JP5065978B2 - Ｐｂレス半田の半田付け方法及びその半田付け品 - Google Patents

Description

本発明は、Ｐｂレス半田の半田付け方法及びその半田付け品に係わり、特に、ＮｉメッキされたＣｕ又はＣｕ合金からなるパターンにＰｂレス半田を半田付けする方法及びその半田付け品に関する。

従来のＰｂレス半田の半田付け品の一例について説明する。
多層プリント配線板などの基板にＣｕ又はＣｕ合金のパターンからなる導体回路が設けられ、この導体回路上にＮｉめっき層が設けられ、Ｎｉめっき層上の合金層を介して半田バンプが接続されている。この半田バンプを構成する半田として、Ｃｕ１ｗｔ％、Ａｇ２ｗｔ％、Ｓｎ９７ｗｔ％のＰｂレス半田を用いている。

次に、上記Ｐｂレス半田の半田付け方法について説明する。
多層プリント配線板などの基板の導体回路上にＮｉめっき層、Ｐｄ層、Ａｕ層を順じ形成する。これにより、これら３層の複合層から成る半田パッドが形成される。次に、この半田パッド上に半田を塗布し、リフローすることにより、半田パッド上に半田バンプを形成する。このリフローの際に、Ｐｄ層及びＡｕ層は、半田バンプ側に拡散して無くなり、Ｎｉめっき層と半田バンプとの界面に、Ｎｉめっき層と半田組成金属との合金層が形成される（例えば特許文献１参照）。

特開２００６−１１４７０５号公報（段落第４３〜第５１及び図６）

ところで、上記従来のＰｂレス半田の半田付け方法では、Ｃｕ又はＣｕ合金のパターンからなる導体回路と半田バンプとの間にＮｉめっき層を設けることにより、このＮｉめっき層がバリア層としての役割を果たし、半田バンプと導体回路の金属が相互に拡散するのを防止している。

しかしながら、Ｐｂレス半田はＰｂ含有半田に比べて半田付け温度を高くする必要がある。このため、Ｎｉめっき層の厚さが比較的に薄かったり、半田付けの際の加熱時間が長いなどの熱処理条件によってはＮｉめっき層の一部がＰｂレス半田に拡散して消失し、それによりＮｉめっき層が部分的にバリア層として機能しなくなることがある。その結果、Ｐｂレス半田とＣｕ又はＣｕ合金のパターンとの接合強度が低下し、Ｐｂレス半田による半田付けの信頼性が低下する。そのため、Ｐｂ含有半田に比べて厚いＮｉめっき層を形成する必要があり、めっきコストが増大する。
また、Ｎｉめっき層は、Ｃｕ又はＣｕ合金のパターン及び基板に対してめっき応力を発生する。このめっき応力は、Ｎｉめっきの厚さが厚い程大きくなり、基板の信頼性を低下させる恐れがある。めっき応力は、Ｎｉめっきが例えば無電解Ｎｉ−Ｐめっき等の合金めっきで顕著である。また、基板がセラミックス基板の場合は、めっき応力が大きいためにセラミックス基板が例えば電子部品のアセンブリ工程等で割れる恐れもある。

本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、Ｎｉめっき層の厚さが薄くてもＰｂレス半田とＣｕ又はＣｕ合金からなるパターンとの接合強度を向上させることができるＰｂレス半田の半田付け方法及びその半田付け品を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係るＰｂレス半田の半田付け方法は、Ｃｕ又はＣｕ合金からなるパターンにＮｉめっき層を形成する工程と、
前記パターンに前記Ｎｉめっき層を介してＳｎを主成分とするＰｂレス半田を配置し、半田付け処理する工程と、
を具備し、
前記半田付け処理する工程により、前記Ｎｉめっき層の少なくとも一部を消失させて前記パターンに前記Ｐｂレス半田を接合することを特徴とする。

上記本発明に係るＰｂレス半田の半田付け方法によれば、Ｎｉめっき層の厚さに対して半田付け時の加熱量を大きくすることによりＮｉめっき層の少なくとも一部を消失させることにより、パターンとＰｂレス半田との接合強度を高めることができる。

また、本発明に係るＰｂレス半田の半田付け方法において、前記Ｐｂレス半田を前記パターンに接合した接合部に、前記パターン中のＣｕと前記Ｎｉめっき層中のＮｉと前記Ｐｂレス半田中のＳｎが相互に拡散して生成したＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ相又はＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ化合物をさらに具備することが好ましい。これにより、パターンとＰｂレス半田との接合強度を高めることができる。

