(57)【要約】【課題】本発明の目的は、はんだ材料とＣｕでメタライズされたパッケージやプリント基板の端子面との境界に形成される金属間化合物の成長を抑制し、耐衝撃特性にかかわる界面破壊による不良の問題を解決できる鉛フリー電子装置接続用はんだとそのはんだボール及びそれを用いた電子装置を提供する。【解決手段】本発明は、Ｓｎを主体とし、質量で、Ａｇ  ５．０％以下、Ｃｕ  １．０％以下、Ｐ、Ｓｂ及びＢｉの少なくとも１種０．００８〜０．１０％の微量元素を含有し、Ａｇに対する微量元素の比が０．００２〜０．０５及びＣｕに対する微量元素の比が０．０１〜０．３５である少なくとも一方の関係を有することを特徴とする電子装置接続用はんだにある。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｎを主体とし、質量で、Ａｇ  ５．０％以下、Ｃｕ  １．０％以下及び粒界に偏析する元素０．００８〜０．１０％を含有することを特徴とする電子装置接続用はんだ。
【請求項２】
Ｓｎを主体とし、質量で、Ａｇ  ５．０％以下、Ｃｕ  １．０％以下、Ｐ、Ｓｂ及びＢｉの少なくとも１種０．００８〜０．１０％を含有することを特徴とする電子装置接続用はんだ。
【請求項３】
Ｓｎを主体とし、質量で、Ａｇ  ５．０％以下、Ｃｕ  １．０％以下及び粒界に偏析する元素０．００８〜０．１０％を含有することを特徴とするはんだボール。
【請求項４】
Ｓｎを主体とし、質量で、Ａｇ  ５．０％以下、Ｃｕ  １．０％以下、Ｐ、Ｓｂ及びＢｉの少なくとも１種０．００８〜０．１０％を含有することを特徴とするはんだボール。
【請求項５】
Ｃｕ又はＣｕ合金の電極上にはんだを有する電子装置において、前記はんだが請求項１又は２に記載のはんだからなることを特徴とする電子装置。
【請求項６】
Ｃｕ又はＣｕ合金の電極上に形成されたはんだボールを有する電子装置において、前記はんだボールが、請求項３又は４に記載のはんだボールからなることを特徴とする電子装置。
【請求項７】
Ｃｕ又はＣｕ合金の電極上にはんだボールが形成された電子装置において、前記はんだボールが、Ｓｎを主体とし、質量で、Ａｇ  ５．０％以下及びＣｕ  １．０％以下を含有し、１２５℃、１６８時間加熱後の前記はんだボールの側面に対して重り２０ｇ、１．７ｍ／ｓの速度での衝撃強度が０．２ｍＪ以上であることを特徴とする電子装置。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれかにおいて、前記はんだ又ははんだボールが前記電極上に形成されたＳｎ層上に形成されていることを特徴とする電子装置。
【請求項９】
Ｃｕ又はＣｕ合金の電極上に形成されたＳｎ層上にはんだを有する電子装置において、前記はんだが、Ｓｎを主体とし、質量で、Ａｇ  ５．０％以下及びＣｕ  １．０％以下を含有し、１２５℃、１６８時間加熱後の前記電極とはんだとの界面のＣｕ３Ｓｎ層の厚さが０．７μｍ以下であることを特徴とする電子装置。
【請求項１０】
請求項５〜９のいずれかにおいて、樹脂基板上の一方の面に形成された前記電極と、前記基板の他方の面に搭載された半導体素子と、前記基板の前記素子搭載側の外周に沿って形成され前記樹脂基板を補強する支持材と、前記電極側を除いて前記半導体素子及び支持材を覆う樹脂封止剤とを有することを特徴とする電子装置。
【請求項１１】
請求項５〜９のいずれかにおいて、樹脂基板上の一方の面の外周部に形成された前記電極と、前記基板の前記電極形成側の内周部に凹部を有し、該凹部に搭載された半導体素子と、前記基板の他方の面の外周部に沿って前記樹脂基板に形成され前記基板を補強する支持材とを有することを特徴とする電子装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、新規な電子装置接続用はんだとはんだボール及びそれを用いた電子装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特許第３０２７４４１号公報
【特許文献２】ＵＳＰ４，７７８，７３３号公報
【特許文献３】ＵＳＰ４，８７９，０９６号公報
【特許文献４】ＵＳＰ５，５２０，７５２号公報
【特許文献５】特開平２−７００３３号公報
