JP2002327279A

JP2002327279A - 電子部品の接合方法

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Publication number: JP2002327279A
Application number: JP2001135607A
Authority: JP
Inventors: Junya Hirano; 潤也平野
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2001-05-02
Filing date: 2001-05-02
Publication date: 2002-11-15
Anticipated expiration: 2021-05-02
Also published as: JP4667637B2

Abstract

(57)【要約】【課題】無電解Ｎｉめっき層とＰｂ無含有はんだとの
密着力が良く、リフローを繰り返してもＮｉめっき層が
溶解しない電極をもつ電子部品の接合方法を提供する。【解決手段】電子部品の電極上に鉛を含有しないはん
だ層を介して電子部品を接合するにあたり、前記電極上
には無電解ニッケルめっきからなる第１の金属層および
前記第1の金属層上に無電解金めっきからなる第２の金
属層が形成され、前記第２の金属層の厚さが０．００５
μｍ〜０．０４μｍである電子部品の接合方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鉛を含有しないは
んだを介して電子部品を接合する方法に係り、特に電子
部品の電極上に形成される無電解ニッケルめっき層と鉛
を含有しないはんだ層との接合に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、携帯用通信機器、パソコン、オー
ディオ機器等の電子機器の小型化・高密度化に伴い、電
子部品も小型で軽量のものが望まれている。この電子部
品の小型化により、端子電極の面積も小面積化したた
め、接合における信頼性を高めることが必要となってき
ている。

【０００３】この接合信頼性を高めるには、電極のはん
だ濡れ性とはんだ／電極間の密着強度を高める必要があ
る。従来、はんだ濡れ性を高めるため、電極の表面処理
に無電解Ｎｉ／Ａｕめっきを使用する技術がある。この
無電解Ｎｉ／Ａｕめっきは、電極端子上へりんを含む無
電解Ｎｉめっきを施し、その上に０．１〜０．５μｍ程
度のフラッシュＡｕめっきを行うものである。これは、
保管時に表層のＡｕが下層のＮｉの酸化を防ぎ、はんだ
接合時にはすばやくはんだ内部に拡散しフレッシュなＮ
ｉが露出するため、非常に良好なはんだ濡れ性を示すも
のである。

【０００４】しかし、ここで使われているはんだはＳｎ
−Ｐｂはんだが使われていたが、Ｓｎ−Ｐｂはんだ等の
鉛含有はんだを使用した機器は、廃棄されると、廃棄後
雨雪や風化によりそのＰｂ成分が土壌や飲料水を汚染
し、環境に重大な悪影響を与えることが指摘されるよう
になった。そのため、電子部品にはＰｂを含有しないＰ
ｂフリーはんだによる接合に切り替えが急がれている。
そして、無電解Ｎｉめっき被膜の場合、接合はＳｎ−Ｐ
ｂ／Ｎｉにより行われてきたが、鉛フリーはんだと無電
解Ｎｉめっきとの接合性については歴史が浅いためほと
んど研究がなされておらず、開発が進んでいない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】そこで、電子部品電極
端子の無電解Ｎｉめっきの接合について検討したとこ
ろ、無電解Ｎｉめっき層とＳｎ−Ａｇはんだ、Ｓｎはん
だ等の鉛を含有しないはんだ層とを接合させる場合に
は、その密着力は鉛含有はんだに比べ鉛を含有しない
はんだではかなり低下する（図４参照）、鉛を含有し
ないはんだとの接合では、リフローを繰り返すことによ
りＮｉめっき層が溶解し消失してしまう（Ｎｉめっき層
とはんだ層との接合面の顕微鏡写真（倍率：８００倍）
で調べると、リフロー条件：２５０℃３分、Ｓｎ−Ａｇ
はんだで、１回目で１／２程度、リフロー３回目で２／
３程度、リフロー５回目で４／５以上消失）、また、
Ａｕめっき層が薄層である場合にはＮｉめっき層表面が
酸化されやすいといった欠点があり、特に、これらの欠
点はＣＳＰ（チップサイズパッケージ）やウエハ表面な
どの３００μｍ以下の電極の接合の場合に顕著に現れ、
電気的な接続が不良となる。これらの現象の中ではんだ
との密着力の低下に関しては、従来から０．５μｍ以上
のＡｕめっきの厚みにより密着力の低下が知られている
が、この現象とは異なっている。今回問題となっている
密着力の低下した領域は０．５μｍ以下である。また、
従来問題となっている不良原因は、Ｓｎ−Ａｕ合金の生
成によるものであるが、今回のものは密着力が低下し剥
離した界面を測定してもＳｎ−Ａｕは存在しない。この
新たに発生した問題により、接合部での信頼性を大きく
損なう結果を招くことになる。この問題に対し、本発明
は、このような欠点をもたない電子部品の接合法を提供
するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の課題
のもとに研究に鋭意取り組んだ結果、無電解Ｎｉめっき
層とはんだとの接合部では、Ｎｉ金属とはんだとの間で
拡散が生起し、［無電解Ｎｉめっき／はんだ］の拡散層
が生成する。この拡散層と密着性との関係および拡散層
の生成過程に着目し、Ｎｉめっき層とはんだ層との接合
に際し、Ｎｉめっき層の上に０．０４μｍより厚いＡ
ｕめっき層を形成しない、Ｎｉめっき層の上にＡｕめ
っき層以外の酸化防止膜を形成する、はんだ層の形成
をＡｕめっき層の形成の直後に行う、ことによりその密
着性およびＮｉめっき層の溶解に顕著な効果があること
を確認し本発明を完成するに至った。

