(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子部品用基板に形成されたＣｕ帯層とその上に積層形成されたＮｉ層とを有する電極基部と、前記電極基部のＮｉ層に溶着されたはんだ部とを備え、
前記はんだ部はＣｕを０．５〜５．０mass％、Ｓｎを６２〜６４mass％含み、残部Ｐｂ及び不可避的不純物からなるＳｎ−Ｐｂ系はんだ合金によって形成され、前記はんだ部を前記Ｎｉ層に溶着する際に、前記はんだ部が溶着される前の電極基部の表面に形成されたＡｕ層から拡散したＡｕを固溶して生成したＡｕ−Ｃｕ−Ｓｎ系金属間化合物からなるＮｉ拡散抑制層を介して前記はんだ部が前記Ｎｉ層に溶着され、前記Ｎｉ拡散抑制層の厚さが０．３〜１．０μm とされた電子部品の電極構造。
【請求項２】
電子部品用基板に形成されたＣｕ帯層とその上に積層形成されたＮｉ層とを有する電極基部と、前記電極基部のＮｉ層に溶着されたはんだ部とを備え、
前記はんだ部はＣｕを０．５〜５．０mass％、Ｓｎを６２〜６４mass％含み、残部Ｐｂ及び不可避的不純物からなるＳｎ−Ｐｂ系はんだ合金によって形成され、前記はんだ部を前記Ｎｉ層に溶着する際に生成したＣｕ−Ｓｎ系金属間化合物からなるＮｉ拡散抑制層を介して前記はんだ部が前記Ｎｉ層に溶着され、前記Ｎｉ拡散抑制層の厚さが０．３〜１．０μm とされた電子部品の電極構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、電子部品の電極構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＳＩ等の半導体素子をパッケージ内に収容した電子部品は、ますます高密度化、コンパクト化が要求されている。近年、多ピン化対応が容易で、かつプリント配線基板への実装が容易なプラスチック系パッケージとして、ＢＧＡ（Ball Grid Array）が注目されている。
【０００３】
前記ＢＧＡの電極構造は、半導体素子を収容するパッケージの基板に形成されたＣｕ帯層の上にＮｉ層、さらにはＡｕ層が積層形成された電極基部に、Ｓｎ、Ｐｂを主成分とするＳｎ−Ｐｂ系はんだ合金によって形成されたはんだボールが溶着された構成を有している。前記はんだボールの溶着により電極基部に積層形成されたはんだ部は、プリント配線基板の導体路への接続部となるものである。最近では、前記はんだボールの代わりに、特開平１０−１６３４０４号公報に記載されているように、Ｃｕボールをコアとして、その表面にはんだめっき層が形成されたＣｕコアはんだボールも使用されるようになってきている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、電子機器の使用条件がますます厳しくなってきており、従来にも増して高温における耐久性（はんだ部の接合強度）が求められるようになってきている。前記Ｃｕコアはんだボールをパッケージの電極基部に溶着して形成したはんだ部は、比較的良好な高温耐久性を示すが、Ｃｕコアを有しないはんだボールによって形成したはんだ部の高温耐久性は、Ｃｕコアはんだボールを用いた場合に比して劣化することが明らかになってきた。
【０００５】
本発明は、かかる問題に鑑みなされたもので、Ｃｕコアはんだボールによってはんだ部を形成した電極構造と同等以上の電子部品の電極構造を提供することを目的とする。この目的は下記の発明によって達成される。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の電子部品の電極構造は、電子部品用基板に形成されたＣｕ帯層とその上に積層形成されたＮｉ層とを有する電極基部と、前記電極基部のＮｉ層に溶着されたはんだ部とを備え、前記はんだ部はＣｕを０．５〜５．０mass％、Ｓｎを６２〜６４mass％含み、残部Ｐｂ及び不可避的不純物からなるＳｎ−Ｐｂ系はんだ合金によって形成され、前記はんだ部を前記Ｎｉ層に溶着する際に、前記はんだ部が溶着される前の電極基部の表面に形成されたＡｕ層から拡散したＡｕを固溶して生成したＡｕ−Ｃｕ−Ｓｎ系金属間化合物からなるＮｉ拡散抑制層を介して前記はんだ部が前記Ｎｉ層に溶着され、前記Ｎｉ拡散抑制層の厚さが０．３〜１．０μm とされたものである。また、本発明の他の電子部品の電極構造は、前記はんだ部をＣｕが０．５〜５．０mass％、Ｓｎを６２〜６４mass％含み、残部Ｐｂ及び不可避的不純物からなるＳｎ−Ｐｂ系はんだ合金によって形成し、前記はんだ部を前記Ｎｉ層に溶着する際に生成したＣｕ−Ｓｎ系金属間化合物からなるＮｉ拡散抑制層を介して前記はんだ部が前記Ｎｉ層に溶着され、前記Ｎｉ拡散抑制層の厚さが０．３〜１．０μm とされたものである。
【０００７】
