JP2000514955A

JP2000514955A - Ｚ軸相互接続方法および回路

Info

Publication number: JP2000514955A
Application number: JP10506067A
Authority: JP
Inventors: チェン，ユ; ガーバー，ジョエル・エイ; スミス，ジョシュア・ダブリュー
Original assignee: ミネソタ・マイニング・アンド・マニュファクチャリング・カンパニー
Priority date: 1996-07-23
Filing date: 1997-07-01
Publication date: 2000-11-07
Also published as: EP0914757A1; DE69708879D1; KR20000067943A; EP0914757B1; US5873161A; WO1998004107A1; DE69708879T2

Abstract

(57)【要約】多層回路で、導電性トレース（２４、２５）を備えた隣接回路層（２０、２１）間にＺ軸相互接続を造る方法は、変形可能な材料の導電性部材（３０）を回路基板層に接続し、隣接回路基板層上に接着層（３４）を付着させることを含む。隣接回路層は、隣接回路層の導電性トレースと実質的に同一線上にある導電性部材と、位置調整され、回路層は圧力によって共に合わされるので、導電性部材が接着層を貫通し、それが「亀裂」するまで変形する。亀裂によって、導電性トレースと接触する新たな（未酸化）材料が露出して、回路層が共に接合され、低抵抗の電気的接続が行われる。接着剤は、変形可能な導電性部材の膨張の境界となり、隣接導電性部材とのいかなる接触の可能性も低減するように作用する。この方法によって造られた回路相互接続（回路アッセンブリ）も開示される。

Description

【発明の詳細な説明】Ｚ軸相互接続方法および回路技術分野本発明は、電子部品パッケージで使用するための多数の接合された回路層に関する。特に、本発明は、隣接回路層間の改善されたＺ軸電気相互接続、およびこれらの回路層間でこれらの相互接続を行う方法に関する。背景技術接合された隣接回路層の多層回路は、電子部品パッケージ内に複合電子回路を造るために使用される。これらのパッケージに対して通常呼ばれている名前は、プリント回路基板(PCB)、片面および両面の両方、マルチチップモジュール、単数および複数のチップキャリヤ、ボールグリッドアレイ、チップオンボードアッセンブリなどを含む。これらの回路層は、典型的に、電気的コンポーネントを相互接続するために使用される導電性トレースのパターンを含む。これらの導電性トレースは、通常、導電性トレースを機械的に支持する絶縁基材にボンド、または組み入れられた、銅などの導電性金属である。絶縁基材は、典型的に、硬いまたはフレキシブルな、例えば高分子、セラミック、ガラス、シリコンなどを含む材料から製造される誘電性材料を含む。これらの導電性トレースは、例えば電着、エッチング、スパッタリング、接着剤を利用する機械的取り付け、その他いかに数多くの技術を利用して形成されても良い。電気回路のコンポーネント間の電気的接続は、多層回路の回路層で提供される。多回路層を用いると、回路設計者が、多数の相互接続を必要とする、単一または複数のコンポーネントを使用する複合回路設計をレイアウトすることが可能となる。多回路層は、単位体積当たりのコンポーネント密度および機能を増す。多層回路の各回路層の導電性トレースは、ワイヤとして働き、回路の様々なコンポーネントを相互接続するために使用される。隣接回路層間の電気的接続は、「経由路」を用いて達成される。経由路は、隣接回路層間に穴を形成することによって造られる。導電性材料が次に穴の側壁に堆積されて２つの隣接回路層間に電気的接続を形成する。典型的に、プリント回路基板(PCB)、またはプリント配線基板またはメッキスルーホール技術（PTH）技術として知られる製造では、伝導性（電気的）トレースは、多層回路基板の各層に別々に形成される。多層回路基板の回路基板層は、次に、積み重ねられ、隣接層間の電気的絶縁接合層と共に互いに位置調整される。組み立てられた層は、熱および圧力が加えられて隣接層間で接合させる。経由路穴は、相互接続パッドが連続層上に望まれる適切な場所にドリル穴あけされる。電気的相互接続は、導電性材料を経由路穴の側壁に適用することによって達成される。従来技術は、金属経由路接触パッドが、ドリル穴あけ部分および/またはいかなるミスアライメントにも対処するのに回路基板上に十分な面積を有することが必要である。これらの大きなパッド面積は、回路基板のコンポーネント密度を制限する。これらの経由路は、それらが回路基板層の全てを上部から底部まで貫通する場合に「積み重ねられる」。但し、これらの経由路は基板全体を通してドリル穴あけされるので、経由路およびそれらの目標のパッドは回路面積の大部分を消費してしまい、多数の層から成る基板の経路設定を制限する。長い経由路コラムは、誘電体と経由路金属との間での熱膨張率の不一致のために信頼性の問題がある。