配線基板及びその製造方法
【課題】 Ｐｂ含有率の低いＳｎ系高温半田を用いているにも拘わらず、Ｃｕ系のパッド表面を均一に被覆することができる配線基板の製造方法を提供する。
【解決手段】 開口部１８ｈ内に金属パッド１７の本体層１７ｍが露出するようにソルダーレジスト層１８を形成し、該露出した本体層１７ｍの表面をＳｎ系予備メッキ層９１にて被覆する予備メッキ工程と、Ｓｎ系予備メッキ層９１上に、含有される半田粉末がＳｎ系高温半田からなる半田ペースト８７ｐを、Ｓｎ系予備メッキ層９１よりも厚く塗布する半田ペースト８７ｐ塗布工程と、本体層１７ｍ上のＳｎ系予備メッキ層９１の表面を覆う半田ペースト８７ｐの塗付層を、Ｓｎ系高温半田の液相線温度よりも高温に加熱することにより、Ｓｎ系予備メッキ層９１とともに溶融させ、本体層１７ｍ表面にて濡れ拡がらせることによりＳｎ系半田被覆層８７を形成する半田溶融工程と、をこの順序にて実施する。
【解決手段】 開口部１８ｈ内に金属パッド１７の本体層１７ｍが露出するようにソルダーレジスト層１８を形成し、該露出した本体層１７ｍの表面をＳｎ系予備メッキ層９１にて被覆する予備メッキ工程と、Ｓｎ系予備メッキ層９１上に、含有される半田粉末がＳｎ系高温半田からなる半田ペースト８７ｐを、Ｓｎ系予備メッキ層９１よりも厚く塗布する半田ペースト８７ｐ塗布工程と、本体層１７ｍ上のＳｎ系予備メッキ層９１の表面を覆う半田ペースト８７ｐの塗付層を、Ｓｎ系高温半田の液相線温度よりも高温に加熱することにより、Ｓｎ系予備メッキ層９１とともに溶融させ、本体層１７ｍ表面にて濡れ拡がらせることによりＳｎ系半田被覆層８７を形成する半田溶融工程と、をこの順序にて実施する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は配線基板とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】特開平１０−１１２５１４号公報
【非特許文献１】「高信頼性Ｓｎ−Ａｇ系鉛フリーはんだの開発」 豊田中央研究所Ｒ＆Ｄレビュー Ｖｏｌ．３５ Ｎｏ．２ （２０００） ３９頁
【０００３】
ＢＧＡ（Ball Grid Array：ボール グリッド アレイ） 接続を前提としたオーガニックパッケージにおいては、ＢＧＡをなす半田接続部は半田ボールにて形成される。通常、基板上に形成されたＣｕ系パッドに半田ボールを載置し、リフロー処理してＢＧＡの半田接続部を形成する。半田ボールの材質は、従来、Ｐｂ含有率の高い高温半田が使用されてきた。高温半田はリフロー温度が高く、Ｃｕ系パッドとの濡れ性も共晶半田等と比較すれば悪いので、接続不良を招きやすかった。特許文献１には、Ｃｕ系パッド上にペーストを塗布して半田濡れ性を改善しようとする常套的な技術も開示されているが、効果が十分とは思われない。他方、Ｃｕ系パッド上に共晶半田ペーストを塗付し、これを溶融して補助接続用の半田層をＣｕ系パッド上に予め形成しておくことが考えられる。濡れ性の良好な共晶半田層を予めパッド上に形成しておくことで、半田ボールの接続強度を高めることが期待できる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、最近では、環境汚染の問題から、従来のＳｎ−Ｐｂ共晶半田に代えて、Ｐｂを含有しない、いわゆるＰｂフリー半田が使用されるようになってきた。Ｐｂフリー半田はリフロー温度が高く、Ｃｕ系パッドとの濡れ性に劣るため、接続補助用の半田層を溶融形成しようとしてもパッド表面上にうまく濡れ広がらず、露出面が多く残留して、接続補助用としての機能が不十分となる問題がある。また、濡れ広がらずにまとまったＰｂフリー半田がパッド上で高く盛り上がるので、半田ボールを載置・実装する際に、パッド上でボールのが安定しなくなり、位置決め精度に支障を来たす問題も生じやすくなる。特にパッド上の露出面を減少させるため半田ペーストの塗布量を増加させると、当該不具合はますます生じやすくなる。
【０００５】
本発明の課題は、Ｐｂ含有率の低いＳｎ系高温半田を用いているにも拘わらず、Ｃｕ系のパッド表面を均一に被覆することができる配線基板の製造方法と、それによって製造可能な配線基板とを提供することにある。
【発明を解決するための手段及び発明の効果】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明の配線基板は、
高分子材料からなる誘電体層と導体層とが交互に積層された配線積層部と、該配線積層部の前記誘電体層にて形成された主表面上に配置される複数の金属パッドと、配線積層部の前記主表面上に配置され、金属パッドを露出させるための開口部が形成されたソルダーレジスト層とを備え、
金属パッドは、Ｃｕメッキ層からなる本体層と、Ｓｎを主成分とする液相線温度が１８５℃以上２３２℃未満のＳｎ系高温半田からなり、ソルダーレジスト層の前記開口部内に位置する前記本体層の表面を、面積被覆率８１％以上にて当該本体層と接する形で覆うとともに、前記開口部の中央位置で厚さ最大となり、前記開口部の内周縁位置にて厚さ最小となるとともに、前記中央位置での厚さｈが前記開口部の深さＨよりも小さくなる凸湾曲面状の表面形態を有したＳｎ系半田被覆層とを有してなる配線基板の製造方法であって、
開口部内に金属パッドの本体層が露出するようにソルダーレジスト層を形成し、該露出した本体層の表面をＳｎ系予備メッキ層にて被覆する予備メッキ工程と、
Ｓｎ系予備メッキ層上に、含有される半田粉末がＳｎ系高温半田からなる半田ペーストを、Ｓｎ系予備メッキ層よりも厚く塗布する半田ペースト塗布工程と、
本体層上のＳｎ系予備メッキ層の表面を覆う半田ペーストの塗付層を、Ｓｎ系高温半田の液相線温度よりも高温に加熱することにより、Ｓｎ系予備メッキ層とともに溶融させ、本体層表面にて濡れ拡がらせることによりＳｎ系半田被覆層を形成する半田溶融工程と、をこの順序にて実施することを特徴とする。
【０００７】
一般に多用されているＳｎ−Ｐｂ共晶半田は、Ｓｎ−３８質量％Ｐｂの共晶組成を有し、融点は１８３℃である。この組成からＰｂリッチ側にシフトしても、Ｓｎリッチ側にシフトしても合金の融点（液相線）は上昇する。単体のＳｎ金属は、共晶半田から単純に全てのＰｂを削減したものに相当するが、融点が２３２℃である。本発明で採用するＳｎ系高温半田において「Ｓｎを主成分とする」とは、Ｓｎが共晶半田における６２質量％以上に含有されていることをいう。そして、その半田の融点を１８５℃以上に設定することは、Ｓｎ−Ｐｂ共晶半田からＰｂ含有率を減少させたＳｎ合金により半田を構成することを意味する（融点の上限は、Ｓｎ単体の２３２℃ということにある）。環境保護の観点からは、上記高温半田部材を構成するＳｎ合金は、Ｐｂ含有率が５質量％以下であること（より望ましくは１質量％以下であること、さらに望ましくは、不可避的不純物レベルのものを除き、Ｐｂが可及的に含有されていないこと）がよい、ということになる。
【０００８】
上記本発明の配線基板の製造方法によると、ソルダーレジスト層に露出したＣｕメッキ層からなるパッドの本体層表面に、上記Ｓｎ系高温半田によりＳｎ系半田被覆層を形成する。この際、Ｓｎ系高温半田からなる半田ペーストをパッドの本体層表面に直接塗布するのではなく、これに先立ってＳｎ系予備メッキ層を本体層表面に薄く形成し、その上に半田ペーストを塗布して溶融させる。これにより、Ｃｕに対する濡れがそれ程良好でないＳｎ系高温半田を、本体層をなすＣｕメッキ層上にて均一に濡れ拡がらせることができ、ひいては半田ペーストの塗布量を少なくしても、パッドの表面を高い被覆率で均一に覆うことができる。
【０００９】
その結果、従来不可能であった下記の本発明の配線基板の構造が初めて実現できるようになる。すなわち、該配線基板は、高分子材料からなる誘電体層と導体層とが交互に積層された配線積層部と、該配線積層部の誘電体層にて形成された主表面上に配置される複数の金属パッドと、配線積層部の主表面上に配置され、金属パッドを露出させるための開口部が形成されたソルダーレジスト層とを備え、
金属パッドは、Ｃｕメッキ層からなる本体層と、液相線温度が１８５℃以上２３２℃未満のＳｎ系高温半田からなり、ソルダーレジスト層の開口部内に位置する本体層の表面を、面積被覆率８１％以上にて当該本体層と接する形で覆うとともに、開口部の中央位置で厚さ最大となり、開口部の内周縁位置にて厚さ最小となるとともに、中央位置での厚さｈが開口部の深さＨよりも小さくなる凸湾曲面状の表面形態を有したＳｎ系半田被覆層とを有してなることを特徴とする。
