説明

めっき膜及びその形成方法

【課題】外部応力に伴うウィスカの成長を効果的に抑制することができるめっき膜及びその形成方法を提供する。
【解決手段】リードフレーム10を構成する基材11の表面及び裏面には、錫又は錫合金からなる錫めっき膜13が形成されている。錫合金としては、例えば錫−銅合金(銅の含有量:2質量%)、錫−ビスマス合金(ビスマスの含有量:2質量%)等が挙げられる。基材11は、例えばCu合金等から構成されている。錫めっき膜13内には、複数の結晶粒12が不規則に配列している。更に、錫めっき膜13中に、複数の空隙部14が存在する。その後に曲げ加工等が行われても、錫めっき膜13中に空隙部14が存在しているため、外部応力が緩和される。このため、外部応力に伴うウィスカの成長が抑制される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体チップの端子及びコネクタの端子に好適なめっき及びその形成方法に関する。
【背景技術】
【0002】
コネクタ用端子及び半導体集積回路用のリードフレーム等には、錫−鉛はんだめっきが施されてきた。しかし、近年、環境保護の観点から、錫−鉛はんだめっきに代わって、鉛を含まない錫めっき、錫−銅合金めっき、錫−ビスマス合金めっき、錫−銀合金めっき等の使用が検討されている。例えば、特許文献1に、錫−銅合金めっきを行う技術が開示されている。
【0003】
ところが、鉛を含まない上述の合金からなる皮膜を形成すると、使用中等にウィスカとよばれる錫のひげ状結晶が発生しやすくなる。ウィスカが発生し、成長すると、互いに隣接する電極間で電気的な短絡障害が生じることがある。また、ウィスカの直径は約1μm程度と細く、長さは1000μm以上に達することもある。このため、ウィスカが皮膜から脱離して飛散することもあり得る。そして、ウィスカが飛散すると、このウィスカが装置内外で短絡障害を引き起こすこともあり得る。
【0004】
ところで、ウィスカの発生原因のひとつとして、めっき皮膜の内部応力及び外部応力が挙げられる。内部応力としては、下地金属との格子定数の不整合、下地金属(例えば、Cu原子)とSnとの拡散反応による金属間化合物の成長、めっき内部の光沢成分に起因する応力等が挙げられる。一方、外部応力としては、リードフレームでは、めっき後に行われる曲げ加工及び打ち抜き加工時に受ける応力等が、コネクタ用端子では、接点を嵌合したときに受ける応力等が挙げられる。
【0005】
内部応力は、光沢剤を極端に減らしためっき液を用いて、無光沢めっき又は半光沢めっきを行うことにより、緩和させることができる。また、めっき後に150℃程度で熱処理を行って応力を緩和させることによっても、ウィスカの発生が抑制されることが確認されている。また、金属間化合物の成長を抑制するためには、下地金属にニッケル等からなる拡散バリア層を予めめっきしておくことも有効である。
【0006】
このように、内部応力に伴うウィスカの成長を抑制する方法は存在するが、外部応力に伴うウィスカの成長を抑制する方法は知られていない。このため、内部応力を抑制できても、外部応力に伴うウィスカの成長を抑制することができず、短絡障害等の抑制が十分とはいえない。
【0007】
【特許文献1】特開2001−26898号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
本発明は、外部応力に伴うウィスカの成長を効果的に抑制することができるめっき膜及びその形成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本願発明者は、前記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。
【0010】
本発明に係るめっき膜は、基材の表面に形成された錫又は錫合金のめっき膜であって、結晶粒間に空隙部が存在することを特徴とする。
【0011】
本発明に係るめっき膜の形成方法では、基材をめっき液に浸漬した後、前記基材を陰極として前記めっき液の電気分解を行う。但し、前記めっき液に添加する界面活性剤の濃度を10g/リットル以下とし、前記陰極に流れる電流を2.5A/dm2以上とする。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、外部応力がめっき膜に作用しても、空隙部により当該外部応力が緩和される。このため、外部応力に伴うウィスカの成長を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図1は、本発明の実施形態に係るめっき膜を備えたリードフレームを示す図である。また、図2は、リードフレームの断面構造を示す断面図である。
