JP4103656B2

JP4103656B2 - フィルムキャリア及びその製造方法

Info

Publication number: JP4103656B2
Application number: JP2003090208A
Authority: JP
Inventors: 孝二今吉; 信美竹村
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2008-06-18
Anticipated expiration: 2023-03-28
Also published as: JP2004296980A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子を外部基板等に接続する際の接続媒体として用いられるフィルムキャリア及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器の小型化、高密度化、高性能化に対応できるように、ＬＳＩの小型、軽量化の要求が高まっている。なかでも携帯電話、デジタルビデオやデジタルカメラ等に対応可能なＣＳＰとして、１００ピン以下のメモリ品種及び１００〜３００ピンクラスのロジック品種のＦＢＧＡ（ＦｉｎｅｐｉｔｃｈＢａｌｌＧｒｉｄＡｒｒａｙ）パッケージが量産されている。更に、超小型化を目指して０．５ｍｍボールピッチＦＢＧＡが採用されるようになってきている。ところが、微細半田ボールを用いる二次実装時の接合挙動が、通常の二次実装の挙動とは異なり、半田くびれや半田ボール落ちといった欠陥が発生して信頼性の確保に問題を生じている。
【０００３】
ＦＢＧＡ用に使用している従来のフィルムキャリアの構成と半田ボールの挙動について説明する。
先ず、ＦＢＧＡ用に一般的に使用されている三層フィルムキャリアを簡単に説明する。
図５（ａ）〜（ｅ）は従来の０．８ｍｍボールピッチＦＢＧＡのフィルムキャリアの製造工程及び実装工程を示す模式構成断面図である。
まず、絶縁フィルム１１１上に接着剤層１２１が形成された接着剤層付フィルム基材に金型を用いて、開口部１３１を形成する（図５（ａ）参照）。
通常、絶縁フィルム１１１としてはポリイミドフィルムが用いられ、膜厚は５０μｍかそれ以上の厚みを有する場合が一般的であり、接着剤層１２１の膜厚は１２μｍを使用するのが通例となっている。
【０００４】
次に、所望の膜厚の銅箔を張り合わせ、導体層１４１を形成する（図５（ｂ）参照）。
導体層１４１の厚みとしては、１２μｍから１８μｍがよく使われる。
次に、導体層１４１をフォトリソグラフィーとエッチング技術を使ってパターニング処理して所望のパッド電極１４１ａを形成したフィルムキャリア３００を作製する（図５（ｃ）参照）。
【０００５】
さらに、上記フィルムキャリア３００上に半導体素子１６１を実装し、半田バンプ１５１を形成し、一次実装半導体パッケージ（インターポーザ）を得る（図５（ｄ）参照）。その際、アンダーフィル１９１材や封止材１７１等を併用して接続強度や絶縁性確保などの向上を図っている。
さらに、一次実装半導体パッケージの半田バンプ１５１とプリント配線板のランド１８１とを半田接合して二次実装を行う（図５（ｅ）参照）。
ここで、従来の０．８ｍｍボールピッチＦＢＧＡ実装では、半田ボール実装後の半田ボール落ちや半田くびれ等の不良は殆ど発生していない。
【０００６】
ところが、軽薄短小に対応する構成として半田ボールピッチを０．５ｍｍにする必要が出てきた。半田ボールピッチの短小化により、絶縁性フィルム基材厚はそのままに保ち、開口部径と半田ボール径はを小さくする必要がある。
図６（ａ）及び（ｂ）は、絶縁フィルム厚と開口部孔径との関係を示す説明図である。
絶縁フィルム１１１厚ｔを変えないで、開口部１３１の孔径λをλ’と小径化することで、開口部１３１ａのアスペクト比（ｔ／λ’）が高くなり、半田ボール搭載後プリント配線板のランド１８１へ半田接続する際フィルムキャリアのパッド電極１４１ａ裏面への半田接触面積が減少し、半田ボール落ち現象（図７（ａ）参照）や半田くびれ現象（図７（ｂ）参照）が発生して、オープン不良となる問題が発生する。図７（ｃ）は、半田接続が正常に行われた場合の半田形状を示す。
ＦＢＧＡの半田ボール落ちや半田くびれの発生は、プリント基板のランド面積に比べ、開口部孔内電極の面積が小さいために、基板実装後にＦＢＧＡ側の半田ボール部の半田が、プリント基板側のランドに吸われることが原因である。
【０００７】
