JP2858760B2 - Organic-inorganic composite multilayer substrate - Google Patents

Organic-inorganic composite multilayer substrate

Info

Publication number
JP2858760B2
JP2858760B2 JP63235006A JP23500688A JP2858760B2 JP 2858760 B2 JP2858760 B2 JP 2858760B2 JP 63235006 A JP63235006 A JP 63235006A JP 23500688 A JP23500688 A JP 23500688A JP 2858760 B2 JP2858760 B2 JP 2858760B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
substrate
organic
chip
thermal expansion
ceramic substrate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
JP63235006A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPH0283963A (en
Inventor
太佐男 曽我
忠雄 九嶋
守 沢畠
一二 山田
覚 荻原
忠彦 三▲吉▼
滋夫 天城
小山  徹
二三幸 小林
稔 山田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP63235006A priority Critical patent/JP2858760B2/en
Publication of JPH0283963A publication Critical patent/JPH0283963A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP2858760B2 publication Critical patent/JP2858760B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/10Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/15Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
    • H01L2224/16Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process of an individual bump connector
    • H01L2224/161Disposition
    • H01L2224/16151Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/16221Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/16225Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/73Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
    • H01L2224/732Location after the connecting process
    • H01L2224/73201Location after the connecting process on the same surface
    • H01L2224/73203Bump and layer connectors
    • H01L2224/73204Bump and layer connectors the bump connector being embedded into the layer connector
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/73Means for bonding being of different types provided for in two or more of groups H01L2224/10, H01L2224/18, H01L2224/26, H01L2224/34, H01L2224/42, H01L2224/50, H01L2224/63, H01L2224/71
    • H01L2224/732Location after the connecting process
    • H01L2224/73251Location after the connecting process on different surfaces
    • H01L2224/73253Bump and layer connectors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/102Material of the semiconductor or solid state bodies
    • H01L2924/1025Semiconducting materials
    • H01L2924/10251Elemental semiconductors, i.e. Group IV
    • H01L2924/10253Silicon [Si]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/15Details of package parts other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/151Die mounting substrate
    • H01L2924/153Connection portion
    • H01L2924/1531Connection portion the connection portion being formed only on the surface of the substrate opposite to the die mounting surface
    • H01L2924/15311Connection portion the connection portion being formed only on the surface of the substrate opposite to the die mounting surface being a ball array, e.g. BGA
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/15Details of package parts other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/161Cap
    • H01L2924/162Disposition
    • H01L2924/16251Connecting to an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. cap-to-substrate

Abstract

PURPOSE:To improve the manufacturing yield and facilitate a high speed operation and high density size reduction by a method wherein a ceramic board having a low dielectric constant and a low thermal expansion coefficient is soldered to the chip mounting part of an organic multilayer board and the two boards are unified by filling and bonding with specific resin. CONSTITUTION:A ceramic board 1 having a low dielectric constant and a low thermal expansion coefficient is soldered to the chip or chip carrier mounting part of a Teflon system organic multilayer board 2. The boards 1 and 2 are unified by filling and bonding with resin having a thermal expansion coefficient between that of solder and that of the board 2. As the thermal expansion coefficient is low in the chip carrier mounting part, excellent repair-resistance and a high density can be realized and a thin film resistance layer can be formed on the surface. Moreover, by selecting the thermal expansion coefficient of the filling resin between that of the solder and that of the board 2, temperature- cycle resistance can be improved. With this constitution, the manufacturing yield can be improved and the high speed processing can be achieved.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION 【産業上の利用分野】[Industrial applications]

本発明は、超大型、超高速コンピュータのCPU(中央
演算機構)の最も重要な役割を果たすLSI搭載用モジュ
ール基板に好適な、高速性に優れ、チップ、もしくは、
チップキャリアを搭載するためのリペア可能な使い勝手
性に優れた低誘電率の有機無機複合多層基板に関する。
The present invention is suitable for an LSI mounting module substrate that plays the most important role of a CPU (Central Processing Unit) of an ultra-large, ultra-high-speed computer, and has excellent high-speed performance, a chip, or
The present invention relates to a low dielectric constant organic-inorganic composite multilayer substrate having excellent repairability for mounting a chip carrier and excellent usability.

【従来の技術】[Prior art]

コンピュータの大容量化、高速化のためには、多端子
高密度化に有利なフリップチップ実装方式で、有機多層
基板に搭載することが、理想的とされている。従来、有
機基板にフリップチップを搭載した例として、文献(LE
EE Tr.Comp,and Vol,CHMT−2,No.1,1979−3)に示され
るように、アラミド繊維入りポリイミド基板(エポキシ
基板)がある。アラミド繊維入りポリイミド基板(エポ
キシ基板)の熱膨張係数は6〜8×10-6/℃、誘電率
(ε)は3.5であり、テフロン系有機基板(ε=2〜2.
5)に比べ、高速性(遅延時間は√εに比例)で劣るこ
とと、熱膨張係数がAl2O3基板並であるので、10mm□の
大型チップの場合、熱サイクル疲労の信頼性の面で搭載
不可能である(4〜5mm□が搭載限界)。 また、熱膨張係数が3〜4×10-6/℃の低熱膨張セラ
ミックス基板を用いてチップキャリア化しても(特公昭
57−19578号公報)有機基板とチップキャリア間の熱膨
張差のため、10mm□の大型チップの場合、搭載不可能で
ある。 このため、有機多層基板の代わりに、信頼性、使い勝
手性に優れたセラミックス多層基板が使用されている
(例えば特開昭57−18350号公報)。しかし、セラミッ
クス多層基板は低熱膨張化は可能だが、誘電率が有機多
層基板に比べて劣る(低誘電率材でεは5)のため、高
速性で劣っている。 そこで大型チップの低誘電率基板上の高信頼搭載を考
慮し、樹脂構造を検討した。これまで米国特許4190855
(1976−8)示されるように(図2(a))、ガラス基
板等14にSiチップ10を搭載し、チップと基板間に樹脂を
いれる構造は提案されている。この種の一体化構造は、
いずれも、基板上に直接素子を搭載するものであり、チ
ップの補修を考慮していない。また、チップの補修を考
慮した場合にはチップキャリアをはんだ付けする構造が
提案されている。
In order to increase the capacity and speed of a computer, it is considered ideal to mount it on an organic multilayer substrate by a flip-chip mounting method that is advantageous for increasing the density of terminals. Conventionally, as an example of mounting a flip chip on an organic substrate, a literature (LE
As shown in EE Tr. Comp, and Vol, CHMT-2, No. 1, 1979-3), there is a polyimide substrate (epoxy substrate) containing aramid fiber. The polyimide substrate containing aramid fiber (epoxy substrate) has a coefficient of thermal expansion of 6-8 × 10 −6 / ° C., a dielectric constant (ε) of 3.5, and a Teflon-based organic substrate (ε = 2-2.
Compared to 5), high-speed performance (delay time is in proportion to √ε) is inferior, and thermal expansion coefficient is similar to Al 2 O 3 substrate. Mounting is impossible (4-5mm □ is the mounting limit). In addition, even if a chip carrier is formed using a low thermal expansion ceramic substrate having a thermal expansion coefficient of 3 to 4 × 10 −6 / ° C.
No. 57-19578) Due to the difference in thermal expansion between the organic substrate and the chip carrier, a large chip of 10 mm □ cannot be mounted. Therefore, instead of the organic multilayer substrate, a ceramic multilayer substrate excellent in reliability and usability has been used (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 57-18350). However, although the ceramic multilayer substrate can be made to have a low thermal expansion, the dielectric constant is inferior to that of the organic multilayer substrate (e.g., ε is 5 with a low dielectric constant material), so that it is inferior in high-speed operation. Therefore, the resin structure was studied in consideration of highly reliable mounting of a large chip on a low dielectric constant substrate. Until now U.S. Patent 4,190,855
(1976-8) As shown in FIG. 2 (a), a structure has been proposed in which a Si chip 10 is mounted on a glass substrate or the like 14 and a resin is inserted between the chip and the substrate. This kind of integrated structure is
In each case, the element is directly mounted on the substrate, and repair of the chip is not considered. In addition, a structure in which a chip carrier is soldered in consideration of chip repair has been proposed.

