JP2007031740A - 電子部品及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 長期的な熱ストレスによる半田と半田接続用部材との接合部の強度低下を防ぐことができるＮｉ／Ｐｄ／Ａｕめっき構造の半田接続用部材を備えた電子部品と、その製造方法を提供すること。
【解決手段】 本発明の電子部品は、銅又はその合金の配線４、４’と、当該配線と他の部品１４とを半田１６で接続するため当該配線上に順次形成された、Ｎｉ又はその合金の層１０、１０’、Ｐｄ又はその合金の層１２、１２’、及びＡｕ又はその合金の層１４、１４’からなる半田接続用部材８ａ、８ａ’とを含む電子部品１であって、半田接続用部材８ａ、８ａ’、８ｂのうちの少なくとも一部においてＰｄ又はその合金層１２、１２’の厚さが０．０００５μｍ以上０．００５μｍ未満であることを特徴とする。Ｐｄ又はその合金層１２、１２’は、置換型の無電解めっき法により形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半田材料を用いて他の部品との接続を行う電子部品に関する。より詳しくいえば、本発明は、置換型の無電解めっきにより形成した薄いＰｄ皮膜を用いたＮｉ／Ｐｄ／Ａｕめっき構造の半田接続用部材を設けた電子部品と、その製造方法に関する。ここでは、半田接続用部材の各層の材料を、多くの場合単純にＮｉ、Ｐｄ、Ａｕと表記してはいるが、それらはそれぞれＮｉ、Ｐｄ、Ａｕ以外にその他の元素を含む合金であってもよい。

電子部品、例えば半導体チップあるいはパッケージ等を、他の部品と接続するために半田を用いる場合には、電子部品のＣｕ配線から半田材料へのＣｕ拡散を防止するためのバリア層としてＮｉ層を設けた、ＮｉとＡｕの二層構造の接合部材を用いるのが一般的である。この部材のバリア層のＮｉとその上のＡｕは、通常めっきで形成される。例えば、特許文献１には、バリア金属層としてＮｉ−Ｂ系無電解Ｎｉめっき層あるいは白金族系無電解めっき層を用い、その上にＡｕ層を形成した二層構造の半田接続用部材が記載されている。

半田接合の信頼性確保のために、バリア層のＮｉの拡散を防ぐＰｄ皮膜をＮｉ層とＡｕ層の間に挟むＮｉ／Ｐｄ／Ａｕの三層構造の半田接続用部材を用いることも知られている。Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕの各層は、通常やはりめっきで形成される。例えば、特許文献２には、Ｎｉ等の１次めっき層、Ｐｄ又はその合金の２次めっき層、及びＡｕ又はその合金の３次めっき層から形成される半田接続用の部材が開示されている。２次めっき層のＰｄ又はその合金層は、還元型無電解めっきで形成される。この特許文献の要約には、Ｐｄ又はその合金からなる置換型の２次めっき層を被着すると記載されているが、発明の詳細な説明は一貫して還元型無電解めっきによるＰｄの２次めっき層の形成を記載している。要約における「置換型」との記載は、従来の電子部品の実装に用いられていたＮｉ等の下地めっき層とその上の金めっき層で構成された半田接続用部材の金めっき層を形成する際に下地めっき層に「置換型」無電解金めっきを施し、次いで還元型無電解金めっきを行っていたのを改良したのが特許文献２の発明であるとの説明から見て、従来技術における「置換型」無電解金めっきと混同したことによる誤記と考えられる。

特許文献３には、配線層上に順次形成した、Ｎｉ−Ｂめっき層、Ｎｉめっき層、Ｐｄ又はＰｄ合金めっき層、及びＡｕめっき層の構造の半田接続用部材が記載されている。この部材の各層は、還元型の無電解めっきで形成されている。

