JP2000332399A - はんだボールとその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 Ｐｂ−Ｓｎ合金から成り表面に凹状の欠陥が
ない外観形状良好なはんだボールとその製造方法を提供
する。 【解決手段】 はんだボールは不可避不純物としてのア
ルミニウム濃度より高く５０ｐｐｍ以下のアルミニウム
と３６〜３７重量％の鉛を含み残部が錫と不可避不純物
である組成を有することを特徴とし、はんだボールの製
造方法は先端側が油面内に浸漬されたノズル先端からは
んだの融点以上に加熱された油中に向けて熔融はんだを
吐出させこの熔融はんだをはんだの融点以上に加熱され
た油内高温領域中で分断させながら油内低温領域で固化
させてはんだボールを得る油中アトマイズ法で、ノズル
先端からはんだの融点以上に加熱された油中に向けて吐
出される熔融はんだの組成が不可避不純物としてのアル
ミニウム濃度より高く５０ｐｐｍ以下のアルミニウムと
３６〜３７重量％の鉛を含み残部が錫と不可避不純物で
あることを特徴とする。

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
における実装の際等に利用されるはんだボールとその製
造方法に係り、特に、Ｐｂ−Ｓｎ合金から成り表面に凹
状の欠陥がない外観形状良好なはんだボールとその製造
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体パッケージの実装形態は、
図１に示すようにパッケージａの周囲にリード端子ｂを
配列させたいわゆるＱＦＰ（クワッドフラットパッケー
ジ）が主流であった。しかし、近年における電子機器の
小型軽量化に伴い半導体パッケージの高密度実装の要求
が高まってきた。

【０００３】このため、最近では高密度実装が可能な外
部端子として図２に示すようにはんだバンプｃを格子状
に配列させたＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）や、より
高密度実装が可能なＣＳＰ(チップサイズパッケージ）
等が使用され、更に、半導体チップの電極パッドに突起
電極を形成しパッケージ内基板と直接電気的接続を行う
フリップチップ実装等も使用されてきている。尚、図
１、図２中のｄは半導体チップを示し、また、図２中の
ｅはセラミックキャリア（パッケージ内基板）、ｆは半
導体チップｄの電極パッド、ｇはセラミックキャリアｅ
に設けられ電極パッドｆとはんだバンプｃとを接続させ
る配線パターンをそれぞれ示している。

【０００４】そして、はんだボールは上記ＢＧＡ等半導
体パッケージの外部端子用材料として利用されており、
また、ＣＳＰやフリップチップ実装の突起電極用として
は小径のはんだボールが要求される。

【０００５】ところで、半導体パッケージにおける実装
等に用いられるはんだボールは真球に近いものが望まれ
る。

【０００６】このため、上記はんだボールは、従来、油
中アトマイズ法と呼ばれる以下に述べるような方法によ
り製造されている。図３は、油中アトマイズ法に用いら
れる製造装置の一例を示している。

【０００７】すなわち、この製造装置ｉは、内部に大豆
油等の油ｊが収容されその上方部に加熱手段ｋが設けら
れたカラム（管体）ｍと、このカラムｍの上方側に配置
されその先端側がカラムｍの油面内に浸漬されかつ内部
に熔融はんだｈが収容されたノズルｎとでその主要部が
構成されている。そして、熔融はんだｈは上記ノズルｎ
先端からはんだの融点以上に加熱された油ｊ中に向け吐
出され、この吐出された熔融はんだｈの液柱ｐは、熔融
はんだ自身の表面張力や重力等の作用を受けて油内高温
領域中で分断され、熔融はんだ自身の表面張力で球形と
なり、かつ、このはんだの液球が油内下方へ降下し、油
内高温領域下方に隣接する油内低温領域で固化されて球
形のはんだボールが得られる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
製造装置を用いた油中アトマイズ法では大量のはんだボ
ールが簡便に得られる利点を有するが、約３６〜３７重
量％の鉛と残部が錫と不可避不純物であるＰｂ−Ｓｎ合
金のはんだボールを製造しようとした場合、その表面に
凹状の欠陥が多数生じたはんだボールが多発し易い問題
を有していた。