【発明が解決しようとする課題】[Problems to be solved by the invention]

本発明の目的は低誘電率の有機多層基板に大型チップ
(10mm□)をフリップチップ方式で高信頼性に搭載する
ことにある。大容量、高速計算用のLSI搭載モジュール
基板として要求される機能は以下の通りであり、有機多
層基板では要求仕様を満たせない。 1)熱膨張係数が3〜4×10-6/℃以下 2)耐リペア性(メタライズに対する耐熱性) 3)高密度多端子ピッチ化(250μmピッチ) 4)インピーダンスマッチング用の薄膜抵抗層の形成
An object of the present invention is to mount a large chip (10 mm square) on a low dielectric constant organic multilayer substrate with high reliability by a flip chip method. The functions required for an LSI-mounted module substrate for large-capacity, high-speed calculations are as follows, and an organic multilayer substrate cannot meet the required specifications. 1) Thermal expansion coefficient of 3 to 4 × 10 -6 / ° C or less 2) Repair resistance (heat resistance to metallization) 3) High-density multi-terminal pitch (250 μm pitch) 4) Formation of thin-film resistance layer for impedance matching

【課題を解決するための手段】[Means for Solving the Problems]

上記目的を達成するため有機多層基板上のチップ、も
しくは、チップキャリア搭載域に低誘電率、低膨張のセ
ラミックス基板をはんだ付けし、特定の樹脂で充填接着
し、有機多層基板と一体化することにより、1)〜4)
の要求仕様を満たすことができる。これにより有機無機
複合多層基板上のチップ、もしくは、チップキャリア搭
載域における熱膨張係数には3〜4×10-6/℃以下で、
耐リペア性に優れ、250μmピッチの高密度化と表面に
薄膜抵抗層の形成を可能にした。有機多層基板(8×10
-6/℃)上に低膨張のセラミックス基板(3.5×10-6/
℃)を複合した基板は充填樹脂の熱膨張係数を15×10-6
/℃とすることにより耐温度サイクル性を大幅に向上さ
せた。
To achieve the above object, solder a low dielectric constant, low expansion ceramic substrate to the chip or chip carrier mounting area on the organic multilayer substrate, fill and bond with a specific resin, and integrate with the organic multilayer substrate 1) to 4)
Requirements can be satisfied. As a result, the coefficient of thermal expansion in the chip or chip carrier mounting area on the organic-inorganic composite multilayer substrate is 3 to 4 × 10 −6 / ° C. or less,
It has excellent repair resistance and enables high-density pitch of 250 μm and formation of a thin-film resistance layer on the surface. Organic multilayer substrate (8 × 10
-6 / ℃) on a low expansion ceramic substrate (3.5 × 10 -6 /
℃) composite substrate has a thermal expansion coefficient of 15 × 10 -6
/ ° C greatly improved the temperature cycle resistance.

【作用】[Action]

耐温度サイクル性を大幅に向上させた理由は、以下で
ある。 1)搭載するセラミックス基板を分離独立させた海島構
造にして樹脂とセラミックス基板間に発生する応力、及
び、有機多層基板の反りをおさえたこと。 2)充填樹脂の熱膨張係数をはんだと有機多層基板との
中間の約15×10-6/℃とすることにより、特に、セラミ
ックス基板側のはんだにかかる応力集中を緩和し、歪の
最小化を可能にしたこと。 3)耐熱樹脂(Tg:180℃)の開発により高温時の接着強
度の低下を極力おさえたこと。 4)高温度時劣化が少ない樹脂を開発したこと。 5)流動性に優れた無溶剤型樹脂による完全に近い充填
構造の実現。 6)応力のかかる側強固なメタライズであること。 高速計算を可能にした理由は、以下である。 1)低誘電率の有機系多層基板へのチップ直接搭載を可
能にした。 2)チップから多層基板間までの配線長を短くした構造
であること。 3)セラミックス基板を一体化させることにより抵抗、
コンデンサ等を内蔵させることが可能な構造としたこ
と。 使い勝手性にした理由は、以下である。 1)耐リペア構造(接合部にセラミックス基板を使用) 2)セラミックス基板上のフリップチップ実装方式の実
績がある。 3)温度階層を設けたはんだ剤の選定により(融点の異
なる複数のはんだを用いることにより)樹脂との共存が
可能。
The reason why the temperature cycle resistance was greatly improved is as follows. 1) A sea-island structure in which the ceramic substrate to be mounted is separated and independent, to reduce the stress generated between the resin and the ceramic substrate and the warpage of the organic multilayer substrate. 2) By setting the thermal expansion coefficient of the filled resin at about 15 × 10 -6 / ° C, which is between that of the solder and the organic multilayer substrate, stress concentration on the solder on the ceramic substrate side is reduced, and distortion is minimized. That made it possible. 3) The development of heat-resistant resin (Tg: 180 ° C) minimizes the decrease in adhesive strength at high temperatures. 4) Development of a resin with little deterioration at high temperature. 5) Realization of a nearly complete filling structure using a solventless resin with excellent fluidity. 6) Strong metallization on the side where stress is applied. The reason for enabling high-speed calculation is as follows. 1) The chip can be directly mounted on an organic multilayer substrate having a low dielectric constant. 2) The wiring length from the chip to the multilayer substrate must be short. 3) By integrating the ceramic substrate,
A structure that can incorporate capacitors etc. The reasons for the usability are as follows. 1) Repair-resistant structure (ceramic substrate is used for bonding part) 2) Flip chip mounting method on ceramic substrate has been proven. 3) Coexistence with resin is possible by selecting a soldering agent with a temperature hierarchy (using a plurality of solders with different melting points).

