JP4276016B2 - 低熱膨張積層板およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、低熱膨張基材層と中間層と導体層とを積層してなる低熱膨張積層板、および低熱膨張積層板の製造方法に関する。

近年、電子機器の発達に伴い電子基板などに搭載される電子部品の搭載密度が高くなり、半導体素子サイズ同程度の大きさを有するパッケージなどの使用や、半導体素子のベアチップ実装など高密度化を図る実装方法が進められてきている。そのような中で半導体素子の熱膨張係数とその実装に関わる材料の熱膨張係数との違いなどから生じる熱応力が問題となってきている。なお特許文献１には、高分子フィルムに金属薄膜を形成した後、あるいは金属薄膜を形成するとともに金属箔を積層する方法が開示されており、また特許文献２には、過剰な熱や圧力を加えることなく金属板同士を接合する方法が開示されている。

本出願に関する先行技術文献情報として次のものがある。
特開２００２−１１３８１１号公報 特開平１−２２４１８４号公報

本発明は、半導体素子の熱膨張係数と近い材料である低熱膨張基材と、信号を伝搬するための導体層とを、熱膨張を抑制しうるような中間層を介して積層して、熱膨張係数の差から生じる熱応力を緩和しうるような低熱膨張積層板、および低熱膨張積層板の製造方法を提供することを課題とする。

（１）本願発明のＩＣパッケージ用低膨張積層板の製造方法は、
基材層、中間層、導体層の３層を積層してなるＩＣパッケージ用低膨張積層板の製造方法であって、有機高分子からなる基材層の表面をスパッタエッチング処理により活性化する工程と、
前記活性化した基材層の表面に、Ｆｅ−Ｎｉ合金からなる中間層をスパッタリングにより積層する工程と、
Ｃｕからなる導体層の表面をスパッタエッチング処理により活性化する工程と、
前記導体操の活性化表面と前記中間層とを積層して冷間圧接により接合する工程と、を有することを特徴とする。

（２）本願発明のＩＣパッケージ用低膨張積層板の製造方法は、前記（１）において、
前記中間層の熱膨張係数は前記導体層よりも熱膨張係数が小さく、３０〜１００度で、０．１〜１０^−６／Ｋであることを特徴とする。

本発明の低熱膨張積層板では、導体層−中間層間の接合部に合金層などの用途上好ましくない層を形成させることが抑止できるため、曲げ加工やプレス加工などの機械加工性や、エッチング加工におけるエッチング性、選択性の低下問題などを防ぐことができる。

以下に、本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の低熱膨張積層板の一実施形態を示す概略断面図であり、低熱膨張基材層２４と中間層２５と導体層２６とを積層した例を示している。低熱膨張積層板２０は、活性化接合方法を用いて製造することが可能となる。すなわち低熱膨張基材層２４と導体層２６の接合予定面側をそれぞれ活性化処理を施し、活性化処理された低熱膨張基材層２４、導体層２６の接合予定面の少なくとも一方に中間層２５をスパッタリング方法などで形成し、次いで積層接合を施すことにより製造することができる。あるいは、予め低熱膨張基材層２４に中間層２５を積層したものと導体層２６を活性化接合方法を用いて接合することもできる。すなわち低熱膨張基材層２４と中間層２５の積層体の中間層２５側と導体層２６の接合予定面側に活性化処理を施して積層接合することによって製造することができる。

低熱膨張基材層２４としては、基材層として用いられるもののうち熱膨張係数が小さいものが好ましい。特に半導体素子などを実装する基板などにおいては、熱応力などの軽減のためにも半導体素子などの熱膨張係数に近いものが好ましい。例えば、液晶ポリマー（ＬＣＰ）などである。またこれらの素材に超高分子量ポリエチレン繊維などを方向性を持たせて配合することにより熱伝導性を高めたり、熱膨張係数を低くすることが可能である。特に繊維長が基材の長さに近づくほどその効果が高くなる。

