JP2003347716A - 配線基板 - Google Patents

配線基板

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JP2003347716A
JP2003347716A JP2002152206A JP2002152206A JP2003347716A JP 2003347716 A JP2003347716 A JP 2003347716A JP 2002152206 A JP2002152206 A JP 2002152206A JP 2002152206 A JP2002152206 A JP 2002152206A JP 2003347716 A JP2003347716 A JP 2003347716A
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gold
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JP2002152206A
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Kiyotomo Nakamura
清智 中村
Yuka Mizuno
由香 水野
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Toppan Inc
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Toppan Printing Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】錫と銀の少なくとも2種の金属元素からなる、
鉛を含まないはんだと接続されるための電極を有する配
線基板において、配線基板の電極と鉛フリーはんだの界
面が応力により剥離するのを防止し、電気的接続を長期
間にわたり確実、強固に維持することができる長期信頼
性に優れた配線基板を提供する。 【解決手段】電極が信号層である銅層により形成され、
該電極の銅層上にニッケルを主成分とするニッケル層と
金を主成分とする金層が順次形成され、該ニッケル層の
厚さが0.1〜1.5マイクロメートルである事を特徴
とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体素子収納用パ
ッケージ等に用いられる配線基板とこれを実装する母基
板との間のはんだ接合に関し、詳しくは鉛を含まないは
んだと接合する電極の表面処理に関するものである。
【0002】
【従来の技術】半導体素子を含む電子部品の実装にはは
んだが多く用いられており、これら電子部品が搭載され
る配線基板の実装用の電極の表面処理としてニッケル層
と金層を順次形成する方法が有効である。この構成は、
金層による電極の酸化防止、ニッケル層による銅拡散防
止が期待できるほかに、半導体素子搭載時のワイヤボン
ディング接合にも適した表面処理である。よってこの構
成は、ワイヤボンディングによる半導体素子搭載とはん
だボール接合による母基板への実装の、二種類の接合を
同時に満足できることから従来から広く採用されてい
る。
【0003】さて最近環境問題から、従来の鉛入り共晶
はんだから、鉛を使わないいわゆる鉛フリーはんだへの
移行が進展している。一般に鉛フリーはんだとは鉛を含
まないはんだの事であり、現在はそういった様々な元素
の組合せのはんだが研究されて市場に出始めている。
【0004】半導体素子収納用パッケージの周辺部材と
して使用される関係上、融点は半導体素子の駆動時温度
よりも高くある必要がある。そのため本発明に係る鉛フ
リーはんだとしては、現在一般に高温鉛フリーはんだと
呼ばれている、錫−銀の2元系、もしくは錫−銀−X
(Xは任意の元素)の3元系の組成のものが適してい
る。よって以下鉛フリーはんだとは、錫−銀の2元系、
もしくは錫−銀−X(Xは任意の元素)の3元系の組成
の事を指すこととする。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】はんだの鉛フリー化の
進展にともない、はんだ接合が従来よりも困難になって
きている。すなわち錫−銀−銅など一般に高温鉛フリー
はんだと呼ばれている組成では、はんだ自体の機械強度
