JP4734134B2 - 半田付け用フラックス及び半田付け用フラックスを用いた実装構造を有する半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半田付け用フラックス及び半田付け用フラックスを用いた実装構造を有する半導体装置に関し、より具体的には、半導体素子又は電子部品をプリント配線基板に半田付けする際に使用される半田付け用フラックス及び当該半田付け用フラックスを用いた実装構造を有する半導体装置に関する。

携帯電話やノート型パソコン等、携帯情報機器のダウンサイジングに伴い、半導体装置の小型化やプリント回路基板の高密度実装技術の確立が不可欠となってきている。ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）等の半導体素子又はパッケージングされた電子部品をプリント配線基板に高密度に実装するために、半田接合技術のファインピッチ化及び半田接合を用いた接続端子部の微小化が進んでいる。

かかる接続端子部であるプリント配線基板の電極部として、一般に、銅（Ｃｕ）パッドが使用される。

また、銅パッドに半導体素子又は電子部品を半田付けする際には、通常ハロゲン系の活性剤又はカルボキシル基（−ＣＯＯＨ）等を含んだ有機酸等が包含されているフラックスを用いて、銅パッドの表面に形成された酸化膜（ＣｕＯ）や汚れを取り除き、加熱中の酸化を防止して半田の濡れ性の向上を図っている。

更に、同様の目的のために、銅パッド表面に無電解によるニッケル（Ｎｉ）−リン（Ｐ）めっきを施し、当該ニッケル−リンめっきの上に金（Ａｕ）めっき処理を施す態様も提案されている（特許文献１、特許文献２参照）。
特開２０００−２００９６３号公報 特開２０００−２２３４４２号公報

図１は、プリント配線基板上に設けられた銅パッドに、上述の従来の半田付けを行う場合の問題点を説明するための図である。

上述の従来の半田付けにおいては、以下の問題がある。

図１を参照するに、プリント配線基板上に設けられた銅（Ｃｕ）パッド１に、錫（Ｓｎ）の含有量が多い半田２で従来の半田付けを行うと、銅パッド１上に、半田２中の錫（Ｓｎ）と銅パッド１を構成する銅（Ｃｕ）の相互の拡散により、銅と錫の化合物層３が形成される。かかる化合物層３は硬く脆い化合物から成り、当該化合物層３が厚く成長することにより、半田付けの接合強度の劣化を招き、断線不良となるおそれがある。

また、銅（Ｃｕ）原子は錫（Ｓｎ）原子よりも拡散速度は速い。従って、かかる拡散速度の差異に基づいて、銅と錫の化合物層３の直下の銅パッド１の表面に、カーケンダルボイド４が形成される。かかるボイド４が成長するとクラックに発展し、半田接合が破壊されるおそれがある。このような不具合を引きこす要因となるカーケンダルボイド４の発生する度合いは、銅と錫の化合物層３が厚く成長すればするほど高くなる。

また、銅パッド表面に無電解によるニッケル（Ｎｉ）−Ｐ（リン）めっきを施した場合でも、ニッケル（Ｎｉ）原子の半田中への拡散は早いため、ニッケル（Ｎｉ）と錫（Ｓｎ）の硬く脆い化合物拡散層が厚く形成され、この拡散層で、落下衝撃等により破壊が生じ得る。更に、ニッケル（Ｎｉ）と錫（Ｓｎ）の化合物拡散層と、その直下に位置するニッケル（Ｎｉ）−リン（Ｐ）めっきとの界面にはリン（Ｐ）原子が残存しており、かかる界面部分は脆弱であり、接合強度の低下を招く。

なお、ニッケル（Ｎｉ）−リン（Ｐ）めっきの上に金（Ａｕ）めっき処理が施されている場合であっても、金（Ａｕ）原子は半田中に瞬時に拡散溶融してしまうため、依然として上述の問題は発生し得る。

銅（Ｃｕ）と錫（Ｓｎ）の化合物層３及びニッケル（Ｎｉ）と錫（Ｓｎ）の化合物拡散層等、このような化合物の層は、半田の濡れ性を確保するために必要であるが、当該層の厚さが厚くなると上述の問題が生じる。

