JPWO2002005609A1 - 導体間の接続構造及び接続方法 - Google Patents
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Abstract
Au層が表面に形成された第1導体と、少なくとも表面が導電性を有する第2導体との間をZn含有ハンダが介して接続される。上記第1導体は、例えば回路基板(1)上で配線パターンの一部を構成する端子パッド(11a,11b,11c)であり、上記第2導体は、例えば電子部品(20,21)の端子(20a,21a)や端子板(22)である。上記第1導体と上記第2導体とは、Zn含有ハンダからのZnが上記第1導体のAu層に拡散して形成されたAu−Zn合金層を介して接続される。
Description
技術分野
本発明は、Au層が表面に形成された導体と他の導体との間をハンダを介して接続する技術に関する。
背景技術
従来より、例えば回路基板に対して半導体チップなどの電子部品を実装する場合には、回路基板に設けられた端子パッドと、電子部品の端子との間をハンダにより電気的及び機械的に接続する方法が採用されている。回路基板の端子パッドは、例えば回路基板上にCu配線パターンを形成した後に、端子パッドとなる部分にNiメッキ層及びAuメッキ層を積層形成した構成とされている。ここで、最上層としてAuメッキ層を形成するのは、端子パッド表面での酸化を防止して、電子部品の端子との接続信頼性を確保するためである。また、Niメッキを施すのは、Cu配線パターン上に直接的にAuメッキを施すのが困難あるとともに、Ni自体も表面が酸化しやすいからである。
ハンダとしては、従来においては63Sn−37Pbハンダが汎用されていた。ところが、廃棄物処理法などの環境関連法規制により、Pbは特別管理物質に指定されているなど、近年においては環境への影響が懸念されており、Pbを含まないハンダ(Pbフリーハンダ)への移行が進んでいる。
Pbフリーハンダとしては、Sn−AgハンダやこれにCuやBiを含ませたSn−Ag系ハンダが有望視されている。このSn−Ag系ハンダを用いて上記構成の回路基板と電子部品とを接続した場合には、ハンダ層中のSn原子がNiメッキ層内に拡散することによりSn−Ni合金層が形成され、この合金層及びハンダ層を介して回路基板の端子と電子部品の端子との間が接続される。
この場合、Niメッキ層の表面のAuメッキ層は破壊され、Auがハンダ層内に拡散するが、AuとSnとは反応性が高いため、これらの金属が結合して金属間化合物が生成されてしまう。このAu−Sn金属間化合物は、ハンダ層の機械的強度を低下させる原因となるものである。例えば、ハンダ層全体におけるAu−Sn金属間化合物の濃度が5wt%程度となり、あるいはAu−Sn金属間化合物が偏析して局所的に当該金属間化合物の濃度が5wt%程度となった場合には、接続強度が著しく低下するといわれている。このため、金メッキ層上には、ハンダを用いて他の導体を接続することができないとの結論に至った報告さえある。とくに、電解メッキによりAuメッキ層を形成した場合には、一般にAuメッキ層の厚みが大きくなることから、ハンダ層中に拡散するAuの量が相対的に多くなって、ハンダ層中のAu−Sn金属間化合物の濃度が大きくなるため、接続強度の問題がより顕著となる。
このため、回路基板の端子パッドに対して金メッキ層を形成せずに(場合によってはNiメッキ層をも形成せずに)、この端子パッドを電子部品の端子とハンダを介して接続する方法も試みられている。しかしながら、Niメッキ層やCu配線が剥き出しとなった端子では、ハンダ時の加熱により端子パッドの表面が酸化しやすいため、電子部品の接続信頼性の面で問題が生じ得る。このような問題を回避すべく、例えば不活性ガスを供給した不活性雰囲気下でハンダ接合を行う方法もあるが、コスト的な面で不利である。
また、携帯電話などの充電池用の保護回路して使用される回路基板においては、電子部品が実装される端子パッド(実装用端子パッド)の他に、電池の端子や充電器の端子と直接接触させるための追加の端子パッドも形成される。これら追加の端子パッドは長期間大気中に露出させたままであるから、表面での酸化を防止すべく金メッキを施すのが通例である。従って、実装用端子パッドに対して選択的に金メッキを施さないのであれば、当該実装用端子パッドをマスクにより覆い、メッキの終了後にこのマスクを除去する必要が生じるため、作業性が悪くコスト的に不利である。とくに、電解メッキにより金メッキを施す場合には、当該実装用端子パッドに対して選択的にマスクを形成する必要があるため、作業性がさらに悪化する。従って、保護回路などとして使用される回路基板では、コスト的な面を考慮すれば、実装用端子パッドに対しても追加の端子パッドと同時に金メッキを施すのが得策である。
発明の開示
本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、表面にAu層が形成された導体を、コスト的に有利に、かつ高い接続信頼性をもって他の導体とハンダを用いて接続する技術を提供することをその課題とする。
すなわち、本発明の第1の側面によれば、Au層が表面に形成された第1導体と、少なくとも表面が導電性を有する第2導体との間をハンダを介して接続した構造であって、上記第1導体と上記第2導体とが、Au−Zn合金層を介して接続されていることを特徴とする、接続構造が提供される。
好ましくは、上記第1導体は、導体層の表面にAuメッキ層を形成した構成とされているとともに、上記Au−Zn合金層は、上記導体層と上記第2導体に形成されたハンダ層との間を接合している。上記Au−Zn合金層の厚みは、例えば0.1〜10μmである。
好ましくは、上記ハンダ層は、Sn−Zn合金層として構成されている。特に、上記Sn−Zn合金層は、SnとZnとをほぼ共晶組成割合で含有していると融点を低くできるので有利である。
また、上記Sn−Zn合金層は、Biをさらに含有していてもよい。この場合、上記Sn−Zn−Bi合金層は、例えばSn:Zn:Bi=85〜95:8〜12:1〜10の組成を有している。
好適な実施形態においては、上記第1導体は、Cu層、Ni層及びAu層が積層形成された構成を有している。
本発明の第2の側面によれば、Au層が表面に形成された第1導体と、少なくとも表面が導電性を有する第2導体との間をハンダを介して接続するための方法であって、Znを含有するハンダを上記第1導体と上記第2導体との間に介在させた上で当該ハンダを溶融した後に、これを固化させることを特徴とする、接続方法が提供される。
好ましくは、上記ハンダは、Sn−Zn共晶系ハンダである。このSn−Zn共晶系ハンダは、Biをさらに含有していてもよく、その場合の組成は例えばSn:Zn:Bi=85〜95:8〜12:1〜10である。
上記Au層の厚みは、例えば0.1〜10μmとすることができる。このAu層は、例えば電解メッキにより形成される。
好適な実施形態においては、上記第1導体は、Cu層、Ni層及びAu層が積層形成された構成を有している。また、上記第1導体は回路基板の端子パッドであり、上記第2導体は電子部品の端子又は導体板である。
本発明の種々な特徴及び利点は、以下に添付図面に基づいて行う実施形態の説明から明らかとなろう。
発明を実施するための最良の形態
本発明のその他の特徴及び利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
以下、本発明の好ましい実施の形態を図1を参照して具体的に説明する。ここで、図1は本発明の実施形態に係る導体間の接続構造を示す断面図である。
図1において、回路基板1は、例えば充電池の過充電を防止するための保護回路を備えている。この回路基板1は、例えばガラスエポキシ樹脂製の基板10上にCuからなる配線パターン(図示略)を有する。このCu配線パターンは、例えばCVDや蒸着などにより基板10の一面に厚みが15〜25μm程度のCu膜を形成した後に、不要部分をエッチングすることにより形成される。
