JPS58164249A - 金属の選択的被覆方法 - 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】 本発明は支持誘電基板の上に存在するメタラージ・パタ
ーン・キャリヤの上に金属層を付着させる方法に係る。

更に具体的には本発明は半導体デバイスをのせるために
用いられるセラミック基板キャリヤの上の耐火金属導電
性パターンの上に保護金属被覆体を被覆するための方法
に係る。

従って本発明の方法は誘電体基板の上に存在するメタラ
ージ・パターンに対して金属被覆体を設けるための新規
な方法を提供することにある。

本発明の他の目的は誘電体基板の上に存在する金属パタ
ーンの上に異なった（　ｄｉｖｅｒｓｅ　）金属被覆体
を選択的に付着させるための新規な方法を与えることに
ある。

本発明の更に他の目的は誘電体基板の上に存在するメタ
ラージ・パターンに対して異なった金属を金属被覆する
ための新規なマスクレス法を与えることにある。

本発明の更に他の目的は、その上に半導体装置を取付け
るための改良されたメタライズ誘電体基板キャリヤを製
造するための新規な方法を与えることにある。

本発明の更に他の目的は半導体デバイスを取付けるため
に用いられるセラミック基板キャリヤの上のモリブデン
・メタラージ、−パターンの上の無電気メッキされたニ
ッケル被覆体を置き換えるためのマスクレス技術を与え
ることにある。

ＩＣ／半導体パッケージ組立体のための誘電体基板キャ
リヤを製造するための多層セラミック（ＭＬＣ）技術は
公知である。そのようなＭＬＣ基板は、適当なセラミッ
ク粒子（例えばアルミナ）、除去しやすい樹脂バインダ
材、樹脂バインダ材のための溶剤及びプラスチサイザよ
りなるスラリーを調整し、除去しうるベースの上にその
スラリーをドクター・ブレードし、続いて乾燥し、一般
にセラミック・グリーン・シートと呼ばれる薄い可撓性
のシートを形成することによって、そのようなＭＬＣ基
板が作られる。次にそのシートは、バイア・ホールを形
成するためにパンチ処理され、バイア・ホールが導電性
の金属を含むペースト（例えばモリブデン）でもって満
たされる。更にそのペーストは導電線のパターンの形に
形成され、最終的にこれはＭＬＣの内部回路を形成する
。パンチされ、プリントされたグリーン・シートは、選
択的に相互に重ねられ、例えば１５乃至３０のグリーン
・シートからなる重積体のような積層基板組立体が形成
される。そしてその組立体はシートを一体化し、導電体
パターンを伸長させるために、シンタリングされると共
にバインダ材が除去される。加熱されて出来たＭＬＣ基
板はＭＬＣ基板の内部回路に対して電気的に接続された
半導体デバイスのフリップ・チップ装荷のために用いろ
ことができる。

ＭＬＣ基板の外部接続はＭＬＣ基板の反対側に通常半田
付けされた複数のＩ１０ビンによってその内部回路に対
して与えられる。ＭＬＣ基板はＩＣの発達に対応する微
小化傾向に従って、バイア及び線が高密に形成されるこ
とが望ましい。そのような微小化はその上に取付けられ
る対応して高密化されたＩＣデバイス・チップに対して
、パッケージを適合させるために望ましいことである。

そのような応用例において、ＭＬＣ基板にはその上部表
面に多数の小さなパッドが設けられねばならない。それ
らのパッドは対応して密接して配置さｔた半導体デバイ
スの端子、例えば半田マウンドに対して、位置合せされ
た電気的接触を可能ならしめる。最新のＩＣ技術を更に
有効に用いるために・ＭＬＣ基板に対してできる限り多
数のＩＣデバイスがのせられ、相互に接続される。その
ような配列によって相互接続されるデバイスの間の距離
を小さくすることができ、それによって関連するデバイ
ス間の電気的信号の伝送時間を最小にすることができる
。更にこれによって電気的結線の数を減じることができ
、更にはパッケージのコストを減じ、信頼性を高めるこ
とができる。結果として多数のＩＣデバイスを取付けら
れる基板の中に多数の小さな内部プリント回路が含まれ
た高度に複雑なＭＬＣパッケージが得られる。

