JPH10144718A

JPH10144718A - スズ基鉛フリーハンダワイヤー及びボール

Info

Publication number: JPH10144718A
Application number: JP8302593A
Authority: JP
Inventors: Kensuke Hidaka; 謙介日高; Kanichi Tanaka; 完一田中; Shozo Nagai; 省三永井; Yoshinobu Yakida; 吉信八木田; Osamu Kajita; 治梶田
Original assignee: Fukuda Metal Foil and Powder Co Ltd
Current assignee: Fukuda Metal Foil and Powder Co Ltd
Priority date: 1996-11-14
Filing date: 1996-11-14
Publication date: 1998-05-29
Also published as: US5817194A

Abstract

(57)【要約】【課題】環境上有害なＰｂを含まず、低融点でＣｕに
対してぬれ性が良いハンダとしての特性を維持しなが
ら、強度や硬さが高く、バンプ材料として取り扱いが容
易な、従来にない鉛フリーハンダワイヤー及びボールを
提供することを目的とする。【解決手段】Ｐ0.05〜1.5wt%、Ｎｉ 0.5〜5.0wt%、Ｃ
ｕ 30wt%、以下、又は／及びＡｇ 10wt%、以下で、Ｎｉ
とＣｕとＡｇの合計が 35wt%以下を含み、残部がＳｎ及
び不可避不純物よりなる、線径 100μｍ以下で鉛−スズ
ハンダワイヤーに比べて引張り強度の高いスズ基鉛フリ
ーハンダワイヤー、及び直径1000μｍ以下で鉛−スズハ
ンダボールに比べて硬さの高いスズ基鉛フリーハンダボ
ール。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体パッケージ
製造におけるワイヤーボンディングあるいはＢＧＡ（ボ
ールグリッドアレイ:Ball Grid Array）及びＣＳＰ（チ
ップサイズパッケージ：Chip Size Package)に用いるス
ズ基鉛フリーハンダワイヤー及びボールに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体装置の製造にハンダボンデ
ィングは不可欠なプロセスであり、Ｐｂ−Ｓｎ共晶合金
を代表とするハンダ材料が広く使われている。しかし、
近年、酸性雨による環境破壊が世界的な問題となってお
り、この酸性雨に特に弱いＰｂが酸に溶けてイオンにな
り、地球環境を著しく悪化させると言われている。この
ため廃棄電気製品のハンダ付部などにおけるＰｂ成分
が、酸性雨に遭遇した時に出すＰｂイオンが問題とな
り、鉛を全く含まないハンダ、即ち鉛フリーハンダの開
発が現在重要な課題となっている。

【０００３】また、近年、実装技術の目ざましい発展に
伴うＩＣの多ピン化の進展により狭ピッチ、多ピン、大
型化が進み、基板実装が困難となってきたが、狭ピッチ
の接続を実現するためにワイヤーボンディングやＢＧ
Ａ、ＣＳＰの検討が進み、これらに用いる接合材料とし
ては、ＡｕやＰｂ−Ｓｎハンダのワイヤーやボールが使
用されている。

【０００４】Ａｕワイヤーは30μｍφのワイヤーに伸線
加工することも可能で、強度も高く取り扱い易いが、ボ
ンディングする場合、部品をＡｕメッキする必要があ
り、また次工程でハンダ付工程があるのでＡｕにハンダ
メッキが必要となるため、工程が複雑であると共に、メ
ッキ廃液による環境上の問題もある。Ｐｂ−Ｓｎハンダ
ワイヤーは直接ハンダ付でき、最近の伸線技術の向上に
より100μｍφ程度のワイヤーができるようになった
が、50μｍφ以下への細径化はできず、強度が低いため
取り扱い上問題がある。

【０００５】Ｐｂ−Ｓｎハンダボールは、バンプに使用
した場合、ボールが必要以上に変形し、接着不良が発生
したり、実装後の構造上、接着不良を見つけ難いなどの
問題がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明者は、環境上有
害なＰｂを含まず、低融点でＣｕに対するぬれ性が良い
ハンダとしての特性を維持しながら、強度や硬さが高
く、ワイヤーボンディング、ＢＧＡ、ＣＳＰに用いる際
に取り扱いが容易な、従来にないスズ基鉛フリーハンダ
ワイヤー及びボールを提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明らは、前記課題を
解決するために、種々のベース成分及び添加成分を検討
した結果、本発明者らが既に提案している特開平８−１
３７３号「Ｓｎ基低融点ろう材」の構成成分及びその効
果範囲が本発明のワイヤー及びボールに必要な諸特性を
全て兼ねそなえており、前記課題を解決できることを見
い出し、本発明を完成したものである。

