JP4855753B2

JP4855753B2 - 多層配線基板及びその製造方法

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Publication number: JP4855753B2
Application number: JP2005290357A
Authority: JP
Inventors: 圭史郎岡本; 守倉科; 知行阿部
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2005-10-03
Filing date: 2005-10-03
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2025-10-03
Also published as: US20100024963A1; US8257542B2; JP2007103605A; US7622184B2; US20070077391A1

Description

本発明は、半導体装置の試験等に用いられる多層配線基板及びその製造方法に関する。

半導体装置が形成されたウェハの電気的試験等において、プローブと半導体装置の端子とを接触させる際にテスターボード（多層配線基板）が用いられる。プローブ及び端子は極めて狭い間隔で配置されているため、多層配線基板には高い寸法精度が要求される。近年、ウェハのサイズが大きくなっており、特に直径が３００ｍｍのウェハの試験に用いられる多層配線基板には極めて高い寸法精度が要求される。また、多層配線基板は高温下で使用されることもある。このため、多層配線基板のコア基材及び／又は表層には、高温でも変形しにくい熱膨張率が低い材料が用いられている。例えば、熱膨張性が極めて低いインバー（Ｆｅ−Ｎｉ系合金）、コバール（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金）又は炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Carbon Fiber Reinforced Plastics）をコア基材とした多層配線基板が実用化されている。

また、多層配線基板の構造に関し、コア基材から表層部にかけて熱膨張率αが小さくなるような積層構造が採用されている。例えば、炭素繊維含浸樹脂材（α＝１）をガラス繊維含浸樹脂材（α＝１５）で挟み込み、これらを薄膜多層樹脂材（α＝２０）で挟み込んだ構造が採用されている。このような構造とすることにより、異種材間の界面での熱膨張率の差を低く抑えることができる。

しかしながら、上述のような構造を採用しても、約１５０℃の高温下で内部応力が界面に集中し、多層配線基板が反ったり、クラックが発生したりすることがある。また、スルーホール（貫通孔）内に配線を形成する際の銅めっき液の浸み込みに起因する短絡が生じることもある。この結果、高温高湿下での信頼性試験に用いることができなくなってしまう。

特開２００３−２７３４８２号公報特開平３−１０４１９１号公報特開平５−２８６７７６号公報

本発明は、高温下での寸法の変動を抑制することができる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。

本発明に係る多層配線基板には、基材と、前記基材上に形成された複数の配線層と、が設けられている。そして、前記基材には、第１の繊維群と、前記第１の繊維群よりも前記配線層側に配置され、前記第１の繊維群よりも熱膨張係数が高い第２の繊維群と、が設けられている。前記第１の繊維群は、ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維、短繊維系炭素繊維及び不織布系炭素繊維からなる群から選択された１種の炭素繊維から構成されており、前記第２の繊維群は、前記第１の繊維群を構成する炭素繊維に拘わらず、ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維、短繊維系炭素繊維及び不織布系炭素繊維からなる群から選択された１種の炭素繊維から構成されている。

本発明に係る多層配線基板の製造方法では、第１の繊維群と、前記第１の繊維群よりも熱膨張係数が高い第２の繊維群と、を重ね合わせて基材を形成した後、前記基材の前記第２の繊維群上に複数の配線層を形成する。前記第１の繊維群として、ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維、短繊維系炭素繊維及び不織布系炭素繊維からなる群から選択された１種の炭素繊維から構成された炭素繊維群を用い、前記第２の繊維群として、前記第１の繊維群を構成する炭素繊維に拘わらず、ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維、短繊維系炭素繊維及び不織布系炭素繊維からなる群から選択された１種の炭素繊維から構成された炭素繊維群を用いる。

本発明によれば、基板の各部において熱膨張率の差が緩やかになるため、熱膨張率を低く抑えながら温度上昇に伴う内部応力の発生を抑制することができる。従って、信頼性及び歩留まりが向上する。

以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。但し、ここでは、便宜上、多層配線基板の構造については、その製造方法と共に説明する。図１Ａ乃至図１Ｌは、本発明の実施形態に係る多層配線基板の製造方法を工程順に示す断面図である。

