(57)【要約】【課題】  多層回路基板、その製造方法及び半導体装置に関し、基板表面に露出した電極端子の近傍におけるインピーダンス整合を実現する。【解決手段】  複数の絶縁層と複数の導体層とが交互に積層された多層基板と、前記多層基板の一方の主表面側に形成され、前記多層基板の内部から前記主表面に向かうにつれて径が大きくなる円錐台形状のビア導体と、前記円錐台形状のビア導体に対して絶縁層を介して同軸的に形成された縦断面がテーパ状部を有するグランド電極とを設ける。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の絶縁層と複数の導体層とが交互に積層された多層基板と、
前記多層基板の一方の主表面側に形成され、前記多層基板の内部から前記主表面に向かうにつれて径が大きくなる円錐台形状のビア導体と、
前記円錐台形状のビア導体に対して絶縁層を介して同軸的に形成された縦断面がテーパ状部を有するグランド電極と
を有することを特徴とする多層回路基板。
【請求項２】
複数の絶縁層と複数の導体層とが交互に積層された多層基板と、
前記多層基板を貫通して形成された貫通孔と、
前記貫通孔と通じ、前記多層基板の一方の主表面側に形成され、前記多層基板の内部から前記主表面に向かうにつれて径が大きくなる円錐台形状のビア導体と、
前記貫通孔に形成され、前記円錐台形状のビア導体と接続するスルービア導体と、
前記円錐台形状のビア導体に対して絶縁層を介して同軸的に形成された縦断面がテーパ状部を有するグランド電極と
を有し、
前記円錐台形状のビア導体の表面の位置が、前記多層基板の表面と同等か或いは前記多層基板の表面よりも低い
ことを特徴とする多層回路基板。
【請求項３】
複数の絶縁層と複数の導体層とが交互に積層された多層基板の一方の主表面に円錐状の孔を形成する工程と、
前記円錐状の孔の表面及び前記多層基板表面の一部を覆うように導電膜を形成する工程と、
前記導電膜上に絶縁膜を介して、ビア導体を形成する工程と
を有することを特徴とする多層回路基板の製造方法。
【請求項４】
前記円錐状の孔の表面及び前記多層基板表面の一部を覆うように導電体を形成する工程の後に、
前記円錐状の孔の底部に円筒状の孔を形成する工程と、
前記円錐状の孔及び円筒状の孔を絶縁物で埋め込む工程と、
前記円筒状の孔に対して同心円状となる貫通孔を形成する工程と、
前記貫通孔の前記主表面側の一部を円錐状に加工してテーパ状開口部を形成する工程と、
前記貫通孔と前記テーパ状開口部とを導電体で埋め込む工程と、
前記導電体の表面が、前記多層基板の表面と同等か或いは前記多層基板の表面よりも低くなるように前記導電体の一部を除去してテーパ状のビア導体と前記テーパ状のビア導体に接続するスルービア導体を形成する工程と
をさらに有することを特徴とする請求項３に記載の多層回路基板の製造方法。
【請求項５】
複数の絶縁層と複数の導体層とが交互に積層された多層基板と、
前記多層基板の一方の主表面側に形成され、前記多層基板の内部から前記主表面に向かうにつれて径が大きくなる円錐台形状のビア導体と、
前記円錐台形状のビア導体に対して絶縁層を介して同軸的に形成された縦断面がテーパ状部を有するグランド電極と
を有する多層回路基板と、
前記多層回路基板の円錐台形状のビア導体にはんだ導体を介して電気的に接続された半導体チップと
を有することを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は多層回路基板、その製造方法及び半導体装置に関するものであり、例えば、数ＧＨｚ以上で動作する半導体装置を実装する高周波回路基板の高周波特性の改善に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高周波回路基板では、電気信号を通す経路においてインダクタンスとキャパシタンスの比を一定に保ってインピーダンス整合することで、信号の反射を抑制し、信号の品質を向上することが行われている。