【０００９】そして、得られたはんだボール表面から凹
状の欠陥を機械的に取り除くことは困難で、かつ、凹状
の欠陥が生じたはんだボールを半導体パッケージの実装
等に使用した場合、ボール搭載機で実装する際に搭載不
良を引き起こす恐れが大きいことから、上記欠陥の発生
を極力抑えなければならない問題点を有していた。

【００１０】本発明はこのような問題点に着目してなさ
れたもので、その課題とするところは、Ｐｂ−Ｓｎ合金
から成り表面に凹状の欠陥がない外観形状良好なはんだ
ボールとその製造方法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】そこで、上記課題を解決
するため本発明者等が鋭意検討を行ったところ、以下の
ような技術的発見をするに至った。すなわち、はんだボ
ールの上記欠陥は油内高温領域で形成されたはんだの液
球が油内低温領域で固化する際に発生する。そこで、ま
ず得られた各はんだボールを樹脂に埋め込み、研磨して
その断面を金属顕微鏡等で観察したところ、凹状の欠陥
が生じたものと生じていないものとではその凝固組織が
異なっていることを発見するに至った。更に、凹状の欠
陥が生じたはんだボールの組織について調べたところ、
上記欠陥のないはんだボールに較べて組織の大きさが不
均一になっていることを発見した。そして、これ等の発
見から、本発明者等は、油内低温領域ではんだ液球が冷
却される際、各はんだ液球内の原料組成並びに熱履歴等
の条件にばらつきが存在し、はんだボール形成過程にお
けるこれ等条件のばらつきが上記欠陥発生の原因ではな
いかと考えた。そこで、これ等ばらつきを抑制させる手
法として原料である熔融はんだ内に各種添加物を加える
方法を試みた。この結果、はんだ材の耐食性を悪化させ
る不純物として嫌われているアルミニウムを上記はんだ
材の耐食性を悪化させない範囲で添加したところ、はん
だボール形成過程における上述した条件のばらつきに拘
わらず得られるはんだボールの凝固組織が均一化し、金
属光沢を有する外観形状良好なはんだボールが安定して
製造できることを見出すに至った。本発明はこのような
技術的検討を経て完成されたものである。

【００１２】すなわち、請求項１に係る発明は、Ｐｂ−
Ｓｎ合金はんだにより構成されるはんだボールを前提と
し、不可避不純物としてのアルミニウム濃度より高く５
０ｐｐｍ以下のアルミニウムと３６〜３７重量％の鉛を
含み、かつ、残部が錫と不可避不純物である組成を有し
ていることを特徴とするものである。

【００１３】また、請求項２に係る発明は、請求項１記
載の発明に係るはんだボールを前提とし、アルミニウム
が５〜５０ｐｐｍ含まれていることを特徴とし、請求項
３に係る発明は、請求項１または２記載の発明に係るは
んだボールを前提とし、先端側が油面内に浸漬されたノ
ズル先端からはんだの融点以上に加熱された油中に向け
て熔融はんだを吐出させ、かつ、この吐出された熔融は
んだをはんだの融点以上に加熱された油内高温領域中で
分断させながら油内下方へ降下させると共に、分断され
たはんだの液球を油内高温領域下方に隣接する油内低温
領域で固化させてはんだボールを得る油中アトマイズ法
により製造されていることを特徴とするものである。

【００１４】次に、請求項４〜５に係る発明は、Ｐｂ−
Ｓｎ合金から成り表面に凹状の欠陥がない外観形状良好
なはんだボールの製造方法を特定した発明に関する。

【００１５】すなわち、請求項４に係る発明は、先端側
が油面内に浸漬されたノズル先端からはんだの融点以上
に加熱された油中に向けて熔融はんだを吐出させ、か
つ、この吐出された熔融はんだをはんだの融点以上に加
熱された油内高温領域中で分断させながら油内下方へ降
下させると共に、分断されたはんだの液球を油内高温領
域下方に隣接する油内低温領域で固化させてはんだボー
ルを得る油中アトマイズ法によるはんだボールの製造方
法を前提とし、上記ノズル先端からはんだの融点以上に
加熱された油中に向けて吐出される熔融はんだの組成
が、不可避不純物としてのアルミニウム濃度より高く５
０ｐｐｍ以下のアルミニウムと３６〜３７重量％の鉛を
含み、かつ、残部が錫と不可避不純物であることを特徴
とし、また、請求項５に係る発明は、請求項４記載の発
明に係るはんだボールの製造方法を前提とし、上記ノズ
ル先端からはんだの融点以上に加熱された油中に向けて
吐出される熔融はんだ内にアルミニウムが５〜５０ｐｐ
ｍ含まれていることを特徴とするものである。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て詳細に説明する。