更にそのようなＭＬＣ基板はＩＣデバイスに対して電気
的結線を設けるために、そして技術変更パッドを設ける
ためにその最上部において並びにＩ１０パッド、ピンも
しくは他のタイプの接続部に対する結線を与えるために
その底部において相対的に複雑なメタラージを必要とす
る。グリーン・セラミックがシンタリングされる場合、
通常１７乃至２０チの収縮が生じる。その収縮はＭＬＣ
基板全体に亘って均一ではない。基板は相対的に大きく
、メタラージの寸法は極めて小さいので、基板メタラー
ジの上に保護用の異なった金属を被覆するためのマスク
を形成することは非常に困難である。即ち基板メタラー
ジに対して一致する開口領域を有する、もとの基板より
も１７％乃至２０チ小さいマスクを形成することは非常
に困難である。そのようなマスクは通常のマスキング技
術を用いて付加的なメタラージ金属を付着させるために
必要である。シンタリングの前に付着されたＭＬＣ基板
積層体の上の最初のメタラージ・パターンは、通常積層
ペースト状にスクリーニングされる耐火金属（例えばモ
リブデン）を含むペーストよりなる。シンタリングの後
で、耐火金属（例えばモリブデン、タングステン等）は
、例えばニッケル、クロム、銅、金などのような異なっ
た金属でもって保護のために被覆されなければならない
。更に耐火金属は半導体デバイスに対する半田付け、ワ
イヤに対する圧着ボンディング及びもしくはＩ／（１’
ンに対するろう付けなどによる結線の形成を助長しなけ
ればならない。モリブデンが用いられる場合の耐火ＭＬ
Ｃ基板メタラージの保護被覆は重要である。なぜならば
モリブデンはＭＬＣモジュールもしくは基板応用におい
て共通した動作電位における任意のｐＨ値の湿度に対し
て曝される場合の反応腐食に敏感であるからである。

この腐食は導体を切断し、モジュールの故障を招くこと
になる。

基板メタラージを保護するための１つの方法は、マスク
を必要としない無電気メッキ技術によって例えばニッケ
ルのような異なった金属でもってメタラージを被覆する
ことである。しかしながらそのような被覆体は後の結合
工程（半田付け、ろう付け、圧着ボンディング等）にお
いて障害となりうるリン、ホウ素のような不純物を含み
うる。

保護金属層を電気メツキ技術によって付着することも可
能である。しかしながらそのよ゛うなメッキ技術におい
ては、メッキされるべき領域に対して夫々電気的な結線
が必要とされる。ＭＬＣ基板においてはそのような結線
は必ずしも使用可能ではない。何故ならば、メタラージ
・パターンのあるパッドもしくは部分が電気的に浮いた
状態にされうるからである。

これらの無電気及び電気メツキ技術は高価につき、時間
がかかり、制御が困難である。従ってステップが簡単で
あり、リン及びもしくはホウ素の汚染の問題を伴なうこ
となく、歩どまりが大きく改良されるマスクレス・メッ
キ技術の必要性が生じる。

本発明は、誘電体基板の上に支持されたメタラージの上
に保護メタライゼーションを被覆するための、無電気メ
ッキ及び電気メッキに代わるマスクレス技法を提供する
。本発明の方法は異なったメタラージ・パターンを有す
る誘電性基板の上に保護メタライゼーションをブランケ
ット被覆（例えば蒸着、スパッタリング等）シ、保護メ
タライゼーションを下方に存在するメタラージ内へ溶解
させるように加熱し基板上の非メタライズ部分の上にお
ける保護金属を分裂させもしくは砕くために基板を冷却
し、基板表面から保護メタライゼーションを好ましくは
超音波的に機械的に除去することによって行なわれる。

モリブデンのような耐火金属を有するアルミナＭＬＣ基
板を用いる半導体技術に対する特定の応用において、基
板はニッケルのような保護金属でもってブランケット被
覆され、モリブデンのような耐火金属内へニッケルを拡
散させるように加熱さｔ１セラミック表面における金属
を分裂させるかもしくは砕くために冷却され、例えば超
音波的に保護メタライゼーションをセラミック表面から
除去される。

