JP3466452B2 - 配線基板の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子がフリ
ップチップ接続により搭載されるのに好適な配線基板を
得ることができる配線基板の製造方法に関するものであ
る。 【０００２】 【従来の技術】従来、半導体素子をフリップチップ接続
により搭載するための配線基板は、例えば酸化アルミニ
ウム質焼結体等の電気絶縁材料から成る複数の絶縁層を
積層して成り、上面中央部に半導体素子が搭載される搭
載部を有する絶縁基体と、一端部が絶縁基体上面の搭載
部に露出するとともに他端部が絶縁基体の内部および／
または表面を介して絶縁基体下面に導出するようにして
被着形成され、搭載部に露出した一端部に半導体素子の
電極が半田バンプを介して接続されるタングステン等の
高融点金属からなるメタライズ配線導体とから構成され
ており、絶縁基体上面の搭載部に露出したメタライズ配
線導体の一端部に半導体素子の各電極を半田バンプを介
して接続し、しかる後、絶縁基体と半導体素子との間に
アンダーフィルと呼ばれる樹脂充填材を充填し、最後に
絶縁基体上面に半導体素子を覆うようにして樹脂封止材
や金属キャップを取着させることによって製品としての
半導体装置となる。 【０００３】また、この配線基板は、メタライズ配線導
体の一端部と半田バンプとの接続を容易かつ強固なもの
とするためにメタライズ配線導体の露出表面にニッケル
を主成分とする中間金属層が被着されており、さらにこ
の中間金属層の表面に金を主成分とする表面金属層が被
着されている。 【０００４】このような配線基板は、まず、従来周知の
セラミックグリーンシート積層法および厚膜メタライズ
法を採用して表面に高融点金属からなるメタライズ配線
導体を有する絶縁基体を準備し、次にメタライズ配線導
体の表面にニッケルを主成分とする中間金属層を従来周
知の無電解めっき法により被着させ、次にこの中間金属
層の表面に金を主成分とする表面金属層を従来周知の無
電解めっき法により被着させることによって製作され
る。 【０００５】また、配線基板のメタライズ配線導体の一
端部に半導体素子の各電極を半田バンプを介して接続す
るには、鉛−錫等から成る半田バンプを半導体素子の電
極に予め被着させておき、この半導体素子の電極に被着
させた半田バンプを配線基板の搭載部に露出したメタラ
イズ配線導体の一端部に当接させるとともに所定の温度
で半田バンプを溶融させることによりメタライズ配線導
体の一端部に半導体素子の各電極を半田バンプを介して
接続する方法が採用されている。 【０００６】また、配線基板のメタライズ配線導体に半
導体素子の各電極を半田バンプを介して接続する際に
は、溶融した半田バンプとメタライズビア導体との接合
性を良好とするためにフラックスが使用される。 【０００７】従来、このフラックスは、半導体素子の各
電極がメタライズ配線導体に半田バンプを介して接合さ
れた後、フロンやトリクロロエタン等の有機溶剤で洗浄
することによって除去されていたが、このようなフロン
やトリクロロエタン等はオゾン層を破壊したり、あるい
は人体に有害であること等から、近時、環境や人体への
影響を考慮してこのような有機溶剤での洗浄を行なわな
い試みがなされるようになってきた。 【０００８】その試みの一つとして、半導体素子の電極
を配線基板の搭載部に露出したメタライズ配線導体の一
端部に半田バンプを介して接合する際、半田を溶融させ
る熱によりフラックス成分を半導体素子と絶縁基体との
隙間から外部に揮散除去させる方法が検討されている。 【０００９】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この配
線基板は、金を主成分とする表面金属層を被着させた後
の絶縁基体とフラックスとの濡れ性が極めて良好なもの
となっており、このことから、半導体素子の電極を配線
基板の搭載部に露出したメタライズ配線導体の一端部に
半田バンプを介して接合する際、半田を溶融させる熱に
よりフラックス成分を半導体素子と絶縁基体との隙間か
ら外部に揮散除去させようとしても、フラックス成分が
絶縁基体表面から離脱しにくく、そのため絶縁基体の搭
