JP2004200608A - プリント配線基板およびその製造方法 - Google Patents

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彰二 伊藤
Satoru Nakao
知 中尾
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Abstract

【課題】プリップチップ実装用のプリント配線基板において、チップと基板との接続信頼性が高く、金バンプによる接続でもセルフアライメント効果が得られるようにすること。
【解決手段】基板電極12の表面形状をすり鉢状等の凹面13とする。
【選択図】 図2

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、プリント配線基板およびその製造方法に関し、特に、フリップチップ実装用のプリント配線基板およびその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
プリント配線基板への電子部品の実装形態は、回路の高密度化に伴い、ワイヤボンディング方式から、チップ下面に電極を配置したバンプ接続によるプリップチップ実装が採用される傾向がある。プリップチップ実装は、図7に示されているように、チップ101の基板対向面に導電性のバンプ(突起)102を設け、チップ101を基板103上に載せ、チップ電極104と基板電極105とをバンプ102を介して対向させてフェースダウンして一括接続する実装方式である。
【0003】
バンプ接続方式によるプリップチップ実装には、はんだバンプによってチップと回路基板とを接続するもの、導電性接着剤によって接続を取るもの、金(Au)によってチップと回路基板とを接続するもの等が知られている(非特許文献1)。
【0004】
【非特許文献1】
「電子材料」2000年9月号(第39巻第9号)、(株)工業調査会、2000年9月1日発行、36頁〜40頁
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
バンプ接続方式によるプリップチップ実装では、チップの稼働発熱、機械的衝撃によって基板とチップとの接続界面に発生する応力により、チップと基板との接続が断絶する可能性があると云う問題点があり、これは、ワイヤボンディング方式に対するバンプ接続方式の優位性を阻害する。
【0006】
バンプ接続方式による場合のチップと基板との接続断絶は、バンプと基板電極(パッド部)との熱膨張係数の違いから、バンプと基板電極との接続部に剪断応力が発生し、バンプの最も細い部分から破断すると推測される。このことは、有限要素法によるシミュレーションによっても、確認することができた。
【0007】
図8に拡大して示されているように、平坦なパッド(基板電極)105に接続されたはんだボールによるバンプ102の場合、バンプ105とパッド105との界面に変局部Aが生じ、変局部Aに応力が集中することになり、破壊が生じ易い構造になる。すなわち、両者の界面には、異種材料の接触にによる欠陥が集中し、しかも、機械的にもろい、錫・銅合金層が析出して破壊の起点になることが推測される。
【0008】
はんだバンプによるものでは、リフロー時のはんだ溶融で、金属上のはんだの濡れによって、チップと基板とが自動的に位置合わせされるセルフアライメント効果が得られることが知られているが、金バンプによる接続の場合には、セルフアライメント効果を期待できず、チップと基板との位置合わせが難しい。
【0009】
この発明は、上述の如き問題点を解消するためになされたもので、チップと基板との接続信頼性が高く、金バンプによる接続でもセルフアライメント効果が得られるプリップチップ実装用のプリント配線基板およびその製造方法を提供することを目的としている。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、この発明によるプリント配線基板は、基板電極を有し、基板電極の表面形状がすり鉢状等の凹面状である。
【0011】
