JP2004235370A - 配線基板 - Google Patents
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Abstract
【課題】半田接合パッドとこれに接合される半田との間で剥離が発生し、搭載する電子部品を外部電気回路に長期間にわたり、正常に接続することができない。
【解決手段】絶縁基体１上に形成した銅から成る半田接合パッド２ａ・２ｂの表面に金めっき層９を直接被着させて成る配線基板であって、半田接合パッド２ａ・２ｂ表面の算術平均粗さを０．０５〜０．２５μｍとした。
【選択図】 図２
【解決手段】絶縁基体１上に形成した銅から成る半田接合パッド２ａ・２ｂの表面に金めっき層９を直接被着させて成る配線基板であって、半田接合パッド２ａ・２ｂ表面の算術平均粗さを０．０５〜０．２５μｍとした。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子等の電子部品を搭載するために用いられる配線基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体素子等の電子部品を搭載するために用いられる配線基板は、例えばガラス−エポキシ板等から成る絶縁板やエポキシ樹脂等から成る絶縁層を複数層積層して成る絶縁基体の内部および表面に、銅箔や銅めっき膜等の銅から成る配線導体を設けて成る。この配線基板においては、絶縁基体表面の配線導体の一部が半導体素子等の電子部品の電極を半田を介して接続するための電子部品接続用の半田接合パッドや、外部電気回路基板に半田を介して接続される外部接続用の半田接合パッドを形成している。
【０００３】
そして、この配線基板は、電子部品接続用の半田接合パッドに電子部品の電極を半田を介して接合して電子部品を搭載することにより電子装置となり、また、この電子装置は、外部接続用の半田接合パッドを外部電気回路基板の配線導体に半田を介して接合することにより外部電気回路基板に実装される。
【０００４】
なお、このような配線基板においては、半田接合パッドが酸化腐食するのを防止するとともに半田接合パッドと半田との接合を良好とするために、半田接合パッドの露出表面に厚みが０．０１〜０．８μｍ程度の金めっき層が被着されている。そして、この金めっき層は半田接合パッドと半田との接合時に半田中に拡散吸収されて消滅してしまう。また、半田接合パッドとこれに接合された半田との間には、半田が錫を含有することから銅−錫合金層が形成される。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２２０６７６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の配線基板によると、これに半導体素子等の電子部品を半田を介して搭載して電子装置となした後、これを外部電気回路基板に半田を介して実装して半導体素子等の電子部品を長期間にわたり作動させると、半導体素子等の電子部品が作動時に発生する熱等に起因する熱応力が半田と半田接合パッドとの間に繰返し印加されることにより、半田接合パッドと半田との間で剥離が生じやすく、そのため、搭載する電子部品を外部電気回路に長期間にわたり正常に接続することができないという問題点を有していた。
【０００７】
そこで、本発明者は、鋭意研究の結果、従来の半田接合パッドはその表面粗さが算術平均粗さで０．３μｍ程度であり、この半田接合パッドの表面粗さを制御することにより半田接合パッドと半田との接合強度を大きくすることが可能であるということを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
本発明は、かかる上述の問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、半田接合パッドとこれに接合された半田との間で剥離が発生することがなく、搭載する電子部品を外部電気回路に長期間にわたり、正常に接続することが可能な配線基板および電子装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の配線基板は、内部に配線導体を有する絶縁基体上に、前記配線導体に電気的に接続し、かつ前記絶縁基体に搭載される電子部品の電極と錫を含有する半田を介して電気的に接続される、銅から成る半田接合パッドを設けるとともに、この半田接合パッドの表面に金めっき層を被着させて成る配線基板であって、前記半田接合パッドは、その表面の算術平均粗さが０．０５〜０．２５μｍであることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明の配線基板によれば、半田接合パッドの表面の算術平均粗さを０．０５〜０．２５μｍとしたことから、半田接合パッドに錫を含有する半田を接合すると、半田接合パッドと半田との間に銅−錫合金層が隙間なく生成され、外部電気回路基板に実装して電子部品を長期間にわたり作動させたとしても、銅から成る半田接合パッドと半田とが半田接合パッド上に隙間なく形成された銅−錫合金層を介して強固に接合され、半田接合パッドと半田との間に剥離が発生するようなことはない。
【００１１】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明を添付の図面に基づき詳細に説明する。図１は、本発明を半導体素子を搭載するための配線基板に適用した場合の実施の形態の一例を示す断面図であり、１は絶縁基体、２は配線導体である。主としてこれらの絶縁基体１と配線導体２とで本発明の配線基板が構成されている。
【００１２】
