JP3620908B2 - 回路基板及びこの回路基板を含む半導体装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回路基板に関し、より詳しくは、支持用剛性基板上に多層回路配線を設けてなる回路基板に関する。本発明はまた、この回路基板を含む半導体装置にも関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータ等の電子機器は、ますます小型化、高速化が進められている。そのために、回路基板への実装ではベアチップ実装などの高密度実装技術が普及している。これに伴い、近年のコンピュータシステムの回路基板は、高速化且つ大集積化に対応できることが求められている。
【０００３】
従来の高速機に対応した基板は、セラミックス材料などの厚膜上への回路の形成と、これらの厚膜の積層によって製造されていた。しかし、近年は、より以上の高速化のために薄膜法による回路形成に依存する割合が高くなって、ベアチップの実装に対応できるマルチチップモジュール（ＭＣＭ）の開発が盛んに行われている。特に高速化を追求するスーパーコンピュータなどでは、ギガビットクラスの高速回路に適したこのような実装技術の必要性が高まっている。
【０００４】
薄膜法を利用して製造されるＭＣＭ回路基板は、ポリイミド等の樹脂材料の薄膜の形成と、この薄膜上の回路配線の形成とを繰り返して多層化して製造される。このようなＭＣＭ回路基板においては、薄膜多層の回路配線を支持し且つその剛性を維持する目的で、支持用剛性基板が使用される。この剛性基板は、このほかにも、回路基板上に搭載されるＬＳＩ、ＶＬＳＩ等のチップから発生する熱を効率よく逃がすという重要な役割を担う。また、この剛性基板は、そのような発熱に伴って薄膜多層回路配線と剛性基板とが剥離しないように、熱膨張率が薄膜多層回路配線基板のそれと大きくかけはなれないことも要求される。
【０００５】
現在、ＭＣＭ回路基板のための支持用剛性基板の材料としては、アルミナ、窒化アルミニウム、ガラスセラミックス、シリコン、金属材料などが用いられている。しかし、窒化アルミニウムやシリコンは、剛性支持基板材料として優れているものの、材料コストが高くなり、また製造コストを下げるのに有効な大型化（小さい基板を切り取るための大面積基板の製造）が技術的にできないのが現状である。一方、アルミナやガラスセラミックスは放熱性の点で不十分であり、そして金属材料は樹脂製薄膜多層回路配線の熱膨張率との違いが大き過ぎ、耐薬品性の面で問題があり、また重量が大きいため製品ＭＣＭ回路基板の耐衝撃性にとって不利になりやすい。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、これらの従来の剛性基板に代わる新しい剛性基板を備えた回路基板を提供するのを目的とする。また、本発明は、この新しい剛性基板を含む回路基板の提供も目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の回路基板は、支持用剛性基板とその上に形成された多層回路配線とを含み、支持用剛性基板が、炭素材料製であって、黒鉛粉末の圧粉体を熱間静水圧プレス処理して得られる部分的に結晶化した非晶質炭素からなることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の半導体装置は、本発明の回路基板上にＬＳＩ、ＶＬＳＩ等の半導体チップを搭載したものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明では、回路基板の多層回路配線基板を支持する剛性基板として、従来のＭＣＭ基板で用いられている窒化アルミニウムやアルミナやガラスセラミックに代えて、炭素材料を使用する。具体的な炭素材料は、黒鉛、非晶質炭素（アモルファスカーボン）などであり、これらは例えば窒化アルミニウム等に比べて安価で容易に入手可能である。
【００１０】
