JP2005203722A - 配線基板 - Google Patents

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Abstract

【課題】 配線層の表面に、直径が１００μｍ以上のアルミニウム製ボンディングワイヤを強固に被着させることができない。
【解決手段】 電気絶縁材料から成る基板１と、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔの少なくとも１種より成り、基板１に同時焼成により形成され、かつ直径が１００μｍ以上のアルミニウム製ボンディングワイヤ５が接続される領域を有する配線層２と、配線層２の少なくともボンディングワイヤ５が接続される領域に被着され、厚さが４μｍ乃至１３μｍ、硬さがビッカース硬度で２００Ｈｖ以上、Ｂｉの含有量が０．００５質量％乃至０．０３０質量％のＮｉから成る被覆層６とで形成された配線基板４である。
【選択図】 図１

Description

本発明は半導体素子や容量素子、抵抗器等の電子部品が搭載される配線基板に関し、より詳細には大きな電流の流れを許容する直径の大きなボンディングワイヤが配線層に接続される配線基板に関するものである。
従来、半導体素子や容量素子、抵抗器等の電子部品が搭載される配線基板は酸化アルミニウム質焼結体等の電気絶縁材料から成り、表面に電子部品搭載部を有する基板と、基板に形成されたタングステン、モリブデン等の高融点金属材料から成る配線層とで構成されており、基板の搭載部に半導体素子や容量素子、抵抗器等の電子部品を搭載するとともに各電子部品の電極を配線層にボンディングワイヤを介して電気的に接続するようになっている。
かかる配線基板は、配線層の一部を外部電気回路基板の配線導体に錫−鉛半田等の低融点ろう材を介し接続することによって外部電気回路基板上に実装され、同時に配線基板に搭載されている電子部品の各電極が所定の外部電気回路に電気的に接続されることとなる。
なお、電子部品の各電極を配線層に接続するボンディングワイヤの材料としては、一般にアルミニウム、金が使用されており、特に大電流を流すためにボンディングワイヤの径を大きくする必要があるような場合には経済性を重視してアルミニウム製のボンディングワイヤが多用される。
また配線層と電子部品の電極とのボンディングワイヤを介しての接続は、一般に超音波ボンダーを使用することによって行なわれており、具体的には配線層の表面にボンディングワイヤの一端を当接摺動させ、ボンディングワイヤと配線層表面との間に摩擦エネルギーを発生させるとともに摩擦エネルギーでボンディングワイヤと配線層表面部分との間に金属拡散を行なわせることによってボンディングワイヤは配線層に接続される。
この場合、従来のボンディングワイヤの直径は約３０μｍ程度であり、ボンディングワイヤは配線層の表面に対して約３０ｇｆ〜５０ｇｆ（０．２９４Ｎ〜０．４９Ｎ）の荷重で押し付けられ、摺動により摩擦エネルギーが効率よく発生するようにされている。
更に配線基板の配線層は、通常、その表面に平均の厚さが約３μｍのＮｉから成る被覆層がめっき法等により被着されており、超音波ボンダーを使用してのボンディングワイヤの接続性を良好としている。なお、このようなめっき法等により被着されるＮｉから成る被覆層は、通常、粗結晶体皮膜であるため、その硬さはビッカース硬度で約１５０Ｈｖ程度である。また、被覆層をめっき法で形成する場合、めっき用の電流を供給するための引き出し線が不要な無電解法による場合が多くなってきており、この場合、配線層を無電解Ｎｉめっき液中に所定時間浸漬することによりめっき液中のＮｉ成分が配線層の表面に被着して被覆層が形成される。無電解Ｎｉめっき液中には、Ｎｉ供給源となるＮｉ化合物の他に、次亜リン酸ナトリウム等の還元剤やＰｂ（鉛）化合物等の安定剤が含有されており、形成された被覆層中には、これらの成分の分解生成物であるＰｂ等が少量含有される。
ところで、この従来の配線基板においては、タングステンやモリブデン等で形成されている配線層の電気抵抗値が高く、配線層を伝わる電気信号に電圧降下を招来させて配線層に接続されている半導体素子等の電子部品に電気信号を正確に入出力させることができないという欠点があった。特に配線層を伝わる電気信号の電流値が大きくなるほど、この欠点が顕著となる。
そこで上記欠点を解消するために、配線層をＣｕ（銅）やＡｇ（銀）、Ａｕ（金）等の電気抵抗値が低い金属材料で形成した配線基板が提案されている。
かかる配線基板によれば、配線層が電気抵抗値の低いＣｕやＡｇ、Ａｕ等で形成されていることから配線層に電気信号を伝搬させた場合、配線層で電気信号に大きな電圧降下を招来することはなく電子部品に電気信号を正確に伝えることが可能となる。
しかしながら、近時、配線基板はＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）用の基板等、約５Ａ以上という大電流の電気信号を流す必要のある用途での使用が増加しつつあり、この場合、配線基板上に搭載されている電子部品に大電流を流すために配線層と電子部品とを接続させるボンディングワイヤの直径を１００μｍ以上と非常に大きくする必要があり、このような直径の大きなボンディングワイヤを超音波ボンダーにより配線層に接続させようとすると、配線層と基板との間で亀裂やハガレ等の不具合が発生するという欠点が新たに発生するようになってきた。
