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JP2004056020A - Electrode structure and method for forming it - Google Patents

Electrode structure and method for forming it Download PDF

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Publication number
JP2004056020A
JP2004056020A JP2002214479A JP2002214479A JP2004056020A JP 2004056020 A JP2004056020 A JP 2004056020A JP 2002214479 A JP2002214479 A JP 2002214479A JP 2002214479 A JP2002214479 A JP 2002214479A JP 2004056020 A JP2004056020 A JP 2004056020A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
plating
layer
electrode structure
plating layer
solid particles
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2002214479A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Isao Watanabe
渡辺 勲
Keishiro Okamoto
岡本 圭史郎
Kaoru Hashimoto
橋本 薫
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fujitsu Ltd filed Critical Fujitsu Ltd
Priority to JP2002214479A priority Critical patent/JP2004056020A/en
Publication of JP2004056020A publication Critical patent/JP2004056020A/en
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/10Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/11Manufacturing methods

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  • Chemically Coating (AREA)
  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)
  • Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode structure in which high reliability is maintained even for an element with a large number of electrodes and high electrode density, etc. <P>SOLUTION: This electrode structure has a nickel plating layer for performing joining by soldering. Solid particles insoluble in a plating liquid are dispersed in the nickel plating layer. Even when tin comes from a soldering layer, the solid particles act as a physical barrier, and diffusion into the nickel plating layer is inhibited. Thereby formation of a layer with rich tin in the nickel plating layer is also inhibited. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【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,AuSn,NiSn,NiP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(Al)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(TiO)または酸化アルミニウム(Al)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
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention generally relates to a technical field for electrically connecting a semiconductor element, a circuit board, and the like, and particularly to an electrode structure having a nickel plating layer for solder bonding.
[0002]
[Prior art]
In this type of technical field, for example, it is widely practiced to bond electrodes of a semiconductor element and electrodes on a circuit board by soldering.
[0003]
FIG. 1 shows an example of an electrode structure of a semiconductor element. An electrode base conductor 11 made of, for example, aluminum is formed on a substrate 10 made of, for example, silicon. A resin 12 such as polyimide is coated on the silicon substrate 10 at a portion other than the electrode base conductor (wiring layer) 11. I have. A seed layer 13 made of titanium or copper is formed by a sputtering method or the like at a place where the electrode base conductor 11 is to be electrically connected. Using this seed layer 13, nickel electroplating is performed, a nickel plating layer 14 is formed, and a gold plating layer 15 is formed thereon. On the gold plating layer 15, a solder ball 16 for making an electrical connection is provided. The solder is made of tin-lead solder or lead-free solder, and generally, lead-free solder has a higher melting point than tin-based solder.
[0004]
FIG. 2 shows an example of the electrode structure of the circuit board. A polyimide resin layer 21 is formed on a ceramic substrate 20 made of, for example, alumina, and an electrode base conductor 22 made of, for example, copper is formed on the resin layer 21. The resin layer 21 is also formed on the electrode base conductor 22 and patterned into a predetermined shape, and an opening is provided at a place where electrical connection is to be made. After patterning the resin layer 21, a nickel plating layer 23 is formed by electroless plating, and a gold plating film 24 is formed thereon by electroless plating. The formation of nickel or gold by electroless plating is due to the advantageous property of electroless plating that does not require an external power supply or a current-carrying film (seed layer).
[0005]
When connecting the electrode structures as shown in FIGS. 1 and 2, a flux is applied to the electrodes on the circuit board 20 side, the solder balls 16 (elements having) are fixed on the electrodes, and overheated in a reflow furnace. To join.
[0006]
By the way, with the recent miniaturization of electronic devices, it is desired that semiconductor elements such as integrated circuits (IC) and large-scale integrated circuits (LSI) have higher performance, higher speed, higher density, and the like. ing. In addition to an increase in the number of electrodes and a reduction in the pitch between electrodes, thermal stress and the like of the element also increase, and the use environment becomes severe. For this reason, there has been a concern about defective bonding between the electrode and the solder, and furthermore, destruction (cracking) of the bonded portion.
