JP5387388B2 - 電極構造 - Google Patents

Description

本発明は、鉛フリーはんだを用いて接合される電極構造に関する。

電極同士、あるいは電極に配線等をはんだを用いて接合することは、従来より行われてきたが、従来より用いられてきたはんだ（ＰｂＳｎ：鉛（Ｐｂ）と錫（Ｓｎ）の合金）には、有害な鉛成分が含まれることが近年問題になってきた。このため、鉛成分を含まない鉛フリーはんだが用いられるようになっているが、接合強度等の観点において鉛入りはんだと同等の性能を得ることは、困難である。

鉛フリーはんだの材料としては、例えばＳｎＡｇＣｕ系、ＳｎＺｎＢｉ系、ＳｎＣｕ系等、錫（Ｓｎ）を主成分とするものが知られている。こうした鉛フリーはんだを用いた場合、電極材料と鉛フリーはんだとの間で金属間化合物が形成されることによって、これらの間での接合がなされる。電極の最表面には、はんだ付けが可能である金属が使用でき、最表面にはニッケル（Ｎｉ）めっきが施される場合が多い。この場合には、ＳｎとＮｉの金属間化合物が形成される。

ただし、この金属間化合物が形成されることによって接合がなされるものの、特許文献１に記載されるように、この金属間化合物が厚く形成された場合には、その接合強度（あるいは耐久性）は低くなることが知られている。接合温度が高い鉛フリーはんだにおいては金属間化合物が成長しやすいために、この点は、従来の鉛入りはんだよりも顕著である。この金属間化合物が厚くなることを抑制するために、特許文献１では、Ｎｉめっき層にリン（Ｐ）が添加されている場合に、はんだにもリン（Ｐ）を添加することが記載されている。ここで用いられるＮｉめっき層の形成の際には、めっき液に例えば次亜リン酸が添加されており、Ｎｉめっき層もＰが添加される。特許文献１に記載の技術においては、金属間化合物の成長にＰが与える影響を調べたところ、はんだ自身にＰを添加することによって、金属間化合物の成長が抑制されることが示された。従って、Ｐ添加の鉛フリーはんだを用いることによって、接合強度が高く、耐久性の高い接合を得ることができる。

国際公開公報Ｗ０２００６／１３１９７９

しかしながら、特許文献１に記載の技術においては、はんだ付けされる最表面となるＮｉめっき層中にＰが添加されていることを利用している。このため、Ｐが添加されていないＮｉめっき層が用いられた場合にはその効果が得られない。あるいは、この技術においては、最表面となるＮｉめっき層の材料と鉛フリーはんだの材料の組み合わせを最適化することによって良好な接合を得ている。

これに対して、はんだ付けされる最表面だけを工夫することによって、その上への鉛フリーはんだを用いて良好な接合を得ることができれば、その製造工程の自由度が高まり、この構造を用いた装置を低コストで製造することができる。特許文献１に記載の技術においては、はんだ付けされる最表面とはんだの双方を調整しているため、これを用いた装置を低コストで製造することは困難であった。

すなわち、鉛フリーはんだを用い、下地のＮｉ層によらずに充分な接合強度を得ることは困難であった。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の電極構造は、錫（Ｓｎ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）の合金で構成され錫（Ｓｎ）を主成分とするはんだによる接合がなされる電極構造であって、電極下地と、当該電極下地上に形成されたニッケル（Ｎｉ）層と、当該Ｎｉ層上に形成され、前記はんだが直接接する、厚さ１０ｎｍ〜８００ｎｍのコバルト（Ｃｏ）層と、を具備することを特徴とする。
本発明の電極構造において、前記コバルト層は、蒸着、スパッタリング、めっきのいずれかの方法によって形成されたことを特徴とする。
本発明の電極構造において、前記電極下地は、銅（Ｃｕ）または銅合金で構成されたことを特徴とする。

本発明は以上のように構成されているので、鉛フリーはんだを用い、下地のＮｉ層によらずに充分な接合強度を得ることができる。

本発明の実施の形態に係る電極構造の断面図である。 Ｃｏ薄膜層を用いた場合（実施例）の破断面の写真である。 Ｃｏ薄膜層を用いない場合（比較例）の破断面の写真である。

以下、本発明の実施の形態となる電極構造につき説明する。この電極構造は、錫（Ｓｎ）を主成分とする鉛フリーはんだによって接合されることを前提として設計される。この断面構造を図１に示す。この電極構造１０においては、電極下地１１上に、Ｎｉめっき層１２が形成されており、Ｎｉめっき層１２上にＣｏ薄膜層１３が形成される。はんだ層２０は、Ｎｉめっき層１２上ではなく、Ｃｏ薄膜層１３上に形成される。このはんだ層２０によって被接合試料３０は、この電極構造１０に接合される。