低熱膨張基材層２４の厚みは、用途により適宜選定することができる。例えば、１〜１０００μｍである。１μｍ未満の場合には低熱膨張基材層としての製造が難しくなり、１０００μｍを超えると重くなりすぎる。例えば低熱膨張基材層の用途がフレキシブルプリント基板などであれば、３〜３００μｍの範囲のものが好ましい。３μｍ未満の場合には機械的強度が乏しく、３００μｍを超えると可撓性が乏しくなる。好ましくは、１０〜１５０μｍである。より好ましくは、２０〜７５μｍである。

基材層の材質としては、例えば、プラスチックなどの有機高分子物質やプラスチックに粉末や繊維などを混ぜた混合体を適用することができ、フレキシブルプリント基板などに適用する場合には、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリエチレンテレフタレートなどのポリエステル、ナイロンなどの芳香族ポリアミドなどや液晶ポリマー（ＬＣＰ）などを用いることができる。プラスチックとしては、例えば、アクリル樹脂、アミノ樹脂（メラミン樹脂、ユリア樹脂、ベンゾグアナミン樹脂など）、アリル樹脂、アルキド樹脂、ウレタン樹脂、液晶ポリマー（ＬＣＰ、Liquid Crystal Polymer）、ＥＥＡ樹脂（Ethylene Ethylacrylate 樹脂）、ＡＡＳ樹脂（Acrylonitrile Acrylate Styrene 樹脂）、ＡＢＳ樹脂（Acrylonitrile Butadiene Styrene樹脂）、ＡＣＳ樹脂（Acrylnitrile Chlorinated polyethylene Styrene 樹脂）、ＡＳ樹脂（Acrylonitrile Styrene 樹脂）、アイオノマー樹脂、エチレンポリテトラフルオロエチレン共重合体、エポキシ樹脂、珪素樹脂、スチレンブタジエン樹脂、フェノール樹脂、弗化エチレンプロピレン、弗素樹脂、ポリアセタール、ポリアリレート、ポリアミド（６ナイロン、１１ナイロン、１２ナイロン、６６ナイロン、６１０ナイロン、６１２ナイロンなど）、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルサルホン、ポリエステル（ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリシクロヘキンジメルテレフタレート、ポリトリメチレンテレフタレート、ポリトリメチレンナフタレートなど）、ポリオレフィン（ポリエチレン、ポリプロピレンなど）、ポリカーボネート、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリサルホン、ポリスチレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリブタジエン、ポリブテン、ポリメチルペンテンなどを用いてもよい。

導体層２６は単層であってもよいし複数の層であってもよく、複数の層の材質は同じでも異なっていてもよい。導体層が複数の層からなっているときは、少なくともその１つは導電性の優れた材質であることが好ましい。導電性の優れた材質とは、低熱膨張積層板を製造可能な素材で、低熱膨張積層板の用途により適宜選択して用いることができるものである。例えば、常温で固体である金属や、これらの金属のうち少なくとも１種類を含む合金や、これらの金属や合金を少なくとも１層有する積層体などの材質である。導電性の優れた材質の比抵抗としては、２０℃で、１〜２０μΩ・ｃｍの範囲であることが好ましく、更に１〜１０μΩ・ｃｍの範囲であることがより好ましい。低熱膨張積層板の用途が、プリント配線板用途部品などであれば、導電性に優れた金属であるＣｕ、Ａｌなどや、これらの金属のうち少なくとも１種類を含む導電性の優れた合金などを適用することができる。Ｃｕ系合金としては、ＪＩＳに規定の無酸素銅、タフピッチ銅、リン青銅、黄銅や、銅−ベリリウム系合金（例えば、ベリリウム２重量％、残部が銅の合金など）、銅−銀系合金（例えば、銀３〜５重量％、残部が銅の合金など）など、Ａｌ系合金としては、ＪＩＳに規定の１０００系、３０００系などのアルミニウム合金を適用することができる。

