(57)【要約】【課題】コア基板として半導体素子の熱膨張係数に近似する材料を使用した場合に基板にクラック等の障害が発生することを防止して、強度が低下した半導体素子を好適に搭載可能とする半導体装置用基板を提供する。【解決手段】コア基板１０の両面あるいは片面に樹脂層１８、２０、２２を介して配線パターン１２、１４、１６が形成された半導体装置用基板において、前記コア基板１０が半導体素子の熱膨張係数に近似する材料によって形成され、基板の最外層となる樹脂層２４に、基板の内層の樹脂層１８、２０、２２に用いられている樹脂材よりも高強度および／または高伸び率の樹脂材が使用され、コア基板１０と基板の内層の樹脂層１８、２０、２２および配線パターン１２、１４、１６との間で生じる熱応力により基板にクラックや変形等の障害が生じることが防止されている。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コア基板の両面あるいは片面に樹脂層を介して配線パターンが形成された半導体装置用基板において、
前記コア基板が半導体素子の熱膨張係数に近似する材料によって形成され、
基板の最外層となる樹脂層に、基板の内層の樹脂層に用いられている樹脂材よりも高強度および／または高伸び率の樹脂材が使用され、コア基板と基板の内層の樹脂層および配線パターンとの間で生じる熱応力により基板にクラックや変形等の障害が生じることが防止されていることを特徴とする半導体装置用基板。
【請求項２】
基板の最外層となる樹脂層の下層の樹脂層が、基板のさらに内層に用いられている樹脂層の樹脂材よりも高強度および／または高伸び率の樹脂材が使用されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置用基板。
【請求項３】
高強度および／または高伸び率の樹脂材として、破壊強度９０ＭＰａ以上、伸び率１０％以上の樹脂材が用いられていることを特徴とする請求項１、２または３記載の半導体装置用基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置用基板に関し、半導体素子の熱膨張係数に近似した熱膨張係数を有する半導体装置用基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置に搭載される半導体素子の高速化とともに、最近は半導体素子自体の誘電率を小さくすることが求められるようになってきた。このように半導体素子の誘電率を下げるために、最近の半導体素子では半導体素子を構成する絶縁層をポーラス状として誘電率を下げることが行われている。このように絶縁層をポーラス状に形成した半導体素子は、従来の半導体素子とくらべて強度が低下するから、半導体素子を基板に搭載した際に、半導体素子と基板との熱膨張係数が相違することによって生じる熱応力によって損傷してしまうという問題が生じてきた。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２７４５５６号公報
【特許文献２】
特開平１０−３３５８３５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このため、半導体素子を搭載する基板の熱膨張係数を半導体素子の熱膨張係数に近づけることによって、基板と半導体素子との間に生じる熱応力を小さくする試みがなされている。半導体装置用基板には種々の形態があるが、たとえば、コア基板の両面に樹脂層を介して配線パターンを形成した半導体装置用基板の場合には、コア基板として、鉄−ニッケル合金のような熱膨張係数が半導体素子の熱膨張係数に近いものを使用するといったことが考えられる。
【０００５】
しかしながら、コア基板に従来の半導体装置用基板に用いられている材料にくらべて熱膨張係数が小さい材料を使用した場合には、コア基板とその表面に形成される樹脂層との熱膨張係数の差、あるいは樹脂層に形成される配線パターンとの熱膨張係数の差によって、コア基板と樹脂層あるいは配線パターンとの間に大きな熱応力が生じ、基板にクラックが発生したりして配線パターンが断線してしまうという問題がある。
【０００６】
配線パターンには銅が好適に用いられ、銅の熱膨張係数はシリコンからなる半導体素子の熱膨張係数にくらべてはるかに大きいから、コア基板を半導体素子の熱膨張係数に近づけると、コア基板と配線パターンとの間には熱膨張係数の差が生じることは避けられない。実際にコア基板に半導体素子の熱膨張係数に近い材料を使用し、樹脂層に従来の半導体装置用基板で用いている樹脂材（エポキシ樹脂）を用いて半導体装置用基板を作成し、熱衝撃試験等の信頼性試験を行ったところ、樹脂層と配線パターンにクラックが発生してしまった。