絶縁基体１は、例えばガラス繊維を縦横に織り込んだガラス織物にエポキシ樹脂やビスマレイミドトリアジン樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させて成る板状の芯体１ａの上下面にエポキシ樹脂やビスマレイミドトリアジン樹脂等の熱硬化性樹脂から成る絶縁層１ｂをそれぞれ複数層ずつ積層して成り、その上面から下面にかけては銅箔から成る複数の配線導体２が形成されている。
【００１３】
絶縁基体１を構成する芯体１ａは、厚みが０．３〜１．５ｍｍ程度であり、その上面から下面にかけて直径が０．２〜１．０ｍｍ程度の複数の貫通孔４を有している。そして、その上下面および各貫通孔４の内面には配線導体２の一部が被着されており、上下面の配線導体２が貫通孔４を介して電気的に接続されている。
【００１４】
このような芯体１ａは、ガラス織物に未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させたシートを熱硬化させた後、これに上面から下面にかけてドリル加工を施すことにより製作される。なお、芯体１ａ上下面の配線導体２は、芯体１ａ用のシートの上下全面に厚みが５〜５０μｍ程度の銅箔を貼着しておくとともにこの銅箔をシートの硬化後にエッチング加工することにより所定のパターンに形成される。また、貫通孔４内面の配線導体２は、芯体１ａに貫通孔４を設けた後に、この貫通孔４内面に無電解めっき法および電解めっき法により厚みが５〜５０μｍ程度の銅めっき膜を析出させることにより形成される。
【００１５】
さらに、芯体１ａは、その貫通孔４の内部にエポキシ樹脂やビスマレイミドトリアジン樹脂等の熱硬化性樹脂から成る樹脂柱５が充填されている。樹脂柱５は、貫通孔４を塞ぐことにより貫通孔４の直上および直下に絶縁層１ｂを形成可能とするためのものであり、未硬化のペースト状の熱硬化性樹脂を貫通孔４内にスクリーン印刷法により充填し、これを熱硬化させた後、その上下面を略平坦に研磨することにより形成される。そして、この樹脂柱５を含む芯体１ａの上下面に絶縁層１ｂが積層されている。
【００１６】
芯体１ａの上下面に積層された絶縁層１ｂは、それぞれの厚みが２０〜５０μｍ程度であり、各層の上面から下面にかけて直径が３０〜１００μｍ程度の複数の貫通孔６を有している。これらの絶縁層１ｂは、配線導体２を高密度に配線するための絶縁間隔を提供するためのものであり、絶縁層１ｂにはその表面および貫通孔６内に配線導体２の一部が被着されている。そして、上層の配線導体２と下層の配線導体２とを貫通孔６を介して電気的に接続することにより高密度配線を立体的に形成可能としている。このような絶縁層１ｂは、厚みが２０〜５０μｍ程度の未硬化の熱硬化性樹脂のフィルムを芯体１ａ上下面に貼着し、これを熱硬化させるとともにレーザ加工により貫通孔６を穿孔し、さらにその上に同様にして次の絶縁層１ｂを順次積み重ねることによって形成される。なお、各絶縁層１ｂ表面および貫通孔６内に被着された配線導体２は、各絶縁層１ｂを形成する毎に各絶縁層１ｂの表面および貫通孔６内に５〜５０μｍ程度の厚みの銅膜を公知のセミアディティブ法やサブトラクティブ法等のパターン形成法により所定のパターンに被着させることによって形成される。
【００１７】
さらに、最表層の絶縁層１ｂ上にはソルダーレジスト層１０が被着されている。ソルダーレジスト層１０は、例えばアクリル変性エポキシ樹脂にシリカやタルク等の無機物粉末フィラーを３０〜７０質量％程度分散させた絶縁材料から成り、表層の配線導体２同士の電気的絶縁信頼性を高めるとともに、後述する半田接合パッド２ａ・２ｂの絶縁基板１への接合強度を大きなものとする作用をなす。
【００１８】
このようなソルダーレジスト層１０は、その厚みが１０〜５０μｍ程度であり、感光性を有するソルダーレジスト層１０用の未硬化樹脂ペーストをロールコーター法やスクリーン印刷法を採用して最表層の絶縁層１ｂ上に塗布し、これを乾燥させた後、露光および現像処理を行なって半田接合パッド２ａ・２ｂの中央部を露出させる開口部を形成した後、これを熱硬化させることによって形成される。あるいは、ソルダーレジスト層１０用の未硬化の樹脂フィルムを最上層の絶縁層１ｂ上に貼着した後、これを熱硬化させ、しかる後、半田接合パッド２ａ・２ｂに対応する位置にレーザビームを照射し、硬化した樹脂フィルムを部分的に除去することによって田接合パッド２ａ・２ｂを露出させる開口部を有するように形成される。
【００１９】
絶縁基体１の上面から下面にかけて形成された配線導体２は、半導体素子３の各電極を外部電気回路基板に接続するための導電路として機能し、絶縁基体１の上面に露出している部位が半導体素子３の各電極に半田７を介して接続される電子部品接続用の半田接合パッド２ａを、絶縁基体１の下面に露出した部位が外部電気回路基板に半田８を介して接続される外部接続用の半田接合パッド２ｂを形成している。
【００２０】
そして、この配線基板においては、電子部品接続用の半田接合パッド２ａに半導体素子３の各電極を半田７を介して接続して半導体素子３を搭載することによって電子装置となり、この電子装置における外部接続用の半田接合パッド２ｂを外部電気回路基板の配線導体に半田８を介して接続することにより電子装置が外部電気回路基板に実装されることとなる。
【００２１】
なお、電子部品接続用の半田接合パッド２ａおよび外部接続用の半田接合パッド２ｂの表面は、その算術平均粗さが０．０５〜０．２５μｍの範囲となるようにソフトエッチング処理されており、その表面には図２に要部拡大断面図で示すように、厚みが０．０１〜０．８μｍ程度の金めっき層９が直接被着されている。
【００２２】
