(57)【要約】      （修正有）【課題】周囲温度の変化によって生じる応力の影響を低減し、低コストで高い信頼性を持つ回路基板を提供する。【解決手段】支持体１の表面に単層又は複数層４の絶縁層が形成され、各絶縁層４には配線パターンと層間接続用のビアホール６が形成されている回路基板において、前記回路基板に実装される半導体素子の熱膨張率Ｋ１と、前記支持体１及び絶縁層４の熱膨張率Ｋ２、Ｋ３がＫ１＞Ｋ２＜Ｋ３なる関係を満たし、且つ前記絶縁層４材料として光学的に透明な補強繊維２に感光性樹脂３を含浸させたものを用いる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持体の表面に単層又は複数層の絶縁層が形成され、各絶縁層には配線パターンと層間接続用のビアホールが形成されている回路基板において、
前記回路基板に実装される半導体素子の熱膨張率Ｋ１と、前記支持体及び絶縁層の熱膨張率Ｋ２、Ｋ３がＫ１＞Ｋ２＜Ｋ３なる関係を満たし、且つ前記絶縁層材料として光学的に透明な補強繊維に感光性樹脂を含浸させたものを用いることを特徴とする回路基板。
【請求項２】
前記補強繊維はガラス繊維であることを特徴とする請求項１記載の回路基板。
【請求項３】
前記支持体は炭素繊維を補強材とするコンポジットにより形成されていることを特徴とする請求項１記載の回路基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体素子の実装用回路基板に係り、特に周囲温度の変化により半導体素子との間に発生する応力を低減した回路基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の実装用回路基板は支持体上に配線層と絶縁層を必要層数だけ繰り返し形成したものから成っており、回路基板への半導体素子の実装は、半導体素子の内部回路に接続されている電極を回路基板の最表面の配線層に形成されている電極にハンダ接続することにより行われる。
【０００３】
回路基板の製造に際しては、通常、エポキシ樹脂やポリイミド樹脂を主材料とする絶縁基板を支持体として用い、この支持体上にフォトリソグラフィ技術を用いて配線パターンを形成し配線層とする。配線層材料として近年は銅等の高導電率金属が用いられる。配線層を多層化する場合には、上記配線層を１層目の配線層としてこの上に絶縁層を積層形成する。絶縁層材料としては、処理の容易さや製造コストの点から通常は支持体材料と同じエポキシ樹脂やポリイミド樹脂等の樹脂材が用いられる。ついで、上記絶縁層の上に同様なフォトリソグラフィ技術を用いて２層目の配線層となる配線パターンを形成するとともに絶縁層の所定位置にビアホールを形成しその内部を導電材で埋め込み、これにより１層目と２層目の配線層を電気的に接続する。ビアホールの形成には、プラズマプロセスを利用したドライエッチング法やレーザ光を照射して絶縁層に穴あけするいわゆるレーザドリリング法が一般に用いられる。以上のような工程を繰り返すことにより配線層の多層化が行われる。
【０００４】
通常、電子機器では半導体素子は回路基板に実装された状態で用いられる。そのため、電子機器の小型化・高密度化の進展に伴い回路基板に対しても高密度、高精度化が求められており、配線層における配線パターンはより微細且つ高密度に、また、多層化された配線層間を接続するビアホールに対してもその径はより小さく且つ高い寸法加工精度が要求されている。
【０００５】
ところが、ビアホールの形成に際してドライエッチング法を用いた場合にはサイドエッチングの影響を大きく受けて充分な寸法加工精度を確保することが難しく、一方、レーザドリリング法では寸法加工精度は確保できるものの回路基板上で配線パターンの密度が高くなりビアホール数が多くなると加工に時間を要し製造コストが高くなるという問題がある。
【０００６】
