JP2000124349A

JP2000124349A - メタルベースｂｇａパッケージとその製造方法

Info

Publication number: JP2000124349A
Application number: JP10294986A
Authority: JP
Inventors: Moriji Morita; 守次森田; Hirobumi Tanaka; 博文田中
Original assignee: Mitsui Chemicals Inc
Current assignee: Mitsui Chemicals Inc
Priority date: 1998-10-16
Filing date: 1998-10-16
Publication date: 2000-04-28

Abstract

(57)【要約】【課題】耐熱性熱可塑性樹脂を必須成分とする絶縁層
上の銅箔層に回路が形成されている半導体用メタルパッ
ケージにおいて、ビアホール上下配線の接続と半田ボー
ル形成を同一工程で行い、メタルベースＢＧＡパッケー
ジを提供する。【解決手段】支持体のメタルシートに耐熱性熱可塑樹
脂を必須成分とする厚さ５０μｍ以内の絶縁層を介して
銅箔層を積層したメタルベースＢＧＡパッケージにおい
て、ビアホール相当部分の銅箔層をエッチング、露出し
た耐熱樹脂層をレーザーでエッチングする。銅箔層に回
路を形成した後、少なくともビアホール周辺の銅箔層及
びビアホールのメタルシート部分に無電解Ｎｉ、Ａｕメ
ッキを施す。次にＢＧＡパッケージ用の半田ボールを搭
載して、その半田ボール高さをビアホールの無い部分と
実質的に同等とし、メタルシートと銅箔配線を接続す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はメタルベースＢＧＡ
パッケージ及びその製造方法に関する。さらに詳しく
は、メタルベースＢＧＡパッケージに形成されたビアホ
ールにおける電気的接合に関する。

【０００２】

【従来の技術】メタルベース半導体パッケージは放熱
性、電磁遮蔽性に優れているなどの特徴を持っており、
近年マイクロコンピュータ、マイクロプロセッサ等の半
導体パッケージ向けの利用が高まっている。メタルベー
ス半導体パッケージの代表的な例としてはＵＳＰ５，４
２０，４６０号に開示されているメタルベースのボール
・グリッド・アレイ（Ball Grid Array, 以下ＢＧＡと
略す）、ＵＳＰ５，６３９，９９０号に開示されている
メタルベースのメタル・クワッド・パッケージ（Metal
Quad Package、以下ＭＱＰと略す）、特開平６−２９１
２４３号に開示されている２段絞りで表面実装性の良い
メタルベース半導体パッケージ、特開平８−１７２１４
２の２段絞りで表面実装性の良いメタルベース半導体パ
ッケージ、１９９６年１２月のThe Third VLSI PACKAGI
NG WORKSHOP of Japan でのHigh Performance Cavity-
Down Metal-based BGA Package (TECHNICAL DIGEST, Pa
ge153)（以下ＭｅＢＧＡと略す）等がある。

【０００３】これらの中で、耐熱性熱可塑性樹脂を絶縁
層に用いたＭＱＰ、ＭｅＢＧＡは耐熱性、伝送速度など
で特に優れている。これらでは耐熱性熱可塑性樹脂の上
面に信号層、下面にグランド層あるいは電源層を設ける
ことができ、その場合、下面のグランド層あるいは電源
層から配線をとる目的でビアホールが設けられる。

【０００４】ビアホールを介してこのような層間を連結
する手段として、従来、メッキ法や蒸着法が知られてい
る。さらに、近年では特開平４−３３７６９５号、特開
平８−３０７０５８号で開示されているように半田ボー
ルを使ってビアホールを埋めて上下の配線を接続する方
法が提案されている。

【０００５】メッキ法は電気メッキや無電解メッキ法に
より、図１に示すように、ビアホール１の内壁に厚さ３
〜１５μｍの銅メッキ層３を形成して回路用銅箔層２と
銅シート４の層間を接続するもので、通常全面メッキ後
にホトエッチング法により余分な部分の銅を除去する。
この場合、電気メッキではメッキ工程が増え、メッキの
厚みムラが１０〜３０％程度発生して、後の工程での微
細な回路形成に障害をもたらし、絞り加工での形状にバ
ラツキを生じさせる。また、無電解メッキの場合はメッ
キ時間が１〜２時間と長く生産性が落ちたり、メッキ銅
の伸び特性が低く、絞り加工で回路が破断する。

