JP2002252307A - 電子装置の実装構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電子装置の外部接続パッドとこれを外部電気
回路基板に接続する半田との間で剥離が発生し、そのた
め電子部品を長期間にわたり正常に作動させることがで
きない。 【解決手段】 電子装置１の外部接続パッド15を被覆す
るニッケルめっき層17とこれを外部電気回路基板２に接
続する半田３との間に形成される銅−ニッケル−錫合金
21のうち、結晶粒径が３μｍ以下の領域を外部接続パッ
ド15の面積の40％以上とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、下面にニッケル層
で被覆された外部接続パッドを有する絶縁基体上に半導
体素子等の電子部品を搭載して成る電子装置を、上面に
銅から成る電子装置接続パッドを有する外部電気回路基
板上に半田を介して実装して成る電子装置の実装構造に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えばガラス−エポキシ板等から
成る絶縁板やエポキシ樹脂等から成る絶縁層を複数層積
層して成る絶縁基体の内部および上下面に銅箔等から成
る複数の配線導体を設けるとともにこの絶縁基体上に半
導体素子等の電子部品を搭載して成る電子装置が知られ
ている。

【０００３】このような電子装置においては、絶縁基体
上に導出した配線導体の一部に電子部品の電極がボンデ
ィングワイヤや金属バンプを介して電気的に接続されて
おり、絶縁基体の下面に導出した配線導体の一部が外部
電気回路基板に半田を介して接続される外部接続パッド
を形成している。さらに、外部接続パッドには外部電気
回路基板との半田を介した接続を容易なものとするため
に例えば鉛−錫共晶合金等の半田が予め接合されてい
る。

【０００４】なお、このような電子装置において外部接
続パッドに半田を接合するには、外部接続パッドの露出
表面に厚みが0.5〜10μｍ程度のニッケルめっき層およ
び厚みが0.01〜0.8μｍ程度の金めっき層を順次被着さ
せておくとともに、その上に半田を溶融させて付着させ
る方法が採用される。このとき、金めっき層は溶融した
半田内に拡散吸収されて消滅し、またニッケルめっき層
と半田との間にはニッケル−錫合金層が形成される。

【０００５】そして、この電子装置は外部接続パッドに
接合された半田を外部電気回路基板上に設けた電子装置
接続パッド上に溶融接合させることにより外部電気回路
基板に実装される。このとき、例えば外部電気回路基板
の電子装置接続パッドが銅から成る場合には、電子装置
接続パッドに含有される銅が、溶融した半田中に拡散し
てこれがニッケルめっき層と半田との間のニッケル−錫
合金層と反応することによりニッケルめっき層と半田と
の間に銅−ニッケル−錫合金層が形成されることが知ら
れている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来の電子装置の実装構造によると、半導体素子等の電子
部品が作動時に発生する熱等に起因する熱応力が半田と
外部接続パッドとの間に繰返し印加されるとニッケルめ
っき層と半田との間で剥離が生じやすく、そのため電子
部品を長期間にわたり正常に作動させることができない
という問題点を有していた。

【０００７】そこで、本発明者は、鋭意研究の結果、電
子装置を外部電気回路基板に実装した後にニッケルめっ
き層上に形成される銅−ニッケル−錫合金層のうち、結
晶粒径が大きい部位から剥離が発生しやすいということ
を見出し、本発明を完成するに至った。

【０００８】本発明は、かかる上述の問題点に鑑み完成
されたものであり、その目的は、ニッケルめっき層と半
田との間で剥離が発生することがなく、電子部品を長期
間にわたり、正常に作動させることが可能な電子装置の
実装構造を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の電子装置の実装
構造は、下面にニッケル層で被覆された外部接続パッド
を有する絶縁基体上に電子部品を搭載して成る電子装置
を、上面に銅から成る電子装置接続パッドを有する外部
電気回路基板上に、これらの外部接続パッドと電子装置
接続パッドとを錫を含有する半田を介して接合すること
により実装するとともにニッケル層と半田との間に銅−
ニッケル−錫合金層が形成されて成る電子装置の実装構
造であって、前記銅−ニッケル−錫合金層は、その結晶
粒径が３μｍ以下の領域が外部接続パッドの面積の40％
以上あることを特徴とするものである。

