WO2002005609A1

WO2002005609A1 - Structure permettant l'interconnexion de conducteurs et procede de connexion

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Publication number: WO2002005609A1
Application number: PCT/JP2001/006028
Authority: WO
Inventors: Satoshi Nakamura
Original assignee: Rohm Co., Ltd.
Priority date: 2000-07-12
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Publication date: 2002-01-17
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Description

明細書

導体間の接続構造及び接続方法技術分野

本発明は、 A u層が表面に形成された導体と他の導体との間をハンダを介して接続する技術に関する。背景技術

従来より、例えば回路基板に対して半導体チップなどの電子部品を実装する場合には、回路基板に設けられた端子パッドと、電子部品の端子との間をハンダにより電気的及び機械的に接続する方法が採用されている。回路基板の端子パッドは、例えば回路基板上に C u配線パターンを形成した後に、端子パッドとなる部分に N iメツキ層及び A uメツキ層を積層形成した構成とされている。ここで、最上層として A uメツキ層を形成するのは、端子パッド表面での酸化を防止して、電子部品の端子との接続信頼性を確保するためである。また、 N iメツキを施すのは、 C u配線パターン上に直接的に A uメツキを施すのが困難あるとともに、 N i自体も表面が酸化しやすいからである。

ハンダとしては、従来においては 6 3 S n - 3 7 P bハンダが汎用されていた。ところが、廃棄物処理法などの環境関連法規制により、 P bは特別管理物質に指定されているなど、近年においては環境への影響が懸念されており、 P bを含まないハンダ（P bフリーハンダ）への移行が進んでいる。

P bフリーハンダとしては、 S n— A gハンダゃこれに C uや B iを含ませた S n— A g系ハンダが有望視されている。この S n— A g系ハンダを用いて上記構成の回路基板と電子部品とを接続した場合には、ハンダ層中の S n原子が N i メツキ層内に拡散することにより S n— N i合金層が形成され、この合金層及びハンダ層を介して回路基板の端子と電子部品の端子との間が接続される。

この場合、 N iメツキ層の表面の A uメツキ層は破壊され、 A uがハンダ層内に拡散するが、 A uと S nとは反応性が高いため、これらの金属が結合して金属間化合物が生成されてしまう。この A u— S n金属間化合物は、ハンダ層の機械的強度を低下させる原因となるものである。例えば、ハンダ層全体における A u 一 S n金属間化合物の濃度が 5 w t %程度となり、あるいは A u— S n金属間化合物が偏析して局所的に当該金属間化合物の濃度が 5 w t %程度となった場合には、接続強度が著しく低下するといわれている。このため、金メッキ層上には、ハンダを用いて他の導体を接続することができないとの結論に至った報告さえある。とくに、電解メツキにより A uメツキ層を形成した場合には、一般に A uメツキ層の厚みが大きくなることから、ハンダ層中に拡散する A uの量が相対的に多くなつて、ハンダ層中の A u— S n金属間化合物の濃度が大きくなるため、接続強度の問題がより顕著となる。

このため、回路基板の端子パッドに対して金メッキ層を形成せずに（場合によつては N iメツキ層をも形成せずに）、この端子パッドを電子部品の端子とハンダを介して接続する方法も試みられている。しかしながら、 N iメッキ層ゃC u 配線が剥き出しとなった端子では、ハンダ時の加熱により端子パッドの表面が酸化しやすいため、電子部品の接続信頼性の面で問題が生じ得る。このような問題を回避すべく、例えば不活性ガスを供給した不活性雰囲気下でハンダ接合を行う方法もあるが、コスト的な面で不利である。

また、携帯電話などの充電池用の保護回路して使用される回路基板においては、電子部品が実装される端子パッド（実装用端子パッド）の他に、電池の端子ゃ充電器の端子と直接接触させるための追加の端子パッドも形成される。これら追カロの端子パッドは長期間大気中に露出させたままであるから、表面での酸化を防止すべく金メッキを施すのが通例である。従って、実装用端子パッドに対して選択的に金メツキを施さないのであれば、当該実装用端子パッドをマスクにより覆レ、、メツキの終了後にこのマスクを除去する必要が生じるため、作業性が悪くコスト的に不利である。とくに、電解メツキにより金メッキを施す場合には、当該実装用端子パッドに対して選択的にマスクを形成する必要があるため、作業性がさらに悪化する。従って、保護回路などとして使用される回路基板では、コスト的な面を考慮すれば、実装用端子パッドに対しても追カ卩の端子パッドと同時に金メッキを施すのが得策である。発明の開示

