JP3945316B2 - 多層配線基板及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多層配線基板及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、半導体素子や電気素子（コンデンサ素子、抵抗素子等）を高密度に実装するために、それら素子間の接続や外部回路との接続を内層に形成した配線パターンを介して行う多層配線基板が知られている。このような多層配線基板は、例えば、銅箔等をパターニングして形成された配線パターンを有する熱可塑性樹脂フィルム（絶縁層）を積層した後に、加熱及び加圧を行うことにより一体化して形成することができる。
【０００３】
上述した多層配線基板において、積層方向に隣接する配線パターン間は、熱可塑性樹脂フィルムに形成したビアホール内に金属めっきや導電ペースト等の層間接続材料を充填することによって電気的に接続される。
【０００４】
ここで、多層配線基板の内層における配線パターンも高密度に形成しようとした場合、積層方向においてビアホールを同軸上に形成することが有効である。このようにすると、ビアホール内に充填された層間接続材料と接続される配線パターンの接続ランドを、その両側に位置する層間接続材料との接続ランドとして共用しつつ、その面積を小さくすることができるので、接続ランドを除く配線パターンの形成領域を拡大することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、積層方向においてビアホールを同軸上に形成する場合に、変形性の乏しい層間接続材料が、複数層の熱可塑性樹脂フィルムに渡って連結されると、熱可塑性樹脂フィルムの積層体を加圧する時に、その連結される層間接続材料に過大な圧力が印加される場合がある。この場合、層間接続材料に割れ等が生じることもあり、万一割れが生じると、接続信頼性が大幅に低下してしまう。
【０００６】
本発明は、上述の点に鑑みてなされたもので、配線パターンの高密度化を達成しつつ、層間接続の信頼性も確保することが可能な多層配線基板及びその製造方法を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の多層配線基板は、熱可塑性樹脂からなる絶縁層とパターン形成された導電材料からなる導体層が交互に積層された多層配線基板において、
積層方向に隣接して配置される導体層の導電材料間を電気的に接続するために、絶縁層に形成されたビアホール内に充填される導電性組成物を有し、
絶縁層と導体層との積層方向において、導電性組成物が複数の絶縁層に渡って導電材料を介して連結される場合には、同軸上に形成する導電性組成物の数に制限を加え、その制限数を超えた導電性組成物は、同軸上に形成した導電性組成物と重ならない位置に形成したことを特徴とする。
【０００８】
上述のように、層間接続材料としての導電性組成物は、基本的には複数の絶縁層に渡って同軸的に導電材料を介して連結されるように形成される。このため、導体層をなす導電材料を高密度にパターン形成することができる。ただし、同軸上に形成する導電性組成物の数が所定の制限数を超える場合には、その制限数を超える導電性組成物が、同軸上に形成した導電性組成物と重ならない位置に形成される。このため、積層された絶縁層及び導体層に圧力が加えられた場合でも、同軸上に配置された導電性組成物に過大な圧力が印加されることを防止することができるので、導電性組成物による層間接続の信頼性を確保することができる。
【０００９】
請求項２に記載の多層配線基板は、絶縁層と導体層とを積層した状態で、その積層体に対して熱及び圧力を加えることにより、絶縁層同士が軟化して接着されるものであり、導電性組成物は、熱及び圧力により金属微粒子が焼結して構成されるものであって、絶縁層の軟化する温度は、金属微粒子が焼結される温度よりも高いことを特徴とする。
【００１０】
絶縁層は熱可塑性樹脂によって構成されるので、その絶縁層は熱を加えることによって軟化する。そして、絶縁層が軟化した状態で、その絶縁層の積層体に圧力を加えると、絶縁層同士が接着する。このようにすれば、接着材等を用いることなく多層配線基板を形成することができる。
