JP2004207381A - 配線基板及びその製造方法並びに半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ワイヤボンディングやフリップチップ接続といった搭載方法が異なる異種の半導体素子を確実に搭載することができ、各々の接続信頼性を高めるのに寄与することを目的とする。
【解決手段】配線基板10にワイヤボンディングによって搭載される半導体素子が接続されるパッドWPを、銅又は銅を主成分とする配線材料によって形成したパッド形成部14Pの表面に、ニッケルめっき及び金めっきによる各めっき層16a,16b,16cを被着して形成し、一方、フリップチップ接続によって搭載される半導体素子が接続されるパッドFPと外部接続端子が接合されるパッドBPとを、それぞれ銅又は銅を主成分とする配線材料によって形成したパッド形成部14Pの表面に、それぞれ金めっきによるめっき層17,18を被着して形成する。
【選択図】 図1
【解決手段】配線基板10にワイヤボンディングによって搭載される半導体素子が接続されるパッドWPを、銅又は銅を主成分とする配線材料によって形成したパッド形成部14Pの表面に、ニッケルめっき及び金めっきによる各めっき層16a,16b,16cを被着して形成し、一方、フリップチップ接続によって搭載される半導体素子が接続されるパッドFPと外部接続端子が接合されるパッドBPとを、それぞれ銅又は銅を主成分とする配線材料によって形成したパッド形成部14Pの表面に、それぞれ金めっきによるめっき層17,18を被着して形成する。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子を搭載するパッケージとして用いられる配線基板及びその製造方法並びに半導体装置に関し、より詳細には、ワイヤボンディングやフリップチップ接続といった搭載方法が異なる異種の半導体素子を配線基板に搭載する際にその接続信頼性を高めるのに有用な技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体素子を搭載するパッケージには、同一の基板にマイクロプロセッサ、CPU等の演算素子やEEPROM等のメモリ素子といったように異種の半導体素子を搭載したものがある。このようなパッケージ(配線基板)では、一方はワイヤボンディング、他方はフリップチップ接続といったように基板への搭載方法が異なる場合がある。
【0003】
一般に、ワイヤボンディングによって半導体素子を搭載する場合、半導体素子が接続されるパッド(ワイヤボンディング用のパッド)は、銅(Cu)又はCuを主成分とする配線材料によって形成したパッド形成部に、ニッケル(Ni)めっきと金(Au)めっきによる各めっき層を被着させて形成される。このNi/Auめっき層は、ボンディングワイヤと当該パッドとの接合性を良好にするために施すものである。一方、フリップチップ接続によって半導体素子を搭載する場合、例えば、電極にAuを主成分とする突起電極(ボール)を設けた半導体素子の場合には、半導体素子が接続されるパッド(フリップチップ接続用のパッド)の表面に予めはんだを被着しておき、このはんだを介して突起電極(ボール)を当該パッドに接合する。
【0004】
このように、ワイヤボンディングによって搭載する半導体素子とフリップチップ接続によって搭載する半導体素子とを同一の基板に搭載する場合には、基板に配線パターンとパッド形成部を形成した後、パッド形成部(Cu)にNiめっきとAuめっきを施し、さらにフリップチップ接続用のパッドの表面にはんだを被着して双方の半導体素子を搭載できるようにすることが考えられる。
【0005】
この場合、各パッド形成部の表面に被着されるめっき層のうちAuめっき層については、ワイヤボンディング用のパッドとフリップチップ接続用のパッドとでそれぞれ厚さが異なるのが一般的である。例えば、下地層のNiめっき層の厚さが5μm程度であるとすると、その上に被着されるAuめっき層の厚さは、ワイヤボンディング用のパッドについては0.5μm程度であるのに対し、フリップチップ接続用のパッドについては0.05μm程度と相対的に薄い。
【0006】
フリップチップ接続用のパッド形成部の表面に被着されるAuめっき層の厚さが薄い(つまり、Auの堆積量が少ない)のは、以下の理由による。すなわち、フリップチップ接続によって半導体素子を搭載する場合、上述したようにパッドの表面に被着されたはんだを介して半導体素子の突起電極(ボール)を当該パッドに接合する。しかし、パッドの表面にはんだを被着すると、パッドの表面を被覆するAuがはんだの中に拡散してはんだの融点が上昇し、この傾向は、はんだ中に拡散するAuの量が多いほど一層顕著に表れる。はんだの融点が上昇し過ぎると、接合の際にはんだを溶融させることが困難となり、そのために確実なはんだ接合ができなくなる。これは、外部接続端子接合用のパッドの表面にはんだボールを接合する場合にも同様に起こり得る。このような理由から、フリップチップ接続用のパッドと外部接続端子接合用のパッドについてはAuめっき層の厚さを極力薄くしている。
【0007】
これに対し、ワイヤボンディング用のパッドについては、ボンディングワイヤとしては一般にAuワイヤが用いられるので上記のような不都合は生じないが、パッドの表面を被覆するAuめっき層の厚さがあまりに薄いと、ワイヤ接続後に要求される所要のワイヤボンディング強度(引っ張り強度)を確保できない場合がある。このため、ワイヤボンディング用のパッドについてはAuめっき層の厚さを相対的に厚くしている。
【0008】
上記のようにワイヤボンディング用、フリップチップ接続用及び外部接続端子接合用の各パッドのAuめっき層の厚さがそれぞれ0.5μm、0.05μm及び0.05μmと異なる配線基板にめっきを行う場合、従来の方法では、例えば以下のように行っている。
【0009】
先ず、配線基板から露出している各パッド形成部(Cu)上に、無電解Niめっきを施してNiめっき層を5μm程度の厚さに形成し、さらにその上に、置換AuめっきによりAuめっき層を0.05μmの厚さに形成した後、それ以上更にAuめっき厚が要求されない箇所(すなわち、フリップチップ接続用及び外部接続端子接合用の各パッド)に当該箇所をマスキングするための粘着テープを貼り付けてから、露出しているワイヤボンディング用の無電解Ni/Auめっき層上に、自己触媒タイプの無電解Auめっき(厚付け無電解Auめっき)を施してトータルのAuめっき層の厚さが0.5μmになるまでめっきを行った後、マスキング用の粘着テープを剥離する。
【0010】
上述したようにワイヤボンディングによって搭載する半導体素子とフリップチップ接続によって搭載する半導体素子とを同一の基板に搭載する技術に関連する技術としては、例えば、フリップチップ接続によって搭載する半導体素子とワイヤボンディングによって搭載する半導体素子とを立体的に重ね合わせて基板に搭載するようにしたものがある(例えば、特許文献1参照)。また、半導体パッケージの外部端子形成部分(パッド)にはんだボールを接合するにあたり、Cuを主成分とする材料からなるパッドの表面にNiめっきとAuめっきを施してからはんだ(Pb、Snなど)を接合した場合にはんだ接合部分で観察される組成等について考察された論文がある(例えば、非特許文献1参照)。
【0011】
【特許文献1】
特開2002−151643号公報
【非特許文献1】
松木浩久、外2名、「半導体デバイスにおける半田接合界面のTEM観察」、日本金属学会誌、2000年、第64巻、第3号、p.213−217
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように従来のフリップチップ接続においては、パッド形成部(Cu)の表面に無電解Ni/Auめっきによる各めっき層を被着させ、さらにその表面にはんだ(Pb、Snなど)を被着させた構成となっていたため、例えば上記の非特許文献1にも記載されているように、はんだ接合部分には、好ましくない金属間化合物(Ni3 Sn4 、Ni48Sn52等)が形成されるといった不都合があった。このような金属間化合物がパッドとの接合界面に多く存在すると、はんだ接合後に外部から何らかの衝撃等を受けたときに当該部分が破壊される可能性が高くなり、そのために、パッドにいったん接合された半導体素子の突起電極(ボール)が当該パッドから脱落してしまうといった可能性もある。特に、ボールに対して接合面と水平方向にせん断力が働くと、当該パッドから脱落してしまう可能性が高くなる。かかる不都合は、外部接続端子接合用のパッドの表面にはんだボールを接合する場合にも同様に起こり得る。
【0013】
つまり、パッド形成部(Cu)の表面にNiめっき層を介してAuめっき層が被着され、さらにその表面にはんだ(Pb、Snなど)が被着され又は接合される構成では、接合面と水平方向に働くせん断力に対するボールの強度(ボールシア(shear) 強度)が相対的に低いといった課題があった。ボールシア強度が低いと、上記のようにボールがパッドから脱落してしまうおそれがあり、ひいては接続信頼性が低下することになる。
【0014】
また、ワイヤボンディング用、フリップチップ接続用及び外部接続端子接合用の各パッドのAuめっき層の厚さが異なる配線基板にめっきを行う場合に、従来の方法では、Niめっき及びAuめっきによる各めっき層の形成を全て無電解めっきにより基板全体(基板に形成された全てのパッド形成部)に対して行っていたため、各パッドを構成するめっき層の形成に要するトータルの時間が相対的に長くなるといった課題もあった。
【0015】
