JP2005324466A - 低熱膨張積層材および低熱膨張積層材を用いた部品 - Google Patents

Abstract

【課題】低熱膨張材料層と導体層とを積層してなる低熱膨張積層材、ならびに低熱膨張積層材を用いてなる部品の提供。
【解決手段】低熱膨張材料層２３と導体層２４とを積層してなる低熱膨張積層材２０において、低熱膨張積層材２０の少なくとも１つの接合面を、接合されるそれぞれの面を活性化処理して当接し、重ね合わせて積層接合して低熱膨張積層材２０を製造する。またこの低熱膨張積層材２０を用いてインターポーザなどのプリント配線用途などに適用される部品などを製造する。
【選択図】図１

Description

本発明は、低熱膨張材料層と導体層とを積層してなる低熱膨張積層材、および低熱膨張積層材を用いてなる部品に関する。

近年、電子機器の発達に伴い電子基板などに搭載される電子部品の搭載密度が高くなり、半導体素子サイズ同程度の大きさを有するパッケージなどの使用や、半導体素子のベアチップ実装など高密度化を図る実装方法が進められてきている。そのような中で半導体素子の熱膨張係数とその実装に関わる材料の熱膨張係数との違いなどから生じる熱応力が問題となってきている。なお特許文献１には、金属板に金属薄膜を形成した後、あるいは金属薄膜を形成するとともに金属箔を積層する方法が開示されており、また特許文献２には、過剰な熱や圧力を加えることなく金属板同士を接合する方法が開示されている。
特開２００２−１２７２９８号公報 特開平１−２２４１８４号公報

本発明は、半導体素子の熱膨張係数と同等または近い材料である低熱膨張材料層と、優れた導電性を有する導体層とを積層してなり、熱膨張係数の差から生じる熱応力を緩和しうるような低熱膨張積層材、および低熱膨張積層材を用いてなる部品を提供することを課題とする。

前記課題に対する第１の解決手段として本発明の低熱膨張積層材は、低熱膨張材料層と導体層とを積層してなる低熱膨張積層材において、低熱膨張積層材の少なくとも１つの接合面が、接合されるそれぞれの面を活性化処理して当接し、重ね合わせて積層接合してなる構成とした。あるいは前記低熱膨張積層材の少なくとも一部に、導体層の両側を低熱膨張材料層で挟んでなる構造、または低熱膨張材料層の両側を導体層で挟んでなる構造を有する構成とした。好ましくは、前記低熱膨張材料層が鉄ーニッケル系合金層またはモリブデン含有層からなり、前記導体層が銅層からなる構成とした。

前記課題に対する第２の解決手段として本発明の部品は、低熱膨張材料層と導体層とを積層してなる低熱膨張積層材を用いてなる構成とした。好ましくは、前記部品がプリント配線板、ＩＣパッケージ、インターポーザ用途のいずれかに適用される構成とした。

本発明においては、以下に説明するように、低熱膨張積層材は低熱膨張材料層と導体層とを積層してなるものであり、本発明の部品は低熱膨張積層材を用いてなるものである。このためプリント配線板（リジットプリント配線板やフレキシブルプリント配線板など）などに好適であり、ＩＣカード、インターポーザ、ＣＳＰ（チップサイズパッケージまたはチップスケールパッケージ）やＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）などのＩＣパッケージなどにも応用が可能である。

以下に、本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の低熱膨張積層材の一実施形態を示す概略断面図であり、低熱膨張材料層２３と導体層２４とを積層した例を示している。図２は、本発明の低熱膨張積層材の他の一実施形態を示す概略断面図であり、導体層２４の両側を低熱膨張材料層２３で挟んだ構造の例を示している。

