JP7185999B2 - 無電解パラジウムめっき液 - Google Patents

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Description

本発明は無電解パラジウムめっき液に関する。
電子工業分野においてプリント基板の回路、ICパッケージの実装部分や端子部分などの表面処理法として、はんだ接合性、及びワイヤボンディング性などのめっき皮膜特性に優れた効果を付与できる無電解ニッケル/無電解パラジウム/置換金法(Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold:ENEPIG)が汎用されており、ENEPIGプロセスによって無電解ニッケルめっき皮膜(以下、「Niめっき皮膜」ということがある)、無電解パラジウムめっき皮膜(以下、「Pdめっき皮膜」ということがある)、置換金めっき皮膜(以下、「Auめっき皮膜」ということがある)を順次施しためっき皮膜(以下、「無電解Ni/Pd/Auめっき皮膜」ということがある)が汎用されている。
近年、電子部品の小型化、高密度化に伴って要求されるめっき皮膜特性に対応するために例えば無電解パラジウムめっき液(以下、「無電解Pdめっき液」ということがある)を改良することでめっき皮膜特性を改良する技術が提案されている。
例えば特許文献1には、安定化剤として硫黄化合物に代えてビスマスまたはビスマス化合物を用いることにより、硫黄化合物を用いた場合と同程度に浴安定性が高く、耐食性、ハンダ接合性、ワイヤボンディング性に優れた皮膜が得られる無電解Pdめっき液が提案されている。
また特許文献2には、ニッケル上に低い多孔度を有し、均一なパラジウム薄膜の形成が可能なパラジウム液として、パラジウム塩と、無機酸と、無機化合物(Cu、Tl、Se、及びTe)とを含有するパラジウム液が開示されている。
特許第4596553号 特許第4792045号
汎用されている無電解Ni/Pd/Auめっき皮膜は、リフロー処理など高温の熱履歴に晒される前であれば優れたワイヤボンディング性を示すが、高温の熱履歴後はワイヤボンディング性が著しく低下するという問題があった。
本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、高温の熱履歴後も優れたワイヤボンディング性を有するめっき皮膜を構成するPdめっき皮膜が得られる無電解Pdめっき液を提供することにある。
上記課題を解決した本発明の無電解Pdめっき液は、パラジウム化合物と、還元剤と、錯化剤と、Ge、及び希土類元素よりなる群から選ばれる少なくとも一種と、を含有することに要旨を有する。
上記希土類元素は、La、Ce、Sm、及びYよりなる群から選ばれる少なくとも1種であることが望ましい。
また上記めっき液中のGe、及び希土類元素の含有量は合計で0.1~10g/Lであることも望ましい実施態様である。
更に上記錯化剤はアンモニア、及びアミン化合物よりなる群から選ばれる少なくとも1種であること、また上記還元剤としてはギ酸、ヒドラジン、次亜リン酸化合物、亜リン酸化合物、アミンボラン化合物、及びヒドロホウ素化合物よりなる群から選ばれる少なくとも1種であることも望ましい実施態様である。
本発明の無電解Pdめっき液を用いることによって、リフロー処理など高温の熱履歴後も優れたワイヤボンディング性を有するめっき皮膜を構成するPdめっき皮膜が得られる。
Pdめっき皮膜上にAuめっき皮膜を形成した積層めっき皮膜(以下、「Pd/Au積層めっき皮膜」ということがある)がリフローなど高温の熱履歴に晒されると、その後のワイヤボンディングの接続成功率が著しく低下する原因について本発明者らが鋭意検討した。その結果、高温の熱履歴に晒されるとPdがAuめっき皮膜表面に拡散し、Auめっき皮膜表面で形成されたPd-Au固溶体に起因してワイヤボンディングの接続成功率が低下すると考えた。このような問題の解決策の一つとして、Auめっき皮膜を厚く形成することが考えられるが、コストが大幅に上昇する。
本発明者らが更に検討を重ねた結果、Auめっき皮膜の下地層としてGe、及び希土類元素よりなる群から選ばれる少なくとも1種(以下、「希土類元素等」ということがある)を含有する無電解Pdめっき液を用いてPdめっき皮膜を形成すれば高温の熱履歴後のワイヤボンディング性を改善できることを見出した。すなわち、本発明の希土類元素等を含有する無電解Pdめっき液を用いて形成したPdめっき皮膜は、該Pdめっき皮膜表面にAuめっき皮膜を形成した積層めっき皮膜において、該積層めっき皮膜が高温の熱履歴を受けてもPdがAuめっき皮膜中に拡散してAuめっき皮膜表面でPd-Au固溶体が形成されるのを抑制できる(以下、「高温熱履歴後の固溶抑制効果」ということがある)。その結果、従来のAuめっき皮膜と同等、或いはそれ以下の厚みであっても従来よりも優れたワイヤボンディング性が得られることが判明した。