また、本発明に係るＰｂレス半田の半田付け方法において、前記半田付け処理する工程により、前記Ｐｂレス半田に前記パターン中のＣｕが拡散することも可能である。これにより、パターンとＰｂレス半田との接合強度を高めることができる。

また、本発明に係るＰｂレス半田の半田付け方法において、前記パターンに前記Ｐｂレス半田を接合した後の接合面はうねりを有し、前記うねりの幅が３μｍ以上であることも可能である。
また、本発明に係るＰｂレス半田の半田付け方法において、前記Ｎｉめっき層が無電解Ｎｉ合金めっき層又は電解Ｎｉめっき層であることも可能である。

本発明に係るＰｂレス半田の半田付け品は、Ｃｕ又はＣｕ合金からなるパターンと、
前記パターンに接合されたＳｎを主成分とするＰｂレス半田と、
前記パターンと前記Ｐｂレス半田との接合部に形成されたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ相又はＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ化合物と、
を具備することを特徴とする。

また、本発明に係るＰｂレス半田の半田付け品において、前記接合部にＣｕ−Ｓｎ相又はＣｕ−Ｓｎ化合物を有することも可能である。

また、本発明に係るＰｂレス半田の半田付け品において、前記パターンに前記Ｐｂレス半田を接合した接合面は、うねりを有し、前記うねりの幅が３μｍ以上であることも可能である。

以上説明したように本発明によれば、Ｎｉめっき層の厚さが薄くてもＰｂレス半田とＣｕ又はＣｕ合金からなるパターンとの接合強度を向上させることができるＰｂレス半田の半田付け方法及びその半田付け品を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態によるＰｂレス半田の半田付け方法を説明するための模式的な断面図である。

図１は、本発明によるＰｂレス半田の半田付け品の構造の一例を示すものである。従って、本発明のＰｂレス半田の半田付け品は、図１に示すものに限られず、ＮｉメッキされたＣｕ又はＣｕ合金からなるパターンにＰｂレス半田を半田付けする製品又は部品を全て含むものとし、前記パターンに前記Ｐｂレス半田によって接続する接続物も特に制限されず、種々のものを用いることができる。前記パターンは、Ｃｕ又はＣｕ合金からなるパターン又は部材を含む意味である。前記半田付け品は、例えば、セラミック基板上にＣｕ又はＣｕ合金からなる回路パターンが形成され、この回路パターンにＮｉめっき層が形成されたものが挙げられる。前記接続物は例えば電子部品が挙げられる。

本実施の形態では、図１に示すようなサンプルを複数作製し、これらのサンプルによってＰｂレス半田とＣｕパターンとの接合強度をピール試験により測定し、その結果から本発明に含まれるＰｂレス半田の半田付け方法及びその半田付け品の具体的な範囲を明らかにする。

まず、Ｐｂレス半田を付ける対象品を用意した。この対象品は、図１に示すように、基板１の表面及び裏面にＣｕパターン２が形成され、このＣｕパターン２の表面にＮｉめっき層３が形成され、Ｃｕパターン２の中央上にＮｉめっき層３を介して開口部を有する半田レジスト４が設けられたものである。本実施の形態では、無電解Ｎｉ−ＰめっきをＮｉめっき層として形成した。また、この対象品にＰｂレス半田によって接合する純Ｎｉ板６を用意した。この純Ｎｉ板６は、厚さ０．２ｍｍの圧延Ｎｉ板を２０ｍｍ×７ｍｍに切断し、長手方向の先端側７ｍｍを曲げてＬ字型に加工したものである。基板１は例えばセラミックス基板であり、セラミックスの材質がアルミナ、窒化Ａｌ、窒化珪素を主成分とすることが好ましい。Ｎｉめっき層３は、無電解Ｎｉ−Ｐめっき、無電解Ｎｉ−Ｂめっきまたは電解Ｎｉめっきであることが好ましい。半田レジストは、半田が不要に広がるのを防止するもので必ずしも必要ではない。また、半田レジストは、例えばインクであり、スクリーン印刷等で所定のＣｕパターン２の位置、そして所定の形状に印刷し、その後、紫外線や熱により硬化させることにより形成する。被接合物は純Ｎｉ板６で模式図（図１）には示されているが、例えばＣｕ板、半導体やダイオード等の通常半田付けで表面実装するものであればかまわない。

