JP5258208B2

JP5258208B2 - 回路装置及びその製造方法

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Publication number: JP5258208B2
Application number: JP2007143859A
Authority: JP
Inventors: 清司柴田; 良輔臼井; 恭典井上
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2006-11-30
Filing date: 2007-05-30
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2027-05-30
Also published as: JP2008141156A

Description

本発明は、回路装置および回路装置の製造方法に関する。

近年、電子機器の小型化、高機能化に伴い、電子機器に使用される回路素子のさらなる小型化が求められている。回路素子の小型化に伴い、配線基板に実装するための電極間の狭ピッチ化が不可欠となっている。回路素子の表面実装方法として、回路素子の電極にはんだバンプを形成し、はんだバンプと配線基板の電極パッドとをはんだ付けするフリップチップ実装方法が知られている。フリップチップ実装方法では、はんだバンプ自体の大きさや、はんだ付け時のブリッジ発生などが制約となり、電極の狭ピッチ化に限界があった。このような限界を克服するための構造として、基材をハーフエッチすることによって形成した突起構造を電極またはビアとし、基材にエポキシ樹脂などの絶縁樹脂を介して回路素子を装着し、突起構造に回路素子の電極を接続する構造が知られている（特許文献１および特許文献２参照）。
特開平９−２８９２６４号公報特開２０００−６８６４１号公報

従来のように絶縁樹脂としてエポキシ樹脂を用いて、突起構造を絶縁樹脂に埋め込むようにして配線層、絶縁樹脂および回路素子を積層させると、エポキシ樹脂の流動性の低さが原因となって、突起構造とこれに対向する回路素子の電極との界面に樹脂の残膜が介在し、接続信頼性が低下するという問題があった。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、突起構造と回路素子の電極との接続信頼性を向上させる技術の提供にある。

本発明のある態様は、回路装置である。この回路装置は、回路素子と、突起部が設けられた放熱部材と、放熱部材と回路素子との間に設けられた絶縁樹脂層とを備え、突起部は、放熱部材と同一材料からなり放熱部材と一体的に設けられており、放熱部材を絶縁樹脂層に圧着することにより、突起部が絶縁樹脂層を貫通し、突起部と回路素子とが熱的に接続されており、突起部は、回路素子に接する上面部と、上面部に近づくにつれて径が細くなるように形成された側面部とを有し、上面部に近づくにつれて、突起部の径が細くなる度合いが、上端部において上端部以外に比べてより大きい。

本発明の他の態様は、回路装置の製造方法である。この回路装置の製造方法は、突起部の高さと放熱部材の厚さとの和より大きい厚さを有する金属板を準備する工程と、金属板をエッチングすることにより、放熱部材と一体的に突起部を形成する突起部形成工程と、回路素子と金属板とを絶縁樹脂層を介して圧着し、突起部が絶縁樹脂層を貫通することにより、突起部と回路素子とを熱的に接続する圧着工程と、を備え、突起部形成工程において、突起部の形状を上面部に近づくにつれて径が細くなるように形成するとともに、上面部に近づくにつれて突起部の径が細くなる度合いが、上端部において上端部以外に比べてより大きくなるように形成する。

なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。

本発明によれば、突起構造と回路素子の電極との接続信頼性が向上する。

本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る回路装置１０の構造を示す断面図である。回路装置１０は、配線層２０、絶縁樹脂層３０および回路素子４０がこの順で積層された構造を備える。

配線層２０は、銅などの金属部材からなり、所定の配線パターンを備える。配線層２０には、回路素子４０の各素子電極４２と対応する位置に突起電極２２が設けられている。また、各突起電極２２が形成されている部分の配線層２０の外面側にはんだバンプ２６が設けられている。

突起電極２２は、後述する素子電極４２の接触面と平行な上面部２７と、上面部２７に近づくにつれて径が細くなるように形成された側面部２８とを備えている。さらに、本実施形態の突起電極２２は、上面部２７に近づくにつれて突起電極２２の径が細くなる度合いが、上端部２９において上端部２９以外に比べてより大きくなっている。これにより、突起電極２２と絶縁樹脂層３０との界面の面積が増加するため、突起電極２２と絶縁樹脂層と３０の密着性が向上し、ひいては回路装置１０の信頼性が向上する。なお、本実施形態では、上面部２７を上辺とする台形の両上端部の角が削がれたような断面形状の突起電極２２が例示されている。突起電極２２は、絶縁樹脂層３０を貫通し、回路素子４０に設けられた素子電極４２と電気的に接続されている。

