JP2008028069A

JP2008028069A - 外部接合電極付き基板およびその製造方法

Info

Publication number: JP2008028069A
Application number: JP2006197825A
Authority: JP
Inventors: Setsuo Ando; 節夫安藤; Noriyoshi Hirao; 則好平尾; Fumitake Taniguchi; 文丈谷口
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2006-07-20
Filing date: 2006-07-20
Publication date: 2008-02-07

Abstract

【課題】安価にてはんだ接合信頼性と良好な金ワイヤボンディング性を兼ね備えた接合電極およびその製造方法を使用して製造される低コストで信頼性に優れた基板を提供することを目的とする。
【解決手段】セラミック又はフェライトからなる基材１と、該基材に形成した外部接続電極部３と、該外部接続電極部の表面上に形成したニッケルあるいはニッケル合金を主体とする金属膜よりなる下地層５と、該下地層の表面上に形成したパラジウムあるいはパラジウム合金よりなる中間層６と、該中間層の表面上に形成した金あるいは金合金よりなる表面被覆層７とを備えてなる外部接合電極付き基板。
【選択図】図１

Description

本発明は電子部品を搭載する基板に設けられる接合電極およびその製造方法に関し、例えばセラミック又はフェライト材料で形成された基体の表面に露出して接合電極が形成された基板と、その接合電極の製造方法に関する。

携帯電子機器の小型化に伴い、半導体パッケージは高密度実装可能なBall Grid Array(BGA)タイプが普及しつつある。半導体チップは金ワイヤボンディングによりパッケージ基板と接続され、パッケージ基板ははんだ接合によりマザーボードと接続される。

金ワイヤボンディングやはんだ接続信頼性確保のために、基材の表面に形成された導電体の電極上には例えば、特開2003-183843号記載のリン系ニッケルめっきおよび金めっきを施している。また特開平10-135607号ではボロン系ニッケルめっきを併用した２層ニッケルおよび金めっき技術が提案されている。これらの技術によるとはんだ接合時には最表面の金膜で濡れ性を確保するとともに、ニッケル膜ではんだとの合金層を形成し良好な接合強度が得られる。またニッケル膜は基材電極の導電体がはんだに侵食されるのを防止するバリヤ的な役目も有するとされる。

一方、金ワイヤボンディングに関しては例えば金膜厚は0.3μｍ以上が好ましいとされる（千野ほか：MES2000,11,299(2000):以下文献1とする）。その理由としてワイヤボンディング時の熱処理によりニッケルが金膜中を拡散して最表面に偏析し、ワイヤボンディングの金属間接合を阻害するため、ニッケルの拡散経路を遮断するには金膜の厚膜化が有効としている。そのため最表面へのニッケル偏析防止には0.3μｍ以上の金膜厚が必要という。またニッケル拡散は表面層の金めっき時に発生したピンホールを介して起こることが示唆されており、ニッケル層と金層の界面腐食による強度低下が示唆されている（渡辺：表面技術,vol53,No1,22(2002)：以下文献２とする）。
特開2003-183843号特開平10-135607号

前記従来技術においては基材電極上にいずれもニッケルめっきおよび金めっきの２層からなる。この構成ではニッケル膜上に密着性の良好な金めっき膜の形成が必須である。そのために置換型金めっき液を用いるのが一般的である。すなわち金めっき液中で被めっき表面のニッケル膜を溶解することで電子を取り出し、その電子を金イオンの還元に利用する。この置換反応によりニッケル膜上に密着性の良好な金膜が析出するが、ニッケルの溶出箇所と金の析出箇所が異なるため置換金めっき膜はピンホールが発生しやすい。そのためピンホールを介してニッケルが表面に偏析しやすく、結果としてワイヤボンディング性が低下するという問題があった。また置換金めっき反応はニッケル表面が金で覆われるにしたがって反応速度が低下し、実用上0.1μｍ程度しか析出しない。そこで金ワイヤボンディングに必要な0.3μｍの金を得るには、さらに自己触媒型金めっき液を用いた２段金めっきが必要であり、コスト高になるという問題があった。また、厚付け金めっきで金膜を0.3μｍ程度に厚付けし見かけ上ピンホールが消失したとしても、ピンホールが封孔されるまでの金めっき中にニッケル溶出によるニッケル膜と金膜との界面腐食が進行し、はんだ接続信頼性に悪影響を与えるという問題があった。

本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであって、安価にてはんだ接合信頼性と良好な金ワイヤボンディング性を兼ね備えた接合電極およびその製造方法を使用して製造される低コストで信頼性に優れた基板を提供することを目的とする。

