JP6219695B2 - 配線基板およびそれを備えた半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、上面に電子部品素子等の半導体素子の搭載部を有し、下面側に配線導体層を有するとともにはんだバンプを介して回路基板等に電気的に接続される配線基板およびこの配線基板に半導体素子が搭載されてなる半導体装置等に関するものである。

配線基板は、例えば、セラミック基板等の絶縁基板の主面（上面）に、電子部品素子等の半導体素子の電極の配置に対応させた接続パッドが形成されており、他主面（下面）に、回路基板（例えば、プリント基板等）の電極パターンの配置に対応させた配線導体層が形成された構造である。また、接続パッドおよび配線導体層は、絶縁基板の上下面を貫通して設けられた貫通導体の端面にそれぞれ電気的に接続されている。

半導体装置は、配線基板に半導体素子が搭載され、配線基板の下面に設けられる回路基板で構成されている。配線基板と半導体素子とは、例えば、半導体素子の電極と配線基板の接続パッドとを互いに対向させて、両者の間に金バンプを介在させて互いに接合されている。また、配線基板と回路基板は、例えば、配線基板の配線導体層と回路基板の電極パターンとを互いに対向させて、両者の間にはんだ（はんだバンプ）を介在させて互いに接合されている。はんだバンプは、例えば、スズ−銀−銅またはスズ−銀−ビスマス等のはんだ材料からなる。このようにして、半導体装置が形成されている。

このように、半導体装置は、回路基板に実装されて、回路基板の電気回路からはんだバンプ、配線導体層、貫通導体、接続パッドおよびバンプを通って半導体素子の電極に各種の信号としての電流が通電される。また、半導体素子の電極から、バンプ、接続パッド、貫通導体、配線導体層、はんだバンプおよび回路基板の電気回路に各種の信号としての電流が通電される。このような半導体装置としては、例えば、特許文献１に開示されたものがある。

特開２００１−１６８２２４号公報

しかしながら、上記従来技術の配線基板においては、配線導体層にはんだ（はんだバンプ）を介して回路基板の電極パターンを接合して通電したときに、配線導体層とはんだとの接合面にボイド（空隙）が発生する可能性があるという問題点があった。

これは、回路基板の電極パターンからはんだバンプに流れる電流が、配線導体層のうち平面視で貫通導体が接続された領域に集中しやすいことによる。配線導体層のうち平面視で貫通導体が接続された領域では電流密度が高くなりやすいため、この領域において配線導体層を形成している銅等の金属材料がエレクトロマイグレーションを生じ、部分的にはんだバンプ内に拡散して空隙を生じる。このようなエレクトロマイグレーションによる空隙が生じると、配線導体層とはんだバンプとの間で局部的な電気抵抗の増加や断線等の不具合を生じる。

特に、近年、半導体素子の高速化に伴い、外部電気回路からはんだバンプおよび配線導体層に流れる電流がさらに大きくなる傾向にあるため、上記電流密度の増加が顕著であり
、エレクトロマイグレーションによる空隙がさらに発生しやすくなってきている。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、配線導体層を覆うようにバリア層を設けることによって、エレクトロマイグレーションを抑制することができる配線基板および半導体装置を提供することにある。

本発明の一態様に係る配線基板は、一方の主面に半導体素子の搭載部を有するとともに前記一方の主面と他方の主面とを貫通して形成された貫通導体を有する絶縁基板と、前記貫通導体に電気的に接続される、平面視において外周が前記貫通導体の端面の外周よりも外側に位置するように前記他方の主面側に設けられた配線導体層と、前記配線導体層に重なって接するように設けられたバリア層と、平面視において前記バリア層に重なるように設けられた、はんだバンプに接合されるはんだ接合層とを備えており、前記配線導体層は、前記絶縁基板側から第１の配線導体層と該第１の配線導体層よりも結晶粒の平均粒径が小さい第２の配線導体層とが積層されてなることを特徴とするものである。

また、本発明の一態様に係る半導体装置は、本発明に係わる配線基板と、前記一方の主面の前記搭載部に搭載された半導体素子と、前記はんだ接合層にはんだバンプを介して電気的に接続された回路基板とを備えてい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、配線導体層を覆うようにバリア層を設け、配線導体層が、絶縁基板側から第１の配線導体層と第１の配線導体層よりも結晶粒の平均粒径が小さい第２の配線導体層とが積層されてなることによって、エレクトロマイグレーションを抑制することができる。