【０００３】
即ち、伝送路の高周波における特性インピーダンスＺ０は、キャパシタンスをＣ、インダクタンスをＬとすると、
Ｚ０＝（Ｌ／Ｃ）１／２
で近似される。したがって、インダクタンスＬとキャパシタンスＣの比が一定であれば、特性インピーダンスＺ０も一定になる。
【０００４】
そのため、配線や基板内部に埋もれたビア部では、インピーダンス整合を行う技術が開発されてきた。例えば、配線では、インピーダンスを所望の値に近づけるために、絶縁材料の誘電率に応じてキャパシタンスを調整するために、信号線−グランド線間の導体距離や信号配線幅を調整することでキャパシタンスを増減させるという設計手法を用いる。
【０００５】
図１０は、配線部のインピーダンス整合の説明図であり、図１０（ａ）は概略的要部斜視図であり、図１０（ｂ）は伝搬方向に垂直な概略的断面図であり、上下に配置された１対のグランド線９１の間に絶縁層９３を介して信号線９２が配置されている。
【０００６】
このような高周波線路において、インピーダンス整合を取るためには、図１０（ｃ）に示すように、信号線９２の幅を調整したり、或いは、図１０（ｄ）に示すように信号線９２とグランド線９１との間隔を調整している。
【０００７】
また、回路基板では、図１１（ａ）示すように、層をまたぐ方向の信号伝播を考えると、グランド線９１や信号線等の導体層と絶縁層９３が伝播方向に対し、交互に来るため、インダクタンスやキャパシタンスが場所ごとに変化してしまう。したがって、インダクタンスとキャパシタンスとの比を一定に保つことができないので、インピーダンス整合をとることができない。
【０００８】
そこで、図１１（ｂ）に示すように、シグナル層となるビア９４の周りを均一な形状の同軸グランド線９５で覆ってしまうことが提案されている。或いは、電極端子付近の構造を複雑な構造にすることで、キャパシタンスやインダクタンスを調整することも提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−１６８５３０号公報
【特許文献２】特開２０１０−２１９４６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、図１２に示すように、パッド９６等の基板表面に露出した電極端子に関しては、電極端子からビア部へ移行する際の形状の変化が大きいため、その形状変化に対応して、どの場所でも均一にインピーダンスを保つことが困難であった。なお、図における符号９７ははんだバンプである。
【００１１】
例えば、上記の特許文献２のように、電極端子付近の構造を複雑な構造にして、キャパシタンスやインダクタンスを調整しても未だ完全なインピーダンス整合を実現できないという問題がある。
【００１２】
したがって、多層回路基板の基板表面に露出した電極端子の近傍におけるインピーダンス整合を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
開示する一観点からは、複数の絶縁層と複数の導体層とが交互に積層された多層基板と、前記多層基板の一方の主表面側に形成され、前記多層基板の内部から前記主表面に向かうにつれて径が大きくなる円錐台形状のビア導体と、前記円錐台形状のビア導体に対して絶縁層を介して同軸的に形成された縦断面がテーパ状部を有するグランド電極とを有することを特徴とする多層回路基板が提供される。
【００１４】
