(57)【要約】【課題】電極数および電極密度等の大きな素子に対しても高い信頼性を維持することの可能な電極構造を提供すること。【解決手段】本発明による電極構造は、はんだによる結合を行うためのニッケルめっき層を有し、めっき液に不溶解性の固体粒子が、前記ニッケルめっき層内に分散している。はんだ層からスズが到来してきたとしても、固体粒子が物理的な障害となって、ニッケルめっき層中に進行することが抑制される。このため、ニッケルめっき層中で燐に富んだ層が形成されることも抑制される。【選択図】　　図３
2004056020.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
はんだによる結合を行うためのニッケルめっき層を有する電極構造において、めっき液に不溶解性の固体粒子が、前記ニッケルめっき層内に分散していることを特徴とする電極構造。
【請求項２】
請求項１記載の電極構造において、前記ニッケルめっき層が、無電解めっき法により形成されることを特徴とする電極構造。
【請求項３】
請求項１記載の電極構造において、前記固体粒子が、金属、金属酸化物、金属炭化物または金属窒化物より成ることを特徴とする電極構造。
【請求項４】
請求項１記載の電極構造において、前記ニッケルめっき層にはんだにより結合される電極のニッケルめっき層にも前記固体粒子が分散していることを特徴とする電極構造。
【請求項５】
無電解めっき法により電極構造のニッケルめっき層を形成する方法であって、
めっき液を撹拌することによって、めっき液に不溶解性の固体粒子を分散させつつめっきを行うステップと、
前記めっき液内に前記固体粒子が沈降した状態でめっきを行うステップ
より成ることを特徴とする電極構造のニッケルめっき層を形成する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に半導体素子や回路基板等の電気的接続を行う技術分野に関し、特にはんだ結合のためのニッケルめっき層を有する電極構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の技術分野において、例えば半導体素子の電極と回路基板上の電極とをはんだにより結合することが広く行われている。
【０００３】
図１は、半導体素子の電極構造の例を示す。例えばシリコンより成る基板１０には、例えばアルミニウムより成る電極下地導体１１が形成されており、電極下地導体（配線層）１１以外の部分はポリイミドのような樹脂１２がシリコン基板１０上に被覆されている。電極下地導体１１の電気的接続を行う箇所にはチタニウム又は銅より成るシード層１３が、スパッタリング法等により形成される。このシード層１３を利用して、ニッケルの電気めっきが行われ、ニッケルめっき層１４が形成され、その上に金めっき層１５が形成される。金メッキ層１５上には、電気的接続を行うためのはんだボール１６が設けられる。はんだは、スズ鉛系はんだまたは鉛フリーはんだ等より成り、一般に鉛フリーはんだはスズ系はんだより高い融点を有する。
【０００４】
図２は、回路基板の電極構造の例を示す。例えばアルミナより成るセラミック基板２０に、ポリイミドの樹脂層２１を形成し、この樹脂層２１上に例えば銅より成る電極下地導体２２を形成する。電極下地導体２２上にも樹脂層２１が形成され、所定の形状にパターニングされ、電気的接続を行うべき箇所には開口が設けられる。樹脂層２１をパターニングした後に、ニッケルめっき層２３を無電解めっきで成膜し、その上に金めっき被膜２４を無電解めっきで成膜する。ニッケルや金を無電解めっきで成膜するのは、外部電源や通電用の膜（シード層）を必要としないという無電解めっきの有利な性質に起因する。
【０００５】
図１および図２に示すような電極構造を接続する際には、回路基板２０側の電極にフラックスを塗布し、この電極上にはんだボール１６（を有する素子）を固定し、リフロー炉で過熱して接合を行う。
【０００６】
