JP3816348B2 - 金属接合用皮膜 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、ＩＣチップや液晶チップとプリント配線板との接合のために用いられる金属接合用皮膜に関し、特に金バンプとの接合を良くすることが可能な金属接合用皮膜に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から用いられているフレキシブルプリント配線板（以下「ＦＰＣ」と略記する）の断面を図３に示す。回路を構成するために通常銅によって形成される金属母材層１がポリイミド、ポリエステル等からなる基板４上に形成され、この金属母材層１の上に金バンプとの接合のために用いられる皮膜３が形成されている。
このＦＰＣは以下の方法で製造される。基板４上に、銅張積層板を積層し、この銅張積層板面上に感光性のエッチングレジストを形成し、ＦｅＣｌ₃等の酸を用いて化学エッチングを行い、回路を形成して金属母材層１とする。
次に、感光性の液体レジストを塗布し、表面処理が必要な部分のみを露光して現像する。この際、表面処理に必要な部分を開口し、表面処理に不必要な部分はレジストでカバーする。
この後、電解めっき又は無電解めっきによりスズからなる皮膜３を形成する。この皮膜３の厚さはサブミクロンオーダーである。この皮膜３は経時変化及び温度、湿度等の環境変化により、表面状態が変化し、ウイスカーと呼ばれるひげ状の析出物を生じる。このウイスカーは、回路短絡等の原因となるため、ウイスカーの発生を抑制するための熱処理を行う。
最後に、金型により型抜きを行って１個毎の製品に仕上げ、外観検査及び電気特性検査を行ってＦＰＣが完成する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ＦＰＣの製造過程において行われる、ウイスカーの発生を抑制するための熱処理は、ウイスカーの発生原因とされているスズ皮膜３の応力を解放させることを目的として行うものであるが、その一方で、この熱処理は、銅からなる金属母材層１からスズ皮膜３へ銅が拡散する現象を引き起こす。この銅の拡散がおこると、スズ皮膜３が、スズと銅との合金層となり、スズ皮膜３の硬度が上昇する。このスズ皮膜３の硬度の上昇によって、ＩＣチップや液晶チップとＦＰＣとを金バンプを介して接合する際に、金バンプとの接合性が劣化することが問題となっていた。
このような銅の拡散は、スズ皮膜３への銅の拡散速度が大きいことが原因となっている。銅のスズ層への拡散速度は、銅層上に形成された皮膜３のスズ濃度勾配に依存する。図４は、銅からなる金属母材層１上にスズ皮膜３が形成されたものについて、スズ濃度勾配を図示したものである。従来のＦＰＣにおいては、皮膜３は純粋なスズによって形成されているため、金属母材層１と皮膜３との境界面において、スズ濃度が１００％から０％へ大きく変化する。このように、スズの濃度勾配が大きいと、スズ皮膜３への銅の拡散速度が大きくなり、皮膜３はスズと銅との合金に容易に変化してしまう。
【０００４】
このようなスズ皮膜３への銅の拡散の詳細について以下に説明する。
一般的な拡散現象について、拡散係数Ｄは、Ｄ＝Ｄ₀ｅｘｐ（−Ｑ／ＲＴ）により記述される。ここで、Ｒは気体定数であり、Ｔは絶対温度である。金属データブックによると、スズ中への銅の拡散について、絶対温度が413Ｋから493Ｋの温度領域においては、Ｄ₀＝2.40×10^{― 7}ｍ²／ｓ、Ｑ＝33.1ＫＪ／molである。この式により、例えば125℃での拡散係数Ｄを求めると、Ｄ＝1.09×10^{― 7}ｍ²／ｓとなる。
この拡散係数Ｄと時間ｔを用いて、拡散距離ＸはＸ²＝２Ｄｔと表すことができる。この式に基づいてスズ中への銅の拡散について、125℃における拡散距離を求めた。図５は、熱処理温度を125℃としたときの熱処理時間と銅の拡散距離との関係を示している。また、図６は、熱処理時間を60分としたときの銅の拡散距離と熱処理温度との関係を示している。これによると例えば、125℃で60分間熱処理を行ったときの、スズ皮膜３への銅の拡散距離は280μｍとなる。
従って、サブミクロン程度の厚さしかないスズ皮膜３について、スズ皮膜３がスズと銅との合金へ変化することを防止して、金バンプとの接合のために必要な純粋スズ層を確保するためには、熱処理時の加熱時間は数秒から数分程度とせざるを得ず、熱処理温度についても限定されるため、熱処理条件の管理がきびしくなるという欠点があった。
また、このような条件で熱処理を行っても、ウイスカーの発生を充分に抑制することが困難であった。
