(57)【要約】【課題】  ＢＧＡ配線板のマトリックスバンプのバンプ高さの差（バンプ高さのばらつき）を小さくすることができ、他の基板との信頼性の高い実装が可能となるＢＧＡ配線板を提供する。【解決手段】  電気めっき法により作製されたバンプを有するＢＧＡ（Ball Grid Array）配線板であって、ＢＧＡ周辺部のバンプの直径が、ＢＧＡ中央部のバンプの直径の１３０％以上５００％以下となるように構成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気めっき法により作製されたバンプを有するＢＧＡ（Ball Grid Array）配線板であって、
基板平面側に配置されているＢＧＡ周辺部のバンプの径（バンプの直径）が、ＢＧＡ中央部のバンプの径（バンプの直径）の１３０％以上５００％以下であることを特徴とする配線板。
【請求項２】
前記ＢＧＡ周辺部のバンプが、ＢＧＡの実質的な四隅に位置するバンプである請求項１に記載の配線板。
【請求項３】
前記ＢＧＡ周辺部のバンプが、ＢＧＡの最外周に位置するバンプの中で最大の径のバンプである請求項１に記載の配線板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高密度実装に用いられるＢＧＡ（Ball Grid Array）配線板に関し、特に、電気めっき法により作製されたバンプを有するＢＧＡ配線板に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＢＧＡ配線板は、基板の表面に電気的接続のためのバンプがマトリックス状に形成された配線板であり高密度実装、特に半導体チップの実装において多用されている。
【０００３】
図１０は、従来のＢＧＡ配線板の一例を示す斜視図であり、この図に示されるように例えば内部に半導体素子を有する半導体チップである配線基板１２０の表面に同一径の複数のバンプ１３０がマトリックス状に配置されている。図１１は図１０の概略断面図であり、ＢＧＡ配線板１００の基板１２０には、アンダーバンプメタル層（ＵＢＭ）１５０を介してバンプ１３０が形成されている。なお、内部配線電極１４０より下の構造は表示していない。そして、このＢＧＡ配線板１００は、他の配線板１７０のパッド部１７５と接続される構造となっている。
【０００４】
バンプ１３０は、その主要部がはんだから構成され、その溶融温度で他の配線板１７０と接続するために設けられている。
【０００５】
一方、アンダーバンプメタル層１５０は、はんだが配線電極１４０に拡散するのを防止する効果があり、例えばＮｉ／Ａｕ積層膜を用いることが知られている。
【０００６】
従来、このような配線板１００は、まず内部配線電極１４０の端部にアンダーバンプメタル層１５０を蒸着、または無電解めっきにより形成した後に、はんだペーストの印刷または、はんだボールの搭載によりバンプ１３０を形成することによって製造されていた。
【０００７】
しかしながら、近年、より高密度の実装を実現させるために、バンプを電気めっき法により作製することが検討されている。バンプを電気めっき法により作成する場合、基板１２０の上に導電膜を形成した後、めっきマスクを印刷またはフォトリソグラフィ手法により形成し（内部配線電極１４０の端部を覗かせるようにする）、しかる後、例えば、Ｎｉ膜、Ａｕ膜、およびはんだ層を順次、電気めっき法により成膜させる。その後、めっきマスク、導電膜を剥離し、リフロー処理を行うことで、いわゆるはんだバンプを作製する。
【０００８】
なお、バンプを、はんだのみではなく、銅等の高融点めっき膜をはんだ層の下部に形成しバンプの高さを確保することも知られている。
【０００９】
一方、信頼性向上のために、ＢＧＡ配線板においてバンプマトリックス中で、バンプ径を変化させる種々の方法が検討されている。
【００１０】
【特許文献１】特開平１１−０７４３１２号公報