ところで、近年の電子機器の小型化に伴って、集積回路（ＩＣ）および大規模集積回路（ＬＳＩ）等の半導体素子には、高性能化、高速化、高密度化等を行うことが望まれている。電極数の増加、電極間隔の狭ピッチ化に加えて、素子の熱的ストレス等も大きくなり、使用環境も過酷になってきている。このため、電極とはんだとの接合不良、ひいては接合部分の破壊（クラック）が懸念されるに至っている。
【０００７】
電極がはんだにより接続されると、その接合部分では、はんだ材料中の物質（特に、固相拡散に関して活性であるスズ（Ｓｎ））と、電極構成物質（金、ニッケル、燐等）が固相拡散により拡散し、金属化合物を形成する。この固相拡散は、はんだ付けの際の熱処理に起因する他、使用時の温度サイクルにも起因して行われる。その結果、接合部分に非常に脆い金属化合物（例えば、ＡｕＳｎ，Ａｕ４Ｓｎ，Ｎｉ３Ｓｎ４，Ｎｉ３Ｐ等）を形成し、その界面において接合不良や破壊を招く。特に、無電解ニッケルめっき層を有する電極では、無電解めっきを行うための触媒として燐（Ｐ）を使用しているが、固相拡散によりスズがニッケルと化合すると、ニッケルめっき層中で燐に富んだ層（Ｐリッチ層）が形成され、燐に富んだ層は硬く脆いので、界面でクラックを生じてしまうことが懸念される。さらに、今後ますます使用される鉛フリーはんだは、スズ鉛系はんだよりも高い融点を有するので、より高温の熱処理を必要とし、スズ等の固相拡散を促進することも懸念される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本願の一般的課題は、電極数および電極密度等の大きな素子に対しても高い信頼性を維持することの可能な電極構造を提供すること、およびその電極構造を形成する方法を提供することである。
【０００９】
本願の具体的課題は、無電解めっきで形成される電極の構成物質とはんだとの間における固相拡散を抑制することの可能な電極構造を提供すること、およびその電極構造を形成する方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明による解決手段によれば、はんだによる結合を行うためのニッケルめっき層を有する電極構造において、めっき液に不溶解性の固体粒子が、前記ニッケルめっき層内に分散していることを特徴とする電極構造が提供される。
【００１１】
本発明による他の解決手段によれば、無電解めっき法により電極構造のニッケルめっき層を形成する方法であって、めっき液を撹拌することによって、めっき液に不溶解性の固体粒子を分散させつつめっきを行うステップと、前記めっき液内に前記固体粒子が沈降した状態でめっきを行うステップより成ることを特徴とする電極構造のニッケルめっき層を形成する方法が提供される。
【００１２】
【作用】
本発明の基礎となる研究において、本願発明者は、ニッケルめっき液に所定の固体粒子を分散させて、燐を触媒とする無電解めっきを行うと、ニッケルめっき層中にその固体粒子が共析し、これにより問題の固相拡散を抑制し得ることを見出した。
【００１３】
図３は、本発明の原理を説明するための概念図を示す。ニッケルめっき層３２と、このニッケルめっき層３２中に分散して存在する固体粒子３３が示されている。このニッケルめっき層３２上には金めっき層３４が形成され、金めっき層３４上には、はんだ層３５が形成されている。従来とは異なり、ニッケルめっき層３２の中には固体粒子３３が分散して介在する。固相拡散によって、はんだ層３５からスズ（Ｓｎ）（図示せず）が到来してきたとしても、固体粒子３３が物理的な障害となって、ニッケルめっき層３２中に進行することが抑制される。このため、ニッケルめっき層３２中で燐に富んだ層が形成されることも抑制される。仮に、スズが固体粒子３３の間隙を縫って拡散し、ニッケルめっき層３２中のニッケルと化合物を形成したとしても、従来のように燐に富んだ層が連続的に形成されるわけではないので、接合部分の信頼性は高く維持される。
【００１４】
所定の固体粒子は、いくつかの基準に基づいて選択される：
