JP2023002217A - 配線基板 - Google Patents

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Abstract

【課題】小面積の電極パッド部に対しても密着性を確保できる電極パッド部及び上部接続体を有する配線基板を提供することを目的とするものである。【解決手段】基板内の配線層106に接続された下部接続体108と、前記下部接続体108に接続した上部接続体102を備える配線基板において、前記下部接続体108は絶縁層105の内部に埋設されているビア部109と絶縁層105の上方に形成されている電極パッド部104を有し、前記上部接続体102は、前記電極パッド部104の上面および側面において接続されている配線基板である。【選択図】 図1

Description

本発明は、配線基板に関する。
半導体素子は、時代とともに集積度の上昇や多機能化に伴って、端子数(電極)が増える傾向にある。これに伴い、電子部品である半導体素子を電子部品である配線基板に実装する方式として、リードフレームを用いた半田接合から、半導体素子の実装面(表面)に対し複数の電極(ピン)を格子状に並べ、これを配線基板に対し半田接続するBGA(Ball Grid Array)という方式が採用された。その結果、電子部品間の接続部が多ピン化する傾向にある。
近年は、半導体素子のさらなる高集積化が進み、そのため、電極の断面をより小さく、且つ電極間の間隔をより狭く(狭ピッチ化)することで、更に端子数(配列する電極の数)を増やしたいというニーズがある。
そうした狭ピッチ化のニーズに対し、例えば特許文献1には、電子部品の電極と導体バンプとを正確かつ良好に接続するために、導体バンプは、めっき導体から成り、導体バンプの耐半田樹脂層から突出した部位に半田層を被着する構成が開示されている。
特開2004-140248号公報
しかしながら、特許文献1に記載の構成は、電子部品接続パッドに接続する導体バンプの耐半田樹脂層から突出した部位の径を耐半田樹脂層の開口部の径よりも大きなものとすることで、前記導体バンプの上端面の面積を大きくしている。このため、導体バンプ自体の小径化への対応については検討されていない。
本発明は、小面積の電極パッド部に対しても良好な密着性を確保できる電極パッド部及び上部接続体を有する配線基板を提供することを目的とするものである。
上記の課題を解決するために、代表的な本発明の配線基板の一つは、基板内の配線層に接続された下部接続体と、前記下部接続体に接続した上部接続体を備える配線基板において、前記下部接続体は絶縁層の内部に埋設されているビア部と絶縁層の上方に形成されている電極パッド部を有し、前記上部接続体は、前記電極パッド部の上面および側面において接続されている配線基板である。
本発明によれば、小面積の電極パッド部に対しても良好な密着性を確保できる電極パッド部及び上部接続体を有する基板を提供することができる。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施をするための形態における説明により明らかにされる。
図1は、実施形態1にかかる基板の平面図、断面図および拡大図である。 図2は、実施形態2にかかる基板の平面図、断面図、および拡大図である。 図3は、実施形態2の変形例にかかる基板の平面図、断面図、および拡大図である。 図4は、実施形態2のその他の変形例にかかる基板の平面図である。 図5は、実施形態3にかかる基板の平面図および断面図である。 図6は、実施形態4にかかる基板の断面図および拡大図である。 図7は、実施形態2にかかる基板を製造する各工程における、基板の断面図および平面図である。 図8は、実施形態2にかかる基板を製造する各工程における、基板の断面図および平面図である。 図9は、従来例の断面図である。
以下、図面を参照して、本発明の基板の実施形態の一例について説明する。本開示は本発明実施形態の一例であって、本開示が本発明の基板の構造をなんら限定するものではない。また一の実施形態で説明される部材の形状や材質等で共通するものは他の実施形態でも適用可能であることは言うまでもない。
本開示においては、方向を示すために、図面上に表記されたX軸、Y軸、Z軸に示す方向を用いることがある。
また、本開示において、「断面」とは、特に断りのない限りXZ平面における断面を意味し、「平面形状」とは、XY平面における形状を意味する。
