JP4602507B2

JP4602507B2 - フリップチップ用パッケージ及びその製造方法

Info

Publication number: JP4602507B2
Application number: JP2000082168A
Authority: JP
Inventors: 誠司森
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2000-03-23
Filing date: 2000-03-23
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2020-03-23
Also published as: JP2001274289A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フリップチップ用パッケージ及びその製造方法に関し、更に詳しくは、密着性が良好であると共に、環境中で酸化による運搬・保管中のチップ付け性の劣化を長期間防止することができるフリップチップ用パッケージ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体集積回路チップの実装方式として、フリップチップ法が広く採用されている。フリップチップ法とは、図１に示すように、フリップチップ用パッケージＰの電極用パッド１と、集積回路チップ５の電極用パッド４とが一致するようにして重ね、次いで加熱することにより、予め集積回路チップ５の電極用パッド４やフリップチップ用パッケージＰの電極用パッド１に設けておいたはんだ３を溶融させてはんだ付けを行って、電極用パッド間の電気的接続を行うものである。
【０００３】
かかるフリップチップ法において使用するフリップチップ用パッケージは、通常は、セラミック等により形成されたシートと、該シート上に設けられた電極用パッドと、から構成されている。そして、上記電極用パッドは、モリブデン、タングステン等の高融点金属粉末を主体とするメタライズペーストを印刷し、同時焼成することにより設けられている下地メタライズ層と、該下地メタライズ層の表面に公知のメッキ法により設けられているＮｉメッキ層と、を有している。
【０００４】
そして、ニッケル−ホウ素（以下、「Ｎｉ−Ｂ」という。）メッキは、はんだとの濡れ性がよく、はんだと接触した場合でも容易にはんだが濡れるので好ましいことから、従来よりフリップチップ用パッケージＰのＮｉメッキ層１２を構成するメッキとして利用されている。例えば、特開平９−２８３８７８号公報には、Ｎｉ−Ｂメッキ後、金（Ａｕ）メッキを施工して３５０℃以上に加熱することにより、ＮｉをＡｕ層に拡散させてＡｕ−Ｎｉ層を形成して密着強度を向上させる技術が開示されている。また、特開平１１−１６３０４２号公報には、Ｎｉ−Ｂメッキの厚みを２．５〜８μｍとすることにより、フリップチップ接続におけるはんだ中のボイドの発生を低減し、密着強度を向上させる技術が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、Ｎｉ−Ｂメッキを行って焼結することによりＮｉメッキ層を形成する際、形成条件によっては、Ｎｉ−Ｂメッキの粒成長が抑えられてＮｉ−Ｂメッキの粒径が小さくなり、焼付後にＮｉ−Ｂメッキの表面積が大きくなるため酸化し易くなるという問題点がある。その結果、輸送・保管状況によっては、輸送・保管中にＮｉ−Ｂメッキの環境中での酸化が進行し、フリップチップ用パッケージのチップ付け性が低下するという問題点がある。また、上記のように密着強度を向上させるために、Ｎｉ−Ｂメッキ後、Ａｕメッキを施工してＡｕ−Ｎｉ層を形成する場合、環境中で酸化されたＮｉ−ＢメッキはＡｕとの密着性が低下するので、焼結によりＡｕが凝集（Ａｕ凝集）し、Ｎｉ−Ｂメッキの露出が多くなる結果、環境中で酸化が進行し、フリップチップ用パッケージのチップ付け性が低下するという問題点がある。これに対し、Ｎｉ−Ｂメッキに関する上記先行文献において、Ｎｉ−Ｂメッキの粒径、Ｎｉ−Ｂメッキ層の形成条件とＮｉ−Ｂメッキの環境中での酸化、チップ付け性等との関係については触れられていない。