【0014】
リードフレーム10には、半導体チップが載置されるダイパッド1が設けられており、その周囲に放射状に延びる複数の孔4aが形成されている。そして、隣り合う孔4aの間に、インナーリード部2が形成されている。また、孔4aの外側には、複数の孔4bが形成されており、隣り合う孔4bの間に、アウターリード部3が形成されている。
【0015】
また、図2に示すように、リードフレーム10を構成する基材11の表面及び裏面には、錫又は錫合金からなる錫めっき膜13が形成されている。錫合金としては、例えば錫−銅合金(銅の含有量:2質量%)、錫−ビスマス合金(ビスマスの含有量:2質量%)等が挙げられる。基材11は、例えばCu合金等から構成されている。錫めっき膜13内には、複数の結晶粒12が不規則に配列している。更に、本実施形態では、錫めっき膜13中に、複数の空隙部14が存在する。なお、図2では、各結晶粒12の形状が楕円となっているが、実際の形状は多角形又は多角形に曲線が組み合わされたもの等である。
【0016】
そして、このように構成されたリードフレーム10では、半導体チップがダイパッド1に固定された後に、半導体チップの端子とインナーリード部2とのボンディングが行われる。その後、孔4aと孔4bとの間の部分が切断される。そして、半導体チップ及びインナーリード部2の封止が行われた後、アウターリード部3の曲げ加工等が行われる。この結果、PGAパッケージ(Pin Grid Array)等が得られる。図3に、PGAパッケージの外観を示す。PGAパッケージでは、セラミック等からなるハウジング21から互いに同一方向にリード端子22が延びている。また、リードフレームのパターンを変更すれば、図4に示すSOP(Small Out-line Package)等を得ることもできる。SOPでは、平面形状が長方形のハウジング31の2つ長辺から複数のリード端子32が延びている。
【0017】
従来のめっき膜が形成されている場合には、曲げ加工の際に作用する外部応力によってウィスカが発生しやすい。これに対し、本実施形態では、曲げ加工等が行われても、錫めっき膜13中に空隙部14が存在しているため、外部応力が緩和される。このため、外部応力に伴うウィスカの成長が抑制される。
【0018】
なお、空隙部14の最大径は、錫めっき膜13の厚さの50%以下であることが好ましい。これは、空隙部14の最大径が錫めっき膜13の厚さを超えると、外部応力に対する抗力が不十分となり、錫めっき膜13に損傷が生じることがあるからである。
【0019】
また、抗力という観点から、そのめっき膜の硬さを定義すれば、ナノインデンテンション法により測定されためっき膜の硬さが150MPa〜400MPaであることが好ましい。めっき膜の硬さが150MPa未満では、抗力が不十分になることがあり、めっき膜の硬さが400MPaを超えると、外部応力の影響を受けやすくなるからである。
【0020】
また、空隙部14の錫めっき膜13中の割合は、5体積%〜30体積%であることが好ましい。空隙部13の割合が5体積%未満であると、外部応力を緩和する効果が低減し、空隙部の割合が30体積%を超えると、抗力が不十分になることがあるからである。
【0021】
次に、上述のような空隙部を含む錫めっき膜を形成するためには、例えば、電気めっき法において、めっき液に添加する界面活性剤を10g/リットル以下にし、電流密度を2.5A/dm2以上とする。界面活性剤を10g/リットルより多く添加すると、形成される錫めっき膜が緻密となり、空隙部が不足しやすい。また、電流密度を2.5A/dm2未満とすると、錫めっき膜を構成する結晶粒径が小さくなり、空隙部が不足しやすい。電気めっき法では、基材(被めっき材)を陰極としてめっき液の電気分解を行う。なお、界面活性剤としては、例えば、ノニオン系界面活性剤、カチオン系界面活性剤、アニオン系界面活性剤及び両性界面活性剤等を用いることができる。使用可能な界面活性剤の例を、以下に列挙する。但し、これらに限定されることはない。
【0022】