【００１０】本発明の電子装置の実装構造によれば、電
子装置の外部接続パッドを被覆するニッケルめっき層と
半田との間に形成された銅−ニッケル−錫合金層のう
ち、結晶粒径が３μｍ以下の領域が外部接続パッドの面
積の40％以上あることから、この結晶粒径が３μｍ以下
の領域を介してニッケルめっき層と半田とが強固に接合
される。

【００１１】

【発明の実施の形態】つぎに、本発明を添付の図面に基
づき詳細に説明する。図１は、本発明を半導体素子を搭
載した電子装置に適用した場合の実施の形態の一例を示
す断面図であり、１は電子装置、２は外部電気回路基板
である。この外部電気回路基板２上に電子装置１を半田
３を介して実装することにより本発明の電子装置の実装
構造が形成される。

【００１２】電子装置１は、主として絶縁基体４とこれ
に搭載された電子部品５と封止部材６とから構成されて
いる。この例では、電子部品５は例えばＬＳＩ等の半導
体素子である。また、封止部材６はエポキシ樹脂等の封
止樹脂である。

【００１３】絶縁基体４は、例えばガラス繊維を縦横に
織り込んだガラス織物にエポキシ樹脂やビスマレイミド
トリアジン樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させて成る板状
の芯体７の上下面にエポキシ樹脂やビスマレイミドトリ
アジン樹脂等の熱硬化性樹脂から成る絶縁層８をそれぞ
れ複数層ずつ積層して成り、その上面から下面にかけて
は銅箔等から成る複数の配線導体９が形成されている。

【００１４】絶縁基体４を構成する芯体７は、厚みが0.
3〜1.5ｍｍ程度であり、その上面から下面にかけて直径
が0.2〜1.0ｍｍ程度の複数の貫通孔10を有している。そ
して、その上下面および各貫通孔10の内壁には配線導体
９の一部が被着されており、上下面の配線導体９が貫通
孔10を介して電気的に接続されている。

【００１５】このような芯体７は、ガラス織物に未硬化
の熱硬化性樹脂を含浸させたシートを熱硬化させた後、
これに上面から下面にかけてドリル加工を施すことによ
り製作される。なお、芯体７上下面の配線導体９は、芯
体７用のシートの上下全面に厚みが5〜50μｍ程度の銅
箔を貼着しておくとともにこの銅箔をシートの硬化後に
エッチング加工することにより所定のパターンに形成さ
れる。また、貫通孔10内壁の配線導体９は、芯体７に貫
通孔10を設けた後に、この貫通孔10内壁に無電解めっき
法および電解めっき法により厚みが5〜50μｍ程度の銅
箔を析出させることにより形成される。

【００１６】さらに、芯体７は、その貫通孔10の内部に
エポキシ樹脂やビスマレイミドトリアジン樹脂等の熱硬
化性樹脂から成る樹脂柱11が充填されている。樹脂柱11
は、貫通孔10を塞ぐことにより貫通孔10の直上および直
下に絶縁層８を形成可能とするためのものであり、未硬
化のペースト状の熱硬化性樹脂を貫通孔10内にスクリー
ン印刷法により充填し、これを熱硬化させた後、その上
下面を略平坦に研磨することにより形成される。そし
て、この樹脂柱11を含む芯体７の上下面に絶縁層８が積
層されている。