【０００６】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、密着性が良好であると共に、環境中で酸化による運搬・保管中のチップ付け性の劣化を長期間防止することができるフリップチップ用パッケージ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は上記実情に鑑みてフリップチップ用パッケージ及びその製造方法について検討した結果、フリップチップ用パッケージ上の電極用パッドの表面にＮｉ−Ｂメッキを行い、次いで焼結温度を８１０〜８４０℃として焼結を行って、Ｎｉ−Ｂメッキ層を構成するＮｉ−Ｂメッキの平均粒径を１〜１．５μｍとすることにより、上記目的を達成できることを見出して本発明を完成するに至った。
【０００８】
本第１発明のフリップチップ用パッケージは、下地メタライズ層と、該下地メタライズ層の表面に設けられたＮｉメッキ層と、を有する電極用パッドを備えるフリップチップ用パッケージにおいて、上記Ｎｉメッキ層の少なくとも最表面はＮｉ−Ｂメッキで構成されており、且つ該Ｎｉ−Ｂメッキの平均粒径が１〜１．５μｍであることを特徴とする。
【０００９】
本第１発明のフリップチップ用パッケージにおける「Ｎｉ−Ｂメッキの平均粒径」とは、Ｎｉ−Ｂメッキ表面を走査型顕微鏡（ＳＥＭ）で観察し、図３に示す方法により求められるものである。即ち、図３に示すＳＥＭ写真において、ラインＡ〜Ｄ上のＮｉ−Ｂメッキ粒子の数の合計と、ラインＡ〜Ｄの長さ（ｍｍ）の合計を求め、これを以下に示す式に代入して計算するものである。この平均粒径は１μｍ〜１．５μｍであり、好ましくは１．２〜１．５μｍ、最も好ましくは１．３〜１．５μｍである。この平均粒径が１μｍ未満では、Ｎｉ−Ｂメッキ層の表面積が大きくなる結果、輸送・保管の際に環境中でＮｉ−Ｂメッキ層の酸化が進行し、チップ付け性が低下してしまうので好ましくない。
【００１０】
平均粒径（μｍ）＝Ａ×１０⁴／（Ｂ×写真倍率）
Ａ：ラインＡ〜Ｄの長さ（ｍｍ）の合計
Ｂ：ラインＡ〜Ｄ上に位置する粒子の数
【００１１】
また、本第１発明のフリップチップ用パッケージにおけるＮｉ−Ｂメッキの粒径は、平均粒径が上記範囲にある限り特に限定はないが、本第２発明に示すように、粒成長を抑えて最大粒径を６μｍ以下とすると、粒界（Ｎｉ粒の境界）にボイドが発生することを抑制することができる。これにより、Ｎｉメッキ層のはんだ濡れ性が低下することを防止して、環境中で酸化による運搬・保管中のチップ付け性の劣化を長期間防止することができるので好ましい。
【００１２】
本第１発明の上記「Ｎｉメッキ層」は、通常、その全体がＮｉ−Ｂメッキにより形成されていることが好ましいが、少なくともＮｉメッキ層の最表面がＮｉ−Ｂメッキで形成されていればよい。即ち、Ｎｉメッキ層の下層をＮｉや、あるいはＮｉ−ＰメッキやＮｉ−Ｃｏメッキ等のＮｉ合金メッキにより形成した後、最表層をＮｉ−Ｂメッキにより形成することもできる。また、本第１発明の上記「Ｎｉメッキ層」の厚さについては特に限定はないが、通常２．５〜８μｍ、好ましくは３〜７μｍ、更に好ましくは３．２〜６μｍ、最も好ましくは３．６〜６μｍである。この厚さが２．５μｍ未満では、下地メタライズ層が部分的に露出してＮｉメッキ層にピンホールが生じ、はんだが濡れにくくなる場合があるので好ましくない。
【００１３】
