JPH11245083A

JPH11245083A - 半田及びそれを用いた回路基板

Info

Publication number: JPH11245083A
Application number: JP4601398A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kanezuka; 堂金塚
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-02-26
Filing date: 1998-02-26
Publication date: 1999-09-14
Anticipated expiration: 2018-02-26
Also published as: JP3660798B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、表面にＡｕメッキ層を有する導体
パターンに、初期状態及び高温状態においても安定した
接合が可能な半田及びそれを用いた回路基板を提供す
る。【解決手段】基板上に下地導体膜２１、Ｎｉメッキ層２
２、Ａｕメッキ層２３からなる導体パターン２を形成す
るとともに、前記導体パターン２に電子部品４などを、
Ｃｕが０〜１．０重量％（０を含まない）含有する半田
３を介して接合した回路基板である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、Ａｕメッキ層に接
合可能な半田及びその半田を用いて下地導体導体膜、Ｎ
ｉメッキ層、Ａｕメッキ層からなる導体パターンに電子
部品及びまたは他の回路基板をした回路基板に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半田は、Ｓｎ−Ｐｂ合金、Ｓ
ｎ−Ｐｂ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ｐｂ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ｐ
ｂ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ｐｂ−Ｉｎ−Ｓｂ合金などが知ら
れていた。

【０００３】しかし、これらの半田は、回路基板の厚膜
導体膜やＣｕ箔などから成る導体パターンを形成し、こ
の導体パターンに電子部品や他の回路基板を接合する際
に広く利用されている。

【０００４】ところが、表面にＡｕメッキ層を有する導
体パターンにおいては、これらの半田を直接使用するこ
とができなかった。

【０００５】表面にＡｕメッキ層を有する導体パターン
は、ＩＣチップなどの接合方法としてワイヤボンディン
グを行うためである。そして、このような導体パターン
は、結果ととして、ワイヤボンディング接合される部分
以外のすべての箇所、例えば、電子部品の電極パッド
（導体パターン）や端子部（導体パターン）にも必然的
にＡｕメッキ層が被着される。このように表面に金メッ
キ層が被着された導体パターンは、半田濡れ性に優れて
いること、導体パターンの腐食変化がなく、安定した電
気的な特性が維持されることの利点を有している。

【０００６】従来のＡｕメッキ層を表面に有する導体パ
ターンの構造は、例えばセラミック基板の表面に、メタ
ライズ導体膜、Ｎｉメッキ層、Ａｕメッキ層の多層構造
となっている。このＮｉメッキ層は、表面のＡｕメッキ
の被着を確実に行えるようにするものである。

【０００７】このような導体パターンに、電子部品など
を半田接合するにあたり、導体パターンの表面メッキ層
の材料であるＡｕ成分と、半田の成分であるＳｎとでＡ
ｕＳｎ合金が形成されないように留意していた。このＡ
ｕＳｎ合金が、半田中に形成されると、これを起点に物
理的破壊、電気的な故障を招いてしまう。

【０００８】このため、従来では、Ａｕメッキが施され
た導体パターン上に半田接合する場合には、Ａｕメッキ
層の厚みを、例えば０．１μｍ以下と非常に薄くした
り、Ａｕメッキ層上にさらにＮｉメッキ層を形成したり
して、半田中に、ＳｎとＡｕとの共晶合金が形成されな
いように制御していた。即ち、導体パターンの構成は、
基板材料、下地導体膜、Ｎｉメッキ層、Ａｕメッキ層、
Ｎｉメッキ層としていた（特開平６ー２８３８４４
号）。

