JP3662825B2 - プリント回路基板 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は回路基板に関し、特にプリント回路基板用の多目的最終仕上げとこのようなプリント回路基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プリント回路基板の製造方法は、性能の向上に対する需要が高まっているために、急速に変化している。性能の向上に対する需要は、回路密度の向上と回路の複雑さの増加、び環境に適合することへのコストの増加に起因している。多くの種類の最終仕上げ層が、プリント回路基板に用いられている。最終仕上げの選択は、プリント回路基板が最終的に満足しなければならない要件に一般的に依存している。プリント回路基板上の表面回路は、銅および銅合金を含み、これらは組み立てられる際、他のデバイスとの間で良好な機械的接続及び電気的接続を提供するようコーティングしなければならない。
【０００３】
回路上へのコーティングはいわゆる表面最終仕上げと称する。回路は非接触領域と接触領域の両方を含む。非接触領域に対し行われる最終仕上げは、非接触最終仕上げ層と称し、接触領域に対し行われる最終仕上げ層は、接触最終仕上げ層と称する。非接触領域は、ワイヤボンディング領域とチップ取り付け領域と半田領域と他の非接触領域を含む。非接触最終仕上げ表面と接触最終仕上げ表面は、ある種の別々の要件を満足しなければならない。非接触最終仕上げの要件は、良好な半田特性と良好なワイヤボンディング特性（アプリケーションによってある種のプリント回路基板に対し）と高い耐腐食性が含まれる。他方の接触最終仕上げ表面の要件は、高い接続性と高い耐摩耗性と高い耐腐食性を含む。これらの異なる要件を満たすために、異なる種類のコーティングが、非接触最終仕上げと接触最終仕上げに対し用いられてきた。
【０００４】
ある種の非接触最終仕上げ層は、高温半田レベル（hot air solder lebel；HASL）コーティングと上部に浸漬法により形成された金（ＥＮ／ＩＡｕ）を有する無電解ニッケルコーティング、有機半田性保存（organic solderbility preservative;OSP）コーティングと有機銀のような有機金属半田性保存（ＯＳＰ／Ａｇ）コーティングを含む。一方、通常の接触最終仕上げ層は、上部に電解ハード金層を具備した電解ニッケルコーティング（金−ニッケルまたは金−ニッケル合金または金−コバルト合金でニッケルまたはコバルトが０．３重量％以下含有する）をする。回路上の非接触最終仕上げ層の上方をコーティングし、かつ接触領域上の仕上げ層をコーティングすることは、かなりの数の処理ステップ（２４から２８回のステップ）と長時間を必要とし、これらは生産性を低下させ、かつコストを上昇させることになる。
【０００５】
回路基板上の最も一般的な非接触最終仕上げプロセスは、ＨＡＳＬである。ここ数年間にわたって、ＨＡＳＬを使用することは劇的に減少している。これは主に表面搭載技術を含む複合技術で採用でき、ＨＡＳＬは採用できないような需要が増加していることに起因している。ＨＡＳＬを用いたプリント回路基板を製造するのに際しては、フォトレジスト層を銅製のベースラミネート層の基板上に配置し、それに紫外線をあてて、所望の回路パターンを得ている。
【０００６】
次にフォトレジスト層を洗浄し、紫外線からマスクされていない領域、すなわち銅ラミネート層上の回路のパターンに開口を形成する。電解銅（酸化銅）を回路領域の銅製のベースラミネート層の上部にフォトレジスト層の開口を介してメッキする。電解銅を形成した後、錫あるいは錫−鉛の層を回路上にパターンメッキして、エッチレジストとして機能させる。残ったフォトレジスト材料を基板から取り除き、ベースの銅ラミネート層を露出させる。その後このベース銅ラミネート層を除去して裸の基板（通常のガラス強化プラスチック）を露出させる。この時点のＨＡＳＬプロセスにおいては、銅回路ライン上にメッキされたエッチレジスト材料以外は何も基板上には残らない。
【０００７】
