JP2010109068A - 配線基板および配線基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】穴部内の配線層上に形成された金属層の厚みの差が小さい配線基板を提供する。
【解決手段】配線基板（１）は、穴部（４）が形成された絶縁基板（２）と、穴部（４）の内壁面に形成された配線用の導体層（３）と、導体層（３）上に形成された金属層（５）とを有する。金属層（５）は、厚みが０．１〜１．０μｍの電解めっき層（５ａ）と、電解めっき層（５ａ）上に形成された、該電解めっき層（５ａ）と同一の材料を含む無電解めっき層（５ｂ）とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばセラミックスなどの絶縁基板に配線層を形成した半導体素子収納用パッケージなどの配線基板および配線基板の製造方法に関する。

従来、配線基板、例えば半導体素子を収容するための半導体素子収納用パッケージに用いられる配線基板は、耐熱性、耐久性、信頼性の点から広くセラミックスが用いられる。セラミック配線基板は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体を絶縁基体とし、その表面又は内部にタングステン若しくはモリブデン等の高融点金属、または銅若しくは銀などの低抵抗金属等から成る配線層を形成している。

また、従来の配線基板は、金属粉末から成る配線層が酸化腐蝕することを抑制するとともに配線層とボンディングワイヤとの接続、及び配線層と外部電気回路基板の配線導体との接続を良好にするために、配線層の露出表面に、耐食性に優れ且つボンディングワイヤおよび半田との接合性に優れる金が形成されることが多い。

しかし、配線層と金とは直接には強固に密着しにくく、配線層に金を直接形成すると金層にわずかな外力が印加されただけで金層が配線層から容易に剥離してしまい、配線層の酸化腐食を有効に防止できなくなってしまうとともに配線層とボンディングワイヤ並びに配線層と外部電気回路基板の配線導体とを強固に接続することができなくなってしまう。

そこで、一般的に配線層を構成する金属粉末と金層の両方に強固に密着するニッケルなどから成る接合層を配線層表面に形成し、このニッケルなどから成る接合層上に金層を形成する。

接合層や金などを形成する方法として、スパッタリングや蒸着、ＣＶＤなどの手法があるが、生産性が良いことなどから広くめっきが用いられる。（例えば、特許文献１参照）
特開１９９６−２１３４９８号公報

しかし、アスペクト比の大きい穴部を有し、そのような穴部に配線層が形成されている配線基板においては、穴部内の配線層表面に接合層が所望の位置に所望の厚さで均一に形成できないという課題があった。例えば、接合層を電解めっきで形成する場合、穴部の開口部に電流密度が集中し、穴部の底部では電流密度が低い。穴部内に存在するめっき液中の金属イオンの析出量は電流密度に比例するため、接合層は、穴部の開口部において厚みが厚くなり、穴部の底部では極端に厚みが薄くなる。上述の様に、接合層を電解めっきで形成する場合、接合層が均一に形成できないといった問題が発生していた。穴部の内面において接合層の厚みの差が大きいと、例えば、穴部にピンを差し込むことにより配線基板に電子部品を実装するＰＧＡ実装を行う際に、実装信頼性が低下するという問題があった。

また、接合層を無電解めっきで形成する場合、触媒としてパラジウムなどを配線層に付着させる必要があるが、触媒が穴部の内部に残留し、配線層以外の部分にもめっきが掛かるなどの問題が発生していた。これは、特に数μｍの厚みを必要とする接合層において、実装信頼性の観点から問題となっていた。

本発明は、上記欠点に鑑み案出されたもので、その目的は、穴部内の配線層上に形成された金属層の厚みの差が小さい配線基板およびその製造方法を提供することにある。

本発明の配線基板は、穴部が形成された絶縁基板と、前記穴部の内壁面に形成された配線用の導体層と、前記導体層上に形成された、厚みが０．１〜１．０μｍの電解めっき層と、前記電解めっき層上に形成された、該電解めっき層と同一の材料を含む無電解めっき層とを備える。

