JP4511011B2

JP4511011B2 - 配線基板の製造方法

Info

Publication number: JP4511011B2
Application number: JP2000329627A
Authority: JP
Inventors: 義政宮本; 範征清水; 国紀横峯
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-10-27
Filing date: 2000-10-27
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2020-10-27
Also published as: JP2002134645A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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ものである。
【０００２】
【従来の技術】
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体の内部および表面に銅箔等から成る配線導体を設けて成る。この配線基板においては、絶縁基体表面の配線導体の一部が半導体素子等の電子部品の電極を接続するための電子部品接続用パッドや外部電気回路基板に接続される外部接続用パッドを形成している。そして、この配線基板は、電子部品接続用パッドに電子部品の電極を半田を介して接合して電子部品を搭載することにより電子装置となり、この電子装置は外部接続用パッドを外部電気回路基板の配線導体に半田を介して接合することにより外部電気回路基板に実装される。
【０００３】
なお、このような配線基板においては、配線導体が酸化腐食するのを防止するとともに電子部品接続用パッドや外部接続用パッドと半田との接合を良好とするために、配線導体の露出表面に厚みが0.5〜10μｍ程度のニッケルめっき層および厚みが0.01〜0.8μｍ程度の金めっき層が順次被着されている。この場合、ニッケルめっき層上に被着させた金めっき層は、ニッケルめっき層と半田との濡れ性を良好とするためのものであり、ニッケルめっき層と半田との接合時に半田中に拡散吸収されて消滅してしまう。そして、この金めっき層の厚みが0.01μｍ未満では、ニッケルめっき層と半田との濡れ性が低下する傾向にあり、他方0.8μｍを超えると電子部品接続用パッドや外部接続用パッドに半田を接合させたときに半田中に脆弱な金−錫合金が多量に形成されて半田の機械的強度が低下してしまう。したがって、配線導体に半田を接合させる場合、配線導体の表面に被着させたニッケルめっき層上の金めっき層の厚みは通常0.01〜０．８μｍ程度に設定される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の配線基板によると、これに半導体素子等の電子部品を搭載して電子装置となした後、これを外部電気回路基板に実装して半導体素子等の電子部品を長期間にわたり作動させると、半導体素子等の電子部品が作動時に発生する熱等に起因する熱応力が半田と電子部品接続用パッドや外部接続用パッドとの間に繰返し印加されることによりニッケルめっき層と半田との間で剥離が生じ、そのため、搭載する電子部品を外部電気回路に長期間にわたり正常に接続することができないという問題点を有していた。
【０００５】
そこで、本発明者は、鋭意研究の結果、金めっき層の厚みが0.01〜0.8μｍと薄いことから、ニッケルめっき層上に金めっき層を被着させた後に行われる配線基板の洗浄や乾燥の際にニッケルめっき層を十分に保護することができず、そのためニッケルめっき層の表面に酸化物や水酸化物が形成されるとともにこれが拡散して金めっき層の表面に酸素を含む領域を形成して半田との濡れ性を阻害し、それによりニッケルと半田との接合強度が低下するためであると考え、本発明を完成するに至った。
【０００６】
本発明は、かかる上述の問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、ニッケルめっき層と半田との間で剥離が発生することがなく、搭載する電子部品を外部電気回路に長期間にわたり、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。
【０００７】
【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、銅から成る配線導体を有する絶縁基体を準備する工程と、非イオン性界面活性剤を含む無電解ニッケルめっき液に前記配線導体を浸漬することにより、前記配線導体表面にニッケルめっき層を被着させる工程と、無電解金めっき液に前記ニッケルめっき層を浸漬することにより、前記ニッケルめっき層表面に金めっき層を被着させる工程と、前記金めっき層表面を６０℃以下の純水で洗浄し、３０℃から６０℃の純水に浸漬した後、前記金めっき層表面を乾燥させる工程と、を備えたことを特徴とするものである。