【実施例】【Example】

大型コンピュータは大容量化、高速化を指向してい
る。このため、CPUを搭載する実装系として、1)多層
基板材料の低誘電率化、2)配線長を短くする高密度実
装が特に要求されている。そこで、本発明は理想に近い
材料で、高信頼化構造とした実装法を提案した。 第1図は本発明の断面図を示す。低誘電率材として最
適な多層基板は誘電率が1の空気で構成するのが理想的
であるが、信頼性(機械的、電気的)で問題があるの
で、誘電率2〜2.5のテフロン系(弗素系)有機多層基
板2が理想とされている。テフロン材料自体は熱膨張係
数も高く、材料との密着性等に課題がある。チップを搭
載するには多層基板は低膨張化と強度向上のため、横方
向(x,y)の熱膨張係数をできる限り下げる必要があ
る。通常プロセスで作ると、低誘電率、低膨張率のクオ
ーツ繊維(もしくは有機系のアラミド繊維)を入れて、
銅入りの多層板としても8〜10×10-6/℃の熱膨張係数
となり、10mm□チップを高信頼で搭載できるレベルから
程遠い。有機多層基板2では絶縁層を薄くしたい要求
と、多層化により銅配線層が増えることから、低膨張繊
維を増やしても低熱膨張化に限界があり、セラミックス
基板のように低熱膨張化にはならない。 密着力が重要視される表面層は傾斜的に密着性のある
材料系に置換することで解決される。この他、誘電率で
テフロン系に劣るが、イソメラミン系(誘電率3〜3.
5)多層基板は密着性、耐熱性、使い勝手性の点ではテ
フロンよりは優れている。 多層になるほど一括積層方式で作る有機多層基板方式
2が適している。 この有機多層基板2のスルーホールは、一般に、ドリ
ルで形成される。大容量化と高速化の要求から、多層基
板は益々多層化し、厚くなり、かつスルーホール穴径、
及び、ピッチは限界を求めてる。多層基板7mmではピッ
チ間に配線用を二層設ける場合、技術的に0.45mmピッ
チ、0.3mm穴が限界とされる。 他方、CPU用の素子はSiチップのフリップチップの面
実装で、0.25〜0.30mmのピッチは十分可能である。0.25
〜0.30mmピッチのSiチップを有機多層基板に実装するに
は、有機多層基板の表面にポリイミド系のホトレジスト
により整合層を設けるのが一般的である。ホトレジスト
を利用すれば0.25〜0.30mmの微細パターンの端子を形成
できる。しかし、この方法ではポリイミドのエッチング
等における有機多層基板の耐熱性に課題がある。そこ
で、本発明は、図に示すように、有機多層基板上のチッ
プ、もしくはチップキャリア搭載域の端子上に、チッ
プ、もしくはチップキャリアより大きめの低誘電率のセ
ラミックス基板を搭載し、両基板の端子同士をはんだ付
け、もしくは、熱圧着で接合した構造を考案した。 セラミックス基板の有機多層基板側は0.45mmピッチ
で、セラミックス基板のチップ、もしくは、チップキャ
リアで搭載側は0.25mmのピッチとなるような整合層をセ
ラミックス基板内に設けた。これは量産技術として可能
なレベルである。有機多層基板2上にチップもしくはチ
ップキャリアを接合する方法は、セラミックス基板にチ
ップをフリップチップ接合するのと同じである。セラミ
ックス基板の材料はセラミックス系としては、最も低誘
電率のガラスセラミックス1系で熱膨張係数は3.5×10
-6/℃で10mm□のSiチップを裸で搭載しても信頼性試験
目標をクリアできるものとした。 セラミックス基板の寸法は、基板周辺に補修布線、隣
接セラミックス基板への布線等が可能な15mm□とした。
セラミックス基板の厚みは 1)有機多層基板の熱膨張係数8〜10×10-6/℃の影響
がでない程度に曲げ剛性、伸び剛性を持つこと。 2)配線長を短くすること等を考慮し、0.6〜0.8mmとし
た。有機多層基板2上にセラミックス基板を単に島状に
はんだで接合しても、信頼性が低いことはこれまでのデ
ータから容易に予測できる。例えば15mm□のガラスセラ
ミックス(熱膨張係数は3.5×10-6/℃)を有機多用基板
2(熱膨張係数8〜10×10-6/℃)にフリップチップ結
合した寿命は、−55〜150℃、1サイクル/hで200サイク
ルレベルであり、目標とする1000サイクルには程遠い。 そこで、寿命向上のため、はんだより低い熱膨張係数
をもち、かつ、ヤング率が1700Kgf/mm2の樹脂を両基板
間に充填することにより、はんだにかかわる応力集中を
緩和し、かつ、はんだにかかる応力集中を緩和し、か
つ、はんだにかかる歪を小さくすることにより、1500サ
イクル以上の低誘電率の有機無機複合多層基板を可能に
した。 アルミナ基板、ガラス基板上にSiチップを搭載し、樹
脂を充填して補強する効果は特開昭60−63951号公報に
開示してある。この公報では構造に適した樹脂は石英フ
ィラを入れ熱膨張係数をはんだに合わせ、かつ、ゴム粒
子を入れることがポイントであるとされている。 本発明はSiチップでは無く、裏面に端子を設けたガラ
スセラミックス基板で、アルミナ基板、ガラス基板の代
わりに低ヤング率の有機多層基板である。有限要素法に
よる解析によると、有機多層基板のヤング率が低いた
め、Siチップ搭載基板例と異なり、ヤング率が高く、低
熱膨張係数のガラスセラミックス基板側で、特に応力集
中が起こっていることが分かった。そこで樹脂の熱膨張
係数をはんだより小さく、有機多層基板より大きくする
ことが寿命向上に重要であることを見出した。はんだに
かかる歪みを小さくするメカニズムは複雑で、ガラスセ
ラミックス基板1、はんだ、樹脂、有機多層基板2の四
種類の材料物性値(熱膨張係数、ヤング率)の組合せで
決まることが分かった。この系でガラスセラミックス基
板とはんだとの界面近傍のはんだの応力集中を緩和する
ことが高信頼性を確保するポイントである。 この解決策として、1)樹脂の熱膨張係数を15×10-6
/℃(はんだと有機多層基板との中間)とする。2)低
熱膨張係数のはんだの使用等が効果があることが分かっ
た。ガラスセラミックス基板のメタライズは高温で焼く
厚膜プロセスのため、Siチップの薄膜メタライズと異な
り強固であることから、メタライズに対する応力の影響
を考慮する必要はない。従って、ガラスセラミックス基
板とはんだとの界面近傍のはんだの熱疲労を考慮するこ
とがポイントになる。 次に、有限要素法解析及び実験から得られた各種構成
材料物性の必要条件を求めた。 低誘電率有機多層基板の熱膨張係数をαp,有機多層基
板上のセラミックス基板の熱膨張係数をαc1、樹脂の熱
膨張係数をαr2、樹脂のヤング率をEr、チップ、もしく
は、チップキャリアの熱膨張係数をαc2、としたとき、 αc1=αc2 …… (ほぼ同等の熱膨張係数を持つ材料) αp−αc2<7×10-6/℃ …… (樹脂の作用でクリヤできる範囲。解析と実験で確認
済) 5×10-6/℃<αr<30×10-6/℃ …… (樹脂の熱膨張係数はヤング率でカバーできる範囲。エ
ポキシ系樹脂で低膨張化は困難であるが、ポリイミド系
樹脂で低膨張差化は可能である。但し、はんだと樹脂と
の熱膨張差をつけることは、その界面で大きな歪が発生
するので問題となる。) 樹脂の熱膨張係数とヤング率との積の適正領域を調べ
た。樹脂のヤング率は200〜2000Kgf/mm2の範囲である。 [ヤング率・熱膨張係数] 1)200(小)・30×10-6(大)=0.006…樹脂の影響
力:小 判定:× 2)200(小)・5×10-6(小)=0.001……樹脂の影響
力:小 判定:× 3)800(中)・25×10-6(中)=0.02判定:○ 4)2000(大)・5×10-6(小)=0.01判定:○ 5)1700(大)・15×10-6(中)=0.025判定:○ 上記結果により、式を得た。 0.007<αr・Er<0.03 …… 第3図は本発明の有機無機複合低誘電率多層基板を示
す。(a)ははんだ材料として、Sn−5%Sb5のソフト
ソルダを用いたバンプ高さの大きな構造である。(b)
はAu−20%Sn32のハードルソルダを用いた熱圧着方式で
接合するバンプ高さの低い構造である。(c)は有機多
層基板2にくぼみを設け、セラミックス基板1を埋め込
んで平坦化した構造である。(a)の低誘電率テフロン
系多層基板2(以下、プリント基板とよぶ)上には、ス
ルーホールと接続された倍の端子3が格子状に配置され
ている。スルーホールピッチは0.45mm、穴径は0.3mmで
ある。 セラミックス基板は低誘電率(約ε=5)のガラスセ
ラミックスで、多層で内部でピッチ調整を行なってい
る。セラミックス基板のチップ、もしくは、チップキャ
リアを搭載する側の端子ピッチは0.25mmである。プリン
ト基板側の端子ピッチは0.45mmである。ガラスセラミッ
クス基板寸法は15mm□×0.8tで全面格子状端子である。
チップ搭載域は中央部に設けてある。ガラスセラミック
スの導体は厚膜銅ペースト4ではんだ接続部ははんだ食
われ防止のためNi−Auめっきを施す場合がある。 セラミックス基板として、この他に低膨張、低誘電率
のムライト基板(Al2O3・SiO2)も可能である。ムライ
トの配線層はW導体ではんだ接続端子はW上にNi−Auめ
っきを施す。はんだ材はチップ、もしくはチップキャリ
アとの温度階層性を考慮した。つまりセラミックス基板
とチップもしくはチップキャリアとの接続に用いられる
はんだが溶融しないような融点を有するはんだとして、
Sa系のSn−5%Sb(232℃)5を用いた。 Sn系として他にSn−3.5%Ag(221℃)、低膨張の純Sn
(232℃)も可能である。はんだの供給は約0.3φのボー
ルを用いて、まず、セラミックス基板側に接合させるこ
とにした。セラミックス基板とプリント基板間の接続部
の間隙は約150μmである。はんだ付けはロジン系フラ
ックスを用いて炉中で行った。洗浄、十分に乾燥後、樹
脂7をセラミックス基板側面にディスペンサで供給し、
表面張力と重力の作用で流動させる方法、真空中で
吸引−加圧の組み合わせ方法の二通りが可能であり、と
もに、ボイドレス化を可能とした。念のため、加圧する
ことにより微小なボイドは拡散し、消失することを確認
した。 なお、樹脂構造として、(a)の左側の構造は樹脂が
セラミックス基板の側面にぬれていない場合で、(a)
の右側の構造は樹脂がセラミックス基板の側面にぬれて
いる場合である。応力解析の結果、はんだにかかる応力
が小さい高信頼構造としてセラミックス基板側面の中央
部分近くまでぬれているのが望ましいが、(a)の構造
でも十分に信頼性のある構造であることがわかった。 なお、(b)構造の場合、プリント基板の端子にSn
(1部Au)を供給し、セラミックス側の端子にAu、また
は、Au−Suをあらかじめ供給しておき、加熱圧着する接
合可能である。 セラミックスとプリント板との間隙が小さいので、流
動性の良い樹脂でフィラー粒径を小さくする必要があ
る。樹脂が接合に悪影響をしない場合、あらかじめ端子
部に均一に塗布して、その上から熱圧着接合(フラック
スレス)することも可能である。 (c)構造はフラックスによる洗浄に問題があるため、
水素雰囲気中で接合することが望ましい。 本来、裸チップでは、温度サイクル試験で早いサイク
ルで断線してしまうが、セラミックスと樹脂とはんだと
プリント板との応力バランスで高信頼かどうかが決まっ
てくる。 これまでには、すでにAl2O3基板、ガラス基板等にSi
チップを搭載した構造は樹脂物性としての適正値は、は
んだにほぼ等しい25×10-6/℃とされてきたが(特開昭6
0−63951号公報)、ここでの組み合わせは有機多層基板
上へのガラスセラミックス基板である。 このため、従来と異なった考え方が必要であった。 まず、樹脂の耐熱性を向上する必要があるためエポキ
シ系の樹脂を高Tg(ガラス転移温度)化のため酸無水
物の脂環式エポキシとしたこと。シリコーンゴムとし
たこと。この結果、高温での樹脂の劣化が少なくなっ
た。 第10図は横軸に樹脂の熱膨張係数をとり、縦軸に最外
周はんだバンプにかかる(A点)最大せんだん歪をとっ
たものである。また、樹脂のヤング率800kgf/mm2と1700
kgf/mm2の場合についての結果である。 有限要素法解析によると、はんだに作用する最大せん
断歪をとる位置はガラスセラミックス基板側のA点であ
る。この結果、樹脂のヤング率を低くする(800kgf/m
m2)とせん断歪を最小にする最適樹脂の熱膨張係数は増
える傾向を示し、かつ、せん断歪の最小値も増える傾向
にあることが分かった。 従って、適正値としてヤング率の高い域(1700kgf/mm
2とすると)ではんだにかかるせん断歪が最小になる15
×10-6/℃前後となる。この適正値ははんだ(25×10-6/
℃)とプリント板(8×10-6/℃)との中間に相当す
る。 そこで、熱膨張係数15×10-6/℃、ヤング率1700Kgf/m
m2のTg:230℃のガラス移転温度をもつ流動性の良い樹脂
を用いて十個のサンプルを試験した結果、−55〜150
℃、1h/∞試験して導通不良は起こらなかったことか
ら、高信頼性が確認された。 なお、同一条件で熱膨張係数25×10-6/℃、ヤング率8
00kgf/mm2、Tg:180℃の樹脂を試験したが、同様に導通
不良は起こらなかった。両者の最大せん断歪の値を比較
しても(図10より0.8%、1.2%)ほとんど変わらないこ
とからも理解できる。なお、樹脂なし(裸)構造のせん
断歪の値は7.8であることから、樹脂構造と比べると相
当な差があり、樹脂の効果がわかる。 この樹脂系で石英フィラ量(以下、フィラと略す場合
がある)、ゴム量の検討結果について述べる。 樹脂の耐熱劣化特性、Tg(ガラス転移温度)向上のた
め、エポキシ樹脂として酸無水硬化の脂環式エポキシ、
もしくは、ビスフェノールA型エポキシの少なくとも一
つで構成されているものを使用した。図4(a)に樹脂
のフィラ体積含有率に対するヤング率と熱膨張係数の関
係とを示す。ここで○印はヤング率、△印は熱膨張係数
を示す。樹脂としてはそれ自体のヤング率の低いエポキ
シである。図4(a)から分かるように、ヤング率と熱
膨張係数とは逆相関の関係にある。 第4図から分かるように、熱膨張係数が30×10-6/℃
以下とするには、フィラの含有量は少なくとも45Vol%
以上が好ましい。一方、セラミックス基板と有機多層基
板との間を充填する必要があり、樹脂の流動性を考慮す
ると、55Vol以下が好ましい。 また、低ヤング率化のためのゴム含有率に対するヤン
グ率及び熱膨張係数の関係を第4図(b)に示す。図中
で○印はヤング率を表し、△印は熱膨張係数を表す。ゴ
ム材としてポリブタジエン系、シリコーン系が可能であ
るが、耐熱劣化特性に優れたシリコーン系について示し
た。シリコーン含有率を増していくと熱膨張係数は少し
上昇するが、ヤング率は5wt%過ぎると低減していく。1
5wt%以上になると、分散性が悪くなり、熱膨張係数の
上昇(30×10-6/℃近傍に近づく)等の問題が出てく
る。従ってヤング率を低減させて耐熱サイクル性を向上
させるには、樹脂のシリコーン含有率は5〜15wt%が好
ましい。 樹脂組成の一例として、次の組成を選んだ。 なお、エポキシ樹脂は、無溶剤系であるが、樹脂物性
に関する考え方は溶剤系のポリイミド樹脂に対しても同
じである。 第5図は有機無機複合多層基板にSiチップを搭載した
もの(左側)とチップキャリアを搭載したもの(右側)
の断面図を示す。ガラスセラミックス基板は低膨張(3.
5×10-6/℃)で剛性が高いため熱膨張率係数の高いプリ
ント板の影響を受けにくく、10mm□のSiチップが搭載さ
れても高信頼性が確保される。右側のチップキャリアは
チップキャリアの基板も同一の熱膨張係数をもつ低誘電
率のガラスセラミックス基板であるため接合部は高信頼
性である。プリント板上のガラスセラミックス基板はチ
ップキャリアよりも広くすることにより、補修布線用の
端子19を形成し、隣接セラミックス基板への配線を可能
にした。なお、チップキャリアの取外しにはPb−60%Sn
はんだ16(融点183℃)を用いており、有機無機複合多
層基板を作っているSn−5%Sbはんだ(融点232℃)を
溶かさないで、接合できる仕組にした。また、チップキ
ャリア内のSiチップはPb−5%Snはんだ(融点300
℃)、封止部、ヒートシンク部はPb−15%Snはんだ(融
点260℃)を用いており、リペア、はんだ付時に問題は
ないシステムにした。 第6図は有機無機複合多層基板上にチップキャリアを
搭載後、チップキャリア裏面を熱拡散のためのベローズ
21型水冷ユニツト23を低温はんだ24で取付けた構造の断
面図である。高速計算のため、数十W級の高出力チップ
を効率よく冷却する必要から、キャリア20封止枠はガラ
スセラミックスとほぼ同等の熱膨張係数を示し、かつ、
高熱伝導のAINを用いた。また、水冷ユニットのキャリ
アと接する材料は同じく、低熱膨張、高熱伝導のSiCを
用いた。 第7図はチップキャリアのセラミックス基板内部にコ
ンデンサを内蔵させた構造である(a)。シート状の高
誘電材料の内面に設けた電極はアース、及び、電源に接
続された構造になっている。コンデンサ内蔵により大幅
なスピードアップが可能である。 プリント板上に設けたガラスセラミックス基板の表面
にはインピーダンスマッチング用の薄膜抵抗層26が形成
されている。 薄膜抵抗層を拡大したのが(b)である。隣接バンプ
間に抵抗層26が設けられている。絶縁層はポリイミドで
薄膜はAlもしくはCuである。 抵抗層はガラスセラミックス基板の裏側(プリント基