半田接合パッド２ａ・２ｂの表面に直接被着された金めっき層９は、半田接合パッド２ａ、２ｂが酸化腐食するのを防止するとともに半田接合パッド２ａ・２ｂと半田７・８との濡れ性を良好なものとする作用をなし、半田接合パッド２ａ・２ｂ上に半田７・８を接合させると、半田７・８中に拡散吸収されて消滅してしまうとともに半田接合パッド２ａ・２ｂと半田７・８との間には銅−錫合金層が形成される。
【００２３】
このような金めっき層９は、半田接合パッド２ａ・２ｂが形成された配線基板を例えばシアン化金カリウム５．０ｇ／ｌ，クエン酸カリウム５０．０ｇ／ｌ，エチレンジアミンテトラアセティクアシッド５．０ｇ／ｌから成る温度が５０〜９０℃の無電解金めっき液中に２〜１０分間浸漬することによって半田接合パッド２ａ・２ｂの表面に被着され、その後、この配線基板を純水で洗浄した後、乾燥させると本発明の配線基板が完成する。
【００２４】
なお、無電解金めっきの前処理として、通常、銅に対する無電解めっき方法において採用される各種の処理、例えば、脱脂処理、ソフトエッチング、酸洗浄処理が行なわれる。
【００２５】
脱脂方法については、特に限定はないが、例えば、酸性の脱脂液に浸漬する方法等を例示できる。また、ソフトエッチングについては、例えば、過硫酸ソーダ、過硫酸−硫酸混合液、過酸化水素水−硫酸混合液等に浸漬する方法等を例示でき
る。酸洗浄処理についても、特に限定はなく、例えば、塩酸、硫酸等の鉱酸水溶液に浸漬する方法を例示できる。
【００２６】
なお、半田接合パッド２ａ・２ｂに被着される金めっき層９の厚みが０．０１μｍ未満であると、半田接合パッド２ａ・２ｂを良好に被覆することができずに、半田接合パッド２ａ・２ｂの表面に酸化をきたして半田接合パッド２ａ・２ｂと半田７・８との接合が弱いものとなる傾向にあり、他方０．８μｍを超えると、半田７・８中に金が多量に溶け込んでしまい、半田７・８が脆性化し、外部電気回路基板に実装して半導体素子３を長期間にわたり作動させた際、半導体素子３が作動時に発生する熱等による応力によって半田７・８に破断が発生する。従って、半田接合パッド２ａ・２ｂに被着される金めっき層９の厚みは０．０１〜０．８μｍの範囲が好ましい。
【００２７】
そして本発明の配線基板においては、半田接合パッド２ａ・２ｂ表面の算術平均粗さが０．０５〜０．２５μｍであることが重要である。このように半田接合パッド２ａ・２ｂ表面の算術平均粗さが０．０５〜０．２５μｍであることから、この算術平均粗さが０．０５〜０．２５μｍの半田接合パッド２ａ・２ｂの表面に半田７・８を接合させると、半田接合パッド２ａ・２ｂと半田７・８との間に厚みが０．５〜５μｍ程度の銅−錫合金層が隙間なく形成され、そのように隙間なく形成された銅−錫合金層を介して半田接合パッド２ａ・２ｂと半田７・８とが強固に接合され、半田接合パッド２ａ・２ｂと半田７・８との間に剥離が発生することがなく、搭載する半導体素子３を外部電気回路に長期間にわたり、正常に接続することができる。
【００２８】
なお、半田接合パッド２ａ・２ｂの表面の算術平均粗さが、０．０５μｍ未満であると凹凸が少なく、半田接合パッド２ａ・２ｂに半田７・８を接合させた際に半田接合パッド２ａ・２ｂと半田７・８との間に形成される銅−錫合金層と半田７・８との微細な噛合いがないために、半田７・８と銅−錫合金層との間で剥離が発生する場合があり、他方、０．２５μｍを超えると、半田接合パッド２ａ・２ｂの表面に金めっき層９を被着させた際に、金めっき層９が良好に被着されずに、金めっき層９にピンホールが発生して、半田接合パッド２ａ・２ｂに半田７・８を接合させた後、半田接合パッド２ａ・２ｂと半田７・８との間に応力が印加されると、半田７・８と銅−錫合金層との間で剥離が発生する。また、ピンホールから銅が拡散するために早期に変色を起こすことがある。したがって、半田接合パッド２ａ・２ｂ表面の算術平均粗さは０．０５〜０．２５μｍの範囲に特定される。
【００２９】
このように電子部品接続用の半田接合パッド２ａおよび外部接続用の半田接合パッド２ｂの表面の算術平均粗さを０．０５〜０．２５μｍとするには、例えば、ソフトエッチング処理液、時間を適宜調整すればよい。ソフトエッチング処理液の純水に対する濃度を高くおよび時間を長くすれば粗さが小さくなる。逆に処理濃度を低く、処理時間が短いと粗さは大きいままである。
【００３０】
なお、本発明は、上述の実施の形態の一例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能であり、例えば上述の実施の形態の一例では、絶縁基体１はガラス織物に熱硬化性樹脂を含浸させた材料および熱硬化性樹脂から形成されていたが、絶縁基体１は、セラミックス材料等の他の絶縁材料から形成されていてもよい。
【００３１】
【実施例】
評価用基板としてガラス織物にエポキシ樹脂を含浸させて成る一辺が５０ｍｍで厚みが１．１ｍｍの正方形状の芯体上にエポキシ樹脂から成る厚みが３５μｍの絶縁層を２層ずつ積層するとともに、最上層の絶縁層上に厚みが１８μｍの銅めっき層から成る直径が０．７５ｍｍの略円形の試験パッドを格子状の配列に１．０ｍｍのピッチで２４０１個ずつ形成し、その上にアクリル変性エポキシ樹脂から成り試験パッド上の厚みが２０μｍのソルダーレジスト層を、試験パッドと同心円状の直径が０．５５ｍｍの開口を有するように被着させた評価用基板を準備した。
【００３２】
次に、この評価用基板のソルダーレジスト層の開口から露出した試験パッドの表面を酸性の脱脂処理（例えば、上村工業株式会社のＡＣＬ００９）を温度５５℃で５分行なった後、１５％の過硫酸ソーダ水溶液から成るソフトエッチング液で８分程度ソフトエッチング処理し、さらに５重量％の硫酸溶液で常温で１分、酸洗浄処理することにより、その算術平均粗さが０．０５μｍとなるように処理した後、無電解金めっき法により厚みが０．０５μｍの金めっき層を被着させるとともに、その試験パッド上にＲＭＡ系のフラックスを塗布後、鉛−錫共晶合金から成る体積が０．２８ｍｍ３の半田ボールを搭載し、それを１５０℃〜１７０℃の温度で１２０秒間保持して予備加熱した後、ピーク温度２２０℃で１８３℃以上の溶融時間が１２０秒間、窒素ガス雰囲気中でリフローさせることにより溶融させて半田バンプを形成することにより本発明による第一の評価用試料を得た。
