JP2005296960A

JP2005296960A - 金属表面処理剤、金属表面処理方法、はんだ接合剤、はんだペースト及び半導体電子部品の実装方法

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Publication number: JP2005296960A
Application number: JP2004112358A
Authority: JP
Inventors: Hirotomo Kumai; 啓友熊井
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2004-04-06
Filing date: 2004-04-06
Publication date: 2005-10-27

Abstract

【課題】はんだが濡れない金属表面に、はんだが濡れる膜を簡単に形成できて被接合部材との接合性を高めることが可能な金属表面処理剤、金属表面処理方法、はんだ接合剤、はんだペースト及び半導体電子部品の実装方法を提供する。
【解決手段】はんだが濡れない金属材１１のはんだ付けに際し、該金属材の表面に、加熱された際に、該金属材を構成する金属成分と置換反応を起こす性質を有する金属であって、且つはんだとの濡れ性が良い金属の化合物２の粉末を含有する金属表面処理剤を塗布する。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属表面処理剤、金属表面処理方法、はんだ接合剤、はんだペースト及び半導体電子部品の実装方法に関し、更に詳しくは、はんだ接合性の向上を図る技術に関する。

従来より電子部品をプリント基板などに接合する際には、基板上のランドにはんだペーストを印刷後、マウンターなどの搭載機で電子部品を搭載し、その後、リフロー炉内ではんだペースト（はんだ粉とフラックスとを混練して構成される）を溶融することによりはんだ付けを行っている。基板上のランドの金属表面には、空気中の酸素に触れて酸化膜が形成されており、この酸化膜は接合不良などの不都合を発生させることから、従来のはんだペースト内のフラックスには、酸化膜を除去するための活性剤が混合されている。この種のフラックスを有するはんだペーストにおいては、強固な接合が得られるように接合部に対する濡れ性の向上が望まれており、従来は、フラックスに含有する活性剤の含有量を変えるなどしてはんだ濡れ性を改善するようにしていた（例えば、特許文献１参照）。

特開平６−８７０９０号公報

しかしながら上記特許文献１の技術は、あくまでもはんだが濡れる性質を有する金属を接合対象とした場合に、はんだ濡れ性を改善することを目的としたものであった。したがって、例えばＳＵＳ材のように、はんだが全く濡れない金属に対して上記従来のはんだペーストを用いたとしても、濡れ性の改善どころか接合自体が不可能であった。この種のはんだが濡れない金属をはんだによって接合可能とするためには、はんだが濡れない金属の表面に、はんだが濡れやすい膜を形成し、その膜を用いてはんだ接合する方法が一つとして考えられる。このような膜形成に際しては、例えばスパッタ装置を用いて真空中で形成する方法が一般的に用いられるが、この方法は装置が大掛かりとなりコスト高となるなどの不都合があった。

本発明はこのような点に鑑みなされたもので、はんだが濡れない金属表面に、はんだが濡れる膜を簡単に形成できて被接合部材との接合性を高めることが可能な金属表面処理剤、金属表面処理方法、はんだ接合剤、はんだペースト及び半導体電子部品の実装方法を提供することを目的とする。

本発明に係る金属表面処理剤は、加熱された際に、母材を構成する金属成分と置換反応を起こす性質を有する金属であって、且つはんだとの濡れ性が良い金属の化合物の粉末が含有されてなるものである。
これにより、はんだが濡れない金属表面に、金属表面処理剤を塗布して加熱することで、簡単に、はんだ濡れ性の良い金属層を形成することができる。したがって、この金属層を用いてはんだ接合することにより、被接合部材との接合性を高めることが可能となる。

また、本発明に係る金属表面処理剤は、上記化合物の粉末と有機バインダーとが混練されてなるものである。
このように、金属表面処理剤は、化合物の粉末と有機バインダーとが混練されてペースト状に構成される。

