(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下面にニッケル層で被覆された外部接続用パッドを有する絶縁基体上に電子部品を搭載して成る電子装置を、上面に銅から成る電子装置接続用パッドを有する外部電気回路基板上に、前記外部接続用パッドと前記電子装置接続用パッドとを錫を含有する半田を介して接合することにより実装して成る電子装置の実装構造であって、
前記半田は、前記外部接続用パッドを被覆する前記ニッケル層に接合されつつ、前記電子装置接続用パッドを構成する前記銅に接合されており、且つ前記銅が前記半田中に拡散されており、
前記ニッケル層と前記半田との間に銅−ニッケル−錫合金層が形成されているとともに、該銅−ニッケル−錫合金層は、前記ニッケル層側に前記半田の側よりもニッケルの含有量が多いニッケル偏析層が形成されていることを特徴とする電子装置の実装構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、下面にニッケル層で被覆された外部接続用パッドを有する絶縁基体上に半導体素子等の電子部品を搭載して成る電子装置を、上面に銅から成る電子装置接続用パッドを有する外部電気回路基板上に半田を介して実装して成る電子装置の実装構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えばガラス−エポキシ板等から成る絶縁板やエポキシ樹脂等から成る絶縁層を複数層積層して成る絶縁基体の内部および上下面に銅箔等から成る複数の配線導体を設けるとともにこの絶縁基体上に半導体素子等の電子部品を搭載して成る電子装置が知られている。
【０００３】
このような電子装置においては、絶縁基体上に導出した配線導体の一部に電子部品の電極がボンディングワイヤや金属バンプを介して電気的に接続されており、絶縁基体の下面に導出した配線導体の一部が外部電気回路基板に半田を介して接続される外部接続用パッドを形成している。さらに、外部接続用パッドには外部電気回路基板との半田を介した接続を容易なものとするために例えば鉛−錫共晶合金等の半田が予め接合されている。
【０００４】
なお、このような電子装置において外部接続用パッドに半田を接合するには、外部接続用パッドの露出表面に厚みが0.5〜10μｍ程度のニッケルめっき層および厚みが0.01〜0.8μｍ程度の金めっき層を順次被着させておくとともに、その上に半田を溶融させて付着させる方法が採用される。このとき、金めっき層は溶融した半田内に拡散吸収されて消滅し、またニッケルめっき層と半田との間にはニッケル−錫合金層が形成される。
【０００５】
そして、この電子装置は外部接続用パッドに接合された半田を外部電気回路基板上に設けた電子装置接続用パッド上に溶融接合させることにより外部電気回路基板に実装される。このとき、例えば外部電気回路基板の電子装置接続用パッドが銅から成る場合には、電子装置接続用パッドに含有される銅が、溶融した半田中に拡散してこれがニッケルめっき層と半田との間のニッケル−錫合金層と反応することによりニッケルめっき層と半田との間に銅−ニッケル−錫合金層が形成されることが知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の電子装置の実装構造によると、半導体素子等の電子部品が作動時に発生する熱等に起因する熱応力が半田と外部接続用パッドとの間に繰返し印加されるとニッケルめっき層と半田との間で剥離が生じやすく、そのため電子部品を長期間にわたり正常に作動させることができないという問題点を有していた。
【０００７】
本発明は、かかる上述の問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、ニッケルめっき層と半田との間で剥離が発生することがなく、電子部品を長期間にわたり、正常に作動させることが可能な電子装置の実装構造を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の電子装置の実装構造は、下面にニッケル層で被覆された外部接続用パッドを有する絶縁基体上に電子部品を搭載して成る電子装置を、上面に銅から成る電子装置接続用パッドを有する外部電気回路基板上に、外部接続用パッドと電子装置接続用パッドとを錫を含有する半田を介して接合することにより実装して成る電子装置の実装構造であって、前記半田は、前記外部接続用パッドを被覆する前