載部にフラックス成分が残留してこれがメタライズ配線
導体に腐食を発生させたり、半導体素子が作動時に発生
する熱により気化してアンダーフィルにクラックや破裂
を発生させてしまうという欠点を有していた。 【００１０】本発明は上記事情に鑑みて案出されたもの
であり、その目的は、絶縁基体の搭載部に露出したメタ
ライズ配線導体に半導体素子の電極を半田バンプを介し
て接続する際にフラックス成分が残留せず、アンダーフ
ィルを充填させた後に熱が印加されたとしてもアンダー
フィルにクラックや破裂が発生しない、半導体素子の搭
載信頼性に優れた配線基板を得ることができる配線基板
の製造方法を提供することにある。 【００１１】 【課題を解決するための手段】本発明の配線基板の製造
方法は、表面に高融点金属からなるメタライズ配線導体
を有する絶縁基体を準備し、次に前記メタライズ配線導
体の表面にニッケルを主成分とする中間金属層を２回に
分けて被着し、次にこの中間金属層の表面に金を主成分
とする表面金属層を被着し、しかる後、還元雰囲気中30
0乃至400℃の温度で熱処理することを特徴とするもので
ある。 【００１２】本発明の配線基板の製造方法によれば、中
間金属層の表面に表面金属層を被着させた後、この配線
基板を還元雰囲気中300 〜400 ℃の温度で熱処理するこ
とから、この熱処理により絶縁基体表面のフラックスと
の濡れ性が低下し、その結果、絶縁基体の搭載部に露出
したメタライズ配線導体の一端部に半導体素子の電極を
半田バンプを介して接続する際に半田を溶融させる熱に
よりフラックス成分が絶縁基体の搭載部から容易に離脱
し、このためフラックス成分が半導体素子と絶縁基体と
の隙間から外部に良好に揮散除去され、絶縁基体の搭載
部に残留することがない。 【００１３】 【発明の実施の形態】以下、本発明を添付の図面を基に
詳細に説明する。図１は本発明の製造方法によって製作
される配線基板の実施の形態の一例を示す断面図であ
り、１は絶縁基体、２はメタライズ配線導体である。 【００１４】絶縁基体１は、酸化アルミニウム質焼結体
・窒化アルミニウム質焼結体・ムライト質焼結体・窒化
珪素質焼結体・炭化珪素質焼結体等の電気絶縁材料から
成る複数の絶縁層が焼結一体化されて成り、その上面の
略中央部には半導体素子３が搭載される搭載部１ａを有
しており、搭載部１ａには半導体素子３が搭載される。 【００１５】また絶縁基体１には、一端部が搭載部１ａ
に露出するとともに他端部が絶縁基体１の内部および／
または表面を介して底面に導出する複数のメタライズ配
線導体２が配設されている。 【００１６】メタライズ配線導体２は、タングステン・
モリブデン・モリブデン−マンガン等の金属粉末の焼結
体から成り、半導体素子３の電極を外部電気回路基板
（図示せず）に接続するための導電路として機能し、絶
縁基体１の搭載部１ａに露出した一端部には半導体素子
３の電極が半田バンプ４を介して電気的に接続され、絶
縁基体１の下面に導出した他端部は外部電気回路基板
（図示せず）の配線導体に接続される。 【００１７】メタライズ配線導体２の表面には、図１に
示す配線基板の要部拡大断面図である図２に示すよう
に、ニッケル−ボロンやニッケル−リン等のニッケルを
主成分とする中間金属層５が被着されており、この中間
金属層５の表面には金を主成分とする表面金属層６が被
着されている。 【００１８】メタライズ配線導体２に被着された中間金
属層５および表面金属層６は、メタライズ配線導体２が
酸化腐食されるのを防止するとともに、メタライズ配線
導体２に半導体素子３の電極を半田バンプ４を介して接
続する際に半田バンプ４とメタライズ配線導体２との濡
れ性を良好とする作用をなす。 【００１９】この配線基板においては、絶縁基体１上面
の搭載部１ａに露出したメタライズ配線導体２に半導体
素子３の各電極を半田バンプ４を介して接続し、しかる
後、絶縁基体１と半導体素子３との間にアンダーフィル
（図示せず）を充填するとともに絶縁基体１の上面に半
導体素子３を覆うようにして樹脂封止材（図示せず）あ
るいは金属製蓋体（図示せず）を取着することによって
製品としての半導体装置となる。 【００２０】次に、上述の配線基板の製造方法について
説明する。まず、上面の略中央部に半導体素子３が搭載
