JP2005347359A - 回路装置 - Google Patents

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Ryosuke Usui
良輔 臼井
Yasuhiro Obara
泰浩 小原
Yoshihisa Takakusaki
宣久 高草木
Takeshi Nakamura
岳史 中村
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Abstract


【課題】 放熱性を向上させた回路装置を提供する。
【解決手段】 本発明の混成集積回路装置10では、第1の配線層18Aに第1のダミーパターンD1を設けている。更に、第2の配線層18Bに第2のダミーパターンD2を設けている。そして、第1のダミーパターンD1と第2のダミーパターンD2とを、絶縁層17を貫通する接続部25により接続している。従って、ダミーパターンを介した放熱を積極的に行うことができる。従って、多層配線を構成した場合でも、放熱性を確保した回路装置を提供することができる。
【選択図】図1

Description

本発明は回路装置に関し、特に、絶縁層を介して積層された複数の配線層を有する回路装置に関するものである。
図17を参照して、従来の混成集積回路装置100の構成を説明する(例えば、特許文献1を参照)。図17(A)は混成集積回路装置100の斜視図であり、図17(B)は図17(A)のX−X’線に於ける断面図である。
従来の混成集積回路装置100は、矩形の基板106と、基板106の表面に設けられた絶縁層107とを有し、この絶縁層107上には、配線層108がパターニングされている。更に、配線層108には回路素子104が固着されており、回路素子104と配線層108とは、金属線105により電気的に接続されている。配線層108と電気的に接続されたリード101は、外部に導出されている。また、混成集積回路装置100は全体が封止樹脂102で封止されている。封止樹脂102で封止する方法としては、熱可塑性樹脂を用いたインジェクションモールドと、熱硬化性樹脂を用いたトランスファーモールドとがある。
特開平6−177295号公報
しかしながら、上述した混成集積回路装置100では、放熱性の向上のために金属から成る回路基板106を採用しているが、回路基板106の表面に形成された絶縁層107の熱抵抗が大きいことから、内部で発生した熱を効率的に外部に放出することが困難であった。絶縁層107の放熱性を向上させる手法として、絶縁層107に無機フィラーを混入させる方法がある。しかしながら、銅等の金属と比較すると、無機フィラーが混入された絶縁層107の放熱性は不足する問題があった。
本発明は、上記した問題を鑑みて成されたものである。本発明の主な目的は、ダミーパターンを形成することで放熱性を向上させた回路装置を提供することにある。
本発明の回路装置は、絶縁層を介して多層に積層された複数の配線層を有する回路装置に於いて、前記配線層は、内蔵される回路素子と電気的に接続されて電気回路の一部を構成する導電パターンと、前記電気回路とは電気的に独立するダミーパターンとから成ることを特徴とする。
更に本発明の回路装置は、絶縁層を介して多層に積層された複数の配線層を有する回路装置に於いて、前記配線層は、内蔵される回路素子と電気的に接続されて電気信号が通過する導電パターンと、前記電気信号が通過しないダミーパターンとから成ることを特徴とする。
更に本発明の回路装置では、前記配線層の各々に前記ダミーパターンを設けることを特徴とする。
更に本発明の回路装置では、前記導電パターンが形成されない領域の殆どの領域に、前記ダミーパターンを設けることを特徴とする。
更に本発明の回路装置では、矩形の形状の等しい大きさの前記ダミーパターンが、等間隔に配列されることを特徴とする。
更に本発明の回路装置では、前記各配線層に設けられた前記ダミーパターン同士は、前記絶縁層を貫通する接続部により熱的に結合されることを特徴とする。
更に本発明の回路装置では、前記接続部は、前記絶縁層の下層に位置する前記配線層から上方に凸状に延在する第1の接続部と、絶縁層の上層に位置する配線層から下方に凸状に延在する第2の接続部とから成り、前記第1の接続部と前記第2の接続部とは、前記絶縁層の厚み方向の中間部にて接触することを特徴とする。
更に本発明の回路装置では、前記第1の接続部は一枚の銅箔をエッチング加工することにより形成され、前記第2の接続部はメッキ膜から成ることを特徴とする。
更に本発明の回路装置では、表面が絶縁処理された回路基板の表面に前記第1の配線層および前記第2の配線層を形成することを特徴とする。
本発明の回路装置によれば、電気信号が通過しないダミーパターンを設けることにより、ダミーパターンを介して熱の伝導を行い、内部で発生する熱を好適に外部に放出させることが可能となる。更に、多層配線の各層に設けたダミーパターンを、接続部により接続することで、更なる放熱性の向上を実現することができる。
<第1の実施の形態>
本形態では、回路装置の一例として図1等に示すような混成集積回路装置を例に説明を行う。しかしながら下記する本形態は、他の種類の回路装置にも適用可能である。
図1を参照して、本発明の混成集積回路装置10の構成を説明する。図1(A)は混成集積回路装置10の斜視図であり、図1(B)は図1(A)のX−X’断面での断面図である。
混成集積回路装置10では、図1(A)および図1(B)を参照して、支持基板として機能する回路基板16の表面に配線層18および回路素子14から成る電気回路が形成されている。更に、回路基板16の表面に形成されて電気回路は、封止樹脂12により封止されている。回路基板16の周辺部にて、リード11が最上層の配線層18に固着されており、リード11の端部は封止樹脂12から外部に導出している。本形態では、配線層18は多層配線構造を有し、ここでは、第1の配線層18Aおよび第2の配線層18Bから成る2層の配線構造が実現されている。各々の配線層18は、絶縁層を介して積層されている。また、第1の配線層には第1のダミーパターンD1が形成され、第2の配線層には第2のダミーパターンD2が形成されている。ここで、第1のダミーパターンD1および第2のダミーパターンD2とは、接続部25を介して熱的に結合されている。そして、半導体素子14Aは、複数の第2のダミーパターンD2にまたがって搭載されている。このような概略の構成を有する混成集積回路装置10の詳細を以下にて説明する。