このように配線層と基板との間で亀裂やハガレ等の不具合が発生する原因としては、直径が１００μｍ以上と大きなボンディングワイヤを配線層に接続する場合、ボンディングワイヤと配線層との間に大きな摩擦エネルギーを発生させる必要があり、この大きな摩擦エネルギーを発生させるためにボンディングワイヤを配線層表面に対して約９０ｇｆ〜６００ｇｆ（０．８８２Ｎ〜５．８８Ｎ）という非常に大きな荷重をかけなければならず、この大きな荷重が配線層と基板との界面に作用すること、ボンディングワイヤと配線層との摺動にともなって発生する大きな機械的応力が配線層と基板との界面に作用すること、配線層の表面を被覆するＮｉから成る被覆層の厚さが平均で約３μｍ程度と比較的薄く、機械的応力を吸収する作用が小さいため荷重やボンディングワイヤと配線層との摺動にともなって発生する機械的応力が被覆層で吸収・緩和されずそのまま配線層と基板との界面に作用すること、被覆層の硬さがビッカース硬度で約１５０Ｈｖ程度と比較的小さいためボンディングワイヤを配線層に押し付ける大きな荷重で被覆層が変形し、この荷重がほとんど遮断されることなく配線層と基板との界面に伝わりやすいこと等が原因であると考えられる。
このような従来の配線基板における諸欠点に対し、本出願人は、電気絶縁材料から成る基板と、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔの少なくとも１種より成り、基板に同時焼成により形成され、かつ直径が１００μｍ以上のアルミニウム製ボンディングワイヤが接続される領域を有する配線層と、配線層の少なくともボンディングワイヤが接続される領域に被着され、厚さが４μｍ乃至１３μｍ、硬さがビッカース硬度で２００Ｈｖ以上のＮｉから成る被覆層とで形成された配線基板を提案した。（特願２００２−２４７３８９）
この配線基板によれば、配線層がＡｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）の少なくとも１種より成り、低電気抵抗であることから配線層に電子信号を伝搬させた際、配線層で電気信号に大きな電圧降下を招来することはなく電気信号を正確に伝えることができる。
また、配線層のボンディングワイヤが接続される領域に、厚さが４μｍ乃至１３μｍ、硬さがビッカース硬度で２００Ｈｖ以上のＮｉから成る被覆層を被着させ、被覆層の厚さを４μｍ乃至１３μｍと厚くしたことから配線層に直径が１００μｍ以上と大きなボンディングワイヤを接続させる場合、ボンディングワイヤを配線層表面に押し付ける荷重、ボンディングワイヤと配線層との摺動にともなって発生する機械的応力は被覆層で吸収・緩和されて小さくなり、また同時に被覆層の硬さをビッカース硬度で２００Ｈｖ以上と硬くしたことから上記の荷重で被覆層が変形して大きな荷重が配線層と基板との界面に伝わることを効果的に遮断することが可能となり、その結果、配線層と基板との界面に大きな力が作用することはなく、配線層と基板との間で亀裂やハガレ等の不具合が発生するのを有効に防止して配線層を基板に強固に接合させておくことができるというものである。
特開２００２−１２４５９０号公報
しかしながら、上記構成の配線基板においては、配線層を低電気抵抗とするとともに、直径が１００μｍ以上と大きなボンディングワイヤを接続したときに亀裂やハガレ等の不具合が発生しないように配線層を基板に強固に接合させることはできるものの、約５Ａ以上という大きな電流が繰り返し配線層に流れることから、被覆層を形成するＮｉ成分が溶出移動するいわゆるマイグレーションが生じて隣接する配線層間の電気的短絡等の不具合が発生しやすく、配線基板としての長期信頼性に劣るという欠点が新たに明らかになってきた。
この場合、被覆層にＰｂ成分が含有され、Ｐｂの耐マイグレーション性がＮｉよりも劣ることから、上記のようなマイグレーションを抑制することは難しく、またＰｂの偏析等によりマイグレーションがより顕著なものとなるおそれもあった。
また、被覆層中にＰｂ成分が含有されるため、環境や人体に対して毒性等の悪影響を与えるおそれがあるという欠点もあった。
本発明は、上記諸欠点に鑑み案出されたもので、その目的は、配線層に直径が１００μｍ以上と大きな径のアルミニウム製ボンディングワイヤを、配線層と基板との間に亀裂やハガレ等の不具合が発生することなく、強固に接続させることができるとともに、被覆層の耐マイグレーション性が良好で長期信頼性に優れ、かつ環境負荷の小さい配線基板を提供することにある。
本発明の配線基板は、電気絶縁材料から成る基板と、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔの少なくとも１種より成り、前記基板に同時焼成により形成され、かつ直径が１００μｍ以上のアルミニウム製ボンディングワイヤが接続される領域を有する配線層と、該配線層の少なくとも前記ボンディングワイヤが接続される前記領域に被着され、厚さが４μｍ乃至１３μｍ、硬さがビッカース硬度で２００Ｈｖ以上、Ｂｉの含有量が０．００５質量％乃至０．０３０質量％のＮｉから成る被覆層とで形成されたことを特徴とするものである。
本発明の配線基板は好ましくは、前記被覆層は、内部応力が９８Ｎ／ｍｍ２以下であることを特徴とするものである。
また、本発明の配線基板は好ましくは、前記被覆層を形成するＮｉは、粒子の大きさが５μｍ乃至３０μｍであることを特徴とするものである。
また、本発明の配線基板は好ましくは、前記被覆層は、表面の粗さが算術平均粗さ（Ｒａ）で０．１μｍ乃至０．３μｍであることを特徴とするものである。
また、本発明の配線基板は好ましくは、前記配線層は、Ａｇから成るとともに、前記配線層の少なくとも前記ボンディングワイヤが接続される前記領域が前記被覆層で被覆されており、温度２５℃の１％シアン化カリウム水溶液中において−４００ｍＶの電圧を印加したときの溶解電流が０．１ｍＡ／ｃｍ２以下であることを特徴とするものである。
本発明の配線基板によれば、配線層がＡｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）の少なくとも１種より成り、低電気抵抗であることから配線層に電子信号を伝搬させた際、配線層で電気信号に大きな電圧降下を招来することはなく電気信号を正確に伝えることができる。
