JP7337185B2 - 配線基板 - Google Patents

Description

本発明は、配線基板に関する。

配線基板は、例えば、特許文献１に示すように、複数の絶縁層と絶縁層の表面に形成された配線導体層を含んでいる。絶縁層にはビア導体が形成されており、このビア導体を介して、異なる絶縁層に形成された配線導体層間の電気的な接続、すなわち配線基板の厚み方向に電気的な接続が行われている。

特開２０１７－７３５２０号公報

本開示に係る配線基板は、第１絶縁層および第２絶縁層と、第１絶縁層と第２絶縁層の間に位置しており、第１ビアランドを含む第１配線導体層と、第２絶縁層上に位置しており、第２ビアランドを含む第２配線導体層と、第２絶縁層の上面から下面まで貫通するビアホールと、ビアホールに位置するとともに第１ビアランドと第２ビアランドとを電気的に接続しているビア導体とを含む。ビア導体は、ニクロムを含む第１下地層、および第１下地層の上面に位置するとともにビア導体と同じ金属を含む第２下地層を介して、ビアホールの内表面および第１ビアランド上に位置している。第１ビアランドと第１下地層との間には、第１配線導体層と同じ金属と錫とニクロムとを含む合金層が位置している。

本開示に係る配線基板の製造方法は、第１絶縁層上に位置するとともに第１ビアランドを含む第１配線導体層上に、第２絶縁層を、錫を含む金属層およびカップリング剤を含む層を介して積層させる工程と；第２絶縁層に、第２絶縁層の上面から下面まで貫通するビアホールを形成する工程と；ビアホールの内表面および第１ビアランドの上面に、ニクロムで形成された第１下地層を、スパッタリングによって形成する工程と；第１下地層の上面に、第２下地層を、スパッタリングによって形成する工程と；ビアホールにビア導体を形成する工程と；を含む。

本開示の一実施形態に係る配線基板を示す模式図である。 図１に示す領域Ｘを説明するための拡大説明図である。 図２に示す領域Ｙの一例を示す電子顕微鏡写真である。

従来、配線基板の絶縁層間のビア導体接続について問題があり、特に近年のデザインルールの微細化に伴い、ビア径も微細化されている。そのため、接続信頼性の問題がさらに注目されている。

本開示に係る配線基板は、上記のように、第１ビアランドと第１下地層との間に、第１配線導体層を形成している金属と錫とニクロムとの合金層が存在している。このような合金層は、ニクロムで形成された第１下地層よりもヤング率が小さい。これにより、合金層が存在すると、第１ビアランドと第１下地層との間で緩衝材として作用して、第１ビアランドとビア導体との間のクラック発生を低減することができる。さらに、このような合金層が存在することによって、第１ビアランドを形成している金属の結晶、第１下地層を形成しているニクロムの結晶、第２下地層を形成している金属の結晶、およびビア導体を形成している金属の結晶が、連続結晶で繋がり易くなる。言い換えれば、第１ビアランドを形成している金属の結晶、第１下地層を形成しているニクロムの結晶、第２下地層を形成している金属の結晶、およびビア導体を形成している金属の結晶の配向状態が同じになり易くなる。その結果、本開示に係る配線基板では、ビアランドとビア導体との接続信頼性が増加する。

本開示の一実施形態に係る配線基板を、図１および２に基づいて説明する。図１は、本開示の一実施形態に係る配線基板１を示す模式図である。

一実施形態に係る配線基板１は、複数の絶縁層１１と、絶縁層１１の表面に位置しており、ビアランド１３１を含む配線導体層１３と、絶縁層１１の上面から下面まで貫通するビアホールと、ビアホールに位置しているビア導体１４とを含む。

絶縁層１１は、絶縁性を有する素材で形成されていれば特に限定されない。絶縁性を有する素材としては、例えば、エポキシ樹脂、ビスマレイミド－トリアジン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、液晶ポリマーなどの樹脂が挙げられる。これらの樹脂は単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。絶縁層１１には、シリカ、アルミナ、硫酸バリウム、タルク、クレー、ガラス、炭酸カルシウム、酸化チタンなどの無機絶縁性フィラーが、さらに分散されていてもよい。

