JP2006093271A - 配線基板の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】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、電気的接続を確実、強固に維持することが出来る長期信頼性に優れた配線基板の製造方法を提供する。
【解決手段】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の製造方法において、該電極は少なくとも(a)少なくともスルファミン酸ニッケル4水和物、塩化ニッケル6水和物、ホウ酸を含む水溶液をニッケルめっき液とし、液温40〜55℃にて、電解ニッケルめっきを行う工程、または、(a)少なくとも硫酸ニッケル6水和物、塩化ニッケル6水和物、ホウ酸を含む水溶液をニッケルめっき液とし、液温40〜55℃にて、70mA/cmよりも大きいカソード電流密度で電解ニッケルめっきを行う工程、のいずれかと、(b)電解金めっきを行う工程、
により形成されることを特徴とする配線基板の製造方法である。
【選択図】図1

Description

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基板との間のはんだ接合に関し、鉛を含まないはんだと接合する電極の電解めっきによる表面処理に関するものである。
現在、環境への影響の観点から、配線基板などの実装に使用されるはんだは、錫と鉛からなるはんだから鉛を含まない鉛フリーはんだへ移行している。鉛フリーはんだは、鉛を含まないはんだの事で、さまざまな元素の組み合わせのはんだが研究され市場に出始めている。
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温度よりも高い必要がある。そのため本発明にかかわる鉛フリーはんだとしては、一般に高温鉛フリーはんだと呼ばれる、錫、銀の2元系、もしくはこれに任意の元素を加えた3元系の組成のことを指すこととする。
また、この鉛フリーはんだと接続される電極は、電解めっき法もしくは無電解めっき法で、信号層である銅層上にニッケル層と金層を順次形成するのが一般的である。
日本鍍金材料共同組合作成 2000めっき手帳めっき技術要覧P5
はんだの鉛フリー化への移行にともない、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、高温鉛フリーはんだの組成では、はんだ自体の機械強度が高いためはんだの変形が起こりにくく、接続界面への応力集中が大きくなることによって、曲げや落下衝撃などの変形に対して界面剥がれの現象が多く見られるようになっている。
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、電気的接続を確実、強固に維持することが出来る長期信頼性に優れた配線基板の製造方法を提供することにある。
本発明はかかる課題を解決するものであり、請求項1の発明は、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の製造方法において、該電極は少なくとも(a)少なくともスルファミン酸ニッケル4水和物、塩化ニッケル6水和物、ホウ酸を含む水溶液をニッケルめっき液とし、液温40〜55℃にて、電解ニッケルめっきを行う工程、(b)電解金めっきを行う工程、により形成されることを特徴とする配線基板の製造方法である。
請求項2の発明は、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の製造方法において、該電極は少なくとも(a)1リットル当たり、少なくともスルファミン酸ニッケル4水和物400〜500g、塩化ニッケル6水和物1〜5g、ホウ酸25〜35gを含む水溶液をニッケルめっき液とし、液温40〜55℃にて、電解ニッケルめっきを行う工程、(b)電解金めっきを行う工程、により形成されることを特徴とする配線基板の製造方法である。
請求項3の発明は、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の製造方法において、該電極は少なくとも(a)少なくとも硫酸ニッケル6水和物、塩化ニッケル6水和物、ホウ酸を含む水溶液をニッケルめっき液とし、液温40〜55℃にて、70mA/cmよりも大きいカソード電流密度で電解ニッケルめっきを行う工程、(b)電解金めっきを行う工程、により形成されることを特徴とする配線基板の製造方法である。
請求項4の発明は、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の製造方法において、該電極は少なくとも(a)1リットル当たり、少なくとも硫酸ニッケル6水和物200〜250g、塩化ニッケル6水和物30〜50g、ホウ酸25〜35gを含む水溶液をニッケルめっき液とし、液温40〜55℃にて、70mA/cmよりも大きいカソード電流密度で電解ニッケルめっきを行う工程、(b)電解金めっきを行う工程、により形成されることを特徴とする配線基板の製造方法である。
錫と銀の少なくとも2種類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、該電極上にニッケル層と金層が順次形成され、かつ該ニッケル層の結晶配向において、X線回折装置で測定される(111)、(200)、(220)、(311)のピークのうち、(200)面の回折ピーク強度の比率が、(111)面、(200)面、(220)面、(311)面の回折ピーク強度の合計の30/100を超えれば、鉛フリー半田ボール接合強度は十分なものであるが、30/100以下のときは、鉛フリー半田ボール接合強度が低下してしまう。本発明の製造方法によれば、X線回折装置で測定される(111)、(200)、(220)、(311)のピークについて、(200)面の回折ピーク強度の比率が、(111)面、(200)面、(220)面、(311)面の回折ピーク強度の合計の30/100を超えることが達成できる。
