JP3779692B2

JP3779692B2 - Method for producing tin-zinc solder balls

Info

Publication number: JP3779692B2
Application number: JP2003073134A
Authority: JP
Inventors: 真也今江; 元紀西田; 利樹大西; 治梶田; 出小松; 仁弘忠内; 一高松本
Original assignee: Fukuda Metal Foil and Powder Co Ltd; Toshiba Corp
Current assignee: Fukuda Metal Foil and Powder Co Ltd; Toshiba Corp
Priority date: 2003-03-18
Filing date: 2003-03-18
Publication date: 2006-05-31
Anticipated expiration: 2023-03-18
Also published as: JP2004276086A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、錫亜鉛はんだ合金からなるソルダーボールの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器の高機能化、小型化に伴い、使用される電子部品の高密度化、軽量化が求められるようになり、パッケージの側面にリードが配置されているＱＦＰやＳＯＰに代わり、リードを用いない接合方法であるＢＧＡ、ＣＳＰ等が開発された。これらは、ＳＯＰ、ＱＦＰのようにパッケージ側面のリード端子による接合ではなく、パッケージ裏面に格子状に配列するソルダーボール等で電極と基板を接合するため、多ピン化、狭ピッチ化の点で有利となる。従って、これまで以上に高集積化された回路設計が可能となり、電子部品はより小型化されている。現在では、ＢＧＡ、ＣＳＰに見られるバンプ接続法を用いた電子部品の需要は非常に高まっている。
【０００３】
これまで、ＢＧＡ、ＣＳＰの電極材料としては、Ｓｎ６３ｗｔ％−Ｐｂ３７ｗｔ％やＳｎ１０ｗｔ％−Ｐｂ９０ｗｔ％組成等の鉛を含むソルダーボールが使用されてきたが、最近は鉛フリー化の要求もあり、鉛を使用しないソルダーボールの需要が高まってきている。マザーボードへの実装用のはんだとして、最も早く実用化されたのは錫銀はんだであるため、電子部品であるＢＧＡやＣＳＰに用いるソルダーボールにも、錫銀はんだの採用が検討されている。しかし錫銀はんだは、現行はんだの錫鉛はんだよりも４０℃ほど融点が高いため、はんだ付け温度を現行プロセスよりも上昇させなければならず、それに伴いパッケージに使用する封止樹脂等の耐熱温度も改良しなければならないという課題がある。
【０００４】
一方で、最近マザーボードへの実装用のはんだとして注目され始めた錫亜鉛はんだは、融点が２０５℃以下であるため現行のプロセスでもはんだ付けが可能であり、錫亜鉛はんだ粉末を使用したソルダーペーストが大型の基板や耐熱性に懸念のある部品を実装する基板に採用され始めている。また、電子部品であるＢＧＡやＣＳＰも同様に、耐熱性に問題のあるパッケージや、基板への実装用に錫亜鉛はんだを使用する場合に、錫亜鉛はんだを加工して得られるソルダーボールを使用する検討も始まっており、現行と同程度の外形形状を有する錫亜鉛はんだ粉末やソルダーボールの需要が高まりつつある。
【０００５】
従来のソルダーボールの製造方法としては、ワイヤー状に加工したはんだ線を裁断し冷媒中に落とし込み、使用はんだ線の融点以上に加熱された上層部で溶融させ、常温部の下層部で冷却凝固させ球状化する方法や、はんだの薄板を打ち抜き再溶融させ冷却過程で球状化する方法（例えば特許文献１）や、溶融はんだ液滴を滴下し所定温度に設定された冷媒中で凝固のみをさせ球状化する均一液滴噴霧法（例えば特許文献２）などがある。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−１９９５０４号公報
【特許文献２】
米国特許第５２６６０９８号明細書
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えば前記特許文献１や前記特許文献２などの製法を用いて得られる錫亜鉛ソルダーボールは、現行の錫鉛はんだや錫銀はんだと同様の製法で球状加工可能であるが、ソルダーボール最表面にしわ状の凹凸や溝等が形成しやすいという欠点があった。一般にＢＧＡの製造過程においては、ソルダーボール搭載治具に形成する吸引口１箇所に対してソルダーボール１個を吸着させ、数十から数百個のソルダーボールを一括でパッケージ電極上に搭載する方法が採用されている。従って、ソルダーボールの表面に凹凸や溝がある場合、ソルダーボール搭載治具に形成する吸引口へのソルダーボールの吸着が不安定になり、ＢＧＡやＣＳＰの電極上への全ソルダーボールの一括搭載が困難となる。
【０００８】
また、ソルダーボール搭載自動装置内においてソルダーボール搭載治具へ吸着させる際には、ソルダーボールを所定の位置に移動させ配置しなければならず、ソルダーボールの表面に凹凸や溝がある場合、ソルダーボールの回転が不規則となり、自動装置内で停滞し目詰まりを引き起こす懸念もある。
つまり、ソルダーボールの表面状態の欠陥は、上記のＢＧＡ製造工程上の不具合を招き、生産性を著しく損ねる恐れがある。
【０００９】
本発明は、錫亜鉛はんだ合金からなるソルダーボール表面の凹凸や溝が少ない錫亜鉛ソルダーボールの製造方法を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、８５重量％以上の錫と、７〜１０重量％の亜鉛を含み、合金中の鉛含有量が４１〜５００ｐｐｍであることを特徴とするはんだ合金を用い、冷媒中で凝固のみをさせる均一液滴噴霧法を用いた錫亜鉛ソルダーボールの製造方法であって、この際、製造装置として、底部にオリフィスを有する密閉された坩堝と、当該坩堝の周囲に設けられた第一加熱手段と、坩堝の下方に設けられ、オリフィスから滴下される溶融物を凝固させるための冷媒が内部に入れられた冷媒槽と、冷媒槽の最上部と最下部の各々の周囲に設けられた二つの第二加熱手段とを備えた装置を用意し、前記はんだ合金を坩堝内に投入して第一加熱手段で加熱、溶融させて溶融物を得、当該溶融物を坩堝内で振動させ、坩堝内にガスを注入し、溶融物をオリフィスから噴出させ、第二加熱手段により加熱された冷媒槽内の冷媒中で溶融物を凝固させて錫亜鉛ソルダーボールを得ること、前記冷媒がシリコーンオイルであること、及び、前記第一加熱手段により制御された前記坩堝内における溶融物の温度が２５０±３０℃であり、前記第二加熱手段により加熱された前記冷媒の最上部温度が１７５±１０℃で、前記冷媒の最下部温度が１５５±１０℃で、前記冷媒の最上部温度が前記最下部温度よりも高いことを特徴とする錫亜鉛ソルダーボールの製造方法とすることによって、ソルダーボール表面の凹凸や溝を少なくすることができることを見い出し、本発明に至った。
【００１１】