さらに、経済的にドリル穴あけするほうが適したものよりも遙かに直径が小さい経由路を有することが望ましい。めくらおよび埋め込み経由路、すなわち上部層のみを通過するまたは基板の全厚みを通過せずに隣接層のみに接続するものを形成するために、２つ以上の層が最初に積層されてサブアッセンブリを形成し、次にドリル穴あけされ、メッキされて、誘電体を通る接続を形成する。これらのサブアッセンブリの幾つかは、再び一緒に積層され、第２のドリル穴あけおよびメッキ作業が行われてサブアッセンブリ間の接続を行う。より複合的な多層基板アッセンブリを製造するために、これらの多層アッセンブリの幾つかは、第３のサイクルで積層、ドリル穴あけ、およびメッキが行われても良い。これらの多数の積層、ドリル穴あけ、およびメッキ工程を追加すると、歩留まり損失だけでなく、連続的積層工程中での内部経由路への損傷のためにかなりの加工費、および熱膨張による長いスルーホールの経由路の不具合が加わる。半導体加工技術および最新材料の出現により、上述のプリント回路基板よりも遙かに細密度の回路基板の製造が可能となった。これらの例は、マルチチップモジュール（MCM）など、セラミックハイブリッドおよび薄膜付着基材を含む。典型的に、これらの回路は、航空宇宙、軍、およびスーパーコンピュータ用途で少量に製造される。例としてはMCM-Dsであろう。Ｄは、銅またはアルミニウムトレースおよび有機または無機誘電体での薄膜技術を利用して回路が無機不導体基材上に構築される付着を指す。これらの技術を用いて、多層回路が逐次工程で構築される。この技術は、上述の従来のメッキされたスルーホール技術と比べた場合、回路密度が増大した非常に微細な線および経由路（めくら、積層、および埋め込み）を製造することができる。但し、この高められた密度は、通常は逐次バッチ処理で達成され、典型的に複雑で高価な設備を使用することを含む、遥かに高価な処理工程をもって可能となる。バッチ処理はそれ自体が大量生産に向いてなく、逐次製造は、１つの欠陥層の付着が全体部分を損なうのでより低歩留まりとなる。上記試みの欠点の幾つかを克服するために、回路相互接続(回路アッセンブリ) 構造の代わりとなるべき多数の試みが展開されている。カナダ特許第1,307,594号および米国特許第5,502,884号は、両面が金属化された電子回路層から形成された多層電子回路を開示する。この金属は、従来の技術を使用して各層に要求される所望回路構造でパターン化される。２つの電子回路層は、導電性粒子を含有する絶縁樹脂の接着接続層を挿入することによって共に接続される。米国特許第5,282,312号（ジステファノ(DiStefano)その外）は、メッキされたスルーホール（経由路）でパターン化された２つの金属構成のフレキシブル回路を開示する。回路層間の接続は、パターン化された導電性接着ボタンでボンドプライによって行われる。ボンドプライ上のこれらのボタンは、フレキシブル回路上のPTHsと同じグリッド空間に配置され、ボンドプライはボンドプライを通しての短絡を防ぐ不可入性誘電性コアを含む。積層中(レイアップとしても知られる) 、回路および挿入ボンドプライ層は互いに位置合わせされ、システム全体が共に接合される。但し、このシステムの欠点は、パターン化されたボンドプライ層が、製造のために、システムの費用がかさむことである。さらに、回路層に挿入された層の正確な位置合わせが、結果として得られる密度および歩留まり率を低下させる。米国特許第3,832,769号（オラファントジュニア（Olaphant，Jr）その外）は、プリント回路の隣接層間の接続を形成する方法を開示する。金属導電性コラムは、経由路を含む誘電性フィルムの面の上に経由路から延在する。導電性ランド部分または接触パッドが、次に導電性コラムの延在部分に接合される。但し、金属導電性コラムと接触パッド間の接触によって行われた接合は、回路層を共に機械的に保持するには十分なものではない。これは、誘電体材料が薄くてフレキシブルであり、接続回路層の経由路のサイズ（高さおよび直径）が小さくて数個である場合には特に問題となる。さらに、経由路の接続部は、それらが容易に腐蝕しうる環境に暴露されたままである。米国特許第5,401,913号（ガーバー（Gerber）その外）は、多層回路内の多数の回路基板層を相互接続するための硬い金属のコラム（突起）を使用することを開示する。これらの回路基板層は、トレース金属層を誘電体層の片面に付着させ、他方の面に経由路を造ることによって形成される。これらの経由路穴は、隣接回路基板層への接続が望まれる誘電体フィルム内に形成される。これらの経由路穴は、誘電体層の表面から突出する突起として、硬質非リフロー導電性金属で充填される。硬質導電性突起は、突起と、それに接続し、接合しようとする隣接パッドとの間に金属対金属接合を形成することができる導電性金属で被覆される。回路基板層の表面上に電気的絶縁接着接合材料の付着がさらに開示される。複数のこれらの層は、熱および圧力の下で一回の積層工程で、共に積み重ねられ、位置調整され、積層される。