絶縁樹脂層３０は、配線層２０と回路素子４０との間に設けられ、一方の面が配線層２０と圧着し、他方の面が回路素子４０と圧着している。絶縁樹脂層３０は、加圧したときに塑性流動を引き起こす材料で形成されている。加圧したときに塑性流動を引き起こす材料としては、エポキシ系熱硬化型樹脂が挙げられる。絶縁樹脂層３０に用いられるエポキシ系熱硬化型樹脂は、たとえば、温度１６０℃、圧力８ＭＰａの条件下で、粘度が１ｋＰａ・ｓの特性を有する材料であればよい。また、温度１６０℃の条件下で、この材料は、１５ＭＰａで加圧した場合に、加圧しない場合と比較して、樹脂の粘度が約１／８に低下する。これに対して、熱硬化前のＢステージのエポキシ樹脂は、ガラス転移温度Ｔｇ以下の条件下では、樹脂の加圧しない場合と同程度に、粘性がなく、加圧しても粘性は生じない。

回路素子４０は、素子電極４２が設けられた電極面を絶縁樹脂層３０側に向けて絶縁樹脂層３０に圧着されている。回路素子４０の具体例は、集積回路（ＩＣ）、大規模集積回路（ＬＳＩ）などの半導体チップである。

はんだバンプ２６が設けられていない部分の配線層２０の外面、および配線層２０が形成されていない部分の絶縁樹脂層３０の外面には、ソルダーレジスト６２が被覆されている。ソルダーレジスト６２により、はんだバンプ２６をリフロー工程などを用いて実装基板に接合する際に、配線層２０および絶縁樹脂層３０が熱によって損傷することが抑制されている。

本実施形態の回路装置１０は、絶縁樹脂層３０として加圧により塑性流動を起こす材料が用いられているため、配線層２０、絶縁樹脂層３０および回路素子４０をこの順で圧着し、一体化する際に、突起電極２２と素子電極４２との間に絶縁樹脂層３０の残膜が介在することが抑制され、接続信頼性の向上が図られる。

（回路装置の製造方法）
図２（Ａ）〜図２（Ｃ）は、突起電極２２の形成方法を示す工程断面図である。

まず、図２（Ａ）に示すように、少なくとも、突起電極２２の高さと配線層２０の厚さとの和より大きい厚さを有する銅板２４を用意する。本実施形態では、銅板２４の厚さは１２５μｍである。

次に、図２（Ｂ）に示すように、リソグラフィ法により、電極形成領域にレジスト（図示せず）を選択的に形成し、レジストをマスクとして、銅板２４に所定のパターンの突起部２５を形成する。各突起部２５は、回路素子４０に形成された各素子電極４２の位置に対応して設けられる（図３（Ａ）参照）。

次に、図２（Ｃ）に示すように、アルゴン（Ａｒ）スパッタにより、突起部２５の頂部のエッジを削ぎ、突起電極２２を形成する。本実施形態の突起電極２２の高さ、上面の径および基面の径は、それぞれ６０μｍ、２０μｍφおよび６０μｍφである。

図３（Ａ）〜図３（Ｃ）および図４（Ａ）〜図３（Ｃ）およびは、突起電極２２と素子電極４２との接続方法および配線層２０の形成方法を示す工程断面図である。

図３（Ａ）に示すように、所定パターンの素子電極４２が形成された回路素子４０と、上述の方法で突起電極２２が作り込まれた銅板２４との間に、絶縁樹脂層３０を狭持する。絶縁樹脂層３０の膜厚は、突起電極２２の高さ程度である。プレス装置を用いて加圧成形することにより、回路素子４０、絶縁樹脂層３０および銅板２４を一体化する。プレス加工時の圧力および温度は、それぞれ約１５ＭＰａおよび１８０℃である。プレス加工により、突起電極２２が絶縁樹脂層３０を貫通し、突起電極２２と素子電極４２とが電気的に接続される。突起電極２２が上面部に近づくにつれて径が細くなるように形成された側面部を有することにより、突起電極２２が絶縁樹脂層３０にスムースに貫通する。

プレス加工時の圧力により、絶縁樹脂層３０の粘度が低下し、絶縁樹脂層３０は塑性流動を起こす。これにより、突起電極２２と素子電極４２との界面５０から絶縁樹脂層３０が押し出されて、絶縁樹脂層３０の一部が界面５０に残存しにくくなる（図３（Ｂ）参照）。