また本発明の配線基板によれば、配線層のボンディングワイヤが接続される領域に、厚さが４μｍ乃至１３μｍ、硬さがビッカース硬度で２００Ｈｖ以上のＮｉから成る被覆層を被着させ、被覆層の厚さを４μｍ乃至３μｍと厚くしたことから配線層に直径が１００μｍ以上と大きなボンディングワイヤを接続させる場合、ボンディングワイヤを配線層表面に押し付ける荷重、ボンディングワイヤと配線層との摺動にともなって発生する機械的応力は被覆層で吸収・緩和されて小さくなり、また同時に被覆層の硬さをビッカース硬度で２００Ｈｖ以上と硬くしたことから上記の荷重で被覆層が変形して大きな荷重が配線層と基板との界面に伝わることを効果的に遮断することが可能となり、その結果、配線層と基板との界面に大きな力が作用することはなく、配線層と基板との間で亀裂やハガレ等の不具合が発生するのを有効に防止して配線層を基板に強固に接合させておくことができる。
また、本発明の配線基板によれば、Ｎｉと同程度以上の耐マイグレーション性を有するＢｉが被覆層中に０．００５質量％乃至０．０３０質量％含有されることから、約５Ａ以上という大きな電流が繰り返し配線層に流れたとしても、被覆層を形成するＮｉ成分にマイグレーションが生じることは効果的に防止され、隣接する配線層間の電気絶縁性を長期にわたって維持することが可能な、長期信頼性に優れた配線基板を提供することができる。
また、このような被覆層をめっき法で形成する際、めっき液中にＢｉ成分を安定剤として添加することによりＰｂ成分のめっき液等への添加が不要となるので、被覆層中にＰｂ成分が含有されることを防止でき、Ｎｉのマイグレーションをより効果的に防止することができるとともに、環境や人体に対する毒性等の悪影響を抑えることが可能で、環境負荷の小さい配線基板を提供することができる。
また、本発明の配線基板において、被覆層の内部応力を９８Ｎ／ｍｍ２以下とした場合には、被覆層の内部応力が小さいので、直径が１００μｍ以上と大きなボンディングワイヤを配線層に接続する際、ボンディングワイヤと配線層との間に大きな摩擦エネルギーを発生するためにボンディングワイヤを配線層表面に対して約９０ｇｆ〜６００ｇｆ（０．８８２Ｎ〜５．８８Ｎ）という非常に大きな荷重をかけたとしても、この荷重と内部応力とが相俟って被覆層に極めて大きな力が作用することはなく、被覆層にクラック等の機械的な破壊が発生するのをより有効に防止して直径が１００μｍ以上の大きなボンディングワイヤを配線層により一層確実、強固に接続させることが可能となる。
また、本発明の配線基板において、被覆層を形成するＮｉの粒子の大きさを５μｍ乃至３０μｍとした場合には、Ｎｉ粒子が適度な大きさとなってＮｉ粒子間の粒界が少ないものとなり、直径が１００μｍ以上と大きなボンディングワイヤを配線層に接続する際、ボンディングワイヤと配線層との間に大きな摩擦エネルギーを発生させるためにボンディングワイヤを配線層表面に対して約９０ｇｆ〜６００ｇｆ（０．８８２Ｎ〜５．８８Ｎ）という非常に大きな荷重をかけたとしてもＮｉ粒子間の粒界に破壊を発生させることは有効に防止され、その結果、直径が１００μｍ以上の大きなボンディングワイヤを配線層により一層確実強固に接続させることができる。
また、本発明の配線基板において、被覆層の表面の粗さを算術平均粗さ（Ｒａ）で０．１μｍ乃至０．３μｍとした場合には、被覆層の表面が適度に平滑なものとなることから、配線層に直径が１００μｍ以上と大きなボンディングワイヤを超音波ボンダーで接続する場合、Ｎｉから成る被覆層とボンディングワイヤとを接合面の全面で良好に密着させ、両者間の全面にわたって均一に大きな摩擦エネルギーを発生させてボンディングワイヤと配線層との間に十分な金属拡散を行なわせることができ、これによって配線層へのボンディングワイヤの接続信頼性をより一層高いものとなすことができる。
また、本発明の配線基板において、配線層は、Ａｇから成るとともに、配線層の少なくともボンディングワイヤが接続される領域が被覆層で被覆されており、温度２５℃の１％シアン化カリウム水溶液中において−４００ｍＶの電圧を印加したときの溶解電流が０．１ｍＡ／ｃｍ２以下であることから、配線基板が水分にさらされるような環境においても、このＡｇ成分が溶出移動することによって隣接する配線層間の電気的短絡等の不具合を発生させることを効果的に抑制することができ、隣接する配線層間の電気絶縁性をさらに長期にわたって維持することが可能なものとすることができる。
次に本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
図１及び図２は本発明の配線基板をＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）基板等の半導体素子搭載用の基板に適用した場合の一実施例を示し、１は基板、２は配線層である。この基板１と配線層２とで半導体素子３を搭載するための配線基板４が形成される。
配線基板４の基板１は半導体素子３を支持する支持部材として作用し、上面の略中央部に半導体素子３がガラス、ろう材、樹脂等の接着材を介して取着固定される。
基板１は、ガラスセラミック焼結体や結晶性ガラス、マンガン化合物を添加すること等により１２００℃の低温焼成を可能とした酸化アルミニウム質焼結体等の電気絶縁材料から成り、例えば、ガラスセラミック焼結体から成る場合であれば、酸化珪素、酸化ホウ素、酸化カルシウム等のガラス粉末と、酸化アルミニウム、ムライト等のセラミック粉末とから成るガラスセラミック原料粉末に適当な有機バインダ、溶剤等を添加混合して泥漿物を作るとともにこの泥漿物をドクターブレード法やカレンダーロール法を採用することによってガラスセラミックグリーンシート（ガラスセラミック生シート）と成し、しかる後、ガラスセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともに必要に応じてこれを複数枚積層し、約９００℃の温度で焼成することによって製作される。