突起およびパッドの金属表面は、共に接合されて、両方の電気的および機械的な接続となる。但し、突起に硬質非リフロー導電性金属を使用すると、突起の補整が困難となる。さらに、突起の硬質性は、より高い突起が基礎を形成し、隣接のより低い突起が良好な接触を形成するのを妨げるので突起の許容可能な高さ変動を制限する。これは、特にめくらおよび埋め込みの経由路が望まれる場合には本発明の利用性を制限する。米国特許第5,046,238号（ダイグル(Daigle)その外）は、片面に回路構成および他方の面に回路構成を露出する経由路を備えた可融性誘電体材料を開示する。可融性導電性材料は経由路内に付着される。複数のこれらの構造体を互いに位置を合わせて共に積み重ねて、それらは熱および圧力の下で共に積層されて、導電性経由路材料を他の導電性経由路材料および/または対応する回路パッドと融着させ、誘電体材料を残りの回路に融着させても良い。この方法の欠点は、非常に数少ない可融性誘電体材料しか、この方法で高密度の回路基板を造るのに十分な寸法安定度を持たないことである。さらに、これらの材料は非常に高価である。その結果、これらの可融性誘電体上に回路を形成することは、導電性材料が高温度で融解されなければならない。さらに、誘電体材料は、寸法安定度および接合した状態を維持するために基材が次の組立工程で経験する温度よりもかなり高い温度で融解しなければならない。高融解温度は、経由路内に使用され得る多くの従来の低コスト可融性導体の融点よりも通常は高く、積層中に経由路を金属融解させる。ラミネート内の溶融金属は、それが可融性誘電体の軟化と同時に融解する場合、経由路部分から押し出されて、隔絶されていなければならない導体間で好ましくない接続が起こるなど、制御するのが困難となる。同時に、導電性金属は、接続が望まれる経由路から奪われるので、その接続が正規に、または全く形成され得ない。最後に、高温での融解は、導体表面上のある金属物を汚染する傾向があり、後に行われる組立工程での問題となる。発明の開示本発明は、多層回路内にＺ軸電気的接続を造る方法、およびこれらの方法によって造られた多層回路を提供することによって先行技術を改善する。特に、本発明の回路層相互接続は、隣接回路層間の電気的接続を形成し、故にＺ軸（Ｚ軸は回路層の面と垂直をなす）に沿って、導電性を提供する、突起の形の、変形可能な導電性材料で造られる。突起の変形性は、信頼性のある電気的接続を形成するのに突起の高さが不均一であっても良い。本発明の方法は、典型的に回路トレースなど、それぞれの導体を備えた少なくとも第１および第２の回路層を提供することを含む。突起状の、加圧時には変形可能な、典型的には金属の、少なくとも１つの導電性部材が、導体と電気的に接触して少なくとも第１の回路層上に配置される。接着層は、導電性部材を有する面上の、第１の回路層と、導体を有する面上の、第２の回路層との中間に配置され、第１および第２の回路層は位置調整される。第１および第２の回路層は、それらを接合するために共に押圧されるので、圧力が導電性部材を変形して、その表面の下から新たな材料を露出させ、たとえ酸化されるとしても最小限に抑えられる。この新たな材料は、それが第２の回路層上の導体と導通する導電性部材を配置し、低抵抗電気的接続となるようなものである。本発明は、素子を形成する回路が接合される場合に圧力がかかったときに変形する変形可能な材料から形成されるので、突起高さを正確にしなくても形成され得る多層回路相互接続をも教示する。この多層回路相互接続は、それぞれが導体を含む少なくとも第１および第２の回路層を含む。回路層相互接続内での第１および第２の回路層の導体間の距離にほぼ等しい高さの、変形可能な材料の突起など、少なくとも１つの導電性部材は、第１および第２の回路層の中間にあり、両方の導体と導通している。接着層は、第１および第２の回路層の中間にあり、接着層の少なくとも部分が、多層回路相互接続を形成する場合に突起が圧力下で変形されるとき突起の膨張を抑制するように突起と接触する。図面の簡単な説明本発明は、添付の図を参照して説明され、ここで同一の参照符号が対応するまたは同一の構成要素に付される。第1ａ〜1ｇ図は、本発明の第１の方法の断面図である。第２ａ図および２ｂ図は、多層、多経由路回路相互接続における第１ｆ図および１ｇ図の断面図である(回路アッセンブリ)。第３ａ〜３ｈ図は、本発明の第２の方法の断面図である。第４ａ〜４ｅ図は、本発明の第３の方法の断面図である。第５図は、本発明により形成された、多層回路の２つの層内の経由路の顕微鏡写真である。第６図は、８５℃および８５％の相対的湿度の温度湿度室内で1,000時間後の経由路接続の抵抗の安定度を詳細に示す図である。第７図は、各熱サイクルが−５５℃〜１２５℃の温度で６時間の１６７熱サイクル後の経由路接続の抵抗の安定度を詳細に示す図である。発明を実施するための最良の形態図を、特に第１ａ〜１ｇ図、第３ａ〜３ｈ図、第４ａ〜４ｅ図のそれぞれを参照して、２つ以上の回路層を電気的に相互接続するための３つの方法が詳細に示される。