JPH04324637A - 薄膜配線回路基板用はんだ付け電極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は薄膜配線回路の構成に係
り、特にマイクロソルダリングと呼ばれる微小電極のは
んだ付けに好適な電極を備えた薄膜配線回路に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】以下、従来技術における具体的な内容を
図１、図３及び図４で説明する。一般に薄膜で構成され
た配線回路基板上にＬＳＩなどの半導体素子を接続実装
する方法として、ワイヤボンディング、はんだ溶融接続
が主に適用されている。いずれも対象となるデバイスの
構成、接続点数などで使いわけられているが、薄膜で構
成され比較的接続点数の多い場合ははんだの溶融によっ
て一括接続が可能なはんだ溶融接続法が広範囲に適用さ
れている。図１は薄膜で構成された配線回路の部分的な
断面構造を示すもので、図３及び図４は図１（Ａ）部の
詳細な断面構造を示す一例である。はんだ接続を行うた
めの電極端子は一般的に下地層となる配線導体の上に設
けられるが、電極端子の構成としては、はんだが安定に
濡れること、適当なはんだ耐性（バリア性）があること
、構成される薄膜が安定にパタ−ン形成が可能であるこ
と、等が基本的な項目として要求される。薄膜配線回路
は絶縁性基板１上にアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）
など比較的固有抵抗の小さい導体材料からなる主要配線
導体２をパタ−ン形成し、保護膜として形成される絶縁
膜４に選択的に開口されたスル−ホ−ルに半導体素子５
などを接続するためのはんだ付け電極端子３を形成し、
この電極にＬＳＩなどの半導体素子５側から供給される
はんだ６で溶融接続を行って構成される。

【０００３】この時の、はんだ付け電極端子３の構成は
図１（Ａ）部の詳細断面構造を示す図３及び図４のよう
であり、図３は主要配線導体２の膜形成と同時に電極端
子３の構成膜を積層し、順次所望のパタ−ンを形成した
後、絶縁膜４を形成した例、図４は主要配線導体２を所
望のパタ−ンに形成し、絶縁膜４を形成した後、はんだ
付け電極端子３を形成した例の場合である。何れの場合
も電極端子３の基本的な構成は、主要配線導体２上に下
層から接着金属層３１、拡散防止層３２、酸化防止層３
３を順次積層した構造が基本的であり、それぞれの材料
構成は、接着金属層３１としてクロム（Ｃｒ），チタン
（Ｔｉ）など、拡散防止層３２としてニッケル（Ｎｉ）
，銅（Ｃｕ）及びこれらを積層した多層構成など、酸化
防止層３３として金（Ａｕ）をはんだ濡れ性の改善を同
時に図るために形成したメタライズ構成が一般的で、何
れの例もデバイスの構成などで使いわけられて広く適用
されている。

【０００４】はんだ付け電極端子の構造を決定する要因
は、主にはんだに対するバリア性（耐性）であり、例え
ば、拡散防止層３２として銅（Ｃｕ）を適用した場合に
は一回のはんだ付けで０．５〜１μｍ程度がはんだ中に
溶け込むこと（はんだ金属組成：６３Ｓｎ／３７Ｐｂ、
処理条件：＞１９０℃／約１ｍｉｎ、ｍａｘ２２０℃）
が知られており、半導体素子５の不良交換に伴う付け替
えなどを考慮して〜数μｍの厚い膜厚の形成が必要とな
る。一方、ニッケル（Ｎｉ）の場合は、銅（Ｃｕ）に比
べてはんだに対するバリア性は著しく優れた特性を有し
ており、従って必要な膜厚を薄く形成することができる
が、安定な端子構造を得るためには〜１μｍ程度は必要
となる。これは特にニッケル（Ｎｉ）の内部応力が銅（
Ｃｕ）に比べて数倍大きい（引っ張り応力）ために、特
に電極端子の外周端面部に応力集中が起こりやすく、電
極端子の信頼性に関しては強度不足が問題となり、この
箇所を起点にした端子の破壊、あるいは積層膜の界面剥
離などの不良が発生する。また、電極端子の接続寿命は
拡散防止層３２の材料とその膜厚で決定されるため、不
良交換などはんだの溶融回数が必要とされる場合にはマ
−ジンを考慮してその膜厚もさらに厚く形成する必要が
あり、特に前記した応力集中に起因した不良モ−ドが顕
著になりやすい。

