JP3111590B2

JP3111590B2 - 多層回路の製造方法

Info

Publication number: JP3111590B2
Application number: JP04027816A
Authority: JP
Inventors: 英夫有馬
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-02-14
Filing date: 1992-02-14
Publication date: 2000-11-27
Anticipated expiration: 2015-11-27
Also published as: JPH05226509A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、多層回路及びこれを用
いたモジュール及び電子機器に係り、特に製造時間が短
く、しかも高歩留で製造できる回路、モジュール及び電
子機器とその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】実装電気回路の信号遅延の短縮化や回路
自体の小形化の要求は強く、このため回路の高密度化，
多層化が進められている。

【０００３】現在多層回路として最も高密度化を達成し
ているのは、半導体製造にも適用されているフォトリソ
グラフィ技術を用いた薄膜多層回路である。これは、ラ
オアールタマラ,オイゲンジェイリマゼウスキ編
「マイクロエレクトロニクスパッケージングハンドブ
ック」ファンノストランドレインホールド(Rao R. Tu
mmala, Eugene J. Rymaszewski:Microelectronics Pack
aging Handbook:Van Nostrand Reinhold）出版（１９８
９）でも紹介してある通り、基板の上にポリイミド等の
耐熱性材料を絶縁層として、蒸着やスパッタ等の薄膜成
膜技術やめっき技術を用いてＡｌ，Ｃｕ，Ａｕ等の配線
を形成し、これを繰り返すことにより、多層化するもの
である。

【０００４】薄膜回路は、それ自体高密度であるため、
完全な回路を形成することが難しい。しかも、機能を拡
大するため、回路を大面積化したり多層化すればより完
全な回路を形成することは難しくなる。特に多層化で
は、一層が完全出来上がった上に回路を形成し、これを
繰り返すことになるが、多層化の過程でいずれかに欠陥
が生じた場合には、それは不良品になる訳で、完成品を
製造することは、工程上時間が直列になるため、製造に
多大な時間を要する上に、完全な良品を得ることが非常
に困難である。

【０００５】この問題を回避する為に通常は、回路の面
積を小さくしたり積層する層数を１桁程度におさえた
り、配線密度は薄膜回路と比較して落ちるが、良品の回
路シートを寄せ集めて一括積層して多層回路を製造する
厚膜多層回路基板やプリント基板で回路を製造すること
が実施されている。

【０００６】回路と回路を接続するには、はんだ，めっ
き，導電ペースト等の種々の方法がある。この中で、高
密度の多層回路を形成する一括積層法では、スルーホー
ル内にめっきで接続導体を形成する方法、つまり、プリ
ント基板方式のみが実用可能な方法であった。しかし、
この方法でも薄膜回路の高密度化に対応できるものでは
なかった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】この様な状況下にあっ
て、高密度で高機能の回路を達成する上では、層数が多
く、高密度の多層回路、特に薄膜多層回路を高歩留で短
時間に製造することが不可欠である。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この欠点を改善するた
め、厚膜多層回路基板やプリント基板と同様に、一括積
層が可能で、しかも薄膜回路と同様の高密度化が達成で
きる下記多層回路の製造方法を発明した。

【０００９】多層回路の形成方法としては、平面配線と
下部配線との接続のためのバイア配線とを同時に形成す
る方式と、平面配線の層を形成した次にバイア配線とそ
の層を形成する方式に大別される。

【００１０】当発明は、後者の方式に基礎を置いてい
る。積層するための各シートは、平面方向に展開する配
線を有する配線層とこの配線に対して垂直方向に接続す
るバイア配線を有するバイア配線層が各々少なくとも１
層ずつからなる単位で１シートを形成する。この各シー
トにおいては、一方のシートの表面であって配線または
バイア配線の導体部に塑性変形の容易な導体を形成し、
かつ他方のシートの裏面であって上記した導体部に対応
した位置の配線またはバイア配線の導体部に塑性変形の
しにくい導体からなる突起を形成する。そして、個別に
形成した各シートを重ね合わせて少なくとも加圧または
加熱することによって、シート間において一方のシート
の塑性変形の容易な導体と他方のシートの塑性変形のし
にくい導体からなる突起との電気的な接続を行なわせ
る。これにより回路の多層化を達成するものである。

