WO2008133316A2 - めっき部材およびその製造方法 - Google Patents

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Takashi Nomura
Yasuhumi Shibata
Shigeru Konda
Mitsuru Sakano
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Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
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    • Y10T428/12903—Cu-base component

Definitions

  • the present invention relates to a fitting member and a method for manufacturing the same, and more particularly, a method for manufacturing a bonding member having a bonding layer on the surface, such as an external terminal in an electronic component such as a semiconductor device in which an IC chip is mounted on a lead frame.
  • a bonding member having a bonding layer on the surface such as an external terminal in an electronic component such as a semiconductor device in which an IC chip is mounted on a lead frame.
  • the base material of the external terminals is copper, copper alloy, brass,
  • a protective film (plating layer) is usually formed on the terminal surface by plating or the like to prevent oxidation.
  • an alloy containing lead has been used conventionally.
  • lead-free there has been a demand for lead-free from the viewpoint of reducing the environmental burden.
  • Sn, Sn-Cu, Sn-Bi, Sn-Ag alloys can also be used as the plating layer material for the terminals.
  • materials that do not contain lead are being used.
  • a Wies force which is a needle-like single crystal of Sn, for example, is generated from the plating layer.
  • Patent Document 1 discloses that when a lead-free Sn plating layer is formed on the surface of a lead substrate constituting an external terminal of an electronic component, plating is performed. It is described that the generation of the twist force in the plating layer can be suppressed by reducing the size of the crystal grain boundary contained per unit volume of the plating layer as much as possible by increasing the crystal grain size constituting the layer. .
  • Patent Documents 2 and 3 describe techniques for controlling the orientation index of the azimuth plane.
  • Patent Document 1 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-86 1 58
  • Patent Document 2 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2003-1 29284
  • Patent Document 3 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-123598 Disclosure of Invention
  • the present inventors have conducted a lot of experiments and research on a method for suppressing the generation of the whistle force in the lead-free contact layer, but the conventionally proposed method for suppressing whisker is anyway. However, it should be improved Experience that there is a point.
  • the present invention has been made in the circumstances as described above, and the present invention generates a whistling force by a new method that has not been known so far in a tucking member having a plating layer made of a lead-free material. It is an object to provide a plated member that can suppress this. It is another object of the present invention to provide a manufacturing method for manufacturing such a plated member. Means for solving the problem
  • the present inventors further conducted experiments and researches to improve the solder wettability and the like.
  • the method to control the crystallographic orientation plane and the selected orientation index to the plating layer appropriately it is possible to almost completely suppress the generation of the twist force in the plating layer. I found a new fact.
  • the plating member according to the first aspect of the present invention is a plating member having a plating layer made of a lead-free material on the surface of a base material.
  • the plane orientation index is 2.5 or more and 4.0 or less.
  • the plating member according to the second aspect of the present invention is a plated member having a plating layer made of a lead-free material on the surface of a substrate, wherein the (220) plane and the (321) plane of the plating layer
  • the ratio of the orientation index to (220) / (32 1) is 0.5 or more and 1.5 or less.
  • the brazing member In the brazing member according to the first aspect and the second aspect described above, Sri, Zn, or an alloy using them as the first material is used as the lead-free material that is the plating layer forming component.
  • the plating material is pure Sn, or Sn alloy such as Sn—Cu, Sn—B i, Sn—A g. Of these, 31—hiji alloy is preferred.
  • the substrate is preferably Cu or a Cu alloy.
  • the base surface has a (220) orientation plane.
  • a base layer having a (220) orientation plane is formed between the substrate surface and the plating layer. Thereby, it becomes easy to obtain a plating layer having the orientation surface.
  • the method for producing a plated member according to the present invention for producing the above plated member includes, as one aspect, a first step in which the crystal orientation of the substrate surface is the (2 20) plane, and plating on the substrate surface And a second step of applying.
  • the orientation of the plating layer can be controlled as desired by setting the crystal orientation of the substrate surface to the (220) plane.
  • the first step may include a step of forming an underlayer whose crystal orientation is controlled to the (220) plane on the surface of the base material.
  • the underlayer can be formed, for example, by applying an oriented undercoat layer or applying an oriented vapor deposition film.
  • the plating surface can be oriented as desired.