【００１７】芯体７の上下面に積層された絶縁層８は、
それぞれの厚みが20〜50μｍ程度であり、各層の上面か
ら下面にかけて直径が30〜100μｍ程度の複数の貫通孔1
2を有している。これらの絶縁層８は、配線導体９を高
密度に配線するための絶縁間隔を提供するためのもので
あり、最表層を除く絶縁層８にはその表面および貫通孔
12内に配線導体９の一部が被着されている。そして、上
層の配線導体９と下層の配線導体９とを貫通孔12を介し
て電気的に接続することにより高密度配線を立体的に形
成可能としている。なお、最表層の絶縁層８は、ソルダ
ーレジスト層である。このような絶縁層８は、厚みが20
〜50μｍ程度の未硬化の熱硬化性樹脂のフィルムを芯体
７の上下面に貼着し、これを熱硬化させるとともにレー
ザー加工により貫通孔12を穿孔し、さらにその上に同様
にして次の絶縁層８を順次積み重ねることによって形成
される。なお、各絶縁層８表面および貫通孔12内に被着
された配線導体９は、各絶縁層８を形成する毎に各絶縁
層８の表面および貫通孔12内に5〜50μｍ程度の厚みの
銅箔を公知のセミアディティブ法やサブトラクティブ法
等のパターン形成法により所定のパターンに被着させる
ことによって形成される。

【００１８】絶縁基体４の上面から下面にかけて形成さ
れた配線導体９は、電子部品５の各電極を外部電気回路
基板２に接続するための導電路として機能し、絶縁基体
４の上面に露出している部位が電子部品５の各電極に鉛
−錫合金から成る半田13を介して接続された電子部品接
続パッド14を、絶縁基体４の下面に露出した部位が外部
電気回路基板２に鉛−錫合金から成る半田３を介して接
続された外部接続パッド15を形成している。なお、この
例では電子部品５の各電極は電子部品接続パッド14に半
田13を介して接続されているが、電子部品５の電極は例
えばボンディングワイヤを介して電子部品接続パッド14
に接続されてもよい。その場合、電子部品接続パッド14
は電子部品５が搭載される部位の周囲に配置される。

【００１９】そして、絶縁基体４上面の電子部品接続パ
ッド14に電子部品５の各電極を半田13を介して接続した
後、電子部品５をエポキシ樹脂等から成る封止部材６に
より封止することにより電子装置１が完成し、この電子
装置１の外部接続パッド15を半田３を介して外部電気回
路基板２の電子装置接続パッド16に接続することによっ
て電子装置１が外部電気回路基板２に実装される。

【００２０】なお、このような電子装置１においては、
半田３を介した外部電気回路基板２への実装を容易なも
のとするために、半田３を外部接続パッド15に予め取着
させておく。そうすることによって電子装置１を外部電
気回路基板２に実装する際に半田３の保持や位置合わせ
などを容易かつ確実に行なうことができる。

【００２１】外部接続パッド15に半田３を予め取着させ
るには、まず、図２（ａ）に要部拡大断面図で示すよう
に、外部接続パッド15の表面に0.5〜10μｍの厚みのニ
ッケルめっき層17および0.01〜0.8μｍの厚みの金めっ
き層18を被着させるとともに、その上に例えば鉛−錫合
金や銀−錫合金等の錫を含有する直径が0.4〜0.7ｍｍ程
度の球状の半田３を接触させる。次に、これらを例えば
窒素ガス雰囲気中で半田３の溶融温度以上の温度に加熱
してリフローさせれば、図２（ｂ）に要部拡大断面図で
示すように、球状の半田３が一旦溶融した後に固化して
半田３が外部接続パッドに取着される。なおこのとき、
ニッケルめっき層17上の金めっき層18は溶融した半田３
中に拡散吸収されて消滅する。また、ニッケルめっき層
17と半田３との間には、ニッケルめっき層17中のニッケ
ルと半田３中の錫とが反応して厚みが0.5〜５μｍ程度
のニッケル−錫の合金層19が形成される。