また基板１はその上面に半導体素子３が搭載実装される領域周辺から下面にかけて複数の配線層２が形成されており、配線層２の基板１上面に露出する部位には半導体素子３の電極がボンディングワイヤ５を介して接続され、また基板１の下面に導出する部位は外部の電気回路基板に半田等の導電性接続材を介して接続される。
配線層２は半導体素子３の各電極を外部電気回路に接続するための導電路として作用し、半導体素子３の各電極をボンディングワイヤ５を介し配線層２に接続することによって半導体素子３の各電極は配線層２を介して外部電気回路に接続されることとなる。
配線層２は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔの少なくとも１種より成り、このようなＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ等から成る配線層２は電気抵抗値が小さいことから配線層２に電気信号を伝搬させた場合、配線層２で電気信号に大きな電圧降下を招来することはなく半導体素子３に電気信号を正確に伝えることが可能となる。
配線層２は、例えば、Ａｇから成る場合であれば、Ａｇ粉末に適当な有機バインダ及び溶剤を添加混合して金属ペーストを作成し、この金属ペーストを基板１となるガラスセラミックグリーンシートの表面に所定パターンに印刷塗布することによって基板１の上面から下面にかけて所定パターンに形成される。
また配線層２は、基板１の上面に露出する領域に、直径が１００μｍ以上のアルミニウム製ボンディングワイヤ５を介して半導体素子３の電極が接続され、これによって半導体素子３の各電極がボンディングワイヤ５を介して配線層２に電気的に接続されることとなる。
ボンディングワイヤ５はその直径が１００μｍ以上と大きいことからボンディングワイヤ５を介して配線層２から半導体素子３に約５Ａ以上という大電流の電気信号を流した場合、大電流の電気信号は何ら支障をきたすことなく半導体素子３に伝搬させることができる。
ボンディングワイヤ５はその直径が１００μｍ未満となると５Ａ以上の大電流の電気信号を伝搬させることが困難となる。従って、ボンディングワイヤ５はその直径が１００μｍ以上に特定される。
なお、配線層２へのボンディングワイヤ５の接続は、配線層２の表面にボンディングワイヤ５の一端を約９０ｇｆ〜６００ｇｆ（０．８８２Ｎ〜５．８８Ｎ）という大きな荷重で押し付けて摺動させ、ボンディングワイヤ５と配線層２表面との間に摩擦エネルギーを発生させるとともに摩擦エネルギーでボンディングワイヤ５と配線層２表面部分との間に金属拡散を行なわせることによって行なわれる。
また配線層２は更に少なくともボンディングワイヤ５が接続される領域に、図２に示す如く、厚さが４μｍ乃至１３μｍ、硬さがビッカース硬度で２００Ｈｖ以上、Ｂｉの含有量が０．００５質量％乃至０．０３０質量％のＮｉから成る被覆層６が被着されており、Ｎｉから成る被覆層６は無電解法または電解法等のめっき法やスパッタリング法等により形成され、例えば、無電解めっき法による場合であれば、次亜リン酸ナトリウム等のリン系還元剤やジメチルアミンボラン等のホウ素系の還元剤を用いる無電解Ｎｉめっき液中に配線層２を所定時間浸漬することにより形成される。
Ｎｉから成る被覆層６はアルミニウム製のボンディングワイヤ５との間で金属拡散が生じやすく、これによって配線層２にボンディングワイヤ５の強固に接続することができる。
また被覆層６は、その厚みが４μｍ乃至１３μｍと厚いことから配線層２を完全に被覆して配線層２の酸化等を有効に防止することができるとともに配線層２に直径が１００μｍ以上と大きなボンディングワイヤ５を接続させる場合、ボンディングワイヤ５を配線層２表面に押し付ける荷重、ボンディングワイヤ５と配線層２との摺動にともなって発生する機械的応力は被覆層６で吸収、緩和されて極めて小さな値となり、その結果、配線層２と基板１との界面に大きな力が作用することはなく、配線層２と基板１との間で亀裂やハガレ等の不具合が発生するのを有効に防止して配線層２を基板１に強固に接合させておくことが可能となる。
なお、被覆層６は、その厚さが４μｍ未満では、ボンディングワイヤ５を配線層２表面に押し付ける荷重、ボンディングワイヤ５と配線層２との摺動にともなって発生する機械的応力を十分に吸収緩和することができず、配線層２と基板１との界面に亀裂やハガレ等の不具合が生じてしまい、また、１３μｍを超えると、その内部応力が非常に大きくなり被覆層６と配線層２との間や、配線層２と基板１との間での接合強度が劣化し、被覆層６が配線層２より剥離したり、配線層２が基板１より剥離したりしてしまう。従って、被覆層６は、その厚さが４μｍ乃至１３μｍの範囲に特定される。
さらに、被覆層６は、その厚みを５μｍ乃至１０μｍの範囲としておくと、ボンディングワイヤ５を配線層２により一層確実、強固に接続させることができるとともに被覆層６が配線層２より剥離したり、配線層２が基板１より剥離したりしてしまうのをより効果的に防止して配線基板としての信頼性を一層良好となすことができる。従って、被覆層６は、その厚さを５μｍ乃至１０μｍの範囲としておくことがより一層好ましい。
さらに被覆層６は、その硬さがビッカース硬度で２００Ｈｖ以上と硬いことからボンディングワイヤ５を配線層２表面に押し付ける荷重で大きく変形することはなく、これによって荷重は配線層２と基板１との界面に伝わることが効果的に遮断され、その結果、配線層２と基板１との界面に大きな力が作用することはなく、配線層２と基板１との間で亀裂やハガレ等の不具合が発生するのが有効に防止されて配線層２を基板１に強固に接合させておくことが可能となる。
