JP3660798B2

JP3660798B2 - 回路基板

Info

Publication number: JP3660798B2
Application number: JP04601398A
Authority: JP
Inventors: 堂金塚
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-02-26
Filing date: 1998-02-26
Publication date: 2005-06-15
Anticipated expiration: 2018-02-26
Also published as: JPH11245083A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ａｕメッキ層に接合可能な半田及びその半田を用いて下地導体膜、Ｎｉメッキ層、Ａｕメッキ層からなる導体パターンに電子部品及びまたは他の回路基板をした回路基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半田は、Ｓｎ−Ｐｂ合金、Ｓｎ−Ｐｂ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ｐｂ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ｐｂ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ｐｂ−Ｉｎ−Ｓｂ合金などが知られていた。
【０００３】
しかし、これらの半田は、回路基板の厚膜導体膜やＣｕ箔などから成る導体パターンを形成し、この導体パターンに電子部品や他の回路基板を接合する際に広く利用されている。
【０００４】
ところが、表面にＡｕメッキ層を有する導体パターンにおいては、これらの半田を直接使用することができなかった。
【０００５】
表面にＡｕメッキ層を有する導体パターンは、ＩＣチップなどの接合方法としてワイヤボンディングを行うためである。そして、このような導体パターンは、結果ととして、ワイヤボンディング接合される部分以外のすべての箇所、例えば、電子部品の電極パッド（導体パターン）や端子部（導体パターン）にも必然的にＡｕメッキ層が被着される。このように表面に金メッキ層が被着された導体パターンは、半田濡れ性に優れていること、導体パターンの腐食変化がなく、安定した電気的な特性が維持されることの利点を有している。
【０００６】
従来のＡｕメッキ層を表面に有する導体パターンの構造は、例えばセラミック基板の表面に、メタライズ導体膜、Ｎｉメッキ層、Ａｕメッキ層の多層構造となっている。このＮｉメッキ層は、表面のＡｕメッキの被着を確実に行えるようにするものである。
【０００７】
このような導体パターンに、電子部品などを半田接合するにあたり、導体パターンの表面メッキ層の材料であるＡｕ成分と、半田の成分であるＳｎとでＡｕＳｎ合金が形成されないように留意していた。このＡｕＳｎ合金が、半田中に形成されると、これを起点に物理的破壊、電気的な故障を招いてしまう。
【０００８】
このため、従来では、Ａｕメッキが施された導体パターン上に半田接合する場合には、Ａｕメッキ層の厚みを、例えば０．１μｍ以下と非常に薄くしたり、Ａｕメッキ層上にさらにＮｉメッキ層を形成したりして、半田中に、ＳｎとＡｕとの共晶合金が形成されないように制御していた。即ち、導体パターンの構成は、基板材料、下地導体膜、Ｎｉメッキ層、Ａｕメッキ層、Ｎｉメッキ層としていた（特開平６ー２８３８４４号）。
【０００９】
このような構成とすることにより、半田へのＡｕの拡散が発生しても、比較的早くに分散反応が終了して、初期状態の半田接合の信頼性が向上する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述のように、初期状態の半田接合については安定した接合信頼性を示していても、その後、例えば、１００℃以上の高温環境下では、半田中に分散されていたＡｕが、導体パターン側、即ち、表面Ｎｉメッキ層側に拡散集結してしまい、表面Ｎｉメッキ層の近傍で、Ｎｉ₃Ｓｎ₄合金層が、表面Ｎｉメッキ層から離れるにしたがって、ＡｕＳｎ₄合金層が生成されやすくなり、その結果、高い信頼性の半田接合が維持できなくなるという問題点があった。しかも、このようなメカニズムは、半田中のＡｕが０．２１重量％と極めて極微量でも発生することが知られている。
【００１１】
本発明は、上述の問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、Ａｕメッキ層に直接接合可能な半田を提供することにある。