【０００９】このような構成とすることにより、半田へ
のＡｕの拡散が発生しても、比較的早くに分散反応が終
了して、初期状態の半田接合の信頼性が向上する。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述のよう
に、初期状態の半田接合については安定した接合信頼性
を示していても、その後、例えば、１００℃以上の高温
環境下では、半田中に分散されていたＡｕが、導体パタ
ーン側、即ち、表面Ｎｉメッキ層側に拡散集結してしま
い、表面Ｎｉメッキ層の近傍で、Ｎｉ₃Ｓｎ₄合金層
が、表面Ｎｉメッキ層から離れるにしたがって、ＡｕＳ
ｎ₄合金層が生成されやすくなり、その結果、高い信頼
性の半田接合が維持できなくなるという問題点があっ
た。しかも、このようなメカニズムは、半田中のＡｕが
０．２１重量％と極めて極微量でも発生することが知ら
れている。

【００１１】本発明は、上述の問題点に鑑みて案出され
たものであり、その目的は、Ａｕメッキ層に直接接合可
能な半田を提供することにある。

【００１２】また、別の目的は、初期状態の接合は勿論
のこと、高温状態においても、安定した接合が維持でき
る半田接合される回路基板を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、Ｃｕを
１．０重量％以下含有して成る半田である。

【００１４】また、第２の発明は、基板上に下地導体
膜、Ｎｉメッキ層、Ａｕメッキ層からなる導体パターン
に、Ｃｕを０〜１．０重量％（０は含まない）含有する
半田を介して電子部品及び又は他の回路基板の導体パタ
ーンを接合させた回路基板である。

【００１５】

【作用】本発明においては、ＳｎＰｂ、ＳｎＡｇなどの
半田中材料として、金属成分に対してＣｕが０〜１．０
重量％（０を含まない）となるように添加した半田であ
る。

【００１６】このような半田は、Ａｕメッキ層上に電子
部品などを半田接合しても、Ｓｎ−Ａｕの合金が形成さ
れない。従って、半田の利用範囲が非常に広がる。

【００１７】また、回路基板において、導体パターンの
表面にＮｉメッキ層、Ａｕメッキ層が順次被着されてい
ても、Ｃｕを所定量添加した上述の半田でもって接合し
ても、ＡｕＳｎ合金よりも優先的にＣｕ₃ＳｎとＣｕ₆
Ｓｎ₅の２種合金層形成される。尚、Ａｕメッキ層は半
田に拡散することから、実質的にＣｕ₃ＳｎとＣｕ₆Ｓ
ｎ₅の２種合金層は、半田とＮｉメッキ界面に形成され
る。

【００１８】即ち、従来から半田接合の悪影響をあたえ
るＡｕＳｎ合金を形成するＡｕ成分は、固溶体として、
ＣｕＳｎ合金中に分散する。その結果、ＡｕＳｎ合金層
は形成されないことになる。

【００１９】さらに高温環境下ではＡｕ拡散による合金
形成過程を経ても、ＡｕはＣｕＳｎ合金層と半田中に分
散した状態を維持される。

【００２０】これにより、導体パターン上に電子部品や
他の回路基板を半田接合を行っても、その接合状態が初
期状態及び高温環境下であっても、安定した状態が維持
できる。

【００２１】尚、Ｃｕ箔やＣｕの下地厚膜導体に直接半
田接合を行った場合、Ｃｕと半田のＳｎ成分との合金で
あるＣｕ₆Ｓｎ₅合金層は、その合金表面形状が激しい
凹凸となってしまい、その結果、熱サイクル試験によっ
て、Ｃｕ₆Ｓｎ₅合金層の凹凸が破壊しやすいものとな
る。しかし、本発明におけるＣｕ₆Ｓｎ₅合金層の表面
には、凹凸が発生しにくく、熱サイクル試験をおこなっ
ても、Ｃｕ₆Ｓｎ₅合金層と半田との間で剥離が発生し
にくくなる。尚、この激しい凹凸は、Ｃｕ₆Ｓｎ₅合金
形成に際してＣｕ箔、Ｃｕメッキ、Ｃｕ系厚膜導体より
も、Ｃｕの供給量が少なくことにより緩和されるものと
考えられる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る回路基板を図
面に基づいて説明する。

