JP2004063812A

JP2004063812A - 多層配線基板の製法

Info

Publication number: JP2004063812A
Application number: JP2002220484A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Suzuki; 鈴木　晋一; Yoshihiro Nakao; 中尾　吉宏; Kenichi Nagae; 永江　謙一
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-07-29
Filing date: 2002-07-29
Publication date: 2004-02-26

Abstract

【課題】基板本体内に高誘電率層を設けても伝送損失を低減できるとともに、反りを低減できる多層配線基板の製法を提供する。
【解決手段】２種の低誘電率グリーンシートＬ１Ｇ、Ｌ２Ｇと、高誘電率グリーンシートＨ１Ｇとを、積層成形体の一主面から他主面までの厚さをＺとし、他主面からの厚さＺ／２内に高誘電率グリーンシートＨ１Ｇを、一主面からの厚さＺ／２内に低誘電率グリーンシートＬ２Ｇをそれぞれ配置するとともに、低誘電率グリーンシートＬ２Ｇおよび高誘電率グリーンシートＨ１Ｇは、少なくとも一方の面が低誘電率グリーンシートＬ１Ｇと接するように配置させ、且つ、低誘電率グリーンシートＬ１Ｇ、Ｌ２Ｇ、および高誘電率グリーンシートＨ１Ｇの、それぞれの収縮開始温度をＴ１、Ｔ２およびＴ３としたとき、Ｔ１＞Ｔ３、Ｔ１＞Ｔ２、且つ｜Ｔ２−Ｔ３｜≦５℃の関係を満足することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多層配線基板の製法に関し、特に、焼成後に低誘電率層と高誘電率層となる、低誘電率グリーンシートと高誘電率グリーンシートにより構成される積層成形体を焼成する多層配線基板の製法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来より、半導体素子収納用パッケージは絶縁基板用の材料として、アルミナ等のセラミックスや、さらに最近では銅メタライズと同時焼成を可能としたガラスセラミック焼結体が多用され、一方で、ＬＳＩの高速、高周波化に伴うゲート数の増加に対応するために接続端子を増やす工夫がなされ、最も高密度化できる構造としてボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）が実用化されている。
【０００３】
また、近年では、携帯電話などモバイルコンピューティングの発達に伴い、電子機器は小型化、高密度実装化の要求が強まっており、従来、半導体素子収納用パッケージの近傍に配置させていたコンデンサ等の電子部品をパッケージ内に内蔵し、パッケージ自体に機能性を付与することが行われている。
【０００４】
このような多層配線基板としては、図３に示すように、基板本体１０１の主要部を構成する低誘電率層１０３間に高誘電率層１０５を設け、かかる高誘電率層１０５により形成されるコンデンサ１０７を内蔵した多層配線基板が考案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、低誘電率層１０３と高誘電率層１０５では、一般に、材料を構成する成分や組成の違いにより焼結挙動が異なるため、同時焼成を行った場合に多層配線基板に反りが発生しやすいという問題があった。
【０００６】