また、上記Ｎｉメッキ層の上には、何も設けないようにしてもよいが、本第３発明に示すように、上記Ｎｉ−Ｂメッキ層の上に、置換Ａｕメッキ等によりＡｕメッキ層を形成することもできる。このようなＡｕメッキ層とは、Ａｕのみで構成されるものだけでなく、Ａｕ−Ｎｉメッキ層のように、Ａｕと他の金属との合金によるメッキ層も含む。上記Ａｕメッキ層は、例えばＡｕ−Ｎｉ層の場合、Ａｕメッキ層形成後に熱処理等を施して、ＡｕとＮｉの相互拡散を促す等の方法により形成することができる。このようなＡｕメッキ層を設けることにより、下層のＮｉ−Ｂメッキ層の酸化を更に防止して、チップ付け性を向上及び安定化させることができると共に、ボイド発生を低減し、密着強度を高めることができるので好ましい。Ａｕメッキ層をＮｉ−Ｂメッキ層の上に設ける場合、その厚さは通常０．０１〜０．５μｍ、好ましくは０．０１〜０．３μｍ、更に好ましくは０．０１〜０．２μｍ、最も好ましくは０．０３〜０．１μｍである。厚さが０．０１μｍ未満では、下層のＮｉ−Ｂメッキ層の酸化防止効果が十分に発揮し得ない場合があるので好ましくなく、０．５μｍを超えると、Ｐｂ−Ｓｎはんだに含まれるＳｎとの間で脆いＡｕ−Ｓｎ金属間化合物を生成し、接合強度が劣化する場合があるので好ましくない。
【００１４】
本第４発明のフリップチップ用パッケージの製造方法は、フリップチップ用パッケージ上に設けられた下地メタライズ層の表面にＮｉ−Ｂメッキを行い、次いで最大焼結温度を８１０〜８４０℃として焼結を行い、焼結後の上記ニッケル−ホウ素メッキの平均粒径を１〜１．５μｍとすることを特徴とする。本第４発明のフリップチップ用パッケージの製造方法において、下地メタライズ層の表面にＮｉ−Ｂメッキを行う方法については特に限定はなく、金属層からなる電極用パッド群の表面に直接Ｎｉ−Ｂメッキを行うだけでなく、下地メタライズ層の表面に、Ｎｉや、あるいはＮｉ−Ｐメッキ、Ｎｉ−Ｃｏメッキ等のＮｉ合金メッキによりＮｉメッキ層の下層を形成した後、Ｎｉメッキ層の最表層にＮｉ−Ｂメッキを行う場合も含む。
【００１５】
本第４発明のフリップチップ用パッケージの製造方法において、Ｎｉ−Ｂメッキ後の最大焼結温度は、通常８１０〜８４０℃、好ましくは８２０〜８４０℃、更に好ましくは８２５〜８４０℃、最も好ましくは８３０〜８４０℃である。焼結温度が８１０℃未満であると、Ｎｉ−Ｂメッキが粒成長せず、焼結後にＮｉ−Ｂメッキの表面積が大きくなる結果、輸送・保管の際に環境中でＮｉ−Ｂメッキ層の酸化が進行し、フリップチップ用パッケージのチップ付け性が低下し、また、続いてＡｕメッキ層を形成する場合、Ａｕメッキの密着が悪くなるので好ましくない。一方、８４０℃を超えると、粒成長が過多となる結果、粒界にボイドが発生することにより、はんだ濡れ性が劣化することから好ましくない。
【００１６】
本第４発明のフリップチップ用パッケージの製造方法において、焼結により形成されたＮｉメッキ層を構成するＮｉ−Ｂメッキの粒径については、平均粒径を１μｍ以上とするので、Ｎｉメッキ層の酸化を防止し、密着性が良好であると共に、運搬・保管中のチップ付け性の劣化を長期間防止することができる。また、本第５発明に示すように、Ｎｉ−Ｂメッキの最大粒径を６μｍ以下とすると、粒界にボイドが発生することによるはんだ濡れ性の低下を抑制することができるので好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について、実施例及び比較例を挙げて具体的に説明する。
（１）本実施例のフリップチップ用パッケージの構成及び製造
以下の試験に用いる本実施例及び比較例のフリップチップ用パッケージの構成を、以下の図２に示す。
本実施例のフリップチップ用パッケージＰは、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を主成分とする３０ｍｍ×３０ｍｍ×１ｍｍｔの大きさであるシート２と、該シート２上に設けられた電極用パッド１と、から構成されている。そして、上記電極用パッド１は、上記シート２上に設けられ、モリブデンを主成分とするφ０．１ｍｍの大きさである下地メタライズ層１１と、該下地メタライズ層１１の外表面を覆うように設けられ、全体がＮｉ−Ｂメッキで形成されている厚さ３．２〜７．０μｍのＮｉメッキ層１２と、該Ｎｉメッキ層１２の外表面覆うように設けられた厚さ０．０５μｍのＡｕメッキ層１３と、からなる。
【００１８】
