JP2017199708A - 配線基板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】外部接続パッド上に半田端子を確実に形成することが可能な配線基板およびその製造方法を提供すること。【解決手段】絶縁基板１の上面に銅から成る複数の半導体素子接続パッド４が形成されているとともに絶縁基板１の下面に銅から成る複数の外部接続パッド６が形成されており、半導体素子接続パッド４の表面に半田バンプ５が形成されているとともに外部接続パッド６の表面に錫の溶融固化層７が形成されて成る配線基板１０であって、溶融固化層７は、外部接続パッド６の中央部に凸状の凝集塊７ａが形成されている配線基板１０である。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子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ものである。

図５に、半導体集積回路素子等の半導体素子Ｓを搭載するために用いられる従来の配線基板２０を示す。配線基板２０は、コア用の絶縁層１１ａの上下面にビルドアップ用の絶縁層１１ｂを複数積層して形成した絶縁基板１１と、この絶縁基板１１の内部および上下面に配設された銅から成る配線導体１２と、絶縁基板１１の上下面およびその上の配線導体１２上に被着されたソルダーレジスト層１３とを備えている。

配線基板２０の上面中央部には、搭載部２０Ａが設けられている。搭載部２０Ａは、半導体素子Ｓを搭載するための四角形状の領域である。搭載部２０Ａには、多数の半導体素子接続パッド１４が二次元的な並びに配列されている。半導体素子接続パッド１４は、絶縁基板１１の上面に被着させた配線導体１２の一部を、上面側のソルダーレジスト層１３に設けた開口部から露出させることにより形成されている。半導体素子接続パッド１４上には、半田バンプ１５が溶着されている。半導体素子接続パッド１４には、半導体素子Ｓの電極Ｔが半田バンプ１５を介して接続される。

配線基板２０の下面は、外部電気回路基板との接続面となっている。配線基板２０の下面には、その略全領域にわたり多数の外部接続パッド１６が二次元的な並びに配列されている。外部接続パッド１６は、絶縁基板１１の下面に被着させた配線導体１２の一部を、下面側のソルダーレジスト層１３に設けた開口部から露出させることにより形成されている。外部接続パッド１６には、外部電気回路基板の配線導体に接続するための半田ボール１８Ｂが接続される。なお、外部接続パッド１６の表面には、半田ボール１８Ｂとの接続を良好とするために厚みが１〜２μｍ程度の錫から成る被覆層１７が被着されている。

そして、この配線基板２０によれば、図６に示すように、半導体素子Ｓの電極Ｔを半導体素子接続パッド１４に半田バンプ１５を介して接続するとともに半導体素子Ｓと配線基板２０との間に熱硬化性樹脂から成る封止樹脂Ｕを充填して半導体素子Ｓを搭載し、最後に被覆層１７と半田ボール１８Ｂとを溶融一体化させて外部接続パッド１６に半田端子１８を形成することによって製品としての半導体装置が完成する。

ここで、配線基板２０において、半田バンプ１５および被覆層１７を形成するとともに、これを用いた半導体装置において半田端子１８を形成する方法を説明する。

まず、図７Ａに要部拡大断面図で示すように、上面に配線導体１２の一部を半導体素子接続パッド１４として露出させるソルダーレジスト層１３が被着されており、下面に配線導体１２の一部を外部接続パッド１６として露出させるソルダーレジスト層１３が被着された絶縁基板１１を準備する。

次に、図７Ｂに示すように、半導体素子接続パッド１４の表面および外部接続パッド１６の表面に錫めっき層１７Ｐを無電解錫めっきにより形成する。このとき、無電解錫めっきと銅との置換反応により半導体素子接続パッド１４用および外部接続パッド１６用の配線導体１２の一部がその表面側から若干抉られた状態となる。

