JP2008251869A - 配線基板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 配線基板と外部電気回路基板との間の電気的な接続を良好に保つことが可能な配線基板を提供すること。
【解決手段】 絶縁基板１と、絶縁基板１の表面に被着された銅から成る半田接続パッド４と、絶縁基板１の表面および半田接続パッド４の外周部に被着されており、半田接続パッド４の中央部を露出させる開口部５ｂを有するソルダーレジスト層５と、開口部５ｂ内に露出する半田接続パッド４に被着された半田層７とを具備して成る配線基板であって、半田接続パッド４は開口部５ｂ内に露出する部位の厚みが開口部５ｂの高さの途中まで嵩上げされている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体素子等を搭載するために用いられる配線基板およびその製造方法に関する。

従来、半導体集積回路素子等の半導体素子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層やエポキシ樹脂等から成る絶縁層が複数層積層された絶縁基板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が配設されて成る。また絶縁基板の上面中央部には半導体素子の電極が半田バンプを介して電気的に接続される半導体素子接続用の半田接続パッドが複数形成されており、絶縁基板の下面には外部電気回路基板の配線導体に半田ボールを介して電気的に接続される外部接続用の半田接続パッドが形成されている。さらに絶縁基板の上下面には各半田接続パッドの中央部を露出させる開口部を有するソルダーレジスト層が各半田接続パッドの外周部を覆うようにして被着されており、ソルダーレジスト層から露出する半田接続パッドには半導体素子接続用の半田接続パッドであればソルダーレジスト層より高い半田バンプが、外部接続用の半田接続パッドであればソルダーレジスト層より低い半田層が被着されている。

そして、半導体素子の電極を半導体素子接続用の半田接続パッドに被着させた半田バンプ上に当接させるとともに、その半田バンプを加熱溶融させることによって半導体素子が配線基板上に実装される。
また、外部接続用の半田接続パッド上に被着させた半田層上に半田ボールを載置するとともにその半田層および半田ボールを加熱溶融させることによって、外部接続用の半田接続パッド上に半田ボールが接合され、この半田ボールを外部電気回路基板の配線導体上に接触させた状態で加熱溶融させることによって、配線基板が半田ボールを介して外部電気回路基板上に実装されることとなる。

ところで、このような配線基板は、内部および表面に銅から成る配線導体が配設された絶縁基板の上下面に銅から成る半田接続パッドを形成した後、その絶縁基板の上下面に各半田接続パッドの中央部を露出させるようにしてソルダーレジスト層を被着し、しかる後、ソルダーレジスト層から露出する半田接続パッドの表面にニッケルめっき層および金めっき層を順次施した後、その半田接続パッド上に半田を供給するとともにその半田を加熱溶融させて半田バンプや半田層を被着することによって製作される。
特開平８−１８１４２３号公報

しかしながら、表面にニッケルめっき層および金めっき層が順次被着された半田接続パッド上に半田を供給するとともにその半田を加熱溶融させて半田層を被着させると、半田ペースト中の半田を加熱溶融する際にニッケル層と半田との間にニッケルと錫とを含む脆弱な化合物層が不均一な厚みに形成され易い。そのため、そのような配線基板に半導体素子を実装した後や配線基板を外部電気回路基板に実装した後に、半導体素子の電極と半導体素子接続用の半田接続パッドとを接続する半田や外部接続用の半田接続パッドと外部電気回路基板の配線導体とを接続する半田に熱応力が繰り返し加えられると、半田接続パッドと半田とが不均一な厚みの脆弱な化合物層から剥離が生じ易く、半導体素子および配線基板の実装後の接続信頼性に劣るという問題点があった。

そこで、半田接続パッドにニッケルめっき層および金めっき層を被着させることなく、半田接続パッドを形成する銅の上に半田バンプや半田層を直接被着させるダイレクトソルダー法が採用されるようになってきた。この場合、半田接続パッドと半田との間に脆弱な化合物が不均一な厚みに形成されにくいので配線基板に半導体素子を実装した後や配線基板を外部電気回路基板に実装した後に、半導体素子の電極と半導体素子接続用の半田接続パッドとを接続する半田や外部接続用の半田接続パッドと外部電気回路基板の配線導体とを接続する半田に熱応力が繰り返し加えられとしても半田接続パッドと半田との間で剥離が発生しにくい。