回路基板16は、金属またはセラミック等から成る基板が放熱の意味で好ましい。また回路基板16の材料としては、金属としてAl、CuまたはFe等を採用可能であり、セラミックとしてはAl2O3、AlNを採用することができる。その他にも機械的強度や放熱性に優れるものを回路基板16の材料として採用することが出来る。
また本願のポイントであるコンタクト構造を実現するだけであれば、フレキシブル基板、プリント基板、ガラスエポキシ基板等が採用可能である。
本形態では、アルミニウムから成る回路基板16の表面に絶縁層17を形成して、絶縁層17の表面に配線層18を形成している。また、本形態では、回路基板16の材料として銅を主体とする金属を採用することもできる。銅は熱伝導性に優れた材料であることから装置全体の放熱性を向上させることが出来る。またAlの場合、機械的強度を考え、少なくとも表の面に酸化アルミニウムが形成されても良い。
第1の絶縁層17Aは、回路基板16の実質全域を覆うようにその表面に形成されている。第1の絶縁層17Aとしては、フィラーが充填された樹脂を採用することができる。ここで、フィラーとしては、例えば、アルミニウム化合物、カルシウム化合物、カリウム化合物、マグネシウム化合物、または、ケイ素化合物を採用することができる。更に、第1の絶縁層17Aには、装置全体の放熱性を向上させるために、他の絶縁層よりも多量のフィラーが含有されており、その重量充填率は、例えば60%〜80%程度である。更にまた、径が50μm以上の大きな径のフィラーを第1の絶縁層17Aに混入させることでも、放熱性を向上させることができる。第1の絶縁層17Aの厚みは、要求される耐圧によりその厚みが変化するが、おおよそ50μmから数百μm程度が好ましい。
第1の配線層18Aは銅等の金属から成り、第1の絶縁層17Aの表面にパターニングされている。この第1の配線層18Aは、上層の第2の配線層18Bと電気的に接続され、主にパターンを引き回す機能を有する。
第2の絶縁層17Bは、第1の配線層18Aを被覆するように回路基板16の表面に形成されている。そして、第2の絶縁層17Bには、第1の配線層18Aと第2の配線層18Bとを電気的に接続する接続部25が貫通して形成される。従って、第2の絶縁層17Bは、接続部25の形成を容易にするために、第1の絶縁層17Aと比較すると少量のフィラーが混入されても良い。これはフィラーの含有率が小さいことを意味している。更に、同様の理由により、第2の絶縁層17Bに含まれるフィラーの平均粒径は、第1の絶縁層17Aに含まれるフィラーの平均粒径よりも小さくなっても良い。
第2の配線層18Bは、第2の絶縁層17Bの表面に形成されている。第2の配線層18Bは、回路素子14が載置されるランド、回路素子上の電極と接続されるパッド、このパッドを電気的に接続する配線部、リード11が固着されるパッド等を形成している。更に、第2の配線層18Bと第1の配線層18Aとは、平面的に交差するように形成することができる。従って、半導体素子14Aが多数個の電極を有する場合でも、本願の多層配線構造により、クロスオーバーが可能となりパターンの引き回しを自由に行うことができる。この第2の配線層18Bと上記した第1の配線層18Aとは、接続部25を介して所望の箇所で接続されている。当然、半導体素子の電極の数、素子の実装密度等により、3層、4層、5層以上に増やすことも可能である。
接続部25は、第2の絶縁層17Bを貫通して、第1の配線層18Aと第2の配線層18Bとを電気的に接続している部位である。本形態では、接続部25は、第1の配線層18Aから連続して延在する第1の接続部25Aと、第2の配線層18Bから連続して延在する第2の接続部25Bとから成る。
回路素子14は第2の配線層18B上に固着され、回路素子14と配線層18とで所定の電気回路が構成されている。回路素子14としては、トランジスタ、ダイオード、ICまたはシステムLSI等の能動素子や、コンデンサや抵抗等の受動素子が採用される。また、パワー系の半導体素子等の発熱量が大きいものは、金属より成るヒートシンクを介して回路基板16に固着されても良い。ここで、フェイスアップ型なので金属細線15を介して、第2の配線層18Bと電気的に接続されているが、フェイスダウンで実装されてもよい。
半導体素子14Aは、数十個から数百個のパッドをその表面に有する半導体素子である。また、いわゆるシステムLSIを半導体素子14Aとして採用することもできる。ここで、システムLSIとは、アナログ演算回路、デジタル演算回路または記憶部等を有し、システム機能を一つのLSIで実現する大規模な素子である。従って、従来のLSIと比較すると、システムLSIは多量の発熱を伴って動作する。
更に、LSIチップは、Siチップ裏面がGNDまたはフローティングにより、接着剤が区別される。チップの裏面がGNDの場合は、回路素子14の裏面はロウ材または導電ペースト等で固着される。チップの電極とボンディングパットとの接続は、フェイスアップまたはダウンにより、金属細線、ロウ材またはバンプ電極等が採用される。更に、半導体素子14Aとしては、大きな電流を制御するパワー系のトランジスタ、例えばパワーモス、GTBT、IGBT、サイリスタ等を採用することができる。またパワー系のICも該当する。近年、チップサイズが小さく薄型で高機能なため、図1等の様に、装置全体、またはモジュール全体で見ると、発生する熱量は、年々増大している。例えば、コンピューターを制御するCPU等がその一例である。内蔵される素子数は、大幅に増えているが、Siチップ自体は、より薄く、より小型になっている。よって単位面積あたりの熱の発生量は、年々増加している。しかもこれらのICやトランジスタが、数多く実装されるので、装置全体としても発生する熱は、比較にならないほど増大している。
リード11は、回路基板16の周辺部にて第2の配線層18Bに固着され、例えば外部との入力・出力を行う働きを有する。ここでは、一辺に多数個のリード11が設けられているが、対向する2辺、4辺に配置されてもよい。リード11とパターンとの接着は、半田等であるロウ材19を介して行われている。
封止樹脂12は、熱硬化性樹脂を用いるトランスファーモールド、または、熱可塑性樹脂を用いるインジェクションモールドにより形成される。ここでは、回路基板16およびその表面に形成された電気回路を封止するように封止樹脂12が形成され、回路基板16の裏面は封止樹脂12から露出している。更にまた、モールド以外の封止方法は、例えば、ポッティングによる封止、ケース材による封止、等の周知の封止方法を適用させることが可能である。図1(B)を参照して、回路基板16表面に載置された回路素子14から発生する熱を好適に外部に逃がすために、回路基板16の裏面は封止樹脂12から外部に露出している。また装置全体の耐湿性を向上させるために、回路基板16の裏面も含めて封止樹脂12により全体を封止することもできる。
