JP5040791B2 - Ｐｂフリーの光沢Ｓｎめっき層を有するめっき基材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＰｂフリーのＳｎめっき層を有するめっき基材の製造方法に関する。

半導体装置のような電子部品において、外部端子の基材にはＣｕ、Ｃｕ合金、４２アロイ（鉄とＮｉが４２％の合金）などが用いられるが、素地のままでは端子表面が酸化してはんだ付け不良等による導通不良を引き起こす恐れがある。そのために、通常、めっき等により端子表面に保護膜（めっき層）を形成して酸化を防いでいる。

めっき層の材料として純ＳｎまたはＳｎ合金を用いる場合、従来からＰｂを含む材料が用いられてきた。近年、環境負荷を軽減する観点からＰｂフリー化が求められるようになり、前記端子のめっき層材料にも、例えば、純ＳｎあるいはＳｎ−Ｃｕ，Ｓｎ−Ｂｉ，Ｓｎ−ＡｇのようなＳｎ合金のように、Ｐｂを含まない材料が使用されるようになっている。しかし、Ｐｂフリーの材料で電子部品の端子表面をめっき処理すると、めっき層から例えば径が３μｍ程度のＳｎ結晶である針状ウィスカが発生する。

近年、例えばＩＣチップをリードフレームに搭載した半導体装置のような電子部品は一層の小型化が求められており、結果として、その端子間の間隔は数百μｍ程度まで狭くなってきている。前記針状ウィスカは数百μｍの長さにまで成長することがあり、前記のように端子間の間隔が数百μｍ程度と狭い場合には、発生した針状ウィスカにより端子間ショートが発生する恐れがあるので、針状ウィスカの発生を抑制するための対策が求められている。

針状ウィスカの発生および成長のメカニズムは完全には解明されていないが、めっき層中に蓄積された内部応力が一因であるとの考えから、めっき層の内部応力を除去することで針状ウィスカの発生を抑制しようとする提案がなされており、特許文献１には、Ｐｂを含まないＳｎ合金めっき層を、めっき後にその融点より高い温度で加熱してリフローさせて内部応力を開放することで、ウィスカの発生を抑制できることが記載されている。

また、特許文献２には、Ｓｎめっきの表面にＡｇめっきを施した後、ダイス等で表面を平滑化することによって、表面のＡｇをＳｎめっき層に拡散し、それによりウィスカの発生を抑制できることが記載されている。

また、めっき層の結晶方位面およびその配向指数を制御することで、ウィスカの発生を抑制できることも提案されており、特許文献３には、Ｓｎめっき皮膜の結晶配向面が（２２０）面に優先配向し、かつＳｎめっき皮膜形成後の皮膜応力を−７．２ＭＰａ以上０ＭＰａ以下とすることが記載されている。特許文献４には、Ｓｎめっき層の結晶粒界にＳｎ合金相を形成してウィスカの発生を抑制技術であって、Ｓｎ合金相が形成しやすくするために、めっき層における（２２０）面と（３２１）面の配向指数を高くすることが記載されている。

特開平１０−１４４８３９号公報 特開２００１−２５４１９６号公報 特開２００６−７０３４０号公報 特開２００６−２４９４６０号公報

本発明者らは、Ｐｂフリーのめっき層でのウィスカの発生について多くの実験と研究を継続して行ってきているが、Ｐｂフリーのめっき層の内部応力を緩和してウィスカの発生を抑制する従来技術は、いずれも充分な成果を上げているとは言い難い。また、特許文献１に記載のように、めっき後にめっき層をリフローさせると、めっきの厚みに偏りが生じる恐れがある。特許文献２の方法は、Ｓｎめっき層に加えて、Ａｇめっき層をさらに形成する工程を必要としている。

また、特定の結晶配向面の配向指数を制御してウィスカの発生を制御する技術は、そのような特定の結晶配向面を見出すこと自体が困難であり、さらに特定した結晶配向面が優先するようにめっき面での結晶面の配向指数を制御することも容易でない。

