JP2009187974A - 導体基板およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】高周波特性に影響しない構造を有して絶縁体と強固に接合可能な導体層を有する導体基板およびその製造方法を提供する。
【解決手段】導体基板であるプリント基板100は、基材101の一方の面上に導体層110が形成され、導体層110の端部に起伏部111が形成されている。この起伏部111は、導体層110を電気めっき法で形成するときに、めっき条件を変えることで形成することができる。導体層110の端部に起伏部111を設けることで、特定の場所に応力が集中するのを防止している。
【選択図】図1

Description

本発明は、導体層を備えて線膨張係数の異なる絶縁体と強固に接合可能な導体基板およびその製造方法に関するものである。
従来より、線膨張係数の異なる異種材料の絶縁体に接合させる導体層を備える導体基板が広く用いられている。一例として、絶縁性の接着材を挟んで半導体チップとプリント基板とを接合させた半導体パッケージでは、プリント基板の導体層と線膨張係数の異なる接着材とを接合させており、プリント基板が異種材料と接合させる導体基板となっている。プリント基板上の導体層は、所定の基材の上に電気めっき法で形成されるのが一般的である。
導体基板の導体層を異種材料の絶縁体に接合させたとき、導体層と絶縁体との線膨張係数が異なることに起因して、両材料間に応力が発生することが従来より知られている。導体基板の導体層を所定の絶縁体に接合して製品化する過程、および製品化後の供用中における熱履歴により、導体層と絶縁体との接合部には繰り返し応力が発生する。このような繰返し応力は、接合部の特定の限られた位置に集中しやすく、応力が集中する位置で界面剥離が発生しやすいといった問題があった。また、応力が集中する位置の周辺にも応力が伝播し、周辺の部品を破壊するといった問題もあった。
このような問題を解決するために、異種材料界面の密着性を高める技術開発が従来より行われている。特許文献1−3では、導体層の表面に微細な凹凸を形成して接合面を粗くすることで、接合面における異種材料間の密着性を高めている。一例を図10に示す。同図では、樹脂で形成された基材901の上に、銅めっきを行って導体層902を形成したプリント基板903が図示されている。
プリント基板903は、導体層902側に異種材料の絶縁性樹脂904を挟むことで半導体チップ905と接合される。絶縁性樹脂904は、導体層902とは異種材料の樹脂からなる接着材である。絶縁性樹脂904との密着性を高めるために、導体層902の表面にはプラズマ処理法等で形成された微細な凹凸906が設けられている。
特開平05−259611号公報 特開平07−226575号公報 特開平10−224036号公報
しかしながら、導体基板の導体層に微細な凹凸を設けることで、半導体チップとの接合に用いられる絶縁体(絶縁性樹脂)と強固に接合させることができるが、微細な凹凸を有する導体層を高い周波数で使用すると、凹凸の影響で高周波特性が劣化してしまうといった問題があった。
そこで、本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、高周波特性に影響しない構造を有して絶縁体と強固に接合可能な導体層を有する導体基板およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の導体基板の第1の態様は、線膨張係数の異なる絶縁体と接合可能な導体基板であって、平板状の基材と、前記基材の一方の面側に電気めっきで層状に形成された導体層と、を備え、前記導体層が、所定の位置に起伏部を有して前記絶縁体との接合面を形成していることを特徴とする。
本発明の導体基板の他の態様は、前記起伏部は、所定の傾斜角で所定の高さまで突出したくさび状に形成されていることを特徴とする。
本発明の導体基板の他の態様は、前記基材と前記導体層との間にさらに下地導体層を備え、前記起伏部は、前記所定の位置における前記下地導体層の厚さを変化させることで形成されていることを特徴とする。
本発明の導体基板の他の態様は、前記起伏部は、前記基材の一方の面上に設けられた凹凸によって形成されていることを特徴とする。