本実施例及び比較例のフリップチップ用パッケージＰは、次の方法により製造した。上記シート２上に、下地メタライズ層１１を構成するモリブデン等の高融点金属粉末を主体とするメタライズペーストをスクリーン印刷により印刷し、該シート２と共に１５００℃で同時焼成して下地メタライズ層１１を形成した。次いで、無電解メッキ法により、該下地メタライズ層１１の表面にＮｉ−Ｂメッキを施し、その後、以下の表１に示す焼結温度により焼結を行ってＮｉメッキ層１２を形成した。更に、無電解メッキ法により、該Ｎｉメッキ層１２の表面にＡｕメッキ層１３を形成して、本実施例及び比較例のフリップチップ用パッケージＰを製造した。
【００１９】
（２）本実施例のフリップチップ用パッケージの性能評価
焼結温度として、表１に示す各最大焼結温度で焼結したフリップチップ用パッケージを実施例１〜３及び比較例１〜３とした。そして、これら実施例１〜３及び比較例１〜３の各フリップチップ用パッケージのＮｉメッキ層１２の表面状態を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察してＡｕ凝集の有無を調べた。その観察結果を図４〜８に示した。図４〜８において、（ａ）はＮｉ焼結後の表面状態のＳＥＭ写真であり、（ｂ）はＡｕベーキング後の表面状態のＳＥＭ写真である。
【００２０】
また、実施例１〜３及び比較例１〜３のＮｉ−Ｂメッキ層４２のＮｉ−Ｂメッキの平均粒径（μｍ）を図３に示す方法により求めた。更に、上記図４〜図８のＳＥＭ写真中のＮｉ−Ｂメッキの粒子のうち、大きい方から１０個の粒径を測定することにより、Ｎｉ−Ｂメッキの最大粒径（μｍ）を求めた。更に、ダミーチップをはんだ付け後、引張試験を行うことによりプレーナーモード発生率（％）を求めた。これらの結果を以下の表１にまとめた。尚、表１の「Ａｕ凝集」及び「ボイド発生」の項において、「○」はＡｕ凝集やボイド発生が認められなかったことを意味し、「×」はＡｕ凝集やボイド発生が認められたことを意味する。また、比較例３では、Ｎｉメッキ層にボイドが発生したため、プレーナーモード発生率（％）の試験を行うことができなかった。
【００２１】
【表１】

【００２２】
（４）実施例の効果
表１、図７及び図８より、最大焼結温度が７９１℃の比較例１及び８０５℃の比較例２では、Ｎｉ−Ｂメッキの最大粒径が１．５〜２．０μｍと小さいことから、粒界にボイドの発生は認められなかったが、Ｎｉ−Ｂメッキの平均粒径が０．８１、０．９２μｍといずれも小さいことから、Ｎｉ−Ｂメッキ層が環境中で酸化が進行することにより、焼結後にＡｕ凝集が発生していることがＳＥＭ観察により判った。また、プレーナモードとは、引っ張り試験後にはんだが電極パッド１との界面近傍で破壊したモードを指し、はんだの濡れ性不良に起因するボイドが電極パッド１との界面付近に多数存在することが、このモードの発生の原因と考えられるが、このプレーナーモード発生率もそれぞれ９０％、８５％と高い値を示している。これらの結果より、最大焼結温度が低い比較例１及び２の各フリップチップ用パッケージの場合、Ｎｉ−Ｂメッキ層が環境中で酸化することにより、はんだ濡れ性が低下してチップ付け性が劣化するおそれがあることが判る。また、最大焼結温度が８４５℃の比較例３では、Ｎｉ−Ｂメッキの平均粒径が１．６０μｍと大きい反面、Ｎｉ−Ｂメッキの最大粒径が６．５μｍと大きいことから、粒界にボイドの発生は認められた。この結果より、最大焼結温度が高い比較例３のフリップチップ用パッケージの場合でも、ボイドの発生により、はんだ濡れ性が低下してチップ付け性が劣化するおそれがあることが判る。
【００２３】
これに対し、表１及び図４〜図６から判るように、最大焼結温度が８１５℃〜８３５℃である実施例１〜３では、Ｎｉ−Ｂメッキの平均粒径が１．１２〜１．５０μｍと、比較例１及び２よりも大きく、また、Ｎｉ−Ｂメッキの最大粒径が３．０〜６．０μｍと、比較例３より小さい値となっている。これにより、焼結後のＮｉ−Ｂメッキ層をＳＥＭ観察してもＡｕ凝集が認められず、粒界にボイドの発生も認められなかった。また、プレーナーモードの発生も認められなかった。これらの結果より、実施例１〜３の各フリップチップ用パッケージは比較例１〜３と比較して、環境中での酸化を抑制し、チップ付け性の劣化を長期間防止することができる安定性に優れたフリップチップ用パッケージであることが判る。