本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、表面に A u層が形成された導体を、コスト的に有利に、かつ高い接続信頼性をもって他の導体とハンダを用いて接続する技術を提供することをその課題とする。

すなわち、本発明の第 1の側面によれば、 Au層が表面に形成された第 1導体と、少なくとも表面が導電性を有する第 2導体との間をハンダを介して接続した構造であって、上記第 1導体と上記第 2導体とが、 Au— Zn合金層を介して接続されていることを特徴とする、接続構造が提供される。

好ましくは、上記第 1導体は、導体層の表面に Auメツキ層を形成した構成とされているとともに、上記 Au— Zn合金層は、上記導体層と上記第 2導体に形成されたハンダ層との間を接合している。上記 Au— Zn合金層の厚みは、例えば 0. ：!〜 10 /zmである。

好ましくは、上記ハンダ層は、 S n— Z n合金層として構成されている。特に、上記 S n— Z n合金層は、 S nと Znとをほぼ共晶組成割合で含有していると融点を低くできるので有利である。

また、上記 S n— Zn合金層は、 B iをさらに含有していてもよい。この場合、上記 S n— Z n— B i合金層は、例えば Sn : Zn : B i =85〜95 : 8〜l 2 ： 1〜10の組成を有している。

好適な実施形態においては、上記第 1導体は、 Cu層、 N i層及び Au層が積層形成された構成を有している。

本発明の第 2の側面によれば、 Au層が表面に形成された第 1導体と、少なくとも表面が導電性を有する第 2導体との間をハンダを介して接続するための方法であって、 Z nを含有するハンダを上記第 1導体と上記第 2導体との間に介在させた上で当該ハンダを溶融した後に、これを固化させることを特徴とする、接続方法が提供される。

好ましくは、上記ハンダは、 S n— Z n共晶系ハンダである。この S n— Zn 共晶系ハンダは、 B iをさらに含有していてもよく、その場合の組成は例えば S n : Zn : B i =85〜95 ： 8〜12 ： 1〜10である。上記 Au層の厚みは、例えば 0. 1〜10 / mとすることができる。この Au 層は、例えば電メツキにより形成される。

好適な実施形態においては、上記第 1導体は、 Cu層、 N i層及び Au層が積層形成された構成を有している。また、上記第 1導体は回路基板の端子パッドであり、上記第 2導体は電子部品の端子又は導体板である。

本発明の種々な特徴及び利点は、以下に添付図面に基づいて行う実施形態の説明から明らかとなろう。図面の簡単な説明

図 1は、本発明に係る導体間の接続構造を回路基板に対する電子部品の実装に採用した実施形態を示す断面図である。

図 2 aは、 Sn— 8 Zn— 3B iハンダを用いた場合における接続断面の形態を示す顕微鏡写真である。

図 2 bは、 S n— 3. 0 Ag-0. 5 C uハンダを用いた場合における接続断面の形態を示す顕微鏡写真である。

図 3 a〜3 f は、 Sn— 3. OAg— O. 5 C uハンダを用いた場合における接続断面の EPMAの結果を示すマッピング図であり、図 3 aは、全成分の濃度分布を同時に示すモノクロマッピング写真であり、図 3 bは、 S nの濃度分布を示す力ラーマッビング写真であり、図 3 cは A gの濃度分布を示すカラーマッピング写真であり、図 3 dは、 C uの濃度分布を示すカラーマッビング写真であり、図 3 eは、 N iの濃度分布を示すカラーマッピング写真であり、図 3 f は、 Au の濃度分布を示すカラーマッピング写真である。