[0007]
When the electrodes are connected by solder, a material in the solder material (particularly, tin (Sn) which is active with respect to solid phase diffusion) and an electrode constituent material (gold, nickel, phosphorus, etc.) are solid-phased at the joint. Diffuses by diffusion to form metal compounds. This solid phase diffusion is caused not only by heat treatment at the time of soldering but also by temperature cycling during use. As a result, very brittle metal compound to the joint portion (for example, AuSn, Au 4 Sn, Ni 3 Sn 4, Ni 3 P , etc.) is formed and leads to bonding failure or breakdown at the interface. In particular, in an electrode having an electroless nickel plating layer, phosphorus (P) is used as a catalyst for performing electroless plating. However, when tin is combined with nickel by solid phase diffusion, phosphorus is converted into phosphorus in the nickel plating layer. Since a rich layer (P-rich layer) is formed and the phosphorus-rich layer is hard and brittle, there is a concern that cracks may occur at the interface. Furthermore, since the lead-free solder used more and more in the future has a higher melting point than the tin-lead-based solder, a higher temperature heat treatment is required, and there is a concern that the solid phase diffusion of tin or the like may be promoted.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
A general object of the present application is to provide an electrode structure capable of maintaining high reliability even for a large element such as the number of electrodes and the electrode density, and to provide a method of forming the electrode structure. is there.
[0009]
A specific object of the present application is to provide an electrode structure capable of suppressing solid phase diffusion between a constituent material of an electrode formed by electroless plating and solder, and a method for forming the electrode structure. To provide.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
According to the solution according to the present invention, in the electrode structure having a nickel plating layer for performing bonding by solder, solid particles insoluble in a plating solution are dispersed in the nickel plating layer. An electrode structure is provided.
[0011]
According to another solution according to the present invention, there is provided a method for forming a nickel plating layer having an electrode structure by an electroless plating method, in which solid particles insoluble in the plating solution are dispersed by stirring the plating solution. A method of forming a nickel plating layer having an electrode structure, comprising: performing plating while plating; and performing plating in a state where the solid particles settle in the plating solution.
[0012]
[Action]
In the research that forms the basis of the present invention, the present inventors disperse predetermined solid particles in a nickel plating solution and perform electroless plating using phosphorus as a catalyst. However, it has been found that this can suppress the solid phase diffusion in question.
[0013]
FIG. 3 is a conceptual diagram for explaining the principle of the present invention. The nickel plating layer 32 and the solid particles 33 dispersed in the nickel plating layer 32 are shown. A gold plating layer 34 is formed on the nickel plating layer 32, and a solder layer 35 is formed on the gold plating layer 34. Unlike the conventional case, solid particles 33 are dispersed and interposed in the nickel plating layer 32. Even if tin (Sn) (not shown) arrives from the solder layer 35 by solid-phase diffusion, the solid particles 33 are prevented from becoming a physical obstacle and proceeding into the nickel plating layer 32. . Therefore, the formation of a layer rich in phosphorus in the nickel plating layer 32 is also suppressed. Even if tin diffuses through the gaps between the solid particles 33 to form a compound with nickel in the nickel plating layer 32, a phosphorus-rich layer is not formed continuously as in the conventional case. In addition, the reliability of the joint is kept high.
[0014]
A given solid particle is selected based on several criteria:
First, it is necessary that it is difficult to diffuse into solder and electrode constituent materials. Since a substance having a high melting point is less likely to be diffused than a substance having a low melting point, a substance having a high melting point is preferable.
[0015]
Second, it must be difficult to form an alloy with tin.
[0016]
Third, it must be difficult to dissolve in the plating solution. This is because, when the nickel plating layer is formed by electroless plating, composite plating or dispersion plating (precipitation of solid particles as well as nickel) can be performed.