本発明の目的は、かかる従来技術における課題に鑑み、ワイヤボンディングやフリップチップ接続といった搭載方法が異なる異種の半導体素子を確実に搭載することができ、ひいては各々の接続信頼性を高めるのに寄与することができる配線基板及びその製造方法並びに半導体装置を提供することにある。
【0016】
さらに本発明の目的は、ワイヤボンディング用、フリップチップ接続用及び外部接続端子接合用の各パッドを構成するめっき層の形成に要するトータルの時間を短縮することができる配線基板の製造方法を提供することにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記の従来技術の課題を解決するため、本発明の一形態によれば、ワイヤボンディングによって搭載される第1の半導体素子とフリップチップ接続によって搭載される第2の半導体素子とを実装するのに用いられる配線基板であって、前記第1の半導体素子が接続される第1のパッドは、銅又は銅を主成分とする配線材料によって形成された第1のパッド形成部の表面に、ニッケルめっき及び金めっきによる各めっき層が被着されて形成され、前記第2の半導体素子が接続される第2のパッド及び外部接続端子が接合される第3のパッドは、それぞれ銅又は銅を主成分とする配線材料によって形成された第2のパッド形成部及び第3のパッド形成部の表面に、それぞれ金めっきによるめっき層が被着されて形成されていることを特徴とする配線基板が提供される。
【0018】
この形態に係る配線基板の構成によれば、ワイヤボンディングによって半導体素子が接続される第1のパッドについては、Cu又はCuを主成分とする配線材料によって形成したパッド形成部の表面にNi/Auめっき層が被着されて形成されているので、第1のパッドにボンディングワイヤ(一般にはAuワイヤ)を確実に接合することができる(ワイヤボンディング性の向上)。一方、フリップチップ接続によって半導体素子が接続される第2のパッドについては、Cu又はCuを主成分とする配線材料によって形成したパッド形成部の表面に直接Auめっき層が被着されて形成されているので、従来技術に見られたような不都合(はんだ接合部分における金属間化合物(Ni3 Sn4 、Ni48Sn52等)の存在によりボールシア強度が低下し、接続信頼性が低下するといった不都合)を生じることなく、通常のはんだを用いたフリップチップ接続によって半導体素子を確実に搭載することが可能となる(フリップチップ接続性の向上)。
【0019】
このように本発明によれば、ワイヤボンディングやフリップチップ接続といった搭載方法が異なる異種の半導体素子を配線基板に確実に搭載することができ、ひいては各々の接続信頼性を高めることが可能となる。
【0020】
また、本発明の他の形態によれば、ワイヤボンディングによって搭載される第1の半導体素子とフリップチップ接続によって搭載される第2の半導体素子とを実装するのに用いられる配線基板の製造方法であって、銅又は銅を主成分とする配線材料によってそれぞれ形成された各パッド形成部の領域を露出させて配線基板の両面を覆うようにソルダレジスト層を形成する工程と、前記各パッド形成部のうち前記第2の半導体素子接続用のパッド形成部と外部接続端子接合用のパッド形成部とをテープでマスキングする工程と、前記第1の半導体素子接続用のパッド形成部の表面にニッケルめっき及び金めっきによる各めっき層をそれぞれ所要の厚さに形成する工程と、前記テープを剥離する工程と、前記第2の半導体素子接続用及び外部接続端子接合用の各パッド形成部の表面にそれぞれ金めっきによるめっき層を所要の厚さに形成する工程とを含むことを特徴とする配線基板の製造方法が提供される。
【0021】
この形態に係る配線基板の製造方法によれば、上記の形態に係る配線基板で得られた効果に加えて、更に、ワイヤボンディング用のパッドを構成するめっき層についてのみNi/Auめっきを施しているので、従来のようにNi/Auめっきによる各めっき層の形成を全て無電解めっきにより基板全体に対して行う場合と比べて、ワイヤボンディング用、フリップチップ接続用及び外部接続端子接合用の各パッドを構成するめっき層の形成に要するトータルの時間を短縮することができる。
【0022】
また、本発明の更に他の形態によれば、上記の一形態に係る配線基板に、ワイヤボンディングにより接続された第1の半導体素子と、フリップチップ接続された第2の半導体素子とが搭載されていると共に、外部接続端子が接合されていることを特徴とする半導体装置が提供される。
【0023】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の一実施形態に係る半導体パッケージとしての配線基板の構成を示したものであり、(a)は上方から平面的に見た概略構成、(b)は(a)のA−A’線に沿って見た断面構造をそれぞれ示している。
【0024】
本実施形態に係る配線基板(半導体パッケージ)10は、ワイヤボンディングによって搭載される半導体素子とフリップチップ接続によって搭載される半導体素子とを実装するのに用いられる。図1(a)において、破線によって囲まれた一方の領域M1は、ワイヤボンディングによって接続される半導体素子を搭載する領域を示し、破線によって囲まれた他方の領域M2は、フリップチップ接続される半導体素子を搭載する領域を示す。なお、各半導体素子搭載領域M1,M2にそれぞれ半導体素子を搭載した状態の構成については、後で説明する。
【0025】
図1(a)に示すように、ワイヤボンディングによって搭載される半導体素子の搭載領域M1の周囲には、ワイヤボンディング用のパッドWP(ハッチングで示す部分)が配置されており、一方、フリップチップ接続によって搭載される半導体素子の搭載領域M2の内側には、フリップチップ接続用のパッドFP(ハッチングで示す部分)が配置されている。より詳細には、フリップチップ接続用のパッドFPは、搭載する半導体素子の電極からスタッド状に起立して設けられた突起電極(ボール)の平面配置と一致する配置で形成されている。
【0026】
図1(b)において、11は本パッケージ(配線基板10)の基材としてのコア、12はコア11の両面に形成された導体層を示す。本実施形態では、コア11及び導体層12の形態として、ガラス布にエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、BT(ビスマレイミド−トリアジン)樹脂等を含浸させてなるコア11の両面に銅箔(Cu箔)12を張り付けて接着したもの、いわゆるガラス−エポキシ基板等の樹脂基板を用いている。また、13は無電解Cuめっきにより形成された導体層を示し、この導体層13は、所要の形状にパターニングされたCu箔12上に形成されると共に、コア11の所要の箇所に形成されたスルーホール及びビアホールの内壁にそれぞれ形成されている。また、14は導体層13上に電解Cuめっきにより形成された配線層を示す。従って、コア11を挟んでその上下に形成された各配線層14は、コア11のスルーホール及びビアホールの内壁に形成された導体層13及びCu箔12を介して相互に電気的に接続されている。
【0027】
また、各配線層14にはそれぞれ所要の箇所にパッド形成部14Pが形成されており、さらに、各パッド形成部14Pの領域を露出させて基板の両面を覆うようにソルダレジスト層15が形成されている。ソルダレジスト層15は、後述するように、フリップチップ接続される半導体素子の実装時及び外部接続端子の接合時にリフローされるはんだが当該パッド以外の部分に拡散するのを防ぐために設けられる。ソルダレジスト層15の材料としては、例えば、感光性又は非感光性のエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂等が用いられる。
【0028】
また、基板の一方の側(図示の例では上側)に設けた各パッド形成部のうちワイヤボンディング用のパッド形成部14P上には、後述するように電解Niめっき又は無電解NiめっきによるNiめっき層16aと、電解Auめっき又は無電解AuめっきによるAuめっき層16bと、無電解AuめっきによるAuめっき層16cとが被着されて形成されている。つまり、ワイヤボンディング用のパッドWPは、パッド形成部14P(Cu)にNiめっき層16a及びAuめっき層16b,16cが被着されて形成されている。
【0029】
また、基板の一方の側(図示の例では上側)に設けた各パッド形成部のうちフリップチップ接続用のパッド形成部14P上には、後述するように無電解AuめっきによるAuめっき層17が被着されて形成されており、基板の他方の側(図示の例では下側)に設けた外部接続端子接合用の各パッド形成部14P上には、同様に無電解AuめっきによるAuめっき層18が被着されて形成されている。つまり、フリップチップ接続用のパッドFPと外部接続端子接合用のパッドBPとは、それぞれパッド形成部14P(Cu)にAuめっき層17,18が被着されて形成されている。
【0030】
本実施形態に係る配線基板10は、ワイヤボンディング用のパッドWPについてはパッド形成部14P(Cu)上にNiめっきとAuめっきによる各めっき層16a,16b,16cが被着されて形成され、一方、フリップチップ接続用のパッドFPと外部接続端子接合用のパッドBPについてはそれぞれパッド形成部14P(Cu)上に直接Auめっき層17,18が被着されて形成されていることを特徴とする。
【0031】
図2は、本実施形態に係る配線基板10に搭載方法の異なる異種の半導体素子を搭載した場合の半導体装置の一構成例を概略的に示したものである。
【0032】