【００１２】
また、別の目的は、初期状態の接合は勿論のこと、高温状態においても、安定した接合が維持できる半田接合される回路基板を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基板上に形成された下地導体膜、Ｎｉメッキ層、Ａｕメッキ層が順次被着されている導体パターンに、Ｓｎ、Ａｇ、Ｃｕを含有する半田を介して電子部品及び又は他の回路基板の導体パターンを接合してなる回路基板において、上記Ａｕメッキ層の厚みを０．０１〜０．１０μｍとするとともに、上記半田はＣｕを０〜１．０重量％（０は含まない）含有し、かつ、上記導体パターンと半田との接合界面にＣｕとＳｎの共晶合金層を形成してなることを特徴とする回路基板である。また、上記共晶合金層は、導体パターン側にＣｕ _３Ｓｎ共晶合金層が、半田側にＣｕ _６Ｓｎ _５の共晶合金層がそれぞれ形成されている回路基板である。
【００１５】
【作用】
本発明においては、ＳｎＰｂ、ＳｎＡｇなどの半田中材料として、金属成分に対してＣｕが０〜１．０重量％（０を含まない）となるように添加した半田である。
【００１６】
このような半田は、Ａｕメッキ層上に電子部品などを半田接合しても、Ｓｎ−Ａｕの合金が形成されない。従って、半田の利用範囲が非常に広がる。
【００１７】
また、回路基板において、導体パターンの表面にＮｉメッキ層、Ａｕメッキ層が順次被着されていても、Ｃｕを所定量添加した上述の半田でもって接合しても、ＡｕＳｎ合金よりも優先的にＣｕ₃ＳｎとＣｕ₆Ｓｎ₅の２種合金層形成される。尚、Ａｕメッキ層は半田に拡散することから、実質的にＣｕ₃ＳｎとＣｕ₆Ｓｎ₅の２種合金層は、半田とＮｉメッキ界面に形成される。
【００１８】
即ち、従来から半田接合の悪影響をあたえるＡｕＳｎ合金を形成するＡｕ成分は、固溶体として、ＣｕＳｎ合金中に分散する。その結果、ＡｕＳｎ合金層は形成されないことになる。
【００１９】
さらに高温環境下ではＡｕ拡散による合金形成過程を経ても、ＡｕはＣｕＳｎ合金層と半田中に分散した状態を維持される。
【００２０】
これにより、導体パターン上に電子部品や他の回路基板を半田接合を行っても、その接合状態が初期状態及び高温環境下であっても、安定した状態が維持できる。
【００２１】
尚、Ｃｕ箔やＣｕの下地厚膜導体に直接半田接合を行った場合、Ｃｕと半田のＳｎ成分との合金であるＣｕ₆Ｓｎ₅合金層は、その合金表面形状が激しい凹凸となってしまい、その結果、熱サイクル試験によって、Ｃｕ₆Ｓｎ₅合金層の凹凸が破壊しやすいものとなる。しかし、本発明におけるＣｕ₆Ｓｎ₅合金層の表面には、凹凸が発生しにくく、熱サイクル試験をおこなっても、Ｃｕ₆Ｓｎ₅合金層と半田との間で剥離が発生しにくくなる。尚、この激しい凹凸は、Ｃｕ₆Ｓｎ₅合金形成に際してＣｕ箔、Ｃｕメッキ、Ｃｕ系厚膜導体よりも、Ｃｕの供給量が少なくことにより緩和されるものと考えられる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る回路基板を図面に基づいて説明する。
【００２３】
図１は、本発明の回路基板の断面図であり、図２（ａ）〜（ｂ）は半田の接合状態を示す概略図である。
【００２４】
図において、１はセラミックなどの耐熱性絶縁基板、ガラス−エポキシなど樹脂基板であり、２は導体パターンであり、３は半田であり、４は電子部品である。
【００２５】
絶縁基板１の表面に、所定回路を構成する配線、外部のマザー基板と半田接合するための端子電極部、例えばボンディングワイヤを介してＩＣチップが接続される電極パッド、抵抗、コンデンサやトランジスタなどが半田接合される電極パッドなどになる導体パターン２が形成されている。
【００２６】
この導体パターン２は、図２（ａ）に示すように、絶縁基板１上に被着形成された下地導体膜２１、該下地導体膜２１上に被着されたＮｉメッキ層２２、該Ｎｉメッキ層２２上に被着されたＡｕメッキ層２３とから構成されている。
【００２７】
下地導体膜２１は、例えば、モリブデン系、タングステン系、Ｃｕ系、Ａｇ系の金属を主成分とするメタライズ導体、Ｃｕ箔導体などが例示できる。例えば、メタライズ導体では、所定導電性ペーストを基板１の表面に印刷・焼き付け処理を行うことにより形成される。
【００２８】
Ｎｉメッキ層２２は、下地導体２１の表面に被着されるものであり、これは、表面にＡｕメッキ層２３を形成するための下地メッキ層として作用するものである。尚、このＮｉメッキ層２２は、Ｎｉの電界メッキや無電解メッキ法によって、例えば厚み０．５〜１５．０μｍ程度に形成されている。
【００２９】