この発明によるプリント配線基板によれば、はんだバンプの場合には、はんだバンプが加熱により溶融して基板電極の凹面に倣った形状をもって基板電極に溶融密着し、はんだバンプと基板電極との界面に生じる変局部の変局度合いが従来のものに比して緩和される。これに応じて変局部に応力が集中することが緩和され、チップと基板との接続信頼性が向上する。金バンプの場合には、基板電極の凹面に案内されてセルフアライメント効果が得られる。
【0012】
また、この発明によるプリント配線基板は、バイアホールに充填された導電性ペーストによって層間導通を得る多層基板用のプリント配線基板において、バイアホールと整合する基板電極を有し、当該基板電極に、電極表面側がバイアホール側より大径のテーパ孔による小孔があけられている。
【0013】
この発明によるプリント配線基板によれば、はんだバンプの場合には、はんだバンプが加熱により溶融して基板電極の小孔に倣った形状をもって基板電極に溶融密着し、はんだバンプと基板電極との界面に生じる変局部の変局度合いが従来のものに比して緩和される。これに応じて変局部に応力が集中することが緩和され、チップと基板との接続信頼性が向上する。金バンプの場合には、基板電極の小孔に案内されてセルフアライメント効果が得られる。
【0014】
また、この発明によるプリント配線基板は、バイアホールに充填された導電性ペーストによって層間導通を得る多層基板用のプリント配線基板において、バイアホールと整合する基板電極を有し、当該基板電極に、電極表面側がバイアホール側より大径のテーパ孔による小孔があけられ、当該基板電極の表面が電解めっき層等による金属層によって被覆され、当該金属層の小孔対応部分が凹部になっている。
【0015】
この発明によるプリント配線基板によれば、はんだバンプの場合には、はんだバンプが加熱により溶融して金属層の凹部に倣った形状をもって金属層に溶融密着し、はんだバンプと基板電極との界面に生じる変局部の変局度合いが従来のものに比して緩和される。これに応じて変局部に応力が集中することが緩和され、チップと基板との接続信頼性が向上する。また、はんだバンプは、バイアホールに充填された導電性ペーストとは接触せず、金属層だけに接触し、はんだの濡れ性が良好に一様になる。金バンプの場合には、金属層の凹部に案内されてセルフアライメント効果が得られる。
【0016】
この発明によるプリント配線基板は、絶縁基材上に前記基板電極を有し、絶縁基材をポリイミドフィルムで構成することによってフレキシブル配線基板をなす。
【0017】
また、上述の目的を達成するために、この発明によるプリント配線基板の製造方法は、基板電極の表面に等方性の化学的エッチングを行い、当該基板電極の表面形状を凹面状とする工程を含む。
【0018】
また、この発明によるプリント配線基板の製造方法は、バイアホールに充填された導電性ペーストによって層間導通を得る多層基板用のプリント配線基板の製造方法において、バイアホールと整合する位置に基板電極を形成する工程と、
前記基板電極に等方性の化学的エッチングを行い、電極表面側がバイアホール側より大径のテーパ孔による小孔を基板電極にあける工程とを含む。
【0019】
また、この発明によるプリント配線基板の製造方法は、バイアホールに充填された導電性ペーストによって層間導通を得る多層基板用のプリント配線基板の製造方法において、バイアホールと整合する位置に基板電極を形成する工程と、前記基板電極に等方性の化学的エッチングを行い、電極表面側がバイアホール側より大径のテーパ孔による小孔を基板電極にあける工程と、前記基板電極の表面を金属層によって被覆し、当該金属層の小孔対応部分を凹部とする工程とを含む。
【0020】
前記金属層は、電解めっき法、無電解めっき法、スパッタ法の何れかにより形成することができる。
【0021】
また、この発明によるプリント配線基板の製造方法は、基板電極を形成する工程より、先に、基板電極を形成する導電層の表面を金属層によって被覆する工程を先に行い、基板電極を形成する工程は、導電層と金属層との重合層に基板電極を形成する工程とすることができる。
【0022】
また、基板電極を形成する工程は、化学的エッチングによる回路形成工程とすることができる。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図を参照してこの発明の実施形態を詳細に説明する。
