JP2009030108A - Member having lead-free plated layer and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
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。 In an electronic component such as a semiconductor device, copper, copper alloy, brass, 42 alloy, or the like is used as a base material for an external terminal. However, if the substrate is left as it is, the terminal surface is oxidized to cause poor conduction due to poor soldering or the like. There is a fear. For this purpose, a protective film (plating layer) is usually formed on the terminal surface by plating or the like to prevent oxidation.
めっき層の材料としてSn合金あるいはZn合金等を用いる場合、従来から鉛(Pb)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合金やZn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SnやZnの針状単結晶であるウィスカが発生する。 When using an Sn alloy or Zn alloy as a material for the plating layer, an alloy containing lead (Pb) has been used. In recent years, there has been a demand for lead-free from the viewpoint of reducing the environmental burden, and for the plating layer material of the terminal, for example, a material containing no lead such as Sn alloy and Zn alloy is used. It has become. However, when the surface of the terminal of the electronic component is plated with a lead-free material, whiskers that are needle-like single crystals of Sn or Zn are generated from the plating layer.
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。 In recent years, for example, electronic components such as a semiconductor device in which an IC chip is mounted on a lead frame have been required to be further reduced in size, and as a result, the distance between the terminals has been reduced to about several hundred μm. The whisker may grow to a length of several hundred μm. If the distance between the terminals is as narrow as several hundred μm as described above, a short circuit between the terminals may occur due to the generated whisker. Measures for suppressing the occurrence of whiskers are required.
ウィスカの発生および成長のメカニズムは完全には解明されていないが、めっき層の残留応力あるいはめっき層に加わる圧縮応力が一因であるとの考えから、残留応力を積極的に開放する、あるいはめっき層に加わる圧縮応力を低減するようにした解決策が、多く提案されている。一方、めっき層の結晶方位面およびその配向指数を制御することで、ウィスカの発生を抑制できることが分かりつつあり、そのアプローチからの解決策も既に提案されている。例えば、特許文献1には、Snめっき皮膜の結晶配向面が(220)面に優先配向し、かつSnめっき皮膜形成後の皮膜応力を−7.2MPa以上0MPa以下とすることが記載されている。特許文献2には、Snめっき面の(220)/(200)の面配向割合を大きくすることでウィスカを抑制できることが記載されている。特許文献3には、Snめっき層の結晶粒界にSn合金相を形成してウィスカの発生を抑制する技術であって、Sn合金相が形成しやすくするために、めっき層における(220)面と(321)面の配向指数を高くすることが記載されている。
Although the mechanism of whisker generation and growth has not been fully elucidated, the residual stress in the plating layer or the compressive stress applied to the plating layer is considered to be a factor, so the residual stress is actively released or plating is performed. Many solutions have been proposed that reduce the compressive stress on the layer. On the other hand, it has been found that the generation of whiskers can be suppressed by controlling the crystal orientation plane and the orientation index of the plating layer, and solutions from that approach have already been proposed. For example, Patent Document 1 describes that the crystal orientation plane of the Sn plating film is preferentially oriented to the (220) plane, and the film stress after forming the Sn plating film is -7.2 MPa or more and 0 MPa or less. .
鉛フリーめっき層におけるウィスカの発生を抑制する技術として、上記のようにめっき層の結晶方位面およびその配向指数を制御する技術は、有効なものと考えられる。本発明者らも、この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。 As a technique for suppressing the generation of whiskers in the lead-free plating layer, the technique for controlling the crystal orientation plane and the orientation index of the plating layer as described above is considered effective. The present inventors have also conducted many experiments and researches on this method, but it is difficult to say that all of the methods proposed heretofore have achieved sufficient results, and there are still points to be improved. Have experienced that.
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、めっき層の結晶方位面を制御する技術を用いて、より完全にウィスカの発生を抑制できるようにしためっき部材、およびその製造方法を提供することを課題とする。 The present invention has been made in the circumstances as described above, the present invention is a plating member that can suppress the generation of whiskers more completely using a technique for controlling the crystal orientation plane of the plating layer, It is another object of the present invention to provide a manufacturing method thereof.
