JP4392020B2 - 鉛フリーはんだボール - Google Patents

Description

本発明は、表面実装部品のはんだ付けに用いるはんだボール、特にPbを含まない鉛フリーはんだボールに関する。

表面実装部品とは、プリント基板の表面に形成されたランドに直接電子部品をはんだで接合して実装するものであり、一般にはQFP、PLCC、SOP、SOJ等がある。これらの表面実装部品をプリント基板に実装する場合は、プリント基板のランドにソルダペーストを塗布し、該塗布部に表面実装部品を搭載してからリフロー炉でソルダペーストを溶融することにより、表面実装部品とプリント基板とをはんだ付けしていたものである。

上記表面実装部品は、或る程度多機能化されたものであるが、近時の電子機器の小型化、多機能化から表面実装部品もさらに小型で高機能が必要となり、現在ではBGA（Ball Grid Arrey）、CSP(Chip Size Package)、TAB(Tape Automated Bonding)、MCM(Multi Chip Module)等の多機能化された表面実装部品(以下、代表してBGAという）が多く使用されるようになってきた。

BGAをプリント基板に実装する場合は、予めBGAの電極にはんだバンプを形成しておき、該はんだバンプでプリント基板にはんだ付けを行う。ここでBGAの電極にはんだバンプを形成する方法について簡単に説明する。先ずBGAの電極に粘着性のフラックス及びソルダペーストを塗布し、該塗布部にはんだボールを搭載装置で搭載する。その後、はんだボールが搭載されたBGAをリフロー炉で加熱してはんだボールを溶融させることにより、BGAの電極にはんだバンプを形成する。このときのリフロー温度は、はんだボールの溶融温度よりも少なくとも30℃以上も高くするため、溶融したはんだボールの表面は、表面が酸化しやすくなっている。

このようにしてはんだバンプが形成されたBGAをプリント基板に実装するときは、プリント基板のランドにソルダペーストを塗布し、該塗布部にBGAのはんだバンプを合わせて搭載する。そしてBGAを再度リフロー炉で加熱し、ソルダペーストとはんだバンプを溶融させてBGAとプリント基板とをはんだ付けするものである。

従来のBGAでは、30×30mmのBGA基板に150〜250個の電極が形成されたものであり、隣接した電極間のピッチは1.0〜1.2mmであるため、該BGAに使用するはんだボールは0.76mmという比較的大きな直径のものが使用できた。しかしながら近時のBGAは電子機器のさらなる小型化にともない、より小型化されてきており、この小型化されたBGAに使用するはんだボールも小さいものとなってきている。例えば、10×10（mm）のBGAには400個の電極が形成されており、隣接した電極間のピッチが0.5mm以下という狭ピッチになっている。このような狭ピッチのBGAに使用するはんだボールは直径が0.3mm以下という非常に微小なサイズとなっている。

ところで従来、BGAに使用されていたはんだボールは、Sn-Pbはんだであった。このSn-Pbはんだは、共晶組成(63Sn-Pb)のものが、はんだ付け性に優れ、また不良も少ないことから多く使用されてきたものである。しかしながら鉛を含むはんだボールを使用した電子機器が古くなって使い勝手が悪くなったり故障したりしたときには、バージョンアップや修理をせずに廃棄されていた。電子機器の廃棄時、電子機器を構成するプラスチックや金属のうち再使用できるものは回収していたが、プリント基板はランドとはんだが金属的に付着していて、これらを完全に分離できず、回収しても再使用できないことから、やむなく埋め立て処分されていた。このように埋め立て処分されたPb含有のプリント基板に酸性雨が接触すると、はんだ中のPb成分が溶出して酸性雨とともに地下水に混入する。このPb成分が含まれた地下水を人間や家畜が長年月にわたって飲用すると、Pb成分が体内に蓄積されて鉛中毒を起こすとされている。そのため世界規模でPbの使用が規制されるようになってきており、Pbを含まない鉛フリーはんだが使用されるようになってきた。