上記半田ボール落ちや半田くびれの欠陥を回避する技術として、開口部１３１を形成後開口部１３１内に銅めっき等により接続電極１３２を形成し、半田ボールの接触面を嵩上げする工法（例えば、特許文献１参照）が提案されており（図８（ａ）参照）、また、半田ボール落ち現象に対する技術的考察（例えば、非特許文献１参照）がなされている。
上記嵩上げした接続電極１３２に半田バンプ１５２を形成し、半導体素子１６１を実装し、２次実装した半導体パッケージを図８（ｂ）に示す。
この方法により半田の接触不良は減少するが、通常、めっき処理による接続電極１３２の嵩上げは数十μｍが必要であり、かなりのめっき処理時間を要し、フィルムキャリアに占める接続電極１３２の作製費用も無視できない。また、めっき条件の設定が難しく、接続電極１３２にめっき厚のばらつきが生じ、嵩上げが不足したビア用孔では、半田ボール落ちや半田くびれの不良が発生するという問題を有している。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１０−４１３５６号公報
【非特許文献１】
エレクトロニクス実装学会誌、Vol.４、No.１、2001年、P63〜67
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記問題点に鑑みなされたもので、技術的容易に且つ安価に接続電極形成が可能なフィルムキャリア及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明において上記の問題を解決するために、まず、請求項１においては、絶縁基材（１１）の一方の面にパッド電極（５２）が、他方の面に接続電極（４１ｂ）が形成されており、前記パッド電極（５２）と前記接続電極（４１ｂ）とは電気的に接続されてなるフィルムキャリアにおいて、前記接続電極（４１ｂ）が金属箔（４１）のパンチングプレスによる打ち込み導体（４１ａ）により形成され、前記パッド電極（５２）が絶縁基材上の銅箔（２１）と該銅箔（２１）及び前記接続電極（４１ｂ）上の補強導体層（５１）とから形成されていることを特徴とするフィルムキャリアとしたものである。
【００１１】
また、前記接続電極４１ｂの表面位置は前記絶縁基材１１の他方の面（外装面）より低くなっていることを特徴とする請求項１に記載のフィルムキャリアとしたものである。
【００１２】
また、請求項３においては、前記接続電極４１ｂが銅、鉛、錫及びこれらの金属を主成分とする合金で形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のフィルムキャリアとしたものである。
【００１３】
また、請求項４においては、前記パッド電極５２が銅箔２１と２μｍ以上の補強導体層５１とから形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のフィルムキャリアとしたものである。
【００１４】
さらにまた、請求項５においては、少なくとも以下の工程を備えていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のフィルムキャリアの製造方法としたものである。
（ａ）絶縁基材１１の片面に銅箔２１が積層された片面銅張積層シート１０を準備する工程。
（ｂ）プレス金型７１及び７２を用いて、片面銅貼り積層シート１０所定位置に開口部３１を形成する工程。
（ｃ）所定厚の金属箔４１を開口部３１が形成された積層シートの銅箔２１側に載置し、プレス金型７３及び７４を用いて、開口部３１内に打ち込み導体４１ａを形成する工程。
（ｄ）プレス金型７５及び７６を用いて、打ち込み導体４１ａを銅箔２１の上層面まで押し戻し、打ち込み導体４１ａの上端と銅箔２１の上層面とが同一面の接続電極４１ｂを形成する工程。
（ｅ）接続電極４１ｂを覆い隠すように保護レジスト６１を形成し、電解銅めっき等により、銅箔２１及び接続電極４１ｂ上に補強導体層５１を形成する工程。
（ｆ）銅箔２１及び補強導体層５１をパターンニング処理して、パッド電極５２を形成する工程。
（ｇ）ソルダーレジスト６２を形成し、接続電極４１ｂ上及びパッド電極５２の一部にニッケル、金めっきからなるめっき層５３を形成する工程。
さらにまた、請求項６においては、半導体素子が請求項１乃至４のいずれか一項に記載のフィルムキャリアを用いて実装され、さらに該フィルムキャリアの接続電極（４１ｂ）上に半田ボールを形成してプリント配線回路板に実装されていることを特徴とする半導体パッケージとしたものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき説明する。
図１は本発明のフィルムキャリアの一実施例を示す模式構成部分断面図である。
