JP5065978B2 - Pb-less soldering method and soldered product - Google Patents

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本発明は、Pbレス半田の半田付け方法及びその半田付け品に係わり、特に、NiメッキされたCu又はCu合金からなるパターンにPbレス半田を半田付けする方法及びその半田付け品に関する。   The present invention relates to a soldering method of Pb-less solder and a soldered product thereof, and more particularly, to a method of soldering Pb-less solder to a pattern made of Cu or Cu alloy plated with Ni and a soldered product thereof.

従来のPbレス半田の半田付け品の一例について説明する。
多層プリント配線板などの基板にCu又はCu合金のパターンからなる導体回路が設けられ、この導体回路上にNiめっき層が設けられ、Niめっき層上の合金層を介して半田バンプが接続されている。この半田バンプを構成する半田として、Cu1wt%、Ag2wt%、Sn97wt%のPbレス半田を用いている。
An example of a conventional soldered product of Pb-less solder will be described.
A conductor circuit composed of a Cu or Cu alloy pattern is provided on a substrate such as a multilayer printed wiring board, a Ni plating layer is provided on the conductor circuit, and solder bumps are connected via the alloy layer on the Ni plating layer. Yes. As solder constituting this solder bump, Pb-less solder of Cu 1 wt%, Ag 2 wt%, and Sn 97 wt% is used.

次に、上記Pbレス半田の半田付け方法について説明する。
多層プリント配線板などの基板の導体回路上にNiめっき層、Pd層、Au層を順じ形成する。これにより、これら3層の複合層から成る半田パッドが形成される。次に、この半田パッド上に半田を塗布し、リフローすることにより、半田パッド上に半田バンプを形成する。このリフローの際に、Pd層及びAu層は、半田バンプ側に拡散して無くなり、Niめっき層と半田バンプとの界面に、Niめっき層と半田組成金属との合金層が形成される(例えば特許文献1参照)。
Next, a soldering method for the Pb-less solder will be described.
An Ni plating layer, a Pd layer, and an Au layer are sequentially formed on a conductor circuit of a substrate such as a multilayer printed wiring board. As a result, a solder pad composed of these three composite layers is formed. Next, solder is applied onto the solder pad and reflowed to form solder bumps on the solder pad. During this reflow, the Pd layer and the Au layer are diffused away to the solder bump side, and an alloy layer of the Ni plating layer and the solder composition metal is formed at the interface between the Ni plating layer and the solder bump (for example, Patent Document 1).

特開2006−114705号公報(段落第43〜第51及び図6)JP 2006-114705 A (paragraphs 43 to 51 and FIG. 6)

ところで、上記従来のPbレス半田の半田付け方法では、Cu又はCu合金のパターンからなる導体回路と半田バンプとの間にNiめっき層を設けることにより、このNiめっき層がバリア層としての役割を果たし、半田バンプと導体回路の金属が相互に拡散するのを防止している。   By the way, in the conventional soldering method of Pb-less solder, the Ni plating layer serves as a barrier layer by providing a Ni plating layer between a conductor circuit made of a Cu or Cu alloy pattern and a solder bump. As a result, the solder bumps and the metal of the conductor circuit are prevented from diffusing each other.

しかしながら、Pbレス半田はPb含有半田に比べて半田付け温度を高くする必要がある。このため、Niめっき層の厚さが比較的に薄かったり、半田付けの際の加熱時間が長いなどの熱処理条件によってはNiめっき層の一部がPbレス半田に拡散して消失し、それによりNiめっき層が部分的にバリア層として機能しなくなることがある。その結果、Pbレス半田とCu又はCu合金のパターンとの接合強度が低下し、Pbレス半田による半田付けの信頼性が低下する。そのため、Pb含有半田に比べて厚いNiめっき層を形成する必要があり、めっきコストが増大する。
また、Niめっき層は、Cu又はCu合金のパターン及び基板に対してめっき応力を発生する。このめっき応力は、Niめっきの厚さが厚い程大きくなり、基板の信頼性を低下させる恐れがある。めっき応力は、Niめっきが例えば無電解Ni−Pめっき等の合金めっきで顕著である。また、基板がセラミックス基板の場合は、めっき応力が大きいためにセラミックス基板が例えば電子部品のアセンブリ工程等で割れる恐れもある。
However, Pb-less solder needs to have a higher soldering temperature than Pb-containing solder. For this reason, a part of the Ni plating layer diffuses into the Pb-less solder and disappears depending on the heat treatment conditions such as a relatively thin Ni plating layer or a long heating time during soldering. The Ni plating layer may partially fail to function as a barrier layer. As a result, the bonding strength between the Pb-less solder and the Cu or Cu alloy pattern is lowered, and the reliability of soldering with the Pb-less solder is lowered. Therefore, it is necessary to form a thick Ni plating layer as compared with the Pb-containing solder, and the plating cost increases.
The Ni plating layer generates a plating stress on the Cu or Cu alloy pattern and the substrate. This plating stress increases as the Ni plating thickness increases, which may reduce the reliability of the substrate. The plating stress is remarkable when the Ni plating is an alloy plating such as electroless Ni-P plating. Further, when the substrate is a ceramic substrate, the ceramic substrate may be broken in, for example, an assembly process of an electronic component because the plating stress is large.

本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、Niめっき層の厚さが薄くてもPbレス半田とCu又はCu合金からなるパターンとの接合強度を向上させることができるPbレス半田の半田付け方法及びその半田付け品を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is to improve the bonding strength between a Pb-less solder and a pattern made of Cu or Cu alloy even if the Ni plating layer is thin. An object is to provide a soldering method of Pb-less solder and a soldered product thereof.

上記課題を解決するため、本発明に係るPbレス半田の半田付け方法は、Cu又はCu合金からなるパターンにNiめっき層を形成する工程と、
前記パターンに前記Niめっき層を介してSnを主成分とするPbレス半田を配置し、半田付け処理する工程と、
を具備し、
前記半田付け処理する工程により、前記Niめっき層の少なくとも一部を消失させて前記パターンに前記Pbレス半田を接合することを特徴とする。
In order to solve the above-described problem, a soldering method for Pb-less solder according to the present invention includes a step of forming a Ni plating layer on a pattern made of Cu or Cu alloy,
Placing a Pb-less solder containing Sn as a main component on the pattern via the Ni plating layer, and performing a soldering process;
Comprising
In the soldering process, at least a part of the Ni plating layer is lost and the Pb-less solder is joined to the pattern.

上記本発明に係るPbレス半田の半田付け方法によれば、Niめっき層の厚さに対して半田付け時の加熱量を大きくすることによりNiめっき層の少なくとも一部を消失させることにより、パターンとPbレス半田との接合強度を高めることができる。   According to the soldering method of the Pb-less solder according to the present invention, at least a part of the Ni plating layer is eliminated by increasing the heating amount at the time of soldering with respect to the thickness of the Ni plating layer. And the bonding strength between the Pb-less solder can be increased.

また、本発明に係るPbレス半田の半田付け方法において、前記Pbレス半田を前記パターンに接合した接合部に、前記パターン中のCuと前記Niめっき層中のNiと前記Pbレス半田中のSnが相互に拡散して生成したCu−Ni−Sn相又はCu−Ni−Sn化合物をさらに具備することが好ましい。これにより、パターンとPbレス半田との接合強度を高めることができる。   Moreover, in the soldering method of the Pb-less solder according to the present invention, Cu in the pattern, Ni in the Ni plating layer, and Sn in the Pb-less solder are joined to the joint where the Pb-less solder is joined to the pattern. It is preferable to further comprise a Cu—Ni—Sn phase or a Cu—Ni—Sn compound produced by mutual diffusion. Thereby, the joint strength between the pattern and the Pb-less solder can be increased.

また、本発明に係るPbレス半田の半田付け方法において、前記半田付け処理する工程により、前記Pbレス半田に前記パターン中のCuが拡散することも可能である。これにより、パターンとPbレス半田との接合強度を高めることができる。   In the soldering method of Pb-less solder according to the present invention, Cu in the pattern can be diffused into the Pb-less solder by the soldering process. Thereby, the joint strength between the pattern and the Pb-less solder can be increased.

