JP5362104B2 - 応力緩衝層及びその作製方法 - Google Patents

Description

本発明は、応力緩衝層に関し、更に具体的には、プリント基板とチップ部品の接合部などに加わる応力の緩和や、部品実装時の信頼性向上に適した応力緩衝層及びその作製方法に関するものである。

チップ部品のプリント基板への実装においては、一般的に半田を介してチップ部品と基板とが電気的に接続される。また、配線ピッチの変換や再配線機能を付与するために、チップ部品とプリント基板との間に、インターポーザが挿入される場合もある。一般に、基板，インターポーザ，部品の構成材料は同一ではないため、プロセス中あるいは使用環境条件の熱による膨張は、それぞれその程度が異なる。したがって、基板，インターポーザ，部品が互いに半田で接続される半田接合部に応力が集中し、クラック等の接続不良が発生するおそれがある。このため、半田接合部にかかる応力を緩和できる構造が求められている。

このような半田接合部にかかる応力を緩和する技術が特開２００８−２４４３１１号公報（特許文献１）に開示されている。特許文献１に記載の半導体パッケージ基板は、半導体素子と電気的に接続する第１の回路導体層と、外部部品と電気的に接続するための接続端子を有する第２の回路導体層と、前記第１及び第２の回路導体層の間に設けられた絶縁層と、該絶縁層を貫通し、第１の回路導体層と第２の回路導体層とを電気的に接続するビアとを備え、絶縁層が２層構造を有し、第２の回路導体側に設けられた第２の絶縁層のヤング率が、第１の回路導体層側に設けられた第１の絶縁層のヤング率よりも低いことを特徴としている。

特開２００８−２２７０２０号公報（特許文献２）に別の開示例がある。特許文献２は、複数の突起状電極が実装面全体に分布するように配置された電子部品チップが、前記突起状電極を介して基板に実装される電子部品の実装構造において、電子部品動作中の温度上昇により突起状電極に発生する応力を緩和させることにより、電子部品の信頼性の向上を図ることを課題としている。そして、その解決手段として、前記電子部品チップの前記実装面の中心部から外側に向かって、分布密度が高くなるように前記突起状電極を配置したことが開示されている。前記突起状電極の具体例として、はんだバンプが挙げられている。

特開２００８−２０５１８４号公報（特許文献３）には、半導体素子の接続端子に接続部材を介して回路基板と電気的に接続する実装構造であって、前記接続部材が、柱状部を有する導電性突起を有し、前記半導体素子の表面に水平な面で仕切った前記柱状部の断面の断面積が、前記半導体素子の接続端子の表面積より小さいことが開示されている。前記回路基板と半導体素子とは、接続部材の導電性部材によって電気的に接合されている。

特開２００８−２４４３１１号公報（第１図） 特開２００８−２２７０２０号公報（第１図） 特開２００８−２０５１８４号公報（第２図）

しかしながら、以上のような背景技術には、次のような不都合がある。まず、前記特許文献１あるいは特許文献２に記載の技術においては、応力緩和の効果が接合部に対して間接的であり、接合部応力を直接的に緩和することができず、高い効果が得られないという課題があった。また、前記特許文献３の技術においては、応力を緩和する部位のサイズが、電極サイズと同等程度に大きいため、応力の緩和に十分な変位量を発生することができず、接合部の応力を完全には吸収しきれないという課題があった。

本発明の一実施態様によって、接合部における応力を十分に緩和し、実装信頼性を高めることができる応力緩衝層が提供される。

本発明の一実施形態に係る応力緩衝層は、電子部品の実装が可能であって、厚み方向に貫通する多数の孔が設けられた板状の基材の孔に、導電体が充填された多数の内部電極を有する貫通電極層を備えるとともに、前記板状の基材は、弁金属の陽極酸化により得られた多孔質の酸化物基材の少なくとも一部を、該酸化物基材よりもヤング率が低い絶縁材料で置き換えてなることを特徴とする。