記ニッケル層に接合されつつ、前記電子装置接続用パッドを構成する前記銅に接合されており、且つ前記銅が前記半田中に拡散されており、ニッケル層と半田との間に銅−ニッケル−錫合金層が形成されているとともに、この銅−ニッケル−錫合金層は、ニッケル層側に半田の側よりもニッケルの含有量が多いニッケル偏析層が形成されていることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明の電子装置の実装構造によれば、電子装置の外部接続用パッドを被覆するニッケルめっき層と半田との間に形成された銅−ニッケル−錫合金層のうち、ニッケルめっき層側に半田側よりもニッケルの含有量が多いニッケル偏析層が形成されていることから、このニッケルの含有量が多いニッケル偏析層を介してニッケルめっき層と半田とが強固に接合される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明を添付の図面に基づき詳細に説明する。図１は、本発明を半導体素子を搭載した電子装置に適用した場合の実施の形態の一例を示す断面図であり、１は電子装置、２は外部電気回路基板である。この外部電気回路基板２上に電子装置１を半田３を介して実装することにより本発明の電子装置の実装構造が形成される。
【００１１】
電子装置１は、主として絶縁基体４とこれに搭載された電子部品５と封止部材６とから構成されている。この例では、電子部品５は例えばＬＳＩ等の半導体素子である。また、封止部材６はエポキシ樹脂等の封止樹脂である。
【００１２】
絶縁基体４は、例えばガラス繊維を縦横に織り込んだガラス織物にエポキシ樹脂やビスマレイミドトリアジン樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させて成る板状の芯体７の上下面にエポキシ樹脂やビスマレイミドトリアジン樹脂等の熱硬化性樹脂から成る絶縁層８をそれぞれ複数層ずつ積層して成り、その上面から下面にかけては銅箔等から成る複数の配線導体９が形成されている。
【００１３】
絶縁基体４を構成する芯体７は、厚みが0.3〜1.5ｍｍ程度であり、その上面から下面にかけて直径が0.2〜1.0ｍｍ程度の複数の貫通孔10を有している。そして、その上下面および各貫通孔10の内壁には配線導体９の一部が被着されており、上下面の配線導体９が貫通孔10を介して電気的に接続されている。
【００１４】
このような芯体７は、ガラス織物に未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させたシートを熱硬化させた後、これに上面から下面にかけてドリル加工を施すことにより製作される。なお、芯体７上下面の配線導体９は、芯体７用のシートの上下全面に厚みが5〜50μｍ程度の銅箔を貼着しておくとともにこの銅箔をシートの硬化後にエッチング加工することにより所定のパターンに形成される。また、貫通孔10内壁の配線導体９は、芯体７に貫通孔10を設けた後に、この貫通孔10内壁に無電解めっき法および電解めっき法により厚みが5〜50μｍ程度の銅箔を析出させることにより形成される。
【００１５】
さらに、芯体７は、その貫通孔10の内部にエポキシ樹脂やビスマレイミドトリアジン樹脂等の熱硬化性樹脂から成る樹脂柱11が充填されている。樹脂柱11は、貫通孔10を塞ぐことにより貫通孔10の直上および直下に絶縁層８を形成可能とするためのものであり、未硬化のペースト状の熱硬化性樹脂を貫通孔10内にスクリーン印刷法により充填し、これを熱硬化させた後、その上下面を略平坦に研磨することにより形成される。そして、この樹脂柱11を含む芯体７の上下面に絶縁層８が積層されている。
【００１６】
芯体７の上下面に積層された絶縁層８は、それぞれの厚みが20〜50μｍ程度であり、各層の上面から下面にかけて直径が30〜100μｍ程度の複数の貫通孔12を有している。これらの絶縁層８は、配線導体９を高密度に配線するための絶縁間隔を提供するためのものであり、最表層を除く絶縁層８にはその表面および貫通孔12内に配線導体９の一部が被着されている。そして、上層の配線導体９と下層の配線導体９とを貫通孔12を介して電気的に接続することにより高密度配線を立体的に形成可能としている。なお、最表層の絶縁層８は、ソルダレジスト層である。このような絶縁層８は、厚みが20〜50μｍ程度の未硬化の熱硬化性樹脂のフィルムを芯体７の上下面に貼着し、これを熱硬化させるとともにレーザ加工により貫通孔12を穿孔し、さらにその上に同様にして次の絶縁層８を順次積み重ねることによって形成される。なお、各絶縁層８表面および貫通孔12内に被着された配線導体９は、各絶縁層８を形成する毎に各絶縁層８の表面および貫通孔12内に5〜50μｍ程度の厚みの銅箔を公知のセミアディティブ法やサブトラクティブ法等のパターン形成法により所定のパターンに被着させることによって形成される。