また、本開示において「上面」とは、積層する向きに直交する面の上側を意味する。逆に「底面」とは、積層する向きに直交する面の下側を意味する。「側面」とは、上面と底面に挟まれた外周の面を意味する。「接続する」とは、2つの対象物の間に電流が流れるように連結することを意味しており、2つの対象物が直接接触してもよいし、2つの対象物の間にシード層等の介在物が存在していてもよい。
図9は、従来例の配線基板の断面図である。ベース層107に形成された内部の配線層106から外部に向けた電気的接続を取り出すための構成が示されている。図9においては、ベース層107、絶縁層105およびソルダーレジスト層103がZ軸方向に順に積層されている。そして、ビア部109及び電極パッド部104からなる下部接続体108と、これに重なる上部接続体102を用いて外部での電気的接続点としてはんだバンプ101が形成されている。
従来例においては、上部接続体及び下部接続体は、図9に示すように、そのZ軸方向の断面中心線は重ねて形成されており、上部接続体及び下部接続体は、上部接続体の電極パッド部の上面でのみ接続している。しかし、上部接続体及び下部接続体の前記中心線を重ねて形成すると、下部接続体の径が小さくなるにしたがって、上部接続体及び下部接続体の接続面積も減少する。このため、上部接続体と下部接続体の接続強度も減少し、密着性を確保することが難しくなる。
[実施形態1]
図1は、実施形態1にかかる基板の平面図、断面図および拡大図である。
図1(a)は、実施形態1における基板100をはんだバンプ101が形成された側から見た場合の平面図である。図1(b)は、図1(a)におけるX-X’線における断面図である。図1(c)は上部接続体と下部接続体が接続する部分の平面図を拡大した拡大図である。
図1(b)に示すように、基板100は、主にベース層107、絶縁層105およびソルダーレジスト層103がZ方向に順に積層されている。そして、ベース層107の絶縁層105と接する面上には、配線層106が配置されている。
さらに、配線層106の一部から絶縁層105を貫通するように下部接続体108が配置されている。
そして、下部接続体108に接続する上部接続体102が形成されており、上部接続体102の頂部には、はんだバンプ101が形成されている。
下部接続体108は、配線層106に接続され絶縁層105の内部に埋設されている略円柱状のビア部109と絶縁層105の上方に形成される電極パッド部104を備えている。ビア部109の形状は特に限定されないが、ビア部109のXY平面における径は、電極パッド部104の径よりも小さく形成されている。
上部接続体102は、下部接続体108に接続されている略円柱状のポスト部とポスト部の上部に位置するはんだ載置パッド部を備えている。略円柱状には、断面形状が図1(b)に示されているようにZ方向に傾斜を有するテーパー状も含む。
上部接続体102についても、下部接続体108と同様に、ポスト部の径は、はんだ載置部の径よりも小さく形成されている。なお、ポスト部の最大直径は、例えば100μm未満である。なお、上部接続体102はメタルポストと称することもある。
上部接続体102のはんだ載置部の断面は特に限定されないが、後のはんだ形成工程を加味すると、フラットかもしくは断面の上面中央に凹みが形成されている形状であることが望ましい。断面の上面がフラットもしくは凹み形状であれば、接合などで高温になる処理を実施した場合でも、はんだがはんだ載置部から大きくこぼれることなく、形状・性能を保つことが可能となる。
実施形態1では、上部接続体102と下部接続体108のZ軸方向の中心線を重ねずにずらして形成している。すなわち、上部接続体を形成するに際し、ソルダーレジスト層103に設ける開口部を下部接続体108の電極パッド部104の真上からずらし、電極パッド部104と絶縁層105が同時に露出する位置に形成している。
電極パッド部104と上部接続体102は電極パッド部104の上面と側面で接続する。前記上面での接触面積はS1で表される。前記側面での接触面積は、電極パッド部104上面がソルダーレジスト層103開口部に露出するAB間の円弧部分の長さLと、電極パッド部104が絶縁層105から突出する側面の高さH1からS3=L×H1で表される。さらに上部接続体102は底面において絶縁層105と接触面積S2で接触する。
<作用・効果>