被覆層６は、その硬さがビッカース硬度で２００Ｈｖ未満と低くなると、直径が１００μｍ以上と大きなボンディングワイヤ５を配線層２に接続させる際、被覆層６がボンディングワイヤ５を配線層２の表面に押し付ける荷重［約９０ｇｆ〜６００ｇｆ（０．８８２Ｎ〜５．８８Ｎ）］により容易に変形して、その荷重が配線層２と基板１との界面に作用してしまい、その結果、配線層２と基板１との界面に亀裂やハガレ等の不具合を発生させてしまう。したがって、被覆層６は、その硬さをビッカース硬度で２００Ｈｖ以上とする必要がある。
被覆層６の硬さをビッカース硬度で２００Ｈｖ以上と硬くするには、厚さが４μｍ乃至１３μｍとなるようにしてＮｉをめっき法等で配線層２の表面に被着させた後、約７５０℃乃至８５０℃の温度で熱処理を加え、Ｎｉの結晶を緻密化させて、硬さが２００Ｈｖ以上となるようにする方法や、無電解めっき法でＮｉから成る被覆層６を形成する過程で、めっき浴浸漬時間を長くすることによりＮｉの結晶の緻密化を図り硬さをビッカース硬度で２００Ｈｖ以上と硬くする等の方法を用いることができる。
なお、めっき法等でＮｉを配線層２の表面に被着させ、被覆層６を形成する場合、その硬さをビッカース硬度で５００Ｈｖを超えるようなものとしようとすると、必要以上にめっき浴浸漬時間を長くしたり、高温でＮｉを熱処理したりする必要が生じ、生産性や経済性を低下させるおそれがある。従って、被覆層６は、その硬さを、ビッカース硬度で２００Ｈｖ乃至５００Ｈｖの範囲とすることが好ましい。
また、被覆層６は、Ｂｉを０．００５質量％乃至０．０３０質量％含有し、Ｂｉの耐マイグレーション性がＮｉと同程度以上であることから、約５Ａ以上という大きな電流が繰り返し配線層２に流れたとしても、被覆層６にマイグレーションが生じることは効果的に防止され、隣接する配線層２間の電気絶縁性を長期にわたって維持することが可能な、長期信頼性に優れた配線基板４を提供することができる。
被覆層６中にＢｉ成分を含有させるには、例えば、被覆層６を無電解Ｎｉめっき液を用いためっき法で形成する際、めっき液中に塩化物や有機スルホン酸系等のＢｉ化合物を添加しておくこと等の方法を用いることができる。
Ｂｉ成分をめっき液中に添加した場合、Ｂｉ成分は、めっき液中の還元剤とＮｉ成分との反応に対して一定の抑制作用を有するので、Ｎｉ成分と還元剤との反応が急激に進行して配線層２以外の不要な部分にまでＮｉが被着することを防止するための安定剤として作用させることができる。
従って、このような被覆層６をめっき法で形成する際、Ｎｉのめっき液中にＢｉ成分を添加することにより安定剤としてのＰｂ成分のめっき液への添加が不要となるので、被覆層６中にＰｂ成分が含有されることを防止でき、Ｎｉによるマイグレーションをより効果的に防止することができるとともに、環境や人体に対する毒性等の悪影響を抑えることが可能で、環境負荷の小さい配線基板４を提供することができる。
この場合、被覆層６中のＢｉの含有量が０．００５質量％未満では被覆層６の耐マイグレーション性を効果的に向上させることができず、０．０３０質量％を超えると、被覆層６が脆くなって配線層２に対する被着の信頼性が低下し、また、Ｂｉ成分を被覆層６中に含有させるためのめっき液中のＢｉ成分の含有量も多くなり、このＢｉ成分が触媒毒として作用するため、被覆層６にカケやムラ等の不具合を生じてしまう。したがって、被覆層６は、Ｂｉの含有量を０．００５質量％乃至０．０３０質量％の範囲とする必要がある。
被覆層６中のＢｉの含有量は、めっき液中のＢｉ成分の含有量と比例するので、めっき液中のＢｉ成分の含有量を調節することにより、被覆層６中のＢｉの含有量を所定の範囲に制御することができる。
被覆層６中のＢｉの含有量は、被覆層６を硝酸等に溶解するとともに、この溶液を発光分光分析法等の分析法で分析し定量することにより測定することができる。
なお、無電解ニッケルめっき液中にＢｉ成分を添加しておくと、Ｂｉは、Ｎｉの還元剤による析出に対する触媒毒としての性質を有することから、めっき液中のＮｉ成分の過剰な析出を防ぐ安定剤として作用させることができ、めっき液中にＰｂ成分を安定剤として添加することなく、長期間にわたって安定して被覆層６を形成させることができる。
また、本発明の配線基板４において、被覆層６の内部応力を９８Ｎ／ｍｍ２以下とした場合には、被覆層６の内部応力が小さいので、直径が１００μｍ以上と大きなボンディングワイヤ５を配線層２に接続する際、ボンディングワイヤ５と配線層２との間に大きな摩擦エネルギーを発生するためにボンディングワイヤ５を配線層２表面に対して約９０ｇｆ〜６００ｇｆ（０．８８２Ｎ〜５．８８Ｎ）という非常に大きな荷重をかけたとしても、この荷重と内部応力とが相俟って被覆層６に極めて大きな力が作用することはなく、被覆層６にクラック等の機械的な破壊が発生するのをより有効に防止して直径が１００μｍ以上の大きなボンディングワイヤ５を配線層２により一層確実、強固に接続させることが可能となる。
なお、被覆層６の内部応力は、従来周知の測定方法、例えば、ＪＩＳ Ｈ８６２６に示されている装置を用いた簡易平均応力測定方法や、スパイラルコントラクトメーター法などで測定でき、内部応力が引張り応力または圧縮応力で９８Ｎ／ｍｍ２を超えると配線層２に直径が１００μｍ以上の大きなボンディングワイヤ５を接続する際に内部応力と接続のための荷重とが相俟って大きな力となり、これが被覆層６に作用してクラック等の機械的な破壊が発生しやすくなる。従って、被覆層６は、内部応力を９８Ｎ／ｍｍ２以下としておくことが好ましい。
被覆層６の内部応力を９８Ｎ／ｍｍ２以下とするには、例えば、被覆層６を無電解のＮｉめっきにより形成するとともに、このＮｉめっき層に対して、約３００℃、１２０分乃至１８０分程度の加熱条件で加熱処理し内部応力を除去すること等の方法を用いることができる。