【０００７】すなわち、本発明は、（１）電子部品の電
極上に鉛を含有しないはんだ層を介して電子部品を接合
するにあたり、前記電極上には無電解ニッケルめっきか
らなる第１の金属層および前記第1の金属層上に無電解
金めっきからなる第２の金属層が形成され、前記第２の
金属層の厚さが０．００５μｍ〜０．０４μｍであるこ
とを特徴とする電子部品の接合方法、（２）鉛を含有し
ないはんだが、Ｓｎはんだ、Ｓｎ−Ａｇはんだ、Ｓｎ−
Ｂｉはんだ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだから選ばれるもの
であることを特徴とする(１)記載の電子部品の接合方
法、（３）鉛を含有しないはんだ層が、第２の金属層の
形成直後に形成されるものであることを特徴とする(１)
又は(２)記載の電子部品の接合方法、および、（４）第
２の金属層に加え、さらに酸化防止層を形成することを
特徴とする(１)、(２)又は(３)記載の電子部品の接合方
法、を提供するものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の電子部品を接合する一実
施の形態について、図１によって無電解Ｎｉめっきから
なる第１の金属層１と、無電解Ａｕめっきからなる第２
の金属層２と、鉛を含有しないはんだからなるはんだ層
３を有する電極構造について説明する。半導体素子の半
導体基板５上には、Ａｌ又はＣｕ等の電極４が形成され
ている。６は樹脂からなる絶縁膜である。電極４上に自
然酸化膜が生じるので脱脂処理をした後、酸又はアルカ
リをエッチング液として表面の自然酸化膜を除去する。
エッチング液を洗い流した後、すぐ市販のジンケート処
理液を用いて、電極４の表面層をＺｎに置換させ再酸化
するのを防止する。その後純水で洗浄した後、５０℃〜
９０℃程度に加熱した一般に使用されている無電解Ｎｉ
めっき液の中に漬けて電極４の上にのみ第１の金属層で
あるＮｉめっき層１を形成していく。厚さが約０．５〜
１０μｍ程度の所定の厚さまでＮｉめっき層を形成した
後、めっき液を水洗し、Ｎｉめっき層１上にのみ第２の
金属層である無電解Ａｕめっき層２を形成する。

