JP2011134925A - Electrode structure - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a full bonding strength using lead-free solder, without depending on an underlying Ni layer. <P>SOLUTION: In an electrode structure 10, an Ni-plating layer 12 is formed on an underlying electrode base 11, and a Co thin film layer 13 is formed on the Ni-plating layer 12. A solder layer 20 is formed not on the Ni-plating layer 12 but on the Co thin film layer 13. A sample to be bonded 30 is bonded to the electrode structure 10 by means of the solder layer 20. The Co thin-film layer 13 has a thickness of approximately 10 to 800 nm, and the Co thin-film layer 13 of this thickness can be formed by a vapor deposition method or a sputtering method. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、鉛フリーはんだを用いて接合される電極構造に関する。   The present invention relates to an electrode structure joined using lead-free solder.

電極同士、あるいは電極に配線等をはんだを用いて接合することは、従来より行われてきたが、従来より用いられてきたはんだ(PbSn:鉛(Pb)と錫(Sn)の合金)には、有害な鉛成分が含まれることが近年問題になってきた。このため、鉛成分を含まない鉛フリーはんだが用いられるようになっているが、接合強度等の観点において鉛入りはんだと同等の性能を得ることは、困難である。   Joining wires or the like to electrodes using solder has been conventionally performed, but conventionally used solder (PbSn: alloy of lead (Pb) and tin (Sn)) In recent years, the inclusion of harmful lead components has become a problem. For this reason, lead-free solder containing no lead component is used, but it is difficult to obtain performance equivalent to that of lead-containing solder in terms of bonding strength and the like.

鉛フリーはんだの材料としては、例えばSnAgCu系、SnZnBi系、SnCu系等、錫(Sn)を主成分とするものが知られている。こうした鉛フリーはんだを用いた場合、電極材料と鉛フリーはんだとの間で金属間化合物が形成されることによって、これらの間での接合がなされる。電極の最表面には、はんだ付けが可能である金属が使用でき、最表面にはニッケル(Ni)めっきが施される場合が多い。この場合には、SnとNiの金属間化合物が形成される。   As lead-free solder materials, for example, SnAgCu-based, SnZnBi-based, SnCu-based, etc., which have tin (Sn) as a main component are known. When such a lead-free solder is used, an intermetallic compound is formed between the electrode material and the lead-free solder, thereby joining them. A metal that can be soldered can be used for the outermost surface of the electrode, and nickel (Ni) plating is often applied to the outermost surface. In this case, an intermetallic compound of Sn and Ni is formed.

ただし、この金属間化合物が形成されることによって接合がなされるものの、特許文献1に記載されるように、この金属間化合物が厚く形成された場合には、その接合強度(あるいは耐久性)は低くなることが知られている。接合温度が高い鉛フリーはんだにおいては金属間化合物が成長しやすいために、この点は、従来の鉛入りはんだよりも顕著である。この金属間化合物が厚くなることを抑制するために、特許文献1では、Niめっき層にリン(P)が添加されている場合に、はんだにもリン(P)を添加することが記載されている。ここで用いられるNiめっき層の形成の際には、めっき液に例えば次亜リン酸が添加されており、Niめっき層もPが添加される。特許文献1に記載の技術においては、金属間化合物の成長にPが与える影響を調べたところ、はんだ自身にPを添加することによって、金属間化合物の成長が抑制されることが示された。従って、P添加の鉛フリーはんだを用いることによって、接合強度が高く、耐久性の高い接合を得ることができる。   However, although bonding is performed by forming this intermetallic compound, as described in Patent Document 1, when this intermetallic compound is formed thick, its bonding strength (or durability) is It is known to be lower. In a lead-free solder having a high joining temperature, an intermetallic compound is likely to grow, and this point is more remarkable than a conventional lead-containing solder. In order to prevent the intermetallic compound from becoming thick, Patent Document 1 describes that when phosphorus (P) is added to the Ni plating layer, phosphorus (P) is also added to the solder. Yes. In forming the Ni plating layer used here, for example, hypophosphorous acid is added to the plating solution, and P is also added to the Ni plating layer. In the technique described in Patent Document 1, when the influence of P on the growth of intermetallic compounds was examined, it was shown that the growth of intermetallic compounds was suppressed by adding P to the solder itself. Therefore, by using P-added lead-free solder, it is possible to obtain a joint with high joint strength and high durability.

