JP4639964B2

JP4639964B2 - 配線基板の製造方法

Info

Publication number: JP4639964B2
Application number: JP2005158946A
Authority: JP
Inventors: 美保生稲; 清智中村
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2005-05-31
Filing date: 2005-05-31
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2025-05-31
Also published as: JP2006339219A

Description

本発明は半導体素子収納用パッケージ等に用いられる配線基板とこれを実装する親基板との間のはんだ接合、および配線基板と半導体素子とのはんだ接合に使用するパッド電極の構造に関し、詳しくは鉛フリーのはんだと接合するためのパッド電極を有する配線基板に関する。

半導体素子を含む電子部品の実装には、はんだ接合が広く行なわれており、これら電子部品が搭載される配線基板の実装用のパッド電極には表面処理としてニッケルおよび金からなる層を順次形成することが有効である。
この層構成は、金層による電極の酸化防止、ニッケル層による銅拡散防止効果が期待できる。また、半導体素子搭載時のワイヤボンディング接合にも適した構成である。
よってこの構成は、はんだボールによる親基板への実装、はんだによる半導体素子搭載、そしてワイヤボンディングによる半導体素子搭載を同時に満足できることによって従来から広く採用されている。

近年、鉛による環境汚染が問題とされており、従来の鉛入りはんだから、鉛を使わないいわゆる鉛フリーはんだへの移行が進展している。一般に鉛フリーはんだとは鉛を含まないはんだのことであり、現在は様々な元素の組み合わせのはんだが研究されて市場に出ている。

半導体素子収納用パッケージの周辺部材として使用されるはんだの融点は半導体素子の駆動時温度よりも高く設定する必要があるため、ここで言う鉛フリーはんだとしては、現在一般に中高温鉛フリーはんだと呼ばれている、錫−銀の二元系、もしくは錫−銀−Ｘ（Ｘは任意の元素）という3元系の組成のはんだを指すこととする。

はんだの鉛フリー化の進展に伴い、はんだ接合が従来よりも困難になってきている。
即ち錫−銀系の、一般に中高温鉛フリーはんだと呼ばれている組成では、はんだ自体の機械強度が高いためにはんだの変形が起こり難く、界面への応力集中が大きくなることによって、シェアテストでの界面剥がれモードが起き易くなっている。
この配線基板のパッド電極と鉛フリーはんだの界面が応力により剥離するのを防止し、電気的接続を長期間にわたり確実、強固に維持することのできるパッド電極を有する配線基板が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
上記構成のパッド電極では、ニッケル層厚を０．１〜１．５μｍにすることによって形成される合金層の３成分化を図っているが、そもそもはんだへのニッケル溶解がおそいため、ねらった合金組成の形成が不安定になりやすいこともあり、中高温鉛フリーはんだでは、シェアテストでの界面剥がれモードが起き易く、問題となっている。
特開２００３−３４７７１６号公報

本発明は、上記問題点に鑑み考案されたもので、配線基板のパッド電極と鉛フリーはんだの界面が応力により剥離することを防止し、電気的接続を長期間にわたり確実、強固に維持することができる長期信頼性に優れた配線基板を提供することを目的とする。

本発明に於いて上記課題を達成するために、まず、請求項１においては、絶縁基材上に少なくとも１層以上の配線層が形成され、最上層にパッド電極が形成される配線基板の製造方法において、前記パッド電極が配線層上に、スルファミン酸ニッケルめっき浴を使用して、５５℃、約２Ａ／ｄｍ２で電気ニッケルめっきを行い、５．５μｍ厚のニッケル層を形成し、前記ニッケル層上に、硫酸銅めっき浴を使用して、約１Ａ／ｄｍ２で電気めっきを行い、１．９７μｍ厚の銅層を形成し、前記銅層上にパラジウムめっき浴を使用して、６０℃、２．０Ａ／ｄｍ２でパラジウムめっきを行い、０．１２μｍ厚のパラジウム層を形成し、さらに前記パラジウム層上に金ストライクめっき浴を使用して、３０℃、３．５Ｖで約０．０２μｍ厚の金層を形成した後、金めっき浴を使用して７０℃、０．４Ａ／ｄｍ２で電気金めっきを行い、０．５μｍ厚の金層を形成したことを特徴とする配線基板の製造方法としたものである。

