JP2022112075A

JP2022112075A - 基板及び基板製造方法

Info

Publication number: JP2022112075A
Application number: JP2021007708A
Authority: JP
Inventors: 怜朗嶋田; Reo Shimada
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-01-21
Filing date: 2021-01-21
Publication date: 2022-08-02

Abstract

【課題】金属ポスト形成のための工数を削減する。【解決手段】セラミック多層基板１００は、最上位層を貫通する第１の貫通穴が最上位層に形成された複数層の未焼成のセラミック積層体２０の上に感光性有機系シート７を配置する工程と、感光性有機系シート７を貫通する第２の貫通穴を第１の貫通穴の位置に合わせて感光性有機系シート７に形成する工程と、第１の貫通穴と第２の貫通穴とに導体ペースト８を充填する工程と、セラミック積層体と感光性有機系シート７と導体ペースト８とを焼成する工程とを実施して製造される。【選択図】図４

Description

本開示は、焼成により製造される基板に関する。

近年、セラミック回路基板は、半導体素子の高集積化及び電子部品の小型化に伴い、それぞれに設けられる外部接続端子の配設密度の増大が図られている。外部接続端子の配設密度が高い回路基板としては、接続端子としてはんだバンプが格子状に配列されたＢＧＡ（ＢａｌｌＧｒｉｄＡｒｒａｙ）型のパッケージがある。
はんだバンプでは、通常は、はんだボールによって電極を形成するが、ボールサイズによる制約及び装置の制約から、はんだボール搭載の難易度が高いという課題があった。また、はんだバンプの形成方法として、はんだ印刷による方法もあるが、小型化、狭ピッチ化によりパッド径が小さくなり、それに伴いバンプ高さが低くなるため信頼性を保てないという課題がある。

特許文献１では、半導体チップにおいて接続部に生じる応力を十分に減少させ、優れた実装信頼性を得るために、パッド電極上に金属ポストを形成する方法が開示されている。

特開２００３－３７２１０号公報

特許文献１に記載の金属ポストを形成する手法においては、金属ポスト形成のための仮基板を除去する工程が必要であり、工数の増大が課題となる。

本開示は、このような課題を解決することを主な課題とする。より具体的には、本開示は、金属ポスト形成のための工数を削減することを主な課題とする。

本開示に係る基板は、
最上位層を貫通する第１の貫通穴が前記最上位層に形成された複数層の未焼成の積層体の上に感光性有機系シートを配置する工程と、
前記感光性有機系シートを貫通する第２の貫通穴を前記第１の貫通穴の位置に合わせて前記感光性有機系シートに形成する工程と、
前記第１の貫通穴と前記第２の貫通穴とに導体ペーストを充填する工程と、
前記積層体と前記感光性有機系シートと前記導体ペーストとを焼成する工程とを実施して製造される。

本開示によれば、焼成時に感光性有機系シートが熱分解されることで消失するため、金属ポスト形成のための仮基板を除去する工程が不要であり、金属ポスト形成のための工数を削減することが可能である。

実施の形態１に係るセラミック多層基板の断面模式図。実施の形態１に係るセラミック多層基板の製造フローを示す図。実施の形態１に係るセラミック多層基板の製造フローを示す図。実施の形態１に係るセラミック多層基板の製造フローを示す図。実施の形態２に係るセラミック多層基板の断面模式図。実施の形態３に係るセラミック多層基板の断面模式図。実施の形態４に係るセラミック多層基板の断面模式図。

以下、実施の形態を図を用いて説明する。以下の実施の形態の説明及び図面において、同一の符号を付したものは、同一の部分又は相当する部分を示す。

実施の形態１．
本実施の形態では、金属ポスト形成のための工数を削減することができ、また、金属ポストとパッドとの十分な接合強度を得ることができる、セラミック積層体を用いたセラミック多層基板（ＢＧＡパッケージ）を説明する。

図１は、本実施の形態に係るセラミック多層基板１００の構成を示す断面模式図である。
本実施の形態に係るセラミック多層基板１００は、複数のセラミック層が多層に形成されている。セラミック層の表層にはソルダレジスト２により開口されたパッド上に金属ポスト３が形成される。また、金属ポスト３の上面にはんだバンプ４が形成されている。また、各層の層間接続用にビア５が形成されている。