【０００７】
本発明は、このようなコア基板の両面に樹脂層を介して配線パターンを形成した半導体装置用基板において、コア基板として半導体素子の熱膨張係数に近い材料を用いた場合に、コア基板と樹脂層や配線パターンとの熱膨張係数の差によって樹脂層や配線パターンにクラックが生じるといった問題を解決し、低誘電率化のために強度が低下した半導体素子であっても確実に搭載することを可能にする半導体装置用基板を提供しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は次の構成を備える。
すなわち、コア基板の両面あるいは片面に樹脂層を介して配線パターンが形成された半導体装置用基板において、前記コア基板が半導体素子の熱膨張係数に近似する材料によって形成され、基板の最外層となる樹脂層に、基板の内層の樹脂層に用いられている樹脂材よりも高強度および／または高伸び率の樹脂材が使用され、コア基板と基板の内層の樹脂層および配線パターンとの間で生じる熱応力により基板にクラックや変形等の障害が生じることが防止されていることを特徴とする。
【０００９】
また、前記基板の最外層となる樹脂層の下層の樹脂層が、基板のさらに内層に用いられている樹脂層の樹脂材よりも高強度および／または高伸び率の樹脂材が使用されていることを特徴とする。
また、前記高強度および／または高伸び率の樹脂材として、破壊強度９０ＭＰａ以上、伸び率１０％以上の樹脂材が用いられていることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について添付図面と共に詳細に説明する。
図１は本発明に係る半導体装置用基板の第１の実施形態の構成を示す断面図である。同図で１０が鉄−ニッケル合金からなるコア基板、１０ａがコア基板を厚さ方向に貫通する貫通孔、１１がコア基板１０と樹脂層との密着性を向上させるために設けられている銅めっき層である。
１２が第１層目の配線パターン、１４が第２層目の配線パターン、１６が第３層目の配線パターンである。コア基板１０の両面に各々第１層目、第２層目、第３層目として設けられている配線パターン１２、１４、１６は、本実施形態においてはコア基板１０の両面で完全に対称となる配置に設けられている。
【００１１】
１８はコア基板１０と第１層目の配線パターン１２との間を電気的に絶縁する樹脂層、２０は貫通孔１０ａを充填するとともに第１層目の配線パターン１２と第２層目の配線パターン１４との間を電気的に絶縁する樹脂層、２２は第２層目の配線パターン１４と第３層目の配線パターン１６との間を電気的に絶縁する樹脂層、２４は第３層目の配線パターン１６が形成された層を被覆するソルダーレジスト層である。
これらの樹脂層１８、２０、２２についてもコア基板１０の両面に同層数ずつ設けられている。
【００１２】
本実施形態の半導体装置用基板において特徴的な構成は、コア基板１０の材料として半導体装置用基板に搭載する半導体素子と同等（近似する）の熱膨張係数を有する材料を使用し、樹脂層１８、２０、２２については従来の半導体装置用基板を構成する樹脂層に用いられているエポキシ系の樹脂材を使用する一方、基板の最外層を構成する樹脂層であるソルダーレジスト層２４については、他の樹脂層１８、２０、２２に使用されている樹脂材よりも高強度および／または高伸び率を備えた樹脂材を使用することにある。
【００１３】
本実施形態の半導体装置用基板では、コア基板１０として半導体素子の熱膨張係数に近似する熱膨張係数を備えた材料を使用し、樹脂層１８、２０、２２には従来の半導体装置用基板に用いられている樹脂材を使用するから、コア基板１０と樹脂層１８、２０、２２および配線パターン１２、１４、１６との間には大きな熱応力が作用することになるが、最外層に設けられるソルダーレジスト層２４として高強度および／または高伸び率を備えた樹脂材を使用することにより、コア基板１０と樹脂層１８、２０、２２との間および配線パターン１２、１４、１６との間で生じる熱応力を押さえ込み、樹脂層や配線パターンにクラックが生じることを防止している。
【００１４】
前述したように、コア基板１０の材料として半導体素子の熱膨張係数に近似する材料を使用すると、配線パターン１２、１４、１６には銅材を使用しているからコア基板１０と配線パターン１２、１４、１６との間には必然的に熱膨張係数が相違することによる熱応力が発生するし、樹脂層１８、２０、２２には従来の半導体装置用基板で使用されている樹脂材を使用するから、コア基板１０と樹脂層１８、２０、２２との間でも熱応力が発生する。これらの熱応力を緩和する方法として樹脂層１８、２０、２２に緩衝性の高い材料（柔軟性の高い材料）を選択することも可能であるが、本実施形態の半導体装置用基板は、最外層に設けられるソルダーレジスト層２４にのみ高強度および／または高伸び率の材料を使用することによって、コア基板１０と配線パターンや樹脂層との間で生じる熱応力により配線パターンや樹脂層にクラックが発生することを防止したものである。
