(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｚｎ６．０〜８．０質量％、Ａｌ０．０１〜０．５０質量％及びＩｎ６．０〜１１．０質量％を含有し、残部がＳｎ及び不可避不純物からなることを特徴とするはんだ合金。
【請求項２】
Ｂｉ２２．０〜４２．０質量％及びＡｌ０．０１〜０．５０質量％を含有し、残部がＳｎ及び不可避不純物からなることを特徴とするはんだ合金。
【請求項３】
Ｎｉ，Ｃｕ，Ａｇから選ばれる１種または２種以上を、Ｎｉが０．０１〜３．０質量％、Ｃｕが０．０１〜１．０質量％、Ａｇが０．０１〜５．０質量％の範囲で含有することを特徴とする請求項１又は２に記載のはんだ合金。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載のはんだ合金にて構成されたことを特徴とするはんだボール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明ははんだ合金の組成およびＢＧＡ等に使用されるはんだボールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、集積回路チップや集積回路基板などの電子部品の接合用には、ほとんどの場合においてＳｎ−Ｐｂ系はんだ合金が用いられてきたが、環境保護の観点からＰｂを含有したはんだは次第に敬遠されており、近い将来、有鉛はんだの使用を全廃しようとの動きもある。これを受けて近年、Ｐｂを使用しない無鉛はんだの開発が精力的に進められている。無鉛はんだは、例えばＳｎ−Ｐｂ系はんだの代替となるものであるから、電気的特性を始め、はんだ付け性（被接合体表面とのぬれ性）あるいは接合強度において著しく劣るものであってはならない。これら無鉛はんだの具体例として、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ及びＳｎ−Ｚｎ系はんだ等が代用組成として考案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の無鉛はんだは、はんだ付け性や接合強度あるいは耐酸化性に劣り、これらを改善しようとしてＡｇやＣｕ等の含有量を増やすと液相線温度が高くなり、はんだリフロー条件等の変更を余儀なくされるという問題があった。
【０００４】
本発明の課題は、Ｐｂを添加しなくても、液相線温度がＳｎ−Ｐｂ共晶系はんだ合金に近い１７０〜２０５℃程度とでき、さらに従来の無鉛はんだよりも強度あるいは耐酸化性が改善されたはんだ合金を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記課題を解決するために、本発明のはんだ合金の構成は、Ｓｎを主成分とし、Ｚｎ５．０〜１０．０質量％及びＡｌ０．０１〜０．５０質量％を含有することを前提とする。なお、本明細書において、「主成分」（「主体」あるいは「主に」等も同義）とは、着目している物質において、含有率（質量％、以下の説明では重量％ともいう）のもっとも高い成分を意味する。
【０００６】
上記のような組成を採用することで、Ｓｎを主体としつつＰｂの含有量を大幅に削減しても、はんだ合金の液相線温度をより低温でのはんだ付けに好適なものに設定できる。これにより、例えば従来のＳｎ−Ｐｂ共晶系はんだと同様の接合処理温度が採用できるようになる。液相線温度は具体的には１７０〜２０５℃の範囲に調整する。また、Ａｌを上記のように微量添加することにより、はんだ合金の接合強度を向上させることができる。
【０００７】
上記本発明の前提構成となるはんだ合金において、Ｚｎの含有量が１０．０重量％を超えると、はんだ合金の液相線温度と固相線温度との差が大きくなり、偏析や、凝固時の固液共存時間が長くなることによる接続欠陥等が生じ易くなる。また、Ｚｎの含有量が多くなりすぎると、はんだの表面の酸化が激しくなり、ぬれ性が著しく劣化するという問題もある。一方、Ｚｎの含有量が５．０重量％未満になると、Ｚｎを含有することによる液相線温度低下の効果が少なくなる。それ故、Ｚｎの含有量は５．０〜１０．０重量％の範囲で設定するのが良く、より望ましくは７．０〜９．５重量％の範囲で調整するのが良い。
【０００８】
上記本発明の前提構成となるはんだ合金において、Ａｌの含有量が０．０１重量％未満になると強度向上効果が不充分となる。一方、０．５０重量％を超えてＡｌを含有させても、それ以上の強度向上効果が見込めなくなるばかりでなく、Ａｌの含有量が過剰となってはんだの流動性に悪影響を及ぼすこともある。それ故、Ａｌの含有量は０．０１〜０．５０重量％の範囲で設定するのが良く、より望ましくは０．０３〜０．２０重量％の範囲で設定するのが良い。
【０００９】