また、半導体素子の主材料となるシリコンの熱膨張率は３ppm程度であるのに対して、回路基板を構成する支持体や絶縁層の材料として一般に用いられるエポキシ樹脂やポリイミド樹脂ではその熱膨張率は１２〜１５ppm程度の大きさに達する。そのため、半導体素子を回路基板に実装した場合、電子機器の使用環境の変化あるいは、動作中の半導体素子から発生する熱により周囲温度が大きく変化したとき、熱膨張率の差に起因して回路基板上に実装されている半導体素子には位置ずれが生じ、それに伴って半導体素子に大きな応力が加えられることになり、これが半導体素子の実装された回路基板の信頼性を低下させる原因となる。特に、回路基板の容積の大部分を占める支持体から半導体素子に加えられる応力の影響が大きい。
【０００７】
そこで、熱膨張率が半導体素子より小さな材料を回路基板の支持体として用いることにより半導体素子を回路基板に実装したときの応力をできるだけ抑えることが試みられている。このような支持体材料として、例えば炭素繊維強化プラスチックや表面に絶縁処理を施したインバー合金等が挙げられる。これらの材料の熱膨張率は１〜２ppm程度の大きさであり、これを用いることにより前述した半導体素子の位置ずれを小さくし支持体から半導体素子へ加えられる応力を低減することが可能となる。しかし、このような熱膨張率の小さな材料からなる支持体上に形成される絶縁層材料として従来と同様のエポキシ樹脂やポリイミド樹脂を用いた場合、ビアホール形成時にビアホール開口部近傍にクラックが発生しやすくなるという問題がある。
【０００８】
熱膨張率が１〜２ppm程度の支持体上に熱膨張率１２〜１５ppm程度の絶縁層を積層した場合、支持体と絶縁層の接合部で絶縁層に対し新たに大きな応力が加わることになる。この絶縁層に対する応力は絶縁層が支持体上で数十μm程度の厚みで均一に形成されている限り絶縁層全体に広く分散され半導体素子や回路基板に大きな影響を与えることはないものの、ビアホール形成に際して用いられるレーザドリリングの際に絶縁層に加わる衝撃あるいはビアホールの形成によって絶縁層膜厚に生じる局所的不均一のため絶縁層全体に均一に分散していた応力がビアホール開口部付近に集中する。そして、これをトリガーとして絶縁層にクラックが発生するものと考えられる。このような事態を避けるためには絶縁層材料として支持体と同程度の熱膨張率を持つ材料を用いる必要があるが、前述した処理の容易さや製造コストの点でエポキシ樹脂やポリイミド樹脂等の樹脂材料の使用は、現在の所、不可避である。
【０００９】
そこで、絶縁層の材料として感光性樹脂を用いフォトプロセスによりビアホールを形成する方法が提案されている（特許文献１）。この方法では、レーザドリリンク装置等の加工設備を用意することなく、回路基板の製造に通常用いられる露光・現像装置及びそれを用いたフォトリソグラフィ技術等の製造技術をそのまま流用することができるため製造コストを抑えることが可能であり、且つレーザドリリンクによる加工時の衝撃もなく微細且つ高精度のビアホール形成が可能となる。
【００１０】
しかしながら、この方法では支持体に塗布された感光性樹脂が後工程における熱処理等の影響を受けて支持体から剥離し易くなる等の問題があり、また、感光性樹脂自体の強度にも問題があって回路基板の信頼性が低下するという問題があった。また、ビアホールの形成によって絶縁層全体に均一に分散していた応力がビアホール開口部付近に集中する恐れは依然として残る。
【００１１】
一方、感光性樹脂の強度を高めることを目的として感光性樹脂にガラス繊維を混在させ、これを回路基板の絶縁層として用いる従来技術（特許文献２）はレーザドリリング等の方法を用いることなくフォトプロセスによりビアホールを形成することが出来、その上、絶縁層へ支持体から加わる応力をガラス繊維を介して均一化することが可能である。
【特許文献１】特開平９−６４５３８号公報
【特許文献２】特開昭５３−１２３８７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
