(57)【要約】【課題】電子部品を回路基板に実装した際に、導通不良や実装信頼性の低下を引き起こすクラックを生じさせない外部電極を形成できる導電性ボールおよびその導電性ボールを用いた電子部品の外部電極形成方法を提供する。【解決手段】導電性ボール１を、略球状の非金属材料からなるコア５と、コア５の表面を隙間無く被覆するように形成されるＣｕ層４と、Ｃｕ層４の表面を隙間無く被覆するように形成されると共に、Ｓｎ１０．０Ａｇ合金から成るハンダ内層３と、ハンダ内層３の表面を隙間無く被覆するように形成されると共に、ハンダ内層３を構成するＳｎ１０．０Ａｇ合金の液相線温度よりも低い液相線温度を有し、かつ、ハンダ内層３を構成するＳｎ１０．０Ａｇ合金の固相線温度以下の固相線温度を有するＳｎ３．５Ａｇ合金から成るハンダ外層２とで構成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
略球状の非金属材料からなるコアと、
上記コアの表面を被覆するように形成されると共に、ＣｕもしくはＮｉ、または、その両方を含む合金から成る第１の層と、
上記第１の層の表面を被覆するように形成されると共に、Ｓｎを含む合金から成る第２の層と、
上記第２の層の表面を被覆するように形成されると共に、上記第２の層を構成する材質の液相線温度よりも低い液相線温度を有し、かつ、上記第２の層を構成する材質の固相線温度以下の固相線温度を有する第３の層と
を備え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２の層は、非共晶組成の合金から成ることを特徴とする導電性ボール。
【請求項３】
請求項１に記載の導電性ボールにおいて、
上記第２の層と上記第３の層は、同じ金属元素を含み、
上記第２の層における上記金属元素の組成と、上記第３の層における上記金属元素の組成は、異なることを特徴とする導電性ボール。
【請求項４】
請求項１に記載の導電性ボールにおいて、
上記第２の層は、Ｓｎの組成比が僅かに減少したときに液相線温度が上昇する性質を有する合金から成ることを特徴とする導電性ボール。
【請求項５】
請求項１に記載の導電性ボールにおいて、
上記第２の層と上記第３の層は、ＳｎとＡｇを含む合金から成り、
上記第２の層と上記第３の層の各々で、上記Ａｇが占める割合は、３．５重量パーセント以上５０重量パーセント以下であり、かつ、上記第２の層は、上記第３の層よりもＡｇの割合が高いことを特徴とする導電性ボール。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１つに記載の導電性ボールを、電子部品のランド上に載置する工程と、
上記載置された上記導電性ボールを、上記導電性ボールの上記第２の層を構成する合金の液相線温度より低く、かつ、上記導電性ボールの上記第３の層を構成する合金の液相線温度より高いピーク温度を有する温度で加熱する工程と
を備えることを特徴とする電子部品の外部電極形成方法。
【請求項７】
電子部品のランド上にハンダペーストを塗布する工程と、
請求項１乃至５のいずれか１つに記載の導電性ボールを、上記ハンダペーストが塗布された電子部品のランド上に載置する工程と、
上記電子部品のランド上に載置した上記導電性ボールを加熱する工程とを備え、
上記ハンダペーストに含まれる合金粒子の液相線温度は、上記第２の層を構成する合金の液相線温度よりも低く、
上記導電性ボールを加熱する工程における加熱温度のピーク温度は、上記第２の層を構成する合金の液相線温度よりも低く、かつ、上記合金粒子の液相線温度よりも高いことを特徴とする電子部品の外部電極形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品または回路基板上に形成された外部電極形成に用いられる導電性ボールおよびそれを用いた電子部品の外部電極形成方法に関し、特に、信頼性に優れる外部電極を形成することができる導電性ボールおよびそれを用いた電子部品の外部電極形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話や携帯情報機器等の電子機器の小型化および軽量化を行うことを目的として、半導体装置の小型化および高密度化が図られている。そして、この目的のために、ＬＳＩチップを直接回路基板上に載置するベアチップ実装構造や、半導体装置の形状をＬＳＩチップに極力近づけることにより小型化を図った所謂チップサイズパッケージ（Ｃｈｉｐ  Ｓｉｚｅ  Ｐａｃｋａｇｅ：ＣＳＰ）構造の半導体装置を用いた実装構造が提案されている。上記二つの実装構造は、高密度の実装を実現するために、半導体装置の底面に接続部を配置した構造になっている。
【０００３】
これらの実装構造においては、ベアチップあるいはＣＳＰと、それを実装する回路基板との間に熱膨張係数の不整合があるので、両者の接続部には、熱応力に起因する熱歪みが発生する。そして、この熱歪みによる接合材料の金属疲労が、接合部に亀裂を引き起こし、この亀裂がやがて破断に至って、その電子機器の不良の発生を招来するという問題がある。
【０００４】
接合材料の破断を防止するための熱応力緩和構造は、当然にして半導体装置の軽薄短小化、チップサイズの大型化、多ピン化が進む程設置が困難になるので、上記問題は、半導体装置の軽薄短小化、大型化、多ピン化が進むほど深刻になる。
【０００５】
図５は、特開２０００−３１５７０７号公報（特許文献１）等に記載されている第１の従来例の電子部品と回路基板の接続部の断面を示す図であり、図６は、熱応力が繰り返し作用した結果、図５の電子部品と回路基板の接続部に発生した亀裂を示す断面図である。
【０００６】
図５において、５６は電子部品、５７は電子部品のランド、５１は回路基板、５２は回路基板のランド、５４は接続部を示し、図６において、６６は、亀裂を示している。
【０００７】