【００１７】
絶縁基体４の上面から下面にかけて形成された配線導体９は、電子部品５の各電極を外部電気回路基板２に接続するための導電路として機能し、絶縁基体４の上面に露出している部位が電子部品５の各電極に鉛−錫合金から成る半田13を介して接続された電子部品接続用パッド14を、絶縁基体４の下面に露出した部位が外部電気回路基板２に鉛−錫合金から成る半田３を介して接続された外部接続用パッド15を形成している。なお、この例では電子部品５の各電極は電子部品接続用パッド14に半田13を介して接続されているが、電子部品５の電極は例えばボンディングワイヤを介して電子部品接続用パッド14に接続されてもよい。その場合、電子部品接続用パッド14は電子部品５が搭載される部位の周囲に配置される。
【００１８】
そして、絶縁基体４上面の電子部品接続用パッド14に電子部品５の各電極を半田13を介して接続した後、電子部品５をエポキシ樹脂等から成る封止部材６により封止することにより電子装置１が完成し、この電子装置１の外部接続用パッド15を半田３を介して外部電気回路基板２の電子装置接続用パッド16に接続することによって電子装置１が外部電気回路基板２に実装される。
【００１９】
なお、このような電子装置１においては、半田３を介した外部電気回路基板２への実装を容易なものとするために、半田３を外部接続用パッド15に予め取着させておく。そうすることによって電子装置１を外部電気回路基板２に実装する際に半田３の保持や位置合わせなどを容易かつ確実に行なうことができる。
【００２０】
外部接続用パッド15に半田３を予め取着させるには、まず、図２（ａ）に要部拡大断面図で示すように、外部接続用パッド15の表面に0.5〜10μｍの厚みのニッケルめっき層17および0.01〜0.8μｍの厚みの金めっき層18を被着させるとともに、その上に例えば鉛−錫合金や銀−錫合金等の錫を含有する直径が0.4〜0.7ｍｍ程度の球状の半田３を接触させる。次に、これらを例えば窒素ガス雰囲気中で半田３の溶融温度以上の温度に加熱してリフローさせれば、図２（ｂ）に要部拡大断面図で示すように、球状の半田３が一旦溶融した後に固化して半田３が外部接続用パッド15に取着される。なおこのとき、ニッケルめっき層17上の金めっき層18は溶融した半田３中に拡散吸収されて消滅する。また、ニッケルめっき層17と半田３との間には、ニッケルめっき層17中のニッケルと半田３中の錫とが反応して厚みが0.5〜５μｍ程度のニッケル−錫の合金層19が形成される。
【００２１】
なお、ニッケルめっき層17としては、例えばリンを４〜12重量％程度含有する無電解ニッケルめっきが好適に使用される。そして、そのようなニッケルめっき層17用のめっき液としては、例えば硫酸ニッケル40ｇ／ｌ、クエン酸ナトリウム24ｇ／ｌ、酢酸ナトリウム14ｇ／ｌ、次亜リン酸ナトリウム20ｇ／ｌ、塩化アンモニウム5ｇ／ｌからなる温度が50〜90℃の無電解ニッケルめっきが使用される。また、金めっき層18用のめっき液としては、例えばシアン化金カリウム5ｇ／ｌ、クエン酸カリウム50ｇ／ｌ、エチレンジアミン４酢酸ナトリウム5ｇ／ｌから成る温度50〜90℃の無電解金めっき液が使用される。
【００２２】
なお、ニッケルめっき層17は、外部接続用パッド15が酸化腐蝕するのを防止して外部接続用パッド15と半田３との接合を容易かつ強固なものとするためのものであり、その厚みが0.5μｍ未満では、外部接続用パッド15を良好に被覆することができずに、外部接続用パッド15の表面に酸化や変色をきたして半田３との接合が弱いものとなる傾向にあり、他方、10μｍを超えると、ニッケルめっき層17の内部応力によりニッケルめっき層17にクラックや剥がれが発生しやすくなる。したがって、ニッケルめっき層17の厚みは0.5〜10μｍの範囲が好ましい。
【００２３】
