JP2011165996A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板の貫通孔の電気的導通が簡便な方法で得られる半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体装置１００の製造方法は、未硬化の熱硬化性樹脂からなるコア基板１１を準備する工程と、コア基板１１を貫通する貫通孔３１を形成する工程と、貫通孔３１の開口部を覆うように、コア基板１１の裏面に金属層１４ａ（第１金属層）を設ける工程と、貫通孔３１の内部に、半田塊２５を配置する工程と、貫通孔３１の開口部を覆うように、コア基板１１の表面に金属層１４ｂ（第２金属層）を設ける工程と、コア基板１１に金属層１４ａ及び１４ｂを熱圧着する工程と、貫通孔３１内の半田塊２５を介して、金属層１４ａ及び１４ｂとを電気的に接続する工程と、を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関する。

近年、半導体装置の高集積化を目的として、半導体装置における配線構造、電極パッド構造などの微細化に関する開発が行われている。そのため、プリント基板もより小型化かつ高密度化されている。通常、プリント基板は、その表裏に配線が形成され、基板を貫通する貫通孔を介して、両面の配線を電気的に接続している。この両面の配線を電気的に接続する貫通電極の形成方法として、例えば、特許文献１には以下のことが記載されている。

特許文献１には、コア基板と配線層とを接着材を介して接合する技術が記載されている。

特開２００１−１５９１９号公報

しかしながら、上記特許文献記載の技術では、基板と金属層とを接着するために、接着層等を形成する必要があった。そこで、より簡便な方法で基板と金属層とを接着する方法が求められていた。

本発明によれば、
未硬化の熱硬化性樹脂、または熱可塑性樹脂からなる基板を準備する工程と、
前記基板を貫通する貫通孔を形成する工程と、
前記貫通孔の開口部を覆うように、前記基板の裏面に第１金属層を設ける工程と、
前記貫通孔の内部に、導電性材料を充填する工程と、
前記貫通孔の開口部を覆うように、前記基板の表面に第２金属層を設ける工程と、
前記基板に前記第１金属層及び前記第２金属層を熱圧着する工程と、
前記貫通孔内の前記導電性材料を介して、前記第１金属層と前記第２金属層とを電気的に接続する工程と、
を含み、
前記熱圧着する工程の前に、前記導電性材料と前記第１金属層及び前記第２金属層とがそれぞれ電気的に接続する領域に、フラックス含有材料を配置する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。

本発明の基板は、未硬化の熱硬化性樹脂、または熱可塑性樹脂からなるため、粘性が低くなった時（溶融時等）に接着性を有する。そのため、第１金属層及び第２金属層は、接着剤を介さなくても基板に接着できる。したがって、基板の両面の金属層は、導電性材料が埋め込まれた貫通孔を介して、簡便な方法で電気的導通できるようになる。

本発明によれば、基板の貫通孔の電気的導通が簡便な方法で得られる半導体装置の製造方法を提供できる。

本実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す工程断面図である。 本実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す工程断面図である。 本発明による半導体装置の製造方法の変形例を示す断面図である。 本発明による半導体装置の製造方法の変形例を示す断面図である。 本発明による半導体装置の製造方法の変形例を示す断面図である。 本発明による半導体装置の製造方法の変形例を示す工程断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

（第１実施形態）
図１及び図２は、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す工程断面図である。

半導体装置１００は、金属層１４ａ（配線板）、コア基板１１、及び金属層１４ｂ（配線板）がこの順に積層した構造を有している（図２（ｂ）参照）。また、コア基板１１を貫通する貫通孔３１には、半田塊２５および溶融樹脂１６が埋め込まれている。

コア基板１１は、接着性を有するため、接着層を設けることなく、金属層１４ａ及び１４ｂと接着できる。
本実施形態において、コア基板１１は、未硬化の熱硬化性樹脂として、半硬化（Ｂステージ）状態の熱硬化性樹脂からなる。そのため、溶融した樹脂がコア基板１１表面の凹凸に入り込み金属層１４ａ及び１４ｂとのすき間を低減できる。それと共に、金属との化学的結合力が付加されるため、金属層１４ａ及び１４ｂとのより高い密着力が得られる。

