JP3229239B2 - 電着浴 - Google Patents
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Description
のであり、さらに詳細には、スズ(Sn)を主体とする
合金の電着のための浴に関するものである。
電子の応用分野、特に印刷回路板(PCB)の製造にお
いて、回路板上への部品の組み立て時の機械的、電気的
接続のために広く用いられている。これらのスズはんだ
合金は、集積回路チップをチップ・キャリアおよび基板
に接続する際、チップ・キャリアを基板に接続する際、
および多層印刷回路板で回路形成ランドおよびパッドを
接続する際に有用である。
ばはんだ付けを利用した表面実装により、部品を印刷回
路板上に取り付けることが一般に行われている。この目
的のため、回路板は、接続のための第1の表面を構成す
るパッドを有する回路トレースを特徴とし、同様に、部
品は第2の表面、たとえば接点を有する。
回路板に含まれるパッドの上にはんだ合金を塗布する工
程を有する。
層と接触させる。はんだ合金を加熱して、溶融し、リフ
ローさせるが、加熱は気相リフロー、赤外線リフロー、
レーザ・リフローなどにより行う。冷却すると、はんだ
合金は再び固化し、基板に接着して接続が完了する。は
んだ接続は部品を回路板に物理的に取り付けるだけでな
く、回路板上のトレースと部品の接点とを電気的に接続
して、処理のため、部品との間で電流を導く。
は、従来からスズ鉛(Sn−Pb)合金が使用されてい
る。これらの合金は、機械的強度があり、比較的低コス
トで、導電性があり、ぬれ特性が優れているために選択
されてきた。ぬれ特性とは、溶融したはんだがいかに完
全に、かつ急速に固体表面を被覆するかを示す指標であ
る。さらに、Sn−Pb合金は融点が低いが、このこと
は、多くの部品や印刷回路板が、製造または組み立て中
に高温に曝されることにより破損しやすい材料を使用し
ているため、電子応用分野で特に重要である。
り、健康上有害であると認識されている。最近、各国政
府は電子産業に対して、電子産業に従事する労働者が鉛
に曝されることを減らし、環境に放出される鉛の量を減
少させるために、早期に鉛の代替材料を見いだすよう要
求し始めている。
代のほとんどのCMOSを生産する応用例の場合、特に
重要であり、事実、その細部は、この種の回路板では極
めて薄く、鉛中の放射性同位元素から発生するα線が装
置に重大な問題を引き起こすことがある。
合金が、Sn−Pbはんだ合金の代替として研究され
た。このようなSn−Biはんだ合金を各種の電解質か
ら、特にスルホン酸アルキル浴から電着させることは当
業界では周知であり、Y.N.サナダ(Sanada)、R.
N.ジェダイ(Gedye)、S.アリ(Ali)、サーフェス
・アンド・コーティング・テクノロジー(Surf. & Coa
t. Tech.)、Vol.27、p.151−166、(1
986年)に記載されている。スルホン酸アルキル電解
質によるPCB上へのSn−Bi合金の電着について
は、米国特許第5039576号明細書にも記載されて
いる。
他のはんだ合金が、欧州特許出願第94108684.
5号明細書に記載されている。同明細書には、90重量
%を超えるスズ(Sn)と、有効量の銀(Ag)および
ビスマス(Bi)、ならびに任意でアンチモン(Sb)
またはSbと銅(Cu)を含有するはんだ合金を開示し
ている。電着を含めて、上述の合金を得るための各種の
方法が記載されている。
いはんだ合金は、ある種の欠点を有する。これらははん
だ付けおよび冶金学的特性が良好ではなく、はく離強度
およびクリープ抵抗が低い。特に、使用中に超小型電子
パッケージが通常曝される温度では、機械特性が劣る。
たとえば、Sn−Bi合金は、スルホン酸アルキルまた
は他の電解質からPCB上に電着すると、ぬれ特性およ
び安定性に関係してある種の問題を生じる。
の欠点を低減する方法を提供することにある。
上にスズ(Sn)はんだ合金を電着するための、亜鉛
(Zn)塩を含有する電着浴が提供される。
を含有する電着浴を使用して、銅基板上にスズ(Sn)
はんだ合金を電着する方法が提供される。
基板にはんだ付けする必要がある場合、電子モジュール
の製造に特に有用である。好ましい実施例によれば、S
n合金は鉛(Pb)を含有せず、スズ・ビスマス(Sn
−Bi)合金である。
