(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、(1) Ag: 0.8〜2.0％、(2) Cu: 0.05〜0.3％、ならびに (3) In: 0.01％以上、0.1％未満、Ni: 0.01〜0.04％、およびPt: 0.01〜0.1％から選ばれた1種もしくは2種以上、残部Snおよび不純物からなる鉛フリーはんだ合金。
【請求項２】
Ag含有量が0.8〜1.2％である、請求項1記載の鉛フリーはんだ合金。
【請求項３】
Cu含有量が0.05〜0.2％である、請求項1または2記載の鉛フリーはんだ合金。
【請求項４】
In: 0.01〜0.08％、Ni: 0.01〜0.03％、およびPt: 0.01〜0.05％から選ばれた1種もしくは2種以上を含有する、請求項1〜3のいずれかに記載の鉛フリーはんだ合金。
【請求項５】
少なくともInおよびNiを含有する、請求項1〜4のいずれかに記載の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、鉛を含まない鉛フリーはんだ合金、特にはんだバンプのように微小なはんだ付け部を形成するに適した鉛フリーはんだ合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
BGA (Ball Grid Array)、CSP (Chip Size Package) 等の超小型多機能パッケージのプリント配線板への実装は、はんだバンプにより行われることが多い。この場合、パッケージの電極上に予めはんだバンプを形成しておき、そのはんだバンプがプリント配線板のはんだ付け部(ランド) に当接するようにパッケージを配置する。その後、プリント配線板とパッケージを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と、パッケージがプリント配線板にはんだ付けされ、両者間の導通が確保される。
【０００３】
はんだバンプは、裸のチップのプリント配線板への実装にも利用されている。この実装方法はDCA (direct chip attach) またはフリップチップ法とも呼ばれている。この場合には、チップの電極上にはんだバンプが形成される。DCAにおけるチップのプリント配線板への実装は、ワイヤーボンディングまたはTAB (tape automated bonding) によって行われることもあるが、フリップチップ実装はより高密度実装が可能で、かつ実装の生産性が高い。
【０００４】
一方、QFP (quad flat package)、SOIC (small outline IC) 等においては、チップの電極と、チップを搭載する基板 (インターポーザー) との接続を、従来の主流であったワイヤーボンディングに代わって、近年ははんだバンプを利用したフリップチップ接続によりを行うことが増えてきた。この接続も、フリップチップ実装の場合と同様に、チップの電極上に形成されたはんだバンプを利用して行われる。
【０００５】
ワイヤーボンディングは、高価な金線を使用する上、作業が高速自動化されたといっても、電極を１個ずつ接続するため、作業時間が長くなる。さらに、チップの高機能化に伴う電極密度の増大に伴って、ワイヤー同士の接触による短絡が不可避になってきた。一方、フリップチップ実装または接続は、チップに形成したはんだバンプがプリント配線板のはんだ付け部または基板の電極と当接するようにチップを配置し、はんだバンプを溶融させることによって迅速に実施できる。また、電極密度が増大してもワイヤーの接触による短絡は起こらない。
【０００６】
パッケージまたはチップの電極上へのはんだバンプの形成は、はんだボールまたはソルダーペーストを使用して行うのが一般的である。