ここで、電極下地１１としては、一般的な電極材料であり電気伝導率の高い銅（Ｃｕ）あるいは銅合金が用いられる。Ｎｉめっき層１２は、鉛入りはんだを用いる場合と同様に、はんだ付けされる層として用いられる。従って、電極下地１１は、はんだ付けできる材料で構成される必要はなく、このＮｉめっき層１２が表面に形成できる材料で構成されればよい。

Ｎｉめっき層１２は、例えば無電解めっきで５μｍ程度の厚さのものを電極下地１１（銅）上に形成される。ここで、無電解めっきにおけるめっき液における還元剤としては、特許文献１に記載されるような、リン（Ｐ）が添加される次亜リン酸の他に、Ｐが添加されずにホウ素（Ｂ）が添加されるジメチルアミンボランや、ほぼ純粋なＮｉが形成されるヒドラジン等を用いることもできる。また、電解めっきを用いてもよい。

Ｃｏ薄膜層１３は、１０ｎｍ〜８００ｎｍ程度の厚さであり、はんだ付けされるＮｉめっき層１２上に形成される。この厚さのＣｏ薄膜層１３は、蒸着法、スパッタリング法によって形成することができる。また、極短時間のめっき処理（フラッシュめっき）によっても得ることができる。

この電極構造１０上には、鉛フリーはんだを主成分とするはんだ層２０が接合されることにより、被接合試料３０がこの電極構造１０に接合される。なお、被接合試料３０は、はんだ層２０で接合可能な材料で構成されているものであれば充分であり、この電極構造１０と同様の構造のものでもよい。鉛フリーはんだとしては、例えばＳｎＡｇＣｕ系、ＳｎＺｎＢｉ系、ＳｎＣｕ系等を用いることができる。これらはいずれも錫（Ｓｎ）を主成分とし、その融点（接合温度）は、従来の鉛入りはんだ（ＰｂＳｎ合金）と比べて高い。

この電極構造１０上にはんだ層２０を形成する際には、はんだ層２０中の主成分であるＳｎとＮｉめっき層１２の主成分であるＮｉの金属間化合物が形成されることによって、接合がなされる。ただし、この金属間化合物の成長がＣｏ薄膜層１３の存在によって抑制され、その膜厚を薄く保つことができるため、この接合の接合強度、信頼性が向上する。すなわち、Ｃｏ薄膜層１３は、バリア層として機能する。

以下に、ＣｏをＮｉめっき層１２上に形成し、この上にはんだ層２０（鉛フリーはんだ）を融着した場合の接合について調べた結果について説明する。

ここで、電極下地１１にはＣｕを用い、その表面に５μｍの厚さのＮｉめっき層１２を無電解めっきで形成した。この構成上に、コバルト（Ｃｏ）、インジウム（Ｉｎ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、銅（Ｃｕ）薄膜を形成した構造同士を、鉛フリーはんだＳｎＡｇ３Ｃｕ０．５（Ｓｎを主成分とし、Ａｇ、Ｃｕ添加量がそれぞれ３ｍａｓｓ％、０．５ｍａｓｓ％）とした。各薄膜層の厚さは５００ｎｍとし、蒸着で成膜した。それぞれにおける接合直後の接合状況を表１に示す。この結果より、はんだ層２０とＮｉめっき層１２との間の薄膜層として使用可能であるのはこの中ではＣｏだけであり、Ｃｏ以外では、接合自体が不可能であった。なお、薄膜層がなく、Ｎｉめっき層１２に直接はんだ層２０を接合することも可能であった。

接合が可能であったことは、はんだ層２０の主成分であるＳｎとＮｉめっき層１２の主成分であるＮｉとの金属間化合物が形成されたことを意味する。そこで、薄膜層の材料として使用した場合に接合が可能であったＣｏについて、形成された金属間化合物について調べた。

まず、この接合界面の断面を樹脂で埋め込み、研磨紙と粒径０．３μｍのアルミナ粉を用いて研磨した後、レーザー顕微鏡で観察した。この結果を図２に示す。この結果から、金属間化合物が形成されていることが確認できるが、その膜厚は均一ではない。なお、Ｃｏは極めて薄いために、薄膜層はこの断面写真では確認ができない。