【0024】
図1はこの発明によるプリント配線基板の基本的な実施形態を示している。このプリント配線基板10は、絶縁基材11上の銅箔等の導電層による基板電極12の上面(導電層ランド部表面)がすり鉢状の凹面13になっている。この凹面13は等方性のエッチングによって形成することができる。
【0025】
図2はプリント配線基板10によるフリップチップ実装例を示されている。電子部品チップ20は基板10と対向する下底面にチップ電極21を有している。電子部品チップ20は基板10上に配置され、チップ電極21ははんだバンプ22を挟んで基板電極12と対向する。
【0026】
はんだバンプ22は、加熱により溶融し、図2に示されているように、一方でチップ電極21に溶融密着し、他方で基板電極12の凹面13に倣った形状をもって基板電極12に溶融密着する。
【0027】
これにより、はんだバンプ22と基板電極12との界面に生じる変局部Bの変局度合いが従来のものに比して緩和され、これに応じて変局部Bに応力が集中することが緩和され、チップ20と基板10との接続信頼性が向上する。
【0028】
図2に示されているように、基板電極12の上面を凹面13としたものについて、基板にチップを実装した状態で、熱衝撃を繰り返し与え、実装の信頼性を評価するBLR(Board Level Reliability)試験を行ったところ、図8に示されているような従来例のものに比して、同試験の耐久性が飛躍的に向上した。
【0029】
金バンプの場合には、基板電極12の凹面13に案内されてセルフアライメント効果が得られる。
【0030】
図3は、この発明によるプリント配線基板を、導電性ペーストによって層間導通を得る多層基板に適用した実施形態を示している。多層基板は、基板31と基板32とを積層されている。基板31は絶縁基材33上に銅箔等による導電層34を有し、最外層(最上層)の基板32は絶縁基材35上に銅箔等による導電層(基板電極)36を有する。
【0031】
導電層34と基板電極36とは、絶縁基材33に形成されたバイアホール37に充填された導電性ペースト38によって導通接続される。ここで使用される導電性ペースト38として、熱硬化性樹脂に銀粉等による導電性フィラを混入したものがある。
【0032】
バイアホール37と整合する基板電極36には導電性ペースト充填時の空気抜き孔として作用する小孔39があけられている。この小孔39は、基板電極36の外表面(図3にて上面)の側からの等方性エッチングによって形成され、図4に示されているように、電極表面側(上面側)の口径Daがバイアホール37側の口径Dbより大きいテーパ孔になっている。
【0033】
これにより、基板電極36の上面は、テーパ孔形状の凹面となり、フリップチップ実装のはんだバンプ22は、加熱溶融によってテーパ孔形状の小孔39に入り込み、小孔39のテーパ内周面に倣って溶融密着し、上述の実施形態と同様に、チップ20と多層配線基板との接続信頼性が向上する。
【0034】
図5は、この発明によるプリント配線基板を、導電性ペーストによって層間導通を得るフレキシブル多層基板に適用した実施形態を示している。
【0035】
このフレキシブル多層基板は、3つの基板41、42、43による3層構造になっている。1層目(最下層)の基板41は絶縁樹脂層をなすポリイミドフィルム44上に銅箔によるランド部(内部銅箔)45を有し、2層目(中間層)の基板42は絶縁樹脂層をなすポリイミドフィルム46上に銅箔によるランド部(内部銅箔)47を有し、3層目(最上層)の基板43は絶縁樹脂層をなすポリイミドフィルム48上に銅箔によるランド部(外部銅箔)49を有し、これらは、熱可塑性ポリイミドあるいはこれに熱硬化機能を付与した接着層50、51によって接着接合されている。
【0036】
基板42のポリイミドフィルム46及び接着層50にはバイアホール52が形成され、ランド部47のバイアホール整合位置に小孔53があけられている。また、基板43のポリイミドフィルム48及び接着層51にはバイアホール54が形成され、ランド部49のバイアホール整合位置に小孔55があけられている。小孔 53、55はランド部表面側(上面側)の口径がバイアホール側の口径より大きいテーパ孔になっている。