【００１０】
すなわち、Ｃｕとの濡れ性に劣るＳｎ系高温半田を用いているにも拘わらず、Ｃｕメッキ層からなる本体層の表面を、面積被覆率８１％以上にて、開口部の中央位置で厚さ最大となり、開口部の内周縁位置にて厚さ最小となるとともに、中央位置での厚さｈが開口部の深さＨよりも小さくなる凸湾曲面状の表面形態のＳｎ系半田被覆層、つまり、溶融金属をパッドの本体層上にて均一に濡れ拡がらせて得られる形状のＳｎ系半田被覆層を適度な厚さにて形成することが、初めて可能となる。
【００１１】
具体的には、以下のような効果を奏することができる。
（１）パッド表面が、Ｐｂ含有量が削減されたＳｎ系半田被覆層で覆われるので環境対策上有効であり、かつ、Ｃｕとの濡れ性に劣るＳｎ系高温半田でも、パッド表面を均一に覆うＳｎ系半田被覆層の形成が可能となったことで、その普及も促進することができる。
（２）金属パッドは、配線基板の裏面側に複数個が格子状ないし千鳥状に配列し、接続先となる基板の端子と接続するための半田ボール部材が各々結合されるボールグリッドアレイパッドを形成するものとして形成することができる。この場合、Ｓｎ系半田被覆層は、Ｐｂ含有量が削減されているにも拘わらず、パッド表面からは不完全半田被覆による露出面が大幅に減少し、半田ボール部材の接続強度を高めることができるとともに、そのばらつきも顕著に改善される。
（３）Ｓｎ系高温半田の濡れ広がりが良好なので、Ｓｎ系半田被覆層の厚さを増やさなくともパッド表面を均一に被覆できるので、該Ｓｎ系半田被覆層の中央位置での厚さｈをソルダーレジスト層の開口部の深さＨよりも小さくすることができる。これは、半田ボール部材をソルダーレジスト層の開口部に載置するときの位置決め安定性を大幅に向上させる。
（４）金属パッドは、配線基板の表面側に形成された光学位置決め用のマーキングパッドとすることもできるが、この場合、パッド表面か反射率の良好なＳｎ系半田被覆層にて均一に覆われることで、その光学的な検出精度を高めることができる。
【００１２】
Ｓｎ系半田被覆層は、Ｓｎを主成分とする液相線温度が１９０℃以上２３２℃未満のＳｎ系高温半田からなり、ソルダーレジスト層の前記開口部内に位置する前記本体層の表面を、面積被覆率９０％以上にて当該本体層と接する形で覆うものとすることが望ましく、特には、Ｓｎを主成分とする液相線温度が２００℃以上２３２℃未満のＳｎ系高温半田からなり、ソルダーレジスト層の前記開口部内に位置する前記本体層の表面を、面積被覆率９５％以上にて当該本体層と接する形で覆うものとすることが望ましい。液相線温度が２００℃以上のＳｎ系高温半田であれば、Ｐｂの含有量をさらに大幅に現ずることが可能となる。例えば、非特許文献１の表１に列挙されている各種組成のＰｂフリー半田においても、融点（液相線温度）Ｔｓは全て２００℃以上である。また、Ｓｎ系半田被覆層は、本体層の表面を、面積被覆率９０％以上、望ましくは９５％以上にて当該本体層と接する形で覆うものとすることで、前述の（１）〜（４）の効果がさらに高められる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
図３は本発明の一実施形態に係る半導体部品付き配線基板１の断面構造を模式的に示すものである。配線基板１は、耐熱性樹脂板（例えばビスマレイミド−トリアジン樹脂板）や、繊維強化樹脂板（例えばガラス繊維強化エポキシ樹脂）等で構成された板状コア２の両表面に、所定のパターンに配線金属層をなすコア導体層Ｍ１，Ｍ１１がそれぞれ形成される。これらコア導体層Ｍ１，Ｍ１１は板状コア２の表面の大部分を被覆する面導体パターンとして形成され、電源層又は接地層として用いられるものである。他方、板状コア２には、ドリル等により穿設されたスルーホール１２が形成され、その内壁面にはコア導体層Ｍ１，Ｍ１１を互いに導通させるスルーホール導体３０が形成されている。また、スルーホール１２は、エポキシ樹脂等の樹脂製穴埋め材３１により充填されている。
【００１４】
また、コア導体層Ｍ１，Ｍ１１の上層には、感光性樹脂組成物６にて構成された第一ビア層（ビルドアップ層：誘電体層）Ｖ１，Ｖ１１がそれぞれ形成されている。さらに、その表面にはそれぞれ金属配線７を有する第一導体層Ｍ２，Ｍ１２がＣｕメッキにより形成されている。なお、コア導体層Ｍ１，Ｍ１１と第一導体層Ｍ２，Ｍ１２とは、それぞれビア３４により層間接続がなされている。同様に、第一導体層Ｍ２，Ｍ１２の上層には、感光性樹脂組成物６を用いた第二ビア層（ビルドアップ層：誘電体層）Ｖ２，Ｖ１２がそれぞれ形成されている。その表面には、金属端子パッド８，１８を有する第二導体層Ｍ３，Ｍ１３が形成されている。これら第一導体層Ｍ２，Ｍ１２と第二導体層Ｍ３，Ｍ１３とは、それぞれビア３４により層間接続がなされている。ビア３４は、図３に示すように、ビアホール３４ｈとその内周面に設けられたビア導体３４ｓと、底面側にてビア導体３４ｓと導通するように設けられたビアパッド３４ｐと、ビアパッド３４ｐと反対側にてビア導体３４ｈの開口周縁から外向きに張り出すビアパッド３４ｌとを有している。
【００１５】
板状コア２の第一主表面ＭＰ１においては、コア導体層Ｍ１、第一ビア層Ｖ１、第一導体層Ｍ２及び第二ビア層Ｖ２が第一の配線積層部Ｌ１を形成している。また、板状コア２の第二主表面ＭＰ２においては、コア導体層Ｍ１１、第一ビア層Ｖ１１、第一導体層Ｍ１２及び第二ビア層Ｖ１２が第二の配線積層部Ｌ２を形成している。いずれも、第一主表面が誘電体層６にて形成されるように、誘電体層と導体層とが交互に積層されたものであり、該第一主表面ＣＰ上には、複数の金属端子パッド１０ないし１７がそれぞれ形成されている。第一配線積層部Ｌ１側の金属端子パッド１０は、集積回路部品などをフリップチップ接続するためのパッドである半田パッドを構成する。
【００１６】
また、第二配線積層部Ｌ２側の金属端子パッド１７は、配線基板自体をマザーボード等にボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）により接続するための裏面パッドとして利用されるものである。図２に示すように、第二導体層Ｍ１３内の第二側パッド１７も、格子状に配列形成されている。そして、各第二導体層Ｍ３，Ｍ１３上には、それぞれ、感光性樹脂組成物よりなるソルダーレジスト層８，１８（ＳＲ１，ＳＲ１１）が形成されている。いずれも第一側パッド１０あるいは第二側パッド１７を露出させるために、各パッドに一対一に対応する形で開口部８ｈ，１８ｈが形成されている。
【００１７】
ビア層Ｖ１，Ｖ１１，Ｖ２，Ｖ１２、及びソルダーレジスト層８，１８は例えば以下のようにして製造されたものである。すなわち、感光性樹脂組成物ワニスをフィルム化した感光性接着フィルムをラミネート（貼り合わせ）し、ビアホール３４ｈに対応したパターンを有する透明マスク（例えばガラスマスクである）を重ねて露光する。ビアホール３４ｈ以外のフィルム部分は、この露光により硬化する一方、ビアホール３４ｈ部分は未硬化のまま残留するので、これを溶剤に溶かして除去すれば、所期のパターンにてビアホール３４ｈを簡単に形成することができる（いわゆるフォトビアプロセス）。
【００１８】
図３において第二側パッド１７は、本発明の適用対象となる金属パッドである（以下、金属パッド１７とも記載する）。金属パッド１７は、図２に示すごとく格子状（ないし千鳥状）に配列し、図３に示すように、半田ボール部材９７が各々結合される。図４は、その詳細を上下反転して示すものであり、金属パッド１７は、Ｃｕメッキ層からなる本体層１７ｍと、液相線温度が１８５℃以上２３２℃未満（望ましくは１９０℃以上２３２℃未満、より望ましくは１９５℃以上２３２℃未満、さらに望ましくは２００℃以上２３２℃未満）のＳｎ系高温半田からなるＳｎ系半田被覆層８７とを有してなる。Ｓｎ系半田被覆層８７は、ソルダーレジスト層１８の開口部１８ｈ内に位置する本体層１７ｍの表面を、面積被覆率８１％以上（望ましくは８５％以上、より望ましくは９０％以上、さらに望ましくは９５％以上：面積被覆率は高ければ高いほどよい）にて当該本体層１７ｍと接する形で覆うとともに、開口部１８ｈの中央位置で厚さ最大となり、開口部１８ｈの内周縁位置にて厚さ最小となるとともに、中央位置での厚さｈが開口部１８ｈの深さＨよりも小さくなる凸湾曲面状の表面形態を有してなる。なお、半田ボール部材９７の材質もＳｎ系高温半田である。