本発明の配線基板によれば、配線基板のパッド電極が配線層上にニッケル層と、銅層と、金層とを形成した構成になっており、銅層の厚さを０．０５μｍ以上、２．００μｍ以下とすることにより、銅層がはんだとの金属間化合物の形成に消費され、これにより金属間化合物の機械的性質が変化しはんだボールの接合強度が飛躍的に増大することとなる。ひいては、鉛フリーはんだに対し電気的接続を長期間にわたり確実に、強固に維持することができる。
また、配線基板のパッド電極が配線層上にニッケル層と、銅層と、パラジウム層と、金層とを形成した構成になっており、銅層の厚さを０．０５μｍ以上、２．００μｍ以下、パラジウム層の厚さを０．０５μｍ以上、１．００μｍ以下とすることにより、銅層がはんだとの金属間化合物の形成に消費され、且つ銅層と金層の相互拡散を防止し、これにより金属間化合物の機械的性質が変化しはんだボールの接合強度が飛躍的に増大することとなる。ひいては、鉛フリーはんだに対し電気的接続を長期間にわたり確実に、強固に維持することができる。

以下本発明の実施の形態につき説明する。
図１は、本発明の配線基板の一実施例を示す配線基板１００の部分模式構成断面図である。図２（ａ）はＩＣパッド電極５０ａの拡大断面図を、図２（ａ）はＢＧＡパッド電極５ｂａの拡大断面図をそれぞれ示す。
配線基板１００は、配線基板の一方の面の最上層のランド５１ａ上にニッケル層５３と、厚さが０．０５μｍ以上、２．００μｍ以下の銅層５４と、金層５６とを設けたＩＣパッド電極５０ａを、他方の面の最上層の配線層ランド５１ｂ上にニッケル層５３と、厚さが０．０５μｍ以上、２．００μｍ以下の銅層５４、厚さが０．０５μｍ以上、１．００μｍ以下のパラジウム層５５と、金層５６とを設けたＢＧＡパッド電極５０ｂをそれぞれ設けた４層の配線基板である。

請求項１に係る本発明の配線基板では、配線基板のパッド電極が配線層上にニッケル層
と、銅層と、金層とから構成されている。
はんだとの溶解速度の速い銅をニッケル層上に配することで合金層形成の安定化を図っている。

請求項２に係る本発明の配線基板では、配線基板のパッド電極の銅層の厚さを０．０５μｍ以上、２．００μｍ以下とすることにより、ニッケル層の一部と銅層の銅とはんだ中の錫とが形成する金属間金属化合物中の銅の比率が上昇することにより機械的性質が向上する。すなはち、銅層がはんだとの金属間化合物の形成に消費され、これにより金属間化合物の機械的性質が変化しはんだボールの接合強度が飛躍的に増大することとなる。ひいては、鉛フリーはんだに対し電気的接続を長期間にわたり確実に、強固に維持することができるようにしたものである。

銅層の厚みは０．０５〜２．００μｍの範囲が好適で、銅層の厚みが０．０５μｍ以下では、形成される合金層への銅の注入量が十分でなく、期待された効果が発揮できない。また、銅層の厚みが２．００μｍ以上では、はんだが溶融して電極と接合している時間内に銅層をすべて溶解しその下のニッケル層と確実な接合をするまでに至らなくなる頻度が高くなるため不適切である。

請求項３に係る本発明の配線基板では、配線基板のパッド電極が配線層上にニッケル層と、銅層と、パラジウム層と、金層とから構成されており、はんだとの溶解速度の速い銅をニッケル層上に配し、さらに銅層と金層との間にパラジウム層を配することで、銅層と金層との相互拡散を防止し、合金層形成の安定化を図っている。

請求項４に係る本発明の配線基板では、銅層の厚さを０．０５μｍ以上、２．００μｍ以下とすることにより、銅層がはんだとの金属間化合物の形成に消費され、これにより金属間化合物の機械的性質が変化しはんだボールの接合強度が飛躍的に増大することとなる。ひいては、鉛フリーはんだに対し電気的接続を長期間にわたり確実に、強固に維持することができるようにしたものである。

