JP4411289B2 - 配線基板 - Google Patents
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Description
ウイスカーの発生メカニズムに関しては、様々な研究にもかかわらず、ウイスカーの発生を完全に防止するには至っていない。
銅回路の表面を純銅メッキ層で被覆し、このようにして形成された純銅メッキ層の表面にスズメッキ層を形成した後、フュージング処理(熱処理)することにより、スズめっき層の全部または一部がCu6Sn5層やCu3Sn層などを形成することにより、スズウイスカーの発
生を防止することができ、しかも上記のように純銅メッキ層で下地銅回路の表面を被覆することにより、フュージング処理によっても、スズメッキ層(Cu3Sn層)と純銅メッキ層
との間にボイドが発生しないTABテープについて記載されている。すなわち、従来のTA
Bテープでは、スズウイスカーの発生を防止するために、下地銅回路の表面に直接スズメッキ層を形成した後、フュージング処理(加熱処理)することにより、スズメッキ層に銅を拡散させていたが、このようにフュージング処理すると下地回路とスズメッキ層との界面にカーケンドール効果によると思われるボイドが発生し易いので、下地銅回路の表面を純銅層で被覆して、その表面粗度を低くする(平滑にする)ことにより、フュージング処理しても上記ボイドが発生しにくいTABテープを得ることができることが記載されている。従って、この特許文献1に記載のTABテープを製造する際には、電解銅箔を選択的にエッチングして下地銅回路を形成した後に、この下地銅回路の表面に改めて電解メッキにより純銅層を形成する必要があり、こうして純銅層を形成した後にスズメッキ層を形成し、さらにフュージング処理する必要があり、TABテープの製造工程が非常に複雑になるとの問題がある。また、フュージング処理することにより、スズメッキ層中に急速に銅が拡散して、形成されるスズメッキ層には相当量の拡散銅が含有される。
公報)に、金属箔のシャイニー面から金属箔全体厚みの1/2深さまでの断面領域におけるEBSD法に基づく結晶粒径が1.0μm以上の結晶粒子の割合を1〜60面積%とした金属箔付き樹脂フィルムなどがある。一般に上記のように表面付近の粒子径を制御するのは金属箔と絶縁層との密着性を向上されるためであり、このような金属箔の粒子径と、この銅箔の上に形成される金属メッキ層からのウイスカーとの関連性に関しては知られていない。
含有量が30ppm未満であることを特徴とする銅箔。」が記載されており、具体的には電
解液中に、Cl-イオンが濃度が1.5mg/リットルとなるように濃塩酸を加えた実施例2で得られる銅箔中のCl濃度は10ppm以下であり、また、Cl-イオン濃度が25mg/リットルとなる量で濃塩酸を加えた実施例4でも銅箔中のCl濃度は10ppm以下である。さらに、この特許文献2の比較例1では、電解液中にCl-イオン濃度が1.5mg/リットルとなるように濃塩酸を加えると共にゼラチンを3.6mg/リットルの量で加えた電計液を用いて製造された銅箔中のCl濃度は40ppmであることが示されている。このような電解銅箔には通常はCl濃度を低く抑えるのが一般的である。しかしながら、この比較例1で使
用される電解液は、Cl-イオンおよびゼラチンを含有しており、このようなCl-イオンおよびゼラチンの併用系では、柱状の銅結晶は形成しにくく、一般には粒状結晶が形成される。すなわち、このようなCl-イオンおよびゼラチンの併用系では、銅粒子が大きい柱状結晶とはなりにくく粒状結晶が多くなるので、無電解スズメッキ層への銅の拡散速度が速くなり、銅と無電解スズメッキ層との境界部にカスケード効果によるボイドが発生しやすいという問題がある。また、特許文献2に記載のCl-濃度が30ppm未満である銅箔は、