上記の課題を解決すべく、本発明者らは、多数の鉛フリーめっき層表面に対してEBSP法によるX線回析を行い、針状ウィスカが発生した結晶方位面についての解析を行ったところ、針状ウィスカは、めっき材料の結晶粒における原子密度の高い結晶方位面から成長する確率が、原子密度の低い結晶方位面から成長する確率よりも高く、従って、原子密度の低い結晶方位面をめっき層表面に多く配向させておくことにより、めっき層表面から外側に成長するウィスカの発生を抑制できることを知見した。 In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have performed X-ray diffraction by the EBSP method on the surface of a large number of lead-free plating layers, and have analyzed the crystal orientation plane in which acicular whiskers are generated. The needle whisker has a higher probability of growing from a crystal orientation plane with a high atomic density in the crystal grains of the plating material than a probability of growth from a crystal orientation plane with a low atomic density. It has been found that the occurrence of whiskers that grow outward from the surface of the plating layer can be suppressed by having many orientations on the surface of the plating layer.
本発明は、上記の知見に基づいており、本発明によるめっき部材は、母材の表面に鉛フリーのめっき層を有するめっき部材であって、めっき材料の結晶粒における原子密度の低い結晶方位面が原子密度の高い結晶方位面と比較してより多く表面に出るようにめっき層が形成されていることを特徴とする。 The present invention is based on the above findings, and the plated member according to the present invention is a plated member having a lead-free plated layer on the surface of a base material, and has a crystal orientation plane with low atomic density in crystal grains of the plated material. It is characterized in that the plating layer is formed in such a manner that more is exposed on the surface as compared with the crystal orientation plane having a high atomic density.
本発明による鉛フリーめっき層では、針状ウィスカが成長する確率の高い電子密度の高い結晶方位面のより多くがめっき層の内部に配されており、ウィスカが発生したとしても、それがめっき層表面から外部に向けて針状ウィスカとして成長する確率を低減することができる。本発明によるめっき部材において、めっき層表面における、めっき材料の結晶粒における原子密度の最も低い結晶方位面が占める割合は100%または100%に近い値であることが好ましいが、比較して原子密度の低い結晶方位面がめっき層表面においてより多くの面積を占めていれば、所期の目的を達成することができる。 In the lead-free plating layer according to the present invention, more of the crystal orientation plane with a high electron density with a high probability of growing needle-like whiskers is arranged inside the plating layer, and even if whiskers are generated, they are The probability of growing as a needle-like whisker from the surface toward the outside can be reduced. In the plated member according to the present invention, the ratio of the crystal orientation plane having the lowest atomic density in the crystal grains of the plating material on the surface of the plating layer is preferably 100% or a value close to 100%. If the low crystal orientation plane occupies a larger area on the surface of the plating layer, the intended purpose can be achieved.
本発明によるめっき材料のより具体的な態様において、めっき材料がSn系めっき材料の場合に、めっき層表面において、Sn結晶粒の(001)面の占める割合が最も多くなるようにめっき層が形成されている。なお、ここで「Sn系めっき材料」は、純Snのみでなく、Sn−Cu,Sn−Bi,Sn−AgのようなSn合金をも含むめっき材料を意味している。 In a more specific aspect of the plating material according to the present invention, when the plating material is an Sn-based plating material, the plating layer is formed so that the ratio of the (001) plane of the Sn crystal grains is the largest on the plating layer surface. Has been. Here, “Sn-based plating material” means a plating material that includes not only pure Sn but also Sn alloys such as Sn—Cu, Sn—Bi, and Sn—Ag.
