JP2006086386A - はんだ接合適用材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高温、かつ高湿の環境下における接合部の電気的および機械的特性の劣化を抑制できる、はんだ接合適用材およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 本発明のはんだ接合適用材Ｍは、銅を含む導体１に銅および錫を含む亜鉛酸化防止層２が形成されてなるもので、亜鉛酸化防止層２が導体１に錫を溶融めっき、電解めっきなどによりめっきすることにより形成される。亜鉛酸化防止層２の層厚は、０．５μｍ〜２０μｍとされる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、はんだ接合適用材およびその製造方法に関する。さらに詳しくは、鉛フリーはんだ接合に対し、作業性および接合部の信頼性が向上されてなるはんだ接合適用材およびその製造方法に関する。

従来、電子機器や半導体の内部配線構造において、はんだを突き合わせて接合する場合には、主に錫鉛共晶はんだ（Ｓｎ-３７Ｐｂ）が用いられてきた。しかしながら、近年、鉛の使用が環境に対して好ましくないことから、はんだ接合部においてもはんだ材の鉛フリー化が推進されている。

はんだ接合部に用いられる鉛フリーのはんだ材として、Ｓｎ-３.５Ａｇはんだ（特許文献１参照）や、Ｓｎ-９Ｚｎはんだ（特許文献２参照）が知られている。ところが、これらのはんだ材のうち、Ｓｎ-３.５Ａｇはんだは、融点が２２１℃であり、錫鉛共晶はんだの融点（１８３℃）よりもかなり高いため、接合温度が高くなる不具合がある。

この点、Ｓｎ-９Ｚｎはんだや、これに一部ビスマスを添加した錫−亜鉛系のはんだ材は比較的低融点であり、その作業性は良好であるといえる。ところが、錫−亜鉛系はんだ材においては、基板の配線材料である銅との間で生成される銅−亜鉛金属間化合物層が、高温下で非常に脆い性質をもつという難点がある。すなわち、配線材料とはんだ材との接合界面にボイド（空隙）が形成されやすくなり、接合部の電気的および機械的信頼性が低いという問題がある。

錫−亜鉛系のはんだ材におけるこのような問題点を解決するために、特許文献２には、錫またはニッケルを含む亜鉛拡散防止層を銅導体と錫−亜鉛はんだ合金バンプとの間に形成し、銅−亜鉛金属間化合物層の形成を阻止することが提案されている。

ところが、前記提案は高温の環境下における防止策であり、高温かつ高湿の環境下において、銅−亜鉛系はんだのはんだ接合部劣化の原因である、金属間化合物の成長や酸化による信頼性向上を目指したはんだ接合部を維持するものではない。
特開平７−３７９３５号公報 特許第３４７５１４７号公報

本発明はかかる従来技術の課題に鑑みなされたものであって、高温、かつ高湿の環境下における接合部の電気的および機械的特性の劣化を抑制できる、はんだ接合適用材およびその製造方法を提供することを目的としている。

本発明のはんだ接合適用材は、銅を含む導体に銅および錫を含む亜鉛酸化防止層が形成されてなることを特徴とする。

本発明のはんだ接合適用材においては、亜鉛酸化防止層が、導体に錫を含む金属または合金めっきをすることにより形成されてなるのが好ましい。

また、本発明のはんだ接合適用材においては、亜鉛酸化防止層の層厚が、０．５μｍ〜２０μｍとされてなるのが好ましい。

本発明のはんだ接合適用材の製造方法は、銅を含む導体に銅および錫を含む亜鉛酸化防止層を形成する手順を含んでいることを特徴とする。

本発明のはんだ接合適用材の製造方法においては、亜鉛酸化防止層を導体に錫を含む金属または合金めっきをすることにより形成するのが好ましい。

また、本発明のはんだ接合適用材の製造方法においては、めっきが溶融めっきとされ、溶融めっきされた錫に導体中の銅を拡散させる改質手順が付加されていてもよい。

本発明によれば、はんだ中の亜鉛の酸化が防止されるので、高温、かつ高湿の環境下におけるはんだ接合部における電気的および機械的特性の劣化が防止されるという優れた効果が得られる。

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではない。

実施形態１
本発明の実施形態１に係るはんだ接合適用材を用いたはんだ接合部の断面を図１に模式図で示す。

はんだ接合部Ｋは、図１に示すように、図示しない積層型樹脂基板に形成された銅箔からなる導体１の表面を覆うように、あらかじめ、銅−錫金属間化合物からなる亜鉛酸化防止層２を形成してなるはんだ接合適用材Ｍに、錫−亜鉛系はんだ材を溶融接合することによって、銅−亜鉛金属間化合物層３を前記亜鉛酸化防止層２との間に介在させてはんだ合金層４を形成してなるものとされる。

