JP2018006724A - 配線基板 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子を安定的に作動させることが可能な配線基板を提供することを課題とする。【解決手段】コア絶縁板５の上下面にビルドアップ絶縁層６が積層されて成る絶縁基板１と、絶縁基板１の表面および内部に形成された配線導体２と、絶縁基板１の上面中央部に、半導体素子Ｓの電極Ｔと接続される複数の半導体素子接続パッド３が配設されたパッド形成領域７を有するとともに、パッド形成領域７から離間した上面外周部に、半導体素子Ｓを覆う金属キャップＭが接合される接合領域８をパッド形成領域７を囲繞する状態に有する配線基板Ａであって、コア絶縁板５は、パッド形成領域７および接合領域８に対応する領域が２５〜１３０ＧＰａのヤング率を有する高弾性材料から成り、パッド形成領域７と接合領域８との間に対応する領域にパッド形成領域７を囲繞する０．１〜１５ＧＰａのヤング率を有する低弾性材料から成る緩衝領域９を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子および半導体素子を覆う金属キャップが接続される配線基板に関するものである。

近年、高機能化が進むコンピューターやゲーム機等に搭載される半導体素子は、同時に多量の演算処理を行える一方で発熱量も増大している。このため、半導体素子および半導体素子が接続された配線基板には熱伸縮が生じるが、両者の熱伸縮差により熱応力が生じて、配線基板に変形が発生しやすくなる。
配線基板の変形が大きくなると、配線基板を外部回路基板に二次実装することが困難になることから、配線基板の上面には半導体素子から生じる熱を放熱するとともに、変形を矯正するための金属キャップが接続される。

図３（ａ）および（ｂ）に、このような半導体素子Ｓ、および金属キャップＭが接続された従来の配線基板Ｃを示す。
配線基板Ｃは、絶縁基板２１と、配線導体２２と、半導体素子接続パッド２３と、外部接続パッド２４とを備えている。配線基板Ｃの熱膨張係数は、およそ１５ｐｐｍ／℃程度である。

絶縁基板２１は、コア絶縁板２５およびビルドアップ絶縁層２６を備えている。絶縁基板２１の上面中央部には、複数の半導体素子接続パッド２３が配設されたパッド形成領域２７を有している。パッド形成領域２７から離間した絶縁基板２１の上面外周部には、金属キャップＭが接合される接合領域２８を有している。
コア絶縁板２５は、配線基板Ｃの平坦性を保持するために高弾性材料で形成されている。コア絶縁板２５は、複数のスルーホール２９を有している。
ビルドアップ絶縁層２６は、コア絶縁板２５の上下面に積層されている。ビルドアップ絶縁層２６は、複数のビアホール３０を有している。

配線導体２２は、コア絶縁板２５の表面およびスルーホール２９内、ならびにビルドアップ絶縁層２６の上下表面およびビアホール３０内に形成されている。これにより、絶縁基板２１の上下表面の配線導体２２同士が電気的に接続される。

半導体素子接続パッド２３は、パッド形成領域２７に配線導体２２と一体的に形成されている。半導体素子接続パッド２３は、半導体素子Ｓの電極Ｔと半田を介して接続される。半導体素子Ｓは、シリコンから成り、その熱膨張係数は、およそ３ｐｐｍ／℃程度である。半導体素子Ｓと配線基板Ｃとの間は、絶縁性の熱硬化性樹脂Ｒで充填され、この熱硬化性樹脂Ｒおよび半田により半導体素子Ｓと配線基板Ｃとが互いに固定されている。

金属キャップＭは、半導体素子Ｓの上面を覆うキャップ部Ｍａおよび配線基板Ｃと接合する接合部Ｍｂを有している。キャップ部Ｍａの下面と半導体素子Ｓの上面とは固定されず熱伝導性のグリース（不図示）を介して熱的に接触されており、半導体素子Ｓから発生する熱の放熱を行っている。接合部Ｍｂと接合領域２８とは、接着剤により固定されている。
金属キャップＭは、例えば銅から成り、その熱膨張係数は、およそ１７ｐｐｍ／℃程度である。