一実施形態に係る配線基板１において、複数の絶縁層１１のうち１層はコア層１１１であり、残りの絶縁層１１はビルドアップ層１１２である。コア層１１１は、例えば３０μｍ以上８ｍｍ以下の厚みを有している。最も使用される厚みは、１００μｍ以上８００μｍ以下である。

コア層１１１には、コア層１１１の上下面の配線導体層１３を電気的に接続するためのスルーホール導体１２が位置している。スルーホール導体１２は、コア層１１１の上下面を貫通するスルーホール内に位置している。スルーホール導体１２は、例えば、銅めっきなどの金属めっきで形成されている。スルーホール導体１２は、コア層１１１の両面に位置する配線導体層１３に接続している。スルーホール導体１２は、スルーホールの内壁面のみに形成されていてもよく、スルーホール内に充填されていてもよい。

ビルドアップ層１１２は、例えば１μｍ以上６０μｍ以下の厚みを有している。最も使用される厚みは、５μｍ以上２０μｍ以下である。ビルドアップ層１１２は、同じ樹脂でもよく、それぞれ異なる樹脂でもよい。

絶縁層１１の表面、すなわちコア層１１１の表面およびビルドアップ層１１２の表面には、配線導体層１３が位置している。配線導体層１３は銅などの導体、例えば銅箔や銅めっきで形成されている。配線導体層１３の厚みは、特に限定されず、例えば１μｍ以上３０μｍ以下である。最も適用される厚みは、４μｍ以上１２μｍ以下である。複数の配線導体層１３が存在する場合、配線導体層１３は同じ導体でもよく、それぞれ異なる導体でもよい。配線導体層１３の一部は、後述するビア導体１４を接続するためのビアランド１３１として使用される。

ビルドアップ層１１２には、ビルドアップ層１１２の上下面を電気的に接続するためのビア導体１４が形成されている。ビア導体１４は、ビルドアップ層１１２の上下面を貫通する孔（ビアホール）に銅などの導体、例えば銅めっきなどを析出させることによって得られる。ビルドアップ層１１２の上下面を貫通するビアホールは、例えば底部において５μｍ以上８０μｍ以下程度の内径を有している。ビアホールは、例えば、ＣＯ_２レーザー、ＵＶ－ＹＡＧレーザーなどのようなレーザー加工によって形成される。ビア導体１４は、ビアホール内を充填する状態で位置していてもよく、ビア導体１４が、ビアホール内表面に被着しており、かつビア導体１４が無い部分には樹脂が充填していても構わない。

図２は、図１に示す領域Ｘを説明するための拡大説明図である。図２においては、下側に位置している絶縁層を第１絶縁層１１ａ、上側に位置している絶縁層を第２絶縁層１１ｂとして説明する。第１絶縁層１１ａ上に位置している配線導体層およびビアランドをそれぞれ第１配線導体層１３ａおよび第１ビアランド１３１ａとして説明する。第２絶縁層１１ｂ上に位置している配線導体層およびビアランドをそれぞれ第２配線導体層１３ｂおよび第２ビアランド１３１ｂとして説明する。図２に示すように、第２絶縁層１１ｂに形成されたビアホールの内表面には、第１下地層１４１と、第１下地層１４１の表面に形成された第２下地層１４２が位置している。

第１下地層１４１はニクロムで形成されており、例えば５ｎｍ以上３０ｎｍ以下の厚みを有している。第２下地層１４２はビア導体１４と同じ金属で形成されている。すなわち、ビア導体１４が銅で形成されていれば、第２下地層１４２も銅で形成されている。第２下地層１４２は、例えば１５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の厚みを有している。

