JP5159229B2 - 配線基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子などの電子部品が搭載される配線基板およびそれを用いた電子装置に関する。

半導体素子の動作速度の高速化によって、半導体素子をはじめとする電子部品が搭載される配線基板においては、配線基板内に高速信号を伝搬する必要がある。高速信号が配線基板内を伝播する際に、同時スイッチングノイズやクロストークノイズ等のコモンモードノイズによって信号品質が劣化し半導体素子の誤動作を引き起こすといった問題がある。

図６は、従来の技術の配線基板６１示す断面図である。前述の問題を解決するために、従来の技術の配線基板６１では、配線基板６１内において差動線路６４を形成することによってコモンモードノイズをキャンセルし信号品質を確保している。そのため、信号の劣化による半導体素子６２の誤動作を抑制することが可能となる（たとえば特許文献１参照）。
特開平１−２８６４９３号公報

前述の従来の技術の配線基板６１では、大規模集積の半導体素子、たとえば信号配線が１０００本以上の大規模集積、かつ１０ＧＨｚ以上の周波数帯域にて使用される超高速の半導体素子６２を搭載すると次のような問題点が生じる。差動配線を形成する一対の信号配線６４の断面形状は、設計上は矩形であるが実際は図７の従来の技術の配線基板６１の要部拡大断面図に示されように、オーバーエッチングやスクリーン印刷に用いる製版の精度、印刷後のインク広がり、あるいは積層時の配線形状の変形等加工上の諸問題から上側の幅が下側の幅よりも小さい略台形状として形成される。

このような差動配線を形成する一対の信号配線６４に信号を伝送した場合、信号の電磁界は信号配線６４ａと信号配線６４ｂが対向する領域に集中するため、信号配線６４を流れる電流も配線断面の信号配線６４ａと信号配線６４ｂが対向する領域に集中する。このため信号配線に電流が集中する部分の断面積は矩形の場合に比べて小さくなるためさらに伝送ロスが増加することとなる。これによって超高速の信号を伝送した際に信号の劣化が発生し、半導体素子６２の誤動作を引き起こすおそれがある。

本発明の配線基板の製造方法は、複数の絶縁層を積層して成る絶縁基板と、複数の信号配線とを備えた配線基板において、前記信号配線は、少なくとも一つの絶縁層を介して上下に対向した第１信号配線層および第２信号配線層を有しており、該第１信号配線層および第２信号配線層は互いに対向する側の幅が、その反対側の幅よりも大きい配線基板の製造方法であって、対応する支持体に導体ペーストをそれぞれ塗布することにより、前記第１信号配線層または前記第２信号配線層を形成する工程と、前記支持体上に前記第１信号配線層または前記第２信号配線層を覆うように前記絶縁層となるセラミックスラリーをそれぞれ塗布して複数の配線付セラミックグリーンシートを形成する工程と、前記複数の配線付セラミックグリーンシートから前記支持体を除去する工程と、前記第１信号配線層を有する前記配線付セラミックグリーンシートの前記支持体が除去された面に前記絶縁層となるセラミックグリーンシートを積層し、さらに該セラミックグリーンシートの前記第１信号配線層とは反対側の面に前記第２信号配線層を有する前記配線付セラミックグリーンシートを、前記支持体が除去された面が前記第１信号配線層と対向するように積層することにより、セラミックグリーンシート積層体を形成する工程と、前記セラミックグリーンシート積層体を焼成する工程とを有することを特徴とする。

本発明の配線基板の製造方法によれば、平坦性に優れた幅の広い主面を有する第１信号配線層および第２信号配線層を容易に作製することができ、また、これらの主面同士を精度よく、かつ容易に対向させることができる。

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態を、複数の形態について説明する。各形態で先行する形態で説明している事項に対応している部分には同一の参照符を付し、重複する説明を略する場合がある。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は、先行して説明している形態と同様とする。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組合せることも可能である。

本発明の配線基板の製造方法について以下に詳細に説明する。図１は配線基板の実施の形態の一例を示す断面図であり、図２は図１の配線基板における信号配線の周辺部の要部拡大断面図である。また、図３は図１の配線基板の製造工程の一部を示す断面図である。また、図４は図１の配線基板の平面透視図であり、図５は図１の配線基板の要部拡大平面図である。図１乃至図５において同じ部位には同じ符号を付している。

