(57)【要約】【課題】半導体搭載用基板の電極に金属バンプを形成する場合、金属バンプの高さを正確に制御することは困難であり、また、めっきマスクの除去が難しく、残渣が残る課題があり、高密度の金属バンプを形成することが困難である。【解決手段】本発明では、基板上に電極を被覆するよう薄膜絶縁層を形成し、電極上に接続開口を設けて、全面に電解めっきを施すことにより、均一で平滑な金属導電層を形成し、選択エッチングにより金属バンプを得ることにより、平滑で高さの均一な金属バンプの形成が可能であることを見出した。また、本発明で使用するめっきマスク、エッチングマスクは通用の厚さで処理ができるため、マスク残渣の懸念はないことを見出した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極と配線パターンが形成される基板と、上記基板上に電極と配線パターンを被覆するように形成される薄膜絶縁層と、上記電極上に上記薄膜絶縁層より突出して設けられる金属バンプを備える半導体搭載用基板。
【請求項２】
上記薄膜絶縁層の厚さが、３マイクロメートル〜２０マイクロメートルで、金属バンプの高さ２０マイクロメートル〜６０マイクロメートルであり、請求項１の金属バンプが銅である請求項１記載の半導体搭載用基板。
【請求項３】
請求項１の金属バンプ上にはんだ、金、銀、錫から少なくとも一つ以上から選ばれる金属層を備える請求項２記載の半導体搭載用基板。
【請求項４】
基板に電極と配線パターンを形成するステップと、上記配線パターンが設けられた基板上に、上記配線パターンを被覆するようにして薄膜絶縁層を形成するステップと、上記薄膜絶縁層に電極の一部が外部に臨むように接続開口を形成するステップと、上記接続孔が形成された薄膜絶縁層上に、めっき処理により金属導電層を形成するステップと、上記金属導電層の上にエッチングマスクを形成するステップと、金属導電層を選択的に除去することにより、薄膜絶縁層より突出した金属バンプを形成するステップとを有する半導体搭載用基板の製造方法。
【請求項５】
請求項４のエッチングマスクがはんだ、金、銀、錫から少なくとも一つ以上から選ばれる金属層である請求項４の半導体搭載用基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、半導体を搭載するためのプリント配線板（以下、半導体搭載用基板と称す）とその製造方法に関する。
さらに詳しくは、狭ピッチ接続のためのバンプを有する半導体搭載用基板とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】モバイル電子機器の高機能化、軽量化、薄型に伴い、実装部品、半導体素子およびプリント配線板の高密度化による小型化が要求されている。
その流れの中で、半導体素子と半導体搭載用基板の接続方法はフリップチップ工法が多く用いられてきている。【０００３】フリップチップ工法は様々な方法が提案され実用化されている。その中で、電極に予備はんだを施した半導体素子とはんだバンプを形成した半導体搭載用基板の電極同士を熱融着で金属間化合物を形成し接続する方法が広く用いられている。最近では、より高密度化に対応するため、電極の間隔をさらに狭くすることが要求されている。【０００４】それに対応するため、カッパーピラーと呼ばれる金属バンプを半導体素子の電極に形成する工法も用いられるようになってきている。
すなわち、一般的には、半導体素子のアルミ電極表面にバリアメタル層を形成し、さらにその上にめっきマスクを形成し、銅メッキを施して、表面研磨し、めっきマスク除去してカッパーピラーを形成する。半導体素子の表面研磨は通常、化学機械研磨と呼ばれるＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法が確立されている。【０００５】一方、半導体搭載用基板の電極にカッパーピラーを形成する検討も進められている。たとえば、半導体搭載用基板の電極は通常セミアディティブ工法を用いて形成される。