本発明は、錫を主成分とし、亜鉛を７〜１０重量％含有するはんだ合金に対して効果的であり、はんだ組成中の鉛の量は１００ｐｐｍ以下であることが望ましいが、５００ｐｐｍ以下であれば本発明の効果を確実に奏することができる。
本発明における「錫亜鉛はんだ」とは、実質的に錫と亜鉛を含むはんだ合金であるが、鉛以外の他の元素を５重量％以下含んでいても良い。また前記したように、はんだ付けの現行プロセス温度をそのまま活用するために、錫亜鉛はんだの融点は２０５℃以下になるよう組成比を考えなければならない。錫と亜鉛の２元合金状態図から判断すると錫亜鉛はんだ中の亜鉛が７〜１０重量％含有されるときが最も実用的な融点範囲になる。
【００１２】
本発明における鉛の濃度はＩＣＰ−ＭＳを用いて測定されたものである。測定方法はこれに限定されるものではないが、有効桁数が小数点以下６桁以上で、ｐｐｍオーダー以上の検出感度があることが望ましい。また、錫亜鉛はんだ中の鉛の含有は、錫及び亜鉛を溶解する際に既に含まれているものであって、鉛の含有経路ははんだ溶解過程、またはソルダーボールの製造過程で混入する場合、またははんだ溶解以前の錫または亜鉛中に不純物として存在する場合、または意図的にはんだ中に鉛を混入する場合があり得るが、これらの経路について限定されるものではない。
【００１３】
ソルダーボールの作成方法としては、ワイヤー状に加工したはんだ線を裁断し再溶融させ冷却過程で球状化する方法、はんだの薄板を打ち抜き再溶融させ冷却過程で球状化する方法、溶融はんだ液滴を回転盤に落下させ冷却過程で球状化する方法（ディスク法）、溶融はんだ液滴に高圧ガスを吹き付け冷却過程で球状化する方法（ガスアトマイズ法）、溶融はんだ液滴を滴下し冷却過程で球状化する方法（均一液滴噴霧法）等があり、いずれかに限定されるものではないが、本発明においては均一液滴噴霧法が最も好ましく、表面に凹凸や溝の少ないソルダーボールが得られる。
【００１４】
本発明におけるソルダーボール表面状態の観察はＳＥＭを用いている。測定方法はこれに限定されるものではないが、ソルダーボール表面の深さ１μｍ程度の溝や凹凸を検出し観察できる測定方法が望ましい。
本発明の製法を用いて得られる本発明の錫亜鉛ソルダーボールは、錫を主成分とし７〜１０重量％の亜鉛を含み、合金中の鉛含有量は５００ｐｐｍ以下であり、より好ましくは、１００〜７６０μｍの直径を有した実質的に球状で、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて１００〜５００倍の倍率で表面状態を観察した際、表面に存在する長さ２０μｍ以上の凹凸や溝が、１００μｍ×１００μｍの単位表面積当たりに１５個以下であり、特に５個以下が好ましい。
本発明により、表面に凹凸や溝の少ないソルダーボールが完成されると、現在は無視できるレベルでも、将来的に直径１００μｍ以下のソルダーボールが使われる際に顕在化する最表面の凹凸や溝の問題も回避可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の製法において使用される装置の概略を示している。この装置は坩堝１を備えている。坩堝１は蓋部１０によって密閉されている。坩堝１はＳＵＳ３１６Ｌから構成されているが、より安価なＳＵＳ３０４から構成されても良い。坩堝１の周囲には第一の加熱手段として加熱器２が設けられている。加熱器２はステンレス製の抵抗式電気ヒーターであるが坩堝内の温度を２８０℃以上にできるものであれば限定されるものではない。坩堝１内の前記錫亜鉛はんだは第一の加熱手段によって加熱され溶融される。坩堝１内には熱電対６が設置されており溶融物の温度がわかるようになっている。坩堝１内の溶融物８の温度は２５０±３０℃、更には２５０±１０℃になるよう加熱されているのが好ましい。坩堝１の底部にはオリフィス７が設けられている。オリフィス７の個数は１個であるが複数個のオリフィスを設けても良い。オリフィスの口径は、目的とする錫亜鉛ソルダーボールの粒径により適宜選択されるため特に限定されないが、０．０３〜１ｍｍ、更には０．０４〜０．５ｍｍ、最適には０．０４〜０．２５ｍｍになっていることが好ましい。
【００１６】
また、この装置における坩堝１にはガスの注入口３が設けられており、坩堝内を加圧し、溶融物８を噴出できるようになっている。注入されるガスとしては不活性ガスが用いられる。好適なガスとしてはアルゴン、窒素が挙げられる。溶融物を噴出させるための坩堝内のガス圧は、目的とする錫亜鉛ソルダーボールの粒径により適宜選択されるため特に限定されないが、０．０１〜０．２ＭＰａになっていることが好ましい。
【００１７】
更に、図１に例示した装置の坩堝１内には振動棒５が設けられており、この振動棒５の上端部には圧電素子４が取り付けられており、振動棒５を上下に振動できるようになっている。振動棒５の振動数は、目的とする錫亜鉛ソルダーボールの粒径により適宜選択されるため特に限定されないが、５００〜２５０００Ｈｚ、更には１０００〜２００００Ｈｚ、最適には３０００〜２００００Ｈｚであることが好ましい。坩堝１内の溶融物は、ガス注入口３よりガスを注入することによって坩堝１底部に設置されているオリフィス７より噴出されるが、ガス注入と同時に振動棒５により圧電素子４の振動を坩堝１内の溶融物に伝える。この振動の伝達によりオリフィス７より噴出された溶融物は均一な液滴に分断され、金属球９となり、坩堝１の下部に設置されている冷媒槽１３内の冷媒１４中に滴下され、凝固球状化される。
【００１８】
冷媒槽１３の最上部と最下部の周囲には、第二の加熱手段として加熱器１１，１２が設けられている。この加熱器１１，１２は、各々ステンレス製の抵抗式電気ヒーターであるが、冷媒の温度を１８５℃以上にできるものであれば限定されるものではない。この際、冷媒１４の最上部温度は１７５±１０℃、更には１７５±５℃が好ましい。一方、冷媒１４の最下部温度は１５５±１０℃、更には１５５±５℃が好ましい。尚、冷媒１４にはシリコーンオイル等の合成油が用いられる。以下、実施例により本発明をより詳しく説明する。
【００１９】
【実施例】
〔実施例１〕
実施例１に示す錫亜鉛ソルダーボールは、均一液滴噴霧法を用い製造した。まず図１に示されるような坩堝底部に一つのオリフィスを有する坩堝（オリフィスの口径：０．１６５ｍｍ）を使用し、溶融坩堝内に精製純度の高い錫と亜鉛との共晶合金（Ｓｎ９１．２ｗｔ％−Ｚｎ８．８ｗｔ％）を仕込んだ。そして、アルゴンガス雰囲気下で坩堝内の加熱を開始して溶融した。坩堝内の錫亜鉛共晶合金が完全に溶融した後に振動棒を４４４０Ｈｚで振動させた。坩堝内の圧力が０．０６４ＭＰａになるようにアルゴンガスを注入して溶融物の噴出を開始し、坩堝内の溶融物を全て噴出させた。坩堝より噴出した溶融液滴はシリコーンオイル中で冷却し、凝固球状化した。その後、得られた微細球体を回収して脱脂洗浄して乾燥させた。乾燥させた錫亜鉛ソルダーボールは、０．２９ｍｍと０．３１ｍｍの精密篩を使用して選別を行い、サンプル１を得た。
次に、同様にして以下の表１に示す種々の条件で本発明に従うサンプル２〜７を製造した。得られた錫亜鉛ソルダーボールの評価を表１に示す。
【００２０】
【表１】