配線基板１において、図１に示す例では、絶縁基板３を構成する絶縁層３ａ〜３ｅは基本的には同じ比誘電率を有する絶縁材料で形成されている。絶縁層３ｃ,３ｄ上には信号
配線群４が形成され、絶縁層３ｂ，３ｅ上には信号配線群４に対向させて広面積の基準電位配線層５が形成されており、信号配線群４の各配線はストリップ線路構造を有している。この例では、信号配線群４は複数が設けられ、その全部がストリップ線路構造である。また、基準電位配線５は、必要に応じて電源電位あるいは接地電位に任意に設定される。

配線基板１において、絶縁層３ａ〜３ｅは、基本的には同じ比誘電率を有する絶縁材料で形成されている。ここで、絶縁層３ａ〜３ｅがセラミックから成る場合の配線基板１の製造方法の一例を以下に説明する。図３は、本実施の形態による配線基板１の製造工程の一部を示す図であり、特に、図２に示された構成の製造方法を説明するための図である。まず、（ａ）に示されるように、信号配線群４となる第１信号配線層４ａが形成された支持体１０を準備する。そして、（ｂ）に示されるように、第１信号配線層４ａが形成された支持体１０上に絶縁層３ｂとなるセラミックスラリーを塗布して配線付セラミックグリーンシートを形成する。次に、（ｃ）に示されるように、配線付セラミックグリーンシートから支持体１０をそれぞれ除去する。そして、（ｄ）に示されるように、第１信号配線層４ａを有する配線付セラミックグリーンシートのうち支持体１０が除去された面１１に絶縁層３ｃとなるセラミックグリーンシートを積層する。さらに、（ｅ）に示されるように、絶縁層３ｃ上に、第１信号配線層４ａを有する配線付セラミックグリーンシートと同様の方法で作成された第２信号配線層４ｂを有する配線付セラミックグリーンシートを、その支持体１０が除去された面１１が第１信号配線層４ａに対向するように積層する。そして、最後に、（ｆ）に示されるように、基準電位配線層５が形成されたセラミックグリーンシートを積層し、この積層体を還元雰囲気中で約１６００℃の温度で焼成することによって図２に示された構成が得られる。

このような方法によれば、平坦性に優れた幅の広い主面を有する第１信号配線層４ａおよび第２信号配線層４ｂを容易に作製することができ、また、これらの主面同士を精度よく、かつ容易に対向させることができる。その結果、信号の伝送ロスを良好に低減することができ、電子部品２の高速動作を良好に行なうことが可能な配線基板を生産性よく作製できる。

なお、絶縁層３ａ〜３ｅは、酸化アルミニウム質焼結体，窒化アルミニウム質焼結体，炭化珪素質焼結体，窒化珪素質焼結体，ムライト質焼結体またはガラスセラミックス等の無機絶縁材料から成る。これらの絶縁層３ａ〜３ｅの厚みは、使用する材料の特性に応じて、要求される仕様に対応する機械的強度や電気的特性等の条件を満たすように設定される。これらの絶縁層３ａ〜３ｅの厚みは、使用する材料の特性に応じて、要求される仕様に対応する機械的強度や電気的特性等の条件を満たすように設定される。

また、配線基板１において絶縁基板３の表面には、高速で動作するＩＣ，ＬＳＩ等の半
導体集積回路素子や半導体レーザ（ＬＤ），フォトダイオード（ＰＤ）等の光半導体素子等の半導体素子２が搭載される。この半導体素子２は、その裏面（絶縁基板３に対向する面）側に信号配線用や基準電位配線用の端子（図示せず）が形成され、各端子が、配線基板１の表面に形成された電極パッド７に錫−鉛（Ｓｎ−Ｐｂ）合金等の半田や金（Ａｕ）等から成る半田バンプ８を介して電気的に接続されて実装される。各電極パッド７は、配線基板１の内部に形成されている信号配線群４や基準電位配線５とそれぞれ、配線基板１の表面から内部にかけて形成されたビア導体等の貫通導体６を介して電気的に接続され、半導体素子２の各端子が、信号配線群４や基準電位配線５と電気的に接続される。

配線基板１において、半導体素子２は、スイッチング動作に必要な電荷は外部電気回路と接続される半田バンプ８から基準電位配線５を介して供給され、半導体素子２のスイッチング動作によって得られた信号波形は配線基板１内に形成された信号配線群４を伝播し外部電気回路と接続される半田バンプ８介して外部電気回路に伝送される。