国際公開公報W02006/131979International Publication No. W02006 / 131979

しかしながら、特許文献1に記載の技術においては、はんだ付けされる最表面となるNiめっき層中にPが添加されていることを利用している。このため、Pが添加されていないNiめっき層が用いられた場合にはその効果が得られない。あるいは、この技術においては、最表面となるNiめっき層の材料と鉛フリーはんだの材料の組み合わせを最適化することによって良好な接合を得ている。   However, the technique described in Patent Document 1 utilizes the fact that P is added to the Ni plating layer that is the outermost surface to be soldered. For this reason, the effect is not acquired when Ni plating layer to which P is not added is used. Alternatively, in this technique, good bonding is obtained by optimizing the combination of the Ni plating layer material which is the outermost surface and the lead-free solder material.

これに対して、はんだ付けされる最表面だけを工夫することによって、その上への鉛フリーはんだを用いて良好な接合を得ることができれば、その製造工程の自由度が高まり、この構造を用いた装置を低コストで製造することができる。特許文献1に記載の技術においては、はんだ付けされる最表面とはんだの双方を調整しているため、これを用いた装置を低コストで製造することは困難であった。   On the other hand, if we can devise only the outermost surface to be soldered and obtain a good joint using lead-free solder on it, the degree of freedom in the manufacturing process will increase, and this structure will be used. Can be manufactured at low cost. In the technique described in Patent Document 1, since both the outermost surface to be soldered and the solder are adjusted, it is difficult to manufacture a device using this at low cost.

すなわち、鉛フリーはんだを用い、下地のNi層によらずに充分な接合強度を得ることは困難であった。   That is, it is difficult to obtain a sufficient bonding strength using lead-free solder regardless of the underlying Ni layer.

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide an invention that solves the above problems.

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の電極構造は、錫(Sn)を主成分とするはんだによる接合がなされる電極構造であって、電極下地と、当該電極下地上に形成されたニッケル(Ni)層と、当該Ni層上に形成され、前記はんだが直接接する、厚さ10nm〜800nmのコバルト(Co)層と、を具備することを特徴とする。
本発明の電極構造において、前記コバルト層は、蒸着、スパッタリング、めっきのいずれかの方法によって形成されたことを特徴とする。
本発明の電極構造において、前記電極下地は、銅(Cu)または銅合金で構成されたことを特徴とする。
本発明の電極構造において、前記はんだは、錫(Sn)、銀(Ag)、銅(Cu)の合金であることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention has the following configurations.
The electrode structure of the present invention is an electrode structure that is joined by solder containing tin (Sn) as a main component, the electrode base, a nickel (Ni) layer formed on the electrode base, and the Ni layer And a cobalt (Co) layer having a thickness of 10 nm to 800 nm, which is formed on and is in direct contact with the solder.
In the electrode structure of the present invention, the cobalt layer is formed by any one of vapor deposition, sputtering, and plating.
In the electrode structure of the present invention, the electrode base is made of copper (Cu) or a copper alloy.
In the electrode structure of the present invention, the solder is an alloy of tin (Sn), silver (Ag), and copper (Cu).

本発明は以上のように構成されているので、鉛フリーはんだを用い、下地のNi層によらずに充分な接合強度を得ることができる。   Since the present invention is configured as described above, lead-free solder can be used, and sufficient bonding strength can be obtained regardless of the underlying Ni layer.

本発明の実施の形態に係る電極構造の断面図である。It is sectional drawing of the electrode structure which concerns on embodiment of this invention. Co薄膜層を用いた場合(実施例)の破断面の写真である。It is a photograph of the torn surface at the time of using Co thin film layer (Example). Co薄膜層を用いない場合(比較例)の破断面の写真である。It is a photograph of the fracture surface when not using Co thin film layer (comparative example).

