JP4737173B2 - 回路基板 - Google Patents
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Description
本発明は、一面にボンディングワイヤ接続もしくははんだ接続がなされる複数個の接続用ランドを備える回路基板に関する。
従来より、この種の一般的な回路基板としては、一面に複数個の接続用ランドを備え、これら接続用ランドにはボンディングワイヤが接続されたり、電子部品がはんだによって接続されるものが知られている（たとえば、特許文献１参照）。
ここで、複数個の接続用ランドは、たとえば、タングステンやモリブデンなどの導体膜に無電解Ｃｕ（銅）めっきなどによりめっき層を形成したものを下地として、その上に無電解Ａｕ（金）めっきなどによりＡｕめっき膜を形成し、このＡｕめっき膜を最表面として構成されている。
そして、これら接続用ランドは、Ａｕよりなるボンディングワイヤが接続されるＡｕワイヤ用ランドと、Ａｕワイヤ以外の他の部品が接続される他部品用ランドとよりなる。ここで、他の部品とは、Ａｌ（アルミニウム）ワイヤや、実装部品を接合するためのはんだや、導電性接着剤などである。
そして、Ａｕワイヤ用ランドと他部品用ランドとでは、Ａｕワイヤ用ランドの方が、ランドにおいて接続される面の面積すなわちランド面積が、小さい。これは、Ａｕワイヤの径が小さいため、ランド面積も小さくて済むことによる。
特開平５−２０６６２０号公報
ところで、Ａｕワイヤボンディングの接続間隔は、時代の流れから狭くなる一方であり、これに伴って、Ａｕワイヤ用ランドのランド面積も必然的にさらに小さくなり、ワイヤ−ランド間の接合強度の低下が問題となっている。
ここで、Ａｕワイヤ用ランドとＡｕワイヤとの接合強度は、ランド最表面を構成するＡｕめっき膜の膜質によって決まる。通常、Ａｕワイヤボンディングを行う前には、他の部品のはんだ付けなどの熱処理や、残渣物および残渣物除去のための洗浄や、さらに、下地であるたとえばＣｕめっき層からのＣｕの拡散など、多くの汚染下に、Ａｕめっき膜は置かれている。これらの影響を低減する手段として、Ａｕめっき膜厚を厚くすることが有効である。
しかし、単純に、回路基板の一面上に形成される接続用ランドの全てのＡｕめっき膜厚を厚くすると、コストアップとなる。また、Ａｌワイヤボンディングやはんだ付け手法においては、Ａｕめっき膜厚が厚い場合、Ａｕの拡散によってカーケンダールボイドの発生、脆い合金層の生成などによって、接続品質の低下に至る。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、もともと小さなＡｕワイヤ用ランドの面積を、さらに小さくしていくにあたって、Ａｕワイヤ以外の他部品用ランドでの接合強度を確保しつつ、Ａｕワイヤとランドとの十分な接合強度を安定して確保するのに適した構成を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は、複数個の接続用ランド（２０〜２２）は、ランド面積が小さくなるに従って前記Ａｕめっき膜（２０ａ）が厚くなっているものであることを特徴とする。
それによれば、もともと小さなＡｕワイヤ用ランド（２０）のランド面積を、さらに小さくしていくにあたって、より大きな他部品用ランド（２１、２２）のＡｕめっき膜厚の増加を抑えつつ、Ａｕワイヤ用ランド（２０）のＡｕめっき膜厚は増加できるため、他部品用ランド（２１、２２）と他部品（４１、５０）との接合強度を確保しつつ、Ａｕワイヤ（４０）とランド（２０）との十分な接合強度を安定して確保するのに適した構成とすることができる。
ここで、複数個の接続用ランド（２０〜２２）において、Ａｕめっき膜（２０ａ）の下地はＣｕめっき膜（２０ｂ）であるものにできる。
