JP4235092B2 - 配線基板およびこれを用いた半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子を搭載するために用いられる配線基板およびこれを用いた半導体装置に関する。

近年、マイクロプロセッサやＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等に代表される半導体素子を小型、高密度配線の配線基板上に搭載して成る半導体装置においては、半導体素子の高集積化に伴い、半導体素子の搭載方法として、素子および半導体装置の小型化に対応できるフリップチップ接続による搭載が多用されるようになってきている。

このフリップチップ接続による搭載は、半導体素子の電極を半導体素子の下面に格子状の並びに多数配列するとともに、この半導体素子を搭載するための配線基板の上面に半導体素子の電極に対応した配列の接続パッドを設けておき、半導体素子の電極と配線基板の接続パッドとを互いに対向させて半田接続したものである。

半導体素子が搭載される配線基板としては、主に樹脂製の配線基板が用いられる。この樹脂製の配線基板は、例えばガラス−エポキシ板等から成る絶縁層やエポキシ樹脂等から成る樹脂層を複数層積層して成る絶縁基板の内部および表面に銅箔や銅めっき膜等の導体層から成る配線導体を設けて成る。

配線導体の一部は絶縁基板の上面に露出して半導体素子の電極に接続される半導体素子接続用の接続パッドを形成しているとともに絶縁基板の下面に露出して外部電気回路基板の配線導体に接続される外部接続用の接続パッドを形成している。さらに絶縁基板の表面には接続パッドの中央部を露出させる開口部を有するソルダーレジスト層が被着されている。ソルダーレジスト層は接続パッド間の電気的な絶縁を良好に保つとともに接続パッドを絶縁基体に強固に密着させるための保護層である。そして、ソルダーレジスト層の開口部内に露出した半導体素子接続用の接続パッドと半導体素子の電極とを半田を介して接続することにより半導体素子がフリップチップ接続により配線基板上に搭載されて半導体装置となり、この半導体装置における外部接続用の接続パッドを外部電気回路基板の配線導体に半田を介して接続することによって配線基板上の半導体素子が外部電気回路に電気的に接続されることとなる。

このような配線基板における配線導体は、用途によって信号用と接地用と電源用の配線導体に機能化されている。このうち、信号用の配線導体は、半導体素子の電極と外部電気回路基板との間で電気信号を伝播させるための導電路として機能し、絶縁層の層間を絶縁基板の中央部から外周部に向けて延びるように配設された複数の細い帯状の配線導体を有している。

また、接地用の配線導体や電源用の配線導体は、配線基板に搭載される半導体素子にそれぞれ接地電位や電源電位を供給するための供給路としての機能を有しているとともに信号用の配線導体に対する電磁シールド機能や特性インピーダンスの調整機能を有しており、絶縁層を挟んで信号用の配線導体に対向するように絶縁層の層間に配置された広面積の導体層を有している。なお、このような広面積の導体層は、異なる電位に接続される複数の導体層が同じ絶縁層の層間に隣接して配置されるとともに、それらと電気的に接続された同様の複数の導体層が他の絶縁層の層間に隣接して配置されることがある。
特開２００２−１５８４５２号公報

しかしながら、上述のように樹脂製の配線基板に半導体素子をフリップチップ接続により搭載した半導体装置においては、配線基板の剛性が低く変形しやすいことから、配線基板の同じ絶縁層の層間に複数の広面積の導体層が隣接するように配設されている場合、配線基板に半導体素子との熱膨張係数の差に起因する応力が加えられると、その応力が隣接して配設された広面積の導体層の隣接する縁と絶縁層との間に集中して作用し、そこを起点として絶縁層およびその上の配線導体にクラックが発生してしまい、その結果、配線導体が断線して半導体素子と配線基板との電気的な接続信頼性が損なわれてしまうという問題点を有していた。

本発明は、上記のような問題に鑑み案出されたものであり、その目的は、半導体素子の動作および使用環境温度の変化等により熱が長期間にわたり繰り返し加えられたとしても絶縁基板にクラックが発生することがなく、半導体素子と配線基板との電気的な接続信頼性に優れた半導体装置を提供することにある。