また、本発明に係る金属表面処理剤は、上記金属が、Ｃｕ，Ｓｎ，Ａｇ，Ａｕ，Ｎｉ，Ｚｎ，Ａｌ又はＣｒの何れかであるものである。

また、本発明に係る金属表面処理剤は、上記化合物がハロゲン化合物、酢酸化合物、硝酸化合物又は硫酸化合物の何れかであるものである。

本発明に係る金属表面処理方法は、母材表面に金属表面処理剤を塗布した後、加熱装置内で加熱するものである。
このようにして、はんだが濡れない母材表面に、はんだ濡れ性の良い金属層を形成することができる。

本発明に係るはんだ接合剤は、上記の何れかの金属表面処理剤と、はんだ粉とを混練してなるものである。
このはんだ接合剤を用いてはんだ接合を行うことにより、はんだが濡れない母材金属であっても、被接合部材とのはんだ接合が可能となる。

本発明に係るはんだペーストは、上記の何れかの金属表面処理剤を含有してなるものである。
このはんだペーストを用いてはんだ接合を行うことにより、はんだが濡れない母材金属であっても、被接合部材とのはんだ接合が可能となる。

本発明に係る半導体電子部品の実装方法は、上記のはんだ接合剤を用いて半導体電子部品を配線基板上に接合するものである。
また、本発明に係る半導体電子部品の実装方法は、上記のはんだペーストを用いて半導体電子部品を配線基板上に接合するものである。
この実装方法によれば、半導体電子部品のリードにはんだ濡れ性を向上させるメッキが施されていなくても、上記のはんだ接合剤を用いることによりはんだ濡れ性が向上して良好な接合が可能となり、信頼性の高い半導体電子部品の実装が可能となる。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１に係る金属表面処理剤について説明する。
本実施の形態１の金属表面処理剤は、加熱された際に、母材を構成する金属成分と置換反応を生じる性質を有する金属であって、且つはんだとの濡れ性が良い金属の化合物の粉末が含有されてなるものである。
ここで、はんだとの濡れ性の良い金属とは、Ｃｕ，Ｓｎ，Ａｇ，Ａｕ，Ｎｉ，Ｚｎ，Ａｌ又はＣｒなどが該当し、これら各金属は、はんだ濡れ性の良い金属として従来より知られたものである。また、化合物としては、例えばハロゲン化合物、酢酸化合物、硝酸化合物又は硫酸化合物などが該当する。本例の金属表面処理剤は、前記化合物の粉末と、例えばエポキシ樹脂、ポリエステル又はフェノールなどの有機バインダーとを混練して構成されており、ペースト状に構成されている。

図１は、本発明の実施の形態１に係る金属表面処理剤による表面処理方法を説明する模式図である。本例ではＳＵＳ材を母材とし、特にＳＵＳ３０４とする場合を例に説明する。ＳＵＳ３０４の組成は、Ｆｅ−１８Ｃｒ−８Ｎｉ（７４ｗｔ％のＦｅと１８ｗｔ％のＣｒと８Ｎｉ）である。
ＳＵＳ材１０の表面に金属表面処理剤１を塗布する（図１（ａ））。金属表面処理剤１は、ここではＣｕをハロゲン化合物化した化合物（ＣｕＣｌ₂ ）２の粉末と有機バインダー３とを混練したものである。金属表面処理剤１を塗布した後、全体をリフロー炉等の加熱装置に挿入して加熱する（図示省略）。これによりＳＵＳ材１０表面と金属表面処理剤１との間で以下に示す化学反応が生じる。

すなわち、加熱されることによりＳＵＳ材１０を構成するＦｅ成分とハロゲン化合物（ＣｕＣｌ₂ ）２とが次式（１）で示すような置換反応を起こし、その結果、ＳＵＳ材１０の表面にＣｕ層１０ａが析出される（図１（ｂ））。

ＣｕＣｌ₂ ＋Ｆｅ → Ｃｕ＋ＦｅＣｌ₂ ・・・（１)

このように、ＳＵＳ材１０表面にＣｕ層１０ａが形成される。このＣｕ層１０ａは、はんだ濡れ性の良い金属層であることから、このＣｕ層１０ａを利用して既存のはんだペーストを用いた接合が可能となる。

