(57)【要約】【課題】  Ｓｎ系高温半田部材を接合した際に半田部材内にボイドが残留しにくい配線基板を提供する。【解決手段】  配線基板１において、金属端子パッド１７は、最表面部がＡｕメッキ層５４からなり、該Ａｕメッキ層５４の直下に当該Ａｕメッキ層５４と接する形で配置されたＮｉメッキ層５３とを有し、Ａｕメッキ層５４の厚さを０．２μｍ以上０．７μｍ以下の範囲に設定する。概金属端子パッド１７に半田部材として、液相線温度が２００℃以上２３２℃未満のＳｎ合金からなるＳｎ系高温半田部材１４０を接合して使用する。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一主表面が誘電体層にて形成されるように、高分子材料からなる誘電体層と導体層とが交互に積層された配線積層部と、該配線積層部の前記誘電体層にて形成された前記第一主表面上に配置される複数の金属端子パッドとを有し、
前記金属端子パッドは、最表面部がＡｕメッキ層からなり、該Ａｕメッキ層の直下に当該Ａｕメッキ層と接する形で配置されたＮｉメッキ層とを有し、前記Ａｕメッキ層の厚さが０．２μｍ以上０．７μｍ以下の範囲に設定され、
前記金属端子パッドに半田部材として、液相線温度が２００℃以上２３２℃未満のＳｎ合金からなるＳｎ系高温半田部材を接合して使用するようにしたことを特徴とする配線基板。
【請求項２】
前記Ａｕメッキ層の厚さを０．３μｍ以上０．５μｍ以下に設定する請求項１記載の配線基板。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の配線基板の前記金属端子パッドに、液相線温度が２００℃以上２３２℃未満のＳｎ合金からなるＳｎ系高温半田部材を接合したことを特徴とする半田部材付き配線基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は配線基板及び半田部材付き配線基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
【非特許文献１】「高信頼性Ｓｎ−Ａｇ系鉛フリーはんだの開発」  豊田中央研究所Ｒ＆Ｄレビュー  Ｖｏｌ．３５  Ｎｏ．２  （２０００）  ３９頁
【０００３】
ＩＣあるいはＬＳＩ等のチップ接続用として使用される多層配線基板のうち、オーガニックパッケージ基板と称されるものは、高分子材料からなる誘電体層と導体層とが交互に積層された配線積層部を有し、該配線積層部の誘電体層にて形成された第一主表面上に、フリップチップ接続用あるいはマザーボード接続用（例えばＢＧＡあるいはＰＧＡによる）の複数の金属端子パッドが配置される。これら金属端子パッドは、配線積層部内に位置する内層導体層にビアを介して導通する。内層導体層及びビアは導電率の良好なＣｕ系金属で構成されるのが一般的であり、金属端子パッドも、これらと接続する本体部分がＣｕメッキ層として形成される。しかし、金属端子パッドにはチップやマザーボードと接続するための半田が接触するので、半田との結合力及び濡れ性を向上させるため、Ａｕメッキが施される。配線基板のパッド用メッキ構造においては、上記のＡｕメッキ層はＮｉメッキ層上に形成される。Ａｕは高価な金属ではあるが、薄膜でも抜群の耐食性を示すため、その厚さは０．１μｍ程度が必要十分な上限とみなされていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、環境汚染の問題から、従来のＳｎ−Ｐｂ共晶半田に代えて、Ｐｂを含有しない、いわゆるＰｂフリー半田が使用されるようになってきた(例えば非特許文献１）。Ｐｂフリー半田の多くは従来の共晶半田と同様にＳｎを主成分に構成されているが、共晶半田で使用されているＰｂに代え、Ａｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｂｉなどを副成分として含有する。副成分の主体をこれら元素で構成しつつも、多少のＰｂの含有を残した折衷的な半田も使用されている。
