JP4013339B2 - バンプを有する電子部品の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、はんだボール用の電極を持つボールグリッドアレイ(以下BGAという)やマルチチップモジュール(以下MCMという)等、バンプを有する電子部品の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、BGA、MCM等の電子部品は、インターポーザであるセラミック基板等の表面側に半導体チップを配し、裏面側にはんだボールを用いて形成されたバンプ(はんだバンプ)が配置されている。はんだバンプは、インターポーザの裏面に露出して形成されたパッド電極と接続されていて、これによりマザーボードであるプリント基板等に実装される。
【0003】
このような電子部品の従来構造(MCM)を、図7に示す。図7において、(a)は、セラミック基板1の表面1a側に、コンデンサ、抵抗等からなる部品3及び半導体チップ2を搭載したもの(第1従来構造)であり、(b)は、(a)においてセラミック基板1の表面1a側に、さらに、例えばLaB6 (ホウ化ランタン)系の材料等からなる厚膜抵抗体4を搭載したもの(第2従来構造)である。つまり、厚膜抵抗体4の無いものが(a)であり、あるものが(b)である。
【0004】
ここで、通常、セラミック基板1裏面1b側のパッド電極90は、第1従来構造においては、タングステン(W)又はモリブデン(Mo)を主とする材料を印刷した第1層91の上にNiめっき92を行なった2層構造としている。また、第2従来構造においては、同じく印刷された第1層91上に、Cu厚膜、Ag厚膜といった厚膜の導体93を、ペースト状態で印刷し、焼成することにより形成した2層構造としたものが用いられる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記第1従来構造では、後の部品実装において接着剤(例えばAgペースト)による部品硬化、Au線によるチップ等のワイヤボンディング等の加熱工程を通るために、Niめっき92が容易に酸化をし、はんだボール(はんだバンプ)10が接合しないという問題が生じてしまう。
【0006】
このため、Niめっき92の上からAuめっきを追加するNi−Auめっき、Ni−フラッシュAuめっきをする必要があるが、Auめっきを追加によるめっき工程の倍増、及び、Auめっき自体が高価であるため、全体として非常にコスト高になってしまうという更なる問題が生じる。
一方、上記第2従来構造では、マザーボードであるプリント基板に実装した場合、使用環境下において、低温、高温の繰り返しストレスを受けると、セラミック基板の熱膨張率とプリント基板の熱膨張率とに差があるため、はんだボール10および厚膜の導体93にクラックが生じ、十分なはんだ接合寿命が得られないという問題がある。
【0007】
これは、ペーストから形成された厚膜の導体93が上記ストレスに対して脆いためである。そこで本発明者等は、上記第2従来構造において、厚膜の導体93の代わりに、上記第1従来構造と同様に、NiめっきあるいはNi−Auめっきを用いたものについて検討した。しかし、上記第2従来構造では、厚膜抵抗体4は高温(例えば約900℃)で焼成されるため、焼成時に、NiやAuが第1層91であるタングステン(W)或いはモリブデン(Mo)を主とする材料へ拡散してしまい、はんだ濡れ性やワイヤボンディング性が悪くなる。
【0008】
そこで、厚膜抵抗体4焼成後に、再度、めっきをする必要があるが、めっき前処理液やめっき液により、厚膜抵抗体4の信頼性が著しく損なわれるため、塩化ビニル系の樹脂等にて、厚膜抵抗体4を保護する必要がある。そのため、工程が複雑になり、コストも上昇する。しかも、NiめっきあるいはNi−Auめっきを用いた場合、上記第1従来構造と同様の問題もある。
【0009】
本発明は上記点に鑑みてなされたものであり、インターポーザの表面に電気素子、裏面にパッド電極を備え、このパッド電極に接合されたはんだバンプによって外部との電気的接続を行う電子部品において、はんだ接合寿命を確保しつつ、酸化しにくい安価なパッド電極構成を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、パッド電極においてタングステン(W)またはモリブデン(Mo)を主とする材料からなる第1層の上に形成する第2層を工夫することに着目してなされたものである。すなわち、本発明は、特許請求の範囲の各請求項に記載した特徴を有するものであって、パッド電極(9)を、タングステンまたはモリブデンを主とする材料からなる第1層(9a)と、この第1層(9a)にめっきにより形成された銅からなる第2層(9b)とから構成した電子部品を製造する製造方法を特徴としている。
【0011】
