JP2006073574A - 配線基板とこれを用いた電子部品 - Google Patents

Abstract

【課題】鉛を含有しないはんだ材料として、比較的低融点な錫亜鉛合金はんだを使用し、かつ信頼性の高いはんだ接合を得る。
【解決手段】電子部品用基板４の表面に形成された配線電極部３上にニッケルめっき２および金めっき１が施され、接合状態で錫亜鉛合金はんだボール９中に含まれる亜鉛と金めっき１が反応し、金と亜鉛の金属間化合物５が形成される。そして電子部品実装用基板７に形成の銅配線電極部６と電子部品とのはんだ接合の際に、ニッケルめっき２および銅配線電極部６を溶融した錫亜鉛合金はんだ８によって接合する。金めっき１の膜厚を０．０１μｍ以上０．１２μｍ以下に薄く制御することで、金と亜鉛の金属間化合物５による界面剥離を抑制することができ、はんだ接合部の信頼性を向上させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、電子部品実装用基板と電子部品の接続に錫亜鉛合金の鉛フリーはんだを用いるはんだ接合部を設けた配線基板とこれを用いた電子部品に関するものである。

従来、電子部品実装用基板と電子部品を機械的，電気的にはんだ接合する形態としては、錫鉛合金のように鉛を含有するはんだが使用されていた。しかし、近年、鉛が環境上好ましくないことから、はんだ接合部の鉛フリー化が必要とされており、鉛フリー化に対応のためには、前述した従来のはんだ材料を使用することはできない。

この鉛フリー化に対応するために、錫銀合金のはんだが使用されているが、融点が高く、電子部品の耐熱性に課題を有している。

そこで最近は、融点の低い錫亜鉛合金のはんだの需要が増えており、このはんだに対応する電子部品の需要も高まっている。

また、はんだ接合される電極部には、ニッケルめっきと金めっきが施されており金めっきは１μｍ程度施されている。
特開２００１−１５６２０７号公報

しかしながら、前述した従来の構成では、錫亜鉛合金はんだを用いると電極部の金めっきとはんだ中の亜鉛が反応して、金と亜鉛の金属間化合物が生成され、はんだ接合部の信頼性に問題が生じる場合があった。

本発明は、前記従来技術の問題を解決することに指向するものであり、鉛を含有しないはんだ材料として、比較的低融点な錫亜鉛合金はんだを使用し、かつ信頼性の高いはんだ接合を得られるはんだ接合部を設けた配線基板とこれを用いた電子部品を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明に係る配線基板は、表面に配線電極が形成された基板と、配線電極上に形成された金めっきと、金めっき上に形成され３ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下の亜鉛および残部が実質的に錫の合金であるはんだ（はんだボール又ははんだバンプ）とを有し、金めっきの膜厚を０．０１μｍ以上０．１２μｍ以下としてはんだ接合部を設けたことを特徴とする。

また、配線基板は、表面に配線電極が形成された基板と、配線電極上に形成された金めっきと、金めっき上に形成され３ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下の亜鉛および残部が実質的に錫の合金であるはんだ（はんだボール又ははんだバンプ）とを有し、金めっきの膜厚が０．１２μｍを超え３μｍ以下のとき、表面を熱酸化してはんだ（はんだボール又ははんだバンプ）内部に金と亜鉛の金属間化合物を生成させたはんだ接合部を設けたことを特徴とする。

また、配線基板を用いた電子部品は、表面に配線電極が形成された基板と、配線電極上に形成された金めっきと、金めっき上に形成され３ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下の亜鉛および残部が実質的に錫の合金であるはんだ（はんだボール又ははんだバンプ）とからなり、金めっきの膜厚を０．０１μｍ以上０．１２μｍ以下としてはんだ接合部を設けた配線基板を用いたことを特徴とする。

また、電子部品は、表面に配線電極が形成された基板と、配線電極上に形成された金めっきと、金めっき上に形成され３ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下の亜鉛および残部が実質的に錫の合金であるはんだ（はんだボール又ははんだバンプ）とからなり、金めっきの膜厚が０．１２μｍを超え３μｍ以下のとき、表面を熱酸化してはんだ（はんだボール又ははんだバンプ）内部に金と亜鉛の金属間化合物を生成させたはんだ接合部を設けた配線基板を用いたことを特徴とする。