従来のバンプ形成用はんだ合金は、Sn−Pb系のはんだ合金である。Sn−Pb系はんだ合金は、はんだ付け性に優れ、微小なはんだバンプによるはんだ付けに使用した場合でもはんだ付け不良の発生が少なく、信頼性の高いはんだ付けを行うことができる。
【０００７】
しかし、再利用の困難なプリント配線板が埋立て処分され、そこに酸性雨が接触して起こる地下水のPb汚染が問題になってきたため、Pbを含有するはんだ合金の使用が世界的に規制されるようになってきた。そのため、Pbを含まない鉛フリーはんだ合金の開発が進められている。
【０００８】
鉛フリーはんだ合金は、一般に、Snを主成分とし、それにAg、Bi、Cu、Sb、In、Ni、Zn等の1種または2種以上の合金元素を添加したものである。例えば、Sn−Cu、Sn−Sb、Sn−Bi、Sn−Zn、Sn−Ag等の二元合金、ならびにこれらの二元合金に他の元素を添加した各種の多元系合金が鉛フリーはんだ合金として提案されている。
【０００９】
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Sn−Pb系はんだ合金に比べて劣っている。中では、Sn−Ag合金が、他の二元合金に比べて、はんだ付け性に優れ、また、脆さ、経時変化等の点でも優れている。
【００１０】
ところで携帯電話、ノート型パソコン、デジタルカメラなどの、いわゆるモバイル電子機器では、電子機器内部のはんだ付け部に優れた耐衝撃性が求められる。モバイル電子機器は、落とした時に衝撃を受ける可能性があり、この衝撃で電子機器内部のはんだ付け部が剥離すると、電子機器としての機能を果たせなくなる。モバイル電子機器を落とした時の故障の主要な原因の１つが、はんだ付け部の剥離である。鉛フリーはんだ合金は、Pb−Sn系のはんだ合金に比較して、落下衝撃の面でも弱い傾向がある
特に、BGAやフリップチップ接続では、リード接続のように、リード部で衝撃を吸収できず、衝撃が直接はんだ接続部に加わるため、落下による衝撃に対してより敏感となる。また、チップの多機能化に伴い、チップの電極密度が増え、従って、電極上に形成されるはんだバンプの大きさが微小化している。このような事情から、鉛フリーはんだ合金の耐落下衝撃性の改善が急がれている。
【００１１】
特開2002−307187号公報 (特許文献1) には、質量％で、1.0〜3.5％のAg，0.1〜0.7％のCu及び0.1〜2.0%のInを含有し、場合によりさらに0.03〜0.15％のNi、0.01〜0.1％のCoおよび0.01〜0.1％のFeの1種もしくは2種以上を含有し、残部実質的にSn及び不可避的不純物からなる鉛フリーはんだ合金が、耐ヒートサイクル性に強いことが記載されている。実施例で検証しているはんだ合金は全て3.0％のAgを含有している。耐落下衝撃性については記載がない。
【００１２】
特開2002−239780号公報 (特許文献2) には、質量％でAg：1.0〜2.0％、Cu：0.3〜1.5％を含み、場合によりさらにSb：0.005〜1.5％、Zn：0.05〜1％、Ni：0.05〜1％、およびFe：0.005〜0.5％の1種もしくは2種以上を合計1.5％以下の量で含み、残部：Snおよび不純物からなる無鉛はんだ合金が接合信頼性および耐落下衝撃性に優れていることが開示されている。
【００１３】
特開2005−46882号公報 (特許文献3) には、質量％で0.1〜5％のCu、0.1〜10％のIn、合計で0.002〜0.05％のFe、Ni、Coから選ばれる一種以上の元素、ならびに場合により0.1〜1.5％のAgを含有し、残部Sn及び不可避的不純物からなるはんだ合金が、落下衝撃による接合部破断に対する信頼性を改善することが記載されている。実施例で検証しているはんだ合金は全て1％以上のInを含有する。
【００１４】
特許文献1に記載の、例えば、Sn−3.0％Ag−0.5％Cu−0.5％In−0.05％Niのはんだ合金は、落下衝撃に対しては脆弱である。特許文献2に記載のSn−Ag−Cu系鉛フリーはんだ合金は、微細なはんだバンプの形態で使用した場合には、耐落下衝撃性が不足している。