Cu配線パターンの適所には、複数の端子パッド11a,11b,11cが形成されており、これらに電子部品20,21の端子20a,21aや端子板22が接続される。端子パッド11a,11b,11cは、上記Cu配線パターンにおけるパッド形成部位にNiメッキ層を形成した後にAuメッキ層を形成してなる。Niメッキ層は、例えば電解メッキによりその厚みが10μm程度に形成される。Auメッキ層は、例えば電解メッキあるいは無電解メッキにより厚みが0.1〜10μm、さらに好ましくは0.5〜5μmに形成される。
このような回路基板1に対しては、ハンダHを利用して電子部品20,21及び端子板22が実装される。図示の実施形態では、電子部品20はベアチップであり、電子部品21は樹脂パッケージ型半導体装置21である。端子板22は、例えばニッケルで構成されている。回路基板1に実装される部品の種類は何ら制限されない。例えば、ピン挿入型半導体装置やチップ抵抗器などを回路基板1に実装してもよい。回路基板1への実装は、例えば次のようにして行われる。
まず、回路基板1の端子パッド11a,11b,11c、電子部品20,21の端子20a,21a、及び端子板22の所定部位に対して、予めハンダペーストを印刷する。これに代えて、これらの部位にハンダメッキを施してもよい。
本実施形態で使用されるハンダとしては、Znを含有するものであればとくに限定されない。例えば、ハンダはZnのみを含有していてもよいし、Zn以外にPb、Sn、Cu及びBiなどを単独又は任意の組合せで含有していてもよい。例示したハンダのうち、Pbを用いない点及び融点の低さなどを考慮すれば、Sn−Zn共晶系ハンダが好適に使用される。ここで、Sn−Zn共晶系ハンダとは、SnとZnとがこれらが共晶する比率もしくはこれに近い比率で含有されているものをいい、さらに第3成分としてBiやCuなどを含有するものも含まれる。より具体的には、Sn−Zn共晶系ハンダとしては、その重量比がSn:Zn:Bi=85〜95:8〜12:1〜10であるものが好ましく使用される。なお、SnとZnとの共晶温度は、約199℃であるため、Sn−Zn共晶系ハンダが第3成分を含む場合であっても、その融点は200℃前後となる。
次に、回路基板1に対して各種電子部品20,21及び端子板22を電気的かつ機械的に接続する。より具体的には、まず、回路基板1に対して各種電子部品20などを位置決め載置した状態でハンダの融点以上に加熱されたリフロー炉内に搬入し、ハンダHを再溶融させる。続いて、リフロー炉から回路基板1を搬出し、ハンダHを冷却固化させることにより、各種電子部品20,21及び端子板22が回路基板1に対して実装される。
上記した通り、Sn−Zn共晶系ハンダの融点は、199℃前後であるため、Sn−Zn共晶系ハンダを使用する際のリフロー炉内の温度は、例えば240℃程度に設定すれば十分である。この温度は、ハンダリフローの手法により従来のSn−Pb系ハンダを用いて電気的な接続を行う場合のリフロー炉内の温度と同程度であり、また電子部品が熱によるダメージを受けるのを回避するのに十分に低い温度である。従って、Sn−Zn共晶系ハンダを用いた場合には、既存の設備を援用して(すなわち、新たな設備を用いることなく)、電子部品に対して熱によるダメージをさほど与えることなく、ハンダリフローの手法により回路基板1に対して、電子部品20,21及び端子板22などを実装・接続することができる。
本実施形態において、Sn−Zn共晶系ハンダを用いる場合、Auメッキ層を有する端子パッド11a,11b,11cに対して、Snを含有するハンダHを用いて電子部品20,21及び端子板22を接続することになるのである。従って、従来の技術常識からすれば、Sn−Ag系ハンダを用いた場合と同様に、ハンダH内にAu原子が拡散してAu−Sn金属間化合物が形成されてしまい、接続強度が低下してしまうことが懸念される。しかしながら、本発明者は、次に説明するように、Sn−Zn共晶系ハンダによる接続構造は十分な機械的な安定性を有していることを確認した。
Sn−Zn共晶系ハンダによる接続構造の機械的な安定性を確認するために、次の2種類のサンプルを作製した。サンプルIは、ガラスエポキシ樹脂製の基板上に形成されたCu配線パターン(厚みが約20μm)の適所にNiメッキ層(厚みが約10μm)及びAuメッキ層(厚みが約0.8μm)を形成した端子パッドとNi製の端子板との間を、Sn−Zn共晶系ハンダであるSn−8Zn−3Biハンダ(Sn:Zn:Bi=89:8:3(重量比))を用いてハンダリフローの手法により接続したものである。サンプルIIは、Cu配線パターン上に対して直接的に、Sn−Pb共晶ハンダである63Sn−37Pbハンダ(Sn:Pb=63:37(重量比))を用いてハンダリフローの手法によりNi製の端子板を接続したものとした。なお、使用するハンダの種類、ハンダの塗布条件、回路基板の端子パッドの構成以外の条件(例えば、リフロー温度、端子板の形態)は、各サンプルで同一とした。
そして、サンプルI及びサンプルIIはそれぞれ複数ずつ作製し、これらのサンプルのそれぞれについて、端子板と回路基板との間の接続強度を、端子板の垂直方向へ負荷を作用させ、端子板が引き剥がされるときの負荷として測定した。その結果、各サンプルIにおける接続強度は、各サンプルIIにおける接続強度と同等もしくはそれ以上となった。この結果から、本発明者は、Sn−Zn共晶系ハンダに含まれるZn成分が、Auメッキ層中のAu原子がハンダ層側に拡散することを抑制しているのではないかと推測した。つまり、Au−Sn金属間化合物の生成が抑制された結果、十分な接続強度が維持されているものと推測した。このことを確認すべく、本発明者は、Znを含有するハンダ及びZnを含有しないハンダのそれぞれにより回路基板に対して端子板を接続した場合の、回路基板の端子パッドと端子板との間の断面組織及びその組成を分析した。
本発明者は、まず先に説明した実施形態と同様な回路基板(Cu配線パターンの厚みが約20μm、Niメッキ層の厚みが約10μm、Auメッキ層の厚みが約0.8μm)に対して、ハンダを用いてNi製の端子板を接続した後にこの端子板を剥離して、端子パッド上にハンダが固着された回路基板を得た。この回路基板に対して、端子パッドにおける断面(以下「接続断面」という)を研磨した後に、その接続断面を光学顕微鏡(商品名「SZ−60」;オリンパス製)を用いて観察した。倍率を50倍としたときの接続断面の状態を図2a,2b(顕微鏡カラー写真)で示した。なお、図2aはハンダとしてSn−8Zn−3Biを用いた場合の接続断面の状態を、図2bはハンダとしてSn−3.0Ag−0.5Cu(Sn:Ag:Cu=96.5:3.0:0.5(重量比))を用いた場合の接続断面の状態をそれぞれ示している。これらの図面では、基板上にCu配線パターン及びハンダ層らしきしものが確認できるが、Znを含むハンダを用いた場合(図2a)とZnを含まないハンダを用いた場合(図2b)とにおける接続断面の形態の差異は明確に確認できなかった。
次いで、本発明者は、接続断面における成分分析をEPMA(electron probemicroanalyBis:電子線マイクロアナリシス)により二次元的に行った。図3a〜3fにはSn−3.0Ag−0.5Cuを用いた場合の接続断面における濃度分布を示すマッピング図を、図4a〜4gにはSn−8Zn−3Biを用いた場合の接続断面における濃度分布を示すマッピング図を、それぞれ示した。なお、EPMAは、島津製作所製の「EPMA8705」を用いて行った。
図3aは、Sn−3.0Ag−0.5Cuハンダを用いて接続した場合の全成分の濃度分布をモノクロマッピングした写真である。この写真は、各成分の分布領域を示している。