本形態では各配線層にダミーパターンを形成し、ダミーパターン上に半導体素子14Aを固着することにより、放熱性の向上を実現している。また、各配線層に形成されたダミーパターンを接続部25を介して接続することにより、放熱性の更なる向上を実現した。更に、ダミーパターンを電気回路から独立させることにより、半導体素子14Aを電気的ノイズから保護することを可能にした。以下にて、本形態のダミーパターンに関して詳述する。
本形態の各配線層18は、内蔵される回路素子と電気的に接続されて電気信号が通過する導電パターンと、電気信号が通過しないダミーパターンとから成る。ここでダミーパターンは2つの形態が考えられる。第1のダミーパターンの形態は、導電パターンと導通しないように物理的に分離して形成されるパターンである。もう一つのダミーパターンは、電気信号が通過する導電パターンと導通しているものの、電気信号が通過しないパターンである。電気信号が通過する導電パターンは、その両端が、回路素子14あるいはリード11等に接続されている。それに対して、ここでのダミーパターンは、一方の端部が導電パターンに連続しているものの、他方の端部は他の回路素子等と接続されずに終端している。
第1のダミーパターンD1は、第1の配線層18Aの一部分から成るパターンである。ここでは、LSI素子である半導体素子14Aの下方に、複数個の第1のダミーパターンD1が形成されている。ここでは、同程度の大きさの第1のダミーパターンD1が、等間隔で形成されている。具体的には、例えば300μm四方程度の大きさの、正方形の第1のダミーパターンD1が、100μm程度に離間されて配置されても良い。即ち、ここでは、半導体素子14Aの下方の領域では、回路素子14と電気的に接続されて電気回路を構成するパターンが形成されない部分がある。そして、その部分に第1のダミーパターンD1が形成されている。このことにより、ダミーパターンD1を介して、半導体素子14Aから発生する熱を効率的に回路基板16に伝導させることが可能となる。
第2のダミーパターンD2は、第2の配線層18Bの一部から成るパターンであり、その詳細は、上述した第1のダミーパターンD1と同様である。第1のダミーパターンD1と第2のダミーパターンD2とは、第2の絶縁層17Bを貫通して形成された接続部25を介して接続されている。この接続部25は、下層の第1のダミーパターンD1から上方に突出する第1の接続部25Aと、上層の第2の絶縁層17Bから下方に突出する第2の絶縁層17Bからなる。そして、第1の接続部25Aと第2の接続部25Bとは、第2の絶縁層17Bの厚み部分の中間部にてコンタクトしている。このことにより、熱応力に対する接続部25の信頼性を向上させることが可能となる。
半導体素子14Aの裏面が、外部と電気的に接続されずにフローティングである場合は、第1のダミーパターンD1および第2のダミーパターンD2は、接地電位と接続されることが好ましい。これは、両ダミーパターンを電気的に独立にした場合を考えると、使用状況下にて両ダミーパターンの電位が変化してしまい、半導体素子14Aの誤動作を招く危険性があるからである。
また、紙面上では、半導体素子14Aの下方に第1のダミーパターンD1および第2のダミーパターンD2が位置しているが、半導体素子14Aの一部分の下方にこれらのダミーパターンを形成することが可能である。半導体素子14Aの表面に於いては、局所的に大きな熱が発生する箇所(ホットスポット)が有る。具体的には、外部からクロックが入力される部分から多量の熱が発生する場合が多い。従って、このようなホットスポットの下方に対応する領域に本形態のダミーパターンを配置することにより、放熱性を向上させることができる。更には、半導体素子14Aの下方に対応する領域以外の領域にダミーパターンを形成することも可能である。
各配線層18に於いて、本形態のダミーパターンは、電気回路を構成する導電パターンが設けられない箇所を埋めるように形成することが好適である。このことにより、各配線層18の実質全域に、熱伝導性に優れる金属から成るパターンを配置できるので、装置全体の放熱性を格段に向上させることができる。更には、発熱を伴って動作する回路素子14が配置される領域にダミーパターンを配置した後に、電気信号が通過する導電パターンを残余の領域に配置することも可能である。このことにより、放熱性が最大限に考慮されたパターンのレイアウトを実現させることができる。
図1(C)を参照して、ここでは各配線層18に形成されたダミーパターンは、接続部25により接続されていない。このような構成のダミーパターンの配置であっても、装置全体の放熱性を確実に向上させることができる。
図2(A)および図2(B)を参照して、各配線層18同士を接続する接続部25の詳細を説明する。
図2(A)を参照して、ここでは、第1の配線層18Aには、連続して上方に突出する第1の接続部25Aが設けられている。更に、第2の配線層18Bには、連続して下方に突出する第2の接続部25Bが形成されている。そして第1の接続部25Aと第2の接続部25Bとが、第2の絶縁層17Bの厚み方向の中間部にてコンタクトすることで、接続部25が形成されている。このように、第2の絶縁層17Bの中間部にて両者をコンタクトさせることにより、接続強度を向上させることが可能となる。特に、本形態のダミーパターンには大量の熱が通過するが、このような場合でも、熱応力に対する接続部25の接続信頼性を確保することができる。
図2(B)を参照して、ここでは、第2の配線層18Bから連続して下方に延在する接続部25が形成されている。この図に示すような構成の接続部25でも、各配線層18に形成されたダミーパターンを熱的に結合させることが可能となる。
図2(C)の斜視図を参照して、回路基板16の表面に形成される第2の配線層18Bの具体的形状の一例を説明する。同図では、全体を封止する樹脂を省いて図示している。
