JP2009212160A

JP2009212160A - 配線基板およびその製造方法

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Publication number: JP2009212160A
Application number: JP2008051229A
Authority: JP
Inventors: Masateru Shimogai; 昌輝下雅意
Original assignee: Kyocera SLC Technologies Corp
Current assignee: Kyocera SLC Technologies Corp
Priority date: 2008-02-29
Filing date: 2008-02-29
Publication date: 2009-09-17

Abstract

【課題】配線基板と半導体素子または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３，４と、絶縁基板１の表面および半田接続パッド３，４の外周部に被着されており、半田接続パッド３，４の中央部を露出させる開口部５ａ，５ｂを有するソルダーレジスト層５と、開口部５ａ，５ｂ内に露出する半田接続パッド３，４に被着された錫めっき層６とを具備して成る配線基板であって、半田接続パッド３，４は開口部５ａ，５ｂ内に露出する部位の厚みが開口部５ａ，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半導体素子と接続するための半田バンプが、外部接続用の半田接続パッドであれば外部電気回路基板の配線導体と接続するための半田ボールを取着するための下地となる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れる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、外部接続用の半田接続パッド上に被着される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が被着されることとなる。

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金属間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金属間化合物層から破断が生じ易く、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、半田接続パッドを構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金属間化合物が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た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配線基板を得ることができる。

しかしながら、従来、半導体素子を配線基板に接続したり配線基板を外部電気回路基板に接続したりするために使用される半田としては、鉛−錫半田が一般的であったものの、近時においては、環境への配慮から鉛を含有しない鉛フリー半田が多用されるようになってきている。ところが、鉛フリー半田は、従来の鉛含有半田に比べて銅から成る半田接続パッドに対する濡れ性が劣っており、そのため半田接続パッドの全面に良好に濡れ広がりにくい。そこで、銅から成る半田接続パッドの表面に錫めっき層を被着させ、その錫めっき層上に半田を供給して加熱溶融させることにより半田接続パッド上に半田を良好に濡れ広がらせて半田バンプや半田層を形成する技術が採用されるようになってきている。なお、半田接続パッドの表面に錫めっき層を被着させるには一般的に置換めっき法が用いられる。

しかしながら、銅から成る半田接続パッドの表面に錫めっき層を置換めっき法により被着させると、錫と銅との置換反応により半田接続パッドを構成する銅の一部が溶出し、それにより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、半田接続パッドとソルダーレジスト層の間に隙間が形成されたりしてしまう。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、配線基板と半導体素子または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。
特開平８−１８１４２３号公報特開２００６−１７３１４３号公報

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、半田接続パッドに錫めっき層が被着されていても、半田接続パッドを構成する銅の溶出に起因して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発生することがなく、その結果、配線基板と半導体素子または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錫めっき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錫めっき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、半田接続パッドに錫めっき層が被着されていても、半田接続パッドにおける銅の溶出は嵩上げされた部分にのみ発生し、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接続パッドとソルダーレジスト層との間に隙間が形成されることが有効に防止される。その結果、配線基板と半導体素子または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実施形態例を示す概略断面図であり、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は錫めっき層である。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の下面にはそれぞれ外部電気回路基板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および外部接続用の半田接続パッド４には錫めっき層６がそれぞれ置換めっき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８を有している。そして、その上下面および各貫通孔８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８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８内面の配線導体２は、絶縁層１ａに貫通孔８を設けた後に、この貫通孔８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８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９が充填されている。孔埋め樹脂９は、貫通孔８を塞ぐことにより貫通孔８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８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９を含む絶縁層１ａの上下面に絶縁層１ｂがこの例ではそれぞれ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１０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１０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１０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１０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１０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、最表層の配線導体２の一部として外部に露出するように形成されている。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機能し、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、最外層の絶縁層１ｂの表面に配線導体２を形成する際にセミアディティブ法による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および外部接続用の半田接続パッド４の表面に被着された錫めっき層６は、これらの半田接続パッド３，４と半田との濡れ性を向上させるための下地金属層として機能し、これらの錫めっき層６を介して半導体素子接続用の半田接続パッド３には半田バンプが被着され、外部接続用の半田接続パッド４には半田層が被着される。このように、本発明の配線基板においては、半田接続パッド３，４の表面に錫めっき層６が被着されていることから、これらの半田接続パッド３，４と半田との濡れ性が向上し、それにより半田接続パッド３，４に半田バンプや半田層を良好に被着させることができる。そして、半田接続パッド３に被着される半田バンプに半導体素子の電極を接触させた状態でその半田バンプを溶融させることにより半導体素子の電極と半田接続パッド３とが電気的に接続され、外部接続用の半田接続パッド４に被着させた半田層上に半田ボールを溶着し、そ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、配線基板が外部電気回路基板上に実装される。

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、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。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の絶縁層１ｂへの接合強度を大きなものとする作用をなす。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絶縁層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絶縁層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、本発明の配線基板においては、図２（ａ），（ｂ）に要部拡大断面図で示すように、半田接続パッド３，４におけるソルダーレジスト層５の開口部５ａ，５ｂ内に位置する部位の厚みが開口部５ａ，５ｂの高さの途中まで嵩上げされており、さらにその上に錫めっき層６が被着されている。これにより、錫めっき層６が置換めっき法により被着されていても、半田接続パッド３，４における銅の溶出は嵩上げされた部分に発生し、半田接続パッド３，４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接続パッド３，４とソルダーレジスト層５との間に隙間が形成されることが有効に防止される。したがって、配線基板と半導体素子または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３，４におけるソルダーレジスト層５の開口部５ａ，５ｂ内に位置する部位の厚みを開口部５ａ，５ｂの高さの途中まで嵩上げするには、最外層の絶縁層１ｂの表面に半田接続パッド３，４を形成した後、絶縁層１ｂの表面および半田接続パッド３，４の外周部に、半田接続パッド３，４の中央部を露出させる開口部５ａ，５ｂを有するソルダーレジスト層５を形成し、次に開口部５ａ，５ｂ内に露出する半田接続パッド３，４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。そして、この嵩上げされた半田接続パッド３，４の表面に錫めっき層６を置換めっき法により被着させることにより本発明の配線基板が完成する。

なお、半田接続パッド３，４におけるソルダーレジスト層５の開口部５ａ，５ｂ内に位置する部位の嵩上げの高さが１μｍ未満であると、半田接続パッド３，４に錫めっき層６を被着させた際に銅の溶出により半田接続パッド３，４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接続パッド３，４とソルダーレジスト層５との間に隙間が形成されてしまう危険性が高くなる。また１０μｍを超えると、そのような厚みに嵩上げするのに長時間を要してしまう。したがって、半田接続パッド３，４におけるソルダーレジスト層５の開口部５ａ，５ｂ内に位置する部位の嵩上げの高さは１μｍ以上、特には１〜１０μｍの範囲が好ましい。

かくして、本発明によれば、銅から成る半田接続パッドに錫めっき層が被着されていても、銅の溶出に起因するクラックの発生が有効に防止され、その結果、配線基板と半導体素子または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。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実施形態例を示す概略断面図である。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：錫めっき層

Claims

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錫めっき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。
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錫めっき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。