JP5167801B2 - 配線基板および配線基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、部品が実装される配線基板およびその製造方法に関する。

近年、複数の半導体素子、その関連部品等を搭載する配線基板（例えば、マザーボード）では、配線基板の反りに起因する部品搭載時の接合不良が問題となっている。
例えば、携帯電話またはモバイルＰＣ（Personal Computer）用の配線基板では、実装信頼性を向上させるために、事前に応力解析や実装評価等を駆使し、配線基板全体の反りが抑制されるような設計が行われている。

しかし、近年の狭ピッチ実装ならびに微細化と基板の薄型化により、反り量が増大する要因が増え、設計変更だけでは対応しきれなくなってきている。
このような問題に対し、配線基板を部分的に分割し、強制的に基板全体の反りを抑制する方法が試みられている（例えば、特許文献１参照）。

このような方法によれば、配線基板自体は変形するものの、分割された構造により部品搭載領域の変形量を低減することができる。
特開昭５８−１８４７３３号公報

然るに、上記の先行例では、配線基板を分割構造としているために、配線基板上に配設可能な配線領域に制限が生じてしまう。このため、配線基板の設計・部品配置に制約が生じてしまう。また、当該制約に止まらず、配線基板の設計・部品配置の変更が余儀なくされる場合もある。従って、実用的には、上述した問題点は、解決されていない。特に、近年の半導体装置の小型化・高集積化は益々増加する傾向にある。

本発明の一観点によれば、樹脂材料を有するコア材を含む第１の層と、前記第１の層の第１領域の周囲を囲む閉ループ状であって、前記第１の層を貫通する応力緩和層である第２の層と、前記第１の層及び前記第２の層の両面に配置され、部品の実装領域を有する配線層を備えた第３の層とを含み、前記第１領域は、前記実装領域に対応する領域であって、前記第２の層の外側の領域から分離されて島状に孤立し、前記第２の層は、前記第１の層よりも低い１ＧＰａ以下の弾性率を有する樹脂層である配線基板が提供される。

また、本発明の一観点によれば、支持基板上に、樹脂材料を有する第１の層を形成する工程と、前記第１の層の第１領域に第１の開口部を形成する工程と、前記第１の開口部にビアを形成する工程と、前記第１領域の周囲を囲む閉ループ状であって、前記第１の層を貫通する第２の開口部を形成する工程と、前記第２の開口部に、前記第１の層よりも低い１ＧＰａ以下の弾性率を有する第２の層を形成し、前記第１領域を前記第２の層の外側の領域から島状に分離する工程と、前記第１の層及び前記第２の層の両面に、前記第１領域に対応する領域に部品の実装領域を有する配線層を備えた第３の層を形成する工程とを含む配線基板の製造方法が提供される。

開示の技術によれば、配線基板に搭載する実装部品の実装信頼性を確保すると共に、配線基板の設計・実装部品の配置への制約または変更等を要しない配線基板、或いは、配線基板の製造方法を実現することが可能となる。

以下、本実施の形態に係る配線基板を、図面を参照して詳細に説明する。先ず、当該配線基板の基本構造について説明する。
図１は配線基板の概要を説明するための要部模式図である。ここで、図（ａ）においては、その要部上面模式図が示され、図（ｂ）においては、図（ａ）のａ−ｂ位置における要部断面模式図が例示されている。尚、この図１では、本実施の形態に係る配線基板の構造の基本的概念が表示されている。

図示する配線基板１は、コア材層１０と、コア材層１０内に埋設された低弾性樹脂層（応力緩和層）２０と、コア材層１０及び低弾性樹脂層２０上に配置された絶縁樹脂層３０と、絶縁樹脂層３０上に配置された金属配線層４０と、を含む構成としている。

コア材層１０は、ガラス繊維（ガラスクロス）に、例えば、エポキシ樹脂、ビスマレイミドトリアジン、またはポリイミド等の有機樹脂を含浸させた、低膨張率を有した有機絶縁樹脂層である。そして、当該コア材層１０内には、矩形状にループを形成した低弾性樹脂層２０が埋設されている。即ち、コア材層１０においては、低弾性樹脂層２０によって包囲された領域１０ｉｎが領域１０ｉｎ外の領域１０ｏｕｔから分離された構造（島状構造）を有している。

ここで、低弾性樹脂層２０の材質は、コア材層１０の弾性率より低い材質が適用される。例えば、その材質として、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、オレフィン樹脂等の何れかの樹脂を主たる成分とする樹脂が適用され、室温における弾性率が１ＧＰａ以下の樹脂が用いられる。即ち、低弾性樹脂層２０は、ガラス繊維を内部に備えたコア材層１０より低い弾性率を有している。