すなわち、図４（ｂ）に示すように、基板２の表面に導電性のあるシード層１３を形成し、その上に図４（ｃ）に示すように、第一のめっきマスク１４を形成する、さらに、図４（ｄ）に示すように、第一の電解パターン銅めっきにより導電層を成長させ電極３および配線パターン４を形成する。【０００６】通常のセミアディティブ工法は、第一の電解パターン銅めっきの後、めっきマスク１４の除去とシード層除去し、電極、配線パターンを回路として完成させる（図面なし）。【０００７】しかし、カッパーピラーの形成は、第一の電解パターン銅めっきの後、第一のめっきマスク１４を除去せず、図４（ｅ）に示すように、カッパーピラー形成のための第二のめっきマスク１５を形成する。次に、図４（ｆ）に示すように、金属バンプ６のための第二の電解パターン銅メッキを行いパターンめっき層１６を形成し、さらに、図４（ｇ）に示すように、高さ均一化と平坦化のための研磨を行う。
次に図４（ｈ）に示すように、第一のめっきマスク１４および第二のめっきマスク１５を除去する。さらに、図４（ｉ）に示すように、シード層１３を除去する。さらに図４（ｊ）に示すように、ソルダーマスク１７を形成し、半導体搭載用基板を形成する。【０００８】また、プリント基板のバンプの製造方法として、めっきマスクマスクを形成して選択めっきを行う所謂パターンめっき工法と、所謂パネルめっき工法といわれる、基材に全面めっきを施しエッチングにより形成する方法がある。パターンめっき工法では、バンプめっきの高さが均一にならず、研磨が必要となる。パネルめっき工法では、エッチングの制御が容易でなく小径化や形状安定化が難しい。【０００９】
【非特許文献】シンガポール科学技術庁マイクロエレクトロニクス研究所  ＥＰＲＣ−１２Ｐｒｏｊｅｃｔ  Ｐｒｏｐｏｓａｌ  題名  Ｃｕ  Ｐｉｌｌａｒ  Ｉｎｔｅｒｃｏｎｅｃｔ  ａｎｄ  Ｃｈｉｐ−Ｐａｃｋａｇｅ−Ｉｎｔｅｒｃｏｎｅｃｔｉｏｎ（ＣＰＩ）  ｆｏｒ  Ｃｕ  Ｌｏｗ  Ｋ  ｃｈｉｐ  報告日２０１２年８月１５日。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】上記、半導体搭載用基板の電極にカッパーピラーを形成する工法は、大きな面積で形成できるため、生産性に優れているため検討が進められているがいまだの課題がある。上記図４に示す従来の工法では、第二の電解パターン銅めっきだけではカッパーピラーの高さを正確に制御することは困難である。そのため、第二の電解パターン銅めっき後には平坦化のための研磨が必要である。【００１１】すなわち、一般に電解パターン銅めっきの銅の成長速度は開口の形状や大きさおよび周辺の密集度に大きく影響されるため、均一に制御することは難しく、その結果、カッパーピラーの高さを均一で平滑に制御することは難しい。
他方、半導体素子の表面は平滑であるため、信頼性のある接続のためには対向する本検討のカッパーピラーも高精度の平滑性が要求される。そのため、上記半導体搭載用基板の電極にカッパーピラーを形成する場合は、カッパーピラーの高さを制御するため、第二の電解パターン銅めっきの後の高さ均一化のための表面研磨が必要となる。半導体素子にカッパーピラーを形成する場合も同様の問題があるが、前述のとおり、半導体素子ではＣＭＰと呼ばれる研磨工法が確立されている。【００１２】半導体素子の場合は、基材がさほど大きくなく、形状も円形で、素材がシリコン等で研磨しやすい。半導体搭載用基板では、大きさ、研磨の容易性から半導体のようなＣＭＰ工法を用いることはできない。
半導体搭載用基板の場合、研磨は通常ベルトサンダーやセラミックを含むバフ、ブラシが検討されているが、いずれの研磨法方法も、高さ均一性や平滑性を十分に満足できていない。また、今後の高精細化を考慮すると、現状の研磨方法では不十分である。【００１３】また、めっきマスクは通常のアディティブ基板では２５マイクロメートル程度であるが、カッパーピラーを形成した場合は２層になり６０マイクロメートル以上になり、めっきマスクの除去が難しくなり、残渣が残る課題がある。【００１４】さらに、ソルダーマスクはカッパーピラー形成後に行うため、その突起により機械的に破損しやすく、ソルダーマスクの形成も阻害する。