通常40〜70A/dm2程度に比較的大電流を流して銅の析出を行うことが記載されてお
り、塩素イオン濃度の高いメッキ浴を用いて銅を析出させる場合には、引用文献2に示されているような高電流では、形状の安定した柱状粒子構造の銅を効率よく析出させることはできにくく、微細粒子が含有されやすくなるために、銅の無電解スズメッキ層への拡散速度を抑えることができにくいという問題がある。
該配線パターンが、主として粒径3μm(ミクロンメートル)以上の柱状結晶銅から形成されており、該柱状結晶銅の塩素濃度が5〜50ppmの範囲内にあり、該配線パターン
を被覆する金属メッキ層が、スズを含有する主として0.7μm以上の結晶粒径の金属から形成されており、かつ該線パターンに、有機化合物に由来する炭素原子が実質的に含有されていないことを特徴としている。
本発明の配線基板に形成されている配線パターンは、大部分が結晶粒径3μm以上の柱状結晶構造を有する銅から形成されており、非常に銅粒子が大きくしかもはっきりとした柱状結晶構造を有している。この柱状粒子を有する銅には塩素濃度が5〜50ppmという
比較的高い量で含有されており、このように銅中に含有される塩素濃度が高くする場合、使用する銅メッキ液中のCl-イオン濃度を通常は50〜80mg/リットル、好ましくは50〜70mg/リットル程度の高い濃度に維持し、銅の析出の際の電流密度を通常は1〜3
0A/dm2、好ましくは1〜15A/dm2の範囲内に設定して比較的低電流密度で銅を析出される。このような条件で銅を析出させることにすることにより、塩素濃度が上記のように高く、しかも大部分の粒径が3μm以上の柱状粒子からなる電解銅箔を形成することができる。なお、このような高塩素濃度の電解銅箔を製造する場合、銅メッキ浴中には、ゼラチン、膠などの有機化合物は配合しない。ゼラチン、膠のような有機化合物(たんぱく質)を配合すると、形成する銅結晶が粒状結晶になりやすく、本発明で使用するような粒径3μm以上の柱状結晶は極めて形成されにくくなる。このようにゼラチン、膠などの有機化合物と塩素との併用系では得られる電解銅箔中に小さい粒子径の粒状結晶銅が多くなるため、配線パターンの表面に形成されたスズメッキ層への銅の拡散速度が速くなる。
γ=90の結晶構造を採ることが知られており、スズに銅が拡散した金属間化合物(代表的金属間化合物はCu6Sn5である)は、通常はa=11.033Å、b=7.294Å、c=9.83Å、α=γ=90、β=98.82の単斜晶系の結晶構造を採る。このことからスズと金属間化合物(Cu6Sn5)とは格子定数が大きく異なることが判る。このためCu原子がスズメッキ層に拡散し
て金属間化合物(Cu6Sn5)が形成されると、拡散層が形成されることによる体積膨張が起こり、スズメッキ層に圧縮応力が発生し、この圧縮応力が、スズウイスカーを発生させる駆動力になると考えられる。
本発明の配線基板は、絶縁基板の少なくとも一方の表面に、銅箔を選択的にエッチングした配線パターンが形成され、この配線パターンの少なくとも一部がスズを含有する金属メッキ層で被覆されている配線基板である。
本発明で使用する銅箔としては電解銅箔を使用する。本発明で使用する電解銅箔は、特定量の塩素濃度を有すると共に、大部分が柱状結晶銅から形成されている。
くは5〜40ppmの範囲内の塩素が含有されている。本発明の配線基板に形成されている
配線パターンの銅中に上記のような量の塩素を含有することにより、粒径が3μm以上、好ましくは3〜10μmの範囲内にある柱状結晶の銅を安定的に析出させることができる。しかも、このように粒径の大きな柱状結晶銅を安定して析出させるためには、形成された銅中にゼラチンあるいは膠などのようなたんぱく質、即ち有機化合物に由来する炭素原子が含有されない。
