JP2009270154A - Ｓｎめっき層を有するめっき基材およびめっき層から針状ウィスカが成長するのを抑制する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＰｂフリーのＳｎめっき層を有するめっき基材でのウィスカの発生を抑制する。
【解決手段】母材１の表面にＰｂフリーのＳｎめっき層２を形成しためっき基材３において、Ｓｎめっき層における隣り合う結晶粒界の角度を２０゜以下とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＰｂフリーのＳｎめっき層を有するめっき基材と、そのめっき層から針状ウィスカが成長するのを抑制する方法に関する。

半導体装置のような電子部品において、外部端子の母材にはＣｕ、Ｃｕ合金、４２アロイ（鉄とＮｉ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ＳｎまたはＳｎ合金を用いる場合、従来からＰｂを含む材料が用いられてきた。近年、環境負荷を軽減する観点からＰｂ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、純ＳｎあるいはＳｎ−Ｃｕ，Ｓｎ−Ｂｉ，Ｓｎ−ＡｇのようなＳｎ合金のように、Ｐｂを含まない材料が使用されるようになっている。しかし、Ｐｂ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、めっき層から例えば径が３μｍ程度のＳｎ単結晶の連続体である１００μｍを越えるような針状ウィスカが成長する。

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。前記針状ウィスカは数百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、成長した針状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、針状ウィスカの成長を抑制するための対策が求められている。

針状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、めっき層中に蓄積された内部応力が一因であるとの考えから、めっき層の内部応力を除去することで針状ウィスカの発生を抑制しようとする提案がなされており、特許文献１には、Ｐｂを含まないＳｎ合金めっき層を、めっき後にその融点より高い温度で加熱してリフローさせて内部応力を開放することで、ウィスカの発生を抑制できることが記載されている。

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も提案されており、特許文献２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。

他の観点からのウィスカの成長を抑制する方法として、特許文献３には、ＳｎまたはＳｎ合金のめっき層を基材の上に電着により形成するに当たって、ＳｎまたはＳｎ合金のめっき層に、隣接する結晶面と５゜〜２２゜の角度を形成する結晶面が実質的にないようにすることが記載されている。

特開平１０−１４４８３９号公報 特開２００６−２４９４６０号公報 特開２００４−１２４２４９号公報

本発明者らは、ＰｂフリーのＳｎめっき層でのウィスカの成長について多くの実験と研究を継続して行ってきており、前記した隣り合う結晶粒界の角度とウィスカの成長との関係についても実験と研究を行ってきたが、その過程で、隣り合う結晶粒界の角度が３０゜を越える角度である場合に、針状ウィスカの成長を抑制できないことを知見した。

本発明は、上記の事情を考慮してなされたものであり、Ｓｎめっき層における隣り合う結晶粒界の角度をある角度範囲に限定することによって針状ウィスカの成長を抑制できるようにしためっき基材、およびそのようなめっき層からウィスカが成長するのを抑制する方法を開示することを課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明者らは、ＰｂフリーのＳｎめっき層における隣り合う結晶粒界の角度とウィスカの成長との関係について、さらに多くの実験を行うことにより、隣り合う結晶粒界の角度が２０゜以下の場合に、ウィスカが成長はするものの、それは長さが５０μｍ以下のいわゆるノジュール状ウィスカであり、長さの長い針状ウィスカは成長しないことを知った。また、Ｓｎめっき層の形成を真空蒸着法により行うことにより、実質的にすべてのめっき面における隣り合う結晶粒界の角度を２０゜以下とすることができることを知った。

本発明は、本発明者らが得た上記の知見に基づいており、本発明によるめっき基材は、母材の表面にＰｂフリーのＳｎめっき層を有するめっき基材であって、Ｓｎめっき層における隣り合う結晶粒界の角度が２０゜以下であることを特徴とする。

本発明によるめっき基材では、短絡をもたらすので好ましくないとされている長さ１００μｍを越えるような針状ウィスカは成長せず、成長する場合でも、長さが５０μｍ以下である径の大きいノジュール状ウィスカのみである。これは、隣り合う結晶粒界の角度が２０゜以下であることによりエネルギー的不安定が解消し、針状ウィスカの成長が抑制されるものと解される。

