JP2002521852A - 高密度相互接続共通回路基体上に堆積された薄膜層応力コントロール方法 - Google Patents

高密度相互接続共通回路基体上に堆積された薄膜層応力コントロール方法

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Abstract

(57)【要約】 高密度相互接続プリント配線基板(40)を形成する方法であって、各導電線路の境界を画成する端部(16)を備えた多数の導電線路(6)を含む高密度相互接続プリント配線基板(40)の上面上に形成した第一パターン化導電性層と、このパターン化導電層上と、導電線路(6)の端部(16)相互間に形成した誘電層(2)を有する前記基板を形成する方法。その方法には誘電層(2)上に薄膜導電層(4)を形成するステップと、薄膜導電層(4)をパターン化するステップの後、薄膜導電層(4)が導電線路(6)の各端部(16)上に位置するようこのパターン化をするステップが含まれる。好ましい実施例にあって、薄膜導電層(4)のパターン化は、このパターン化ステップの後、薄膜導電層が少なくとも10ミクロンだけ導電線路(6)の端部(16)上に位置するように行われる。本発明の他の態様にあっては、高密度相互接続共通回路基体(80)上に堆積した薄膜ビルドアップ層を強化する方法が教示される。この態様によれば、約10%未満の膨張係数を有する光学的に設定自在の薄膜誘電層がパターン化導電層(6)上に形成され、薄膜導電層(4)が光学的に設定自在の薄膜誘電層(5)上に形成される。薄膜導電層は次いでパターン化されて複数の信号線路と、複数のシービング線路(thieving lines)(10)を備え、シービング線路(10)が不均等間隔の信号線路18相互間に配され、実質上均一な信号線路(18)とシービング線路(10)の複合パターンを形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は従来のプリント配線基板上に高密度相互接続を創成するための薄膜堆
積技術の使用に関する。特に、本発明は導電層と絶縁層の境界における蓄積応力
の影響を軽減する方法に関する。本発明の方法は従来のビルドアップ層(例えば
、完成したプリント配線基板の上面上に堆積され平坦化された誘電層であって、
定型的には基板メーカによって上部ビルドアップ層の応力を平衡させるため対応
する誘電層を基板の下方層上に堆積されている誘電層)が有る場合でも、あるい
は無い場合にも使用でき、単一チップ、マルチ・チップ及び抵抗器とコンデンサ
のような支援回路要素からなる高密度集積回路パッケージに便利である。本発明
の方法はパッケージ・デバイスを有する高密度ドーター・ボード上に相互接続を
創成するにも便利である。
【0002】
【従来の技術】
半導体産業においては製造する集積回路の複雑性はますます増大し、密度が高
くなっている。こうした集積回路の幾つかの複雑性が強化された結果、回路チッ
プ上の入/出力パッドの数が増加している。同時に、チップの密度が高くなった
結果、入/出力パッドのピッチが短縮された。これらの二つの傾向を複合したた
めに、外界とのインタフェースをもつパッケージにチップを接続し、しかもチッ
プを他の集積回路デバイスに相互接続する必要のあるコネクタ・ピン配線密度が
示差的に増加するに至った。
【0003】 多数の集積回路と、関連の回路要素とを相互接続するために幾つかの異なる技
術が開発されてきた。方形扁平パック(QFP)のように集積回路が表面装着デ
バイスの形でパッケージされていた期間に広く用いられていた従来的なプリント
配線板(PWB)技術に準拠して、そうした技術の一つは屡々、MCM−L技術
又は積層MCM技術として言及されている。 MCM−L技術では定型的に銅と
絶縁用誘電材料のサブ・ラミネートを使用してブロックが形成され、必要とされ
る相互接続構造が創成される。MCM−L技術でサブ・ラミネート上に銅導電パ
ターンの形成が行われる工程には定型的に銅層上にホトレジストの乾燥膜を形成
するステップと、適切なマスクを介しホトレジストをパターン化し、発現させる
ステップと、不要な銅を選択的にエッチング除去し、それによって目標とするパ
ターン化した導電層を残すステップが含まれる。
【0004】 MCM−L技術に用いられる基板は大面積パネルで製造ができ、効率が向上し
生産コストを下げる。銅と低誘電率(4.0以下)が採用されるため、この技術
を適用した相互接続方式では通常、比較的良好な性能特性がもたらされる。しか
し、プリント配線板産業はパッド密度という点では半導体製造の進歩に足並みを
揃えてこなかった。その結果、半導体メーカと相互接続プリント配線板メーカと
の間には技術能力上のギャップが存在する。
【0005】 若干の応用例にあっては、二つ又はそれ以上の積層体を一体に積層して最終構
造が形成される。積層した層相互間の相互接続はスルーホールを機械的にドリル
加工し、次いでメッキをすることによって行われる。ドリル加工は比較的低速で
、コストが高く、かつ広いボード上のスペースが必要になる可能性がある。相互
接続パッドの数が増加するにつれて、信号層の数を増やしてしばしば相互接続構
造の形成が行われる。このような制約があるため、高密度集積回路のパッケージ
とそのドーター・ボードの製造に従来のプリント配線板技術が使われるいくつか
の適用例では、金属層の数をかなり多く(例えば8層より多く)まで増やす必要
が出て来る。このような背景にあって多くの数の層を用いることは通常、コスト
を上昇させ、電気的性能を減ずることになる。同様に、この技術では、どんな層
が与えられた場合でもパッドのサイズによって配線密度が制限される。それ故、
MCM−L技術は若干のアプリケーションにあっては有効であるが、他のアプリ
ケーションでは必要とされる接続密度を達成することはできない。
【0006】 MCM−L技術の相互接続密度を向上させるため、マルチ層堆積法と呼ぶプリ
