JP2010010442A

JP2010010442A - 配線基板の製造方法

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Publication number: JP2010010442A
Application number: JP2008168617A
Authority: JP
Inventors: Mototoshi Nishizawa; 元亨西沢; Nawalage Florence Cooray; フローレンスクーレイナワラゲ
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2008-06-27
Filing date: 2008-06-27
Publication date: 2010-01-14
Anticipated expiration: 2028-06-27
Also published as: JP5206154B2

Abstract

【課題】配線基板の製造方法に関し、基板電極に予備はんだを印刷プリコート法で形成する際に、ブリッジを発生させることなく、且つ、均一なはんだ量の予備はんだを予め定めた位置に再現性良く形成する。
【解決手段】基板上に形成された電極領域に末端基としてチオール基を有する有機物を付与する工程と、前記基板の表面に疎水性を付与する工程と、次いで、前記有機物を除去する工程と、次いで、前記電極領域にはんだを付着する工程とにより配線基板を製造する。
【選択図】図３

Description

本発明は配線基板の製造方法に関するものであり、例えば、半導体チップを実装するために形成された狭ピッチのペリフェラル電極上にはんだ接合に必要な量の予備はんだ層を再現性良く形成するための構成に関するものである。

近年、電子機器の小型化・高性能化に伴い、表面実装する電子部品の端子ピッチの微細化が進んでいる。特に、携帯電話やデジタルカメラ、デジタルビデオなどの民生向け小型機器においては、多ピンＬＳＩ（大規模集積回路装置）の実装は、ＬＳＩの外周部に配置されたスタッドバンプと回路基板に形成された基板電極とをフリップチップ接合により直接接続することが一般的になってきている。

基板電極とＬＳＩのＡｕスタッドバンプとを接合する場合、封止樹脂を硬化させる時に発生する接圧力によって接合する圧接方式がある。しかし、この圧接方式では、大きな接合加重が必要で、パッドピッチ微細化に伴い位置ずれが発生し、また、基板電極とスタッドバンプは金属結合を持たないため、アンダーフィル樹脂が劣化すると、接圧力低下によるオープンが発生してしまう。

一方で、基板電極に予め予備はんだを形成しておき、ＬＳＩのＡｕスタッドバンプとの間でＡｕはんだ接合を行う方法もある。代表的なものにスーパージャフィット（ＳＪ）法がある（例えば、特許文献１参照）。ＳＪ法では、プリント基板電極部にのみ粘着性を付与させ、この粘着力によって半田粉を電極上のみに付着させ、フラックスを塗布してリフローすることで、予備はんだを形成している。

また、従来のペースト印刷法と同様に、メタルマスクを用いて周囲のソルダーレジスト領域を含む広い範囲にペースト印刷を行い、その後のリフロー、洗浄によって各電極への予備はんだを形成する所謂全面印刷プリコート法も提案されている（例えば、特許文献２或いは非特許文献１参照）。

ここで、図６及び図７を参照して、従来の全面印刷プリコート法を説明する。例えば、まず、図６（ａ）に示すような基板４１にストレート型のペリフェラル基板電極４２を設けたペリフェラル基板４０に対して、図６（ｂ）に示すようにはんだペースト４４を全面に印刷する。なお、この時、はんだペースト４４を印刷する前にストレート型のペリフェラル基板電極４２の両端部をソルダーレジスト４３で覆っておく。

次いで、図６（ｃ）に示すようにリフロー処理を行ってストレート型のペリフェラル基板電極４２の上に予備はんだ層４５を形成したのち、図６（ｄ）に示すように洗浄処理してはんだペースト４４の残渣４６を除去することによってはんだをプリコートしたペリフェラル基板４０が得られる。

この時、図７（ａ）に示すように、ストレート型のペリフェラル基板電極４２を６０μｍピッチで設けたペリフェラル基板４０において、ストレート型のペリフェラル基板電極４２の電極長さをＬ、電極幅をＷとした時、Ｌ／Ｗ≦４の場合に、プリコート形状が悪化（欠落）することなく予備はんだ層４５が形成できることが報告されている。