本発明の実施例にも示しているように、本発明の希土類元素等を添加した例と添加しなかった例とを比べると、熱処理前のワイヤボンディング性は両者で同等であるが、本発明の希土類元素等を添加しなかった例では熱処理後のワイヤボンディング性が著しく低下している(例えば試験片No.2と12、No.8と13との対比)。この結果からも本発明の希土類元素等を含む無電解Pdめっき液は優れた高温熱履歴後の固溶抑制効果を付与できることがわかる。
また本発明の希土類元素等以外の金属、例えばTa、W、Coなどを無電解Pdめっき液に添加しても高温熱履歴後の固溶抑制効果が得られないことを本発明者らが確認しており、本発明の希土類元素等を含有する特定の無電解Pdめっき液を用いた場合にのみ得られる特有の効果である。
高温熱履歴後の固溶抑制効果を奏するPdめっき皮膜は、本発明の無電解Pdめっき液を用いることによって容易に形成できる。具体的に本発明の無電解Pdめっき液は、パラジウム化合物と、還元剤と、錯化剤と、Ge、及び希土類元素よりなる群から選ばれる少なくとも1種と、を含有する無電解Pdめっき液である。以下、本発明の無電解Pdめっき液について詳述する。
Ge、及び希土類元素よりなる群から選ばれる少なくとも一種(希土類元素等)
Ge、及び希土類元素は高温熱履歴後の固溶抑制効果を発揮する金属である。希土類元素としてはSc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、及びLuであり、これらの中でも無電解Pdめっき液中で溶解性を有するものが好ましい。より好ましくはGe、La、Ce、Sm、及びYよりなる群から選ばれる少なくとも1種である。Ge、及び希土類元素の供給源としては特に限定されず、Ge、及び希土類元素の酸化物、塩化物など各種公知の化合物、及び金属を用いることができ、特にGe、及び希土類元素と、無機酸との塩であることが好ましい。Ge塩、及び希土類塩としては、硝酸塩、硫酸塩、塩化物塩、酢酸塩など水可溶性の塩を用いることができる。Ge供給源として、酸化ゲルマニウム、塩化ゲルマニウムなどの金属添加剤が例示される。上記好ましい希土類元素の供給源としては、酸化ランタン、塩化ランタン、硫酸ランタン、硝酸ランタン;酸化セリウム、塩化セリウム、硫酸セリウム、硝酸セリウム;酸化サマリウム、塩化サマリウム、硫酸サマリウム、硝酸サマリウム;酸化イットリウム、塩化イットリウム、硫酸イットリウム、硝酸イットリウムなどの金属添加剤が挙げられる。これらは単独、または2種以上を併用してもよい。
無電解Pdめっき液に含まれる本発明の希土類元素等が少なすぎると十分な熱履歴後の固溶抑制効果が得られないことがある。一方、本発明の希土類元素等が多すぎると液濁りが発生することがある。したがって無電解Pdめっき液中に含まれる本発明の希土類元素等の含有量(単独で含むときは単独の量であり、2種以上を含むときは合計量である。)は、好ましくは0.1g/L以上、より好ましくは0.2g/L以上、更に好ましくは0.5g/L以上であって、好ましくは10g/L以下、より好ましくは5g/L以下、更に好ましくは3g/L以下である。
本発明の無電解Pdめっき液の組成は、本発明の希土類元素等の上記効果を阻害しない範囲で適宜調整すればよいが、より優れた熱履歴後の固溶抑制効果を得るためには還元剤、錯化剤なども適切に選択することが望ましい。
パラジウム化合物
パラジウム化合物はパラジウムめっきを得るためのパラジウムイオンの供給源である。パラジウム化合物としては、水溶性であればよく、例えば塩化パラジウム、硫酸パラジウム、酢酸パラジウムなどの無機水溶性パラジウム塩;テトラアミンパラジウム塩酸塩、テトラアミンパラジウム硫酸塩、テトラアミンパラジウム酢酸塩、テトラアミンパラジウム硝酸塩、ジクロロジエチレンジアミンパラジウムなどの有機水溶性パラジウム塩などを用いることができる。これらのパラジウム化合物は、単独、又は2種以上を混合して用いてもよい。無電解Pdめっき液中のPdイオン濃度は限定されないが、Pdイオン濃度が低すぎるとめっき皮膜の析出速度が著しく低下することがある。一方、Pdイオン濃度が高すぎると異常析出などにより皮膜物性が低下するおそれがある。したがって無電解Pdめっき液中のPdイオン濃度は、好ましくは0.01g/L以上、より好ましくは0.1g/L以上、更に好ましくは1g/L以上であって、好ましくは10g/L以下、より好ましくは8g/L以下、更に好ましくは5g/L以下である。なお、Pdイオンは原子吸光分光光度計を用いた原子吸光分光分析(Atomic Absorption Spectrometry,AAS)による測定である。
