JP2011054907A - 貫通電極付き基板の製造方法、及び貫通電極付き基板 - Google Patents

Abstract

【課題】チップデバイスの高密度実装時に用いる貫通電極付き基板を効率よく製造する手段を提供する。
【解決手段】貫通電極付き基板の製造工程は、貫通電極を構成する導電体材料の微粒子を液体に懸濁させる工程；上記の導電体材料の微粒子が通過し得ず、また上記の液体のみが通過可能なフィルター層１４０を、貫通孔１０２を有する基板１０１の片面に接触させる工程；フィルター層に接していない方の上記の基板面側から上記懸濁液１３０を圧力を加えながら貫通孔内に流し込み、上記貫通孔内に導電体微粒子を堆積させる工程；上記貫通孔内に堆積した導電体微粒子を濡らしている液体を乾燥させる工程；上記導電体微粒子が堆積している貫通孔内に導電性ペーストを注入し、その後に乾燥・硬化させる工程からなる。尚、導電体微粒子として合金からなる微粒子を用い、これを合金の融点以上の温度で溶解させたのち、冷却・固化させて貫通電極を形成する方法もある。
【選択図】図１

Description

本発明は高密度３次元実装などに用いる貫通電極付き基板の製造方法に関する。

半導体ＩＣチップや各種の超小型電子部品を高密度実装するには、上記のチップデバイスを３次元に積層して実装する手法が採られることが多い。

上記の３次元実装には、上下に積層したチップ同志を電気的に接続するための配線が必要となる。この配線には、通常、配線基板自体の厚み方向に貫通する配線用の貫通電極を有する基板を用いることが多い。

上記の貫通電極付き基板は、基板内に設けられた微細貫通孔の中に金属などの導電体が埋め込まれた構造となっている。

基板として、シリコンウェーハ、ガラス板、セラミックス板などを用途に応じて用いている。また、これらの基板材質に応じて、ドライエッチング法、ウエットエッチング法、レーザ加工法、サンドブラスト法などを用いて微細貫通孔を基板内に設けている。

さらに、基板内に設けられた微細貫通孔を導電体で埋め込む手法としては、電解メッキ法、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法、リフロー法、導電性樹脂の印刷充填法などがあるが、最も多用されているのは金属の電解メッキ法である。

以下に、図４を用いて電解メッキによる貫通孔への導電体金属の充填方法の一例を説明する。図４（Ａ）は貫通孔４０２を有するガラス基板４０１の模式断面図である。図４（Ｂ）は、電解メッキにより貫通孔内に導体金属を埋め込んでいる状態を示す模式図である。ガラス基板４０１の片面にメッキ用の電極基板４１０が貼付けられている。電極基板４１０上には、レジスト下地層の上にスパッタ法などで作製した金属薄膜から成るシードレイヤ４１２が予め形成されている。

電極基板（基板/レジスト下地層/シードレイヤ）４１０のシードレイヤ側をレジストなどでガラス基板４０１に接着した後、アッシングなどの手法で貫通孔の底部の接着層（レジストなど）を除去すれば、貫通孔の底部にメッキ用シードレイヤ４１２を露出させることができる。

上記のように準備したガラス基板４０１を図示のようにメッキ液４３０中に浸し、所定電流密度で所望の電解メッキを行なえば、貫通孔４０２を所望導電体４３５（例えば銅）でメッキ充填をすることができる。

充填メッキ終了後、例えばレジスト剥離液を用いてガラス基板４０１と電極基板４１０を分離すればよい。メッキ充填された導電体４３５は貫通電極となる。シードレイヤ４１２は通常数μｍと薄いので、上記の電極基板の取外し時には引切られてしまうので、取外し時の障害にはならない。なお、図中の４２０はメッキ時の対向電極（陽極）、４５０はメッキ用の電源である。
特開2003-342796

しかしながら、貫通孔への導電体充填法として最も多用されている上記の電解メッキ法では、貫通孔内部へのメッキに要する時間は数時間〜１０数時間であり、生産性・製造コストの面で大きな障害となっており、簡便で生産性の高い製造方法が求められていた。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、微細貫通孔を金属導体で充填するのに、第一段階として金属微粒子を浮遊・分散させた液体を貫通孔内に貫流させながら貫通孔底面に設けられたフィルター上に微細粒子を貫通孔内に堆積させることを特徴とする。