本発明の一実施形態に係る応力緩衝層は、前記板状の基材の両主面の近傍に、前記酸化物基材よりもヤング率が小さい絶縁材料を設けたことを特徴とする。他の形態は、前記ヤング率の低い絶縁材料が、樹脂であることを特徴とする。更に他の形態は、前記貫通電極層の両主面のそれぞれに設けられており、前記多数の内部電極のうちの少なくとも一部の内部電極を介して互いに導電接続される外部導体層，を備えたことを特徴とする。更に他の形態は、前記貫通電極層の両主面に、前記外部導体層と接続しない内部電極の端部を被覆する可撓性樹脂の層を設けたことを特徴とする。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。

本発明の一実施態様によれば、接合部における応力を十分に緩和し、実装信頼性を高めることができる応力緩衝層が提供される。

本発明の実施例１を示す図であり、(A)は本実施例を部品実装に適用した状態を示す図，(B)は本実施例の応力緩衝シートの主要断面図，(C)は前記応力緩衝シートの作用を示す断面図である。 前記実施例１の応力緩衝シートの製造工程の一例を示す断面図である。 前記図２(E)の工程で形成された金属のナノピラーアレイを示すＳＥＭ画像である。 本発明の実施例２のインターポーザを示す図であり、(A)は主要断面図，(B)は応力がかかった状態を示す断面図である。 前記実施例２のインターポーザの製造工程の一例を示す図である。 前記実施例２のインターポーザを利用した回路モジュールの一例を示す断面図である。

以下、本発明を実施するための形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。

最初に、図１〜図３を参照しながら本発明の実施例１を説明する。本実施例は、配線基板と電子部品の接合部材として利用される応力緩衝シートに、本発明を適用したものである。図１(A)は、本実施例を部品実装に適用した状態を示す図，図１(B)は本実施例の応力緩衝シートの主要断面図，図１(C)は前記応力緩衝シートの作用を示す断面図である。図２は、本実施例の応力緩衝シートの製造工程の一例を示す断面図，図３は、図２(E)の工程で形成された金属ナノピラーアレイを示すＳＥＭ画像である。本実施例の応力緩衝シート１０は、例えば、図１(A)に示すように、配線基板２０の端子部２２Ａ，２２Ｂと、電子部品２４の端子部２４Ａ，２４Ｂ間の接合部材として用いられ、前記配線基板２０に電子部品２４を実装するプロセスや使用環境条件における熱により、部材間の熱膨張係数の相違により生じる応力を吸収ないし緩和することにより、実装信頼性の向上を図るものである。

図１(B)に示すように、本実施例の応力緩衝シート１０は、多数の柱状の内部電極（金属ピラー）１４の間に樹脂１２が充填された貫通電極層１３と、貫通電極層１３の表裏の主面（つまり、上面及び下面）に設けられた外部導体層１６Ａ，１６Ｂとを備える。前記多数の内部電極１４は、後述するように弁金属の陽極酸化により得られる多孔質の酸化物基材３０（図２参照）を利用して形成されたもので、該内部電極１４の形成後に酸化物基材３０が除去され、その代わりに前記酸化物基材３０よりもヤング率が低い樹脂１２が充填されている。前記内部電極１４は、高アスペクト比であって、顕著な可撓性を有する。本明細書における内部電極１４のアスペクト比とは、内部電極１４の径と長さ（厚み）の比率である。また、前記樹脂１２も、ヤング率が低いため、前記内部電極１４とともに変形が可能である。このため、前記配線基板２０と電子部品２４間を、前記応力緩衝シート１０で接続することにより、応力が接合部にかかった際には、図１(C)に示すように、内部電極１４及び樹脂１２，すなわち、貫通電極層１３全体が、同図に矢印で示すように変形して応力を吸収する。

