JPH1168271A

JPH1168271A - 高純度銅配線基板

Info

Publication number: JPH1168271A
Application number: JP22901697A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Onda; 護御田; Hajime Murakami; 村上　　元; Norio Okabe; 則夫岡部
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1997-08-26
Filing date: 1997-08-26
Publication date: 1999-03-09

Abstract

(57)【要約】【課題】容易に銅配線ピッチの微細化が図れ、温度サ
イクルの信頼性が向上し、エレクトロマイグレーション
を低減し、めっき異常析出を防止する高純度銅配線基板
を提供する。【解決手段】ポリイミドフィルム６上に半導体素子９
と接続される所定の銅配線２を有し、銅配線２は、９
９．９９重量％以上の純度の銅配線であり、電解銅箔、
電気銅めっき、または無電解銅めっきによって形成され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、銅配線を有する銅
配線基板に関し、特に、高純度の銅配線を有する半導体
素子搭載用の高純度銅配線基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、有機プリント配線基板、有機
フレキシブル配線基板、セラミック基板、ビルドアップ
多層配線基板、ＴＡＢ（Tape Automated Bonding）テー
プ、ベアチップ搭載用インターポーザ、半導体素子を搭
載する配線基板に金属ボール端子を格子状に配列したパ
ッケージ構造のＢＧＡ（Ball Grid array）用配線基
板、および半導体素子を搭載する配線基板が半導体素子
とほぼ同じ大きさのパッケージのＣＳＰ（Chip Scale P
ackage）用配線基板などの高密度配線基板は、電解銅箔
による９９．９０〜９９．９５重量％、また無酸素圧延
銅箔による９９．９９０〜９９．９９５重量％の純度の
銅配線材料などが用いられている。

【０００３】電解銅箔は、円形のステンレス電解ドラム
に銅めっきを形成し、一定の厚さのめっきにしてから、
これをドラムから剥離して製造され、９９．９５重量％
程度の純度の銅箔を連続して得ることができる。

【０００４】圧延銅箔は、電解銅板を鋳造して長い板形
状とし、さらにこれを連続圧延して製造される。この場
合、溶解銅の鋳造時に、酸素などの活性ガスの成分を還
元性雰囲気で脱ガスして、銅箔を高純度化できるので、
電解銅箔より高い純度の銅箔を製造することができる。
この製造法は、通常、純度が９９．９９０〜９９．９９
５重量％の銅箔を製造するときに多く使用されている。

【０００５】また、ビルドアップ配線基板の銅配線で
は、銅めっき液から直接電気めっきして配線を形成す
る。

【０００６】さらに、主にセラミック基板などに用いら
れる銅の蒸着では、蒸着原料の銅の純度が通常９９．９
９重量％なので、析出蒸着薄膜の純度は通常９９．９９
重量％以下となるが、この方法では、蒸着原料の銅の純
度を高くすることによって、９９．９９９９重量％クラ
スの蒸着膜を容易に得ることができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような従来の電解銅箔の場合には、電解液に次第に不
純物が蓄積され、まためっき添加剤の共析および酸素ガ
スの共析のため、９９．９５重量％の純度が限界とな
り、この様な９９．９９重量％未満の電解銅箔では、純
度の高い無酸素銅圧延箔や蒸着による銅配線と比較し
て、最小線幅形成性、最小スペース形成性、および配線
側面の平滑性が低下するという問題があった。また、電
気銅めっき配線では、配線基板を直接めっき液に入れて
めっきするため、前工程の不純物や有機配線材料からの
不純物が混入しやすく、製造工程において特別な高純度
化管理をしない限り、製造される銅配線は、９９．９重
量％程度の純度にしかならない。また、無電解銅めっき
においても、前工程からの不純物の混入などによって、
製造される銅配線の純度は、９９．９９重量％未満にし
かならない。

