JP2001077533A

JP2001077533A - 多層配線基板

Info

Publication number: JP2001077533A
Application number: JP25355799A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Inoue; 泰史井上; Masakazu Sugimoto; 正和杉本; Toku Nagasawa; 徳長沢; Takuji Okeyui; 卓司桶結; Kei Nakamura; 圭中村
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 1999-09-07
Filing date: 1999-09-07
Publication date: 2001-03-23

Abstract

(57)【要約】【課題】半田製導体による接続信頼性を向上させること
により、温度サイクルに対する信頼性が高い多層配線基
板を提供する。【解決手段】有機高分子樹脂からなる絶縁層１と導体回
路層２とが交互に積み重なった多層基板である。そし
て、上記導体回路層２が半田製金属材料からなる金属柱
３によって接続され、この金属柱３の形状が鼓型であ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、温度サイクルに対
する信頼性が極めて高い多層配線基板に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年の電子機器の小型化，高性能化に伴
い、電子機器を構成する半導体装置およびこれを実装す
る多層配線基板には、小型薄型化，高性能化，高信頼性
が要求されている。これらの要求を受け、実装方法はピ
ン挿入型パッケージから表面実装型パッケージへと移行
してきており、最近では半導体素子を直接配線基板に実
装するベアチップ実装と呼ばれる実装方法が研究されて
いる。また、半導体素子の多ピン化に伴い、これを搭載
する基板の多層化の必要性が増している。この多層化の
方法として、基体の片面もしくは両面に、感光性樹脂を
用いた絶縁層と、めっきや蒸着により形成した導体層と
を交互に積み重ねたビルトアップ方式の多層配線基板が
提案されている。これに対して、本発明者らは、多層化
した基板の導体回路層を電気的に接続する方法として、
半田製導体により各導体回路層を接続する方法を先行発
明として提案している（特願平９−２６０２０１号，特
願平９−２６８６２１号）。

【０００３】一方、ベアチップ実装では、熱膨張係数：
３〜４ｐｐｍ／℃のシリコンチップを熱膨張係数：１０
〜２０ｐｐｍ／℃のプリント基板上に直接接着剤を介し
て接着するため、両者の熱膨張の差により応力がかか
り、接続信頼性が低下するという問題が生じている。そ
こで、これを解決するために、本発明者らは、熱膨張率
が低い金属箔を絶縁層中に含んだ低熱膨張性多層配線基
板を先行発明として提案している（特願平９−２６０２
０１号，特願平９−２６８６２１号）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
先行発明で用いる半田製導体による接続信頼性は、温度
サイクル試験における信頼性に関して、今後の微細化を
考える場合に充分とは言えないという問題がある。

【０００５】本発明は、このような事情に鑑みなされた
もので、半田製導体による接続信頼性を向上させること
により、温度サイクルに対する信頼性が高い多層配線基
板の提供をその目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の多層配線基板は、有機高分子樹脂からなる
絶縁層と導体回路層とが交互に積み重なった多層基板で
あって、上記導体回路層が半田製金属材料からなる金属
柱によって接続され、この金属柱の形状が鼓型であると
いう構成をとる。

【０００７】すなわち、本発明者らは、半田製導体によ
る接続信頼性を向上させ、これにより、温度サイクルに
対する信頼性が高い多層配線基板を得るために一連の研
究を重ねた結果、半田製導体の形状を鼓型とすることに
より、接続信頼性が飛躍的に向上することを見出し、本
発明に到達した。

【０００８】また、本発明において、有機高分子樹脂か
らなる絶縁層中に金属箔が含まれている場合には、基板
全体の熱膨張率を低く抑えることが可能であり、上記の
鼓型半田製金属柱によって接続された多層回路とするこ
とにより、極めて高信頼の多層配線基板となる。

【０００９】つぎに、本発明を詳しく説明する。

【００１０】本発明の多層配線基板は、有機高分子樹脂
からなる絶縁層１と導体回路層２とが交互に積み重なっ
た多層基板である（図１参照）。そして、上記各導体回
路層２が半田製金属材料からなる金属柱３によって接続
された構造を有し、この金属柱３の形状が鼓型形状をな
している（図２参照）。このような鼓型の金属柱３の形
状は、導体回路層２に接している部分の直径（Ｌ１）
と、くびれた部分の直径（Ｌ２）との間で、０．９５×
（Ｌ１）≧（Ｌ２）≧０．３×（Ｌ１）の関係を満たし
ていることが望ましい。この関係を満たしていない場
合、すなわち、１．０×（Ｌ１）＞（Ｌ２）＞０．９５
×（Ｌ１）の範囲内もしくは（Ｌ２）＜０．３×（Ｌ
１）の範囲内にある場合には、耐リフロー性，温度サイ
クル性等の信頼性向上の効果が得られない。

