JP2006216744A - 配線基板 - Google Patents

Abstract

【課題】接合界面における空隙の発生を抑え、接続信頼性の高い鉛フリーはんだ用はんだパッドを有する配線基板を提供する。
【解決手段】配線層と、絶縁樹脂層と、他の配線基板またはＩＣチップとの鉛フリーはんだによる接続のためのはんだパッドを有する配線基板において、当該はんだパッドは少なくともニッケル層と金層を具備し、該ニッケル層上に置換・還元型金めっきによって金層が形成されていることを特徴とする配線基板とする。また、この際、置換・還元型金めっきにおける置換還元比率［還元金量／総金量＝（総金量−２×置換ニッケル量）／総金量］（ここで、還元金量：金層に含まれる還元による金原子の数、総金量：金層に含まれる金原子の数、置換ニッケル量：置換により金めっき液中に溶出したニッケル原子の数、である）が、０．６以上とする。
【選択図】図４

Description

本発明は半導体素子収納用パッケージ等に用いられる配線基板とこれを実装する基板との間の鉛フリーはんだ接合に関し、鉛を含まないはんだと接合する電極の電解めっきによる表面処理に関するものである。

近年、プリント配線板やインターポーザ配線の高密度化に伴い、実装にはＢＧＡ（ボール・グリッド・アレイ）が多く用いられている。このＢＧＡは、実装対象の基板ははんだパッドを有し、実装されるインターポーザやＩＣチップははんだバンプを有し、対応するはんだパッド上にはんだバンプを有する基板等を載せ、加熱し、はんだを溶融することで実装を行うものである。異種金属を接合するため、接合界面には複数の金属からなる金属間化合物が生成するが、このような金属間化合物はその組成によって全て物性が異なり、加熱と冷却を繰り返すと線膨張係数の不整合等が原因で接合不良が起こっていた（例えば特許文献１参照）。

他方、はんだ付けにおいて、近年、環境保護の観点から、鉛を含まない鉛フリーはんだと呼ばれるものが使われるようになっている。鉛フリーはんだは、通常錫、銀、銅を含むはんだで、鉛を含む従来の共晶組成のはんだよりも溶融温度が高い。従って、リフローを従来の共晶組成のはんだ付けよりも高温で行う必要があるため、接合界面の金属間化合物の生成量が多く、また界面に生じたボイド（空隙）による接合不良が問題となっていた。そこで、金属間化合物の生成量を抑制する目的で、従来からはんだパッドにニッケル層を形成するという方法がとられていた。また、通常ははんだ濡れ性を向上させる目的でニッケル層を形成した上に金層を形成する。しかしながら、従来のはんだパッドは、見た目が均一であるにもかかわらず、接合強度にムラが有り、安定した性能が得られていなかった。また、接合界面にボイド（空隙）が存在すると、破断の起点になるのではと考えられているが、このボイドをなくすことができずにいた。

一般的なはんだパッドの構造は図１に示すようになっている。図２はＩＣチップの実装に用いられるインターポーザの構造を示す断面図である。絶縁樹脂層１５、１０、１４と配線層１３、１１、１６が交互に積層され、最上層に開口部を有するソルダーレジスト１７と、ＩＣチップ実装用パッド１９が、最下層の絶縁樹脂層には他のプリント配線板との導通を図るためのはんだボール実装用パッド２０と、これに実装されたはんだボール２１を有している。はんだパッドはＩＣチップ実装用パッド１９とはんだボール実装用パッド２０がこれに当たり、配線層をパターニングしてＩＣチップ実装用電極とはんだボール実装用電極を形成し、その上にソルダーレジスト１７、１８を積層し、パターニングして下層の配線層が露出するように開口部を設け、この開口部にニッケルめっき、ついで金めっきを施して、形成されている。