請求項１に係る本発明のフィルムキャリア１００は、絶縁基材１１の一方の面にパッド電極５２が、他方の面に開口部３１内に形成された打ち込み導体にて接続電極４１ｂが形成されたもので、パッド電極５２と接続電極４１ｂとは電気的に接続されている。
ここで、絶縁基材１１はポリイミドフィルムに代表される有機樹脂フィルムが用いられ、フィルム厚は５０μｍかそれ以上が一般的である。
また、パッド電極５２の一部及び接続電極４１ｂ上にはニッケル、金めっき層からなるめっき層５３が形成されている。
【００１６】
接続電極４１ｂの開放端部は、絶縁基材１１の他方の面（外装面）より低くなっており、半田ボールのセットがやり易くなっており、フィルムキャリアとプリント配線回路基板との半田接合を容易にし、接合強度の向上を図っている。
また、接続電極４１ｂの高さは、打ち込む金属箔の厚みで制御する。
【００１７】
接続電極４１ｂは、銅、鉛、錫、金、銀などから選ばれる１種の金属か、これらの金属の主成分とする合金で形成されている。合金としては、例えば、Ｓｎ−Ｃｎ、Ｓｎ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｎｉ−Ｐｄ−Ａｕ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｌｕ、Ｐｂ−Ｚｎ−Ａｌ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉなどを挙げることができる。
【００１８】
絶縁基材１１の一方の面に形成されているパッド電極５２は、銅箔２１と２μｍ以上の補強導体層５１をパターニング処理して形成されており、パッド電極５２の物理強度を向上させることと、接続電極４１ｂとの電気的接続を完全なものにするためである。
【００１９】
以下、本発明のフィルムキャリアの製造方法について説明する。
図３（ａ）〜（ｅ）及び図４（ｆ）〜（ｊ）に本発明のフィルムキャリアの製造方法の工程を示す模式構成部分断面図を示す。
まず、長尺のポリイミドフィルム等からなる絶縁基材１１の片面に銅箔２１が積層された片面銅箔積層シート１０を準備する（図３（ａ）参照）。
【００２０】
次に、片面銅箔積層シート１０の両端に長手方向に沿って、アライメントマークホール及びスプロケットホール（特に、図示せず）をパンチングプレスにより形成する。次に、片面銅箔積層シート１０のアライメントマークホールを基点とし、開口用ポンチ７１ａを有する金型７１及び受け金型７２からなるパンチングプレス金型を用いて（図３（ｂ）参照）、片面銅箔積層シート１０の所定位置に開口部３１を形成する（図３（ｃ）参照）。
【００２１】
次に、所定厚の金属箔４１を開口部３１が形成された積層シートの銅箔２１側に載置し、金型７３の押し込み用ポンチ７３ａと開口部３１を位置合わせして受け金型７４をセットし（図３（ｄ）参照）、所定荷重で金型７３の押し込み用ポンチ７３ａを開口部３１に押し込み、開口部３１内に打ち込み導体４１ａを形成する（図３（ｅ）参照）。
ここで、打ち込み導体４１ａの高さは、金属箔４１の厚みで制御する方法と、打ち込み導体４１ａを形成した後エッチング処理により制御する方法とがあるが、金属箔４１の厚みで制御する方法が好ましい。
【００２２】
次に、金型７５の押し込み用ポンチ７５ａと打ち抜き導体４１ａとを位置合わせして平金型７６をセットし（図４（ｆ）参照）、所定荷重で金型７５の押し込み用ポンチ７５ａを打ち込み導体４１ａに押し込むと、打ち込み導体４１ａは銅箔２１の上層面まで押し戻され、打ち込み導体４１ａの上端と銅箔２１の上層面とが同一面のリベット形状の接続電極４１ｂが形成される（図４（ｇ）参照）。
【００２３】
次に、絶縁基材１１の接続電極４１ｂ側にドライフィルムをラミネートする等の方法で、保護レジスト層６１を形成し、銅箔２１及び接続電極４１ｂ上に電解銅めっき等を行って、２μｍ以上の補強導体層５１を形成する（図４（ｈ）参照）。
この補強導体層５１は、上記したように、パッド電極５２の物理強度を向上させることと、接続電極４１ｂとの電気的接続を完全なものにするためのものである。
【００２４】
次に、銅箔２１及び補強導体層５１上にレジストパターンを形成し、エッチング等の一連のパターニング処理を行って、接続電極４１ｂ間が電気的に縁絶されたパッド電極５２を形成する（図４（ｉ）参照）。
【００２５】
次に、保護レジスト層６１を剥離処理し、パッド電極５２上にソルダーレジストパターン６２を形成し、パッド電極５２の一部及び接続電極４１ｂ上に、電解ニッケルめっき、金めっきを施して、めっき層５３を形成して、本発明のフィルムキャリア１００を得る（図４（ｊ）参照）。