本発明では、パッド電極(9)の第2層(9b)をCuめっき層とすることで、厚膜の導体に比べて、熱ストレスに対して強固な層となるため、はんだ接合寿命が確保される。また、CuめっきはNiめっきと比べて、酸化しにくく、もし酸化しても容易にフラックスで酸化膜を除去でき、良好なはんだ付け性が得られ、且つコストも安い。よって、本発明によれば、はんだ接合寿命を確保しつつ、酸化しにくい安価なパッド電極構成を提供することができる。
【0012】
また、本発明は、インターポーザ(1)が積層された複数の層(20〜22)から構成される場合、互いに反対の面に位置するパッド電極(9)と電気素子(2〜4)との具体的な電気的接続構造を提供するもので、インターポーザ(1)の各層(20〜22)に形成され、タングステンまたはモリブデンを主とする材料からなるペースト(25)が充填された貫通孔(24)に接続された配線層(23)を介する接続構造とした電子部品を製造する製造方法を特徴としている。
【0013】
なお、上記した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。
本実施形態は、本発明のバンプを有する電子部品を、半導体チップ等の半導体素子を搭載したインターポーザをはんだバンプを介してマザーボード(外部電気回路)に実装するMCMに適用したものである。図1は本実施形態に係るMCM100の構造を模式的に示す図であり、側方からみた図である。なお、図中、パッド電極、厚膜抵抗体及びはんだバンプは断面として表してある。
【0015】
1はインターポーザであり、アルミナ等の絶縁性セラミック材料により作られたグリーンシート20〜22(後述の図3参照)を複数層積層し焼成したセラミック基板からなる。ここで、インターポーザ1において、MCM100の表面(図1において上方)となる面を表面(一面)1a、表面1aとは反対側のMCM100の裏面(図1において下方)となる面を裏面(他面)1bとする。
【0016】
インターポーザ1の表面1aには、電気素子として、ICチップ(半導体チップ)2、コンデンサや抵抗等からなる部品3が搭載され、LaB6 系の厚膜抵抗体4が形成されている。また、表面1aにはCuめっきからなる複数の表面電極(配線ランド)5が形成されている。上記各電気素子2〜4は、これら表面電極5上に配置され、回路を構成している。
【0017】
ここで、表面電極5に対して、ICチップ2及び部品3はAgペースト等の接着剤6を介して接続されており、また、厚膜抵抗体4は印刷、焼成により形成され、更に保護ガラス7にて被覆されている。また、ICチップ2に備えられた複数の電極(図示せず)は、各々、対応する複数の表面電極5に、ワイヤボンディングにより形成されたAuまたはAlのワイヤ8によりに電気的に接続されている。
【0018】
インターポーザ1の裏面1bには、表面1a側の複数の表面電極5と対応して、パッド電極9が、裏面1bから露出して形成されている。パッド電極9は、タングステン(W)またはモリブデン(Mo)を主材料とした導体からなる第1層9aと、この第1層9a上にめっきにより形成された銅(Cu)からなる第2層9bとから構成されている。なお、本実施形態では、表面電極5も同様の2層構造となっている。
【0019】
また、表面電極5とパッド電極9とは、インターポーザ1内部に設けられた配線部としてのメタライズ配線層23(図3(f)参照)等によって電気的に接続され、結果としてパッド電極9はICチップ2と電気的に接続した状態となっている。そして、各パッド電極9には、外部のマザーボードと電気的接続を行うためのはんだバンプ10が電気的に接続されている。はんだバンプ10は、共晶はんだ(例えばSn:Pb=63:37)から形成されている。
【0020】
ここで、パッド電極9において第2層9bの膜厚は、設計上、最適化を図るために種々の値とするが、薄い方が好ましく、例えば2μm〜20μm程度である。そして、第2層9bを、Auめっきに比べて安価で、Niめっきに比べて熱等によって酸化しにくく、且つペーストから形成された厚膜の導体に比べてはんだ接合性の良いCuめっき層としたことが、本実施形態の主たる特徴である。
【0021】
また、図1に示す様に、インターポーザ1の表面1a上の各電気素子2〜4および表面電極5等は、封止樹脂11により封止され、外部の埃、湿気等から保護されるようになっている。かかる構成のMCM100は、はんだバンプ10を介して、外部のマザーボード(外部電気回路)であるプリント基板に実装されようになっている。
【0022】
次に、本実施形態のMCM100の製造方法について述べる。図2は本実施形態に係る製造工程の流れ図、図3〜図6は同製造工程の説明図である。
まず、グリーンシート作成工程S1では、酸化アルミニウム(アルミナ)を用いて、周知の方法(ドクターブレード法、カレンダーロール法等)によりグリーンシート20〜22を複数枚(本例では3枚)作製する(図3(a)参照)。なお、窒化アルミニウム(AlN系)、ムライト、ガラスセラミック等を用いて、同様にグリーンシートを作製してもよい。ただし、これら他の材料においては、焼成温度等を変更する必要がある。
