JPH07171689A - 金属表面処理方法 - Google Patents
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Abstract
かつ電子部品もしくは電子装置に悪影響を及ぼすことな
く金属表面の酸化膜や有機物、カーボン等を除去する。 【構成】 処理対象の金属表面に対し、金属表面の組織
を変化させるエネルギーより小さなエネルギーのレーザ
光を照射し、金属表面を洗浄する。
Description
し、特に、例えば、回路配線基板と半導体集積回路(L
SI)等とをハンダ付けしたり、処理対象金属にメッキ
を施したりする際に、ハンダ表面もしくは処理対象金属
表面の酸化膜や有機物、カーボン等を除去する金属表面
処理方法に適用して有効な技術に関するものである。
(LSI)等とをハンダ付けする際は、接合される対象
金属の表面は清浄に保たれ、かつ濡れ性を妨げるような
物質が存在してはならないことが要求される。また、メ
ッキを施す対象金属の表面にも酸化膜等が存在せず、対
象金属の表面は清浄に保たなければならない。さらに、
Au線やAuリボン等を対象金属の表面に超音波熱加圧
方法により接合する際にも、対象金属の表面の酸化膜が
問題になり、対象金属の表面は清浄に保たなければなら
ない。
は、酸化物、塩化物、硫化物、炭酸塩、各種有機化合物
等がある。特に、ハンダ付け、メッキ付け、Au線やA
uリボン等の超音波熱加圧接合等の処理プロセスにおけ
る最大の障害は、ハンダ、ニッケル(Ni)、ニッケル
合金(Niと他物質との合金)等の対象金属の表面に存
在する酸化膜である。
化学的に溶解して液体の化合物に変化させる。これによ
って、対象金属の表面とハンダの金属原子とが外殻の電
子殻を共有する金属結合状態を形成するための直接衝突
の機会が得られ、合金化が可能となる。また、メッキ付
けに対しては、酸化膜を介してはメッキ付けは不可能で
ある。代表的な例として電気メッキがあるが、酸化膜が
絶縁膜となり電気メッキに必要な電気的導通がとれない
ため、メッキ付けが不可能になる。
酸化膜が障害となり、対象金属の表面とメッキ液間の置
換反応が無くなり、メッキ付けが不可能となる。
処理による酸化膜除去では、残渣が残ってしまい、接合
の信頼性を低下させる要因となる。そこで、従来からフ
ロン等による洗浄が実施されている。
アビエチン酸(ロジン)とアジピン酸等を微量使用する
ことにより、フラックス残渣洗浄を不要とする技術開発
が行われているが、接合の信頼性の点で不十分である。
カルジャーナル19」(1992年)、および「無洗浄
化のためのフラックスの作用機構と問題点について」
((株)日本工業技術開発研究所、窪田 規)に詳しく
説明されている。
て、レーザビームを照射することにより、超微細均一組
織あるいは非晶質構造を有し、耐食性、耐摩耗性に優れ
た材料を得るグレージング方法が提案されている。この
グレージング方法は、高温高圧下に晒される金属材料、
例えば自動車タービン用材料等を加工する場合に使用さ
れるもので、例えば「続・レーザ加工」(小林 昭 著
pp164、開発社発行)に論じられている。
属表面の酸化膜除去方法として、アルゴンスパッタによ
る酸化膜除去方法がある。
に開示されているように、金属部材のブラスト加工によ
り粗面に形成された表面に、合金元素をメッキした後、
その上にレーザ光を照射してメッキ層を熔融処理するこ
とにより、ピンホールのない密着性の高いコーティング
被膜を形成する技術がある。
に開示されているように、アルミニウムまたはその合金
から成る基材の表面に、陽極酸化被膜を形成することに
より、耐食性が良好で、ハンダ付けが容易な表面処理層
を形成する技術がある。
技術を検討した結果、以下の問題点を見いだした。
けする際に、そのハンダ付け前にフラックスによって酸