【０００８】図３は、銅配線の断面を示す。図３におい
て、銅の純度が低下すると、不純物の不均一溶解作用
で、エッチング側面のエッチングファクタＥ

【数１】Ｅ＝（ａ−ｂ／２）／ｔが低下し、銅配線側面が基板平面に対して斜めになり、
銅配線の配線幅と間隔を小さくできないため、銅配線基
板上での微細配線の形成を困難なものにするという問題
があった。

【０００９】以下に示す表１は、この様な結果をまとめ
たものである。

【表１】

【００１０】また、従来の電解銅箔を使用した銅配線、
電気銅めっき配線、および無電解銅めっき配線による
と、銅の純度が低いため、粗さが大きくなり、配線面へ
の金めっきなどの機能めっきの形成に障害が起こるとい
う問題があった。即ち、銅配線の粗れた突起部分への電
流の集中によって、めっきの異常析出が発生しやすくな
り、この異常析出は針状結晶の析出を伴うため、配線間
の短絡を生じ、これを回避するため配線間隔を広げなけ
ればならず、小型化が図れないという問題があった。

【００１１】さらに、銅配線間に直流電圧が印加される
と、銅配線の側面の粗れによって、針状結晶の突起部分
を起点として電流の集中によるエレクトロマイグレーシ
ョンが発生し、配線の短絡を生じるという問題があっ
た。

【００１２】また、従来の電解銅箔を使用した銅配線に
よると、銅の純度が低いため、結晶粒界の酸素の影響に
よって粒界の銅原子の結合が弱くなり、ここに屈曲の応
力が集中して破断し、銅配線の屈曲性が低下するという
問題があった。さらに、この屈曲性の低下によって、温
度サイクル試験における１０００サイクルの耐久性の要
求に対して、約３００サイクルで断線を起こしてしまう
という問題があった。

【００１３】この様な、純度の低い銅配線の劣性は、表
１に示すように、電解銅箔、圧延銅箔蒸着薄膜などの全
ての銅配線に共通しており、銅箔の純度の向上が微細線
の形成には非常に重要であることが判明した。特に、従
来の電解銅箔の場合には、量産されている電解銅箔の純
度が低いという問題があった。

【００１４】従って、本発明の目的は、銅配線の純度を
９９．９９重量％以上とし、微細配線の形成を容易に
し、機能めっきにおける異常析出を防止し、耐マイグレ
ーション性を向上させた高純度銅配線基板を提供するこ
とである。

【００１５】また、本発明の目的は、温度サイクル試験
において、高い温度サイクル信頼性を得ることができる
高純度銅配線基板を提供することである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、以上に述べた
目的を実現するため、基板上に所定の配線層を有する高
純度銅配線基板において、配線層は、９９．９９重量％
以上の純度の銅配線層であることを特徴とする高純度銅
配線基板を提供する。

【００１７】また、本発明は、以上に述べた目的を実現
するため、絶縁フィルム上に所定の配線層を有する高純
度銅配線基板において、配線層は、絶縁フィルム上に形
成された電解銅箔を２．２以上のエッチングファクタの
エッチングによって形成された所定のパターンを有する
ことを特徴とする高純度銅配線基板を提供する。

【００１８】また、本発明は、以上に述べた目的を実現
するため、絶縁フィルム上に所定の配線層を有する高純
度銅配線基板において、配線層は、絶縁フィルム上に形
成された電気銅めっきを２．５以上のエッチングファク
タのエッチングによって形成された所定のパターンを有
することを特徴とする高純度銅配線基板を提供する。

【００１９】また、本発明は、以上に述べた目的を実現
するため、絶縁フィルム上に所定の配線層を有する高純
度銅配線基板において、配線層は、絶縁フィルム上に形
成された無電解銅めっきを２．５以上のエッチングファ
クタのエッチングによって形成された所定のパターンを
有することを特徴とする高純度銅配線基板を提供する。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下本発明の高純度銅配線基板を
詳細に説明する。上記表１から解るように、銅配線基板
において、銅配線の銅の純度と微細配線形成の関係を調
べた結果、銅の純度が９９．９９重量％未満では、銅配
線基板に微細配線を形成することが困難であることが解
った。以下に、銅配線の銅の純度と微細配線形成の関係
について詳述する。