本発明に従ってニッケル・ペース・メタライゼーション
でもって保護被覆されたモリブデン・ペース・メタラー
ジ・パターンを有するアルミナＭＬＣ基板を用いる半導
体デノ（イスを支持するための支持キャリヤもしくはモ
ジュールの製造に対する応用に関して、ＭＬＣ基板の後
の拡散冷却の間に、ニッケル・フィルム及びセラミック
体の熱的収縮差がニッケル／セラミックの付着状態を完
全に分裂させる応力を生じることに注目されたい。

超音波処理において、セラミック状にゆるや力１に付着
したニッケル・フィルムが除去されて、セラミック基板
表面が現われる。そしてモリブデン回路のパターンのみ
がニッケル被覆体で付着さｎた状態を呈する。

例えば金のような他の異なった金属によるニッケル被覆
体のパッシベーションが必要とさする場合、ソのような
）くツシペーションはソ１ノブデン・メタラージ内への
ニッケルの拡散と同時に行なうことができる。拡散スゲ
ツブの前に、例えばスノくツタリングによって金のより
なノくツシペーション金属でもってニッケル層を更にブ
ランケット被覆することができる。この場合ニッケル及
び金はカロ熱によってニッケルがモリブデン・メタラー
ジ内へ拡散すると同時に相互に拡散する。これは、もし
もニッケル被覆プロセスが約７５０℃を越えない拡散温
度（金−ニッケル非混合ドーム（ｄｏｍｅ）内にある）
において実施されうる場合に実現することができる。ア
ルミナＭＬＣのモリブデン回路技術を用いる例において
は、両者は約３乃至７ミクロンのニッケルでもって例え
ばスパッタリングによってブランケット被覆され、約０
．２５乃至０５ミクロンの厚さの金のフィルムをニッケ
ル層の上にスパッタすることができる。加熱の際に、ニ
ッケルーモリブデン及びニッケルー金は、７５０℃以下
の温度において同時に相互に拡散される。

Ｎｉ−Ａｕ拡散に対する上限は耐酸化性の金に富んだＡ
ｕ−Ｎｉ固溶体の形成を保証する必要性によって設定さ
れる。これはＡｕ−Ｎｉ状態図における非混合ドームの
存在によって７５０℃以下において保証される。

この変形の利点は、金メッキ及び金拡散技術が後の工程
で用いられる無電気ニッケル・メッキによって、これま
で得られたキャップ構造体を実質的に類似した、アルミ
ナＭＬＣ基板のモリブデン回路パターンに対してその表
面において金に富んだニッケル・フィルムをマスクレス
被覆するための技術が与えられるという技術にある。

本発明は特に半導体デバイス・パッケージング応用のた
めに用いられるアルミナＭＬＣのモリブデン回路パタン
のパッシベーションに関連して説明されたが、本発明の
範囲はそれに限定されるものでないこと及びニッケル被
覆に限定されるものでないこと並びにＭＬＣ基板を含む
応用に限定されないととに理解されたい。本発明は装飾
的金属被覆、ガラス−金属もしくはセラミックー金属シ
ーリングのような他の応用をも意図している。更に本発
明は、ガラスもしくはセラミック内に埋設された金属パ
ターンに対して選択的に付着金属フィルムを拡散ボンデ
ィングし、それと同時にガラスもしくはセラミック表面
から付着されたフィルムを砕き・続いてセラミックもし
くはガラスの表面から非付着性のフィルムを超音波除去
する他の応用をも意図するものである。