ント配線板先端技術によるアプローチが開発された。この技術では、従来のプリ
ント配線板コアが製造の始点になる。標準ドリル加工技法と、メッキ技法が用い
られてメッキされたスルーホールがコアに形成される。ベース・コアから始まっ
て、この従来の堆積法によるアプローチには色々なやり方がある。定型的には、
厚さが約50ミクロンの誘電層が、従来の方法で製造されたプリント配線基板の
主要面の上面、下面双方に積層される。レーザ・アブレーション、光マスク/プ
ラズマ・エッチング、又は他の公知の方法によってバイアがビルドアップ層内に
形成される。次いで、上、下両面を金属化させるパネル・メッキのステップに先
行し無電解シーディングステップが行われる。次いで、後続するマスキングと湿
式エッチングのステップで積層誘電層上面に目標の導電パターンが画成される。
【0007】 この技術ではビルドアップ層を伴わぬMCM−L技術よりも密度に関し大幅な
向上がもたらされるが、しかし、このような堆積板では開発が進んでいる高密度
パッケージとドーター・ボードの必要条件に適合させるためには、多数の層が必
要になる。それ故、この技術には依然として限界がある。
【0008】 高密度入/出力パッケージに使用される他の従来からのアプローチでは共同焼
成セラミック基板上に厚膜(スクリーン・プリンティング)が用いられる。この
技術はMCM−C、共同焼成セラミックMCM及び厚膜MCM技術と呼ばれるこ
とがある。基本的に、MCM−C技術にはセラミックス配合物をシートに圧延す
るステップと、シートを乾燥するステップと、バイアをパンチング加工するステ
ップと、セラミックの表面にトレース・パターンを表出する金属ペーストで圧延
加工したシートをスクリーニングするステップと、総ての層を一体に堆積し、積
層するステップと、次いで、高温(例えば850℃より高い温度で)で共同焼成
して目標の相互接続を達成するステップが含まれる。
【0009】 MCM−C構造は高密度相互接続パッケージの堅牢さがコストを考慮すること
を凌ぎ、高密度、高信頼性の製品に広いアプリケーションのあることが分かった
。セラミックに気密封止を形成することが出来るようになって、従来のプリント
配線板技術では耐え得なかった環境に耐えることができるようになった。この技
術は高密度パッケージ(例えば、1000パッドより大きい)アプリケーション
に対応できるが、コストが非常に高いという側面もある。更に、信号の伝播時間
のような性能特性はセラミック材料の比較的高い誘電率(例えば、5.0と9.
0間)の影響で不利になる。MCM−C技術はMCM−L技術よりも高い接続密
度を達成するが、今日のいくつかの高密度相互接続アプリケーションに対して必
要とされるような接続密度を供給することはできない。
【0010】 高密度相互接続とパッケージ産業がこれらの高密度相互接続のアプリケーショ
ンに狙いを定めてシフトした第三のアプローチは、薄膜MCM技術の使用であり
、MCM−D又はMCM堆積技術と呼ばれることがある。このようなMCM−D
技術には共通の回路基体上に薄膜導電トレースを形成し、パターン化するステッ
プが含まれる。
【0011】 いくつかのMCM−D技術アプリケーションにおいては、プリント配線板上に
従来のマルチ層堆積法を使用する、しないに関わらず高密度、低コストの相互接
続必要条件に適合するための共通ベースとして、および出発点として低コストで
、表面積の大きなプリント配線板構造が利用される。このように大きな基板は表
面積が40cmX40cm、またはそれ以上になることがあり、それによって効
率を上げて製造コストを下げる。既存する従来の大容量プリント配線板技術と薄
膜堆積先端技術をこうして複合させると、前文に解説したMCM−LとMCM−
C技術に比べ示差的な経済的利点と密度の改善が達成される。
【0012】 MCM−D技術の一つの重要な特徴は、共通回路基体の一方の側にだけ薄膜工
程を使用して、高密度相互接続構造を形成することにある。高密度相互接続は導
電薄膜と絶縁薄膜を交番堆積させることによって形成される。これらのいくつか
の堆積された層の合計厚さは従来の単一ビルドアップ層の厚さ以下である。これ
は基板の反りを防止するため、上、下両面のビルドアップ層を均衡させる必要を
排除する。
【0013】 MCM−D工程には共通回路基体の上面に絶縁誘電体層を最初に敷設するステ
ップと、誘電層上に導電材料を堆積させ、導電層材料に回路パタンを形成するス
テップと、次いで後続の絶縁層と導電層を堆積するステップが含まれる。このよ
うにして形成した各種の層は湿式化学的エッチング、露光/発現ステップと、あ
るいはレーザ・アブレーションのような各種公知の技法を用いて形成したバイア
を介して接続される。このようにして、三次元堆積積層構造が実現され、小さな
物理的面積内に高密度の相互接続パターンが形成できるようになる。
【0014】 MCM−D技術には明確な利点があるにも拘わらず、薄膜形成工程が適正に実
施されないと不良モード及び性能の限定を招く潜在的な問題が存在する。プリン
ト配線基板の表面に薄膜層の堆積を実施する上での一つの重要な状況は、工程と
作業の双方によって発生する機械的な応力のコントロールである。このような応
力をコントロールする上での要点は、基板と薄膜ビルドアップ層、両材料の熱的
特性差を認識し、次いで機械的な応力を許容できる製造方法と、高密度堆積ビル
ドアップ層構造を供給することである。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
選択した誘電材料の熱膨張係数(CTE)(例えば、100万分の約50〜7
0の間のCTE)と、選択した金属材料の熱膨張係数(例えば、100万分の約
16〜17の間のCTE)との間の差が、いくつかのMCM−D技術の適用にお
いては応力を発生させ、クラックの発生や機能不全の原因となることがある。応
力は完全には排除できないが、薄膜構造の適切な設計によって応力をコントロー