有機基板に実装されている場合、良好なハンダ接続が得られていても、実装後にハンダ接続に熱応力が繰り返し作用して、接続部５４に大きな歪みが発生する。そして、図６に示すような亀裂６６が発生して、この亀裂６６に起因する破断が起こり、電子機器の故障が発生する。
【０００８】
上記問題を回避出来る接続部としては、特開２００１−９３３２９号公報（特許文献２）に記載されている第２の従来例の接続部がある。
【０００９】
図７は、上記第２の従来例の接続部を形成するときに用いられる導電性ボール７１の構造を示す断面図である。
【００１０】
上記導電性ボール７１は、高分子の球体からなるコア７５の表面をＣｕ層７４で被覆し、更に、Ｃｕ層７４をハンダ層７７で被覆して形成されている。
【００１１】
図８は、図７に示す導電性ボール７１を用いて形成される第２の従来例の接続部８４の断面図である。
【００１２】
第２の従来例の接続部８４は、電子部品８６のランド８７と、回路基板８１のランド８２の間を、図７に示した導電性ボール７１を内包するように、導電性ボール７１の外側からハンダ付けして形成されている。図８に示すように、図７に示すハンダ層７７とハンダ付けするときに用いたハンダとは混ざり合って新たなハンダ層８５を形成している。
【００１３】
図８に示すように、図７に示す導電性ボール７１を用いて接続部８４を形成すると、電子部品８６を回路基板８１に実装したときに、電子部品８６と回路基板８１のギャップを保持することができると共に、電子部品８６と回路基板８１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ができて、接続部８４の信頼性を向上させることができる。
【００１４】
図９（Ａ）〜（Ｃ）は、第２の従来例の接続部を製造している途中の、製造途中の接続部を示す断面図である。
【００１５】
以下に、図９（Ａ）〜（Ｃ）を用いて第２の従来例の接続部の形成方法を説明する。
【００１６】
先ず、図９（Ａ）に示されている導電性ボール９１を、樹脂のコア９５の表面をＣｕメッキ９４で被覆し、更にＣｕメッキ９４をＳｎ３．５Ａｇハンダ９０層でメッキして形成する。
【００１７】
次に、図９（Ａ）に示すように、上記導電性ボール９１を、フラックス９８を介してフラックス９８の粘性を利用して電子部品９６のランド９７上に固定する。
【００１８】
続いて、ハンダ層９０の融点以上の温度で第１のリフローを行って、フラックス９８とハンダ層９０を混合して混合層１００を形成し、図９（Ｂ）に９９で示す外部電極を形成する。
【００１９】
最後に、Ｓｎ−Ａｇ系合金の粒子からなるハンダペースト１０３を回路基板１０１のランド１０２上に印刷した後、その上に外部電極９９を接触させるように電子部品９６を載置した状態で、混合層１００の融点以上の温度で第２のリフローを行って、図８に示すような接続部を形成する。
【００２０】
【特許文献１】
特開２０００−３１５７０７号公報
【特許文献２】
特開２００１−９３３２９号公報
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記第２の従来例の接続部では、上記第１のリフローを行うときの温度を高くしすぎると、第２のリフロー中に、図９（Ｃ）に示す外部電極９９の混合層１００と、回路基板１０１のランド１０２上に印刷されたハンダペースト１０３が濡れ合わず、図１０に示すように、外部電極９９の混合層１００と、回路基板１０１のランド１０２上に印刷されたハンダペースト１０３との間に界面１１７が発生して、この界面１１７が接続部に対してクラックとして作用して、実装信頼性が大きく低下するという問題がある。
【００２２】
更に、上記界面１１７が接続部を横断するように接続部全体に広がっている場合には、電子部品と回路基板の間で導通が得られず、初期不良が起こるという問題がある。
【００２３】
本発明者は、上記界面１１７の発生原因について鋭意検討を行い、界面１１７の発生メカニズムを突き止めた。すなわち、本発明者は、上記第１のリフリーを行って外部電極を形成するときに、図１１に示すように、Ｃｕ層１２４とＳｎを含むハンダ層１３０の界面にＣｕ−Ｓｎの金属間化合物１２８が発生し、このＣｕ−Ｓｎの金属間化合物１２８の一部が、外部電極１２９の表面に露出することを突き止め、更に、このＣｕ−Ｓｎの金属間化合物１２８が露出した領域は、Ｓｎ−Ａｇ系ハンダと濡れ性が非常に悪く、第２のリフローを行ったときに、金属間化合物１２８が露出した領域と、Ｓｎ−Ａｇ系ハンダとの間に界面１１７が生じることを突き止めた。
【００２４】
また、本発明者は、金属間化合物層１２８が外部電極１２９の表面上に露出する現象が、次のようなメカニズムで起こることを突き止めた。すなわち、導電性ボールをランド１２７上に載置した状態で第１のリフローを行うとき、ハンダ層１３０とＣｕ層１２４との間に、ハンダ層１３０との濡れ性が悪い金属間化合物層１２８が生成するという現象が起こる。溶融した導電性ボールの最外部のハンダ層１３０には、次の４つの力、すなわち、Ｃｕ層１２４との濡れ力、表面張力、電子部品１２６のランド１２７との濡れ力および重力が働くが、上記金属間化合物層１２８が生成することにより、ハンダ層１３０に作用する力のうちで重力およびランド１２７との濡れ力が、金属間化合物層１２８との間に働く力よりも支配的になり、外部電極１２９の上部のハンダ層１３０がランド１２７側に溶け落ちるという現象が発生する。このようにして、外部電極１２９の上部に、Ｓｎ−Ｃｕ金属間化合物層１２８の露出部分が発生するのである。
【００２５】
上記第１のリフローのピーク温度は、被加熱物内において、熱容量の分布などの要因でバラツキが生じる。一般には低ピーク温度による接続不良を懸念して、リフロー温度を高めに設定することが行われているが、リフロー温度が高すぎる場合には、上記のようなＳｎ−Ｃｕ金属間化合物層１２８の露出の問題が生じる。したがって、リフローピーク温度が多少、高温側に振れた場合にも、安定的に接続部が形成できる技術が求められる。