また、開示する別の観点からは、複数の絶縁層と複数の導体層とが交互に積層された多層基板と、前記多層基板を貫通して形成された貫通孔と、前記貫通孔と通じ、前記多層基板の一方の主表面側に形成され、前記多層基板の内部から前記主表面に向かうにつれて径が大きくなる円錐台形状のビア導体と、前記貫通孔に形成され、前記円錐台形状のビア導体と接続するスルービア導体と、前記円錐台形状のビア導体に対して絶縁層を介して同軸的に形成された縦断面がテーパ状部を有するグランド電極とを有し、前記円錐台形状のビア導体の表面の位置が、前記多層基板の表面と同等か或いは前記多層基板の表面よりも低いことを特徴とする多層回路基板が提供される。
【００１５】
また、開示するさらに別の観点からは、複数の絶縁層と複数の導体層とが交互に積層された多層基板の一方の主表面に円錐状の孔を形成する工程と、前記円錐状の孔の表面及び前記多層基板表面の一部を覆うように導電膜を形成する工程と、前記導電膜上に絶縁膜を介して、ビア導体を形成する工程とを有することを特徴とする多層回路基板の製造方法が提供される。
【００１６】
また、開示するさらに別の観点からは、複数の絶縁層と複数の導体層とが交互に積層された多層基板と、前記多層基板の一方の主表面側に形成され、前記多層基板の内部から前記主表面に向かうにつれて径が大きくなる円錐台形状のビア導体と、前記円錐台形状のビア導体に対して絶縁層を介して同軸的に形成された縦断面がテーパ状部を有するグランド電極とを有する多層回路基板と、前記多層回路基板の円錐台形状のビア導体にはんだ導体を介して電気的に接続された半導体チップとを有することを特徴とする半導体装置が提供される。
【発明の効果】
【００１７】
開示の多層回路基板、その製造方法及び半導体装置によれば、基板表面に露出した電極端子の近傍におけるインピーダンス整合を実現することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態の回路基板の説明図である。
【図２】本発明の実施の形態におけるインピーダンス整合の説明図である。
【図３】本発明の実施例１の高周波回路基板の製造工程の途中までの説明図である。
【図４】本発明の実施例１の高周波回路基板の製造工程の図３以降の途中までの説明図である。
【図５】本発明の実施例１の高周波回路基板の製造工程の図４以降の途中までの説明図である。
【図６】本発明の実施例１の高周波回路基板の製造工程の図５以降の説明図である。
【図７】本発明の実施例１の高周波回路基板を用いた実装構造の説明図である。
【図８】本発明の実施例１の高周波回路基板を用いた積層構造の説明図である。
【図９】本発明の実施例２の中継基板の説明図である。
【図１０】配線部のインピーダンス整合の説明図である。
【図１１】ビア部のインピーダンス整合の説明図である。
【図１２】パッド部におけるインピーダンス不整合の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
ここで、図１及び図２を参照して、本発明の実施の形態の高周波回路基板を説明する。図１は、本発明の実施の形態の高周波回路基板の説明図であり、図１(ａ)は概略的断面図であり、図１(ｂ)は付随的作用効果の説明図である。
【００２０】
図１（ａ）に示すように、ビア導体１１の形状を基板表面に露出した電極端子から基板内部構造であるビアにかけての形状を連続的なテーパ状とし、ビア導体１１を同軸的に囲むようにグランド電極１２を形成する。この時、テーパ状のビア導体１１を構成する円錐の頂点と、グランド電極１２を構成する円錐の頂点が一致するように形成することで、半導体素子や電子部品との接合部におけるインピーダンス整合を行う。
【００２１】
このような、テーパ状のビア導体１１やグランド電極１２を形成する場合には、多層基板のベースとなる絶縁物１４にドリル加工を施して円錐状の凹部を形成してグランド電極１２を形成する。次いで、グランド電極１２の内側を絶縁物１３で埋め込み、絶縁物１３にドリル加工を施してテーパ状ビアホールを形成すれば良い。
【００２２】
