JP2006196647A - 外部接合電極付き電子部品およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電子部品における導電体の外部接続電極部は従来ニッケルおよび金めっき皮膜から形成されていた。しかし金皮膜のピンホールを介してニッケルが拡散し、金ワイヤボンディングの強度低下やはんだ接合においてニッケル腐食による界面破断を引き起こす要因のひとつであった。
【解決手段】 基材の表面に形成された導電体の電極形成部上に表面被覆層を備えた電極でかつ前記電極形成部の表面上にニッケルを主体とする金属膜よりなる下地層を形成し、該下地層の表面上に銀を主体とする表面被覆層を形成することで、金ワイヤボンディング性およびはんだ接合信頼性に優れた電子部品を提供できる。
【選択図】 図１

Description

本発明はセラミック電子部品の接合電極およびその製造方法に関し、例えばセラミック材料で形成された基体の表面に接合電極が形成されたセラミック電子部品と、その接合電極製造方法に関する。

携帯電子機器の小型化に伴い、半導体パッケージは高密度実装可能なBall Grid Array(BGA)タイプが普及しつつある。半導体チップは金ワイヤボンディングによりパッケージ基板と接続され、パッケージ基板ははんだ接合によりマザーボードと接続される。

金ワイヤボンディングやはんだ接続信頼性確保のために、基材の表面に形成された導電体の電極上には例えば、特開2003-183843号記載のリン系ニッケルめっきおよび金めっきを施している。また特開平10-135607号ではボロン系ニッケルめっきを併用した2層ニッケルおよび金めっき技術が提案されている。これらの技術によるとはんだ接合時には最表面の金膜で濡れ性を確保するとともに、ニッケル膜ではんだとの合金層を形成し良好な接合強度が得られる。またニッケル膜は基材電極の導電体がはんだに侵食されるのを防止するバリヤ的な役目も有するとされる。

一方金ワイヤボンディングに関しては例えば金膜厚は0.3μｍ以上が好ましいとされる（千野ほか：MES2000,11,299(2000):以下文献1とする）。その理由としてワイヤボンディング時の熱処理によりニッケルが金膜中を拡散して最表面に偏析し、ワイヤボンディング時の金属間接合を阻害するため、ニッケルの拡散経路を遮断するには金膜厚の厚膜化が有効としている。良好なワイヤボンディング接合には0.3μｍ以上の金膜厚が必要という。またニッケル拡散は上層の金めっき被覆時に形成された金膜ピンホールを介して起こることが示唆されており、ニッケル層と金層との界面腐食による強度低下を確認している（渡辺：表面技術,vol53,No1,22(2002)：以下文献２とする）。
特開2003-183843号 特開平10-135607号

前記従来技術における基材接合電極はいずれもニッケルめっきおよび金めっきの２層構造からなる。ニッケル膜上に密着性の良好な金めっき膜の形成が必須であり、そのために置換型金めっき液を用いるのが一般的である。すなわち金めっき液中で被めっき表面のニッケル膜を溶解することで電子を取り出し、その電子を金イオンの還元に利用する。この置換反応によりニッケル膜上に密着性の良好な金膜が析出するが、ニッケルの溶出を伴う反応ゆえに金めっき膜にはピンホールが形成されやすい。そのためピンホールを介してニッケルが拡散し金表面に水酸化ニッケルとして偏析しやすく、金ワイヤボンディングに必要な金属間接合を阻害するという問題があった。そこでニッケルの拡散経路を遮断するために金膜厚を0.3μｍ以上にする必要があるが、置換金めっき反応はニッケル表面が金で覆われるにしたがって反応速度が低下し、実用上0.1μｍ程度しか析出しない。そこで金ワイヤボンディングに必要な0.3μｍの金を得るには、置換金めっき後に自己触媒型金めっきを用いた２段金めっきが一般的に適用されているが、コスト高を招くという問題があった。また、厚付け金めっきで金膜を0.3μｍ程度に厚付けし見かけ上ピンホールが消失したとしても、ピンホールが封孔されるまでの金めっき中にニッケル溶出によるニッケル膜と金膜との界面腐食が進行し、はんだ接続信頼性に悪影響を与えるという問題があった。

本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであって、安価にてはんだ接合信頼性と良好な金ワイヤボンディング性を兼ね備えた外部接合電極付き電子部品およびその製造方法を提供することを目的とする。

発明者らは従来技術においてニッケル膜と金膜との電位差に着眼した。ニッケル−金間の電位差は自然電極電位によると1.65Vと非常に大きいため、金膜中にピンホールが存在すると局部電池反応により電位的に卑なニッケルが拡散しやすいと考えた。そこで金属間の電位差を小さくすればピンホールの有無に関わらず局部電池反応によるニッケル拡散や界面腐食が防止できるとの仮説を導き鋭意研究したところ、ニッケルとの電位差が1.05Vである銀をニッケルの表面に被着することで、良好な金ワイヤボンディング性とはんだ接続信頼性が得られることを見出した。

