JPH11163042A - 配線基板及びその製造方法 - Google Patents

配線基板及びその製造方法

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JPH11163042A
JPH11163042A JP9299373A JP29937397A JPH11163042A JP H11163042 A JPH11163042 A JP H11163042A JP 9299373 A JP9299373 A JP 9299373A JP 29937397 A JP29937397 A JP 29937397A JP H11163042 A JPH11163042 A JP H11163042A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 フリップチップ接続方式のセラミック製の配
線基板で、電極用パッドをなすメタライズ層がニッケル
メッキされたもので、そのメッキ層厚さを適切にして、
パッド間を接続するハンダ中のボイドの発生を低減し、
接続の信頼性を高める。 【解決手段】 メタライズ層4上のニッケルメッキ層5
の厚さTを2.5〜8μmとしたから、ニッケルメッキ
が緻密に析出するのでメタライズ層4の露出がなくなり
ハンダ不濡れ面がなくなる。これにより、ハンダ中のボ
イドの発生を低減できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、配線基板に関し、
詳しくはフリップチップ接続方式の半導体集積回路チッ
プ(素子)をハンダ付けにより接続するための電極用パ
ッド群(多数の電極用パッド)を有する配線基板に関す
る。
【0002】
【従来の技術】半導体集積回路チップの実装方式のう
ち、フリップチップ接続方式は、一主面の全面に電極
(入出力接続端子)用パッドを配置した半導体集積回路
チップ(以下、集積回路チップ若しくは単にチップとも
いう)をフェイスダウンで配線基板の各電極用パッドに
ハンダ付けにより直接接続するものであり、高密度で接
続できるものとして、ボールグリッドアレイ(BG
A)、ピングリッドアレイ(PGA)、ランドグリッド
アレイ(LGA)などといったタイプの配線基板(以
下、単に基板ともいう)に広く採用されている。
【0003】このような配線基板及びその電極用パッド
(以下、単にパッドともいう)は、例えば、アルミナセ
ラミックからなるセラミック製の配線基板にあっては、
次のようにして製造される。すなわち、積層された所定
のアルミナグリーンシートに、電極用パッド等のパター
ン(円形や正方形など)に応じてタングステンやモリブ
デン等の高融点金属粉末を主体としてなるメタライズペ
ーストを印刷し、同時焼成することによりその表面にチ
ップやプリント基板(マザーボード)との接続用のパッ
ドをなすメタライズ層を形成し、その後、それらの表面
に例えば無電解メッキ法によりニッケルほう素(Ni−
B)メッキをし、その上に金(Au)メッキして酸化防
止が図られている。
【0004】そして、このようなフリップチップ接続方
式によるアッセンブリーにおいては、図7及び図8に示
されるように、配線基板1の各電極用パッド11と集積
回路チップ31の各電極用パッド32が一致するように
して重ね、加熱によってあらかじめ集積回路チップ31
のパッド32や基板1のパッド11に形成しておいた比
較的高融点のハンダ(バンプ)33をリフローしてハン
ダ付けすることによりパッド11,32間の電気的接続
を行っていた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところが、近時におい
ては配線基板1のパッド11に形成されたハンダバンプ
中、或いは、図8に示されるように、配線基板1に集積
回路チップ31がフリップチップ接続された半導体装置
では、両パッド11,32間を接続するハンダ33中に
原因不明のポア(微小気孔)やボイド(微小空隙)など
の空所(以下、単にボイドという)Vが発生しているこ
とが多く、電気的接続の信頼性に問題があるといった指
摘が浮上してきた。
【0006】このようなボイドVは、図9に示したよう
に、配線基板1と集積回路チップ31との接合面に垂直
方向に引張り荷重Pをかけ、配線基板1から集積回路チ
ップ31を引き離す(ちぎる)ようにしてパッド11,
32間のハンダ33を切断し、そのハンダの切断面を観
察することなどで確認される。すなわち、このようなボ
イドが存在しない場合には、図10に示したように引っ
張りによりハンダが伸びてくびれる際、細くくびれるた
めにその切断先端面が鋭くなるのに対し、ボイドVが存
在していた場合には図11に示したように、ハンダ33
の切断先端面が鋭くならず、その切断面(切り口)にボ
イドVの存在を裏付ける微小なクレータ(凹部)Kが観
察される。因みに、このようなクレータKは従来、パッ
ド数1000に対して150〜350程度発生してい
た。
【0007】ところで、この種の配線基板1のパッド1
1をなすメタライズ層には上記したようにニッケルメッ
キがかけられるが、そのメッキ層の厚さは、従来、1μ
m程度が耐蝕性において必要十分な厚さとされていた。
