JP2008285752A - 脆性破壊を防止するための無電解ＮｉＸＰで表面処理された電子部品の接合方法 - Google Patents

脆性破壊を防止するための無電解ＮｉＸＰで表面処理された電子部品の接合方法 Download PDF

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Abstract

【課題】無電解Ｎｉメッキで表面処理された電子部品をはんだを利用し、接合させる際にはんだ接合部で発生する脆性破壊を防止する方法を提供する。
【解決手段】電子部品に無電解ＮｉＸＰ（Ｘ＝Ｗ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｚｎ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｒｅ、Ｍｎ、Ｔｌ、Ｃｕから選ばれる少なくとも1種）メッキを施して金属層を形成する段階と、該無電解ＮｉＸＰ層上にはんだをリフローし接合する段階とから構成し、はんだ接合部で発生する脆性破壊を防止する方法を達成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、無電解ＮｉＸＰ（Ｘ＝Ｗ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｚｎ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｒｅ、Ｍｎ、Ｔｌ、Ｃｕ）で表面処理された電子部品をはんだ（solder）と接合させた後、はんだ接合部で発生する脆性破壊を防止する方法であって、無電解ニッケルメッキ浴に前記の金属を包含する塩を添加して無電解ニッケルと前記金属を同時に蒸着してはんだと接合させる時、生成される金属間化合物のスポーリング（spalling）とＮｉ３Ｐ、ＮｉＳｎＰ層の形成を抑制してソルダ・ジョイントで発生する脆性破壊を防止する技術に関する。
従来、はんだを利用する接合において、Ｐｂ−Ｓｎ合金が代表的なはんだ材料として使用されてきたが、最近、鉛の有害性によって電子部品における鉛の使用が規制または禁止されている。したがって、鉛を含有しない無鉛はんだ（エコソルダー）の開発が持続的に進んでおり、現在Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｚｎ、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系の無鉛はんだがＰｂ−Ｓｎはんだを代替している。
一方、無鉛はんだ用ＵＢＭ（アンダーバンブ・メタル）に対する開発も同時に進行されているが、チップ部分ではＣｒ／Ｃｒ−Ｃｕ／Ｃｕ、Ｔｉ−Ｗ／Ｃｕ／電解Ｃｕ、Ａｌ／Ｎｉ−Ｖ／Ｃｕなどが代表的に使用され、ＢＧＡ（ボール・グリッド・アレイ）パッケージと印刷回路基板には、電解ニッケル、無電解ニッケル、ＯＳＰ（Organic solderability preservative）処理された電解Ｃｕなどが使用されている。前記の無鉛はんだとＵＢＭ間の界面反応及び信頼性の評価は、多くの研究者により行われており、Ｃｕを基盤とするＵＢＭは、スズを大量に含有している無鉛はんだと反応するとき、界面において厚い金属間化合物を形成するため、ニッケルを基盤とするＵＢＭが無鉛はんだにおいてより適合することが知られている。しかし、現在、コストの側面から電解ニッケルよりは無電解ニッケルがＵＢＭとして多く使用されているが、無電解ニッケルとはんだとが反応するとき、はんだ接合部の脆性破壊が深刻な問題になっている。これは、非特許文献１など多くの研究者によって研究されているが、無電解ニッケル金属層をＳｎ−３．５Ａｇと反応させると、Ｎｉ３Ｓｎ４金属間化合物、Ｎｉ３ＳｎＰ、Ｎｉ３Ｐ相が発生し、さらにＮｉ３Ｓｎ４が界面から分離される現象に起因して脆性破壊が発生することが報告されている。現在のところ、無鉛はんだとＵＢＭの最適の組合せを決定するために、持続的な研究開発が進んでおり、殊に、高性能、多機能化、超小型化される携帯用電子機器などにはんだによる接続技術が普遍化されながら機械的衝撃に強いソルダ・ジョイントに対する要求が増大している。