特開２００４−３００５７０号公報 特開２００１−１０２７３３号公報 特開２００２−５７４４４号公報

電子部品のＮｉ／Ｐｄ／Ａｕ三層構造の半田接続用部材に半田を使って他の部品（例えば半導体チップ）を接続すると、中間のＰｄ層の膜厚が厚い場合に、全ての半田材料について、半田と半田接続用部材との接合部の強度が低下する。Ｓｎ−Ａｇ半田等の比較的高融点の半田の場合、接合部の強度低下は、Ｐｄ層が厚くならないようにすることで回避できる。一方、例えばＳｎ−Ｐｂ系半田のように、融点が比較的低い半田材料の場合、Ｐｄ層の一般的な膜厚である０．０４μｍ程度でも、接合のための半田リフロー回数が増加したときなどの長期的な熱ストレスにより、半田と半田接続用部材との接合部の強度低下が認められる。

本発明は、長期的な熱ストレスによる半田と半田接続用部材との接合部の強度低下を防ぐことができるＮｉ／Ｐｄ／Ａｕめっき構造の半田接続用部材を備えた電子部品と、その製造方法の提供を目的とする。

発明者らは、半田とＮｉ／Ｐｄ／Ａｕめっき構造の半田接続用部材との接合部の長期的熱ストレスによる強度低下の原因は、半田中に偏析するＰｄにあることを突き止めた。このＰｄの偏析を防ぐのには、Ｐｄ層を薄く形成することが考えられる。ところが、従来の還元型無電解めっきで均一なＰｄめっき層を形成可能な一番薄い膜厚の０．０３μｍ程度でも、特に半田材料がＳｎ−Ｐｂ半田に代表される低融点の半田の場合には、Ｐｄの偏析による接合部の強度低下を十分免れることはできないことも見いだした。その一方、これまで皮膜の形成に用いられることのなかった置換型の無電解めっきによりＰｄ層の形成を試みたところ、０．００５μｍに満たない非常に薄いＰｄ皮膜であっても、接続用部材のバリア層のＮｉ材料の半田中への拡散を十分防ぎつつ、且つＰｄの偏析を抑制して、長時間の熱ストレス後においても半田と半田接続用部材との強固な接合が可能であることを見いだし、本願発明を完成するに至った。

本発明の電子部品は、銅又はその合金の配線と、当該配線と他の部品とを半田で接続するため当該配線上に順次形成された、Ｎｉ又はその合金の層、Ｐｄ又はその合金の層、及びＡｕ又はその合金の層からなる半田接続用部材とを含む電子部品であって、半田接続用部材のうちの少なくとも一部においてＰｄ又はその合金層の厚さが０．０００５μｍ以上０．００５μｍ未満であることを特徴とする。

本発明の電子部品は、電子部品の銅又はその合金の配線上にＮｉ又はその合金層、Ｐｄ又はその合金層、及びＡｕ又はその合金層を積層して半田接続用部材を形成することを含み、Ｐｄ又はその合金層を置換型の無電解めっき法により形成することを特徴とする本発明の電子部品製造方法により得ることができる。

本発明によれば、使用する半田材料の種類を問わず、強度が向上して信頼性の高い半田接合部の形成を可能にし、それにより長期にわたり安定した性能の維持を可能にする電子部品を提供することができる。本発明により三層構造半田接続用部材の中間Ｐｄ層を形成するのに利用する置換型めっきプロセスは、従来の還元型めっきプロセスと比較してコストが安価であるという副次的効果も同時に得られる。

以下の説明においては、半田接続用部材の各層の材料を、多くの場合単にＮｉ、Ｐｄ、Ａｕと表記するが、それらはそれぞれＮｉ、Ｐｄ、Ａｕ以外にその他の元素を含む合金であってもよい。

