(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、はんだ付け時の変色に起因したはんだバンプの欠損判定、高さ測定、ならびに目視検査での不良の問題を解決するはんだボールおよびそれを用いたはんだバンプを提供することである。【解決手段】  本発明は、質量で０．５〜４．０％のＡｇと、０〜１．０％のＣｕと、０．２〜３ｐｐｍのＣｒと、残部Ｓｎ及び不可避的不純物からなるはんだボールである。好ましくは、表面にＣｒが濃化していることが好ましい。  また、本発明のはんだボールから形成されるはんだバンプにおいて、表面にＣｒが濃化されることが好ましい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量で０．５〜４．０％のＡｇと、０〜１．０％のＣｕと、０．２〜３ｐｐｍのＣｒと、残部Ｓｎ及び不可避的不純物からなることを特徴とするはんだボール。
【請求項２】
表面にＣｒが濃化していることを特徴とする請求項１に記載のはんだボール。
【請求項３】
請求項１または２に記載されるはんだボールにより形成されるはんだバンプにおいて、表面にＣｒが濃化していることを特徴とするはんだバンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品等のはんだ付けに使用されるはんだボールおよびそれを用いたはんだバンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話などのモバイル機器における実装面積の減少とＩ／Ｏ端子の多ピン化に伴って、半導体パッケージも小型化、高集積化の傾向にある。これにより、半導体パッケージをマザーボードに接続する実装形態も、従来のリードを用いた周辺端子型から、半導体パッケージの底面に格子状に電極端子を形成したタイプへと変遷している。その代表的なものがＢＧＡ（Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）である。ＢＧＡの電極は、球状に成形されたはんだ、つまりはんだボールを用いてマザーボードの電極へと接続される。
【０００３】
はんだボールによる接続は次の手順で行われる。まず、半導体パッケージ上に並ぶ複数の電極上にはんだボールを搭載した後、はんだの融点以上の温度まで加熱してはんだを溶かし、はんだバンプと称されるはんだの突起を電極上に形成する。
次に、マザーボードの電極の位置と、先に半導体パッケージ側に形成したはんだバンプの位置が重なるように半導体パッケージをマザーボードに搭載した後、はんだの融点以上の温度まで再度加熱することで、半導体パッケージの電極とマザーボードの電極とを接合する。
【０００４】
半導体パッケージの電極とマザーボードの電極がはんだバンプによって接合する際、はんだボールの搭載不良やはんだ濡れ不良によって半導体パッケージの電極にはんだバンプが形成されず欠損していた場合、不良品として扱うために欠損率の管理は重要である。
また、はんだバンプが欠損していなくても、バンプの高さが電極ごとに大きく異なる場合、高さの低いバンプはマザーボードの電極と接することができないため接合されない。このため、半導体パッケージの電極上にはんだバンプが形成された時点で、ＣＣＤカメラなどからなる画像認識装置によりはんだバンプの欠損を確認したり、レーザー測長計によりはんだバンプの高さばらつきを測定したりする検査が行われ、はんだバンプが全ての電極に形成されており、かつその高さバラつきが許容範囲にあるもののみがマザーボードに搭載される。
【０００５】
接合に用いられる代表的なはんだ合金としては、特許文献１や特許文献２に開示されているような、Ｓｎを主体とし、ＡｇやＣｕが添加された合金が挙げられる。これらの合金は融点が２２０〜２２５℃程度であり、一般的なはんだ付け温度はそれよりも１５〜２０℃高い２４０℃である。これらの温度は、Ｓｎ単体の場合と比較して５〜１０℃程度低いため、半導体パッケージやマザーボードに使用されている樹脂材料の熱損傷による劣化を低減できるといった利点を有する。
【特許文献１】特許第３０２７４４１号
【特許文献２】特開２００２−２３９７８０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このように、Ｓｎを主体とし、ＡｇやＣｕが添加されたはんだ合金は、はんだ付け時の半導体パッケージやマザーボードの熱損傷を低減することが可能である。
しかしながら、本発明者がＳｎを主体とし、ＡｇやＣｕが添加されたはんだ合金からなるはんだボールについて検討した結果、半導体パッケージの電極上にはんだバンプを形成した時点で黄色く変色（以下、黄化という。）しており、良好な金属光沢がなくなってしまうという問題が発生した。
