JP2003258161A - 電子部品実装用配線基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、電子部品をハンダで基板上のパッド
に接続する場合にハンダとパッドの接合強度を向上さ
せ、接合不良の発生を抑止することのできる基板を得る
ことが目的である。 【構成】電子部品を実装する配線基板において、電子部
品の端子とハンダ接続するためのパッドはニッケルメッ
キと金メッキが施されており、金メッキ下地のニッケル
メッキ層のニッケルメッキ粒子の表面粗度が10ｎｍ以上
100ｎｍ以下であることを特徴とする電子部品実装用の
配線基板である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子部品を実装す
る基板に関し、さらに詳しくは半導体集積回路と基板と
をハンダにより接続する場合に使用する基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】抵抗などの電子部品を配線パターンが設
置されたプリント配線板に実装し、電気的接続を行う場
合、プリント配線板の上面・下面の少なくとも片方の面
に配線パターンが露出した部分である接続パッドを設置
し、パッド上にハンダを印刷などの方法で塗布し、さら
に、部品の接続端子を印刷されたハンダの上に配置させ
た後、リフロー炉などでハンダを溶融させ、パッドと端
子を電気的に接続するとともに、基板に固着して実装す
る。基板には1つ以上の電子部品が実装されるが、端子
の形状や寸法により、また、基板の両面に実装される場
合などには2回以上の実装工程を経て、実装を完了す
る。

【０００３】このように、ハンダを溶融させるような高
温工程を複数回にわたり実施する場合、まだ、電子部品
が実装されていないパッドの表面が高温により酸化が促
進され、パッドの表面の一部あるいは全体が酸化物で覆
われ、液状の溶融ハンダをはじいてしまうため、パッド
と端子の電気的接続ができなかったり、接続強度が不十
分なため仕様環境の変化によるストレスで電気的接続が
はずれてしまうことがある。

【０００４】この問題を解決するため、パッドの表面を
金などの酸化しにくい金属で覆い、酸化を防止する方法
がある。すなわち、銅などの金属で構成された配線パタ
ーンのうち、少なくともパッドに相当する部分に金が配
線パターンに拡散するのを防ぐためのニッケルメッキを
析出させ、さらにそのうえに金メッキを析出させる。

【０００５】ニッケル・金メッキは、パッドの電位を負
性にし、メッキ液中の金属イオンをパッド表面で金属原
子として析出させる電解工法のほかに、触媒による化学
反応を利用したフラッシュ金メッキがある。フラッシュ
金メッキでは、パッドに電位を与えるための配線が不要
であるので、配線の自由度が高く、また、金メッキを薄
くすることができるため、低コストで加工できる特長を
もつ。

【０００６】フラッシュ金メッキにおけるニッケルメッ
キは化学反応を制御するためにメッキ液に次亜リン酸が
含有されており、そのため、析出したニッケルメッキ中
に5〜10重量パーセント程度のリンが含まれる。金メッ
キはニッケルとの置換反応により析出される。

【０００７】スズを主成分とするハンダをもちいて電子
部品と基板を実装する場合、金は直ちにハンダ内に拡散
し、合金を形成する。ただし、フラッシュ金メッキでは
金の量はハンダの量に比較し、非常に微量であるため、
スズと金の合金形成に起因するハンダの物性変化はほと
んど認められない。

【０００８】続いて、ニッケルがハンダ内に拡散する
が、その際、リンはハンダへ拡散しにくいため、ニッケ
ルとハンダの境界付近には相対的にリン濃度が高い、い
わゆるリン濃化層が形成される。リン濃化層は、通常の
ニッケルメッキに比較して脆いため、リフローによる温
度変化などの使用環境の変化に伴いパッドと端子の接続
部に応力が発生した場合、リン濃化層が破壊の起点とな
り、ニッケルとハンダの境界層で剥離し、電気的な接続
がはずれてしまうことがある。

【０００９】ただし、電子部品の端子面積が大きい場合
にはリン濃化層が生じても実用上の応力範囲では電気的
接続不良に至ることは稀であった。最近、電子部品の小
型化が進み、端子面積が小さくなったため、ハンダとパ
ッドの境界層での接続不良問題が重視されている。

【００１０】一方、半導体集積回路を基板に実装する場
合は、従来、金ワイヤを端子に圧着して電気的な接続を
得る、ワイヤボンディング工法が主流であった。この場
合、半導体集積回路側のパッドはその周辺部のみにしか
配置できない。すなわち、端子数の最大値は半導体集積
回路の寸法に1次比例する。端子数を増加したい場合、
半導体集積回路自体を大きくする必要がある。また、実
装装置の機械精度などを考慮するとパッドの間隔を狭く
することは困難であり、小型化に限界がある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】そこで、最近では、半
導体集積回路の実装において、フリップチップ工法と呼
ばれる接続工法が広まっている。フリップチップ工法で
は、半導体集積回路の表面全体に端子を設置し、ハンダ
で基板側のパッドと接続する、半導体集積回路用の実装
技術である。この場合、半導体集積回路の面全体に端子
を配置できるため、端子数の最大値は半導体集積回路の
寸法に2次比例し、小型化に寄与している。すなわち、
フリップチップ工法の方が端子密度を高くすることがで
きる。