ニッケル膜上の金膜が置換反応ゆえにピンホールが多数発生する点に着眼し、ニッケル上に置換反応を利用しないで密着性に優れためっき膜を形成する方法を得るべく鋭意研究したところ、ニッケル膜上に還元型パラジウムめっき膜が密着性よく析出し、さらにパラジウムめっき膜上の金は置換型の１段金めっきでも良好な金ワイヤボンディング性が得られるという知見を得た。

本発明は斯かる知見に基づきなされたものであって、本願第一の発明は、セラミック又はフェライトからなる基材と、該基材に形成した外部接続電極部と、該外部接続電極部の表面上に形成したニッケルあるいはニッケル合金を主体とする金属膜よりなる下地層と、該下地層の表面上に形成したパラジウムあるいはパラジウム合金よりなる中間層と、該中間層の表面上に形成した金あるいは金合金よりなる表面被覆層とを備えてなることを特徴とする外部接合電極付き基板である。

外部接続電極部は銀あるいは銀合金であることが好ましい。基材はセラミック又はフェライトからなりその製造には焼成過程があるが、不活性化雰囲気（窒素等）ではなく大気中で焼成できればコスト的なメリットが大きい。大気中で焼成しても酸化しない金属として銀あるいは銀合金であることが好ましい。

下地層の膜厚は2〜15μｍであることが好ましい。はんだ接続した場合、はんだと下地層のニッケルはNi-Sn合金を形成するため下地層が２μｍより薄いと下地層は消失しNi-Sn合金と外部接続電極部とが接する。電極部を形成する銀がNi-Sn合金を経てはんだ中に拡散するはんだ喰われと呼ばれる現象が生じる。銀が拡散した後の電極部にはボイドが形成されやすくボイドは電気伝導性を低下させるため好ましくない。一方、１５μｍより厚い場合、はんだ喰われを防止するには厚すぎて特別な効果がなく無駄になる。Ni-Sn合金は融点温度が高いため当該合金自体ははんだに拡散し難い。したがってNi-Sn合金が形成されてもなお下地層を残すことのできる十分な厚さの下地層を形成することが重要である。下地層は外部接続電極部と金属結合により強力に接合するため2〜15μｍと厚い膜であるにも拘わらず膜応力の増大による剥離の問題は無い。

中間層の膜厚は0.05〜1.0μｍであることが好ましい。0.05μｍより薄いと表面被覆層の置換金めっき反応で中間層が消失する可能性がある。一方、1.0μｍより厚いと特別な効果が得られず無駄となる。

表面被覆層の膜厚は0.03〜0.2μｍであることが好ましい。はんだ接続した場合、表面被覆層が０．０３μｍより薄いと十分なはんだ濡れ性が確保できない。一方、0．2μｍより厚いとはんだ濡れ性に特別な効果はなく無駄になる。前述の従来技術の膜厚（0.3μｍ）より薄く限定できるのは、中間層のＰｄにもはんだ濡れ性が多少あるためである。

本願第二の発明は、基材に形成した外部接続電極部の表面上にニッケルあるいはニッケル合金を主体とする金属膜よりなる下地層を形成し、
該下地層の表面上に還元型パラジウムめっきによりパラジウムあるいはパラジウム合金よりなる中間層と形成し、
該中間層の表面上に置換型金めっきにより金あるいは金合金を主体とする表面被覆層を形成することを特徴とする外部接合電極付き基板の製造方法である。
還元型めっき液および置換型めっき液は市販されているめっき液を使用することができ、限定されるものではない。また、めっき条件は各市販めっき液の取扱い条件に準じることができる。

下地層、中間層および表面被覆層を無電解めっき法により形成することが好ましい。無電解めっき法は化学反応によりめっき析出が進行するので、電気的に孤立した電極部にめっきを付与できるといったメリットがある。一方、電解めっき法用いるには電極部に給電するためのめっき引出し配線の形成が必須になり、高密度配線形成に不利になるだけでなく、引出し配線自身がアンテナの役割をするので高周波で使用する場合、ノイズの原因となる。

本発明に係る外部接合電極付き基板の製造方法は、基材表面に接合電極が形成された被めっき物に対し、下地層として無電解ニッケルめっきを施し、続いて中間層として無電解パラジウムめっきを施し、最後に表面層として置換型金めっき皮膜を形成することを特徴としている。無電解ニッケルめっきはリン系またはボロン系の少なくとも1種類を用いることができる。