また、配線基板１にあっては、コア材層１０及び低弾性樹脂層２０上に、絶縁樹脂層３０を配置している。この絶縁樹脂層３０の材質は、エポキシ樹脂あるいはポリイミド等の何れかの樹脂を主たる成分とする樹脂が適用される。

尚、コア材層１０及び絶縁樹脂層３０においては、上述した材質に代えて、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、ガラス等のセラミック材から構成される場合もある。
更に、絶縁樹脂層３０上には、金属配線層４０が配置されている。この金属配線層４０の材質は、例えば、銅（Ｃｕ）を主たる成分とする金属が適用される。

そして、このような低弾性樹脂層２０によって包囲される領域１０ｉｎの上方に、半導体素子等の実装部品が搭載される。
尚、図示した配線基板１は、本実施の形態に係る配線基板の基本概念を例示したものであり、一例として非対称型である片面積層体を図示している。従って、本実施の形態に係る配線基板は、特に、図１に例示する構造、形状、材質に限るものではない。

例えば、図１に例示する金属配線層４０は、絶縁樹脂層３０上に選択的にパターン形成された形態でもよく、当該金属配線層４０に導通するビア層がコア材層１０内に配設されてもよい。また、低弾性樹脂層２０によって包囲されるコア材層１０の領域１０ｉｎは、単数とは限らず、複数個の領域１０ｉｎを配線基板１内に配置してもよい（後述）。

即ち、本実施の形態に係る配線基板１は、実装部品を搭載する領域下のコア材層１０の部分を、弾性率が１ＧＰａ以下の低弾性樹脂層２０により島状に分離した構造を備えている。

このような配線基板１であれば、配線基板１全体が変形（反りまたはうねり）しても、変形により配線基板１内に発した応力が低弾性樹脂層２０により緩和される。即ち、配線基板１は、配線基板１全体に係る変形の影響を領域１０ｉｎに与え難い構造を有している。

また、配線基板１においては、領域１０ｉｎ以外を低膨張率のコア材層１０を基材としている。従って、配線基板１は、低弾性樹脂層２０を備えると共に、全体としての剛性を確保している。

更に、コア材層１０は、低弾性樹脂層２０によって横方向に連結された構造をなしている。これにより、低弾性樹脂層２０を跨いでの金属配線層のパターニングが可能になる。従って、上述したような配線基板の設計・実装部品の配置への制約または変更は要せず、配線基板上または配線基板内における電気的配線の自由度が確保される。

次に、このような低弾性樹脂層２０を配置した配線基板１の変形量と、低弾性樹脂層２０を配置しない配線基板の変形量の比較検討を行ったので説明する。
ここでは、その反りの比較検討を行うために、実装部品を搭載する領域の反り量を、有限要素法に基づいた応力解析シミュレーションにて求めた。

具体的には、応力解析シミュレーションのモデル構築として、ＭＳＣ．Ｓｏｆｔｗａｒｅ社製のＰＡＴＲＡＮ（登録商標）を用い、解析計算をＡＢＡＱＵＳ（登録商標）にて行った。

また、配線基板に反りを発生させて、低弾性樹脂層２０による効果を検証するために、このモデルにおいては、図１に例示した片面積層型（非対称型）の配線基板を用いた。
そして、低弾性樹脂層２０を有する配線基板１のモデルを２Ｄソリッドとし、配線基板１の下面サイズを５００ｍｍ×５００ｍｍとした。そして、このような平面構造をした配線基板１のコア材層１０の厚みを０．４ｍｍとし、絶縁樹脂層３０の厚みを０．０４ｍｍとした。また、金属配線層４０の厚みを０．０４ｍｍとした。

更に、低弾性樹脂層２０によって包囲されたコア材層１０の幅を５０ｍｍとし、低弾性樹脂層２０の幅を２５ｍｍとした。そして、コア材層１０の下面の両端（２ポイント）における変位・回転を禁止する拘束条件を、計算に付加させた。

このような条件でシミュレーションを行ったモデルをモデルＡと称する。
また、低弾性樹脂層２０を有しない配線基板のモデルは、モデルＡから、低弾性樹脂層２０のみを取り除き、コア材層１０中に低弾性樹脂層２０が存在しないモデルを想定した。このモデルをモデルＢと称する。即ち、モデルＢでのコア材層１０には、低弾性樹脂層２０が介在していない。

