JP2009004454A - 電極構造体及びその形成方法と電子部品及び実装基板 - Google Patents
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Abstract
【課題】薄型化に対応できてコプラナリティを良好に設定できると共に、簡易な方法で形成できる電極構造体を提供する。
【解決手段】本発明の電極構造体は、金属電極14,16と、その上に形成されたはんだ合金層19(錫・ニッケル合金層)とから構成される。はんだ合金層19は、金属電極14,16の上に形成されたはんだ層をリフロー加熱した後に、はんだ層を除去することによって得られる。この電極構造体は、電子部品や実装基板の外部接続電極に適用することができる。
【選択図】図5
【解決手段】本発明の電極構造体は、金属電極14,16と、その上に形成されたはんだ合金層19(錫・ニッケル合金層)とから構成される。はんだ合金層19は、金属電極14,16の上に形成されたはんだ層をリフロー加熱した後に、はんだ層を除去することによって得られる。この電極構造体は、電子部品や実装基板の外部接続電極に適用することができる。
【選択図】図5
Description
本発明は電極構造体及びその形成方法と電子部品及び実装基板に係り、さらに詳しくは、電子部品や実装基板の接続電極に適用できる電極構造体及びその形成方法とそれを備えた電子部品及び実装基板に関する。
従来、半導体チップが実装されて半導体装置を構成するパッケージとしてBGA(Ball Grid Array)型パッケージがある。BGA型パッケージでは配線基板(インターポーザ)の上に半導体チップが実装され、配線基板の下側にはんだバンプが設けられる。図1に示すように、はんだバンプ300は、配線基板100の上に設けられた電極パッド200の上にはんだボールを搭載したり、はんだをスクリーン印刷したりすることによって形成される。
はんだ接続に関連する技術としては、特許文献1には、接続体に設けられた導体ポストを被接続体のランドに接着剤層を介して接続する際に、導体ポストの先端部にはんだ層を形成しておき、はんだ接合する前にはんだ層を熱処理することにより、層間接続の信頼性の高い多層配線板を製造することが記載されている。
また、特許文献2には、プリント配線板の実装用パッドが配置される絶縁層の開口部をレーザで形成し、実装用パッドの表面にはんだをコーティングしたり、ニッケル、金めっきを行ったり、化学処理によって銀や錫を析出させたりすることにより、実装時のはんだの接着阻害を防止することが記載されている。
特開2002−158447号公報
特開2002−353593号公報
図1に示したように、従来技術のBGA型パッケージでは、外部接続端子として高さが100〜350μmのはんだバンプ300を使用するので、配線基板100の厚みがはんだバンプの高さ分だけ厚くなるので、薄型化が要求されるパッケージに容易に対応できない問題がある。
また、図2に示すように、特にスクリーン印刷ではんだを形成する場合、はんだの供給量のばらつきなどによってはんだバンプ300の高さにばらつき(±30μm程度)が生じるので、高いコプラナリティ(平坦度)が要求される場合は容易に対応できない。
さらには、図3に示すように、電極パッド300の配置が狭ピッチになると、はんだバンプ300同士が繋がって電気ショートが発生してしまうことがあり、歩留り低下の要因になる。これに加えて、配線基板100の複数のチップ領域のうちはんだバンプ300が不良形成された配線基板を排除するため、はんだバンプ300を形成した後に、外観検査装置によって良品を選別する必要があり、工数が増大する問題がある。
しかも、上記した図2及び図3のはんだバンプ300の不良発生を防止するためには、はんだバンプ300を形成するためのスクリーン印刷装置やそれで使用されるマスク及びプロセス条件などの厳密な管理が必要となり、プロセスが煩雑になって生産効率の低下を招くことになる
本発明は以上の課題を鑑みて創作されたものであり、薄型化に対応できてコプラナリティを良好に設定できると共に、簡易な方法で形成できる電極構造体及びその形成方法と電子部品及び実装基板を提供することを目的とする。
