JP6011408B2 - 電子装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ワイヤパッドとはんだランドとを両備する電子部品を有する電子装置の製造方法に関する。
従来、一般に、ワイヤボンディング用のワイヤパッドを有する電子部品と、当該ワイヤパッド上にワイヤボンディングされたアルミニウムよりなるワイヤとを備える電子装置が知られている。ここで、ワイヤパッドは、通常、表面がNiめっき層を下地とするAuめっき層、すなわちNi/Auめっき層よりなる。
このようなものにおいては、ワイヤボンディング後の電子装置には、たとえば、更なる他部品の接続やモールド封止前の密着性付与剤の塗布、乾燥等のための加熱が、後工程として行われるのが通常である。
そのため、たとえば特許文献1に記載のように、Auめっき層が厚いと(たとえば500nm以上)、当該加熱工程によって電子部品が高温となり(たとえば150℃以上)、Auめっき層中にボイドが発生し、ボンディングワイヤの剥がれが生じやすいことが知られている。
特開2003−59962号公報
これに対して、本発明者は、Auめっき層をたとえば20nm〜50nmと薄くすることで当該Auめっき層中のボイド発生を抑制できることを実験的に確認した。
さらに、本発明者は、電子部品がワイヤパッドに追加して、さらにSnを含むはんだによるはんだ付け用のはんだランドを有する構成である場合について、検討を行った。以下、この構成を、「ワイヤ−はんだ両備構成」ということにする。
このワイヤ−はんだ両備構成は、通常、はんだ付けを行った後、ワイヤボンディングを行うことで形成される。そして、本発明者の検討の結果、この場合においては、Auめっき層を薄くしても、上記した電子装置への加熱によって、ワイヤの剥がれが発生することがわかった。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、表面がNiめっき層を下地とするAuめっき層よりなるワイヤパッドとはんだ付け用のはんだランドとを備える電子部品に、ワイヤボンディングおよびはんだ付けを行って形成される電子装置の製造方法において、ワイヤボンディング後の加熱によるワイヤ剥がれを極力防止することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明者は、鋭意検討を行い、ワイヤ−はんだ両備構成の電子装置におけるワイヤ剥がれの発生メカニズムを、以下のように推定した。この推定メカニズムについて、図7を参照して述べる。図7では、表面がNiめっき層211を下地とするAuめっき層212よりなるワイヤパッド21の概略断面が示されている。
まず、ワイヤボンディング前に、電子部品上の図示しないはんだランドに対してSnを含むはんだによって、はんだ付けを行う。すると、図7(a)、(b)に示されるように、当該はんだのリフローによって、電子部品上のはんだからワイヤパッド21上に、Sn1(図中では点ハッチングの丸で示す)が、飛散してAuめっき層212表面に付着する。
また、はんだリフローの熱によって、このSn1がAuめっき層212内に拡散し、下地のNiめっき層211から拡散してくるNiと反応し、図7(c)に示されるように、Auめっき層212内にてSn−Ni合金(たとえばNiSn、図中では片側斜線ハッチングの丸で示す)2を形成する。
そして、この状態のワイヤパッド21に対して、ワイヤボンディングを行うことにより、図7(d)に示されるように、Auめっき層212上にAlよりなるワイヤ40が接続される。このワイヤボンディング後、電子装置に対して、上記した後工程としての加熱が施される。
このとき当該加熱工程では、図7(e)、(f)に示されるように、ワイヤパッド21においてAuめっき層212のAuとワイヤ40のAlとで相互拡散が起こり、Niめっき層211とワイヤ40との間にAu−Al合金層213が形成され、薄いAuめっき層212は実質的に消滅していく。
しかし、このAu−Al合金層213の形成において、Auめっき層212内にSn−Ni合金2が存在すると、Auの拡散がSi−Ni合金2に邪魔されて、Sn−Ni合金2の存在部分では拡散が遅く、存在しない部分では拡散が速くなることから、Auの拡散速度が不均一となる。そのため、図7(e)、(f)に示されるように、ワイヤパッド21内にて、Sn−Ni合金2の部分でボイドBが生じる。
そのため、ワイヤパッド21においては、このボイドBの部分で強度が低下し、これによってワイヤ40の剥離が発生しやすくなる。以上が、本発明者の検討による推定メカニズムである。これについては、顕微鏡観察や元素分析等により確認している。