金ワイヤボンディングにおいては金と銀との異種金属間接合となるが従来技術の金と金とのワイヤボンディングと同等の強度が得られた。この理由として銀は酸化物を形成しないため、金との良好な金属間接合が得られたと推定している。

本発明は斯かる知見に基づきなされたものであって、本願第一の発明は、セラミック基材と、該セラミック基材に形成した外部接続電極部と、該外部接続電極部の表面上に形成したニッケルあるいはニッケル合金を主体とする金属膜よりなる下地層と、該下地層の表面上に形成した銀あるいは銀合金を主体とする表面被覆層とを備えてなることを特徴とする外部接合電極付き電子部品である。

外部接続電極部は銀あるいは銀合金であることが好ましい。セラミック基板の製造には焼成過程があるが、不活性化雰囲気（窒素等）ではなく大気中で焼成できればコスト的なメリットが大きい。大気中で焼成しても酸化しない金属として銀あるいは銀合金であることが好ましい。

下地層の膜厚は2〜15μｍであることが好ましい。はんだ接続した場合、下地層が２μｍより薄いとはんだと下地層との拡散によりはんだが外部接続電極部まで到達し、電極部のはんだ喰われが発生するので好ましくない。一方１５μｍより厚い場合、はんだ喰われを防止するには厚すぎて特別な効果がなく無駄になる。

表面被覆層の膜厚は0.03〜0.3μｍであることが好ましい。はんだ接続した場合、表面被覆層が０．０３μｍより薄いと十分なはんだ濡れ性が確保できない。一方、0．3μｍより厚いとはんだ濡れ性に特別な効果はなく無駄になる。

本願第二の発明は、セラミック基材に形成した外部接続電極部の表面上にニッケルあるいはニッケル合金を主体とする金属膜よりなる下地層を形成し、該下地層の表面上に置換型銀めっきにより銀あるいは銀合金を主体とする表面被覆層を形成することを特徴とする外部接合電極付き電子部品の製造方法である。置換型銀めっき液は、イオン化傾向を利用しためっき反応で銀よりイオン化傾向が大きい導電性下地層を銀めっき液に浸漬することで反応が起こる。本発明では下地層がニッケルなので銀よりイオン化傾向が大きいため、置換反応が起こる。すなわち（式１）のごとく銀めっき液中に浸漬した下地層表面でニッケルがニッケルイオンとして溶解し、その際放出された電子が下地層表面に吸着した銀イオンの還元に使用され、金属銀として析出する。置換型銀めっき液は市販されているめっき液を使用することができる。
Ni＋ 2Ag^＋ → Ni²⁺ ＋ 2Ag (式１)

下地層および表面被覆層を無電解めっき法により形成することが好ましい。無電解めっき法は化学反応によりめっき析出が進行するので、電気的に孤立した電極部にめっきを付与できるといったメリットがある。一方、電解めっき法を用いるには電極部に給電するためのめっき引出し配線の形成が必須になり、高密度配線形成に不利になるだけでなく、引出し配線自身がアンテナの役割をするので高周波で使用する場合、ノイズの原因となる。

本発明に係る電子部品の製造方法は、基材表面に接合電極が形成された被めっき物に対し、下地層として無電解ニッケルめっきを施し、続いて表面層として置換型銀めっき皮膜を形成することを特徴としている。無電解ニッケルめっきはリン系またはボロン系の少なくとも１種類を用いることができる。

下地層のニッケル膜上に置換型銀めっきを施すことで密着性に優れた銀皮膜が形成される。置換反応による銀めっきゆえに、銀膜中のピンホールが存在するが、前記で述べたとおりニッケルと銀と電位差が小さいために局部電池反応によるニッケルの表面層への偏析は認められない。したがって銀めっき膜中のニッケル拡散経路を遮断するために銀めっき膜を厚膜化する必要がなく、銀めっき膜厚の薄膜化が可能となりコスト的なメリットも得られた。

本発明によれば、下地層のニッケル膜上に置換型銀めっきを施すことで密着性に優れた銀皮膜が形成される。置換反応による銀めっきゆえに、銀膜中のピンホールが存在するが、ニッケルと銀と電位差が小さいために局部電池反応によるニッケルの表面銀めっき層への偏析が生じることはない。したがって銀めっき膜中のニッケル拡散経路を遮断するために銀めっき膜を厚膜化する必要がなく、銀めっき膜厚の薄膜化が可能となりコスト的なメリットが得られる。したがって、基材の表面に形成された導電体の電極形成部上に表面被覆層を備えた電極でかつ前記電極形成部の表面上にニッケルあるいはニッケル合金を主体とする金属膜よりなる下地層が形成され、該下地層の表面上に銀あるいは銀合金よりなる前記表面被覆層を形成することで、金ワイヤボンディング性およびはんだ接合信頼性に優れた電子部品を低コストで提供できる。

