(57)【要約】ボールグリッドアレイパッケージ装置は、基板上に形成された銅ボールグリッドアレイパッドを有する基板を含む。ニッケル層を銅パッド上に形成してもよく、ニッケル層上にスズ層を形成してもよい。ニッケル層を、無電解ニッケルめっき処理を用いて形成してもよい。スズ層を、置換スズめっき処理を用いて形成してもよい。いくつかのケースでは、スズの代わりに銀を使用してもよく、置換銀めっき処理を用いて銀を形成してもよい。【選択図】図５
2014505365.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成された銅パッドと、
前記銅パッド上に形成されたニッケル層と、
前記ニッケル層上に形成されたスズ層と、を備える、
ボールグリッドアレイパッケージ装置。
【請求項２】
前記ニッケル層は無電解ニッケル層である、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記スズ層は置換スズめっき層である、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記銅パッドの端部または前記端部の周囲において、前記基板上に形成されたはんだマスクをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記ニッケル層は、５ミクロンから１０ミクロンの間の厚さを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記スズ層は、１ミクロンから５ミクロンの間の厚さを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記ニッケル層は、前記スズ層と前記銅パッドとの間の金属間拡散を抑制する、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記基板は埋め込み酸化物層を備えている、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記スズ層は、使用中、無鉛のはんだに接着可能である、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記銅パッド、前記ニッケル層および前記スズ層は、ＣＡＤ（コンピュータ支援設計）設計構造によって形成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
基板と、
前記基板上に形成された銅パッドと、
前記銅パッド上に形成されたニッケル層と、
前記ニッケル層上に形成された銀層と、を備える、
ボールグリッドアレイパッケージ装置。
【請求項１２】
前記ニッケル層は無電解ニッケル層である、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記銀層は置換銀めっき層である、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記ニッケル層は、５ミクロンから１０ミクロンの間の厚さを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記銀層は、１ミクロンから５ミクロンの間の厚さを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記ニッケル層は、前記銀層と前記銅パッドとの間の金属間拡散を抑制する、請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記基板は埋め込み酸化物層を備えている、請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
前記銀層は、使用中、無鉛のはんだに接着可能である、請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
前記銅パッド、前記ニッケル層および前記銀層は、ＣＡＤ（コンピュータ支援設計）設計構造によって形成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
基板上に銅ボールグリッドアレイパッドを形成するステップと、
前記銅パッドの周囲の前記基板上にはんだマスクを形成するステップと、
前記銅パッド上にニッケル層を形成するステップと、
前記ニッケル層上にスズ層を形成するステップと、を含む、
ボールグリッドアレイパッケージの製造方法。
【請求項２１】
無鉛のはんだを前記スズ層に接着するステップをさらに含む、請求項２０に記載の製造方法。
【請求項２２】