下地層のニッケル膜上に中間層としてパラジウムめっきを施すが、パラジウムめっき液は還元型めっき液を用いても密着性に優れている。すなわちニッケルとパラジウムの電位差が約1.24Ｖと非常に小さいので、パラジウムめっき中にニッケル溶出がほとんど発生しないため、文献２にあるような界面腐食による密着性低下が起こりにくいことを特徴としている。したがってめっき膜中にピンホールが発生しやすい置換型めっきで密着性を確保する必要がなく、ピンホールの少ない還元型パラジウムめっきを施すことができる。これによりニッケルの表面層への拡散を抑制することが可能となった。

また、金ワイヤを用いた良好なボンディング性を確保するには、接合電極側も同種金属であるほうが金属結合はより強固となる。したがって基材の接合電極最表面は金であることが望ましく、パラジウム膜表面に金めっき膜を形成することを特徴としている。さらに金膜厚は文献１のようにニッケルの拡散を防止する必要がないので金薄膜化が可能となり、低コストな製造方法であることも特徴としている。

本発明によれば、基材の表面に形成された導電体の電極形成部上に表面被覆層を備えた電極でかつ前記電極形成部の表面上にニッケルあるいはニッケル合金を主体とする金属膜よりなる下地層が形成され、該下地層の表面上に還元型パラジウムめっきによって形成されるパラジウムあるいはパラジウム合金よりなるピンホールの少ない中間層ならびに該中間層の表面上に置換型金めっきによって形成される金あるいは金合金よりなる界面腐食のない前記表面被覆層を形成することで、金ワイヤボンディング性およびはんだボール又ははんだペーストを使ったはんだ接合信頼性に優れた基板を提供できる。

次に、本発明の実施の形態を図面を参照しながら下記に述べる。なお以下、実施例により本発明を詳細に説明するが、それら実施例により本発明が限定されるものではない。

本発明の基板およびそれに電子部品を搭載した電子部品モジュールはセラミック（又はフェライト）シート作製工程、シートへの導体印刷工程、シート積層工程、焼成工程、電極めっき工程、部品搭載工程を経て製造することができる。図１は本発明に係る基板の製造方法により製造される基板の一形態を模式的に示した断面図である。同図のパッケージ基板は、セラミック又はフェライトからなる基材１の内層には銀あるいは銀合金からなる内部配線２が形成されており、これと銀あるいは銀合金からなり基材１の表面に一部が露出して形成される外部接続電極部３（露出面２００μｍ×２５０μｍ）とが導電接続されるように構成される。基材１の表面は絶縁層４であり、絶縁層４表面より窪んだ位置に外部接続電極部３の露出面は形成される。そして外部接続電極部３の露出面には下地層としてニッケルあるいはニッケル合金皮膜５が被着され、該下地層の表面には中間層としてパラジウムあるいはパラジウム合金皮膜６が被着されている。さらに該中間層の表面には表面被覆層として金皮膜７が被着されている。最表面の金皮膜７と絶縁層４の表面はほぼ同一面上に形成される。

次に該基板の電極１０の製造方法について説明する。まず所定の成形および焼成処理を経て形成された配線２、外部接続電極部３および絶縁層４を含むフェライト基材１を作製した。次に外部接続電極部３の表面に無電解めっき法による皮膜の形成を行なうために、次のめっき前処理を施した。

（前処理）
前記フェライト基材を40℃に加温した脱脂液（商品名：Z-200、ワールドメタル社製）に1分間浸漬した。そして3段水洗槽を用いた洗浄後、１０%硫酸水溶液に室温で1分浸漬した。そして3段水洗槽で洗浄後、外部接続電極部３表面の活性化のために、活性化液（商品名：PB-300、荏原ユージライト社製）に室温で1分間浸漬した。そして3段水洗槽で洗浄した。

[実施例１]
前記前処理を施したフェライト基材を、無電解ニッケル−リンめっき液（商品名：エニパックLV、荏原ユージライト社製）に90℃で浸漬し、約２μｍのニッケル−リン皮膜を形成した。そして3段水洗槽で洗浄後、還元型無電解パラジウムめっき液（商品名：パレットII、小島化学薬品社製）に70℃で浸漬し、約0.05μｍのパラジウム皮膜を形成した。直ちに3段水洗槽で洗浄後、置換型無電解金めっき液（商品名：NCゴールドMP、小島化学薬品社製）に75℃で浸漬し、約0.03μmの金皮膜を形成した。最表面層が置換型金めっき膜であるにも拘わらずニッケルの金めっき表面層への偏析は認められなかった。また、何れの界面においても界面腐食は認められなかった。そして温風乾燥後、金ワイヤボンディング評価およびはんだボールシェア試験をおこなった。金ワイヤボンディング装置は、新川社製（UTC-100）を使用し、φ２７μm金線１１を用いてステージ温度１７０℃で超音波振動によりボンディングした。またボンディング後の引張り試験機はレスカ社製（PRT-1000）を使用し、引張り速度0.5mm/secで測定した（図２参照）。一方ボールシェア試験は、電極１０に対応する位置に共晶はんだボール１２を搭載後２２５℃でリフローし接続した。そしてボンドテスタ１３にてはんだボール１２の端部に接合面と平行にせん断応力を印加して破断し、はんだボール破断部分を実体顕微鏡にて観察して破断モードを確認した（図３参照）。