【特許文献２】特開平０９−０４５８１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、実装密度の上昇に伴い、小さなアンダーバンプメタル層領域に所定量のはんだペーストを印刷することは技術的に極めて困難となりつつある。結果として、個々のバンプの高さが異なり、基板接合時の電気的接続に支障が生じる事態が起こるようになっている。また、はんだボール搭載に関しても小さな径のはんだボールは作製が困難であり、加えて、アンダーバンプメタル層領域に正確に多数のボールを搭載することも困難となっている。
【００１２】
また、電気めっき法では、膜厚は電流密度により変化するため、結果として、個々のバンプ高さが異なり電気的接続に支障が生じてしまう。すなわち、他の基板と接続する際に、中央部分のバンプが他の基板と電気的に接続できないことが生じていた。
【００１３】
従来公知の技術において、バンプマトリックス中でバンプ径を変化させる種々の方法は、いずれも印刷またはボールによるはんだバンプ作成に関するものであり、バンプ高さを正確に制御することに関してはなんら言及されていない。
【００１４】
本発明はこのような実状のもとに創案されたものであって、その目的は、ＢＧＡ配線板のマトリックスバンプのバンプ高さの差（バンプ高さのばらつき）を小さくすることができ、他の基板との信頼性の高い実装が可能となるＢＧＡ配線板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
このような課題を解決するために、本発明は、電気めっき法により作製されたバンプを有するＢＧＡ（Ball Grid Array）配線板であって、基板平面側に配置されているＢＧＡ周辺部のバンプの径（バンプの直径）が、ＢＧＡ中央部のバンプの径（バンプの直径）の１３０％以上５００％以下となるように構成される。
【００１６】
また、本発明の好ましい態様として、前記ＢＧＡ周辺部のバンプが、ＢＧＡの実質的な四隅に位置するバンプであるように構成される。
【００１７】
また、本発明の好ましい態様として、前記ＢＧＡ周辺部のバンプが、ＢＧＡの最外周に位置するバンプの中で最大の径のバンプであるように構成される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の効果として、ＢＧＡ配線板のマトリックスバンプのバンプ高さの差（バンプ高さのばらつき）を小さくすることができ、本願配線板と他の基板との信頼性の高い実装が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
次に、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。図１は、本発明の配線板の概略斜視図を示したものであり、内部配線電極４０より下の構造は表示していない。図２は図１のＡ−Ａ断面矢視図を示したものであり、図３は、図１における基板の平面におけるバンプの配置とバンプの個々の大きさを模式的に示した平面図であり、図４および図５はそれぞれ、図３の変形例を示す概略平面図である。図６（ａ）,（ｂ）,（ｃ）はそれぞれ、本発明にいう「ＢＧＡの実質的な四隅に位置するバンプ」をいかように特定するかを説明するためのＢＧＡコーナー付近を拡大した平面図である。図７（ａ）,（ｂ）は、一つのバンプに注目した場合の具体的構造の一例を示す断面図である。図８（ａ）,（ｂ）は、図７（ａ）、（ｂ）の変形例を示す図面である。
【００２０】
図１および図２に示されるように、本発明の配線板１は、電気めっき法により作製されたバンプを有するＢＧＡ配線板１である。
【００２１】
図１に示されるように基板２０の平面側には、複数のバンプ３０、３６がマトリックス状に配置されている。
【００２２】
図２に示されるように、基板２０内には、内部配線電極４０の端に、アンダーバンプメタル層を介してバンプ３０、３６が形成されている。そして、このＢＧＡ配線板１は、例えば、他の配線板１７０のパッド部１７５と接続される構造となっている。なお、本発明にいう電気めっき法により作製されたバンプ３０、３６という概念は、電気めっき法により積層されためっき体を言い、一般に他の基板との接続のためのはんだを含むとともに、電気めっき法で形成されたアンダーバンプメタル層をも含む概念である。アンダーバンプメタル層１５０は、はんだが内部配線電極４０に拡散するのを防止する等の効果があり、例えばＮｉ／Ａｕ積層膜が用いられる。