本発明の実施形態に係る配線基板を含む半導体装置の断面図である。 （ａ）は、図１に示す配線基板の絶縁基板を上側から見た絶縁基板の平面図、（ｂ）は、図１に示す配線基板を下側から見た絶縁基板の平面図である。 （ａ）は、図１に示す配線基板のはんだバンプを含んだ部分の要部Ａの拡大図、（ｂ）は、要部Ａを下側からみた平面図、（ｃ）は、配線基板のエレクトロマイグレーションを説明するための説明図である。 本発明の実施形態の配線基板の他の例の配線基板を含む半導体装置の断面図である。 図４に示す配線基板のはんだバンプを含んだ部分の要部Ｂの拡大図である。 本発明の実施形態の配線基板の他の例の配線基板を含む半導体装置の断面図である。 図６に示す配線基板のはんだバンプを含んだ部分の要部Ｃの拡大図である。 本発明の他の実施形態の配線基板の配線基板を含む半導体装置の断面図である。 （ａ）は、図８に示す配線基板のはんだバンプを含んだ部分の要部Ｄの拡大図、（ｂ）は、配線導体層を説明するための模式図である。

以下、本発明の実施形態に係る配線基板および半導体装置について、図面を参照しながら以下に説明する。なお、以下の説明で用いられる図は模式的なものであり、図面上の寸法比率等は現実のものとは必ずしも一致していない。また、半導体装置は、説明の便宜上、直交座標系ＸＹＺを定義するとともに、Ｚ方向の正側を上方として、上面（表面）もしくは下面の語を用いるものとする。

また、実施形態等の説明において、既に説明した構成と同一もしくは類似する構成については、同一の符号を付して説明を省略することがある。

＜実施の形態１＞
本発明の第１の実施の形態（実施の形態１という）に係る配線基板２０および半導体装置について、図１乃至図３を参照しながら以下に説明する。なお、半導体装置は、配線基板に半導体素子９が搭載されたものである。また、半導体素子９は、例えば、発光ダイオードまたは集積回路等である。

実施の形態に係る配線基板２０は、図１に示すような構成を備えており、一方の主面に半導体素子９の搭載部を有するとともに一方の主面と他方の主面とを貫通して形成された貫通導体２を有する絶縁基板１と、貫通導体２に電気的に接続される、平面視において外周が貫通導体２の端面の外周よりも外側に位置するように他方の主面側に設けられた配線導体層３と、配線導体層３に重なって接するように設けられたバリア層４と、平面視においてバリア層４に重なるように設けられた、はんだバンプ６に接合されるはんだ接合層５とを備えている。なお、本実施の形態では、絶縁基板１の上面が一方の主面であり、絶縁基板１の下面が他方の主面である。

配線基板２０は、半導体素子８を搭載して半導体装置を作製するためのものであり、絶縁材料からなる。配線基板は、例えば、ガラスセラミック焼結体、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体または窒化アルミニウム質焼結体等のセラミック材料、あるいは、エポキシ樹脂またはポリイミド樹脂等の樹脂材料である。また、セラミック材料またはガラス材料等と樹脂材料との複合材料等であってもよい。

配線基板２０は、これらの絶縁材料によって絶縁基板１が形成されており、この絶縁基板１の一方の主面と他の主面とを貫通して形成された貫通導体２を有している。すなわち、貫通導体２は、絶縁基板１の上下面を貫通している。配線基板は、図２（ａ）に示すように、例えば、四角形板状であり、絶縁基板１の上面（一方の主面）の中央部を含む四角形状等の領域が半導体素子９の搭載部（図示せず）となっており、この搭載部には接続パッド７が半導体素子９の電極１０に対向するように配置されて形成されている。絶縁基板１は、図２（ａ）に示すように、例えば、四角形状の板状体であるが、これに限らず、円形状または楕円形状の板状体、あるいは、四角形状以外の多角形状の板状体であってもよい。なお、図２（ｂ）は、配線導体層３を含む配線基板１を下側から見た絶縁基板１の平面図であり、絶縁基板１の下面に設けられた配線導体層３に貫通導体２の位置を示している。

また、配線基板２０は、貫通導体２の一方の端面が絶縁基板１の上面（一方の主面）に露出しており、接続パッド７が露出した貫通導体２の端面を覆うように設けられている。この接続パッド７は、バンプ８を介して半導体素子９の複数の電極１０に電気的に接続される。なお、図２（ａ）は、接続パッド７を含む配線基板１を上側から見た絶縁基板１の平面図であり、絶縁基板１の上面に設けられた接続パッド７に貫通導体２およびバンプ８の位置をそれぞれ示している。

また、配線基板２０は、貫通導体２が絶縁基板１の搭載部から絶縁基板１の内部にかけて形成されており、接続パッド７は、半導体素子９に電気的に接続されており、この貫通導体２を介して回路基板１１の電極パターン１２に電気的に接続されることになる。すなわち、貫通導体２は、半導体素子９に電気的に接続される接続パッド７と回路基板１１の電極パターン１２とを電気的に接続するための導電路となる。

