JP2012033879A - 部品内蔵基板及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】部品内蔵時に発生する樹脂流動により導電性ビアの形状が大幅に歪む場合があり、電気的に安定したビア接続が得られず、更に前記導電性ビアと接続される銅箔は、はんだ実装される要件を満たさなければならないという課題があった。
【解決手段】第1の絶縁層102と、第2の絶縁層105とが積層されてなる多層基板部115と、この多層基板部115の最外層の第1の絶縁層102の内層側の配線パターン111に実装された回路部品112と、回路部品112を収容する収容部114とを有する部品内蔵基板101であって、回路部品112と、多層基板部115との間には、第2の硬化性樹脂106の硬化物を充填し、導電性ペースト110でビア109を形成してなる回路部品内蔵基板101とし、ビア109を、金属間化合物を主成分としてCu粒子同士の面接触部を跨ぐようにその周囲を覆う第1金属領域と、Biを主成分とする第2金属領域から構成する。
【選択図】図1
【解決手段】第1の絶縁層102と、第2の絶縁層105とが積層されてなる多層基板部115と、この多層基板部115の最外層の第1の絶縁層102の内層側の配線パターン111に実装された回路部品112と、回路部品112を収容する収容部114とを有する部品内蔵基板101であって、回路部品112と、多層基板部115との間には、第2の硬化性樹脂106の硬化物を充填し、導電性ペースト110でビア109を形成してなる回路部品内蔵基板101とし、ビア109を、金属間化合物を主成分としてCu粒子同士の面接触部を跨ぐようにその周囲を覆う第1金属領域と、Biを主成分とする第2金属領域から構成する。
【選択図】図1
Description
本発明は、受動部品や能動部品等を内蔵する部品内蔵基板及びその製造方法に関するものである。
近年、電子機器の高機能化と共に、モジュールに代表されるデバイスの小型化が進んでいる。例えば、カメラモジュールに代表される様にモジュール基板に要求される層数が6層以上と多いにも拘わらず、基板厚みを一定厚み以下に抑え、且つ小型化する事が強く求められているアプリケーションがいくつか存在する。そのために部品内蔵基板が提案されている。
従来の電子部品内蔵基板について、図14を用いて説明する。図14は、従来の電子部品内蔵基板の断面図である。
図14において、従来の部品内蔵基板1は、インナービア2、配線パターン3、内蔵層間接続ビア4、電気絶縁層5、コンポジット層6、回路部品7、部品内蔵層8等から構成されている。
なお、この技術の先行技術文献情報としては、例えば、特許文献1が知られている。
特許文献1等に示す従来の部品内蔵基板では、弾性率が所定の値に規定された無機質フィラーと硬化性樹脂を含む混合物からなる電気絶縁材(本明細書ではコンポジット材と呼ぶ)を用いる事によって、部品内蔵に伴う樹脂流動に抗して導電性ビア接続が可能であり、配線パターンの引き回しの設計が容易であった。
一方、コンポジット材にはガラスクロスその他の補強材がないため、取り扱い上の課題が多く、特に大きなワークサイズの場合、コンポジットシートの取り扱い時等に欠けが発生しやすく、部品内蔵工程及びビア接続を実現する事は困難であった。更に加えてコンポジット材によるシートには厚みの制約が多く、限られた厚み仕様の中だけでしか、コンポジットシートを用いた部品内蔵基板を作製することができなかった。
こうした課題に対して、従来より、コンポジットシートをガラス補強材等があるプリプレグ材に置き換えて、部品内蔵工程と導電性ビア接続との両立性を試みることが行われていたが、部品内蔵時に発生する樹脂流動により導電性ビアの形状が大幅に歪む場合があり、電気的に安定したビア接続が得られないという課題があった。
更に前記導電性ビアと接続される銅箔は、はんだ実装される要件を満たさなければならないという新たな課題も有していた。
そこで、本発明は上記従来の問題を解決し、FR4などの配線基板用基材を用いる構成でありながら安定した導電性ビアペーストを用いた層間ビア接続を全層に実現することと同時に、大きなワークサイズで安定的に部品を内蔵できる部品内蔵基板を提案するものである。更に、部品内蔵時の樹脂流動に抗した安定ビア接続、銅箔と樹脂基材との密着確保、安定したはんだ濡れ性全てを両立させることができる部品内蔵基板を提案するものである。
本発明の部品内蔵基板及びその製造方法によって、初めて小型・薄型化・コスト・量産性に優れた部品内蔵基板とこれを用いたモジュールや、パッケージを提供することが可能となり、汎用デバイスとして部品内蔵基板が既存の汎用のモジュール、パッケージ基板に置き換えることが可能となる。
上記目的を達成するために本発明の部品内蔵基板は、第1のガラス繊維と第1の硬化性樹脂と配線パターンとを有する第1の絶縁層と、第2のガラス繊維と第2の硬化性樹脂とビア部とを有する第2の絶縁層と、が積層されてなる多層基板部と、この多層基板部の最外層の前記第1の絶縁層の内層側の前記配線パターンに実装された回路部品と、前記多層基板部に設けられ、前記回路部品を収容する収容部と、を有する部品内蔵基板であって、前記多層基板部は、硬化済みの前記第1の絶縁層と、未硬化の前記第2の絶縁層とが、交互に積層され硬化され一体化したものであり、前記収容部に収容された前記回路部品と、前記多層基板部との間には、前記第2の絶縁層の前記第2の硬化性樹脂の硬化物が充填され、前記ビア部は、前記第2の絶縁層に形成された貫通孔と、この貫通孔に充填され前記第1の絶縁層の前記配線パターンに電気的に接続された導電性ペーストとからなることを特徴とする部品内蔵基板とする。
更に、はんだ実装される銅箔と導電性ビアペーストによる安定したビア接続を確保するために前記導電性ペーストがCuとSnとBiとを少なくとも含む金属部分と樹脂部分とを含み、前記金属部分はCu粒子からなる領域、金属間化合物を主成分として前記Cu粒子同士の前記面接触部を跨ぐようにその周囲を覆う第1金属領域と、Biを主成分とする第2金属領域から構成されていて、はんだ実装される銅箔表面は、微細マイクロエッチング工法によって瘤形状サイズが2μm以下となるように銅箔表面を粗化することによって、樹脂流動に抗した安定ビア接続、銅箔と樹脂基材との密着確保、安定したはんだ濡れ性全てを両立させることができる。
上記構成により、部品内蔵工程と導電性ビア接続との両立性が得られる構造、即ち、FR4などの配線基板用基材を用いる構成でありながら安定した導電性ビアペーストを用いた層間ビア接続を全層に実現することと同時に、大きなワークサイズで安定的に部品を内蔵できるプロセスを実現する事が出来る。結果として、小型・薄型化・コスト・量産性に優れた電子部品内蔵基板とこれを用いたモジュール及びパッケージを提供することが可能となり、汎用デバイスとして部品内蔵基板が既存のモジュール、パッケージ基板に置き換えることが可能となる。
(実施の形態1)
以下に、本発明の電子部品内蔵基板及びその製造方法の実施の形態1について、図面を参照して説明する。
以下に、本発明の電子部品内蔵基板及びその製造方法の実施の形態1について、図面を参照して説明する。
図1(A)(B)は、それぞれ本発明の実施の形態1による8層構造による電子部品内蔵基板の断面図と、その部分を拡大した断面図である。なお図1(A)(B)の間では、説明のため、一部を異ならせ、一部を省略している。
図1(A)(B)において、101は部品内蔵基板、102は第1の絶縁層、103は第1の硬化性樹脂、104は第1のガラス繊維であり、第1の絶縁層102は、第1のガラス繊維104と、ここに含浸された第1の硬化性樹脂103から構成されている。105は第2の絶縁層、106は第2の硬化性樹脂、107は第2のガラス繊維であり、第2の絶縁層105は、第2のガラス繊維107と、ここに含浸された第2の硬化性樹脂106から構成されている。108は貫通孔、109はビア、110は導電性ペーストであり、図1において、これらは同じ場所で重複するため、一部重複するように記載している。第2の絶縁層105に形成された貫通孔108の内部には、導電性ペースト110が充填され、ビア109を構成している。111は配線パターンであり、第1の絶縁層102の上に形成されたものであり、第1の絶縁層102を介して、層間絶縁された複数の配線パターン111間は、第2の絶縁層105に形成された貫通孔108に充填された導電性ペースト110によって、電気的に層間接続されている。
112は回路部品、113は実装材料、114は収容部、115は多層基板部である。回路部品112は、部品内蔵基板101の最外層となるどちらか一方以上の、第1の絶縁層102の、内層側の配線パターン111に、半田等の実装材料113によって実装されている。また多層基板部115は、第1のガラス繊維104と第1の硬化性樹脂103と配線パターン111とを有する第1の絶縁層102と、第2のガラス繊維107と第2の硬化性樹脂106とビア109とを有する第2の絶縁層105とが積層されたものである。なお多層基板部115は、硬化済みの第1の絶縁層102と、未硬化の第2の絶縁層105とが、交互に積層され硬化され一体化したものとすることが望ましい。
また多層基板部115には、回路部品112より一回り大きい収容部114が形成されている。そして、収容部114に収容された回路部品112と、多層基板部115との間には、第2の絶縁層105に含浸された第2の硬化性樹脂106の硬化物が充填されている。