還元剤
還元剤は無電解Pdめっき液においてPdを析出させる作用を有する。還元剤としては各種公知の還元剤を使用できるが、本発明の希土類元素等と組み合わせてより優れた高温熱履歴後の固溶抑制効果を発揮する上で好ましい還元剤としては、ギ酸、ヒドラジン、次亜リン酸化合物、亜リン酸化合物、アミンボラン化合物、及びヒドロホウ素化合物よりなる群から選ばれる少なくとも1種である。次亜リン酸化合物としては次亜リン酸、及び次亜リン酸ナトリウムなどの次亜リン酸塩が例示され、亜リン酸化合物としては亜リン酸、及び亜リン酸ナトリウムなどの亜リン酸塩が例示される。またアミンボラン化合物としてはジメチルアミンボラン(DMAB)、及びトリメチルアミンボラン(TMAB)が例示され、ヒドロホウ素化合物としては水素化ホウ素ナトリウム(SBH)、及び水素化ホウ素カリウム(KBH)などの水素化ホウ素アルカリ金属塩が例示される。還元剤は1種、又は2種以上を組み合わせてもよい。
還元剤の添加量はめっき処理時の析出速度と、めっき液の安定性を考慮して適宜調整すればよい。十分な析出速度とめっき液の安定性を確保する観点から無電解Pdめっき液中の還元剤の含有量(単独で含むときは単独の量であり、2種以上を含むときは合計量である。)は好ましくは0.5g/L以上、より好ましくは1g/L以上、更に好ましくは2g/L以上、より更に好ましくは10g/L以上であって、好ましくは100g/L以下、より好ましくは70g/L以下、更に好ましくは50g/L以下である。
錯化剤
錯化剤は、主に無電解Pdめっき液のPdの溶解性を安定化させる作用を有する。錯化剤としては各種公知の錯化剤を使用できるが、本発明の希土類元素等と組み合わせてより優れた高温熱履歴後の固溶抑制効果を発揮する上で好ましい還元剤としては、好ましくはアンモニア、及びアミン化合物よりなる群から選ばれる少なくとも1種、より好ましくはアミン化合物である。アミン化合物としては、メチルアミン、ジメチルアミン、トリメチルアミン、ベンジルアミン、メチレンジアミン、エチレンジアミン、エチレンジアミン誘導体、テトラメチレンジアミン、ジエチレントリアミン、エチレンジアミン四酢酸(Ethylene Diamine Tetraacetic Acid:EDTA)又はそのアルカリ金属塩、EDTA誘導体、グリシンなどが挙げられる。錯化剤は単独、又は2種以上を併用できる。無電解Pdめっき液中の錯化剤の含有量(単独で含むときは単独の量であり、2種以上を含むときは合計量である。)は上記作用が得られるように適宜調整すればよく、好ましくは1g/L以上、より好ましくは2g/L以上、更に好ましくは3g/L以上、より更に好ましくは5g/L以上、好ましくは100g/L以下、より好ましくは50g/L以下である。
本発明の無電解Pdめっき液は上記成分組成を有すれば高温熱履歴後の固溶抑制効果を奏するため、上記成分組成のみで構成されていてもよいが、必要に応じて各種公知の添加剤、例えばpH調整剤、安定化剤、結晶調整剤、濡れ性向上剤などの各種添加剤を含有していてもよい。
pH調整剤
本発明の無電解Pdめっき液は、pHが低すぎるとPdの析出速度が低下しやすく、一方、pHが高すぎると無電解Pdめっき液の安定性が低下することがある。好ましくはpH4~10、より好ましくはpH6~8である。無電解Pdめっき液のpHは公知のpH調整剤を添加して調整できる。pH調整剤としては、例えば塩酸、硫酸、硝酸、クエン酸、マロン酸、リンゴ酸、酒石酸、りん酸などの酸、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アンモニア水などのアルカリが挙げられる。これらは1種又は2種以上を併用して使用することができる。
安定化剤