【００３３】
また、上述と同様の評価用基板のソルダーレジスト層の開口から露出した試験パッドの表面を上述の場合と同様にして酸性脱脂を行なった後、上述の場合と同様のソフトエッチング液で５分程度ソフトエッチング処理し、さらに上述の場合と同様にして酸洗浄処理してその算術平均粗さが０．１５μｍとなるように処理した後、上述の場合と同様にして厚みが０．０５μｍの金めっき層を被着させるとともに、その試験パッド上に、上述の場合と同様にして鉛−錫共晶合金から成る半田バンプを形成することにより本発明による第二の評価用試料を得た。
【００３４】
また、上述と同様の評価用基板のソルダーレジスト層の開口から露出した試験パッドの表面を上述の場合と同様にして酸性脱脂を行なった後、上述の場合と同様のソフトエッチングで２分程度処理し、さらに酸洗浄処理してその算術平均粗さが０．２５μｍとなるように処理した後、上述の場合と同様にして厚みが０．０５μｍの金めっき層を被着させるとともに、その試験パッド上に、上述の場合と同様にして鉛−錫共晶合金から成る半田バンプを形成することにより本発明による第三の評価用試料を得た。
【００３５】
また、上述と同様の評価用基板のソルダーレジスト層の開口から露出した試験パッドの表面を上述の場合と同様にして酸性脱脂をおこなった後、上述の場合と同様のソフトエッチング液で１０分程度ソフトエッチング処理し、さらに上述の場合と同様にして酸洗浄処理してその算術平均粗さが０．０４μｍとなるように処理した後、上述の場合と同様にして厚みが０．０５μｍの金めっき層を被着させるとともに、その試験パッド上に、上述の場合と同様にして鉛−錫共晶合金から成る半田バンプを形成することにより比較のための第四の評価用試料を得た。
【００３６】
さらに、上述と同様の評価用基板のソルダーレジスト層の開口から露出した試験パッドの表面を上述の場合と同様にして酸性脱脂をおこなった後、上述の場合と同様のソフトエッチング液で１分程度ソフトエッチング処理し、さらに上述の場合と同様にして酸洗浄処理してその算術平均粗さが０．２６μｍとなるように処理した後、上述の場合と同様にして厚みが０．０５μｍの金めっき層を被着させるとともに、その試験パッド上に、上述の場合と同様にして鉛−錫共晶合金から成る半田バンプを形成することにより比較のための第五の評価用試料を得た。
【００３７】
なお、各評価試料における試験パッド表面の算術平均粗さは原子間力顕微鏡（ＡＦＭ ＤＩ Ｄ３０００）装置のタッピングモードにて、探針としてＳｉプローブを用い、視野１００×１００μｍを高さ３μｍより、試験パッド表面の面平均粗さを各評価用試料について１０パッドずつの平均を測定することにより確認した。
【００３８】
かくして得られた各評価用試料における半田ボール２０個ずつについて、ボールシェア装置にて、ツール高さ５０μｍ、ツール速度１００μｍ／ｓｅｃの条件でボールシェアを行い、シェア強度の最低値と破断の状態を観察した。その結果を表１に示す。尚、表１において本発明による第一の評価用試料は試料番号２、本発明による第二の評価用試料は試料番号３、本発明による第三の評価用試料は試料番号４、比較のための第四の評価用試料は試料番号１、比較のための第五の評価用試料は試料番号５である。
【００３９】
【表１】
【００４０】
表１に示すように、本発明による評価用試料（試料番号２、３、４）では、ボールシェア強度が５３Ｎ／ｍｍ２以上であるとともに、全ての試験パッドにおいて、半田バンプ中で剥離が発生しており、試験用パッドと半田バンプとは極めて強固に接合していることが確認できた。他方、比較のための評価用試料（試料番号１、５）では、ボールシェア強度がいずれも４６Ｎ／ｍｍ２以下であるとともに、殆どの試験パッドにおいて試験パッドと銅−錫合金との界面で剥離が発生しており、試験パッドと半田との接合強度が弱いことが確認できた。
【００４１】
かくして、本発明の配線基板によれば、搭載する電子部品を外部電気回路に長期間にわたり正常に接続することができる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明の配線基板によれば、半田接合パッドの表面の算術平均粗さを０．０５〜０．２５μｍとしたことから、半田接合パッドに半田を接合すると、半田接合パッドと半田との間に銅−錫合金層が隙間なく生成され、外部電気回路基板に実装して電子部品を長期間にわたり作動させたとしても、銅から成る半田接合パッドと半田とが半田接合パッド上に隙間なく形成された銅−錫合金層を介して強固に接合され、半田接合パッドと半田との間に剥離が発生するようなことはない。したがって、搭載する電子部品を長期間にわたり正常に接続することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線基板の実施形態の一例を示す断面図である。
【図２】図１に示す配線基板の要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１・・・・・絶縁基体
２・・・・・配線導体
２ａ，２ｂ・・・・半田接合パッド
３・・・・・電子部品としての半導体素子
７，８・・・半田
９・・・・・金めっき層
