鉛フリーのめっき層を有するめっき部材とその製造方法
【課題】針状ウィスカ１０の発生を抑制した鉛フリーめっき層２を持つめっき部材３を得る。
【解決手段】めっき層２のめっき材料がＳｎ系めっき材料であり、めっき層表面において、Ｓｎ結晶粒の（００１）面の占める割合が最も多くなるようにめっき層２を形成する。
【解決手段】めっき層２のめっき材料がＳｎ系めっき材料であり、めっき層表面において、Ｓｎ結晶粒の（００１）面の占める割合が最も多くなるようにめっき層２を形成する。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
半導体装置のような電子部品において、外部端子の基材には銅、銅合金、黄銅、４２アロイなどが用いられるが、素地のままでは端子表面が酸化してはんだ付け不良等による導通不良を引き起こす恐れがある。そのために、通常、めっき等により端子表面に保護膜（めっき層）を形成して酸化を防いでいる。
【０００２】
めっき層の材料としてＳｎ合金あるいはＺｎ合金等を用いる場合、従来から鉛（Ｐｂ）を含む合金が用いられてきた。近年、環境負荷を軽減する観点から鉛フリー化が求められるようになり、前記端子のめっき層材料にも、例えば、Ｓｎ合金やＺｎ合金のように、鉛を含まない材料が使用されるようになっている。しかし、鉛フリーの材料で電子部品の端子表面をめっき処理すると、めっき層からＳｎやＺｎの針状単結晶であるウィスカが発生する。
【０００３】
近年、例えばＩＣチップをリードフレームに搭載した半導体装置のような電子部品は一層の小型化が求められており、結果として、その端子間の間隔は数百μｍ程度まで狭くなってきている。前記ウィスカは数百μｍの長さにまで成長することがあり、前記のように端子間の間隔が数百μｍ程度と狭い場合には、発生したウィスカにより端子間ショートが発生する恐れがあるので、ウィスカの発生を抑制するための対策が求められている。
【０００４】
ウィスカの発生および成長のメカニズムは完全には解明されていないが、めっき層の残留応力あるいはめっき層に加わる圧縮応力が一因であるとの考えから、残留応力を積極的に開放する、あるいはめっき層に加わる圧縮応力を低減するようにした解決策が、多く提案されている。一方、めっき層の結晶方位面およびその配向指数を制御することで、ウィスカの発生を抑制できることが分かりつつあり、そのアプローチからの解決策も既に提案されている。例えば、特許文献１には、Ｓｎめっき皮膜の結晶配向面が（２２０）面に優先配向し、かつＳｎめっき皮膜形成後の皮膜応力を−７．２ＭＰａ以上０ＭＰａ以下とすることが記載されている。特許文献２には、Ｓｎめっき面の（２２０）／（２００）の面配向割合を大きくすることでウィスカを抑制できることが記載されている。特許文献３には、Ｓｎめっき層の結晶粒界にＳｎ合金相を形成してウィスカの発生を抑制する技術であって、Ｓｎ合金相が形成しやすくするために、めっき層における（２２０）面と（３２１）面の配向指数を高くすることが記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−７０３４０号公報
【特許文献２】特開２００６−３２２０１４号公報
【特許文献３】特開２００６−２４９４６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
鉛フリーめっき層におけるウィスカの発生を抑制する技術として、上記のようにめっき層の結晶方位面およびその配向指数を制御する技術は、有効なものと考えられる。本発明者らも、この手法について多くの実験と研究を行ってきているが、従来提案されている方法は、いずれも充分な成果を上げているとは言い難く、なお改善すべき点があることを経験している。
【０００７】
本発明は上記のような事情のものになされたものであり、本発明は、めっき層の結晶方位面を制御する技術を用いて、より完全にウィスカの発生を抑制できるようにしためっき部材、およびその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決すべく、本発明者らは、多数の鉛フリーめっき層表面に対してＥＢＳＰ法によるＸ線回析を行い、針状ウィスカが発生した結晶方位面についての解析を行ったところ、針状ウィスカは、めっき材料の結晶粒における原子密度の高い結晶方位面から成長する確率が、原子密度の低い結晶方位面から成長する確率よりも高く、従って、原子密度の低い結晶方位面をめっき層表面に多く配向させておくことにより、めっき層表面から外側に成長するウィスカの発生を抑制できることを知見した。