また、厚すぎればメッキ後に発生する内部応力によりメ
タライズ層が剥離する危険性が高くなるなどかえって問
題が発生しやすく、さらに、メッキ工数(メッキ処理時
間)などの生産効率上ないしコスト上からして一般には
厚くても1.5μmまでとするのが適切とされ、したが
ってその標準的な厚さは、1〜1.5μmの範囲とされ
ていた。
【0008】こうした中、本願発明者らは配線基板1の
パッド11のニッケルメッキ層の厚さが従来適切とされ
ていた1〜1.5μmの範囲では下地メタライズ層の表
面がニッケルメッキ層で十分被覆されず部分的な露出を
生じ、この下地メタライズ層の露出やその部位へのメッ
キ液の残留などがボイドの発生原因になっている可能性
があると考え、ニッケルメッキ後のパッド11の表面を
確認したところ、図12に示されるようにタングステン
(W)、モリブデン(Mo)等下地メタライズ層4や、
この下地メタライズ層4をなすメタライズペーストに含
まれるAl2 3 微粒子などのセラミック粒子やガラス
フリットがニッケルメッキ層5の表面に僅かながら露出
し、ニッケルメッキ層5にピンホールが存在することが
確認できた。そこで、本願発明者らは、このようなメタ
ライズ層4の露出が解消されるようにニッケルメッキ層
5の厚さを種々変えたサンプルを作り、これに集積回路
チップをフリップチップ接続し、上記の引張り試験を繰
返し実施してハンダの切断面の状態を確認するなど各種
の試験を繰返したところ、ニッケルメッキ層の厚さを所
定範囲に設定した場合には、そのボイドの発生数(率)
を格段と低減できることを知った。
【0009】本発明は、かかる知見に基づいてなされた
もので、その目的とするところは、フリップチップ接続
方式のセラミック製の配線基板であって、その電極用パ
ッドをなすメタライズ層がタングステン、モリブデン、
マンガン等の高融点金属からなり、これがニッケルメッ
キされてなるものにおいて、そのメッキ厚さを適切に設
定することで、フリップチップ接続におけるハンダ中の
ボイドの発生を低減し、もって電気的接続の信頼性を高
めることのできる配線基板を得ることにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
本発明は、フリップチップ接続方式の集積回路チップを
ハンダ付けにより接続するための電極用パッド群を備
え、該各電極用パッドをなすメタライズ層上にニッケル
メッキ層を有してなるセラミック製の配線基板におい
て、該ニッケルメッキ層の厚さを2.5〜8μmとした
ことにある。
【0011】従来の配線基板のパッドをなすメタライズ
層上のニッケルメッキ層の厚さは、1〜1.5μmであ
ったのに対し、本発明においては2.5〜8μmあり、
従来の略2〜3倍以上の厚さがある。このため、ニッケ
ルメッキ層はメタライズ層の露出が防止される程度にそ
の表面に緻密に析出したものとなる。したがって、メッ
キ液の残留もなく、Auメッキが全面に被着され、或い
はその後のハンダバンプの形成時やハンダ付け時におい
てハンダ不濡れ面がなくなるため、集積回路チップのパ
ッド間でハンダ付けした後において、ハンダ中に発生す
るボイドは著しく低減される。
【0012】本発明において、ニッケルメッキ層の厚さ
を2.5μm以上としたのは、これより薄いと、下地メ
タライズ層が部分的に露出し、メッキ層にピンホールが
できハンダが濡れない部分が残存し、その部分に起因し
てボイドが形成されるためである。一方、ニッケルメッ
キ層の厚さが8μmを超えるようだと、メッキ析出時に
メッキ層に発生する内部応力やセラミックや下地メタラ
イズ層とメッキ層との熱膨張係数の違いに起因して、そ
のメッキ後において下地メタライズ層の密着性の低下や
密着不良(剥離や基板との間のクラックの発生)を招い
てしまい、この面において接続信頼性を低下させる危険
性が増大する。本発明において、ニッケルメッキ層の厚
さは2.5〜8μmとすればよいが、好ましくは、3〜
7μmの範囲とするとよい。この範囲では、ボイドの発
生率も低く、しかも内部応力による下地メタライズ層の
剥離の危険性も一層低減できるからである。
【0013】なお、ニッケルメッキは、電気的に独立し
たパッドには無電解メッキやバレルメッキによることに
なるが、相互に電気的導通が確保されているようなパッ
ドでは電解メッキとすることができる。ただし、その厚
さはいずれにおいても、2.5〜8μmの範囲であれば
よく、好ましくは3〜7μmの範囲である。また、ここ
にニッケルメッキには、Ni−Bメッキ、Ni−Pメッ
キ、Ni−Coメッキ等のNi合金メッキも含む。
【0014】ここで無電解メッキによってニッケルメッ
キ層を形成する場合には、少なくともNi−Bメッキに
よってニッケルメッキ層の最表面を形成するのが好まし
い。具体的にはニッケルメッキ層全体をNi−Bメッキ
によって形成するのが好ましく、その他、ニッケルメッ
キ層のうち下層をNi−Pメッキなどによって形成し、
その後、Ni−Bメッキにより最表層を形成してもよ
い。Ni−Bメッキによって形成されたNi−Bメッキ
層はハンダ濡れ性に優れるからである。
【0015】また、ニッケルメッキ層の上には、何も設
けないようにしてもよいが、厚さ0.01〜1μm、さ