路板の製造において、はんだ合金はCu基板上に、通常
は印刷回路板に含まれたパッド上に付着させる。代替方
法として、Cu基板に接続する部品、たとえば集積回路
チップの電気接点上にはんだ合金を付着させてもよい。
回路板を、適当な対電極(陽極)から離して浴に浸漬す
る。電流を陽極に供給して、浴中の塩(たとえばSn、
Bi、Cu)を陰極還元してそれぞれの金属とし、これ
により回路板上に所期のはんだ合金を付着させる。導電
性基板は、所期の厚さおよび組成のはんだ合金のコーテ
ィングが基板上に付着するのに十分な時間、浸漬したま
まにする。次に、基板を電着浴から引き上げる。その
後、汚染を最少にするため、メッキされた導電性基板
を、できるだけ速く完全に洗浄する。
合金成分の沈殿を抑制、すなわち浴の安定性を維持する
のに十分な量の、メタンスルホン酸塩に代表されるアル
キルスルホン酸塩電解液を含んでいる。
のに十分な量の可溶性成分が、浴中に存在する。
ンで形成された不活性陽極と、電解質溶液に浸漬された
基板陰極と、はんだ合金を導電性基板上に電着させるた
めの電気エネルギー源とを有する。有力な代替方法とし
て、当業界で周知の可溶性陽極も使用することができ
る。
している。これはリーロナル社(LeaRonal Inc., Freep
ort, NY, USA)が製造しているものである。リーロナル
浴溶液の組成および特性は下記のとおりである。 スズ(メタンスルホン酸第一スズとして) 8g/l ビスマス(メタンスルホン酸ビスマスとして) 20g/l メタンスルホン酸 500ml/l 仕上処理助剤 60ml/l pH 0.3 温度 20〜40℃ 電流密度 0.5〜4A/dm2
含有量が5〜30g/lの範囲になるように添加し、他
のパラメータはすべて不変に保つ。上述の浴を使用し
て、工業的に適した回数の電着により、50μmより厚
い付着物を得ることができた。得られた付着物は、均一
でほぼ共融組成物であり、良好なぬれ特性を有し、銅へ
の密着が良好であった。このことは、リフロー工程に重
要なことである。
亜鉛が陰極の表面に放出されなくても、浴の挙動に強い
影響を与えることが証明されている。たとえば、図1
は、電圧を作用電極と基準電極の間に印加し(標準水素
電極SHEに補正した)定電位装置を電圧の走査速度が
0.5mV/s、温度が25℃において使用して得た電
位力学挙動を示している。測定は、Sn−Bi合金を5
分間付着させた後行ったものである。Zn塩を添加しな
いリーロナルSn−Bi(曲線1)、Zn濃度が5g/
lになるようにメタンスルホン酸亜鉛を添加した同じ溶
液(曲線2)、およびZn濃度が30g/lになるよう
にメタンスルホン酸亜鉛を添加した同じ溶液(曲線3)
の3種類の溶液について試験を行った。曲線を比較する
と、Znを浴に添加すると陰極電流密度が低い場合に良
好な挙動である休止電位の減少と、電着が通常行われる
電流密度における電圧の増大を観察することができる。
されて大量の浮きかすを生成するため、スズ合金中に存
在すると有害であることが知られている。しかし、本発
明によれば、亜鉛が浴溶液中に存在しても、Sn−Bi
とともに基板上に付着することはない。
な利点の一つは、はんだ合金のぬれ特性が大幅に強化さ
れることである。
のリード線を、少なくとも一つの表面が電着されたはん
だ合金によってコーティングされた部品の接点と接触さ
せる。基板のリード線と部品との接触を保ちながら、は
んだ合金を加熱して、はんだ合金を溶融し、リフローさ
せる。加熱は、気相リフロー、赤外線リフロー、レーザ
・リフローなどにより行う。アセンブリは通常、140
℃を超える温度、好ましくは160℃を超える温度に加
熱する。冷却すると、はんだ合金は固化し、表面に接着
して接続が完成する。はんだ接続は、部品を回路板に物
理的に接着させるだけではなく、回路板のトレースと部
品の接点とを電気的に接続して、処理のため、部品との
間で電流を導通させる。
A/cm2で5分間付着した後に、N2雰囲気の工業用オ
ーブン中で、250℃ではんだ付けした、元のリーロナ
ルSn−Bi溶液から得たサンプルと、Zn濃度が15
g/lになるようにメタンスルホン酸亜鉛を添加したリ
ーロナルSn−Bi溶液から得たサンプルを、XPS−
ESCA分光光度計を用いて比較を行った。
Bi合金の場合、表面に大量(54%)の酸素があり、
スパッタリングによる深さのプロファイルで観察する