また、シード層１３除去時のマイクロエッチングの際、金属バンプ７の形状への影響も懸念される。
前述のように半導体搭載用基板の電極にカッパーピラーを形成する工法は生産性改善として期待されているが、第二の電解パターン銅めっきの後の平坦化のための研磨と、めっきマスクの剥離、およびソルダーマスクの形成に課題がある。上述の課題を解決し、さらなる高密度化のための安定した信頼の高い工法の提案が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】本発明にかかわる接続のためのバンプを有する半導体搭載用基板は、ピッチが１２０マイクロメートル以下の狭ピッチのバンプ形成を行うため、上述の課題を解決するものである。すなわち、電極が形成される基板と、基板上に電極を被覆するように形成される薄膜絶縁層と、電極上にある薄膜絶縁層の開口から突出して設けられる金属バンプと、金属バンプに接続される電極と、金属バンプの上面にはんだ層とをそなえる。
前述ではカッパーピラーについて例示したが、本発明ではより広範で一般的な名称である金属バンプとして、以降の説明を行う。【００１６】以上のような半導体搭載用基板の製造方法は、上述した課題を解決すべく、基板に電極を形成するステップと、薄膜絶縁層に電極の一部が外部に臨むように接続開口を形成するステップと、電解めっき処理による金属導電層を形成するステップと、金属層によるエッチングマスクを形成するステップと、金属層をマスクに金属導電層を選択的に除去することにより上面に金属層が形成された、薄膜絶縁層より突出した金属バンプを形成するステップとを有する。すなわち、上記接続開口を備えた薄膜絶縁層の全面に銅めっきを施すことにより、小径の接続開口を持つ全面めっきによる表面の平滑な金属導電層を得るため、研磨が不要で、ひいては高さのそろった平滑な金属バンプを形成できる。
【発明の効果】
【００１７】本発明によれば、電極および配線パターンを基板に形成した後、薄膜絶縁層を形成し、薄膜絶縁層に接続開口を形成した後に金属導電層を形成し、薄膜絶縁層をエッチングストップとして金属導電層をエッチングすることで金属バンプを形成するようにすることで、基板上の電極に直接的に接続された金属バンプを形成することができ、接続開口を適正にすることによりバンプの小径化が可能となり、かつ薄膜絶縁層を適正の厚さにすることにより、金属導電層を平滑に形成できるため、研磨の不要な平面を得ることができる。【００１８】また、金属導電層を銅にすることにより電極と金属バンプは直接、銅と銅の接続となるため、接続信頼性を高めることができる。また、基板上の配線パターンと金属バンプとの密着性が向上することから、さらなる接続孔の小径化、すなわち金属バンプを小径化することができる。
更に、金属バンプを形成するためにエッチングを行う際、エッチングストップとして薄膜絶縁層が形成されていることから、金属導電層のエッチング量を少なくすることができ、エッチング精度を向上させることができ、結果として、ファインパターンを形成することができる。【００１９】また、薄膜絶縁層はソルダーマスクの機能も兼ね備えるので、ソルダーマスクを新たに形成する必要がなく、金属バンプを破損から保護しやすく、精度の確保もしやすい。
さらに加えて、基材１上の電極３および配線パターン４は、図４の従来技術ではアディティブ工法に限られるが、本発明では、アディティブ工法に加えてサブトラクティブ工法も用いることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は本発明が適用された半導体搭載用基板の断面図である。
【図２】図２は実施例１の半導体搭載用基板の製造方法を示す図である。
【図３】図３は実施例２の半導体搭載用基板の製造方法を示す図である。