ルして、このような応力によって何もしないで置くと発生し得る悪影響を排除し
、少なくとも最小化することが大切である。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高密度相互接続をする薄膜堆積層の誘電材料と金属材料との間の熱
膨張係数の差によって生じる機械的応力をコントロールするという問題に対して
の解決策を提供する。そうすることにおいて、本発明はこうした応力によって発
生するクラックを最小にすることが可能であるが、それは今日の高密度相互接続
アプリケーションの必要性を満足させることの出来る経済的に魅力ある工程で実
施する。
【0017】 本発明の方法によれば、プリント配線基板の下位面にある比較的粗い金属フィ
ーチャ上に堆積される初期に堆積された薄膜形成導電層の金属質量を示差的に増
加させる構造を創出する設計工程が用いられる。金属質量の増加は金属の接地面
を初期導電層として使用することによって達成される。この金属の接地面はプリ
ント配線基板のほぼ前面に亘る広がりを有するが、主例外として信号を接地面の
層を通過して接地面の上方と下方にある導電層まで進行させ得るアイランドをそ
の内部に備えている開口部を有している。それ故、効果的なことだが、初期薄膜
導電層に導電パターンを形成する工程にあって通常、エッチング除去されると考
えられる金属が代わって保持され、それによってこの初期の層の金属質量が増加
する。初期堆積の薄膜導電層の金属質量を増加させることによって、その層は機
械的に強化され、発生する応力の影響を最小化する。この補強部材は下位に位置
するプリント配線基板の一層大きなフィーチャを隠蔽することによって後続して
堆積される薄膜層に対し機械的な遮蔽体の用役をも果たす。このような隠蔽でク
ラックが下位の層にまで広がるのを防止する。第二の薄膜金属層(若干の実施例
にあっては更に第三、あるいはそれ以上の薄膜金属層)が接地面上に堆積されて
目標とする信号パターンが形成される。
【0018】 一実施例にあって、本発明の方法では、基板上面に形成された第一のパターン
化された導電層を有する高密度相互接続プリント配線基板上に、強度を高めた薄
膜相互接続構造を形成する。第一のパターン化された導電層には、導電線路の境
界を画成する端部を有する多数の導電線路が含まれる。プリント配線基板には誘
電層を含み,それは薄膜誘電層、あるいはパターン化した導線層上でかつ、導電
線路の端部相互間に形成される従来の形成誘電層のいずれかである。本発明の方
法による実施例は誘電層上に薄膜導電層を形成し、その薄膜導電層をパターン化
して、パターン化ステップの後、薄膜導電層が導電線路の各端部上に位置するよ
うに形成された基板上に、引き続き形成された薄膜相互接続構造の強度を増強す
る。好ましい実施例では、パターン化ステップの後、薄膜導電層が少なくとも1
0ミクロンだけ導電線路の端部上に重なるように、その層はパターン化される。
【0019】 本発明の他の実施例には、高密度相互接続共通回路基体上に堆積される薄膜誘
電層を強化する方法が教示されている。この実施例では、膨張係数が約10%未
満である光学的に設定自在の薄膜誘電層がパターン化した導電層上に形成され、
その光学的に設定自在の薄膜誘電層上には薄膜導電層が形成される。この薄膜導
電層は次いでパターン化されて複数の信号線路と、複数のシービング線路(th
ieving lines)を含み、シービング線路は不均等間隔に配置された
信号線路相互間に配され、実質上均一な信号線路とシービング線路の複合パター
ンを提供する。シービング線路は薄膜誘電層に鉄筋効果(rebar−effe
ct)を有し、その層を強化し、かくして後続する各製造ステップの期間と、作
動期間に被る機械的応力に耐える能力を増強させる。
【0020】 本発明による装置の好ましい実施例にあって、本発明は基板上面に形成された
第一のパターン化された導電層を有する高密度相互接続プリント配線基板を含む
。第一のパターン化された導電層は複数の導電線路の境界を設定する端部を有す
る導電線路を含む。第一のパターン化された導電性層上でかつ導電線路の端部相
互間には平坦化誘電層が形成され、その平坦化誘電層上には薄膜接地面層が形成
される。薄膜接地面層は導電線路の端部の上位に位置し、導電線路の端部周辺に
生じるクラックが接地面層の上部にまで広がるのを防止する遮蔽体を形成する。
【0021】 本発明による装置の上記実施例の更に好ましいバージョンにあっては、膨張係
数が約10%未満の薄膜誘電層が薄膜接地面層上に形成され、その薄膜誘電層上
に薄膜信号層が形成される。その薄膜信号層には、多数の信号線路と多数のシー
ビング線路が含まれ、シービング線路は不均等間隔に配置された信号線路相互間
に配されていて、実質上均一な信号線路とシービング線路の複合パターンが供さ
れている。
【0022】 本発明の利点と特徴はもとより、本発明のこれらと他の実施例を以下の本文と
付属の図面と共に一層詳細に解説する。
【0023】
【発明の実施の形態】
図1Aは高密度積層プリント配線基板10の簡略化した断面図である。積層基
板は一層の絶縁材料14、例えばNEMA FR4又はFR5エポキシ樹脂から
形成され、その上面と下面には銅シート12、16がそれぞれ積層される。目標
の導体パターン18は、例えば写真平版技法によって銅に転移され、次いで基板
は湿式化学的エッチング工程内に配され望ましくない銅が除去され、目標の回路
パターンが残される。回路パターンを伴うこれらサブラミネートの幾つかが一体
に積層されて図1Bに記載するようにマルチ層プリント配線基板を形成する。
【0024】 図1Bは本発明を利用できる4層プリント配線基板15の簡略化した断面図で
ある。基板15には三つのサブ積層体基板層14a、13b、14cが含まれる
。層14bは上部、下部導電層7、7′を備え、一方、層14aは上部導電層6
を有し、層14cには下部導電層6′がある。内部導電層7、7′は電源並びに