ボールグリッドアレイパッドであって、前記ボールグリッドアレイパッドのうち少なくとも１つは、
基板上に形成された銅パッドと、
前記銅パッド上に形成されたニッケル層と、
前記ニッケル層上に形成された銀層と、を備える、
ボールグリッドアレイパッケージ。
【請求項２３】
複数の命令を記憶するコンピュータ可読記憶媒体であって、
前記複数の命令は、実行されると、
基板上に形成された銅パッドと、
前記銅パッド上に形成されたニッケル層と、
前記ニッケル層上に形成された銀層と、を備える、
ボールグリッドアレイパッケージを生成する、
コンピュータ可読記憶媒体。
【請求項２４】
複数の命令を記憶するコンピュータ可読記憶媒体であって、
前記複数の命令は、実行されると、
基板上に銅ボールグリッドアレイパッドを形成するステップと、
前記銅パッドの周辺の前記基板上にはんだマスクを形成するステップと、
前記銅パッド上にニッケル層を形成するステップと、
前記ニッケル層上にスズ層を形成するステップと、を含む、
処理を生成する、
コンピュータ可読記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、ボールグリッドアレイパッケージで使用される構造に関し、より具体的には、ボールグリッドアレイパッドの表面仕上げに関する。
【背景技術】
【０００２】
ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）は、プリント回路基板（ＰＣＢ）に対する集積回路（ＩＣ）の表面取り付けに広く使用されるパッケージである。使用可能なＢＧＡの１つの変形は、フリップチップボールグリッドアレイ（ＦＣＢＧＡ）である。ＢＧＡパッケージは、通常、はんだマスクにより囲まれたＩＣ基板の上面の銅パッドのパターンを有する。はんだ（例えば、はんだボール）は、銅パッドの上面に取り付けられる。その後、ＢＧＡは、銅パッドと合致するパターンを有するＰＣＢに取り付けられる。次いで、ＢＧＡ／ＰＣＢ組立体が熱せられてはんだが溶け、組立体が冷却されてはんだが再凝固する前に、はんだがパターンに流入することを可能にする。
【０００３】
重要な問題は、はんだを銅パッドに接着することにある。銅は、多くの無鉛のはんだに対して容易に接着しない。無鉛のはんだと銅との接着問題を解消するために、パッドと、はんだとの接着性を高めるように、銅パッド上に表面仕上げがなされる。現在の産業上の無鉛のはんだ付け表面仕上げは、プリフラックス（ＯＳＰ）、無電解ニッケル／置換金めっき（ＥＮＩＧ）、無電解ニッケル／無電解パラジウム／置換金めっき（ＥＮＥＰＩＧ）、置換銀めっき及び置換スズめっきを含む。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図１は、ＥＮＩＧ表面仕上げを用いたＢＧＡパッド１００の断面図を示す。パッド１００は、基板１０２上に設けられ、且つ、はんだマスク１０４に囲まれた銅パッドである。ＥＮＩＧでは、無電解ニッケル層１０６がパッド１００上に形成され、続けて置換金めっき層１０８が上層として形成される。金めっき層１０８は、通常、約２ミクロンから約６ミクロンの間の厚さを有する。金は、電気伝導度を上げ、表面を保護する。しかしながら、金は、スズや銀などの材質を用いるよりも、ＢＧＡパッケージの製造にかなりのコストがかかる高価な材質である。
【０００５】
金の一部をより安価な材質に置き換えると、ＢＧＡパッケージの製造コストを下げ得る。図２は、ＥＮＥＰＩＧ表面仕上げを用いてＢＧＡパッド１００の断面図を示す。ＥＮＥＰＩＧでは、無電解パラジウム層１１０が、ニッケル層１０６と金めっき層１０８との間に設けられる。パラジウムを用いることで、金めっき層１０８の厚さを約０．０５ミクロンに減少させることができる。しかしながら、パラジウムは、それでもなお、スズなどの他の伝導材質よりも高価かもしれない。
【０００６】
図３は、置換スズめっき表面仕上げを用いたＢＧＡパッド１００の断面図を示す。置換スズめっき層１１２は、銅パッド１００上に形成される。スズは、ＢＧＡパッケージに関しては、金および／またはパラジウムを使用するよりも大幅に安価であり得る。スズめっき層１１２を、単純なコーティング処理を用いて銅パッド１００上に形成してもよい。スズめっき層１１２は、銅パッド１００に対して良好な表面保護を付与する。しかしながら、スズおよび銅は、金属間の膨張に影響されやすい。例えば、めっきなどの次の処理の間に、銅がスズの中に拡散する可能性がある。金属間の膨張は、ＢＧＡパッケージを徐々に劣化させ、パッケージの信頼性を低下させることになる。
【０００７】