本発明の配線基板において、好ましくは、前記導体層は前記穴部の底面に形成され、前記底面に形成された前記導体層上に、前記電解めっき層および前記無電解めっき層が順に形成されている。

本発明の配線基板において、好ましくは、前記穴部は、アスペクト比が１より大きい。

本発明の配線基板において、好ましくは、前記電解めっき層は、前記導体層よりも厚みが小さい。

本発明の配線基板の製造方法は、穴部が形成されたセラミックグリーンシートの積層体を準備する工程と、前記穴部の内壁面に、焼成後に導体層となる導体ペーストを塗布する工程と、前記導体ペーストが塗布された前記積層体を焼成する工程と、前記導体層上に厚みが０．１〜１．０μｍの電解めっき層を形成する工程と、前記電解めっき層上に該電解めっき層と同一の材料を含む無電解めっき層を形成する工程とを有する。

本発明の配線基板によれば、穴部内の配線層上に形成された金属層の厚みの差が小さいことから、例えば、その金属層を接合層として用いた場合に、実装信頼性の高い配線基板を得ることができる。

本発明の配線基板の製造方法によれば、穴部内の配線層上に厚みの差が小さい金属層が形成された配線基板を製造することができる。

以下に、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による配線基板の構成例を示す断面図である。図１に示されるように、本実施の形態による配線基板１は、絶縁基板２と絶縁縁基板２の内部に設けられた導体層３ａと、絶縁基板２の表面に露出した導体層３ｂと、絶縁基板に設けられた穴部４と、穴部４の内壁に形成された導体層３ｃと、導体層３ｂ、３ｃ上に形成された接合層５とを備える。また、この配線基板１を半導体素子収納用パッケージとして用いる場合、半導体素子との接続信頼性の観点から、導体層５上に被覆層６が形成される。なお、以下では、導体層３ａ，３ｂ，３ｃを区別せずに、単に導体層３という場合がある。

絶縁基板２は、セラミックスから成り、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、または炭化珪素質焼結体などの電気絶縁体材料からなる。絶縁基板２が酸化アルミニウム質焼結体から成る場合には、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、シリカ（ＳｉＯ_２）、カルシア（ＣａＯ）、及びマグネシア（ＭｇＯ）等の原料粉末に有機バインダ及び有機溶剤などを混合したセラミックスラリーを従来周知のドクターブレード法若しくはカレンダーロール法等を採用し、支持体の表面部にシート状に成形することによってセラミックグリーンシートを得、次にセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともに必要に応じて複数枚積層し、高温（約１３００〜１８００℃）で焼成することによって製作される。

セラミックスラリーに用いる有機バインダとしては、実績のあるグリーンシートに使用されているものが使用可能であり、たとえばアクリル系（アクリル酸，メタクリル酸またはそれらのエステルの単独重合体または共重合体，具体的にはアクリル酸エステル共重合体，メタクリル酸エステル共重合体，アクリル酸エステル−メタクリル酸エステル共重合体等），ポリビニルブチラ−ル系，ポリビニルアルコール系，アクリル−スチレン系，ポリプロピレンカーボネート系，セルロース系などの単独重合体または共重合体が挙げられる。焼成工程での分解、揮発性を考慮すると、アクリル系バインダがより好ましい。

セラミックスラリーに用いる溶剤としては、上記のセラミック粉末と有機バインダとを良好に分散させて混合できるようなものであればよく、トルエン，ケトン類，アルコール類の有機溶媒および水などが挙げられる。これらの中で、トルエン，メチルエチルケトン，イソプロピルアルコールなどの蒸発係数の高い溶剤はスラリー塗布後の乾燥工程が短時間で実施できるので好ましい。