貫通導体２は、絶縁基板１の上面（一方の主面）に一方の端面が露出しており、その露出した貫通導体２の端面が接続パッド７に電気的に接続されている。また、貫通導体２は、絶縁基板１の下面（他方の主面）に他方の端面が露出しており、その露出した貫通導体
２の端面が配線導体層３に電気的に接続されている。このように、貫通導体２は、絶縁基板１の上面の接続パッド７と下面の配線導体層３とを電気的に接続している。

貫通導体２は、例えば、平面視で直径が、例えば、３０（μｍ）〜３００（μｍ）の円形状であり、絶縁基板１の内部に円柱状に設けられている。貫通導体２は、例えば、銅、銀、タングステンまたはモリブデン等の金属材料からなり、特に、貫通導体２が銅または銀である場合には、銅または銀の電気抵抗が低いので、貫通導体２における電気抵抗を低く抑えることができる。

また、貫通導体２は、図２（ａ）に示すように、平面視において絶縁基板１の一方の主面から露出した端面が接続パッド７の下側（Ｙ方向の負側）の端部で接続されている。すなわち、図２（ａ）では、貫通導体２は、接続パッド７の下側（Ｙ方向の負側）の領域で接続パッド７に電気的に接続されている。平面視における貫通導体２の端面と接続パッド７との接続位置は、接続パッド７の端部の部分に限らず、接続パッド７の中央部の部分であってもよく、接続パッド７の内側の領域に貫通導体２の端面が設けられるように適宜設定される。貫通導体２と接続パッド７とが電気的に接続されていれば、貫通導体２は、一部が接続パッド７の外周よりも外側にはみ出ていてもよい。

また、貫通導体２は、図２（ｂ）に示すように、平面視において絶縁基板１の他方の主面から露出した端面が配線導体層３の下側（Ｙ方向の負側）の端部で接続されている。すなわち、図２（ｂ）では、貫通導体２は、配線導体層３の下側（Ｙ方向の負側）の領域で配線導体層３に電気的に接続されている。平面視における貫通導体２の端面と配線導体層３との接続位置は、配線導体層３の端部の部分に限らず、配線導体層３の中央部の部分であってもよく、配線導体層３の内側の領域に貫通導体２の端面が設けられるように適宜設定される。貫通導体２と配線導体層３とが電気的に接続されていれば、貫通導体２は、一部が配線導体層３の外周よりも外側にはみ出ていてもよい。

また、複数の貫通導体２が１つの接続パッド７または１つの配線導体層３に接続されていてもよい。また、貫通導体２は、平面視での形状が円形状に限らず、楕円形状または四角形状等の形状であってよい。貫通導体２の平面視の形状は、接続パッド７と配線導体層３とを電気的に接続することができれば、特に限定はされない。

配線基板２０は、図２（ｂ）に示すように、貫通導体２の他方の端面が絶縁基板１の下面（他方の主面）に露出しており、配線導体層３が貫通導体２の端面を覆うように絶縁基板１の下面（他方の主面）に設けられている。配線導体層３は、貫通導体２に電気的に接続されており、平面視において外周が貫通導体２の端面の外周よりも外側に位置するように設けられている。このように、配線基板２０は、平面視において配線導体層３が絶縁基板１の他方の主面から露出する貫通導体２の他方の端面を覆うように絶縁基板１の他方の主面上に設けられている。

また、半導体装置は、図１に示すように、配線基板２０の下面側に回路基板１１が設けられている。配線基板２０は配線導体層３が絶縁基板１の下面側に設けられており、回路基板１１は上面側にはんだバンプ６が設けられており、半導体装置は、はんだバンプを介して配線導体層３と回路基板１１の電極パターン１２とが電気的に接続される。

配線導体層３は、厚みが、例えば、０．２（μｍ）〜１０（μｍ）である。配線導体層３は、例えば、銅、銀または金等の金属材料からなり、スパッタリング法または蒸着法等を用いて成膜される。また、配線導体層３は、銅または銅を主成分とする金属材料からなる場合には、主成分が銅であり、銅の抵抗率が低いので、配線導体層３の電気抵抗を低く抑えることができる。２０℃の銅の抵抗率は、１．６８（×１０^−８Ωｍ）であり、２０
℃の銀の抵抗率は、１．５９（×１０^−８Ωｍ）であり、２０℃の金の抵抗率は、２．２１（×１０^−８Ωｍ）である。