次に、半田レジスト４は開口部５ｍｍ×５ｍｍ、厚さ０．６ｍｍのメタルマスクを用い、ペースト状のＰｂレス半田５をスクリーン印刷により塗布し、この塗布したＰｂレス半田５上に純Ｎｉ板６を設置した。この際、Ｐｂレス半田５と純Ｎｉ板６との接触面積は約７×７ｍｍ^２となっており、Ｐｂレス半田の厚さは３５０μｍ程度であった。このような構成でＮｉめっき層３の厚さを１μｍ、２μｍ、３μｍ、４μｍ、５μｍと変更したサンプルを複数準備した。なお、本実施の形態では、Ｐｂレス半田５として９６．５ｗｔ％Ｓｎ−３ｗｔ％Ａｇ−０．５ｗｔ％Ｃｕ合金を用いたが、Ｓｎを主成分とするＰｂレス半田であれば他の合金を用いることも可能である。その他のＰｂレス半田の組成としては、例えば９９．３Ｓｎ−０．７Ｃｕ、９６．５Ｓｎ−３．５Ａｇ等のＳｎが９０ｗｔ％以上であるものが好ましい。なお、形態としてはペースト、箔、めっきや線状のものがあるが、特に限定されない。

この後、前記複数のサンプルを半田付け炉へ投入し、２７５℃の温度で３分、６分、８分と保持時間を変更した半田付け処理を行った。この際の半田付け炉の雰囲気は、窒素が８０％、水素が２０％である。

次に、半田付け後のサンプルに熱処理を施した。詳細には、１２５℃、１５０℃に加熱したオーブン中へ半田付け後のサンプルを投入し、０時間（熱処理無し）、５０時間、１００時間、２００時間、３００時間保持した後に空冷した。なお、この熱処理は、１２５℃、１５０℃の温度による半田付け性（密着強度等）の経時変化を確認することを目的とする。

その後、このサンプルの半田付け面の断面観察をレーザー顕微鏡によって行い、Ｎｉめっき層の厚さを測定した。その結果を図２〜図４に示す。

図２は、Ｎｉめっき層の厚さ（メッキ厚）と半田付け時間との関係を示す図である。これを測定したサンプルとして経時変化を確認する熱処理を行わなかったものを用いた。
図３は、Ｎｉめっき層の厚さ（メッキ厚）と経時変化確認のための熱処理時間との関係を示す図である。これを測定したサンプルとして経時変化を確認する熱処理温度を１２５℃のものを用いた。
図４は、Ｎｉめっき層の厚さ（メッキ厚）と経時変化確認のための熱処理時間との関係を示す図である。これを測定したサンプルとして経時変化を確認する熱処理温度を１５０℃のものを用いた。図２〜図４のＮｉめっき層は、所定の厚さのＮｉめっきを施した後に、Ｐｂレス半田等との相互拡散等により減少した残留Ｎｉめっき層の厚さであり、Ｎｉと他の元素が合金となっている場合もある。

図２によれば、半田付け時間が長いほどメッキ厚は薄くなる傾向が確認された。これは、Ｐｂレス半田中へＮｉめっき層のＮｉが拡散していると考えられる。後述するＥＤＳ分析結果からも多くのＮｉがＰｂレス半田中へ拡散していることが確認された。

図３及び図４によれば、熱処理時間が長いほどメッキ厚は若干薄くなる傾向が確認された。ただし、メッキ厚の大きな減少は認められていない。
傾向としてはＮｉめっき層の厚さが減少する方向であったが、減少量は非常に微量であった。熱処理時（１２５℃、１５０℃）にはＮｉの拡散は顕著には起こっていないと考えられる。

図２〜図４によれば、熱処理時と比較して半田付け時はＮｉめっき層の減少が極端に早いことが確認された。
半田付け時は半田温度が高く、また溶融しているため、Ｎｉの拡散が極端に早く進むと考えられる。Ｎｉの拡散を抑えるには、半田付け時間を短くする必要があると考えられる。

その後、このサンプルの半田付け面の断面の形状観察及び断面の元素のマッピング分析をＳＥＭ−ＥＤＳ（走査電子顕微鏡およびそれに付帯したエネルギー分散型Ｘ線分光器）によって行った。その結果、Ｎｉめっき層の厚さが１μｍで２７５℃の半田付け理時間が６分と８分のサンプル、及び、Ｎｉめっき層の厚さが２μｍで半田付けの際の処理時間が８分のサンプルすべてについては、下記（１）〜（４）のことが確認された。
（１）半田付け面のＮｉめっき層の少なくとも一部が消失していること
（２）Ｃｕパターン２のＣｕとＮｉめっき層３中のＮｉとＰｂレス半田５中のＳｎが相互に拡散したＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ相又はＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ化合物が接合部（Ｐｂレス半田側あるいは接合面）に形成されていること
（３）Ｐｂレス半田５にＣｕパターン２中のＣｕが拡散していること
（４）Ｃｕパターン２にＰｂレス半田５を接合した後の接合面はうねりを有し、このうねりの幅が３μｍ以上であること。なお、接合前のうねりは断面のレーザー顕微鏡による４５００倍での観察ではほとんど確認できず、１μｍ未満である。
（５）Ｎｉ−Ｓｎ相またはＮｉ−Ｓｎ化合物が存在しない、または確認が困難であること