Ａｕメッキ層２３は、Ｎｉメッキ層２２の表面に被着され、例えば、ＩＣチップのボンディングワイヤ接合を可能として、また、導体パターン２の表面の腐食を防止、半田濡れ性を良好にするものである。このＡｕメッキ層２３は、例えば厚み０．０５〜０．１μｍ程度で形成されている。
【００３０】
以上のように、Ａｕメッキ層２３は、特に、ＩＣチップをボンディングワイヤ接合するために、導体パターン２の安定した半田接合をするために被着形成するものであり、その形成方法がメッキ法であるため、導体パターン２の表面に付着されてしまうものである。
【００３１】
このような構造の導体パターン２上には、半田３を介して、積層セラミックコンデンサなどの電子部品４が接合されている。
【００３２】
本発明の半田３は、ＳｎＰｂ、ＳｎＡｇなどの半田材料には、金属成分中に０〜１．０重量％（０を含まない）の範囲でＣｕが添加されて構成されている。
【００３３】
上述のようにＣｕを添加することにより、導体パターン２の表面のＡｕメッキ層２３のＡｕ成分と半田３の成分であるＳｎ成分との共晶合金の生成を抑制し、導体パターン２と半田３との剥離を発生させることを抑制する。
【００３４】
尚、上述の説明では、導体パターン２上に半田３を介して電子部品４を半田接合しているが、導体パターン２を端子電極として用いて、他の回路基板の導体パターンと半田接合しても構わない。
【００３５】
次に、図２は導体パターン２と半田３との接合状態、特に、接合に際しての化合物の状態を示す概略図である。
【００３６】
図２（ａ）は、基板１の表面に形成される導体パターン２、即ち、基板側から下地導体膜２１、Ｎｉメッキ層２２、Ａｕメッキ層２３の層構成を示している。
【００３７】
図２（ｂ）は、本発明の半田３を導体パターン２上に半田接合した状態の図である。尚、図２（ｂ）では、電子部品や他の回路基板の導体パターンなどを省略している。
【００３８】
本発明の半田３で半田接合を行うと、導体パターン２のＡｕメッキ層中のＡｕ成分が、半田３に拡散され、同時に、導体パターン２と半田３との接合界面部分に、いくつかの共晶合金２３ａ、２３ｂが形成される。
【００３９】
上述の生成共晶合金物質は、主に、Ｃｕ₆Ｓｎ₅、Ｃｕ₃Ｓｎなどが挙げられ、両者の接合界面において、導体パターン２側にＣｕ₃Ｓｎ共晶合金がリッチな層２３ａが生成され、半田側にＣｕ₆Ｓｎ₅共晶合金がリッチな層２３ｂが生成される。
【００４０】
そして、Ａｕメッキ層２３のＡｕ成分は、この生成共晶合金物質であるＣｕＳｎ共晶合金が形成された層２３ａ、２３ｂ及び半田３中に、置換型固溶体として取り込まれて残留するものの、剥離等の原因となるＡｕＳｎ共晶合金の生成が有効に抑えられる。
【００４１】
しかも、高温環境下、熱サイクル試験を行っても、Ｃｕ−Ｓｎ層２３ａ、２３ｂのＣｕ₆Ｓｎ₅、Ｃｕ₃Ｓｎなどの共晶合金の変質はみられず、ＡｕＳｎ共晶合金の生成の発生がないため、導体パターン２と半田３との安定した接合が維持できることになる。
【００４２】
〔実験例〕
本発明は、半田に対するＣｕの添加量のよる作用効果について調べた。試料として、アルミナ基板の表面にタングステンからなる下地導体膜２１を約８〜１５μｍの厚みで形成し、その表面にＮｉメッキ層２２を約３〜１５μｍの厚みで形成し、さらにその表面にＡｕメッキ層２３を約０．０１〜０．１０μｍの厚みで形成した。
【００４３】
このような回路基板１に対して、基板材料であるアルミナとは異なる熱膨張係数を有する表面実装用電子部品を半田３でもっても半田接合した。
【００４４】
そして、冷熱サイクル環境にさらすことで基板と表面実装用電子部品との間での機械的なストレスが発生して、半田に機械的ストレスが加わり、クラックが発生する。これは半田金属の機械的疲労による劣化である。さらに冷熱サイクル環境にさらすことで、ついには半田３部分で電気的な断線が発生する。冷熱サイクル環境は−４０℃℃と＋１３０℃の２種類の液体の中に交互に各５分間浸すことを１サイルクとして、クラックが発生するサイクル数と断線が発生するサイクル数を調べた。
【００４５】
尚、高温にさらすことで、Ａｕが集合してＡｕＳｎ合金層を形成するメカニズムは、この冷熱サイクル試験の高温環境下で発生させた。
【００４６】
また、研磨断面をＸ線マイクロアナライザーで面分析して、各含有元素の所在を確認して生成された合金層を確認した。
【００４７】
以上のとおり、半田の劣化は機械的疲労劣化と熱疲労劣化の２つが支配する。
【００４８】
半田接合に用いる半田３は、ＳｎＡｇから成る合金（Ｓｎ：Ａｇ＝９６．５：３．５）に対して、Ｃｕを０〜１．７５ｗｔ％の範囲で種々変化させた材料と、一般に多用されている半田を比較評価した。
【００４９】