Sn結晶粒において、(100)面と(010)面は比較して原子密度の高い面であり、(001)面は原子密度の最も低い面である。従って、上記のようにめっき材料がSn系めっき材料の場合に、結晶粒における(001)面の占める割合が最も多くなるようにめっき層が形成されることにより、めっき層表面から外部に向けて針状ウィスカが成長するのを抑制することができる。この場合にも、めっき層表面において、(001)面が占める割合は100%または100%に近い値であることが好ましいが、(001)面が他の結晶方位面と比較してより多くの面積を占めていれば、所期の目的を達成することができる。なお、現状の電解めっき等で形成されるSn系めっき材料からなる鉛フリーめっき層では、めっき層表面において結晶粒の(001)面が占める割合は、数%以下である。 In the Sn crystal grains, the (100) plane and the (010) plane are planes with higher atomic density, and the (001) plane is the plane with the lowest atomic density. Therefore, when the plating material is an Sn-based plating material as described above, the plating layer is formed so that the proportion of the (001) plane in the crystal grains is maximized, so that the plating layer surface is directed outward. It is possible to suppress the growth of acicular whiskers. In this case as well, the proportion of the (001) plane on the plating layer surface is preferably 100% or a value close to 100%, but the (001) plane is more in comparison with other crystal orientation planes. If it occupies the area, the intended purpose can be achieved. In the lead-free plating layer made of Sn-based plating material formed by current electrolytic plating or the like, the proportion of the (001) plane of crystal grains on the plating layer surface is several percent or less.
めっき層表面に(001)面を多く出す、すなわち(001)面を他の面よりも優先配向させるには、熱処理のような人為的手法により行うことができる。他の方法として、母材表面の被めっき面を(001)面に優先配向させ、その上にエピタキシャル成長によりSn系めっき層を成形する方法も挙げられる。 In order to produce a large number of (001) planes on the surface of the plating layer, that is, to preferentially orient the (001) planes over other planes, it can be performed by an artificial method such as heat treatment. As another method, a method of preferentially orienting the surface to be plated on the surface of the base material to the (001) plane and forming an Sn-based plating layer thereon by epitaxial growth can also be mentioned.
本発明によるめっき材料の他のより具体的な態様において、めっき材料がZn系めっき材料の場合、めっき層表面において、Zn結晶粒の(1100)面の占める割合が最も多くなるようにめっき層が形成されている。なお、ここで「Zn系めっき材料」は、上記「Sn系めっき材料」の場合と同様、純Znのみでなく、Zn−Ni合金めっきのようなZn合金もを含むめっき材料を意味している。 In another more specific aspect of the plating material according to the present invention, when the plating material is a Zn-based plating material, the plating layer is formed so that the proportion of the (1100) plane of Zn crystal grains is the largest in the plating layer surface. Is formed. Here, the “Zn-based plating material” means a plating material containing not only pure Zn but also a Zn alloy such as Zn—Ni alloy plating as in the case of the “Sn-based plating material”. .
Zn結晶粒において、(0001)面が比較して原子密度の高い面であり、(1100)面は原子密度の低い面である。従って、上記のようにめっき材料がZn系めっき材料の場合に、結晶粒における(1100)面の占める割合が最も多くなるようにめっき層が形成されることにより、めっき層表面からの針状ウィスカの成長を抑制することができる。 In the Zn crystal grains, the (0001) plane is a plane having a higher atomic density than the (0001) plane, and the (1100) plane is a plane having a low atomic density. Therefore, when the plating material is a Zn-based plating material as described above, the plating layer is formed so that the proportion of the (1100) plane in the crystal grains is maximized, whereby acicular whiskers from the surface of the plating layer are formed. Growth can be suppressed.
めっき層表面に(1100)面を多く出す、すなわち(1100)面を他の面よりも優先配向させるには、熱処理のような手法により行うことができる。他の方法として、母材表面の被めっき面を(1100)面に優先配向させ、その上にエピタキシャル成長によりZn系めっき層を成形する方法も挙げられる。 In order to increase the number of (1100) planes on the surface of the plating layer, that is, to preferentially orient the (1100) planes over other planes, it can be performed by a technique such as heat treatment. As another method, a method of preferentially orienting the surface to be plated on the surface of the base material to the (1100) plane and forming a Zn-based plating layer thereon by epitaxial growth can also be mentioned.
