JP2008274316A - めっき部材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鉛フリーの材料からなるめっき層を有するめっき部材において、従来知られていなかった新たな手法によりウィスカが発生するのを抑制できるようにしためっき部材及びそのようなめっき部材を製造する方法を提供する。
【解決手段】基材１の表面に鉛フリーの材料からなるめっき層２を有するめっき部材３において、めっき層における（３２１）面の配向指数を２．５以上４．０以下とする。他の態様では、めっき層における（２２０）面と（３２１）面との配向指数の比（２２０）／（３２１）が０．５以上１．５以下とする。基材１とめっき層２との間に（２２０）の配向面を持つ下地層を形成してもよい。
【選択図】図１

Description

本発明はめっき部材およびその製造方法に関し、特に、ＩＣチップをリードフレームに搭載した半導体装置のような電子部品における外部端子のように、表面にめっき層を有するめっき部材およびその製造方法に関する。

半導体装置のような電子部品において、外部端子の基材には銅、銅合金、黄銅、４２アロイなどが用いられるが、素地のままでは端子表面が酸化してはんだ付け不良等による導通不良を引き起こす恐れがある。そのために、通常、めっき等により端子表面に保護膜（めっき層）を形成して酸化を防いでいる。

めっき層の材料としてＳｎ合金等を用いる場合、従来から鉛を含む合金が用いられてきた。近年、環境負荷を軽減する観点から鉛フリー化が求められるようになり、前記端子のめっき層材料にも、例えば、Ｓｎ，Ｓｎ−Ｃｕ，Ｓｎ−Ｂｉ，Ｓｎ−Ａｇ合金のように、鉛を含まない材料が使用されるようになっている。しかし、鉛フリーの材料で電子部品の端子表面をめっき処理すると、めっき層から例えばＳｎの針状単結晶であるウィスカが発生する。

近年、例えばＩＣチップをリードフレームに搭載した半導体装置のような電子部品は一層の小型化が求められており、結果として、その端子間の間隔は数百μｍ程度まで狭くなってきている。前記ウィスカは数百μｍの長さにまで成長することがあり、前記のように端子間の間隔が数百μｍ程度と狭い場合には、発生したウィスカにより端子間ショートが発生する恐れがあるので、ウィスカの発生を抑制するための対策が求められている。

そのための対策としてこれまで多くの提案がなされており、例えば、特許文献１には、電子部品の外部端子を構成するリード基材表面に鉛フリーＳｎめっき層を形成する際に、めっき層を構成する結晶粒径を大きくすることなどでめっき層の単位体積当たりに含まれる結晶粒界の大きさをできるだけ小さくすることで、めっき層におけるウィスカの発生を抑制できることが記載されている。

一方、鉛フリーＳｎ−Ａｇ合金めっき皮膜（めっき層）を形成したときにはんだ濡れ性を低下するのを改善するため、あるいは接合面強度を向上させるために、めっき層の特定の結晶方位面の配向指数を制御する技術が特許文献２、３に記載されている。

特開２００５−８６１５８号公報 特開２００３−１２９２８４号公報 特開２００５−１２３５９８号公報

本発明者らは、鉛フリーめっき層におけるウィスカの発生を抑制する手法について多くの実験と研究を行ってきているが、従来提案されているウィスカ抑制のための方法は、いずれも充分な成果を上げているとは言い難く、なお改善すべき点があることを経験している。

本発明は上記のような事情のものになされたものであり、本発明は、鉛フリーの材料からなるめっき層を有するめっき部材において、従来知られていなかった新たな手法によりウィスカが発生するのを抑制できるようにしためっき部材を提供することを課題とする。また、そのようなめっき部材を製造するための製造方法を提供することを課題とする。

上記の課題を解決すべく、本発明者らは、さらに実験と研究を行うことにより、従来、はんだ濡れ性等を改善する目的で提案されている、めっき層表面の結晶方位面の配向指数を制御する手法を、結晶方位面の選択と選択した配向指数を適切に制御してめっき層に適用することにより、当該めっき層でのウィスカの発生をほぼ完全に抑制することができるという、新規な事実を知見した。

本発明は、上記の知見に基づいており、本発明の第１の態様によるめっき部材は、基材の表面に鉛フリーの材料からなるめっき層を有するめっき部材において、前記めっき層における（３２１）面の配向指数が２．５以上４．０以下であることを特徴とする。

本発明の第２の形態によるめっき部材は、基材の表面に鉛フリーの材料からなるめっき層を有するめっき部材において、前記めっき層における（２２０）面と（３２１）面との配向指数の比（２２０）／（３２１）が０．５以上１．５以下であることを特徴とする。

上記第１の態様および第２の態様によるめっき部材において、めっき層形成成分である鉛フリーの材料としては、ＳｎやＺｎ、あるいはそれらを第１材料とする合金が用いられる。好適には、めっき材料は、純Ｓｎ，またはＳｎ−Ｃｕ，Ｓｎ−Ｂｉ，Ｓｎ−ＡｇのようにＳｎ合金である。なかでも、Ｓｎ−Ｃｕ合金は好適である。基材は、ＣｕまたはＣｕ合金であることが好適である。