しかしながら、近時、半導体素子を配線基板に接続するために使用される半田としては鉛−錫半田が依然として一般的であるものの、配線基板を外部電気回路基板に接続するために使用される半田としては、鉛を含有しない鉛フリー半田が主流になってきている。このような鉛フリー半田は従来の鉛含有半田よりもその溶融温度が高い。そして、このように溶融温度が高い鉛フリー半田から成る半田層をダイレクトソルダー法により半田接続パッドに被着させた場合、半田接続パッド上に供給した半田を加熱溶融させる際に、半田接続パッドを形成する銅の一部が半田中に溶け出す半田食われが起きて、半田接続パッドの厚みが必要な厚みよりも薄くなってしまったり、半田の一部が半田接続パッドとソルダーレジスト層の間に入り込んだりしてしまう。その結果、半導体素子を実装した後や配線基板を外部電気回路基板に実装した後に、半田接続パッドに熱応力が繰り返し加えられると、半田接続パッド自体や半田接続パッドとソルダーレジスト層との間にクラックが入り配線基板と外部電気回路基板との間の電気的な接続不良を発生させる危険が高くなる。
本発明は、かかる従来の問題に鑑み案出されたものであり、その目的は、半田接続パッドに溶融温度の高い鉛フリー半田から成る半田層がダイレクトソルダー法により被着されていても、半田食われに起因するクラックの発生が有効に防止され、その結果、配線基板と外部電気回路基板との間の電気的な接続を良好に保つことが可能な配線基板を提供することにある。

本発明の配線基板は、絶縁基板と、該絶縁基板の表面に被着された銅から成る半田接続パッドと、前記絶縁基板の表面および前記半田接続パッドの外周部に被着されており、前記半田接続パッドの中央部を露出させる開口部を有するソルダーレジスト層と、前記開口部内に露出する前記半田接続パッドに被着された半田層とを具備して成る配線基板であって、前記半田接続パッドは前記開口部内に露出する部位の厚みが前記開口部の高さの途中まで嵩上げされていることを特徴とするものである。

本発明の配線基板の製造方法は、絶縁基板の表面に銅から成る半田接続パッドを形成する工程と、前記絶縁基板の表面および前記半田接続パッドの外周部に、前記半田接続パッドの中央部を露出させる開口部を有するソルダーレジスト層を被着する工程と、前記開口部内に露出する前記半田接続パッドの表面に銅層を析出させて前記半田接続パッドの前記開口部内に露出する部位の厚みを前記開口部の高さの途中まで嵩上げする工程と、嵩上げされた前記半田接続パッドの表面に半田層を被着する工程と、を含むことを特徴とするものである。

本発明の配線基板およびその製造方法によれば、半田接続パッドにおけるソルダーレジスト層の開口部内に露出する部位の厚みが前記開口部の高さの途中まで嵩上げされていることから、半田接続パッドに高融点の鉛フリー半田から成る半田層がダイレクトソルダー法により被着されていても、半田接続パッドにおける半田食われは嵩上げされた部分に発生し、半田接続パッドの厚みが必要な厚みよりも薄くなることが有効に防止されるとともに半田の一部が半田接続パッドとソルダーレジスト層との間に入り込むことが有効に防止される。その結果、配線基板と外部電気回路基板との間の電気的な接続を良好に保つことが可能な配線基板を提供することができる。

