JP2002353584A - 両面実装電子装置、その製造方法、及び電子機器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】半導体素子等の電子部品の高密度実装が可能で
あり、放熱性に優れする。 【解決手段】金属板を芯材とするメタルコア基板と、該
基板の表裏両面に搭載された電子部品とを備える。金属
板には、絶縁物（好ましくは樹脂組成物の硬化物）によ
り充填された窓部を設け、この窓部の絶縁物を貫通する
スルーホール配線を基板に設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子等の電
子部品を搭載した両面実装型の電子装置に係り、特に配
線の高密度化及び高速信号に適応したメタルコア基板を
備える両面実装電子装置及びその製造方法と、該装置を
備える電子機器とに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子機器の小型化や処理速度の高
速化に伴い、素子の搭載密度向上及び信号の高速化に対
応した基板が求められている。こうした要求に対応すべ
く、配線幅及び配線間隙の微細化、層間接続に用いられ
るスルーホール配線やビアホール配線の小径化が著しく
進んできており、ガラス布基材エポキシ樹脂基板（以
下、ガラスエポキシ基板）をコア層（芯材）としてビル
ドアップ法により多層化・薄肉化した基板がプリント基
板の主流となっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】図１に示すように、従
来のビルドアップ基板は、金属板からなるコア層２に、
該コア層の貫通孔内壁に形成された導体膜であるスルー
ホール配線３を備える。このスルーホール配線３には、
表裏に形成するビルドアップ層１間の電源、グランド、
信号などの電気的接続のための配線３ａと、コア層２が
多層構造の場合にはコア層２の内層配線への電気的接続
のための配線３ｂとがある。

【０００４】通常、コア層２におけるスルーホールの配
線密度はビルドアップ層１の配線密度と比較して圧倒的
に低いため、コア層２における配線の主な機能は、前者
に集約される。そこで、ここでは、スルーホール配線３
を前者に絞って、理想的な配線密度のスルーホールを備
える基板の構造モデルを考える。

【０００５】図２に示すように、コア層２の表裏を接続
するスルーホール配線３ａのピッチｂは、電子部品（通
常、半導体素子、半導体装置等の半導体部品）５の端子
６のピッチａ程度まで微細化することが望ましく、スル
ーホールピッチｂが端子ピッチａに等しいことが理想で
ある。

【０００６】ピッチｂがピッチａより広いと、端子ピッ
チａからコア層２おけるスルーホール配線ピッチｂまで
配線幅を拡大するための再配線がビルドアップ層に要求
されることになり、配線層数の増加は必至となる。その
ため、製造工程の長期化による製造コストの増大のみな
らず、逐次積層による歩留り低減が考えられる。

【０００７】半導体部品は、近い将来、その端子ピッチ
ａが０．２５ｍｍにまで微細化されると予測されている
が、ビルドアップ基板のコア層として汎用されているガ
ラスエポキシ基板では、通常のドリル加工によりスルー
ホール配線を形成するため、ドリルの加工径（最小径：
約０．１ｍｍ）及び加工ピッチ（最小ピッチ：約０．４
ｍｍ）の限界から、この近い将来に見越される半導体部
品の端子ピッチａ程度にまでスルーホール配線密度を高
めることはできない。

【０００８】そこで、本発明は、半導体素子、半導体装
置等の電子部品の高密度実装を実現するための高密度ス
ルーホール配線が可能な両面実装電子装置及びその製造
方法と、これを備える電子機器とを提供することを目的
とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では、基板と、該基板の表裏両面に搭載され
た電子部品とを備える両面実装電子装置であって、基板
が金属板を芯材とするメタルコア基板である両面実装電
子装置と、該装置を備える電子機器とが提供される。な
お、本発明の両面実装電子装置では、金属板に、絶縁物
（好ましくは樹脂組成物の硬化物）により充填された窓
部を設け、この窓部の絶縁物を貫通するスルーホール配
線を基板に設けることが望ましい。また、本発明の電子
装置では、基板の表裏両面に、該基板を介して２つの電
子部品が互いに対向するように配置されていることが望
ましい。この場合、対向して配置された２つの電子部品
の一方は能動素子であり、他方は受動素子であることが
望ましい。

【００１０】さらに、本発明では、金属板を芯材とする
メタルコア基板の表裏両面に電子部品を搭載する工程を
備える両面実装電子装置の製造方法が提供される。

【００１１】

【発明の実施の形態】両面高密度実装を実現するために
は、コア層におけるスルーホール配線３が所望の寸法精
度で高密度に配置される必要がある。また、コア層に
は、素子等の実装信頼性を確保するため、少なくとも従
来のガラスエポキシ基板と同程度の剛性が要求される。
そこで本発明では、コア層（芯材）として金属板を用い
る。