【００１５】
半導体装置用基板において、最外層のソルダーレジスト層２４に高強度および／または高伸び率の材料を使用しているのは、コア基板に半導体素子の熱膨張係数に近似する材料を使用した場合に、半導体装置用基板にクラックが生じる状態を観察すると、クラックの発生源が基板の最外層に設けられている配線のエッジ部分にあったり、ランド等のソルダーレジストでの開口部分にあったりするため、最外層のソルダーレジスト層２４を高強度および／または高伸び率とすることでクラックの発生を抑えることができると考えられるからである。
【００１６】
表１は、図１に示す構成を有する半導体装置用基板について使用して、クラックが発生する様子を観察した樹脂材の種類とその特性を示している。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
実験では半導体装置用基板の内層となる樹脂層１８、２０、２２には従来使用されているエポキシ系の樹脂材を使用し、ソルダーレジスト層２４には表１の▲１▼〜▲５▼の５種類の樹脂材を使用した。
実験の結果、ソルダーレジスト層２４として使用して熱サイクル試験によりクラックが発生しなかった樹脂材は▲１▼、▲２▼、▲３▼、▲４▼の４種の樹脂材であり、▲５▼のゴム系の樹脂材については、耐熱性が低く、熱サイクル試験で材料変質がみられ、基板にクラックが発生した。表１に示すように、▲１▼〜▲４▼の樹脂材は従来使用されている樹脂材とくらべて破壊強度および伸び率とも上回るか、もしくは破壊強度と伸び率の一方が上回っている。
【００１９】
この実験結果は、配線基板を構成する樹脂層のうち、最外層の樹脂層について高強度および／または高伸び率の樹脂材を使用することにより、その内層の樹脂層については高強度および／または高伸び率の樹脂材を使用することなく、コア基板１０と配線パターン１２および樹脂層１８等との間に生じる熱応力によって基板にクラックが発生したりすることを防止できることを意味している。この場合、高強度および／または高伸び率のソルダーレジスト層２４は、卵の殻のように、基板の内層部分を外側から覆うようにして保持し、内側で生じている熱応力が外部にあらわれないように支持するように作用しているものと考えられる。
【００２０】
また、基板全体としての熱膨張係数は、コア基板としてガラスエポキシ基板を使用し、エポキシ系樹脂を樹脂層とした場合に１７〜１８（ｐｐｍ／℃）であるのに対して、コア基板に４２アロイの鉄−ニッケル合金を使用し、樹脂層に表１に示すポリイミド系あるいはポリアミドイミド系、ＰＴＦＥ系、アラミド系の樹脂材を使用した場合は９〜１０（ｐｐｍ／℃）となり、コア基板に３６アロイの鉄−ニッケル合金を使用した場合は６〜７（ｐｐｍ／℃）となった。
【００２１】
なお、上記実施形態においては基板の最外層のソルダーレジスト層２４のみに高強度および／または高伸び率の樹脂材を使用しているが、図２に示すように、最外層のソルダーレジスト層２４とその下層の樹脂層２２の双方に、従来の半導体装置用基板に用いられている樹脂材よりも高強度および／または高伸び率の樹脂材を使用することも有効である。
本実施形態のように、最外層のソルダーレジスト層２４とその下層の樹脂層２２に高強度および／または高伸び率の樹脂材を使用して有効な場合は、ソルダーレジスト層２４等の最外層の樹脂層ではランド１６ａのように樹脂層によって被覆されていない開口部分があり、このような開口部分のエッジでの押さえが不十分になる場合である。
【００２２】
ソルダーレジスト層２４はランド１６ａの周縁部について部分的に重複するようにして設けられるが、この重複部分の幅（Ｌ）が設計上、さほど広くとってないような場合には、製造誤差等によってランド１６ａの周縁部をソルダーレジスト層２４によって十分に押さえることができない場合があり、このような場合にはソルダーレジスト層２４の下層の樹脂層２２についても高強度および／または高伸び率の樹脂材を使用すると有効である。ソルダーレジスト層２４の下層の樹脂層２２ではランド１６ａ部分については被覆する配置となるから、ソルダーレジスト層２４と合わせて基板全体を確実に保持する作用が生じて、このような場合でも基板にクラックが生じることを防止することができる。
【００２３】