【００１９】
Ｓｎ系半田被覆層８７を構成するＳｎ系高温半田について詳しく説明する。単体のＳｎ金属は、共晶半田から単純に全てのＰｂを削減したものに相当するが、融点が２３２℃と共晶半田の融点よりも５０℃近くも高く、そのままでは代替半田としての採用は難しい。この場合、採用可能なＳｎ系高温半田については、Ｓｎを主成分（前述のごとく、共晶半田における６２質量％以上の含有率をいう）として、共晶形成成分の主体はＰｂ以外の元素から模索する。Ｓｎ−Ｐｂ共晶半田からＰｂ含有率を大幅に下げたＳｎ合金により半田部材を構成しようとした場合、半田の融点は１８５℃（特には２００℃）を超える高温半田となることが不可避となる（上限は、Ｓｎ単体の２３２℃である）。環境保護の観点からは、Ｓｎ系高温半田は、Ｐｂ含有率が５質量％以下であること（より望ましくは１質量％以下であること、さらに望ましくは、不可避的不純物レベルのものを除き、Ｐｂが可及的に含有されていないこと）がよい。
【００２０】
Ｓｎ系高温半田においてＳｎに添加する副成分は、融点低下効果がなるべく大きいことに加え、価格が安価であるか、多少高価であっても添加量が少なくて済むこと、半田付け性や流れ性が良好であること、耐食性に優れていること、などが条件となる。しかし、これらをバランスよく具備した副成分の種類は案外限られており、Ｚｎ、Ｂｉ、Ａｇ及びＣｕなど数元素に過ぎない。Ｓｎ−Ｚｎ系は１５質量％Ｚｎ付近に共晶点を有し、該組成で１９５℃程度まで融点が下がる。しかし、Ｚｎは耐食性に難点があり、通常は７〜１０質量％前後の添加量が留められるが、該組成付近の二元系では２１５℃前後までしか融点が下がらない。そこで、１〜５質量％のＢｉを添加して融点調整を行なうが、最終的に２００℃未満の融点を得ることは難しい。さらに、Ｂｉは高価であり、戦略物質でもあるため供給の安定性にも難がある。
【００２１】
一方、ＡｇやＣｕは、単独ではＳｎよりもはるかに高融点であるが、Ｓｎ−Ａｇ系については５質量％Ａｇ付近の、Ｓｎ−Ｃｕ系については２質量％Ｃｕ付近の、いずれもＳｎリッチ側に共晶点が存在する。また、Ａｇ−Ｃｕ系も共晶系であり、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕの三元共晶を利用することでさらに融点を下げることができる。しかし、Ｓｎ−Ａｇ系もＳｎ−Ｃｕ系も、いずれも二元共晶温度は２２０℃前後であり、３元共晶系を採用しても２００℃以下に融点を下げることは不可能である。
【００２２】
Ｓｎ系半田被覆層８７は、低融点化の観点から、Ｓｎの含有量が９４質量％以上９９質量％以下であり、共晶形成副成分としてＡｇ及びＣｕの一方又は双方を合計で１質量％以上６質量％にて含有するＳｎ系高温半田を用いることが望ましい。例えば、Ｓｎ−Ａｇ系合金の場合、低融点化の観点からの推奨組成は、Ｓｎに対しＡｇ含有率が３質量％以上６質量％以下である。同様に、Ｓｎ−Ｃｕ系合金の場合、Ｓｎに対しＣｕ含有率が１質量％以上３質量％以下である。さらに、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金の場合は、Ａｇ＋Ｃｕが３質量％以上６質量％以下であり、Ｃｕ／（Ａｇ＋Ｃｕ）が質量比にて０．１以上０．５以下である。いずれの場合においても、半田の融点は２００℃以上となる。
【００２３】
本発明においては、上記のようなＳｎ系高温半田を用いて、ソルダーレジスト層１８に露出したＣｕメッキ層からなるパッドの本体層１７ｍの表面に、上記Ｓｎ系高温半田によりＳｎ系半田被覆層８７を形成する必要がある。図５に示すように、Ｃｕメッキ層からなる本体層１７ｍの表面上に直接半田ペーストを塗布してリフローすることによりＳｎ系半田被覆層８７を溶融形成しようとしても、Ｓｎ系高温半田はリフロー温度が高く、Ｃｕとの濡れ性に劣るためうまく濡れ広がらない。その結果、露出面１７ｅが多く残留して半田ボール９７の接続強度が低下したり、強度がばらついたりする不具合につながる。また、濡れ広がらずにまとまった半田８７’が本体層１７ｍ上で高く盛り上がるので、半田ボール９７を載置・実装する際に、パッド上でボール９７が安定しなくなり、位置決め精度に支障を来たす問題も生じやすくなる。
【００２４】
そこで、本発明においては、図６に示すような工程を採用する。まず、工程１に示すように、開口部１８ｈ内に金属パッド１７の本体層１７ｍが露出するようにソルダーレジスト層１８を形成し、該露出した本体層１７ｍの表面を、無電解Ｓｎメッキ又は電解Ｓｎメッキにより、Ｓｎ系予備メッキ層９１にて被覆する（予備メッキ工程）。次に、Ｓｎ系予備メッキ層９１上に、含有される半田粉末がＳｎ系高温半田からなる半田ペースト８７ｐを、Ｓｎ系予備メッキ層９１よりも厚く塗布する（半田ペースト８７ｐ塗布工程）。そして、本体層１７ｍ上のＳｎ系予備メッキ層９１の表面を覆う半田ペースト８７ｐの塗付層を、Ｓｎ系高温半田の液相線温度よりも高温に加熱することにより、Ｓｎ系予備メッキ層９１とともに溶融させ、本体層１７ｍ表面にて濡れ拡がらせることによりＳｎ系半田被覆層８７を形成する（半田溶融工程）。
【００２５】
すなわち、Ｓｎ系高温半田からなる半田ペースト８７ｐをパッドの本体層１７ｍ表面に直接塗布するのではなく、これに先立ってＳｎ系予備メッキ層９１を本体層１７ｍ表面に薄く形成し、その上に半田ペースト８７ｐを塗布して溶融させる。これにより、Ｃｕに対する濡れがそれ程良好でないＳｎ系高温半田を、本体層１７ｍをなすＣｕメッキ層上にて均一に濡れ拡がらせることができ、ひいては半田ペースト８７ｐの塗布量を少なくしても、パッドの表面を高い被覆率で均一に覆うことができる。
【００２６】
その結果、Ｓｎ系半田被覆層８７は、Ｐｂ含有量が削減されているにも拘わらず、パッド表面からは不完全半田被覆による露出面が大幅に減少し、半田ボール部材の接続強度を高めることができるとともに、そのばらつきも顕著に改善される。また、Ｓｎ系高温半田の濡れ広がりが良好なので、Ｓｎ系半田被覆層８７の厚さを増やさなくともパッド表面を均一に被覆できるので、該Ｓｎ系半田被覆層８７の中央位置での厚さｈをソルダーレジスト層１８の開口部１８ｈの深さＨよりも小さくすることができる。これは、半田ボール部材をソルダーレジスト層１８の開口部１８ｈに載置するときの位置決め安定性を大幅に向上させる。
【００２７】
上記の方法の採用により、開口部１８ｈ内にて本体層１７ｍの表面をＳｎ系半田被覆層８７により、ｈ＜Ｈを充足させつつ面積率９５％以上で覆うことは極めて容易であり、場合により９８％以上、あるいはほとんど１００％に近い被覆状態を得ることも可能である。この状態が、図５に示すごとき、従来方法による被覆状態（例えば８０％以下）と比較して良好であり、半田ボール９７を接続した場合の信頼性や位置決め精度において優れていることは、説明するまでもない。
【００２８】
Ｓｎ系予備メッキ層９１は、０．９μｍ以上５μｍ以下の厚さにて形成するのがよい。Ｓｎ系予備メッキ層９１の厚さが０．９μｍ未満になると、本体層１７ｍの表面をＳｎ系予備メッキ層９１により均一に覆うことが困難となり、ひいてはＳｎ系半田被覆層８７による被覆率も十分に確保できなくなる場合がある。他方、Ｓｎ系予備メッキ層９１の厚さが５μｍ以上となることは、メッキ工程の長時間化を招き、製造能率の低下を来たす。
【００２９】
Ｓｎ系予備メッキ層９１は、Ｓｎ系半田被覆層８７の濡れ広がり性を十分に向上させるためには、Ｓｎの含有率が９５質量％以上の組成を有するものとして形成することが望ましい。この場合、Ｓｎ系予備メッキ層９１は、副成分としてＡｕを含有するものを使用することが、Ｃｕメッキ層からなる本体層１７ｍとＳｎ系予備メッキ層９１との親和性を高め、Ｓｎ系半田被覆層８７の濡れ広がり性をより良好なものとする観点において有利である。Ｓｎ系予備メッキ層９１のＡｕの含有率は０．１質量％未満では効果に乏しく、５質量％を超えるとＡｕ−Ｓｎ系金属間化合物の形成量が増加して、半田ボール９７の接続強度低下につながる。
【００３０】
