JPH02277284A - 高密度バイアを埋める方法および装置 - Google Patents

高密度バイアを埋める方法および装置

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JPH02277284A
JPH02277284A JP2023607A JP2360790A JPH02277284A JP H02277284 A JPH02277284 A JP H02277284A JP 2023607 A JP2023607 A JP 2023607A JP 2360790 A JP2360790 A JP 2360790A JP H02277284 A JPH02277284 A JP H02277284A
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John F Lynch
ジョン エフ リンチ
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は基質におけるバイア(via)に導電性コアを
形成する方法および装置に関し、より詳細には、高アス
ペクト比のバイアを埋める方法に関する。
〔従来技術および発明が解決しようとする課題〕バイア
を埋めるための在来の技術の一部として、溶融、キャピ
ラリ湿潤、ウェッジ押出し、ワイヤ挿入、無電触めっき
、電鋳、両面スパッタリングおよびスルーホールめっき
、真空引きを使用するスクリーン印刷およびスクリーン
印刷/ステンシル印刷などがある。これらの技術の多く
はT、R,アントニイ著のJ、Appl、 Phys、
、 52巻、第8号(1981年8月)の「半導体ウェ
ー八を通る電気的相互接続部の形成」に説明されている
これらの在来の技術は、高アスペクト比のバイアに無空
隙、低抵抗の導電性コアを形成する能力に乏しい。大型
の演算装置の中心部を構成するパッケージに必要とされ
る低い抵抗および信頼性をもたらすには、無空隙バイア
を必要とする。
ここで使用する場合、語「チップ」とは、接合用パッド
を設けた封入ダイを示し、語「パッケージ」とは、複数
の半導体チップを収容しおよび/または相互接続する装
置を示す。
パンケージ(または相互接続装置)において種々のチッ
プ間に接続部を形成するのに、2つの異なる種類のパッ
ケージ、いわゆる「2次元パッケージ」および「3次元
パッケージ」が使用されてきた。2次元パッケージでは
、その外面に設けられた半導体チップを接続する個々の
リードはバフケージ内でX、YおよびZ方向に通ってい
る。このようなパフケージは通常、スタック状態で設け
られた複数のウェーハを備えており、これらのウェーハ
の表面に設けられるか、あるいはウェーハに内蔵された
XおよびY相互接続部およびZ方向接続部はウェーハを
通っている。Z方向相互接続部は通常、ウェーハ内のバ
イアにより構成される。
3次元パッケージでは、半導体チップはパッケージ内に
設けられが、パッケージの外面に設けてもよい。従って
、3次元パッケージは多数の半導体チップを組込んでい
るので、多数の相互接続部およびより大きな冷却能力を
必要とする。さらに、相互接続装置はX、YおよびZ方
向接続部を設けることができる領域が限られるため、よ
り複雑になる。また、Z動電気的相互接続部を設けるの
にバイアが使用される。3次元パッケージの一例が出願
中の出願第154,852号(本願の譲受人に譲渡)に
開示されている(参照せよ)。
異なるパッケージまたは相互接続装置の相対能力を定め
るのに、いくつかの基準が利用される。
相互接続装置の相対的能力を比較する最も一般的な基準
は、パッケージの単位体積あたりの相互接続部の数であ
る。同様な基準は、パッケージの単位体積あたりのピン
(またはリード)の数である。
他の比較方法は、チップ1個あたりのパッケージの体積
およびパッケージの単位体積あたりのゲートの数を算出
することを含む。
単位体積あたりの相互接続部の数が増加するにつれて、
信号移送要素の密度も増大しなければならない。このよ
うな信号移送要素の一例は、電気信号を基質を通して、
すなわち、パッケージのZ軸方向に伝達するバイアであ
る。一般に設計されている2次元および3次元パッケー
ジは、信号伝播速度を高めるためにバイア密度の増大、
バイア直径の減小、同時にバイア抵抗率の減小を必要と