【００２１】上述したように、銅配線の銅の純度が低下
すると、銅配線側面が基板平面に対して傾斜し、銅配線
断面の形状が、底辺が上辺よりも大きな台形状（図３）
になる。これは、エッチング液の作用が、底面に近いほ
ど垂直方向（縦方向）より側面方向（横方向）に強くな
るために生じ、極端な場合には、エッチングレジスト膜
が剥離してしまい、配線が消滅する場合もある。

【００２２】この原因としては、銅配線の銅の純度が低
い場合、結晶粒界の酸素の影響でエッチング速度が速く
なることが考えられる。即ち、結晶粒界の欠陥が横方向
に多く開いている場合に、横方向のエッチング速度が速
くなるのが原因と考えられる。

【００２３】図１は、ＢＧＡ（Ball Grid Array)におけ
る微細配線の形成を示す。この様な微細配線の形成は、
ＢＧＡの製造において特に重要である。図１において、
半導体素子搭載用の銅配線基板１２は、ボールピッチｅ
が０．５ｍｍで、直径ｄが０．３ｍｍの円形のランドパ
ッド１と、はんだボール用のランド１と半導体素子の電
極（図示せず）を接続する銅配線２とを有する。図１
（Ａ）や（Ｂ）に示したように、ランドパッド１の配列
Ｒが３または４程度であれば、銅配線２の配線ピッチは
それほど微細に要求されないが、図１（Ｃ）や（Ｄ）の
様に、ランドパッド１の配列Ｒが多くなるにしたがっ
て、ランドパッド１間を通過する銅配線２の数が多くな
り、微細なピッチが要求される。例えば、図１（Ｄ）に
示したように、ランドパッド１の配列Ｒが６の場合、
０．２ｍｍ（ｅ−ｄ＝０．５−０．３＝０．２）の間
に、３本の銅配線２を通さなければならない。この場合
には、銅配線２のピッチは、０．２／３．５≒０．０５
７ｍｍの配線ピッチが要求される。本発明の高純度銅配
線基板によれば、銅配線２の銅の純度を９９．９９重量
％以上とし、この様なＲ＝６の配列の基板の製造も可能
となる。

【００２４】図２は、本発明の高純度銅配線基板を使用
したマイクロＢＧＡを示す。マイクロＢＧＡ１３は、高
純度銅配線基板１４と、応力緩衝用のエラストマ７と、
半導体素子９と、高純度銅配線基板１４および半導体素
子９の接続部を封止する封止剤４とを有する。高純度銅
配線基板１４は、マザーボード（図示せず）などの基板
に接合するためのはんだボール５と、はんだボール５を
搭載するためのはんだボール搭載穴１１を有するポリイ
ミドフィルム６と、ポリイミドフィルム６のはんだボー
ル５搭載面とは反対の面に設けられたテープ配線１０お
よびインナーリード８から成る銅配線２とを有する。

【００２５】この高純度銅配線基板１４の銅配線２の施
されている面に、熱応力緩衝用の接着機能を有するエラ
ストマ７を介して半導体素子９を接着搭載する。次に、
金めっきを施した銅配線２のインナーリード８と、半導
体素子９のアルミ電極（図示せず）とを金とアルミ拡散
によって接続し、封止剤４でこの接続部を封止する。こ
の様にして、高純度銅配線基板１４を使用したマイクロ
ＢＧＡ１３が製造される。

【００２６】図２に示したように、インナーリード８は
屈曲して接続され、温度サイクルが加わった場合には、
このインナーリード８の屈曲部分に屈曲作用が加わり、
インナーリード８の屈曲機能が劣る場合には、インナー
リード８に断線が発生する。温度サイクル試験におい
て、通常−６５℃・３０分〜１５０℃・３０分の範囲で
試験が行われ、インナーリード８の耐久性が１０００サ
イクル以上であることが求められる。本発明の高純度銅
配線基板１４を使用したマイクロＢＧＡ１３では、銅配
線２を純度９９．９９５重量％以上の無酸素銅箔とする
ため、この温度サイクル試験の耐久性を１５００サイク
ル以上とすることができる。

