JP6386514B2 - 接合部材と半田の接合方法 - Google Patents

Description

本発明は接合部材と半田の接合方法に関するものである。

本発明において接合部材とは、相手材に接合されることで製品として完成される部材全般を意味するものである。たとえば本発明において、半導体装置用リードフレームが最も代表的接合部材である。
本発明の「接合」という用語は、はんだ付け意味するものである。

本発明において接合性とは、接合部材と、その相手材（半田）との間の接合強度、およびその半田の、接合部材に対する濡れ性、濡れ広がり性を意味するものである。

半導体の実装工程で、今日、最も重要視されている特性として、リードフレームと封止樹脂および銀ペースト樹脂との密着強度（接合強度）、半田との接合強度、濡れ広がり性、およびワイヤーボンディング性（ボンディングワイヤーとの接合強度）であり、これらすべてが優れたリードフレームが要求されている。

リードフレームの表面は、まずＮｉメッキされるのが常法である。
半導体装置用リードフレーム素材上のＮｉメッキは、ボンディング性や展延性が必要なことから、従来は、無光沢のＮｉメッキが用いられているが、樹脂、半田、およびボンディングワイヤーとの接合性に問題点があるのが実情である。

リードフレームの半田付け性を改善する従来発明として特許文献１が、そしてモールド樹脂との密着強度を改善する方法として特許文献２に記載された発明がある。

特許文献１に記載された発明は、リードフレーム表面にＮｉメッキ、さらにＮｉメッキの上に、Ｐｄメッキ（Ｎｉ−Ｐｄ）、さらにＰｄメッキの上に、Ａｕメッキ（Ｎｉ−Ｐｄ−Ａｕ）をして半田付け性を改善する方法である。
特許文献１の発明は、Ｎｉメッキの上に更に、貴金属メッキが必須であり、メッキのコストアップが課題である。

特許文献２に記載された発明は、リードフレーム上のＮｉメッキの結晶の配向性を制御することにより、モールド樹脂、Ａｇペースト樹脂との密着強度を改善する方法であるが、半田付け性の改善には、特許文献１の発明と同じくＮｉメッキの上に更に、貴金属メッキが不可欠である。
特許文献１、２の発明は共に、貴金属メッキによるコストアップと、貴金属メッキしても尚かつ、接合強度そのものに問題がある。

かかる観点から、リードフレーム表面に、貴金属メッキは必要とせず、Ｎｉメッキするだけで、封止樹脂および銀ペースト樹脂との良好な密着強度（接合強度）、半田との良好な接合強度、濡れ広がり性、および良好なワイヤーボンディング性（ボンディングワイヤーとの接合強度）が得られる新しいＮｉメッキ技術が嘱望されているのが現状である。

特許第２５４３６１９号 特開平１０−２７８７３号

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、接合部材表面に、貴金属メッキは必要とせず、Ｎｉ電気メッキするだけで、半田との良好な接合強度、濡れ広がり性が得られる接合部材と半田の接合方法を提供することにある。

本発明者は前記課題を解決すべく鋭意研究を行った結果、下記の知見を得た。すなわち、接合部材の接合部表面にＮｉ電気メッキ層を形成して半田と接合するに際して、そのＮｉ電気メッキ浴の組成が、浴中にハロゲンイオンとアンモニアイオンが共存してなり、かつ、そのＮｉ電気メッキ浴の中の、Ｎｉ ^２+ の濃度が、１〜５０ｇ／Ｌ、かつハロゲンイオンの濃度が、１〜１００ｇ／Ｌ、ＮＨ _４ ⁺ が、１〜１００ｇ／Ｌである電気メッキ浴を用いて、ｐＨ２〜１０、メッキ浴温度が、常温〜８０℃、陰極電流密度が、０．１〜１０Ａ／ｄｍ ^２ で、メッキ厚さ０．０５〜３０μｍメッキして、そのＮｉメッキ層のミクロ組織の断面構造が、花蕾野菜状結晶が林立する構造で、その結晶の下部は花蕾野菜の茎部状で、上部は花蕾野菜の花蕾部状からなり、その林立する花蕾野菜状結晶の中の一部あるいは全ての結晶の上部が、先太に広がる構造のＮｉ電気メッキ被膜を形成し、半田との接合時、半田の流動体を、そのＮｉ電気メッキ被膜の花蕾野菜状結晶間の隙間（幹と幹の間の隙間である）あるいは花蕾野菜の枝と枝の間の隙間に侵入させることで、貴金属メッキしなくても、貴金属メッキした場合と同等あるいは同等以上の接合特性（濡れ広がり性および接合強度）が得られることが判った。