更に詳しく説明する。実施の形態1の部品内蔵基板101は、図1に示すように、配線パターン111に、チップコンデンサやチップ抵抗などの受動部品及びウエハレベルCSPなどの回路部品112が実装材料113(例えばSn−Ag−Cu系はんだ材料等)により電気的及び機械的に接続されており、収容部114に埋設あるいは内蔵されている。また第1、第2の絶縁層102、105の層中にも配線パターン111が形成、配置されている。
また実装材料113が印刷塗布され、回路部品112が実装されるランド電極部(図示していない)を、その一部に構成する配線パターン111は、実装材料113の濡れ性を確保しつつ第2の絶縁層105(なお第2の絶縁層は、図示していないが、未硬化のすなわちプリプレグ状態の絶縁層が硬化してなるものである)との密着性を確保するため粗化されている。更により好ましくは、ランドとなる配線パターン111部分はリング状形状をしたソルダーレジスト(図示していない)に囲まれている。なおリング状とは、ソルダーレジストのパターン形状の一つであり、半田等からなる実装材料をリング状に囲うパターン形状を言う。
なお配線パターン111等を構成する銅箔の一面以上は、粗化処理することが望ましい。例えば、発明者らの検討によると、配線パターン111を構成する銅箔の表面の粗化状態は、粗面化部の凹凸構造の瘤形状サイズが2μm以下(Rz値 約2μm相当)のマイクロエッチング構造を取ることによって、第2の絶縁層105とはんだ等の実装材料113との界面に均一な厚み、例えば、約2.5μm厚みを有するCu6Sn5金属間化合物層を形成することによって良好なはんだ濡れ性及び安定した接着強度、たとえば0.5KN以上の値(剥離ではなく、実装部品破壊モード)が得られることを確認している。
更に、粗面化処理によって、封止される樹脂(例えば、第2の絶縁層105に含浸されていた第2の硬化性樹脂106等)との密着強度を1KNレベルの十分な値を確保出来ることを確認している。
また、回路部品112は実装面に形成された配線パターン111のみに接続しているものであって、その他の層に形成された配線パターン111に対しては電気的な接点を持たず、内蔵された回路部品112と回路部品112直上に形成された、第1の絶縁層102の上に形成された配線パターン111との間には、第2の絶縁層105(さらには第2の硬化性樹脂106)を必ず設けることで、これら部材間の密着強度を高め、部品内蔵基板としての、機械的強度を高め、ボイドの発生の抑制効果が得られる。
なお配線パターン111は電気導電性を有する物質から成り、例えば、銅(Cu)箔や導電性樹脂組成物から成る。本発明においてはCu箔を所望の形状にパターニングして形成している。第1、第2の絶縁層102,105に用いる絶縁材料としては、第1、第2のガラス繊維104、107に、第1、第2の硬化性樹脂103、106となる熱硬化性のエポキシ樹脂を含浸させたガラスエポキシプリプレグ、ガラス織布に熱硬化性のビスマレイミド・トリアジン樹脂を含浸させたBTレジンプリプレグ、アラミド不織布に熱硬化性のエポキシ樹脂を含浸させたアラミドプリプレグ等を使用することが可能であるが、織布または不織布に硬化性樹脂を含浸させた構造であれば、様々な材料を使用することが可能である。
更に言えば、図1の断面図において、多層基板部115は、硬化済みの第1の絶縁層102と、未硬化の(あるいはプリプレグ状態の)第2の絶縁層105とが、交互に積層され硬化され一体化したものであるが、この未硬化の(あるいはプリプレグ状態の)第2の絶縁層105に形成された開口部(すなわち、図1における収容部114)近くの第2のガラス繊維107の一部は、収容部114となる開口部部分(図示していない)で切断され、その一部が溶けるように(あるいは、ピッチが広がるように、あるいはその切断片の一部が)、開口部に充填され、第2の硬化性樹脂(未硬化状態)の中に、拡散している。
このように、第2の絶縁層105を構成する第2のガラス繊維107の一部を、積極的に収容部114(あるいは後述する開口部)に充填、硬化させた第2の硬化性樹脂106の中に設けることで、靭性を高める効果が得られる。
更に言えば、本発明の構造とすることで、第2の硬化性樹脂106の回路部品112を収納する収容部114への充填性が優れ、ボイド無く気密な樹脂充填を実現するうえで、好適である。
以上のように、図1に示す部品内蔵基板101は、第1のガラス繊維104と第1の硬化性樹脂103と配線パターン111とを有する第1の絶縁層102と、第2のガラス繊維107と第2の硬化性樹脂106とビア109とを有する第2の絶縁層105と、が積層されてなる多層基板部115と、この多層基板部115の最外層の第1の絶縁層102の内層側の配線パターン111に実装された回路部品112と、多層基板部115に設けられ、回路部品112を収容する収容部114と、を有する部品内蔵基板101であって、多層基板部115は、硬化済みの第1の絶縁層102と、未硬化の第2の絶縁層105とが、交互に積層され硬化され一体化したものであり、収容部114に収容された回路部品112と、多層基板部115との間には、第2の絶縁層105の第2の硬化性樹脂106の硬化物が充填され、ビア109は、第2の絶縁層105に形成された貫通孔108と、この貫通孔108に充填され第1の絶縁層102の配線パターン111に電気的に接続された導電性ペースト110とから構成されている。
図2(c)(d)は、それぞれ図1(A)(B)の導電性ペースト110による接続部の模式図と、断面SEM写真である。17はCu粒子であり、18は金属間化合物を主体とした第1金属領域、19は第2金属領域であり、Biを主成分とする。20はCu粒子17同士が互いに変形して面接触してなる面接触部を示す(図では点線で示している)。
前述の図1(B)に示すように、はんだ実装される銅箔と導電性ペースト110による安定したビア接続を確保するために前記導電性ペースト110が図2(d)に示すようにCuとSnとBiとを少なくとも含む金属部分と樹脂部分とを含み、前記金属部分はCu粒子からなる領域、金属間化合物を主成分として前記Cu粒子同士の前記面接触部20を跨ぐようにその周囲を覆う第1金属領域と、Biを主成分とする第2金属領域から構成されている。
更に言えば、本ビア109部分は、何れも銅箔配線パターン111によって、両面から加熱プレス時に余計に圧縮をかけることができるため、Cu粒子の連続体からなる領域を形成することができる。
なお、はんだ実装される銅箔表面は、微細マイクロエッチング工法によって瘤形状サイズが2μm以下となるように銅箔表面を粗化することによって、樹脂流動に抗した安定ビア接続、銅箔と樹脂基材との密着確保、安定したはんだ濡れ性全てを両立させることができる。図2(c)に接続界面の拡大図を示す。はんだ濡れ性を確保するため、微細マイクロエッチング工法によって瘤形状サイズが2μm以下に粗化されている。
図2(c)(d)に示すように、ビア109は、第2の絶縁層105に形成された貫通孔108と、この貫通孔108に充填され第1の絶縁層102の表面が瘤形状サイズが2μm以下に粗化された配線パターン111とに電気的に接続されたCuとSnとBiとを少なくとも含む金属部分(すなわち、Cu粒子17、第1金属領域18、第2金属領域19とを含む部分、またはこれらからなる部分)と樹脂部分(すなわち導電性ペースト110中の樹脂部分)とを含む。
更にこのビア109における前記金属部分(すなわち、Cu粒子17、第1金属領域18、第2金属領域19と、を含む部分、またはこれらからなる部分)はCu粒子17からなる領域と、CuとSnからなる金属間化合物を主成分として前記Cu粒子同士が互いに後述する図5(F)等で示す突出部118を設けることで互いに変形し面接触してなる面接触部20を跨ぐようにその周囲を覆う第1金属領域と、Biを主成分とする第2金属領域と、から形成された導電性ペースト110から形成される。
金属部分は、Cu粒子17と、錫,錫‐銅合金,及び錫‐銅金属間化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種の金属を主成分とする第1金属領域18と、Biを主成分とする第2金属領域19とを含む。Cu粒子17の少なくとも一部は、それらが互いに加圧され互いに変形して面接触して形成した面接触部20を介して、一塊の結合体(符号等は付与していない)を形成している。そしてこの結合体が、配線間を電気的に接続する低抵抗の導通路として機能する。
Cu粒子17の平均粒径は0.1〜20μm、さらには、1〜10μmの範囲であることが好ましい。Cu粒子17の平均粒径が小さすぎる場合には、ビアホール導体中において、接触点が多くなるため導通抵抗が大きくなる傾向がある。また、このような粒径の粒子は高価である傾向がある。一方、Cu粒子17の平均粒径が大きすぎる場合には、100〜150μmφのように径の小さいビアホール導体を形成しようとした場合に、充填率を高めにくくなる傾向がある。
Cu粒子17の純度は、90質量%以上、さらには99質量%以上であることが好ましい。Cu粒子17はその銅純度が高いほどより柔らかくなる。そのために後述する加圧工程において押し潰されやすくなるために、複数のCu粒子17同士が接触する際にCu粒子17が容易に変形することにより、Cu粒子17同士の接触面積が大きくなる。また、純度が高い場合には、Cu粒子17の抵抗値がより低くなる点からも好ましい。