次に、本発明の配線基板およびその製造方法を添付の図面に基づき説明する。図１は、本発明の配線基板の一例を示す断面図であり、図中、１は絶縁層１ａおよび絶縁層１ｂから成る絶縁基板、２は配線導体、３は半導体素子接続用の半田接続パッド、４は外部接続用の半田接続パッド、５はソルダーレジスト層、６は半田バンプ、７は半田層である。
なお、本例では、ガラス織物に熱硬化性樹脂を含浸させて成る絶縁層１ａの上下面に熱硬化性樹脂から成る絶縁層１ｂを２層ずつ積層して絶縁基板１を形成しており、最表層の絶縁層１ｂ上にソルダーレジスト層５が積層されている。また、絶縁基板１の上面中央部にはそれぞれ半導体素子の電極が半田バンプ６を介して電気的に接続される半導体素子接続用の半田接続パッド３が形成されているとともに絶縁基板１の下面外周部にはそれぞれ外部電気回路基板に半田ボール８を介して電気的に接続される外部接続用の半田接続パッド４が形成されており、絶縁基板１の上面から下面にかけてはそれぞれ対応する半導体素子接続用の半田接続パッド３と外部接続用の半田接続パッド４とを互いに電気的に接続する配線導体２が配設されている。そして、半導体素子接続用の半田接続パッド３には半田バンプ６が、外部接続用の半田接続パッド４には半田層７がそれぞれダイレクトソルダー法により被着されている。

絶縁層１ａは、本例の配線基板の芯体となる部材であり、例えばガラス繊維束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り、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０．１〜１ｍｍ程度の複数の貫通孔９を有している。そして、その上下面および各貫通孔９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９を介して電気的に接続されている。

このような絶縁層１ａは、ガラス織物に未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させた絶縁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、絶縁層１ａ上下面の配線導体２は、絶縁層１ａ用の絶縁シートの上下全面に厚みが３〜５０μｍ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９内面の配線導体２は、絶縁層１ａに貫通孔９を設けた後に、この貫通孔９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３〜５０μｍ程度の銅めっき膜を析出させることにより形成される。

さらに、絶縁層１ａは、その貫通孔９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孔埋め樹脂１０が充填されている。孔埋め樹脂１０は、貫通孔９を塞ぐことにより貫通孔９の直上および直下に配線導体２および各絶縁層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９内にスクリーン印刷法により充填し、そ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、この孔埋め樹脂１０を含む絶縁層１ａの上下面に絶縁層１ｂがそれぞれ２層ずつ積層されている。

絶縁層１ａの上下面に積層された各絶縁層１ｂは、それぞれの厚みが２０〜６０μｍ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１１を有している。これらの各絶縁層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１１を介して電気的に接続することにより高密度配線が立体的に形成可能となっている。このような各絶縁層１ｂは、厚みが２０〜６０μｍ程度の未硬化の熱硬化性樹脂から成る絶縁フィルムを絶縁層１ａの上下面に貼着し、これを熱硬化させるとともにレーザ加工により貫通孔１１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の表面および貫通孔１１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１１内に５〜５０μｍ程度の厚みの銅めっき膜を公知のセミアディ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。

また、絶縁基板１の上面に形成された半導体素子接続用の半田接続パッド３ならびに絶縁基板１の下面に形成された外部接続用の半田接続パッド４は、厚みが３〜５０μｍ程度の銅めっき膜から成り、それぞれ配線導体２に電気的に接続されている。そして、半導体素子接続用の半田接続パッド３は半導体素子を接続するための端子として、外部接続用の半田接続パッド４は外部電気回路に接続するための端子としてそれぞれ機能する。このような半導体素子接続用の半田接続パッド３および外部接続用の半田接続パッド４は、絶縁層１ｂの表面に公知のセミアディティブ法により銅めっき膜を所定のパターンに被着させることにより形成される。

半導体素子接続用の半田接続パッド３の表面に被着された半田バンプ６は、例えば鉛−錫合金等の鉛含有半田から成り、半導体素子接続用の半田接続パッド３と半導体素子とを接続するための接続部材として機能する。そして、半導体素子の電極を半田バンプ６に接触させた状態で半田バンプ６を溶融させることにより半導体素子接続用の半田接続パッド３と半導体素子の電極とが半田バンプ６を介して電気的に接続されることとなる。このように半田バンプ６を半導体素子接続用の半田接続パッド３に予め被着させておくことにより半導体素子接続用の半田接続パッド３への半導体素子の接続の作業性が極めて良好なものとなる。なお、このような半田バンプ６は、半導体素子接続用の半田接続パッド３上に鉛−錫合金等から成る鉛入り半田粉末を含有する半田ペーストをスクリーン印刷法により印刷塗布するとともに半田ペースト中の半田を加熱溶融させることにより半田接続パッド３上に被着される。