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子等の電子部品を搭載するために用いられる配線基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体素子等の電子部品を搭載するために用いられる配線基板は、例えばガラス−エポキシ板等から成る絶縁板やエポキシ樹脂等から成る絶縁層を複数層積層して成る絶縁基体の内部および表面に、銅箔や銅めっき膜等の銅から成る配線導体を設けて成る。この配線基板においては、絶縁基体表面の配線導体の一部が半導体素子等の電子部品の電極を半田を介して接続するための電子部品接続用の半田接合パッドや、外部電気回路基板に半田を介して接続される外部接続用の半田接合パッドを形成している。
【０００３】
そして、この配線基板は、電子部品接続用の半田接合パッドに電子部品の電極を半田を介して接合して電子部品を搭載することにより電子装置となり、また、この電子装置は、外部接続用の半田接合パッドを外部電気回路基板の配線導体に半田を介して接合することにより外部電気回路基板に実装される。
【０００４】
なお、このような配線基板においては、半田接合パッドが酸化腐食するのを防止するとともに半田接合パッドと半田との接合を良好とするために、半田接合パッドの露出表面に厚みが０．０１〜０．８μｍ程度の金めっき層が被着されている。そして、この金めっき層は半田接合パッドと半田との接合時に半田中に拡散吸収されて消滅してしまう。また、半田接合パッドとこれに接合された半田との間には、半田が錫を含有することから銅−錫合金層が形成される。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２２０６７６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の配線基板によると、これに半導体素子等の電子部品を半田を介して搭載して電子装置となした後、これを外部電気回路基板に半田を介して実装して半導体素子等の電子部品を長期間にわたり作動させると、半導体素子等の電子部品が作動時に発生する熱等に起因する熱応力が半田と半田接合パッドとの間に繰返し印加されることにより、半田接合パッドと半田との間で剥離が生じやすく、そのため、搭載する電子部品を外部電気回路に長期間にわたり正常に接続することができないという問題点を有していた。
【０００７】
そこで、本発明者は、鋭意研究の結果、従来の半田接合パッドはその表面粗さが算術平均粗さで０．３μｍ程度であり、この半田接合パッドの表面粗さを制御することにより半田接合パッドと半田との接合強度を大きくすることが可能であるということを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
本発明は、かかる上述の問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、半田接合パッドとこれに接合された半田との間で剥離が発生することがなく、搭載する電子部品を外部電気回路に長期間にわたり、正常に接続することが可能な配線基板および電子装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の配線基板は、内部に配線導体を有する絶縁基体上に、前記配線導体に電気的に接続し、かつ前記絶縁基体に搭載される電子部品の電極と錫を含有する半田を介して電気的に接続される、銅から成る半田接合パッドを設けるとともに、この半田接合パッドの表面に金めっき層を被着させて成る配線基板であって、前記半田接合パッドは、その表面の算術平均粗さが０．０５〜０．２５μｍであることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明の配線基板によれば、半田接合パッドの表面の算術平均粗さを０．０５〜０．２５μｍとしたことから、半田接合パッドに錫を含有する半田を接合すると、半田接合パッドと半田との間に銅−錫合金層が隙間なく生成され、外部電気回路基板に実装して電子部品を長期間にわたり作動させたとしても、銅から成る半田接合パッドと半田とが半田接合パッド上に隙間なく形成された銅−錫合金層を介して強固に接合され、半田接合パッドと半田との間に剥離が発生するようなことはない。
【００１１】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明を添付の図面に基づき詳細に説明する。図１は、本発明を半導体素子を搭載するための配線基板に適用した場合の実施の形態の一例を示す断面図であり、１は絶縁基体、２は配線導体である。主としてこれらの絶縁基体１と配線導体２とで本発明の配線基板が構成されている。
【００１２】
絶縁基体１は、例えばガラス繊維を縦横に織り込んだガラス織物にエポキシ樹脂やビスマレイミドトリアジン樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させて成る板状の芯体１ａの上下面にエポキシ樹脂やビスマレイミドトリアジン樹脂等の熱硬化性樹脂から成る絶縁層１ｂをそれぞれ複数層ずつ積層して成り、その上面から下面にかけては銅箔から成る複数の配線導体２が形成されている。
【００１３】
絶縁基体１を構成する芯体１ａは、厚みが０．３〜１．５ｍｍ程度であり、その上面から下面にかけて直径が０．２〜１．０ｍｍ程度の複数の貫通孔４を有している。そして、その上下面および各貫通孔４の内面には配線導体２の一部が被着されており、上下面の配線導体２が貫通孔４を介して電気的に接続されている。
【００１４】
このような芯体１ａは、ガラス織物に未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させたシートを熱硬化させた後、これに上面から下面にかけてドリル加工を施すことにより製作される。なお、芯体１ａ上下面の配線導体２は、芯体１ａ用のシートの上下全面に厚みが５〜５０μｍ程度の銅箔を貼着しておくとともにこの銅箔をシートの硬化後にエッチング加工することにより所定のパターンに形成される。また、貫通孔４内面の配線導体２は、芯体１ａに貫通孔４を設けた後に、この貫通孔４内面に無電解めっき法および電解めっき法により厚みが５〜５０μｍ程度の銅めっき膜を析出させることにより形成される。