板)に設けても良く、保護する意味ではプリント板側が
望ましい。本発明の構造はこのセラミックス基板に抵抗
層、コンデンサを内蔵させたり、補修布線を設けたりす
ることが可能となり、従来のプリント板では不可能であ
った機能を付加することができるようになった。 第8図は本発明による簡易型パッケージ構造例であ
る。(a)はチップ10裏面を熱伝導グリース31で接着
し、銅系材料で封止が可能である。 はんだ封止24の場合は、熱膨張が多層板に近い8×10
-6/℃のCu−C,Cu−W複合材料が熱応力的には望まし
い。 (b)はチップキャリアをマルチ化したものである。
この場合、チップはチップキャリアで保護されているの
で、全体封止は樹脂でよい。 第9図は有機無機複合多層基板のセラミックス基板内
では整合層を設けないので、チップキャリアのセラミッ
クス基板例で整合層を設けた一例である。この場合、プ
リント板上のセラミックス基板には補修布線を設けるだ
けのスペースはない。
Large-sized computers are aiming for large capacity and high speed. For this reason, as a mounting system for mounting a CPU, 1) lowering the dielectric constant of a multilayer substrate material and 2) high-density mounting in which the wiring length is shortened are particularly required. Therefore, the present invention has proposed a mounting method with a highly reliable structure using a material that is close to ideal. FIG. 1 shows a sectional view of the present invention. Ideally, a multilayer substrate that is optimal as a low dielectric constant material is composed of air having a dielectric constant of 1, but has a problem in reliability (mechanical and electrical). The (fluorine-based) organic multilayer substrate 2 is ideal. The Teflon material itself has a high coefficient of thermal expansion and has problems in adhesion to the material and the like. In order to mount a chip, it is necessary to reduce the thermal expansion coefficient in the lateral direction (x, y) as much as possible in order to reduce the expansion and improve the strength of the multilayer substrate. When made by normal process, low dielectric constant, low expansion coefficient quartz fiber (or organic aramid fiber) is put,
Even a copper-containing multilayer board has a thermal expansion coefficient of 8 to 10 × 10 −6 / ° C., which is far from the level at which a 10 mm square chip can be mounted with high reliability. In the organic multilayer substrate 2, there is a demand for thinning the insulating layer and the increase in the number of copper wiring layers due to the increase in the number of layers, so that even if the number of low expansion fibers is increased, there is a limit to the low thermal expansion, and the low thermal expansion is not achieved unlike the ceramic substrate. . The surface layer in which adhesion is regarded as important can be solved by replacing the surface layer with a material system having an inclined adhesion. In addition, although the dielectric constant is inferior to that of Teflon, isomeramine (dielectric constant of 3 to 3.
5) Multilayer substrates are superior to Teflon in terms of adhesion, heat resistance, and ease of use. The organic multilayer substrate system 2 which is formed by a batch lamination system as the number of layers increases is more suitable. The through holes of the organic multilayer substrate 2 are generally formed by a drill. Due to the demand for large capacity and high speed, multilayer boards have become increasingly multilayered and thick,
And the pitch is seeking the limit. In the case of providing two wiring layers between pitches in a multi-layer board of 7 mm, technically, a 0.45 mm pitch and a 0.3 mm hole are technically limited. On the other hand, the element for CPU is a flip-chip surface mounting of a Si chip, and a pitch of 0.25 to 0.30 mm is sufficiently possible. 0.25
In order to mount a Si chip having a pitch of 0.30 mm on an organic multilayer substrate, it is common to provide a matching layer using polyimide-based photoresist on the surface of the organic multilayer substrate. If a photoresist is used, terminals with a fine pattern of 0.25 to 0.30 mm can be formed. However, this method has a problem in heat resistance of the organic multilayer substrate in polyimide etching or the like. Therefore, as shown in the figure, the present invention mounts a chip or a low-permittivity ceramic substrate larger than the chip carrier on the terminal of the chip or chip carrier mounting area on the organic multilayer substrate, and A structure was devised in which the terminals were joined by soldering or thermocompression bonding. A matching layer having a pitch of 0.45 mm on the organic multilayer substrate side of the ceramic substrate and a pitch of 0.25 mm on the chip or chip carrier mounting side of the ceramic substrate was provided in the ceramic substrate. This is a possible level for mass production technology. The method of joining a chip or a chip carrier on the organic multilayer substrate 2 is the same as the method of flip-chip joining a chip to a ceramic substrate. The material of the ceramic substrate is a glass-ceramic 1 system with the lowest dielectric constant, which has a coefficient of thermal expansion of 3.5 × 10.
The reliability test target can be satisfied even when a 10 mm square Si chip is mounted barely at -6 / ° C. The dimensions of the ceramic substrate were set to 15 mm square, which allows repair wiring around the substrate and wiring to adjacent ceramic substrates.
The thickness of the ceramic substrate is as follows: 1) The organic multilayer substrate must have a bending stiffness and an extension stiffness that do not affect the coefficient of thermal expansion of 8 to 10 × 10 −6 / ° C. 2) The thickness is set to 0.6 to 0.8 mm in consideration of shortening the wiring length. Even if a ceramics substrate is simply joined to the organic multilayer substrate 2 by soldering in an island shape, low reliability can be easily predicted from the data so far. For example, the life of a 15 mm square glass ceramic (coefficient of thermal expansion: 3.5 × 10 −6 / ° C.) flip-chip bonded to an organic multipurpose substrate 2 (coefficient of thermal expansion: 8 to 10 × 10 −6 / ° C.) is −55 to 150 At 200 ° C, 1 cycle / h is 200 cycle level, far from the target 1000 cycle. Therefore, for a lifetime increase, it has a low thermal expansion coefficient of solder, and, by the Young's modulus is filled with a resin of 1700Kgf / mm 2 between the two substrates, and stress concentration involved in the solder, and the solder By alleviating the stress concentration and reducing the strain applied to the solder, an organic-inorganic composite multilayer substrate having a low dielectric constant of 1500 cycles or more has been made possible. The effect of mounting a Si chip on an alumina substrate or a glass substrate and filling it with a resin to reinforce it is disclosed in JP-A-60-63951. According to this publication, it is pointed out that the resin suitable for the structure is to insert a quartz filler, adjust the coefficient of thermal expansion to that of the solder, and to insert rubber particles. The present invention is not a Si chip but a glass ceramic substrate provided with terminals on the back surface, and is an organic multilayer substrate having a low Young's modulus instead of an alumina substrate and a glass substrate. According to the analysis by the finite element method, the Young's modulus of the organic multilayer substrate is low, and unlike the Si chip mounted substrate, stress concentration is particularly high on the glass ceramic substrate side with a high Young's modulus and low thermal expansion coefficient. Do you get it. Therefore, it has been found that it is important to make the thermal expansion coefficient of the resin smaller than that of the solder and larger than that of the organic multilayer substrate to improve the life. It has been found that the mechanism for reducing the strain applied to the solder is complicated, and is determined by a combination of four types of material properties (thermal expansion coefficient, Young's modulus) of the glass ceramic substrate 1, the solder, the resin, and the organic multilayer substrate 2. It is a point of ensuring high reliability that the stress concentration of the solder near the interface between the glass ceramic substrate and the solder is reduced in this system. As a solution to this, 1) the thermal expansion coefficient of the resin is set to 15 × 10 -6