黒鉛は、原子炉やロケット燃料ノズルなどの耐熱衝撃性が必要とされる部品材料として使用されているほか、各種の治具、電極などに幅広く使用されている。黒鉛は、結晶性を有するので、高い熱伝導性を期待できる一方で、電気伝導性があり、機械的強度の面で脆いという性質も持ち合わせている。また、黒鉛材料は、結晶中に多数の小さなポアが存在するため、材料としてガスの吸着が多く、材料加工の点でも面加工において良好な面精度を得るのが難しいという一面がある。このため、本発明の剛性基板として黒鉛材料を使用する場合には、その表面に、ポアがなく面精度の良好な（平坦な）面を得ることができる材料の薄いコーティングを施すのが有利である。このようなコーティングとしては、例えば化学気相成長（ＣＶＤ）法により形成した非晶質炭素コーティングを使用することができる。
【００１１】
一方、非晶質炭素は、例えば黒鉛材料を熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）処理して得ることができ、それにより結晶中のポアをなくし、機械的強度と面精度の向上を図ることができる。しかし、結晶性を失うことで、非晶質炭素は、熱伝導性などのＭＣＭ基板材料として必要とされる特性が低下してしまう。従って、この不都合を回避するために、相対的に薄い材料を使用する等の対策が必要とされることがあり、この場合に機械的強度が不足するならば、支持用剛性基板を補強することが必要になる。
【００１２】
炭素材料をＭＣＭ回路基板の支持用剛性基板材料として適応させるためには、炭素材料は黒鉛と非晶質炭素の中間的性質を持つことが特に有利である。このような炭素材料は、部分的に結晶化した非晶質炭素であり、この場合、非晶質炭素を基準にするならば、最も好ましい材料は非晶質炭素に比べてわずかに結晶性を有するものである。このように結晶性を持たせた炭素材料を使用することで、ＭＣＭ回路基板に必要とされる熱伝導性、すなわち一般に１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有すること、が確保される一方で、材料の機械的強度は低下するので、基板を補強するのが有利になる。なお、部分的結晶化の度合いによってはＭＣＭ回路基板に必要とされる熱伝導性に欠けることもあるが、この場合には基板の厚みを強度に影響のない範囲で薄くして、且つ必要なら補強を施すことができる。
【００１３】
本発明で使用可能な部分的に結晶化した非晶質炭素は、例えば、黒鉛粉末の圧粉体を熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）処理して容易に得ることができる。このとき、ＨＩＰ処理の温度・圧力条件等を適当に制御することにより目的とする部分的結晶性を持つ炭素材料を得ることができる。このような部分的結晶性を持つ炭素材料は、もちろんながらこの製法にこだわらず、他のいずれの適当な方法で製造しても差し支えない。
【００１４】
本発明剛性基板は、その材料が黒鉛であれ、非晶質炭素であれ、あるいは部分的に結晶化した非晶質炭素であれ、任意の方法で補強することが可能である。補強の仕方は、例えば、基板表面に樹脂材料、金属材料あるいは無機材料のコーティングを施すことで行うことができる。樹脂材料としては、例えばポリイミド、エポキシ等を用いることができ、また金属材料としては例えばチタン等を、そして無機材料としてはシリカのような材料を使用することができる。更に、剛性基板の補強は、炭素材料に無機材料を混入した複合材料を用いて行うこともできる。この場合の無機材料としては、無機フィラー又はウィスカを使用することができ、これらの無機フィラーや無機ウィスカは、例えばシリカ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、及びダイヤモンド製のものを使用することができる。無機材料を混入した炭素材料剛性基板の表面に上記のコーティングを施しても差し支えない。このほかに、剛性基板の補強は表面に、例えばＣＶＤ法により非晶質炭素を被着させてコーティングを形成することで行うこともできる。
【００１５】