本実施形態では、先ず、ピッチ系で炭素繊維目付が３００ｇ／ｍ²、引張り弾性率が６００ＧＰａの平織りのカーボンファイバーシート１を、例えば５０層積層した積層体（第１の炭素繊維群）を形成する。また、ピッチ系で炭素繊維目付が１００ｇ／ｍ²、引張り弾性率が４００ＧＰａの一方向織りのカーボンファイバーシート２を、例えば２層積層した積層体（第２の炭素繊維群）を２組作製する。カーボンファイバーシート２の炭素繊維目付をカーボンファイバーシート１のそれよりも低くしているのは、カーボンファイバーシート２の熱膨張率をカーボンファイバーシート１のそれよりも高くするためである。次に、図１Ａに示すように、カーボンファイバーシート１の積層体を２組のカーボンファイバーシート２の積層体で挟み込む。

次いで、図１Ｂに示すように、カーボンファイバーシート１及び２の積層体に、例えばエポキシ系樹脂組成物を含浸し、この樹脂を固化させる。この結果、カーボンファイバーシート１及び２並びにエポキシ系樹脂組成物からなる樹脂材３を含むプリプレグ４が形成される。プリプレグ４のサイズについては、例えば厚さを１．０ｍｍとし、平面形状を３４０ｍｍ×５１０ｍｍの長方形とする。なお、エポキシ系樹脂組成物には、例えば、組成物全体に対する含有率が夫々１０重量％のアルミナフィラー及びシリカフィラーを混合しておく。また、アルミナフィラーとしては、例えば平均粒径が７μｍ以下で熱膨張率が７ｐｐｍ／Ｋのものを用いる。シリカフィラーとしては、例えば平均粒径が３μｍ以下で熱膨張率が３ｐｐｍ／Ｋのものを用いる。

このようにして形成されたプリプレグ４の厚さ方向（Ｚ方向）の平均熱膨張率は、例えば８０ｐｐｍ／Ｋ程度となり、表面に平行な方向（Ｘ方向及びＹ方向）の平均熱膨張率は２ｐｐｍ／Ｋ程度となる。なお、平均熱膨張率は、２５℃〜２００℃の温度範囲内での熱膨張率の平均値である。なお、フィラーを混合するのは、樹脂材３の熱膨張率を、配線を構成する金属材料、例えばＣｕの熱膨張係数に近付けるためである。例えば、Ｃｕ配線が用いられる場合、その熱膨張率は１７ｐｐｍ／Ｋであるのに対し、樹脂材３がエポキシ系樹脂組成物のみから構成された場合、その熱膨張率は３０ｐｐｍ／Ｋ乃至６０ｐｐｍ／Ｋ程度である。そこで、Ｃｕよりも熱膨張率が低いアルミナフィラー及び／又はシリカフィラーをエポキシ系樹脂組成物に分散させることにより、熱膨張率を調整しているのである。

その後、図１Ｃに示すように、ドリルを用いて直径が０．５ｍｍの約１０００個の貫通孔５をプリプレグ４に形成する。なお、孔５の数、位置及び形状は特に限定されず、配線引き回しの設計情報を考慮してこれらを決定すればよい。

続いて、図１Ｄに示すように、絶縁樹脂シート６をプリプレグ４の両面に貼り付ける。絶縁樹脂シート６としては、例えば熱可塑性ポリイミドシートを用いる。絶縁樹脂シート６の貼り付けは、例えば真空ラミネータを用いて、温度：１２０℃、圧力：０．１ＭＰａの条件で行う。

次に、２００℃で３０分間、真空プレスを行うことにより、図１Ｅに示すように、絶縁樹脂材を貫通孔６内に充填する。このとき、プリプレグ４の両面に残存する部分の厚さを、例えば０．０５ｍｍとする。なお、絶縁樹脂材の充填は、既存のラミネータ、真空ラミネータ又は積層板プレス機を用いて行うことも可能である。