図示の半導体装置30の構成例では、配線基板10にワイヤボンディングによって半導体素子31が搭載され、フリップチップ接続によって半導体素子32が搭載されている。搭載する各半導体素子31,32は、例えば、マイクロプロセッサ、CPU等の演算素子、EEPROM等のメモリ素子などである。半導体素子31は、その裏面(電極が形成されている側と反対側の面)を下にして配線基板10(特定的にはソルダレジスト層15)上に接着剤33により固着されると共に、ボンディングワイヤ(Auワイヤ)34を介して配線基板10上のパッドWPに接続されている。一方、半導体素子32は、フリップチップ接続により、その突起電極(Auボール)35がはんだ(図示せず)を介して配線基板10上のパッドFPに接合されて接続されている。なお、36はフリップチップ接続の際に半導体素子32の下面と配線基板10との間の隙間部分に充填されるアンダーフィル樹脂、37は各半導体素子31,32、ボンディングワイヤ34等を保護するために配線基板10の上面の全範囲に亘って被覆された封止樹脂を示す。この封止樹脂37による封止方法としては、樹脂をポッティングして樹脂封止する方法、樹脂封止金型を用いて樹脂封止する方法などが用いられる。
【0033】
また、20は配線基板10をマザーボード等の実装用基板に接続するための外部接続端子として機能するはんだボールを示し、このはんだボール20は、配線基板10の下面に設けた外部接続端子接合用のパッドBPに接合されている。本実施形態では、はんだボール20の材料として鉛フリーはんだを用いている。
【0034】
次に、本実施形態に係る配線基板10を製造する方法について、その製造工程の一例を示す図3〜図6を参照しながら説明する。
【0035】
先ず最初の工程では(図3(a)参照)、基材としてガラス布に樹脂(エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等)を含浸させてなる厚さ100μm程度のコア11の両面に厚さ18μm程度のCu箔12を接着して積層したガラス−エポキシ基板等の樹脂基板を用意する。
【0036】
次の工程では(図3(b)参照)、樹脂基板(コア11、Cu箔12)の所要の箇所に、例えば、機械ドリルによる穴明け加工により、スルーホール41を形成する。
【0037】
次の工程では(図3(c)参照)、スルーホール41が形成された樹脂基板の一方の面側(図示の例では上側)のCu箔12上に、エッチングレジストとしての役割を果たす厚さ15μm程度のドライフィルム42を貼り付ける。
【0038】
次の工程では(図3(d)参照)、ドライフィルム42が貼り付けられていない側(図示の例では下側)のCu箔12を、ウエットエッチングにより、当初の18μmの厚さから5μmの厚さになるまで薄くする(薄化処理)。
【0039】
次の工程では(図3(e)参照)、ドライフィルム42(図3(d))を剥離する。
【0040】
次の工程では(図4(a)参照)、樹脂基板(コア11、Cu箔12)のCu箔12が薄化されている側(図示の例では下側)の所要の箇所に、例えばCO2 レーザによる穴明け加工により、もう一方の薄化されていないCu箔12に達するビアホール43を形成する。この際、穴明け加工が施されたCu箔12の表面には、図示のようにビアホール43の周縁に沿って酸化物44が残留する。
【0041】
次の工程では(図4(b)参照)、ソフトエッチングにより、Cu箔12の表面に残留している酸化物44を除去する。例えば、硫酸/過酸化水素、過硫酸ソーダ等の水溶液(エッチング液)を用いて、Cu箔12の表面の酸化物44を溶解して取り去り、新鮮な金属(Cu)の表面として、次の処理のための準備をする。
【0042】
次の工程では(図4(c)参照)、スルーホール41及びビアホール43が形成された樹脂基板(コア11、Cu箔12)の、薄化されている側(図示の例では下側)のCu箔12上に、エッチングレジストとしての役割を果たす厚さ15μm程度のドライフィルム45を貼り付ける。
【0043】
次の工程では(図4(d)参照)、ドライフィルム45が貼り付けられていない側(図示の例では上側)のCu箔12を、ウエットエッチングにより、当初の18μmの厚さから5μmの厚さになるまで薄くする(薄化処理)。
【0044】
次の工程では(図4(e)参照)、ドライフィルム45(図4(d))を剥離する。
【0045】
次の工程では(図5(a)参照)、先ず、Cu箔12の表面に残留している樹脂(スミア)を除去するための処理(デスミア)を行う。このデスミアは、Cu箔12の表面を清浄にして、後の工程で行うめっきの密着性を向上させるために行うものである。
【0046】
次に、コア11に形成されたスルーホール41及びビアホール43の内壁を含めて全面に、無電解Cuめっきを施して導体層13(無電解Cuめっき層)を形成する。これによって、コア11の両面の各Cu箔12が、無電解Cuめっき層13を介して相互に接続されたことになる。
【0047】
次の工程では(図5(b)参照)、無電解Cuめっき層13が全面に形成された樹脂基板の両面に、それぞれめっきレジストとしての役割を果たす厚さ15μm程度のドライフィルム46を貼り付けた後、所要の形状にパターニングする。すなわち、ドライフィルム46のパターニングは、樹脂基板の両面に形成すべき所要の配線パターンに対応する領域が露出するように行われる。
【0048】
次の工程では(図5(c)参照)、パターニングされたドライフィルム46で覆われていない部分(つまり、露出している部分)の無電解Cuめっき層13を給電層としてその表面に、電解Cuめっきを施して配線層14(電解Cuめっき層)を形成する。
【0049】
次の工程では(図5(d)参照)、ドライフィルム46(図5(c))を剥離する。
【0050】
次の工程では(図5(e)参照)、スルーホール41及びビアホール43の内壁を含めて全面に無電解Cuめっき層13が形成され、さらにその上に所要の形状に電解Cuめっき層14がパターニング形成された樹脂基板(コア11、Cu箔12)に対し、フラッシュエッチングを施す。すなわち、ウエットエッチングにより全体的にCuめっき層を除去し、最終的には、露出している部分の無電解Cuめっき層13とその下層のCu箔12とを完全に除去し、残っている部分のCuめっき層13,14及びその下層のCu箔12のトータルの厚さが15μm程度となるようにフラッシュエッチングを行う。
【0051】
次の工程では(図6(a)参照)、所要の形状に電解Cuめっき層(配線層)14が形成された樹脂基板の両面に、それぞれソルダレジストを厚さ20μm程度に塗布した後(ソルダレジスト層15)、所要の形状にパターニングする。すなわち、ソルダレジスト層15のパターニングは、配線層14上に形成すべき所要の各パッド形成部14Pに対応する領域が露出するように行われる。露出されるべき各パッド形成部14Pは、それぞれ図1(b)に示すワイヤボンディング用のパッドWP、フリップチップ接続用のパッドFP、外部接続端子接合用のパッドBPに対応している。
【0052】
ソルダレジスト層15は、その材料としては感光性又は非感光性のエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂等が用いられるが、ソルダレジストとして感光性樹脂を用いた場合には、露光及び現像により当該レジストを所要の形状にパターニングすることにより、また、ソルダレジストとして非感光性樹脂を用いた場合には、当該レジストの所定の部分(各パッド形成部14Pの領域に対応する部分)にレーザを照射して当該部分を除去することにより、形成され得る。
【0053】
次の工程では(図6(b)参照)、前の工程で形成されたソルダレジスト層15から露出している各パッド形成部14Pのうち、フリップチップ接続用のパッド形成部14P(FP)と外部接続端子接合用のパッド形成部14P(BP)とをマスキングするように、すなわち、ワイヤボンディング用のパッド形成部14P(WP)のみを露出させるように、粘着テープ47を両面に貼り付ける。
【0054】
なお、この工程では所定の領域をマスキングするための手段として粘着テープ47を用いているが、この粘着テープ47に代えて、部分めっき装置のマスク板を所定の領域に押し付けてマスキングするようにしてもよい。
【0055】
次の工程では(図6(c)参照)、露出しているワイヤボンディング用のパッド形成部14P(WP)上に、先ず電解Niめっきにより厚さが2μm〜15μmのNiめっき層16aを形成し、次に電解Auめっきにより厚さが0.2μm〜2.0μmのAuめっき層16bを形成する。
【0056】
なお、この工程では各めっき層16a,16bの形成を電解めっきによって行っているが、この電解めっきに代えて、無電解めっきを行ってもよい。
【0057】
次の工程では(図6(d)参照)、粘着テープ47(図6(c)参照)を剥離する。これによって、それまでマスキングされていたフリップチップ接続用のパッド形成部14P(FP)と外部接続端子接合用のパッド形成部14P(BP)が露出する。
【0058】
最後の工程では(図6(e)参照)、前の工程で露出されたフリップチップ接続用のパッド形成部14P(FP)及び外部接続端子接合用のパッド形成部14P(BP)と、既に露出しているワイヤボンディング用のAuめっき層16b上に、それぞれ置換Auめっき(無電解Auめっき)により厚さが0.01μm〜0.2μmのAuめっき層17,18及び16cを形成する。これによって、本実施形態に係る配線基板10(図1)が製造されたことになる。
【0059】
なお、この工程では各めっき層17,18及び16cの材料としてAuを用いているが、Auに代えて銀(Ag)を用いてもよい。
【0060】
上述した実施形態に係る配線基板10の製造方法においてワイヤボンディング用、フリップチップ接続用及び外部接続端子接合用の各パッド形成部14Pの表面にNiめっき及びAuめっきを施す処理(図6(b)〜図6(e)の工程)を具体的に実施した例(実施例)を以下に示す。