される搭載部１ａを有するとともに、搭載部１ａから内
部および／または表面を介して下面に導出するメタライ
ズ配線導体２を有する絶縁基体１を準備する。 【００２１】このメタライズ配線導体２を有する絶縁基
体１は、例えば絶縁基体１が酸化アルミニウム質焼結体
からなり、メタライズ配線導体２がタングステン粉末の
焼結体からなる場合、酸化アルミニウム・酸化珪素・酸
化カルシウム・酸化マグネシウム等の原料粉末に適当な
有機バインダや溶剤を添加混合して泥漿状となすととも
にこれを従来周知のドクターブレード法を採用してシー
ト状となすことによって複数のセラミックグリーンシー
トを得、しかる後、これらのセラミックグリーンシート
に必要に応じて適当な打ち抜き加工を施すとともにこれ
らのセラミックグリーンシートの所定位置にタングステ
ンペーストを従来周知のスクリーン印刷法を採用するこ
とによって所定のパターンに印刷塗布し、最後にこれら
のセラミックグリーンシートを所定の順に積層するとと
もに還元雰囲気中約1600℃の温度で焼成することによっ
て製作される。 【００２２】次に、この配線基板のメタライズ配線導体
２の露出表面にニッケル−ボロンやニッケル−リン等の
ニッケルを主成分とする中間金属層５を被着させる。 【００２３】中間金属層５は、例えばニッケル−ボロン
からなる場合、従来周知のニッケル−ボロン無電解めっ
き浴を用いてメタライズ配線導体２の表面にボロンの含
有量が約0.1 ％程度のニッケル−ボロンからなる金属層
を0.5 〜３μｍ程度の厚みに被着させ、その後、これを
還元雰囲気中約850 〜870 ℃の温度で約10〜30分間程度
加熱することによって熱処理した後、さらにこの金属層
の上にニッケル−ボロン無電解めっき浴を用いてボロン
の含有量が約0.1 ％程度のニッケル−ボロンからなる金
属層を２〜６μｍの厚みに被着させ、その後、これを還
元雰囲気中約765 〜770 ℃の温度で約60〜180 分間程度
加熱することによって熱処理することによってメタライ
ズ金属層２の表面に被着される。 【００２４】ここで、ニッケル−ボロンからなる中間金
属層５となる金属層を２回に分けて被着させるのは、１
回で厚みの厚いニッケル−ボロンから成る金属層を被着
させると、めっきによる応力が中間金属層５に大きく印
加され、この応力により中間金属層５にふくれや剥がれ
が発生してしまうためであり、中間金属層５となる金属
層を２回に分けて被着させるとともにそれぞれ熱処理を
施すことによって、中間金属層５となる金属層に印加さ
れるめっきの応力が大きく緩和されるとともに中間金属
層５となる金属層のニッケルがメタライズ配線層２に拡
散し、これらによって中間金属層５がメタライズ配線層
２に強固に被着される。さらに熱処理によって中間金属
層５が緻密化するとともに中間金属層５含有されるボロ
ンの一部が表面から揮散除去され、中間金属層５と表面
金属層６や半田との密着性が良好なものとなる。 【００２５】なお、メタライズ配線導体２にニッケル−
ボロンからなる中間金属層５を被着させるためのニッケ
ル−ボロン無電解めっき浴としては、例えばニッケルイ
オンの供給源として硫酸ニッケルを、還元剤としてジメ
チルアミンボランを用い、これに錯化剤として酢酸・プ
ロピオン酸・マロン酸・コハク酸等の有機酸のうちいず
れか２〜３種類のナトリウム塩を、安定剤としてチオ二
酢酸・酢酸鉛を添加してなる無電解めっき液を用い、こ
のめっき液を建浴後、アンモニア水によりｐＨを約6.5
に調整し、60〜65℃に加温しためっき浴が採用され得
る。 【００２６】次に、中間金属層５の表面に金を主成分と
する表面金属層６を被着させる。 【００２７】表面金属層６は、例えば従来周知の無電解
金めっき浴を用いて中間金属層５の表面に金を主成分と
する金属層を0.1 〜0.5 μｍの厚みに被着させることに
よって中間金属層５の表面に被着される。 【００２８】なお、表面金属層６を被着させるための無
電解金めっき浴としては、例えば金の供給源としてシア
ン化金カリウムを用い、これに錯化剤としてエチレンジ
アミン４酢酸２水素を添加してなる無電解めっき液を用
い、このめっき浴を建浴後（ｐＨ12〜13）、60〜65℃の
