JPH04291993A - 薄膜ユニットの接合方法 - Google Patents

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電子計算機用のＬＳＩ搭
載実装基板の製造装置に係り、特に、セラミック基板上
に導体金属からなる配線層とポリイミド樹脂膜からなる
有機膜を絶縁層とし、薄膜プロセスによって形成される
高多層薄膜配線実装基板の作製方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子計算機に用いる実装用のモジュール
基板では、信号伝送の高速化を図るため、基板内での信
号遅延をできるだけ小さくすることが重要な課題となっ
ている。

【０００３】従来は主として、ＷやＭｏなどの配線層を
セラミック厚膜プロセスの積層焼結法により形成した厚
膜基板が用いられてきている。しかし、高速化を図るた
めに、最近ではセラミック基板上にポリイミドを層間絶
縁膜とし、ＣｕやＡｌを導体層とした多層薄膜配線基板
が注目されつつある。

【０００４】薄膜配線部におけるポリイミドの誘電率が
セラミックよりも小さく、低抵抗のＣｕやＡｌを使用で
き、かつ、半導体プロセスを用いることによって、信号
伝送の高速化と高密度化が可能となる。

【０００５】薄膜多層配線を形成する技術については、
すでにいくつか報告されている。しかし、その基本的プ
ロセスはセラミック基板やＳｉ基板上に導体層、スルー
ホール及びポリイミド層のパターニングをフォトレジス
トの露光、現像によって行う薄膜プロセスが用いられて
いる。しかし、この薄膜プロセスは配線の微細化には適
しているが、導体とスルーホールを一層ずつ形成する、
いわゆる、逐次積層方式のため、積層数の多い薄膜配線
を形成するには膨大な時間を必要とし、また、プロセス
の途中過程でのリペアができないため、最終プロセスが
終了段階まで基板の良・不良が決定できず、歩留まりが
低く製品コストが高いものになるという欠点があった。 また、薄膜配線では配線抵抗を低いレベルに抑えるため
、配線幅を微細化すると配線厚さを大きくして断面積を
確保する必要がある。

【０００６】そのため、配線層の厚さが線幅と同一かそ
れ以上になり、流動性をもつポリイミドワニスを用いて
も平坦性の確保が困難となり、積層数の増大とともに配
線パターンの精度が悪くなり、断線やショートが多くな
るという問題があった。また、入出力用の端子をもつ本
来のセラミック基板や、下層の薄膜配線部は繰返し熱履
歴や水，薬品等への浸せきを受けることになり、界面の
劣化や不純物イオンによる汚染が生じる。このような問
題に対し、薄膜配線を別の基板上で形成し、それを入出
力端子をもつ本来のセラミック基板上にハンダで接続し
たパッケージが開示されている（特開昭６１−４００４
８号号公報）。このパッケージは単にセラミック基板か
ら薄膜配線部を独立して形成するもので、薄膜配線部を
ユニット化した本発明とは基本的に異なる。また、薄膜
形成に用いる仮基板がそのままパッケージの構成要素と
なっていることから、薄膜配線層が不必要に厚くなり、
信号伝送の高速化に対しても好ましくない。

【０００７】また、別の方法として特開昭６３−２７４
１９９号公報に配線が形成されたポリイミドフィルムを
一括積層し、スルーホール部を熱圧着する方法が開示さ
れている。

【０００８】この方法はスループット時間を短縮する上
で効果が大きいが、積層プロセスで薄膜状のポリイミド
フィルムを扱うことになり、位置合わせ精度の向上が困
難で、かつ接続点数が極めて膨大になり、接続部の信頼
性が低いという欠点をもつ。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的はこのよ
うな従来技術の欠点をなくし、薄膜配線層の層数の多い
基板でも歩留まり良く、かつ、短時間で薄膜配線層形成
が可能な構造の混成基板を提供することにある。

【００１０】また、本発明の他の目的は上記混成基板を
製造する方法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するに、
本発明はまず多数の積層数をもつ膜配線層をいくつかの
層からなるユニット配線部に分割し、ユニット間のスル
ーホール部に形成された接続パッドを介して接続した構
造とすること、さらに、配線ユニットは一時的に用いる
基板（仮基板）上に形成し、さらに、配線ユニット表面
の接続パッドを突合せ、ユニット間の電気的接続を行っ
た後、仮基板とユニット基板を分離し、それを繰り返す
。この場合、電気的な接続はパッド上に形成されたＡｕ
などバンプの加熱・圧着やはんだ等によって行われる。 また、配線ユニットを仮基板と分離するには仮基板とし
てＳｉあるいはＡｌのような金属板を用い、これを化学
的に溶解除去するか、機械的に引き剥がすことによって
行われる。

