JP2006054467A

JP2006054467A - 基板のソルダーボールの形成方法及び基板

Info

Publication number: JP2006054467A
Application number: JP2005233760A
Authority: JP
Inventors: Seung-Woo Kim; 承宇金; Pyoung Wan Kim; 金　坪完; Sang-Ho Ahn; 相鎬安; Bo-Seong Kim; 寶星金; Ho-Jeong Moon; 豪正文; Tae-Seong Park; 泰成朴; Hee-Guk Choi; ▲ヒ▼國崔
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2004-08-14
Filing date: 2005-08-11
Publication date: 2006-02-23

Abstract

【課題】基板のソルダーボールの形成方法及び基板を提供する。
【解決手段】基板の導電性パッドにエッチングを進めるが、導電性パッドの厚さの５０％よりは大きく、１００％よりは小さい深さで導電性パッドをエッチングし、エッチングが進められた導電性パッドにソルダーボールを形成することを特徴とする基板のソルダーボールの形成方法である。また、導電性パッドは、銅でありうる。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体素子に使われる基板に係り、さらに詳細には、基板の導電性パッドにソルダーボールを形成する方法及び前記方法が適用された基板に関する。

図１は、従来の技術によるパッケージ基板とモジュール基板との間でソルダーボールの連結を示す断面図である。前記半導体パッケージ用基板は、一つあるいは２つ以上の半導体チップを含みうる。前記半導体チップは、メモリ可能及び（または）、ロジック機能、及び（または）ＲＦアナログ可能の半導体チップであるものが適当である。前記モジュール基板は、コンピュータあるいは携帯電話で前記半導体パッケージが搭載されるマザーボードであるものが適当である。

図１を参照すれば、半導体パッケージの導電層パッド８がパッケージ基板１０上に形成されている。前記パッケージ基板１０の導電層パッド８は、内部に銅層１２と前記銅層１２上に形成されたニッケル層１４とを含む。また前記ニッケル層１４上には、金（Ａｕ）層１６が形成されている。そして、フォトソルダーレジスト（ＰＳＲ：ＰｈｏｔｏＳｏｌｄｅｒＲｅｓｉｓｔ）１８が前記銅層１２、ニッケル層１４及び金層１６と隣接して形成されている。

また、モジュール基板２０の導電性パッド２２も、前記パッケージ基板１０の導電性パッド８と類似した構造の銅層１２、ニッケル層１４及び金層１８を含んでいる。このとき、ソルダーボール２４は、前記パッケージ基板１０の導電性パッド８と前記モジュール基板２０の導電性パッド２２とを電気的に連結する。

図２は、従来の技術によって、パッケージ基板とモジュール基板との間でソルダーボールの連結を示す他の断面図である。

図２を参照すれば、パッケージ基板３０の導電性パッド２８は、パッケージ基板３０上でラミネーティングされた銅層３２を含み、ＰＳＲ３４が前記導電性パッドの銅層３２を除外した部分に形成されている。

前記露出された構造の銅層３２は、通常的に知られたＯＳＰ（ＯｒｇａｎｉｃＳｏｌｄｅｒ−ａｂｉｌｉｔｙＰｒｅｓｅｒｖａｔｉｖｅ）処理されている。このようなＯＳＰ処理によって、前記銅層３２の表面は、大気中の酸素から酸化が防止される。前記ＯＳＰ層（図示せず）の厚さは、露出された銅層３２の酸化を防止するために、通常０.２〜０.４μｍの厚さに形成される。そして、前記銅材質の導電性パッド２８にソルダーボールが搭載される前に、前記ＯＳＰ層は除去される。

前記モジュール基板４０の導電性パッド３８も、前述されたパッケージ基板３０の導電性パッド２８と同じ構造を有している。ソルダーボール４２は、パッケージ基板３０の銅層３２とモジュール基板４０の銅層３２とを物理的あるいは電気的に連結する。

従来の技術においては、前記ソルダーボール２４，４２は、鉛を含むソルダーボールである。しかし、世界的に環境保護に関する要求が増大するにつれて、鉛を含んでいないソルダーボールが開発された。例えば、スズの合金を利用した無鉛ソルダーボール、あるいは銅と銀との合金を利用した無鉛ソルダーボールが既存の鉛を含むソルダーボールを代替した。