【００２４】
尚、本発明においては、前記具体的実施例に示すものに限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した実施例とすることができる。
【００２５】
【発明の効果】
本第１発明のフリップチップ用パッケージによれば、Ｎｉ−Ｂメッキ層を構成するＮｉ−Ｂメッキの平均粒径を１〜１．５μｍとすることにより、焼付後のＮｉ−Ｂメッキの酸化を抑制し、後続作業するＡｕメッキとの密着性を高めることができる。これにより、密着性が良好とすることができると共に、運搬・保管中のチップ付け性の劣化を長期間防止することができる。また、本第２発明に示すように、Ｎｉ−Ｂメッキの最大粒径を６μｍ以下とすることにより、粒界にボイドが発生することを抑制し、Ｎｉメッキ層のはんだ濡れ性が低下することを防止することができる。更に、本第３発明に示すように、Ｎｉメッキ層上にＡｕメッキ層を形成することにより、チップ付け性を向上及び安定化させることができると共に、ボイド発生を低減し、密着強度を高めることができるので好ましい。更に、本第４発明乃至第５発明のフリップチップ用パッケージの製造方法によれば、Ｎｉ−Ｂメッキ後の最大焼結温度を８１０〜８４０℃とすることにより、上記のように優れた特性を有するフリップチップ用パッケージを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】フリップチップ法の工程（▲１▼及び▲２▼）を示す断面模式図である。
【図２】本実施例のフリップチップ用パッケージの拡大断面図である。
【図３】本発明のＮｉ−Ｂメッキの平均粒径の求め方の説明図である。
【図４】実施例１のフリップチップ用パッケージのＮｉメッキ層のＳＥＭ写真（（ａ）Ｎｉ焼結後、（ｂ）Ａｕベーキング後）である。
【図５】実施例２のフリップチップ用パッケージのＮｉメッキ層のＳＥＭ写真（（ａ）Ｎｉ焼結後、（ｂ）Ａｕベーキング後）である。
【図６】実施例３のフリップチップ用パッケージのＮｉメッキ層のＳＥＭ写真（（ａ）Ｎｉ焼結後、（ｂ）Ａｕベーキング後）である。
【図７】比較例１のフリップチップ用パッケージのＮｉメッキ層のＳＥＭ写真（（ａ）Ｎｉ焼結後、（ｂ）Ａｕベーキング後）である。
【図８】比較例２のフリップチップ用パッケージのＮｉメッキ層のＳＥＭ写真（（ａ）Ｎｉ焼結後、（ｂ）Ａｕベーキング後）である。
【符号の説明】
Ｐ；フリップチップ用パッケージ、１；フリップチップ用パッケージの電極用パッド、１１；下地メタライズ層、１２；Ｎｉメッキ層、１３；Ａｕメッキ層、２；シート、３；はんだ、４；集積回路チップの電極用パッド、５；集積回路チップ。

Claims

下地メタライズ層と、該下地メタライズ層の表面に設けられたニッケルメッキ層と、を有する電極用パッドを備えるフリップチップ用パッケージにおいて、上記ニッケルメッキ層の少なくとも最表面はニッケル−ホウ素メッキで構成されており、且つ該ニッケル−ホウ素メッキの平均粒径が１〜１．５μｍであることを特徴とするフリップチップ用パッケージ。
上記ニッケル−ホウ素メッキの最大粒径が６μｍ以下である請求項１記載のフリップチップ用パッケージ。
上記ニッケルメッキ層上に金メッキ層を有する請求項１又は２に記載のフリップチップ用パッケージ。
フリップチップ用パッケージ上に設けられた下地メタライズ層の表面にニッケル−ホウ素メッキを行い、次いで最大焼結温度を８１０〜８４０℃として焼結を行うフリップチップ用パッケージの製造方法であって、
焼結後の上記ニッケル−ホウ素メッキの平均粒径を１〜１．５μｍとすることを特徴とするフリップチップ用パッケージの製造方法。
焼結後の上記ニッケル−ホウ素メッキの最大粒径を６μｍ以下とする請求項４に記載のフリップチップ用パッケージの製造方法。