本発明Ｎｉメッキ被膜は、メッキ被膜の厚さが、０．０５μｍ以上になると、結晶の先端花蕾部が先太に広がり始め、先太結晶が林立するようになり、相手材との接合強度の上昇が特に顕著になるが、本発明Ｎｉ電気メッキ被膜は、いまだ先太に成長していないメッキ初期段階の被膜の状態（０．０１μｍ〜０．０５μｍ未満）でも、相手材が半田の場合、貴金属メッキしなくても、貴金属メッキした場合と同等あるいは同等以上の接合強度と半田の濡れ広がり性が得られることが判った。

なお本発明では、いまだ先太に成長していないメッキ初期段階の被膜を「メッキ初期段階の被膜」と表現した。

本発明では、メッキ厚さが、０．０５μｍ以上で、結晶の先端花蕾部が先太に広がり始め、花蕾野菜状結晶間に隙間が形成されてなる状態を「先太に成長した状態（あるいは段階）」と表現し、メッキ厚さが、０．０１μｍ〜０．０５μｍ未満の状態をメッキ初期段階の被膜の状態と表現した。

前記ミクロ組織断面の構造が、前記「先太に成長した段階」で、相手材（半田）と接合した時の接合強度は、前記「メッキ初期段階の被膜の状態」のＮｉ電気メッキ被膜と接合した時よりも更に高い接合強度が得られる。
本発明は、これらの知見に基づいてなされたものである。

ブロッコリーは花蕾野菜の代表的なものであるが、本発明Ｎｉ電気メッキ被膜表面を顕微鏡で観察した時、あたかもブロッコリーの森を上から俯瞰した外観になる。

先太に成長した段階で、接合強度が、前記メッキ初期段階の被膜の状態の接合強度よりも更に高くなるのは、相手材（半田）の流動体が、隣り合う花蕾野菜状結晶間の隙間（幹と幹の間の隙間）、あるいは／および花蕾野菜の枝と枝の間の隙間に侵入し、隙間が相手材の流動体で埋められ、相手材が固化することで、接合面積の拡大と共に、アンカー効果が生まれて、接合強度がより高くなるものと思われる。

前記したように、メッキ厚さが０．０５μｍ以上になると、結晶の先端花蕾部が先太に広がり始めて前記先太に成長した段階になり、相手材との接合強度の上昇が顕著になるが、メッキ厚さが３０μｍを超えると、Ｎｉメッキの結晶が脆くなり、接合強度が低下するので、メッキ厚さは、３０μｍ以下が好適である。

前記メッキ初期段階の被膜の状態は、０．０１〜０．０５μｍ未満の膜厚範囲である。
下限を０．０１μｍにする理由は、０．０１未満のメッキ厚さになると、実際のメッキ工程では、被膜厚さのコントロールが難しくなり、安定的にメッキを行うことが難しくなるためである。したがって下限値は、０．０１μｍが好適である。

前記したように、相手材が半田の場合、Ｎｉメッキ被膜が「メッキ初期段階の被膜の状態」でも、従来のＮｉ電気メッキ被膜に貴金属メッキした場合と同等あるいは同等以上の接合強度が得られるので、相手材が半田の場合、本発明の好適なＮｉメッキ被膜の厚さ範囲は、０．０１μｍ〜３０μｍとなる。

Ｎｉ電気メッキ層は、接合部材に直接メッキして形成しても良いし、あるいは下地に他の金属を被覆して、あるいは必要に応じてＮｉを無電解法、蒸着法等で形成して、この下地層の上にＮｉ電気メッキ層を形成しても良い。

ここで相手材の流動体とは、相手材が半田にあっては、溶けた融体あるいは軟化した塑性流体を意味する。

最適な結晶構造の析出物を得るためには、メッキ液の組成、および電流密度、メッキ液温度、極間距離等のメッキ条件を制御することにより達成できる。

本発明では、Ｎｉの電気メッキ浴中にハロゲンイオンとアンモニアイオンが共存することが必須である。すなわちＮｉ^２＋、ハロゲンイオン、ＮＨ_４ ^＋が必須である。

Ｎｉの電気メッキ液のｐＨは、２〜１０、メッキ温度は常温〜８０℃、陰極電流密度は、０．１〜１０Ａ／ｄｍ^２が好ましい。

メッキ浴組成およびメッキ条件を適正に管理することにより常に一定の結晶構造のメッキ被膜を得ること出来る。

Ｎｉメッキ浴中の、Ｎｉ^２＋の最適濃度は、１〜５０ｇ／Ｌであり、それより少ないと、結晶が脆くなり、それより多いと最適な結晶の出現が難しい。
Ｎｉ^２＋供給塩としては、硫酸ニッケル、塩化ニッケル、スルファミン酸ニッケル、酢酸ニッケル、クエン酸ニッケル等が好ましい。