前記構成の配線基板とこれを用いた電子部品によれば、配線電極上の金めっきの厚みを制御して膜厚を０．０１μｍ以上０．１２μｍ以下とすることで、金属間化合物界面の剥離を抑制することができ、また、金めっきの膜厚が０．１２μｍを超え３μｍ以下のときでも、金めっき表面を熱酸化させることで、金と亜鉛の金属間化合物の生成反応を制御し、はんだ（はんだボール又ははんだバンプ）中に金属間化合物を形成させて界面の剥離を抑制でき、接続部の信頼性を高くすることができる。

本発明によれば、従来使用されていた錫鉛あるいは錫銀合金はんだに変えて、低融点の鉛フリーはんだである錫亜鉛合金はんだを使用して、接合部の信頼性に優れたはんだ接合を設けた配線基板とこれを用いた電子部品を提供できるという効果を奏する。

以下、図面を参照して本発明における実施の形態を詳細に説明する。

図１（ａ）は本発明の実施の形態１における配線基板、（ｂ）は配線基板上にはんだボールを具備した配線基板の概略構成を示す側面図である。図１（ａ）に示すように、配線基板は、電子部品用基板４の表面に形成された配線電極部３上にニッケルめっき２および金めっき１（膜厚０．０１μｍ以上０．１２μｍ以下）が施され、さらに、図１（ｂ）に示すように、はんだ接合部として、接続を行うはんだボール又ははんだバンプとして錫亜鉛合金はんだボール９を具備する。このはんだ接合状態で、錫亜鉛合金はんだボール９中に含まれる亜鉛と金めっき１が反応し、金と亜鉛の金属間化合物５が形成される。

一方、図２は本実施の形態１における配線基板を用いた電子部品のはんだ接合状態を示す側面図であり、図２に示すように、電子部品実装用基板７には、銅配線電極部６が形成されており、これを介して配線基板とはんだ接合する。このはんだ接合の際に、ニッケルめっき２および銅配線電極部６を錫亜鉛合金はんだボール９を溶融した錫亜鉛合金はんだ８によって接合する。

この接合部分に、ニッケルめっき２と金と亜鉛の金属間化合物５の界面で、剥離が発生すると、はんだ接合部の信頼性を低下させることになるが、金めっき１の膜厚を薄く制御することで、前記剥離を抑制することができ、はんだ接合部の信頼性を高くすることができる。

以下、具体的に本実施の形態１について詳述する。いま、錫亜鉛合金として、Ｓｎ（錫）−８ｗｔ％Ｚｎ（亜鉛）−３ｗｔ％Ｂｉ（ビスマス）組成のものを用い、図１（ａ），（ｂ）の形態例として、金めっき１の膜厚を、０．６μｍ，０．３μｍ，０．１２μｍ，０．０７μｍ，０．０１μｍとして施し、これに対して、フラックスを印刷、錫亜鉛合金はんだボール９を搭載し、約２２０度でリフローし、はんだ接合を実施した。各金めっき１の膜厚に対する接合状態を評価するため、ボールシェア強度を測定した結果が図３である。図３に示すように、金めっき１の膜厚が、０．０１μｍ以上０．１２μｍ以下にて高強度が得られ、はんだ接合部の信頼性が高くなる結果を示した。

また、図２の形態例として、金めっき１の膜厚影響の詳細を調べるため、前述の膜厚０．１２μｍに、膜厚０．１５μｍを加え、電子部品実装用基板７に錫亜鉛合金はんだ８のフラックスを印刷し、電子部品搭載後、約２２０度でリフローし、はんだ接合を実施した。各金めっき１の膜厚に対する接合状態を評価するため、−４０度から８５度の温度範囲で、３０分１サイクルの温度サイクル試験を行った。サイクル毎に接合部の電気抵抗を測定し、接合部の破断からそのサイクル数での累積故障率を求めた結果が図４であり、金めっき１の膜厚０．１５μｍでは、１００サイクル時点では累積故障率２０％となり、破断サンプルの断面観察を行ったところ破断モードは、金と亜鉛の金属間化合物５の界面剥離を確認した。一方、膜厚０．１２μｍでは、１０００サイクルまで破断は生じず、良好な結果が得られ、はんだ接合部の信頼性が高くなる結果を示した。

従来の錫銀合金のはんだでは、金めっきははんだ中に拡散し、問題とならないが、錫亜鉛合金のはんだでは、はんだに含有する亜鉛の反応性が高く、金めっきがはんだ中に拡散する前に亜鉛と反応し、金めっきとはんだ界面に金と亜鉛の金属間化合物を生成する。金めっきの厚みが厚ければさらに金属間化合物の生成が進み、厚みが増して、ついには金めっきから剥離する。