  • Layers such as Ni, Ag, Au, and Pd are effective for the underlayer, and methods such as the sputtering method, PLD, CVD, PVD, and MBE can be used to create the underlayer. Electric plating may be used.
  • a plating layer made of a lead-free material is formed on the surface of a base material, so that it is possible to almost completely suppress the occurrence of a Wies force in the plating member.
  • the distance between the terminals is narrowed to about several hundred ⁇ m.
  • an IC chip is a part like a lead frame. It can employ
  • FIG. 1 is a schematic diagram for explaining an example of a tacking member according to the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram for explaining another example of the tacking member according to the present invention. Explanation of symbols
  • a plating layer 2 made of an Sn—Cu alloy was formed on the surface of a Cu alloy substrate 1 to obtain a test fitting member 3. At that time, the crystal orientation plane of plating layer 2
  • a plurality of plated members whose (321) plane orientation index was between 1.17 and 8.27 were manufactured. For each, a constant temperature test at 25 ° C, 55 ° C, and 85 ° C for 2000 hours (H) (1), between 40 ° C and 85 ° C, and 0 ° C A thermal cycle test (test 2) was repeated, in which the thermal cycle between 60 ° C and 2000 was repeated, and the presence or absence of whisker generation was observed with a scanning electron microscope. The results are shown in Table 1.
  • the orientation index was calculated by X-ray diffraction.
  • a plating layer 2 made of S ⁇ —Cu alloy was formed on the surface of the Cu alloy base material 1 to obtain a test fitting member 3.
  • the ratio (220) / (321) of the orientation index between the (22 0) plane and the (321) plane in the plating layer is 0.007 ⁇ 3.
  • a plurality of plated parts between 43 were manufactured.
  • the same isothermal leaving test (Test 1) and a thermal cycle test (Test 2) as Example 1 were done, and the presence or absence of whisker generation was observed with a scanning electron microscope. The results are shown in Table 2.
  • the method for calculating the orientation index is the same as in Example 1.
  • a plating layer 2 made of S ⁇ —Cu alloy was formed on the surface of the Cu alloy substrate 1 to obtain a test fitting member 3. At that time, the surface of the Cu alloy base material 1
  • An electroplating layer 2 made of Sn—Cu alloy was formed on the surface of two Cu alloy substrates 1. Of each plating layer 2
  • the orientation index of (3 2 1) plane and (220) plane was measured by the same method as in Example 1.
  • the ratio (220) / (3 2 1) of the orientation index between the (220) plane and the (321) plane was obtained.
  • the results are shown in Table 3.
  • the orientation index of the (32 1) plane and (220) plane of the electroplating layer 2 can also be controlled by controlling the orientation plane of the surface of the alloy substrate 1.
  • the orientation index of the (3 2 1) plane of the plating layer 2 and the orientation index between the (220) plane and the (3 2 1) plane It can be seen that a plated member can be obtained in which both the ratio (220) / (3 2 1) force falls within the scope of the present invention.
  • the substrate surface is oriented in the (2 2 0) plane, the (3 2 2 1)
  • the orientation index of the plane and the ratio of the (220) plane and the (32 1) plane orientation index (220) / (321) are both outside the scope of the present invention. As one of the methods, it can be seen that it is effective to orient the surface of the alloy substrate 1 to the (220) plane.
  • a plating layer 2 made of S ⁇ —CU alloy was formed on the surface of the Cu alloy base material 1 to obtain a test fitting member 3. At that time, the orientation index of the (321) plane of the plating layer 2 was controlled by performing heat treatment.
  • Example 4-11 Heat treatment was performed at temperatures of 100 ° C., 125 ° C., 150 ° C., and 200 ° C. for 20 hours (H).
  • Table 4 shows the (32 1) plane orientation index before heat treatment and the (321) plane orientation index after heat treatment.
  • Example 4 1-2 Heat treatment was performed at a temperature of 125 ° C. for 10 hours (H), 20 hours (H), 40 hours (H), and 60 hours (H).
  • Table 5 shows the orientation index of the (321) plane before heat treatment and the orientation index of the (321) plane after heat treatment.