【００１７】尚、本発明において使用されるはんだボー
ルの製造装置は、図３に示した従来の製造装置と同一で
ある。また、この製造装置においてカラム（管体）やノ
ズルは一般にガラスを用いて作製され、カラム内に収容
される油としてはヤシ油、大豆油等の植物油やシリコー
ン油等の合成油が用いられる。

【００１８】また、油を加熱して油内高温領域を形成す
る加熱手段としては、油中に配設されたステンレス製パ
イプヒーター等の加熱手段あるいは上記カラム外周に取
り付けられたマントルヒーター状の加熱手段等任意のも
のが適用される。そして、いずれの加熱手段を適用した
場合でも、上記ノズル先端付近の温度は、原則としては
んだの融点より１０℃以上高く設定される。

【００１９】また、油内高温領域下方に隣接する油内下
方領域を冷却させて油内低温領域を形成する冷却手段と
しては、水冷方式あるいは空冷方式等任意の冷却手段が
適用できる。

【００２０】次に、ノズルから熔融はんだを吐出させる
駆動力は、熔融はんだの自重であったり、自重と熔融は
んだ上面に作用するガス圧であったりする。尚、ノズル
口径、熔融はんだの液面高さ（すなわち、ノズル内に収
容された熔融はんだのノズル先端から熔融はんだ液面ま
での距離）、ガス圧は、所望のはんだボールを得るため
に必要とされる熔融はんだの吐出流量に影響し、目的と
するはんだボール径により適宜選択される。また、上記
ノズル内若しくはこのノズルに連通する熔融はんだ供給
部内に投入される原料は固体状態でも熔融状態でもよい
が、いずれの場合もノズル先端から吐出されるはんだ組
成が一定となるように調整する。

【００２１】そして、本発明においては、はんだボール
の原料である熔融はんだ内にアルミニウムが添加されて
いることを特徴とするものである。

【００２２】ところで、アルミニウムは上述したように
はんだ材の耐食性を悪化させる不純物として一般に嫌わ
れる成分である。このため、はんだ材内に許容されるア
ルミニウムの含有割合はＪＩＳ規格で５０ｐｐｍ以下と
なっているが、現実的には可能な限りアルミニウムを除
去した製品が用いられ、はんだ材内に積極的にアルミニ
ウムを添加することは通常なされない。にもかかわらず
本発明者等は上述した技術的検討結果に基づきＰｂ−Ｓ
ｎ合金はんだ内に５０ｐｐｍ以下の範囲でアルミニウム
を添加することにより、金属光沢のある外観のきれいな
はんだボールが安定して形成されることを見出したもの
である。そして、Ｐｂ−Ｓｎ合金はんだ内に添加される
アルミニウムは不可避不純物量を超えるアルミニウムが
含まれれば上述の効果は得られるが、好ましくは５ｐｐ
ｍ以上とすることが望ましい。

【００２３】尚、Ｐｂ−Ｓｎ合金はんだ内にアルミニウ
ムを添加することで金属光沢のある外観のきれいなはん
だボールが安定して形成される理由について本発明者等
は以下のように推論している。

【００２４】すなわち、はんだボール表面に生ずる凹状
の欠陥は油内高温領域で形成されたはんだの液球が油内
低温領域で固化する際に発生するが、その発生原因とし
て上述したような２つのばらつき(各はんだ液球内の
原料組成のばらつき；はんだ液球内に含まれる不純物若
しくはスラグの量にばらつきがある。熱履歴のばらつ
き；同一のノズル先端から吐出されて形成されたはんだ
ボールでも油中の降下経路にばらつきがある)が考えら
れる。そして、金属の凝固においては、一般に純度が高
いほど過冷却現象が大きく不純物添加により過冷却度が
小さくなる。従って、Ｐｂ−Ｓｎはんだ材料内にアルミ
ニウムを添加することで各はんだ液球における過冷却度
が抑制され、かつ、各はんだ液球でその熱履歴(熱的環
境)が少々変動しても固化速度が大きく変動しないこと
から、均一な凝固組織を有するはんだボールが安定的に
得られるようになったと推察している。