Ａｌ添加によるはんだの強度向上効果は、はんだ合金中に分散形成されている層状の組織（いわゆるラメラ構造）が微細化すること及び析出物の形成と関係していると考えられる。Ａｌの添加はラメラ間隔を細かくする効果を有するとともに、添加されたＡｌは析出物を形成する。ラメラ間隔が細かくなる効果及び析出物形成による強化の効果によって、強度が向上すると推測される。そして、Ａｌの含有量が０．０１重量％未満になるとラメラ間隔の微細化と析出物の形成が十分でなくなるため、強度向上効果が不充分となるものと推測される。なお、ラメラの形成間隔は５μｍ以下になっているのが良い。ラメラの形成間隔が５μｍを超えると、強度向上効果が不十分となる場合がある。他方、ラメラの形成間隔の下限値に特に制限はないが、一般的なはんだリフロー工程におけるリフロー後の冷却速度を考慮すれば、ラメラの形成間隔が１μｍ未満となることはほとんどない。
【００１０】
上記前提構成に対して、本発明のはんだ合金の第一の構成は、Ｚｎ６．０〜８．０質量％、Ａｌ０．０１〜０．５０質量％及びＩｎ６．０〜１１．０質量％を含有し、残部がＳｎ及び不可避不純物からなることを特徴とする。
【００１１】
上記のような組成範囲のＩｎを含有させることにより、はんだのぬれ性及び耐酸化性を向上させることができる。そして、これを前提として、はんだ合金の液相線温度を適度に低下させるため、Ｚｎの含有量は６．０〜８．０重量％に設定する。これにより、例えば従来のＳｎ−Ｐｂ共晶系はんだと同様の接合処理温度が採用できるようになる。
【００１２】
Ｉｎの含有量が６．０重量％未満になると、はんだのぬれ性及び耐酸化性が低下し、はんだ付け性が不充分となる場合がある。一方、Ｉｎの含有量が１１．０重量％を超えると、合金の例えば液相線温度が低くなり過ぎて、Ｓｎ−Ｐｂ共晶系はんだ合金と同様の接合処理温度が採用できなくなる。それ故、Ｉｎの含有量は６．０〜１１．０重量％の範囲で設定するのが良い。
【００１３】
次に、本発明のはんだ合金の第二の構成は、Ｂｉ２２．０〜４２．０質量％及びＡｌ０．０１〜０．５０質量％を含有し、残部がＳｎ及び不可避不純物からなることを特徴とする。
【００１４】
上記のような組成を採用することで、第一の構成と同様に、Ｓｎを主体としつつＰｂの含有量を大幅に削減しても、はんだ合金の液相線温度をより低温でのはんだ付けに好適なものに設定できる。これにより、例えば従来のＳｎ−Ｐｂ共晶系はんだと同様の接合処理温度が採用できるようになる。液相線温度は具体的には１７０〜２０５℃の範囲に調整する。また、Ａｌを上記のように微量添加することにより、はんだ合金の接合強度を向上させることができる。
【００１５】
上記本発明のはんだ合金の第二の構成において、Ｂｉの含有量が２２．０重量％未満になると、合金の例えば液相線温度が高くなり、はんだ付けには不適となる。一方、Ｂｉの含有量が４２．０重量％を超えると、液相線温度が低くなりすぎて、Ｓｎ−Ｐｂ共晶系はんだ合金と同様の接合処理温度が採用できなくなる。さらにＢｉが含有されすぎると、接合強度が低くなるといった問題もある。それ故、Ｂｉの含有量は２２．０〜４２．０重量％の範囲で設定するのが良く、より望ましくは２５〜３６重量％の範囲で調整するのが良い。また、Ａｌの含有量の限定理由は第一の構成と同様である。
【００１６】
本発明のはんだ合金の第一及び第二の構成においては、不可避不純物を除いてＰｂは含有されていない。
【００１７】
また、上記本発明のはんだ合金には、Ｎｉ，Ｃｕ，Ａｇから選ばれる１種または２種以上を、Ｎｉが０．０１〜３．０重量％、Ｃｕが０．０１〜１．０重量％、Ａｇが０．０１〜５．０重量％の範囲にて含有させることができる。
【００１８】
上記本発明のはんだ合金に、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇを含有させることにより、そのはんだ合金のぬれ性あるいは耐酸化性を向上させることができる。各々の含有量がＮｉは３．０重量％、Ｃｕは１．０重量％、Ａｇは５．０重量％を超えると液相線温度が高くなり、はんだ付けには不適となる。他方、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇの各々の含有量が０．０１重量％未満になると、これらの成分を含有させる効果がほとんど得られない。それ故、Ｎｉ，Ｃｕ，Ａｇの含有量は、望ましくはＮｉは０．０１〜３．０重量％、Ｃｕは０．０１〜１．０重量％、Ａｇは０．０１〜５．０重量％の範囲で設定するのが良い。各々の含有量の範囲は１種のみ含有させる場合でも、２種以上含有させる場合でも同じである。
【００１９】
上記本発明のはんだ合金により、ＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）等に使用されるはんだボールを構成することができる。このようなはんだボールは、例えば遠心噴霧法によって製造することができる。そして、本発明の合金組成の採用により、真球度の高いはんだボールが製造可能となる。その理由としては、本発明のはんだ合金は耐酸化性に優れていることから、酸化による表面張力の変動が防止されることが考えられる。遠心噴霧法は、例えば高速回転する回転円盤に溶融したはんだ合金を流下、衝突させて遠心力により飛散、微粒化させる方法を例示できる。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明の効果を確かめるために、次の実験を行った。