【００１２】本発明の両面実装電子装置は、例えば、窓
部を有する金属板と、窓内を充填する充填部材と、金属
板の表裏に積層された絶縁層と、窓内の充填部材内を貫
通する、金属板表裏に達する１つ以上の独立したスルー
ホール配線とを備えるメタルコア基板、及び、該基板の
両面に搭載された電子部品を有する。メタルコア基板
は、上述のように窓内の充填部材を貫通したスルーホー
ル配線に電気的に接続された外部接続端子を基板両面に
有することができる。

【００１３】本発明では、芯材（コア層）として金属板
を用いる。金属板は、その表面の少なくとも一部に、銅
などからなる導体膜を有していていもよい。また、金属
板は単層であってもよく、２以上の層からなる積層体で
あってもよい。例えば、高誘電率の材料を挟んだ２枚金
属板からなる積層体であるコンデンサを用いることもで
きる。

【００１４】金属板の材料は、特に限定されるものでは
ないが、例えば、銅、タングステン、モリブデン又は鉄
−ニッケル合金、若しくはこれらのいずれかを主成分と
する合金からなる金属板などが挙げられる。メタルコア
基板の熱膨張係数を低減することができるため、特に、
低熱膨張係数の金属材料（例えば、表面を銅で被覆され
た鉄−ニッケル合金製金属板）を芯材である金属板とし
て用いることが好ましい。

【００１５】なお、金属板のメタルコア基板に占める割
合（体積比）を制御すれば、メタルコア基板の熱膨張係
数を任意に設定することができる。したがって、本発明
では、従来のメタルコア配線板では困難であったベアチ
ップ実装を高い信頼性で行うことができ、基板両面に高
密度実装した電子部品を用いた電子回路装置が作製でき
る。

【００１６】本発明の電子装置は、基板の表裏少なくと
も一方の面に電極を設け、該電極を介して別の基板の端
子と電気的に接続するための手段を有することが望まし
い。なお、窓部を貫通するスルーホールによって接続さ
れる平面配線と、金属板表面とが異なる平面になるよう
にすれば（すなわち積層方向の高さを異ならせれば）、
半導体部品の駆動に必須な電源層としての機能をコア層
に複数付加することが可能となり、基板の層数削減及び
これによるコスト低減にも貢献できるため好ましい。

【００１７】本発明で用いられる両面実装型配線基板
は、例えば、芯材である金属板に複数個の窓をあけ、そ
の表面を銅などの電気伝導性の高い導体で被覆して導体
膜を形成し、該導体膜の表面を黒化処理、ニッケルめっ
きなどにより粗化した後、金属板表面に樹脂組成物から
なる絶縁層を形成しつつ、窓内部の空隙を当該樹脂組成
物で充填することにより製造することができる。なお、
絶縁層と窓内部の充填部材は、絶縁層の形成と同時に行
われてもよく、別途行われてもよい。また、絶縁層と充
填部材は、同じ材料からなっていてもよく、異なる材料
からなっていてもよい。

【００１８】絶縁層及び／又は充填部材の形成に用いら
れる樹脂組成物としては、ソルダレジスト又は多層配線
構造体用層間絶縁膜に用いられる従来の材料を用いるこ
とができ、例えばエポキシ樹脂系又はポリイミド系組成
物が好適である。

【００１９】金属板を芯材として用いるビルドアップ型
メタルコア基板としては、例えば、特開２０００−１５
０７１８号公報、特開平１１−２９８１０４号公報など
に記載された、金属板の表裏両面及び窓側壁にアルミニ
ウム皮膜を設けた後、陽極酸化処理を行って無孔質バリ
ア型酸化アルミニウム絶縁層を形成するものや、特開平
１１−２９８１０４号公報に記載された、Ａｌ−Ｓｉ
系、Ａｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合
金により形成した金属板の上下両面とスルーホールの内
周面にアルマイト処理により絶縁性の酸化被膜（アルマ
イト被膜）を形成し、その上に信号線、パッド、コンデ
ンサ電極、スルーホール導体等の導体パターンを形成す
るものが挙げられる。しかし、これら従来のメタルコア
基板において絶縁膜として用いられる無孔質バリア型酸
化アルミニウム絶縁層やアルマイト皮膜は、絶縁性に乏
しい。これに対して、本発明では樹脂組成物の硬化物か
らなる絶縁物を用いるため、極めて高い絶縁性を得るこ
とができ、絶縁信頼性の点で優れる。