/ ° C (between solder and organic multilayer substrate). 2) It was found that the use of solder having a low coefficient of thermal expansion was effective. The metallization of the glass ceramic substrate is a thick film process that is baked at a high temperature. Therefore, unlike the thin film metallization of the Si chip, the metallization is strong. Therefore, it is not necessary to consider the influence of stress on the metallization. Therefore, it is important to consider the thermal fatigue of the solder near the interface between the glass ceramic substrate and the solder. Next, the necessary conditions of various constituent material properties obtained from the finite element method analysis and the experiment were obtained. The thermal expansion coefficient of the low dielectric constant organic multilayer substrate is αp, the thermal expansion coefficient of the ceramic substrate on the organic multilayer substrate is αc 1 , the thermal expansion coefficient of the resin is αr 2 , the Young's modulus of the resin is Er, chip, or chip carrier. when the thermal expansion coefficient .alpha.c 2, and can be cleared by αc 1 = αc 2 ...... (approximately material having a same thermal expansion coefficient) αp-αc2 <of 7 × 10 -6 / ℃ ...... (resin working 5 × 10 -6 / ℃ <αr <30 × 10 -6 / ℃ …… (The range of the thermal expansion coefficient of the resin can be covered by Young's modulus. Although it is difficult, it is possible to reduce the expansion difference with a polyimide resin, but providing a difference in the thermal expansion between the solder and the resin is a problem because a large strain is generated at the interface.) The appropriate region of the product of the expansion coefficient and the Young's modulus was investigated. Young's modulus of the resin is in the range of 200~2000Kgf / mm 2. [Young's modulus / coefficient of thermal expansion] 1) 200 (small) ・ 30 × 10 -6 (large) = 0.006 ... Influence of resin: small Judgment: × 2) 200 (small) ・ 5 × 10 -6 (small) = 0.001 ...... Influence of resin: small Judgment: × 3) 800 (medium) · 25 × 10 -6 (medium) = 0.02 judgment: ○ 4) 2000 (large) · 5 × 10 -6 (small) = 0.01 Judgment: ○ 5) 1700 (large) ・ 15 × 10 −6 (medium) = 0.025 Judgment: ○ An equation was obtained from the above results. 0.007 <αr · Er <0.03... FIG. 3 shows an organic-inorganic composite low dielectric constant multilayer substrate of the present invention. (A) is a structure having a large bump height using a soft solder of Sn-5% Sb5 as a solder material. (B)
Is a structure having a low bump height joined by a thermocompression bonding method using a hurdle solder of Au-20% Sn32. (C) shows a structure in which a depression is provided in the organic multilayer substrate 2 and the ceramic substrate 1 is buried and flattened. On the low dielectric constant Teflon-based multilayer substrate 2 (hereinafter, referred to as a printed circuit board) shown in FIG. 1A, double terminals 3 connected to through holes are arranged in a grid pattern. The through hole pitch is 0.45 mm and the hole diameter is 0.3 mm. The ceramic substrate is a glass ceramic having a low dielectric constant (approximately ε = 5), and the pitch is internally adjusted in multiple layers. The terminal pitch on the ceramic substrate chip or chip carrier mounting side is 0.25 mm. The terminal pitch on the printed circuit board side is 0.45 mm. The size of the glass ceramic substrate is 15mm □ × 0.8t, and all terminals are lattice-shaped.
The chip mounting area is provided in the center. The glass ceramic conductor may be thick copper paste 4 and the solder connection may be plated with Ni-Au to prevent solder erosion. In addition, a mullite substrate (Al 2 O 3 .SiO 2 ) having a low expansion and a low dielectric constant can be used as the ceramic substrate. The mullite wiring layer is a W conductor, and the solder connection terminals are plated with Ni-Au on W. As for the solder material, the temperature hierarchy with the chip or chip carrier was considered. In other words, as a solder having a melting point that does not melt the solder used to connect the ceramic substrate and chip or chip carrier,
Sa-based Sn-5% Sb (232 ° C.) 5 was used. Other Sn-based Sn-3.5% Ag (221 ℃), low expansion pure Sn
(232 ° C) is also possible. The solder was supplied using a ball having a diameter of about 0.3φ, and was first joined to the ceramic substrate side. The gap at the connection between the ceramic substrate and the printed board is about 150 μm. Soldering was performed in a furnace using a rosin-based flux. After washing and drying sufficiently, the resin 7 is supplied to the side of the ceramic substrate with a dispenser,
Two methods are possible: a method of flowing by the action of surface tension and gravity, and a method of combining suction and pressure in a vacuum. Both methods enable voiding. As a precautionary measure, it was confirmed that minute voids diffused and disappeared when pressure was applied. As the resin structure, the structure on the left side of (a) is a case where the resin is not wet on the side surface of the ceramic substrate.
The structure on the right side of the figure shows a case where the resin is wet on the side surface of the ceramic substrate. As a result of the stress analysis, it is desirable that the solder applied to the ceramic substrate near the center of the side surface be a highly reliable structure in which the stress applied to the solder is small, but the structure shown in FIG. . In the case of the structure (b), the terminal of the printed circuit board is Sn
(1 part Au) is supplied, and Au or Au-Su is supplied in advance to the terminal on the ceramics side, and it is possible to bond by heating and pressing. Since the gap between the ceramics and the printed board is small, it is necessary to reduce the filler particle size with a resin having good fluidity. When the resin does not adversely affect the bonding, it is also possible to apply the resin uniformly to the terminals in advance, and then perform thermocompression bonding (fluxless) from above. (C) Since the structure has a problem in cleaning with flux,
It is desirable that the bonding be performed in a hydrogen atmosphere. Originally, in the case of a bare chip, a wire breaks in a rapid cycle in a temperature cycle test. Until now, Al 2 O 3 substrates, glass substrates, etc.
The appropriate value for the physical properties of the resin mounted chip has been set to 25 × 10 -6 / ° C, which is almost the same as that of solder.
The combination here is a glass ceramic substrate on an organic multilayer substrate. For this reason, a different way of thinking was required. First, it is necessary to improve the heat resistance of the resin, so that the epoxy resin is an acid anhydride alicyclic epoxy to increase the Tg (glass transition temperature). It must be silicone rubber. As a result, deterioration of the resin at high temperatures was reduced. In FIG. 10, the horizontal axis represents the coefficient of thermal expansion of the resin, and the vertical axis represents the maximum flexural strain applied to the outermost solder bump (point A). The Young's modulus of the resin 800 kgf / mm 2 and 1700
