(57)【要約】【課題】配線基板の表層電極に金属バンプを介して半導体チップを実装する際、表層電極と金属バンプの接合界面における接合信頼性を高めることが可能な配線基板を提供する。【解決手段】配線基板１は、セラミック基板１０と、このセラミック基板１０の主面側に形成された表層電極１１と、この表層電極１１上に配置された金属バンプ２０とを備え、金属バンプ２０と電気的に接続される半導体チップ２１が実装されている。表層電極１１の表面（金メッキ層１３）は、表面粗さＲａが０．０８μｍ以下及び光沢度が１５０以上に調整されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップが実装される配線基板であって、
セラミック基板と、
前記セラミック基板の主面側に形成された表層電極と、
前記表層電極上に配置され、前記半導体チップと電気的に接続される金属バンプと、
を備え、
前記表層電極の表面は、表面粗さＲａが０．０８μｍ以下、かつ光沢度が１５０以上であることを特徴とする配線基板。
【請求項２】
前記表層電極の表面は、金メッキ層であることを特徴とする請求項１に記載の配線基板。
【請求項３】
前記金属バンプは、アルミニウムにより形成されることを特徴とする請求項１に記載の配線基板。
【請求項４】
前記半導体チップは、電力用半導体チップであることを特徴とする請求項１に記載の配線基板。
【請求項５】
前記セラミック基板には、前記金属バンプと電気的に接続される内層電極が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の配線基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップが実装される配線基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、セラミック基板の表面にメッキを施す構造を有する配線基板は、その表面に素子を実装する際、表面状態に起因する実装上の問題が生じやすく、そのための種々の対策が知られている。例えば、パワーモジュール用の回路基板において、ワイヤボンディングを介して半導体チップを金属回路と結線し、その表面状態として、表面粗さがＲｍａｘ≦５μｍかつ光沢度が４０以上に調整する手法が提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
一方、大電流を取り扱う電力用途の配線基板を用いる場合には、モジュールの小型化及び内部インピーダンスの低減の観点から、配線長の短縮や部品同士の近接配置などが求められる。そのための手法として、例えば、２枚の配線基板の間に、半導体チップや各種部品を挟んだ状態で接合する構造が提案されている（特許文献２参照）。特許文献２によれば、加圧により塑性変形する金属バンプを使用し、それを加熱や超音波によってフリップチップ実装することで、配線基板に半導体チップや各種部品を確実に接合している。このように、近年の配線基板の接合技術として、従前のワイヤボンディングを用いる手法から、金属バンプを用いたフリップチップ実装が普及しつつある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１４７４６５号公報
【特許文献２】特開２０１６−０２５２３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、ワイヤボンディングを用いる手法は、ワイヤを１本ずつ加圧・加熱あるいは超音波負荷を付与して接合するのに対し、金属バンプを用いたフリップチップ実装は、複数の金属バンプを同時に加熱するか超音波振動を加える必要がある。この場合、複数の金属バンプは半導体チップの表面において面方向に広がって配置される。そのため、フリップチップ実装の際に加熱や超音波振動が面方向に広がる間に加わる負荷が分散し、複数の金属バンプの１本当たりの負荷が低下したり、配線基板の反り、うねり、傾きなどの影響により、複数の金属バンプの負荷のバラツキが生じる恐れがある。その結果、配線基板への半導体チップの接合強度が低下し、ワイヤボンディングによれば接合可能であったとしても、フリップチップ実装には支障を来す場合があった。この場合、ワイヤボンディングを用いた接合では、特許文献１のように配線基板の表面状態の調整手法が知られているが、フリップチップ実装による接合では、配線基板の表面状態の具体的な調整に関する知見は得られていない。
【０００６】