図１は本発明による貫通孔内への導電体微粒子の充填の原理を示す模式断面図である。シリンダー１１０内の肩部１１８を支持部として、この上にネット１５０を載置する。さらに、このネット上にフィルター１４０を載置する。このフィルターは所定粒径（例えば０．５μｍ）以上の微粒子を通過させず、これ未満の微粒子や液体を通過させる濾過作用を持つ。

さらに、上記のフィルター上に図４（Ａ）に示したのと同様の貫通孔付きガラス基板１０１を載置し、押さえフレーム１１５によりシリンダー１１０の底面の肩部１１８にガラス基板、他を固定する。図中の１０２は貫通孔を示す。

次に、金属微粒子を分散させた液体−−−例えば粒径約１μｍの金（Ａｕ）粒子を純水に分散・懸濁させた液（分散液）１３０をシリンダー１１０内に注入する。次いで、シリンダー内にピストン１２０を挿入し、ピストンに所望の力Fを加えて分散液１３０を加圧する。

これにより、Ａｕ微粒子を含んだ分散液は貫通孔内を貫流してシリンダー底部排出口１７０から排出される。このとき、貫通孔１０２の底部にはフィルター１４０が存在するので、フィルターを通過し得ないＡｕ微粒子は貫通孔内に加圧されながら堆積していき、充填導電体１３５が形成される。次いで、基板を液から取り出して乾燥させた後、貫通孔内に堆積した金属（Ａｕ）微粒子同士及び微粒子群と貫通孔内壁とを固着させれば貫通電極が完成する。

本発明によれば、従来の電解メッキ法を用いた貫通電極の形成方法に比べて製作に要する時間を短縮することができるので、製造コストの低減を図ることが可能となる。

以下に本発明の幾つかの実施例を説明する。

図２を用いて本発明の第一の実施例を説明する。図２（Ａ）は、本実施例を示す平面図、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の主要部の拡大断面模式図である。図２（Ｂ）に示すように、複数の微細貫通孔２０２を有するガラス基板２０１は、充填ユニット２６０の中にセットされている。充填ユニットは、押えフレーム２１５、２１６、フィルター２４０、ネット２５０とで構成されており、本発明の原理を説明する図１に類似の構造であり、上記の部分をユニット化したものである。

ガラス基板２０１は、直径５０ｍｍ、厚さ０．３５ｍｍであり、所定位置に複数個の微細貫通孔（直径約２００μｍ）２０２が設けられている。本例ではレジスト膜をパタニングマスクとしてサンドブラスト法により貫通孔を形成した。

上記のガラス基板を充填ユニット２６０にセットした後、図２（Ａ）に示すように複数個の充填ユニット２６０をシリンダー底面部２２０に並べる。次に、シリンダー２１０内に直径０．５〜２μｍの金（Ａｕ）の微粒子を純水に懸濁させた液を注ぎ、先の図１に示したと同様にピストン（図示せず）により適当な力で懸濁液を加圧する。例えば懸濁液に約０．５ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力を加えて貫通孔２０２を通して排出口２７０から流出させる。これにより、貫通孔内にＡｕ粒子が堆積する。ガラス基板の表面にもＡｕ粒子の堆積が始まったら懸濁液の加圧を中止し、各充填ユニットごとガラス基板を懸濁液中から引上げる。このとき、ガラス基板上にある懸濁液のほとんどが流れ落ちるように垂直に近い斜めの姿勢で充填ユニットを液中から引上げる。

次に、取出した充填ユニットを減圧乾燥機（図示せず）の中で水分をゆっくりと除去して乾燥させる。その後、ガラス基板を充填ユニットから取外し、Ａｕ粒子が充填された貫通孔部分への導電性ペーストの注入・含浸を行う。この作業にはマイクロディスペンサーを用いてガラス基板中のＡｕ粒子の堆積・充填済の貫通孔部分におけるＡｕ粒子群の間隙部分に導電性ペーストを含漬させた。

次いで、導電性ペーストを所定条件で硬化させる。さらに、ガラス基板表面の僅かな堆積物を掃き出し除去したのち、表面平滑研摩によって導電性ペーストの固化凸起物やガラス表面に残る僅かな付着物を除去し、ガラス基板表面を平滑に仕上げる。以上の手順により、Ａｕ粒子を主要導体とする貫通電極付きガラス基板を得ることができる。なお、本例ではＡｕ微粒子を純水に分散させて用いたが、メタノールのような有機溶剤に分散させて用いることも可能である。

