JP4434702B2

JP4434702B2 - 配線基板の製造方法

Info

Publication number: JP4434702B2
Application number: JP2003392963A
Authority: JP
Inventors: 博文石橋
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-11-21
Filing date: 2003-11-21
Publication date: 2010-03-17
Anticipated expiration: 2023-11-21
Also published as: JP2005158892A

Description

本発明は、半導体素子等の電子部品を搭載するために用いられる配線基板に関する。

従来、半導体素子等の電子部品を搭載するために用いられる配線基板は、例えばガラス−エポキシ板等から成る絶縁板やエポキシ樹脂等から成る絶縁層を複数層積層して成る絶縁基板の内部および表面に銅箔や銅めっき膜等の導体層から成る配線導体を設けて成る。このような配線基板においては、絶縁基板の表面に設けた導体層の一部が半導体素子等の電子部品の電極に半田を介して電気的に接続される複数の接続パッドを形成しており、これらの接続パッドが形成された絶縁基板の表面には各接続パッドを露出させる開口部を有するソルダーレジスト層が被着されている。さらに、ソルダーレジスト層から露出した接続パッド上には半田が予め溶着されており、それにより接続パッドと電子部品の電極との半田を介した接続を容易なものとしている。

なお、このような配線基板において接続パッドに半田を溶着するには、銅箔や銅めっき膜等の導体層から成る接続パッドの露出表面に半田ペーストをスクリーン印刷法により印刷した後、その半田ペーストを加熱し溶融させて溶着する方法が採用されている。

そして、この配線基板は、電子部品の電極が接続される接続パッドに電子部品の電極を位置合わせした後、電子部品の電極と接続パッドとを半田を介して接合することにより電子部品が搭載された電子装置となる。

ところで、このような配線基板において、電子部品の電極を接続パッドに位置合わせするには、一般的には画像認識装置を備えた自動機が用いられており、絶縁基板の上面に電子部品を位置合わせするための基準となる電子部品位置決め用のマークを設けておくとともに、このマークを自動機の画像認識装置で認識し、その情報を基にして自動で位置合わせする方法が採用されている。この電子部品位置決め用のマークは、絶縁基板の表面に接続パッドと同じ導体層により形成されており、その表面にはマークの酸化や変色を防止するための半田が溶着されている。マークの表面に溶着された半田は、接続パッドに溶着された半田と同一組成の半田であり、接続パッドに半田ペーストを印刷する際にそれと同時に同じ半田ペーストをマークに印刷しておき、その半田ペースト中の半田を加熱し溶融させることにより溶着されている。
特開平１０−２１５０６０号公報

ところで、近年、環境への配慮から、電子部品の電極と配線基板の接続パッドとを接続する半田として鉛を含まない鉛フリー半田が使用されるようになってきている。このような鉛フリー半田は、従来使用されてきた鉛−錫半田よりも接続パッドや電子部品位置決め用のマークを形成する導体層に対する濡れ性に劣り、電子部品位置決め用のマーク上に濡れ広がりにくいため、マークの全面を被覆するためには、従来よりも多くの量をマーク上に溶着させる必要がある。しかしながら、電子部品位置決め用のマーク上に多くの量の半田を溶着させた場合、溶融した半田の一部が表面張力により集まって大きく凸状となり、それによりマークにおける光の反射が乱されてしまい、その結果、画像認識装置によるマークの認識が困難となってしまうという問題を誘発する。なお、特許文献１に示されているようにマークに半田を溶着させない場合もあるが、この場合、露出したマークが酸化や変色を起こしてしまいやすく、例えば長期間保管された配線基板ではマークに酸化や変色が起こってマークの良好な認識が困難となる危険性が大きくなる。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑み案出されたものであり、その目的は、電子部品位置決め用のマークに溶着させた半田が少ない量であっても、マークの表面を薄い均一な厚みの半田で良好に被覆することができ、それによりマークを画像認識装置で正確に認識して電子部品の電極と接続パッドとを半田を介して正常に接続することが可能な配線基板を提供することにある。