また、複数個の接続用ランド（２０〜２２）において、ランド面積が小さくなるに従ってＡｕめっき膜（２０ａ）が厚くなっていることとは、ランド面積が１ｍｍ2小さくなると、Ａｕめっき膜（２０ａ）の膜厚が０．００２μｍ〜０．００５μｍの範囲で厚くなっているものであることが好ましい。
そして、本発明によれば、Ａｕワイヤ用ランド（２０）のＡｕめっき膜（２０ａ）を、他部品用ランド（２１、２２）のＡｕめっき膜（２０ａ）よりも厚いものにできる。
なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。
図１は、本発明の実施形態に係る回路基板１０の概略断面構成を示す図であり、当該回路基板１０の一面１１上に、各種の電子部品３０、３１、３２が搭載され、これら電子部品３０〜３２と回路基板１０とが、はんだ５０やボンディングワイヤ４０、４１を介して接続された電子装置としての状態を示している。
この回路基板１０は、アルミナなどよりなるセラミック基板であり、１層よりなる単層基板でも、複数層が積層されてなる積層基板でもよい。回路基板１０の内部および表面には図示しない配線が形成されている。
回路基板１０の一面１１には、ワイヤ接続やはんだ接続がなされる複数個の接続用ランド２０、２１、２２が設けられている。また、そして、これら接続用ランド２０〜２２に対して、ボンディングワイヤ４０、４１やはんだ５０を介して、電子部品３０〜３２が接合されている。
図１に示される例では、電子部品３０〜３２としては、マイコンなどの第１のＩＣチップ３０、パワートランジスタに代表されるパワー素子などの第２のＩＣチップ３１、および、コンデンサ３２が示されている。このうち第１および第２のＩＣチップ３０、３１は、図示しないダイマウント材を介して回路基板１０の一面１１に接合固定され、コンデンサ３２は、はんだ５０により接合固定されている。
ここで、複数個の接続用ランド２０〜２２は、ＡｕよりなるボンディングワイヤであるＡｕワイヤ４０が接続されるＡｕワイヤ用ランド２０と、Ａｕワイヤ４０以外の他の部品としてのＡｌよりなるボンディングワイヤであるＡｌワイヤ４１およびはんだ５０が接続される他部品用ランド２１、２２とよりなる。
Ａｕワイヤ用ランド２０には、Ａｕワイヤ４０の一端が接合され、Ａｕワイヤ４０の他端は第１のＩＣチップ３０に接合されている。それにより、第１のＩＣチップ３０は、Ａｕワイヤ４０を介してＡｕワイヤ用ランド２０と電気的に接続されている。
また、他部品用ランド２１、２２は、Ａｌワイヤ４１が接合されているＡｌワイヤ用ランド２１と、はんだ５０が接合されているはんだ付け用ランド２２とよりなる。Ａｌワイヤ用ランド２１には、Ａｌワイヤ４１の一端が接合され、Ａｌワイヤ４１の他端は第２のＩＣチップ３１に接合されている。それにより、第２のＩＣチップ３１は、Ａｌワイヤ４１を介してＡｌワイヤ用ランド２１と電気的に接続されている。
また、はんだ付け用ランド２２には、はんだ５０を介して、コンデンサ３２が電気的に接続されている。なお、Ａｕワイヤ４０およびＡｌワイヤ４１は、それぞれＡｕまたはＡｕ合金、ＡｌまたはＡｌ合金よりなるもので、ワイヤボンディングの分野で通常用いられるものである。また、はんだ５０は、共晶はんだや鉛フリーはんだなど、一般的なはんだである。
ここで、他部品用ランド２１、２２は、Ａｕワイヤ用ランド２０よりもランド面積が大きい。ランド面積とは、ランドにおいて接続される面、つまり、図１中のランド２０〜２２の上面の面積である。なお、このランド面積の関係を満足していれば、各ランド２０〜２２の平面形状は、特に限定されるものではなく、たとえば円形でも、四角形でも、それ以外の幾何学的形状でもよい。