次に、図７Ｃに示すように、半導体素子接続パッド１４に被着された錫めっき層１７Ｐ上にフラックスＦを介して半田ボール１５Ｂを載置する。

次に、図７Ｄに示すように、半田ボール１５Ｂを錫めっき層１７Ｐとともに加熱溶融することにより半導体素子接続パッド１４上に半田バンプ１５を形成する。このとき、外部接続パッド１６に被着された錫めっき層１７Ｐも溶融する。外部接続パッド１６上で溶融した錫めっき層１７Ｐは、厚みが１〜２μｍ程度と薄いことから、その表面張力により部分的に凝集塊が形成されて不均一な厚みとなる。このようにして、半導体素子接続パッド１４に半田バンプ１５が形成されているとともに外部接続パッド１６に錫めっき層１７Ｐが溶融固化した被覆層１７が被着した配線基板２０が形成される。

そして、図７Ｅに示すように、配線基板２０に半導体素子Ｓを搭載した後、外部接続パッド１６に被着させた被覆層１７上にフラックスＦを介して半田ボール１８Ｂを載置し、最後に、被覆層１７および半田ボール１８Ｂを溶融固化させて図６で示したような半田端子１８を形成する。

しかしながら、図７Ｆに示すように、被覆層１７と半田ボール１８Ｂとが溶融一体化せずに半田端子１８が形成されない場合がある。このような事象は、外部接続パッド１６上の溶融固化した被覆層１７に半田ボール１８Ｂを載置した際に、半田ボール１８Ｂが接触する部位の被覆層１７の厚みが薄い場合に発生しやすい傾向にある。被覆層１７の厚みが薄い部分では、錫めっき層１７Ｐが溶融した際に形成される錫と銅との金属間化合物が表面に露出しやすく、この金属間化合物と半田ボール１８Ｂとの濡れ性が良好でないことから、被覆層１７と半田ボール１８Ｂとが溶融一体化しにくいものと考えられる。

なお、外部接続パッドに錫めっき層を被着させた後、その上に半田ペーストを印刷し、錫めっき層と半田ペーストとを共に溶融させることにより、外部接続パッドに均一な半田層を形成することが提案されているが、この場合、錫めっき層を被着するのに加えて半田ペーストを印刷する必要があり、配線基板の製造が煩雑なものとなってしまう。

特開２００６−１７３１４３号公報

本発明が解決しようとする課題は、外部接続パッド上に半田端子を確実に形成することが可能な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、絶縁基板の上面に銅から成る複数の半導体素子接続パッドが形成されているとともに前記絶縁基板の下面に銅から成る複数の外部接続パッドが形成されており、前記半導体素子接続パッドの表面に半田バンプが形成されているとともに前記外部接続パッドの表面に錫の溶融固化層が形成されて成る配線基板であって、前記溶融固化層は、前記外部接続パッドの中央部に凸状の凝集塊が形成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、上面に銅から成る複数の半導体素子接続パッドが形成されているとともに、下面に銅から成る複数の外部接続パッドが形成されている絶縁基板を準備する工程と、前記半導体素子接続パッドの表面および前記外部接続パッドの表面に錫めっき層を被着させる工程と、前記半導体素子接続パッドの前記錫めっき層上に半田を供給するとともに前記外部接続パッドの前記錫めっき層上にフラックスを供給した後、前記半導体素子接続パッドの錫めっき層および前記半田を溶融固化させて前記半導体素子接続パッドに半田バンプを形成するとともに、前記外部接続パッドの錫めっき層を溶融固化させて前記外部接続パッドの中央部に凸状の凝集塊を有する錫の溶融固化層を形成する工程と、を行うことを特徴とするものである。

本発明の配線基板によれば、外部接続パッドの表面に形成された錫の溶融固化層は、外部接続パッドの中央部に凸状の凝集塊が形成されていることから、外部接続パッドの中央部においては、錫の溶融固化層の厚みが薄くなることがなく、銅と錫との金属間化合物が凝集塊の表面に露出することがない。したがって、外部接続パッドに形成した錫の溶融固化層上に半田ボールを搭載すると、半田ボールと外部接続パッド中央部の凝集塊とが良好に接触し、その状態で溶融固化層および半田ボールを溶融させると、溶融した溶融固化層と半田ボールとが良好に濡れて両者が溶融一体化した半田端子を確実に形成することが可能となる。