【００１１】また、シート間の接続を導体間と、絶縁を
必要とする部分の密着を確保する上で、必要に応じて、
シート間の積層時に、シート表裏面の少なくとも一面に
電気的接続を要しない部分に接着層を形成し、これによ
りシート間の接続を補強する。

【００１２】一般に回路面と回路面とを面付けをする例
としては、多層回路にＬＳＩを搭載する方法が知られて
いる。この方法では、半球形のはんだを用いて、多層回
路面とＬＳＩ面を接続する方法である。この方法は、各
回路に半球状のはんだがあり、これを位置合わせしては
んだを溶融して接続するものである。この方式では、回
路最上層での電子部品との接続には適用できても、多層
回路内部の電気接続には不適切である。それは、半球状
のはんだ同士の接続であり、一層ずつの積層・接続は可
能であっても、多層のシートを同時に一括積層すると位
置ズレして、シート間の位置合わせ精度が確保できな
い。また、通常は、はんだ接続用のＬＳＩと多層回路の
バンプ間は空間であり、溶融後のはんだ形状はLSIの重
さと、はんだの表面張力で微妙なバランスをとって歪ん
だ球状を保っている。従って、積層するシート層数やシ
ートの撓み等により、このバランスが崩れ、高密度の接
続が困難である。

【００１３】

【作用】シート間の配線の接続は、一方のシート表面の
バイアまたは配線の導体部に形成された塑性変形の容易
な導体と、他方のシートの表面のバイアまたは配線の導
体部に形成されたその塑性変形の容易な導体より塑性変
形のしにくい導体で形成した突起とが対向し、圧力によ
り、突起が塑性変形の容易な導体中に侵入したり、また
加熱により塑性変形の容易な導体が再配列し、突起に密
着する等により行なわれる。また、この時の加圧や加熱
により、シートの絶縁膜どうしの密着も行われる。

【００１４】シート間の導体接続部以外での密着を実施
する方法として、接続導体部以外に接着層を形成し、こ
れを加圧または加熱することを実施している。

【００１５】本発明では各自出来上がったシートの上に
別のシートを一枚ずつ重ね、その後、重ねたシートをプ
レス等で加圧したり、または加熱することにより、多層
回路を一括で製造するものである。

【００１６】この様に、各シートを個別に、つまり時間
的には並列で製造し、出来た中から良品のみを持ち寄
り、それを積み重ねて一括積層法で多層回路を製造する
ため、工程時間の短縮になり、しかも歩留まりが向上す
る。

【００１７】また、シートの積み重ねの際に、上記の様
にシート間の電気的接続が容易に得られるため、積み重
ね時に正常に積み重ねられているかをチェック出来る。

【００１８】また、一端、正常に積み重ねられると、導
体の突起が塑性変形の容易な導体中に食い込んでいるた
め、位置ズレが生じ難い。

【００１９】また、目的に応じた層構成が容易である。
製造する各シートは同一材質で形成する必要はない。た
とえば回路表面は堅い層で構成する必要があれば、堅い
材料で層を形成したものを、上記方法で回路表面に積層
すれば、目的通りの多層回路を製造することができる。

【００２０】

【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
る。

【００２１】実施例１図１に製造した多層回路の断面図を示す。回路は、１シ
ートを平面方向に展開する配線層と垂直方向に接続する
バイア配線層の各１層ずつから成る。シートは表面シー
ト１、中間シート２及び３、更に、裏面シート４から成
る。各シートは基本的には、平面方向配線層が銅配線５
とポリイミド膜６から成り、垂直配線層は、平面方向配
線層に近い部分が銅配線７、遠い部分が金／錫系のはん
だ材料９から成っている。また、このはんだ材料はそれ
と接するシートの突起状の銅導体１０が潜り込み、電気
的に接続している。

【００２２】表面シート１にはその上に接するシートが
不要のため、はんだ材料が形成されていない。また、裏
面シート４には、その下に接するシートが不要なため、
突起導体を形成していない。

【００２３】この多層回路の製造方法は、図２及び３に
示す通りである。但し、図２,３では、回路の一部のみ
を拡大して示す。

【００２４】（１）膜厚０．０１５mmの銅箔上１１の上
にポリイミド膜６を形成し、これを窒素中３５０℃でベ
ークする（図２のＡ）。ベーク後のポリイミド膜厚は
０．０２５mmである。

