JP4467489B2

JP4467489B2 - 回路基板およびそれを用いた回路装置

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Publication number: JP4467489B2
Application number: JP2005250369A
Authority: JP
Inventors: 清司柴田; 良輔臼井
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2005-08-30
Filing date: 2005-08-30
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2025-08-30
Also published as: US7420126B2; JP2007067120A; US20070044999A1

Description

本発明は、回路基板およびそれを用いた回路装置に関し、特に、金属を主体とする基板をコア部に備えた回路基板およびそれを用いた回路装置に関する。

携帯電話、ＰＤＡ、ＤＶＣ、及びＤＳＣといったポータブルエレクトロニクス機器の高機能化が加速するなか、こうした製品が市場で受け入れられるためには小型・軽量化が必須となっており、その実現のために高集積のシステムＬＳＩが求められている。一方、これらのエレクトロニクス機器に対しては、より使い易く便利なものが求められており、機器に使用されるＬＳＩに対し、高機能化および高性能化が要求されている。このため、ＬＳＩチップの高集積化にともないそのＩ／Ｏ数が増大する一方でパッケージ自体の小型化要求も強く、これらを両立させるために、半導体部品の高密度な基板実装に適合した半導体パッケージの開発が強く求められている。こうした要求に対応するため、ＣＳＰ（Chip Size Package）と呼ばれるパッケージ技術が種々開発されている。

こうしたパッケージの例としてＢＧＡ（Ball Grid Array）が知られている。ＢＧＡは、パッケージ用基板の上に半導体チップを実装し、それを樹脂モールディングした後、反対側の面に外部端子として半田ボールをエリア状に形成したものである。ＢＧＡでは、実装エリアが面で達成されるので、パッケージを比較的容易に小型化することができる。また、回路基板側でも狭ピッチ対応とする必要がなく、高精度な実装技術も不要となるので、ＢＧＡを用いると、パッケージコストが多少高い場合でもトータルな実装コストとしては低減することが可能となる。

図９は、一般的なＢＧＡの概略構成を示す図である。ＢＧＡ１００は、ガラスエポキシ基板１０６上に、接着層１０８を介してＬＳＩチップ１０２が搭載された構造を有する。ＬＳＩチップ１０２は封止樹脂１１０によってモールドされている。ＬＳＩチップ１０２とガラスエポキシ基板１０６とは、金属線１０４により電気的に接続されている。ガラスエポキシ基板１０６の裏面には、半田ボール１１２がアレイ状に配列されている。この半田ボール１１２を介して、ＢＧＡ１００がプリント配線基板に実装される。

さらに近年では、電子機器などに含まれる半導体パッケージ（回路装置）は、更なる小型化、高密度化および多機能化のために、単位体積当たりの発熱密度が増加している。こうした発熱密度の増加は、回路装置性能や信頼性に悪影響を及ぼす原因となり、大きな問題となっている。このため、回路装置を構成する回路基板として、ガラスエポキシ基板１０６に代えて、高い放熱性を有する金属基板などが用いられている。さらに、金属基板へ効率的に熱を伝導させるために、例えば、回路装置を構成する絶縁層として、アルミナなどの熱伝導率が高い充填材（フィラー）を含有させた樹脂が用いられている。これらにより、回路装置全体の放熱性を高めている。

図１０は、特許文献１に開示された従来の回路装置の構造を概略的に示した断面図である。図１０を参照して、従来の回路装置２００を構成する回路基板２１０では、回路基板内部に、コア部材として金属基板２０１が用いられ、その両面側に充填材を含有する樹脂絶縁層２０２，２０４を介して配線パターン層２０３，２０５が形成されている。そして各層を電気的に接続させるため、スルーホール２０６と呼ばれる貫通孔が板厚方向に設けられる。スルーホール内面は銅めっき等により電気伝導層２０７が形成され、各層の導通が得られる。さらに、回路基板２１０の一方の面側に、半導体チップ２２０が半田ボール２２１を介して直接接続されている。
特開２００２−３３５０５７号公報