しかし、残念ながら前記無鉛ソルダーボールは、基板に搭載された時、既存に使われた鉛を含むソルダーボールと比較して、はるかにもろいと判明した。これにより、無鉛ソルダーボールを使用する場合、ソルダーボールが連結される部分にクラックが発生し、半導体素子で不良が発生する確率がさらに上昇した。

本発明が解決しようとする技術的課題は、前記問題点を解決できる基板のソルダーボールの形成方法を提供することである。

本発明が解決しようとする他の技術的課題は、前記問題点を解決できる導電性パッドを含む基板を提供することである。

前記課題を達成するために、本発明の一実施形態による基板のソルダーボールの形成方法は、基板の導電性パッドにエッチングを進めるが、前記導電性パッドの厚さの５０％よりは大きく、１００％よりは小さい深さでエッチングを進め、前記エッチングが進められた導電性パッドにソルダーボールを形成することを特徴とする。

本発明の望ましい実施形態によれば、前記導電性パッドは、銅材質でありうる。そして、前記ソルダーボールは、無鉛ソルダーボールであって、スズの合金あるいは銀と銅との合金であるものが適当である。望ましくは、前記導電性パッドがエッチングされる深さは、前記導電性パッドの厚さの６０〜９０％範囲であるものが適当である。

また、前記ソルダーボールを形成する前に、前記エッチングが進められた導電性パッドに、金、銀及び白金からなる導電物質群から選択された一つを利用してインターフェース層を形成する工程をさらに進めうる。望ましくは、前記インターフェース層は、厚さが０.２μｍ以下の金層でありうる。

また、本発明の望ましい実施形態によれば、前記ソルダーボールを形成する工程後に、前記基板の下部に前記ソルダーボールを覆うポリマー層を形成し、前記ソルダーボールの一部が露出されるように前記ポリマー層の一部を除去する工程をさらに進めうる。このとき、前記露出されたソルダーボールの一部は、前記ソルダーボールの直径より小さいものが適当である。

前記課題を達成するために、本発明の他の実施形態による基板のソルダーボールの形成方法は、第１層と前記第１層上に形成された第２層とを含む基板の導電性パッドを形成し、前記導電性パッドの第２層の厚さよりは深く、前記導電性パッドの全体厚さよりは薄く、前記導電性パッドをエッチングすることを特徴とする。

前記他の課題を達成するための本発明による基板は、基板上に形成され、全体厚さの５０％以上１００％以下にリセスされた部分を有する導電性パッドと、前記導電性パッドのリセス部分に配置されたソルダーボールと、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、パッケージ基板及びモジュール基板に付着されるソルダーボールでクラックが発生するという問題点を改善できる。

以下、添付された図面を参照して、本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。しかし、後述する実施形態は、本発明を限定しようとする意味ではなく、当業者に本発明の開示が実施可能な形態で完全になるように発明の範囲を知らせるために提供される。

図３は、本発明の一実施形態によって、パッケージ基板とモジュール基板との間でソルダーボールを連結する状況を示す断面図である。

図３を参照すれば、基板のパッケージ基板１００は、絶縁層１０２上にラミネーティング方式で形成された導電性パッド１０６を含む。前記基板のパッケージ基板１００を作る方法は、絶縁層１０２及び導電性パッド１０６上にＰＳＲ１０８を塗布して、リセス形状の導電性パッド１０６が露出されるようにエッチングを進めて作る。前記導電性パッド１０６でリセスされた深さは、前記導電性パッド１０６の全体厚さの５０％よりは大きく、１００％よりは小さくリセスされる。望ましくは、本実施形態では、リセスの深さが導電性パッド１０６の厚さの６０〜９０％ほどが適当である。

さらに他の基板であるモジュール基板２００は、絶縁層２０２上にラミネーティング方式で形成された導電性パッド２０６を含む。前記基板のモジュール基板２００を作る方法は、絶縁層２０２及び導電性パッド２０６上にＰＳＲ２０８を塗布して、リセス形状の導電性パッド２０６が露出されるようにエッチングを進めて作る。前記導電性パッド２０６でリセスされた深さは、前記導電性パッド２０６の全体厚さの５０％よりは大きく、１００％よりは小さくリセスされる。望ましくは、本実施形態では、リセスの深さが導電性パッド２０６の厚さの６０〜９０％ほどが適当である。