そこで、このような反りに対処するために、基板本体１０１に内層される高誘電率層１０５を基板本体１０１の厚み方向に上下対称に配置する形態が考案されているが、このような形態では、半導体素子１０７と結線され配線層１１１が高密度となる側に高誘電率層１０５が配置されることになり、高誘電率層１０５での伝送損失が大きくなることが問題視されていた。
【０００７】
従って、本発明は、基板本体内に高誘電率層を設けても伝送損失を低減できるとともに、反りを低減できる多層配線基板の製法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の多層配線基板の製法は、２種の低誘電率グリーンシートＬ１Ｇ、Ｌ２Ｇと高誘電率グリーンシートＨ１Ｇにより構成される積層成形体を焼成する多層配線基板の製法であって、
前記積層成形体の一主面から他主面までの厚さをＺとし、前記他主面からの厚さＺ／２内に前記高誘電率グリーンシートＨ１Ｇを、前記一主面からの厚さＺ／２内に前記低誘電率グリーンシートＬ２Ｇをそれぞれ配置するとともに、前記低誘電率グリーンシートＬ２Ｇおよび前記高誘電率グリーンシートＨ１Ｇは、少なくとも一方の面が前記低誘電率グリーンシートＬ１Ｇと接するように配置させ、且つ、前記低誘電率グリーンシートＬ１Ｇ、Ｌ２Ｇ、および前記高誘電率グリーンシートＨ１Ｇの、それぞれの収縮開始温度をＴ１、Ｔ２およびＴ３としたとき、Ｔ１＞Ｔ３、Ｔ１＞Ｔ２、且つ｜Ｔ２−Ｔ３｜≦５℃の関係を満足することを特徴とする。
【０００９】
本発明の製法によれば、焼成収縮開始温度がＴ１＞Ｔ３の関係にある高誘電率グリーンシートＨ１Ｇと低誘電率グリーンシートＬ１Ｇを用い、高誘電率グリーンシートＨ１Ｇを積層成形体の厚み方向に対して偏った位置に形成した場合において、高誘電率グリーンシートＨ１Ｇの焼成収縮挙動に近い低誘電率グリーンシートＨ２Ｇを作製し、これを高誘電率グリーンシートＨ１Ｇとは、積層成形体の反対側に設けることによって、低誘電率グリーンシートＬ１Ｇと焼成収縮挙動が異なる高誘電率グリーンシートＨ１Ｇの偏りによって発生する反りを容易に抑制できる。
【００１０】
特に、上記多層配線基板の製法では、低誘電率グリーンシートＬ２Ｇと高誘電率グリーンシートＨ１Ｇとは、積層成形体の厚さ方向の対称位置に配置することによって、さらに反りを低減できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の多層配線基板の製法について、図１に基づいて説明する。
【００１２】
図１（ａ）に示すように、所定のセラミック原料粉末に、適当な有機バインダを添加し、有機溶媒中に分散させることによりスラリーを調製し、従来周知のドクターブレード法やリップコータ法等のキャスト法により、所定の厚みの低誘電率グリーンシートＬ１Ｇ、Ｌ２Ｇ並びに高誘電率グリーンシートＨ１Ｇを作製する。
【００１３】
次に、図１（ｂ）に示すように、銅を主成分とする金属粉末に有機バインダ、溶剤、可塑剤を添加混合して得た金属ペーストを、低誘電率グリーンシートＬ１Ｇ、Ｌ２Ｇ並びに高誘電率グリーンシートＨ１Ｇに周知のスクリーン印刷法により所定の配線パターン２０を形成する。特に、高誘電率グリーンシートＨ１Ｇは、コンデンサとして機能させる上で、高誘電率グリーンシートＨ１Ｇ両面に電極パターンが形成されるようにパターン形成する。また、場合によっては、これらの低誘電率グリーンシートＬ１Ｇ、Ｌ２Ｇ並びに高誘電率グリーンシートＨ１Ｇに打ち抜き加工やレーザー加工によって、スルーホールを形成し、このスルーホール内にも金属ペーストを充填する。
【００１４】
次に、図１（ｃ）に示すように、上記の配線加工を施した低誘電率グリーンシートＬ１Ｇ、Ｌ２Ｇ並びに高誘電率グリーンシートＨ１Ｇを適当な密着液を用いて積層し、内部にパターンを形成した積層成形体２１を形成する。