以下、本発明の実施の形態となる電極構造につき説明する。この電極構造は、錫(Sn)を主成分とする鉛フリーはんだによって接合されることを前提として設計される。この断面構造を図1に示す。この電極構造10においては、電極下地11上に、Niめっき層12が形成されており、Niめっき層12上にCo薄膜層13が形成される。はんだ層20は、Niめっき層12上ではなく、Co薄膜層13上に形成される。このはんだ層20によって被接合試料30は、この電極構造10に接合される。   Hereinafter, an electrode structure according to an embodiment of the present invention will be described. This electrode structure is designed on the assumption that it is joined by lead-free solder mainly composed of tin (Sn). This cross-sectional structure is shown in FIG. In this electrode structure 10, a Ni plating layer 12 is formed on the electrode base 11, and a Co thin film layer 13 is formed on the Ni plating layer 12. The solder layer 20 is not formed on the Ni plating layer 12 but on the Co thin film layer 13. The sample 30 to be joined is joined to the electrode structure 10 by the solder layer 20.

ここで、電極下地11としては、一般的な電極材料であり電気伝導率の高い銅(Cu)あるいは銅合金が用いられる。Niめっき層12は、鉛入りはんだを用いる場合と同様に、はんだ付けされる層として用いられる。従って、電極下地11は、はんだ付けできる材料で構成される必要はなく、このNiめっき層12が表面に形成できる材料で構成されればよい。   Here, as the electrode base 11, copper (Cu) or a copper alloy which is a general electrode material and has high electric conductivity is used. The Ni plating layer 12 is used as a layer to be soldered similarly to the case of using lead-containing solder. Therefore, the electrode substrate 11 does not need to be made of a material that can be soldered, and may be made of a material that can form the Ni plating layer 12 on the surface.

Niめっき層12は、例えば無電解めっきで5μm程度の厚さのものを電極下地11(銅)上に形成される。ここで、無電解めっきにおけるめっき液における還元剤としては、特許文献1に記載されるような、リン(P)が添加される次亜リン酸の他に、Pが添加されずにホウ素(B)が添加されるジメチルアミンボランや、ほぼ純粋なNiが形成されるヒドラジン等を用いることもできる。また、電解めっきを用いてもよい。   The Ni plating layer 12 is formed on the electrode substrate 11 (copper) with a thickness of about 5 μm, for example, by electroless plating. Here, as a reducing agent in a plating solution in electroless plating, in addition to hypophosphorous acid to which phosphorus (P) is added as described in Patent Document 1, boron (B Dimethylamine borane to which) is added, hydrazine from which almost pure Ni is formed, and the like can also be used. Further, electrolytic plating may be used.

Co薄膜層13は、10nm〜800nm程度の厚さであり、はんだ付けされるNiめっき層12上に形成される。この厚さのCo薄膜層13は、蒸着法、スパッタリング法によって形成することができる。また、極短時間のめっき処理(フラッシュめっき)によっても得ることができる。   The Co thin film layer 13 has a thickness of about 10 nm to 800 nm, and is formed on the Ni plating layer 12 to be soldered. The Co thin film layer 13 having this thickness can be formed by vapor deposition or sputtering. It can also be obtained by an extremely short time plating process (flash plating).

この電極構造10上には、鉛フリーはんだを主成分とするはんだ層20が接合されることにより、被接合試料30がこの電極構造10に接合される。なお、被接合試料30は、はんだ層20で接合可能な材料で構成されているものであれば充分であり、この電極構造10と同様の構造のものでもよい。鉛フリーはんだとしては、例えばSnAgCu系、SnZnBi系、SnCu系等を用いることができる。これらはいずれも錫(Sn)を主成分とし、その融点(接合温度)は、従来の鉛入りはんだ(PbSn合金)と比べて高い。   On the electrode structure 10, a solder layer 20 containing lead-free solder as a main component is bonded, so that the sample 30 to be bonded is bonded to the electrode structure 10. The sample 30 to be joined is sufficient if it is made of a material that can be joined by the solder layer 20, and may have the same structure as the electrode structure 10. As the lead-free solder, for example, SnAgCu, SnZnBi, SnCu, or the like can be used. All of these have tin (Sn) as a main component, and their melting point (joining temperature) is higher than that of conventional lead-containing solder (PbSn alloy).