また、最外層のソルダーレジスト層２４とその下層の樹脂層２２の双方に高強度および／または高伸び率の樹脂材を使用した場合は、図３に示すように、ランド１６ａの周縁部がソルダーレジスト層２４と重複せず、ランド１６ａの全体が完全に露出する状態になった場合においても有効である。
【００２４】
また、ソルダーレジスト層２４の下層の樹脂層２２として高強度および／または高伸び率の樹脂材を使用した場合、その樹脂層２２のみで基板の熱応力を十分に押さえ込むことができる場合は、最外層のソルダーレジスト層２４として高強度および／または高伸び率の樹脂材を使用しないことも可能である。
【００２５】
図４はコア基板として３６アロイと４２アロイの鉄−ニッケル合金を使用し、破壊強度が異なる樹脂材を半導体装置用基板の最外層に使用し、内層の樹脂材を従来の樹脂材とした場合について、基板の外面に表れる応力と樹脂材の破壊強度との関係についてシミュレーションした結果と、熱サイクル試験によって各々の基板にクラックが発生したか否かを実験した結果を示すグラフである。樹脂材は表１に示す３種の従来樹脂と、ポリイミド系、ポリアミドイミド系、ＰＴＦＥ系の６種について行った。
図４で従来樹脂Ａ、Ｂ、Ｃについてはいずれもクラックが発生し、ポリイミド系、ポリアミドイミド系、ＰＴＦＥ系の３種についてはいずれもクラックが発生しなかった。
【００２６】
グラフで示した値は、表面応力を樹脂材の破壊強度で割った値であり、グラフから、樹脂材の破壊強度についての特性は基板にクラックが発生することを抑制する作用と十分に相関関係があり、樹脂材の破壊強度が小さい場合には表面応力が大きくあらわれてクラックが発生しやすく、樹脂材の破壊強度が大きい場合にはクラックが発生しにくくなっていることがわかる。
【００２７】
なお、半導体装置用基板の最外層あるいはその下層に形成する樹脂層に用いる樹脂材の破壊強度および伸び率としてどの程度の特性を備えていることが有効であるかという問題は、樹脂材の破壊強度と伸び率の双方が熱応力の押さえ込みに寄与していることと、半導体装置用基板の内層に用いる樹脂材の特性、配線パターンの積層数等にも依存すると考えられるから、特定値として限定することは難しいが、表１に示す実験結果およびシミュレーション結果から、半導体装置用基板に生じる熱応力を抑えてクラックが発生することを防止する作用として、樹脂材の破壊強度として９０ＭＰａ以上、伸び率１０％以上程度であれば十分に実用になると考えられる。
【００２８】
なお、上記実施形態においてはコア基板１０の両面に形成する配線層の数を同じに形成した例について示した。コア基板１０の両面で発生する熱応力をバランスさせるため、コア基板１０の両面に形成する配線層の数は同数にするのが一般的であるが、必ずしもコア基板１０の両面に形成する配線層の数を同じにしなければならないものではない。半導体装置用基板の内層に設ける樹脂層の材料や配線パターンの厚さ等を適宜調節すること、最外層に設ける樹脂層の特性、厚さ等を調節することによってコア基板１０の両面に設ける配線層の数を調節することが可能である。
【００２９】
【発明の効果】
本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、上述したように、半導体装置用基板の最外層の樹脂層に内層の樹脂層に用いられている樹脂材よりも高強度および／または高伸び率の樹脂材を使用したことによって、コア基板として半導体素子の熱膨張係数に近似する材料を使用した場合に基板にクラック等の障害が発生することを容易に防止することができ、配線パターンが断線するといった問題を解消するとともに、低誘電率化により強度が低下した半導体素子を搭載する目的にも好適に利用できる半導体装置用基板として提供することができる等の著効を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体装置用基板の一実施形態の構成を示す断面図である。
【図２】半導体装置用基板の他の実施形態の構成を示す断面図である。
【図３】半導体装置用基板のさらに他の実施形態の構成を示す断面図である。
【図４】破壊強度が異なる樹脂材について基板表面での応力と破壊強度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０  コア基板
１０ａ  貫通孔
１２、１４、１６  配線パターン
１６ａ  ランド
１８、２０、２２  樹脂層
２４  ソルダーレジスト層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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