また、外部接続用の半田接続パッド４に被着された半田層７は錫−銀−銅合金等のフリー半田から成り、外部接続用の半田接続パッド４の酸化を防止するとともにこの半田接続パッド４に半田ボール８を接合させる際にその接合を容易かつ強固とするための下地金属として機能する。そして、半田ボール８を半田層７に接触させた状態で半田層７を加熱溶融させることにより、半田ボール８が外部接続用の半田接続パッド４に接合される。このとき、本発明の配線基板によれば、外部接続用の半田接続パッド４に半田層７が被着されていることから、外部接続用の半田接続パッド４に半田ボール８を接合させる際に半田層７により外部接続用の半田接続パッド４の酸化が有効に防止され、その結果、外部接続用の半田接続パッド４と半田ボール８とが強固に接合される。したがって、配線基板を外部電気回路基板に実装した後に、半導体素子が作動時に発生する熱や外部環境の温度変化に伴う熱が長期間にわたり繰り返し加えられたとしても、半田ボール８が外部接続用の半田接続パッド４から外れることはなく、配線基板に搭載された半導体素子と外部電気回路との電気的な接続を良好に保つことができる。なお、このような半田層７は、外部接続用の半田接続パッド４上に錫−銀−銅合金等から成る鉛フリー半田粉末を含有する半田ペーストをスクリーン印刷法により印刷塗布するとともに半田ペースト中の半田を加熱溶融させることにより半田接続パッド４上に被着される。

また、最表層の絶縁層１ｂの上に積層されたソルダーレジスト層５は、例えばアクリル変性エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂にシリカやタルク等のフィラーを含有させて成り、上面側のソルダーレジスト層５であれば、半導体素子接続用の半田接続パッド３の中央部を露出させる開口部５ａを有しているとともに半田バンプ６の高さよりも薄い。また、下面側のソルダーレジスト層５であれば、外部接続用の半田接続パッド４の中央部を露出させる開口部５ｂを有しているとともに、半田層７の高さより厚い。

これらのソルダーレジスト層５は、半導体素子接続用の半田接続パッド３同士や外部接続用の半田接続パッド４同士の電気的な絶縁信頼性を高めるとともに、半導体素子接続用の半田接続パッド３や外部接続用の半田接続パッド４の樹脂層１ｂへの接合強度を大きなものとする作用をなす。

なお、ソルダーレジスト層５の厚みが半田バンプ６の高さよりも薄いことにより、半導体素子を半導体素子接続用の半田接続パッド３に半田バンプ６を介して電気的に接続する際に、半導体素子の電極と半田バンプ６とが良好に接触することができるので、半田バンプ６を介した半導体素子と半導体素子接続用の半田接続パッド３との電気的な接続が容易となる。

またソルダーレジスト層５の厚みが半田層７の高さよりも厚いことにより、半田層７上にソルダーレジスト層５の開口部５ｂによる窪みが形成されるので、外部接続用の半田接続パッド４上に半田ボール８を接合させる際に半田ボール８がソルダーレジスト層５の開口部５ｂ内の窪みに良好に位置決めされて、半田ボール８と外部接続用の半田接続パッド４との接合が容易となる。

このようなソルダーレジスト層５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５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樹脂層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導体素子接続用の半田接続パッド３や外部接続用の半田接続パッド４の中央部を露出させる開口部５ａ，５ｂ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５用の未硬化の樹脂フィルムを最表層の樹脂層１ｂ上に貼着した後、これを熱硬化させ、しかる後、半導体素子接続用の半田接続パッド３や外部接続用の半田接続パッド４の中央部に対応する位置にレーザ光を照射し、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半導体素子接続用の半田接続パッド３や外部接続用の半田接続パッド４の中央部を露出させる開口部５ａ，５ｂを有するように形成される。