この電極構造10上にはんだ層20を形成する際には、はんだ層20中の主成分であるSnとNiめっき層12の主成分であるNiの金属間化合物が形成されることによって、接合がなされる。ただし、この金属間化合物の成長がCo薄膜層13の存在によって抑制され、その膜厚を薄く保つことができるため、この接合の接合強度、信頼性が向上する。すなわち、Co薄膜層13は、バリア層として機能する。   When the solder layer 20 is formed on the electrode structure 10, bonding is performed by forming an intermetallic compound of Sn, which is the main component in the solder layer 20, and Ni, which is the main component of the Ni plating layer 12. Made. However, since the growth of the intermetallic compound is suppressed by the presence of the Co thin film layer 13 and the film thickness can be kept thin, the bonding strength and reliability of this bonding are improved. That is, the Co thin film layer 13 functions as a barrier layer.

以下に、CoをNiめっき層12上に形成し、この上にはんだ層20(鉛フリーはんだ)を融着した場合の接合について調べた結果について説明する。   Below, the result of investigating the joining when Co is formed on the Ni plating layer 12 and the solder layer 20 (lead-free solder) is fused thereon will be described.

ここで、電極下地11にはCuを用い、その表面に5μmの厚さのNiめっき層12を無電解めっきで形成した。この構成上に、コバルト(Co)、インジウム(In)、ゲルマニウム(Ge)、銅(Cu)薄膜を形成した構造同士を、鉛フリーはんだSnAg3Cu0.5(Snを主成分とし、Ag、Cu添加量がそれぞれ3mass%、0.5mass%)とした。各薄膜層の厚さは500nmとし、蒸着で成膜した。それぞれにおける接合直後の接合状況を表1に示す。この結果より、はんだ層20とNiめっき層12との間の薄膜層として使用可能であるのはこの中ではCoだけであり、Co以外では、接合自体が不可能であった。なお、薄膜層がなく、Niめっき層12に直接はんだ層20を接合することも可能であった。   Here, Cu was used for the electrode substrate 11, and a Ni plating layer 12 having a thickness of 5 μm was formed on the surface thereof by electroless plating. A structure in which cobalt (Co), indium (In), germanium (Ge), and copper (Cu) thin films are formed on this structure is composed of lead-free solder SnAg3Cu0.5 (Sn as a main component, Ag and Cu added amount) Are 3 mass% and 0.5 mass%, respectively. Each thin film layer had a thickness of 500 nm and was formed by vapor deposition. Table 1 shows the joining situation immediately after joining. From this result, it is only Co that can be used as a thin film layer between the solder layer 20 and the Ni plating layer 12, and the bonding itself is impossible except for Co. In addition, there was no thin film layer, and it was also possible to join the solder layer 20 directly to the Ni plating layer 12.

接合が可能であったことは、はんだ層20の主成分であるSnとNiめっき層12の主成分であるNiとの金属間化合物が形成されたことを意味する。そこで、薄膜層の材料として使用した場合に接合が可能であったCoについて、形成された金属間化合物について調べた。   The fact that the bonding was possible means that an intermetallic compound of Sn as the main component of the solder layer 20 and Ni as the main component of the Ni plating layer 12 was formed. Therefore, the intermetallic compound formed was investigated for Co that could be bonded when used as a material for the thin film layer.

まず、この接合界面の断面を樹脂で埋め込み、研磨紙と粒径0.3μmのアルミナ粉を用いて研磨した後、レーザー顕微鏡で観察した。この結果を図2に示す。この結果から、金属間化合物が形成されていることが確認できるが、その膜厚は均一ではない。なお、Coは極めて薄いために、薄膜層はこの断面写真では確認ができない。   First, the cross section of the bonding interface was filled with resin, polished with abrasive paper and alumina powder having a particle size of 0.3 μm, and then observed with a laser microscope. The result is shown in FIG. From this result, it can be confirmed that an intermetallic compound is formed, but the film thickness is not uniform. Since Co is extremely thin, the thin film layer cannot be confirmed by this cross-sectional photograph.