【００１２】本発明の実装基板はセラミックまたはシリ
コン基板上に多層の薄膜配線部をもつＬＳＩ実装基板で
あって、薄膜配線部が複数の配線層からなる配線ユニッ
トに分割されており、かつユニットの表面導体層と同一
面内に形成された接合パッドを通して各ユニット間の配
線が電気的に接続される構造をもつことを特徴とする。

【００１３】また、配線ユニットの一部が信号層と電源
層及びグランド層が両表面に形成され、かつ、各層がス
ルーホールによって電気的に接続されていることを特徴
とする。

【００１４】さらに、配線ユニットの電源層及びグラン
ド層はベタ膜であり、ベタ膜面内にベタ膜とは電気的に
絶縁されたパッドが形成されているこを特徴とする。

【００１５】さらに、配線ユニット間の接合パッドの大
きさが各内層配線をつなぐためのスルーホールの大きさ
よりも大きいことを特徴とする。

【００１６】配線ユニットを構成する配線層の導体層は
、ポリイミドで形成されていることが好ましい。

【００１７】また、配線ユニットで、接続のために相対
向する二つのユニット表面の導体パターンの形状が同一
であることが好ましい。

【００１８】一方、ユニットは薄膜配線の構成要素とは
異なる仮基板を用いて形成されることが好ましい。

【００１９】また、ユニットは薄膜プロセスにより仮基
板上に形成されることが好ましい。ユニット接続を実現
するためにはユニット間の微小パッドを介した確実な接
続技術の開発が必要である。しかし、このユニット接続
にはんだを適用することは、モジュール組立で階層はん
だの使用が複雑化することや、プロセス上での熱サイク
ルに対する信頼性の点で多くの問題を含んでいる。

【００２０】そこで、新しい試みとして、バンプとパッ
ドを圧着方式で固定させつつ、しかも、接着界面は拡散
接合による強固な金属結合力を持たせる方法を発明し、
Ａｕバンプを用い、Ａｕパッドとの加熱、圧着による接
合の可能性を調べた。具体的には、ボールボンディング
法により形成したφ８０〜１００μｍのＡｕワイヤバン
プとＡｕパッドを４００℃以下で加圧接合する方法を実
施した。この結果、バンプ当たり６０〜１００ｇの荷重
ではんだよりも高強度の接合が可能であることが分かっ
た。

【００２１】この方法により多点バンプ接続が可能とな
れば、（１）接続ミスが極めて少なく、（２）接続抵抗
が小さく、（３）耐熱、耐繰返し応力特性の高い高信頼
性接続が図れるなどのメリットが考えられる。

【００２２】Ａｕワイヤバンプは、図１に示すようなワ
イヤボンディング装置を用い、直径３５または２５μｍ
のＡｕワイヤを用い、基板上に直径約１００μｍ、高さ
８０μｍの円柱状のＡｕバンプを形成した。これは、キ
ャピラリ１を垂直方向に動かしながらクランパー２を閉
じ、Ａｕボール３をネックの部分で切断するものである
。原理的には超音波併用の熱圧着法であり、超音波出力
とワイヤの引張り力でコントロールされているもので、
溶断しやすいようにＡｕワイヤ自体に微量の元素が添加
されている（約３０ＰＰＭ）。この装置はパターン認識
機構が備わっているので、高速で連続形成（所要時間：
０．１ｓ／バンプ　）が可能である。

【００２３】このような方法によりワイヤバンプ４が形
成できることが確認されたが、このバンプの最大の問題
点はバンプの高さのばらつきが１５〜２０％と大きいこ
とである。そこでバンプ表面を均一な荷重で加圧して押
しつぶすスタンピング処理を施した。その結果、一バン
プ当たり６０ｇ以上でワイヤ切断部のネックが完全につ
ぶれ、ほぼ平らな形状を示し、おおよそ１００ｇ以上で
一定厚さとなり、変形率としては約２０％まで下がるこ
とが分かった。バンプ接合装置は、真空高温接合装置（
Ｍｏヒータ加熱方式，最大荷重：５００ｋｇ，真空度：
１０−２〜１０−３Ｐａ）を用いた。この真空高温接合
装置は加圧の金型をＳＵＳ−３０４とし、平行度が±３
μｍ以内に収まるものであり、圧縮荷重は平均的にかか
り、しかも真空加熱できる点で信頼性の高い接合ができ
る。