第１図を参照すると、焼成されたセラミック基板１（典
型例としてＵＳＰ３５１８７５６に示された方法によっ
て形成しうる多層セラミック構造体）が示される。第１
図乃至第４図は断面図で示されているが、基板における
内部メタラージ・パターンは図示されていない。これは
本発明の重要な部分を構成しないからであって、本発明
は基板１の表面における露出されたメタラージ２の処理
に関するものであるからである。しかしながら、基板１
は多層構造体である必要はなく、その表面全体にメタラ
ージ・パターンが形成されたソリッドなものでもよいこ
とを理解されたい。更にメタラージ・パターンには基板
の複数の表面上に配置されうろことを理解されたい。例
えばＭＬＣ構造体において、メタラージ・パターンは半
田付けされた半導体デバイスの端子に対する電気的結線
のために基板１の最上部表面に設けることができるだけ
ではなく、Ｉ１０ビンを取付ける基板１の反対底部表面
まで伸びることができる。更に、メタラージ２は基板１
の上において盛上ったパターンとして伸びているように
示されているが、それはバイア・メタラージ４の露出し
た部分３を構成することも可能である。

基板の材料は通常アルミナもしくはＵＳＰ３５４０８９
４に示されるようなアルミナ及び他の材料（例えばガラ
ス）からなる。基板１の表面に示されるメタラージ・パ
ターンはシンタリングの前に付着された典型的にはモリ
ブデンのような耐火金属からなることができる。

第２図に示されるように、基板１は例えば約３ミクロン
乃至約７ミク、ロンの厚さの異なった保護金属層５を任
意の適当な技術によってブランケット被覆（例えば真空
蒸着、スパッタリング等）される。金属層５はメタラー
ジ２内へ拡散することができ、これによってメタラージ
回路パターンに対する付着力を選択的に増大させること
ができる。

付着の際に、金属は基板表面にも付着する。金、クロム
等のような種々の保護金属を用いることができるが、今
のところ好ましい金属としては、現在の無電気メッキ及
び電気メッキに替えて今日的利用に適合するニッケルで
ある。

次のプロセスにおいて、第２図のブランケット被覆され
た構造体が金属の間の界面における金属の相互間拡散、
例えば保護金属５のメタラージ・パターン２内部への拡
散、を誘起させるために金属の融点以下の温度まで加熱
される。保護被覆体５として厚さ５ミクロンのニッケル
を用い、メタラージのためにモリブデン・ペースの金属
を用いることによって、５分間に亘る６５０℃乃至１１
００℃の温度における熱処理によってモリブデン内部へ
のニッケルの適当な拡散が得られる。その結果得られた
拡散領域６が第３′図に示されている。

この熱処理は、メタラージ・パターン２の回路に対する
保護金属フィルム５の拡散ボンディングの目的のためで
ある。そして相対的に散開した粒子構造のフィルム５゛
のタンクリングは、フィルムにおける良好な横方向付着
を得るため並びにそれを基板の非メタライズ表面即ち基
板の表面そのものから除去することを促進するために行
なわれる。

基板の表面からの保護フィルム５の剥離を行なうための
基板１の初期の条件付けはその冷却の際に得られる。金
属フィルム５及び誘電組成体の熱収縮率における差によ
って誘起される応力の結果として基板の表面上の金属フ
ィルム５が分裂されるかあるいは砕けることになる。

冷却の際に、金属フィルム５が生の基板表面に対しては
付着しない状態となり、この時点において、側部及びも
しくは底部に取付けられたトランスジューサを有する通
常のタンク型の超音波クリーナーにおける水もしくは他
の適当な媒体の中で超音波クリーニング処理されること
によって機械的に除去することができる。超音波クリー
ニングにおけるフィルム除去のメカニズムは表面をたた
く衝撃波の作用によって基板領域からゆるめられた金属
フィルム５を割るステップを含む、衝蒙波は超音波が動
作される際の液状媒体内の気泡崩壊（キャビテーション
）によって誘起される。金属フィルム５を除去するため
の１つの好ましい方法は、非常に高い局部的なエネルギ
強度（約１００ワツト／ｅｍ”）を集中させ、そして供
給するために超音波ホーン（ｈｏｒｎ）を用い、キャビ
テーションが最小の役割を果すにすぎないホーン表面に
対して密接した（約１乃至約１０ｍｍ）超音波フィール
ドの近隣フィールド特性を用いることによって行なわれ
る。そのような条件の下において、基板表面からゆるや
かに付着した金属フィルム５を除去することは非常に有
効に行なわれる。例えば５ミクロンの厚さの付着してい
ないニッケル・フィルムは約５乃至約３０秒でアルミナ
・セラミック表面から除去することができる。