そこで、このメカニズムに鑑み、本発明者は、このはんだリフロー時において、ワイヤパッドのAuめっき層表面に付着したSnが、Auめっき層内に拡散するのを抑制してやれば、Auめっき層内においてSn−Ni合金が形成されるのを極力防止できると考えた。本発明は、この点に着目して創出されたものである。
すなわち、請求項1に記載の発明では、ワイヤボンド用のワイヤパッド(21)およびはんだ付け用のはんだランド(22)を有する電子部品(20)と、ワイヤパッドにワイヤボンディングされたアルミニウムよりなるワイヤ(40)と、はんだランドにSnを含むはんだ(70)を介してはんだ付けされた接合部材(50)と、を備える電子装置の製造方法であって、
電子部品として、ワイヤパッドの表面が、Niめっき層(211)を下地とするAuめっき層(212)よりなるものを用意する用意工程と、はんだランドにはんだを配置し、はんだ上に接合部材を搭載した状態ではんだをリフローさせることにより、接合部材をはんだ付けするはんだ付け工程と、はんだ付け工程の後、ワイヤボンディングを行ってワイヤパッドにワイヤを接合するワイヤボンディング工程と、ワイヤボンディング工程の後、電子部品を加熱する加熱工程と、を備え、
はんだ付け工程の前に、用意された電子部品を加熱することにより、ワイヤパッドにおいてAuめっき層の表面にNiめっき層からNiを拡散させるNi拡散工程を行うことを特徴とする。
それによれば、Ni拡散工程によって、はんだリフロー前に予め、Auめっき層表面にNiが拡散されるから、はんだリフロー時にAuめっき層表面にSn(1)が付着しても、このSnのAuめっき層内への拡散は、同じ表面に存在するNi(3)によって阻害される。
そのため、Auめっき層内にてSn−Ni合金(2)の形成が抑制されるので、ワイヤボンディング後に加熱されることでNiめっき層とAlワイヤとの間にAu−Al合金層(213)が形成されても、ワイヤパッド内におけるボイド(B)の発生を抑制できる。よって、本発明によれば、ワイヤボンディング後の加熱によるワイヤ剥がれを極力防止することができる。
また、請求項2に記載の発明では、請求項1に記載の電子装置の製造方法において、はんだ付け工程では、はんだは、フラックスを含むはんだペーストとして、はんだランドに配置することを特徴とする。特に、はんだペーストの場合は、Snの付着が多いので、上記Ni拡散工程による効果が有効に発揮される。
なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
(a)は、本発明の実施形態にかかる電子装置の概略断面図であり、(b)は、(a)中の電子部品におけるワイヤボンディング直後のワイヤパッドとはんだランドの詳細を示す拡大図であり、(c)は、(b)においてワイヤボンディング後に行った加熱後の状態を示す図である。 図1に示される電子装置の製造方法を示す工程図である。 図2に示される製造工程の進行に伴うワイヤパッドの状態変化を示す概略断面図である。 上記実施形態におけるワイヤ剥がれ発生防止の推定メカニズムを示す図である。 上記実施形態における作用効果の一例を示す図である。 上記実施形態における作用効果の一例を示す図である。 本発明者の試作検討によるワイヤ剥がれ発生の推定メカニズムを示す図である。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態にかかる電子装置S1について、図1、図2を参照して述べる。この電子装置S1は、たとえば自動車などの車両に搭載され、車両用の各種装置の駆動、制御等を行うための装置として適用されるものである。
本実施形態の電子装置S1は、大きくは、基板10と、基板10上に搭載されたパワーチップ20および他の搭載部品30と、基板10上にてこれら基板10、各部品20、30の各間を電気的に接続するボンディングワイヤ40およびターミナル50と、を備えて構成されている。
基板10は、表裏の板面をそれぞれ一面11、他面12とする板状をなすものである。本実施形態の基板10は、Cu等よりなるリードフレームであるが、その他にも基板10としては、たとえばセラミック基板、プリント基板などが挙げられる。図1では、基板10の板厚方向に沿った電子装置S1の断面が示されている。
パワーチップ20は、ワイヤボンド用のワイヤパッド21およびはんだ付け用のはんだランド22を有する電子部品20として構成される。このようなパワーチップ20としては、たとえばパワーMOSトランジスタやIGBT等が挙げられる。
他の搭載部品30は、たとえばマイコンなどの制御IC等である。これらパワーチップ20および他の搭載部品30は、はんだや導電性接着剤等のマウント材60を介して基板10の一面11上に接続されている。