接地面のために使用され、剛性が賦与される。メッキを施したスルーホール(定
型的には材料26、例えば絶縁性又は導電性のエポキシで充填される)は基板1
5の上面と下面上にある導電層相互間に接続を形成し、一方、埋設された貫通バ
イア(図には示さず)は内部層7、7′までと、それら相互間に接続を形成する
。導電層7、7′と6、6′に関し前文に説明した基板15のような4層基板は
IBM(International Business Machine C
orporation)とMicro Via Corporationのよう
な基板メーカから調達することができる。
【0025】 図2に記載するのは図1Bの基板15に類似する4層プリント配線基板上にM
CM−D技術を用い形成した代表的な高密度相互接続構造20である。高密度相
互接続構造には誘電平坦化層2(従来のビルドアップ層又は薄膜層のどちらか)
と、薄膜金属化層4(例えばクロム/銅階層)と、薄膜誘電性パッシベーション
層5が含まれる。図2に記載する各種層の厚さは一定の率に合わせて描かれてい
ないことに注目することが大切である。代表的、例証的なアプリケーションにあ
って、金属化層7、7′は厚さが約35ミクロンであり、金属化層6、6′は厚
さが約20ミクロンである。対照的に、しかも同じ例証的なアプリケーションに
おいては、平坦化誘電層2は厚さが45〜50ミクロンであり、薄膜堆積金属層
4は約5ミクロンの厚さであり、薄膜堆積パッシベーション層5は10〜12ミ
クロンの厚さがある。当該技術に通常の精通度を有する当業者であれば図2に示
す各層の実厚さは変化することを理解するであろう。
【0026】 相互接続又はバイア12' は使用する誘電材料によって決まるが、露光/発
現サイクル法、レーザ・アブレーション法又はプラズマ・エッチング法によって
金属フィーチャ6、4相互間に形成される。パッシベーション層5の最上部にあ
る接点パッド12は当該技術に通常の精通度を有する当業者であれば理解される
ように、例えばワイヤ・ボンディング又はフリップ・チップ技法によって基板2
0に電気的に接続できる集積回路デバイスに対し高密度ハンダ接続パッドを供す
る。電気的な接続は充填したメッキスルーホール3を介して行われるが、それら
は金属キャップを備えることがあり、あるいは備えずともよく、パッド37に接
続され、4層基板20の下位面上の後続レベルに対するインタフェースとなる低
密度ハンダ接続パッドを供する。
【0027】 本発明の技術的な背景の項で前文に説明したように、積層プリント配線基板、
例えば図2に記載する基板上に形成される薄膜は機械的な応力を受けやすい。こ
れら応力の発生源は数多くあり、作業中及び製造工程中に発生する物理的なハン
ドリングと熱的変化などが含まれる。物理的なハンドリングに関わる応力は工程
の適切な設計、オペレータの訓練及び適正な取り付け具の設計によって十分に排
除できる。しかし、熱応力は各種層の熱膨張係数が異なる結果、各種層が不均等
な膨張をすることに関係している。この応力は金属フィーチャが比較的大きな誘
電区域によって包囲されるところに集中する傾向があり、誘電物質が破壊する可
能性を招来する。
【0028】 このような応力に耐える材料の能力は材料の伸び率、即ちクラックが発生する
前に材料が伸び得る量として言い表すことができる。若干の薄膜相互接続構造に
使用されるある種の材料は比較的大きな伸び率を有し、それ故、これらの機械的
応力に対する感受性は低い。例えば、ポリイミド膜は定型的に約30%という伸
び率を有し、従って、他の幾つかの膜よりもこれら応力による影響度が示差的に
低い。ポリイミド層は商業的に活用できる多くのMCM−Dアプリケーションに
おいて適用性が確認されているが、そのポリアミド膜は他のアプリケーションに
理想的であるとは言い難い。例えば、本発明の好ましい実施例には図2に記載の
層2、5として光学的に設定自在の誘電層が使用される。ポリイミド材料は光学
的に設定自在ではなく、それ故、本発明の好ましい実施例には使用できない。そ
れよりも、本発明は好ましくはNippon Steel Chemical
V−259PA(以後““Nippon Steel”と呼ぶ)又はCiba
Probimerの光学的に設定自在の材料を使用する。これらの各材料は伸び
率が示差的に低く30%未満で、通常は10%未満である。事実、Nipon
Steelは伸び率が約2.3%である。
【0029】 従って、薄膜相互接続配線基板に比較的低い伸び率を示す材料が使用されると
きの機械的応力のコントロールが、正しく機能する基板を製造するに際しては重
要になり得ると本発明者は結論を下した。このため、本発明者はこのような応力
に対し堆積薄膜誘電層を強化、補強し、且つその応力を軽減するための二つ単独
ではあるが、複合し得るアプローチを開発した。
【0030】 これらアプローチの内の第一番目を説明するため、応力のコントロールに本発
明の方法を用いないPWB基板30を記載する図3A、図3Bと、応力のコント
ロールに本発明の方法を用いるPWB基板40を示す図4A、図4B参照する。
【0031】 図3Aは、本発明の構造を備えぬ図2に記載の基板20のようなPWB基板3
0の上面に形成された二つの堆積薄膜導電層4、4′の断面を示す。図3Aにお
いて、PWB基板30は上面と底面にそれぞれ配した銅クラッド導電層6、6′
(厚さ約20ミクロン)と、二つの内部導電層7、7′(厚さ約35ミクロン)
を有する。誘電材料8は定型的にエポキシ樹脂、例えばNEMA FR4エポキ
シ樹脂である。誘電平坦化層2はプリント配線基板上に浮き出すフィーチャ6の
最上部上に約10〜20ミクロンの厚さで適用し、同一出願人によるもので、“
共通回路基体上に堆積させた薄膜層を平坦化する改善方法”なる表題を有し、共
同発明者としてDavid J.Chazan、Ted T.Chen、Tod
d S.Kaplan、James L.Lykins、Michael P.