このとき、ソルダーボール１１０は、前記パッケージ基板１００のエッチングされた導電性パッド１０６と、モジュール基板２００のエッチングされた導電性パッド２０６とを物理的・電気的に相互連結する。前記ソルダーボール１１０は、パッケージ基板１００及びモジュール基板２００の導電性パッド１０６，２０６にあるリセス領域を充填しつつ、相互電気的に連結させる。このような構造は、ソルダーボールと導電性パッドとが互いに接合されてインターフェースされる時にクラックの発生を防止しうる。前記ソルダーボール１１０は、無鉛ソルダーボールであってスズの合金あるいは銅と銀との合金であるものが適当である。

図４は、本発明の一実施形態によって、導電性パッドを形成する方法を説明するためのフローチャートである。本実施形態についての説明は、図５の導電性パッドを形成する方法を説明するための断面図を共に参照して説明する。

まず、パッケージ基板１００の絶縁層１０２上に第１銅層１０６−１が形成（Ｓ１０）される。前記第１銅層１０６−１は、公知の無電解メッキあるいは電解メッキ方式で作りうる。そして、Ｓ１２では、前記第１銅層１０６−１上に第２銅層１０６−２が形成される。前記第２銅層１０６−２は、前記第１銅層１０６−１をシード層として公知の無電解メッキ法あるいは電解メッキ法で形成できる。本発明の望ましい実施形態によれば、前記第１銅層１０６−１は、無電解メッキ法で形成し、第２銅層１０６−２は、電解メッキ法で形成することが適当である。

前記第１銅層１０６−１と第２銅層１０６−２とは、導電性パッド１０６を作るためにパターニング（Ｓ１４）される。本発明の望ましい実施形態によれば、前記導電性パッド１０６は、約２０μｍの厚さを有するものが適当であり、このとき、前記第１銅層１０６−１は、１０μｍ、前記第２銅層１０６−２は、１０μｍの厚さを有するものが適当である。図５Ａは、このような状態を示す断面図である。

次いで、Ｓ１６では、図５Ｂに示したように、ＰＳＲ１０８が前記結果物上にコーティングされる。前記ＰＳＲ１０８は、フタロシアニンを材質として使用できる。その後、前記ＰＳＲ１０８と前記導電性パッド１０６とは、前記導電性パッド１０６が外部に露出されてリセス部分を有するようにエッチング（Ｓ１８）される。このような方式は、前記ＰＳＲ１０８が先にエッチングされ、次いで、前記導電性パッド１０６がエッチングされる方式を採用できる。また、前記ＰＳＲ１０８は、パターニングする工程を省略するためにプリンティング方式で形成することもある。

本発明の実施形態によれば、前記エッチングするステップ（Ｓ１８）は、導電性パッド１０６のエッチング面が、図５Ｃに示したように、垂直である異方性エッチングを行える。前記異方性エッチングは、乾式エッチング、プラズマエッチング、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）の方式で行える。また、本発明の他の実施形態によれば、前記エッチング（Ｓ１８）は、導電性パッド１０６にアンダーカットが発生する図５Ｄのように、等方性エッチングを行うこともある。本実施形態によれば、前記銅層の導電性パッド１０６のエッチングは、次のようなエッチング工程を通じて達成される。

Ｈ_２Ｏ_２発生：Ｎａ_２Ｓ_２Ｏ_８＋２Ｈ_２Ｏ＜―＞２ＮａＨＳＯ_４＋Ｈ_２Ｏ_２
Ｃｕ酸化：Ｃｕ＋Ｈ_２Ｏ_２→ＣｕＯ＋Ｈ_２Ｏ
Ｃｕ溶解：ＣｕＯ＋２ＮａＨＳＯ_４→ＣｕＳＯ_４＋Ｎａ_２ＳＯ_４＋Ｈ_２Ｏ
総反応：Ｃｕ＋Ｎａ_２Ｓ_２Ｏ_８→ＣｕＳＯ_４＋Ｎａ_２ＳＯ_４