本発明は、上記の事情を考慮してなされたものであり、より容易な手段でもって針状ウィスカの発生を抑制できるようにした、ＰｂフリーのＳｎめっき層を有するめっき基材の製造方法を開示することを課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明者らは、ＰｂフリーのＳｎめっき層におけるウィスカの発生について、さらに多くの実験を行う過程において、形成したＳｎめっき層に冷間圧延を施すことにより、ウィスカの発生を抑制できることを知見した。また、冷間圧延後のＳｎめっき面における結晶配向面の配向指数をＸＲＤ（Ｘ線回析法）解析したところ、配向面での大きな偏りはなく、ほぼ等しい配向指数となっていることも知った。

本発明は、上記の知見に基づくものであり、本発明によるＳｎめっき層を有するめっき基材の製造方法は、母材表面にＰｂフリーのＳｎめっき層を形成する工程と、前記めっき層形成工程の後に、形成しためっき層を冷間圧延する工程と、を少なくとも含むことを特徴とする。

後の実施例に示すように、同じめっき材料を用いて母材表面にＰｂフリーのＳｎめっき層を形成しためっき基材において、冷間圧延処理を行わないものでは、ウィスカの発生が観察され、また結晶配向面での配向指数に偏りが見られたが、冷間圧延を施すことにより、ウィスカの発生は抑制されかつ配向指数のほぼ偏りも消失していた。本発明によれば、通常の手法により母材の表面にＰｂフリーのＳｎめっき層を形成し、その後でめっき層に冷間圧延を施すだけで、ウィスカの発生を抑制することができ、その手法はきわめて容易であり、かつ、容易に実用に供することができる。

本発明によるＳｎめっき層を有するめっき基材の製造方法において、形成するＳｎめっき層が光沢Ｓｎめっき層または半光沢Ｓｎめっき層であるであることは好ましく、光沢Ｓｎめっき層であることは特に好ましい。後の実施例に示すように、本発明者らの実験では、同じ条件の場合、光沢Ｓｎめっき層の場合はウィスカの発生は観察されず、半光沢Ｓｎめっき層の場合は、不都合を生じさせない長さのごく短い（５μｍ程度）ウィスカが観察された。

本発明において、Ｓｎめっき層を形成するＳｎは、純Ｓｎが好ましいが、Ｓｎ−Ｃｕ，Ｓｎ−Ｂｉ，Ｓｎ−Ａｇのような、鉛を含まないＳｎ合金であってもよい。

また、本発明において、母材に特に制限はないが、製造されるめっき基材の用途を考慮すると、Ｃｕ、Ｃｕ合金または４２アロイ（鉄とＮｉが４２％の合金）であることが好ましい。

本発明によれば、母材の表面にＰｂフリーのＳｎめっき層を有するめっき基材を製造するに際して、冷間圧延という１つの簡単な工程を加えることで、めっき層からウィスカが発生するのを確実に抑制することができる。

以下、本発明を実施の形態に基づき説明する。図１は本発明により製造しためっき基材の一例を示す。

めっき基材３は、母材１とその上に形成したＳｎめっき層２を備える。母材１は、好ましくは、Ｃｕ、Ｃｕ合金または４２アロイ（鉄とＮｉが４２％の合金）である。厚さに制限はなく、めっき基材３の用途を考慮して適宜設定される。

Ｓｎめっき層２は、電解めっき等の手段によって、母材１の表面に形成される。厚さは５〜１０μｍ程度である。用いるめっき液は、Ｐｂを含まないことを条件に任意であり、光沢（金属光沢）Ｓｎめっき層を形成するめっき液、半光沢Ｓｎめっき層を形成するめっき液、あるいは無光沢Ｓｎめっき層を形成するめっき液、などを用いうる。

めっき層２を形成した後、適宜の手段によりめっき層２に対して冷間圧延を施すことにより、本発明によるめっき基材３となる。

本発明によるめっき基材は、半導体装置のような電子部品における外部端子に特に好適に適用できる。

［実施例１］
図１に示すように、４２アロイ母材１の表面に、電流密度５Ａ／ｄｍ²で電解めっきを施し、母材表面に厚さ８μｍのＰｂフリー純Ｓｎ光沢めっき層２を形成してめっき基材３とした。めっき層形成後に、金属光沢が発生するまでの条件でめっき層に冷間圧延を施した後、１００℃、１５分の熱処理を行った。冷間圧延および熱処理後の純Ｓｎめっき面について、結晶配向面とその配向指数をＸＲＤ解析を行った。その結果を図２（ａ）に示した。