なお、Cu粒子17の平均粒径や、Cu粒子17同士が面接触している面接触部20は、形成された多層配線基板を樹脂埋めした後、ビア109の断面を研磨(必要に応じてFOCUSED ION BEAM等の微細加工手段も使って)して作成した試料を走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて観察することにより確認及び測定される。
多数のCu粒子17は互いに接触して結合体(符号等は付与していない)を形成することにより、低抵抗の導通路を形成する。
また、ビア109においては多数のCu粒子17が整然と整列することなく、図2(c)に示すようにランダムに接触することにより、複雑なネットワークを有するように低抵抗の結合体(符号等は付与していない)が形成されていることが好ましい。結合体がこのようなネットワークを形成することにより電気的接続の信頼性を高めることができる。また、多数のCu粒子17同士が面接触する位置もランダムであることが好ましい。ランダムな位置でCu粒子17同士を面接触させることにより、熱を受けたときにビア109の内部で発生する応力や、外部から付与される外力をその変形により分散させることができる。
ビア109中に含有されるCu粒子17の体積割合としては、30〜90体積%、さらには、40〜70体積%であることが好ましい。Cu粒子17の体積割合が低すぎる場合には、多数のCu粒子17が互いに面接触することにより形成された結合体の、導通路としての電気的接続の信頼性が低下する傾向があり、高すぎる場合には、抵抗値が信頼性試験で変動しやすくなる傾向がある。
図2(c)に示すように、錫,錫−銅合金,及び錫−銅金属間化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種の金属を主成分とする第1金属領域18の少なくとも一部はCu粒子17の表面に接触するように形成されている。また、第1金属領域18の少なくとも一部は、Cu粒子17同士が互いに面接触している部分である面接触部20を跨ぐように覆っていることが好ましい。このように面接触部20を跨ぐように第1金属領域18が形成されることにより、面接触部20の接触状態がより補強される。
第1金属領域18は、錫,錫−銅合金,及び錫−銅金属間化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種の金属を主成分として含有する。具体的には、例えば、Sn単体,Cu6Sn5,Cu3Sn等を含む金属を主成分として含む。また、残余の成分としては、BiやCu等の他の金属元素を、本発明の効果を損なわない範囲、具体的には、例えば、10質量%以下の範囲で含んでもよい。
また、金属部分(すなわち、Cu粒子17、第1金属領域18、第2金属領域19とを含む部分。またはこれらからなる部分)においては、図2(c)に示すように、Biを主成分とする第2金属領域19が、Cu粒子17とは接触せず、第1金属領域18と接触するように存在していることが好ましい。ビア109において、第2金属領域19をCu粒子17と接しないように存在させた場合には、第2金属領域19は第1金属領域18の導電性を低下させない。
第2金属領域19は、Biを主成分として含有する。また、第2金属領域19は、残余の成分として、BiとSnとの合金または金属間化合物等を本発明の効果を損なわない範囲、具体的には、例えば、20質量%以下の範囲で含んでもよい。
なお、第1金属領域18と第2金属領域19とは互いに接しているために、通常、何れもBi及びSnの両方を含む。この場合において、第1金属領域18は第2金属領域19よりもSnの濃度が高く、第2金属領域19は第1金属領域18よりもBiの濃度が高い。また、第1金属領域18と第2金属領域19との界面は、明確であるよりも、不明確である方が好ましい。界面が不明確である場合には、熱衝撃試験等の加熱条件においても界面に応力が集中することを抑制することができる。
一方、ビア109を構成する樹脂部分(符号等は付与していない)は、硬化性樹脂の硬化物からなる。硬化性樹脂は特に限定されないが、具体的には、例えば、耐熱性に優れ、また、線膨張率が低い点からエポキシ樹脂の硬化物がとくに好ましい。
ビア109中の樹脂部分の体積割合としては、0.1〜50体積%、さらには、0.5〜40体積%であることが好ましい。樹脂部分の体積割合が高すぎる場合には、抵抗値が高くなる傾向があり、低すぎる場合には、製造時に導電性ペーストの調製が困難になる傾向がある。
次にビアホール導体の形成方法の一例について説明する。
例えば、後述する図3((C)〜(D)、あるいは図5(F)〜図6(A)、あるいは図9(A)〜(B)、あるいは図10(c)〜(d)に示すように、突出部118を設けた導電性ペースト110を加圧圧縮し、この加圧圧縮状態を保ったまま、加熱し、ビア109を形成する。この加圧圧縮によって、高密度化されたCu粒子17同士が互いに接触する。加圧圧縮においては、当初はCu粒子17同士は互いに点接触し、その後、圧力が増加するにつれて押し潰されて、互いに変形し面接触して面接触部20を形成する。このように、多数のCu粒子17同士が面接触することにより、上層の配線と下層の配線とを低抵抗な状態で電気的に接続するための結合体が形成される。
更にこの加圧圧縮状態を保ったまま、加熱する。こうすることで、Cu粒子17の表面全体がSn−Bi系半田粒子で覆われることがなく、Cu粒子17が互いに直接面接触した面接触部20を跨ぐように、第1、第2金属領域18、19が形成される。
すなわち、多数のCu粒子17同士を加圧圧縮し、互いに面接触する面接触部20を介して接触するような状態とし、この状態で、導電性ペースト中のSn−Bi系半田粒子を溶融させることにより、Cu粒子17の表面を溶融したSn−Bi系半田で濡らすことができる。その結果、Cu粒子17同士が互いに変形して面接触してなる面接触部20を跨ぐように、第1金属領域18を形成させることができる。
以上のように、Cu粒子17同士が互いに変形して面接触してなる面接触部20を形成させた後、導電性ペースト110中のSn−Bi系ハンダ粒子を融点以上に加熱して溶融させることにより、接触する第1金属領域18と第1金属領域18に接する第2金属領域19を形成する。
なお導電性ペースト110の中に添加しておく半田粒子としては、比較的低温域で溶融する半田材料として、Sn−Pb系半田、Sn−In系半田、Sn−Bi系半田などがある。これらの材料のうち、Inは高価であり、Pbは環境負荷が高いとされている。
一方、Sn−Bi系半田の融点は、電子部品を表面実装する際の一般的な半田リフロー温度よりも低い140℃以下である。従って、Sn−Bi系半田のみを回路基板のビアホール導体として単体で用いた場合には、半田リフロー時にビアホール導体の半田が再溶融することによりビア抵抗が変動してしまうおそれがある。一方、本実施形態のビアペーストを用いた場合には、Sn−Bi系半田粒子のSnがCu粒子の表面と反応することによりSn−Bi系半田粒子からSn濃度が減少し、一方で、加熱冷却工程を経ることによりBiが析出してBi相が生成される。そして、このようにBi相を析出させて存在させることにより、半田リフローに供してもビアホール導体の半田が再溶融しにくくなる。その結果、半田リフロー後でも、抵抗値の変動が起こりにくくなる。
(実施の形態2)
次に、図3から図7を用いて、実施の形態1で説明した、部品内蔵基板101の製造方法の一例について説明する。
次に、図3から図7を用いて、実施の形態1で説明した、部品内蔵基板101の製造方法の一例について説明する。
なお、部品内蔵基板101としては、少なくとも一方の最外層に設ける実装配線基板(部品等の実装面は、内層側であっても外層あるいは表層側であっても良い)と、内層配線(あるいは再配線)を構成する中継配線基板と、これらを層間(更にはビアを介して)接続する基板間接続層を用いて、製造することができる。
図3(A)〜(F)は、共に第1の絶縁層102に、導電性ペースト110からなるビア109や、その両面に配線パターン111を形成する様子を説明する断面図である。
図3では、部品内蔵基板101を構成する、中継配線基板の製造方法について説明する。図3において、121は中継配線基板である。
図3(A)において、第1の絶縁層102は、第1のガラス繊維104(図示してい ない)に、未硬化状態の第1の硬化性樹脂103(図示していない)が含浸されてなる、プリプレグ116(すなわち、未硬化状態)に相当する。
図3(B)に示すように、未硬化状態の第1の絶縁層102の両面に、保護フィルム117を設け、貫通孔108を形成する。その後、貫通孔108に、導電性ペースト110を充填する。その後、保護フィルム117を剥離し、図3(C)に示すように、導電性ペースト110からなる突出部118を形成する。
図3(D)は、図3(C)で示したサンプルの両面に、銅箔119を貼り付け、第2の硬化性樹脂106を硬化した様子を説明する断面図である。図3(D)において、第1の絶縁層102の両面に固定された銅箔119は、貫通孔108に充填された導電性ペースト110によって、電気的に層間接続されている。
図3(E)は、図3(D)に示したサンプルの両面に固定した銅箔119を、露光、現像、エッチング工程(詳細は省略する)を経て、配線パターン111とした様子を示す断面図である。