本例でも、サンドブラスト法により直径約２００μｍの貫通孔を有するガラス基板を用いた。図３に、このガラス基板３０１の模式断面構造を示す。サンドブラスト法により貫通孔３０２をあけているので、上方の径がやや大きくなっており、また、貫通孔の側壁３０３はザラザラした凹凸面になっている。

貫通電極の導電体材料として本例では合金材料を用いた。合金材料としてAu−Si共晶合金の微粒子（粒径約３μｍ）を用いた。また、ステアリン酸をメタノール液中に溶解させた「フラックス液」を作製した。さらに、このフラックス液中に上記の合金微粒子を分散・懸濁させて使用した。

上記の懸濁液を用い、図３に示す貫通孔３０２内にAu−Si微粒子を堆積させる。これには、先に述べた実施例１と同様の手法を用いるので、詳細な説明を省略する。貫通孔内へのAu−Si微粒子の堆積が終了したらシリンダー容器から充填ユニットを取出し、メタノールを蒸発させてガラス基板を乾燥させる。これにより、Au−Si微粒子の表面はステアリン酸の薄い膜でコーティングされ、この状態で貫通孔内に堆積・充填される。

次に、ガラス基板を充填ユニットから取外した後、ガラス基板の表面や裏面に僅かに付着しているＡｕ合金の微粒子を、適宜、拭取るなどして表面・裏面から除去する。次いで貫通孔内に充填されたAu−Si微粒子の溶融を行う。電気炉を用いて、窒素雰囲気で温度約４００℃において約１０分間の加熱処理によりAu−Si微粒子を溶融させた。このとき、Au−Si微粒子の表面にあったステアリン酸の薄膜はフラックスとして作用し、Au−Si微粒子の溶融終了後には飛散・消失する。これにより、貫通孔内に充填されていたAu−Si微粒子は、溶融後に一体化してAu−Si合金を導電体とする貫通電極となる。

図３に示すように、貫通孔内の側壁３０３は凹凸のある粗面であり、またAu−Si貫通電極は、凹凸のある側壁に接して溶解して形成されるので、貫通孔内壁面のアンカー効果により、Au−Si貫通電極がガラス基板から脱落することはない。このため、本例では、導電性ペーストなどを用いた接着処理が不要となる。また、貫通孔内壁が平滑な場合には、貫通孔内壁面が金属薄膜（例えばＮｉ／Ａｕ薄膜）でメタライズされた基板を用いればよい。

本例では、貫通電極の導電体材料としてAu−Si共晶合金を使用したが、共晶合金に限定されるものではなく、Au−Ge、Au−Sn、Ag−Sn、などAu系、Ag系の所望組成の合金を用いることができる。また、用途により、比較的融点の低いＳｎなどの単体金属材料を用いることも可能である。

また、フラックスとして用いたステアリン酸もこれに限定されるものではなく、オレイン酸、リノール酸、リノレン酸など、フラックス効果のある脂肪酸であれば使用可能である。

さらに本例では、上記フラックスの溶媒であり、かつ、共晶合金の微粒子を分散・懸濁させる液としてメタノールを用いているが、これに限定されるものではなく、フラックスが溶解可能であり蒸発乾燥が容易な有機溶剤であれば、純水や他の有機溶剤をメタノールに替えて使用することができる。

以上の実施例１、２においては、導電体微粒子を貫通孔内に堆積させるためのフィルターを支持するネットを用いているが、フィルター自体に分散液の圧力に耐えうる強度がある自立型のフィルターを使用する場合には、フィルター支持用のネットは不要になる。

本発明による貫通電極付き基板は、電子部品の３次元実装に幅広く利用できる。

本発明の原理を示す模式断面図 本発明の第一の実施例を示す模式図（平面図、断面図） 本発明の第二の実施例における基板の模式断面図 従来の電解メッキ法による貫通電極付き基板の製作方法を示す模式断面図

１０１、２０１、３０１、４０１――ガラス基板
１０２、２０２、３０２、４０２――貫通孔
１１０、２１０――シリンダー
１２０――ピストン
１３０――分散液
１３５、４３５――充填導電体
１４０、２４０――フィルター
１５０、２５０――ネット
２６０――充填ユニット
４１０――電極基板
４１２――シードレイヤ
４２０――メッキ対向電極
４３０――メッキ液

Claims (8)