したがって、銅パッドと無鉛のはんだとの間の接着について低コストで長期間の信頼性を提供するように、ＢＧＡパッケージの銅パッドの表面仕上げを行う必要がある。また、表面仕上げは、容易に製造可能であってもよく、および／または現在のパッケージ化技術に容易に組み込まれてもよい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
ある実施形態では、ボールグリッドアレイパッケージ装置は、基板上に形成された銅ボールグリッドアレイパッドを有する基板を含む。ニッケル層を銅パッド上に形成してもよく、ニッケル層上にスズ層を形成してもよい。ニッケル層を、無電解ニッケルめっき処理を用いて形成してもよい。スズ層を、置換スズめっき処理を用いて形成してもよい。
【０００９】
いくつかの実施形態では、ボールグリッドアレイパッケージ装置は、基板上に形成された銅ボールグリッドアレイパッドを有する基板を含む。ニッケル層を銅パッド上に形成してもよく、ニッケル層上に銀層を形成してもよい。ニッケル層を、無電解ニッケルめっき処理を用いて形成してもよい。銀層を、置換銀めっき処理を用いて形成してもよい。
【００１０】
ニッケル層は、銅パッドと、スズ層または銀層との間の金属間拡散遮断壁であってもよい。スズ層または銀層は、ボールグリッドアレイパッケージ装置が無鉛のはんだに接着するのを可能にする。ボールグリッドアレイパッケージ装置を、例えばプリント回路基板またはプリント配線板に接着させるために、無鉛のはんだを使用してもよい。いくつかの実施形態では、パラジウムは、ニッケル層と、スズ層または銀層との間に形成されている。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】無電解ニッケル／置換金めっき（ＥＮＩＧ）表面仕上げを用いたＢＧＡパッド１００の断面図である。
【図２】無電解ニッケル／無電解パラジウム／置換金めっき（ＥＮＥＰＩＧ）表面仕上げを用いたＢＧＡパッド１００の断面図である。
【図３】置換スズめっき表面仕上げを用いたＢＧＡパッド１００の断面図である。
【図４】ニッケル／スズ表面仕上げを用いたＢＧＡパッド１００の実施形態の断面図である。
【図５】ニッケル／銀表面仕上げを用いたＢＧＡパッド１００の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明を、いくつかの実施形態および例示の図について例を挙げる目的で本明細書に記載するが、当業者は、本発明が記載される実施形態または図に限定されないことを理解するであろう。これに関する図および詳細な記載は、開示された特定の形態に本発明が限定されることを意図せず、反対に、本発明は、添付の請求項により定義される本発明の趣旨および範囲内に含まれる、全ての改良、等価物および代替物に及ぶことを理解するべきである。本明細書で使用するあらゆる項目は、構造化のみを目的とするものであり、記載または請求項の範囲の限定を意味しない。本明細書で使用されるように、「てもよい」の語は、強制の意味（すなわち、「ねばならない」の意味）ではなく、許容の意味（すなわち可能性を有する意味）で使用する。同様に、「を含む」、「を有する」および「を持つ」との語は、「を含むが、それらに限定されない」と意味する。
【００１３】
図４は、ニッケル／スズ表面仕上げを用いたＢＧＡパッド１００の実施形態の断面図である。いくつかの実施形態では、パッド１００は、フリップチップボールグリッドアレイ（ＦＣＢＧＡ）パッドまたはＣ４（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｃｏｌｌａｐｓｅ  Ｃｈｉｐ  Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）パッドである。パッド１００は、基板１０２上に形成されている。ある実施形態では、パッド１００は銅パッドである。基板１０２は、例えば、埋め込み酸化物層基板または他の半導体装置基板であってもよい。図４に示されるように、はんだマスク１０４を、パッド１００の端部の周囲の基板１０２上に形成してもよい。
【００１４】
ある実施形態では、ニッケル層１１４は、パッド１００上の中間に形成されている（蒸着されている）。いくつかの実施形態では、ニッケル層１１４は、無電解ニッケル（ＥＮ）処理（例えば、自動触媒ニッケルめっき処理）または他の適切なニッケルめっき処理を用いて形成されている。ニッケル層１１４の形成後に、スズ層１１２をニッケル層上に形成してもよい。ある実施形態では、スズ層１１２は、置換スズめっき（ＩＴ）処理を用いて形成されている。よって、ニッケル層１１４およびスズ層１１２を、無電解ニッケル／置換スズめっき（ＥＮＩＴ）処理で形成してもよい。いくつかの実施形態では、スズ層１１２は、無電解スズ（ＥＴ）処理を用いて形成されている。よって、ニッケル層１１４およびスズ層１１２を、無電解ニッケル／無電解スズ（ＥＮＥＴ）処理で形成してもよい。