【０００９】
本発明は、上記の知見に基づいており、本発明によるめっき部材は、母材の表面に鉛フリーのめっき層を有するめっき部材であって、めっき材料の結晶粒における原子密度の低い結晶方位面が原子密度の高い結晶方位面と比較してより多く表面に出るようにめっき層が形成されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明による鉛フリーめっき層では、針状ウィスカが成長する確率の高い電子密度の高い結晶方位面のより多くがめっき層の内部に配されており、ウィスカが発生したとしても、それがめっき層表面から外部に向けて針状ウィスカとして成長する確率を低減することができる。本発明によるめっき部材において、めっき層表面における、めっき材料の結晶粒における原子密度の最も低い結晶方位面が占める割合は１００％または１００％に近い値であることが好ましいが、比較して原子密度の低い結晶方位面がめっき層表面においてより多くの面積を占めていれば、所期の目的を達成することができる。
【００１１】
本発明によるめっき材料のより具体的な態様において、めっき材料がＳｎ系めっき材料の場合に、めっき層表面において、Ｓｎ結晶粒の（００１）面の占める割合が最も多くなるようにめっき層が形成されている。なお、ここで「Ｓｎ系めっき材料」は、純Ｓｎのみでなく、Ｓｎ−Ｃｕ，Ｓｎ−Ｂｉ，Ｓｎ−ＡｇのようなＳｎ合金をも含むめっき材料を意味している。
【００１２】
Ｓｎ結晶粒において、（１００）面と（０１０）面は比較して原子密度の高い面であり、（００１）面は原子密度の最も低い面である。従って、上記のようにめっき材料がＳｎ系めっき材料の場合に、結晶粒における（００１）面の占める割合が最も多くなるようにめっき層が形成されることにより、めっき層表面から外部に向けて針状ウィスカが成長するのを抑制することができる。この場合にも、めっき層表面において、（００１）面が占める割合は１００％または１００％に近い値であることが好ましいが、（００１）面が他の結晶方位面と比較してより多くの面積を占めていれば、所期の目的を達成することができる。なお、現状の電解めっき等で形成されるＳｎ系めっき材料からなる鉛フリーめっき層では、めっき層表面において結晶粒の（００１）面が占める割合は、数％以下である。
【００１３】
めっき層表面に（００１）面を多く出す、すなわち（００１）面を他の面よりも優先配向させるには、熱処理のような人為的手法により行うことができる。他の方法として、母材表面の被めっき面を（００１）面に優先配向させ、その上にエピタキシャル成長によりＳｎ系めっき層を成形する方法も挙げられる。
【００１４】
本発明によるめっき材料の他のより具体的な態様において、めっき材料がＺｎ系めっき材料の場合、めっき層表面において、Ｚｎ結晶粒の（１１００）面の占める割合が最も多くなるようにめっき層が形成されている。なお、ここで「Ｚｎ系めっき材料」は、上記「Ｓｎ系めっき材料」の場合と同様、純Ｚｎのみでなく、Ｚｎ−Ｎｉ合金めっきのようなＺｎ合金もを含むめっき材料を意味している。
【００１５】
Ｚｎ結晶粒において、（０００１）面が比較して原子密度の高い面であり、（１１００）面は原子密度の低い面である。従って、上記のようにめっき材料がＺｎ系めっき材料の場合に、結晶粒における（１１００）面の占める割合が最も多くなるようにめっき層が形成されることにより、めっき層表面からの針状ウィスカの成長を抑制することができる。
【００１６】
めっき層表面に（１１００）面を多く出す、すなわち（１１００）面を他の面よりも優先配向させるには、熱処理のような手法により行うことができる。他の方法として、母材表面の被めっき面を（１１００）面に優先配向させ、その上にエピタキシャル成長によりＺｎ系めっき層を成形する方法も挙げられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は本発明によるめっき部材の模式図であり、図２は本発明者らが行った鉛フリーめっき層でのウィスカ発生箇所におけるＥＢＳＰ解析結果を模式的に示している。