【0061】
なお、実施例との対比のために、従来の方法に係る処理、すなわち、Niめっき及びAuめっきによる各めっき層の形成を全て無電解めっきにより基板全体に対して行った場合の一例(比較例)も併せて以下に示す。
【0062】
(実施例)
先ず、フリップチップ接続用及び外部接続端子接合用の各パッド形成部14Pをテープ47でマスキングした後、酸性脱脂(酸性クリーナーFR、40℃、5分)→ソフトエッチング(NPE−300、常温、1分)→酸処理(10%濃度のH2 SO4 、常温、1分)を行い、露出しているワイヤボンディング用のパッド形成部14Pに対し、スルファミン酸浴を用いて電解Niめっき(2ASD、15分間)を行った。更にこのNiめっき層に対し、テンペレシストEX金めっき液を用いて電解Auめっき(0.2ASD、5分間)を行った。そして、テープ47を剥離した後、上記と同じ条件で酸性脱脂→ソフトエッチング→酸処理を行い、露出しているフリップチップ接続用及び外部接続端子接合用の各パッド形成部14Pとワイヤボンディング用の電解Auめっき層16bに対し、無電解金めっき液:TCU−36を用いて無電解Auめっき(20分間)を行った。
【0063】
以上の実施例に係るめっき処理に基づいて、ワイヤボンディングにより搭載した半導体素子について得られたワイヤボンディング強度は、最大で10.1g、最小で7.3g、平均で9.3gであった。また、フリップチップ接続により搭載した半導体素子について得られたボールシア強度は、最大で2.3kgf、最小で1.6kgf、平均で2.0kgfであった。
【0064】
(比較例)
先ず、各パッド形成部の領域を露出させてソルダレジスト層が両面に形成された基板に対し、酸性脱脂(酸性クリーナーFR、40℃、5分)→ソフトエッチング(NPE−300、常温、1分)→酸処理(10%濃度のH2 SO4 )、常温、1分)→活性化(KAT−450、40℃、1分)を行った後、基板全体に対し、無電解Niめっき(ニムデンNPR−4、80℃、20分)を行い、更にこのNiめっき層に対し、置換Auめっき(オーリカルTKK−51、85℃、5分)を行った後、それ以上更にAuめっき厚が要求されない箇所(すなわち、フリップチップ接続用及び外部接続端子接合用の各パッド形成部)をテープでマスキングしてから、露出しているワイヤボンディング用の無電解Ni/Auめっき層に対し、厚付け無電解Auめっき(オーリカルTTT−24、85℃、30分)を行った。
【0065】
以上の比較例に係るめっき処理に基づいて、ワイヤボンディングにより搭載した半導体素子について得られたワイヤボンディング強度は、最大で9.0g、最小で6.0g、平均で7.2gであった。また、フリップチップ接続により搭載した半導体素子について得られたボールシア強度は、最大で1.5kgf、最小で0.2kgf、平均で0.5kgfであった。
【0066】
以上説明したように、本実施形態に係る配線基板10の構成(図1参照)によれば、ワイヤボンディングによって半導体素子31(図2)が接続されるパッドWPについては、配線材料(Cu)によって形成したパッド形成部14Pの表面にNiめっきとAuめっきによる各めっき層16a,16b,16cが被着されて形成されているので、ボンディングワイヤ(Au)34とパッドWPとは確実に接合される(ワイヤボンディング性の向上)。
【0067】
一方、フリップチップ接続によって半導体素子32(図2)が接続されるパッドFPについては、配線材料(Cu)によって形成したパッド形成部14Pの表面に、従来のようなNi層を介することなく、直接Auめっき層17が被着されて形成されているので、従来技術に見られたような不都合(すなわち、はんだ接合部分における金属間化合物(Ni3 Sn4 、Ni48Sn52等)の存在によりボールシア強度が低下し、接続信頼性が低下するといった不都合)を生じることなく、通常のはんだを用いたフリップチップ接続によって半導体素子32を確実に搭載することが可能となる(フリップチップ接続性の向上)。
【0068】
このように本実施形態によれば、ワイヤボンディングやフリップチップ接続といった搭載方法が異なる異種の半導体素子31,32を配線基板10に確実に搭載することができ、これによって、各素子の接続信頼性を高めることが可能となる。
【0069】
また、本実施形態に係る配線基板10の製造方法(図6参照)によれば、さらに、ワイヤボンディング用のパッドWPを構成するめっき層16a,16b,16cについてのみNi/Auめっきを行っているので、従来のようにNiめっきとAuめっきによる各めっき層の形成を全て無電解めっきにより基板全体(基板に形成された全てのパッド形成部)に対して行う場合と比べて、ワイヤボンディング用、フリップチップ接続用及び外部接続端子接合用の各パッドを構成するめっき層の形成に要するトータルの時間を短縮することができる。
【0070】
因みに、上記の比較例に対する実施例の場合、比較例では無電解Ni+Auで約50分のめっき時間を要していたものが、実施例では30分程度に短縮することができた。
【0071】
上述した実施形態では、基材としてのコア11の両面にそれぞれ単層構造の配線層14を形成した場合について説明したが、コア11の両面に形成すべき配線層は必ずしも単層構造とする必要がないことはもちろんである。要は、最終構造としての配線基板10(図1)から露出している各パッドWP、FP及びBPが所定のめっき構造(ワイヤボンディング用のパッドWPについてはNi/Auめっき層、フリップチップ接続用のパッドFPと外部接続端子接合用のパッドBPについてはそれぞれAuめっき層)を有していれば十分であり、最終構造に到る前の段階で形成すべき配線層については、上記の単層構造以外にも、例えば、ビルドアップ法などにより樹脂層(層間絶縁層)と配線層とが交互に複数積層された多層構造の形態でもよい。
【0072】
また、上述した実施形態では、コア11の材料として樹脂を用いた場合を例にとって説明したが、上記の本発明の要旨からも明らかなように、コア11の材料はこれに限定されないことはもちろんである。コア11の材料として、アルミニウム(Al)や、鉄−ニッケル(Fe−Ni)、鉄−ニッケル−コバルト(Fe−Ni−Co)、CIC(Cu−Invar−Cu)等の合金などを用い、これら合金によるメタルコア配線基板を使用してもよい。
【0073】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ワイヤボンディングやフリップチップ接続といった搭載方法が異なる異種の半導体素子を配線基板に確実に搭載することができ、これによって各々の接続信頼性を高めることができると共に、ワイヤボンディング用、フリップチップ接続用及び外部接続端子接合用の各パッドを構成するめっき層の形成に要するトータルの時間を短縮することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る半導体パッケージとしての配線基板の構成を示す図である。
【図2】図1の配線基板に搭載方法の異なる異種の半導体素子を搭載した場合の半導体装置の一構成例を概略的に示す断面図である。
【図3】図1の配線基板の製造工程(その1)を示す断面図である。
【図4】図1の配線基板の製造工程(その2)を示す断面図である。
【図5】図1の配線基板の製造工程(その3)を示す断面図である。
【図6】図1の配線基板の製造工程(その4)を示す断面図である。
【符号の説明】
10…配線基板(半導体パッケージ)、
11…コア(基材)、
12…導体層(Cu箔)、
13…導体層(無電解Cuめっき層)、
14…配線層(電解Cuめっき層)、
14P…パッド形成部、
15…ソルダレジスト層、
16a…ニッケル(Ni)めっき層、
16b,16c,17,18…金(Au)めっき層、
20…外部接続端子(はんだボール)、
30…半導体装置、
31,32…半導体素子(チップ)、
33…接着剤、
34…ボンディングワイヤ(Auワイヤ)、
35…突起電極(Auボール)、
36…アンダーフィル樹脂、
37…封止樹脂、
41…スルーホール、
42,45…エッチングレジスト(ドライフィルム)、
43…ビアホール、
46…めっきレジスト(ドライフィルム)、
47…マスキング用のテープ、
M1,M2…半導体素子搭載領域、
WP…ワイヤボンディング用のパッド、
FP…フリップチップ接続用のパッド、
BP…外部接続端子接合用のパッド。
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子を搭載するパッケージとして用いられる配線基板及びその製造方法並びに半導体装置に関し、より詳細には、ワイヤボンディングやフリップチップ接続といった搭載方法が異なる異種の半導体素子を配線基板に搭載する際にその接続信頼性を高めるのに有用な技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体素子を搭載するパッケージには、同一の基板にマイクロプロセッサ、CPU等の演算素子やEEPROM等のメモリ素子といったように異種の半導体素子を搭載したものがある。このようなパッケージ(配線基板)では、一方はワイヤボンディング、他方はフリップチップ接続といったように基板への搭載方法が異なる場合がある。
【0003】