【００２１】
【表２】

【００２２】
図２は、サンプル１〜７の無作為に抽出した各５０個を観察した際の、代表的な１個のソルダーボール表面のＳＥＭ像を示すものであり、表１には、ＩＣＰ−ＭＳで測定した錫、亜鉛及び不純物である鉛の含有量も示されている。
【００２３】
図２を見る限りでは、ソルダーボール表面にはしわ状の凹凸や溝が無く、平滑な表面であった。
図２に対応するソルダーボール中の組成を、ＩＣＰ−ＭＳで測定した結果が表１である。図２のソルダーボールは４１ｐｐｍの鉛を含有していた。
サンプル１〜７のソルダーボールの転がり特性を検証するため、傾斜角１５度で、滑走長１００ｍｍ、幅２０ｍｍの平滑なステンレス板上を転がした。ソルダーボール１００個を使用し、ステンレス板中央から１個ずつ転がし、転がった距離が１００ｍｍに達したソルダーボールを合格とした。転がり試験の結果、本実施例で得られたソルダーボールの転がり試験合格率は、ソルダーボール表面に凹凸や溝が無いため、全て１００％となった。
【００２４】
〔実施例２〕
実施例２に示す錫亜鉛ソルダーボールは、実施例１と同様に均一液滴噴霧法を用い製造した。まず溶融坩堝内に、実施例１とは異なる精製純度の錫と亜鉛との共晶合金（Ｓｎ９１．２ｗｔ％−Ｚｎ８．８ｗｔ％）を仕込み、その後、実施例１と同条件にて錫亜鉛ソルダーボールを製造し、サンプル８〜１４を得た。得られた錫亜鉛ソルダーボールの評価を表２に示す。
図３は、サンプル８〜１４の中から、無作為に抽出した各５０個を観察した際の、代表的な１個のソルダーボール表面のＳＥＭ像を示すものであり、表２には、ＩＣＰ−ＭＳで測定した錫、亜鉛、及びその他の不純物濃度が示されている。
【００２５】
【表３】

【００２６】
【表４】

【００２７】
図３に示すソルダーボール表面は、図２と比較すると若干多く凹凸や溝が観察された。図３に対応するソルダーボール中の組成をＩＣＰ−ＭＳで測定した結果が表２である。図３のソルダーボール中には５００ｐｐｍの鉛が含まれていた。
得られたソルダーボールの転がり特性を検証するため、実施例１と同様の転がり試験を実施した。その結果、本実施例で得られたソルダーボールの転がり試験合格率は、実施例１にて得られたソルダーボールより最表面における凹凸や溝が若干多いため９０〜９４％となった。
【００２８】
〔比較例１〕
比較例１に示す錫亜鉛ソルダーボールは、実施例１，２と同様に均一液滴噴霧法を用い製造した。まず溶融坩堝内に、実施例１と同じ錫と亜鉛との共晶合金（Ｓｎ９１．２ｗｔ％−Ｚｎ８．８ｗｔ％）を仕込み、その後、表３に示す本発明から外れる条件で錫亜鉛ソルダーボールを製造し、サンプル１５〜２０を得た。得られた錫亜鉛ソルダーボールの評価を表３に示す。
【００２９】
【表５】