する。バイア密度の増大及びバイア直径の減少により、
より多くの相互接続部が得られるが、同時に抵抗率およ
び信転性の問題が生じ、特にバイア直径が減少すると、
無空隙バイアを作るのに難点が生じる。
バイア、特に多層印刷回路盤におけるバイアを埋める最
も普通の技術は網目の細かいスクリーンを用いるスクリ
ーン印刷、すなわち、在来のシルクスクリーン印刷技術
である。成る製造業者は、シルクスクリーン技術と基質
の反対側に真空を使用することと組合せた。シルクスク
リーン印刷はシルクスクリーンの網目が適切なバイア埋
込みを妨げるため、直径の小さいバイアを埋める不満足
な方法である。
成る製造業者は、基質に跡を残しながら基質を通る通路
を溶融するかあるいは燃焼するために溶融金属を使用し
てバイアを作った。この方法は、米国特許第4.398
.974号、第4.275,400号および第4.23
9,312号に述べられている。
他の在来のバイアを埋める方法は、導電性ペーストをバ
イアに押込むためにスクィーズイーを使用している。こ
の方法は直径よりも極めて大きな長さを有するバイアに
ペーストを押込むことが必要であるような高いアスペク
ト比のバイアには有用でない。
他の種類のバイア又は貫通接続部およびその製造方法が
、米国特許第3,705.332号、第3.775.8
44号および第3,813,773号に開示されている
これらの在来のバイア埋込み方法はすべて、下記のよう
ないくつかの欠点がある。
1、無空隙バイアを達成することができない。
2、高いアスペクト比(長さ対直径が6より大きい)の
バイアを埋めることができない。
3、直径の小さい(150ミクロンより小さい直径)の
バイアを埋めることができない。
4、 バイアの高い密度(5000個/1nch2より
大きい)では適合性が乏しい。
5、許容不可能な大きい電気抵抗率を有するバイアしか
得られない。
従って、本発明の目的は、高密度バイアに無空隙、低抵
抗の導電性コアを形成する方法を提供することである。
本発明の他の目的は、6に等しいかあるいは6より大き
いアスペクト比を有するバイアに導電性コアを形成する
方法を提供することである。
本発明の他の目的は、はぼ150ミクロン未満の直径を
有するバイアに導電性コアを形成する方法を提供するこ
とである。
本発明の他の目的は、低い電気抵抗率を有するバイアを
形成する方法を提供することである。
〔課題を解決するための手段〕
上記課題を解決するために、本発明は、第1および第2
表面を有する基質における6より大きいアスペクト比を
有するバイアを埋める方法において、(al基質の第1
表面にチキソトロープ金属ペースト層をバイアの長さよ
り大きい深さまで設ける工程と、(b)基質の第2表面
に20ミクロン又はそれ以下の孔を有する拡散板を設け
る工程と、(c1拡散板を介して基質の第2表面で各バ
イアに真空を与える工程と、Td)上記工程(c)と同
時に基質の第1表面上の金属ペーストに圧力を加える工
程と、(e)上記工程(c)、(d)と同時に基質に振
動運動を与える工程とを含むことを特徴とする方法を提
供する。
また、本発明は、第1および第2表面を有する基質にお
ける高密度バイアを埋めるための装置において、基質を
支持する手段と、一部が基質の第1表面により構成され
た圧力室と、該圧力室に加圧ガスを供給するための手段
と、一部が基質の第2表面により構成された真空室と、
該真空室に真空を引くための手段とを備えていることを
特徴とする装置を提供する。
〔実施例〕
本発明は中実導電性コアを有するバイア(via)を形
成する方法および装置に関する。本発明の装置および方
法は種々の種類の基質に形成されたバイアを埋めるのに
有用である。これらの基質は通常、誘電材料、例えば、
セラミック又はガラスで形成されている。基質はガラス
基質のような単一層よりなってもよいし、あるいは積重
ねられ、次いで焼成された多数の緑色シート層を有する
セラミック基質のような複数の層よりなってもよい。
第1図はバイア22を形成した基質20を示している。
第2図に示すように、各バイア22は直径りおよび長さ
しを有しており、相隣るバイアは中心間距離Cを有して
いる。バイア22はL/Dであられされるアスペクト比
を有しており、本発明は特に、アスペクト比がL/D>
6であるバイアに関する。ガラス基質の場合には、基質
製造中、基質にバイアをエソチイング形成するのがよい