[0017]
Based on such a criterion, a powder made of a metal such as tungsten (W), titanium (Ti), or molybdenum (Mo) can be employed as the solid particles. Also, a metal carbide such as tungsten carbide (WC) or silicon carbide (SiC), a metal nitride such as titanium nitride (TiN), or a metal oxide such as aluminum oxide (Al 2 O 3 ) It is also possible to employ a ceramic powder composed of However, it should be noted that if a substance having no conductivity is introduced too much, the electrical resistance of the connection may be increased.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a dispersion plating apparatus 400 for producing an electrode structure according to the present embodiment. “Dispersion plating” indicates that not only nickel but also solid particles are dispersed in the plating solution. The dispersion plating apparatus 400 has a plating tank 404 filled with a plating solution 402 and a water bath 406 for accommodating the plating tank 404 to maintain the plating tank 404 at a predetermined temperature. In the plating tank 404, a ceramic substrate 401 having an electrode structure to be plated is provided. As the plating solution 402, an electroless Ni-P plating solution (6401M, manufactured by Meltex Co., Ltd.) is used, and solid particles 408 such as tungsten carbide (WC) are dispersed in the plating solution. . By rotating the stirrer 410 in the plating solution 402, the solid particles 408 in the plating solution 402 are dispersed. The temperature of the plating solution 402 is detected by a temperature sensor 412, and the temperature information is notified to a temperature controller 414. Consequently, the plating solution 402 is maintained at a desired temperature.
[0019]
The electrode structure according to this embodiment is generally formed as follows. First, the ceramic substrate 401 is fixed in the plating solution 402 by the holder 418 (plating jig). Then, for example, plating is performed for 30 minutes while rotating the stirrer 410 to disperse the solid particles (here, WC) in the plating solution 402. Thereby, a Ni-P plating layer on which solid particles are precipitated as shown in FIG. 3 is obtained. The film thickness is, for example, 5 μm. In this way, not only nickel but also solid particles are precipitated (eutectoid), so this plating can be called “composite plating”.
[0020]
Next, the stirrer 410 is stopped. As a result, the solid particles 408 settle at the bottom of the plating solution 402. In this state, for example, plating is performed for 5 minutes. Thereby, the Ni-P plating layer on which the solid particles are deposited is covered with the Ni-P layer on which the solid particles are not deposited. The solid particles 408 have a property of hardly diffusing into solder or the like, which means that the solder wettability is poor. From the viewpoint of good soldering, it is preferable that the solid particles 408 are not exposed. Therefore, the plating is performed while stopping the stirring.
[0021]
When the nickel plating is completed, the substrate 401 is washed with water to prepare for electroless gold plating. The plating of gold is performed by immersing in a substitution reaction type electroless Au plating solution (for example, OPC Mudengold manufactured by Okuno Pharmaceutical Co., Ltd., PH 5.8, liquid temperature 90 ° C.) for, for example, 10 minutes. Thereby, a gold layer having a thickness of, for example, 0.05 μm is formed on the nickel plating layer. Gold plating is performed to maintain good solder wettability. (If an oxide film is formed on the exposed nickel, the wettability will deteriorate.) Thus, the electrode structure according to the present embodiment is formed.
[0022]
Hereinafter, examples based on experiments performed by the inventors of the present application will be described.
[0023]
(Example 1)
An electrode structure (ceramic substrate) having an electroless nickel plating layer in which WC is codeposited using a bath in which 5% by weight of tungsten carbide (WC) powder is dispersed in a Ni-P plating solution by the above method. And a semiconductor element having a tin-lead (Sn-Pb) eutectic solder ball. Flux was applied to the electrode structure of the ceramic substrate, solder balls of the semiconductor element were positioned on the electrodes, and solder reflow at a peak temperature of 230 ° C. was performed. The connection resistance of the formed connection was sufficiently small at 50 to 60 mΩ, and a good resistance value was obtained.