【００１１】上記絶縁層１を構成する有機高分子樹脂と
しては、一般のプリント基板に用いられるエポキシ系樹
脂，フェノール系樹脂のほか、ポリイミド系樹脂，ポリ
エーテルイミドであってもよいし、ガラス繊維，セルロ
ース系繊維，アラミド繊維等に上記樹脂を含浸した複合
材料であってもよい。特に、耐熱性，信頼性の面からポ
リイミド系樹脂が推奨される。

【００１２】上記導体回路層２を構成する材料として
は、一般的には銅が使用されるが、アルミニウム，ニッ
ケル，金，銀等でもよい。

【００１３】また、上記半田製金属材料としては、鉛／
錫系合金，錫／銀系合金，錫／ビスマス系合金等、一般
的に低融点金属と呼ばれるものが使用される。

【００１４】一方、ベアチップ実装用の基板として低熱
膨張率の基板が望まれている。本発明者らは、先行発明
として、低熱膨張性の金属箔を絶縁層中に配した低熱膨
張性基板を提案している。この低熱膨張性基板と本発明
の技術とを組み合わせることにより、極めて高信頼の基
板を提供することができる。例えば、まず、芯材５とな
る金属箔の必要な位置に孔５ａを開ける（図３参照）。
ついで、両面から接着剤を用いて導体層６を張り合わせ
る（図４参照。図４において、７は接着剤層である）。
つぎに、芯材５の孔５ａを開けた位置にさらに小さい孔
８を開け（図５参照）、めっきをかけることにより両面
の導体層６を電気的に接続する（図６参照。図６におい
て、９はめっき層である）。そののち、公知の方法で回
路を形成すればよい。このようにして得られた両面基材
の熱膨張率は芯材５である金属箔に支配され、金属箔の
種類や厚みを変えることにより調節することができる。

【００１５】つぎに、予め孔を開けた接着シートを上記
両面基材の回路に位置合わせして張り合わせ、接着シー
トの開孔部に半田製金属材料を充填する。上記接着シー
トに孔を開ける方法としては、ドリル，パンチ等の機械
的手法、炭酸ガスレーザー，エキシマレーザー，ＹＡＧ
レーザー等のレーザーを使用する方法、薬液によるウェ
ットエッチング、プラズマ照射によるドライエッチン
グ、サンドブラスト等がある。

【００１６】半田製金属材料の充填方法としては、めっ
き，蒸着，半田ディッピング，半田ペースト印刷等の種
々の方法がある。例えば、半田ペースト印刷を用いる場
合には、接着シートの開孔部にメタルマスク等を用いて
半田ペーストを印刷し、加熱・溶融後にフラックスを洗
浄し、半田バンプを形成する。これを別の回路形成した
両面基材に位置合わせして、加熱・加圧積層することに
より、上記半田バンプを介して２枚の両面基材を電気的
に接続することができる。ここで、両者を電気的に接続
する半田製金属柱の形状は、上記半田バンプの大きさを
変えることにより制御することができる。すなわち、加
熱・加圧するときには、半田バンプを囲む接着剤により
半田バンプの周りから中心方向へ圧力が発生する。図７
〜図９はその様子を示したものであり、接着剤３０の開
孔部３０ａに半田バンプ３１を形成したのち（図７参
照。図７において、３２は回路である）、別の回路３３
を上面から重ねて（図８参照）、加熱・加圧すると（図
９の矢印Ａ参照）、図９の矢印Ｂに示すような力が発生
し、そこにある空間を埋めるため、接着剤３０が流れ込
んでくる。ところが、半田バンプ３１の底辺は最初に半
田バンプ３１が形成された時点で決定しているため、図
２に示すような鼓型を形成する。このとき、半田バンプ
３１の大きさ（半田の量）が小さい（少ない）と、鼓型
のくびれは大きくなり、逆に半田バンプ３１の大きさ
（半田の量）が大きい（多い）と接着剤３０があまり移
動しないため、鼓型のくびれは小さくなる。半田バンプ
３１の大きさ（半田の量）は、半田ペーストの印刷量を
変えることにより容易に制御することができる。また、
接着剤３０の粘度，開孔部３０ａの径，加熱温度，加圧
圧力等によっても鼓型のくびれを制御することができ
る。

【００１７】接着層の開孔部の形成は、上述した方法以
外にも、接着剤を回路上にコーティングしたのち各種レ
ーザーによって開孔する方法、感光性接着剤を使用し開
孔部をパターニングする方法等が考えられる。

【００１８】上述のような、鼓型の半田製金属柱で接続
された多層配線基板は、温度サイクル試験や耐リフロー
試験に対して、極めて高い信頼性を有する。これは、多
層配線基板が加熱されたときに生じる基板内部のストレ
スもしくは基板の微小な反り等が発生しても、鼓型の柱
であれば柔軟性があり、半田製金属材料と基板電極の界
面に生じる応力を最小限に抑えることができるためと考
えられる。