図1は本発明によるめっき部材の模式図であり、図2は本発明者らが行った鉛フリーめっき層でのウィスカ発生箇所におけるEBSP解析結果を模式的に示している。 FIG. 1 is a schematic view of a plated member according to the present invention, and FIG. 2 schematically shows an EBSP analysis result at a location where a whisker is generated in a lead-free plated layer performed by the present inventors.
図1に示すように、本発明によるめっき部材3は、母材1の表面に鉛フリーのめっき層2が形成されている。そして、めっき層2では、めっき材料の結晶粒における原子密度の低い結晶方位面が原子密度の高い結晶方位面と比較してより多く表面に出るようにめっき層が形成されている。それにより、めっき層2から外に向けて針状ウィスカ10が成長するのが抑制される。
As shown in FIG. 1, a plating
その理由を説明する。本発明者らは、母材1であるCu合金基材の表面に電解めっき法により純Snからなる薄膜状のめっき層2を形成し、その表面をEBSP解析した。EBSP解析は、OIM座標系のND方向、RD方向、TD方向で行い、それを総合した結果を、図2に、ウィスカ10の成長方向とSn結晶粒2aの結晶粒子面との関係で示している。図示のように、めっき層表面は(110)面であり、針状ウィスカの根元の断面の結晶方位は(001)面であった。従って、針状ウィスカ10は(100)面、もしくは(010)面から発生する。そのために、Sn結晶粒の(001)面がめっき表面により多く配向するようにして、めっき層を形成することにより、めっき層から外に向けて針状ウィスカ10が成長するのを抑制できることがわかる。
The reason will be explained. The present inventors formed a
Sn結晶粒では、(100)面と(010)面は比較して原子密度の高い面であり、(001)面は原子密度の最も低い面である。従って、母材の表面に鉛フリーのめっき層を有するめっき部材において、めっき材料の結晶粒における原子密度の低い結晶方位面が原子密度の高い結晶方位面と比較してより多く表面に出るようにめっき層が形成することにより、めっき層から外に向けて針状ウィスカが成長するのを抑制することができる。 In the Sn crystal grain, the (100) plane and the (010) plane are planes with higher atomic density, and the (001) plane is the plane with the lowest atomic density. Therefore, in a plating member having a lead-free plating layer on the surface of the base material, the crystal orientation plane with low atomic density in the crystal grains of the plating material is more exposed to the surface than the crystal orientation plane with high atomic density. By forming the plating layer, it is possible to suppress the growth of acicular whiskers outward from the plating layer.
Sn系めっきの場合、原子密度の低い結晶方位面が原子密度の高い結晶方位面と比較してより多く表面に出るようにめっき層が形成する、すなわち、Sn結晶粒の(001)面がめっき表面により多く配向するようにめっき層を形成するには、例えば、熱処理のような手法を採用すればよい。 In the case of Sn-based plating, the plating layer is formed so that the crystal orientation plane with a low atomic density appears on the surface more than the crystal orientation plane with a high atomic density, that is, the (001) plane of the Sn crystal grains is plated. In order to form the plating layer so as to be more oriented on the surface, for example, a technique such as heat treatment may be employed.
他の方法として、母材(例えばCu合金基材)の被めっき面を(001)面に優先配向させ、従来知られた液相エピタキシャル成長により、Sn系めっき層を形成してもよい。 As another method, the Sn-based plating layer may be formed by liquid phase epitaxial growth that is conventionally known by preferentially orienting the surface to be plated of a base material (for example, a Cu alloy base material) to the (001) plane.
1…母材、2…めっき層、2…Sn結晶粒、3…めっき部材、10…針状ウィスカ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Base material, 2 ... Plating layer, 2 ... Sn crystal grain, 3 ... Plating member, 10 ... Acicular whisker
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JP2011527100A (en) * | 2008-06-30 | 2011-10-20 | アギア システムズ インコーポレーテッド | Prevent or reduce growth formation on metal films |
JP2016106178A (en) * | 2009-11-20 | 2016-06-16 | 東洋鋼鈑株式会社 | Coated steel sheet, and cover member using steel sheet |
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