【００２４】図２は加圧力３０〜１００ｇ／バンプ（ワ
イヤ径：２５μｍ）、加熱温度３００〜４００℃（大気
中）の各種条件下でＡｕバンプ接合したものの接着強さ
を示す。接続部の接着強さ評価は、Ａｕバンプに対し、
厚さ３５μｍのＣｕ箔５上にＮｉ／Ａｕを蒸着した金属
薄膜層６を形成したフィルムを接合し、ピール強さを測
定した。バンプはＳｉ基板７上のポイイミド膜層８表面
に形成したＡｕ蒸着層９上に設けた。バンプ配列は約２
０ｍｍ角のパターンにピッチ３００μｍ、直径１５０μ
ｍのパッドが合計４２５５個配置されている。ピール試
験は外周のバンプ１０、三個ずつを、順次、引き剥がす
ようにし、この時かかるテンションを測定した。

【００２５】なお、この実験以降ではバンプ連続形成の
安定性から、Ａｕバンプワイヤ径を２５μｍに細くした
ものに変更した。この結果、３５μｍワイヤ使用時と同
じ加圧条件（４００℃，１００ｇ／バンプ）でも、更に
幾分か低くなり、平均４７ｇ／バンプの接着強さとなっ
た。

【００２６】この図から、加熱温度が３００℃では全く
接着できず、また、３５０℃でも非常に低い値である。 接着力が高くなる条件としては３７５℃以上の温度であ
り、この場合、加圧力が高い程増す傾向にあり、およそ
６０ｇ／バンプの加圧力でバンプ当たり３０ｇ以上の高
い接着力を示す。なお、図中で４００℃の条件のみエラ
ーバーが付けてあるが、これは、この条件のみ繰返し測
定を行ったものである。

【００２７】一方、薄膜多層配線の上では、層間が平行
に接合されることが不可欠である。樹脂膜には日立化成
工業（株）製のＰＩＱを用いたが、接合部分が加圧によ
って、ＰＩＱ層中へのめりこみ、あるいはＣｕパッドの
変形が生じないかどうかが懸念された。ＰＩＱでは加熱
温度が３００℃以上では荷重が１００ｇ／バンプと高い
ものは、バンプの変形が激しく、接続パッドの両サイド
部分がＰＩＱ中に深くめり込んでいる。ＰＩＱ膜の変形
は、薄膜多層化プロセス上でパターンの整合性を悪くす
るばかりでなく、絶縁特性上でも大きな問題となる。こ
の変形の原因としては、加圧力が大きいというばかりで
なく、表１の各種ポリイミドの諸特性にも示すように、
加熱温度がＰＩＱの有するガラス転移点（３００℃）を
越えていることが変形に大きな影響を及ぼしているもの
と思われる。

【００２８】

【表１】

【００２９】従って、Ａｕ−Ａｕの拡散接合を利用した
方式では適正な接合温度が４００℃付近となるため、ポ
リイミドは、ＰＩＱよりも、むしろ表中のＬ１５０（α
がＣｕ相当）、Ｌ１００（αがＳｉ相当）のガラス転移
点が３５０℃以上にあるポリイミドが好ましい。また、
ポリイミド膜のイミド結合の熱分解を考慮すれば、今後
は最大でも４００℃以下に抑えることが好ましい。

【００３０】一方、実際のモジュール基板に適用される
薄膜ユニットは、層間絶縁膜としては約２０μｍで五層
程度（合計１００μｍ）の厚いものが想定される。その
点では、変形がより大きくなることも懸念される。そこ
で、ポリイミドの熱変形を抑える他の手段として、接合
温度の低温化及び接合時の低荷重化が必要である。これ
にはバンプ金属であるＡｕと共晶反応を起こすＳｎ（Ａ
ｕ−Ｓｎ：２６５℃），Ｓｉ（Ａｕ−Ｓｉ：３７０℃）
，Ｇｅ（Ａｕ−Ｇｅ：３５６℃）等の薄膜を接続パッド
上にコーティングし、バンプと接続パッドとの間での共
晶反応を利用した低温、低荷重接合法を適用することが
好ましい。その場合、コーティング金属の膜厚を薄くし
、接合界面のＡｕ−Ｓｎ等の化合物の介在をできるだけ
抑え、接合力を上げることが重要なポイントとなる。

【００３１】この方式によれば、層間絶縁膜にＰＩＱを
用いても、ＰＩＱ膜の熱変形を少なくし、薄膜多層化プ
ロセス上でパターンの整合性を損なわずに多数の薄膜ユ
ニットの一括接合が可能である。

