JP5793874B2 - 電子部品 - Google Patents

Description

本発明は電子部品、特に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、端子を有する電子部品に関する。

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。半導体装置のような電子部品において、前記端子の母材には黄銅、銅合金、４２アロイ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導通不良（はんだ付け不良等による）を引き起こす恐れがあるので、通常、めっき等により端子表面に保護膜が形成される。めっき層の材料としては、主にＳｎやＳｎ合金が用いられる。

めっき層の材料として、従来から鉛（Ｐｂ）を含む合金が用いられてきたが、近年、環境負荷を軽減する観点から鉛フリー化が求められるようになり、端子のめっき層材料にも、例えば、Ｓｎ，Ｓｎ−Ｃｕ，Ｓｎ−Ａｇ，Ｓｎ−Ｂｉのように、鉛を含まない材料が使用されるようになっている。しかし、鉛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、ウィスカが発生することが知られており、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、その対策が求められている。

その対策として、特許文献１には、母材表面に鉛フリーのめっき層を形成し、そのめっき層の表面に、鉛フリーのめっき層から発生するウィスカよりも高い機械的強度を持つＤＬＣ薄膜、窒化炭素薄膜のような硬質薄膜を形成することが提案されている。また、特許文献２には、端子である母材の表面に鉛フリーのめっき材料からなるめっき層を形成し、その表面をスプリング硬さを８０゜〜８５゜である防湿のための樹脂コーティング層で被覆することが提案されている。

特開２００８−１４７５８９号公報 特開２００９−３８０７５号公報

本発明者らは、鉛フリーであるＳｎ系めっき層に生成するウィスカに関して多くの実験と研究を行ってきているが、特許文献１あるいは２に記載のように、鉛フリーのめっき層からウィスカが発生するのを抑制すること、あるいは、鉛フリーのめっき層の表面に形成する樹脂によるコーティング層をウィスカが貫通しないようにすることは、ウィスカに起因する端子間での短絡を防止するのに有効な手段であるが、さらに、鉛フリーのめっき層の表面に形成する樹脂によるコーティング層内においてウィスカを分断した場合にも、ウィスカが導通性を失うことから、端子間での短絡の問題を解決できることを経験した。

本発明は、上記の経験を基礎としてなされたものであり、端子表面の鉛フリーめっき層からウィスカが発生した場合でも、めっき層表面に形成したコーティング層内において発生したウィスカを確実に分断できるようにすることで、端子間ショート等の不都合を生じさせないようにした電子部品を提供することを課題とする。

本発明による電子部品は、母材表面に鉛フリーのめっき層を有する端子を備えた電子部品であって、前記鉛フリーのめっき層の表面には、線膨張係数が異なる２種類または２種類以上の樹脂材料からなるコーティング層が形成されていることを特徴とする。

上記の電子部品では、環境の冷熱が加わったときに、コーティング層を形成している線膨張係数が異なる２種類または２種類以上の樹脂材料は、それぞれ異なった大きさの膨張と収縮を反覆する。そのために、鉛フリーのめっき層から成長したウィスカが前記コーティング層中に入り込むと、入り込んだウィスカには、各樹脂材料に生じる異なった大きさの膨張収縮の作用によって、剪断応力が作用するようになり、それによって、ウィスカは確実に分断される。分断によりウィスカは導通性を失い電気的には無害なものとなり、結果として、ウィスカに起因して端子間でショートが発生するのを確実に回避することができる。

本発明による電子部品において、コーティング層に形成するのに用いる樹脂材料には、一般的に用いられているコーティング種である、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂、オレフィン系樹脂、シリコーン系樹脂などを適宜に組み合わせて用いることができる。また、同一の樹脂材料に線膨張変更助剤を混入することで、樹脂材料単独とは異なった線膨張係数を持つ材料を作り、それらを適宜に組み合わせて用いることもできる。線膨張変更助剤としては、ガラスビーズ、アルミナ、ジルコニア、酸化マグネシウム、セラミックス粉末等を例示できる無機フィラー材、あるいは架橋度を制御する適宜の触媒等を例示できる結晶化度制御材などを挙げることができる。また、熱処理温度を変えることで異なった線膨張係数を持つ樹脂材料を得ることもできる。

本発明による電子部品において、鉛フリーのめっき層には、一例として、Ｓｎ，Ｓｎ−Ｃｕ，Ｓｎ−Ａｇ，Ｓｎ−Ｂｉのように、Ｓｎが主成分であって鉛を含まない材料か、Ｚｎが主成分であって鉛を含まない材料が使用される。

本発明による電子部品の第１の態様において、前記コーティング層は、線膨張係数の異なる種類の樹脂が層状に形成されており、好ましくは、線膨張係数の最も大きい種類の樹脂材料が前記鉛フリーのめっき層に面するようにして層状に形成されている。また、本発明による電子部品の第２の態様において、前記コーティング層は、線膨張係数の異なる種類の樹脂材料が混合した材料によって形成されている。