【００１５】
このとき、高誘電率グリーンシートＨ１Ｇは、半導体素子が搭載される表面からはできるだけ遠ざけることが望ましい。そのために、高誘電率グリーンシートＨ１Ｇは、この積層成形体２１の、半導体素子が搭載される一主面２３から他主面２５までの厚みをＺとしたときに、他主面からの距離Ｚ／２内に高誘電率グリーンシートＨ１Ｇを配置する。
【００１６】
しかし、一般に、高誘電率グリーンシートＨ１Ｇの焼成収縮開始温度Ｔ３は、その組成などの関係から、低誘電率グリーンシートＬ１Ｇの焼成収縮開始温度Ｔ１と異なるために、高誘電率グリーンシートＨ１Ｇの偏りによって、焼成時に反りが発生する。
【００１７】
そこで、本発明によれば、一主面２３からの距離Ｚ／２内に、焼成収縮開始温度がＴ２の低誘電率グリーンシートＬ２Ｇを配置するとともに、高誘電率グリーンシートＨ１Ｇの焼成収縮開始温度Ｔ３、低誘電率グリーンシートＬ１Ｇの焼成収縮開始温度Ｔ１とが、Ｔ１＞Ｔ３、Ｔ１＞Ｔ２、且つ｜Ｔ２−Ｔ３｜≦５℃の関係を満足するように調整する。
【００１８】
即ち、Ｔ１＞Ｔ３、Ｔ１＞Ｔ２とすることによって、低誘電率グリーンシートＬ２Ｇおよび高誘電率グリーンシートＨ１Ｇを先に焼成収縮させ、かつ、｜Ｔ２−Ｔ３｜≦５℃とすることによって、先に焼成収縮する低誘電率グリーンシートＬ２Ｇおよび高誘電率グリーンシートＨ１Ｇの収縮開始温度を近づけることにより積層成形体の収縮率差に起因する応力を積層成形体２１内で相殺させ、局所的な基板の反りを低減することができる。
【００１９】
また、本発明では低誘電率グリーンシートＬ２Ｇと高誘電率グリーンシートＨ１Ｇとは、積層成形体２１の厚さ方向の対称位置に配置されていることが望ましく、さらには、これら低誘電率グリーンシートＬ２Ｇと高誘電率グリーンシートＨ１Ｇとは厚みが同等であることが特に望ましい。
【００２０】
なお、本発明によれば、厚みの関係においては、低誘電率グリーンシートＬ１Ｇ、Ｌ２Ｇ、高誘電率グリーンシートＨ１Ｇの厚みをｔ１，ｔ２、ｔ３とした時、ｔ１／（ｔ１＋ｔ２＋ｔ３）が０．７以上、特に０．８以上の関係が望ましい。また、ｔ２／ｔ３が０．３３〜３、特に０．５〜２、さらには０．８〜１．２が望ましい。
【００２１】
一方、前記した低誘電率グリーンシートＬ１Ｇ、Ｌ２Ｇおよび高誘電率グリーンシートＨ１Ｇのそれぞれの収縮開始温度について、Ｔ３＞Ｔ１およびＴ２＞Ｔ１の場合には、低誘電率グリーンシートＬ２Ｇおよび高誘電率グリーンシートＨ１Ｇよりも積層成形体の大部分を占める低誘電率グリーンシートＬ１Ｇの方が先に焼成収縮するため、後に収縮開始する層（低誘電率グリーンシートＬ２ＧおよびグリーンシートＨ１Ｇ）による拘束力が弱くなる。また、｜Ｔ２−Ｔ３｜＞５℃の場合には、低誘電率グリーンシートＬ２Ｇと、高誘電率グリーンシートＨ１Ｇとの収縮開始温度差が大きいために、収縮率差に起因する局所的な基板の反りが増大する。
【００２２】
尚、本発明では、各グリーンシートの収縮開始温度が上記の関係を満足するように設定することが重要であるが、これに加えて、収縮終了温度についても、Ｔ１−Ｔ３≦１０℃の関係を満足するように設定することが焼成後の反りをさらに低減する上でより望ましい。
【００２３】
本発明の低誘電率グリーンシートおよび高誘電率グリーンシートを構成するセラミック成分としては、ガラス、またはガラスと無機フィラーとからなるガラスセラミック組成物が望ましい。
【００２４】
ガラス粉末の成分としては、公知のガラス成分が用いられ、ホウ珪酸ガラス、ホウケイ酸亜鉛系ガラス、ホウ珪酸鉛ガラス、リチウム珪酸系ガラス、ＰｂＯ系ガラス、ＢａＯ系ガラス、ＺｎＯ系ガラスの群から選ばれる少なくとも１種を使用することができ、特に高熱膨張性を有するホウ珪酸ガラス、ホウケイ酸亜鉛系ガラス、ホウ珪酸鉛ガラスの群から選ばれる少なくとも１種が好適である。