本発明の配線基板の製造方法は、絶縁基板の表面に導体層により形成された電子部品位置決め用のマークに低粘度の第１半田ペーストを印刷する工程と、前記印刷された第１半田ペースト中の半田を加熱し溶融させて前記マークに半田を溶着させる工程と、前記絶縁基板の表面に前記マークと同じ導体層により形成された、電子部品の電極が半田を介して接続される接続パッドに、前記第１半田ペーストの印刷時の粘度よりも高粘度の第２半田ペーストを印刷する工程と、前記印刷された第２半田ペースト中の半田を加熱し溶融させて前記接続パッドに半田を溶着させる工程と、を具備す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によれば、電子部品位置決め用のマークに印刷される第１の半田ペーストは、接続パッドに印刷される第２の半田ペーストよりも粘度が低いことから、少ない量でもマーク上に薄く広がって印刷されるためペースト中の半田を加熱して溶融させるとマーク上に薄い均一な厚みの半田を溶着させることができるとともに、接続パッドに印刷される第２の半田ペーストは第１の半田ペーストよりも粘度が高いことから、薄く広がらずに厚く印刷されるため接続パッド上に十分な高さの半田を溶着させることができる。したがって、半田が溶着されたマークを画像認識装置で正確に認識することができるとともに電子部品の電極と接続パッドとを十分な高さの半田を介して正常に接続することが可能な配線基板を提供することができる。

つぎに、本発明の配線基板の製造方法を添付の図面に基づき詳細に説明する。

図１は、本発明の製造方法により製造される配線基板の実施形態の一例を示す断面図である。図１において１は絶縁基板、２は配線導体、２ａ、２ｂは接続パッド、３は電子部品位置決め用のマーク、４，５，６は半田、７はソルダーレジスト層であり、主としてこれらで電子部品としての半導体素子８を搭載するための配線基板が構成される。

絶縁基板１は、例えばガラス繊維を縦横に織り込んだガラス織物にエポキシ樹脂やビスマレイミドトリアジン樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させて成る板状の芯体１ａの上下面にエポキシ樹脂やビスマレイミドトリアジン樹脂等の熱硬化性樹脂から成る絶縁層１ｂをそれぞれ複数層ずつ積層して成り、その上面から下面にかけて銅箔や銅めっき膜等の導体層から成る複数の配線導体２が形成されている。

絶縁基板１を構成する芯体１ａは、厚みが０．３〜１．５ｍｍ程度であり、その上面から下面にかけて直径が０．２〜１．０ｍｍ程度の複数の貫通孔９を有している。そして、その上下面および各貫通孔９の内面には配線導体２の一部が被着されており、上下面の配線導体２が貫通孔９の内面を介して電気的に接続されている。

このような芯体１ａは、ガラス織物に未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させたシートを熱硬化させた後、これに上面から下面にかけてドリル加工を施すことにより製作される。なお、芯体１ａ上下面の配線導体２は、芯体１ａ用のシートの上下全面に厚みが５〜５０μｍ程度の銅箔を貼着しておくとともに、この銅箔をシートの硬化後にエッチング加工することにより所定のパターンに形成される。また、貫通孔９内面の配線導体２は、芯体１ａに貫通孔９を設けた後に、この貫通孔９内面に無電解めっき法および電解めっき法により厚みが５〜５０μｍ程度の銅めっき膜を析出させることにより形成される。

さらに、芯体１ａは、その貫通孔９の内部にエポキシ樹脂やビスマレイミドトリアジン樹脂等の熱硬化性樹脂から成る樹脂柱１０が充填されている。樹脂柱１０は、貫通孔９を塞ぐことにより貫通孔９の直上および直下に絶縁層１ｂを形成可能とするためのものであり、未硬化のペースト状の熱硬化性樹脂を貫通孔９内にスクリーン印刷法により充填し、これを熱硬化させた後、その上下面を略平坦に研磨することにより形成される。そして、この樹脂柱１０を含む芯体１ａの上下面に絶縁層１ｂが積層されている。

芯体１ａの上下面に積層された絶縁層１ｂは、それぞれの厚みが２０〜５０μｍ程度であり、各層の上面から下面にかけて直径が３０〜１００μｍ程度の複数のビア孔１１を有している。これらの絶縁層１ｂは、配線導体２を高密度に配線するための絶縁間隔を提供するためのものであり、絶縁層１ｂにはその表面およびビア孔１１内に配線導体２の一部が被着されている。そして、上層の配線導体２と下層の配線導体２とをビア孔１１の内壁を介して電気的に接続することにより高密度配線を立体的に形成可能としている。

このような絶縁層１ｂは、厚みが２０〜５０μｍ程度の未硬化の熱硬化性樹脂フィルムを芯体１ａの上下面に貼着し、これを熱硬化させるとともにレーザ加工によりビア孔１１を穿孔し、さらにその上に同様にして次の絶縁層１ｂを順次積み重ねることによって形成される。なお、各絶縁層１ｂ表面およびビア孔１１内に被着された配線導体２は、各絶縁層１ｂを形成する毎に各絶縁層１ｂの表面およびビア孔１１内に５〜５０μｍ程度の厚みの銅めっき膜を公知のセミアディティブ法やサブトラクティブ法等のパターン形成法により所定のパターンに被着させることによって形成される。