【０００８】即ち、本発明は、Ｐ0.05〜1.5wt%、Ni 0.5
〜5.0wt%、Ｃｕ 30wt%、以下又は／及びＡｇ 10wt%以下
でＮｉとＣｕとＡｇの合計が 35wt%以下を含み、残部が
Ｓｎ及び不可避不純物よりなる、線径 100μｍ以下で、
鉛−スズハンダワイヤーに比べて引張り強度の高いスズ
基鉛フリーハンダワイヤー、及び直径1000μｍ以下で鉛
スズハンダボールに比べて硬さの高いスズ基鉛フリーハ
ンダボールである。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明において、各成分範囲を前
記のごとく限定した理由を以下に述べる。Ｐは、本材料
合金製造時に添加、合金化することにより各成分とのリ
ン化物（Sn₄P₃ 、Ni₃P、Cu₃P、AgP など）を形成し、ハ
ンダ付過程でフラックスと同様の働きをすることによ
り、銅配線とのぬれ性を改善する効果があるが 0.05wt%
未満ではその効果が発揮されず、1.5wt%を超えると上記
効果が緩慢になると共に、ハンダ付過程でのＰの蒸発に
よりパッケージ内の雰囲気を劣化させる危険性が生じて
くる。このため、Ｐの添加範囲を0.05〜1.5wt%と限定し
た。

【００１０】Ｎｉは本材料に添加、合金化することによ
り安定なNi₃P等を形成し、フラックス作用を発揮すると
共に、ハンダ付時のＰの蒸発を抑制する効果があるが、
0.5wt% 未満ではその効果が少なく、5.0wt%を超えると
合金の融点（液相線温度）が好ましくない温度まで上昇
してしまうと同時に、伸線が困難となる。このため、Ｎ
ｉの添加範囲を 0.5〜5.0wt%と限定した。Ｓｎ−Ｐ−Ｎ
ｉ三元合金でもハンダ材料として良好なぬれ性を発揮
し、良好なワイヤーやボールを製造することができる
が、これにＣｕ又は／及びＡｇを添加すことによりＳｎ
−Ｐ−Ｎｉ三元合金よりも液相線温度が低下し、さらに
ぬれ性が向上する効果がある。ＣｕとＡｇは各々単独添
加でも複合添加でも同様の上記効果を発揮すると共に、
Ｃｕ−Ｎｉ、Ａｇ−Ｎｉ、Ｃｕ−Ａｇ−Ｎｉなどの合金
相が材料中に分散することによりワイヤーやボールの強
度が向上し、バンプ材に使用する際の作業性が改善され
る効果を発揮する。

【００１１】しかし、各々を過剰に添加した場合、液相
線温度が好ましくない温度まで上昇し、良好なぬれ性を
発揮しなくなると共に、材料が硬くなり過ぎ靱性が低下
するため、ワイヤーに加工できなくなることから、以下
のごとく上限を限定した。

【００１２】即ち、単独添加の場合はＣｕ 30wt%以下、
Ａｇ 10wt%以下、複合添加の場合はＮｉとＣｕとＡｇの
合計が 35wt%以下である。本発明のスズ基鉛フリーハン
ダ材料は、多くの場合過共晶合金となり、固相線温度は
約 220℃と低いが、液相線温度は最高約 600℃まで上昇
する。しかし、ハンダ付性（ぬれ性）、加工性には問題
なく、むしろ初晶として晶出する合金相が適度に分散す
るため、ワイヤーやボールの強度を向上させ、取り扱い
の容易なバンプ材として使用できる特長を有してしてい
る。また、合金の構成上、特に高価で有毒な元素は含ん
でおらず、環境上問題なく、線膨張係数はＰｂ−Ｓｎハ
ンダと同等であり、電気伝導性はＰｂ−Ｓｎハンダより
良好で、有用である。

【００１３】本発明のスズ基鉛フリーハンダワイヤー
は、合金インゴットを押し出し加工した後、伸線加工を
繰り返すことにより製造することができ、線径 100μｍ
以下の極細線が得られる。また、本発明のスズ基鉛フリ
ーハンダボールは、急冷凝固法、ガスアトマイズ法など
により製造することができ、直径1000μｍ以下の球状ボ
ールが得られる。

【００１４】

【実施例】以下に、本発明を実施例によりさらに詳細に
説明する。表１に示す本発明例及び比較例の合金組成に
ついて、下記の方法で作製したワイヤー及びボールの特
性を調査し、評価した。