【０００６】また、半田のボールを用いて接続する場
合、図２で示されるように接続する回路用銅箔層２０、
銅シート４０の部分には、銅の酸化を抑制する材料が無
いため、また、加熱により銅の酸化膜が形成されるた
め、半田ボールの溶解による半田７０との接続信頼性を
低減する恐れがある。特に、ＢＧＡパッケージではパッ
ケージメーカーで製造し、組立メーカーで半田ボール付
けするような場合が多い。そのような場合にはパッケー
ジ製造から半田ボール付けまでの時間経過により銅の酸
化膜の形成が顕著になり、これらの方法はＢＧＡパッケ
ージには適していないと考えられる。

【０００７】また、ＢＧＡパッケージでは半田ボールを
介して外部の配線基板に配線している。図３に示される
ようにビアホール１０００を形成する場合は、ボールパ
ッド１１００の位置に形成せずに、ボールパッドの近辺
に設けて、配線によりビアホールとボールパッドを接続
することが多い。その他に、ビアホールの上に半田ボー
ルを搭載する場合は、図４に示されるように銅メッキさ
れたビアホール１１を穴埋め用樹脂８０で埋め、その樹
脂上およびボールパッド上に銅メッキ層９０を形成した
後に半田ボールを搭載することが行われている。

【０００８】更には、シグネチックスケーピー（Sign
etics KP）社（NEPCON WEST '98,National Electronics
Packaging and Production Conference West 1998, P1
412)の例として、上下配線を半田接続する際の銅の酸化
を防止するため、図５に示されるようにビアホール１２
内の銅シート４２側には銀メッキ層１００を、ボールパ
ッド２２にはニッケル金メッキ層１１０を形成した後、
ビアホール１２に半田ペーストを入れ半田リフロー炉に
搬送後溶融させ、半田７２で上下配線の接続を行う。そ
の後、その上に半田ボールを搭載する方法がある。

【０００９】ビアホールとボールパッドを別の場所に形
成する方法では、ビアホールの面積が、高密度回路形成
に障害になる。また、ビアホールを樹脂で埋める方法で
は、ビアホールにメッキする工程、ビアホールを樹脂で
埋め、その上にメッキする工程などで時間が掛かった
り、歩留まりの低下を招いたりする。半田ペーストで埋
める方法も同様であり工程が複雑である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ＢＧＡの絶縁層の上下
の配線をビアホールで接続する場合に、（１）工程数が
少ない、（２）容易に接続できる、（３）パッケージ製
造からボール付けまでの経過時間にかかわらず接続信頼
性が高い、方法が求められていた。本発明はこのような
要望に応えるものである。

【００１１】本発明の目的は、ＢＧＡパッケージに必要
な半田ボール搭載工程で、ビアホールの接合をボール搭
載と同時に行うことにより実現するものである。本発明
の目的は、（１）工程数が少ない、（２）加工作業が容
易である、（３）ビアホール接合信頼性が高く、半田ボ
ールの高さがビアホールのあるボールパッド部とビアホ
ールの無いボールパッド部で実用的に差がない、多層配
線構造のメタルＢＧＡパッケージを提供するものであ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、ベース金属の
表面に耐熱性熱可塑性樹脂を必須成分とする絶縁層を形
成し、その絶縁層の上に形成された銅箔層に半導体搭載
用回路を形成してなるメタルベースＢＧＡパッケージに
おいて、ニッケル金メッキされたボールパッドとビアホ
ール内のニッケル金メッキされた金属ベースとを半田ボ
ールで接続することにより達成される。よりよく達成さ
れる形態としては絶縁層の厚さは５μｍ以上、５０μｍ
以下であり、ビアホールの大きさは回路側の直径で半田
ボールの直径の１／２０以上、１／２以下である。さら
に好ましくはビアホールのアスペクト比が０．５以上で
あり、銅箔がビアホールにオーバーハングしていない形
態である。