ＢＧＡ用のパッドの場合、金属パッド１７の表面の開口部１８ｈ内に位置する領域の直径は２００μｍ以上６００μｍ以下設定されるのが通常である。この場合、Ｓｎ系半田被覆層８７の中央位置での厚さは１０μｍ以上２０μｍ以下に形成するのが適当である。半田ペースト８７ｐの塗付層は、最終的に得られるＳｎ系半田被覆層８７の中央位置での厚さが１０μｍ以上２０μｍ以下となるように、その塗布厚さを調整することとなる。Ｓｎ系半田被覆層８７の中央位置での厚さを１０μｍ未満に設定しようとすると、金属パッド１７の表面をＳｎ系半田被覆層８７で均一に被覆することが困難となる。また、Ｓｎ系半田被覆層８７の中央位置での厚さｈが２０μｍを超えると、ＢＧＡ用パッドに通常使用されるソルダーレジスト層１８の開口深さＨ（１０μｍ以上３５μｍ以下に設定されるのが通常である）対して、前記厚さｈを小さく設定することが困難となり、半田ボール９７の位置決め精度に支障を来たす場合がある。厚さｈは、開口深さＨの半分以下とすることがなお望ましい。
【００３１】
半田ペーストの塗布及び溶融により形成されるＳｎ系半田被覆層８７は、本発明の製法の採用により、略球面状の表面形態を有するものとして形成できる。この場合、本体層１７ｍの表面を底面とし、表面の曲率半径が２６０μｍ以上４０００μｍ以下の球セグメント状の形態に形成することが望ましい。表面の曲率半径を、４０００μｍを超える値に設定しようとすると、Ｓｎ系半田被覆層８７が薄くなりすぎ、金属パッド１７の表面をＳｎ系半田被覆層８７で均一に被覆することが困難となる。また、表面の曲率半径が２６０μｍ未満になると、Ｓｎ系半田被覆層８７の中央位置での厚さｈが大きくなりすぎ、半田ボール９７の位置決め精度に支障を来たす場合がある。
【００３２】
なお、金属パッド１７と同様のパッド構造を、配線基板のフリップチップ接続側に形成し、これを配線基板の表面側に形成された光学位置決め用のマーキングパッドとすることもできる。この場合、パッドに半田ボールは接続されないが、パッド表面か反射率の良好なＳｎ系半田被覆層にて均一に覆われることで、その光学的な検出精度を高めることができる。
【００３３】
図７は、開口径２５０μｍ、開口深さＨが２５μｍのソルダーレジスト層開口部に対し、Ｃｕメッキ層からなる本体層上に、Ｓｎ系予備メッキ層として、Ｓｎ−１質量％Ａｕの組成を有したＳｎメッキ層を無電解メッキにより厚さ約１μｍにて形成し、さらに、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ半田（組成：Ｓｎ−３質量％Ａｇ−０．５質量％Ｃｕ）のペーストを厚さ４０μｍにて塗布し、２５２℃にてリフローして得られたＳｎ系半田被覆層の断面光学顕微鏡観察画像である。開口内の本体層の表面は略１００％Ｓｎ系半田被覆層で被覆され、中央位置での層の厚さｈは約１０μｍである。他方、図８は、比較例として、Ｓｎ系予備メッキ層の形成を省略して形成したＳｎ系半田被覆層の断面光学顕微鏡観察画像である。開口内の本体層の表面被覆率は７０％と小さく、中央位置での層の厚さｈは約３５μｍであり、開口深さＨと略同程度にまでＳｎ系半田被覆層が盛り上がっていることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】配線基板の一実施形態を示す平面図。
【図２】同じく裏面図。
【図３】本発明に係る配線基板の断面構造の一例を示す図。
【図４】ＢＧＡパッド側の構造を模式的に示す拡大断面図。
【図５】図４に対する比較例の構造を模式的に示す拡大断面図。
【図６】本発明の基板製造方法の概略を示す工程説明図。
【図７】本発明によるＢＧＡパッド側の構造の実例を示す断面の光学顕微鏡観察画像。
【図８】比較例によるＢＧＡパッド側の構造の実例を示す断面の光学顕微鏡観察画像。
【符号の説明】
【００３５】
１ 配線基板
１７ 金属パッド
１７ｍ 本体層
１８ ソルダーレジスト層
１８ｈ 開口部
８７ Ｓｎ系半田被覆層
８７ｐ 半田ペースト
９１ Ｓｎ系予備メッキ層
９７ 半田ボール部材
【技術分野】
【０００１】
この発明は配線基板とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
【特許文献１】特開平１０−１１２５１４号公報
【非特許文献１】「高信頼性Ｓｎ−Ａｇ系鉛フリーはんだの開発」 豊田中央研究所Ｒ＆Ｄレビュー Ｖｏｌ．３５ Ｎｏ．２ （２０００） ３９頁
【０００３】
ＢＧＡ（Ball Grid Array：ボール グリッド アレイ） 接続を前提としたオーガニックパッケージにおいては、ＢＧＡをなす半田接続部は半田ボールにて形成される。通常、基板上に形成されたＣｕ系パッドに半田ボールを載置し、リフロー処理してＢＧＡの半田接続部を形成する。半田ボールの材質は、従来、Ｐｂ含有率の高い高温半田が使用されてきた。高温半田はリフロー温度が高く、Ｃｕ系パッドとの濡れ性も共晶半田等と比較すれば悪いので、接続不良を招きやすかった。特許文献１には、Ｃｕ系パッド上にペーストを塗布して半田濡れ性を改善しようとする常套的な技術も開示されているが、効果が十分とは思われない。他方、Ｃｕ系パッド上に共晶半田ペーストを塗付し、これを溶融して補助接続用の半田層をＣｕ系パッド上に予め形成しておくことが考えられる。濡れ性の良好な共晶半田層を予めパッド上に形成しておくことで、半田ボールの接続強度を高めることが期待できる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、最近では、環境汚染の問題から、従来のＳｎ−Ｐｂ共晶半田に代えて、Ｐｂを含有しない、いわゆるＰｂフリー半田が使用されるようになってきた。Ｐｂフリー半田はリフロー温度が高く、Ｃｕ系パッドとの濡れ性に劣るため、接続補助用の半田層を溶融形成しようとしてもパッド表面上にうまく濡れ広がらず、露出面が多く残留して、接続補助用としての機能が不十分となる問題がある。また、濡れ広がらずにまとまったＰｂフリー半田がパッド上で高く盛り上がるので、半田ボールを載置・実装する際に、パッド上でボールのが安定しなくなり、位置決め精度に支障を来たす問題も生じやすくなる。特にパッド上の露出面を減少させるため半田ペーストの塗布量を増加させると、当該不具合はますます生じやすくなる。
【０００５】
本発明の課題は、Ｐｂ含有率の低いＳｎ系高温半田を用いているにも拘わらず、Ｃｕ系のパッド表面を均一に被覆することができる配線基板の製造方法と、それによって製造可能な配線基板とを提供することにある。
【発明を解決するための手段及び発明の効果】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明の配線基板は、
高分子材料からなる誘電体層と導体層とが交互に積層された配線積層部と、該配線積層部の前記誘電体層にて形成された主表面上に配置される複数の金属パッドと、配線積層部の前記主表面上に配置され、金属パッドを露出させるための開口部が形成されたソルダーレジスト層とを備え、
金属パッドは、Ｃｕメッキ層からなる本体層と、Ｓｎを主成分とする液相線温度が１８５℃以上２３２℃未満のＳｎ系高温半田からなり、ソルダーレジスト層の前記開口部内に位置する前記本体層の表面を、面積被覆率８１％以上にて当該本体層と接する形で覆うとともに、前記開口部の中央位置で厚さ最大となり、前記開口部の内周縁位置にて厚さ最小となるとともに、前記中央位置での厚さｈが前記開口部の深さＨよりも小さくなる凸湾曲面状の表面形態を有したＳｎ系半田被覆層とを有してなる配線基板の製造方法であって、
開口部内に金属パッドの本体層が露出するようにソルダーレジスト層を形成し、該露出した本体層の表面をＳｎ系予備メッキ層にて被覆する予備メッキ工程と、
Ｓｎ系予備メッキ層上に、含有される半田粉末がＳｎ系高温半田からなる半田ペーストを、Ｓｎ系予備メッキ層よりも厚く塗布する半田ペースト塗布工程と、
本体層上のＳｎ系予備メッキ層の表面を覆う半田ペーストの塗付層を、Ｓｎ系高温半田の液相線温度よりも高温に加熱することにより、Ｓｎ系予備メッキ層とともに溶融させ、本体層表面にて濡れ拡がらせることによりＳｎ系半田被覆層を形成する半田溶融工程と、をこの順序にて実施することを特徴とする。
【０００７】
一般に多用されているＳｎ−Ｐｂ共晶半田は、Ｓｎ−３８質量％Ｐｂの共晶組成を有し、融点は１８３℃である。この組成からＰｂリッチ側にシフトしても、Ｓｎリッチ側にシフトしても合金の融点（液相線）は上昇する。単体のＳｎ金属は、共晶半田から単純に全てのＰｂを削減したものに相当するが、融点が２３２℃である。本発明で採用するＳｎ系高温半田において「Ｓｎを主成分とする」とは、Ｓｎが共晶半田における６２質量％以上に含有されていることをいう。そして、その半田の融点を１８５℃以上に設定することは、Ｓｎ−Ｐｂ共晶半田からＰｂ含有率を減少させたＳｎ合金により半田を構成することを意味する（融点の上限は、Ｓｎ単体の２３２℃ということにある）。環境保護の観点からは、上記高温半田部材を構成するＳｎ合金は、Ｐｂ含有率が５質量％以下であること（より望ましくは１質量％以下であること、さらに望ましくは、不可避的不純物レベルのものを除き、Ｐｂが可及的に含有されていないこと）がよい、ということになる。