次いで、図１Ｆに示すように、ＵＶ−ＹＡＧレーザを用いて、貫通孔５内に充填された絶縁樹脂材の中心に直径が０．２ｍｍの貫通孔７を形成する。なお、貫通孔７は、炭酸ガスレーザ又はエキシマレーザを用いて形成することも可能である。また、プラズマを用いたドライエッチング法により形成することも可能である。更に、ドリルを用いて機械的に形成することも可能である。

その後、樹脂残渣等の除去及び表面の改質を目的として、過マンガン酸を用いたデスミア処理を行う。続いて、全面に触媒の付与を行った後、図１Ｇに示すように、全面に無電解銅めっき膜をシード層８として形成する。更に、その上にドライフィルムレジスト膜を貼り付ける。ドライフィルムレジスト膜の貼り付けは、例えば真空ラミネータを用いて、温度：１１０℃、圧力：０．１ＭＰａの条件で行う。なお、シード層８は、貫通孔７内にも形成する。ドライフィルムレジスト膜の貼り付け後には、ドライフィルムレジスト膜を配線パターンの形状に加工する。この加工では、例えばフォトリソグラフィ法により、ドライフィルムレジスト膜の配線を形成する予定の領域内の部分を除去する。そして、加工後のドライフィルムレジスト膜をマスクとしてシード層８をエッチングすることにより、シード層８を配線パターンの形状に加工する。なお、エッチング液としては、例えば過酸化水素水及び硫酸の混合液を用いることができる。その後、ドライフィルムレジスト膜を除去する。ドライフィルムレジスト膜の除去では、例えば６０℃程度の水酸化ナトリウム系の水溶液にドライフィルムレジスト膜等を５分間程度浸漬すればよい。酸素アッシング等により灰化してもよい。

次に、シード層８上に電解銅めっき膜を形成させることにより、図１Ｈに示すように、配線９を形成する。なお、無電解銅めっき膜を形成する前に貫通孔７内にもシード層８が存在するため、配線９は貫通孔７内にも形成される。

次に、図１Ｉに示すように、例えば感光性のポリイミドからなる絶縁樹脂シート１０をプレスしながら配線９上に貼り付ける。次いで、図１Ｊに示すように、フォトリソグラフィ法により絶縁樹脂シート１０に配線９まで到達する孔１１を形成する。

その後、全面に触媒の付与を行った後、図１Ｋに示すように、新たに、無電解銅めっき膜からなるシード層８の形成及び加工、並びに電解銅めっき膜からなる配線９の形成を行う。そして、絶縁樹脂シート１０の形成から配線９の形成までの処理を繰り返すことにより、図１Ｌに示すように、両面に総計で５層ずつ配線層を形成する。続いて、スクリーン印刷法及びフォトリソグラフィ法を併用してオーバーコート層を形成することにより、多層配線基板を完成させる。

このようにして製造された多層配線基板では、基材であるプリプレグ４を構成するカーボンファイバーシート２の熱膨張率がカーボンファイバーシート１の熱膨張率よりも高い。このため、プリプレグ４の熱膨張率は、その厚さ方向において、中央部から表面に向かって徐々に高くなっている。シード層８、配線９及び絶縁樹脂シート１０からなる表面層の熱膨張率はプリプレグ４のそれよりも高い。従って、本実施形態によれば、プリプレグ４と表面層との間の熱膨張率の差をより一層緩和することができる。つまり、従来の構造では、コア基材とその上の層との間に１５ｐｐｍ／Ｋ以上の熱膨張差があるために、熱膨張率の相違に起因する内部応力が発生することがあるが、本実施形態によれば、このような不具合を抑制することができる。このため、高温高湿下で使用されても寸法の変動がより一層抑制され、ウェハの信頼性試験への適用に好適である。

実際に、本願発明者らが上述の実施形態に倣って作製した多層配線基板について試験を行ったところ次のような結果が得られた。この試験では、（１）−６５℃に３０分間保持した後、＋１２５℃に３０分間保持するという熱サイクルを１０００サイクル繰り返した。この結果、接続抵抗の変化率は＋５％以下であった。また、貫通孔７の近傍等においても剥がれ及びクラックは発生しなかった。また、導通孔７に配線８を形成する際の銅めっき液の浸み込みに起因する短絡も観察されなかった。