【０００５】
しかし、本発明者らが検討したところ、Ｎｉメッキ層上に従来厚さのＡｕメッキ層を形成した金属端子パッドに、上記のようなＳｎ系高温半田部材を接合すると、接合後の半田部材内に大きなボイドが残留する不具合を生じやすいことが判明した。
【０００６】
本発明の課題は、Ｓｎ系高温半田部材を接合した際に半田部材内にボイドが残留しにくい配線基板と、該配線基板の金属端子パッドにＳｎ系高温半田部材を接合した半田部材付き配線基板とを提供することにある。
【発明を解決するための手段及び発明の効果】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明の配線基板は、
第一主表面が誘電体層にて形成されるように、高分子材料からなる誘電体層と導体層とが交互に積層された配線積層部と、該配線積層部の誘電体層にて形成された第一主表面上に配置される複数の金属端子パッドとを有し、
金属端子パッドは、最表面部がＡｕメッキ層からなり、該Ａｕメッキ層の直下に当該Ａｕメッキ層と接する形で配置されたＮｉメッキ層とを有し、Ａｕメッキ層の厚さが０．２μｍ以上０．７μｍ以下の範囲に設定され、
金属端子パッドに半田部材として、液相線温度が２００℃以上２３２℃未満のＳｎ合金からなるＳｎ系高温半田部材を接合して使用するようにしたことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の半田部材つき配線基板は、上記本発明の配線基板の金属端子パッドに、液相線温度が２００℃以上２３２℃未満のＳｎ合金からなるＳｎ系高温半田部材を接合したことを特徴とする。
【０００９】
近年、配線基盤用に使用される半田においては、環境保護の観点から、Ｐｂの使用量をなるべく削減しようとする傾向がある。一般に多用されているＳｎ−Ｐｂ共晶半田は、Ｓｎ−３８質量％Ｐｂの共晶組成を有し、融点は１８３℃である。この組成からＰｂリッチ側にシフトしても、Ｓｎリッチ側にシフトしても合金の融点（液相線）は上昇する。単体のＳｎ金属は、共晶半田から単純に全てのＰｂを削減したものに相当するが、融点が２３２℃と共晶半田の融点よりも５０℃近くも高く、そのままでは代替半田としての採用は難しい。
【００１０】
本発明にて採用する半田部材については、Ｓｎを主成分（共晶半田における６２質量％以上の含有率をいう）として、共晶形成成分の主体はＰｂ以外の元素から模索する。Ｓｎ−Ｐｂ共晶半田からＰｂ含有率を大幅に下げたＳｎ合金により半田部材を構成しようとした場合、半田の融点は２００℃を超える高温半田部材となることが不可避となる（上限は、Ｓｎ単体の２３２℃である）。例えば、非特許文献１の表１に列挙されている各種組成のＰｂフリー半田においても、融点（液相線温度）Ｔｓは全て２００℃以上である。環境保護の観点からは、上記高温半田部材を構成するＳｎ合金は、Ｐｂ含有率が５質量％以下であること（より望ましくは１質量％以下であること、さらに望ましくは、不可避的不純物レベルのものを除き、Ｐｂが可及的に含有されていないこと）がよい、ということになる。
【００１１】
しかし、既に説明したごとく、Ｎｉメッキ層上に従来厚さ（０．１μｍ以下）のＡｕメッキ層を形成した金属端子パッドに、上記のようなＳｎ系高温半田部材を接合すると、接合後の半田部材内に大きなボイドが残留しやすくなる。本発明者が鋭意検討した結果、Ｎｉメッキ層上に形成するＡｕメッキ層の厚さを、通常よりも大きい０．２μｍ以上０．７μｍ以下に設定したところ、Ｓｎ系高温半田部材を用いたときの上記のようなボイド残留が劇的に低減できることを見出し、本発明を完成させるに至ったのである。