なお「未硬化」とは、半硬化（Ｂステージ）状態またはそれより軟らかい状態をいう。半硬化状態より軟らかい状態とは、固体を溶剤に溶かした状態等をいう。

コア基板１１に用いられる熱硬化性樹脂としては、特に限定されないが、例えばエポキシ樹脂、熱硬化性ポリイミド樹脂（ＰＩ）、フェノール樹脂、マレイミド樹脂、シアネート樹脂、ベンゾシクロブテン樹脂が挙げられる。この中でも、半田の溶融温度にて熱圧着温度をコントロール出来ることから、エポキシ樹脂が好ましい。

金属層１４ａ及び１４ｂとしては、鉄、ニッケル、アルミニウム、ステンレス、銅などが用いられ、これらの中で、銅を用いることがより好ましい。

本実施形態において、半田塊２５の形状は球状である。これにより、上下左右の区別なく貫通孔３１に埋設することができる。半田塊２５の大きさは、貫通孔３１の深さまたはコア基板１１の厚み、貫通孔３１の開口部の径等により適宜調整できる。

本実施形態において、半田塊２５は、コア２１と、コア２１を被覆する半田層２２と、半田層２２の外側を被覆する樹脂層２３を有している（図２（ａ））。

なお「被覆」とは、連続的に全面を覆うものに限定されず、非連続または未被覆の領域を有していてもよい。被覆の程度や度合いは適宜調整できる。

コア２１は、熱変形しにくいものが好ましく、半田層２２よりも融点が高くなっていればよい。例えば、コア２１は、半田層２２よりも融点が高い樹脂組成物を用いて形成されてもよい。これにより、半田リフロー時に溶融変形されにくくなるため、良好な接続を実現できる。
またコア２１は、導電性材料を含んでいてもよい。導電性材料としては、銅などが挙げられる。コア２１に銅が含まれることにより、導電率をさらに向上でき電気抵抗を下げることができる。

半田層２２は、接続端子として機能する。半田層２２の形成方法としては、例えば電解めっきを用いること等により形成される。半田層２２の厚さ、組成などは適宜選択して調整できる。

樹脂層２３は、フラックス活性化合物を含有した樹脂である。フラックス活性化合物により、樹脂層２３が半田リフロー時に溶融して広がり、半田層２２が露出して導通可能となるとともに、溶融した樹脂層２３（図２（ｂ）溶融樹脂１６）により貫通孔３１と半田塊２５とのすき間を埋めることができる。また、露出した半田層２２は、金属層１４ａ及び１４ｂとリフロー接続できる。

なお、フラックス活性化合物とは、半田の酸化膜を還元し、半田の表面張力を低下させ、半田の濡れを良くする作用を有するものをいう。

フラックス活性化合物を含有した樹脂は主剤として、熱硬化性樹脂を含有することが好ましい。熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、シアネート樹脂、ウレタン樹脂、ポリブタジエン樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂等公知の熱硬化性樹脂を適用することができるが、より好ましくはエポキシ樹脂である。貫通孔３１のすき間を埋めるため不純物、特にイオン性不純物が少ないものが好ましい。

エポキシ樹脂を用いる場合、エポキシ樹脂の種類として特に限定されず、例えば、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、多官能型エポキシ樹脂等を用いることができるが、常温で液状のものが好ましい。常温で液状ではないものに関しては、既存の液状エポキシ樹脂に予め溶解させて使用するか、予め溶剤に溶かして使用することもできる。

上記エポキシ樹脂の硬化剤としては、公知のものを用いることができ、例えば、酸無水物系硬化剤、アミン系硬化剤、フェノール樹脂系硬化剤等を用いることができる。エポキシ樹脂の硬化促進剤としては、公知のものを用いることができ、例えば、イミダゾール類、ＤＢＵ、リン系触媒、金属アセチルアセトナートや金属ナフテン酸等の金属錯体等を用いることができる。また、特性を向上させるためにフィラーを添加することができる。その例としては、シリカ、炭酸カルシウム、アルミナ、窒化アルミ等が挙げられる。