感光性樹脂にガラス繊維を混在させ、これを回路基板の絶縁層として用いる方法はレーザドリリング等の方法を用いることなくフォトプロセスによりビアホールを形成することができるため製造コストを低くすることが可能であり、且つ絶縁層に加わる応力をガラス繊維を介して均一化することができる。しかし、従来はガラス繊維を混在させる目的が絶縁層の硬度増大にあったため、感光性樹脂に混在させるガラス繊維の構造が最適化されることなく、そのためビアホールの寸法加工精度等に問題が残り、必ずしも回路基板の信頼性向上には寄与していなかった。
【００１３】
そこで、本発明は周囲温度の変化によって生じる応力の影響を低減し、低コストで高い信頼性を持つ回路基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題の解決は、支持体の表面に単層又は複数層の絶縁層が形成され、各絶縁層には配線パターンと層間接続用のビアホールが形成されている回路基板において、前記回路基板に実装される半導体素子の熱膨張率Ｋ１と、前記支持体及び絶縁層の熱膨張率Ｋ２、Ｋ３がＫ１＞Ｋ２＜Ｋ３なる関係を満たし、且つ前記絶縁層材料として光学的に透明な補強繊維に感光性樹脂を含浸させたものを用いることを特徴とする回路基板、
あるいは、上記回路基板において、前記補強繊維はガラス繊維であることを特徴とする回路基板、
あるいは、上記回路基板において、前記支持体は炭素繊維を補強材とするコンポジットにより形成されていることを特徴とする回路基板によって達成される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る回路基板では、実装される半導体素子に比べて熱膨張率の小さな支持体上に支持体より熱膨張率の大きな絶縁層を積層することにより回路基板全体の熱膨張率を半導体素子のそれに近づけて半導体素子に加わる応力を低下させている。さらに、絶縁層材料として光学的に透明な補強繊維に感光性樹脂を含浸させたものを用いることにより、絶縁層に対しては通常のフォトリソグラフィ技術を用いたビアホールの形成を可能にし、ドライエッチング法やレーザドリリング法を用いた場合に比べて製造コストを低く抑え且つ絶縁層に対して局所的な衝撃を与えることなく高精度でビアホールを形成することを可能にする。さらに、ビアホール形成により絶縁層の膜厚が不均一となった場合にも絶縁層に加わる応力は補強繊維で均一に負担されることになるため、ビアホール開口部への応力の集中を避けてクラックの発生を防ぐことが可能となる。
【００１６】
また、補強繊維における繊維間の隙間を繊維の太さより小さくすることによりフォトリソグラフィ工程における露光光の透過率をより均一にすることができ配線パターンやビアホール径に対する寸法加工精度の劣化を防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明に係る回路基板の製造には、まず、支持体の表面に光学的に透明な補強繊維に感光性樹脂を含浸させたものから成る絶縁層をラミネートする。回路基板に実装される半導体素子としてシリコンＬＳＩを用い、支持体にはシリコンの熱膨張率より小さい熱膨張率を持つ材料として炭素繊維を補強材とするコンポジットを用いる。この材料は従来から用いられてきたエポキシ樹脂に近い性質を持っているため扱い易く且つ熱膨張率はエポキシ樹脂が１２ppm程度であるのに対して１〜２ppmと小さく、また、エポキシ樹脂は弾性率が２０ＧＰａであるのに対して１００ＧＰａと５倍に達する強度を有しており支持体に適している。上記コンポジット以外にもインバー合金の表面を絶縁処理したものを用いることもできる。光学的に透明な補強繊維としてガラス繊維を縦横に織ったクロスを用い、感光性樹脂として感光性ポリイミドを用いる。
【００１８】
支持体上にラミネートされた絶縁層に対しては、通常のフォトリソグラフィ技術により所定の位置に所定の径を有するビアホールを形成する。ガラス繊維を織ったクロスはフォトリソグラフィ工程で照射される露光光に対して透明であるためビアホールパターンの形成を妨げることはないものの、光の透過率に多少の不均一を生じさせてパターン精度を低下させる原因となる。これを防ぐためには、絶縁層の厚さ方向におけるガラス繊維量の面分布をより均一化することを目的としてガラス繊維間の隙間をガラス繊維自体の太さより小さくするいわゆる扁平化処理をガラス繊維に対して行うことが効果的である。