外部接続パッド２４は、絶縁基板２１の下面に配線導体２２と一体的に形成されている。外部接続パッド２４は、外部回路基板（不図示）の電極に半田を介して接続される。
これにより、半導体素子Ｓと外部回路基板とが電気的に接続される。

ところで、半導体素子Ｓの発熱や冷熱時には、上述した半導体素子Ｓおよび配線基板Ｃに加えて、金属キャップＭに熱伸縮が生じる。配線基板Ｃは半導体素子Ｓよりも大きく熱伸縮し、金属キャップＭは配線基板よりも大きく熱伸縮する。その結果、互いに固定されている半導体素子Ｓと配線基板Ｃとの間には両者の熱膨張係数の差に起因する熱応力が発生する。この熱応力は、半導体素子Ｓの外周角部に対応する位置に大きく集中して作用する。さらに、互いに固定されている配線基板Ｃと金属キャップＭとの間にも両者の熱膨張係数の差に起因する熱応力が発生する。この熱応力も、高弾性材料から成る配線基板Ｃを介して半導体素子Ｓの外周角部に対応する位置に大きく集中して作用する。そしてこれらの熱応力が重畳して作用する結果、半導体素子Ｓの外周角部に対応する位置において、半導体素子Ｓの電極Ｔと半導体素子接続パッド２３との接続間に亀裂が生じることがあり、半導体素子Ｓが安定的に作動できないという問題がある。

特許第５７０３０１０号公報

本発明は、半導体素子の外周角部に集中して作用する熱応力を低減することで、半導体素子と配線基板との電気的な接続を保持して半導体素子を安定的に作動させることが可能な配線基板を提供することを課題とする。

本発明の配線基板は、コア絶縁板の上下面にビルドアップ絶縁層が積層されて成る絶縁基板と、絶縁基板の表面および内部に形成された配線導体と、絶縁基板の上面中央部に、半導体素子の電極と接続される複数の半導体素子接続パッドが配設されたパッド形成領域を有するとともに、パッド形成領域から離間した上面外周部に半導体素子を覆う金属キャップが接合される接合領域を、パッド形成領域を囲繞する状態に有する配線基板であって、
コア絶縁板は、パッド形成領域および接合領域に対応する領域が２５〜１３０ＧＰａのヤング率を有する高弾性材料から成り、パッド形成領域と接合領域との間に対応する領域にパッド形成領域を囲繞する０．１〜１５ＧＰａのヤング率を有する低弾性材料から成る緩衝領域を含むことを特徴とするものである。

本発明の配線基板によれば、パッド形成領域と接合領域との間に対応する領域にパッド形成領域を囲繞する０．１〜１５ＧＰａのヤング率を有する低弾性材料から成る緩衝領域を含んでいる。このため、配線基板と金属キャップとの熱膨張係数の差に起因する熱応力を緩衝領域で吸収することができる。これにより、半導体素子の外周角部に対応する位置に作用する熱応力を小さいものとし、半導体素子と配線基板との電気的な接続を保持して半導体素子を安定的に作動させることが可能な配線基板を提供することができる。

図１（ａ）および（ｂ）は、本発明に係る配線基板の実施形態の一例を示す概略断面図および概略上面図である。 図２（ａ）および（ｂ）は、本発明に係る配線基板の実施形態の異なる一例を示す概略断面図および概略上面図である。 図３（ａ）および（ｂ）は、従来の配線基板を示す概略断面図および概略上面図である。

次に、本発明にかかる配線基板の一例を、図１（ａ）および（ｂ）を基に説明する。
配線基板Ａは、絶縁基板１と、配線導体２と、半導体素子接続パッド３と、外部接続パッド４とを備えている。配線基板Ａの熱膨張係数は、およそ１５ｐｐｍ／℃程度である。