回折ピーク強度は、ニッケルめっき液の組成にもよるが、ニッケル層の形成条件、例えば、ニッケルめっきの電流密度により変化する。そして、電流密度を高めた場合には、(200)面の強度は増加し、はんだ接合強度が上昇する。
鉛フリーハンダで接合される配線基板における、電極(信号層)上にニッケル層と金層を順次形成する電極構造について、高温になる鉛フリーはんだと直接接合されるニッケル層の(200)面の回折ピーク強度の比率が、(111)面、(200)面、(220)面、(311)面の回折ピーク強度の合計の30/100を超えるならば、その電極と接合されたはんだボールの接合強度が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。
本発明の配線基板の製造方法によれば、上述の高温になる鉛フリーはんだと直接接合されるニッケル層の(200)面の回折ピーク強度の比率が、(111)面、(200)面、(220)面、(311)面の回折ピーク強度の合計の30/100を超えるように形成できるので、その電極と接合されたハンダボールの接合強度が増大するため、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。
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のほか、半導体素子の搭載に鉛フリー半田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。
図1は本発明の実施例を示す配線基板の断面図である。図1中の1は絶縁基材、2は配線層(ソルダーレジストから露出している部分が電極となる)、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。絶縁基材1はセラミック系絶縁基材や、有機系絶縁基材を任意に使用できる。配線層2は銅が好ましいが、金属ペーストの焼結体などでも良い。ニッケル層3はニッケルを主成分とする層のことで、その形成方法としては電解めっき法が一般的であり、本発明に係わる製造方法も電解めっき法についてである。金層4は金を主成分とする層のことで、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。
本発明で用いることのできるニッケルめっき液は、所定量のニッケルイオンを含む水溶液である。ニッケルイオンの供給源としては硫酸ニッケル6水和物、スルファミン酸ニッケル4水和物、塩化ニッケル6水和物等が挙げられ、好ましくはニッケルめっき液1リットル当たり、硫酸ニッケル6水和物150〜300g、より好ましくは200〜250g、塩化ニッケル6水和物30〜50gを含むものである。あるいはニッケルめっき液1リットル当たり、スルファミン酸ニッケル4水和物300〜550g、より好ましくは400〜500g、塩化ニッケル6水和物1〜5gを含むものである。このとき、ニッケルめっき液の水素イオン濃度はpH3.0〜4.5の範囲で調整されていることが好ましく、ニッケルめっき液1リットル当たりホウ酸25〜35gを含むことが好ましい。
ニッケルめっきワット浴(硫酸ニッケル6水和物を用いた場合)でめっきを行う場合は、銅電極上にニッケルめっきを施す条件は、40〜55℃の範囲で、70mA/cmよりも大きいカソード電流密度で行う必要がある。カソード電流密度が70mA/cm以下であると、このニッケルめっきによって形成されたニッケル層の上に金めっきを施し、電極とした場合、鉛フリーハンダを接合した際に、十分な接合強度が得られず、電極がハンダで覆われない、界面剥がれが発生する等の問題がある。
これは、形成されるニッケル層の(200)面の回折ピーク強度の比率が、(111)面、(200)面、(220)面、(311)面の回折ピーク強度の合計の30/100以下であるためである。
ニッケルめっきスルファミン酸浴でニッケルめっきを行った場合は、電流密度によらず形成されるニッケル層の(200)面の回折ピーク強度の比率が、(111)面、(200)面、(220)面、(311)面の回折ピーク強度の合計の30/100以上であるニッケル層を形成できる。
いずれの場合においても、液温は40℃〜55℃の範囲で調整されていることが好ましい。アノードとしては含硫黄ニッケルを用いることができる。
以下に本発明の実施例を記し、詳細に説明する。
[配線基板の製造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500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。
次に上記パターニングによって露出した銅電極上に、ニッケルめっきワット浴(硫酸ニッケル6水和物:240g/L 塩化ニッケル6水和物:45g/L ホウ酸:30g/L)を使用して、55℃、140mA/cmで5.5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。
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、70℃、0.4A/dm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。
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)をピンで適量転写しておき、該フラックスを固定材として直径600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。
次にこの配線基板を160℃、2分間予熱後240℃、30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1131.0g、最小値968.7g、平均値1069.1g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。
[結晶回折分析1]
前記と同様な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、同条件で同膜厚のニッケル層および金層を順次形成し配線基板を完成させた。