一方、従来の方法で作製したプリプレグを用いた多層配線基板について同様の試験を行ったところ、貫通孔の中央部に短絡が観察された。

なお、炭素繊維として、ＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）系炭素繊維、短繊維系炭素繊維、不織布系炭素繊維等を用いてもよい。ＰＡＮ系炭素繊維を用いる場合には、例えば、カーボンファイバーシート１として、炭素繊維目付が４５０ｇ／ｍ²、引張り弾性率が５００ＧＰａの平織りのカーボンファイバーシートを用い、カーボンファイバーシート２として、炭素繊維目付が１００ｇ／ｍ²、引張り弾性率が３００ＧＰａの一方向織りのカーボンファイバーシート２を用いることができる。実際に、本願発明者らがこのような材料を用いて作製した多層配線基板について同様の試験を行ったところ、上述の実施形態と同様の結果が得られた。

また、プリプレグ（基材）を構成する繊維群として、炭素繊維群の他にガラス繊維群を用いてもよい。

また、熱膨張率の調整を炭素繊維目付の調整以外の方法により行ってもよい。例えば、表面層側のカーボンファイバーシートの積層体（第２の炭素繊維群）を構成する炭素繊維の熱膨張率を、中心部のカーボンファイバーシートの積層体（第１の炭素繊維群）を構成する炭素繊維の熱膨張率よりも高くしてもよい。また、第２の炭素繊維群の単位体積当たりの繊維密度を、第１の炭素繊維群の繊維密度よりも低くしてもよい。これは、炭素繊維群の繊維密度が高いほど、単位面積当たりの炭素繊維量が高くなり、この結果、炭素繊維群の引張弾性率が高くなると共に、熱膨張率が小さくなるためである。これらは、ガラス繊維群を用いる場合も同様である。更に、第２の炭素繊維群のカーボン純度を、第１の炭素繊維群のカーボン純度よりも低くしてもよい。これは、カーボン純度が高いほど、炭素固有の物性が得やすくなり、この結果、弾性率が高くなり、熱膨張率が小さくなるためである。

また、表面層を構成する絶縁樹脂シート１０に熱膨張率及び弾性率等の物性の変化を設けてもよい。例えば、プリプレグ４と接する絶縁樹脂シート１０の熱膨張率を、その上層の絶縁樹脂シート１０の熱膨張率よりも低くすることが好ましい。つまり、絶縁樹脂シート１０の熱膨張率を、プリプレグ４と接する部分において最も低くすることが好ましい。このような変化を設けることにより、より一層多層配線基板全体での熱膨張率の変化を緩やかにすることができるからである。絶縁樹脂シート１０の熱膨張率の調整も、それに含有させる繊維の密度等を変化させることにより可能である。弾性率等の物性についても、プリプレグ４と接する絶縁樹脂シート１０の物性を、他のその上層の絶縁樹脂シート１０の物性との中間とすることにより、プリプレグ４と表面層との界面近傍に発生する応力を低減することができる。

また、上述の実施形態では、５０層のカーボンファイバーシート１の積層体を、２層のカーボンファイバーシート２の積層体で挟み込んで、厚さが１．０ｍｍのプリプレグ４を形成しているが、薄い複数のプリプレグを重ね合わせてもよい。この場合、例えば、先ず、１０層のカーボンファイバーシート１の積層体を２層のカーボンファイバーシート２の積層体で挟み込んで、厚さが０．２ｍｍのプリプレグを形成する。そして、このプリプレグを５個重ね合わせて真空プレスを行うことにより、厚さが１．０ｍｍのプリプレグを形成する。但し、このようなプリプレグを用いる場合でも、中心部に位置する第１の炭素繊維群よりも表面層側に位置する第２の炭素繊維群の熱膨張率を高くする。

