JP4667637B2 - 電子部品の接合方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉛を含有しないはんだを介して電子部品を接合する方法に係り、特に電子部品の電極上に形成される無電解ニッケルめっき層と鉛を含有しないはんだ層との接合に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯用通信機器、パソコン、オーディオ機器等の電子機器の小型化・高密度化に伴い、電子部品も小型で軽量のものが望まれている。この電子部品の小型化により、端子電極の面積も小面積化したため、接合における信頼性を高めることが必要となってきている。
【０００３】
この接合信頼性を高めるには、電極のはんだ濡れ性とはんだ／電極間の密着強度を高める必要がある。従来、はんだ濡れ性を高めるため、電極の表面処理に無電解Ｎｉ／Ａｕめっきを使用する技術がある。この無電解Ｎｉ／Ａｕめっきは、電極端子上へりんを含む無電解Ｎｉめっきを施し、その上に０．１〜０．５μｍ程度のフラッシュＡｕめっきを行うものである。これは、保管時に表層のＡｕが下層のＮｉの酸化を防ぎ、はんだ接合時にはすばやくはんだ内部に拡散しフレッシュなＮｉが露出するため、非常に良好なはんだ濡れ性を示すものである。
【０００４】
しかし、ここで使われているはんだはＳｎ−Ｐｂはんだが使われていたが、Ｓｎ−Ｐｂはんだ等の鉛含有はんだを使用した機器は、廃棄されると、廃棄後雨雪や風化によりそのＰｂ成分が土壌や飲料水を汚染し、環境に重大な悪影響を与えることが指摘されるようになった。そのため、電子部品にはＰｂを含有しないＰｂフリーはんだによる接合に切り替えが急がれている。
そして、無電解Ｎｉめっき被膜の場合、接合はＳｎ−Ｐｂ／Ｎｉにより行われてきたが、鉛フリーはんだと無電解Ｎｉめっきとの接合性については歴史が浅いためほとんど研究がなされておらず、開発が進んでいない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、電子部品電極端子の無電解Ｎｉめっきの接合について検討したところ、無電解Ｎｉめっき層とＳｎ−Ａｇはんだ、Ｓｎはんだ等の鉛を含有しないはんだ層とを接合させる場合には、▲１▼その密着力は鉛含有はんだに比べ鉛を含有しないはんだではかなり低下する（図４参照）、▲２▼鉛を含有しないはんだとの接合では、リフローを繰り返すことによりＮｉめっき層が溶解し消失してしまう（Ｎｉめっき層とはんだ層との接合面の顕微鏡写真（倍率：８００倍）で調べると、リフロー条件：２５０℃３分、Ｓｎ−Ａｇはんだで、１回目で１／２程度、リフロー３回目で２／３程度、リフロー５回目で４／５以上消失）、▲３▼また、Ａｕめっき層が薄層である場合にはＮｉめっき層表面が酸化されやすいといった欠点があり、特に、これらの欠点はＣＳＰ（チップサイズパッケージ）やウエハ表面などの３００μｍ以下の電極の接合の場合に顕著に現れ、電気的な接続が不良となる。
これらの現象の中ではんだとの密着力の低下に関しては、従来から０．５μｍ以上のＡｕめっきの厚みにより密着力の低下が知られているが、この現象とは異なっている。今回問題となっている密着力の低下した領域は０．５μｍ以下である。また、従来問題となっている不良原因は、Ｓｎ−Ａｕ合金の生成によるものであるが、今回のものは密着力が低下し剥離した界面を測定してもＳｎ−Ａｕは存在しない。
この新たに発生した問題により、接合部での信頼性を大きく損なう結果を招くことになる。この問題に対し、本発明は、このような欠点をもたない電子部品の接合法を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の課題のもとに研究に鋭意取り組んだ結果、無電解Ｎｉめっき層とはんだとの接合部では、Ｎｉ金属とはんだとの間で拡散が生起し、［無電解Ｎｉめっき／はんだ］の拡散層が生成する。この拡散層と密着性との関係および拡散層の生成過程に着目し、Ｎｉめっき層とはんだ層との接合に際し、▲１▼Ｎｉめっき層の上に０．０４μｍより厚いＡｕめっき層を形成しない、▲２▼Ｎｉめっき層の上にＡｕめっき層以外の酸化防止膜を形成する、▲３▼はんだ層の形成をＡｕめっき層の形成の直後に行う、ことによりその密着性およびＮｉめっき層の溶解に顕著な効果があることを確認し本発明を完成するに至った。