次に、図２も参照しながら、本実施例の製造方法の一例を説明する。まず、図２(A)に示すように、弁金属の陽極酸化により高アスペクト比の多数の孔３２が形成された酸化物基材３０を用意する。本実施例では、弁金属としてＡｌ（アルミニウム）を利用し、酸化物基材３０（ポーラスＡｌ_２Ｏ_３）を得た。なお、陽極酸化による孔３２の形成手法は公知である。次に、前記酸化物基材３０の主面３０Ｂに、図２(B)に示すようにシード層３４を形成する。そして、前記シード層３４をシードとして、図２(C)に示すように、前記孔３２の内側に電極材料であるメッキ導体を埋め込み、多数の内部電極１４を形成する。内部電極１４は、酸化物基材３０の多数の孔３２の全てに形成される必要はなく、成型後の応力緩衝シート１０の上面と下面との間で用途に応じて十分に低い電気抵抗が得られるように充填されればよい。内部電極１４の両端は、図２(C)から明らかなように、酸化物基材３０の上面及び下面と実質的に面一に形成される。次に、前記図２(C)に点線で示す位置で前記シード層３４を除去し、図２(D)に示すように、酸化物基材３０の両主面３０Ａ，３０Ｂに、外部導体層１６Ａ，１６Ｂを設ける。外部導体層１６Ａ，１６Ｂは、酸化物基材３０の両主面３０Ａ，３０Ｂの少なくとも一方に、内部電極１４と電気的に接続するように設けられる。内部電極１４は、酸化物基材３０の両主面３０Ａ，３０Ｂと実質的に面一に構成されているので、外部導体層１６Ａ，１６Ｂを酸化物基材３０の両主面３０Ａ，３０Ｂに載置することにより、内部電極１４との電気的接続が確保される。そして、図２(E)に示すように前記酸化物基材３０を選択的に除去すると、径が数１０〜数１００ｎｍ，長さ（厚み）が数１００ｎｍ〜数１０μｍの内部電極１４からなる金属ナノピラーアレイが形成される。図２(E)にには、酸化物基材３０が全て除去された例が示されているが、酸化物基材３０の一部のみを除去してもよい。図３には、前記図２(E)の工程において、メッキ導体がＮｉであって、選択除去の薬液としてＮａＯＨを利用した場合の金属ナノピラーアレイのＳＥＭ画像が示されている。

最後に、前記図２(E)に示す空隙３６（つまり、酸化物基材３０が除去された部分）に、樹脂１２を含浸させると、応力緩衝シート１０が得られる。前記図２(E)に示す工程で除去される酸化物基材３０は、本実施例では、アルミナであり、そのおおよそのヤング率は、４００ＧＰａである。一方、前記図２(F)の工程で空隙３６に充填される樹脂１２のヤング率は、例えば、エポキシの場合で０．０１〜１ＧＰａ，Ｓｉ樹脂の場合で１〜５ＧＰａ，ポリイミドの場合で１〜５ＧＰａ，ＢＣＢの場合で１〜５ＧＰａ程度である。このように、樹脂１２は前記酸化物基材３０よりもヤング率が低いため、内部電極１４の可撓性による変形を妨げることなく、内部電極１４と一体となって弾性変形可能となっている。

該応力緩衝シート１０を、例えば、半導体チップの外部接続端子部（図１の電子部品２４の端子部２４Ａ，２４Ｂなど）に搭載し、ユーザに提供する。ユーザ側で前記応力緩衝シート１０付きの半導体チップを、配線基板２０に実装するときに、熱膨張等による基板／チップ間の変位量の差異が発生した場合にも、図１(B)に示すように、応力緩衝シート１０が変形してその差異を吸収し、良好な端子接続が確保される。

なお、前記樹脂１２としては、例えば、エポキシ，Ｓｉ樹脂，ポリイミド，ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン樹脂）などが利用される。また、本実施例では、実装性を向上させるため、前記外部導体層１６Ａ，１６Ｂを半田で形成した。内部電極１４を形成するメッキ導体としては、メッキが可能な延性の強い低抵抗
金属であることが好ましく、Ａｕ，ＣｕやＡｇなどが利用される。なお、上述したように、本実施例の応力緩衝シート１０を搭載した状態でチップ（電子部品）を提供できると、ユーザ側での実装プロセスの変更を必要としないため、好ましい。あるいは、チップのパッド（端子部）上に、内部電極１４を直接形成してもよい。更に、応力緩衝シート１０の化学的／機械的強度を確保するため、内部電極１４と外部導体層１６Ａ，１６Ｂの間に、他の導体を挿入してもよい。