さらに、最表層の絶縁層１ｂ上にはソルダーレジスト層７が被着されている。ソルダーレジスト層７は、例えばアクリル変性エポキシ樹脂にシリカやタルク等の無機物粉末フィラーを３０〜７０質量％程度分散させた絶縁材料から成り、表層の配線導体２同士の電気的絶縁信頼性を高めるとともに、後述する接続パッド２ａ、２ｂの絶縁基板１への接合強度を大きなものとする作用をなす。

このようなソルダーレジスト層７は、その厚みが１０〜５０μｍ程度であり、感光性を有するソルダーレジスト層７用の未硬化樹脂ペーストをロールコーター法やスクリーン印刷法を採用して最表層の絶縁層１ｂ上に塗布し、これを乾燥させた後、露光および現像処理を行なって接続パッド２ａ、２ｂおよびマーク３を露出させる開口部を形成した後、これを熱硬化させることによって形成される。あるいは、ソルダーレジスト層７用の未硬化の樹脂フィルムを最上層の絶縁層１ｂ上に貼着した後、これを熱硬化させ、しかる後、接続パッド２ａ、２ｂおよびマーク３に対応する位置にレーザ光を照射し、硬化した樹脂フィルムを部分的に除去することによって接続パッド２ａ、２ｂおよびマーク３を露出させる開口部を有するように形成される。

絶縁基板１の上面から下面にかけて形成された配線導体２は、半導体素子８の各電極を外部電気回路基板に接続するための導電路として機能し、絶縁基板１の上面に露出している部位が半導体素子８の各電極が半田４を介して接続される電子部品接続用の接続パッド２ａを、絶縁基体１の下面に露出した部位が外部電気回路基板に半田ボール１２を介して接続される外部接続用の接続パッド２ｂを形成している。

また、接続パッド２ａ、２ｂには、錫−銀合金や錫−銀−銅合金等の鉛フリー半田から成る半田４、５が溶着されており、それにより接続パッド２ａ、２ｂの変色や酸化が防止されるとともに半導体素子３の各電極と接続パッド２ａとの半田４を介した接合や接続パッド２ｂと外部電気回路基板との半田ボール１２を介した接合が容易なものとなっている。なお、半田４は半導体素子７の各電極との接続を良好とするために、その上端がソルダーレジスト層７よりも高くなっている。また、半田５は通常、ソルダーレジスト層７よりも低くなっていることが好ましいが、ソルダーレジスト層７と同じ高さや、それ以上の高さであってもよい。なお、この例では接続パッド２ｂに半田５を溶着した例を示したが、接続パッド２ｂには必ずしも半田５を溶着させる必要はなく、半田５を溶着させる代わりに例えばニッケルめっきおよび金めっきを順次被覆させてもよい。

さらに、絶縁基板１の上面には、接続パッド２ａを構成する導体層と同じ導体層により形成された電子部品位置決め用のマーク３が設けられている。このマーク３は、半導体素子８を搭載する際に半導体素子８の電極と接続パッド２ａとを位置合わせするための基準となるものであり、例えば上面視で十字形やＬ字形、Ｔ字形、円形をしており、その全体がソルダーレジスト層７の開口内に露出している。このようなマーク３は、絶縁基板１の上面に接続パッド２ａを形成する際にそれと同様の方法、即ち、セミアディティブ法やサブトラクティブ法により接続パッド２ａと同時に形成される。

さらに、マーク３は、その表面に半田４と同一組成の半田６がソルダーレジスト層７よりも低い高さに溶着されている。この半田６は、マーク３の変色や酸化を防止するとともにマーク３とその周囲とのコントラストを大きなものとする作用をなす。

そして、この半田６が溶着されたマーク３を画像認識装置により認識し、その情報を基にして半導体素子８の電極と接続パッド２ａとを自動機により位置合わせをした後、半田４の溶融温度以上の温度に加熱することにより半導体素子８の電極と半田接合パッド２ａとが半田４を介して接合される。

このとき、半田６の高さをソルダーレジスト層７の高さよりも低くしておくと、半導体素子８を搭載する際に半田６が半導体素子８に接触することがなく、半導体素子８への不要な汚染を防止することができる。したがって、半田６の高さはソルダーレジスト層７の高さよりも低くしておくことが好ましい。

