JP3980473B2 - 電子部品の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、導体の上に直接はんだを接続した際に、はんだが拡散することを防止するため、拡散防止層を別途形成することが一般的である。そして、そのはんだ拡散防止層の上には、はんだとはんだ拡散防止層の濡れ性を良くするため、無電解金めっきを行うことが行われている。例えば、非特許文献１には、電気ニッケルめっき上に形成した無電解金めっきの挙動に関する記載がある。また、無電解ニッケル上に無電解金めっきを形成し、はんだを搭載し、接続強度を測定すると接続が得られないとの記述がある。また、同記事には、電気ニッケルめっき上に電気金めっきを形成した場合には接続強度が得られるとの記述がある。しかし、電気ニッケルめっき上に無電解金めっきを形成した際の挙動については、詳細な記述はなく、また、無電解ニッケルめっき上に無電解金めっきを形成することではんだの接続が得られていない記述に関しても、無電解金めっきを廃止すべきとの記述はない。
【０００３】
【非特許文献１】
K.Yokomine 他５名、「Development of Electroless Ni/Au Plated Build-Up Flip Chip Package with Highly Reliable Solder Joints」、Proceedings 2001 Electronic Components & Technology Conference、（米国）、ＩＥＥＥ、２００１年、ｐ．１３８４−１３９２
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
無電解金めっきを使用する理由は、はんだ濡れ性を確保できるために長らく用いられてきた。そのため、無電解金めっきを廃止することで、はんだボール接合強度を低下させる懸念がある。しかし、従来の鉛を多く含むはんだにおいては、問題を生じなかった無電解金めっき工程であるが、錫の含有率が高くなった鉛フリーはんだにおいては、はんだボール接合に問題を来すようになった。
【０００５】
本発明は、無電解金めっきを行わないことで、はんだの接続性を確保できる方法を提供する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、特許請求の範囲の通りに構成するものである。すなわち、端子として形成されたニッケルまたはニッケルを含む合金を有する電子部品であって、はんだを用いて他の部材と接続する部分において、前記ニッケルまたはニッケルを含む合金上に無電解金めっきが施されていない電子部品を提供する。また、外部の回路と接続するための端子を有する素子または基板と、該素子または基板の上に形成された絶縁層と、該絶縁層の上に形成され該素子または基板の有する前記端子と外部端子とを電気的に接続する配線と、該配線と一体化して形成されたニッケル層またはニッケル合金層を含有する、はんだ拡散防止層と、前記配線および前記はんだ拡散防止層を外部端子と電気的に接続するためにはんだを搭載するために開口した部分以外を被った絶縁層と、を有する電子部品であって、外部端子と電気的に接続する部分において、無電解金めっきが施されていない電子部品を提供する。配線およびはんだ拡散防止層を外部端子と電気的に接続するためにはんだを搭載するために開口した部分以外を被った絶縁層が、感光性樹脂であることを特徴とする。また、外部の回路と接続するための端子を有する素子または基板は、半導体素子、または、半導体工程が完了したシリコンウエハ、配線が形成されたプリント基板、若しくは配線が形成されたガラスセラミック基板であることを特徴とする。また、はんだの組成が錫の含有率が９０％以上１００％未満である、はんだを搭載したことを特徴とする。つまり、鉛を多く含むはんだにおいては、無電解金めっきの影響はない。