本発明の配線基板は、複数の絶縁層が積層されて成り、半導体素子が搭載される搭載部を有する絶縁基板と、前記絶縁基板内に形成された信号用配線導体と、前記絶縁層の第１の層間にて、第１間隙を介して隣接する、接地用又は電源用の第１導体層及び第２導体層と、前記第１の層間とは異なる前記絶縁層の第２の層間にて、第２間隙を介して隣接する、前記第１導体層に電気的に接続された第３導体層及び前記第２導体層に電気的に接続された第４導体層と、を具備しており、第１導体層及び第２導体層は、接地用又は電源用であり、前記第１導体層乃至前記第４導体層は、前記絶縁層を介して前記信号用配線導体と対向しており、前記第１間隙及び前記第２間隙に、前記絶縁層の一部が充填されており、前記第１間隙は、前記第１導体層を取り囲むように、環状に形成されており、前記第２間隙は、前記第３導体層を取り囲むように、環状に形成されており、前記第２間隙は、平面視にて、前記第１間隙と離間しつつ、前記第１間隙を取り囲んでいることを特徴とするものである。

また本発明の半導体装置は、上記の配線基板と、前記配線基板の前記搭載部に搭載されている前記半導体素子と、を有することを特徴とするものである。

本発明の配線基板およびこれを用いた半導体装置によれば、第２間隙は、平面視にて、第１間隙と離間しつつ、第１間隙を取り囲んでいることから、配線基板と半導体素子との熱膨張係数の差に起因する応力が隣接して配設された導体層の隣接する縁と絶縁層との間に作用したとしても、その応力は上下の絶縁層の層間において平面視でずれた位置に作用することとなるため良好に分散される。その結果、絶縁層にクラックが発生することが有効に防止され、半導体素子と配線基板との電気的な接続信頼性に優れる半導体装置を提供することができる。

次ぎに、本発明の配線基板およびこれを用いた半導体装置を添付の図面に基づき詳細に説明する。

図１は、本発明の配線基板およびこれに用いた半導体装置を実施するための最良の形態例を示す断面図である。図１において１は絶縁基板、２は配線導体であり、主としてこれらで本発明の配線基板が構成され、この配線基板上に半導体素子３が搭載されることにより本発明の半導体装置が構成される。

絶縁基板１は、例えばガラス繊維を縦横に織り込んだガラス織物にエポキシ樹脂やビスマレイミドトリアジン樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させて成る板状の絶縁層１ａの上下面にエポキシ樹脂やビスマレイミドトリアジン樹脂等の熱硬化性樹脂から成る絶縁層１ｂをそれぞれ複数層ずつ積層して成り、その上面の中央部に半導体素子３がフリップチップ接続により搭載される搭載部を有している。そして、その搭載部から下面にかけて銅箔や銅めっき膜等の導体層から成る複数の配線導体２が形成されている。

絶縁基板１を構成する絶縁層１ａは、厚みが０．３〜１．５ｍｍ程度であり、その上面から下面にかけて直径が０．２〜１．０ｍｍ程度の複数の貫通孔４を有している。そして、その上下面および各貫通孔４の内面には配線導体２の一部が被着されており、上下面の配線導体２が貫通孔４の内部を介して電気的に接続されている。

このような絶縁層１ａは、ガラス織物に未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させたシートを熱硬化させた後、これに上面から下面にかけてドリル加工を施すことにより製作される。なお、絶縁層１ａ上下面の配線導体２は、絶縁層１ａ用のシートの上下全面に厚みが５〜５０μｍ程度の銅箔を貼着しておくとともに、この銅箔をシートの硬化後にエッチング加工することにより所定のパターンに形成される。また、貫通孔４内面の配線導体２は、絶縁層１ａに貫通孔４を設けた後に、この貫通孔４内面に無電解めっき法および電解めっき法により厚みが５〜５０μｍ程度の銅めっき膜を析出させることにより形成される。

さらに、絶縁層１ａは、その貫通孔４の内部にエポキシ樹脂やビスマレイミドトリアジン樹脂等の熱硬化性樹脂から成る樹脂柱５が充填されている。樹脂柱５は、貫通孔４を塞ぐことにより貫通孔４の直上および直下に絶縁層１ｂを形成可能とするためのものであり、未硬化のペースト状の熱硬化性樹脂を貫通孔４内にスクリーン印刷法により充填し、これを熱硬化させた後、その上下面を略平坦に研磨することにより形成される。そして、この樹脂柱５を含む絶縁層１ａの上下面に絶縁層１ｂが積層されている。