この発明によると、はんだ部がＣｕを０．５〜５．０mass％、Ｓｎを６２〜６４mass％含み、残部Ｐｂ及び不可避的不純物からなるＳｎ−Ｐｂ系はんだ合金で形成されているので、はんだ部の形成の際に、Ｃｕを含むＡｕ−Ｃｕ−Ｓｎ系あるいはＣｕ−Ｓｎ系の金属間化合物からなるＮｉ拡散抑制層がＮｉ層の上に容易に優先形成され、さらにその拡散抑制層が０．３〜１．０μm の厚さとされているので、特に１００ｈｒを超えるような長時間にわたる高温使用環境下において、はんだ部の接合性を劣化させるＮｉ−Ｓｎ系金属間化合物の生成を抑制することができ、高温耐久性に優れた電極構造を提供することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の電子部品の接続構造を、その製造方法とともに説明する。
【０００９】
図１は、はんだボール６を溶着する前の半導体素子を収容するパッケージの基板１およびその電極基部２を示している。前記電極基部２は、前記基板１に形成されたＣｕ帯層３の上にＮｉ層４、Ａｕ層５がめっき処理によって積層形成されている。前記各Ｃｕ帯層３は、半導体素子の端子に導通しており、その端子数に応じて基板１上に複数形成されている。前記電極基部２のＡｕ層５の上には、フラックスの塗布層（図示省略）を介してはんだボール６が載置されている。
【００１０】
このはんだボール６が載置されたパッケージを不活性ガス中にてリフロー（はんだの加熱溶融処理）すると、はんだボール６が溶融して前記電極基部２の上にはんだ部が形成された電極構造が得られる。
【００１１】
図２は、はんだボール溶着後の電極構造を示しており、電極基部２ＡのＮｉ層４の上にＮｉ拡散抑制層７を介して、溶着後のはんだによって形成されたはんだ部８が積層されている。溶着前の電極基部２のＡｕ層５は、１μm 程度以下とごく薄いため、溶着の際にはんだ内に拡散し、溶着後には層としてはほとんど観察されない。
【００１２】
前記はんだ部８は、mass％でＣｕを０．５〜５．０％含み、Ｓｎ、Ｐｂを必須成分としてなるＳｎ−Ｐｂ系はんだ合金によって形成されている。Ｓｎ量（残部Ｐｂ）は、通常のＳｎ−Ｐｂ系はんだ合金と同様、６２〜６４mass％程度とすればよい。その他の成分としては、不可避的不純物を含むが、はんだ合金の特性を向上させるために、Ａｇ等の補助成分を適量含有することができる。なお、はんだ部８にはＡｕ層５のＡｕが拡散により含まれるが、Ａｕは微量であり、はんだとしての物性を妨げないので材質的には無視することができる。
【００１３】
前記はんだ部８、あるいは溶着前のはんだボール６の成分については、Ｃｕが０．５〜５．０％含有していることが重要である。Ｃｕが０．５％未満では、Ｎｉ層の上にＮｉ拡散抑制層として作用する、例えば、（Ａｕ，Ｃｕ，Ｎｉ）6Ｓｎ5などのＡｕ−Ｃｕ−Ｓｎ系金属間化合物の生成が不十分となり、高温雰囲気に長時間曝されると、（Ａｕ，Ｎｉ）Ｓｎ3 などのＡｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系金属間化合物が成長して、はんだ部の接合強度を劣化させる。一方、５．０％を超えると、はんだ合金の融点が高くなり、溶着時の流動性が悪化するようになり、はんだ部の接合強度が低下する。このため、Ｃｕ含有量の下限を０．５％、好ましくは１．０％超とし、その上限を５．０％とする。
【００１４】
また、前記Ｎｉ拡散抑制層７の厚さは、１００ｈｒを超えるような長時間にわたる高温雰囲気に曝しても、はんだ部８の接合強度を劣化させる原因となるＡｕ−Ｎｉ−Ｓｎ系金属間化合物の生成、成長を抑制するには、後述の実施例から明らかなように０．３μm 以上の厚さを必要とする。一方、厚さが１．０μm を超えて厚くなると、Ｎｉ拡散抑制層７自体が脆い材質であるため、はんだ部８の接合強度が低下するようになる。また、Ｎｉ拡散抑制層７の形成に長時間を要するようになり、生産性が低下するほか、リフロー時に、溶融したはんだが長時間高温に曝されるようになるので、材質が劣化する。このため、Ｎｉ拡散抑制層７の層厚を０．３〜１．０μm 、好ましくは０．５〜１．０μm とするのがよい。
【００１５】
はんだボール６を溶着する際のリフロー条件は、最高到達温度（ピーク温度）を従来より高温の２２０〜２４０℃程度、好ましくは２２５〜２３５℃程度とし、２００℃以上の温度範囲における保持時間を４０〜８０秒程度、好ましくは５０〜７０秒程度とするのがよい。ピーク温度が２２５℃未満、保持時間が４０秒未満では、前記Ｎｉ拡散抑制層が十分な厚さに成長しない。一方、２４０℃超ではパッケージ基板が損傷するおそれが生じる。また、保持時間が８０秒を超えるとはんだの材質が劣化し、好ましくない。
【００１６】