【００１５】
さらに、芯体１ａは、その貫通孔４の内部にエポキシ樹脂やビスマレイミドトリアジン樹脂等の熱硬化性樹脂から成る樹脂柱５が充填されている。樹脂柱５は、貫通孔４を塞ぐことにより貫通孔４の直上および直下に絶縁層１ｂを形成可能とするためのものであり、未硬化のペースト状の熱硬化性樹脂を貫通孔４内にスクリーン印刷法により充填し、これを熱硬化させた後、その上下面を略平坦に研磨することにより形成される。そして、この樹脂柱５を含む芯体１ａの上下面に絶縁層１ｂが積層されている。
【００１６】
芯体１ａの上下面に積層された絶縁層１ｂは、それぞれの厚みが２０〜５０μｍ程度であり、各層の上面から下面にかけて直径が３０〜１００μｍ程度の複数の貫通孔６を有している。これらの絶縁層１ｂは、配線導体２を高密度に配線するための絶縁間隔を提供するためのものであり、絶縁層１ｂにはその表面および貫通孔６内に配線導体２の一部が被着されている。そして、上層の配線導体２と下層の配線導体２とを貫通孔６を介して電気的に接続することにより高密度配線を立体的に形成可能としている。このような絶縁層１ｂは、厚みが２０〜５０μｍ程度の未硬化の熱硬化性樹脂のフィルムを芯体１ａ上下面に貼着し、これを熱硬化させるとともにレーザ加工により貫通孔６を穿孔し、さらにその上に同様にして次の絶縁層１ｂを順次積み重ねることによって形成される。なお、各絶縁層１ｂ表面および貫通孔６内に被着された配線導体２は、各絶縁層１ｂを形成する毎に各絶縁層１ｂの表面および貫通孔６内に５〜５０μｍ程度の厚みの銅膜を公知のセミアディティブ法やサブトラクティブ法等のパターン形成法により所定のパターンに被着させることによって形成される。
【００１７】
さらに、最表層の絶縁層１ｂ上にはソルダーレジスト層１０が被着されている。ソルダーレジスト層１０は、例えばアクリル変性エポキシ樹脂にシリカやタルク等の無機物粉末フィラーを３０〜７０質量％程度分散させた絶縁材料から成り、表層の配線導体２同士の電気的絶縁信頼性を高めるとともに、後述する半田接合パッド２ａ・２ｂの絶縁基板１への接合強度を大きなものとする作用をなす。
【００１８】
このようなソルダーレジスト層１０は、その厚みが１０〜５０μｍ程度であり、感光性を有するソルダーレジスト層１０用の未硬化樹脂ペーストをロールコーター法やスクリーン印刷法を採用して最表層の絶縁層１ｂ上に塗布し、これを乾燥させた後、露光および現像処理を行なって半田接合パッド２ａ・２ｂの中央部を露出させる開口部を形成した後、これを熱硬化させることによって形成される。あるいは、ソルダーレジスト層１０用の未硬化の樹脂フィルムを最上層の絶縁層１ｂ上に貼着した後、これを熱硬化させ、しかる後、半田接合パッド２ａ・２ｂに対応する位置にレーザビームを照射し、硬化した樹脂フィルムを部分的に除去することによって田接合パッド２ａ・２ｂを露出させる開口部を有するように形成される。
【００１９】
絶縁基体１の上面から下面にかけて形成された配線導体２は、半導体素子３の各電極を外部電気回路基板に接続するための導電路として機能し、絶縁基体１の上面に露出している部位が半導体素子３の各電極に半田７を介して接続される電子部品接続用の半田接合パッド２ａを、絶縁基体１の下面に露出した部位が外部電気回路基板に半田８を介して接続される外部接続用の半田接合パッド２ｂを形成している。
【００２０】
そして、この配線基板においては、電子部品接続用の半田接合パッド２ａに半導体素子３の各電極を半田７を介して接続して半導体素子３を搭載することによって電子装置となり、この電子装置における外部接続用の半田接合パッド２ｂを外部電気回路基板の配線導体に半田８を介して接続することにより電子装置が外部電気回路基板に実装されることとなる。
【００２１】
なお、電子部品接続用の半田接合パッド２ａおよび外部接続用の半田接合パッド２ｂの表面は、その算術平均粗さが０．０５〜０．２５μｍの範囲となるようにソフトエッチング処理されており、その表面には図２に要部拡大断面図で示すように、厚みが０．０１〜０．８μｍ程度の金めっき層９が直接被着されている。
【００２２】
半田接合パッド２ａ・２ｂの表面に直接被着された金めっき層９は、半田接合パッド２ａ、２ｂが酸化腐食するのを防止するとともに半田接合パッド２ａ・２ｂと半田７・８との濡れ性を良好なものとする作用をなし、半田接合パッド２ａ・２ｂ上に半田７・８を接合させると、半田７・８中に拡散吸収されて消滅してしまうとともに半田接合パッド２ａ・２ｂと半田７・８との間には銅−錫合金層が形成される。
【００２３】
このような金めっき層９は、半田接合パッド２ａ・２ｂが形成された配線基板を例えばシアン化金カリウム５．０ｇ／ｌ，クエン酸カリウム５０．０ｇ／ｌ，エチレンジアミンテトラアセティクアシッド５．０ｇ／ｌから成る温度が５０〜９０℃の無電解金めっき液中に２〜１０分間浸漬することによって半田接合パッド２ａ・２ｂの表面に被着され、その後、この配線基板を純水で洗浄した後、乾燥させると本発明の配線基板が完成する。
【００２４】
なお、無電解金めっきの前処理として、通常、銅に対する無電解めっき方法において採用される各種の処理、例えば、脱脂処理、ソフトエッチング、酸洗浄処理が行なわれる。
【００２５】
脱脂方法については、特に限定はないが、例えば、酸性の脱脂液に浸漬する方法等を例示できる。また、ソフトエッチングについては、例えば、過硫酸ソーダ、過硫酸−硫酸混合液、過酸化水素水−硫酸混合液等に浸漬する方法等を例示でき