バリア層４は、図１に示すように、配線導体層３に重なって接するように設けられている。このバリア層４は、配線導体層３がエレクトロマイグレーションにより移動することを抑制するものである。すなわち、エレクトロマイグレーションによって、配線導体層３の金属材料がはんだバンプ６側に移動することを抑制するものである。バリア層４は、配線導体層３を覆うように設けられており、配線導体層３上に積層されている。

また、配線基板２０は、配線導体層３に接するようにバリア層４を設けることによって、エレクトロマイグレーションが起きにくいバリア層４が配線導体層３の移動を抑えることで、エレクトロマイグレーションが抑制される。また、バリア層４は、エレクトロマイグレーションが起きにくい高融点金属で形成されており、例えば、チタン、タングステン、タンタルまたは白金等の金属材料あるいはそれらの合金等の金属材料からなる。合金材料は、例えば、チタン合金、タングステン合金、タンタル合金、白金合金またはチタンタングステン合金等からなる。バリア層４の厚みは、配線導体層３のエレクトロマイグレーションを抑制するために、例えば、０．１（μｍ）〜２（μｍ）に設定されている。

はんだ接合層５は、図１に示すように、バリア層４に積層されている。また、はんだ接合層５は、バリア層４を覆うように設けられていてもよい。すなわち、はんだ接合層５は、バリア層４に積層されるとともにバリア層４の側面を覆うように設けられていてもよい。また、バリア層４とはんだ接合層５との間に後述する第２の接着層１４が設けられる場合には、はんだ接合層５は、平面視においてバリア層４に重なるよう設けられる。

はんだ接合層５は、はんだバンプ６との濡れ性を確保し、はんだバンプ６との接合性を良好にするものであり、バリア層４を覆うように設けられており、バリア層４上に積層されている。はんだ接合層５は、例えば、ニッケル、パラジウムまたは金等の金属材料からなる。

また、はんだ接合層５の厚みは、はんだバンプ６との接合性が良くなるように、例えば、０．５（μｍ）〜５（μｍ）である。

配線基板２０は、下側に半導体素子９に駆動電流または電気信号等を与える回路基板１１が設けられる。この回路基板１１は、電極パターン１２とこの電極パターン１２上に設けられたはんだバンプ６を含んでいる。配線導体層３は、図１に示すように、はんだバンプ６を介して回路基板１１の電極パターン１２に電気的に接合される。はんだバンプ６は、配線導体層３と回路基板１１とを電気的および機械的に接続するものであり、例えば、スズ−銀、スズ−銀−銅またはスズ−銀−ビスマス等の材料を用いることができる。

接続パッド７は、絶縁基板１の上面（一方の主面）に設けられており、金属材料により形成されている。また、接続パッド７は、図２（ａ）に示すように、例えば、平面視での形状が四角形状であるが、これに限らず、円形状または楕円形状であってもよい。

また、接続パッド７は、半導体素子９の電極１０に対向するように設けられおり、バンプ８を介して半導体素子９の電極１０に電気的に接合される。接続パッド７は、半導体素子９の形状または寸法に応じて形状および寸法が適宜設定される。なお、半導体素子９の電極形状は、例えば、平面視での形状が接続パッド７の形状と同様に四角形状を有している。

接続パッド７は、図１に示すように、第１層７ａと第２層７ｂとを含んでおり、第１層
７ａは、絶縁基板１の一方の主面側に設けられる層であり、絶縁基板１に露出する貫通導体２の端面を覆うように設けられており、銅、銀、金、タングステンまたはモリブデン等の金属材料からなる。また、第１層７ａは、銅または銅を主成分とする金属材料からなる場合には、主成分が銅であり、銅の抵抗率が低いので、接続パッド７の電気抵抗を低く抑えることができる。また、第２層７ｂは、第１層７ａ上に積層して設けられる層であり、例えば、ニッケル、パラジウムまたは金等の金属材料からなる。このように、第２層７ｂは、ニッケルまたは金等の耐食性に優れる金属材料が用いられており、半導体素子９の電極１０との電気的接続性を向上させることができる。また、第１層７ａは、厚みが、例えば、０．２（μｍ）〜１０（μｍ）であり、また、第２層７ｂは、厚みが、例えば、０．５（μｍ）〜５（μｍ）である。

また、半導体素子９の電極１０は、銅、ニッケルまたは金等の金属材料からなり、バンプ８を介して接合パッド７に電気的に接合される。バンプ８は、接続パッド７と半導体素子９の電極１０との間に配置されており、両者を互いに電気的に接合するものであり、図２（ａ）では、４つのバンプ８を介して接続パッド７と半導体素子９の電極１０とを電気的に接合している。また、バンプ８は、金または錫等の金属材料からなる。