また、上記フラックス活性化合物とは、例えば有機カルボン酸類（ポリマー、モノマー含む）、ハイドロキノン、ナフトキノンのような還元作用を示す物質または該構造を有する化合物のことを示す。これらは主剤となる熱硬化性樹脂１００重量部に対し、１０〜５０重量部であることが望ましい。１０重量部未満であると十分なフラックス活性が得られず、半田の接合性が低下するという不具合が生じる可能性があり、５０重量部を越えるとマイグレーションや耐湿劣化などにつながる可能性がある。

また、フラックス活性化合物は、例えば、エポキシ樹脂の硬化剤としての作用とフラックス作用の両方を有する物質であってもよい。例えば、１分子あたり少なくとも２個以上のフェノール性水酸基と１分子当たり少なくとも１個以上の芳香族カルボン酸を有する化合物であり、このような化合物の例としては、例えば、ジヒドロキシ安息香酸、フェノールフタリン、ジヒドロキシナフトエ酸、無水メチルナジック酸等がある。

さらに、樹脂層２３は、フラックス活性化合物とは別の硬化剤をさらに含んでもよい。硬化剤としては、特に限定されるものではなく、フェノール類、アミン類、チオール類があげられるが、エポキシ樹脂との反応性や硬化後の物性を考えた場合、フェノール類が好適に用いられる。

これらの原材料の他に必要に応じて、低応力剤、顔料、難燃剤、粘度調整剤、密着助剤等を添加することができる。

樹脂層２３となるフラックス活性化合物を含有した樹脂の製造方法は、例えば、これらの原材料とフラックス活性化合物を所定の配合量を秤量し、３本ロールや混練機等を用いて、混合し、脱泡して製造できる。

半田塊２５の半田層２２の外側に樹脂層２３を形成する方法は、例えば、基材上に半田層２２付きコア２１を載置し、これを転がしながら、溶剤にフラックス活性化合物を含有した樹脂を溶解させたワニスをスプレーガンなどにより吹き付ける方法が挙げられる。また、別の方法としては、例えば、基材上に、溶剤にフラックス活性化合物を含有した樹脂を溶解させたワニスを塗布して薄膜を形成し、この薄膜上に半田層２２付きコア２１を載置して転がすことにより、半田層２２の外表面に付着させる方法がある。

次に図１及び図２を用いて、本実施形態における半導体装置の製造方法について説明する。

本実施形態における半導体装置１００の製造方法は、
未硬化の熱硬化性樹脂からなるコア基板１１を準備する工程と、
コア基板１１を貫通する貫通孔３１を形成する工程と、
貫通孔３１の開口部を覆うように、コア基板１１の裏面に金属層１４ａ（第１金属層）を設ける工程と、
貫通孔３１の内部に、半田塊２５を配置する工程と、
貫通孔３１の開口部を覆うように、コア基板１１の表面に金属層１４ｂ（第２金属層）を設ける工程と、
コア基板１１に金属層１４ａ及び１４ｂを熱圧着する工程と、
貫通孔３１内の半田塊２５を介して、金属層１４ａ及び１４ｂとを電気的に接続する工程と、
を含む。以下、詳細に説明する。

まず、図１（ａ）に示すように、コア基板１１を準備する。

次に、図１（ｂ）に示すように、例えば、ドリル加工、レーザー加工などの方法により、コア基板１１を貫通する貫通孔３１を形成する。

続けて、図１（ｃ）に示すように、貫通孔３１の開口部を覆うように、コア基板１１の裏面に金属層１４ａ（第１金属層）を設ける。

次に、図２（ａ）に示すように、貫通孔３１の内部に、半田塊２５を配置する。半田塊２５は、半田層２２の外側がフラックス含有材料からなる樹脂層２３で被覆された構成となっているため、以下に説明する熱圧着する工程の前に、半田塊２５と金属層１４ａが電気的に接続する領域にフラックス含有材料が配置されることになる。

次に、図２（ｂ）に示すように、貫通孔３１の開口部を覆いつつ半田塊２５と接するように、コア基板１１の表面に金属層１４ｂ（第２金属層）を設ける。これにより、半田塊２５と金属層１４ｂが電気的に接続する領域には、フラックス含有材料からなる樹脂層２３が配置されることになる。