このプロセスの不都合な点は、余分な処理ステップを行わなければならない点である。エッチレジスト材料を最初に塗布しその後を除去しＨＡＳＬ最終仕上げの前に形成された半田マスク（solder mask;SM）が形成される。さらにまた、ＨＡＳＬコーティングは、合成技術のアプリケーションでは採用することが出来ない。その理由は、基板の同一平面性の要件とワイヤボンディングの要件を満たすことが出来ないからである。ＨＡＳＬ最終仕上げプロセスは、労働集約的なプロセスであり、通常鉛を含有するために多くの環境問題を引き起こす。
【０００８】
ＥＮ／ＩＡｕプロセスは、錫あるいは、錫−鉛の除去とＳＭをＨＡＳＬプロセスとして塗布するまでは同一のステップを必要とする。その後、フラックスを塗布すること、及びＨＡＳＬを適用する代わりに、無電解ニッケルと浸漬金のメッキを回路に施す。ＨＡＳＬプロセスの場合と同様にＥＮ／ＩＡｕプロセスもまた、多くの不都合な点を有する。たとえば多孔性と処理ステップの数が多いこと、半田温度に曝したときに性能が劣化し、値段が高いことである。
【０００９】
これ以外にたくさんの競合し得る技術があるが、しかし、これら全てはエッチレジスト層を最初に塗布し、その後除去し、さらに使用の厳しい多くの処理ステップを必要としている。ＯＳＰとＯＳＰ／Ａｇは、銅製の回路の表面に直接形成されるポストエッチ技術のうちの２つの技術である。しかし、これらの技術もまた保存寿命が限られており、半田温度に曝されたときに品質が低下し、良好なワイヤボンディング性能を発揮できない。
【００１０】
上記の非接触最終仕上げ層のいずれも、耐摩耗性が悪いために接触最終仕上げ層として用いることが出来ない。
【００１１】
たとえば上部に電解硬金を具備した電解ニッケル層のような接触仕上げ層は、非接触仕上げ層をコーティングした後、接触領域に形成しなければならない。この接触仕上げ層は、良好な導電性と高い耐摩耗性を有する。しかし、非接触仕上げ層としては用いることが出来ない。その理由は、半田性が悪いことと、ワイヤボンディングがしづらいためである。基板に接触仕上げ層を形成することは、ＳＭを形成する別のマスキングステップを必要とし、そして接触仕上げ層をメッキして、その後このＳＭを除去することが必要である。これは処理ステップの数が増加し、ＳＭの不整合に起因する生産性が低下することになる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
プリント回路基板業界は、近年別の表面仕上げ層を評価することを開始している。非接触回路と接触領域の両方に用いることが出来、かつプリント回路基板の最終仕上げプロセスの錫−鉛を置換でき、環境問題を起こさずに、かつ電気回路の製造をより環境に優しいものにするような多目的最終仕上げに対する需要が高まっている。その性質を説明すると、このような最終仕上げは高いエッチング耐性と良好な半田特性と良好なワイヤボンディング特性と高い導電性と高い耐摩耗性と高い腐食抵抗／低多孔質性と同一平面性と（均一な厚さの分布）と最長１０分間半田温度に曝した後の製品の完全性と現在の製造ラインに組み込むことが出来ることと、長い在庫寿命（６から１２ヶ月）と、経済的でかつ環境問題に対し安全性を提供しなければならない。このような最終仕上げ層を有すると処理ステップを大幅に低減でき、生産性を向上させ、製造コストを低下させ、品質を劇的に向上させることが出来る。パラジウム、あるいはパラジウム−ニッケル合金をプリント回路基板の多目的最終仕上げ層として用いることが以前から考えられていた。しかし純粋なパラジウムは、多孔質で、かつコストが高く、またパラジウム−ニッケル合金は、今日要求されているのよりも耐摩耗性が低い。
【００１３】