【００３０】
【表６】

【００３１】
図４は、サンプル１５〜２０の中から、無作為に抽出した各５０個を観察した際の、代表的な１個のソルダーボール表面のＳＥＭ像を示すものであり、表３に、ＩＣＰ−ＭＳで測定した錫、亜鉛、及びその他の不純物濃度を示す。
図２及び図３と比較して、表面の凹凸はかなり激しくなっており、引け巣のようなものも見られる。
図４に対応するソルダーボール中の組成を、ＩＣＰ−ＭＳで測定した結果を表３に示す。図４のソルダーボール中には４１ｐｐｍの鉛が含まれていた。
サンプル１５〜２０の中から真球状に凝固したサンプル１５，１７の転がり特性を検証するため、実施例１と同様の転がり試験を実施した。その結果、本比較例で得られたソルダーボールの転がり試験合格率は、実施例１及び２にて得られたソルダーボールより、最表面における凹凸や溝がかなり多いため３％及び５％であった。
【００３２】
〔比較例２〕
比較例２に示す錫亜鉛ソルダーボールは、実施例１，２と同様に均一液滴噴霧法を用い製造した。まず溶融坩堝内に、精製純度の低い錫と亜鉛との共晶合金（Ｓｎ９１．２ｗｔ％−Ｚｎ８．８ｗｔ％）と、鉛が１０００ｐｐｍ程度になるように錫鉛はんだ（Ｓｎ６３ｗｔ％−Ｐｂ３７ｗｔ％）を仕込んだ。その後、表４に示す条件にて錫亜鉛ソルダーボールを製造した。
【００３３】
【表７】

【００３４】
図５は、サンプル２１の中から、無作為に抽出した５０個を観察した際の、代表的な１個のソルダーボール表面のＳＥＭ像を示すものであり、表４に、ＩＣＰ−ＭＳで測定した錫、亜鉛、及び鉛の含有量を示す。
図５のソルダーボール最表面には凹凸や溝が多数見られた。図２及び図３と比較して、凹凸や溝の発生は顕著である。
図５に対応するソルダーボール中の組成を、ＩＣＰ−ＭＳで測定した結果を表４に示す。表１及び表２と比較すると、鉛の含有量が１０６０ｐｐｍであった。
得られたソルダーボールの転がり特性を検証するため、実施例１と同様の転がり試験を実施した。その結果、本比較例で得られたソルダーボールの転がり試験合格率は、比較例１と同様、最表面における凹凸や溝がかなり多いため６％となった。
【００３５】
〔比較例３〕
比較例３に示す錫亜鉛ソルダーボールは、ワイヤー状に加工したはんだ線を裁断し再溶融させ、冷却過程で球状化する方法を用い製造した。まず直径１ｍｍの精製純度の高い錫と亜鉛との共晶合金（Ｓｎ９１．２ｗｔ％−Ｚｎ８．８ｗｔ％）からなるワイヤー状に加工したはんだ線を用意した。次に、そのはんだ線を細線切断機を用い０．４４ｍｍの長さに切断した。切断したはんだ線を上層部（２８０℃）と下層部（常温）の２層からなるシリコーンオイル中に落とし込み、上層で溶融、下層で冷却し凝固球状化した。その後、得られた微細球体を回収して脱脂洗浄して乾燥させた。乾燥させた錫亜鉛ソルダーボールは、０．２９ｍｍと０．３１ｍｍの精密篩を使用して選別を行い、サンプル２２を得た。
図６は、サンプル２２の中から、無作為に抽出した５０個を観察した際の、代表的な１個のソルダーボール表面のＳＥＭ像を示すものであり、表５に、ＩＣＰ−ＭＳで測定した錫、亜鉛、及び不純物である鉛の含有量を示す。
【００３６】
【表８】