【００２７】上述の様に、銅配線の銅の純度と微細配線
形成の関係が明確になり、本発明において、電解銅箔を
高純度化するために、電解液の高純度化を行った。即
ち、電解液の不活性ガスによる酸素の除去と、めっき添
加剤の濃度を低減し、また、空気中から電解液への不純
物の混入とその蓄積を防止するために、エアーフィルタ
によってめっき浴槽全体の周囲の空気の浄化を図った。

【００２８】高純度銅配線基板１４の銅配線２の高純度
化は、具体的には、以下のようにして行うことができ
る。

【００２９】＜１＞電解銅箔（１）硫酸銅電解液に過酸化水素を添加して不純物を酸
化沈降除去し、硫酸銅電解液の純度を上げる。（２）めっき電流密度を下げ、不純物の共析を少なくす
る。（３）めっき添加剤を少なくする。（４）空気中からの不純物混入を防ぐために、周囲の空
気をエアーフィルタで連続浄化する。（５）窒素ガスをバブルさせて、めっき液中の酸素を除
去する。

【００３０】＜２＞電気めっき銅配線（１）銅鍍金液を生成薬品で調製し、且つ低電流密度で
めっきを行う。常時、活性炭濾過を行って、不純物を取
り除く。（２）中間洗浄を十分に行い、前工程からの不純物の混
入を防止する。

【００３１】＜３＞無電解銅めっき液（１）ＥＤＴＡ（エチレンジアミン４−酢酸２ナトリウ
ム）銅のめっき薬品キレート化合物の純度を上げる。（２）中間工程の洗浄を十分に行って前工程からの不純
物の混入を少なくし、めっき液を高純度に維持する。（３）めっき液調整後の不純物を完全に除去する。初期
ホルマリン還元操作を十分に行って、初期不純物を完全
に除去する。

【００３２】以上、本発明の高純度銅配線基板の銅配線
の高純度化を、具体的に示したが、以下に、本発明の高
純度銅配線基板を使用した半導体装置（例えば、図２で
示したマイクロＢＧＡ１３）の製造工程とその半導体装
置の温度サイクル試験の結果を、いくつかの実施例とし
て説明する。

【００３３】

【実施例】

＜実施例１＞先ず、幅３５ｍｍ×厚さ５０ｍｍのポリイ
ミドフィルム６を１００ｍ用意する。このポリイミドフ
ィルム６の片面（図２では下面）に、電解銅箔を貼り付
けるためのエポキシ樹脂系の銅箔用接着剤を幅２６ｍｍ
×厚さ１０μｍで塗布する。

【００３４】このポリイミドフィルム６に、インナーリ
ード８と半導体素子９を接続するためのＩＬＢ（Inner
Lead Bonding）ウインドウと送り穴を、金型によるパン
チング加工によって形成する。ＩＬＢウインドウおよび
送り穴の形成されたポリイミドフィルム６の銅箔用接着
剤塗布面に、約１６０℃の温度で、幅２６ｍｍ×厚さ１
８μｍの高純度銅電解銅箔（９９．９９５重量％銅）を
連続ロールラミネータで貼り付け、約１７０℃の温度
で、１時間の接着剤硬化反応をおこなう。

【００３５】その後、電解銅箔の表面にホトソルダーレ
ジストをローラコータによって塗布し、ホトケミカルエ
ッチング法を施して銅配線２を形成する。この銅配線２
のインナーリード８を除く所定の部分に１０μｍの厚さ
の感光性ソルダーレジストを印刷し、露光、現像によっ
て、ソルダーレジストを被覆して、ランドパッド１（図
１）を形成する。即ち、銅配線２は、はんだボール５が
形成されるランドパッド１を有するテープ配線１０と、
半導体素子９のアルミ電極と接続されるインナーリード
８とを有する。