導体層２６が複数の層からなる場合、導電性の優れた層の他に、抵抗性を有する層や、熱膨張係数の小さい層を設けてもよい。また中間層と接する層に中間層と同種の材質を用いてもよい。抵抗性を有する層は、例えば導電性に優れた層との２層構成などの場合のように、上層に存在する導電性の優れた層をエッチング加工などにより除去することにより抵抗部として用いることができるため、反射波を抑えるためやインピーダンス整合や抵抗素子部品点数の削減などに効果がある。抵抗性を有する層の比抵抗として、２０℃で、３０〜３００μΩ・ｃｍの範囲であることが好ましい。また発熱部として用いることも可能である。熱膨張係数の小さい層は熱膨張係数の大きな他の層の熱膨張を抑える効果を有する。中間層と接する層に中間層と同種の材質を用いる場合は、中間層とその接する層を例えばエッチング処理などの場合のように単一の層として扱うことが可能である。

導体層２６の厚みは、低熱膨張積層板を製造可能であれば特に限定はされず、低熱膨張積層板の用途により適宜選定して用いることができる。導体層２６は、例えば１〜１０００μｍであることが好ましい。１μｍ未満では板材としての製造が難しくなり、１０００μｍを超えると重くなりすぎる。より好ましくは、５〜５０μｍである。なお導体層２６は、電解箔や圧延箔などの板材であってもよいし、板材にめっきや蒸着などによる膜材を予め積層したものであってもよいし、クラッド材などの積層体でもよいし、積層体に拡散処理などを施したものであってもよい。

中間層２５の材質としては、低熱膨張積層板を製造可能な素材で、例えば導体層２６に用いられる導電性に優れた層の材質よりも熱膨張係数の小さい材料であれば特にその種類は限定されず、低熱膨張積層板の用途により適宜選択して用いることができる。例えば、常温で固体である金属や、これらの金属のうち少なくとも１種類を含む合金や、これらの金属や合金を少なくとも１層有する積層体などのうち導体層よりも熱膨張係数の低い材料である。熱膨張係数としては、３０〜１００℃で、０．１〜１０^ー６／Ｋの範囲が望ましい。低熱膨張積層板の用途が、インターポーザなどの半導体素子搭載用途の部品などであれば、中間層２５としては、鉄−ニッケル系合金などを用いることができる。例えば、Ｆｅ−３６Ｎｉ（Ｎｉが３６重量％、Ｆｅが残部）、Ｆｅ−３２Ｎｉ−５Ｃｏ（Ｎｉが３２重量％、Ｃｏが５重量％、Ｆｅが残部）、Ｆｅ−２９Ｎｉ−１７Ｃｏ（Ｎｉが２９重量％、Ｃｏが１７重量％、Ｆｅが残部）などやこれらに微量の他元素などを添加したものなどである。特に、Ｆｅ−２９〜４２重量％Ｎｉ−０〜２０重量％Ｃｏの組成範囲の鉄−ニッケル系合金が望ましい。特にベアチップ実装などでは半導体素子の熱膨張係数に近い材料が好ましい。さらに低熱膨張材料からなる層を抵抗部として利用することも可能である。

中間層２５の厚みは、低熱膨張積層板を製造可能であれば特に限定はされず、低熱膨張積層板の用途により適宜選定して用いることができる。例えば、０．０１〜１０μｍであることが好ましい。０．０１μｍ未満では充分な接合強度を保持することが難しくなり、１０μｍを超えると低熱膨張積層板としての製造に時間がかかりすぎる。より好ましくは、０．１〜１μｍである。なお中間層は、低熱膨張積層板の用途により、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、スパッタリング、真空蒸着、イオンプレーティングなどの乾式製膜手段から適宜選択して用いて、基材となる低熱膨張基材層上や導体層上に形成することができる。また中間層は、単相のみならず複数の相からなる積層膜であってもよい。