0〜220g/リットルの銅メッキ液を使用する。さらに、本発明で使用される銅メッキ液には塩素イオン(Cl-)が含有されており、このCl-イオン濃度は、通常は50〜80mg/リットル、好ましくは50〜70mg/リットルの範囲内にあり、一般に使用される銅メッキ液中におけるよりも高い値を示す。このような塩素イオンは、銅メッキ液に塩酸を添加することにより導入することができる。
記のような銅メッキ液からこのような条件で銅を析出させることにより、塩素含量が高く、主として粒径3μm以上の柱状結晶からなる電解銅箔を得ることができる。
好ましくは5〜40ppmと高く、主として粒径3μm以上、好ましくは主として3〜10
μmの柱状結晶を有する銅から形成されている。
である。一般に電解銅箔を製造する場合、得られた電解銅箔の表面状態あるいは抗張力などを調整するために、少量の膠、ゼラチンなどのタンパク質、および、塩素イオンなどを添加することが既に知られており、例えばゼラチンを用いる場合には、ゼラチンの配合量は通常は0.1〜20ppm/リットル程度に調整される。また、例えば、塩素イオンを含
有させる場合のメッキ液中における塩素イオン(Cl-)の濃度は、通常は10〜40ppm
程度に調整される。例えば、ゼラチンを配合した銅メッキ液を用いて電解銅箔を製造すると、得られる電解銅箔の表面の粗面化を抑制することができる。ところがゼラチンだけでは上記のような電解銅箔の粗面化抑制効果は小さく、ゼラチンの有する粗面化抑制効果を引き出すためには塩化物イオンの存在が必要であるとされていた(例えば、特開2002-322586号公報段落[0022]参照)。そして、このようにゼラチンなどを添加して調整され
た電解銅箔は、表面粗度が低く、配線基板の製造に適しており、フォトリソグラフィー法により選択的なエッチングによって配線パターンを製造する際の電解銅箔として広汎に使用されている。
ンを単独で配合して製造される電解銅箔には粒径が約0.3μm程度の粒状結晶が生成する。このような銅の微細な粒状結晶からなる電解銅箔を用いて形成された配線パターンの表面にスズメッキ層を形成すると、銅箔中の銅粒子が微細であることから、スズメッキ層へ銅原子が高速で拡散して急速に銅とスズとの金属間化合物が形成され、さらにこうした銅原子のスズメッキ層への高速拡散に伴って、銅層とスズメッキ層との境界部分にカーケンドール効果によると思われるボイドが多数形成される。このような銅原子の拡散による金属間化合物の生成により、スズメッキ層における圧縮応力は高くなり、この圧縮応力を駆動力として多数のスズウイスカーが発生し、しかも時間の経過とともに、その発生本数も急激に増加する。
晶形状は柱状結晶になり、その粒子径は、3μm以上である粒子が大部分であり、さらに好ましくは粒子径が3μm〜10μmの柱状結晶の銅粒子が大部分を占めるようになる。ここで「大部分を占める」あるいは「主として形成されている」とは、配線を形成する銅箔のうち、少なくとも50容積%、好ましくは少なくとも80容積%を粒子径3μm以上、好ましくは3〜10μmの柱状結晶銅が占めていることを意味する。
れた粒径約30μmの粒状結晶が形成された電解銅箔の断面の電子顕微鏡写真(FIB-SIM
像)を図2に示す。
スズメッキ層は、電解メッキ法あるいは無電解めっき法のいずれの方法で形成することもできるが、本発明では、無電解メッキ法により形成することが好ましい。