また、本発明に係るPbレス半田の半田付け方法において、前記パターンに前記Pbレス半田を接合した後の接合面はうねりを有し、前記うねりの幅が3μm以上であることも可能である。
また、本発明に係るPbレス半田の半田付け方法において、前記Niめっき層が無電解Ni合金めっき層又は電解Niめっき層であることも可能である。
Moreover, in the soldering method of the Pb-less solder according to the present invention, the joint surface after the Pb-less solder is joined to the pattern may have undulations, and the undulation width may be 3 μm or more.
In the soldering method for Pb-less solder according to the present invention, the Ni plating layer may be an electroless Ni alloy plating layer or an electrolytic Ni plating layer.

本発明に係るPbレス半田の半田付け品は、Cu又はCu合金からなるパターンと、
前記パターンに接合されたSnを主成分とするPbレス半田と、
前記パターンと前記Pbレス半田との接合部に形成されたCu−Ni−Sn相又はCu−Ni−Sn化合物と、
を具備することを特徴とする。
A soldered product of Pb-less solder according to the present invention includes a pattern made of Cu or a Cu alloy,
Pb-less solder mainly composed of Sn bonded to the pattern;
A Cu—Ni—Sn phase or Cu—Ni—Sn compound formed at the joint between the pattern and the Pb-less solder;
It is characterized by comprising.

また、本発明に係るPbレス半田の半田付け品において、前記接合部にCu−Sn相又はCu−Sn化合物を有することも可能である。   Moreover, in the soldered product of the Pb-less solder according to the present invention, it is possible to have a Cu—Sn phase or a Cu—Sn compound in the joint portion.

また、本発明に係るPbレス半田の半田付け品において、前記パターンに前記Pbレス半田を接合した接合面は、うねりを有し、前記うねりの幅が3μm以上であることも可能である。   In the soldered product of Pb-less solder according to the present invention, the joint surface obtained by joining the Pb-less solder to the pattern may have a undulation, and the width of the undulation may be 3 μm or more.

以上説明したように本発明によれば、Niめっき層の厚さが薄くてもPbレス半田とCu又はCu合金からなるパターンとの接合強度を向上させることができるPbレス半田の半田付け方法及びその半田付け品を提供することができる。   As described above, according to the present invention, the soldering method of Pb-less solder that can improve the bonding strength between the Pb-less solder and the pattern made of Cu or Cu alloy even if the Ni plating layer is thin, and The soldered product can be provided.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明の実施の形態によるPbレス半田の半田付け方法を説明するための模式的な断面図である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining a soldering method of Pb-less solder according to an embodiment of the present invention.

図1は、本発明によるPbレス半田の半田付け品の構造の一例を示すものである。従って、本発明のPbレス半田の半田付け品は、図1に示すものに限られず、NiメッキされたCu又はCu合金からなるパターンにPbレス半田を半田付けする製品又は部品を全て含むものとし、前記パターンに前記Pbレス半田によって接続する接続物も特に制限されず、種々のものを用いることができる。前記パターンは、Cu又はCu合金からなるパターン又は部材を含む意味である。前記半田付け品は、例えば、セラミック基板上にCu又はCu合金からなる回路パターンが形成され、この回路パターンにNiめっき層が形成されたものが挙げられる。前記接続物は例えば電子部品が挙げられる。   FIG. 1 shows an example of the structure of a soldered product of Pb-less solder according to the present invention. Therefore, the soldered product of the Pb-less solder of the present invention is not limited to the one shown in FIG. 1, and includes all products or parts that solder Pb-less solder to a pattern made of Ni-plated Cu or Cu alloy. There is no particular limitation on the connection connected to the pattern by the Pb-less solder, and various types can be used. The said pattern is the meaning containing the pattern or member which consists of Cu or Cu alloy. Examples of the soldered product include a product in which a circuit pattern made of Cu or a Cu alloy is formed on a ceramic substrate, and a Ni plating layer is formed on the circuit pattern. Examples of the connection object include an electronic component.

本実施の形態では、図1に示すようなサンプルを複数作製し、これらのサンプルによってPbレス半田とCuパターンとの接合強度をピール試験により測定し、その結果から本発明に含まれるPbレス半田の半田付け方法及びその半田付け品の具体的な範囲を明らかにする。   In this embodiment, a plurality of samples as shown in FIG. 1 are prepared, and the bonding strength between the Pb-less solder and the Cu pattern is measured by a peel test using these samples, and the Pb-less solder included in the present invention is determined based on the result. The specific range of soldering methods and soldered products will be clarified.

まず、Pbレス半田を付ける対象品を用意した。この対象品は、図1に示すように、基板1の表面及び裏面にCuパターン2が形成され、このCuパターン2の表面にNiめっき層3が形成され、Cuパターン2の中央上にNiめっき層3を介して開口部を有する半田レジスト4が設けられたものである。本実施の形態では、無電解Ni−PめっきをNiめっき層として形成した。また、この対象品にPbレス半田によって接合する純Ni板6を用意した。この純Ni板6は、厚さ0.2mmの圧延Ni板を20mm×7mmに切断し、長手方向の先端側7mmを曲げてL字型に加工したものである。基板1は例えばセラミックス基板であり、セラミックスの材質がアルミナ、窒化Al、窒化珪素を主成分とすることが好ましい。Niめっき層3は、無電解Ni−Pめっき、無電解Ni−Bめっきまたは電解Niめっきであることが好ましい。半田レジストは、半田が不要に広がるのを防止するもので必ずしも必要ではない。また、半田レジストは、例えばインクであり、スクリーン印刷等で所定のCuパターン2の位置、そして所定の形状に印刷し、その後、紫外線や熱により硬化させることにより形成する。被接合物は純Ni板6で模式図(図1)には示されているが、例えばCu板、半導体やダイオード等の通常半田付けで表面実装するものであればかまわない。   First, a target product to which Pb-less solder was attached was prepared. As shown in FIG. 1, this target product has a Cu pattern 2 formed on the front and back surfaces of a substrate 1, a Ni plating layer 3 formed on the surface of the Cu pattern 2, and Ni plating on the center of the Cu pattern 2. A solder resist 4 having an opening through the layer 3 is provided. In the present embodiment, electroless Ni—P plating is formed as a Ni plating layer. Moreover, the pure Ni board 6 joined to this object by Pb-less solder was prepared. This pure Ni plate 6 is obtained by cutting a rolled Ni plate having a thickness of 0.2 mm into 20 mm × 7 mm and bending the tip side 7 mm in the longitudinal direction into an L shape. The substrate 1 is, for example, a ceramic substrate, and the material of the ceramic is preferably composed mainly of alumina, Al nitride, or silicon nitride. The Ni plating layer 3 is preferably electroless Ni—P plating, electroless Ni—B plating, or electrolytic Ni plating. The solder resist is not necessarily required because it prevents the solder from spreading unnecessarily. The solder resist is, for example, ink, and is formed by printing at a predetermined position of the Cu pattern 2 and a predetermined shape by screen printing or the like, and then curing by ultraviolet rays or heat. The object to be joined is a pure Ni plate 6 and is shown in the schematic diagram (FIG. 1), but may be a surface mounted by normal soldering such as a Cu plate, a semiconductor or a diode.

次に、半田レジスト4は開口部5mm×5mm、厚さ0.6mmのメタルマスクを用い、ペースト状のPbレス半田5をスクリーン印刷により塗布し、この塗布したPbレス半田5上に純Ni板6を設置した。この際、Pbレス半田5と純Ni板6との接触面積は約7×7mmとなっており、Pbレス半田の厚さは350μm程度であった。このような構成でNiめっき層3の厚さを1μm、2μm、3μm、4μm、5μmと変更したサンプルを複数準備した。なお、本実施の形態では、Pbレス半田5として96.5wt%Sn−3wt%Ag−0.5wt%Cu合金を用いたが、Snを主成分とするPbレス半田であれば他の合金を用いることも可能である。その他のPbレス半田の組成としては、例えば99.3Sn−0.7Cu、96.5Sn−3.5Ag等のSnが90wt%以上であるものが好ましい。なお、形態としてはペースト、箔、めっきや線状のものがあるが、特に限定されない。 Next, the solder resist 4 uses a metal mask having an opening 5 mm × 5 mm and a thickness of 0.6 mm, and paste-like Pb-less solder 5 is applied by screen printing, and a pure Ni plate is applied on the applied Pb-less solder 5. 6 was installed. At this time, the contact area between the Pb-less solder 5 and the pure Ni plate 6 was about 7 × 7 mm 2, and the thickness of the Pb-less solder was about 350 μm. A plurality of samples in which the thickness of the Ni plating layer 3 was changed to 1 μm, 2 μm, 3 μm, 4 μm, and 5 μm in such a configuration were prepared. In this embodiment, a 96.5 wt% Sn-3 wt% Ag-0.5 wt% Cu alloy is used as the Pb-less solder 5, but other alloys can be used as long as the Pb-less solder mainly contains Sn. It is also possible to use it. As other Pb-less solder compositions, for example, those having Sn of 90 wt% or more, such as 99.3 Sn-0.7 Cu and 96.5 Sn-3.5 Ag, are preferable. In addition, although there exist a paste, foil, plating, and a linear thing as a form, it is not specifically limited.