従って本発明の目的は、上記の要件及び目的を満たすことの出来る多目的最終仕上げ層を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記従来技術の欠点を解決するために、プリント回路基板用の多目的最終仕上げ層を提供し、かつその仕上げ層を製造する方法を提供する。本発明の一実施例によれば、本発明のプリント回路基板は、請求項１に記載した特徴を有する。すなわち、導電性トレースをその上に有する基板と、パラジウム合金を含有する多目的最終仕上げ層とを有するプリント回路基板において、前記パラジウムは、コバルトあるいはプラチナ族金属と合金を形成し、前記パラジウム合金が前記導電性トレースの少なくとも一部の上に形成され、プリント回路基板の非接触最終仕上げ層と接触最終仕上げ層の両方を形成することを特徴とする。プラチナ族金属とは、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、レニウム、オスミウム、イリジウム、プラチナからなるグループから選択された金属である。
【００１５】
本発明はさらに、パラジウム合金を用いた広い概念を含み、パラジウム合金は銅、あるいはプラチナ族金属と合金が形成され、非接触仕上げ層と接触仕上げ層の両方を形成するのに適した多目的最終仕上げ層として用いることが出来る。パラジウム合金は、コバルトと合金が形成された場合にはコバルトは、１重量％以上含有し、さらにニッケルあるいは鉄を含有する。パラジウム合金は、さらにコバルトとプラチナ族金属と合金を形成することが出来る。このパラジウム合金は、請求項４に記載した特徴を有する。すなわち、前記パラジウム合金は、エッチレジスト層であることを特徴とする。
【００１６】
本発明の一実施例においては、非接触最終仕上げ層は非接触領域の少なくとも一部をコーティングする。この実施例においては、また接触仕上げ層は、接触領域の少なくとも一部をコーティングする。本発明の他の実施例においては、パラジウム合金は導電性トレースの全ての上に配置される。この導電性トレースは銅を含む。しかし、他の導電性材料、たとえば銅合金、アルミ、ニッケル、銀、金、プラチナあるいはこれらの合金も導電性トレースとして用いることもできる。
【００１７】
本発明で用いられるパラジウム合金は、請求項８に記載した特徴を有する。すなわち、パラジウムは、前記パラジウム合金の１０ないし９５重量％の範囲を占め、コバルトまたはプラチナ族金属は、前記パラジウム合金の５ないし９０重量％の範囲を占めることを特徴とする。
【００１８】
本発明のプリント回路基板は、請求項１０に記載した特徴を有する。すなわち、前記多目的最終仕上げ層の上に形成された材料をさらに有し、前記材料は、パラジウムと銀と金とロジウムとルテニウムとプラチナと錫と有機半田製保存材料とからなるグループから選択されることを特徴とする基板である。
【００１９】
本発明の他の実施例においては、ニッケルを従来の堆積プロセスを用いてパラジウム合金の下に形成して、ニッケル製の下層を形成することもできる。当業者にはニッケル堆積ステップは選択的事項であり、ある種のアプリケーションにおいては用いる必要がないことは理解できるであろう。しかし、ニッケルが必要な場合には、ニッケル合金、コバルト、コバルト合金、鉄あるいは鉄合金のような他の材料も用いることもできる。
【００２０】
本発明の他の実施例においては、請求項１３に記載の特徴を有する。すなわち、前記非接触領域は、表面搭載パッドとワイヤボンドパッドと半田パッドと相互接続部からなるグループから選択された領域であることを特徴とする基板である。本明細書で用いられる相互接続とは、回路トレース、メッキされた貫通孔、およびマイクロバイアスである。パラジウム合金は、他のプリント回路基板の最終仕上げに、たとえば貫通孔あるいは装飾的デザインとして用いることが出来る。
【００２１】
基板は、プリント回路基板に用いられる様々な材料を含む。この材料としては、たとえば請求項１４に記載したものがある。すなわち、前記基板は、エポキシとポリイミドと弗化ポリマーとセラミックスとポリエステルとフェノリクスとアラミドペーパーとからなるグループから選択された材料を含むことを特徴とする基板である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１においては、プリント回路基板１０３は基板１０５を有し、この基板１０５はガラス強化プラスチックのような材料から構成され、その上に複数の層が形成される。基板１０５はガラス強化プラスチックから形成されたものとして示しているが、基板１０５はエポキシ、ポリイミド、弗化ポリマー、セラミック、ポリエステル、フェノリックス、アラミドペーパーを含む他の基板材料から形成することも可能である。銅製ラミネートベース層１１０、あるいは類似のラミネート材料が基板１０５の上に形成される。銅製ラミネートベース層１１０を形成した後、フォトレジスト層１１５が銅製ラミネートベース層１１０の上部にその後形成される。フォトレジスト層１１５は紫外線を照射して、その上に回路トレースパターンを露出する。この回路トレースパターンは、図２に示されるよう形成される。