従来、はんだパッドは表面が均一（平坦）であればよいと考えられていたことから、金層の形成は通常、置換金めっきで行われていた。置換金めっきは、ニッケル原子１に対し、金原子２が置換されて金めっき膜を形成するもので、下地となるニッケル層が金で覆われるにつれて、最上層の金めっき層を形成する速度は遅くなってゆく。このとき、目視可能な最表面層は平坦な金めっき皮膜が形成されている（図３（ａ））。しかし、置換金めっきで金層を形成したはんだパッドは、最表面状態が均一であるにもかかわらず、その接合強度が十分ではなく、加熱・冷却を繰り返すと接合部分が壊れてしまうという問題があった。また、接合破断の原因として考えられるボイドの発生を抑えられずにいた。これらのことから、接合信頼性の高いはんだパッドが求められていた。
特開２０００−２２０２７号公報

本発明は、以上の知見に鑑み、接続信頼性の高い鉛フリーはんだ用はんだパッドを有する配線基板を提供するものである。

本発明に係る第一の発明は、配線層と、絶縁樹脂層と、他の配線基板またはＩＣチップとの鉛フリーはんだによる接続のためのはんだパッドを有する配線基板において、当該はんだパッドは少なくともニッケル層と金層を具備し、該ニッケル層上に置換・還元型金めっきによって金層が形成されていることを特徴とする配線基板である。
本発明に係る第二の発明は、前記はんだパッドの配列はＢＧＡ型であることを特徴とする配線基板である。
本発明に係る第三の発明は、前記置換・還元型金めっきにおける置換還元比率［還元金量／総金量＝（総金量−２×置換ニッケル量）／総金量］（但し、還元金量：金層に含まれる還元による金原子の数、総金量：金層に含まれる金原子の数、置換ニッケル量：置換により金めっき液中に溶出したニッケル原子の数、とする）が、０．６以上であることを特徴とする請求項１または2記載の配線基板である。

本発明の配線基板が有する鉛フリーはんだ用はんだパッドは、金めっき層の下地のニッケル層が均一に消費されているため、均一なニッケル下地を有するはんだパッドとすることができる。従って、このはんだパッドを鉛フリーはんだ接続に用いれば、下地の強度にムラがなく、ボイドの発生を抑えることができる。また、鉛フリーはんだとはんだパッドで形成される金属間化合物の分布も均一になるため、応力集中を起こさず、接合強度の高い実装が可能となる。

以下、本発明の配線基板について説明する。
本発明の配線基板とは、少なくとも配線層と、絶縁樹脂層と、他の配線基板またはＩＣチップとの接続のためのはんだパッドを備え、該はんだパッドは少なくともニッケル層と金層を具備し、該ニッケル層上に置換・還元型金めっきによって金層が形成されていれば、マザーボードなどのコアを有する多層プリント配線基板や、ＩＣチップの接続に用いられるインターポーザ等も本発明に含まれる。

以下、本発明の配線基板の製造方法の一例として、はんだパッドとしてＩＣチップ実装用パッドとはんだボール実装用パッドを有するインターポーザをビルドアップ法により製造する例を示す。
まず、絶縁樹脂層としてのポリイミド樹脂の両面に銅箔が積層されている両面銅張積層板の所定の位置に、レーザービームによりビア孔を形成する。
この時用いることのできる絶縁樹脂層としては、電気的に絶縁性の高い材料であればよく、好ましくは耐熱性の高いものを選択することができる。例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等が挙げられ、ガラスクロス等の繊維に樹脂を含浸させたプリプレグを用いてもよい。
ここでは両面銅張積層板を用いたが、片面のみに導体層が設けられている銅張積層板であってもよく、その製造方法についても、導体にキャスト法等で絶縁樹脂層を形成しても、絶縁樹脂層上にスパッタリング等で導体層を形成してもよい。積層順にかかわらず、いずれの材料も用いることができる。

次いで、ビア孔内のデスミア処理、めっき触媒付与及び無電解銅めっきを行ってめっき下地導電層を形成し、銅箔をカソードにして電解銅メッキを行い、導体層及びビアを形成する。

次に、銅箔と一体となった導体層を通常のサブトラクティブ法によりパターニングし、配線層及び電源層を形成する。
次に、ポリイミド樹脂フィルムをラミネートするなどの方法で、配線層及び電源層上にそれぞれ絶縁樹脂層を形成し、所定位置にレーザービーム照射によってビア孔を形成し、デスミア処理、触媒付与、無電解銅めっきを行い、めっき下地導電層を形成する。
次に、感光性樹脂フィルムをラミネートする等の方法で両面のめっき下地導電層上にそれぞれ感光性樹脂層を形成し、パターン露光・現像のフォトリソグラフィー工程により、パターンめっき用のレジストパターンを形成する。