【００２３】図１は、本発明の回路基板の断面図であ
り、図２（ａ）〜（ｂ）は半田の接合状態を示す概略図
である。

【００２４】図において、１はセラミックなどの耐熱性
絶縁基板、ガラス−エポキシなど樹脂基板であり、２は
導体パターンであり、３は半田であり、４は電子部品で
ある。

【００２５】絶縁基板１の表面に、所定回路を構成する
配線、外部のマザー基板と半田接合するための端子電極
部、例えばボンディングワイヤを介してＩＣチップが接
続される電極パッド、抵抗、コンデンサやトランジスタ
などが半田接合される電極パッドなどになる導体パター
ン２が形成されている。

【００２６】この導体パターン２は、図２（ａ）に示す
ように、絶縁基板１上に被着形成された下地導体膜２
１、該下地導体膜２１上に被着されたＮｉメッキ層２
２、該Ｎｉメッキ層２２上に被着されたＡｕメッキ層２
３とから構成されている。

【００２７】下地導体膜２１は、例えば、モリブデン
系、タングステン系、Ｃｕ系、Ａｇ系の金属を主成分と
するメタライズ導体、Ｃｕ箔導体などが例示できる。例
えば、メタライズ導体では、所定導電性ペーストを基板
１の表面に印刷・焼き付け処理を行うことにより形成さ
れる。

【００２８】Ｎｉメッキ層２２は、下地導体２１の表面
に被着されるものであり、これは、表面にＡｕメッキ層
２３を形成するための下地メッキ層として作用するもの
である。尚、このＮｉメッキ層２２は、Ｎｉの電界メッ
キや無電解メッキ法によって、例えば厚み０．５〜１
５．０μｍ程度に形成されている。

【００２９】Ａｕメッキ層２３は、Ｎｉメッキ層２２の
表面に被着され、例えば、ＩＣチップのボンディングワ
イヤ接合を可能として、また、導体パターン２の表面の
腐食を防止、半田濡れ性を良好にするものである。この
Ａｕメッキ層２３は、例えば厚み０．０５〜０．１μｍ
程度で形成されている。

【００３０】以上のように、Ａｕメッキ層２３は、特
に、ＩＣチップをボンディングワイヤ接合するために、
導体パターン２の安定した半田接合をするために被着形
成するものであり、その形成方法がメッキ法であるた
め、導体パターン２の表面に付着されてしまうものであ
る。

【００３１】このような構造の導体パターン２上には、
半田３を介して、積層セラミックコンデンサなどの電子
部品４が接合されている。

【００３２】本発明の半田３は、ＳｎＰｂ、ＳｎＡｇな
どの半田材料には、金属成分中に０〜１．０重量％（０
を含まない）の範囲でＣｕが添加されて構成されてい
る。

【００３３】上述のようにＣｕを添加することにより、
導体パターン２の表面のＡｕメッキ層２３のＡｕ成分と
半田３の成分であるＳｎ成分との共晶合金の生成を抑制
し、導体パターン２と半田３との剥離を発生させること
を抑制する。

【００３４】尚、上述の説明では、導体パターン２上に
半田３を介して電子部品４を半田接合しているが、導体
パターン２を端子電極として用いて、他の回路基板の導
体パターンと半田接合しても構わない。

【００３５】次に、図２は導体パターン２と半田３との
接合状態、特に、接合に際しての化合物の状態を示す概
略図である。

【００３６】図２（ａ）は、基板１の表面に形成される
導体パターン２、即ち、基板側から下地導体膜２１、Ｎ
ｉメッキ層２２、Ａｕメッキ層２３の層構成を示してい
る。

【００３７】図２（ｂ）は、本発明の半田３を導体パタ
ーン２上に半田接合した状態の図である。尚、図２
（ｂ）では、電子部品や他の回路基板の導体パターンな
どを省略している。

【００３８】本発明の半田３で半田接合を行うと、導体
パターン２のＡｕメッキ層中のＡｕ成分が、半田３に拡
散され、同時に、導体パターン２と半田３との接合界面
部分に、いくつかの共晶合金２３ａ、２３ｂが形成され
る。