温度に加温しためっき浴が採用され得る。 【００２９】その後、中間金属層５の表面に表面金属層
６を被着させた配線基板を、還元雰囲気中約300 〜400
℃の温度で約１〜10分間程度加熱することによって熱処
理する。 【００３０】この場合、配線基板は、還元雰囲気中約30
0 〜400 ℃の温度で熱処理されることから、この熱処理
により絶縁基体１表面のフラックスに対する濡れ性が低
下し、その結果、絶縁基体１の搭載部１ａに露出したメ
タライズ配線導体２の一端部に半導体素子３の電極を半
田バンプ４を介して接続する際に半田を溶融させる熱に
よりフラックス成分が絶縁基体１の搭載部１ａから容易
に離脱し、このためフラックス成分が半導体素子３と絶
縁基体１との隙間から外部に良好に揮散除去され、絶縁
基体１の搭載部１ａに残留することはなく、従って半導
体素子３と絶縁基体１との隙間にアンダーフィルを充填
させた後に絶縁基体１に半導体素子３が作動時に発生す
る熱が印加されたとしてもアンダーフィルにクラックや
破裂を発生させることはない。 【００３１】表面金属層６が被着された配線基板を熱処
理する温度が300 ℃未満であると絶縁基体１表面のフラ
ックスに対する濡れ性を十分に低下させることができな
くなる傾向にあり、また400 ℃を超えると中間金属層５
中のニッケルが金を主成分とする表面金属層６に多量に
拡散し、表面金属層６の表面にニッケルの酸化物が形成
されて中間金属層５および表面金属層６が被着されたメ
タライズ配線導体２と半田との濡れ性が低下してしまい
やすい傾向にある。従って、表面金属層６が被着された
配線基板を熱処理する温度は、300 〜400 ℃の範囲に特
定される。 【００３２】また、表面金属層６が被着された配線基板
を熱処理する時間は、例えば熱処理の温度が300 ℃であ
る場合は３〜10分程度が、熱処理の温度が400 ℃の場合
は１〜５分が適当であり、熱処理の温度が300 ℃の場合
で３分未満、熱処理の温度が400 ℃の場合で１分未満で
は絶縁基体１表面のフラックスに対する濡れ性を十分に
低下させることが困難となる傾向にあり、また熱処理の
温度が400 ℃の場合で５分を超えると中間金属層５中の
ニッケルが金を主成分とする表面金属層６に拡散し、表
面金属層６の表面にニッケルの酸化物が形成されて中間
金属層５および表面金属層６が被着されたメタライズ配
線導体２と半田との濡れ性が低下してしまいやすい傾向
にある。 【００３３】なお、表面金属層６が被着された配線基板
を還元雰囲気中300 〜400 ℃の温度で熱処理すると、何
故絶縁基体１とフラックスとの濡れ性が低下するのかに
ついてその詳細なメカニズムは解明されていないが、表
面金属層６を被着させる際等に絶縁基体１の表面に微量
に吸着したフラックスとの濡れ性に優れる薬品や有機成
分あるいは水酸基等が、熱処理により除去もしくは不活
性化されるためではないかと考えられる。 【００３４】 【実施例】酸化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基体
上に直径120 μｍのタングステン焼結体から成るメタラ
イズ金属層を250 μｍ程度のピッチで683 個形成した試
験基板を各々20個づつ用意した。 【００３５】これらの試験基板をアルカリ脱脂処理した
後、塩酸処理し、さらにパラジウム活性処理を行なった
後、各メタライズ金属層の表面に硫酸ニッケルとジメチ
ルアミンボラン還元剤を含む無電解めっき液ＢＥＬ−80
1 （上村工業製）を用い、ボロンの含有量が約0.1 重量
％のニッケル−ボロンを主成分とする第一金属層を約２
μｍの厚みで被着した後、この試験基板を乾燥したアン
モニア分解ガス雰囲気中850 〜870 ℃の温度で30分間加
熱して熱処理をした。 【００３６】さらにこの試験基板をアルカリ脱脂処理お
よび塩酸処理をした後、前記第一金属層の表面に硫酸ニ
ッケルとジメチルアミンボラン還元剤を含む無電解めっ
き液ＢＥＬ−960 （上村工業製）を用い、ボロンの含有
量が0.1 重量％のニッケル−ボロンを主成分とする第二
金属層を約４μｍの厚みに被着した後、この試験基板を
乾燥したアンモニア分解ガス雰囲気中765 〜770 ℃の温