る。酸洗浄処理についても、特に限定はなく、例えば、塩酸、硫酸等の鉱酸水溶液に浸漬する方法を例示できる。
【００２６】
なお、半田接合パッド２ａ・２ｂに被着される金めっき層９の厚みが０．０１μｍ未満であると、半田接合パッド２ａ・２ｂを良好に被覆することができずに、半田接合パッド２ａ・２ｂの表面に酸化をきたして半田接合パッド２ａ・２ｂと半田７・８との接合が弱いものとなる傾向にあり、他方０．８μｍを超えると、半田７・８中に金が多量に溶け込んでしまい、半田７・８が脆性化し、外部電気回路基板に実装して半導体素子３を長期間にわたり作動させた際、半導体素子３が作動時に発生する熱等による応力によって半田７・８に破断が発生する。従って、半田接合パッド２ａ・２ｂに被着される金めっき層９の厚みは０．０１〜０．８μｍの範囲が好ましい。
【００２７】
そして本発明の配線基板においては、半田接合パッド２ａ・２ｂ表面の算術平均粗さが０．０５〜０．２５μｍであることが重要である。このように半田接合パッド２ａ・２ｂ表面の算術平均粗さが０．０５〜０．２５μｍであることから、この算術平均粗さが０．０５〜０．２５μｍの半田接合パッド２ａ・２ｂの表面に半田７・８を接合させると、半田接合パッド２ａ・２ｂと半田７・８との間に厚みが０．５〜５μｍ程度の銅−錫合金層が隙間なく形成され、そのように隙間なく形成された銅−錫合金層を介して半田接合パッド２ａ・２ｂと半田７・８とが強固に接合され、半田接合パッド２ａ・２ｂと半田７・８との間に剥離が発生することがなく、搭載する半導体素子３を外部電気回路に長期間にわたり、正常に接続することができる。
【００２８】
なお、半田接合パッド２ａ・２ｂの表面の算術平均粗さが、０．０５μｍ未満であると凹凸が少なく、半田接合パッド２ａ・２ｂに半田７・８を接合させた際に半田接合パッド２ａ・２ｂと半田７・８との間に形成される銅−錫合金層と半田７・８との微細な噛合いがないために、半田７・８と銅−錫合金層との間で剥離が発生する場合があり、他方、０．２５μｍを超えると、半田接合パッド２ａ・２ｂの表面に金めっき層９を被着させた際に、金めっき層９が良好に被着されずに、金めっき層９にピンホールが発生して、半田接合パッド２ａ・２ｂに半田７・８を接合させた後、半田接合パッド２ａ・２ｂと半田７・８との間に応力が印加されると、半田７・８と銅−錫合金層との間で剥離が発生する。また、ピンホールから銅が拡散するために早期に変色を起こすことがある。したがって、半田接合パッド２ａ・２ｂ表面の算術平均粗さは０．０５〜０．２５μｍの範囲に特定される。
【００２９】
このように電子部品接続用の半田接合パッド２ａおよび外部接続用の半田接合パッド２ｂの表面の算術平均粗さを０．０５〜０．２５μｍとするには、例えば、ソフトエッチング処理液、時間を適宜調整すればよい。ソフトエッチング処理液の純水に対する濃度を高くおよび時間を長くすれば粗さが小さくなる。逆に処理濃度を低く、処理時間が短いと粗さは大きいままである。
【００３０】
なお、本発明は、上述の実施の形態の一例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能であり、例えば上述の実施の形態の一例では、絶縁基体１はガラス織物に熱硬化性樹脂を含浸させた材料および熱硬化性樹脂から形成されていたが、絶縁基体１は、セラミックス材料等の他の絶縁材料から形成されていてもよい。
【００３１】
【実施例】
評価用基板としてガラス織物にエポキシ樹脂を含浸させて成る一辺が５０ｍｍで厚みが１．１ｍｍの正方形状の芯体上にエポキシ樹脂から成る厚みが３５μｍの絶縁層を２層ずつ積層するとともに、最上層の絶縁層上に厚みが１８μｍの銅めっき層から成る直径が０．７５ｍｍの略円形の試験パッドを格子状の配列に１．０ｍｍのピッチで２４０１個ずつ形成し、その上にアクリル変性エポキシ樹脂から成り試験パッド上の厚みが２０μｍのソルダーレジスト層を、試験パッドと同心円状の直径が０．５５ｍｍの開口を有するように被着させた評価用基板を準備した。
【００３２】
次に、この評価用基板のソルダーレジスト層の開口から露出した試験パッドの表面を酸性の脱脂処理（例えば、上村工業株式会社のＡＣＬ００９）を温度５５℃で５分行なった後、１５％の過硫酸ソーダ水溶液から成るソフトエッチング液で８分程度ソフトエッチング処理し、さらに５重量％の硫酸溶液で常温で１分、酸洗浄処理することにより、その算術平均粗さが０．０５μｍとなるように処理した後、無電解金めっき法により厚みが０．０５μｍの金めっき層を被着させるとともに、その試験パッド上にＲＭＡ系のフラックスを塗布後、鉛−錫共晶合金から成る体積が０．２８ｍｍ３の半田ボールを搭載し、それを１５０℃〜１７０℃の温度で１２０秒間保持して予備加熱した後、ピーク温度２２０℃で１８３℃以上の溶融時間が１２０秒間、窒素ガス雰囲気中でリフローさせることにより溶融させて半田バンプを形成することにより本発明による第一の評価用試料を得た。
【００３３】
また、上述と同様の評価用基板のソルダーレジスト層の開口から露出した試験パッドの表面を上述の場合と同様にして酸性脱脂を行なった後、上述の場合と同様のソフトエッチング液で５分程度ソフトエッチング処理し、さらに上述の場合と同様にして酸洗浄処理してその算術平均粗さが０．１５μｍとなるように処理した後、上述の場合と同様にして厚みが０．０５μｍの金めっき層を被着させるとともに、その試験パッド上に、上述の場合と同様にして鉛−錫共晶合金から成る半田バンプを形成することにより本発明による第二の評価用試料を得た。
【００３４】