【0037】
バイアホール52、54には各々導電性ペースト56、57が接着層50、51の側からスキージング等によって穴埋め充填されている。導電性ペースト56、57は、各々1層目と2層目、2層目と3層目の層間導通を行っている。内部銅箔(ランド部47)の小孔53には、多層化時のプレス圧によって一つ上層の基板の導電ペースト57が入り込み、導通性、耐横ずれ性を高めている。
【0038】
最上層の基板43のランド部(基板電極)49の上面には銅めっき層58が電解メッキ法によって形成され、小孔55を蓋されている。電解めっき法によるめつきでは、比抵抗が高い部分のめっき成長が遅く、比抵抗が低い部分のめっき成長が速い。ランド部(基板電極)49の上面の電解めっきでは、小孔55で外部に露呈している導電性ペースト57と銅箔によるランド部49とでは、導電性ペースト57の方が比抵抗が高いので、自然と、銅めっき層58には凹部59が形成される。
【0039】
最上層の基板43上に実装されるチップ20のチップ電極21は金バンプ25が設けられ、チップ電極25は金バンプ25を挟んで銅めっき層58の凹部59と対向する。金バンプ25は凹部59に入り込む。
【0040】
これにより、金バンプ25のような溶融のないバンプ接続の場合も、チップ20と基板43とが自動的に位置合わせされるセルフアライメント効果が得られ、使用下でのチップ20と基板43との位置ずれが防止される。
【0041】
はんだバンプの場合には、はんだバンプが加熱により溶融して銅めっき層58の凹部59に倣った形状をもって銅めっき層58に溶融密着し、はんだバンプと基板電極との界面に生じる変局部の変局度合いが従来のものに比して緩和される。これに応じて変局部に応力が集中することが緩和され、チップと基板との接続信頼性が向上する。また、はんだバンプは、バイアホール54に充填された導電性ペースト57とは接触せず、銅めっき層58だけに接触するから、はんだの濡れ性が良好に一様になる。
【0042】
銅めっき層58は電解めっき法以外に、無電解めつき法によって形成することもでき、さらに、スパッタ法による金属層とすることもできる。
【0043】
つぎに、この発明によるプリップチップ実装用のプリント配線基板の製造方法を、図5に示されているプリップチップ実装のフレキシブル多層基板の製造方法を代表例として、図6(a)〜(j)を参照して説明する。
【0044】
図6(a)に示されているように、ポリイミドフィルム46の一方の面に銅箔層61を有する銅箔付きポリイミド基材(CCL)60を出発材料とする。これに、フォトリソグラフィによってエッチング用レジストを形成し、図6(b)に示されているように、銅箔層61の化学エッチングによって回路形成(ランド部47等の形成)と小孔53とを同一工程で形成する。
【0045】
銅箔層61の厚みとして18μmのものを使用し、小孔53は、エッチングテーパで、上部開口径で40μm程度、下部径で25μm程度とした。小孔53の形状を円形としたため、小孔内部ではエッチング液の液周りが外部(外側)に比べて悪く、大きいエッチングテーパが得られる。
【0046】
エッチャントには塩化第二鉄系水溶液を使用した。このエッチャントは、塩化第二銅水溶液やアルカリエッチャント等に代替可能である。エッチャントの種類やエッチング条件によって小孔53の形状が変化するから、露光用マスクでは、その条件に適合した孔径のデザインにしなくしてはならない。
【0047】
つぎに、図6(c)に示されているように、ポリイミドフィルム46の側に、熱可塑性ポリイミドあるいは熱硬化機能を付与した熱可塑性ポリイミドによって接着層50を形成し、さらに、その外側にPET製のマスキングテープ71を貼り合わせる。
【0048】
つぎに、マスキングテープ71の側よりレーザビームを照射し、図6(d)に示されているように、バイアホール52を形成する。レーザには、UV:YAGレーザの第3高調波(波長355nm)を使用した。銅箔への加工が行われないことを考慮すると、バイアホールの加工はエキシマレーザや炭酸ガスレーザでも可能である。
【0049】