【０００８】
上記本発明の配線基板の製造方法によると、ソルダーレジスト層に露出したＣｕメッキ層からなるパッドの本体層表面に、上記Ｓｎ系高温半田によりＳｎ系半田被覆層を形成する。この際、Ｓｎ系高温半田からなる半田ペーストをパッドの本体層表面に直接塗布するのではなく、これに先立ってＳｎ系予備メッキ層を本体層表面に薄く形成し、その上に半田ペーストを塗布して溶融させる。これにより、Ｃｕに対する濡れがそれ程良好でないＳｎ系高温半田を、本体層をなすＣｕメッキ層上にて均一に濡れ拡がらせることができ、ひいては半田ペーストの塗布量を少なくしても、パッドの表面を高い被覆率で均一に覆うことができる。
【０００９】
その結果、従来不可能であった下記の本発明の配線基板の構造が初めて実現できるようになる。すなわち、該配線基板は、高分子材料からなる誘電体層と導体層とが交互に積層された配線積層部と、該配線積層部の誘電体層にて形成された主表面上に配置される複数の金属パッドと、配線積層部の主表面上に配置され、金属パッドを露出させるための開口部が形成されたソルダーレジスト層とを備え、
金属パッドは、Ｃｕメッキ層からなる本体層と、液相線温度が１８５℃以上２３２℃未満のＳｎ系高温半田からなり、ソルダーレジスト層の開口部内に位置する本体層の表面を、面積被覆率８１％以上にて当該本体層と接する形で覆うとともに、開口部の中央位置で厚さ最大となり、開口部の内周縁位置にて厚さ最小となるとともに、中央位置での厚さｈが開口部の深さＨよりも小さくなる凸湾曲面状の表面形態を有したＳｎ系半田被覆層とを有してなることを特徴とする。
【００１０】
すなわち、Ｃｕとの濡れ性に劣るＳｎ系高温半田を用いているにも拘わらず、Ｃｕメッキ層からなる本体層の表面を、面積被覆率８１％以上にて、開口部の中央位置で厚さ最大となり、開口部の内周縁位置にて厚さ最小となるとともに、中央位置での厚さｈが開口部の深さＨよりも小さくなる凸湾曲面状の表面形態のＳｎ系半田被覆層、つまり、溶融金属をパッドの本体層上にて均一に濡れ拡がらせて得られる形状のＳｎ系半田被覆層を適度な厚さにて形成することが、初めて可能となる。
【００１１】
具体的には、以下のような効果を奏することができる。
（１）パッド表面が、Ｐｂ含有量が削減されたＳｎ系半田被覆層で覆われるので環境対策上有効であり、かつ、Ｃｕとの濡れ性に劣るＳｎ系高温半田でも、パッド表面を均一に覆うＳｎ系半田被覆層の形成が可能となったことで、その普及も促進することができる。
（２）金属パッドは、配線基板の裏面側に複数個が格子状ないし千鳥状に配列し、接続先となる基板の端子と接続するための半田ボール部材が各々結合されるボールグリッドアレイパッドを形成するものとして形成することができる。この場合、Ｓｎ系半田被覆層は、Ｐｂ含有量が削減されているにも拘わらず、パッド表面からは不完全半田被覆による露出面が大幅に減少し、半田ボール部材の接続強度を高めることができるとともに、そのばらつきも顕著に改善される。
（３）Ｓｎ系高温半田の濡れ広がりが良好なので、Ｓｎ系半田被覆層の厚さを増やさなくともパッド表面を均一に被覆できるので、該Ｓｎ系半田被覆層の中央位置での厚さｈをソルダーレジスト層の開口部の深さＨよりも小さくすることができる。これは、半田ボール部材をソルダーレジスト層の開口部に載置するときの位置決め安定性を大幅に向上させる。
（４）金属パッドは、配線基板の表面側に形成された光学位置決め用のマーキングパッドとすることもできるが、この場合、パッド表面か反射率の良好なＳｎ系半田被覆層にて均一に覆われることで、その光学的な検出精度を高めることができる。
【００１２】
Ｓｎ系半田被覆層は、Ｓｎを主成分とする液相線温度が１９０℃以上２３２℃未満のＳｎ系高温半田からなり、ソルダーレジスト層の前記開口部内に位置する前記本体層の表面を、面積被覆率９０％以上にて当該本体層と接する形で覆うものとすることが望ましく、特には、Ｓｎを主成分とする液相線温度が２００℃以上２３２℃未満のＳｎ系高温半田からなり、ソルダーレジスト層の前記開口部内に位置する前記本体層の表面を、面積被覆率９５％以上にて当該本体層と接する形で覆うものとすることが望ましい。液相線温度が２００℃以上のＳｎ系高温半田であれば、Ｐｂの含有量をさらに大幅に現ずることが可能となる。例えば、非特許文献１の表１に列挙されている各種組成のＰｂフリー半田においても、融点（液相線温度）Ｔｓは全て２００℃以上である。また、Ｓｎ系半田被覆層は、本体層の表面を、面積被覆率９０％以上、望ましくは９５％以上にて当該本体層と接する形で覆うものとすることで、前述の（１）〜（４）の効果がさらに高められる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
図３は本発明の一実施形態に係る半導体部品付き配線基板１の断面構造を模式的に示すものである。配線基板１は、耐熱性樹脂板（例えばビスマレイミド−トリアジン樹脂板）や、繊維強化樹脂板（例えばガラス繊維強化エポキシ樹脂）等で構成された板状コア２の両表面に、所定のパターンに配線金属層をなすコア導体層Ｍ１，Ｍ１１がそれぞれ形成される。これらコア導体層Ｍ１，Ｍ１１は板状コア２の表面の大部分を被覆する面導体パターンとして形成され、電源層又は接地層として用いられるものである。他方、板状コア２には、ドリル等により穿設されたスルーホール１２が形成され、その内壁面にはコア導体層Ｍ１，Ｍ１１を互いに導通させるスルーホール導体３０が形成されている。また、スルーホール１２は、エポキシ樹脂等の樹脂製穴埋め材３１により充填されている。
【００１４】
また、コア導体層Ｍ１，Ｍ１１の上層には、感光性樹脂組成物６にて構成された第一ビア層（ビルドアップ層：誘電体層）Ｖ１，Ｖ１１がそれぞれ形成されている。さらに、その表面にはそれぞれ金属配線７を有する第一導体層Ｍ２，Ｍ１２がＣｕメッキにより形成されている。なお、コア導体層Ｍ１，Ｍ１１と第一導体層Ｍ２，Ｍ１２とは、それぞれビア３４により層間接続がなされている。同様に、第一導体層Ｍ２，Ｍ１２の上層には、感光性樹脂組成物６を用いた第二ビア層（ビルドアップ層：誘電体層）Ｖ２，Ｖ１２がそれぞれ形成されている。その表面には、金属端子パッド８，１８を有する第二導体層Ｍ３，Ｍ１３が形成されている。これら第一導体層Ｍ２，Ｍ１２と第二導体層Ｍ３，Ｍ１３とは、それぞれビア３４により層間接続がなされている。ビア３４は、図３に示すように、ビアホール３４ｈとその内周面に設けられたビア導体３４ｓと、底面側にてビア導体３４ｓと導通するように設けられたビアパッド３４ｐと、ビアパッド３４ｐと反対側にてビア導体３４ｈの開口周縁から外向きに張り出すビアパッド３４ｌとを有している。
【００１５】
板状コア２の第一主表面ＭＰ１においては、コア導体層Ｍ１、第一ビア層Ｖ１、第一導体層Ｍ２及び第二ビア層Ｖ２が第一の配線積層部Ｌ１を形成している。また、板状コア２の第二主表面ＭＰ２においては、コア導体層Ｍ１１、第一ビア層Ｖ１１、第一導体層Ｍ１２及び第二ビア層Ｖ１２が第二の配線積層部Ｌ２を形成している。いずれも、第一主表面が誘電体層６にて形成されるように、誘電体層と導体層とが交互に積層されたものであり、該第一主表面ＣＰ上には、複数の金属端子パッド１０ないし１７がそれぞれ形成されている。第一配線積層部Ｌ１側の金属端子パッド１０は、集積回路部品などをフリップチップ接続するためのパッドである半田パッドを構成する。
【００１６】
また、第二配線積層部Ｌ２側の金属端子パッド１７は、配線基板自体をマザーボード等にボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）により接続するための裏面パッドとして利用されるものである。図２に示すように、第二導体層Ｍ１３内の第二側パッド１７も、格子状に配列形成されている。そして、各第二導体層Ｍ３，Ｍ１３上には、それぞれ、感光性樹脂組成物よりなるソルダーレジスト層８，１８（ＳＲ１，ＳＲ１１）が形成されている。いずれも第一側パッド１０あるいは第二側パッド１７を露出させるために、各パッドに一対一に対応する形で開口部８ｈ，１８ｈが形成されている。
【００１７】