らに好ましくは0.03〜0.1μmの金(Au)メッ
キ層を形成するのが好ましい。金メッキ層により下層
(下地)となるニッケルメッキ層(以下、下地ニッケル
メッキ層若しくは下地ニッケル(層)ともいう)の酸化
防止ができ、ハンダ濡れ性を向上及び安定化させ得るか
らである。十分な酸化防止を図るためには金メッキ層の
厚さを0.01μm以上必要とする。一方、パッド上に
Pb−Sn系などのハンダ或いはハンダバンプ(端子)
を形成、接合すると、金メッキはすみやかにハンダ中に
拡散し、脆い金属間化合物(Au−Sn合金)を生成す
るが、金メッキが1μmより厚い場合にはパッド上に設
けるハンダ中に多くの金(Au)が拡散して金属間化合
物が多くなりすぎ、ハンダバンプ自身の強度やハンダバ
ンプとパッドとの接合強度を低下させる。したがって、
金メッキ層の厚さは0.01〜1μmとするのが適切で
あるが、より好ましくは0.03〜0.1μmの範囲で
ある。この範囲では酸化防止にも十分であり、かつハン
ダとの金属間化合物の生成量も少なくなるためである。
【0016】さらに、このような金メッキ層には、ハン
ダバンプの形成前に下地ニッケル層をなすニッケルが拡
散されているのが好ましい。すなわち、前記ニッケルメ
ッキ層の上には、厚さが0.01〜1.0μmで、金に
ニッケルを含んでなる金ニッケル層が形成されていると
よい。このような金ニッケル層が形成されていると、結
果としてさらにボイド発生が低減できるし、ハンダ(或
いはハンダバンプ)の密着(接合)強度及びハンダ自体
の強度も高められるためである。
【0017】ボイドの発生が低減できる理由は次のよう
に考えられる。ニッケルメッキ層の上に単に金メッキを
して金メッキ層を形成してなるパッドでは、金メッキ直
後では、金はニッケル上に置換反応で析出するため、両
者が密着(反応)しているのは僅かと考えられる。した
がって、このような金メッキの上にPb−Sn系のハン
ダが溶融接合されると、ハンダへの金の拡散速度が速い
のに対し、ニッケルへのハンダの拡散速度は遅いため、
この拡散速度のアンバランスにもハンダ中にボイドが発
生しやすい原因があると考えられる。これに対して、金
ニッケル層では、含まれるニッケルが、金がハンダに拡
散するのを抑制ないし防止する作用があるためその速度
が遅く、したがって拡散速度のアンバランスが解消さ
れ、結果としてハンダ中にボイドができにくくなると考
えられる。
【0018】また、前記したようにニッケルメッキ層上
に単に金メッキをしてなる場合には、ハンダ形成時にそ
の金がハンダに極めて容易に溶解して拡散するため、ハ
ンダと下地ニッケル層とが直接接触してハンダ付けされ
てしまう。これに対し、パッドをなすニッケルメッキ層
上に、金ニッケル層を形成したものでは、金ニッケル層
中のニッケルが、その金をハンダに拡散するのを制限
(抑制)ないし防止する作用があるため、ハンダは下地
ニッケル層と直接接触することなく、金ニッケル層と接
触する。ハンダは下地ニッケル層と接触する場合に比
べ、金ニッケル層と接触する場合の方が密着強度が高
く、しかも金属間化合物の生成も抑制されるから、その
分ハンダの密着強度及びハンダ自体の強度も高められ
る。すなわち、金ニッケル層中のニッケルは、金ニッケ
ル層中の金のハンダ中への溶解を制限する作用が高く、
したがって高い密着強度を確保できる。したがって、フ
リップチップ接続後、両パッド間に発生する剪断力によ
って接合しているハンダが破断するのを防止するために
も有効である。
【0019】なお、このように単に金層の形成に代えて
金ニッケル層を形成する場合でも、その厚さは0.01
〜1.0μmの範囲とするのが好ましい。そして、金ニ
ッケル層中のニッケル含有量は、10〜80原子%の範
囲が適切である。この範囲のニッケルの含有があると、
ボイドの発生数の低減に効果的だからである。
【0020】なお、各電極用パッドをなすメタライズ層
上のニッケルメッキ層の上に金ニッケル層を形成するの
は、下地ニッケルメッキ層の形成後に金メッキをかけ、
その後、所定温度で熱処理することによって、ニッケル
メッキ層中のニッケルを金メッキ層中に拡散させる手法
によるのがよい。このような熱処理によって拡散させる
場合には、その処理自体が容易である上に、温度条件、
時間条件で拡散量(ニッケル含有量)の制御が容易にで
きるからである。しかも、熱処理によって、メッキ被膜
中に取込まれたメッキ液をガス化して除去できるので、
ハンダ中のボイドの発生の低減にも一層寄与できる。
【0021】なお、拡散によって金ニッケル層を形成す
るための熱処理(最高)温度は、150℃〜750℃の
範囲が適切である。150℃未満では温度が低いために
ニッケルの十分な拡散が得られないので、十分な効果つ
まりハンダ中のボイドの発生を低減できないためであ
る。一方、750℃を超える場合には拡散し過ぎで金ニ
ッケル層中のニッケル含有量が多くなり過ぎるためであ
る。つまり、パッド表面の金含有量が余りに少なくな
り、その酸化防止の効果が得られないためである。な
お、このような問題を一層効果的に回避するためには、
熱処理温度を350〜550℃とするとよい。
【0022】そして、本発明に係る配線基板の製造に当