続けて、リフロー炉にて加熱及び加圧することにより、半田塊２５と、金属層１４ａと金属層１４ｂとを熱圧着する。このとき、樹脂層２３が溶融することにより半田層２２が露出して、半田層２２と金属層１４ａ及び１４ｂとがそれぞれ電気的に接続される。また、溶融した樹脂層２３は、半田塊２５の周囲及び貫通孔３１内のすき間を埋め込むように広がる（図２（ｂ）参照、溶融樹脂１６）。その後、図２（ｂ）に示すような、半導体装置１００が得られる。

本実施形態の効果を説明する。
本実施形態の半導体装置１００は、未硬化の熱硬化性樹脂からなるコア基板１１を用いているため、コア基板１１は接着性を有する。そのため、金属層１４ａ及び１４ｂは、接着剤を介さなくてもコア基板１１に接着できる。したがって、半田塊２５が埋め込まれた貫通孔３１を介して、金属層１４ａ及び１４ｂの電気的導通が簡便な方法で得られる。

また、本発明において樹脂層２３が溶融して広がることにより、貫通孔３１内のすき間を低減でき、電気的導通がより良好となる。

また、本実施形態では導電性材料として半田塊２５を用いている。従来は、貫通孔内に導電性材料を埋め込むために、電解めっきを行うため、めっきシードとなる導体回路層が厚くなり、また厚みがばらつく傾向があったのに対し、本実施形態では、電解めっきを行う必要がない。これにより、導体回路層となる金属層１４ａ及び１４ｂを薄くできるとともに導体回路層の厚さをより均一にすることができる。よって、精度の高い微細な回路パターニングが得られる。また、従来は、貫通孔に穴埋めされた絶縁材料の端面を塞ぐように蓋めっきを必要としたが、本実施形態では蓋めっきも不要となる為、薄型化と厚みバラツキの低減効果を一層顕著にできる。

本実施形態における半田塊２５は、内部に半田よりも融点が高いコア２１を有するため、半田塊２５の熱変形を抑制し、接続位置を固定することができる。これにより信頼性の高い半導体装置１００を得ることができる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

上記実施形態では、コア基板１１が未硬化の熱硬化性樹脂からなる場合について説明したが、コア基板１１は熱可塑性樹脂からなるものでもよい。熱可塑性樹脂を用いた場合も、溶融した樹脂がコア基板１１表面の凹凸に入り込めるため、金属層１４ａ及び１４ｂとのすき間が低減しより高い密着力が得られる。

コア基板１１の熱可塑性樹脂としては、特に限定されないが、例えば、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、熱可塑性ポリイミド樹脂（ＰＩ）、ポリエーテルエーテルケトン樹脂（ＰＥＥＫ）、ポリアセタール樹脂（ＰＯＭ）、ポリアミド樹脂（ＰＡ）、ポリカーボネート樹脂（ＰＣ）、ポリフェニレンエーテル樹脂（ＰＰＥ）、ポリブチレンテレフタレート樹脂（ＰＢＴ）、ポリアリレート樹脂（ＰＡＲ）、ポリエーテルスルホン樹脂（ＰＥＳ）、ポリエーテルイミド樹脂（ＰＥＩ）等が挙げられる。半田溶融温度で樹脂を溶融することが可能な点からＬＣＰが好ましい。

上記実施形態では、貫通孔３１の内部に導電性材料として半田塊２５を配置した例について説明したが、導電性材料として半田ペーストを用い充填してもよい。この場合、貫通孔３１にフラックス含有材料を埋設し、その上に半田ペーストを埋設し、さらにその上にフラックス含有材料を埋設する。
半田ペーストとしては、汎用品を用いることができるため、半田を塊状に成型しなくてもよい。またフラックス含有材料としては、上記実施形態で説明した樹脂層２３と同様のフラックス活性化合物を含有した樹脂を用いることができる。

上記実施形態においては、貫通孔３１に埋め込まれた半田塊２５が一つである場合について説明したが、半田塊２５は複数でもよく、積み上げ方も特に限定されない。例えば、図３に示すように、隣接した半田塊２５の間に半田塊２５を載せるようにして積み上げた半導体装置２００でもよく、図４に示すように、ほぼ同軸上に半田塊２５を積み上げた半導体装置３００でもよい。

上記実施形態においては、貫通孔３１が円筒状である場合について説明したが、これに限られない。例えば、図５に示すように、半導体装置４００のコア基板１２に形成された貫通孔は、下方に向かって幅が小さくなるテーパ形状を有していてもよい。この場合、貫通孔への半田塊２５の埋設がより安定的になる。