この出願全体を通して使用されるように、「回路層」は、一般に、回路トレース、パッドまたは他の導電性通路など、導電性部材を支持する誘電体または他の均等な材料を指す。採用される誘電体は、硬質またはフレキシブル(非硬質)のいずれであっても良い。さらに、本発明による、２つの回路層間の単一電気的相互接続が第１ａ〜１ｇ図、第３ａ〜３ｈ図、および第４ａ〜４ｅ図に示される。単一相互接続（２つの回路層間の）は、本発明の方法を説明するための、具体例でしかないことに留意すべきである。本発明は、典型的に多回路層を含み、それらの一部が第２ａ図に示され、それに従って説明される。これらの多回路層の各回路層は、多数の経由路を包含しても良い。上述のような、経由路は、これらの回路層内でのそれらの向きによって、それぞれ「積み重ね」、「めくら」、または「埋め込み」であっても良い。これらの経由路は多数の電気的相互接続に適応する。第１ａ〜１ｇ図において、回路層２０、２１を設け、相互接続するための第１の方法が詳細に示される。これらの回路層２０(第１ａ図)、２１は、典型的にポリイミドフィルムなどの材料の誘電体層２２、２３、および好ましくは銅などの導電性材料のパッド２４、２５、回路トレースまたは他の導電性通路から形成される。これらのパッド２４、２５は、回路層上の導電性トレースに取り付けられても良い。穴２６は、好ましくは、湿式摩砕または乾式摩砕技術によって、第１の回路層２０の誘電体層２２（第１ｂ図）に造られる。湿式摩砕技術は、例えば、化学的エッチングなどを含めても良い。乾式摩砕技術は、例えば、レーザー融蝕、イオン摩砕、反応イオンエッチングなどを含む。誘電体内のこの穴２６は、パッド２４まで延在し、所望の形状（円形、正方形、長方形、三角形、卵形など）に形成（上述の技術で）されても良い。経由路壁２８はパッド２４から延在する。可鍛性を有するので、下記圧力下で変形可能であり、且つ優れた導電性を有する材料は、「突起」３０の形で穴２６の中に付着される。これらの突起３０の材料は、スズ、アルミニウム、インジウム、鉛、金、銀、ビスマスなど、およびこれらの材料の合金を含む。付着は、突起３０がパッド２４と接触して電気的に導通させるものである(第１ｃ図)。突起３０は、誘電体層２２の面の上（越えて）に延在するか、または代わりにこの面と同レベルまたは下になるように付着されても良い。突起３０を形成するために使用された金属は、電着、穴２６内へのハンダペーストまたはハンダボールの機械的付着、または当業界で周知の他の方法によって経由路２６内に付着されても良い。突起３０の高さは、単一の段階または多数の段階を経て増されても良い。突起高さを増す好適方法は、突起材料をリフローすることを含む。他の突起増大技術は、マイクロレプリケーション、機械的加工、吸い上げなどを含む。リフロー中、突起３０の温度は、突起３０の金属の融点より上の温度まで上昇される。突起３０の加熱は、対流式炉、赤外線炉、蒸気相リフロー炉などで行われても良い。融剤は、リフローを補助するために使用されても良い。この突起増大段階は、最初に付着された突起３０が誘電体層２２の面と同レベルまたはその上（越えて）にまで延在しない場合に、誘電体層２２の面の上（越えて）に延在するポイントまでその突起を高くするのに必要とされる。この突起高さ増大段階は、最初に付着された突起が誘電体材料層の面の上（越えて）に延在する場合、随意であるが、好ましい。突起３０は、好ましくは丸みを帯びた形状にリフローされる（第１ｄ図）が、他の形状がリフローされた突起３０に対して得られても良い(突起３０の少なくとも一部が誘電体層２２の面を越えて延在するならば)。突起高さは、突起高さの突起幅に対する比（「アスペクト比」として知られる）がより高いことが重要であり、誘電体層２２の面より上（越える）の突起高さは、回路層２０、２１が圧力（以下で詳述される）によって共に合わされる場合に、外側に広がることによって、突起３０が最初に接着層３４の接着剤を突き抜け、次に潰れるようになっている(第１ｆ図、１ｇ図、２ａ図、および第２ｂ図)。突起３０の材料は、突起３０を接着層３４の接着剤を突き抜けさせるほど十分に硬質性を有するものでなければならない(以下で詳述される)。さらに、圧縮時に、高くて幅の狭い突起（高アスペクト比の）は、外部方向の広がりが少なく、結果として得られる回路内であまり回路面積を取らないので、この回路は配線密度が増大したものとなる。万が一、付着工程が経由路内に１００％未満の付着突起しかもたらさない、または付着された突起が取り扱い時に損傷されて突起が経由路から落下した場合、新しい突起が空の経由路穴に機械的にまたは他の手段によって配置されても良い。突起高さ増大のための上述のような単純なリフロー工程が、その経由路穴に新しい突起を融着させるために使用されても良い。第１ｅ図において、接着層３４は、第１の回路層２０の上に付着される。この用途に適切な接着剤は、単独またはそれらの組合せのいずれかの熱硬化性または熱可塑性接着剤を含む。