[0024]
Next, a reliability evaluation test was performed by repeating reflow under the same conditions as the mounting conditions five times. Specifically, the junction cross section was observed with an EPMA (Electron Probe Micro Analyzer). For comparison, a similar test was performed on an electrode having a conventional Ni-P plating layer in which tungsten carbide (WC) was not eutectoid.
[0025]
As a result, in the conventional bonding portion, a thick Sn-Ni compound layer is formed on the substrate-side electrode (electrode with an electroless nickel plating layer), and under this compound layer, a phosphorus (P) -rich Ni- A P-rich layer was formed, and it was confirmed that cracks occurred at this interface. On the other hand, in the electrode according to the embodiment of the present invention in which WC was deposited, a Sn-Ni compound layer was observed in the gap between the eutectoid WCs, but the thickness was much thinner than the conventional one. There were no cracks.
[0026]
(Example 2)
The same experiment as in Example 1 was performed except that the solid particles were changed to tungsten (W), but no crack occurred as in Example 1.
[0027]
(Example 3)
An electrode structure (ceramic substrate) having an electroless nickel plating layer in which SiC is codeposited using a bath in which 5% by weight of silicon carbide (SiC) powder is dispersed in a Ni-P plating solution; A semiconductor element having a solder ball of 0.5% Ag was bonded. A flux was applied to the electrode structure of the ceramic substrate, solder balls of the semiconductor element were positioned on the electrodes, and solder reflow at a peak temperature of 250 ° C. was performed.
[0028]
This sample was also subjected to the same reliability evaluation test as in Example 1. For comparison, a joint portion between a conventional ceramic substrate having an electroless Ni-P plating layer and a semiconductor element having Sn-3.5% Ag solder balls was also formed.
[0029]
As a result, a Sn-Ni compound layer thicker than that of the comparative sample of Example 1 was formed at the conventional joint portion, and was directly under this compound layer and was richer in phosphorus (P) than that of Example 1. A Ni-P rich layer was formed. On the other hand, in the electrode according to the embodiment of the present invention in which SiC was eutectoid, no crack occurred as in the case of the first embodiment.
[0030]
As described above, according to the embodiment of the present invention, since solid phase diffusion between the constituent material of the electrode formed by electroless plating and the solder is suppressed, high reliability can be achieved even for a device having a large number of electrodes and a high electrode density. It is possible to maintain.
[0031]
According to the embodiment of the present application, since the solid particles insoluble in the plating solution are dispersed in the nickel plating layer, the formation of a brittle alloy layer is suppressed, and a highly reliable electrode structure can be provided. become.
[0032]
According to the invention of the embodiment of the present application, since the formation of an alloy related to a catalyst (for example, phosphorus (P)) used in electroless plating is suppressed, the use of electroless plating that is simpler than electrolytic plating is promoted. Becomes possible. Although the present invention does not exclude application to a nickel plating layer of electroplating, it is better to apply the present invention to an electroless nickel plating layer than to apply it to a nickel plating layer of electroplating. Many effects can be obtained. When the present invention is applied to both electrodes joined by solder, it becomes possible to more effectively suppress the solid phase diffusion of the electrode constituent material or the solder.
[0033]
According to the embodiment of the present application, after plating while stirring the plating solution containing solid particles, plating is performed without stirring, so that an electrode structure having good wettability while suppressing solid phase diffusion of electrode constituent materials and the like. It becomes possible to obtain.
[0034]
In the embodiment of the present application, the case where the electrode of the circuit board and the electrode of the semiconductor element are soldered has been described as an example, but the present invention is not limited to this, and is widely applied to the soldering of an electrode structure having a nickel plating layer. It is possible.
[0035]
Hereinafter, means taught by the present invention will be listed.