【００３７】
図６のソルダーボール最表面には凹凸や溝が多数見られた。図２及び図３と比較して、凹凸や溝の発生は顕著である。図６に対応するソルダーボール中の組成を、ＩＣＰ−ＭＳで測定した結果を表５に示す。図６のソルダーボールは４１ｐｐｍの鉛を含有していた。
サンプル２２の転がり特性を検証するため、実施例１と同様の転がり試験を実施した。その結果、本比較例で得られたソルダーボールの転がり試験合格率は、ソルダーボール表面に凹凸や溝がかなり多いため８％となった。
【００３８】
【発明の効果】
本発明の製法を用いることによって、表面にしわ状の凹凸や溝が非常に少ない錫亜鉛ソルダーボールが製造でき、本発明の製法にて得られた、表面状態がより凹凸の少ない平滑な錫亜鉛ソルダーボールを使用することにより、ＢＧＡやＣＳＰ等の電子部品の製造歩留りを高め、個々のソルダーボール間のばらつきを抑え、より高い接合信頼性を提供できる。また、錫亜鉛はんだバルクの機械的特性も優れているため、機械的信頼性の向上により製品の長寿命化も期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製法にて使用される錫亜鉛ソルダーボール製造装置の概略図である。
【図２】実施例１にて製造した錫亜鉛ソルダーボールの外観ＳＥＭ写真である。
【図３】実施例２にて製造した錫亜鉛ソルダーボールの外観ＳＥＭ写真である。
【図４】比較例１にて製造した錫亜鉛ソルダーボールの外観ＳＥＭ写真である。
【図５】比較例２にて製造した錫亜鉛ソルダーボールの外観ＳＥＭ写真である。
【図６】比較例３にて製造した錫亜鉛ソルダーボールの外観ＳＥＭ写真である。
【符号の説明】
１坩堝
２、１１、１２抵抗式電気ヒーター
３ガス注入口
４圧電素子
５振動棒
６熱電対
７オリフィス
８溶融物
９金属球
１０坩堝蓋
１３冷媒槽
１４冷媒[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing a solder ball made of a tin-zinc solder alloy.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the increase in functionality and miniaturization of electronic devices, it has been required to increase the density and weight of electronic components used. Instead of QFP and SOP in which leads are arranged on the side of the package, leads BGA, CSP, and the like, which are joining methods that do not use, have been developed. They are not joined by lead terminals on the side of the package like SOP and QFP, but the electrodes and the substrate are joined by a solder ball or the like arranged in a lattice pattern on the back of the package, which is advantageous in terms of increasing the number of pins and narrowing the pitch. It becomes. Therefore, it is possible to design a circuit that is more highly integrated than ever, and the electronic components are further miniaturized. At present, the demand for electronic components using the bump connection method found in BGA and CSP is very high.
[0003]
Until now, solder balls containing lead such as Sn63wt% -Pb37wt% or Sn10wt% -Pb90wt% composition have been used as electrode materials for BGA and CSP. There is an increasing demand for unused solder balls. Since tin-silver solder was first put into practical use as a solder for mounting on a mother board, the use of tin-silver solder is also considered for solder balls used for BGA and CSP which are electronic components. However, tin-silver solder has a melting point that is about 40 ° C higher than that of current lead tin-lead solder, so the soldering temperature must be higher than that of the current process. There is also a problem that must be improved.
[0004]
On the other hand, tin-zinc solder, which has recently begun to attract attention as a solder for mounting on a motherboard, has a melting point of 205 ° C. or lower, so it can be soldered even in the current process, and a solder paste using tin-zinc solder powder is available. It has begun to be adopted for large substrates and substrates for mounting components that are concerned about heat resistance. Similarly, BGA and CSP, which are electronic components, use solder balls obtained by processing tin-zinc solder when using tin-zinc solder for packaging that has a problem with heat resistance or mounting on a board. Therefore, the demand for tin-zinc solder powder and solder balls having the same external shape as the present is increasing.
[0005]
As a conventional solder ball manufacturing method, a solder wire that has been processed into a wire shape is cut and dropped into a coolant, melted at the upper layer heated above the melting point of the solder wire used, and cooled and solidified at the lower layer of the normal temperature part. A method of spheroidizing, a method of punching and remelting a solder thin plate and spheronizing in a cooling process (for example, Patent Document 1), a molten solder droplet is dropped and solidified only in a coolant set at a predetermined temperature to form a sphere. There is a uniform droplet spraying method (for example, Patent Document 2).
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-9-199504 [Patent Document 2]
US Pat. No. 5,266,098 specification
[Problems to be solved by the invention]
However, for example, tin-zinc solder balls obtained by using the manufacturing methods described in Patent Document 1 and Patent Document 2 can be spherically processed by the same manufacturing method as current tin-lead solder and tin-silver solder. There was a drawback that wrinkle-like irregularities and grooves were easily formed on the surface. In general, in the manufacturing process of BGA, a solder ball is adsorbed to one suction port formed on a solder ball mounting jig, and several tens to several hundreds of solder balls are mounted on a package electrode in a lump. Is adopted. Therefore, if there are irregularities or grooves on the surface of the solder ball, the solder ball will be unstablely adsorbed to the suction port formed on the solder ball mounting jig, and all the solder balls will be mounted on the BGA and CSP electrodes. It becomes difficult.
[0008]
Also, when adsorbing to the solder ball mounting jig in the solder ball mounting automatic device, the solder ball must be moved to a predetermined position, and if there are irregularities or grooves on the surface of the solder ball, the solder ball There is also a concern that the rotation of the ball becomes irregular and stagnates in the automatic device, causing clogging.
That is, a defect in the surface state of the solder ball may cause a defect in the above-described BGA manufacturing process and significantly impair productivity.
[0009]
An object of this invention is to provide the manufacturing method of a tin zinc solder ball with few unevenness | corrugations and grooves on the surface of a solder ball made of a tin zinc solder alloy.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors solidify in a coolant using a solder alloy containing 85 wt% or more of tin and 7 to 10 wt% zinc and having a lead content of 41 to 500 ppm in the alloy. A method for producing a tin-zinc solder ball using a uniform droplet spraying method, in which only a sealed crucible having an orifice at the bottom and a first provided around the crucible is used as a production apparatus. A heating means, a refrigerant tank provided below the crucible and containing a refrigerant for solidifying the melt dripped from the orifice, and provided around each of the uppermost part and the lowermost part of the refrigerant tank. An apparatus comprising two second heating means is prepared, the solder alloy is put into a crucible and heated and melted by the first heating means to obtain a melt, and the melt is vibrated in the crucible, Injecting gas into the crucible Is ejected from the solidified melt in the refrigerant in the refrigerant vessel that is heated by the second heating means to obtain the tin zinc solder ball, the refrigerant is a silicone oil, and, by the first heating means The temperature of the melt in the controlled crucible is 250 ± 30 ° C., the top temperature of the refrigerant heated by the second heating means is 175 ± 10 ° C., and the bottom temperature of the refrigerant is 155 ± It has been found that unevenness and grooves on the surface of the solder ball can be reduced by using a method for producing a tin-zinc solder ball characterized in that the top temperature of the refrigerant is higher than the bottom temperature at 10 ° C. The present invention has been reached.
[0011]
The present invention is effective for a solder alloy containing tin as a main component and containing 7 to 10% by weight of zinc. The amount of lead in the solder composition is preferably 100 ppm or less, but 500 ppm or less. If it is, the effect of this invention can be show | played reliably.
The “tin zinc solder” in the present invention is a solder alloy substantially containing tin and zinc, but may contain 5% by weight or less of elements other than lead. As described above, in order to utilize the current process temperature of soldering as it is, the composition ratio must be considered so that the melting point of tin-zinc solder is 205 ° C. or less. Judging from the binary alloy phase diagram of tin and zinc, the most practical melting point range is when 7 to 10% by weight of zinc in the tin-zinc solder is contained.
[0012]
The lead concentration in the present invention is measured using ICP-MS. The measurement method is not limited to this, but it is desirable that the number of significant digits is 6 digits or more after the decimal point and that the detection sensitivity is ppm order or more. In addition, the content of lead in the tin-zinc solder is already included when tin and zinc are dissolved, and the lead-containing route is mixed in the solder melting process or the solder ball manufacturing process, Alternatively, it may be present as an impurity in tin or zinc before melting of the solder, or lead may be intentionally mixed in the solder, but these routes are not limited.
[0013]
The solder balls can be made by cutting the wire that has been processed into a wire shape and remelting it to spheroidize during the cooling process, punching and remelting the solder sheet to spheroidize during the cooling process, Dropping onto a rotating disk and spheronizing during the cooling process (disk method), spraying high pressure gas onto the molten solder droplets to spheroidize during the cooling process (gas atomizing method), dropping molten solder droplets into spheroids during the cooling process There is a method (uniform droplet spraying method) or the like, and the method is not limited to any one. However, in the present invention, the uniform droplet spraying method is most preferable, and a solder ball with few irregularities and grooves on the surface can be obtained.
[0014]
The observation of the solder ball surface state in the present invention uses SEM. The measurement method is not limited to this, but a measurement method capable of detecting and observing grooves and irregularities having a depth of about 1 μm on the surface of the solder ball is desirable.
The tin-zinc solder ball of the present invention obtained by using the production method of the present invention contains 7 to 10% by weight of zinc containing tin as a main component, and the lead content in the alloy is 500 ppm or less, more preferably 100 When the surface state is observed with a scanning electron microscope (SEM) at a magnification of 100 to 500 times using a scanning electron microscope (SEM), irregularities and grooves having a length of 20 μm or more are present on the surface. The number is 15 or less per unit surface area of 100 μm × 100 μm, and more preferably 5 or less.
According to the present invention, when a solder ball with less irregularities and grooves on the surface is completed, even if the level is negligible at present, the surface irregularities and grooves of the outermost surface that will become apparent when a solder ball with a diameter of 100 μm or less is used in the future. Problems can also be avoided.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 schematically shows an apparatus used in the production method of the present invention. This apparatus includes a crucible 1. The crucible 1 is sealed with a lid 10. Although the crucible 1 is comprised from SUS316L, you may comprise from the cheaper SUS304. Around the crucible 1, a heater 2 is provided as a first heating means. The heater 2 is a resistance electric heater made of stainless steel, but is not limited as long as the temperature in the crucible can be 280 ° C. or higher. The tin-zinc solder in the crucible 1 is heated and melted by the first heating means. A thermocouple 6 is installed in the crucible 1 so that the temperature of the melt can be known. The temperature of the melt 8 in the crucible 1 is preferably 250 ± 30 ° C., more preferably 250 ± 10 ° C. An orifice 7 is provided at the bottom of the crucible 1. The number of orifices 7 is one, but a plurality of orifices may be provided. The diameter of the orifice is not particularly limited because it is appropriately selected depending on the particle diameter of the target tin-zinc solder ball, but is 0.03 to 1 mm, more preferably 0.04 to 0.5 mm, and most preferably 0.04 to 0. .25 mm is preferable.
[0016]
Moreover, the crucible 1 in this apparatus is provided with a gas inlet 3 so that the inside of the crucible can be pressurized and the melt 8 can be ejected. An inert gas is used as the injected gas. Suitable gases include argon and nitrogen. The gas pressure in the crucible for ejecting the melt is not particularly limited because it is appropriately selected depending on the particle size of the target tin-zinc solder ball, but it is preferably 0.01 to 0.2 MPa.
[0017]
Furthermore, a vibrating bar 5 is provided in the crucible 1 of the apparatus illustrated in FIG. 1, and a piezoelectric element 4 is attached to the upper end of the vibrating bar 5 so that the vibrating bar 5 can vibrate up and down. It has become. The frequency of the vibrating bar 5 is not particularly limited because it is appropriately selected depending on the particle size of the target tin-zinc solder ball, but is preferably 500 to 25000 Hz, more preferably 1000 to 20000 Hz, and most preferably 3000 to 20000 Hz. . The melt in the crucible 1 is ejected from the orifice 7 installed at the bottom of the crucible 1 by injecting gas from the gas injection port 3. Tell the melt in 1. The melt ejected from the orifice 7 by the transmission of this vibration is divided into uniform droplets to form metal spheres 9 which are dropped into the refrigerant 14 in the refrigerant tank 13 installed in the lower part of the crucible 1 and solidified spherically. It becomes.
[0018]
Around the uppermost part and the lowermost part of the refrigerant tank 13,