図５は、Ｎｉめっき層の厚さが１μｍで半田付けの際の熱処理時間が８分で経時変化を確認するための熱処理を行わなかったサンプルの半田付け面の断面観察及びマッピング分析の結果を示す図である。図５に示すように、このサンプルにおいて上記（１）〜（５）のことが確認された。

図６は、Ｎｉめっき層の厚さが５μｍで半田付けの際の熱処理時間が８分で経時変化を確認するための熱処理を行わなかったサンプルの半田付け面の断面観察及びマッピング分析の結果を示す図である。図６に示すように、このサンプルにおいては、半田付け面のＮｉめっき層が約３．０μｍ残されていることが確認され、Ｎｉめっき層３の近傍にＮｉ−Ｓｎ層が確認されたが、上記（１）〜（５）のことは確認されなかった。

この後、前記熱処理後のサンプルのピール強度を測定する。詳細には、サンプルを引張試験機にてＣｕパターン及び基板を拘束し、純Ｎｉ板６の一端を引っ張ることでＰｂレス半田５がＮｉメッキされたＣｕパターン２から剥離する荷重を測定する。純Ｎｉ板６の半田接合部は、引張部に対してほぼ９０°であるため、９０°ピール試験を行うことになる。
次にこの測定後のサンプルの剥離位置（剥離モード）を観察した。

上記の試験結果（ピール強度及び剥離位置）を表１及び表２に示している。表１は、経時変化を確認する熱処理温度が１２５℃のサンプルの試験結果を示しており、表２は、経時変化を確認する熱処理温度が１５０℃のサンプルの試験結果を示している。なお、表１、表２で示す剥離位置を「Ｎｉメッキ」と示しているのは、端子側の剥離面の全面にＮｉめっき層３が半田により引き剥がされくっついており、サンプル（基板側）のＮｉめっきが剥離し、Ｃｕパターンが露出していた場合を意味し、前記剥離位置を「端子」と示しているのは、サンプル（基板側）の剥離面には半田が残っており、端子と半田の間で剥がれた場合を意味し、前記剥離位置を「端子＋メッキ」と示しているのは、サンプル（基板側）の剥離面の一部にＮｉめっき層３が残され、他の部分にＣｕパターン２が露出していた前記「Ｎｉメッキ」と「端子」のモードが混在する場合を意味する。

表１及び表２に示すように、ピール強度測定結果から以下のことが確認された。
前述した（１）〜（４）のことが確認されたサンプル、即ち、Ｎｉめっき層の厚さが１μｍで半田付けの際の熱処理時間が６分と８分のサンプル、及び、Ｎｉめっき層の厚さが２μｍで半田付けの際の熱処理時間が８分のサンプルについては、ピール強度が比較的高く、剥離位置が「端子」の傾向にあった。ピール強度が高いことは、Ｐｂレス半田とＣｕパターンとの接合強度が高いことを意味し、剥離位置が「端子」であることは、概してＰｂレス半田による半田付けの信頼性が高いことを意味する。また、Ｎｉめっき層の厚さが１μｍで半田付け処理時間が８分のとき前記（１）〜（５）のことが確認され特に好ましい。

本発明のＰｂレス半田の密着強度の向上のメカニズムについて以下の通り推察する。

表３にＳＥＭ−ＥＤＳによるサンプルの断面観察結果と、端子のピール（引き剥がし）強度測定値及び剥離モードの結果をまとめた。

表３中の実施例、比較例、参考例は、表２に記載のサンプルから抽出して、Ｐｂレス半田とＮｉめっきを介したＣｕパターンの接合断面を観察したものである。
すなわちＣｕパターン上に１〜５μｍの無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施したものの表面に、Ｎｉ端子をＰｂレス半田（９７ｗｔ％Ｓｎ−２ｗｔ％Ａｇ−１ｗｔ％Ｃｕ）を介して２７５℃で所定の時間半田付けしたもので、さらには、所定の温度で所定時間熱処理を実施したときのサンプルの断面を切断し、ＳＥＭ−ＥＤＳで元素のマッピングを行い、どのような相または化合物ができているか、また接合界面のうねりの大きさを測定し、まとめたものである。また、参考のためピール試験によるピール強度と剥離モードも列記した。