  • the orientation index of the (321) plane of the plating layer is 4.47, which is out of the scope of the present invention, and the tacking member must be subjected to an appropriate heat treatment. Therefore, it is necessary that the orientation index of the (321) plane is within the range of the present invention. From this, it can be seen that the heat treatment is an effective control means as one method for obtaining the tack member according to the present invention.
  • the Ni underlayer 4 having the (220) plane orientation was formed on the surface of the Cu alloy base material 1 having no special orientation by the sputtering method.
  • An Sn—Cu plating layer 2 was formed on the Ni underlayer 4 in the same manner as in Example 1 to obtain a plating member 3.
  • the (321) orientation index of the plating layer was measured.
  • the Sn-Cu plating layer 2 was directly formed on the surface of the same Cu alloy base material 1 without forming an underlayer to form a plating member.
  • the (321) orientation index of the layer was measured. The results are shown in Table 6.
  • the orientation index of the (321) plane of the plating layer is 4.61, which is outside the scope of the present invention, but the (220) plane
  • the orientation index of the (32 1) plane of the plating layer can be 3.27, which is within the range of the present invention. From this, it can be seen that it is effective to form a base layer having a specific orientation on the surface of the substrate as one of the methods for obtaining the adhesive member according to the present invention.

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Abstract

pct-art17.2a

Description

明細書 めっき部材ぉよびその製造方法 技術分野
本発明はめつき部材およびその製造方法に関し、 特に、 I Cチップをリードフ レームに搭載した半導体装置のような電子部品における外部端子のように、 表面 にめつき層を有するめつき部材ぉよびその製造方法に関する。 背景技術
半導体装置のような電子部品において、 外部端子の基材には銅、 銅合金、 黄銅、
42ァロイ （鉄と N iが 42%の合金） などが用いられるが、 素地のままでは端子 表面が酸化してはんだ付け不良等による導通不良を引き起こす恐れがある。 その ために、 通常、 めっき等により端子表面に保護膜 （めっき層） を形成して酸化を 防いでいる。
めっき層の材料として S n合金等を用いる場合、 従来から鉛を含む合金が用い られてきた。 近年、 環境負荷を軽減する観点から鉛フリー化が求められるように なり、 前記端子のめっき層材料にも、 例えば、 S n， S n— Cu， S n— B i , S n— Ag合金のように、 鉛を含まない材料が使用されるようになっている。 し かし、 鉛フリーの材料で電子部品の端子表面をめつき処理すると、 めっき層から 例えば S nの針状単結晶であるウイス力が発生する。
