(57)【要約】【課題】電子部品と回路基板との間に、良好な電気伝導性および機械的強度を有する接続部を形成できる導電性ボールおよび外部電極の形成方法を提供すること。【解決手段】導電性ボール部１は、非金属材料からなる略球状の核４を、Ｃｕ層３と非共晶組成のＳｎ−５．５Ａｇ合金層２とからなる被覆層で被覆して形成する。導電性ボール部１を、電子部品のランド上にフラックスを介して配置し、ピーク温度が２５０〜２６０℃に達する加熱温度でリフローを行なう。非共晶組成のＳｎ−５．５Ａｇ合金を、固相部分と液晶部分とが共存する状態にして流動性を比較的少なくして、Ｃｕ層３の表面に形成されるＳｎＣｕ層を露出することなくランドに固定する。はんだ濡れ性が比較的悪いＳｎＣｕ層を露出することなく電極を形成できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
略球状をなすと共に、非金属材料からなる核と、
上記核の表面を被覆すると共に、２以上の金属層で形成された被覆層とを備え、
上記被覆層を形成する第１の金属層は、Ｓｎを含むと共に非共晶組成を有する第１の合金からなり、
上記被覆層を形成する第２の金属層は、ＣｕまたはＮｉの少なくとも一方を含む第２の合金からなり、
上記第１の合金は、組成におけるＳｎの割合が減少した場合に液相線温度が上昇する組成を有することを特徴とする導電性ボール。
【請求項２】
請求項１に記載の導電性ボールにおいて、
上記第１の合金は、その構成元素が金属間化合物を形成する組成よりも共晶組成に近い組成を有することを特徴とする導電性ボール。
【請求項３】
請求項１または２に記載の導電性ボールにおいて、
上記第１の合金は、液相線温度が２４０℃以上である組成を有することを特徴とする導電性ボール。
【請求項４】
請求項１または２に記載の導電性ボールにおいて、
上記第１の合金は、液相線温度が２６０℃以上である組成を有することを特徴とする導電性ボール。
【請求項５】
略球状をなすと共に、非金属材料からなる核と、
上記核の表面を被覆すると共に、２以上の金属層で形成された被覆層とを備え、
上記被覆層を形成する第１の金属層は、Ｓｎを含むと共に非共晶組成を有する第１の合金からなり、
上記被覆層を形成する第２の金属層は、ＣｕまたはＮｉの少なくとも一方を含む第２の合金からなり、
上記第１の合金は、Ａｇを含み、組成における上記Ａｇの割合が、３．５重量％よりも大きいことを特徴とする導電性ボール。
【請求項６】
略球状をなすと共に、非金属材料からなる核と、
上記核の表面を被覆すると共に、２以上の金属層で形成された被覆層とを備え、
上記被覆層を形成する第１の金属層は、Ｓｎを含むと共に非共晶組成を有する第１の合金からなり、
上記被覆層を形成する第２の金属層は、ＣｕまたはＮｉの少なくとも一方を含む第２の合金からなり、
上記第１の合金は、Ａｇを含み、組成における上記Ａｇの割合が、４重量％以上であることを特徴とする導電性ボール。
【請求項７】
略球状をなすと共に、非金属材料からなる核と、
上記核の表面を被覆すると共に、２以上の金属層で形成された被覆層とを備え、
上記被覆層を形成する第１の金属層は、Ｓｎを含むと共に非共晶組成を有する第１の合金からなり、
上記被覆層を形成する第２の金属層は、ＣｕまたはＮｉの少なくとも一方を含む第２の合金からなり、
上記第１の合金は、Ａｇを含み、組成における上記Ａｇの割合が、５．５重量％以上であることを特徴とする導電性ボール。
【請求項８】
請求項５乃至７のいずれか１つに記載の導電性ボールにおいて、
上記第１の合金は、組成における上記Ａｇの割合が、７５重量％よりも小さいことを特徴とする導電性ボール。
【請求項９】
請求項５乃至７のいずれか１つに記載の導電性ボールにおいて、
上記第１の合金は、組成における上記Ａｇの割合が、３７重量％以下であることを特徴とする導電性ボール。
【請求項１０】
請求項５乃至７のいずれか１つに記載の導電性ボールにおいて、
上記第１の合金は、組成における上記Ａｇの割合が、６．５重量％以下であることを特徴とする導電性ボール。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか１つに記載の導電性ボールを、電子部品のランドに配置する工程と、
上記電子部品のランドに配置された導電性ボールを加熱する工程とを含み、
上記導電性ボールを加熱する最大温度は、上記第１の合金の液相線温度以下であることを特徴とする電子部品の電極の形成方法。
【請求項１２】
請求項１乃至１０のいずれか１つに記載の導電性ボールまたは電子部品のランドの少なくとも一方に、第３の合金を配置する工程と、
上記導電性ボールを、上記電子部品のランドに配置する工程と、
上記導電性ボールおよび上記第３の合金を加熱する工程とを含み、
上記導電性ボールおよび上記第３の合金を加熱する最大温度は、上記導電性ボールの第１の合金の液相線温度以下であり、かつ、上記第３の合金の液相線温度以上であることを特徴とする電子部品の電極の形成方法。
【請求項１３】
導電性ボールまたは電子部品のランドの少なくとも一方に、フラックスを付着させる工程と、
上記導電性ボールを、上記電子部品のランドに配置する工程と、
上記導電性ボールを加熱する工程とを含み、
上記導電性ボールは、略球状をなすと共に非金属材料からなる核と、上記核の表面を被覆すると共に２以上の金属層で形成された被覆層とを備え、上記被覆層を形成する第１の金属層は、Ｓｎを含む第１の合金からなり、上記被覆層を形成する第２の金属層は、ＣｕまたはＮｉの少なくとも一方を含む第２の合金からなり、
上記フラックスは、ハロゲン元素を０．２重量％以上含むことを特徴とする電子部品の電極の形成方法。
【請求項１４】
請求項１乃至１０のいずれか１つに記載の導電性ボールを用いた電極を有する電子部品。
【請求項１５】
請求項１１乃至１３のいずれか１つに記載の電極の形成方法を用いて形成した電極を有する電子部品。
【請求項１６】
請求項１４または１５に記載の電子部品を含んで成る電子機器
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、導電性ボールおよび電子部品の電極の形成方法、電子部品ならびに電子機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話や携帯情報機器等に代表される電子機器の小型化、軽量化の要求に伴い、電子部品の小型化、高密度化が図られている。このため、ＬＳＩ（大規模集積回路）チップを電子部品として回路基板に直接搭載するベアチップ実装構造や、形状および寸法をＬＳＩチップに極力近づけたいわゆるチップサイズパッケージ（：Ｃｈｉｐ  Ｓｉｚｅ  Ｐａｃｋａｇｅ  以下、ＣＳＰという）の電子部品を回路基板に実装する実装構造が提案されている。これらの実装構造では、実装密度を高密度にするため、電子部品の底面に電極を配置した構造が特徴である。
【０００３】
上記実装構造においては、上記ベアチップまたはＣＳＰ等の電子部品と、この電子部品が実装される回路基板との間の熱膨張係数の不整合により、上記電子部品と回路基板との接続部に、熱応力に起因する熱歪みが発生する。この歪みによって、上記接続部を形成する金属に疲労が生じて亀裂が発生し、最終的には接続部が破断に至り、この電子部品が搭載された電子機器の動作不良を招来するという問題が発生する。このような問題を防止するため、接続部における熱応力を緩和する熱応力緩和構造が必要であるが、このような熱応力緩和構造は、電子部品の軽薄短小化や多ピン化が進むほど、設け難いという問題がある。
【０００４】
図６は、従来の電子部品と回路基板との間の接続部を示した断面図である（例えば特許文献１参照）。図６において、５は電子部品、６は電子部品のランド、１１は回路基板、１２は回路基板のランド、１４ははんだによる接続部である。図６に示すような構造に、温度の上昇と下降とを繰り返す熱サイクルが作用すると、上記電子部品５と回路基板１１との熱膨張係数の違いから、接続部１４に金属疲労が生じる。この金属疲労により亀裂が発生して接続部１４が破断して、断線に至る場合がある。上記接続部１４に、実装時に良好なはんだ接続が得られている場合であっても、上記電子部品５と回路基板１１との膨張係数の差が大きい場合、例えば、上記電子部品５が殆どＳｉ（シリコン）チップで形成されたウエハレベルＣＳＰであると共に、上記回路基板１１が有機材料からなるプリント基板である等の場合には、上記断線の問題が発生し得る。
【０００５】