具体的には、Ａｌワイヤ４１は、Ａｕワイヤ４０よりも線径が大きいことから、Ａｌワイヤ用ランド２１のランド面積は、Ａｕワイヤ用ランド２０のそれよりも大きい。さらに、はんだ付け用ランド２２のランド面積は、Ａｌワイヤ用ランド２１のそれよりも大きい。一例を挙げると、Ａｕワイヤ用ランド２０、Ａｌワイヤ用ランド２１、はんだ付け用ランド２２の各ランド面積は、それぞれ、０．３〜０．６ｍｍ2程度、１．５ｍｍ2程度、２ｍｍ2程度である。
ここで、図２は、図１中のＡｌワイヤ用ランド２０および他部品用ランド２１、２２の詳細断面構成を示す図である。回路基板１０の一面１１に設けられている複数個の接続用ランド２０〜２２は、すべて接続面の最表層がＡｕめっき膜２０ａよりなる。
具体的には、すべての接続用ランド２０〜２２は、回路基板１０の一面１１側から、導体膜２０ｃ、Ｃｕめっき膜２０ｂ、Ａｕめっき膜２０ａが積層されてなるものである。つまり、本実施形態では、すべての接続用ランド２０〜２２において、Ａｕめっき膜２０ａの下地はＣｕめっき膜２０ｂである。
導体膜２０ｃは、たとえば、Ｗ（タングステン）やＭｏ（モリブデン）などの導体ペーストを塗布・硬化してなるものである。Ｃｕめっき膜２０ｂは、無電解めっきにより形成されるものであり、その膜厚は、すべての接続用ランド２０〜２２において、たとえば２μｍ〜１４μｍ、好ましくは、３μｍ〜６μｍである。
また、Ａｕめっき膜２０ａは、無電解めっきにより形成されるが、その膜厚Ｔについては、本実施形態では、接続用ランド２０〜２２のランド面積が小さくなるに従って、大きくなっているものである。つまり、回路基板１０の一面１１における複数個の接続用ランド２０〜２２は、ランド面積が小さくなるに従ってＡｕめっき膜２０ａが厚くなったものとして構成されている。
本実施形態では、ランド面積に対して、Ａｕめっき膜２０ａの膜厚Ｔが０．００２μｍ〜０．００５μｍ／ｍｍ2の範囲で変化している。つまり、接続用ランド２０〜２２のランド面積が１ｍｍ2小さくなると、Ａｕめっき膜２０ａの膜厚Ｔが０．００２μｍ〜０．００５μｍの範囲で厚くなっている。ここで、ランド面積に対して、Ａｕめっき膜２０ａの膜厚Ｔが０．００４μｍ／ｍｍ2にて変化することが望ましい。
また、上述したように、他部品用ランド２１、２２は、Ａｕワイヤ用ランド２０よりもランド面積が大きいため、Ａｕワイヤ用ランド２０のＡｕめっき膜２０ａは、他部品用ランド２１、２２のＡｕめっき膜２０ａよりも厚くなっている。
具体的には、Ａｕワイヤ用ランド２０のＡｕめっき膜２０ａの膜厚Ｔは、０．２μｍ以上、好ましくは０．２μｍ〜０．５μｍである。たとえば、ランド面積が０．３ｍｍ2であるようなＡｕワイヤ用ランド２０のＡｕめっき膜２０ａの膜厚Ｔは、０．３μｍ程度である。
また、他部品用ランド２１、２２のＡｕめっき膜２０ａの膜厚は、Ａｕワイヤ用ランド２０のＡｕめっき膜２０ａよりも薄いことを確保したうえで、０．６μｍ以上、好ましくは０．３μｍ以下である。なお、これらＡｕめっき膜２０ａの膜厚は、公知の蛍光Ｘ線による測定により求められる。
この回路基板１０の製造方法については、単層もしくは多層の一般的なセラミック配線基板と基本的には同様である。ここで、本実施形態では、回路基板１０の一面１１における複数個の接続用ランド２０〜２２を、そのランド面積が小さくなるに従ってＡｕめっき膜２０ａが厚くなったものとして形成するために、Ａｕめっき膜２０ａの無電解めっき方法を、従来とは異ならせたものとする。
この無電解めっき法は、無電解還元めっきであり、この還元めっきは、Ａｕイオンが還元剤から電子を受け取ることによって還元析出するものであり、析出金属が還元剤の反応に対して触媒作用を有する。この自己触媒作用により、金属析出反応が連鎖的に進行し、めっき皮膜が厚くなるが、自己触媒作用を有する還元剤としては、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔなどの金属がある。