つぎに、マスキングテープ71の側より導電ペースト56を印刷法により充填し、その後に、図6(e)に示されているように、マスキングテープ71を剥がす。導電ペースト56には、Ag/エポキシ系の穴埋め用ペーストを使用した。ここで使用する導電ペースト56は、Ag/エポキシ系のもの以外に、Cuペースト、カーボンペースト等のあらゆる導電性ペーストの使用が可能である。
【0050】
マスキングテープ71を剥がすことにより、図6(e)に示されているように接着層50の側に導電性ペースト56による突起56aが形成される。突起56aは、層間接続信頼性の向上に寄与する。
【0051】
これにより、2層目(中間層)の基板42が完成する。また、図6(f)に示されているように、基板42の出発材料と同じ銅箔付きポリイミド基材(CCL)を用い、回路形成を行わずに、化学エッチングによって銅箔層62に小孔55のみを形成すること以外、基板42の製造プロセスと同じプロセスで、3層目(最上層)の基板43を製作し、また、基板42の出発材料と同じ銅箔付きポリイミド基材(CCL)を用い、小孔の形成を行わずに、化学エッチングによって回路形成(ランド部45等の形成)だけを行って1層目(最下層)の基板41を製作する。
【0052】
1層目(最下層)の基板41、2層目(中間層)の基板42、3層目(最上層)の基板43を順に重ね合わせ、位置決めを行い、加熱、加圧することにより、これら基板が接着層50、51によって互いに層間接着され、図6(g)に示されているような3層基板ができる。
【0053】
つぎに、この3層基板の表面銅箔(銅箔層62)を電極として、図6(h)に示されているように、電解めっき法によって銅箔層62上に銅めっき層63を形成する。銅めっき層63の厚さは、窪んでいない通常面部(小孔55以外の部分)で5μmとした。小孔55の底部は導電性ペースト57で、導電性ペースト57は銅箔に比して比抵抗が高く、しかも、小孔55は、上部開口側が大径で、下底部側が小径のすり鉢状のエッチングテーパが付いた孔であるので、電解めっきによってある程度、平滑化されるももの、小孔55の真上に凹部59が形成された。
【0054】
つぎに、この3層基板の表面銅箔(銅箔層62)と銅めっき層63との重合層に、図6(i)に示されているように、化学エッチングによって回路形成を施し、この回路形成によってバイアホール54と整合する位置にランド部(基板電極)49を形成し、3層基板を完成する。
【0055】
この3層基板に、図6(j)に示されているように、金バンプ25が形成されたチップ20を載せ、3層基板を平面方向に揺らしたところ、金バンプ25が凹部59にはまり、金バンプ25が凹部59の直上位置に位置し、良好なセルフアライメントが行われた。
【0056】
なお、本発明の特徴の1つは、基板電極を有し、その基板電極が凹面状の表面部を有するプリント配線基板において、前記凹面状の表面部にバンプが接続され、そのバンプが金からなることである。
【0057】
また、本発明の特徴の1つは、バイアホールに充填された導電性ペーストによって層間導通を得る多層基板用のプリント配線基板において、バイアホールと整合する基板電極を有し、当該基板電極に、電極表面側がバイアホール側より大径のテーパ孔による小孔があけられ、当該基板電極の表面が金属層によって被覆され、当該金属層の小孔対応部分が凹部になっており、前記金属層は電解めっき層であることである。
【0058】
また、本発明の特徴の1つは、基板電極の表面に等方性の化学的エッチングを行い、当該基板電極の表面形状を凹面状とする工程を含むプリント配線基板の製造方法である。
【0059】
また、本発明の特徴の1つは、バイアホールに充填された導電性ペーストによって層間導通を得る多層基板用のプリント配線基板の製造方法において、バイアホールと整合する位置に基板電極を形成する工程と、前記基板電極に等方性の化学的エッチングを行い、電極表面側がバイアホール側より大径のテーパ孔による小孔を基板電極にあける工程と、前記基板電極の表面を金属層によって被覆し、当該金属層の小孔対応部分を凹部とする工程と、を含み、前記金属層を、電解めっき法、無電解めっき法、スパッタ法の何れかにより形成し、基板電極を形成する工程より、先に、基板電極を形成する導電層の表面を金属層によって被覆する工程を先に行い、基板電極を形成する工程は、導電層と金属層との重合層に基板電極を形成する工程であり、基板電極を形成する工程は、化学的エッチングによる回路形成工程であることである。