【００２５】（２）ポリイミド膜６の上にアルミニュー
ム膜を形成し、これをフォトリソグラフィ技術とウエッ
トエッチング技術でパターニングする。更に、作成した
アルミニュームパターン表面から酸素プラズマを照射す
るドライエッチング方法により、平面配線形成部分にポ
リイミドの溝１２を加工する。溝深さは０．０２５mmと
なる。加工後、アルミニュームパターンはエッチングで
除去する(図２のＢ)。

【００２６】（３）電気めっき法により、銅箔を負電極
としてポリイミドの溝１２に銅配線５を形成する（図２
のＣ）。銅配線１２の膜厚は０．０２５mmである。

【００２７】（４）ポリイミド膜６及び銅配線５の上に
ポリイミド膜８を形成し、これを窒素中３５０℃でベー
クする（図２のＤ）。ベーク後のポリイミド膜８の膜厚
は、０．０２５mmである。

【００２８】（５）上記（２）と同様にしてドライエッ
チング方法により、ポリイミド膜８のバイア配線形成部
分に溝１３を加工する。溝深さは０．０２５mmである。
加工後、アルミニュームパターンはエッチングで除去す
る(図３のＥ)。

【００２９】（６）上記（３）と同様にして、電気めっ
き法により、銅箔を負電極としてポリイミドの溝１３に
銅配線７を形成する。但し、この場合は、銅配線の形成
は溝のほぼ半分までとし、膜厚は約０．０１３mmである
(図３のＦ)。

【００３０】（７）上記（６）と同様に、電気めっき法
により、銅箔を負電極としてポリイミドの溝１３で銅配
線７の上部に錫と金から成る膜９を厚さ約０．０１２mm
形成する。錫と金の重量比を８５対１５とした(図３の
Ｇ)。

【００３１】（８）回路裏面の銅箔の上にフォトレジス
トを成膜し、露光・現像してパターニング化する。その
後ウエットエッチング法で銅箔をパターニングする。そ
の後、残っているレジストを除去する。残った銅導体は
突起１０を形成する（図３のＨ）。

【００３２】（９）シートを重ね、プレスで加圧するこ
とにより、各シートの突起１０が対向するシートの錫と
金から成る膜９中に挿入する。その後、加圧した状態で
温度２４０℃迄加熱する。この操作により、シートの導
体間は錫と金が合金化して溶融することにより接続する
（図１）。

【００３３】実施例２実施例１と同様に多層回路を製造した。製造した多層回
路を図４に示す。製造方法は実施例１において（８）の
各シートを形成した後、図３のＨでの突起１０を形成し
た面にエポキシ系材料から成る接着層をスプレーで形成
し乾燥する。接着層の膜厚は、０．００２mmである。突
起１０表面の接着膜は、エキシマレーザ照射により除去
する。

【００３４】その後、シートを重ね、プレスで加圧する
ことにより、各シートの突起１０が対向するシートの錫
と金から成る膜９中に挿入する。この状態では、シート
間の接着膜は挟まれた両シートに密着させる。その後、
加圧した状態で温度２４０℃迄加熱する。この操作によ
り、シートの導体間は錫と金が合金化して溶融すること
により接続する。また、それ以外のシート間は接着剤に
より密着・固定される。

【００３５】実施例３実施例２と同様に多層回路を製造した。実施例２と異な
るのは、まずポリイミドの溝に形成した膜９の材料を錫
と金の重量比が５５対４５とした。また接着層として、
ポリイミド系の材料を用いた。更に、シートを重ね、プ
レスで加圧し、この状態で加熱する温度を３５０℃とし
た。製造した多層回路は図４と同様である。

【００３６】実施例４図５に示す多層回路を製造した。まず実施例１と同様に
各シート１，２，３及び４を製造した。実施例１と異な
るのは、表面シート１の上部の導体にはめっき法でニッ
ケル２２と金２１の膜を形成した。これはこの表面にＬ
ＳＩを接続するための端子である。また、裏面のシート
４には銅の突起を形成した。

【００３７】また、上記シートの他に厚膜基板１５を作
成した。この基板１５は６層から成り、絶縁層であるム
ライト１６とタングステン配線１７から成る５層回路
と、その表面のポリイミド８と銅配線１８、その上の錫
と金の膜１９から成る１層から成る。この銅配線１８と
錫と金の膜１９は、無電解めっき法で作成した。