本発明の導体基板の他の態様は、前記起伏部は、少なくとも前記導体層の端部近傍または屈曲部近傍に形成されていることを特徴とする。
本発明の導体基板の他の態様は、前記起伏部の高さは、前記導体層厚さの5%以上であることを特徴とする。
本発明の導体基板の他の態様は、前記起伏部の傾斜角は、5度以上35度以下であることを特徴とする。
本発明の導体基板の製造方法の第1の態様は、線膨張係数の異なる絶縁体と接合可能な導体基板の製造方法であって、平板状の基材の一方の面側に電気めっきで導体層を形成する導体層作製工程を有し、前記導体層作製工程では、前記電気めっきを行うときのめっき条件を調整することによって前記導体層に起伏部を形成することを特徴とする。
本発明の導体基板の製造方法の第2の態様は、線膨張係数の異なる絶縁体と接合可能な導体基板の製造方法であって、平板状の基材の一方の面上に下地導体層を形成する下地層作製工程と、前記下地導体層の上に電気めっきで導体層を形成する導体層作製工程と、を有し、前記下地層作製工程では、所定の位置における前記下地導体層の厚さを変化させていることを特徴とする。
本発明の導体基板の製造方法の第3の態様は、線膨張係数の異なる絶縁体と接合可能な導体基板の製造方法であって、平板状の基材の一方の面側に電気めっきで導体層を形成する導体層作製工程を有し、前記基材の一方の面上には所定の位置に凹凸が設けられていることを特徴とする。
本発明によれば、高周波特性に影響しない構造を有して絶縁体と強固に接合可能な導体層を有する導体基板およびその製造方法を提供することができる。
本発明の好ましい実施の形態における導体基板およびその製造方法について、図面を参照して詳細に説明する。なお、同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。
本発明の導体基板は、少なくとも一方の面に導体層を有し、この導体層が線膨張係数の異なる異種材料の絶縁体と強固に接合可能に形成されている。このような導体基板として、たとえば半導体チップを絶縁体の接着材を介して搭載するプリント基板がある。以下では、本発明の導体基板およびその製造方法について、導体基板の一例としてプリント基板を用いて説明する。このようなプリント基板は、たとえばインターポーザとして用いられる。
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施の形態に係る導体基板を、図1に示す断面図を用いて説明する。同図は、本実施形態の導体基板の一実施例であるプリント基板100を示す断面図である。同図では、プリント基板100の一方の面に異種材料の絶縁性樹脂(絶縁体)20を挟んで半導体チップ10を搭載しており、プリント基板100の他方の面には、はんだボール30を介して基板40が電気的に接続されている。半導体チップ10は、一方の面に金パンプ11と保護層12とを備えており、この面を絶縁性樹脂20に接合させる。
プリント基板100は、基材101の一方の面上に導体層110が形成され、導体層110の所定の位置にバンプ112が形成されている。バンプ112は、半導体チップ10と電気的に接続するための金パンプ11と接合するものである。導体層110は、電気めっき法で形成することができる。
本実施形態のプリント基板100では、導体層110の端部に起伏部111(111a、111b、111c、111d)が形成されている。この起伏部111は、導体層110を電気めっき法で形成するときに、めっき条件を変えることで形成することができる。メッキ条件として、たとえば電流密度や添加剤、あるいは遮蔽板等があり、これらを調整することで導体層110の形状を変えることができる。
さらにいうと、添加剤消費の少ない電流密度で行うことによって、起伏部111を形成しやすくなる。
上記のように構成されたプリント基板100では、半導体チップ10を搭載するために導体層110と絶縁性樹脂20とが接合される。導体層110と絶縁性樹脂20は、それぞれの線膨張係数が異なるため、温度が変化すると両者の接合面113と略平行な方向に応力が発生する。そのため、導体層110と絶縁性樹脂20との接合が強固に行われていないと、界面剥離等が発生するおそれがある。