Skinner及びJan I.Strandbergを記載する同時提出の米
国特許出願書(代理人整理番号第18965−000100号)に開示された方
法に従い堆積させてもよい。第一金属化層4は層2上に堆積される。この第一金
属化層4の目的は接地基準面としての役割を果たすことにある。第二誘電層5は
約10ミクロンの厚さに被膜形成される。次いで、信号金属化層4′が堆積され
、パターン化され、最終誘電層5がパッシベーションのために金属上に堆積され
る。
【0032】 堆積薄膜ビルドアップ層の内部バイア12′は湿式化学的エッチング又はレザ
・アブレーションによって形成する。プリント配線基板の表面にある堆積薄膜堆
積金属化層6、6′内部の信号トレース4、4′はパターン・マスク、露光、エ
ッチングを適用して形成される。
【0033】 図3Aに示す重要な構造的フィーチャの一つは矢印Aによって明らかにされる
。メッキスルーホール3の上部垂直に広がる領域においては、第二金属化層4′
まで銅のフィーチャは見られないことに注目する。本発明者はこのような領域が
誘電層内にあって弱点であり、他の領域よりも機械的な応力によりクラックが生
じやすく、従って、機能不全を作り易いということを見出した。
【0034】 図面に記載するフィーチャは一定の率で提示されていない事に注目することが
大切である。堆積薄膜ビルドアップ層の金属化されたフィーチャはプリント配線
基盤30の表面上にある金属のフィーチャよりも遥かに精巧である。例証的なア
プリケーションにあって、堆積薄膜ビルドアップ層の金属化されたフィーチャは
厚さが5〜10ミクロンの範囲にあるが、これに対し、プリント配線板表面にあ
る導電性フィーチャの厚さは20〜40ミクロンのオーダである。
【0035】 図3Bは図3Aに記載する第一の堆積された薄膜ビルドアップ層の詳細図であ
る。この図にはプリント配線基板40の比較的粗いフィーチャ、例えばメッキス
ルーホール3と、薄膜ビルドアップ層4の繊細なフィーチャとの間の寸法差によ
って、金属導体を含まぬ誘電体9の大きな区域が金属導体を含まないで残ってい
ることを示している。一般に、その材料中に蓄積された応力は材料が製造される
温度では最小である。それ故、製造時、例えば誘電体が硬化温度にあるとき、導
電材料と誘電材料は安定した物理的状態に到達する。この安定度では結果として
基板にある各層の境界相互間に蓄積された応力は最小になる。
【0036】 基板の温度がリフローのような製造工程から、あるいは仕上げを済ませたデバ
イスの作動によって変化するとき必ず、導電材料1、3、4、6は絶縁材料2、
5より少なく膨張、又は収縮する傾向がある。これは導電材料の膨張温度係数、
例証的アプリケーションにあっては銅の場合、100万分の15〜17が、絶縁
誘電体の膨張温度係数、同じ例証的アプリケーションにおいて100万分の50
〜70、よりも低いために発生する。図3Bに記載の構造が低温にあって温度が
上昇すると、導電材料は誘電材料よりも小さな速度で膨張を始める。膨張速度に
おけるこの差が原因となって応力は誘電体と導体相互間の各境界に蓄積する。蓄
積した応力の大きさは膨張係数の差と温度変化速度との積に比例する。
【0037】 図3Bにあって、物理的応力の代表的な区域は領域Aで示される。プリント配
線基盤40の下位にあるフィーチャは堆積薄膜層における導体4よりも寸法が大
きいため、応力はこの点に集中する傾向がある。応力が十分になると、Aによっ
て明らかにされた区域内の誘電体にクラックが発生することになる。堆積薄膜層
内における金属導体に対する誘電体のアスペクト比が比較的大きな場所、例えば
図4の区域9においては、クラック発生の確度が高くなる。これは誘電材料の強
度不足に加え、不均等な膨張又は収縮による応力に耐える能力がないことが付帯
しているからである。一度クラックが発生すると、何等かのより強度の大きなフ
ィーチャによって阻止されることがなければ上方に広がることになる。堆積薄膜
層内の上に重なっているフィーチャは小さいため、クラックが信号導体を破壊し
、機能不全を発生させる可能性がある。
【0038】 この不均等な膨張又は収縮は全ての高密度相互接続技術に存在するが、使用す
る材料の特性のために薄膜堆積技術によるプリント配線基板においては一層深刻
である。温度係数の異なる二種の材料を結合する場合、このような横方向応力が
必ず存在することになる。問題は、発生する力による有害な影響を可能な限り最
大限に亘り軽減させることである。
【0039】 潜在的な応力による機能不全に対決するために使用される本発明による第一の
態様の実体が図4Aに描かれている。図4Aにおいて、プリント配線基板40は
矢印A′によって示されているように、誘電体の大きな区域(例えば図3Bに記
載の区域9)を金属フィーチャで内部を充填させていた。これは接地面15を基
板40上の初期薄膜金属化層として形成することによって達成される。接地面1
5はプリント配線基板上全体に亘りできる限り多くの実状態を被覆する。実質的
に、接地面はプリント配線基板の粗大な面上フィーチャ(例えばメッキスルーホ
ール3と導電線路6)の隅部上に機械的な遮断層又は遮蔽体を形成する。図4B
を参照するが、A′で示す区域内のメッキスルーホール3のような粗大なフィー
チャの隅部にクラックが万一発生し、上方に広がった場合には、クラックは上に
重なっている接地面15に遭遇し、広がりを止める。
【0040】 好ましい実施例にあって、接地面15は、上、下導電層相互間の電気的な接続
が接地面層を介して行われる区域を除き、プリント配線基板40のほぼ表面全体
を被覆する。このような接続は、接地はされていないが、かわりに上層と下層が
バイアによって接続されている金属アイランドを層15の内部に含んでいる。接
地面層15によって被覆される粗大なフィーチャ金属端が多ければ多いほど良い
。最も好ましい実施例にあって、粗大なフィーチャ金属端の100%が接地面1
5によって被覆される。定型的に、基板、例えば基板40には1000乃至はそ
れ以上の粗大フィーチャ金属端があるが、恐らくはその数は示差的にそれ以上に
なろう。二、三だけの金属端を未被覆のままにしておくこと、あるいは金属端全
数の内の僅かなパーセント又は金属端全数の合計長を未被覆のままにしておくこ
とが本発明のこの態様が実施されないことを意味してはいない。粗大フィーチャ
金属端全数の90%又はそれ以上、好ましくは95%が被覆されれば、あるいは
粗大フィーチャ金属端全数の合計長さ(加算合計したとき)の90%又はそれ以
上、好ましくは95%が被覆されれば本発明の幾つかの恩恵はそれでも得られる