さらに、図７（ｂ）に示すように、プリコート形状の安定化のために、Ａｕスタッドバンプとの接合箇所のみ電極幅の大きい幅太のパッド部４８を形成したＨＶ（ＨｉｇｈＶｏｌｕｍｅ）タイプのペリフェラル基板電極４７も提案されている。

このＨＶ型のストレート型のペリフェラル基板電極４７において、全体の電極長さをＬ_１、主要部の電極幅をＷ、幅太のパッド部４８の電極長さをＬ_２、幅太のパッド部４８の電極幅をＷ_２とした場合、Ｌ_２／Ｌ_１が０．５程度の比率において、好ましいはんだプリコートができ、はんだ高さ１５μｍ、標準偏差２μｍの予備はんだ層４５が形成可能であることが報告されている。なお、この時、Ｗ_１＝２０μｍ、Ｗ_２＝３０〜３５μｍにしている。
特開平０９−０３６５３３号公報特開２００８−０８０３９６号公報ＨＡＲＩＭＡＱｕａｒｔｅｒｌｙ，Ｎｏ．９１，ｐ．１−６，２００７

しかし、高集積化のために電極ピッチがさらに狭くなると、上述の特許文献２に示されるように、封止樹脂へのボイド発生防止などの観点から、基板表面の電極を表層のソルダーレジスト内に埋め込んだ、基板表面の電極の段差のほとんどない表面電極埋め込み（フラット）基板が使用される。

このようなフラット基板に上述した全面印刷プリコート法を適用する場合、リフロー時に、溶媒の粘性が下がり、ペーストの状態で一箇所に集まったり、ペースト中の有機成分が蒸発した後に、溶融したはんだが一箇所に集まってしまうという問題があるので、この事情を図８を参照して説明する。

図８に示すように、基板４１上に所定ピッチで設けたストレート型のペリフェラル基板電極４２をソルダーレジスト４３で埋め込んだペリフェラル基板４０に全面印刷プリコート法を適用すると、ペーストの状態で一箇所に集まったり、ペースト中の有機成分が蒸発した後に、溶融したはんだが一箇所に集まってしまうことにより、冷却後、各ストレート型のペリフェラル基板電極４２に形成される予備はんだ層４５の量や高さが均一にならない。また、はんだブリッジ４９が発生してしまうという課題もある。

この様なストレート型のペリフェラル基板電極４２に全面印刷プリコート法で予備はんだ層４５を形成する際、電極パッド部に効率的にはんだを集め、かつ互いに隣接するストレート型のペリフェラル基板電極４２間のはんだブリッジ４９を防ぐためには、基板樹脂部を疎水性を有するシランカップリング剤で疎水処理することが簡易かつ有効である。

しかしながら、このようなシランカップリング剤を用いて樹脂基板表面の樹脂部分のみを疎水性付与可能な物質で修飾する場合、隣接する電極部まで疎水化されてしまい、ペースト印刷後にリフローした際に、ペーストの金属成分が効率的に電極上に集まらないという問題が発生する。

したがって、本発明は、基板電極に予備はんだを全面印刷プリコート法で形成する際に、ブリッジを発生させることなく、且つ、均一なはんだ量の予備はんだを予め定めた位置に再現性良く形成することを目的とする。

本発明の一観点からは、基板上に形成された電極領域に末端基としてチオール基を有する有機物を付与する工程と、前記基板の表面に疎水性を付与する工程と、次いで、前記有機物を除去する工程と、次いで、前記電極領域にはんだを付着する工程とを有することを特徴とする配線基板の製造方法が提供される。

開示の配線基板の製造方法によれば、微細電極の特定箇所のみに予備はんだ層を堆積することができ、各電極への予備はんだ量の均一化が図れるとともに、はんだブリッジを防止することができる。それによって、従来不可能であった狭い電極ピッチへの予備はんだ形成が可能となり、半導体装置の高性能化に寄与するところが大きい。

ここで、本発明の実施の形態を説明するが、本発明は、樹脂と基板電極とが微細ピッチで、交互に配列する状態の基板表面の樹脂部を疎水化するとともに、電極部のみを選択的に親水化することにより、微細ピッチ電極への予備はんだを形成するものであるので、図１乃至図４を参照して説明する。