本発明において、剛性支持基板上に多層回路配線を形成する方法は、従来からよく知られているものでよく、ここで特に詳しく説明するには及ばない。また、ここでは、ＭＣＭ回路基板を例に説明しているが、本発明はＭＣＭ回路基板以外のものについても同様に有効であることは説明するまでもなく明らかである。
【００１６】
図１に、本発明による回路基板を模式的に例示する。この図において、回路基板１は、支持用剛性基板１０と回路配線１１から構成されており、この回路配線１１は多層化したポリイミドの絶縁膜１３と配線１４とから構成されている。回路配線の上部には半導体チップを搭載するためのパッド１５が形成されており、そして搭載すべき半導体チップ１７は下面のバンプ１８を介してパッド１５に接続される。
【００１７】
【実施例】
次に、具体的な実施例により本発明を更に説明する。
【００１８】
〔実施例１〕
剛性支持基板の材料として黒鉛を使用して、回路基板を製造した。黒鉛材料は、熱伝導率が大きいため放熱性に優れるが、電気伝導性を有し、且つ脆いため、樹脂材料で表面を塗布して絶縁と補強を図った。
【００１９】
１００×１００×２ｍｍの黒鉛基板材料を有機溶剤で洗浄及び乾燥後、表面をシラン系カップリング剤で処理し、そして片面にポリイミド溶液をスピンコート法により約４０μｍの膜厚で塗布して乾燥させ、次いで４００℃で３時間硬化させた。もう一方の面にも同様にしてポリイミドコーティングを施した。こうして作製した剛性基板材料を３点曲げ試験により曲げ強度を測定し、ポリイミド塗布前の未処理の黒鉛基板材料の曲げ強度と比較した。塗布前の強度が２４０ＭＰａであったのに対して、ポリイミドを塗布した基板材料は３００ＭＰａに増加した曲げ強度を示した。
【００２０】
その後、ポリイミドを塗布した黒鉛基板上に１０μｍのポリイミド絶縁膜と５μｍのアルミニウム配線からなる配線層を常法により５層形成して、多層回路配線層を作製した。こうして製造された多層回路基板を模式的に図２に示す。この図において、２０は多層回路基板であり、２１は黒鉛基板、２２は多層回路配線層、２５は黒鉛基板２１の両面に形成した補強用ポリイミド層、そして２７は半導体チップの搭載に使用されるパッド（図２には一つだけを示した）である。この多層回路基板は、薄膜回路配線層と基板剛性材料間に剥離が認められず、多層回路基板自体の反りは２００μｍ以内であった。従って、この例の黒鉛基板材料は、薄膜多層回路配線の基板材料として使用できることが確認できた。
【００２１】
〔実施例２〕
剛性支持基板の材料として非晶質炭素を使用して回路基板を製造した。非晶質黒鉛材料は、高強度で絶縁性があるが、熱伝導率が低いので放熱性に乏しいことから、無機フィラーを混入した複合材料として、放熱性の向上を図った。
【００２２】
平均の粒子寸法が１μｍの黒鉛粉末に、窒化ケイ素のフィラー（平均直径１．５μｍ、最大直径６〜８μｍ）及びウィスカ（平均直径１μｍ、平均長さ１５〜３０μｍ）を各２０重量％ずつ、計４０重量％加えてボールミルで混練し、４０ＭＰａの圧力で冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）処理して、１００×１００×２ｍｍの圧粉体を作製した。次に、１５００℃及び２００ＭＰａの条件で３時間ＨＩＰ処理を行って黒鉛を非晶質化させ、非晶質炭素の剛性基板材料を作製した。
【００２３】
続いて、薄膜回路配線層を形成するため、非晶質炭素基板の両面を鏡面研磨してから、実施例１と同様の５層の薄膜回路配線層を形成した。こうして得られた多層回路基板を模式的に図３に示す。この図において、３０は多層回路基板であり、３１はフィラー及びウィスカを混入した非晶質炭素基板、３２は多層回路配線層、そして３７はパッド（この図には一つだけを示した）である。この多層回路基板の反りは２０μｍ以下に抑えられ、この例の非晶質炭素が薄膜多層回路配線の剛性基板材料として使用できることが確認できた。
【００２４】
〔実施例３〕