【0023】
次に、スルーホール形成工程S2では、焼成後のグリーンシート(例えば厚み0.25mm)20〜22に対して、例えばφ0.2mm円形状のスルーホール(貫通する孔)24を、パンチングにて打ち抜く(図3(b)参照)。次に、配線部注入工程S3では、スルーホール24に、モリブデン(Mo)を主成分とするモリブデン(Mo)ペースト25を注入し、充填する(図3(c)参照)。
【0024】
そして、配線パターン印刷工程S4では、グリーンシート20〜22の各面において、モリブデン(Mo)ペースト25と導通するように、タングステン(W)を主成分とするタングステン(W)ペースト26を、所望の部分に印刷する(図3(d)参照)。なお、本工程S4のペーストをモリブデン(Mo)を主成分とするものとし、上記工程S3のペーストをタングステン(W)を主成分とするものとしてもよい。
【0025】
続いて、グリーンシート積層工程S5では、各々のグリーンシート20〜22を積層し、加圧することで一体化する(図3(e)参照)。次に、焼成工程S6では、例えば、約1600℃、還元雰囲気にて、グリーンシート20〜22の積層体を、焼成する。このとき、積層体は20%程度収縮する(図3(f)参照)。
【0026】
こうして、インターポーザ1が形成される。ここでペースト26のうち積層体内部(つまりグリーンシート20〜22の各界面)に形成されたものがメタライズ配線層23を構成し、ペースト26のうち表裏面に露出したものが表面及びパッド電極5、9の第1層を構成する。そして、表面及びパッド電極5、9の第1層は、スルーホール24に充填されたペースト25と接続されたメタライズ配線層23を介して、電気的に接続されている。
【0027】
その後、Cuめっき工程S7では、W(表面及びパッド電極5、9の第1層)が露出した部位に、浸積めっき法等によりCuめっき(例えば厚さ4μm)を施し、Cuめっき層27を形成する(図4(a)参照)。
ここでCuめっき層27は、表面及びパッド電極5、9の第2層となる。こうして、表面電極5及びパッド電極9が形成される。続いて、厚膜抵抗体形成工程S8では、LaB6 を主成分とした抵抗ペーストを印刷し、900℃の中性雰囲気で焼成し、厚膜抵抗体4を形成する(図4(b)参照)。
【0028】
さらに、保護ガラス形成工程S9では、厚膜抵抗体4上に、ソルダレジストとしてガラスペーストを印刷し、約650℃のの中性雰囲気で焼成し、保護ガラス7を形成する。以上の工程S1〜S9(セラミック基板製造工程)を行うことにより、各電極5、9及びメタライズ配線層23が形成されたインターポーザ1が完成する。続いて、表面実装工程S10〜S12を順次行う。
【0029】
まず、部品実装工程S10では、上記セラミック基板製造工程S1〜S9によって作成されたインターポーザ1の表面1aに、ICチップ2及び部品3を、例えばAgペースト等の接着剤6を用い、接着する(図5(a)参照)。その後、ワイヤボンディング工程S11では、ワイヤボンディングしてAuまたはAlのワイヤ8を形成し、ICチップ2と表面電極5とを電気的に接続する(図5(b)参照)。
【0030】
その後、樹脂封止工程S12では、熱硬化性の樹脂等からなる封止樹脂11を用いて、ICチップ2、部品3、厚膜抵抗体4およびワイヤボンディング部全体をポッティングし、封止体とする(図5(c)参照)。続いて、この封止体にはんだバンプ10となるはんだボールを搭載するが、その手順は、以下のはんだボール取付工程S13〜S16により行われる。
【0031】
まず、ボール吸着工程S13では、容器30内に、はんだバンプ10と同程度の大きさの多数のはんだボール31を用意し、吸引穴32を有する吸引器33にて、減圧吸引等により、はんだボール31を吸着する(図6(a)参照)。続いて、フラックス転写工程S14では、吸引器33をフラックス34の入った容器35上に位置させ、吸着されたはんだボール31の先端とフラックス34とを接触させることによりフラックス34を転写する(図6(b)参照)。
【0032】
次に、ボール搭載工程S15では、上記封止体において、吸引器33とインターポーザ1の裏面1bとを対向させ、フラックス34付きのはんだボール31を、パッド電極9上に搭載する(図6(c)参照)。続いて、リフロー工程S16では、はんだボール31をリフロー(再溶融)させることにより、はんだバンプ10を形成する(図6(d)参照)。こうして、図1に示すMCM100が完成する。
【0033】
ところで、本実施形態によれば、パッド電極9の第2層9bをCuめっき層とすることで、同じCuを用いた厚膜の導体に比べて、熱ストレスに対して強固な層となるため、はんだ接合寿命が確保される。また、CuめっきはNiめっきと比べて、酸化しにくく、もし酸化しても容易にフラックスで酸化膜を除去でき、良好なはんだ付け性が得られ、且つコストも安い。従って、はんだ接合寿命を確保しつつ、酸化しにくい安価なパッド電極構成を製造し、提供できる。