次に、図３（Ｃ）に示すように、銅板２４の裏面側の全体をエッチングすることにより、銅板２４を配線層の厚さに調整する。本実施形態の配線層の厚さは３５μｍである。

次に、図４（Ａ）に示すように、リソグラフィ法により、配線層のパターンに合わせてレジスト６０を選択的に形成する。具体的には、ラミネーター装置を用いて銅板２４に膜厚２０μｍのレジスト膜を貼り付け、配線層のパターンを有するフォトマスクを用いてＵＶ露光した後、Ｎａ_２ＣＯ_３溶液を用いて現像し、未露光領域のレジストを除去することによって、銅板２４の上にレジスト６０が選択的に形成される。なお、レジスト６０との密着性向上のために、レジスト膜のラミネート前に、銅板２４の表面に研磨、洗浄等の前処理を必要に応じて施すことが望ましい。

次に、図４（Ｂ）に示すように、塩化第二鉄溶液を用いて、銅板２４の露出部分をエッチングすることにより、所定の配線パターンを有する配線層２０を形成し、レジストをＮａＯＨ溶液などの剥離剤を用いて剥離した後た後、はんだバンプを形成する領域を残して、配線層２０および絶縁樹脂層３０の外面にソルダーレジスト６２をプリント印刷する。

次に、図４（Ｃ）に示すように、突起電極２２に対応する部分の配線層２０上にはんだバンプ２６を形成する。

以上説明した製造工程により、図１に示した構造の回路装置１０が得られる。なお、上述の回路装置１０では、プレス加工によって突起電極２２が素子電極４２に接続したときに、素子電極４２は変形を受けていないが、図５に示すように、突起電極２２の先端部分が素子電極４２に食い込むようにしてもよい。これによれば、突起電極２２と素子電極４２とをより確実に電気的に接続することができ、回路装置１０の接続信頼性がさらに向上する。図５のように、突起電極２２の先端部分を素子電極４２に食い込ませるためには、プレス加工時の圧力、加圧時間等の加圧条件を調節すればよい。

（実施形態２）
上述した実施形態１では、配線層２０が単層であったが、配線層は多層であってもよい。図６は、実施形態２に係る回路装置１０の断面構造を示す。本実施形態の回路装置１０は、配線層が多層になっている。

実施形態２の回路装置１０の製造方法は、実施形態１と基本的には同様である。実施形態２の回路装置１０の製造方法では、１層目の絶縁樹脂層３０ａを介して、配線層２０ａと回路素子４０を圧着し、突起電極２２ａと素子電極４２とを電気的に接続した後、図４（Ｃ）に示したはんだバンプ２６の形成に代えて、２層目となる絶縁樹脂層３０ｂを介して、２層目となる配線層２０ｂが圧着される。２層目となる配線層２０ｂにも、図２（Ａ）〜図２（Ｃ）と同様な工程を経ることにより、配線層２０ａと同様に突起電極２２ｂが設けられている。２層目の配線層２０ｂの圧着は、図３（Ａ）〜図４（Ｃ）に示した工程を繰り返すことにより実現される。これにより、突起電極２２ｂと配線層２０ａとが電気的に接続する。

これによれば、多層配線のビルドアップをより簡便に行うことができるとともに、多層配線内の接続信頼性および多層配線と回路素子との接続信頼性を向上させることができる。

（実施形態３）
図７（Ａ）は、実施形態３に係る回路装置をチップ側から見た斜視図である。また、図７（Ｂ）は、実施形態３に係る回路装置を配線側から見た斜視図である。また、図７（Ｃ）は、図７（Ａ）のＡ−Ａ’線（図７（Ｂ）のＢ−Ｂ’線）の断面図である。

本実施形態の回路装置１００は、ＬＳＩ１１０、受動部品１２０および絶縁樹脂層１３０を含むマルチチップモジュール（ＭＣＭ）である。絶縁樹脂層１３０には、所定の位置に認識マーク１３２が設けられている。また、絶縁樹脂層１３０には、両主面間を貫通するビア（突起電極）１３３が設けられている。絶縁樹脂層１３０の一方の主面上に複数個のＬＳＩ１１０および受動部品１２０が搭載され、絶縁樹脂層１３０の他方の主面上には、所定パターンの配線層２００が形成されている。なお、図７（Ａ）〜（Ｃ）では、はんだバンプ等の部材は省略されている。