一般に、ワイヤボンディングによって半導体素子を搭載する場合、半導体素子が接続されるパッド(ワイヤボンディング用のパッド)は、銅(Cu)又はCuを主成分とする配線材料によって形成したパッド形成部に、ニッケル(Ni)めっきと金(Au)めっきによる各めっき層を被着させて形成される。このNi/Auめっき層は、ボンディングワイヤと当該パッドとの接合性を良好にするために施すものである。一方、フリップチップ接続によって半導体素子を搭載する場合、例えば、電極にAuを主成分とする突起電極(ボール)を設けた半導体素子の場合には、半導体素子が接続されるパッド(フリップチップ接続用のパッド)の表面に予めはんだを被着しておき、このはんだを介して突起電極(ボール)を当該パッドに接合する。
【0004】
このように、ワイヤボンディングによって搭載する半導体素子とフリップチップ接続によって搭載する半導体素子とを同一の基板に搭載する場合には、基板に配線パターンとパッド形成部を形成した後、パッド形成部(Cu)にNiめっきとAuめっきを施し、さらにフリップチップ接続用のパッドの表面にはんだを被着して双方の半導体素子を搭載できるようにすることが考えられる。
【0005】
この場合、各パッド形成部の表面に被着されるめっき層のうちAuめっき層については、ワイヤボンディング用のパッドとフリップチップ接続用のパッドとでそれぞれ厚さが異なるのが一般的である。例えば、下地層のNiめっき層の厚さが5μm程度であるとすると、その上に被着されるAuめっき層の厚さは、ワイヤボンディング用のパッドについては0.5μm程度であるのに対し、フリップチップ接続用のパッドについては0.05μm程度と相対的に薄い。
【0006】
フリップチップ接続用のパッド形成部の表面に被着されるAuめっき層の厚さが薄い(つまり、Auの堆積量が少ない)のは、以下の理由による。すなわち、フリップチップ接続によって半導体素子を搭載する場合、上述したようにパッドの表面に被着されたはんだを介して半導体素子の突起電極(ボール)を当該パッドに接合する。しかし、パッドの表面にはんだを被着すると、パッドの表面を被覆するAuがはんだの中に拡散してはんだの融点が上昇し、この傾向は、はんだ中に拡散するAuの量が多いほど一層顕著に表れる。はんだの融点が上昇し過ぎると、接合の際にはんだを溶融させることが困難となり、そのために確実なはんだ接合ができなくなる。これは、外部接続端子接合用のパッドの表面にはんだボールを接合する場合にも同様に起こり得る。このような理由から、フリップチップ接続用のパッドと外部接続端子接合用のパッドについてはAuめっき層の厚さを極力薄くしている。
【0007】
これに対し、ワイヤボンディング用のパッドについては、ボンディングワイヤとしては一般にAuワイヤが用いられるので上記のような不都合は生じないが、パッドの表面を被覆するAuめっき層の厚さがあまりに薄いと、ワイヤ接続後に要求される所要のワイヤボンディング強度(引っ張り強度)を確保できない場合がある。このため、ワイヤボンディング用のパッドについてはAuめっき層の厚さを相対的に厚くしている。
【0008】
上記のようにワイヤボンディング用、フリップチップ接続用及び外部接続端子接合用の各パッドのAuめっき層の厚さがそれぞれ0.5μm、0.05μm及び0.05μmと異なる配線基板にめっきを行う場合、従来の方法では、例えば以下のように行っている。
【0009】
先ず、配線基板から露出している各パッド形成部(Cu)上に、無電解Niめっきを施してNiめっき層を5μm程度の厚さに形成し、さらにその上に、置換AuめっきによりAuめっき層を0.05μmの厚さに形成した後、それ以上更にAuめっき厚が要求されない箇所(すなわち、フリップチップ接続用及び外部接続端子接合用の各パッド)に当該箇所をマスキングするための粘着テープを貼り付けてから、露出しているワイヤボンディング用の無電解Ni/Auめっき層上に、自己触媒タイプの無電解Auめっき(厚付け無電解Auめっき)を施してトータルのAuめっき層の厚さが0.5μmになるまでめっきを行った後、マスキング用の粘着テープを剥離する。
【0010】
上述したようにワイヤボンディングによって搭載する半導体素子とフリップチップ接続によって搭載する半導体素子とを同一の基板に搭載する技術に関連する技術としては、例えば、フリップチップ接続によって搭載する半導体素子とワイヤボンディングによって搭載する半導体素子とを立体的に重ね合わせて基板に搭載するようにしたものがある(例えば、特許文献1参照)。また、半導体パッケージの外部端子形成部分(パッド)にはんだボールを接合するにあたり、Cuを主成分とする材料からなるパッドの表面にNiめっきとAuめっきを施してからはんだ(Pb、Snなど)を接合した場合にはんだ接合部分で観察される組成等について考察された論文がある(例えば、非特許文献1参照)。
【0011】
【特許文献1】
特開2002−151643号公報
【非特許文献1】
松木浩久、外2名、「半導体デバイスにおける半田接合界面のTEM観察」、日本金属学会誌、2000年、第64巻、第3号、p.213−217
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように従来のフリップチップ接続においては、パッド形成部(Cu)の表面に無電解Ni/Auめっきによる各めっき層を被着させ、さらにその表面にはんだ(Pb、Snなど)を被着させた構成となっていたため、例えば上記の非特許文献1にも記載されているように、はんだ接合部分には、好ましくない金属間化合物(Ni3 Sn4 、Ni48Sn52等)が形成されるといった不都合があった。このような金属間化合物がパッドとの接合界面に多く存在すると、はんだ接合後に外部から何らかの衝撃等を受けたときに当該部分が破壊される可能性が高くなり、そのために、パッドにいったん接合された半導体素子の突起電極(ボール)が当該パッドから脱落してしまうといった可能性もある。特に、ボールに対して接合面と水平方向にせん断力が働くと、当該パッドから脱落してしまう可能性が高くなる。かかる不都合は、外部接続端子接合用のパッドの表面にはんだボールを接合する場合にも同様に起こり得る。
【0013】
つまり、パッド形成部(Cu)の表面にNiめっき層を介してAuめっき層が被着され、さらにその表面にはんだ(Pb、Snなど)が被着され又は接合される構成では、接合面と水平方向に働くせん断力に対するボールの強度(ボールシア(shear) 強度)が相対的に低いといった課題があった。ボールシア強度が低いと、上記のようにボールがパッドから脱落してしまうおそれがあり、ひいては接続信頼性が低下することになる。
【0014】
また、ワイヤボンディング用、フリップチップ接続用及び外部接続端子接合用の各パッドのAuめっき層の厚さが異なる配線基板にめっきを行う場合に、従来の方法では、Niめっき及びAuめっきによる各めっき層の形成を全て無電解めっきにより基板全体(基板に形成された全てのパッド形成部)に対して行っていたため、各パッドを構成するめっき層の形成に要するトータルの時間が相対的に長くなるといった課題もあった。
【0015】
本発明の目的は、かかる従来技術における課題に鑑み、ワイヤボンディングやフリップチップ接続といった搭載方法が異なる異種の半導体素子を確実に搭載することができ、ひいては各々の接続信頼性を高めるのに寄与することができる配線基板及びその製造方法並びに半導体装置を提供することにある。
【0016】
さらに本発明の目的は、ワイヤボンディング用、フリップチップ接続用及び外部接続端子接合用の各パッドを構成するめっき層の形成に要するトータルの時間を短縮することができる配線基板の製造方法を提供することにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記の従来技術の課題を解決するため、本発明の一形態によれば、ワイヤボンディングによって搭載される第1の半導体素子とフリップチップ接続によって搭載される第2の半導体素子とを実装するのに用いられる配線基板であって、前記第1の半導体素子が接続される第1のパッドは、銅又は銅を主成分とする配線材料によって形成された第1のパッド形成部の表面に、ニッケルめっき及び金めっきによる各めっき層が被着されて形成され、前記第2の半導体素子が接続される第2のパッド及び外部接続端子が接合される第3のパッドは、それぞれ銅又は銅を主成分とする配線材料によって形成された第2のパッド形成部及び第3のパッド形成部の表面に、それぞれ金めっきによるめっき層が被着されて形成されていることを特徴とする配線基板が提供される。
【0018】
この形態に係る配線基板の構成によれば、ワイヤボンディングによって半導体素子が接続される第1のパッドについては、Cu又はCuを主成分とする配線材料によって形成したパッド形成部の表面にNi/Auめっき層が被着されて形成されているので、第1のパッドにボンディングワイヤ(一般にはAuワイヤ)を確実に接合することができる(ワイヤボンディング性の向上)。一方、フリップチップ接続によって半導体素子が接続される第2のパッドについては、Cu又はCuを主成分とする配線材料によって形成したパッド形成部の表面に直接Auめっき層が被着されて形成されているので、従来技術に見られたような不都合(はんだ接合部分における金属間化合物(Ni3 Sn4 、Ni48Sn52等)の存在によりボールシア強度が低下し、接続信頼性が低下するといった不都合)を生じることなく、通常のはんだを用いたフリップチップ接続によって半導体素子を確実に搭載することが可能となる(フリップチップ接続性の向上)。
【0019】
このように本発明によれば、ワイヤボンディングやフリップチップ接続といった搭載方法が異なる異種の半導体素子を配線基板に確実に搭載することができ、ひいては各々の接続信頼性を高めることが可能となる。
【0020】