The results are for kgf / mm 2 . According to the finite element analysis, the position where the maximum shear strain acting on the solder is taken is point A on the glass ceramic substrate side. As a result, the Young's modulus of the resin is reduced (800 kgf / m
m 2 ) and the thermal expansion coefficient of the optimal resin that minimizes shear strain tended to increase, and the minimum value of shear strain also tended to increase. Therefore, as an appropriate value, the region with a high Young's modulus (1700kgf / mm
2 ) minimizes the shear strain on the solder 15
× 10 −6 / ° C. This appropriate value is solder (25 × 10 -6 /
℃) and the printed board (8 × 10 -6 / ℃). Therefore, the coefficient of thermal expansion is 15 × 10 -6 / ° C and the Young's modulus is 1700Kgf / m
of m 2 Tg: 230 ℃ results of testing ten samples using a fluid good resin having a glass transition temperature of -55 to 150
At ℃, 1h / ∞ test, no conduction failure occurred, confirming high reliability. Under the same conditions, the coefficient of thermal expansion is 25 × 10 −6 / ° C, Young's modulus is 8
The resin having a temperature of 00 kgf / mm 2 and a Tg of 180 ° C. was tested. It can be understood from the fact that even when the values of the maximum shear strain of both are compared (0.8% and 1.2% from FIG. 10), they hardly change. In addition, since the value of the shear strain of the resin-free (bare) structure is 7.8, there is a considerable difference compared with the resin structure, and the effect of the resin is understood. The results of study of the amount of quartz filler (hereinafter sometimes abbreviated as filler) and the amount of rubber in this resin system will be described. Acid anhydride cured alicyclic epoxy as epoxy resin to improve the heat degradation characteristics and Tg (glass transition temperature) of the resin.
Alternatively, one composed of at least one of bisphenol A type epoxy was used. FIG. 4A shows the relationship between the Young's modulus and the coefficient of thermal expansion with respect to the filler volume content of the resin. Here, ○ indicates the Young's modulus, and △ indicates the thermal expansion coefficient. The resin itself is an epoxy having a low Young's modulus. As can be seen from FIG. 4A, the Young's modulus and the coefficient of thermal expansion have an inverse correlation. As can be seen from FIG. 4, the coefficient of thermal expansion is 30 × 10 −6 / ° C.
Filler content should be at least 45Vol% to be below
The above is preferred. On the other hand, it is necessary to fill the space between the ceramic substrate and the organic multilayer substrate. FIG. 4 (b) shows the relationship between the Young's modulus and the coefficient of thermal expansion with respect to the rubber content for lowering the Young's modulus. In the figure, the mark ○ indicates the Young's modulus, and the mark △ indicates the coefficient of thermal expansion. Polybutadiene-based and silicone-based rubbers are possible, but silicone-based materials having excellent heat-resistant deterioration characteristics are shown. As the silicone content increases, the coefficient of thermal expansion increases slightly, but the Young's modulus decreases after 5 wt%. 1
If the content is 5 wt% or more, the dispersibility becomes poor, and problems such as an increase in the coefficient of thermal expansion (approaching about 30 × 10 −6 / ° C.) occur. Therefore, in order to reduce the Young's modulus and improve the heat cycle resistance, the silicone content of the resin is preferably 5 to 15% by weight. The following composition was selected as an example of the resin composition. The epoxy resin is a non-solvent type, but the concept regarding the resin properties is the same for the solvent type polyimide resin. Fig. 5 shows an organic-inorganic composite multilayer substrate with a Si chip mounted (left) and a chip carrier mounted (right).
FIG. Glass ceramic substrate has low expansion (3.
(5 × 10 -6 / ° C) and high rigidity make it less susceptible to printed circuit boards with a high coefficient of thermal expansion, ensuring high reliability even when a 10 mm square Si chip is mounted. Since the chip carrier on the right side is also a low dielectric constant glass-ceramic substrate having the same coefficient of thermal expansion as the substrate of the chip carrier, the bonding portion has high reliability. By making the glass ceramic substrate on the printed board wider than the chip carrier, the terminal 19 for repair wiring was formed, and wiring to the adjacent ceramic substrate was made possible. In addition, Pb-60% Sn
Solder 16 (melting point: 183 ° C) was used, and it was designed to be able to join without dissolving Sn-5% Sb solder (melting point: 232 ° C) forming the organic-inorganic composite multilayer substrate. The Si chip in the chip carrier is made of Pb-5% Sn solder (melting point 300
° C), the sealing part and the heat sink part use Pb-15% Sn solder (melting point 260 ° C), so that there is no problem during repair and soldering. Fig. 6 shows the bellows for heat diffusion after the chip carrier is mounted on the organic-inorganic composite multilayer substrate.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a structure in which a 21-inch water-cooled unit 23 is attached with low-temperature solder 24. For high-speed calculation, it is necessary to efficiently cool a high-power chip of several tens of W class, so the carrier 20 sealing frame shows a thermal expansion coefficient almost equivalent to that of glass ceramics, and
High thermal conductivity AIN was used. Similarly, the material in contact with the carrier of the water cooling unit was SiC having low thermal expansion and high thermal conductivity. FIG. 7 shows a structure in which a capacitor is built in a ceramic substrate of a chip carrier (a). The electrodes provided on the inner surface of the sheet-like high dielectric material are connected to the ground and the power supply. Significant speed-up is possible by incorporating a capacitor. A thin-film resistance layer 26 for impedance matching is formed on a surface of a glass ceramic substrate provided on a printed board. (B) is an enlarged view of the thin film resistance layer. A resistance layer 26 is provided between adjacent bumps. The insulating layer is polyimide and the thin film is Al or Cu. The resistance layer may be provided on the back side (printed board) of the glass ceramic substrate, and the printed board side is preferable from the viewpoint of protection. The structure of the present invention makes it possible to incorporate a resistance layer and a capacitor in this ceramic substrate, or to provide a repair wiring, and to add functions that were not possible with conventional printed boards. Was. FIG. 8 shows an example of a simplified package structure according to the present invention. 3A, the back surface of the chip 10 is bonded with a thermal conductive grease 31 and can be sealed with a copper-based material. In the case of solder sealing 24, the thermal expansion is 8 × 10
A Cu-C, Cu-W composite material of -6 / ° C is desirable for thermal stress. (B) shows a multi-chip carrier.
In this case, since the chip is protected by the chip carrier, the whole sealing may be made of resin. FIG. 9 shows an example in which a matching layer is provided in a ceramic substrate example of a chip carrier since no matching layer is provided in the ceramic substrate of the organic-inorganic composite multilayer substrate. In this case, there is no space on the ceramic substrate on the printed board for providing the repair wiring.