たっては、ニッケルメッキ層に金メッキ層若しくは金ニ
ッケル層を形成する場合も含め、ニッケルメッキ層の厚
さが2.5〜8μm好ましくは3〜7μmとなるよう
に、そのニッケルメッキを複数回に分けてかけるのが好
ましい。すなわち、こうしたニッケルメッキ層の厚さは
1回のメッキでも得ることができるが、複数回でその厚
さとなるようにメッキをかけ、複数のニッケルメッキ層
とするのがより好ましい。複数回に分けてメッキをかけ
た場合には同じ厚さを1回でかけた場合に比べ、下地メ
タライズ層の被覆がより具合良くなされ、その露出を略
皆無とし得る結果、ボイドの発生数を一層低減できるか
らである。
【0023】なお、このように複数回に分けてニッケル
メッキをかける際には、各回のニッケルメッキ層の厚さ
をなるべく一定に設定するのがメッキ作業上から好まし
い。またメッキの密着安定化のためやメッキ層の内部応
力の緩和のため、複数回に分けたニッケルメッキ工程の
間に、少くとも1回の加熱処理工程を含めるとよく、好
ましくはその加熱処理は、各回のメッキ後(次回のメッ
キの前)ごとにするとよい。このようにすることで、メ
ッキのブリスター(フクレ)や下地メタライズ層の剥離
(ハガレ)の防止に有効だからである。
【0024】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図1ないし
図3を参照して詳細に説明する。図1中1は、フリップ
チップ接続方式の集積回路チップ接続用の配線基板(パ
ッド部分の断面の一部のみ図示)であり、詳しくは図示
しないがアルミナセラミック製のセラミック基板2の一
主面2aには、ビア3に接続されてパッド11をなすと
ころの多数のメタライズ層4が基板2と共に同時焼成に
より形成されている。そして、各メタライズ層4には、
例えば、無電解メッキ法により、Ni−Bメッキ層から
なるニッケルメッキ層5が厚さ(T)2.5〜8μmで
被着され、その上に、例えば0.03〜0.1μm程度
の厚さの金メッキ層6が被着され、パッド11をなすよ
うに形成されている。
【0025】このような配線基板1ではパッド11の下
地メタライズ層4はニッケルメッキ層5でほぼ完全に被
覆されている。したがって、図2に示したように、この
配線基板1のパッド11に、フリップチップ接続方式の
集積回路チップ31をそのパッド32を位置決めして搭
載され、例えば集積回路チップ31側の多数の各パッド
32に予め形成された高融点ハンダバンプ33をリフロ
ーすることにより、図3に示したように、パッド11,
32間がハンダ付けされる。しかして、そのハンダ33
a中にはボイドはほとんど存在せず、したがって電気的
接続信頼性の高いフリップチップ接続方式の半導体装置
と成すことができる。
【0026】以下、次記したようにしてニッケルメッキ
層5の厚さ(T)の異なる配線基板(試料)1を多数つ
くり、各々に集積回路チップ31をフリップチップ接続
し、図9に示したようにして基板1とチップ31との間
を面に垂直方向に引張って配線基板1から集積回路チッ
プ31を引き離し(取り外し)、その際のハンダ33a
の切断面(切り口)を20倍に拡大してニッケルメッキ
層5の厚さ(T)とボイドの発生状況(クレータの発生
したパッドの数)を確認し、さらにニッケルメッキ層5
の厚さ(T)によるそのメッキ後における下地メタライ
ズ層4の剥離(メタライズ層4と基板2との間にクラッ
クの発生したパッドの数)を確認した。ただし、試料
は、100パッドのフリップチップ接続用のBGA配線
基板であり、これの各パッド11に高融点ハンダ(97
Pb−3Sn)でチップ31の各パッド32をハンダ付
けした。試料は各10個であり、したがって、全パッド
数は1000である。結果は表1に示した通りである。
【0027】なお、セラミック基板(試料各10個)2
はアルミナ製で、平面寸法25×25mm,厚さ1.0
mmのものとし、パッド11をなすメタライズ層4は、
径0.14mm(円形)、ピッチ0.3mm、数(縦
横)10×10=100のものとし、これに無電解メッ
キ法によりNi−Bメッキ5をその厚さが1〜8.2μ
mの範囲となるように1回のメッキでかけ、密着安定化
のためH2 雰囲気下で550〜650℃で熱処理し、さ
らに、無電解メッキ法により金メッキ層(厚さ0.05
μm)6を被着形成してなるものである。ただし、金メ
ッキ後は熱処理などによる金メッキ層へのニッケルの拡
散はしていない。そして、このようにして形成された配
線基板1のパッドにフラックスを塗布し、集積回路チッ
プ(5.0×5.0mm、厚さ0.75mm、ハンダバ
ンプ径0.16mm、ハンダバンプの高さ0.1mm
(ハンダ:97Pb−3Sn))31を位置決め搭載
し、N2雰囲気中で最高370℃の下でハンダをリフロ
ーしてフリップチップ接続した。
【0028】
【表1】
【0029】表1より明らかなように、ニッケルメッキ
の厚さ(T)1μm、2μmのものでは、ボイドの発生
状況(クレータの発生したパッド数)は約15〜30%
であったのに対して、本発明範囲(2.5μm〜8μ
m)内のものでは、ボイドは発生状況は10%以下に抑
えることができた。とりわけ3μm以上の場合には7.