充填材を含有していない樹脂の熱伝導率は約２Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、充填材を含有した樹脂の熱伝導率は、充填材自身の熱伝導率や充填材の含有率などにも依存するが、概して約１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。ここで、充填材を含有した樹脂を金属基板の内装の絶縁層として使用する場合には、金属基板２０１を中心としてその上下面に樹脂絶縁層２０２，２０４を真空下または減圧下で熱圧着して形成する。この際、それぞれの樹脂絶縁層２０２，２０４が上下面からスルーホール２０６の内部に流動し、充填される。

図１１は、図１０の回路装置における回路基板のスルーホール近傍を拡大した断面図である。尚、図中には、金属基板の膜厚方向の中間位置（ＣＡ）を破線で示してある。

スルーホール２０６の内部には、金属基板２０１の上下面から同時に樹脂絶縁層２０２，２０４が流動し、充填されるため、樹脂絶縁層２０２と樹脂絶縁層２０４の接合面は、金属基板２０１の膜厚方向の中間位置（ＣＡ）とほぼ一致している。さらに、この樹脂絶縁層の流動においては、樹脂成分の移動度とそれに追随して移動する充填材の移動度が異なる（樹脂成分の移動度に比べ充填材の移動度が遅い）ので、スルーホール２０６の内部では、樹脂に充填材が含有されている度合い（充填材の濃度）の低い領域２０２ａ，２０４ａが形成される。この領域２０２ａ，２０４ａでは、スルーホール２０６の外部の樹脂絶縁層に比べて充填材の濃度が低いために、スルーホール２０６を含む周辺領域では、熱伝導率が低く放熱性が低下している。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、充填材を含有する絶縁層を用いた場合において、金属基板を貫通して設けられるスルーホール近傍の放熱性を改善し、放熱性の要求に即した回路基板およびそれを用いた回路装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の回路基板は、基板と、基板に設けられた開口部と、基板の一方の面に、第１の絶縁層を介して設けられた第１の配線層と、基板の他方の面に、第１の絶縁層と同じ組成である第２の絶縁層を介して設けられた第２の配線層と、開口部を介して基板を貫通し、第１の配線層と第２の配線層とを接続する導体層と、を備え、基板の一方の面側において、開口部の端に沿って突起を設け、開口部の、突起とは反対側の開口端部に沿って丸みを帯びた角部を設け、第１の絶縁層および第２の絶縁層は、それぞれ絶縁層の放熱性を向上させるための充填材を含有し、開口部内における突起側の充填材の濃度が、開口部内における丸みを帯びた角部側の充填材の濃度よりも高いことを特徴とする。

本発明によれば、充填材を含有する絶縁層を用いた場合において、金属基板を貫通して設けられるスルーホール近傍の放熱性が改善され、放熱性の要求に即した回路基板およびそれを用いた回路装置が提供される。

以下、本発明を具現化した実施形態について図面に基づいて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。また、本明細書において、「上」方向とは、金属基板に対して回路素子が存在する方向が上であると規定している。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る金属基板を備えた回路基板を有する回路装置を示した断面図である。図２は、図１中の金属基板の開口部近傍の拡大図である。

本発明の第１実施形態の回路装置５０は、回路基板１０内部に、コア部材として開口部２を有する金属基板１が設けられ、その開口部２の上面側の端には突起１ａを有し、開口部２の下面側の端には丸みを帯びた角部（へたり）１ｂを有している。この金属基板１の両面側には、絶縁層３，５を介してそれぞれ配線パターン層４，６が形成されている。また、金属基板１の開口部２内には絶縁層３ａ，５ａが設けられ、その接合面ＣＢは、金属基板１の膜厚方向の中間位置よりも開口部２の上面側に位置している。さらに各配線パターン層を電気的に接続させるため、開口部２を介して金属基板１を貫通し、配線パターン層４と配線パターン層６とを接続する導体層８が形成され、各配線パターン層との導通が得られている。さらに、回路基板１０の上面側に、半導体チップ２０が半田ボール２１を介して直接接続されている。