【０００５】以上、従来技術の構成は例えば、ファクシ
ミリ用感熱記録ヘッドなどに適用された事例が多く、「
ＣＭＯＳドライバ搭載形高精細感熱記録ヘッド：日立評
論　Ｖｏｌ．６７　Ｎｏ．７」、「特開昭６２−１０８
０７０」などにはんだ付けを対象とした電極端子として
述べられている。これらはいずれも上記の課題を有して
おり、さらに、接続信頼性の点で改善が必要である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は薄膜配
線回路基板に半導体素子などを接続実装するためのはん
だ付け電極端子の構造に配慮がなされておらず、接続信
頼性の面で問題があった。本発明は、積層された薄膜か
らなるはんだ付け電極端子の形成プロセスを改良するこ
とで、接続強度の向上及びはんだ拡散性を著しく改善し
、これによって、接続信頼性を向上することを目的とす
るものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的は、配線導体層
を構成する第１の金属層の３層からなる多層構造の上層
金属層と、はんだ付け電極端子を構成する第２の金属層
をそれぞれ所望の形状にパタ−ン化した後、高温の熱処
理を施すことで達成される。この処理を行うことによっ
て、第１の金属層の上層金属層と第２の金属層の界面に
金属間化合物からなる拡散反応層が生成され、この反応
層が積層された薄膜の接着性を良好とし、かつ、はんだ
の拡散を阻害する働きを持つ第２の拡散防止層の役目を
なすため、はんだバリア性が著しく改善され、さらに接
続強度の向上など接続信頼性が向上される。

【０００８】

【作用】熱処理を施すことによって、配線導体層を構成
する第１の金属層の上層金属層と第２の金属層の界面に
相互拡散によって生成される反応層は、従来のはんだ拡
散防止層と同じ役目を持ち、特にはんだバリア性は第２
の金属層として形成されたはんだ拡散防止層より優れた
特性を持たせることが望ましい。このためには第１の金
属層の上層金属層となる薄膜材料にはんだの主成分であ
る錫（Ｓｎ）との化合物の形成がなく、かつ、第２の金
属層として形成するはんだ拡散防止用の薄膜材料とは安
定な化合物を形成する材料を第１の金属層の上層金属層
として適用することが良好で、基板、主要配線導体層、
保護絶縁膜などとの接着性、ウエットエッチングによる
パタ−ン化も安定である必要がある。これらを満足する
薄膜として一般的に薄膜配線回路などに適用されている
材料として、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）が有
用であり、これらは第２の金属層として形成するはんだ
拡散防止用金属がニッケル（Ｎｉ）及びニッケル（Ｎｉ
）と銅（Ｃｕ）の合金材料系などの場合にも極めて安定
な化合物が形成できる。この時形成される反応層はニッ
ケル−クロム（Ｎｉ−Ｃｒ）、ニッケル−タングステン
（Ｎｉ−Ｗ）の系であり、はんだの主成分である錫（Ｓ
ｎ）の拡散を阻害する効果が大きくはんだバリア性が著
しく改善される。また、反応層の形成によって従来問題
であった端子外周部への応力集中にともなう強度不足、
積層膜の界面剥離などの不良モ−ドも低減され、接続信
頼性が向上する。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１、図２及び図
５により説明する。図１は絶縁性基板上に形成された薄
膜配線回路にＬＳＩなどの半導体素子がはんだ付けによ
り接続実装された状態を示す断面構造図、図２は同図１
の（Ａ）部の詳細断面図ではんだ付け電極端子の詳細な
構造を示している。図５は以下で述べる本発明のプロセ
スで形成された電極端子の熱処理の相互拡散によって生
成された反応層のはんだ拡散性の効果を示す特性図であ
る。薄膜配線回路の基本的な構成は従来技術と同様であ
り、アルミナセラミックス基板などの絶縁性基板１上に
アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）など固有抵抗の小さ
い導体材料からなる主要配線導体層２２を下地金属層２
１及び上層金属層２３で挾んだ３層からなる多層配線構
造に形成し、それぞれの材料及び膜厚は、主要配線導体
層２２として銅（Ｃｕ）、下地金属層２１及び上層金属
層２３として、クロム（Ｃｒ）で、膜厚が０．２／２．
０／０．２μｍである。さらに、はんだ付け電極端子層
となるニッケル（Ｎｉ）を１．０μｍいずれもスパッタ
リングによって形成した後、ウエットエッチングによる
パタ−ン化は上層からはんだ付け電極端子３、配線導体
２を２回のフォトリソ工程で順に処理し、ニッケル（Ｎ
ｉ）：リン酸／硝酸系、クロム（Ｃｒ）：フェリシアン
化カリ／水酸化ナトリウム系、銅（Ｃｕ）：ヨウ素／ヨ
ウ化アンモン系のエッチング液である。その後、保護膜
となる絶縁層４として酸化珪素（ＳｉＯ２）を膜厚２．
０μｍパタ−ン全体を覆うように形成し、４００〜５０
０℃、３〜５ｈｒ拡散炉（還元雰囲気）中で熱処理を行
った。引き続いて、絶縁層４の酸化珪素（ＳｉＯ２）を
フッ酸／フッ化アンモン系のエッチング液で電極端子３
の形成される領域のみ選択的に開口し、この開口部の拡
散防止層３２となるニッケル（Ｎｉ）面に酸化防止層３
３としてはんだ濡れ性の改善も同時に図ることを目的に
、化学めっきによる金（Ａｕ）を約０．１〜０．１５μ
ｍ形成し、薄膜配線回路のはんだ付け電極端子３を構成
し、その後、ＬＳＩなどの半導体素子５をはんだ付けで
実装した。