【発明の効果】【The invention's effect】

本発明によれば計算のスピードアップ化を可能にし、
歩留まりの大幅向上が期待でき、高密度小型化実装が可
能である。
According to the present invention, it is possible to speed up the calculation,
The yield is expected to be greatly improved, and high-density and compact mounting is possible.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【第1図】 本発明の一実施例の断面図。FIG. 1 is a sectional view of one embodiment of the present invention.

【第2図】 従来の技術の断面図。FIG. 2 is a sectional view of a conventional technique.

【第3図】 本発明の実施例の断面図。FIG. 3 is a sectional view of an embodiment of the present invention.

【第4図】 本発明の高信頼性メカニズムの説明図。FIG. 4 is an explanatory diagram of a high reliability mechanism of the present invention.

【第5図】 本発明を用いたチップ及びチップキャリアを搭載した断
面図。
FIG. 5 is a cross-sectional view in which a chip and a chip carrier using the present invention are mounted.

【第6図】 本発明に水冷構造を取付けた場合の断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view when a water cooling structure is attached to the present invention.

【第7図】 本発明に機能性を付加した構造の断面図(a)と拡大図
(b)。
FIG. 7 is a sectional view (a) and an enlarged view (b) of a structure obtained by adding functionality to the present invention.

【第8図】 本発明を用いた簡易型モジュール断面図。FIG. 8 is a sectional view of a simplified module using the present invention.

【第9図】 本発明にチップキャリアを搭載した変形例の断面図。FIG. 9 is a sectional view of a modification in which a chip carrier is mounted on the present invention.