このような問題を防止するため、最近、図７に示すような導電性ボールが提案されている（例えば特許文献２参照）。この導電性ボール１は、高分子からなる略球状の核４と、この核４の表面を被覆するＣｕ（銅）層３と、このＣｕ層３の表面を被覆すると共に、ＳｎＰｂ（錫，鉛）からなるはんだ層１６とを備える。この導電性ボール１を用いて、図８に示すように、電子部品５と回路基板１１との間に接続部１４を形成するようにしている。図８の接続部１４は、上記核４によって、上記電子部品５と回路基板１１との間のギャップを図６におけるよりも広く保持し、また、上記電子部品５と回路基板１１との熱膨張係数の不整合に起因する熱応力を緩和することにより、この接続部１４の亀裂、破断を防止するようにしている。
【０００６】
図９（ａ），（ｂ），（ｃ）は、図７の導電性ボール１を用いて図８の接続部１４を形成する方法を示した工程図である。まず、図９（ａ）に示すように、電子部品５のランド６上に、導電性ボール１をフラックス７の粘性によって仮固定する。この導電性ボール１に上記はんだ層１６の融点以上の温度を与えて、このはんだ層１６のリフローによって、図９（ｂ）に示すような外部電極８を形成する。この外部電極８は、非金属の上記核４を有する複合電極である。
【０００７】
上記電子部品は、図９（ｂ）と同様の外部電極が形成された他の多数の電子部品と共に、上記回路基板１１に搭載される。この搭載工程においては、回路基板１１のランド１２上にはんだペーストが供給され、このランド上のペーストに、上記電子部品の外部電極８の先端が配置される。このときの様子を図９（ｃ）に示す。図９（ｃ）において、１３が回路基板上に供給されたはんだペーストである。
【０００８】
図９（ｃ）に示した状態で、上記回路基板および電子部品を、上記はんだペースト１３およびはんだ部１０の融点以上の温度、典型的には２３０℃から２５０℃程度の温度に加熱して、図８に示すようなはんだ接続部１４を形成する。
【０００９】
【特許文献１】
特開２０００−３１５７０７号公報（第２図）
【特許文献２】
特開２００１−９３３２９号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の導電性ボール１を用いた場合、電子部品５と回路基板１１との間に、図１０に示すような接続不良が生じるという問題がある。図１０において、上記電子部品の外部電極のはんだ層１０と、上記回路基板のランド１２上のはんだとが混じり合わないで、界面１７が形成されている。この界面１７によって、上記電子部品５と回路基板１１との間の接続部に十分な電気伝導性が得られないという問題がある。また、上記界面１７によって、接続部の機械的強度が非常に弱くなるという問題がある。上記界面１７が形成された接続部は、電気伝導性が十分得られた場合であっても、機械的強度が非常に弱いので断線し易くて、信頼性が悪いという問題がある。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、電子部品と回路基板との間に、良好な電気伝導性および機械的強度を有する接続部を形成できる導電性ボールおよび外部電極の形成方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、電子部品と回路基板との接続部分について、非金属材料からなる核を有する導電性ボールを用いた場合に生じる接続不良は、上記電子部品に外部電極を形成した時点でその原因を内在していることを発見した。
【００１３】
例えば、従来の技術において外部電極を形成する場合、図９（ａ）のように電子部品５のランド６上の導電性ボール１を加熱して、この導電性ボールのはんだ層１６をリフローすると、図１１の模式図に示すように、Ｃｕ層３の表面にＳｎＣｕ化合物層９が形成される。このＳｎＣｕ化合物は、上記Ｃｕ層３のＣｕと、はんだ層１６に含まれるＳｎとで生成されたものであり、はんだ濡れ性が比較的悪い。したがって、上記はんだ層１０が溶融した溶融はんだは、図１１に示すようにランド６側に流れ落ち、これによって、上記ランド６の反対側である外部電極８の先端に、上記ＳｎＣｕ層９が露出する。ＳｎＣｕは、酸化によってはんだ濡れ性が大幅に悪化する。したがって、上記外部電極８の先端に露出したＳｎＣｕ層９は、回路基板５側のはんだと殆ど混じり合わなくて図１０のような界面１７が生じて、電子部品５と回路基板１１との間の接続部に不良が生じるのである。このような接続部の不良の原因の発見に基いて、本発明がなされた。
【００１４】
本発明の導電性ボールは、略球状をなすと共に、非金属材料からなる核と、
上記核の表面を被覆すると共に、２以上の金属層で形成された被覆層とを備え、
上記被覆層を形成する第１の金属層は、Ｓｎを含むと共に非共晶組成を有する第１の合金からなり、
上記被覆層を形成する第２の金属層は、ＣｕまたはＮｉの少なくとも一方を含む第２の合金からなる。
【００１５】
上記構成によれば、上記被覆層を形成する第１の金属層は第１の合金からなり、この第１の合金は非共晶組成を有する。したがって、この第１の合金は、固相線と液相線との２つの融点を有するので、上記固相線と液相線との間に相当する温度の下では、固相部分と液相部分とが共存する状態になる。この状態の上記第１の合金は、完全に溶融した状態よりも流動性が少ない。したがって、本発明の導電性ボールを、例えば電子部品のランドにフラックスを含む物質を介在させて配置して、上記固相線と液相線との間に相当する温度で加熱することによって、上記第１の合金は、上記核および第２の金属層を覆った状態を保持して流動して、上記電子部品のランド上のはんだと混じり合う。その結果、この導電性ボールによって例えば電子部品の電極を形成した場合、従来におけるような第２の金属層等の露出に起因する接続不良が回避され、また、上記電極を電子部品のランドに十分な強度で固定される。
【００１６】
また、上記第２の金属層を形成する第２の合金は、ＣｕまたはＮｉの少なくとも一方を含むので、第１の金属層を形成する第１の合金の少なくとも一部が溶融したとき、この第１の合金と良好に馴染んで、上記核と被覆層とを良好に一体に保持できる。
【００１７】
また、上記非金属材料からなる核は、例えば樹脂などで形成することによって所定の弾性が得られるので、この導電性ボールによって例えば電子部品と回路基板との接続部を形成した場合、この接続部に生じる応力が、上記核によって有効に緩和されて、この接続部の亀裂や断線が効果的に防止される。
【００１８】
さらに、上記第１の合金は、組成におけるＳｎの割合が減少した場合に液相線温度が上昇する組成を有する。
【００１９】
上記構成によれば、上記導電性ボールが、上記第１の合金の固相線と液相線との間に相当する所定温度に加熱された場合、この第１の合金に含まれるＳｎが、第２の金属層に含まれる金属と反応すること等によって、組成におけるＳｎの割合が減少する。しかしながら、この第１の合金は、上記Ｓｎの組成割合の減少によって液相線温度が上昇するので、固相部分と液相部分とが共存する状態が安定して保持される。その結果、上記第１の合金は、比較的少ない流動性が安定して保持されて、上記第２金属層等の露出が生じることが、確実に防止される。
【００２０】
１実施形態の導電性ボールは、その構成元素が金属間化合物を形成する組成よりも共晶組成に近い組成を有する。
【００２１】
合金は、共晶組成から幾分ずれた組成の場合、いずれか優勢な元素の固溶体が初晶として早く晶出するが、この初晶以外の部分は共晶組成の場合と同様の微細な結晶粒を有する組織となる。その合金組織は、機械的特性に優れ、実用に供するに望ましいものである。
【００２２】
合金が金属間化合物を生成する構成元素からなる場合、金属間化合物の融点以下の温度では、合金組織中にその金属間化合物が生成している。金属間化合物そのものは、一般に硬くて脆い特性を有し、接合部材としては適さないとされている。上記実施形態によれば、上記第１の合金は、金属間化合物組成よりも共晶点側の組成を有するので、金属間化合物とともに共晶組成と同様の合金組織が現れるため、機械的強度に優れ、高い信頼性を有する。
【００２３】
１実施形態の導電性ボールは、上記第１の合金は、液相線温度が２４０℃以上である組成を有する。
【００２４】
上記導電性ボールを、例えばリフローによって、例えば電子部品のＣｕやＮｉを用いて形成されたランドに固定する場合、まず良好な接続が確保される加熱温度条件が必要である。特にランド上のＮｉとはんだ部材との接続を行う場合には、２４０℃以上の温度が必要とされている。
【００２５】