【００２５】
また、無機フィラーとしては、熱膨張係数を高くする場合はクオーツを、強度を高める場合にはアルミナを、比誘電率を向上させる場合にはＴｉＯ_２、ＣａＴｉＯ_３、ＭｇＴｉ_２Ｏ_５、ＳｒＴｉ_２Ｏ_５、ＢａＴｉ_２Ｏ_５、Ｌａ_２Ｔｉ_２Ｏ_７等の群から選ばれる少なくとも１種が好適に用いられる。
【００２６】
ここで、本発明の基板本体１を構成する低誘電率グリーンシートＬ１Ｇ、Ｌ２Ｇおよび高誘電率グリーンシートＨ１Ｇは、上記ガラス、またはガラスと無機フィラーを含むものであり、焼成収開始温度は、無機フィラーの種類、添加量等によって変化し、それらを制御することによって容易に所定の焼成収縮開始温度に制御できる。また、ガラスにおいては、ガラス中における必須成分であるＳｉＯ_２の割合が多いほど焼成時における収縮開始温度は高くなる傾向があり、一方、高誘電率の無機フィラーをガラス製造段階の溶融工程においてあらかじめ添加した場合には収縮開始温度は下がる傾向がある。
【００２７】
そこで、高強度を目的としてアルミナ等の高強度のための無機フィラーをグリーンシート用のスラリー調合段階で添加する場合、ガラス自体の強度を上げる目的からガラス中におけるＳｉＯ_２等の主成分の割合は多くすることが望ましい。
【００２８】
本発明の製法によって作製される多層配線基板の一例の断面図を図２に示した。以下、図２に基づき詳細に説明する。
【００２９】
本発明による多層配線基板は、２種の低誘電率層Ｌ１、Ｌ２と１種の高誘電率層Ｈ１より構成される基板本体５１と、この基板本体５１の表面および／または内部に形成された配線層５５と、この配線層５５を電気的に接続するビアホール導体５７とから構成されている。また、この基板本体５１の上面には半導体素子５９が搭載され、そして、この半導体素子５９の搭載面である一主面６１と対向する裏面である他主面６３には接続端子（図示なし）が形成されている。
【００３０】
また、本発明の基板本体５１において、この基板本体５１の半導体素子５９が搭載された一主面６１から、その基板本体６１の他主面６３までの厚みをＺとしたときに、高誘電率層Ｈ１は基板本体５１裏面である他主面６３からの距離Ｚ／２内に配置され、一方、低誘電率層Ｌ１、Ｌ２のうちの１層である低誘電率層Ｌ２は、半導体素子５９が搭載された一主面６１からの距離Ｚ／２内に配置されていることが重要であり、特に、高誘電率層Ｈ１と低誘電率層Ｌ２とは、基板本体５１の厚さ方向に対称位置に配置されることが望ましい。
【００３１】
即ち、高誘電率層Ｈ１は配線層５５に狭持された部分が容量発生部（コンデンサ６４）となり、機能性付与には効果的であるが伝送特性低下への影響が大きいことから、半導体素子５９の搭載面である一主面６１から離れた位置に配置されることが望ましい。
【００３２】
そして、基板本体５１の伝送特性を高めるという理由から、低誘電率層Ｌ１、Ｌ２の比誘電率は１０以下、特に、８以下であることがより望ましく、一方、高誘電率層Ｈ１の比誘電率は、コンデンサの静電容量を高めるという理由から１５以上、特に、１７以上であることがより望ましい。
【００３３】
また、本発明の基板本体５１では、半導体素子５９の動作や信頼性試験などの温度サイクル下での歪みを低減するとともにクラックを防止するために高誘電率層Ｈ１と低誘電率層Ｌ１、Ｌ２との熱膨張係数差が、温度４０〜４００℃の範囲において０．５×１０^−６／℃以下であることが望ましく、特には、０．４×１０^−６／℃以下であることがさらに望ましい。
【００３４】