この配線基板のドットパターン部をX線回折装置を使って結晶回折分析をおこなったところ、ニッケル層の(200)面の回折ピーク強度の比率が、(111)面、(200)面、(220)面、(311)面の回折ピーク強度の合計の40/100であった。
[配線基板の製造2]
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と同組成のニッケルめっきワット浴を使用して、55℃、100mA/cmで5.5マイクロメートルのニッケル層を形成し、その後実施例1と同様金ストライクめっきにより0.02マイクロメートル、および金めっきにより0.5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。
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1092.6g、最小値955.8g、平均値1029.7g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。
[結晶回折分析2]
実施例1と同様な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、同条件で同膜厚のニッケル層および金層を順次形成し配線基板を完成させた。
この配線基板のドットパターン部をX線回折装置を使って結晶回折分析をおこなったところ、ニッケル層の(200)面の回折ピーク強度の比率が、(111)面、(200)面、(220)面、(311)面の回折ピーク強度の合計の37/100であった。
[配線基板の製造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、ニッケルめっきスルファミン酸浴(スルファミン酸ニッケル4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、50℃、140mA/cmで5.5マイクロメートルのニッケル層を形成し、その後実施例1と同様金ストライクめっきにより0.02マイクロメートル、および金めっきにより0.5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。
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1135.2g、最小値973.5g、平均値1070.5g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。
[結晶回折分析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、配線基板の製造3と同条件で同膜厚のニッケル層および金層を順次形成し配線基板を完成させた。
この配線基板のドットパターン部をX線回折装置を使って結晶回折分析をおこなったところ、ニッケル層の(200)面の回折ピーク強度の比率が、(111)面、(200)面、(220)面、(311)面の回折ピーク強度の合計の40/100であった。
[配線基板の製造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、配線基板の製造3と同組成のニッケルめっきスルファミン酸浴を用いて、50℃100mA/cmで5.5マイクロメートルのニッケル層を形成し、その後実施例1と同様金ストライクめっきにより0.02マイクロメートル、および金めっきにより0.5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。
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1130.2g、最小値976.0g、平均値1079.1g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。
[結晶回折分析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、配線基板の製造4と同条件で同膜厚のニッケル層および金層を順次形成し配線基板を完成させた。
この配線基板のドットパターン部をX線回折装置を使って結晶回折分析をおこなったところ、ニッケル層の(200)面の回折ピーク強度の比率が、(111)面、(200)面、(220)面、(311)面の回折ピーク強度の合計の43/100であった。
[配線基板の製造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、配線基板の製造3と同組成のニッケルめっきスルファミン酸浴を用いて、50℃、70mA/cmで5.5マイクロメートルのニッケル層を形成し、その後実施例1と同様金ストライクめっきにより0.02マイクロメートル、および金めっきにより0.5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。
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1098.7g、最小値977.7g、平均値1068.9g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。
[結晶回折分析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、配線基板の製造5と同条件で同膜厚のニッケル層および金層を順次形成し配線基板を完成させた。
この配線基板のドットパターン部をX線回折装置を使って結晶回折分析をおこなったところ、ニッケル層の(200)面の回折ピーク強度の比率が、(111)面、(200)面、(220)面、(311)面の回折ピーク強度の合計の50/100であった。
[配線基板の製造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、配線基板の製造3と同組成のニッケルめっきスルファミン酸浴を用いて、50℃、20mA/cmで5.5マイクロメートルのニッケル層を形成し、その後実施例1と同様金ストライクめっきにより0.02マイクロメートル、および金めっきにより0.5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。