本発明と関連する従来技術の中、米国の特許文献１では、無電解ニッケルとはんだ接合部の脆性破壊を防ぐために、無電解ニッケルＵＢＭ上に電解／無電解Ｃｕ膜をさらに蒸着してはんだと接合するとき、金属間化合物のスポーリングを防止することにより信頼性を向上させる方法を提案している。しかし、この方法は追加的に金属層を蒸着しなければならない煩雑を伴う問題がある。一方、本発明は無電解ニッケル溶液に蒸着しようとする金属塩を添加して同時に蒸着するので、本発明とは技術的構成が相異する。
Y. S. Shon, et al., "Correlation between chemical reaction and brittle fracture found in electroless Ni(P)/immersion gold-solder interconnection" J. Mater. Res. 20, 8, 1931, 2005 米国公開特許ＵＳ２００６／００２４９４３ Ａ１
Ｓｎ−ｂａｓｅｄはんだの場合、無電解Ｎｉ（Ｐ）金属層と接合するとき、生成されるＮｉ３ＰとＮｉＳｎＰ層によって接合部において脆性破壊が起こる原因となっている。したがって、本発明の課題は、無電解Ｎｉ（Ｐ）金属層にＰと反応してＮｉ３ＰとＮｉＳｎＰ層が形成される現象を抑制する元素を添加して接合部の脆性破壊を防止することにより機械的信頼性を向上させる方法を提供することにある。
本発明は、［１］はんだを利用して電子部品を接合するときの脆性破壊を防止する接合方法において、電子部品の金属配線に無電解ＮｉＸＰ金属層を形成する段階と、無鉛はんだを無電解ＮｉＸＰ層上にリフローして接合する段階を包含してなるはんだ接合部の脆性破壊を防止する、無電解ＮｉＸＰで表面処理された電子部品の接合方法や、［２］電子部品の接合が、半導体チップとパッケージ部品、パッケージ部品と印刷回路基板、または半導体チップと印刷回路基板との接合であることを特徴とする上記［１］に記載の無電解ＮｉＸＰで表面処理された電子部品の接合方法や、［３］無鉛はんだが、ＳｎＡｇ、ＳｎＡｇＣｕ、ＳｎＡｇＺｎ、ＳｎＡｇＡｌ、ＳｎＡｇＢｅ、ＳｎＡｇＳｉ、ＳｎＡｇＧｅ、ＳｎＡｇＭｇ、ＳｎＣｕ、ＳｎＢｉ、ＳｎＺｎまたはＳｎＺｎＢｉ系のはんだであり、Ａｇ ０〜１０ｗｔ％、Ｚｎ １〜７ｗｔ％、Ａｌ １〜５ｗｔ％、Ｂｅ １〜５ｗｔ％、Ｓｉ ８〜１５ｗｔ％、Ｇｅ ８〜１５ｗｔ％、Ｍｇ １〜７ｗｔ％、Ｃｕ ０〜２ｗｔ％、Ｂｉ ０〜５８ｗｔ％及びＺｎ ０〜１０ｗｔ％であることを特徴とする上記［１］又は［２］に記載の無電解ＮｉＸＰで表面処理された電子部品の接合方法に関する。
また本発明は、［４］無電解ニッケルメッキ浴に、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｚｎ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｒｅ、Ｍｎ、ＴｌまたはＣｕを包含する金属塩を添加して無電解ＮｉＸＰでメッキすることを特徴とする電子部品の接合方法や、［５］無電解ＮｉＸＰ薄膜における元素の組成範囲が、Ｗ １〜２０ｗｔ％、Ｍｏ １〜３０ｗｔ％、Ｃｏ １〜５０ｗｔ％、Ｚｎ １〜１０ｗｔ％、Ｆｅ １〜４０ｗｔ％、Ｒｅ １〜５０ｗｔ％、Ｍｎ ０．５〜５ｗｔ％、Ｃｒ ０．５〜１０ｗｔ％、Ｔｌ １〜２０ｗｔ％、Ｃｕ １〜２０ｗｔ％、Ｔｉ １〜２０ｗｔ％、Ｚｒ １〜２０ｗｔ％、Ｖ １〜２０ｗｔ％、及びＮｂ １〜２０ｗｔ％であることを特徴とする上記［４］に記載の電子部品の接合方法に関する。