【図４】図４は従来技術の製造方法を説明した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】以下、さらに図面を参照しつつ、本発明による半導体搭載基板およびその製造方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【実施例１】
【００２２】図１に示すように、本発明が適用された半導体搭載用基板１は、絶縁性基板である基板２を有する。この基板２には、電極３および配線パターン４が形成されている。
基板２には、電極３と配線パターン４を被覆するようにして薄膜絶縁層５が形成されている。薄膜絶縁層５は、絶縁性材料により形成されている。この薄膜絶縁層５は、厚さが３マイクロメートル〜２０マイクロメートルとなるように形成されている。これは、薄膜絶縁層５の厚さを３マイクロメートルより薄くなると、電極３および配線パターン４との密着性と絶縁性が悪くなり、この薄膜絶縁層５の表面改質を行う際に薄膜絶縁層５が剥離する問題が生じる。【００２３】逆に、薄膜絶縁層５を２０マイクロメートルより厚くすると、有底口への薬液の循環およびめっきの充填性に支障を起こすため、次工程で形成する接続開口６内の電極３への金属導電層１３の密着性、すなわちメッキの密着性が悪くなり、また、金属導電層１３の表面が平滑にならなくなり、最終的に金属バンプ７の高さが均一にならない。金属バンプ７の高さを均一にするために、金属導体層１３を平滑に保つ必要がある。なお、薄膜絶縁層５の厚さは、更に好ましくは、５マイクロメートル〜１５マイクロメートルがよい。【００２４】薄膜絶縁層５には、電極３上に、接続開口６が形成されており、この接続開口６には、電極３と半導体との電気的接続を図るための金属バンプ７が薄膜絶縁層５より突出するように形成されている。金属バンプ７は、例えば、金属銅で形成することができ、その場合はカッパーピラーと称される。【００２５】次に、以上のような半導体搭載用基板１の製造方法について、図２を用いて説明する。先ず、図２（ａ）に示すように、基板２には、電極３および配線パターン４が形成される。基板２と電極３および配線パターン４の形成には半導体搭載用基板で広く一般に用いられる材料と工法を用いることができる。すなわち、基板２には銅箔が張り合わされた銅張積層板（例えば日立化成工業株式会社ＭＣＬ４３７）や絶縁フィルム（たとえば、味の素株式会社ＡＢＦ  ＧＸシリーズ）を用いることができ、電極３および配線パターン４の形成には、写真法を用いたエッチング工法やセミアディティブ工法を用いることができる。【００２６】次に、図２（ｂ）に示すように、薄膜絶縁層５が形成される。薄膜絶縁層５は、アルカリ現像型絶縁材料（例えば日立化成工業株式会社製ＳＲフィルムレイテックシリーズ）を真空ラミネーター（日立化成工業製）により電極３および配線パターン４が形成された基板２上に貼り合せる。貼り合せの前に、薄膜絶縁層５との密着を向上させるため、電極３と配線パターン４に粗化処理を行っても良い。【００２７】次いで、電極３を外部に臨ませる接続開口６が形成され薄膜絶縁層５を形成する。接続開口６は、薄膜絶縁層５はフォトエッチングされることにより形成される。具体的には、露光装置（たとえば、大日本スクリーン製造株式会社製直描装置Ｌｅｄｉａ）により露光、現像機による現像を行い、接続開口６を形成する。
この後、接続開口６が形成された薄膜絶縁層５は、加熱することにより、完全に硬化される。ここで、上述したように、薄膜絶縁層５は、厚さ３マイクロメートル〜２０マイクロメートル、更に好ましくは５マイクロメートル〜１５マイクロメートルとなるように形成される。また、薄膜絶縁層５の表面は平滑になるように形成することが望ましい。【００２８】なお、ここでは、薄膜絶縁層５に接続開口６をフォトエッチングにより形成する例を説明したが、薄膜絶縁層５に用いる材料は感光性のインクも使用でき、塗布方法も材料に合ったロールコート方式やシルク印刷方式等半導体搭載用基板の製造に用いられる一般の材料工法を用いることができる。