一実施形態に係る配線基板１においてビア導体１４の底部、すなわち、第１ビアランド１３１ａと第１下地層１４１との間には、合金層１３２が存在している。合金層１３２は、第１配線導体層１３ａ（第１ビアランド１３１ａ）を形成している金属と錫とニクロムとの合金で形成されている。例えば、第１配線導体層１３ａ（第１ビアランド１３１ａ）が銅で形成されている場合、合金層１３２は、銅と錫とニクロムとの合金で形成されている。

合金層１３２に含まれる錫は、第１ビアランド１３１ａの表面に形成されている錫を含む金属層１３３に存在している錫に由来する。後述する錫を含む金属層１３３およびカップリング剤を含む層１３４は、第１配線導体層１３ａ（第１ビアランド１３１ａ）と第２絶縁層１１ｂとの密着強度を向上させるために使用される。

このように錫を含む合金で形成された合金層１３２が存在していると、第１ビアランド１３１ａとビア導体１４との間の応力が低減される。その結果、クラック発生を低減することができる。ニクロムに含まれるニッケルはヤング率が高く、一般的に応力を増加させる傾向にある。合金層１３２中にヤング率が低い錫が存在することで、合金層１３２のヤング率を低下させることができる。その結果、合金層１３２が緩衝材として作用して応力を低減することで、第１ビアランド１３１ａとビア導体１４との間のクラック発生を低減することができる。

さらに、錫を含む合金で形成された合金層１３２が存在することによって、第１ビアランド１３１ａを形成している金属（例えば、銅）の結晶、第１下地層１４１を形成しているニクロムの結晶、第２下地層１４２を形成している金属（例えば、銅）の結晶、およびビア導体１４を形成している金属（例えば、銅）の結晶が、各金属の境界を跨いで連続結晶で繋がり易くなる。言い換えれば、第１ビアランド１３１ａを形成している金属（例えば、銅）の結晶、第１下地層１４１を形成しているニクロムの結晶、第２下地層１４２を形成している金属（例えば、銅）の結晶、およびビア導体１４を形成している金属（例えば、銅）の結晶の配向状態が、各金属の境界を跨いで同じになり易くなる。その結果、第１ビアランド１３１ａとビア導体１４との接合強度が向上して接続信頼性が増加する。

合金層１３２は、第１ビアランド１３１ａの周縁部に比べて中央部において錫を多く含んでいても構わない。このような場合、第１ビアランド１３１ａとビア導体１４との接合の中央部において、合金層１３２の緩衝材としての機能を強化することができる。さらに、上記結晶の配向状態が、第１ビアランド１３１ａとビア導体１４との接合の中央部において、より同じになり易くなる。その結果、中央部における接合強度を向上することができるため、様々な方向から加わる応力を偏り少なく低減できる点で有利である。

合金層１３２は、例えば第１ビアランド１３１ａおよびビア導体１４を含む部分を研磨することで平坦な断面を創出しておき、走査型電子顕微鏡にて観察することで確認することができる。走査型電子顕微鏡にて確認した合金層１３２の構成元素は、電子線マイクロアナライザによって分析することで確認することができる。

図２では、第１ビアランド１３１ａ、合金層１３２、ビア導体１４などの境界面を、便宜上、平滑な状態で示している。しかし、実際の境界面は平滑な状態ではなく、例えば、図３に示す電子顕微鏡写真のように、金属の結晶粒が入り組んだ凹凸のある粗面である。

本開示に係る配線基板を製造する方法は限定されない。一実施形態に係る配線基板１を製造する方法の一例について説明する。

一実施形態に係る配線基板１は、例えば、下記の工程（Ａ）～（Ｅ）を含む製造方法によって得られる。
（Ａ）ビアランドを含む配線導体層上に、錫を含む金属層および錫を含む金属層上にカップリング剤を含む層を形成して絶縁層を積層する工程。
（Ｂ）絶縁層に、絶縁層上面からビアランドまで貫通するビアホールを形成する工程。
（Ｃ）ビアホールの内表面に、ニクロムからなる第１下地層を、スパッタリングによって形成する工程。
（Ｄ）第１下地層の表面に、ビア導体と同じ金属からなる第２下地層を、スパッタリングによって形成する工程。
（Ｅ）ビアホールにビア導体を形成する工程。