図3b〜3dは、それぞれSn−3.0Ag−0.5Cuハンダを構成するSn元素、Ag元素及びCu元素の濃度分布をカラーマッピングした写真である。これらの図と図3aとの比較からは、Sn元素、Ag元素及びCu元素によりハンダ層が形成されているものと認められる。また、Cu元素はCu配線パターンを構成しているものでもあるため、基板上にCu濃度の高い部分が確認できる。また、Snの一部がハンダ層からはみ出して、Cu配線パターンに拡散していることが確認できる。
図3eは、Ni元素の濃度分布を示すものである。この図と図3aとの比較からは、ハンダ層へNiが多少は拡散しているが、その大部分はCu配線パターンに止まっていることが確認できる。Ni濃度の高い領域は、ハンダ層からはみ出したSn元素の分布領域と略一致していることから、Niメッキ層中にSnが拡散し、Cu配線パターン上にSn−Ni合金層が形成されているものと推測される。
図3fは、Au元素の濃度分布を示している。この図と図3aとの比較から、ハンダ層へAuが拡散していることが確認できる。また、Au元素の濃度が高い帯状の領域が確認できないことから、Auメッキ層は破壊されたものと思われる。
図4aは、Sn−8Zn−3Biハンダを用いて接続した場合の全成分の濃度分布をモノクロマッピングした写真である。この写真は、各成分の分布領域を示す。
図4b〜4dは、それぞれSn−8Zn−3Biハンダを構成するSn元素、Zn元素及びBi元素の濃度分布をカラーマッピングした写真である。これらの図と図4aとの比較から、Sn元素、Zn元素及びBi元素によりハンダ層が形成されているとともに、ハンダ層の下層領域あるいはハンダ層とは別にZn元素の濃度が高い領域が形成されていることが確認できる。
図4eは、Cu元素の濃度分布を示している。この図と図4aとの比較から、ハンダ層へCuが多少は拡散しているが、その大部分は基板上に止まってCu配線パターンを構成しているものと推測される。
図4fは、Ni元素の濃度分布を示している。この図と図4a及び4eとの比較からは、ハンダ層へNiが多少は拡散しているが、その大部分はCu配線パターン上に止まってNiメッキ層を構成しているものと推測される。
図4gは、Au元素の濃度分布を示している。この図と図4a及び4fとの比較からは、ハンダ層へはAuがほとんど拡散しておらず、Au元素はNiメッキ層上に止まっているものと推測される。
以上のように、Auメッキ層が形成された端子パッドをハンダを用いて接続する場合には、ハンダとしてZnを含まないSn−3.0Ag−0.5Cuを用いれば、Auメッキ層が破壊されてAuがハンダ層に拡散することが確認された。これに対して、ハンダとしてZnを含むSn−8Zn−3Biを用いれば、ハンダ層にAuがほとんど拡散していないことが確認された。さらに特筆すべきことは、Sn−8Zn−3Biを用いた場合には、図4c及び4gから確認されるようにZn濃度が高い領域と、Au濃度が高い領域とが略一致していることである。このことは、ZnがAuメッキ層に拡散してAu−Zn層を形成しているか、あるいはAuメッキ層上にZn層が形成されて、Au原子のハンダ層側への拡散が抑制されていることを示唆している。いずれにしても、ハンダ中のZnにより、Auメッキ層中のAuの拡散が抑制されていることには疑う余地はない。
そこで、本発明者はさらに、ハンダとしてSn−8Zn−3Biを用いた場合における接続断面の形態及び組成をさらに別の方法で分析した。
本発明者は、まず日立製作所製の「S−4000」を用いて3500倍に拡大して接続断面の形態を確認した。その写真を図5に示した。この写真から明らかなように、接続断面はa層〜d層の4層からなっている。これら層のうちの3層は、EPMAによる各成分の濃度分析の結果(図4a〜4g)を踏まえれば、それぞれCu配線パターン、Niメッキ層及びハンダ層であると予測される。このため、残りは1層となるため、Znは独自にZn層を形成しているのではなく、Auとともに1つの層を形成しているものと思われる。
この点を明らかにすべく、a層〜d層における組成分析を電子回折分析(ED:electron diffraction)により行った。この電子回折分析は、堀場製作所製の「EMAX2770」を用いて行った。各層における組成分析の結果は、図6a〜6dにカラーチャート写真として示した。なお、各カラーチャート写真においては、分析の際に接続断面の表面をコーティングしたタングステンがWで示すピークとして現れているが、これは各層を構成する元素ではない。
図6aは、a層の組成を分析した結果を示すチャートである。a層の構成元素として検出されたのは、ほとんどがCuであるため、a層はやはりCu配線パターンであるといえる。
図6bは、b層の組成を分析した結果を示すチャートである。b層の構成元素としては、Cも検出されたもののNiが多く検出されていることから、b層はやはりNiメッキ層であるといえる。
図6(c)は、c層の組成を分析した結果を示すチャートである。c層の構成元素としては、主としてAu及びZnが検出された。このため、c層においては、Znが単独でZn層を構成しているのではなく、Niメッキ層の表面にAu−Zn合金層を形成しているものと思われる。c層におけるZn元素は、ハンダ材料に由来するものと思われ、従ってハンダのリフロー時にZnがAuメッキ層に拡散することによりハンダ層側へのAu元素の拡散を抑制しつつ、Auメッキ層を基にして、Au−Zn合金層が形成されるものと思われる。
図6dは、d層の組成を分析した結果を示すチャートである。d層の構成元素としては、Sn及びZnが検出されている。この結果と、図4dに示したEMPAによるBi元素の濃度分布の測定結果とを総合的に勘案すれば、d層はSn、Zn及びBiで構成されたハンダ層である。また、d層ではAuが検出されおらず、従ってAuメッキ層を構成していたAuは、ハンダ層にほとんど拡散していない。なお、図6dにおいてBiであると特定できるほど十分な高さのピークが検出できなかったのは、ハンダ材料におけるBiの含有量がたかだか3wt%(Snの20分の1程度)であるばかりか、測定レンジがSn基準として定められたためである。
以上のように、電子回折分析の結果からは、a層〜d層の組成が略特定でき、とくにc層がAu−Zn合金層であることが略確定した点、及びd層(ハンダ層)においてAuが検出されなかった点には意義がある。
本発明者は、電子回折分析により得られた結果から推測される事項をさらに確実ならしめるべく、接続断面における各成分の濃度分布をさらに精度高い分析方法であるオージェ電子分光分析(AES:Auger electron spectroscopy)により評価した。
まず、オージェ電子分光分析を行うべき接続断面の形態をSEM(走査型電子顕微鏡:scanning electron microscope)により確認した。SEM写真を図7に示したが、接続断面は、Cu配線パターン、Niメッキ層、Au−Zn合金層、及びSn−Zn−Biハンダ層と推測される4層(a層〜d層)が確認できる。
次いで、図7のSEM写真に表されている領域における濃度分布を、アルバックファ製の「オージェPHI680」を用いてオージェ電子分光分析により測定した。その結果を図8a〜8eにモノクロのマッピング写真として示した。なお、Biは成分濃度が小さいために測定困難であるため、オージェ電子分光分析の結果を掲載していない。
図8aはSnの濃度分布の測定結果を示すマッピング写真である。この写真からは、Snがd層に対応する領域に分布していることが確認できる。この結果は、EPMAや電子回折分析の結果と一致している。
図8bはZnの濃度分布の測定結果を示すマッピング写真である。この写真からは、Znがd層に対応する領域に分布しているとともにc層にZn濃度の高い領域が確認できる。この結果も、EPMAや電子回折分析の結果と一致している。この結果と図8aとを総合すれば、d層はSn−Zn合金層であるといえ、この合金層には、EPMAの結果を勘案すればd層にはBiが拡散されているといえるから、d層はSn−Zn−Biハンダ層であることには疑う余地はない。