同図を参照して、第2の配線層18Bは、回路素子14が実装されるボンディングパッドの部分と、リード11が固着されるパッド26等を構成している。また、半導体素子14Aの周辺部には、金属細線15がワイヤボンディングされるパッドが多数個形成される。多数個のボンディングパッドを有する半導体素子14Aが載置された場合、第2の配線層18Bのみによる単層のパターンでは、配線密度に限界があるために十分な引き回しができない恐れがある。本形態では、回路基板16の表面に多層の配線構造を構築することにより、複雑なパターンの引き回しを実現している。
図3を参照して、他の形態の回路装置の構成を説明する。
先ず、図3(A)を参照して、ここでは、第1のダミーパターンD1が接続部25を介して回路基板16と熱的に接続されている。従って、半導体素子14Aから発生する熱を、回路基板16へ迅速に伝導することが可能となり、放熱性の向上が可能となる。ここでは、各配線層18に設けられたダミーパターンを、接続部25を介して厚み方向に接続している。更に、最下層の第1のダミーパターンD1は、接続部25を介して回路基板16と接続している。このことから、多層の配線構造が形成された場合でも、各層に形成されたダミーパターンを介して、回路基板16に熱を良好に伝導できる利点がる。
図3(B)を参照して、ここでは、配線が4層に成っており、各配線層に複数個に分割されたダミーパターン群が設けられている。第1の配線層には、第1のダミーパターンD1が形成されている。また、第2の配線層には、第2のダミーパターンD2が形成されている。更に、第3の配線層には、第3のダミーパターンD3が形成されている。更に、第4の配線層には、第4のダミーパターンD4が形成されている。そして、各配線層に形成されたダミーパターンは接続部25によって電気的に接続されているが、電気回路とは電気的に独立している。
ここで、各配線層に形成されたダミーミーパターンを半導体素子14Aが搭載される領域の直下に配置することにより、熱の伝導距離を短くすることができ、放熱性が向上する。
図3(C)を参照して、ここでは、パッド数が多い半導体素子14Aが載置される領域の回路基板16の表面に多層の配線構造を形成し、回路素子14Bが固着される領域の回路基板16の表面には単層の配線構造が形成されている。
また、多層に形成される部分の第2の導電パターン18Bと、単層に形成される部分の第1の導電パターン18Aとは、金属細線15を介して電気的に接続される。
回路素子14Bは、例えばパワー系の半導体素子であり多量の発熱を伴うスイッチング素子である。第1の導電パターン18Aから成る単層の配線構造が形成された部分の回路基板16は、他の領域と比較すると放熱効果が大きい。従って、回路素子14Bのように発熱量が大きいディスクリートのトランジスタは、単層の配線を構成する第1の導電パターン18Aに直に固着するのが好適である。
ここで、半導体素子14Aは、多量の発熱を伴って動作する素子である。従って、半導体素子14Aを第2のダミーパターンD2上に固着することにより、放熱性が向上する。具体的な放熱経路としては、第2のダミーパターンD2→第1のダミーパターンD1→第2の絶縁層17B→回路基板16→外部となる。本形態では、第2のダミーパターンD2の直下に第1のダミーパターンD1を形成している。従って、発生した熱を最短距離で、外部へ放出させることができ、放熱性が向上する。更に、本形態では、第1のダミーパターンD1と第2のダミーパターンD2とは熱的に接続している。従って、半導体素子14Aから発生した熱を迅速に外部へ放出することが可能となる。更に、第1のダミーパターンD1および第2のダミーパターンD2は、電気回路から電気的に独立している。従って、半導体素子14Aに電気的ノイズによる影響を与えないので、信頼性の高い回路装置が実現できる。更に、第1のダミーパターンD1に外部電極を形成し、実装基板と接続することにより、更なる放熱性の向上が可能となる。
次に、回路装置の一例として混成集積回路装置を例に製造方法の説明を行う。しかしながら、下記する本形態の製造方法は、他の種類の回路装置の製造方法にも適用可能である。
先ず、図4(A)を参照して、回路基板16の表面に第1の絶縁層17Aを塗布して、第1の導電膜28Aを積層させる。回路基板16としては、厚みが1.5mm程度の金属板を採用することができる。更に、第1の導電膜28Aとしては、銅を主材料とするもの、Fe−NiまたはAlを主材料とする材料を採用することができる。第1の導電膜28Aの厚みとしては、形成予定の配線層18Aの厚みと、第1の接続部25Aの高さとを加算した厚さ以上が必要である。具体的には、第1の導電膜28Aの厚みは、例えば20μmから150μm程度の範囲である。レジスト29は、第1の接続部25Aが形成予定の領域の第1の導電膜28Aの表面を被覆している。レジスト29による被覆を行った状態で、エッチングを行う。また、第1の絶縁層17Aとしてはエポキシ樹脂等の絶縁性樹脂に無機フィラーが混入されたものを採用することができる。ここで、混入される無機フィラーとしては、SiO2、Al2O3、SiC、AlN等である。
図4(B)を参照して、エッチングを行った後の状態の断面を示す。ここでは、レジスト29により被覆された領域が凸状に突出している。この凸状に突出する部位により、第1の接続部25Aが形成されている。そして、表面が露出した状態でエッチングが行われた領域の第1の導電膜28Aは、一様に厚みが薄く成っている。本工程が終了した後に、レジスト29は剥離される。ここで、第1の接続部25Aが突出する高さは数十μm程度に調整される。図4(C)に、レジスト29を剥離した状態の第1の接続部25Aを示す。
上記した第1の接続部25Aは、他の領域の第1の導電膜28Aと比較すると、断面が大きく形成される。従って、この部分は他の領域と比較すると、放熱性が高く、更に放熱性に優れた箇所である。
図5(A)から図5(C)を参照して、次に、第1の接続部25Aの上面も含めて、第1の配線層18Aをレジスト29により被覆する。更に、レジスト29を選択的に形成する。そしてレジスト29を介したエッチングを行うことで、第1の配線層18Aのパターニングが行われる。第1の配線層18Aのエッチングが終了した後に、レジスト29は剥離される。
図5(D)を参照して、次に、第1の配線層18Aを被覆する第2の絶縁層17Bを介して、第2の導電膜28Bを積層させる。この方法には3つの以下の方法が考えられる。第1の方法は、第1の配線層18Aが被覆されるように第2の絶縁層17Bを形成し、その後に、メッキ膜から成る第2の導電膜28Bを第2の絶縁層17Bの表面に形成する方法である。第2の方法は、第2の絶縁層17Bの形成を行った後に、圧延銅箔等から成る第2の導電膜28Bを、第2の絶縁層17Bの表面に圧着する方法である。この第2の方法によると、第2の絶縁層17Bと第2の導電膜28Bとが接着する強度が向上される。第3の方法は、裏面に第2の絶縁層17Bが付着された第2の導電膜28Bを、第1の配線層18Aが覆われるように積層させる方法である。この第3の方法でも、第2の絶縁層17Bと第2の導電膜28Bとが接着する強度が向上される。
