JP2009135241A - 回路基板、その製造方法、およびそれを用いた半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】金属突起端子が脱落しにくいランド部を持った回路基板およびそれを用いた高品質の半導体装置を提供する。
【解決手段】回路基板1を、絶縁基板1aと、絶縁基板1a上に形成された金属配線層1bと、絶縁基板1aおよび金属配線層1b上に形成され、金属配線層1bの所定部分を露出させる開口部9を有する基板保護膜1e,1fとを備え、前記基板保護膜1e,1fの開口部9は、第１の開口9aと第２の開口9bとよりなり、第１の開口9aよりも第２の開口9bの開口寸法が小さいことによって段差が形成されたものとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板保護膜に開口部を有し、この開口部にて金属配線上に突起電極が設けられる回路基板、その製造方法、およびそれを用いた半導体装置に関するものである。

電子機器の小型化および高性能化が進むにしたがって、ＢＧＡ（Ball Grid Array）、ＬＧＡ（Land Grid Array）などのパッケージ半導体装置も小型化が進んでおり、ボールピッチ、ランドピッチが小さくなるにつれ、ボールサイズ、ランドサイズが小型化している。

ＢＧＡ型半導体装置を図６および図７に示す。両面に回路パターンを形成した回路基板１の片側の面に半導体素子（半導体チップ）４を搭載し、金属細線５で互いに電気的に接続し、その外囲を樹脂部３で封止し、回路基板１のもう片側の面に、実装基板などに実装するための外部端子としての金属突起端子２を格子状に配置している。図６示すものはＰＢＧＡタイプと呼ばれるが、図８に示すＦＢＧＡタイプのものもある。

回路基板１を作製する際は通常、図９（ａ）に示すように（片面の一部のみを示している）、有機絶縁基板1ａ（以下、絶縁基板1ａという）の上に金属配線層１ｂを形成し、この金属配線層１ｂを外部環境から保護するために基板保護膜１ｅで基板全面を覆っている。基板保護膜１ｅの材料としては、ソルダーレジストと呼ばれる溶剤溶融型の材料や、フィルムレジストと呼ばれるシート状材料が使用されている。基板保護膜1ｅは通常１回で形成されるが、塗布均一性を確保するため複数回の塗布が行われることもある。基板保護膜１ｅの形成後に、図９（ｂ）（ｃ）に示すように、ランドを形成しようとする部分以外にフォトマスク８（以下、マスク８という）を施し、露光、現像、エッチング液にてランド開口９を窓あけして、所謂ランド部を露出させ、図９（ｄ）に示すように、金属めっき１ｃおよび１ｄを施している。

金属突起端子２は、図１０（ａ）（ｂ）に示すように、ランド部の金属めっき１ｃ，１ｄの上に金属ボール１０を搭載し、リフローによって溶融接続させることで接合部を合金化させるのが最も一般的である。７は合金層である。

しかしこの種の半導体装置では、金属突起端子２が回路基板１から脱落することがある。金属突起端子２が何かに接触したときに脱落するのが大半であるが、半導体装置そのものが外的衝撃や振動を受けたときでも脱落は発生する。かかる金属突起端子２の脱落は近年多くなってきている。環境への配慮から、金属突起端子２を形成する金属ボール１０の鉛フリー化が進んだことが原因であると考えられる。鉛フリーの金属ボール１０は、従来使用されていた錫鉛系の金属ボールに比べて脱落が発生する度合いが高い。

金属突起端子２が脱落したランド部を解析してみると、図１０（ｃ）に示すように、合金層７と金属突起端子２との界面で剥離が発生しているのが大半である。上述のように、金属突起端子２は、ランド部の金属めっき１ｃおよび１ｄと金属ボール１０との接合部を合金化させて形成しているのであるが、この時にできる合金層７と金属突起端子２との界面に、鉛フリー化が原因で、衝撃に対して脆い層ができ、図１０（ｄ）に示す衝撃ストレスＳによって剥離が起こるためであると考えられる。

ランド開口９の窓あけ工程は通常、ソルダーレジストを複数回塗布する場合でも、１回のみ行われている。複数回の窓あけ工程、そのための複数回のマスク合せを行うと、マスクずれが発生しやすいからである。たとえば、図１１に示すような、基板保護膜１ｅ，１ｆの開口９ａ，９ｂが同心状をなすランド開口９の形状を目指していたとしても、図１２に示すように、最表面部側の基板保護膜１ｆの開口周囲部分が基板保護膜１ｅの開口９ａの一部を塞ぐことがある。マスク合せを複数回実施する場合は、回を重ねる度に開口径を大きくしていき、マスクずれが発生しても、図１２のような形状にならないための工夫が必要になる。必然的に、図１３に示すような、１回の窓あけ工程によるランド開口９になる。