heaters

11 and 12 are provided as second heating means. The

heaters

11 and 12 are stainless steel resistance electric heaters, but are not limited as long as the temperature of the refrigerant can be 185 ° C. or higher. At this time, the uppermost temperature of the refrigerant 14 is preferably 175 ± 10 ° C., more preferably 175 ± 5 ° C. On the other hand, the lowest temperature of the refrigerant 14 is preferably 155 ± 10 ° C., more preferably 155 ± 5 ° C. Note that synthetic oil such as silicone oil is used for the refrigerant 14. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
[0019]
【Example】
[Example 1]
The tin-zinc solder ball shown in Example 1 was manufactured using a uniform droplet spraying method. First, a crucible having one orifice at the bottom of the crucible (orifice diameter: 0.165 mm) as shown in FIG. 1 is used, and a highly purified eutectic alloy (Sn91.2 wt. % -Zn 8.8 wt%). Then, the inside of the crucible was started and melted in an argon gas atmosphere. After the tin-zinc eutectic alloy in the crucible was completely melted, the vibrating rod was vibrated at 4440 Hz. Argon gas was injected so that the pressure in the crucible became 0.064 MPa, and the ejection of the melt was started, and all the melt in the crucible was ejected. The molten droplets ejected from the crucible were cooled in silicone oil and solidified into spheres. Thereafter, the obtained fine spheres were collected, degreased, washed and dried. The dried tin-zinc solder balls were screened using 0.29 mm and 0.31 mm precision sieves to obtain Sample 1.
Next, samples 2 to 7 according to the present invention were produced in the same manner under various conditions shown in Table 1 below. Table 1 shows the evaluation of the obtained tin-zinc solder balls.
[0020]
[Table 1]