4%以下に低減されている。図4は、ニッケルメッキ層
の厚さ(T)とボイドの発生状況(全パッドのうちボイ
ド(クレータ)の発生したパッドの率(%))との関係
を示したグラフである。このグラフからも理解される
が、ニッケルメッキ層5の厚さ(T)が厚いほど、ボイ
ドの発生防止に効果的であることがわかる。しかし、前
記したように、ニッケルメッキ層5が厚すぎると、その
メッキ後の下地メタライズ層4の剥離やクラックの発生
の危険性が増大する。
【0030】表1中のニッケルメッキ層5の厚さ(T)
による下地メタライズ層4の剥離の発生状況(剥離の発
生したパッド数)からすると、ニッケルメッキ層5の厚
さ(T)は、好ましくは7μm以下とすると良いことが
分かる。なお、ニッケルメッキ層5の厚さ(T)が7μ
mの場合と7.7μmの場合におけるボイドの発生状況
は、メタライズ層4の剥離のないもののうちの数であ
る。なお、ニッケルメッキ層5の厚さ(T)が8.2μ
mの場合、メタライズ層4が剥離したパッド数が半数以
上となったため、ボイドの発生数は測定しなかった。こ
れらのことからすると、ニッケルメッキ層5の厚さ
(T)は、3.2〜3.5μmを設計値とし、3〜7μ
mの範囲に収まるようにするのが適切である。
【0031】さて次に、前記の試料において無電解メッ
キ法によって金メッキを厚さ0.05μmかけた後、H
2 雰囲気下、所定温度(最高温度150〜850℃)で
熱処理することで金メッキ層6中に下地ニッケル層中の
ニッケルを拡散させた。こうして下地ニッケル層5の上
に金ニッケル層を形成した試料をつくり、金ニッケル層
中のニッケル含有量(拡散量)をオージェ電子分析によ
って確認し、さらに前記したのと同一条件で集積回路チ
ップ31をフリップチップ接続し、同一の試験(チップ
の引き離し試験)、確認法によってボイドの発生数を確
認した。結果は表2に示した通りである。
【0032】なお、オージェ電子分析によるニッケル
(Ni)含有量の分析・測定条件は、オージェ分析装置
が日本電子(JEOL)製のJAMP−30で、加速電
圧10kV、照射電流3×10-7mA、スポット径(分
析面積)φ50μmである。この条件では、測定試料の
表面から約50オングストローム(0.005μm)の
深さまでの物質の情報が得られる。なお、Ni含有量
(原子%)は、熱処理温度条件ごと3つの試料(配線基
板)の各々について、適宜選択したパッド11中央の金
ニッケル層の表面の3点(箇所)を測定し、表2にはそ
の9つの測定値の平均値を記してある。
【0033】
【表2】
【0034】表2に示したように、加熱処理をした試料
のうち、試料番号2〜8のものは、加熱処理していない
試料(試料番号1)に比べ、さらにボイドの発生数を低
減できることが分かる。一方、加熱処理温度が850℃
の試料(試料番号9)では、原因不明であるがボイドの
発生数が多くなっている。この結果から、ボイド発生数
の低減のためには、熱処理温度は150〜750℃が好
ましい範囲といえる。また、熱処理していない場合のN
i含有量が0であるのに対し、熱処理温度150〜75
0℃でのニッケル含有量が10〜80原子%である。こ
のことから、金ニッケル層を蒸着など熱処理によらない
で形成する場合には、ニッケル含有量が10〜80原子
%の範囲となるように金ニッケル層を形成すればよい。
なお、試料番号1のボイド発生数は表1のそれより若干
(約12%)多かった。
【0035】さて、次に前記の配線基板の製造におい