【００２６】
尚、外部電極の表面のハンダの濡れ性を改善し、外部電極の上部からハンダが溶け落ちるのを回避できるフラックスとして、活性力が高いハロゲン化物の含有量が多いフラックスがある。しかしながら、ハロゲン化物の含有量が多いフラックスを用いると、自然環境に対する負荷が大きくなるという問題がある。このことから、活性力の弱いフラックスを用いても、外部電極の上部からハンダ合金が溶け落ちるのを防ぐ手段が必要になる。
【００２７】
そこで、本発明の目的は、電子部品を回路基板に実装した際に、導通不良や実装信頼性の低下を引き起こすクラックを生じない外部電極を形成できる導電性ボールおよびその導電性ボールを用いた電子部品の外部電極形成方法を提供することにある。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明の導電性ボールは、
略球状の非金属材料からなるコアと、
上記コアの表面を被覆するように形成されると共に、ＣｕもしくはＮｉ、または、その両方を含む合金から成る第１の層と、
上記第１の層の表面を被覆するように形成されると共に、Ｓｎを含む合金から成る第２の層と、
上記第２の層の表面を被覆するように形成されると共に、上記第２の層を構成する材質の液相線温度よりも低い液相線温度を有し、かつ、上記第２の層を構成する材質の固相線温度以下の固相線温度を有する第３の層と
を備えることを特徴としている。
【００２９】
上記発明の導電性ボールによれば、上記コアの表面に、ＣｕあるいはＮｉ、または、その両方を含む合金から成る第１の層を、例えば、無電解メッキ法等によって被覆させたので、非金属材料に直接電解メッキを行うことができない上記第２の層であるＳｎを含む合金を、上記第１の層を介して上記コアの表面に被覆することができる。
【００３０】
また、上記発明の導電性ボールによれば、上記コアを樹脂等の非金属材料で構成したので、電子部品と回路基板の接続部に生じる応力を、樹脂等の非金属材料からなる上記コアの弾性によって緩和できて、接続部の信頼性を向上させることができる。
【００３１】
また、上記発明の導電性ボールによれば、上記第３の層の液相線温度が上記第２の層を構成する材質の液相線温度よりも低い液相線温度であり、上記第３の層の固相線温度が上記第２の層を構成する材質の固相線温度以下の固相線温度であるので、上記発明の導電性ボールを用いて電子部品に外部電極を形成する場合に、第３の層の合金の液相線温度以上、かつ、第２の層の合金の液相線温度以下の温度でリフローすると、第３の層の流動性が高くできて、第３の層を電子部品のランド上によく濡れ広がらせることができ、冷却後に滑らかな表面形状を形成できる。また、上記リフローによって、第２の層の流動性が高くならないので、第２の層が外部電極の上部から溶け落ちずに、外部電極の表面に、上記第１の層の成分を含んだハンダ合金と濡れ性の悪いＳｎとＣｕ、あるいは、ＳｎとＮｉからなる金属間化合物が露出することを防止できる。したがって、ハンダペーストを用いて電子部品を回路基板に実装する際に、電子部品と回路基板の間の接続部に、上記金属間化合物の露出に起因するクラックが生じることがなくて、導通不良が生じるの防止することができる。
【００３２】
また、一実施形態の導電性ボールは、上記第２の層が、非共晶組成の合金から成ることを特徴としている。
【００３３】
上記実施形態によれば、上記第２の層を、非共晶組成の合金で構成したので、上記第３の層の固相線温度以上で、かつ、上記第２の層の固相線温度以上液相線温度以下の温度で、導電性ボールを載置した電子部品をリフローしたときに、上記第２の層と上記第３の層をより均質に混合できて、上記第２の層と第３の層の境界をよりいっそう明確でないようにできて、滑らかな表面形状を獲得することができる。したがって、上記第２の層と第３の層との境界で層の物性を離散的でなく連続的に変化させることができるので、表面形状に凹凸があることで応力が集中して亀裂が入ることを防止できて、界面に応力が集中したり、界面で剥離が起こったりすることを防止できる。
【００３４】
また、一実施形態の導電性ボールは、上記第２の層と上記第３の層が、同じ金属元素を含み、上記第２の層における上記金属元素の組成と、上記第３の層における上記金属元素の組成は、異なることを特徴としている。
【００３５】
上記実施形態によれば、上記第２の層と上記第３の層を、同じ金属元素を含む合金で構成したため、上記第２の層と上記第３の層の混合に対する相性を良くすることができて、リフロー後に、上記第２の層と上記第３の層の境界で層の物性を連続的に変化させることができる。したがって、界面で剥離が起こることを防止できる。
【００３６】
また、一実施形態の導電性ボールは、上記第２の層が、Ｓｎの組成比が僅かに減少したときに液相線温度が上昇する性質を有する合金から成ることを特徴としている。
【００３７】
上記実施形態によれば、上記第２の層を、Ｓｎの組成比が僅かに減少したときに液相線温度が上昇する性質を有する合金で構成したので、上記実施形態の導電性ボールを用いて電子部品に外部電極を形成する場合、リフロー中に、第２の層と第３の層の間でＳｎを含む金属間化合物が形成されて第２の層中のＳｎの絶対量が減少したとき、上記第２の層の液相線温度を上昇させることができる。したがって、上記第２の層の合金の液相線温度以下の温度でリフローを行えば、上記リフロー中に金属間化合物が生じることによって上記第２の層のＳｎの絶対量が減少して組成が変化しても、固液共存状態を保つことができて、外部電極の上部から上記第２の層が溶け落ちることを防止できて、外部電極の表面に濡れ性の悪い金属間化合物が露出することを防止できる。
【００３８】
また、一実施形態の導電性ボールは、上記第２の層と上記第３の層が、ＳｎとＡｇを含む合金から成り、上記第２の層と上記第３の層の各々で、上記Ａｇが占める割合は、３．５重量パーセント以上５０重量パーセント以下であり、かつ、上記第２の層は、上記第３の層よりもＡｇの割合が高いことを特徴としている。