工程（Ａ）では、絶縁層１１と配線導体層１３とを積層させる。具体的には、まず、スルーホールが形成されたコア層１１１（例えば第１絶縁層１１ａ）を準備する。スルーホールは、例えば、ドリル加工、レーザー加工、またはブラスト加工などによって形成される。コア層１１１の厚みは上述の通りであり、例えば３０μｍ以上８ｍｍ以下である。最も使用される厚みは、１００μｍ以上８００μｍ以下である。

次いで、コア層１１１の両表面に配線導体層１３（例えば第１配線導体層１３ａ）、およびスルーホール内にスルーホール導体１２を形成する。配線導体層１３およびスルーホール導体１２は、例えば次のように形成される。コア層１１１の両表面およびスルーホール壁面に無電解銅めっきによって下地導体を形成する。次いで、コア層１１１の両表面にレジスト用フィルムを貼付して露光および現像することで配線パターン形成用の開口を有するめっきレジストを形成する。その後、電解銅めっきを行って開口内およびスルーホール内に、銅めっき金属を析出させる。次に、めっきレジストを剥離してめっきレジストの下に位置していた下地導体をエッチング除去する。これにより、コア層１１１の両表面に配線導体層１３が形成され、スルーホール内にスルーホール導体１２が形成される。形成された配線導体層１３には、ビアランド１３１（例えば第１ビアランド１３１ａ）が含まれる。コア層１１１に形成されたスルーホール導体１２は、コア層１１１の両表面に形成された配線導体層１３と電気的に接続されている。

次いで、コア層１１１の上下面に、錫を含む金属層１３３を形成する。まず、コア層１１１の上下面を希硫酸などで表面処理を行い、配線導体層１３表面の酸化膜を除去する。次に、錫めっき処理を実施して、さらに硝酸処理で過剰に析出した錫を除去して厚みを調整することで、錫を含む金属層１３３が形成される。錫を含む金属層１３３は、例えば２ｎｍ以上５０ｎｍ以下の厚みを有しており、５ｎｍ以上２０ｎｍ以下の厚みを有していても構わない。

次いで、錫を含む金属層１３３の上面にカップリング剤を含む層１３４を形成する。カップリング剤を含む層１３４は、例えば浸漬処理によってカップリング剤を錫を含む金属層１３３上に被着した後、加熱して乾燥することで形成される。カップリング剤としては、例えば、シランカップリング剤などが挙げられる。

次いで、コア層１１１の上下面に、ビルドアップ層１１２（例えば第２絶縁層１１ｂ）を形成して積層体を得る。ビルドアップ層１１２は、例えばコア層１１１の上下面にビルドアップ層１１２用のフィルムを真空下で被着して、熱硬化することによって形成される。ビルドアップ層１１２の厚みは上述の通りであり、例えば１μｍ以上６０μｍ以下である。最も使用される厚みは５μｍ以上２０μｍ以下である。ビルドアップ層１１２と、コア層１１１の表面およびコア層１１１の表面に形成された配線導体層１３とは、上記の錫を含む金属層１３３およびカップリング剤を含む層１３４を介して接続されている。このようにコア層１１１の上下面に積層されるビルドアップ層１１２は、カップリング剤を含む層１３４を介して接続されていることから、配線導体層１３との密着強度が向上する。

次いで、ビルドアップ層１１２にビルドアップ層１１２の上下面を貫通するビアホールを形成する。ビアホールは、例えば、ＣＯ_２レーザー、ＵＶ－ＹＡＧレーザーなどのレーザーによって形成される。ビアホールの内径は上述の通りであり、例えば底部において５μｍ以上８０μｍ以下である。