本発明は以上の課題を鑑みて創作されたものであり、薄型化に対応できてコプラナリティを良好に設定できると共に、簡易な方法で形成できる電極構造体及びその形成方法と電子部品及び実装基板を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明は電極構造体に係り、基板上に設けられた電極構造体であって、前記電極構造体は、金属電極と、前記金属電極の表面に形成されたはんだ合金層とから構成されていることを特徴とする。
本発明の電極構造体は、金属電極とその上に形成されたはんだ合金層(錫・ニッケル合金など)とから構成され、接続電極にバンプが設けられていない。
本発明では、バンプを省略し、高さの均一性のよい接続電極を外部接続部として利用するので、コプラナリティを良好に設定することができると共に、バンプの高さ分だけ薄型化することができる。また、接続電極の表面にはんだの主成分である錫が合金として残されるので、はんだバンプを利用する場合と同程度の接合性を得ることができる。
本発明の電極構造体は、各種の電子部品又は実装基板などの外部接続電極に適用することができる。
また、上記した課題を解決するため、本発明は電極構造体の形成方法に係り、電子部品又は基板に金属電極を形成する工程と、前記金属電極の上にはんだ層を形成する工程と、前記はんだ層をリフロー加熱することにより、前記金属電極と前記はんだ層との間にはんだ合金層を形成する工程と、前記はんだ層を除去することにより、前記はんだ合金層を露出させて接続電極を得る工程とを有することを特徴とする。
本発明の形成方法を使用することにより、上記した発明の電極構造体を容易に形成することができる。
本発明の電極構造体の形成方法では、はんだバンプの高さがばらつくとしても、はんだバンプが除去されることから、コプラナリティは高さが均一な接続電極で決定されることになるので、コプラナリティを良好に設定することができる。
また、金属電極が狭ピッチとなってはんだバンプ同士が電気ショートするとしても、電気ショートした部分のはんだを含めてはんだバンプが除去されるので、接続電極が電気ショートするおそれもない。
しかも、はんだバンプははんだ合金層を得るために形成されるので、その高さのばらつきや電気ショートの発生に関しては考慮する必要がない。従って、はんだバンプを形成する工程での厳密なプロセス管理は不要となる。これに加えて、外観検査装置を特別に導入し、はんだバンプの良品選別をする必要もなくなるので、工数を格段に減らすことができ、生産効率や製造歩留りを向上させることができる。
以上説明したように、本発明の電極構造体では、薄型化に容易に対応できてコプラナリティを良好に設定できると共に、信頼性よくはんだ接合することができる。
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。
図4及び図5は本発明の実施形態の電極構造体の第1の形成方法を示す断面図、図6及び図7は同じく電極構造体の第2の形成方法を示す断面図である。図8は同じく電極構造体の第3の形成方法を示す断面図である。
本実施形態の電極構造体の第1の形成方法では、図4(a)に示すように、まず、基板10の上に接続電極として機能する銅(Cu)電極14(金属電極)を形成する。基板10内には多層配線(不図示)が設けられており、Cu電極14はその多層配線に接続されて形成される。
後述するように、本実施形態のCu電極14が設けられた基板10は、配線のみが設けられた基板だけではなく、CSP(Chip Size Package)構造を有する半導体装置のインターポーザなどの各種の電子部品の配線部であってもよい。
次いで、図4(b)に示すように、Cu電極14の上にニッケル(Ni)層16を形成した後に、その上に金(Au)層18を形成する。Ni層16及びAu層18は、無電解めっき又は電解めっきによってCu電極14の上に選択的に形成される。
Cu電極14の膜厚は10〜100μm、Ni層16の膜厚は3μm程度、Au層18の膜厚は0.2μm程度にそれぞれ設定される。Ni層16はCu電極14の表面酸化を防止するために設けられ、Au層18はその上に形成されるはんだ層の十分な濡れ性を得るために設けられる。
これにより、下から順に、Cu電極14、Ni層16及びAu層18が形成されて構成される金属電極20が得られる。