【００２０】なお、本発明では、金属板及び絶縁層の材
料は特に限定されないため、これらの材質は必要に応じ
て適宜選択することができる。絶縁層の材料としては、
例えば、一般に多層配線板に使用されている樹脂を主成
分とするものでよく、樹脂を不織布・織布等に含浸させ
たものでもよく、有機フィラー及び／又は無機フィラー
と樹脂とを含む混合物でもよく、またこれらが複合され
たものでもよい。金属板材料である金属導体としては、
例えば、一般に多層配線板に使用されるステンレス、ニ
クロム、タングステン、アルミニウムなどの箔を用いる
ことができ、銅箔を用いることが好ましい。本発明では
窓内部を樹脂組成物で充填することにより、基板の熱膨
張係数を金属板に近い値に設定することが可能になり、
熱プロセスにおける基板の変形を軽減することが可能と
なる。また、金属板及び絶縁材の材料を任意に選択する
ことができるため、本発明では、用いる半導体部品やメ
インボードをも考慮して、より適正な熱膨張係数や剛性
を実現することができる。

【００２１】本発明において用いられるメタルコア基板
は、薄くても高い剛性を有した、ハンドリング性に優れ
た金属板を芯材として用い、この金属板に樹脂により充
填された窓部を設け、この窓部にスルーホール配線を形
成する。スルーホールはドリル加工又はプラズマ加工に
より形成してもよいが、レーザ加工により形成すること
が望ましいこれらの加工方法は、所望のスルーホール及
びビアホール径、アスペクト比等仕様に応じ適宜選択す
ることができ、必要に応じて任意の２種以上を併用して
もよい。

【００２２】スルーホール（及び必要に応じてビアホー
ル）の形成に用いることのできるレーザの種類として
は、高エネルギなＣＯ_２レーザ、紫外線レーザ、Ｘｅレ
ーザ、エキシマレーザ、ＹＡＧ（Yttrium Aluminium Ga
rnet）レーザ、ＹＬＦ（Yttrium Lithium Fluoride）レ
ーザ、Ａｒレーザなどが挙げられる。ＣＯ_２レーザ又は
紫外線レーザを用いることが好ましい。ＣＯ_２レーザは
加工速度が大きく、安価である。紫外線レーザは金属導
体に対する吸収がよく、また、より小さい径に集光でき
る。このような技術を適宜用いることにより、所望のス
ルーホール及びビアホール配線を素早く低コストかつ高
精度にあけることができる。

【００２３】上述のようにして孔加工を行った後、例え
ば樹脂の加工残渣を除去するデスミア処理及び／又は粗
化処理を行い、触媒を付与して銅めっきを行うことで、
窓部に微細かつ狭ピッチなスルーホール配線を形成する
ことができる。なお、配線パターンのめっき膜は銅に限
定されるものではなく、錫、はんだ、ニッケル、金など
のめっきでもよい。また、配線パターンの形成法も特に
限定されるものではなく、アディティブ法、セミアディ
ティブ法、パートリーアディティブ法、サブトラクティ
ブ法などのいずれを用いてもよい。

【００２４】電子部品の搭載方法も、特に限定されるも
のではなく、基板と部品との端子間を、はんだを介して
接続してもよく、異方導電性接着剤等のダイボンディン
グ材により接着しても構わない。

【００２５】本発明の電子機器としては、例えば、電子
部品として半導体素子が搭載された半導体装置や、部品
として個別トランジスタ素子が搭載されたトランジスタ
装置といった配線構造体を挙げることができ、その種類
は特に限定されるものではない。また、本発明の電子機
器としては、情報処理装置、携帯端末装置等を挙げるこ
とができる。本発明の電子機器は、何らかの製品の部品
であっても完成品であってもよい。

【００２６】

【実施例】以下、本発明の実施例について詳細に説明す
る。なお、本発明は以下の記述内容に限定されるもので
はない。

【００２７】＜実施例１＞本実施例では、図３に示す方
法により、メタルコア基板１２０の表裏両面に半導体素
子１１１，１１２が搭載された両面搭載型半導体装置を
作製した。