かかる問題を解消するために、例えば、ニッケル（Ｎｉ）−リン（Ｐ）の上に施す金（Ａｕ）めっきの厚さを大きくすると、硬くて脆い性質を持つ金（Ａｕ）と錫（Ｓｎ）の化合物層が形成され、上述の場合と同様に接合部の強度の低下を招くことになる。

そこで、本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであって、半田付けの際に良好な接続強度を得ることができる半田付け用フラックス及び半田付け用フラックスを用いた実装構造を有する半導体装置を提供することを本発明の目的とする。

本発明の一観点によれば、銅電極又は前記銅電極の表面に無電解ニッケルめっきが施された電極上に、鉛の含有量が０．００１以上０．１ｗｔ％以下の範囲である半田合金を半田付けするために用いられる、ロジンと、溶剤と、活性剤と、１０％の有機酸亜鉛とを含むことを特徴とする半田付けフラックスが提供される。

前記電極に金メッキが施されていてもよい。

本発明の別の観点によれば、銅電極又は前記銅電極の表面に無電解ニッケルめっきが施された電極の上に、半田合金が半田付けされた半導体装置であって、前記半田合金は鉛の含有量が０．００１以上０．１ｗｔ％以下の範囲であり、ロジンと、溶剤と、活性剤と、１０％の有機酸亜鉛とを含む半田付けフラックスにより、前記電極と前記半田合金との界面に、亜鉛を含む合金層が形成されていることを特徴とする半導体装置が提供される。

本発明によれば、半田付けの際に良好な接続強度を得ることができる半田付け用フラックス及び半田付け用フラックスを用いた実装構造を有する半導体装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

図２は、プリント配線基板上に設けられた銅パッドに、本発明の実施の形態にかかる半田付け用フラックスを用いた半田付けの概念図である。

図２を参照するに、本発明の実施の形態では、図示を省略するプリント配線基板上に設けられた銅（Ｃｕ）パッド又は前記銅パッドの表面に無電解ニッケルめっきを施したパッドから成る電極１１に半田付けを行う際に、亜鉛（Ｚｎ）の金属塩を含有させたフラックス１３が用いられている(図２(a))。即ち、前記電極１１の上に当該フラックス１３を設け、その上で半田１２を設けている（図２(b)）。

本発明の実施の形態で用いられるフラックス１３は、常温で固体の松脂等から成るロジン、溶剤、及びハロゲン、塩素、臭素、又はカルボキシル基（−ＣＯＯＨ）等を含んだ有機酸等を含む活性剤等を備え、亜鉛の金属塩が含有されている。

かかる亜鉛の金属塩としては、例えばステアリン酸亜鉛等の有機カルボン酸亜鉛（Ｒ−ＣＯＯＺｎ）や有機スルフォン酸亜鉛（Ｒ−ＳＯ_３Ｚｎ）のような有機酸亜鉛があげられる。例えば、ステアリン酸亜鉛は常温では安定しており、半田付け以前に電極１１となる銅パッドの表面に施された無電解ニッケルめっき中のニッケルと反応することはなく、半田付け温度に加熱されると亜鉛が遊離し、前記ニッケルと優先的に反応する。

上述の例の他に、酢酸亜鉛、コハク酸亜鉛、ステアリン酸亜鉛、グルコン酸亜鉛、グルタミン酸亜鉛、パルミチン酸亜鉛、クエン酸亜鉛、フマル酸亜鉛、リンゴ酸亜鉛などを有機酸亜鉛として用いることもできる。

上述の亜鉛の金属塩は反応性が高く、半田１２を用いて半田付けを行うと、電極１１として銅パッドを用いる場合は銅（Ｃｕ）と亜鉛（Ｚｎ）、電極１１として銅パッドの表面に無電解ニッケル（Ｎｉ）めっきが施されている場合はニッケル（Ｎｉ）と亜鉛（Ｚｎ）、を含む安定な合金層が形成される。

即ち、半田付けにより半田１２に含有されている錫（Ｓｎ）と前記銅（Ｃｕ）又はニッケル（Ｎｉ）とが反応するときに、フラックス１３中に含有されている亜鉛（Ｚｎ）も巻き込まれて反応し、安定な錫銅亜鉛（Ｓｎ−Ｃｕ−Ｚｎ）、錫ニッケル亜鉛（Ｓｎ−Ｎｉ−Ｚｎ）の合金層１５が形成される（図２(c)）。