【００１５】
特許文献3に記載のSn−(A)g−Cu−In−Ni/Coはんだ合金は、Inを多量に含有するため、はんだ黄変の問題を伴う。基板またはチップ上に形成された微細なはんだバンプの品質検査は、画像認識で行われるのが一般的である。品質検査前に、バーンインと呼ばれる熱処理を加えることがある。はんだ黄変は画像認識による品質検査を妨げ、認識エラーの原因となることがある。はんだバンプの品質検査に誤差があると、はんだ付けの信頼性が著しく損なわれる。また、Ｉｎは酸化され易いため、多量のＩｎを含有するはんだ合金は、はんだバンプ形成時またははんだ付け時の加熱に伴う酸化量が増大し、はんだバンプまたははんだ接合部にボイドが多く発生し、耐落下衝撃性に悪影響を及ぼす。
発明の開示
［００１６］
本発明の目的は、はんだ付け性が良好で、かつ微小なはんだ付け部の形態でも耐落下衝撃性の良い鉛フリーはんだ合金を提供することにある。
本発明の別の目的は、はんだ付け時に黄変が起こらず、はんだ付け後の接合部のボイド発生が抑制された鉛フリーはんだ合金を提供することである。
［００１７］
本発明者らは、Ｉｎ，Ｎｉ，ＣｏおよびＰｔから選ばれた１種以上を添加したＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系鉛フリーはんだ合金が、はんだ付け性に優れている上、耐落下衝撃性の改善、ならびにはんだの黄変およびボイド発生の抑制に効果があることを見いだした。
【００１８】
本発明は、質量％で、(1) Ag: 0.8〜2.0％、(2) Cu: 0.05〜0.3％、ならびに (3) In: 0.01％以上、0.1％未満、Ni: 0.01〜0.04％、およびPt: 0.01〜0.1％から選ばれた1種もしくは2種以上、残部Snおよび不純物からなる鉛フリーはんだ合金である。
［００１９］
本発明の好ましい鉛フリーはんだ合金は、上記の範囲内の量のＮｉおよびＩｎを含有する。好ましくは、Ａｇ含有量は０．８〜１．２％、Ｃｕ含有量は０．０５〜０．２％、Ｎｉ含有量は０．０１〜０．０３％、Ｉｎ含有量は０．０１〜０．０８％、Ｐｔ含有量は０．０１〜０．０５％である。
［００２０］
本発明の鉛フリーはんだ合金は、微小はんだバンプによるはんだ付けに使用した場合であっても、良好なはんだ付け性と改善された耐落下衝撃性を示す。また、Ｉｎを含有する場合でも、その含有量が少ないため、はんだ合金の製造・加工時の加熱やはんだバンプ形成時もしくははんだ付け時の加熱によるはんだ合金の黄変が防止され、かつはんだバンプもしくははんだ接合部のボイド発生が抑制される。
［００２１］
従って、本発明の鉛フリーはんだ合金は、電極上に形成されるはんだバンプがますます微細化しているＢＧＡ，ＣＳＰなどのパッケージのプリント配線板への実装に適しているのみならず、さらに小さいはんだバンプ径が望まれるチップ電極上に形成されるはんだバンプの形成にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
［００２２］
［図１］実施例２のはんだ合金から作製されたはんだバンプの熱時効後の接合界面に形成された合金層表面を上からみた電子顕微鏡写真である。
［図２］比較例４のはんだ合金から作製されたはんだバンプの熱時効後の接合界面に形成された合金層表面を上からみた電子顕微鏡写真である。
発明を実施するための最良の形態
［００２３］
以下の説明において、はんだ合金の組成に関する％は質量％を意味する。
前記特許文献１に記載されているように、Ｓｎ主成分の鉛フリーはんだ合金において、Ａｇは耐ヒートサイクル性に効果がある。しかし、多量のＡｇの添加は耐落下衝撃性を低下させる。
［００２４］