図１乃至図３は、本発明の実施の形態の配線基板の製造方法の工程説明図であり、まず、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、ベースを樹脂で形成した多層配線基板１１の表面にペリフェラル基板電極１２を設けるとともに、ペリフェラル基板電極１２の周囲をソルダーレジスト１３で埋め込むことによってペリフェラル基板１０を構成する。

この場合、図１（ａ）に示すように、ペリフェラル基板電極１２は多層配線基板１１の表面に、後にフリップチップボンディングする半導体チップに設けたペリフェラル電極、例えば、Ａｕスタッドバンプに対応した位置に所定のピッチで設ける。

また、このペリフェラル基板電極１２はストレート型でも良いし、或いは、ＨＶ型でも良いが、全体として長尺パターンになるように形成する。このように、長尺パターンとすることによって、後述するリフロー工程において溶融したはんだが表面張力により丸まって中央部に集まるので、ペリフェラル基板電極１２の幅が狭くなってもＡｕスタッドバンプとの接合位置に形成する予備はんだ層を十分な高さに形成することができる。

次いで、図１（ｃ）に示すように、ペリフェラル基板１０の表面全体をＯ_２プラズマ処理することによって、ソルダーレジスト１３の表面に水酸基（−ＯＨ）を付与して、後工程におけるシランカップリング剤の付与を容易にする。
その後、Ｏ_２プラズマ処理することによって、ペリフェラル基板電極１２の表面に生じた酸化膜を除去する。

次いで、図２（ｄ）に示すように、ペリフェラル基板１０の表面全体にチオールの単分子膜１４を形成する。この時、チオールの単分子膜１４はペリフェラル基板電極１２の表面上にのみに選択的に付与されることになる。

次いで、図２（ｅ）に示すように、ペリフェラル基板電極１２の中央部の予備はんだを付けたい箇所以外のチオールの単分子膜１４をＵＶ照射により除去して、ペリフェラル基板電極１２の中央部以外の表面を露出させる。

次いで、図２（ｆ）に示すように、疎水性のシランカップリング剤１５を基板表面全体に付与する。この時、チオールの単分子膜１４が付与された箇所はチオールの先端のアルキル基がシランカップリング剤１５との結合を阻害するためマスクとなり、チオールの単分子膜１４が付与された箇所にはシランカップリング剤１５が付着しない。

次いで、図３（ｇ）に示すように、再び、ＵＶ照射を行うことによってマスクとなっていたチオールの単分子膜１４を除去してペリフェラル基板電極１２の中央部を露出させる。次いで、図３（ｈ）に示すように、ペリフェラル基板電極１２と、ペリフェラル基板電極１２の間に設けたソルダーレジスト１３からなる電極領域にはんだペースト１６を全面印刷する。

次いで、図３（ｉ）に示すように、はんだペースト１６をリフロー処理することによりペリフェラル基板電極１２の中央部に予備はんだ層１７を形成する。図３（ｊ）は予備はんだ形成後の概略的要部断面図であり、ＨＶ型のペリファラル基板電極１２の中央部のみに予備はんだ層１７が均一に形成されることになる。

この実施の形態におけるチオール基を有する化合物としては、一般式Ｃ_n Ｘ_2n-_1ＳＨ（３≦ｎ≦２０、Ｘ＝ＨまたはＦ）で表されるアルカンチオールを用いる。アルカンチオールとしては、例えば、プロパンチオール、ブタンチオール、ペンタンチオール、ヘキサンチオール、ヘプタンチオール、オクタンチオール、ノナンチオール、デカンチオール、ウンデカンチオール、または、これらの水素の一部または全部がフッ素で置換された有機化合物が挙げられる。

また、チオール基を有する化合物に代わる使用可能な化合物としては、一般式（Ｃ_n Ｈ_2n+1）_m ＮＨ_3-m（３≦ｎ≦２０、ｍ＝１，２）で表されるアミン類を用いることができる。このようなアミン類としては、例えば、プロピルアミン、ブチルアミン、ペンチルアミン、ヘプチルアミン、オクチルアミン、ノニルアミン、ジエチルアミンやこれらの構造異性体、有機セレン分子、有機テルル分子、ニトリル化合物などが挙げられる。