【００１９】
以上のように支持体上の絶縁層に対してビアホールを形成した後、ビアホール内部をめっきにより銅等の導電材で埋め込み配線層間の接続のために用いる。そして、この上に配線パターンを形成する。以上の工程を繰り返すことにより多層化された配線層を有する回路基板を得ることができる。
【実施例１】
【００２０】
図１（ａ）−（ｄ）は本発明の実施例を説明する工程断面図である。支持体１は炭素繊維を補強材とするコンポジットから成っておりその熱膨張率は凡そ１ppmである。補強繊維２は直径７μm程度のガラス繊維を束にして縦横に織ったクロスから成っており、この補強繊維２に感光性樹脂３を含浸させたものを回路基板の絶縁層４として用いる。ガラス繊維を織ったクロスに対しては扁平化処理を行うことにより後の露光工程のときに照射される光の透過率をできるだけ均一にし寸法加工精度を高めるようにする。感光性樹脂３としては感光性ポリイミドを用いることができる。
【００２１】
まず、図１（ａ）に示したように、補強繊維２に未感光且つ未硬化の感光性樹脂３を含浸させ、温度１８０℃の加熱環境下で支持体１の表面にラミネートし厚み４０μmの絶縁層４を形成する。
【００２２】
ついで、図１（ｂ）に示すように、通常のフォトリソグラフィ技術に従ってラミネートされた絶縁層４の上からクロムマスク５を介して露光する。
【００２３】
ついで、図１（ｃ）に示すように、選択的に露光された感光性ポリイミド３を現像することによりビアホール6を形成する。絶縁層４の厚みを４０μmとしたとき、水銀ランプを光源として用いたフォトリソグラフィ工程における照射光の露光量を６００mJに設定することにより開口径８０μmのビアホール６を精度良く形成することができた。
【００２４】
ビアホール６の形成後、４００℃で１時間の加熱処理を施すことによって感光性ポリイミド３を硬化させた。これによりビアホール６に補強繊維２が貫通した状態で絶縁層４が形成される。
【００２５】
ついで、無電解銅メッキによりビアホール６の底面を含む全面に銅を付着させる。続けて電解銅メッキを行うことによりビアホール６の内部を銅で埋め込み、表面をＣＭＰ法により研磨すると、図１（ｄ）に示すように、銅から成る層間接続材７を形成することができる。
【００２６】
上記工程を繰り返すことにより、５層の配線層を有する回路基板を絶縁層にクラックを発生させることなく形成することができた。
(付記１) 支持体の表面に単層又は複数層の絶縁層が形成され、各絶縁層には配線パターンと層間接続用のビアホールが形成されている回路基板において、前記回路基板に実装される半導体素子の熱膨張率Ｋ１と、前記支持体及び絶縁層の熱膨張率Ｋ２、Ｋ３がＫ１＞Ｋ２＜Ｋ３なる関係を満たし、且つ前記絶縁層材料として光学的に透明な補強繊維に感光性樹脂を含浸させたものを用いることを特徴とする回路基板。
(付記２) 前記補強繊維は繊維間の隙間が繊維の太さより小さいことを特徴とする上記回路基板。
(付記３) 前記補強繊維はガラス繊維であることを特徴とする上記回路基板。
(付記４) 前記支持体は炭素繊維を補強材とするコンポジットにより形成されていることを特徴とする上記回路基板。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、回路基板の周囲温度の変化、あるいは実装される半導体素子の発する熱による温度の変化によって生じる回路基板の応力を低減し回路基板の信頼性を向上させる上で有効である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施例に係る回路基板の製造方法を示す工程断面図。
【符号の説明】
【００２９】
１    支持体
２    補強繊維
３    感光性樹脂
４    絶縁層
５    クロムマスク
６    ビアホール
７    層間接続材
【図１】
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