【００１２】一方、フリップチップ工法の場合、ハンダ
で電気的接続を得るため、高温プロセスを経る。半導体
集積回路と基板の線膨張係数が異なるため、ハンダの溶
融・固化の過程で、ハンダ接合部、特に、半導体集積回
路の端部に設置されたハンダ接合部に応力が発生する。
その応力がハンダ接合部の接合強度を超えると、リフロ
ー後にハンダ接合部が破壊され、接続不良が発生する。
フリップチップ工法の場合、パッド寸法は直径0.05ミリ
メートルから0.2ミリメートル程度であり、はんだ接続
部の面積が非常に小さいため、接合強度そのものが低
く、接続不良が発生しやすい。

【００１３】すなわち、本発明は、電子部品をハンダで
基板上のパッドに接続する場合にハンダとパッドの接合
強度を向上させ、接合不良の発生を抑止することのでき
る基板を得ることが目的である。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、電子部品を実
装する配線基板において、電子部品の端子とハンダ接続
するためのパッドはニッケルメッキと金メッキが施され
ており、金メッキ下地のニッケルメッキ層のニッケルメ
ッキ粒子の表面粗度が10ｎｍ以上100ｎｍ以下であるこ
とを特徴とする電子部品実装用の配線基板である。

【００１５】さらに金メッキ下地のニッケルメッキ層の
ニッケルメッキ粒径の平均値が1μｍ以上5μｍ以下であ
り、かつ、粒径の標準偏差が平均値の25％以下であるこ
とが好ましい。

【００１６】応力によってハンダ接続が不良になった領
域を詳しく観察すると、リン濃化層とハンダの接合界面
で剥離していることがわかった。また、この界面にはニ
ッケル、リン、ハンダ材のほかに硫黄などの不純物成分
が他の部分に比較して多いことがわかった。すなわち、
リン濃化層そのものの脆弱性よりも、界面の不純物によ
り接合強度が低下していることが支配的である。

【００１７】すなわち、接合強度を向上させるために
は、金メッキとニッケルメッキの間の不純物を少なくす
ることが重要である。

【００１８】リン濃化層のリン濃度を低減するために、
ニッケルメッキの後に行う金メッキにおいて、ニッケル
と金の置換反応を抑制し、ニッケルの減少を抑える方法
が考えられる。金メッキ液にニッケルが触媒となって作
用する還元剤を少量添加することにより、ニッケルメッ
キ表面に選択的に還元反応による金メッキを析出させる
ことができる。金の析出量に対する置換反応と還元反応
の比は、理想的には0:1であるが、置換反応を完全にゼ
ロにすることはできず、また、還元反応を促進しすぎる
とニッケルメッキ以外の部分に金が析出してしまう。

【００１９】また、リン濃化層表面の不純物は、金メッ
キを析出させる際のニッケルメッキ表面の粗度に関係
し、粗度が大きい場合には金が析出する前に不純物が入
り込んでしまう。また、粗度が小さい場合にはハンダと
の接合時に境界となる面積が小さくなってしまうため剥
離しやすくなってしまう。

【００２０】発明者は、置換反応によってニッケルメッ
キの粒子表面に微小な表面荒れが生じることに注目し、
ニッケルメッキ粒子の表面粗度を制御することによりハ
ンダとの接合強度を最適に得られることを発見した。ま
た、ニッケルメッキ粒子境界、すなわち粒界は、置換反
応の際に不純物が入り込みやすい部分であり、単位表面
積における粒界の長さすなわち粒径が小さいとハンダと
の接合強度が下がることを発見した。

【００２１】さらに、発明者の詳細な研究の結果、以上
の点からニッケルメッキ粒子の表面粗度の最適範囲が10
ｎｍ以上100ｎｍ以下であることを見出した。さらに、
ニッケルメッキ粒径の平均値が1μｍ以上5μｍ以下であ
り、かつ、粒径の標準偏差が平均値の25パーセント以下
であることが好ましいことを見出した。パッドの寸法は
直径0.05ｍｍから0.5ｍｍであることが、本発明の効果
が顕著に得られるので好ましい。

【００２２】

【発明の実施の形態】サンプルとして、銅箔による配線
パターンが形成されたガラスエポキシ基板上にパッド部
だけを残して配線パターンを含むほぼ全面をアクリル・
エポキシ樹脂で覆った配線基板の中間品を用いた。この
サンプルに無電解ニッケルメッキと無電解金メッキを施
して、パッド部にニッケルメッキ層とその上の金メッキ
層を形成した。メッキ浴の基本組成は製品として容易に
入手できるものを用いた。