【００２３】
酸化銅メッキ方法を用いて銅電解プレート１２２がフォトレジスト層に形成された開口１２０内の銅製ラミネートベース層１１０の上部に形成される。しかし他の種類の銅、あるいは類似材料を用いることもできる（図３）。次に図４に示すようにニッケル層１２４（ニッケル製下層）が開口１２０内で銅電解プレート１２２の上部に形成され、従来の堆積プロセスを用いて形成される。ニッケル層１２４は、銅電解プレート１２２の上に形成されて、銅が酸化するのを阻止し、さらに表面仕上げ層に強度を付加している。ニッケルは銅と同様に酸化されて、酸化ニッケルを生成するが酸化銅とは対照的に酸化ニッケルは、表面に沿ってクリープしない。酸化ニッケルを形成するニッケルのこのような性質は、パラジウム合金をニッケルの上に形成した場合には、さらに小さくなる。この実施例ではニッケルを例に説明したが、ニッケル堆積ステップは、選択的事項であり、ある種のアプリケーションによっては省くこともできる。しかし、ニッケルが必要な場合には、ニッケルの類似の材料、たとえばニッケル合金、コバルト、コバルト合金、鉄、鉄合金が用いられる。
【００２４】
図５においてパラジウム合金層１２５がニッケル層１２４の上に形成され、このニッケル層１２４は銅電解プレート１２２の上部に形成されている。パラジウム合金層１２５は従来プロセスの錫、錫−鉛メッキプロセスにとって代わるものである。パラジウムはコバルトあるいはプラチナ族金属と合金を形成する。パラジウムがコバルトと合金を形成する実施例においては、この合金はさらにニッケルあるいは鉄のような三元金属を含む。この実施例においては、コバルトはパラジウム−コバルト合金の１重量％を含む。
【００２５】
他の実施例においては、パラジウム合金層１２５は８０重量％のパラジウムと２０重量％のコバルトまたはプラチナ族金属を含む。パラジウム対コバルトまたはプラチナ族金属の類似の割合も用いることが出来る。たとえば、パラジウム合金層１２５は合金の５０ないし９５重量％のパラジウムと５ないし５０重量％のプラチナ族金属を含んでもよい。パラジウム合金層１２５の形成方法の詳細は、米国特許出願第０８／９７４，１２０号に記載されている。パラジウム合金の電気メッキに関する詳細は、米国特許出願第０８／６４４，３４７号に記載されている。
【００２６】
プリント回路基板の製造に際し、パラジウム合金層１２５を用いる主な利点は、錫あるいは錫−鉛の代わりに、エッチレジスト層として用いることが出来る点である。このように用いると、パラジウム合金層１２５は非接触最終仕上げ層接触最終仕上げ層の両方の多目的仕上げ層として用いることが出来る。パラジウム合金層１２５を用いると、表面仕上げ製造領域から鉛を除去でき、余分な廃棄物処理の費用を削除するのみならず、サイクル時間がエッチレジスト材料をメッキし、その後取り除くことが省けるために遙かに短くなる。製造時間は処理ステップの約５０％を省略できるために、極めて短くなる。
【００２７】
パラジウム合金層１２５は、低い多孔質性の特性を有する。多孔質性が低い（多孔質でないと）とパラジウム合金の表面上の露出した銅及び／またはニッケルの腐食生成物の形成を最小に出来、これにより導電性と半田性およびワイヤボンディング性を維持できる。
【００２８】
同様にパラジウム合金層１２５は優れた耐摩耗性と優れた拡散／マイグレーションバリヤ特性と高い熱的安定性と良好な同一平面性を提供できる。これらの全ての特性によりパラジウム合金層１２５は、非接触領域と接触領域の両方に対し最終仕上げ層となり得る。
【００２９】