図3(F)は、図3(E)のサンプルの所定部分に、第1の開口部120を設けた様子を示す断面図である。こうして作製した中継配線基板121は、後述する図6(A)で、他のシート部材と積層、一体化され、部品内蔵基板101となる。
なおこの第1の開口部120を、他の開口部(図示していない)と共に、厚み方向に積層することで、回路部品112を収容する収容部114(共に図示していない)を形成することになる。
なお図3に示すように第1の絶縁層102に形成された配線パターン111は、図1で示した内蔵する回路部品112を損傷無く埋めるために、図3(E)に示すようにパターン形成した後に空隙の形成(図3(F))を行う。空隙となる第1の開口部120は、生産性に配慮してドリルで形成出来ることが望ましい。但し、内蔵する部品が集中している場合、即ち回路部品112の一群が狭隣接実装されている場合は、まとめ抜きする方が好ましく、その場合はトムソン刃の様な型で一括で、くり抜いても構わない。
なお図3(A)〜(F)において、第1の絶縁層102の中に設けた第1のガラス繊維104や、第2の硬化性樹脂106等は図示していない。
次に、図4を用いて、部品内蔵基板101の、どちらか一方以上の最外層となる(更には、回路部品112を実装することになる)、第1の絶縁層102について説明する。
図4(A)〜(G)は、共に回路部品112を実装する第1の絶縁層102の製造方法の一例について説明する断面図であり、122は、実装基板である。
図4(A)〜(D)は、図3(A)〜(D)と同様な工程であり、詳細を省略する。
図4(E)〜(G)は、第1の絶縁層102の片面に、回路部品112を、半田等の実装材料113を介して、実装する様子を示す断面図である。
こうして、図4(G)に示すような、実装基板122を形成する。なお実装基板122の表面に実装された回路部品112を、内層側とし、前述の収容部114に収容することで、部品内蔵基板101となる。
図5(A)〜(F)は、第2の絶縁層105の製造方法の一例を示す断面図である。
図5において、126は基板間接続層である。
図5(A)は、未硬化状態(あるいはプリプレグ状態)の第2の絶縁層105の断面図であり、第2の硬化性樹脂106や第2のガラス繊維107は、図示していない。
図5(B)に示すように、未硬化状態(あるいはプリプレグ状態)の第2の絶縁層105に、第2の開口部123を形成する。なお第2の開口部123の形成は、前述の第1の開口部120の形成と同様に、レーザーあるいはパンチ、ドリル等で実施する。
図5(C)は、第2の開口部123が形成された、第2の絶縁層105の両面に、保護フィルム117を設けた様子を示す断面図である。
図5(D)は、保護フィルム117を設けた状態で、未硬化状態の第2の絶縁層105に、貫通孔108を設けた様子を示す断面図である。
図5(E)は、保護フィルム117に形成された貫通孔108に、導電性ペースト110を、スキージ124を介して、充填する様子を示す断面図である。
図5(F)は、図5(E)のサンプルから、保護フィルム117を剥離した様子を示す断面図であり、基板間接続層126の一例である。
次に、図6を用いて、図3〜図5で作製した、硬化済の第1の絶縁層102、未硬化の第2の絶縁層105等を積層する様子を説明する。
図6(A)(B)は、硬化済の第1の絶縁層102、未硬化の第2の絶縁層105等を積層し、一体化し、硬化する様子を説明する断面図である。図6における矢印125は、これらシート状部材を、加圧、加熱、圧着、一体化する方向を示す。なお加圧、加熱し、一体化する際に、市販の真空を用いた加熱加圧装置を用いることができる。
図6(A)において、どちらか一方以上の最外層となる、硬化済の第1の絶縁層102の、内層側の配線パターン111には、半田等の実装材料113を介して、回路部品112が実装されている。また第1の開口部120が設けられた硬化済の第1の絶縁層102と、第2の開口部123が設けられた未硬化の第2の絶縁層105とは、互いに位置合わせされた状態で、互いに交互に積層され、一体化され、硬化され、多層基板部115を形成する。
また第1の開口部120と、第2の開口部123とは、互いに厚み方向に積層され、収容部114を形成する。
またこの積層され、加圧される際に、複数の硬化済の第1の絶縁層102の層間に挿入された、未硬化状態の第2の絶縁層105より、未硬化状態の第2の硬化性樹脂106が染み出し、収容部114に収容された回路部品112と、多層基板部115との隙間をボイド等の発生を抑制しながら充填し、最後に硬化する。
図6(B)は、こうして得られた部品内蔵基板101の断面の一例を示す。
なお図6(A)に示すように予め所定位置に、第1の開口部120や第2の開口部123からなる収容部114を形成し、導電性ペースト110が充填された基板間接続層126等を複数枚、準備するとともに、予め所定位置に、これら開口部が形成されたシート状の基板等を、複数枚、積層することで、導電性ペースト110による層間接続ビア構造が実現でき、上下方向に圧縮されていれば、より強固なビア接続を実現する事ができる。
さらに図6(A)で示す一括積層の断面図に示す導電性ビア109を接続するランド(ランドとは、配線パターン111の、導電性ペースト110と、電気的に接続される部分に相当する)がベタ面ではなく、周辺から凸状に突出した電極構造とすることにより、積極的に導電性ペースト110に対して圧縮応力を熱プレス時に発生させることができ、安定したビア接続を実現する。本効果は、ビア109に主に圧縮により接続が確保される銅粉を主成分とする導電性ペースト110を用いるときに顕著に効果が得られる。
次に、図7を用いて、硬化済の第1の絶縁層102と、未硬化の第2の絶縁層105を積層し、加圧、一体化する際に、未硬化の第2の絶縁層105から、未硬化の第2の硬化性樹脂106が染み出し、上下に積層された第1の絶縁層102の端面(すなわち、第1の開口部120)や、収容部114に収容された回路部品112との隙間を、濡らし、充填する様子を説明する。
図7(A)(B)は、未硬化の第2の硬化性樹脂106が染み出す様子を説明する断面図である。図7(A)(B)における矢印125は、硬化済の第1の絶縁層102と、未硬化の第2の絶縁層105を積層し、加圧する方向を示す。
図7(A)において、硬化済の第1の絶縁層102の一面以上には配線パターン111を突出した状態で、更に第2の絶縁層105の両面には導電性ペースト110を突出した状態で、それぞれ形成している。こうすることで、導電性ペースト110と、配線パターン111との密着力を高め、ビア109(図示していない)の電気抵抗を小さくする効果が得られる。
図7(B)は、未硬化の第2の絶縁層105から突出した導電性ペースト110や、硬化済の第1の絶縁層102から突出した配線パターン111によって、第2の絶縁層105に含まれる、未硬化の第2の硬化性樹脂106が染み出す様子を示す。図7(B)に示すように、未硬化の第2の絶縁層105に形成された第2の開口部123から染み出した、未硬化の第2の硬化性樹脂106は、第1の絶縁層102の第1の開口部120や、回路部品112との隙間に充填され、硬化され、これらを一体化する。
更に詳しく説明する。図7(A)に示すように、第2の絶縁層105となるプリプレグ116(番号は付与していない)の貫通孔108に充填された導電性ペースト110が第1の絶縁層102に設けられた配線パターン111に加圧、圧着される。
更にこの加圧、圧着によって、プレプレグ116(第2の絶縁層105として図示しているため、116の数字は図示していない)を構成する第2の硬化性樹脂106が、プリプレグ116から、回路部品112側へ流れ出し、回路部品112との間の隙間を充填する。
なおプリプレグ116に含まれる第2の硬化性樹脂106が、回路部品112側へ流れる際に、プリプレグ116の貫通孔108に充填された導電性ペースト110の立体的な形状に影響を与えることがないが、これは、導電性ペースト110の周囲が、プリプレグ116を構成する第2のガラス繊維107で囲われているためである。
このため、図7(A)(B)に示すような構成とすることで、積層時の加圧圧力を高めた場合でも、導電性ペースト110からなるビア109が変形し、回路部品112側へ流動、あるいは移動することはない。
なお図7(A)(B)に示す構成とすることで、加圧圧力を高めることで、導電性ペースト110から形成されたビア109のビア抵抗を下げられる。
なお、図6(A)(B)の構造としても、内蔵された回路部品112に、直接、加圧圧力はかからないので、回路部品自体や、その実装部分の信頼性に影響を与えることが無い。
なお導電性ペースト110を、予め突起状等に硬化した状態として、図7(A)(B)に示したような加圧積層を行うことが可能であるが、導電性ペースト110が硬化した状態では、この加圧圧縮の際に、プリプレグ116部分に圧力が発生しにくく、回路部品112との隙間を埋める未硬化の第2の硬化性樹脂106等の染み出しが十分でない。これは導電性ペースト110が、加圧時の圧力を支えてしまう分、プリプレグ116にかかる圧力が低下するためである。また硬化済みの導電性ペースト110の場合、加圧圧縮してもビア抵抗が下がりにくい。
一方、未硬化状態の導電性ペースト110を用いた場合、加圧圧縮の際に、導電性ペースト110が厚み方向に圧縮(あるいは緻密化)印加される分、プリプレグ116に、十分な圧縮圧力がかかることとなる。また未硬化の導電性ペースト110の場合、加圧圧縮によってビア抵抗が下がりやすい。