このようにしてスズメッキ層を形成すると、形成されるスズメッキ層におけるスズ粒子の粒子径は、スズメッキ層が形成される配線を構成する銅粒子の大きさによって変化することがわかった。本発明の配線基板に形成されている配線パターンは、上述のようにその粒子径が、3μm以上である柱状結晶の銅粒子が大部分であり、さらに好ましくは粒子径が3μm〜10μmの柱状結晶の銅粒子が大部分を占める。このような粒子径の大きい柱状結晶の銅が大部分を占める配線表面に、例えば上記のようにして無電解スズメッキ層を形成すると、スズメッキ層中におけるスズ粒子の結晶粒径は、主として0.7μm以上の結晶粒径、好ましくは1〜3μmの粒子径を有するようになり、スズメッキ層を形成するスズ粒子の粒子径が大きくなる。
、金属間化合物の経時的形成速度も遅くなる。
ズの拡散速度よりも速いために、スズに銅が拡散したCu6Sn5が主成分となって拡散領域は銅からなる配線の表面から無電解スズメッキ層の表面方向に向かって拡散領域を形成する。この拡散領域における銅の拡散は一様ではなく、通常の場合、銅からなる配線の表面から無電解スズメッキ層の表面方向に向かって次第に銅の濃度が低下する銅の濃度勾配が形成される。
スズメッキ層への銅イオンの拡散が遅いために、無電解スズメッキ層における銅イオンの拡散が銅と、無電解スズメッキ層境界部近傍に留まり、無電解スズメッキ層の表面近傍にまでは拡散の先端部が到達していない。このため無電解スズメッキ層には、銅イオンの拡散による圧縮応力の蓄積が非常にわずかであり、無電解スズメッキ層形成後10日を超えた時点からのスズウイスカーの発生個数に顕著な差が見られる。
、これは従来の配線基板におけるスズウイスカーの発生本数の1/3以下である。
形成されている。ただし、本発明の配線基板においては、この銅の拡散領域が無電解スズメッキ層の表面にまで到達していることは極めて希である。従って、本発明の配線基板を構成する無電解スズメッキ層の表面には純スズメッキ層が残存しているのが一般的である。
なお、他の態様として、純スズメッキに代えてSn-Ag,Sn-Bi、Sn-Cuなど
のSnを含有する金属メッキを行っても、上記と同じ効果が得られる。
〔実施例〕
次に本発明の配線基板について実施例を示して具体的に説明するが、本発明はこれらによって限定されるものではない。
リットルの量で配合してCu2+イオン濃度が60g/リットル、フリーSO4 2-イオン濃度が
197g/リットルである銅メッキ液を調製した。本発明では、この銅メッキ液を基準銅メッキ液とする。この基準銅メッキ液は塩素イオンおよび有機物質は含有していない。
てこの実施例1で使用する銅メッキ液(1)を調製した。なおこの銅メッキ液(1)には、膠、ゼラチンなどの有機化合物は含有されていない。
定電流電解により電流密度500A/m2(5A/dm2)の条件で、銅メッキ液(1)を攪拌しながら、チタン板面に銅を析出させることにより平均厚さ25μmの電解銅箔を製造した。
得られた銅箔は、大部分が、粒子径が5μmの柱状結晶であった。
マスキング材をアルカリ洗浄除去した後、端子部分が露出するようにソルダーレジスト層を形成した。
このようにして製造された配線基板の端子部分の断面を図3に示す。図3はスズメッキ層を形成後室温で30日経過後の同様の断面である。初期の段階で既に金属間化合物(主成分Cu6Sn5)の粒径は室温で30日間で粒子径0.180μmに成長していた。
こうして得られた配線基板からのスズウイスカーの発生本数を図5に示す。
〔実施例2〕
実施例1において、配合する濃塩酸の量を変えて塩素含有率が37ppmの電解銅箔を調
製した。この電解銅箔を用いた以外は同様にして配線パターンを形成し、この配線パターンの表面に厚さ0.5μmの無電解スズメッキ層を形成した。この配線基板について実施例1と同様にウイスカーの発生本数を測定したところ、実施例1で製造した配線基板におけるウイスカーの発生本数と略同一であった。
〔比較例1〕
