この記事で分かること

半導体パッケージ基板：コロイド型触媒

　パッケージ基板とは、半導体チップ（ダイ）を載せ、マザーボードなどのメイン基板に接続するための中継基板のことです。半導体チップは非常に微細な端子を持ち、そのまま一般的なプリント基板（PCB）に直接実装することは極めて困難です。半導体パッケージ基板：ABFの特性

　そこでチップとマザーボードの間に介在し、電気信号を橋渡しする役割を持つのがパッケージ基板です。

　従来の半導体の微細化による性能向上が限界に近づく中、半導体の先端パッケージング技術であるビルドアップ多層構造による高密度・微細配線が求められ、半導体性能向上の新たな競争軸となっています。

　前回はプレディップ、キャタリスト工程に関する記事でしたが、今回はキャタライザーの一種であるコロイド型触媒に関する記事となります。

コロイド型触媒の特徴は何か

　コロイド型触媒（主にPd/Snコロイド触媒）は、プリント基板や半導体パッケージ基板の無電解めっき前処理として古くから広く利用されている代表的な触媒です。

1. 構造的な特徴

• パラジウム核 ＋ スズ保護膜の二重構造パラジウム（Pd）金属核の周囲を、2価のスズ（Sn²⁺）の被膜で覆った数nm〜十数nmの微粒子（コロイド）の形態をとっています。
• 酸性溶液による安定化スズの加水分解を防ぎコロイドを安定して浮遊させるため、高濃度の塩酸中で保持されています。

2. メリット（長所）

• 高い薬品安定性と実績一度安定したコロイド状態を作ると分解しにくく、液の維持管理が比較的容易で長寿命です。
• 低コストスズを保護剤・安定剤として使用するプロセスが確立されており、安価に製造・運用できます。
• 汎用樹脂に対する安定した吸着デスミア等で表面が粗化された一般的な樹脂に対して、十分な密着性と触媒活性を発揮します。

3. デメリット・課題（半導体パッケージ基板における懸念点）

• スズ（Sn）残渣による絶縁信頼性の低下
  • めっき反応の前にアクセラレータ（酸処理）で表面のスズ被膜を溶かしますが、樹脂の微細な凹凸やビア底にわずかにスズが残留することがあります。これが回路間のショートやイオンマイグレーション（電界析出短絡）の原因となります。
• アクセラレータ（活性化）工程が必須
  • パラジウム核を包むスズを除去しないと無電解めっき反応が始まらないため、処理工程が1工程増えます。
• 微細配線（超平滑樹脂）への適用限界
  • 粒子径がイオン型に比べて大きいため、アンカー（凹凸）の少ない平滑な樹脂表面や、径が数十µm以下の極小ビア内部へ均一に吸着させることが困難です。

主な用途

• 汎用プリント配線板（PWB）
• アディティブ法 / セミアディティブ法（SAP）における比較的配線幅が広い層
• 樹脂表面の凹凸（アンカー）がしっかり形成できる基材へのめっき処理

なぜ、スズが必要なのか

　コロイド型触媒においてスズ（主に塩化第一スズ SnCl2 由来の Sn²⁺）が必要なのは、スズが「①還元剤」「②保護膜」「③定着剤」という3つの不可欠な役割を同時に果たしているためです。

1. パラジウムを金属化させる「還元作用」

　めっきの触媒として働くには、パラジウムがイオンではなく活性な金属の状態になっている必要があります。

　2価のスズ（Sn²⁺）は強い還元力を持っており、パラジウムイオンに電子を与えて金属パラジウムへ還元します。

Pd²⁺ + Sn²⁺ → Pd⁰ + Sn⁴⁺

2. 微粒子の凝集・沈殿を防ぐ「保護コロイド作用」

　還元されてできた金属パラジウムのナノ粒子は、そのままでは粒子同士が引き合い、すぐに巨大化して液底に沈殿（黒色沈殿）してしまいます。

　液中に過剰に存在するスズ化合物（Sn⁴⁺やSn²⁺ の錯イオン）がパラジウム核の周囲をカプセルのように包み込むことで、粒子同士の衝突・凝集を防ぎ、液中で分散した状態（コロイド）を維持します。