また、本発明の他の形態によれば、ワイヤボンディングによって搭載される第1の半導体素子とフリップチップ接続によって搭載される第2の半導体素子とを実装するのに用いられる配線基板の製造方法であって、銅又は銅を主成分とする配線材料によってそれぞれ形成された各パッド形成部の領域を露出させて配線基板の両面を覆うようにソルダレジスト層を形成する工程と、前記各パッド形成部のうち前記第2の半導体素子接続用のパッド形成部と外部接続端子接合用のパッド形成部とをテープでマスキングする工程と、前記第1の半導体素子接続用のパッド形成部の表面にニッケルめっき及び金めっきによる各めっき層をそれぞれ所要の厚さに形成する工程と、前記テープを剥離する工程と、前記第2の半導体素子接続用及び外部接続端子接合用の各パッド形成部の表面にそれぞれ金めっきによるめっき層を所要の厚さに形成する工程とを含むことを特徴とする配線基板の製造方法が提供される。
【0021】
この形態に係る配線基板の製造方法によれば、上記の形態に係る配線基板で得られた効果に加えて、更に、ワイヤボンディング用のパッドを構成するめっき層についてのみNi/Auめっきを施しているので、従来のようにNi/Auめっきによる各めっき層の形成を全て無電解めっきにより基板全体に対して行う場合と比べて、ワイヤボンディング用、フリップチップ接続用及び外部接続端子接合用の各パッドを構成するめっき層の形成に要するトータルの時間を短縮することができる。
【0022】
また、本発明の更に他の形態によれば、上記の一形態に係る配線基板に、ワイヤボンディングにより接続された第1の半導体素子と、フリップチップ接続された第2の半導体素子とが搭載されていると共に、外部接続端子が接合されていることを特徴とする半導体装置が提供される。
【0023】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の一実施形態に係る半導体パッケージとしての配線基板の構成を示したものであり、(a)は上方から平面的に見た概略構成、(b)は(a)のA−A’線に沿って見た断面構造をそれぞれ示している。
【0024】
本実施形態に係る配線基板(半導体パッケージ)10は、ワイヤボンディングによって搭載される半導体素子とフリップチップ接続によって搭載される半導体素子とを実装するのに用いられる。図1(a)において、破線によって囲まれた一方の領域M1は、ワイヤボンディングによって接続される半導体素子を搭載する領域を示し、破線によって囲まれた他方の領域M2は、フリップチップ接続される半導体素子を搭載する領域を示す。なお、各半導体素子搭載領域M1,M2にそれぞれ半導体素子を搭載した状態の構成については、後で説明する。
【0025】
図1(a)に示すように、ワイヤボンディングによって搭載される半導体素子の搭載領域M1の周囲には、ワイヤボンディング用のパッドWP(ハッチングで示す部分)が配置されており、一方、フリップチップ接続によって搭載される半導体素子の搭載領域M2の内側には、フリップチップ接続用のパッドFP(ハッチングで示す部分)が配置されている。より詳細には、フリップチップ接続用のパッドFPは、搭載する半導体素子の電極からスタッド状に起立して設けられた突起電極(ボール)の平面配置と一致する配置で形成されている。
【0026】
図1(b)において、11は本パッケージ(配線基板10)の基材としてのコア、12はコア11の両面に形成された導体層を示す。本実施形態では、コア11及び導体層12の形態として、ガラス布にエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、BT(ビスマレイミド−トリアジン)樹脂等を含浸させてなるコア11の両面に銅箔(Cu箔)12を張り付けて接着したもの、いわゆるガラス−エポキシ基板等の樹脂基板を用いている。また、13は無電解Cuめっきにより形成された導体層を示し、この導体層13は、所要の形状にパターニングされたCu箔12上に形成されると共に、コア11の所要の箇所に形成されたスルーホール及びビアホールの内壁にそれぞれ形成されている。また、14は導体層13上に電解Cuめっきにより形成された配線層を示す。従って、コア11を挟んでその上下に形成された各配線層14は、コア11のスルーホール及びビアホールの内壁に形成された導体層13及びCu箔12を介して相互に電気的に接続されている。
【0027】
また、各配線層14にはそれぞれ所要の箇所にパッド形成部14Pが形成されており、さらに、各パッド形成部14Pの領域を露出させて基板の両面を覆うようにソルダレジスト層15が形成されている。ソルダレジスト層15は、後述するように、フリップチップ接続される半導体素子の実装時及び外部接続端子の接合時にリフローされるはんだが当該パッド以外の部分に拡散するのを防ぐために設けられる。ソルダレジスト層15の材料としては、例えば、感光性又は非感光性のエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂等が用いられる。
【0028】
また、基板の一方の側(図示の例では上側)に設けた各パッド形成部のうちワイヤボンディング用のパッド形成部14P上には、後述するように電解Niめっき又は無電解NiめっきによるNiめっき層16aと、電解Auめっき又は無電解AuめっきによるAuめっき層16bと、無電解AuめっきによるAuめっき層16cとが被着されて形成されている。つまり、ワイヤボンディング用のパッドWPは、パッド形成部14P(Cu)にNiめっき層16a及びAuめっき層16b,16cが被着されて形成されている。
【0029】
また、基板の一方の側(図示の例では上側)に設けた各パッド形成部のうちフリップチップ接続用のパッド形成部14P上には、後述するように無電解AuめっきによるAuめっき層17が被着されて形成されており、基板の他方の側(図示の例では下側)に設けた外部接続端子接合用の各パッド形成部14P上には、同様に無電解AuめっきによるAuめっき層18が被着されて形成されている。つまり、フリップチップ接続用のパッドFPと外部接続端子接合用のパッドBPとは、それぞれパッド形成部14P(Cu)にAuめっき層17,18が被着されて形成されている。
【0030】
本実施形態に係る配線基板10は、ワイヤボンディング用のパッドWPについてはパッド形成部14P(Cu)上にNiめっきとAuめっきによる各めっき層16a,16b,16cが被着されて形成され、一方、フリップチップ接続用のパッドFPと外部接続端子接合用のパッドBPについてはそれぞれパッド形成部14P(Cu)上に直接Auめっき層17,18が被着されて形成されていることを特徴とする。
【0031】
図2は、本実施形態に係る配線基板10に搭載方法の異なる異種の半導体素子を搭載した場合の半導体装置の一構成例を概略的に示したものである。
【0032】
図示の半導体装置30の構成例では、配線基板10にワイヤボンディングによって半導体素子31が搭載され、フリップチップ接続によって半導体素子32が搭載されている。搭載する各半導体素子31,32は、例えば、マイクロプロセッサ、CPU等の演算素子、EEPROM等のメモリ素子などである。半導体素子31は、その裏面(電極が形成されている側と反対側の面)を下にして配線基板10(特定的にはソルダレジスト層15)上に接着剤33により固着されると共に、ボンディングワイヤ(Auワイヤ)34を介して配線基板10上のパッドWPに接続されている。一方、半導体素子32は、フリップチップ接続により、その突起電極(Auボール)35がはんだ(図示せず)を介して配線基板10上のパッドFPに接合されて接続されている。なお、36はフリップチップ接続の際に半導体素子32の下面と配線基板10との間の隙間部分に充填されるアンダーフィル樹脂、37は各半導体素子31,32、ボンディングワイヤ34等を保護するために配線基板10の上面の全範囲に亘って被覆された封止樹脂を示す。この封止樹脂37による封止方法としては、樹脂をポッティングして樹脂封止する方法、樹脂封止金型を用いて樹脂封止する方法などが用いられる。
【0033】
また、20は配線基板10をマザーボード等の実装用基板に接続するための外部接続端子として機能するはんだボールを示し、このはんだボール20は、配線基板10の下面に設けた外部接続端子接合用のパッドBPに接合されている。本実施形態では、はんだボール20の材料として鉛フリーはんだを用いている。
【0034】
次に、本実施形態に係る配線基板10を製造する方法について、その製造工程の一例を示す図3〜図6を参照しながら説明する。
【0035】
先ず最初の工程では(図3(a)参照)、基材としてガラス布に樹脂(エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等)を含浸させてなる厚さ100μm程度のコア11の両面に厚さ18μm程度のCu箔12を接着して積層したガラス−エポキシ基板等の樹脂基板を用意する。
【0036】
次の工程では(図3(b)参照)、樹脂基板(コア11、Cu箔12)の所要の箇所に、例えば、機械ドリルによる穴明け加工により、スルーホール41を形成する。
【0037】
次の工程では(図3(c)参照)、スルーホール41が形成された樹脂基板の一方の面側(図示の例では上側)のCu箔12上に、エッチングレジストとしての役割を果たす厚さ15μm程度のドライフィルム42を貼り付ける。
【0038】
次の工程では(図3(d)参照)、ドライフィルム42が貼り付けられていない側(図示の例では下側)のCu箔12を、ウエットエッチングにより、当初の18μmの厚さから5μmの厚さになるまで薄くする(薄化処理)。
【0039】
次の工程では(図3(e)参照)、ドライフィルム42(図3(d))を剥離する。
【0040】