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1102.2g、最小値967.4g、平均値1070.1g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。
[結晶回折分析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、配線基板の製造6と同条件で同膜厚のニッケル層および金層を順次形成し配線基板を完成させた。
この配線基板のドットパターン部をX線回折装置を使って結晶回折分析をおこなったところ、ニッケル層の(200)面の回折ピーク強度の比率が、(111)面、(200)面、(220)面、(311)面の回折ピーク強度の合計の67/100であった。
<比較例1>
[配線基板の製造7]
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と同組成のニッケルめっきワット浴を使用して、55℃、70mA/cmで5.5マイクロメートルのニッケル層を形成し、その後実施例1と同様金ストライクめっきにより0.02マイクロメートル、および金めっきにより0.5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。
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1085.2g、最小値912.2g、平均値991.6g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4個でニッケル層の一部が露出した。
[結晶回折分析7]
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、配線基板の製造7と同条件で同膜厚のニッケル層および金層を順次形成し配線基板を完成させた。
この配線基板のドットパターン部をX線回折装置を使って結晶回折分析をおこなったところ、ニッケル層の(200)面の回折ピーク強度の比率が、(111)面、(200)面、(220)面、(311)面の回折ピーク強度の合計の30/100であった。
<比較例2>
[配線基板の製造8]
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と同組成のニッケルめっきワット浴を使用して、55℃、20mA/cmで5.5マイクロメートルのニッケル層を形成し、その後実施例1と同様金ストライクめっきにより0.02マイクロメートル、および金めっきにより0.5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。
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1071.2g、最小値901.4g、平均値975.6g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39個でニッケル層の一部が露出した。
[結晶回折分析8]
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、配線基板の製造8と同条件で同膜厚のニッケル層および金層を順次形成し配線基板を完成させた。
この配線基板のドットパターン部をX線回折装置を使って結晶回折分析をおこなったところ、ニッケル層の(200)面の回折ピーク強度の比率が、(111)面、(200)面、(220)面、(311)面の回折ピーク強度の合計の28/100であった。
本発明にかかわる配線基板の説明図である。
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 (4)

  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の製造方法において、該電極は少なくとも
    (a)少なくともスルファミン酸ニッケル4水和物、塩化ニッケル6水和物、ホウ酸を含む水溶液をニッケルめっき液とし、液温40〜55℃にて、電解ニッケルめっきを行う工程、
    (b)電解金めっきを行う工程、
    により形成されることを特徴とする配線基板の製造方法。
  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の製造方法において、該電極は少なくとも
    (a)1リットル当たり、少なくともスルファミン酸ニッケル4水和物400〜500g、塩化ニッケル6水和物1〜5g、ホウ酸25〜35gを含む水溶液をニッケルめっき液とし、液温40〜55℃にて、電解ニッケルめっきを行う工程、
    (b)電解金めっきを行う工程、
    により形成されることを特徴とする配線基板の製造方法。
  3. 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の製造方法において、該電極は少なくとも
    (a)少なくとも硫酸ニッケル6水和物、塩化ニッケル6水和物、ホウ酸を含む水溶液をニッケルめっき液とし、液温40〜55℃にて、70mA/cmよりも大きいカソード電流密度で電解ニッケルめっきを行う工程、
    (b)電解金めっきを行う工程、
    により形成されることを特徴とする配線基板の製造方法。
  4. 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の製造方法において、該電極は少なくとも
    (a)1リットル当たり、少なくとも硫酸ニッケル6水和物200〜250g、塩化ニッケル6水和物30〜50g、ホウ酸25〜35gを含む水溶液をニッケルめっき液とし、液温40〜55℃にて、70mA/cmよりも大きいカソード電流密度で電解ニッケルめっきを行う工程、
    (b)電解金めっきを行う工程、
    により形成されることを特徴とする配線基板の製造方法。
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