【００２３】ニッケルメッキ層の粒径は次のように測定
した。まず、ニッケルメッキ層の表面の金メッキ層を金
メッキ剥離液で除去する。次に、レーザー顕微鏡で2000
倍に拡大した画像をコンピュータに取り込む。画像処理
により、粒界を抽出し、粒子の面積を算出した。粒径は
次式により、求めた。粒径＝２×（面積÷円周率）^1/2
粒径は、ほぼ正規分布であり、平均値を中心にして標準
偏差の6倍の範囲に収まる。

【００２４】メッキ粒子の表面粗度は次のようにして測
定した。前記の通り金メッキを除去したのち、レーザー
変位計で表面をスキャンし、表面の凹凸を検出する。凹
凸信号からメッキ粒子に起因する凹凸成分を除去したの
ち、凹凸信号の実効値を算出し、表面粗度とする。

【００２５】ハンダの接合強度は次のようにして測定し
た。パッドは樹脂皮膜で覆われていない部分の直径が20
0μｍとした。サンプルのパッドに100μｍ程度のハンダ
皮膜を形成するため、共晶ハンダペーストをパッド表面
に置いた後、ピーク温度摂氏270度でリフローをおこな
った。さらに、ニッケルの拡散を促進するため、摂氏26
0度のホットプレートに基板を1分間放置し、1時間室温
に放置した。ニッケルの拡散処理を3回繰り返し、40時
間後に次のようにしてプル強度を測定した。プル強度は
３Ｎ以上であることが好ましい。

【００２６】ハンダ皮膜の上に共晶ハンダペーストを置
き、加熱した針状の治具によりハンダを溶融させ、治具
とパッドを接合させる。摂氏300度で10秒間加熱した
後、室温になるまで冷却し、その後、治具をパッドに垂
直に毎秒200μｍの速度で引き上げる。接合部が破壊し
た引っ張り力をプル強度とする。ニッケルメッキの粒径
はニッケルメッキ液の温度、ｐＨ、および還元剤として
用いたジ亜リン酸濃度を調整することで変更することが
できる。ここでは、おもにｐＨにより、粒径を調整し
た。一方、ニッケルメッキ粒子の表面粗度は次工程であ
る金メッキにおいて、金メッキ液の還元剤濃度を調整す
ることで変更することができる。ここでは、還元剤とし
てホルムアルデヒド系還元剤を用いた。

【００２７】（実施例1）還元剤を金メッキ液１リット
ルあたり２０ｇ投入し、かつｐＨ＝4.0のニッケルメッ
キ浴を用いた。

【００２８】（実施例２）還元剤を金メッキ液１リット
ルあたり１０ｇ投入し、かつｐＨ＝5.0のニッケルメッ
キ浴を用いた。

【００２９】（比較例１）還元剤を金メッキ液１リット
ルあたり５ｇ投入し、かつｐＨ＝5.0のニッケルメッキ
浴を用いた。浴温度を実施例よりも５℃低くした。

【００３０】（比較例２）金メッキ液に還元剤は投入せ
ず、かつｐＨ＝5.0のニッケルメッキ浴を用いた。浴温
度は実施例と同じにした。

【００３１】ニッケルメッキ粒子の表面粗度および粒径
とプル強度との関係は次のとおりであった。実施例１お
よび２に示すとおり、表面粗度が10nm以上100nm以下の
場合は、初期強度および処理後強度とも3N以上であっ
た。また、粒径の標準偏差が25%以下の場合、処理後強
度が増加し、好ましいことがわかった。一方、比較例１
および２に示すとおり、表面粗度が100nmを越えると処
理後強度が3Nを下回ってしまう。特に、粒径標準偏差が
25%を越えた場合には、初期強度も3N未満であり、実用
上、問題が大きい。

【００３２】

【表１】

【００３３】

【発明の効果】上記のとおり、基板上のパッドに電子部
品の端子をハンダ接続する基板において、基板上のパッ
ドにフラッシュ金メッキを施す場合、下地のニッケルメ
ッキ粒子の表面粗度や好ましくは粒径を制御することに
より、ハンダ接合などの加熱処理を繰り返しても、接続
強度の劣化のない基板を提供することができる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電子部品を実装する配線基板において、電
   子部品の端子とハンダ接続するためのパッドはニッケル
   メッキと金メッキが施されており、金メッキ下地のニッ
   ケルメッキ層のニッケルメッキ粒子の表面粗度が10ｎｍ
   以上100ｎｍ以下であることを特徴とする電子部品実装
   用の配線基板。
2. 【請求項２】金メッキ下地の前記ニッケルメッキ層のニ
   ッケルメッキ粒径の平均値が1μｍ以上5μｍ以下であ
   り、かつ、粒径の標準偏差が平均値の25％以下であるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の電子部品実装用の配線
   基板。