。ある実施例にあって、接地面15は粗大金属フィーチャの端部16を少なくと
も10〜100ミクロンだけ、更に好ましくは少なくとも25ミクロンだけ重な
るように設計される。
【0041】 図5Aは図3Aに記載されたものに類似する高密度相互接続構造の一部を等角
投影図で表わしたものである。図5Aにおいて、プリント配線基板60は接地面
の形態をした一つの堆積薄膜ビルドアップ層4と、信号配線層としての第二堆積
薄膜層4′を有する。矢印Bは信号導体のグループ相互間にある誘電性材料の広
い区域を示す。
【0042】 図5Bに記載するのは図5Aのプリント配線基板60で、簡明化のため薄膜誘
電層が剥ぎ取られた状態である。この図にあっては、図3A、図3Bにおける区
域Aに類似して、区域Aが強調されており、メッキスルーホール3の粗大フィー
チャを垂直露出させて層4の上部にある堆積薄膜金属化層までを示している。図
から理解できるように、クラックがメッキスルーホール3の隅部から上位に位置
する信号層4又は4′まで広がるのを禁ずるいかなる種類の遮断層も存在しない
。それ故、図5Aの基板が薄膜接地面を初めの薄膜金属化層として使用していて
も、基板は本発明の上記で解説した第一の態様の恩恵を享受してはいない。なお
かつ、幾つかの位置、例えば図5Aに矢印Bで示した位置では、比較的脆い誘電
体の広い区域が銅のフィーチャを伴わずに存在する。これらの区域はクラックに
対し敏感である。
【0043】 図6A、図6Bは、図5Aに示す区域Bのような区域にクラックの発生を防止
する設計された本発明の更なる態様を図解している。図6Bは図6Aと同じ図で
あるが、上位に位置する金属化層のフィーチャの更なる詳細を提示するため薄膜
誘電層は除かれている。信号金属化層は誘電体(図6Aの5)で分離された導体
4′から成り、導電層4′上に堆積された付加的な金属層(図には示さず)を含
めることができる。
【0044】 図6A、図6Bに図解した本発明の第二の態様は誘電層5を補強又は強化する
ために信号層4′にシービング線路を使用することである。図6Bを参照するが
、陰影をつけた信号線路18は第二堆積薄膜金属化層内の信号導体である。図6
Aの区域Bは信号線路ではない金属線路10で構成するパターンで占められてい
る。これらの線路は回路に電気的に接続されず、“浮遊状態”にしておくか、電
気的に接地接続される。線路10はコンクリート構造内部に鉄筋(rebar)
を用いることに類似する様式で周囲の誘電体を補強し、線路10は金属化パター
ン形成のステップで除去されていたはずの銅から盗まれたために、シービング線
路と呼ばれる。金属をエッチング除去せずに寧ろ、金属が誘電体を補強するため
に残されているのである。付加的な線路10を用いた結果、図6Aに示す誘電体
Bの広い区域が示差的に縮小された。この線路を奪い取る方策が誘電材料に付加
的な強度を供し、材料の耐クラック性を助長する。
【0045】 シービング線路を使用すること自体は新しいことではない。例えば、このよう
な線路はScott Westbrook(本出願の発明者の一人)とGels
ton Howellに交付された米国特許第5、278、727号に解説され
ている。しかし、過去にシービング線路は絶縁層の収縮と膨張を軽減するためと
、銅導体に均一なメッキを施すために使用された。対照的に本発明においては、
誘電体を補強、強化し、それによって誘電材料の耐クラック性を助長する目的で
使用される。本発明者は層5として使用する誘電材料が比較的小さな伸び率(例
えば約10%以下)であるとき、誘電層をこのような様式で補強することが重要
であることを発見した。
【0046】 シービング線路10の配置は、当該技術に通常の精通度を有する当業者によっ
ては理解されると思われ、また本願に全体を引用して援用する米国特許第5、2
78、727号に解説されているように、コンピュータ介助設計(CAD)プロ
グラムの適用によって決めることができる。基本的に、線路10は好ましくは、
信号線路18が互いに間隔を開けられる距離に実質上等しい距離Xだけこれら線
路が均等に間隔を開けられるように位置決めされる。同様に、線部材10はその
全長に沿い間隙を与えることによって信号線路18に誘導的又は容量的に負荷が
かからぬような寸法にし、間隔を開けるべきで、それによって線路をより小さな
セグメントに分割する。一実施例にあって、線路は1.5cmセグメント又はこ
れより短く分割される。
【0047】 作業中に、鎮静状態にある温度が変化すると、導電材料と絶縁材料の個々のセ
グメントはそれらの特性的反応を示す。図6BのA′で示されているように重な
る接地面とシービング線路10によって、より急速に膨張する誘電体の質量は減
じられ、残った誘電体は遮蔽効果と鉄筋効果の双方によって強化されている。そ
の結果、上位に位置する精巧な堆積薄膜信号層に達するのは、大幅に軽減された
蓄積応力であり、しかもその応力が加わるのはより狭い誘電区域上であって、そ
のことにより応力に関連する機能不全を減少させる。
【0048】 図6A、図6Bはまた、本発明の第一の態様も図解している。例えば、図6Aか
ら理解できるように、接地面15はプリント配線基盤80の粗大フィーチャ3、
6の端部を被覆している。
【0049】 図7は本発明の実施をするために使用される方法のフローチャートである。フ
ローチャートのスタート点はパッシベーション誘電層(例えば図2の層2)と、
基板上に形成されたバイア(例えば図2のバイア12′)とを有する図1Bに記
載する基板15のようなプリント配線基板である。ステップ100において、第
一薄膜金属化層(接地面)が例えばスパッタリングによって基板表面全体に堆積
される。好ましくは、接地面層は約2ミクロンの厚さに堆積する。ステップ11
0では、この金属化した層がパターン化されて図2に示す内部バイア12′のた
めの開口部が形成される。好ましい実施例にあって、内部バイアを必要とする区
域のみがステップ120でエッチング除去され、本発明の遮蔽パターンが形成さ
れる。
【0050】 次いでステップ130では、誘電層(例えば図2の層5)が薄膜接地面上に形
成され、パターン化(ステップ140)される。前文における本発明の技術的背
景で説明したように、誘電層の形成は数々の方法、例えばスピン・コーティング
によって達成できる。第二薄膜金属化層はステップ150で堆積され、ステップ
160でパターン化されて図4Aに示す導体4′のような信号路が形成される。
ステップ160で行われる金属化層のパターン化の一部はシービング線路10の
形成である。ステップ170で薄膜金属化層4′が再度エッチングされ、電気信