【００１２】
Ａｕメッキ層の厚さが０．２μｍ未満ではＳｎ系高温半田部材を接合したときのボイド抑制効果が顕著でなくなる。他方、Ａｕメッキ層の厚さが０．７μｍを超えた場合は、高価なＡｕの使用量が多くなるので経済的なデメリットも増大する。Ａｕメッキ層の厚さは、より望ましくは０．３μｍ以上０．５μｍ以下とするのがよい。
【００１３】
Ｓｎ系高温半田部材においてＳｎに添加する副成分は、融点低下効果がなるべく大きいことに加え、価格が安価であるか、多少高価であっても添加量が少なくて済むこと、半田付け性や流れ性が良好であること、耐食性に優れていること、などが条件となる。しかし、これらをバランスよく具備した副成分の種類は案外限られており、Ｚｎ、Ｂｉ、Ａｇ及びＣｕなど数元素に過ぎない。Ｓｎ−Ｚｎ系は１５質量％Ｚｎ付近に共晶点を有し、該組成で１９５℃程度まで融点が下がる。しかし、Ｚｎは耐食性に難点があり、通常は７〜１０質量％前後の添加量が留められるが、該組成付近の二元系では２１５℃前後までしか融点が下がらない。そこで、１〜５質量％のＢｉを添加して融点調整を行なうが、最終的に２００℃未満の融点を得ることは難しい。さらに、Ｂｉは高価であり、戦略物質でもあるため供給の安定性にも難がある。
【００１４】
一方、ＡｇやＣｕは、単独ではＳｎよりもはるかに高融点であるが、Ｓｎ−Ａｇ系については５質量％Ａｇ付近の、Ｓｎ−Ｃｕ系については２質量％Ｃｕ付近の、いずれもＳｎリッチ側に共晶点が存在する。また、Ａｇ−Ｃｕ系も共晶系であり、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕの三元共晶を利用することでさらに融点を下げることができる。しかし、Ｓｎ−Ａｇ系もＳｎ−Ｃｕ系も、いずれも二元共晶温度は２２０℃前後であり、３元共晶系を採用しても２００℃以下に融点を下げることは不可能である。なお、Ｓｎ−Ａｇ系合金の場合、低融点化の観点からの推奨組成は、Ｓｎに対しＡｇ含有率が３質量％以上６質量％以下である。同様に、Ｓｎ−Ｃｕ系合金の場合、Ｓｎに対しＣｕ含有率が１質量％以上３質量％以下である。さらに、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金の場合は、Ａｇ＋Ｃｕが３質量％以上６質量％以下であり、Ｃｕ／（Ａｇ＋Ｃｕ）が質量比にて０．１以上０．５以下である。いずれの場合においても、半田の融点は２００℃以上となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
図３は本発明の一実施形態に係る配線基板１の断面構造を模式的に示すものである。該配線基板１は、耐熱性樹脂板（例えばビスマレイミド−トリアジン樹脂板）や、繊維強化樹脂板（例えばガラス繊維強化エポキシ樹脂）等で構成された板状コア２の両表面に、所定のパターンに配線金属層をなすコア導体層Ｍ１，Ｍ１１がそれぞれ形成される。これらコア導体層Ｍ１，Ｍ１１は板状コア２の表面の大部分を被覆する面導体パターンとして形成され、電源層又は接地層として用いられるものである。他方、板状コア２には、ドリル等により穿設されたスルーホール１２が形成され、その内壁面にはコア導体層Ｍ１，Ｍ１１を互いに導通させるスルーホール導体３０が形成されている。また、スルーホール１２は、エポキシ樹脂等の樹脂製穴埋め材３１により充填されている。
【００１６】