セラミック基質には、レーザドリリングのような方法に
よりバイアを形成するのがよい。
微細公差や、高い歩留りを望むには、各基質の一体性を
実証することを必要とする。基質の一体性は、100×
倍までのパワーを使用した光学的検査との組合せで赤色
染料および蛍光染料浸透剤の使用により確認される。
基質における微細亀裂を検出する能力は、基質をほぼ2
時間、浸透剤に浸漬しながら60psiの空気圧にさら
すことによって高められる。赤色染料浸透剤で処理され
たセラミック基質の観察は可視光線を使用して行なわれ
、蛍光染料浸透剤で処理されたガラス基質の目視観察は
黒い紫外線を使用して行なわれる。
バイア22の導電性コア24は、金、銀、銅およびアル
ミニウムなどの金属およびこれらの金属の合金を含む種
々の導電性材料で形成されるのがよい。導電性コア材料
のいくつかの基本特徴として、基質20および導電性コ
ア24の熱膨張係数の一致や、導電性コア24用の材料
を本発明の方法で有用である形態、例えば、チキソトロ
ープの導電性ペーストとして用意することができること
が挙げられる。
基質20は、これと導電性コア24との密着性を高める
ために表面処理法を受ける。第3A図ないし第3C図を
参照して本発明の好適な実施例による表面処理法を説明
する。この表面処理法の目的は、導電性コア24が材料
を付着させるようにバイア22の表面に薄い導電性材料
層を形成することである。まず、クロム層30を基質2
0の第1および第2表面20a、20bおよびバイア2
2の表面26にスパッタリングする。クロム層の厚さは
、はぼ100A(オングストローム)〜はぼ500Aの
範囲である。次いで、はぼ3000〜7000 Aの範
囲の厚さを有する銅層をクロム層30にスパッタリング
する。メツキ法により第2銅層34を第1銅層32に形
成する。電解浴により形成し得る第2銅層34の厚さは
、はぼ5〜10ミクロンの範囲である。表面処理により
形成されるこれらの3層30.32.34を集合的に表
面層40と称する。
第4A図ないし第4C図を参照して、バイア埋込み方法
を説明する。第4A図を参照すると、基質20の第1表
面20aには、チキソトロープの金属ペースト層42が
設けられている。好適な実施例では、ペースト層42は
バイア22の長さしにほぼ等しいかあるいは長さしより
大きい厚さを有している。チキソトロープペースト42
への圧力付加と、基質20の第2表面20bに露出され
たバイア22の端部での真空の適用とを同時に行うこと
によってチキソトロープペースト42をバイア22に押
込む。また、バイア22をチキソトロープペースト42
で埋めるの助けるために、基質に振動運動を与えるのが
よい。
バイア22をチキソトロープペースト42で埋めた後、
表面20a上の余剰ペースト42をスクィーズイ−(s
queegee)で除去する。次いで、ペースト42を
真空中で乾燥し、次いで焼結法で硬化させる。ペースト
42の焼結は、長時間の昇温および短時間の高温処理を
含む2工程方法である。
バイア内のペースト42のガス抜きを行うには、ゆっく
りした昇温を必要とする。通路の長さ、例えば、30〜
40ミルでは、15〜20ミルのガス抜き距離が得られ
る。ペースト42中のバインダの除去によりガス抜きが
生じるが、温度を非常に急速に上昇させると、[黒い孔
(h)ack coring)Jが起る。黒い孔は、バ
イア22の中心における未燃焼の非導電性炭素物質の堆
積である。30〜40ミルの長さおよび2〜5ミルの直
径を有するバイアの場合には、温度を30分〜50分に
わたって室温からほぼ600℃まで上昇させる。
焼結法の第2工程は、窒素および’10ppm未満の酸
素よりなる雰囲気中、はぼ600℃より高い温度で5〜
10分間行なわれる。焼結法の第2段階の時間は、使用
温度およびバイア22の長さしおよび直径りにより変化
する。温度が600℃より高い場合には時間は短かくな
り、温度が600℃より低い場合には時間は長(なる。
しかしながら、コア24の所望の特性を達成するには、
580℃の最低温度を必要とする。焼結温度は一般には
600〜950℃の範囲である。
焼結法は通常、コアの長さ方向に沿ってコア24のわず
かな収縮を引起し、その結果、コア24の端部にカスプ
(cusρ)46が形成される。
カスプ46が存在する場合には、基質およびバイア22
が平らな表面を形成するようにカスプを埋めることが必