また、接続開口６は、ドリルやレーザー光により形成するようにしてもよい。すなわち、先ず、電極３および配線パターン４が形成された基板２には、熱硬化絶縁性のインクやフィルムを用いて薄膜絶縁層５が形成される。例えば、電極３および配線パターン４が形成された基板２には、熱硬化フィルム（たとえば、味の素株式会社ＡＢＦ  ＧＸシリーズ）を真空貼り合せ装置（名機株式会社製）により貼り合せ、レーザー孔明け装置（日立ビアメカニクス株式会社製）によって電極３が外部に臨むように接続開口６が加工され、薄膜絶縁層５が形成される。【００２９】次いで、薄膜絶縁層５の表面は、次工程で形成される金属導電層９との密着性を良くするために表面改質が行われる。この表面改質は、デスミア処理装置等を用いて、Ｎ−メチル−２ピロリドン、過マンガン酸ナトリウム、硫酸ヒドロキシルアシンに薄膜絶縁層５が形成された基板２を浸漬し、各工程後に水洗し、これを乾燥することにより行われる。なお、この表面改質は、その他に、過マンガン酸カリウム、重クロム酸カリウム、重クロム酸ナトリウム、濃硫酸等の酸化剤、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等のアルカリ剤、Ｎ、Ｎ−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルフォキシド等の有機溶剤、プラズマ処理、紫外線照射処理等により行うようにしてもよい。【００３０】次いで、図２（ｃ）に示すように、表面改質がなされた薄膜絶縁層５上には、金属バンプ７を形成するための金属導電層９が形成される。この金属導電層９は、銅箔よりなる電極３との密着性強度を確保するため、接続開口６を充填しさらに薄膜絶縁層５の全体を覆ういわゆるパネルめっきの面を平滑にするため、無電解銅めっきと電解めっきにより形成される。無電解銅めっきと電解めっきを合わせた厚さは、金属バンプ７の高さが、２０マイクロメートル〜６０マイクロメートル、更に好ましくは３０マイクロメートル〜４０マイクロメートルとなるように形成される。
金属バンプ７の高さが、２０マイクロメートルより低い場合は、接続開口６の形状の影響を受けて金属導電層９が平坦にならない。また、６０マイクロメートルより高い場合は、エッチングが難しくファインピッチの金属バンプ７を形成することができない。
なお、金属導電層９は、銅が最もよく、その他、要求に応じてニッケル、アルミ、金、銀等の導電材料を用いるようにしてもよい。【００３１】次いで、図２（ｄ）に示すように、金属導電層９上に、エッチングレジスト１０を形成する。エッチングレジスト１０の形成は、回路形成用のドライフィルムをラミネーターで貼り合せ、露光、現像し形成するフォトエッチング法がある。本発明では、厚さ１０マイクロメートルのドライフィルムを使用した。そのほかに、液状フォトレジストをロールコーター法やシルクスクリーン法で塗布する方法、エッチングレジストを電着する電着塗装法（ＥＤ法：ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｔｉｃ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｍｅｔｈｏｄ）により形成するようにしてもよい。バンプの小径化のため、エッチングレジスト１０の膜厚は、極力薄いほうがよい。【００３２】次に、図２（ｅ）に示すように、エッチングにより金属バンプ７を形成する。エッチングは、精密なエッチングができる工法が適している２流体ノズルを用いた装置（ケミトロン社ハイパーエッチング装置）を用いて、塩化第二鉄を用いて形成することができる。そのほか、異方性のエッチングか可能なエッチング液（ＭＥＣ社製）等も使用ができる。このとき、薄膜絶縁層５は、金属バンプ７を形成する際のエッチングストップとして機能する。次に、図２（ｆ）に示すように、エッチングレジスト１０を除去して、半導体搭載用基板１を形成する。
【実施例２】