【００３８】これらの厚膜基板及びシートの積層・接着
方法は実施例３と全く同様に実施した。また、錫と金の
重量比は全て５５対４５とした。

【００３９】実施例５図５の多層回路にピン２６を鉛/錫系はんだ２７で温度
２９０℃で接続し、ＬＳＩ２３を鉛／錫はんだ２４を用
いて多層回路表面の１の部分の金２１とＬＳＩ２３のパ
ッド２５とを温度２３０℃で接続する。また、ＬＳＩ２
３は封止キャップ２９で気密封止を実現する。また、Ｌ
ＳＩ２３の上面は良熱伝導性ゴム２８及び封止キャップ
２９を介して冷却フィン３０に接続している。この構成
によりＬＳＩの発熱は冷却フィンに伝わり放散される。
製造したモジュールの断面図を図６に示す。

【００４０】実施例６図６に示すモジュール３１をプリント基板３２上にピン
２６を介して１６枚搭載して、図７に示す論理パッケー
ジを形成した。この論理パッケージに記憶パッケージ、
入出力処理パッケージを組み合わせて計算機を構成し
た。

【００４１】実施例７図５に示す多層回路と同様の多層回路を製造した。この
場合は、はんだと接する銅配線の部分をクロム及びニッ
ケルで被覆した。即ち、工程図３のＦにおいて銅配線７
の上にマスク蒸着法を用いてクロムを０．５μｍ成膜
し、その上にニッケルを５μｍを電気めっきで形成し
た。また、同図Ｈにおいて、上記と同様に突起１０の上
にマスク蒸着法を用いてクロムを０．５μｍ成膜し、そ
の上にニッケルを５μｍを電気めっきで形成した。

【００４２】それ以外の製法は実施例４と同様である。

【００４３】実施例８図８に示す多層回路を製造した。この多層回路は図１に
示す多層回路の上にガラス層３３を追加形成したもので
ある。シート１乃至４を重ねた多層回路の製造方法は実
施例１と同一である。この上にガラス層３３を形成する
方法は下記の通りである。

【００４４】（１）シート１乃至４を重ねた多層回路上
に接着層３４を介して導体形成部に穴が加工されたガラ
ス板３５を接着・固定する。接着剤としてはエポキシ系
を用い、２４０℃で接着・固定した。ガラス板３５の膜
厚は、０．２mm接着層の膜厚は約１０μｍである。

【００４５】（２）ガラス層表面からドライエッチング
法によりプラズマを照射し、シート１の銅導体上に付着
した接着剤を除去する。

【００４６】（３）無電解銅めっき法により、ガラス層
の加工穴に銅配線３６を形成する。

【００４７】ガラス層の材料としては、線膨張率がＬＳ
Ｉと同一の３ｐｐｍ／Ｋを適用した。これにより、この
多層回路表面にＬＳＩを搭載して用いる場合、ＬＳＩと
多層回路との線膨張率差が無く、ＬＳＩの接続信頼性が
高い利点がある。

【００４８】以上の実施例では、配線材料として、銅あ
るいはタングステンを示したが、他の金，アルミニュウ
ム等の配線も可能である。

【００４９】絶縁材料としてポリイミドやムライトを使
用したが、エポキシやテフロン（登録商標）や、アルミ
ナ、ガラス等も適用可能である。

【００５０】配線導体の突起は配線と同一材料でも、ま
た別の材料としても良い。また、その突起より塑性変形
の容易な導体として、上記実施例では錫と金の系を中心
に述べたが他の材料も適用可能である。特に金属だけで
なく、銅電ペーストの様な金属と有機物との混合物でも
適用可能である。

【００５１】また、他の回路板をこの多層回路に追加す
る場所は、多層回路の表面だけに限らず、回路間に形成
することも可能である。

【００５２】

【発明の効果】本発明は以上説明してきた様な構成にな
っているので、以下に記載した様な効果を奏する。

【００５３】（１）各シートを個別に製造し、それを上
記のような一括して積層することにより多層回路を製造
するため、多層回路を製造するための製造開始してから
完成するまでの工程時間が大幅に短縮する。

【００５４】（２）各シートを個別に製造し、良品のみ
を持ち寄り、一括して積層することにより多層回路を製
造するため、多層回路の製造歩留りが桁違いに向上す
る。

【００５５】（３）上記（１）と（２）の結果として、
従来数層しかできなかった多層回路を更に多層化するこ
とが容易になり、これにより回路自体の高機能化が達成
できる。