図 4は、 S n— 8 Zn— 3 B iハンダを用いた場合における接続断面の E PM Aの結果を示すマッピング図であり、図 4 aは、全成分の濃度分布を同時に示すモノクロマッピング写真であり、図 4 bは、 S nの濃度分布をカラーマッピング写真であり、図 4 cは、 Znの濃度分布をカラーマッピング写真であり、図 4 d は、 B iの濃度分布をカラーマッピング写真であり、図 4 eは、 Cuの濃度分布をカラーマッピング写真であり、図 4 f は、 N iの濃度分布をカラーマッピング写真であり、図 4 gは、 Auの濃度分布を示すカラーマッピング写真である。図 5は、 S n— 8 Zn— 3 B iハンダを用いた場合における接続断面を拡大した顕微鏡写真である。

図 6 a〜6 dは、図 5における a層、 b層、 c層及ぴ d層の組成分析の結果をそれぞれ示すカラーチヤ一ト写真である。

図 7は、 Sn— 8 Zn—3 B iハンダを用いた場合における接続断面を拡大した SEM写真である。

図 8は、図 7の S EM写真に対応する領域における各成分の濃度分布をォージェ分析した結果を示すモノクロマツビング写真である。発明を実施するための最良の形態

本発明のその他の特徴及び利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

以下、本発明の好ましい実施の形態を図 1を参照して具体的に説明する。ここで、図 1は本発明の実施形態に係る導体間の接続構造を示す断面図である。

図 1において、回路基板 1は、例えば充電池の過充電を防止するための保護回路を備えている。この回路基板 1は、例えばガラスエポキシ樹脂製の基板 10上に Cuからなる配線パターン（図示略）を有する。この Cu配線パターンは、例えば CVDや蒸着などにより基板 10の一面に厚みが 15〜25 μπι程度の Cu 月莫を形成した後に、不要部分をエッチングすることにより形成される。

Cu配線パターンの適所には、複数の端子パッド l l a， l i b, 1 1 cが形成されており、これらに電子部品 20， 21の端子 20 a， 21 aや端子板 22 が接続される。端子パッド 1 1 a, 1 1 b， 1 1 cは、上記 Cu配線パターンにおけるパッド形成部位に N iメツキ層を形成した後に A uメツキ層を形成してなる。 N iメツキ層は、例えば電メツキによりその厚みが 10 μ m程度に形成される。 Auメツキ層は、例えば電解メツキあるいは無電解メツキにより厚みが 0. ：!〜 10 μπι、さらに好ましくは 0. 5〜5 Ai mに形成される。

このような回路基板 1に対しては、ハンダ Hを利用して電子部品 20， 21及び端子板 22が実装される。図示の実施形態では、電子部品 20はベアチップであり、電子部品 21は樹脂パッケージ型半導体装置 21である。端子板 22は、例えば二ッケルで構成されている。回路基板 1に実装される部品の種類は何ら制限されない。例えば、ピン挿入型半導体装置やチップ抵抗器などを回路基板 1に実装してもよい。回路基板 1への実装は、例えば次のようにして行われる。まず、回路基板 1の端子パッド 1 1 a, l i b, 11 c、電子部品 20， 21 の端子 20 a， 21 a、及び端子板 22の所定部位に対して、予めハンダペーストを印刷する。これに代えて、これらの部位にハンダメツキを施してもよい。本実施形態で使用されるハンダとしては、 Z nを含有するものであればとくに限定されない。例えば、ハンダは Z nのみを含有していてもよいし、 Zn以外に Pb、 Sn、 Cu及び B iなどを単独又は任意の組合せで含有していてもよい。例示したハンダのうち、 P bを用いない点及び融点の低さなどを考慮すれば、 S n_Z n共晶系ハンダが好適に使用される。ここで、 Sn— Zn共晶系ハンダとは、 S nと Z nとがこれらが共晶する比率もしくはこれに近い比率で含有されているものをいい、さらに第 3成分として B iや Cuなどを含有するものも含まれる。より具体的には、 S n— Z n共晶系ハンダとしては、その重量比が Sn : Z n : B i =85〜 95 : 8〜 12 : 1〜10であるものが好ましく使用される。なお、 S nと Z nとの共晶温度は、約 199 °Cであるため、 S n— Z n共晶系ハンダが第 3成分を含む場合であっても、その融点は 200°C前後となる。