更に、第1の接続部25Aの側面はテーパー形状と成っており、このことにより第2の樹脂層17Bへの第1の接続部25Aの埋め込みが容易になる利点がある。
図6を参照して、次に、接続部25が形成される箇所の第2の絶縁層17Bおよび第2の導電膜28Bを部分的に除去して貫通孔32を形成する。先ず、図6(A)を参照して、貫通孔32が形成される予定の領域に対応する第2の導電膜28Bを部分的に除去する。具体的には、貫通孔32が形成される予定の領域を除いて、レジスト29を第2の導電膜28Bの表面に形成した後に、エッチングを行う。このことにより、部分的に第2の導電膜28Bが除去されて貫通孔32が形成される。更に、その下方の第2の絶縁層17Bを除去することで、貫通孔32を深くする。そして、貫通孔32の下面に第1の配線層18Aの表面を露出させる。ここでは、第1の配線層18Aに設けた第1の接続部25Aの上面を、貫通孔32の下面に露出させている。
図6(B)を参照して、貫通孔32の形成方法を更に詳述する。本形態では、第1の接続部25Aが埋め込まれることにより、貫通孔32の下方の第2の絶縁層17Bは薄くなる。そして、薄くなった領域の第2の絶縁層17Bを、レーザー等を用いて除去することで、貫通孔32の下部に、第1の接続部25Aを露出させている。大部分の領域に於いて、第2の絶縁層17Bの厚みT2は、例えば50μm程度である。それに対して、貫通孔32の下方に対応する領域の第2の絶縁層17Bの厚みT1は、例えば10μm〜25μm程度と薄くなっている。
従って、レーザーにより同じアスペクト比の貫通孔32が形成されると仮定した場合は、本形態によると、径の小さい貫通孔32を形成することが可能となる。上記の様な条件の場合は、貫通孔の直径を半分程度に形成可能なことから、貫通孔32が占有する面積を1/4程度に小さくすることが可能である。このことが、装置全体の小型化に寄与する。更に、第2の絶縁層17Bには、放熱性を確保するために無機のフィラーが混入されることで、レーザーによる貫通孔32の形成が若干困難な状況にある。このような状況にて貫通孔32を形成するためにも、貫通孔32が形成される領域の第2の絶縁層17Aを薄くすることは有意義である。
図6(C)を参照して、貫通孔32を形成する上記工程の詳細を説明する。この図では、第1の配線層18Aに形成される第1のダミーパターンD1と、貫通孔32との平面的な位置関係を示している。ここでは、正方形の形状のダミーパターンD1が、等間隔にマトリックス状に配置されている。個々のダミーパターンD1の大きさは、例えば、1つの辺の長さT3が300μm四方の正方形である。ダミーパターンD1同士は、例えば100μm程度に互いが離間されて配置されている。
レーザーの照射領域A1は円形の領域であり、その径は250μm程度である。そして、照射領域A1の領域の内部に、貫通孔32が位置している。貫通孔32も円形の形状を有し、その径は例えば150μm程度である。即ち、本形態では、照射領域A1よりも若干小さいサイズの貫通孔32を有する第2の導電膜28Bをマスクとして用いて、レーザーによる除去を行っている。このような工程を、コンフォーマルビアと呼ぶ。更に、本形態の第1のダミーパターンD1は、レーザーの照射領域A1よりも若干多きなサイズの矩形と成っている。
図7(A)を参照して、上記方法により貫通孔32を形成した後の断面を示す。各貫通孔32の下面からは、第1の接続部25Aの上面が露出している。そして、レーザー処理により形成される貫通孔32の側壁からは、第2の絶縁層17Bに混入されているフィラーが露出している。本形態の第2の絶縁層17Bには、放熱性の向上のために、幅広い径のフィラーが混入れている。従って、貫通孔32の側壁は、凹凸を有する形状となっている。これらのフィラーとして代表的なものが、Al2O3、AlN等である。尚、上記レーザー処理にて、貫通孔32の底部に残渣が残留する場合は、この残渣を取り除くための洗浄を行う。
第1の接続部25Aの平面的な大きさは、その上方に形成さえる貫通孔32よりも大きく形成される。換言すると、貫通孔32および第1の接続部25Aの平面的な形状は、円形であるので、第1の接続部25Aの径は、貫通孔32の径よりも大きく形成されている。一例を挙げると、貫通孔32の径W1が100μm程度である場合は、第1の接続部25Aの径W2は、150μmから200μm程度に形成される。また、貫通孔32の径W1が30μmから50μm程度である場合は、第1の接続部25Aの径W2は、50μmかあら70μm程度に調整される。このように第1の接続部25Aの平面的な大きさを、貫通孔32よりも大きくすることで、貫通孔32が多少の位置ズレを伴って形成された場合でも、貫通孔32を第1の接続部25Aの上方に位置させることができる。従って上記位置ズレに起因した、接続信頼性の低下を防止することができる。また、第1の接続部25Aの平面的な形状としては、円形以外の形状も採用可能である。
図7(B)を参照して、ここでは、第1の接続部25Aの上面にレーザーを照射することで、凹部20を設けている。この凹部20の形成は、貫通孔32の底部から第1の接続部25Aの上面が露出した後に、レーザーを連続して照射することで行うことができる。更に、本形態では、炭酸ガスレーザーまたはYAGレーザーにより、上記レーザーによる除去を行うことができる。凹部20の形成を考えた場合は、YAGレーザーを用いることが好適である。YAGレーザーの波長帯のレーザーは、第1の接続部25Aの材料である銅での反射率が小さく、凹部20を容易に形成できるからである。
上記凹部20を設けることにより、後の工程にて貫通孔32の内壁に形成されるメッキ膜と、第1の接続部25Aとが結合する強度を向上させることができる。従って、各配線層同士を接続する接続部25の接続信頼性を向上させることが可能となる。凹部20に埋め込まれる部分のメッキ膜は、横方向からの亀裂に対して強い耐性を有する。
図7(C)を参照して、上記工程により各々の貫通孔32の下部には、第1の接続部25Aの上面が露出している。上記の説明では、第2の導電箔28Bを積層させた後に貫通項32を形成したが、貫通項32の形成を行った後に、第2の導電箔28Bを積層させることも可能である。