本発明の鉛フリーはんだ合金におけるＡｇ含有量は０．８〜２．０％である。Ａｇ含有量が０．８％より少ないと、耐ヒートサイクル性が低下する。一方、Ａｇ含有量が２．０％を超えると、耐落下衝撃性改善効果があるＮｉ、Ｉｎ、及び／又はＰｔを添加しても、はんだ合金の耐落下衝撃性が低下する。好ましいＡｇ含有量は０．８〜１．２％であり、より好ましくは０．９〜１．１％であり、最も好ましくは約１．０％である。
［００２５］
本発明の鉛フリーはんだ合金は０．０５〜０．３％のＣｕを含有する。ＣｕはＳｎ主体の鉛フリーはんだ合金の濡れ性、従って、はんだ付け性を改善する効果がある。Ｃｕ含有量が０．０５％より少ないと、はんだ合金の融点が上昇し、濡れ性が悪くなる。Ｃｕ含有量が０．３％より多いと、はんだバンプの形成時やはんだ付け時の加熱中にボイドが発生し易くなり、耐落下衝撃性が低下する。好ましいＣｕ含有量は０．０５〜０．２％である。
［００２６］
本発明の鉛フリーはんだ合金は、上記の量のＡｇ，Ｃｕに加えて、Ｉｎ：０．０１％以上、０．１％未満、Ｎｉ：０．０１〜０．０４％、およびＰｔ：０．０１〜０．１％から選ばれた１種もしくは２種以上の合金元素を含有する。これらの元素はいずれも少量の添加で、鉛フリーはんだ合金の耐落下衝撃性、特に熱時効後の耐落下衝撃性を著しく改善する効果がある。この効果は、中でも、ＮｉおよびＩｎを添加した時により高くなる。従って、好ましくは少なくともＮｉおよびＩｎを添加する。
［００２７］
はんだ合金の熱時効後の耐落下衝撃性は実使用において望ましい性質である。すなわち、電子機器、中でも携帯電話、ノートパソコンなどのモバイル電子機器では、基板上に形成される電極や配線も微細になり、抵抗が高くなるため、発熱量が多く、使用中に半導体チップの周辺温度が１００℃前後に達すると言われている。そのため、はんだ合金の熱時効後の特性を評価する必要がある。はんだ合金が熱時効後も良好な特性を保持していないと、それを用いたはんだ付け部を有す機器の耐久性、従って実用性が乏しくなる。
［００２８］
Ｉｎは、熱時効後の耐落下衝撃性の改善に対して０．０１％以上の微量添加で非常に効果があることが判明した。しかし、Ｉｎは酸化しやすい金属であり、はんだ合金の酸化を助長する。特にＩｎ含有量が０．１％以上になると、はんだバンプもしくははんだ接合部のボイド発生が起こり易くなる。また、多量のＩｎの添加は、はんだ合金の黄変（これは画像認識によるはんだバンプの品質検査におけるエラーの原因となる）を引き起す。従って、本発明では、Ｉｎ含有量は０．０１％以上、０．１％未満とする。Ｉｎ含有量は好ましくは０．０１〜０．０８％である。
［００２９］
Ｎｉは、特にはんだ付けされる表面がＣｕで被覆されている場合に、熱時効中の接合界面（はんだ／母材界面）における合金層（はんだ合金と下地金属との金属元素間の相互拡散により生成した金属間化合物の結晶粒からなる）の成長に抑制に効果がある。接合界面における合金層の成長と、合金層を構成する結晶粒の粗大化は、接合強度の低下に繋がり、耐落下衝撃性も低下させる。Ｎｉの上記効果はＮｉ含有量が０．０１％以上で顕著となる。Ｎｉ含有量が０．０４％を超えても、更なる改善は認められないばかりでなく、はんだ合金の液相線温度が高くなってはんだ付け温度が高くなる。従って、Ｎｉ含有量は０．０１〜０．０４％であり、好ましくは０．０１〜０．０３％である。
［００３０］
（削除）
［００３１］
Ｐｔも０．０１％より少ない含有量では上記効果が顕著には得られない。Ｐｔは高価であるので、０．１％を超える含有は経済的に不利である。好ましいＰｔ含有量は０．０１〜０．０５％である。
本発明の鉛フリーはんだ合金は、上記成分に加えて、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ｐから選ばれた１種または２種以上元素をさらに含有しうる。これらの元素は合金の機械的強度向上に効果があるが、合計で０．０１％よりも少ないとその効果は顕著には現れない。一方、それらの量が合計で０．１％を超えると、合金の液相線温度が高くなりすぎたり、逆に固相線温度が低くなりすぎたりして、はんだ付け温度の制御が困難となる。従って、これらの元素を添加する場合、その合計量が０．０１〜０．１％となるようにする。