【００１３】

【発明の実施の形態】絶縁層はガラス転移温度が１６０
℃以上、３００℃以下である耐熱性熱可塑性樹脂層を金
属ベース上に形成して得られる樹脂層である。この樹脂
層は耐熱性熱可塑性樹脂の単層構造でも、耐熱性熱可塑
性樹脂と耐熱性非熱可塑性樹脂との複層構造であっても
良い。耐熱性熱可塑性樹脂の例としてはＵＳＰ５，６３
９，９９０号に開示されている樹脂があり、例えば、熱
可塑性ポリイミド、熱可塑性ポリエーテルイミド、ポリ
エーテルサルフォン等がある。また、耐熱性非熱可塑性
樹脂の例としては東レ・デュポン（株）のカプトンＨ、
Ｋ、Ｅ、ＥＮＺＴ、宇部興産（株）のユーピレックス
Ｓ、ＳＧＡ、鐘淵化学（株）のアピカルＡＨ、ＮＰＩ等
がある。ガラス転移温度が１６０℃以下であればＢＧＡ
パッケージのワイヤーボンド（以下ＷＢと略す）接合時
に、樹脂層が柔らかくなりすぎてＷＢ強度が低下した
り、半田リフローでの脹れが起きやすい。また、３００
℃以上であれば金属との接合が困難になるためである。

【００１４】絶縁層の厚さは５μｍ以上、５０μｍ以下
が好ましい。より好ましくは１５〜４０μｍである。５
μｍより薄ければ配線間の絶縁特性上十分ではない。ま
た、５０μｍより厚ければビアホールの容積が大きくな
り、半田ボールの高さが他のビアホールの無いボールパ
ッド部の半田ボールより低くなりすぎたり、ビアホール
内で半田と接触しているにもかかわらず、物理化学的に
接着していない面積が大きくなる。その結果ビアホール
の信頼性が損なわれる。

【００１５】ビアホールの大きさは、回路側の直径が半
田ボールの直径の１／２０以上、１／２以下であること
が好ましい。１／２０より小さければ半田と金属ベース
の接続が小さく信頼性が低下し、１／２より大きければ
ビアホールの容積が増加し、回路面からのボール高さの
減少が大きくなり、他のビアホールの無いボールパッド
部のボールと高さが揃わなくなる。

【００１６】ビアホールのアスペクト比は０．５以上が
好ましい。より好ましくは１以上である。０．５より小
さければビアホール内壁の半田と接着していない樹脂表
面積が大きくなり、半田ボール強度及び接続信頼性が低
下する。

【００１７】ボールパッドの銅箔はビアホール内部にオ
ーバーハングしていないことが望ましい。オーバーハン
グしている場合はオーバーハング部が絶縁層の厚さの１
／５以下であることが好ましい。通常、半田ボールを搭
載するとき、半田ボールのリフロー前に半田ボールを仮
固定する。通常、その仮固定には専用フラックスが使用
される。半田ボールで上下配線を接合する際、フラック
スがビアホール内からスムーズに除去されるのが好まし
い。ボールパッド部の銅箔層がビアホール内に絶縁層厚
さの１／５より大きくオーバーハングしていると、フラ
ックス中の溶剤蒸気が抜けにくかったり、フラックス成
分がスムーズに排出されない。

【００１８】また、ＢＧＡパッケージの接続信頼性を確
保するために、ビアホールのあるボールパッド部の半田
ボール高さがビアホールの無いボールパッド部の半田ボ
ール高さの少なくとも９５％であることが好ましい。

【００１９】好ましいビアホールの形成方法は特に問わ
ないが、例としては次のような方法がある。

【００２０】１．ボールパッド部のほぼ中央にエッチン
グで銅箔部に孔を開ける。露出した銅箔をマスクにして
レーザー、プラズマ、あるいは液体で所定部分の耐熱性
樹脂からなる絶縁層を除去する。レーザーで孔開けした
場合はマスクの銅箔がほとんどオーバーハングしない。
しかし、プラズマあるいは液体エッチングした場合には
多かれ少なかれマスクに使用した銅箔のオーバーハング
が生じる。また、レーザーを使用した場合はアスペクト
比が大きく、プラズマや液体の場合は小さくなる傾向が
ある。