次に、回路基板 1に対して各種電子部品 20， 21及び端子板 22を電気的かつ機械的に接続する。より具体的には、まず、回路基板 1に対して各種電子部品 20などを位置決め载置した状態でハンダの融点以上に加熱されたリフロー炉内に搬入し、ハンダ Hを再溶融させる。続いて、リフロー炉から回路基板 1を搬出し、ハンダ Hを冷却固化させることにより、各種電子部品 20， 21及び端子板 22が回路基板 1に対して実装される。

上記した通り、 S n— Z n共晶系ハンダの融点は、 199°C前後であるため、 S n— Z n共晶系ハンダを使用する際のリフロー炉内の温度は、例えば 240°C 程度に設定すれば十分である。この温度は、ハンダリフローの手法により従来の Sn-Pb系ハンダを用いて電気的な接続を行う場合のリフロー炉内の温度と同程度であり、また電子部品が熱によるダメージを受けるのを回避するのに十分に低い温度である。従って、 S n— Zn共晶系ハンダを用いた場合には、既存の設備を援用して（すなわち、新たな設備を用いることなく）、電子部品に対して熱によるダメージをさほど与えることなく、ハンダリフローの手法により回路基板

1に対して、電子部品 20， 2 1及び端子板 22などを実装 ·接続することがでぎる。

本実施形態において、 S n— Z n共晶系ハンダを用いる場合、 Auメツキ層を有する端子パッド 1 1 a， l i b, 1 1 cに対して、 S nを含有するハンダ Hを用いて電子部品 20， 2 1及び端子板 2 2を接続することになるのである。従つて、従来の技術常識からすれば、 S n— A g系ハンダを用いた場合と同様に、ハンダ H内に Au原子が拡散して Au— S n金属間化合物が形成されてしまレ、、接続強度が低下してしまうことが懸念される。しかしながら、本発明者は、次に説明するように、 S n— Z n共晶系ハンダによる接続構造は十分な機械的な安定性を有していることを確認した。

S n— Z n共晶系ハンダによる接続構造の機械的な安定性を確認するために、次の 2種類のサンプルを作製した。サンプル Iは、ガラスエポキシ樹脂製の基板上に形成された C u配線パターン（厚みが約 20 μτη) の適所に N iメツキ層（厚みが約 1 0 μ m) 及び A uメツキ層（厚みが約 0. 8 m) を形成した端子パッドと N i製の端子板との間を、 3 11 _ 2₁1共晶系ハンダでぁる3 11— 8 211— 3 B iハンダ（S n : Z n : B i =8 9 : 8 : 3 (重量比））を用いてハンダリフローの手法により接続したものである。サンプル Πは、 Cu配線パターン上に対して直接的に、 S n— P b共晶ハンダである 6 3 S n_ 3 7 P bハンダ（S n ： P b = 6 3 ： 3 7 (重量比））を用いてハンダリフローの手法により N i製の端子板を接続したものとした。なお、使用するハンダの種類、ハンダの塗布条件、回路基板の端子パッドの構成以外の条件（例えば、リフロー温度、端子板の形態 ) は、各サンプルで同一とした。

そして、サンプル I及ぴサンプル Πはそれぞれ複数ずつ作製し、これらのサンプルのそれぞれについて、端子板と回路基板との間の接続強度を、端子板の垂直方向へ負荷を作用させ、端子板が引き剥がされるときの負荷として測定した。その結果、各サンプル Iにおける接続強度は、各サンプル Πにおける接続強度と同等もしくはそれ以上となった。この結果から、本発明者は、 S n— Z n共晶系ハンダに含まれる Z n成分が、 Auメツキ層中の Au原子がハンダ層側に拡散することを抑制しているのではないかと推測した。つまり、 Au— Sn金属間化合物の生成が抑制された結果、十分な接続強度が維持されているものと推測した。このことを確認すべく、本発明者は、 Z nを含有するハンダ及ぴ Z nを含有しないハンダのそれぞれにより回路基板に対して端子板を接続した場合の、回路基板の端子パッドと端子板との間の断面組織及びその組成を分析した。