またハロゲンイオンの最適濃度は、１〜１００ｇ／Ｌが好ましい。それより少ないと結晶が小さくなり、また多すぎると、結晶が脆くなる。
ハロゲンイオン供給塩としては、ＮＨ_４Ｃｌ、ＮＨ_４Ｂｒ、ＮＨ_４Ｆ、ＮＨ_４ＨＦ（酸性フッ化アンモニウム）、ＮａＦ、ＫＣｌ、ＮａＣｌ、ＮｉＣｌ_２、ＮｉＢｒ_２、ＮａＢｒ、ＫＢｒ、ＣａＢｒ_２、ＮａＩ、ＫＩ等が好ましい。

さらにＮＨ_４ ^＋は、１〜１００ｇ／Ｌが好ましい。
多すぎても、少なすぎても本発明の結晶は出現しない。

硼酸等もｐＨ緩衝剤として用いても良い。

本発明接合部材の、最も代表的なものは、半導体装置用リードフレームであり、素材として、純銅、Ｃｕ合金、Ｎｉ−Ｆｅ合金等が用いられるが、本発明では、その他接合に供される全ての金属、合金成分からなる部材全てを包含するものである。

本発明は、半導体装置用リードフレームの様な接合部材を、半田と接合する際の接合強度、半田濡れ性、濡れ広がり性を顕著に向上させることができるものであり、接合部材の軽小化と、その接合部の信頼性の向上およびそのコスト低減に多大な貢献をなすものである。

本発明Ｎｉメッキ層（０．０１、０．０３、１μｍ厚）外観ＳＥＭ写真 本発明Ｎｉメッキ層（１μｍ厚）断面のＳＥＭ写真 半田を接合した時の断面の元素のマッピング写真 従来のＮｉメッキ層（ワット浴）外観のＳＥＭ写真 従来のＮｉメッキ層（ワット浴）断面のＳＥＭ写真 従来のＮｉメッキ層（スルファミン酸浴）外観のＳＥＭ写真 従来のＮｉメッキ層（スルファミン酸浴）断面のＳＥＭ写真

以下に本発明の実施の形態を従来方法と対比させて説明する。なお、本実施の形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、本発明がこれのみに限定されるものでないことは勿論である。

実施例１
半田合金に対するＮｉメッキ厚さ範囲の検証
接合部材として銅合金素材のリードフレームを使用し、接合部材に接合する相手材として、１種類の半田合金を選択した。

１種類の半田合金は、３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−Ｓｎ（残部）である。

リードフレーム接合面に形成するＮｉ電気メッキ層の厚さを変えた時の相手材（半田合金）との接号強度の変化を調べた。

Ｎｉ電気メッキ層のメッキ厚さは、
０．０１μｍ、０．０２μｍ、０．０５μｍ、１μｍ、１０μｍ、２０μｍ、３０μｍ、４０μｍの８水準で変化させた。
メッキ初期段階の皮膜の状態が２水準、先太に成長した段階が、６水準である。

リードフレームのＮｉ電気メッキの条件は下記のとおりである。
銅合金素材のリードフレームの表面を常法通り脱脂、酸洗い、活性化処理後、リードフレーム全面に、前記８水準のメッキ厚さのＮｉメッキを施した。
Ｎｉ電気めっきのメッキ浴組成とメッキ条件を表１に示す。

また従来技術と比較するために、従来技術のメッキ法で、１μｍ厚のＮｉ電気メッキ層の表面に、Ａｕメッキ層を１層形成したものと、Ｎｉメッキの表面にＰｄとＡｕを２層メッキした従来技術品も作成した。

前記メッキ厚さの異なる８種類のリードフレームに、半田合金を接合して、接合強度の測定を行った。また前記貴金属を１層、２層メッキしたリードフレームにも半田合金を接合して、従来技術との接合強度の比較を行った

表２の比較例は、従来技術のメッキ方法でＮｉメッキ層のみ被覆した場合であり、Ｎｉメッキ浴はスルファミン酸浴を用いた。
表２の比較例に使用したスルファミン酸浴組成とメッキ条件を表１２に示す。メッキ条件は、５０℃、５Ａ／ｄｍ２で、銅合金素材のリードフレームに前記８水準のメッキ厚さでメッキした。