【００３９】
上記実施形態によれば、上記第２の層と上記第３の層の各々で、上記Ａｇが占める割合を、３．５重量パーセント以上５０重量パーセント以下にしたので、固相線温度を２２１℃と一定値にできると共に、液相線温度をＡｇの比率の増加に伴って単調に増加させることができる。このことから、リフロー中に上記第２の層と上記第３の層の界面で金属間化合物が生成して、上記第２の層におけるＳｎの絶対量が減少すると共に、Ａｇの割合が相対的に増加したとしても、これに対応して上記第２の層の液相線温度も上昇するため、上記第２の層が、安易に液化することがなくて、安定的に固液共存状態を維持することができる。したがって、外部電極の上部から上記第２の層が溶け落ちることがないので、外部電極の表面に金属間化合物が露出することを防止できる。また、上記第２の層のＡｇの割合を、上記第３の層のＡｇの割合よりも高くして、上記第３の層の液相線温度を上記第２の液相線温度よりも低くしたので、リフロー中に、上記第３の層の流動性を高くすることができて、上記第３の層を、電子部品のランド上によく濡れ広がらせることができて、冷却後に滑らかな表面形状を形成することができる。
【００４０】
また、この発明の電子部品の外部電極形成方法は、
請求項１乃至５のいずれか１つに記載の導電性ボールを、電子部品のランド上に載置する工程と、
上記載置された上記導電性ボールを、上記導電性ボールの上記第２の層を構成する合金の液相線温度より低く、かつ、上記導電性ボールの上記第３の層を構成する合金の液相線温度より高いピーク温度を有する温度で加熱する工程と
を備えることを特徴としている。
【００４１】
上記発明の電子部品の外部電極形成方法によれば、上記導電性ボールを、上記導電性ボールの上記第２の層を構成する合金の液相線温度より低く、かつ、上記導電性ボールの上記第３の層を構成する合金の液相線温度より高いピーク温度を有する温度で加熱する工程を備えるので、この工程で、流動性が高い上記第３の層を、電子部品のランド上によく濡れ広がらせることができて、冷却後も滑らかな表面形状を形成することができる。また、固相が存在して流動性がさほど高くない上記第２の層を、外部電極の上部から溶け落ちないようにすることができる。したがって、外部電極の表面に、上記第１の層の成分を含んだハンダ合金と濡れ性の悪いＳｎとＣｕ、あるいは、ＳｎとＮｉからなる金属間化合物が露出することを防止できて、ハンダペーストを用いて電子部品を回路基板に実装する際に、導通不良が生じるのを防止できる。
【００４２】
また、この発明の電子部品の外部電極形成方法は、
電子部品のランド上にハンダペーストを塗布する工程と、
請求項１乃至５のいずれか１つに記載の導電性ボールを、上記ハンダペーストが塗布された電子部品のランド上に載置する工程と、
上記電子部品のランド上に載置した上記導電性ボールを加熱する工程とを備え、
上記ハンダペーストに含まれる合金粒子の液相線温度は、上記第２の層を構成する合金の液相線温度よりも低く、
上記導電性ボールを加熱する工程における加熱温度のピーク温度は、上記第２の層を構成する合金の液相線温度よりも低く、かつ、上記合金粒子の液相線温度よりも高いことを特徴としている。
【００４３】
上記発明の電子備品の外部電極形成方法によれば、上記導電性ボールを加熱する工程における加熱温度のピーク温度を、上記第２の層を構成する合金の液相線温度よりも低く、かつ、上記合金粒子の液相線温度よりも高くしたので、上記ハンダペーストの合金粒子を、電子部品のランドおよび導電性ボールの表面に、均等に濡れ広げることができる。また、導電性ボールの第２の層が、外部電極の表面からランド側に溶け落ちることを防止できて、上記第１の層と上記第２の層との界面に形成された金属間化合物層が表面に露出することを防止できる。
【００４４】
【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。
【００４５】
図１は、本発明の一実施形態の導電性ボール１の中心を含む断面図である。
【００４６】
この導電性ボール１は、該導電性ボール１の中心と略同じ中心を有し、かつ、該導電性ボール１の半径よりも小さな半径を有する球体から成るコア５と、このコア５の表面を隙間無く被覆するように配置されており、かつ、被覆膜の径方向の膜厚が略等しい第１の層の一例としてのＣｕ層４と、このＣｕ層４の表面を隙間無く被覆するように配置されており、かつ、被覆膜の径方向の膜厚が略等しい第２の層の一例としてのハンダ内層３と、このハンダ内膜３の表面を隙間無く被覆するように配置されており、かつ、被覆膜の径方向の膜厚が略等しい第３の層の一例としてのハンダ外層２とから構成されている。
【００４７】
上記コア５は、例えば、エポキシ樹脂、ポリカーボネート、ポリテレフタレート等の有機重合体・有機共重合体等の材料からなっており、電子部品を回路基板に実装したとき、樹脂材料が持つ弾性によって接続部に生じる応力を緩和できるようになっている。また、上記コア５を構成する微粒子は、例えば、懸濁重合法や分散重合法等の合成方法によって合成されている。
【００４８】
尚、コア５の材料として、セラミックス等、リフロー温度では形状が変化しない高融点の無機材料を用いても良く、この場合、電子部品を回路基板に実装するときに、リフロー中においても、コア５が溶融せずにコア５の形状を維持することができて、電子部品と回路基板のギャップをコア５の直径以上に高く保持することができ、外部電極に生じる熱歪みの集中を低減することができる。
【００４９】
上記Ｃｕ層４は、３μｍ以上の厚さを有し、外部電極形成や電子部品を回路基板に実装する際のリフロープロセスや、製品として実使用される間に、Ｃｕがハンダ合金側に拡散しても、コア５の表面に残留するようになっている。尚、上記Ｃｕ層４をコア５に被覆する方法としては、コア５の表面に触媒を付着させて無電解Ｃｕメッキを行ない、更にＣｕ層４の厚さが数μｍ程度になるように、硫酸銅メッキ浴により電解Ｃｕメッキを行なう方法等がある。