このように実施形態1の構成をとることにより、上部接続体102は電極パッド部104の上面に加えて側面とも接触するので、接触面積が広がり下部接続体108との密着強度の高い上部接続体102を形成することが可能となる。
また、上部接続体102と絶縁層105は一般に良好な密着性を有すことから、上部接続体102と絶縁層105が接触する接触面積S2では電流は流れない一方、前記密着性との関係である程度の接触面積S2を確保することが好ましい。
さらに上部接続体102が電極パッド部104の側面と接触する際の効果は、接触面積が増加することに加え、上部接続体と電極パッド部104が異なる方向の面で接触されていることにより複数方面からの応力ひずみに対してはがれにくくなる効果も加わる。
一般的に、1方向で接触されている接触面の場合には、応力ひずみ等に対する強度は、応力ひずみの発生する方向によって異なっている。このため、密着強度については、方向ごとのばらつきが発生している。しかし、本開示のように複数方向の接触面を有する場合には、これらのばらつきが緩和され、多方向からの応力ひずみ等の接触を阻害する要因に対して、より強固で良好な密着性を確保することが可能となる。
具体的には、上部接続体102に対する単位面積当たりの密着度μが電極パッド部104と絶縁層で同程度とした場合、電極パッド部104の側面で接触する密着強度μ×S3の分、密着性が増加する。
<設計>
より詳細に図1(c)を用いて説明する。上部接続体102の中心O2を電極パッド部104の中心O1からdずらしてある。互いに接続するXY平面において、電極パッド部104の形状が半径Rの円、上部接続体102が半径rの円とする。
そうすると、S1、S2、S3はそれぞれ、
S1=R2θ1+r2(π-θ2)-Rdsinθ1
S2=πr2-S1
S3=L×H1=2Rθ1×H1
で表される。
なお、θ1とθ2は、Rsinθ1=rsinθ2およびRcosθ1-rcosθ2=dで関係付けられ、dの関数として計算できる。
したがって、上部接続体102の電極パッド部104の上面および側面に対する単位面積当たりの密着度をμ1、絶縁層105に対する密着度をμ2とすると、上部接続体102をdずらした場合の密着強度Fは、
F=μ1(S1+S3)+μ2S2
で表されるので、従来の上部接続体102と電極パッド部104でZ軸方向の中心線を同じくした場合の密着強度F0
F0=μ1×πr2
と比較して、F>F0となるようにH1やd等を設計することによって、良好な密着性を確保することが可能となる。
電極パッド部104と上部接続体102の間を流れる電流の大きさは基本的に電流の方向に直交する面に投影したS1とS3の大きさに依存する。絶縁体である絶縁層との接触面S2は電流の大きさに寄与しないのでS2を大きくしすぎると所望の電流が得られない事態が生ずる。したがって、本発明の設計をする際には、先に開示したように接触面積に基づくF>F0から密着強度を最適化するとともに、電流の大きさも最適値になるよう両者のバランスをとって設計することが好ましい。
このようにして得られる前記H1の大きさとして、例えば、10~20μm程度とすることができる。
<材料>
なお、実施形態1において、絶縁層105の材料としては、例えば、非感光性(熱硬化性樹脂)のエポキシ系絶縁樹脂やポリイミド系絶縁樹脂等を用いることができる。また例えば、感光性のエポキシ系絶縁樹脂やアクリル系絶縁樹脂等を用いてもよい。絶縁層105は、ガラスクロス等の補強材を有していても構わない。又、絶縁層105は、シリカ(SiO2)等のフィラーを含有しても構わない。絶縁層105の厚さは、例えば10~50μm程度とすることができる。
ソルダーレジスト層103の材料としては、例えば、感光性のエポキシ系絶縁樹脂やアクリル系絶縁樹脂等を用いることができる。ソルダーレジスト層103の厚さは、例えば5~40μm程度とすることができる。
ここで電極パッド部104、配線層106および上部接続体102の材質は、金属からなる導電性材料であれば特に限定されないが、無電解・電解めっきにて形成可能で、安価かつ電気伝導率の高い銅および銅合金が好適に用いられる。
はんだバンプ101の材質は、導電性を有する物質であって、配線層106や上部接続体102より融点が低い材料、例えば、少なくとも錫を含む金属または合金から構成すればよい。
また、はんだバンプ101との間に表面処理を実施しても構わない。表面処理としては、有機薄膜、錫めっきといった酸化防止の働きを持つものや、Snといったはんだ濡れ性向上、またニッケルー金、ニッケルーパラジウムー金などの拡散防止も兼ねた金属膜などを実施しても構わない。