絶縁基板１は、コア絶縁板５およびビルドアップ絶縁層６を備えている。絶縁基板１の上面中央部には、複数の半導体素子接続パッド３が配設されたパッド形成領域７を有している。パッド形成領域７から離間した絶縁基板１の上面外周部には、金属キャップＭが接合される接合領域８を有している。

コア絶縁板５において、パッド形成領域７および接合領域８に対応する領域は、例えばガラス繊維にエポキシ樹脂やビスマレイミドトリアジン樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させて、圧力下で熱硬化させた高弾性材料から成る。この領域のヤング率は、２５〜１３０ＧＰａである。
これにより、パッド形成領域７および接合領域８の平坦性を保持して、半導体素子Ｓや金属キャップＭの接合性を確保できる。
コア絶縁板５において、パッド形成領域７と接合領域８との間には、パッド形成領域７を囲繞するように形成された緩衝領域９を有している。緩衝領域９は、例えばポリイミド樹脂やフッ素樹脂等を熱硬化させたガラス繊維を含まない低弾性材料から成る。この緩衝領域９のヤング率は、０．１〜１５ＧＰａである。
コア絶縁板５は、複数のスルーホール１０を有している。
このようなコア絶縁板５は、例えば次のように形成される。
まず、ガラス繊維にエポキシ樹脂を含浸させて熱硬化した高弾性板を用意する。次に、緩衝領域９に対応する部分をレーザー加工により切断して高弾性板に空所を形成する。次に、緩衝領域９に対応する形状に成形したポリイミド樹脂から成る低弾性樹脂シートを用意して空所に入れる。次に、低弾性樹脂シートが嵌装された高弾性板を加熱しながら平板にてプレスする。最後に、ドリル加工やブラスト加工、あるいはレーザー加工により複数のスルーホール１０を形成することでコア絶縁板５が形成される。

ビルドアップ絶縁層６は、例えばエポキシ樹脂やビスマレイミドトリアジン樹脂等の熱硬化性樹脂を含有する樹脂フィルムをコア絶縁板５の上に貼着して熱硬化させた電気絶縁材料から成る。ビルドアップ絶縁層６は、複数のビアホール１１を有している。ビアホール１１は、レーザー加工により形成される。

配線導体２は、例えば周知のセミアディティブ法により、銅等の良導電性金属から成り、コア絶縁板５の表面およびスルーホール１０内、ならびにビルドアップ絶縁層６の上下表面およびビアホール１１内に形成されている。これにより、コア絶縁板５の上下表面の配線導体２同士が電気的に接続される。

半導体素子接続パッド３は、パッド形成領域７に配線導体２と一体的に形成されている。半導体素子接続パッド３は、半導体素子Ｓの電極Ｔと半田を介して接続される。半導体素子Ｓは、例えばシリコンやゲルマニウムから成る。半導体素子Ｓの熱膨張係数は、およそ３〜６ｐｐｍ／℃程度である。半導体素子Ｓと配線基板Ａとの間は、絶縁性の封止用樹脂Ｒで充填される。

金属キャップＭは、半導体素子Ｓの上面を覆うキャップ部Ｍａおよび配線基板Ａと接合する接合部Ｍｂを有している。キャップ部Ｍａの下面と半導体素子Ｓの上面とは固定されず熱伝導性のグリース（不図示）を介して熱的に接続されており、半導体素子Ｓから発生する熱の放熱を行っている。接合部Ｍｂと接合領域８とは、接着剤により固定されている。金属キャップＭは、例えば銅から成る。金属キャップＭの熱膨張係数は、およそ１７ｐｐｍ／℃程度である。

外部接続パッド４は、絶縁基板１の下面に配線導体２と一体的に形成されている。外部接続パッド４は、外部回路基板（不図示）の電極に半田を介して接続される。
これにより、半導体素子Ｓと外部回路基板とが電気的に接続される。