【００２２】なお、ニッケルめっき層17としては、例え
ばリンを４〜12重量％程度含有する無電解ニッケルめっ
きが好適に使用される。そして、そのようなニッケルめ
っき層17用のめっき液としては、例えば硫酸ニッケル40
ｇ／ｌ、クエン酸ナトリウム24ｇ／ｌ、酢酸ナトリウム
14ｇ／ｌ、次亜リン酸ナトリウム20ｇ／ｌ、塩化アンモ
ニウム5ｇ／ｌからなる温度が50〜90℃の無電解ニッケ
ルめっきが使用される。また、金めっき層18用のめっき
液としては、例えばシアン化金カリウム5ｇ／ｌ、クエ
ン酸カリウム50ｇ／ｌ、エチレンジアミン４酢酸ナトリ
ウム5ｇ／ｌから成る温度50〜90℃の無電解金めっき液
が使用される。

【００２３】なお、ニッケルめっき層17は、外部接続パ
ッド15が酸化腐蝕するのを防止して外部接続パッド15と
半田３との接合を容易かつ強固なものとするためのもの
であり、その厚みが0.5μｍ未満では、外部接続パッド1
5を良好に被覆することができずに、外部接続パッド15
の表面に酸化や変色をきたして半田３との接合が弱いも
のとなる傾向にあり、他方、10μｍを超えると、ニッケ
ルめっき層17の内部応力によりニッケルめっき層17にク
ラックや剥がれが発生しやすくなる。したがって、ニッ
ケルめっき層17の厚みは0.5〜10μｍの範囲が好まし
い。

【００２４】また、ニッケルめっき層17がリンを含有す
る無電解ニッケルめっきから成る場合、ニッケルめっき
層17中のリンの含有量が４重量％未満であると、外部接
続パッド15にニッケルめっき層17を被着させる際、ニッ
ケルめっきの析出速度が遅くなり所定の厚みのニッケル
めっき層17を得るために長時間を要するので半導体装置
の生産性が極めて低くなり、他方12重量％を超えると、
ニッケルめっき層17上に金めっき層18を良好に被着させ
ることが困難となる。従って、ニッケルめっき層17中の
リンの含有量は、4〜12重量％の範囲が好ましい。

【００２５】さらに、ニッケルめっき層17上に被着させ
る金めっき層18は、ニッケルめっき層17と半田３とを良
好に接合させるためのものであり、その厚みが0.0１μ
ｍ未満であると、ニッケルめっき層17と半田３との接合
が弱いものとなる傾向にあり、他方0.8μｍを超える
と、半田３中に金が多量に溶け込んでしまい、半田３が
脆化し、電子部品５が作動時に発生する熱等による応力
によってニッケルめっき層17と半田３との間で剥離が発
生しやすくなる。従って、金めっき層18の厚みは0.01〜
0.8μｍの範囲が好ましい。

【００２６】また、このようなニッケルめっき層17およ
び金めっき層18は、例えば絶縁基体１の電子部品接続パ
ッド14に電子部品５の電極を接続する前に被着させれば
よい。そして、それと同時に電子部品接続パッド14にも
同様にニッケルめっき層および金めっき層を被着させて
もよい。そうすることで電子部品接続パッド14が酸化腐
蝕するのが有効に防止されるとともに電子部品接続パッ
ド14と半田13との接合を容易かつ強固なものとすること
ができる。

【００２７】他方、電子装置１が実装された外部電気回
路基板２は、例えば一般的なプリント板であり、ガラス
繊維を縦横に織り込んだガラス織物にエポキシ樹脂やビ
スマレイミドトリアジン樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸さ
せて成る絶縁板20の上面に銅箔から成る複数の電子装置
接続パッド16が形成されて成る。このような外部電気回
路基板２は常法によって製作される。

【００２８】そして、電子装置１を外部電気回路基板２
に実装するには、電子装置１をその外部接続パッド15に
予め取着させた半田３と電子装置接続パッド16とが接す
るようにして外部電気回路基板２上に載置し、これらを
例えば窒素ガス雰囲気中で半田３が溶融する温度以上の
温度に加熱して半田３を溶融させる方法が採用される。