そして、端子として形成したニッケルまたはニッケルを含む合金上に、はんだを用いて他の部材と接続する工程において、前記ニッケルまたはニッケルを含む合金上に無電解金めっきを施さない電子部品の製造方法を提供する。また、外部の回路と接続するための端子を有する基板の上に絶縁層を形成する工程と、該絶縁層の上に形成され該基板の有する前記端子と外部端子とを電気的に接続する配線と、該配線と一体化して形成されたニッケル層またはニッケル合金層を含有する、はんだ拡散防止層とを形成する工程と、前記配線および前記はんだ拡散防止層を外部端子と電気的に接続するためにはんだを搭載するために開口した部分以外を絶縁層で被う工程と、を有する電子部品の製造方法であって、外部端子と電気的に接続する部分において、無電解金めっきを行わない電子部品の製造方法を提供する。はんだと配線およびはんだ拡散防止層を外部端子と電気的に接続するためにはんだを搭載するために開口した部分以外を絶縁層で被う工程において、前記絶縁層として感光性樹脂を用い、前記感光性樹脂を硬化させる温度を２００℃〜３００℃とすることを特徴とし外部の回路と接続するための端子を有する基板は、半導体工程が完了したシリコンウエハ、配線が形成されたプリント基板、または、配線が形成されたガラスセラミック基板であることを特徴とし、はんだの組成が錫の含有率が９０％以上１００％未満である、はんだを用いて外部端子と接続することを特徴とする。これらの機能を有する電子部品を搭載する電子機器は、はんだ接続部分の高い信頼性を有する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例について図を併用しつつ説明する。ここでは、電子部品のはんだの接続性を端的に示す例として、ウェハレベルＣＳＰ（Chip Scale Package）を例として示す。なお、全ての図において、同一符号は同一部位を示しているため、重複する説明を省いている場合があり、また説明を容易にするため各部の寸法比を実際とは変えてある。
【０００８】
本発明に係る実装基板、例えば配線用実装基板の製造方法を第一の実施例として、図１から図３を用いて説明する図１〜図３の（１）〜（１０）がそれぞれ工程１〜工程１０に対応する。
【０００９】
［工程１］
基板として、半導体工程が完了したシリコンウェハ、配線が形成されたプリント基板、配線が形成されたガラスセラミクス基板など、外部の回路と接続するための端子を有する基板を用いることができる。本実施例では、半導体工程が完了したシリコンウェハ１を例として、説明する。半導体工程が完了したシリコンウェハ１上には、端子２が形成されている。この端子２の材料として、アルミが広く一般的に用いられているが、本発明において、この材料が限定されるものではない。
【００１０】
［工程２］
半導体工程が完了したシリコンウェハ１上に絶縁膜３を形成する。絶縁膜３は無機材料または有機材料を用いて形成される。また、無機材料の上に有機材料を用いて重ねて形成してもよい。ここで、有機材料を塗布することは、基板の表面凹凸が大きいセラミクス基板の場合に有用である。また、ここに塗布した有機樹脂を厚くすることで、後に形成するはんだボールと実装したときの応力を低減することが可能となる。
【００１１】
［工程３］
電気めっきを実施するための給電膜４を半導体ウェーハ全面に形成する。ここでは、蒸着や、無電解銅めっき、ＣＶＤなども用いることが可能であるが、ポリイミドとの接着強度が強いためスパッタを用いることとした。スパッタの前処理として、導体の導通を確保するためにスパッタエッチングを行った。
【００１２】
本実施例におけるスパッタ膜としては、クロム（７５ナノメートル）／銅（０．５マイクロメートル）の多層膜を形成した。ここでのクロムの機能は、その上下に位置する銅と応力緩和層等との接着を確保することにあり、その膜厚はそれらの接着を維持する最低限でかまわない。所要膜厚は、スパッタエッチングおよびスパッタの条件、クロムの膜質などによっても変動する。なお、本実施例で使用したクロム膜に代えてチタン膜やチタン／白金膜、タングステンなどでも代替できる。