要である。カスプ46を埋めるには、チキソトロープペ
ースト42を基質20の第1および第2表面20a、2
0bの両方に載置し、例えば、スクィーズイーを使用し
てカスプ46に押込む。次いで、カスプが埋られ過ぎる
ようにチキソトロープペースト42を再び塗布し、カス
プ充填ペーストを焼結するどきにカスプの再形成を防ぐ
。次いで、カスプ46を埋めるのに使用したペースト4
2についての焼結法をくり返す。
第2図に示す構造を構成するには、基質20の両面20
a、20bを重ね、こすり磨いて導電性付着層を除去す
る。その後、基質の寸法精度について検査し、バイアを
電気的に試験する。
第5図を参照して本発明のバイア埋込み方法を実施する
装置50を説明する。装置50はその基部に振動手段を
有しており、この振動手段は例えば、マインザ(Mei
nzer)振動機52と、この振動機52に設けられた
振動テーブル54とを有している。振動機52は、X軸
、Y軸、Z軸における振幅および変位の可変な振動を行
う。装置50はフレーム56を有しており、このフレー
ムは基部58およびカバー60を有しており、これらの
基部58およびカバー60は基質20を支持し、基質2
0の下方に真空室62、また基質20の上方に圧力室6
4を構成する。
基質20は基部58に取付けられた支持テーブル66に
載っており、ねじ70−1,70−2によって圧力を加
えてガスケット68をカバー60と基質20との間に保
持する。ねじ70−1.70−2により加えられる圧力
によりガスケット68を基質20および基部58の両方
と密封係合させ、それにより真空室62および圧力室6
4の両方にシールを行う。基部58の真空出ロア4によ
り、真空ポンプを真空室62と連通させる。同様に、カ
バー60の圧力式ロア8により圧力ポンプ80を圧力室
64と連通させる。
支持テーブル66は拡散板67を有しており、この拡散
板67は例えば、真空室62の真空を各バイア22に一
様に与える15ミクロンの多孔性フィルタよりなる。拡
散板67を構成するフィルタの特性は、下記の関係によ
ってバイアの直径りに関係付けられる。すなわち、(1
)孔径はほぼD/3であり、(2)孔の中心間距離はD
より小さいかあるいはDに等しい。
作動中、基質20を支持テーブルに載置し、ガスケット
68を適所に設定し、次いでチキソトロープペースト4
2を基質2oの第1表面20aに載せる。次いで、カバ
ー60を据えつけ、ガスケ゛ット68をねじ70−1.
70−2により加圧する。真空ポンプ72により真空室
62に真空をもたらし、同時に圧力ポンプ80により圧
力室64に圧力を生じる。室62内の真空を各バイア2
2の真空が1〜2511gの範囲になるように調整する
圧力室64内の圧力は1〜30psiの範囲である。
必要ならば、ペースト42上の圧力と、ペースト42か
らの各バイア22の反対端部における真空との組合せを
振動運動と組合せることにより、6より大きいアスペク
ト比を有するバイアの無空隙埋込みを行う。
本発明の方法を使用して、混合接合銅ペーストを用い縦
5.59(2,2インチ)×横5.59cm(2,2イ
ンチ)×厚さ0.0635cm (0,025インチ)
のアルミナおよびホトセラム(foloceram)基
質材料における19405個のバイア(直径8ミル)を
埋め、焼結して100%の電気的連続性を達成したこと
が実証された。更らに、本発明を使用して銅ペーストを
用いアルミナ基質における2504個のバイア(直径5
ミル)を埋め、焼結して100%の電気的連続性を有す
る導電性コアを形成した。
本発明のバイア埋込み方法および装置の多くの特徴およ
び利点は、当業者には明らかであろう。
かくして、請求項は本発明の範囲内に入るすべての変更
例および同等例を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は複数のバイアを有するウェーハの等角投影図:
第2図は第1図の線2−2に沿った断面図;第3A図〜
第3C図は本発明のバイア埋込み前の表面処理を説明す
るためのバイアの断面図;第4A図〜第4C図は本発明
のバイア埋込み方法を説明するためのバイアの断面図;
第5図は本発明による高密度バイアを埋めるための装置
の部分断面端面図である。 20・・・・・・基 質、   22・・・・・・バイ
ア、24・・・・・・導電性コア、   30・旧・・