このレジストパターンをマスクにして、電解銅めっきを行い、所定厚みの導体層を形成し、レジストパターンを剥離し、レジストパターンの下にあっためっき下地導電層をフラッシュエッチングにより除去し、一方の面にグランド層とＩＣチップ実装用電極を、他方の面にプリント配線板への実装時に導通を図るためのはんだボール実装用電極を形成する。
次に、スクリーン印刷にて両面に感光性のソルダーレジスト溶液を塗布してソルダー感光層を形成し、パターン露光・現像のフォトリソグラフィー工程により、ＩＣチップ実装用電極とはんだボール実装用電極の上にそれぞれに開口部を有するソルダーレジストとする。

上記パターニングによってソルダーレジストの開口部から露出した各電極に、例えば８５℃で４５分間のニッケルめっきを行い、５マイクロメートルのニッケル層を形成する。
最後に、置換型めっき液中に還元剤を添加し置換反応と還元反応の併用によって金めっきを行う置換・還元金めっきによって金層を形成し、ＩＣチップ実装用パッドとはんだボール実装用パッドを完成させ、本発明の配線基板を得る。

本発明で行う置換・還元型金めっきの置換と還元の比率を確認する方法の一例を次に示す。ニッケル層が形成された被めっき物を金めっき液に浸漬してニッケル層上に金層を形成した際に、金めっき液へ置換反応によって溶解したニッケルイオンの総量（以下、置換ニッケル量）を原子吸光分光測定器等で求めておき、次に被めっき物のニッケル層上に形成された金層の金原子の数（以下、総金量）を求めて置換反応理論値（ニッケル原子１に対し金原子２）とのずれ（差）を求める。
総金量を求めるためには、金層が形成された被めっき物を金剥離液に浸漬し、ニッケル層上に形成された金を全て剥離液に溶解させる。そして、この剥離液を原子吸光分光測定器等で測定することで総金量を求める。
置換金めっきは、一つのニッケル原子が溶出してニッケルイオンとなる際２つの電子を放出し、これを金めっき中の金イオンが受け取って、二つの金原子となることで進行する。つまり、つまり置換反応に寄与した金の量は金めっき液に溶出したニッケル量の二倍に等しくなる。これに対し還元めっきでは、金イオンは電子を受け取り金原子となるが、ニッケル原子は溶出しない。

本明細書中で述べる置換還元比率とは、金層に含まれる還元による金原子の数（以下、還元金量）を、総金量で除した値とする。この値は被めっき物に形成された金の反応方式によって変動し、例えば置換反応の比率が高く還元反応の比率が低ければ、置換反応によって金めっき液中のニッケルイオン量は増加し、置換還元比率は小さくなる。
本発明では、置換還元比率［還元金量／総金量＝（総金量−２×置換ニッケル量）／総金量］が０．３以上、好ましくは０．６以上であるものとし、ここで、
還元金量：金層に含まれる還元による金原子の数
総金量：金層に含まれる金原子の数
置換ニッケル量：置換により金めっき液中に溶出したニッケル原子の数
である。置換還元比率の値が大きい場合は還元反応の割合が大きく、小さい場合は置換反応の割合が大きい。置換還元比率の値が小さいと、金めっきの進行によって下層のニッケル層にクラックや空隙が発生してしまう。
この置換還元比率は、同一種のニッケル層であれば金めっき液の種類で変動するが、溶解する下地のニッケル層の状態でも変動が大きいため、金めっきだけでなくニッケルめっきも管理の対象とする必要がある。