【０００９】次いで、溶融させたはんだ槽内に浸漬して
選択的にＡｕめっき層があるところの上に電極上層のは
んだ層３を形成させる。この時使用するはんだは、Ｓｎ
−Ａｇはんだ、Ｓｎはんだ、Ｓｎ−Ｂｉはんだ、Ｓｎ−
Ａｇ−Ｃｕはんだ等の鉛を含有しないはんだである。こ
のうち、特にニッケル拡散効果の点から、Ｓｎ−Ａｇは
んだ、Ｓｎはんだ、Ｓｎ−Ｂｉはんだが好ましい。はん
だ槽内温度は、そのはんだの融点〜融点＋３０℃程度が
好ましい。

【００１０】こうして作製するＡｕめっき層の層厚と無
電解Ｎｉめっき層−Ｐｂ無含有はんだ層との密着の度合
いを調べるため、電極４として８０μｍ角のＡｌパッド
上に５μｍの無電解Ｎｉめっき層を形成し、その上面に
各種厚さのＡｕめっき層を形成し、次いでその上にＳｎ
−３．５Ａｇ（Ａｇ３．５質量％、残部Ｓｎ）はんだの
１５０μｍのボールを２５０℃、３分で搭載した。そし
て、そのシェア強度と破壊状態とを調べ、その結果を図
２に示した。Ａｕめっき厚が０．０４μｍ以下である場
合には、そのシェア強度は約５０ｇｆ以上であり、その
破壊状態をみると、はんだ内部での破壊率が６０％以上
となりＮｉめっき層とはんだとの接合がきわめて良好で
あることが理解できる。

【００１１】また、鉛を含有しないはんだを用いた場合
の無電解Ｎｉめっき層の溶解とリフローとの関係につい
て、前記と同様なパッド上に同様に無電解Ｎｉめっき層
を形成し、その上面に各種厚さのＡｕめっき層を形成
し、同様にはんだ層を設けたものでＡｕめっき層の層厚
の影響について考察した。そして、リフロー条件：２５
０℃、３分、リフロー回数：５回、はんだ：Ｓｎ−３．
５Ａｇで、無電解Ｎｉめっき層とはんだ層との接合面の
顕微鏡写真（倍率：８００倍）を見ると、Ａｕめっき層
のない場合には、Ｎｉめっき層の溶解はほとんど認めら
れない。しかし、鉛含有はんだの場合に形成するＡｕめ
っき層の通常の厚さ０．４０μｍでは、鉛無含有のはん
だの場合にはＮｉめっき層の約４／５以上が溶解してい
ることが明らかとなった。以上のことから、本発明の接
合方法にあたっては、電極は無電解ニッケルめっきから
なる第１の金属層と、鉛を含有しないはんだからなるは
んだ層との間に、厚さが０．０４μｍ以下、好ましくは
０．０３μｍ以下、さらに好ましくは０．０１μｍ以下
であり、少なくとも０．００５μｍの金めっき層を形成
するものである。

【００１２】さらに、第２の金属層であるＡｕめっき層
が薄い層になればなるほど、続いてＰｂを含有しないは
んだ層を形成するとき、第１の金属層であるＮｉめっき
表面が酸化されやすくなり、はんだの濡れ性が低下し接
合が不充分なものとなる。したがって、本発明の電極の
Ｐｂを含有しないはんだ層は、Ａｕめっき層の形成後す
ぐに形成されたものであることが好ましい。その時間
は、約６０分以内であり、好ましくは約３０分以内、さ
らに好ましくは約１０分以内である。

【００１３】さらにまた、第２の金属層であるＡｕめっ
き層が薄い層になればなるほど、続いてＰｂを含有しな
いはんだ層を形成するとき、第１の金属層であるＮｉめ
っき表面が酸化され易くなり、はんだの濡れ性が低下し
接合しにくくなる。そこで、本発明はその第１の金属層
の酸化を防止するために、Ｎｉめっき層表面にＡｕめっ
き層に加えて、さらに酸化防止膜を形成することもでき
るものである。勿論、酸化防止膜の形成は、薄層のＡｕ
めっき層の上もしくは下のどちらに形成してもよい。酸
化防止膜としては、薄層のＰｄやＡｇの無電解めっき
膜、はんだ層、ロジン、有機酸等の有機高分子膜のうち
少なくとも１つのものから形成し、その膜厚は酸化防止
膜として使用される材料により適宜選択できる。このよ
うな酸化防止膜が無電解Ｎｉめっき層とＰｂ無含有はん
だ層の間に介在されていても、両者の接合には格別の悪
影響をもたらすことはない。