表３より、実施例１はＮｉめっき厚が１μｍであって、２７５℃の半田付け処理時間が８分、熱処理なしのサンプルである。
半田付け後はＮｉめっき層の残留は確認できず、元のＮｉめっき層付近のＣｕパターンのＣｕ相とＰｂレス半田側の界面（接合面とする）は３μｍ以上のうねりを有していた。また、Ｐｂレス半田側にはＳｎ相、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ相またはＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ化合物、Ｃｕ−Ｓｎ相またはＣｕ−Ｓｎ化合物が確認できた。ピール試験による密着強度は１０１．９Ｎ／ｃｍ、剥離モードは「端子」であった。

比較例１はＮｉめっき厚が１μｍであって、２７５℃の半田付け処理時間が３分、熱処理温度１５０℃×熱処理時間３００時間のサンプルである。
半田付け後はＮｉめっき層が約０．４μｍの厚さでわずかに残留しており、ＣｕパターンのＣｕ相とＮｉめっき層の界面（接合界面とする）は２μｍ程度のうねりを有していた。また、Ｐｂレス半田側にはＳｎ相、Ｃｕ−Ｓｎ相またはＣｕ−Ｓｎ化合物確認できた。また、接合面のＮｉめっき層が残留しており、ＥＤＳによるとＮｉ−Ｓｎ層となっていることがわかった。ピール試験による密着強度は１９．６Ｎ／ｃｍ、剥離モードは「Ｎｉめっき」であった。

実施例２はＮｉめっき厚が１μｍであって、２７５℃の半田付け処理時間が８分、熱処理温度１５０℃×熱処理時間３００時間のサンプルである。
半田付け後はＮｉめっき層の残留は確認できず、元のＮｉめっき層付近のＣｕパターンのＣｕ相とＰｂレス半田側の界面（接合界面とする）は５μｍ以上のうねりを有していた。また、Ｐｂレス半田側にはＳｎ相、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ相またはＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ化合物、Ｃｕ−Ｓｎ相またはＣｕ−Ｓｎ化合物が確認できた。また元のＮｉめっき層（接合部）付近に、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ相またはＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ化合物、Ｃｕ−Ｎｉ相またはＣｕ−Ｎｉ化合物が確認された。ピール試験による密着強度は５１．０Ｎ／ｃｍ、剥離モードは「端子＋Ｎｉめっき」であった。

比較例２はＮｉめっき厚が３μｍであって、２７５℃の半田付け処理時間が３分、熱処理温度１５０℃×熱処理時間３００時間のサンプルである。
半田付け後はＮｉめっき層が約１．１μｍの厚さで残留しており、ＥＤＳによるとその層はＮｉ−Ｓｎ相またはＮｉ−Ｓｎ化合物であった。また、ＣｕパターンのＣｕ相とＮｉめっき層の界面（接合界面とする）はうねりがなかった。
また、Ｐｂレス半田側にはＳｎ相、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ相またはＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ化合物、およびＮｉ−Ｓｎ相またはＮｉ−Ｓｎ化合物の確認ができた。
ピール試験による密着強度は１７．６Ｎ／ｃｍ、剥離モードは「Ｎｉめっき」であった。

参考例１はＮｉめっき厚が３μｍであって、２７５℃の半田付け処理時間が８分、熱処理温度１５０℃×熱処理時間３００時間のサンプルである。
半田付け後はＮｉめっき層が約０．９μｍの厚さで残留しており、ＥＤＳによるとその層はＮｉ−Ｓｎ相またはＮｉ−Ｓｎ化合物とＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ相またはＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ化合物からなっていた。また、ＣｕパターンのＣｕ相とＮｉめっき層の界面（接合界面とする）は１．５μｍ程度のうねりがあった。
また、Ｐｂレス半田側にはＳｎ相、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ相またはＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ化合物、およびＮｉ−Ｓｎ相またはＮｉ−Ｓｎ化合物の確認ができた。
ピール試験による密着強度は１００．０Ｎ／ｃｍ、剥離モードは「端子」であった。

参考例２はＮｉめっき厚が４μｍであって、２７５℃の半田付け処理時間が３分、熱処理温度１５０℃×熱処理時間３００時間のサンプルである。
半田付け後はＮｉめっき層が約２．０μｍの厚さで残留しており、ＥＤＳによるとその層はＮｉ−Ｓｎ相またはＮｉ−Ｓｎ化合物とＮｉ相からなっていた。また、ＣｕパターンのＣｕ相とＮｉめっき層の界面（接合界面とする）はうねりがなかった。
また、Ｐｂレス半田側にはＳｎ相、Ｎｉ−Ｓｎ相またはＮｉ−Ｓｎ化合物の確認ができた。
ピール試験による密着強度は１０１．９Ｎ／ｃｍ、剥離モードは「端子」であった。