プリント配線板への電子部品や電子素子の実装，電線と端子との接続等のために、従来よりはんだが用いられている。従来のはんだはＳｎ−Ｐｂ共晶はんだ（以下ＳｎＰｂ系と記す）が一般的であったが、近年では環境汚染の問題からＰｂの全廃が推進されている。従来のＳｎＰｂ系に代わる材料として、Ｓｎをベースに数種類の金属を添加したＰｂフリーはんだが各種提案されている。例えば、Ｐｂの代わりにＡｇ  を含有させたＳｎＡｇ  系、Ｂｉを含有させたＳｎＢｉ系、Ｚｎを含有させたＳｎＺｎ系の各Ｐｂフリーはんだが代表的である。
【０００３】
具体的には例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、更に特許文献４等が挙げられ、これらははんだ濡れ性、耐酸化性、できる限り現状のＳｎ−Ｐｂ共晶はんだ材料に近い低い融点、といった要求特性を満足するはんだ材として、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだ材料の代替はんだ材料として有望視されている。
【０００４】
特許文献１には、Ａｇ３．０〜５．０％、Ｃｕ０．５〜３．０％、Ｓｎ残部、これにＳｂ５％以下を有する電子機器へのはんだが開示され、特許文献２にはＳｎ９３〜９９％、Ｃｕ０．７〜６％、Ａｇ０．５〜３％、Ｐｂ、Ｓｂ、Ａｓ、Ｃｏ、Ｂｉ、Ｔｌ、Ｃｄ、Ｈｇ及びＧａを有しない配管接合用はんだが開示され、特許文献３にはＡｇ０．０５〜３％、Ｃｕ０．５〜６％、Ｂｉ０．１〜３％、Ｓｎ８８〜９９．３５％、Ｐｂ、Ｓｂ、Ｃｄ、Ｚｎフリーの配管接合用はんだが開示され、又特許文献４にはＳｎ８６〜９７％、Ａｇ０．３〜４．５％、Ｉｎ４．８％以下、Ｂｉ４．８％以下、Ｃｕ５％以下のジュエリー、軸受け、電子材の接合用のはんだが開示され、特許文献５にはＡｇ０．０１〜１．５％、Ｃｕ０．０２〜１．５％、Ｂｉ０．０８〜２０％、残部Ｓｎを有する配管接合、封止用はんだが開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した特許文献１、特許文献２、特許文献３、更に特許文献４等に開示されたはんだ材は、上記のはんだ濡れ性や耐酸化性の点では十分な信頼性が得られる。しかし、近年市場が急成長している携帯電話などのプリント基板やパッケージの接合部にこれらの材料がはんだボールとして用いられる場合、これまではんだボールに要求されてきた温度サイクル特性や高温放置特性に加えて、耐衝撃特性が要求され、上述の公報に記載のはんだでは高温で使用される半導体パッケージにおいては接合界面における化合物層の成長を抑制することができない。
【０００６】
本発明者らは、上述した従来の材料からなるはんだボールをリフローすることで形成したパッケージとプリント基板の接合体を用いて衝撃試験を行なった結果、従来のＳｎ−Ｐｂ共晶はんだ合金を用いた端子が比較的良好な耐衝撃性を有していたのに対し、これらの材料ははんだとパッドの接合界面から剥離するいわゆる界面破壊による不良が頻度高く発生することを明らかにした。更にこの界面を調査したところ、厚く成長した金属間化合物とパッドとの界面、あるいは金属間化合物そのものの破壊によることがわかったものである。
【０００７】
本発明の目的は、はんだ材料とＣｕでメタライズされたパッケージやプリント基板の端子面との境界に形成される金属間化合物の成長を抑制し、耐衝撃特性にかかわる界面破壊による不良の問題を解決できる鉛フリー電子装置接続用はんだとそのはんだボール及びそれを用いた電子装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、Ｓｎを主体とし、質量で、Ａｇ  ５．０％以下、Ｃｕ  １．０％以下及び粒界に偏析する元素０．００８〜０．１０％を含有することを特徴とする電子装置接続用はんだ又ははんだボールにある。
【０００９】
具体的には、前記はんだは、Ｓｎを主体とし、質量で、Ａｇ  ５．０％以下、好ましくは０．２〜５％、より好ましくは１〜４％、Ｃｕ  １．０％以下、好ましくは０．０２〜１％、より好ましくは０．２〜０．７％、Ｐ、Ｓｂ及びＢｉの少なくとも１種０．００８〜０．１０％を含有することを特徴とする。はんだボールは直径１００〜５００μｍが好ましく、より２００〜４００μｍが好ましい。