また、ニッケルめっき層17がリンを含有する無電解ニッケルめっきから成る場合、ニッケルめっき層17中のリンの含有量が４重量％未満であると、外部接続用パッド15にニッケルめっき層17を被着させる際、ニッケルめっきの析出速度が遅くなり所定の厚みのニッケルめっき層17を得るために長時間を要するのでめっきの効率が悪くなり、他方12重量％を超えると、ニッケルめっき層17上に金めっき層18を良好に被着させることが困難となる。従って、ニッケルめっき層17中のリンの含有量は、4〜12重量％の範囲が好ましい。
【００２４】
さらに、ニッケルめっき層17上に被着させる金めっき層18は、ニッケルめっき層17と半田３とを良好に接合させるためのものであり、その厚みが0.0１μｍ未満であると、ニッケルめっき層17と半田３との接合が弱いものとなる傾向にあり、他方0.8μｍを超えると、半田３中に金が多量に溶け込んでしまい、半田３が脆化し、電子部品５が作動時に発生する熱等による応力によってニッケルめっき層17と半田３との間で剥離が発生しやすくなる。従って、金めっき層18の厚みは0.01〜0.8μｍの範囲が好ましい。
【００２５】
また、このようなニッケルめっき層17および金めっき層18は、例えば絶縁基体１の電子部品接続用パッド14に電子部品５の電極を接続する前に被着させればよい。そして、それと同時に電子部品接続用パッド14にも同様にニッケルめっき層および金めっき層を被着させてもよい。そうすることで電子部品接続用パッド14が酸化腐蝕するのが有効に防止されるとともに電子部品接続用パッド14と半田13との接合を容易かつ強固なものとすることができる。
【００２６】
他方、電子装置１が実装された外部電気回路基板２は、例えば一般的なプリント板であり、ガラス繊維を縦横に織り込んだガラス織物にエポキシ樹脂やビスマレイミドトリアジン樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させて成る絶縁板20の上面に銅箔から成る複数の電子装置接続用パッド16が形成されて成る。このような外部電気回路基板２は常法によって製作される。
【００２７】
そして、電子装置１を外部電気回路基板２に実装するには、電子装置１をその外部接続用パッド15に予め取着させた半田３と電子装置接続用パッド16とが接するようにして外部電気回路基板２上に載置し、これらを例えば窒素ガス雰囲気中で半田３が溶融する温度以上の温度に加熱して半田３を溶融させる方法が採用される。
【００２８】
このとき、図３に要部拡大断面図で示すように、電子装置１の外部接続用パッド15を被覆するニッケル層17と半田３との間に厚みが１〜25μｍ程度の銅−ニッケル−錫合金層21が形成される。この銅−ニッケル−錫合金21は、半田３を溶融させた際に、電子装置接続用パッド16に含有される銅が半田３中に拡散し、その銅がニッケルめっき層17と半田３との間に形成されていたニッケル−錫合金19と反応することによって形成される。
【００２９】
そして、本発明の電子装置の実装構造では、外部接続用パッド15上に形成されたニッケルめっき層17と半田３との間に形成された銅−ニッケル−錫合金層21のニッケルめっき層17側に半田３側よりもニッケルの含有量が多いニッケル偏析層21ａが形成されている。このように外部接続用パッド15上に形成されたニッケルめっき17と半田３との間に形成された銅−ニッケル−錫合金層21のうち、ニッケルめっき層17の側に半田３側よりもニッケルの含有量が多いニッケル偏析層21ａが形成されていることから、このニッケルの含有量が多いニッケル偏析層21ａを介して外部接続用パッド15上のニッケルめっき層17と半田３とが強固に接合され、その結果、電子部品５が作動時に発生する熱等による熱応力が繰り返し印加されたとしても、外部接続パッド15と半田３との間に剥離が発生することがなく、電子部品５を長期間にわたり正常かつ安定して作動させることができる。
【００３０】
このように、外部接続用パッド15上に被着されたニッケルめっき層17と半田３との間に形成された銅−ニッケル−錫合金層21のニッケルめっき層17側に半田３側よりもニッケルの含有量が多いニッケル偏析層21ａを形成するには、ニッケルめっき層17上に半田３を取着させた際にニッケルめっき層17と半田３との間に緻密で均一なニッケル−錫合金層19を形成するとともに半導体装置１を外部電気回路基板２に実装する際に半田３を溶融させる溶融温度を低くするとともに溶融時間を短くすればよい。このように略均一なニッケル−錫合金層19がニッケルめっき層17と半田３との間に形成された電子装置１を外部電気回路基板２に半田３の溶融温度を低くかつ溶融時間を短くして実装すると、外部電気回路基板２の電子装置接続用パッド16から半田３中に拡散した銅がニッケルめっき層17と半田３との間に形成されたニッケル−錫合金層19との間で多量に反応することがなく、したがって、ニッケルめっき層17と半田３との間に形成される銅−ニッケル−錫合金層21のうち、ニッケルめっき層17側に半田３の側よりもニッケルの含有量が多いニッケル偏析層21ａを例えば0.05〜2.5μｍの厚みに形成することができる。