図1のプリント基板100では、導体層110が起伏部111bと111cとの間で分離された構造となっている。起伏部111を有しない従来のプリント基板では、導体層と絶縁性樹脂との接合面に加わる応力は接合面のいずれの場所にも伝播することができ、応力の集中しやすい特定の場所に伝播して集中することになる。これにより、応力が集中しやすい場所で剥離等が発生することがある。従来のプリント基板では、図1のプリント基板100のように導体層が分離されていても、応力が伝播して特定の場所に集中しやすくなるといった問題があった。
これに対し本実施形態のプリント基板100では、導体層110の端部に起伏部111a、111b、111c、111dを設けることで、特定の場所に応力が集中するのを防止している。また、アンカー効果により、異種材料の線膨張係数が異なることによる接合面113の剥離を抑制できる。接合面113と交わる方向の応力は剪断応力となり、接合面113の剥離への寄与が小さくなる。このような効果により、導体層110と絶縁性樹脂20との接合面113に加わる応力を低減して界面剥離を防止することが可能となっている。
一例として、起伏部111aを拡大した断面図を図2に示す。同図は、図1で破線で囲んだ領域Aを拡大して表示したものである。本実施例では、導体層110の厚さをxとし、起伏部111aの形状を、導体部110の端部に向かって傾斜角θで頂点の高さがΔxとなるくさび状としている。同図において、アンカー効果により剥離の原因となる接合面113に平行な方向の応力が小さくなる。
また、起伏部111a、111b、111c、111dを設けることにより、それより先に応力が伝播しにくくなる。たとえば、起伏部111aと111bとの間の接合面113に加えられる応力は、起伏部111b、111cによって起伏部111cと111dとの間の接合面113まで伝搬するのを防止している。このように、起伏部111で応力が伝播するのを防止することで、接合部113の特定の位置に応力が集中するのを防止することができ、接合面113に加わる最大応力を低減することができる。
起伏部111を設けることによる剥離防止の効果は、起伏部111の形状によって異なってくる。導体層110に絶縁性樹脂20を接合した状態で信頼性試験を行った結果の一例を図3に示す。ここでは、図2に示した起伏部111の傾斜角θおよび高さΔxを変えて試験を行っており、それぞれの試験で得られた所定のサンプル数の試験データを平均した結果を示している。
図3に結果を示した信頼性試験は、プリント基板100の温度を−65℃から150℃まで繰り返し変化させて導体層110および絶縁性樹脂20を熱膨張/熱収縮させるものであり、これにより接合面113に繰り返し応力を加える試験である。このような応力サイクルを接合面113に加えることで、剥離等が発生するまでのサイクル数を測定している。図3に示した結果は、剥離等が発生するまでのサイクル数を示している。剥離等が発生するまでのサイクル数に対する要求基準は一般的に1000サイクルとなっており、これ以上となるときの起伏部111の形状が好適な形状となる。
図3(a)は、起伏部111の傾斜角θを略一定(θ=14〜19°)とし、高さΔxを変化させた結果を示している。ただし、図3(a)の横軸は、Δx/xとしている。同図より、高さΔxを大きくするほど剥離等が発生するまでのサイクル数が増加し、これが1000以上となるのは高さΔxが導体層110の厚さの略5%以上のときであり、特にΔx/xを20%以上とするのがより好ましい。
また図3(b)は、起伏部111の高さΔxを略一定(Δx/x=9から16%)とし、傾斜角θを変化させた結果を示している。同図より、傾斜角θを大きくすると剥離等が発生するまでのサイクル数が増加するが、傾斜角θが略20°を超えるとサイクル数が逆に減少していく。剥離等が発生するまでのサイクル数が1000以上となるのは、傾斜角θが略5°以上35°以下の範囲のときである。
本実施形態のプリント基板100は、導体層110の端部のみに起伏部111を設けていることから、高い周波数で用いられても高周波特性に悪い影響を与えるおそれはない。このような起伏部111を設けることで、導体層110を異種材料の絶縁性樹脂20と強固に接合させることが可能となっている。