好適には、基材表面が（２２０）の配向面を持つようにされるか、基材表面とめっき層との間に（２２０）の配向面を持つ下地層が形成される。それにより、前記配向面を持つめっき層が得やすくなる。

上記のめっき部材を製造するための本発明によるめっき部材の製造方法は、一つの態様として、基材表面の結晶方位を（２２０）面とする第１工程と、該基材表面にめっきを施す第２工程とを有することを特徴とする。後の実施例に示すように、基材表面の結晶方位を（２２０）面とするとすることにより、めっき層の配向を所望に制御することができる。上記の製造方法において、前記第１の工程は、基材表面に結晶方位が（２２０）面に制御した下地層を形成する工程を含むようにしてもよい。前記下地層の形成は、例えば、配向性のある下地めっき層を施すか、配向性のある蒸着膜を施すことで行うことができる。この手法により、基材表面の結晶方位面を制御できない場合でも、めっき表面を所望に配向させることができる。下地層には、Ｎｉ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｄなどの層が有効であり、下地層の作成には、スバッタ法、ＰＬＤ，ＣＶＤ，ＰＶＤ，ＭＢＥ等の手法も採用できる。電気めっきであってもよい。

本発明によれば、基材の表面に鉛フリーの材料からなるめっき層を形成しためっき部材において、そのめっき層にウィスカが発生するのをほぼ完全に抑制することができる。そのために、本発明によるめっき部材は、端子間の間隔が数百μｍ程度まで狭くなってきている、例えばＩＣチップをリードフレームのような部材の端子部分に好適に採用することができる。

以下、本発明を実施例と比較例により説明する。

［実施例１］（前記第１の形態に係る実施例と比較例）
図１に示すように、Ｃｕ合金基材１の表面にＳｎ−Ｃｕ合金からなるめっき層２を形成して試験用めっき部材３とした。その際に、めっき層２の結晶方位面（３２１）面の配向指数が１．１７〜８．２７の間である複数個のめっき部材を製造した。それぞれについて、２５℃、５５℃、８５℃の恒温状態で２０００時間（Ｈ）放置する恒温放置試験（試験１）と、−４０℃と８５℃の間および０℃と６０℃の間での冷熱サイクルを２０００サイクル繰り替えする冷熱サイクル試験（試験２）とを行い、ウィスカ発生の有無を走査型電子顕微鏡により観察した。その結果を表１に示した。

なお、配向指数の算出はＸ線回析により求めた。

［評価］
（３２１）面の配向指数が１．１７，１．６９のめっき部材は、恒温放置試験ではウィスカ発生はなかったが、冷熱サイクル試験でウィスカが発生している。配向指数が４．６１，８．２７のめっき部材は、恒温放置試験および冷熱サイクル試験の双方でウィスカが発生している。しかし、配向指数が２．９８，３．４７のめっき部材（本発明での実施例に相当する）は、恒温放置試験および冷熱サイクル試験の双方でウィスカの発生がなく、鉛フリーの材料からなるめっき層における（３２１）面の配向指数を２．５以上４．０以下とすることにより、ウィスカの発生のないめっき部材が得られることがわかる。

［実施例２］（前記第２の形態に係る実施例と比較例）
実施例１と同様に、Ｃｕ合金基材１の表面にＳｎ−Ｃｕ合金からなるめっき層２を形成して試験用めっき部材３とした。その際に、めっき層における（２２０）面と（３２１）面との配向指数の比（２２０）／（３２１）が０．００７〜３．４３の間である複数個のめっき部材を製造した。それぞれについて、実施例１と同じ恒温放置試験（試験１）と冷熱サイクル試験（試験２）とを行い、ウィスカ発生の有無を走査型電子顕微鏡により観察した。その結果を表２に示した。

なお、配向指数の算出法は実施例１と同じである。

［評価］
配向指数の比（２２０）／（３２１）が０．００７，０．４５のめっき部材は、恒温放置試験および冷熱サイクル試験の双方でウィスカが発生している。配向指数の比が２．１７，３．４３のめっき部材は、恒温放置試験ではウィスカ発生はなかったが、冷熱サイクル試験でウィスカが発生している。しかし、配向指数の比が０．７９５，１．００７のめっき部材は、恒温放置試験および冷熱サイクル試験の双方でウィスカの発生がなく、鉛フリーの材料からなるめっき層における（２２０）面と（３２１）面との配向指数の比（２２０）／（３２１）が０．５以上１．５以下とすることにより、ウィスカの発生のないめっき部材が得られることがわかる。

［実施例３］
実施例１と同様に、Ｃｕ合金基材１の表面にＳｎ−Ｃｕ合金からなるめっき層２を形成して試験用めっき部材３とした。その際に、Ｃｕ合金基材１の表面を（２２０）面および（２００）面に配向させた。２つのＣｕ合金基材１の表面にＳｎ−Ｃｕ合金からなる電気めっき層２を形成した。それぞれのめっき層２の（３２１）面および（２２０）面の配向指数を実施例１と同じ手法で測定した。そして、（２２０）面と（３２１）面との配向指数の比（２２０）／（３２１）を求めた。その結果を表３に示した。