ノニオン系界面活性剤としては、ポリオキシアルキレンアルキルエーテル、ポリオキシアルキレンナフチルエーテル、ポリオキシアルキレンビスフェノールエーテル、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレンブロックポリマー、ポリオキシアルキレンソルビット脂肪酸エステル、ポリオキシアルキレングリセリン脂肪酸エステル、ポリオキシアルキレンアルキルアミン、ポリオキシアルキレンアルキルフェニルホルマリン縮合物及びオキシエチレンアルキルアミン等が挙げられる。
【0023】
カチオン系界面活性剤としては、アルキルトリメチルアンモニウムハライド、ヒドロキシエチルアルキルイミダゾリン、ジアルキルジメチルアンモニウムハライド、アルキルジメチルベンジルアンモニウムハライド、アルキルアミン塩酸塩、アルキルアミン酢酸塩、アルキルアミンオレイン酸塩及びアルキルアミノエチルグリシン等が挙げられる。
【0024】
アニオン系界面活性剤としては、脂肪酸セッケン系界面活性剤、アルキルスルホン酸塩、α−オレフィンスルホン酸塩、アルキルジフェニルエーテルジスルホン酸塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテル硫酸エステル塩、高級アルコールリン酸モノエステル塩、ポリオキシアルキレンアルキルエーテルリン酸(塩)、ポリオキシアルキレンフェニルエーテルリン酸塩、ポリオキシエチレンアルキルエーテル酢酸塩、アルカノイルメチルアラニン塩、N−アシルスルホカルボン酸塩、アルキルスルホ酢酸塩及びスルホコハク酸モノオレイルアミド塩等が挙げられる。
【0025】
両性界面活性剤としては、2−アルキル−N−カルボキシメチル(又はエチル)−N−カルボキシメチルオキシエチルイミダゾリニウムベタイン、ジメチルアルキルベタイン、N−アルキル−β−アミノプロピオン酸(又はその塩)及びアルキル(ポリ)アミノエチルグリシン等が挙げられる。
【0026】
錫めっき処理に用いる錫塩又は錫錯体としては、例えば、硫酸錫、ホウフッ酸錫、ケイフッ酸錫、スルファミン酸錫、錫酸錫及びピロリン酸錫等の無機酸塩を用いることができる。また、メタンスルホン酸錫及びスルホコハク酸錫等の脂肪族スルホン酸塩を用いてもよい。更に、コハク酸錫、マロン酸錫、グルコース酸錫等のカルボキシル基を有する化合物塩等を用いてもよい。
【0027】
また、めっき液に、平滑化剤、光沢剤、pH緩衝剤及び/又は電導塩を1種又は2種以上添加してもよい。
【0028】
なお、めっき処理の前に、基材(被めっき材)の陰極電解脱脂処理及び化学研磨を行うことが好ましい。また、陰極電解脱脂処理後及び化学研磨後に、基材の水洗を行うことが好ましい。電解脱脂剤としては、例えばメルテックス株式会社製のクリーナ160を用いることができる。また、研磨用薬剤としては、例えば三菱ガス化学株式会社製の50%CPB40を用いることができる。
【0029】
また、空隙部が完全な空洞ではなく、樹脂粒子又はセラミック粒子等の微粒子が空隙部内に存在してもよい。このような錫めっき膜を形成するためには、例えば、めっき液中に樹脂粉末又はセラミック粉末を加え、めっき膜の形成と同時にこれらの粒子を析出させればよい。これらの粒子を錫めっき膜中に分散させることによっても、不連続な粒界が錫めっき膜中に形成され、外部応力が緩和される。このように外部応力が緩和されるのであれば、樹脂粒子及びセラミック粒子の他の粒子を用いてもよい。
【0030】
なお、上述の実施形態では、錫めっき膜がリードフレームの表面に形成されているが、錫めっき膜が形成される対象はこれに限定されない。例えば、コネクタの端子の表面に形成されてもよい。コネクタとしては、例えば図5Aに示すオスコネクタ41、図5Bに示すメスコネクタ51及び図6に示すUSB(Universal Serial Bus)コネクタ61等が挙げられる。
【0031】
コネクタへの錫めっき膜の形成は、例えば曲げ加工等が行われた後に行われるため、曲げ加工時に錫めっき膜に外部応力が作用することはないが、接続先に嵌合される際に錫めっき膜に外部応力が作用する。このような場合でも、上述の実施形態と同様に適切な空隙部が形成されていれば、外部応力が緩和されてウィスカが発生しにくくなる。
【0032】