【００５０】
上記ハンダ内層３は、Ｓｎを含む合金であり、Ｃｕ層４よりも液相線温度が高い合金で構成されている。また、上記ハンダ外層２は、ハンダ内層３より液相線温度が低い合金で構成されている。詳細には、上記ハンダ内層３とハンダ外層２は、Ｓｎ−Ａｇ合金で構成されており、ハンダ外層２のＡｇ重量パーセント組成は、３．５重量パーセントの組成（これを、Ｓｎ３．５Ａｇと示す）になっており、ハンダ内層３のＡｇ重量パーセント組成は、１０．０重量パーセントの組成（Ｓｎ１０．０Ａｇ）になっている。このように上記ハンダ内層３とハンダ外層２を同じＳｎ−Ａｇ合金で構成することによって、リフロー後にハンダ外層２とハンダ内層３との界面で、物性が大きく変化しないようにして、リフロー処理の前後で、組成が大きく異ならないようにしている。この実施形態の導電性ボールのように、ハンダ内層３とハンダ外層２を構成する材料として、Ｓｎ−Ａｇ合金を採用すると、共晶組成において、材料強度を最も優れたものにできて、かつ、液相線温度も、最も低くすることができる。
【００５１】
図２は、Ｓｎ−Ａｇ合金の状態図であり、Ｓｎ−Ａｇ合金においてＡｇが占める重量パーセントと、共晶温度との関係を示す図である。
【００５２】
図２において、Ｌで示す領域は、液相の状態を示し、Ｌ＋Ｓで示す領域は、液相と固相の共存状態を示し、Ｓで示す領域は、固相の状態を示している。
【００５３】
図２に示すように、Ｓｎ−Ａｇ合金は、Ａｇが３．５重量パーセントの場合に２２１℃の共晶温度を持っている。また、Ａｇが３．５重量パーセント以上５０重量パーセント以下の領域では、固相線温度が２２１℃と一定値になり、かつ、液相線温度がＡｇの比率の増加に伴って単調に増加している。このことから、リフロー中にハンダ内層３とＣｕ層４の界面で金属間化合物が生成して、ハンダ内層３におけるＳｎの絶対量が減少すると共に、Ａｇの割合が相対的に増加したとしても、これに対応して図２にＢで示す液相線温度も上昇するため、ハンダ内層３が、安易に液化することがなくて、安定的に固液共存状態を維持することができる。したがって、外部電極形成時の第１のリフローの最中に、ハンダ内層３の流動性が高くなりすぎることがなくて、外部電極の上部からハンダ内層３が溶け落ちることがないので、外部電極の表面に、図１１に１２８で示したような金属間化合物が露出することがない。
【００５４】
また、Ｓｎ―Ａｇ合金を、図２にＡで示す固相線温度以上の温度で溶融させてから冷却すると、凝固時にＡｇ３Ｓｎの初晶が形成されるので、共晶組成のＳｎ−Ａｇ合金において、硬いＡｇ３Ｓｎの微細化した初晶を分散させることができて、強度を向上させることができる。しかしながら、Ａｇが占める重量パーセントの割合を高い値に設定すると、Ａｇ３Ｓｎが粗大化して、冷却後のＳｎ−Ａｇ合金の強度が低下するので、Ａｇが占める重量パーセントの割合を、Ａｇの組成は３．５重量パーセントに対して大きくなりすぎない値に設定する必要がある。
【００５５】
また、導電性ボールを用いて形成した外部電極を有する電子部品を回路基板に実装する場合、ハンダ内層３の液相線温度を、電子部品の実装において一般的に使われるリフロー温度よりも、十分に高く設定して、電子部品の実装中にハンダ内層３が液相のみの状態にならないようにする必要がある。
【００５６】
詳細には、電子部品をプリント基板に実装する場合のリフロー温度は、２２０〜２６０℃くらいであり、電子部品に外部電極を形成する場合に想定されるリフロー温度は、３００℃以下であるので、ハンダ内層３におけるＡｇ組成重量パーセントを、この実施形態のＡｇ組成１０．０重量パーセントのように、図２に実線Ｂで示す液相線温度２６０℃に対応するＡｇ組成５．５重量パーセント以上、液相線温度３００℃に対応するＡｇ組成１０重量パーセント以下に設定することが望ましい。
【００５７】
尚、ハンダ外層２、ハンダ内層３の形成方法としては、電解メッキ法や、ディップコーティング法等がある。
【００５８】
以上、この実施形態の導電性ボール１では、ハンダ内層３およびハンダ外層２がＳｎ―Ａｇ合金である場合を例に説明を行ったが、この発明の導電性ボールでは、第２の層および第３の層が、Ｓｎ―Ａｇ合金以外のＳｎ−Ｐｂ合金や、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金や、Ｓｎ―Ｚｎ合金等の他のＳｎ系合金でも良く、この場合も、第２の層および第３の層がＳｎ―Ａｇ合金である上記実施形態の導電性ボール１と同様な考えで、Ｐｂ組成重量パーセントや、Ａｇ−Ｃｕ組成重量パーセントや、Ｚｎ組成重量パーセントを決めることができる。
【００５９】
上記実施形態の導電性ボール１によれば、ハンダ外層２については、共晶組成に近いＡｇの重量パーセントが３．５重量パーセントのＳｎ―Ａｇ合金で構成し、ハンダ内層３については、Ｓｎの組成が減少することによって液相線温度が上昇するＡｇの重量パーセントが１０．０重量パーセントのＳｎ―Ａｇ合金で構成したので、リフロー中に、ハンダ内層３とＣｕ層４の界面でＣｕ−Ｓｎ金属間化合物が生成して、ハンダ内層３のＳｎの絶対量が減少しても、上昇したハンダ内層３の液相線温度がリフロー温度以下に下がることがない。
【００６０】
尚、第３の層と第２の層を、Ｓｎ−Ｐｂ合金で成膜する場合には、１８３℃の固相線温度と、Ｓｎが減少するほど高くなる液相線温度とを持つＰｂ重量パーセント組成が３８．１〜８０．８重量パーセントのＳｎ−Ｐｂ合金を使用すると、上記実施形態のＳｎ−Ａｇ合金で得た作用効果と同様の作用効果を得ることができる。また、同様に、第３の層と第２の層を、Ｓｎ−Ｂｉ合金で成膜する場合には、一定の固相線温度と、Ｓｎが減少した場合に上昇する液相線温度を持つＢｉ重量パーセント組成が５７〜９９．９重量パーセントのＳｎ−Ｂｉ合金を使用すると、上記実施形態のＳｎ−Ａｇ合金で得た作用効果と同様の作用効果を得ることができ、第３の層と第２の層を、Ｓｎ−Ｚｎ合金で成膜する場合には、一定の固相線温度と、Ｓｎが減少した場合に上昇する液相線温度を持つＺｎ重量パーセント組成が８．８〜１００重量パーセントのＳｎ−Ｚｎ合金を使用すると、上記実施形態のＳｎ−Ａｇ合金で得た作用効果と同様の作用効果を得ることができる。