本発明者は、まず先に説明した実施形態と同様な回路基板（Cu配線パターンの厚みが約 20 xm、 N iメツキ層の厚みが約 10 μπι、 Auメツキ層の厚みが約 0. に対して、ハンダを用いて N i製の端子板を接続した後にこの端子板を剥離して、端子パッド上にハンダが固着された回路基板を得た。この回路基板に対して、端子パッドにおける断面（以下「接続断面」という）を研磨した後に、その接続断面を光学顕微鏡（商品名「SZ— 60」；ォリンパス製）を用いて観察した。倍率を 50倍としたときの接続断面の状態を図 2 a, 2 b (顕微鏡カラー写真）で示した。なお、図 2 aはハンダとして S n— 8 Z n— 3 B iを用いた場合の接続断面の状態を、図 2 bはハンダとして S n— 3. 0 Ag-0. 5 Cu (S n ： Ag ： Cu=96. 5 : 3. 0 : 0. 5 (重量比） ) を用いた場合の接続断面の状態をそれぞれ示している。これらの図面では、基板上に Cu配線パターン及びハンダ層らしきしものが確認できるが、 Z nを含むハンダを用いた場合（図 2 a) と Znを含まないハンダを用いた場合（図 2 b) とにおける接続断面の形態の差異は明確に確認できなかった。

次いで、本発明者は、接続断面における成分分析を EPMA (electron probe microanalyB i s：電子線マイクロアナリシス）により二次元的に行った。図 3 a 〜3 £には311—3. 0Ag— 0. 5 C uを用いた場合の接続断面における濃度分布を示すマッピング図を、図 4 a〜4 gには S n— 8 Z n— 3 B iを用いた場合の接続断面における濃度分布を示すマッピング図を、それぞれ示した。なお、 EPMAは、島津製作所製の ΓΕΡΜΑ8705」を用いて行った。

図 3 aは、 Sn— 3. 0Ag_0. 5 C uハンダを用いて接続した場合の全成分の濃度分布をモノクロマッピングした写真である。この写真は、各成分の分布領域を示している。図 3 b〜3 dは、それぞれ S n— 3. 0 Ag-0. 5Cuハンダを構成する S n元素、 A g元素及び C u元素の濃度分布をカラーマッピングした写真である。これらの図と図 3 aとの比較からは、 S n元素、 Ag元素及び Cu元素によりハンダ層が形成されているものと認められる。また、 Cu元素は Cu配線パターンを構成しているものでもあるため、基板上に Cu濃度の高い部分が確認できる。また、 S nの一部がハンダ層からはみ出して、 Cu配線パターンに拡散していることが確認できる。

図 3 eは、 N i元素の濃度分布を示すものである。この図と図 3 aとの比較からは、ハンダ層へ N iが多少は拡散しているが、その大部分は Cu配線パターンに止まっていることが確認できる。 N i濃度の高い領域は、ハンダ層からはみ出した S n元素の分布領域と略一致していることから、 N iメツキ層中に S nが拡散し、 Cu配線パターン上に Sn— N i合金層が形成されているものと推測される。

図 3 f は、 Au元素の濃度分布を示している。この図と図 3 aとの比較から、ハンダ層へ A uが拡散していることが確認できる。また、 A u元素の濃度が高い帯状の領域が確認できないことから、 A uメツキ層は破壊されたものと思われる。図 4 aは、 Sn— 8 Zn— 3B iハンダを用いて接続した場合の全成分の濃度分布をモノクロマッピングした写真である。この写真は、各成分の分布領域を示す。

図 4 b〜4 dは、それぞれ Sn— 8 Zn_3B iハンダを構成する S n元素、 Zn元素及び B i元素の濃度分布をカラーマッピングした写真である。これらの図と図 4 aとの比較から、 S n元素、 Z n元素及び B i元素によりハンダ層が形成されているとともに、ハンダ層の下層領域あるいはハンダ層とは別に Z n元素の濃度が高レ、領域が形成されていることが確認できる。

図 4 eは、 Cu元素の濃度分布を示している。この図と図 4 aとの比較から、ハンダ層へ C uが多少は拡散しているが、その大部分は基板上に止まって C u配線パターンを構成しているものと推測される。