導体層３は、絶縁基板２の表面および内部に形成されている。導体層３ｂは、絶縁基板２の表面に形成されており、外部電極との接続に用いられる。電極３ｂは、導体ペーストをスクリーン印刷法等の印刷手段を用いて、絶縁基板２のセラミックグリーンシートの所定の位置に印刷塗布し、絶縁基板２のセラミックグリーンシートと同時焼成することによって絶縁基板２の所定のパターンに形成することができる。導体ペーストは、主成分の金属粉末に有機バインダ、有機溶剤、必要に応じて分散剤等を加えてボールミル、三本ロールミル、又はプラネタリーミキサー等の混練手段により混合および混練することで製作される。また、導体ペーストには、セラミックグリーンシートの焼結挙動に合わせたり、焼結後の絶縁基板２との接合強度を高めたりするためにガラスやセラミックスの粉末を添加しても良い。

導体ペーストに用いる導体材料としては、例えばタングステンやモリブデン、銅や銀等の金属成分が挙げられる。その導体材料は、アトマイズ法または還元法などによって製造された粉末であり、必要により酸化防止および凝集防止などの処理をおこなってもよい。また、その導体材料は、分級などにより微粉末または粗粉末を導体粉末から除去し粒度分布を調整したものであってもよい。

導体ペーストに用いる有機バインダとしては、実績のある導体ペーストに使用されているものが使用可能である。有機バインダとして、たとえばアクリル系，ポリビニルブチラ−ル系，ポリビニルアルコール系，アクリル−スチレン系，ポリプロピレンカーボネート系，またはセルロース系などの単独重合体または共重合体が挙げられる。アクリル系の重合体としては、アクリル酸，メタクリル酸若しくはそれらのエステルの単独重合体、または共重合体，具体的にはアクリル酸エステル共重合体，メタクリル酸エステル共重合体，若しくはアクリル酸エステル−メタクリル酸エステル共重合体などが挙げられる。焼成工程での分解および揮発性を考慮すると、アクリル系またはアルキド系の有機バインダがより好ましい。有機バインダの添加量としては、導体粒子により異なるが、有機バインダの分解性に問題なく、かつ導体粒子を分散できる量であればよい。

導体ペーストに用いる有機溶剤としては、上記の導体粉末と有機バインダとを良好に分散させて混合できるようなものであればよく、テルピネオールやブチルカルビトールアセテートまたはフタル酸などの可塑剤などが使用可能であるが、配線導体３の形成後の溶剤の乾燥性を考慮し、テルピネオールなどの低沸点溶剤などが好ましい。

導体層３ａ，３ｃの表面には、接合層５が形成される。金属から成る導体層３と極めて強固に密着することから、半導体素子との接続信頼性を向上させることができる。

また、ボンディング性や耐酸化性を考慮して、金などの被覆層６を形成する場合においても、接合層５は被覆層６とも強固に密着することができるため、半導体素子との接続信頼性を向上させることができる。

本実施の形態による配線基板１においては、この接合層５がそれぞれ０．１〜１．０μｍの厚みがある電解めっき層５ａと、電解めっき層５ａ上に形成された、該電解めっき層５ａと同一の材料を含む無電解めっき層５ｂから成る。

このように、接合層５を、厚みが０．１〜１．０μｍの電解めっき層５ａと、電解めっき層５ａ上に形成された、電解めっき層５ａと同一の材料を含む無電解めっき層５ｂで形成することにより、電解めっき層５ａの厚みをできるだけ小さくして、電解めっきでの電流密度の差による厚みバラつきの影響を抑制するとともに、電解めっき層５ａを無電解めっきの触媒として作用させ、触媒付与を行なうことなく無電解めっき層５ｂを形成することを可能にする。これにより、導体層３ｃの表面により均一な接合層５を形成することができる。

また、電解めっき層５ａ上に無電解めっき層５ｂを形成することによって、十分な厚みの接合層５を得ることができると同時に、電解めっき層５ａのみで接合層５を形成した場合よりも表面に凹凸の少ない接合層５を得ることができる。