特許文献１には、金属突起端子２の脱落を防止する手段として、ランド開口９を最表面部側が狭まった形状にすることにより、アンカー効果を発揮させることが提案されている。図１４（ａ）〜（ｃ）に示すように、金属配線層１ｂ上に、レジスト１ｇの形成、マスク８ａの形成、露光、現像、エッチングによって突起１１を形成し、さらに図１４（ｄ）〜（ｆ）に示すように、突起１１の上に、レジスト１ｈの形成、マスク８ｂの形成、露光、現像、エッチングによって突起１２を形成し、その後に、図１４（ｇ）〜（ｉ）に示すように、基板全面に基板保護膜１ｅを塗布により形成し、しかる後に突起１１および１２を除去することで、断面が凸型のランド開口９を形成している。そしてこのランド開口９内に、図１４（ｊ）に示すように金属めっき１ｃおよび１ｄを形成している。
特開２００６−３１９０３０公報

しかし特許文献１の工法は、製造工程が複雑である。また、断面凸型のランド開口９の形成に用いた有機物（突起１１，１２）が除去処理後もなお残留するおそれがあり、その場合は接合不十分となる。突起物１１，１２を形成する際にオーバーエッチングになった場合には、図１５（ａ）に示すようにランド開口９がテーパー形状になり、このようなランド開口９を持ったランド部に金属突起端子２を形成すると、図１５（ｂ）に示すように、衝撃を受けた際のストレスＳは合金層７に集中し、金属突起端子２の脱落を来たす結果となる。

本発明は上記問題を解決するもので、金属突起端子が脱落しにくいランド部を持った回路基板およびそれを用いた高品質の半導体装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の回路基板は、絶縁基板と、前記絶縁基板上に形成された金属配線層と、前記絶縁基板と前記金属配線層上に形成され、前記金属配線層の所定部分を露出させる開口部を有する基板保護膜とを備え、前記基板保護膜の開口部は、第一の基板保護膜に形成された第１の開口と前記第一の基板保護膜上に積層された第二の基板保護膜に形成された第２の開口とよりなり、前記第１の開口よりも第２の開口の開口寸法が小さいことによって段差が形成されていることを特徴とする。

本発明の回路基板の製造方法は、上記の回路基板を製造する際に、絶縁基板上に金属配線層を形成する工程と、前記絶縁基板と前記金属配線層上に液状またはフィルム状の第一の基板保護膜を配置し、露光、現像およびエッチングして、前記金属配線層の所定部分を露出させる第１の開口を形成する工程と、前記第一の基板保護膜上にフィルム状の第二の基板保護膜を配置し、露光、現像およびエッチングして、前記第１の開口よりも開口寸法が小さくて前記第１の開口との間に段差をなす第２の開口を形成する工程とを行うことを特徴とする。

本発明の半導体装置は、上記の回路基板と、前記回路基板上に搭載され電気的に接続された半導体素子と、前記半導体素子およびその電気的接続部を覆って保護する樹脂部と、前記回路基板の基板保護膜の開口部から露出した金属配線層上に加熱溶融によって接合された金属突起電極とを有することを特徴とする。

上記の回路基板の構成とすることにより、第１の開口と第２の開口とよりなる開口部をシンプルな製造工程で形成することができ、また第１の開口と第２の開口とを順次に形成するため残留物が生じにくい。また開口部は断面凸型となるため、金属配線層の露出部（ランド部）への溶融接合物は強固に保持されることとなる。

回路基板において、最表面側の基板保護膜がフィルムレジストで形成されるのが都合よい。基板保護膜の開口部における最表面部近傍の開口形状が金属配線層寄りほど狭まったテーパー状であってよい。

本発明の回路基板は、ランド部上の開口部を従来よりもシンプルな製造工程で形成することができ、またこの開口部への残留物を抑えることができ、製造コストも抑えられる。開口部を構成する第１及び第２の開口について、第１の開口よりも第２の開口の開口寸法を小さくすることにより、この回路基板を用いた半導体装置における金属突起電極の脱落を防止し、脱落に起因する電気特性不良の発生を回避することができ、品質が安定する。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。
本発明にかかる回路基板および半導体装置は、先に図６、図７を用いて説明した従来のものとほぼ同様の構成を有するので、図６、図７を援用して詳しい説明は省略する。

まず、本発明の一実施形態の回路基板の製造フローを図１を参照して説明する。
図１（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、絶縁基板１ａとその上に形成された金属配線層１ｂとを覆うように、液状のレジスト（またはフィルムレジスト）により基板保護膜１ｅ（以下、第１の基板保護膜１ｅという）を基板全面に形成し、マスク８ａを用いての露光、現像、レジストエッチングの各工程を経て、開口９ａ（以下、第１の開口９ａという）を形成する。