【０００７】
すなわち本発明は、
（１）ウエハの電極上に鉛を含有しないはんだ層を介して電子部品を接合するにあたり、前記電極上には無電解ニッケルめっきからなる第１の金属層および前記第１の金属層上に無電解金めっきからなる第２の金属層が形成され、前記第２の金属層の厚さが０．００５μｍ〜０．０１μｍであることを特徴とする電子部品の接合方法、
（２）鉛を含有しないはんだが、Ｓｎはんだ、Ｓｎ−Ａｇはんだ、Ｓｎ−Ｂｉはんだ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだから選ばれるものであることを特徴とする（１）記載の電子部品の接合方法、
（３）鉛を含有しないはんだ層が、第２の金属層の形成直後に形成されるものであることを特徴とする（１）又は（２）記載の電子部品の接合方法、および、
（４）第２の金属層に加え、さらに酸化防止層を形成することを特徴とする（１）、（２）又は（３）記載の電子部品の接合方法、
を提供するものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の電子部品を接合する一実施の形態について、図１によって無電解Ｎｉめっきからなる第１の金属層１と、無電解Ａｕめっきからなる第２の金属層２と、鉛を含有しないはんだからなるはんだ層３を有する電極構造について説明する。半導体素子の半導体基板５上には、Ａｌ又はＣｕ等の電極４が形成されている。６は樹脂からなる絶縁膜である。電極４上に自然酸化膜が生じるので脱脂処理をした後、酸又はアルカリをエッチング液として表面の自然酸化膜を除去する。エッチング液を洗い流した後、すぐ市販のジンケート処理液を用いて、電極４の表面層をＺｎに置換させ再酸化するのを防止する。その後純水で洗浄した後、５０℃〜９０℃程度に加熱した一般に使用されている無電解Ｎｉめっき液の中に漬けて電極４の上にのみ第１の金属層であるＮｉめっき層１を形成していく。厚さが約０．５〜１０μｍ程度の所定の厚さまでＮｉめっき層を形成した後、めっき液を水洗し、Ｎｉめっき層１上にのみ第２の金属層である無電解Ａｕめっき層２を形成する。
【０００９】
次いで、溶融させたはんだ槽内に浸漬して選択的にＡｕめっき層があるところの上に電極上層のはんだ層３を形成させる。この時使用するはんだは、Ｓｎ−Ａｇはんだ、Ｓｎはんだ、Ｓｎ−Ｂｉはんだ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ等の鉛を含有しないはんだである。このうち、特にニッケル拡散効果の点から、Ｓｎ−Ａｇはんだ、Ｓｎはんだ、Ｓｎ−Ｂｉはんだが好ましい。はんだ槽内温度は、そのはんだの融点〜融点＋３０℃程度が好ましい。
【００１０】
こうして作製するＡｕめっき層の層厚と無電解Ｎｉめっき層−Ｐｂ無含有はんだ層との密着の度合いを調べるため、電極４として８０μｍ角のＡｌパッド上に５μｍの無電解Ｎｉめっき層を形成し、その上面に各種厚さのＡｕめっき層を形成し、次いでその上にＳｎ−３．５Ａｇ（Ａｇ３．５質量％、残部Ｓｎ）はんだの１５０μｍのボールを２５０℃、３分で搭載した。そして、そのシェア強度と破壊状態とを調べ、その結果を図２に示した。Ａｕめっき厚が０．０４μｍ以下である場合には、そのシェア強度は約５０ｇｆ以上であり、その破壊状態をみると、はんだ内部での破壊率が６０％以上となりＮｉめっき層とはんだとの接合がきわめて良好であることが理解できる。
【００１１】
また、鉛を含有しないはんだを用いた場合の無電解Ｎｉめっき層の溶解とリフローとの関係について、前記と同様なパッド上に同様に無電解Ｎｉめっき層を形成し、その上面に各種厚さのＡｕめっき層を形成し、同様にはんだ層を設けたものでＡｕめっき層の層厚の影響について考察した。そして、リフロー条件：２５０℃、３分、リフロー回数：５回、はんだ：Ｓｎ−３．５Ａｇで、無電解Ｎｉめっき層とはんだ層との接合面の顕微鏡写真（倍率：８００倍）を見ると、Ａｕめっき層のない場合には、Ｎｉめっき層の溶解はほとんど認められない。しかし、鉛含有はんだの場合に形成するＡｕめっき層の通常の厚さ０．４０μｍでは、鉛無含有のはんだの場合にはＮｉめっき層の約４／５以上が溶解していることが明らかとなった。