そのために、本発明によれば、針状ウィスカによる端子間短絡を生じさせないめっき基材が得られる。なお、本発明によるめっき基材において、めっき面の全面において隣り合う結晶粒界の角度が２０゜以下となっていることは望ましいが、その大半、例えば５０％を超える領域で隣り合う結晶粒界の角度が２０゜以下となっていれば、実使用に支障のないめっき基材が得られる。

本発明によるめっき層から針状ウィスカの成長を抑制する方法は、母材の表面にＰｂフリーのＳｎめっき層を有するめっき基材のめっき層から針状ウィスカが成長するのを抑制する方法であって、母材の表面に対するＳｎめっき層の形成を真空蒸着法により行い、形成されるＳｎめっき層における隣り合う結晶粒界の角度を２０゜以下とすることを特徴とする。

本発明者らの実験では、Ｓｎめっき層を電気めっきにより形成すると、隣り合う結晶粒界の角度を特定の範囲に制御することはできず、０゜〜９０゜の範囲にばらついたものとなる。そのために、結晶粒界の角度が３０゜〜６０゜程度の範囲である箇所から５０μｍを越える針状ウィスカが成長するのを避けることができない。真空蒸着法によりＳｎめっき層を形成すると、隣り合う結晶粒界の角度の多くを２０゜以下のもとすることができ、そのために、めっき層から針状ウィスカが成長するのを効果的に抑制することができる。

特に、蒸着速度１５０〜１００ｎｍ／分程度の速度で真空蒸着を行うことにより、めっき面のほとんどの領域を、隣り合う結晶粒界の角度が２０゜以下の領域とすることができる。

本発明において、Ｓｎめっき層を形成するＳｎは、純Ｓｎが好ましいが、Ｓｎ−Ｃｕ，Ｓｎ−Ｂｉ，Ｓｎ−Ａｇのような、鉛を含まないＳｎ合金であってもよい。

また、本発明において、母材に特に制限はないが、製造されるめっき基材の用途を考慮すると、Ｃｕ、Ｃｕ合金または４２アロイ（鉄とＮｉが４２％の合金）であることが好ましい。

本発明によれば、母材の表面にＰｂフリーのＳｎめっき層を有するめっき基材において、針状ウィスカの成長を抑制しためっき基材が得られる。

以下、本発明を実施の形態に基づき説明する。図１は本発明により製造しためっき基材の一例を示す。

めっき基材３は、母材１とその上に形成したＳｎめっき層２を備える。母材１は、好ましくは、Ｃｕ、Ｃｕ合金または４２アロイ（鉄とＮｉが４２％の合金）である。厚さに制限はなく、めっき基材３の用途を考慮して適宜設定される。

Ｓｎめっき層２は、真空蒸着法によって、母材１の表面に形成される。好ましくは、真空蒸着を蒸着速度１５０〜１００ｎｍ／分程度の速度で行う。Ｓｎめっき層を形成するＳｎは、純Ｓｎであってもよく、Ｓｎ−Ｃｕ，Ｓｎ−Ｂｉ，Ｓｎ−Ａｇのような、鉛を含まないＳｎ合金であってもよい。

めっき基材３のＳｎめっき層２における隣り合う結晶粒界の角度を、断面方向からＥＢＳＰ法により測定すると、そのほとんどは２０゜以下の角度となっている。

本発明によるめっき基材は、半導体装置のような電子部品における外部端子に特に好適に適用できる。

［実施例１］
４２アロイ母材の表面に、蒸着速度１５０ｎｍ／分でＳｎの真空蒸着を行って、厚さ６〜９μｍのＳｎめっき層を形成して試験用めっき部材ａとした。Ｓｎめっき層形成後に、Ｓｎめっき層における隣り合う結晶粒界の角度を、断面方向からＥＢＳＰ法により測定したところ、そのほとんどは２０゜以下であり、角度５゜の結晶粒界が最も多かった。

試験用めっき部材ａに対して、高温側６０℃、低温側０℃、各２０ｍｉｎの冷熱衝撃試験を２０００サイクル実施して、めっき層表面でのウィスカ発生の有無を走査型電子顕微鏡により観察した。結果を図２のグラフにａとして示した。すなわち、試験用めっき部材ａでは、長さ１０μｍ程度のノジュール状ウィスカが成長していたが、針状ウィスカの発生は観察できなかった。