【００１０】
鉛フリーはんだボールの界面反応に関わる問題を検討し、濡れ性の確保に必要な厚さの金属間化合物は形成するが、一度形成した界面金属間化合物の成長が従来の鉛フリーはんだボールに比べて遅いはんだボールの組成を検討した。その結果、従来のＳｎ−Ａｇ  −Ｃｕ系はんだ材料、あるいはＳｎを基体としたはんだ材料において、Ｐ、Ｓｂ及びＢｉから選ばれる元素の極微量添加により、目的にかなう界面反応の制御が可能となることを見出した。さらに、このはんだボールはエレクトロニクス部品の接続端子の界面破壊によって引き起こされる耐衝撃特性低下の問題を大きく改善できることを見出し、本発明に到達したものである。
【００１１】
更に、本発明は、Ｃｕ又はＣｕ合金の電極上、好ましくはＣｕ又はＣｕ合金の電極上に形成されたＳｎ層上にはんだ又ははんだボールを有する電子装置において、前記はんだ又ははんだボールが前述に記載のはんだ又ははんだボールからなることを特徴とする。本発明の電子装置は、半導体装置、チップ抵抗、チップコンデンサなどが該当し、これらの電気的な接続を本発明のはんだによって接合するものである。本発明の電子装置は、又以下のものからなるものである。
【００１２】
（１）Ｃｕ又はＣｕ合金の電極上に形成されたＳｎ層上にはんだを有する電子装置において、前記はんだが、Ｓｎを主体とし、質量で、Ａｇ  ５．０％以下、好ましくは０．２〜５％、より好ましくは１〜４％及びＣｕ  １．０％以下、好ましくは０．０２〜１％、より好ましくは０．２〜０．７％を含有し、１２５℃、１６８時間加熱後の前記電極とはんだとの界面のＣｕ３Ｓｎ層の厚さが０．７μｍ以下であることを特徴とする。
【００１３】
（２）Ｃｕ又はＣｕ合金の電極上に形成されたはんだボールを有する電子装置において、前記はんだボールが、Ｓｎを主体とし、質量で、Ａｇ  ５．０％以下、好ましくは０．２〜５％、より好ましくは１〜４％及びＣｕ  １．０％以下、好ましくは０．０２〜１％、より好ましくは０．２〜０．７％を含有し、１２５℃、１６８時間加熱後の前記はんだボールの側面に対して重り２０ｇ、１．７ｍ／ｓの速度での衝撃強度が０．２ｍＪ以上であることを特徴とする。
【００１４】
本発明の電子装置は、具体的には、樹脂基板上の一方の面に形成された前記電極と、該基板の他方の面に搭載された半導体素子と、前記基板に形成され該素子の外周に沿って前記樹脂基板を補強する支持材と、前記電極側を除いて前記半導体素子及び支持材を覆う樹脂封止剤とを有することを特徴とする。
【００１５】
又、本発明の電子装置は、具体的には、樹脂基板上の一方の面の外周部に形成された前記電極と、前記基板の前記電極形成側の内周部に凹部を有し、該凹部に搭載された半導体素子と、前記基板の他方の面の外周部に沿って前記樹脂基板に形成され前記基板を補強する支持材と、前記支持材側を除いて前記半導体素子及び前記電極を覆う樹脂封止剤とを有することを特徴とする。
【００１６】
次に、本発明におけるはんだ材に含まれる各種元素の作用に関して述べる。Ａｇ、Ｃｕは、母材となるＳｎの融点低下と濡れ性改善に効果を及ぼす元素であり、Ａｇ  、Ｃｕをそれぞれ５．０％以下、１．０％以下の範囲で添加できる。しかし、Ａｇ  とＣｕの場合、それぞれ５．０％及び１．０％を超えて添加しても、これ以上はんだ合金の融点低下が望めず、逆にＳｎとこれらの元素の初晶金属間化合物の生成量をいたずらに増やして合金の延性低下を招く。よってＡｇ  、Ｃｕの上限は、それぞれ５．０％以下、１．０％以下の範囲とする。Ａｇは０．２〜５．０％  、Ｃｕは０．０２〜１．０％、よりＡｇが１．０〜４．０％  、Ｃｕは０．２〜０．７％が好ましい。
【００１７】
Ｐ、Ｓｂ及びＢｉ  は本発明において最も特徴を有する添加元素であり、端子面と接するはんだボールの耐衝撃性を向上させる最も重要な元素である。本発明において、Ｐ、Ｓｂ及びＢｉの極微量の添加は、界面の初期の金属間化合物生成には悪影響を及ぼさず適度な厚さの化合物層を形成する一方で、繰り返しのはんだリフロー処理時、または高温放置時の化合物層の生成速度を著しく低下させる効果を持つことを明らかにした。その際、化合物相を微細結晶粒構造にすることもできるため、結果として界面強度を高める効果ももたらすことを明らかにした。