低熱膨張材料層２３の材質としては、低熱膨張積層材を製造可能な素材で、導体層よりも熱膨張係数の低い材料であれば特にその種類は限定されず、低熱膨張積層材の用途により適宜選択して用いることができる。例えば、常温で固体である金属や、これらの金属のうち少なくとも１種類を含む合金や、これらの金属や合金を少なくとも１層有する積層体などのうち導体層よりも熱膨張係数の低い材料である。熱膨張係数として０．１〜１０^ー６／Kの範囲の材料が望ましい。なお、モリブデン含有層は、金属モリブデンの単体層やモリブデン合金層であってもよい。また低熱膨張積層材の用途が、インターポーザなどの半導体素子搭載用途の部品などであれば、低熱膨張材料層２３としては、鉄ーニッケル系合金などを用いることができる。例えば、Ｆｅ−３６Ｎｉ（Ｎｉを３６重量％含有、Ｆｅが残部）、Ｆｅ−３２Ｎｉ−５Ｃｏ（Ｎｉを３２重量％含有、Ｃｏを５重量％含有、Ｆｅが残部）、Ｆｅ−２９Ｎｉ−１７Ｃｏ（Ｎｉを２９重量％含有、Ｃｏを１７重量％含有、Ｆｅが残部）、Ｆｅ−４２Ｎｉ（Ｎｉを４２重量％含有、Ｆｅが残部）などやこれらに微量の他元素などを添加したものなどである。特にベアチップ実装などでは半導体素子の熱膨張係数に近い材料が好ましい。

低熱膨張材料層２３の厚みは、低熱膨張積層材を製造可能であれば特に限定はされず、低熱膨張積層材の用途により適宜選定して用いることができる。例えば、５〜１０００μｍであることが好ましい。５μｍ未満では充分な機械的強度を保持することが難しくなり、１０００μｍを超えると低熱膨張積層材としての製造が難しくなる。より好ましくは、１０〜５０μｍである。なお低熱膨張材料層２３は、圧延箔などの板材であってもよいし、クラッド材などの積層体でもよいし、積層体に拡散処理などを施したものであってもよい。

導体層２４の材質としては、低熱膨張積層材を製造可能な素材で、導電性の優れた材質であれば特にその種類は限定されず、低熱膨張積層材の用途により適宜選択して用いることができる。例えば、常温で固体である金属や、これらの金属のうち少なくとも１種類を含む合金や、これらの金属や合金を少なくとも１層有する積層体などの材質である。比抵抗が、１〜２０μΩ・ｃｍの範囲である材料が望ましい。低熱膨張積層材の用途が、プリント配線板用途部品などであれば、導体層２４としては、導電性に優れた金属であるＣｕ、Ａｌなどや、これらの金属のうち少なくとも１種類を含む導電性の優れた合金などを適用することができる。Ｃｕ系合金としては、ＪＩＳに規定の無酸素銅、タフピッチ銅、リン青銅、黄銅や、銅ーベリリウム系合金（例えば、ベリリウム２重量％含有、残部が銅の合金など）、銅ー銀系合金（例えば、銀３〜５重量％含有、残部が銅の合金など）など、Ａｌ系合金としては、ＪＩＳＨ４０００に規定のアルミニウムあるいはアルミニウム合金を適用することができる。導体層としての銅層にはＣｕやＣｕ系合金を用いることができる。

導体層２４の厚みは、低熱膨張積層材を製造可能であれば特に限定はされず、低熱膨張積層材の用途により適宜選定して用いることができる。導体層２４は、例えば１〜１００μｍであることが好ましい。１μｍ未満では板材としての製造が難しくなり、１０００μｍを超えると重くなりすぎる。より好ましくは、５〜５０μｍである。なお導体層２４は、電解箔や圧延箔などの板材であってもよいし、板材にめっきや蒸着などによる膜材を予め積層したものであってもよいし、クラッド材などの積層体でもよいし、積層体に拡散処理などを施したものであってもよい。