図8cはCuの濃度分布の測定結果を示すマッピング写真である。この写真からは、Cuがa層に対応する領域に分布していることが確認できる。この結果は、EPMAや電子回折分析の結果と一致しており、従ってa層はCu配線パターンであることには疑う余地はない。
図8dはNiの濃度分布の測定結果を示すマッピング写真である。この写真からは、Niがb層に対応する領域に分布していることが確認される。この結果は、EPMAや電子回折分析の結果と一致しており、従ってb層はNiメッキ層であることには疑う余地がない。
図8eはAuの濃度分布の測定結果を示すマッピング写真である。この写真からは、Auがc層に対応する領域に分布していることが確認できる。なお、Auは測定が困難な元素であるため、感度を高めて測定していることから、写真の全体が白っぽくなって全体にAuが拡散しているようにもみえるが、事実上はc層にのみAuが分布している。この結果と図8bと総合すれば、c層はAu−Zn合金層であることには疑う余地がない。また、Niメッキ層上には、元々はAuメッキ層が形成されていたことから、Au−Zn合金層は、Auメッキ層にハンダ成分のZnが拡散して形成されたものであるといえる。なお、図7に示したSEM写真からは、c層、すなわちAu−Zn合金層の厚みは約2〜3μmであることが確認できるが、Auメッキ層は約0.8μmに形成されていたことから、Au−Zn合金層におけるAuとZnとの比率は、1:1〜3程度であると推測される。
以上に説明した種々の分析結果から、次のことがいえる。基板と端子板の間の接続構造は、Cu配線パターン、Niメッキ層、Au−Zn合金層、Sn−Zn−Biハンダ層となっている。Niメッキ層とハンダ層との間にはAu−Zn合金層が介在しており、このAu−Zn合金層が端子パッドとハンダとの間を接合している。NiとAuとは相性が良いため、Au−Zn合金層とNiメッキ層との間の接合性が良い。一方、AuとSnとも相性が良く、またAu−Zn合金層及びハンダ層の双方ともにZnが含まれているから、Au−Zn合金層とハンダ層との間の接合性も良い。従って、Niメッキ層とSn−Znハンダ層との間にAu−Zn合金層が介在した接続構造では、高い機械的強度が得られる。このことは、上述した通り、端子板と回路基板との間の接続強度を、引き剥がし試験により測定した結果からも確認されている。
また、ハンダ層中にはほとんどAuが拡散されていない。これは、Auメッキ層中にZnが拡散してAu−Zn合金層を形成することにより、Auの拡散が抑制されているからである。つまり、Znには、Auメッキ層を構成するAuがハンダ層に拡散することを抑制する働きがあるといえる。Auの拡散が抑制されれば、ハンダ層内でAu−Sn金属間化合物が生成されることも抑制される。従来は、Auメッキが施された導体(例えば端子パッド)と他の金属との間を、Snを含むハンダを用いて強固に接続するのが困難であるといわれていた。これは、AuとSnとがハンダ層内で金属間化合物を生成してハンダ層を脆弱化させるからである。しかしながら、本発明では、例えばSn−Zn共晶系ハンダのようにZnを含むハンダを用いることにより、Au−Sn金属間化合物の生成を抑制し、Auメッキが施された導体と他の金属との間を強固に接続することができるのである。
【図面の簡単な説明】
図1は、本発明に係る導体間の接続構造を回路基板に対する電子部品の実装に採用した実施形態を示す断面図である。
図2aは、Sn−8Zn−3Biハンダを用いた場合における接続断面の形態を示す顕微鏡写真である。
図2bは、Sn−3.0Ag−0.5Cuハンダを用いた場合における接続断面の形態を示す顕微鏡写真である。
図3a〜3fは、Sn−3.0Ag−0.5Cuハンダを用いた場合における接続断面のEPMAの結果を示すマッピング図であり、図3aは、全成分の濃度分布を同時に示すモノクロマッピング写真であり、図3bは、Snの濃度分布を示すカラーマッピング写真であり、図3cはAgの濃度分布を示すカラーマッピング写真であり、図3dは、Cuの濃度分布を示すカラーマッピング写真であり、図3eは、Niの濃度分布を示すカラーマッピング写真であり、図3fは、Auの濃度分布を示すカラーマッピング写真である。
図4は、Sn−8Zn−3Biハンダを用いた場合における接続断面のEPMAの結果を示すマッピング図であり、図4aは、全成分の濃度分布を同時に示すモノクロマッピング写真であり、図4bは、Snの濃度分布をカラーマッピング写真であり、図4cは、Znの濃度分布をカラーマッピング写真であり、図4dは、Biの濃度分布をカラーマッピング写真であり、図4eは、Cuの濃度分布をカラーマッピング写真であり、図4fは、Niの濃度分布をカラーマッピング写真であり、図4gは、Auの濃度分布を示すカラーマッピング写真である。
図5は、Sn−8Zn−3Biハンダを用いた場合における接続断面を拡大した顕微鏡写真である。
図6a〜6dは、図5におけるa層、b層、c層及びd層の組成分析の結果をそれぞれ示すカラーチャート写真である。
図7は、Sn−8Zn−3Biハンダを用いた場合における接続断面を拡大したSEM写真である。
図8は、図7のSEM写真に対応する領域における各成分の濃度分布をオージェ分析した結果を示すモノクロマッピング写真である。
本発明は、Au層が表面に形成された導体と他の導体との間をハンダを介して接続する技術に関する。
背景技術
従来より、例えば回路基板に対して半導体チップなどの電子部品を実装する場合には、回路基板に設けられた端子パッドと、電子部品の端子との間をハンダにより電気的及び機械的に接続する方法が採用されている。回路基板の端子パッドは、例えば回路基板上にCu配線パターンを形成した後に、端子パッドとなる部分にNiメッキ層及びAuメッキ層を積層形成した構成とされている。ここで、最上層としてAuメッキ層を形成するのは、端子パッド表面での酸化を防止して、電子部品の端子との接続信頼性を確保するためである。また、Niメッキを施すのは、Cu配線パターン上に直接的にAuメッキを施すのが困難あるとともに、Ni自体も表面が酸化しやすいからである。
ハンダとしては、従来においては63Sn−37Pbハンダが汎用されていた。ところが、廃棄物処理法などの環境関連法規制により、Pbは特別管理物質に指定されているなど、近年においては環境への影響が懸念されており、Pbを含まないハンダ(Pbフリーハンダ)への移行が進んでいる。
Pbフリーハンダとしては、Sn−AgハンダやこれにCuやBiを含ませたSn−Ag系ハンダが有望視されている。このSn−Ag系ハンダを用いて上記構成の回路基板と電子部品とを接続した場合には、ハンダ層中のSn原子がNiメッキ層内に拡散することによりSn−Ni合金層が形成され、この合金層及びハンダ層を介して回路基板の端子と電子部品の端子との間が接続される。
この場合、Niメッキ層の表面のAuメッキ層は破壊され、Auがハンダ層内に拡散するが、AuとSnとは反応性が高いため、これらの金属が結合して金属間化合物が生成されてしまう。このAu−Sn金属間化合物は、ハンダ層の機械的強度を低下させる原因となるものである。例えば、ハンダ層全体におけるAu−Sn金属間化合物の濃度が5wt%程度となり、あるいはAu−Sn金属間化合物が偏析して局所的に当該金属間化合物の濃度が5wt%程度となった場合には、接続強度が著しく低下するといわれている。このため、金メッキ層上には、ハンダを用いて他の導体を接続することができないとの結論に至った報告さえある。とくに、電解メッキによりAuメッキ層を形成した場合には、一般にAuメッキ層の厚みが大きくなることから、ハンダ層中に拡散するAuの量が相対的に多くなって、ハンダ層中のAu−Sn金属間化合物の濃度が大きくなるため、接続強度の問題がより顕著となる。
