＡ等のようにはんだ付け部が微小な電子部品ばかりでなく、一般の電子部品やプリント基板のはんだ付けにおいても優れた効果を奏することができる。
【実施例】
【００２１】
鉛フリーはんだ合金の実施例と比較例を表１〜３に示す。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
【表２】
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【００２４】
【表３】
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【００２５】
表１〜３の説明
基板限界曲げ試験：ＣＳＰ基板とプリント基板間のはんだバンプが破壊するまでのプリント基板の変形量を測定する。この試験では、プリント基板の変形量が大きいほど、はんだの接合強度が強く、１０ｍｍ以上であれば電子機器に実装しても過酷な使用条件下でも充分な信頼性があるものといえる。表１では、１０ｍｍ以上を「〇」、１０ｍｍ未満を「×」とした。
（曲げ試験の工程は以下のとおりである）
▲１▼厚さ０．８ｍｍ、大きさ３０×１２０ｍｍのＣＳＰ用基板に設置された１５０個の電極に直径０．３ｍｍのはんだボールを載置する。
▲２▼はんだボールが載置されたＣＳＰ用基板をリフロー炉で加熱して電極にはんだバンプを形成する。
▲３▼はんだバンプが形成されたＣＳＰ用基板をガラエポのプリント基板に搭載し、リフロー炉で加熱してＣＳＰ用基板をプリント基板にはんだ付けする。
▲４▼ＣＳＰ用基板がはんだ付けされたプリント基板を１２５℃の恒温槽に１０日間放置してエージングを行う。
▲５▼エージング後のプリント基板をＣＳＰ用基板が下側となるようにして曲げ試験の保持治具上に載置し、ＣＳＰ用基板の中央位置となる上方から加圧治具で荷重をかけていく。このときにＣＳＰ用基板とプリント基板間のはんだバンプが破壊するまでのプリント基板の変形量、即ち加圧治具がプリント基板に接してからＣＳＰ基板とプリント基板間のはんだバンプが破壊するまでの加圧治具の移動距離を測定する。
変色試験（黄変）：高温加熱後のはんだ表面の黄変を目視で観察する。
（黄変試験の工程は以下のとおりである）
▲１▼ＣＳＰ用基板に直径０．３ｍｍのはんだボールを載置する。
▲２▼ＣＳＰ用基板に載置したはんだボールをリフロー炉で溶融してはんだバンプを形成する。
▲３▼はんだバンプが形成されたＣＳＰ用基板を１５０℃の恒温槽中に２４時間放置後、目視にて黄変状態を観察する。黄変がほとんどないものを無、黄変が顕著なものを有とする。