また、上述と同様の評価用基板のソルダーレジスト層の開口から露出した試験パッドの表面を上述の場合と同様にして酸性脱脂を行なった後、上述の場合と同様のソフトエッチングで２分程度処理し、さらに酸洗浄処理してその算術平均粗さが０．２５μｍとなるように処理した後、上述の場合と同様にして厚みが０．０５μｍの金めっき層を被着させるとともに、その試験パッド上に、上述の場合と同様にして鉛−錫共晶合金から成る半田バンプを形成することにより本発明による第三の評価用試料を得た。
【００３５】
また、上述と同様の評価用基板のソルダーレジスト層の開口から露出した試験パッドの表面を上述の場合と同様にして酸性脱脂をおこなった後、上述の場合と同様のソフトエッチング液で１０分程度ソフトエッチング処理し、さらに上述の場合と同様にして酸洗浄処理してその算術平均粗さが０．０４μｍとなるように処理した後、上述の場合と同様にして厚みが０．０５μｍの金めっき層を被着させるとともに、その試験パッド上に、上述の場合と同様にして鉛−錫共晶合金から成る半田バンプを形成することにより比較のための第四の評価用試料を得た。
【００３６】
さらに、上述と同様の評価用基板のソルダーレジスト層の開口から露出した試験パッドの表面を上述の場合と同様にして酸性脱脂をおこなった後、上述の場合と同様のソフトエッチング液で１分程度ソフトエッチング処理し、さらに上述の場合と同様にして酸洗浄処理してその算術平均粗さが０．２６μｍとなるように処理した後、上述の場合と同様にして厚みが０．０５μｍの金めっき層を被着させるとともに、その試験パッド上に、上述の場合と同様にして鉛−錫共晶合金から成る半田バンプを形成することにより比較のための第五の評価用試料を得た。
【００３７】
なお、各評価試料における試験パッド表面の算術平均粗さは原子間力顕微鏡（ＡＦＭ ＤＩ Ｄ３０００）装置のタッピングモードにて、探針としてＳｉプローブを用い、視野１００×１００μｍを高さ３μｍより、試験パッド表面の面平均粗さを各評価用試料について１０パッドずつの平均を測定することにより確認した。
【００３８】
かくして得られた各評価用試料における半田ボール２０個ずつについて、ボールシェア装置にて、ツール高さ５０μｍ、ツール速度１００μｍ／ｓｅｃの条件でボールシェアを行い、シェア強度の最低値と破断の状態を観察した。その結果を表１に示す。尚、表１において本発明による第一の評価用試料は試料番号２、本発明による第二の評価用試料は試料番号３、本発明による第三の評価用試料は試料番号４、比較のための第四の評価用試料は試料番号１、比較のための第五の評価用試料は試料番号５である。
【００３９】
【表１】
表１に示すように、本発明による評価用試料（試料番号２、３、４）では、ボールシェア強度が５３Ｎ／ｍｍ２以上であるとともに、全ての試験パッドにおいて、半田バンプ中で剥離が発生しており、試験用パッドと半田バンプとは極めて強固に接合していることが確認できた。他方、比較のための評価用試料（試料番号１、５）では、ボールシェア強度がいずれも４６Ｎ／ｍｍ２以下であるとともに、殆どの試験パッドにおいて試験パッドと銅−錫合金との界面で剥離が発生しており、試験パッドと半田との接合強度が弱いことが確認できた。
【００４１】
かくして、本発明の配線基板によれば、搭載する電子部品を外部電気回路に長期間にわたり正常に接続することができる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明の配線基板によれば、半田接合パッドの表面の算術平均粗さを０．０５〜０．２５μｍとしたことから、半田接合パッドに半田を接合すると、半田接合パッドと半田との間に銅−錫合金層が隙間なく生成され、外部電気回路基板に実装して電子部品を長期間にわたり作動させたとしても、銅から成る半田接合パッドと半田とが半田接合パッド上に隙間なく形成された銅−錫合金層を介して強固に接合され、半田接合パッドと半田との間に剥離が発生するようなことはない。したがって、搭載する電子部品を長期間にわたり正常に接続することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線基板の実施形態の一例を示す断面図である。
【図２】図１に示す配線基板の要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１・・・・・絶縁基体
２・・・・・配線導体
２ａ，２ｂ・・・・半田接合パッド
３・・・・・電子部品としての半導体素子
７，８・・・半田
９・・・・・金めっき層
Claims (1)
- 内部に配線導体を有する絶縁基体上に、前記配線導体に電気的に接続し、かつ前記絶縁基体に搭載される電子部品の電極と錫を含有する半田を介して電気的に接続される、銅から成る半田接合パッドを設けるとともに、該半田接合パッドの表面に金めっき層を被着させて成る配線基板であって、前記半田接合パッドは、その表面の算術平均粗さが０．０５〜０．２５μｍであることを特徴とする配線基板。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117279218A (zh) * | 2023-10-16 | 2023-12-22 | 江苏皓越真空设备有限公司 | 一种多层覆铜陶瓷基板的制备方法 |
-
2003
- 2003-01-29 JP JP2003021180A patent/JP2004235370A/ja active Pending
Cited By (2)
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| CN117279218B (zh) * | 2023-10-16 | 2024-05-24 | 江苏皓越真空设备有限公司 | 一种多层覆铜陶瓷基板的制备方法 |
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