【００１１】
また、上述したように導電性組成物として、金属微粒子からなる導電ペーストをビアホールに充填し、加熱及び加圧により、その金属微粒子を焼結すると、その焼結時に、導電材料との接合界面に金属拡散層が形成される。従って、層間接続材料としての導電性組成物と、導電層を構成する導電材料とが金属接合され、その接続信頼性を向上できる。
【００１２】
ここで、上述した特性を備える絶縁層及び導電性組成物を用いる場合に、加熱温度の上昇に伴って金属微粒子の焼結が先に始まり、その後、絶縁層が軟化するものであると、同軸上に配置された導電性組成物に過大な圧力が印加されやすい。すなわち、金属微粒子が焼結されると、導電性組成物の硬度が増加する。さらに、導電性組成物は、絶縁層上に形成される導電材料を介して連結されるので、他の部位よりも厚さが厚くなる傾向にある。一方で、金属微粒子が焼結されたときに
、絶縁層の軟化の程度が小さいと、印加された圧力の大部分が同軸上に配置される導電性組成物に印加されることになる。このため、絶縁層の軟化する温度が、金属微粒子が焼結される温度よりも高い場合に、同軸上に配置する導電性組成物の数に制限を加えることがより効果的なのである。
【００１３】
上述のような導電性組成物の例としては、請求項３に記載のように、少なくとも錫微粒子と錫よりも融点の高い金属微粒子とを含む導電ペーストを焼結することによって構成される導電性組成物を挙げることができる。錫微粒子の融点は２３２℃と比較的低温であるため、多層配線基板を形成するための加熱温度（例えば３００〜３５０℃）で、錫微粒子は融解する。ここで、例えば、錫よりも融点の高い金属微粒子を含んでいると、錫の融解により両者の合金からなる導電性組成物が形成される。この導電性組成物は合金であるため、融点が錫よりも高くなり、その後、熱処理が行なわれても再溶融しにくくなるとの利点がある。
【００１４】
上記した導電ペーストを用い、かつ錫の融点よりも高い温度で軟化する熱可塑性樹脂によって絶縁層を構成した場合、特に本発明が有効となる。すなわち、加熱温度が錫の融点に達すると、導電ペーストは、錫と錫よりも融点の高い金属微粒子との合金となる。このような錫合金の形成が絶縁層を構成する熱可塑性樹脂の軟化よりも先行して生じると、錫合金（導電性組成物）に過大な圧力が印加されてしまうのである。
【００１５】
請求項５に記載したように、同軸上に連続して形成する導電性組成物の数を５以下に制限することが好ましい。上述のような絶縁層及び導電性組成物を用いた場合であっても、同軸上において連結される導電性組成物の数が５以下であれば、導電性組成物に割れ等が生じないことを確認したためである。
【００１６】
請求項６から請求項１０に記載の多層配線基板の製造方法は、請求項１から請求項５に記載した多層配線基板を製造するための方法に係わるものであり、その作用・効果については、上述した請求項１〜請求項５の作用・効果と類似するため、説明を省略する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１の実施形態）
図１（ａ）〜（ｅ）は、第１の実施形態における多層配線基板の製造工程を示す工程別断面図である。
【００１８】
図１（ａ）において、２１は、絶縁層である樹脂フィルム２３の片面に貼着された導体材料（本例では厚さ１８μｍの銅箔）をエッチングによりパターン形成した、ランド２２ａ，２２ｂを含む配線パターン２２を有する片面パターンフィルムである。なお、導体材料としては、銅箔以外の金属箔を用いても良いし、さらに導体ペースト等を用いて、その導体ペーストを所定のパターン形状に印刷しても良い。導体材料は、エッチング精度等を考慮し、５〜３０μｍの厚さに形成されることが好ましい。
【００１９】
本実施形態においては、樹脂フィルム２３として、いわゆる液晶ポリマーからなる厚さ７５μｍの熱可塑性樹脂フィルムを用いている。この液晶ポリマーからなる樹脂フィルム２３は、２８０〜３００℃程度の温度で軟化する特性を有しており、複数枚の樹脂フィルム２３を積層した積層体に対して、この軟化温度以上まで加熱した状態で圧縮方向の圧力を加えることにより、相互に接着することができる。なお、樹脂フィルム２３の厚さは、フィルムのハンドリング性やビアホールの形成効率を考慮すると、１０〜１００μｍ程度が好ましい。
