JP2002353271A - 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用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の外部接続用パッド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、ニッケルめっき層17側に半田側よりもニッ
ケルの含有量が多いニッケル偏析層21ａが形成されてい
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、下面にニッケル層
で被覆された外部接続用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用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用パッ
ドを形成している。さらに、外部接続用パッドには外部
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
続用パッドに半田を接合するには、外部接続用パッドの
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用パッド
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
置接続用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用パッドが銅から成る場合には、電
子装置接続用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
外部接続用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】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。

【０００８】

【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用パッ
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用パッドを有する
外部電気回路基板上に、外部接続用パッドと電子装置接
続用パッドとを錫を含有する半田を介して接合すること
により実装して成る電子装置の実装構造であって、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
れているとともに、この銅−ニッケル−錫合金層は、ニ
ッケル層側に半田の側よりもニッケルの含有量が多いニ
ッケル偏析層が形成されていることを特徴とするもので
ある。

【０００９】本発明の電子装置の実装構造によれば、電
子装置の外部接続用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、ニッケルめっき層側に半田側よりもニッケルの含有
量が多いニッケル偏析層が形成されていることから、こ
のニッケルの含有量が多いニッケル偏析層を介してニッ
ケルめっき層と半田とが強固に接合される。

【００１０】

【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。

【００１１】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。

【００１２】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。

【００１３】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。

【００１４】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。

【００１５】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。

【００１６】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
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
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。

【００１７】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
続用パッド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用パッド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用パッド
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用
パッド14に接続されてもよい。その場合、電子部品接続
用パッド14は電子部品５が搭載される部位の周囲に配置
される。

【００１８】そして、絶縁基体４上面の電子部品接続用
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の外部接続用パッド15を半田３を介して外部電
気回路基板２の電子装置接続用パッド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。

【００１９】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を外部接続用パッド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。

【００２０】外部接続用パッド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、外部接続用パッド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0.4〜0.7ｍ
ｍ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が外部接続用パッド15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0.5〜５
μｍ程度のニッケル−錫の合金層19が形成される。

【００２１】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。

【００２２】なお、ニッケルめっき層17は、外部接続用
パッド15が酸化腐蝕するのを防止して外部接続用パッド
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、外部接続用
パッド15を良好に被覆することができずに、外部接続用
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。

【００２３】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
続用パッド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めっきの
効率が悪くなり、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。

【００２４】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。

【００２５】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の電子部品接続用
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用パッド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用パッド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
続用パッド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。

【００２６】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
接続用パッド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。

【００２７】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をその外部接続用パッド15
に予め取着させた半田３と電子装置接続用パッド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。

【００２８】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の外部接続用パッド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
用パッド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。

【００２９】そして、本発明の電子装置の実装構造で
は、外部接続用パッド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のニッケルめっき層17側に半田３側よりもニッケル
の含有量が多いニッケル偏析層21ａが形成されている。
このように外部接続用パッド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、ニッケルめっき層17の側に半田３側よ
りもニッケルの含有量が多いニッケル偏析層21ａが形成
されていることから、このニッケルの含有量が多いニッ
ケル偏析層21ａを介して外部接続用パッド15上のニッケ
ルめっき層17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。

【００３０】このように、外部接続用パッド15上に被着
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のニッケルめっき層17側に半
田３側よりもニッケルの含有量が多いニッケル偏析層21
ａを形成するには、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との間に緻密
で均一なニッケル−錫合金層19を形成するとともに半導
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
溶融させる溶融温度を低くするとともに溶融時間を短く
すればよい。このように略均一なニッケル−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に半田３の溶融温度を低く
かつ溶融時間を短くして実装すると、外部電気回路基板
２の電子装置接続用パッド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との間で多量に反応することがなく、
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、ニッケルめっ
き層17側に半田３の側よりもニッケルの含有量が多いニ
ッケル偏析層21ａを例えば0.05〜2.5μｍの厚みに形成
することができる。

【００３１】なお、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との間に緻密
で均一なニッケル−錫合金層19を形成するには、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。

【００３２】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、ニッケ
ルめっき層17側に形成されるニッケル偏析層21ａは、そ
の厚みが0.05μｍ未満であると、このニッケル偏析層21
ａを介して外部接続用パッド15上のニッケルめっき層17
と半田３とが強固に接合されない。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、ニッケルめっき層17側に形成される
ニッケル偏析層21ａは、その厚みが0.05μｍ以上あるこ
とが好ましい。また、ニッケルめっき層17と半田３とを
強固に接合させるためには、ニッケル偏析層21ａ中のニ
ッケルの含有量が15重量％以上であることが好ましい。

【００３３】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。

【００３４】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９
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。

【００３５】

【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、ニッケルめっき層側に半田側よりもニッケルの含有
量が多いニッケル偏析層が形成されていることから、こ
のニッケルの含有量が多いニッケル偏析層を介してニッ
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）・（ｂ）は、図１に示す電子装置１の外
部接続用パッド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・・・・・外部接続用パッド 17・・・・・ニッケルめっき層 16・・・・・電子装置接続用パッド 21・・・・・銅−ニッケル−錫合金層 21ａ・・・・ニッケル偏析層

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
   用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用パッドを
   有する外部電気回路基板上に、前記外部接続用パッドと
   前記電子装置接続用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して成る電子装置の実装構造
   であって、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いるとともに、該銅−ニッ
   ケル−錫合金層は、前記ニッケル層側に前記半田の側よ
   りもニッケルの含有量が多いニッケル偏析層が形成され
   ていることを特徴とする電子装置の実装構造。