JP2009030108A - 鉛フリーのめっき層を有するめっき部材とその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】針状ウィスカ10の発生を抑制した鉛フリーめっき層2を持つめっき部材3を得る。
【解決手段】めっき層2のめっき材料がSn系めっき材料であり、めっき層表面において、Sn結晶粒の(001)面の占める割合が最も多くなるようにめっき層2を形成する。
【選択図】図2
【解決手段】めっき層2のめっき材料がSn系めっき材料であり、めっき層表面において、Sn結晶粒の(001)面の占める割合が最も多くなるようにめっき層2を形成する。
【選択図】図2
Description
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アロイ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Sn合金あるいはZn合金等を用いる場合、従来から鉛(Pb)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、Sn合金やZn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っき処理すると、めっき層からSnやZnの針状単結晶であるウィスカが発生する。
近年、例えばIC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μm程度まで狭くなってきている。前記ウィスカは数百μm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μm程度と狭い場合には、発生したウィスカにより端子間ショートが発生する恐れがあるので、ウィスカの発生を抑制するための対策が求められている。
ウィスカの発生および成長のメカニズムは完全には解明されていないが、めっき層の残留応力あるいはめっき層に加わる圧縮応力が一因であるとの考えから、残留応力を積極的に開放する、あるいはめっき層に加わる圧縮応力を低減するようにした解決策が、多く提案されている。一方、めっき層の結晶方位面およびその配向指数を制御することで、ウィスカの発生を抑制できることが分かりつつあり、そのアプローチからの解決策も既に提案されている。例えば、特許文献1には、Snめっき皮膜の結晶配向面が(220)面に優先配向し、かつSnめっき皮膜形成後の皮膜応力を−7.2MPa以上0MPa以下とすることが記載されている。特許文献2には、Snめっき面の(220)/(200)の面配向割合を大きくすることでウィスカを抑制できることが記載されている。特許文献3には、Snめっき層の結晶粒界にSn合金相を形成してウィスカの発生を抑制する技術であって、Sn合金相が形成しやすくするために、めっき層における(220)面と(321)面の配向指数を高くすることが記載されている。
鉛フリーめっき層におけるウィスカの発生を抑制する技術として、上記のようにめっき層の結晶方位面およびその配向指数を制御する技術は、有効なものと考えられる。本発明者らも、この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、めっき層の結晶方位面を制御する技術を用いて、より完全にウィスカの発生を抑制できるようにしためっき部材、およびその製造方法を提供することを課題とする。
上記の課題を解決すべく、本発明者らは、多数の鉛フリーめっき層表面に対してEBSP法によるX線回析を行い、針状ウィスカが発生した結晶方位面についての解析を行ったところ、針状ウィスカは、めっき材料の結晶粒における原子密度の高い結晶方位面から成長する確率が、原子密度の低い結晶方位面から成長する確率よりも高く、従って、原子密度の低い結晶方位面をめっき層表面に多く配向させておくことにより、めっき層表面から外側に成長するウィスカの発生を抑制できることを知見した。
本発明は、上記の知見に基づいており、本発明によるめっき部材は、母材の表面に鉛フリーのめっき層を有するめっき部材であって、めっき材料の結晶粒における原子密度の低い結晶方位面が原子密度の高い結晶方位面と比較してより多く表面に出るようにめっき層が形成されていることを特徴とする。
本発明による鉛フリーめっき層では、針状ウィスカが成長する確率の高い電子密度の高い結晶方位面のより多くがめっき層の内部に配されており、ウィスカが発生したとしても、それがめっき層表面から外部に向けて針状ウィスカとして成長する確率を低減することができる。本発明によるめっき部材において、めっき層表面における、めっき材料の結晶粒における原子密度の最も低い結晶方位面が占める割合は100%または100%に近い値であることが好ましいが、比較して原子密度の低い結晶方位面がめっき層表面においてより多くの面積を占めていれば、所期の目的を達成することができる。
本発明によるめっき材料のより具体的な態様において、めっき材料がSn系めっき材料の場合に、めっき層表面において、Sn結晶粒の(001)面の占める割合が最も多くなるようにめっき層が形成されている。なお、ここで「Sn系めっき材料」は、純Snのみでなく、Sn−Cu,Sn−Bi,Sn−AgのようなSn合金をも含むめっき材料を意味している。
Sn結晶粒において、(100)面と(010)面は比較して原子密度の高い面であり、(001)面は原子密度の最も低い面である。従って、上記のようにめっき材料がSn系めっき材料の場合に、結晶粒における(001)面の占める割合が最も多くなるようにめっき層が形成されることにより、めっき層表面から外部に向けて針状ウィスカが成長するのを抑制することができる。この場合にも、めっき層表面において、(001)面が占める割合は100%または100%に近い値であることが好ましいが、(001)面が他の結晶方位面と比較してより多くの面積を占めていれば、所期の目的を達成することができる。なお、現状の電解めっき等で形成されるSn系めっき材料からなる鉛フリーめっき層では、めっき層表面において結晶粒の(001)面が占める割合は、数%以下である。