尚、モデルＡ，Ｂの応力解析シミュレーションで使用した、各部材の物性値（例えば、熱膨張率、弾性率）は、以下の通りである。
先ず、金属（銅）配線層においては、１７ｐｐｍ／℃、６０ＧＰａである。次に、コア材層においては、１２ｐｐｍ／℃、２０ＧＰａである。続いて、絶縁樹脂層においては、６０ｐｐｍ／℃、３ＧＰａである。そして、低弾性樹脂層においては、１００ｐｐｍ／℃、０．１ＧＰａである。

図２、図３に応力解析シミュレーション結果を例示する。これらの図では、実装部品を搭載する領域近傍の配線基板の断面が示されている。また、横軸（Ｘ軸）と縦軸（Ｙ軸）は、共に任意単位（ａ．ｕ．）であり、横軸（Ｘ軸）は、支持基板の水平方向の距離を表し、縦軸（Ｙ軸）は、支持基板の縦方向の距離を表している。即ち、縦軸方向への変形量が大きいほど、配線基板の反りの程度が大きくなることを表示している。また、図２では、２６０℃における配線基板の反り量の比較例が示され、図３では、−６５℃における配線基板の反り量の比較例が示されている。また、夫々の図（ａ）では、モデルＡの反りの状態が示され、図（ｂ）では、モデルＢの反りの状態が示されている。尚、横軸は、横軸の２倍のスケールで表示されている。

図２に示すように、縦軸方向においては、モデルＡの反りがモデルＢの反りよりも抑制されてるのが分る。具体的には、縦軸方向の反り量として、モデルＡの反り量がモデルＢの反り量よりも、１／２に抑制されているのが分る。

また、図３に示すように、縦軸方向においては、モデルＡの反りがモデルＢの反りよりも抑制されてるのが分る。具体的には、縦軸方向の反り量として、モデルＡの反り量がモデルＢの反り量よりも、２／３に抑制されているのが分る。

即ち、上記のシミュレーション結果からは、−６５℃〜２６０℃の温度範囲において、モデルＡの縦軸方向への反り量が、モデルＢの縦軸方向への反り量よりも、相対値として、２／３〜１／２に抑制されることが分った。

このように、上記配線基板１においては、樹脂材料（コア材層１０）、応力緩和層（低弾性樹脂層２０）を有するコア部と、当該コア部の少なくとも一面に形成され、部品が実装される実装領域を備えた配線層（金属配線層４０）を有している。また、コア材層１０における実装領域に対応する領域の周囲を囲むように応力緩和層が配置されている。そして、コア材層１０における実装領域に対応する領域が、応力緩和層の外側の領域から分離されて島状に孤立している。

次に、図１に例示した配線基板１の基本構造を含んだ、より具体的な配線基板の形態を説明する。
最初に、このような配線基板をどのように製造するのかについて説明する。尚、以下の説明では、図１で説明した同一の部材には、同一の符号を付し、その説明の詳細については省略する。

図４乃至図９には配線基板の製造方法を説明するための要部断面模式図が例示されている。また、図１０には半導体装置の製造方法を説明するための要部断面模式図が例示されている。

先ず、図４に示すように、一例として１０ｃｍ×１０ｃｍ四方の支持基板１００を準備する。この支持基板１００の主たる成分は、例えば、銅（Ｃｕ）である。そして、支持基板１００上に、未硬化状態にある熱硬化性のコア材（例えば、日立化成製、ＭＣＬ−Ｅ−６７９ＦＧ、０．１ｍｍ厚）１０ａを、例えば、２層分、積層プレス法により貼り合わせる（第１の層の形成）。

続いて、貼り合わせたコア材１０ａの一部に、例えば、ドリル加工を施し、コア材１０ａの一部に、支持基板１００の表面まで貫通する開口部５０ｈを複数個、形成する。
続いて、開口部５０ｈ内に、ウェット鍍金法によりビア層５０ａを形成する。このビア層５０ａの主たる成分は、例えば、銅（Ｃｕ）である。

尚、上述した何れかの処理の後においては、必要に応じて、貼り合わせたコア材１０ａに、熱処理（例えば、１７０℃、９０ｍｉｎ）を施し、コア材１０ａを硬化させてから、次の手順に移行してもよい。