【００２０】
図１（ａ）に示すように、配線パターン２２の形成が完了すると、次に、図１（ｂ）に示すように、樹脂フィルム２３側から炭酸ガスレーザを照射して、配線パターン２２のランド２２ａ，２２ｂを底面とする有底ビアホールであるビアホール２４を形成する。ビアホール２４の形成は、炭酸ガスレーザの出力と照射時間等を調整することで、配線パターン２２のランド２２ａ，２２ｂに穴を開けないようにしている。ビアホール２４の径は、５０〜１００μｍである。
【００２１】
図１（ｂ）に示すように、ビアホール２４の形成が完了すると、次に、図１（ｃ）に示すように、ビアホール２４内に層間接続材料である導電ペースト５０を充填する。導電ペースト５０は、平均粒径５μｍ、比表面積０．５ｍ²／ｇの錫粒子３００ｇと、平均粒径１μｍ、比表面積１．２ｍ²／ｇの銀粒子３００ｇとに、有機溶剤であるテルピネオール６０ｇにエチルセルロース樹脂６ｇを溶解したものを加え、これをミキサーによって混練しペースト化したものである。
【００２２】
ここで、エチルセルロース樹脂は、導電ペースト５０に保形性を付与するために添加されており、この保形性付与材としては、例えばアクリル樹脂を採用することもできる。
【００２３】
導電ペースト５０は、メタルマスクを用いたスクリーン印刷機により、片面導体パターンフィルム２１のビアホール２４内に印刷充填され、その後、１４０〜１６０℃で約３０分間テルピネオールを乾燥させる。ビアホール２４内への導電ペースト５０の充填は、本例ではスクリーン印刷機を用いたが、確実に充填ができるのであれば、ディスペンサ等を用いる他の方法を採用しても良い。
【００２４】
次に、図１（ｄ）に示すように、片面パターンフィルム２１を複数枚（本例では８枚）積層する。このとき、積層されるすべての片面パターンフィルム２１は配線パターン２２が設けられた側を上側として積層する。すなわち、片面パターンフィルム２１は、配線パターン２２が形成された面とそれらが形成されていない面とが向かい合うように積層される。
【００２５】
図１（ｄ）に示すように片面パターンフィルム２１を積層したら、これらの上下両面から図示しない真空加熱プレス機により加熱しながら加圧する。本例では、片面パターンフィルム２１の積層体を３００〜３５０℃の温度に加熱しつつ、１〜１０ＭＰａの圧力で４０〜６０分間加圧した。
【００２６】
これにより、図１（ｅ）に示すように、各片面パターンフィルム２１の樹脂フィルム２３が軟化して塑性変形し、相互に接着される。樹脂フィルム２３は全て同じ熱可塑性樹脂材料によって形成されているので、容易に一体化される。
【００２７】
さらに、ビアホール２４内の導電ペースト５０が焼結して一体化した導電性組成物５１となるとともに、さらに隣接する配線パターン２２のランド２２ａ、２２ｂと拡散接合する。これにより、隣接する配線パターン２２同士の層間接続が行なわれる。このような工程を経て、内層に配線パターン２２を有する多層配線基板１００が得られる。
【００２８】
ここで、配線パターン２２の層間接続のメカニズムを簡単に説明する。ビアホール２４内に充填され、乾燥された導電ペースト５０は、錫粒子と銀粒子とが混合された状態にある。そして、この導電ペースト５０において、片面パターンフィルム２１の積層体が室温から３００〜３５０℃まで加熱されたとき、錫粒子の融点は２３２℃であり、銀粒子の融点は９６１℃であるため、加熱温度が２３０℃程度まで上昇したときから錫粒子が融解し始め、銀粒子の外周を覆うように付着する。
【００２９】
そして、加熱が継続して行なわれると、融解した錫は、銀粒子の表面から拡散を始め、錫と銀の合金（融点４８０℃）を形成する。このとき、導電ペースト５０には、１〜１０ＭＰａの圧力が加えられているため、錫と銀との合金形成に伴い、ビアホール２４内には、焼結により一体化した合金からなる導電性組成物５１が形成される。
【００３０】
ビアホール２４内で導電性組成物５１が形成されているときには、この導電性組成物５１は加圧されているため、配線パターン２２のビアホール２４の底部を構成しているランド２２ａ，２２ｂに圧接される。これにより、導電性組成物５１の錫成分と、配線パターン２２のランド２２ａ，２２ｂを構成する銅箔の銅成分とが相互に固相拡散し、導電性組成物５１と配線パターン２２のランド２２ａ，２２ｂとの界面に固相拡散層を形成して電気的に接続する。