【0034】
なお、本実施形態は、MCMに限定されることなく、BGM等、バンプを有する電子部品に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係るMCM構造を示す説明図である。
【図2】上記実施形態に係る製造工程の流れ図である。
【図3】上記製造工程を説明する説明図である。
【図4】図3に続く製造工程を説明する説明図である。
【図5】図4に続く製造工程を説明する説明図である。
【図6】図5に続く製造工程を説明する説明図である。
【図7】従来のMCM構造を示す説明図である。
【符号の説明】
1…インターポーザ、1a…インターポーザの表面、
1b…インターポーザの裏面、2…半導体チップ、3…部品、4…厚膜抵抗体、
9…パッド電極、9a…パッド電極の第1層、9b…パッド電極の第2層、
10…はんだバンプ、20、21、22…グリーンシート、
23…メタライズ配線層、24…貫通孔。
Claims (4)
- インターポーザ(1)と、
前記インターポーザ(1)の一面(1a)側に設けられた表面電極(5)上に配置され、厚膜抵抗体(4)を含む各電気素子(2〜4)と、
前記インターポーザ(1)の他面(1b)側に設けられ、前記各電気素子(2〜4)と電気的に接続されたパッド電極(9)とを備え、
前記パッド電極(9)と接合されたはんだバンプ(10)によって外部との電気的接続を行う電子部品の製造方法において、
複数枚のグリーンシート(20〜22)に各々貫通孔(24)を設け、前記各貫通孔(24)にタングステンまたはモリブデンを主とする材料からなるペースト(25)を充填し、
前記各グリーンシート(20〜22)の各面に前記ペースト(25)と導通するように、タングステンまたはモリブデンを主とする材料からなるペースト(26)を印刷した後、前記各グリーンシート(20〜22)を積層して焼成することにより前記インターポーザ(1)を形成し、
続いて、前記インターポーザ(1)の前記他面(1b)および前記インターポーザ(1)の前記一面(1a)に露出するタングステンまたはモリブデンを主とする材料の上に銅をめっきして銅めっき層(27)を形成することにより、前記パッド電極(9)および前記表面電極(5)を形成し、
続いて、前記インターポーザ(1)の前記一面(1a)に前記厚膜抵抗体(4)を前記表面電極(5)の前記銅めっき層(27)に接触する形で形成し、
この後、前記パッド電極(9)の前記銅めっき層(27)に前記はんだバンプ(10)を接合することを特徴とするバンプを有する電子部品の製造方法。 - 前記厚膜抵抗体(4)を保護ガラス(7)にて被覆することを特徴とする請求項1に記載のバンプを有する電子部品の製造方法。
- 前記各電気素子(2〜4)は、前記インターポーザ(1)の一面(1a)に搭載されたICチップ(2)及び部品(3)を含み、このICチップ(2)及び部品(3)を、Agペーストを用いて前記表面電極(5)の前記銅めっき層(27)に接着することを特徴とする請求項1または2に記載のバンプを有する電子部品の製造方法。
- インターポーザ(1)と、
前記インターポーザ(1)の一面(1a)側に設けられた表面電極(5)上に配置されて、前記インターポーザ(1)の一面(1a)に搭載された各電気素子(2、3)と、
前記インターポーザ(1)の他面(1b)側に設けられ、前記各電気素子(2、3)と電気的に接続されたパッド電極(9)とを備え、
前記パッド電極(9)と接合されたはんだバンプ(10)によって外部との電気的接続を行う電子部品の製造方法において、
複数枚のグリーンシート(20〜22)に各々貫通孔(24)を設け、前記各貫通孔(24)にタングステンまたはモリブデンを主とする材料からなるペースト(25)を充填し、
前記各グリーンシート(20〜22)の各面に前記ペースト(25)と導通するように、タングステンまたはモリブデンを主とする材料からなるペースト(26)を印刷した後、前記各グリーンシート(20〜22)を積層して焼成することにより前記インターポーザ(1)を形成し、
続いて、前記インターポーザ(1)の前記他面(1b)および前記インターポーザ(1)の前記一面(1a)に露出するタングステンまたはモリブデンを主とする材料の上に銅をめっきして銅めっき層(27)を形成することにより、前記パッド電極(9)および前記表面電極(5)を形成し、
続いて、前記各電気素子(2、3)を、Agペーストを用いて前記表面電極(5)の前記銅めっき層(27)に接着し、
この後、前記パッド電極(9)の前記銅めっき層(27)に前記はんだバンプ(10) を接合することを特徴とするバンプを有する電子部品の製造方法。
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