この際、外部端子ピッチが１．０mmの場合には、ランド開口径は通常は４５０um程度であるが、ここで形成する第１の開口９ａは６００umから９００um程度にする。外部端子ピッチが１．２７mmピッチの場合には、ランド開口径は通常は６００um程度であるが、ここで形成する第１の開口９ａは８００umから１２００um程度にする。

次に、図１（ｄ）（ｅ）（ｆ）に示すように、第１の基板保護膜１ｅの上に、第１の開口９ａをも覆うようにフィルムレジストを重ね合わせて基板保護膜１ｆ（以下、第２の基板保護膜１ｆという）を形成し、マスク８ｂを用いての露光、現像、レジストエッチングの各工程を経て、開口９ｂ（以下、第２の開口９ｂという）を形成する。

この際、第２の開口９ｂの径は第１の開口９ａの開口径よりも小さくする。具体的には、外部端子ピッチが１．０mmの場合には、通常のランド開口径と同様に４５０um程度とし、外部端子ピッチが１．２７mmの場合には、通常のランド開口径と同様に６００um程度とする。

これにより、第１の開口９ａと第２の開口９ｂとよりなるランド開口９が形成される。ランド開口９は、第１の開口９ａと第２の開口９ｂとの接続部が段差をなし、最表面部側が金属配線層１ｂ側よりも開口寸法が小さい、断面凸型となる。このランド開口９内に、図１（ｇ）に示すように、金属めっき１ｃおよび１ｄを形成することにより、回路基板１が完成する。

以上の方法によれば、断面凸型のランド開口９を、第１の基板保護膜１ｅ，第２の基板保護膜１ｆへの露光、現像、エッチングにより形成できるので、すなわち、先に図１４を用いて説明した従来法のように突起１１，１２を形成することなく形成できるので、製造工程がシンプルであり、コスト削減にもなる。

第１の開口９ａと第２の開口９ａとを別途に形成するのでマスク８ａ，８ｂのマスク合わせずれの恐れがあるが、マスク合わせ装置の合わせずれ精度が１００um程度であれば、第１の開口９ａと第２の開口９ｂとの開口径の差を１５０um以上にしておけば、マスクずれが最大値になってもランド開口９に断面凸型の形状を確保することができ、先に図１２を用いて説明したような不都合な狭まりは防止できる。

また、図１４を用いて説明した従来法では、断面凸型のランド開口９の形成後に有機物（突起１１，１２）の除去を行うため、特に最表面部近傍に残留物が生じやすいのに対し、本実施の形態の方法では、上述したとおり、最初に金属配線層１ｂ側の第１の基板保護膜１ｅに第１の開口９ａをエッチングを経て形成した後に、同様の方法で第２の基板保護膜１ｆにより小さな第２の開口９ｂを形成するため、ランド開口９内に残留物は生じない。

次に、上記のように製造された回路基板１をインターポーザーとして用いて半導体装置を製造する方法を説明する。回路基板１の片側の面は、先の図６に示したように、半導体素子４を搭載し、金属細線５で互いに電気的に接続し、その外囲を樹脂部３で封止しておく。

その後に、図２（ａ）（ｂ）に示すように、ランド開口９にフラックス（図示省略）を塗布したうえで金属ボール１０を搭載し、加熱溶融させることにより、金属配線層１ｂとの接合部が合金化した金属突起端子２を形成する。

この際、上述したように、外部端子ピッチが１．０mmピッチであれば、第２の開口９ｂの径を通常の開口径と同じ４５０um程度にするようにしたので、従来と同様の端子径の金属突起端子２を形成することができる。また第１の開口９ａの径を５００umから９００um程度にするようにしたので、従来に比べて合金の絶対面積を大きくすることができ、それにより接合強度が増し、金属突起端子２の脱落を防ぐことができる。なお、外部端子ピッチが１．２７mmの場合も、上述したように、第１の開口９ａの径を８００umから１２００um程度とし、第２の開口９ａの径を６００um程度とすることで同様の効果が得られる。

さらに、断面凸型のランド開口９の形状に金属突起端子２が倣って括れができることから、図２（ｃ）で示すように、半導体装置が何らかの衝撃を受けた場合のストレスＳが数箇所に分散されるだけでなく、アンカー効果も生まれることとなり、接合強度がより増大し、金属突起端子２の脱落を防ぐことができる。

これらのことにより金属突起端子２の脱落防止を実現できる結果、半導体装置をプリント基板等に実装する二次実装信頼性も向上できる。
図３に示すようなランド開口９を形成してもよい。このランド開口９は、第２の開口９ｂを形成するエッチング時に第２の保護膜１ｆをオーバーエッチングすることにより、絶縁基板１ａ側よりも最表面部側がより大きく開くテーパーをつけている。第２の保護膜１ｆの厚みが５umから３０um程度であれば、オーバーエッチング量は２umから１０um程度がよい。