置換還元比率は、金めっき液と下地となるニッケル層のそれぞれのコンディションに影響を受ける。すなわち、金めっき液中の還元剤と安定剤とのバランスにより還元反応の速度が定まると考えられるので、それらの成分のバランスが重要となる。例えば還元反応の割合を大きくして置換還元比率を高めるには金めっき液中の還元剤濃度を高めたり、安定剤濃度を下げたり、あるいは、ｐHを操作してめっき速度を速めることが有効である。
また、下地となるニッケル層が腐食しやすいかどうかが置換反応速度を決定する因子の一つであると考えられる。従って、ニッケル層が腐食しにくい状態にすれば、置換反応が抑制されることで還元反応の割合が大きくなり、置換還元比率が高まることになる。
例えば、無電解ニッケル層には一般にニッケルめっき液中の還元剤分解物であるリンが共析するが、このリン濃度が高いほど腐食を受けにくくなることが知られている。従って、リン濃度の高いニッケル層を選定することは、置換還元比率を高める一つの手法になる。

本発明の置換還元型金めっきとは、無電解金めっきである。好ましくは７０〜９０℃の範囲で、時間は５〜２０分程度の範囲で行われるが、目的とする金層の厚みを得られればこれに限られない。金層の厚みは０．０３〜０．０７マイクロメートルが好ましい。
実際に用いるには、この後、はんだボール実装用パッドにはんだボールを配置・溶融し、接合してＢＧＡ型インターポーザとする。
ここではビルドアップ法について説明したが、本発明に係るはんだパッドを備えていれば、一括積層法による配線基板であってもよい。

以下、本発明の実施例を示す。
［配線基板の製造］
１．６ｍｍ厚の両面銅張積層板を脱脂、酸洗し、よく洗浄してから乾燥し、その後片面に、感光性ソルダーレジスト（太陽インキ製造（株）製：ＰＳＲ＿４０００）を厚さ３０マイクロメートルになるように暗室内でコーティングし、９０℃で該感光性液状ソルダーレジストを乾燥させた。

次に該感光性ソルダーレジストに直径５００マイクロメートルのドットパターンを２０個×２０個の格子状に配列されるようにパターンを焼き付け、その後１％炭酸ナトリウム水溶液にて現像し、その後１５０℃で３０分間加熱して該ソルダーレジストを完全に硬化させて、露出した銅電極を有する配線基板を得た。
［実施例１］

このようにして製造した配線基板の露出している銅電極に、無電解ニッケルめっき液（奥野製薬製：ＩＣＰニコロンＵ）を使用して、８５℃、３０分間のめっきを行い、３．３マイクロメートルのニッケル層を形成した。
次に、このニッケル層上に、無電解金めっき液（奥野製薬製：フラッシュゴールド２０００）を使用して８５℃、１０分間の無電解めっきを行い、０．０５マイクロメートルの金層を形成して、本発明の配線基板を完成させた。このとき金めっき液に溶出したニッケル量（置換ニッケル量）と、形成した金量（総金量）から置換還元比率を求めたところ、０．６１であった。

次にこの配線基板のドットパターンの電極に樹脂系フラックス（千住金属（株）製：デルタラックス５２９Ｄ＿１）をピンで適量転写しておき、該フラックスを固定材として直径６００マイクロメートルの錫＿銀＿銅の３元系鉛フリーはんだボール（千住金属（株）製：エコソルダーＭ７０５）を１個のドットに１個ずつ配置した。

次にこの配線基板を１６０℃、２分間予熱後２４０℃、３０秒間加熱し、はんだボールを溶融させてドットパターンの電極に接合させた。

常温まで放冷したところで、はんだボールのシェア強度を測定（使用した装置：デイジ社製ボンドテスタシリーズ４０００、測定条件：シェアスピード３００マイクロメートル毎秒、シェア高さ２０マイクロメートル）したところ、標本数４００で最大値１０９７．７ｇ、最小値９７８．６ｇ、平均値１００８．０ｇであった。またテスト後の破断面を観察したところ、４００個中、ニッケル層が露出したものはなく、すべてはんだで覆われていた。