また、コア導体層Ｍ１，Ｍ１１の上層には、感光性樹脂組成物６にて構成された第一ビア層（ビルドアップ層：誘電体層）Ｖ１，Ｖ１１がそれぞれ形成されている。さらに、その表面にはそれぞれ金属配線７を有する第一導体層Ｍ２，Ｍ１２がＣｕメッキにより形成されている。なお、コア導体層Ｍ１，Ｍ１１と第一導体層Ｍ２，Ｍ１２とは、それぞれビア３４により層間接続がなされている。同様に、第一導体層Ｍ２，Ｍ１２の上層には、感光性樹脂組成物６を用いた第二ビア層（ビルドアップ層：誘電体層）Ｖ２，Ｖ１２がそれぞれ形成されている。その表面には、金属端子パッド８，１８を有する第二導体層Ｍ３，Ｍ１３が形成されている。これら第一導体層Ｍ２，Ｍ１２と第二導体層Ｍ３，Ｍ１３とは、それぞれビア３４により層間接続がなされている。  ビア３４は、図７に示すように、ビアホール３４ｈとその内周面に設けられたビア導体３４ｓと、底面側にてビア導体３４ｓと導通するように設けられたビアパッド３４ｐと、ビアパッド３４ｐと反対側にてビア導体３４ｈの開口周縁から外向きに張り出すビアパッド３４ｌとを有している。
【００１７】
板状コア２の第一主表面ＭＰ１においては、コア導体層Ｍ１、第一ビア層Ｖ１、第一導体層Ｍ２及び第二ビア層Ｖ２が第一の配線積層部Ｌ１を形成している。また、板状コア２の第二主表面ＭＰ２においては、コア導体層Ｍ１１、第一ビア層Ｖ１１、第一導体層Ｍ１２及び第二ビア層Ｖ１２が第二の配線積層部Ｌ２を形成している。いずれも、第一主表面ＣＰが誘電体層６にて形成されるように、誘電体層と導体層とが交互に積層されたものであり、該第一主表面ＣＰ上には、複数の金属端子パッド１０ないし１７がそれぞれ形成されている。第一配線積層部Ｌ１側の金属端子パッド１０は、集積回路チップなどをフリップチップ接続するためのパッドである半田パッドを構成する。また、第二配線積層部Ｌ２側の金属端子パッド１７は、配線基板自体をマザーボード等にピングリッドアレイ（ＰＧＡ）あるいはボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）により接続するための裏面パッドとして利用されるものである。
【００１８】
図１に示すように、第一側パッド１０は配線基板１の第一主表面の略中央部分に格子状に配列し、各々その上に形成された半田バンプ１１（図３）とともにチップ搭載部４０を形成している。また、図２に示すように、第二導体層Ｍ１３内の第二側パッド１７も、格子状に配列形成されている。そして、各第二導体層Ｍ３，Ｍ１３上には、それぞれ、感光性樹脂組成物よりなるソルダーレジスト層８，１８（ＳＲ１，ＳＲ１１）が形成されている。いずれも第一側パッド１０あるいは第二側パッド１７を露出させるために、各パッドに一対一に対応する形で開口部が形成されている。
【００１９】
ビア層Ｖ１，Ｖ１１，Ｖ２，Ｖ１２、及びソルダーレジスト層８，１８は例えば以下のようにして製造されたものである。すなわち、感光性樹脂組成物ワニスをフィルム化した感光性接着フィルムをラミネート（貼り合わせ）し、ビアホール３４ｈに対応したパターンを有する透明マスク（例えばガラスマスクである）を重ねて露光する。ビアホール３４ｈ以外のフィルム部分は、この露光により硬化する一方、ビアホール３４ｈ部分は未硬化のまま残留するので、これを溶剤に溶かして除去すれば、所期のパターンにてビアホール３４ｈを簡単に形成することができる（いわゆるフォトビアプロセス）。
【００２０】