このように実施の形態１によれば、はんだが濡れない金属表面に、金属表面処理剤１を塗布して加熱することで、簡単に、はんだ濡れ性の良い金属層を形成することができる。したがって、この金属層を用いてはんだ接合することにより、被接合部材との接合性が高まり、良好な接合を行うことが可能となる。

なお、本例では、Ｃｕのハロゲン化合物（ＣｕＣｌ₂ ）の粉末を含有した金属表面処理剤１を例に挙げて説明したが、本発明の金属表面処理剤に含有される化合物は、上述したように他にＳｎ，Ａｇ，Ａｕ，Ｎｉ，Ｚｎ，ＡｌあるいはＣｒなどの化合物としても良く、例えばＳｎのハロゲン化合物（ＳｎＣｌ₂ ）としても良い。この場合、ＳＵＳ材１０表面にＳｎ層が形成されることになる。このＳｎ層も、はんだ濡れ性の良い金属層であるため、Ｃｕ層１０ａの場合と同様に、被接合部材との接合性が高まり、良好な接合を行うことが可能となる。

また、はんだが濡れない金属として、ＳＵＳ材を例に挙げて説明したが、これに限られたものではなく、他に例えばＦｅ系の金属（鋳鉄など）なども含まれる。このＦｅ系の金属表面上にも、本発明の金属表面処理剤１を用いて同様に処理することで、はんだ濡れ性の良い金属層を形成することができる。

実施の形態２．
次に、実施の形態１の金属表面処理剤１とはんだ粉とを混練して構成したはんだ接合剤を用いてはんだ接合を実施する場合の処理工程を説明する。

図２は、はんだ接合剤を用いてはんだ接合を実施する場合の処理工程を示す模式図である。なお、本例ではＳＵＳ材同士を接合する場合を例に説明する。
まず、ＳＵＳ材１１の表面に、金属表面処理剤１とはんだ粉４とを混練してなるはんだ接合剤２０を塗布する（図２（ａ））。その上に接合対象のＳＵＳ材１２を載置する（図２（ｂ））。そして、その状態でリフロー炉等の加熱装置（図示せず）内に挿入して全体を加熱する（図示省略）。これにより、はんだ接合剤２０が加熱されて溶解し、はんだ接合剤２０とＳＵＳ材１１，１２のそれぞれの表面金属との間で上記（１）式で示したのと同じ化学反応が生じてＣｕ層１１ａ，１２ａが析出される。ＳＵＳ材１１，１２表面に析出したＣｕ層１１ａ，１２ａは、はんだ濡れ性が良いため、このＣｕ層１１ａ，１２ａに、溶融したはんだ２１が濡れ広がって（図２（ｃ））、良好な接合が得られる。

このように実施の形態２によれば、金属表面処理剤１とはんだ粉４とを混練してなるはんだ接合剤２０を用いることにより、従来、はんだ濡れ性が無くはんだによる接合が不可能であった金属をはんだ接合することが可能となる。

実施の形態３．
次に、実施の形態２のはんだ接合剤２０を用いた半導体電子部品の実装工程を説明する。なお、実装される半導体電子部品は、半導体チップを内部に樹脂封止した樹脂封止部の側面からリードが延出されたＱＦＰ等の構成のものであるとする。また、リードは４２ａｌｌｏｙ等で構成されており、通常リードには、はんだ濡れ性を向上させるために例えばＳｎ−Ｂｉ等のメッキが施されている。しかしながら、本例のはんだ接合剤２０を用いる場合には、このメッキは不要となり、リードの構成金属そのものの表面に、直接、はんだ接合剤２０を塗布してはんだ接合することになる。