【００３３】金属バンプ７上に、半導体素子側の電極と金属結合を持つための金属層８を形成した半導体搭載用基板１の製造方法を図３を用いて例示する。
図２（ｃ）まで実施例１と同様に行い、金属導電層９を形成する。
次に、図３（ａ）に示すように、めっきマスク１１を形成する。形成方法は、図２（ｄ）と同様の方法で行うことができる。ただし、めっきマスク１１の開口形状は、エッチングマスク１０の関係はネガ、ポジの反転関係となる。【００３４】次いで、図３（ｂ）に示すように、エッチングマスクとなる金属層８を形成する。
金属導電層９は、所定領域が除去されることにより薄膜絶縁層５より突出した金属バンプ７が形成される。金属バンプ７は、金属導電層９上に金属層８を形成し、その金属層８をエッチングマスクにして選択的に金属導電層９を除去することにより形成される。具体的に、図３（ａ）のように、まずエッチングマスクを形成するためのめっきマスク１１を形成する。厚さ２５マイクロメートルのドライフィルム（たとえば、日立化成工業株式会社製フォテックＲＹシリーズ）を、金属導電層９上に、ラミネータにより貼り合わされ、次いで、露光装置（たとえば、大日本スクリーン製造株式会社製直描装置Ｌｅｄｉａ）により露光、現像によりめっき１１レジストが形成される。【００３５】次に、図３（ｂ）に示すように、電解はんだめっきにより金属層８を形成し、さらに、図３（ｃ）に示すように、めっきマスク１１を除去し、金属層８によるエッチングマスクを形成する。また、金属層８は半導体素子の電極と金属間化合物を形成する接続のためにも用いられる。
従来工法では、金属バンプ上に新たに金属層を形成するため金属バンプと金属層の位置精度が問題となる。しかし、本発明の金属層８は金属バンプ７と位置が一致するため、高密度接続が可能になる。
金属層８の厚さはエッチングマスクとはんだ付に必要な要求特性から決めることができる。金属層８の厚さは５マイクロメートルから５０マイクロメートルが望ましいが、要求特性との兼ね合いでこの限りではない。また、めっきレジストは厚みが２５マイクロメートル程度と薄いため除去が容易で、従来技術のようなレジスト残りの懸念はない。金属層８は、熱溶融により半導体素子側の電極と金属結合を持つ材料であればよく、はんだのほかに金、銀、錫等が使用できる。【００３６】この後、金属層８層をエッチングマスクとして、実施例一と同様に、エッチング液で金属導電層９を選択除去し図３（ｄ）に示すように、本発明の半導体搭載用基板を形成する。金属層８がはんだの場合はエッチング液はアルカリエッチング液が使用でき、金の場合は、塩化第二鉄液や塩化第二銅液を使用することができる。【００３７】以上、本発明に係る部品接合およびプリント配線板の実施形態について説明をしたが、これらは実施の例であって、本発明はこれらに限定されない。当業者がこれらの実施形態に対し、容易になしえる追加、削除、変更、改良等は、本発明に含まれる。
上記の本発明について、実験例と比較例を例示し効果の検証を行った。
【産業上の利用可能性】
【００３８】本発明により半導体搭載基板のさらなる小型化を実現でき、半導体パッケージの小型化を実現できる。その用途としてパーソナルコンピュター、スマートフォン等の携帯電話、タブレットＰＣ、デジタルカメラ、ビデオカメラ等のモバイル電子機器の薄型化、小型化への貢献が期待できる。
【符号の説明】
【００３９】１：半導体搭載用基板。  ２：基板。  ３：電極。  ４：配線パターン。  ５：薄膜絶縁層。  ６：接続開口。  ７：金属バンプ。  ８：金属層。  ９：金属導電層。  １０：エッチングマスク。  １１：めっきマスク。  １３：シード層。  １４：第一のめっきマスク。  １５：第二のめっきマスク。  １６：パターンめっき層。  １７：ソルダーマスク。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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