常温で固体である金属とは、例えば、Ａｌ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｗ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｕなどである。これらの金属のうち少なくとも１種類を含む合金には、例えば、ＪＩＳに規定の合金なども含むことができ、合金鋼やステンレス鋼の他にも、Ｃｕ系合金では、無酸素銅、タフピッチ銅、りん脱酸銅、丹銅、黄銅、快削黄銅、すず入り黄銅、アドミラルティ黄銅、ネーバル黄銅、アルミニウム青銅、白銅など、Ａｌ系合金では、１０００系、２０００系、３０００系、５０００系、６０００系、７０００系など、Ｎｉ系合金では、常炭素ニッケル、低炭素ニッケル、ニッケル−銅合金、ニッケル−銅−アルミニウム−チタン合金、ニッケル−モリブデン合金、ニッケル−モリブデン−クロム合金、ニッケル−クロム−鉄−モリブデン−銅合金、ニッケル−クロム−モリブデン−鉄合金などがある。これらの金属や合金を少なくとも１層有する積層体とは、例えば、クラッド材、メッキ材、蒸着膜材などであり、金属間化合物などの合金層も含むことができる。

図１に示す低熱膨張積層板２０の活性化接合法を用いた中間層２５介挿による製造方法について説明する。図２に示すように、真空槽５２内において、巻き戻しリール６２に設置された低熱膨張基材層２４の接合予定面側を、活性化処理装置７０で活性化処理する。同様にして巻き戻しリール６４に設置された導体層２６の接合予定面側を、活性化処理装置８０で活性化処理する。次いで低熱膨張基材層２４の接合予定面側に中間層２５を形成して積層接合する。

活性化処理は、以下のようにして実施する。すなわち、真空槽５２内に装填された低熱膨張基材層２４および導体層２６をそれぞれアース接地された一方の電極Ａと接触させ、絶縁支持された他の電極Ｂとの間に、１０〜１×１０^−３Ｐａの極低圧不活性ガス雰囲気中で、１〜５０ＭＨｚの交流を印加してグロー放電を行わせ、グロー放電によって生じたプラズマ中に露出される電極Ａと接触した低熱膨張基材層２４、および導体層２６のそれぞれの接合予定面側の面積が、実効的に電極Ｂの面積の１／３以下となるようにスパッタエッチング処理する。不活性ガスとしては、アルゴン、ネオン、キセノン、クリプトンなどやこれらを含む混合体を適用することができる。好ましくはアルゴンである。なお不活性ガス圧力が１×１０^−３Ｐａ未満では安定したグロー放電が行いにくく高速エッチングが困難であり、１０Ｐａを超えると活性化処理効率が低下する。印加する交流は、１ＭＨｚ未満では安定したグロー放電を維持するのが難しく連続エッチングが困難であり、５０ＭＨｚを超えると発振し易く電力の供給系が複雑となり好ましくない。また、効率よくエッチングするためには電極Ａと接触した低熱膨張基材層２４および導体層２６のそれぞれの面積を実効的に電極Ｂの面積より小さくする必要があり、実効的１／３以下とすることにより充分な効率でエッチング可能となる。