【００１０】上記した熱処理条件で、配線導体層２を構
成する第１の金属層の上層金属層２３とはんだ付け電極
端子３を構成する第２の金属層である拡散防止層３２の
界面に生成される反応層３１′〔ニッケル−クロム（Ｎ
ｉ−Ｃｒ）〕の膜厚は約０．０５〜０．１μｍである。 この界面反応層３１′の生成膜厚は熱処理温度、時間の
設定で任意であるが、ニッケル−クロム（Ｎｉ−Ｃｒ）
、ニッケル−タングステン（Ｎｉ−Ｗ）〔本実施例では
説明せず〕いずれも拡散防止層３２のニッケル（Ｎｉ）
に比較しても２倍程度内部応力が大きいため、応力集中
など端子強度のマ−ジンを考慮すれば前記処理膜厚程度
が適当であり、はんだ拡散性（バリア特性）についても
優れた特性が得られている。

【００１１】図５に示した各種薄膜材料と本発明で形成
した界面反応層３１′のはんだ拡散性を比較した結果で
は、特定の膜厚ではんだに喰われる拡散量はニッケル−
クロム（Ｎｉ−Ｃｒ）の材料系が最も優れた特性を示し
ている。これは前記したようにニッケル−クロム（Ｎｉ
−Ｃｒ）中のクロム（Ｃｒ）が錫（Ｓｎ）の拡散を阻害
することによるもので、拡散防止層３２のニッケル（Ｎ
ｉ）に対しても約２倍のバリア性を示し、この結果拡散
防止層の必要膜厚が低減できることになる。また、この
界面反応層３１′が従来の電極端子を構成する下地接着
金属層３１と同様な接着層となるため、薄膜間の界面剥
離などの不良モ−ドの発生も改善される。

【００１２】

【発明の効果】本発明のはんだ付け電極の構造によれば
、熱処理によって薄膜界面に形成される反応層がはんだ
付け電極の第２の拡散防止層の働きを有し、特にこの反
応層を構成する一方の金属がはんだ成分の錫（Ｓｎ）と
の化合物形成を阻害する働きを有するため、この結果は
んだに対する拡散性（バリア性）が著しく向上し、この
ため電極端子に必要とされる膜厚も薄く形成できる。 さらに、薄膜界面の接着性も良好となるため半導体素子
の接続強度など、接続信頼性が向上される。