安定化剤は、めっき安定性、めっき後の外観向上、めっき皮膜形成速度調整などの目的で必要に応じて添加される。本発明の無電解Pdめっき液は、公知の硫黄含有化合物を更に含有できる。硫黄含有化合物としては、例えば、チオエーテル化合物、チオシアン化合物、チオカルボニル化合物、チオール化合物、チオ硫酸及びチオ硫酸塩から選ばれる1種又は2種以上が好ましい。具体的には、メチオニン、ジメチルスルホキシド、チオジグリコール酸、ベンゾチアゾール等のチオエーテル化合物;チオシアン酸、チオシアン酸カリウム、チオシアン酸ナトリウム、チオシアン酸アンモニウム等のチオシアン化合物;チオ尿素又はその誘導体などのチオカルボニル化合物;システイン、チオ乳酸、チオグリコール酸、メルカプトエタノール、ブタンチオール等のチオール化合物;チオ硫酸ナトリウム等のチオ硫酸塩が挙げられる。これらの硫黄含有化合物は、単独、又は二種以上を混合して用いることもできる。無電解Pdめっき液中の安定化剤の含有量(単独で含むときは単独の量であり、2種以上含む場合は合計量である。)はめっき安定性などの効果が得られるように適宜調整すればよく、好ましくは0.1mg/L以上、より好ましくは0.5mg/L以上、更に好ましくは1mg/L以上、より更に好ましくは5mg/L以上、最も好ましくは10mg/L以上、好ましくは500mg/L以下、より好ましくは100mg/L以下、より更に好ましくは80mg/L以下、最も好ましくは60mg/L以下である。
なお、本発明の無電解Pdめっき液には界面活性剤は含まない。本発明の無電解Pdめっき液に界面活性剤を添加すると、得られるPdめっき皮膜表面に界面活性剤が吸着された状態となり、Auめっき皮膜の成膜性が劣る。その結果、高温の熱履歴に対するワイヤボンディング性も悪化する。界面活性剤とは各種公知の非イオン性、カチオン性、アニオン性、及び両性界面活性剤である。
本発明の無電解Pdめっき液は好ましくは電子部品のボンディング用めっきなどに使用されるPdめっき皮膜にAuめっき皮膜を積層させたPd/Au積層めっき皮膜用途にも好適である。したがって本発明の無電解Pdめっき液で形成されたPdめっき皮膜を含むPd/Auめっき皮膜とすることも好ましい実施態様である。本発明のPdめっき皮膜は少なくともAuめっき皮膜を積層させたPd/Au積層めっき皮膜において高温熱履歴における固溶抑制効果を確認できる。したがってPdめっき皮膜を形成する下地は限定されず、AlやAl基合金、CuやCu基合金など各種公知の基材や、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ag、Au、Ptなど、及びこれらの合金といったPdめっき皮膜の還元析出に触媒性のある金属で基材を被覆しためっき皮膜を挙げることができる。また触媒性のない金属であっても、種々の方法により被めっき物として用いることができる。
また好ましい他の実施態様として、本発明の無電解Pdめっき液は、ENEPIGプロセスに適用できる。ENEPIGプロセスでは、例えば電極を構成するAlやAl基合金、CuやCu基合金の上に、Niめっき皮膜、次いで、Pdめっき皮膜、次いでその上にAuめっき皮膜を形成することで無電解Ni/Pd/Auめっき皮膜が得られる。なお、各めっき皮膜の形成は、通常行われている方法を採用すればよい。以下、ENEPIGプロセスに基づいて無電解Ni/Pd/Auめっき皮膜の製造方法について説明するが、本発明の無電解Pdめっき液を用いたPdめっき皮膜の形成条件はこれに限定されず、公知技術に基づいて適宜変更可能である。
無電解Niめっき液を用いて無電解Niめっきを行うときのめっき条件及びめっき装置は特に限定されず、各種公知の方法を適宜選択できる。例えば温度50~95℃の無電解Niめっき液に被めっき物を15~60分程度接触させればよい。Niめっき皮膜の膜厚は要求特性に応じて適宜設定すればよく、通常は3~7μm程度である。また無電解Niめっき液にはNi-P合金、Ni-B合金など各種公知の組成を使用できる。
本発明の無電解Pdめっき液を用いて無電解Pdめっきを行うときのめっき条件及びめっき装置は特に限定されず、各種公知の方法を適宜選択できる。例えば温度50~95℃の無電解Pdめっき液にNiめっき皮膜が形成された被めっき物を15~60分程度接触させればよい。Pdめっき皮膜の膜厚は要求特性に応じて適宜設定すればよく、通常は0.001~0.5μm程度である。
無電解金めっき液を用いて無電解金めっきを行うときのめっき条件及びめっき装置は特に限定されず、各種公知の方法を適宜選択できる。例えば温度40~90℃の無電解金めっき液にPdめっき皮膜が形成された被めっき物を3~20分程接触させればよい。金めっき皮膜の膜厚は要求特性に応じて適宜設定すればよく、通常は0.01~2μm程度である。