1. 貫通電極付き基板の製造方法であって、下記の工程により製造することを特徴とする貫通電極付き基板の製造方法。
   （１） 貫通電極を構成する導電体材料の微粒子を液体に懸濁させる工程；
   （２） 上記導電体微粒子が通過し得ず上記液体のみが通過可能なフィルター層を、貫通孔を有する基板の片面に接触させる工程；
   （３） 上記フイルター層に接していない方の上記基板面側から上記懸濁液を圧力を加えながら貫通孔内に流し込み、上記貫通孔内に導電体微粒子を堆積させる工程；
   （４） 上記貫通孔内に堆積した導電体微粒子を濡らしている液体を乾燥させ、さらに、基板表面に堆積した導電体微粒子を除去する工程；
   （５）上記貫通孔内に堆積した導電体微粒子同士を固定・固着させ、かつ、これらを貫通孔内壁にも固着させる工程。
2. 前記の貫通孔内に堆積した導電体微粒子同士を固定・固着させ、かつ、これらを貫通孔内壁にも固着させる工程として、請求項１の（１）〜（４）の工程を経たのちに貫通孔部分の上記導電体微粒子群に導電性ペーストを注入・含浸・固化させる方法を用いることを特徴とする請求項１に記載の貫通電極付き基板の製造方法。
3. 前記導電体微粒子の融点が前記基板の融点（又は軟化点）よりも低温であって、前記貫通孔内に堆積した導電体微粒子同士を固定・固着させ、かつ、これらを貫通孔内壁にも固着させる工程として、請求項１の（１）〜（４）の工程を経たのちに、上記貫通孔内に導電体微粒子が充填された上記基板を還元性ガス雰囲気中で加熱・溶解・固化させる方法を用いることを特徴とする請求項１に記載の貫通電極付き基板の製造方法。
4. 前記導電体微粒子の懸濁工程における分散媒たる前記液体が水又は有機溶剤であり、又、前記基板の材質がガラス、セラミックス、又はシリコンのうちのいずれか一つであり、さらに、前記導電体微粒子の材質が金属若しくはカーボンのいずれか一つ又はこれらの組み合わせであることを特徴とする請求項１若しくは請求項２に記載の貫通電極付き基板の製造方法。
5. 前記導電体微粒子の懸濁工程における分散媒たる前記液体が水又は有機溶剤であり、又、前記基板の材質がガラス、セラミックス、又はシリコンのうちのいずれか一つであり、さらに、前記導電体微粒子が前記基板材質の融点（又は軟化点）よりも低い融点を有する金属あるいは合金であるところのＩｎ、Ｓｎ、Ｓｎ系合金、Ａｕ系合金、Ａｇ系合金のいずれか一以上の組み合わせであることを特徴とする請求項１若しくは請求項３に記載の貫通電極付き基板の製造方法。
6. 貫通電極付き基板の製造方法であって、下記の工程により製造することを特徴とする貫通電極付き基板の製造方法。
   （１） はんだフラックスとして機能するフラックス材を、フラックス材を溶解可能な溶媒（水又は有機溶媒から選択）に溶解させてフラックス液を作製する工程；
   （２） 貫通電極を構成する金属あるいは合金の微粒子を上記フラックス液中に懸濁させる工程；
   （３） 上記の金属あるいは合金の微粒子が通過し得えず上記フラックス液のみが通過可能なフィルター層を、貫通孔を有する基板の片面に接触させる工程；
   （４） 上記フィルター層に接していない方の上記基板面側から上記懸濁液を圧力を加えながら貫通孔内に流し込み、上記貫通孔内に金属あるいは合金の微粒子を堆積させる工程；
   （５） 上記貫通孔内に堆積した金属あるいは合金の微粒子を濡らしている液体を乾燥させ、さらに、基板表面に堆積した金属あるいは合金の微粒子を除去する工程；
   （６） 貫通孔内に金属あるいは合金の微粒子が充填された上記の基板を、金属あるいは合金の微粒子の融点以上（かつ、基板の融点（又は軟化点）以下）に加熱して金属あるいは合金の微粒子を溶解させた後に固化させる工程。
7. 前記金属又は合金の微粒子の材質が、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｓｎ系合金、Ａｕ系合金、Ａｇ系合金のいずれか一以上の組み合わせであり、
   また、前記フラックス材が、ステアリン酸、アスコルビン酸、クエン酸、酒石酸、リノール酸、リノレン酸のいずれか一つであり、
   さらに、前記基板の材質が貫通孔に充填すべき金属又は合金の微粒子の融点より高い融点（又は軟化点）を有するガラス、セラミックス、又はシリコンのいずれか一つであることを特徴とする請求項６に記載の貫通電極付き基板の製造方法。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法を用いて製造することを特徴とする貫通電極付き基板。

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