また、本発明の配線基板の製造方法によれば、外部接続パッドの錫めっき層上にフラックスを供給した後、錫めっき層を溶融固化させることから、フラックスにより活性が高まった状態で錫めっき層が溶融固化するので、外部接続パッドの中央部に凸状の凝集塊を有する錫の溶融固化層を形成することができる。その結果、外部接続パッドの中央部においては、錫の溶融固化層の厚みが薄くなることがなく、銅と錫との金属間化合物が凝集塊の表面に露出することがない。したがって、外部接続パッドの被覆層上に半田ボールを搭載すると、半田ボールと外部接続パッド中央部の凝集塊とが良好に接触し、その状態で溶融固化層および半田ボールを溶融させると、溶融した溶融固化層と半田ボールとが良好に濡れて両者が溶融一体化した半田端子を確実に形成することが可能な配線基板を提供することができる。

図１は、本発明の配線基板の実施形態例を示す概略断面図である。 図２は、図１に示す配線基板に半導体素子を搭載するとともに半田端子を形成した半導体装置を示す概略断面図である。 図３Ａは、本発明の配線基板の製造方法の実施形態例における工程を説明するための概略断面図である。 図３Ｂは、本発明の配線基板の製造方法の実施形態例における工程を説明するための概略断面図である。 図３Ｃは、本発明の配線基板の製造方法の実施形態例における工程を説明するための概略断面図である。 図３Ｄは、本発明の配線基板の製造方法の実施形態例における工程を説明するための概略断面図である。 図３Ｅは、本発明の配線基板の製造方法の実施形態例における工程を説明するための概略断面図である。 図３Ｆは、半導体素子が搭載された本発明の配線基板の実施形態例に半田端子を形成する方法を説明するための概略断面図である。 図４Ａは、本発明による評価用試料における外部接続パッドの錫めっき層の溶融固化後の表面を示す写真である。 図４Ｂは、比較のための評価用試料における外部接続パッドの錫めっき層の溶融固化後の表面を示す写真である。 図５は、従来の配線基板を示す概略断面図である。 図６は、従来の配線基板に半導体素子を搭載するとともに半田端子を形成した半導体装置を示す概略断面図である。 図７Ａは、従来の配線基板の製造方法における工程を説明するための概略断面図である。 図７Ｂは、従来の配線基板の製造方法における工程を説明するための概略断面図である。 図７Ｃは、従来の配線基板の製造方法における工程を説明するための概略断面図である。 図７Ｄは、従来の配線基板の製造方法における工程を説明するための概略断面図である。 図７Ｅは、半導体素子が搭載された従来の配線基板に半田端子を形成する方法を説明するための概略断面図である。 図７Ｆは、半導体素子が搭載された従来の配線基板に半田端子を形成する方法を説明するための概略断面図である。

次に、本発明の配線基板の実施形態例を添付の図１を参照して説明する。図１に示す配線基板１０は、コア用の絶縁層１ａの上下面にビルドアップ用の絶縁層１ｂを複数積層して形成した絶縁基板１と、この絶縁基板１の内部および上下面に配設された銅から成る配線導体２と、絶縁基板１の上下面およびその上の配線導体２上に被着されたソルダーレジスト層３とを備えている。

コア用の絶縁層１ａは、ガラスクロス入りの熱硬化性樹脂から成る。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂やビスマレイミドトリアジン樹脂等が用いられている。絶縁層１ａの厚みは、１００〜８００μｍ程度である。絶縁層１ａには、複数のスルーホール１ｃが形成されている。スルーホール１ｃの直径は、１００〜２００μｍ程度である。絶縁層１ａの上下面およびスルーホール１ｃの内壁には、配線導体２が被着されている。

ビルドアップ用の絶縁層１ｂは、ガラスクロス無しの熱硬化性樹脂から成る。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂等が用いられる。各絶縁層１ｂの厚みは、１０〜５０μｍ程度である。各絶縁層１ｂには、複数のビアホール１ｄが形成されている。ビアホール１ｄの直径は、３０〜１００μｍ程度である。各絶縁層１ｂの表面およびビアホール１ｄ内には、配線導体２が被着されている。

