(57)【要約】【課題】配線基板の電極と鉛フリーはんだの界面が、応力により剥離するのを防止し、電気的接続を長期間にわたり確実、強固に維持することができる長期信頼性に優れた配線基板を提供すること。【解決手段】錫と銀の少なくとも２種の金属元素からなる、鉛を含まないはんだと接続される電極を有する配線基板において、電極が銅層２上のニッケル層３と金層４で構成された電極であって、ニッケル層内の塩素量が、飛行時間型二次イオン質量分析装置にて観測されるピーク強度比でニッケルの３％以下であること。電解ニッケルめっき液を使用した電解めっき法にて形成する場合に、その電流密度が５０〜２００ｍＡ／ｃｍ２  であること。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
錫と銀の少なくとも２種の金属元素からなる、鉛を含まないはんだと接続されるための電極を有する配線基板において、該電極が信号層である銅層上に形成されたニッケルを主成分とするニッケル層と金を主成分とする金層で構成される電極であって、該ニッケル層内の塩素量が、飛行時間型二次イオン質量分析装置（ＴＯＦ−ＳＩＭＳ）にて観測されるピーク強度比でニッケルの３％以下であることを特徴とする配線基板。
【請求項２】
請求項１に記載の配線基板の製造方法であって、ニッケル層を、少なくとも硫酸ニッケルと塩化ニッケルを含む電解ニッケルめっき液を使用した電解めっき法にて形成する場合に、その電流密度が５０〜２００ｍＡ／ｃｍ２  であることを特徴とする配線基板の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載の配線基板の製造方法であって、ニッケル層を、少なくともスルファミン酸ニッケルと塩化ニッケルを含む電解ニッケルめっき液を使用した電解めっき法にて形成する場合に、その電流密度が５０〜２００ｍＡ／ｃｍ２  であることを特徴とする配線基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子収納用パッケージ等に用いられる配線基板と、これを実装する母基板との間のはんだ接合に関し、詳しくは鉛を含まないはんだと接合する電極の電解めっき法による表面処理に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近、環境問題に配慮して、従来の鉛入り共晶はんだから、鉛を使わないいわゆる鉛フリーはんだへの移行が進展している。一般に鉛フリーはんだとは鉛を含まないはんだの事であり、現在は鉛を用いずに、様々な元素の組合せのはんだが研究されて市場に出始めている。
【０００３】
半導体素子収納用パッケージの周辺部材として使用される関係上、融点は半導体素子の駆動時温度よりも高くある必要がある。そのため本発明に係る鉛フリーはんだとしては、現在一般に高温鉛フリーはんだと呼ばれている、錫−銀の２元系、もしくは錫−銀−Ｘ（Ｘは任意の元素）の３元系の組成のものが適している。以下、鉛フリーはんだとは、錫−銀の２元系、もしくは錫−銀−Ｘ（Ｘは任意の元素）の３元系の組成のものを指すこととする。
【０００４】
また、この鉛フリーはんだと接続されるための電極の製造方法としては、電解めっき法もしくは無電解めっき法を用いて信号層である銅層上にニッケル層と金層を順次形成するのが一般的である。
【０００５】
【非特許文献１】
日本鍍金材料協同組合作成、２０００めっき手帳めっき技術要覧
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
はんだの鉛フリー化の進展にともない、はんだ接合が従来よりも困難になってきている。すなわち、錫−銀や、錫−銀−銅など一般に高温鉛フリーはんだと呼ばれている組成では、はんだ自体の機械強度が高いために、はんだの変形が起こりにくい。従って、界面への応力集中が大きくなることによる、例えば、曲げや落下衝撃の際に、はんだが変形せず、はんだが界面から剥がれるといった、界面はがれの現象が多くみられるようになっている。
【０００７】