前記したように、本発明において、鉛フリーのめっき層には、ＳｎあるいはＺｎを主成分とし鉛を含まない材料が主に用いられるが、このようなめっき層は、比較的に大きな線膨張係数を持つ。そして、めっき層の線膨張係数とコーティング層の線膨張係数とに大きな違いがあると、環境の冷熱が加わったときに、めっき層とコーティング層との間に剥離が生じたり、コーティング層に亀裂が生じる恐れがある。上記第１の形態での好ましい態様のように、線膨張係数の最も大きい種類の樹脂材料が鉛フリーのめっき層に面するようにして層状に形成することにより、めっき層とコーティング層との線膨張差を少なくすることができ、前記した剥離や亀裂が生じるのを効果的に回避することができる。

本発明によれば、環境負荷を小さくするために母材表面に鉛フリーのめっき層を形成するようにした電子部品において、鉛フリーのめっき層から成長するウィスカに起因して電子部品の端子間で短絡（ショート）が生じるのを回避することができる。

ウィスカが分断される理由を説明するための模式図。 本発明による電子部品の第１の態様における端子部分を模式的に示す図。 本発明による電子部品の第２の態様における端子部分を模式的に示す図。

以下、本発明を実施の形態に基づき説明する。

図１は、ウィスカが分断される理由を説明するための模式図である。図１において、１は鉛フリーのめっき層であり、その上に、樹脂材料からなるコーティング層２が形成されている。コーティング層２は、第１のコーティング層２ａと第２のコーティング層２ｂの２層からなっており、第１のコーティング層２ａの線膨張係数は第２のコーティング層２ｂの線膨張係数よりも大きい。図１（ａ）に示すように、鉛フリーのめっき層から成長するウィスカ３は、第１のコーティング層２ａを貫通して第２のコーティング層２ｂまで達することが起こる。

この状態で、環境の冷熱が加わると、ウィスカ３は線膨張係数の大きい第１のコーティング層２ａ内では大きく動かされ、線膨張係数の小さい第２のコーティング層２ｂ内ではウィスカの移動量は比較して小さい。すなわち、第１のコーティング層２ａと第２のコーティング層２ｂとの線膨張差によって、ウィスカ３には図１（ｂ）に示すように横応力がかかり、曲がった姿勢となる。環境の冷熱サイクルが反覆すると、ウィスカ３には横応力が剪断応力として繰り返し作用することとなり、最後には図１（ｃ）に示すように、ウィスカ３は部分３ａと部分３ｂとに分断され、電気的導通性を失う。

なお、図１ではコーティング層２は２層構成であるが、線膨張係数の異なる樹脂材料からなる３層以上の層によってコーティング層２を形成することもできる。その場合には、ウィスカ３を複数箇所で分断できるようになり、電気的導通性をより確実に喪失できるようになる。

図２は、本発明による電子部品の第１の態様における端子部分Ａ１を模式的に示している。図２において、４０は、例えばＣｕ合金である母材であり、母材４０の表面に、例えばＳｎである鉛フリーのめっき層１０が形成されている。鉛フリーのめっき層１０は従来法によって形成すればよく、厚さにも特に制限はない。

鉛フリーのめっき層１０の上には、第１のコーティング層２０ａと第２のコーティング層２０ｂの２層からなる、樹脂材料からなるコーティング層２０が形成されている。そして、第１のコーティング層２ａの線膨張係数は第２のコーティング層２ｂの線膨張係数よりも大きくされている。具体的には、共通の樹脂材料としてアクリル系樹脂を用い、第１のコーティング層２ａは、アクリル系樹脂をそのままで例えば５〜１０μｍの厚さにコーティングして形成されている。第２のコーティング層２ｂには、アクリル系樹脂に線膨張変更助材として無機フィラー（例えばアルミナ）を適量添加した材料を用い、それを例えば５〜１０μｍの厚さにコーティングして形成されている。これにより、線膨張係数が１１０×１０^−６／Ｋである第１のコーティング層２ａに対して、第２のコーティング層２ｂの線膨張係数を２０×１０^−６／Ｋ程度にまで小さくすることができる。

端子部分Ａ１における鉛フリーのめっき層１０からウィスカ３が成長した状態が図２（ａ）に示される。成長したウィスカ３は、第１のコーティング層２ａを貫通して第２のコーティング層２ｂにまで達している。この電子部品の少なくとも端子部分Ａ１に環境の冷熱が加わる。例えば電子部品が自動車用の電子部品の場合、使用場所によっても変動するが、通常−４０℃〜１５０℃の間での冷熱サイクルが加わるもの想定できる。

端子部分Ａ１に環境の冷熱が加わることにより、図１（ｂ），（ｃ）に基づき説明したようにして、すなわち、第１のコーティング層２０ａと第２のコーティング層２０ｂとの線膨張差によって、ウィスカ３には図２（ｂ）に示すように横応力がかかり、ついには、図２（ｃ）に示すように、ウィスカ３は部分３ａと部分３ｂとに分断され、電気的導通性を失う。