上記実施形態によれば、上記第１の合金は、液相線温度が２４０℃以上である組成を有するので、２４０℃以上のリフロー接続に対して、固相部分と液相部分とが共存する比較的流動性の少ない状態を実現することができる。その結果、この導電性ボールを用いて上記電子部品に電極を形成し、その電子部品を回路基板に実装するときに、上記電極と回路基板電極との間の接続不良等が、有効に防止される。
【００２６】
１実施形態の導電性ボールは、上記第１の合金は、液相線温度が２６０℃以上である組成を有する。
【００２７】
上記導電性ボールを、例えばリフローによって、例えば電子部品にＣｕおよびＮｉを用いて形成されたランドに固定する場合、その加熱温度は、上記電子部品自体が耐えることができ、金属間化合物の過度な生成によって接続強度の低下が生じないような温度である必要がある。その温度は、電子部品の種類や接合金属の種類にもよるが、一般的には、２６０℃以下の温度が望ましい。
【００２８】
上記実施形態によれば、上記第１の合金は、液相線温度が２６０℃以上である組成を有するので、２６０℃以下のリフロー接続に対して、決して液相線温度を越えることがない。したがって、固相部分と液相部分とが共存する比較的流動性が低い状態が有効に保持される。その結果、この導電性ボールを用いて上記電子部品に電極を形成した場合、この電子部品の破損や、上記第１合金と上記ランドとの接続強度の低下を防止できる。さらに、その電子部品を回路基板に実装するときに、上記電極と回路基板電極との間の接続不良等が、有効かつ確実に防止される。
【００２９】
本発明の導電性ボールは、略球状をなすと共に、非金属材料からなる核と、
上記核の表面を被覆すると共に、２以上の金属層で形成された被覆層とを備え、
上記被覆層を形成する第１の金属層は、Ｓｎを含むと共に非共晶組成を有する第１の合金からなり、
上記被覆層を形成する第２の金属層は、ＣｕまたはＮｉの少なくとも一方を含む第２の合金からなり、
上記第１の合金は、Ａｇを含み、組成における上記Ａｇの割合が、３．５重量％よりも大きいことを特徴としている。
【００３０】
上記構成によれば、上記第１の合金は、組成における上記Ａｇの割合が、３．５重量％よりも大きいので、この導電性ボールを用いて例えば電極を形成し、この電極を例えば回路基板などに接続した場合、この接続部は良好な強度と耐熱性を奏することができる。
【００３１】
また、上記第１の合金は、組成における上記Ａｇの割合が、３．５重量％よりも大きいので、この第１の合金に含まれるＳｎの組成割合が減少した場合、液相線温度が上昇するから、例えばリフロー時に固相部分と液相部分とが共存する状態が有効に保持されて、この導電性ボールを用いて形成された例えば電極は、不良が有効に防止される。
【００３２】
また、上記Ａｇを含む第１の合金は、従来はんだに多く用いられたＳｎＰｂ合金に対して、共晶組成における融点が比較的近いので、上記ＳｎＰｂ合金を用いた導電性ボールを、本実施形態の導電性ボールによって、容易に代替できる。
【００３３】
本発明の導電性ボールは、略球状をなすと共に、非金属材料からなる核と、
上記核の表面を被覆すると共に、２以上の金属層で形成された被覆層とを備え、
上記被覆層を形成する第１の金属層は、Ｓｎを含むと共に非共晶組成を有する第１の合金からなり、
上記被覆層を形成する第２の金属層は、ＣｕまたはＮｉの少なくとも一方を含む第２の合金からなり、
上記第１の合金は、Ａｇを含み、組成における上記Ａｇの割合が、４重量％以上であることを特徴としている。
【００３４】
上記構成によれば、上記第１の合金は、組成にＳｎおよびＡｇを含み、組成における上記Ａｇの割合が、４重量％以上であるので、この導電性ボールを用いて例えば電極を形成し、この電極を例えば回路基板などに接続した場合、この接続部は良好な強度と耐熱性を奏することができる。
【００３５】
また、上記第１の合金は、組成における上記Ａｇの割合が、４重量％以上であるから、合金の液相線温度は２４０℃以上である。この導電性ボールを、例えば、電子部品の外部電極材料として使用した場合、電子部品のランドに多用される例えばＮｉに対して良好な接続を確保するためのリフロー温度以上の温度において、固相部分と液相部分とが共存する状態が存在し、この状態が有効に保持される。したがって、この導電性ボールを用いて形成された例えば電極は、不良が有効に防止される。
【００３６】
本発明の導電性ボールは、略球状をなすと共に、非金属材料からなる核と、
上記核の表面を被覆すると共に、２以上の金属層で形成された被覆層とを備え、
上記被覆層を形成する第１の金属層は、Ｓｎを含むと共に非共晶組成を有する第１の合金からなり、
上記被覆層を形成する第２の金属層は、ＣｕまたはＮｉの少なくとも一方を含む第２の合金からなり、
上記第１の合金は、Ａｇを含み、組成における上記Ａｇの割合が、５．５重量％以上であることを特徴としている。
【００３７】
上記構成によれば、上記第１の合金は、組成にＳｎおよびＡｇを含み、組成における上記Ａｇの割合が、５．５重量％以上であるので、この導電性ボールを用いて例えば電極を形成し、この電極を例えば回路基板などに接続した場合、この接続部は良好な強度と耐熱性を奏することができる。
【００３８】
また、上記第１の合金は、組成における上記Ａｇの割合が、５．５重量％以上であるから、合金の液相線温度は２６０℃以上である。この導電性ボールを、例えば、電子部品の外部電極材料として使用した場合、典型的なリフロー温度以上の温度において、固相部分と液相部分とが共存する状態が存在し、この状態が有効に保持される。なお、上記典型的なリフロー温度とは、電子部品の耐熱上限温度や電子部品のランドとの接続における過度な金属間化合物の生成による接続強度劣化を考慮した温度である。したがって、この導電性ボールを用いて形成された例えば電極は、リフロー時に、上記電子部品に熱による悪影響を与えることなく、また、接続強度劣化を招くことなく、有効かつ確実に不良が防止される。
【００３９】
１実施形態の導電性ボールは、上記第１の合金は、組成における上記Ａｇの割合が、７５重量％よりも小さい。
【００４０】
上記実施形態によれば、上記第１の合金は、組成にＳｎおよびＡｇを有し、上記Ａｇの割合が７５重量％よりも小さいので、非共晶組成であり、かつ、組成におけるＳｎの割合が減少した場合に液相線温度が上昇する組成であり、さらに、ＳｎとＡｇとの金属間化合物であるＡｇ３Ｓｎの組成よりも共晶組成に近い組成である。したがって、合金中に共晶組織を有するので、良好な強度が得られる。
【００４１】
特に、上記Ａｇの割合が、３．５重量％よりも大きく、７５重量％よりも小さい場合、リフロー時における固相部分と液相部分との共存が確実に保持できる点で、好ましい。
【００４２】
また、上記Ａｇの割合が、４重量％よりも大きく、７５重量％よりも小さい場合、Ｎｉに対して良好な接続が確保できるリフロー温度の下で、固相部分と液相部分との共存が保持できる点で、好ましい。
【００４３】
また、上記Ａｇの割合が、５．５重量％よりも大きく、７５重量％よりも小さい場合、リフロー温度を、電子部品の耐熱上限温度とした場合や、金属間化合物の生成による接続強度劣化を回避可能な温度とした場合において、リフロー時における固相部分と液相部分との共存が保持できる点で、好ましい。
【００４４】
１実施形態の導電性ボールは、上記第１の合金は、組成における上記Ａｇの割合が、３７重量％以下である。
【００４５】
上記実施形態によれば、上記第１の合金は、組成にＳｎおよびＡｇを有し、上記Ａｇの割合が３７重量％以下であるので、非共晶組成であり、かつ、組成におけるＳｎの割合が減少した場合に液相線温度が上昇する組成であり、さらに、ＳｎとＡｇとの金属間化合物であるＡｇ３Ｓｎの組成よりも共晶組成に近い組成である。また、上記第１の合金は、接続部材として適度な延性を有するＳｎマトリックスに対して、硬くて接合部材に不適なＡｇ３Ｓｎ組織が５０％以下となる。したがって、接合部材として優れた強度および信頼性が得られる。
【００４６】
特に、上記Ａｇの割合が、３．５重量％よりも大きく、３７重量％よりも小さい場合、リフロー時における固相部分と液相部分との共存が確実に保持できる点で、好ましい。
【００４７】
また、上記Ａｇの割合が、４重量％よりも大きく、３７重量％よりも小さい場合、Ｎｉに対して良好な接続が確保できるリフロー温度の下で、固相部分と液相部分との共存が保持できる点で、好ましい。
【００４８】
また、上記Ａｇの割合が、５．５重量％よりも大きく、３７重量％よりも小さい場合、リフロー温度を、電子部品の耐熱上限温度とした場合や、金属間化合物の生成による接続強度劣化を回避可能な温度とした場合において、リフロー時における固相部分と液相部分との共存が保持できる点で、好ましい。