配線導体２は、絶縁層１ａの上下面においては、銅箔および銅めっき層から成り、それ以外においては、銅めっき層から成る。配線導体２の厚みは、５〜５０μｍ程度である。

ソルダーレジスト層３は、感光性の熱硬化性樹脂から成る。感光性の熱硬化性樹脂としては、アクリル変性エポキシ樹脂等が用いられる。

配線基板１０の上面中央部には、搭載部１０Ａが設けられている。搭載部１０Ａは、半導体素子Ｓを搭載するための四角形状の領域である。搭載部１０Ａには、多数の半導体素子接続パッド４が二次元的な並びに配列されている。半導体素子接続パッド４は、絶縁基板１の上面に被着させた配線導体２の一部を、上面側のソルダーレジスト層３に設けた開口部から露出させることにより形成されている。半導体素子接続パッド４の直径は、５０〜１００μｍ程度である。半導体素子接続パッド４上には、半田バンプ５が溶着されている。半導体素子接続パッド４には、半導体素子Ｓの電極Ｔが半田バンプ５を介して接続される。

配線基板１０の下面は、外部電気回路基板との接続面となっている。配線基板１０の下面には、その略全領域にわたり多数の外部接続パッド６が二次元的な並びに配列されている。外部接続パッド６は、絶縁基板１の下面に被着させた配線導体２の一部を、下面側のソルダーレジスト層３に設けた開口部から露出させることにより形成されている。外部接続パッド６の直径は、２５０〜６５０μｍ程度である。外部接続パッド６には、外部電気回路基板の配線導体に接続するための半田ボール８Ｂが接続される。なお、外部接続パッド６の表面には、半田ボール８Ｂとの接続を良好とするために厚みが１〜２μｍ程度の錫の溶融固化層７が形成されている。

外部接続パッド６の表面に形成された錫の溶融固化層７は、外部接続パッド６の中央部に凸状の凝集塊７ａが形成されている。凝集塊７ａの高さは、３〜６μｍ程度である。

このように、本例の配線基板１０においては、外部接続パッド６の表面に形成された錫の溶融固化層７は、外部接続パッド６の中央部に凸状の凝集塊７ａが形成されていることから、外部接続パッド６の中央部においては、錫の溶融固化層７の厚みが薄くなることがなく、銅と錫との金属間化合物が凝集塊の表面に露出することがない。

そして、本例の配線基板１０によれば、図２に示すように、半導体素子Ｓの電極Ｔを半導体素子接続パッド４に半田バンプ５を介して接続するとともに半導体素子Ｓと配線基板１０との間に熱硬化性樹脂から成る封止樹脂Ｕを充填して半導体素子Ｓを搭載し、最後に外部接続パッド６に形成した錫の溶融固化層７上にフラックスを介して半田ボール８Ｂを搭載するとともに錫の溶融固化層７と半田ボール８Ｂとを溶融一体化させて外部接続パッド６に半田端子８を形成することによって製品としての半導体装置が完成する。

このとき、外部接続パッド６に形成された錫の溶融固化層７は、外部接続パッド６の中央部に凸状の凝集塊７ａが形成されており、この凝集塊７ａの表面に銅と錫との金属間化合物が露出することがないことから、外部接続パッド６に形成した溶融固化層７上にフラックスを介して半田ボール８Ｂを載置し、溶融固化層７および半田ボール８Ｂの溶融温度以上に加熱すると、外部接続パッド６中央部の凝集塊７ａと半田ボール８Ｂとが良好に接触するとともに溶融固化層７と半田ボール８Ｂとが良好に濡れて両者が溶融一体化した半田端子８が確実に形成される。

次に、上述した配線基板１０において、半田バンプ５および錫の溶融固化層７を形成する本発明の配線基板の製造方法の実施形態例を説明する。

まず、図３Ａに要部拡大断面図で示すように、上面に配線導体２の一部を半導体素子接続パッド４として露出させるソルダーレジスト層３が被着されており、下面に配線導体２の一部を外部接続パッド６として露出させるソルダーレジスト層３が被着された絶縁基板１を準備する。