本発明の無電解Pdめっき液を用いてPdめっき皮膜を形成すれば、リフロー処理などめっき皮膜形成後の実装工程での熱履歴によってPdめっき皮膜からPdがAuめっき皮膜への拡散、固溶が抑制できるため、熱履歴後も優れたワイヤボンディング性を実現できる。熱履歴の温度としては通常の実装工程で想定される温度であり、特に限定されない。本発明のPdめっき皮膜を用いれば、例えば50℃以上、より好ましくは100℃以上の高温の熱履歴後でも優れたワイヤボンディング性を実現できる。
本発明の無電解Pdめっき液を用いたPdめっき皮膜に、Auめっき皮膜を積層させることで高温の熱履歴後も優れたワイヤボンディング性を実現できるため、特に電子機器構成部品用途に有用である。上記電子機器構成部品として、例えばチップ部品、水晶発振子、バンプ、コネクタ、リードフレーム、フープ材、半導体パッケージ、プリント基板等の電子機器を構成する部品が挙げられる。特にウェハー上のAl電極またはCu電極に対して、はんだ接合およびワイヤボンディング(W/B)接合を目的としたUBM(Under Barrier Metal)形成技術に好適に用いられる。
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
BGA基板(Ball Grid Array:上村工業製、5cm×5cm)に表1に示す前処理、めっき処理を順次行って基板側から順にNiめっき皮膜、Pdめっき皮膜、Auめっき皮膜が形成された試験片1~17を製造した。得られた試験片のワイヤボンディング性を調べた。
ワイヤボンディング性
試験装置(TPT社製セミオートマチックワイヤボンダHB16)によりワイヤボンディングを行い、Dage社製ボンドテスターSERIES4000により、以下の測定条件で1条件につき20点評価した。なお、測定は熱処理前、及び熱処理後(175℃で16時間保持)に行った。ワイヤボンディング性評価として熱処理後のワイヤボンディング平均強度が9.0g以上である場合を「優」、8.5g以上9.0g未満である場合を「良」、7.5g以上8.5g未満を「可」、7.5g未満である場合を「不良」とした。
[測定条件]
キャピラリー:B1014-51-18-12(PECO社製)
ワイヤー:1mil-Auワイヤー(SPM社製)
ステージ温度:150℃
超音波(mW):250(1st),250(2nd)
ボンディング時間(ミリ秒):200(1st),50(2nd)
引っ張り力(gf):25(1st),50(2nd)
ステップ(第1から第2への長さ):0.7mm
測定方式:ワイヤープルテスト
テストスピード:170μm/秒
Figure 0007185999000001
Figure 0007185999000002
表2に示す様に、本発明で規定するGe、及び希土類塩よりなる群から選ばれる少なくとも1種を含む無電解Pdめっき液を使用した試験片No.1~10の熱処理後のワイヤボンディング性はいずれも「良」評価以上であった。
一方、本発明の規定を満足しない無電解Pdめっき液を使用した試験片No.11~17の熱処理後のワイヤボンディング性はいずれも「不良」評価であった。

Claims (4)

  1. Ge、La、Ce、Sm、及びYよりなる群から選ばれる少なくとも1種と、Pdとの合金からなる無電解めっき皮膜を形成するための無電解パラジウムめっき液であって、
    パラジウム化合物と、
    還元剤と、
    錯化剤と、
    Ge、La、Ce、Sm、及びYよりなる群から選ばれる少なくとも一種と、
    を含有し、Ag、Pb、Snを含有しないことを特徴とする無電解パラジウムめっき液。
  2. 前記めっき液中のGe、La、Ce、Sm、及びYの含有量は合計で0.1~10g/Lである請求項1に記載の無電解パラジウムめっき液。
  3. 前記錯化剤はアンモニア、及びアミン化合物よりなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項1または2に記載の無電解パラジウムめっき液。
  4. 前記還元剤としてはギ酸、ヒドラジン、次亜リン酸化合物、亜リン酸化合物、アミンボラン化合物、及びヒドロホウ素化合物よりなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項1または2に記載の無電解パラジウムめっき液。
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