【００４９】
１実施形態の導電性ボールは、上記第１の合金は、組成における上記Ａｇの割合が、６．５重量％以下である。
【００５０】
上記実施形態によれば、上記第１の合金は、組成にＳｎおよびＡｇを有し、上記Ａｇの割合が６．５重量％以下であるので、非共晶組成であり、かつ、組成におけるＳｎの割合が減少した場合に液相線温度が上昇する組成である。さらに、ＳｎとＡｇとの金属間化合物であるＡｇ３Ｓｎの組成よりも共晶組成に近い組成であって、Ａｇの割合が３．５重量％である共晶組成に十分に近い。したがって、共晶組成の場合と略同等の機械的特性が得られる。
【００５１】
特に、上記Ａｇの割合が、３．５重量％よりも大きく、６．５重量％よりも小さい場合、リフロー時における固相部分と液相部分との共存が確実に保持できる点で、好ましい。
【００５２】
また、上記Ａｇの割合が、４重量％よりも大きく、６．５重量％よりも小さい場合、Ｎｉに対して良好な接続が確保できるリフロー温度の下で、固相部分と液相部分との共存が保持できる点で、好ましい。
【００５３】
また、上記Ａｇの割合が、５．５重量％よりも大きく、６．５重量％よりも小さい場合、リフロー温度を、電子部品の耐熱上限温度とした場合や、金属間化合物の生成による接続強度劣化を回避可能な温度とした場合において、リフロー時における固相部分と液相部分との共存が保持できる点で、好ましい。
【００５４】
本発明の電子部品の電極の形成方法は、上記導電性ボールを、電子部品のランドに配置する工程と、
上記電子部品のランドに配置された導電性ボールを加熱する工程とを含み、
上記導電性ボールを加熱する最大温度は、上記第１の合金の液相線温度以下であることを特徴としている。
【００５５】
上記構成によれば、上記導電性ボールを、電子部品のランドに配置し、この電子部品のランドに配置された導電性ボールを加熱する。上記導電性ボールを加熱する最大温度は、上記第１の合金の液相線温度以下であるので、上記第１の合金は、固相部分と液相部分とが共存する状態になる。この状態の上記第１の合金は、完全に溶融した状態よりも流動性が少ないので、この第１の合金は、上記核および第２の金属層を覆った状態を保持して流動し、上記電子部品のランドに良好な強度をなして固定されて、電極が形成される。その結果、上記電極は、従来におけるような第２の金属層等の露出に起因する接続不良が効果的に防止され、しかも、上記電子部品のランドに十分な強度で固定される。
【００５６】
また、上記非金属材料からなる核は、例えば樹脂などで形成することによって所定の弾性が得られるので、上記電子部品に形成された電極は、例えば回路基板に接続された場合、上記電子部品と回路基板との間の接続部に生じる応力を、上記核によって有効に緩和できて、この接続部の亀裂や断線が効果的に防止できる。
【００５７】
１実施形態の電子部品の電極の形成方法は、上記導電性ボールまたは電子部品のランドの少なくとも一方に、第３の合金を配置する工程と、
上記導電性ボールを、上記電子部品のランドに配置する工程と、
上記導電性ボールおよび上記第３の合金を加熱する工程とを含み、
上記導電性ボールおよび上記第３の合金を加熱する最大温度は、上記導電性ボールの第１の合金の液相線温度以下であり、かつ、上記第３の合金の液相線温度以上である。
【００５８】
上記実施形態によれば、上記導電性ボールまたは電子部品のランドの少なくとも一方に、第３の合金を配置する。上記導電性ボールを、上記電子部品のランドに配置する。続いて、上記導電性ボールおよび上記第３の合金を加熱する。上記導電性ボールおよび上記第３の合金を加熱する最大温度は、上記導電性ボールの第１の合金の液相線温度以下であるので、この第１の合金は、固相部分と液相部分とが共存する状態が保持されて、流動性が比較的小さくなる。したがって、上記第１の合金は、上記核および第２の金属層を覆った状態を保持して流動できて、例えば上記第２の金属層表面に形成される金属化合物が露出すること等に起因する接続不良が、効果的に防止される。さらに、上記導電性ボールおよび上記第３の合金を加熱する最大温度は、上記第３の合金の液相線温度以上であるので、上記第３の合金は、十分に溶融して、上記電子部品のランドおよび導電性微粒子の第１の金属層と、十分な強度をなして接続される。その結果、接続不良が無く、しかも、良好な接続強度を奏する電極が形成できる。
【００５９】
また、上記導電性ボールおよび上記第３の合金を加熱する最大温度は、上記導電性ボールの第１の合金の液相線温度以下であり、かつ、上記第３の合金の液相線温度以上であればよいので、例えば、加熱を行なうリフロー工程において、加熱温度が電子部品毎にバラツキが生じた場合であっても、良好な特性を有する電極が、安定して形成できる。
【００６０】
本発明の電子部品の電極の形成方法は、導電性ボールまたは電子部品のランドの少なくとも一方に、フラックスを付着させる工程と、
上記導電性ボールを、上記電子部品のランドに配置する工程と、
上記導電性ボールを加熱する工程とを含み、
上記導電性ボールは、略球状をなすと共に非金属材料からなる核と、上記核の表面を被覆すると共に２以上の金属層で形成された被覆層とを備え、上記被覆層を形成する第１の金属層は、Ｓｎを含む第１の合金からなり、上記被覆層を形成する第２の金属層は、ＣｕまたはＮｉの少なくとも一方を含む第２の合金からなり、
上記フラックスは、ハロゲン元素を０．２重量％以上含むことを特徴としている。
【００６１】
上記構成によれば、導電性ボールまたは電子部品のランドの少なくとも一方に、フラックスを付着させる。このフラックスが付着された導電性ボールを、電子部品のランドに配置し、この電子部品のランドに配置された導電性ボールを加熱する。上記導電性ボールは、略球状をなすと共に非金属材料からなる核と、上記核の表面を被覆すると共に２以上の金属層で形成された被覆層とを備え、上記被覆層を形成する第１の金属層は、Ｓｎを含む第１の合金からなり、上記被覆層を形成する第２の金属層は、ＣｕまたはＮｉの少なくとも一方を含む第２の合金からなる。また、上記フラックスは、ハロゲン元素を０．２重量％以上含む。したがって、上記導電性ボールを加熱して、上記第１の合金が溶融したとき、この溶融した第１の合金の表面張力が効果的に低減される。その結果、上記第１の合金が上記電子部品のランド側に流れ落ちて、上記第２の金属層等が露出することが効果的に防止される。その結果、上記電極は、被接続部に接続されたとき、接続不良や強度不足などの発生が防止できる。
【００６２】
また、上記非金属材料からなる核は、例えば樹脂などで形成することによって所定の弾性が得られるので、上記電極は、例えば回路基板に接続された場合、上記電子部品と回路基板との間の接続部に生じる応力を、上記核によって有効に緩和できて、この接続部の亀裂や断線が効果的に防止できる。
【００６３】
本発明の電子部品は、上記導電性ボールを用いた電極を有することを特徴としている。
【００６４】
上記構成によれば、上記導電性ボールを用いて形成した電極は、回路基板や異なる電子部品のランドなどの被接続部に接続されたとき、接続不良や強度不足などの発生が防止できる。したがって、接続部の不良が無くて安定した性能を有する電子部品が得られる。
【００６５】
本発明の電子部品は、上記電極の形成方法を用いて形成した電極を有することを特徴としている。
【００６６】
上記構成によれば、上記電極の形成方法を用いて形成され、上記導電性ボールを用いて形成された電極は、回路基板や異なる電子部品のランドなどの被接続部に接続されたとき、接続不良などの発生が防止できる。したがって、安定した性能を有する電子部品が得られる。さらに、従来の電子部品と同様のリフロー温度条件によって電極を形成できるので、従来の装置で同じリフロー条件を用いて、従来よりも接続不良などの不都合が少ない電子部品を製造することができる。
【００６７】
本発明の電子機器は、上記電子部品を含んで成ることを特徴としている。
【００６８】
上記構成によれば、外部環境温度の変化や、回路基板の発熱等によって、上記電子部品と回路基板との間の接続部に生じる熱応力を、上記導電性ボールの核によって有効に緩和でき、この接続部の亀裂や断線が効果的に防止できる。また、電子部品の電極形成時に電極表面に金属間化合物が露出しないので、電子部品と回路基板との接続部における接続不良などの発生が防止できる。また、上記電子部品は従来の電子部品と同条件で回路基板に実装することが可能であるので、上記電子部品と従来の電子部品とを、部位によって使い分けて混載することができる。