電解めっき層５ａが０．１μｍより大きい場合、触媒付与を行なわずに無電解めっき層５ｂを形成するのに十分な厚みがあることから、無電解めっき層５ｂを容易に形成することができる。また、電解めっき層５ａが１．０μｍよりも小さい場合、前述した穴部４の開口部と底部との間の電流密度の差による厚みバラつきを小さく抑えることができるため、電解めっき層５ａの厚みの均一性をより向上させることができる。そのため、電解めっき層５ａ上に無電解めっき層５ｂを形成した場合に、電解めっき層５ａでの厚みの均一性がそのまま接合層５に反映され、接合層５の厚みの差をより小さくすることができ、接合層５の厚みをより均一に保持することができる。

ここで、接合層５の材料としてニッケルを用いた場合の電解めっき層５ａ及び無電解めっき層５ｂの形成方法の一例を示す。電解めっき層５ａは、硫酸ニッケル、塩化ニッケル、およびホウ酸などからなる電解ニッケルめっき液を用い、摂氏４０度から摂氏６０度に加熱した電解ニッケルめっき液に、接合層５が形成される前の導体層３が形成された基板（以下、「第１基板」ともいう。）を３０秒から１０分浸漬させ、その第１基板に０．５〜５．０Ａ／ｄｍ^２の電流を流すことで、電解めっき層５ａを形成する。

また、電解めっき層５ａと導体層３との密着を更に高めるために、電解めっき層５ａと導体層３との間に、第２の電解めっき層を形成してもよい。第２の電解めっき層の形成方法の一例として、硫酸ニッケル、塩化ニッケル、および塩酸などからなる第２の電解ニッケルめっき液を摂氏１５度から摂氏４０度に加熱し、第１基板を１０秒から５分浸漬させ、配線基板に１．０〜１０．０Ａ／ｄｍ^２の電流を流すことで、第２の電解めっき層を形成する。

無電解めっき層５ｂは、硫酸ニッケル、次亜りん酸ナトリウム、およびコハク酸などからかる無電解ニッケルめっき液を用い、摂氏６０度から摂氏９０度に加熱した無電解ニッケルめっき液に、導体層３上に電解めっき層５ａが形成された基板（以下、「第２基板」ともいう。）を５分から４０分浸漬させることで、電解めっき層５ａ上に無電解めっき層５ｂを形成する。

また、接合層５上に金めっきなどの被覆層６を形成することもできる。被覆層６の形成方法の一例として、シアン化金カリウム、シアン化カリウム、および硫酸タリウムなどから成る電解金めっき液を用い、摂氏４０度から摂氏６０度に加熱した電解金めっき液に、導体層３上に電解めっき層５ａおよび無電解めっき層５ｂが形成された基板（以下、「第３基板」ともいう。）を浸漬させ、第３基板に０．１〜５．０Ａ／ｄｍ^２の電流を流すことで、被覆層６を形成する。

また、被覆層６と接合層５の密着を更に高めるために、被覆層６と接合層５との間に、第２の被覆層を形成してもよい。第２の被覆層の形成方法の一例として、シアン化金カリウム、およびシアン化カリウムなどからなるめっき液を摂氏１５度から摂氏４０度に加熱し、第３基板を１０秒から５分浸漬させ、第３基板に１．０〜１０．０Ａ／ｄｍ^２の電流を流すことで、第２の被覆層を形成する。

図２は、本発明の実施の形態２による配線基板１１の構成例を示す断面図である。本実施の形態による配線基板１１が配線基板１と異なる点は、導体層３が穴部４の底面に設けられていることである。導体層３が穴部４の底面に設けられている場合において、電解めっき層５ａのみで接合層５を形成する場合、穴部４内においてめっき液の入れ替えが発生しにくく、穴部４内に存在するめっき液中の金属イオン量が限られているため、電流密度のバラつきの影響を大きく受け、均一に接合層５を形成できない。また無電解めっき層５ｂのみで接合層５を形成する場合、触媒が穴部４の壁面の絶縁基板２表面に吸着することで穴部４の壁面の絶縁基板２表面に無電解めっき層５ｂが形成されてしまう。