このため、回路基板の端子パッドに対して金メッキ層を形成せずに(場合によってはNiメッキ層をも形成せずに)、この端子パッドを電子部品の端子とハンダを介して接続する方法も試みられている。しかしながら、Niメッキ層やCu配線が剥き出しとなった端子では、ハンダ時の加熱により端子パッドの表面が酸化しやすいため、電子部品の接続信頼性の面で問題が生じ得る。このような問題を回避すべく、例えば不活性ガスを供給した不活性雰囲気下でハンダ接合を行う方法もあるが、コスト的な面で不利である。
また、携帯電話などの充電池用の保護回路して使用される回路基板においては、電子部品が実装される端子パッド(実装用端子パッド)の他に、電池の端子や充電器の端子と直接接触させるための追加の端子パッドも形成される。これら追加の端子パッドは長期間大気中に露出させたままであるから、表面での酸化を防止すべく金メッキを施すのが通例である。従って、実装用端子パッドに対して選択的に金メッキを施さないのであれば、当該実装用端子パッドをマスクにより覆い、メッキの終了後にこのマスクを除去する必要が生じるため、作業性が悪くコスト的に不利である。とくに、電解メッキにより金メッキを施す場合には、当該実装用端子パッドに対して選択的にマスクを形成する必要があるため、作業性がさらに悪化する。従って、保護回路などとして使用される回路基板では、コスト的な面を考慮すれば、実装用端子パッドに対しても追加の端子パッドと同時に金メッキを施すのが得策である。
発明の開示
本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、表面にAu層が形成された導体を、コスト的に有利に、かつ高い接続信頼性をもって他の導体とハンダを用いて接続する技術を提供することをその課題とする。
すなわち、本発明の第1の側面によれば、Au層が表面に形成された第1導体と、少なくとも表面が導電性を有する第2導体との間をハンダを介して接続した構造であって、上記第1導体と上記第2導体とが、Au−Zn合金層を介して接続されていることを特徴とする、接続構造が提供される。
好ましくは、上記第1導体は、導体層の表面にAuメッキ層を形成した構成とされているとともに、上記Au−Zn合金層は、上記導体層と上記第2導体に形成されたハンダ層との間を接合している。上記Au−Zn合金層の厚みは、例えば0.1〜10μmである。
好ましくは、上記ハンダ層は、Sn−Zn合金層として構成されている。特に、上記Sn−Zn合金層は、SnとZnとをほぼ共晶組成割合で含有していると融点を低くできるので有利である。
また、上記Sn−Zn合金層は、Biをさらに含有していてもよい。この場合、上記Sn−Zn−Bi合金層は、例えばSn:Zn:Bi=85〜95:8〜12:1〜10の組成を有している。
好適な実施形態においては、上記第1導体は、Cu層、Ni層及びAu層が積層形成された構成を有している。
本発明の第2の側面によれば、Au層が表面に形成された第1導体と、少なくとも表面が導電性を有する第2導体との間をハンダを介して接続するための方法であって、Znを含有するハンダを上記第1導体と上記第2導体との間に介在させた上で当該ハンダを溶融した後に、これを固化させることを特徴とする、接続方法が提供される。
好ましくは、上記ハンダは、Sn−Zn共晶系ハンダである。このSn−Zn共晶系ハンダは、Biをさらに含有していてもよく、その場合の組成は例えばSn:Zn:Bi=85〜95:8〜12:1〜10である。
上記Au層の厚みは、例えば0.1〜10μmとすることができる。このAu層は、例えば電解メッキにより形成される。
好適な実施形態においては、上記第1導体は、Cu層、Ni層及びAu層が積層形成された構成を有している。また、上記第1導体は回路基板の端子パッドであり、上記第2導体は電子部品の端子又は導体板である。
本発明の種々な特徴及び利点は、以下に添付図面に基づいて行う実施形態の説明から明らかとなろう。
発明を実施するための最良の形態
本発明のその他の特徴及び利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
以下、本発明の好ましい実施の形態を図1を参照して具体的に説明する。ここで、図1は本発明の実施形態に係る導体間の接続構造を示す断面図である。
図1において、回路基板1は、例えば充電池の過充電を防止するための保護回路を備えている。この回路基板1は、例えばガラスエポキシ樹脂製の基板10上にCuからなる配線パターン(図示略)を有する。このCu配線パターンは、例えばCVDや蒸着などにより基板10の一面に厚みが15〜25μm程度のCu膜を形成した後に、不要部分をエッチングすることにより形成される。
Cu配線パターンの適所には、複数の端子パッド11a,11b,11cが形成されており、これらに電子部品20,21の端子20a,21aや端子板22が接続される。端子パッド11a,11b,11cは、上記Cu配線パターンにおけるパッド形成部位にNiメッキ層を形成した後にAuメッキ層を形成してなる。Niメッキ層は、例えば電解メッキによりその厚みが10μm程度に形成される。Auメッキ層は、例えば電解メッキあるいは無電解メッキにより厚みが0.1〜10μm、さらに好ましくは0.5〜5μmに形成される。
このような回路基板1に対しては、ハンダHを利用して電子部品20,21及び端子板22が実装される。図示の実施形態では、電子部品20はベアチップであり、電子部品21は樹脂パッケージ型半導体装置21である。端子板22は、例えばニッケルで構成されている。回路基板1に実装される部品の種類は何ら制限されない。例えば、ピン挿入型半導体装置やチップ抵抗器などを回路基板1に実装してもよい。回路基板1への実装は、例えば次のようにして行われる。
まず、回路基板1の端子パッド11a,11b,11c、電子部品20,21の端子20a,21a、及び端子板22の所定部位に対して、予めハンダペーストを印刷する。これに代えて、これらの部位にハンダメッキを施してもよい。
本実施形態で使用されるハンダとしては、Znを含有するものであればとくに限定されない。例えば、ハンダはZnのみを含有していてもよいし、Zn以外にPb、Sn、Cu及びBiなどを単独又は任意の組合せで含有していてもよい。例示したハンダのうち、Pbを用いない点及び融点の低さなどを考慮すれば、Sn−Zn共晶系ハンダが好適に使用される。ここで、Sn−Zn共晶系ハンダとは、SnとZnとがこれらが共晶する比率もしくはこれに近い比率で含有されているものをいい、さらに第3成分としてBiやCuなどを含有するものも含まれる。より具体的には、Sn−Zn共晶系ハンダとしては、その重量比がSn:Zn:Bi=85〜95:8〜12:1〜10であるものが好ましく使用される。なお、SnとZnとの共晶温度は、約199℃であるため、Sn−Zn共晶系ハンダが第3成分を含む場合であっても、その融点は200℃前後となる。
次に、回路基板1に対して各種電子部品20,21及び端子板22を電気的かつ機械的に接続する。より具体的には、まず、回路基板1に対して各種電子部品20などを位置決め載置した状態でハンダの融点以上に加熱されたリフロー炉内に搬入し、ハンダHを再溶融させる。続いて、リフロー炉から回路基板1を搬出し、ハンダHを冷却固化させることにより、各種電子部品20,21及び端子板22が回路基板1に対して実装される。
上記した通り、Sn−Zn共晶系ハンダの融点は、199℃前後であるため、Sn−Zn共晶系ハンダを使用する際のリフロー炉内の温度は、例えば240℃程度に設定すれば十分である。この温度は、ハンダリフローの手法により従来のSn−Pb系ハンダを用いて電気的な接続を行う場合のリフロー炉内の温度と同程度であり、また電子部品が熱によるダメージを受けるのを回避するのに十分に低い温度である。従って、Sn−Zn共晶系ハンダを用いた場合には、既存の設備を援用して(すなわち、新たな設備を用いることなく)、電子部品に対して熱によるダメージをさほど与えることなく、ハンダリフローの手法により回路基板1に対して、電子部品20,21及び端子板22などを実装・接続することができる。