度で120 分間加熱して熱処理をし、これによりメタライ
ズ金属層上に第一金属層と第二金属層とから成る中間金
属層を被着させた。 【００３７】次に、このメタライズ金属層の表面にニッ
ケル−ボロンから成る中間金属層が被着された試験基板
をアルカリ脱脂処理および塩酸処理した後、中間金属層
の表面に無電解金めっき液ゴールドエイト（上村工業社
製）を用いて金を主成分とする表面金属層を0.3 μｍの
厚みに被着した後、この試験基板を乾燥したアンモニア
分解ガス雰囲気中、表１に示す温度・時間で熱処理し
た。 【００３８】また、シリコン製基板の下面に直径が120
μｍの電極が、前記試験基板に形成されたメタライズ金
属層と対応する配置に形成されているとともにこれらの
電極に高さ100 μｍの略球状の錫−鉛半田から成る半田
バンプが形成されたテストチップを準備した。 【００３９】そして試験基板上にＲタイプのフラックス
を10μｍの厚みに塗布するとともにテストチップを半田
バンプとメタライズ金属層とが重なるようにして載置
し、これを窒素雰囲気中350 ℃の温度で３分間リフロー
し、テストチップの電極と試験基板のメタライズ金属層
とを半田バンプを介して半田付けした。 【００４０】その後、テストチップを試験基板から垂直
に引き剥がし、絶縁基体にフラックスの残留があるかど
うかの確認を目視によって行なった。また、試験基板に
残った半田の状態から半田濡れの良否を判定した。判定
の方法は、半田が全てのメタライズ金属層上に残ってお
り、かつ半田が伸びた状態で破断しているものを半田の
濡れ性良とした。 【００４１】その結果を表１に示す。なお、表１におい
て＊を付した試料番号１および14は本発明の配線基板と
比較するための比較例であり、試料番号１は本発明の範
囲より低い温度で熱処理をしたもの、試料番号14は本発
明の範囲よりも高い温度で熱処理したものである。 【００４２】 【表１】 【００４３】表１から分かるように、本発明の製造方法
の範囲内で熱処理した試験基板はフラックスの残留はほ
とんど見られなかった。一方、本発明の範囲より低い温
度で熱処理をした試料番号１の試験基板ではフラックス
の残留が20個中20個とも発生し、また本発明の範囲より
高い温度で熱処理した試料番号14の試験基板では中間金
属層中のニッケルが表面金属層中に多量に拡散してメタ
ライズ金属層と半田との濡れ不良が多量に発生した。 【００４４】 【発明の効果】本発明の配線基板の製造方法によれば、
中間金属層の表面に表面金属層を被着させた後、この配
線基板を還元雰囲気中300 〜400 ℃の温度で熱処理する
ことから、この熱処理により絶縁基体表面のフラックス
との濡れ性が低下し、その結果、絶縁基体の搭載部に露
出したメタライズ配線導体の一端部に半導体素子の電極
を半田バンプを介して接続する際に半田を溶融させる熱
によりフラックス成分が絶縁基体の搭載部から容易に離
脱し、このためフラックス成分が半導体素子と絶縁基体
との隙間から外部に良好に揮散除去され、絶縁基体の搭
載部に残留することがない。 【００４５】その結果、アンダーフィルを充填させた後
に熱が印加されたとしてもアンダーフィルにクラックや
破裂が発生しない、半導体素子の搭載信頼性に優れた配
線基板を得ることができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の製造方法によって製作される配線基板
の実施の形態の一例を示す断面図である。 【図２】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・・・・・絶縁基体 ２・・・・・メタライズ配線導体 ５・・・・・中間金属層 ６・・・・・表面金属層

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 表面に高融点金属から成るメタライズ配
   線導体を有する絶縁基体を準備し、次に前記メタライズ
   配線導体の表面にニッケルを主成分とする中間金属層を
   ２回に分けて被着し、次に該中間金属層の表面に金を主
   成分とする表面金属層を被着し、しかる後、還元雰囲気
   中３００乃至４００℃の温度で熱処理することを特徴と
   する配線基板の製造方法。