【００２１】２．銅箔層がオーバーハングしている場合
は、エッチングレジストを使用して、オーバーハング部
の銅箔層だけを除去したり、銅箔層全体をその厚みの１
／２〜１／３エッチングしてオーバーハング部を除去す
る。

【００２２】金属ベースの所定部分にニッケル・金メッ
キ層を形成する場合は次のような方法が簡潔で合理的で
あり好ましい。

【００２３】１．ビアホール内の絶縁層を除去した後、
銅箔層のパターニングを行い、ワイヤーボンドパッド、
配線、ボールパッドを形成する。その後、ワイヤーボン
ドパッド、ボールパッド、ビアホール内の金属ベースを
ニッケル金メッキするため、それ以外の場所にソルダー
レジストの保護膜を形成する。

【００２４】２．ニッケル金メッキする全ての部分を同
時にメッキすることで、簡潔かつ合理的にメッキができ
る。

【００２５】３．ニッケル金メッキは電解、無電解を問
わない。絶縁層が薄く、金型加工で外形加工する場合は
電解線と金属ベースがショートし易い傾向があるため、
無電解メッキの方が適している。なお、金属ベースの表
面に耐熱性熱可塑性樹脂を必須成分とする絶縁層を形成
し、その上に形成された銅箔層に半導体搭載用回路を形
成するためのメタルベース回路基板は、回路側とは反対
面に耐熱性熱可塑性樹脂などの耐熱性樹脂で保護されて
いることが、パッケージの平坦性、金メッキの付着防止
等で好ましい。

【００２６】

【実施例】以下に実施例に基づき具体的に説明する。実施例１金属ベースの表面に耐熱性熱可塑性樹脂を必須成分とす
る絶縁層を形成し、その上に形成された銅箔層に半導体
搭載用回路を形成するためのメタルベース回路基板は次
のようにして作成された。１８μｍ厚さの圧延銅箔（BH
Y-02BT, ジャパンエナジー社製）、１５μｍ厚さのポリ
エーテルイミドフィルム（スペリオＵＴ１５Ｆ、三菱樹
脂社製）、０．３５ｍｍ厚さのベース銅板（C1020-1/2
H、三菱伸銅社製）にメック社のＣＺ処理を施し表面を
粗化したシート、厚さ２５μｍのポリエーテルイミドフ
ィルム（スペリオＵＴ２５Ｆ）、１８μｍ厚さの圧延
銅箔（BHY-02BT）を、この順に積層した。この積層品
を、真空中で２５０℃、圧力４９００ｋＰａ（５０ｋｇ
ｆ／ｃｍ²）、６０分でプレス成形した。この成形品
（図６に断面模式図を示した）の全ての層間の接着力は
７８４Ｎ／ｍ（０．８ｋｇｆ／ｃｍ）以上であることを
確認した。

【００２７】次に、２５μｍ厚さのポリエーテルイミド
のビアホール相当部分をエッチング除去するために、回
路側銅箔の所定部分を塩化第２鉄溶液でエッチングして
直径０．２ｍｍの孔を開け、ビアホール用のマスクとし
た。次に、この基板をプラズマエッチング装置に入れ
て、銅箔でマスクされていない部分のポリエーテルイミ
ド層をＮＦ₃プラズマで除去した。ビアホールは回路側
の開口径が０．２５ｍｍΦ、銅ベース側の開口径は０．
２０ｍｍであった。アスペクト比は１．０であった。回
路側の銅箔のオーバーハング部は概略２５μｍ（絶縁層
厚さとほぼ同一）であり、これらの断面模式図は図７に
示した。次に、銅エッチング液で基板全体の銅箔を厚さ
方向で約８μｍ（銅箔厚さの約１／２）エッチングした
ところ、オーバーハングはほとんど消失した。

【００２８】次に、回路側銅箔に公知の方法で、配線、
ワイヤボンドパッド、ボールパッドから構成される所定
のパターンを描いた。次に、ワイヤボンドパッド、ボー
ルパッドを残して感光性ソルダーレジストで保護膜を形
成した。ボールパッドの開口径は０．６０ｍｍであっ
た。次に絞り加工、外形加工を行い、図８で示される断
面模式図のような形状の４０ｍｍ角の４１６ボールタイ
プの成形品を得た。