第１に、はんだや電極構成物質に対して拡散し難いことを要する。融点の高い物質は、融点の低い物質に比べて拡散しにくいといえるので、融点の高い物質であることが好ましい。
【００１５】
第２に、スズと合金を作りにくいことを要する。
【００１６】
第３に、めっき液に溶解しにくいことを要する。無電解めっきによりニッケルめっき層を形成する際に、複合めっき又は分散めっき（ニッケルだけでなく固体粒子も析出させること）を行うことを可能にするためである。
【００１７】
このような基準に基づいて、タングステン（Ｗ）、チタニウム（Ｔｉ）、またはモリブデン（Ｍｏ）のような金属より成る粉末を固体粒子として採用することが可能である。また、タングステン・カーバイト（ＷＣ）、シリコン・カーバイト（ＳｉＣ）のような金属炭化物、窒化チタニウム（ＴｉＮ）のような金属窒化物、または酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）のような金属酸化物より成るセラミック系粉末を採用することも可能である。ただし、導電性を有しない物質を導入しすぎると、接続の電気抵抗を上昇させてしまう虞がある点に留意を要する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図４は、本願実施例による電極構造を作成するための分散めっき装置４００の概略構成図を示す。「分散めっき」とは、めっき液にニッケルだけでなく固体粒子も分散していることを示す。分散めっき装置４００は、めっき液４０２で満たされためっき槽４０４と、このめっき槽４０４を所定の温度に維持するためにめっき槽４０４を収容するウォーター・バス４０６を有する。めっき槽４０４内には、めっきの対象となる電極構造を有するセラミック基板４０１が設けられる。めっき液４０２は、無電解Ｎｉ−Ｐめっき液（メルテックス社製、６４０１Ｍ）を採用し、このめっき液中には、例えばタングステン・カーバイト（ＷＣ）のような固体粒子４０８が分散している。めっき液４０２中で撹拌子４１０を回転させることによって、めっき液４０２中の固体粒子４０８が分散する。めっき液４０２の温度は、温度センサ４１２により検出され、その温度情報は温度調節器４１４に通知され、温度調節器４１４による制御の下にヒーター４１６が動作することによって、ウォーター・バス４０６の浴温ひいてはめっき液４０２が所望の温度に維持される。
【００１９】
本願実施例による電極構造は、概して次のようにして形成される。まず、ホルダー４１８（めっき冶具）により、セラミック基板４０１をめっき液４０２中に固定する。そして、撹拌子４１０を回転させて固体粒子（ここでは、ＷＣ）をめっき液４０２中に分散させつつ、例えば３０分間めっきを行う。これにより、図３に示すような固体粒子の析出したＮｉ−Ｐめっき層が得られる。膜厚は例えば５μｍである。このように、ニッケルだけでなく固体粒子も析出させるので（共析）、このめっきを「複合めっき」と呼ぶことも可能である。
【００２０】
次に、撹拌子４１０を停止させる。これにより、固体粒子４０８はめっき液４０２の底に沈降する。この状態で例えば５分間めっきを行う。これにより、固体粒子の析出したＮｉ−Ｐめっき層上は、固体粒子の析出していないＮｉ−Ｐ層により被覆される。固体粒子４０８は、はんだ等に対して拡散しにくい性質を有するが、このことは、はんだ濡れ特性も悪いことを意味する。はんだ付けを良好に行う観点からは、固体粒子４０８が露出していないことが好ましい。このため、撹拌を停止してめっきを行うのである。
【００２１】
ニッケルめっきが終了すると、基板４０１は水で洗浄され、金の無電解めっきに備える。金のめっきは、置換反応型の無電解Ａｕめっき液（例えば、奥野製薬工業製のＯＰＣムデンゴールド、ＰＨ５．８、液温９０℃）に例えば１０分間浸漬することにより行われる。これにより、ニッケルめっき層上に例えば０．０５μｍの膜厚の金層が形成される。金めっきを行うのは、はんだ濡れ特性を良好に維持するためである。（露出したニッケルに酸化膜が形成されると、濡れ特性が悪くなる。）こうして、本願実施例による電極構造が形成される。