ここで、本実施形態のＡｕの無電解還元めっきは、従来のような基板の一面内にてランド面積が異なっても均一なめっき膜厚を得るための条件ではなく、ランド面積に対してＡｕめっき膜厚を変化させるために、還元剤の濃度を従来よりも増加させ、Ｃｕめっき膜２０ｂ上へのＡｕの析出速度を早くした条件にて行う。
図３は、Ａｕの析出速度を変えた時のランド面積に対するＡｕめっき膜厚の変化を示す図である。図３では、横軸にランド面積（単位：ｍｍ2）、縦軸にＡｕめっき膜厚（相対比）を示すが、このＡｕめっき膜厚は、ランド面積に依らず均一膜厚を得る従来のめっき条件での膜厚を１として、相対的に表したものである。
図３に示されるように、従来のめっき条件では、ランド面積に対してほとんど膜厚変化が無いのに対して、還元剤を増加させてＡｕの析出速度を早くした本実施形態の場合では、ランド面積の増加に伴い、Ａｕめっき膜厚が小さくなっている。
この図３の場合では、ランド面積が０．３ｍｍ2であるＡｕワイヤ用ランド２０のＡｕめっき膜厚は、０．３μｍである。そして、この場合を図３の縦軸におけるＡｕめっき膜厚比：１としており、図３では、ランド面積に対して、Ａｕめっき膜厚は０．００４μｍ／ｍｍ2にて薄くなっている。
このような現象は、無電解Ａｕめっきにおいて、ランド中央部よりランド端部の方が早くＡｕが析出し、また、Ａｕの析出は既に析出したＡｕを核に析出し、高さ方向と横方向と行われることによると考えられる。
そして、本実施形態では、このようなＡｕの無電解還元めっきを行って、各接続用ランド２０〜２２の最表層としてのＡｕめっき膜２０ａを形成することにより、回路基板１０を形成する。その後は、各電子部品３０〜３２の搭載、はんだ付け、ワイヤボンディングなどを行うことにより、上記図１に示される電子装置ができあがる。
ところで、本実施形態によれば、複数個の接続用ランド２０〜２２を、ランド面積が小さくなるに従ってＡｕめっき膜２０ａが厚くなっているものとしている。そのため、もともと小さなＡｕワイヤ用ランド２０のランド面積を、さらに小さくしていくにあたって、より大きな他部品用ランド２１、２２のＡｕめっき膜厚の増加を抑えつつ、Ａｕワイヤ用ランド２０のＡｕめっき膜厚は増加できる。
本実施形態では、上述したように、他部品用ランド２１、２２は、Ａｕワイヤ用ランド２０よりもランド面積が大きいことから、他部品用ランド２１、２２は、Ａｕワイヤ用ランド２０よりもＡｕめっき膜厚が薄いものとなっている。そのため、他部品用ランド２１、２２では、上記したようなＡｕの拡散による接続品質の低下を防止できる。
こうしたことから、本実施形態の回路基板１０においては、他部品用ランド２１、２２と他部品４１、５０との接合強度を確保しつつ、Ａｕワイヤ４０とＡｕワイヤ用ランド２０との十分な接合強度を安定して確保するのに適した構成とすることができる。
ここで、図４は、Ａｕめっき膜厚によるＡｕワイヤおよびはんだとランドとの接合強度の変化を示す図である。横軸には、Ａｕめっき膜厚（単位：μｍ）を示し、縦軸には、接合強度を相対値として示す。図４中、ガイドラインαは、実用レベルでの十分な接合強度を示し、これを接合強度：１と規格化している。
Ａｕめっき膜厚は、上記接続用ランド２０〜２２におけるＡｕめっき膜２０ａの膜厚Ｔを、還元剤の量を調整することで変えていった。接合強度としては、従来のＡｕワイヤとして線径がφ１２０μｍのＡｕワイヤを接続した場合、微細化時のＡｕワイヤとして線径がφ１００μｍのＡｕワイヤを接続した場合、さらに、はんだを接続した場合について、調査した。
Ａｕワイヤボンディングは、Ａｕめっき膜厚の増加により接合強度が向上する。一方、はんだ付けの接合強度については、Ａｕめっき膜がなくてもよく、逆にＡｕめっき膜厚が一定以上厚くなると、脆いＡｕＳｎ合金層が成長し、強度が低下する。
図４中、範囲Ｌ１は、従来のＡｕワイヤ接続の場合において、Ａｕワイヤの接合強度、および、はんだの接合強度の両方について、上記ガイドラインαを達成するためのＡｕめっき膜厚の範囲Ｌ１である。また、範囲Ｌ２は、Ａｕめっき工程でのＡｕめっき膜厚のばらつきＬ２である。