冷間圧延および熱処理後のめっき基材に対して、低温側０℃に３０分間放置⇔高温側６０℃に３０分間放置を１サイクルとする冷熱サイクルを１０００回繰り返す冷熱サイクル履歴をめっき層に与えた。電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて、冷熱サイクル履歴後のめっき層表面でのウィスカの発生状態を観察したがウィスカは未発生であった。その顕微鏡写真を図３（ａ）に示した。

［比較例１］
実施例１と同じようにして、母材表面にＰｂフリー純Ｓｎめっき層を持つめっき基材を作った。それに対して冷間圧延処理を加えることなく、１００℃、１５分の熱処理を行った。熱処理後の純Ｓｎめっき面について、実施例１と同様にして、結晶配向面とその配向指数をＸＲＤ解析を行った。その結果を図２（ｂ）に示した。

上記熱処理後のめっき基材に対して、実施例１と同じ冷熱サイクル履歴をめっき層に与え、電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて、めっき層表面のウィスカの発生状態を観察したところ、９０μｍ長のウィスカが発生しているのが観察された。その顕微鏡写真を図３（ｂ）に示した。

［考察］
図２（ａ）と（ｂ）の比較から解るように、比較例１では特定の結晶配向面における配向指数が極めて高くなっている（この例で、（２２０）面の配向指数はほぼ１２程度）。一方、実施例２では、多くの結晶配向面において、配向指数に大きな偏りはなく、ほぼ１ということができる。すなわち、冷間圧延処理を行うことによって、めっき面での配向指数の偏りを平準化することができ、その結果、実施例１ではウィスカの発生が抑制されたものと解される。

［実施例２］
母材表面に、Ｐｂフリーの純Ｓｎ半光沢めっき層を形成した以外は、実施例１と同様にしてめっき基材を作成した。実施例１と同様にして冷間圧延および熱処理を施した後、低温側０℃に３０分間放置⇔高温側６０℃に３０分間放置を１サイクルとする冷熱サイクルを１０００回繰り返す冷熱サイクル履歴をめっき層に与えた。電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて、冷熱サイクル履歴後のめっき層表面でのウィスカの発生状態を観察したところ、最長で５μｍ長のウィスカが観察された。その顕微鏡写真を図４（ａ）に示した。

［比較例２］
実施例１と同じようにして、母材表面にＰｂフリーの純Ｓｎ半光沢めっき層を持つめっき基材を作った。それに対して冷間圧延処理を加えることなく、１００℃、１５分の熱処理を行った。熱処理後のめっき基材に対して、実施例２と同じ冷熱サイクル履歴をめっき層に与え、電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて、めっき層表面のウィスカの発生状態を観察したところ、３０μｍ長のウィスカが発生しているのが観察された。その顕微鏡写真を図４（ｂ）に示した。

［考察］
実施例１のものと比較して、実施例２のものは短いウィスカが発生している。しかし、最長で５μｍ長程度のものであり、比較例２のものが３０μｍ長であるのと比較して短く、充分に実用に耐えるものである。

実施例で用いためっき基材を説明するための図。 実施例１と比較例１における結晶配向面と配向指数との関係を示したグラフ。 実施例１と比較例１におけるウィスカは発生状態を見るための顕微鏡写真。 実施例２と比較例２におけるウィスカは発生状態を見るための顕微鏡写真。

符号の説明

１…母材、２…めっき層、３…めっき基材

Claims (2)

1. 母材の表面にＰｂフリーの光沢Ｓｎめっき層を有するめっき基材の製造方法であって、母材表面にＰｂフリーの光沢Ｓｎめっき層を形成する工程と、前記めっき層形成工程の後に、形成したＰｂフリーの光沢Ｓｎめっき層を冷間圧延する工程と、を少なくとも含むことを特徴とするＰｂフリーの光沢Ｓｎめっき層を有するめっき基材の製造方法。
2. 母材がＣｕ、Ｃｕ合金または４２アロイである請求項１に記載のＰｂフリーの光沢Ｓｎめっき層を有するめっき基材の製造方法。

Images