が高いためにはんだの変形が起こりにくく、界面への応
力集中が大きくなることによって、シェアテストでの界
面はがれモードがおきやすくなるからである。
【0006】本発明は、従来の配線基板における上記問
題点に鑑み案出されたもので、その課題は、配線基板の
電極と鉛フリーはんだの界面が応力により剥離するのを
防止し、電気的接続を長期間にわたり確実、強固に維持
することができる長期信頼性に優れた配線基板を提供す
ることにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】この課題の解決にあた
り、発明者らはまず次の現象に着目した。すなわち銅層
上にニッケル層、金層を順次形成した電極において、錫
−銀共晶はんだを接合させた場合と、錫−銀−銅の3元
系はんだを接合させた場合を比較すると、後者の場合の
方が接合強度が高いという内容についてである。この理
由について、以下のように推定した。すなわち、金層は
接合されるとすばやくはんだの母体の方へ拡散が起こ
り、ニッケルとはんだの間に実質的な接合の界面が生じ
る。そしてニッケルとはんだの接合界面には金属間化合
物が生じる。その組成はEPMA(電子線マイクロアナ
ライザ)で分析した結果、前者は錫−ニッケルの2元系
合金であるのに対し、後者は錫−銀−銅3元系はんだ組
成の3番目の元素である銅が金属間化合物にとりこま
れ、錫−ニッケル−銅の3元系合金を形成することがわ
かった。そこで後者の場合の方が接合強度が高いその理
由は、この錫−ニッケル−銅の3元系合金の機械的性質
によるものと推定した。つまり、金属間化合物へ銅を注
入してやって錫−ニッケル−銅のうちの銅の比率を高め
れることができればされに接合強度を向上できるのでは
ないかと考えた。
【0008】そこで発明者らは鋭意実験を繰り返し、そ
の結果ニッケル層の厚さにより接合強度が大きく影響さ
れるということに至った。すなわち、ニッケル層の厚さ
が薄い場合に錫−銀−X系の鉛フリーはんだとの接合強
度が増大したのである。これは銅を含まない錫−銀共晶
はんだとの接合の場合でも同様の効果を示した。その効
果が現れるのがニッケル層厚さ1.5マイクロメートル
のところであり、ニッケル層厚さ1.5マイクロメート
ル以上の場合では強度に変化がないが、1.5マイクロ
メートルから薄い領域では薄くなるに応じて接合強度が
高くなった。この理由としては、ニッケル層が薄いこと
によって、はんだ接合時の金属間化合物にニッケル層が
ほぼすべて消費されてしまい、さらに下層にある銅層ま
でもが金属間化合物形成に関与することによって、金属
間化合物に銅元素が注入され、前述の錫−ニッケル−銅
3元系の金属間化合物の銅の組成比率が上昇することに
より機械的性質が向上したのではないかと推定される。
【0009】すなわち本発明に於いてまず請求項1にお
いては、錫と銀の少なくとも2種の金属元素からなる、
鉛を含まないはんだと接続されるための電極を有する配
線基板において、電極が信号層である銅層により形成さ
れ、該電極の銅層上にニッケルを主成分とするニッケル
層と金を主成分とする金層が順次形成され、該ニッケル
層の厚さが0.1〜1.5マイクロメートルである事を
特徴とする配線基板としたものである。
【0010】こうすることにより該ニッケル層ははんだ
接合時に金属間化合物の形成に消費され、その下地であ
る信号層の銅までもが金属間化合物に銅元素が注入さ
れ、該金属間化合物中の銅の比率が上昇することにより
機械的性質が向上するものである。
【0011】また請求項2においては、錫と銀の少なく
とも2種の金属元素からなる、鉛を含まないはんだと接
続されるための電極を有する配線基板において、電極が
信号層である銅層により形成され、該電極の銅層上にニ
ッケルを主成分とするニッケル層、銅を主成分とする第
2銅層、ニッケルを主成分とする第2ニッケル層、金を
主成分とする金層が順次形成される事を特徴とする配線
基板としたものである。
【0012】これは接合強度を高めるという理由でニッ
ケル厚さを1.5マイクロメートル以下にしてしまう
と、半導体素子搭載に支障をきたす可能性がある。たと
えばワイヤボンディング接合においては、ニッケル層が
薄い場合ワイヤボンディング強度が低下するという報告
がされている。それはニッケル層が薄いために打力や超