請求項５に係る本発明の配線基板では、上記パラジウム層の厚さを０．０５μｍ以上、１．００μｍ以下としたもので、パラジウム層は金と銅の拡散防止効果があり、それにはパラジウム層厚を０．０５μｍ以上にする必要がある。
パラジウムのはんだへの溶解速度は充分に速いので多少厚くても本発明の効果を損ねない。しかし、厚すぎるとパラジウム自体が水素貯状金属で、勝手にクラックが入り期待した性能を発揮できない。
パラジウム層のクラックを防止するためにはパラジウム層厚を１．００μｍ以下にする必要がある。

上記本発明の配線基板は、半導体素子収納用パッケージ等に用いられる配線基板に限定されず、半導体素子の搭載に鉛フリーはんだを用いる場合においてはその搭載電極にも適用でき、それに相対する半導体素子上の電極に対しても適応できる。また該配線基板を実装する親基板の実装用電極にも適用できる。

以下本発明の配線基板の製造方法について説明する。
図３（ａ）〜（ｆ）及び図４（ｇ）〜（ｋ）は、本発明の配線基板１００の製造方法の一実施例を工程順に示す模式構成断面図である。
配線層及びフィルドビアの形成については、公知の方法を用いたので、ここでは詳細な説明は省略する。
まず、絶縁基材１１の一方の面に配線層２２ａ、絶縁層４１、フィルドビア５２及びランド５１ａを、他方の面に配線層２１ａ、絶縁層４１、フィルドビア５２及び配線層５１ｂをそれぞれ形成した４層の配線基板を作製する（図４（ｉ）参照）。

次に、感光性ソルダーレジストを塗布して感光性ソルダーレジスト層を形成し、パターン露光、現像等の一連のパターニング処理を行って、ソルダーレジストパターン６１及び６２を形成して、ランド５１ａ上に開口部６３を、配線層５１ｂ上に開口部６４を形成する（図４（ｊ）参照）。

次に、ランド５１ａ上の開口部６３に、スルファミン酸ニッケルめっき浴を用いた電気ニッケルめっきにてニッケル層５３を、さらに、硫酸銅めっき浴を用いた電気銅めっきにて銅層５４を、パラジウムめっき浴を用いたパラジウムめっきにてパラジウム層５５を、金ストライクめっき浴を用いた電気めっきにて金層５６を形成し、ＩＣパッド電極５０ａを作製する。
同時に、配線層５１ｂの開口部６４に、スルファミン酸ニッケルめっき浴を用いた電気ニッケルめっきにてニッケル層５３を、硫酸銅めっき浴を用いた電気銅めっきにて銅層５４を形成し、ＢＧＡパッド電極５０ｂを作製し、配線基板の一方の面の最上層にＩＣパッド電極５０ａが、他方の面の最上層にＢＧＡパッド電極５０ｂが形成された本発明の配線基板１００を得る（図４（ｋ）参照）。
この事例では、ＩＣパッド電極５０ａに、ニッケル層、銅層、パラジウム層、金層構成を、ＢＧＡパッド電極５０ｂに、ニッケル層、銅層、金層構成を適用したが、これはあくまでも一例であって、これに限定されるものではない。

まず、２５μｍ厚のポリイミドフィルムからなる絶縁基材１１の片面に銅箔からなる導体層２１が形成された片面銅張り積層板を準備する。
さらに、片面銅張り積層板の絶縁基材１１にレーザー加工を行い、所定に位置にビア用孔１２を形成した（図３（ａ）参照）。

次に、ビア用孔１２をデスミア処理し、無電解銅めっきにより下地導電層（特に、図示せず）を形成した。
さらに、めっき下地導電層をめっき電極にして電気銅めっきを行い、導体層２２及びフィルドビア２３を形成した（図３（ｂ）参照）。
電気銅めっきに使用するめっき液、めっき条件は公知のめっき液、めっき条件を使用した。

次に、導体層２１及び２２上に感光性のドライフィルムをラミネートする等の方法で感光層を形成し、パターン露光、現像等の一連のパターニング処理を行ってレジストパターン３１ａ及び３１ｂを形成した（図３（ｃ）参照）。

レジストパターン３１ａ及び３１ｂをマスクにして導体層２１及び２２をエッチングし、レジストパターン３１ａ及び３１ｂを剥離処理して、絶縁基材１１の一方の面に配線層２２ａを、他方の面に配線層２１ａを形成した両面配線基板１０を作製した（図３（ｄ）参照）。