また、テーパ状のビア導体１１の表面の位置をグランド電極１２の表面の位置より低く、即ち、陥没するように形成することが望ましい。また、半導体素子や電子部品とはんだバンプ等を介して接続する場合には、短絡を防止するためにグランド電極１２の露出表面をソルダーレジスト１５で覆うことが望ましい。
【００２３】
ビア導体１１のテーパ状の先端部分での小型化を目的とする場合は、製造精度の限界が制約となるため、絶縁物１３として、誘電率の小さいものを用いれば、周囲グランド形状を小型化でき、集積度の向上に有利である。この絶縁物１３は、多層基板のベースとなる絶縁層１４と同じである必要性はない。コスト的な観点からも、絶縁物１３は全体の絶縁材料に比べれば微量であるため、伝送特性に優れた高価な絶縁材料、例えば、シクロオレフィンポリマー、フッ素化樹脂を用いても良い。
【００２４】
図１（ｂ）は、本発明の実施の形態の高周波回路基板の付随的作用効果の説明図であり、テーパ状のビア導体１１の表面の位置をグランド電極１２の表面の位置より低くしておくことによって、ビア導体１１に対するシールド効果が高まる。それによって、互いに隣接するビア導体１１同士を伝搬する信号の干渉を防止することができる。
【００２５】
図２は、本発明の実施の形態におけるインピーダンス整合の説明図であり、ここでは、図２（ａ）に示すように、同軸構造の伝送路について説明する。ここでは、信号線となる内部のビア導体の直径をＤ２、グランド電極の内径をＤ１とする。
【００２６】
ここで、ビア導体とグランド電極との間の絶縁物の誘電率をε、透磁率をμとすると、特性インピーダンスＺ０は、
Ｚ０＝（Ｌ／Ｃ）１／２＝（１／２π）×（μ／ε）１／２×ｌｎ（Ｄ１／Ｄ２）
≒（１／２π）×（μ／ε）１／２×２．３０２５×ｌｏｇ１０（Ｄ１／Ｄ２）
で表わされる。ここで、真空の透磁率をμ０、真空の誘電率をε０、絶縁物の比誘電率をεｒ、光速をｃとすると、
ε＝εｒ×ε０＝εｒ×（μ０ｃ２）−１
μ≒μ０＝４π×１０−７
であるので、
Ｚ０≒（１／２π）×（μ／ε）１／２×２．３０２５×ｌｏｇ１０（Ｄ１／Ｄ２）
＝（１／２π）×μ０ｃ×（１／εｒ）１／２×２．３０２５×ｌｏｇ１０（Ｄ１／Ｄ２）
≒１３８×（１／εｒ）１／２×ｌｏｇ１０（Ｄ１／Ｄ２）
となる。したがって、内径と外径の比に直すと、
Ｄ１／Ｄ２＝１０Ａ
但し、Ａ＝（εｒ）１／２×Ｚ０／１３８
となる。
【００２７】
したがって、図２（ｂ）に示すように、Ｄ１及びＤ２を変化させても、Ｄ１／Ｄ２の比が一定であれば、特性インピーダンスＺ０も一定になる。なお。ここでは、特性インピーダンスＺ０が５０Ωになるように、Ｄ１／Ｄ２の比を設定した例を示している。
【００２８】
図２（ｃ）は、ビア導体１１の先端部をテーパ状にした場合のインピーダンス整合の説明図であり、ビア導体１１の先端部のテーパ状部の円錐の頂角を２β、グランド電極１２の円錐の頂角を２αとする。この時、ビア導体１１の先端部の円錐の頂点とグランド電極１２の円錐の頂点が一致していれば、
Ｄ１／Ｄ２＝ｔａｎα／ｔａｎβ
となり、テーパ状のビア導体１１のどの位置においてもインピーダンス整合が取れていることになる。
【００２９】
なお、仮想的な円錐の頂点は一致させることが望ましいが、円錐の頂点付近はビアなどに接続を行うため、完全に頂点の尖った円錐形に削り取ることは必要ではない。そのため、ドリルは必ずしも新品で先端の尖った構造をしている必要はなく、円錐側面形状さえきちんと削り取ることができれば、ある程度先端が磨耗したドリルでも使うことができる。
【実施例１】
【００３０】
次に、図３乃至図６を参照して、本発明の実施例１の高周波回路基板の製造工程を説明する。まず、図３（ａ）に示すように、絶縁層４１を介して信号線４２とグランド線４３，４４を積層して各層毎でのパターンのつくり込みの終わった多層基板を用意する。
【００３１】