【００３２】

【作用】薄膜配線を複数の配線層をもつユニット分け、
ユニット間を接続パッドを介して接続する構造とした理
由は薄膜配線層をユニット毎に分割して作製でき、ユニ
ット間の接続を行う前に良品と不良を選別できることに
よって、最終歩留まりを大幅に向上できるためである。 また各ユニットを並列して作製するこにより、実装基板
を作製する時間を大幅に短縮できる。

【００３３】配線ユニットの構造として信号層を内層に
し外層に電源、グランド層を設けた理由は、電源層及び
グランド層が基本的にベタ膜であるため、配線幅が微細
な信号配線層やスルーホールを保護できるためと、ユニ
ット間の配線層をつなぐ微細なスルーホールよりも大き
い接続パッドを電源層及びグランド層内に形成でき、ユ
ニット間の接続の信頼性を高めることができるためであ
る。

【００３４】

【実施例】以下、本発明を図面を用いて詳細に説明する
。

【００３５】図３は本発明に基づく実装基板の作製工程
を示す。厚さ２ｍｍのＳｉウエハの仮基板１１上に形成
されたＣｕ配線１２とポリイミド絶縁膜１３から構成さ
れる薄膜ユニット１４の最上部の接続パッド１５表面上
にＡｕバンプ１６を形成する。

【００３６】Ａｕバンプ径は１００μｍ，ピッチは２５
０μｍとした。次に、バンプの高さばらつきを抑えるた
め、加圧力は１００ｇ／バンプのスタンピング処理を行
い、バンプ高さ５０μｍ±０．５μｍ　のＡｕバンプ１
７を得た。

【００３７】次に表面にメタライズ（Ｎｉ，Ａｕ，Ｓｎ
の３層で形成、各々の膜厚１μｍ、１μｍ，０．２μｍ
）層１８をもち、タングステンから成る内層配線１９を
持つ１０ｃｍ角サイズのセラミック基板２０と薄膜ユニ
ットとの熱圧着を行った。加熱温度は２８０℃で保持時
間は１０ｍｉｎ，加圧力は３０ｇ／バンプとした。次に
、薄膜ユニットが形成されている仮基板をふっ硝酸でエ
ッチング除去した後、薄膜ユニットの最上層に表面層２
１を形成し、さらに表面層上にハンダバンプ２２をＣＣ
ＢでＬＳＩ２３をフェィスダウン方式で搭載し、所定の
実装基板２４を得た。

【００３８】図４は本発明に基づく多重薄膜ユニットを
接合した実装基板の断面図を示している。図３の作製工
程を用い、薄膜ユニット２５，２６，２７を三組内層配
線２８をもつセラミック基板２９上に積層し、最上層に
ＬＳＩ３０をハンダ３１で接続している。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば大型計算機用実装基板の
高多層化を図ることができ、高密度に実装されたモジュ
ール基板を提供でき、信号遅延時間を短縮して高速化に
対応することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ワイヤボンディング装置を用いたＡｕワイヤバ
ンプの形成方法の説明図。

【図２】本発明に基づく方法によりＡｕバンプ接合した
ものの接着強さの説明図。

【図３】本発明に基づく実装基板の作製工程の説明図。

【図４】本発明に基づく多重薄膜ユニットを接合した実
装基板の断面図。

【符号の説明】 １１…仮基板、１２…Ｃｕ配線、１３…ポリイミド絶縁
膜、１４…薄膜ユニット、１５…接続パッド、１６…Ａ
ｕバンプ、１７…スタンピングされたＡｕバンプ、１８
…メタライズ層、１９…内層配線、２０…セラミック基
板、２１…表面層、２２…ハンダバンプ、２３…ＬＳＩ
、２４…ＬＳＩ実装基板。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】導体金属とポリイミド樹脂膜から構成され
   る薄膜多層配線を設け表面層に薄膜金属からなる電極が
   形成されている薄膜ユニットを少なくとも二つ以上接合
   する工程において、前記薄膜金属から成る電極同士を前
   記ポリイミド樹脂膜のガラス転移点以下の温度で加熱・
   圧着することを特徴とする薄膜ユニットの接合方法。
2. 【請求項２】請求項１に記載の前記薄膜ユニットを複数
   個接合する工程において、前記薄膜金属からなる電極表
   面上に前記薄膜金属と異なる金属から成る薄膜をコーテ
   ィングする工程及び、前記電極を構成する金属と前記電
   極表面にコーティングした金属との共晶反応により、前
   記薄膜ユニットを複数個加熱・圧着する工程を含む薄膜
   ユニットの接合方法。
3. 【請求項３】請求項２に記載の共晶反応の開始温度が請
   求項１に記載のポリイミド樹脂膜のガラス転移点以下の
   温度である薄膜ユニットの接合方法。