具体的には、本発明の第１実施形態による回路装置５０では、回路基板１０内部のコア部材として、約５０μｍ〜約１ｍｍ（例えば、約１００μｍ）の厚みを有する金属基板１を用いる。例えば、この金属基板１は、銅からなる下層金属層と、下層金属層上に形成されたＦｅ−Ｎｉ系合金（いわゆるインバー合金）からなる中間金属層と、中間金属層上に形成された銅からなる上層金属層とが積層されたクラッド材によって構成される。なお、金属基板１は、銅単層であってもよい。

金属基板１には、金属基板１にレーザ照射またはドリル加工を行うことによって、金属基板１を貫通する開口部２（直径約３００μｍ）が所定の箇所に形成されている。これにより、金属基板１の上面側には、開口部２の端に突起１ａ（約２５μｍ）が形成され、下面側には、開口部２の端にへたり１ｂが形成されている。なお、金属基板１の開口部２は、例えば、１００ｍｍ^２あたり１０箇所以上設けることで、後述する回路基板およびそれを用いた回路装置の放熱性を向上させる効果を奏でさせることができる。

金属基板１の上面側および下面側には、約６０μｍ〜約１６０μｍ（例えば、約７５μｍ）の厚みで、エポキシ樹脂を主成分とする絶縁層３，５が形成されている。後述するが、この際、金属基板１の開口部２は、絶縁層３ａ，５ａによって完全に埋め込まれ、その接合面ＣＢは金属基板１の膜厚方向の中間位置よりも開口部２の上面側に位置している。尚、エポキシ樹脂を主成分とする絶縁層３，５には、約２μｍ〜１０μｍ程度の直径を有する充填剤が添加されている。この充填剤としては、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、シリカ（ＳｉＯ_２）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）および窒化ホウ素（ＢＮ）などがある。また、充填剤の重量充填率は、約６０％〜約８０％である。

絶縁層３，５上には、約３５μｍの厚みを有する銅からなる配線パターン層４，６がそれぞれ形成され、導体層８（直径約１５０μｍ）によって各配線パターン層との導通を得ている。この時、上面側の配線パターン層４は、下面側の配線パターン層６よりも高い配線密度を有している。さらに配線パターン層４上には、半導体チップ２０としてＬＳＩチップが半田ボール２１を介して接続されている。

図３〜図５は、図１に示した本発明の第１実施形態に係る回路基板を有する回路装置の製造プロセスを説明するための断面図である。

まず、図３（Ａ）に示すように、コア部材として約５０μｍ〜約１ｍｍ（例えば、約１００μｍ）の厚みを有する金属基板１を用意する。例えば、この金属基板１は、銅からなる下層金属層と、下層金属層上に形成されたＦｅ−Ｎｉ系合金（いわゆるインバー合金）からなる中間金属層と、中間金属層上に形成された銅からなる上層金属層とが積層されたクラッド材によって構成される。尚、金属基板１は、銅単層であってもよい。

次に、図３（Ｂ）に示すように、金属基板１にレーザ照射またはドリル加工を行うことによって、金属基板１を貫通する開口部２（直径約３００μｍ）を所定の箇所に形成する。これにより、金属基板１の開口部２の上面側の端に突起１ａ（高さ約２５μｍ）を形成し、開口部２の下面側の端にへたり１ｂを形成する。この突起１ａは、金属基板１の開口部２の端に沿って設けられるが、突起１ａの先端部は均一な高さでなくてもよく、例えば、櫛状であったり、波状であったりしてもよい。また、突起ごとの形状や高さも同じでなくてもよい。尚、金属基板１の突起１ａ（開口部２）は、例えば、１００ｍｍ^２あたり１０箇所以上設けることで、効果的に放熱性を向上させることができるので、高い放熱性を有する回路基板およびそれを用いた回路装置を提供することができる。ここで、開口部２は、金属基板１の面内で均一に設けられていることが好ましい。

次に、図３（Ｃ）に示すように、銅箔４ａ付きの絶縁膜３を金属基板１の上面側から、銅箔６ａ付きの絶縁膜５を金属基板１の下面側から真空下または減圧下で熱圧着する。ここで、絶縁膜３，５の厚さは、例えば、７５μｍ程度とし、銅箔４ａ，６ａの厚さは、例えば、１０μｍ〜１５μｍ程度とする。