また、範囲Ｌ３は、微細化時のワイヤ接続、すなわち、従来よりもワイヤとランドとの接合部分の面積を小さくした場合において、Ａｕワイヤの接合強度、および、はんだの接合強度の両方について、上記ガイドラインαを達成するためのＡｕめっき膜厚の範囲Ｌ３である。
図４からわかるように、Ａｕワイヤの接合強度、および、はんだの接合強度の両方について、上記ガイドラインαを達成するにあたって、従来のＡｕワイヤ接続の場合の範囲Ｌ１は、上記ばらつきＬ２に対して余裕がある。しかし、微細化時のワイヤ接続の場合の範囲Ｌ３は、その余裕がない。
つまり、高精細化の流れから、従来よりもＡｕワイヤ用ランドの面積を小さくした場合においては、接続用ランドの全てのＡｕめっき膜厚を均一にする従来構成では、上記ばらつきＬ２を吸収できず、結果、上記ガイドラインαを安定して確保できない。
しかしながら、本実施形態では、ランド面積が小さくなるに従ってＡｕめっき膜厚を厚くすることで、そもそも、上記ばらつきＬ２に対する余裕度を考慮しなくてもよく、上記ガイドラインαを安定して確保できる。
（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、Ａｕめっき膜２０ａの下地はＣｕめっき膜２０ｂであったが、可能ならば、当該下地は、それ以外のものでもよい。
なお、上記実施形態では、Ａｕめっき膜２０ａの下地はＣｕめっき膜２０ｂであったが、可能ならば、当該下地は、それ以外のものでもよい。
１０…回路基板、１１…回路基板の一面、
２０…接続用ランドとしてのＡｕワイヤ用ランド、
２０ａ…Ａｕめっき膜、２０ｂ…Ｃｕめっき膜、
２１…接続用ランドであり他部品用ランドとしてのＡｌワイヤ用ランド、
２２…接続用ランドであり他部品用ランドとしてのはんだ付け用ランド、
４０…Ａｕワイヤ、４１…Ａｌワイヤ、５０…はんだ。
２０…接続用ランドとしてのＡｕワイヤ用ランド、
２０ａ…Ａｕめっき膜、２０ｂ…Ｃｕめっき膜、
２１…接続用ランドであり他部品用ランドとしてのＡｌワイヤ用ランド、
２２…接続用ランドであり他部品用ランドとしてのはんだ付け用ランド、
４０…Ａｕワイヤ、４１…Ａｌワイヤ、５０…はんだ。
Claims (4)
- 一面（１１）に複数個の接続用ランド（２０、２１、２２）を備え、
前記複数個の接続用ランド（２０〜２２）は、ＡｕよりなるボンディングワイヤであるＡｕワイヤ（４０）が接続されるＡｕワイヤ用ランド（２０）と、前記Ａｕワイヤ（２０）以外の他の部品（４１、５０）が接続され且つ前記Ａｕワイヤ用ランド（２０）よりもランド面積が大きい他部品用ランド（２１、２２）とよりなり、
前記複数個の接続用ランド（２０〜２２）は、接続面の最表層がＡｕめっき膜（２０ａ）よりなるものである回路基板において、
前記複数個の接続用ランド（２０〜２２）は、ランド面積が小さくなるに従って前記Ａｕめっき膜（２０ａ）が厚くなっているものであることを特徴とする回路基板。 - 前記複数個の接続用ランド（２０〜２２）において、前記Ａｕめっき膜（２０ａ）の下地はＣｕめっき膜（２０ｂ）であることを特徴とする請求項１に記載の回路基板。
- 前記ランド面積が１ｍｍ2小さくなると、前記Ａｕめっき膜（２０ａ）の膜厚が０．００２μｍ〜０．００５μｍの範囲で厚くなっていることを特徴とする請求項１または２に記載の回路基板。
- 前記Ａｕワイヤ用ランド（２０）の前記Ａｕめっき膜（２０ａ）は、前記他部品用ランド（２１、２２）の前記Ａｕめっき膜（２０ａ）よりも厚くなっていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の回路基板。
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