て、ニッケルメッキを複数回に分けてかけたものにおけ
るボイドの発生状況などについて説明する。ただし、こ
うして製造された配線基板及びその製法は、ニッケルメ
ッキをかけてブリスターや下地メタライズ層の剥離の防
止のための加熱処理をし、これを複数回行い、その後、
無電解メッキ法によって金メッキ(厚さ0.05μm)
をかけ(図5参照)、複数のメッキ層とした点を除き基
本的には前記したのと同じである。またボイドの発生状
況などの確認法も同じである。なお、ブリスターや下地
メタライズ層の剥離の防止のための加熱処理は各回のニ
ッケルメッキ後に行い、その条件はH2 雰囲気中、最高
570℃とした。以下の実施形態例でも同じである。
【0036】まず、無電解メッキ法によりNi−Bメッ
キを2回に分けてかけ、合計で所定厚さ(T)のニッケ
ルメッキ層5とした場合で説明する。ただし、金メッキ
後の熱処理(ニッケルの拡散)はしていない。結果は、
表3に示した通りである。なお、試料をなす配線基板及
びその試料数も前同様であり、したがって全パッド数は
1000である。以下、同じである。
【0037】
【表3】
【0038】表3及び図6より明らかなように、本発明
範囲のものも含め、前記(表1参照)の1回で所望とす
るニッケルメッキ層厚さとした場合に比べ、ボイドの発
生したパッド数はさらに低減している。このことは、1
回でメッキをかけるより2回でメッキをかける方が下地
メタライズ層4の被覆がより具合良くなされていること
を示すものと考えられる。そして、2回に分けても、比
較例では厚さが2μm以下の場合にはボイドの発生した
パッド数は依然として多い。また、8.4μmでは、メ
タライズ層の剥離の発生が約13%と、まだ多くみられ
たのでボイドの発生数は測定しなかった。
【0039】次に、無電解メッキ法によりNi−Bメッ
キ5を3回に分けて所定厚さのニッケルメッキ層とした
場合におけるボイドの発生状況について説明する。ただ
し、金メッキ後の熱処理(ニッケルの拡散)はしていな
い。結果は、表4に示した通りである。
【0040】
【表4】
【0041】表4及び図6より明らかなように、3回で
所望とするニッケルメッキ層5の合計厚さ(T)とした
場合のボイドの発生数は、2回で同メッキをかけた場合
と同様ないしそれより少なめである。そして、この場合
にも、比較例では厚さが1.9μm以下の場合にはボイ
ドの発生したパッド数は依然として多い。また、3回に
分けても、ニッケルメッキ層5の厚さ(T)が8.7μ
mの場合には、メタライズ層の剥離の発生が約10%
と、まだ多くみられたのでボイドの発生数は測定しなか
った。このような結果から複数回でメッキをかけ、複数
層のニッケルメッキ層とする場合でもその合計厚さ
(T)は、2.5〜8μmとするのが適切といえるが、
安全性を考慮すると、前記したのと同様、3〜7μmの
範囲とするのがより好ましいといえる。
【0042】さて次に、ニッケルメッキ層を、メッキを
3回に分けてかけた場合において、その後無電解メッキ
法によって金メッキを厚さ0.05μmかけた後、H2
雰囲気下、所定温度(最高温度150〜850℃)で熱
処理することで金メッキ層中に下地ニッケル層中のニッ
ケルを拡散させ、下地ニッケル層の上に金ニッケル層を
形成した試料をつくり、前記と全く同様にして、金ニッ
ケル層中のニッケル含有量とボイドの発生数を確認し
た。ただし、ニッケルメッキの厚さTは、1回目が1.