前記エッチングのステップで、エッチング方式が等方性エッチングでもあるいは異方性エッチングでも、導電性パッド１０６の断面で第２銅層１０６−２は、図５Ｃ及び図５Ｄのようにきれいに除去されねばならない。しかし、前記第１銅層１０６−１は、部分的にエッチングされ、全体的にはエッチングされない。すなわち、導電性パッド１０６は、全体厚さの５０％以上１００％以下の範囲でエッチングされる。本発明では、導電性パッド１０６の厚さが２０μｍである場合、１２〜１８μｍがエッチングされて除去される。したがって、導電性パッド１０６は、全体厚さの６０〜９０％の範囲でエッチングされる。

その後、前記導電性パッド１０６に通常的な方法によるＯＳＰ処理（Ｓ２０）を行う。前記ＯＳＰ処理は、導電性パッド１０６にソルダーが付着されるまで、導電性パッド１０６の表面の酸化を防止する役割を行う。図５Ｅ及び図５Ｆは、このようなＯＳＰ層１１５が、０.２〜０.５μｍの厚さでリセスされた導電性パッド１０６の表面に形成された形状を示す。前記導電性パッド１０６のエッチング面は、垂直（図５Ｅ）あるいは凹状（図５Ｆ）でありうる。

導電性パッド１０６の表面にソルダーボールが付着される時、前記ＯＳＰ層１１５は通常的な方法によって除去される。したがって、図３の導電性パッド１０６，２０６は、図４に表示されたフローチャートの工程によって作られる。そして、ソルダーボールを使用して、図３の構造にソルダリングされる。

前述した実施形態で、導電性パッドは、銅層でのみ形成された場合である。しかし、本発明による導電性パッドは、銅層のみを材質とするものに限定されない。すなわち、図１に示した構造のように、金層が含まれるように導電性パッドが形成され、図３に示したようにリセスされうる。

前記図４のフローチャートの工程が完了した後、導電性パッド１０６は、ソルダーボールによってソルダリングされる。まず、公知の技術によって、ＯＳＰ層１１５が除去され、ソルダーボール１１０が図５Ｇ及び図５Ｈのように公知の一般的な方法によって付着される。

前記ソルダーボール１１０を付着する過程で進められる洗浄、ドライ工程は、通常的な方法によって実施する。この部分については、明細書の説明を明確かつ簡潔にするために、通常的な技術についての説明は省略する。

図６は、本発明の他の実施形態によって、導電性パッドを作る方法を説明するためのフローチャートである。

図６による導電性パッド形成方法は、図４で説明された方法とＳ１０からＳ１８までは同一である。しかし、図６による導電性パッドの形成方法は、前記Ｓ１８によって、導電性パッド１０６がエッチングされた後、エッチングによって露出された導電性パッド１０６の表面にインターメタリックインターフェース層１１８がさらに形成される（図７Ａ及び図７Ｂ参照）。前記インターフェース層１１８は、金、銀、白金及びパラジウムのうちから選択された何れか一つを使用して形成される。望ましくは、該金層１１８は、２μｍ以下の厚さでメッキ方式で形成されるものが適当である。前記メッキによる金層の組成は、シアン化金カリウム（ＰＧＣ：ＰｏｔａｓｓｉｕｍＧｏｌｄＣｙａｎｉｄｅ）及びシアン化第１金カリウムのようなシアン化金カリウムとなりうる。ここで、銅は、クエン酸を使用したゴールドストライク工程後に、Ｋ＋、Ａｕ（ＣＮ）_２−イオンに分解される。このとき、公知とされたように、金ストライク工程は、銅と金との間の接着性を改善させ、伝導性を高める。また、金メッキは、ソルダーボール及び導電性パッド界面でさらに優秀な電気的特性を作り、ボンド能力を改善させる。

図７Ａないし図７Ｂは、それぞれ異方性及び等方性エッチングによって、導電性パッドが形成された断面を示す。通常的に公知とされたように、前記導電性パッド１０６にソルダーボールによるソルダリングが行われる時に、前記金層１１８は除去されない。その代わりに、前記金層１１８は、前記無鉛ソルダーボールに対するインタフェーシング及び接着力を促進させる。前記図６の工程が完了した後、前記導電性パッド１０６は、ソルダーボールによってソルダリングされる。すなわち図７Ｃ及び図７Ｄに示したように、ソルダーボール１１０が通常の方法によって搭載される。前記インターフェース層１１８は、ソルダーボール１１０と導電性パッド１０６との接着界面でソルダーボール１１０の接着方向に最も高い金、銀、白金及びパラジウム原子の濃度が分布されるように、前記ソルダーボール１１０の内部に拡散される。