【００２３】
本発明の配線板１は、その基板平面側に配置されているＢＧＡ周辺部のバンプの径（本発明でいう径とは直径を意味し、バンプの直径）が、ＢＧＡ中央部のバンプの径（バンプの直径）よりも大きくなるように構成されている。
【００２４】
すなわち、ＢＧＡ周辺部のバンプ径は、ＢＧＡ中央部のバンプ（標準バンプ）径の１３０％以上であることが好ましく、特に、好ましくは１５０％以上である。この値が１３０％未満となると、バンプの高さが十分に制御できないという不都合が生じる。上限値は、実装密度等により定められる。バンプ径は、バンプ間距離よりも大きくすることができないからである。例えば、バンプ間ピッチが３００μｍであれば、バンプ径は最大でも２８０μｍ程度となる。ただし、後述する図５に示されるごとく、バンプ径を大きくする部分のバンプ間距離を他の部分よりも長く、ＢＧＡ配線板を設計することも可能である。その場合であっても、標準バンプ径よりも５００％以下、好ましく３００％以下であることが好ましい。大径バンプの周囲のバンプ高さが逆に低くなってしまい、バンプマトリックス全体としてのバンプ高さ分布が悪くなるからである。
【００２５】
上記の構成を満足させる好適な一実施例が、図１および図３に示されている。すなわち、図１および図３において、四隅の４個のバンプ３６のみが大径バンプ３６となっており、それ以外のバンプ３０は、それよりも小さな標準バンプ３０となっている。この場合の、「ＢＧＡ周辺部のバンプ」は、ＢＧＡの実質的な四隅に位置するバンプ３６が相当する。
【００２６】
「実質的な四隅に位置する」とは、（１）基本的には図３に示されるようにバンプマトリックスの最外周辺が交わるコーナーに存在していると認定できる位置をいう。また、配列ピッチが狭まり大径バンプ３６の径が大きくなると、厳密な意味での四隅に大径バンプ３６が設置できず、コーナーの外に僅かに移動させる場合があるが（後述する図５参照）、このものも本願発明のものである。このようにバンプの配列が碁盤目状（正方形ピッチ並列）であれば、比較的四隅に位置するバンプの位置は特定しやすい。しかしながら、（２）バンプの配列次第（例えば、正方形ピッチ錯列や三角形ピッチ錯列などの錯列配列（いわゆる千鳥配列））では、必ずしもコーナーに存在していると認定することが困難である場合もあり、その場合には、図６（ａ）に示されるような各々の最外周辺Ｌの列におけるコーナーＰに最も近い２個のバンプ３７（マトリックス中では４隅合計で８個）や、図６（ｂ）において示されるような各々の最外周辺Ｌの列におけるコーナーＰに最も近い２個のバンプ３７とこれら２個のバンプ３７を結ぶ線上に配置され、あたかも角を斜めにカットするようなラインＣ上に配置されているバンプ３８とを含む４つのバンプ群（マトリックス中では４隅合計で１６個）が該当する。なお、図６（ｃ）において示されるようにあたかも角を斜めにカットするような位置に配置されていないバンプ３９であっても、カットするラインＣ上のバンプよりもコーナーＰに近いバンプ３９が存在すれば、このバンプ３９の方がカットするラインＣ上のバンプよりも優先的に「実質的な四隅に位置する」バンプに含まれ、コーナー部分では３個のバンプ３８，３９が該当する（マトリックス中では４隅合計で１２個）。上述してきたバンプ３６，３７，３８，３９がバンプ径を大きくするバンプの対象となるが、上述のごとく複数個が四隅にある場合には、すべてのバンプを大きくする必要はなく、その中の少なくとも１個を大きくすれば良い。
【００２７】
また、「ＢＧＡ中央部のバンプ（標準バンプ）」とは、バンプマトリックスをＸ軸、およびＹ軸の二次元表示した場合に、Ｘ軸−Ｙ軸の中央位置、あるいは中央位置に最も近い位置のバンプをいう。