ビア層Ｖ１，Ｖ１１，Ｖ２，Ｖ１２、及びソルダーレジスト層８，１８は例えば以下のようにして製造されたものである。すなわち、感光性樹脂組成物ワニスをフィルム化した感光性接着フィルムをラミネート（貼り合わせ）し、ビアホール３４ｈに対応したパターンを有する透明マスク（例えばガラスマスクである）を重ねて露光する。ビアホール３４ｈ以外のフィルム部分は、この露光により硬化する一方、ビアホール３４ｈ部分は未硬化のまま残留するので、これを溶剤に溶かして除去すれば、所期のパターンにてビアホール３４ｈを簡単に形成することができる（いわゆるフォトビアプロセス）。
【００１８】
図３において第二側パッド１７は、本発明の適用対象となる金属パッドである（以下、金属パッド１７とも記載する）。金属パッド１７は、図２に示すごとく格子状（ないし千鳥状）に配列し、図３に示すように、半田ボール部材９７が各々結合される。図４は、その詳細を上下反転して示すものであり、金属パッド１７は、Ｃｕメッキ層からなる本体層１７ｍと、液相線温度が１８５℃以上２３２℃未満（望ましくは１９０℃以上２３２℃未満、より望ましくは１９５℃以上２３２℃未満、さらに望ましくは２００℃以上２３２℃未満）のＳｎ系高温半田からなるＳｎ系半田被覆層８７とを有してなる。Ｓｎ系半田被覆層８７は、ソルダーレジスト層１８の開口部１８ｈ内に位置する本体層１７ｍの表面を、面積被覆率８１％以上（望ましくは８５％以上、より望ましくは９０％以上、さらに望ましくは９５％以上：面積被覆率は高ければ高いほどよい）にて当該本体層１７ｍと接する形で覆うとともに、開口部１８ｈの中央位置で厚さ最大となり、開口部１８ｈの内周縁位置にて厚さ最小となるとともに、中央位置での厚さｈが開口部１８ｈの深さＨよりも小さくなる凸湾曲面状の表面形態を有してなる。なお、半田ボール部材９７の材質もＳｎ系高温半田である。
【００１９】
Ｓｎ系半田被覆層８７を構成するＳｎ系高温半田について詳しく説明する。単体のＳｎ金属は、共晶半田から単純に全てのＰｂを削減したものに相当するが、融点が２３２℃と共晶半田の融点よりも５０℃近くも高く、そのままでは代替半田としての採用は難しい。この場合、採用可能なＳｎ系高温半田については、Ｓｎを主成分（前述のごとく、共晶半田における６２質量％以上の含有率をいう）として、共晶形成成分の主体はＰｂ以外の元素から模索する。Ｓｎ−Ｐｂ共晶半田からＰｂ含有率を大幅に下げたＳｎ合金により半田部材を構成しようとした場合、半田の融点は１８５℃（特には２００℃）を超える高温半田となることが不可避となる（上限は、Ｓｎ単体の２３２℃である）。環境保護の観点からは、Ｓｎ系高温半田は、Ｐｂ含有率が５質量％以下であること（より望ましくは１質量％以下であること、さらに望ましくは、不可避的不純物レベルのものを除き、Ｐｂが可及的に含有されていないこと）がよい。
【００２０】
Ｓｎ系高温半田においてＳｎに添加する副成分は、融点低下効果がなるべく大きいことに加え、価格が安価であるか、多少高価であっても添加量が少なくて済むこと、半田付け性や流れ性が良好であること、耐食性に優れていること、などが条件となる。しかし、これらをバランスよく具備した副成分の種類は案外限られており、Ｚｎ、Ｂｉ、Ａｇ及びＣｕなど数元素に過ぎない。Ｓｎ−Ｚｎ系は１５質量％Ｚｎ付近に共晶点を有し、該組成で１９５℃程度まで融点が下がる。しかし、Ｚｎは耐食性に難点があり、通常は７〜１０質量％前後の添加量が留められるが、該組成付近の二元系では２１５℃前後までしか融点が下がらない。そこで、１〜５質量％のＢｉを添加して融点調整を行なうが、最終的に２００℃未満の融点を得ることは難しい。さらに、Ｂｉは高価であり、戦略物質でもあるため供給の安定性にも難がある。
【００２１】
一方、ＡｇやＣｕは、単独ではＳｎよりもはるかに高融点であるが、Ｓｎ−Ａｇ系については５質量％Ａｇ付近の、Ｓｎ−Ｃｕ系については２質量％Ｃｕ付近の、いずれもＳｎリッチ側に共晶点が存在する。また、Ａｇ−Ｃｕ系も共晶系であり、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕの三元共晶を利用することでさらに融点を下げることができる。しかし、Ｓｎ−Ａｇ系もＳｎ−Ｃｕ系も、いずれも二元共晶温度は２２０℃前後であり、３元共晶系を採用しても２００℃以下に融点を下げることは不可能である。
【００２２】
Ｓｎ系半田被覆層８７は、低融点化の観点から、Ｓｎの含有量が９４質量％以上９９質量％以下であり、共晶形成副成分としてＡｇ及びＣｕの一方又は双方を合計で１質量％以上６質量％にて含有するＳｎ系高温半田を用いることが望ましい。例えば、Ｓｎ−Ａｇ系合金の場合、低融点化の観点からの推奨組成は、Ｓｎに対しＡｇ含有率が３質量％以上６質量％以下である。同様に、Ｓｎ−Ｃｕ系合金の場合、Ｓｎに対しＣｕ含有率が１質量％以上３質量％以下である。さらに、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金の場合は、Ａｇ＋Ｃｕが３質量％以上６質量％以下であり、Ｃｕ／（Ａｇ＋Ｃｕ）が質量比にて０．１以上０．５以下である。いずれの場合においても、半田の融点は２００℃以上となる。
【００２３】
本発明においては、上記のようなＳｎ系高温半田を用いて、ソルダーレジスト層１８に露出したＣｕメッキ層からなるパッドの本体層１７ｍの表面に、上記Ｓｎ系高温半田によりＳｎ系半田被覆層８７を形成する必要がある。図５に示すように、Ｃｕメッキ層からなる本体層１７ｍの表面上に直接半田ペーストを塗布してリフローすることによりＳｎ系半田被覆層８７を溶融形成しようとしても、Ｓｎ系高温半田はリフロー温度が高く、Ｃｕとの濡れ性に劣るためうまく濡れ広がらない。その結果、露出面１７ｅが多く残留して半田ボール９７の接続強度が低下したり、強度がばらついたりする不具合につながる。また、濡れ広がらずにまとまった半田８７’が本体層１７ｍ上で高く盛り上がるので、半田ボール９７を載置・実装する際に、パッド上でボール９７が安定しなくなり、位置決め精度に支障を来たす問題も生じやすくなる。
【００２４】
そこで、本発明においては、図６に示すような工程を採用する。まず、工程１に示すように、開口部１８ｈ内に金属パッド１７の本体層１７ｍが露出するようにソルダーレジスト層１８を形成し、該露出した本体層１７ｍの表面を、無電解Ｓｎメッキ又は電解Ｓｎメッキにより、Ｓｎ系予備メッキ層９１にて被覆する（予備メッキ工程）。次に、Ｓｎ系予備メッキ層９１上に、含有される半田粉末がＳｎ系高温半田からなる半田ペースト８７ｐを、Ｓｎ系予備メッキ層９１よりも厚く塗布する（半田ペースト８７ｐ塗布工程）。そして、本体層１７ｍ上のＳｎ系予備メッキ層９１の表面を覆う半田ペースト８７ｐの塗付層を、Ｓｎ系高温半田の液相線温度よりも高温に加熱することにより、Ｓｎ系予備メッキ層９１とともに溶融させ、本体層１７ｍ表面にて濡れ拡がらせることによりＳｎ系半田被覆層８７を形成する（半田溶融工程）。
【００２５】
すなわち、Ｓｎ系高温半田からなる半田ペースト８７ｐをパッドの本体層１７ｍ表面に直接塗布するのではなく、これに先立ってＳｎ系予備メッキ層９１を本体層１７ｍ表面に薄く形成し、その上に半田ペースト８７ｐを塗布して溶融させる。これにより、Ｃｕに対する濡れがそれ程良好でないＳｎ系高温半田を、本体層１７ｍをなすＣｕメッキ層上にて均一に濡れ拡がらせることができ、ひいては半田ペースト８７ｐの塗布量を少なくしても、パッドの表面を高い被覆率で均一に覆うことができる。
【００２６】
その結果、Ｓｎ系半田被覆層８７は、Ｐｂ含有量が削減されているにも拘わらず、パッド表面からは不完全半田被覆による露出面が大幅に減少し、半田ボール部材の接続強度を高めることができるとともに、そのばらつきも顕著に改善される。また、Ｓｎ系高温半田の濡れ広がりが良好なので、Ｓｎ系半田被覆層８７の厚さを増やさなくともパッド表面を均一に被覆できるので、該Ｓｎ系半田被覆層８７の中央位置での厚さｈをソルダーレジスト層１８の開口部１８ｈの深さＨよりも小さくすることができる。これは、半田ボール部材をソルダーレジスト層１８の開口部１８ｈに載置するときの位置決め安定性を大幅に向上させる。
【００２７】
上記の方法の採用により、開口部１８ｈ内にて本体層１７ｍの表面をＳｎ系半田被覆層８７により、ｈ＜Ｈを充足させつつ面積率９５％以上で覆うことは極めて容易であり、場合により９８％以上、あるいはほとんど１００％に近い被覆状態を得ることも可能である。この状態が、図５に示すごとき、従来方法による被覆状態（例えば８０％以下）と比較して良好であり、半田ボール９７を接続した場合の信頼性や位置決め精度において優れていることは、説明するまでもない。