【００１８】
図１に示すように、本発明によるめっき部材３は、母材１の表面に鉛フリーのめっき層２が形成されている。そして、めっき層２では、めっき材料の結晶粒における原子密度の低い結晶方位面が原子密度の高い結晶方位面と比較してより多く表面に出るようにめっき層が形成されている。それにより、めっき層２から外に向けて針状ウィスカ１０が成長するのが抑制される。
【００１９】
その理由を説明する。本発明者らは、母材１であるＣｕ合金基材の表面に電解めっき法により純Ｓｎからなる薄膜状のめっき層２を形成し、その表面をＥＢＳＰ解析した。ＥＢＳＰ解析は、ＯＩＭ座標系のＮＤ方向、ＲＤ方向、ＴＤ方向で行い、それを総合した結果を、図２に、ウィスカ１０の成長方向とＳｎ結晶粒２ａの結晶粒子面との関係で示している。図示のように、めっき層表面は（１１０）面であり、針状ウィスカの根元の断面の結晶方位は（００１）面であった。従って、針状ウィスカ１０は（１００）面、もしくは（０１０）面から発生する。そのために、Ｓｎ結晶粒の（００１）面がめっき表面により多く配向するようにして、めっき層を形成することにより、めっき層から外に向けて針状ウィスカ１０が成長するのを抑制できることがわかる。
【００２０】
Ｓｎ結晶粒では、（１００）面と（０１０）面は比較して原子密度の高い面であり、（００１）面は原子密度の最も低い面である。従って、母材の表面に鉛フリーのめっき層を有するめっき部材において、めっき材料の結晶粒における原子密度の低い結晶方位面が原子密度の高い結晶方位面と比較してより多く表面に出るようにめっき層が形成することにより、めっき層から外に向けて針状ウィスカが成長するのを抑制することができる。
【００２１】
Ｓｎ系めっきの場合、原子密度の低い結晶方位面が原子密度の高い結晶方位面と比較してより多く表面に出るようにめっき層が形成する、すなわち、Ｓｎ結晶粒の（００１）面がめっき表面により多く配向するようにめっき層を形成するには、例えば、熱処理のような手法を採用すればよい。
【００２２】
他の方法として、母材（例えばＣｕ合金基材）の被めっき面を（００１）面に優先配向させ、従来知られた液相エピタキシャル成長により、Ｓｎ系めっき層を形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明によるめっき部材の模式図。
【図２】本発明者らが行った鉛フリーめっき層でのウィスカ発生箇所におけるＥＢＳＰ解析結果を模式的に示す図。
【符号の説明】
【００２４】
１…母材、２…めっき層、２…Ｓｎ結晶粒、３…めっき部材、１０…針状ウィスカ
【背景技術】
【０００１】
半導体装置のような電子部品において、外部端子の基材には銅、銅合金、黄銅、４２アロイなどが用いられるが、素地のままでは端子表面が酸化してはんだ付け不良等による導通不良を引き起こす恐れがある。そのために、通常、めっき等により端子表面に保護膜（めっき層）を形成して酸化を防いでいる。
【０００２】
めっき層の材料としてＳｎ合金あるいはＺｎ合金等を用いる場合、従来から鉛（Ｐｂ）を含む合金が用いられてきた。近年、環境負荷を軽減する観点から鉛フリー化が求められるようになり、前記端子のめっき層材料にも、例えば、Ｓｎ合金やＺｎ合金のように、鉛を含まない材料が使用されるようになっている。しかし、鉛フリーの材料で電子部品の端子表面をめっき処理すると、めっき層からＳｎやＺｎの針状単結晶であるウィスカが発生する。
【０００３】
近年、例えばＩＣチップをリードフレームに搭載した半導体装置のような電子部品は一層の小型化が求められており、結果として、その端子間の間隔は数百μｍ程度まで狭くなってきている。前記ウィスカは数百μｍの長さにまで成長することがあり、前記のように端子間の間隔が数百μｍ程度と狭い場合には、発生したウィスカにより端子間ショートが発生する恐れがあるので、ウィスカの発生を抑制するための対策が求められている。
【０００４】