【００３１】
次に、本実施形態の特徴である、上述の製造工程によって製造される多層配線基板１００における、導電性組成物５１の形成位置について説明する。
【００３２】
図１（ｅ）に示すように、積層方向において隣接する配線パターン２２を接続する導電性組成物５１は、基本的には、複数の樹脂フィルム２３に渡って同軸的に配線パターン２２のランド２２ａ，２２ｂを介して連結されるように形成される（スタックドビア構造）。このため、配線パターン２２を樹脂フィルム２３上に高密度にパターン形成することができる。すなわち、スタックドビア構造を採用することにより、導電性組成物５１に接続される導体パターン２２のランド２２ａの面積を小さくすることができるので、ランド２２ａを除く導体パターン２２の形成領域を拡大することができる。
【００３３】
なお、ランド２２ａは、ビアホール２４の形成位置に多少のずれが生じた場合であっても、導電性組成物５１との接続が確保できるように、ビアホール２４の径の３倍程度の径を有するように形成されている（例えば１５０〜３００μｍ）。
【００３４】
また、その形状は円形に形成されることが一般的であるが、楕円形、多角形等の形状であっても良い。
【００３５】
しかしながら、スタックドビア構造によって連結される導電性組成物５１の数が多くなると、片面導体パターンフィルム２１の積層体に印加される圧力によって、導電性組成物５１が大きな応力を受け、時には、導電性組成物５１に割れ等が生じる。
【００３６】
そのため、本実施形態においては、連結される導電性組成物５１の数を制限し、その制限数を越える導電性組成物５１に関しては、積層方向において、連結形成された導電性組成物５１と重ならない位置に形成した。図１（ｅ）に示す例では、連結形成される導電性組成物の制限数を５とし、その制限数を超える導電性組成物５１に関しては、連結形成された導電性組成物５１から積層方向においてずれた位置に形成されている。そして、これらの積層方向においてずれた位置に形成した導電性組成物５１同士を接続するために、通常のランド２２ａよりも大きな面積を有するランド２２ｂが、それらの間に配置されている。このランド２２ｂは、円形、楕円形の形状を有するように、もしくは層間接続すべき導電性組成物５１に対応する位置にそれぞれ円形部を有し、かつその２つの円形部を接続する接続部を有するように形成することができる。
【００３７】
このように、同軸上に連結形成される導電性組成物５１の数に制限を加えることにより、片面パターンフィルム２１の積層体に圧力が加えられた場合でも、連結形成された導電性組成物５１に過大な圧力が印加されることを防止することができる。従って、導電性組成物５１の割れ等を防止することができ、層間接続の信頼性を確保することができる。
【００３８】
なお、本実施形態においては、樹脂フィルム２３は液晶ポリマーから構成し、導電ペースト５０は錫粒子と銀粒子とを混合して構成した。この場合、上述したように、加熱温度の上昇に伴って導電ペースト５０の焼結が先に始まり（約２３０℃）、その後、樹脂フィルム２３が軟化する（２８０〜３００℃）。この結果、導電ペースト５０の錫粒子と銀粒子とが焼結され、合金が形成されると、その硬度が増加する一方で、その際に樹脂フィルム２３の軟化の程度が小さいと、印加された圧力の大部分が同軸上に連結形成された導電性組成物５１に印加されることになる。これは、導電性組成物５１が、樹脂フィルム２３上に形成されたランド２２ａ，２２ｂを介して接続されるため、連結形成される導電性組成物５１の厚さが他の部位よりも厚くなりやすいこと、及びその連結形成された導電性組成物５１への印加圧力を緩和するように樹脂フィルム２３が大きく変形することができないためである。
【００３９】
このように、樹脂フィルム２３の軟化する温度が、導電ペースト５０が焼結される温度よりも高い場合には、連結形成される導電性組成物５１に過大な圧力が印加されやすいので、連結形成する導電性組成物５１の数に制限を加えることがより効果的である。
【００４０】