以上のように配線基板２０に搭載された応力緩衝シート１０では、電流経路の実効的な断面積は、シート面積の例えば１／２〜１／３程度になるが、金属である複数の内部電極１４を利用して接合するため、十分に低い抵抗値が確保できる。応力緩衝シート１０の総厚は、例えば、数１００ｎｍ〜数１０μ程度，内部電極１４のアスペクト比（ＡＲ比）が数１０〜数１０００である。

このように、実施例１によれば、弁金属の陽極酸化により得られた多孔質の酸化物基材３０を鋳型として利用し、厚み方向に貫通する多数の内部電極１４を形成した後、前記酸化物基材３０を選択的に除去して金属ナノピラーアレイを形成し、前記酸化物基材３０よりもヤング率が小さい樹脂１２を、前記金属ナノピラーアレイの空隙３６に充填し、貫通電極層１３を得る。そして、前記貫通電極層１３の表裏両面に設けた外部導体層１６Ａ，１６Ｂを介して、配線基板２０と電子部品２４に接合することとした。このため、プロセスや使用環境条件における熱により、部材間の熱膨張係数の相違により生じる応力を、可撓性を有する内部電極１４の変形を利用した応力緩衝シート１０が吸収し、両者の接合信頼性を高めることができる。また、前記内部電極１４をアレイ状とすることにより、接続数が増えるため、接合部の機械的強度と、十分に低い接続抵抗を確保することができる。

次に、図４〜図６を参照しながら本発明の実施例２を説明する。本実施例は、本発明をインターポーザに適用した例である。図４は、本実施例のインターポーザを示す図であり、(A)は主要断面図，(B)は応力がかかった状態を示す断面図である。図５は、本実施例のインターポーザの製造工程の一例を示す図，図６は、本実施例のインターポーザを利用した回路モジュールの一例を示す断面図である。なお、上述した実施例１と同一ないし対応する構成要素には、同一の符号を用いることとする。図４(A)に示すように、本実施例のインターポーザ５０は、多数の柱状の内部電極１４が厚み方向に貫通した貫通電極層５２と、該貫通電極層５２の表裏の主面５２Ａ，５２Ｂに前記多数の内部電極１４の一部と導電接続するように設けられた外部導体層５６，５８とを備える。本実施例では、前記貫通電極層５２は、弁金属を陽極酸化して得られる多孔質の酸化物基材３０と、その表裏面（上下面）近傍に設けられた樹脂１２によって形成された応力緩衝部５４Ａ，５４Ｂを含んでいる。該応力緩衝部５４Ａ，５４Ｂでは、前記酸化物基材３０よりもヤング率が低い樹脂１２が、内部電極１４の可撓性を妨げることがないため、応力がかかると、図４(B)に示すように変形し、応力を吸収ないし緩和することができる。

次に、図５を参照しながら、本実施例の製造工程の一例を説明する。まず、上述した実施例１の図２(A)〜(C)に示す工程と同様にして、図５(A)に示すように、弁金属の陽極酸化により得られた酸化物基材３０の多数の孔を利用して、厚み方向に貫通した多数の内部電極１４を形成する。酸化物基材３０や内部電極１４の材料としては、前記実施例１と同様のものが利用される。次に、図５(B)に示すように、前記酸化物基材３０に埋め込み形成された内部電極１４の端部１４Ａ，１４Ｂが所定の長さで露出するように、前記酸化物基材３０の表裏の主面３０Ａ，３０Ｂを所定の厚さで削る。次に、図５(C)に示すように、前記工程で露出させた部分を覆うように、樹脂１２を含浸させる。そして、同図５(C)に点線で示す位置で、樹脂１２を切除し、前記内部電極１４の両端部１４Ａ，１４Ｂを露出させる（図５(D)）。これにより、図５(D)から明らかなように、内部電極１４は、その端部１４Ａ，１４Ｂが、基材の表面に設けられた樹脂１２の表面と実質的に面一になるように構成される。最後に、図５(E)に示すように、複数の内部電極１４のうちの一部を貫通電極層５２の表裏で電気的に接続するように、主面５２Ａ，５２Ｂの一部に外部導体層５６，５８を形成し、本実施例のインターポーザ５０を得る。前記樹脂１２としては、前記実施例１と同様の材料が利用され、外部導体層５６，５８としては、例えば、Ｃｕ，Ｎｉ，半田及びこれらの積層電極が利用される。