【００２５】次に、はんだ材内に許容されるアルミニウ
ムの含有割合は上述したようにＪＩＳ規格で規定されて
いることから、はんだボール製造時における原料組成を
特定しておくことを要する。しかし、上記ノズル内若し
くはこのノズルに連通する熔融はんだ供給部内に投入さ
れた固体若しくは熔融はんだのアルミニウム、鉛、錫等
の品位は必ずしも特定することができない。すなわち、
アルミニウムが含まれたはんだ材料を融解させてノズル
先端から油中に向け吐出させる際、アルミニウムが融解
槽（すなわちノズル若しくは熔融はんだ供給部）内にス
ラグとして残り易いため、上記ノズル内若しくは熔融は
んだ供給部内に投入されたはんだ材料の組成と上記ノズ
ル先端から吐出される熔融はんだ材料の組成とのずれが
まま生ずるからである。この現象は、はんだボール製造
装置の形状や使用方法によっても影響を受ける。

【００２６】そこで、本発明に係るはんだボールの製造
方法においてはノズル内若しくは熔融はんだ供給部内に
投入されるはんだ材料の組成を特定する方法を採らず、
上記ノズル先端から油中に向け吐出される熔融はんだに
ついてその組成を特定する手法を採用している。そし
て、上記ノズル先端から吐出される熔融はんだの組成
は、吐出された熔融はんだがそのまま固化するため、結
果的に得られるはんだボールの組成にそのまま反映され
ることになる。よって、本発明に係るはんだボールの製
造方法において上記ノズル内若しくは熔融はんだ供給部
内に投入されるはんだ材料の組成調整は、製造されたは
んだボールの組成を基にして行われる。すなわち、操業
条件毎にはんだ材料の配合量を決める作業(得られたは
んだボールの組成分析)が必要となる。

【００２７】

【実施例】以下、本発明の実施例について具体的に説明
する。

【００２８】［実施例１〜４]図３に示したはんだボー
ル製造装置を用いてはんだボールを製造した。

【００２９】まず、アルミニウムを０．５４重量％含ん
だ錫合金と、純度９９．９％の意図的に不純物が添加さ
れていない鉛を用意した。そして、これ等の配合比を変
えて熔融混合し、アルミニウム濃度が１０ｐｐｍで３７
重量％の鉛を含み残部が錫と不可避不純物のＰｂ−Ｓｎ
はんだインゴット(実施例１)、アルミニウム濃度が２０
ｐｐｍで３７重量％の鉛を含み残部が錫と不可避不純物
のＰｂ−Ｓｎはんだインゴット(実施例２)、アルミニウ
ム濃度が５０ｐｐｍで３７重量％の鉛を含み残部が錫と
不可避不純物のＰｂ−Ｓｎはんだインゴット(実施例
３)、アルミニウム濃度が１５０ｐｐｍで３７重量％の
鉛を含み残部が錫と不可避不純物のＰｂ−Ｓｎはんだイ
ンゴット(実施例４)をそれぞれ５００ｇ作製した。

【００３０】次に、実施例１〜４に係る各Ｐｂ−Ｓｎは
んだインゴットを熔解し、その全量を上記ノズルに連通
した熔融はんだ供給部内に投入すると共に、以下の製造
条件にてはんだボールを製造した。

【００３１】(製造条件) 使用オイル：大豆油 ノズル先端温度：２３０℃ ノズル先端口径：２００μｍ 熔融はんだの液面高さ：８０ｍｍ そして、得られたはんだボール中のアルミニウム濃度を
ＧＤ−ＭＳ分析により求めた。この結果、実施例１が４
ｐｐｍ、実施例２が５ｐｐｍ、実施例３が１８ｐｐｍ、
実施例４が４８ｐｐｍであった。

