JP5935186B2

JP5935186B2 - 配線基板

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Publication number: JP5935186B2
Application number: JP2012167570A
Authority: JP
Inventors: 細井　義博; 義博細井; 貴之田口; 湯川　英敏; 英敏湯川
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-07-27
Filing date: 2012-07-27
Publication date: 2016-06-15
Anticipated expiration: 2032-07-27
Also published as: JP2014027172A

Description

本発明は、半導体素子を搭載するための配線基板に関するものである。

従来、半導体集積回路素子等の半導体素子を搭載するための配線基板として、複数の絶縁層を積層して成る絶縁基板の上面に、半導体素子の電極がフリップチップ接続される半導体素子接続パッドと、外部の電気回路に接続するためのリード端子が接続されるリード接続パッドとを備えた配線基板がある。

このような配線基板の従来例を図３に示す。図３に示すように、従来の配線基板２０は、絶縁層１１と１２とが積層されて成る絶縁基板の上面側に半導体素子Ｅの電極Ｔがフリップチップ接続される半導体素子接続パッド１３と、外部の電気回路に接続するためのリード端子Ｌが接続されるリード接続パッド１４とを備えている。

絶縁層１１、１２は、例えばガラスクロスにエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させたガラス強化樹脂材料や、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂に酸化ケイ素粉末等の無機絶縁フィラーを分散させたフィラー強化樹脂材料から成る。

半導体素子接続パッド１３は、絶縁層１１の上面に形成されており、絶縁層１２に設けた開口部１５から露出している。また、リード接続パッド１４は、絶縁層１２の上面に形成されており、絶縁層１２に設けたビアホール１６を介して絶縁層１１上の導体パターンに接続されている。これらの半導体素子接続パッド１３およびリード接続パッド１４は、例えば銅めっき層から成り、その表面にニッケルめっき層１７が被着されている。

そして、半導体素子接続パッド１３には、半導体素子Ｅの電極Ｔが半田Ｓ１を介して接続され、リード接続パッド１４には、外部の電気回路と接続するためのリード端子Ｌが半田Ｓ２を介して接続される。

ところで、このような従来の配線基板２０は、以下のようにして製造されている。まず、絶縁層１１の上面に半導体素子接続パッド１３を含む銅めっき層から成る導体パターンを周知のセミアディティブ法を採用して形成する。次に、半導体素子接続パッド１３を含む導体パターンの表面を化学的に粗化して粗化面を形成する。次に、その上に絶縁層１２を積層するとともに開口部１５およびビアホール１６をレーザ加工により形成する。次に、絶縁層１２の表面およびビアホール１６に、リード接続用パッド１４を含む銅めっきから成る導体パターンをセミアディティブ法で形成する。そして最後に、開口部１５から露出する半導体素子接続パッド１３の表面および絶縁層１２上のリード接続パッド１４の表面に無電解めっき法によりニッケルめっき層１７を被着させる。なお、絶縁層１１上の半導体素子接続パッド１３を含む導体パターンの表面に粗化面を形成するのは、その上に積層される絶縁層１２との密着力を強めるためである。

しかしながら、この従来の配線基板２０によると、開口部１５から露出する半導体素子接続パッド１３の表面に無電解めっき法によりニッケルめっき層１７を被着させる際に、半導体素子接続パッド１３とニッケルめっき層１７との界面に微小なボイドが発生しやすい。ボイドが発生しやすいのは、開口部１５内では供給されるニッケルめっき液の流れが遅くなり、めっき時に発生するガスが半導体素子接続パッド１３表面の微小な凹凸の間から外部に抜けにくいためである。そのようなボイドが発生すると、半導体素子接続パッド１５と半導体素子Eの電極Ｔとを半田Ｓ１を介した接続信頼性が低下してしまう。

特許第２５７４５１０号公報

本発明は、半導体素子接続パッドとニッケルめっき層との間にボイドが発生することを抑制し、半導体素子接続パッドと半導体素子の電極との接続信頼性に優れるとともに、リード接続パッドとリード端子とを強固に接続することが可能な配線基板を提供することを課題とする。