図1に示した実施例では、起伏部111を導体層110の端部のみに形成していたが、別の実施例として、図4に示すような導体層110の屈曲部114、115に起伏部111e、111fを設けても同様の効果が得られる。ここでは、導体層110の端部と屈曲部114、115の両方に起伏部111を設けているが、屈曲部114、115のみに起伏部111を設けてもよい。好ましくは、接合面113上に適切な間隔で起伏部111を設けるのがよい。
(第2の実施形態)
本発明の第2の実施の形態に係る導体基板を、図5に示す断面図を用いて説明する。同図は、本実施形態の導体基板の一実施例であるプリント基板200を示す断面図である。同図においても、プリント基板200の一方の面に異種材料の絶縁性樹脂(絶縁体)20を挟んで半導体チップ10が搭載されており、プリント基板200の他方の面には、はんだボール30で基板40が電気的に接続されている。
本実施形態のプリント基板200では、基材101の一方の面上に下地導体層220を形成し、下地導体層220の上に導体層210が形成されている。本実施形態の下地導体層220は、第1の下地導体層222と第2の下地導体層223の2層からなる構成としている。下地導体層220は、2層に限られず、1層のみであってもよく、あるいは3層以上であってもよい。このような下地導体層220は、たとえばスパッタリング法を用いて形成することができる。
本実施形態では、下地導体層220の端部に下地起伏部221(221a、221b、221c、221d)を形成しており、その上に導体層210を形成している。導体層210は、下地導体層220の上面に略一定の厚さで形成されているが、下地導体層220の端部に下地起伏部221a、221b、221c、221dが形成されていることにより、導体層210が突出した形状となっている。
本実施形態のプリント基板200でも、第1の実施形態のプリント基板100と同様に、導体層210の端部のみに下地起伏部221が形成されていることから、高い周波数で用いられても高周波特性に悪い影響を与えるおそれはない。このような下地起伏部221を設けることで、導体層210を異種材料の絶縁性樹脂20と強固に接合させることが可能となっている。
なお本実施形態では、下地導体層220に下地起伏部221を形成し、導体層210は略一定の厚さで形成しているが、これに限られず、たとえば第1の実施形態と同様に、導体層210の厚さも変えるようにしてもよい。また、起伏部211を形成する位置は、導体層210の端部に限られず、たとえば導体層210の屈曲部に形成してもよい。
(第3の実施形態)
本発明の第3の実施の形態に係る導体基板を、図6に示す断面図を用いて説明する。同図は、本実施形態の導体基板の一実施例であるプリント基板300を示す断面図である。同図においても、プリント基板300の一方の面に異種材料の絶縁性樹脂(絶縁体)20を挟んで半導体チップ10が搭載されており、プリント基板300の他方の面には、はんだボール30で基板40が電気的に接続されている。
本実施形態のプリント基板300でも、基材301の一方の面上に下地導体層320が形成され、下地導体層320の上に導体層310が形成されている。本実施形態では、基材301の所定の位置に基材起伏部302(302a、302b、302c、302d)が形成されており、その上に下地導体層320と導体層310が略一定の厚さで形成されている。これにより、導体層310が突出した形状となっている。
本実施形態のプリント基板300でも、上記の実施形態と同様に、導体層310の端部のみに基材起伏部302が形成されていることから、高い周波数で用いられても高周波特性に悪い影響を与えるおそれはない。このような基材起伏部302を設けることで、導体層310を異種材料の絶縁性樹脂20と強固に接合させることが可能となっている。
なお本実施形態では、基材301の所定の位置に基材起伏部302a、302b、302c、302dを形成し、下地導体層320および導体層310は略一定の厚さで形成されているが、これに限られず、たとえば下地導体層320あるいは導体層310の厚さも変えるようにしてもよい。また、基材起伏部302を形成する位置は、導体層310の端部に限られず、たとえば導体層310の屈曲部に形成してもよい。