【００３２】また、得られた各はんだボールについてそ
の外観を調べたところ、実施例１にほんの僅かな外観不
良が認められたが概ね良好であり、かつ、実施例２〜４
のはんだボールは外観が良好で金属光沢が球面全面に見
られた。

【００３３】［比較例］同じく図３に示したはんだボー
ル製造装置により、純度９９．９９％の意図的に不純物
が添加されていない錫６３重量％・鉛３７重量％のＰｂ
−Ｓｎはんだを用い、かつ、実施例と同一の製造条件に
よりはんだボールを製造した。

【００３４】しかし、得られたはんだボールの２０％
は、はんだボールの表面に凹状の欠陥が生じた外観不良
品であった。

【００３５】このことから、比較例に較べて実施例の優
位性が確認される。

【００３６】

【発明の効果】請求項１〜２記載の発明に係るはんだボ
ールによれば、不可避不純物としてのアルミニウム濃度
より高く５０ｐｐｍ以下のアルミニウムが含まれている
ため、請求項３に係る発明のように油中アトマイズ法に
より製造されたものでも外観不良のない金属光沢のある
はんだボールとなる効果を有する。

【００３７】また、請求項４〜５記載の発明に係るはん
だボールの製造方法によれば、ノズル先端からはんだの
融点以上に加熱された油中に向けて吐出される熔融はん
だの組成が、不可避不純物としてのアルミニウム濃度よ
り高く５０ｐｐｍ以下のアルミニウムと３６〜３７重量
％の鉛を含み、かつ、残部が錫と不可避不純物となって
いるため、表面に凹状の欠陥が生じていない請求項１〜
３に係る金属光沢のあるはんだボールを簡便かつ確実に
製造できる効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＱＦＰ(クワッドフラットパッケージ)の一部切
り欠き概略斜視図。

【図２】ＢＧＡ(ボールグリッドアレイ) の一部切り欠
き概略斜視図。

【図３】はんだボール製造装置の概略構成説明図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 23/12 Ｈ０１Ｌ 23/12 Ｌ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｐｂ−Ｓｎ合金はんだにより構成されるは
   んだボールにおいて、 不可避不純物としてのアルミニウム濃度より高く５０ｐ
   ｐｍ以下のアルミニウムと３６〜３７重量％の鉛を含
   み、かつ、残部が錫と不可避不純物である組成を有して
   いることを特徴とするはんだボール。
2. 【請求項２】アルミニウムが５〜５０ｐｐｍ含まれてい
   ることを特徴とする請求項１記載のはんだボール。
3. 【請求項３】先端側が油面内に浸漬されたノズル先端か
   らはんだの融点以上に加熱された油中に向けて熔融はん
   だを吐出させ、かつ、この吐出された熔融はんだをはん
   だの融点以上に加熱された油内高温領域中で分断させな
   がら油内下方へ降下させると共に、分断されたはんだの
   液球を油内高温領域下方に隣接する油内低温領域で固化
   させてはんだボールを得る油中アトマイズ法により製造
   されていることを特徴とする請求項１または２記載のは
   んだボール。
4. 【請求項４】先端側が油面内に浸漬されたノズル先端か
   らはんだの融点以上に加熱された油中に向けて熔融はん
   だを吐出させ、かつ、この吐出された熔融はんだをはん
   だの融点以上に加熱された油内高温領域中で分断させな
   がら油内下方へ降下させると共に、分断されたはんだの
   液球を油内高温領域下方に隣接する油内低温領域で固化
   させてはんだボールを得る油中アトマイズ法によるはん
   だボールの製造方法において、 上記ノズル先端からはんだの融点以上に加熱された油中
   に向けて吐出される熔融はんだの組成が、不可避不純物
   としてのアルミニウム濃度より高く５０ｐｐｍ以下のア
   ルミニウムと３６〜３７重量％の鉛を含み、かつ、残部
   が錫と不可避不純物であることを特徴とするはんだボー
   ルの製造方法。
5. 【請求項５】上記ノズル先端からはんだの融点以上に加
   熱された油中に向けて吐出される熔融はんだ内にアルミ
   ニウムが５〜５０ｐｐｍ含まれていることを特徴とする
   請求項４記載のはんだボールの製造方法。