[実施形態2]
実施形態2は、電極パッド部104の平面図における平面形状の外形が、凸部を有している点で実施形態1と異なる。
図2は、実施形態2にかかる基板の平面図、断面図、および拡大図である。
図2(a)は実施形態2の平面図であり、図2(b)は、図2(a)におけるX-X’線における断面図である。以下の説明において、上述の実施形態1と同一又は同等の構成要素については同一の符号を付し、その説明を簡略又は省略する。
電極パッド部104の平面図における平面形状の外形は凸部201を有している。この凸部201の少なくとも一部が露出するように、ソルダーレジスト層103の開口部が形成され、開口内に上部接続体102が充填されている。
凸部201の寸法は特に規定されないが、隣接する電極との分離や形成性等を考慮すると、図2(c)の幅W1は5~20μm程度、同様に飛び出し量D1は5~20μm程度とすることができる。
<作用・効果>
電極パッド部104の凸部201の少なくとも一部をソルダーレジスト層103の開口内に収めることで、接触する側面の面積をさらに増やすことが可能となり、より密着強度の高い上部接続体102を形成することが可能となる。
また電極パッド部104の側面がと上部接続体102との接続する複数の面の方向が実施形態1に比べ増加するので、アンカー効果により、多方面の応力ひずみに対して剥がれにくい効果が一層向上する。
<変形例>
実施形態2の変形例は、電極パッド部104の形状が、平面図で見た場合、凹部202を有している点で実施形態2と異なる。
図3は、実施形態2の変形例にかかる基板の平面図、断面図、および拡大図である。
図3(a)は実施形態2の変形例の平面図であり、図3(b)は、図3(a)におけるX-X’線における断面図である。以下の説明において、上述の実施形態1および実施形態2と同一又は同等の構成要素については同一の符号を付し、その説明を簡略又は省略する。
凹部202の寸法は特に規定されないが、隣接する電極との分離や形成性等を考慮すると、図3(c)の幅W2は5~20μm程度、同様に奥行きD2は5~10μm程度とすることができる。
<その他の変形例>
実施形態2における電極パッド部104の平面形状の外形は、上述の凸部201や凹部202に限られず、それらを適宜組み合わせた任意の形状であってもいい。
図4は、実施形態2のその他の変形例にかかる基板の平面図である。
上述の実施形態1および実施形態2と同一又は同等の構成要素については同一の符号を付し、その説明を簡略又は省略する。
[実施形態3]
実施形態3は、電極パッド部104の平面形状の外形に凸部201が全周にわたって形成されている点で実施形態2と異なる。
図5は、実施形態3にかかる基板の平面図および断面図である。
図5(a)は実施形態3の平面図であり、図5(b)は、図5(a)におけるX-X’線における断面図である。以下の説明において、上述の実施形態1および実施形態2と同一又は同等の構成要素については同一の符号を付し、その説明を簡略又は省略する。
実施形態3において、凸部は必ずしも全周に等間隔に形成する必要はない。上部接続体102と下部接続体108が接続する付近により密に形成してもよい。
また形状は凸部201に限定されず、実施形態2で説明した形状もしくはそれらを組み合わせて全周に形成するものであってもいい。
実施形態3では、凸部201もしくは電極パッド部104サイズは隣接する電極パッド部104と導通しないように配置すれば良いが、例えば電極パッド部104の上面が露出するソルダーレジスト層103の開口部の直径よりも、電極パッド部104間の距離を取るように配置することが望ましい。ソルダーレジスト層103開口部よりも距離が離れていればソルダーレジスト層103開口部の位置精度が低い場合でも、隣接する電極パッド部104との短絡を防ぐことが可能となる。かかる電極パッド部104の配置の間隔は他の実施形態にも適用される。
<作用・効果>
凸部201が電極パッド部104の平面形状の外形の全周にわたって形成されることで、ソルダーレジスト層103の開口の位置合わせ精度が低い場合でも、全周に設けられた凸部201のうち少なくともいずれか一部をソルダーレジスト層103の開口内に収めることができる。
また、絶縁層105上に電極パッド部104を形成するときに、凸部201を外形の所定の位置に合わせて形成する精度が低い場合でも、ソルダーレジスト層103の開口内に全周に設けられた凸部201のうち少なくともいずれか一部を収めることができる。