次いで、図4(c)に示すように、はんだペーストをスクリーン印刷によって印刷することにより、金属電極20の上にはんだ層30aを形成する。はんだ層30aとしては、錫を含む各種のはんだを使用することができる。はんだ層30aの好適な一例としては、鉛(Pd)フリーの錫・銀・銅(Sn・Ag・Cu)はんだが使用される。
さらに、250℃程度の温度ではんだ層30aをリフロー加熱する。これにより、図5(a)に示すように、はんだ層30aが硬化して高さが100〜350μmのはんだバンプ30となる。このとき、はんだ層30aの主成分であるSnとNi層16のNiとが合金化してNi層16とはんだバンプ30との間にSnNi合金層19が形成される。Ni層16とはんだ層30との間のAu層18は、リフロー加熱によってそのほとんどがはんだバンプ30内に拡散して実質的に消失する。
次いで、図5(b)に示すように、はんだバンプ30をエッチング液(メルテックス社製:エンストリップTL)によってエッチングして除去することによりSnNi合金層19を露出させる。これにより、Cu電極14、Ni層16及びSnNi合金層19から構成される外部接続電極22が得られる。そして、外部接続電極22の最上のSnNi合金層19が接合面となる。第1の形成方法で得られる外部接続電極22は、Cu電極14及びNi層16(金属電極)の上にSnNi合金層19(はんだ合金層)が形成されて構成される。
これにより、本実施形態の第1の電極構造体1が得られる。
本実施形態と違って、はんだバンプ30を外部接続端子として利用する場合は、配線基板の厚みが厚くなったり、はんだバンプ30同士が電気ショートしたり、はんだバンプ30の高さがばらついてコプラナリティが悪くなったりする不具合が発生する。
しかしながら、本実施形態では、はんだバンプ30を除去してSnNi合金層19を外部接続部として利用するので、はんだバンプ30の高さ分だけ配線基板の厚みを薄くすることができ、薄型化に対応できるようになる。また、たとえ図4(b)の金属電極20が狭ピッチとなってはんだバンプ30同士が電気ショートするとしても、電気ショートした部分のはんだを含めてはんだバンプ30が除去されるので、外部接続電極22が電気ショートするおそれもない。
さらには、たとえはんだバンプ30の高さがばらつくとしても、はんだバンプ30が除去されることから、コプラナリティは高さが均一な外部接続電極22で決定されることになるので、コプラナリティを良好に設定することができる。
しかも、はんだバンプ30はSnNi合金層19を得るために形成されるので、その高さのばらつきや電気ショートの発生に関しては考慮する必要がない。従って、はんだバンプ30を形成する工程での厳密なプロセス管理は不要となる。これに加えて、外観検査装置ではんだバンプ30の良品選別をする必要もなくなるので、工数を格段に減らすことができ、生産効率や製造歩留りを向上させることができる。
また、本実施形態のはんだ合金層を形成する工程(はんだ層30aを形成する工程からリフロー加熱する工程)は、一般的なはんだバンプの形成工程と同じであるため、特別に高価な製造装置を導入する必要はない。
また、本実施形態の電極構造体の第2の形成方法は、図6(a)に示すように、第1の形成方法の図4(b)の構造体において、Ni層16とAu層18との間にパラジウム(Pd)層17を形成する。これにより、金属電極20は、下から順に、Cu電極14、Ni層16、Pd層17及びAu層18が形成されて構成される。この形態の場合は、Ni層16の膜厚が3μm、Pd層の膜厚が0.12μm、Au層18の膜厚が0.01μmにそれぞれ設定される。
次いで、図6(b)に示すように、第1の形成方法と同様な方法により、金属電極20の上にはんだ層30aを形成する。さらに、図7(a)に示すように、第1の形成方法と同様に、はんだ層30aをリフロー加熱して硬化させることにより、はんだバンプ30を得る。このとき、はんだ層30aのSnとNi層16のNiが合金化されてNi層16とはんだバンプ30との間にSnNi合金層19が形成される。第2の形成方法では、Au層18及びPd層17は、はんだ層30aをリフロー加熱する際にはんだバンプ30内に拡散して実質的に消失する。
その後に、図7(b)に示すように、第1の形成方法と同様に、はんだバンプ20をエッチングして除去することにより、SnNi合金層19を露出させる。これにより、Cu電極14、Ni層16及びSnNi合金層19から構成される外部接続電極22が得られる。そして、外部接続電極22の最上のSnNi合金層19が接合面となる。