配線基板１において、これらの信号配線群４、基準電位配線５、貫通導体６、電極パッド７、外部接続用電極７’は、例えばタングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ），モリブデン−マンガン（Ｍｏ−Ｍｎ），銅（Ｃｕ），銀（Ａｇ）または銀−パラジウム（Ａｇ−Ｐｄ）等の金属粉末メタライズ、あるいは銅（Ｃｕ），銀（Ａｇ），ニッケル（Ｎｉ），クロム（Ｃｒ），チタン（Ｔｉ），金（Ａｕ）またはニオブ（Ｎｂ）やそれらの合金等の金属材料により形成されている。

このような金属材料は、メタライズ法等の厚膜法や、薄膜法等の金属層形成手段により所定パターンに被着、形成すればよい。具体的には、信号配線群４、基準電位配線５、貫通導体６、電極パッド７、外部接続用電極７’を、Ｗの金属粉末メタライズで形成する場合、Ｗ粉末に適当な有機バインダや溶剤等を添加混合して得た金属ペーストを、図３に示される支持体１０上に所定のパターンで印刷塗布し形成することができる。また、信号配線群４、基準電位配線５、貫通導体６、電極パッド７、外部接続用電極７’を金属薄膜で形成する場合、例えばスパッタリング法，真空蒸着法またはメッキ法により金属薄膜を形成した後、フォトリソグラフィ法により所定の信号配線に形成することができる。

配線基板１において、信号波形を伝送する信号配線群４は、各信号配線群４の配線幅および信号配線群４と基準電位配線５との間に介在する絶縁層３ｂ，３ｄの厚み、および第１信号配線層４ａと第２信号配線層４ｂの厚みを設定することにより、信号配線群４の特性インピーダンスを任意の値に設定することができる。そのため、例えば複数の信号配線群４により、良好な伝送特性を有する信号配線群４を形成することが可能となる。信号配線群４の特性インピーダンスは一般的にはシングル配線であれば５０Ω、差動配線であれば１００Ωに設定される。なお、信号配線群４に含まれる複数の信号配線４は、それぞれ異なる電気信号を伝送するものとしてもよい。

配線基板１において、信号配線４は、少なくとも一つの絶縁層３ｃを介して上下に対向した第１信号配線層４ａおよび第２信号配線層４ｂを有しており、この第１信号配線層４ａおよび第２信号配線層４ｂは互いに対向する側の幅が、その反対側の幅よりも大きい構成となっている。これにより、上下に対向した、第１信号配線層４ａおよび第２信号配線層４ｂの幅の広い部位同士の間に電磁界を集中させることができるため、第１信号配線層４ａおよび第２信号配線層４ｂの電流が流れる部分の断面積を増加させることができ、第１信号配線層４ａおよび第２信号配線層４ｂで形成される信号配線４の伝送ロスを低減することができる。したがって、半導体素子等の電子部品２を搭載した際に、電子部品２の高速動作時における作動性を非常に良好なものとすることができる。

第１信号配線層４ａおよび第２信号配線層４ｂは、互いに対向する側の部位の幅が、その反対側の部位の幅よりも大きくなっており、例えば、断面形状が台形形状や楕円形状である。この第１信号配線層４ａおよび第２信号配線層４ｂのそれぞれに、互いに波形が反転した差動信号を伝送させることにより、差動線路として機能し、コモンモードノイズをキャンセルし信号品質を良好なものとすることができる。

好ましくは、第１信号配線層４ａおよび第２信号配線層４ｂは、互いに対向するそれぞれの主面が平坦面であるのがよい。これにより、対向する平坦面全面に電流を流すことができ、電流が流れる部分の断面積を大きくして伝送ロスを低減することができる。

また、第１信号配線層４ａと第２信号配線４ｂ層は一対で差動線路を形成し、この差動線路の特性インピーダンスは配線基板１に搭載される半導体素子２の特性インピーダンスと略同じであるのが好ましい。これにより、半導体素子２と差動線路間での特性インピーダンスの不整合を抑制し信号の反射を低減できることから半導体素子２の高速動作時における作動性を非常に良好なものとすることができる。

好ましくは、図４に本発明の配線基板１の平面透視図で示すように、絶縁基板３は一方主面に電子部品２の搭載領域Ａを有しており、信号配線４は、搭載領域Ａから絶縁基板３の他方主面にかけて、絶縁基板３を平面透視して放射状に延出され、他方主面に形成された外部接続用電極７’に接続されているのがよい。これにより、半導体素子などの電子部品２からの信号を最短距離にて外部接続用電極７’に伝送することが可能となる。このため、信号の伝播遅延を抑制し、信号のタイミングずれによる半導体素子２の誤動作を防止し高速動作時における作動性を非常に良好なものとすることができる。