次いで、ビアホールの内表面および底部に第１下地層１４１を形成する。第１下地層１４１はニクロムからなり、スパッタリングによって形成される。スパッタリングは、圧力が２０Ｐａ以下の低圧力下で行われる。スパッタリングによる第１下地層１４１形成時の基板表面温度（最表面のビルドアップ層１１２の温度）は特に限定されず、１２０℃以上１５０℃以下程度である。しかし、例えばビアホールの底部（ビアランド１３１の表面）の温度は、少なくとも錫の融点の２３２℃よりも高い２５０℃以上に達している。このような温度上昇は、スパッタ金属の運動エネルギーが基板へ衝突して熱エネルギーに置き換わることで発生する。基板表面温度とビアホールの底部との間に温度差が生じるのは、２０Ｐａ以下の圧力の下では熱は輻射により伝達するものの、樹脂部分の輻射率は１．０に近い。一方、金属部分、特に銅の輻射率はその１０分の１の０．１しかなく熱が逃げにくいためである。これらの温度は、例えば配線基板に接続した熱電対を用いて測定される。

このような温度でスパッタリングを行うことによって、ビアホールの底部、すなわちビアランド１３１の表面に存在する錫を含む金属層１３３に含まれる錫とビアランド１３１（配線導体層１３）を形成している金属（例えば、銅）とスパッタリングによって形成されるニクロムとの合金層１３２が形成される。このような合金層１３２は、少なくともビアランド１３１と第１下地層１４１との間に位置している。

ビアホールの内表面および底部に第１下地層１４１を形成した後、第１下地層１４１の表面に第２下地層１４２を形成する。第２下地層１４２はビア導体１４と同じ金属からなり、第１下地層１４１と同様にスパッタリングによって形成される。スパッタリングは、圧力が２０Ｐａ以下の低圧力下で行われる。スパッタリングによる第２下地層１４２形成時の基板表面温度（最表面のビルドアップ層１１２の温度）は特に限定されず、１８０℃以上２００℃以下程度である。しかし、例えばビアホールの底部（ビアランド１３１の表面）の温度は、少なくとも錫の融点の２３２℃よりも高く、第１下地層１４１を形成するときのビアランド１３１の温度以上に達している。これによって、合金層１３２の形成を促進することが可能になる。つまり、第１下地層１４１の形成時の熱により、錫を含む金属層１３３に含まれる錫と、ビアランド１３１（配線導体層１３）を形成している金属（例えば、銅）と、スパッタリングによって形成されるニクロムとが、合金を形成しない状態で残っている場合に、第２下地層１４２形成時の熱により合金層１３２の形成を促進することができる。ビア導体１４が銅で形成される場合、第２下地層１４２も銅で形成される。

次いで、第１下地層１４１および第２下地層１４２が形成されたビアホールに、ビア導体１４を形成する。ビア導体１４は、例えばセミアディティブ法によって、ビルドアップ層１１２（例えば第２絶縁層１１ｂ）の表面に形成される配線導体層１３（例えば第２配線導体層１３ｂ）と同時に形成される。これにより、ビルドアップ層１１２の表面に形成される配線導体層１３とビア導体１４との接続強度が向上する。

さらに、上述のビルドアップ層１１２の形成からビア導体１４の形成までの工程を、同様の手順で２回繰り返して行うことによって、コア層１１１の上下面にビルドアップ層１１２がそれぞれ３層積層されたビルドアップ構造を有する配線基板１が得られる。

本開示の配線基板は、上述の一実施形態に限定されない。例えば、上述の一実施形態に係る配線基板１では、合金層１３２は、ビアランド１３１と第１下地層１４１との間の全体に存在している。しかし、合金層１３２は、必ずしもビアランド１３１と第１下地層１４１との間の全体に存在していなくてもよい。合金層１３２は、ビアランド１３１と第１下地層１４１との間において、断続的に存在していてもよい。