セラミック層の材料は、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、シリカ（ＳｉＯ２）、ホウ素（Ｂ２Ｏ３）を含むガラスセラミックスから形成される。
また、導体膜６及びビア５は、例えば銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、またはパラジウム（Ｐｄ）等からなる少なくとも１種の金属粉末または金属粒子を含有する導体から形成される。
ソルダレジスト２の材料は、例えばセラミック層と同じ成分のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、シリカ（ＳｉＯ２）、ホウ素（Ｂ２Ｏ３）を含むガラスセラミックスから形成される。

次に、実施の形態１によるセラミック多層基板１００の製造方法を、図２、図３及び図４を用いて説明する。

まず、未焼成のセラミックグリーンシート１（以下「グリーンシート１」と表記する）に貫通穴（以下、「ビアホール」と表記する）を形成する。
例えば、厚さ１００μｍのグリーンシート１に、レーザー加工、パンチング等の方法で例えば１５０μｍのビアホールを形成する。このビアホールに導体を充填する。
導体としては、例えば、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、またはパラジウム（Ｐｄ）等からなる少なくとも１種の金属粉末または金属粒子を含有するものに、焼結助剤として無機添加物および有機溶剤成分を加えてペースト状にしたものを用いる。例えばスクリーン印刷法を用いて導体ペーストをビアホールに充填し、乾燥させる（以下、導体が充填されたビアホールを単に「ビア５」と表記する）。これによりビア５を形成する（図２の（ａ））。

次に、ビア５の形成されたグリーンシート１上に、導体膜６によって配線パターンを形成する。
例えば、スクリーン印刷法により、導体ペーストをグリーンシート１上に塗布し、乾燥させることで、配線パターンを形成する（図２の（ｂ））。これにより導体膜６を形成する。
導体ペーストは、例えば、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、またはパラジウム等からなる少なくとも１種の金属粉末または金属粒子を含有する導体に、焼結助剤として無機添加物および有機溶剤成分を加えてペースト状にしたものを用いる。導体膜６の厚さは、例えば５～２０μｍである。

次に、表層のソルダレジスト２を形成する（図２の（ｃ））。
ソルダレジスト２には、例えば、スクリーン印刷法により、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、シリカ（ＳｉＯ２）、ホウ素（Ｂ２Ｏ３）を含むガラスセラミックスからなる粉末に有機溶剤成分を加えてペースト状にしたものを用いる。ソルダレジスト２の厚さは５～２０μｍである。
図２の（ｃ）の段階で、表層（最上位層）であるソルダレジスト２には、ソルダレジスト２を貫通する開口部９が設けられている。開口部９は第１の貫通穴に相当する。

このようにして導体膜６、ビア５、ソルダレジスト２等の配線パターンを有したグリーンシート１を形成する。
次に、この配線パターン付きのグリーンシート１と、所定の配線パターンの形成された配線パターン付きの別のグリーンシート１を多層積層する。

次に、多層積層が完了したグリーンシート１を、静水圧プレスなどによる加圧処理を施すことによって各層のグリーンシート１が一体化される（図３の（ｄ））。
図３の（ｄ）に示す、ソルダレジスト２が表層にある多層積層のグリーンシート１をセラミック積層体２０と表記する。

さらに、一体化したグリーンシート１であるセラミック積層体２０上に、感光性有機系シート７を貼り付ける（図３の（ｅ））。感光性有機系シート７の厚さは例えば５０～１００μｍである。感光性有機系シート７の構成は、例えば、ネガ型であれば、ラジカル系のベンゾイン誘導体等を主成分とする光開始剤、多官能アクリレート等を主成分とする光架橋剤、カルボン酸を含有するバインダーポリマーにより構成された感光層である。ポジ型であれば、感光剤のナフトキノンジアジドスルホン酸エステルと水溶性のノボラック樹脂等で構成された感光層をポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン（ＰＥ）、またはポリプロピレン（ＰＰ）等の有機物でラミネートするものがある。