【００１３】以上の内容は、はんだ付け電極端子を構成
する拡散防止層としてニッケル（Ｎｉ）と銅（Ｃｕ）の
合金材料系を適用した場合、また、多層構造で構成され
る配線導体の上層金属層にタングステン（Ｗ）を適用し
た場合においても同様の効果が得られることは言うまで
もなく、電極端子の要求仕様によって使い分けられるも
のである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明及び従来技術における薄膜配線回路の実
装構成を示す断面構造図である。

【図２】本発明の一実施例を示す図１（Ａ）部の詳細断
面構造図である。

【図３】従来の一実施例を示す図１（Ａ）部の詳細断面
構造図である。

【図４】従来の一実施例を示す図１（Ａ）部の詳細断面
構造図である。

【図５】本発明の効果を示す各種材料のはんだ拡散性の
特性デ−タ図である。

【符号の説明】

１…絶縁性基板、 ２…配線導体、 ２１…下層金属層、 ２２…主要配線導体、 ２３…上層金属層、 ３…はんだ付け電極端子、 ３１…接着金属層、 ３１…界面反応層（第２の拡散防止層）、３２…拡散防
止層、 ３３…酸化防止層、 ４…保護絶縁膜、 ５…半導体素子、 ６…はんだ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】配線回路上に半導体素子などがはんだ付け
   によって接続実装された薄膜配線回路基板において、該
   半導体素子を接続する薄膜配線回路上の電極端子の構造
   が、あらかじめ基板上に形成された第１の金属層　その
   上に続けて形成された第２の金属層のうち、第２の金属
   層を半導体素子を接続するためのはんだ付け電極端子の
   所望のパタ−ンに、第１の金属層を薄膜配線回路の配線
   導体となる所望のパタ−ンに形成した後、高温熱処理を
   行い第１の金属層と第２の金属層の相互拡散によって形
   成される反応層をはんだ付け電極の拡散防止層として形
   成したことを特徴とする薄膜配線回路基板用はんだ付け
   電極。
2. 【請求項２】薄膜配線回路の配線導体及びはんだ付け電
   極端子を構成する第１の金属層と第２の金属層がそれぞ
   れ、第１の金属層が３層からなる積層構造を有し、これ
   が、下地金属層として、クロム（Ｃｒ）、タングステン
   （Ｗ）の中から選ばれた１種類の金属層、主要配線導体
   層として、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）の中から
   選ばれた１種類の金属層、上層金属層として、クロム（
   Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）の中から選ばれた１種類の
   金属層を積層した多層構成で、第２の金属層がニッケル
   （Ｎｉ）、ニッケル（Ｎｉ）と銅（Ｃｕ）の合金材料系
   の中から選ばれた１種類の金属層であり、それぞれの金
   属層を所望のパタ−ンに形成した後、高温熱処理を行い
   、３層からなる積層構造を有する第１の金属層の上層金
   属層と第２の金属層の相互拡散によって生成される反応
   層をはんだ付け電極の拡散防止層として形成したことを
   特徴とする特許請求の範囲請求項１記載の薄膜配線回路
   基板用はんだ付け電極。
3. 【請求項３】薄膜配線回路の配線導体及びはんだ付け電
   極端子を構成する第１の金属層と第２の金属層をそれぞ
   れはんだ付け電極、配線導体となる所望のパタ−ンに形
   成し、これらのパタ−ンを全面覆うように保護膜を形成
   した後高温熱処理を行い、さらに、第２の金属層のはん
   だ付け電極パタ−ンのみが露出すべく保護膜を開口せし
   め、このはんだ付け電極端子面に金（Ａｕ）を被着形成
   したことを特徴とする特許請求の範囲請求項１及び請求
   項２記載の薄膜配線回路基板用はんだ付け電極。