尚、図４（Ｄ）に示すように、銅箔付き絶縁層を圧着することにより、金属基板１の開口部２は、絶縁層３ａ，５ａによって完全に埋め込まれる。ここで、開口部２の内部には、金属基板１の上下面から同時に絶縁層３，５が流動し、充填されるが、開口部２の突起１ａによって絶縁層３の流動が抑制され、さらに反対側のへたり１ｂによって絶縁層５の流動が促進されるため、絶縁層３と絶縁層５の接合面ＣＢは、金属基板１の膜厚方向の中間位置よりも、開口部２の上面側にずれている。この絶縁層３の流動が抑制されることによって、樹脂成分の移動量と、それに追随して移動する充填材の移動量の差が小さくなるので、開口部２内の樹脂に充填材が含有されている度合い（充填材の濃度）は、従来の抑制されない場合に比べて相対的に高くなる。さらに、反対側の絶縁層５の流動が促進されることによって、樹脂成分の移動量と、それに追随して移動する充填材の移動量の差が大きくなるので、開口部２内の樹脂に充填材が含有されている度合い（充填材の濃度）は、抑制されない場合に比べて相対的に小さくなる。

次に、図４（Ｅ）に示すように、金属基板１にレーザ照射またはドリル加工を行うことによって、両面の銅箔を接続するためのスルーホール７（直径約１５０μｍ）を開口部２に対応する箇所に形成する。

次に、図４（Ｆ）に示すように、無電解めっき法を用いて、銅箔４ａの上面、スルーホール７の内面上、及び銅箔６ａの下面に、銅を約０．５μｍの厚みでめっきする。続いて、電解めっき法を用いて、銅箔４ａの上面、スルーホール７の内面上、及び銅箔６ａの下面に、めっきする。尚、本発明の第１実施形態では、めっき液中に、抑制剤および促進剤を添加することによって、抑制剤を銅箔４ａ，６ａの表面上に吸着させるとともに、促進剤をスルーホール７の内面上に吸着させる。これにより、スルーホール７の内面上の銅めっきの厚みを大きくすることができるので、スルーホール７内に銅を埋め込むことができる。その結果、樹脂層３，５上に、約３５μｍの厚みを有する銅からなる配線層４，６がそれぞれ形成されるとともに、スルーホール７内に銅からなる導体層８が埋め込まれる。

次に、図５（Ｇ）に示すように、通常のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、配線層４，６をそれぞれパターニングする。これにより、配線パターン層４および配線パターン層６を形成する。これにより、突起１ａを有した金属基板１を備える回路基板１０が形成される。

最後に、図１に示すように、回路基板１０における配線パターン層４の上にＬＳＩチップ２０を、半田ボール２１を介して電気的に接続させるように搭載し、樹脂層（図示せず）で固定する。この結果、金属基板１を備えた回路基板１０を有する回路装置５０が形成される。

第１実施形態では、上記したように、開口部の端に沿って設けられた突起に起因して絶縁層３ａの開口部内への流動が抑制されるため、開口部内における絶縁層３ａと絶縁層５ａとの接合面ＣＢが突起１ａと同じ面側（開口部２の上面側）にずれている。この絶縁層３ａの流動が抑制されることによって、樹脂成分の移動量と、それに追随して移動する充填剤の移動量の差が小さくなるので、従来の抑制されていない場合に比べて、開口部内の樹脂の充填剤濃度が高くなる。このため、突起１ａを有する面側の放熱性が向上する。この結果、放熱性の向上した回路基板を得ることができ、突起１ａを有する面側に発熱源となる回路素子を搭載した場合に、効率的に放熱することが可能となる。

また第１実施形態では、突起１ａを有する開口部２の下面側において、開口部端に沿って設けられたへたり１ｂを備える。このようにすることにより、絶縁層５の流動が促進され、開口部内における絶縁層３ａと絶縁層５ａとの接合面ＣＢの位置が突起１ａと同じ面側にさらにずれる。このため、絶縁層３ａの流動が一層抑制され、開口部内の絶縁層３ａに含有される充填材の割合が増加するので、従来の接合面がずれていない場合に比べて、突起１ａと同じ面側の放熱性が向上する。