[0021]
[Table 2]

[0022]
FIG. 2 shows an SEM image of one representative solder ball surface when 50 samples randomly extracted from Samples 1 to 7 are observed. Table 1 shows an ICP-MS image. The measured contents of tin, zinc and lead as an impurity are also shown.
[0023]
As far as FIG. 2 is seen, the surface of the solder ball was smooth without any wrinkle-like irregularities or grooves.
Table 1 shows the results of ICP-MS measurement of the composition in the solder balls corresponding to FIG. The solder ball of FIG. 2 contained 41 ppm lead.
In order to verify the rolling characteristics of the solder balls of Samples 1 to 7, they were rolled on a smooth stainless steel plate having a sliding length of 100 mm and a width of 20 mm at an inclination angle of 15 degrees. 100 solder balls were used and rolled one by one from the center of the stainless steel plate. A solder ball whose rolling distance reached 100 mm was regarded as acceptable. As a result of the rolling test, the passing rate of the solder balls obtained in this example was 100% because there were no irregularities or grooves on the surface of the solder balls.
[0024]
[Example 2]
The tin-zinc solder ball shown in Example 2 was produced using the uniform droplet spraying method as in Example 1. First, a eutectic alloy (Sn91.2 wt% -Zn 8.8 wt%) of tin and zinc having a purity different from that of Example 1 was charged into a melting crucible, and then tin-zinc solder under the same conditions as in Example 1. Balls were manufactured to obtain Samples 8-14. Table 2 shows the evaluation of the obtained tin-zinc solder balls.
FIG. 3 shows an SEM image of one representative solder ball surface when 50 samples randomly selected from Samples 8 to 14 are observed. The concentrations of tin, zinc, and other impurities measured by -MS are shown.
[0025]
[Table 3]

[0026]
[Table 4]

[0027]
On the surface of the solder ball shown in FIG. 3, slightly more irregularities and grooves were observed as compared with FIG. 2. Table 2 shows the results of ICP-MS measurement of the composition in the solder ball corresponding to FIG. The solder balls in FIG. 3 contained 500 ppm of lead.
In order to verify the rolling characteristics of the obtained solder balls, the same rolling test as in Example 1 was performed. As a result, the rolling test pass rate of the solder balls obtained in this example was 90 to 94% because there were slightly more irregularities and grooves on the outermost surface than the solder balls obtained in Example 1.
[0028]
[Comparative Example 1]
The tin-zinc solder ball shown in Comparative Example 1 was produced using the uniform droplet spraying method as in Examples 1 and 2. First, the same eutectic alloy of tin and zinc (Sn 91.2 wt% -Zn 8.8 wt%) as in Example 1 was charged into the melting crucible, and then the tin zinc solder ball was removed under the conditions shown in Table 3 outside the present invention. Produced to obtain samples 15-20. Table 3 shows the evaluation of the obtained tin-zinc solder balls.
[0029]
[Table 5]

[0030]
[Table 6]

[0031]
FIG. 4 shows an SEM image of one representative solder ball surface when 50 randomly extracted samples 15 to 20 are observed. Table 3 shows ICP- The concentrations of tin, zinc, and other impurities measured by MS are shown.
Compared with FIG. 2 and FIG. 3, the unevenness of the surface is considerably intense, and a shrinkage nest is also seen.
Table 3 shows the results of ICP-MS measurement of the composition in the solder ball corresponding to FIG. The solder balls in FIG. 4 contained 41 ppm of lead.
In order to verify the rolling characteristics of Samples 15 and 17 solidified into a spherical shape from Samples 15 to 20, the same rolling test as in Example 1 was performed. As a result, the rolling test pass rate of the solder balls obtained in this comparative example was 3% and 5% because the unevenness and grooves on the outermost surface were considerably larger than the solder balls obtained in Examples 1 and 2. It was.
[0032]
[Comparative Example 2]
The tin-zinc solder ball shown in Comparative Example 2 was produced using the uniform droplet spraying method as in Examples 1 and 2. First, eutectic alloy of tin and zinc (Sn 91.2 wt% -Zn 8.8 wt%) with a low purity and tin lead solder (Sn 63 wt% -Pb 37 wt%) so that lead is about 1000 ppm in the melting crucible. Prepared. Thereafter, tin-zinc solder balls were produced under the conditions shown in Table 4.
[0033]
[Table 7]