表２より、Ｎｉメッキ層の厚さが０．０５μｍ以上（先太に成長した段階）になると、半田合金場合、比較例に比較して、極めて高い強度が得られることを確認できた。
また３０μｍを越える厚さになると、接合強度の低下が激しくなることを確認できた。

また更に表２より、本発明Ｎｉメッキ被膜は、メッキ初期段階の被膜の状態（０．０１〜０．０５μｍ未満厚さ）の場合でも、比較例の場合に比較して、極めて高い強度が得られることが判る。そして更に、従来のＮｉメッキの上に、更に貴金属層を１層、２層メッキした場合（従来技術品）と同等以上の接合強度を有しているということであり、貴金属メッキすることなしに、貴金属メッキした従来技術品と同等以上の接合性が得られることが確認できた。

実施例２
貴金属メッキした従来技術品との比較
接合部材として実施例１と同じ銅合金素材のリードフレームを使用。
接合部材（リードフレーム）に接合する相手材として、２種類の半田合金を選択した。

２種類の半田合金は、
３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ−Ｓｎ（残部）、
１％Ａｇ−０．７％Ｃｕ−２％Ｂｉ−Ｓｎ（残部）である。

接合部材接合面に形成するＮｉメッキ層の厚さは、１μｍとし、Ｎｉ層単独のリードフレーム、Ｎｉ電気メッキ層の上に、更にＡｕメッキ層を形成した２層構造のリードフレーム、Ｎｉ電気メッキ層の上にＰｄメッキ層、Ｐｄメッキ層の上に更にＡｕメッキ層形成の３層構造のリードフレーム、以上３種類のリードフレームを作製した。
また半田濡れ広がりテストでは、メッキ初期段階の被膜の状態の濡れ広がり性を測定するために、Ｎｉ層厚さ０．０１μｍ、０．０３μｍのリードフレームも作製した。

Ｎｉ電気メッキ層の上にＡｕメッキ層形成の２層構造の場合は、１μｍ厚さのＮｉメッキ層の上に、０．０５μｍ厚さのＡｕメッキ層を形成した。
Ｎｉ電気メッキ層の上にＰｄメッキ層、Ｐｄメッキ層の上に更に、Ａｕメッキ層形成の３層構造の場合は、１μｍ厚さのＮｉメッキ層の上に、０．１μｍ厚さのＰｄメッキ層を形成し、Ｐｄメッキ層の上に、０．０１μｍ厚さのＡｕメッキ層を形成した。

リードフレームのＮｉ電気メッキの浴組成およびメッキ条件は実施例１と同じである。

表１に示したメッキ浴組成およびメッキ条件で、０．０１、０．０３、および１μｍ厚さＮｉメッキした時の、メッキ層表面外観のＳＥＭ写真を図１に示す。
１μｍ厚Ｎｉ層断面のＳＥＭ写真を図２に示す。
倍率は、図１は１００００倍、図２は３００００倍である。

また本発明と比較のために、従来技術でＮｉメッキ後、更に、Ｎｉ層の上に、前記した条件で、Ａｕメッキしたリードフレーム、およびＮｉ層の上に、Ｐｄメッキし、Ｐｄの上に、更に、Ａｕメッキした前記３種類の構造のリードフレームも作製した。

ＳＥＭ写真の解析結果と接合強度の測定結果
図１の外観ＳＥＭ写真から判るように、本発明Ｎｉメッキ被膜は、先太に成長していない「メッキ初期段階の被膜の状態」の被膜（０．０１、０．０３μｍ）でも、被膜が厚くなるにしたがって、芽が成長して大きくなることが判る。
先太に成長した段階（１μｍ厚さ）のＮｉメッキ層の結晶は、花蕾野菜状の結晶が林立した花蕾野菜の森を上から俯瞰した時のような外観をしており、そして個々の花蕾野菜状結晶の断面構造は、図２の断面ＳＥＭ写真から判るように、茎部と花蕾部からなる突起形状で、突起上部の花蕾部は、ほぼ半数以上が先太形状である。

結晶断面の全体構造は、これらの突起が林立した構造になっており、隣同士の突起間には隙間が存在し、これらの隙間は、入り組んだ入江状の隙間構造を形成している。そして先太結晶部の隙間は、入江の入り口側が奥側よりも細く絞られる構造になっている。