さらに、第１実施形態では、回路素子２０が、突起１ａと同じ側の配線層４の上に設けられているので、放熱性が向上した上面側において、回路素子２０から発生した熱を効率的に金属基板１に伝導するので、放熱性の高い回路装置を得ることができる。

（第１実施形態の変形例）
図６は、本発明の第１実施形態の変形例に係る金属基板を備えた回路基板を有する回路装置を示した断面図である。第１実施形態の変形例では、金属基板１の開口部２の端に設けられた突起１ａを、ＬＳＩチップ２０を搭載する側（開口部２の上面側）ではなく、開口部２の下面側に突起１ａを形成している。それ以外については、第１実施例と同様である。

第１実施形態の変形例では、開口部端に沿って設けられた突起１ａに起因して、開口部内における絶縁層３ｂと絶縁層５ｂとの接合面が開口部２の下面側にずれている。このため、従来の接合面がずれていない場合の充填材の割合と比較して、開口部内の絶縁層５ｂに含有される充填材の割合が増加し、開口部内の絶縁層３ｂに含有される充填材の割合が減少するので、開口部２の上面側の放熱性は低下するものの、下面側の放熱性は向上することになる。

さらに第１実施形態の変形例では、金属基板１の上面側と下面側における配線パターン層４，６の配線密度の差に起因した圧縮応力（上面側に掛かる圧縮応力）による回路基板１０Ａの反りが、金属基板１の上面側と下面側における絶縁層３，５の膨張（特に横方向の膨張）の差に起因して生じる引張応力（上面側に掛かる引張応力）によって低減されるため、配線マイグレーションの発生や樹脂絶縁層の剥がれを抑制することができるとともに、回路素子などの実装時における搬送エラーの誘発を防ぐことができるなど、回路基板１０Ａの信頼性を向上させることができる。

以下に、金属基板１の上面側と下面側における絶縁層３，５の膨張の差に起因して生じる引張応力について説明する。金属基板１と絶縁層３，５との間には、熱膨張率の差に起因して引張応力（絶縁層が膨張しようとする力）が働くが、通常は金属基板１と絶縁層３との間の引張応力と、金属基板１と絶縁層５との間の引張応力は、均衡が取れてほぼ釣り合っている。しかしながら、絶縁層５の膨張については、絶縁層５に食い込むように設けられた突起１ａによるアンカー効果によって制限されるため、絶縁層３の膨張に比べて小さく抑えられる。この結果、各絶縁層に起因する引張応力の均衡がくずれ、絶縁層３と絶縁層５の差分の引張応力が回路基板１０Ａに対して作用することになる。

（第２実施形態）
図７は、本発明の第２実施形態に係る金属基板を備えた回路基板を有する回路装置を示した断面図である。第１実施形態と異なる箇所は、金属基板１の開口部２の端に設けられた突起１ａを、金属基板１の開口部すべてに設けるのではなく、突起を設けない開口部２ｂ（端部１ｃ）を混合して形成していることである。それ以外については、第１実施形態と同様である。

第２実施形態においても、部分的に金属基板１の開口部端に突起１ａが設けられているため、その部分においては第１実施形態と同様、従来の接合面がずれていない場合の充填材の割合と比較して、開口部内の絶縁層３ａに含有される充填材の割合が増加し、上面側の放熱性が向上することになる。この結果、開口部２の上面側において放熱性の向上した回路基板１０Ｂおよびそれを用いた回路装置５０Ｂが得られる。

また、突起１ａを有する開口部２を、発熱源となる回路素子２０の周囲もしくは近傍に配置することで、効果的に放熱性能に優れた回路装置５０Ｂを提供することができる。

（第３実施形態）
図８は、本発明の第３実施形態に係る金属基板を備えた回路基板を有する回路装置を示した断面図である。第１実施形態と異なる箇所は、金属基板１の上面側に突起１ａ（反対側はへたり１ｂ）を有する開口部２と、金属基板１の下面側に突起１ａ（反対側はへたり１ｂ）を有する開口部２ａとを混合して形成していることである。尚、図中では、上面側と下面側に１箇所の突起を有する例を示しているが、実際には、搭載する回路素子２０の位置に応じて効果的に放熱できるように、開口部２（上面側の突起１ａ）と開口部２ａ（下面側の突起１ａ）を配置している。それ以外については、第１実施形態と同様である。