【００２８】
Ｓｎ系予備メッキ層９１は、０．９μｍ以上５μｍ以下の厚さにて形成するのがよい。Ｓｎ系予備メッキ層９１の厚さが０．９μｍ未満になると、本体層１７ｍの表面をＳｎ系予備メッキ層９１により均一に覆うことが困難となり、ひいてはＳｎ系半田被覆層８７による被覆率も十分に確保できなくなる場合がある。他方、Ｓｎ系予備メッキ層９１の厚さが５μｍ以上となることは、メッキ工程の長時間化を招き、製造能率の低下を来たす。
【００２９】
Ｓｎ系予備メッキ層９１は、Ｓｎ系半田被覆層８７の濡れ広がり性を十分に向上させるためには、Ｓｎの含有率が９５質量％以上の組成を有するものとして形成することが望ましい。この場合、Ｓｎ系予備メッキ層９１は、副成分としてＡｕを含有するものを使用することが、Ｃｕメッキ層からなる本体層１７ｍとＳｎ系予備メッキ層９１との親和性を高め、Ｓｎ系半田被覆層８７の濡れ広がり性をより良好なものとする観点において有利である。Ｓｎ系予備メッキ層９１のＡｕの含有率は０．１質量％未満では効果に乏しく、５質量％を超えるとＡｕ−Ｓｎ系金属間化合物の形成量が増加して、半田ボール９７の接続強度低下につながる。
【００３０】
ＢＧＡ用のパッドの場合、金属パッド１７の表面の開口部１８ｈ内に位置する領域の直径は２００μｍ以上６００μｍ以下設定されるのが通常である。この場合、Ｓｎ系半田被覆層８７の中央位置での厚さは１０μｍ以上２０μｍ以下に形成するのが適当である。半田ペースト８７ｐの塗付層は、最終的に得られるＳｎ系半田被覆層８７の中央位置での厚さが１０μｍ以上２０μｍ以下となるように、その塗布厚さを調整することとなる。Ｓｎ系半田被覆層８７の中央位置での厚さを１０μｍ未満に設定しようとすると、金属パッド１７の表面をＳｎ系半田被覆層８７で均一に被覆することが困難となる。また、Ｓｎ系半田被覆層８７の中央位置での厚さｈが２０μｍを超えると、ＢＧＡ用パッドに通常使用されるソルダーレジスト層１８の開口深さＨ（１０μｍ以上３５μｍ以下に設定されるのが通常である）対して、前記厚さｈを小さく設定することが困難となり、半田ボール９７の位置決め精度に支障を来たす場合がある。厚さｈは、開口深さＨの半分以下とすることがなお望ましい。
【００３１】
半田ペーストの塗布及び溶融により形成されるＳｎ系半田被覆層８７は、本発明の製法の採用により、略球面状の表面形態を有するものとして形成できる。この場合、本体層１７ｍの表面を底面とし、表面の曲率半径が２６０μｍ以上４０００μｍ以下の球セグメント状の形態に形成することが望ましい。表面の曲率半径を、４０００μｍを超える値に設定しようとすると、Ｓｎ系半田被覆層８７が薄くなりすぎ、金属パッド１７の表面をＳｎ系半田被覆層８７で均一に被覆することが困難となる。また、表面の曲率半径が２６０μｍ未満になると、Ｓｎ系半田被覆層８７の中央位置での厚さｈが大きくなりすぎ、半田ボール９７の位置決め精度に支障を来たす場合がある。
【００３２】
なお、金属パッド１７と同様のパッド構造を、配線基板のフリップチップ接続側に形成し、これを配線基板の表面側に形成された光学位置決め用のマーキングパッドとすることもできる。この場合、パッドに半田ボールは接続されないが、パッド表面か反射率の良好なＳｎ系半田被覆層にて均一に覆われることで、その光学的な検出精度を高めることができる。
【００３３】
図７は、開口径２５０μｍ、開口深さＨが２５μｍのソルダーレジスト層開口部に対し、Ｃｕメッキ層からなる本体層上に、Ｓｎ系予備メッキ層として、Ｓｎ−１質量％Ａｕの組成を有したＳｎメッキ層を無電解メッキにより厚さ約１μｍにて形成し、さらに、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ半田（組成：Ｓｎ−３質量％Ａｇ−０．５質量％Ｃｕ）のペーストを厚さ４０μｍにて塗布し、２５２℃にてリフローして得られたＳｎ系半田被覆層の断面光学顕微鏡観察画像である。開口内の本体層の表面は略１００％Ｓｎ系半田被覆層で被覆され、中央位置での層の厚さｈは約１０μｍである。他方、図８は、比較例として、Ｓｎ系予備メッキ層の形成を省略して形成したＳｎ系半田被覆層の断面光学顕微鏡観察画像である。開口内の本体層の表面被覆率は７０％と小さく、中央位置での層の厚さｈは約３５μｍであり、開口深さＨと略同程度にまでＳｎ系半田被覆層が盛り上がっていることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】配線基板の一実施形態を示す平面図。
【図２】同じく裏面図。
【図３】本発明に係る配線基板の断面構造の一例を示す図。
【図４】ＢＧＡパッド側の構造を模式的に示す拡大断面図。
【図５】図４に対する比較例の構造を模式的に示す拡大断面図。
【図６】本発明の基板製造方法の概略を示す工程説明図。
【図７】本発明によるＢＧＡパッド側の構造の実例を示す断面の光学顕微鏡観察画像。
【図８】比較例によるＢＧＡパッド側の構造の実例を示す断面の光学顕微鏡観察画像。
【符号の説明】
【００３５】
１ 配線基板
１７ 金属パッド
１７ｍ 本体層
１８ ソルダーレジスト層
１８ｈ 開口部
８７ Ｓｎ系半田被覆層
８７ｐ 半田ペースト
９１ Ｓｎ系予備メッキ層
９７ 半田ボール部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子材料からなる誘電体層と導体層とが交互に積層された配線積層部と、該配線積層部の前記誘電体層にて形成された主表面上に配置される複数の金属パッドと、前記配線積層部の前記主表面上に配置され、前記金属パッドを露出させるための開口部が形成されたソルダーレジスト層とを備え、
前記金属パッドは、Ｃｕメッキ層からなる本体層と、Ｓｎを主成分とする液相線温度が１８５℃以上２３２℃未満のＳｎ系高温半田からなり、ソルダーレジスト層の前記開口部内に位置する前記本体層の表面を、面積被覆率８１％以上にて当該本体層と接する形で覆うとともに、前記開口部の中央位置で厚さ最大となり、前記開口部の内周縁位置にて厚さ最小となるとともに、前記中央位置での厚さｈが前記開口部の深さＨよりも小さくなる凸湾曲面状の表面形態を有したＳｎ系半田被覆層とを有してなる配線基板の製造方法であって、
前記開口部内に前記金属パッドの前記本体層が露出するように前記ソルダーレジスト層を形成し、該露出した前記本体層の表面をＳｎ系予備メッキ層にて被覆する予備メッキ工程と、
前記Ｓｎ系予備メッキ層上に、含有される半田粉末が前記Ｓｎ系高温半田からなる半田ペーストを、前記Ｓｎ系予備メッキ層よりも厚く塗布する半田ペースト塗布工程と、
前記本体層上の前記Ｓｎ系予備メッキ層の表面を覆う前記半田ペーストの塗付層を、前記Ｓｎ系高温半田の液相線温度よりも高温に加熱することにより、前記Ｓｎ系予備メッキ層とともに溶融させ、前記本体層表面にて濡れ拡がらせることにより前記Ｓｎ系半田被覆層を形成する半田溶融工程と、
をこの順序にて実施することを特徴とする配線基板の製造方法。
【請求項２】
前記Ｓｎ系半田被覆層は、Ｓｎを主成分とする液相線温度が２００℃以上２３２℃未満のＳｎ系高温半田からなり、ソルダーレジスト層の前記開口部内に位置する前記本体層の表面を、面積被覆率９５％以上にて当該本体層と接する形で覆う請求項１記載の配線基板の製造方法。
【請求項３】
前記Ｓｎ系予備メッキ層を０．９μｍ以上１．８μｍ以下の厚さにて形成する請求項１又は請求項２に記載の配線基板の製造方法。
【請求項４】
前記Ｓｎ系予備メッキ層は、Ｓｎの含有率が９５質量％以上の組成を有するものとして形成する請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の配線基板の製造方法。
【請求項５】
前記Ｓｎ系予備メッキ層は、副成分としてＡｕを含有するものが使用される請求項４記載の配線基板の製造方法。
【請求項６】
前記Ｓｎ系予備メッキ層のＡｕの含有率が０．１質量％以上５質量％以下である請求項５記載の配線基板の製造方法。
【請求項７】
前記半田ペーストの塗付層は、最終的に得られる前記Ｓｎ系半田被覆層の前記中央位置での厚さが１０μｍ以上２０μｍ以下となるように、その塗布厚さが調整される請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の配線基板の製造方法。