例は、エポキシ樹脂、シアン酸エステル樹脂、アクリル酸樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂などを含む。代わりに、接着層３４は、下部回路層２１の上に付着される、または積層（以下で詳述される）中に回路層２０、２１の間に配置されることもある。この接着剤は、突起３０の金属のものよりも低い軟化点を有するように選択され、熱硬化性接着剤の場合では、接着剤は突起３０の材料の融解温度未満の温度で流動、および/または硬化するので、突起３０またはパッド２４、２５の金属を融解することなく流動および/または硬化することができる。これらの軟化変数の理由は、以下で詳述されるときに明白となろう。第１ｆ図に示されるように、回路層２０、２１は、今や位置調整され、共に合わされて、中間回路３６を形成している。特に、金属突起３０を有する経由路は、下部隣接回路層２１上のその対応するパッド２５と位置調整される。このアライメントは、アライメントピンを用いる機械的アライメント、基準点を用いる光学式位置合わせ、および他の周知技術の他の方法などの任意の適当な従来のアライメント技術によって実行され得る。一旦、アライメントが完了すると、回路層を接合するための積層工程が開始する。最初に、使用される接着剤、および/または突起の金属の追加的軟化が突起３０の変形性を促進させるために必要とされるかどうかによって加熱段階（または複数の加熱段階）があっても良い。加熱段階（または複数の加熱段階）は、ある接着剤では、その接着剤を流動、硬化させるのに好ましい。これらの加熱段階は、接着層３４の接着剤を通して突起を貫通させ、結果として得られる構造体内に短絡回路を生じ得る金属の過剰な流出（融解による）を避けるために、突起３０を形成する金属の融解温度よりも低い温度で行われるのが好ましい。第１ｇ図において、回路層２０、２１は、圧力を加える（加熱段階が採用される場合にはその段階と同時に、その前、または後に）ことによって、さらに共に合わされて回路相互接続３９を形成する。この圧縮力、好ましくはクランプ力は、突起３０を変形させるのに十分なものである。この突起３０は、接着層３４の接着剤に対してより硬いものであるので、接着剤はその突起が変形する前に軟化する。この突起３０が接着増３４を突き抜けた後、クランプ力からの連続した圧力は突起３０を変形させ、接着層３４の接着剤を外側に移動させる。突起３０の材料は、パッド２５との十分な物理的接触を行う。一旦、この金属同士の（突起３０とパッド２５との）物理的接触が行われると、連続的な圧力は、突起３０をさらに外側に変形させ、典型的に酸化される突起３０の表面の金属を「亀裂」させる。この「亀裂」は、突起３０の内部から新たな金属を露出させ、パッド２５上に塗りつける、および/またはこすりつける。突起の内部から出てきたこの新しい金属は、酸化されたとしても最小限に抑えられ、新しい未酸化金属の結果、パッド２５と突起３０との間に強力な金属接合および低抵抗電気的接続と提供する。突起３０の材料とパッド金属２４、２５との間の結果として得られる緊密な接続は、接触界面全体に渡って、それぞれのパッド２４、２５および突起３０との間の固相拡散を容易にし、金属接合を形成する。接着剤は、今や硬化し、回路層２０、２１を共に機械的に接合するように作用する。この硬化は、その外部膨張を阻止することによって、突起３０の材料を包み込むようにも作用する。突起３０が潰れると、突起３０、および回路層２０にかかる圧力と協力したこの接着剤の流れは、接着剤を移動して、経由路２６の領域内の空間を満たして、水分が溜まるボイドを無くし、それによって耐腐食性を改善する。積層工程中またはその後のある時点で、この圧力は解除され、加熱（この積層工程が加熱を含む場合）も終了される。この加熱（この工程で利用されるか、前に終了されていない場合）は、圧力が解除されると同時に、その前にまたは後に終了される。一旦、接着剤が経由路２６内に突起２０の金属を閉じ込め、その中でさらに膨張させないほど十分な堅さのものとなった場合、随意のアニールが結果として得られる回路相互接続３９に行われても良い。このアニールは、突起３０の金属の融解温度よりも高い温度まで回路相互接続３９を加熱することを含む。このアニールは、突起３０の金属とパッド２４、２５との間の電気的接続をさらに強化する。特に、アニール温度が突起３０の金属の融解温度にまで達すると、突起３０の金属は液状となる。この突起３０は、僅かに形状を変えて、膨張する接着剤によって与えられた応力を減少させる。アニール温度が突起３０の融解温度よりも下まで低下すると、突起３０は固化すると同時に、接着剤は収縮し続けるので、突起３０に圧縮力を加える。この圧縮力は、熱サイクリング中の接続の信頼性を高める。接合され（さらに随意のアニールがあればアニールされ）た回路相互接続３９は、次に冷却される。一旦、この「冷却」段階が完了すると、接合された回路相互接続は電子構成用途でいつでも使用可能となる。上述の、第１ｆ図および１ｇ図に示された、アライメントおよび積層工程は、多数の経由路２６ａ〜２６ｅを備えた多回路層２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２１ａに対して第２ａ図および２ｂ図でさらに詳述される。