更に図7(A)(B)に図示するように、第2の開口部123から、回路部品112側の第2のガラス繊維107の断面を、第1の開口部120の第1のガラス繊維104の断面より回路部品112側に位置させることで、第2の絶縁層105から染み出される第2の硬化性樹脂106を効率良く吐出、あるいは回路部品112の表面に一種の呼び水、あるいはガイドとして流動させやすく、あるいは循環させやすくすることができ、回路部品112の周りを完全に第2の硬化性樹脂106で充填し、ボイド発生を無くせる。
更に、第2の絶縁層105を構成する第2のガラス繊維107の一部を、溶かすように、収容部114の中に投入する、あるいは混ざり込ませることで、その靱性を高める効果が得られる。
なお、前述の図1や図6に示すように、部品内蔵基板101の最外層に形成する配線パターン111は、ベタの銅箔119を用いて熱プレス等による一括積層工程を経た後、エッチングにてパターニングを行っても構わない(図示せず)。ベタの銅箔119を用いることで、両面に配線パターン111を形成済みの基板を一括積層してなる構造体と比較して、パターンずれを抑制できる。この理由は、表裏の配線パターン111のズレを同時に同一のマーカーを用いてアライメントパターニングすることにより、必要最小限、たとえば±20μm以内にズレを抑えられるためである。多層化する際には、何れの層間接続においても導電性ペースト110を用いて電気的に接続する。
なおビア109は、導電性ペースト110を充填した接続方式を基本として考えるが、最外層の層間接続に限りレーザーで穴加工した後、めっき接続を行うコンフォーマルビア接続形式何れでも構わない。
更に、内蔵された回路部品112を接続する実装材料113に前記レーザーで穴加工したビアを用いてめっき接続方式で接続しても構わない。めっき接続を採用することで、根本的に2次実装であるはんだリフロー時に実装材料113が再溶融することを抜本的に回避でき、更なる高安定接続が得られるからである。なお、内蔵される回路部品112がチップLCR部品である場合は外部電極がCu電極であることが好ましい。
なお多層化構造で且つ小型・薄型化構造を訴求する場合は、内蔵された回路部品112の周りの収容部114をぎりぎりまで小さくして、内蔵された回路部品114と層間接続となるビア109との距離を必要最小限にまで小さくする必要がある。
その場合、本発明に示すように、硬化済みの第1の絶縁層102の一部が第1のガラス繊維104と共に貫通除去されてなる第1の開口部120において、銅箔119からなる配線パターン111が、第1の開口部120よりも、後退している配線とすることが望ましい。なお実用的には50ミクロン以上後退することが望ましい。これは開口部の形成時の加工ばらつきを考慮し、後退した配線とすることで、ショート回避できるためである。ここで後退している配線とは、回路部品112に面する開口部より外側に(あるいはより離れる方向に)、配線パターンを設けることを意味する。
このように図6(A)等で示した、積層プロセス時の位置ばらつきで回路部品112の外部電極(図示していない)と、第1の開口部120とが、接触するような場合においても、第1の絶縁層102の表面に形成されている銅箔119からなる配線パターン111との間のショートを回避する事ができる。
なお内蔵される回路部品112は、例えば受動部品チップコンデンサやチップ抵抗のような所望の特性を予め形成され、外面に接続電極を有するチップ型の電子部品であるが、能動部品、例えば端子数が比較的少ないウエハレベルパッケージ等も含まれる。実装材料113としては、少なくとも2種類以上の金属元素が配合され、各金属同士による合金接続を伴って電気的及び機械的に接続できる材料であり、例えば錫(Sn)−銀(Ag)系、錫(Sn)−銀(Ag)−銅(Cu)系、錫(Sn)−亜鉛(Zn)系、金(Au)−亜鉛(Zn)系、錫(Sn)−アンチモン(Sb)系などの材料が使用可能である。更にこれらの材料に限らず回路部品112を実装できる実装材料であるなら、金属、樹脂にこだわらず、何れの材料も使用可能である。また本発明の部品内蔵基板101を、マザーボード配線基板の上に半田で二次実装する場合等において、実装材料113中の合金の融点が、接合後に高温側へシフトする融点変化型の材料組成とすることで、二次実装時の実装材料113の再溶融を防止する。
ただし、何れの実装材料113であっても、配線パターン111に対して濡れ広がり性がある程度確保され、密着強度が得られる材料が必要である。
このように、実装材料113を工夫する場合について、前述の図4等を用いて、更に詳しく説明する。
例えば、前述の図4(A)から(E)で示したように、基板に内蔵する回路部品112を実装する多層基板を準備する。ここでは、導電性ペースト110が充填された未硬化状態の第1の絶縁層102(例えば、市販のプリプレグを使う)を、図4(D)に示すように銅箔119で積層した後、パターニングを行い図4(E)で示す多層板を形成する。
なお配線パターン111上に内蔵部品、例えば受動部品のような回路部品112を実装するためには、図4(F)で示すように実装材料113の印刷形成を行い、図4(G)で示すように内蔵する回路部品112をマウント及びリフロー加熱で実装接続を行う。
なお実装材料113が二次実装時のリフロー熱履歴も含め、確実にランド電極(図示していない)となる配線パターン111上に止まっていなければ接続できないため、より好ましくはリング状のレジスト形状で囲まれている事が好ましい。なお実装材料113は、環境汚染物質である鉛(Pb)を含有しない材料であることが重要である。
更にいえば、2次実装時に実施されるリフローにおいて、はんだに代表される実装材料の形状が維持される構造体であることが重要である。
なお内蔵部品がたとえばウエハレベルCSP等、能動部品である場合は、もし部品高さが許容されるのであれば、ウエハレベルCSPに低背のはんだボール(BGA)が予め形成されていることが好ましい。
(実施の形態3)
次に、実施の形態3として、発明者らが作製したサンプルを用いて、更に本発明の部品内蔵基板101について説明する。
次に、実施の形態3として、発明者らが作製したサンプルを用いて、更に本発明の部品内蔵基板101について説明する。
図8(A)(B)は、それぞれ本発明の部品内蔵基板の断面図と、断面のSEM写真である。
図8(A)(B)では、第1の絶縁層102からなる中継配線基板121と第2の絶縁層105からなる基板間接続層126を交互に積層すると共に、更にその最外層に第1の絶縁層102からなる実装基板122を設け、これらを積層した全層6層板の断面図及び、実際に試作を行ったサンプル断面写真である。
図8(A)の断面図において、第2の絶縁層105からなるプリプレグ116(図示せず)に設けた第2の開口部(図示せず)近くの第2のガラス繊維107の一部は、第2の開口部分で切断され、その一部が溶けるように(あるいは、ピッチが広がるように、あるいはその切断片の一部が)、開口部に充填され、未硬化状態の第2の硬化性樹脂106の中に拡散し、第2の硬化性樹脂106の硬化と共に、収容部114を構成する。
この構造とすることで、第2の絶縁層105からの第2の硬化性樹脂106の、収容部114への充填性が向上し、ボイド無く気密な樹脂充填を実現するうえで、好適である。
更に図8(B)のSEMによる断面写真に示すように、発明者らが実際試作を行った部品内蔵基板101(番号は付与せず)においても、回路部品112の収容部114に第2の硬化性樹脂106の未充填を示すボイド等の発生は観察されなかった。
なお第1のガラス繊維104は、第1の絶縁層102の第1の開口部120(図示せず)で、第1の硬化性樹脂103と略同一部分(例えば、ドリルや切削での場合)で、粗面状に切断することによって、第2の絶縁層105との密着力を高める効果が得られる。
更に第1の開口部120の形成を、レーザー等で行った場合、第1のガラス繊維104は、第1の硬化性樹脂103の切断部より、その先端部が略球状の塊となった状態で、一部を突出させることができ、第2の硬化性樹脂106との密着力を高められる。
これらのサンプルは、JEDECで規定された吸湿リフロー試験85℃、60%RH、176hr吸湿後の260℃繰り返しリフロー試験においても、膨れ、剥離は発生せず、各界面部分においても課題が発生せず、信頼性が高い内蔵基板101が得られたことが判った。
(実施の形態4)
次に、実施の形態4として、部品内蔵基板101の総厚を薄くする場合について説明する。
次に、実施の形態4として、部品内蔵基板101の総厚を薄くする場合について説明する。
図9(A)(B)は、共に内蔵基板101の総厚を薄くする様子を説明する断面図である。図9(A)(B)において、第1、第2の絶縁層102、105に設けた第1、第2のガラス繊維104、107は図示していない。
一括積層プロセスを示す図9(A)は、基本的に前述の図6(A)と同じ構成要素で組み合わされているが、内蔵部品と対向する位置に形成された、最外層となる2層基板からなる実装基板122の配線パターン111において、内層側の配線パターン111の、回路部品112と重なる部分の配線パターン111は、選択的に削除している。