【００１９】

【発明の実施の形態】つぎに、本発明の実施の形態を図
面にもとづいて説明する。

【００２０】図１０は本発明の多層配線基板の一実施の
形態を示している。図において、１１はポリイミド樹脂
からなる絶縁層１２の表裏両面に銅箔からなる回路（導
体回路層）１３が形成された両面回路基板である。この
実施の形態では、３枚の両面回路基板１１が用いられて
おり、これにより、多層配線基板として６層配線基板が
作製されている。１４は上記各両面回路基板１１に穿設
した孔１１ａに銅めっき加工を施して形成したスルーホ
ールめっき部であり、表裏両面の回路１３を電気的に接
続している。１５は上記各両面回路基板１１同士を接着
するポリイミド系接着剤層である。１６は上下に積み重
なる２つの両面回路基板１１の回路１３を電気的に接続
する半田製金属柱である。この半田製金属柱１６は、図
２に示すように、鼓型に形成されている。

【００２１】上記多層配線基板を、つぎのようにして製
造することができる。すなわち、まず、ポリイミド樹脂
からなる絶縁層１２の表裏両面に銅箔よりなる導体層１
３ａが形成された３枚の基材２０（図１１参照）と、ポ
リイミド系接着剤からなる２枚の接着シート（図１３参
照）２１とを準備する。上記両接着シート２１には、そ
の所定位置（図１０の半田製金属柱１６を設ける位置）
に孔２１ａが開けられている。ついで、上記各基材２０
の所定位置にドリル等で孔１１ａを開け、この孔１１ａ
に銅のスルーホールめっきを行ってスルーホールめっき
部１４を設け、上記各基材２０の表裏両面の導体層１３
ａに従来のエッチング法により回路１３を形成し、３枚
の両面回路基板１１（図１２参照）を作製する。つぎ
に、図１３に示すように、上記各接着シート２１を（３
枚のうちの）２枚の両面回路基板１１の上面に、各接着
シート２１の開孔部２１ａを各両面回路基板１１の回路
１３の所定位置（図１０の半田製金属柱１６を設ける位
置）に位置合わせして仮接着する。つぎに、上記各接着
シート２１の開孔部２１ａにスクリーン印刷により半田
ペーストを入れ、加熱溶融させて各両面回路基板１１の
回路１３上に半田バンプ１６ａを形成する（図１４参
照）。つぎに、半田バンプ１６ａを設けた２枚の両面回
路基板１１と、回路１３を形成しただけの１枚の両面回
路基板１１をそれぞれ位置合わせして複数枚重ねたの
ち、加熱加圧し一体化させる。この状態では、各接着シ
ート２１はポリイミド系接着剤層１５となる。また、各
半田バンプ１６ａは半田製金属柱１６となり、鼓型に形
成される。これにより、３枚の両面回路基板１１が積層
一体化された６層配線基板を得ることができる。

【００２２】上記のように、この実施の形態では、半田
製金属柱１６が鼓型に形成されており、温度サイクル試
験や耐リフロー試験に対して高い信頼性を有している。

【００２３】つぎに、実施例を挙げ、さらに詳細に説明
する。

【００２４】

【実施例１】ポリイミドフィルム（厚み２５μｍ）を絶
縁層とし、その片面に導体層として厚み１８μｍの銅を
設けたポリイミド／銅の２層基材を用意し、従来のエッ
チング法により回路２２（図１５参照）を形成した。同
時に、別のポリイミド／銅の２層基材に回路２３（図１
６参照）を形成した。つぎに、回路２２の層間接続用の
ランド（直径０．５ｍｍ）と同じ座標にパンチャーによ
って孔（直径０．２ｍｍ）を開けたポリイミド系接着シ
ート（厚み５０μｍ）を用意し、回路２２に位置合わせ
して加熱・加圧（３０ｋｇ／ｃｍ²、１７０℃で３０
分）して張り合わせた。上記回路２２に張り合わせた接
着シートの開孔部に、ポリイミドフィルムマスク（厚み
１２μｍ，開孔部直径０．１５ｍｍ）を用いて、半田ペ
ースト（共晶半田ｍ．ｐ．１８３℃、最大半田粒子径１
５μｍ）をスクリーン印刷した。つぎに、窒素雰囲気中
でリフロー（２２０℃で１分）を行い、フラックスを洗
浄して、回路２２上に半田バンプを形成した。このよう
にして得られた半田バンプ付き回路２２と、別途用意し
た回路２３を位置合わせして加熱・加圧積層（４０ｋｇ
／ｃｍ²、１７０℃で１時間→２００℃で５分→冷却）
して、多層配線基板を作製した。