これらの図（第２ａ図および２ｂ図）の突起３０ａ〜３０ｅは、本発明の利点を例示するために高さおよび均一性に関して誇張されて示されている。但し、突起は、高さが僅かな（あったとしても）変動しかない、均一な高さを有することが望ましい。突起３０ａ〜３０ｅの変形性は、経由路２６ａ〜２６ｅ内の、突起高さの変動を許す。突起３０ａ〜３０ｅは、前述のように、全ての突起がそれらのそれぞれの誘電体層２２ａ、２２ｂ、２２ｃの面の上（越える）に延在する異なる高さを有するものである。アライメントおよび積層時に、突起３０ａ〜３０ｅは変形するので、突起の全てが、先に開示されたように、それらのそれぞれのパッド２４ａ〜２４ｃ、および２５ａ〜２５ｃと物理的接触および十分な電気的接触とを行うことができる。突起３０ａ〜３０ｅを形成する金属の変形（可鍛）性は、より高い突起３０ａ、３０ｃ、３０ｅが潰れ、それぞれのパッド２４ｂ、２４ｃ、２５ｃと物理的接触（および上述のように最後に電気的接触）を行うと、より低い突起３０ｂおよび３０ｄが続いてそれらのそれぞれのパッド２４ｃおよび２５ｂとの物理的接触および最後に十分な電気的接触を行うので、突起３０ａ〜３０ｅの間での僅かな高さ変動を許容する。これは、突起３０ｄ、３０ｅとそれらのそれぞれのパッド２４ｂ、２５ｂ、および２４ａ、２５ａ間の金属接合を形成する信頼できる接続が達成されるとき、「埋め込み」経由路２６ｄ内の突起３０ｄおよび「めくら」経由路２６ｅ内の突起３０では特に重要となる。これは、「積み重ねられた」経由路２６ａ〜２６ｃの突起３０ａ〜３０ｃが変形可能であり、回路層２０ａ，２０ｂ、２０ｃ、２１ａへの加圧時（ここで詳述されるように、積層時）に、続いてこれらの「埋め込み」２６ｄおよび「めくら」２６ｅ経由路と関連した突起３０ｄ、３０ｅをも変形させるのに十分に低い高さまで変形する結果である。第３ａ図〜３ｈ図において、回路層６０、６１を相互接続するための第２の方法が詳細に示される(第３ｇ図および３ｈ図)。第３ａ図に示されるように、これらの回路層６０、６１は、典型的に、誘電体材料層６２、６３、上述の材料、および上述の導体材料のパッド６４、６５（第３ｇ図および３ｈ図）から形成される。第１の回路層６０は、上述のものと異なり、それは、例えば、従来技術によって回路層６０上に配置された感光性材料であっても良い、マスキング層６６をさらに含む。この感光性材料は、次にマスク（図示せず）を通した輻射に露光され、化学的エッチング（水酸化カリウムなどで）などの処理によって現像されるので、穴６７は、第３ｂ図に示されるように、感光性材料層６６内に形成される。代わりに、マスキング層６６は、スクリーン印刷などによる塗布およびパターン印刷によって付着されても良い。上述のような、金属は、次に上述の方法によって「突起」７０の形で、導電性となるようにパッド６４と接触して、穴６７に付着される(第３ｃ図)。このマスキング材料層６６は、次に従来のストリッパを用いる従来の処理法によって取り除かれる。結果として得られる回路層６０は、第３ｅ図に示される。代わりに、このマスキング層は、その回路上に残されても良い。この場合、付着されたときの突起７０はマスキング層６６の面の上（越える）に延在することが好ましい。これがそのようになっていない場合、上述のように、突起高さ増大段階または複数の段階（例えば、リフロー）が、突起７０がマスキング層６６の面の上（越える）まで来るようにして、上述のように、および第３ｄ図に示されるようにアスペクト比を増すために使用されても良い。代わりに、随意の段階において、マスキング層６６の面の上（越える）まで延在する最初に付着された突起が、高アスペクト比を達成するために上述の突起高さ増大段階を受けても良い。上述の接着剤の、接着層７４は、上述の方法によって、第１の回路層６０上に付着される(第３ｆ図)。代わりに、接着層６０は、下部回路層６１上に、または以下に記述されるような積層中に回路層６０、６１の間に付着されることもある( 第３ｇ図および３ｈ図)。第３ｇ図において、回路層６０、６１は、上述のように、共に位置調整され、合わされて、中間層７６を形成する。特に、金属突起７０は、上述の任意のアライメント方法によって、下部隣接回路層６１上のその対応するパッド６５と位置調整される(第３ｇ図)。一旦、アライメントが完了すると、回路層６０、６１を接合する積層が開始する。この積層工程は上述されたものと同一であり、典型的に、酸化された表面層７０’(第３ｇ図)を有する突起７０が「亀裂」すると、突起７０の内部から新たに金属を露出させ、それはパッド６５全体に塗りつけるおよび/またはこすりつける。上述のように、この新たな金属は、パッド６５と突起７０との間に強い金属接合および低抵抗電気的接続を提供する。その結果得られる回路相互接続７９は、第３ｈ図に示される。上述の積層後アニール段階は、上述のように、金属接合を強化して経由路内の応力を減少させることが、必要ならば、結果として得られる相互接続構造体に行われても良い。