【００１８】
実験的検証により、この効果をもたらすために最低限０．００８％以上の、Ｐ、Ｓｂ及びＢｉの添加が必要であるが、０．１０％を超える過度の、Ｐ、Ｓｂ及びＢｉの添加は却ってはんだ合金の濡れ性を劣化させると同時に界面強度の低下も招くことを明らかにした。過度の添加は、融点低下には寄与するものの、いたずらに合金の固液共存領域を広めて、接続不良に対する感受性を高めてしまう。よって、本発明において、Ｐ、Ｓｂ及びＢｉは、０．００８％以上、０．１０％以下の添加とする。特に、Ｓｂの添加が好ましい。これらは１５０〜５００ｐｐｍ、より２００〜３００ｐｐｍが好ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１は本発明のはんだボールを形成した半導体パッケージの断面図である。半導体パッケージはボールグリッドアレイと呼ばれる半導体パッケージであり、半導体素子１０１、Ａｕ線、Ａｌ線又はＣｕ線からなるボンディングワイヤ１０２、エポキシ樹脂からなる四角形状のインターポーザ１０３、銅電極１０４、本発明のはんだボール１０５、インターポーザ１０３の外周を補強するＮｉ薄板の支持材１０６、ボンディングワイヤ１０２と接続された配線１０７を有する。銅電極１０４には、酸化の防止とはんだの接合不良の防止のため予めＳｎめっきがコーティングされている。インターポーザ１０３の半導体素子側は樹脂封止１００されている。はんだボール１０５は多いもので４００個にもなる。この半導体パッケージは配線基板に搭載され、はんだボール１０５によって接続される。
【００２０】
図２はＳｂ添加量を、質量で、４０（従来材）、８０及び１２０ｐｐｍとした組成のＳｎ−３％Ａｇ  −０．５％Ｃｕはんだボールを、表面にＳｎめっきされたＣｕ電極で構成された電子基板上に搭載し、はんだと電極の接合部界面を走査電子顕微鏡を用いて観察した結果である。ボール搭載直後、及び大気中１２５℃環境下で１６８時間加熱後で比較している。図２から判るように、はんだとＣｕ電極界面には、はんだ側にＣｕ６Ｓｎ５、Ｃｕ電極側にＣｕ３ＳｎというＳｎ−Ｃｕ系金属間化合物層が形成されている。Ｃｕ６Ｓｎ５は山型に、Ｃｕ３Ｓｎは帯状に形成している。
【００２１】
先ず、はんだ搭載直後では、Ｓｂ含有量に関わらずＣｕ３Ｓｎは薄く形成していることが確認できる。しかし、熱処理後はＳｂの含有量が多いほどＣｕ３Ｓｎの成長が抑えられ、Ｃｕ３ＳｎとＣｕとの間に生成したボイドも少なくなっていることが確認できる。このボイドは、ＣｕのＣｕ３Ｓｎへの拡散速度がＳｎのＣｕ３Ｓｎ中への拡散速度より圧倒的に早いことによって生ずるカーケンダルボイドである。従ってこのＣｕ３Ｓｎの成長を抑えることがボイド生成抑止、すなわちはんだ接合信頼性向上に大きく影響するものと考えられる。そして、本発明においては、Ｓｂは粒界に偏析して多く存在していることが確認され、このことがＣｕ３Ｓｎの成長を抑えているものと考えられ、粒界に多く偏析する元素がこのような働きを有するものと考えられる。
【００２２】
図３は高温放置時間とＣｕ３Ｓｎ成長の関係を示したもので、縦軸は初期のＣｕ３Ｓｎの厚さ及び後述する衝撃試験によるはんだ接合部衝撃強さである。サンプルはＳｂ：４０ｐｐｍ（従来材）及び１２０ｐｐｍ含有品（本発明）である。Ｓｂの含有量によりＣｕ３Ｓｎ成長が大幅に抑制されることが判る。即ち、１６８時間でＣｕ３Ｓｎ層の厚さは、Ｓｂ：４０ｐｐｍでは０．８μｍ、及び１２０ｐｐｍでは  ０．６μｍと、特定の含有量によってＣｕ３Ｓｎ  層の厚さが顕著に抑制されていることが分かる。そして、Ｓｂ量は、特にはんだの融点及び濡れ性に影響の大きいＡｇ及びＣｕ量と密接に関係しており、Ａｇ量に対して０．００２〜０．０５  及びＣｕ量に対して０．０１〜０．３５である少なくとも一方の関係を有することにより顕著にＣｕ３Ｓｎ成長が抑制されるものである。
【００２３】
又、５００時間後のはんだ接合部衝撃強さは、Ｓｂ：４０ｐｐｍでは０．０３ｍＪ、及び１２０ｐｐｍでは０．１２ｍＪと、特定の含有量によって衝撃強さが約３倍の著しく高められることが分かる。
【００２４】