【００２８】（１）窓部形成工程 まず、厚さ０．１ｍｍの４２アロイ（鉄−４２ｗｔ％ニ
ッケル合金）からなる金属板１０１の表裏両面に、感光
性レジスト１０２をラミネートし、両面より露光させ、
現像して、窓部１００を形成する箇所のレジストを除去
した後（図３（ａ））、塩化第二鉄溶液を用いたエッチ
ングにより金属板に窓部１００を形成し、この窓部１０
０を形成した金属板１２０の表面にめっきにより銅めっ
き膜１０３を形成して電気伝導性を向上させた後、表面
を粗化する。これにより、図３（ｂ）に示す、窓を有す
る金属板１２０が得られる。なお、本実施例では、窓部
１００は縦横各０．２ｍｍとし、縦横０．４ｍｍ間隔の
直交格子の格子点に相当する位置に配置する。

【００２９】（２）樹脂付き銅箔圧着工程 続いて、金属板１２０の表裏両面に、約１８μｍ厚の銅
箔１０４に８０μｍ厚程度のエポキシ樹脂を塗布した樹
脂付き銅箔（松下電工（株）Ｒ−０８８０）を配置し、
２．９ＭＰａに加圧して１６５℃で６０分以上加熱して
圧着させ、メタルコア基板１０５を得る（図３
（ｃ））。なお、この樹脂付き銅箔１０４の圧着によ
り、樹脂硬化物１１３からなる絶縁層１１３ａが形成さ
れるとともに、窓部１００が樹脂硬化物１１３からなる
充填部材１１３ｂで充填される。

【００３０】（３）スルーホール配線形成工程 得られたメタルコア基板１０５表面の銅箔１０４の所定
箇所を除去した後、ＣＯ_２レーザを照射してエポキシ樹
脂を溶解・除去し、窓を貫通するスルーホール配線や金
属板を底とするビアホールのための、絶縁層１１３ａ及
び／又は充填部材１１３ｂを貫通する貫通孔孔１０６を
形成する（図３（ｄ））。なお、スルーホール配線用貫
通孔は、直径５０μｍ〜１００μｍ、高さ１５０μｍで
ある。

【００３１】続いて、過マンガン酸カリウム法により樹
脂残さを除去した後、薄付け化学銅めっき液及び電気銅
めっき液に順次投入することで、基板１０５表面に銅め
っき膜１０７を析出させる（図３（ｅ））。これによ
り、貫通孔１０６内部に銅めっき膜１０７を備えるスル
ーホール及びビアホールが形成され、スルーホール１０
７ａを介して金属板１０５表裏の銅箔１０４が電気的に
接続されるとともに、ビアホール１０７ｂを介して金属
板１２０と表面銅箔１０４とが電気的に接続される。

【００３２】（４）平面配線形成工程 次に、表面銅箔１０４及びめっき膜１０７からなる導体
層１２１のランド部となる箇所にエッチングレジスト１
０８をラミネートし、塩化第二鉄を用いたエッチングに
より導体層１２１をパターン化して回路を含む平面配線
１２２を形成した後（図３（ｆ））、エッチングレジス
ト１０８を剥離させる。

【００３３】（５）積層工程及び搭載工程 以上の工程（２）〜（４）を繰り返して、絶縁層１０９
ａ、層間接続配線１０９ｂ及び平面配線１０９ｃを備え
る積層膜１０９を形成することにより多層化した後（図
３（ｇ））、少なくともパッド部を除く所定の箇所にソ
ルダレジスト１１０を成膜する。これにより、両面実装
用メタルコア基板が得られる。最後に、基板表裏の最外
層に形成せれた平面配線１０９ｃの外部接続部１２３
に、はんだ６，１１３を介して能動素子である演算素子
１１１と、受動素子であるメモリ素子１１２とを搭載す
る（図３（ｈ））。

【００３４】（６）本実施例の効果 このようにして作製された電子部品（両面実装型半導体
装置）１２４は、演算素子１１１とメモリ１１２とが極
めて短い経路で接続されており、かつスルーホールの高
密度配線が実現される。さらに、本実施例によれば、ス
ルーホール及びビアホール部において良好な電気接続が
得られ、高剛性である金属板を芯材として用いる、製造
工程におけるハンドリング性にも優れている。

【００３５】＜実施例２＞実施例１と同様にして両面実
装型半導体装置１２４を作製する。ただし、実施例１で
は、金属板１０１に窓部１００を形成する際、金属板１
０１の表裏の両側からエッチングしたが、本実施例で
は、片面のみからエッチングして窓部１００を形成す
る。すなわち、金属板１０１の両面にレジスト１０２を
ラミネートし、その片面の窓部形成箇所のみを残して表
裏全面を露光させ、現像する。これにより、金属板１０
１の片面のレジスト層１０２のみ、窓部形成箇所が除去
されることになる。

【００３６】本実施例により得られる電子部品は、実施
例１の場合に比べて、窓部１００の形成に際してレジス
トパターンの上下位置ズレが発生しないため、コア層を
貫通するスルーホール導体の電気的信頼性を向上させる
ことができる。