パワーチップ20におけるワイヤパッド21およびはんだランド22は、基板10の一面11側にアルミニウム(Al)よりなるアルミ層210、220を有し、その上に各層が積層された構成を有する。
ここで、ボンディングワイヤ40の接続直後までのワイヤパッド21、および、はんだ70接続前のはんだランド22は、図1(b)および後述の図2(b)に示されるように、共に表面が、Niめっき層211、221を下地とするAuめっき層212、222よりなる。限定するものではないが、Auめっき層212、222の厚さは、たとえば20nm〜50nm程度のものとする。
つまり、これらワイヤパッド21およびはんだランド22は、当初では、ともに表面が「Ni/Auめっき」よりなるものとされている。そして、ボンディングワイヤ40接続後のワイヤパッド21に対する加熱、および、はんだランド22へのはんだ付けにより、図1(b)、(c)に示されるように、ワイヤパッド21およびはんだランド22の表面部分は、当初の状態から変化し、最終的には図1(c)の状態となっている。
この状態変化も含めて、ワイヤパッド21およびはんだランド22の各接続構成について述べる。ボンディングワイヤ40は、Alよりなるもので、通常のワイヤボンディング法により形成されている。このワイヤ40によって、パワーチップ20のワイヤパッド21と他の搭載部品30とが結線され、これらが電気的に接続されている。
そして、このボンディングワイヤ40のワイヤパッド21への接続直後では、図1(b)に示されるように、ワイヤパッド21の表面は当初の「Ni/Auめっき」となっている。
ここで、ワイヤボンディング後には、たとえば更なる他部品の基板10への搭載や、モールド封止前の密着性付与剤の塗布、乾燥等のための加熱、あるいは、電子部品S1と他の部材との接続等、ワイヤボンディングの後工程としての加熱工程が行われる。
そうすると、この後工程としての加熱工程によって、ワイヤパッド21の表面におけるAuめっき層212とワイヤ40のアルミとが拡散し合うことにより、薄いAuめっき層212は実質的に消滅し、図1(c)に示されるように、Au−Al合金層213が形成される。
つまり、最終的(つまり、製品として使用される時)には、本実施形態の電子装置S1におけるワイヤパッド21は、図1(c)に示されるようなアルミ層210、Niめっき層211、Au−Al合金層213が、基板10側から順次積層された構成となる。
一方、はんだランド22にはんだ付けされる接合部材としてのターミナル50は、Cuや鉄系金属等よりなるもので、図1に示されるように折り曲げられた板状のものである。このターミナル50によって、パワーチップ20のはんだランド22と基板10とが、はんだ70を介してはんだ付けされ、これらが電気的に接続されている。ここで、はんだ70は、Sn(すず)を含む鉛フリーはんだや共晶はんだ等である。
このターミナル50のはんだ付けによって、はんだランド22の表面に当初存在していたAuめっき層222(図2(b)参照)は、はんだ70に吸収されて消滅する。そして、最終的には、本実施形態の電子装置S1におけるはんだランド22は、図1(b)、(c)に示されるようなアルミ層220、Niめっき層221が、基板10側から順次積層された構成になる。
次に、図2を参照して、本実施形態の電子装置S1の製造方法について述べる。なお、図2では、(b)においてワイヤパッド21およびはんだランド22の当初の状態を詳細に示してあるが、これら各部21、22の製造工程に伴う状態変化については、上記した通りであるため、(c)および(d)では、ワイヤパッド21、はんだランド22を簡略化して示してある。
まず、用意工程では、図2(a)、(b)に示されるように基板10を用意する。また、電子部品として、ワイヤパッド21の表面がNiめっき層211を下地とするAuめっき層212よりなるもの、つまり上記「Ni/Auめっき」であるパワーチップ20を用意する。
ここでは、用意されるパワーチップ20におけるはんだランド22も、表面が上記「Ni/Auめっき」とされている。このようなワイヤパッド21およびはんだランド22は、アルミの蒸着、スパッタや電気めっき、無電解めっき等により形成される。ここまでが用意工程である。
次に、図2(b)に示されるように、基板10の一面11上に、マウント材60を介して、パワーチップ20および他の搭載部品30を搭載し、接合する(部品搭載工程)。
次に、図2(c)に示されるはんだ付け工程では、はんだランド22にはんだ70を配置し、このはんだ70上に接合部材としてのターミナル50を搭載した状態ではんだ70をリフローさせることにより、ターミナル50をはんだ付けする。本実施形態では、はんだ70は、はんだペーストの状態で印刷等により塗布する。