また、本発明の配線基板４において、被覆層６を形成するＮｉの粒子の大きさを５μｍ乃至３０μｍとした場合には、Ｎｉ粒子が適度な大きさとなってＮｉ粒子間の粒界が少ないものとなり、直径が１００μｍ以上と大きなボンディングワイヤ５を配線層２に接続する際、ボンディングワイヤ５と配線層２との間に大きな摩擦エネルギーを発生させるためにボンディングワイヤ５を配線層２表面に対して約９０ｇｆ〜６００ｇｆ（０．８８２Ｎ〜５．８８Ｎ）という非常に大きな荷重をかけたとしてもＮｉ粒子間の粒界に破壊を発生させることは有効に防止され、その結果、直径が１００μｍ以上の大きなボンディングワイヤ５を配線層２により一層確実強固に接続させることができる。
被覆層６のＮｉ粒子の大きさを５μｍ乃至３０μｍとするには、例えば、例えば、被覆層６を無電解のＮｉめっきにより形成するとともに、このＮｉめっき層に対して、約３００℃、１２０分乃至１８０分程度の加熱条件で加熱処理し、Ｎｉ粒子の粒成長を行なわせること等の方法を用いることができる。
なお、Ｎｉから成る被覆層６はＮｉ粒子の大きさが５μｍ未満であるとＮｉ粒子間の粒界が多いものとなって配線層２に直径が１００μｍ以上の大きなボンディングワイヤ５を接続する際の荷重によってＮｉから成る被覆層６にクラック等が発生しやすくなる傾向があり、また３０μｍを超えると、Ｎｉ粒子間の粒界の化学的、物理的結合力が極めて小さいことから、直径が１００μｍ以上の大きなボンディングワイヤ５を大きな荷重で押し付けた際に、Ｎｉ粒子そのものがＮｉから成る被覆層６から脱離してしまい、ボンディングワイヤ５の配線層２に対する接続の強度が劣化しやすくなる傾向がある。
従って、Ｎｉから成る被覆層６はＮｉ粒子の大きさを５μｍ乃至３０μｍとしておくことが好ましい。
また、本発明の配線基板４において、被覆層６の表面の粗さを算術平均粗さ（Ｒａ）で０．１μｍ乃至０．３μｍとした場合には、被覆層６の表面が適度に平滑なものとなることから、配線層２に直径が１００μｍ以上と大きなボンディングワイヤ５を超音波ボンダーで接続する場合、Ｎｉから成る被覆層６とボンディングワイヤ５とを接合面の全面で良好に密着させ、両者間の全面にわたって均一に大きな摩擦エネルギーを発生させてボンディングワイヤ５と配線層２との間に十分な金属拡散を行なわせることができ、これによって配線層２へのボンディングワイヤ５の接続信頼性をより一層確実に高いものとなすことができる。
被覆層６は、その表面粗さが算術平均粗さ（Ｒａ）で０．１μｍ未満となると、平滑になるため、被覆層６とボンディングワイヤ５との間で大きな摩擦エネルギーを発生させることが困難となり、ボンディングワイヤ５と配線層２との間に十分な金属拡散を行なわせることが難しくなって、配線層２とボンディングワイヤ５との接続信頼性が低下する傾向がある。また表面の粗さが算術平均粗さ（Ｒａ）で０．３μｍを超えると、配線層２に直径が１００μｍ以上と大きなボンディングワイヤ５を超音波ボンダーで接続する場合、被覆層６とボンディングワイヤ５との広い接合面の全面にわたって良好かつ均一に両者を密着させることが困難となり、部分的に摩擦エネルギーが不十分となって、ボンディングワイヤ５と被覆層６との間の全面で十分な金属拡散を行なわせることが難しくなって、配線層２にボンディングワイヤ５を強固に接続することができなくなるおそれがある。従って、被覆層６は、その表面粗さを、算術平均粗さ（Ｒａ）で０．１μｍ乃至０．３μｍとしておくことが好ましい。
被覆層６の表面を算術平均粗さ（Ｒａ）で０．１μｍ乃至０．３μｍの範囲とするには、例えば、配線層２に無電解めっき法によりＮｉから成るめっき層を被着させることにより被覆層６を形成する場合、無電解めっき液中に結晶調整剤（光沢剤）として硫黄化合物やセレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）等を適量添加したり、ＮｉおよびＮｉと共析する還元剤の分解生成物であるリン（Ｐ）やボロン（Ｂ）との安定度定数（錯化力）が異なる錯化剤を複数種類組み合わせたり、ｐＨ、液温、撹拌スピード等のめっき条件を、配線層２の表面状態等に応じて調整したりすることによって、配線層２表面の凹凸を埋めて平滑化させるようにしてＮｉを析出、被着させる等の方法を用いることができる。
本発明の配線基板４において、配線層２は、電気抵抗の面でＡｇから成るものであることが好ましい。この場合、被覆層６は、温度２５℃の１％シアン化カリウム水溶液において、配線層２に−４００ｍＶの電圧を印加したときのＡｇの溶解電流が、０．１ｍＡ／ｃｍ２以下としておくことが好ましい。
これにより、Ｎｉから成る被覆層６のピンホール等の欠陥を通してＡｇ原子が移動（溶出）しにくくなっている。従って、Ａｇから成る配線層２に腐食が発生しにくく、その結果、配線基板４が水分にさらされるような環境においても、このＡｇ成分が溶出移動することによって隣接する配線層２間の電気的短絡等の不具合を発生させることを効果的に抑制することができる。
なお、この温度２５℃の１％シアン化カリウム水溶液においてＡｇから成る配線層２に−４００ｍＶの電圧を印加したときのＡｇの溶解電流は、一般にアノード溶解電流測定法と呼ばれる電気化学測定法を応用し案出されたものである。そして、従来の配線基板４のＡｇ配線層２に被着されたＮｉめっき層への従来の適用例は見出せず、本発明者らの知見によれば、前述のような従来の配線基板４においての値は、０．２ｍＡ／ｃｍ２以上であった。
なお、温度２５℃の１％シアン化カリウム水溶液において、Ａｇから成る配線層２に−４００ｍＶの電圧を印加したときのＡｇの溶解電流を０．１ｍＡ／ｃｍ２以下とするには、例えば、被覆層６を形成する際にＮｉめっき液のＮｉ濃度を高くすること等によって、単位面積あたりのＮｉの析出量を多くして被覆層６の緻密性およびＡｇから成る配線層２へのカバーリング性を向上させることで可能となる。