図４は、本発明に係る配線基板の、第二側パッド１７側の構造の具体例を示すものである（ただし、パッド構造自体は第一側パッド１０においても同じである）。各配線積層部Ｌ１，Ｌ２の第一主表面ＣＰ側から、Ｃｕメッキ層５２及びＮｉメッキ層５３（厚さ：２μｍ以上７μｍ以下）がこの順序で積層されている。Ｎｉメッキ層５３の主表面には、半田部材としての半田ボール１４０が直接接合されている。該半田ボール１４０は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金（例えばＳｎ−３質量％Ａｇ−０．５質量％Ｃｕ）、Ｓｎ−Ｃｕ合金（例えばＳｎ−２質量％Ｃｕ）、Ｓｎ−Ｚｎ合金（例えばＳｎ−１０質量％Ｚｎ）、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ合金（例えばＳｎ−８質量％Ｚｎ−３質量％Ｂｉ）などのＳｎ合金からなる、融点（液相線温度）が２００℃以上の高温半田ボールである。
【００２１】
Ｎｉメッキ層５３は、Ｎｉ−Ｐ系あるいはＮｉ−Ｂ系の無電解Ｎｉメッキ層とされているが、電解Ｎｉメッキ層としてもよい。Ｎｉ−Ｐ系無電解Ｎｉメッキ層とする場合、メッキ金属源として硫酸Ｎｉが配合され、還元剤として次亜リン酸ナトリウムやピロリン酸ナトリウムなどのリン酸化合物を添加した浴が使用される。
【００２２】
また、Ａｕメッキ層５４は、無電解Ａｕメッキ層又は電解Ａｕメッキ層として形成できる。その厚さｔは、０．２μｍ以上０．７μｍ以下、望ましくは０．３ミクロン以上０．５μｍ以下である。
【００２３】
各配線積層部Ｌ１，Ｌ２の第一主表面ＣＰはソルダーレジスト層８，１８にて覆われてなり、それらソルダーレジスト層８，１８の開口８ａ，１８ａの内周縁が、金属端子パッド１０，１７の主表面外周縁よりも内側に張り出して位置している。そして、金属端子パッド１０，１７は、Ｃｕメッキ層５２の外周縁部５２ｐがソルダーレジスト層８，１８と直接接し、ここに面粗し処理が施されている。また、金属端子パッド１０，１７の電解Ｎｉメッキ層５３は、ソルダーレジスト層８，１８の開口８ａ，１８ａの内側に位置する領域のみＡｕメッキ層（図６：符号５４）にて覆われている。
【００２４】
Ａｕメッキ層５４の厚さを前述の０．２μｍ以上０．７μｍ以下に調整することで、パッド１７上に形成した半田ボール１４０へのボイド発生を極めて効果的に防止することができる。以下、推定される理由について説明する。
【００２５】
Ａｕは化学的に極めて不活性な金属であり、半田部材が高融点化しているといえども、厚さを変えただけでは、Ａｕ固有の表面性状が劇的に変化するとは思われず、半田部材との濡れ性改善によるボイド発生防止効果は一見あまり期待できない。しかし、本発明者らが実験により確認したところ、Ｎｉメッキ層５３上にＡｕメッキ層５４を形成すると、Ａｕメッキ層５４の厚さが従来採用されていた０．１μｍ程度の場合、図６に示すように、Ｎｉメッキ層５３からのＮｉがＡｕメッキ層５４の表面に、微量ではあるが拡散により湧き上がってくることがわかった。この拡散によるＮｉの湧き上がりは、半田部材接合のために昇温することでより助長される。
【００２６】
Ａｕメッキ層５４の表面に湧き上がったＮｉ成分は大気に触れると酸化され、Ｎｉ酸化被膜をＡｕメッキ層５４の表面に形成する。その結果、溶融したＳｎ系高温半田との濡れ性がこのＮｉ酸化被膜により阻害され、溶融半田がはじかれてボイドＢを発生しやすくなるものと考えられる。図８は、無電解Ｎｉ−Ｐメッキ層上に層厚０．１μｍの無電解Ａｕメッキ層を形成し、これを１２０℃で１時間大気中で放置した後、該Ａｕメッキ層表面に対して行なったオージェ電子分光スペクトルの測定結果を示すものである。ＡｕのピークとともにＮｉのピークが明瞭に認められることがわかる。このような構造のパッドに接続した半田ボールには、ボイドが顕著に認められた。図９は、組成Ｓｎ−３．５質量％ＡｇのＳｎ系高温半田からなるボールを接続したときのボイドの発生状況を、透過Ｘ線観察と断面の光学顕微鏡観察の画像により示すものである。直径９〜２０μｍの大きなボイドが形成されていることがわかる。