図３は、半導体電子部品の実装工程を説明する模式図である。なお、リードはここでは４２ａｌｌｏｙ（５８ｗｔ％Ｆｅ−４２ｗｔ％Ｎｉ）で構成されているものとする。
半導体電子部品３０を実装する際には、まず、プリント配線基板４１の金属ランド４２（図３にはＣｕ（銅）ランドを例示。他に例えばＡｕランドとしても良い）上に、はんだ接合剤２０をスクリーン印刷等で供給／塗布する（図３（ａ））。そして、マウンターなどの搭載機でリード３１を有する半導体電子部品３０をプリント配線基板４１上に搭載する（図３（ｂ））。その後、この状態でリフロー炉等の加熱装置（図示せず）内に挿入する。これにより、はんだ接合剤２０が溶解し、はんだ接合剤２０とリード３１のＦｅ成分との間で上記（１）に示した化学反応が生じる。

すなわち、加熱装置内で加熱されることにより、リード３１のＦｅ成分とはんだ接合剤２０中のハロゲン化合物（ＣｕＣｌ₂ ）２が（１）式で示した置換反応を起こし、その結果、リード３１表面にＣｕ層３１ａが析出され、析出したＣｕ層３１ａは、はんだ濡れ性が良いため、溶融したはんだ２１がこのＣｕ層３１ａに濡れ広がり（図３（ｃ））、良好な接合が得られる。

以上説明したように、半導体電子部品３０の実装に際し、前述したはんだ接合剤２０を用いることにより、従来、はんだ濡れ性向上のためにリード３１に設けられていたメッキが不要となりながらも、はんだ濡れ性が向上して良好な接合が可能となり、信頼性の高い半導体電子部品３０の実装が可能である。

また、金属表面処理剤１中には、はんだ濡れ性の良い金属粉が化合物化されて含有されているので、その金属粉の酸化を防ぐことが可能である。したがって、金属粉の酸化による、はんだ接合剤２０保存中の劣化やはんだ濡れ性の低下を防止でき、保存安定性が良く、良好なはんだ付けが可能なはんだ接合剤２０を得ることができる。

なお、上記実施の形態では、金属表面処理剤１にはんだ粉４を混練してはんだ接合剤２０を構成したが、はんだ粉とフラックスとが混練されてなる既存のはんだペーストに本例の金属表面処理剤１を混合させた構成としても良い。この場合も、上記と同様の作用効果を得ることが可能となる。

実施の形態１の金属表面処理剤による表面処理方法を説明する模式図。実施の形態２のはんだ接合剤による接合処理工程を示す模式図。実施の形態２のはんだ接合剤を用いた半導体電子部品の実装工程模式図。

符号の説明

１金属表面処理剤、３有機バインダー、４はんだ粉、１０，１１，１２ＳＵＳ材、１０ａ，１１ａ，３１ａＣｕ層、２０はんだ接合剤、３０半導体電子部品、３１リード、４１プリント配線基板、４２金属ランド。

Claims

加熱された際に、母材を構成する金属成分と置換反応を起こす性質を有する金属であって、且つはんだとの濡れ性が良い金属の化合物の粉末が含有されてなる金属表面処理剤。
前記化合物の粉末と有機バインダーとが混練されてなることを特徴とする請求項１記載の金属表面処理剤。
前記金属は、Ｃｕ，Ｓｎ，Ａｇ，Ａｕ，Ｎｉ，Ｚｎ，Ａｌ又はＣｒの何れかであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の金属表面処理剤。
前記化合物がハロゲン化合物、酢酸化合物、硝酸化合物又は硫酸化合物の何れかであることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の金属表面処理剤。
母材表面に請求項１乃至請求項４の何れかに記載の金属表面処理剤を塗布した後、加熱装置内で加熱することを特徴とする金属表面処理方法。
請求項１乃至請求項４の何れかに記載の金属表面処理剤と、はんだ粉とを混練してなるはんだ接合剤。
請求項１乃至請求項４の何れかに記載の金属表面処理剤を含有してなるはんだペースト。
請求項６記載のはんだ接合剤を用いて半導体電子部品を配線基板上に接合することを特徴とする半導体電子部品の実装方法。
請求項７記載のはんだペーストを用いて半導体電子部品を配線基板上に接合することを特徴とする半導体電子部品の実装方法。