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、ウイスカーの発生を抑制するための熱処理を行っても、スズ皮膜への銅の拡散を防止することができ、金バンプとの接合性が良好な、金属接合用皮膜を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、請求項１記載の発明は、基板上に金属母材層が形成されたフレキシブルプリント配線板からなる被接合体を金属と接合するための金属接合用皮膜において、該金属母材層は銅からなり、スズからなる第１の皮膜が電解めっき、または無電解めっきによって該被接合体上に形成され、スズおよび銅の合金からなる第２の皮膜が電解めっき、または無電解めっきによって該第１の皮膜と該金属母材層との中間に少なくとも１層形成され、少なくとも該第１の皮膜には、形成時の応力を解放し、かつ該金属母材層を構成する元素の拡散を抑制する熱処理が施されていることを特徴とする金属接合用皮膜である。
請求項２記載の発明は、基板上に金属母材層が形成されたフレキシブルプリント配線板からなる被接合体を金属と接合する、第１の皮膜と第２の皮膜とを有する金属接合用皮膜の製造方法において、銅からなる前記金属母材層の表面に、スズおよび銅の合金からなる前記第２の皮膜を少なくとも１層形成する工程と、前記第２の皮膜の表面にスズからなる前記第１の皮膜を形成する工程と、少なくとも前記第１の皮膜の形成時に生じた応力を解放するとともに、前記金属母材層を構成する元素の拡散を抑制する熱処理を行う工程とを備えたことを特徴とする金属接合用皮膜の製造方法である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明の金属接合用皮膜の例を示したものであり、この例によるプリント配線板の断面を示している。ここでは、フレキシブルプリント配線板用に皮膜を形成した場合について説明する。
図１中、符号１は回路を構成する金属母材層であり、具体的には銅がポリイミド等からなる基板４上に積層されて形成されている。この銅からなる金属母材層１の厚さは８μｍ〜２４μｍである。
【０００７】
符号２は、第１の皮膜３と金属母材層１との中間に形成された第２の皮膜であって、金属母材層１を形成する元素と、第１の皮膜３を形成する元素との合金によって形成されている。第１の皮膜３は通常スズによって形成されている。従って、この場合には、第２の皮膜２は、銅とスズとの合金によって形成されている。
第２の皮膜２及び第１の皮膜３は、電解めっきまたは無電解めっきにより形成されている。この第２の皮膜２の厚さは0.2μｍ〜0.4μｍである。また、第１の皮膜３の厚さは、0.2μｍ〜0.4μｍである。
【０００８】
図２は、金属母材層１上に第２の皮膜２と第１の皮膜３とが積層されたものについて、スズの濃度勾配を図示したものである。本発明のこの例においては、第１の皮膜３は純粋なスズからなり、第２の皮膜２はスズと銅との合金からなっているため、第２の皮膜２を設けたことにより、第１の皮膜３から金属母材層１への緩やかなスズ濃度勾配が形成されている。
このような緩やかなスズ濃度勾配が形成されていると、ウイスカーの発生を抑制するための熱処理を行っても、金属母材層１を形成する銅が、スズからなる第１の皮膜３へ拡散する際の拡散速度が低下する。そのため、第１の皮膜３がスズと銅との合金へと変化することを抑制することができるため、第１の皮膜３を純粋なスズのまま維持することができる。
【０００９】
この第２の皮膜２は、１層だけに限らず、２層以上設けてもよい。第２の皮膜２を２層以上設ける場合には、金属母材層１に近いほど第２の皮膜の銅濃度を高くし、第１の皮膜３に近いほど第２の皮膜のスズ濃度を高くする。
このように２層以上の第２の皮膜を設けることにより、スズの濃度勾配がよりいっそう緩やかとなるため、金属母材層１を形成する銅が、スズからなる第１の皮膜３へ拡散する際の拡散速度がさらに低下し、第１の皮膜３がスズと銅との合金へと変化することを抑制するためには効果的である。
【００１０】
なお、以上の説明においては、金属母材層１が銅からなり、第１の皮膜３がスズからなる場合について説明したが、本発明は、この場合に限定されるものではなく、金属母材層１及び第１の皮膜３が他の元素からなるものであってもよく、その場合には、第２の皮膜２は、金属母材層１を形成する元素と第１の皮膜３を形成する元素との合金によって形成される。
【００１１】
この例の金属接合用皮膜によると、銅からなる金属母材層１とスズからなる第１の皮膜３との間に、銅とスズとの合金からなる第２の皮膜２を設けることにより、スズの濃度勾配を緩やかにして、銅がスズからなる第１の皮膜３へ拡散する際の拡散速度を低下させることができるため、ウイスカーの発生を抑制するための熱処理を行っても、スズからなる第１の皮膜３への銅の拡散を防止することができ、金バンプとの接合性が良好な金属接合用皮膜を実現することができる。