次に、図５（ａ）に示すように、ルーター加工によって、支持基板１００の表面にまで貫通する開口部２０ｈをコア材１０ａの一部に形成する。
この開口部２０ｈの形成直後においては、コア材１０ａを上方から眺めると、図５（ｂ）に示す如く、開口部２０ｈが矩形状のループを形成している。即ち、この段階において、支持基板１００上に、開口部２０ｈによって島状に分離されたコア材１０ａの領域１０ｉｎと、それ以外のコア材１０ａの領域１０ｏｕｔが形成されている。

これにより、ビア層５０ａが形成された領域１０ｉｎが開口部２０ｈで覆われる。
尚、開口部２０ｈの幅は、例えば、０．５ｃｍであり、図中の中心線Ａから５ｃｍの位置に、領域１０ｉｎの端を位置させている。

続いて、図６に示すように、開口部２０ｈに、熱硬化性の低弾性樹脂材（例えば、日立化成製、ＫＳ−７７００、弾性率１ＧＰａ以下（室温））を印刷法により充填する。
次に、熱処理（例えば、１７０℃、９０ｍｉｎ）を施し、開口部２０ｈに充填した低弾性樹脂材を硬化させ、開口部２０ｈ内に低弾性樹脂層２０を形成する（第２の層の形成）。

尚、この段階にて、コア材１０ａが未硬化状態にある場合は、必要に応じて、当該熱処理により低弾性樹脂材の硬化と共にコア材１０ａを硬化させてもよい。
これにより、領域１０ｉｎは、低弾性樹脂層２０の周囲の領域１０ｏｕｔから分離される。

次に、図７に示すように、上記の支持基板１００を、エッチングにより除去し、コア材１０ａの下面側を表出させる。続いて、コア材１０ａの上下の主面に、セミアディティブ法により、金属配線層４０ａを複数個、選択的に形成する。この金属配線層４０ａは、例えば、ビア層５０ａに導通させる。また、低弾性樹脂層２０上の少なくとも一部に、金属配線層４０ａを跨って配置させる。尚、金属配線層４０ａの主たる成分は、例えば、銅（Ｃｕ）である。

次に、図８に示すように、コア材１０ａの上下の主面に、夫々、上述した未硬化状態のコア材１０ａを貼り合わせる。そして、上記と同様に、ドリル加工、ウェット鍍金処理、セミアディティブ法による金属配線層形成、熱処理等を実施することにより、コア材１０ａにビア層５０ｂ、金属配線層４０ｂ，４０ｃを複数個、選択的に形成する。

尚、これら４層のコア材１０ａで構成される層を、以下、コア材層１０と称する。
次に、図９に示すように、ビルドアップ用の絶縁樹脂層（例えば、味の素製、ＧＸ−１３、０．０５ｍｍ厚）３０を、コア材層１０の上下の主面に、例えば、２層構造となるように形成させ、更に、ドリル加工、ウェット鍍金処理、セミアディティブ法による配線層形成、熱処理等を実施することにより、絶縁樹脂層３０内に、金属配線層４０ｂ，４０ｃに導通する多層回路配線を配置する。更に、当該多層回路配線に導通する金属配線層４０ｄを絶縁樹脂層３０の上下の主面に形成する。

このような方法にて、コア材層１０を基材とする両面積層型（対称型）の配線基板２を製造してもよい。尚、図９では、配線基板２の上面側に配設した金属配線層４０ｄが、例えば、半導体パッケージ等を実装するための外部接続端子になる。そして、当該外部接続端子は、低弾性樹脂層２０によって取り囲まれた領域１０ｉｎ（図６参照）内の上層に配置されている。

そして、低弾性樹脂層２０によって取り囲まれた領域１０ｉｎ内において、実際に半導体パッケージ等の実装部品を搭載する領域を４ｃｍ×４ｃｍ四方とした場合、この実装部品を搭載する領域端部の反り量（水平面からの縦方向への反り量）は、５０μｍ（室温）であった。

これに対し、低弾性樹脂層２０を有しない配線基板を、上記と同様の手順で製造したところ、実装部品を搭載する領域端部の反り量は、１５０μｍ（室温）であった。
即ち、両面積層型の配線基板２においても、低弾性樹脂層２０を配線基板２内に配置することにより、当該低弾性樹脂層２０が応力緩和層として機能し、実装部品を搭載する領域の端部の反り量が１／３にまで減少することが分った。

そして、この後においては、図１０に示すように、配線基板２の上面側に配設した金属配線層４０ｄに、半導体チップ（例えば、ＬＳＩチップ）を封止した半導体パッケージ３を半田付けにて実装する。図示する如く、この半導体パッケージ３の主面には、例えば、ＢＧＡ（Ball Grid Array）構造の電極端子３ａが配設され、この電極端子３ａを介して半導体チップと金属配線層４０ｄが電気的に接続される。