また、本発明では、高強度、高信頼性の多層配線基板を形成するために、基板本体１において、高誘電率層Ｈ１および低誘電率層Ｌ２を狭持するように配置されている低誘電率層Ｌ１は、基板本体１の厚み方向に占める割合が７０％以上、特に、伝送特性を高めるという点で８２％以上であることが望ましい。
【００３５】
また、低誘電率層Ｌ１の強度は３００ＭＰａ以上、特に、３３５ＭＰａ以上であることがより高強度化できるという点で望ましく、一方、高誘電率層Ｈ１および低誘電率層Ｌ２の強度はともに１７０ＭＰａ以上、特に、１８０ＭＰａ以上であることが多層配線基板全体を高強度化するという点でより望ましい。
【００３６】
【実施例】
まず、低誘電率グリーンシート（Ｌ１Ｇ、Ｌ２Ｇ）を形成する原料として、ホウ珪酸ガラス粉末に、フィラーとしてアルミナ粉末またはクォーツ粉末を選択し、一方、高誘電率グリーンシートＨ１Ｇを形成する原料の高誘電率フィラーとしてチタン酸ストロンチウムを選択した。
【００３７】
これらに粉末は、個々に粉砕、分級することにより粒度を調整した後、表１に示す比率にて調合した。
【００３８】
次に、上記の各種粉末をボールミルを用いてアクリル系バインダー及び有機溶剤と混合することによりセラミックスラリーを調製した。この後、従来周知のドクターブレード法により、キャリアシート上にスラリーを塗布し、乾燥後、キャリアシートを剥離することにより、低誘電率および高誘電率グリーンシートを作製した。
【００３９】
次に、低誘電率および高誘電率グリーンシートをそれぞれ１０枚用意し、有機バインダー、可塑剤、及び有機溶媒を成分とする密着液を塗布した後加圧密着させて積層体を作製した。
【００４０】
次に、この積層体を所定寸法に切断して得られた生の試料片について昇温速度を２００℃／ＨＲでのＴＭＡ（熱機械分析）を行い、それぞれ低誘電率および高誘電率グリーンシートからなる積層体の収縮開始温度を評価した。
【００４１】
次に、収縮開始温度の評価に用いた生の積層体を９００℃×２ＨＲ焼成（昇温速度１００℃／ＨＲ）して基板本体を作製した。
【００４２】
次に、作製した基板本体を所定寸法に切断した後、収縮開始温度の評価と同様、ＴＭＡを用いて熱膨張係数を評価した。ＴＭＡでの昇温速度は１００℃／ＨＲ、温度範囲を４０℃〜４００℃とした。
【００４３】
次に、低誘電率グリーンシート（Ｌ１Ｇ、Ｌ２Ｇ）と、高誘電率グリーンシート（Ｈ１Ｇ）とを、表２に示す組み合わせにて密着し配線層を含む積層成形体を作製した。尚、配線層は銅を主成分とする金属ペーストを用いて高誘電率グリーンシートの両面に印刷して形成した。この場合、Ｌ２層にはマイクロストリップ回路を形成した。Ｌ２層を配置しない試料については層番号２の層に形成した。得られた配線層を含む積層成形体を所定の寸法に切断し、昇温速度１００℃／ＨＲで９００℃まで昇温した後、９００℃×２時間の焼成を行い、コンデンサ内蔵の多層配線基板を作製した。
【００４４】
伝送特性の評価は、マイクロストリップ線路を形成した層について、周波数
３ＧＨｚにおいて伝送損失（Ｓ_２１）を測定した。
【００４５】
反り評価試料としては、上記の配線層を含む積層成形体を外辺寸法２０ｍｍ×２０ｍｍに切断して試料片とし、この試料片を９００℃×２時間（昇温速度１００℃／ＨＲ）焼成して反り評価用の試料である多層配線基板を作製した。
【００４６】
次に、この多層配線基板を静置させ、その多層配線基板の中央部と端部の高さをマイクロメータを用いて測定し、かかる両測定値の差から反りを求めた。
また、作製した多層配線基板について、外観検査によりクラックの有無を評価した。
【００４７】
さらに、作製した多層配線基板を、短冊状に切断し、３点曲げ試験法により強度の評価を行った。