本実施形態においては、連結形成する導電性組成物５１の数を６以上とした場合、導電性組成物５１に損傷を受けるものがあった。従って、本実施形態の構成においては、同軸上に連結形成する導電性組成物５１の数を５以下に制限することが好ましい。
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について図２（ａ），（ｂ）に基づいて説明する。なお、本実施形態による多層配線基板１０１は、前述の第１の実施形態による多層配線基板１００と共通する構成が多いため、同様の構成要素については同様の参照番号を付すことにより、その説明を省略する。
【００４１】
本実施形態では、以下の２つの点において前述の第１の実施形態と異なる。すなわち、第１の相違点は、第１の実施形態では、片面パターンフィルム２１が全て同じ向きに積層されていたのに対し、本実施形態においては、上方４枚の片面パターンフィルム２１と下方４枚の片面パターンフィルム２１とで、その積層方向における向きを異ならせている点である。これにより、多層配線基板１０１の両表面に配線パターン２２を設けることができ、その両表面の配線パターン２２を各種の素子の実装や他の基板との接続に利用でき、実装密度を向上することができる。
【００４２】
この場合、多層配線基板１０１の中央部において、導電性組成物５１同士が配線パターン２２のランド２２ｃを介することなく接続される。ここで、ビアホール２４の径よりも大きな径を有するランド２２ｃを介して導電性組成物５１を連結することにより、片面パターンフィルム２１の積層体に圧力が印加された場合に、連結形成される導電性組成物５１が坐屈しにくいとの利点はある。しかしながら、図２（ａ），（ｂ）に示すように、全ての導電性組成物５１がランド２２ｃを介して連結される必要はなく、ランド２２ｃは複数の導電性組成物５１に対して選択的に挿入されるものであっても良い。
【００４３】
また、第２の相違点は、第１の実施形態においては、大小２種類のランド２２ａ，２２ｂを用いていたが、本実施形態においては、１種類の大きさのランド２２ｃを用い、そのランド２２ｃの範囲内で、導電性組成物５１の形成位置をずらせた点である。
【００４４】
このようにすると、ランド２２ｃの形成領域を小さくすることができるため、配線パターン２２の高密度化に効果がある。
【００４５】
なお、製造方法に関しては、第１の実施形態による多層配線基板と同様である。
【００４６】
（他の実施形態）
上記実施形態では、片面パターンフィルムを用いて多層配線基板を形成したが、片面パターンフィルム以外に、両面パターンフィルム、片面パターンフィルムおよび配線パターンを形成していない樹脂フィルムを適宜組み合わせて多層配線基板を形成しても良い。
【００４７】
また、上記実施形態において、樹脂フィルムとして液晶ポリマーからなる樹脂フィルムを用いたが、これに限らず、ポリエーテルエーテルケトン樹脂６５〜３５重量％とポリエーテルイミド樹脂３５〜６５重量％とからなる樹脂フィルムや、その樹脂フィルムに非導電性フィラを添加したフィルムであってもよいし、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）もしくはポリエーテルイミド（ＰＥＩ）のみからなる樹脂フィルムを使用することも可能である。
【００４８】
さらに、ポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルサルフォン熱可塑性ポリイミド等、他の熱可塑性樹脂を用いてもよい。加熱プレス時の加熱温度において弾性率が１〜１０００ＭＰａであり、後工程である半田付け工程等で必要な耐熱性を有する樹脂フィルムであれば好適に用いることができる。
【００４９】
また、上記実施形態において、多層配線基板は８層基板であったが、層数が限定されるものではないことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｅ）は本発明の第１の実施形態による多層配線基板の概略の製造工程を示す工程別断面図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）は第２の実施形態による多層配線基板を説明するための、図１（ｄ）、（ｅ）に相当する工程別断面図である。