ウィスカの発生および成長のメカニズムは完全には解明されていないが、めっき層の残留応力あるいはめっき層に加わる圧縮応力が一因であるとの考えから、残留応力を積極的に開放する、あるいはめっき層に加わる圧縮応力を低減するようにした解決策が、多く提案されている。一方、めっき層の結晶方位面およびその配向指数を制御することで、ウィスカの発生を抑制できることが分かりつつあり、そのアプローチからの解決策も既に提案されている。例えば、特許文献１には、Ｓｎめっき皮膜の結晶配向面が（２２０）面に優先配向し、かつＳｎめっき皮膜形成後の皮膜応力を−７．２ＭＰａ以上０ＭＰａ以下とすることが記載されている。特許文献２には、Ｓｎめっき面の（２２０）／（２００）の面配向割合を大きくすることでウィスカを抑制できることが記載されている。特許文献３には、Ｓｎめっき層の結晶粒界にＳｎ合金相を形成してウィスカの発生を抑制する技術であって、Ｓｎ合金相が形成しやすくするために、めっき層における（２２０）面と（３２１）面の配向指数を高くすることが記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−７０３４０号公報
【特許文献２】特開２００６−３２２０１４号公報
【特許文献３】特開２００６−２４９４６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
鉛フリーめっき層におけるウィスカの発生を抑制する技術として、上記のようにめっき層の結晶方位面およびその配向指数を制御する技術は、有効なものと考えられる。本発明者らも、この手法について多くの実験と研究を行ってきているが、従来提案されている方法は、いずれも充分な成果を上げているとは言い難く、なお改善すべき点があることを経験している。
【０００７】
本発明は上記のような事情のものになされたものであり、本発明は、めっき層の結晶方位面を制御する技術を用いて、より完全にウィスカの発生を抑制できるようにしためっき部材、およびその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決すべく、本発明者らは、多数の鉛フリーめっき層表面に対してＥＢＳＰ法によるＸ線回析を行い、針状ウィスカが発生した結晶方位面についての解析を行ったところ、針状ウィスカは、めっき材料の結晶粒における原子密度の高い結晶方位面から成長する確率が、原子密度の低い結晶方位面から成長する確率よりも高く、従って、原子密度の低い結晶方位面をめっき層表面に多く配向させておくことにより、めっき層表面から外側に成長するウィスカの発生を抑制できることを知見した。
【０００９】
本発明は、上記の知見に基づいており、本発明によるめっき部材は、母材の表面に鉛フリーのめっき層を有するめっき部材であって、めっき材料の結晶粒における原子密度の低い結晶方位面が原子密度の高い結晶方位面と比較してより多く表面に出るようにめっき層が形成されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明による鉛フリーめっき層では、針状ウィスカが成長する確率の高い電子密度の高い結晶方位面のより多くがめっき層の内部に配されており、ウィスカが発生したとしても、それがめっき層表面から外部に向けて針状ウィスカとして成長する確率を低減することができる。本発明によるめっき部材において、めっき層表面における、めっき材料の結晶粒における原子密度の最も低い結晶方位面が占める割合は１００％または１００％に近い値であることが好ましいが、比較して原子密度の低い結晶方位面がめっき層表面においてより多くの面積を占めていれば、所期の目的を達成することができる。
【００１１】
本発明によるめっき材料のより具体的な態様において、めっき材料がＳｎ系めっき材料の場合に、めっき層表面において、Ｓｎ結晶粒の（００１）面の占める割合が最も多くなるようにめっき層が形成されている。なお、ここで「Ｓｎ系めっき材料」は、純Ｓｎのみでなく、Ｓｎ−Ｃｕ，Ｓｎ−Ｂｉ，Ｓｎ−ＡｇのようなＳｎ合金をも含むめっき材料を意味している。
【００１２】
Ｓｎ結晶粒において、（１００）面と（０１０）面は比較して原子密度の高い面であり、（００１）面は原子密度の最も低い面である。従って、上記のようにめっき材料がＳｎ系めっき材料の場合に、結晶粒における（００１）面の占める割合が最も多くなるようにめっき層が形成されることにより、めっき層表面から外部に向けて針状ウィスカが成長するのを抑制することができる。この場合にも、めっき層表面において、（００１）面が占める割合は１００％または１００％に近い値であることが好ましいが、（００１）面が他の結晶方位面と比較してより多くの面積を占めていれば、所期の目的を達成することができる。なお、現状の電解めっき等で形成されるＳｎ系めっき材料からなる鉛フリーめっき層では、めっき層表面において結晶粒の（００１）面が占める割合は、数％以下である。