配線基板２０は、図１に示すように、はんだバンプ６を介して配線導体層３が回路基板１１の電極パターン１２に電気的に接合されており、また、半導体素子９の電極１０がバンプ８を介して接合パッド７に電気的に接合されている。このように、半導体装置は、配線基板２０と、一方の主面の搭載部に搭載された半導体素子９と、はんだ接合層５にはんだバンプを介して電気的に接続された回路基板１１とを備えることになる。

ここで、エレクトロマイグレーションについて説明する。配線基板２０は、電流がはんだバンプ６、はんだ接合層５から配線導体層３を通って貫通導体２に流れると、電流の流れとは逆の方向に電子の流れが生じることになる。すなわち、配線基板２０は、電子の流れが貫通導体２から配線導体層３、はんだ接合層５を通って、はんだバンプ６に向かって生じることになる。例えば、配線基板２０にバリア層４が設けられていない場合には、配線基板２０は、このはんだバンプ６に向かう電子の流れによって、まず、はんだ接合層５とはんだバンプ６との間でエレクトロマイグレーションが生じ、次に、配線導体層３とはんだ接合層５とはんだバンプ６との間でエレクトロマイグレーションが生じる虞がある。

具体的には、配線基板２０は、電流がはんだバンプ６から配線導体層３を通って貫通導体２に流れることによって、他方の主面の貫通導体２の下側に位置する領域に電流が集中しやすくなり、電流密度が高くなって、この領域において配線導体層３のエレクトロマイグレーションが生じやすくなる。このように、平面視で貫通導体２と配線導体層３とが重なっている領域に特に電流が集中しやすくなり、この電流が集中する領域が集中領域Ｒである。この集中領域Ｒは、図３（ｃ）で示すように、貫通導体２の外周を配線導体層３側に延長して、延長された外周に囲まれたた領域であり、この領域において特に電流が集中している。すなわち、集中領域Ｒは、貫通導体２の下側に位置する領域であり、特に電流が集中しており、図３（ｃ）に示すように、破線で囲まれた領域である。

このように、配線基板２０は、集中領域Ｒでは、すなわち、貫通導体２の他方の端面の下側に位置する配線導体層３では電流密度が高くなりやすくなり、この集中領域Ｒにおいて、配線導体層３を形成している金属材料またははんだ接合層５を形成している金属材料がエレクトロマイグレーションによって、部分的にはんだバンプ６内に拡散（移動）し、配線導体層３内部または貫通導体２と配線導体層３との間に空隙を生じる可能性がある。このように、配線導体層３内部または貫通導体２と配線導体層３との間にエレクトロマイグレーションによる空隙が生じると、配線基板２０は、配線導体層３内部または貫通導体２と配線導体層３の間で局部的な電気抵抗の増加または断線等の不具合が生じる可能性が
ある。

しかしながら、実施の形態１に係る配線基板２０は、バリア層４が、配線導体層３とはんだ接合層５との間であって、配線導体層３に接するように設けられており、このバリア層４が配線導体層３のエレクトロマイグレーションを抑制している。これは、バリア層４が、エレクトロマイグレーションが起きにくい高融点金属で形成されているため、配線導体層３の金属材料の拡散（移動）を抑制している。

これによって、配線基板２０は、バリア層４が配線導体層３に接するように設けられているので、配線導体層３を形成している金属材料のエレクトロマイグレーションを抑制することができる。したがって、配線基板２０は、配線導体層３内部または配線導体層３と貫通導体２との間での局部的な電気抵抗の増加または断線等の不具合の発生を抑制することができる。また、配線基板２０を用いることによって、半導体装置は、エレクトロマイグレーションを抑制することができる。

また、例えば、配線導体層３が銅または銅を主成分とする金属材料からなる場合は、このように、配線導体層３に接するようにバリア層４を設けることによって、銅のエレクトロマイグレーションを抑制することができる。

また、半導体装置は、上記構成の配線基板２０と、配線導体層３に電気的に接続されたはんだバンプ６とを備えることから、配線導体層３にはんだバンプ６を電気的に接続して通電したときに、はんだ接合層５と配線導体層３との間にバリア層が設けられているので、配線導体層３内、または配線導体層３と貫通導体２との間でのエレクトロマイグレーションによる空隙の発生を効果的に抑制することが可能である。したがって、配線基板２０を用いることによって、信頼性の高い半導体装置を製作することができる。