【００１４】なお、シェア強度は、めっき層上に搭載し
たはんだをそのめっき層から引き剥がすのに必要な力で
あり、その測定方法を模式図でもって図３の（ａ）に示
す。その破壊時の破壊界面がはんだ内部で生起した場合
の状態を模式的に図示したのが図３の（ｂ）であり、こ
のような破壊状態の場合には、界面の密着が良いものと
判断した。また、その破壊界面がＮｉめっき面とはんだ
面との界面で生起した場合の状態を模式的に図示したの
が図３の（ｃ）であり、このような破壊状態の場合に
は、界面の密着が悪いものと判断した。はんだ内部破壊
率は、その破壊時の破壊界面がはんだ内部で生起した割
合を示すものである。

【００１５】本発明の使用される接合方法は、高密度基
板、半導体パッケージのインターポーザ、ウエハの電極
のパッドであるのが好ましい。これらの分野はますます
微小化してきているが、本発明の方法はどのような大き
さの電極にも適用できるものであり、その電極の長辺ま
たは長軸が３００μｍ以下のものでも良く、更に１００
μｍ以下、更には５０μｍ程度のものでも良好な接合が
可能である。

【００１６】

【実施例】次に本発明を実施例に基づいて、さらに詳細
に説明する。実施例１下記のＡｌパッドをもつウエハを準備した。ウエハ上のＡｌパッド材質：Ｓｉ１質量％含有のＡｌサイズ：１００×１００μｍ（形状角型）厚さ：１．０μｍこのパッド上へ下記の方法で、無電解Ｎｉめっき層を形
成した。先ず、パッドを２１℃で１分間界面活性機能の
ある脱脂液で脱脂処理を行い、濃度３％のふっ化水素酸
を用いてＡｌ電極表面に生じた酸化膜を除去した。次い
で、ふっ水素酸液を洗い流した後すぐ市販のアルカリジ
ンケート液（奥野製薬製サブスターＺＮ111（商品
名））を用いて２１℃２分でＺｎに置換し、酸化を防止
した。続いて、純水でジンケート液を洗い流した後、８
５℃に加熱した市販の中りんタイプの無電解Ｎｉめっき
液（奥野製薬製無電解ＮｉめっきニコロンＺ(商品
名)）中に３０分浸漬してＡｌパッド上にＮｉめっき層
を形成した。得られた層厚は、８．０μｍであった。次
に純水で洗浄後、９０℃に加熱した市販の無電解Ａｕめ
っき液（上村工業製ＴＫＫ−５１(商品名)）を使用して
１分、３分、８分の各めっき処理時間で無電解Ａｕめっ
き層を形成した。

【００１７】こうして作製した電極の下層金属層である
Ａｕめっき層の厚さを蛍光Ｘ線で測定したところ、１分
処理のものは０．０１μｍ、３分処理のものは０．０３
μｍであり、８分処理のものは０．０５μｍであった。
そのＡｕめっき層の上に、３０分以内にＳｎ−３．５Ａ
ｇはんだを搭載した。下記の表１に示すように、Ｐｂ無
含有はんだに対するＮｉめっき層の密着力、溶解は、Ａ
ｕめっき層を薄くすることにより改善されている。