【００５６】（４）多層回路を構成する各シートの材料
・層数は異っても良く、またこの多層回路表面、裏面、
あるいは中間に別の基板や回路を追加することが可能で
あるため、回路の目的に適した回路構成ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】製造した４シートから成る多層回路の断面図。

【図２】図１の多層回路を製造するための各シートの製
造工程の前半を示す工程断面図。

【図３】図１の多層回路を製造するための各シートの製
造工程の後半を示す工程断面図。

【図４】シート間に接着層を挟んだ４シートから成る多
層回路の断面図。

【図５】厚膜基板を含め５シートから成る多層回路の断
面図。

【図６】図５の多層回路を用いて製造したモジュールの
断面図。

【図７】プリント基板上にモジュールを搭載したユニッ
トの外観図。

【図８】多層回路上にガラス層を形成した多層回路の断
面図。

【符号の説明】

図中の記号は意味は次の通りである。１…表面シート、
２…中間シート（下）、３…中間シート（上）、４…裏
面シート、５…平面方向銅配線、６…平面方向配線用ポ
リイミド膜、７…銅配線、８…ポリイミド膜、９…Ａｕ
−Ｓｎ系のはんだ材料、１０…突起状の銅導体、１１…
銅箔、１２…ポリイミドの溝、１３…バイア配線形成部
分の溝、１４…接着層、１５…厚膜基板、１６…ムライ
ト、１７…タングステン配線、１８…厚膜基板上の銅配
線、１９…錫と金から成る膜、２０…裏面シート４の下
の面に形成した銅の突起、２１…表面シート１に形成し
た金導体、２２…表面シート１に形成したニッケル導
体、２３…ＬＳＩ、２４…鉛／錫合金、２５…ＬＳＩの
パッド、２６…ピン、２７…鉛／錫系はんだ、２８…良
熱伝導性ゴム、２９…封止キャップ、３０…冷却フィ
ン、３１…図６に示すモジュール外観、３２…プリント
基板、３３…ガラス層、３４…接着層、３５…ガラス、
３６…銅配線。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】平面方向に展開する配線を有する配線層
と、前記配線に対して垂直方向に接続するバイア配線を
有するバイア配線層とからなる平面状多層回路の製造方
法において、前記配線層と前記バイア配線層とが各々少
なくとも１層ずつからなる単位で１シートを形成し、一
方の該シートの表面であって前記配線または前記バイア
配線の導体部に塑性変形の容易な導体を形成し、かつ他
方のシートの裏面であって前記導体部に対応した位置の
前記配線または前記バイア配線の導体部に塑性変形のし
にくい導体からなる突起を形成し、前記各シートを重ね
合わせて少なくとも加圧または加熱することによって、
前記塑性変形の容易な導体と前記突起との電気的な接続
を行なうことを特徴とする多層回路の製造方法。
【請求項２】前記突起の高さは、前記塑性変形の容易な
導体の膜厚を超えないことを特徴とする請求項１記載の
多層回路の製造方法。
【請求項３】前記シートの少なくとも表面または裏面で
あって、前記塑性変形の容易な導体及び前記突起を除く
領域に接着層を形成し、該接着層を介して前記各シート
の接着を行なうことを特徴とする請求項１記載の多層回
路の製造方法。
【請求項４】前記シートの表面であって前記バイア配線
の導体部に塑性変形の容易な導体を形成し、かつ前記シ
ートの裏面であって前記配線の導体部に塑性変形のしに
くい導体からなる突起を形成することを特徴とする請求
項１記載の多層回路の製造方法。
【請求項５】配線層とバイア配線層とを有するシート
と、塑性変形の容易な導体と、塑性変形のしにくい導体
からなる突起とを備え、前記配線層が平面方向に展開さ
れた配線を有する層であり、かつ前記バイア配線層が前
記配線に対して垂直方向に接続されるバイア配線を有す
る層であって、前記塑性変形の容易な導体が一方の前記
シート表面の前記配線または前記バイア配線の導体部に
形成され、前記突起が他方の前記シート裏面の前記配線
または前記バイア配線の導体部に形成されてなり、前記
塑性変形の容易な導体と前記突起とが接続されるように
して前記各シートが積層されてなることを特徴とする多
層回路基板。
【請求項６】前記シートの少なくとも表面または裏面で
あって、前記塑性変形の容易な導体及び前記突起を除く
領域に接着層が形成されてなることを特徴とする請求項
５記載の多層回路基板。