参考例３はＮｉめっき厚が４μｍであって、２７５℃の半田付け処理時間が８分、熱処理温度１５０℃×熱処理時間３００時間のサンプルである。
半田付け後はＮｉめっき層が約１．５μｍの厚さで残留しており、ＥＤＳによるとその層はＮｉ−Ｓｎ相またはＮｉ−Ｓｎ化合物とＮｉ相からなっていた。また、ＣｕパターンのＣｕ相とＮｉめっき層の界面（接合界面とする）は１．０μｍ程度のうねりがあった。
また、Ｐｂレス半田側にはＳｎ相、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ相またはＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ化合物が確認された。
ピール試験による密着強度は６４．７Ｎ／ｃｍ、剥離モードは「Ｎｉめっき」であった。

参考例４はＮｉめっき厚が５μｍであって、２７５℃の半田付け処理時間が３分、熱処理温度１５０℃×熱処理時間３００時間のサンプルである。
半田付け後はＮｉめっき層が約２．５μｍの厚さで残留しており、ＥＤＳによるとその層はＮｉ−Ｓｎ相またはＮｉ−Ｓｎ化合物とＮｉ相からなっていた。また、ＣｕパターンのＣｕ相とＮｉめっき層の界面（接合界面とする）はうねりがなかった。
また、Ｐｂレス半田側にはＳｎ相、Ｎｉ−Ｓｎ相またはＮｉ−Ｓｎ化合物が確認された。
ピール試験による密着強度は９０．２Ｎ／ｃｍ、剥離モードは「端子」であった。

参考例５はＮｉめっき厚が５μｍであって、２７５℃の半田付け処理時間が８分、熱処理温度１５０℃×熱処理時間３００時間のサンプルである。
半田付け後はＮｉめっき層が約２．０μｍの厚さで残留しており、ＥＤＳによるとその層はＮｉ−Ｓｎ相またはＮｉ−Ｓｎ化合物とＮｉ相からなっていた。また、ＣｕパターンのＣｕ相とＮｉめっき層の界面（接合界面とする）は０．５μｍ程度のうねりがあった。
また、Ｐｂレス半田側にはＳｎ相、Ｎｉ−Ｓｎ相またはＮｉ−Ｓｎ化合物が確認された。
ピール試験による密着強度は６６．６Ｎ／ｃｍ、剥離モードは「Ｎｉめっき」であった。

参考例６はＮｉめっき厚が５μｍであって、２７５℃の半田付け処理時間が８分、熱処理なしのサンプルである。
半田付け後はＮｉめっき層が約２．３μｍの厚さで残留しており、ＥＤＳによるとその層はＮｉ−Ｓｎ相またはＮｉ−Ｓｎ化合物とＮｉ相からなっていた。また、ＣｕパターンのＣｕ相とＮｉめっき層の界面（接合界面とする）は１．０μｍ程度のうねりがあった。
また、Ｐｂレス半田側にはＳｎ相、Ｎｉ−Ｓｎ相またはＮｉ−Ｓｎ化合物が確認された。
ピール試験による密着強度は８６．２Ｎ／ｃｍ、剥離モードは「端子」であった。

以上が表３の実施例、比較例、参考例のＳＥＭ−ＥＤＳによる断面分析結果である。
なお、上述のＮｉの存在する場所には常にＰが存在しており、Ｎｉの存在している場所とＰの存在している場所は一致していたが、上述では便宜上省略した。

さらに、表３の比較例１について、ピール強度試験を終えた後のＮｉ端子の接合界面（破断面）について同様にＳＥＭ−ＥＤＳにより元素分析を行ったところ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｐが検出された（図示しない）。

以上、表３の接合断面観察および破断面の観察により、Ｎｉめっきの密着性を劣化させるメカニズムは以下のように推察される。

まず、半田付け処理などの熱処理により、Ｎｉ−Ｓｎ相のまたはＮｉ−Ｓｎ化合物が、ＮｉめっきとＰｂレス半田の界面付近、そしてＰｂレス半田中に形成される。
Ｎｉ−Ｓｎ相またはＮｉ−Ｓｎ化合物は、さらに熱を加えることによりＮｉとＳｎの拡散が進んでその量が増大し、元のＮｉめっき層が薄くなっていく。このとき、Ｎｉ相が薄くなりすぎると急速に密着強度が低下することが推測される。
すなわち、Ｎｉ−Ｓｎ相またはＮｉ−Ｓｎ化合物の生成・存在が密着強度劣化の１つの大きな要因であると考えられる。これは、破断面の観察によりＮｉ、Ｓｎ、Ｐの元素が確認されていること、比較例１、比較例２において元のＮｉめっき層付近にＮｉ−Ｓｎ相またはＮｉ−Ｓｎ化合物が確認されていることから裏付けられる。