更に、次工程にてメッキ処理を行うために、前処理としてのジンケート処理を行う。ここで、ジンケート処理とは、Znイオンを含むアルカリ溶液を用いて、無電解メッキ処理を行うことにより、メッキ処理を容易にする処理である。
図8および図9を参照して、次に、貫通孔32にメッキ膜を形成することで、第2の接続部25Bを形成し、第1の配線層18Aと第2の導電膜28Bとを導通させる工程を説明する。このメッキ膜の形成は2つの方法が考えられる。第1の方法は無電解メッキによりメッキ膜を形成した後に、電解メッキにより再びメッキ膜を成膜させる方法である。第2の方法は、電解メッキ処理のみでメッキ膜を成膜する方法である。
図8を参照して、メッキ膜を形成する上記第1の方法を説明する。先ず図8(A)を参照して、貫通孔32の側壁も含めた第2の導電膜28Bの表面に、無電解メッキ処理によりメッキ膜34を形成する。このメッキ膜34の厚みは、3μmから5μm程度で良い。
次に、図8(B)を参照して、メッキ膜34の上面に、電解メッキ法により新たなメッキ膜35を形成する。具体的には、メッキ膜34が形成された第2の導電膜28Bをカソード電極として、電解メッキ法によりメッキ膜35を形成する。上述した無電解メッキ法により、貫通孔32の内壁にはメッキ膜34が形成されている。従って、ここで形成されるメッキ膜35は、貫通孔32の内壁も含めて一様の厚みに形成される。このことにより、メッキ膜から成る第2の接続部25Bが形成される。具体的なメッキ膜35の厚みは、例えば20μm程度である。上記したメッキ膜34およびメッキ膜35の材料としては、第2の導電膜28Bと同じ材料である銅を採用することができる。また、銅以外の金属をメッキ膜34およびメッキ膜35の材料として採用することができる。
図8(C)を参照して、ここではフィリングメッキを行うことにより、メッキ膜35により貫通孔32を埋め込んでいる。このフィリングメッキを行うことにより、第2の接続部25Bの機械的強度を向上させることができる。
次に図9を参照して、電解メッキ法を用いて第2の接続部25Bを形成する方法を説明する。
図9(A)を参照して、先ず、金属イオンを含む溶液を貫通孔32に接触させる。ここで、メッキ膜の材料としては、銅、金、銀、パラジューム等を採用することができる。そして、第2の導電膜28Bをカソード電極として電流を流すと、カソード電極である第2の導電膜28Bに金属が析出してメッキ膜が形成される。ここでは、メッキ膜が成長する様子を36A、36Bにて表している。電解メッキ法では、電界が強い箇所に優先的にメッキ膜が形成される。本形態ではこの電界は、貫通孔32の周縁部に面する部分の第2の導電膜28Bで強くなる。従って、この図に示すように、貫通孔32の周縁部に面する部分の第2の導電膜28Bから、優先的にメッキ膜が成長する。形成されたメッキ膜が第1の接続部25Aに接触した時点で、第1の配線層18Aと第2の導電膜28Bとが導通する。その後は、貫通孔32内部に、一様にメッキ膜が形成される。このことにより、貫通孔32の内部に、第2の導電膜28Bと一体化した第2の接続部25Bが形成される。
図9(B)を参照して、次に、第2の接続部25Bを形成する他の方法を説明する。ここでは、ひさし13を貫通孔32の周辺部に設けることにより、電解メッキ法による第2の接続部25Bを容易にしている。ここで、「ひさし」とは、貫通孔32の周辺部を覆うように、せり出す第2の導電膜28Bから成る部位を指す。ひさし13の具体的な製造方法は、レーザーによる貫通孔32の形成を行う際に、このレーザーの出力を大きくすることで行うことができる。レーザーの出力を大きくすることにより、レーザーによる第2の導電膜28Bの除去が横方向に進行することで、ひさし13の下方の領域の樹脂が除去される。上記した条件にて、第2の導電膜28Bをカソード電極とした電解メッキ処理を行うことで、ひさし13の部分から優先的にメッキ膜が成長する。ひさし13から、メッキ膜が成長することにより、図9(A)の場合と比較して、下方向に優先してメッキ膜を成長させることができる。従って、メッキ膜による貫通孔32の埋め込みを確実に行うことが可能となる。
上述したように、本形態の貫通孔32の側壁は凹凸を有する形状となっている。更に、貫通孔32の側壁には、第2の絶縁層17Bに混入された無機フィラーが露出している。これらのことにより、貫通孔32の側壁にメッキ膜を形成することが困難になっている。一般的に無機物であるフィラーの表面には、メッキ膜が付着し難いが、特に、AlNが貫通孔32の側壁に露出する場合は、メッキ膜の形成が困難になる。そこで本形態では、上記電解メッキ法を用いた方法により、第2の接続部25Bを形成している。
更に、本形態では、貫通孔32にメッキ膜を形成することにより、必然的に第2の導電膜28Bの表面にもメッキ膜が形成され、その厚みが厚くなる。しかしながら、本形態では、上記のように10μm程度の浅い貫通孔32にメッキ膜を形成するので、形成されるメッキ膜のトータルの厚みを薄くすることが可能になる。従って、メッキ膜の付着による第2の導電膜28Bの厚みの増加量は小さいので、第2の導電膜28Bを薄い状態に保持することができる。このことから、第2の導電膜28Bから形成される第2の配線層18Bを微細にすることができる。
更にまた、フィリングメッキを施すことにより貫通孔32を埋め込む場合でも、上記したように貫通孔32が浅く形成されることから、フィリングメッキを容易に行うことができる。
図10(A)を参照して、第2の接続部25Bが形成されることで、第1の接続部25Aおよび第2の接続部25Bとから成る接続部25が形成される。更に図10(B)を参照して、レジスト29を用いた選択的なエッチングを行うことで、第2の配線層18Bを形成する。更に図10(C)を参照して、ここでは、第1の配線層18A、第2の配線層18B、第3の配線層18Cから成る3層の多層配線が形成されている。この場合は、第2の配線層18Bには、上面および下面の両方に、凸状に突出する接続部25が形成される。
図11(A)を参照して、次に、半田や導電ペースト等を介して回路素子14を第2の配線層18B(アイランド)に固着する。ここでは、能動素子をフェイスダウンで実装しているが必要によりフェイスダウンでも良い。更に、図11(B)を参照して、金属細線15を介して回路素子14と第2の配線層18Bとの電気的接続を行う。
上記工程が終了した後に、各ユニット24の分離を行う。各ユニット24の分離は、プレス機を用いた打ち抜き、ダイシング、等により行うことが出来る。その後に、各ユニット24の回路基板16にリード11を固着する。