以上により、本実施形態の第2の電極構造体1aが得られる。第2の形成方法では、前述した第1の電極構造体1と同一構造の外部接続電極22が得られるが、Ni層16とAu層18との間にPd層17を設けることにより、Pd層17を設けない場合よりも均一な膜厚で緻密なSnNi合金層19を信頼性よく形成することができる。
また、本実施形態の電極構造体の第3の形成方法は、図8(a)に示すように、Cu電極14の表面酸化やはんだの濡れ性が問題にならない場合は、第1の形成方法の図4(b)で形成したNi層16及びAu層18が省略される。そして、図8(b)に示すように、Cu電極14(金属電極)の上にはんだ層30aが直接形成される。
続いて、図8(c)に示すように、はんだ層30aをリフロー加熱して硬化させることによりはんだバンプ30を得る。このとき、はんだバンプ30のSnとCu電極14のCuとが合金化してCu電極14とはんだバンプ30との間にSnCu合金層19aが形成される。さらに、図8(d)に示すように、はんだバンプ30を除去することによりSnCu合金層19aを露出させる。これにより、Cu電極14及びSnCu合金層19aから構成される外部接続電極22が得られる。
以上により、本実施形態の第3の電極構造体1bが得られる。
本実施形態では、外部接続電極22の最上層にSnNi合金層19又はSnCu合金層19aが形成される形態を例示したが、NiやCu以外の金属とはんだとの間で合金層を形成してもよい。つまり、本実施形態の電極構造体の外部接続電極は、単層又は積層の金属電極の上にその金属とはんだとの合金層が設けられて構成されていればよく、各種の金属材料からなる金属電極を使用することができる。
本願発明者は、上記した第1の形成方法により電極構造体の外部接続電極22を実際に形成し、はんだバンプ30を除去した後の外部接続電極22の断面をSEMによって撮影し、さらに合金層の金属元素の分析を行った。図9にはそのSEM像に基づいた模式図が示されている。
その結果によれば、図9に示すように、Cu電極14上のNi層16の上にSnNi合金層19が形成されていることが確認された。SnNi合金層19は、微細な針状結晶がランダムな方向を向いて形成されて上面側は粗面状態となっていた。SnNi合金層19の膜厚は、Ni層16との界面から上側を向いた針状結晶の先端まで含めると2μm程度であった。
本実施形態では、高さが100μm以上のはんだバンプ30(図5(a))を残す場合に比べて薄型化できると共に、外部接続電極22の表面にはんだの主成分(Sn)が合金として残されるので、はんだバンプ30を利用する場合と同程度の接合性を得ることができる。
本実施形態の電極構造体は、各種の電子部品や実装基板の接続電極に適用することができる。つまり、電子部品や実装基板の配線部に本実施形態の電極構造体が接続されて形成される。以下にその例について説明する。
図10には本実施形態の電極構造体をCSP構造を有する第1半導体装置(電子部品)の外部接続電極に適用した例が示されている。CSPは、シリコンウェハ状態でCSP構造に係る成膜や加工などを行い、その後にダイシングして個別のCSPを得る製法によって製造される。
図10に示すように、第1半導体装置2では、半導体回路(不図示)が形成されたシリコン基板40の上に半導体回路に接続される多層配線(不図示)が形成され、多層配線に接続された内部電極44が絶縁層42の上に形成されている。さらに、内部電極44上に開口部46aが設けられたポリイミドなどからなるパッシベーション膜46が絶縁層42の上に形成されている。また、パッシベーション膜46の上には内部電極44に接続される再配線層48が形成されており、再配線層48によって内部電極44のピッチや配置が所要のレイアウトに変換される。
さらに、再配線層48の接続部にCu電極24(Cuポスト)が立設している。Cu電極24は封止樹脂49に埋設されている。
Cu電極24の上にNi層16が形成されており、その上に前述した形成方法で得られるSnNi合金層19が形成されている。Cu電極24、Ni層16及びSnNi合金層19により第1半導体装置2の外部接続電極22が構成されている。