【００３１】
なお、ニッケルめっき層17上に半田３を取着させた際にニッケルめっき層17と半田３との間に緻密で均一なニッケル−錫合金層19を形成するには、例えばニッケルめっき層17表面のニッケル結晶粒界に沿って形成される溝の深さを0.2μｍ以下とすることが有効である。ニッケルめっき層17表面のニッケル結晶粒界に沿って形成される溝の深さを0.2μｍ以下とするには、ニッケルめっき17を施す外部接続パッド15をニッケルめっき前に100〜200ｇ／ｌの過硫酸ナトリウムからなる20〜30℃のエッチング液に1〜3分浸漬しエッチングしたり、あるいはニッケルめっき液中に非イオン性の界面活性剤を数ｐｐｍ添加し、析出するニッケルめっき層17とめっき液との界面張力を小さなものとした状態でめっきをすること等により溝の深さを0.2μｍ以下とすることができる。
【００３２】
なお、ニッケルめっき層17と半田３との間に形成された銅−ニッケル−錫合金層21のうち、ニッケルめっき層17側に形成されるニッケル偏析層21ａは、その厚みが0.05μｍ未満であると、このニッケル偏析層21ａを介して外部接続用パッド15上のニッケルめっき層17と半田３とが強固に接合されない。したがってニッケルめっき層17と半田３との間に形成された銅−ニッケル−錫合金層21のうち、ニッケルめっき層17側に形成されるニッケル偏析層21ａは、その厚みが0.05μｍ以上あることが好ましい。また、ニッケルめっき層17と半田３とを強固に接合させるためには、ニッケル偏析層21ａ中のニッケルの含有量が15重量％以上であることが好ましい。
【００３３】
かくして、本発明の電子装置の実装構造によれば、電子部品５を長期間にわたり正常に作動させることができる。
【００３４】
なお、本発明は、上述の実施の形態の一例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能であり、例えば上述の実施の形態の一例では、絶縁基体４はガラス織物に熱硬化性樹脂を含浸させた材料および熱硬化性樹脂から形成されていたが、絶縁基体４は、セラミックス材料等の他の絶縁材料から形成されていてもよく、また、配線導体９としては、タングステンやモリブデン・銅・銀等の金属粉末のメタライズ導体等の他の導電材料を使用することができる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の電子装置の実装構造によれば、電子装置の外部接続パッドを被覆するニッケルめっき層と半田との間に形成された銅−ニッケル−錫合金層のうち、ニッケルめっき層側に半田側よりもニッケルの含有量が多いニッケル偏析層が形成されていることから、このニッケルの含有量が多いニッケル偏析層を介してニッケルめっき層と半田とが強固に接合され、その結果、電子部品が作動時に発生する熱等による熱応力が繰り返し印加されたとしても外部接続パッドと半田とが剥離することがなく、電子部品を長期間にわたり正常に作動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電子装置の実装構造の実施形態の一例を示す断面図である。
【図２】（ａ）・（ｂ）は、図１に示す電子装置１の外部接続用パッド15に半田３を予め取着させる方法を説明するための要部拡大断面図である。
【図３】図１に示す電子装置の実装構造の要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１・・・・・電子装置
２・・・・・外部電気回路基板
３・・・・・半田
４・・・・・絶縁基体
５・・・・・電子部品
15・・・・・外部接続用パッド
17・・・・・ニッケルめっき層
16・・・・・電子装置接続用パッド
21・・・・・銅−ニッケル−錫合金層
21ａ・・・・ニッケル偏析層
【図１】
0004562314.tif 000002
【図２】
0004562314.tif 000003
【図３】
0004562314.tif 000004