ここで、亜鉛酸化防止層（銅−錫金属間化合物）２は、導体（銅箔）１表面に、銅と比較して耐食性が高い錫をめっき処理することで形成される。亜鉛酸化防止層（銅−錫金属間化合物）２は、銅−亜鉛金属間化合物層３と比較すると成長が緩やかであるために、ボイドが形成されにくく、酸化亜鉛の生成が抑制される。したがって、強度劣化を抑制することができる。

これに対して、亜鉛酸化防止層（銅−錫金属間化合物）２を形成することなく、錫−亜鉛系はんだ材を用いてはんだ接合を施すと、はんだ材と導体１との界面に銅−亜鉛金属間化合物層３が形成される。銅−亜鉛金属間化合物層３は非常に成長速度が速いために、ボイドが形成されやすく、外部からの水分の侵入を招きやすい。水分が侵入すると、錫よりもイオン化傾向の大きい亜鉛が下記式１、２の反応によりイオン化し、その水分により酸化される。結果、接合界面において酸化が内部まで進行する。酸化物は一般に脆いため、接合強度が低下する。

Ｚｎ＋２Ｈ_２Ｏ → Ｚｎ(ＯＨ)_２ ＋ ２Ｈ＋２ｅ⁻ （１）
Ｚｎ(ＯＨ)_２ → ＺｎＯ ＋ Ｈ_２Ｏ （２）
以下、亜鉛酸化防止層２の形成方法を具体的に説明する。亜鉛酸化防止層２は、溶融はんだめっき法、電解めっき法、無電解めっき法といった各種めっき法により約０．５μｍ〜２０μｍの層厚となるように形成される。

図２に、亜鉛酸化防止層２を溶融めっき法により生成する場合の手順を示す。

手順１：導体１表面をアルコールなどの有機溶剤で洗浄する。

手順２：導体１表面が乾燥した後にその表面にフラックスを塗布してフラックス処理し、銅材表面の酸化被膜を除去する。使用するフラックスは、例えば、ロジン（松脂）１０質量％、活性剤（ハロゲン系物質など）１質量％、残り成分が有機溶剤（プロパノールなどのアルコール類）からなるものとされる。

手順３：フラックス処理した導体１を溶融はんだめっき槽に浸漬して導体１表面にはんだめっきを膜厚５μｍ〜２０μｍで施す。この場合、めっき槽の温度、つまりめっき液の温度は２６０℃〜３００℃の範囲とされ、まためっき膜厚の制御は、常法である空気や窒素ガスなどの気体を吹き付けその圧力で膜厚を制御する方法によりなされる。

手順４：浸漬を導体１の温度が溶融はんだめっき液温度に到達後１０秒〜６０秒にわたって継続し、形成されためっきに導体１の銅原子を拡散させてめっきを改質して銅−錫金属間化合物からなる亜鉛酸化防止層２を形成する。

このようにして、溶融めっき法により亜鉛酸化防止層２が形成される。

次に、銅−亜鉛金属間化合物層３を説明する。銅−亜鉛金属間化合物層３は、例えば錫の含有量が９０質量％〜９３質量％、亜鉛の含有量が１０質量％〜７質量％である錫−亜鉛共晶合金をはんだ材として用いる。このような錫−亜鉛共晶合金をはんだ材として用いるのは、融点が２００℃程度の低温となること、また錫−亜鉛合金中の亜鉛の含有量が５質量％以下、および１１質量％以上であると、錫や亜鉛の犠牲防食作用が発揮されないことによる。

以上説明したように、亜鉛酸化防止層２を形成することによって、はんだ材と導体１との接合界面における銅−亜鉛金属間化合物層の形成が阻止され、これにより前記界面からの水分の侵入が防止され、亜鉛の酸化が防止される。これにより高温・高湿環境下における銅−亜鉛金属間化合物層３の電気的および機械的特性が劣化するのを防止することが可能となる。

このように、本実施形態によれば、錫を含む亜鉛酸化防止層を銅導体表面に形成することによって、高温高湿下における銅−亜鉛金属間化合物層の酸化が防止され、接合部の電気的および機械的特性が劣化するのが防止される。これにより、環境に有害な鉛ではなく、環境に無害でコストパフォーマンスに優れた亜鉛を含んだ錫−亜鉛系はんだ合金を用いて、低融点で作業性が良く、低価格かつ信頼性の高い接合を確保することができる。

実施形態２
以下、図３を参照して、本発明の実施形態２を説明する。実施形態２は実施形態１を改変してなるものであり、図３に示すように、亜鉛酸化防止層（銅−錫金属間化合物層）２を電気めっき法および無電解めっき法により生成するものとされる。以下、図３のフローチャートを参照しながら説明する。

手順１１：導体１表面をアルコールなどの有機溶剤で洗浄する。

手順１２：導体１表面が乾燥した後に導体１を電解めっき槽に浸漬して常法により電気めっきする（電気めっき法）。または、導体１表面が乾燥した後に導体１を常法により例えば化学めっきする（無電解めっき法）。