本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、フリップチップ実装により金属バンプを介して半導体チップを実装する際、表層電極と金属バンプとの接合界面における不具合を防止して接合信頼性の向上が可能な配線基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の配線基板は、半導体チップが実装される配線基板であって、セラミック基板と、前記セラミック基板の主面側に形成された表層電極と、前記表層電極上に配置され、前記半導体チップと電気的に接続される金属バンプとを備えて構成され、前記表層電極の表面は、表面粗さＲａが０．０８μｍ以下、かつ光沢度が１５０以上であることを特徴としている。
【０００８】
本発明の配線基板によれば、セラミック基板の主面側に形成される表層電極の表面状態は、表面粗さＲａが０．０８μｍ以下で光沢度が１５０以上に調整されるので、比較的間隔の短い表面の凹凸に起因する接合欠陥と、比較的間隔の長い表面のうねりや傾きに起因する局所的な接触不良との両方を有効に防止することができる。この場合、表面粗さＲａが０．０８μｍより大きいと、表層電極と金属バンプとの接合界面に欠陥（ボイド）が生じ、接合強度が低下するし、光沢度が１５０より小さいと、同時に接合される複数の金属バンプにおける局所的な負荷のバラツキが増え、確実な接合に支障を来す。よって、前述のように表層電極の表面状態を調整することで、フリップチップ実装により金属バンプを介した半導体チップの接合を確実に行うことが可能となる。
【０００９】
本発明において、前記表層電極の表面は、金メッキ層であることが望ましい。金メッキ層であることで、表層電極の表面は酸化されにくい金メッキ層で覆われることになるので、表層電極の表面状態を良好に保って接合の信頼性を高めることができる。また、前記金属バンプを、アルミニウムにより形成することが望ましい。この場合、金属バンプが塑性変形しやすいアルミニウムからなるので、表層電極の凹凸に追従しやすく、接合界面の欠陥（ボイド）を効果的に抑制することができる。
【００１０】
本発明においては、半導体チップの用途は多様であるが、例えば、電力用半導体チップを用いることができる。電力用半導体チップを実装する配線基板は、一般に大電流を取り扱うので、小型化や内部インピーダンスの低減の観点からフリップチップ実装の採用が望ましく、本発明の適用が効果的である。
【００１１】
本発明においては、多様な構造のセラミック基板を用いることができる。すなわち、セラミック基板の主面側に表層電極を形成することに加えて、その内部に金属バンプと電気的に接続される内層電極を形成することができる。また、内層電極に加えて、厚さ方向に延びるビア導体や、セラミック基板の主面側に同時に焼成で形成されたコファイヤ電極を形成してもよい。
【発明の効果】
【００１２】
以上述べたように本発明によれば、金属バンプを介して半導体チップが実装される配線基板に対し、表層電極の表面状態として表面粗さＲａが０．０８μｍ以下及び光沢度が１５０以上となるように調整することで、表層電極の表面の多様な間隔の凹凸に起因する接合界面における不良を有効に防止でき、金属バンプを介した半導体チップのフリップチップ実装の信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明を適用した一実施形態の配線基板の概略の断面構造を示す図である。
【図２】図１の配線基板に関し、表面状態の測定を行うまでの作製手順の概略を示す図である。
【図３】配線基板の表層電極と複数の金属バンプとの接合の良否について説明する図である。
【図４】図２に従って作製した複数の配線基板に関し、ステップＳ１３及びＳ１４により表面粗さＲａ及び光沢度を測定した結果を示すとともに、併せてせん断試験を行った結果を示す図である。
【図５】配線基板の表面状態が接合不良に与える作用を模式的に説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、以下に述べる実施形態は本発明の技術思想を適用した形態の一例であって、本発明が本実施形態の内容により限定されることはない。
【００１５】