この黄化したはんだバンプでは、画像処理装置における照射光、レーザー測長計におけるレーザー光の反射に乱れが生じる。このため、欠損判定やバンプ高さ測定ができないという問題が発生しており、特にはんだ付け時の雰囲気中酸素濃度が高い場合にこの問題は顕著になった。
また、黄化したはんだバンプが、欠損判定やバンプ高さ測定を何とか合格することができた場合でも、金属光沢を有さないため見た目が悪いため、その後の目視検査で不良と判断される不具合が発生した。結果として、半導体パッケージの生産性と歩留まりが大幅に低下した。
【０００７】
本発明の目的は、Ｓｎを主体とし、ＡｇやＣｕが添加されたはんだ合金において、はんだ付け時の変色に起因したはんだバンプの欠損判定、高さ測定、ならびに目視検査での不良の問題を解決するはんだボールおよびそれを用いたはんだバンプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、Ｓｎを主体とし、ＡｇやＣｕが添加されたはんだ合金からなるはんだボールにおけるはんだ付け時の変色は、Ｓｎの酸化によるものであり、厳密に制御されたわずかな量のＣｒを添加することで、はんだ付け性を損ねることなく変色の発生を大幅に抑制できることを見出し、本発明に到達した。
【０００９】
すなわち本発明は、質量で０．５〜４．０％のＡｇと、０〜１．０％のＣｕと、０．２〜３ｐｐｍのＣｒと、残部Ｓｎ及び不可避的不純物からなるはんだボールである。
また、本発明のはんだボールは、表面にＣｒが濃化していることが好ましい。
また、本発明のはんだボールから形成されるはんだバンプにおいて、表面にＣｒが濃化されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によって、Ｓｎを主体とし、ＡｇやＣｕが添加されたはんだ合金からなるはんだボールにおいて、はんだ付け性を損ねることなく、はんだ付け時の変色に起因する、はんだバンプの欠損判定、高さ測定、ならびに目視検査での不良の問題が飛躍的に改善される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
上述のように本発明の重要な特徴は、Ｓｎを主体とし、ＡｇやＣｕが添加されたはんだ合金からなるはんだボールに、厳密に制御したわずかな量のＣｒを添加したことにある。
【００１２】
Ｓｎを主体とし、ＡｇやＣｕが添加されたはんだ合金からなるはんだボールの場合、最も酸化されやすい元素はＳｎであり、はんだ付け時に雰囲気中の酸素と反応してはんだバンプ表面に酸化皮膜を形成する。はんだバンプの色は表面酸化皮膜の厚さによって変化し、厚みが増すにつれて金属光沢のある銀白色から光沢のない黄色へと変化する。つまり、はんだ付けによるはんだバンプの黄化は、はんだ中のＳｎと酸素とが反応した結果、酸化皮膜が厚くなることで発生する。
【００１３】
一方、前記はんだ合金にＣｒを添加した場合、ＣｒはＳｎよりも酸化されやすい元素であるため、はんだ中のＣｒは優先的に酸素と反応し、Ｃｒが濃化したＳｎ酸化皮膜が形成される。このＣｒ濃度が高いＳｎ酸化皮膜は熱的に安定であり、加熱してもその厚みはほとんど変化しない。このため、Ｃｒが添加されたはんだ合金からなるはんだボールによって形成されたはんだバンプは、はんだ付け後もはんだボールとほぼ同様な金属光沢のある銀白色を得ることが可能である。銀白色のはんだバンプは、はんだバンプの欠損判定や高さ測定で不具合が発生する頻度が大幅に低減されるとともに、目視検査においても外観上問題にならない。このようにして、はんだ付け時の変色に起因する半導体パッケージの生産性と歩留まりの問題が飛躍的に改善される。
【００１４】
Ｃｒの添加量を０．２〜３ｐｐｍとするのは以下の理由である。添加量が０．２ｐｐｍに満たない場合、Ｓｎ酸化皮膜を熱的に安定化するにはＣｒが不足しており、はんだ付け時の加熱によって酸化皮膜は成長し黄化が進行してしまう。
添加量が０．２ｐｐｍ以上になると、Ｓｎ酸化皮膜を熱的に安定化するには十分に濃化できる量であり、黄化の進行が抑制される。
一方、Ｃｒはわずかな量であってもＳｎの融点を著しく上昇させる元素であるため、必要量以上に添加するとはんだ合金の融点が上昇し、はんだ付け温度も高くしなければならない。はんだ付け温度が高くなると、結果として半導体パッケージやマザーボードに使用されている樹脂材料の熱損傷による劣化を誘発する恐れがある。本発明者は、Ｃｒの添加量が３ｐｐｍまでは、はんだ付け温度として一般的な２４０℃でのはんだ付けが可能であることを確認している。
【００１５】