次の工程では(図4(a)参照)、樹脂基板(コア11、Cu箔12)のCu箔12が薄化されている側(図示の例では下側)の所要の箇所に、例えばCO2 レーザによる穴明け加工により、もう一方の薄化されていないCu箔12に達するビアホール43を形成する。この際、穴明け加工が施されたCu箔12の表面には、図示のようにビアホール43の周縁に沿って酸化物44が残留する。
【0041】
次の工程では(図4(b)参照)、ソフトエッチングにより、Cu箔12の表面に残留している酸化物44を除去する。例えば、硫酸/過酸化水素、過硫酸ソーダ等の水溶液(エッチング液)を用いて、Cu箔12の表面の酸化物44を溶解して取り去り、新鮮な金属(Cu)の表面として、次の処理のための準備をする。
【0042】
次の工程では(図4(c)参照)、スルーホール41及びビアホール43が形成された樹脂基板(コア11、Cu箔12)の、薄化されている側(図示の例では下側)のCu箔12上に、エッチングレジストとしての役割を果たす厚さ15μm程度のドライフィルム45を貼り付ける。
【0043】
次の工程では(図4(d)参照)、ドライフィルム45が貼り付けられていない側(図示の例では上側)のCu箔12を、ウエットエッチングにより、当初の18μmの厚さから5μmの厚さになるまで薄くする(薄化処理)。
【0044】
次の工程では(図4(e)参照)、ドライフィルム45(図4(d))を剥離する。
【0045】
次の工程では(図5(a)参照)、先ず、Cu箔12の表面に残留している樹脂(スミア)を除去するための処理(デスミア)を行う。このデスミアは、Cu箔12の表面を清浄にして、後の工程で行うめっきの密着性を向上させるために行うものである。
【0046】
次に、コア11に形成されたスルーホール41及びビアホール43の内壁を含めて全面に、無電解Cuめっきを施して導体層13(無電解Cuめっき層)を形成する。これによって、コア11の両面の各Cu箔12が、無電解Cuめっき層13を介して相互に接続されたことになる。
【0047】
次の工程では(図5(b)参照)、無電解Cuめっき層13が全面に形成された樹脂基板の両面に、それぞれめっきレジストとしての役割を果たす厚さ15μm程度のドライフィルム46を貼り付けた後、所要の形状にパターニングする。すなわち、ドライフィルム46のパターニングは、樹脂基板の両面に形成すべき所要の配線パターンに対応する領域が露出するように行われる。
【0048】
次の工程では(図5(c)参照)、パターニングされたドライフィルム46で覆われていない部分(つまり、露出している部分)の無電解Cuめっき層13を給電層としてその表面に、電解Cuめっきを施して配線層14(電解Cuめっき層)を形成する。
【0049】
次の工程では(図5(d)参照)、ドライフィルム46(図5(c))を剥離する。
【0050】
次の工程では(図5(e)参照)、スルーホール41及びビアホール43の内壁を含めて全面に無電解Cuめっき層13が形成され、さらにその上に所要の形状に電解Cuめっき層14がパターニング形成された樹脂基板(コア11、Cu箔12)に対し、フラッシュエッチングを施す。すなわち、ウエットエッチングにより全体的にCuめっき層を除去し、最終的には、露出している部分の無電解Cuめっき層13とその下層のCu箔12とを完全に除去し、残っている部分のCuめっき層13,14及びその下層のCu箔12のトータルの厚さが15μm程度となるようにフラッシュエッチングを行う。
【0051】
次の工程では(図6(a)参照)、所要の形状に電解Cuめっき層(配線層)14が形成された樹脂基板の両面に、それぞれソルダレジストを厚さ20μm程度に塗布した後(ソルダレジスト層15)、所要の形状にパターニングする。すなわち、ソルダレジスト層15のパターニングは、配線層14上に形成すべき所要の各パッド形成部14Pに対応する領域が露出するように行われる。露出されるべき各パッド形成部14Pは、それぞれ図1(b)に示すワイヤボンディング用のパッドWP、フリップチップ接続用のパッドFP、外部接続端子接合用のパッドBPに対応している。
【0052】
ソルダレジスト層15は、その材料としては感光性又は非感光性のエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂等が用いられるが、ソルダレジストとして感光性樹脂を用いた場合には、露光及び現像により当該レジストを所要の形状にパターニングすることにより、また、ソルダレジストとして非感光性樹脂を用いた場合には、当該レジストの所定の部分(各パッド形成部14Pの領域に対応する部分)にレーザを照射して当該部分を除去することにより、形成され得る。
【0053】
次の工程では(図6(b)参照)、前の工程で形成されたソルダレジスト層15から露出している各パッド形成部14Pのうち、フリップチップ接続用のパッド形成部14P(FP)と外部接続端子接合用のパッド形成部14P(BP)とをマスキングするように、すなわち、ワイヤボンディング用のパッド形成部14P(WP)のみを露出させるように、粘着テープ47を両面に貼り付ける。
【0054】
なお、この工程では所定の領域をマスキングするための手段として粘着テープ47を用いているが、この粘着テープ47に代えて、部分めっき装置のマスク板を所定の領域に押し付けてマスキングするようにしてもよい。
【0055】
次の工程では(図6(c)参照)、露出しているワイヤボンディング用のパッド形成部14P(WP)上に、先ず電解Niめっきにより厚さが2μm〜15μmのNiめっき層16aを形成し、次に電解Auめっきにより厚さが0.2μm〜2.0μmのAuめっき層16bを形成する。
【0056】
なお、この工程では各めっき層16a,16bの形成を電解めっきによって行っているが、この電解めっきに代えて、無電解めっきを行ってもよい。
【0057】
次の工程では(図6(d)参照)、粘着テープ47(図6(c)参照)を剥離する。これによって、それまでマスキングされていたフリップチップ接続用のパッド形成部14P(FP)と外部接続端子接合用のパッド形成部14P(BP)が露出する。
【0058】
最後の工程では(図6(e)参照)、前の工程で露出されたフリップチップ接続用のパッド形成部14P(FP)及び外部接続端子接合用のパッド形成部14P(BP)と、既に露出しているワイヤボンディング用のAuめっき層16b上に、それぞれ置換Auめっき(無電解Auめっき)により厚さが0.01μm〜0.2μmのAuめっき層17,18及び16cを形成する。これによって、本実施形態に係る配線基板10(図1)が製造されたことになる。
【0059】
なお、この工程では各めっき層17,18及び16cの材料としてAuを用いているが、Auに代えて銀(Ag)を用いてもよい。
【0060】
上述した実施形態に係る配線基板10の製造方法においてワイヤボンディング用、フリップチップ接続用及び外部接続端子接合用の各パッド形成部14Pの表面にNiめっき及びAuめっきを施す処理(図6(b)〜図6(e)の工程)を具体的に実施した例(実施例)を以下に示す。
【0061】
なお、実施例との対比のために、従来の方法に係る処理、すなわち、Niめっき及びAuめっきによる各めっき層の形成を全て無電解めっきにより基板全体に対して行った場合の一例(比較例)も併せて以下に示す。
【0062】
(実施例)
先ず、フリップチップ接続用及び外部接続端子接合用の各パッド形成部14Pをテープ47でマスキングした後、酸性脱脂(酸性クリーナーFR、40℃、5分)→ソフトエッチング(NPE−300、常温、1分)→酸処理(10%濃度のH2 SO4 、常温、1分)を行い、露出しているワイヤボンディング用のパッド形成部14Pに対し、スルファミン酸浴を用いて電解Niめっき(2ASD、15分間)を行った。更にこのNiめっき層に対し、テンペレシストEX金めっき液を用いて電解Auめっき(0.2ASD、5分間)を行った。そして、テープ47を剥離した後、上記と同じ条件で酸性脱脂→ソフトエッチング→酸処理を行い、露出しているフリップチップ接続用及び外部接続端子接合用の各パッド形成部14Pとワイヤボンディング用の電解Auめっき層16bに対し、無電解金めっき液:TCU−36を用いて無電解Auめっき(20分間)を行った。
【0063】
以上の実施例に係るめっき処理に基づいて、ワイヤボンディングにより搭載した半導体素子について得られたワイヤボンディング強度は、最大で10.1g、最小で7.3g、平均で9.3gであった。また、フリップチップ接続により搭載した半導体素子について得られたボールシア強度は、最大で2.3kgf、最小で1.6kgf、平均で2.0kgfであった。
【0064】
(比較例)
先ず、各パッド形成部の領域を露出させてソルダレジスト層が両面に形成された基板に対し、酸性脱脂(酸性クリーナーFR、40℃、5分)→ソフトエッチング(NPE−300、常温、1分)→酸処理(10%濃度のH2 SO4 )、常温、1分)→活性化(KAT−450、40℃、1分)を行った後、基板全体に対し、無電解Niめっき(ニムデンNPR−4、80℃、20分)を行い、更にこのNiめっき層に対し、置換Auめっき(オーリカルTKK−51、85℃、5分)を行った後、それ以上更にAuめっき厚が要求されない箇所(すなわち、フリップチップ接続用及び外部接続端子接合用の各パッド形成部)をテープでマスキングしてから、露出しているワイヤボンディング用の無電解Ni/Auめっき層に対し、厚付け無電解Auめっき(オーリカルTTT−24、85℃、30分)を行った。
【0065】
以上の比較例に係るめっき処理に基づいて、ワイヤボンディングにより搭載した半導体素子について得られたワイヤボンディング強度は、最大で9.0g、最小で6.0g、平均で7.2gであった。また、フリップチップ接続により搭載した半導体素子について得られたボールシア強度は、最大で1.5kgf、最小で0.2kgf、平均で0.5kgfであった。