フォトリソグラフィ法によりソルダレジスト２の開口部９と同様の開口部１０を感光性有機系シート７に成形する（図３の（ｆ））。つまり、開口部９の位置に合わせて感光性有機系シート７に開口部１０を形成する。開口部１０は、感光性有機系シート７を貫通する貫通穴であり、第２の貫通穴に相当する。

この感光性有機系シート７の開口部１０とソルダレジスト２の開口部９に、例えばスクリーン印刷法により、導体ペースト８を充填する（図４の（ｇ））。導体ペースト８は、導体膜６と同じの材料を用いる。

導体ペースト８を必要な寸法に裁断し、セラミック積層体２０と感光性有機系シート７と導体ペースト８とを焼成する。これにより、焼結されたセラミック多層基板１００が完成する。焼成後の導体ペースト８が金属ポスト３になる（図４の（ｈ））。
さらに電極の酸化防止を目的として、ニッケル、金めっきなどのめっき処理を金属ポスト３に施してもよい。
なお、感光性有機系シート７はセラミック積層体２０と導体ペースト８とともに焼成する際に熱分解されるために、最終的には有機成分は残存しない構造となる。

次に、はんだバンプ４を形成する。はんだバンプ４は例えばスクリーン印刷法により、金属ポスト３上に供給し、リフローなどによって溶融、凝固させることではんだバンプ４を金属ポスト３上に形成する（図４の（ｉ））。

このように、本実施の形態に係るセラミック多層基板１００は、
最上位層を貫通する第１の貫通穴である開口部９が最上位層に形成された複数層の未焼成のセラミック積層体２０（図３の（ｄ））の上に感光性有機系シート７を配置する工程（図３の（ｅ））と、
感光性有機系シート７を貫通する第２の貫通穴である開口部１０を第１の貫通穴である開口部９の位置に合わせて感光性有機系シート７に形成する工程（図３の（ｆ））と、
開口部９と開口部１０とに導体ペースト８を充填する工程（図４の（ｇ））と、
セラミック積層体２０と感光性有機系シート７と導体ペースト８とを焼成する工程（図４の（ｈ））とを実施して製造される。
そして、本実施の形態に係るセラミック多層基板１００では、セラミック積層体２０と感光性有機系シート７と導体ペースト８との焼成により感光性有機系シート７が熱分解した結果、焼成後の導体ペースト８である金属ポスト３は開口部９から突出している構成となる。また、本実施の形態に係るセラミック多層基板１００では、金属ポスト３上にスクリーン印刷法によりはんだバンプ４が形成されている。

以上のように、本実施の形態によれば、焼成時に感光性有機系シート７が熱分解されることで消失するため、金属ポスト３の形成のための仮基板を除去する工程が不要であり、金属ポスト３の形成のための工数を削減することが可能である。

また、本実施の形態では、ＢＧＡパッドに金属ポスト３を形成し、実装時のスタンドオフ高さを高くする、かつ、金属ポスト３が熱収縮の差を緩和することで信頼性の高いＢＧＡパッケージが期待できる。
また、はんだバンプ４の形成をスクリーン印刷法により行うことで従来のはんだボール搭載法よりも簡便に製造可能となる。さらに、金属ポスト３は基板との同時焼成により形成することで接合強度が強く、かつ、有機系シート７は焼成時に熱分解されることで消失するため除去工程が必要なく製造可能となる。

このように、本実施の形態によれば、セラミック積層体２０に同時焼成で金属ポスト３を形成し、その上にはんだ印刷によりはんだバンプ４を形成することで、スタンドオフ高さが高く、さらに金属ポスト３が緩衝材となることで高い信頼性を持った小型で狭ピッチのセラミック多層基板１００を用いたＢＧＡパッケージを実現することができる。金属ポスト３は同時焼成により基板に形成されるため、金属結合による十分な接合強度を得ることができる。また、同時焼成時に感光性有機系シート７を用いて金属ポスト３を形成し、はんだバンプ４は印刷により形成することで工程の簡略化が可能である。