また、基板のＡｕメッキ厚みも０．０１〜０．１０μｍの範囲で種々変化させて、上記半田との組み合わせ評価を行った。尚、表面実装用電子部品としてチタン酸バリウム系のセラミックコンデンサを用いた。尚、各々の熱膨張係数は基板７ｐｐｍ、表面実装用電子部品１１ｐｐｍ、半田２５ｐｐｍであり、１素子あたりの熱膨張収縮の差は約１．０μｍに相当する。
【００５０】
その結果を表１に示す。尚、評価として半田にクラックが発生するサイクル数は、１０００回を越えるものを良品とし、表面実装用電子部品（積層セラミックコンデンサ）の電気特性不良が発生するサイクル数は、３０００回以上を良品として、Ａｕ−Ｓｎ合金層の形成の可否は、形成されないものを良品とした。
【００５１】
【表１】

【００５２】
表１から、半田に添加するＣｕ成分の添加量が０の場合（試料番号１〜８）、導体パターン２と半田３との接合界面に、導体パターン２と半田３との間で剥離を発生させるＡｕＳｎ共晶層が生成されてしまう。このため、初期接合強度が充分でなく、さらに、約１０００回以下の冷熱サイクルで半田部分にクラックが発生してしまう。
【００５３】
さらに、Ｃｕの添加量が１．０重量％を越える（試料番号１７、１８）と、半田のクラックが冷熱サイクルが約１１００回となり、また、表面実装用電子部品（積層セラミックコンデンサ）の熱にクラックが発生しやすくなる。これは、冷熱サイクルが約１１００回程度で半田にクラックが発生し、その後のストレスが直接積層セラミックコンデンサに印加されるためと考えられる。
【００５４】
以上のことは、半田にＣｕ成分を１．０重量％以下の範囲で添加することが重要である。これより、Ａｕメッキ層２３を有する導体パターンに電子部品４やその他の回路基板の導体パターンを半田接合しても、Ａｕ−Ｓｎ合金層が形成されず、非常に良好な接合が達成される。
【００５５】
具体的には、初期状態の接合強度勿論のこと、−４０℃〜＋１３０℃の環境下で使用しても、非常に信頼性の高い接合が達成される回路基板となる。
【００５６】
尚、上述の実験例としては、半田３として、ＳｎＡｇ系半田で説明した。これれは、人的保護、環境保護の観点で、Ｐｂを含まないように考慮していることが背景にあり、試料番号１〜６のような半田であっても同様の作用効果を有することを確認している。
【００５７】
上述の実施例では、基板の表面に形成した導体パターンについて説明したが、基板の端面や裏面に形成した導体パターンを、端子電極部に用い、他のマザー基板に上述の半田を用いて接合しても構わない。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、Ｓｎを含有するＳｎＰｂやＳｎＡｇなどの半田中に、Ｃｕを添加している。このため、ＡｕＳｎ合金よりも優先的に異なる合金（Ｃｕ₃ＳｎとＣｕ₆Ｓｎ₅）が形成される。このため、Ａｕメッキ層上に半田を接合して、Ａｕが半田中に拡散しても、拡散したＡｕはＣｕＳｎ合金中に置換型固溶体として取り込まれるため、ＡｕＳｎ₄合金の生成を抑制できる。
【００５９】
また、このような半田を使用した回路基板においては、高温環境下でのＡｕ拡散による合金形成過程を経ても、ＡｕはＣｕＳｎ合金内に固溶体として残留し、拡散集結によるＡｕＳｎ合金形成を行わない。
【００６０】
従って、導体パターンの表面に、Ａｕメッキ層のＡｕ成分の拡散を防止するＮｉメッキ層を形成する必要がなく、特に、高温環境下、熱サイクル環境下においても、電子部品や他の回路基板の導体パターンと信頼性の高い接合強度が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る回路基板の断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｂ）は、本発明の半田による共晶合金の生成状態を示す概略図である。
【符号の説明】
１・・・回路基板
２・・・導体パターン
２１・・・下地導体膜
２２・・・Ｎｉメッキ層
２３・・・Ａｕメッキ層
３・・・・半田

Claims

基板上に形成された下地導体膜、Ｎｉメッキ層、Ａｕメッキ層が順次被着されている導体パターンに、Ｓｎ、Ａｇ、Ｃｕを含有する半田を介して電子部品及び又は他の回路基板の導体パターンを接合してなる回路基板において、上記Ａｕメッキ層の厚みを０．０１〜０．１０μｍとするとともに、上記半田はＣｕを０〜１．０重量％（０は含まない）含有し、かつ、上記導体パターンと半田との接合界面にＣｕとＳｎの共晶合金層を形成してなることを特徴とする回路基板。
上記共晶合金層は、導体パターン側にＣｕ _３Ｓｎ共晶合金層が、半田側にＣｕ _６Ｓｎ _５の共晶合金層がそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項１に記載の回路基板。