【００１３】
めっき層表面に（００１）面を多く出す、すなわち（００１）面を他の面よりも優先配向させるには、熱処理のような人為的手法により行うことができる。他の方法として、母材表面の被めっき面を（００１）面に優先配向させ、その上にエピタキシャル成長によりＳｎ系めっき層を成形する方法も挙げられる。
【００１４】
本発明によるめっき材料の他のより具体的な態様において、めっき材料がＺｎ系めっき材料の場合、めっき層表面において、Ｚｎ結晶粒の（１１００）面の占める割合が最も多くなるようにめっき層が形成されている。なお、ここで「Ｚｎ系めっき材料」は、上記「Ｓｎ系めっき材料」の場合と同様、純Ｚｎのみでなく、Ｚｎ−Ｎｉ合金めっきのようなＺｎ合金もを含むめっき材料を意味している。
【００１５】
Ｚｎ結晶粒において、（０００１）面が比較して原子密度の高い面であり、（１１００）面は原子密度の低い面である。従って、上記のようにめっき材料がＺｎ系めっき材料の場合に、結晶粒における（１１００）面の占める割合が最も多くなるようにめっき層が形成されることにより、めっき層表面からの針状ウィスカの成長を抑制することができる。
【００１６】
めっき層表面に（１１００）面を多く出す、すなわち（１１００）面を他の面よりも優先配向させるには、熱処理のような手法により行うことができる。他の方法として、母材表面の被めっき面を（１１００）面に優先配向させ、その上にエピタキシャル成長によりＺｎ系めっき層を成形する方法も挙げられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は本発明によるめっき部材の模式図であり、図２は本発明者らが行った鉛フリーめっき層でのウィスカ発生箇所におけるＥＢＳＰ解析結果を模式的に示している。
【００１８】
図１に示すように、本発明によるめっき部材３は、母材１の表面に鉛フリーのめっき層２が形成されている。そして、めっき層２では、めっき材料の結晶粒における原子密度の低い結晶方位面が原子密度の高い結晶方位面と比較してより多く表面に出るようにめっき層が形成されている。それにより、めっき層２から外に向けて針状ウィスカ１０が成長するのが抑制される。
【００１９】
その理由を説明する。本発明者らは、母材１であるＣｕ合金基材の表面に電解めっき法により純Ｓｎからなる薄膜状のめっき層２を形成し、その表面をＥＢＳＰ解析した。ＥＢＳＰ解析は、ＯＩＭ座標系のＮＤ方向、ＲＤ方向、ＴＤ方向で行い、それを総合した結果を、図２に、ウィスカ１０の成長方向とＳｎ結晶粒２ａの結晶粒子面との関係で示している。図示のように、めっき層表面は（１１０）面であり、針状ウィスカの根元の断面の結晶方位は（００１）面であった。従って、針状ウィスカ１０は（１００）面、もしくは（０１０）面から発生する。そのために、Ｓｎ結晶粒の（００１）面がめっき表面により多く配向するようにして、めっき層を形成することにより、めっき層から外に向けて針状ウィスカ１０が成長するのを抑制できることがわかる。
【００２０】
Ｓｎ結晶粒では、（１００）面と（０１０）面は比較して原子密度の高い面であり、（００１）面は原子密度の最も低い面である。従って、母材の表面に鉛フリーのめっき層を有するめっき部材において、めっき材料の結晶粒における原子密度の低い結晶方位面が原子密度の高い結晶方位面と比較してより多く表面に出るようにめっき層が形成することにより、めっき層から外に向けて針状ウィスカが成長するのを抑制することができる。
【００２１】
Ｓｎ系めっきの場合、原子密度の低い結晶方位面が原子密度の高い結晶方位面と比較してより多く表面に出るようにめっき層が形成する、すなわち、Ｓｎ結晶粒の（００１）面がめっき表面により多く配向するようにめっき層を形成するには、例えば、熱処理のような手法を採用すればよい。
【００２２】