本発明は、従来の配線基板における上記問題点に鑑み案出されたものであり、その課題は、配線基板の電極と鉛フリーはんだの界面が、応力により剥離するのを防止し、電気的接続を長期間にわたり確実、強固に維持することができる長期信頼性に優れた配線基板を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、錫と銀の少なくとも２種の金属元素からなる、鉛を含まないはんだと接続されるための電極を有する配線基板において、該電極が信号層である銅層上に形成されたニッケルを主成分とするニッケル層と金を主成分とする金層で構成される電極であって、該ニッケル層内の塩素量が、飛行時間型二次イオン質量分析装置（ＴＯＦ−ＳＩＭＳ）にて観測されるピーク強度比でニッケルの３％以下であることを特徴とする配線基板である。
【０００９】
また、本発明は、上記発明による配線基板の製造方法であって、ニッケル層を、少なくとも硫酸ニッケルと塩化ニッケルを含む電解ニッケルめっき液を使用した電解めっき法にて形成する場合に、その電流密度が５０〜２００ｍＡ／ｃｍ２  であることを特徴とする配線基板の製造方法である。
【００１０】
また、本発明は、上記発明による配線基板の製造方法であって、ニッケル層を、少なくともスルファミン酸ニッケルと塩化ニッケルを含む電解ニッケルめっき液を使用した電解めっき法にて形成する場合に、その電流密度が５０〜２００ｍＡ／ｃｍ２  であることを特徴とする配線基板の製造方法である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の配線基板の一実施例を断面で示す説明図である。図１に示すように、本発明の配線基板は、絶縁基材１、配線層２、ニッケル層３、金層４、ソルダーレジスト５で構成されるものである。
絶縁基材１は、酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体等のセラミック系絶縁基材のほか、ガラス／エポキシ樹脂やポリイミド樹脂等の有機系絶縁基材も任意に使用することができる。
【００１２】
配線層２としては素材として銅がもっとも好ましいが金属ペーストの焼結体なども任意に選択できる。
ニッケル層３はニッケルを主成分とする層のことで、その形成方法としては電解めっき法が一般的であり、本発明に係る製造方法も電解めっき法についてである。
金層４は金を主成分とする層のことで、純粋な金ほかに微量の鉛やタリウ
ムやヒ素を含んだ金合金が工業的には適用しやすく、本発明においてもそれらを使用することができる。厚さについては任意である。
【００１３】
発明者らは、前記課題の解決にあたり、まず次の現象に着目した。すなわち、銅層上にニッケル層、金層を順次形成した電極において、金層の形成条件を変化させないで、ニッケル層の形成条件を変化させた場合に、上記鉛フリーはんだとの接合性に変化が現れた点である。
詳しくは、ニッケルめっきの電流密度を高めた場合に、はんだ接合強度が上昇したのである。この現象は、硫酸ニッケルを主成分とした電解ニッケルめっき液でも、また、スルファミン酸ニッケルを主成分とする電解めっき液でも確認できた。
【００１４】
この点について、ニッケルめっきの電流密度を高めたということが、ニッケル層のどの部分に変化が現れたのか、様々な分析をおこなったところ、電流密度を高めることにより該ニッケル層中の塩素量が低減されると言うことが、飛行時間型二次イオン質量分析装置（ＴＯＦ−ＳＩＭＳ）にて明らかとなったのである。
【００１５】
次に、発明者らはこの塩素量を低減させるための他の方法がないか、さらに研究を続けた。すなわち、電解ニッケルめっき液には一般に塩化ニッケルが３〜４５ｇ／Ｌ含まれるためニッケル層中の塩素はこの塩化ニッケルに由来していることは明確であることから、このめっき液中の塩化ニッケルの量を少なくしていけば同様な効果が期待できるのではないかと考え実験をおこなってみた。
【００１６】
しかしながら、実験の結果、電解ニッケルめっき液に添加する塩化ニッケルの量を０．３〜３０ｇ／Ｌまで変化させてめっきをおこなっても、ニッケル層中の塩素量は一定であり、さらに金めっきを行った後の鉛フリーはんだボール接合強度においても一定であった。
【００１７】
発明者らはさらに、めっき温度、ｐＨの検討も鋭意行ったが、それらによるニッケル層中の塩素量の明確な変化は認められず、またさらに、金めっきを行った後の鉛フリーはんだボール接合強度においてもそれらの変化と連動した接合強度の変化は見られなかった。