【００６９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００７０】
図１は、本発明の導電性ボールとしての導電性ボール部材１の構造を示す断面図である。この導電性ボール部材１の内部には、非金属材料からなる略球状の核４を有する。上記核４の表面には、第２の金属層としてのＣｕ層３を配置し、このＣｕ層の表面であってボール部材の最外面に、第１の金属層としてのはんだ合金層２を形成している。上記Ｃｕ層３とはんだ合金層２との２層で被覆層を形成し、この被覆層で上記核４を被覆している。
【００７１】
上記はんだ合金層２は、第１の合金としてのＳｎＡｇ系合金によって形成している。このＳｎＡｇ系合金は、非共晶組成であり、組成におけるＳｎの割合が減少した場合に液相線温度が上昇する組成を有する。
【００７２】
上記ＳｎＡｇ系合金は、Ａｇの割合が３．５重量％よりも大きく、７５重量％より小さいのが好ましい。この範囲であれば、導電性ボールを接続部材として用いる場合に、接続不良を防止するという効果を発揮する上に、はんだ合金層に共晶組成と同等に適度な延性も有したＳｎマトリックス相が出現するので、優れた機械強度が得られる。特に、Ａｇの割合が３７重量％以下であれば、Ｓｎマトリックス相が、金属間化合物として生成するＡｇ３Ｓｎ化合物相の半分以上になるので、機械強度をさらに増すことができる。
【００７３】
さらに、上記導電性ボール部材１を電子部品の外部電極材料として使用する場合には、電子部品のランドへの接続を良好に保つため、はんだ合金層２の成分と、上記ランドの材料との拡散を良好に行うことが必要である。とりわけＳｎとＮｉとの拡散を考えた場合、２４０℃以上のリフロー温度が必要である。ここで、上記ＳｎＡｇ系合金について、Ａｇの割合を４重量％以上とすると、液相線温度が２４０℃を越えるためリフロー時に固相部分と液相部分との共存状態を実現でき、これによって、電子部品実装時のはんだ濡れ不良を防止できるので、好ましい。
【００７４】
さらに上記導電性ボール部材１を電子部品の外部電極材料として使用する場合、電子部品の耐熱温度などを考慮すると、リフロー温度は２６０℃以下であることが多い。ここで、上記ＳｎＡｇ系合金について、Ａｇの割合が５．５重量％以上であるのが好ましい。Ａｇの割合が５．５重量％以上であると、液相線温度が２６０℃を越えるので、リフロー時に確実に固相部分と液相部分との共存状態を実現でき、これによって、電子部品実装時のはんだ濡れ不良を防止できるからである。また、特に、上記Ａｇの割合を６．５重量％以下にした場合、共晶組成に十分に近い組成であるので、共晶組成合金と遜色がない程度の強度が得られるから、接続部材として十分な強度が得られる。
【００７５】
上記被覆層は、３層以上で形成してもよく、特に、上記はんだ合金層２と核４との間に他の層を配置してもよい。しかし、上記第１の金属層としてのはんだ合金層２に隣接する層は、Ｓｎを成分に含むはんだ合金とよく馴染む性質の金属で形成された層であるのが望ましい。典型的には、Ｃｕ、Ｎｉ、もしくはこれらを成分に含む合金が好ましい。本実施の形態においては、はんだ合金層２に隣接してＣｕ層３を配置している。Ｃｕは、Ｓｎと良く馴染む金属であるため、非金属材料からなる核４との一体性を得る上で好ましい。また、上記Ｃｕ層３は、上記はんだ合金層２へのＣｕの拡散、および、上記はんだ合金層２からのＳｎの拡散によって、このＣｕ層３が消失することを防ぐために、３μｍ以上の厚さを有することが望ましい。
【００７６】
上記核４は、はんだ合金層２が溶融している間に、溶融や分解が生じないことが必須条件である。この核４の材料としては、有機系の重合体、共重合体を挙げることができる。例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリテレフタレートなどやそれらを用いた共重合体で形成するのが好ましいが、約２６０℃程度の温度で変質しない材料であれば、特に限定されない。このような有機系材料で形成した核４の弾性率は、はんだ合金層２を形成する合金の弾性よりも低い。したがって、この導電性ボール部材１を用いて電極を形成した電子部品を、回路基板に実装した場合、上記電子部品と回路基板との間の接続部に生じる熱応力を、上記核４が負担することによって、はんだ合金が受ける応力を緩和することができる。その結果、接続部における破断等を、長期に亘って効果的に防止できる。
【００７７】
また、上記核４を形成する非金属材料として、セラミックなどの高融点の無機材料を用いてもよい。この場合も、電子部品を回路基板に実装する際、リフロー中も核４が溶融せずに形状を維持するので、電子部品と回路基板との間のギャップを、上記核４の直径以上の距離に保持することができる。その結果、はんだ接続部に生じる熱歪みの集中を低減させて、接続部の断線等を長期に亘って効果的に防止できる。
【００７８】
本実施の形態では、上記核４として、懸濁重合法により生成したジビニルベンゼン共重合体を用いた。この核４の表面に触媒を付着させ、置換型のＮｉメッキ（図示せず）を薄く施した後、バレルメッキ法により、約３μｍ程度の厚みのＣｕ層３を形成した。さらに、同様の方法で、ＳｎＡｇメッキを行なって、１５〜２０μｍの厚みのＳｎＡｇ層２を形成して、図１のような導電性ボール部材１を形成した。この導電性ボール部材１は、約３００μｍの直径をなす略球状に形成した。
【００７９】
本実施の形態においては、この導電性ボール部材１を用いて電子部品の外部電極を形成して樹脂核複合電極を形成し、この電子部品を回路基板に実装した。
【００８０】
（第１実施例）
本実施例では、上記導電性ボール部材１のはんだ合金層２としてＳｎ−５．５Ａｇ組成のものを用いて、電子部品のランド上に外部電極を形成した。上記ランドには、Ｃｕ上にＮｉメッキとフラッシュＡｕメッキが順次施されているものを使用した。
【００８１】
図２（ａ），（ｂ）は、電子部品に外部電極を形成する工程を示した図である。図２（ａ）において、上記導電性ボール部材１を、上記電子部品のランド６上に、フラックス７を介して配置する。上記フラックス７は、上記はんだ合金層２の表面やランド６の表面の酸化被膜を除去して、両者の適正な濡れを保つため、適当な活性度が必要である。しかし、リフロー工程後の残渣となって金属の腐食等の原因になるので、適当な除去性を有することも必要である。本実施例においては、ハロゲン元素であるＣｌ（塩素）を０．０４％含有するＲＭＡタイプのデルタラックス５２３Ｈ（千住金属工業製）を使用した。
【００８２】
フラックス７をランド６表面に塗布する方法としては、ピンを用いて転写する方法や、スクリーン印刷法、ボール部材の下部に転写した後に直接載せる等の方法がある。上記導電性ボール１のランド６への搭載方法としては、真空系を備えたマウンタを用い、ランド６のパターンに対応して開口させたジグを用いて導電性ボール部材１を真空吸着し、所定の位置で真空解除することにより搭載する方法等がある。
【００８３】
図２（ａ）に示すように上記電子部品のランド６に導電性ボール１を配置した後、リフロー炉に投入して、はんだリフローによって外部電極８を形成する。この外部電極８が形成される電子部品はウエハレベルＣＳＰであり、図２（ａ）に示す工程においては、ウエハレベルＣＳＰは個辺化する前のウエハ状態である。
【００８４】
このリフローを行なう工程においては、第１に、導電性ボール部材１のはんだ合金と、上記ランド６との接続が十分に行えるか否かが問題となる。上記はんだ合金とランド６との接続は、はんだ合金中のＳｎと、ランド６中のＮｉとの固液拡散によって行われる。拡散現象は、温度が高い方が迅速に進行するため、あまり低い温度によるＳｎ／Ｎｉ接続は、脆弱なはんだ接続部が形成される危険性が指摘されている（例えば、Ｍ．  Ｓｕｍｉｋａｗａ  ｅｔ  ａｌ．，  ”Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ  ｏｆ  Ｓｏｌｄｅｒｅｄ  Ｊｏｉｎｔｓ  ｉｎ  ＣＳＰｓ  ｏｆ  Ｖａｒｉｏｕｓ  Ｄｅｓｉｇｎｓ  ａｎｄ  Ｍｏｕｎｔｉｎｇ  Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，”  ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．  Ｃｏｍｐ．  ａｎｄ  Ｐａｃｋａｇ．  Ｔｅｃｈｎｏｌ．  Ｖｏｌ．  ２４，  Ｎｏ．  ２，  ｐｐ．  ２９３−２９９，  Ｊｕｎｅ  ２００１）。したがって、リフロー時の温度変化形態（リフロープロファイル）の最大温度（ピーク温度）の設定としては、２４０℃以上が推奨され、ピーク温度の上限は、電子部品自体の耐熱温度によって規定される。本実施例では、リフロー工程において、温度マージンを考慮して一般に多く採用される条件を採用した。すなわち、１バッチの電子部品表面に対して、ピーク温度の範囲を２５０〜２６０℃とした。