手順１３：亜鉛酸化防止層２を生成する。

このようにして、電気めっき法または無電解めっき法により、亜鉛酸化防止層２が形成される。

次に、本発明をより具体的な実施例に基づいてより具体的に説明する。

実施例１
図４に、本発明のはんだ接合適用材によるはんだ接合部の実施例１を断面写真図により示す。なお、図４は、接合部の断面を電子線プローブアナライザ（日本電子製ＪＸＡ-８１００）により観察してその元素分析を行った結果を示す。

ここで、実施例１のはんだ接合部は、図４に示すように、下側はんだ部分２０と上側はんだ部分Ｋ１とを突き合わせて接合してなるものとされる。

下側はんだ部分２０は、従来法によるはんだ部分であり、下側銅導体に錫−亜鉛系はんだ材を用いてはんだを施し、これにより銅導体とはんだ合金層との間に銅−亜鉛金属間化合物層を形成してなるものとされる。

上側はんだ部分Ｋ１は、上側導体１Ａに予め錫めっきを施して亜鉛酸化防止層２Ａを形成し、これによりはんだ接合適用材Ｍ１を形成し、形成されたはんだ接合適用材Ｍ１を下側はんだ部分２０と錫−亜鉛系はんだ材により接合してなるものとされる。

実施例２および比較例
図５に、本発明の実施例２および比較例について、せん断強度の比較を行った結果を示す。

実施例２は、錫めっきにより表面処理した表面実装部品（チップ抵抗）、つまり亜鉛酸化防止層が形成されたはんだ接合適用材と、同じく表面処理した基板、つまり亜鉛酸化防止層が形成されたはんだ接合適用材とを突き合わせ接合したものである。

比較例は、錫めっきにより表面処理した表面実装部品（チップ抵抗）、つまり亜鉛酸化防止層が形成されたはんだ接合適用材と、表面処理されていない従来の基板とを突き合わせ接合したものである。

図５に示すグラフは、実施例２および比較例の各試料を摂氏８５℃、湿度８５％の雰囲気中に放置した時間とせん断強度との関係を示す。

せん断強度の測定結果は、治具移動速度を２０ｍｍ／ｍｉｎとして、１０回測定した結果を平均化したものである。

図５によれば、接合される両側のはんだ部分を本発明のはんだ接合適用材として形成した場合（実施例２）は、その片側のみを本発明のはんだ接合適用材として形成した場合（比較例）と比較して、せん断強度が大きく、かつ腐食による影響も小さい、つまりせん断強度が低下する割合が小さいことが分かる。すなわち、亜鉛酸化防止層を形成することではんだ接合部の強度が向上し、かつ高温・高湿下においてその腐食を抑制し得ることが確認された。

以上、本発明を実施形態および実施例に基づいて説明してきたが、本発明はかかる実施形態および実施例に限定されるものではなく、種々改変が可能である。例えば、実施形態および実施例は錫を例に取り説明されているが、本発明の適用は錫に限定されるものではなく、錫を含む金属や錫を含む合金にも適用できる。

本発明は、はんだ接合がなされる各種製品に適用できる。

本発明の実施形態１に係るはんだ接合適用材を用いたはんだ接合部断面の模式図である。 同実施形態１におけるはんだ接合適用材の亜鉛酸化防止層を溶融はんだめっき法により形成する場合の手順を示す流れ図である。 本発明の実施形態２におけるはんだ接合適用材の亜鉛酸化防止層を電気めっき法または無電解めっき法により形成する場合の手順を示す流れ図である。 本発明の実施例１の接合部断面の電子顕微鏡写真図である。 本発明の実施例２および比較例について、せん断強度試験を行った結果を示すグラフ図である。

符号の説明

Ｋ はんだ接合部
Ｍ はんだ接合適用材
１ 導体、銅
２ 亜鉛酸化防止層
３ 銅−亜鉛金属間化合物層
４ はんだ合金層

Claims (6)

1. 銅を含む導体に銅および錫を含む亜鉛酸化防止層が形成されてなることを特徴とするはんだ接合適用材。
2. 亜鉛酸化防止層が、導体に錫を含む金属または合金めっきをすることにより形成されてなることを特徴とする請求項１記載のはんだ接合適用材。
3. 亜鉛酸化防止層の層厚が、０．５μｍ〜２０μｍとされてなることを特徴とする請求項１記載のはんだ接合適用材。
4. はんだ接合適用材の製造方法であって、
   銅を含む導体に銅および錫を含む亜鉛酸化防止層を形成する手順
   を含んでいることを特徴とするはんだ接合適用材の製造方法。
5. 亜鉛酸化防止層を導体に錫を含む金属または合金めっきをすることにより形成することを特徴とする請求項４記載のはんだ接合適用材の製造方法。
6. めっきが溶融めっきとされ、溶融めっきされた錫に導体中の銅を拡散させる改質手順が付加されていることを請求項５記載のはんだ接合適用材の製造方法。
   

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