この後、前記複数のサンプルを半田付け炉へ投入し、275℃の温度で3分、6分、8分と保持時間を変更した半田付け処理を行った。この際の半田付け炉の雰囲気は、窒素が80%、水素が20%である。   Thereafter, the plurality of samples were put into a soldering furnace, and soldering treatment was performed at a temperature of 275 ° C. for 3 minutes, 6 minutes, and 8 minutes, and the holding time was changed. The soldering furnace atmosphere at this time is 80% nitrogen and 20% hydrogen.

次に、半田付け後のサンプルに熱処理を施した。詳細には、125℃、150℃に加熱したオーブン中へ半田付け後のサンプルを投入し、0時間(熱処理無し)、50時間、100時間、200時間、300時間保持した後に空冷した。なお、この熱処理は、125℃、150℃の温度による半田付け性(密着強度等)の経時変化を確認することを目的とする。   Next, the sample after soldering was heat-treated. Specifically, the sample after soldering was put into an oven heated to 125 ° C. and 150 ° C., and held for 0 hour (no heat treatment), 50 hours, 100 hours, 200 hours, 300 hours, and then air-cooled. The purpose of this heat treatment is to confirm a change with time in solderability (adhesion strength, etc.) due to temperatures of 125 ° C. and 150 ° C.

その後、このサンプルの半田付け面の断面観察をレーザー顕微鏡によって行い、Niめっき層の厚さを測定した。その結果を図2〜図4に示す。   Thereafter, the cross section of the soldered surface of this sample was observed with a laser microscope, and the thickness of the Ni plating layer was measured. The results are shown in FIGS.

図2は、Niめっき層の厚さ(メッキ厚)と半田付け時間との関係を示す図である。これを測定したサンプルとして経時変化を確認する熱処理を行わなかったものを用いた。
図3は、Niめっき層の厚さ(メッキ厚)と経時変化確認のための熱処理時間との関係を示す図である。これを測定したサンプルとして経時変化を確認する熱処理温度を125℃のものを用いた。
図4は、Niめっき層の厚さ(メッキ厚)と経時変化確認のための熱処理時間との関係を示す図である。これを測定したサンプルとして経時変化を確認する熱処理温度を150℃のものを用いた。図2〜図4のNiめっき層は、所定の厚さのNiめっきを施した後に、Pbレス半田等との相互拡散等により減少した残留Niめっき層の厚さであり、Niと他の元素が合金となっている場合もある。
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the thickness of the Ni plating layer (plating thickness) and the soldering time. As a sample for measuring this, a sample that was not subjected to heat treatment for confirming a change with time was used.
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the thickness of the Ni plating layer (plating thickness) and the heat treatment time for confirming the change with time. As a sample for measuring this, a sample having a heat treatment temperature of 125 ° C. for confirming a change with time was used.
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the thickness of the Ni plating layer (plating thickness) and the heat treatment time for confirming the change with time. A sample having a heat treatment temperature of 150 ° C. for confirming a change with time was used as a sample for measuring this. The Ni plating layer in FIGS. 2 to 4 is the thickness of the remaining Ni plating layer that has decreased due to mutual diffusion with Pb-less solder or the like after the Ni plating of a predetermined thickness is applied. Ni and other elements May be an alloy.

図2によれば、半田付け時間が長いほどメッキ厚は薄くなる傾向が確認された。これは、Pbレス半田中へNiめっき層のNiが拡散していると考えられる。後述するEDS分析結果からも多くのNiがPbレス半田中へ拡散していることが確認された。   According to FIG. 2, it was confirmed that the longer the soldering time, the thinner the plating thickness. This is considered that Ni of the Ni plating layer is diffused into the Pb-less solder. From the EDS analysis result described later, it was confirmed that a large amount of Ni diffused into the Pb-less solder.

図3及び図4によれば、熱処理時間が長いほどメッキ厚は若干薄くなる傾向が確認された。ただし、メッキ厚の大きな減少は認められていない。
傾向としてはNiめっき層の厚さが減少する方向であったが、減少量は非常に微量であった。熱処理時(125℃、150℃)にはNiの拡散は顕著には起こっていないと考えられる。
According to FIGS. 3 and 4, it was confirmed that the plating thickness tends to be slightly thinner as the heat treatment time is longer. However, no significant reduction in plating thickness has been observed.
The tendency was to reduce the thickness of the Ni plating layer, but the reduction amount was very small. During the heat treatment (125 ° C., 150 ° C.), it is considered that Ni does not significantly diffuse.

図2〜図4によれば、熱処理時と比較して半田付け時はNiめっき層の減少が極端に早いことが確認された。
半田付け時は半田温度が高く、また溶融しているため、Niの拡散が極端に早く進むと考えられる。Niの拡散を抑えるには、半田付け時間を短くする必要があると考えられる。
2 to 4, it was confirmed that the decrease of the Ni plating layer was extremely quick during soldering as compared with that during heat treatment.
During soldering, the temperature of the solder is high, and since it is melted, the diffusion of Ni is considered to proceed extremely rapidly. In order to suppress the diffusion of Ni, it is considered necessary to shorten the soldering time.

その後、このサンプルの半田付け面の断面の形状観察及び断面の元素のマッピング分析をSEM−EDS(走査電子顕微鏡およびそれに付帯したエネルギー分散型X線分光器)によって行った。その結果、Niめっき層の厚さが1μmで275℃の半田付け理時間が6分と8分のサンプル、及び、Niめっき層の厚さが2μmで半田付けの際の処理時間が8分のサンプルすべてについては、下記(1)〜(4)のことが確認された。
(1)半田付け面のNiめっき層の少なくとも一部が消失していること
(2)Cuパターン2のCuとNiめっき層3中のNiとPbレス半田5中のSnが相互に拡散したCu−Ni−Sn相又はCu−Ni−Sn化合物が接合部(Pbレス半田側あるいは接合面)に形成されていること
(3)Pbレス半田5にCuパターン2中のCuが拡散していること
(4)Cuパターン2にPbレス半田5を接合した後の接合面はうねりを有し、このうねりの幅が3μm以上であること。なお、接合前のうねりは断面のレーザー顕微鏡による4500倍での観察ではほとんど確認できず、1μm未満である。
(5)Ni−Sn相またはNi−Sn化合物が存在しない、または確認が困難であること
Then, the shape observation of the cross section of the soldering surface of this sample and the element mapping analysis of the cross section were performed by SEM-EDS (scanning electron microscope and energy dispersive X-ray spectrometer attached thereto). As a result, a sample with a Ni plating layer thickness of 1 μm and a soldering time of 275 ° C. of 6 minutes and 8 minutes, and a Ni plating layer thickness of 2 μm and a soldering processing time of 8 minutes The following (1) to (4) were confirmed for all the samples.
(1) At least a part of the Ni plating layer on the soldering surface has disappeared. (2) Cu in the Cu pattern 2, Ni in the Ni plating layer 3, and Sn in the Pb-less solder 5 are mutually diffused. -Ni-Sn phase or Cu-Ni-Sn compound is formed in the joint (Pb-less solder side or joint surface) (3) Cu in Cu pattern 2 is diffused in Pb-less solder 5 (4) The joint surface after joining the Pb-less solder 5 to the Cu pattern 2 has waviness, and the width of this waviness is 3 μm or more. In addition, the wave | undulation before joining can hardly be confirmed by observation of the cross section by 4500 times with the laser microscope, and is less than 1 micrometer.
(5) Ni-Sn phase or Ni-Sn compound does not exist or is difficult to confirm

図5は、Niめっき層の厚さが1μmで半田付けの際の熱処理時間が8分で経時変化を確認するための熱処理を行わなかったサンプルの半田付け面の断面観察及びマッピング分析の結果を示す図である。図5に示すように、このサンプルにおいて上記(1)〜(5)のことが確認された。   FIG. 5 shows the results of cross-sectional observation and mapping analysis of the soldered surface of a sample that was not subjected to heat treatment for confirming the change with time when the thickness of the Ni plating layer was 1 μm and the heat treatment time during soldering was 8 minutes. FIG. As shown in FIG. 5, the above (1) to (5) were confirmed in this sample.