[実施形態4]
実施形態4では、電極パッド部104の側面と、絶縁層105の上面との間に電極パッド部104の窪み301が設けられている点で、実施形態1と異なる。
図6は、実施形態4にかかる基板の断面図および拡大図である。
図6(a)は実施形態4の断面図であり、図6(b)は窪み301付近の拡大図である。以下の説明において、上述の実施形態1~3と同一又は同等の構成要素については同一の符号を付し、その説明を簡略又は省略する。
ソルダーレジスト層103開口内に窪み301が存在した場合、上部接続体102の一部が窪み301に充填される。
窪み301の大きさは特に規定されないが、充填される上部接続体102との密着性が向上するようなサイズであれば良く、例えば図6(b)の窪み301の高さH2、奥行きD3共に1μm以上とすることが望ましい。
<作用・効果>
前記窪み301に上部接続体102の一部を充填させることでアンカー効果による一層の密着性向上を図ることが可能となる。
[配線基板の製造方法]
次に本発明の基板の製造方法について説明する。図7~図8は、実施形態2にかかる基板を製造する各工程における、基板の断面図および平面図である。以下の説明において、上述の第実施形態1~4と同一又は同等の構成要素については同一の符号を付し、その説明を簡略又は省略する。
製造方法は、この例に限定されず、同様の形状を得られれば、製造方法は自由に選択することが可能である。また、電極一つのみ図示しているが、一つ以上の電極に対し、同時に処理を行っても良い。他の実施形態の製造方法にも適用可能である。
図7(a)は、基板の配線層106を形成したのちに、その上に絶縁層105および開口を形成したものである。ここまでの製造方法は既知の方法を採用すればよい。
絶縁層105上に無電解めっき法やスパッタ法により、次工程である電解めっきのためのシード層401を形成する。
図7(b)に示すように、その後にめっきレジスト402を貼り電極パッド部104を含む配線層106を形成する部分のみをフォトリソグラフィーによって開口して電極部分を露出する。
ここで、凸部201を含む電極パッド部104用のレジストパターン開口を形成することで、凸部201を持った電極パッド部104を形成することが可能となる。
次に電解銅めっきによって、めっきレジスト402のない部分に電極パッド部104を含む下部接続体108を形成する。
図7(c)に示すように、電解銅めっき工程が終わったのち、めっきレジスト402を剥離し、絶縁層105上にあるシード層をエッチング工程によって除去する。
図7(d)に示すように、次にソルダーレジスト層103を形成する。ソルダーレジストは液体およびフィルム状どちらを使用しても構わない。ソルダーレジスト層103には凸部201を含む電極パッド部104外周部の一部を露出するように開口部が設けられるようにパターニングを行う。
図7(e)に示すように、次にソルダーレジスト層103上に無電解めっき法やスパッタ法により、次工程である電解めっきのためのシード層403を形成する。
その後に図8(a)に示すように、めっきレジスト404を貼り上部接続体102を形成する部分のみをフォトリソグラフィーによってソルダーレジスト層103を開口して、電極パッド部104および絶縁層105を露出させる。
なお、この際接続するポスト以外の領域の次工程でめっきを施したい箇所についても、同時に開口していても構わない。
次に図8(b)に示すように、電解銅めっきによって、めっきレジスト404のない部分に上部接続体102を形成する。この際、電極パッド部104の外周部である凸部201や円形外周部の上面および側面と、また絶縁層105表面と上部接続体102が強固に密着することで、密着強度にすぐれる上部接続体102を形成することが可能となる。
このとき、電解銅めっき液の添加剤およびめっき条件を調整することで、上部接続体102の上部を平坦にしたり、凹凸をつけたりといったことが可能となる。
次に図8(c)に示すように、レジスト開口内にはんだペースト405を印刷法にて充填する。この際、充填されれば特にペースト種は問わないが、より効率的な充填のため、はんだ粒径が開口径の1/5以下のものを使うことが望ましい。
なお、これ以外にもはんだを形成する手段は種々に用いることができ、たとえばめっきによってはんだ層を形成したり、はんだボールを開口内に振り込んではんだ層を形成しても構わない。