次いで、図３（ｂ）に示すように、角度のゆるいドリルの先端を用いて、円錐状の穴を開けてテーパ状凹部４５とする。なお、この場合、上述の図２（ｃ）に示した角度αとしては、α＝５７．５°とし、深さは４００μｍとする。
【００３２】
次いで、図３（ｃ）に示すように、Ｃｕの無電解めっきを行って、テーパ状凹部４５の表面に縦断面形状がテーパ状の側壁グランド線４６を形成する。なお、この時、表面のグランド線４４上にも無電解めっき層が形成されるが、図示は省略する。
【００３３】
次いで、図４（ｄ）に示すように、再度、ドリル加工を行い、テーパ状凹部４５の頂点付近無電解めっき層を削り取るとともに、信号線４２の近傍に達する円筒状の凹部４７を形成する。この場合、凹部４７の直径は３００μｍとする。
【００３４】
次いで、図４（ｅ）に示すように、エポキシ樹脂からなる埋込絶縁樹脂４８で、テーパ状凹部４５及び凹部４７を埋め込む。次いで、図４（ｆ）に示すように、全面に後述するビアのエッチング工程の際の保護膜となるレジスト４９を形成する。
【００３５】
次いで、図５（ｇ）に示すように、細いドリルを用いてドリル加工を行うことによって、その中心が凹部４７の中心と一致すると共に、信号線４２に接続するビアホール５０を形成する。なお、この場合、ビアホール５０の直径は１５０μｍとし、通常は多層基板を貫通するように形成する。
【００３６】
次いで、図５（ｈ）に示すように、２度目の円錐状穴を形成するためのドリル加工を行って、テーパ状ビアホール５１を形成する。この場合、上述の図２（ｃ）に示した角度βとしては、β＝１７．５°とし、テーパ状ビアホール５１の頂点とテーパ状凹部４５の頂点が一致する深さに形成する。
【００３７】
ついで、図５（ｉ）に示すように、無電解めっきによりめっきシード層（図示は省略）を形成したのち、Ｃｕを電解めっきすることによってビアホール５０及びテーパ状ビアホール５１を電解めっき膜５２で埋め込む。
【００３８】
次いで、図６（ｊ）に示すように、硫酸系エッチング液を用いて電解めっき膜５２をその表面が表面側のグランド線４４の位置より低くなるまでエッチングしてテーパ状ビア５３を形成する。なお、この場合、テーパ状ビア５３の位置が、表面のグランド線４４の位置より８０μｍ低くなるようする。この時、ビアホール５０を埋め込んだ電解めっき膜５２はそのまま信号線４２に接続するビア５４になる。この段階で、本発明の実施例１の高周波回路基板の基本構成の完成としても良い。この場合は、たとえば、レジスト４９は加熱処理を施すことにより、絶縁層として機能する。
【００３９】
或いは、図６（ｋ）に示すようにレジスト４９を除去しても良い。また、図６（ｌ）に示すように、埋込絶縁樹脂４８の表面をエッチングで除去しても良い。以上により、本発明の実施例１の高周波回路基板の基本構成が完成する。
【００４０】
このように、本発明の実施例１においては、信号線４２と接続するビア５４の主表面に露出する側をテーパ状にするとともに、縦断面形状がテーパ状の側壁グランド線４６で囲んでいるので、パッド部において、インピーダンス整合をとることができる。即ち、テーパ状ビア５３に対して側壁グランド線４６を同軸的に形成しているので、パッド部近傍において、インダクタンスとキャパシタンスとの比を一定に保つことができ、それによって、インピーダンス整合を取ることができる。
【００４１】
図７は、本発明の実施例１の高周波回路基板を用いた実装構造の説明図であり、高周波回路基板に設けたテーパ状ビア５３と、半導体チップ６２に設けたパッド６３とをはんだバンプ６１を設けて接続する。この時、はんだバンプ６１と側壁グランド線４６とが電気的に短絡するのを防止するために、側壁グランド線４６及びグランド線４４の露出部を覆うようにソルダーレジスト６０を設けておく。
【００４２】