【００２９】このとき、図３に要部拡大断面図で示すよ
うに、電子装置１の外部接続パッド15を被覆するニッケ
ル層17と半田３との間に厚みが１〜25μｍ程度の銅−ニ
ッケル−錫合金層21が形成される。この銅−ニッケル−
錫合金21は、半田３を溶融させた際に、電子装置接続パ
ッド16に含有される銅が半田３中に拡散し、その銅がニ
ッケルめっき層17と半田３との間に形成されていたニッ
ケル−錫合金19と反応することによって形成される。

【００３０】そして、本発明の電子装置の実装構造で
は、外部接続パッド15上に形成されたニッケルめっき層
17と半田３との間に形成された銅−ニッケル−錫合金層
21のうち、結晶粒径が３μｍ以下の領域が外部接続パッ
ド15の面積の40％以上ある。なお、ここでいう外部接続
パッド15の面積とは、絶縁層８から露出してニッケルめ
っき層17により被覆されている領域の面積のことであ
る。このように外部接続パッド15上に形成されたニッケ
ルめっき17と半田３との間に形成された銅−ニッケル−
錫合金層21のうち、結晶粒径が３μｍ以下の領域が外部
接続パッド15の面積の40％以上あることから、この銅−
ニッケル−錫合金層21における結晶粒径が３μｍ以下の
領域と半田３とが強固に接合され、その結果、電子部品
５が作動時に発生する熱等による熱応力が繰り返し印加
されたとしても、外部接続パッド15と半田３との間に剥
離が発生することがなく、電子部品５を長期間にわたり
正常かつ安定して作動させることができる。

【００３１】このように、外部接続パッド15上に形成さ
れたニッケルめっき層17と半田３との間に形成された銅
−ニッケル−錫合金層21のうち、結晶粒径が３μｍ以下
の領域の面積を外部接続パッド15の面積の40％以上とす
るには、例えばニッケルめっき層17表面のニッケル結晶
粒界に沿って形成される溝の深さを0.2μｍ以下とする
ことが有効である。ニッケルめっき層17表面のニッケル
結晶粒界に沿って形成される溝の深さを0.2μｍ以下と
することによって、このニッケルめっき層17上に半田３
を取着させた際にニッケルめっき層17と半田３との間に
略均一なニッケル−錫合金層19が形成される。そして、
そのような略均一なニッケル−錫合金層19がニッケルめ
っき層17と半田３との間に形成された電子装置１を外部
電気回路基板２に実装すると、外部電気回路基板２の電
子装置接続パッド16から半田３中に拡散した銅がニッケ
ルめっき層17と半田３との間に形成されたニッケル−錫
合金層19との間で反応して銅−ニッケル−錫合金を形成
する際に銅−ニッケル−錫合金の結晶が大きく粒成長す
ることがなく、したがって、ニッケルめっき層17と半田
３との間に形成される銅−ニッケル−錫合金層21のう
ち、結晶粒径が３μｍ以下の領域を外部接続パッド15の
面積の40％以上とすることができる。また、半導体装置
１を外部電気回路基板２に実装する際に半田３を溶融さ
せる時間および温度も重要である。半導体装置１を外部
電気回路基板２に実装する際に半田３を溶融させる温度
が高すぎたり、溶融時間が長すぎたりすると、ニッケル
めっき層17と半田３との間にあったニッケル−錫合金層
19と電子装置接続パッド16から半田３中に拡散した銅と
の反応が進行してニッケルめっき層17と半田３との間に
形成される銅−ニッケル−錫合金21のうち、結晶粒径が
３μｍを超える領域の面積が大きくなってしまう。