図12を参照して、次に、各回路基板16の樹脂封止を行う。ここでは、熱硬化性樹脂を用いたトランスファーモールドにより封止が行われている。即ち、上金型30Aおよび下金型30Bとから成る金型30に回路基板16を収納した後に、両金型をかみ合わせることでリード11の固定をする。そして、キャビティ31に樹脂を封入することで、樹脂封止の工程が行われる。以上の工程で、例えば図1にその構造を示す混成集積回路装置が製造される。
<第2の実施の形態>
図13を参照して本形態の回路装置の構成を説明する。本形態では、図13に示すような極めて薄型の多層配線を備えた回路装置の構成およびその製造方法を説明する。このような多層配線においても、第2のダミーパターンD2上に固着することにより、前述した回路装置と同様の効果を得られる。
先ず、図13(A)を参照して、本形態の回路装置は、第1の配線層40Aと、第2の配線層40Bと、前記第1の配線層40Aと前記第2の配線層40Bとをシート状に接着させる絶縁層41とから成る多層配線を有する。更に、第2の配線層40B上には、半導体素子14Aおよび回路素子14が固着されている。第1の配線層40Aと第2の配線層40Bとは所望の箇所で、接続部のより結合されている。更に、第1の配線層40Aは電気回路とは独立した第1のダミーパターンD1を含む。また、第2の配線層40Bは電気回路とは独立した第2のダミーパターンD2を含む。更に、第2のダミーパターンD2は、第1のダミーパターンD1の直下に形成され、第1のダミーパターンD1と電気的に接続されている。
ここで、半導体素子14Aは、多量の発熱を伴って動作する素子である。従って、半導体素子14Aを第2のダミーパターンD2上に固着することにより、放熱性が向上する。具体的な放熱経路としては、第2のダミーパターンD2→第1のダミーパターンD1→外部となる。本形態では、第2のダミーパターンD2の直下に第1のダミーパターンD1を形成している。従って、発生した熱を最短距離で、外部へ放出させることができ、放熱性が向上する。更に、本形態では、第1のダミーパターンD1と第2のダミーパターンD2とは電気的に接続されている。従って、半導体素子14Aから発生した熱を迅速に外部へ放出することが可能となる。更に、第1のダミーパターンD1および第2のダミーパターンD2は、電気回路から電気的に独立している。従って、半導体素子14Aに電気的ノイズによる影響を与えないので、信頼性の高い回路装置が実現できる。更に、第1のダミーパターンD1に外部電極を形成し、実装基板と接続することにより、更なる放熱性の向上が可能となる。
図13(B)を参照して、本形態の回路装置の他の構成を説明する。基本的な構成は、図13(A)を用いて説明した回路装置を同じである。ここでは、配線が4層に成っており、各配線層に複数個に分割されたダミーパターン群が設けられている。第1の配線層には、第1のダミーパターンD1が形成されている。また、第2の配線層には、第2のダミーパターンD2が形成されている。更に、第3の配線層には、第3のダミーパターンD3が形成されている。更に、第4の配線層には、第4のダミーパターンD4が形成されている。そして、各配線層に形成されたダミーパターンは接続部25によって電気的に接続されているが、電気回路とは電気的に独立している。
このような多層配線においても、半導体素子14Aを、第4のダミーパターンD4上に固着することにより、前述した第1の実施の形態と同様の効果を得られる。
次に、図14から図16を参照して、本形態の回路装置の製造方法を説明する。しかしながら、下記する本形態の製造方法は、他の種類の回路装置の製造方法にも適用可能である。
先ず、図14(A)を参照して、第1の導電シート50Aを用意し、その表面にレジスト29をパターニングする。ここで、レジスト29は、厚く形成される予定の箇所を被覆している。また、第1の導電膜50Aの材料としては、好ましくは、Cuを主材料とするもの、または公知のリードフレームの材料を採用することができる。第1の導電シート50Aの厚さは、形成される配線層の厚さにより異なる。厚さの異なる導電パターンを有する配線層においては、厚く形成される導電パターンの厚みが数百μm程度であるならば、その厚みまたはそれ以上の膜厚の第1の導電シート50Aが採用される。
図14(B)を参照して、レジスト29をエッチングマスクとしてウエットエッチングを行い、レジスト29が形成されない主面のエッチングを行う。このエッチングによりレジスト29により被覆されていない領域の第1の導電シート50Aの表面はエッチングされ、第1の接続部25Aが形成される。
図14(C)を参照して、エッチングにより第1の導電シート50Aに、第1の接続部25Aを形成した後、レジスト29は剥離される。
図14(D)を参照して、第1の導電シート50Aに絶縁層52を密着させる。このとき、第1の接続部25Aは絶縁層52に埋め込まれる。この密着は真空プレスで行うと、第1の導電シート50Aと絶縁層52との間の空気により発生するボイドを防止することができる。また、等方エッチングにより形成される第1の接続部25Aの側面は、滑らかな曲面となっている。従って、第1の導電シート50Aを絶縁層52に圧入する際に、この曲面に沿って樹脂が浸入し、未充填部が無くなる。このことから、このような第1の接続部25Aの側面形状によっても、ボイドの発生を抑止することができる。更に、第1の接続部25Aが絶縁層52に埋め込まれることで、第1の導電シート50Aと絶縁層52との密着強度を向上させることができる。
図14(E)を参照して、第1の導電シート50Aを絶縁層41に密着させる。また、上述した真空プレスにより行うことにより、第1の導電シート50Bと絶縁層52との間の空気により発生するボイドを防止することができる。
図15(A)を参照して、第2の導電シート50Bの貫通孔32を形成する部分だけが露出されるように、レジスト29で被覆する。次いで、レジスト29を介して第2の導電シート50Bをエッチングする。第2の導電シート50BはCuを主材料とするものであるので、エッチング液は、塩化第二鉄または塩化第二銅を用いてケミカルエッチングを行う。また、このエッチングの際に、第2の導電シート50Bは接着性のシート等でカバーしてエッチング液から保護する。しかし第2の導電シート50B自体が十分に厚く、エッチング後にも平坦性が維持できる膜厚であれば、少々エッチングされても構わない。