［実施例２］
真空蒸着の条件を蒸着速度１２０ｎｍ／分とした以外は、実施例１と同様にして試験用めっき部材ｂを作った。実施例１と同様にして断面方向からＥＢＳＰ法により測定したところ、そのほとんどは２０゜以下であり、角度１０゜の結晶粒界が最も多かった。

試験用めっき部材ｂに対して、実施例１と同じ冷熱衝撃試験を行い、めっき層表面でのウィスカ発生の有無を観察した。結果を図２のグラフにｂとして示した。すなわち、試験用めっき部材ｂでは、長さ３０μｍ程度のノジュール状ウィスカが成長していたが、針状ウィスカの発生は観察できなかった。

［実施例３］
真空蒸着の条件を蒸着速度１００ｎｍ／分とした以外は、実施例１と同様にして試験用めっき部材ｃを作った。実施例１と同様にして断面方向からＥＢＳＰ法により測定したところ、そのほとんどは２０゜以下であり、角度１５゜の結晶粒界が最も多かった。

試験用めっき部材ｃに対して、実施例１と同じ冷熱衝撃試験を行い、めっき層表面でのウィスカ発生の有無を観察した。結果を図２のグラフにｃとして示した。すなわち、試験用めっき部材ｃでは、長さ４５μｍ程度のノジュール状ウィスカが成長していたが、針状ウィスカの発生は観察できなかった。

［比較例１］
実施例１で用いたと同じ母材に対して、電解めっきにより厚さ６〜９μｍのＳｎめっき層を形成し、試験用めっき部材ｄとした。使用しためっき浴は、硫酸浴である。Ｓｎめっき層における隣り合う結晶粒界の角度を、断面方向からＥＢＳＰ法により測定したところ、特定の角度に偏らず、３０゜〜９０゜の範囲にほぼ等しくばらついていた。

試験用めっき部材ｄに対して、実施例１と同じ冷熱衝撃試験を実施して、めっき層表面でのウィスカ発生の有無を走査型電子顕微鏡により観察した。結果を図２のグラフに（イ）〜（ト）として示した。すなわち、隣り合う結晶粒界の角度が３０゜の箇所からは長さ５０μｍを越えるノジュール状ウィスカ（イ）が成長し、また、隣り合う結晶粒界の角度が７０゜、８０゜、９０゜の箇所からも長さ５０μｍを越えるノジュール状ウィスカ（ホ）、（ヘ）、（ト）が成長していた。さらに、隣り合う結晶粒界の角度が４０゜、５０゜、６０゜の箇所からは長さ１００μｍを越える針状ウィスカ（ロ）、（ハ）、（ニ）が成長していた。

［考察］
図２に示すグラフからわかるように、本発明による製造方法で製造した本発明によるめっき部材は、Ｓｎめっき層における隣り合う結晶粒界の角度が２０゜以下であることから、５０μｍを超える長さのノジュール状ウィスカおよび針状ウィスカの成長が抑制されている。そのために、本発明によるめっき基材は、端子間の間隔が狭い半導体装置のような電子部品における外部端子等として、特に好適に適用できることがわかる。

本発明によるめっき部材を説明するための図。 実施例と比較例におけるめっき基材でのＳｎめっき層にやけるウィスカ長を隣り合う結晶粒界の角度と共に示すグラフ。

符号の説明

１…母材、２…めっき層、３…めっき基材

Claims (2)

1. 母材の表面にＰｂフリーのＳｎめっき層を有するめっき基材であって、Ｓｎめっき層における隣り合う結晶粒界の角度が２０゜以下であることを特徴とするめっき基材。
2. 母材の表面にＰｂフリーのＳｎめっき層を有するめっき基材の前記めっき層から針状ウィスカが成長するのを抑制する方法であって、母材の表面に対するＳｎめっき層の形成を真空蒸着法により行い、形成されるＳｎめっき層における隣り合う結晶粒界の角度を２０゜以下とすることを特徴とするめっき層から針状ウィスカの成長を抑制する方法。

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