【００３６】この様にして製造された高純度銅配線基板
１４であるＴＡＢテープは、１２×１２（片側６列、即
ち、図１（Ｄ）のＲ＝６）のはんだボール５の配列を有
し、配線ピッチが０．１７ｍｍの１４４ピンのインナー
リード８と、直径０．３ｍｍで配置ピッチ０．５ｍｍの
１４４個のランドパッド１を有する。従って、この高純
度銅配線基板１４では、ランドパッド１間の最小配線ピ
ッチは、（０．５−０．３）／３．５≒０．０５７ｍｍ
となり、非常に微細な銅配線２が施されている。

【００３７】この本発明の高純度銅配線基板１４のエッ
チング加工による銅配線２の形成歩留まりは、約９９．
５％であり、銅配線２間の短絡も起こらず、従来の銅配
線基板の銅配線形成ピッチ０．０８ｍｍを大きく上回る
微細銅配線ができるようになった。

【００３８】さらに、インナーリード８とランドパッド
１には、電気めっきにより厚さ１０μｍの金めっきを施
しておく。この金めっきは、半導体素子９のアルミ電極
と、金−アルミ共晶合金の形成によってインナーリード
８を接続するためのものであり、更に、はんだボール５
形成時のはんだの濡れ性を確保するためのものである。

【００３９】この後、熱応力緩衝用の接着機能を有する
エラストマ７を介して、半導体素子９を、そのアルミ電
極を高純度銅配線基板１４側に向けて加熱圧着で接着す
る。次に、インナーリード８を半導体素子９のアルミ電
極に、シングルポイントボンダーを用いてボンディング
する。このときのボンディング温度は約２００℃であ
り、エラストマ７が軟化することはない。次に、エポキ
シ系の封止剤４で、半導体素子９の周辺のインナーリー
ド８とアルミ電極を封止する。このときの封止剤４は、
その硬化反応温度が約１７０℃であるものを用いるとよ
い。その後、ランドパッド１に、直径０．３５ｍｍの錫
−鉛共晶組成のはんだボール５を、温度２３０℃のエア
ーリフロー炉を用いて形成し、図２に示したような半導
体装置（マイクロＢＧＡ）１３を作成する。

【００４０】この様にして作成された半導体装置１３の
温度サイクル試験を行った。この試験の結果、１４７０
サイクルでインナーリード８が破断した。

【００４１】＜実施例２＞上記実施例１において、銅配
線２の形成を、電解銅箔のラミネーションでなく、電気
銅めっき法で行った。この方法では、先ず、ポリイミド
フィルム６の全面に厚さ３０オングストロームのクロム
を蒸着して形成し、その上に厚さ５００オングストロー
ムの５Ｎ（９９．９９９重量％）の銅を蒸着で形成し、
その後、厚さ１８μｍの銅を電気めっきする。このポリ
イミドフィルム６に、はんだボール搭載穴１１とＩＬＢ
ウインドウを炭酸ガスレーザで形成し、その後実施例１
と同様にして、半導体装置１３を製造した。このときの
電気めっきの銅の純度は、９９．９９５重量％である。

【００４２】この様にして作成された半導体装置１３の
温度サイクル試験を行った。この試験の結果、１３７０
サイクルでインナーリード８が破断した。

【００４３】＜実施例３＞上記実施例２において、電気
銅めっきの替わりに無電解銅めっき法で行った。この方
法は、実施例２で示した方法とほぼ同様であるが、めっ
き析出速度が約１μｍ／ｈであるため、厚さ１８μｍの
銅めっきを得るには約１８時間も有し、実施例２の電気
銅めっきの析出時間約１８分に較べて、大量生産には向
かない。この析出速度の違い以外は実施例２と同様にし
て、半導体装置１３を製造した。このときの無電解めっ
きの銅の純度は、９９．９９５重量％である。