上記実施形態では、はんだボール６を用いて電極基部２Ａにはんだ部８を形成する例を示したが、本発明は必ずしも、はんだボール６によってはんだ部８を形成することを要しない。例えば、ＰＧＡ（Pin Grid Array）のように、電極基部に前記Ｃｕ含有Ｓｎ−Ｐｂ系はんだ合金のはんだ部を介して接続用ピンが付設されたものであってもよい。また、上記実施形態では、はんだボール溶着前の電極基部２には、最表面層としてＡｕ層５を設けたが、Ａｕ層は必ずしも必要としない。この場合、Ｎｉ拡散抑制層７は、（Ｃｕ，Ｎｉ）6Ｓｎ5などのＣｕ−Ｓｎ金属間化合物によって形成される。
【００１７】
以下、実施例をあげて本発明をさらに説明するが、本発明はかかる実施例によって限定的に解釈されるものではない。
【００１８】
【実施例】
図１に示すように、パッケージの基板１に形成された厚さ３０μm のＣｕ帯層３の上に、厚さ７μm のＮｉ層４、厚さ０．７μm のＡｕ層５を順次電解めっきにより積層形成して電極基部２を形成した。この電極基部２のＡｕ層５の上にフラックスを塗布し、表１に示したＳｎ−Ｐｂ系はんだ合金組成のはんだボール（外径７４０μm ）６あるいはＣｕコアはんだボール（外径７４０μm 、Ｃｕコア外径６７０μm ）を載置し、同表に示したリフロー条件にて溶着した。なお、保持時間は、２００℃からピーク温度間の加熱時間を意味する。
【００１９】
溶着後、図２に示すように、はんだ部８と電極基部２Ａとの接合部の断面組織を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察したところ、元のＡｕ層５は観察されなかった。また、Ｎｉ層４の表面に金属間化合物層が生成していた。その生成化合物層の厚さを測定した結果を表１に併せて示す。さらに、ＥＤＸ（Energy Dispersion X-ray analysis）によって定性分析、定量分析を行い、生成化合物層の組織を同定したところ、試料No. ６の他は（Ａｕ，Ｃｕ，Ｎｉ）6Ｓｎ5相（表１中ではＣｕ−Ｓｎ相と表示）であった。一方、試料No. ６の金属間化合物は、（Ａｕ，Ｎｉ）Ｓｎ3 相（表１中ではＮｉ−Ｓｎ相と表示）であった。
【００２０】
【表１】
0004335404.tif 000002
【００２１】
次に、試料No. １〜４（実施例）および６〜８（比較例）の各試料を大気中で１５０℃の温度にて保持する高温保持試験を行い、１００ｈｒ、５００ｈｒ後のＮｉ層４上の生成化合物層の厚さを測定するとともに、はんだ部８の接合強度を測定した。接合強度は、室温にて歪み速度０．２mm／sec 、基板とツール間の距離を０．１mmとしてせん断試験を行って測定した。これらの結果を表２、図３および図４に示す。
【００２２】
【表２】
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【００２３】
これらの測定結果より、比較例、実施例とも１００ｈｒ程度の保持時間では生成化合物層は数μm 程度である。しかし、５００ｈｒになると実施例では４μm レベルに止まっているが、比較例では６μm 以上、著しいものでは１１μm に成長しており、接合強度（せん断強度）も実施例に比して著しい低下を示している。なお、Ｃｕコアボールを使用した比較例試料No. ８は、実施例より接合強度が劣るものの、比較例の中では良好な特性を示している。
【００２４】
【発明の効果】
本発明の電子部品の電極構造によれば、はんだ部がＣｕを０．５〜５．０mass％含有したＳｎ−Ｐｂ系はんだ合金で形成されているので、電極基部のＮｉ層にはんだ部をはんだ付けする際に、Ｎｉ層とはんだ部との間にＡｕ−Ｃｕ−Ｓｎ系あるいはＣｕ−Ｓｎ系の金属間化合物からなるＮｉ拡散抑制層が形成されやすく、また前記Ｎｉ拡散抑制層の厚さが０．３〜１．０μm に形成されているので、はんだ部と電極基部との接合部が高温耐久性に優れ、引いては電子部品の高温信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】はんだボール溶着前のパッケージ電極基部の断面模式図である。
【図２】はんだボール溶着後のパッケージ電極基部の断面模式図である。
【図３】実施例における高温保持時間と生成化合物層の厚さとの関係を示すグラフである。
【図４】実施例における高温保持時間と接合強度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１  基板
２  電極基部（はんだボール溶着前）
２Ａ  電極基部（はんだボール溶着後）
３  Ｃｕ帯層
４  Ｎｉ層
６  はんだボール
７  Ｎｉ拡散抑制層
８  はんだ部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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