【００２６】
本発明のフィルムキャリア１００を用いて、半導体素子８１を実装して、接続電極４１ｂ上に半田バンプを形成して一次半導体パッケージ（インターポーザ）を形成し、さらに、プリント配線回路板２００に半田接合して得られた半導体パッケージの一例を図２に示す。
【００２７】
本発明のフィルムキャリア１００は、パンチングプレスにより接続電極を形成するので、従来のめっき方式に比べると大幅なコスト削減ができ、プリント配線回路板との半田接合の信頼性が向上する。
【００２８】
【実施例】
以下、実施例により本発明を詳細に説明する。
まず、長尺状の５０μｍ厚の耐熱性ポリイミドフィルムからなる絶縁基材１１の片面に１２μｍ厚の電解銅箔２１を積層して片面銅張積層シート１０（図３（ａ）参照）にスーパーワイド用スプロケットホールと１００μｍφのアライメントマークを打抜き形成した。
【００２９】
次に、片面銅箔積層シート１０のアライメントマークホールを基点とし、開口用ポンチ７１ａを有する金型７１及び受け金型７２からなるパンチングプレス金型を用いて（図３（ｂ）参照）、片面銅箔積層シート１０の所定位置に開口部３１を形成した（図３（ｃ）参照）。
【００３０】
次に、６０μｍ厚の圧延銅箔からなる金属箔４１を開口部３１が形成された積層シートの銅箔２１側に載置し、金型７３の押し込み用ポンチ７３ａと開口部３１を位置合わせして受け金型７４をセットし（図３（ｄ）参照）、所定荷重で金型７３の押し込み用ポンチ７３ａを開口部３１に押し込み、開口部３１内に打ち込み導体４１ａを形成した（図３（ｅ）参照）。
【００３１】
次に、金型７５の押し込み用ポンチ７５ａと打ち込み導体４１ａとを位置合わせして平金型７６をセットし（図４（ｆ）参照）、所定荷重で金型７５の押し込み用ポンチ７５ａを押し込むと、打ち込み導体４１ａは銅箔２１の上面まで押し戻され、打ち込み導体４１ａの上端と銅箔２１の上層面とが同一面のリベット形状の５２μｍ長さの接続電極４１ｂを形成した（図４（ｇ）参照）。
接続電極４１ｂの表面位置は絶縁基材１１の他方の面（外装面）より１０μｍ低くなるようにした。
【００３２】
次に、絶縁基材１１の接続電極４１ｂ側にドライフィルムをラミネートし、全面露光を行って、保護レジスト層６１を形成し、銅箔２１及び接続電極４１ｂ上に電解銅めっきを行って、５μｍの補強導体層５１を形成した（図４（ｈ）参照）。
【００３３】
次に、銅箔２１及び補強導体層５１上にレジストパターンを形成し、エッチング等の一連のパターニング処理を行って、接続電極４１ｂ間が電気的に縁絶されたパッド電極５２を形成した（図４（ｉ）参照）。
【００３４】
次に、保護レジスト層６１を専用の剥離液で剥離処理し、パッド電極５２上にソルダーレジストパターン６２を形成し、パッド電極５２の一部及び接続電極４１ｂ上に、電解ニッケルめっき、電解金めっきを施して、めっき層５３を形成して、本発明のフィルムキャリア１００を得た（図４（ｊ）参照）。
【００３５】
次に、フィルムキャリア１００に、フラックス処理を施し、更に、３００μｍφのはんだボールを接続電極４１ｂ上の開口部３１に載せ、加熱して半田バンプを形成した。この際、接続電極４１ｂとの間には半田くびれ、ボイド等の欠陥は発生せず、良好な電気的導通が得られた。また、開口部上３１の半田バンプはほぼ均一な球形状となった。この半田バンプ付フィルムキャリアをプリント基板２００に２次実装したが、はんだボール落ちやはんだくびれの欠陥は発生しなかった。また、デェージーチェーンによる信頼性試験の評価でも良好な結果を得た。
【００３６】
【発明の効果】
上記したように、本発明のフィルムキャリアの接続電極は、金属箔をパンチングプレス等の打ち込みにより形成するため、技術的にも容易にかつ安価に作製でき、さらに、接続電極の高さを高精度に制御できるため、半田接合性に優れた高信頼の半導体パッケージを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のフィルムキャリアの一実施例を示す模式構成部分断面図である。
【図２】本発明のフィルムキャリアを用いて半導体素子を実装し、プリント配線回路板に半田接合した状態を示す説明図である。
【図３】（ａ）〜（ｅ）は、本発明のフィルムキャリアの製造方法における工程の一部を示す模式構成部分断面図である。
【図４】（ｆ）〜（ｊ）は、本発明のフィルムキャリアの製造方法における工程の一部を示す模式構成部分断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、従来のフィルムキャリアの製造工程の一例を示す模式構成断面図である。