[0034]
FIG. 5 shows an SEM image of the surface of one representative solder ball when 50 randomly sampled samples were observed. Table 4 shows the measurement by ICP-MS. The content of tin, zinc and lead.
Many irregularities and grooves were seen on the outermost surface of the solder ball in FIG. Compared with FIG. 2 and FIG. 3, the occurrence of irregularities and grooves is remarkable.
Table 4 shows the result of ICP-MS measurement of the composition in the solder ball corresponding to FIG. Compared with Tables 1 and 2, the lead content was 1060 ppm.
In order to verify the rolling characteristics of the obtained solder balls, the same rolling test as in Example 1 was performed. As a result, the rolling test pass rate of the solder balls obtained in this comparative example was 6% because the number of irregularities and grooves on the outermost surface was considerably large as in Comparative Example 1.
[0035]
[Comparative Example 3]
The tin-zinc solder ball shown in Comparative Example 3 was manufactured using a method in which a solder wire processed into a wire shape was cut and remelted, and spheroidized in the cooling process. First, a solder wire processed into a wire shape made of a eutectic alloy (Sn91.2 wt% -Zn 8.8 wt%) of tin and zinc with a high purity of 1 mm in diameter was prepared. Next, the solder wire was cut into a length of 0.44 mm using a fine wire cutter. The cut solder wire was dropped into a silicone oil composed of two layers of an upper layer part (280 ° C.) and a lower layer part (normal temperature), melted in the upper layer, cooled in the lower layer, and solidified into a spherical shape. Thereafter, the obtained fine spheres were collected, degreased, washed and dried. The dried tin-zinc solder balls were screened using 0.29 mm and 0.31 mm precision sieves to obtain Sample 22.
FIG. 6 shows a SEM image of one representative solder ball surface when 50 randomly extracted samples 22 were observed. Table 5 shows the SEM images measured by ICP-MS. The content of tin, zinc, and lead which is an impurity is shown.
[0036]
[Table 8]

[0037]
Many irregularities and grooves were seen on the outermost surface of the solder ball in FIG. Compared with FIG. 2 and FIG. 3, the occurrence of irregularities and grooves is remarkable. Table 5 shows the results of measuring the composition in the solder ball corresponding to FIG. 6 by ICP-MS. The solder ball of FIG. 6 contained 41 ppm lead.
In order to verify the rolling characteristics of Sample 22, the same rolling test as in Example 1 was performed. As a result, the rolling test pass rate of the solder ball obtained in this comparative example was 8% because the surface of the solder ball had many irregularities and grooves.
[0038]
【The invention's effect】
By using the production method of the present invention, a tin-zinc solder ball with very few wrinkled irregularities and grooves on the surface can be produced, and the smooth tin-zinc obtained by the production method of the present invention has a smooth surface with less irregularities. By using the solder balls, it is possible to increase the production yield of electronic parts such as BGA and CSP, suppress variations among individual solder balls, and provide higher bonding reliability. In addition, since the mechanical properties of the tin-zinc solder bulk are excellent, it is expected that the life of the product will be extended by improving the mechanical reliability.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of a tin-zinc solder ball production apparatus used in the production method of the present invention.
2 is an external SEM photograph of a tin-zinc solder ball manufactured in Example 1. FIG.
3 is an external SEM photograph of tin-zinc solder balls manufactured in Example 2. FIG.
4 is an SEM photograph of the appearance of a tin-zinc solder ball manufactured in Comparative Example 1. FIG.
5 is an external SEM photograph of a tin-zinc solder ball manufactured in Comparative Example 2. FIG.
6 is an external SEM photograph of tin-zinc solder balls manufactured in Comparative Example 3. FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1

Crucible

2, 11, 12 Resistance type electric heater 3 Gas injection port 4 Piezoelectric element 5 Vibrating rod 6 Thermocouple 7 Orifice 8 Melt 9 Metal ball 10 Crucible lid 13 Refrigerant tank 14 Refrigerant

Claims

８５重量％以上の錫と、７〜１０重量％の亜鉛を含み、合金中の鉛含有量が４１〜５００ｐｐｍであるはんだ合金を用い、均一液滴噴霧法にて球状化し得られる錫亜鉛ソルダーボールの製造方法であって、製造装置として、底部にオリフィスを有する密閉された坩堝と、当該坩堝の周囲に設けられた第一加熱手段と、坩堝の下方に設けられ、前記オリフィスから滴下される溶融物を凝固させるための冷媒が内部に入れられた冷媒槽と、前記冷媒槽の最上部と最下部の各々の周囲に設けられた二つの第二加熱手段とを備えた装置を用意し、前記はんだ合金を前記坩堝内に投入して前記第一加熱手段で加熱、溶融させて溶融物を得、当該溶融物を前記坩堝内で振動させ、前記坩堝内にガスを注入し、前記溶融物を前記オリフィスから噴出させ、前記第二加熱手段により加熱された冷媒槽内の冷媒中で前記溶融物を凝固させ錫亜鉛ソルダーボールを得ること、前記冷媒がシリコーンオイルであること、及び、前記第一加熱手段により制御された前記坩堝内における溶融物の温度が２５０±３０℃であり、前記第二加熱手段により加熱された前記冷媒の最上部温度が１７５±１０℃で、前記冷媒の最下部温度が１５５±１０℃で、前記冷媒の最上部温度が前記最下部温度よりも高いことを特徴とする錫亜鉛ソルダーボールの製造方法。A tin-zinc solder ball that can be spheroidized by a uniform droplet spraying method using a solder alloy containing 85 wt% or more of tin and 7 to 10 wt% of zinc and containing 41 to 500 ppm of lead in the alloy. As a manufacturing apparatus, a sealed crucible having an orifice at the bottom, a first heating means provided around the crucible, and a melt which is provided below the crucible and dropped from the orifice An apparatus comprising a refrigerant tank in which a refrigerant for solidifying an object is placed, and two second heating means provided around each of the uppermost part and the lowermost part of the refrigerant tank, Solder alloy is put into the crucible and heated and melted by the first heating means to obtain a melt, the melt is vibrated in the crucible, gas is injected into the crucible, and the melt is Ejected from the orifice Second refrigerant in the refrigerant tank heated by the heating means to obtain the tin zinc solder ball melt solidified, the said refrigerant to be silicone oil, and which is controlled by said first heating means The temperature of the melt in the crucible is 250 ± 30 ° C., the top temperature of the refrigerant heated by the second heating means is 175 ± 10 ° C., and the bottom temperature of the refrigerant is 155 ± 10 ° C. The manufacturing method of the tin zinc solder ball | bowl characterized by the uppermost temperature of the said refrigerant | coolant being higher than the said lowest temperature .