次に、耐衝撃性評価として以下の評価法によりＳｂ含有と耐衝撃性との関係について調べた結果を述べる。図４は光学式速度測定器をもつ０．００２はんだ接合部耐衝撃強度評価装置１００の側面図である。図５は図２の左側方向から見た側面図である。
【００２５】
耐衝撃強度評価装置は、主にベース板１と、ベース板１に固定された支柱２と、支柱２の上部に設置された軸受け３（図４に図示）と、その軸受け３に対応する回転軸を有するアーム４と、アーム４の先端に取り付けられた重り５と、測定サンプル６を載せる台７と、軸受け３に対応する回転軸と同一回転軸に装備されたアーム４の振り上げ角度を測定するための円板８と、アーム４を一時的に固定する固定解放装置９と、レーザー光を利用したアーム４の先端に取り付けられた重り５の運動を調べるための回折パターン認識装置１０と、その回折パターン認識装置１０からの信号を処理して重り５の速度を求める解析装置１１と、その解析結果を表示する表示器１２と、アーム４の振り上げ角度を測定する角度測定器１３と、アーム４の振り上げ角度を表示する表示器１４とから構成される。１５ははんだボール、２０は速度解析装置１１からの信号に対して高速にサンプリングできる装置である。なお、本装置は、アーム系（アーム４を含めた軸受け３の中心から重り５の先端までを指す）の弾性変形エネルギーは無視できうる構造として作製されている。図５において、１５は軸受け３に対応する回転軸と同一回転軸を有し、アーム４を所定の角度にまで振り上げるためのモーターである。
【００２６】
次にレーザー光を利用した速度測定の原理を説明する。レーザー光を粗面（拡散反射をする面；ここでは重りの側面）に当てるとスペックルパターンと呼ばれる干渉縞を生じる。これはレーザー光が粗面に当る時に微妙に粗面との距離に差ができることにより拡散光に位相差ができる。この位相差によって光の干渉が起き、明と暗の干渉縞となる。この干渉縞は粗面の状態により変化する。粗面が静止していれば干渉縞も静止している。粗面が移動すればこの干渉縞も移動し、粗面が移動することにより粗面の状態も変化する。よって干渉縞の縞模様も変化する。この干渉縞が変化し移動する状態をイメージセンサーで捉える。干渉縞は粗面の材質に影響を受けずに発生するけれども、センサーへの感度向上のため、白黒のスリット模様の入ったシールを粗面に貼り付けることが望ましい。次に以上の構成による耐衝撃強度評価装置の動作を説明する。
【００２７】
図４において、回折パターン認識装置１０から放射されるレーザー光を遮るように、重り５が通過するように高さ方向において調整されている。まず衝撃試験を行う前の準備から説明する。アーム４を鉛直方向に垂らした状態で測定サンプルを載せる台７に測定サンプル６を載せる。このとき測定サンプル６上のはんだボールが、重り５の先端部のすぐ横でかつ重り５の軌跡上に位置するように位置調整する。このとき角度測定器１３でアーム４と重り５が鉛直方向にあることを確認しておく。
【００２８】
次に、角度測定器１３と角度測定円板８を用いて所定の振り上げ角を設定し、所定の振り上げ角にまでアーム４を振り上げ、固定解放装置９で一時固定する。その後固定を解除するとアーム４は回転運動を開始し、最下点に達したときに測定サンプル上のはんだボールに重り５の先端が衝突し、はんだボール接合部を衝撃的に破壊させる。
【００２９】
このとき、重り５のはんだボールに衝突する直前とはんだボールを破壊した直後の速度を測定する。測定したそれぞれの速度を、アーム系（アーム４を含めた軸受け３の中心から重り５の先端までを指す）の重心位置の速度に換算し、衝突直前のアーム系重心速度をＶ１、衝突直後のそれをＶ２とすると、衝撃破壊に要したエネルギーＷは、Ｗ＝１／２×ｍ×（Ｖ１の２乗−Ｖ２の２乗）で与えられる。ｍはアーム系の重心位置の重量である。必要に応じてパーソナルコンピュータにこれらの表示された数値を取り込むとデータ管理をすることが可能である。測定には重りの重量２０グラム、重りの衝突直前の速度は約１７００ｍｍ／ｓとした。
【００３０】
図６は上記手法により測定した耐衝撃強度評価結果である。横軸はＳｂ含有量であり、１２５℃、１６８時間大気中放置後のサンプルに対して行った。図６によれば、Ｓｂ含有量が８０ｐｐｍ以下で急激に衝撃強度（ｍＪ）が低下し、６５ｐｐｍ以下でほとんどゼロになる。しかし、８０ｐｐｍを越えると０．３３ｍＪ以上の高い値が得られ、１０００ｐｐｍ程度までは高い強度を示していることが判る。また、１０００ｐｐｍを越えると急激に減少していることも判る。