本実施形態において、Sn−Zn共晶系ハンダを用いる場合、Auメッキ層を有する端子パッド11a,11b,11cに対して、Snを含有するハンダHを用いて電子部品20,21及び端子板22を接続することになるのである。従って、従来の技術常識からすれば、Sn−Ag系ハンダを用いた場合と同様に、ハンダH内にAu原子が拡散してAu−Sn金属間化合物が形成されてしまい、接続強度が低下してしまうことが懸念される。しかしながら、本発明者は、次に説明するように、Sn−Zn共晶系ハンダによる接続構造は十分な機械的な安定性を有していることを確認した。
Sn−Zn共晶系ハンダによる接続構造の機械的な安定性を確認するために、次の2種類のサンプルを作製した。サンプルIは、ガラスエポキシ樹脂製の基板上に形成されたCu配線パターン(厚みが約20μm)の適所にNiメッキ層(厚みが約10μm)及びAuメッキ層(厚みが約0.8μm)を形成した端子パッドとNi製の端子板との間を、Sn−Zn共晶系ハンダであるSn−8Zn−3Biハンダ(Sn:Zn:Bi=89:8:3(重量比))を用いてハンダリフローの手法により接続したものである。サンプルIIは、Cu配線パターン上に対して直接的に、Sn−Pb共晶ハンダである63Sn−37Pbハンダ(Sn:Pb=63:37(重量比))を用いてハンダリフローの手法によりNi製の端子板を接続したものとした。なお、使用するハンダの種類、ハンダの塗布条件、回路基板の端子パッドの構成以外の条件(例えば、リフロー温度、端子板の形態)は、各サンプルで同一とした。
そして、サンプルI及びサンプルIIはそれぞれ複数ずつ作製し、これらのサンプルのそれぞれについて、端子板と回路基板との間の接続強度を、端子板の垂直方向へ負荷を作用させ、端子板が引き剥がされるときの負荷として測定した。その結果、各サンプルIにおける接続強度は、各サンプルIIにおける接続強度と同等もしくはそれ以上となった。この結果から、本発明者は、Sn−Zn共晶系ハンダに含まれるZn成分が、Auメッキ層中のAu原子がハンダ層側に拡散することを抑制しているのではないかと推測した。つまり、Au−Sn金属間化合物の生成が抑制された結果、十分な接続強度が維持されているものと推測した。このことを確認すべく、本発明者は、Znを含有するハンダ及びZnを含有しないハンダのそれぞれにより回路基板に対して端子板を接続した場合の、回路基板の端子パッドと端子板との間の断面組織及びその組成を分析した。
本発明者は、まず先に説明した実施形態と同様な回路基板(Cu配線パターンの厚みが約20μm、Niメッキ層の厚みが約10μm、Auメッキ層の厚みが約0.8μm)に対して、ハンダを用いてNi製の端子板を接続した後にこの端子板を剥離して、端子パッド上にハンダが固着された回路基板を得た。この回路基板に対して、端子パッドにおける断面(以下「接続断面」という)を研磨した後に、その接続断面を光学顕微鏡(商品名「SZ−60」;オリンパス製)を用いて観察した。倍率を50倍としたときの接続断面の状態を図2a,2b(顕微鏡カラー写真)で示した。なお、図2aはハンダとしてSn−8Zn−3Biを用いた場合の接続断面の状態を、図2bはハンダとしてSn−3.0Ag−0.5Cu(Sn:Ag:Cu=96.5:3.0:0.5(重量比))を用いた場合の接続断面の状態をそれぞれ示している。これらの図面では、基板上にCu配線パターン及びハンダ層らしきしものが確認できるが、Znを含むハンダを用いた場合(図2a)とZnを含まないハンダを用いた場合(図2b)とにおける接続断面の形態の差異は明確に確認できなかった。
次いで、本発明者は、接続断面における成分分析をEPMA(electron probemicroanalyBis:電子線マイクロアナリシス)により二次元的に行った。図3a〜3fにはSn−3.0Ag−0.5Cuを用いた場合の接続断面における濃度分布を示すマッピング図を、図4a〜4gにはSn−8Zn−3Biを用いた場合の接続断面における濃度分布を示すマッピング図を、それぞれ示した。なお、EPMAは、島津製作所製の「EPMA8705」を用いて行った。
図3aは、Sn−3.0Ag−0.5Cuハンダを用いて接続した場合の全成分の濃度分布をモノクロマッピングした写真である。この写真は、各成分の分布領域を示している。
図3b〜3dは、それぞれSn−3.0Ag−0.5Cuハンダを構成するSn元素、Ag元素及びCu元素の濃度分布をカラーマッピングした写真である。これらの図と図3aとの比較からは、Sn元素、Ag元素及びCu元素によりハンダ層が形成されているものと認められる。また、Cu元素はCu配線パターンを構成しているものでもあるため、基板上にCu濃度の高い部分が確認できる。また、Snの一部がハンダ層からはみ出して、Cu配線パターンに拡散していることが確認できる。
図3eは、Ni元素の濃度分布を示すものである。この図と図3aとの比較からは、ハンダ層へNiが多少は拡散しているが、その大部分はCu配線パターンに止まっていることが確認できる。Ni濃度の高い領域は、ハンダ層からはみ出したSn元素の分布領域と略一致していることから、Niメッキ層中にSnが拡散し、Cu配線パターン上にSn−Ni合金層が形成されているものと推測される。
図3fは、Au元素の濃度分布を示している。この図と図3aとの比較から、ハンダ層へAuが拡散していることが確認できる。また、Au元素の濃度が高い帯状の領域が確認できないことから、Auメッキ層は破壊されたものと思われる。
図4aは、Sn−8Zn−3Biハンダを用いて接続した場合の全成分の濃度分布をモノクロマッピングした写真である。この写真は、各成分の分布領域を示す。
図4b〜4dは、それぞれSn−8Zn−3Biハンダを構成するSn元素、Zn元素及びBi元素の濃度分布をカラーマッピングした写真である。これらの図と図4aとの比較から、Sn元素、Zn元素及びBi元素によりハンダ層が形成されているとともに、ハンダ層の下層領域あるいはハンダ層とは別にZn元素の濃度が高い領域が形成されていることが確認できる。
図4eは、Cu元素の濃度分布を示している。この図と図4aとの比較から、ハンダ層へCuが多少は拡散しているが、その大部分は基板上に止まってCu配線パターンを構成しているものと推測される。
図4fは、Ni元素の濃度分布を示している。この図と図4a及び4eとの比較からは、ハンダ層へNiが多少は拡散しているが、その大部分はCu配線パターン上に止まってNiメッキ層を構成しているものと推測される。
図4gは、Au元素の濃度分布を示している。この図と図4a及び4fとの比較からは、ハンダ層へはAuがほとんど拡散しておらず、Au元素はNiメッキ層上に止まっているものと推測される。
以上のように、Auメッキ層が形成された端子パッドをハンダを用いて接続する場合には、ハンダとしてZnを含まないSn−3.0Ag−0.5Cuを用いれば、Auメッキ層が破壊されてAuがハンダ層に拡散することが確認された。これに対して、ハンダとしてZnを含むSn−8Zn−3Biを用いれば、ハンダ層にAuがほとんど拡散していないことが確認された。さらに特筆すべきことは、Sn−8Zn−3Biを用いた場合には、図4c及び4gから確認されるようにZn濃度が高い領域と、Au濃度が高い領域とが略一致していることである。このことは、ZnがAuメッキ層に拡散してAu−Zn層を形成しているか、あるいはAuメッキ層上にZn層が形成されて、Au原子のハンダ層側への拡散が抑制されていることを示唆している。いずれにしても、ハンダ中のZnにより、Auメッキ層中のAuの拡散が抑制されていることには疑う余地はない。
そこで、本発明者はさらに、ハンダとしてSn−8Zn−3Biを用いた場合における接続断面の形態及び組成をさらに別の方法で分析した。