図6は、Niめっき層の厚さが5μmで半田付けの際の熱処理時間が8分で経時変化を確認するための熱処理を行わなかったサンプルの半田付け面の断面観察及びマッピング分析の結果を示す図である。図6に示すように、このサンプルにおいては、半田付け面のNiめっき層が約3.0μm残されていることが確認され、Niめっき層3の近傍にNi−Sn層が確認されたが、上記(1)〜(5)のことは確認されなかった。   FIG. 6 shows the results of the cross-sectional observation and mapping analysis of the soldered surface of the sample that was not subjected to the heat treatment for confirming the change over time when the thickness of the Ni plating layer was 5 μm and the heat treatment time for soldering was 8 minutes. FIG. As shown in FIG. 6, in this sample, it was confirmed that the Ni plating layer on the soldering surface was left about 3.0 μm, and a Ni—Sn layer was confirmed in the vicinity of the Ni plating layer 3. The above (1) to (5) were not confirmed.

この後、前記熱処理後のサンプルのピール強度を測定する。詳細には、サンプルを引張試験機にてCuパターン及び基板を拘束し、純Ni板6の一端を引っ張ることでPbレス半田5がNiメッキされたCuパターン2から剥離する荷重を測定する。純Ni板6の半田接合部は、引張部に対してほぼ90°であるため、90°ピール試験を行うことになる。
次にこの測定後のサンプルの剥離位置(剥離モード)を観察した。
Thereafter, the peel strength of the sample after the heat treatment is measured. Specifically, the Cu pattern and the substrate are restrained by a tensile tester, and the load at which the Pb-less solder 5 is peeled from the Ni-plated Cu pattern 2 is measured by pulling one end of the pure Ni plate 6. Since the solder joint portion of the pure Ni plate 6 is approximately 90 ° with respect to the tensile portion, a 90 ° peel test is performed.
Next, the peeling position (peeling mode) of the sample after this measurement was observed.

上記の試験結果(ピール強度及び剥離位置)を表1及び表2に示している。表1は、経時変化を確認する熱処理温度が125℃のサンプルの試験結果を示しており、表2は、経時変化を確認する熱処理温度が150℃のサンプルの試験結果を示している。なお、表1、表2で示す剥離位置を「Niメッキ」と示しているのは、端子側の剥離面の全面にNiめっき層3が半田により引き剥がされくっついており、サンプル(基板側)のNiめっきが剥離し、Cuパターンが露出していた場合を意味し、前記剥離位置を「端子」と示しているのは、サンプル(基板側)の剥離面には半田が残っており、端子と半田の間で剥がれた場合を意味し、前記剥離位置を「端子+メッキ」と示しているのは、サンプル(基板側)の剥離面の一部にNiめっき層3が残され、他の部分にCuパターン2が露出していた前記「Niメッキ」と「端子」のモードが混在する場合を意味する。   The test results (peel strength and peel position) are shown in Tables 1 and 2. Table 1 shows the test result of the sample whose heat treatment temperature for confirming the change with time is 125 ° C., and Table 2 shows the test result of the sample whose heat treatment temperature for checking the change with time is 150 ° C. Note that the peeling position shown in Tables 1 and 2 is indicated as “Ni plating” because the Ni plating layer 3 is peeled off by solder on the entire peeling surface on the terminal side, and the sample (substrate side) This means the case where the Ni plating is peeled off and the Cu pattern is exposed, and the peeling position is indicated as “terminal” because the solder remains on the peeling surface of the sample (substrate side). This means that the peeling position is “terminal + plating” because the Ni plating layer 3 is left on a part of the peeling surface of the sample (substrate side), This means that the “Ni plating” and “terminal” modes in which the Cu pattern 2 is exposed are mixed.

表1及び表2に示すように、ピール強度測定結果から以下のことが確認された。
前述した(1)〜(4)のことが確認されたサンプル、即ち、Niめっき層の厚さが1μmで半田付けの際の熱処理時間が6分と8分のサンプル、及び、Niめっき層の厚さが2μmで半田付けの際の熱処理時間が8分のサンプルについては、ピール強度が比較的高く、剥離位置が「端子」の傾向にあった。ピール強度が高いことは、Pbレス半田とCuパターンとの接合強度が高いことを意味し、剥離位置が「端子」であることは、概してPbレス半田による半田付けの信頼性が高いことを意味する。また、Niめっき層の厚さが1μmで半田付け処理時間が8分のとき前記(1)〜(5)のことが確認され特に好ましい。
As shown in Tables 1 and 2, the following was confirmed from the peel strength measurement results.
Samples in which the above (1) to (4) are confirmed, that is, samples having a Ni plating layer thickness of 1 μm and heat treatment times of 6 minutes and 8 minutes during soldering, and of the Ni plating layer A sample having a thickness of 2 μm and a heat treatment time of 8 minutes at the time of soldering had a relatively high peel strength and the peeling position tended to be “terminal”. A high peel strength means that the bonding strength between the Pb-less solder and the Cu pattern is high, and that the peeling position is “terminal” generally means that the soldering reliability by the Pb-less solder is high. To do. Further, when the thickness of the Ni plating layer is 1 μm and the soldering processing time is 8 minutes, the above (1) to (5) are confirmed and particularly preferable.

本発明のPbレス半田の密着強度の向上のメカニズムについて以下の通り推察する。   The mechanism for improving the adhesion strength of the Pb-less solder of the present invention is presumed as follows.

表3にSEM−EDSによるサンプルの断面観察結果と、端子のピール(引き剥がし)強度測定値及び剥離モードの結果をまとめた。   Table 3 summarizes the results of cross-sectional observation of the sample by SEM-EDS, measured values of the peel (peeling) strength of the terminal, and peeling mode.

表3中の実施例、比較例、参考例は、表2に記載のサンプルから抽出して、Pbレス半田とNiめっきを介したCuパターンの接合断面を観察したものである。
すなわちCuパターン上に1〜5μmの無電解Ni−Pめっきを施したものの表面に、Ni端子をPbレス半田(97wt%Sn−2wt%Ag−1wt%Cu)を介して275℃で所定の時間半田付けしたもので、さらには、所定の温度で所定時間熱処理を実施したときのサンプルの断面を切断し、SEM−EDSで元素のマッピングを行い、どのような相または化合物ができているか、また接合界面のうねりの大きさを測定し、まとめたものである。また、参考のためピール試験によるピール強度と剥離モードも列記した。
The examples, comparative examples, and reference examples in Table 3 were extracted from the samples listed in Table 2, and the bonding cross section of the Cu pattern via Pb-less solder and Ni plating was observed.
In other words, a Ni terminal is placed on the surface of an electroless Ni—P plated layer of 1 to 5 μm on a Cu pattern at a temperature of 275 ° C. for a predetermined time via Pb-less solder (97 wt% Sn-2 wt% Ag-1 wt% Cu). In addition to soldering, the section of the sample when the heat treatment is performed for a predetermined time at a predetermined temperature is cut, element mapping is performed by SEM-EDS, and what phase or compound is formed, This is a summary of measurements of the size of the waviness at the joint interface. For reference, the peel strength and peel mode from the peel test are also listed.