さらに本発明は、［６］無電解ＮｉＸＰ ＵＢＭ上に、はんだとの湿潤性を向上させるとともに、ＮｉＸＰの酸化を防止するために、厚さ１μｍ以下のＡｕ、Ａｇ、またはＰｄを蒸着することを特徴とする電子部品の接合方法に関する。
本発明によると、電子パッケージの無電解Ｎｉ（Ｐ）／はんだ接合部から頻繁に発生する脆性破壊の問題を解決して電子機器の信頼性を向上させることができる。
以下、本発明の内容をより詳細に説明する。
先ず、本発明は、無電解ニッケルにより表面処理された電子部品を接合する場合に生じる、脆性破壊を防止することができる方法であって、無電解ニッケルメッキ浴に、Ｎｉ３ＰとＮｉＳｎＰ層の形成を抑制する元素の塩を添加してＮｉＸＰ（Ｘは、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｚｎ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｒｅ、Ｍｎ、Ｔｌ及びＣｕから選ばれる少なくとも１種の金属原子） ＵＢＭを形成し、無鉛はんだをＮｉＸＰ ＵＢＭにリフローして両側の印刷回路基板を相互接合させることを特徴として構成される。
本発明の理解のために、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、図面は、本発明に対する理解のためであって、これによって本発明が限定されるものではない。
また、表１は、ＮｉＷＰ、ＮｉＭｏＰ、ＮｉＭｎＰ、ＮｉＦｅＰ、ＮｉＲｅＰ、ＮｉＲｅＷＰ無電解メッキに供する溶液組成とメッキの条件を示している。
表１．ＮｉＸＰ層を形成する溶液

図１は、本発明による無電解ＮｉＸＰで表面処理された印刷回路基板の接続過程を示した概略模式図であって、先ずＢＧＡパッケージ１０の金属配線１２上に無電解ＮｉＸＰ層１４を形成させる（図１）。形成された無電解ＮｉＸＰ層上にＳｎ３．５Ａｇ無鉛はんだ２０をリフローする（図２）。下部に使用される印刷回路基板も同様にしてＮｉＸＰ層１４を蒸着させ、上部パッケージ部品のはんだと整列させた後、リフローして接合する（図３）。
前記図１〜図３の図面符号において、１０はＢＧＡパッケージ、１２は金属配線、１４は無電解Ｎｉ−Ｗ−Ｐ、１６ははんだマスク、１８はＮｉ３Ｓｎ４金属間化合物、２０はＳｎ３．５Ａｇはんだ、２２は印刷回路基板を示す。
従来使用された無電解ニッケルと、ＳｎＡｇまたはＰｂＳｎ系のはんだとが接合するとき、はんだ接合部には、Ｎｉ３Ｓｎ４金属間化合物が生成されることによって、無電解ニッケル層にはＮｉ３Ｐ層と、その上にＮｉＳｎＰ層とが形成されるとともに、反応が進行されるに従ってＮｉＳｎＰ層が厚くなり、金属間化合物のスポーリングが発生することになる。図４は無電解ニッケルとＳｎ３．５Ａｇはんだペーストを２６０℃で５分間リフローしたときの、断面写真であるが、Ｎｉ３Ｓｎ４金属間化合物がすべてスポーリングされている。このような現象は、はんだ接合部の脆性破壊と密接に関連している。これを抑制するために、無電解ＮｉＸＰ層を蒸着した後、２６０℃で１分または５分間リフローさせた場合、図５〜図１０のように、金属間化合物は全くスポーリングされておらず、ＮｉＳｎＰ層も大部分観察されなかった。前記の元素らが選択される理由は、はんだと接合されるとき、Ｐと反応して金属間化合物を生成させるので、接合部の脆性破壊と密接に関連するＮｉ３Ｐ、ＮｉＳｎＰ層の形成を抑制することができるためである。このように無電解ニッケル層に他の金属を添加して金属間化合物のスポーリングを抑制することにより、ＮｉＳｎＰ層が形成されないことは、既に報告されているはんだ接続部の脆性破壊を抑制することのできる１つの方法として提示することができる。