図１は、本発明を適用した一実施形態の配線基板１の概略の断面構造を示している。図１に示すように、配線基板１の基本構造は、セラミック基板１０と、このセラミック基板１０に両方の主面側に形成された１対の表層電極１１からなり、さらに表層電極１１の表面にニッケルメッキ層１２及び金メッキ層１３が施されている。このような構造の配線基板１の一方の主面側（図１の下側）には半導体チップ２１及び金属板２２が実装されている。このうち、セラミック基板１０と半導体チップ２１とは、下側の表層電極１１の表面に配置された複数の金属バンプ２０を介して接合されている。また、配線基板１の下側の表層電極１１は、金属板２２と接合されている。
【００１６】
セラミック基板１０は、セラミック材料の焼成体からなる絶縁基板であり、平面視で矩形状に形成されている。図１では示されないが、セラミック基板１０には、その内部にビア導体や内層電極、あるいは表層にコファイヤ電極を配置してもよい。セラミック基板１０の上下に対称的に配置される表層電極１１は、銅やアルミニウムなどの導体材料からなり、平面視でセラミック基板１０より若干小さい矩形状に形成されている。それぞれの表層電極１１には、配線基板１の機能に応じて所望の導体パターンを構成することができる。
【００１７】
表層電極１１は、その厚さ及び平面度を適切に調整した状態で、その表面へのメッキ処理によりニッケルメッキ層１２が形成され、さらにニッケルメッキ層１２の表面へのメッキ処理により金メッキ層１３が形成される。なお、図１では、ニッケルメッキ層１２及び金メッキ層１３の２層メッキを例示しているが、金メッキ層１３のみを形成してもよく、あるいは他の金属メッキ層を加えた３層メッキとしてもよい。
【００１８】
下側の表層電極１１の表面のうち半導体チップ２１と対向する領域には、いわゆるフリップチップ実装により所定の配置で複数の金属バンプ２０が形成されている。これらの金属バンプ２０は、半導体チップ２１の複数の接続端子とそれぞれ接合され、例えばアルミニウムの小塊により形成される。複数の金属バンプ２０は、配線基板１の回路と半導体チップ２１との電気的接続を担うとともに、十分な接合強度が必要とされる。本実施形態では、配線基板１の表層電極１１の表面状態を測定することにより、表層電極１１と複数の金属バンプ２０との接合界面における接合信頼性を高めているが、具体的な手法については後述する。
【００１９】
図１には示されないが、本実施形態の配線基板１を、例えば大電力用途のパワーモジュールに組み込む場合には、半導体チップ２１として電力用半導体チップが用いられる。一方、下側の表層電極１１のうち複数の金属バンプ２０が形成されない領域には、金属板２２が接合されている。前述のように、本実施形態の配線基板１がパワーモジュールに組み込まれた際、半導体チップ２１及び金属板２２の底面には、放熱基板を配置することできる。
【００２０】
次に図２は、図１の配線基板１に関し、前述の表面状態の測定を行うまでの作製手順の概略を示す図である。まず、図２に示すように、図１のセラミック基板１０を形成する（ステップＳ１０）。ステップＳ１０では、アルミナ、窒化アルミ、窒化珪素などのセラミック材料を、例えばシートキャスティングにより成形することにより、グリーンシートを形成する。この場合、シートキャスティングに代え、プレスや射出成形を用いてもよい。また、前述したように、セラミック基板１０の内部のビア導体や内層電極、あるいは表層のコファイヤ電極を形成することも可能である。そして、所定の温度、雰囲気でグリーンシートを焼成することにより、セラミック基板１０が形成される。このとき、焼成後に所定の大きさ及び厚さとなるようにセラミック基板１０を切断、研磨してもよい。
【００２１】
続いて、ステップＳ１０で得られたセラミック基板１０の両面に、例えば銅やアルミニウムで構成される表層電極１１を形成する（ステップＳ１１）。表層電極１１は、例えば、セラミック基板１０の表面に所定のパターンのレジストを形成した後、メッキを施すことにより形成することができる。この場合、セラミック基板１０の表面に平面板形状のメッキ層又は銅板の接合を施した後、所定のパターンのレジストを形成し、エッチングして形成してもよい。あるいは、予め所定のパターンに形成した銅板をセラミック基板１０の主面に接合してもよい。あるいは、予め所定のパターンに形成したマスクを用いて厚膜導体ペーストをセラミック基板１０の主面に印刷し、所定の温度で熱処理することで焼結させて形成してもよい。
【００２２】