かかる合金層１５が一旦形成されると、銅（Ｃｕ）又はニッケル（Ｎｉ）がその直上に設けられている半田１２に拡散してしまうことが阻害され、従来のような不具合を生じさせる電極１１と半田１３との界面で発生する銅（Ｃｕ）と錫（Ｓｎ）との反応層（拡散層）又はニッケル（Ｎｉ）と錫（Ｓｎ）との反応層（拡散層）の成長を抑制することができる。即ち、上述の合金層１５は拡散バリア層の役割を果たす。

なお、本実施の形態に用いられるフラックス１３も、従来のフラックスと同様に、銅パッド表面の酸化膜（ＣｕＯ）や汚れを取り除き、加熱中の酸化を防止して半田１２の濡れ性の向上を図ることができることは言うまでもない。

ところで、本実施の形態に使用される半田１２の材料としては、鉛（Ｐｂ）が０．００１乃至０．１Ｗｔ％含まれている半田を用いることが望ましい。鉛（Ｐｂ）は他の原子の拡散を助長する特性を有し、亜鉛（Ｚｎ）とニッケル（Ｎｉ）の反応を促進させる。従って、半田１２の材料としては、鉛（Ｐｂ）が０．００１乃至０．１Ｗｔ％含まれている半田を用いると、半田１２と電極１１との界面に、安定な錫銅亜鉛（Ｓｎ−Ｃｕ−Ｚｎ）又は錫ニッケル亜鉛（Ｓｎ−Ｎｉ−Ｚｎ）の合金層１５を良好に形成することができる。

一方、鉛（Ｐｂ）の含有量が０．００１ｗｔ％以下では上述の効果は見られず、０．１ｗｔ％を超えた場合は銅（Ｃｕ）又はニッケル（Ｎｉ）の拡散を助長し過ぎてしまい、銅（Ｃｕ）又はニッケル（Ｎｉ）がその直上に設けられている半田１２に拡散し、銅（Ｃｕ）と錫（Ｓｎ）との反応層（拡散層）又はニッケル（Ｎｉ）と錫（Ｓｎ）との反応層（拡散層）が厚く形成されてしまう。

従って、半田１２中の鉛（Ｐｂ）の含有率は０．００１乃至０．１Ｗｔ％とすることが望ましい。

以上説明したように、本実施の形態によれば、電極１１と半田１３との界面で発生する銅（Ｃｕ）と錫（Ｓｎ）との反応層（拡散層）又はニッケル（Ｎｉ）と錫（Ｓｎ）との反応層（拡散層）の成長を抑制することができ、良好な接続強度を確保できる半田付けを行うことができ、信頼性の高い接続部を形成することができる。

ところで、本発明の発明者は、本発明の実施の形態と従来技術とを比較する実験を行い、図３乃至図５に示す結果を得た。

ここで、図３は、本発明の実施の形態と従来技術との比較実験の結果を示す表である。図４は、本発明の実施の形態と従来技術の、接合強度結果を示すグラフである。図５は、本発明の実施の形態と従来技術の、半田付け接合構造を示す走査型電子顕微鏡ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）写真である。

本実験では、ガラスセラミックスから成り外形が５０ｍｍ×５０ｍｍの配線基板上に設けられた１００個の電極に、上述の本実施の形態におけるフラックスを用いた半田付けと、当該フラックスを用いずに従来のフラックスを用いた半田付けを行い、比較した。

より具体的には、各電極の直径は０．５ｍｍに設定し、電極間のピッチ長さは１．０ｍｍに設定した。電極は、ニッケル電極（実施例１乃至実施例３及び比較例１）と銅電極（実施例４乃至実施例６及び比較例２）との２種類を用いた。

また、本実施の形態のフラックスとして、ポリペールロジン４０％、ブチルカルビトール４８％、コハク酸１％、セバシン酸１％、ステアリン酸亜鉛１０％を混合したフラックスを用いた。かかるフラックスを用いて半田付けした例が、図３に示す表中に「実施例１」乃至「実施例６」として記載されている。