[実施例２]
実施例１と同様のフェライト基材１を用いて、実施例１と同様の手順で外部接続電極部３の表面にニッケル−リン皮膜を約8μm、パラジウム皮膜を約1.0μmそして金皮膜を約0.1μm形成した。ニッケルの金めっき表面層への偏析は認められなかった。また、何れの界面においても界面腐食は認められなかった。そして実施例１と同様の手順で金ワイヤボンディング試験およびボールシェア試験を実施した。

[実施例３]
実施例１と同様のフェライト基材１を用いて、実施例１と同様の手順で外部接続電極部３の表面にニッケル−リン皮膜を約15μm、パラジウム皮膜を約0.4μmそして金皮膜を約0.2μm形成した。ニッケルの金めっき表面層への偏析は認められなかった。また、何れの界面においても界面腐食は認められなかった。そして実施例１と同様の手順で金ワイヤボンディング試験およびボールシェア試験を実施した。

[比較例１]
前記前処理を施したフェライト基材１を、無電解ニッケル−リンめっき液（商品名：エニパックLV、荏原ユージライト社製）に90℃で浸漬し、約2μｍの皮膜を形成した。そして3段水洗槽で洗浄後、置換型無電解金めっき液（商品名：スーパーメックス＃250、エヌ・イー・ケムキャット社製）に70℃で浸漬し、約0.03μmの皮膜を形成した。局部電池反応によるニッケルの金めっき表面層への偏析が認められた。金めっきを行っている間にニッケル溶出によるニッケル膜と金膜との界面腐食が進行した。そして温風乾燥後金ワイヤボンディング評価およびはんだボールシェア試験をおこなった。金ワイヤボンディング装置は、新川社製（UTC-100）を使用し、２７μm金線を用いてステージ温度１７０℃でボンディングした。またボンディング後の引張り試験機はレスカ社製（PRT-1000）を使用し、引張り速度0.5mm/secで測定した。一方ボールシェア試験は、電極１０に対応する位置に共晶はんだボールを搭載後２２５℃でリフローし接続した。そしてボンドテスタにて破断し、はんだボール破壊部分を実体顕微鏡にて観察して破断モードを確認した。

[比較例２]
比較例１と同様のフェライト基材１を用いて、実施例１と同様の手順で外部接続電極部３の表面にニッケル−リン皮膜を約8μm形成した。そして3段水洗槽で洗浄後、置換型無電解金めっき液（商品名：スーパーメックス＃250、エヌ・イー・ケムキャット社製）に70℃で浸漬し、約0.03μmの皮膜を形成した。続いて3段水洗槽で洗浄後、還元型無電解金めっき液（商品名：スーパーメックス＃850、エヌ・イー・ケムキャット社製）に70℃で浸漬し、約0.1μmの皮膜を形成した。局部電池反応によるニッケルの金めっき表面層への偏析が認められた。厚付け金めっきを行っている間にニッケル溶出によるニッケル膜と金膜との界面腐食が進行した。そして実施例１と同様の手順で金ワイヤボンディング試験およびボールシェア試験を実施した。

[比較例３]
比較例１と同様のフェライト基材を用いて、実施例１と同様の手順で外部接続電極部３の表面にニッケル−リン皮膜を約8μm形成した。そして3段水洗槽で洗浄後、置換型無電解金めっき液（商品名：スーパーメックス＃250、エヌ・イー・ケムキャット社製）に70℃で浸漬し、約0.03μmの皮膜を形成した。続いて3段水洗槽で洗浄後、還元型無電解金めっき液（商品名：スーパーメックス＃850、エヌ・イー・ケムキャット社製）に70℃で浸漬し、約0.2μmの皮膜を形成した。厚付け金めっきを行っている間にニッケル溶出によるニッケル膜と金膜との界面腐食が進行した。還元型無電解金めっきにより金皮膜をより厚くしたものの0.2μmと不充分な厚さであったためニッケルの拡散経路が完全には遮断されずにニッケルの金めっき表面層への偏析が若干認められた。そして実施例１と同様の手順で金ワイヤボンディング試験およびボールシェア試験を実施した。