本発明の配線基板は、第１の絶縁層と、該第１の絶縁層上に形成された銅から成る半導体素子接続パッドと、前記第１の絶縁層上に積層されており、前記半導体素子接続パッドを露出させる直径が１５〜４０μｍの円形の開口部を有する第２の絶縁層と、前記第２の絶縁層上に形成された銅めっき層から成るリード接続パッドとを具備して成る配線基板であって、前記半導体素子接続パッドの表面および前記リード接続パッドの表面にニッケルめっき層が被着されているとともに、前記半導体素子接続パッドの前記ニッケルめっき層との界面の算術平均粗さＲａが２０〜８０ｎｍであり、前記リード接続パッドの前記ニッケルめっき層との界面の算術平均粗さＲａが１００〜２００ｎｍであることを特徴とするものである。

本発明の配線基板によれば、半導体素子接続パッドのニッケルめっき層との界面の算術平均粗さＲａが２０〜８０ｎｍと小さいことから、半導体素子接続パッドにニッケルめっき層を被着させる際に、半導体素子接続パッドを露出させる開口部内のめっき液の流れが遅かったとしても、めっき時に発生するガスは半導体素子接続パッドの表面から外部に良好に抜けるので、半導体素子接続パッドとニッケルめっき層との界面にボイドが発生することを有効に防止することができる。また、リード接続パッドのニッケルめっき層との界面の算術平均粗さＲａが１００〜２００ｎｍと大きいことから、リード接続パッドとニッケルめっき層とが、アンカー効果により強固に密着し、それによりリード接続パッドとリード端子とを強固に接続することが可能となる。

図１は、本発明の配線基板の実施形態の一例を説明するための概略断面図である。図２は、図１に示す配線基板の製造方法を説明するための工程毎の概略断面図である。図３は、従来の配線基板を示す概略断面図である。

次に、本発明の実施形態の一例を図１、２を基に説明する。図１に示すように、本例の配線基板１０は、絶縁層１と２とが積層されて成る絶縁基板の上面側に半導体素子Ｅの電極Ｔがフリップチップ接続される半導体体素子接続パッド３と、外部の電気回路に接続するためのリード端子Ｌが接続されるリード接続パッド４とを備えている。

絶縁層１、２は、例えばガラスクロスにエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させたガラス強化樹脂材料や、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂に酸化ケイ素粉末等の無機絶縁フィラーを分散させたフィラー強化樹脂材料、ポリイミド系樹脂とエポキシ樹脂系の接着剤からなる２層構造の樹脂材料等から成る。絶縁層１、２の厚みは、それぞれ１０〜３０μｍ程度である。

絶縁層１の上面には、半導体素子接続パッド３を含む導体パターンが形成されている。これら半導体素子接続パッド３を含む導体パターンは、主として厚みが５〜１５μｍ程度の銅めっき層から成り、周知のセミアディティブ法により形成されている。

絶縁層２には、その上面にリード接続パッド４が形成されているとともに、半導体素子接続パッド３の上に開口部５とリード接続パッド４の下にビアホール６が形成されている。リード接続パッド４は、半導体素子接続パッド３と同様に主として厚みが５〜１５μｍ程度の銅めっき層から成り、周知のセミアディティブ法により形成されている。リード接続パッド４は、例えば短辺が５０〜２００μｍ、長辺が５００〜２０００μｍの長方形である。また、開口部５およびビアホール６は直径が１５〜４０μｍ程度の円形であり、レーザ加工により形成されている。

開口部５から露出する半導体素子接続パッド３の表面および絶縁層２上のリード端子４の表面には、ニッケルめっき層７が被着されている。ニッケルめっき層７は、半導体素子接続パッド３およびリード接続パッド４の酸化腐食を防止するとともに、半導体素子接続パッド３と半導体素子Ｅの電極Ｔとの接続およびリード接続パッド４とリード端子Ｌとの接続を良好とするためのものである。ニッケルめっき層７は、厚みが３〜１０μｍ程度であり、無電解めっき法により形成される。なお、ニッケルめっき層７の上に図示しない金めっき層を０．１〜１μｍ程度の厚みに被着させても良い。

そして、半導体素子接続パッド３には、半導体素子Ｅの電極Ｔが半田Ｓ１を介して接続され、リード接続パッド４には、外部の電気回路と接続するためのリード端子Ｌが半田Ｓ２を介して接続される。