また、疎水性のシランカップリング剤としては、フッ素化シランカップリング剤が好適である。フッ素化シランカップリング剤としては、例えば、ＳＩＰ６７１６．３、ＳＩＴ８１７０．０、ＳＩＴ８１７４．０、ＳＩＴ８１７５．０（いずれもＧＥＬＥＳＴＩｎｃ．社製商品型番）などが挙げられる。

また、フッ素化シランカップリング剤以外の使用可能なカップリング剤としては、ＲＳｉＸ₃ 、Ｒ₂ ＳｉＸ₂ 、Ｒ₃ ＳｉＸなどが挙げられる。ここで、Ｒはメチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、ターシャリブチル基等のアルキル基、Ｘはメトキシ基、エトキシ基等のアルコキシ基または塩素等のハロゲン置換基である。

また、はんだペーストとしては狭いピッチ化に対応するために、最大粒径が２０μｍ以下で、融点が２５０℃以下の金属粒子を含んだはんだペーストを用いる。入手容易性等の観点からはＳｎはんだペーストが典型的なものである。

以上を前提として、次に、図１乃至図３を借用して本発明の実施例１の配線基板の製造方法を説明する。まず、図１（ｂ）に示すように、ペリフェラル基板１０として電極ピッチが４０μｍのフリップチップ接合用のＣｕ製のペリフェラル基板電極１２を有する京セラＳＬＣ社製の樹脂基板を用意する。この樹脂基板においてはペリフェラル基板電極１２とその周囲を埋め込むソルダーレジスト１３の高さが等しくなっている。

次いで、図１（ｃ）に示すように、ペリフェラル基板１０全体を真空チャンバー中で酸素プラズマ処理を行うことにより樹脂基板表面のソルダーレジスト１３の表面に−ＯＨ基を付与する。なお、この時の処理条件は、Ｏ₂ 圧力を１０Ｐａとし、印加電力を１００Ｗとして、例えば、１０分間酸素プラズマ中に晒す。
次いで、ペリフェラル基板１０の表面を、例えば、５％の濃度の塩酸でで処理することによって、ペリフェラル基板電極１２の表面に形成された酸化膜を除去する。

次いで、図２（ｄ）に示すように、ペリフェラル基板１０全体を、末端基にチオール基を含む有機物である、例えば、１１−メルカプトウンデカン酸の２％エタノール水溶液に１時間浸漬することでＣｕ製のペリフェラル基板電極１２全体にチオアルコールの単分子膜１４を付与する。

次いで、図２（ｅ）に示すように、チオアルコールの単分子膜１４を残したい部分をマスクしてＵＶ露光することで、必要箇所以外のチオアルコールの単分子膜１４を除去する。なお、このＵＶ露光において、例えば、波長が１７２ｎｍのＸｅエキシマランプを用いて、光強度８．４ｍＷ／ｃｍ² で２０分間照射する。

次いで、図２（ｆ）に示すように、ペリフェラル基板１０全体を、例えば、フッ素含有シランカップリング剤のエタノール溶液に浸漬することで、ペリフェラル基板電極１２のチオアルコール形成箇所以外の箇所にフッ素化シランカップリング剤からなるシランカップリング剤１５を付与する。

次いで、図３（ｇ）に示すように、再び、ＵＶ露光することによってマスクとして作用したチオアルコールの単分子膜１４を除去してペリフェラル基板電極１２の中央部の表面を露出させる。なお、このＵＶ露光においても、例えば、波長が１７２ｎｍのＸｅエキシマランプを用いて、光強度８．４ｍＷ／ｃｍ² で２０分間照射する。

次いで、図３（ｈ）に示すように、例えば、最大粒径が２０μｍ以下で平均粒径０．１μｍのＳｎナノ粒子３．０ｇ、臭化水素酸エチルアミン０．３ｇ、グリセリン１．５５ｇ、水０．１５ｇを混ぜ、ロールミルを用いて２時間混練することで作製したＳｎペーストをはんだペースト１６をスクリーン印刷法により電極形成領域に対して全面印刷する。