【００３９】上述の生成共晶合金物質は、主に、Ｃｕ₆
Ｓｎ₅、Ｃｕ₃Ｓｎなどが挙げられ、両者の接合界面に
おいて、導体パターン２側にＣｕ₃Ｓｎ共晶合金がリッ
チな層２３ａが生成され、半田側にＣｕ₆Ｓｎ₅共晶合
金がリッチな層２３ｂが生成される。

【００４０】そして、Ａｕメッキ層２３のＡｕ成分は、
この生成共晶合金物質であるＣｕＳｎ共晶合金が形成さ
れた層２３ａ、２３ｂ及び半田３中に、置換型固溶体と
して取り込まれて残留するものの、剥離等の原因となる
ＡｕＳｎ共晶合金の生成が有効に抑えられる。

【００４１】しかも、高温環境下、熱サイクル試験を行
っても、Ｃｕ−Ｓｎ層２３ａ、２３ｂのＣｕ₆Ｓｎ₅、
Ｃｕ₃Ｓｎなどの共晶合金の変質はみられず、ＡｕＳｎ
共晶合金の生成の発生がないため、導体パターン２と半
田３との安定した接合が維持できることになる。

【００４２】〔実験例〕本発明は、半田に対するＣｕの
添加量のよる作用効果について調べた。試料として、ア
ルミナ基板の表面にタングステンからなる下地導体膜２
１を約８〜１５μｍの厚みで形成し、その表面にＮｉメ
ッキ層２２を約３〜１５μｍの厚みで形成し、さらにそ
の表面にＡｕメッキ層２３を約０．０１〜０．１０μｍ
の厚みで形成した。

【００４３】このような回路基板１に対して、基板材料
であるアルミナとは異なる熱膨張係数を有する表面実装
用電子部品を半田３でもっても半田接合した。

【００４４】そして、冷熱サイクル環境にさらすことで
基板と表面実装用電子部品との間での機械的なストレス
が発生して、半田に機械的ストレスが加わり、クラック
が発生する。これは半田金属の機械的疲労による劣化で
ある。さらに冷熱サイクル環境にさらすことで、ついに
は半田３部分で電気的な断線が発生する。冷熱サイクル
環境は−４０℃℃と＋１３０℃の２種類の液体の中に交
互に各５分間浸すことを１サイルクとして、クラックが
発生するサイクル数と断線が発生するサイクル数を調べ
た。

【００４５】尚、高温にさらすことで、Ａｕが集合して
ＡｕＳｎ合金層を形成するメカニズムは、この冷熱サイ
クル試験の高温環境下で発生させた。

【００４６】また、研磨断面をＸ線マイクロアナライザ
ーで面分析して、各含有元素の所在を確認して生成され
た合金層を確認した。

【００４７】以上のとおり、半田の劣化は機械的疲労劣
化と熱疲労劣化の２つが支配する。

【００４８】半田接合に用いる半田３は、ＳｎＡｇから
成る合金（Ｓｎ：Ａｇ＝９６．５：３．５）に対して、
Ｃｕを０〜１．７５ｗｔ％の範囲で種々変化させた材料
と、一般に多用されている半田を比較評価した。

【００４９】また、基板のＡｕメッキ厚みも０．０１〜
０．１０μｍの範囲で種々変化させて、上記半田との組
み合わせ評価を行った。尚、表面実装用電子部品として
チタン酸バリウム系のセラミックコンデンサを用いた。
尚、各々の熱膨張係数は基板７ｐｐｍ、表面実装用電子
部品１１ｐｐｍ、半田２５ｐｐｍであり、１素子あたり
の熱膨張収縮の差は約１．０μｍに相当する。

【００５０】その結果を表１に示す。尚、評価として半
田にクラックが発生するサイクル数は、１０００回を越
えるものを良品とし、表面実装用電子部品（積層セラミ
ックコンデンサ）の電気特性不良が発生するサイクル数
は、３０００回以上を良品として、Ａｕ−Ｓｎ合金層の
形成の可否は、形成されないものを良品とした。