また、配線基板２０Ａは、図４および図５に示すように、絶縁基板１と配線導体層３との間の接着性を良好にするために、第１の接着層１３を設けることができる。すなわち、配線基板２０Ａは、配線基板２０において、絶縁基板１と配線導体層３との間に、第１の接着層１３を設けたものである。第１の接着層１３は、例えば、チタンまたはクロム等の金属材料からなる。また、第１の接着層１３は、厚みが、例えば、０．０５（μｍ）〜０．５（μｍ）である。このように、第１の接着層１３は、セラミック材料からなる絶縁基板１と配線導体層３との間に介在して、絶縁基板１との接着性を向上させるとともに、配線導体層３との接着性を向上させることができる。

また、配線基板２０Ｂは、図６および図７に示すように、さらに、バリア層４とはんだ接合層５との間の接着性を良好にするために、第２の接着層１４を設けることができる。また、第２の接着層１４は、バリア層４を覆うように設けられており、平面視においてはんだ接合層５は、バリア層を覆うように設けられている。第２の接着層１４は、例えば、ニッケル、銅または金等の金属材料からなる。また、第２の接着層１４は、厚みが、例えば、０．１（μｍ）〜２（μｍ）である。

このように、第２の接着層１４は、バリア層４とはんだ接合層５との間に介在して、はんだ接合層５との接着性を向上させるとともに、バリア層４との接着性を向上させることができる。なお、配線基板２０において、バリア層４とはんだ接合層５との間に第２の接着層１４を設ける構成であってもよい。

また、第２の接着層１４は、特に、バリア層４が酸化しやすい金属材料を用いる場合には、はんだ接合層５との接着性を確保することができるため、より効果的である。なお、酸化しやすいバリア層４の金属材料は、例えば、チタン、タンタルまたはタングステン等
である。

ここで、配線基板の製造方法について説明する。

絶縁基板１は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体からなる場合であれば、次のようにして作製することができる。すなわち、酸化アルミニウムおよび酸化ケイ素等の原料粉末に適当な有機バインダおよび有機溶剤を添加混合して作製したスラリーをドクターブレード法またはリップコータ法等のシート成形技術を用いてシート状に成形することによってセラミックグリーンシートを作製する。その後、このセラミックグリーンシートを切断加工または打ち抜き加工を用いて所定の形状および寸法とするとともに、これらを複数枚積層して、例えば、約１３００（℃）〜１５００（℃）の温度で焼成することによって作製することができる。

また、貫通導体２は、例えば、絶縁基板１となる上述のセラミックグリーンシートのうち配線導体層３および接続パッド７を形成する予定の位置にあらかじめ貫通孔を形成しておいて、この貫通孔内に貫通導体２となる金属ペーストを充填し、同時焼成を行なうことによって、絶縁基板１の厚み方向に貫通導体２が形成された配線基板２０の焼結体を製作することができる。

接続パッド７は、次のようにして絶縁基板１の一方の主面に形成される。まず、無電解めっき法、スパッタリング法または蒸着法等によって、接続パッド７となる金属層を絶縁基板１の一方の主面に形成する。その後、フォトリソグラフィ法を用いて接続パッド７となる部分を覆うようにレジストパターンを形成した後、レジストパターンに覆われていない余分な金属層をケミカルエッチング法またはドライエッチング法等を用いて除去する。その後、レジストパターンを除去することによって、絶縁基板１の一方の主面に所定パターンの接続パッド７を形成することができる。

また、配線導体層３およびバリア層４は、次のようにして絶縁基板１の他方の主面に形成される。まず、無電解めっき法、スパッタリング法または蒸着法等によって、配線基板１の他方主面に、配線導体層３とバリア層４とになる金属層を順次形成する。その後、フォトリソグラフィ法を用いて所定の配線導体層３およびバリア層４となる部分を覆うようにレジストパターンを形成した後、レジストパターンに覆われていない余分な金属層をケミカルエッチング法またはドライエッチング法等を用いて除去する。その後、レジストパターンを除去することによって、絶縁基板１の他方の主面に所定パターンの配線導体層３およびバリア層４、を形成することができる。

はんだ接合層５は、配線基板１の他方主面に、配線導体層３とバリア層４とはんだ接合層５とになる金属層を順次形成して、上述のフォトリソグラフィ法を用いて、配線導体層３およびバリア層４の上に同時に形成することができる。また、はんだ接合層５は、所定のパターンに形成された配線導体層３およびバリア層４上に、無電解めっき法または電解めっき法等を用いて形成することができる。

また、第１の接着層１３は、例えば、第１の接着層１３、配線導体層３、バリア層４となる金属層を順次形成して、上述のフォトリソグラフィ法を用いて絶縁基板１上に、配線導体層３、バリア層４と同時に形成することができる。

また、第２の接着層１４は、例えば、配線導体層３、バリア層４、第２の接着層１４の順に形成し、上述のフォトリソグラフィ法を用いて配線導体層３、バリア層４の上に同時に形成することができる。