このように、パッド６３と接続する近傍において、テーパ状ビア５３はインピーダンス整合が取れているので、テーパ状ビア５３を介して伝搬する信号の反射を抑制し、信号の品質を向上することが可能になる。
【００４３】
図８は、本発明の実施例１の高周波回路基板を用いた積層構造の説明図であり、同じビア構造を有する高周波回路基板を互いに対向させてテーパ状ビア５３同士をはんだバンプ６１によって接続したものである。この場合も、はんだバンプ６１と側壁グランド線４６とが電気的に短絡するのを防止するために、側壁グランド線４６及びグランド線４４の一部をソルダーレジスト６０で被覆するとともに、グランド線４４同士をはんだで短絡させ、シールド性を高める。
【実施例２】
【００４４】
次に、図９を参照して、本発明の実施例２の中継基板を説明するが、この中継基板は本発明の実施例１の高周波回路基板のテーパ状ビア部を応用したものである。
【００４５】
図９（ａ）は、本発明の実施例２の中継基板の概略的断面図であり、上記実施例１の図３（ｂ）のドリル加工工程において、ドリルで形成できる円錐部の高さよりも薄いグランド線７１のみを設けた多層基板を用いて、同様の工程を行って形成したものである。なお、図４（ｄ）の工程、図５（ｇ）の工程は行わない。この場合も、円錐台状のテーパ状ビア７５の頂点と、縦断面形状がテーパ状の側壁グランド線７３の頂点とがほぼ一致するように形成する。
【００４６】
図９（ｂ）は、中継基板７０を用いた積層構造の説明図であり、直径の異なるビア同士を中継基板７０を用いて接続して接続経路を形成したものである。この場合も、はんだバンプ６１，７８と側壁グランド線４６，８４とが電気的に短絡するのを防止するために、ソルダーレジスト６０，７６，８０を設ける。また、グランド線４４とグランド線７２とをはんだ７７で短絡させ、グランド線７２とグランド線８３とをはんだ７９で短絡させてシールド性を高める。
【００４７】
このように、中継基板７０を用いることによって、互いに直径の異なるビアを設けた高周波回路基板同士をインピーダンス不整合の少ない接続構造で積層接続することが可能になる。
【符号の説明】
【００４８】
１１  ビア導体
１２  グランド電極
１３  絶縁物
１４  絶縁層
１５  ソルダーレジスト
４１  絶縁層
４２  信号線
４３  グランド線
４４  グランド線
４５  テーパ状凹部
４６  側壁グランド線
４７  凹部
４８  埋込絶縁樹脂
４９  レジスト
５０  ビアホール
５１  テーパ状ビアホール
５２  電解めっき膜
５３  テーパ状ビア
５４  ビア
６０  ソルダーレジスト
６１  はんだバンプ
６２  半導体チップ
６３  パッド
６４  はんだ
７０  中継基板
７１  絶縁層
７２  グランド線
７３  側壁グランド線
７４  埋込絶縁樹脂
７５  テーパ状ビア
７６  ソルダーレジスト
７７  はんだ
７８  はんだバンプ
７９  はんだ
８０  ソルダーレジスト
８１  絶縁層
８２  グランド線
８３  グランド線
８４  側壁グランド線
８５  埋込絶縁樹脂
８６  テーパ状ビア
８７  ビア
９１  グランド線
９２  信号線
９３  絶縁層
９４  ビア
９５  同軸グランド線
９６  はんだ
９７  はんだバンプ
【図１】
2013041991.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2013041991.tif 000009
【図８】
2013041991.tif 000010
【図９】
2013041991.tif 000011
【図１０】
2013041991.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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