第４ａ〜４ｅ図において、上述され、第３ａ〜第３ｈ図に示されたものと同一の、回路層８０、８１（第４ｄ図および４ｅ図）を相互接続する第３の方法が詳細に示される。これらの方法の違いは、この第３の方法がパッド上に直接付着された突起を採用し、突起９０の場所を画定するためにマスキング層の追加を必要としないことである。第４ａ図に示されるように、これらの回路層８０、８１（第４ｄ図および４ｅ図）は、典型的に誘電体材料層８２、８３（第４ｄ図および４ｅ図）、上述の材料、および上述の導体材料のパッド８４、８５（第４ｄ図および４ｅ図）から形成される。第４ｂ図に示されるように、上述のような、金属は、「突起」９０の形でパッド８４上に付着される。上述の接着剤の、接着層９４は、上述の方法（第４ｃ図）によって、第１の回路層８０上に付着される。代わりに、接着層９４は、下部回路層８１(第４ｄ図および４ｅ図)、または以下で詳述される（第４ｄ図および４ｅ図）積層中に回路層間に付着されることもある。これらの回路層８０、８１は、上述のように、位置調整され、共に合わされて、第４ｄ図に示されるように、中間回路９６を形成する。特に、突起９０は上述の任意のアライメント方法によって、下部隣接回路層８１上のその対応するパッド８５と位置調整される。一旦、アライメントが完了すると、回路層８０、８１を接合する積層が開始する。この積層工程は上述されたものと同一であり、典型的に、酸化された表面層９０’(第４ｄ図)を有する突起９０が「亀裂」すると、突起９０の内部から新たな金属を露出させ、それはパッド８５全体に塗りつけるおよび/またはこすりつける。上述のように、この新たな金属は、パッド８５と突起９０との間に強い金属接合および低抵抗電気的接続を提供する。その結果得られる回路相互接続９９は、第４ｅ図に示される。上述の積層後アニール段階は、上述のように、金属接合を強化して経由路内の応力を減少させることが、必要ならば、結果として得られる回路相互接続９９に行われても良い。例１片面にパターン化された銅トレースと他方の面に穴とを備えたポリイミド誘電体フィルムが得られた。パターン化されたトレースおよび穴は、従来の方法によって造られた。これらの穴は、電気的接続が望まれる地点に設けられた。純粋スズが、「突起」を形成するために、電気メッキ溶液（商標名Solderon SCで、MY 、フリーポートのLeaRonel，Inc.,社から入手可能なスズメッキ電解槽）を使用して穴のベースに電着された。融解剤（商標名Kester 2163で、Kester Corp.社から入手可能）がブラシによって誘電体フィルムの突起側に塗布され、スズの突起をリフローさせるために回路層全体が２５５℃の対流式炉内に１５秒間入れられた。この融解剤は次に水で除去された。接着剤（商標名Rflex 410で、AZ、チャンドラーのRogers Corporation社から入手可能）の層が、２０psi（１．４×１０⁵Ｎ/m²）および１５０℃の熱間圧延ラミネータによって突起側に貼り付けられた。上述誘電体フィルムの４層が、フィルム位置合わせ用のピンで取り付けられた金属板を使用して互いの上から積み重ねられ、全体のアッセンブリがプラテンプレス内に配置された。約５psi（３．５×１０⁴Ｎ/ｍ²）の小さな圧力が加えられ、そのプレスは１５℃/分で２０５ ℃まで加熱され、その温度で４５分間保持された。プレスは、次に５℃/分で室温まで冷却された。８５０psi（６×１０⁶Ｎ/ｍ²）の圧力が昇温中１５０℃において加えられ、残りの熱サイクル中そのまま保持された。完成した回路相互接続（アッセンブリ）がプレスから取り出された。完成した回路相互接続のSEM顕微鏡写真が第５図に示される。この顕微鏡写真から、スズの突起１５０は２つの銅回路トレース１５２を共に接続し、このスズは銅回路トレース内に分散していることが分かる。回路層の接着層１５４とポリイミドフィルム１５６もこの顕微鏡写真で見ることができる。完成した回路相互接続（アッセンブリ）は、次に電子パッケージング用途では典型的な促進試験室内で試験された。８５％の相対的湿度で８５℃の老化試験室での試験後の突起経由路相互接続の電気抵抗の変化の例が第６図に示される。６時間毎に−５５℃と１２５℃との間で循環する室内での熱サイクル試験の結果が第７図に示される。回路相互接続のサンプルは、積層後に引き剥がされ、検査された。この引き剥がしに依って、積層中に形成された、突起/パッド界面における経由路接続がこじ開けられた。銅パッド（銅回路トレース、第５図参照）は、突起/パッド界面での固相拡散を示す、スズの層を含有した。例２ポリイミド誘電体フィルムは、片面に銅トレースでパターン化され、他方の面に穴を備え、これらのパターン化されたトレースおよび穴は、従来の方法によって造られた。これらの穴は、電気的接続が望まれる地点に設けられた。約６０％のスズと４０％の鉛の組成を有する、ハンダが、「突起」を形成するために、電気メッキ溶液（商標名Solderon SCで、NY、フリーポートのLeaRonel，Inc.,社から入手可能）を使用して穴のベースに電着された。