本発明者は、まず日立製作所製の「S−4000」を用いて3500倍に拡大して接続断面の形態を確認した。その写真を図5に示した。この写真から明らかなように、接続断面はa層〜d層の4層からなっている。これら層のうちの3層は、EPMAによる各成分の濃度分析の結果(図4a〜4g)を踏まえれば、それぞれCu配線パターン、Niメッキ層及びハンダ層であると予測される。このため、残りは1層となるため、Znは独自にZn層を形成しているのではなく、Auとともに1つの層を形成しているものと思われる。
この点を明らかにすべく、a層〜d層における組成分析を電子回折分析(ED:electron diffraction)により行った。この電子回折分析は、堀場製作所製の「EMAX2770」を用いて行った。各層における組成分析の結果は、図6a〜6dにカラーチャート写真として示した。なお、各カラーチャート写真においては、分析の際に接続断面の表面をコーティングしたタングステンがWで示すピークとして現れているが、これは各層を構成する元素ではない。
図6aは、a層の組成を分析した結果を示すチャートである。a層の構成元素として検出されたのは、ほとんどがCuであるため、a層はやはりCu配線パターンであるといえる。
図6bは、b層の組成を分析した結果を示すチャートである。b層の構成元素としては、Cも検出されたもののNiが多く検出されていることから、b層はやはりNiメッキ層であるといえる。
図6(c)は、c層の組成を分析した結果を示すチャートである。c層の構成元素としては、主としてAu及びZnが検出された。このため、c層においては、Znが単独でZn層を構成しているのではなく、Niメッキ層の表面にAu−Zn合金層を形成しているものと思われる。c層におけるZn元素は、ハンダ材料に由来するものと思われ、従ってハンダのリフロー時にZnがAuメッキ層に拡散することによりハンダ層側へのAu元素の拡散を抑制しつつ、Auメッキ層を基にして、Au−Zn合金層が形成されるものと思われる。
図6dは、d層の組成を分析した結果を示すチャートである。d層の構成元素としては、Sn及びZnが検出されている。この結果と、図4dに示したEMPAによるBi元素の濃度分布の測定結果とを総合的に勘案すれば、d層はSn、Zn及びBiで構成されたハンダ層である。また、d層ではAuが検出されおらず、従ってAuメッキ層を構成していたAuは、ハンダ層にほとんど拡散していない。なお、図6dにおいてBiであると特定できるほど十分な高さのピークが検出できなかったのは、ハンダ材料におけるBiの含有量がたかだか3wt%(Snの20分の1程度)であるばかりか、測定レンジがSn基準として定められたためである。
以上のように、電子回折分析の結果からは、a層〜d層の組成が略特定でき、とくにc層がAu−Zn合金層であることが略確定した点、及びd層(ハンダ層)においてAuが検出されなかった点には意義がある。
本発明者は、電子回折分析により得られた結果から推測される事項をさらに確実ならしめるべく、接続断面における各成分の濃度分布をさらに精度高い分析方法であるオージェ電子分光分析(AES:Auger electron spectroscopy)により評価した。
まず、オージェ電子分光分析を行うべき接続断面の形態をSEM(走査型電子顕微鏡:scanning electron microscope)により確認した。SEM写真を図7に示したが、接続断面は、Cu配線パターン、Niメッキ層、Au−Zn合金層、及びSn−Zn−Biハンダ層と推測される4層(a層〜d層)が確認できる。
次いで、図7のSEM写真に表されている領域における濃度分布を、アルバックファ製の「オージェPHI680」を用いてオージェ電子分光分析により測定した。その結果を図8a〜8eにモノクロのマッピング写真として示した。なお、Biは成分濃度が小さいために測定困難であるため、オージェ電子分光分析の結果を掲載していない。
図8aはSnの濃度分布の測定結果を示すマッピング写真である。この写真からは、Snがd層に対応する領域に分布していることが確認できる。この結果は、EPMAや電子回折分析の結果と一致している。
図8bはZnの濃度分布の測定結果を示すマッピング写真である。この写真からは、Znがd層に対応する領域に分布しているとともにc層にZn濃度の高い領域が確認できる。この結果も、EPMAや電子回折分析の結果と一致している。この結果と図8aとを総合すれば、d層はSn−Zn合金層であるといえ、この合金層には、EPMAの結果を勘案すればd層にはBiが拡散されているといえるから、d層はSn−Zn−Biハンダ層であることには疑う余地はない。
図8cはCuの濃度分布の測定結果を示すマッピング写真である。この写真からは、Cuがa層に対応する領域に分布していることが確認できる。この結果は、EPMAや電子回折分析の結果と一致しており、従ってa層はCu配線パターンであることには疑う余地はない。
図8dはNiの濃度分布の測定結果を示すマッピング写真である。この写真からは、Niがb層に対応する領域に分布していることが確認される。この結果は、EPMAや電子回折分析の結果と一致しており、従ってb層はNiメッキ層であることには疑う余地がない。
図8eはAuの濃度分布の測定結果を示すマッピング写真である。この写真からは、Auがc層に対応する領域に分布していることが確認できる。なお、Auは測定が困難な元素であるため、感度を高めて測定していることから、写真の全体が白っぽくなって全体にAuが拡散しているようにもみえるが、事実上はc層にのみAuが分布している。この結果と図8bと総合すれば、c層はAu−Zn合金層であることには疑う余地がない。また、Niメッキ層上には、元々はAuメッキ層が形成されていたことから、Au−Zn合金層は、Auメッキ層にハンダ成分のZnが拡散して形成されたものであるといえる。なお、図7に示したSEM写真からは、c層、すなわちAu−Zn合金層の厚みは約2〜3μmであることが確認できるが、Auメッキ層は約0.8μmに形成されていたことから、Au−Zn合金層におけるAuとZnとの比率は、1:1〜3程度であると推測される。
以上に説明した種々の分析結果から、次のことがいえる。基板と端子板の間の接続構造は、Cu配線パターン、Niメッキ層、Au−Zn合金層、Sn−Zn−Biハンダ層となっている。Niメッキ層とハンダ層との間にはAu−Zn合金層が介在しており、このAu−Zn合金層が端子パッドとハンダとの間を接合している。NiとAuとは相性が良いため、Au−Zn合金層とNiメッキ層との間の接合性が良い。一方、AuとSnとも相性が良く、またAu−Zn合金層及びハンダ層の双方ともにZnが含まれているから、Au−Zn合金層とハンダ層との間の接合性も良い。従って、Niメッキ層とSn−Znハンダ層との間にAu−Zn合金層が介在した接続構造では、高い機械的強度が得られる。このことは、上述した通り、端子板と回路基板との間の接続強度を、引き剥がし試験により測定した結果からも確認されている。
また、ハンダ層中にはほとんどAuが拡散されていない。これは、Auメッキ層中にZnが拡散してAu−Zn合金層を形成することにより、Auの拡散が抑制されているからである。つまり、Znには、Auメッキ層を構成するAuがハンダ層に拡散することを抑制する働きがあるといえる。Auの拡散が抑制されれば、ハンダ層内でAu−Sn金属間化合物が生成されることも抑制される。従来は、Auメッキが施された導体(例えば端子パッド)と他の金属との間を、Snを含むハンダを用いて強固に接続するのが困難であるといわれていた。これは、AuとSnとがハンダ層内で金属間化合物を生成してハンダ層を脆弱化させるからである。しかしながら、本発明では、例えばSn−Zn共晶系ハンダのようにZnを含むハンダを用いることにより、Au−Sn金属間化合物の生成を抑制し、Auメッキが施された導体と他の金属との間を強固に接続することができるのである。
【図面の簡単な説明】
図1は、本発明に係る導体間の接続構造を回路基板に対する電子部品の実装に採用した実施形態を示す断面図である。