このように、配線パターン111の、内蔵される回路部品112に重なる領域(あるいは面積部分)には、配線パターン111を形成しないことが望ましい。内蔵する回路部品112が、チップLCR部品の場合、実装用端子127(外部電極、あるいは端子電極、端面電極と呼ばれることもある)が、実装側のみならずその反対側(例えば、上下と側面の3面、あるいは上下側面左右の計5面)にも形成されている場合があり、厚み方向において充分な絶縁距離が得られない場合、ショートを引き起こしてしまう懸念があるが、図9(A)(B)の構造とすることで、こうした課題を解決できる。
図9(A)(B)は、共に部品内蔵基板101の更なる薄層化を実現する構造を示す断面図である。
本発明の部品内蔵基板101の構造とすることで、内蔵基板101の総厚を少しでも薄くするため、回路部品112と配線パターン111との間隔は50μm以下、場合によっては25μm以下で設計する事が可能となる。
更に回路部品112の高さには、必ずばらつきが有り、25μm程度のスペース確保であれば、高さばらつきによって内蔵される回路部品112の直上に配線パターン111があると電極間ショートしてしまう可能性がある。そのため、従来では、電極間ショート回避のために必要以上にスペースを確保する必要があり、従来の部品内蔵基板では、その総厚が厚くなっていた。
こうした課題に対し、図9(A)(B)に示すように配線パターン111を、内蔵する回路部品112が配置されている領域には形成していないようにする事によって、厚みスペースを30μm以下まで少なくしても、回路部品112の部品高さ厚みばらつき分を吸収することができ、更に内蔵する回路部品112へ不要な圧力がかからず、回路部品112が割れることがない。また電極間ショートを回避できる。
なお、本実施の形態4では8層基板の例を示しているが、8層基板に固定されるものではなく、必要に応じて更なる偶数層の多層化10,12層あるいは6層の構造が可能である。ただし、その際においても回路部品112を内蔵する2層配線板を中心材料として両面同時に配線層を形成している。
部品内蔵基板101に用いる第1の絶縁層102、第2の絶縁層105に用いる絶縁材料はガラス織布に熱硬化性のエポキシ樹脂を含浸させたガラスエポキシプリプレグ、ガラス織布に熱硬化性のビスマレイミド・トリアジン樹脂を含浸させたBTレジンプリプレグ、アラミド不織布に熱硬化性のエポキシ樹脂を含浸させたアラミドプリプレグ等を使用することが可能であるが、織布または不織布に硬化性樹脂を含浸させた構造であれば、様々な材料を使用することが可能である。また、織布または不織布に硬化性樹脂を含浸させたプリプレグ材料以外にも、二酸化珪素やアルミナ等の無機フィラーと硬化性樹脂との混合物を用いる事も可能である。
なお、部品内蔵となる層を構成する導電性ペースト110を充填した基板間接続層126のビア109において、ビア109から回路部品112までの第2の絶縁層105に占める熱硬化性樹脂106の組成割合をその他周辺部の熱硬化性樹脂106の組成割合よりも少なくする事ができる。
また記載した様に回路部品112の周辺部には、未硬化状態の第2の絶縁層105を熱プレスにて圧縮、染み出した未硬化の第2の硬化性樹脂106のみ覆われるため、収容部114を充填する樹脂成分が熱膨張係数等の物性が3次元的に等方的であり、内蔵された回路部品112に対し、ヒートサイクル時にクラック等の発生原因となる応力モードを低減させる効果が得られる。一方、ガラスクロス等がある従来のプリプレグで、回路部品112を直接内蔵してしまうとXY方向の熱膨張係数とZ軸方向の熱膨張係数が大幅に異なるため、剪断的応力が内蔵部品に働きやすくなり、内部にクラック等が発生しやすくなる懸念がある。
このように、第2の開口部123を設けた、未硬化状態の第2の絶縁層105から染み出す未硬化の第2の硬化性樹脂106によって、回路部品112を内蔵することで、回路基板層のみならず中間基板体となる中継配線基板121の、回路部品112の極近傍までビア109を形成することができ(例えば、ビア109のセンター位置が内蔵される回路部品112の端部から400ミクロン以内(用途に応じては300ミクロン以下)に形成する事が可能となり、小型、高密度化が可能となる。
以上のように、本発明の部品内蔵基板101の構成とすることで、収容部114の内側形状と、内蔵される回路部品112の外側形状とを、より近づけることができ、クリアランスを400μm、更には300μm未満まで小さくできるため、モジュールあるいはパッケージを更に小型化できる。
なお、積層後の基板の反りを防止するためには、各材料の線膨張係数に配慮することが非常に重要であり、こうした熱膨張の調整に、第2のガラス繊維107を用いることができる。
表層となる実装基板122上には、必要に応じてソルダーレジストを形成しても構わない。
次に、銅箔119の表面の粗面化について説明する。
粗化する方法としては、粗化とはんだ濡れ性との両立を実現するため、工程の管理が比較的容易なマイクロエッチング法によって、銅または銅合金の表面を粗化する事が好ましい。通常のエッチング法による粗化によるマット面と呼ばれる粗化箔であれば、Rzを1μmレベルまで低減したとしてもはんだ濡れ性が不適であり、マイクロエッチングする必要性が明確となる。これは、通常の電解粗化銅箔119の粗化形状が、凸状に瘤を付けた形状を有することでアンカー効果が得られているが、本形状は非常に濡れ性の観点からは不適であることが本発明の過程で明確となった。一方、平滑な銅箔119形状から、マイクロエッチングで凹状にくり抜く様な粗化形状を形成すると、樹脂成分とのアンカー効果は得られつつ、はんだ濡れ性はむしろ向上する。
更に付け加えれば、導電性ペースト110として、はんだ材料を用いる場合、はんだ材料がSnとSnよりも高融点の金属とからなる化合物を含む場合、すなわち、再リフロー時の融点が高温になる高温はんだを用いる場合は、一次実装時のはんだ溶融時のレベリング効果が不十分な傾向があり、内蔵するチップ部品高さばらつきが大きくなってしまう課題を有していた。しかし、はんだ濡れ性に優れたマイクロエッチングできめ細かい凹凸粗化形状の銅電極を用いて実装することで、レベリング性を向上させ、内蔵するチップ部品高さばらつきを抑制でき、幅広いはんだ材料において好ましい。結果として、より厳しい2次はんだリフロー工程(高温のリフロー)が想定させる用途において、はんだ変形が殆ど無く強固な接続信頼性を有するデバイスを提供できる。
(実施の形態5)
以下、本発明の実施の形態5として、上述した実施の形態及びその比較例を挙げて、本発明の効果について結果を[表1]を用いて説明する。なお、特に説明しない限りは実施の形態1等と同一の構造については、同一番号を付与して説明を省略する。
以下、本発明の実施の形態5として、上述した実施の形態及びその比較例を挙げて、本発明の効果について結果を[表1]を用いて説明する。なお、特に説明しない限りは実施の形態1等と同一の構造については、同一番号を付与して説明を省略する。
[表1]は、6層で構成される部品内蔵基板101の基材内容、導電性ペースト110内容を含めた各種積層構造時のビア接続性、吸湿時のはんだリフロー信頼性、信頼性試験時の基板外観(膨れの有無)、機械強度信頼性設計上の課題、プロセス上の課題をまとめている。
図12(A)(B)は、それぞれ比較例1,比較例2の構造を示す断面図である。128はコンポジットシートである。
図13(A)〜(C)は、共に実施例1〜実施例3の構造を示す断面図である。図13において、129は、CuSn金属間化合物を含む導電性ペースト硬化物である。
図12(A)に示す比較例1は、特許文献1に示されている構造であり、コンポジットシート128を用いて回路部品112が導電性ペースト110を用いたビア109によって、接続と共に内蔵されている。比較例1の構造では、内蔵する回路部品112が0603サイズ等、小さい場合は、空隙を空けずに内蔵できる特長を有するが、図12(A)に示すように、ビアが回路部品112に近接している場合、特にビア接続形状は変形しやすくなり、歪む場合がある。
図12(A)に示す比較例1の構造では、回路部品112を内蔵している層厚分に関しては、再配線等が出来ないため、同一厚みで考えた場合の配線収容性に劣る。あるいは基板厚みが厚くなる場合がある。または回路部品112を実装する基板を多層化する必要がある。さらにコンポジットシート128を用いる場合は、取り扱うワークサイズを大きくする事が困難だったため、150mm□ワークサイズで内蔵試作を行った。
図12(B)に示す比較例2は、大きなワークサイズで基板プロセスを行うことに配慮し、ビア109(図中では導電性ペースト110に相当するため、図示していない)に、導電性ペースト110を充填したプリプレグを全層スタック構造で積層して回路部品112を内蔵した場合を示す。回路部品112の内蔵のために形成した空隙への樹脂流動のため、層間を接続する導電性のビア109が大きく歪む事が確認された。また、比較例2では、ランドレス(ランドの無いものを意味する)でビアペースト間を接続するため、ビア径を200μmφと大きく確保する必要があり、且つ、今回の比較例サンプルでは、初期ビア接続は確認できたが、リフロー試験等で大幅に接続抵抗が大きく変動する事が確認できた。