本発明の電子部品を図１の模式図に示す。この図の電子部品１は、下地基材２の上に銅配線層４を有し、この配線層４の上にその表面の一部に達する開口６ａを有する絶縁層６が位置している。開口６ａ内には、他の部品に半田で接続するための半田接続用部材８ａ、８ｂが存在している。半田接続用部材８ａは、Ｎｉ層１０、Ｐｄ層１２、及びＡｕ層１４の三層構造の部材であり、後にはんだにより他の部品（図示せず）に接続するのに使用することができる。半田接続用部材８ｂは、半田材料１６により更に別の部品１８（例えば半導体チップ）に既に接続しており、接続のための半田リフローの前に三層構造等の多層構造であったとしても、リフロー時の加熱によりその多層構造を喪失している。本発明の電子部品１は、半田接続用部材８ｂを使ってこのような別の部品１４を既に組み込んでいてもよく、それを組み込んでいなくてもよい。後者の場合、本発明の電子部品１における半田接続用部材は全てがＮｉ層１０、Ｐｄ層１２、及びＡｕ層１４の三層構造であるのが好ましい。配線層４が位置する基材２の表面は、絶縁材料の表面である。基材２には、配線層２の下方に、絶縁層を介して別の１以上の配線層（図示せず）が存在してもよい。また、三層構造の半田接続用部材８ａの位置するのと反対の面に、銅配線４’上に順次形成したＮｉ層１０’、Ｐｄ層１２’、及びＡｕ層１４’の同様の三層構造の半田接続用部材８ａ’があってもよい。配線層４’は、半田接続用部材８ａ’の箇所を除き、やはり絶縁層４’で覆われている。このような本発明の電子部品の具体例としては、半導体チップ、チップを搭載したパッケージ等を挙げることができる。

本発明においては、三層構造の半田接続用部材の中間Ｐｄ層１２は０．０００５μｍ以上０．００５μｍ未満の厚さを有する。これまでの中間Ｐｄ層は還元型無電解めっき法で形成されており、還元型無電解めっきでは電解液中のＰｄ化合物から還元された金属Ｐｄを下層のＮｉ層１０の上に析出させる。そのため、均一な皮膜を得るためには比較的厚く析出させることが必要であった。還元型無電解めっきで均一なＰｄ層を形成するためには、少なくとも０．０３μｍの厚みが必要であると言われている。

このように、本発明のＰｄ層の０．０００５μｍ以上０．００５μｍ未満という厚みは、従来技術の還元型無電解めっきではとても考えられないほど薄く、置換型の無電解めっきを利用して初めて手に入れることができるものである。置換型無電解めっきでは、めっき液に浸漬した基材表面の材料をＰｄで置換して皮膜を形成するため、極めて薄い膜を均一に作ることができる。基材表面をＰｄ材料が均一に覆うと、下地の基材材料との置換反応を継続できなくなるため、皮膜がそれ以上に厚くなることはない。

先に触れたように、特許文献２には、Ｎｉ等の１次めっき層、Ｐｄ又はその合金の２次めっき層、及びＡｕ又はその合金の３次めっき層から形成される半田接続用の部材が開示されている。その要約には、Ｐｄ又はその合金からなる置換型の２次めっき層を被着すると記載されているが、発明の詳細な説明は一貫して還元型無電解めっきによるＰｄの２次めっき層の形成を記載している。特許文献２の要約における「置換型」との記載は、従来の電子部品の実装に用いられていたＮｉ等の下地めっき層とその上の金めっき層で構成された半田接続用部材の金めっき層を形成する際に下地めっき層に「置換型」無電解金めっきを施し、次いで還元型無電解金めっきを行っていたのを改良したのが特許文献２の発明であるとの説明から見て、従来技術における「置換型」無電解金めっきと混同したことによる誤記と考えられる。

また、Ｐｄの置換型無電解めっき自体は知られている技術ではあるが、これまで置換型Ｐｄ電解めっき浴は、実際のところはＮｉ又はＣｕめっきのための触媒を供給するために使用されるに過ぎなかった。言い換えるならば、置換型Ｐｄ電解めっき浴では、原理的に極めて薄い皮膜しか形成できないため、所定の機能を果たすべき皮膜を置換型Ｐｄ電解めっき浴で形成することは、これまで全く考えられてはいなかった。それに反して、発明者らは、極めて薄い膜しか形成できない置換型無電解めっきでＰｄ層を形成すると、長期的な熱ストレスで接合部の強度の低下しやすい低融点の半田材料（例えばＳｎ−Ｐｂ系半田）を使用する場合にあっても、Ｐｄの偏析を抑制して接合強度の低下を防ぐだけでなく、バリア層のＮｉ材料の半田中への拡散を防ぐのにも十分であることを、全く思いも寄らぬことに見いだした。