音波の伝達が悪くなるためであることは明白であり、安
易にニッケル層を薄くすることはできないのが現状であ
る。この点について発明者らは、金属間化合物に注入す
るための第2銅層と、1.5マイクロメートル以下の第
2ニッケル層、任意の厚さの金層を順次形成することで
この問題を解決できるということに至った。すなわち、
リフロー方式のはんだ接合の場合、前述の通りニッケル
と鉛フリーはんだの間の金属間化合物の形成には、電極
のニッケル層は1.5マイクロメートル消費されること
から、そのすぐ下層に金属間化合物へ銅を注入するため
の銅層を設けておけば良いわけで、そのさらに下層はは
んだの接合には直接関与しないことから、その部分の第
1ニッケル層の厚さは任意に設定することができる。た
とえばワイヤボンディングの性能向上のための第1ニッ
ケル層を5.0マイクロメートル形成することは可能で
あり、これによって、はんだの接合性能と半導体搭載性
能の両立が実現するというわけである。
【0013】さらに請求項3においては前記第2ニッケ
ル層の厚さが0.1〜1.5マイクロメートルである事
を特徴とする請求項2記載の配線基板としたものであ
る。
【0014】このようにすることにより、前期と同様に
第2ニッケル層ははんだ接合時に金属間化合物の形成に
消費され、その下地である第2銅層の銅までもが金属間
化合物に銅元素が注入され、該金属間化合物中の銅の比
率が上昇することにより機械的性質が向上するものであ
る。
【0015】請求項4においては、前記第2銅層の厚さ
が0.01〜2.0マイクロメートルである事を特徴と
する請求項2または3記載の配線基板としたものであ
る。
【0016】これは金属間化合物に注入されるべき銅層
の厚さを規定したものであり、実験により0.01〜
2.0マイクロメートルの厚さの範囲で効果を発揮する
ものである。
【0017】請求項5においては、錫と銀の少なくとも
2種の金属元素からなる、鉛を含まないはんだと接続さ
れるための電極を有する配線基板において、電極上にす
くなくとも銅を主成分とする銅層、ニッケルを主成分と
するニッケル層、金を主成分とする金層が順次形成され
る事を特徴とする配線基板としたものである。
【0018】請求項6においては前記ニッケル層の厚さ
が0.1〜1.5マイクロメートルである事を特徴とす
る請求項5記載の配線基板としたものである。
【0019】これは請求項3の発明と同様に、機械的性
質が向上するものである。
【0020】請求項7においては前記銅層の厚さが0.
01〜2.0マイクロメートルである事を特徴とする請
求項5または6記載の配線基板としたものである。
【0021】これは請求項4の発明と同様に、実験によ
り0.01〜2.0マイクロメートルの厚さの範囲で効
果を発揮するものである。
【0022】本発明によれば、鉛フリーはんだと電極の
接合において形成される金属間化合物の銅の組成比率を
高めることによって金属間化合物の機械強度が高めら
れ、はんだの接合性に優れた配線基板を提供することが
可能となる。
【0023】
【発明の実施の形態】本発明は、半導体素子収納用パッ
ケージ等に用いられる配線基板に限定されず、半導体素
子の搭載に鉛フリーはんだを用いる場合においてはその
搭載電極にも適用でき、それに相対する半導体素子上の
電極に対しても適応できる。また該配線基板を実装する
母基板の実装用電極にも適用できる。
【0024】次に本発明を添付の図面を基にして詳細に
説明する。図1は本発明の配線基板の一実施例を断面で
示す説明図である。 図1中の1は絶縁基材、2は配線
層、3はニッケル層、4は金層、5はソルダーレジスト
で構成される。前記絶縁基材1は、酸化アルミニウム質
焼結体や窒化アルミニウム質焼結体等のセラミック系絶
縁基材のほか、ガラス/エポキシ樹脂やポリイミド樹脂
等の有機系絶縁基材も任意に使用することができ、これ
によって本発明は影響を受けるものではない。
【0025】一方前記配線層2としては素材として銅が
もっとも好ましいが、請求項5〜7の発明においてはそ
の限りでなく、たとえば金属ペーストの焼結体なども任
意に選択できる。
【0026】前記ニッケル層3はニッケルを主成分とす
る層のことで、純粋なニッケルのほかにはニッケル−リ
ン合金、ニッケル−ホウ素合金などが工業的には適用し
やすく、本発明においてもそれらを使用することができ