【００６１】
図３（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の電子部品の外部電極形成方法の一実施形態を説明する製造途中の外部電極および完成状態の外部電極を示す断面図である。
【００６２】
以下に、図３（Ａ）、（Ｂ）を用いて、本発明の電子部品の外部電極形成方法の一実施形態の説明を行うことにする。
【００６３】
先ず、図３（Ａ）に示すように、電子部品３６のランド３７上に、ピンを用いて転写する方法等でフラックス３８を塗布し、上記実施形態の導電性ボール１を、フラックス３８上にフラックス３８の粘性を用いて載置する。
【００６４】
上記導電性ボール１を載置する方法としては、真空系を備えたマウンタにランドパターンに対応して穴をあけたジグを用いて、その穴に導電性ボール１を真空吸着し、電子部品３６上で真空を解除することでランド３７上に導電性ボール１を載置する方法等がある。尚、ランド上にフラックスを介して導電性ボールを載置する別の方法としては、ジグに吸着された導電性ボールの下面をフラックス溜まりに押し付け、その後で導電性ボールをランド上に載置する方法等もある。
【００６５】
次に、ランド３７上にフラックス３８を介して導電性ボール１が載置されている状態で、ハンダ外層２の固相線温度以上で、かつ、ハンダ内層３の合金の液相線温度以下の温度でリフローを行い、Ｃｕ層４と図３（Ｂ）に示すハンダ層３０との界面に、Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物（図示せず）を生成する。例えば、この実施形態のように導電性ボール１のハンダ外層２がＳｎ３．５Ａｇで、ハンダ内層３がＳｎ１０Ａｇである場合には、２２１℃以上３００℃以下の温度でリフローを行い、Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物（図示せず）を生成する。この実施形態の方法では、ハンダ外層２の固相線温度以上で、かつ、ハンダ内層３の合金の液相線温度以下の温度でリフローを行ったので、リフロー中に外部電極３１の表面を隙間無くＳｎ−Ａｇ合金で覆うことができて、上記Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物が外部電極３１の表面に露出することを防止することができる。
【００６６】
尚、導電性ボールのハンダ外層とハンダ内層の厚みが薄いと、外部電極を形成するためのハンダの体積が不足し、ランドとコアにはさまれた領域で、外部電極がくびれることがある。そして、電子部品をハンドリングするとき等に、外部電極が衝撃を受けたり、物に当たったりして、上記くびれた部分に応力が集中して、外部電極の破損が発生することがある。このことから、ハンダ外層２とハンダ内層３の厚さの合計を、コア５とランド３７の直径に基づいて変化させて、くびれた部分を防止できる十分な厚さに設定する必要がある。例えば、この実施形態では、ランド３７の直径を０．２８ｍｍφに設定すると共に、コア５の直径が０．２５ｍｍφ、Ｃｕ層４の厚みが５μｍの導電性ボール１を用いて外部電極を形成しているが、ハンダ外層２とハンダ内層３をそれぞれ１０μｍに設定（合わせて２０μｍの厚さに設定）して、くびれのない外部電極を形成するようにしている。
【００６７】
上記フラックス３８の代わりに、電子部品のランド上にハンダペーストを印刷等の手法により塗布して、ハンダペーストの粘性によって、導電性ボールを固定する方法もある。この場合、使用に適する合金は、ハンダペーストに含まれる合金粒子が導電性ボールのハンダ内層よりも低い液相線温度を持つＳｎ３．５ＡｇやＳｎ３Ａｇ０．５Ｃｕ等の合金である。尚、ハンダペーストを用いて導電性ボールを固定する場合でも、ハンダ内層の液相線温度より低く、かつ、ハンダペースト中の合金粒子の液相線温度よりも高いピーク温度で、リフローを行うことによって、Ｃｕ層とハンダ内層との界面に形成されたＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層が、外部電極の表面に露出することを防止することができる。
【００６８】
図４（Ａ）は、回路基板４１のランド４２に、ハンダペースト４３を介して図３（Ｂ）に示す電子部品３６の外部電極３１がマウントされている状態を示す断面図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示されている電子部品３６がマウントされている状態で、リフローを行って、回路基板４１と電子部品３６との間に接続部４４を形成した状態の断面図である。
【００６９】
上記ハンダペースト４３は、マスク印刷等によってランド４２に塗布される。また、上記ハンダペースト４３のハンダ粒子としては、Ｓｎ３．５Ａｇや、Ｓｎ３Ａｇ０．５Ｃｕ等を使用している。また、上記リフローを行うときの温度を、従来、ハンダペーストのハンダ粒子としてＳｎ３．５ＡｇやＳｎ３Ａｇ０．５Ｃｕのハンダ粒子を用いて電極を形成した電子部品を、固体基板のランドに固着するのに用いるリフロー温度と同様の２３０〜２６０℃に設定している。
【００７０】
図４（Ｂ）に示すように、リフローを行った後の状態では、図４（Ａ）に示したリフロー前の状態で存在していたハンダ合金３０とハンダペースト４３が均質に交じり合って、ハンダ合金３０とハンダペースト４３との間の界面５０が消滅し、これら二つの層が混合層４５を形成している。
【００７１】