【０００８】
本発明の配線基板によれば、金めっき層表面の酸素存在領域の深さが３ｎｍ以下であることから、半田接合時の半田濡れ性が良好である。したがって、これに電子部品を半田を介して搭載するとともに外部電気回路基板に半田を介して実装した後、電子部品を長期間にわたり作動させたとしても、ニッケルめっき層と半田とは強固に接合されて両者の間に剥離が発生するようなことはない。
【０００９】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明を添付の図面に基づき詳細に説明する。図１は、本発明を半導体素子を搭載するための配線基板に適用した場合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は配線導体である。この絶縁基体１と配線導体２とで本発明の配線基板が構成される。
【００１０】
絶縁基体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は銅箔から成る複数の配線導体２が形成されている。
【００１１】
絶縁基体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４を有している。そして、その上下面および各貫通孔４の内壁には配線導体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４を介して電気的に接続されている。
【００１２】
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４内壁の配線導体２は、芯体１ａに貫通孔４を設けた後に、この貫通孔４内壁に無電解めっきおよび電解めっき法により厚みが５〜50μｍ程度の銅箔を析出させることにより形成される。
【００１３】
さらに、芯体１ａは、その貫通孔４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５が充填されている。樹脂柱５は、貫通孔４を塞ぐことにより貫通孔４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４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５を含む芯体１ａの上下面に絶縁層１ｂが積層されている。
【００１４】
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程度の複数の貫通孔６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、最表層を除く絶縁層１ｂにはその表面および貫通孔６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とを貫通孔６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のフィルムを芯体１ａ上下面に貼着し、これを熱硬化させるとともにレーザー加工により貫通孔６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表面および貫通孔６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の表面および貫通孔６内に５〜50μｍ程度の厚みの銅箔を公知のセミアディティブ法やフルアディ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。
【００１５】
絶縁基体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３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、絶縁基体１の上面に露出している部位が半導体素子３の各電極に鉛−錫共晶合金から成る半田７を介して接続される電子部品接続用パッド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鉛−錫共晶合金から成る半田８を介して接続される外部接続用パッド２ｂを形成している。
【００１６】
そして、この配線基板においては、電子部品接続用パッド２ａに半導体素子３の各電極を半田７を介して接続して半導体素子３を搭載することによって電子装置となり、この電子装置における外部接続用パッド２ｂを外部電気回路基板の配線導体に半田８を介して接続することにより外部電気回路基板に実装されることとなる。
【００１７】
なお、電子部品接続用パッド２ａおよび外部接続用パッド２ｂの表面には、図２に要部拡大断面図で示すように、厚みが0.5〜10μｍ程度のニッケルめっき層９が被着されており、その上に厚みが0.01〜0.8μｍ程度の金めっき層10が被着されている。
【００１８】