次に、図３Ｂに示すように、半導体素子接続パッド４の表面および外部接続パッド６の表面に錫めっき層７Ｐを無電解錫めっき法により被着する。このとき、無電解錫めっきと銅との置換反応により半導体素子接続パッド４用および外部接続パッド６用の配線導体２の一部がその表面側から若干抉られた状態となる。錫めっき層７Ｐの厚みは１〜２μｍ程度とする。

次に、図３Ｃに示すように、半導体素子接続パッド４に被着された錫めっき層７Ｐ上にフラックスＦを介して半田ボール５Ｂを載置するとともに、外部接続パッド６に被着された錫めっき層７Ｐ上にフラックスＦを供給する。

次に、図３Ｄに示すように、半田ボール５Ｂおよび錫めっき層７Ｐの溶融温度以上に加熱して両者が溶融一体化した半田バンプ５を形成する。同時に、外部接続パッド６に被着された錫めっき層７Ｐも溶融して溶融固化層７となる。このとき、フラックスＦにより活性が高まった状態で錫めっき層７Ｐが良好に溶融固化するので、外部接続パッド６の中央部に凸状の凝集塊を有する錫の溶融固化層７ａを形成することができる。その結果、外部接続パッド６の中央部においては、錫の溶融固化層７の厚みが薄くなることがなく、銅と錫との金属間化合物が凝集塊７ａの表面に露出することがない。

このようにして、半導体素子接続パッド４に半田バンプ５が形成されているとともに外部接続パッド６に錫の溶融固化層７が形成された配線基板１０が形成される。

そして、図３Ｅに示すように、配線基板１０に半導体素子Ｓを搭載した後、外部接続パッド６の中央部に凸状の凝集塊７ａを有する錫の溶融固化層７上にフラックスＦを介して半田ボール８Ｂを載置する。このとき、溶融固化層７は、外部接続パッド６の中央部に凸状の凝集塊７ａが形成されていることから、半田ボール８Ｂと凝集塊７ａとが良好に接触する。

最後に、図３Ｇに示すように、半田ボール８Ｂおよび錫の溶融固化層７の溶融温度以上に加熱して両者を溶融させる。このとき、半田ボール８Ｂが接触する凝集塊７ａは、その表面に銅と錫との金属間化合物が露出していないことから、この溶融固化層７と半田ボール８Ｂとが良好に濡れて両者が溶融一体化した半田端子８が確実に形成される。

四角平板状の絶縁基板の上面に４７４９個の半導体素子接続パッドが形成されているとともに、この絶縁基板の下面に７７３個の外部接続パッドが形成された評価用の配線基板を１００００個準備した。

絶縁基板には、厚みが４００μｍのコア用の絶縁層の上下面に厚みが３０μｍのビルドアップ用の絶縁層をそれぞれ２層ずつ積層したものを用いた。絶縁基板の１辺の長さは２３ｍｍとした。

コア用の絶縁層は、ガラスクロス入りのエポキシ樹脂により形成した。ビルドアップ用の絶縁層はガラスクロス無しのエポキシ樹脂により形成した。

各絶縁層の表面には銅から成る配線導体を配置した。配線導体の厚みは、コア用の絶縁層上で２０μｍ、ビルドアップ用の絶縁層上で１５μｍとした。

最表層の絶縁層および最表層の配線導体の上には、ソルダーレジスト層を形成した。ソルダーレジスト層は感光性のエポキシ樹脂により形成した。ソルダーレジスト層の厚みは２０μｍとした。

半導体素子接続パッドは、上面側の最表層の配線導体の一部をソルダーレジスト層に設けた開口部から露出させることにより形成した。半導体素子接続パッドの直径は、８５μｍとした。半導体素子接続パッドの縦横の配列ピッチは１６０μｍとした。