絶縁層１ａの上下面に積層された絶縁層１ｂは、それぞれの厚みが２０〜５０μｍ程度であり、各層の上面から下面にかけて直径が３０〜１００μｍ程度の複数のビア孔６を有している。これらの絶縁層１ｂは、配線導体２を高密度に配線するための絶縁間隔を提供するためのものであり、絶縁層１ｂにはその表面およびビア孔６内に配線導体２の一部が被着されている。そして、上層の配線導体２と下層の配線導体２とをビア孔６の内部を介して電気的に接続することにより高密度配線を立体的に形成可能としている。

このような絶縁層１ｂは、厚みが２０〜５０μｍ程度の未硬化の熱硬化性樹脂フィルムを絶縁層１ａの上下面に貼着し、これを熱硬化させるとともにレーザ加工によりビア孔６を穿孔し、さらにその上に同様にして次の絶縁層１ｂを順次積み重ねることによって形成される。なお、各絶縁層１ｂ表面およびビア孔６内に被着された配線導体２は、各絶縁層１ｂを形成する毎に各絶縁層１ｂの表面およびビア孔６内に５〜５０μｍ程度の厚みの銅めっき膜を公知のセミアディティブ法やサブトラクティブ法等のパターン形成法により所定のパターンに被着させることによって形成される。

さらに、最表層の絶縁層１ｂ上にはソルダーレジスト層７が被着されている。ソルダーレジスト層７は、例えばアクリル変性エポキシ樹脂にシリカやタルク等の無機物粉末フィラーを３０〜７０質量％程度分散させた絶縁材料から成り、表層の配線導体２同士の電気的絶縁信頼性を高めるとともに、後述する接続パッド２ｅ、２ｆの絶縁基板１への接合強度を大きなものとする作用をなす。

このようなソルダーレジスト層７は、その厚みが１０〜５０μｍ程度であり、感光性を有するソルダーレジスト層７用の未硬化樹脂ペーストをロールコーター法やスクリーン印刷法を採用して最表層の絶縁層１ｂ上に塗布し、これを乾燥させた後、露光および現像処理を行なって接続パッド２ｅ、２ｆを露出させる開口部を形成した後、これを熱硬化させることによって形成される。あるいは、ソルダーレジスト層７用の未硬化の樹脂フィルムを最上層の絶縁層１ｂ上に貼着した後、これを熱硬化させ、しかる後、接続パッド２ｅ、２ｆに対応する位置にレーザ光を照射し、硬化した樹脂フィルムを部分的に除去することによって接続パッド２ｅ、２ｆを露出させる開口部を有するように形成される。

絶縁基板１の搭載部から下面にかけて形成された配線導体２は、用途によって信号用と接地用と電源用の配線導体２に機能化されている。このうち、信号用の配線導体２は、半導体素子３の電極と外部電気回路基板との間で電気信号を伝播させるための導電路として機能し、絶縁層１ｂの層間を絶縁基板の中央部から外周部に向けて延びるように配設された複数の細い帯状の配線導体を有している。

また、接地用や電源用の配線導体２は、配線基板に搭載される半導体素子３にそれぞれ接地電位や電源電位を供給するための供給路としての機能を有しているとともに信号用の配線導体２に対する電磁シールド機能や特性インピーダンスの調整機能を有しており、絶縁層１ｂを挟んで信号用の配線導体に対向するように絶縁層１ｂの層間に配設された広面積の導体層を有している。このように接地用や電源用の広面積の導体層を信号用の配線導体と対向するように絶縁層１ｂの層間に配設することにより、信号用の配線導体２が電磁的にシールドされるとともに所定の特性インピーダンスに調整される。なお、本例においては、このような接地用または電源用の広面積の導体層は、図２（ａ）に要部平面図で、図２（ｂ）に要部断面図で示すように、互いに異なる電位に接続される第１の導体層２ａおよび第２の導体層２ｂが絶縁層１ｂの第１の層間に間隙Ｇ１をあけて隣接して配設されているとともに、これらの導体層２ａ、２ｂに貫通孔６を介して電気的に接続された第３の導体層２ｃおよび第４の導体層２ｄが絶縁層１ｂの第２の層間に間隙Ｇ２をあけて互いに隣接して配設されている。