図８（Ａ）〜図８（Ｅ）および図９（Ａ）〜図９（Ｃ）は回路装置１００の製造方法を示す工程断面図である。まず、図８（Ａ）に示すように、絶縁樹脂層１３０の所定の箇所をドリル加工、レーザ加工などにより掘削して認識マーク１３２を形成する。絶縁樹脂層１３０として、加圧により塑性流動を起こす材料を用いる。絶縁樹脂層１３０の膜厚は、たとえば、３０μｍとすることができる。

次に、図８（Ｂ）に示すように、絶縁樹脂層１３０の所定の位置にパッド電極１４０を設置した後、認識マーク１３２を用いて、ＬＳＩ１１０および受動部品１２０を対応するパッド電極１４０上の所望の位置に設置する。このとき、絶縁樹脂層１３０が熱硬化しない程度の温度（たとえば、８０℃）で加熱しながら、ＬＳＩ１１０および受動部品１２０を絶縁樹脂層１３０に数秒程度の短時間で仮接着する。

次に、図８（Ｃ）に示すように、トランスファーモールド法などを用いて、封止樹脂１７０によって、絶縁樹脂層１３０、ＬＳＩ１１０および受動部品１２０をパッケージ化する。

次に、図８（Ｄ）に示すように、認識マーク１３２に対応する認識マーク１８０が形成され、かつ突起電極１８２が作り込まれた銅板１８４を用意する。続いて、図８（Ｅ）に示すように、対応する認識マーク１３２と認識マーク１８０とを合わせることにより、銅板１８４を位置決めし、高精度貼り合せ装置を用いて、パッド電極１４０と突起電極１８２とを接合させる。貼り付け条件は、たとえば、圧力５ＭＰａ、温度１８０℃である。

次に、銅板１８４の外面にドライフィルムレジスト（図示せず）をラミネートし、所定パターンのＵＶ（ｉ線）を露光した後、０．７％ＮａＣＯ_３水溶液を用いて現像し、ドライフィルムレジストを所定のマスクパターンとする。さらに、塩化第二鉄溶液を用いて銅板１８４の露出部分をエッチングすることにより、図９（Ａ）に示すように、所定の配線パターンを有する配線層２００を形成し、ドライフィルムレジストを２％ＮａＯＨ水溶液を用いて剥離する。

次に、図９（Ｂ）に示すように、はんだバンプを形成する領域を残して、配線層２００および絶縁樹脂層１３０の外面にフォトソルダーレジスト２１０をプリント印刷する。フォトソルダーレジスト２１０の膜厚は、たとえば、３０μｍとすることができる。

次に、図９（Ｃ）に示すように、突起電極１８２に対応する部分の配線層２００上にはんだバンプ２２０を形成する。この後、ダイシング加工により、所定の大きさに切り出すことにより、回路装置１００を作製することができる。

（実施形態４）
図１０（Ａ）は、実施形態４に係る回路装置の構造を示す断面図である。図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）の点線Ｃ部分の要部拡大図である。本実施の形態の回路装置３００は、マイクロプロセッサ、チップセット、ビデオチップ、メモリなどの機能が１チップ（システムＬＳＩ）に集積されたＳｏＣ（System On a Chip）である。一般に、９０ｎｍ以降の世代のＬＳＩは、ゲート長の縮小に伴うリーク電流の増加により、ＬＳＩ自身が高発熱体となる。

回路装置３００は、絶縁樹脂層３１０の一方の主面上に素子電極３５０を介してシステムＬＳＩ３２０が搭載された構造を有する。絶縁樹脂層３１０の他方の主面上には、所定パターンの配線層３３０が形成され、配線層３３０にはんだバンプ３４０が接合されている。配線層３３０と素子電極３５０とは、絶縁樹脂層３１０を貫通するビア３１２によって電気的に接続されている。

システムＬＳＩ３２０の上には、加圧により塑性流動を起こす絶縁樹脂層３６０を介して銅などの金属からなる放熱板３７０が設けられている。絶縁樹脂層３６０には、サーマルビア３６２が設けられており、放熱板３７０とシステムＬＳＩ３２０とが熱的に接続されている。これにより、高発熱体であるシステムＬＳＩ３２０で発生した熱が速やかに放熱板３７０に伝導するので、低コストかつ簡単な構造にて、回路装置３００の放熱性を高めることができる。

なお、サーマルビア３６２は、放熱板３７０に予め形成された金属製の突起部である。当該突起部は、先端になるにつれて径が細くなるように形成された側面部を有する。突起部が設けられた放熱板３７０をプレス装置を用いて加圧成形することにより、放熱板３７０とシステムＬＳＩ３２０とを熱的に接続するサーマルビア３６２を形成することができる。