本発明における半田接続用部材のＮｉ層及びＡｕ層の厚さは、通常採用されている厚さでよい。例えば、Ｎｉ層の厚さは１〜１０μｍ、好ましくは５〜９μｍ程度、Ａｕ層の厚さは０．０１〜０．２μｍ、好ましくは０．０２〜０．０６μｍ程度でよい。

一例として、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕ構造の半田接続用部材を備えた本発明の電子部品は、次のようにして製造することができる。図２（ａ）に示したように、基材２２の上に銅配線２４、銅配線２４を覆う絶縁層２６（例えば、ソルダレジストで形成される）を形成する。絶縁層２６には、銅配線２４の一部を露出する開口２６ａを形成する。開口２６ａ内の露出した銅配線２４の上に、図２（ｂ）に示したように、まずＮｉ層２８を５〜８μｍ、例えば６μｍの厚さで形成する。Ｎｉ層２８は、通常のように還元型の無電解めっきで形成することができる。続いて、Ｎｉ層２８の上に、置換型無電解めっきにより厚さ０．００２μｍのＰｄ層３０を形成する。めっき浴には、Ｐｄ塩（例えば、テトラアンミンパラジウム（II）塩化物）にアミン及びカルボン酸を加えためっき液などを使用することができる。Ｐｄ層３０の上に、置換型の無電解めっきでＡｕ層３２を０．０４μｍの厚さで形成する。こうして、Ｎｉ層２８、Ｐｄ層３０、Ａｕ層３２の三層構造の半田接続用部材３４を備えた電子部品が製作される。

（例１）
３種類の半田接続用部材について、半田材料との接合部の強度を評価した。いずれのサンプルでも、半田接続用部材は、底部に銅配線を露出するようソルダレジスト層に形成した直径５６０μｍの開口内に形成した。３種類の部材で使用した１層目は全て、還元型無電解めっきで形成した厚さ６〜８μｍのＮｉ層であり、６〜８ｗｔ％のリン（Ｐ）を含有していた。第１の半田接続用部材では、Ｎｉ層の上に還元型めっきでＰｄ層（１〜３ｗｔ％のＰを含有、膜厚０．０７μｍ）を形成し、次いでＰｄ層の上にシアン系置換型めっき浴でＡｕめっき層（膜厚０．０３〜０．０７μｍ）を形成した。第２の半田接続用部材では、Ｎｉ層の上に純Ｐｄの置換型めっき層（膜厚０．００１５μｍ）を形成し、続いて亜硫酸系置換型めっき浴でＡｕ層（膜厚０．０３〜０．０５μｍ）を形成した。第３の半田接続用部材では、Ｎｉ層の上に直接Ａｕ層を、シアン系置換型めっき浴により膜厚０．０３〜０．０７μｍで形成した。

各サンプルの半田接続用部材の上に、Ｋｅｓｔｅｒ社のＴＳＦ６５０２フラックスを塗布し、次いで直径３０ミル（７６２μｍ）の半田ボール（９５．５％Ｓｎ−４％Ａｇ−０．５％Ｃｕ）を載置した。半田リフローは、最高２５０℃の温度において１回リフローさせるという条件で行った。リフロー後、コールドボール引張試験により接続用部材と半田との接合部の破壊モードを調べることにより、接合部の強度を調べた。図３に示したように、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕの三層構造の中間Ｐｄ層を還元型めっきで厚く形成したサンプル１（Ｐｄ層膜厚０．０７μｍ）と、中間Ｐｄ層を置換型めっきで薄く形成したサンプル２（Ｐｄ層膜厚０．００１５μｍ）では、全てがモード１の破壊であった。一方、Ｐｄ層なしのＮｉ／Ａｕ二層構造のサンプル３では、およそ４０％がモード１の破壊であり、残りのおよそ６０％はモード４の破壊であった。モード１の破壊では、接合部の強度が高いため、リフローした半田ボールを引っ張ると半田が接合した下層で破壊が起き、下層の一部が半田とともにサンプルから切り離されてくる。モード４の破壊では、接合部の強度が低いため、接合部で破壊が起き、下層の破壊には至らない。