パラジウム合金層１２５を堆積した後、フォトレジスト層１１５を取り除く。これにより除去すべき銅製ラミネートベース層１１０の一部が露出する。この露出した銅製ラミネートベース層１１０は、（これは図５に示すようにフォトレジスト層により前にカバーされていた）が従来の銅エッチプロセスを用いてエッチングで除去され、その結果図６に示すように銅製回路１３０が形成される。パラジウム合金層１２５は銅製回路１３０の一部に対しエッチレジスト層として機能する。レジストが除去され、銅がエッチングされた後、残ったものは銅製回路１３０によりカバーされている基板１０５である。
【００３０】
本発明のステップの最終必要ステップを図７に示し、このステップは基板１０５に対し半田マスク１３５を形成することである。この半田マスク１３５は半田ブリッジが基板の使用者によりより行われる組立の間形成されるのを阻止するために塗布される。
【００３１】
問題点はパラジウム合金層１２５をエッチレジスト層として用いた後、回路の側壁上に露出した銅製回路１３０が存在することである。この露出した銅製回路１３０は別のプロセスにより保護コーティング層でもってカバーする。この保護コーティング層は様々な材料のコーティング、たとえばパラジウム、銀、金、ロジウム、ルテニウム、プラチナ、錫あるいはこれらの合金あるいは有機半田特性保存材料（organic solderability preservative;OSP）である。これらのコーティング層は、従来のプロセスにより形成される。
【００３２】
図８ないし１０は銅のクリープを阻止するために形成された多くのプロセスの内の３つのプロセスを示す。選択的ステップにおいて銅製回路１３０は、半田マスク１３５が基板１０５に形成された後、浸漬法によるパラジウムプレート１４０に曝される（図８）。浸漬法によるパラジウムプレート１４０は無電解メッキと同様な方法で形成されるが、但し、メッキ溶液中の金属イオンの還元は、溶液内の還元剤によってではなく、メッキ中の一部の金属の酸化により行われる。
【００３３】
図９には浸漬法によるパラジウムプレート１４０に対する別のものとして無電解メッキによるパラジウムプレート１４５が形成されている。この無電解メッキによるパラジウムプレート１４５は還元プロセスにより形成され、残った銅製回路１３０をカバーする。無電解メッキによるパラジウムプレート１４５を用いることは電解パラジウムプレートを用いる場合よりもより均一な厚さの分布が得られ、さらに浸漬法によるパラジウムプレート１４０を用いるよりもより大きな厚さが得られる。
【００３４】
図１０に示す別のプロセスは、図７のプリント回路基板を浸漬法による金プレート１５０で覆うことである。銅製回路１３０の上に浸漬法による金プレート１５０を用いることにより、半田性とワイヤボンディング性と耐摩耗性の改良が達成できる。金は溶融半田に曝されたときに製品の濡れ速度を増加させ、これが表面の半田特性を増加させる。さらにまた、プリント回路基板の表面に取り付けられた多くのワイヤは、金を含有し、表面もまた金を含有するために、この２つの材料の共通性により、より強いワイヤボンドが可能となる。
【００３５】
図１１に示すように本発明の一実施例はさらに銅ラミネート／基板を洗浄するステップ２０５とその後に銅ラミネート／基板をミクロエッチングするステップ２１０と銅ラミネート／基板を酸に浸漬するステップ２１５を有する。銅メッキの後、銅と基板もまたステップ２２５で酸に浸漬される。半田マスクが形成される綺麗な表面を確保するために、基板は、プレ洗浄ステップ２４５に曝される。図１１の他のステップは、前記の実施例で議論したとおりである。
【００３６】
【発明の効果】
以上述べたようにパラジウム合金を非接触回路と、接触領域の両方の上の多目的プリント回路基板の表面として用いることによりプロセスステップの５０％以上を削減でき、かつ必要な材料の特性を維持、さらにはまた改善し、そしてかなりのコストの削減となる。コストの削減は、ステップ数の削減とより安い堆積材料の使用及び仕上げ表面の性能の改善による。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるプリント回路基板の製造方法の第１ステップを表す断面図。