【００２８】
例えば、図１に示されるように構成することにより、四隅のバンプ３６形成部分が、それ以外のバンプ３０形成部分よりも高い電流密度になっても、バンプ高さが高くなり難くなる。これは、四隅のバンプ３６形成部分の面積が大きいために電流密度が、その中で分散されるためであると考えられる。
【００２９】
本発明の他の好適なバンプマトリックスの配置であって図３の変形例が図４に示される。図４に示される実施形態は、四隅のバンプを最も径の大きな大径バンプ３６とし、かつ四隅以外の最外周のバンプ列をマトリックス中央部の標準バンプ３０より大きく大径バンプよりも小さな中径バンプ３３としたものである。この場合、最外周のバンプ列は四隅に比べて高電流密度成膜にはならないが、マトリックス内部のバンプ３０に比べると、高電流密度成膜であり、やはり、バンプ高さが高くなりやすいのを防止することができる。もちろん、四隅のバンプを含む全ての最外周のバンプ列を大径バンプ３６あるいは中径バンプ３３とすることも可能であり、本願発明の実施態様の一つである。
【００３０】
本発明の他の好適なバンプマトリックスの配置であって図３の変形例が図５に示される。図５に示される実施形態は、図３に示される実施形態の変形例であり、大径バンプ３６の径がさらに大きくなり、厳密な意味での四隅に大径バンプ３６が設置できない場合である。そのため、バンプ径を大きくする部分のバンプ間距離を他の部分よりも長く、ＢＧＡ配線板を設計している。この場合であっても、標準バンプ３０径よりも５００％以下、好ましく３００％以下であることが好ましい。大径バンプ３６の周囲のバンプ高さが逆に低くなってしまい、バンプマトリックス全体としてのバンプ高さ分布が悪くなるからである。
【００３１】
本発明において、大径バンプ３６または中径バンプ３３がある場合には、最も大きなバンプの径が上記の範囲内にあればよい。標準バンプ３０の径は工業的に、安定量産が可能な、１０〜１０００μｍ程度が好ましい。
【００３２】
また、バンプマトリックス中のバンプ個数は１６個以上５００００個以下が好ましい。バンプ個数が１６個未満では本発明の効果が顕著に発現しなくなってしまう。また、バンプ個数が５００００個を超えると、電流密度分布以外の要因が顕著となり本発明のみでは所望の膜厚分布を得ることが困難となる傾向が生じてしまう。
【００３３】
上記の説明では、バンプの大きさを標準バンプ３０、中径バンプ３３、大径バンプ３６の３種類のみで説明したが、バンプマトリックスの形状によっては４種類以上のバンプ径を混在させても差し支えない。また、バンプはほぼ円形が一般的な形態であるが、歪んだ形状の場合には同じ面積の円に置き換えた場合の径で判断する。
【００３４】
また、ＢＧＡ配線板の片面のみにバンプマトリックスがある場合（図２の場合において、両側でなく片側だけにバンプマトリックスが存在する場合）も、本発明の配線板１に属するものである。この場合、バンプマトリックスが形成されない反対面には、通常、いわゆるバンプパッド（ＵＢＭ等）のみが形成される。
【００３５】
一つのバンプ（例えば標準バンプ３０）に注目した場合の具体的な断面の構造の一例を図７（ａ）に基づいて説明する。図７（ａ）に示されるように内部配線電極４０の端面には、直接あるいは図示しない下地膜を介して、Ｎｉめっき膜３０ａ、Ａｕめっき膜３０ｂからなるアンダーバンプメタル層（ＵＢＭ）が電気めっき法により形成され、さらに、この上に、はんだめっき層３０ｃが電気めっき法により形成される。これらの積層膜はフォトリソグラフィにより電気めっき用のマスクを形成した後に成膜されるので、積層膜の径は一定である。これらの積層膜を形成した後に、加熱してリフロー処理を行なうことにより、図７（ｂ）に示されるようにはんだ層３０ｃが丸まり、先端マッシュルーム型構造のバンプが形成される。なお、これらの図面において、基板２０と内部配線電極４０は、それらの存在が説明上分かればよいのであって、大きさは厳密に描かれていない。
【００３６】