【００２７】
しかし、図５に示すように、Ａｕメッキ層５４の厚さを０．２μｍ以上に増厚すると、下地のＮｉメッキ層５３からＡｕメッキ層５４表面までのＮｉの拡散距離が長くなり、Ａｕメッキ層５４表面に湧き上がるＮｉ量も減少する。その結果、濡れ性を阻害するＮｉ酸化被膜の形成も抑制され、結果としてボイドも発生しにくなると考えられる。図７は、無電解Ｎｉ−Ｐメッキ層上に層厚０．４μｍの無電解Ａｕメッキ層を形成し、これを１２０℃で１時間大気中で放置した後、該Ａｕメッキ層表面に対して行なったオージェ電子分光スペクトルの測定結果を示すものである。図８と比較してＮｉのピークはほとんど生じていない。
【００２８】
オージェ電子分光法は、層の極表面の分析情報をもたらすものであり、Ａｕメッキ層の表面に湧きあがったＮｉの存在領域の厚さが数原子層程度にごく小さくても、存在領域の分布面積が一定以上に生じていれば、検出ピークは顕著に生ずる。図８において、Ａｕメッキ層５４上のＮｉ量は実際にはかなり微量であり、電子線プローブ微小分析法や蛍光Ｘ線分析法など、プローブがバルク領域にまで浸透する他の分析法では定量不可能であった。
【００２９】
本発明の効果を確認するため、次のような実験を行なった。すなわち、図４に示す構造の無電解Ｎｉ−Ｐメッキ層上に０．１〜０．８μｍの種々の厚さにてＡｕメッキ層を無電解Ａｕメッキにより形成した第二側パッドを有する基板サンプルを用意し、それぞれ組成Ｓｎ−３．５質量％ＡｇのＳｎ系高温半田（融点２２１℃）からなる直径１ｍｍφの半田ボールをパッド上に配置した。その状態で基板を大気中にて２４５℃で３分加熱し、半田ボールを第二側パッドに接続した。そして、接続後の半田ボール内部のボイド形成状況を、透過Ｘ線観察及び断面の光学顕微鏡観察により調べ、ボイドが全く観察されなかったものを良好（○）、ボイドが観察されたが寸法が直径５μｍ以下にとどまっていたものを可（△）、直径５μｍを超えるボイドが観察されたものを不可（×）として評価した。以上の結果を表１に示す。
【００３０】
【表１】
2006086424.tif 000003
【００３１】
Ａｕメッキ層の厚さが０．２μｍ以上０．７μｍ以下のときボイドの発生が抑制され、特にＡｕメッキ層の厚さが０．３μｍ以上０．５μｍ以下の場合には、ボイドがほとんど形成されていないことがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の配線基板の一実施形態を示す平面図。
【図２】同じく裏面図。
【図３】本発明に係る配線基板の断面構造の一例を示す図。
【図４】ＢＧＡパッドによる接続構造を、パッド表層部の拡大構造とともに模式的に示す断面図。
【図５】本発明の作用説明図。
【図６】本発明の課題説明図。
【図７】本発明の基板におけるＡｕメッキ層表面のオージェ電子分光スペクトルの例を示すチャート。
【図８】従来の基板におけるＡｕメッキ層表面のオージェ電子分光スペクトルの例を示すチャート。
【図９】Ｓｎ系高温半田部材に形成されるボイドの観察例を示す画像。
【符号の説明】
【００３３】
１  配線基板
１０，１７  金属端子パッド
５３  Ｎｉメッキ層
５４  Ａｕメッキ層
１４０  半田ボール（半田部材）
【図１】
2006086424.tif 000004
【図２】
2006086424.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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