表１にその測定結果を示す。

［金ワイヤボンディング強度］
この表１から明らかなように、表面被覆層の金膜厚が同じでも本発明の基板の電極１０における金ワイヤボンディング強度の方が従来技術よりも優れていることがわかった。実施例では金めっき表面層へのニッケルの偏析が認められないため表面の金めっき膜と金ワイヤとの濡れ性が良く十分に高いボンディング強度を得ることができた。実施例では引張り試験により金ワイヤが破断し、金ワイヤと電極１０との接合面が剥がれることはなかった。比較例では金めっき表面層へのニッケルの偏析が認められたため表面の金めっき膜と金ワイヤとの濡れ性が悪く十分に高いボンディング強度を得ることはできない。比較例では引張り試験により金ワイヤと電極１０との接合面が剥がれた。

［はんだボールシェア破断モード］
この表１から明らかなように、本発明の基板の電極１０におけるはんだ接続性は界面破断を生じることなくはんだ内で破断することから信頼性に優れていることが確認された。図３に示すようにはんだ１２内の破断位置１４はせん断応力の印加位置に近いところである。比較例ではニッケル膜と金皮膜との界面腐食のためニッケル／はんだ間で破断し、はんだ接続信頼性は実施例より劣ることが確認された。なお、表面の金皮膜ははんだ濡れ性を確保した後はAu-Sn合金となってはんだ中に拡散し、パラジウム皮膜はPd-Sn合金となってはんだ中に拡散するためはんだ接合後は何れの皮膜も膜の形態を保たない。はんだはニッケル−リン皮膜との間でNi-Sn合金を形成するが当該合金は融点温度が高いためはんだ中に拡散しにくい。実施例では何れも十分な厚さのニッケル−リン皮膜としたためNi-Sn合金を形成してもなお電極１０との間にニッケル−リン皮膜が残っていた。そのためはんだ喰われを防止することができた。

本発明により高コストの原因である還元型無電解金めっきを廃止できることがわった。還元型無電解パラジウムめっきは還元型無電解金めっきに比べて大幅に低コストである。

本発明は電子部品との接合電極を備えた基板およびその製造方法に関し、例えばセラミック又はフェライト材料で形成された基体の表面に接合電極が形成された基板と、その接合電極の製造方法に関する。本発明によれば安価にてはんだ接合信頼性と良好な金ワイヤボンディング性を兼ね備えた接合電極およびその製造方法を使用して製造される低コストで信頼性に優れた基板を提供することができる。

本発明の接合電極を備えた基板の断面を模式的に示した図である。金ワイヤの引張り試験方法を模式的に示す図である。はんだボールの破断試験方法を模式的に示す図である。

符号の説明

１：基材
２：内部配線
３：外部接続電極部
４：絶縁層
５：下地層
６：中間層
７：表面被覆層
１０：電極
１１：金線
１２：ハンダボール
１３：ボンドテスタ
１４：破断位置

Claims

セラミック又はフェライトからなる基材と、該基材に形成した外部接続電極部と、該外部接続電極部の表面上に形成したニッケルあるいはニッケル合金を主体とする金属膜よりなる下地層と、該下地層の表面上に形成したパラジウムあるいはパラジウム合金よりなる中間層と、該中間層の表面上に形成した金あるいは金合金よりなる表面被覆層とを備えてなることを特徴とする外部接合電極付き基板。
請求項１において、前記外部接続電極部は銀あるいは銀合金であることを特徴とする外部接合電極付き基板。
請求項１において、前記下地層が2〜15μｍであることを特徴とする外部接合電極付き基板。
請求項１において、前記中間層が0.05〜1.0μｍであることを特徴とする外部接合電極付き基板。
請求項１において、前記表面被覆層が0.03〜0.2μｍであることを特徴とする外部接合電極付き基板。
セラミック又はフェライトからなる基材に形成した外部接続電極部の表面上にニッケルあるいはニッケル合金を主体とする金属膜よりなる下地層を形成し、
該下地層の表面上に還元型パラジウムめっきによりパラジウムあるいはパラジウム合金よりなる中間層と形成し、
該中間層の表面上に置換型金めっきにより金あるいは金合金を主体とする表面被覆層を形成することを特徴とする外部接合電極付き基板の製造方法。
請求項６において、前記下地層、前記中間層および前記表面被覆層を無電解めっき法により形成することを特徴とする外部接合電極付き基板の製造方法。