次に図8(d)に示すように、はんだを加熱し、溶融させ、上部接続体102とはんだを接合させるとともに、丸形はんだバンプ101を形成する。
次に図8(e)に示すように、めっきレジスト404を剥離し、ソルダーレジスト層103上にあるシード層403をエッチング工程によって除去する。この際、シード層403とはんだとのエッチング選択比を大きく取ることで良好な形状の上部接続体102およびはんだバンプ101を形成することが可能となる。
このように作製することで、狭ピッチに対応し、上部接続体102の密着力が向上した半導体基板を形成することが可能となる。
(変形例)
次に、窪み301を設けた変形例について説明する。
図7(c)における電極パッド部104用のめっきレジスト402を剥離するところまで、前記同様にプロセスを実施する。そこでシード層401をエッチング除去する際に、電極パッド部104の下部及びシード層にアンダーカットが生じるようなエッチング液を使用することで、意図的に窪み301を電極パッド部104の下部に形成した。エッチング後は、前記同様のプロセスでソルダーレジスト層103以降を形成し、半導体基板を形成する。
なお、窪み301を設ける工程として、アンダーカットが生じるエッチング以外に、めっき時のめっきレジスト402を裾引き形状に形成するといった方法で作製しても構わない。
窪み301をもうけることで、窪み301部分に上部接続体102の一部が充填され、より強固に密着力が向上した半導体基板を形成することが可能となる。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上述した実施の形態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において種々の変更が可能である。
100・・・ 基板
101・・・ はんだバンプ
102・・・ 上部接続体
103・・・ ソルダーレジスト層
104・・・ 電極パッド部
105・・・ 絶縁層
106・・・ 配線層
107・・・ ベース層
108・・・ 下部接続体
109・・・ ビア部
201・・・ 凸部
202・・・ 凹部
301・・・ 窪み
401、403・・・ シード層
402、404・・・ めっきレジスト
405・・・ はんだペースト

Claims (9)

  1. 基板内の配線層に接続された下部接続体と、前記下部接続体に接続した上部接続体を備える配線基板において、
    前記下部接続体は絶縁層の内部に埋設されているビア部と絶縁層の上方に形成されている電極パッド部を有し、
    前記上部接続体は、前記電極パッド部の上面および側面において接続されている配線基板。
  2. 前記上部接続体は、その底面において前記絶縁層と接触している、請求項1に記載の配線基板。
  3. 前記電極パッド部は、平面形状の外形に凸部が設けられ、前記上部接続体は、前記凸部の少なくとも一部の側面で接続している、請求項1に記載の配線基板。
  4. 前記電極パッド部は、平面形状の外形に凹部が設けられ、前記上部接続体は、前記凹部の少なくとも一部の側面で接続している、請求項1に記載の配線基板。
  5. 前記電極パッド部の平面形状の外形全周に、前記凸部が設けられている、請求項3に記載の配線基板。
  6. 前記電極パッド部の平面形状の外形全周に、前記凹部が設けられている、請求項4に記載の配線基板。
  7. 前記電極パッド部の側面と前記絶縁層の上面との間に前記電極パッド部の窪みが設けられており、
    前記上部接続体は、前記窪みにおいて前記電極パッド部と接続している、請求項2に記載の配線基板。
  8. 前記電極パッド部と前記上部接続体が接触する前記電極パッド部の上面の接触面積及び側面の接触面積と、前記上部接続体と前記絶縁層が接触する面積と、それぞれ接触する場所での単位面積当たりの密着度から、所定の密着強度が得られるように、少なくとも前記電極パッド部の側面の高さと、前記上部接続体と前記下部接続体の接続する位置を決める、請求項2記載の配線基板の製造方法。
  9. さらに前記上部接続体と前記下部接続体の間を所定の大きさの電流が流れるように、少なくとも前記電極パッド部の側面の高さと、前記上部接続体と前記下部接続体の接続する位置を決める、請求項8記載の配線基板の製造方法。
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