そこで、参考例２〜６のように、ある程度元のＮｉめっき層の厚さを予め厚くしておくと、接合面にＮｉ相が存在し、半田付けの密着強度の低下を防止できる。これが、従来、そして現状のめっきの密着強度の劣化防止対策であり、効果をあげている。

さらに、参考例２〜６を詳しくみてみると、半田付け処理で付与された熱量の大きい参考例３、５においては、密着強度（ピール強度）は５０Ｎ／ｃｍ以上で良好であるものの、剥離モードが「Ｎｉめっき」である。このことは、もし熱処理（熱量）がさらに加わるとＮｉ−Ｓｎ相またはＮｉ−Ｓｎ化合物がＮｉ相を薄くし、いずれ密着強度の劣化を招くといったことが予測される。この剥離モードが「端子」から「Ｎｉメッキ」になっていることがその兆候であると考えられる。

一方、本発明である実施例１、２は、前記のＮｉめっきの厚さを厚くしてＮｉめっき層が反応によって薄くなるのを防止し、Ｎｉめっき相を残留させようとする方法とは全く異なる。

本発明はむしろＮｉめっき相は薄くしておき、Ｎｉめっき層の少なくとも１部を消失させ、そして、拡散によりＮｉ−Ｓｎ相またはＮｉ−Ｓｎ化合物が、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ相またはＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ化合物になるまで、熱を加えることによる。
すなわち、従来のようにＮｉめっきを残留させてバリア層として作用させるのではなく、Ｎｉめっき層を消失させ、密着性低下の要因と考えられるＮｉ−Ｓｎ相またはＮｉ−Ｓｎ化合物を一端生成させることになると考えられるが、さらに熱を加えることでＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ相またはＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ化合物になるまで反応を進めるのである。このことで、密着強度の劣化は抑えられることがわかった。表３の実施例１、２の結果がそれを裏付けていると考えられる。

本発明は、従来の半田付け処理条件の２〜３倍の熱量を与えることで、上記反応が進み、且つ一旦低下した密着強度が再び高い密着強度を持つことを見出し、本発明の完成にいたった。

また、反応が適当に進んでいることの指標として、さらにＣｕ−Ｓｎ相またはＣｕ−Ｓｎ化合物が存在すること、接合界面のうねりが３μｍ以上とすることが好ましい。

なお、うねりとは、接合基板の断面を観察したときのＣｕパターンのＣｕ相と他の相（ＮｉあるいはＰｂレス半田など）との界面が波打っているときの上下の幅を指す。
接合前のＣｕパターンの表面の粗さは０．１μｍ以下であり、また基板にＣｕパターンを接合した後のＣｕ板はＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で断面を５０００倍に拡大した程度では、表面にうねりとして測定できる程のものは認められなかった。

なおＮｉめっきなしでは、酸化などのＣｕまたはＣｕ合金のパターンの経時変化が防止できず、さらに、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ相またはＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ化合物の強度の高い部分を形成することができないので、施すＮｉめっき厚さの下限は０．３μｍが好ましく、さらには０．５μｍ以上が好ましい。

また、Ｎｉめっきを施すコストおよびＮｉめっきの応力の基板に対する影響を考慮すると、上限は３μｍ程度が妥当であり、より好ましくは２．５μｍである。
すなわちＮｉめっきを０．３〜３μｍ、好ましくは０．５〜２．５μｍの範囲に施した後、半田付け処理などの熱処理により、Ｎｉめっき層の少なくとも一部を消失させることが好ましい。

なお、ＳＥＭ−ＥＤＳによれば、例えばＮｉ−Ｓｎ相とＮｉ−Ｓｎ化合物の区別が困難であるため、Ｎｉ−Ｓｎ相またはＮｉ−Ｓｎ化合物としているが、従来の文献や熱力学的に考えると、Ｎｉ−Ｓｎ化合物としても問題ない。

以上の試験結果から、Ｎｉめっき層の厚さに対して半田付け時の加熱量を大きくすることによりＮｉめっき層を消失させることができ、それにより、Ｃｕパターン２とＰｂレス半田５との接合強度を高めることができ、Ｐｂレス半田による半田付けの信頼性が向上することが確認できた。また、１２５℃、１５０℃の温度で経時変化を確認する熱処理を施しても、Ｃｕパターン２とＰｂレス半田５との接合強度及び半田付けの信頼性が共に低下しないことが確認できた。