図２に示す電子部品における端子部分Ａ１では、鉛フリーのめっき層１０の上にアクリル系樹脂による第１のコーティング層２０ａが形成されており、両者間の線膨張係数に大きな差がないことから、環境の冷熱によるめっき層１０の膨張収縮に第１のコーティング層２０ａは追従しやすくなる。そのために、電子部品を実装した機器類において、鉛フリーのめっき層１０とアクリル系樹脂による第１のコーティング層２０ａとの間に剥離が生じることや、第１のコーティング層２０ａに亀裂が生じるのも回避できる。

図３は、本発明による電子部品の第２の態様における端子部分Ａ２を模式的に示している。ここでは、鉛フリーのめっき層１０の上に形成するコーティング層２０を、第１の樹脂材料２０ａと第２の樹脂材料２０ｂを混合した材料で形成している。一例として、樹脂材料２０ａと２０ｂには共通した樹脂としてアクリル系樹脂を用い、熱処理温度を調整することで結晶化度を相違させて、結晶化度０〜４０％の第１の樹脂材料２０ａと、結晶化度５０〜８０％の第２の樹脂材料２０ｂとを調整する。そして、それらを混合することで、線膨張係数が小さい第２の樹脂材料２０ｂをベース樹脂とし、その中に比較して線膨張係数が大きい第２の樹脂材料２０ａが混入している状態の混合樹脂が得られる。

その混合樹脂を定法により、Ｃｕ合金である母材４０の表面に形成した例えばＳｎである鉛フリーのめっき層１０の上に、厚さ１０〜２０μｍ程度の塗布することで、コーティング層２０が形成される。

端子部分Ａ２における鉛フリーのめっき層１０からウィスカ３が成長した状態が図３（ａ）に示される。この例では、ウィスカ３は第２の樹脂材料２０ｂ内を第１の樹脂材料２０ａを回避するようにして成長している。この電子部品の少なくとも端子部分Ａ２に、図２に示した端子部分Ａ１と同様に環境の冷熱が加わると、図３（ｂ）に示すように、第１の樹脂材料２０ａと第２の樹脂材料２０ｂとの線膨張係数差から、第１の樹脂材料２０ａは比較して大きく膨張する。それにより第２の樹脂材料２０ｂ内に延びているウィスカ３には隣接している第１の樹脂材料２０ａから多方向の応力が作用して、ウィスカ３は曲がった状態となる。環境の冷熱サイクルが反覆すると、ウィスカ３には多方向の応力が繰り返し作用することとなり、最後には図３（ｃ）に示すように、ウィスカ３は、この例では３つの部分３ａ、３ｂ、３ｃとに分断され、電気的導通性を失う。

なお、この例でも、線膨張係数が異なる第３，第４の樹脂材料をさらに添加することもできる。

以下、実施例により本発明を説明する。

［実施例１］
ＩＣのリードフレーム材料として使用されている厚さ２００μｍの４２アロイ（Ｎｉ４２ｗｔ％−Ｆｅ）に電解めっきによりＳｎ−３ｗｔ％Ｃｕ材料からなる厚さ２０μｍのめっき層を形成してテストピースとした。コーティング層のための樹脂として、アクリル系樹脂を用意した。さらに、アクリル系もしくは、ポリオレフィン系やウレタン系樹脂に線膨張変更助材としてアルミナを２０〜８０ｗｔ％添加したものを第２のコーティング材として用意した。

形成したＳｎ−Ｃｕめっき層の表面に第１のコーティング材を１０μｍ厚に塗布した。固化した後、さらにその上に第２のコーティング材を１０μｍ厚に塗布して、コーティング層を形成した。

Ｓｎ−Ｃｕめっき層からウィスカを人為的に成長させる目的で、めっき層の上から、２０〜５０ｇｆの荷重をかけて、樹脂コーティング後、高温高湿試験（８５℃、８５％）の評価を行い、ウィスカの有無とウィスカ発生状況を観察した。

Ｓｎ−Ｃｕめっき層から複数本のウィスカがコーティング層内に成長していた。そして、すべてウィスカは第１のコーティング材からなる層内で分断しているのが確認された。

Ａ１…本発明による電子部品における端子部分、
３…ウィスカ。
１０…鉛フリーのめっき層、
２０…コーティング層、
２０ａ…第１のコーティング層、
２０ｂ…第２のコーティング層、
４０…母材。

Claims (4)

1. 母材表面にＳｎまたはＺｎが主成分である鉛フリーのめっき層を有する端子を備えた電子部品であって、前記鉛フリーのめっき層の表面には、線膨張係数が異なる２種類または２種類以上の樹脂材料からなるコーティング層が形成されていることを特徴とする電子部品。
2. 前記コーティング層は、線膨張係数の異なる種類の樹脂が層状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電子部品。
3. 線膨張係数の最も大きい種類の樹脂材料が前記鉛フリーのめっき層に面するようにして層状に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の電子部品。
4. 前記コーティング層は、線膨張係数の異なる種類の樹脂材料が混合した材料によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電子部品。

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