以上のようにして得られたインターポーザ５０は、例えば、総厚が数１０μｍ〜数１００μｍであって、応力緩衝部５４Ａ，５４Ｂの厚さが数１００ｎｍ〜数１０μｍ程度である。なお、図５に示す工程では省略したが、外部導体層５６，５８と接続しない内部電極１４を保護するために、前記外部導体層５６，５８を形成する前に、貫通電極層５２の主面５２Ａ，５２Ｂを、図示しない可撓性樹脂で一旦被覆し、その後、外部導体層５６，５８を設ける部位のみに、開口窓を設ける工程を追加してもよい。

次に、図６を参照して、本実施例の応用例を説明する。図６に示す回路モジュール６０は、本実施例のインターポーザ５０と、その表面に実装された電子部品２４，２６とを備える。図示の例では、インターポーザ５０には、貫通電極層５２の表裏の主面５２Ａ，５２Ｂに、外部導体層５６，５８と接続しない内部電極１４を保護するための可撓性樹脂からなる絶縁層６２が設けられている。インターポーザ５０の表面側の外部導体層５６は、電子部品２４の端子部２４Ａ，２４Ｂ及び電子部品２６の端子部（図示せず）に、接合部２５Ａ，２５Ｂ，２６Ａ，２６Ｂを介して接続されている。前記接合部２５Ａ，２５Ｂ，２６Ａ，２６Ｂとしては、例えば、半田などが利用される。一方、前記インターポーザ５０の裏面側の外部導体層５８は、前記電子部品２４，２６と接続された内部電極１４と接続する配線あるいは電極パッドとして利用される。前記外部導体層５８は、実装用ランドとしての機能を有しており、例えば、図示しないマザーボードの表面のランド上に、導電性接合材を介して導電接続される。あるいは、外部導体層５８は、電子部品２４，２６とマザーボードとの配線ピッチ変換のための再配線層として用いられる。

このように、実施例２によれば、電子部品２４，２６と基板（図示しないマザーボードなど）の間を、インターポーザ５０の多数の内部電極１４で接続することとした。このため、上述した実施例１と同様の作用により、電子部品２４，２６及び基板の応力が、インターポーザ５０の応力緩衝部５４Ａ，５４Ｂによって吸収されるため、実装信頼性を高めることができる。

なお、本発明は、上述した実施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内において種々変更を加え得ることができる。例えば、以下のものも含まれる。(1)前記実施例における形状，寸法は一例であり、必要に応じて適宜変更してよい。(2)前記実施例で示した材料も一例であり、同様の効果を奏する範囲内で適宜変更してよい。例えば、前記実施例１では、酸化物基材３０を得るための弁金属としてアルミニウムを利用したが、陽極酸化が可能な金属であれば、公知の各種の金属が適用可能である。(3)前記実施例１では、酸化物基材３０を鋳型として利用し、該酸化物基材３０を全て除去し、その代わりに樹脂１２を内部電極１４間の空隙３６に充填し、前記実施例２では、酸化物基材３０の表裏面近傍のみを樹脂１２で置き換えた応力緩衝部５４Ａ，５４Ｂを設けることとしたが、酸化物基材３０と樹脂１２の置き換え程度は、必要に応じて適宜変更可能である。つまり、酸化物基材３０の全部又は一部を樹脂１２で置換することが可能であり、酸化物基材３０の置換される部分は適宜変更可能である。(4)前記実施例で示した電子部品２４，２６や配線基板２０との接続形態も一例であり、同様の効果を奏するように適宜設計変更可能である。(5)前記実施例２では、本発明を回路モジュール６０のインターポーザ５０として利用することとしたが、これも一例であり、例えば、インターポーザを兼ねつつ、配線設計可能なモジュール基板としての利用や、インピーダンス素子として利用してもよい。