図 4 f は、 N i元素の濃度分布を示している。この図と図 4 a及ぴ 4 eとの比較からは、ハンダ層へ N iが多少は拡散しているが、その大部分は Cu酉己線パターン上に止まって N iメツキ層を構成しているものと推測される。

図 4 gは、 Au元素の濃度分布を示している。この図と図 4 a及び 4 f との比較からは、ハンダ層へは Auがほとんど拡散しておらず、 Au元素は N iメツキ層上に止まっているものと推測される。

以上のように、 Auメツキ層が形成された端子パッドをハンダを用いて接続する場合には、ハンダとして Z nを含まない S n— 3. 0 Ag-0. 5 Cuを用いれば、 Auメツキ層が破壊されて Auがハンダ層に拡散することが確認された。これに対して、ハンダとして Z nを含む S n— 8 Z n— 3 B iを用いれば、ハンダ層に A uがほとんど披散していないことが確認された。さらに特筆すべきことは、 S n— 8 Z n— 3 B iを用いた場合には、図 4 c及び 4 gから確認されるように Z n濃度が高い領域と、 A u濃度が高い領域とが略一致していることである。このことは、 Z nが Auメツキ層に拡散して Au— Z n層を形成している力 \ あるいは Auメツキ層上に Z n層が形成されて、 A u原子のハンダ層側への拡散が抑制されていることを示唆している。いずれにしても、ハンダ中の Z nにより、 Auメツキ層中の A uの拡散が抑制されていることには疑う余地はない。

そこで、本発明者はさらに、ハンダとして S n— 8 Z n— 3 B iを用いた場合における接続断面の形態及び組成をさらに別の方法で分析した。

本発明者は、まず日立製作所製の「S— 4000」を用いて 3 500倍に拡大して接続断面の形態を確認した。その写真を図 5に示した。この写真から明らかなように、接続断面は a層〜 d層の 4層からなっている。これら層のうちの 3層は、 EPMAによる各成分の濃度分析の結果（図 4 a〜4 g) を踏まえれば、それぞれ Cu配線パターン、 N iメツキ層及びハンダ層であると予測される。このため、残りは 1層となるため、 Z nは独自に Z n層を形成しているのではなく、 Auとともに 1つの層を形成しているものと思われる。

この点を明らかにすべく、 a層〜 d層における組成分析を電子回折分析（ED ： electron diffraction) により行った。この電子回折分析は、堀場製作所製の「EMAX27 7 0」を用いて行った。各層における組成分析の結果は、図 6 a 〜6 dにカラーチャート写真として示した。なお、各カラーチャート写真においては、分析の際に接続断面の表面をコーティングしたークとして現れているが、これは各層を構成する元素ではない。

図 6 aは、 a層の組成を分析した結果を示すチャートである。 a層の構成元素として検出されたのは、ほとんどが Cuであるため、 a層はやはり Cu配線パターンであるといえる。

図 6 bは、 b層の組成を分析した結果を示すチャートである。 b層の構成元素としては、 Cも検出されたものの N iが多く検出されていることから、 b層はやはり N iメツキ層であるといえる。

図 6 (c) は、 c層の糸且成を分析した結果を示すチャートである。 c層の構成元素としては、主として Au及び Z nが検出された。このため、 c層においては、 Znが単独で Zn層を構成しているのではなく、 N iメツキ層の表面に A u— Z n合金層を形成しているものと思われる。 c層における Zn元素は、ハンダ材料に由来するものと思われ、従ってハンダのリフロー時に Z nが Auメツキ層に拡散することによりハンダ層側への Au元素の拡散を抑制しつつ、 Auメツキ層を基にして、 Au— Z n合金層が形成されるものと思われる。

図 6 dは、 d層の組成を分析した結果を示すチャートである。 d層の構成元素としては、 S n及び Z nが検出されている。この結果と、図 4 dに示した EMP Aによる B i元素の濃度分布の測定結果とを総合的に勘案すれば、 d層は Sn、 Z n及び B iで構成されたハンダ層である。また、 d層では Auが検出されおらず、従って Auメツキ層を構成していた Auは、ハンダ層にほとんど拡散していない。なお、図 6 dにおいて B iであると特定できるほど十分な高さのピークが検出できなかったのは、ハンダ材料における B iの含有量がたかだか 3 w t% ( 3!1の20分の1程度）であるばかりか、測定レンジが S n基準として定められたためである。