次に低熱膨張基材層２４の表面に、膜形成ユニット９０により中間層２５を形成する。膜形成方法として、スパッタリングを用いた場合について説明する。膜形成ユニット９０では、前記活性化処理装置とは逆に低熱膨張基材層２４側の面積を実効的に大きくすることによりスパッタリング処理を行うことができる。すなわち、真空槽５２内に装填された低熱膨張基材層２４をアース接地された一方の電極Ａと接触させ、絶縁支持された他の電極Ｃとの間に、１０〜１×１０^−３Ｐａの極低圧不活性ガス雰囲気中で、１〜５０ＭＨｚの交流を印加してグロー放電を行わせ、グロー放電によって生じたプラズマ中に露出される電極Ａと接触した低熱膨張基材層２４の面積が、実効的に電極Ｃの面積の３倍以上となるようにスパッタリング処理する。不活性ガスとしては、アルゴン、ネオン、キセノン、クリプトンなどやこれらを含む混合体を適用することができる。好ましくはアルゴンである。なお不活性ガス圧力が１×１０^−３Ｐａ未満では安定したグロー放電が行いにくく、１０Ｐａを超えるとスパッタリング効率が低下する。印加する交流は、１ＭＨｚ未満では安定したグロー放電を維持するのが難しく連続スパッタリングが困難であり、５０ＭＨｚを超えると発振し易く電力の供給系が複雑となり好ましくない。また、効率よくスパッタリングするためには電極Ａと接触した低熱膨張基材層２４の面積を実効的に電極Ｃの面積より大きくする必要があり、３倍以上とすることにより充分な効率で膜形成が可能となる。

スパッタリングを用いる膜形成ユニット９０は、例えば図３に示すように、電気的にフローティング状態にされたターゲット電極９４と、アース接地された水冷の電極ロール７２との組み合わせで構成される。ターゲット電極９４には中間層２５を形成するターゲット９２が設置され、またマグネット９８を設置して磁場によりスパッタリングの効率を向上させている。さらにターゲット９２の異常加熱を防止するために、ターゲット電極９４を水冷できるようにしてある。ターゲット電極９４−電極ロール７２間に高周波電源９６を印加することで、プラズマを発生させてターゲット９２にイオン衝撃を与え、これにより放出されたターゲット物質を低熱膨張基材層２４上に積層させて中間層２５を形成させ、膜積層材２２を得ることができる。

その後、低熱膨張基材層２４に中間層２５を形成した膜積層材２２と導体層２６を積層接合する。積層接合は、膜積層材２２、導体層２６の接合予定面側が対向するようにして両者を当接して重ね合わせ圧接ユニット６０で冷間圧接を施すことによって達成される。この際の積層接合は低温度で可能であり、膜積層材２２、導体層２６ならびに接合部に組織変化や合金層の形成などといった悪影響を軽減または排除することが可能である。Ｔを膜積層材２２、導体層２６の温度（℃）とするとき、０℃＜Ｔ＜３００℃で良好な圧接状態が得られる。０℃以下では特別な冷却装置が必要となり、３００℃以上では組織変化などの悪影響が生じてくるため好ましくない。また導体層２６、中間層２５にかかわる圧延率Ｒ（％）は、０．０１％≦Ｒ≦３０％であることが好ましい。０．０１％未満では充分な接合強度が得られず、３０％を超えると変形が大きくなり加工上好ましくない。より好ましくは、０．１％≦Ｒ≦３％である。さらに好ましくは、１％＜Ｒ≦３％である。

このように積層接合することにより、所要の層厚みを有する３層構造の低熱膨張積層板２０を形成することができ、巻き取りロール６６に巻き取られる。さらに必要により所定の大きさに切り出して、図１に示すような低熱膨張積層板２０を製造することができる。またこのようにして製造された低熱膨張積層板２０に、必要により残留応力の除去または低減などのために問題が生じない範囲で熱処理を施してもよいし、さらに半田めっきなどの膜材などを積層してもよい。また膜形成ユニット９０を機能停止あるいは取り除くことによっても、予め低熱膨張基材層２４に中間層２５を積層したものと導体層２６とを接合することもできる。

低熱膨張積層板の製造にはバッチ処理を用いることができる。すなわち真空槽内に予め所定の大きさに切り出された低熱膨張基材層、導体層を複数装填して活性化処理装置に搬送して垂直または水平など適切な位置に処理すべき面を対向または並置した状態などで設置または把持して固定して活性化処理や膜形成処理を行い、さらに低熱膨張基材層、導体層を保持する装置が圧接装置を兼ねる場合には活性化処理や膜形成処理後に設置または把持したまま圧接し、低熱膨張基材層、導体層を保持する装置が圧接装置を兼ねない場合にはプレス装置などの圧接装置に搬送して圧接を行うことにより達成される。なお活性化処理は、低熱膨張基材層、導体層を絶縁支持された一方の電極Ａとし、アース接地された他の電極Ｂとの間で行うことが好ましい。