表3より、実施例1はNiめっき厚が1μmであって、275℃の半田付け処理時間が8分、熱処理なしのサンプルである。
半田付け後はNiめっき層の残留は確認できず、元のNiめっき層付近のCuパターンのCu相とPbレス半田側の界面(接合面とする)は3μm以上のうねりを有していた。また、Pbレス半田側にはSn相、Cu−Ni−Sn相またはCu−Ni−Sn化合物、Cu−Sn相またはCu−Sn化合物が確認できた。ピール試験による密着強度は101.9N/cm、剥離モードは「端子」であった。
From Table 3, Example 1 is a sample with a Ni plating thickness of 1 μm, a soldering treatment time of 275 ° C. for 8 minutes, and no heat treatment.
After soldering, no Ni plating layer remained, and the Cu phase of the Cu pattern near the original Ni plating layer and the Pb-less solder side interface (joint surface) had undulations of 3 μm or more. In addition, Sn phase, Cu-Ni-Sn phase or Cu-Ni-Sn compound, Cu-Sn phase or Cu-Sn compound could be confirmed on the Pb-less solder side. The adhesion strength according to the peel test was 101.9 N / cm, and the peeling mode was “terminal”.

比較例1はNiめっき厚が1μmであって、275℃の半田付け処理時間が3分、熱処理温度150℃×熱処理時間300時間のサンプルである。
半田付け後はNiめっき層が約0.4μmの厚さでわずかに残留しており、CuパターンのCu相とNiめっき層の界面(接合界面とする)は2μm程度のうねりを有していた。また、Pbレス半田側にはSn相、Cu−Sn相またはCu−Sn化合物確認できた。また、接合面のNiめっき層が残留しており、EDSによるとNi−Sn層となっていることがわかった。ピール試験による密着強度は19.6N/cm、剥離モードは「Niめっき」であった。
Comparative Example 1 is a sample having a Ni plating thickness of 1 μm, a soldering treatment time of 275 ° C. for 3 minutes, a heat treatment temperature of 150 ° C. and a heat treatment time of 300 hours.
After soldering, the Ni plating layer remained slightly with a thickness of about 0.4 μm, and the interface between the Cu phase of the Cu pattern and the Ni plating layer (to be used as the bonding interface) had a swell of about 2 μm. . Further, Sn phase, Cu—Sn phase or Cu—Sn compound could be confirmed on the Pb-less solder side. Moreover, the Ni plating layer of the joint surface remained, and it turned out that it became a Ni-Sn layer according to EDS. The adhesion strength according to the peel test was 19.6 N / cm, and the peeling mode was “Ni plating”.

実施例2はNiめっき厚が1μmであって、275℃の半田付け処理時間が8分、熱処理温度150℃×熱処理時間300時間のサンプルである。
半田付け後はNiめっき層の残留は確認できず、元のNiめっき層付近のCuパターンのCu相とPbレス半田側の界面(接合界面とする)は5μm以上のうねりを有していた。また、Pbレス半田側にはSn相、Cu−Ni−Sn相またはCu−Ni−Sn化合物、Cu−Sn相またはCu−Sn化合物が確認できた。また元のNiめっき層(接合部)付近に、Cu−Ni−Sn相またはCu−Ni−Sn化合物、Cu−Ni相またはCu−Ni化合物が確認された。ピール試験による密着強度は51.0N/cm、剥離モードは「端子+Niめっき」であった。
Example 2 is a sample having a Ni plating thickness of 1 μm, a soldering treatment time of 275 ° C. for 8 minutes, a heat treatment temperature of 150 ° C. and a heat treatment time of 300 hours.
After the soldering, no Ni plating layer remained, and the Cu phase of the Cu pattern in the vicinity of the original Ni plating layer and the interface on the Pb-less solder side (referred to as the bonding interface) had undulations of 5 μm or more. In addition, Sn phase, Cu-Ni-Sn phase or Cu-Ni-Sn compound, Cu-Sn phase or Cu-Sn compound could be confirmed on the Pb-less solder side. In addition, a Cu—Ni—Sn phase or Cu—Ni—Sn compound, a Cu—Ni phase or a Cu—Ni compound was confirmed in the vicinity of the original Ni plating layer (joint portion). The adhesion strength according to the peel test was 51.0 N / cm, and the peeling mode was “terminal + Ni plating”.

比較例2はNiめっき厚が3μmであって、275℃の半田付け処理時間が3分、熱処理温度150℃×熱処理時間300時間のサンプルである。
半田付け後はNiめっき層が約1.1μmの厚さで残留しており、EDSによるとその層はNi−Sn相またはNi−Sn化合物であった。また、CuパターンのCu相とNiめっき層の界面(接合界面とする)はうねりがなかった。
また、Pbレス半田側にはSn相、Cu−Ni−Sn相またはCu−Ni−Sn化合物、およびNi−Sn相またはNi−Sn化合物の確認ができた。
ピール試験による密着強度は17.6N/cm、剥離モードは「Niめっき」であった。
Comparative Example 2 is a sample having a Ni plating thickness of 3 μm, a soldering treatment time of 275 ° C. for 3 minutes, a heat treatment temperature of 150 ° C. and a heat treatment time of 300 hours.
After soldering, a Ni plating layer remained with a thickness of about 1.1 μm, and according to EDS, the layer was a Ni—Sn phase or a Ni—Sn compound. In addition, the interface between the Cu phase of the Cu pattern and the Ni plating layer (the bonding interface) did not swell.
Further, Sn phase, Cu—Ni—Sn phase or Cu—Ni—Sn compound, and Ni—Sn phase or Ni—Sn compound were confirmed on the Pb-less solder side.
The adhesion strength according to the peel test was 17.6 N / cm, and the peeling mode was “Ni plating”.

参考例1はNiめっき厚が3μmであって、275℃の半田付け処理時間が8分、熱処理温度150℃×熱処理時間300時間のサンプルである。
半田付け後はNiめっき層が約0.9μmの厚さで残留しており、EDSによるとその層はNi−Sn相またはNi−Sn化合物とCu−Ni−Sn相またはCu−Ni−Sn化合物からなっていた。また、CuパターンのCu相とNiめっき層の界面(接合界面とする)は1.5μm程度のうねりがあった。
また、Pbレス半田側にはSn相、Cu−Ni−Sn相またはCu−Ni−Sn化合物、およびNi−Sn相またはNi−Sn化合物の確認ができた。
ピール試験による密着強度は100.0N/cm、剥離モードは「端子」であった。
Reference Example 1 is a sample having a Ni plating thickness of 3 μm, a soldering treatment time of 275 ° C. for 8 minutes, a heat treatment temperature of 150 ° C. and a heat treatment time of 300 hours.
After soldering, the Ni plating layer remains with a thickness of about 0.9 μm, and according to EDS, the layer is a Ni—Sn phase or Ni—Sn compound and a Cu—Ni—Sn phase or Cu—Ni—Sn compound. It was made up of. Further, the interface between the Cu phase of the Cu pattern and the Ni plating layer (referred to as the bonding interface) had a wave of about 1.5 μm.
Further, Sn phase, Cu—Ni—Sn phase or Cu—Ni—Sn compound, and Ni—Sn phase or Ni—Sn compound were confirmed on the Pb-less solder side.
The adhesion strength according to the peel test was 100.0 N / cm, and the peeling mode was “terminal”.

参考例2はNiめっき厚が4μmであって、275℃の半田付け処理時間が3分、熱処理温度150℃×熱処理時間300時間のサンプルである。
半田付け後はNiめっき層が約2.0μmの厚さで残留しており、EDSによるとその層はNi−Sn相またはNi−Sn化合物とNi相からなっていた。また、CuパターンのCu相とNiめっき層の界面(接合界面とする)はうねりがなかった。
また、Pbレス半田側にはSn相、Ni−Sn相またはNi−Sn化合物の確認ができた。
ピール試験による密着強度は101.9N/cm、剥離モードは「端子」であった。
Reference Example 2 is a sample having a Ni plating thickness of 4 μm, a soldering treatment time of 275 ° C. for 3 minutes, a heat treatment temperature of 150 ° C. and a heat treatment time of 300 hours.
After soldering, the Ni plating layer remained with a thickness of about 2.0 μm, and according to EDS, the layer consisted of a Ni—Sn phase or a Ni—Sn compound and a Ni phase. In addition, the interface between the Cu phase of the Cu pattern and the Ni plating layer (the bonding interface) did not swell.
Further, Sn phase, Ni—Sn phase or Ni—Sn compound could be confirmed on the Pb-less solder side.
The adhesion strength according to the peel test was 101.9 N / cm, and the peeling mode was “terminal”.