近年、 例えば I Cチップをリードフレームに搭載した半導体装置のような電子 部品は一層の小型化が求められており、 結果として、 その端子間の間隔は数百 μ m程度まで狭くなってきている。 前記ウイスカは数百 μ mの長さにまで成長する ことがあり、 前記のように端子間の間隔が数百 / m程度と狭い場合には、 発生し たゥイス力により端子間ショートが発生する恐れがあるので、 ゥイス力の発生を 抑制するための対策が求められている。
そのための対策としてこれまで多くの提案がなされており、 例えば、 特許文献 1には、 電子部品の外部端子を構成するリ一ド基材表面に鉛フリー S nめっき層 を形成する際に、 めっき層を構成する結晶粒径を大きくすることなどでめっき層 の単位体積当たりに含まれる結晶粒界の大きさをできるだけ小さくすることで、 めっき層におけるゥイス力の発生を抑制できることが記載されている。
一方、 鉛フリー S n— A g合金めつき皮膜 （めっき層） を形成したときにはん だ濡れ性を低下するのを改善するため、 あるいは接合面強度を向上させるために、 めっき層の特定の結晶方位面の配向指数を制御する技術が特許文献 2、 3に記載 されている。
[特許文献 1]特開 2005— 86 1 58号公報
[特許文献 2]特開 2003— 1 29284号公報
[特許文献 3]特開 2005— 123598号公報 発明の開示
発明が解決しょうとする課題
本発明者らは、 鉛フリ一めつき層におけるゥイス力の発生を抑制する手法につ いて多くの実験と研究を行ってきているが、 従来提案されているウイスカ抑制の ための方法は、 いずれも充分な成果を上げているとは言い難く、 なお改善すべき 点があることを経験している。
本発明は上記のような事情のものになされたものであり、 本発明は、 鉛フリー の材料からなるめっき層を有するめつき部材において、 従来知られていなかった 新たな手法によりゥイス力が発生するのを抑制できるようにしためっき部材を提 供することを課題とする。 また、 そのようなめっき部材を製造するための製造方 法を提供することを課題とする。 課題を解決するための手段
上記の課題を解決すべく、 本発明者らは、 さらに実験と研究を行うことにより、 従来、 はんだ濡れ性等を改善する目的で提案されている、 めっき層表面の結晶方 位面の配向指数を制御する手法を、 結晶方位面の選択と選択した配向指数を適切 に制御してめっき層に適用することにより、 当該めつき層でのゥイス力の発生を ほぼ完全に抑制することができるという、 新規な事実を知見した。
本発明は、 上記の知見に基づいており、 本発明の第 1の態様によるめつき部材 は、 基材の表面に鉛フリ一の材料からなるめっき層を有するめっき部材において、 前記めつき層における （32 1) 面の配向指数が 2. 5以上 4. 0以下であるこ とを特徴とする。
本発明の第 2の形態によるめつき部材は、 基材の表面に鉛フリ一の材料からな るめつき層を有するめっき部材において、 前記めつき層における （220) 面と (32 1) 面との配向指数の比 （220) / (32 1) が 0. 5以上 1. 5以下 であることを特 とする。
上記第 1の態様および第 2の態様によるめつき部材において、 めっき層形成成 分である鉛フリ一の材料としては、 S riや Z n、 あるいはそれらを第 1材料とす る合金が用いられる。 好適には、 めっき材料は、 純 S n， または S n— Cu, S n— B i , S n— A gのように S n合金である。 なかでも、 31 —じひ合金は好 適である。 基材は、 Cuまたは Cu合金であることが好適である。
好適には、 基材表面が (220) の配向面を持つようにされる力 \ 基材表面と めっき層との間に （220) の配向面を持つ下地層が形成される。 それにより、 前記配向面を持つめっき層が得やすくなる。
上記のめっき部材を製造するための本発明によるめつき部材の製造方法は、 一 つの態様として、 基材表面の結晶方位を (2 20) 面とする第 1工程と、 該基材 表面にめっきを施す第 2工程とを有することを特徴とする。 後の実施例に示すよ うに、 基材表面の結晶方位を （220) 面とするとすることにより、 めっき層の 配向を所望に制御することができる。 上記の製造方法において、 前記第 1の工程 は、 基材表面に結晶方位が （220) 面に制御した下地層を形成する工程を含む ようにしてもよい。 前記下地層の形成は、 例えば、 配向性のある下地めつき層を 施すか、 配向性のある蒸着膜を施すことで行うことができる。 この手法により、 基材表面の結晶方位面を制御できない場合でも、 めっき表面を所望に配向させる ことができる。 下地層には、 N i , Ag， Au, P dなどの層が有効であり、 下 地層の作成には、 スバッタ法、 PLD, CVD, PVD, MB E等の手法も採用 できる。 電気めつきであってもよい。