めっき層表面に(001)面を多く出す、すなわち(001)面を他の面よりも優先配向させるには、熱処理のような人為的手法により行うことができる。他の方法として、母材表面の被めっき面を(001)面に優先配向させ、その上にエピタキシャル成長によりSn系めっき層を成形する方法も挙げられる。
本発明によるめっき材料の他のより具体的な態様において、めっき材料がZn系めっき材料の場合、めっき層表面において、Zn結晶粒の(1100)面の占める割合が最も多くなるようにめっき層が形成されている。なお、ここで「Zn系めっき材料」は、上記「Sn系めっき材料」の場合と同様、純Znのみでなく、Zn−Ni合金めっきのようなZn合金もを含むめっき材料を意味している。
Zn結晶粒において、(0001)面が比較して原子密度の高い面であり、(1100)面は原子密度の低い面である。従って、上記のようにめっき材料がZn系めっき材料の場合に、結晶粒における(1100)面の占める割合が最も多くなるようにめっき層が形成されることにより、めっき層表面からの針状ウィスカの成長を抑制することができる。
めっき層表面に(1100)面を多く出す、すなわち(1100)面を他の面よりも優先配向させるには、熱処理のような手法により行うことができる。他の方法として、母材表面の被めっき面を(1100)面に優先配向させ、その上にエピタキシャル成長によりZn系めっき層を成形する方法も挙げられる。
図1は本発明によるめっき部材の模式図であり、図2は本発明者らが行った鉛フリーめっき層でのウィスカ発生箇所におけるEBSP解析結果を模式的に示している。
図1に示すように、本発明によるめっき部材3は、母材1の表面に鉛フリーのめっき層2が形成されている。そして、めっき層2では、めっき材料の結晶粒における原子密度の低い結晶方位面が原子密度の高い結晶方位面と比較してより多く表面に出るようにめっき層が形成されている。それにより、めっき層2から外に向けて針状ウィスカ10が成長するのが抑制される。
その理由を説明する。本発明者らは、母材1であるCu合金基材の表面に電解めっき法により純Snからなる薄膜状のめっき層2を形成し、その表面をEBSP解析した。EBSP解析は、OIM座標系のND方向、RD方向、TD方向で行い、それを総合した結果を、図2に、ウィスカ10の成長方向とSn結晶粒2aの結晶粒子面との関係で示している。図示のように、めっき層表面は(110)面であり、針状ウィスカの根元の断面の結晶方位は(001)面であった。従って、針状ウィスカ10は(100)面、もしくは(010)面から発生する。そのために、Sn結晶粒の(001)面がめっき表面により多く配向するようにして、めっき層を形成することにより、めっき層から外に向けて針状ウィスカ10が成長するのを抑制できることがわかる。
Sn結晶粒では、(100)面と(010)面は比較して原子密度の高い面であり、(001)面は原子密度の最も低い面である。従って、母材の表面に鉛フリーのめっき層を有するめっき部材において、めっき材料の結晶粒における原子密度の低い結晶方位面が原子密度の高い結晶方位面と比較してより多く表面に出るようにめっき層が形成することにより、めっき層から外に向けて針状ウィスカが成長するのを抑制することができる。
Sn系めっきの場合、原子密度の低い結晶方位面が原子密度の高い結晶方位面と比較してより多く表面に出るようにめっき層が形成する、すなわち、Sn結晶粒の(001)面がめっき表面により多く配向するようにめっき層を形成するには、例えば、熱処理のような手法を採用すればよい。
他の方法として、母材(例えばCu合金基材)の被めっき面を(001)面に優先配向させ、従来知られた液相エピタキシャル成長により、Sn系めっき層を形成してもよい。
1…母材、2…めっき層、2…Sn結晶粒、3…めっき部材、10…針状ウィスカ
Claims (5)
- 母材の表面に鉛フリーのめっき層を有するめっき部材であって、めっき材料の結晶粒における原子密度の低い結晶方位面が原子密度の高い結晶方位面と比較してより多く表面に出るようにめっき層が形成されていることを特徴とするめっき部材。
- めっき材料がSn系めっき材料であり、めっき層表面において、Sn結晶粒の(001)面の占める割合が最も多くなるようにめっき層が形成されていることを特徴とする請求項1に記載のめっき部材。
- 請求項2に記載のめっき部材の製造方法であって、母材表面の被めっき面を(001)面に優先配向させ、その上にエピタキシャル成長によりSn系めっき層を成形することを特徴とするめっき部材の製造方法。
- めっき材料がZn系めっき材料であり、めっき層表面において、Zn結晶粒の(1100)面の占める割合が最も多くなるようにめっき層が形成されていることを特徴とする請求項1に記載のめっき部材。
- 請求項4に記載のめっき部材の製造方法であって、母材表面の被めっき面を(1100)面に優先配向させ、その上にエピタキシャル成長によりZn系めっき層を成形することを特徴とするめっき部材の製造方法。
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JP2007195090A JP2009030108A (ja) | 2007-07-26 | 2007-07-26 | 鉛フリーのめっき層を有するめっき部材とその製造方法 |
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JP2011527100A (ja) * | 2008-06-30 | 2011-10-20 | アギア システムズ インコーポレーテッド | 金属フィルム上の成長形成物の防止または軽減 |
JP2016106178A (ja) * | 2009-11-20 | 2016-06-16 | 東洋鋼鈑株式会社 | 表面処理鋼板及びその鋼板を用いたカバー部材 |
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