実施の形態２．
金属ポスト３は必ずしも導体膜６と同じ材料を用いる必要はない。
図５は、本実施の形態に係るセラミック多層基板１００の断面模式図を示す。
図５に示すセラミック多層基板１００は、導体膜６と異なる材料で形成された金属ポスト１１を有する。
金属ポスト１１には、例えば、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）等からなる少なくとも１種の金属粉末または金属粒子を含有する導体のうち、導体膜６とは異なる材料を用いることができる。

実施の形態３．
図６は、本実施の形態に係るセラミック多層基板１００の断面模式図を示す。
図６に示すセラミック多層基板１００では、応力緩和に有利となるように凸形状の金属ポスト１２を有する。
金属ポスト１２の断面の凸形状とは、開口部９から突出している部位１２１の幅よりも開口部９の部位１２２の幅が広い形状である。

実施の形態４．
図７は、本実施の形態に係るセラミック多層基板１００の断面模式図を示す。
図７に示すセラミック多層基板１００では、金属ポスト１１の形成後にソルダレジスト２を形成し、バンプ端の解像度を向上させている。
つまり、図７のセラミック多層基板１００では、感光性有機系シート７が熱分解した後の最上位層の上にソルダレジスト２が形成されている。
なお、図７では金属ポスト１１が配置されているが、金属ポスト１１の代わりに図１に示す金属ポスト３が配置されてもよい。また、金属ポスト１１の代わりに図６に示す金属ポスト１２が配置されてもよい。

以上、実施の形態１～４を説明したが、これらの実施の形態のうち、２つ以上を組み合わせて実施しても構わない。
あるいは、これらの実施の形態のうち、１つを部分的に実施しても構わない。
あるいは、これらの実施の形態のうち、２つ以上を部分的に組み合わせて実施しても構わない。
また、これらの実施の形態に記載された構成及び手順を必要に応じて変更してもよい。

１グリーンシート、２ソルダレジスト、３金属ポスト、４はんだバンプ、５ビア、６導体膜、７感光性有機系シート、８導体ペースト、９開口部、１０開口部、１１金属ポスト、１２金属ポスト、２０セラミック積層体、１００セラミック多層基板。

Claims

最上位層を貫通する第１の貫通穴が前記最上位層に形成された複数層の未焼成の積層体の上に感光性有機系シートを配置する工程と、
前記感光性有機系シートを貫通する第２の貫通穴を前記第１の貫通穴の位置に合わせて前記感光性有機系シートに形成する工程と、
前記第１の貫通穴と前記第２の貫通穴とに導体ペーストを充填する工程と、
前記積層体と前記感光性有機系シートと前記導体ペーストとを焼成する工程とを実施して製造される基板。
前記基板は、
前記積層体と前記感光性有機系シートと前記導体ペーストとの焼成により前記感光性有機系シートが熱分解した結果、焼成後の前記導体ペーストである金属ポストが前記第１の貫通穴から突出している請求項１に記載の基板。
前記金属ポスト上にスクリーン印刷法によりはんだバンプが形成されている請求項２に記載の基板。
前記積層体の前記複数層のうちの少なくとも１層は導体膜の層であり、
前記導体ペーストの材料が、前記導体膜の材料と同じである請求項１に記載の基板。
前記積層体の前記複数層のうちの少なくとも１層は導体膜の層であり、
前記導体ペーストの材料が、前記導体膜の材料と異なる請求項１に記載の基板。
前記金属ポストの断面が、前記第１の貫通穴から突出している部位の幅よりも前記第１の貫通穴内の部位の幅が広い、凸形状である請求項２に記載の基板。
前記感光性有機系シートが熱分解した後の前記最上位層の上にソルダレジストが形成される請求項２に記載の基板。
最上位層を貫通する第１の貫通穴が前記最上位層に形成された複数層の未焼成の積層体の上に感光性有機系シートを配置する工程と、
前記感光性有機系シートを貫通する第２の貫通穴を前記第１の貫通穴の位置に合わせて前記感光性有機系シートに形成する工程と、
前記第１の貫通穴と前記第２の貫通穴とに導体ペーストを充填する工程と、
前記積層体と前記感光性有機系シートと前記導体ペーストとを焼成する工程とを有する基板製造方法。