低熱膨張材料層や導体層の材質や厚みは、低熱膨張積層材の用途により適宜組合せ選定して用いることができる。低熱膨張積層材は導体層の熱膨張変化を低熱膨張材料層で抑え込むためには、導体層の変形応力に抗するだけの機械的強度を低熱膨張材料層の材質や厚みなどによって持たせることが可能である。このためには組合せにおいて、導体層の片面にのみ低熱膨張材料層を有する構造よりも、導体層の両面に低熱膨張材料層を有する構造の方がより目的を達成しやすくなる場合もある。低熱膨張材料層の材質は導体層の材質に比して抵抗率が高くなるため、導体層の両面に低熱膨張材料層を有する構造の場合、一般配線部は熱膨張を抑えるため導体層上に低熱膨張材料層を有したままとして使用し、接続部では導体層上の低熱膨張材料層をエッチングなどにより除去して、導体層を露出させて接合しやすくしたり、接続部における接合時の抵抗を低く抑えることも可能である。また接続部での低熱膨張材料層の厚みを薄くすることや、接続部の接合面積を大きくすることで接続部での接合時の抵抗を低く抑えることも可能である。

図１に示す低熱膨張積層材２０の活性化接合法を用いた製造方法について説明する。図３に示すように、真空槽５２内において、巻き戻しリール６２に設置された低熱膨張材料層２３の接合予定面側を、活性化処理装置７０で活性化処理する。同様にして巻き戻しリール６４に設置された導体層２４の接合予定面側を、活性化処理装置８０で活性化処理する。

活性化処理は、以下のようにして実施する。すなわち、真空槽５２内に装填された低熱膨張材料層２３および導体層２４をそれぞれアース接地された一方の電極Ａと接触させ、絶縁支持された他の電極Ｂとの間に、１０〜１×１０^−３Ｐａの極低圧不活性ガス雰囲気中で、１〜５０ＭＨｚの交流を印加してグロー放電を行わせ、グロー放電によって生じたプラズマ中に露出される電極Ａと接触した低熱膨張材料層２３、および導体層２４のそれぞれの接合予定面側の面積が、実効的に電極Ｂの面積の１／３以下となるようにスパッタエッチング処理する。不活性ガスとしては、アルゴン、ネオン、キセノン、クリプトンなどやこれらを含む混合体を適用することができる。好ましくはアルゴンである。なお不活性ガス圧力が１×１０^−３Ｐａ未満では安定したグロー放電が行いにくく高速エッチングが困難であり、１０Ｐａを超えると活性化処理効率が低下する。印加する交流は、１ＭＨｚ未満では安定したグロー放電を維持するのが難しく連続エッチングが困難であり、５０ＭＨｚを超えると発振し易く電力の供給系が複雑となり好ましくない。また、効率よくエッチングするためには電極Ａと接触した低熱膨張材料層２３および導体層２４のそれぞれの面積を実効的に電極Ｂの面積より小さくする必要があり、実効的１／３以下とすることにより充分な効率でエッチング可能となる。

その後、活性化処理された低熱膨張材料層２３と導体層２４を積層接合する。積層接合は、低熱膨張材料層２３、導体層２４の接合予定面側が対向するようにして両者を当接して重ね合わせ圧接ユニット６０で冷間圧接を施すことによって達成される。この際の積層接合は低温度で可能であり、低熱膨張材料層２３、導体層２４ならびに接合部に組織変化や合金層の形成などといった悪影響を軽減または排除することが可能である。Ｔを低熱膨張材料層２３、導体層２４の温度（℃）とするとき、０℃＜Ｔ＜３００℃で良好な圧接状態が得られる。０℃以下では特別な冷却装置が必要となり、３００℃以上では組織変化などの悪影響が生じてくるため好ましくない。また圧延率Ｒ（％）は、０．０１％≦Ｒ≦３０％であることが好ましい。０．０１％未満では充分な接合強度が得られず、３０％を超えると変形が大きくなり加工上好ましくない。より好ましくは、０．１％≦Ｒ≦３％である。さらに好ましくは、１％＜Ｒ≦３％である。