以上のことから、本発明の接合方法にあたっては、電極は無電解ニッケルめっきからなる第１の金属層と、鉛を含有しないはんだからなるはんだ層との間に、厚さが０．０４μｍ以下、好ましくは０．０３μｍ以下、さらに好ましくは０．０１μｍ以下であり、少なくとも０．００５μｍの金めっき層を形成するものである。
【００１２】
さらに、第２の金属層であるＡｕめっき層が薄い層になればなるほど、続いてＰｂを含有しないはんだ層を形成するとき、第１の金属層であるＮｉめっき表面が酸化されやすくなり、はんだの濡れ性が低下し接合が不充分なものとなる。したがって、本発明の電極のＰｂを含有しないはんだ層は、Ａｕめっき層の形成後すぐに形成されたものであることが好ましい。その時間は、約６０分以内であり、好ましくは約３０分以内、さらに好ましくは約１０分以内である。
【００１３】
さらにまた、第２の金属層であるＡｕめっき層が薄い層になればなるほど、続いてＰｂを含有しないはんだ層を形成するとき、第１の金属層であるＮｉめっき表面が酸化され易くなり、はんだの濡れ性が低下し接合しにくくなる。そこで、本発明はその第１の金属層の酸化を防止するために、Ｎｉめっき層表面にＡｕめっき層に加えて、さらに酸化防止膜を形成することもできるものである。勿論、酸化防止膜の形成は、薄層のＡｕめっき層の上もしくは下のどちらに形成してもよい。
酸化防止膜としては、薄層のＰｄやＡｇの無電解めっき膜、はんだ層、ロジン、有機酸等の有機高分子膜のうち少なくとも１つのものから形成し、その膜厚は酸化防止膜として使用される材料により適宜選択できる。
このような酸化防止膜が無電解Ｎｉめっき層とＰｂ無含有はんだ層の間に介在されていても、両者の接合には格別の悪影響をもたらすことはない。
【００１４】
なお、シェア強度は、めっき層上に搭載したはんだをそのめっき層から引き剥がすのに必要な力であり、その測定方法を模式図でもって図３の（ａ）に示す。
その破壊時の破壊界面がはんだ内部で生起した場合の状態を模式的に図示したのが図３の（ｂ）であり、このような破壊状態の場合には、界面の密着が良いものと判断した。また、その破壊界面がＮｉめっき面とはんだ面との界面で生起した場合の状態を模式的に図示したのが図３の（ｃ）であり、このような破壊状態の場合には、界面の密着が悪いものと判断した。はんだ内部破壊率は、その破壊時の破壊界面がはんだ内部で生起した割合を示すものである。
【００１５】
本発明の使用される接合方法は、高密度基板、半導体パッケージのインターポーザ、ウエハの電極のパッドであるのが好ましい。これらの分野はますます微小化してきているが、本発明の方法はどのような大きさの電極にも適用できるものであり、その電極の長辺または長軸が３００μｍ以下のものでも良く、更に１００μｍ以下、更には５０μｍ程度のものでも良好な接合が可能である。
【００１６】
【実施例】
次に本発明を実施例に基づいて、さらに詳細に説明する。
実施例１
下記のＡｌパッドをもつウエハを準備した。
ウエハ上のＡｌパッド
材質 ：Ｓｉ１質量％含有のＡｌ
サイズ ：１００×１００μｍ（形状 角型）
厚さ ：１．０μｍ
このパッド上へ下記の方法で、無電解Ｎｉめっき層を形成した。
先ず、パッドを２１℃で１分間界面活性機能のある脱脂液で脱脂処理を行い、濃度３％のふっ化水素酸を用いてＡｌ電極表面に生じた酸化膜を除去した。次いで、ふっ水素酸液を洗い流した後すぐ市販のアルカリジンケート液（奥野製薬製サブスターＺＮ111（商品名））を用いて２１℃２分でＺｎに置換し、酸化を防止した。
続いて、純水でジンケート液を洗い流した後、８５℃に加熱した市販の中りんタイプの無電解Ｎｉめっき液（奥野製薬製 無電解ＮｉめっきニコロンＺ(商品名)）中に３０分浸漬してＡｌパッド上にＮｉめっき層を形成した。得られた層厚は、８．０μｍであった。
次に純水で洗浄後、９０℃に加熱した市販の無電解Ａｕめっき液（上村工業製ＴＫＫ−５１(商品名)）を使用して１分、３分、８分の各めっき処理時間で無電解Ａｕめっき層を形成した。
【００１７】
こうして作製した電極の下層金属層であるＡｕめっき層の厚さを蛍光Ｘ線で測定したところ、１分処理のものは０．０１μｍ、３分処理のものは０．０３μｍであり、８分処理のものは０．０５μｍであった。
そのＡｕめっき層の上に、３０分以内にＳｎ−３．５Ａｇはんだを搭載した。