このように、本発明に係る配線基板Ａによれば、パッド形成領域７と接合領域８との間に対応する領域に、パッド形成領域７を囲繞する０．１〜１５ＧＰａのヤング率を有する低弾性材料から成る緩衝領域９を含んでいる。このため、配線基板Ａと金属キャップＭとの熱膨張係数の差に起因する応力を緩衝領域９で吸収することができる。これにより、半導体素子Ｓの外周角部に対応する位置に作用する熱応力を小さいものとし、半導体素子と配線基板との電気的な接続を保持して半導体素子を安定的に作動させることが可能な配線基板を提供することができる。

なお、本発明は上述の実施形態の一例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能である。例えば、上述の実施形態の一例では、パッド形成領域７と接合領域８との間に対応する領域の一部に緩衝領域９が形成されている例を示したが、パッド形成領域７と接合領域８との間に対応する領域の全てに緩衝領域９が形成されていても構わない。
また、上述の実施形態の一例では、絶縁基板１の表面にソルダーレジスト層が無い例を示したが、絶縁基板１表面のいずれか一方、あるいは両方にソルダーレジスト層を有していても構わない。

また、上述の実施形態の一例では、パッド形成領域７と接合領域８との間に対応する領域において、コア絶縁板５の上面と下面とを貫通する態様で緩衝領域９が形成されている例を示したが、図２に示すように、コア絶縁板５の上面と下面とを貫通しない態様で緩衝領域９を形成しても構わない。このようなコア絶縁板５における高弾性材料から成る領域の上面および下面には、パッド形成領域７と接合領域８との間に対応する領域に、上面視において枠状の凹部が各々設けられている。そして、これらの凹部に低弾性材料が配設された緩衝領域９が形成されている。
このようなコア絶縁板５は、例えば次のように形成される。
まず、ガラス繊維にエポキシ樹脂を含浸させて熱硬化した高弾性板を用意する。次に、緩衝領域９に対応する部分をブラスト加工により掘削して高弾性板の上面および下面に凹部を形成する。次に、緩衝領域９に対応する形状に成形したポリイミド樹脂から成る低弾性樹脂シートを用意して上下両方の凹部に入れる。次に、低弾性樹脂シートが嵌装された高弾性板を加熱しながら平板にてプレスする。最後に、ドリル加工やブラスト加工、あるいはレーザー加工により複数のスルーホール１０を形成することでコア絶縁板５が形成される。
このように、高弾性板を分断することなく緩衝領域９を形成することで、コア絶縁板５においてパッド形成領域７を精度良く配置することが可能になる。

１ 絶縁基板
２ 配線導体
３ 半導体素子接続パッド
５ コア絶縁板
６ ビルドアップ絶縁層
７ パッド形成領域
８ 接合領域
９ 緩衝領域
Ａ 配線基板
Ｍ 金属キャップ
Ｓ 半導体素子
Ｔ 電極

Claims (2)

1. コア絶縁板の上下面にビルドアップ絶縁層が積層されて成る絶縁基板と、
   該絶縁基板の表面および内部に形成された配線導体と、
   前記絶縁基板の上面中央部に、半導体素子の電極と接続される複数の半導体素子接続パッドが配設されたパッド形成領域を有するとともに、前記パッド形成領域から離間した上面外周部に、前記半導体素子を覆う金属キャップが接合される接合領域を前記パッド形成領域を囲繞する状態に有する配線基板であって、
   前記コア絶縁板は、前記パッド形成領域および接合領域に対応する領域が２５〜１３０ＧＰａのヤング率を有する高弾性材料から成り、前記パッド形成領域と前記接合領域との間に対応する領域に前記パッド形成領域を囲繞する０．１〜１５ＧＰａのヤング率を有する低弾性材料から成る緩衝領域を含むことを特徴とする配線基板。
2. 前記高弾性材料から成る領域の上面および下面には、前記パッド形成領域と前記接合領域との間に対応する領域に、各々上面視において枠状の凹部が形成されているとともに、前記凹部内に前記低弾性材料が配設された前記緩衝領域が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の配線基板。

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