次に、本発明の実施の形態を図面を参照しながら下記に述べる。なお以下、実施例により本発明を詳細に説明するが、それら実施例により本発明が限定されるものではない。図１は本発明に係るセラミック電子部品の製造方法により製造される電子部品の一形態を模式的に示した断面図である。

同図のパッケージ基板は、セラミック基材１の内層には銀あるいは銀合金からなる配線２が形成されており、これと基材の表面に露出して形成された銀あるいは銀合金からなる外部接続電極部３とが導電接続されるように構成される。前記外部接続電極部以外の基材表面は、絶縁層４で被覆されており、該外部接続電極部の表面には下地層としてニッケルあるいはニッケル合金皮膜５が被着され、該下地層５の表面には表面被覆層として銀あるいは銀合金皮膜６が被着されている。

次に該電子部品の電極１０の製造方法について説明する。まず、所定の成形および焼成処理を経て形成された配線２、外部接続電極部３および絶縁層４を含むセラミック基材１を作製した。次に外部接続電極部３の表面に無電解めっき法による皮膜の形成を行なうために、次のめっき前処理を施した。

（前処理）
前記セラミック基材を40℃に加温した脱脂液（商品名：Z-200、ワールドメタル社製）に1分浸漬した。そして3段水洗槽を用いた洗浄後、１０%硫酸水溶液に室温で1分浸漬した。そして3段水洗槽で洗浄後銀電極表面の活性化のために、活性化液（商品名：PB-300、荏原ユージライト社製）に室温で1分浸漬した。そして3段水洗槽で洗浄した。

[実施例１]
前記前処理を施したセラミック基材１を、無電解ニッケル−リンめっき液（商品名：エニパックLV、荏原ユージライト社製）に90℃で浸漬し、約2μｍの皮膜を形成した。そして3段水洗槽で洗浄後、無電解銀めっき前処理（商品名：ダインシルバーEL-SPT、大和化成製）に室温で30秒浸漬した。そして水洗せずに直ちに無電解銀めっき液（商品名：ダインシルバーEL-3S、大和化成社製）に40℃で浸漬し、約0.03μmの皮膜を形成した。局部電池反応によるニッケルの銀めっき表面層への偏析は認められなかった。また、ニッケルめっき層−銀めっき層界面において界面腐食は認められなかった。そして温風乾燥後金ワイヤボンディング評価およびはんだボールシェア試験をおこなった。金ワイヤボンディング装置は、新川社製（UTC-100）を使用し、２７μm金線を用いてステージ温度１７０℃でボンディングした。またボンディング後の引張り試験機はレスカ社製（PRT-1000）を使用し、引張り速度0.5mm/secで測定した。一方ボールシェア試験は、電極１０に対応する位置に共晶はんだボールを搭載後２２５℃でリフローし接続した。そしてボンドテスタにて破断し、はんだボール破壊部分を実体顕微鏡にて観察して破断モードを確認した。

[実施例２]
実施例１と同様のセラミック基材１を用いて、実施例１と同様の手順で外部接続電極部３の表面にニッケル−リン皮膜を約8μm、そして銀皮膜を約0.1μm形成した。局部電池反応によるニッケルの銀めっき表面層への偏析は認められなかった。また、ニッケルめっき層−銀めっき層界面において界面腐食は認められなかった。そして実施例１と同様の手順で金ワイヤボンディング試験およびボールシェア試験を実施した。

[実施例３]
実施例１と同様のセラミック基材１を用いて、実施例１と同様の手順で外部接続電極部３の表面にニッケル−リン皮膜を約15μm、そして銀皮膜を約0.3μm形成した。局部電池反応によるニッケルの銀めっき表面層への偏析は認められなかった。また、ニッケルめっき層−銀めっき層界面において界面腐食は認められなかった。そして実施例１と同様の手順で金ワイヤボンディング試験およびボールシェア試験を実施した。