本発明の導体基板の製造方法に係る実施形態を、図8、9に示す実施例を用いて以下に説明する。ここでは、第1の実施形態と同様に導体層の端部に起伏部を有し、第2の実施形態と同様の下地導体層を備えたプリント基板400を例に、その製造方法を説明する。プリント基板400の断面図を図7に示す。図8、9は、プリント基板400を製造する工程を示す断面図である。図8は下地導体層420を形成するまでの工程を示し、図9は導体層410を形成するまでの工程を示している。
図8に示す下地導体層420を形成するまでの工程では、まずステップS11において樹脂層51とピーラブル銅箔52からなる基台50を用意する。ピーラブル銅箔52として、たとえば50μmtのものを用いることができる。つぎのステップS12では、基台50をローラに係止するための穴開け54をパンチングにより行う。本実施例では、ロール・ツー・ロール方式を用いてプリント基板400を作製する。
つぎのステップS13において、樹脂層51の上面に感光性カバーレイ53をラミネートする。感光性カバーレイ53として、たとえば50μm厚のものを用いることができる。つぎのステップS14では、感光性カバーレイ53を露光、現像し、さらにUVキュア、加熱キュアの処理を行う。これにより、プリント基板400の基材101を形成する。基材101には、はんだボール30を接続するための電極を形成する貫通孔101aが形成される。
ステップS15では、電極を形成する貫通孔101aの底部にNiめっき61を施す。
次のステップS16からステップS18では、下地導体層420を形成する。まずステップS16でNiCrをスパッタリングして第1の下地導体層422を形成し、ステップS17でCuをスパッタリングして第2の下地導体層423を形成している。ステップS17のCuスパッタリングだけでは十分な厚さの第2の下地導体層423が形成されない場合には、つぎのステップS18においてさらにCUをめっきする。ステップS17のCuスパッタリングで十分な厚さの第2の下地導体層423が形成される場合には、ステップS18を行う必要がない。
上記のステップS11からステップS17またはS18までの処理を行うことにより、基材101とその上に形成された下地導体層420が作製される。
つぎに、図9を用いて導体層410を形成するまでの工程を以下に説明する。
図9に示す導体層410を形成するまでの工程では、まずステップS21において、下地導体層420が形成されている一方の面と、ピーラブル銅箔52の他方の面の両方の面に、それぞれドライフィルム(DF)71、72をラミネートする。DF71は導体層410に所定の回路パターンを形成するのに用いるものであり、DF72はピーラブル銅箔52を保護するためにラミネートされたものである。
つぎのステップS22では、DF71が露光、現像されて所定のパターンを形成する。すなわち、つぎに形成される導体層410による回路パターンにおいて、Cuが配置されない部分にDF71が残るようなパターンのマスクを用いてDF71を露光する。図9(b)では、除去されずに残ったDF71’が示されている。
図9(c)に示すステップS23では、電気めっき法を用いて下地導体層420の上にCuの導体層410を形成する。下地導体層420の上には、ステップS22においてDF71’が配置されていることから、ステップS23ではDF71’を除く位置にCuがめっきされる。これにより、所定の回路パターンが形成された導体層410が下地導体層420の上に作製される。
つぎのステップS24では、下地導体層420の上に形成されたDF71’を除去し、ステップS25においてD71’が除去された位置にある第2の下地導体層423を除去する。さらにステップS26において、NiCrからなる第1の下地導体層422を除去する。これにより、導体層410のCuが配置されない領域からは下地導体層420も除去され、導体層410で形成された所定の回路パターンが作製される。
上記のステップS21からステップS26までの処理を行うことにより、基材101の上に回路パターンが形成された導体層420が作製される。これにより、プリント基板400が作製される。
上記実施例の導体基板の製造方法によれば、ロール・ツー・ロール方式を用いて効率的にプリント基板を作製することができる。
本発明は、導体層が電気めっきで形成され、この導体層を線膨張係数の異なる絶縁体に接合して用いられる導体基板およびその製造方法に広く適用することができる。