【請求項８】
高分子材料からなる誘電体層と導体層とが交互に積層された配線積層部と、該配線積層部の前記誘電体層にて形成された主表面上に配置される複数の金属パッドと、前記配線積層部の前記主表面上に配置され、前記金属パッドを露出させるための開口部が形成されたソルダーレジスト層とを備え、
前記金属パッドは、Ｃｕメッキ層からなる本体層と、Ｓｎを主成分とする液相線温度が１８５℃以上２３２℃未満のＳｎ系高温半田からなり、ソルダーレジスト層の前記開口部内に位置する前記本体層の表面を、面積被覆率８１％以上にて当該本体層と接する形で覆うとともに、前記開口部の中央位置で厚さ最大となり、前記開口部の内周縁位置にて厚さ最小となるとともに、前記中央位置での厚さｈが前記開口部の深さＨよりも小さくなる凸湾曲面状の表面形態を有したＳｎ系半田被覆層とを有してなることを特徴とする配線基板。
【請求項９】
前記Ｓｎ系半田被覆層は、Ｓｎを主成分とする液相線温度が２００℃以上２３２℃未満のＳｎ系高温半田からなり、ソルダーレジスト層の前記開口部内に位置する前記本体層の表面を、面積被覆率９５％以上にて当該本体層と接する形で覆う請求項８記載の配線基板。
【請求項１０】
前記Ｓｎ系半田被覆層は、Ｓｎの含有量が９４質量％以上９９質量％以下であり、共晶形成副成分としてＡｇ及びＣｕの一方又は双方を合計で１質量％以上６質量％にて含有するＳｎ系高温半田からなる請求項８又は請求項９に記載の配線基板。
【請求項１１】
前記Ｓｎ系半田被覆層の前記中央位置での厚さが１０μｍ以上２０μｍ以下であり、前記金属パッドの表面の前記開口部内に位置する領域の直径が２００μｍ以上６００μｍ以下である請求項８ないし請求項１０のいずれか１項に記載の配線基板。
【請求項１２】
前記Ｓｎ系半田被覆層は、前記本体層の表面を底面とし、表面の曲率半径が２６０μｍ以上４０００μｍ以下の球セグメント状の形態をなす請求項１１記載の配線基板。
【請求項１３】
前記金属パッドは、配線基板の裏面側に複数個が格子状ないし千鳥状に配列し、接続先となる基板の端子と接続するための半田ボール部材が各々結合されるボールグリッドアレイパッドを形成する請求項８ないし請求項１２のいずれか１項に記載の配線基板。
【請求項１】
高分子材料からなる誘電体層と導体層とが交互に積層された配線積層部と、該配線積層部の前記誘電体層にて形成された主表面上に配置される複数の金属パッドと、前記配線積層部の前記主表面上に配置され、前記金属パッドを露出させるための開口部が形成されたソルダーレジスト層とを備え、
前記金属パッドは、Ｃｕメッキ層からなる本体層と、Ｓｎを主成分とする液相線温度が１８５℃以上２３２℃未満のＳｎ系高温半田からなり、ソルダーレジスト層の前記開口部内に位置する前記本体層の表面を、面積被覆率８１％以上にて当該本体層と接する形で覆うとともに、前記開口部の中央位置で厚さ最大となり、前記開口部の内周縁位置にて厚さ最小となるとともに、前記中央位置での厚さｈが前記開口部の深さＨよりも小さくなる凸湾曲面状の表面形態を有したＳｎ系半田被覆層とを有してなる配線基板の製造方法であって、
前記開口部内に前記金属パッドの前記本体層が露出するように前記ソルダーレジスト層を形成し、該露出した前記本体層の表面をＳｎ系予備メッキ層にて被覆する予備メッキ工程と、
前記Ｓｎ系予備メッキ層上に、含有される半田粉末が前記Ｓｎ系高温半田からなる半田ペーストを、前記Ｓｎ系予備メッキ層よりも厚く塗布する半田ペースト塗布工程と、
前記本体層上の前記Ｓｎ系予備メッキ層の表面を覆う前記半田ペーストの塗付層を、前記Ｓｎ系高温半田の液相線温度よりも高温に加熱することにより、前記Ｓｎ系予備メッキ層とともに溶融させ、前記本体層表面にて濡れ拡がらせることにより前記Ｓｎ系半田被覆層を形成する半田溶融工程と、
をこの順序にて実施することを特徴とする配線基板の製造方法。
【請求項２】
前記Ｓｎ系半田被覆層は、Ｓｎを主成分とする液相線温度が２００℃以上２３２℃未満のＳｎ系高温半田からなり、ソルダーレジスト層の前記開口部内に位置する前記本体層の表面を、面積被覆率９５％以上にて当該本体層と接する形で覆う請求項１記載の配線基板の製造方法。
【請求項３】
前記Ｓｎ系予備メッキ層を０．９μｍ以上１．８μｍ以下の厚さにて形成する請求項１又は請求項２に記載の配線基板の製造方法。
【請求項４】
前記Ｓｎ系予備メッキ層は、Ｓｎの含有率が９５質量％以上の組成を有するものとして形成する請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の配線基板の製造方法。
【請求項５】
前記Ｓｎ系予備メッキ層は、副成分としてＡｕを含有するものが使用される請求項４記載の配線基板の製造方法。
【請求項６】
前記Ｓｎ系予備メッキ層のＡｕの含有率が０．１質量％以上５質量％以下である請求項５記載の配線基板の製造方法。
【請求項７】
前記半田ペーストの塗付層は、最終的に得られる前記Ｓｎ系半田被覆層の前記中央位置での厚さが１０μｍ以上２０μｍ以下となるように、その塗布厚さが調整される請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の配線基板の製造方法。
【請求項８】
高分子材料からなる誘電体層と導体層とが交互に積層された配線積層部と、該配線積層部の前記誘電体層にて形成された主表面上に配置される複数の金属パッドと、前記配線積層部の前記主表面上に配置され、前記金属パッドを露出させるための開口部が形成されたソルダーレジスト層とを備え、
前記金属パッドは、Ｃｕメッキ層からなる本体層と、Ｓｎを主成分とする液相線温度が１８５℃以上２３２℃未満のＳｎ系高温半田からなり、ソルダーレジスト層の前記開口部内に位置する前記本体層の表面を、面積被覆率８１％以上にて当該本体層と接する形で覆うとともに、前記開口部の中央位置で厚さ最大となり、前記開口部の内周縁位置にて厚さ最小となるとともに、前記中央位置での厚さｈが前記開口部の深さＨよりも小さくなる凸湾曲面状の表面形態を有したＳｎ系半田被覆層とを有してなることを特徴とする配線基板。
【請求項９】
前記Ｓｎ系半田被覆層は、Ｓｎを主成分とする液相線温度が２００℃以上２３２℃未満のＳｎ系高温半田からなり、ソルダーレジスト層の前記開口部内に位置する前記本体層の表面を、面積被覆率９５％以上にて当該本体層と接する形で覆う請求項８記載の配線基板。
【請求項１０】
前記Ｓｎ系半田被覆層は、Ｓｎの含有量が９４質量％以上９９質量％以下であり、共晶形成副成分としてＡｇ及びＣｕの一方又は双方を合計で１質量％以上６質量％にて含有するＳｎ系高温半田からなる請求項８又は請求項９に記載の配線基板。
【請求項１１】
前記Ｓｎ系半田被覆層の前記中央位置での厚さが１０μｍ以上２０μｍ以下であり、前記金属パッドの表面の前記開口部内に位置する領域の直径が２００μｍ以上６００μｍ以下である請求項８ないし請求項１０のいずれか１項に記載の配線基板。
【請求項１２】
前記Ｓｎ系半田被覆層は、前記本体層の表面を底面とし、表面の曲率半径が２６０μｍ以上４０００μｍ以下の球セグメント状の形態をなす請求項１１記載の配線基板。
【請求項１３】
前記金属パッドは、配線基板の裏面側に複数個が格子状ないし千鳥状に配列し、接続先となる基板の端子と接続するための半田ボール部材が各々結合されるボールグリッドアレイパッドを形成する請求項８ないし請求項１２のいずれか１項に記載の配線基板。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−１７３１４３（Ｐ２００６−１７３１４３Ａ）
【公開日】平成１８年６月２９日（２００６．６．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３５８７０８（Ｐ２００４−３５８７０８）
【出願日】平成１６年１２月１０日（２００４．１２．１０）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年６月２９日（２００６．６．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月１０日（２００４．１２．１０）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
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