[比較例１]
前記前処理を施したセラミック基材１を、無電解ニッケル−リンめっき液（商品名：エニパックLV、荏原ユージライト社製）に90℃で浸漬し、約2μｍの皮膜を形成した。そして3段水洗槽で洗浄後、無電解金めっき液（商品名：スーパーメックス＃250、エヌ・イー・ケムキャット社製）に70℃で浸漬し、約0.03μmの皮膜を形成した。局部電池反応によるニッケルの金めっき表面層への偏析が認められた。金めっきを行っている間にニッケル溶出によるニッケル膜と金膜との界面腐食が進行した。そして温風乾燥後金ワイヤボンディング評価およびはんだボールシェア試験をおこなった。金ワイヤボンディング装置は、新川社製（UTC-100）を使用し、２７μm金線を用いてステージ温度１７０℃でボンディングした。またボンディング後の引張り試験機はレスカ社製（PRT-1000）を使用し、引張り速度0.5mm/secで測定した。一方ボールシェア試験は、外部接続電極部に共晶はんだボールを搭載後２２５℃でリフローし接続した。そしてボンドテスタにて破断し、はんだボール破壊部分を実体顕微鏡にて観察して破断モードを確認した。

[比較例２]
比較例１と同様のセラミック基材１を用いて、実施例１と同様の手順で外部接続電極部３の表面にニッケル−リン皮膜を約8μm形成した。そして3段水洗槽で洗浄後、無電解金めっき液（商品名：スーパーメックス＃250、エヌ・イー・ケムキャット社製）に70℃で浸漬し、約0.03μmの皮膜を形成した。続いて3段水洗槽で洗浄後、還元型無電解金めっき液（商品名：スーパーメックス＃850、エヌ・イー・ケムキャット社製）に70℃で浸漬し、約0.1μmの皮膜を形成した。局部電池反応によるニッケルの金めっき表面層への偏析が認められた。厚付け金めっきを行っている間にニッケル溶出によるニッケル膜と金膜との界面腐食が進行した。そして実施例１と同様の手順で金ワイヤボンディング試験およびボールシェア試験を実施した。

[比較例３]
比較例１と同様のセラミック基材を用いて、実施例１と同様の手順で接続電極部の表面にニッケル−リン皮膜を約8μm形成した。そして3段水洗槽で洗浄後、無電解金めっき液（商品名：スーパーメックス＃250、エヌ・イー・ケムキャット社製）に70℃で浸漬し、約0.03μmの皮膜を形成した。続いて3段水洗槽で洗浄後、還元型無電解金めっき液（商品名：スーパーメックス＃850、エヌ・イー・ケムキャット社製）に70℃で浸漬し、約0.3μmの皮膜を形成した。厚付け金めっきでピンホールは消失したものの、ピンホールが封孔されるまでの金めっき中にニッケル溶出によるニッケル膜と金膜との界面腐食が進行した。還元型無電解金めっきにより金皮膜を充分な厚さにしたためニッケルの拡散経路が遮断されニッケルの金めっき表面層への偏析は認められなかった。そして実施例１と同様の手順で金ワイヤボンディング試験およびボールシェア試験を実施した。

表１にその測定結果を示す。

この表１から明らかなように、表面被覆層の銀膜厚が同じでも本発明の外部接続電極部における金ワイヤボンディング強度の方が従来技術よりも優れており、かつはんだ接続性は界面破断を生じることなく信頼性にも優れていることが確認された。比較例３ではボンディング性は実施例と同等であるが、はんだ破断モート゛は界面破断であり信頼性に劣る。

本発明はセラミック電子部品の接合電極およびその製造方法に関し、例えばセラミック材料で形成された基体の表面に接合電極が形成されたセラミック電子部品と、その接合電極製造方法に関する。本発明によれば安価にてはんだ接合信頼性と良好な金ワイヤボンディング性を兼ね備えた外部接合電極付き電子部品およびその製造方法を提供することができる。

本発明に係るセラミック電子部品の一形態の断面を示す模式図である。

符号の説明

１：セラミック基材
２：内部配線
３：外部接続電極部
４：絶縁層
５：下地層
６：表面被覆層
１０：電極

Claims (6)

1. セラミック基材と、該セラミック基材に形成した外部接続電極部と、該外部接続電極部の表面上に形成したニッケルあるいはニッケル合金を主体とする金属膜よりなる下地層と、該下地層の表面上に形成した銀あるいは銀合金を主体とする表面被覆層とを備えてなることを特徴とする外部接合電極付き電子部品。
2. 請求項１において、前記外部接続電極部は銀あるいは銀合金であることを特徴とする外部接合電極付き電子部品。
3. 請求項１において、前記下地層が2〜15μｍであることを特徴とする外部接合電極付き電子部品。
4. 請求項１において、前記表面被覆層が0.03〜0.3μｍであることを特徴とする外部接合電極付き電子部品。
5. セラミック基材に形成した外部接続電極部の表面上にニッケルあるいはニッケル合金を主体とする金属膜よりなる下地層を形成し、該下地層の表面上に置換型銀めっきにより銀あるいは銀合金を主体とする表面被覆層を形成することを特徴とする外部接合電極付き電子部品の製造方法。
6. 請求項５において、前記下地層および前記表面被覆層を無電解めっき法により形成することを特徴とする外部接合電極付き電子部品の製造方法。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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