下記の表１に示すように、Ｐｂ無含有はんだに対するＮｉめっき層の密着力、溶解は、Ａｕめっき層を薄くすることにより改善されている。
【００１８】
【表１】

【００１９】
実施例２
下記のパッド上へめっき層を形成した。
パッド
パッド表面 ：電解銅
サイズ ：φ３００μｍ(形状 丸型)
パッド周辺部：ソルダーレジスト(エポキシ)
このパッド上へ次のようにしてめっき層を形成した。
先ず、パッドを６０℃で５分間界面活性機能をもつ脱脂液で脱脂処理を行い、過酸化水素−硫酸からなるエッチング液で１分間処理して表面に生じた酸化膜を除去した。続いて、３％硫酸で３０秒間酸洗いし、水洗浄後、市販のＰｄ濃度３ｍｇ／ｌのＰｄ触媒溶液を用い３０℃で２分間触媒溶液処理を行い、表面にＰｄの触媒核を付与した。次に、市販の中リンタイプの無電解Ｎｉめっき液（奥野製薬製 無電解ＮｉめっきニコロンＺ(商品名)）８５℃中に３０分浸漬してパッド上にＮｉめっき層を形成した。得られた層厚は、８．０μｍであった。純水で洗浄後、さらに無電解Ｐｄめっき液（日本リロナール製 パラマースＳＭＴ（商品名））を使用して６６℃、３分でＰｄめっき膜を形成した。
純水で洗浄後、無電解Ａｕめっき液（上村工業製 ＴＫＫ−５１(商品名)）を使用して９０℃、３分で置換無電解Ａｕめっき層を形成した。
こうして形成しためっき層上に搭載したＳｎ−３．５Ａｇはんだに対して、良好な接合界面を得ることができ、３回のリフローの繰り返しでもＮｉめっき層の溶解はほとんど認められなかった。
【００２０】
【発明の効果】
本発明の電子部品の電極は、無電解ニッケルめっき層と鉛を含有しないはんだ層の接合部に０．００５〜０．０４μｍの層厚のＡｕめっき層を介在させることを特徴とするもので、Ｎｉめっき面とはんだ面との密着性が良好でシェア強度が極めて強く、破壊が生じてもはんだ内部で生起する。また、繰り返しリフローしても無電解Ｎｉめっきが溶解して消失することはない。そして、特に電極が３００μｍ以下の小さなものであってもその効果は充分に発揮でき、したがって、その接続部の信頼性は大幅に高まった。
また、無電解めっき層上に鉛を含有しないはんだを被着させたものであるので、この電極をもつ部品を実装した電子機器が廃棄処分をされても環境汚染の心配をする必要が無いものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の電子部品の電極構造の断面図である。
【図２】Ａｕめっき層の厚さと密着度合との関係を示すグラフである。
【図３】（ａ）はシェア強度の測定方法を示す模式説明図であり、（ｂ）は破壊時の破壊界面がはんだ内部で生起したものの模式説明図であり、（ｃ）は破壊時の破壊界面がＮｉめっき面とはんだ面との界面で生起したものの模式説明図である。
【図４】Ｐｂを含有しないはんだと無電解Ｎｉめっき界面の密着力の低下を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 第１の金属層（無電解Ｎｉめっき層）
２ 第２の金属層（無電解Ａｕめっき層）
３ はんだ層（Ｐｂを含有しないはんだ層）
４ 電極
５ 半導体基板
６ 絶縁膜

Claims (4)

1. ウエハの電極上に鉛を含有しないはんだ層を介して電子部品を接合するにあたり、前記電極上には無電解ニッケルめっきからなる第１の金属層および前記第１の金属層上に無電解金めっきからなる第２の金属層が形成され、前記第２の金属層の厚さが０．００５μｍ〜０．０１μｍであることを特徴とする電子部品の接合方法。
2. 鉛を含有しないはんだが、Ｓｎはんだ、Ｓｎ−Ａｇはんだ、Ｓｎ−Ｂｉはんだ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだから選ばれるものであることを特徴とする請求項１記載の電子部品の接合方法。
3. 鉛を含有しないはんだ層が、第２の金属層の形成直後に形成されるものであることを特徴とする請求項１又は２記載の電子部品の接合方法。
4. 第２の金属層に加え、さらに酸化防止層を形成することを特徴とする請求項１、２又は３記載の電子部品の接合方法。

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