本発明の様々な実施形態は、内部電極の顕著な可撓性とヤング率が低い絶縁材料の変形を利用し、実装部品の接合部にかかる応力を吸収ないし緩和することができるので、応力緩衝層に適用できる。特に、半田接合部に加わる応力を緩和することができるため、実装信頼性を高めるための接合部材の用途に好適である。特に、高温下での動作保証が求められる車載部品や、複数種の材料や複数の電極ピッチが混在する部品搭載基板等で、その効果が顕著に現れる。

１０：応力緩衝シート１２：樹脂１３：貫通電極層１４：内部電極（金属ピラー）１４Ａ，１４Ｂ：端部１６Ａ，１６Ｂ：外部導体層２０：配線基板２２Ａ，２２Ｂ：端子部２４，２６：電子部品２４Ａ，２４Ｂ：端子部２５Ａ，２５Ｂ，２６Ａ，２６Ｂ：接合部３０：酸化物基材３０Ａ，３０Ｂ：主面３２：孔３４：シード層３６：空隙５０：インターポーザ５２：貫通電極層５２Ａ，５２Ｂ：主面５４Ａ，５４Ｂ：応力緩衝部５６，５８：外部導体層６０：回路モジュール６２：絶縁層

Claims (6)

1. 弁金属の陽極酸化物よりもヤング率が小さい絶縁材料からなる絶縁材料層によって上面及び下面が覆われ、前記絶縁材料層の間に、弁金属の陽極酸化物よりなる酸化物を備え前記上面及び下面を貫く多数の貫通孔が設けられた板状の基材と、前記多数の貫通孔に充填され、電子部品と直接又は間接に導電接続される内部電極と、を備える応力緩衝層であって、前記内部電極の両端が、前記電子部品と接続される前の時点で、前記基材の上面及び下面と実質的に面一に形成されている応力緩衝層。
2. 前記絶縁材料が、樹脂である請求項１
   に記載の応力緩衝層。
3. 前記板状の基材の上面又は下面の少なくとも一方に設けられ、前記多数の内部電極のうちの少なくとも一つと導電接続される外部導体層をさらに備える請求項１又は２に記載の応力緩衝層。
4. 弁金属の陽極酸化により得られ、その上面と下面とが多数の貫通孔により貫かれた酸化物基材を準備する工程と、前記多数の貫通孔に内部電極を充填する工程と、前記酸化物基材の上面と下面の少なくとも一部を除去する工程と、少なくとも前記酸化物基材が除去された部分に、前記酸化物基材よりもヤング率の小さな絶縁材料からなる絶縁材料層を、前記内部電極の端部を覆うように設ける工程と、前記絶縁材料層の一部を除去し、前記内部電極の両端を露出させる工程と、を備える応力緩衝層の作製方法。
5. 前記絶縁材料層表面に、前記内部電極の端部と導電接続されるように外部導体層を設ける工程をさらに含む請求項４に記載の応力緩衝層の作製方法。
6. 弁金属の陽極酸化により得られ、その上面と下面とが多数の貫通孔により貫かれた酸化物基材を準備する工程と、前記多数の貫通孔に内部電極を充填する工程と、前記酸化物基材の上面及び下面に、前記内部電極の両端と導電接続されるように外部導体層を設ける工程と、前記酸化物基材の少なくとも一部を除去する工程と、少なくとも前記酸化物基材が除去された部分に、前記酸化物基材よりもヤング率の小さな絶縁材料からなる絶縁材料層を設ける工程と、を備える応力緩衝層の作製方法。