また、銅とスズとの合金からなる第２の皮膜２を設けることにより、銅がスズからなる第１の皮膜３へ拡散する際の拡散速度を低下させることができるため、ウイスカーの発生を抑制するための熱処理に充分な時間をかけることができ、ウイスカーの発生を効果的に防止することができる。
【００１２】
【実施例】
以下、具体例を示す。
ポリイミドを基板として、この上に順次、金属母材層１として８μｍ厚の銅層、第２の皮膜２として0.05μｍ厚の銅―４５％スズ合金層、第１の皮膜３として0.2μｍ厚のスズ層を形成して、フレキシブルプリント配線板を作成した。
このフレキシブルプリント配線板に対し、ウイスカーの発生を抑制するための熱処理を行った。熱処理条件は、熱処理温度を１２５℃、熱処理時間を６０分とした。このような熱処理を行ったところ、第１の皮膜３への銅の拡散はほとんどみられず、0.2μｍ厚のスズからなる第１の皮膜は純粋なスズのまま維持されていることが確認された。
【００１３】
第２の皮膜２を形成しない従来の金属接合用皮膜については、この熱処理条件下で熱処理を行うと、スズ皮膜への銅の拡散距離は280μｍであり、スズ皮膜は完全にスズと銅との合金となってしまうことと比較すると、第２の皮膜２の形成により、スズからなる第１の皮膜３への銅の拡散を充分に抑制できることが確認された。
また、熱処理温度を１２５℃、熱処理時間を６０分またはそれ以上とする熱処理条件で熱処理を行うと、ウイスカーの発生を充分に抑制することができる。第２の皮膜２を形成しない従来の金属接合用皮膜においては、熱処理時間を数秒から数分としなければならないことと比較して、ウイスカーの発生の防止に関して充分な効果があることが確認された。
【００１４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、金属母材層と第１の皮膜との間に、金属母材層を形成する元素と第１の皮膜を形成する元素との合金によって形成される第２の皮膜を設けることにより、ウイスカーの発生を抑制するための熱処理を行っても、第１の皮膜への金属母材層を形成する元素の拡散を防止することができ、金バンプとの接合性が良好な金属接合用皮膜を実現することができる。
また、金属母材層と第１の皮膜との間に、金属母材層を形成する元素と第１の皮膜を形成する元素との合金によって形成される第２の皮膜を設けることにより、ウイスカーの発生を抑制するための熱処理に充分な時間をかけることができるため、ウイスカーの発生を効果的に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の金属接合用皮膜のこの例によるプリント配線板の断面を示す図である。
【図２】本発明の金属接合用皮膜の例において、皮膜を形成するスズの濃度勾配を示す図である。
【図３】従来のプリント配線板の断面を示す図である。
【図４】従来の金属接合用皮膜の例において、皮膜を形成するスズの濃度勾配を示す図である。
【図５】熱処理温度を125℃としたときの熱処理時間との拡散距離との関係を示した図である。
【図６】60分間熱処理したときのの拡散距離と熱処理温度との関係を示した図である。
【符号の説明】
１…金属母材層、２…第２の皮膜、３…第１の皮膜、４…基板

Claims (2)

1. 基板上に金属母材層が形成されたフレキシブルプリント配線板からなる被接合体を金属と接合するための金属接合用皮膜において、
   該金属母材層は銅からなり、スズからなる第１の皮膜が電解めっき、または無電解めっきによって該被接合体上に形成され、スズおよび銅の合金からなる第２の皮膜が電解めっき、または無電解めっきによって該第１の皮膜と該金属母材層との中間に少なくとも１層形成され、少なくとも該第１の皮膜には、形成時の応力を解放し、かつ該金属母材層を構成する元素の拡散を抑制する熱処理が施されていることを特徴とする金属接合用皮膜。
2. 基板上に金属母材層が形成されたフレキシブルプリント配線板からなる被接合体を金属と接合する、第１の皮膜と第２の皮膜とを有する金属接合用皮膜の製造方法において、
   銅からなる前記金属母材層の表面に、スズおよび銅の合金からなる前記第２の皮膜を少なくとも１層形成する工程と、前記第２の皮膜の表面にスズからなる前記第１の皮膜を形成する工程と、少なくとも前記第１の皮膜の形成時に生じた応力を解放するとともに、前記金属母材層を構成する元素の拡散を抑制する熱処理を行う工程とを備えたことを特徴とする金属接合用皮膜の製造方法。

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