【００１３】
一方、銅の膜厚は、後の工程で行う電気銅めっき及び電気ニッケルめっきを行ったときに、膜厚分布が生じない最小限度の膜厚が好ましく、めっき前処理として行なう酸洗などでの膜減り量も考慮に入れたうえで膜厚分布を誘発しない膜厚を決定する。銅の膜厚を必要以上に厚くした場合、例えば１マイクロメートルを越える銅厚の場合には、スパッタ時間が長くなって生産効率が低下するという問題に加えて、後の工程で実施する給電膜４のエッチング除去の際に長時間エッチングが避けられず、その結果として再配線用配線６のサイドエッチングが大きくなる。
【００１４】
［工程４］
ホトリソグラフィー技術を用い、再配線用配線６を形成する部分のみが開口した配線の逆パターン５をレジストで形成する。
【００１５】
［工程５］
工程５〜７で再配線用配線を形成する。まず、給電膜４および配線の逆パターン５を利用して電気めっきを行い、配線７を形成する。配線７は、硫酸・硫酸銅めっき液を用い、界面活性剤による洗浄、水洗、希硫酸による洗浄、水洗を行った後、給電膜４を陰極に接続し、リンを含有する銅板を陽極に接続して電気銅めっき膜を形成した。配線７は銅以外に、金または銀を包含するものであってもよい。
【００１６】
［工程６］
配線７上に、はんだ拡散防止膜８として、給電膜４を陰極に接続し、ニッケル板を陽極に接続して電気ニッケル膜を形成した。電気ニッケルめっき前に、界面活性剤による洗浄、水洗、希硫酸による洗浄、水洗を行うと良好な膜質の電気ニッケルめっき膜が得られる場合がある。なお、銅、ニッケルとも電気めっきを用いて導体を形成する方法を示したが、無電解めっきを用いることも可能である。また、はんだ拡散防止膜８はニッケル合金であってもよい。
【００１７】
［工程７］
電気銅めっきおよび電気ニッケルめっきを行ったのちにレジストを使用した配線の逆パターン５を除去する。再配線用配線６は配線７とその上に形成されたはんだ拡散防止膜８からなる。
【００１８】
［工程８］
エッチング処理をすることで予め成膜した給電膜４を除去する。銅のエッチングには、塩化鉄、アルカリ系エッチング液等の種類があるが、本実施例では硫酸／過酸化水素水を主成分とするエッチング液を用いた。１０秒以上のエッチング時間がないと制御が困難となって実用的観点では不利であるが、あまりに長い時間エッチングを行なうと、例えば５分を越えてエッチングするような場合には、サイドエッチングが大きくなったりタクトが長くなるという問題も生じるため、エッチング液およびエッチング条件は、適宜実験により求めるのがよい。引き続いて実施する給電膜４のクロム部分のエッチングには、本願発明では過マンガン酸カリウムとメタケイ酸を主成分とするエッチング液を用いた。
【００１９】
［工程９］
有機材料を用い表面保護膜９を形成する。この有機材料としては、感光性を有する樹脂が好ましく、感光性ポリイミドが最も好ましい。感光性ポリイミドの硬化条件は、２００℃以上３００℃以下とすることが好ましい。これは、３００℃以上の温度となった場合、感光性ポリイミドの感光基が分解し、その残渣がバンプパッド１０の上に付着することを防止する。そして、このパターンを利用してバンプパッド１０を形成する。従来は、表面保護膜９（感光性ポリイミド）を形成してベークした後に、開口部分の最表面に無電解金めっきを行っていたが、本発明では無電解メッキを施さない。
【００２０】
［工程１０］
バンプパッド１０上にフラックスと共にはんだボールを搭載し、加熱することでバンプパッド１０にはんだボールを接続し、はんだバンプ１１を形成する。はんだバンプは半導体装置側に形成することが一般的であるが、実装基板側に形成することも可能である。例えば、はんだボール搭載装置とリフロー炉を使用しバンプを形成する。つまり、はんだボール搭載装置を利用することで、バンプパッド１０上に所定量のフラックスとはんだボールを搭載する。この際、はんだボールはフラックスの粘着力によりバンプパッド上に仮固定される。はんだボールが搭載された実装基板または半導体ウェーハをリフロー炉に投入することではんだボールは一旦溶融し、その後再び固体化することで、はんだバンプ１１となる。このほかにも印刷機を用いてはんだペーストをバンプパッド１０上に印刷塗布し、これをリフローすることではんだバンプ１１を形成する方法もある。何れの方法においてもはんだ材料は様々なものを選択することが可能であるが、本工程を用いた場合、錫含有率が９０％以上の時、本工程における効果を最大限発揮する。