【0066】
以上説明したように、本実施形態に係る配線基板10の構成(図1参照)によれば、ワイヤボンディングによって半導体素子31(図2)が接続されるパッドWPについては、配線材料(Cu)によって形成したパッド形成部14Pの表面にNiめっきとAuめっきによる各めっき層16a,16b,16cが被着されて形成されているので、ボンディングワイヤ(Au)34とパッドWPとは確実に接合される(ワイヤボンディング性の向上)。
【0067】
一方、フリップチップ接続によって半導体素子32(図2)が接続されるパッドFPについては、配線材料(Cu)によって形成したパッド形成部14Pの表面に、従来のようなNi層を介することなく、直接Auめっき層17が被着されて形成されているので、従来技術に見られたような不都合(すなわち、はんだ接合部分における金属間化合物(Ni3 Sn4 、Ni48Sn52等)の存在によりボールシア強度が低下し、接続信頼性が低下するといった不都合)を生じることなく、通常のはんだを用いたフリップチップ接続によって半導体素子32を確実に搭載することが可能となる(フリップチップ接続性の向上)。
【0068】
このように本実施形態によれば、ワイヤボンディングやフリップチップ接続といった搭載方法が異なる異種の半導体素子31,32を配線基板10に確実に搭載することができ、これによって、各素子の接続信頼性を高めることが可能となる。
【0069】
また、本実施形態に係る配線基板10の製造方法(図6参照)によれば、さらに、ワイヤボンディング用のパッドWPを構成するめっき層16a,16b,16cについてのみNi/Auめっきを行っているので、従来のようにNiめっきとAuめっきによる各めっき層の形成を全て無電解めっきにより基板全体(基板に形成された全てのパッド形成部)に対して行う場合と比べて、ワイヤボンディング用、フリップチップ接続用及び外部接続端子接合用の各パッドを構成するめっき層の形成に要するトータルの時間を短縮することができる。
【0070】
因みに、上記の比較例に対する実施例の場合、比較例では無電解Ni+Auで約50分のめっき時間を要していたものが、実施例では30分程度に短縮することができた。
【0071】
上述した実施形態では、基材としてのコア11の両面にそれぞれ単層構造の配線層14を形成した場合について説明したが、コア11の両面に形成すべき配線層は必ずしも単層構造とする必要がないことはもちろんである。要は、最終構造としての配線基板10(図1)から露出している各パッドWP、FP及びBPが所定のめっき構造(ワイヤボンディング用のパッドWPについてはNi/Auめっき層、フリップチップ接続用のパッドFPと外部接続端子接合用のパッドBPについてはそれぞれAuめっき層)を有していれば十分であり、最終構造に到る前の段階で形成すべき配線層については、上記の単層構造以外にも、例えば、ビルドアップ法などにより樹脂層(層間絶縁層)と配線層とが交互に複数積層された多層構造の形態でもよい。
【0072】
また、上述した実施形態では、コア11の材料として樹脂を用いた場合を例にとって説明したが、上記の本発明の要旨からも明らかなように、コア11の材料はこれに限定されないことはもちろんである。コア11の材料として、アルミニウム(Al)や、鉄−ニッケル(Fe−Ni)、鉄−ニッケル−コバルト(Fe−Ni−Co)、CIC(Cu−Invar−Cu)等の合金などを用い、これら合金によるメタルコア配線基板を使用してもよい。
【0073】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ワイヤボンディングやフリップチップ接続といった搭載方法が異なる異種の半導体素子を配線基板に確実に搭載することができ、これによって各々の接続信頼性を高めることができると共に、ワイヤボンディング用、フリップチップ接続用及び外部接続端子接合用の各パッドを構成するめっき層の形成に要するトータルの時間を短縮することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る半導体パッケージとしての配線基板の構成を示す図である。
【図2】図1の配線基板に搭載方法の異なる異種の半導体素子を搭載した場合の半導体装置の一構成例を概略的に示す断面図である。
【図3】図1の配線基板の製造工程(その1)を示す断面図である。
【図4】図1の配線基板の製造工程(その2)を示す断面図である。
【図5】図1の配線基板の製造工程(その3)を示す断面図である。
【図6】図1の配線基板の製造工程(その4)を示す断面図である。
【符号の説明】
10…配線基板(半導体パッケージ)、
11…コア(基材)、
12…導体層(Cu箔)、
13…導体層(無電解Cuめっき層)、
14…配線層(電解Cuめっき層)、
14P…パッド形成部、
15…ソルダレジスト層、
16a…ニッケル(Ni)めっき層、
16b,16c,17,18…金(Au)めっき層、
20…外部接続端子(はんだボール)、
30…半導体装置、
31,32…半導体素子(チップ)、
33…接着剤、
34…ボンディングワイヤ(Auワイヤ)、
35…突起電極(Auボール)、
36…アンダーフィル樹脂、
37…封止樹脂、
41…スルーホール、
42,45…エッチングレジスト(ドライフィルム)、
43…ビアホール、
46…めっきレジスト(ドライフィルム)、
47…マスキング用のテープ、
M1,M2…半導体素子搭載領域、
WP…ワイヤボンディング用のパッド、
FP…フリップチップ接続用のパッド、
BP…外部接続端子接合用のパッド。
Claims (10)
- ワイヤボンディングによって搭載される第1の半導体素子とフリップチップ接続によって搭載される第2の半導体素子とを実装するのに用いられる配線基板であって、
前記第1の半導体素子が接続される第1のパッドは、銅又は銅を主成分とする配線材料によって形成された第1のパッド形成部の表面に、ニッケルめっき及び金めっきによる各めっき層が被着されて形成され、
前記第2の半導体素子が接続される第2のパッド及び外部接続端子が接合される第3のパッドは、それぞれ銅又は銅を主成分とする配線材料によって形成された第2のパッド形成部及び第3のパッド形成部の表面に、それぞれ金めっきによるめっき層が被着されて形成されていることを特徴とする配線基板。 - 前記第2のパッド及び第3のパッドは、前記金めっきによるめっき層に代えて、銀めっきによるめっき層が被着されて形成されていることを特徴とする請求項1に記載の配線基板。
- 前記第1のパッド形成部の表面に形成されたニッケルめっき及び金めっきによる各めっき層は、それぞれ2μm〜15μm及び0.2μm〜2.0μmの厚さに形成され、
前記第2のパッド形成部及び第3のパッド形成部の表面にそれぞれ形成された金めっき又は銀めっきによるめっき層は、0.01μm〜0.2μmの厚さに形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の配線基板。 - 前記配線基板の一方の面に前記第1のパッド及び第2のパッドが設けられ、前記配線基板の他方の面に前記第3のパッドが設けられていることを特徴とする請求項1に記載の配線基板。
- 前記第1〜第3の各パッドを露出させて前記配線基板の両面をそれぞれ被覆するソルダレジスト層が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の配線基板。
- ワイヤボンディングによって搭載される第1の半導体素子とフリップチップ接続によって搭載される第2の半導体素子とを実装するのに用いられる配線基板の製造方法であって、
銅又は銅を主成分とする配線材料によってそれぞれ形成された各パッド形成部の領域を露出させて配線基板の両面を覆うようにソルダレジスト層を形成する工程と、
前記各パッド形成部のうち前記第2の半導体素子接続用のパッド形成部と外部接続端子接合用のパッド形成部とをテープでマスキングする工程と、
前記第1の半導体素子接続用のパッド形成部の表面にニッケルめっき及び金めっきによる各めっき層をそれぞれ所要の厚さに形成する工程と、
前記テープを剥離する工程と、
前記第2の半導体素子接続用及び外部接続端子接合用の各パッド形成部の表面にそれぞれ金めっきによるめっき層を所要の厚さに形成する工程とを含むことを特徴とする配線基板の製造方法。 - 前記第2の半導体素子接続用及び外部接続端子接合用の各パッド形成部の表面にそれぞれめっき層を形成する工程において、前記金めっきによるめっき層に代えて、銀めっきによるめっき層を形成することを特徴とする請求項6に記載の配線基板の製造方法。
- 前記第1の半導体素子接続用のパッド形成部の表面にニッケルめっき及び金めっきによる各めっき層を形成する工程において、該各めっき層の形成を電解めっき又は無電解めっきによって行うことを特徴とする請求項6に記載の配線基板の製造方法。
- 前記第2の半導体素子接続用及び外部接続端子接合用の各パッド形成部の表面にそれぞれ金めっきによるめっき層を形成する工程において、該めっき層の形成を無電解めっきによって行うことを特徴とする請求項6に記載の配線基板の製造方法。
- 請求項1から5のいずれか一項に記載の配線基板に、ワイヤボンディングにより接続された第1の半導体素子と、フリップチップ接続された第2の半導体素子とが搭載されていると共に、外部接続端子が接合されていることを特徴とする半導体装置。
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