図８（ａ）は、図７（ａ）の変形例を示したものであり、はんだめっき層３０ｃとＡｕめっき膜３０ｂとの間にＣｕめっき膜３０ｄが介在されている。図８（ｂ）は、加熱してリフロー処理を行なった後のバンプ形態を示している。はんだめっき層３０ｃとＡｕめっき膜３０ｂとの間にＣｕめっき膜３０ｄの高融点めっき膜を介在させることによってバンプの高さを確保させているのである。
【００３７】
はんだ材料としては、公知の各種の電気めっき膜が使用可能であり、Ｓｎ、ＳｎＡｇ、ＳｎＣｕ、ＳｎＢｉ等の低融点材料が用いられる。
【００３８】
また、前述したごとく本発明にいう、電気めっきバンプという概念は、電気めっき法により積層されためっき体を言い、一般に他の基板との接続のためのはんだを含むとともに、電気めっき法で形成されたアンダーバンプメタル層をも含む概念である。このようなバンプ高さは、１０〜１００μｍ程度とされる。
【００３９】
このような本発明の配線板１の製造方法は、後述する実施例により、より詳細に理解することができる。
【００４０】
また、本発明においては、熱応力等の応力が最も強くなる外周部のバンプ径が大きいために、応力によるバンプ部の破壊も防ぐことができる。これは、融点の高い、いわゆる鉛フリーはんだにより実装を行う際に有利である。
【００４１】
ところで、バンプ径を決定するにあたっては、電流密度分布シュミレーションによる方法も考えられる。しかし、バンプ高さは単純な電流密度分布だけに依存せず、液の流速等によっても大きな影響を受け、さらには成膜につれてバンプが高くなるにつれても、その成長速度（成膜速度）変化する複雑なものである。このため、より簡便でかつ確実な方法としてダミーパターンを用いた試作による方法がある。
【００４２】
これは全てのバンプが同一径（標準径）のパターンにて実際にめっき成膜を行い、その高さを測定するものである。その結果、バンプ高さが中央部の高さに比べて高いバンプの径を大きくするように設計する。あくまで目安となる一手法であるが、個々のバンプの体積が等しくなるようにする。例えば、１００μｍφのＢＧＡパターンにおいて、中央部のバンプが３０μｍであったが、四隅のバンプが６０μｍであった場合には、四隅のバンプ径は１４１μｍとするものである。
【００４３】
なお、上記方法によって、ＢＡＧマトリックスの全てのバンプ高さを測定し、全てのバンプを高さに応じてバンプ径を変化させることで理論上は完全に均一なバンプ高さを有するＢＡＧバンプを作製することも可能である。しかしながら、最外周領域よりも内側のバンプの高さ差は、最外周部領域と比べると小さいため、実務上は最外周領域のみのバンプ径を変化させただけで実装上、問題は解決する。
【実施例】
【００４４】
以下、具体的実施例を示し、図９を参照しつつ本発明をさらに詳細に説明する。なお、図９は、実施例の一つのバンプに注目した場合の具体的構造の一例を示す断面図である。
【００４５】
（実施例１）
以下の要領で、表面に０．１μｍ厚さのＳｉＯ2が形成された３インチ径のシリコン基板上を用いて、１５ｍｍ角の両面ＢＧＡ基板を９個作製した。なお、本実施例ではシリコン基板上における半導体回路作製工程は省略し、すでに内部配線から基板表面に外部接続用の導体端部が露出した状態からの工程を示している。
【００４６】
最初に、図９に示されるようにスパッタ法により、電気めっき下地膜１５（０．１μｍ−Ｃｒ／０．２μｍ−Ｃｕ）を形成した後、この上にフォトリソグラフィ法にて電気めっき用のマスク９０を作成した。電気めっき用のマスク９０は、膜厚３０μｍで構成され、基板の外部接続用の導体端部部分上に所定の径の非マスク部分を有するものである。
【００４７】
次いで、電気めっき法により、バンプマトリックス中央部分のバンプを、下からＣｕが２０μｍ（図９における符号３０ｄ）、Ｎｉが３μｍ（図９における符号３０ａ）、さらに３ａｔ％のＡｇを含有するＳｎが１７μｍ（図９における符号３０ｃ）となるように成膜した。すなわち、バンプ高さは４０μｍとした。なお、Ｃｕ，Ｎｉはマスクの孔内部でのみ成長したため、いわゆるストレートバンプであった。Ｓｎ（３ａｔ％のＡｇを含有）はいわゆるマッシュルーム型となった。