【００４８】
これらの結果を表２に示した。
【００４９】
【表１】

【００５０】
【表２】

【００５１】
これら表１および表２の結果から明らかなように、半導体素子が搭載される基板本体の一主面から他主面までの厚みをＺとし、前記他主面からの厚さＺ／２内に高誘電率層を、一主面からＺ／２の位置に低誘電率層を配置した試料Ｎｏ．１〜９では、伝送損失（Ｓ_２１）が１．１ｄＢ／ｃｍ以下で、クラックが無く、反りが０．９ｍｍ以下、基板強度が３０５ＭＰａ以上であった。又、上記低誘電率層と高誘電率層の厚みを同じとし、基板本体の厚み方向の対称位置に配置した試料Ｎｏ．１、２および３では、反りを０．０４ｍｍ以下まで低減できた。
【００５２】
一方、基板本体内の他主面側からの厚さＺ／２内にのみ高誘電率層および／または低誘電率層を配置した試料Ｎｏ．１０、並びに、高誘電率層Ｈ１を配置したが低誘電率層Ｌ２を配置しなかった試料Ｎｏ．１１では反りが３．７８ｍｍ以上となり、試料片の一部にクラックが見られた。また、高誘電率層Ｈ１を基板本体の厚み方向に対称配置した試料Ｎｏ．１２では、反りは小さく、クラックも見られなかったが、伝送損失が大きかった。
【００５３】
【発明の効果】
本発明の多層配線基板の製法では、２種の低誘電率グリーンシートと、高誘電率グリーンシートとの配置を制御するとともに、それらの焼成収縮開始温度を特定の範囲に制御することによって、高誘電率グリーンシートＨ１Ｇを基板内部に偏った位置に形成した場合においても、また低誘電率グリーンシートＬ１Ｇとの焼結挙動が異なる場合であっても、同時焼成による反りを容易に抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の多層配線基板の製造方法を説明するための工程図を示す。
【図２】本発明による多層配線基板の一例を説明するための概略断面図である。
【図３】基板本体の下層側に高誘電率層のみを設け、上層側に反りを補償するための低誘電率層を配置していない従来の多層配線基板を示す概略断面図である。
【符号の説明】
Ｈ１、１０５・・・・高誘電率層
Ｌ１、Ｌ２、１０３・低誘電率層
Ｈ１Ｇ・・・・・・高誘電率グリーンシート
Ｌ１Ｇ、Ｌ２Ｇ・・低誘電率グリーンシート
５１・・・・・・・・基板本体
５５・・・・・・・・誘電率層
５５・・・・・・・・配線層
５７・・・・・・・・ビアホール導体
５９・・・・・・・・半導体素子
６１、２３・・・・・一主面
６３、２５・・・・・他主面
２１・・・・・・・積層成形体

Claims

２種の低誘電率グリーンシートＬ１Ｇ、Ｌ２Ｇと、高誘電率グリーンシートＨ１Ｇとにより構成される積層成形体を焼成する多層配線基板の製法であって、
前記積層成形体の一主面から他主面までの厚さをＺとし、前記他主面からの厚さＺ／２内に前記高誘電率グリーンシートＨ１Ｇを、前記一主面からの厚さＺ／２内に前記低誘電率グリーンシートＬ２Ｇをそれぞれ配置するとともに、前記低誘電率グリーンシートＬ２Ｇおよび前記高誘電率グリーンシートＨ１Ｇは、少なくとも一方の面が前記低誘電率グリーンシートＬ１Ｇと接するように配置させ、且つ、前記低誘電率グリーンシートＬ１Ｇ、Ｌ２Ｇ、および前記高誘電率グリーンシートＨ１Ｇの、それぞれの収縮開始温度をＴ１、Ｔ２およびＴ３としたとき、Ｔ１＞Ｔ３、Ｔ１＞Ｔ２、且つ｜Ｔ２−Ｔ３｜≦５℃の関係を満足することを特徴とする多層配線基板の製法。
低誘電率グリーンシートＬ１Ｇと高誘電率グリーンシートＨ１Ｇとが、積層成形体の厚さ方向の対称位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の多層配線基板の製法。