る。厚さにして0.1〜1.5マイクロメートルとした
ものである。
【0027】前記金層4は金を主成分とする層のこと
で、純粋な金ほかに微量の鉛やタリウムやヒ素を含んだ
金合金が工業的には適用しやすく、本発明においてもそ
れらを使用することができる。厚さについては任意であ
り、これによって本発明は影響を受けるものではない。
【0028】
【実施例】以下実施例により本発明を詳細に説明する。 <実施例1>1.6mm厚の両面銅張積層板を脱脂、酸
洗し、よく洗浄してから乾燥し、その後片面に、感光性
ソルダーレジスト(太陽インキ製造(株)製:PSR−
4000)を厚さ30マイクロメートルになるように暗
室内でコーティングし、90℃で該感光性液状ソルダー
レジストを乾燥させた。次に該感光性ソルダーレジスト
に直径600マイクロメートルのドットパターンを10
個×10個の格子状に配列されるようにパターンを焼き
付け、その後1%炭酸ナトリウム水溶液にて現像し、そ
の後150℃で30分間加熱して該ソルダーレジストを
完全に硬化させた。
【0029】次に上記パターニングによって露出した銅
電極上に、スルファミン酸ニッケルめっき浴(スルファ
ミン酸ニッケル6水和物:450g/L 塩化ニッケル
6水和物:3g/L ホウ酸:30g/L)を使用し
て、55℃、約2A/dm2で0.82マイクロメート
ルのニッケル層を形成した。
【0030】次に該ニッケル層上に、金ストライクめっ
き浴(日本高純度化学(株)製:アシッドストライク)
を使用して、30℃、3.5Vで約0.02マイクロメ
ートルの金層を形成した。
【0031】次に該金層上に、金めっき浴(日本高純度
化学(株)製:テンペレジスト−EX)を使用して、7
0℃、0.4A/dm2で0.5マイクロメートルの金
層を形成し、配線基板を完成させた。
【0032】次にこの配線基板のドットパターンの電極
に樹脂系フラックス(千住金属(株)製:デルタラック
ス529D−1)をピンで転写しておき、該フラックス
を固定材として直径760マイクロメートルの錫−銀−
銅の3元系鉛フリーはんだボール(千住金属(株)製:
エコソルダーM705)を1個のドットに1個ずつ配置
した。
【0033】次にこの配線基板を160℃、2分間予熱
後250℃、5秒間加熱しはんだボールを溶融させてド
ットパターンの電極に接合させた。常温まで放冷したと
ころで、はんだボールのシェア強度を測定(使用した装
置:デイジ社製ボンドテスタシリーズ4000、測定条
件:シェアスピード300マイクロメートル毎秒、シェ
ア高さ20マイクロメートル)したところ、標本数30
で最大値1717g、最小値1491g、平均値160
3gであった。またこのときテスト後の破断面を観察し
たところ、100個中、ニッケル層が露出したものはな
くすべてはんだで覆われていた。
【0034】<実施例2>実施例1と同様にして0.8
4マイクロメートルのニッケル層、0.15マイクロメ
ートルの金層を順次形成して配線基板を作製した。
【0035】次に実施例1と同組成のはんだボールを同
条件で該配線基板に接合させ、常温まで放冷したところ
で、はんだボールのシェア強度を測定したところ、標本
数30で最大値1810g、最小値1221g、平均値
1551gであった。またこのときテスト後の破断面を
観察したところ、100個中、ニッケル層が露出したも
のはなくすべてはんだで覆われていた。
【0036】<実施例3>実施例1と同様に銅張積層板
を加工し、ソルダーレジストのパターニングによって露
出した銅電極上に、実施例1と同条件で第1ニッケル層
を5.6マイクロメートルの厚さに形成した。
【0037】次に該ニッケル層上に硫酸銅めっき浴(硫
酸銅6水和物:70g/L 濃硫酸:200g/L 塩
素:50ppm)を使用して、25℃、約0.5A/d
2で2.0マイクロメートルの銅層を形成した。
【0038】次に該銅層上に、実施例1と同条件でスル
ファミン酸ニッケル浴を使用し0.8マイクロメートル
の第2ニッケル層を形成した。
【0039】次に該ニッケル層上に次に実施例1と同条
件で金ストライク浴を使用して約0.02マイクロメー
トルの金層を形成した。
【0040】次に実施例1と同条件で金めっき浴を使用
して0.62マイクロメートルの金層を形成し、配線基
板を完成させた。