金めっきの厚みが０．６μｍ，０．３μｍ，０．１５μｍのとき、形成される金と亜鉛の金属間化合物の厚みはそれぞれ、３μｍ，２μｍ，０．７μｍ程度はんだ界面に帯状に形成され、この金属間化合物とめっき界面が剥離し、はんだ接合品質に問題を有することになる。これを解消するため、金めっきの厚みを０．０１μｍ以上０．１２μｍ以下とすると金と亜鉛の金属間化合物の厚みは０．３μｍ以下に薄く形成され、この薄い金属間化合物は、金めっきと同化して、はんだ接合に問題を生じさせなくなる。

図５（ａ）は本発明の実施の形態２における配線基板、（ｂ）は配線基板上にはんだボールを具備した配線基板の概略構成を示す側面図である。図５（ａ）に示すように、配線基板は、電子部品用基板４の表面に形成された配線電極部３上にニッケルめっき２および金めっき１’（膜厚０．１２μｍを超え３μｍ以下の厚さ）が施され、さらに、図５（ｂ）に示すように、はんだ接合部として、錫亜鉛合金はんだボール９を具備するはんだ接合状態で、錫亜鉛合金はんだボール９の中に金と亜鉛の金属間化合物５’が形成される。

一方、図６に示すように、電子部品実装用基板７には、銅配線電極部６が形成されており、これを介して配線基板とはんだ接合する。このはんだ接合する際に、ニッケルめっき２および銅配線電極部６を錫亜鉛合金はんだボール９を溶融した錫亜鉛合金はんだ８によって接合する。このはんだ接合においては、金と亜鉛の金属間化合物５’を錫亜鉛合金はんだ８中に生成させることで、はんだ接合部の信頼性を高くすることができる。

以下、具体的に本実施の形態２について詳述する。いま、錫亜鉛合金として、Ｓｎ−８ｗｔ％Ｚｎ−３ｗｔ％Ｂｉ組成のものを用い、図５（ａ），（ｂ）の形態例として、金めっき１’の膜厚０．６μｍに対して、金めっき１’の表面を酸化させる目的で２００度，１６時間の熱処理を行った後、フラックスを印刷、錫亜鉛合金はんだボール９を搭載し、約２２０度でリフローし、はんだ接合を実施した。接合状態を評価するため、ボールシェア強度を測定した結果が図７である。図７に示すように、金めっき１’の膜厚０．１２μｍを超えた膜厚０．６μｍにおいても、高強度が得られるようになった。ボールシェア強度を測定する前の状態にて、断面観察を行ったところ金と亜鉛の金属間化合物５’は錫亜鉛合金はんだ８中に確認され、はんだ接合部の信頼性が高くなる結果を示した。

従来の錫銀合金のはんだでは、金めっきははんだ中に拡散し問題とならないが、錫亜鉛合金のはんだでは、はんだに含有する亜鉛の反応性が高く、金めっきがはんだ中に拡散する前に亜鉛と反応する。そのため金と亜鉛の金属間化合物が生成され、金めっきとはんだ界面に帯状に形成されるとはんだ接合品質に問題を有する。これを解消するため、金と亜鉛の金属間化合物をはんだ中に生成させるために金と亜鉛の反応を遅らせて、金をいったんはんだ中に拡散させ、その後、亜鉛と反応させることで金属間化合物をはんだ中に形成させる。

金と亜鉛の反応を遅らせる方法として、例えば、２００度，１６時間程度の熱処理を行い、めっき表面を熱酸化させた状態とする。この状態ではんだ付けを行うと、フラックスがめっき表面の酸化物を除去するのに時間がかかり、一部の金ははんだ中に拡散し、その後、金と亜鉛の金属間化合物が生成される。この反応がはんだ付け中に繰り返され、はんだ中に金と亜鉛の金属間化合物を生成させることができる。また、熱処理しなくても、フラックスの活性度を低く調整し、酸化物除去能力を低くすることによっても同様な効果があり、はんだ中に金と亜鉛の金属間化合物を生成させることができる。

これにより、はんだ接合において、金と亜鉛の金属間化合物５’を錫亜鉛合金はんだ８中に生成させて、金めっきから剥離後に残った薄い金属間化合物５は金めっきと同化して、はんだ接合に問題を生じさせなくなり、はんだ接合部の信頼性を高くすることができる。

本発明に係るはんだ接合体とこれを有する電子部品は、錫鉛あるいは錫銀合金はんだに変えて、低融点の鉛フリーはんだである錫亜鉛合金はんだを使用して、接合部分の信頼性に優れたはんだ接合ができ、電子部品実装用基板や電子部品等の接続に有用である。