はんだ接続部における脆性破壊を防止することができるかを確認するために、衝撃試験を実施した。先ず、上・下印刷回路基板の無電解ニッケル層に、タングステンを加えてＵＢＭを形成し、Ｓｎ３．５Ａｇはんだボールを使用、２６０℃で３００秒間接合させた。比較の結果を得るために、従来使用されている無電解ニッケル層をＵＢＭとして前記と同様にして試片を作製した。これに対する衝撃試験の結果、無電解ニッケル層をＵＢＭに使用した試片の場合、衝撃回数が３９回目のとき脆性破壊が発生したことを確認することができた。
図１１は、脆性破壊が発生した比較試片の断面写真であって、従来報告された内容と同様に金属間化合物がスポーリングされ、ＮｉＳｎＰ層において脆性破壊が発生したことを示している。一方、無電解ニッケル層にタングステンを添加してＵＢＭを形成した場合は、４００回以上のドロップにおいても脆性破壊が発生していないことを確認することができた。
図１２は、その断面写真であって、金属間化合物がスポーリングされなく、無電解ＮｉＷＰ層と良好に結合されていることを確認することができる。
本発明による無電解ＮｉＸＰで表面処理されたパッケージ部品がはんだと接続する過程を示した概略図であって、ＢＧＡパッケージ１０の金属配線１２上に無電解ＮｉＸＰ１４を形成する段階を示す模式図である。 本発明による無電解ＮｉＸＰで表面処理されたパッケージ部品がはんだと接続する過程を示した概略図であって、図１上のはんだ２０を形成する段階を示す模式図である。 本発明による無電解ＮｉＸＰで表面処理されたパッケージ部品がはんだと接続する過程を示した概略図であって、図２上に形成されたＢＧＡパッケージ１０と図１上に形成された無電解ＮｉＸＰで表面処理された印刷回路基板をリフロー工程によって接続させる段階を示す模式図である。 ＵＢＭとはんだとが反応したときの断面写真であって、無電解ニッケルとＳｎ３．５Ａｇはんだを２６０℃で５分間リフローした写真図である。 本発明によるＵＢＭとはんだとが反応したときの断面写真であって、無電解ＮｉＷＰとＳｎ３．５Ａｇはんだを２６０℃で１分または５分間リフローした写真図である。 本発明によるＵＢＭとはんだとが反応したときの断面写真であって、無電解ＮｉＭｏＰとＳｎ３．５Ａｇはんだを２６０℃で１分または５分間リフローした写真図である。 本発明によるＵＢＭとはんだとが反応したときの断面写真であって、無電解ＮｉＭｎＰとＳｎ３．５Ａｇはんだを２６０℃で１分または５分間リフローした写真図である。 本発明によるＵＢＭとはんだとが反応したときの断面写真であって、無電解ＮｉＲｅＰとＳｎ３．５Ａｇはんだを２６０℃で１分または５分間リフローした写真図である。 本発明によるＵＢＭとはんだとが反応したときの断面写真であって、無電解ＮｉＲｅＷＰとＳｎ３．５Ａｇはんだを２６０℃で１分または５分間リフローした写真図である。 本発明によるＵＢＭとはんだとが反応したときの断面写真であって、無電解ＮｉＦｅＰとＳｎ３．５Ａｇはんだを２６０℃で１分または５分間リフローした写真図である。 衝撃試験を実施した写真であって、無電解ニッケルとＳｎ３．５Ａｇはんだを２６０℃で３００秒間リフローした後、衝撃試験を実施した試片の断面写真図である。 衝撃試験を実施した写真であって、無電解ＮｉＷＰとＳｎ３．５Ａｇはんだを同一条件下でリフローして衝撃試験を実施した試片の断面写真図である。
符号の説明
１０：ＢＧＡパッケージ
１２：金属配線
１４：無電解Ｎｉ−Ｗ−Ｐ
１６：はんだマスク
１８：Ｎｉ３Ｓｎ４金属間化合物