【００１８】

【表１】

【００１９】実施例２下記のパッド上へめっき層を形成した。パッドパッド表面：電解銅サイズ：φ３００μｍ(形状丸型) パッド周辺部：ソルダーレジスト(エポキシ) このパッド上へ次のようにしてめっき層を形成した。先
ず、パッドを６０℃で５分間界面活性機能をもつ脱脂液
で脱脂処理を行い、過酸化水素−硫酸からなるエッチン
グ液で１分間処理して表面に生じた酸化膜を除去した。
続いて、３％硫酸で３０秒間酸洗いし、水洗浄後、市販
のＰｄ濃度３ｍｇ／ｌのＰｄ触媒溶液を用い３０℃で２
分間触媒溶液処理を行い、表面にＰｄの触媒核を付与し
た。次に、市販の中リンタイプの無電解Ｎｉめっき液
（奥野製薬製無電解ＮｉめっきニコロンＺ(商品名)）
８５℃中に３０分浸漬してパッド上にＮｉめっき層を形
成した。得られた層厚は、８．０μｍであった。純水で
洗浄後、さらに無電解Ｐｄめっき液（日本リロナール製
パラマースＳＭＴ（商品名））を使用して６６℃、３
分でＰｄめっき膜を形成した。純水で洗浄後、無電解Ａ
ｕめっき液（上村工業製ＴＫＫ−５１(商品名)）を使
用して９０℃、３分で置換無電解Ａｕめっき層を形成し
た。こうして形成しためっき層上に搭載したＳｎ−３．
５Ａｇはんだに対して、良好な接合界面を得ることがで
き、３回のリフローの繰り返しでもＮｉめっき層の溶解
はほとんど認められなかった。

【００２０】

【発明の効果】本発明の電子部品の電極は、無電解ニッ
ケルめっき層と鉛を含有しないはんだ層の接合部に０．
００５〜０．０４μｍの層厚のＡｕめっき層を介在させ
ることを特徴とするもので、Ｎｉめっき面とはんだ面と
の密着性が良好でシェア強度が極めて強く、破壊が生じ
てもはんだ内部で生起する。また、繰り返しリフローし
ても無電解Ｎｉめっきが溶解して消失することはない。
そして、特に電極が３００μｍ以下の小さなものであっ
てもその効果は充分に発揮でき、したがって、その接続
部の信頼性は大幅に高まった。また、無電解めっき層上
に鉛を含有しないはんだを被着させたものであるので、
この電極をもつ部品を実装した電子機器が廃棄処分をさ
れても環境汚染の心配をする必要が無いものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の電子部品の電極構造の断
面図である。

【図２】Ａｕめっき層の厚さと密着度合との関係を示す
グラフである。

【図３】（ａ）はシェア強度の測定方法を示す模式説明
図であり、（ｂ）は破壊時の破壊界面がはんだ内部で生
起したものの模式説明図であり、（ｃ）は破壊時の破壊
界面がＮｉめっき面とはんだ面との界面で生起したもの
の模式説明図である。

【図４】Ｐｂを含有しないはんだと無電解Ｎｉめっき界
面の密着力の低下を示すグラフである。

【符号の説明】

１第１の金属層（無電解Ｎｉめっき層）２第２の金属層（無電解Ａｕめっき層）３はんだ層（Ｐｂを含有しないはんだ層）４電極５半導体基板６絶縁膜

───────────────────────────────────────────────────── 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 21/92 ６０４Ｄ６０４Ｈ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子部品の電極上に鉛を含有しないはん
だ層を介して電子部品を接合するにあたり、前記電極上
には無電解ニッケルめっきからなる第１の金属層および
前記第1の金属層上に無電解金めっきからなる第２の金
属層が形成され、前記第２の金属層の厚さが０．００５
μｍ〜０．０４μｍであることを特徴とする電子部品の
接合方法。
【請求項２】鉛を含有しないはんだが、Ｓｎはんだ、
Ｓｎ−Ａｇはんだ、Ｓｎ−Ｂｉはんだ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃ
ｕはんだから選ばれるものであることを特徴とする請求
項１記載の電子部品の接合方法。
【請求項３】鉛を含有しないはんだ層が、第２の金属
層の形成直後に形成されるものであることを特徴とする
請求項１又は２記載の電子部品の接合方法。
【請求項４】第２の金属層に加え、さらに酸化防止層
を形成することを特徴とする請求項１、２又は３記載の
電子部品の接合方法。