なお、特許文献１には、コア層を炭素繊維と絶縁性樹脂層との積層構造とすることが記載されている。しかし、熱膨張率との関係についての記載はない。

また、特許文献２には、電子部品が実装されるプリント配線板の熱膨張率を調整することが記載されている。しかし、多層配線基板との関係についての記載はない。

また、特許文献３には、半導体実装用基板において、金属層とセラミックス層との間に中間層を設け、この中間層中の金属の含有率に勾配を設けることが記載されている。しかし、多層配線基板との関係及び熱膨張率との関係についての記載はない。

以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。

（付記１）
基材と、
前記基材上に形成された複数の配線層と、
を有し、
前記基材は、
第１の繊維群と、
前記第１の繊維群よりも前記配線層側に配置され、前記第１の繊維群よりも熱膨張係数が高い第２の繊維群と、
を有することを特徴とする多層配線基板。

（付記２）
前記配線層は、前記基材の両側に配置されており、
前記第２の繊維群は、前記第１の繊維群の両側に配置されていることを特徴とする付記１に記載の多層配線基板。

（付記３）
前記基材は、前記第１及び第２の繊維群に含浸された樹脂材を有することを特徴とする付記１又は２に記載の多層配線基板。

（付記４）
前記第２の繊維群を構成する繊維の熱膨張率は、前記第１の繊維群を構成する繊維の熱膨張率よりも高いことを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載の多層配線基板。

（付記５）
前記第２の繊維群の単位体積当たりの繊維密度は、前記第１の繊維群の繊維密度よりも低いことを特徴とする付記１乃至４のいずれか１項に記載の多層配線基板。

（付記６）
前記第１及び第２の繊維群は、炭素繊維群又はガラス繊維群であることを特徴とする付記１乃至５のいずれか１項に記載の多層配線基板。

（付記７）
前記第２の繊維群のカーボン純度は、前記第１の繊維群のカーボン純度よりも低いことを特徴とする付記６に記載の多層配線基板。

（付記８）
前記第１及び第２の繊維群は、ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維、短繊維系炭素繊維及び不織布系繊維からなる群から選択された１種から構成されていることを特徴とする付記６又は７に記載の多層配線基板。

（付記９）
前記配線層は、絶縁層内に埋め込まれており、前記絶縁層の熱膨張率は、前記基材と接する部分において最も低くなっていることを特徴とする付記１乃至８のいずれか１項に記載の多層配線基板。

（付記１０）
第１の繊維群と、前記第１の繊維群よりも熱膨張係数が高い第２の繊維群と、を重ね合わせて基材を形成する工程と、
前記基材の前記第２の繊維群上に複数の配線層を形成する工程と、
を有することを特徴とする多層配線基板の製造方法。

（付記１１）
前記基材を形成する工程において、前記第２の繊維群を前記第１の繊維群の両側に配置し、
前記複数の配線層を前記基材の両側に形成することを特徴とする付記１０に記載の多層配線基板の製造方法。

（付記１２）
前記基材を形成する工程は、前記第１及び第２の繊維群に樹脂材を含浸する工程を有することを特徴とする付記１０又は１１に記載の多層配線基板の製造方法。

（付記１３）
前記第２の繊維群として、それを構成する繊維の熱膨張率が前記第１の繊維群を構成する繊維の熱膨張率よりも高いものを用いることを特徴とする付記１０乃至１２のいずれか１項に記載の多層配線基板の製造方法。

（付記１４）
前記第２の繊維群として、その単位体積当たりの繊維密度が前記第１の繊維群の繊維密度よりも低いものを用いることを特徴とする付記１０乃至１３のいずれか１項に記載の多層配線基板の製造方法。

（付記１５）
前記第１及び第２の繊維群として、炭素繊維群又はガラス繊維群を用いることを特徴とする付記１０乃至１４のいずれか１項に記載の多層配線基板の製造方法。

（付記１６）
前記第２の繊維群として、そのカーボン純度が前記第１の繊維群のカーボン純度よりも低いものを用いることを特徴とする付記１５に記載の多層配線基板の製造方法。