4μm、2回目が1.2μm、3回目が1.2μmの合
計3.8μmとした。結果は表5に示した通りである。
【0043】
【表5】
【0044】表5に示したように、3回のニッケルメッ
キの後、金メッキし、その後、加熱処理をして金ニッケ
ル層を形成した試料についても、1回のニッケルメッキ
の後、金メッキし、その後、加熱処理をして金ニッケル
層を形成した試料とほぼ同様の結果であった。すなわ
ち、加熱処理をした試料のうち、試料番号2〜8のもの
は加熱処理していない試料(試料番号1)に比べ、さら
にボイドの発生数を低減することができる。一方、加熱
処理温度が850℃の試料(試料番号9)では、ボイド
の発生数が多くなっている。この結果からしても、ニッ
ケルメッキ層の上に金ニッケル層を形成するのがボイド
発生数の低減に有効であることがわかる。そしてその熱
処理温度はやはり150〜750℃が好ましい範囲とい
える。また、熱処理していない場合のNi含有量が0で
あるのに対し、好ましい熱処理温度150〜750℃に
対応するニッケル含有量は前とほぼ同様の範囲(10〜
80原子%)であった。さらに、試料番号1のボイド発
生数は表4のそれより約22%多かった。
【0045】表6は、ニッケルメッキの回数(及び同メ
ッキ層の厚さ)と、ボイドの発生したパッド数、剥離の
発生したパッド(下地メタライズ層)数との関係を示し
たものである。なお、金メッキ後の熱処理(ニッケルの
拡散)はしていない。
【表6】
【0046】表6より本発明範囲のニッケルメッキ層5
の厚さ(T)においては、そのメッキの回数にかかわら
ず、ボイドの発生数は少なく良好な結果が得られた。こ
れに対して比較例(厚さが1.8μm)では、ボイドの
発生したパッド数は依然として多い。またニッケルメッ
キ層5の合計厚さ(T)が9.4μm以上では剥離が問
題となる。この結果からも本発明の効果が実証される
が、複数回でメッキをかける場合には、その作業効率な
いし生産性から、3回以下とするのが適切である。ま
た、1回のメッキ厚さは同じとするのがメッキ作業も容
易であり好ましい。なお、1回のメッキ厚さは3.0μ
mを超えないようにするのが、ブリスターを発生させな
いためにも好ましい。
【0047】なお、上記においては無電解メッキによっ
てニッケル純度の高いNi−Bメッキとした場合を例示
したが、本発明においては前記したようにこれに限定さ
れるものではなく、Ni−PメッキなどひろくNi合金
メッキを適用する場合でも同様の効果があり、また、電
解ニッケルメッキによる場合でも本発明範囲内の厚さと
することで同様の効果がある。さらに上記例ではニッケ
ルメッキ層上に金(Au)メッキをした場合を例示した
が、単に金メッキをしただけでは主として酸化防止の作
用しかなく、ハンダ付時にハンダ中に容易に溶解、拡散
してハンダとニッケルメッキ層が直接接するようにな
る。
【0048】これに対して、金メッキ後に下地ニッケル
層のニッケルを金メッキ層中に拡散させることで金ニッ
ケル層としたときには、酸化防止作用がある上にボイド
の発生数の低減のために一層有効である。したがって、
本発明においてニッケルメッキ層にかける金メッキ層
は、熱処理して金ニッケル層としておくのが好ましい。
因みに、金ニッケル層の形成は、金メッキのあと、前記
したように配線基板全体を熱処理して下地ニッケル層の
ニッケルを金層に拡散させる方法に限定されるものでは
ない。すなわち、金メッキ後にレーザー光線の照射や電
子ビームの照射によってパッドの部分のみ加熱してニッ
ケルを金メッキ層の中に拡散させることでも形成でき
る。その場合には、ハンダ付けしない部分の金層はニッ
ケルが拡散していないので、その分、耐酸化性が高く保
持される。さらに、前記では、金メッキ後にニッケルを
拡散させて金ニッケル層としたが、金ニッケル層の形成
はこれに限定されるものではなく、例えば金とニッケル
を蒸着やスパッタリング等の気相成長によって同時にパ
ッド上に形成して金ニッケル層とすることもできる。
【0049】なお、本発明は、フリップチップ接続方式
の集積回路チップのように全面に多数の電極用パッドを
備えたチップを実装する配線基板であればよく、ボール
グリッドアレイ(BGA)のほか、ピングリッドアレイ
(PGA)、ランドグリッドアレイ(LGA)などとい
ったタイプの配線基板など、プリント基板(外部回路基
板)との接続方式にかかわらず適用できる。さらに、上
記においては配線基板はアルミナセラミック製とした
が、これ以外にガラスセラミック、AlN、ムライト等
からなるものでもその電極用パッド用のメタライズ層
が、タングステン、モリブデン、マンガンなどを主成分
とする高融点金属からなるものである場合において同様
に適用できる。
【0050】
【発明の効果】以上のように本発明に係る配線基板によ
れば、電極用パッドをなすメタライズ層上のニッケルメ
ッキ層の厚さを2.5〜8μmとしたことから、メタラ
イズ層の剥離や基板との間のクラックの発生を殆ど発生
させることなく、集積回路チップのフリップチップ接続
後において、パッド間を接続するハンダ中のボイドの発
生を極めて効果的に低減できる。この結果、フリップチ
ップ接続方式の半導体装置として、その電気的接続の信
頼性を飛躍的に高めることができる。とりわけ、ニッケ
ルメッキ層の厚さを3〜7μmとしたものでは、メタラ
イズ層の剥離も略皆無とし得、したがってその電気的接
続の信頼性を一層飛躍的に高めることができる。
【0051】また、パッドをなすニッケルメッキ層上
に、金にニッケルを含んでなる金ニッケル層を形成した