【００８５】
図２（ｂ）は、上記導電性ボール部材１を、上記条件でリフローして得られた外部電極８を示す断面図である。図２（ｂ）において、Ｃｕ層３と、はんだ合金層２が溶融して形成されたはんだ合金部１０との間には、ＳｎＣｕ化合物層９が形成される。このＳｎＣｕ層は、リフロー工程の加熱によってＳｎとＣｕの固液拡散が進行して形成され、約１〜２μｍ程度の厚みに形成される。この現象は不可避のものであるが、本実施の導電性ボール部材１を用いて上記条件でリフローを行なうので、はんだ合金層２のはんだ合金が全てランド６側に流れ落ちることがない。つまり、上記導電性ボール部材のはんだ合金層２は、非共晶組成であるＳｎ−５．５Ａｇ組成の合金を用いたので、ピーク温度の範囲が２５０〜２６０℃のリフロー時に、上記はんだ合金層２は、固相部分と液相部分とが共存する。その結果、上記はんだ合金層２の流動性が抑制されて、上記ＳｎＣｕ層９の露出が防止される。したがって、このＳｎＣｕ層９に起因して、従来におけるような電子部品と回路基板との接続部に生じる不良が、確実に防止できる。
【００８６】
次に、上記外部電極８が形成された電子部品５を、回路基板１１に搭載する工程を説明する。まず、図３（ａ）に示すように、回路基板１１のランド１２に、第３の合金としてのはんだペースト１３を塗布し、その上に電子部品５を搭載する。この電子部品５は、上記外部電極８を形成した後に、ウエハをダイシングして個辺化しておいたウエハレベルＣＳＰである。上記はんだペースト１３は、回路基板１１上に配置された殆ど全てのランド１２に、一括してスクリーン印刷法により供給する。このはんだペースト１２の材質としては、ＳｎＰｂ系、ＳｎＡｇ系、および、ＳｎＡｇＣｕ系などがある。本実施例では、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ組成のはんだ粒子を含むはんだペーストを用いた。
【００８７】
この後、上記電子部品５および回路基板１１をリフロー炉に搬入して、リフローを行なう。このリフロー炉における加熱温度についても、上記外部電極８と回路基板ランド１２とに適切なはんだ接続が形成されるピーク温度を設定する。つまり、回路基板１１上に搭載すべき全電子部品のうち、最も耐熱性の低い部品の耐熱温度によって上限温度が決定される。本実施例においては、２４０〜２５０℃程度のピーク温度を有するリフロープロファイルを用いた。
【００８８】
上記リフローを行なった後、洗浄溶剤によってフラックスの残渣洗浄を行う。そして、図３（ｂ）に示すように、電子部品５と回路基板１１との間にはんだ接続部１４が形成される。このはんだ接続部１４において、上記核４、Ｃｕ層３およびＳｎＣｕ層９の外側に、外部電極のはんだ合金部１０と、回路基板１１のランド１２に供給されたはんだペースト１３とが各々溶融して良好に混じり合って、はんだ部１５が形成されている。これは、図２（ｂ）の外部電極８において、ＳｎＣｕ層９が露出せずにＳｎＡｇはんだ合金部１０で覆われていたので、従来におけるような界面１７などを生じる問題が回避されたのである。
【００８９】
実際に、上記外部電極８の形成条件と、電子部品５の回路基板１１への実装条件と同じ条件の下で、電子部品として全５０パッケージのウエハレベルＣＳＰについて、総数７４９０ピンの接続を行なって、良好な接続が得られることを確認した。
【００９０】
このように、本実施例による外部電極８では、ＳｎＣｕ層の露出が起きなかったことを確認した。一方、この外部電極８が電子部品のランド６に完全なはんだ接続がなされているかどうかは、ＳｎＣｕ層の露出問題とトレードオフの関係にある。極端な例では、はんだ合金層２が未溶融状態でリフロー工程が終了したとすると、ＳｎＣｕ層の露出は起きないが、ランド６へのはんだ接続もできない。
【００９１】
上記外部電極８の電子部品５へのはんだ接続を確認するため、この外部電極８のシェア（剪断）強度測定を行った。すなわち、上記外部電極８に剪断方向の荷重を作用させた場合、破断に至った際の荷重を測定するものである。５個の電極に対してシェア強度を測定した結果、荷重の最大値は４．８５７Ｎ、最小値は３．７８９Ｎであり、平均値は４．１５２Ｎであった。
【００９２】
比較のため、ＳｎＡｇ合金の共晶組成であるＳｎ−３．５Ａｇ合金を、はんだ合金層として最外面に設けた導電性ボール部材を用いて、第１実施例と同様の条件で外部電極を形成し、この外部電極についてシェア強度を測定した。その結果、荷重の最大値は３．９７Ｎ、最小値は２．４４３Ｎ、平均値は３．１２５Ｎであった。本実施例の電極形成時におけるリフロープロファイルのピーク温度である２５０〜２６０℃の温度は、共晶組成のＳｎ−３．５Ａｇはんだ合金の融点２２１℃に対して十分に高い温度である。つまり、Ｓｎ−３．５Ａｇはんだ合金は、ランド６に適切にはんだ接続されている。ここで、本実例のＳｎ−５．５Ａｇはんだ合金を用いた外部電極は、共晶組成のＳｎ−３．５Ａｇはんだ合金を用いた外部電極と比較して、十分なバンプシェア強度を有している。したがって、本実施例による外部電極８は、電子部品のランド６に対する接続強度について、問題が無いと言える。
【００９３】
一般に、合金は、共晶組成をなす場合に最大の強度が得られる。ＳｎＡｇ系合金においても、溶融状態から凝固させた場合、Ａｇ３Ｓｎの初晶が形成され、この微細で硬い初晶が共晶組織に分散するため、良好な強度を示す（例えば、菅沼克昭監「鉛フリーはんだ技術実践ハンドブック」リアライズ社、東京（２０００））。ここで、合金の組成においてＡｇを増加させた場合、組成が共晶組成から離れるにつれて、Ａｇ３Ｓｎ組織が粗大化して、合金の強度が劣化する。
【００９４】
ＳｎＡｇ系の場合、Ａｇの含有割合に対する溶融温度は、図４に示すように（Ｍ．  Ｈａｎｓｅｎ：  ”Ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｂｉｎａｒｙ  Ａｌｌｏｙｓ”，  Ｍｃ  Ｇｒａｗ−Ｈｉｌｌ  Ｂｏｏｋ  Ｃｏ．，  Ｉｎｃ，  Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ（１９５８）参照）、共晶組成のＳｎ−３．５Ａｇ合金に対して、Ｓｎ−５．５Ａｇ合金は大きく異なる。この共晶組成のＳｎ−３．５Ａｇ合金と、非共晶組成のＳｎ−５．５Ａｇ合金とについて、はんだ接続部に適切か否かの判断を行なうため、それらのはんだ組成を有するボール部材（非金属の核を有しないもの）を用いてバンプを形成して、このバンプの強度を測定する実験を行なった。
【００９５】
この実験では、Ｓｎ−５．５Ａｇ合金よりも、さらに共晶組成から離れた組成であるＳｎ−６Ａｇ合金を用いて形成したバンプと、Ｓｎ−３．５Ａｇ合金によって形成したバンプとについて、強度を測定した。バンプを形成するためのボールは、０．３ｍｍφの直径を有するものを用いた。バンプを形成するランドは、０．２８ｍｍφの直径を有するものを用いた。また、第１実施例で用いたフラックスを使用して、２５０℃のリフローによって、バンプを形成した。
【００９６】
図５は、上記各バンプについて強度を測定した結果である。図５（ａ）は、シェア試験の結果であり、バンプのシェア強度を示している。図５（ａ）から分かるように、Ｓｎ−６Ａｇ合金によるバンプは、Ｓｎ−３．５Ａｇ合金によるバンプと同等の強度が得られる。また、図５（ｂ）は、バンププル試験の結果である。バンププル試験は、はんだ合金で形成したバンプを、ツールで挟持して引張った場合の破壊強度を測定するものである。図５（ｂ）の結果から分かるように、Ｓｎ−６Ａｇ合金によるバンプは、Ｓｎ−３．５Ａｇ合金によるバンプと同等の強度を有する。
【００９７】
第１実施例のＳｎ−５．５Ａｇ合金は、組成の点で、Ｓｎ−６Ａｇ合金よりも、共晶組成であるＳｎ−３．５Ａｇ合金に近いので、Ｓｎ−６Ａｇ合金よりも十分な強度が得られるといえる。これらのことから、非共晶組成のＳｎＡｇ合金、特に、Ｓｎ−５．５Ａｇ合金を表面層として用いた導電性ボール部材によれば、従来より用いられている生産条件と略同じ生産条件の下で、回路基板実装時の濡れ不良などの問題を回避しつつ、十分な強度のはんだ接続が得られるといえる。
【００９８】
（比較例１）