ところで、本発明においては、半導体素子接続パッド３は、ニッケルめっき層７との界面の算術平均粗さＲａが２０〜８０ｎｍとなっているとともに、リード接続パッド４は、ニッケルめっき層７との界面の算術平均粗さＲａが１００〜２００ｎｍとなっている。このように、半導体素子接続パッド３のニッケルめっき層７との界面の算術平均粗さＲａが２０〜８０ｎｍと小さいことから、半導体素子接続パッド３にニッケルめっき層７を被着させる際に、半導体素子接続パッド３を露出させる開口部５内のめっき液の流れが遅かったとしても、めっき時に発生するガスは半導体素子接続パッド３の表面から外部に良好に抜けるので、半導体素子接続パッド３とニッケルめっき層７との界面にボイドが発生することを有効に防止することができる。また、リード接続パッド４のニッケルめっき層７との界面の算術平均粗さＲａが１００〜２００ｎｍと大きいことから、リード接続パッド４とニッケルめっき層７とが、アンカー効果により強固に密着し、それによりリード接続パッド４とリード端子Ｌとを強固に接続することが可能となる。

ここで、本例の配線基板１０の製造方法について説明する。先ず、図２（ａ）に示すように、絶縁層１の上面に半導体素子接続パッド３を含む導体パターンを形成するとともにその上に絶縁層２を積層する。半導体素子接続パッド３を含む導体パターンは、セミアディティブ法により形成する。具体的には、例えばニッケル−クロム合金から成る厚みが３０〜１００ｎｍの密着金属層および銅からなる厚みが０．１〜１．０μｍの下地金属層を絶縁層１の上面にスパッタ法等の薄膜形成技術を採用して被着させた後、その下地金属層上に半導体素子接続パッド３を含む導体パターンに対応する開口パターンを有するめっきレジスト層を形成し、しかる後、めっきレジスト層の開口パターン内に露出する下地金属層上に電解銅めっき層を５〜１５μｍの厚みに析出させ、最後に下地金属層上からめっきレジスト層を除去するとともに電解銅めっき層から露出する下地金属層をエッチング除去することにより形成される。このとき、半導体素子接続パッド３を含む導体パターンの露出面における算術平均粗さＲａは、電解銅めっき層の結晶の大きさの影響を受けて１００〜２００ｎｍ程度となる。そして、必要に応じエッチング液を用いて露出面における算術平均粗さＲａが１５０〜１０００ｎｍ程度となるように粗化する。この粗化により半導体素子接続パッド３を含む導体パターンと絶縁層２との密着が強固となる。

次に、図２（ｂ）に示すように、絶縁層２にビアホール６を形成する。ビアホール６の形成には、例えばパルス状のレーザ光をビアホール６の形成位置に複数回照射して絶縁層２を部分的に除去するレーザ加工法を用いる。ビアホール６を形成した後は、ビアホール６内およびその周辺に付着したスミアを除去するためにプラズマ処理を行なう。

次に、図２（ｃ）に示すように、絶縁層２の表面にリード接続パッド４を形成するとともにリード接続パッド４と一体化されたビア導体によりビアホール６内を充填する。これらのリード接続パッド４およびビア導体は、半導体素子接続パッド３と同様のセミアディティブ法により形成される。この場合も、半導体素子接続パッド３の場合と同様に、リード接続パッド４の露出面における算術平均粗さＲａは、電解銅めっき層の結晶の大きさの影響を受けて１００〜２００ｎｍ程度となる。

次に、図２（ｄ）に示すように、絶縁層２に開口部５を形成する。開口部５の形成にはビアホール６の形成と同様のレーザ加工法を用いる。このとき、開口部５に露出する半導体素子接続パッド３の表面を溶融させる程度の出力のレーザ光を用いる。それにより、開口部５から露出する半導体素子接続パッド３の算術平均粗さＲａを２０〜８０ｎｍの範囲となるように平坦化する。開口部５を形成した後は、開口部５内およびその周辺に付着したスミアを除去するためにプラズマ処理を行なう。