図13(A)に示す実施例1(交互積層導入の一例)は、本発明の構造の一例とし、第2の開口部123の第2のガラス繊維107の断面と、第1の開口部120の第1のガラス繊維104の断面とを略一致させ、面同士が略同一面にした場合について説明するものである。その結果、実施例1サンプルにおける基本落下試験(1.5m落下試験 1500G)では問題は発生していない。一方、更に過酷な落下試験(3m落下試験等 3000G)においては、回路部品の収容部、樹脂充填部の機械強度が持ちこたえられない事が考えられるが、こうした更に高い信頼性が要求される場合には、実施例2、3に示すような構成とすることができる。
すなわち、過酷な機械的信頼性が要求される場合、実施例2(収容部形状工夫の一例として、ガラス繊維の一部を収容部に挿入する)の構成とすることで、実施例1の構成に加えて、ガラス繊維による収容部114の更なる靱性向上が可能となる。
樹脂充填性の観点からも、実施例1の場合で、原則、0603サイズチップ部品、1005サイズチップ部品の単独内蔵あるいは、2〜3個連内蔵の形態であれば、気泡無く充填する事が出来る。一方、ウエハレベルCSPの内蔵及びその周辺への複数のチップ部品が狭隣接で実装されていて、広い収容部を樹脂充填しなければならない場合は、大多数は気泡無く樹脂充填できるものの、ごく少数気泡が発生する事例が確認された。この様な特殊な内蔵回路部品レイアウトの場合は、実施例2で示す構成が樹脂充填の観点より有効に寄与する。樹脂充填が100%できている。
また、より過酷な吸湿リフロー信頼性が要求される場合、実施例1の構成に加えて、実施例3(CuSn金属間化合物を含むAgコートCu粉系導電性ペーストをビアに導入)によって、よりビア抵抗変化率が少ない接続信頼性を確保する事ができる。
この様に、信頼性レベルに応じて、実施例2や実施例3の様に構成を変化させることで、より過酷な信頼性レベルに対応した部品内蔵基板を提供することが出来る。
図13(B)に示す実施例2(収容部形状工夫の一例)では、実施例1と比較するため、第2の開口部123(図示していない)の第2のガラス繊維107の断面が、第1の開口部120の第1のガラス繊維104の断面より回路部品112側に位置するように試作実施したものである。
図13(A)に示す実施例1と同様に内蔵された回路部品112に関する吸湿リフロー信頼性(JEDEC Level.2)では、基板の膨れ、ボイド発生が無いこと、落下試験で回路部品にクラックが発生しないこと等の規格を満足する事を確認している。
但し一部、内蔵された回路部品112の近傍のビア109に関しては、吸湿リフロー時に、ビア接続抵抗が20%程度、上昇している。
図13(C)に示す実施例3では、ビア109を構成する導電性ペースト110に、CuSn金属間化合物を含むAgコートCuペーストを用いた。図13(B)に示す実施例2より、CuSn金属間化合物を含むAgコートCu導電性ペースト硬化物129を用いることで、吸湿リフロー時の導電性ビア抵抗変化は、10%以内に抑制されることが判る。
以上のように、貫通孔108に充填され、基板間を接続する役目を担う導電性ペースト110には、CuSn金属間化合物を含む導電性ペーストを使うことが有用である。すなわち、導電性フィラーとしてSn−Bi合金を主成分とする金属粒子からなるものを使うことで、更に信頼性を高められる。これは未硬化状態(あるいはプリプレグ状態)の第2の絶縁層105の貫通孔108に充填されるビア接続用の導電性ペースト110は、回路部品112が内蔵されるに伴い発生する樹脂流動に抗して銅箔119等とビア接続される必要があり、強固な界面密着性が求められるからであり、Sn−Bi合金を主成分とする金属粒子からなる導電性ペースト110を用いる事により銅箔119との間で金属拡散を発生させ、合金反応層を形成することで安定した接続が得られるからである。
以上のように、本発明を用いることで、回路部品112を内蔵する配線層領域を配線層が形成された硬化済絶縁層と、未硬化である導電性ペースト110が充填されたプリプレグとの積層構造で構成させることにより、部品内蔵時のビア歪みの回避、中継基板としての再配線能力、限られた厚みの範囲内での多層化の実現を行うことができる。
こうした本発明の構造によって、従来の部品内蔵基板において、配線層が形成された硬化済絶縁層を用いる事で、回路部品を収容する収容部、即ち、孔に収納された回路部品と、回路部品112と第1及び第2の絶縁層102、105との隙間に対して、樹脂を充填する供給元が限定されてしまい、ボイドが発生する可能性があるという課題を解決できる。
これは本発明において、回路部品112の収容部114は、硬化済みの第1の絶縁層102の一部が第1のガラス繊維104と共に貫通除去されてなる第1の開口部120と、未硬化の第2の絶縁層105の一部が第2のガラス繊維107と共に貫通除去されてなる第2の開口部123と、が積層されたものであって、第1の開口部120に露出した第1のガラス繊維104の切断面は、第2の硬化性樹脂106で覆われるためである。
なお第2の開口部123の幅もしくは面積が第1の開口部120の幅もしくは面積より小さい、もしくは第2の開口部123の第2のガラス繊維107の断面が、第1の開口部120の第1のガラス繊維104の断面より回路部品112側に位置させることで、第2の絶縁層105から染み出される第2の硬化性樹脂106を、効率良く循環させられる。そして、内蔵する回路部品112周りを完全に樹脂で充填し、ボイド発生を無くす効果を発揮する。更に言えば、第2のガラス繊維107の一部を、回路部品112を覆う第2の硬化樹脂106の中に設けることで靱性を高める効果が得られる。その結果、本発明は上記において、ボイドの発生を効果的に抑制することができるためである。
更に、必要に応じて、一部にCuSn金属間化合物を有する鉛フリーハンダで回路部品を実装することで、更に部品内蔵層のビア接続信頼性を高めることができる。
なお、市場から部品内蔵基板に対して、さらに多層化構造で且つ小型・薄型化構造を訴求されるが、こうした市場ニーズに対して、本発明の部品内蔵基板101では、硬化済みの第1の絶縁層102の一部が第1のガラス繊維104と共に貫通除去されてなる第1の開口部120において、配線パターン111が、開口部よりも50μm以上、後退している配線とすることで、内蔵プロセス時の位置ばらつきで回路部品112の電極部分と第1の絶縁層102に形成されている配線パターン111とのショートを回避できる。
また市場ニーズとして、多層化構造で且つ薄型化構造が求められるが、こうした市場ニーズに対して、本発明の部品内蔵基板101は、収納される回路部品112を包含する第1の絶縁層102部に形成される配線パターン111に於いて、回路部品112に対向する領域には配線パターン111を積極的に設けないこととすることで、多層化構造で且つ薄型化構造を実現する。
このように、本発明の部品内蔵基板101は、回路部品112の高さばらつき(更には、もっとも背が高い回路部品が実装、内蔵された箇所においても)、回路部品112と直上に配線パターン111を有する絶縁層との界面が接触してしまった場合においても、電気的ショート現象を回避することができるため、優れた高信頼性を実現する。
(実施の形態6)
以下に、本発明の電子部品内蔵基板及びその製造方法の実施の形態6について、図面10(c)〜(e)を参照して説明する。
以下に、本発明の電子部品内蔵基板及びその製造方法の実施の形態6について、図面10(c)〜(e)を参照して説明する。
前述の図9(A)(B)は、共に部品内蔵基板の更なる薄層化を実現する構造を示す断面図であったが、図10(c)(d)(e)は、それぞれ5層構造による電子部品内蔵基板の断面図と、その部分を拡大した図であり、図9(A)(B)と、図10(c)(d)(e)は、別々の構造や作用効果を説明するものである。
図10(c)(d)(e)は、それぞれ本発明の実施の形態6による5層構造による電子部品内蔵基板の断面図と、その部分を拡大した断面図であり、前述の図8(A)(B)で説明したものと、異なる電子部品内蔵基板に関する説明である。
内蔵部品と基板配線パターンとの接続方法には、大きく分けてはんだ接続とめっき接続があり、部品の端子電極の構成によってその向き不向きが発生する。
通常のチップLCR部品は2端子構造であり、実装される数も多い。そのため、セルフアライメント効果によって実装接続信頼性が確保されるはんだ接続が好適である。一方、多端子を有する部品で特にウエハレベルCSPの様に端子がエリア配置されている場合はめっきビアで直上に引き出してファンアウトする再配線構造が可能となるため、好適である。
本実施の形態では、前記両タイプの部品(チップC及びウエハレベルCSP)を内蔵した基板の好適な構造及び製造プロセスを説明する。
本実施の形態では、図10(c)に示すようにチップC112はフェイスダウンのはんだ実装、ウエハレベルCSP130はフェイスアップのダイボンド実装を2層基板122に対して行っている。
本構造の製造方法としては、レイヤー2とレイヤー3との層間ビアのみ予め導電性ビアペーストを充填、プレス硬化したもので電気接続している。レイヤー3とレイヤー4との層間ビアについては、図9(A)に示すように一括積層における加熱プレスによって接続されるが、本部分は実施の形態1で記載したように、部品内蔵時の樹脂流動に抗したビア接続、はんだ濡れ性を満たす銅箔粗化状態とのビア接続を両立させるため、図2(c)(d)で示したような構成を取る必要がある。