ニッケルめっき層９は、例えばリンを４〜12重量％程度含有する無電解ニッケル−リンめっきから成り、銅から成る配線導体２を保護するとともに半田７・８が接合される接合用下地金属層として機能する。
【００１９】
このようなニッケルめっき層９は、先ず、配線導体２が形成された配線基板を界面活性剤と塩酸水溶液から成る温度が25〜50℃の酸性の洗浄液に１〜５分間浸漬して銅から成る配線導体２の表面を清浄とし、次にこれを純水で洗浄した後、塩化パラジウム4.0ｇ／ｌ，水酸化カリウム50.0ｇ／ｌ，エチレンジアミンテトラアセティクアシッド5.0ｇ／ｌから成る温度が25〜40℃のパラジウム活性液中に１〜５分間程度浸漬して配線導体２の表面にパラジウム触媒を付着させ、次にこれを純水で洗浄した後、硫酸ニッケル40ｇ／ｌ，クエン酸ナトリウム24ｇ／ｌ，酢酸ナトリウム14ｇ／ｌ，次亜リン酸ナトリウム20ｇ／ｌ，塩化アンモニウム５ｇ／ｌから成る温度が50〜90℃の無電解ニッケルめっき液中に２〜60分間浸漬することによって配線導体２の表面に被着される。
【００２０】
なお、ニッケルめっき層９は、その厚みが0.5μｍ未満では、電子部品接続用パッド２ａおよび外部接続用パッド２ｂを良好に被覆することができずに、配線導体２の表面に酸化や変色をきたして半田７・８との接合が弱いものとなる傾向にあり、他方、10μｍを超えると、ニッケルめっき層９の内部応力によりニッケルめっき層９にクラックや剥がれが発生してしまいやすい。したがって、ニッケルめっき層９の厚みは0.5〜10μｍの範囲が好ましい。
【００２１】
また、ニッケルめっき層９を上述のようにニッケル−リンめっきから形成する場合、ニッケルめっき層９中のリンの含有量が４重量％未満であると、配線導体２にニッケルめっき層９を被着させる際、ニッケルめっきの析出速度が遅くなり、所定の厚みのニッケルめっき層９を得るために長時間を要するので配線基板の生産性が極めて悪くなり、他方、12重量％を超えると、ニッケルめっき層９上に被着させる金めっき層10との反応性が悪くなり、ニッケルめっき層９を金めっき層10で良好に被覆することが困難となる傾向にある。したがって、ニッケルめっき層９中のリンの含有量は、４〜12重量％の範囲が好ましい。
【００２２】
さらに、ニッケルめっき層９は、その表面の結晶粒界に沿って形成される溝の深さを0.2μｍ以下としておくことが好ましい。ニッケルめっき層９表面の結晶粒界に沿って形成される溝の深さが0.2μｍを超えると、ニッケルめっき層９上に無電解金めっき層10を被着させる際に、この粒界に沿った部位でニッケルめっき層９中のニッケルが局所的に多量に溶出して腐食が発生しやすい。そのような腐食が発生すると、この部位でのニッケルめっき層９と半田７・８との反応性が阻害されてニッケルめっき層９と半田７・８との接合強度が劣ったものとなる。
【００２３】
なお、ニッケルめっき層９表面の結晶粒界に沿って形成される溝の深さを0.2μｍ以下とするには、例えば、ニッケルめっき液中に非イオン性の界面活性剤を数ｐｐｍ添加し、析出するニッケルめっき層９とめっき液との界面張力を小さなものとした状態でニッケルめっきをすることにより、溝の深さを0.2μｍ以下とすることができる。また、ニッケルめっき層９表面の結晶粒界に形成される溝の深さは下地の配線導体２表面の微視的な凹凸のばらつきにも影響を受けるので、そのような微視的凹凸のばらつきがある場合、これを均一とするために配線導体２の表面を例えば100〜200ｇ／ｌの過硫酸ナトリウムからなる20〜30℃のエッチング液で1〜3分程度エッチングすることが好ましい。
【００２４】
また、ニッケルめっき層９上に被着された金めっき層10は、ニッケルめっき層９が酸化腐食するのを防止するとともにニッケルめっき層９と半田７・８との濡れ性を良好なものとする作用をなし、配線導体２表面のニッケルめっき層９上に半田７・８を接合させると、半田７・８中に拡散吸収されて消滅してしまう。
【００２５】
このような金めっき層10は、配線導体２の表面にニッケルめっき層９を被着させた後、これを純水で洗浄し、次にこれをシアン化金カリウム5.0ｇ／ｌ，クエン酸カリウム50.0ｇ／ｌ，エチレンジアミンテトラアセティクアシッド5.0ｇ／ｌから成る温度が50〜90℃の無電解金めっき液中に２〜10分間浸漬することによってニッケルめっき層９の表面に被着され、その後、この配線基板を純水で洗浄した後、乾燥させると本発明の配線基板が完成する。
【００２６】