上記実施形態では、樹脂層２３を有する半田塊２５について説明したが、半田塊２５は樹脂層２３を有していなくてもよい。
例えば、図６（ａ）に示すように、熱圧着する工程の前に、金属層１４ａ及び１４ｂの表面にフラックス含有材料２４をそれぞれ設けてもよい。つづけて、図２（ｂ）を用いて説明したのと同様にして、リフロー炉にて加熱及び加圧することにより、半田塊２５の半田層２２と、金属層１４ａと金属層１４ｂとを熱圧着する。その後、図６（ｂ）に示すような半導体装置５００が得られる。なお、フラックス含有材料２４としては、上記実施形態で説明したのと同様に、フラックス活性化合物を含有した樹脂を用いることができる。これにより、溶融樹脂１６により貫通孔３１のすき間を埋めることができる。
この場合も、貫通孔３１の内部の導電性材料は、フラックス含有材料２４を介して、金属層１４ａ及び１４ｂにそれぞれ加熱圧着でき、良好な電気的接続が得られる。なお、フラックス含有材料２４が配置される領域は、少なくとも半田塊２５と金属層１４ａ及び１４ｂとがそれぞれ電気的に接続する領域であればよい。また、フラックス含有材料２４の配置の方法は、半田塊２５上に直接ディスペンス法により供給するなど特に限定されず適宜選択できる。

上記実施形態においては、半田塊２５がコア２１を有する場合について説明したが、コア２１を有さなくてもよい。

上記実施形態においては、コア基板１１が単層である場合について説明したが、複数の半導体基板を用いて積層した多層配線構造としてもよい。

１１ コア基板
１２ コア基板
１４ａ 金属層
１４ｂ 金属層
１６ 溶融樹脂
２１ コア
２２ 半田層
２３ 樹脂層
２４ フラックス含有材料
２５ 半田塊
３１ 貫通孔
１００ 半導体装置
２００ 半導体装置
３００ 半導体装置
４００ 半導体装置
５００ 半導体装置

Claims (10)

1. 未硬化の熱硬化性樹脂、または熱可塑性樹脂からなる基板を準備する工程と、
   前記基板を貫通する貫通孔を形成する工程と、
   前記貫通孔の開口部を覆うように、前記基板の裏面に第１金属層を設ける工程と、
   前記貫通孔の内部に、導電性材料を充填する工程と、
   前記貫通孔の開口部を覆うように、前記基板の表面に第２金属層を設ける工程と、
   前記基板に前記第１金属層及び前記第２金属層を熱圧着する工程と、
   前記貫通孔内の前記導電性材料を介して、前記第１金属層と前記第２金属層とを電気的に接続する工程と、
   を含み、
   前記熱圧着する工程の前に、前記導電性材料と前記第１金属層及び前記第２金属層とがそれぞれ電気的に接続する領域に、フラックス含有材料を配置する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記フラックス含有材料を配置する工程は、前記導電性材料を充填する工程の前及び後に、前記貫通孔の内部に前記フラックス含有材料を充填することを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記導電性材料を充填する工程は、半田塊を配置する工程であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記フラックス含有材料が、フラックス活性化合物を含有した樹脂であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 請求項３に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記半田塊は、半田からなる半田層と、前記半田層の外側を被覆する前記フラックス含有材料からなる樹脂層と、を有し、
   前記貫通孔の内部に、前記半田塊を配置することにより、前記半田塊と前記第１金属層及び前記第２金属層とがそれぞれ電気的に接続する領域に、前記樹脂層を配置することを特徴とする半導体装置の製造方法。
6. 請求項５に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記半田塊は、内部に半田よりも融点が高いコアを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
7. 請求項６に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記半田塊の前記コアは、銅を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
8. 請求項５乃至７いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
   前記半田塊の形状は、球状または柱状であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
9. 請求項５乃至８いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
   前記半田塊は、前記貫通孔内に複数積み上げられることを特徴とする半導体装置の製造方法。
10. 請求項１乃至９いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
    前記貫通孔は、下方に向かって幅が小さくなるテーパ形状を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。

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