このように積層接合することにより、所要の層厚みを有する２層構造の低熱膨張積層材２０を形成することができ、巻き取りロール６６に巻き取られる。さらに必要により所定の大きさに切り出して、図１に示すような低熱膨張積層材２０を製造することができる。またこのようにして製造された低熱膨張積層材２０に、必要により残留応力の除去または低減などのために問題が生じない範囲で熱処理を施してもよいし、さらに半田めっきなどの膜材などを積層してもよい。また上記活性化処理工程と積層接合工程の間にスッパタリング工程を入れて、低熱膨張材料層、導体層の一方または双方にそれらと同種または異種のスパッタリング層を形成してもよい。

図２に示す３層の低熱膨張積層材２２は、上記説明において導体層２４の代わりに低熱膨張積層材２０を用いることにより製造することができる。３層の低熱膨張積層材はこの他にも導体層２４−低熱膨張材料層２３−導体層２４の構成も可能である。また４層以上のより多層の低熱膨張積層材は、上記説明において低熱膨張材料層２３および／または導体層２４の一方または双方を低熱膨張積層材とすることにより製造することができる。

低熱膨張積層材の製造にはバッチ処理を用いることができる。すなわち真空槽内に予め所定の大きさに切り出された低熱膨張材料層、導体層を複数装填して活性化処理装置に搬送して垂直または水平など適切な位置に処理すべき面を対向または並置した状態などで設置または把持して固定して活性化処理を行い、さらに低熱膨張材料層、導体層を保持する装置が圧接装置を兼ねる場合には活性化処理後に設置または把持したまま圧接し、低熱膨張材料層、導体層を保持する装置が圧接装置を兼ねない場合にはプレス装置などの圧接装置に搬送して圧接を行うことにより達成される。なお活性化処理は、低熱膨張材料層、導体層を絶縁支持された一方の電極Ａとし、アース接地された他の電極Ｂとの間で行うことが好ましい。

本発明の部品は、低熱膨張材料層と導体層とを積層してなる低熱膨張積層材を用いてなるものであり、低熱膨張積層材にエッチング加工やプレス加工などの加工を施したもの、低熱膨張積層材の一部を除去したもの、さらにこれらに樹脂などで被覆あるいは固定したものや、低熱膨張積層材を接着剤などを用いて高分子材料や金属、合金材料などからなる基材や基板に積層したものなどである。また積層手段としては、前記の活性化接合方法を用いることも可能である。すなわち低熱膨張積層材と基材をそれぞれ活性化処理し、必要によりスパッタリング層を形成して、積層接合を施すことにより達成することができる。

高分子材料としては、例えば、プラスチックなどの有機高分子物質やプラスチックに粉末や繊維などを混ぜた混合体を適用することができ、フレキシブルプリント基板などに適用する場合には、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリエチレンテレフタレートなどのポリエステル、ナイロンなどの芳香族ポリアミドなどや液晶ポリマーなどを用いることができる。プラスチックとしては、例えば、アクリル樹脂、アミノ樹脂（メラミン樹脂、ユリア樹脂、ベンゾグアナミン樹脂など）、アリル樹脂、アルキド樹脂、ウレタン樹脂、液晶ポリマー、ＥＥＡ樹脂（Ethylene Ethylacrylate樹脂）、ＡＡＳ樹脂（Acrylonitrile Acrylate Styrene樹脂）、ＡＢＳ樹脂（Acrylonitrile Butadiene Styrene樹脂）、ＡＣＳ樹脂（Acrylnitrile Chlorinated polyethylene Styrene樹脂）、ＡＳ樹脂（Acrylonitrile Styrene樹脂）、アイオノマー樹脂、エチレンポリテトラフルオロエチレン共重合体、エポキシ樹脂、珪素樹脂、スチレンブタジエン樹脂、フェノール樹脂、弗化エチレンプロピレン、弗素樹脂、ポリアセタール、ポリアリレート、ポリアミド（６ナイロン、１１ナイロン、１２ナイロン、６６ナイロン、６１０ナイロン、６１２ナイロンなど）、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルサルホン、ポリエステル（ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリシクロヘキンジメルテレフタレート、ポリトリメチレンテレフタレート、ポリトリメチレンナフタレートなど）、ポリオレフィン（ポリエチレン、ポリプロピレンなど）、ポリカーボネート、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリサルホン、ポリスチレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリブタジエン、ポリブテン、ポリメチルペンテンなどを用いてもよい。また高分子材料の厚みは、用途により適宜選定することができる。例えば、１〜１０００μｍである。１μｍ未満の場合には高分子材料の板材としての製造が難しくなり、１０００μｍを超えると重くなりすぎる。例えば高分子材料の用途がフレキシブルプリント基板などであれば、３〜３００μｍの範囲のものが好ましい。３μｍ未満の場合には機械的強度が乏しく、３００μｍを超えると可撓性が乏しくなる。好ましくは、１０〜１５０μｍである。より好ましくは、２０〜７５μｍである。