クロム層、32・・・・・・第1銅層、   34・旧
・・第2銅層、42・・・・・・チキソトロープ金属ペ
ースト層、46・・・・・・カスプ、     50・
・・・・・本発明の装置、52・・・・・・振動機、 
    54・・・・・・振動テーブル、56・・・・
・・フレーム、   60・・・・・・カバー64・・
・・・・圧力室、    66・旧・・支持テーブル、
67・・・・・・拡散板、     68・・・・・・
ガスケット、70−1.70−2・・・・・・ねじ、7
6・・・・・・真空ポンプ、  80・・・・・・圧力
ポンプ。

Claims (24)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.基質における高密度バイアを埋める方法において、 (a)基質の第1表面に金属ペーストを載せる工程と、 (b)基質の第2表面のところで各バイアに真空を与え
    る工程と、 (c)上記工程(b)と同時に基質の第1表面上の金属
    ペーストに圧力を加える工程とを含むことを特徴とする
    方法。
  2. 2.上記工程(b)、(c)と同時に基質に振動運動を
    与える工程(d)をさらに含むことを特徴とする請求項
    1記載の方法。
  3. 3.上記工程(d)は、基質の第1表面上の金属ペース
    トに隣接した領域の圧力を周囲の大気圧以上に上昇させ
    ることよりなることを特徴とする請求項2記載の方法。
  4. 4.上記工程(b)、(c)、(d)の後に金属ペース
    トを焼結する工程(e)をさらに含むことを特徴とする
    請求項1記載の方法。
  5. 5.上記工程(b)、(c)、(d)の後に金属ペース
    トを焼結する工程(e)をさらに含むことを特徴とする
    請求項2記載の方法。
  6. 6.上記工程(e)は、 (i)基質および金属ペーストを30分以上にわたって
    500℃より高い温度まで加熱する副工程と、 (ii)基質および金属ペーストをN_2および10p
    pm未満のO_2よりなる雰囲気中でほぼ5〜10分に
    わたって500℃より高い温度に保つ副工程と、を含む
    ことを特徴とする請求項4記載の方法。
  7. 7.上記工程(e)は、 (i)基質および金属ペーストを30分以上にわたって
    500℃より高い温度まで加熱する副工程と、 (ii)基質および金属ペーストをN_2および10p
    pm未満のO_2よりなる雰囲気中でほぼ5〜10分に
    わたって500〜900℃の範囲の温度に保つ副工程と
    、を含むことを特徴とする請求項5記載の方法。
  8. 8.上記工程(b)は、 (i)基質の第2表面に拡散板を設ける副工程と、 (ii)拡散板を介して各通路に真空を与える副工程と
    、を含むことを特徴とする請求項1記載の方法。
  9. 9.上記工程(b)は、 (i)基質の第2表面に拡散板を設ける副工程と、 (ii)拡散板を介して各通路に真空を与える副工程と
    、を含むことを特徴とする請求項2記載の方法。
  10. 10.第1および第2表面を有する基質における6:1
    より大きいアスペクト比を有するバイアを埋める方法に
    おいて、 (a)通路に導電性被膜を設ける工程と、 (b)基質の第1表面にチキソトロープ金属ペースト層
    をバイアの長さより大きい深さまで設ける工程と、 (c)バイアの直径のほぼ1/3の直径およびバイアの
    直径より小さい中心間距離を持つ孔を有する拡散板を基
    質の第2表面に設ける工程と、 (d)拡散板を介して基質の第2表面で各バイアに真空
    を与える工程と、 (e)上記工程(d)と同時に基質の第1表面上の金属
    ペーストに圧力を加える工程とを含むことを特徴とする
    バイアを埋める方法。
  11. 11.上記工程(d)、(e)と同時に基質に振動運動
    を与える工程(f)をさらに含むことを特徴とする請求
    項10記載の方法。
  12. 12.上記工程(e)は、基質の第1表面上の金属ペー
    ストに隣接した領域の圧力を周囲の大気圧以上に上昇さ
    せることよりなることを特徴とする請求項10記載の方
    法。
  13. 13.上記工程(d)、(e)の後に金属ペーストを焼
    結する工程(f)をさらに含むことを特徴とする請求項