２０：Ｓｎ３．５Ａｇはんだ
２２：印刷回路基板

Claims (6)

  1. はんだを利用して電子部品を接合するときの脆性破壊を防止する接合方法において、
    電子部品の金属配線に無電解ＮｉＸＰ（Ｘは、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｚｎ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｒｅ、Ｍｎ、Ｔｌ及びＣｕから選ばれる少なくとも１種の金属原子）金属層を形成する段階と、無鉛はんだを無電解ＮｉＸＰ層上にリフローして接合する段階を包含してなるはんだ接合部の脆性破壊を防止する無電解ＮｉＸＰで表面処理された電子部品の接合方法。
  2. 電子部品の接合が、半導体チップとパッケージ部品、パッケージ部品と印刷回路基板、または半導体チップと印刷回路基板との接合であることを特徴とする請求項１に記載の無電解ＮｉＸＰで表面処理された電子部品の接合方法。
  3. 無鉛はんだが、ＳｎＡｇ、ＳｎＡｇＣｕ、ＳｎＡｇＺｎ、ＳｎＡｇＡｌ、ＳｎＡｇＢｅ、ＳｎＡｇＳｉ、ＳｎＡｇＧｅ、ＳｎＡｇＭｇ、ＳｎＣｕ、ＳｎＢｉ、ＳｎＺｎまたはＳｎＺｎＢｉ系のはんだであり、Ａｇ ０〜１０ｗｔ％、Ｚｎ １〜７ｗｔ％、Ａｌ １〜５ｗｔ％、Ｂｅ １〜５ｗｔ％、Ｓｉ ８〜１５ｗｔ％、Ｇｅ ８〜１５ｗｔ％、Ｍｇ １〜７ｗｔ％、Ｃｕ ０〜２ｗｔ％、Ｂｉ ０〜５８ｗｔ％及びＺｎ ０〜１０ｗｔ％であることを特徴とする請求項１又は２に記載の無電解ＮｉＸＰで表面処理された電子部品の接合方法。
  4. 無電解ニッケルメッキ浴にＷ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｚｎ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｒｅ、Ｍｎ、ＴｌまたはＣｕを包含する金属塩を添加して無電解ＮｉＸＰ（Ｘは、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｚｎ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｒｅ、Ｍｎ、Ｔｌ及びＣｕから選ばれる少なくとも１種の金属原子）金属層でメッキすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電子部品の接合方法。
  5. 無電解ＮｉＸＰ薄膜における元素の組成範囲が、Ｗ １〜２０ｗｔ％、Ｍｏ １〜３０ｗｔ％、Ｃｏ １〜５０ｗｔ％、Ｚｎ １〜１０ｗｔ％、Ｆｅ １〜４０ｗｔ％、Ｒｅ １〜５０ｗｔ％、Ｍｎ ０．５〜５ｗｔ％、Ｃｒ ０．５〜１０ｗｔ％、Ｔｌ １〜２０ｗｔ％、Ｃｕ １〜２０ｗｔ％、Ｔｉ １〜２０ｗｔ％、Ｚｒ １〜２０ｗｔ％、Ｖ １〜２０ｗｔ％、及びＮｂ １〜２０ｗｔ％であることを特徴とする請求項４に記載の電子部品の接合方法。
  6. 無電解ＮｉＸＰ（Ｘは、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｚｎ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｂ、Ｒｅ、Ｍｎ、Ｔｌ及びＣｕから選ばれる少なくとも１種の金属原子）下部金属層（ＵＢＭ）上に、はんだとの湿潤性を向上させるとともに、ＮｉＸＰの酸化を防止するために、厚さ１μｍ以下のＡｕ、Ａｇ、またはＰｄをさらに蒸着することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電子部品の接合方法。
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