［００３２］
本発明の鉛フリーはんだ合金の残部は本質的にＳｎおよび不純物である。上記組成を有するはんだ合金のはんだ付け温度は通常は２３５〜２５０℃の範囲内となろう。
本発明の鉛フリーはんだ合金は耐落下衝撃性に優れているため、半導体パッケージの基板、ならびにパッケージに搭載されるか又は裸で実装されるチップに、はんだバンプを形成するのに特に適している。はんだバンプの形成は、常法に従って、ソルダーペーストまたははんだボールを使用して実施することができる。はんだボールの場合、ボールの直径は０．０５〜０．８ｍｍの範囲内とすることができる。
［００３３］
本発明の鉛フリーはんだ合金をはんだバンプ形成またははんだ付けのためにリフロー炉などで加熱する場合、加熱は合金の酸化を防止するために窒素雰囲気中で行ってもよいが、コスト面で有利な大気雰囲気での加熱でも十分な耐落下衝撃性を確保することができる。
実施例
［００３４］
表１の組成のはんだ合金から直径０．３ｍｍのはんだボールを作製した。表１に比較例として示すはんだ合金のうち、比較例１および２はそれぞれ特許文献１および２３に記載された代表的組成を有するはんだ合金を例示する。比較例３および５は特許文献３に記載されたはんだ合金を例示する。
［００３５］
これらのはんだボールを使用して、次に述べる方法により、熱時効前後の耐落下衝撃性、熱時効後の合金層厚さ、加熱による黄変、およびボイド発生について調査した。それらの結果も表１に合わせて示す。各試験におけるリフロー炉または恒温槽での加熱はいずれも大気雰囲気で実施した。
［００３６］
［耐落下衝撃性］
(1) 192個の電極 (表面は銅めっき) を有する大きさ12×12 mmのCSPの電極上にフラックスを印刷により塗布し、試験する直径0.3 mmのはんだボールを各電極上に載置する。
【００３７】
(2) はんだボールが載置されたCSP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。加熱条件は、220℃以上が40秒、ピーク温度245℃である。
(3) はんだバンプが形成されたCSPを、30×120（mm）のガラスエポキシ型プリント配線板の中央に搭載し、リフロー炉で加熱してCSPをプリント配線板にはんだ付けする。加熱条件は上記と同様である。
【００３８】
(4) CSPがはんだ付けされたプリント配線板を、はんだ付けに室温で5日間放置したもの (熱時効前試験)と、125℃の恒温槽で100時間加熱したもの (熱時効後試験) について、落下試験に供するために、落下用治具に固定する。プリント配線板は、治具と1 cmの間隔をあけて、その両端を治具に固定する。熱時効後のはんだ付け部についても試験するのは、前述したように、モバイル機器の動作環境下では内部が100℃前後の高温になることがあるためである。
【００３９】
(5) 落下用治具を450 mmの高さから落下させてプリント配線板に衝撃を与える。このとき、両端を治具に固定されたプリント配線板は、中央部が振動するため、プリント配線板とCSPとの間のはんだ付け部は、この振動による衝撃を受ける。落下後のはんだ付けの亀裂の有無を電気的導通により確認する。CSPのはんだ付け部に亀裂が発生するまで落下試験を繰り返し、亀裂発生が生じるまでの落下回数で耐落下衝撃性を評価する。
【００４０】
［熱時効後の合金層厚さ］
(1) Cuめっきされた192個の電極を有する、大きさ12×12 mmのCSPの電極上にフラックスを印刷により塗布し、直径0.3 mmのはんだボールを各電極上に載置する。
【００４１】