化膜を除去する方法にあっては、フラックスの残渣を洗
浄するプロセスが必ず必要になるという問題がある。ま
た、残渣として残存した酸等による腐食の原因が残ると
いう問題がある。
になるという問題がある。
方法にあっては、真空中での処理が必要になるので、設
備管理が困難なうえ、アルゴンスパッタによって電子部
品もしくは電子装置の能動素子に悪影響を与えてしまう
という問題がある。
方法および特開昭63−97382号公報に開示された
レーザ加工処理方法にあっては、いずれも、高エネルギ
ーのレーザ光によって表面の金属組織を強制的に熔融変
化させ、金属表面の耐摩耗性や緻密性を得るものである
ため、金属表面が固化する過程で酸化膜が成長してしま
うという問題がある。
開示されている表面処理方法は、酸化膜を除去する技術
ではない。
ることなく簡単に、かつ電子部品もしくは電子装置に悪
影響を及ぼすことなく金属表面の酸化膜や有機物、カー
ボン等を除去することができる金属表面処理方法を提供
することにある。
新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面によって
明らかになるであろう。
発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以
下のとおりである。
面の組織を変化させるエネルギーより小さなエネルギー
のレーザ光を照射し、金属表面を洗浄する金属表面処理
方法である。
けるレーザ光は、パルス幅が1μs以下である。
処理方法におけるレーザ光は、波長150nm〜400
nmである。
か1つの金属表面処理方法における処理対象の金属は、
ハンダ、ニッケル、ニッケル合金のうちいずれか1つで
ある。
けるレーザ光は、エネルギー密度が0.5J/cm2〜4.
0J/cm2である。
か一つの金属表面処理方法を用いて処理対象の金属の表
面処理を行い、再酸化防止用のメッキ層を施す金属表面
処理方法である。
し、金属表面の組織を変化させるエネルギーより小さな
エネルギーのレーザ光を照射する。詳しくは、処理対象
の金属表面の金属原子と酸素原子との結合エネルギーよ
り大きく、金属原子同士の結合エネルギーより小さなエ
ネルギーのレーザ光を照射する。
レーザ光のエネルギーによって表面の金属原子と酸素原
子との結合のみが解かれるので、金属表面の酸化膜が除
去される。また、同時に金属表面の有機物、カーボン等
が除去される。
結合を解くことがレーザ光を照射する主目的であるの
で、レーザ光は、例えば、パルス幅が1μs以下のパル
スレーザ光であることが好ましい。
ザ光で表面の金属原子と酸素原子との結合を解くことに
なるので、レーザ光は、例えば、波長が短い(光子エネ
ルギーが高い)エキシマレーザ光が好ましい。
中、真空中、Heガス中のいずれであっても、問題なく
金属表面酸化膜を除去することができる。
説明する。
て、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り
返しの説明は省略する。
面処理方法の実施例1を説明するための断面図であり、
1はセラミック基板、2はメタライズ層、3aはハンダ
層、4は酸化膜、5はレーザ光、6はレンズ、7はミラ
ーである。
示すように、セラミック基板1の上層に形成したメタラ
イズ層2の表面のハンダ層3aの表面の酸化物4(また
は有機物、カーボン等の残渣)を除去する方法である。
前記メタライズ層2は、例えば、チタン(Ti)膜、ニ
ッケル(Ni)膜、ニッケル合金膜等からなる。
の表面の酸化物4(または有機物、カーボン等の残渣)
を除去する方法は、前記ハンダ層3aの表面に対し、レ
ンズ6およびミラー7を介してレーザ光5が照射するこ
とにより酸化物4を除去する方法である。
体集積回路(LSI)等の電子装置の製造方法における
ハンダバンプ3bの表面にレンズ6およびミラー7を介