【0060】
【発明の効果】
以上の説明から理解される如く、この発明によるプリント配線基板によれば、基板電極の表面形状がすり鉢状等の凹面状であることにより、はんだバンプの場合には、はんだバンプが加熱により溶融して基板電極の凹面に倣った形状をもって基板電極に溶融密着し、はんだバンプと基板電極との界面に生じる変局部の変局度合いが従来のものに比して緩和され、これに応じて変局部に応力が集中することが緩和され、チップと基板との接続信頼性が向上する。金バンプの場合には、基板電極の凹面に案内されてセルフアライメント効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明によるプリント配線基板の基本的な実施形態を示す要部の断面図である。
【図2】この発明によるプリント配線基板によるフリップチップ実装例を示す要部の断面図である。
【図3】この発明によるプリント配線基板の他の実施形態およびこの実施形態のプリント配線基板によるフリップチップ実装例を示す要部の断面図である。
【図4】この発明の他の実施形態のプリント配線基板の要部の拡大断面図である。
【図5】この発明によるプリント配線基板の他の実施形態およびこの実施形態のプリント配線基板によるフリップチップ実装例を示す要部の断面図である。
【図6】(a)〜(j)は、この発明によるプリント配線基板の製造工程とフリップチップ実装を示す工程図である。
【図7】フリップチップ実装の従来例を示す断面図である。
【図8】フリップチップ実装の従来例の要部を拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
10 プリント配線基板
11 絶縁基材
12 基板電極
13 凹面
20 電子部品チップ
21 チップ電極
22 はんだバンプ
31、32 基板
33 絶縁基材
34 導電層
35 絶縁基材
36 導電層(基板電極)
37 バイアホール
38 導電性ペースト
39 小孔
41、42、43基板
44、46、48 ポリイミドフィルム
45、47、49 ランド部
50、51 接着層
52、54 バイアホール
53、55 小孔
56、57 導電性ペースト
58 銅めっき層
59 凹部

Claims (7)

  1. 基板電極を有し、その基板電極が凹面状の表面部を有するプリント配線基板。
  2. 基板電極の表面部がすり鉢状の凹面である請求項1に記載のプリント配線基板。
  3. 前記凹面状の表面部の下方に小径のバイアホールの形成された導電性部位を有する請求項1に記載のプリント配線基板。
  4. バイアホールに充填された導電性ペーストによって層間導通を得る多層基板用のプリント配線基板において、
    バイアホールと整合する基板電極を有し、当該基板電極に、電極表面側がバイアホール側より大径のテーパ孔による小孔があけられているプリント配線基板。
  5. バイアホールに充填された導電性ペーストによって層間導通を得る多層基板用のプリント配線基板において、
    バイアホールと整合する基板電極を有し、当該基板電極に、電極表面側がバイアホール側より大径のテーパ孔による小孔があけられ、当該基板電極の表面が金属層によって被覆され、当該金属層の小孔対応部分が凹部になっているプリント配線基板。
  6. 絶縁基材上に前記基板電極を有し、絶縁基材がポリイミドフィルム製である請求項1〜5の何れか1項記載のプリント配線基板。
  7. バイアホールに充填された導電性ペーストによって層間導通を得る多層基板用のプリント配線基板の製造方法において、
    バイアホールと整合する位置に基板電極を形成する工程と、
    前記基板電極に等方性の化学的エッチングを行い、電極表面側がバイアホール側より大径のテーパ孔による小孔を基板電極にあける工程と、
    前記小孔に導電性樹脂を充填する工程と、
    を含むプリント配線基板の製造方法。
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