次に、セラミック基板１０の両面に形成された表層電極１１に対して表面処理を施す（ステップＳ１２）。具体的には、ステップＳ１１で形成された表層電極１１に機械研磨を施すことで、表層電極１１の厚さ、平面度、粗さなどを調整する。なお、機械研磨に代えて化学研磨を施してもよい。続いて、研磨後の表層電極１１の表面にニッケルメッキ層１２を形成するとともに、その表面にさらに金メッキ層１３を形成する。この場合、ニッケルメッキ層１２を形成することなく、金メッキ層１３のみを形成してもよいし、ニッケルメッキ層１２と金メッキ層１３との間にパラジウムメッキ層を形成してもよい。なお、ステップＳ１２の表面処理では、表層電極１１の研磨を行うことなく各メッキ層を直接形成してもよい。
【００２３】
次に、ステップＳ１０〜Ｓ１２を経て、表面に金メッキ層１３が露出した状態の配線基板１に関し、以下に示す２種の測定方法により表面状態を測定する。まず、第１の測定方法として、配線基板１の表層電極１１の表面粗さＲａの測定を実行する（ステップＳ１３）。例えば、配線基板１の表層電極１１の表面粗さＲａを非接触で測定可能なレーザ顕微鏡を用いることができる。レーザ顕微鏡を用いる場合、表面粗さＲａの測定範囲はレーザ光のカットオフ波長に依存して定まる。通常、レーザ顕微鏡の場合のカットオフ波長は０．２５ｍｍ程度であるが、本実施形態の配線基板１の接合性は短い波長成分の影響が大きいことから、カットオフ波長を例えば０．０２５ｍｍ程度と小さく設定することが望ましい。
【００２４】
次に、第２の測定方法として、配線基板１の表層電極１１の光沢度の測定を実行する（ステップＳ１４）。例えば、光沢度計を用いて、配線基板１の表面に露出した金メッキ層１３に対し所定の入射角で光束を入射し、その反射光に基づき光沢度を測定することができる。このときの入射角は、一般的には６０°であるが、本実施形態の配線基板１では比較的高い光沢度が得られることから、入射角を２０°に設定することが望ましい。
【００２５】
本実施形態においては、ステップＳ１３及びＳ１４に示す２種の測定方法に基づき、配線基板１の表層電極１１の表面状態として得られた表面粗さＲａ及び光沢度のそれぞれの数値を用いて、表層電極１１に複数の金属バンプ２０が形成されるのに先立って、その接合の良否を判断するものである。具体的には、表面粗さＲａが０．０８μｍ以下及び光沢度が１５０以上の条件を満たす場合は、表層電極１１と複数の金属バンプ２０との良好な接合性が得られると判断し、前述の条件を満たさない場合は、表層電極１１と複数の金属バンプ２０との接合不良が生じると判断する。なお、ステップＳ１３及びＳ１４を終え、接合不良と判断されない場合は、それ以降の処理を順次進めることで、半導体チップ２１を実装した配線基板１が完成するが、ここでは説明を割愛する。
【００２６】
ここで、図３を参照して、配線基板１の表層電極１１と複数の金属バンプ２０との上述の接合の良否について説明する。複数の金属バンプ２０を介して半導体チップ２１が実装された配線基板１に関し、横方向（配線基板１の表面方向）のせん断力を加えるせん断試験を行って、複数の金属バンプ２０を同時に破壊したときの３つの破壊モードが存在する。図３（Ａ）は、表層電極１１の表面の金メッキ層１３と複数の金属バンプ２０との接合界面Ｐａで剥離が生じる破壊モードである。また、図３（Ｂ）は、複数の金属バンプ２０自体の位置Ｐｂで割れが生じる破壊モードであり、図３（Ｃ）は、複数の金属バンプ２０と半導体チップ２１との接合位置Ｐｃで分離する破壊モードである。なお、これらの各破壊モードで破壊が生じたときの反力から強度を求めることができる。本実施形態においては、図３（Ａ）の破壊モードについては配線基板１の表面状態に起因する界面剥離であると想定し、ステップＳ１３及びＳ１４に基づき排除するものである。これに対し、図３（Ｂ）及び（Ｃ）の各破壊モードについては配線基板１の表面状態に起因しないため、望ましい破壊モードであると想定する。
【００２７】
次に図４は、図２に従って作製した複数の配線基板１に関し、ステップＳ１３及びＳ１４により表面粗さＲａ及び光沢度を測定した結果を示すとともに、併せて前述のせん断試験を行った結果を示している。図４に示すように、配線基板１の作製時の条件が少しずつ異なる１０通りのサンプル（基板１〜１０）を用意し、それぞれに関して表面粗さＲａ及び光沢度の測定値を得た。続いて、各サンプルに対するせん断試験の結果として破壊時の強度及び界面剥離の有無を得た。それぞれの基板１〜１０は、例えば、ステップＳ１１の電極形成方法やステップＳ１２における研磨の有無やメッキ方法の違いを反映した特性を有している。なお、いずれの基板１〜１０も表層電極１１の表面に金メッキ層１３が露出している点では共通する。
【００２８】