［評価］
表３に示すように、合金基材１の表面の配向面を制御することによって、電気めっき層２の（３２１）面および（２２０）面の配向指数を制御することもできる。そして、基材表面を（２２０）面に配向させた場合には、めっき層２の（３２１）面の配向指数および（２２０）面と（３２１）面との配向指数の比（２２０）／（３２１）が、ともに本発明の範囲内に入るめっき部材が得られることがわかる。基材表面を（２２０）面に配向させた場合には、めっき層２の（３２１）面の配向指数および（２２０）面と（３２１）面との配向指数の比（２２０）／（３２１）が、ともに本発明の範囲外であり、本発明によるめっき部材を得る一つの方法として、合金基材１の表面を（２２０）面に配向させることが有効であることがわかる。

［実施例４］
実施例１と同様に、Ｃｕ合金基材１の表面にＳｎ−Ｃｕ合金からなるめっき層２を形成して試験用めっき部材３とした。その際に、熱処理を行うことにより、めっき層２の（３２１）面の配向指数を制御した。

（実施例４−１）熱処理を、１００℃、１２５℃、１５０℃、２００℃の温度で、２０時間（Ｈ）行った。熱処理前の（３２１）面の配向指数と熱処理後の（３２１）面の配向指数を表４に示した。

（実施例４−２）熱処理を１２５℃の温度で、１０時間（Ｈ）、２０時間（Ｈ）、４０時間（Ｈ）、６０時間（Ｈ）行った。熱処理前の（３２１）面の配向指数と熱処理後の（３２１）面の配向指数を表５に示した。

［評価］
表４および表５に示すように、熱処理前には、めっき層の（３２１）面の配向指数は４．４７であり、本発明の範囲を外れていためっき部材が、適切な熱処理を施すことにより（３２１）面の配向指数が本発明の範囲内のものとなることがかかる。このことから、熱処理を行うことは、本発明によるめっき部材を得る一つの方法として、有効な制御手段であることがわかる。

［実施例５］
図２に示すように、表面に特別の配向を持たないＣｕ合金基材１の表面に、スパッタ法により（２２０）面の配向を持つＮｉ下地層４を形成した。Ｎｉ下地層４の上に、実施例１と同様にＳｎ−Ｃｕめっき層２を形成してめっき部材３とした。実施例１と同様にしてめっき層の（３２１）の配向指数を測定した。比較例として、同じＣｕ合金基材１の表面に、下地層を形成することなく、直接Ｓｎ−Ｃｕめっき層２を形成してめっき部材をとし、実施例１と同様にしてそのめっき層の（３２１）の配向指数を測定した。その結果を表６に示した。

［評価］
表６に示すように、基材が配向を持たない場合には、めっき層の（３２１）面の配向指数は４．６１であり、本発明の範囲を外れているが、（２２０）面の配向面を持つ下地層を基材表面に形成することにより、めっき層の（３２１）面の配向指数が３．２７と本発明の範囲内のものとすることが可能となる。このことから、本発明によるめっき部材を得るための手法の一つとして、基材表面に特定の配向を持つ下地層を形成することが有効であることがわかる。

本発明によるめっき部材の一例を説明する概略図。 本発明によるめっき部材の他の例を説明する概略図。

符号の説明

１…基材、２…めっき層、３…めっき部材、４…下地層

Claims (9)

1. 基材の表面に鉛フリーの材料からなるめっき層を有するめっき部材において、前記めっき層における（３２１）面の配向指数が２．５以上４．０以下であることを特徴とするめっき部材。
2. 基材の表面に鉛フリーの材料からなるめっき層を有するめっき部材において、前記めっき層における（２２０）面と（３２１）面との配向指数の比（２２０）／（３２１）が０．５以上１．５以下であることを特徴とするめっき部材。
3. 請求項１または２に記載のめっき部材において、めっき層形成成分はＳｎおよび／またはＳｎ合金であることを特徴とするめっき部材。
4. Ｓｎ合金はＳｎ−Ｃｕ合金である請求項３に記載のめっき部材。
5. 基材がＣｕまたはＣｕ合金である請求項１〜４のいずれかに記載のめっき部材。
6. 基材表面が（２２０）の配向面を持つことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のめっき部材。
7. 基材表面とめっき層との間に（２２０）の配向面を持つ下地層が形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のめっき部材。
8. 請求項１〜５のいずれかに記載のめっき部材の製造方法であって、基材表面の結晶方位を（２２０）面とする第１工程と、該基材表面にめっきを施す第２工程とを有することを特徴とするめっき部材の製造方法。
9. 請求項８に記載のめっき部材の製造方法において、前記第１の工程は、基材表面に結晶方位が（２２０）面に制御した下地層を形成する工程を含むことを特徴とするめっき部材の製造方法。

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