（付記１７）
前記第１及び第２の繊維群として、ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維、短繊維系炭素繊維及び不織布系繊維からなる群から選択された１種から構成された炭素繊維群を用いることを特徴とする付記１５又は１６に記載の多層配線基板の製造方法。

（付記１８）
前記配線層を形成する工程は、前記複数の配線層の間に絶縁層を形成する工程を有し、前記絶縁層の熱膨張率を、前記基材と接する部分において最も低くすることを特徴とする付記１０乃至１７のいずれか１項に記載の多層配線基板の製造方法。

本発明の実施形態に係る多層配線基板の製造方法を示す断面図である。図１Ａに引き続き、多層配線基板の製造方法を示す断面図である。図１Ｂに引き続き、多層配線基板の製造方法を示す断面図である。図１Ｃに引き続き、多層配線基板の製造方法を示す断面図である。図１Ｄに引き続き、多層配線基板の製造方法を示す断面図である。図１Ｅに引き続き、多層配線基板の製造方法を示す断面図である。図１Ｆに引き続き、多層配線基板の製造方法を示す断面図である。図１Ｇに引き続き、多層配線基板の製造方法を示す断面図である。図１Ｇに引き続き、多層配線基板の製造方法を示す断面図である。図１Ｇに引き続き、多層配線基板の製造方法を示す断面図である。図１Ｇに引き続き、多層配線基板の製造方法を示す断面図である。図１Ｇに引き続き、多層配線基板の製造方法を示す断面図である。

符号の説明

１、２：カーボンファイバーシート
３：樹脂材
４：プリプレグ
５、７、１１：孔
６、１０：絶縁樹脂シート
８：シード層
９：配線

Claims

基材と、
前記基材上に形成された複数の配線層と、
を有し、
前記基材は、
第１の繊維群と、
前記第１の繊維群よりも前記配線層側に配置され、前記第１の繊維群よりも熱膨張係数が高い第２の繊維群と、
を有し、
前記第１の繊維群は、ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維、短繊維系炭素繊維及び不織布系炭素繊維からなる群から選択された１種の炭素繊維から構成されており、
前記第２の繊維群は、前記第１の繊維群を構成する炭素繊維に拘わらず、ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維、短繊維系炭素繊維及び不織布系炭素繊維からなる群から選択された１種の炭素繊維から構成されていることを特徴とする多層配線基板。
前記配線層は、前記基材の両側に配置されており、
前記第２の繊維群は、前記第１の繊維群の両側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の多層配線基板。
前記基材は、前記第１及び第２の繊維群に含浸された樹脂材を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の多層配線基板。
前記配線層は、絶縁層内に埋め込まれており、
前記絶縁層の熱膨張率は、前記基材と接する部分において最も低くなっていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の多層配線基板。
第１の繊維群と、前記第１の繊維群よりも熱膨張係数が高い第２の繊維群と、を重ね合わせて基材を形成する工程と、
前記基材の前記第２の繊維群上に複数の配線層を形成する工程と、
を有し、
前記第１の繊維群として、ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維、短繊維系炭素繊維及び不織布系炭素繊維からなる群から選択された１種の炭素繊維から構成された炭素繊維群を用い、
前記第２の繊維群として、前記第１の繊維群を構成する炭素繊維に拘わらず、ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維、短繊維系炭素繊維及び不織布系炭素繊維からなる群から選択された１種の炭素繊維から構成された炭素繊維群を用いることを特徴とする多層配線基板の製造方法。
前記基材を形成する工程において、前記第２の繊維群を前記第１の繊維群の両側に配置し、
前記複数の配線層を前記基材の両側に形成することを特徴とする請求項５に記載の多層配線基板の製造方法。
前記基材を形成する工程は、前記第１及び第２の繊維群に樹脂材を含浸する工程を有することを特徴とする請求項５又は６に記載の多層配線基板の製造方法。
前記配線層を形成する工程は、前記複数の配線層の間に絶縁層を形成する工程を有し、
前記絶縁層の熱膨張率を、前記基材と接する部分において最も低くすることを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の多層配線基板の製造方法。