一方、フェイスアップのダイボンド実装されたウエハレベルCSP130に対しては、エリア状の外部端子電極に対して、精度良くアライメントした後レーザービア加工を行い、デスミア、無電解Cuめっき、電解Cuめっきを行いコンフォーマルビア(あるいはフィルドめっきビア)131を形成する。しかる後にフォトリソ工法によりCuパターニングを行い、ファンアウト再配線層132を形成する。
なお、ウエハレベルCSP130の外部端子数が多く、端子ピッチも狭隣接している場合は、再配線層の形成方法としてセミアディティブ法を用いる方が好適である。
また、本実施の形態ではウエハレベルCSPを取り上げて説明したベアの半導体を埋め込んでめっきビア接続しても構わない。
図10(d)では、内蔵されているチップC112の引き出し面とウエハレベルCSP130の再配線引き出し面をそれぞれ両面、反対側に形成した場合を記載しているが、図11(f)(g)に示すように同一面側に両部品とも配線を引き出しても構わない。
図11(f)(g)は、共にめっき接続とした場合の電子部品内蔵基板の断面図である。なお、図11(f)の場合は工程上、両部品ともめっきビア131で引き出す方が好適である。図11(g)の場合は、2次実装で実施されるはんだリフロー条件等が高温で厳しい条件の場合に好適な構造である。
本発明における部品内蔵基板およびその製造方法は、小型・低背化に好適で低コストで量産性に優れるため、実用化しやすく、特に小型化が求められるモジュール及びパッケージとして有用である。
17 Cu粒子
18 第1金属領域
19 第2金属領域
20 面接触部
101 部品内蔵基板
102 第1の絶縁層
103 第1の硬化性樹脂
104 第1のガラス繊維
105 第2の絶縁層
106 第2の硬化性樹脂
107 第2のガラス繊維
108 貫通孔
109 ビア
110 導電性ペースト
111 配線パターン
112 回路部品
113 実装材料
114 収容部
115 多層基板部
116 プリプレグ
117 保護フィルム
118 突出部
119 銅箔
120 第1の開口部
121 中継配線基板
122 実装基板
123 第2の開口部
124 スキージ
125 矢印
126 基板間接続層
127 実装用端子
128 コンポジットシート
129 CuSn金属間化合物を含む導電性ペースト硬化物
131 めっきビア
132 ファンアウト再配線層
18 第1金属領域
19 第2金属領域
20 面接触部
101 部品内蔵基板
102 第1の絶縁層
103 第1の硬化性樹脂
104 第1のガラス繊維
105 第2の絶縁層
106 第2の硬化性樹脂
107 第2のガラス繊維
108 貫通孔
109 ビア
110 導電性ペースト
111 配線パターン
112 回路部品
113 実装材料
114 収容部
115 多層基板部
116 プリプレグ
117 保護フィルム
118 突出部
119 銅箔
120 第1の開口部
121 中継配線基板
122 実装基板
123 第2の開口部
124 スキージ
125 矢印
126 基板間接続層
127 実装用端子
128 コンポジットシート
129 CuSn金属間化合物を含む導電性ペースト硬化物
131 めっきビア
132 ファンアウト再配線層
Claims (9)
- 第1のガラス繊維と第1の硬化性樹脂と配線パターンとを有する第1の絶縁層と、
第2のガラス繊維と第2の硬化性樹脂とビアとを有する第2の絶縁層と、が積層されてなる多層基板部と、
この多層基板部の最外層の前記第1の絶縁層の内層側の前記配線パターンにはんだを用いて実装された回路部品と、
前記多層基板部に設けられ、前記回路部品を収容する収容部と、
を有する部品内蔵基板であって、
前記多層基板部は、硬化済みの前記第1の絶縁層と、未硬化の前記第2の絶縁層とが、交互に積層され硬化され一体化したものであり、
前記収容部に収容された前記回路部品と、前記多層基板部との間には、前記第2の絶縁層の前記第2の硬化性樹脂の硬化物が充填され、
前記ビアは、前記第2の絶縁層に形成された貫通孔と、この貫通孔に充填され前記第1の絶縁層の表面が瘤形状サイズが2μm以下に粗化された前記配線パターンとに電気的に接続されたCuとSnとBiとを少なくとも含む金属部分と樹脂部分とを含み、前記金属部分はCu粒子からなる領域、金属間化合物を主成分として前記Cu粒子同士の前記面接触部を跨ぐようにその周囲を覆う第1金属領域と、Biを主成分とする第2金属領域から構成された導電性ペーストとからなることを特徴とする部品内蔵基板。 - 前記収容部は、硬化済みの前記第1の絶縁層の一部が、前記第1のガラス繊維と共に貫通除去されてなる第1の開口部と、未硬化の第2の絶縁層の一部が、前記第2のガラス繊維と共に貫通除去されてなる前記第2の開口部と、が交互に積層されたものであって、
前記第1の開口部に露出した前記第1のガラス繊維の切断面は、前記第2の硬化性樹脂で覆われ、
前記第2の開口部の幅もしくは面積が前記第1の開口部の幅もしくは面積より小さい、もしくは前記第2の開口部の前記第2のガラス繊維の断面が、前記第1の開口部の前記第1のガラス繊維の断面より前記回路部品側に位置することを特徴とする請求項1記載の部品内蔵基板。 - 前記収容部の周囲を囲う前記第2の絶縁層を構成する前記第2のガラス繊維の溶けた一部が、前記収容部に入っていることを特徴とする請求項1記載の部品内蔵基板。
- 前記第2の絶縁層に形成されたビア部と、前記収容部との間に、前記第2のガラス繊維を設けている請求項1記載の部品内蔵基板。
- 前記第2の絶縁層に充填される導電性ペーストは、CuとSnとBiとを少なくとも含む金属部分と樹脂部分とを含み、前記金属部分はCu粒子からなる領域、金属間化合物を主成分として前記Cu粒子同士の前記面接触部を跨ぐようにその周囲を覆う第1金属領域と、Biを主成分とする第2金属領域から構成されており、この導電性ペーストによって層間接続されるCu配線パターン表面が瘤形状サイズが2μm以下である請求項1と請求項2のいずれか一つに記載の部品内蔵基板。
- 前記硬化済みの前記第1の絶縁層の一部が前記第1のガラス繊維と共に貫通除去されてなる第1の開口部において、銅箔パターンが、開口部よりも後退している配線設計である請求項1と請求項2のいずれか一つに記載の部品内蔵基板。
- 第1のガラス繊維と第1の硬化性樹脂と配線パターンとを有する第1の絶縁層と、
第2のガラス繊維と第2の硬化性樹脂とビアとを有する第2の絶縁層と、が積層されてなる多層基板部と、
この多層基板部の最外層の前記第1の絶縁層の外側の前記配線パターンとめっき接続を用いて実装された回路部品と、
前記多層基板部に設けられ、前記回路部品を収容する収容部と、
を有する部品内蔵基板であって、
前記多層基板部は、硬化済みの前記第1の絶縁層と、未硬化の前記第2の絶縁層とが、交互に積層され硬化され一体化したものであり、
前記収容部に収容された前記回路部品と、前記多層基板部との間には、前記第2の絶縁層の前記第2の硬化性樹脂の硬化物が充填され、
前記ビアは、前記第2の絶縁層に形成された貫通孔と、この貫通孔に充填され前記第1の絶縁層の前記配線パターンとに電気的に接続されたCuとSnとBiとを少なくとも含む金属部分と樹脂部分とを含み、前記金属部分はCu粒子からなる領域、金属間化合物を主成分として前記Cu粒子同士の前記面接触部を跨ぐようにその周囲を覆う第1金属領域と、Biを主成分とする第2金属領域から構成された導電性ペーストとからなることを特徴とする部品内蔵基板。 - 第1のガラス繊維と硬化済み第1の硬化性樹脂と配線パターンとを有する硬化済みの第1の絶縁層を複数枚用意する第1絶縁層工程と、
前記第1の絶縁層に、回路部品を収容する第1の収容部を形成する第1収容部形成工程と
第2のガラス繊維と未硬化の第2の硬化性樹脂とを有する未硬化の第2の絶縁層を複数枚用意する第2絶縁層工程と、
未硬化の前記第2の絶縁層に、第2の収容部を形成する第2収容部形成工程と、
未硬化の前記第2の絶縁層に、貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、
未硬化の前記第2の絶縁層の前記貫通孔に導電性ペーストを充填する充填工程と、
どちらか一方以上の最外層となる第1の絶縁層の内層側の配線パターンを微細マイクロエッチング工法によって瘤形状サイズが2μm以下となるように銅箔表面を粗化する工程と、及び前記銅箔上に回路部品を実装する実装工程と、
前記第1の収容部が形成された前記第1の絶縁層と、前記第2の収容部が形成された未硬化の前記第2の絶縁層とを交互に積層すると共に、どちらか一方以上の最外層に前記実装工程で得られた前記第1の絶縁層を積層し多層基板部とする積層工程と、
多層基板部を加圧加熱し一体化すると共に、
前記貫通孔に充填された前記導電性ペーストと、前記第1の絶縁層の前記配線パターンとを電気的に接続し、
更に、前記第1、第2の収容部に収容された前記回路部品と、前記多層基板との間に、前記未硬化の前記第2の絶縁層に含まれる未硬化の前記第2の硬化性樹脂を充填する一体化工程と、
を少なくとも有する部品内蔵基板の製造方法。 - 前記導電性ペーストがCuとSnとBiとを少なくとも含む金属部分と樹脂部分とを含み、前記金属部分はCu粒子からなる領域、構成金属間化合物を主成分として前記Cu粒子同士の前記面接触部を跨ぐようにその周囲を覆う第1金属領域と、Biを主成分とする第2金属領域から構成されている請求項8記載の部品内蔵基板の製造方法。
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