【００２２】
以下、本願発明者により行われた実験に基づく実施例を説明する。
【００２３】
（実施例１）
上記の手法により、Ｎｉ−Ｐめっき液にタングステン・カーバイト（ＷＣ）の粉末を５ｗｔ％分散させた浴を用いて、ＷＣを共析させた無電解ニッケルめっき層を有する電極構造（セラミック基板）と、スズ鉛（Ｓｎ−Ｐｂ）共晶はんだボールを有する半導体素子とを結合した。セラミック基板の電極構造にフラックスを塗布し、この電極に半導体素子のはんだボールを位置付けて、ピーク温度２３０℃のはんだリフローを行った。形成された接続の接続抵抗は５０〜６０ｍΩと充分小さく、良好な抵抗値が得られた。
【００２４】
次に、実装時と同じ条件のリフローを５回繰り返すことによって、信頼性評価試験を行った。具体的には、接合断面をＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｐｒｏｖｅ　Ｍｉｃｒｏ　Ａｎａｌｙｚｅｒ）により観察した。比較のため、タングステン・カーバイト（ＷＣ）を共析させていない従来のＮｉ−Ｐめっき層を有する電極に対しても同様な試験を行った。
【００２５】
その結果、従来の接合部分では、基板側の電極（無電解ニッケルめっき層のある電極）にＳｎ−Ｎｉの化合物層が厚く形成され、この化合物層の下に燐（Ｐ）に富んだＮｉ−Ｐリッチ層が形成されており、この界面でクラックの生じていることが確認された。これに対して、ＷＣを析出させた本願実施例による電極では、共析したＷＣの隙間でＳｎ−Ｎｉの化合物層が観察されるものの、その厚さは従来のものに比べて非常に薄く、クラックも生じていなかった。
【００２６】
（実施例２）
固体粒子をタングステン（Ｗ）に変更して、実施例１と同様の実験を行ったが、実施例１と同様にクラックは生じていなかった。
【００２７】
（実施例３）
Ｎｉ−Ｐめっき液にシリコン・カーバイト（ＳｉＣ）の粉末を５ｗｔ％分散させた浴を用いて、ＳｉＣを共析させた無電解ニッケルめっき層を有する電極構造（セラミック基板）と、Ｓｎ−３．５％Ａｇはんだボールを有する半導体素子とを結合した。セラミック基板の電極構造にフラックスを塗布し、この電極に半導体素子のはんだボールを位置付けて、ピーク温度２５０℃のはんだリフローを行った。
【００２８】
このサンプルに対しても実施例１と同様な信頼性評価試験を行った。比較のため、従来の無電解Ｎｉ−Ｐめっき層を有するセラミック基板と、Ｓｎ−３．５％Ａｇはんだボールを有する半導体素子との接合部分も形成した。
【００２９】
その結果、従来の接合部分では、実施例１の比較サンプルの場合よりも厚いＳｎ−Ｎｉの化合物層が形成され、この化合物層の直下に実施例１のものよりも燐（Ｐ）に富んだＮｉ−Ｐリッチ層が形成されていた。これに対して、ＳｉＣを共析させた本願実施例による電極では、実施例１の場合と同様にクラックは生じていなかった。
【００３０】
以上本願実施例によれば、無電解めっきで形成される電極の構成物質とはんだとの間における固相拡散を抑制するので、電極数および電極密度等の大きな素子に対しても高い信頼性を維持することが可能である。
【００３１】
本願実施例によれば、めっき液に不溶解性の固体粒子が、ニッケルめっき層内に分散しているので、もろい合金層の形成が抑制され、信頼性の高い電極構造を提供することが可能になる。
【００３２】
本願実施例の発明によれば、無電解めっきで使用される触媒（例えば、燐（Ｐ））に関連する合金の形成を抑制するので、電解めっきより簡易な無電解めっきの利用を促進することが可能になる。なお、本発明は、電気めっきのニッケルめっき層に適用することを排除するものではないが、無電解のニッケルめっき層に本発明を適用した方が、電気めっきのニッケルめっき層に適用した場合よりも多くの効果が得られる。はんだにより結合される電極の双方に本発明を適用すると、電極構成物質又ははんだの固相拡散を一層有効に抑制することが可能になる。