（ｄ）及び（ｅ）は、従来のフィルムキャリアを用いて半導体素子及びプリント配線回路板へ実装した半導体パッケージの一例を示す説明図である。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は、絶縁フィルム基材厚と開口部の孔径との関係を示す説明図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は、開口部上に半田ボールを搭載し、熱フローにより半田バンプを形成する際の形成状態を示す説明図である。
【図８】（ａ）は、従来のフィルムキャリアの構成の一例を示す模式構成断面図である。
（ｂ）は、従来のフィルムキャリアを用いて半導体チップ及びプリント配線板のランドに実装したパッケージの一例を示す模式構成断面図である。
【符号の説明】
１０……片面銅張積層シート
１１……絶縁基材
２１……銅箔
３１、１３１、１３１ａ……開口部
４１……金属箔
４１ａ……打ち込み導体
４１ｂ、１３２……接続電極
５１……補強導体層
５２、１４１ａ……パッド電極
６１……保護レジスト
６２……ソルダーレジストパターン
７１、７３、７５……金型
７１ａ……開口用ポンチ
７２、７４……受け金型
７３ａ……打ち込み用ポンチ
７５ａ……押し込み用ポンチ
７６……平金型
８１、１６１……半導体素子
９１、９２、１５１、１５２……半田バンプ
１００、３００……フィルムキャリア
１０１、１８１……ランド
１１１……絶縁フィルム
１２１……接着剤層
１２２、１２３、１２４……実装後の半田形状
１４１……導体層
１６２……パッド電極
１７１……封止材
１９１、１９２……アンダーフィル
ｔ……絶縁フィルム厚み
λ、λ’……開口部孔径

Claims

絶縁基材（１１）の一方の面にパッド電極（５２）が、他方の面に接続電極（４１ｂ）が形成されており、前記パッド電極（５２）と前記接続電極（４１ｂ）とは電気的に接続されてなるフィルムキャリアにおいて、前記接続電極（４１ｂ）が金属箔（４１）のパンチングプレスによる打ち込み導体（４１ａ）により形成され、前記パッド電極（５２）が絶縁基材上の銅箔（２１）と該銅箔（２１）及び前記接続電極（４１ｂ）上の補強導体層（５１）とから形成されていることを特徴とするフィルムキャリア。
前記接続電極（４１ｂ）の表面位置は前記絶縁基材（１１）の他方の面（外装面）より低くなっていることを特徴とする請求項１に記載のフィルムキャリア。
前記接続電極（４１ｂ）が銅、鉛、錫及びこれらの金属を主成分とする合金で形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のフィルムキャリア。
前記パッド電極（５２）が銅箔（２１）と２μｍ以上の補強導体層（５１）とから形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のフィルムキャリア。
少なくとも以下の工程を備えていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のフィルムキャリアの製造方法。
（ａ）絶縁基材（１１）の片面に銅箔（２１）が積層された片面銅張積層シート（１０）を準備する工程。
（ｂ）プレス金型（７１及び７２）を用いて、片面銅貼り積層シート（１０）の所定位置に開口部（３１）を形成する工程。
（ｃ）所定厚の金属箔（４１）を開口部（３１）が形成された積層シートの銅箔（２１）側に載置し、プレス金型（７３及び７４）を用いて、開口部（３１）内に打ち込み導体（４１ａ）を形成する工程。
（ｄ）プレス金型（７５及び７６）を用いて、打ち込み導体（４１ａ）を銅箔（２１）の上層面まで押し戻し、打ち込み導体（４１ａ）の上端と銅箔（２１）の上層面とが同一面の接続電極（４１ｂ）を形成する工程。
（ｅ）接続電極（４１ｂ）を覆い隠すように保護レジスト（６１）を形成し、電解銅めっき等により、銅箔（２１）及び接続電極（４１ｂ）上に補強導体層（５１）を形成する工程。
（ｆ）銅箔（２１）及び補強導体層（５１）をパターンニング処理して、パッド電極（５２）を形成する工程。
（ｇ）ソルダーレジスト（６２）を形成し、接続電極（４１ｂ）上及びパッド電極（５２）の一部にニッケル、金めっきからなるめっき層（５３）を形成する工程。
半導体素子が請求項１乃至４のいずれか一項に記載のフィルムキャリアを用いて実装され、さらに該フィルムキャリアの接続電極（４１ｂ）上に半田ボールを形成してプリント配線回路板に実装されていることを特徴とする半導体パッケージ。