本発明によれば、 基材の表面に鉛フリ一の材料からなるめっき層を形成しため つき部材において、 そのめつき層にウイス力が発生するのをほぼ完全に抑制する ことができる。 そのために、 本発明によるめつき部材は、 端子間の間隔が数百 μ m程度まで狭くなってきている、 例えば I Cチップをリ一ドフレ一ムのような部 材の端子部分に好適に採用することができる。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明によるめつき部材の一例を説明する概略図。
図 2は、 本発明によるめつき部材の他の例を説明する概略図。 符号の説明
1···基材、 2…めっき層、 3…めっき部材、 4…下地層 実施例
以下、 本発明を実施例と比較例により説明する。
[実施例 1 ] (前記第 1の形態に係る実施例と比較例）
図 1に示すように、 C u合金基材 1の表面に S n— C u合金からなるめっき層 2を形成して試験用めつき部材 3とした。 その際に、 めっき層 2の結晶方位面
(321 ) 面の配向指数が 1. 1 7〜8. 27の間である複数個のめっき部材を 製造した。 それぞれについて、 25°C、 55°C、 85 °Cの恒温状態で 2000時 間 （H) 放置する恒温放置試験 （試験 1) と、 一 40°Cと 85°Cの間および 0°C と 60°Cの間での冷熱サイクルを 2000サイクル繰り替えする冷熱サイクル試 験 （試験 2) とを行い、 ウイスカ発生の有無を走査型電子顕微鏡により観察した。 その結果を表 1に示した。
1]
Figure imgf000004_0001
なお、 配向指数の算出は X線回析により求めた。
[評価]
(321) 面の配向指数が 1. 17， 1. 69のめつき部材は、 恒温放置試験 ではウイスカ発生はなかったが、 冷熱サイクル試験でゥイス力が発生している。 配向指数が 4. 61， 8. 27のめつき部材は、 恒温放置試験および冷熱サイク ル試験の双方でゥイス力が発生している。 しかし、 配向指数が 2. 98， 3. 4 7のめつき部材 （本発明での実施例に相当する） は、 恒温放置試験おょぴ冷熱サ ィクル試験の双方でゥイス力の発生がなく、 鉛フリーの材料からなるめっき層に おける （321) 面の配向指数を 2. 5以上 4. 0以下とすることにより、 ウイ ス力の発生のないめっき部材が得られることがわかる。
[実施例 2 ] (前記第 2の形態に係る実施例と比較例）
実施例 1と同様に、 Cu合金基材 1の表面に S η— C u合金からなるめっき層 2を形成して試験用めつき部材 3とした。 その際に、 めっき層における （22 0) 面と （321) 面との配向指数の比 （220) / (321) が 0. 007〜 3. 43の間である複数個のめっき部材を製造した。 それぞれについて、 実施例 1と同じ恒温放置試験 （試験 1) と冷熱サイクル試験 （試験 2) とを行い、 ウイ スカ発生の有無を走査型電子顕微鏡により観察した。 その結果を表 2に示した。
[表 2]
Figure imgf000005_0001
なお、 配向指数の算出法は実施例 1と同じである。
[評価]
配向指数の比 （220) / (3 2 1) が 0. 007， 0. 45のめつき部材は、 恒温放置試験およぴ冷熱サイクル試験の双方でウイスカが発生している。 配向指 数の比が 2. 1 7, 3. 43のめつき部材は、 恒温放置試験ではゥイス力発生は なかったが、 冷熱サイクル試験でゥイス力が発生している。 しかし、 配向指数の 比が 0. 7 95， 1. 007のめつき部材は、 恒温放置試験およぴ冷熱サイクル 試験の双方でゥイス力の発生がなく、 鉛フリ一の材料からなるめっき層における (220) 面と （3 2 1) 面との配向指数の比 （220) Ζ (3 21) が 0. 5 以上 1. 5以下とすることにより、 ゥイス力の発生のないめっき部材が得られる ことがわかる。
[実施例 3]
実施例 1と同様に、 C u合金基材 1の表面に S η— Cu合金からなるめっき層 2を形成して試験用めつき部材 3とした。 その際に、 C u合金基材 1の表面を
(220) 面おょぴ （200) 面に配向させた。 2つの C u合金基材 1の表面に S n— C u合金からなる電気めつき層 2を形成した。 それぞれのめっき層 2の
(3 2 1) 面および （220) 面の配向指数を実施例 1と同じ手法で測定した。 そして、 （220) 面と （321) 面との配向指数の比 （220) / (3 2 1) を求めた。 その結果を表 3に示した。
[表 3]
Figure imgf000005_0002
[評価]