以上のように、電子回折分析の結果からは、 a層〜 d層の組成が略特定でき、とくに c層が Au— Zn合金層であることが略確定した点、及び d層（ハンダ層 ) において A uが検出されなかった点には意義がある。

本発明者は、電子回折分析により得られた結果から推測される事項をさらに確実ならしめるべく、接続断面における各成分の濃度分布をさらに精度高い分析方法であるォージェ電子分光分析 (AE S： Auger electron spectroscopy) により評価した。

まず、オージ電子分光分析を行うべき接続断面の形態を S EM (走查型電子顕微鏡： scanning electron microscope) により確認した。 S EM写真を図 7に示したが、接続断面は、 C u配線パターン、 N iメツキ層、 A u— Z n合金層、及び S n— Z n— B iハンダ層と推測される 4層（a層〜 d層）が確認できる。次いで、図 7の S EM写真に表されている領域における濃度分布を、アルバックファ製の「ォージェ P H I 6 8 0」を用いてォージェ電子分光分析により測定した。その結果を図 8 a〜8 eにモノクロのマッピング写真として示した。なお、 B iは成分濃度が小さいために測定困難であるため、ォージヱ電子分光分析の結果を掲載していない。

図 8 aは S nの濃度分布の測定結果を示すマッビング写真である。この写真からは、 S nが d層に対応する領域に分布していることが確認できる。この結果は、 E P MAや電子回折分析の結果と一致している。

図 8 bは Z nの濃度分布の測定結果を示すマッビング写真であるこの写真からは、 Z nが d層に対応する領域に分布しているとともに c層に Z n濃度の高い領域が確認できる。この結果も、 E P MAや電子回折分析の結果と一致している。この結果と図 8 aとを総合すれば、 d層は S n— Z n合金層であるといえ、この合金層には、 E PMAの結果を勘案すれば d層には B iが拡散されているといえるから、 d層は S n— Z n— B iハンダ層であることには疑う余地はない。

図 8 cは C uの濃度分布の測定結果を示すマッピング写真である。この写真からは、 C uが a層に対応する領域に分布していることが確認できる。この結果は、 E PM Aや電子回折分析の結果と一致しており、従って a層は C u配線パターンであることには疑う余地はない。

図 8 dは N iの濃度分布の測定結果を示すマッビング写真である。この写真からは、 N iが b層に対応する領域に分布していることが確認される。この結果は、 E P MAや電子回折分析の結果と一致しており、従って b層は N iメツキ層であることには疑う余地がない。

図 8 eは A uの濃度分布の測定結果を示すマッピング写真である。この写真からは、 A uが c層に対応する領域に分布していることが確認できる。なお、 A u は測定が困難な元素であるため、感度を高めて測定していることから、写真の全体が白つぼくなって全体に Auが拡散しているようにもみえるが、事実上は c層にのみ A uが分布している。この結果と図 8 bと総合すれば、 c層は Au— Zn 合金層であることには疑う余地がない。また、 N iメツキ層上には、元々は Au メツキ層が形成されていたことから、 Au— Zn合金層は、 Auメツキ層にハンダ成分の Z nが拡散して形成されたものであるといえる。なお、図 7に示した S EM写真からは、 c層、すなわち Au— Z n合金層の厚みは約 2〜3 μπιであることが確認できるが、 Auメツキ層は約 0. 8 μπιに形成されていたことから、 Au— Ζ η合金層における Auと Ζ ηとの比率は、 1 ： 1〜 3程度であると推測される。