また、これらの配線導体２は、図１に示すように、絶縁基板１の搭載部に露出している部位が半導体素子３の各電極が半田８を介して接続される電子部品接続用の接続パッド２ｅを、絶縁基体１の下面に露出した部位が外部電気回路基板に半田９を介して接続される外部接続用の接続パッド２ｆを形成している。これらの接続パッド２ｅ、２ｆは、絶縁基板１の搭載部および下面において例えば格子状の並びに配列されており、半導体素子３の電極と接続パッド２ｅとが半田８を介して接続されることにより半導体素子３が絶縁基板１の搭載部にフリップチップ接続により搭載された本発明の半導体装置となり、この半導体装置における接続パッド２ｆを外部電気回路基板の配線導体に半田９を介して接続することによって半導体素子３が外部電気回路基板に電気的に接続されることとなる。なお、本例の半導体装置においては、絶縁基板１の搭載部と半導体素子３との間にアンダーフィルと呼ばれる保護樹脂１０が充填されている例を示している。保護樹脂１０は絶縁基板１の搭載部に半導体素子３を半田８を介してフリップチップ接続により搭載した後に、絶縁基板１と半導体素子３との間に未硬化の熱硬化性樹脂ペーストを注入するとともにそのペーストを熱硬化させることにより充填される。なお、絶縁基板１の搭載部に半導体素子３を半田８を介してフリップチップ接続により搭載するには、接続パッド２ｅに半田粉末とフラックスとを含有する半田ペーストをスクリーン印刷法を採用して印刷塗布し、それを２２０〜２６０℃の温度で加熱して半田粉末を溶融させることにより接続パッド２ｅ上に半田バンプ８を予め形成しておき、この半田バンプ８と半導体素子３の電極とを接触させた状態で半田バンプ８を溶融させる方法が採用される。

そして本発明の配線基板およびこれを用いた半導体装置においては、図２に示すように、絶縁層１ｂの第１の層間に間隙Ｇ１をあけて隣接して配設された接地用または電源用の第１の導体層２ａおよび第２の導体層２ｂと、絶縁層１ｂの第２の層間に間隙Ｇ２をあけて互いに隣接して配設された接地用または電源用の第３の導体層２ｃおよび第４の導体層２ｄとは、それぞれの間の間隙Ｇ１およびＧ２が平面視で重なり合わないように配設されている。このように、絶縁層１ｂの第１の層間に隣接して配設された第１の導体層２ａおよび第２の導体層２ｂと、絶縁層１ｂの第２の層間に隣接して配設された第３の導体層２ｃおよび第４の導体層２ｄとが、それぞれの間の間隙Ｇ１およびＧ２が平面視で重なり合わないように配設されていることから、配線基板と半導体素子３との熱膨張係数の差に起因する応力が絶縁層１ｂの第１の層間に間隙Ｇ１をあけて隣接して配設された第１の導体層２ａおよび第２の導体層２ｂの隣接する縁と絶縁層１ｂとの間および絶縁層１ｂの第２の層間に間隙Ｇ２をあけて互いに隣接して配設された第３の導体層２ｃおよび第４の導体層２ｄの隣接する縁と絶縁層１ｂとの間に集中して作用したとしても、その応力は上下の絶縁層１ｂの層間において平面視でずれた位置に作用することとなるため良好に分散される。その結果、絶縁層１ｂにクラックが発生することが有効に防止され、半導体素子３と配線基板との電気的な接続信頼性に優れる半導体装置を提供することができる。

なお、絶縁層１ｂの第１の層間に隣接して配設された第１の導体層２ａおよび第２の導体層２ｂ間の間隙Ｇ１と、絶縁層１ｂの第２の層間に隣接して配設された第３の導体層２ｃおよび第４の導体層２ｄ間の間隙Ｇ２との距離Ｄが５０μｍ未満であると、配線基板と半導体素子３との熱膨張係数の差に起因する応力が絶縁層１ｂの第１の層間に間隙Ｇ１をあけて隣接して配設された第１の導体層２ａおよび第２の導体層２ｂの隣接する縁と絶縁層１ｂとの間および絶縁層１ｂの第２の層間に間隙Ｇ２をあけて隣接して配設された第３の導体層２ｃおよび第４の導体層２ｄの隣接する縁と絶縁層１ｂとの間に作用したときに、その応力を上下の絶縁層１ｂの層間で平面視でずれた位置に十分に分散させることができずに、絶縁層１ｂにクラックを発生させてしまう危険性が大きくなり、他方、間隙Ｇ１とＧ２との距離Ｄが５００μｍを超えると、導体層２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを効率良く配置することが困難となる。したがって、絶縁層１ｂの第１の層間に隣接して配設された第１の導体層２ａおよび第２の導体層２ｂ間の間隙Ｇ１と、絶縁層１ｂの第２の層間に隣接して配設された第３の導体層２ｃおよび第４の導体層２ｄ間の間隙Ｇ２との距離Ｄは、５０〜５００μｍの範囲が好ましい。