外部接続パッドは、下面側の最表層の配線導体の一部をソルダーレジスト層に設けた開口部から露出させることにより形成した。外部接続パッドの直径は、３５０μｍとした。外部接続パッドの縦横の配列ピッチは８００μｍとした。

半導体素子接続パッドおよび外部接続パッドの表面には、無電解錫めっき層を被着した。錫めっき層の厚みは、１．５μｍとした。

この評価用の配線基板１００００個のうち半数を本発明による評価用として使い、残りの半数を比較のための評価用として使った。

（本発明による評価用試料の作製）
本発明による評価用の配線基板の外部接続パッドに被着させた錫めっき層の表面にフラックスを塗布した。フラックスとしては、ＲＭＡタイプを用いた。

次に、本発明による評価用の配線基板を酸素濃度８２ｐｐｍの窒素雰囲気中のトンネル炉を用いてピーク温度２３８℃でリフロー処理して錫めっき層を溶融固化させた。

（比較のための評価用試料の作製）
評価用の配線基板の外部接続パッドに被着させた錫めっき層の表面にフラックスを塗布せずにリフロー処理した以外は、本発明による評価用試料と同様にして比較のための評価用試料を作成した。

次に、これらの評価用試料の外部接続パッドにおける錫の溶融固化層の表面を観察した。その結果、本発明による評価用試料では、図４Ａに示すように、錫めっき層は良好に溶融し、外部接続パッドの中央部に高さが５μｍ程度の凝集塊（黒く見える部分）が形成された。これに対し、比較のための評価用試料では、図４Ｂに示すように、錫めっき層は、不均一に溶融し、凝集塊（黒く見える部分）が外部接続パッドの外周部や中央部に不均一に形成された。

次に、これらの評価用試料の外部接続パッドにフラックスを介して半田ボールを搭載した。半田ボールは、直径が４００μｍの錫−銀−銅合金とした。フラックスは、ＲＭＡタイプを用いた。

次に、これらの評価用試料を酸素濃度８２ｐｐｍの窒素雰囲気中のトンネル炉を用いてピーク温度２３８℃でリフロー処理して外部接続パッドに半田端子を形成した。

次に、これらの評価用試料における半田端子の有無を確認した。その結果、本発明による評価用試料においては、半田端子無しの発生が５０００個中０個（発生率０％）であったのに対し、比較のための評価用試料においては、半田端子無しの発生が５０００個中３５個（発生率０．７％）であった。

以上の結果より、本発明の評価用試料においては、外部接続パッドに半田端子を確実に形成できることが分かる。

１ 絶縁基板
４ 半導体素子接続パッド
５ 半田バンプ
６ 外部接続パッド
７ 錫の溶融固化層
７ａ 凸状の凝集塊
７Ｐ 錫めっき層

Claims (2)

1. 絶縁基板の上面に銅から成る複数の半導体素子接続パッドが形成されているとともに前記絶縁基板の下面に銅から成る複数の外部接続パッドが形成されており、前記半導体素子接続パッドの表面に半田バンプが形成されているとともに前記外部接続パッドの表面に錫の溶融固化層が形成されて成る配線基板であって、前記溶融固化層は、前記外部接続パッドの中央部に凸状の凝集塊が形成されていることを特徴とする配線基板。
2. 上面に銅から成る複数の半導体素子接続パッドが形成されているとともに、下面に銅から成る複数の外部接続パッドが形成されている絶縁基板を準備する工程と、
   前記半導体素子接続パッドの表面および前記外部接続パッドの表面に錫めっき層を被着させる工程と、
   前記半導体素子接続パッドの前記錫めっき層上に半田を供給するとともに前記外部接続パッドの前記錫めっき層上にフラックスを供給した後、前記半導体素子接続パッドの錫めっき層および前記半田を溶融固化させて前記半導体素子接続パッドに半田バンプを形成するとともに、前記外部接続パッドの錫めっき層を溶融固化させて前記外部接続パッドの中央部に凸状の凝集塊を有する錫の溶融固化層を形成する工程と、を行うことを特徴とする配線基板の製造方法。