表 3に示すように、 合金基材 1の表面の配向面を制御することによって、 電気 めっき層 2の （32 1) 面おょぴ （220) 面の配向指数を制御することもでき る。 そして、 基材表面を (220) 面に配向させた場合には、 めっき層 2の （3 2 1) 面の配向指数おょぴ （220) 面と （3 2 1) 面との配向指数の比 （22 0) / (3 2 1) 力 ともに本発明の範囲内に入るめっき部材が得られることが わかる。 基材表面を （2 2 0) 面に配向させた場合には、 めっき層 2の （3 2 1) 面の配向指数および (220) 面と （32 1) 面との配向指数の比 （22 0) / (321) 、 ともに本発明の範囲外であり、 本発明によるめつき部材を 得る一つの方法として、 合金基材 1の表面を （220) 面に配向させることが有 効であることがわかる。
[実施例 4]
実施例 1と同様に、 C u合金基材 1の表面に S η— C U合金からなるめっき層 2を形成して試験用めつき部材 3とした。 その際に、 熱処理を行うことにより、 めっき層 2の （321) 面の配向指数を制御した。
(実施例 4一 1 ) 熱処理を、 100°C、 1 25°C 、 1 50°C、 200°Cの温度 で、 20時間 （H) 行った。 熱処理前の （32 1) 面の配向指数と熱処理後の (321) 面の配向指数を表 4に示した。
[表 4]
Figure imgf000006_0001
(実施例 4一 2) 熱処理を 1 25°Cの温度で、 1 0時間 （H) 、 20時間 (H) 、 40時間 （H) 、 60時間 （H) 行った。 熱処理前の （321) 面の配 向指数と熱処理後の （321) 面の配向指数を表 5に示した。
5]
Figure imgf000006_0002
[評価]
表 4および表 5に示すように、 熱処理前には、 めっき層の （321) 面の配向 指数は 4. 47であり、 本発明の範囲を外れていためつき部材が、 適切な熱処理 を施すことにより （321) 面の配向指数が本発明の範囲内のものとなることが かかる。 このことから、.熱処理を行うことは、 本発明によるめつき部材を得る一 つの方法として、 有効な制御手段であることがわかる。
[実施例 5 ]
図 2に示すように、 表面に特別の配向を持たない Cu合金基材 1の表面に、 ス パッタ法により （220) 面の配向を持つ N i下地層 4を形成した。 N i下地層 4の上に、 実施例 1と同様に S n— Cuめっき層 2を形成してめっき部材 3とし た。 実施例 1と同様にしてめっき層の （321) の配向指数を測定した。 比較例 として、 同じ Cu合金基材 1の表面に、 下地層を形成することなく、 直接 S n— Cuめっき層 2を形成してめっき部材をとし、 実施例 1と同様にしてそのめつき 層の （321) の配向指数を測定した。 その結果を表 6に示した。
[表 6]
Figure imgf000007_0001
[評価]
表 6に示すように、 基材が配向を持たない場合には、 めっき層の （321) 面 の配向指数は 4. 6 1であり、 本発明の範囲を外れているが、 （220) 面の配 向面を持つ下地層を基材表面に形成することにより、 めっき層の （32 1) 面の 配向指数が 3. 27と本発明の範囲内のものとすることが可能となる。 このこと から、 本発明によるめつき部材を得るための手法の一つとして、 基材表面に特定 の配向を持つ下地層を形成することが有効であることがわかる。

Claims

請求の範囲
1. 基材の表面に鉛フリーの材料からなるめっき層を有するめっき部材において、 前記めつき層における （32 1) 面の配向指数が 2. 5以上 4. 0以下であるこ とを特徴とするめつき部材。
2. 基材の表面に鉛フリーの材料からなるめっき層を有するめつき部材において、 前記めつき層における （220) 面と （3 2 1) 面との配向指数の比 （220) Z (321) が 0. 5以上 1. 5以下であることを特徴とするめつき部材。
3. 請求項 1または 2に記載のめっき部材において、 +めっき層形成成分は S nお よび/または S n合金であることを特徴とするめつき部材。
4. S η合金は S n— Cu合金である請求項 3に記載のめっき部材。
5. 基材が C uまたは C u合金である請求項 1〜4のいずれかに記載のめっき部 材。
6. 基材表面が （220) の配向面を持つことを特徵とする請求項 1〜 5のいず れかに記載のめっき部材。
7. 基材表面とめっき層との間に （220) の配向面を持つ下地層が形成されて いることを特徴とする請求項 1〜 5のいずれかに記載のめっき部材。
8. 請求項 1〜5のいずれかに記載のめっき部材の製造方法であって、 基材表面 の結晶方位を （220) 面とする第 1工程と、 該基材表面にめっきを施す第 2ェ 程とを有することを特徴とするめつき部材の製造方法。
9. 請求項 8に記載のめっき部材の製造方法において、 前記第 1の工程は、 基材 表面に結晶方位が (220) 面に制御した下地層を形成する工程を含むことを特 徵とするめっき部材の製造方法。
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