鉛フリーはんだとは、Snを主成分としたSn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-Ag-Cu系、Sn-Sb系、Sn-Bi系、Sn-Zn系、およびこれらにさらに他の添加元素を適宜添加したものである。このように鉛フリーはんだとしては各種の合金系のものがあるが、それぞれ一長一短があり、用途によって使い分けている。

Sn-Bi系の鉛フリーはんだは、Sn-58Biが融点139℃と低いため、電子部品に対する熱影響が少ないという特長を有しているが、非常に脆いため用途が限られている。またSn-Zn系は、Sn-9Znが融点199℃であり、従来の63Sn-Pbの共晶はんだに近い融点を有しているため温度的には使いやすい鉛フリーはんだであるが、Znはイオン化傾向が大きいため耐腐食性が充分でないという問題がある。Sn-3.0〜4.0Ag、Sn-0.5〜1.0Cu、Sn-1.0〜4.0Ag-0.5Cu、より好ましくはSn-3.0〜4.0Ag-0.5Cu（融点：221〜227℃）、Sn-3.0〜5.0Sb等のSn主成分の鉛フリーはんだは、融点が共晶はんだよりも少し高いが、機械的強度に強いため、電子機器のはんだ付け、特にはんだボールの形状でBGAのバンプ形成に多く使用されている。

鉛フリーはんだの添加元素としては、融点降下のためにInやBiを添加したり、酸化防止のためにP、Ge、Gaを添加したり、機械的強度向上のためにNi、Cr、Mo、Feを添加したりすることがある。このうちCrを添加した鉛フリーはんだとしては、特許文献１〜６がある。
特開平2-179386号公報 特開2000-15476号公報 特開2001-205476号公報 特開2002-18589号公報 特開2002-248596号公報 特開2003-94195号公報

ところで上記Sn主成分の鉛フリーはんだボールを用いてBGAの電極にはんだバンプを形成したときに、バンプ表面が黄色に変色(黄変)することがあった。つまりBGAへのはんだバンプ形成は、はんだボールをBGAの電極上に搭載してからリフロー炉で該はんだボールを溶融させるが、この溶融時に黄変するものである。BGAでは、はんだバンプ形成後に画像認識装置ではんだバンプの有無の確認をするが、このときはんだバンプが黄変していると画像認識装置でエラーを生じることがある。

またSn主成分の鉛フリーはんだボールを用いて作られた電子機器が過酷な条件、例えば排気ガスの多い町中を走り回る自動車では、電気制御装置に排気ガスが入り込むことがあり、また海に近い家屋で使用する電子機器や電気製品では内部に海水の塩分を含む空気が入り込むことがある。このように鉛フリーはんだボールではんだ付けした部分が排気ガスや塩分等の腐食雰囲気に曝されると、はんだが腐食し、長年月の間にクラックや剥離が起こって接合強度が弱くなることがある。

接合強度向上のためにSn主成分の鉛フリーはんだにCrを添加することは前述のように行われてきたが、従来のCr添加鉛フリーはんだは、濡れ性が悪く、はんだ付け不良を起こすものであった。本発明は、はんだバンプを形成したときにバンプ表面が黄変せず、しかも腐食雰囲気に曝されても腐食しにくいばかりでなく、はんだ付け不良も起こさないという鉛フリーはんだボールを提供することにある。

本発明者らは、BGA電極にはんだバンプを形成したときにはんだバンプの表面が黄変する原因、および腐食雰囲気においてはんだが腐食する原因について鋭意研究を重ねた。その結果、はんだバンプが黄変するのは、はんだボールを溶融したときに表面が酸化するためである。つまりはんだは、はんだ付け時に必ず溶融させるものであるが、この溶融時、Sn-PbはんだではSnとPbの酸化したものが表面を覆う。このSnとPbが酸化したものはPbを含んでいるため、略白色となり、この白色は画像認識装置に対してエラーを生じさせない。しかしながらSn主成分の鉛フリーはんだでは、溶融時に主成分のSnが酸化し、この酸化したものが黄色となるため画像認識装置でエラーを生じさせてしまうものである。