    11記載の方法。
  14. 14.(g)上記工程(f)でバイアから形成されたい
    ずれの酸化物をも除去する工程と、 (h)バイアの表面のいずれのくぼみをも金属ペースト
    で埋める工程とをさらに含むことを特徴とする請求項1
    3記載の方法。
  15. 15.第1および第2表面を有する基質に6:1より大
    きいアスペクト比を有する無空隙の導電性バイアを形成
    する方法において、 (a)基質上およびバイア内にクロム層を設ける工程と
    、 (b)基質の第1表面にチキソトロープ金属ペースト層
    をバイアの長さより大きい深さまで設ける工程と、 (c)バイアの直径のほぼ1/3の直径およびバイアの
    直径より小さい中心間距離を持つ孔を有する拡散板を基
    質の第2表面に設ける工程と、 (d)拡散板を介して基質の第2表面で各バイアに1〜
    25Hgの範囲の真空を与える工程と、(e)上記工程
    (c)と同時に基質の第1表面上の金属ペーストに1〜
    30psiの範囲の圧力を加える工程と、 (f)上記工程(c)、(d)の後に金属ペーストを焼
    結する工程と、 (g)上記工程(f)で上記バイアから形成されたいず
    れの酸化物をも除去する工程と、 (h)バイアの表面のいずれのくぼみをも金属ペースト
    で埋める工程と、 (i)上記工程(h)後に金属ペーストを焼結する工程
    と、 (j)基質の第1および第2表面からクロム層および銅
    層を除去する工程とを含むことを特徴とする方法。
  16. 16.上記工程(c)、(d)、(e)を30秒から1
    0分までの範囲の時間行うことを特徴とする請求項15
    記載の方法。
  17. 17.上記工程(a)は、 (i)クロム層を付着する副工程と、 (ii)スパッタリングにより第1銅層を付着する副工
    程と、 (iii)めっきにより第1銅層に第2銅層を付着する
    副工程と、 (iv)第2銅層の表面からいずれの酸化銅をも除去す
    る副工程と、を含むことを特徴とする請求項15記載の
    方法。
  18. 18.上記工程(d)、(e)と同時に基質に振動運動
    を与える工程(k)をさらに含むことを特徴とする請求
    項15記載の方法。
  19. 19.上記工程(d)は、基質の第2表面に拡散板を設
    け、拡散板を介してバイアに0〜25Hgの範囲の真空
    を引くことよりなり、 上記工程(e)は、基質の第1表面および金属ペースト
    に隣接した領域の圧力を周囲の大気圧以上に1〜15p
    siだけ上昇させることよりなることを特徴とする請求
    項18記載の方法。
  20. 20.上記工程(f)は (i)基質および金属ペーストを30分以上の期間にわ
    たって500℃より高い温度まで加熱する副工程と、 (ii)基質および金属ペーストをN_2および10p
    pm未満のO_2よりなる雰囲気中でほぼ5〜10分の
    期間、500℃より高い温度に保つ副工程と、を含むこ
    とを特徴とする請求項19記載の方法。
  21. 21.第1および第2表面を有している基質における高
    密度バイアを埋めるための装置において、基質を支持す
    る手段と、 一部が基質の第1表面により構成された圧力室と、 上記圧力室に高圧ガスを供給するための手段と、 一部が基質の第2表面により構成された真空室と、 上記真空室に真空を引くための手段とを含むことを特徴
    とする装置。
  22. 22.基質に振動運動を与えるための手段をさらに含む
    ことを特徴とする請求項21記載の装置。
  23. 23.第1および第2表面を有する基質における高アス
    ペクト比のバイアを埋めるための装置において、 基質を支持する手段と、 一部が基質の第1表面により構成された圧力室と、 上記圧力室に高圧ガスを供給するための手段と、 一部が基質の第2表面により構成された真空室と、 上記真空室に真空を引くための手段とを含むことを特徴
    とする装置。
  24. 24.基質に振動運動を与えるための手段をさらに含む
    ことを特徴とする請求項23記載の装置。
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