【００２１】
はんだボール搭載時のリフロー条件は、ベルト式のリフロー炉を用い、最大温度２４５℃、２３０℃以上で３０秒保持される時間でリフローを行った。また、用いたはんだボールは、ＳｎとＣｕを主成分とし、第三成分として、Ｂｉ、Ａｇを添加したものを用いた。
【００２２】
第１工程から第１０工程までの工程を経ることではんだ拡散防止層を有する実装基板を形成することが出来る。
【００２３】
これらの工程は、全て、半導体工程が完了したシリコンウェハ上で形成できる。図４に、図１から３までに部分的に記した半導体チップ１個分の概略を示し、図５に示す、網目１個１個が図４に示す半導体チップ１個分である。
【００２４】
［実験結果］
従来は第９工程において、はんだ拡散防止層である電気ニッケルめっき８上に無電解メッキを行っていたが、本発明者は詳細な実験を行うことによって電気ニッケルめっき８上に無電解メッキを施さない方がよいことを発見した。実験は第９工程において表面保護膜９（感光性ポリイミド）のベークを、（ａ）雰囲気制御炉（酸素濃度ｐｐｍオーダー）、（ｂ）通常ベーク炉（酸素濃度％オーダー）、（ｃ）通常ベーク炉（酸素濃度２０％）で行った試料について測定した。
【００２５】
（ａ）雰囲気制御炉（酸素濃度ｐｐｍオーダー）
感光性ポリイミドをベークする際に、電気ニッケルめっき表面の酸化を抑制するため、低酸素濃度でベークすることが可能な雰囲気制御炉を用いた。検討は、無電解金めっきの有無、スパッタエッチングの有無の３水準で行った。
【００２６】
はんだボール剪断荷重とはんだ濡れ性の結果を図６に示す。図６において、Ｎｏ．欄の５、６、７は試料番号であり、Ｎｉ欄の「生研」は出願人の生産技術研究所で通常用いている電気ニッケルめっき液で電気ニッケル膜８を形成したことを示しており、使用炉欄の「雰囲気」、酸素濃度欄の「ｐｐｍ」、ベーク時間欄の「２時間」は雰囲気制御炉（酸素濃度ｐｐｍオーダー）で２時間ベークしたことを示し、スパッタエッチ欄の「なし」はスパッタエッチを行っていないこと、「１５分」は、はんだボールを搭載する直前に１５分間スパッタエッチを行ったことを示している。また、右側の１〜９欄は、各試料番号の９個のはんだ接合部分（開口部分）に１〜９の番号を付け、９個のはんだボールについて剪断強度と濡れ率を示したものである。平均欄はその平均値であり、σ欄は標準偏差、３σ欄は標準偏差×３を示している。濡れ率とは全体面積に対し、どのくらい濡れていたかを百分率で示したものであり、１００％が最もよく、０％は濡れていないことを示す。
【００２７】
試料番号５は、低酸素濃度でベークできる雰囲気制御炉を用いているため電気ニッケル表面の酸化が抑えられ、かつ無電解金めっきを行っているため、はんだの濡れ性も良好であり、はんだ剪断荷重を得ることができると考えられたが、本結果では、はんだボール剪断荷重が弱かった。一方、無電解金めっきなし（試料番号６）およびスパッタエッチングを行った（試料番号７）試料については、はんだボール剪断荷重を得ることができた。
【００２８】
ここで、電気ニッケル表面に無電解金めっきを行った場合（試料番号５、従来技術）と、行わなかった場合（試料番号６、本発明の実施例）を比較すると、行った場合は、はんだボールの剪断強度が平均で１７４．１ｇ／個であり、パッドとはんだが接触していた面積（濡れ率）は平均で３０．０％であった。特に、１番〜３番、７番のはんだ接合部分は濡れ率０％である。一方、無電解金めっきを行わない場合は、はんだボールの剪断強度が平均で２３９．４ｇ／個であり、パッドとはんだが接触していた面積（濡れ率）は平均で９１．１％である。この結果は、電気ニッケル表面に無電解金めっきを行うよりも、無電解金めっきを行わない方がよいことを示している。