（参考例）
Ｓｎ−９重量％Ｚｎの合金組成をベースとして、これにＡｌを各種含有比率にて添加した場合の、はんだ合金の硬さ変化について調べるために、合金原料を表１の各種組成になるように配合し、溶解することにより各種合金を作製した。次に各合金において、ビッカース硬さをＪＩＳ−Ｚ２２４４に規定されている方法により、マイクロビッカース硬度計を用いて、試験荷重５０ｇｆにて測定した。また、はんだ合金の広がり率をＪＩＳ−Ｚ３１９７に規定されている方法で測定した。以上の結果を表１に示す。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
Ａｌを添加することにより、添加しない場合と比較してはんだ合金の硬さが明らかに大きくなっていることがわかる。また、はんだ合金の硬さは、Ａｌの添加量が増加するに従い大きくなるが、Ａｌの添加量が０．５０重量％以上ではＡｌ添加量を増加させても、大幅な硬さの増加は見られないこともわかる。
【００２３】
（実施例２）
Ｓｎ−２９重量％Ｂｉの合金組成をベースとして、これにＡｌを各種含有比率にて添加した場合の、はんだ合金の硬さ変化について、実施例１と同様に調べた。結果を表２に示す。
【００２４】
【表２】
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【００２５】
Ｓｎ−Ｚｎ系はんだ合金と同様に、Ａｌを添加することによりはんだ合金の硬さが大きくなっていることがわかる。
【００２６】
（実施例３）
表３に示す各種はんだ合金を実施例１と同様に調製し、広がり率を調べた。なお、表３には示差熱分析により測定した各はんだ合金の固相線温度及び液相線温度も合わせて示している。
【００２７】
【表３】
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【００２８】
この結果によると、Ｓｎ−Ｚｎ系はんだ合金にＩｎを添加することによって、はんだ合金の広がり率が明らかに向上していることがわかる。これは、Ｉｎを本発明の組成範囲で含有することにより、はんだのぬれ性が向上するためであると考えられる。また、Ｚｎを５．０〜１０．０、Ｉｎを６．０〜１１．０の範囲で調整することにより、Ｓｎ−Ｐｂ共晶系はんだ合金と同等の液相線温度及びぬれ性を有するはんだ合金を得ることが可能であることがわかる。
【００２９】
(実施例４)
表４に示す組成にて、Ｎｉ、ＣｕあるいはＡｇを含有するはんだ合金を実施例１と同様に調製し、広がり率によるぬれ性及びはんだの液相線を測定した。表４にその結果を示す。
【００３０】
【表４】
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【００３１】
すなわち、Ｎｉ，Ｃｕ、Ａｇを１種あるいは２種以上、Ｎｉは０．０１〜３．０重量％、Ｃｕは０．０１〜１．０重量％、Ａｇは０．０１〜５．０重量％の範囲で添加することにより、液相線温度をそれほど上昇させることなく、広がり率が示すぬれ性も良好に維持できていることがわかる。
【００３２】
（実施例５）
表５に示す各種組成の合金からなるはんだボールを遠心噴霧法により作製した。具体的には、図１のような遠心噴霧装置において、高速回転する回転円盤１の中心に溶融したはんだ合金２を上方から流下し、回転円盤に衝突させて遠心力により飛散、微粒化させることによりはんだボール３を作製した。なお、具体的な遠心噴霧の条件は、円盤材質はＴｉとし、円盤の半径は１００ｍｍ、円盤の回転数は１５０００ｒｐｍとした。作製したはんだボールは、標準ふるいを用いて粒度分布を測定するとともに、粒度１００〜１０６μｍの範囲に属するボールの回収率と、粒度の標準偏差を求めた。また、粒度１００〜１０６μｍの範囲に属するボールについては、真球度（ボールの表面に外接する最小球面と、ボール表面の各点との半径方向の距離の最大値）を、公知の３次元形状測定装置を用いて測定した。結果を表５に示す。粒度分布の結果は、表に示す各粒度クラス（単位：μｍ、ただし、各クラスは下限値を含み、上限値は含まない）に属するはんだボールの重量割合（重量％）にて示している。また、真球度の判定は、真球度が３０μｍ未満なら良好（○）、３０以上であり６０μｍ未満なら可（△）、６０以上なら不可（×）としている。
【００３３】
【表５】
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【００３４】
すなわち、本発明の組成を有するはんだ合金にて構成されるはんだボールは粒度分布幅が狭く、所望の粒度（１００〜１０６μｍ）の回収率が高いと同時に、真球度も良好であることがわかる。このような回収率及び真球度の高いＢＧＡ用はんだボールが得られる理由は、はんだ合金の耐酸化性が向上したためであると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】遠心噴霧法によるはんだボールの製造方法を説明する図。
【図１】
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