【００３１】
Ｓｂのこれらの効果に関して、本発明者らは以下のように考えている。即ちＳｂのＳｎに対する固溶度は大変小さいが、代表的なメタライズ材料であるＣｕとＳｎとの金属間化合物相中の固溶度よりは高い。そこで、金属間化合物の形成初期には、Ｓｂは特にその化合物生成速度を低下させることなく、Ｓｂ無添加材と同様に適度な厚さの化合物を形成する。しかし、この化合物形成反応において、固溶度の関係から吐き出されたＳｂは化合物表面に濃化するようになる。化合物表面とは化合物自身を構成する結晶粒の界面、すなわち結晶粒界も含む。濃化されたＳｂは、結果として、金属間化合物層の拡散による成長を妨げると同時に、金属間化合物とはんだ合金界面の表面エネルギーを低下させる役割を果たし、ジグザグな界面を安定化させると考えられる。
【００３２】
図７ははんだ接合部断面のＴＥＭ像、及びＥＤＸ分析結果であり、上述の効果を証明するものである。大きな結晶粒で構成されたＣｕ６Ｓｎ５、及び小さく細長い結晶粒で構成されたＣｕ３Ｓｎの様子が良く判る。ＴＥＭ−ＥＤＸにより図示した×部２ヶ所を分析したところ、Ｓｂが１ａｔ％程度偏析していることが判った。一般に固体内の原子拡散は結晶粒界でもっとも生じやすいことが知られている。このＳｂの粒界分布によって特にＣｕ３Ｓｎ成長に必要なＣｕの拡散が抑止され、その結果ＣｕＳｎの成長が抑えられたものと考えられる。
【００３３】
なお、Ｓｂの過剰な添加による接合性劣化は前述したように濡れ性悪化によることであることを確認している。本実施例によれば、接合部の耐衝撃性を兼ね備えた最適Ｓｂ含有量は、８０〜８００ｐｐｍであることが判った。
【００３４】
Ｓｎは鉛フリーはんだボールにおいて、十分に低い融点、優れた耐酸化性、および安定で延性と靭性に富むマトリックスを形成するために必須の母材である。したがって、上記の添加元素を除き残部は、実質的にＳｎとする。
【００３５】
以上述べた本発明のはんだボールは、パッケージとプリント基板の接合部材として高温放置や熱履歴を経た場合において優れた特性を与えると同時に、界面はく離に対する耐性を高めるため、優れた耐衝撃性を有するものとなる。また、Ｓｂの他、Ｐ、Ｂｉでも同様の効果が得られることも確認している。
【００３６】
図８は、微量添加Ｓｂ、Ｐ、Ｂｉの含有量をＧＤ−ＭＳ法により測定する装置概要を示す。装置は、主として試料導入棒２０、グロー放電室２１、質量分析計、デーリー検出器２２、ファラデー検出器２３、飛行管２４、磁場２５、電場２６、データ処理などの機能から構成される。グロー放電により試料表面でスパッタリング現象が起こり、剥離した原子がプラズマ励起によりイオン化するので、そのイオンを質量分析計に導入して質量分離し、構成成分の種類と濃度を計測する。
【００３７】
装置の主要機能、構成は以下の通りである。
（１）グロー放電部：陽極−陰極（試料）間に高圧をかけてＡｒガスを放電させ、試料表面をスパッタリングすると共に、剥離粒子をプラズマイオン化。
（２）質量分析計：二重収束方式（磁場による質量分離、電場によるエネルギー分離）。
（３）検出部：ファラデーカップ（高濃度成分）、デーリー検出器（微量成分）。
【００３８】
図９は、本発明のはんだボールを製造する一例を示す製造装置の断面図である。はんだボールの製造装置は、チャンバ３０と、溶融金属を貯蔵し溶融金属をノズル３１を通してチャンバ３０内に噴出させる容器３２と、溶融金属に非酸化性雰囲気によるガス加圧する加圧手段３３と、容器３２内に設けられた振動棒３４によりノズル３１の開閉を行い溶融金属をチャンバ３０内に断続的に噴出させる振動棒３４の振動手段３５とを有し、チャンバ３０は噴出された溶融金属が空間で凝固できる広さを有するものである。
【００３９】
加圧手段３３は、Ｎ２−８％Ｈ２混合還元性ガス雰囲気で加圧（加圧装置は図示せず）された出湯ルツボである容器３２の底部に設けられた孔を通して一定量の溶湯を押し出す。振動手段３５は、振動棒３４を振動させる圧電素子が用いられ、振動は加振ロッドを介して溶湯に振動を付与することで、この一定量の溶湯を均一なサイズに分断し、液滴としてＮ２不活性ガス雰囲気で満たされた凝固チャンバ内に排出される。凝固チャンバ内の空間で凝固した液滴は球状化されたはんだボールとなり、後に回収される。