最後に図２（ｅ）に示すように、開口部５内に露出する半導体素子接続パッド３の表面および絶縁層２上のリード接続パッド４の表面にニッケルめっき層７を無電解めっき法により被着させる。このとき、半導体素子接続パッド３の露出表面の算術平均粗さＲａが２０〜８０ｎｍと小さいことから、半導体素子接続パッド３にニッケルめっき層７を被着させる際に、半導体素子接続パッド３を露出させる開口部５内のめっき液の流れが遅かったとしても、めっき時に発生するガスは半導体素子接続パッド３の表面から外部に良好に抜けるので、半導体素子接続パッド３とニッケルめっき層７との界面にボイドが発生することを有効に防止することができる。また、リード接続パッド４においては、露出表面の算術平均粗さＲａが１００〜２００ｎｍであるものの、リード接続パッド４は、絶縁層２の外側に突出して形成されていることからリード接続パッド４周辺におけるめっき液の流れは十分に速いものとなり、めっき時に発生するガスはリード接続パッド４の表面から良好に抜ける。

次に、本発明の実施例１について説明する。先ず、縦横がそれぞれ１５０ｍｍで厚みが１５μｍの第１の絶縁層の上面中央部に直径が５０μｍの半導体素子接続パッドを７０μｍのピッチで１０００個含む導体パターン形成した。絶縁層としては、厚みが５μｍのエポキシ系の接着剤層と厚みが５μｍのポリイミド系樹脂を貼り合わせたものを用いた。導体パターンの形成には、セミアディティブ法を用いた。セミアディティブ法における下地金属としては、厚みが３０〜１３０ｎｍのニッケル−クロム合金から成る密着金属層に厚みが０．２５〜０．７５μｍの銅薄膜をスパッタにより形成した。また、セミアディティブ法における電解銅めっき層としては５〜８μｍの厚みを被着させた。電解銅めっき液としては、荏原ユージライト社製のＶＦ−IVを用い、３０℃の温度で１．０Ａ／ｄｍ^２の電流密度で３０分間めっきを行なった。形成された導体パターンの露出面の算術平均粗さＲａは１００〜２００ｎｍであった。
次に、導体パターンの露出表面を低粗化タイプのナノ黒化処理液でエッチング処理した。このエッチング処理により半導体素子接続パッドの露出面の算術平均粗さＲａは、１５０〜１０００ｎｍとなった。
次に、半導体素子接続パッドが形成された第１の絶縁層の上面に第２の絶縁層を積層した。第２の絶縁層としては、第１の絶縁層と実質的に同様のものを用いた。積層には、第２の絶縁層用の接着剤層を含む樹脂シートを絶縁層１の上に真空プレスにより貼り付けた後、１５０〜１８０℃の温度で１００分間加熱して熱硬化させる方法を採用した。
次に、第２の絶縁層にレーザ加工法を用いてビアホールを形成した。ビアホールは、その下に導体パターンが位置するように、リード接続パッドに対応する位置にそれぞれ１〜３個ずつ形成した。レーザとしては、３５５ｎｍＹＡＧレーザを用い、出力が０．５Ｗ、周波数４０ＫＨｚのレーザパルスを１２０ショット照射することにより各ビアホールを穿孔した。ビアホールの直径は、底面側で２３〜２７μｍ、開口部側で３０〜３５μｍであった。
続いて、ビアホール内および第２の絶縁層の表面にプラズマを照射し、デスミア処理を行なった後、第２の絶縁層の表面に幅が１００μｍで長さが１０００μｍのリード接続パッドを１５０μｍのピッチで１００個形成した。また、これと同時に各リード接続パッドの下のビアホール内をビア導体で充填した。リード接続パッドの形成には、上述した半導体素子接続パッドの場合と実質的に同様のセミアディティブ法を実質的に同様の条件で用いた。形成されたリード接続パッドの露出面の算術平均粗さＲａは１００〜２００ｎｍであった。次に、第２の絶縁層における各半導体素子接続パッドに対応する位置にレーザ加工法を用いて開口部を形成した。レーザとしては、３５５ｎｍＹＡＧレーザを用い、出力が０．５Ｗ、周波数４０ＫＨｚのレーザパルスを１２０ショット照射することにより各開口部を穿孔した。開口部の直径は、底面側で２３〜２７μｍ、開口部側で３０〜３５μｍであった。また、開口部内に露出する半導体素子接続パッドの算術平均粗さＲａがレーザパルスの照射により６０〜８０ｎｍとなった。
続いて、開口部内および第２の絶縁層の表面にプラズマを照射し、デスミア処理を行なった後、開口部内に露出する半導体素子接続パッドの表面および第２の絶縁層上のリード接続パッドの表面に厚みが６〜８μｍの無電解ニッケルめっき層を被着させた。無電解ニッケルめっき液としては、上村工業社製のＮＰＲ４を用い、８５℃の温度でエア攪拌を行ないながら３５分間めっきを行い、実施例１の試料を作成した。