そして、本発明の配線基板では、金めっき層10を被着した後にニッケルめっき層９の表面にニッケルの酸化物や水酸化物が形成されることおよびそれが金めっき層10の表面に拡散することを防止し、それにより金めっき層10表面の酸素存在領域の深さを３ｎｍ以下としている。このように、金めっき層10表面の酸素存在領域の深さを３ｎｍ以下としたことから、電子部品接続用パッド２ａおよび外部接続用パッド２ｂに半田を接合させる際に半田とニッケルめっき層９とが良好に濡れ、その結果、ニッケルめっき層９と半田７・８とが極めて強固に接合される。そして、本発明の配線基板によれば、電子部品の電極と電子部品接続用パッド２ａとを半田７を介して接合して電子部品を搭載するとともに外部接続用パッド２ｂを半田８を介して外部電気回路基板の配線導体に接合して外部電気回路基板に実装した後、搭載する電子部品３を長期間にわたり作動させたとしても電子部品接続用パッド２ａや外部接続用パッド２ｂと半田７や８とがニッケルめっき層９と半田７・８との間で剥離することがなく、搭載する電子部品３を外部電気回路に長期間にわたり正常に接続することが可能である。
【００２７】
なお、金めっき層10表面の酸素存在領域の深さが３ｎｍを超えると、電子部品接続用パッド２ａおよび外部接続用パッド２ｂに半田を接合させる際に半田とニッケルめっき層９とが良好に濡れずに両者の接合が弱いものとなる傾向にある。したがって、金めっき層10表面の酸素存在領域の深さは３ｎｍ以下の範囲に特定される。
【００２８】
このように、金めっき層表面の酸素存在領域の深さを３ｎｍ以下とするには、配線導体２の表面のニッケルめっき層９上に金めっき層10を被着させた後の純水洗浄を60℃以下の温度の純水で行い、最後に30〜60℃の純水に配線基板を１〜２分間浸漬した後、100〜300ｍｍ／秒の速度で引き上げて乾燥させればよい。このとき、金めっき層10を被着させた後の純水洗浄の温度が60℃を超えると、ニッケルめっき層９の表面にニッケルの水酸化物が形成されるとともにこれが拡散して金めっき層10の表面に深さが３ｎｍを超える酸素存在領域が形成されてしまいやすい。また最後に配線基板を浸漬する純水の温度が30℃未満では、配線基板を引き上げる際に配線基板に付着した水分が十分に乾燥除去されずに、ニッケルめっき層９に腐食を発生させやすい。したがって、ニッケルめっき層９上に金めっき層10を被着させた後の純水洗浄の温度は60℃以下に特定される。また、配線基板を最後に浸漬する純水の温度は30〜60℃の範囲に特定される。
【００２９】
また、金めっき層10表面の酸素存在領域の深さの測定は、例えばＥＳＣＡ（Electron Spectroscopy for Chemical Analysis）等を用いて、アルゴンイオンのスパッタリングによる酸素の検出を金めっき層10の表面から深さ方向に行い、酸素が検出できなくなるまでのスパッタリング時間により算出することができる。
【００３０】
かくして、本発明の配線基板によれば、搭載する電子部品を外部電気回路に長期間にわたり正常に接続することができる。
【００３１】
なお、本発明は、上述の実施の形態の一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、例えば上述の実施の形態の一例では、絶縁基体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、絶縁基体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く、また、配線導体２としては、タングステンやモリブデン・銅・銀等の金属粉末のメタライズ導体等の他の導電材料を使用することができる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の配線基板の製造方法によれば、配線基板の電子部品接続用パッドや外部接続用パッドに半田を接合させる際に半田とニッケルめっき層とが良好に濡れ、その結果、ニッケルめっき層と半田とが極めて強固に接合される。したがって、これに電子部品を半田を介して搭載するとともに外部電気回路基板に半田を介して実装した後、電子部品を長期間にわたり作動させたとしても、ニッケルめっき層と半田とは強固に接合されて両者の間に剥離が発生するようなことはなく、搭載する電子部品を長期間にわたり正常に接続することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線基板および電子装置の実施形態の一例を示す断面図である。
【図２】図１に示す配線基板および電子装置の要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１・・・・・絶縁基体
２・・・・・配線導体
３・・・・・電子部品としての半導体素子
７，８・・・半田
９・・・・・ニッケルめっき層
10・・・・・金めっき層

Claims

銅から成る配線導体を有する絶縁基体を準備する工程と、
非イオン性界面活性剤を含む無電解ニッケルめっき液に前記配線導体を浸漬することにより、前記配線導体表面にニッケルめっき層を被着させる工程と、
無電解金めっき液に前記ニッケルめっき層を浸漬することにより、前記ニッケルめっき層表面に金めっき層を被着させる工程と、
前記金めっき層表面を６０℃以下の純水で洗浄し、３０℃から６０℃の純水に浸漬した後、前記金めっき層表面を乾燥させる工程と、
を備えたことを特徴とする配線基板の製造方法。