【0041】次に実施例1と同組成のはんだボールを同
条件で該配線基板に接合させ、常温まで放冷したところ
で、はんだボールのシェア強度を測定したところ、標本
数30で最大値1806g、最小値1512g、平均値
1620gであった。またこのときテスト後の破断面を
観察したところ、100個中、ニッケル層が露出したも
のはなくすべてはんだで覆われていた。
【0042】<実施例4>実施例1と同様に銅張積層板
を加工し、ソルダーレジストのパターニングによって露
出した銅電極上に、硫酸銅めっき浴(硫酸銅6水和物:
70g/L 濃硫酸:200g/L 塩素:50pp
m)を使用して、25℃、約10A/dm2で41.0
マイクロメートルの銅層を形成した。
【0043】次に該銅層上に、実施例1と同条件でスル
ファミン酸ニッケル浴を使用し1.5マイクロメートル
のニッケル層を形成した。
【0044】次に該ニッケル層上に次に実施例1と同条
件で金ストライク浴を使用して約0.02マイクロメー
トルの金層を形成した。次に実施例1と同条件で金めっ
き浴を使用して0.62マイクロメートルの金層を形成
し、配線基板を完成させた。
【0045】次に実施例1と同組成のはんだボールを同
条件で該配線基板に接合させ、常温まで放冷したところ
で、はんだボールのシェア強度を測定したところ、標本
数30で最大値1922g、最小値1511g、平均値
1647gであった。またこのときテスト後の破断面を
観察したところ、100個中、ニッケル層が露出したも
のはなくすべてはんだで覆われていた。
【0046】<実施例5>実施例1と同様に銅張積層板
を加工し、ソルダーレジストのパターニングによって露
出した銅電極上に、無電解ニッケル−リン浴(上村工業
(株)製:NPR−4)を使用し0.5マイクロメート
ルのニッケル層を形成した。次に該ニッケル−リン層上
に置換型金めっき浴(上村工業(株)製:TSB−7
1)を使用して約0.05マイクロメートルの金層を形
成し、配線基板を完成させた。
【0047】次に実施例1と同組成のはんだボールを同
条件で該配線基板に接合させ、常温まで放冷したところ
で、はんだボールのシェア強度を測定したところ、標本
数30で最大値1775g、最小値1448g、平均値
1532gであった。またこのときテスト後の破断面を
観察したところ、100個中、ニッケル層が露出したも
のはなくすべてはんだで覆われていた。
【0048】<実施例6>実施例1と同様に銅張積層板
を加工し、ソルダーレジストのパターニングによって露
出した銅電極上に、やはり無電解ニッケル−リンめっき
浴(上村工業(株)製:NPR−4)を使用し第1ニッ
ケル層を5.6マイクロメートルの厚さに形成した。
【0049】次に該ニッケル層上に無電解銅めっき浴
(シプレイファーイースト製:)を使用して、40℃で
0.2マイクロメートルの銅層を形成した。
【0050】次に該銅層上に、実施例1と同条件で無電
解ニッケル−リン浴(上村工業(株)製:NPR−4)
を使用し0.8マイクロメートルの第2ニッケル層を形
成した。
【0051】次に該ニッケル−リン層上に置換型金めっ
き浴(上村工業(株)製:TSB−71)を使用して約
0.05マイクロメートルの金層を形成し、配線基板を
完成させた。
【0052】次に実施例1と同組成のはんだボールを同
条件で該配線基板に接合させ、常温まで放冷したところ
で、はんだボールのシェア強度を測定したところ、標本
数30で最大値1780g、最小値1402g、平均値
1543gであった。またこのときテスト後の破断面を
観察したところ、100個中、ニッケル層が露出したも
のはなくすべてはんだで覆われていた。
【0053】<比較例1>実施例1と同様に銅張積層板
を加工し、ソルダーレジストのパターニングによって露
出した銅電極上に、やはり実施例1と同条件でニッケル
層を5.6マイクロメートルの厚さに形成した。
【0054】次に実施例1と同条件で金ストライク浴を
使用して約0.02マイクロメートルの金層を形成し
た。
【0055】次に実施例1と同条件で金めっき浴を使用
して0.62マイクロメートルの金層を形成し、配線基
板を完成させた。
【0056】次に実施例1と同組成のはんだボールを同
条件で該配線基板に接合させ、常温まで放冷したところ
で、はんだボールのシェア強度を測定したところ、標本