図４（Ｂ）に示したような接続部４４を形成することによって、樹脂材料からなるコア５の弾性によって、接続部に生じる応力を緩和することができるので、従来のハンダボールを用いて形成された外部電極を持つ電子部品を実装する場合と比較して、温度サイクルにおける実装信頼性を向上させることができる。
【００７２】
上記実施形態の導電性ボール１によれば、コア５の表面に、Ｃｕ４層を被覆させたので、非金属材料に直接電解メッキを行うことができないＳｎを含むハンダ内層３を、Ｃｕ４層を介してコア５の表面に被覆することができる。
【００７３】
また、上記実施形態の導電性ボール１によれば、コア５を樹脂等の非金属材料で構成したので、電子部品３６と回路基板４１の接続部に生じる応力を、コア５の弾性によって緩和できて、接続部の信頼性を向上させることができる。
【００７４】
また、上記実施形態の導電性ボール１によれば、ハンダ外層２の液相線温度と固相線温度を、夫々、ハンダ内層３を構成する材質の液相線温度よりも低く、かつ、ハンダ内層３を構成する材質の固相線温度以下になるようにしたので、ハンダ外層２の液相線温度以上、かつ、ハンダ内層３の液相線温度以下の温度でリフローを行うことによって、ハンダ外層２の流動性を高くできて、ハンダ外層２を電子部品のランド上によく濡れ広がるようにすることができて、冷却後に滑らかな表面形状を形成することができる。また、上記温度でリフローを行うことによって、ハンダ内層３を固液共存状態にすることができて、流動性が高くなりすぎないようにすることができて、ハンダ内層３を外部電極３１（図３（Ｂ）参照）上部から溶け落ちないようにすることができるので、外部電極３１の表面に、Ｃｕ層４の成分を含んだハンダ合金と濡れ性の悪いＳｎとＣｕからなる金属間化合物が露出することを防止できて、電子部品３６を回路基板４１に接続した際、この接続部４４に導通不良が生じるの防止することができる。
【００７５】
また、上記実施形態の導電性ボールによれば、上記ハンダ内層３を、非共晶組成の合金で構成したので、ハンダ外層２の固相線温度以上で、かつ、ハンダ内層３の固相線温度以上液相線温度以下の温度で、導電性ボール１を載置した電子部品３６をリフローした場合に、ハンダ内層３とハンダ外層２をより均質に混合することができて、滑らかな表面形状を獲得することができる。したがって、ハンダ内層３とハンダ外層２との境界で層の物性を離散的でなく連続的に変化させることができるので、ハンダ内層３とハンダ外層２の界面に亀裂や剥離が生じることを防止できる。
【００７６】
また、上記実施形態の導電性ボール１によれば、上記ハンダ内層３とハンダ外層２を、同じ金属元素を含む合金で構成したため、リフロー後に、ハンダ外層３とハンダ内層２の境界で層の物性を連続的に変化させることができて、界面に亀裂や剥離が生じることを防止できる。
【００７７】
また、上記実施形態の導電性ボール１によれば、上記ハンダ内層３を、Ｓｎの組成比が僅かに減少したときに液相線温度が上昇する性質を有する合金で構成したので、上記実施形態の導電性ボール１を用いて電子部品３６に外部電極３１を形成する場合、リフロー中に、ハンダ内層３とハンダ外層２の間でＳｎを含む金属間化合物が形成されてハンダ内層３中のＳｎの絶対量が減少したとき、ハンダ内層３の液相線温度を上昇させることができる。したがって、上記ハンダ内層３の合金の液相線温度以下の温度でリフローを行うことによって、上記リフロー中に金属間化合物が生じることによってハンダ内層３のＳｎの絶対量が減少するようにハンダ内層３の組成が変化しても、固液共存状態を保つことができて、外部電極３１の上部からハンダ内層３が溶け落ちることを防止できて、外部電極３１の表面に濡れ性の悪い金属間化合物が露出することを防止できる。
【００７８】
また、上記実施形態の導電性ボール１によれば、上記ハンダ内層３のＡｇが占める割合を１０．０重量パーセントにすると共に、ハンダ外層２のＡｇが占める割合を３．５重量パーセントにし、共に３．５重量パーセント以上５０重量パーセント以下にしたので、固相線温度を２２１℃と一定値にできると共に、液相線温度をＡｇの比率の増加に伴って単調に増加させることができる。このことから、リフロー中にハンダ内層３とハンダ外層２の界面で金属間化合物が生成して、ハンダ内層３におけるＳｎの絶対量が減少すると共に、Ａｇの割合が相対的に増加したとしても、これに対応して液相線温度も上昇するため、ハンダ内層３が、安易に液化することがなくて、安定的に固液共存状態を維持することができる。したがって、外部電極３１の上部からハンダ内層３が溶け落ちることがないので、外部電極３１の表面に金属間化合物が露出することを防止できる。また、上記ハンダ内層３のＡｇの割合を、ハンダ外層２のＡｇの割合よりも高くして、ハンダ外層２の液相線温度をハンダ外層２の液相線温度よりも低くしたので、リフロー中に、ハンダ外層２の流動性を高くすることができて、ハンダ外層２を、電子部品３６のランド３７上によく濡れ広がらせることができて、冷却後に滑らかな表面形状を形成することができる。
【００７９】
また、上記実施形態の電子部品の外部電極形成方法によれば、上記導電性ボール１を、導電性ボール１のハンダ内層３を構成する合金の液相線温度より低く、かつ、導電性ボール１のハンダ外層２を構成する合金の液相線温度より高いピーク温度を有する温度で加熱する工程を備えるので、この工程で、流動性が高いハンダ外層２を、電子部品３６のランド３７上によく濡れ広がらせることができて、冷却後も滑らかな表面形状を形成することができる。また、固相が存在して流動性がさほど高くないハンダ内層３を、外部電極３１の上部から溶け落ちないようにすることができる。したがって、外部電極３１の表面に、Ｃｕ層４の成分を含んだハンダ合金と濡れ性の悪いＳｎとＣｕからなる金属間化合物が露出することを防止できて、電子部品３６と回路基板４１を接続したとき、接続部４４に導通不良が生じるの防止できる。
【００８０】