【００２９】次に、この成形品の露出している銅表面
（ワイヤーボンド、ボールパッド、ビアホールの底のベ
ース銅板）に、同時に無電解ニッケルメッキで約３．０
μｍの厚さにニッケルリン合金（リンは約７重量％）層
を形成し、その上に直ちに無電解金メッキ層を約０．５
μｍ形成して（図９に断面模式図を示した。）、ボール
付け前のメタルベースＢＧＡパッケージを作成した。こ
のベース銅板はグラウンド配線に使用する。

【００３０】次に、ＢＧＡパッケージ用半田フラックス
を用いて、直径０．７６ｍｍの共晶半田ボールをボール
パッド部に仮固定した。次にこれを半田リフロー炉（最
高温度２６０℃）に搬送して、半田ボール２００をビア
ホールのあるボールパッド上のニッケル金メッキ層１１
３とベース銅板上のニッケル金メッキ層１０３に固定、
絶縁層上下の銅箔層２５とベース銅板４３とを電気的に
接続した（図９にその断面模式図を示した）。その際、
半田ボールはビアホールの無いボールパッド部にも同時
に固定された。

【００３１】半田ボールの高さをボールパッドだけの場
合とビアホールのあるボールパッドの場合で比較した
所、ビアホールのある場合の平均ボール高さ（ｎ＝５
０）は０．６６５ｍｍであり、ボールパッドだけの場合
の平均ボール高さ（ｎ＝５０）は０．６７０ｍｍであ
り、その高さの差は実質的に無いと考えて良いレベルで
あった。また、半田ボール強度を剪断強度で測定したと
ころボールパッド部だけの場合は平均して（ｎ＝５
０）、１８．１Ｎ／ボール（１．８５ｋｇ／ボール）で
あり、ビアホールのあるボールパッド部の場合は平均し
て（ｎ＝５０）、１８．３Ｎ／ボール（１．８７ｋｇ／
ボール）であり実質的に差がないと考えられるレベルで
あった。

【００３２】実施例２実施例１と同様にしてメタルベースＢＧＡパッケージを
作成した。ただし、上下配線間の電気的接続の耐久信頼
性を調べるため、ビアホールを全ボールパッドに形成し
た。次に、３０日間、２３℃、６０％の室内にパッケー
ジを保管した後、ＢＧＡパッケージ用半田フラックスを
用いて、直径０．７６ｍｍの共晶半田ボールをボールパ
ッドに仮固定し、半田リフロー炉（最高温度２６０℃）
に搬送後半田ボールをボールパッドに固定した。半田ボ
ールの剪断強度は１８．０Ｎ／ボール（１．８４ｋｇ／
ボール）で、実施例１と同等の強度が得られ、室内に３
０日間放置した影響の無いことを確認した。

【００３３】このボール付きパッケージを−６５℃と＋
１５０℃の温度サイクル試験に掛けた。サイクルの条件
は−６５℃に１０分放置後、１０分間で＋１５０℃に昇
温し、その温度で３０分放置、その後１０分間で−６５
℃に冷却し、その温度で３０分間放置するというサイク
ルである。このサイクルを１０００回行った。次に、チ
ェック端子をボールに当てた際、いわゆるデージーチェ
ーンが形成できるように外部配線を形成、４１６個の半
田ボールの電気的接続が直列になるように結線して電気
抵抗を検査した。温度サイクル試験にかける前後で抵抗
値の変化をｎ＝３０で測定したが、平均で１．２Ωから
１．４Ωへの変化であり、大きな変化は認められなかっ
た。また、接続破壊の断線現象は見られなかった。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、ＢＧＡパッケージに必
要な半田ボール搭載工程で、ビアホールの上下配線の接
合をボール搭載と同時に行うことができるので、ビアホ
ールの上下配線の接合を、最も工程が少なく、加工作業
が容易で、ビアホール接合信頼性の高い多層配線構造の
メタルＢＧＡを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ビアホール１、回路用銅箔層２、銅メッキ層
３、銅シート４、および絶縁層５から構成される基板に
おいて、銅メッキでビアホールの電気的接合を取った場
合の断面模式図である。