このはんだ付け工程の後、図2(d)に示されるように、アルミのワイヤボンディングを行ってワイヤパッド21にワイヤ40を接合するワイヤボンディング工程を行う。
この後、必要に応じて、基板10に更に他部品を搭載する工程や、モールド樹脂で封止する場合にはポリアミド等の密着性付与剤(プライマー)の塗布、乾燥工程や、他の部材との接続工程等の、後工程としての加熱工程を行う。この後工程としての加熱工程により、電子部品は加熱される。こうして電子装置S1ができあがる。
このような製造方法において、本実施形態では、更に、はんだ付け工程の前に、用意されたパワーチップ20を加熱することにより、ワイヤパッド21においてAuめっき層212の表面にNiめっき層211からNiを拡散させるNi拡散工程を行う。
このNi拡散工程は、用意されたパワーチップ20単体を加熱することで行ってもよいし、部品搭載工程によって基板10に搭載された状態のものを加熱することで行ってもよい。このときのパワーチップの加熱条件は、たとえば280℃以上、180秒以上の条件とする。
このように本実施形態の製造方法においては、はんだ付け工程の前に、Ni拡散工程を行うが、これは、上記した後工程としての加熱工程によるワイヤ40の剥がれを抑制するために行うものである。このNi拡散工程について図3、図4を参照して具体的に述べる。なお、図3、図4に示されるワイヤパッドの状態変化やメカニズムについては、顕微鏡観察や元素分析等により確認した結果に基づくものである。
Ni拡散工程前では、図3(a)、図4(a)に示されるように、ワイヤパッド21は、表面が、下地のNiめっき層211とその上のAuめっき層212とよりなる。そして、Ni拡散工程を行う。
このNi拡散工程の加熱により、図3(b)、図4(a)に示されるように、下地のNiめっき層211中のNi3(図中では白丸で示す)が、Auめっき層212の表面まで拡散する。そして、この状態で、はんだ付け工程を行うと、はんだリフローの熱によって、はんだランド上のはんだからワイヤパッド21上に、Sn1(図中では点ハッチングの丸で示す)が飛散してAuめっき層212の表面に付着する。
ここで、はんだリフローの熱によって、このAuめっき層212に付着したSn1は、Auめっき層212内に拡散しようとするが、既に同じAuめっき層212の表面に存在しているNi3によってブロックされるため、当該Sn1のAuめっき212層内への拡散が抑制される(図4(b)参照)。そのため、本実施形態では、図4(c)に示されるように、Auめっき層212内におけるSn−Ni合金2の形成は極力抑制される。
そして、図3(c)、図4(d)に示されるように、この状態のワイヤパッド21に対して、ワイヤボンディングが行われることにより、Auめっき層212上にAlよりなるボンディングワイヤ40が接続される。
このワイヤボンディング後、電子装置S1には上記した加熱が施される。このとき当該加熱工程では、図3(d)、図4(e)、図4(f)に示されるように、ワイヤパッド21においてAuめっき層212のAuとワイヤ40のAlとで相互拡散が起こり、Niめっき層211とワイヤ40との間にAu−Al合金層213が形成される。
ここで、本実施形態のAu−Al合金層213の形成においては、Auめっき層212内に存在し上記相互拡散を阻害するSn−Ni合金2の量が大幅に低減されるので、上記図7にて述べたようなAuの拡散速度の不均一が極力解消される。そのため、ワイヤパッド21内に生じるボイドBの発生を大幅に抑制できる。
このように、本実施形態によれば、後工程としての加熱工程に供され、Niめっき層211とAlワイヤ40との間にAu−Al合金層213が形成されても、ワイヤパッド21内におけるボイドBの発生を抑制できる。よって、本実施形態によれば、ワイヤボンディング後の加熱によるワイヤ剥がれを極力防止することができる。
また、本実施形態では、はんだ付け工程では、はんだ70は、フラックスを含むはんだペーストとして、はんだランド22に配置している。はんだペーストの場合は、Snの付着が顕著となるので、上記Ni拡散工程による効果が有効に発揮される。
ここで、本実施形態による上記作用効果についての一具体例について、図5、図6を参照して述べる。図5は、Ni拡散工程によってワイヤパッド21のAuめっき層212表面へNiが拡散する効果を、実験的に確認したものである。
具体的には、Ni拡散工程後のAuめっき層212の表面かから厚さ方向へエッチングを行い、各エッチング深さにおけるNi存在量をオージェ電子分光法(Auger Electron Spectroscopy:AES)により求めた。図5において、縦軸はエッチング時間(単位:分)であり、Auめっき層212の厚さ方向に相当し、横軸はNi強度であり、Ni存在量に相当する。