本発明の実施の形態１における配線基板（ａ）と錫亜鉛合金はんだボールを具備した配線基板（ｂ）の概略構成を示す側面図 本実施の形態１における電子部品のはんだ接合状態を示す側面図 金めっきの各膜厚に対する接合状態を評価するボールシェア強度の測定結果を示す図 金めっきの膜厚に対する接合状態を評価する温度サイクル試験のサイクル数と累積故障率を示す図 本発明の実施の形態２における配線基板（ａ）と錫亜鉛合金はんだボールを具備した配線基板（ｂ）の概略構成を示す側面図 本実施の形態２における電子部品のはんだ接合状態を示す側面図 金めっきの膜厚に対する熱処理の有無により接合状態を評価するボールシェア強度の測定結果を示す図

符号の説明

１，１’ 金めっき
２ ニッケルめっき
３ 配線電極部
４ 電子部品用基板
５，５’ 金と亜鉛の金属間化合物
６ 銅配線電極部
７ 電子部品実装用基板
８ 錫亜鉛合金はんだ
９ 錫亜鉛合金はんだボール

Claims (8)

1. 表面に配線電極が形成された基板と、前記配線電極上に形成された金めっきと、前記金めっき上に形成され３ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下の亜鉛および残部が実質的に錫の合金であるはんだとを有し、前記金めっきの膜厚を０．０１μｍ以上０．１２μｍ以下としてはんだ接合部を設けたことを特徴とする配線基板。
2. 表面に配線電極が形成された基板と、前記配線電極上に形成された金めっきと、前記金めっき上に形成され３ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下の亜鉛および残部が実質的に錫の合金であるはんだボール又ははんだバンプとを有し、前記金めっきの膜厚を０．０１μｍ以上０．１２μｍ以下としてはんだ接合部を設けたことを特徴とする配線基板。
3. 表面に配線電極が形成された基板と、前記配線電極上に形成された金めっきと、前記金めっき上に形成され３ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下の亜鉛および残部が実質的に錫の合金であるはんだとを有し、前記金めっきの膜厚が０．１２μｍを超え３μｍ以下のとき、表面を熱酸化して前記はんだ内部に金と亜鉛の金属間化合物を生成させたはんだ接合部を設けたことを特徴とする配線基板。
4. 表面に配線電極が形成された基板と、前記配線電極上に形成された金めっきと、前記金めっき上に形成され３ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下の亜鉛および残部が実質的に錫の合金であるはんだボール又ははんだバンプとを有し、前記金めっきの膜厚が０．１２μｍを超え３μｍ以下のとき、表面を熱酸化して前記はんだボール又ははんだバンプ内部に金と亜鉛の金属間化合物を生成させたはんだ接合部を設けたことを特徴とする配線基板。
5. 表面に配線電極が形成された基板と、前記配線電極上に形成された金めっきと、前記金めっき上に形成され３ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下の亜鉛および残部が実質的に錫の合金であるはんだとからなり、前記金めっきの膜厚を０．０１μｍ以上０．１２μｍ以下としてはんだ接合部を設けた配線基板を用いたことを特徴とする電子部品。
6. 表面に配線電極が形成された基板と、前記配線電極上に形成された金めっきと、前記金めっき上に形成され３ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下の亜鉛および残部が実質的に錫の合金であるはんだボール又ははんだバンプとからなり、前記金めっきの膜厚を０．０１μｍ以上０．１２μｍ以下としてはんだ接合部を設けた配線基板を用いたことを特徴とする電子部品。
7. 表面に配線電極が形成された基板と、前記配線電極上に形成された金めっきと、前記金めっき上に形成され３ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下の亜鉛および残部が実質的に錫の合金であるはんだとからなり、前記金めっきの膜厚が０．１２μｍを超え３μｍ以下のとき、表面を熱酸化して前記はんだ内部に金と亜鉛の金属間化合物を生成させたはんだ接合部を設けた配線基板を用いたことを特徴とする電子部品。
8. 表面に配線電極が形成された基板と、前記配線電極上に形成された金めっきと、前記金めっき上に形成され３ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下の亜鉛および残部が実質的に錫の合金であるはんだボール又ははんだバンプとからなり、前記金めっきの膜厚が０．１２μｍを超え３μｍ以下のとき、表面を熱酸化して前記はんだボール又ははんだバンプ内部に金と亜鉛の金属間化合物を生成させたはんだ接合部を設けた配線基板を用いたことを特徴とする電子部品。

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