この方法によれば、先に図１５を用いて従来のテーパーとは逆向きのテーパーがつけられるため、金属突起端子２にできる括れ部へのストレスは従来法では集中するのに対し、ここでは図４に示すように分散する方向に働く。従って、金属突起端子２の脱落防止および二次実装信頼性向上に非常に効果的である。

図５（ａ）（ｂ）に示すように、第２の開口９ｂだけでなく、第１の開口９ａも同様に２umから１０um程度オーバーエッチングして、絶縁基板１ａ側よりも最表面部側がより大きく開くテーパーをつけることにより、二段テーパーにすればアンカーとなる角度が一段テーパーと比べて大きくなり更に効果的である。

図示したように、第１の開口９ａの最大寸法よりも第２の開口９ｂの最小寸法を小さくすれば、このランド開口９部分に仮想線で示すように金属突起端子２を形成した場合には、ランド開口９の形状に倣って括れができる。これにより、半導体装置が何らかの衝撃を受けた場合のストレスが分散されることと、アンカー効果とにより、接合強度がより増大し、金属突起端子２の脱落をより効果的に防ぐことができる。

本発明は、ＢＧＡ、ＬＧＡなどのパッケージ半導体装置の小型化、実装信頼性向上を実現できるものであり、電子機器の小型化、高性能化に有用である。

本発明の一実施形態の回路基板の製造方法を説明する断面図 図１の回路基板のランド部における金属突起端子の形成および衝撃ストレスのイメージ図 本発明の他の実施形態の回路基板のランド部の断面図 図３のランド部に設けた金属突起端子の衝撃ストレスのイメージ図 本発明の他の実施形態の回路基板のランド部の断面図 従来よりあるＰＢＧＡタイプの半導体装置の断面図 図６の半導体装置の端子面の平面図 従来よりあるＦＢＧＡタイプの半導体装置の断面図 従来の回路基板の製造時における一般的なランド開口形成フローを説明する断面図 図９の回路基板のランド部における金属突起端子の形成および脱落のイメージ図 基板保護膜２層タイプの従来の回路基板のランド開口の形状を説明する断面図 基板保護膜２層タイプの従来の回路基板の製造時にマスクずれが発生した場合のランド開口の形状を説明する断面図 基板保護膜２層タイプの従来の回路基板の他のランド開口の形状を説明する断面図 従来の回路基板の製造時における他のランド開口形成フローを説明する断面図 従来法により等方向エッチングされたランド開口およびそこに設けられた金属突起端子の衝撃ストレスのイメージ図

符号の説明

１ 回路基板
１a 絶縁基板
１b 金属配線層
１c，１d 金属めっき
１e 第一の保護膜
１f 第二の保護膜
２ 金属突起端子
３ 樹脂部
４ 半導体素子
５ 金属細線
７ 合金層
８ マスク
９ ランド開口
１０ 金属ボール
Ｓ 衝撃ストレス

Claims (5)

1. 絶縁基板と、前記絶縁基板上に形成された金属配線層と、前記絶縁基板と前記金属配線層上に形成され、前記金属配線層の所定部分を露出させる開口部を有する基板保護膜とを備え、前記基板保護膜の開口部は、第一の基板保護膜に形成された第１の開口と前記第一の基板保護膜上に積層された第二の基板保護膜に形成された第２の開口とよりなり、前記第１の開口よりも第２の開口の開口寸法が小さいことによって段差が形成されていることを特徴とする回路基板。
2. 最表面側の基板保護膜がフィルムレジストで形成されていることを特徴とする請求項１記載の回路基板。
3. 基板保護膜の開口部における最表面部近傍の開口形状が金属配線層寄りほど狭まったテーパー状であることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の回路基板。
4. 請求項１記載の回路基板を製造する際に、絶縁基板上に金属配線層を形成する工程と、前記絶縁基板と前記金属配線層上に液状またはフィルム状の第一の基板保護膜を配置し、露光、現像およびエッチングして、前記金属配線層の所定部分を露出させる第１の開口を形成する工程と、前記第一の基板保護膜上にフィルム状の第二の基板保護膜を配置し、露光、現像およびエッチングして、前記第１の開口よりも開口寸法が小さくて前記第１の開口との間に段差をなす第２の開口を形成する工程とを行うことを特徴とする回路基板の製造方法。
5. 請求項１記載の回路基板と、前記回路基板上に搭載され電気的に接続された半導体素子と、前記半導体素子およびその電気的接続部を覆って保護する樹脂部と、前記回路基板の基板保護膜の開口部から露出した金属配線層上に加熱溶融によって接合された金属突起電極とを有することを特徴とする半導体装置。

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