なお、マーク３に溶着させた半田６は、その厚みが１μｍ未満であると、マーク３を良好に被覆することができなくなり、マーク３に変色をきたす危険性がある。したがって、マーク３に溶着させた半田６の厚みは１μｍ以上であることが好ましい。

次に、本発明の製造方法に従って、上述の配線基板の接続パッド２ａおよびマーク３に半田４および半田６を溶着する方法を、接続パッド２ｂにも半田５を溶着させる場合を例にとって説明する。

まず、図２（ａ）に示すように、絶縁基板１の上面に設けたマーク３に粘度が３０〜１５０Ｐａ・ｓである低粘度の第１の半田ペースト２１を、メタルマスクを用いたスクリーン印刷により印刷する。また、絶縁基板１の下面に設けた外部接続用の接続パッド２ｂにも同様の組成および粘度の半田ペースト２２を印刷する。第１の半田ペースト２１には錫−銀合金や錫−銀−銅合金等の鉛フリーの半田粉末とフラックスと希釈剤とが含有されており、フラックスや希釈剤の量を通常の半田ペーストよりも多くすることによって第１の半田ペースト２１の粘度を３０〜１５０Ｐａ・ｓの低粘度とすることができる。このように粘度が３０〜１５０Ｐａ・ｓの低粘度の第１の半田ペースト２１をマーク３に印刷することによって、マーク３の表面を少量の薄い第１の半田ペースト２１で均一に覆うことができる。なお、第１の半田ペースト２１の粘度が３０Ｐａ・ｓ未満であると、第１の半田ペースト２１を印刷する際に第１の半田ペースト２１が大きく滲んでしまい良好に印刷することが困難となり、他方、１５０Ｐａ・ｓを超えると、第１の半田ペースト２１の粘度が高すぎて拡がり難くなるためマーク３の表面を少量の薄い第１の半田ペースト２１で覆うことが困難となる。したがって、第１の半田ペースト２１の粘度は、３０〜１５０Ｐａ・ｓの範囲が好ましい。なお、この例では半田ペースト２２の組成および粘度を第１の半田ペースト２１と同様のものとしたが、半田ペースト２２の組成および粘度は第１の半田ペースト２１と異なるものであってもよい。

次に、図２（ｂ）に示すように、第１の半田ペースト２１および半田ペースト２２中の半田粉末を加熱し溶融させてマーク３に半田６を溶着させるとともに接続パッド２ｂに半田５を溶着させる。このとき、マーク３に印刷された第１の半田ペースト２１は粘度が低く、薄く均一に印刷されているとともに多くのフラックスを含んでいるので、第１の半田ペースト２１中の半田が溶融すると、それがマーク３表面に薄く均一に濡れ広がってマーク３の表面に均一な厚みの薄い半田６が溶着される。なお、マーク３に溶着された半田６は、その高さをソルダーレジスト層７の高さよりも低くしておくと、後述するように、接続パッド２ａに半田４用の半田ペースト２３を印刷する際に、その印刷を阻害することがないとともに、本発明により得られる配線基板に半導体素子８を搭載する際に半田６が半導体素子８に接触することがなく、半導体素子８への不要な汚染を防止することができる。したがって、マーク３に溶着された半田６の高さはソルダーレジスト層７の高さよりも低くしておくことが好ましい。また、接続パッド２ｂに溶着された半田５は、通常、ソルダーレジスト層７よりも低くなっていることが好ましいが、ソルダーレジスト層７と同じ高さや、それ以上の高さであってもよい。さらに、マーク３に溶着させた半田６や接続パッド２ｂに溶着させた半田５は、その厚みが１μｍ未満であると、マーク３や接続パッド２ｂを良好に被覆することができなくなり、マーク３や接続パッド２ｂに変色をきたす危険性がある。したがって、マーク３に溶着させた半田６や接続パッド２ｂに溶着させた半田５の厚みは１μｍ以上であることが好ましい。