なお、本実施の形態における記述は、本発明に係る導体基板およびその製造方法の一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態における導体基板およびその製造方法の細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
本発明の第1の実施形態に係る導体基板の断面図である。 第1の実施形態に係る導体基板の拡大断面図である。 第1の実施形態に係る導体基板の信頼性試験の結果を示す図である。 第1の実施形態に係る導体基板の別の実施例を示す断面図である。 本発明の第2の実施形態に係る導体基板の断面図である。 本発明の第3の実施形態に係る導体基板の断面図である。 本発明の導体基板の製造方法の説明に用いる実施例の断面図である。 下地導体層を形成するまでの工程を示す図である。 導体層を形成するまでの工程を示す図である。 従来の導体基板の断面図である。
符号の説明
10、905 半導体チップ
20、904 絶縁性樹脂
50 基台
51 樹脂層
52 ピーラブル銅箔
53 感光性カバーレイ
61 Niめっき
71、72 ドライフィルム(DF)
100、200、300、400、903 プリント基板
101、301、901 基材
110、210、310、410、902 導体層
111、211、311、411 起伏部
112 バンプ
113 接合面
114、115 屈曲部
220、320、420 下地導体層
221a、221b、221c、221d 下地起伏部
222、422 第1の下地導体層
223、423 第2の下地導体層
302a、302b、302c、302d 基材起伏部

Claims (10)

  1. 線膨張係数の異なる絶縁体と接合可能な導体基板であって、
    平板状の基材と、
    前記基材の一方の面側に電気めっきで形成された導体層と、を備え、
    前記導体層が、所定の位置に起伏部を有して前記絶縁体との接合面を形成している
    ことを特徴とする導体基板。
  2. 前記起伏部は、所定の傾斜角で所定の高さまで突出したくさび状に形成されている
    ことを特徴とする請求項1に記載の導体基板。
  3. 前記基材と前記導体層との間にさらに下地導体層を備え、
    前記起伏部は、前記所定の位置における前記下地導体層の厚さを変化させることで形成されている
    ことを特徴とする請求項1または2に記載の導体基板。
  4. 前記起伏部は、前記基材の一方の面上に設けられた凹凸によって形成されている
    ことを特徴とする請求項1または2に記載の導体基板。
  5. 前記起伏部は、少なくとも前記導体層の端部近傍または屈曲部近傍に形成されている
    ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の導体基板。
  6. 前記起伏部の高さは、前記導体層厚さの5%以上である
    ことを特徴とする請求項2に記載の導体基板。
  7. 前記起伏部の傾斜角は、5度以上35度以下である
    ことを特徴とする請求項2または6に記載の導体基板。
  8. 線膨張係数の異なる絶縁体と接合可能な導体基板の製造方法であって、
    平板状の基材の一方の面側に電気めっきで導体層を形成する導体層作製工程を有し、
    前記導体層作製工程では、前記電気めっきを行うときのめっき条件を調整することによって前記導体層に起伏部を形成する
    ことを特徴とする導体基板の製造方法。
  9. 線膨張係数の異なる絶縁体と接合可能な導体基板の製造方法であって、
    平板状の基材の一方の面上に下地導体層を形成する下地層作製工程と、
    前記下地導体層の上に電気めっきで導体層を形成する導体層作製工程と、を有し、
    前記下地層作製工程では、所定の位置における前記下地導体層の厚さを変化させている
    ことを特徴とする導体基板の製造方法。
  10. 線膨張係数の異なる絶縁体と接合可能な導体基板の製造方法であって、
    平板状の基材の一方の面側に電気めっきで導体層を形成する導体層作製工程を有し、
    前記基材の一方の面上には所定の位置に凹凸が設けられている
    ことを特徴とする導体基板の製造方法。
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