またSn主成分の鉛フリーはんだボールではんだ付けした部分が腐食雰囲気で腐食するのは、鉛フリーはんだボール中にSnが大量に含まれることによって、腐食雰囲気に対して従来の63Sn-Pbに比べて耐性が低下する為である。

そこで本発明者らは、はんだボールを溶融したときにはんだ表面が酸化しにくい状態であれば黄変とならず、またはんだ付けした後に、はんだの表面に不活性雰囲気と遮断するバリヤーがあればSnが大量に含有されていても腐食しにくくなることに着目したものである。本発明者らが、この酸化防止やバリヤー効果のある元素を探索したところCrをSn主成分の鉛フリーはんだに極微量添加すると酸化防止とバリヤー効果のあることを見い出して本発明を完成させた。

本発明者らの知見によれば、はんだ合金中にCrが存在すると、はんだの溶融時、Crの酸化皮膜が溶融はんだの表面を覆って、空気や腐食雰囲気との接触を妨げる結果、溶融はんだの表面は酸化せず、また腐食も起こらなくなる。また、凝固後においてもはんだ表面に存在する微量Crが優先的に酸化することで主な母材であるSnの酸化を防ぐ働きをする。はんだの黄変は主にSnの酸化色であり、Sn酸化膜が成長することで発生する。Crの効果はそのＳｎ酸化膜の成長を低減するものである。Crの添加は、0.0001〜0.003質量％添加と極めて少なくして耐黄変効果があることである。より好ましくは0.0005〜0.001質量％の添加が効果的である。

本発明は、Snを80質量％以上含有する鉛フリーはんだのはんだボールにおいて、該はんだボール中にCrが0.0001〜0.003質量％添加されていることを特徴とする鉛フリーはんだボールである。

本発明の鉛フリーはんだボールは、BGAでのはんだバンプ形成時に黄変しないため、画像認識装置で画像処理したときに、エラーが発生しない。また本発明の鉛フリーはんだボールは、腐食雰囲気に長期間曝されても腐食しないため、クラックや剥離が起こらず、はんだ自体が有する接合強度を充分に発揮できるという検査性と信頼性に優れたものである。

本発明における鉛フリーはんだボールは、Sn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-Ag-Cu系、Sn-Sb系の何れかにおいて優れた効果を奏するものであるが、ここにおける「系」とは、その合金そのもの、またはその合金に他の元素を少量添加したものである。例えば、Sn-Ag系とは、Sn-Agそのままの二元合金と、Sn-Ag合金にIn、Bi、Sb、Ni、P、Ge、Gaから選ばれた１種以上が添加された多元合金である。Sn-Cu系も、Sn-Ag-Cu系も、そしてSn-Sb系もしかりである。

鉛フリーはんだにおいて黄変が発生するのは、Snが大量に添加されているもので起こる。つまりSnの添加量が80質量％以上であると、溶融時にSnの酸化した色が黄色くなり、画像認識装置でエラーとなる。そこで本発明では、Snが80質量％以上の鉛フリーはんだにおいて黄変防止を目的とした。

本発明では、上記Sn主成分の鉛フリーはんだにCrを0.0001〜0.003質量％添加したものであるが、Crの添加量が0.0001質量％よりも少ないと、黄変防止と腐食防止の効果が表れず、しかるに0.003質量％を超えて添加されると酸化膜が厚くなりすぎてはんだ付け性を害するようになる。鉛フリーはんだのぬれ性の目安にJISZ 3198-3のはんだ広がり率が用いられるが、鉛フリーはんだでははんだ広がり率が75%未満では、ぬれ性が悪く、良好なはんだ付けが行えない。本発明において、好適なCrの添加量は0.0005〜0.001質量％であり、この範囲であれば黄変が防止でき、はんだ付け性も良い。