剛性支持基板材料として黒鉛と非晶質炭素との中間的な炭素材料、すなわち部分的に結晶化させた非晶質炭素材料を使用して、回路基板を製造した。この炭素材料の剛性基板表面には、ＣＶＤ法により補強用の非晶質炭素層を形成した。なお、この手法は、黒鉛の剛性基板材料に対しても有効である。
【００２５】
平均の粒子寸法１μｍの黒鉛粉末を４００ＭＰａの圧力でＣＩＰ処理し、１００×１００×２ｍｍと、１００×１００×１ｍｍの２種類の圧粉体を作製した。次に、１５００℃及び２００ＭＰａの条件で１．５時間ＨＩＰ処理を行って、一部が結晶化した非晶質炭素の剛性基板材料を得た。次に、これらの剛性基板材料の表面にＣＶＤ処理を施して、厚さ５μｍの非晶質炭素の薄層を形成した。これらの剛性基板材料の熱伝導率は７５Ｗ／ｍ・Ｋであり、放熱性にやや乏しいことが分かったので、薄い方の１ｍｍの基板材料を使用して、上記の例と同様に５層の薄膜回路配線層を形成した。こうして得られた多層回路基板を模式的に図４に示す。この図において、４０は多層回路基板であり、４１は部分的に結晶化した非晶質炭素の基板、４２は多層回路配線層、４５は非晶質炭素基板の両面に形成した補強用のＣＶＤ炭素層であり、４７はパッド（この図には一つだけを示した）である。この多層回路基板の反りは２０μｍ以下であったことから、この例の部分的に結晶化した非晶質炭素が薄膜多層回路基板の剛性基板材料として使用可能であることが分かった。
【００２６】
なお、図３、図４で剛性基板に電気的に接続する配線層を有する場合には、少なくとも多層配線層が形成されない他方面側、側面例を電気的に絶縁する絶縁層を設けておく（両面に多層配線を形成する場合はよい）。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従来の剛性基板に代わる炭素材料製の新しい剛性基板を使用した多層回路基板の利用が可能になる。この回路基板は、適度の放熱性と強度を兼ね備えているので、小型化、高速化がますます求められている電子機器の開発、製造に大きく貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による回路基板を模式的に説明するための図である。
【図２】実施例１で製造した回路基板を説明する模式図である。
【図３】実施例２で製造した回路基板を説明する模式図である。
【図４】実施例３で製造した回路基板を説明する模式図である。
【符号の説明】
１…回路基板
１０…支持用剛性基板
１１…回路配線
１３…絶縁膜
１４…配線
１７…半導体チップ
２０、３０、４０…回路基板
２１、３１、４１…支持用剛性基板
２２、３２、４２…回路配線
２５…補強用ポリイミド層
４５…補強用非晶質炭素層

Claims (10)

1. 支持用剛性基板とその上に形成された多層回路配線とを含み、当該支持用剛性基板が、炭素材料製であって、黒鉛粉末の圧粉体を熱間静水圧プレス処理して得られる部分的に結晶化した非晶質炭素からなることを特徴とする回路基板。
2. 前記剛性基板の表面にコーティングを施してある、請求項１記載の回路基板。
3. 前記コーティングが樹脂材料、金属材料又は無機材料製である、請求項２記載の回路基板。
4. 前記樹脂材料がポリイミド樹脂又はエポキシ樹脂である、請求項３記載の回路基板。
5. 前記金属材料がチタンである、請求項３記載の回路基板。
6. 前記無機材料がシリカ又は非晶質炭素である、請求項３記載の回路基板。
7. 前記部分的に結晶化した非晶質炭素に無機材料が混入されている、請求項１から６までのいずれか一つに記載の回路基板。
8. 前記無機材料が無機フィラー及び無機ウィスカの一方又は両方である、請求項７記載の回路基板。
9. 前記フィラー及びウィスカの材料がシリカ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素又はダイヤモンドである、請求項８記載の回路基板。
10. 請求項１から９までのいずれか一つに記載の回路基板上に半導体チップを搭載したことを特徴とする半導体装置。

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