第１実施例の導電性ボール部材について、適切な外部接続電極が形成可能な第１の合金の組成およびリフロー温度の範囲を調べた。ここでは、第１金属層を複数種類の組成のＳｎＡｇ合金で形成した複数の導電性ボール部材を用いて、複数のリフロー温度の下で、第１実施例と同様の電極をランド上に形成した。そして、上記電極表面にＳｎＣｕ層の露出が発生するか否かを観察した。フラックスは第１実施例と同じデルタラックス５２３Ｈ（千住金属工業製）を用いた。リフローは、各温度に設定したホットプレートによって行ない、加熱後３０秒経過した時点で、電極の表面にＳｎＣｕ層が露出するか否かを観察した。表１は、観察結果を示す図であり、ＳｎＣｕ層の露出があったものを×、露出がなかったものを○で示している。また、表１には、図４から読み取った各ＳｎＡｇ組成における固相線温度と液相線温度とを示している。
【００９９】
【表１】
2004349487.tif 000003
【０１００】
表１に示すように、液相線温度よりも高い温度でリフローを行なうと、ＳｎＣｕ層の露出が生じる。この結果は、ＳｎＡｇ合金が液相線温度を越えて流動性が比較的高くなり、ランド側に流れ落ちることにより、はんだ濡れ性の比較的悪いＳｎＣｕ層が露出するからである。
【０１０１】
すなわち、導電性ボール部材では、リフロー時の加熱によって、第１金属層のはんだ合金中のＳｎと、その内側に位置するＣｕ層との固液拡散現象が進む。一方、固相線温度を越えて溶融したはんだは、はんだの流動性、はんだに作用する重力、および、はんだが接する面との濡れ力等の影響の下、ランド側に向って流れる。はんだの状態が、完全な融液状態であれば、粘性が低いために全てのはんだがランド側に流れ落ちて、ＳｎＣｕ層が電極表面に露出してしまう。他方、固相線温度以上、液相線温度以下でリフローを行なえば、はんだは一部が溶融した固液共存状態になるので、はんだの全てがランド側に流れ落ちることがない。固液共存状態のリフロー接続であっても、第１実施例で説明したように、十分な強度のはんだ接続が得られる。
【０１０２】
表１の結果から分かるように、液相線温度以下のリフローが、基板実装時に濡れ不良が起こらない電極を形成する条件であるといえる。また、表１によれば、一般的に用いられている電極形成時のリフロー温度である２５０〜２６０℃程度の下で、濡れ不良の原因となるＳｎＣｕ層の露出が生じない組成は、Ｓｎ−５．５ＡｇよりもＡｇの含有割合が多い組成である。しかしながら、共晶組成からの過度な逸脱は、はんだ組織の脆弱化を招くので、Ｓｎ−６Ａｇ前後±０．５％のＡｇ組成のはんだ合金を用いることが好適であるといえる。
【０１０３】
（比較例２）
比較例１では、各温度に設定したホットプレート上に導電性ボール部材を３０秒間放置し、はんだの流れ落ちを判断したが、これは、実際のリフロー工程で行われている条件よりも、厳しい加熱条件である。実際のリフロー工程では、ベルト式リフロー炉が用いられているので、導電性ボール部材がピーク温度に達するのは瞬間的である。また、上記ピーク温度よりも５℃程度低い温度以上の温度に曝される時間は、５〜１０秒程度である。そこで、リフロー時の加熱時間の影響を調べるため、Ｓｎ−４．６Ａｇの組成のはんだ合金のみを用いて、２４０〜２６０℃の加熱温度の下、加熱時間を変えて導電性ボール部材で電極を形成し、その表面の状態を調べた。フラックス材料等の他の条件は、比較例１と同様である。表２は、その結果を示す表である。表１と同様に、ＳｎＣｕ層が露出したものを×、露出しなかったものに○を付している。●は、同一の条件で複数回数実験を行なった場合、一部にＳｎＣｕ層の露出が生じたことを示す。
【０１０４】
【表２】
2004349487.tif 000004
【０１０５】
表２から分かるように、２４０℃のリフロー条件においては、全て良好な結果が得られた。本比較例におけるＳｎ−４．６Ａｇの液相線温度は２４４℃であり、液相線温度以下のリフローによってＳｎＣｕ層の露出が起きないことを示している。
しかし、合金の液相線温度を考慮すると、表２において、２５０℃以上のリフロー温度であれば、全て×となるはずである。しかしながら、表２の結果では、２６０℃においても、１０秒程度までの短時間のリフローであれば、ＳｎＣｕ層が常に露出するとは言えない。したがって、ＳｎＣｕ層の露出は、リフロー温度のみならず、リフロー時間、および、後述するフラックス材料等のような複数の要因によって生じるといえる。
【０１０６】
一般的な製造過程で用いられるリフロー工程においては、同一バッチのワーク間においても、加熱温度の偏りが発生する。したがって、リフロー条件としてピーク温度を所定温度に設定した場合においても、リフロー工程でワーク上の複数の導電性ボール部材毎に、ピーク温度のバラツキが存在する。また、加熱のピーク温度を３０秒程度保持する場合、各導電性ボール部材がピーク温度に保持される時間のバラツキも生じる。このような各要因によるバラツキを考慮すると、表１，２から、リフロー温度を液相線温度以下とすることによって、はんだ接続の不良を高効率に防止することができるといえる。
【０１０７】
（比較例３）
本比較例では、Ｓｎ−３．５Ａｇ合金を第１の合金とした導電性ボール部材を用いて、比較例２と同様の検討を行った。リフロー温度は２３０℃に固定し、ＲＭＡ（ロジン弱活性化）型フラックスを用いて電極を形成した場合のＳｎＣｕ層の露出を、複数のリフロー時間の下で調べた。フラックスは、デルタラックス５２３Ｈ（ＲＭＡ型フラックス）を使用した。表３において、比較例２と同様にＳｎＣｕ層が露出した場合を×、露出しなかった場合を○、複数回のリフローのうち、一部で露出が生じた場合を●として結果を示している。
【０１０８】
【表３】
2004349487.tif 000005
【０１０９】
表３から分かるように、Ｓｎ−３．５Ａｇ合金を第１の合金として使用した導電性ボール部材は、ＲＭＡ型フラックスを用いた場合、２３０℃で５秒以上加熱するとＳｎＣｕ層の露出が始まる。この温度条件は、一般的製造工程で使用されるリフロー温度としては、かなり低めである。この温度において５秒程度でＳｎＣｕ層の露出が起こることは問題である。したがって、Ｓｎ−３．５Ａｇの合金を導電性ボール部材に用いた場合、ＲＭＡ型フラックスは好ましくないといえる。
【０１１０】
（第２実施例）
本実施例では、Ｓｎ−３．５Ａｇ組成のはんだ合金を用いて、第１実施例とは異なるフラックスを用いて電極を形成した。電極を形成する工程は実施例１と同様であるため、詳細な説明を省略する。第１実施例と異なる点は、フラックスを、高ハロゲン含有タイプ（ＲＡ型）であるデルタラックス５３３（千住金属工業製）を用いた点である。このフラックスは、Ｃｌを０．２２％含む。なお、リフロー温度条件としては、２４０℃ピークを採用した。
【０１１１】
本実施例の電極は、ＳｎＣｕ層の露出は認められなかった。これは、フラックスに含有するＣｌ元素の含有量が、第１実施例における０．０４％から０．２％に増大し、フラックスの活性度が向上したことによるといえる。このフラックスの活性度の向上によって、Ｓｎ−３．５Ａｇ組成のはんだ合金であっても、濡れ不良であるＳｎＣｕ層の露出が回避されている。したがって、非共晶組成のＳｎＡｇ合金を使用した場合においても、第１実施例で見出したＳｎＣｕ層の露出を生じないリフロー条件について、マージンを拡大できると共に、より確実にＳｎＣｕ層の露出を防止することができる。
【０１１２】
本実施例で実現されたＳｎＣｕ層の露出の防止は、以下のように説明することができる。すなわち、電極形成のリフロー時に、導電性ボール部材の第１の金属層が溶融する。このとき、フラックスは溶融した第１の金属層の表面を覆って、この第１金属層の表面張力を低減させる。この溶融した第１の金属層、つまり、はんだ合金に作用する表面張力は、溶融はんだを球形に保つように働く力である。したがって、この表面張力は、過大であると、溶融したはんだから核を外側に排出する力として作用する。つまり、上記核の外面に形成されたＳｎＣｕ層を露出する力として作用する。これに対して、フラックスを高活性にすることによって、はんだの表面張力を低減させる効果を増大させて、核を溶融はんだから排出する力を抑制して、ＳｎＣｕ層の露出を回避することができるのである。
【０１１３】
一方、上記ＳｎＣｕ層と第１の合金による金属層との間の濡れ力も、フラックスが高活性化することにより、大きくなる。
【０１１４】