融解剤（商標名Kester 2163で、Kester Corp.社から入手可能）がブラシによって誘電体フィルムの突起側に塗布され、ハンダの突起をリフローさせるために回路層全体が２１５℃の対流式炉内に１５秒間入れられた。この融解剤は次に水で除去された。接着剤（商標名Rflex 410で、AZ、チャンドラーのRogers Corporation社から入手可能）の層が、２０psi（１．４×１０⁵Ｎ/ｍ²）および１５０℃の熱間圧延ラミネータによって突起側に貼り付けられた。上述誘電体フィルムの４層が、フィルム位置合わせ用のピンで取り付けられた金属板を使用して互いの上から積み重ねられ、全体のアッセンブリがプラテンプレス内に配置された。約５psi（３．５×１０⁴Ｎ/ｍ²）の小さな圧力が加えられ、そのプレスは１５℃/分で１７０ ℃まで加熱され、その温度で４５分間保持された。プレスは、次に５℃分で室温まで冷却された。８５０psi（６×１０⁶Ｎ/ｍ²）の圧力が昇温中１５０℃において加えられ、残りの熱サイクル中そのまま保持された。完成した回路相互接続（アッセンブリ）がプレスから取り出された。これによって造られたサンプルは電子的に試験され、全ての経由路が信頼性のある低抵抗接続であるという結果を出した。突起/パッド界面における経由路接続はこじ開けられた(上述の例１と同様に、引き剥がされた)。この銅パッドは、突起/パッド界面での固相拡散を示す、スズの層を含有したことが観察された。本発明の実施例は、当業者が本発明の技術を実施することが出来るように説明されたが、前述で記載されたことは例示的であり、次の請求の範囲によって決定されない限り、本発明の範囲を限定するように使用されるものではない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者スミス，ジョシュア・ダブリューアメリカ合衆国55133―3427ミネソタ州セント・ポール、ポスト・オフィス・ボックス33427 【要約の続き】

Claims

【特許請求の範囲】１．回路層を相互接続するための方法であって、第１の導体（２４）を備えた第１の回路層（２０）を設けるステップと、第２の導体（２５）を備えた第２の回路層（２１）を設けるステップと、外部表面を有する変形可能な金属からなり、少なくとも加圧時に変形する導電性部材（３０）を、前記第１の導体と電気的導通した第１の回路層上に配置するステップと、前記第１の回路層と前記第２の回路層との中間に接着層（３４）を配置するステップと、前記第１の回路層を前記第２の回路層と位置調整するステップと、回路層を接合するために、前記第１および第２の回路層に圧力を加えるステップとを含み、前記導電性部材が、前記加圧時に前記回路層を接合できるほど十分な変形性を有し、前記第２の導体と電気的導通した少なくとも一部の材料を外部表面の下から露出させるように変形する、回路層を相互接続する方法。２．前記導電性部材は、加圧時に、前記導電性部材の一部が前記接着層を貫通するほど十分な堅さを有する、請求の範囲第１項に記載の方法。３．前記接着層が前記第１の回路層上に配置される、請求の範囲第１項に記載の方法。４．前記第１の回路層と前記第２の回路層とがそれぞれ少なくとも１つの誘電体フィルム（２２、２３）を含む、請求の範囲第１項に記載の方法。５．第１の回路層の前記少なくとも１つの誘電体フィルム内に前記第１の導体に近接して経由路（２６）を形成することをさらに含む、請求の範囲第４項に記載の方法。６．前記導電性部材がハンダ部分であり、前記工程が、少なくとも一部の導電性部材が第１の回路層の誘電体フィルムによって形成された面より上に来るまで経由路内にハンダを形成することをさらに含む、請求の範囲第５項に記載の方法。７．多層相互接続であって、少なくとも１つの第１の導体（２４）を含む第１の回路層（２０）と、少なくとも１つの第２の導体（２５）を含む第２の回路層（２１）と、変形可能な金属であり、第１の回路層と第２の回路層との中間に入り、前記少なくともの１つの第１の導体と前記少なくとも１つの第２の導体と電気的に導通する少なくとも１つの導電性部材（３０）と、前記第１および第２の回路層を接続するための第１の回路層と第２の回路層との中間に入り、その少なくとも部分は、前記少なくとも１つの導電性部材が変形されるときに前記少なくとも１つの導電性部材の膨張を阻止するために前記少なくとも１つの導電性部材の少なくとも部分と接触する接着層（３４）と、を含み、前記少なくとも１つの導電性部材が、前記少なくとも１つの第１の導体と前記少なくとも１つの第２の導体との間の距離にほぼ等しい高さを有するものである、多層相互接続。８．前記第１の回路層が、前記少なくとも１つの第１の導体に近接した少なくとも１つの経由路と、前記少なくとも１つの導電性部材を収容する前記少なくとも１つの経由路の少なくとも第１の部分と、接着層からの接着剤を収容する前記少なくとも１つの経由路の少なくとも第２の部分とをさらに含む、請求の範囲第７項に記載の相互接続。