比較のための従来のフラックスとして、ポリペールロジン５０％、ブチルカルビトール４８％、コハク酸１％、セバシン酸１％のフラックスを用いた。かかるフラックスを用いて半田付けした例が、図３に示す表中に「比較例１」及び「比較６」として記載されている。

本実験では、上述の電極部に、かかるフラックスを０．１ｍｇ塗布し、次いで、前記電極に半田ボールを搭置した。

本実施の形態の半田として、３ｗｔ％の銀と、０．５ｗｔ％の銅と、０．００１ｗｔ％、０．０５ｗｔ％、又は０．１ｗｔ％の鉛と残り錫からなる半田を用いた。また、比較として、３ｗｔ％の銀と、０．５ｗｔ％の銅と、残りが錫からなり、直径０．６ｍｍの半田を用いた。

上述の組成を有する半田ボールを前記電極上に搭置した後、２３０℃で１０秒間加熱し、グリコールエーテル系の溶剤であるクリンスルー（花王株式会社の商品名）で洗浄を行い、次いで、１５０℃で７２時間の熱処理を施し、接合部の強度を測定した。

図３に示すように、従来のフラックスを用いた場合は、ニッケル電極を用いた比較例１では形成された拡散層の厚さは６乃至１０μｍであり、銅電極を用いた比較例２では形成された拡散層の厚さは６乃至８μｍであるのに対し、本実施の形態の場合では、ニッケル電極を用いた実施例１乃至実施例３では形成された拡散層の厚さは１乃至４μｍであり、銅電極を用いた実施例４乃至実施例６では形成された拡散層の厚さは２乃至３．５μｍである。このように、本実施の形態では、形成された拡散層の厚さは従来のフラックスを用いた場合に比し薄く、拡散層の成長が抑制されている。

また、図５に示す写真からも、従来のフラックスを用いた場合（図５(a)）は電極上に拡散層が厚く形成されていることを観察でき、また、本実施の形態のフラックスを用いた場合（図５(b)）は電極上に拡散バリア層が形成されていることを観察することができる。

更に、図３に示すように、接合強度の劣化（初期の強度に対する強度変化）は、従来のフラックスを用いた場合は、ニッケル電極を用いた比較例１では約７７％であり、銅電極を用いた比較例２では約６４％と高いのに対し、本実施の形態の場合では、ニッケル電極を用いた実施例１乃至実施例３では約２５％であり、銅電極を用いた実施例４乃至実施例６でも約２５％であり、従来に比し、低く抑えられていることがわかる。

また、図４には、実施例２及び比較例１の場合の接合強度の劣化の時間推移が示されている。図４に示すグラフの横軸は、１５０℃の熱処理を施した時間を示し、縦軸は、接合強度を示す。比較例１では、初期の接合強度８０２（ｇ）から時間経過と共に接合強度が劣化し、当該熱処理を施して７２時間経過すると１８２（ｇ）（図３参照）になっているのに対し、実施例２では、初期の接合強度８１０（ｇ）から時間経過と共に僅かに劣化し、当該熱処理を施して７２時間経過すると６１５（ｇ）（図３参照）となっており、接合強度の劣化が従来に比し低く抑えられていることがわかる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、半田付けに、亜鉛の金属塩が含有されたフラックスが用いられるため、半田付けにより、錫銅亜鉛（Ｓｎ−Ｃｕ−Ｚｎ）又は錫ニッケル亜鉛（Ｓｎ−Ｎｉ−Ｚｎ）の化合物層が形成される。但し、予め半田合金に銅（Ｃｕ）や銀（Ａｇ）を添加した半田もあるが、この場合には、錫（Ｓｎ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、亜鉛（Ｚｎ）等による複雑な化合物を形成する場合もある。このような化合物においても、本実施の形態と同様の効果を奏することができる。

かかる化合物層により、電極を構成する銅又はニッケルがその直上に設けられている半田に拡散してしまうことが回避され、従来のような不具合を生じさせる電極と半田との界面で発生する銅又はニッケルと半田との反応層（拡散層）の成長を抑制することができる。従って、接合部における信頼性の高い接合を確保することができる。

以上、本発明の実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。

なお、上述の本実施の形態では、銅（Ｃｕ）パッド又は前記銅パッドの表面に無電解ニッケルめっきを施したパッドから成る電極に半田付けをする例を示したが、当該無電解ニッケルめっきの上に金（Ａｕ）めっき処理を施したパッドから成る電極上に半田付けする場合にも、本発明を適用することができる。