結果としてニッケルめっき後の金めっきが一様である場合は、鉛フリーはんだボール接合強度はニッケルめっき電流密度に依存し、それはニッケル層中の塩素量に依るものというところに到達した。
【００１８】
飛行時間型二次イオン質量分析装置にて観測されるピーク強度比で塩素がニッケルの３％以上のときは、鉛フリーはんだボール接合強度は低下してしまう。
【００１９】
また、飛行時間型二次イオン質量分析装置にて観測されるピーク強度比で塩素がニッケルの３％以下にするためには、電解めっき法にてニッケル層を形成する場合の電流密度条件として５０ｍＡ／ｃｍ２  以上である必要がある。また、この電流密度が２００ｍＡ／ｃｍ２  を超えるような高い電流密度条件では、被めっき物である電極近傍のニッケルイオンが不足し、適正なニッケル層を形成できないため、本発明における電流密度の範囲は、５０〜２００ｍＡ／ｃｍ２  と限定された。
【００２０】
上記のように、本発明によれば、鉛フリーはんだと電極の接合においてその接合強度を低下させる要因となるニッケル層中の塩素量を低減させることができ、鉛フリーはんだの接合性に優れた配線基板を提供することが可能となる。
また、本発明は、半導体素子収納用パッケージ等に用いられる配線基板に限定されず、半導体素子の搭載に鉛フリーはんだを用いる場合においてはその搭載電極にも適用でき、それに相対する半導体素子上の電極に対しても、また、該配線基板を実装する母基板の実装用電極にも適用できるものである。
【００２１】
【実施例】
以下に、実施例により本発明を詳細に説明する。
＜実施例１＞
１．６ｍｍ厚の両面銅張積層板を脱脂、酸洗し、よく洗浄してから乾燥し、その後片面に、感光性ソルダーレジスト（太陽インキ製造（株）製：ＰＳＲ♯４０００）を厚さ３０マイクロメートルになるように暗室内でコーティングし、９０℃で該感光性液状ソルダーレジストを乾燥させた。
次に該感光性ソルダーレジストに直径６００マイクロメートルのドットパターンを１０個×１０個の格子状に配列されるようにパターンを焼き付け、その後１％炭酸ナトリウム水溶液にて現像し、その後１５０℃で３０分間加熱して該ソルダーレジストを完全に硬化させた。
【００２２】
次に、上記パターニングによって露出した銅電極上に、ニッケルめっきワット浴（硫酸ニッケル６水和物：２４０ｇ／Ｌ、塩化ニッケル６水和物：４５ｇ／Ｌホウ酸：３０ｇ／Ｌ）を使用して、５５℃、１４０ｍＡ／ｃｍ２で５．５マイクロメートルのニッケル層を形成した。
【００２３】
次に、該ニッケル層上に、金ストライクめっき浴（日本高純度化学（株）製：アシッドストライク）を使用して、３０℃、３．５Ｖで約０．０２マイクロメートルの金層を形成した。
【００２４】
次に、該金層上に、金めっき浴（日本高純度化学（株）製：テンペレジスト−ＥＸ）を使用して、７０℃、０．４Ａ／ｄｍ２で０．５マイクロメートルの金層を形成し、配線基板を完成させた。
【００２５】
次に、この配線基板のドットパターンの電極に樹脂系フラックス（千住金属（株）製：デルタラックス５２９Ｄ−１）をピンで適量転写しておき、該フラックスを固定材として直径７６０マイクロメートルの錫−銀−銅の３元系鉛フリーはんだボール（千住金属（株）製：エコソルダーＭ７０５）を１個のドットに１個ずつ配置した。
【００２６】
次に、この配線基板を１６０℃、２分間予熱後２４０℃、３０秒間加熱しはんだボールを溶融させてドットパターンの電極に接合させた。
常温まで放冷したところで、はんだボールのシェア強度を測定（使用した装置：デイジ社製ボンドテスタシリーズ４０００、測定条件：シェアスピード３００マイクロメートル毎秒、シェア高さ２０マイクロメートル）したところ、標本数３０で最大値１８７８ｇ、最小値１７２３ｇ、平均値１７８５ｇであった。
また、このときテスト後の破断面を観察したところ、１００個中、ニッケル層が露出したものはなく、全てはんだで覆われていた。
【００２７】
この配線基板の、金層を形成する前のドットパターン部を飛行時間型二次イオン質量分析装置（ＴＯＦ−ＳＩＭＳ）を使って深さ分析をおこなったところ、ニッケル層中の塩素の量はニッケルとのピーク強度比で０．６６％であった。