図15(B)を参照して、レジスト29を取り除いた後、第2の導電シート50Bをマスクにして、レーザーにより貫通孔32の真下の絶縁層52を取り除き、貫通孔32の底に第1の導電シート50Aの裏面を露出させる。レーザーとしては、炭酸ガスレーザーが好ましい。またレーザーで絶縁樹脂を蒸発させた後、開口部の底部に残査がある場合は、過マンガン酸ソーダまたは過硫酸アンモニウム等でウエットエッチングし、この残査を取り除く。
図15(C)を参照して、貫通孔32を含む第2の導電シート50Bの全面にメッキ膜を形成する。これにより、第1の導電シート50Aと第2の導電シート50Bとを電気的接続を行う第2の接続部25Bが形成される。このメッキ膜は無電解メッキまたは電解メッキおよび、無電解メッキと電解メッキの組み合わせによって形成される。
図15(D)を参照して、新たにレジスト29を第1の導電シート50Aおよび第2の導電シート50Bに塗布する。次に、第1の導電シート50A上に、第1の配線層40Aが形成されるようにレジスト29をパターニングする。同様に、新たなレジスト29を第2の導電シート50B上に塗布し、第2の配線層40Bが形成されるようにパターニングする。
図15(E)を参照して、上記のように形成されたレジスト29を介して第1の導電シート50Aおよび第2の導電シート50Bをエッチングすることで、第1の配線層40Aおよび第2の配線層40Bが形成される。エッチングが修了した後に、レジスト29は剥離される。
図16(A)を参照して、半田や導電ペースト等を介して半導体素子14Aおよび回路素子14を第2の配線層40B(アイランド)に固着する。次いで、金属細線15を介して回路素子14と導電パターンとの電気的接続を行う。ここで、半導体素子14Aは第2のダミーパターンD2上に固着される。更に、第2のダミーパターンD2と半導体素子14Aは電気的に接続されない。
図16(B)を参照して、回路素子14と回路素子、金属細線15および第2の配線層40Bの樹脂封止を行う。樹脂封止方法としては、トランスファーモールド、インジェクションモールド、またはディッピングが採用できる。樹脂材料としては、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂がトランスファーモールドで実現でき、ポリイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド等の熱可塑性樹脂はインジェクションモールドで実現できる。樹脂封止を行った後に、第1の配線層40Aの所定の位置に絶縁性樹脂を形成し、外部電極45を設置することにより、回路装置として完成させる。
本発明の回路装置を説明する斜視図(A)、断面図(B)、断面図(C)である。 本発明の回路装置を説明する断面図(A)、断面図(B)、斜視図(C)である。 本発明の回路装置を説明する断面図(A)−(C)である。 本発明の回路装置の製造方法を説明する断面図(A)−(C)である。 本発明の回路装置の製造方法を説明する断面図(A)−(D)である。 本発明の回路装置の製造方法を説明する断面図(A)、断面図(B)、平面図(C)である。 本発明の回路装置の製造方法を説明する断面図(A)−(C)である。 本発明の回路装置の製造方法を説明する断面図(A)−(C)である。 本発明の回路装置の製造方法を説明する断面図(A)、断面図(B)である。 本発明の回路装置の製造方法を説明する断面図(A)−(C)である。 本発明の回路装置の製造方法を説明する断面図(A)、断面図(B)である。 本発明の回路装置の製造方法を説明する断面図である。 本発明の回路装置を説明する断面図(A)、断面図(B)である。 本発明の回路装置の製造方法を説明する断面図(A)−(E)である。 本発明の回路装置の製造方法を説明する断面図(A)−(E)である。 本発明の回路装置の製造方法を説明する断面図(A)、断面図(B)である。 従来の回路装置を説明する斜視図(A)、断面図(B)である。
符号の説明
10 混成集積回路装置
11 リード
12 封止樹脂
14 回路素子
15 金属細線
16 回路基板
17A〜17D 絶縁層
18A〜18D 配線層
19 ロウ材
20 凹部
24 ユニット
25A、25B 接続部
26 パッド
27 サーマルビア
28A、28B 導電膜
29 レジスト
30 貫通孔
31 キャビティ
32 貫通孔
33 レーザー
34 メッキ膜

Claims (9)

  1. 絶縁層を介して多層に積層された複数の配線層を有する回路装置に於いて、
    前記配線層は、内蔵される回路素子と電気的に接続されて電気回路の一部を構成する導電パターンと、
    前記電気回路とは電気的に独立するダミーパターンとから成ることを特徴とする回路装置。
  2. 絶縁層を介して多層に積層された複数の配線層を有する回路装置に於いて、
    前記配線層は、内蔵される回路素子と電気的に接続されて電気信号が通過する導電パターンと、
    前記電気信号が通過しないダミーパターンとから成ることを特徴とする回路装置。
  3. 前記配線層の各々に前記ダミーパターンを設けることを特徴とする請求項1または請求項2記載の回路装置。
  4. 前記導電パターンが形成されない領域の殆どの領域に、前記ダミーパターンを設けることを特徴とする請求項1または請求項2記載の回路装置。
  5. 矩形の形状の等しい大きさの前記ダミーパターンが、等間隔に配列されることを特徴とする請求項1または請求項2記載の回路装置。
  6. 前記各配線層に設けられた前記ダミーパターン同士は、前記絶縁層を貫通する接続部により熱的に結合されることを特徴とする請求項1または請求項2記載の回路装置。
  7. 前記接続部は、前記絶縁層の下層に位置する前記配線層から上方に凸状に延在する第1の接続部と、絶縁層の上層に位置する配線層から下方に凸状に延在する第2の接続部とから成り、
    前記第1の接続部と前記第2の接続部とは、前記絶縁層の厚み方向の中間部にて接触することを特徴とする請求項1または請求項2記載の回路装置。
  8. 前記第1の接続部は一枚の銅箔をエッチング加工することにより形成され、
    前記第2の接続部はメッキ膜から成ることを特徴とする請求項7記載の回路装置。
  9. 表面が絶縁処理された回路基板の表面に前記第1の配線層および前記第2の配線層を形成することを特徴とする請求項1または請求項2記載の回路装置。

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