また、絶縁層１ｂの第１の層間に隣接して配設された第１の導体層２ａと第２の導体層２ｂとの間の間隙Ｇ１および絶縁層１ｂの第２の層間に隣接して配設された第３の導体層２ｃと第４の導体層２ｄとの間の間隙Ｇ２の幅が２０μｍ未満であると、導体層２ａおよび２ｃと２ｂおよび２ｄとの間の電気的な絶縁信頼性が低いものとなってしまい、他方、５００μｍを超えると、絶縁層１ｂの第１および第２の層間に十分な面積の導体層２ａおよび２ｂや２ｃおよび２ｄを確保することが困難となる。しだかって、絶縁層１ｂの第１の層間に隣接して配置された第１の導体層２ａと第２の導体層２ｂとの間の間隙Ｇ１および絶縁層１ｂの第２の層間に隣接して配設された第３の導体層２ｃと第４の導体層２ｄとの間の間隙Ｇ２の幅はそれぞれ２０〜５００μｍの範囲が好ましい。

なお、本発明の配線基板およびこれを用いた半導体装置は、上述の実施の形態例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であれば種々の変更は可能である。例えば上述の実施の形態例では、接地用または電源用の第１の導体層２ａや第３の導体層２ｃを第２の導体層２ｂや第４の導体層２ｄが取り囲むように配置されていたが、必ずしも一方の導体層が他方の導体層を取り囲むように配置される必要はない。また、上述の実施の形態例では、絶縁層１ｂの一つの層間に２つずつの接地用または電源用の導体層２ａ、２ｂや２ｃ、２ｄが配設されていたが一つの層間に３つずつ以上の接地用または電源用の導体層が配設されてもよい。

本発明の配線基板およびこれを用いた半導体装置を実施するための最良の形態例を示す断面図である。 （ａ）は、図１示した形態例における一つの絶縁層１ｂと、絶縁層１ｂの第１の層間に配設された接地用または電源用の第１の導体層２ａ、第２の導体層２ｂおよび第２の層間に配設された第３の導体層２ｃ、第４の導体層２ｄを示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）の断面図である。

符号の説明

１：絶縁基板
１ｂ：絶縁層
２ａ：第１の導体層
２ｂ：第２の導体層
２ｃ：第３の導体層
２ｄ：第４の導体層
３：半導体素子
Ｇ１：導体層２ａ，２ｂ間の間隙
Ｇ２：導体層２ｃ，２ｄ間の間隙

Claims (2)

1. 複数の絶縁層が積層されて成り、半導体素子が搭載される搭載部を有する絶縁基板と、前記絶縁基板内に形成された信号用配線導体と、前記絶縁層の第１の層間にて、第１間隙を介して隣接する、第１導体層及び第２導体層と、前記第１の層間とは異なる前記絶縁層の第２の層間にて、第２間隙を介して隣接する、前記第１導体層に電気的に接続された第３導体層及び前記第２導体層に電気的に接続された第４導体層と、を具備しており、
   第１導体層及び第２導体層は、接地用又は電源用であり、
   前記第１導体層乃至前記第４導体層は、前記絶縁層を介して前記信号用配線導体と対向しており、
   前記第１間隙及び前記第２間隙に、前記絶縁層の一部が充填されており、
   前記第１間隙は、前記第１導体層を取り囲むように、環状に形成されており、
   前記第２間隙は、前記第３導体層を取り囲むように、環状に形成されており、
   前記第２間隙は、平面視にて、前記第１間隙と離間しつつ、前記第１間隙を取り囲んでいることを特徴とする配線基板。
2. 請求項１記載の配線基板と、前記配線基板の前記搭載部に搭載されている前記半導体素子と、を具備することを特徴とする半導体装置。

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