本実施の形態による配線基板１１では、厚みが０．１〜１．０μｍの電解めっき層５ａおよび電解めっき層５ａと同一の材料を含む無電解めっき層５ｂが順に形成されていることから、電解めっき層５ａの厚みバラつきの影響が小さく、また、無電解めっき層５ｂを触媒付与なしで形成することができることから、接合層５をより均一に形成でき、導体層３以外の部分に接合層５を形成することを抑制することができる。

上述したように接合層５を形成することにより、穴部４のアスペクト比が１より大きい場合であっても、より均一な接合層５を形成することができる。

また、上述の配線基板１，１１によれば、好ましくは、電解めっき層５ａの厚みは、導体層３よりも厚みが小さい。これにより、電解めっき層５ａの引張り応力の影響を小さくすることができ、電解めっき層５ａが反ることにより電解めっき層５ａが導体層３から剥離すること、および導体層３が絶縁基板２から剥離することを抑えることができる。結果として、導体層３と電解めっき層５ａとの接合信頼性および導体層３と絶縁基板２との接合信頼性をより高めることができる。

配線基板１，１１は、穴部が形成されたセラミックグリーンシートの積層体を準備する工程と、穴部の内壁面または底面に、焼成後に導体層３となる導体ペーストを塗布する工程と、導体ペーストが塗布された積層体を焼成する工程と、導体層３上に厚みが０．１〜１．０μｍの電解めっき層５ａを形成する工程と、電解めっき層５ａ上に該電解めっき層５ａと同一の材料を含む無電解めっき層５ｂを形成する工程により形成される。これにより、前記配線基板の穴部の内壁表面により均一な接合層５を形成できるため、実装信頼性に優れた配線基板を提供することができる。例えば、穴部にピンを差し込むことにより配線基板に電子部品を実装するＰＧＡ実装を行う場合、および穴部に接合層を形成した後、穴部を縦断するように配線基板を切断して、その切断面に形成されている接合層に他の部品とを実装する場合等において、実装信頼性に優れた配線基板を提供することができる。

なお、穴部４の内壁面と底面の両方に導体層３、電解めっき層５ａ、および無電解めっき層５ｂを順に形成してもよい。

本発明の実施の形態１による配線基板の構成例を示す断面図である。 本発明の実施の形態２による配線基板の構成例を示す断面図である。

符号の説明

１、１１・・・・・配線基板
２・・・・・絶縁基板
３・・・・・導体層
４・・・・・穴部
５・・・・・接合層
５ａ・・・・電解めっき層
５ｂ・・・・無電解めっき層
６・・・・・被覆層

Claims (5)

1. 穴部が形成された絶縁基板と、前記穴部の内壁面に形成された配線用の導体層と、前記導体層上に形成された、厚みが０．１〜１．０μｍの電解めっき層と、前記電解めっき層上に形成された、該電解めっき層と同一の材料を含む無電解めっき層とを有する配線基板。
2. 前記導体層は、前記穴部の底面に形成され、前記底面に形成された前記導体層上に、前記電解めっき層および前記無電解めっき層が順に形成されている請求項１に記載の配線基板。
3. 前記穴部は、アスペクト比が１より大きい請求項１または請求項２に記載の配線基板。
4. 前記電解めっき層は、前記導体層よりも厚みが小さい請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の配線基板。
5. 穴部が形成されたセラミックグリーンシートの積層体を準備する工程と、前記穴部の内壁面に、焼成後に導体層となる導体ペーストを塗布する工程と、前記導体ペーストが塗布された前記積層体を焼成する工程と、前記導体層上に厚みが０．１〜１．０μｍの電解めっき層を形成する工程と、前記電解めっき層上に該電解めっき層と同一の材料を含む無電解めっき層を形成する工程とを有する配線基板の製造方法。
   

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