【００４０】
この装置で大量生産を行うには、出湯ルツボにサイフォン管で連結された供給ルツボを設けて、連続的に溶湯を供給できるようにする。この仕様で例えば５０００万個を超えるはんだボールを製造することも可能である。
【００４１】
（実施例２）
本実施例では、純度４ナインのＳｎ、Ａｇ  、Ｃｕを出発原料とし、真空誘導溶解炉を用いて質量で、４００ｐｐｍのＳｂを含有するＳｎ−３％Ａｇ  −０．５％Ｃｕの組成のインゴットを作製した。このインゴットを用いて図９に示すはんだボールの製造装置により、狙い直径３００μｍの球形のはんだボールを製造した。その後、分級処理により直径３００μｍ±５μｍに粒度を調整し、これを供試材とした。
【００４２】
基板材料として、樹脂付き銅箔を選び、はんだボールのパッドをＣｕのエッチングにより形成した。次にこの部分にＳｎめっきを施し、Ｓｎめっき付きＣｕパッドとした後、パッド周辺にソルダーレジストを塗布した。このパッド上にフラックスを塗布し、上記はんだボール２３０個を搭載した。
【００４３】
この状態で、Ｎ２雰囲気、ピーク温度２４５℃、２２０℃以上の保持時間６０秒の条件のリフロー処理により、はんだバンプを形成した。上記のリフロー処理を４回実施し、各回毎の断面ミクロ観察を行ない、はんだバンプとメタライズされたＣｕパッドとの間に形成される界面金属間化合物の生成と成長の状況を観察した。比較としてＳｂ２０ｐｐｍ含有材についても調べた。両者の界面金属間化合物層の厚さをミクロ組織観察から計測し、リフロー回数で整理した。
【００４４】
図１０は、Ｃｕ３Ｓｎ層の厚さとリフロー回数との関係を示す線図である。縦軸はリフロー回数１回を１とする相対値である。両者のリフロー１回目の金属間化合物層の厚さはほぼ同等であるが、比較例がリフロー回数とともに化合物が単調に成長しているのに対し、本実施例では、その成長挙動が明らかにゆるやかである。
【００４５】
リフロー４回目の両者のバンプを日本電子工業会規格ＥＩＡＪ  ＥＴ−７４０７附属書に記載の図１１に示すプローブ加熱圧着法に準じてボール引きはがし強度測定方法により界面強度を評価した結果、本実施例は４１０ｇｆ、比較例は９０ｇｆであり、明らかに本発明例の方が高い界面強度を有することが判った。
【００４６】
（実施例３）
実施例２のはんだボールを用いて耐衝撃特性を評価した。比較はんだボールとしてＳｎ−Ｐｂ共晶材も適用した。供試材の製造手順を以下に示す。
（１）ＩＣチップ／応力緩衝接着樹脂層／フレキシブルテープ配線層／ソルダーレジストの構成からなるパッドピッチ０．５ｍｍ、全パッド数４０のチップスケールパッケージ（ＣＳＰ）を準備し、フレキシブルテープ配線層のＣｕパッド上にＳｎめっきを順次実施。
（２）上記ＣＳＰのパッド上にフラックスを塗布後、はんだボールを搭載し、実施例２と同じ条件のリフロー処理を行い、ＣＳＰ上にはんだバンプを形成。
但し、Ｓｎ−Ｐｂ共晶材のみは、リフローピーク温度２２５℃、２００℃以上６０秒。
（３）ガラスエポキシ基板／電解銅箔／ソルダーレジストの構成からなるパッドピッチ０．５ｍｍ、全パッド数４０のプリント配線板を準備。
（４）（３）のプリント配線板のＣｕパッド上にフラックスを塗布後、上記２のＣＳＰをマウントした後、（２）と同じ条件で２回目のリフロー処理を実施し、ＣＳＰをプリント配線板に実装。この状態ではんだバンプを介した電気回路が形成され、バンプの導通不良による断線が検出可能となる。
【００４７】
図１２は、これらの工程を経た実装基板の衝撃試験の模式図である。実装基板はプリント配線板側を上面とし、このプリント配線板の両端を支柱でささえる。このプリント配線板の上方１ｍより直径１５ｍｍの鋼球を確実にＣＳＰの中心位置上面に繰り返し落下させ、各回毎の配線の断線状況を確認した。
【００４８】
図１３は断線に至るまでの繰り返し衝撃回数を測定したものである。本実施例、及びＳｎ−Ｐｂ共晶材が比較例（従来Ｐｂフリー材）に比べ明らかに耐衝撃性に優れていることがわかり、本実施例におけるＳｂ含有量の的確な制御の重要性が明らかである。さらに本実施例はＳｎ−Ｐｂ共晶と比しても遜色無い特性が得られ、鉛フリー合金として、Ｓｎ−Ｐｂ共晶合金の代替材料として大変有望である。