［比較例１］
配線基板の製造、の項で製造した配線基板の露出している銅電極に、無電解ニッケルめっき液（アトテックジャパン製：オーロテックＨＰ）を使用して、８５℃３０分で３．１マイクロメートルのニッケル層を形成した。
次に、このニッケル層上に、還元剤の含まれない無電解金めっき液を使用して８５℃、１０分間の無電解めっきを行い、０．０５マイクロメートルの金層を形成して、配線基板を完成させた。このとき金めっき液に溶出したニッケル量（置換ニッケル量）と、形成した金層（総金量）から置換還元比率を求めたところ、０．０８であった。
次にこの配線基板に、実施例１と同様に、鉛フリーはんだボールを配置・接合した。

常温まで放冷したところで、はんだボールのシェア強度を測定（使用した装置：デイジ社製ボンドテスタシリーズ４０００、測定条件：シェアスピード３００マイクロメートル毎秒、シェア高さ２０マイクロメートル）したところ、標本数４００で最大値１１２１．１ｇ、最小値４３２．６ｇ、平均値１０５２．３ｇであった。またテスト後の破断面を観察したところ、４００個中２個に界面はがれが観察された。

置換金めっきにより金層を形成したはんだパッド表面のＳＥＭ写真を図３（ａ）に示す。この図から、平坦な金めっき皮膜が形成されていることがわかる。
しかし、はんだパッドの置換金めっき後、金層を取り除いてニッケル層を観察してみると、ニッケル層表面には大きく筋がはいっており（図３（ｂ））、ボイドの存在が観察された。また、場所によってはクラックが入っていたり、筋が下層の銅配線にまで到達しているものも見られた。

この理由として、置換金めっき時のニッケル層の局部侵食が考えられる。置換反応によって金めっき層がニッケル層上に形成されるには、ニッケルがイオン化してＮｉ２＋としてめっき液中に溶出し、その時に放出される電子２ｅ−とめっき液中のＡｕ２＋が結合してニッケル層上に金が析出する。この置換反応はめっき面全体に均一に生じるわけではなく、Ｎｉを溶出したある部分が起点になって更にＮｉの溶出が進行するため、一旦反応するとその部分だけ局所的にＮｉの溶出が進行し、ボイドを形成するものと考えられる。

これに対し、置換・還元金めっきにより金層を形成したはんだパッド表面のＳＥＭ写真を図４（ａ）に示す。この図から、平坦な金めっき皮膜が形成されていることがわかる。
また、はんだパッドの置換・還元金めっき後、金層を取り除いて観察したニッケル層表面のＳＥＭ写真を図４（ｂ）に示す。ニッケル層表面の筋は浅く、深い溝は形成されていないことがわかる。また、ボイドはほとんど観察されなかった。これは、置換・還元金めっきでは、置換反応に加えて還元反応によっても金が析出するため、ニッケルの局所的な溶出による溝形成が進行しないためだと思われる。

一般的な構造を有するはんだパッドの断面図である。 インターポーザの断面図である。 従来のはんだパッドの金層表面及び内部のニッケル層表面を示すＳＥＭ写真である。 本発明のはんだパッドの金層表面及び内部のニッケル層表面を示すＳＥＭ写真である。

符号の説明

１ …絶縁層
２ …ソルダーレジスト
３ …銅配線
４ …ニッケル層
５ …金層
１０…絶縁樹脂層（内層コア）
１１、１３、１６…配線層
１２…ビア
１４、１５…絶縁樹脂層
１７、１８…ソルダーレジスト
１９…ＩＣチップ実装用パッド
２０…はんだボール実装用パッド
２１…はんだボール

Claims (3)

1. 配線層と、絶縁樹脂層と、他の配線基板またはＩＣチップとの鉛フリーはんだによる接続のためのはんだパッドを有する配線基板において、当該はんだパッドは少なくともニッケル層と金層を具備し、該ニッケル層上に置換・還元型金めっきによって金層が形成されていることを特徴とする配線基板。
2. 前記はんだパッドの配列はＢＧＡ型であることを特徴とする配線基板。
3. 前記置換・還元型金めっきにおける置換還元比率
   還元金量／総金量＝（総金量−２×置換ニッケル量）／総金量
   還元金量：金層に含まれる還元による金原子の数
   総金量：金層に含まれる金原子の数
   置換ニッケル量：置換により金めっき液中に溶出したニッケル原子の数
   が、０．６以上であることを特徴とする請求項１または2記載の配線基板。