以上に説明した種々の分析結果から、次のことがいえる。基板と端子板の間の接続構造は、 Cu配線パターン、 N iメツキ層、 Au— Zn合金層、 S n— Zn — B iハンダ層となっている。 N iメツキ層とハンダ層との間には Au— Z n合金層が介在しており、この Au— Z n合金層が端子パッドとハンダとの間を接合している。 N iと Auとは相性が良いため、 Au— Z n合金層と N iメツキ層との間の接合性が良い。一方、 Auと S nとも相性が良く、また Au— Zn合金層及びハンダ層の双方ともに Z nが含まれているから、 Au_Z n合金層とハンダ層との間の接合性も良い。従って、 N iメツキ層と S n— Z nハンダ層との間に A — Zn合金層が介在した接続構造では、高い機械的強度が得られる。このことは、上述した通り、端子板と回路基板との間の接続強度を、引き剥がし試験により測定した結果からも確認されている。

また、ハンダ層中にはほとんど Auが拡散されていない。これは、 Auメツキ層中に Z nが拡散して Au— Zn合金層を形成することにより、 Auの拡散が抑制されているからである。つまり、 Znには、 Auメツキ層を構成する Auがハンダ層に拡散することを抑制する働きがあるといえる。 Auの拡散が抑制されれば、ハンダ層内で Au— Sn金属間化合物が生成されることも抑制される。従来は、 Auメツキが施された導体（例えば端子パッド）と他の金属との間を、 Sn を含むハンダを用いて強固に接続するのが困難であるといわれていた。これは、 Auと S nとがハンダ層内で金属間化合物を生成してハンダ層を脆弱化させるからである。し力、しながら、本発明では、例えば S n— Z n共晶系ハンダのように Z nを含むハンダを用いることにより、 A u— S n金属間化合物の生成を抑制し、 A uメッキが施された導体と他の金属との間を強固に接続することができるのでめる。

Claims

請求の範囲

1. Au層が表面に形成された第 1導体と、少なくとも表面が導電性を有する第 2導体との間をハンダを介して接続した構造であって、

上記第 1導体と上記第 2導体とが、 Au— Zn合金層を介して接続されていることを特徴とする、接続構造。

2. 上記第 1導体は、導体層の表面に Auメツキ層を形成した構成とされているとともに、上記 Au— Zn合金層は、上記導体層と上記第 2導体に形成されたハンダ層との間を接合している、請求項 1に記載の接続構造。

3. 上記 Au— Z n合金層の厚みは、 0. 1〜10 111である、請求項 1に記載の導体間の接続構造。

4. 上記ハンダ層は、 Sn— Zn合金層として構成されている、請求項 1に記載の導体間の接続構造。

5.上記 S n— Z n合金層は、 S nと Z nとをほぼ共晶組成割合で含有している、請求項 4に記載の導体間の接続構造。

6. 上記 Sn— Zn合金層は、 B iをさらに含有している、請求項 4に記載の導体間の接続構造。

7. 上記 S n— Z n— B i合金層は、 Sn : Zn : B i =85〜95 ： 8〜12 ： 1〜 10の組成を有している、請求項 6に記載の導体間の接続構造。

8. 上記第 1導体は、 Cu層、 N i層及び Au層が積層形成された構成を有している、請求項 1に記載の導体間の接続構造。

9. Au層が表面に形成された第 1導体と、少なくとも表面が導電性を有する第 2導体との間をハンダを介して接続するための方法であって、

Z nを含有するハンダを上記第 1導体と上記第 2導体との間に介在させた上で当該ハンダを溶融した後に、これを固化させることを特徴とする、接続方法。

10. 上記ハンダは、 S n— Z n共晶系ハンダである、請求項 9に記載の接続方法。

11. 上記 S n— Z n共晶系ハンダは、 B iをさらに含有したものであり、その組成は S n ： Zn ： B i =85〜95 ： 8〜： 12 ： 1〜10である、請求項 10に記載の接続方法。

12. 上記 Au層の厚みは、 0. 1〜10 imである、請求項 9に記載の接続方法。

13. 上記 Au層は、電解メツキにより形成されている、請求項 9に記載の接続方法。

14. 上記第 1導体は、 Cu層、 N i層及び A u層が積層形成された構成を有してレ、る、請求項 9に記載の接続方法。

15. 上記第 1導体は回路基板の端子パッドであり、上記第 2導体は電子部品の端子又は導体板である、請求項 9に記載の接続方法。