次に半田濡れ広がりテストの測定結果を表３に、半田の接合強度の測定結果を表４に示す。また併せて、半田とＮｉメッキ層の接合部断面の元素のマッピング写真を図５に示す。倍率は１００００倍である。

表３の従来技術で用いたＮｉメッキはスルファミン酸浴を用いた。
表３の従来技術に使用したスルファミン酸浴組成とメッキ条件を表６に示す。
メッキ条件は、５０℃、５Ａ／ｄｍ２で、１ミクロンのメッキである。
表３の従来技術の、スルファミン酸Ｎｉメッキ後の外観のＳＥＭ写真は図６に、断面のＳＥＭ写真は図７に示す。

表３の結果より、
本発明Ｎｉメッキ被膜は、メッキ初期段階の被膜の状態から先太に成長した状態まで、貴金属メッキしなくても、貴金属メッキした場合と同等の半田濡れ広がり性を有していることが判る。
このことからも、本発明においては敢えて貴金属メッキは必要としないことが判る。

表３の結果より、
本発明Ｎｉメッキ被膜は、メッキ初期段階の被膜の状態から先太に成長した状態まで、貴金属メッキしなくても、貴金属メッキした場合と同等の半田濡れ広がり性を有していることが判る。
このことからも、本発明においては敢えて貴金属メッキは必要としないことが判る。

また従来方法のＮｉメッキ被膜（１μｍ厚さ）に、貴金属を１層、あるいは２層メッキした場合よりも、本発明はＮｉ被膜単独で、３倍以上の半田濡れ広がり性を有しており、本発明Ｎｉメッキ被膜には、敢えて貴金属メッキは必要としないことが判る。

表４の従来技術で用いたＮｉメッキのスルファミン酸浴組成とメッキ条件を表６に示す。
メッキ条件は、５０℃、５Ａ／ｄｍ２で、１ミクロンのメッキである。

表４の半田接合強度の評価方法
半田接合強度の測定は、メッキ膜上の２ｍｍ×２ｍｍ＝４ｍｍ^２の面積区域に、半田付け後、垂直方向に引張って強度を測定した。

表４の結果から、本発明Ｎｉメッキ被膜は、従来方法のＮｉメッキ上に、更に貴金属を１層、２層メッキした従来技術の、１．６〜１．８倍の接合強度を有しており、本発明Ｎｉメッキ被膜は、敢えて貴金属メッキしなくても、従来方法に比べて極めて高い半田接合強度を有していることが判る。

強度が顕著に向上する理由は、図３の接合部断面の元素のマッピング写真から判るように、半田がＮｉメッキ層の複雑な入江状、タコツボ状隙間の中に侵入、固化したことによるアンカー効果および接着面積の拡大が、本発明の接合強度を高くする最大の要因であろう。

軽小化する半導体装置のリードフレームの分野で多くの需要が期待できる。
また、その他一般的な接合部材の分野でも多く利用されることが期待できる。

１…接合部材 ２…Ｎｉメッキ層
３…花蕾野菜状結晶 ４…茎部
５…先太花蕾部 ８…半田層

Claims (2)

1. 接合部材の接合部表面にＮｉ電気メッキ層を形成して半田と接合する方法であって、そのＮｉ電気メッキ浴の組成が、浴中にハロゲンイオンとアンモニアイオンが共存してなり、かつ、そのＮｉ電気メッキ浴の中の、Ｎｉ ^２+ の濃度が、１〜５０ｇ／Ｌ、かつハロゲンイオンの濃度が、１〜１００ｇ／Ｌ、ＮＨ _４ ⁺ が、１〜１００ｇ／Ｌである電気メッキ浴を用いて、ｐＨ２〜１０、メッキ浴温度が、常温〜８０℃、陰極電流密度が、０．１〜１０Ａ／ｄｍ ^２ で、メッキ厚さ０．０５〜３０μｍメッキして、そのＮｉメッキ層のミクロ組織の断面構造が、花蕾野菜状結晶が林立する構造で、その結晶の下部は花蕾野菜の茎部状で、上部は花蕾野菜の花蕾部状からなり、その林立する花蕾野菜状結晶の中の一部あるいは全ての結晶の上部が、先太に広がる構造のＮｉ電気メッキ被膜を形成し、半田との接合時、半田の流動体を、そのＮｉ電気メッキ被膜の花蕾野菜状結晶間の隙間（幹と幹の間の隙間）、あるいは／および花蕾野菜の枝と枝の間の隙間に侵入させることを特徴とする接合部材と半田の接合方法。
2. 前記接合部材が半導体装置用リードフレームである請求項１に記載の接合部材と半田の接合方法。