ものでは、さらにボイド発生を低減できるし、ハンダの
密着強度を高めることができる。
【0052】そして、本発明の配線基板の製造におい
て、ニッケルメッキを複数回に分けてかける場合には、
1回でかける場合に比べて、下地メタライズ層の被覆が
より具合良くなされ、その露出がより効果的に防止され
る。その結果、フリップチップ接続方式による集積回路
チップの接続後におけるパッド間のハンダ中のボイドの
発生をさらに効果的に低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る配線基板の実施形態を説明するパ
ッド部分の拡大断面図。
【図2】図1の配線基板のパッドに、フリップチップ接
続方式の集積回路チップをそのパッドを位置決めして搭
載したハンダリフロー前の状態を説明する拡大断面図。
【図3】図2においてハンダをリフローして基板に集積
回路チップをフリップチップ接続した際のパッド間のハ
ンダ接合状態を説明する拡大断面図。
【図4】ニッケルメッキ層の厚さとボイドの発生状況と
の関係を示す表1の内容をグラフ化した図。
【図5】Ni−Bメッキを複数回かける場合のメッキ工
程例図。
【図6】Ni−Bメッキの回数・厚さとボイドの発生状
況との関係を示す、表1、表3、表4の内容を比較グラ
フ化した図。
【図7】配線基板に集積回路チップをフリップチップ接
続してなる半導体装置の模式的正面図。
【図8】図7におけるパッド間のハンダ接合状態を説明
する模式的拡大断面図。
【図9】配線基板から集積回路チップを引き剥がす状態
の説明用正面図。
【図10】ハンダ中にボイドがない場合、配線基板から
集積回路チップを引き離した際のハンダの切断状態説明
図。
【図11】ハンダ中にボイドがある場合、配線基板から
集積回路チップを引き剥がした際のハンダの切断状態説
明図。
【図12】従来の配線基板における電極用パッド用をな
すメタライズ層にニッケルメッキを1〜1.5μmかけ
たときのメタライズ層の露出状態を説明する断面概念
図。
【符号の説明】
1 配線基板 2 セラミック基板 4 電極用パッド用のメタライズ層 5 ニッケルメッキ層 6 金メッキ層 11 配線基板の電極用パッド 31 フリップチップ接続方式の集積回路チップ 32 集積回路チップの電極用パッド 33 ハンダ T ニッケルメッキ層の厚さ

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 フリップチップ接続方式の集積回路チッ
    プをハンダ付けにより接続するための電極用パッド群を
    備え、該各電極用パッドをなすメタライズ層上にニッケ
    ルメッキ層を有してなるセラミック製の配線基板におい
    て、該ニッケルメッキ層の厚さを2.5〜8μmとした
    ことを特徴とする配線基板。
  2. 【請求項2】 フリップチップ接続方式の集積回路チッ
    プをハンダ付けにより接続するための電極用パッド群を
    備え、該各電極用パッドをなすメタライズ層上にニッケ
    ルメッキ層を有してなるセラミック製の配線基板におい
    て、該ニッケルメッキ層の厚さを3〜7μmとしたこと
    を特徴とする配線基板。
  3. 【請求項3】 前記ニッケルメッキ層の少くとも最表面
    はNi−Bメッキによって形成されていることを特徴と
    する請求項1又は2記載の配線基板。
  4. 【請求項4】 前記ニッケルメッキ層の上には、金メッ
    キ層が形成されていることを特徴とする請求項1、2又
    は3記載の配線基板。
  5. 【請求項5】 前記金メッキ層は、厚さが0.01〜
    1.0μmであることを特徴とする請求項4記載の配線
    基板。
  6. 【請求項6】 前記ニッケルメッキ層の上には、厚さが
    0.01〜1.0μmで、金にニッケルを含んでなる金
    ニッケル層が形成されていることを特徴とする請求項
    1、2又は3記載の配線基板。
  7. 【請求項7】 請求項6記載の配線基板において、金ニ
    ッケル層中のニッケル含有量が10〜80原子%である
    ことを特徴とする配線基板。
  8. 【請求項8】 各電極用パッドをなすメタライズ層上に
    ニッケルメッキをかけ、そのニッケルメッキ層の上に金
    メッキをかけ、その後150℃〜750℃で熱処理する
    ことによって、金メッキ層中にニッケルメッキ層中のニ
    ッケルを拡散させ、金にニッケルを含んでなる金ニッケ
    ル層を形成することを特徴とする、請求項6又は7記載
    の記載の配線基板の製造方法。
  9. 【請求項9】 前記ニッケルメッキ層を、メッキを複数
    回に分けてかけることによって形成することを特徴とす
    る請求項1〜7記載の配線基板の製造方法。
  10. 【請求項10】 複数回に分けたニッケルメッキ工程の
    間に、少くとも1回の加熱処理工程を含むことを特徴と
    する請求項9記載の配線基板の製造方法。
  11. 【請求項11】 請求項8記載の配線基板の製造方法に
    おいて、ニッケルメッキ層を、メッキを複数回に分けて
    かけることによって形成することを特徴とする配線基板
    の製造方法。
  12. 【請求項12】 請求項11記載の配線基板の製造方法
    において、複数回に分けたニッケルメッキ工程の間に、
    少くとも1回の加熱処理工程を含むことを特徴とする配
    線基板の製造方法。
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