第1半導体装置2では、配線に接続されたCu電極24(金属電極)が複数のチップ領域に設けられたシリコンウェハを用意した後に、シリコンウェハを切断する前又は後に、Cu電極24の表面にはんだ合金層を形成することによって外部接続電極22が得られる。
そのような構造の外部接続電極22を備えた第1半導体装置2を実装基板(マザーボード)に実装する方法について説明する。図11(a)に示すように、まず、実装基板3の電極パッド50の上にはんだ層52を形成する。そして、図10の第1半導体装置2の外部接続電極22を実装基板3上のはんだ層52に配置し、リフロー加熱する。これにより、図11(b)に示すように、第1半導体装置2の外部接続電極22がはんだ層52を介して実装基板3の電極パッド50に接続される。
このとき、第1半導体装置2の外部接続電極22の接合面ははんだの主成分であるSnを含むSnNi合金層19からなることから、はんだ層52の十分な濡れ性を確保できるので、外部接続電極22がはんだ層52に信頼性よく接合される。また、外部接続電極22はコプラナリティが良好に設定されるので、実装基板3に実装する際の歩留りを向上させることができる。また、実装基板3の上に第1半導体装置2が実装されて構成される電子機器は、第1半導体装置2のはんだバンプが省略された分だけその厚みを薄くすることができるので、薄型化に対応できるようになる。
また、図12には本実施形態の電極構造体を半導体チップがインターポーザの上に実装されて構成される第2半導体装置(電子部品)の外部接続電極に適用した例が示されている。
図12に示すように、第2半導体装置2aのインターポーザ60(配線基板)では、第1絶縁層62の上面に第1配線層64が形成されており、第1配線層64は第1絶縁層62に設けられたスルーホールTHを介して第1絶縁層62の下面に設けられた外部接続電極22に接続されている。第1配線層64の上には第2絶縁層62aが形成されており、第2絶縁層62aには第1配線層64に到達するビアホールVHが設けられている。第2絶縁層62aの上にはビアホールVHを介して第1配線層64に接続される第2配線層64aが形成されている。
また、第2配線層64aの接続部に半導体チップ70のバンプ70aがフリップチップ接続されている。さらに、半導体チップ70の下側の隙間にアンダーフィル樹脂72が充填されている。
そして、第2半導体装置2aのインターポーザ60の下面に設けられた外部接続電極22は、Cu電極14及びNi層16の上(図12では下)に、前述した形成方法で得られるSnNi合金層19が形成されて構成されている。
第2半導体装置2aでは、Cu電極14(金属電極)が設けられたインターポーザ60を用意し、半導体チップ70を実装する前又は後に、Cu電極24の表面にはんだ合金層を形成することによって外部接続電極22が得られる。
なお、インターポーザ60に複数の半導体チップを実装して第2半導体装置2aを構成してもよい。
そのような構造の外部接続電極22を備えた第2半導体装置2aを実装基板に実装する方法について説明する。図13(a)に示すように、まず、実装基板3(マザーボード)の電極パッド50の上にはんだ層52を形成する。そして、図12の第2半導体装置2aの外部接続電極22を実装基板3上のはんだ層52に配置し、リフロー加熱する。これにより、図13(b)に示すように、第2半導体装置2aの外部接続電極22がはんだ層52を介して実装基板3の電極パッド50に接続される。第2半導体装置2aを実装する場合も、前述した第1半導体装置2を実装する場合と同様な効果を奏する。
また、図14には本実施形態の電極構造体を被実装体(半導体装置など)が実装される実装基板(マザーボード)の外部接続電極に適用した例が示されている。図14(a)に示すように、実装基板4の上に、配線部(不図示)に接続された外部接続電極22が設けられている。外部接続電極22は、Cu電極14及びNi層16の上に、前述した形成方法で得られるSnNi合金層19が形成されて構成されている。この形態の場合も、配線に接続されたCu電極14(金属電極)が設けられた実装基板4を用意し、Cu電極24の表面にはんだ合金層を形成することによって外部接続電極22が得られる。