また、回路基板１１のはんだバンプ６は、例えば、上述のはんだ材料を用いて作製したはんだボールを電極パターン１２上に位置合わせしてセットしておいて、電気炉中で一体的に加熱する（リフロー）ことによって形成することができる。この方法で形成されたはんだバンプ６は、はんだ接合層５との接合部分が平らに潰れた球形状になる。なお、回路基板１１の電極パターン１２との接続を容易とするために、上側から平坦な面（プレス用の金型等）で複数のはんだバンプ６をまとめて加圧した場合には、はんだバンプ６の上面側も平坦になる。

本発明は上述の実施の形態１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において種々の変更、改良等が可能である。以下、他の実施の形態について説明する。なお、他の実施の形態に係る配線基板のうち、実施の形態１に係る配線基板２０と同様な部分については、同一の符号を付して適宜説明を省略する。

＜実施の形態２＞
本発明の第２の実施の形態（実施の形態２という）に係る配線基板２０Ｃおよび半導体装置について、図８および図９を参照しながら以下に説明する。

配線導体層３は、第１の配線導体層３ａと第２の配線導体３ｂとを有しており、図８および図９に示すように、絶縁基板１の他方の主面側から第１の配線導体層３ａと第２の配線導体層３ｂとが順次積層されている。そして、図９（ｂ）に示すように、第２の配線導体層３ｂは、第１の配線導体層３ａよりも結晶粒の平均粒径が小さい。なお、第１の配線導体層３ａの結晶粒の平均粒径と第２の配線導体層３ｂの結晶粒の平均粒径とを比較して、第２の配線導体層３ｂは、第１の配線導体層３ａよりも結晶粒の平均粒径が小さい。

また、第１の配線導体層３ａの結晶粒の平均粒径は、例えば、１（μｍ）〜５（μｍ）であり、第２の配線導体層３ｂの結晶粒の平均粒径は、例えば、０．０１（μｍ）〜０．５（μｍ）である。また、第１の配線導体層３ａは、厚みが、例えば、０．５（μｍ）〜８（μｍ）であり、第２の配線導体層３ｂは、厚みが、例えば、０．１（μｍ）〜２（μｍ）である。第１の配線導体層３ａは、厚みが第２の配線導体層３ｂよりも厚くなるように形成されている。また、第１の配線導体層３ａの結晶粒の大きさは、例えば、第１の配線導体層３ａの厚みと同じような大きさになる。

例えば、配線導体層３は、金属材料がスパッタリング法を用いて成膜されるが、成膜中に粒成長よる粒界が生じることになる。配線導体層３の結晶粒が大きい場合に、配線導体層３に接するようにバリア層４を積層して設けると、バリア層４が配線導体層３の粒界に沿って成長するため、バリア層４は、一部が配線導体層３中に侵入するような状態になり、したがって、バリア層４は、配線導体層３の粒界に沿って成長した領域では、バリア層４を貫通するピンホールが形成されやすくなる。配線導体層３を形成する金属材料は、エレクトロマイグレーションによって、バリア層４に形成されたピンホールを通ってはんだバンプ６側に拡散（移動）しやすくなり、配線導体層３内部または配線導体層３と貫通導体２の間に局部的な電気抵抗の増加または断線等の不具合が生じる可能性がある。すなわち、配線導体層３が銅である場合には、銅がエレクトロマイグレーションによって、バリア層４のピンホールを通ってはんだバンプ６に拡散（移動）しやすくなる。

しかしながら、配線基板２０Ｃでは、配線導体層３は、第１の配線導体層３ａよりも結晶粒の小さい第２の配線導体層３ｂがバリア層４側に設けられており、第２の配線導体層３ｂは、結晶粒が小さいので粒界３ｂ１が小さくなりやすい。このように、結晶粒間の境界である粒界は、図９（ｂ）に示すように、第２の配線導体層３ｂの粒界３ｂ１の隙間が第１の配線導体層３ａの粒界３ａ１の隙間よりも小さくなっている。

たとえ、バリア層４が配線導体層３の粒界に沿って成長しても、第２の配線導体層３ｂの粒界３ｂ１が小さいので、バリア層４は、一部が第２の配線導体層３ｂ中に侵入するような状態になりにくい。したがって、バリア層４は、たとえ、一部が第２の配線導体層３ｂの粒界３ｂ１に沿って成長したとしても、その領域においてバリア層４を貫通するようなピンホールが形成されにくくなる。

このように、配線基板２０Ｃは、バリア層４にピンホールが形成されにくく、エレクトロマイグレーションによって、配線導体層３内部または配線導体層３と貫通導体層２との間に局部的な電気抵抗の増加または断線等の不具合が生じる可能性がさらに低減される。