【００３３】
本願実施例によれば、固体粒子を含むめっき液を撹拌させながらめっきした後に、撹拌せずにめっきを行うので、電極構成物質等の固相拡散を抑制しつつ濡れ特性の良好な電極構造を得ることが可能になる。
【００３４】
本願実施例では、回路基板の電極と半導体素子の電極とをはんだ結合する場合を例にとって説明したが、本発明はこれに限定されず、ニッケルめっき層を有する電極構造のはんだ結合に広く適用することが可能である。
【００３５】
以下、本発明により教示される手段を列挙する。
【００３６】
（付記１）　はんだによる結合を行うためのニッケルめっき層を有する電極構造において、めっき液に不溶解性の固体粒子が、前記ニッケルめっき層内に分散していることを特徴とする電極構造。
【００３７】
（付記２）　付記１記載の電極構造において、前記ニッケルめっき層が、無電解めっき法により形成されることを特徴とする電極構造。
【００３８】
（付記３）　付記１記載の電極構造において、前記固体粒子が、金属、金属酸化物、金属炭化物または金属窒化物より成ることを特徴とする電極構造。
【００３９】
（付記４）　付記１記載の電極構造において、前記固体粒子が、タングステン（Ｗ）、チタニウム（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン・カーバイト（ＷＣ）、シリコン・カーバイト（ＳｉＣ）、酸化チタニウム（ＴｉＯ２）または酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）より成ることを特徴とする電極構造。
【００４０】
（付記５）　付記１記載の電極構造において、前記固体粒子が、２種類以上の物質より成ることを特徴とする電極構造。
【００４１】
（付記６）　付記１記載の電極構造において、前記ニッケルめっき層にはんだにより結合される電極側のニッケルめっき層にも前記固体粒子が分散していることを特徴とする電極構造。
【００４２】
（付記７）　付記１記載の電極構造において、ニッケルめっき層上に金めっき層が形成されることを特徴とする電極構造。
【００４３】
（付記８）　無電解めっき法により電極構造のニッケルめっき層を形成する方法であって、
めっき液を撹拌することによって、めっき液に不溶解性の固体粒子を分散させつつめっきを行うステップと、
前記めっき液内に前記固体粒子が沈降した状態でめっきを行うステップ
より成ることを特徴とする電極構造のニッケルめっき層を形成する方法。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、電極数および電極密度等の大きな素子に対しても高い信頼性を維持することが可能になる。
【００４５】
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、半導体素子の電極構造の断面図を示す。
【図２】図２は、回路基板の電極構造の断面図を示す。
【図３】図３は、本発明の原理を説明するための概念図を示す。
【図４】図４は、本願実施例による電極構造を作成するための分散めっき装置の概略構成図を示す。
【符号の説明】
１０　シリコン基板
１１　電極下地導体
１２　樹脂層
１３　シード層
１４　ニッケルめっき層
１５　金めっき層
１６　はんだボール
２０　セラミック基板
２１　樹脂層
２２　電極下地導体
２３　ニッケルめっき層
２４　金めっき層
３２　ニッケルめっき層
３３　固体粒子
３４　金めっき層
３５　はんだ層
４００　分散めっき装置
４０１　セラミック基板
４０２　めっき液
４０４　めっき槽
４０６　ウォーター・バス
４０８　固体粒子
４１０　撹拌子
４１２　温度センサ
４１４　温度調節器
４１６　ヒーター
４１８　ホルダー
【図１】
2004056020.tif 000003
【図２】
2004056020.tif 000004
【図３】
2004056020.tif 000005
【図４】
2004056020.tif 000006