【００２９】
なお、試料番号７は、はんだボールを搭載する直前に１５分間のスパッタエッチを行ったものである。これは、電気ニッケルめっき表面の酸化による影響を調べるために行った実験であるが、実験結果を見ると、試料番号６との差はほとんどなく、電気ニッケルめっき表面の酸化は特に影響がないことがわかる。
【００３０】
（ｂ）通常ベーク炉（酸素濃度％オーダー）
通常ベーク炉（酸素濃度％オーダー、窒素中）を用いた、はんだボール剪断荷重とはんだ濡れ性の結果を図７に示す。図７の各欄の説明は図６と同様であるので省略する。
【００３１】
感光性ポリイミドのベークに広く用いられているオーブン式ベーク炉（窒素２５ＳＣＣＭ）を用いた検討では、ベーク１時間（試料番号８、９）では、無電解金めっきを形成したものについて、一部に濡れ性が劣るもの（試料番号８−８）が見られたが、概ね接合強度が得られていた。ベーク２時間では、何れの試料においてもはんだボール濡れ広がりが確保されており、はんだボール剪断荷重も得られていた（試料番号１０、１１）。
【００３２】
（ｃ）通常ベーク炉（酸素濃度２０％）
電気ニッケルめっきの酸化による影響を確認するため、最も酸化が進む条件である大気中（酸素濃度２０％）でベークを行った。検討は、無電解金めっき、スパッタエッチングの４水準で行った。はんだボール剪断荷重とはんだ濡れ性の結果を図８に示す。図８の各欄の説明は図６と同様であるので省略する。
【００３３】
何れの試料においても、はんだボール剪断荷重、はんだ濡れ性の差は認められなかった。しかし、大気でベークしたものに無電解金めっきを行うと目視観察で金が析出していない部分もあったことより、無電解金めっきは、析出している部分においてもその析出量は少ないものと考えられた（無電解金めっきが良好に析出していると前面均一に金色になるが、一部のみ金色になっていたことにより析出量が少ないと判断した）。また、ベーク炉（酸素濃度％オーダー）においても、酸素濃度がパーセントオーダーで入っていることより、ｐｐｍオーダーでベークしたものと比較し、電気ニッケルめっきの表面酸化は進んでいると考えられる。無電解金めっき膜厚については、蛍光エックス線を用いた膜厚測定器で測定を試みたが、測定限界以下であり、測定できなかった。
なお、試料番号１３−６〜１３−９は測定できなかったため、空欄となっている。
【００３４】
［無電解金めっきによる、はんだ剪断加重低下の原因］
以上の結果より、無電解金めっきによる、はんだ剪断荷重低下の原因は、下記のメカニズムで発生していると考えられる。
【００３５】
通常炉（酸素濃度％オーダー）でベークを行った場合（前記（ｂ）、図７参照）は、▲１▼はんだパッド材である電気ニッケルめっき表面に酸化膜が形成される。▲２▼はんだパッド材である電気ニッケルめっき表面に形成された酸化膜によって、無電解金めっきが析出し難しい状況になることがある。ここで形成された酸化膜は、フラックスで除去することが可能であり、はんだ接続できる。▲３▼酸化膜が少ない場合（ベーク時間１時間の試料番号８の場合はベーク時間２時間の試料番号１０よりも酸化膜が少ないと考えられる）、無電解金めっきの析出が促進され、はんだ剪断荷重に悪影響を及ぼす。▲４▼試作において、はんだボール剪断荷重に差が出た原因として、はんだパッド材である電気ニッケルめっき表面の酸化と無電解金めっきの析出状況のばらつきと考えられる。
【００３６】
雰囲気制御炉（酸素濃度ｐｐｍオーダー）でベークを行った場合（前記（ａ）、図６参照）は、▲５▼ｐｐｍオーダーの酸素濃度でベークを行っているため、はんだパッド材である電気ニッケルめっき表面の酸化膜の形成は少ない。▲６▼無電解金めっきを行うと、▲４▼の現象が著しく現れ、はんだボール剪断荷重を低下させている。
【００３７】