これらの結果は、二層構造のＮｉ層とＡｕ層の間にＰｄ層を挿入すると、接合部の信頼性が向上するという、従来から知られている効果を実証している。一方、従来の還元型無電解めっきＰｄ中間層を、本発明による置換型無電解めっきＰｄ層に替えた場合にも、全く同様の効果の得られることが分かった。

（例２）
Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ半田材料をＳｎ−Ｐｂ半田に変更して、上記と同じ接合部の強度評価を行った。この場合にも、還元型Ｐｄめっき中間層（０．０７μｍ）のサンプルＡと、置換型Ｐｄめっき中間層（０．００１５μｍ）のサンプルＢの両方ではモード１の破壊のみが観測された。Ｐｄ層なしのＮｉ／Ａｕ二層構造のサンプルＣでは、およそ９５％がモード１の破壊であり、残りのおよそ５％はモード４の破壊であった。

（例３）
還元型及び置換型のそれぞれのＰｄ中間層を含むサンプルに対し、Ｓｎ−Ｐｂはんだを載置し、１５０℃で５００時間熱処理を加えたところ、還元型のものについてはモード４の発生率が５０％まで増加し、接合強度の劣化がみられたが、置換型のものに変化はみられなかった。

本発明の電子部品を包括的に説明する模式図である。 本発明の電子部品の製造を説明する図である。 ３種類の半田接続用部材と半田との接合部の強度評価の結果を示す図である。

符号の説明

１ 電子部品
２ 下地基材
４ 銅配線層
８ａ、８ａ’、８ｂ、３４ 半田接続用部材
１０、１０’、２８ Ｎｉ層
１２、１２’、３０ Ｐｄ層
１４、１４’、３２ Ａｕ層
１６ 半田材料
１８ 別の部品

Claims (6)

1. 銅又はその合金の配線と、当該配線と他の部品とを半田で接続するため当該配線上に順次形成された、Ｎｉ又はその合金の層、Ｐｄ又はその合金の層、及びＡｕ又はその合金の層からなる半田接続用部材とを含む電子部品であって、半田接続用部材のうちの少なくとも一部においてＰｄ又はその合金層の厚さが０．０００５μｍ以上０．００５μｍ未満であることを特徴とする電子部品。
2. Ｎｉ又はその合金の層の厚さが１〜１０μｍである、請求項１記載の電子部品。
3. Ａｕ又はその合金層の厚さが０．０１〜０．２μｍである、請求項１又は２記載の電子部品。
4. Ｎｉ又はその合金層の厚さが５〜９μｍ、Ａｕ又はその合金層の厚さが０．０２〜０．０６μｍである、請求項１から３までのいずれか一つに記載の電子部品。
5. 前記半田接続用部材の一部を用いて半田接続した他の部品を含む、請求項１から４までのいずれか一つに記載の電子部品。
6. 銅又はその合金の配線と、当該配線と他の部品とを半田で接続するため当該配線上に順次形成された、Ｎｉ又はその合金の層、Ｐｄ又はその合金の層、及びＡｕ又はその合金の層からなる半田接続用部材とを含み、半田接続用部材のうちの少なくとも一部においてＰｄ又はその合金層の厚さが０．０００５μｍ以上０．００５μｍ未満である電子部品の製造方法であり、電子部品の銅又はその合金の配線上にＮｉ又はその合金層、Ｐｄ又はその合金層、及びＡｕ又はその合金層を積層して半田接続用部材を形成することを含む電子部品の製造方法であって、Ｐｄ又はその合金層を置換型の無電解めっき法により形成することを特徴とする電子部品製造方法。

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