第３実施形態では、金属基板１の開口部２，２ａに突起１ａが設けられた領域において選択的に放熱性を高めることができるので、回路基板の上面側および下面側に効率的に回路素子２０を配置することができ、開口部２の突起１ａがない回路基板に回路素子を搭載する場合に比べて、放熱性に優れた回路装置５０Ｃを提供することができる。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

例えば、上記実施形態では、ＬＳＩチップが装着された回路装置に本発明を適用したが、本発明はこれに限らず、ＬＳＩチップ以外の回路素子が装着された回路装置にも適用可能である。

また、上記実施形態では、金属基板を用いた例について説明したが、レーザ照射またはドリル加工によって突起が形成されれば、樹脂基板であってもよい。

さらに、上記実施形態では、金属基板の両面に絶縁膜および配線層が順次形成された２層配線構造の回路基板およびそれを用いた回路装置に本発明を適用する例を説明したが、本発明はこれに限らず、２層配線構造の回路基板の配線層上に、一層以上の絶縁膜および配線層がさらに形成された回路基板およびそれを用いた回路装置にも適用可能である。

本発明の第１実施形態に係る金属基板を備えた回路基板を有する回路装置を示した断面図である。図１中の金属基板の開口部近傍の拡大図である。本発明の第１実施形態に係る金属基板を備えた回路基板を有する回路装置の製造プロセスを説明するための断面図である。本発明の第１実施形態に係る金属基板を備えた回路基板を有する回路基板の製造プロセスを説明するための断面図である。本発明の第１実施形態に係る金属基板を備えた回路基板を有する回路基板の製造プロセスを説明するための断面図である。本発明の第１実施形態の変形例に係る金属基板を備えた回路基板を有する回路基板を示した断面図である。本発明の第２実施形態に係る金属基板を備えた回路基板を有する回路基板の製造プロセスを説明するための断面図である。本発明の第３実施形態に係る金属基板を備えた回路基板を有する回路基板の製造プロセスを説明するための断面図である。従来の一般的なＢＧＡの概略構成を説明するための図である。従来の金属基板を備えた回路基板を有する回路装置の構造を概略的に示した断面図である。図１０中の回路基板のスルーホール近傍の拡大図である。

符号の説明

１金属基板
１ａ開口部の突起
１ｂ開口部の丸みを帯びた角部
２開口部
３，５絶縁層
３ａ，５ａ開口部内の絶縁層
４，６配線層（配線パターン層）
７スルーホール
８導体層
１０回路基板
２０ＬＳＩチップ
２１半田ボール
５０回路装置

Claims

基板と、
前記基板に設けられた開口部と、
前記基板の一方の面に、第１の絶縁層を介して設けられた第１の配線層と、
前記基板の他方の面に、前記第１の絶縁層と同じ組成である第２の絶縁層を介して設けられた第２の配線層と、
前記開口部を介して前記基板を貫通し、前記第１の配線層と第２の配線層とを接続する導体層と、
を備え、
前記基板の前記一方の面側において、前記開口部の端に沿って突起を設け、
前記開口部の、前記突起とは反対側の開口端部に沿って丸みを帯びた角部を設け、
前記第１の絶縁層および前記第２の絶縁層は、それぞれ絶縁層の放熱性を向上させるための充填材を含有し、
前記開口部内における前記突起側の充填材の濃度が、前記開口部内における前記丸みを帯びた角部側の充填材の濃度よりも高いことを特徴とした回路基板。
請求項１に記載の回路基板と、
前記回路基板に搭載された回路素子と、を備え、
前記回路素子は、前記基板の前記一方の面側において前記第１の配線層に接続されていることを特徴とした回路装置。
前記回路素子は、前記突起を有する開口部に隣接して配置されていることを特徴とした請求項２に記載の回路装置。