また、半田付けを行う電極として、銅パッドの表面に無電解ニッケルめっきを施したパッドを用いた場合、亜鉛の金属塩の代わりに銅の金属塩を含有させたフラックス、又は亜鉛（Ｚｎ）と銅（Ｃｕ）の金属塩を含有させたフラックスを用いてもよい。この場合も、本実施の形態と同様の効果を奏することができる。

以上の説明に関し、更に以下の項を開示する。
（付記１） 銅電極又は前記銅電極の表面に無電解ニッケルめっきが施された電極上に半田合金を半田付けするために用いられる半田付けフラックスであって、
当該フラックスは亜鉛の金属塩を含むことを特徴とする半田付けフラックス。
（付記２） 付記１記載の半田付けフラックスであって、
前記亜鉛の金属塩は有機酸亜鉛であることを特徴する半田付けフラックス。
（付記３） 付記１又は２記載の半田付けフラックスであって、
前記半田合金は鉛を含有し、
前記半田合金における前記鉛の含有量は０．００１以上０．１ｗｔ％以下の範囲であることを特徴とする半田付けフラックス。
（付記４） 付記１乃至３いずれか一項記載の半田付けフラックスであって、
ロジン、溶剤、及び活性剤を含むことを特徴とする半田付けフラックス。
（付記５） 付記１乃至４いずれか一項記載の半田付けフラックスであって、
前記電極に金メッキが施されていることを特徴とする半田付けフラックス。
（付記６） 銅電極又は前記銅電極の表面に無電解ニッケルめっきが施された電極の上に、半田合金が半田付けされた半導体装置であって、
前記電極と前記半田合金との界面に、亜鉛を含む合金層が形成されていることを特徴とする半導体装置。
（付記７） 付記６記載の半導体装置であって、
前記半田合金は鉛を含有し、
前記半田合金における前記鉛の含有量は０．００１以上０．１ｗｔ％以下の範囲であることを特徴とする半導体装置。
（付記８） 付記６又は７記載の半導体装置であって、
前記電極に金メッキが施されていることを特徴とする半導体装置。

プリント配線基板上に設けられた銅パッドに、従来の半田付けを行う場合の問題点を説明するための図である。 プリント配線基板上に設けられた銅パッドに、本発明の実施の形態にかかる半田付け用フラックスを用いた半田付けの概念図である。 本発明の実施の形態と従来技術との比較実験の結果を示す表である。 本発明の実施の形態と従来技術の、接合強度結果を示すグラフである。 本発明の実施の形態と従来技術の、半田付け接合構造を示す走査型電子顕微鏡ＳＥＭ写真である。

符号の説明

１、１１ 電極
２、１２ 半田合金
３ 化合物層
４ カーケンダルボイド
１３ 半田付けフラックス
１５ 合金層

Claims (3)

1. 銅電極又は前記銅電極の表面に無電解ニッケルめっきが施された電極上に、鉛の含有量が０．００１以上０．１ｗｔ％以下の範囲である半田合金を半田付けするために用いられる、
   ロジンと、
   溶剤と、
   活性剤と、
   １０％の有機酸亜鉛と
   を含むことを特徴とする半田付けフラックス。
2. 前記ロジンとして、ポリペールロジンを４０％含み、
   前記溶剤として、ブチルカルビトールを４８％含み、
   前記活性剤として、コハク酸を１％、セバシン酸を１％含み
   前記有機酸亜鉛として、ステアリン酸亜鉛１０％を含む
   ことを特徴とする請求項１記載の半田付けフラックス。
3. 銅電極又は前記銅電極の表面に無電解ニッケルめっきが施された電極の上に、半田合金が半田付けされた半導体装置であって、
   前記半田合金は鉛の含有量が０．００１以上０．１ｗｔ％以下の範囲であり、
   ロジンと、
   溶剤と、
   活性剤と、
   １０％の有機酸亜鉛とを含む半田付けフラックスにより、
   前記電極と前記半田合金との界面に、亜鉛を含む合金層が形成されている
   ことを特徴とする半導体装置。