次いで、はんだリフロー装置を用いて、例えば、２５０℃で３０秒の条件でＮ₂ フロー処理を行う。リフロー処理後の基板を、例えば、イソプロパノールで洗浄し、さらに、濃度３％の塩酸水溶液で洗浄することにより、残渣ならびに基板ソルダーレジスト上に残ったＳｎ粒子を除去する。

以上の処理により、図３（ｉ）及び（ｊ）に示すようにペリフェラル基板電極１２の接合部電極パッドとなる中央部の上には、平均高さ約１０．０μｍのＳｎからなる予備はんだ層１７が形成された。この場合、予備はんだ層１７の高さは±１μｍ以内のばらつき内にあり、はんだブリッジは発生しなかった。

次に、本発明の効果を検証するために比較試料を作製した。
〔比較例〕
京セラＳＬＣ社製の、実施例と同じ基板を用い、上述の実施例１で説明した表面処理をせずに、実施例と同じ組成のＳｎペーストをスクリーン印刷法により印刷する。印刷後、はんだリフロー装置を用いて、２５０℃、３０秒の同じ条件でＮ2 リフロー処理を行う。リフロー処理後の基板をイソプロパノールで洗浄し、さらに、濃度３％の塩酸水溶液で洗浄する実施例１と同じ洗浄条件で洗浄することにより、残渣ならびに基板ソルダーレジスト上に残ったＳｎ粒子を除去した。

図４は、比較例の構成説明図であり、図４（ａ）は概念的平面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）におけるＡ−Ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った概念的断面図である。図に示すように、このペリフェラル基板１０においては、一部のペリフェラル基板電極１２上のみに直径３０μｍ以上のＳｎ粒子２１が堆積し、その両隣の電極上には、Ｓｎ層２２の堆積が１μｍ以下であった。また、はんだブリッジ２３が多数観察された。

このように、本発明の実施例１においては、予備はんだ層１７を形成する以外の領域を疎水性にしているので、ペリフェラル基板電極１２の接合部電極パッドとなる中央部の上のみに、均一な高さの予備はんだ層１７を再現性良く形成することができる。

また、予備はんだ層１７を形成する以外の領域を疎水性にする際に、マスク剤としてそれ自体が疎水性であり、且つ、ＵＶ照射により容易に除去が可能な末端基にチオール基を有する有機物を使用しているので、疎水化工程が簡素化される。なお、この末端基にチオール基を有する有機物は、疎水性を有するシランカップリング剤を選択的に形成するためのマスクの作用をするだけであるので単分子膜で十分である。

以降は、図５（ａ）に示すように、再び、酸素プラズマ処理することにより、シランカップリング剤１５を除去する。この時の酸素プラズマ処理条件もＯ₂ 圧を１０Ｐａとして、１００Ｗの電力で１０分間とする。このように、シランカップリング剤１５をペリフェラル基板１０の表面から除去することによって表面が親水性となるので、次のアンダーフィル工程においてアンダーフィルの注入が容易になる。

次いで、図５（ｂ）に示すように、Ａｕスタッドバンプ３１を形成したＬＳＩチップ３０をフリップチップボンディングして、Ａｕスタッドバンプ３１と予備はんだ層１７とをはんだ接合させる。次いで、ＬＳＩチップ３０とペリフェラル基板１０との間にエポキシ樹脂等のアンダーフィル樹脂３２を注入して熱硬化することによって、半導体パッケージ基板が完成する。

なお、この半導体パッケージ基板は、ペリフェラル基板１０の他方の主面に形成されたＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）等を介してマザーボードに搭載され、このマザーボードが電子機器に取り付けられる。

以上、本発明の実施の形態及び実施例１を説明してきたが、本発明は、実施の形態及び実施例１に示した条件に限られるものではない。例えば、実施例１においては、ペリフェラル基板電極をＨＶ型の電極で構成しているが、ストレート型の電極にも適用されることは言うまでもない。