金属フィルム除去のメカニズムは次のようなものである
と信ぜられる。近隣フィールド領域において、金属フィ
ルムを担持する基板の表面に対する超音波フィールド（
トランスジューサによって発生される）の結合が存在す
る。金属フィルム５が基板に対して強く付着する個所、
例えばフィルムの下の予め存在するメタラージ回路パタ
ーンの領域においては、超音波エネルギは単に金属フィ
ルム５を通して基板内部へ透過しそして消散されるに過
ぎない。金属フィルム５が非付着性を呈する個所、例え
ば生の基板表面領域においては、超音波エネルギは薄い
金属フィルム５によって実質的に吸収され、フィー・ル
ドによって振動する。この振動によってフィルムが基板
に対して付着しているフィルムの部分において交替的応
力が発生し、最終的にこれらの部分においてフィルムの
破壊が生じる。高い周波数（例えば１０乃至４０　ＫＨ
ｚ　）のフィールドによって、付着領域の境界部におけ
る金属フィルム５に対して１０乃至４０Ｘ１０Ｓサイク
ルの交替的応力が印加され、金属フィルム、その厚さ並
びに隣接する付着領域の間の距離に応じて１乃至３０秒
でフィルムの疲労限度に達することが保証される。基板
表面から非付着性の金属フィルム５を完全に除去するこ
とによって、第４図に示されるように予め設けられたメ
タラージ回路パターン２のみが付着した金属フィルム６
を保持する。更に本発明は、もしもニッケル被覆が約７
５０℃を越えない拡散温度（Ａｕ−Ｎｉ非混合ドームの
内部にある）において実施されるならば、保護ニッケル
・フィルム５の金メッキのような保護フィルムのための
金属フィルムのノくツシベーシ′ヨンを含みうる。これ
は第５図において示されるように付着されたニッケル・
フィルム５の上部に金（０，２５乃至［１，５ミクロン
）のフィルム１０を真空蒸着、スパッタリングのような
方法によって付着し、第６図及び第７図に示さ扛るよう
にＮｉ−Ｍｏ　　固溶体６及びＡｕ−Ｎｉ固溶体１１を
同時に形成することによって達成することができる。こ
れはＡｕ”−Ｎｉ状態図における非混合ドームの存在に
おいて７５０℃以下において補償される。

前述のように冷却の際に基板は第７図に示されるような
構造体を生じるように基板１の生の表面からのニッケル
／全フィルム５及び１０の超音波除去のための条件付け
が行なわれる。

本発明のこの変形の利点は金メッキ及び金拡散処理が後
の工程で行なわれる無電気メッキによって、通常得られ
るキャップ構造体に実質的に類似した、金に富んだニッ
ケル・フィルムでもってアルミナＭ、Ｌ　Ｃ基板のモリ
ブデン回路パターンのマスクレス被覆技術が与えられる
という事実に存する。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図は本発明の第１の実施例を示す図であ
る。 第５図乃至第７図は本発明の第２の実施例を示す図であ
る。 １・・・・基板、２・・・・メタラージ回路パターン、
４・・・・パイプ・メタラージ、５・・・・保護金属層
、６・・・・拡散領域、１０・・・・金フィルム、１１
・・・・Ａｕ−Ｎｉ固溶体。 出願人　インター九四ナル・ビ趨ス・マシーンズ・コー
ポレーション代理人　弁理士　　岡　　　１）　　次　
　　生（外１名）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 誘電性基板上に支持されたメタラージ・パターンの上に
   異なった金属層を選択的に付着させる方法に於いて、 上記基板上に上記金属層をブランケット被覆し、上記基
   板を加熱して上記金属層を上記メタラージ・パターンに
   対して拡散結合させ、 上記基板上の上記メタラージ・パターンを有しない部分
   に於ける上記金属層を、上記基板及び上記金属層間の膨
   張及び収縮における差によって砕く様に上記基板を冷却
   し、 上記基板の上記メタラージ・パターンを有しない部分か
   ら上記金属層を機械的に除去する金属の選択的被覆方法
   。