【図２】本発明によるプリント回路基板の製造方法の第２ステップを表す断面図。
【図３】本発明によるプリント回路基板の製造方法の第３ステップを表す断面図。
【図４】本発明によるプリント回路基板の製造方法の第４ステップを表す断面図。
【図５】本発明によるプリント回路基板の製造方法の第５ステップを表す断面図。
【図６】本発明によるプリント回路基板の製造方法の第６ステップを表す断面図。
【図７】本発明によるプリント回路基板の製造方法の第７ステップを表す断面図。
【図８】本発明によるプリント回路基板の製造方法の第８ステップを表す断面図。
【図９】本発明によるプリント回路基板の製造方法の第９ステップを表す断面図。
【図１０】本発明によるプリント回路基板の製造方法の第１０ステップを表す断面図。
【図１１】プリント回路基板用の最終仕上げとしてパラジウム合金を用いる方法を表すフローチャート図。
【符号の説明】
１０３ プリント回路基板
１０５ 基板
１１０ 銅製ラミネートベース層
１１５ フォトレジスト層
１２０ 開口
１２２ 銅電解プレート
１２４ ニッケル層
１２５ パラジウム合金層
１３０ 銅製回路
１３５ 半田マスク
１４０ 浸漬法によるパラジウムプレート
１４５ 無電解メッキによるパラジウムプレート
１５０ 浸漬法による金プレート
２０５ 銅ラミネート層／基板を洗浄する
２１０ 銅ラミネート層／基板をミクロエッチングする
２１５ 銅ラミネート層／基板を酸に浸漬する
２２０ 銅ラミネート層／基板の上に銅製のプレートを形成する
２２５ 銅／基板を酸に浸漬する
２２８ 選択的事項としてニッケル製プレートを形成する
２３０ ｐｄ合金プレートを形成する
２３５ レジストを取り除く
２４０ 銅エッチング材を適用する
２４５ あらかじめ洗浄する
２５０ 半田マスクを形成する

Claims (10)

1. プリント基板回路（ＰＷＢ）であって、
   少なくとも１つの導電性トレースをその上に有する基板からなり、前記導電性トレースが、
   前記基板上の前記トレースのパターンを画定する前記基板上に配置された銅又は銅合金ラミネート層、
   前記ラミネート層上に配置された銅中間層、
   前記中間層上に配置されたニッケル下層、並びに、
   パラジウムがコバルト又はプラチナ族金属と合金を形成し、前記パラジウム合金が前記下層の少なくとも一部分の上に配置され前記ＰＷＢの非接触最終仕上げ及び接触最終仕上げを形成するパラジウム合金、及び、前記導電性トレースを少なくとも部分的に覆う金の外部コーティングからなる多目的最終仕上げからなる導電性トレースであることを特徴とするＰＷＢ。
2. 前記パラジウム合金は、パラジウム−コバルト合金であり、
   前記パラジウム−コバルト合金は、さらにニッケルまたは鉄を含有することを特徴とする請求項１記載のＰＷＢ。
3. 前記コバルトは、前記パラジウム−コバルト合金の１重量％以上を含まれることを特徴とする請求項２記載のＰＷＢ。
4. 前記パラジウム合金は、エッチレジスト層であることを特徴とする請求項１記載のＰＷＢ。
5. 前記導電性トレースが非接触領域の少なくとも一部分の上に配置されたことを特徴とする請求項１記載のＰＷＢ。
6. 前記被接触領域が、表面搭載パッド、ワイヤボンドパッド、半田パッド、及び、相互接続部からなることを特徴とする請求項５記載のＰＷＢ。
7. 前記導電性トレースが接触領域の少なくとも一部の上に配置されることを特徴とする請求項１記載のＰＷＢ。
8. パラジウムは、前記パラジウム合金の１０ないし９５重量％の範囲を占め、
   コバルトまたはプラチナ族金属は、前記パラジウム合金の５ないし９０重量％の範囲を占めることを特徴とする請求項１記載のＰＷＢ。
9. 前記パラジウム合金層は、前記導電性トレースの全ての上に形成されることを特徴とする請求項１記載のＰＷＢ。
10. 前記基板は、エポキシとポリイミドと弗化ポリマーとセラミックスとポリエステルとフェノリクスとアラミドペーパーとからなるグループから選択された材料を含むことを特徴とする請求項１記載のＰＷＢ。

Images