次に、両面配線板１０の両面に、厚さ５μｍのエポキシ系樹脂からなる接着層が形成さ
れた２５μｍ厚のポリイミドフィルムを積層して、３０μｍ厚の絶縁層４１を形成した（図３（ｅ）参照）。

次に、ＵＶレーザーを用いたレーザー加工により、絶縁層４１の所定位置を孔明け加工して、ビア用孔４２を形成した。さらに、ビア用孔４２をデスミア処理して、ビア用孔４２内及び絶縁層４１上に無電解銅めっきにて、めっき下地導電層（特に、図示せず）を形成した（図３（ｆ）参照）。

次に、めっき下地導電層上に感光性のドライフィルムをラミネートする等の方法で感光層を形成し、パターン露光、現像等の一連のパターニング処理を行ってレジストパターン３２ａ及び３２ｂを形成した（図４（ｇ）参照）。

次に、めっき下地導電層をめっき電極にしてフィルドビア用電気銅めっき液を用いて電気銅めっきを行い、１５μｍ厚の導体層５１及びフィルドビア５２を形成した（図４（ｈ）参照）。

次に、レジストパターン３２ａ及び３２ｂを剥離処理し、レジストパターン３２ａ及び３２ｂの下部にあっためっき下地導電層をクイックエッチングで除去して、ランド５１ａ及び配線層５１ｂを形成した（図４（ｉ）参照）。

次に、感光性ソルダーレジスト（ＰＳＲ−４０００：太陽インキ製造（株）製）を塗布し、９０℃で乾燥して３０μｍ厚の感光性ソルダーレジスト層を形成した。さらに、パターン露光し、１％炭酸ナトリウム水溶液にて現像し、その後１５０℃で３０分間加熱して、ランド５１ａ上に開口部６３を有するソルダーレジストパターン６１を、配線層５１ｂ上に６００μｍφの開口部６４を有するソルダーレジストパターン６２を形成した（図４（ｊ）参照）。

次に、開口部６３内のランド５１ａ上及び６００μｍφの開口部６４内の配線層５１ｂ上に、スルファミン酸ニッケルめっき浴（スルファミン酸ニッケル６水和物：４５０ｇ／Ｌ塩化ニッケル６水和物：３ｇ／Ｌホウ酸：３０ｇ／Ｌ）を使用して、５５℃、約２Ａ／ｄｍ²で電気ニッケルめっきを行い、５．５μｍ厚のニッケル層５３を形成した（図２（ａ）及び（ｂ）参照）。

さらに、ニッケル層５３上に、硫酸銅めっき浴（硫酸銅五水和物：１００ｇ／Ｌ、硫酸：２００ｇ／Ｌ、塩酸：３０ｐｐｍ、光沢剤（ロームアンドハース製カッパーグリームＳＴ−９０１）：適量）を使用して、約１Ａ／ｄｍ²で電気銅めっきを行い、１．９７μｍ厚の銅層５４を形成した（図２（ａ）及び（ｂ）参照）。

さらに、配線層５１ｂ上の開口部６４をめっきテープ等で目止めして、ランド５１ａ上の開口部６３内の銅層５４上にパラジウムめっき浴（パラデックス：日本エレクトロプレーティング・エンジニヤーズ（株）製）を使用して、６０℃、２．０Ａ／ｄｍ²でパラジウムめっきを行い、約０．１２μｍ厚のパラジウム層５５を形成した（図２（ａ）参照）。

さらに、ランド５１ａ上の開口部６３内のパラジウム層５５上及び配線層５１ｂ上の開口部６４内の銅層５４上に、金ストライクめっき浴（日本高純度化学（株）製：アシッドストライク）を使用して、３０℃、３．５Ｖで約０．０２μｍ厚の金層を形成した後、金めっき浴（テンペレジスト−ＥＸ：日本高純度化学（株）製）を使用して、７０℃、０．４Ａ／ｄｍ²で電気金めっきを行い、０．５μｍ厚の金層５６を形成し、ランド５１ａ上の開口部６３内に５．５μｍ厚のニッケル層５３と、１．９７μｍ厚の銅層５４と、０．
１２μｍ厚のパラジウム層５５と、０．５μｍ厚の金層５６とが形成されたＩＣパッド電極５０ａと、配線層５１ｂ上の６００μｍφの開口部６４内に５．５μｍ厚のニッケル層５３と、１．９７μｍ厚の銅層５４と、０．５μｍ厚の金層５６とが形成されたＢＧＡパッド電極５０ｂとが形成された本発明の配線基板１００を得た（図２（ａ）及び（ｂ）、図４（ｋ）参照）。