通常ベーク炉（酸素濃度２０％）でベークを行った場合（前記（ｃ）、図８参照）は、▲７▼はんだパッド材である電気ニッケルめっき表面に酸化膜が多く形成される。▲８▼酸化膜が多いため、無電解金めっき工程を行っても、無電解金めっきの析出がわずかで、結果的にはんだボール剪断荷重に差がでなかったものと考えられる。
【００３８】
［結論］
実際の電子部品の製造工程においては、表面保護膜９（感光性ポリイミド）のベークは雰囲気制御炉（酸素濃度ｐｐｍオーダー）で行うため、前記（ａ）および図６の結果から、ニッケルまたはニッケルを含む合金上に無電解金めっきを施さない方がよいと結論できる。
【００３９】
また、酸素濃度％オーダー〜酸素濃度２０％の通常ベーク炉でベークを行う場合であっても、無電解金めっきを施すことは、はんだボール剪断加重、濡れ性に悪影響を及ぼすだけであるから、ニッケルまたはニッケルを含む合金上に無電解金めっきを施す工程を省略することによって、信頼性の高い電子部品を得ることができる。
【００４０】
また、本発明により、従来必要と考えられてきた無電解金めっき工程を省略することができるので、製造コストを低下させることもできる。
【００４１】
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、はんだの拡散を防止し、信頼性の高い配線基板または半導体装置を低コストで提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の配線基板の製造工程を示す図（１）である。
【図２】本発明の実施例の配線基板の製造工程を示す図（２）である。
【図３】本発明の実施例の配線基板の製造工程を示す図（３）である。
【図４】半導体チップ概観図（図１〜３の拡大図）である。
【図５】ウェハ上に形成された半導体チップ概観図（図４の拡大図）である。
【図６】雰囲気制御炉を用いた実験結果を示す図である。
【図７】ベーク炉（窒素中）を用いた実験結果を示す図である。
【図８】ベーク炉（大気中）を用いた実験結果を示す図である。
【符号の説明】
１…シリコンウェハ、２…端子、３…絶縁膜、４…給電膜、５…配線の逆パターン、６…再配線用配線、７…配線、８…はんだ拡散防止膜（電気ニッケルめっき）、９…表面保護膜、１０…バンプパッド、１１…はんだバンプ

Claims (3)

1. 外部の回路と接続するための端子を有する基板の上に絶縁層を形成する工程と、該絶縁層の上に形成され該基板の有する前記端子と外部端子とを電気的に接続する配線と、該配線と一体化して形成されたニッケル層またはニッケル合金層を含有する、はんだ拡散防止層とを形成する工程と、前記配線および前記はんだ拡散防止層を外部端子と電気的に接続するためにはんだを搭載するために開口した部分以外を絶縁層で被う工程と、を有する電子部品の製造方法であって、前記開口した部分以外を被う絶縁層は有機材料をベークして形成された表面保護膜であり、前記表面保護膜が開口した部分である外部端子と電気的に接続する部分において、無電解金めっきを施さず、無電解金めっきが施されていない前記ニッケルまたはニッケルを含む合金を含有する、はんだ拡散防止層の表面に、はんだの組成が錫の含有率が９０％以上１００％未満である、はんだバンプをベルト式のリフロー炉を用いて形成し、外部端子を接続することを特徴とする電子部品の製造方法。
2. はんだと配線およびはんだ拡散防止層を外部端子と電気的に接続するためにはんだを搭載するために開口した部分以外を絶縁層で被う工程において、前記絶縁層として感光性樹脂を用い、前記感光性樹脂を硬化させる温度を２００℃〜３００℃とすることを特徴とする請求項１記載の電子部品の製造方法。
3. 外部の回路と接続するための端子を有する基板は、半導体工程が完了したシリコンウエハ、配線が形成されたプリント基板、または、配線が形成されたガラスセラミック基板であることを特徴とする請求項１または２記載の電子部品の製造方法。

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