なお、コネクタの端子に形成される錫めっき膜の厚さは、一般的に3μm程度である。これは、この程度の厚さで良好な嵌合が行われるためである。そして、錫めっき膜の厚さが3μm程度であれば、リードフレームの場合と同様に、空隙部の最大径はその半分の1.5μm程度であることが好ましい。また、いずれの端子に用いられるとしても、錫めっき膜の厚さは、2μm〜3μmとすることが好ましい。これは、厚さが2μm未満であると、めっき膜として十分な機能(基材の保護等)を発揮できない場合があり、厚さが3μmを超えると、厚さのばらつきが生じやすいからである。また、めっき母材としては特に制約は無いが、42アロイ材、黄銅材、りん青銅材、ベリリュウム銅材、銅材及びニッケル材等を用いることができる。また、基材の表面にニッケルめっき膜又は銅めっき膜等が形成されて構成されたものを用いることもできる。
【0033】
次に、本願発明者が実際に行った試験について説明する。この試験では、基材として、リン青銅製の40ピンのリード端子を用いた。
【0034】
先ず、めっきの前処理として、基材に対して陰極電解脱脂処理を行った。電解脱脂剤として、メルテックス株式会社製のクリーナ160を用いた。また、この脱脂処理では、処理温度を65℃、電流密度を2.5A/dm2、処理時間を30秒とした。電解脱脂処理が終了した後に、基材を水洗した。
【0035】
次に、基材を化学研磨した。研磨用薬剤として、三菱ガス化学株式会社製の50%CPB40を用いた。この化学研磨では、薬剤の温度をほぼ室温とし、浸漬時間を20秒とした。化学研磨が終了した後、基材を水洗した。
【0036】
次いで、基材にめっき処理を施すことにより、錫めっき膜を形成した。このめっき処理では、処理温度を30℃、処理時間を20秒とした。また、錫めっき膜の厚さは約3μmとした。このめっき処理で用いためっき処理液の組成を表1に示す。なお、めっき処理液中のメタノールは、メタンスルホン酸錫、メタンスルホン酸及びポリオキシアルキレンビスフェノールエーテルを均一に分散させるために含有されている。
【0037】
【表1】

【0038】
そして、錫めっき膜が形成されたコネクタリード端子について、ウィスカの評価を行った。この評価では、オスコネクタとメスコネクタとを嵌合した上で、常温に2000時間放置した。その後、各試料の表面を、倍率を100倍にした顕微鏡を用いて観察した。そして、ウィスカを発見した場合には、より高倍率の顕微鏡を用いて詳細な観察を行った。この結果を表2及び図7に示す。
【0039】
【表2】

【0040】
表2及び図7に示すように、錫めっき膜中に空隙部が存在しない比較例では、ウィスカが大量に発生した。実施例1でも、空隙部の割合が少ないため、ウィスカが発生したが、その数は僅少であった。一方、空隙部の割合が30%を超えている実施例6では、ウィスカの発生を完全に防止することができたが、めっき硬さが低かった。これらの結果からも、空隙部の割合を5〜30%とすることが好ましいといえる。
【0041】
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。
【0042】
(付記1)
基材の表面に形成された錫又は錫合金のめっき膜であって、
結晶粒間に空隙部が存在することを特徴とするめっき膜。
【0043】
(付記2)
前記空隙部の割合は、前記めっき膜の5乃至30体積%であることを特徴とする付記1に記載のめっき膜。
【0044】
(付記3)
前記空隙部の最大径は、前記めっき膜の厚さの50%以下であることを特徴とする付記1又は2に記載のめっき膜。
【0045】
(付記4)
ナノインデンテンション法により測定された場合の硬さは、150MPa乃至400MPaであることを特徴とする付記1乃至3のいずれか1項に記載のめっき膜。
【0046】
(付記5)
厚さは、2μm乃至3μmであることを特徴とする付記1乃至4のいずれか1項に記載のめっき膜。
【0047】
(付記6)
前記空隙部に微粒子が存在することを特徴とする付記1乃至5のいずれか1項に記載のめっき膜。
【0048】
(付記7)
基材と、
前記基材の表面に形成された錫又は錫合金のめっき膜と、
を有し、
前記めっき膜の結晶粒間に空隙部が存在することを特徴とする電気部品。
【0049】
(付記8)
前記空隙部の割合は、前記めっき膜の5乃至30体積%であることを特徴とする付記7に記載の電気部品。
【0050】
(付記9)
前記空隙部の最大径は、前記めっき膜の厚さの50%以下であることを特徴とする付記7又は8に記載の電気部品。
【0051】
(付記10)