そして、図14(b)に示すように、半導体装置2bの電極パッド34上にはんだ層52が形成され、半導体装置2bの電極パッド34がはんだ層52を介して実装基板4の外部接続端子22に接続される。この形態では、被実装体である半導体装置2bの電極パッド34にもはんだバンプを設けないので、前述した第1半導体装置2を実装する場合と同様な効果を奏する。
また、図15に示すように、本実施形態の電極構造体を配線を備えた半導体チップ70(電子部品)の外部接続電極に適用してもよい。外部接続電極22は、Cu電極14及びNi層16の上(図15で下)に、前述した形成方法によって得られるSnNi合金層19が形成されて構成される。この形態の場合も、Cu電極14(金属電極)が設けられた半導体チップ(又は切断される前のシリコンウェハ)を用意し、Cu電極24の表面にはんだ合金層を形成することによって外部接続電極22が得られる。
そして、同様に、半導体チップ70の外部接続電極22がはんだ層を介してインターポーザなどの配線基板(不図示)にフリップチップ実装される。この形態の場合も、半導体チップ70の外部接続電極22にはんだバンプを設けないので、前述した第1半導体装置2を実装する場合と同様な効果を奏する。
本実施形態の電極構造体を電子部品や実装基板の外部接続電極に適用する形態を例示したが、外部接続電極を備え、はんだ層を介して他の機器に接続される各種の電子機器の外部接続電極に適用することができる。また、外部接続電極22のはんだ合金層としてSnNi合金層19を例示したが、SnCu合金層などの各種のはんだ合金層が形成されるようにしてもよい。
1,1a,1b…電極構造体、2,2a,2b…半導体装置(電子部品)、3,4…実装基板、10…基板、14,24…Cu電極、16…Ni層、17…Pd層、18…Au層、19…SnNi合金層、19a…SnCu合金層、20…金属電極、22…外部接続電極、30a,52…はんだ層、30…はんだバンプ、40…シリコン基板、42,62,62a…絶縁層、44…内部電極、46…パッシベーション膜、46a…開口部、48…再配線層、49…封止樹脂、50…電極パッド、60…インターポーザ、64,64a…配線層、70…半導体チップ(電子部品)、70a…バンプ、72…アンダーフィル樹脂、TH…スルーホール、VH…ビアホール。
Claims (9)
- 基板上に設けられた電極構造体であって、
前記電極構造体は、
金属電極と、前記金属電極の表面に形成されたはんだ合金層とから構成されていることを特徴とする電極構造体。 - 前記金属電極は、銅電極の上にニッケル層が形成されて構成され、前記はんだ合金層は、錫・ニッケル合金層からなることを特徴とする請求項1に記載の電極構造体。
- 前記金属電極は、銅電極からなり、前記はんだ合金層は、錫・銅合金層からなることを特徴とする請求項1に記載の電極構造体。
- 電子部品又は基板に金属電極を形成する工程と、
前記金属電極の上にはんだ層を形成する工程と、
前記はんだ層をリフロー加熱することにより、前記金属電極と前記はんだ層との間にはんだ合金層を形成する工程と、
前記はんだ層を除去することにより、前記はんだ合金層を露出させて接続電極を得る工程とを有することを特徴とする電極構造体の形成方法。 - 金属電極を形成する工程は、銅電極の上にニッケル層及び金層を順次形成する工程を含み、
前記はんだ合金層を形成する工程は、錫・ニッケル合金層を形成する工程であることを特徴とする請求項4に記載の電極構造体の形成方法。 - 金属電極を形成する工程は、銅電極の上にニッケル層、パラジウム層及び金層を順に形成する工程を含み、
前記はんだ合金層を形成する工程は、錫・ニッケル合金層を形成する工程であることを特徴とする請求項4に記載の電極構造体の形成方法。 - 金属電極を形成する工程は、銅電極を形成する工程を含み、
前記はんだ合金層を形成する工程は、錫・銅合金層を形成する工程であることを特徴とする請求項4に記載の電極構造体の形成方法。 - 接続電極を備えた電子部品であって、
前記接続電極は、金属電極と、前記金属電極の表面に形成されたはんだ合金層とから構成されていることを特徴とする電子部品。 - 被実装体が実装される、接続電極を備えた実装基板であって、
前記接続電極は、金属電極と、前記金属電極の表面に形成されたはんだ合金層とから構成されていることを特徴とする実装基板。
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