本発明の低熱膨張積層板では、導体層−中間層間の接合部に合金層などの用途上好ましくない層を形成させることが抑止できるため、曲げ加工やプレス加工などの機械加工性や、エッチング加工におけるエッチング性、選択性の低下問題などを防ぐことができる。このためインターポーザなどのプリント配線用途部品などにも有用である。

以下に、実施例を図面に基づいて説明する。導体層２６として厚み１０μｍの無酸素銅箔を用い、低熱膨張基材層２４として厚み５０μｍの液晶ポリマーを用いて、低熱膨張積層板製造装置５０にセットし、真空槽５２内の活性化処理ユニット７０および８０でスパッタエッチング法によりそれぞれ活性化処理した後、膜形成ユニット９０で中間層２５として厚み０．５μｍの鉄ニッケル合金（Ｆｅ−３６重量％Ｎｉ）層を液晶ポリマー側にスパッタリングにより形成し、圧延ユニット６０で圧接して積層接合して低熱膨張積層板２０を製造した。さらに低熱膨張積層板２０にエッチング加工を施して配線パターンを形成してプリント配線板を製造した。

以上説明したように、本発明の低熱膨張積層板は低熱膨張基材層と中間層と導体層とを積層してなるものである。このためプリント配線板（リジットプリント配線板やフレキシブルプリント配線板など）などに好適であり、ＩＣカード、インターポーザ、ＣＳＰ（チップサイズパッケージまたはチップスケールパッケージ）やＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）などのＩＣパッケージなどにも応用が可能である。

本発明の導電層積層材の一実施形態を示す概略断面図である。 本発明の導電層積層材の製造に用いる装置の一実施形態を示す概略断面図である。 本発明の導電層積層材の製造に用いる膜形成ユニットの一実施形態を示す概略断面図である。

符号の説明

２０ 低熱膨張積層板
２２ 膜積層材
２４ 低熱膨張基材層
２５ 中間層
２６ 導体層
５０ 低熱膨張積層板製造装置
５２ 真空槽
５４ 真空ポンプ
６０ 圧接ユニット
６２ 巻き戻しリール
６４ 巻き戻しリール
６６ 巻き取りロール
７０ 活性化処理装置
７２ 電極ロール
７４ 電極
７６ 電極
８０ 活性化処理装置
８２ 電極ロール
８４ 電極
９０ 膜形成ユニット
９２ ターゲット
９４ ターゲット電極
９６ 高周波電源
９８ マグネット
Ａ 電極Ａ
Ｂ 電極Ｂ
Ｃ 電極Ｃ

Claims (2)

1. 基材層、中間層、導体層の３層を積層してなるＩＣパッケージ用低膨張積層板の製造方法であって、
   有機高分子からなる基材層の表面をスパッタエッチング処理により活性化する工程と、
   前記活性化した基材層の表面に、Ｆｅ−Ｎｉ合金からなる中間層をスパッタリングにより積層する工程と、
   Ｃｕからなる導体層の表面をスパッタエッチング処理により活性化する工程と、
   前記導体層の活性化表面と前記中間層とを積層して冷間圧接により接合する工程と、を有することを特徴とするＩＣパッケージ用低膨張積層板の製造方法。
2. 前記中間層の熱膨張係数は前記導体層よりも熱膨張係数が小さく、３０〜１００度で、０．１〜１０ ^−６ ／Ｋであることを特徴とする請求項１に記載のＩＣパッケージ用低膨張積層板の製造方法。

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