また、本発明の望ましい実施形態によれば、前記パッケージ基板にソルダーボールを形成した後、ポリマー層１２０が、前記ソルダーボール１１０を形成したパッケージ基板の一面を、図８に示すように覆うように形成される。前記ポリマー層１２０は、スクリーンプリンティング、スピンコーティング、液体原料に基板を浸漬する方式及び液体原料をディスペンシングする方法のうち一つを使用して形成できる。また、前記ポリマー層１２０は、感光性ポリマー層であってポリイミド及びポリベンズオキサゾールのうちから選択された一つを材質とすることができる。

次いで、前記ソルダーボール１１０上にあるポリマー層１２０の一部が図９に示したように除去されて、電気的連結のためのソルダーボール１１０の一部が露出される。前記ポリマー層１２０の一部が除去された部分１２２は、前記ソルダーボール１１０の直径より小さいサイズであることが適当である。前記一部が除去されたポリマー層１２０は、ソルダーボール１１０の位置を維持させ、クラック発生を抑制する役割を行うことができる。

本発明は、前記実施形態に限定されず、本発明が属する技術的思想内で当業者によって多くの変形が可能である。

本発明は、基板にある導電性パッドにソルダーボールを搭載する全ての半導体素子に利用可能であり、特に、無鉛ソルダーボールを使用する半導体素子に適用可能である。

従来の技術によるパッケージ基板とモジュール基板との間でソルダーボールの連結を示す断面図である。従来の技術において、パッケージ基板とモジュール基板との間でソルダーボールの連結を示す他の断面図である。本発明の一実施形態において、パッケージ基板とモジュール基板との間でソルダーボールの連結を示す断面図である。本発明の一実施形態において、導電性パッドを形成する方法を説明するためのフローチャートである。前記図４のフローチャートにおいて、導電性パッドを作る工程を示す断面図である。前記図４のフローチャートにおいて、導電性パッドを作る工程を示す断面図である。前記図４のフローチャートにおいて、導電性パッドを作る工程を示す断面図である。前記図４のフローチャートにおいて、導電性パッドを作る工程を示す断面図である。前記図４のフローチャートにおいて、導電性パッドを作る工程を示す断面図である。前記図４のフローチャートにおいて、導電性パッドを作る工程を示す断面図である。前記図５Ｅにソルダーボールが形成されたことを示す断面図である。前記図５Ｆにソルダーボールが形成されたことを示す断面図である。本発明の他の実施形態において、導電性パッドを作る方法を説明するためのフローチャートである。図６のフローチャートにおいて、導電性パッドを作る方法を説明するための断面図である。図６のフローチャートにおいて、導電性パッドを作る方法を説明するための断面図である。前記図７Ａにソルダーボールが形成されたことを示す断面図である。前記図７Ｂにソルダーボールが形成されたことを示す断面図である。本発明のさらに他の実施形態において、前記導電性パッド及びソルダーボールに追加工程を進めることを示す断面図である。本発明のさらに他の実施形態において、前記導電性パッド及びソルダーボールに追加工程を進めることを示す断面図である。