【００４４】この様にして作成された半導体装置１３の
温度サイクル試験を行った。この試験の結果、インナー
リード８は、１０００サイクル以上の耐久性があった。

【００４５】以上、高純度銅配線基板を、ＴＡＢテープ
やＢＧＡ用配線基板として説明したが、本発明の高純度
銅配線基板は、有機プリント配線基板、有機フレキシブ
ル配線基板、セラミック基板、ビルドアップ多層配線基
板、ベアチップ搭載用インターポーザ、およびＣＳＰ用
配線基板であってもよい。

【００４６】

【発明の効果】以上述べた通り、本発明の高純度銅配線
基板によれば、電解銅箔、電気銅めっき、および無電解
銅めっきによる銅配線の銅の純度を９９．９９５重量％
以上とすることができたので、容易に銅配線ピッチの微
細化が図れ、温度サイクルの信頼性が向上し、エレクト
ロマイグレーションを低減し、めっき異常析出を防止す
ることができるようになった。

【００４７】また、銅配線ピッチの微細化などにより、
本発明の高純度銅配線基板を使用した半導体装置やそれ
を用いた電子機器の小型化が図れるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＢＧＡ（Ball Grid Array)における微細配線の
形成を示す図である。

【図２】本発明の高純度銅配線基板を用いた半導体装置
の実施の一形態を示す概略図である。

【図３】従来の銅配線基板の銅配線の断面を示す図であ
る。

【符号の説明】

１ランドパッド２銅配線４封止剤５はんだボール６ポリイミドフィルム７エラストマ８インナーリード９半導体素子１０テープ配線１１はんだボール搭載穴１２銅配線基板１３マイクロＢＧＡ１４高純度銅配線基板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に所定の配線層を有する高純度銅
配線基板において、前記配線層は、９９．９９重量％以上の純度の銅配線層
であることを特徴とする高純度銅配線基板。
【請求項２】前記９９．９９重量％以上の純度の銅配
線層は、電解銅箔によって形成されることを特徴とする
請求項１記載の高純度銅配線基板。
【請求項３】前記９９．９９重量％以上の純度の銅配
線層は、電気銅めっきによって形成されることを特徴と
する請求項１記載の高純度銅配線基板。
【請求項４】前記９９．９９重量％以上の純度の銅配
線層は、無電解銅めっきによって形成されることを特徴
とする請求項１記載の高純度銅配線基板。
【請求項５】前記基板は、前記配線層に接続される半
導体素子搭載用の基板であることを特徴とする請求項１
記載の高純度銅配線基板。
【請求項６】前記基板は、有機プリント配線基板、有
機フレキシブル配線基板、セラミック基板、ビルドアッ
プ多層配線基板、ＴＡＢ（Tape Automated Bonding）テ
ープ、ベアチップ搭載用インターポーザ、ＢＧＡ（Ball
Grid array)用配線基板、またはＣＳＰ（Chip Scale P
ackage）用配線基板であることを特徴とする請求項１記
載の高純度銅配線基板。
【請求項７】絶縁フィルム上に所定の配線層を有する
高純度銅配線基板において、前記配線層は、前記絶縁フィルム上に形成された電解銅
箔を２．２以上のエッチングファクタのエッチングによ
って形成された所定のパターンを有することを特徴とす
る高純度銅配線基板。
【請求項８】絶縁フィルム上に所定の配線層を有する
高純度銅配線基板において、前記配線層は、前記絶縁フィルム上に形成された電気銅
めっきを２．５以上のエッチングファクタのエッチング
によって形成された所定のパターンを有することを特徴
とする高純度銅配線基板。
【請求項９】絶縁フィルム上に所定の配線層を有する
高純度銅配線基板において、前記配線層は、前記絶縁フィルム上に形成された無電解
銅めっきを２．５以上のエッチングファクタのエッチン
グによって形成された所定のパターンを有することを特
徴とする高純度銅配線基板。