薄膜層がCoの場合と、薄膜層がなく、Niめっき層12に直接はんだ層20を接合した場合に、断面写真から算出した8箇所における金属間化合物の厚さとその平均を測定した結果を表2に示す。ここで、薄膜層がない場合には、接合直後と、これに175℃、24hの高温保持試験を行った後の結果を示している。   When the thin film layer is Co and when there is no thin film layer and the solder layer 20 is directly joined to the Ni plating layer 12, the results of measuring the thickness of the intermetallic compound and the average calculated at the 8 positions calculated from the cross-sectional photograph are shown. It is shown in 2. Here, when there is no thin film layer, the result immediately after joining and after performing a high temperature holding test at 175 ° C. for 24 h is shown.

この結果から、金属間化合物の厚さは、薄膜層を用いない場合と比べて、Coを用いた場合には0.68倍となり、薄くなることが確認できる。これは、CoがNiの拡散を抑制するバリア層として機能していることを示している。また、薄膜層がない場合には、高温保持試験(24h)後には金属間化合物が厚くなることも確認できた。従って、金属間化合物が薄くなるCo薄膜層13を用いた場合には、Niめっき層12とはんだ層20との接合強度が高まる。   From this result, it can be confirmed that the thickness of the intermetallic compound is 0.68 times in the case of using Co compared with the case of not using the thin film layer, and becomes thinner. This indicates that Co functions as a barrier layer that suppresses diffusion of Ni. Moreover, when there was no thin film layer, it has also confirmed that an intermetallic compound became thick after a high temperature holding test (24h). Therefore, when the Co thin film layer 13 in which the intermetallic compound is thin is used, the bonding strength between the Ni plating layer 12 and the solder layer 20 is increased.

この点を調べるために、Co薄膜層13を用いた場合(実施例)と、これを用いない場合(比較例)との破断面を比較観察した。ここで、Niめっき層12、Co薄膜層13、はんだ層20については表1の場合と同様である。ここで、Co薄膜層13を用いた場合には、表1の場合と同様の試料に対して、応力振幅σa=15MPa、繰り返し回数N=1348518の際に発生した破断面であり、Co薄膜層13を用いない場合には、σa=12.5MPa、N=1484487の際に発生した破断面である。図3(a)はCo薄膜層13を用いた場合の破断面の写真であり、図3(b)はこれを用いない場合の破断面の写真である。Co薄膜層13を用いた場合には、破断面は、2つの層(はんだ層20とNiめっき層12)にわたって形成された平滑でない面であった。これに対して、Co薄膜層13を用いない場合には、破断面はまだら状となり、このまだら状の部分は、はんだ層20とNiめっき層12の界面とほぼ等しかった。この結果は、Co薄膜層13を用いることにより、はんだ層20とNiめっき層12との接合状態が良好であり、強い接合強度が得られることを示している。   In order to investigate this point, comparative observations were made of the fracture surfaces when the Co thin film layer 13 was used (Example) and when it was not used (Comparative Example). Here, the Ni plating layer 12, the Co thin film layer 13, and the solder layer 20 are the same as those in Table 1. Here, when the Co thin film layer 13 is used, it is a fracture surface generated when the stress amplitude σa = 15 MPa and the number of repetitions N = 1348518 for the same sample as in Table 1, and the Co thin film layer When 13 is not used, the fracture surface is generated when σa = 12.5 MPa and N = 1484487. FIG. 3A is a photograph of a fractured surface when the Co thin film layer 13 is used, and FIG. 3B is a photograph of a fractured surface when this is not used. When the Co thin film layer 13 was used, the fracture surface was a non-smooth surface formed over two layers (the solder layer 20 and the Ni plating layer 12). On the other hand, when the Co thin film layer 13 was not used, the fracture surface was mottled, and the mottled portion was almost equal to the interface between the solder layer 20 and the Ni plating layer 12. This result shows that by using the Co thin film layer 13, the bonding state between the solder layer 20 and the Ni plating layer 12 is good, and a strong bonding strength can be obtained.