【００３２】ところで、ニッケルめっき層17表面のニッ
ケル結晶粒界に沿って形成される溝の深さを0.2μｍ以
下とするには、ニッケルめっき17を施す外部接続パッド
15をニッケルめっき前に100〜200ｇ／ｌの過硫酸ナトリ
ウムからなる20〜30℃のエッチング液に1〜3分浸漬しエ
ッチングしたり、あるいはニッケルめっき液中に非イオ
ン性の界面活性剤を数ｐｐｍ添加し、析出するニッケル
めっき層17とめっき液との界面張力を小さなものとした
状態でめっきをすること等により溝の深さを0.2μｍ以
下とすることができる。

【００３３】なお、ニッケルめっき層17と半田３との間
に形成された銅−ニッケル−錫合金層21のうち、結晶粒
径が３μｍ以下の領域が外部接続パッド15の面積の40％
未満であると、ニッケルめっき層17と半田３とがこの銅
−ニッケル−錫合金層21を介して強固に接合されずに、
電子部品５が作動時に発生する熱等による熱応力が繰り
返し印加されるとニッケルめっき層17と半田３との間で
剥離が発生しやすくなる。したがって、ニッケルめっき
層17と半田３との間に形成された銅−ニッケル−錫合金
層21のうち、結晶粒径が３μｍ以下の領域の面積は、外
部接続パッド15の面積の40％以上に特定される。

【００３４】かくして、本発明の電子装置の実装構造に
よれば、電子部品５を長期間にわたり正常に作動させる
ことができる。

【００３５】なお、本発明は、上述の実施の形態の一例
に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない
範囲であれば種々の変更は可能であり、例えば上述の実
施の形態の一例では、絶縁基体４はガラス織物に熱硬化
性樹脂を含浸させた材料および熱硬化性樹脂から形成さ
れていたが、絶縁基体４は、セラミックス材料等の他の
絶縁材料から形成されていてもよく、また、配線導体８
としては、タングステンやモリブデン・銅・銀等の金属
粉末のメタライズ導体等の他の導電材料を使用すること
ができる。

【００３６】

【発明の効果】本発明の電子装置の実装構造によれば、
電子装置の外部接続パッドを被覆するニッケルめっき層
と半田との間に形成された銅−ニッケル−錫合金層のう
ち、結晶粒径が３μｍ以下の領域が外部接続パッドの面
積の40％以上あることから、この結晶粒径が３μｍ以下
の領域を介してニッケルめっき層と半田とが強固に接合
され、その結果、電子部品が作動時に発生する熱等によ
る熱応力が繰り返し印加されたとしても外部接続パッド
と半田とが剥離することがなく、電子部品を長期間にわ
たり正常に作動させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電子装置の実装構造の実施形態の一例
を示す断面図である。

【図２】（ａ）および（ｂ）は、図１に示す電子装置１
の外部接続パッド15に半田３を予め取着させる方法を説
明するための要部拡大断面図である。

【図３】図１に示す電子装置の実装構造の要部拡大断面
図である。

【符号の説明】

１・・・・・電子装置 ２・・・・・外部電気回路基板 ３・・・・・半田 ４・・・・・絶縁基体 ５・・・・・電子部品 15・・・・・外部接続パッド 17・・・・・ニッケルめっき層 16・・・・・電子装置接続パッド 21・・・・・銅−ニッケル−錫合金層

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 下面にニッケル層で被覆された外部接続
   パッドを有する絶縁基体上に電子部品を搭載して成る電
   子装置を、上面に銅から成る電子装置接続パッドを有す
   る外部電気回路基板上に、前記外部接続パッドと前記電
   子装置接続パッドとを錫を含有する半田を介して接合す
   ることにより実装するとともに前記ニッケル層と前記半
   田との間に銅−ニッケル−錫合金層が形成されて成る電
   子装置の実装構造であって、前記銅−ニッケル−錫合金
   層は、その結晶粒径が３μｍ以下の領域が前記外部接続
   パッドの面積の４０％以上あることを特徴とする電子装
   置の実装構造。