尚、上記実施形態の導電性ボール１では、第１の層としてのＣｕ層４の層厚を３μｍ以上の厚さにしたが、この発明の導電性ボールでは、第１の層としてのＣｕ層の層厚を３μｍより小さくしても良い。
【００８１】
また、上記実施形態の導体性ボール１では、第１の層をＣｕ層４で構成したが、この発明の導体性ボールでは、第１の層をＣｕ層４の代わりにＮｉ層で構成しても良く、第１の層をＣｕ層４の代わりにＣｕとＮｉの合金の層で構成しても良い。そして、これらの場合においても、第１の層をＣｕ層４で構成した場合と同様の作用効果を得ることができる。尚、Ｎｉについても、Ｃｕと同じく、無電解メッキと電解メッキによってコアの表面を被覆することができ、第１の層をＮｉ層で構成した場合、Ｎｉ層と第２の層との界面に形成されるのはＳｎ−Ｎｉ金属間化合物となる。
【００８２】
本発明者は、比較例として、樹脂からなる球状のコアの表面にＣｕメッキを行ない、さらにＳｎ３．５Ａｇをメッキした導電性ボールを用いて、電子部品を回路基板に実装し、電子部品と回路基板との間に形成された接続部の物理的性質を調査した。
【００８３】
詳細には、電子部品上に０．５ｍｍピッチで形成された０．２８ｍｍφのランドにフラックスを塗布し、このフラックス上に、０．２６ｍｍφのコアに３μｍ厚のＣｕ層と１７μｍ厚のＳｎ３．５Ａｇ層を順次被覆した導電性ボールを載置した後、ピーク温度２５０℃でリフローを行なって、外部電極を形成した。続いて、プリント基板のランド上にハンダペーストをマスク印刷した後、先ほどの電子部品を、外部電極の位置とプリント基板のランドの位置とを対応させて載置して、ピーク温度２４５℃でリフローして接続部を作製した。本発明者は、このような方法で、２０サンプルの接続部を形成し、２０のサンプル全てに導通検査を行った。
【００８４】
その結果、比較例の接続部は、上記実施形態の導電性ボール１を用いて形成される接続部と異なり、図１０に示されるような界面１１７を有する形状となり、かつ、２０サンプルの全てにおいて、接続部で導通不良が生じていることを確認した。
【００８５】
【発明の効果】
以上より明らかなように、上記発明の導電性ボールによれば、コアの表面に、ＣｕあるいはＮｉ、または、その両方を含む合金から成る第１の層を、例えば、無電解メッキ法等によって被覆させたので、非金属材料に直接電解メッキを行うことができない上記第２の層であるＳｎを含む合金を、上記第１の層を介して上記コアの表面に被覆することができる。
【００８６】
また、上記発明の導電性ボールによれば、上記第３の層の液相線温度と固相線温度の夫々が、上記第２の層を構成する材質の液相線温度よりも低い液相線温度であると共に、上記第２の層を構成する材質の固相線温度以下の固相線温度であるので、この発明の導電性ボールを用いて電子部品に外部電極を形成する場合に、第３の層の合金の液相線温度以上、かつ、第２の層の合金の液相線温度以下の温度でリフローすることにより、第３の層の流動性を高くできて、第３の層を電子部品のランド上によく濡れ広がらせることができて、冷却後に滑らかな表面形状を形成することができる。また、上記温度を用いてリフローを行えば、第２の層の流動性が高くならないので、第２の層が外部電極の上部から溶け落ちずに、外部電極の表面に、上記第１の層の成分を含んだハンダ合金と濡れ性の悪いＳｎとＣｕ、あるいは、ＳｎとＮｉからなる金属間化合物が露出することを防止できる。したがって、例えば、ハンダペーストを用いて電子部品を回路基板に実装する際に、導通不良が生じるの防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の導電性ボールの断面図である。
【図２】Ｓｎ−Ａｇ合金の状態図である。
【図３】図３（Ａ）は、本発明の電子部品の外部電極形成方法の一実施形態を説明する製造途中の外部電極を示す断面図であり、図３（Ｂ）は、完成状態の外部電極を示す断面図である。
【図４】図４（Ａ）は、回路基板のランドに、ハンダペーストを介して図３（Ｂ）に示す電子部品の外部電極がマウントされている状態を示す断面図であり、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の状態で、リフローを行って、回路基板と電子部品との間に接続部を形成した状態の断面図である。
【図５】第１の従来例の電子部品と回路基板との接続部の断面を示す図である。
【図６】図５に示す第１の従来例の接続部に発生した亀裂を示す断面図である。
【図７】第２の従来例の接続部を形成するときに用いられる導電性ボールの構造を示す断面図である。
【図８】図７に示す導電性ボールを用いて形成される第２の従来例の接続部の断面図である。
【図９】第２の従来例の接続部を製造している最中の、製造途中の接続部を示す断面図である。
【図１０】第２の従来例の接続部に生じた界面を示す断面図である。
【図１１】第２の従来例の接続部の形成に用いる外部電極に発生する問題を説明する断面図である。
【符号の説明】
１  導電性ボール
２  ハンダ外層
３  ハンダ内層
４  Ｃｕ層
５  コア
３１  外部電極
３６  電子部品
３７  ランド
３８  フラックス
４１  回路基板
４２  ランド
４３  ハンダペースト
４４  接続部
【図１】
2005005630.tif 000003
【図２】
2005005630.tif 000004
【図３】
2005005630.tif 000005
【図４】
2005005630.tif 000006
【図５】
2005005630.tif 000007
【図６】
2005005630.tif 000008
【図７】
2005005630.tif 000009
【図８】
2005005630.tif 000010
【図９】
2005005630.tif 000011
【図１０】
2005005630.tif 000012
【図１１】
2005005630.tif 000013