と、深部でもそれが(水酸化物または塩基性塩)維持さ
れることが観察された。0.045μmの深さでは、代
表的な組成は下記のようであった。 Sn 47%、 Bi 11%、 O 42% 0.09μmでは、 Sn 52%、 Bi 19%、 O 30% 0.135μmでは、 Sn 63%、 Bi 23%、 O 14%
15g/l)から電着させたSn−Bi合金の場合、
表面にのみ大量(46%)の酸素があり、スパッタリン
グによる深さのプロファイルで観察すると、深部ではそ
れが減少することが観察された。0.045μmの深さ
では、代表的な組成は下記のようであった。 Sn 31%、 Bi 65%、 O 4% 0.09μmでは、 Sn 49%、 Bi 48%、 O 3% 0.135μmでは、 Sn 64%、 Bi 33%、 O 3%
酸亜鉛を添加すると、Sn−Bi合金の電着の間に、水
酸化物または塩基性塩の共沈殿がかなり減少し、付着物
のぬれ特性が増大し、リフロー後のSn−Bi合金の表
面における酸化が減少することを示している。
たSn−Biはんだ合金の機械的特性も顕著に強化され
ることが、研究室での試験により証明されている。たと
えば、はんだ付けした接合部のはく離強度が増大した。
の事項を開示する。
金を電着させる電着浴において、上記の電着浴が亜鉛
(Zn)塩からなることを特徴とする電着浴。 (2)Zn塩が、メタンスルホン酸亜鉛であることを特
徴とする、上記(1)に記載の電着浴。 (3)Zn含有量が、5g/lないし30g/lである
ことを特徴とする、上記(2)に記載の電着浴。 (4)Sn合金が鉛(Pb)を含有しないことを特徴と
する、上記(1)ないし(3)のいずれか一項に記載の
電着浴。 (5)Pbを含有しないSn合金が、スズとビスマスの
(Sn−Bi)合金であることを特徴とする、上記
(4)に記載の電着浴。 (6)亜鉛(Zn)塩を含有する電着浴を使用して、銅
(Cu)基板上にスズ(Sn)合金を電着させる方法。 (7)Zn塩が、メタンスルホン酸亜鉛であることを特
徴とする、上記(6)に記載の方法。 (8)Zn含有量が、5g/lないし30g/lである
ことを特徴とする、上記(7)に記載の方法。 (9)Sn合金が鉛(Pb)を含有しないことを特徴と
する、上記(6)、(7)、(8)のいずれか一項に記
載の方法。 (10)Pbを含有しないSn合金が、スズとビスマス
の(Sn−Bi)合金であることを特徴とする、上記
(9)に記載の方法。 (11)上記(6)、(7)、(8)、(9)、(1
0)のいずれか一項に記載の方法によりCu基板上にS
n合金を電着させる工程と、電子部品をSn合金に接触
させる工程と、Sn合金をリフローさせて電子部品をC
u基板に接合する工程とを含む、Sn合金を使用してC
u基板上に電子部品をはんだ付けする方法。 (12)上記(11)の方法によりはんだ付けされた電
子部品を有する電子装置。
と印可電圧の関係を、Zn濃度の関数として図示したグ
ラフである。
Claims (7)
- 【請求項1】銅(Cu)基板上に、スズ(Sn)ビスマ
ス(Bi)の合金を電着させるための電着浴において、
前記電着浴が、 亜鉛(Zn)塩と、 錫(Sn)塩と、 ビスマス(Bi)塩をと含むことを特徴とする電着浴。 - 【請求項2】Zn塩が、メタンスルホン酸亜鉛であるこ
とを特徴とする、請求項1に記載の電着浴 - 【請求項3】Zn含有量が、5g/lないし30g/l
であることを特徴とする、請求項2に記載の電着浴。 - 【請求項4】亜鉛(Zn)塩、錫(Sn)塩及びビスマ
ス(Bi)塩を含有する電着浴を使用して、銅(Cu)
基板上にスズ(Sn)ビスマス(Bi)合金を電着させ
る方法。 - 【請求項5】Zn塩が、メタンスルホン酸亜鉛であるこ
とを特徴とする、請求項4に記載の方法。 - 【請求項6】Zn含有量が、5g/lないし30g/l
であることを特徴とする、請求項5に記載の方法。 - 【請求項7】請求項4、5、6のいずれか一項に記載の
方法によりCu基板上にSn−Bi合金を電着させる工
程と、 電子部品を前記Sn−Bi合金に接触させる工程と、 前記Sn−Bi合金をリフローさせて電子部品をCu基
板に接合する工程とを含む、 前記Sn−Bi合金を使用してCu基板上に電子部品を
はんだ付けする方法。
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