本発明の低熱膨張積層材や部品では、接合部に合金層などの用途上好ましくない層を形成させることが抑止できるため、曲げ加工やプレス加工などの機械加工性や、エッチング加工におけるエッチング性の低下問題などを防ぐことができる。このため本発明の低熱膨張積層材や部品は、インターポーザなどのプリント配線用途部品などにも有用である。

以下に、実施例を図面に基づいて説明する。低熱膨張材料層２３として厚み１０μｍの鉄ーニッケル合金（Ｆｅ−４２重量％Ｎｉ）箔を用い、導体層２４として厚み１０μｍの無酸素銅箔を用いて、低熱膨張積層材製造装置５０にセットし、真空槽５２内の活性化処理ユニット７０および８０でスパッタエッチング法によりそれぞれ活性化処理し、圧延ユニット６０で圧接して積層接合して低熱膨張積層材２０を製造した。次に活性化接合により液晶ポリマーフィルムに低熱膨張積層材２０を固定して、低熱膨張積層材２０の鉄ーニッケル合金箔と液晶ポリマーを接合してプリント配線材料となる部品を製造した。さらに低熱膨張積層材２０の無酸素銅箔側からエッチング加工を施して配線パターンを形成してプリント配線板を製造した。

本発明の低熱膨張積層材の一実施形態を示す概略断面図である。 本発明の低熱膨張積層材の他の一実施形態を示す概略断面図である。 本発明の低熱膨張積層材の製造に用いる装置の一実施形態を示す概略断面図である。

符号の説明

２０ 低熱膨張積層材
２２ 低熱膨張積層材
２３ 低熱膨張材料層
２４ 導体層
５０ 低熱膨張積層材製造装置
５２ 真空槽
５４ 真空ポンプ
６０ 圧接ユニット
６２ 巻き戻しリール
６４ 巻き戻しリール
６６ 巻き取りロール
７０ 活性化処理装置
７２ 電極ロール
７４ 電極
８０ 活性化処理装置
８２ 電極ロール
８４ 電極
Ａ 電極Ａ
Ｂ 電極Ｂ

Claims (5)

1. 低熱膨張材料層と導体層とを積層してなる低熱膨張積層材において、低熱膨張積層材の少なくとも１つの接合面が、接合されるそれぞれの面を活性化処理して当接し、重ね合わせて積層接合してなることを特徴とする低熱膨張積層材。
2. 前記低熱膨張積層材の少なくとも一部に、導体層の両側を低熱膨張材料層で挟んでなる構造、または低熱膨張材料層の両側を導体層で挟んでなる構造を有することを特徴とする請求項１に記載の低熱膨張積層材。
3. 前記低熱膨張材料層が鉄ーニッケル系合金層またはモリブデン含有層からなり、前記導体層が銅層からなることを特徴とする請求項１または２に記載の低熱膨張積層材。
4. 低熱膨張材料層と導体層とを積層してなる低熱膨張積層材を用いてなることを特徴とする部品。
5. 前記部品が、プリント配線板、ＩＣパッケージ、インターポーザ用途のいずれかに適用されることを特徴とする請求項４に記載の部品。
   

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