【００１５】(1)ワイヤーの特性：表１の組成に配合し
た地金を電気炉で溶解した後、金型に鋳造して均一なイ
ンゴットを作製し、押し出し加工及び伸線加工を行い、
得られたワイヤーについて下記の特性を評価した。ワイヤー加工の難易：伸線加工し、ワイヤーを作製す
る際にどこまで細径化できるかどうか調査し、加工性を
下記の基準で評価した。 ○： 50μｍφ以下まで伸線可能 △： 100μｍφ程度まで伸線可能 ×： 100μｍφまでの伸線困難 100μｍφワイヤーの引張り破断荷重：強度を比較す
るため、 100μｍφワイヤーについて、ロードセル付デ
ジタル引張り試験機により引張り破断荷重を測定し、ワ
イヤーの引張り強さの指標とした。 100μｍφワイヤーのぬれ性：と同様の 100μｍφ
ワイヤーについて銅箔上に市販のハンダ用フラックスを
塗布してハンダ付を行い、銅箔に対するぬれ性を下記の
基準で評価した。良：銅箔に対し、良好なぬれ性を示す。不良：銅箔に対し、ぬれ性が不良で、接合不良を生ずる
場合がある。

【００１６】(2)ボールの特性：ワイヤーと同様に均一
なインゴットを作製した後、液相線温度以上に加熱、再
溶解し、急冷凝固法により粉末を製造し、選別した約 5
00μｍφのボールについて、下記の特性を評価した。ボールの硬さ：ボールを樹脂に埋込み、ペーパー研
摩、バフ研摩した後、ボール断面の硬さを微小硬さ計
（荷重50gf）により測定し、ボールの変形強度の指標と
した。ボールのぬれ性：銅箔上に市販のハンダ用フラックス
を塗布し、その上にボールを載せ、 250℃に加熱し、銅
箔に対するぬれ性を評価した。評価基準はワイヤーと同
様とした。

【００１７】以上の方法でワイヤー及びボールの特性を
評価した結果を表２に示す。No.１〜６は本発明例を示
すが、本発明のスズ基鉛フリーハンダワイヤーは、50μ
ｍφ以下の線径まで加工でき、 100μｍφワイヤーで評
価した引張り破断荷重はいづれも50gf以上で、Ｐｂ−Ｓ
ｎ共晶ハンダ（比較例 No.10）より引張り強度が高く、
銅箔に対するぬれ性も良好であることがわかる。また、
本発明のスズ基鉛フリーハンダボールは、Ｐｂ−Ｓｎ共
晶ハンダ（比較例 No.10）より硬さが高く、変形強度に
優れ、銅箔に対するぬれ性も良好であることがわかる。

【００１８】一方、比較例において、No.7〜9 は本発明
の範囲から外れた組成である。No.7はＰとＮｉが下限を
下回った組成であるが、この場合ワイヤー加工が困難
で、ワイヤーの引張り強度やボールの硬さが低く、ぬれ
性も不良で、この点からもぬれ性や強度に対するＰとＮ
ｉの効果が明らかである。

【００１９】No.8は、Ｎｉが上限を超えた組成である
が、この場合、ワイヤーに加工するのが困難となり、ま
た、液相線が高くなりすぎるためぬれ性が劣化する。N
o.9は、ＰとＮｉを含まず、Ｃｕ＋Ａｇを過剰に含む組
成であるが、この場合、合金が硬くなりすぎ脆くなるた
めワイヤーに加工するのが困難となり、Ｐを含有せず、
液相線が高すぎるため、ぬれ性も不良となる。

【００２０】

【表１】

【００２１】

【表２】

【００２２】

【発明の効果】以上、詳述したように、本発明のスズ基
鉛フリーハンダワイヤー及びボールは、環境上有害なＰ
ｂを含まず、低融点でＣｕに対する良好なぬれ性を有
し、強度や硬さが高く、電気伝導性が良好であり、バン
プ材料として有効な特徴を発揮する効果を有するもの
で、産業の発展に寄与するところ大なる発明である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｐ 0.05 〜1.5wt%、Ｎｉ 0.5〜5.0wt%、
Ｃｕ 30wt%、以下、又は／及びＡｇ 10wt%以下で、Ｎｉ
とＣｕとＡｇの合計が 35wt%以下、残部Ｓｎ及び不可避
不純物よりなる線径 100μｍ以下で鉛−スズハンダワイ
ヤーに比べて引張り強度の高いスズ基鉛フリーハンダワ
イヤー。
【請求項２】Ｐ 0.05 〜1.5wt%、Ｎｉ 0.5〜5.0wt%、
Ｃｕ 30wt%、以下、又は／及びＡｇ 10wt%以下で、Ｎｉ
とＣｕとＡｇの合計が 35wt%以下、残部Ｓｎ及び不可避
不純物よりなる直径1000μｍ以下で鉛−スズハンダボー
ルに比べて硬さの高いスズ基鉛フリーハンダボール。