上記フラックスに含有するハロゲン量を０．２％以上とすることにより、上記表面張力に関する作用と、上記濡れ力に関する作用との両方の作用によって、電極の表面へのＳｎＣｕ層の露出を有効に防止することができる。しかしながら、ハロゲン元素を多量に含むフラックスの使用は、環境保護の観点から、フラックス残渣の洗浄や廃液処理の問題が存在するので、必要最小限に留める必要がある。
【０１１５】
以上のように、ＳｎＡｇ系合金にする実施例について説明を行なったが、はんだ濡れ性が比較的悪い金属化合物層が露出することにより、電極等の接続不良を招来する問題は、ＳｎＡｇ系合金に限ったものではない。この問題は、ＳｎＡｇ系合金の他に、ＳｎＰｂ系、ＳｎＺｎ系、ＳｎＢｉ系などの各合金においても同様に生じる。いずれの系統の合金においても、リフロー等による溶融時に溶融合金に生じる表面張力と、溶融合金に作用する重力とにより、この溶融合金が電子部品のランドに向って流れて、上記金属化合物層の露出が生じる。
【０１１６】
したがって、ＳｎＰｂ系合金においては、組成におけるＰｂの割合が３８．１％〜８０．８％の範囲であるのが望ましい。また、ＳｎＢｉ系合金においては、組成におけるＢｉの割合が５７％〜９９．９％の範囲であるのが望ましい。また、ＳｎＺｎ系合金においては、組成におけるＺｎの割合が８．８％〜９９．９％の範囲であるのが望ましい。上記ＳｎＰｂ系、ＳｎＢｉ系、および、ＳｎＺｎ系の合金は、各々１８３℃，１３８℃，１９８．５℃の固相線温度を有し、各金属の組成割合が上記各範囲である場合に、Ｓｎの含有割合が減少すると液相線温度が上昇する。したがって、いずれの系統の合金においても、リフロー中に第１の合金層と第２の合金層とで生じる金属の拡散現象によって、上記第１の合金のＳｎ成分が減少した場合、液相線温度が上昇するので、安定して固相部分と液相部分とが共存する状態に保つことができる。その結果、はんだ濡れ性に劣る金属化合物層の電極表面への露出を効果的に防止でき、回路基板への実装時の不良を効果的に防止することができる。
【０１１７】
上記実施形態では、本発明の電子部品としてウエハプロセスＣＳＰを例に用いて説明したが、ベアチップなどでもよい。電子部品をプリント基板などに実装した場合には、電子部品のランド形成部の材料と、ガラスエポキシなどのプリント基板材料との熱膨張係数の差に応じた熱応力がはんだ接続部にかかる。ベアチップやウエハプロセスＣＳＰは、Ｓｉからなる半導体基板にポリイミドなどの絶縁性樹脂の薄膜を形成し、ランドを形成する。従来のＣＳＰの場合は、モールド樹脂上にランドを形成したが、Ｓｉはモールド樹脂よりも、ガラスエポキシとの熱膨張係数の差が大きいため、はんだ接続部に生じる熱歪みが大きくなる。したがって、本発明の導電性ボールを用いることにより、この導電性ボールに内蔵される核によって、はんだ接続部の高さを保ち、熱歪みの集中を緩和することによって、電子部品の信頼性を高めることができる。
【０１１８】
本発明の電子部品を搭載する電子機器としては、サーバーや携帯電話などがある。サーバーは内部の回路基板からの発熱量が大きいため、機器内の温度変化が大きく、温度変化に対するはんだ接続部の信頼性を高める必要があるからである。また、携帯電話の場合、大量に生産される上に、商品サイクルが短いため、年間廃棄量も多く、環境に対する影響が他の電子機器に比べて大きい。さらに、モバイル機器であるので、所有者の移動に伴って、外部環境温度が大きく変化するため、温度変化に対するはんだ接続部の高信頼性が要求される。そこで、本発明の電極の形成方法によれば、Ｐｂを含まない外部接続電極およびはんだ接続部を、非ハロゲン系フラックスを用いて形成できるので、携帯電話を生産または廃棄する際の環境負荷を小さくすることができる。さらに、温度変化に対するはんだ接続部の信頼性が高いので、電子機器そのものの信頼性も高くすることができる。
【０１１９】
【発明の効果】
以上より明らかなように、本発明の導電性ボールによれば、略球状をなすと共に、非金属材料からなる核と、上記核の表面を被覆すると共に、２以上の金属層で形成された被覆層とを備え、上記被覆層を形成する第１の金属層は、Ｓｎを含むと共に非共晶組成を有する第１の合金からなり、上記被覆層を形成する第２の金属層は、ＣｕまたはＮｉの少なくとも一方を含む第２の合金からなるので、上記第１の合金は、固相線と液相線との２つの融点を有するから、上記固相線と液相線との間に相当する温度で加熱することによって、上記第１の合金を固相部分と液相部分とが共存する状態にして流動性を比較的少なくでき、上記第１の合金を上記核および第２の金属層およびを覆った状態で流動させることができる。その結果、この導電性ボールを用いて形成した例えば電子部品の電極について、従来におけるような第２の金属層等の露出に起因する接続不良が、効果的に回避でき、また、上記電子部品のランドに十分な強度で固定できる。
【０１２０】
本発明の電子部品の電極の形成方法によれば、上記導電性ボールを、電子部品のランドに配置する工程と、上記電子部品のランドに配置された導電性ボールを加熱する工程とを含み、上記導電性ボールを加熱する最大温度は、上記第１の合金の液相線温度以下であるので、上記第１の合金を、固相部分と液相部分とが共存する状態にでき、この状態の上記第１の合金は、完全に溶融した状態よりも流動性が少ないので、上記核および第２の金属層を覆った状態を保持して流動させて、上記電子部品のランドに良好な強度をなして固定して電極を形成でき、その結果、従来におけるような第２の金属層の露出に起因する接続不良が効果的に防止でき、良好な特性の電極が形成できる。
【０１２１】
本発明の電子部品の電極の形成方法によれば、導電性ボールまたは電子部品のランドの少なくとも一方に、フラックスを付着させる工程と、上記導電性ボールを、上記電子部品のランドに配置する工程と、上記導電性ボールを加熱する工程とを含み、上記導電性ボールは、略球状をなすと共に非金属材料からなる核と、上記核の表面を被覆すると共に２以上の金属層で形成された被覆層とを備え、上記被覆層を形成する第１の金属層は、Ｓｎを含む第１の合金からなり、上記被覆層を形成する第２の金属層は、ＣｕまたはＮｉの少なくとも一方を含む第２の合金からなり、上記フラックスは、ハロゲン元素を０．２重量％以上含むので、上記導電性ボールを加熱して上記第１の合金を溶融させたとき、この溶融した第１の合金の表面張力を効果的に低減でき、その結果、上記第１の合金が上記電子部品のランド側に流れ落ちて、上記第２の金属層等が露出することが効果的に防止できる。その結果、上記電極は、従来におけるような接続不良が効果的に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の導電性ボールの構造を示す断面図である。
【図２】図２（ａ），（ｂ）は、電子部品に外部電極を形成する工程を示した図であり、図２（ａ）は、導電性ボール部材を電子部品のランド上に配置した様子を示し、図２（ｂ）は、リフロー工程の後の様子を示す図である。
【図３】図３（ａ），（ｂ）は、回路基板と電子部品との間に接続部を形成する工程を示した図であり、図３（ａ）は、回路基板のランドに電子部品を搭載した様子を示し、図３（ｂ）は、リフロー工程の後の様子を示す図である。
【図４】Ａｇの含有割合の変化に対するＳｎＡｇ系合金の溶融温度の変化を示した図である。
【図５】図５（ａ）は、バンプのシェア強度を測定した結果を示す図であり、図５（ｂ）は、バンププル強度を測定した結果を示す図である。
【図６】従来の電子部品と回路基板との間の接続部を示した断面図である。
【図７】従来の導電性ボールを示す図である。
【図８】従来の導電性ボールを用いて、電子部品と回路基板との間の接続部を形成した様子を示した図である。
【図９】図９（ａ），（ｂ），（ｃ）は、従来の導電性ボールを用いて接続部を形成する様子を示した工程図である。
【図１０】従来の導電性ボールを用いた場合の接続部の不良を示す図である。
【図１１】従来の導電性ボールをリフローした際の様子を示す模式断面図である。
【符号の説明】
１  導電性ボール部材
２  Ｓｎ−５．５Ａｇ合金層
３  Ｃｕ層
５  電子部品
【図１】
2004349487.tif 000006
【図２】
2004349487.tif 000007
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2004349487.tif 000012
【図８】
2004349487.tif 000013
【図９】
2004349487.tif 000014
【図１０】
2004349487.tif 000015
【図１１】
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