【００５１】

【表１】

【００５２】表１から、半田に添加するＣｕ成分の添加
量が０の場合（試料番号１〜８）、導体パターン２と半
田３との接合界面に、導体パターン２と半田３との間で
剥離を発生させるＡｕＳｎ共晶層が生成されてしまう。
このため、初期接合強度が充分でなく、さらに、約１０
００回以下の冷熱サイクルで半田部分にクラックが発生
してしまう。

【００５３】さらに、Ｃｕの添加量が１．０重量％を越
える（試料番号１７、１８）と、半田のクラックが冷熱
サイクルが約１１００回となり、また、表面実装用電子
部品（積層セラミックコンデンサ）の熱にクラックが発
生しやすくなる。これは、冷熱サイクルが約１１００回
程度で半田にクラックが発生し、その後のストレスが直
接積層セラミックコンデンサに印加されるためと考えら
れる。

【００５４】以上のことは、半田にＣｕ成分を１．０重
量％以下の範囲で添加することが重要である。これよ
り、Ａｕメッキ層２３を有する導体パターンに電子部品
４やその他の回路基板の導体パターンを半田接合して
も、Ａｕ−Ｓｎ合金層が形成されず、非常に良好な接合
が達成される。

【００５５】具体的には、初期状態の接合強度勿論のこ
と、−４０℃〜＋１３０℃の環境下で使用しても、非常
に信頼性の高い接合が達成される回路基板となる。

【００５６】尚、上述の実験例としては、半田３とし
て、ＳｎＡｇ系半田で説明した。これれは、人的保護、
環境保護の観点で、Ｐｂを含まないように考慮している
ことが背景にあり、試料番号１〜６のような半田であっ
ても同様の作用効果を有することを確認している。

【００５７】上述の実施例では、基板の表面に形成した
導体パターンについて説明したが、基板の端面や裏面に
形成した導体パターンを、端子電極部に用い、他のマザ
ー基板に上述の半田を用いて接合しても構わない。

【００５８】

【発明の効果】本発明によれば、Ｓｎを含有するＳｎＰ
ｂやＳｎＡｇなどの半田中に、Ｃｕを添加している。こ
のため、ＡｕＳｎ合金よりも優先的に異なる合金（Ｃｕ
₃ＳｎとＣｕ₆Ｓｎ₅）が形成される。このため、Ａｕ
メッキ層上に半田を接合して、Ａｕが半田中に拡散して
も、拡散したＡｕはＣｕＳｎ合金中に置換型固溶体とし
て取り込まれるため、ＡｕＳｎ₄合金の生成を抑制でき
る。

【００５９】また、このような半田を使用した回路基板
においては、高温環境下でのＡｕ拡散による合金形成過
程を経ても、ＡｕはＣｕＳｎ合金内に固溶体として残留
し、拡散集結によるＡｕＳｎ合金形成を行わない。

【００６０】従って、導体パターンの表面に、Ａｕメッ
キ層のＡｕ成分の拡散を防止するＮｉメッキ層を形成す
る必要がなく、特に、高温環境下、熱サイクル環境下に
おいても、電子部品や他の回路基板の導体パターンと信
頼性の高い接合強度が達成される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る回路基板の断面図である。

【図２】（ａ）〜（ｂ）は、本発明の半田による共晶合
金の生成状態を示す概略図である。

【符号の説明】

１・・・回路基板２・・・導体パターン２１・・・下地導体膜２２・・・Ｎｉメッキ層２３・・・Ａｕメッキ層３・・・・半田

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｃｕを１．０重量％以下含有して成る半
田。
【請求項２】基板上に形成された下地導体膜、Ｎｉメ
ッキ層、Ａｕメッキ層からなる導体パターンに、Ｃｕを
０〜１．０重量％（０は含まない）含有する半田を介し
て電子部品及び又は他の回路基板の導体パターンを接合
させたことを特徴とする回路基板。