参考例3はNiめっき厚が4μmであって、275℃の半田付け処理時間が8分、熱処理温度150℃×熱処理時間300時間のサンプルである。
半田付け後はNiめっき層が約1.5μmの厚さで残留しており、EDSによるとその層はNi−Sn相またはNi−Sn化合物とNi相からなっていた。また、CuパターンのCu相とNiめっき層の界面(接合界面とする)は1.0μm程度のうねりがあった。
また、Pbレス半田側にはSn相、Cu−Ni−Sn相またはCu−Ni−Sn化合物が確認された。
ピール試験による密着強度は64.7N/cm、剥離モードは「Niめっき」であった。
Reference Example 3 is a sample having a Ni plating thickness of 4 μm, a soldering treatment time of 275 ° C. for 8 minutes, a heat treatment temperature of 150 ° C. and a heat treatment time of 300 hours.
After soldering, the Ni plating layer remained with a thickness of about 1.5 μm, and according to EDS, the layer consisted of Ni—Sn phase or Ni—Sn compound and Ni phase. The interface between the Cu phase of the Cu pattern and the Ni plating layer (referred to as the bonding interface) had a undulation of about 1.0 μm.
Further, Sn phase, Cu—Ni—Sn phase or Cu—Ni—Sn compound was confirmed on the Pb-less solder side.
The adhesion strength according to the peel test was 64.7 N / cm, and the peeling mode was “Ni plating”.

参考例4はNiめっき厚が5μmであって、275℃の半田付け処理時間が3分、熱処理温度150℃×熱処理時間300時間のサンプルである。
半田付け後はNiめっき層が約2.5μmの厚さで残留しており、EDSによるとその層はNi−Sn相またはNi−Sn化合物とNi相からなっていた。また、CuパターンのCu相とNiめっき層の界面(接合界面とする)はうねりがなかった。
また、Pbレス半田側にはSn相、Ni−Sn相またはNi−Sn化合物が確認された。
ピール試験による密着強度は90.2N/cm、剥離モードは「端子」であった。
Reference Example 4 is a sample having a Ni plating thickness of 5 μm, a soldering treatment time of 275 ° C. for 3 minutes, a heat treatment temperature of 150 ° C. and a heat treatment time of 300 hours.
After soldering, the Ni plating layer remained with a thickness of about 2.5 μm, and according to EDS, the layer consisted of a Ni—Sn phase or a Ni—Sn compound and a Ni phase. In addition, the interface between the Cu phase of the Cu pattern and the Ni plating layer (the bonding interface) did not swell.
In addition, Sn phase, Ni—Sn phase or Ni—Sn compound was confirmed on the Pb-less solder side.
The adhesion strength according to the peel test was 90.2 N / cm, and the peeling mode was “terminal”.

参考例5はNiめっき厚が5μmであって、275℃の半田付け処理時間が8分、熱処理温度150℃×熱処理時間300時間のサンプルである。
半田付け後はNiめっき層が約2.0μmの厚さで残留しており、EDSによるとその層はNi−Sn相またはNi−Sn化合物とNi相からなっていた。また、CuパターンのCu相とNiめっき層の界面(接合界面とする)は0.5μm程度のうねりがあった。
また、Pbレス半田側にはSn相、Ni−Sn相またはNi−Sn化合物が確認された。
ピール試験による密着強度は66.6N/cm、剥離モードは「Niめっき」であった。
Reference Example 5 is a sample having a Ni plating thickness of 5 μm, a soldering treatment time of 275 ° C. for 8 minutes, a heat treatment temperature of 150 ° C. and a heat treatment time of 300 hours.
After soldering, the Ni plating layer remained with a thickness of about 2.0 μm, and according to EDS, the layer consisted of a Ni—Sn phase or a Ni—Sn compound and a Ni phase. The interface between the Cu phase of the Cu pattern and the Ni plating layer (referred to as the bonding interface) had a swell of about 0.5 μm.
In addition, Sn phase, Ni—Sn phase or Ni—Sn compound was confirmed on the Pb-less solder side.
The adhesion strength according to the peel test was 66.6 N / cm, and the peeling mode was “Ni plating”.

参考例6はNiめっき厚が5μmであって、275℃の半田付け処理時間が8分、熱処理なしのサンプルである。
半田付け後はNiめっき層が約2.3μmの厚さで残留しており、EDSによるとその層はNi−Sn相またはNi−Sn化合物とNi相からなっていた。また、CuパターンのCu相とNiめっき層の界面(接合界面とする)は1.0μm程度のうねりがあった。
また、Pbレス半田側にはSn相、Ni−Sn相またはNi−Sn化合物が確認された。
ピール試験による密着強度は86.2N/cm、剥離モードは「端子」であった。
Reference Example 6 is a sample having a Ni plating thickness of 5 μm, a soldering treatment time of 275 ° C. for 8 minutes, and no heat treatment.
After soldering, the Ni plating layer remained with a thickness of about 2.3 μm. According to EDS, the layer was composed of a Ni—Sn phase or a Ni—Sn compound and a Ni phase. The interface between the Cu phase of the Cu pattern and the Ni plating layer (referred to as the bonding interface) had a undulation of about 1.0 μm.
In addition, Sn phase, Ni—Sn phase or Ni—Sn compound was confirmed on the Pb-less solder side.
The adhesion strength according to the peel test was 86.2 N / cm, and the peeling mode was “terminal”.

以上が表3の実施例、比較例、参考例のSEM−EDSによる断面分析結果である。
なお、上述のNiの存在する場所には常にPが存在しており、Niの存在している場所とPの存在している場所は一致していたが、上述では便宜上省略した。
The above is the cross-sectional analysis result by SEM-EDS of the Example of Table 3, a comparative example, and a reference example.
Note that P is always present at the location where Ni is present, and the location where Ni is present coincides with the location where P is present.

さらに、表3の比較例1について、ピール強度試験を終えた後のNi端子の接合界面(破断面)について同様にSEM−EDSにより元素分析を行ったところ、Ni、Sn、Pが検出された(図示しない)。   Further, for Comparative Example 1 in Table 3, elemental analysis was similarly performed by SEM-EDS on the joint interface (fracture surface) of the Ni terminal after the peel strength test was completed, and Ni, Sn, and P were detected. (Not shown).

以上、表3の接合断面観察および破断面の観察により、Niめっきの密着性を劣化させるメカニズムは以下のように推察される。   As described above, the mechanism for deteriorating the adhesion of Ni plating is inferred from the observation of the bonding cross section and the fracture surface in Table 3 as follows.

まず、半田付け処理などの熱処理により、Ni−Sn相のまたはNi−Sn化合物が、NiめっきとPbレス半田の界面付近、そしてPbレス半田中に形成される。
Ni−Sn相またはNi−Sn化合物は、さらに熱を加えることによりNiとSnの拡散が進んでその量が増大し、元のNiめっき層が薄くなっていく。このとき、Ni相が薄くなりすぎると急速に密着強度が低下することが推測される。
すなわち、Ni−Sn相またはNi−Sn化合物の生成・存在が密着強度劣化の1つの大きな要因であると考えられる。これは、破断面の観察によりNi、Sn、Pの元素が確認されていること、比較例1、比較例2において元のNiめっき層付近にNi−Sn相またはNi−Sn化合物が確認されていることから裏付けられる。
First, a Ni—Sn phase or Ni—Sn compound is formed near the interface between the Ni plating and the Pb-less solder and in the Pb-less solder by a heat treatment such as a soldering process.
When the Ni—Sn phase or Ni—Sn compound is further heated, the diffusion of Ni and Sn proceeds to increase the amount thereof, and the original Ni plating layer becomes thinner. At this time, if the Ni phase becomes too thin, it is estimated that the adhesion strength rapidly decreases.
That is, it can be considered that the formation and presence of a Ni—Sn phase or a Ni—Sn compound is one major factor in the deterioration of adhesion strength. This is because the elements of Ni, Sn, and P are confirmed by observation of the fracture surface, and the Ni—Sn phase or Ni—Sn compound is confirmed near the original Ni plating layer in Comparative Example 1 and Comparative Example 2. It is supported by being.