かくして半導体素子３が搭載された配線基板４は、半導体素子３を蓋体や封止樹脂等の封止材（不図示）を用いて封止するとともに、MOS−FET、コンデンサー等の電子部品（不図示）を搭載し、その電極を配線層２に接続することにより製品としてのＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）基板が完成する。
次に本発明の作用効果を下記に示す実施例に基づき説明する。
まず、ガラス粉末、フィラー粉末（セラミック粉末）、さらに有機バインダ、可塑剤、有機溶剤等を混合し、シート状に成形してガラスセラミックグリーンシートを作製する。
ガラス粉末の成分としては、例えばＳｉＯ2−Ｂ2Ｏ3系、ＳｉＯ2−Ｂ2Ｏ3−Ａｌ2Ｏ3系、ＳｉＯ2−Ｂ2Ｏ3−Ａｌ2Ｏ3−ＭＯ系（但し、ＭはＣａ、Ｓｒ、Ｍｇ、ＢａまたはＺｎを示す）、ＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3−Ｍ1Ｏ−Ｍ2Ｏ系（但し、Ｍ1およびＭ2は同一または異なってＣａ、Ｓｒ、Ｍｇ、ＢａまたはＺｎを示す）、ＳｉＯ2−Ｂ2Ｏ3−Ａｌ2Ｏ3−Ｍ1Ｏ−Ｍ2Ｏ系（但し、Ｍ1およびＭ2は前記と同じである）、ＳｉＯ2−Ｂ2Ｏ3−Ｍ32Ｏ系（但し、Ｍ3はＬｉ、ＮａまたはＫを示す）、ＳｉＯ2−Ｂ2Ｏ3−Ａｌ2Ｏ3−Ｍ32Ｏ系（但し、Ｍ3は前記と同じである）、Ｐｂ系ガラス、Ｂｉ系ガラス等のＳｉＯ2系のものであればよく、本実施例ではＳｉＯ2−Ｂ2Ｏ3系のものを用いた。
また、フィラー粉末としては、例えばＡｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＺｒＯ2とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、ＴｉＯ2とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、Ａｌ2Ｏ3およびＳｉＯ2から選ばれる少なくとも１種を含む複合酸化物（例えばスピネル、ムライト、コージェライト）等が挙げられ、本実施例ではＡｌ2Ｏ3を用いている。
上記ガラス粉末とフィラー粉末との混合割合は質量比で４０：６０乃至９９：１であるのが好ましい。
また、有機バインダとしては、従来からセラミックグリーンシートに使用されているものが使用可能であり、例えばアクリル系（アクリル酸、メタクリル酸またはそれらのエステルの単独重合体または共重合体、具体的にはアクリル酸エステル共重合体、メタクリル酸エステル共重合体、アクリル酸エステル−メタクリル酸エステル共重合体等）、ポリビニルブチラ−ル系、ポリビニルアルコール系、アクリル−スチレン系、ポリプロピレンカーボネート系、セルロース系等の単独重合体または共重合体が挙げられ、本実施例ではアクリル系のものを用いた。
なお、シート状に成形する方法としては、従来周知のドクターブレード法、圧延法、カレンダーロール法、金型ブレス法等の成形方法を用いることができ、上記ガラス粉末、フィラー粉末、有機バインダに必要に応じて所定量の可塑剤、溶剤（有機溶剤、水等）を加えてスラリーを得て、これを上記の成形方法により厚さ約５０μｍ乃至５００μｍに成形することによって得られる。本実施例では、ドクターブレード法を用いた。
次に、このようにして作製したガラスセラミックグリーンシートの表面にＡｇペーストをスクリーン印刷法により、幅およびその隣接間隔（ラインアンドスペース）が１００μmおよび１００μmの直線状のテストパターンを６本（隣接間隔数が５）、配線層２として印刷するとともに焼成し、試料用の配線基板４を作製した。
次に、この試料に対して、次亜リン酸ナトリウム等のリン系還元剤を用い、Ｂｉの塩化物を安定剤として添加した無電解めっき法によりＮｉから成る被覆層６をテストパターン表面に、表１に示す厚さおよび硬度で被着させた後、表１に示す直径の異なる種々のHeraeu社製ボンディングワイヤ５をOrthodyne社製M360C超音波ボンダーを用いてボンディングした。被覆層６のＢｉ含有量は、上記めっき液中のＢｉ成分の濃度で調節した。
なお、超音波ボンダーを用いての接続条件は、次のとおりである。超音波周波数６０ｋＨｚ、ボンディング時間２５〜１５０ｍｓ、ボンディングパワー１１０〜１３０ｓｔｅｐｓ、ボンディング荷重４．２７５〜５．８８Ｎ、ループ高さ６〜８ｍｍ、ループ長さ６〜８ｍｍである。
そして、次に接続したボンディングワイヤに対して引張り試験を行ない、ボンディングワイヤ５の接続強度、および破壊モードを測定した。
なお、ボンディングワイヤ５の破壊モードは、ボンディングワイヤ５の途中での破断（ワイヤー切れ）を良とし、テストパターンと基板１との間や配線層２と被覆層６との間、被覆層６とボンディングワイヤ５との間等に破壊が生じたもの（パッド剥がれ）を不良として判定した。
なお、測定は、各項目について試料数５とし、ボンディングワイヤ５の接続強度はその算術平均値を記載している。
また、耐マイグレーション性は、上記試料について高温高湿バイアス試験（温度８５℃、湿度８５％、負荷電圧１０ＶＤＣ）を行ない、マイグレーションが発生した時間（配線層２間が電気的に短絡した時間）を測定することにより評価した。
この試験の結果、１００ｈｒ（時間）以上に渡ってマイグレーションが発生しなかったものを可（○）とし、１００ｈｒ未満でマイグレーションが発生したものを不可（×）として表１に示した。マイグレーションが１００ｈｒ以上で発生しなかったものは実用上問題が発生しないことを示す。なお、Ｂｉ含有量の測定および耐マイグレーション性の試験は、ボンディング強度および破壊モードで異常がみられなかった試料についてのみ行なった。その結果を表１に示す。
Figure 2005203722