【００１５】
ニッケル層１１４の厚さを、例えば、パッド１００の銅とスズ層１１２との間の金属間の拡散を抑制するのに必要とされる厚さや、ＢＧＡパッケージについて適切な電気的および／または機械的性能を提供する厚さなどではあるが、これらに限定されない要因に基づいて、選択してもよい。例えば、ニッケル層１１４は、パッド１００の銅とスズ層１１２との間の金属間の拡散を抑制するのに必要とされる最小の厚さを有してもよい。一方で、ニッケル層１１４は、同時に、ＢＧＡパッケージ内に存在するニッケルの量が、パッケージの電気的および／または機械的性能を劣化させるほど多くなるような厚さを有しない。ある実施形態では、ニッケル層１１４は、約５ミクロンから約１０ミクロンの間の厚さを有する。
【００１６】
スズ層１１２は、ＢＧＡパッケージの組み立ての間にはんだからはがれるのを抑制する程度の最小の厚さを少なくとも有してもよい。スズ層１１２は、ニッケル層１１４と同様に、ＢＧＡパッケージの電気的および／または機械的性能を劣化させる可能性のあるサイズの厚さを有しない。ある実施形態では、スズ層１１２は、約１ミクロンから約３ミクロンの間、または約１ミクロンから約５ミクロンの間の厚さを有する。
【００１７】
いくつかの実施形態では、銀が表面仕上げの上層として使用される。図５は、銀／スズ表面仕上げを用いたＢＧＡパッド１００の実施形態の断面図である。銀層１１６は、パッド１００の上方のニッケル層１１４上に形成されている。ある実施形態では、銀層１１６は、置換銀めっき（ＩＳ）処理を用いて形成されている。よって、ニッケル層１１４および銀層１１６を、無電解ニッケル／置換銀めっき（ＥＮＩＳ）処理で形成してもよい。ある実施形態では、銀層１１６は、無電解銀（ＥＳ）処理を用いて形成されている。よって、ニッケル層１１４および銀層１１６を、無電解ニッケル／無電解銀（ＥＮＥＳ）処理で形成してもよい。
【００１８】
スズに対して、銀層１１６は、ＢＧＡパッケージの組み立ての間にはんだからはがれるのを抑制する程度の最小の厚さを少なくとも有してもよい。また、銀層１１６は、ＢＧＡパッケージの電気的および／または機械的性能を劣化させる可能性のあるサイズの厚さを有しない。ある実施形態では、銀層１１６は、約１ミクロンから約５ミクロンの間の厚さを有する。
【００１９】
図４および図５に示される実施形態について、ニッケル層１１４は、スズ層１１２または銀層１１４と、銅パッド１００との間の金属間の拡散を最小化する遮断壁を提供する。ニッケルを用いて金属間の拡散の遮断壁を提供することで、信頼のある低コストのＢＧＡパッケージを、スズまたは銀で生産することを可能にする。例えば、スズまたは銀の使用は、金、または金およびパラジウムの使用と比較して、コストを約１０％から約２０％の間で減少させ得る。
【００２０】
スズ層１１２または銀層１１４を、パッド１００の表面仕上げの上層として使用することで、はんだフラックスおよび／または他の方法による酸化物および／または他の混入物の除去を可能にする。酸化物などの混入物の除去は、混入物が、はんだ付け処理、または表面仕上げの上層とはんだとの間の接着に悪影響を与えるのを抑制する。
【００２１】
ある実施形態では、ニッケル層１１４と、スズ層１１２または銀層１１４との使用は、銅パッド１００の厚さを減少させ、その一方で所望の電気性能を維持することを可能にする。銅パッド１００の厚さの減少は、ＢＧＡパッケージの設計の柔軟性を向上させ、パッケージの製造コストを低下させ得る。
【００２２】
いくつかの実施形態では、パラジウム層は、ニッケル層と、スズ層または銀層との間に設けられている。パラジウム層を、例えば無電解パラジウム処理を用いて形成してもよい。
【００２３】
図４および図５に示されるＢＧＡパッドおよび表面仕上げの実施形態を、例えば、グラフィック処理ユニット（ＧＰＵ）や中央処理ユニット（ＣＰＵ）などではあるが、これらに限定されない集積回路に使用してもよい。いくつかの実施形態では、図４および図５に示されるＢＧＡパッドおよび表面仕上げを、プリント回路基板（ＰＣＢ）またはプリント配線板（ＰＷＢ）に使用してもよい。
【００２４】
ある実施形態では、図４および図５に示されるＢＧＡパッドおよび表面仕上げの実施形態は、ＣＡＤ（コンピュータ支援設計）設計構造、またはＣＡＤ設計処理から形成された構造である。ある実施形態では、コンピュータ可読記憶媒体は、実行されると、図４および図５に示されるＢＧＡパッドおよび表面仕上げの実施形態を生成する複数の命令を記憶している。例えば、命令は、図４および図５に示されるＢＧＡパッドおよび表面仕上げの実施形態を生成する処理のステップを提供してもよい。