このように、半導体パッケージ３を配線基板２の金属配線層４０ｄに実装して、配線基板２上に半導体チップが搭載された半導体装置４を製造する。尚、半導体装置４においては、半導体パッケージ３に代えて、他の実装部品、電子部品等を金属配線層４０ｄ上に実装してもよい。

以上説明したように、本実施の形態によれば、以下に示す有利な効果を有する。
配線基板１，２においては、実装部品を搭載する領域下のコア材層１０の部分を低弾性樹脂層２０にて島状に分離させている。これにより、配線基板１，２は、配線基板の全体の変形を、この領域１０ｉｎに与え難い構造を有している。即ち、配線基板１，２は、実装部品を搭載する領域１０ｉｎ以外の部分が如何なる構造であっても、この領域１０ｉｎにおいて変形が生じ難い構造を有している。

これにより、実装信頼性の高い配線基板が実現する。また、このような配線基板１，２に、半導体素子等の実装部品を搭載すれば、配線基板全体の変形が実装部品と配線基板の接合部分に影響し難くなり、実装信頼性の高い半導体装置が実現する。

また、コア材層１０は、低弾性樹脂層２０によって分割されることなく、連結する構造をなしているので、コア材層１０上に、低弾性樹脂層２０を跨いで金属配線層を自由に引き回すことができる。これにより、配線基板１，２内または上に引き回す金属配線層、ビア層の配置の自由度が制約を受けることがない。従って、配線基板のサイズ、配線基板の設計、実装部品の配置等が制約を受けることがない。更に、配線基板のサイズ、配線基板の設計、実装部品の配置等についての変更等も要しない。

このように、本実施の形態によれば、配線基板のサイズ、配線基板の設計、実装部品の配置等の自由度が確実に確保される。
尚、本実施の形態で示した数値、寸法等は、一例であり、特に、これらの値に限るものではない。

配線基板の概要を説明するための要部模式図である。 応力解析シミュレーション結果の一例である（その１）。 応力解析シミュレーション結果の一例である（その２）。 配線基板の製造方法を説明するための要部断面模式図である（その１）。 配線基板の製造方法を説明するための要部断面模式図である（その２）。 配線基板の製造方法を説明するための要部断面模式図である（その３）。 配線基板の製造方法を説明するための要部断面模式図である（その４）。 配線基板の製造方法を説明するための要部断面模式図である（その５）。 配線基板の製造方法を説明するための要部断面模式図である（その６）。 半導体装置の製造方法を説明するための要部断面模式図である。

符号の説明

１，２ 配線基板
３ 半導体パッケージ
３ａ 電極端子
４ 半導体装置
１０ コア材層
１０ａ コア材
１０ｉｎ，１０ｏｕｔ 領域
２０ 低弾性樹脂層
２０ｈ，５０ｈ 開口部
３０ 絶縁樹脂層
４０，４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄ 金属配線層
５０ａ，５０ｂ ビア層
１００ 支持基板
Ａ 中心線

Claims (2)

1. 樹脂材料を有するコア材を含む第１の層と、
   前記第１の層の第１領域の周囲を囲む閉ループ状であって、前記第１の層を貫通する応力緩和層である第２の層と、
   前記第１の層及び前記第２の層の両面に配置され、部品の実装領域を有する配線層を備えた第３の層と
   を含み、
   前記第１領域は、前記実装領域に対応する領域であって、前記第２の層の外側の領域から分離されて島状に孤立し、
   前記第２の層は、前記第１の層よりも低い１ＧＰａ以下の弾性率を有する樹脂層である
   ことを特徴とする配線基板。
2. 支持基板上に、樹脂材料を有する第１の層を形成する工程と、
   前記第１の層の第１領域に第１の開口部を形成する工程と、
   前記第１の開口部にビアを形成する工程と、
   前記第１領域の周囲を囲む閉ループ状であって、前記第１の層を貫通する第２の開口部を形成する工程と、
   前記第２の開口部に、前記第１の層よりも低い１ＧＰａ以下の弾性率を有する第２の層を形成し、前記第１領域を前記第２の層の外側の領域から島状に分離する工程と、
   前記第１の層及び前記第２の層の両面に、前記第１領域に対応する領域に部品の実装領域を有する配線層を備えた第３の層を形成する工程と
   を含むことを特徴とする配線基板の製造方法。

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