前記めっき膜のナノインデンテンション法により測定された場合の硬さは、150MPa乃至400MPaであることを特徴とする付記7乃至9のいずれか1項に記載の電気部品。
【0052】
(付記11)
前記めっき膜の厚さは、2μm乃至3μmであることを特徴とする付記7乃至10のいずれか1項に記載の電気部品。
【0053】
(付記12)
前記空隙部に微粒子が存在することを特徴とする付記7乃至11のいずれか1項に記載の電気部品。
【0054】
(付記13)
基材をめっき液に浸漬する工程と、
前記基材を陰極として前記めっき液の電気分解を行う工程と、
を有し、
前記めっき液に添加する界面活性剤の濃度を10g/リットル以下とし、前記陰極に流れる電流を2.5A/dm2以上とすることを特徴とする錫又は錫合金のめっき膜の形成方法。
【図面の簡単な説明】
【0055】
【図1】本発明の実施形態に係るめっき膜を備えたリードフレームを示す図である。
【図2】リードフレームを示す断面図である。
【図3】PGAパッケージの外観を示す図である。
【図4】SOPの外観を示す図である。
【図5A】オスコネクタの外観を示す図である。
【図5B】メスコネクタの外観を示す図である。
【図6】USBコネクタの外観を示す図である。
【符号の説明】
【0056】
1:ダイパッド
2:インナーリード部
3:アウターリード部
4a、4b:孔
10:リードフレーム
11:基材
12:結晶粒
13:めっき膜
14:空隙部
21、31:ハウジング
22、32:リード端子
41:オスコネクタ
51:メスコネクタ
61:USBコネクタ

【特許請求の範囲】
【請求項1】
基材の表面に形成された錫又は錫合金のめっき膜であって、
結晶粒間に空隙部が存在することを特徴とするめっき膜。
【請求項2】
前記空隙部の割合は、前記めっき膜の5乃至30体積%であることを特徴とする請求項1に記載のめっき膜。
【請求項3】
前記空隙部の最大径は、前記めっき膜の厚さの50%以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載のめっき膜。
【請求項4】
ナノインデンテンション法により測定された場合の硬さは、150MPa乃至400MPaであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のめっき膜。
【請求項5】
基材と、
前記基材の表面に形成された錫又は錫合金のめっき膜と、
を有し、
前記めっき膜の結晶粒間に空隙部が存在することを特徴とする電気部品。
【請求項6】
前記空隙部の割合は、前記めっき膜の5乃至30体積%であることを特徴とする請求項5に記載の電気部品。
【請求項7】
前記空隙部の最大径は、前記めっき膜の厚さの50%以下であることを特徴とする請求項5又は6に記載の電気部品。
【請求項8】
前記めっき膜のナノインデンテンション法により測定された場合の硬さは、150MPa乃至400MPaであることを特徴とする請求項5乃至7のいずれか1項に記載の電気部品。
【請求項9】
前記めっき膜の厚さは、2μm乃至3μmであることを特徴とする請求項5乃至8のいずれか1項に記載の電気部品。
【請求項10】
基材をめっき液に浸漬する工程と、
前記基材を陰極として前記めっき液の電気分解を行う工程と、
を有し、
前記めっき液に添加する界面活性剤の濃度を10g/リットル以下とし、前記陰極に流れる電流を2.5A/dm2以上とすることを特徴とする錫又は錫合金のめっき膜の形成方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5A】
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【図5B】
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【図6】
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【公開番号】特開2007−254860(P2007−254860A)
【公開日】平成19年10月4日(2007.10.4)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−83074(P2006−83074)
【出願日】平成18年3月24日(2006.3.24)
【出願人】(000005223)富士通株式会社 (25,993)
【Fターム(参考)】