そこで、参考例2〜6のように、ある程度元のNiめっき層の厚さを予め厚くしておくと、接合面にNi相が存在し、半田付けの密着強度の低下を防止できる。これが、従来、そして現状のめっきの密着強度の劣化防止対策であり、効果をあげている。   Therefore, as in Reference Examples 2 to 6, if the thickness of the original Ni plating layer is increased to some extent in advance, a Ni phase is present on the bonding surface, and a decrease in soldering adhesion strength can be prevented. This is a measure for preventing the deterioration of the adhesion strength of the conventional and current plating, and is effective.

さらに、参考例2〜6を詳しくみてみると、半田付け処理で付与された熱量の大きい参考例3、5においては、密着強度(ピール強度)は50N/cm以上で良好であるものの、剥離モードが「Niめっき」である。このことは、もし熱処理(熱量)がさらに加わるとNi−Sn相またはNi−Sn化合物がNi相を薄くし、いずれ密着強度の劣化を招くといったことが予測される。この剥離モードが「端子」から「Niメッキ」になっていることがその兆候であると考えられる。   Further, in detail in Reference Examples 2 to 6, in Reference Examples 3 and 5 having a large amount of heat applied by the soldering process, the adhesion strength (peel strength) is good at 50 N / cm or more, but the peeling mode. Is “Ni plating”. This is predicted that if heat treatment (amount of heat) is further applied, the Ni-Sn phase or Ni-Sn compound will make the Ni phase thinner and eventually cause deterioration in adhesion strength. It is considered that this peeling mode is changed from “terminal” to “Ni plating”.

一方、本発明である実施例1、2は、前記のNiめっきの厚さを厚くしてNiめっき層が反応によって薄くなるのを防止し、Niめっき相を残留させようとする方法とは全く異なる。   On the other hand, Examples 1 and 2 according to the present invention are completely different from the method of increasing the thickness of the Ni plating to prevent the Ni plating layer from being thinned by reaction, and leaving the Ni plating phase to remain. Different.

本発明はむしろNiめっき相は薄くしておき、Niめっき層の少なくとも1部を消失させ、そして、拡散によりNi−Sn相またはNi−Sn化合物が、Cu−Ni−Sn相またはCu−Ni−Sn化合物になるまで、熱を加えることによる。
すなわち、従来のようにNiめっきを残留させてバリア層として作用させるのではなく、Niめっき層を消失させ、密着性低下の要因と考えられるNi−Sn相またはNi−Sn化合物を一端生成させることになると考えられるが、さらに熱を加えることでCu−Ni−Sn相またはCu−Ni−Sn化合物になるまで反応を進めるのである。このことで、密着強度の劣化は抑えられることがわかった。表3の実施例1、2の結果がそれを裏付けていると考えられる。
In the present invention, the Ni plating phase is rather thinned, at least a part of the Ni plating layer disappears, and the Ni—Sn phase or Ni—Sn compound is diffused into the Cu—Ni—Sn phase or Cu—Ni— by diffusion. By applying heat until Sn compounds are obtained.
That is, the Ni plating layer is not allowed to remain and act as a barrier layer as in the prior art, but the Ni plating layer disappears and a Ni—Sn phase or a Ni—Sn compound, which is considered to be a cause of a decrease in adhesion, is once generated. However, the reaction is continued until a Cu—Ni—Sn phase or Cu—Ni—Sn compound is obtained by further applying heat. This proved that the deterioration of the adhesion strength can be suppressed. The results of Examples 1 and 2 in Table 3 are thought to support this.

本発明は、従来の半田付け処理条件の2〜3倍の熱量を与えることで、上記反応が進み、且つ一旦低下した密着強度が再び高い密着強度を持つことを見出し、本発明の完成にいたった。   The present invention has found that the above reaction proceeds by applying a heat quantity two to three times that of conventional soldering processing conditions, and that once the adhesion strength has been lowered, the adhesion strength once again has high adhesion strength. It was.

また、反応が適当に進んでいることの指標として、さらにCu−Sn相またはCu−Sn化合物が存在すること、接合界面のうねりが3μm以上とすることが好ましい。   In addition, as an indicator that the reaction is proceeding appropriately, it is preferable that a Cu—Sn phase or a Cu—Sn compound is further present, and the undulation of the bonding interface is 3 μm or more.

なお、うねりとは、接合基板の断面を観察したときのCuパターンのCu相と他の相(NiあるいはPbレス半田など)との界面が波打っているときの上下の幅を指す。
接合前のCuパターンの表面の粗さは0.1μm以下であり、また基板にCuパターンを接合した後のCu板はSEM(走査型電子顕微鏡)で断面を5000倍に拡大した程度では、表面にうねりとして測定できる程のものは認められなかった。
The waviness refers to the upper and lower widths when the interface between the Cu phase of the Cu pattern and another phase (Ni or Pb-less solder or the like) is undulated when the cross section of the bonded substrate is observed.
The roughness of the surface of the Cu pattern before bonding is 0.1 μm or less, and the Cu plate after bonding the Cu pattern to the substrate has a surface enlarged to the extent of 5,000 times the cross section by SEM (scanning electron microscope). Nothing was observed that could be measured as waviness.

なおNiめっきなしでは、酸化などのCuまたはCu合金のパターンの経時変化が防止できず、さらに、Cu−Ni−Sn相またはCu−Ni−Sn化合物の強度の高い部分を形成することができないので、施すNiめっき厚さの下限は0.3μmが好ましく、さらには0.5μm以上が好ましい。   Without Ni plating, changes in Cu or Cu alloy pattern over time such as oxidation cannot be prevented, and furthermore, a high strength portion of the Cu—Ni—Sn phase or Cu—Ni—Sn compound cannot be formed. The lower limit of the Ni plating thickness to be applied is preferably 0.3 μm, more preferably 0.5 μm or more.

また、Niめっきを施すコストおよびNiめっきの応力の基板に対する影響を考慮すると、上限は3μm程度が妥当であり、より好ましくは2.5μmである。
すなわちNiめっきを0.3〜3μm、好ましくは0.5〜2.5μmの範囲に施した後、半田付け処理などの熱処理により、Niめっき層の少なくとも一部を消失させることが好ましい。
Further, considering the cost of Ni plating and the influence of Ni plating stress on the substrate, the upper limit is about 3 μm, and more preferably 2.5 μm.
That is, after Ni plating is performed in a range of 0.3 to 3 μm, preferably 0.5 to 2.5 μm, at least a part of the Ni plating layer is preferably lost by a heat treatment such as a soldering process.

なお、SEM−EDSによれば、例えばNi−Sn相とNi−Sn化合物の区別が困難であるため、Ni−Sn相またはNi−Sn化合物としているが、従来の文献や熱力学的に考えると、Ni−Sn化合物としても問題ない。   Note that, according to SEM-EDS, for example, it is difficult to distinguish between a Ni—Sn phase and a Ni—Sn compound, so that the Ni—Sn phase or Ni—Sn compound is used. There is no problem as a Ni-Sn compound.

以上の試験結果から、Niめっき層の厚さに対して半田付け時の加熱量を大きくすることによりNiめっき層を消失させることができ、それにより、Cuパターン2とPbレス半田5との接合強度を高めることができ、Pbレス半田による半田付けの信頼性が向上することが確認できた。また、125℃、150℃の温度で経時変化を確認する熱処理を施しても、Cuパターン2とPbレス半田5との接合強度及び半田付けの信頼性が共に低下しないことが確認できた。   From the above test results, the Ni plating layer can be eliminated by increasing the amount of heating at the time of soldering relative to the thickness of the Ni plating layer, thereby joining the Cu pattern 2 and the Pb-less solder 5. It was confirmed that the strength could be increased and the reliability of soldering with Pb-less solder was improved. Further, it was confirmed that even when heat treatment for confirming the change with time at temperatures of 125 ° C. and 150 ° C. was performed, both the bonding strength between the Cu pattern 2 and the Pb-less solder 5 and the reliability of soldering did not decrease.