号導体4′と補強用シービング線路10が形成される。好ましい実施例にあって
、ステップ150には2,000〜6,000Å間の厚さに銅の第一層をスパッ
タリングするステップと、当業者にとっては周知であるようにステップ160、
170に次いで行われる金属層の第二部分の厚さが2〜10ミクロン間でのパタ
ーン・メッキをするステップが含まれる。
【0051】 本発明のある好ましい実施例にあって、PWB基板は1/2オンス又は1オン
ス銅の交番する層7、7′と4層体に積層させたMitsubishi BT
HL810誘電体8で構成する。内部層は電源と接地用であるが、底部主要面は
従来のプリント配線板に対する物理的なファンアウト・インタフェースとして機
能し、最上部主要面は堆積高密度相互接続ビルドアップ層のプラットフォームと
して働く。プリント配線基盤35の総ての層はメッキスルーホール3に接続され
る。
【0052】 第一誘電ビルドアップ層はCiba Probimer(厚さが約55ミクロ
ン)で構成するが、堆積薄膜ビルドアップ層は光学的に設定自在のカルド(ca
rdo)・アクリレート材料、例えばNippon Steel Chemic
al V259PA誘電体(厚さが約10〜12ミクロン)と銅金属化体(厚さ
が約5〜10ミクロン)の交番堆積層を使用して形成する。図に記載する本発明
の例は二つの誘電層と二つの金属化層+最終パッシベーション層を有するが、更
に多くの層が可能であることは当業者にあっては理解できる。
【0053】 再度図6Bを参照するが、本発明の好ましい実施例にあって、補強用線路10
の幅は約15〜17ミクロンの間であるのに対し、その線路のピッチは約73〜
77ミクロンの間であるが、しかし、他の線路/間隔寸法で適正な強化をするこ
ともできよう。事実、シービング線路の幅とピッチは信号線路、例えば図6Bに
おける線路4′に採用したものと同一にすべきである。
【0054】 解説してきた実施例だけが本発明の可能なアプリケーションではないことは当
業界の精通者にとっては理解できる。本発明を実施する他の同等の方法又は魅力
ある方法については本発明の様々な実施例についての前文解説を通読した後であ
れば当該技術に通常の精通度を有する当業者にとっては明らかであろう。例えば
、本発明の詳細はプリント配線基板に関し解説されているが、何らかの共通回路
基体上に堆積させた薄膜誘電層の金属化を改善するために本発明が利用できるこ
とを理解すべきである。本出願に採用しているように、共通回路基体はチップ・
レベルと、又は回路要素レベルの相互接続が上部に形成される何らかの基板、ド
ーター・ボード、マルチ・チップ・モジュールである。共通回路基体の例には特
にプリント配線基板、珪素基板、セラミック基板及びアルミニウム基板が含まれ
る。集積回路ダイ自体は共通回路基体ではない。それよりも、ダイの結合パッド
は定型的に第一レベル相互接続システム(例えばワイヤ結合、テープ自動化結合
、フリップ・チップ結合等)によって電源導体、接地導体及びダイを他のダイと
、又はコンデンサと抵抗器のような支援回路要素に接続する信号相互接続線路を
含む共通回路基体に接続されると思われる。本発明の方法は他の信号相互接続線
路の形成に便利である。それ故、他の方法と構造は本発明から恩恵が得られるで
あろうし、限定的要因はここで与えられている特許請求の範囲のみであるといえ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1A】 従来の単一層プリント配線基板の簡略化した断面図である。
【図1B】 メッキスルーホールを備えた従来の4層プリント配線基板の簡略化した断面図
である。
【図2】 一層の金属化されたビルドアップ層を備えた従来の4層プリント配線基板の簡
略化した断面図である。
【図3A】 本発明の恩恵に浴さぬ4層プリント配線基板上に形成した二層の薄膜導電層の
簡略化した断面図である。
【図3B】 図3Aに記載する構造の更に詳しい断面図である。
【図4A】 本発明の恩恵に浴した4層プリント配線基板上に形成した二層の薄膜導電層の
簡略化した断面図である。
【図4B】 図3Bに記載する構造の更に詳しい断面図である。
【図5A】 本発明を採用せぬ代表的な堆積薄膜ビルドアップ層構造の等角投影図である。
【図5B】 本発明を採用せぬ代表的な堆積薄膜ビルドアップ層構造の等角投影図である。
【図6A】 本発明を採用した代表的な堆積薄膜ビルドアップ層構造の等角投影図である。
【図6B】 本発明を採用した代表的な堆積薄膜ビルドアップ層構造の等角投影図である。
【図7】 本発明の方法のフローチャートである。
【符号の説明】
2:誘電平坦化層、3:メッキスルーホール、4:第一金属化層、4′:信号金
属化層、5:第二誘電層、6:上部導電層、6′:下部導電層、7:上部導電層
、7′:下部導電層、10:高密度相互接続プリント配線基板、12:銅シート
又は接点パッド、12′:相互接続部又はバイア、14:絶縁材料層、14a、
14b、14c:サブラミネート基板層、15:4層プリント配線基板、16:
銅シート、18:導体パターン、26:充填材料、30:PWB基板。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,SD,SL,SZ,UG,ZW),E A(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD,RU,TJ ,TM),AE,AL,AM,AT,AU,AZ,BA ,BB,BG,BR,BY,CA,CH,CN,CU, CZ,DE,DK,EE,ES,FI,GB,GD,G E,GH,GM,HR,HU,ID,IL,IN,IS ,JP,KE,KG,KP,KR,KZ,LC,LK, LR,LS,LT,LU,LV,MD,MG,MK,M N,MW,MX,NO,NZ,PL,PT,RO,RU ,SD,SE,SG,SI,SK,SL,TJ,TM, TR,TT,UA,UG,UZ,VN,YU,ZA,Z W (72)発明者 ストランドバーグ, ジャン, アイ. アメリカ合衆国, カリフォルニア州, サン ノゼ, セダーメドー コート 1405 【要約の続き】 形成され、薄膜導電層(4)が光学的に設定自在の薄膜 誘電層(5)上に形成される。薄膜導電層は次いでパタ ーン化されて複数の信号線路と、複数のシービング線路 (thieving lines)(10)を備え、シ ービング線路(10)が不均等間隔の信号線路18相互 間に配され、実質上均一な信号線路(18)とシービン グ線路(10)の複合パターンを形成する。