【第10図】 本発明の高信頼性メカニズムの説明図。FIG. 10 is an explanatory diagram of a high reliability mechanism of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1……ガラスセラミックス 2……有機多層基板 3……銅箔端子 1. Glass ceramics 2. Organic multilayer substrate 3. Copper foil terminals

フロントページの続き (72)発明者 沢畠 守 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (72)発明者 山田 一二 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (72)発明者 荻原 覚 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (72)発明者 三▲吉▼ 忠彦 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (72)発明者 天城 滋夫 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (72)発明者 小山 徹 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (72)発明者 小林 二三幸 神奈川県秦野市堀山下1番地 株式会社 日立製作所神奈川工場内 (72)発明者 山田 稔 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭57−166051(JP,A)Continued on the front page (72) Inventor Mamoru Sawahata 4026 Kuji-cho, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Inside Hitachi, Ltd.Hitachi Research Laboratory, Ltd. (72) Inventor Ichiji Yamada 4026 Kuji-cho, Hitachi City, Ibaraki Prefecture, Hitachi, Ltd. 72) Inventor Satoru Ogiwara 4026 Kuji-cho, Hitachi City, Ibaraki Pref.Hitachi, Ltd.Hitachi Research Laboratories, Ltd. (72) Inventor 3 ▲ Yoshi ▼ Tadahiko 4026 Kuji-cho, Hitachi City, Ibaraki Pref.Hitachi, Ltd. Person Shigeo Amagi 4026 Kuji-cho, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Inside Hitachi, Ltd.Hitachi Laboratory (72) Inventor Toru Koyama 4026 Kuji-machi, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Inside Hitachi, Ltd.Hitachi Laboratory Co., Ltd. (72) Inventor Fumiko Kobayashi No. 1 Horiyamashita, Hadano-shi, Pref.Hitachi, Ltd. Kanagawa Factory (72) Inventor Minoru Yamada 1-280, Higashi Koikebo, Kokubunji-shi, Tokyo Within the Central Research Laboratory of Hitachi, Ltd. (56) References JP-A-57-166051 , )

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】表面端子と裏面端子とを導通させた低誘電
率低膨張のセラミックス基板と、 該セラミックス基板の表面端子と接続するチップもしく
はチップキャリアと、 該セラミックス基板の裏面端子と接続する有機多層基板
と、 該有機多層基板と該セラミックス基板の間隙を充填する
樹脂とから構成されることを特徴とする有機無機複合多
層基板。
1. A ceramic substrate having a low dielectric constant and a low expansion in which a front terminal and a rear terminal are electrically connected, a chip or a chip carrier connected to the front terminal of the ceramic substrate, and an organic substrate connected to the rear terminal of the ceramic substrate. An organic-inorganic composite multilayer substrate comprising: a multilayer substrate; and a resin filling a gap between the organic multilayer substrate and the ceramic substrate.
【請求項2】特許請求の範囲第1項において、 前記有機多層基板上に前記セラミックス基板を複数個搭
載したことを特徴とする有機無機複合多層基板。
2. The organic-inorganic composite multilayer substrate according to claim 1, wherein a plurality of said ceramic substrates are mounted on said organic multilayer substrate.
【請求項3】特許請求の範囲第1項または第2項におい
て、 前記セラミックス基板の表面端子ピッチを前記有機多層
基板と接合する裏面端子ピッチより小さくしたことを特
徴とする有機無機複合多層基板。
3. The organic-inorganic composite multilayer substrate according to claim 1, wherein a pitch of front terminals of the ceramic substrate is smaller than a pitch of rear terminals joined to the organic multilayer substrate.
【請求項4】特許請求の範囲第1項または第2項におい
て、 前記セラミックス基板は前記チップもしくは前記チップ
キャリアとの接続領域以外に補修布線用の端子を設けた
ことを特徴とする有機無機複合多層基板。
4. The organic-inorganic material according to claim 1, wherein the ceramic substrate is provided with a terminal for repair wiring other than a connection region with the chip or the chip carrier. Composite multilayer board.
【請求項5】特許請求の範囲第2項において、 前記セラミックス基板は前記チップもしくは前記チップ
キャリアの接続領域以外に隣接する前記セラミックス基
板との接続用の端子を設けたことを特徴とする有機無機
複合多層基板。
5. The organic-inorganic material according to claim 2, wherein said ceramic substrate is provided with a terminal for connection with said ceramic substrate adjacent to a region other than a connection region of said chip or said chip carrier. Composite multilayer board.
【請求項6】特許請求の範囲第1項または第2項におい
て、 前記セラミックス基板はインピーダンスマッチング用の
抵抗層を有することを特徴とする有機無機複合多層基
板。
6. The organic-inorganic composite multilayer substrate according to claim 1, wherein the ceramic substrate has a resistance layer for impedance matching.
【請求項7】特許請求の範囲第1項または第2項におい
て、 前記セラミックス基板の内部に高速化のためのコンデン
サを設けたことを特徴とする有機無機複合多層基板。
7. The organic-inorganic composite multilayer substrate according to claim 1, wherein a capacitor for increasing the speed is provided inside the ceramic substrate.
JP63235006A 1988-09-21 1988-09-21 Organic-inorganic composite multilayer substrate Expired - Lifetime JP2858760B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP63235006A JP2858760B2 (en) 1988-09-21 1988-09-21 Organic-inorganic composite multilayer substrate

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP63235006A JP2858760B2 (en) 1988-09-21 1988-09-21 Organic-inorganic composite multilayer substrate

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH0283963A JPH0283963A (en) 1990-03-26
JP2858760B2 true JP2858760B2 (en) 1999-02-17

Family

ID=16979668

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP63235006A Expired - Lifetime JP2858760B2 (en) 1988-09-21 1988-09-21 Organic-inorganic composite multilayer substrate

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2858760B2 (en)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4685979B2 (en) * 2000-02-21 2011-05-18 日本特殊陶業株式会社 Wiring board
JP4695289B2 (en) * 2000-07-31 2011-06-08 日本特殊陶業株式会社 Wiring board manufacturing method
JP4771808B2 (en) * 2003-09-24 2011-09-14 イビデン株式会社 Semiconductor device

Also Published As

Publication number Publication date
JPH0283963A (en) 1990-03-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5808874A (en) Microelectronic connections with liquid conductive elements
KR100268205B1 (en) Attaching heat sinks directly to flip chips and ceramic chip carriers
US7078822B2 (en) Microelectronic device interconnects
US4825284A (en) Semiconductor resin package structure
JP4594934B2 (en) Integrated electronic chip and interconnect device, and method for manufacturing the same
KR100276054B1 (en) Organic controlled collapse chip connector (c4) ball grid array (bga) chip carrier with dual thermal expansion rates
US20050189636A1 (en) Packaging substrates for integrated circuits and soldering methods
US20050212127A1 (en) Integrated circuits and packaging substrates with cavities, and attachment methods including insertion of protruding contact pads into cavities
US7390692B2 (en) Semiconductor device and method for manufacturing the same
JP2011018935A (en) Method of manufacturing semiconductor device
JP2001060645A (en) Interposer for mounting semiconductor die on board
KR100788011B1 (en) Organic packages with solders for reliable flip chip connections
US7545028B2 (en) Solder ball assembly for a semiconductor device and method of fabricating same
JP2858760B2 (en) Organic-inorganic composite multilayer substrate
JP2713994B2 (en) Package structure
JP3589928B2 (en) Semiconductor device
US20010013655A1 (en) Methods of making microelectronic connections with liquid conductive elements
JPH118474A (en) Manufacture of multilevel board
WO2004018719A1 (en) Negative volume expansion lead-free electrical connection
JP2004087700A (en) Semiconductor device and its manufacturing method
JP3938017B2 (en) Electronic equipment
JPH0677361A (en) Multi-chip module
JPS63313846A (en) Module packaging structure
KR100310037B1 (en) Method for fabricating flexible printed circuit boad with a plurality of chip
JPS6057957A (en) Connecting construction

Legal Events

Date Code Title Description
FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20071204

Year of fee payment: 9

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20081204

Year of fee payment: 10

EXPY Cancellation because of completion of term