【００３７】なお、スルーホール用貫通孔についても、
同様に表裏一方の面からのみのエッチングによって形成
することができる。しかし、他方の面における開口径が
小さくなってしまうため、開口径の小さなスルーホール
用貫通孔の形成においては、表裏両側からエッチングす
ることが好ましい。

【００３８】＜実施例３＞本実施例では、レーザ加工に
際してＣＯ_２レーザの代わりに紫外線ＹＡＧレーザを用
いた他は、実施例１と同様にして両面実装型半導体装置
１２４を作製する。紫外線ＹＡＧレーザを用いれば、開
口径６０〜４０μｍの貫通孔を形成することができる。
本実施例では、実施例１に比べて短い工程で、極めて高
い配線密度を実現でき、高い電気伝導性を有するスルー
ホール配線１０７ａを得ることができる。

【００３９】＜実施例４＞本実施例は、演算素子１１１
及びメモリ素子１１２を、はんだ１１３ではなく異方導
電性樹脂を介して基板上に搭載した他は、実施例１と同
様にして両面搭載型電子装置を作製する。得られる電子
装置は、実施例１に比べて安価に製造することができ
る。また、本実施例は、はんだリフローにより接続する
場合に比べて低温で接続することができるため好まし
い。

【００４０】

【発明の効果】本発明によれば、電子部品の両面実装が
可能であるため、電子部品間の接続距離を短縮すること
ができる。また、本実施例によれば、狭ピッチのスルー
ホール配線を形成することができるため、両面への素子
の高密度実装が可能になり、基板、装置及び電子機器の
小型化を図ることができる。さらに、本発明によれば、
電子部品の接続端子と同程度のピッチのスルーホール配
線を形成することで、ピッチを拡大するためのビルドア
ップ層の積層が不要となることから、製造コストを低減
させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のビルドアップ基板における断面構造を示
す説明図である。

【図２】電子部品の接続端子部に対して理想的なスルー
ホール配線の位置を示す説明図である。

【図３】実施例１における両面実装電子部品の製造工程
を示す説明図である。

【符号の説明】

１…ビルドアップ層、２…コア層、３，３ａ…スルーホ
ール配線、３ｂ…コア層内平面配線、４…ソルダレジス
ト、５…電子部品、６…はんだボール、７…電子部品の
外部接続端子部、１０１…４２アロイ板、１０２…感光
性レジスト、１０３…銅めっき膜、１０４…銅箔、１０
５…メタルコア基板、１０６…貫通孔、１０７…めっき
膜、１０７ａ…スルーホール配線、１０７ｂ…ビアホー
ル配線、１０８…感光性レジスト層、１０９…積層膜、
１０９ａ…絶縁層、１０９ｂ…層間接続配線、１０９ｃ
…平面配線、１１０…ソルダレジスト、１１１…能動素
子（演算素子）、１１２…受動素子（メモリ素子）、１
２０…窓付き金属板、１２１…導体層、１２２…平面配
線、１２３…外部接続部、１２４…両面実装電子装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宝蔵寺 裕之 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 Ｆターム(参考） 5E315 AA05 AA11 BB03 BB11 CC21 DD13 DD15 DD20 DD25 GG01 GG07 5E336 AA04 AA14 BB02 BB03 BB19 BC12 BC14 BC15 BC16 CC31 GG03 GG09

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板と、該基板の表裏両面に搭載された電
   子部品とを備える両面実装電子装置において、 上記基板は、金属板を芯材とするメタルコア基板である
   ことを特徴とする両面実装電子装置。
2. 【請求項２】上記金属板は、絶縁物により充填された窓
   部を備え、 上記基板は、上記窓部の上記絶縁物を貫通するスルーホ
   ール配線を備えることを特徴とする両面実装電子装置。
3. 【請求項３】上記電子部品は、上記基板の表裏両面に、
   該基板を介して２つの素子が互いに対向するように配置
   されていることを特徴とする請求項１又は２記載の両面
   実装電子装置。
4. 【請求項４】上記対向して配置された２つの電子部品の
   一方は能動素子であり、他方は受動素子であることを特
   徴とする請求項３記載の両面実装電子装置。
5. 【請求項５】請求項１〜４のいずれかに記載の両面実装
   電子装置を備えることを特徴とする電子機器。
6. 【請求項６】金属板を芯材とするメタルコア基板の表裏
   両面に電子部品を搭載する工程を備えることを特徴とす
   る両面実装電子装置の製造方法。