【００４８】
このような電気めっきの後に、電気めっき用のマスク（レジストマスク）を剥離し、イオンミリング法にて電気めっき下地膜を除去した。両面を同様に処理した後に、２４０℃でのリフロー処理後に、ウエハーを切断し、９個のＢＧＡ配線板を得た。
【００４９】
上記の電気めっきマスクの作製工程において、４０個×４０個のバンプマトリックスの四隅のバンプの径を２００μｍとし、それ以外のバンプの径を１００μｍとした（図１および図３の形態に相当）。
【００５０】
ＢＧＡ配線板のすべてのバンプの高さをレーザー顕微鏡にて測定したところ、最大は５０μｍ、最小は３８μｍであった。その差は１２μｍであり、はんだ層厚さ１７μｍより小さく、許容範囲であった。
【００５１】
（実施例２〜４；比較例１〜３）
バンプマトリックスを構成する個々のバンプ径を下記表１に示すように種々変えた。それ以外は、上記実施例１と同様にして、実施例２〜４ならびに比較例１〜３のそれぞれのサンプルを作製した。ただし、実施例４および比較例３においては、四隅のバンプは、バンプの重なりを回避するためにそれぞれ外側に３００μｍ移動した位置に形成した。
【００５２】
【表１】
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【００５３】
上記表１の結果より、本発明の効果は明らかである。バンプの高さの差が２５μｍ以上ある場合には、他の基板と実装実験を行った場合に、電気的導通不良が生じたが、２５μｍ未満では問題は発生しなかった。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明のＢＧＡ配線板は、基板の表面に電気的接続のためのバンプがマトリックス状に形成された配線板であり高密度実装、特に半導体チップの実装において多用される。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】図１は、本発明の配線板の概略斜視図である。
【図２】図２は図１のＡ−Ａ断面矢視図である。
【図３】図３は、図１における基板の平面におけるバンプの配置とバンプの個々の大きさを模式的に示した平面図である。
【図４】図４は、図３の変形例を示す概略平面図である。
【図５】図５は、図３の変形例を示す概略平面図である。
【図６】図６（ａ）,（ｂ）,（ｃ）は、それぞれ、本発明にいう「ＢＧＡの実質的な四隅に位置するバンプ」をいかように特定するかを説明するためのＢＧＡコーナー付近を拡大した平面図である。
【図７】図７（ａ）,（ｂ）は、一つのバンプに注目した場合の具体的構造の一例を示す断面図である。
【図８】図８（ａ）,（ｂ）は、一つのバンプに注目した場合の具体的構造の一例を示す断面図である。
【図９】図９は、実施例の一つのバンプに注目した場合の具体的構造の一例を示す断面図である。
【図１０】図１０は、従来のＢＧＡ配線板の一例を示す斜視図である。
【図１１】図１１は図１０の概略断面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１…ＢＧＡ配線板
２０…基板
３０、３３、３６、３７、３８、３９…バンプ
【図１】
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【図２】
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【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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【図１０】
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【図１１】
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