【符号の説明】
２１ 片面パターンフィルム
２２ 配線パターン
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ ランド
２３ 樹脂フィルム
２４ ビアホール
５０ 導電ペースト
５１ 導電性組成物
１００，１０１ 多層配線基板

Claims (10)

1. 熱可塑性樹脂からなる絶縁層とパターン形成された導電材料からなる導体層が交互に積層された多層配線基板において、
   積層方向に隣接して配置される導体層の導電材料間を電気的に接続するために、前記絶縁層に形成されたビアホール内に充填される導電性組成物を有し、
   前記絶縁層と導体層との積層方向において、前記導電性組成物が複数の絶縁層に渡って前記導電材料を介して連結される場合には、同軸上に形成する導電性組成物の数に制限を加え、その制限数を超えた導電性組成物は、同軸上に形成した導電性組成物と重ならない位置に形成したことを特徴とする多層配線基板。
2. 前記多層配線基板は、前記絶縁層と導体層とを積層した状態で、その積層体に対して熱及び圧力を加えることにより、前記絶縁層同士が軟化して接着されるものであり、
   前記導電性組成物は、前記熱及び圧力により金属微粒子が焼結して構成されるものであって、
   前記絶縁層の軟化する温度は、前記金属微粒子が焼結される温度よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の多層配線基板。
3. 前記導電性組成物は、少なくとも錫微粒子と錫よりも融点の高い金属微粒子とを含む導電ペーストを焼結することによって構成されることを特徴とする請求項２に記載の多層配線基板。
4. 前記絶縁層は、前記錫の融点よりも高い温度で軟化する熱可塑性樹脂から構成されることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の多層配線基板。
5. 同軸上に連続して形成する導電性組成物の数を５以下に制限したことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の多層配線基板。
6. 熱可塑性樹脂からなる複数枚の絶縁層と配線パターンとが交互に積層されるように、当該複数枚の絶縁層の所望の面に配線パターンを形成する配線パターン形成工程と、
   積層方向に隣接する配線パターン間を電気的に接続するために、前記絶縁層にビアホールを形成するとともに、そのビアホールに導電ペーストを充填する充填工程と、
   前記配線パターンが形成され、かつ前記ビアホール内に導電ペーストが充填された複数枚の絶縁層を積層する積層工程と
   前記絶縁層の積層体に対して熱及び圧力を加えることにより、絶縁層を軟化させて相互に接着し、多層構造の配線基板を形成する加熱・加圧工程とを備え、
   前記充填工程において、前記絶縁層と導体層との積層方向に、複数の絶縁層に渡って連続的に前記ビアホールを形成する場合には、同軸上に形成するビアホールの数に制限を加え、その制限数を超えたビアホールは、同軸上に形成したビアホールと重ならない位置に形成することを特徴とする多層配線基板の製造方法。
7. 前記導電ペーストは金属微粒子を含み、前記熱及び圧力により当該金属微粒子が焼結されて導電性組成物となるものであって、
   前記絶縁層の軟化する温度は、前記金属微粒子が焼結される温度よりも高いことを特徴とする請求項６に記載の多層配線基板の製造方法。
8. 前記導電ペーストは、少なくとも錫微粒子と錫よりも融点の高い金属微粒子とを含むことを特徴とする請求項７に記載の多層配線基板の製造方法。
9. 前記絶縁層は、前記錫の融点よりも高い温度で軟化する熱可塑性樹脂から構成されることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の多層配線基板の製造方法。
10. 同軸上に連続して形成するビアホールの数を５以下に制限したことを特徴とする請求項６乃至請求項９のいずれかに記載の多層配線基板の製造方法。

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