【００４９】
（実施例４）
図１４は、本発明の半導体パッケージの断面図である。本実施例における半導体パッケージは、図１のインターポーザ１０３の中央部に半導体素子１０１を収納する凹部を有し、その凹部にボンディングワイヤ１０２によるはんだボール１０５との接続を行う半導体素子１０１の周辺に配線１０７が設けられている。はんだボール１０５は実施例１と同様に本発明の組成を有し、半導体素子１０１搭載側にインターポーザ１０３の外周側に全周に亙ってＳｎめっきが施されたＣｕ電極上に設けられ、別途設けられる配線板に接続される。又、インターポーザ１０３の半導体素子１０１の搭載側の反対面側の外周部全周には、図１と同様にインターポーザ１０３を補強する銅薄板にニッケルめっきされた支持材１０６が有機樹脂接着剤によって接着されている。本実施例においても実施例１と同様に、はんだ材料とＣｕ電極にＳｎでメタライズされたパッケージやプリント基板の端子面との境界に形成される金属間化合物の成長を抑制し、耐衝撃特性にかかわる界面破壊による不良の問題を解決できるものである。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、はんだ材料とＣｕ電極にＳｎでメタライズされたパッケージやプリント基板の端子面との境界に形成される金属間化合物の成長を抑制し、耐衝撃特性にかかわる界面破壊による不良の問題を解決できる鉛フリー電子装置接続用はんだとそのはんだボール及びそれを用いた電子装置を提供することができる。又、鉛フリーはんだ合金の耐衝撃特性を飛躍的に改善することができ、Ｓｎ−Ｐｂ共晶合金に取って替わる鉛フリー電子装置接続用はんだを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一例を示す半導体パッケージの断面図である。
【図２】本発明のはんだボールを、表面にＳｎめっきしたＣｕ電極を有する電子基板上に形成し、接合部界面を走査電子顕微鏡によって観察した模式図である。
【図３】高温放置時間とＣｕ３Ｓｎ成長との関係を示す線図である。
【図４】耐衝撃強度評価装置の構成図である。
【図５】図４の側面図である。
【図６】図３の装置を用いて測定したＳｂ量と衝撃強さとの関係を示す線図である。
【図７】はんだ接合部断面のＴＥＭ像及びＥＤＸ分析結果を示すもしき図である。
【図８】ＧＤ−ＭＳ法の概要を示す構成図である。
【図９】本発明のはんだボールを製造する製造装置の断面図である。
【図１０】リフロー回数とＣｕ３Ｓｎ金属間化合物の厚さとの関係を示す図である。
【図１１】プローブ加熱圧着法によるボール引き剥がし強度測定方法を示す断面図である。
【図１２】実装基板の衝撃試験例の一例を示す断面図である。
【図１３】衝撃試験による断線に至るまでの繰り返し衝撃回数を示す図である。
【図１４】本発明の一例を示す半導体パッケージの断面図である。
【符号の説明】
１…ベース板、２…支柱、３…軸受け、４…アーム、５…重り、６…測定サンプル、７…測定サンプルを載せる台、８…角度測定円板、９…アーム固定解放装置、１０…回折パターン認識装置、１１…速度解析装置、１２…速度表示器、１３…角度測定器、１４…角度表示器、１５，１０５…はんだボール、１６…モーター、２０…サンプリング装置、２１…グロー放電室、２２…デーリー検出器、２３…ファラデー検出器、２４…飛行管、２５…磁場、２６…電場、２７…試料導入棒、３０…チャンバ、３１…ノズル、３２…容器、３３…加圧手段、３４…振動棒、３５…振動手段、１００…樹脂封止、１０１…半導体素子、１０２…ボンディングワイヤ、１０３…インターポーザ、１０４…Ｃｕ電極、１０６…支持材、１０７…配線。
【図１】
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【図２】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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