また、Cuパターン2のCuとNiめっき層3中のNiとPbレス半田5中のSnが相互に拡散したCu−Ni−Sn相又はCu−Ni−Sn化合物が半田付け面に形成されることにより、Cuパターン2とPbレス半田5との接合強度を高めることができることが確認できた。
また、Pbレス半田5にCuパターン2中のCuが拡散することにより、Cuパターン2とPbレス半田5との接合強度を高めることができることが確認できた。
また、Cuパターン2にPbレス半田5を接合した後の接合面はうねりを有し、このうねりの幅が3μm以上であることにより、Cuパターン2とPbレス半田5との接合強度を高めることができることが確認できた。
In addition, a Cu—Ni—Sn phase or Cu—Ni—Sn compound in which Cu in the Cu pattern 2, Ni in the Ni plating layer 3, and Sn in the Pb-less solder 5 diffuse each other is formed on the soldering surface. Thus, it was confirmed that the bonding strength between the Cu pattern 2 and the Pb-less solder 5 can be increased.
It was also confirmed that the bonding strength between the Cu pattern 2 and the Pb-less solder 5 can be increased by diffusing Cu in the Cu pattern 2 into the Pb-less solder 5.
Further, the bonding surface after bonding the Pb-less solder 5 to the Cu pattern 2 has waviness, and the width of the waviness is 3 μm or more, thereby increasing the bonding strength between the Cu pattern 2 and the Pb-less solder 5. I was able to confirm.

従来は、Niめっき層をバリアとして機能させることにより、SnのCuパターンへの拡散を防止し、それにより半田とCuパターンとの接合強度を高く維持していた。このため、半田付け温度が高くなるPbレス半田を用いる場合は、その半田付け温度及び時間に応じてNiめっき層を厚く形成する必要があった。しかしながら、本実施の形態では、Niめっき層を消失させることにより接合強度及び信頼性を向上させることができるため、Niめっき層を薄く形成することが可能となる。   Conventionally, by causing the Ni plating layer to function as a barrier, diffusion of Sn into the Cu pattern was prevented, thereby maintaining a high bonding strength between the solder and the Cu pattern. For this reason, when using Pb-less solder that increases the soldering temperature, it is necessary to form a thick Ni plating layer according to the soldering temperature and time. However, in this embodiment, since the bonding strength and reliability can be improved by eliminating the Ni plating layer, the Ni plating layer can be formed thin.

Niめっき層3の厚さは、半田付け時の加熱量によるが、半田付け時の加熱温度が275℃で6分以上であれば1μm以下とすることが可能となり、また、半田付け時の加熱温度が275℃で8分以上であれば2μm以下とすることが可能となる。   The thickness of the Ni plating layer 3 depends on the amount of heating at the time of soldering, but if the heating temperature at the time of soldering is 275 ° C. for 6 minutes or more, it can be 1 μm or less, and the heating at the time of soldering If the temperature is 275 ° C. for 8 minutes or longer, it can be made 2 μm or less.

尚、本発明は上記実施の形態及び上記実施例に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。   In addition, this invention is not limited to the said embodiment and said Example, A various change can be implemented within the range which does not deviate from the main point of this invention.

本発明の実施の形態によるPbレス半田の半田付け方法を説明するための模式的な断面図である。It is typical sectional drawing for demonstrating the soldering method of the Pb-less solder by embodiment of this invention. Niめっき層の厚さ(メッキ厚)と半田付け時間との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the thickness (plating thickness) of Ni plating layer, and soldering time. Niめっき層の厚さ(メッキ厚)と経時変化確認のための熱処理時間との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the thickness (plating thickness) of Ni plating layer, and the heat processing time for time-dependent confirmation. Niめっき層の厚さ(メッキ厚)と経時変化確認のための熱処理時間との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the thickness (plating thickness) of Ni plating layer, and the heat processing time for time-dependent confirmation. Niめっき層の厚さが1μmのサンプルの断面マッピング分析の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the cross-sectional mapping analysis of the sample whose thickness of Ni plating layer is 1 micrometer. Niめっき層の厚さが5μmのサンプルの断面マッピング分析の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the cross-sectional mapping analysis of the sample whose thickness of Ni plating layer is 5 micrometers.

符号の説明Explanation of symbols

1…基板
2…Cuパターン
3…Niめっき層
4…半田レジスト
5…Pbレス半田
6…純Ni板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Board | substrate 2 ... Cu pattern 3 ... Ni plating layer 4 ... Solder resist 5 ... Pb-less solder 6 ... Pure Ni board

Claims (9)

Cu又はCu合金からなるパターンにNiめっき層を形成する工程と、
前記パターンに前記Niめっき層と接するSnを主成分とするPbレス半田を配置し、半田付け処理する工程と、
を具備し、
前記半田付け処理する工程により、前記Niめっき層の少なくとも一部を消失させて前記パターンに前記Pbレス半田を接合することを特徴とするPbレス半田の半田付け方法。
Forming a Ni plating layer on a pattern made of Cu or Cu alloy;
Placing a Pb-less solder containing Sn as a main component in contact with the Ni plating layer on the pattern, and performing a soldering process;
Comprising
A soldering method of Pb-less solder, wherein at least a part of the Ni plating layer is eliminated by the soldering process and the Pb-less solder is joined to the pattern.
請求項1において、前記Pbレス半田を前記パターンに接合した接合部に、前記パターン中のCuと前記Niめっき層中のNiと前記Pbレス半田中のSnが相互に拡散して生成したCu−Ni−Sn相又はCu−Ni−Sn化合物をさらに具備することを特徴とするPbレス半田の半田付け方法。   In Claim 1, Cu- which produced | generated by the Cu in the said pattern, Ni in the said Ni plating layer, and Sn in the said Pb-less solder mutually diffuse | diffused in the junction part which joined the said Pb-less solder to the said pattern. A soldering method for Pb-less solder, further comprising a Ni—Sn phase or a Cu—Ni—Sn compound. 請求項1又は2において、前記半田付け処理する工程により、前記Pbレス半田に前記パターン中のCuが拡散することを特徴とするPbレス半田の半田付け方法。   3. The soldering method for Pb-less solder according to claim 1, wherein Cu in the pattern diffuses into the Pb-less solder by the soldering process. 請求項1乃至3のいずれか一項において、前記パターンに前記Pbレス半田を接合した後の接合面はうねりを有し、前記うねりの幅が3μm以上であることを特徴とするPbレス半田の半田付け方法。   4. The Pb-less solder according to claim 1, wherein a bonding surface after the Pb-less solder is bonded to the pattern has a undulation, and the width of the undulation is 3 μm or more. 5. Soldering method. 請求項1乃至4のいずれか一項において、前記Niめっき層が無電解Ni−Pめっき又は無電解Ni−Bめっきからなる無電解Niめっき合金層又は電解Niめっき層であることを特徴とするPbレス半田の半田付け方法。 In any 1 item | term of the Claims 1 thru | or 4, The said Ni plating layer is an electroless Ni plating alloy layer which consists of electroless Ni-P plating or electroless Ni-B plating , or an electrolytic Ni plating layer, It is characterized by the above-mentioned. Pb-less soldering method. 請求項1乃至5のいずれか一項において、前記Niめっき層の厚さが0.5μm〜2.5μmであることを特徴とするPbレス半田の半田付け方法。 6. The method of soldering Pb-less solder according to claim 1, wherein the Ni plating layer has a thickness of 0.5 to 2.5 [mu] m. Cu又はCu合金からなるパターンと、
前記パターンに接合されたSnを主成分とするPbレス半田と、
前記パターンと前記Pbレス半田との接合部に形成されたCu−Ni−Sn相又はCu−Ni−Sn化合物と、
を具備し、
前記接合部にはAuが含まれていないことを特徴とするPbレス半田の半田付け品。
A pattern made of Cu or Cu alloy;
Pb-less solder mainly composed of Sn bonded to the pattern;
A Cu—Ni—Sn phase or Cu—Ni—Sn compound formed at the joint between the pattern and the Pb-less solder;
Equipped with,
A soldered product of Pb-less solder, characterized in that Au is not contained in the joint portion .
請求項において、前記接合部にCu−Sn相又はCu−Sn化合物を有することを特徴とするPbレス半田の半田付け品。 8. The soldered product of Pb-less solder according to claim 7 , wherein the joint has a Cu—Sn phase or a Cu—Sn compound. 請求項又はにおいて、前記パターンに前記Pbレス半田を接合した接合面は、うねりを有し、前記うねりの幅が3μm以上であることを特徴とするPbレス半田の半田付け品。 According to claim 7 or 8, the bonding surface bonded to the Pb-less solder to said pattern has a waviness, Pb-less solder soldering article, wherein the width of said undulation is 3μm or more.
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