次に、図２（ｃ）に示すように、接続パッド２ａに第１の半田ペースト２１よりも高い粘度の第２の半田ペースト２３を、メタルマスクを用いたスクリーン印刷により印刷する。第２の半田ペースト２３は、第１の半田ペースト２１に含有されるのと同じ半田粉末、フラックス、希釈剤を含有し、フラックスや希釈剤の量を第１の半田ペースト２１の場合よりも少なくすることで粘度を高くすることができる。このとき、第２の半田ペースト２３は第１の半田ペースト２１よりも粘度が高いことから、印刷された第２の半田ペースト２３の形状を維持し易いので、接続パッド２ａ上に厚く印刷することができる。したがって、後述するように、第２の半田ペースト２３中の半田を加熱し溶融させて接続パッド２ａに半田４を溶着させる際に十分な高さの半田４を溶着させることができる。なお、第２の半田ペースト２３の粘度が１６０Ｐａ・ｓ未満であると、接続パッド２ａ上に十分な厚みの半田ペースト２３を印刷することが困難となり、他方、４５０Ｐａ・ｓを超えると、第２の半田ペースト２３を印刷する際にメタルマスクからのペーストの抜けが悪くなり、均一な量の半田ペースト２３を印刷するのが困難となる傾向にある。したがって、第２の半田ペースト２３の粘度は１６０〜４５０Ｐａ・ｓであることが好ましい。

最後に、図２（ｄ）に示すように、第２の半田ペースト２３中の半田粉末を加熱し溶融させて接続パッド２ａに半田４を溶着させる。このとき、接続パッド２ａに印刷された第２の半田ペースト２３は第１の半田ペースト２１よりも粘度が高く、厚く印刷されているので、第２の半田ペースト２３中の半田が溶融すると、接続パッド２ａ上に十分な高さの半田４を溶着することができる。なお、接続パッド２ａに溶着された半田４はソルダーレジスト層７の表面からの高さが５μｍ未満であると、本発明により得られる配線基板に半導体素子８を搭載する際に半導体素子８の電極と接続パッド２ａとを半田４を介して強固に接続することが困難となる傾向にあり、他方８０μｍを超えると、溶融した半田４同士が接触して電気的に短絡する危険性が大きくなる。したがって、半田４の高さはソルダーレジスト層７の表面よりも５〜８０μｍ高いことが好ましい。

かくして、本発明の配線基板の製造方法によれば、薄く均一な厚みの半田６が溶着されたマーク３を画像認識装置で正確に認識することができるとともに半導体素子８の電極と接続パッド２ａとを十分な高さの半田４を介して正常に接続することが可能な配線基板を提供することができる。

なお、本発明は、上述した実施の形態例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能であり、例えば上述した実施の形態例では、電子部品位置決め用のマーク３の全体をソルダーレジスト層７の開口部から露出させていたが、マーク３の外周部をソルダーレジスト層７で覆ってもよい。また、絶縁基板１はガラス織物に熱硬化性樹脂を含浸させた材料および熱硬化性樹脂から形成されていたが、絶縁基板１は、セラミックス材料等の他の絶縁材料から形成されていてもよい。

本発明の製造方法により製造される配線基板の一例を示す断面図である。（ａ）〜（ｄ）は本発明の配線基板の製造方法を説明するための工程毎の断面図である。

符号の説明

１：絶縁基板
２：配線導体
２ａ：電子部品３の電極が半田４を介して接続される接続パッド
３：電子部品位置決め用のマーク
４，６：半田
２１：第１の半田ペースト
２３：第２の半田ペースト

Claims

絶縁基板の表面に導体層により形成された電子部品位置決め用のマークに低粘度の第１半田ペーストを印刷する工程と、
前記印刷された第１半田ペースト中の半田を加熱し溶融させて前記マークに半田を溶着させる工程と、
前記絶縁基板の表面に前記マークと同じ導体層により形成された、電子部品の電極が半田を介して接続される接続パッドに、前記第１半田ペーストの印刷時の粘度よりも高粘度の第２半田ペーストを印刷する工程と、
前記印刷された第２半田ペースト中の半田を加熱し溶融させて前記接続パッドに半田を溶着させる工程と、
を具備することを特徴とする配線基板の製造方法。
請求項１に記載の配線基板の製造方法において、
前記第１半田ペーストは、フラックス又は希釈剤を前記第２半田ペーストよりも多く含むことにより、前記第２半田ペーストよりも低粘度であることを特徴とする配線基板の製造方法。
請求項１に記載の配線基板の製造方法において、
前記第１半田ペーストは、鉛を含まないことを特徴とする配線基板の製造方法。
請求項１に記載の配線基板の製造方法において、
前記第１半田ペーストを印刷する工程の後、前記第２半田ペーストを印刷する工程を具備することを特徴とする配線基板の製造方法。
請求項１に記載の配線基板の製造方法により作製された配線基板の前記接続パッドと電子部品の電極とを、前記半田を介して接続させる工程を具備することを特徴とする実装構造体の製造方法。