してレーザ光5を照射する本実施例1の変形例である。
光5は、ハンダ層3a,3bの金属組織を変化させるエ
ネルギーより小さなエネルギーのレーザ光である。詳し
くは、ハンダ層3a,3bの表面のSn原子とO2原子
との結合エネルギーより大きく、Sn-Pb原子同士の
結合エネルギーより小さなエネルギーのレーザ光であ
る。
射すると、表面のハンダ層3a,3bは熔融せず、レー
ザ光5のエネルギーによって表面のSn-Pb原子とO2
原子との結合のみが解かれることにより、ハンダ層3
a,3bの表面の酸化膜4が除去される。また、同時に
金属表面の有機物、カーボン等が除去される。
との結合を解くことがレーザ光5を照射する主目的であ
るので、レーザ光5は、例えば、パルス幅が1μs以下
のパルスレーザ光であることが好ましい。
ザ光で表面のSn-Pb原子とO2原子との結合を解くこ
とになるので、レーザ光5としては、例えば、波長が短
い(光子エネルギーが高い)エキシマレーザ光が好まし
い。
中、真空中、Heガス中のいずれであっても、問題なく
ハンダ層3a,3bの表面の酸化膜4を除去することが
できた。
3b表面状態を走査型電子顕微鏡によって観察した写真
であり、図4はその拡大写真である。
面に有機物やカーボン等の黒色残渣が確認される。
3bの表面状態を同様に走査型電子顕微鏡によって観察
した写真であり、図6はその拡大写真である。この写真
からその酸化膜や有機物、カーボン等の残渣が完全に除
去されていることが確認される。
(%)を、横軸に1パルスのレーザ光照射エネルギー密
度(J/cm2)をとり、両者の関係をプロットしたもの
である。この図7からレーザ光照射エネルギー密度0.
5J/cm2〜4.0J/cm2の範囲で未処理の酸化膜量よ
り少ないことが明らかとなっている。その中でも、レー
ザ光照射エネルギー密度1.5J/cm2が最も良好である
ことがわかる。
分散X線分光法(EDX)により測定した酸素濃度であ
る。
(%)を、横軸にレーザ光照射エネルギー密度を1.5
(J/cm2)に一定値に保った時の照射回数を示したも
のである。
8回付近で酸化膜量が最小となることがわかる。
量はレーザ光照射エネルギー密度1.5J/cm2で8回照
射する場合が最小になり、ハンダ3a,3bの濡れ性が
向上することがわかる。
化膜除去を行い、フラックスのない状態で集積回路(L
SI)8をセラミック基板1の上層に形成したメタライ
ズ層2にハンダ接合した実施例1の要部断面を示すもの
であり、図10は封止キャップ9の部分のハンダバンプ
3bの表面の酸化膜除去を行い、フラックスのない状態
でハンダ接合を実施した半導体装置の要部断面を示すも
のである。
表面処理方法の実施例2を説明するための断面図であ
る。本実施例2の金属表面処理方法は、図11に示すよ
うに、セラミック基板1の上層に形成したニッケル(N
i)層(もしくはニッケル合金層)2aの表面の酸化物
4(または有機物、カーボン等の残渣)を除去する方法
である。
金層)2aは、一般的に酸化しやすいために、ニッケル
(Ni)層もしくはニッケル合金層2aの表面に簡単に
酸化膜4が形成される。
去する方法は、前記実施例1と同様に、前記ニッケル層
2aの表面に対し、レンズ6およびミラー7を介してレ
ーザ光5が照射して酸化物4を除去する。
に対するレーザ光5の照射回数を10回一定として、縦
軸にニッケル2aに形成された酸化膜4の厚さ(単位:
nm)をとり、横軸にレーザ光照射エネルギー密度(J
/cm2)(単位面積当りのレーザ光照射エネルギー)
をとって、両者の関係をプロットした図である。図12
からわかるように、レーザ光5の照射エネルギー密度が
大きくなるにつれ、酸化膜4は除去できることが理解で
きる。
様に酸化膜4を除去することができる。
ー密度を0.75(J/cm2)一定として、縦軸にニッ
ケル層2aの表面に形成される酸化膜4の厚さ(単位:
nm)をとり、前記ニッケル層2aの同一部分に対する
レーザの照射回数をとって、両者の関係をプロットした
図である。図13からわかるように、照射回数が多くな
る程、酸化膜の厚さも減少する。
体集積回路(LSI)等の電子装置の製造方法の実施例
3を説明するための断面図である。
4に示すように、セラミック基板1の上層に形成したニ
ッケル(Ni)層(もしくはニッケル合金層)2aの表
面の酸化物(または有機物、カーボン等の残渣)を、前
記実施例1,2の酸化物を除去する方法で除去した後、
メッキ層10を施すものである。前記メッキ付けは、電
気メッキ、無電界メッキ、置換メッキのどれを用いても
よいが、メッキ材は一般に金(Au)を用いて再酸化を
防ぐ。このようにすることにより、メタライズ層のニッ
ケル(Ni)層もしくはニッケル合金層2a上の酸化膜
を除去し、その上層にメッキ層10を施すことによりそ
の再酸化を防止することができる。
に適用した電子装置の構成断面図を図15に示す。この
具体例の半導体集積回路(LSI)等の電子装置の製造
方法は、図15に示すように、セラミック基板1にメタ
ライズ層のニッケル(Ni)層(もしくはニッケル合金
層)2aを形成し、その上に有機系絶縁層15を形成
し、この有機系絶縁層15に穴をあけて前記ニッケル
(Ni)層2aを露出させ、その露出したニッケル(N
i)層2aの表面の酸化物を、前記実施例1,2の酸化
物を除去する方法で除去した後、再酸化防止用のメッキ
層10を施し、ロウ材(もしくはハンダ材)11で電子
装置の入出力(I/O)ピン12を取り付けるものであ
る。
除去した後、再酸化防止用のメッキ層10を施すことに
より、半導体集積回路(LSI)等の電子装置の入出力
(I/O)ピン12とセラミック基板1との電気的接続
を良好にすることができる。
去した後は、約1週間程度なら再酸化防止用のメッキ
(Auメッキ)層10を施さなくてもロウ材(もしくは
ハンダ材)11により電子装置の入出力(I/O)ピン
12とセラミック基板1上のニッケル(Ni)層2aと
を電気的に接続することができる。
O)ピン12を用いないで電子装置と直接のロウ材(も
しくはハンダ材)11によりセラミック基板1上のニッ
ケル(Ni)層2aとを電気的接続した場合を示してい
る。従来は必ずフラックス等を用いて接合しているが、
前記本実施例の方法ではフラックス等は不要である。
体集積回路等の電子装置の製造方法の実施例4を説明す
るための図であり、(a)図は平面図、(b)図は
(a)図のA−A線で切った断面図である。
7(a),(b)に示すように、有機系絶縁層15の上
層に該有機系絶縁層15と密着性のよい金属膜13(例
えば、クローム(Cr),チタン(Ti)を用いる)を
形成し、その上層に形成したニッケル(Ni)層(もし
くはニッケル合金層)2aの表面の酸化物(または有機
物、カーボン等の残渣)を、前記実施例1,2の酸化物
を除去する方法で除去した後、超音波加熱圧方式を用い
て金(Au)リボンや金(Au)ワイヤ14を接合した
ものである。
ル合金層2aでは酸化膜のためこのような接合は困難で
あるが、前記実施例1,2の方法で酸化物を除去するこ
とにより、良好に接合することができる。
象の金属をニッケル(Ni)層2a、ハンダ層3aとし
たが、本発明はこれに限定されるものではなく、酸化膜
や有機物等を除去する必要のある各種の金属に適用する
ことができる。この場合、金属の材質によってレーザ光
のエネルギーを適宜に調節することは言うまでもない。
属組織自体を熔融しないようにする制御手段を付加すれ
ば、CO2レーザ等の波長の長いレーザ光を連続照射す
ることによっても同様の効果が達成できる。
が熔融してしまうことがあり得るが、短時間であれば支
障はない。
説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるもので
はなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更し
得ることは勿論である。
なものによって得られる効果は以下のとおりである。
織を変化させるエネルギーより小さなエネルギーのレー
ザ光を照射し、金属表面を洗浄することにより、複雑な
製造プロセスを使用することなく簡単に、かつ電子部品
もしくは電子装置に悪影響を及ぼすことなく金属表面の
酸化膜や有機物、カーボン等を除去することができる。
特に、フロン等による洗浄プロセスが不要になるので、
地球環境に対する悪影響を確実に防止できる画期的な効
果がある。
気中、真空中、Heガス中のいずれであってもよいの
で、これらの雰囲気を持つ既存の製造方法に直ちに適用
することができる。
明するための断面図である。
回路(LSI)等の電子装置の製造方法におけるハンダ
バンプの表面にレンズおよびミラーを介してレーザ光を
照射する本実施例1の変形例である。
走査型電子顕微鏡写真である。
走査型電子顕微鏡写真である。
(%)を、横軸に1パルスのレーザ光照射エネルギー密
度(J/cm2)をとり、両者の関係をプロットしたグラ
フである。
(%)を、横軸にエネルギー密度を1.5(J/cm2)に
一定値に保った時の照射回数を示したグラフである。
例を示す断面図である。
他の例を示す断面図である。
説明するための断面図である。
レーザ光の照射回数を10回一定として、縦軸にニッケ
ルに形成された酸化膜4の厚さ(単位:nm)をとり、
横軸にレーザ光照射エネルギー密度(J/cm2)をとっ
て、両者の関係をプロットした図である。
0.75(J/cm2)に一定として、縦軸にニッケル層
の表面に形成される酸化膜の厚さ(単位:nm)をと
り、前記ニッケル層の同一部分に対するレーザの照射回
数をとって、両者の関係をプロットした図である。
を説明するための断面図である。
した電子装置の構成断面図である。
いで電子装置と直接ロウ材もしくはハンダ材によりセラ
ミック基板上のニッケル(Ni)層もしくはニッケル合
金層とを電気的接続した場合を示す図である。
の実施例4を説明するためのである。
(Ni)層もしくはニッケル合金層、3…ハンダ層、3
b…ハンダバンプ、4…酸化膜、5…レーザ光、6…レ
ンズ、7…ミラー、8…半導体集積回路(LSI)、9
…封止キャップ、10…再酸化防止用のメッキ層、11
…ロウ材(もしくはハンダ材)、12…電子装置の入出
力(I/O)ピン、13…有機系絶縁層と密着性のよい
金属膜、14…金(Au)リボンもしくはや金(Au)ワ
イヤ、15…有機系絶縁層。
Claims (6)
- 【請求項1】 処理対象の金属表面に対し、金属表面の
組織を変化させるエネルギーより小さなエネルギーのレ
ーザ光を照射し、金属表面を洗浄することを特徴とする
金属表面処理方法。 - 【請求項2】 前記レーザ光は、パルス幅が1μs以下
であることを特徴とする請求項1記載の金属表面処理方
法。 - 【請求項3】 前記レーザ光は、波長150nm〜40
0nmであることを特徴とする請求項1または2に記載
の金属表面処理方法。 - 【請求項4】 前記処理対象の金属は、ハンダ、ニッケ
ル、ニッケル合金のうちいずれか1つであることを特徴
とする請求項1乃至3のうちいずれか1項に記載の金属
表面処理方法。 - 【請求項5】 前記レーザ光は、エネルギー密度が0.
5J/cm2〜4.0J/cm2であることを特徴とする請求
項4に記載の金属表面処理方法。 - 【請求項6】 前記請求項1乃至4のうちいずれか1項
に記載の金属表面処理方法を用いて処理対象の金属の表
面処理を行い、再酸化防止用のメッキ層を施すことを特
徴とする金属表面処理方法。
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