数30で最大値1830g、最小値1462g、平均値
1614gであった。またこのときテスト後の破断面を
観察したところ、100個中、24個については一部ニ
ッケル層の露出が確認された。
【0057】<比較例2>実施例1と同様にニッケル層
の厚さを5.6マイクロメートル、金層の厚さを3.1
マイクロメートルとして配線基板を作製した。次に実施
例1と同素製のはんだボールを同条件で該配線基板に接
合させ、常温まで放冷したところで、はんだボールのシ
ェア強度を測定したところ、標本数30で最大値228
5g、最小値1604g、平均値1941gであった。
またこのときテスト後の破断面を観察したところ、10
0個中、53個については一部ニッケル層の露出が確認
された。
【0058】<比較例3>実施例1と同様にニッケル層
の厚さを5.6マイクロメートル、金層の厚さを0.1
8マイクロメートルとして配線基板を作製した。次に実
施例1と同素製のはんだボールを同条件で該配線基板に
接合させ、常温まで放冷したところで、はんだボールの
シェア強度を測定したところ、標本数30で最大値20
25g、最小値1251g、平均値1624gであっ
た。またこのときテスト後の破断面を観察したところ、
100個中、40個については一部ニッケル層の露出が
確認された。
【0059】
【発明の効果】本発明の配線基板によれば、ニッケル層
と金層を順次形成する電極構造において、高温鉛フリー
はんだと直接接合されるニッケル層の厚さが0.1〜
1.5マイクロメートルであるなら、そのニッケル層は
はんだとのはんだとの金属間化合物の形成に消費され、
その下層の銅をも金属間化合物中へ取り込まれる事にな
り、これにより金属間化合物の機械的性質が変化しはん
だボールの接合強度が飛躍的に増大することとなる。ひ
いては鉛フリーはんだに対し電気的接続を長期間にわた
り確実に、強固に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の配線基板の一実施例を断面で示す説明
図である。
【符号の説明】
1・・・・絶縁基材 2・・・・配線層 3・・・・ニッケル層 4・・・・金層 5・・・・ソルダーレジスト

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】錫と銀の少なくとも2種の金属元素からな
    る、鉛を含まないはんだと接続されるための電極を有す
    る配線基板において、電極が信号層である銅層により形
    成され、該電極の銅層上にニッケルを主成分とするニッ
    ケル層と金を主成分とする金層が順次形成され、該ニッ
    ケル層の厚さが0.1〜1.5マイクロメートルである
    事を特徴とする配線基板。
  2. 【請求項2】錫と銀の少なくとも2種の金属元素からな
    る、鉛を含まないはんだと接続されるための電極を有す
    る配線基板において、電極が信号層である銅層により形
    成され、該電極の銅層上にニッケルを主成分とするニッ
    ケル層、銅を主成分とする第2銅層、ニッケルを主成分
    とする第2ニッケル層、金を主成分とする金層が順次形
    成される事を特徴とする配線基板。
  3. 【請求項3】前記第2ニッケル層の厚さが0.1〜1.
    5マイクロメートルである事を特徴とする請求項2記載
    の配線基板。
  4. 【請求項4】前記第2銅層の厚さが0.01〜2.0マ
    イクロメートルである事を特徴とする請求項2または3
    記載の配線基板。
  5. 【請求項5】錫と銀の少なくとも2種の金属元素からな
    る、鉛を含まないはんだと接続されるための電極を有す
    る配線基板において、電極上にすくなくとも銅を主成分
    とする銅層、ニッケルを主成分とするニッケル層、金を
    主成分とする金層が順次形成される事を特徴とする配線
    基板。
  6. 【請求項6】前記ニッケル層の厚さが0.1〜1.5マ
    イクロメートルである事を特徴とする請求項5記載の配
    線基板。
  7. 【請求項7】前記銅層の厚さが0.01〜2.0マイク
    ロメートルである事を特徴とする請求項5または6記載
    の配線基板。
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