実施例1において、電解銅箔を形成する際に使用した銅メッキ液(1)の代わりに、塩酸を配合せずに、代わりに50mg/リットルの量のゼラチンを添加した以外は同様にして調製した銅メッキ液(2)を用意し、この銅メッキ液(2)を用いた以外は、同様に操作して配線基板を製造した。なおこの銅メッキ液(2)は、塩素イオンを含有していない。
銅からなる端子の表面をスズメッキ層により被覆すると、スズメッキ層へ銅イオンが拡散し、拡散によりスズメッキ層に圧縮応力が発生する。スズメッキ層の表面に生ずるスズウイスカーの形成には、銅の拡散によりスズメッキ層に生じた圧縮応力が駆動力となっていると考えられ、上記比較例1のように、スズメッキ層に銅が供給されやすい形態で配線を形成していると、スズメッキ層に次々に銅が供給され、スズメッキ層内にスズウイスカーの駆動力となる圧縮応力が蓄積され、さらに、カーケンドール効果によると思われるボイドが多数発生する。
〔比較例2〕
実施例1において、硫酸および硫酸銅5水物を、Cu2+濃度が80g/リットル、フリーSO4 2-濃度150g/リットル、塩素イオン濃度が1.5mg/リットル、ゼラチンが3.6mg/リットルになるように調製した銅メッキ液を用いた以外は実施例1と同様にして電解銅箔を形成し、この電解銅箔を用いた以外は同様にして配線基板を製造した。
。このため銅が柱状結晶ではなく粒状の結晶形を有しており、しかもその結晶粒径が小さく、無電解スズメッキ層に対する銅の拡散が著しく速く、銅と無電解スズメッキ層との界面に多数のボイドが観察された。
を防止するための手段として有用性が高い。
Claims (7)
- 絶縁基板の少なくとも一方の表面に、銅箔を選択的にエッチングした配線パターンが形成されており、該配線パターンの少なくとも一部がスズを含有する金属メッキ層で被覆されている配線基板において、
該配線パターンが、主として粒径3μm以上の柱状結晶銅から形成されており、該柱状結晶銅の塩素濃度が5〜50ppmの範囲内にあり、該配線パターンを被覆する金属メッキ
層が、スズを含有する主として0.7μm以上の結晶粒径の金属から形成されており、かつ該配線パターンに、有機化合物に由来する炭素原子が実質的に含有されていないことを特徴とする配線基板。 - 上記金属メッキ層が、平均厚さ0.02〜1.5μmの無電解スズメッキ層であることを特徴とする請求項第1項記載の配線基板。
- 上記配線パターンを形成する銅の表面から金属メッキ層の表面に向かって銅の拡散領域が形成されており、該拡散領域における銅濃度が、銅からなる配線の表面から金属メッキ層の表面方向に向かって連続的に漸次低下する濃度勾配を有することを特徴とする請求項第1項記載の配線基板。
- 上記配線パターン銅と金属メッキ層との間に形成されている拡散領域中にCu6Sn5およびCu3Snを主成分とする金属間化合物が含有されていることを特徴とする請求項第1項または第4項記載の配線基板。
- 上記拡散領域が、金属メッキ層に銅が拡散することによって形成されてなることを特徴とする請求項第4項記載の配線基板。
- 上記銅箔から形成された配線パターンを構成する配線の表面の金属メッキ層が、銅箔中の銅が金属メッキ層中に拡散している拡散領域を介して配線の表面に形成されており、該配線の銅箔と拡散領域の境界部分に、ボイドが実質的に形成されていないことを特徴とする請求項第1項記載の配線基板。
- 上記配線基板の配線基板に形成されたスズを主成分とする金属メッキ層で被覆された配線パターンについて、30日後に測定した生成ウイスカー本数が200本/cm2以下であ
ることを特徴とする請求項第1項記載の配線基板。
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