図2aは、Sn−8Zn−3Biハンダを用いた場合における接続断面の形態を示す顕微鏡写真である。
図2bは、Sn−3.0Ag−0.5Cuハンダを用いた場合における接続断面の形態を示す顕微鏡写真である。
図3a〜3fは、Sn−3.0Ag−0.5Cuハンダを用いた場合における接続断面のEPMAの結果を示すマッピング図であり、図3aは、全成分の濃度分布を同時に示すモノクロマッピング写真であり、図3bは、Snの濃度分布を示すカラーマッピング写真であり、図3cはAgの濃度分布を示すカラーマッピング写真であり、図3dは、Cuの濃度分布を示すカラーマッピング写真であり、図3eは、Niの濃度分布を示すカラーマッピング写真であり、図3fは、Auの濃度分布を示すカラーマッピング写真である。
図4は、Sn−8Zn−3Biハンダを用いた場合における接続断面のEPMAの結果を示すマッピング図であり、図4aは、全成分の濃度分布を同時に示すモノクロマッピング写真であり、図4bは、Snの濃度分布をカラーマッピング写真であり、図4cは、Znの濃度分布をカラーマッピング写真であり、図4dは、Biの濃度分布をカラーマッピング写真であり、図4eは、Cuの濃度分布をカラーマッピング写真であり、図4fは、Niの濃度分布をカラーマッピング写真であり、図4gは、Auの濃度分布を示すカラーマッピング写真である。
図5は、Sn−8Zn−3Biハンダを用いた場合における接続断面を拡大した顕微鏡写真である。
図6a〜6dは、図5におけるa層、b層、c層及びd層の組成分析の結果をそれぞれ示すカラーチャート写真である。
図7は、Sn−8Zn−3Biハンダを用いた場合における接続断面を拡大したSEM写真である。
図8は、図7のSEM写真に対応する領域における各成分の濃度分布をオージェ分析した結果を示すモノクロマッピング写真である。
【0001】
明細書
導体間の接続構造及び接続方法
技術分野
本発明は、Au層が表面に形成された導体と他の導体との間をハンダを介して接続する技術に関する。
背景技術
従来より、例えば回路基板に対して半導体チップなどの電子部品を実装する場合には、回路基板に設けられた端子パッドと、電子部品の端子との間をハンダにより電気的及び機械的に接続する方法が採用されている。回路基板の端子パッドは、例えば回路基板上にCu配線パターンを形成した後に、端子パッドとなる部分にNiメッキ層及びAuメッキ層を積層形成した構成とされている。ここで、最上層としてAuメッキ層を形成するのは、端子パッド表面での酸化を防止して、電子部品の端子との接続信頼性を確保するためである。また、Niメッキを施すのは、Cu配線パターン上に直接的にAuメッキを施すのが困難あるとともに、Ni自体も表面が酸化しやすいからである。
ハンダとしては、従来においては63Sn−37Pbハンダが汎用されていた。ところが、廃棄物処理法などの環境関連法規制により、Pbは特別管理物質に指定されているなど、近年においては環境への影響が懸念されており、Pbを含まないハンダ(Pbフリーハンダ)への移行が進んでいる。
Pbフリーハンダとしては、Sn−AgハンダやこれにCuやBiを含ませたSn−Ag系ハンダが有望視されている。このSn−Ag系ハンダを用いて上記構成の回路基板と電子部品とを接続した場合には、Niメッキ層からのNiがハンダ層内に拡散してSn原子と結合し、Sn−Ni合金層が形成され、この合金層及びハンダ層を介して回路基板の端子と電子部品の端子との間が接続される。
この場合、Niメッキ層の表面のAuメッキ層は破壊され、Auがハンダ層内に拡散するが、AuとSnとは反応性が高いため、これらの金属が結合して金属間化合物が生成されてしまう。このAu−Sn金属間化合物は、ハンダ層の機械
明細書
導体間の接続構造及び接続方法
技術分野
本発明は、Au層が表面に形成された導体と他の導体との間をハンダを介して接続する技術に関する。
背景技術
従来より、例えば回路基板に対して半導体チップなどの電子部品を実装する場合には、回路基板に設けられた端子パッドと、電子部品の端子との間をハンダにより電気的及び機械的に接続する方法が採用されている。回路基板の端子パッドは、例えば回路基板上にCu配線パターンを形成した後に、端子パッドとなる部分にNiメッキ層及びAuメッキ層を積層形成した構成とされている。ここで、最上層としてAuメッキ層を形成するのは、端子パッド表面での酸化を防止して、電子部品の端子との接続信頼性を確保するためである。また、Niメッキを施すのは、Cu配線パターン上に直接的にAuメッキを施すのが困難あるとともに、Ni自体も表面が酸化しやすいからである。
ハンダとしては、従来においては63Sn−37Pbハンダが汎用されていた。ところが、廃棄物処理法などの環境関連法規制により、Pbは特別管理物質に指定されているなど、近年においては環境への影響が懸念されており、Pbを含まないハンダ(Pbフリーハンダ)への移行が進んでいる。
Pbフリーハンダとしては、Sn−AgハンダやこれにCuやBiを含ませたSn−Ag系ハンダが有望視されている。このSn−Ag系ハンダを用いて上記構成の回路基板と電子部品とを接続した場合には、Niメッキ層からのNiがハンダ層内に拡散してSn原子と結合し、Sn−Ni合金層が形成され、この合金層及びハンダ層を介して回路基板の端子と電子部品の端子との間が接続される。
この場合、Niメッキ層の表面のAuメッキ層は破壊され、Auがハンダ層内に拡散するが、AuとSnとは反応性が高いため、これらの金属が結合して金属間化合物が生成されてしまう。このAu−Sn金属間化合物は、ハンダ層の機械
Claims (15)
- Au層が表面に形成された第1導体と、少なくとも表面が導電性を有する第2導体との間をハンダを介して接続した構造であって、
上記第1導体と上記第2導体とが、Au−Zn合金層を介して接続されていることを特徴とする、接続構造。 - 上記第1導体は、導体層の表面にAuメッキ層を形成した構成とされているとともに、上記Au−Zn合金層は、上記導体層と上記第2導体に形成されたハンダ層との間を接合している、請求項1に記載の接続構造。
- 上記Au−Zn合金層の厚みは、0.1〜10μmである、請求項1に記載の導体間の接続構造。
- 上記ハンダ層は、Sn−Zn合金層として構成されている、請求項1に記載の導体間の接続構造。
- 上記Sn−Zn合金層は、SnとZnとをほぼ共晶組成割合で含有している、請求項4に記載の導体間の接続構造。
- 上記Sn−Zn合金層は、Biをさらに含有している、請求項4に記載の導体間の接続構造。
- 上記Sn−Zn−Bi合金層は、Sn:Zn:Bi=85〜95:8〜12:1〜10の組成を有している、請求項6に記載の導体間の接続構造。
- 上記第1導体は、Cu層、Ni層及びAu層が積層形成された構成を有している、請求項1に記載の導体間の接続構造。
- Au層が表面に形成された第1導体と、少なくとも表面が導電性を有する第2導体との間をハンダを介して接続するための方法であって、
Znを含有するハンダを上記第1導体と上記第2導体との間に介在させた上で当該ハンダを溶融した後に、これを固化させることを特徴とする、接続方法。 - 上記ハンダは、Sn−Zn共晶系ハンダである、請求項9に記載の接続方法。
- 上記Sn−Zn共晶系ハンダは、Biをさらに含有したものであり、その組成はSn:Zn:Bi=85〜95:8〜12:1〜10である、請求項10に記載の接続方法。
- 上記Au層の厚みは、0.1〜10μmである、請求項9に記載の接続方法。
- 上記Au層は、電解メッキにより形成されている、請求項9に記載の接続方法。
- 上記第1導体は、Cu層、Ni層及びAu層が積層形成された構成を有している、請求項9に記載の接続方法。
- 上記第1導体は回路基板の端子パッドであり、上記第2導体は電子部品の端子又は導体板である、請求項9に記載の接続方法。
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