【００２８】
＜実施例２＞
実施例１と同様に銅張積層板を加工し、ソルダーレジストのパターニングによって露出した銅電極上に、実施例１と同組成のニッケルめっきワット浴を使用して、５５℃、７０ｍＡ／ｃｍ２で５．５マイクロメートルのニッケル層を形成し、その後実施例１と同様金ストライクめっきにより０．０２マイクロメートル、および金めっきにより０．５マイクロメートルの金層を順次形成して配線基板を作製した。
【００２９】
次に、実施例１と同組成のはんだボールを同条件で該配線基板に接合させ、常温まで放冷したところで、はんだボールのシェア強度を測定したところ、標本数３０で最大値１８１２ｇ、最小値１６４９ｇ、平均値１７２０ｇであった。また、このときテスト後の破断面を観察したところ、１００個中、ニッケル層が露出したものはなく、すべてはんだで覆われていた。
【００３０】
この配線基板の、金層を形成する前のドットパターン部を飛行時間型二次イオン質量分析装置（ＴＯＦ−ＳＩＭＳ）を使って深さ分析をおこなったところ、ニッケル層中の塩素の量はニッケルとのピーク強度比で０．９７％であった。
【００３１】
＜比較例１＞
実施例１と同様に銅張積層板を加工し、ソルダーレジストのパターニングによって露出した銅電極上に、実施例１と同組成のニッケルめっきワット浴を使用して、５５℃、２０ｍＡ／ｃｍ２で５．５マイクロメートルのニッケル層を形成し、その後実施例１と同様金ストライクめっきにより０．０２マイクロメートル、および金めっきにより０．５マイクロメートルの金層を順次形成して配線基板を作製した。
【００３２】
次に、実施例１と同組成のはんだボールを同条件で該配線基板に接合させ、常温まで放冷したところで、はんだボールのシェア強度を測定したところ、標本数３０で最大値１５３１ｇ、最小値１２４８ｇ、平均値１３８１ｇであった。また、このときテスト後の破断面を観察したところ、１００個中、８９個については一部ニッケル層の露出が確認された。
【００３３】
この配線基板の、金層を形成する前のドットパターン部を飛行時間型二次イオン質量分析装置（ＴＯＦ−ＳＩＭＳ）を使って深さ分析をおこなったところ、ニッケル層中の塩素の量はニッケルとのピーク強度比で６．１９％であった。
【００３４】
＜比較例２＞
実施例１と同様に銅張積層板を加工し、ソルダーレジストのパターニングによって露出した銅電極上に、実施例１と同組成のニッケルめっきワット浴を使用して、５５℃、４０ｍＡ／ｃｍ２で５．５マイクロメートルのニッケル層を形成し、その後実施例１と同様金ストライクめっきにより０．０２マイクロメートル、および金めっきにより０．５マイクロメートルの金層を順次形成して配線基板を作製した。
【００３５】
次に、実施例１と同組成のはんだボールを同条件で該配線基板に接合させ、常温まで放冷したところで、はんだボールのシェア強度を測定したところ、標本数３０で最大値１６２０ｇ、最小値１３１３ｇ、平均値１４４８ｇであった。また、このときテスト後の破断面を観察したところ、１００個中、２７個については一部ニッケル層の露出が確認された。
【００３６】
この配線基板の、金層を形成する前のドットパターン部を飛行時間型二次イオン質量分析装置（ＴＯＦ−ＳＩＭＳ）を使って深さ分析をおこなったところ、ニッケル層中の塩素の量はニッケルとのピーク強度比で３．６２％であった。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の配線基板によれば、ニッケル層と金層を順次形成する電極構造において、高温鉛フリーはんだと直接接合されるニッケル層内の塩素量が、飛行時間型二次イオン質量分析装置（ＴＯＦ−ＳＩＭＳ）にて観測されるピーク強度比でニッケルの３％以下であるなら、その電極と接合されたはんだボールの接合強度が飛躍的に増大することとなる。ひいては鉛フリーはんだに対し電気的接続を長期間にわたり確実に、強固に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線基板の一実施例を断面で示す説明図である。
【符号の説明】
１・・・・絶縁基材
２・・・・配線層
３・・・・ニッケル層
４・・・・金層
５・・・・ソルダーレジスト
【図１】
2004289052.tif 000003