符号の説明

１００基板
１０２、２０２絶縁層
１０６、２０６導電性パッド
１０８、２０８ＰＳＲ
１１０ソルダーボール
２００モジュール基板

Claims

基板の導電性パッドにエッチングを進めるが、前記導電性パッドの厚さの５０％より大きく、１００％より小さい深さでエッチングを進め、
前記エッチングが進められた導電性パッドにソルダーボールを形成することを特徴とする基板のソルダーボールの形成方法。
前記エッチングを進める深さは、導電性パッドの厚さの６０〜９０％であることを特徴とする請求項１に記載の基板のソルダーボールの形成方法。
前記ソルダーボールは、鉛を含んでいない無鉛ソルダーボールであることを特徴とする請求項２に記載の基板のソルダーボールの形成方法。
前記ソルダーボールは、スズ、銅及び銀からなる導電物質群から選択された何れか一つを含むことを特徴とする請求項３に記載の基板のソルダーボールの形成方法。
前記ソルダーボールの形成前に前記エッチングが進められた導電性パッドに金、銀及び白金からなる導電物質のうちから選択された何れか一つを利用してインターフェース層を形成する工程をさらに進めることを特徴とする請求項２に記載の基板のソルダーボールの形成方法。
前記導電性パッドは、銅からなることを特徴とする請求項５に記載の基板のソルダーボールの形成方法。
前記インターフェース層を形成する工程は、
前記銅材質の導電性パッド上に金（Ａｕ）層を０.２μｍ以下の厚さでメッキする工程であることを特徴とする請求項６に記載の基板のソルダーボールの形成方法。
前記ソルダーボールを形成する工程後に、
前記基板の下部に前記ソルダーボールを覆うポリマー層を形成し、
前記ソルダーボールの一部が露出されるように前記ポリマー層の一部を除去する工程をさらに進めることを特徴とする請求項２に記載の基板のソルダーボールの形成方法。
前記露出されたソルダーボールの一部は、前記ソルダーボールの直径より小さいことを特徴とする請求項８に記載の基板のソルダーボールの形成方法。
前記ポリマー層の形成方法は、
スクリーンプリンティング方法、スピンコーティング方法、液体溶液に基板を浸漬する方法及び液状のポリマーをディスペンシングする方法のうちから選択された何れか一つであることを特徴とする請求項８に記載の基板のソルダーボールの形成方法。
前記ポリマー層は、感光性ポリマー層であることを特徴とする請求項８に記載の基板のソルダーボールの形成方法。
前記感光性ポリマー層は、ポリイミド及びポリベンズオキサゾールのうちから選択された一つであることを特徴とする請求項１１に記載の基板のソルダーボールの形成方法。
前記導電性パッドのエッチング方法は、異方性エッチングであることを特徴とする請求項２に記載の基板のソルダーボールの形成方法。
前記導電性パッドのエッチング方法は、等方性エッチングであることを特徴とする請求項２に記載の基板のソルダーボールの形成方法。
前記導電性パッドのエッチング前に、
前記基板にフォトソルダーレジストを基板の全面に塗布し、導電性パッドを露出させ、前記露出された導電性パッドの一部にエッチングを進めることを特徴とする請求項２に記載の基板のソルダーボールの形成方法。
前記基板は、モジュール基板及び半導体パッケージ用の基板のうち何れか一つであることを特徴とする請求項２に記載の基板のソルダーボールの形成方法。
前記導電性パッドは、銅層及びニッケル層を含むことを特徴とする請求項２に記載の基板のソルダーボールの形成方法。
前記導電性パッドは、銅層のみ含むことを特徴とする請求項１７に記載の基板のソルダーボールの形成方法。
第１層と前記第１層上に形成された第２層とを含む基板の導電性パッドを形成し、
前記導電性パッドの第２層の厚さよりは深く、前記導電性パッドの全体厚さよりは薄く、前記導電性パッドをエッチングすることを特徴とする基板のソルダーボールの形成方法。
前記導電性パッドは、銅を材質とすることを特徴とする請求項１９に記載の基板のソルダーボールの形成方法。
前記導電性パッドの第２層は、電解メッキ及び無電解メッキ方式のうち一つの方式で形成されることを特徴とする請求項２０に記載の基板のソルダーボールの形成方法。
前記第１層の形成方法は、無電解メッキ法で形成することを特徴とする請求項２１に記載の基板のソルダーボールの形成方法。
前記第２層の形成方法は、電解メッキ方式で形成することを特徴とする請求項２２に記載の基板のソルダーボールの形成方法。
基板上に形成され、全体厚さの５０％以上１００％以下でリセスされた部分を有する導電性パッドと、
前記導電性パッドのリセス部分に配置されたソルダーボールと、を備えることを特徴とする基板。
前記ソルダーボールは、前記導電性パッドの表面から前記ソルダーボールに拡散された金、銀、白金及びパラジウム原子からなる金属原子群のうちから選択された何れか一つを含むことを特徴とする請求項２４に記載の基板。