図5に示されるように、Ni拡散工程ありの場合とNi拡散工程なしの場合とでは、「あり」の方が、エッチング時間0すなわちAuめっき層212の表面におけるNi存在量が約2倍に増えている。つまり、本実施形態におけるNi拡散工程によるNiの拡散効果が確認された。
図6は、Ni拡散工程における加熱温度を280℃として、アニール時間(加熱時間、単位:秒)によるボイド発生防止の効果を調べた結果を示している。図6によれば、おおよそ加熱時間は180秒以上でボイド率の低減度合が飽和している。このことから、Ni拡散工程によるNiの拡散効果を適切に発揮するためには、加熱温度が280℃の場合、180秒以上加熱することが望ましい。
(他の実施形態)
なお、電子部品20としては、Alワイヤ40がワイヤボンディングされるワイヤパッド21と、はんだランド22とを両備するものであればよく、上記パワーチップ20に限定されるものではない。たとえば、その他、電子部品としては、各種の表面実装部品、回路基板、各種のセンサチップ等であってもよい。
また、電子部品20としては、はんだランド22の表面も、ワイヤパッド21と同様の「Ni/Auめっき」の構成であったが、これは、電子部品の製造工程上、はんだランド22の表面をAu/Niめっきとすると、ワイヤパッド21も同一表面構成とするのが通常であることによる。
ただし、はんだランド22は、Snはんだ70ではんだ付けされるものであればよく、はんだ付けが可能なものならば、上記実施形態のようなワイヤパッド21と同一の表面構成、すなわち「Ni/Auめっき」以外のものであってもよい。
また、基板10上には、ワイヤパッド21とはんだランド22とを両備する電子部品20が複数個搭載されていてもよい。この場合も、各電子部品20について、はんだ付け工程の前にNi拡散工程を実施すればよい。
また、接合部材としては、はんだランドにはんだ付けされるものであればよく、上記ターミナル50以外のものであってもよい。また、はんだ70の配置については、はんだペーストの塗布以外にも、はんだボール等による配置でもよい。
また、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記実施形態は、上記の図示例に限定されるものではない。また、上記実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。
10 基板
20 電子部品としてのパワーチップ
21 ワイヤパッド
22 はんだランド
40 ボンディングワイヤ
50 接合部材としてのターミナル
70 はんだ
211 ワイヤパッドのNiめっき層
212 ワイヤパッドのAuめっき層

Claims (3)

  1. ワイヤボンド用のワイヤパッド(21)およびはんだ付け用のはんだランド(22)を有する電子部品(20)と、
    前記ワイヤパッドにワイヤボンディングされたアルミニウムよりなるワイヤ(40)と、
    前記はんだランドにSnを含むはんだ(70)を介してはんだ付けされた接合部材(50)と、を備える電子装置の製造方法であって、
    前記電子部品として、前記ワイヤパッドの表面が、Niめっき層(211)を下地とするAuめっき層(212)よりなるものを用意する用意工程と、
    前記はんだランドに前記はんだを配置し、前記はんだ上に前記接合部材を搭載した状態で前記はんだをリフローさせることにより、前記接合部材をはんだ付けするはんだ付け工程と、
    前記はんだ付け工程の後、ワイヤボンディングを行って前記ワイヤパッドに前記ワイヤを接合するワイヤボンディング工程と、
    前記ワイヤボンディング工程の後、前記電子部品を加熱する加熱工程と、を備え、
    前記はんだ付け工程の前に、前記用意された前記電子部品を加熱することにより、前記ワイヤパッドにおいて前記Auめっき層の表面に前記Niめっき層からNiを拡散させるNi拡散工程を行うことを特徴とする電子装置の製造方法。
  2. 前記はんだ付け工程では、前記はんだは、フラックスを含むはんだペーストとして、前記はんだランドに配置することを特徴とする請求項1に記載の電子装置の製造方法。
  3. 前記用意工程では、前記電子部品として、前記はんだランドの表面も、前記ワイヤパッドと同一の表面構成を有する、Niめっき層(221)を下地とするAuめっき層(222)よりなるものを用意することを特徴とする請求項1または2に記載の電子装置の製造方法。
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