[0036]
(Supplementary Note 1) An electrode structure having a nickel plating layer for bonding by solder, wherein solid particles insoluble in a plating solution are dispersed in the nickel plating layer.
[0037]
(Supplementary Note 2) The electrode structure according to Supplementary Note 1, wherein the nickel plating layer is formed by an electroless plating method.
[0038]
(Supplementary note 3) The electrode structure according to supplementary note 1, wherein the solid particles are made of a metal, a metal oxide, a metal carbide, or a metal nitride.
[0039]
(Supplementary Note 4) In the electrode structure according to Supplementary Note 1, the solid particles may include tungsten (W), titanium (Ti), molybdenum (Mo), tungsten carbide (WC), silicon carbide (SiC), and titanium oxide. An electrode structure made of (TiO 2 ) or aluminum oxide (Al 2 O 3 ).
[0040]
(Supplementary Note 5) The electrode structure according to supplementary note 1, wherein the solid particles are made of two or more kinds of substances.
[0041]
(Supplementary Note 6) The electrode structure according to Supplementary Note 1, wherein the solid particles are also dispersed in the nickel plating layer on the electrode side bonded to the nickel plating layer by solder.
[0042]
(Supplementary Note 7) The electrode structure according to Supplementary Note 1, wherein a gold plating layer is formed on the nickel plating layer.
[0043]
(Supplementary Note 8) A method of forming a nickel plating layer having an electrode structure by an electroless plating method,
A step of performing plating while dispersing insoluble solid particles in the plating solution by stirring the plating solution,
A method for forming a nickel plating layer having an electrode structure, comprising: performing plating in a state where the solid particles settle in the plating solution.
[0044]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to maintain high reliability even for an element having a large number of electrodes and an electrode density.
[0045]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of an electrode structure of a semiconductor device.
FIG. 2 shows a sectional view of an electrode structure of a circuit board.
FIG. 3 is a conceptual diagram for explaining the principle of the present invention.
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a dispersion plating apparatus for producing an electrode structure according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
REFERENCE SIGNS LIST 10 silicon substrate 11 electrode base conductor 12 resin layer 13 seed layer 14 nickel plating layer 15 gold plating layer 16 solder ball 20 ceramic substrate 21 resin layer 22 electrode base conductor 23 nickel plating layer 24 gold plating layer 32 nickel plating layer 33 solid particles 34 Gold plating layer 35 Solder layer 400 Dispersion plating apparatus 401 Ceramic substrate 402 Plating solution 404 Plating bath 406 Water bath 408 Solid particles 410 Stirrer 412 Temperature sensor 414 Temperature controller 416 Heater 418 Holder

Claims (5)

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。An electrode structure having a nickel plating layer for bonding by solder, wherein solid particles insoluble in a plating solution are dispersed in the nickel plating layer. 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。The electrode structure according to claim 1, wherein the nickel plating layer is formed by an electroless plating method. 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。The electrode structure according to claim 1, wherein the solid particles are made of a metal, a metal oxide, a metal carbide, or a metal nitride. 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。2. The electrode structure according to claim 1, wherein said solid particles are also dispersed in a nickel plating layer of an electrode bonded to said nickel plating layer by soldering. 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。
A method for forming a nickel plating layer having an electrode structure by an electroless plating method,
A step of performing plating while dispersing insoluble solid particles in the plating solution by stirring the plating solution,
A method for forming a nickel plating layer having an electrode structure, comprising: performing plating in a state where the solid particles settle in the plating solution.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2008021950A (en) * 2006-07-14 2008-01-31 Fujitsu Ltd Semiconductor device, and manufacturing method thereof
JP2013191640A (en) * 2012-03-12 2013-09-26 Mitsubishi Materials Corp Substrate for power module and manufacturing method of the same
CN115846656A (en) * 2022-12-08 2023-03-28 河南科技大学 Pretreatment method of silicon carbide particles, silicon carbide particle reinforced aluminum matrix composite and preparation method thereof

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