開口部を形成する際のレーザ加工における出力を０．３５Ｗ、周波数４０ＫＨｚのレーザパルスを１７０ショットとした以外は、上述の実施例１と同様にして実施例２の試料を作成した。実施例２の試料において開口部の直径は、底面側で２３〜２７μｍ、開口部側で３０〜３５μｍであった。また、開口部内に露出する半導体素子接続パッドの算術平均粗さＲａは２０〜４０ｎｍであった。

また、比較例として、上述の実施例１と同様にしてリード接続パッドを形成後、リード接続パッドの表面を硫酸−過酸化水素系エッチング液で３０秒間処理することによりリード接続パッドの表面を平滑化するとともに、開口部を形成する際のレーザ加工における出力を０．７５W、周波数４０ＫＨｚのレーザパルスを８０ショットとした以外は、上述の実施例１と同様にして比較のための試料を作成した。この比較のための試料では、開口部内に露出する半導体素子接続パッドの算術平均粗さＲａは９０〜１１０ｎｍであった。また、リード接続パッドの算術平均粗さＲａは、７０〜９０ｎｍであった。

次に、実施例１の試料および実施例２の試料および比較のための試料について、リード接続パッドの各々に銅系の合金よりなる、平板型タイプの、幅５０μｍ厚み５０μｍのリード端子をＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金系の半田で接続した後、リード端子を基板の上面に対して９０度の角度で引っ張り、リード端子がリード接続パッドから剥がれたときの力を測定し、それをリード端子の接続強度とした。また、クロスセクションを行い半導体素子接続パッドとニッケルめっき層との界面およびリード接続パッドとニッケルめっき層との界面におけるボイドの有無を確認した。その結果を表１に示す。

表１から分かるように、本発明の実施例１，２の試料では半導体素子接続パッドとニッケルめっき層との界面およびリード接続パッドとニッケルめっき層との界面におけるボイドの発生はなかった。これに対し、比較のための試料では、半導体素子接続パッドとニッケルめっき層との界面に微小なボイドが観察された。また、本発明の実施例１，２の試料ではリード接続強度が０．４０〜０．５２ｋＮ／ｍであり大きな強度を有していた。これに対し、比較のための試料では、リード接続強度が０．１５〜０．３３ｋＮ／ｍと小さかった。したがって、本発明による配線基板は、半導体素子接続パッドとニッケルめっき層との間にボイドが発生することがなく、半導体素子接続パッドと半導体素子の電極との接続信頼性に優れるとともに、リード接続パッドとリード端子とを強固に接続することができる。

１第１の絶縁層
２第２の絶縁層
３半導体素子接続パッド
４リード接続パッド
５開口部
７ニッケルめっき層

Claims

第１の絶縁層と、該第１の絶縁層上に形成された銅から成る半導体素子接続パッドと、前記第１の絶縁層上に積層されており、前記半導体素子接続パッドを露出させる直径が１５〜４０μｍの円形の開口部を有する第２の絶縁層と、前記第２の絶縁層上に形成された銅めっき層から成るリード接続パッドとを具備して成る配線基板であって、前記半導体素子接続パッドの表面および前記リード接続パッドの表面にニッケルめっき層が被着されているとともに、前記半導体素子接続パッドの前記ニッケルめっき層との界面の算術平均粗さＲａが２０〜８０ｎｍであり、前記リード接続パッドの前記ニッケルめっき層との界面の算術平均粗さＲａが１００〜２００ｎｍであることを特徴とする配線基板。