Co薄膜層13の厚さは、充分なバリア性を発揮するためには10nm以上が好ましい。また、金属間化合物が薄い方が好ましいものの、NiとSnとの金属間化合物が形成されなければ接合がなされないため、薄いながらもこの金属間化合物が形成されるためには、この厚さを800nm以下とすることが好ましい。   The thickness of the Co thin film layer 13 is preferably 10 nm or more in order to exhibit sufficient barrier properties. In addition, although it is preferable that the intermetallic compound is thin, bonding is not performed unless the intermetallic compound of Ni and Sn is formed. The thickness is preferably 800 nm or less.

例えば特許文献1に記載の技術とは異なり、Co薄膜層13を用いる場合にはNiの拡散をCo薄膜層13で抑制するため、Niめっき層12の成分や形成方法によらず、金属間化合物を薄くすることができる。従って、Niめっき層12の代わりに、めっき以外の方法で形成されたNi層を用いることもできる。また、めっきを用いる場合にも、リン(P)が添加される無電解めっきを用いることができ、他成分が添加される無電解めっき、電解めっきを用いることもできる。すなわち、電極下地上にNi層が形成された構造に対して同様のCo薄膜層を形成すれば、同様の効果を奏する。   For example, unlike the technique described in Patent Document 1, when the Co thin film layer 13 is used, Ni diffusion is suppressed by the Co thin film layer 13. Can be made thinner. Therefore, instead of the Ni plating layer 12, a Ni layer formed by a method other than plating can be used. Also, when using plating, electroless plating to which phosphorus (P) is added can be used, and electroless plating and electrolytic plating to which other components are added can also be used. That is, if the same Co thin film layer is formed on the structure in which the Ni layer is formed on the electrode base, the same effect can be obtained.

Co薄膜層13の成膜方法は、上記の厚さのものを形成できる方法であれば任意である。ただし、Niめっき層12や電極下地11に対して悪影響を与えないことが必要である。このため、低温で形成可能な蒸着、スパッタリングやフラッシュめっき等が特に好ましい。   The Co thin film layer 13 may be formed by any method as long as it can form the above-described thickness. However, it is necessary that the Ni plating layer 12 and the electrode substrate 11 are not adversely affected. For this reason, vapor deposition, sputtering, flash plating, and the like that can be formed at a low temperature are particularly preferable.

また、上記の例では、電極下地11としてCuを用いたが、Niめっき層12をその上に形成できる材料であれば、同様であることは明らかである。   In the above example, Cu is used as the electrode substrate 11. However, it is obvious that the material is the same as long as the Ni plating layer 12 can be formed thereon.

10 電極構造
11 電極下地
12 Niめっき層
13 Co薄膜層
20 はんだ層
30 被接合試料
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Electrode structure 11 Electrode base 12 Ni plating layer 13 Co thin film layer 20 Solder layer 30 To-be-joined sample

Claims (4)

錫(Sn)を主成分とするはんだによる接合がなされる電極構造であって、
電極下地と、
当該電極下地上に形成されたニッケル(Ni)層と、
当該Ni層上に形成され、前記はんだが直接接する、厚さ10nm〜800nmのコバルト(Co)層と、
を具備することを特徴とする電極構造。
It is an electrode structure to be joined by solder mainly composed of tin (Sn),
An electrode substrate;
A nickel (Ni) layer formed on the electrode substrate;
A cobalt (Co) layer having a thickness of 10 nm to 800 nm formed on the Ni layer and in direct contact with the solder;
An electrode structure comprising:
前記コバルト層は、蒸着、スパッタリング、めっきのいずれかの方法によって形成されたことを特徴とする請求項1に記載の電極構造。   The electrode structure according to claim 1, wherein the cobalt layer is formed by any one of vapor deposition, sputtering, and plating. 前記電極下地は、銅(Cu)または銅合金で構成されたことを特徴とする請求項1又は2に記載の電極構造。   The electrode structure according to claim 1, wherein the electrode base is made of copper (Cu) or a copper alloy. 前記はんだは、錫(Sn)、銀(Ag)、銅(Cu)の合金であることを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の電極構造。   The electrode structure according to any one of claims 1 to 3, wherein the solder is an alloy of tin (Sn), silver (Ag), and copper (Cu).
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