上述の一実施形態に係る配線基板１では、コア層１１１の上下面にビルドアップ層１１２がそれぞれ３層積層されたビルドアップ構造を有している。しかし、ビルドアップ層１１２の層数は１層または２層であってもよく、４層以上であってもよい。

１ 配線基板
１１ａ 第１絶縁層
１１ｂ 第２絶縁層
１１１ コア層
１１２ ビルドアップ層
１２ スルーホール導体
１３ａ 第１配線導体層
１３ｂ 第２配線導体層
１３１ａ 第１ビアランド
１３１ｂ 第２ビアランド
１３２ 合金層
１３３ 錫を含む金属層
１３４ カップリング剤を含む層
１４ ビア導体
１４１ 第１下地層
１４２ 第２下地層

Claims (12)

1. 第１絶縁層および第２絶縁層と、
   前記第１絶縁層と前記第２絶縁層との間に位置しており、第１ビアランドを含む第１配線導体層と、
   前記第２絶縁層上に位置しており、第２ビアランドを含む第２配線導体層と、
   前記第２絶縁層の上面から下面まで貫通するビアホールと、
   前記ビアホールに位置するとともに前記第１ビアランドと前記第２ビアランドとを電気的に接続しているビア導体と、
   を含み、
   前記ビア導体が、ニクロムを含む第１下地層、および該第１下地層の上面に位置するとともに前記ビア導体と同じ金属を含む第２下地層を介して、前記ビアホールの内表面および前記第１ビアランド上に位置しており、
   前記第１ビアランドと前記第１下地層との間に、前記第１配線導体層と同じ金属と錫とニクロムとを含む合金層が位置しているとともに、
   該合金層と前記第１ビアランドとの境界面、および前記合金層と前記第１下地層との境界面は、金属の結晶粒が入り組んだ凹凸のある粗面である、
   ことを特徴とする配線基板。
2. 前記合金層が、前記第１ビアランドと前記第１下地層との間の全体に亘って位置している請求項１に記載の配線基板。
3. 前記合金層が、前記第１ビアランドの周縁部に比べて中央部において前記錫を多く含んでいる請求項１または２に記載の配線基板。
4. 前記第１配線導体層と同じ金属が銅である請求項１～３のいずれかに記載の配線基板。
5. 前記ビア導体が前記ビアホール内の全体に位置している請求項１～４のいずれかに記載の配線基板。
6. 前記第１ビアランドを形成している金属の結晶と、前記ビア導体を形成している金属の結晶とが互いに連続した部分を含んでいる請求項１～５のいずれかに記載の配線基板。
7. 第１絶縁層上に位置するとともに第１ビアランドを含む第１配線導体層上に、錫を含む金属層およびカップリング剤を含む層を介して第２絶縁層を積層させる工程と、
   前記第２絶縁層に、前記第２絶縁層の上面から下面まで貫通するビアホールを形成する工程と、
   前記ビアホールの内表面および前記第１ビアランドの上面に、ニクロムで形成された第１下地層を、前記第１ビアランドの上面が少なくとも錫の融点よりも高い第１温度に達するように、スパッタリングによって形成する工程と、
   前記第１下地層の上面に、第２下地層を、スパッタリングによって形成する工程と、
   前記ビアホールにビア導体を形成する工程と、
   を含む配線基板の製造方法。
8. 前記第２下地層を形成するときの前記第１ビアランドの上面の温度が、前記第１温度以上である請求項７に記載の配線基板の製造方法。
9. 前記合金層を、前記第１ビアランドと前記第１下地層との間の全体に形成する請求項７または８に記載の配線基板の製造方法。
10. 前記第１配線導体層を銅により形成する請求項７～９のいずれかに記載の配線基板の製造方法。
11. 前記ビアホール内の全体に位置する前記ビア導体と、前記第２絶縁層上面に位置する第２配線導体層とを同時に形成する請求項７～１０のいずれかに記載の配線基板の製造方法。
12. 前記ビアホールをレーザーによって形成する請求項７～１１のいずれかに記載の配線基板の製造方法。