そして、本発明においては、図２に要部拡大断面図で示すように、外部接続用の半田接続パッド４におけるソルダーレジスト層５の開口部５ｂ内に位置する部位の厚みが開口部５ｂの高さの途中まで嵩上げされている。これにより、半田接続パッド４に高融点の鉛フリー半田から成る半田層７がダイレクトソルダー法により被着されていても、半田接続パッド４における半田食われは嵩上げされた部分に発生し、半田接続パッド４の厚みが必要な厚みよりも薄くなることが有効に防止されるとともに半田層７の一部が半田接続パッド４とソルダーレジスト層５との間に入り込むことが有効に防止される。したがって、配線基板と外部電気回路基板との間の電気的な接続を良好に保つことができる。

このように半田接続パッド４におけるソルダーレジスト層５の開口部５ｂ内に位置する部位の厚みを開口部５ｂの高さの途中まで嵩上げするには、絶縁基板１の表面に外部接続用の半田接続パッド４を形成した後、絶縁基板１の表面および半田接続パッド４の外周部に、半田接続パッド４の中央部露出させる開口部５ｂを有するソルダーレジスト層５を形成し、次に開口部５ｂ内に露出する半田接続パッド４の表面に無電解めっき法や電解めっき法により銅めっき層を被着させる方法が採用される。なお、嵩上げされた半田接続パッドの最表面は電解銅めっき層から形成されていることが好ましい。それにより、半田層７にリン等の不要な成分が溶け出すことがなく半田層７中に脆弱な化合物が形成されることを有効に防止することができる。

なお、半田接続パッド４におけるソルダーレジスト層５の開口部５ｂ内に位置する部位の嵩上げの高さが５μｍ未満であると、半田接続パッド４に半田層７を被着させた際に半田食われにより半田接続パッド４の厚みが必要な厚みよりも薄くなってしまうとともに半田層７の一部が半田接続パッド４とソルダーレジスト層５との間に入り込んでしまう危険性が高くなり、他方、嵩上げの高さが１０μｍを超えると、半田層７上にソルダーレジスト層５の開口５ｂにより形成される窪みの高さが低いものとなり、外部接続用半田接続パッド４上に半田ボール８を接合させる際に半田ボール８をソルダーレジスト層５の開口部５ｂ内の窪みに良好に位置決めすることが困難となる危険性が高くなる。したがって、半田接続パッド４におけるソルダーレジスト層５の開口部５ｂ内に位置する部位の嵩上げの高さは５〜１０μｍの範囲が好ましい。

かくして、本発明によれば、半田接続パッドに溶融温度の高い鉛フリー半田から成る半田層がダイレクトソルダー法により被着されていても、半田食われに起因するクラックの発生が有効に防止され、その結果、配線基板と外部電気回路基板との間の電気的な接続を良好に保つことが可能な配線基板を提供することことができる。
なお、本発明は上述の実施の形態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ることはいうまでもない。

本発明の配線基板を実施するための最良の形態例を示す断面図である。 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：絶縁基板
２：配線導体
３，４：半田接続パッド
５：ソルダーレジスト層
６：半田バンプ
７：半田層

Claims (2)

1. 絶縁基板と、該絶縁基板の表面に被着された銅から成る半田接続パッドと、前記絶縁基板の表面および前記半田接続パッドの外周部に被着されており、前記半田接続パッドの中央部を露出させる開口部を有するソルダーレジスト層と、前記開口部内に露出する前記半田接続パッドに被着された半田層とを具備して成る配線基板であって、前記半田接続パッドは前記開口部内に露出する部位の厚みが前記開口部の高さの途中まで嵩上げされていることを特徴とする配線基板。
2. 絶縁基板の表面に銅から成る半田接続パッドを形成する工程と、前記絶縁基板の表面および前記半田接続パッドの外周部に、前記半田接続パッドの中央部を露出させる開口部を有するソルダーレジスト層を被着する工程と、前記開口部内に露出する前記半田接続パッドの表面に銅層を析出させて前記半田接続パッドの前記開口部内に露出する部位の厚みを前記開口部の高さの途中まで嵩上げする工程と、嵩上げされた前記半田接続パッドの表面に半田層を被着する工程と、を含むことを特徴とする配線基板の製造方法。