また、上記の実施例１においては、ペリフェラル基板電極がソルダーレジストで埋め込まれたフラット基板として説明しているが、ペリフェラル基板電極の表面がソルダーレジストの表面より突出した基板にも適用されるものである。

ここで、実施例１を含む本発明の実施の形態に関して、以下の付記を開示する。
（付記１）基板上に形成された電極領域に末端基としてチオール基を有する有機物を付与する工程と、
前記基板の表面に疎水性を付与する工程と、
次いで、前記有機物を除去する工程と、
次いで、前記電極領域にはんだを付着する工程と
を有することを特徴とする配線基板の製造方法。
（付記２）前記電極領域にはんだを付着する工程が、少なくとも前記電極領域と該電極領域の間の基板の表面全面にはんだペーストを設ける工程と、次いで、はんだペーストをリフローする工程とを含むことを特徴とする付記１に記載の配線基板の製造方法。
（付記３）前記はんだペーストが、最大粒径が２０μｍ以下で、融点が２５０℃以下の金属粒子を含むペーストであることを特徴とする付記２に記載の配線基板の製造方法。
（付記４）前記有機物の除去を、紫外線照射により行うことを特徴とする付記１乃至３に記載の配線基板の製造方法。
（付記５）前記有機物は、少なくともアルキル基またはフッ素化アルキル基を有する骨格を含むことを特徴とする付記１乃至４のいずれか１に記載の配線基板の製造方法。
（付記６）前記有機物は、単分子膜として付与されることを特徴とする付記５に記載の配線基板の製造方法。
（付記７）前記疎水性を付与する工程は、疎水性を有するシランカップリング剤を付与する工程であることを特徴とする付記１乃至６のいずれか１に記載の配線基板の製造方法。
（付記８）前記疎水性シランカップリング剤が、フッ素化シランカップリング剤であることを特徴とする付記７に記載の配線基板の製造方法。
（付記９）前記有機物を付与する工程の前処理として、前記基板の表面に水酸基を付与する工程を有することを特徴とする付記１乃至８のいずれか１に記載の配線基板の製造方法。
（付記１０）前記水酸基を付与した後に、前記電極の表面に生じた酸化膜を除去する工程を有することを特徴とする付記９に記載の配線基板の製造方法。

本発明の実施の形態の配線基板の製造方法の途中までの工程説明図である。本発明の実施の形態の配線基板の製造方法の図１以降の途中までの工程説明図である。本発明の実施の形態の配線基板の製造方法の図２以降の工程説明図である。比較例の構成説明図である。半導体パッケージ基板の製造工程の工程説明図である。従来の全面印刷プリコート法の工程説明図である。予備はんだ層のプリコート状態のペリフェラル基板電極の形状依存性の説明図である。従来の問題点の説明図である。

符号の説明

１０ペリフェラル基板
１１多層配線基板
１２ペリフェラル基板電極
１３ソルダーレジスト
１４単分子膜
１５シランカップリング剤
１６はんだペースト
１７予備はんだ層
２１Ｓｎ粒子
２２Ｓｎ層
２３はんだブリッジ
３０ＬＳＩチップ
３１Ａｕスタッドバンプ
３２アンダーフィル樹脂
４０ペリフェラル基板
４１基板
４２ペリフェラル基板電極
４３ソルダーレジスト
４４はんだペースト
４５予備はんだ層
４７ペリフェラル基板電極
４６残渣
４８パッド部
４９はんだブリッジ

Claims

基板上に形成された電極領域に末端基としてチオール基を有する有機物を付与する工程と、
前記基板の表面に疎水性を付与する工程と、
次いで、前記有機物を除去する工程と、
次いで、前記電極領域にはんだを付着する工程と
を有することを特徴とする配線基板の製造方法。
前記有機物の除去を、紫外線照射により行うことを特徴とする請求項１に記載の配線基板の製造方法。
前記有機物は、少なくともアルキル基またはフッ素化アルキル基を有する骨格を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の配線基板の製造方法。
前記疎水性を付与する工程は、疎水性を有するシランカップリング剤を付与する工程であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の配線基板の製造方法。
前記有機物を付与する工程の前処理として、前記基板の表面に水酸基を付与する工程を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の配線基板の製造方法。