【００２５】

【実施例２】ポリイミド／銅の２層基材の代わりに、図
１７に示すように、ポリイミド絶縁層１２中に金属箔２
４〔鉄ニッケル合金：Ｆｅ／Ｎｉ＝６４／３６（重量
比）、厚み０．１ｍｍ〕を含ませている基材２５を用い
た以外は、実施例１と同様にして多層配線基板を作製し
た。図において、１３は銅である。

【００２６】

【比較例１】実施例１において、半田ペースト印刷用の
マスクとして、メタルマスク（厚み５０μｍ，開孔部直
径２００μｍ）を用いた以外は、実施例１と同様にして
多層配線基板を作製した。

【００２７】

【比較例２】半田ペースト印刷用のマスクとして、ポリ
イミドフィルムマスク（厚み１０μｍ，開孔部直径１０
０μｍ）を用いた以外は、実施例１と同様にして多層配
線基板を作製した。

【００２８】以上のようにして作製した実施例１，２品
および比較例１，２品の多層配線基板の断面を観察した
ところ、半田製金属柱の形状は下記の表１に示す結果で
あった。

【００２９】

【表１】

【００３０】上記各サンプルを耐リフロー試験（２４０
℃、１分）および温度サイクル試験（−６５〜１５０
℃、各５分、湿式）で評価したところ、下記の表２に示
す結果となった。

【００３１】

【表２】

【００３２】上記の表１および表２から明らかなよう
に、多層回路の内部接続である半田製金属柱の形状が鼓
型であることにより、信頼性が向上している。また、実
施例１品、比較例１，２品の基板は、熱膨張率が１６ｐ
ｐｍ／℃であったのに対し、実施例２品の金属箔２４を
ポリイミド絶縁層１２中に含んだ基板構成では、多層化
後の熱膨張率は３．２ｐｐｍ／℃であり、シリコンチッ
プの熱膨張率（３．５ｐｐｍ／℃）と極めて近い。した
がって、この基板はベアチップ実装を行ったときに基板
とチップの熱膨張の違いから発生する熱応力が極めて小
さく、実装信頼性が飛躍的に向上することは明白であ
る。

【００３３】

【発明の効果】以上のように、本発明の多層配線基板に
よれば、半田製導体の形状を鼓型とすることにより、半
田製導体による接続信頼性が向上し、温度サイクルに対
する信頼性が高い多層配線基板を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の多層配線基板の構造説明図である。

【図２】上記多層配線基板の半田製金属柱の説明図であ
る。

【図３】両面基材の製造工程を示す断面図である。

【図４】上記両面基材の製造工程を示す断面図である。

【図５】上記両面基材の製造工程を示す断面図である。

【図６】上記両面基材の製造工程を示す断面図である。

【図７】鼓型を形成する様子を示す説明図である。

【図８】鼓型を形成する様子を示す説明図である。

【図９】鼓型を形成する様子を示す説明図である。

【図１０】上記多層配線基板の一実施の形態を示す断面
図である。

【図１１】上記多層配線基板の製造工程を示す断面図で
ある。

【図１２】上記多層配線基板の製造工程を示す断面図で
ある。

【図１３】上記多層配線基板の製造工程を示す断面図で
ある。

【図１４】上記多層配線基板の製造工程を示す断面図で
ある。

【図１５】回路の説明図である。

【図１６】回路の説明図である。

【図１７】基材の断面図である。

【符号の説明】

１絶縁層２導体回路層３金属柱

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者長沢徳大阪府茨木市下穂積１丁目１番２号日東電工株式会社内 (72)発明者桶結卓司大阪府茨木市下穂積１丁目１番２号日東電工株式会社内 (72)発明者中村圭大阪府茨木市下穂積１丁目１番２号日東電工株式会社内Ｆターム(参考） 5E317 AA24 BB12 BB18 CC25 CD27 5E346 AA42 AA43 CC08 CC32 CC40 EE13 FF18 FF22 GG15 HH16

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】有機高分子樹脂からなる絶縁層と導体回
路層とが交互に積み重なった多層基板であって、上記導
体回路層が半田製金属材料からなる金属柱によって接続
され、この金属柱の形状が鼓型であることを特徴とする
多層配線基板。
【請求項２】上記鼓型金属柱の形状が、導体回路層に
接している部分の直径（Ｌ１）と、くびれた部分の直径
（Ｌ２）との間で、０．９５×（Ｌ１）≧（Ｌ２）≧
０．３×（Ｌ１）の関係を満たしている請求項１記載の
多層配線基板。
【請求項３】有機高分子樹脂からなる絶縁層中に金属
箔が含まれている請求項１または２記載の多層配線基
板。