薄膜層がＣｏの場合と、薄膜層がなく、Ｎｉめっき層１２に直接はんだ層２０を接合した場合に、断面写真から算出した８箇所における金属間化合物の厚さとその平均を測定した結果を表２に示す。ここで、薄膜層がない場合には、接合直後と、これに１７５℃、２４ｈの高温保持試験を行った後の結果を示している。

この結果から、金属間化合物の厚さは、薄膜層を用いない場合と比べて、Ｃｏを用いた場合には０．６８倍となり、薄くなることが確認できる。これは、ＣｏがＮｉの拡散を抑制するバリア層として機能していることを示している。また、薄膜層がない場合には、高温保持試験（２４ｈ）後には金属間化合物が厚くなることも確認できた。従って、金属間化合物が薄くなるＣｏ薄膜層１３を用いた場合には、Ｎｉめっき層１２とはんだ層２０との接合強度が高まる。

この点を調べるために、Ｃｏ薄膜層１３を用いた場合（実施例）と、これを用いない場合（比較例）との破断面を比較観察した。ここで、Ｎｉめっき層１２、Ｃｏ薄膜層１３、はんだ層２０については表１の場合と同様である。ここで、Ｃｏ薄膜層１３を用いた場合には、表１の場合と同様の試料に対して、応力振幅σａ＝１５ＭＰａ、繰り返し回数Ｎ＝１３４８５１８の際に発生した破断面であり、Ｃｏ薄膜層１３を用いない場合には、σａ＝１２．５ＭＰａ、Ｎ＝１４８４４８７の際に発生した破断面である。図３（ａ）はＣｏ薄膜層１３を用いた場合の破断面の写真であり、図３（ｂ）はこれを用いない場合の破断面の写真である。Ｃｏ薄膜層１３を用いた場合には、破断面は、２つの層（はんだ層２０とＮｉめっき層１２）にわたって形成された平滑でない面であった。これに対して、Ｃｏ薄膜層１３を用いない場合には、破断面はまだら状となり、このまだら状の部分は、はんだ層２０とＮｉめっき層１２の界面とほぼ等しかった。この結果は、Ｃｏ薄膜層１３を用いることにより、はんだ層２０とＮｉめっき層１２との接合状態が良好であり、強い接合強度が得られることを示している。

Ｃｏ薄膜層１３の厚さは、充分なバリア性を発揮するためには１０ｎｍ以上が好ましい。また、金属間化合物が薄い方が好ましいものの、ＮｉとＳｎとの金属間化合物が形成されなければ接合がなされないため、薄いながらもこの金属間化合物が形成されるためには、この厚さを８００ｎｍ以下とすることが好ましい。

例えば特許文献１に記載の技術とは異なり、Ｃｏ薄膜層１３を用いる場合にはＮｉの拡散をＣｏ薄膜層１３で抑制するため、Ｎｉめっき層１２の成分や形成方法によらず、金属間化合物を薄くすることができる。従って、Ｎｉめっき層１２の代わりに、めっき以外の方法で形成されたＮｉ層を用いることもできる。また、めっきを用いる場合にも、リン（Ｐ）が添加される無電解めっきを用いることができ、他成分が添加される無電解めっき、電解めっきを用いることもできる。すなわち、電極下地上にＮｉ層が形成された構造に対して同様のＣｏ薄膜層を形成すれば、同様の効果を奏する。

Ｃｏ薄膜層１３の成膜方法は、上記の厚さのものを形成できる方法であれば任意である。ただし、Ｎｉめっき層１２や電極下地１１に対して悪影響を与えないことが必要である。このため、低温で形成可能な蒸着、スパッタリングやフラッシュめっき等が特に好ましい。

また、上記の例では、電極下地１１としてＣｕを用いたが、Ｎｉめっき層１２をその上に形成できる材料であれば、同様であることは明らかである。

１０ 電極構造
１１ 電極下地
１２ Ｎｉめっき層
１３ Ｃｏ薄膜層
２０ はんだ層
３０ 被接合試料

Claims (3)

1. 錫（Ｓｎ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）の合金で構成され錫（Ｓｎ）を主成分とするはんだによる接合がなされる電極構造であって、
   電極下地と、
   当該電極下地上に形成されたニッケル（Ｎｉ）層と、
   当該Ｎｉ層上に形成され、前記はんだが直接接する、厚さ１０ｎｍ〜８００ｎｍのコバルト（Ｃｏ）層と、
   を具備することを特徴とする電極構造。
2. 前記コバルト層は、蒸着、スパッタリング、めっきのいずれかの方法によって形成されたことを特徴とする請求項１に記載の電極構造。
3. 前記電極下地は、銅（Ｃｕ）または銅合金で構成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の電極構造。