Ａｇの含有量を０．５〜４．０％とする理由は、ＡｇをＳｎに添加することでＳｎの融点が下がるため、はんだ付け温度を低くすることができるためである。これにより、半導体パッケージやマザーボードに使用されている樹脂材料の熱損傷による劣化を低減することができる。
ただし、４．０％を超えるＡｇの添加はかえって融点の上昇を招き、はんだ付け温度を高める必要があるため、熱損傷を引き起こしてしまう。
【００１６】
Ｃｕの含有量を０〜１．０％とする理由は、Ａｇを添加した場合と同様に、ＣｕをＳｎに添加することでＳｎの融点が下がるため、はんだ付け温度を低くすることができるためである。但し、はんだ付け温度を低くする必要がない場合は、Ｃｕの含有量を０としてもよい。
ただし、１．０％を超えるＣｕの添加は、かえって融点の上昇を招き、はんだ付け温度を高める必要があるため、熱損傷を増大してしまう。
【実施例１】
【００１７】
純度９９．９％以上のＳｎにＡｇ、ＣｕおよびＣｒを添加した合金を作製した後、直径約０．４ｍｍのはんだボールに成形した。評価したはんだボールの合金組成を表１に示す。はんだボールへの成形には均一液滴噴霧法を用いた。均一液滴噴霧法とは、るつぼ内ではんだ合金を溶解し、溶融はんだをるつぼから排出することにより微小球を製造する方法であり、排出する際に溶融はんだに振動を付与することで、排出された溶融金属を体積の均一な微小球とする方法である。尚、該成形方法における雰囲気は窒素中で行なった。
また、Ｃｒの添加量はごくわずかであることから、はんだボールのＣｒ含有量の測定はＶＧエレメンタル社のＶＧ９０００を用いたＧＤ−ＭＳ分析により行った。Ｃｒの分析に使用した同位体はＣｒ（５２）であり、検出下限値は０．００１ｐｐｍである。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
作製したはんだボールの黄色度を測定し、金属光沢の度合いを評価した。
測定は色彩計により行い、１５ｍｍ角のトレイにはんだボールが互いに重ならないように一様に並べた後、白色光を当てて、ＪＩＳ  Ｚ  ８７２９  で規定するＬ＊ａ＊ｂ＊表色系における黄色度ｂ＊を求めた。
次に、はんだ付け時の黄化度合いを評価するため、はんだボールを２３０℃で３０ｓまたは６０ｓ加熱する変色試験を実施し、黄色度ｂ＊を測定した。Ｓｎを主体とし、ＡｇやＣｕを含むはんだ合金をはんだ付けする場合、通常窒素雰囲気中で行われるが、今回、表面酸化による黄化がより進行しやすい過酷な条件として、大気中で加熱した。
【００２０】
黄色度の測定結果を表２に、６０ｓ後の黄色度をＣｒ添加量の関数としてグラフにしたものを図１に示す。表２および図１が示すように、本発明におけるＣｒが０．２ｐｐｍ以上添加されたはんだ合金からなるはんだボールは、添加量が０．２ｐｐｍ未満のはんだボールと比較して、大気中加熱という非常に酸化しやすい環境にあっても加熱後の黄色度が１０未満であり、黄化の進行が大幅に抑制されていることがわかる。このように、厳密に制御されたわずかな量のＣｒを添加することで金属光沢が加熱後も維持されることにより、半導体パッケージの生産性や歩留まりを飛躍的に改善できる。
【００２１】
【表２】
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【実施例２】
【００２２】
黄化の抑制におけるＣｒ添加の効果を明らかにするため、表１に示した合金組成からなるはんだボールをはんだバンプを想定して、２４０℃で５ｍｉｎ加熱したのち、ＥＰＭＡを用いてはんだボール表面近傍のＣｒ濃度を測定した。ここでの加熱雰囲気は、通常のはんだ付け時と同じ窒素（純度９９．９９％、残部は主に酸素）とした。なお、ＥＰＭＡ表面分析におけるＣｒの検出限界は５０質量ｐｐｍである。
表３に、加熱前後におけるはんだボールの表面Ｃｒ濃度を示す。表３より、本発明の黄化しないはんだボールは、加熱により表面Ｃｒ濃度が大幅に上昇しており、表１に示したはんだに添加したＣｒ量と比較して１０倍以上と２桁高い。つまり、はんだ中のＣｒが窒素雰囲気中のごくわずかな酸素と積極的に反応し、はんだボールの表面に濃化し、黄化を抑制していることがわかる。
また、はんだ中のＡｇ量が少ないほど、言い換えれば母材となるＳｎの割合が高いほどＳｎが酸化しやすいが、Ｃｒを添加した場合は、かえってＣｒの酸化が促進され、表面への濃化が顕著であることが確認できた。
【００２３】
【表３】
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【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】はんだボールの黄色度ｂ＊とＣｒ添加量の関係を示す。
【図１】
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