また、Ｃｕパターン２のＣｕとＮｉめっき層３中のＮｉとＰｂレス半田５中のＳｎが相互に拡散したＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ相又はＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ化合物が半田付け面に形成されることにより、Ｃｕパターン２とＰｂレス半田５との接合強度を高めることができることが確認できた。
また、Ｐｂレス半田５にＣｕパターン２中のＣｕが拡散することにより、Ｃｕパターン２とＰｂレス半田５との接合強度を高めることができることが確認できた。
また、Ｃｕパターン２にＰｂレス半田５を接合した後の接合面はうねりを有し、このうねりの幅が３μｍ以上であることにより、Ｃｕパターン２とＰｂレス半田５との接合強度を高めることができることが確認できた。

従来は、Ｎｉめっき層をバリアとして機能させることにより、ＳｎのＣｕパターンへの拡散を防止し、それにより半田とＣｕパターンとの接合強度を高く維持していた。このため、半田付け温度が高くなるＰｂレス半田を用いる場合は、その半田付け温度及び時間に応じてＮｉめっき層を厚く形成する必要があった。しかしながら、本実施の形態では、Ｎｉめっき層を消失させることにより接合強度及び信頼性を向上させることができるため、Ｎｉめっき層を薄く形成することが可能となる。

Ｎｉめっき層３の厚さは、半田付け時の加熱量によるが、半田付け時の加熱温度が２７５℃で６分以上であれば１μｍ以下とすることが可能となり、また、半田付け時の加熱温度が２７５℃で８分以上であれば２μｍ以下とすることが可能となる。

尚、本発明は上記実施の形態及び上記実施例に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。

本発明の実施の形態によるＰｂレス半田の半田付け方法を説明するための模式的な断面図である。 Ｎｉめっき層の厚さ（メッキ厚）と半田付け時間との関係を示す図である。 Ｎｉめっき層の厚さ（メッキ厚）と経時変化確認のための熱処理時間との関係を示す図である。 Ｎｉめっき層の厚さ（メッキ厚）と経時変化確認のための熱処理時間との関係を示す図である。 Ｎｉめっき層の厚さが１μｍのサンプルの断面マッピング分析の結果を示す図である。 Ｎｉめっき層の厚さが５μｍのサンプルの断面マッピング分析の結果を示す図である。

符号の説明

１…基板
２…Ｃｕパターン
３…Ｎｉめっき層
４…半田レジスト
５…Ｐｂレス半田
６…純Ｎｉ板

Claims (9)

1. Ｃｕ又はＣｕ合金からなるパターンにＮｉめっき層を形成する工程と、
   前記パターンに前記Ｎｉめっき層と接するＳｎを主成分とするＰｂレス半田を配置し、半田付け処理する工程と、
   を具備し、
   前記半田付け処理する工程により、前記Ｎｉめっき層の少なくとも一部を消失させて前記パターンに前記Ｐｂレス半田を接合することを特徴とするＰｂレス半田の半田付け方法。
2. 請求項１において、前記Ｐｂレス半田を前記パターンに接合した接合部に、前記パターン中のＣｕと前記Ｎｉめっき層中のＮｉと前記Ｐｂレス半田中のＳｎが相互に拡散して生成したＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ相又はＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ化合物をさらに具備することを特徴とするＰｂレス半田の半田付け方法。
3. 請求項１又は２において、前記半田付け処理する工程により、前記Ｐｂレス半田に前記パターン中のＣｕが拡散することを特徴とするＰｂレス半田の半田付け方法。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項において、前記パターンに前記Ｐｂレス半田を接合した後の接合面はうねりを有し、前記うねりの幅が３μｍ以上であることを特徴とするＰｂレス半田の半田付け方法。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項において、前記Ｎｉめっき層が無電解Ｎｉ−Ｐめっき又は無電解Ｎｉ−Ｂめっきからなる無電解Ｎｉめっき合金層、又は電解Ｎｉめっき層であることを特徴とするＰｂレス半田の半田付け方法。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項において、前記Ｎｉめっき層の厚さが０．５μｍ〜２．５μｍであることを特徴とするＰｂレス半田の半田付け方法。
7. Ｃｕ又はＣｕ合金からなるパターンと、
   前記パターンに接合されたＳｎを主成分とするＰｂレス半田と、
   前記パターンと前記Ｐｂレス半田との接合部に形成されたＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ相又はＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ化合物と、
   を具備し、
   前記接合部にはＡｕが含まれていないことを特徴とするＰｂレス半田の半田付け品。
8. 請求項７において、前記接合部にＣｕ−Ｓｎ相又はＣｕ−Ｓｎ化合物を有することを特徴とするＰｂレス半田の半田付け品。
9. 請求項７又は８において、前記パターンに前記Ｐｂレス半田を接合した接合面は、うねりを有し、前記うねりの幅が３μｍ以上であることを特徴とするＰｂレス半田の半田付け品。