また、好ましくは、信号配線４は、絶縁層３ａ〜３ｅ間に形成された第１信号配線層４ａまたは第２配線層４ｂと、絶縁層３ａ〜３ｅに形成された貫通導体６とを具備しており、第１信号配線層４ａまたは第２信号配線層４ｂは、図５に示すように、貫通導体６間を通過する領域において幅の狭い幅狭部１２を有するのがよい。これにより、半導体素子２直下の信号配線４（第１信号配線層４ａまたは第２信号配線層４ｂ）が引き出される領域において効率よく信号配線４を配置することができるため最低限の層数で配線基板１を形成することが可能となる。したがって配線基板１を製造する際の工数が削減されるため配線基板１を生産性よく製造することができる。より好ましくは、第１信号配線層４ａおよび第２信号配線層４ｂが、ともに上記幅狭部１２を有しており、互いの幅狭部１２が対向しているのがよく、これにより、より効率よく第１信号配線層４ａおよび第２信号配線層４ｂを配置することができる。

さらに、第１信号配線層４ａの幅狭部１２と第２信号配線層４ｂの幅狭部１２とが絶縁層３ｃを介して対向している場合に、この絶縁層３ｃは、第１信号配線層４ａの幅狭部１２と第２信号配線層４ｂの幅狭部１２との間に位置する部位の誘電率がその部位以外の誘電率よりも高いことが好ましい。これは、幅狭部１２では他の部位に比べ、特性インピーダンスが高くなる傾向にあるが、この幅狭部１２間の誘電率を高くすることにより、幅狭部１２における特性インピーダンスを低下させ、信号配線４のインピーダンスの整合をとることが可能となる。その結果、差動配線４の特性インピーダンスの不整合を抑制し信号の反射を低減できることから半導体素子２の高速動作時における作動性を非常に良好なものとすることができる。

このような構成は、例えば、絶縁層３ｃとなるセラミックグリーンシートの第１信号配線層４ａの幅狭部１２と第２信号配線層４ｂの幅狭部１２との間に対応する部位に、あらかじめ打ち抜き加工やレーザ加工等で孔部を形成し、この孔部に所望の誘電率のセラミックペーストを充填することにより形成できる。

また、小型化およびノイズ低減という観点からは、本発明の配線基板１における絶縁層３ｃは、第１信号配線層４ａと第２信号配線層４ｂとの間に位置する部位の誘電率がその部位以外の誘電率よりも低くなっているのがよい。これにより、第１信号配線層４ａと第２信号配線層４ｂ間の容量成分による結合を弱めることができる。したがって、この弱まった結合を補完する分だけ第１信号配線層４ａと第２信号配線層４ｂとの間に形成される絶縁層３ｃの厚みを薄くすることができるので、配線基板１のトータル厚みが削減され、小型化が可能となる。さらにトータル厚みが削減された結果として、基準電位配線５に接続される貫通導体６のインダクタンス成分が配線基板１の厚みの減少分低減するため、基準電位配線５のインダクタンス成分に起因する同時スイッチングノイズが削減される。したがって半導体素子２の高速動作時における作動性を非常に良好なものとすることができる。

また逆に、配線基板１における絶縁層３ｃは、第１信号配線層４ａと第２信号配線層４ｂとの間に位置する部位の誘電率がその部位以外の誘電率よりも高くなっている場合でもノイズをより低減することができ、好ましい。これにより、第１信号配線層４ａと第２信号配線層４ｂ間の容量成分による結合を強めることができるため、第１信号配線層４ａと第２信号配線層４ｂに隣接する信号配線４への電磁界の干渉を低減することができる。したがって第１信号配線層４ａと第２信号配線層４ｂで形成される差動配線と隣接する差動配線間のクロストークノイズを低減することができるので半導体素子２の高速動作時における作動性を非常に良好なものとすることができる。

また、配線基板１は、半導体素子２のみに限らず、チップ抵抗，薄膜抵抗，コイルイン
ダクタ，クロスインダクタ，チップキャパシターまたは電解キャパシター等を搭載して、電子回路モジュール等を構成してもよい。

また、各絶縁層３ａ〜３ｅの平面視における形状は、正方形状や長方形状の他に、菱形状，六角形状または八角形状等の形状であってもよい。

そして、このような配線基板１は、半導体素子収納用パッケージ等の電子部品収納用パッケージや電子部品搭載用基板、多数の半導体素子２が搭載されるいわゆるマルチチップモジュールやマルチチップパッケージ、あるいはマザーボード等として使用される。