本発明の鉛フリーはんだボールは、腐食の影響で接合強度が極端に弱くなる直径のもの、即ち直径が微細な鉛フリーはんだボール、概略0.05〜0.6mmの鉛フリーはんだボールで優れた効果を奏する。

以下、実施例と比較例を表1に示す。

表１の説明
黄変：直径0.3mmのはんだボールを150℃の高温槽に1.0g（約一万個）投入し、48時間放置後、目視で表面の色を観察する。はんだボールの表面が黄変している数をカウントし、その割合をパーセンテージで表した結果を表1に示す。
はんだ付け性：直径0.5mmのはんだボールを用い、慣用の銅板上での広がり率の結果を表１に示す。広がり率の試験方法、計算式はJISZ3198-3(鉛フリーはんだ試験方法 第3部 広がり試験方法)に従い行った。実施例のはんだボールは、黄変およびはんだ広がりも良好であったが、Crの添加量が0.0005〜0.001質量％から外れる比較例のはんだボールは黄変または広がり率の両方の特性を満たすものはなかった。

本発明の鉛フリーはんだボールは、BGAのバンプ形成に適したものであるが、BGA以外のバンプ形成、例えばヘッドピンの上部にバンプを形成したり、コネクターの電極にバンプを形成したりするようなものにも適用できることはいうまでもない。

Claims (9)

1. Sn-Ag系はんだ、Sn-Cu系はんだ及びSn-Ag-Cu系はんだのうちいずれかの鉛フリーはんだからなるはんだボールであって、
   ２〜４質量％Ag及び0.5〜0.7質量％Cuのうち少なくともいずれか１種を含有し、0.0005〜0.003質量％Crを添加すると共に、残部Snで構成されることを特徴とする鉛フリーはんだボール。
2. Sn-Sb系はんだの鉛フリーはんだからなるはんだボールであって、
   ４質量％Sbを含有し、0.0005〜0.003質量％Crを添加すると共に、残部Snで構成されることを特徴とする鉛フリーはんだボール。
3. Sn-Ag-Sb系はんだの鉛フリーはんだからなるはんだボールであって、
   ２〜４質量％Ag及び４質量％Sbを含有し、0.0005〜0.003質量％Crを添加すると共に、残部Snで構成されることを特徴とする鉛フリーはんだボール。
4. 請求項１乃至３のいずれかのCrの添加は、0.0005〜0.001質量％の範囲である鉛フリーはんだボール。
5. 前記鉛フリーはんだに、さらにIn、Bi、P、Ni、Geのうち少なくともいずれか１種を0.005〜7.0質量％添加することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の鉛フリーはんだボール。
6. 前記鉛フリーはんだボールは、直径が0.05〜0.6mmであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の鉛フリーはんだボール。
7. Sn-Ag系はんだ、Sn-Cu系はんだ及びSn-Ag-Cu系はんだのうちいずれかの鉛フリーはんだからなるはんだボールにおいて、
   ２〜４質量％Ag及び0.5〜0.7質量％Cuのうち少なくともいずれか１種を含有し、0.0005〜0.003質量％Crを添加すると共に、残部Snで構成することによってはんだボール表面の黄変を防止する方法。
8. Sn-Sb系はんだの鉛フリーはんだからなるはんだボールにおいて、
   ４質量％Sbを含有し、0.0005〜0.003質量％Crを添加すると共に、残部Snで構成することによってはんだボール表面の黄変を防止する方法。
9. Sn-Ag-Sb系はんだの鉛フリーはんだからなるはんだボールにおいて、
   ２〜４質量％Ag及び４質量％Sbを含有し、0.0005〜0.003質量％Crを添加すると共に、残部Snで構成することによってはんだボール表面の黄変を防止する方法。