本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。

例えば、上述の各実施の形態では、配線層の最外面にはんだバンプが形成されているが、これに限られない。たとえば、最外層の配線層にＭＯＳトランジスタを接着し、ＭＯＳトランジスタのソース電極、ドレイン電極およびゲート電極を最外層の配線層に電気的に接続してもよい。

また、上述したような突起電極を用いて加圧により塑性流動を引き起こす絶縁樹脂層を介して異なる配線層間を電気的に接続する手段は、ウエハレベルＣＳＰ(Chip Size Package)プロセスと呼ばれる半導体パッケージの製造プロセスに適用することができる。ウエハレベルＣＳＰプロセスは、半導体装置のパッケージサイズを半導体チップとほぼ同じ寸法にする目的で、チップを切断することなく、ウエハ状態のままでパッケージングまでの工程を行う技術である。たとえば、ウエハレベルＣＳＰプロセスにおける再配線層の形成プロセスにおいて、加圧により塑性流動を引き起こす材料で構成された絶縁樹脂層を介して、上述したような突起電極が形成された配線層を構築する工程をウエハ全体で必要に応じて繰り返すことができる。これによれば、接続信頼性を損なうことなく、ウエハレベルＣＳＰのさらなる小型化を図ることができる。また、従来の半導体パッケージ製造プロセスに比べて、配線層の構築を簡便に行うことができるため、半導体パッケージの製造コストを低減することができる。

実施形態１に係る回路装置の構造を示す断面図である。突起電極の形成方法を示す工程断面図である。図３（Ａ）〜図３（Ｃ）は、突起電極と素子電極との接続方法および配線層の形成方法を示す工程断面図である。図４（Ａ）〜図４（Ｃ）は、突起電極と素子電極との接続方法および配線層の形成方法を示す工程断面図である。突起電極の先端部分が素子電極に食い込んだ状態の回路装置の構造を示す断面図である。実施形態２に係る回路装置の構造を示す断面図である。図７（Ａ）は、実施形態３に係る回路装置をチップ側から見た斜視図である。また、図７（Ｂ）は、実施形態３に係る回路装置を配線側から見た斜視図である。図７（Ｃ）は、図７（Ａ）のＡ−Ａ’線（図７（Ｂ）のＢ−Ｂ’線）の断面図である。図８（Ａ）〜図８（Ｅ）は、実施の形態３に係る回路装置の製造方法を示す工程断面図である。図９（Ａ）〜図９（Ｃ）は、実施の形態３に係る回路装置の製造方法を示す工程断面図である。図１０（Ａ）は、実施形態４に係る回路装置の構造を示す断面図である。図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）の点線Ｃ部分の要部拡大図である。

符号の説明

１０回路装置、２０配線層、２２突起電極、２４銅板、２６はんだバンプ、３０絶縁樹脂層、４０回路素子、４２素子電極。

Claims

回路素子と、
突起部が設けられた放熱部材と、
前記放熱部材と前記回路素子との間に設けられた絶縁樹脂層と、
を備え、
前記突起部は、前記放熱部材と同一材料からなり前記放熱部材と一体的に設けられており、
前記放熱部材を前記絶縁樹脂層に圧着することにより、前記突起部が前記絶縁樹脂層を貫通し、前記突起部と前記回路素子とが熱的に接続されており、
前記突起部は、前記回路素子に接する上面部と、前記上面部に近づくにつれて径が細くなるように形成された側面部とを有し、前記上面部に近づくにつれて、前記突起部の径が細くなる度合いが、上端部において前記上端部以外に比べてより大きい、
ことを特徴とする回路装置。
突起部の高さと放熱部材の厚さとの和より大きい厚さを有する金属板を準備する工程と、
前記金属板をエッチングすることにより、前記放熱部材と一体的に突起部を形成する突起部形成工程と、
回路素子と前記金属板とを絶縁樹脂層を介して圧着し、前記突起部が前記絶縁樹脂層を貫通することにより、前記突起部と前記回路素子とを熱的に接続する圧着工程と、
を備え、
前記突起部形成工程において、前記突起部の形状を上面部に近づくにつれて径が細くなるように形成するとともに、前記上面部に近づくにつれて前記突起部の径が細くなる度合いが、上端部において前記上端部以外に比べてより大きくなるように形成する、
ことを特徴とする回路装置の製造方法。