図４においては、せん断試験の結果、基板１〜７については図３（Ｂ）又は（Ｃ）の破壊モードとなったのに対し、基板８〜１０については図３（Ａ）の破壊モードにより表層電極１１と複数の金属バンプ２０との間の界面剥離が生じたことがわかる。このような界面剥離は、いずれも小さな強度で生じており、接合不良として排除する必要がある。この場合、基板１〜１０の各表面粗さＲａ及び光沢度の測定値に着目し、前述の条件として表面粗さＲａが０．０８μｍ以下及び光沢度が１５０以上を適用すると、基板１〜７は条件を満たし（良品）、基板８〜１０は条件を満たさない（不良品）ことがわかる。よって、前述の条件を満たす配線基板１を選別することにより、配線基板１に望ましくない接合不良が生じることを防止することができる。
【００２９】
ここで、図５は、配線基板１の表面状態が接合不良に与える作用を模式的に説明する図であり、配線基板１のうち表層電極１１の表面付近の部分的な断面を拡大して示している（メッキ層１２、１３は省略）。図５において、表層電極１１の表面には、間隔が短い凹凸１００と間隔が長い凹凸１０１が重なっている。間隔が短い凹凸１００は、主に表面粗さＲａによって判定されるものであり、間隔が長い凹凸１０１は、主に光沢度によって判定される。そして、間隔が短い凹凸１００は、金属バンプ２０のサイズと比べても相対的に小さく、表面粗さＲａの増加により、個々の金属バンプ２０との接合界面に欠陥（ボイド）が生じる。一方、間隔が長い凹凸１０１は、金属バンプ２０のサイズと比べても相対的に大きく、一定の範囲に配置される複数の金属バンプ２０の接合が不均一になる。
【００３０】
よって、本発明を適用した配線基板１に関し、前述の表面粗さＲａが０．０８μｍ以下及び光沢度が１５０以上という条件を導入することにより、図５の凹凸１００、１０１に基づく２通りの接合不良を回避することができる。例えば、カットオフ波長０．０２５ｍｍのときに表面粗さＲａが０．０８μｍ以下の条件を満たすと、間隔が短い凹凸１００が非常に小さくなるので、超音波振動により塑性変形した金属バンプ２０が凹凸１００と隙間なく密着して接する状態となる。これにより、表層電極１１と金属バンプ２０との接合界面の部分的な欠陥を抑制することができる。これに対し、表面粗さＲａが０．０８μｍを超えると、表層電極１１と金属バンプ２０との接合界面の欠陥（ボイド）が生じ、接合強度が低下することで図３（Ａ）のような破壊モードにつながる。
【００３１】
一方、光沢度が１５０以上の条件を満たすと、間隔が長い凹凸１０１が減少して、表層電極１１の表面は全体的にうねりや傾きが小さくなり、複数の金属バンプ２０の全体が均一に表層電極１１の表面と接する状態となる。これにより、表層電極１１に同時に接合される複数の金属バンプ２０は、加熱・超音波振動の負荷のバラツキが抑制され、フリップチップ実装による接合の確実性を高めることができる。これに対し、光沢度が１５０に達しないと、表層電極１１の表面のうねりや傾きに起因して、複数の金属バンプ２０の前述の負荷のバラツキが増加し、金属バンプ２０の局所的な接合不良が生じることで、複数の金属バンプ２０を介した半導体チップ２１と表層電極１１の接合強度の低下を招く。
【００３２】
以上のような理由から、本発明を適用した配線基板１に関し、その表層電極１１について表面粗さＲａが０．０８μｍ以下と、光沢度が１５０以上との２つの条件を満たすように調整することで、総合的にフリップチップ実装による接合信頼性を高めることが可能となる。この場合、既に述べたように、表層電極１１の表面に金メッキ層１３を形成し、かつ、金属バンプ２０をアルミニウムにより形成することで、本発明の効果を一層高めることができる。なお、以上の実施形態に基づき本発明の内容を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で多様な変更を施すことができる点は、本実施形態の説明内容から明らかである。
【符号の説明】
【００３３】
１…配線基板
１０…セラミック基板
１１…表層電極
１２…ニッケルメッキ層
１３…金メッキ層
２０…金属バンプ
２１…半導体チップ
２２…金属板
【図１】
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【図２】
2018152433.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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