配線導体層３は、次のようにして設けられる。第１の配線導体層３ａが、スパッタリング法を用いて、高エネルギー状態で成膜することによって、配線導体層３の所望の厚みの７０（％）〜９０（％）で形成される。そして、スパッタリング法を用いて、第２の配線導体層３ｂが、低エネルギー状態で成膜することによって、配線導体層３の所望の厚みに対する残りの厚みで形成される。このようにして、配線導体層３は、成膜条件を変えることで第１の配線導体層３ａと第２の配線導体層３ｂとを連続して成膜することができる。

また、高エネルギー状態とは、スパッタリング法を用いて、成膜される金属粒子の熱エネルギーが高いまたは衝突速度が速い状態で成膜することであり、低エネルギー状態とは、成膜される金属粒子の熱エネルギーが低いまたは衝突速度が遅い状態で成膜することである。なお、スパッタリング法において、例えば、成膜温度を高くする、スパッタリング時の加速電圧を高くする、またはスパッタガス圧を低くすることによって、高エネルギー状態となる。また、スパッタリング法において、例えば、成膜温度を低くする、スパッタリング時の加速電圧を低くする、またはスパッタガス圧を高くすることによって、低エネルギー状態となる。

このように成膜することによって、配線導体層３は、第１の配線導体層３ａと第２の配線導体層３ｂとでは結晶粒の大きさを異ならせて形成することができる。

また、第１の配線導体層３ａは、高エネルギー状態で金属成分を形成するため、絶縁基板１または第１の接着層１３に対する接着性が向上する。

第１の配線導体層３ａの結晶粒と第２の配線導体層３ｂの結晶粒の大きさは、走査イオン顕微鏡法を用いて配線導体層３の断面観察することによって測定することができる。また、平均粒径は、面積計算法または切片法等を用いて計算することができる。例えば、面積計算法の場合、配線導体層３の断面に対象面積Ａを設定して、対象面積Ａ内に存在する結晶粒の数ｎを算出する。この際、対象面積Ａの境界線上にある結晶粒は１／２個と数える。次に、結晶粒の数ｎと対象面積Ａから平均結晶粒断面積ａを算出する。これにより、平均結晶粒断面積ａの平方根を求めることで、結晶粒1個当たりの平均粒径を求めること
ができる。

本発明は、上述した実施の形態に特に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変更および改良が可能である。

１ 絶縁基板
２ 貫通導体
３ 配線導体層
３ａ 第１の配線導体層
３ｂ 第２の配線導体層
４ バリア層
５ はんだ接合層
６ はんだバンプ
７ 接続パッド
８ バンプ
９ 半導体素子
１０ 電極
１１ 回路基板
１２ 電極パターン
１３ 第１の密着層
１４ 第２の密着層
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ 配線基板

Claims (3)

1. 一方の主面に半導体素子の搭載部を有するとともに前記一方の主面と他方の主面とを貫通して形成された貫通導体を有する絶縁基板と、
   前記貫通導体に電気的に接続される、平面視において外周が前記貫通導体の端面の外周よりも外側に位置するように前記他方の主面側に設けられた配線導体層と、
   前記配線導体層に重なって接するように設けられたバリア層と、
   平面視において前記バリア層に重なるように設けられた、はんだバンプに接合されるはんだ接合層とを備えており、
   前記配線導体層は、前記絶縁基板側から第１の配線導体層と該第１の配線導体層よりも結晶粒の平均粒径が小さい第２の配線導体層とが積層されてなり、
   前記バリア層は、チタン、タングステン、タンタル、白金、およびこれらの合金のうちのいずれかからなることを特徴とする配線基板。
2. 一方の主面に半導体素子の搭載部を有するとともに前記一方の主面と他方の主面とを貫通して形成された貫通導体を有する絶縁基板と、
   前記貫通導体に電気的に接続される、平面視において外周が前記貫通導体の端面の外周よりも外側に位置するように前記他方の主面側に設けられた配線導体層と、
   前記配線導体層に重なって接するように設けられたバリア層と、
   平面視において前記バリア層に重なるように設けられた、はんだバンプに接合されるはんだ接合層とを備えており、
   前記配線導体層は、前記絶縁基板側から第１の配線導体層と該第１の配線導体層よりも結晶粒の平均粒径が小さい第２の配線導体層とが積層されてなることを特徴とする配線基板。
3. 前記請求項１または請求項２に記載の配線基板と、前記一方の主面の前記搭載部に搭載された半導体素子と、前記はんだ接合層にはんだバンプを介して電気的に接続された回路基板とを備えていることを特徴とする半導体装置。

Images