実施例１と同様な工程で、ランド５１ａ上の開口部６３内に２．７μｍ厚のニッケル層５３と、０．６３μｍ厚の銅層５４と、０．５５μｍ厚のパラジウム層５５と、０．５μｍ厚の金層５６とが形成されたＩＣパッド電極５０ａと、配線層５１ｂ上の６００μｍφの開口部６４内に２．７μｍ厚のニッケル層５３と、０．６３μｍ厚の銅層５４と、０．５μｍ厚の金層５６とが形成されたＢＧＡパッド電極５０ｂとが形成された本発明の配線基板１００ａを得た（図２（ａ）及び（ｂ）、図４（ｋ）参照）。

実施例１及び２で得られた配線基板１００及び１００ａのＩＣパッド電極５０ａ及びＢＧＡパッド電極５０ｂに樹脂系フラックス（千住金属（株）製：デルタラックス５２９Ｄ−１）をピンで転写しておき、該フラックスを固定材として直径７６０μｍの錫−銀−銅の３元系鉛フリーはんだボール（千住金属（株）製：エコソルダーＭ７０５）を載置した。

はんだボールが載置された配線基板１００及び１００ａを１６０℃、２分間予熱後２５０℃、３０秒間加熱しはんだボールを溶融させてドットパターンの電極に接合させた。
常温まで放冷したところで、恒温器内で大気下１５０℃、５００時間保管した後、はんだボールのシェア強度を測定（使用した装置：デイジ社製ボンドテスタシリーズ４０００、測定条件：シェアスピード３００マイクロメートル毎秒、シェア高さ２０マイクロメートル）したところ、標本数３０で最大値１８１２ｇ、最小値１６９８ｇ、平均値１７２１ｇであった。またこのときテスト後の破断面を観察したところ、４００個中、ニッケル層が露出したものはなくすべてはんだで覆われていた。

また、配線基板１００及び１００ａのＩＣパッド電極５０ａへのワイヤボンディングによる半導体素子の搭載は問題無く行なうことができた。

本発明の配線基板の一実施例を示す模式構成断面図である。（ａ）は、ＩＣパッド電極５０ａの拡大断面図を示す説明図である。（ｂ）は、ＢＧＡパッド電極５０ｂの拡大断面図を示す説明図である。（ａ）〜（ｆ）は、本発明の配線基板の製造方法における工程の一部を示す模式構成断面図である。（ｇ）〜（ｋ）は、本発明の配線基板の製造方法における工程の一部を示す模式構成断面図である。

符号の説明

１０、１００……配線基板
１１……絶縁基材
１２、４２……ビア用孔
２１、２２、５１……導体層
２１ａ、２２ａ……配線層
２３、５２……フィルドビア
３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ……レジストパターン
４１……絶縁層
５０ａ……ＩＣパッド電極
５０ｂ……ＢＧＡパッド電極
５１ａ……ランド
５１ｂ……配線層
６１、６２……ソルダーレジストパターン
６３、６４……開口部

Claims

絶縁基材上に少なくとも１層以上の配線層が形成され、最上層にパッド電極が形成される配線基板の製造方法において、前記パッド電極が配線層上に、スルファミン酸ニッケルめっき浴を使用して、５５℃、約２Ａ／ｄｍ２で電気ニッケルめっきを行い、５．５μｍ厚のニッケル層を形成し、前記ニッケル層上に、硫酸銅めっき浴を使用して、約１Ａ／ｄｍ２で電気めっきを行い、１．９７μｍ厚の銅層を形成し、前記銅層上にパラジウムめっき浴を使用して、６０℃、２．０Ａ／ｄｍ２でパラジウムめっきを行い、０．１２μｍ厚のパラジウム層を形成し、さらに前記パラジウム層上に金ストライクめっき浴を使用して、３０℃、３．５Ｖで約０．０２μｍ厚の金層を形成した後、金めっき浴を使用して７０℃、０．４Ａ／ｄｍ２で電気金めっきを行い、０．５μｍ厚の金層を形成したことを特徴とする配線基板の製造方法。