また、配線基板１を電子機器に適用してもよい。このような電子機器としては、たとえばパーソナルコンピュータおよびゲーム機器などが挙げられる。これらの電子機器は、特に高い周波数帯域にて使用される半導体集積回路を備えている。本発明の電子機器としては、なかでも、１０ＧＨｚ以上の周波数帯域にて使用される半導体集積回路を備えるものが適している。一般的に、そのような半導体集積回路を備えていると、電気信号の伝送による劣化は、周波数帯域に比例して大きくなるが、本発明の配線基板１は、電気信号の伝送による劣化を可及的に抑えることができるので、そのような周波数条件の場合であっても、高品質の電気信号を伝送することができる。

図１の構成の配線基板１を作製し、本発明の効果を確認した。各寸法としては以下に示すものを用いた。第１信号配線４ａおよび第２信号配線４ｂは、その断面形状は台形形状であり、その下底辺は３０ｕｍ、台形形状の上底辺は１５ｕｍ、配線厚み１０ｕｍであり、絶縁層３ｃを挟んで上下に台形形状の下底辺同士が互いに対向するように形成されている。また、絶縁層３ｂ、３ｃ、３ｄは誘電率５．２で各絶縁層厚みが９５ｕｍで、差動インピーダンスが約１００Ωになるよう設定される。このとき、第１信号配線４ａおよび第２信号配線４ｂにて形成される長さ２０ｍｍの差動配線の透過特性は、４０ＧＨｚで−１．８１ｄＢであり、従来の実施形態である図７に示される第１信号配線６４ａおよび第２信号配線６４ｂの信号配線断面の台形形状の下底辺同士が互いに対向しない場合の透過特性が、４０ＧＨｚで−１．９５ｄＢであるのに対して約７．２％改善されることを確認した。

本発明の配線基板の製造方法によって製造された配線基板の一例を簡略化して示す断面図である。 本発明の配線基板の製造方法によって製造された配線基板の要部拡大断面図である。 本発明の配線基板の製造工程の一部を示す工程図である。 本発明の配線基板の製造方法によって製造された配線基板の信号配線層の配置状態を示す平面透視図である。 本発明の配線基板の製造方法によって製造された配線基板の絶縁層方向の断面を示す要部拡大断面図である。 従来の配線基板を簡略化して示す断面図である。 従来の配線基板の要部拡大断面図である。

符号の説明

１・・・・・・配線基板
２・・・・・・電子部品（半導体素子）
３・・・・・・絶縁基板
３ａ〜３ｅ・・絶縁層
４・・・・・・信号配線
４ａ・・・・・第１信号配線層
４ｂ・・・・・第２信号配線層
５・・・・・・基準電位配線
６・・・・・・貫通導体
７・・・・・・電極パッド
７’・・・・・外部接続用電極
１０・・・・・支持体
１１・・・・・支持体が除去された面
１２・・・・・幅狭部
Ａ・・・・・・搭載領域

Claims (1)

1. 複数の絶縁層を積層して成る絶縁基板と、複数の信号配線とを備えた配線基板において、
   前記信号配線は、少なくとも一つの絶縁層を介して上下に対向した第１信号配線層および第２信号配線層を有しており、
   該第１信号配線層および第２信号配線層は互いに対向する側の幅が、その反対側の幅よりも大きい配線基板の製造方法であって、
   対応する支持体に導体ペーストをそれぞれ塗布することにより、前記第１信号配線層または前記第２信号配線層を形成する工程と、
   前記支持体上に前記第１信号配線層または前記第２信号配線層を覆うように前記絶縁層となるセラミックスラリーをそれぞれ塗布して複数の配線付セラミックグリーンシートを形成する工程と、
   前記複数の配線付セラミックグリーンシートから前記支持体を除去する工程と、
   前記第１信号配線層を有する前記配線付セラミックグリーンシートの前記支持体が除去された面に前記絶縁層となるセラミックグリーンシートを積層し、さらに該セラミックグリーンシートの前記第１信号配線層とは反対側の面に前記第２信号配線層を有する前記配線付セラミックグリーンシートを、前記支持体が除去された面が前記第１信号配線層と対向するように積層することにより、セラミックグリーンシート積層体を形成する工程と、
   前記セラミックグリーンシート積層体を焼成する工程と
   を有することを特徴とする配線基板の製造方法。

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