(57)【要約】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。
2002005609.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
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。
【請求項１１】
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。
【請求項１２】
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。
【請求項１３】
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。
【請求項１４】
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。
【請求項１５】
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。
【発明の詳細な説明】
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。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図３ｄ】
2002005609.tif 000009
【図３ｅ】
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【図３ｆ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
2002005609.tif 000014
【図４ｄ】
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【図４ｅ】
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【図４ｆ】
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【図４ｇ】
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【図５】
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【図６ａ】
2002005609.tif 000020
【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図６ｄ】
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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【図８ｄ】
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【図８ｅ】
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【手続補正書】
【提出日】平成13年11月7日(2001.11.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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




【国際調査報告】
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