【図２】ビアホール１０、回路用銅箔層２０、銅シート
４０、絶縁層５０、および接着層６０から構成される基
板において、半田７０で電気的接合を取った場合の断面
模式図である。

【図３】ビアホール１０００およびボールパッド１１０
０を含む基板において、ビアホールとボールパッドが分
かれている平面模式図である。

【図４】ビアホール１１、回路用銅箔層２１、銅メッキ
層３１、裏面回路用銅箔層４１、絶縁層５１、穴埋め用
樹脂層８０、および銅メッキ層９０から構成される基板
において、銅メッキでビアホールの電気的接合を取った
後、ビアホールを樹脂で穴埋めしてビアホール上にボー
ルパッドを形成した断面模式図である。

【図５】ビアホール１２、回路用銅箔層２２、銅シート
４２、絶縁層５２、接着剤層６２、半田７２、銀メッキ
層１００、ニッケル金メッキ層１１０、およびソルダー
レジスト層１２０から構成される基板において、ビアホ
ール内の銅シート側に銀メッキ、ボールパッド２２側に
ニッケル金メッキを施した後、半田ペーストを入れ、半
田を溶融させてビアホールの電気的接合を取った場合の
断面模式図である。

【図６】圧延銅箔層２３と１３０、ポリエーテルイミド
層５３と５４、およびベース銅板４３を含む基板におい
て、回路形成前の積層成形品の断面模式図である。

【図７】ビアホール１３、絶縁層エッチングマスク用銅
箔層２４、ベース銅板４３、ビアホールが形成されたポ
リエーテルイミド層５５、裏面ポリエーテルイミド層５
４、および裏面圧延銅箔層１３０から構成される基板に
おいて、ポリエーテルイミド層をエッチングしてビアホ
ールを形成した断面模式図である。

【図８】ベース銅板４３、ポリエーテルイミド層５５お
よび５４、回路用銅箔層２５、およびソルダーレジスト
１２３層から構成される基板において、絞り加工および
外形加工した場合の断面模式図である。

【図９】ビアホール１３、回路用銅箔層２５、ベース銅
板４３、ビアホールが形成されたポリエーテルイミド層
５５、裏面ポリエーテルイミド層５４、ニッケル金メッ
キ層１１３、ニッケル金メッキ層１０３、およびソルダ
ーレジスト層１２３から構成される基板において、ＢＧ
Ａパッケージ用半田ボール２００で電気的接合を取った
場合の断面模式図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ベース金属の表面に耐熱性熱可塑性樹脂
を必須成分とする絶縁層を形成し、その絶縁層の上に形
成された銅箔層に半導体搭載用回路を形成してなるメタ
ルベースＢＧＡパッケージにおいて、ニッケル金メッキ
されたボールパッドとビアホール内のニッケル金メッキ
されたベース金属とを半田ボールで接続することを特徴
とするメタルベースＢＧＡパッケージ。
【請求項２】ビアホールのあるボールパッド部のボー
ル高さがビアホールの無いボールパッド部のボール高さ
の少なくとも９５％であることを特徴とする請求項１の
メタルベースＢＧＡパッケージ。
【請求項３】絶縁層の厚さが５μｍ以上、５０μｍ以
下であることを特徴とする請求項１のメタルベースＢＧ
Ａパッケージ。
【請求項４】ビアホールの大きさは回路側の直径で半
田ボールの直径の１／２０以上、１／２以下であること
を特徴とする請求項１のメタルベースＢＧＡパッケー
ジ。
【請求項５】ベース金属の表面に耐熱性熱可塑性樹脂
を必須成分とする絶縁層を形成し、その絶縁層の上に形
成された銅箔層に半導体搭載用回路を形成してなるメタ
ルベースＢＧＡパッケージにおいて、ニッケル金メッキ
されたボールパッドとビアホール内のニッケル金メッキ
されたベース金属とを半田ボールで接続することを特徴
とするメタルベースＢＧＡパッケージの製造方法。