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 高密度相互接続プリント配線基板の上面に形成された第一の
    パターン化された導電層を有する前記基板を形成する方法であって、前記第一の
    パターン化された導電層が複数の導電線路の境界を画成する端部を有する前記導
    電線路を含み、前記基板はまた、前記第一パターン化導電層上、並びに前記導電
    線路の前記端部間に形成された誘電層も有する、前記方法は: (a)薄膜導電層を前記誘電層上に形成するステップと; (b)前記薄膜導電層をパターン化するステップの後、前記薄膜導
    電層が前記導電線路の前記端部上に重なるようにする、前記パターン化ステップ
    と、 を備える方法。
  2. 【請求項2】 前記パターン化ステップの後、前記薄膜導電層が前記導電線
    路の前記端部の少なくとも10ミクロンだけ上に重なるように、前記薄膜導電層
    がパターン化される、請求項1に記載の方法。
  3. 【請求項3】 前記パターン化ステップの後、前記薄膜導電層が前記導電線
    路の前記端部の少なくとも25ミクロンだけ上に重なるように、前記薄膜導電層
    がパターン化される、請求項1に記載の方法。
  4. 【請求項4】 前記第一パターン化導電層が約20〜40ミクロンの厚さで
    被着した銅を含む、請求項1に記載の方法。
  5. 【請求項5】 前記薄膜導電層が約2〜8ミクロンの厚さの銅又は銅合金を
    含む、請求項4に記載の方法。
  6. 【請求項6】 前記誘電層が光学的に設定自在なカルド(cardo)・ア
    クリレート材料を含む、請求項5に記載の方法。
  7. 【請求項7】 前記第一のパターン化された導電層が前記薄膜導電層より少
    なくとも数倍厚い、請求項1に記載の方法。
  8. 【請求項8】 前記薄膜導電層が接地面層である、請求項1に記載の方法。
  9. 【請求項9】 更に: (c)前記パターン化薄膜導電層上に薄膜誘電層を形成するステップ
    と; (d)前記薄膜誘電層上に第二の薄膜導電層を形成するステップと; (e)複数の信号線路と、複数のシービング線路を含むように前記第
    二の薄膜導電層をパターン化するステップであって、前記シービング線路が不均
    等間隔に配されている信号線路間に配されて、実質上均一な信号線路とシービン
    グ線路の複合パターンを提供する、第二の薄膜導電層パターン化ステップと、 を備える、請求項1に記載の方法。
  10. 【請求項10】 前記第一パターン化導電層内部にある全導電線路の全端部
    の少なくとも95%が前記パターン化薄膜導電層によって被覆される、請求項1
    に記載の方法。
  11. 【請求項11】 前記第一パターン化導電層内部にある全導電線路の全端
    部の100%が前記パターン化薄膜導電層によって被覆される、請求項1に記載
    の方法。
  12. 【請求項12】 前記第一パターン化導電層内部にある全導電線路の全端部
    合計長の少なくとも95%が前記パターン化薄膜導電層によって被覆される、請
    求項1に記載の方法。
  13. 【請求項13】 高密度相互接続プリント配線基板内の導電線路の端部と絶
    縁層との間のインタフェースにおいて熱的に発生するせん断応力によるクラック
    発生を軽減する方法であって、前記方法は: (a)パターン化薄膜導電層が前記導電線路の端部上に重なり、それ
    によって上方に広がるクラックに対し機械的な遮断層が形成されるよう、前記絶
    縁層上に前記パターン化薄膜導電層を形成するステップ を備える方法。
  14. 【請求項14】 前記導電線路が前記薄膜導電層より少なくとも数倍厚い、
    請求項13に記載の方法。
  15. 【請求項15】 前記数倍の数値が3と10の間である、請求項14に記載
    の方法。
  16. 【請求項16】 高密度相互接続共通回路基体上に堆積された薄膜ビルドア
    ップ層を強化する方法であって、前記方法は: (a)前記パターン化薄膜導電層上に光学的に設定自在な薄膜誘電
    層を形成するステップであって、前記薄膜誘電層が約10%未満の膨張係数を有
    する、薄膜誘電層形成ステップと; (b)前記光学的に設定自在な薄膜誘電層上に薄膜導電層を形成す
    るステップと; (c)複数の信号線路と、複数のシービング線路を含むように前記
    薄膜導電層をパターン化するステップであって、前記シービング線路が不均等間
    隔に配置された信号線路間に配されて、実質上均一な信号線路とシービング線路
    の複合パターンを提供する、薄膜導電層パターン化ステップと、 を備える方法。
  17. 【請求項17】 更に: (d)前記パターン化薄膜導電層上に第二の光学的に設定自在な薄
    膜誘電層を形成するステップであって、前記第二の光学的に設定自在な薄膜層が
    約10%未満の膨張係数を有する、薄膜誘電層形成ステップ を備える、請求項16に記載の方法。
  18. 【請求項18】 前記光学的に設定自在な薄膜誘電層がカルド・アクリレー
    ト材料を含む、請求項16に記載の方法。
  19. 【請求項19】 前記カルド・アクリレート材料がNippon Chem
    ical Steel V−259PAを含む、請求項18に記載の方法。
  20. 【請求項20】 高密度相互接続プリント配線基板であって、前記基板は: 前記基板の上面に形成された第一のパターン化された導電層であっ
    て、前記第一のパターン化された導電層が複数の導電線路の境界を画成する端部
    を有する前記導電線路を含む、第一のパターン化された導電層と; 前記第一パターン化導電層上、並びに前記導電線路の前記端部間に
    形成された平坦化誘電層と; 前記平坦化誘電層上に形成された薄膜接地面層であって、前記薄膜
    接地面層が前記導電線路の前記端部の上に重なっている、薄膜接地面層と; 前記薄膜接地面層上に形成された薄膜誘電層であって、前記薄膜誘
    電層が約10%未満の膨張係数を有する、薄膜誘電層と; 前記薄膜誘電層上に形成された薄膜信号層であって、前記薄膜信号
    層が複数の信号線路と複数のシービング線路とを含み、前記シービング線路が不
    均等間隔に配置された信号線路間に配されて、実質上均一な信号線路とシービン
    グ線路の複合パターンを提供する、薄膜信号層と、 を備える、高密度相互接続プリント配線基板。
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