3. 樹脂表面へパラジウムを運んで固定する「定着作用」

　スズで覆われたコロイド粒子は、表面がプラスの電荷を帯びたり特定の親和性を持ったりします。

　これにより、コンディショニング処理を施した樹脂表面へパラジウム核を引き寄せ、しっかりと固着させるバインダー（接着剤）のような役割を果たします。

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　スズがない場合、パラジウムは「金属化できない」「液中で即座に沈殿する」「樹脂に吸着しない」ため、コロイド型触媒としては全く機能しなくなります。

　一方で、吸着させた後はスズが被膜となってパラジウムの触媒活性を邪魔するため、後工程（アクセラレータ）で酸を使ってスズだけを溶かし去る必要があります。

なぜスズだけがマイグレーションの要因になりやすいのか

　「銅（Cu）もマイグレーションを起こしますがシード層形成プロセスにおいて、パラジウムや銅に比べて「スズ（Sn）が圧倒的に危険な残渣となり、マイグレーションを引き起こしやすい」のは以下のような理由があります。

1. パラジウム（Pd）も残渣になるが、マイグレーションを起こさない

　パラジウムは金やプラチナと同じ貴金属であり、イオン化傾向が極めて小さい（標準還元電位が高い）ためです。水分や電界が存在してもイオンとして溶け出すことがほとんどないため、デンドライト（樹枝状結晶）を形成してショート（マイグレーション）を起こすリスクがほぼゼロです。

2. 銅（Cu）もマイグレーションを起こすが、除去プロセスが確立されている

　無電解めっき・電解めっきで全面に形成されますが、パターン形成後のフラッシュエッチング（クイックエッチ）工程で、非回路部の銅シード層は化学的に完全に溶かして除去されます。

　銅も水分と高電圧下ではマイグレーションを起こします。しかし、配線以外の場所からは銅が綺麗に取り除かれるため、エッチング残りがない限り問題になりません。

3. なぜスズ（Sn）が特に危険なマイグレーション要因になるのか

　スズが問題視される理由は、「エッチングで落ちにくく残渣化しやすい」ことと、「非常にマイグレーションを起こしやすい性質」が重なっているからです。

① 不溶性塩となって樹脂表面に残渣（異物）化する

　アクセラレータ（酸洗浄）工程でスズを溶かそうとしますが、水洗時などに一部のスズが加水分解を起こし、「水酸化スズ Sn(OH)2」や「オキシ塩化スズ」といった水や酸に溶けにくい不溶性の化合物に変化します。

　これが樹脂の微細なアンカー（凹凸）やビア底部にしっかりと固着し、強力な残渣として残ってしまいます。

② イオン化しやすく、樹枝状結晶（デンドライト）を急成長させる

　スズはイオン化傾向が比較的高く、基板が吸湿した状態で回路間に電圧がかかると、残渣となったスズが容易にイオン化（Sn²⁺）して陽極側へ溶出します。そして陰極側で還元されて鋭い金属の針（デンドライト）として成長し、隣の回路へ一気に到達して絶縁破壊（短絡ショート）を引き起こします。

まとめ

金属	樹脂表面への残渣化	マイグレーションリスク	主な理由
Pd（パラジウム）	残る（極少量）	ほぼゼロ	貴金属のためイオン化しない
Cu（銅）	回路部以外は除去	あり（対策済み）	クイックエッチで非回路部を全溶解除去する
Sn（スズ）	強固に残渣化する	極めて高い	不溶性化合物として残りやすく、容易にイオン化・結晶化する

　近年のL/S（配線幅/配線間隔）が数µmレベルまで狭まった超微細な半導体パッケージ基板では、この「わずかに残ったスズ残渣」が壊滅的なショート不良を引き起こすため、スズを一切使わない「イオン型触媒（Snフリー）」への移行が決定的な流れとなっています。