【００２５】
本発明の種々の態様のさらなる改良および代替的な実施形態は、この記載の観点から当業者に明らかであろう。従って、この記載は、一例としてのみ解釈されるべきであり、当業者に本発明を実行する一般的な方法を教示することが目的である。本明細書に示され記載された本発明の形態は、現時点の望ましい実施形態としてとらえられることを理解すべきである。本明細書に示され記載された構成要素および材質を置き換えてもよく、部分および処理を入れ替えてもよく、本発明のある機能を独立して使用してもよく、これら全ては、本発明のこの記載の利点を有した後、当業者に明らかであろう。本明細書に記載された構成要素を、後述の請求項に記載のような本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく変更してもよい。
【図１】
2014505365.tif 000003
【図２】
2014505365.tif 000004
【図３】
2014505365.tif 000005
【図４】
2014505365.tif 000006
【図５】
2014505365.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成25年9月6日(2013.9.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された銅パッドと、
前記銅パッド上に直接形成されたニッケル層と、
前記ニッケル層上に直接形成されたスズ層であって、ボールグリッドアレイパッケージ装置の外部に接続するためのはんだを受け入れるように構成されたスズ層と、を備える、
ボールグリッドアレイパッケージ装置。
【請求項２】
前記銅パッドの端部または前記端部の周囲において、前記半導体基板上に形成されたはんだマスクをさらに備え、前記はんだマスクの側壁の少なくとも一部は前記スズ層の上方に露出している、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記ニッケル層は、５ミクロンから１０ミクロンの間の厚さを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記スズ層は、１ミクロンから５ミクロンの間の厚さを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記ニッケル層は、前記スズ層と前記銅パッドとの間の金属間拡散を抑制する、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記半導体基板は埋め込み酸化物層を備えている、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された銅パッドと、
前記銅パッド上に直接形成されたニッケル層と、
前記ニッケル層上に直接形成された銀層と、を備える、
ボールグリッドアレイパッケージ装置。
【請求項８】
前記銅パッドの端部または前記端部の周囲において、前記半導体基板上に形成されたはんだマスクをさらに備え、前記はんだマスクの側壁の少なくとも一部は前記銀層の上方に露出している、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記ニッケル層は、５ミクロンから１０ミクロンの間の厚さを有する、請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
前記銀層は、１ミクロンから５ミクロンの間の厚さを有する、請求項７に記載の装置。
【請求項１１】
前記ニッケル層は、前記銀層と前記銅パッドとの間の金属間拡散を抑制する、請求項７に記載の装置。
【請求項１２】
前記半導体基板は埋め込み酸化物層を備えている、請求項７に記載の装置。
【請求項１３】
半導体基板上に銅ボールグリッドアレイパッドを形成するステップと、
前記銅パッドの周囲の前記半導体基板上にはんだマスクを形成するステップと、
前記銅パッド上にニッケル層を直接形成するステップと、
前記ニッケル層上にスズ層を直接形成するステップと、を含む、
ボールグリッドアレイパッケージの製造方法。
【請求項１４】
前記スズ層は、前記はんだマスクの少なくとも一部が、前記スズ層の上方に露出するように形成されている、請求項１３に記載の製造方法。
【請求項１５】
無鉛のはんだを前記スズ層に接着するステップをさらに含む、請求項１３に記載の製造方法。
【国際調査報告】
2014505365.tif 000008
2014505365.tif 000009
2014505365.tif 000010