他の方法として、母材（例えばＣｕ合金基材）の被めっき面を（００１）面に優先配向させ、従来知られた液相エピタキシャル成長により、Ｓｎ系めっき層を形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明によるめっき部材の模式図。
【図２】本発明者らが行った鉛フリーめっき層でのウィスカ発生箇所におけるＥＢＳＰ解析結果を模式的に示す図。
【符号の説明】
【００２４】
１…母材、２…めっき層、２…Ｓｎ結晶粒、３…めっき部材、１０…針状ウィスカ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材の表面に鉛フリーのめっき層を有するめっき部材であって、めっき材料の結晶粒における原子密度の低い結晶方位面が原子密度の高い結晶方位面と比較してより多く表面に出るようにめっき層が形成されていることを特徴とするめっき部材。
【請求項２】
めっき材料がＳｎ系めっき材料であり、めっき層表面において、Ｓｎ結晶粒の（００１）面の占める割合が最も多くなるようにめっき層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のめっき部材。
【請求項３】
請求項２に記載のめっき部材の製造方法であって、母材表面の被めっき面を（００１）面に優先配向させ、その上にエピタキシャル成長によりＳｎ系めっき層を成形することを特徴とするめっき部材の製造方法。
【請求項４】
めっき材料がＺｎ系めっき材料であり、めっき層表面において、Ｚｎ結晶粒の（１１００）面の占める割合が最も多くなるようにめっき層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のめっき部材。
【請求項５】
請求項４に記載のめっき部材の製造方法であって、母材表面の被めっき面を（１１００）面に優先配向させ、その上にエピタキシャル成長によりＺｎ系めっき層を成形することを特徴とするめっき部材の製造方法。
【請求項１】
母材の表面に鉛フリーのめっき層を有するめっき部材であって、めっき材料の結晶粒における原子密度の低い結晶方位面が原子密度の高い結晶方位面と比較してより多く表面に出るようにめっき層が形成されていることを特徴とするめっき部材。
【請求項２】
めっき材料がＳｎ系めっき材料であり、めっき層表面において、Ｓｎ結晶粒の（００１）面の占める割合が最も多くなるようにめっき層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のめっき部材。
【請求項３】
請求項２に記載のめっき部材の製造方法であって、母材表面の被めっき面を（００１）面に優先配向させ、その上にエピタキシャル成長によりＳｎ系めっき層を成形することを特徴とするめっき部材の製造方法。
【請求項４】
めっき材料がＺｎ系めっき材料であり、めっき層表面において、Ｚｎ結晶粒の（１１００）面の占める割合が最も多くなるようにめっき層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のめっき部材。
【請求項５】
請求項４に記載のめっき部材の製造方法であって、母材表面の被めっき面を（１１００）面に優先配向させ、その上にエピタキシャル成長によりＺｎ系めっき層を成形することを特徴とするめっき部材の製造方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００９−３０１０８（Ｐ２００９−３０１０８Ａ）
【公開日】平成２１年２月１２日（２００９．２．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１９５０９０（Ｐ２００７−１９５０９０）
【出願日】平成１９年７月２６日（２００７．７．２６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年２月１２日（２００９．２．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月２６日（２００７．７．２６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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