表１に示す結果から判るように、Ｎｉの被覆層６の厚さが４μｍ未満の場合（試料番号１）および硬さがビッカース硬度で２００Ｈｖ未満の場合（試料番号２、９、１６、２７、３４、４５）には被覆層６が応力を吸収緩和、遮断することができず配線層２と基板１との間で亀裂やハガレ等の破壊を生じてしまい、またＮｉの被覆層６の厚さが１３μｍを超える場合（試料番号５４、５５、５６）には被覆層６の内部応力が増大して配線層２と被覆層６との間等で剥離が発生してしまう。従って、これらの試料はいずれもボンディングワイヤ５の接続強度が０．３１Ｎ以下で、小さな力の印加により配線層２が基板１より剥離したり、被覆層６が配線層２より剥離したりしてしまう。
また、被覆層６中のＢｉ含有量が０．００５質量％未満の場合（試料番号３、１８、３８、４６）にはマイグレーションが発生し、Ｂｉ含有量が０．０３０質量％を超える（試料番号７、２２、４２、５０）とＮｉの被覆層６にめっきムラ等の不具合の発生が見られた。
これに対し、被覆層６の厚さを４μｍ乃至１３μｍ、硬さがビッカース硬度で２００Ｈｖ以上かつＢｉ含有量が０．００５質量％乃至０．０３０質量％とした本発明品はボンディングワイヤ５の接続強度が０．６３Ｎ以上であり、基板１に対する配線層２の接合、配線層２に対する被覆層６の被着、配線層２に対するボンディングワイヤ５の接続を極めて強いものとなすことができ、配線層２間のマイグレーション等の不具合も効果的に防止できる。
次に、試料用の配線基板４は表１の実施例と同じものを用いて、次亜リン酸ナトリウム等のリン系還元剤を用い、Ｂｉの塩化物を安定剤として添加した無電解めっき法によりＮｉから成る被覆層６をテストパターン表面に、約７μｍの厚さおよびビッカース硬度約３６０Ｈｖで被着させた。
ここで、Ｎｉから成る被覆層６の緻密性およびＡｇから成る配線層２へのカバーリング性を変化させ溶解電流値を調整するために、無電解めっき法におけるめっき浴温とめっき浴浸漬時間をそれぞれ異なるものとし、表２において試料番号１はめっき浴温約８０℃、めっき浴浸漬時間を約３０分、試料番号２はめっき浴温約８５℃、めっき浴浸漬時間を約２５分、試料番号３はめっき浴温約９０℃、めっき浴浸漬時間を約２０分の条件で行なった。また、それぞれの試料において、温度２５℃の１％シアン化カリウム水溶液中の印加電圧が−４００ｍＶでのＡｇの溶解電流値をポテンシオスタットを用いたアノード溶解電流測定法で測定した結果を表２に示す。
このようにして、Ｎｉから成る被覆層６をテストパターン表面に、約７μｍの厚さおよびビッカース硬度約３６０Ｈｖで被着させ後に、表１の実施例と同様な条件で直径３００μｍのアルミニウム製のボンディングワイヤ５をボンディングし、ボンディングワイヤ５の引張り試験と耐マイグレーション性の評価を行なった。
なお、引張り試験と耐マイグレーション性の評価基準は表１の実施例と同様であるが、耐マイグレーション性の評価に関しては、マイグレーションが発生した時間（配線層２間が電気的に短絡した時間）が１０００ｈｒ以上に渡るものについては、特に耐マイグレーション性に優れるものとして良（◎）とした。その結果を表２に示す。
Figure 2005203722
表２に示す結果から判るように、溶解電流値が０．１ｍＡ／ｃｍ２以下の場合（試料番号１、２）には、溶解電流値が０．１ｍＡ／ｃｍ２を超える場合（試料番号３）に比べて耐マイグレーション性が大幅に良くなっており、基板１に対する配線層２の接合、配線層２に対する被覆層６の被着、配線層２に対するボンディングワイヤ５の接続を極めて強いものとなすことができ、さらに、配線層２間のマイグレーション等の不具合も極めて効果的に防止できる。
なお本発明は上述の実施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、上述の実施例において配線層２の外周上端の角（稜線）部分を円弧状に面取りしておくと、この角部分で、配線層２と被覆層６との被着界面に応力が集中し、被覆層６に亀裂等の機械的な破壊が生じることを効果的に防止することができる。したがって、配線層２は、その外周上端の角（稜線）部分を円弧状に面取りしておくことが好ましい。
本発明の配線基板の一実施例を示す断面図である。 本発明の配線基板の一実施例の要部拡大断面図である。
符号の説明
１・・・基板
２・・・配線層
３・・・半導体素子
４・・・配線基板
５・・・ボンディングワイヤ
６・・・被覆層

Claims (5)

  1. 電気絶縁材料から成る基板と、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔの少なくとも１種より成り、前記基板に同時焼成により形成され、かつ直径が１００μｍ以上のアルミニウム製ボンディングワイヤが接続される領域を有する配線層と、該配線層の少なくとも前記ボンディングワイヤが接続される前記領域に被着され、厚さが４μｍ乃至１３μｍ、硬さがビッカース硬度で２００Ｈｖ以上、Ｂｉの含有量が０．００５質量％乃至０．０３０質量％のＮｉから成る被覆層とで形成された配線基板。
  2. 前記被覆層は、内部応力が９８Ｎ／ｍｍ２以下であることを特徴とする請求項１記載の配線基板。
  3. 前記被覆層を形成するＮｉは、粒子の大きさが５μｍ乃至３０μｍであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の配線基板。
  4. 前記被覆層は、表面の粗さが算術平均粗さ（Ｒａ）で０．１μｍ乃至０．３μｍであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の配線基板。
  5. 前記配線層は、Ａｇから成るとともに、前記配線層の少なくとも前記ボンディングワイヤが接続される前記領域が前記被覆層で被覆されており、温度２５℃の１％シアン化カリウム水溶液中において−４００ｍＶの電圧を印加したときの溶解電流が０．１ｍＡ／ｃｍ２以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の配線基板。
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