(2) はんだボールが載置されたCSPを、230℃以上が20秒、ピーク温度240℃が5秒となる加熱条件でリフロー炉により加熱して、電極上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を、150℃の恒温槽に100時間放置して熱時効処理する。この熱時効処理により、はんだ／CSPの界面には、はんだバンプ中の金属成分とCSPの表面Cuめっきとの間の相互拡散により合金層が生成する。
【００４２】
(4)熱時効処理したCSPを樹脂中に埋め、はんだバンプを通る基板厚さ方向の断面を研磨して、観察サンプルを得る。
(5) 研磨断面のはんだバンプとCSPの接合界面を走査式電子顕微鏡で観察して、接合界面に生成した合金層の厚さを30点測定し、30点の平均値で評価する。
【００４３】
図1および2に、それぞれ実施例2および比較例4のはんだ合金から作製したはんだバンプの接合界面における合金層を上から観察した時の電子顕微鏡写真を示す。観察サンプルは、はんだバンプ形成後のCSPをケミカルエッチング処理してはんだを除去し、その下に生成している合金層が現れるようにすることにより作製した。こうして現れた合金層の表面を電子顕微鏡で観察した。
【００４４】
［黄変］
(1) 上記と同様にしてCSPに直径0.3 mmのはんだボールを載置する。
(2) CSPに載置されたはんだボールを、合金層厚さの試験と同様の条件下にリフロー炉で溶融してはんだバンプを形成する。
【００４５】
(3) はんだバンプが形成されたCSPを、バーンインを模すために125℃の恒温槽に100時間放置した後、目視にて黄変状態を観察する。黄変が殆ど生じないものを黄変無し、黄変が顕著なものを黄変有りとする。
【００４６】
［ボイド発生］
(1) 上記と同様にしてCSPに直径0.3 mmのはんだボールを載置する。
(2) CSPに載置されたはんだボールを、上記と同様にリフロー炉で溶融してはんだバンプを形成する。
【００４７】
(3) はんだバンプが形成されたCSPをX線透過装置で観察し、直径約30μm以上のボイドが発生しているバンプ数をカウントする。
(4) ボイド発生バンプ数を観察したバンプ数で除してボイド発生率を求める。ボイド発生率が10％以下のものを良好と判断する。
【００４８】
【表１】
0004428448.tif 000002
【００４９】
表1から分かるように、比較例の鉛フリーはんだ合金は一般に耐落下衝撃性に劣っており、特に熱時効処理後がそうであった。比較例3のはんだ合金は、熱時効処理前は良好な耐落下衝撃性を示したが、熱時効処理後は耐落下衝撃性が本発明のはんだ合金より大きく劣るようになった。その大きな原因が、熱時効後の合金層の厚さが本発明のはんだ合金に比べて大きいためであると考えられる。さらに、比較例の全てのはんだ合金はボイド発生率が10％を大きく超えた。また、In含有量が特に多い比較例5のはんだ合金は、熱時効後に変色が見られた。
【００５０】
これに対し、本発明の鉛フリーはんだ合金は、耐落下衝撃試験において、熱時効処理前と熱時効処理後のいずれも良好な耐落下衝撃性を示した。これは、熱時効後の合金層の厚さが小さいためであると考えられる。さらに、ボイドの発生率も少ないばかりでなく、変色もしなかった。従って、本発明の鉛フリーはんだ合金は、微小はんだ付け部のバンプ形成に適したものである。
【００５１】
図1（実施例2）と図2（比較例4）とを比べるとわかるように、本発明に係るはんだ合金（図1）の場合、合金層を構成する金属間化合物の結晶粒がとても微細である。このことも、本発明のはんだ合金では接合界面での合金層生成による耐落下衝撃性の低下が抑制されていることに寄与していると考えられる。
【図１】
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【図２】
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