JP2006179782A - 半導体基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体用の基板にスルーホール（貫通孔）を導電性材料で充填する場合において、貫通孔内に均一に且つ迅速に導電性材料で充填することのできる半導体用基板の製造方法を提供する。
【解決手段】 基板（１０）に貫通孔（１４）を形成する工程と、該基板の一方の面にはんだ（４２）を配置する工程と、該はんだをプレス（４０）により前記基板の側に押圧すると共に、該はんだを加熱溶融させて、前記基板の貫通孔（１４）に埋め込む工程と、からなることを特徴とすることを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、半導体素子を搭載する配線用基板の製造方法、特に、基板材料に設けた孔に導電性材料を埋め込む方法を改善した半導体基板の製造方法に関する。

半導体素子を搭載する配線基板には、電気的絶縁性を有する基板の両面に形成された配線パターンが、基板を貫通して設けた貫通部（スルーホール）に充填した導体ビアを介して電気的に接続して形成された製品がある。この配線基板は、その両面に絶縁層を介して配線パターンを複数層積層して多層配線基板として形成され、また、このような多層配線基板に半導体素子を搭載することによって半導体装置が形成される。

図１は、絶縁性及び接着性を有する基板に設けたスルーホールに電解めっきにより導体金属を充填し、この導体金属を介して基板の一方の面に形成された配線パターンと他方の面に形成された配線パターンと間を電気的に接続する、特許文献１に記載されているような従来例を示す。

図１（ａ）は配線基板の本体となる基板１０を示す。基板１０には、電気的絶縁性を有し、配線パターンの導体層となる銅箔等の金属箔が、加熱および加圧により一体に接着される材料が使用される。例えば、未硬化の熱硬化型のガラスクロス含浸樹脂からなる樹脂板が基板１０として使用される。

図１（ｂ）は、基板１０にレーザ加工を施して貫通孔１４を形成した状態を示す。ガラスクロス含浸樹脂等の樹脂材から形成された基板１０に対しては、レーザ加工によって容易に貫通孔１４を形成することができる。レーザ加工によれば、ドリル加工では形成することが困難な１００μｍ以下の小径の貫通孔１４であっても、簡単に精度良く形成することができる。

図１（ｃ）は、貫通孔１４を形成した基板１０の一方の面に金属箔として銅箔３０ａを加熱および加圧して接着した状態を示す。基板１０は未硬化の熱硬化型のガラスクロス含浸樹脂からなり、銅箔３０ａを加熱および加圧することにより樹脂が溶融して基板１０に一体に接合される。なお、基板１０に被着する銅箔３０ａの一方の面にあらかじめニッケルからなるバリア層３２ａを設け、バリア層３２ａを基板１０に接合する面側として銅箔３０ａを基板１０に被着している。バリア層３２ａは、後工程で配線パターンを層間で電気的に接続する際にはんだが銅箔３０ａ中に拡散し、接合部分の界面にボイドが発生し、導通抵抗が上昇することを防止するためのものである。

図１（ｃ）に示すように、基板１０の一方の面に銅箔３０ａを被着したことにより、貫通孔１４は一方の開口部が閉止された凹部１４ａになる。図１（ｄ）は、基板１０の一方の面に被着した銅箔３０ａをめっき給電層として電解めっきを施し、凹部１４ａ内をめっきによる導体金属３４によって充填した状態を示す。

図１（ｅ）は、基板１０の他方の面に銅箔３０ｂを加熱および加圧して、銅箔３０ｂを基板１０に被着した状態を示す。なお、基板１０の他方の面に被着する銅箔３０ｂについても一方の面にあらかじめニッケルからなるバリア層３２ｂを設け、バリア層３２ｂを基板１０に接合する面側として銅箔３０ｂを基板１０に接合する。導体金属３４としてはんだを使用しているのは、図１（ｅ）に示すように、基板１０の他方の面に銅箔３０ｂを加熱および加圧して接着する際に、導体金属３４のはんだが加熱されて溶融し、銅箔３０ｂが導体金属３４によって溶着されるようにするためである。

基板１０の一方の面に被着されている銅箔３０ａについては、電解めっきによって導体金属３４がバリア層３２ａに接合するから、導体金属３４と銅箔３０ａとは確実に電気的に導通されるのに対して、基板１０の他方の面については、銅箔３０ｂを単に基板１０に接着するだけでは導体金属３４と銅箔３０ｂとの電気的導通は不十分である。銅箔３０ｂを基板１０に熱圧着する際に導体金属３４が溶融するようにしているから、銅箔３０ｂを基板１０の他方の面に熱圧着する際に、銅箔３０ｂと基板１０とが一体化されるとともに銅箔３０ｂと導体金属３４とが確実に電気的に接続される。なお、銅箔３０ｂを基板１０に接合する際には、基板１０の樹脂材は未硬化の状態であり、樹脂材の溶融温度まで昇温させた後、硬化温度まで降温させることによって樹脂材が完全硬化して基板１０と銅箔３０ｂとが一体になる。前工程でのレーザ加工時に基板の樹脂材にクラックが生じたような場合でも、銅箔３０ｂを基板１０に一体的に溶着する工程でクラックも解消される。

図１（ｆ）は、基板１０の両面に被着している銅箔３０ａ，３０ｂとバリア層３２ａ，３２ｂをエッチングして基板の両面に配線パターン３６を形成した状態を示す。基板の両面に形成された配線パターン３６は、導通部として形成された導体金属３４によって電気的に接続され、図１（ｆ）に示す基板は、基板の両面に形成された配線パターン３６が導通部によって電気的に導通された配線基板３８となる。

図２は、図１に示した特許文献１の工程において、図１（ｄ）に示した、凹部１４ａ内をめっきによる導体金属３４によって充填する工程を詳細に示すものである。ただし、図２においては、基板１０を厚さが例えば２００〜２５０μｍのシリコン基板とし、直径が６０μｍの貫通孔１４を１００〜２００μｍのピッチで設けたものとする。

この場合、基板１０の一方の面に被着した銅箔３０ａをめっき給電層として電解めっきを施す。そして、基板１０の他方の面の側に、基板１０から少し離して、充填する金属材料からなる陽極板４０を配置し、適当な電解めっき槽（図示せず）の中にて周知の方法で電解めっきを施す。基板１０の一方の面には銅箔３０ａが被着されているので、貫通孔１４の一方の開口部は、給電層である銅箔３０ａにより塞がれている。一方、貫通孔１４の基板１０の他方の面側は開放されており、基板１０から少し離れて、充填用の金属材料からなる陽極板４０が配置されているので、電解めっきの進行にともなって、貫通孔１４の内部の銅箔３０ａ上には、導体金属３４が析出され、貫通孔１４の内部にて導体金属を成長させることで貫通孔１４の内部が導体金属３４で完全に充填される。

このように、銅箔３０ａをめっき給電層とする電解めっきによれば、貫通孔１４が小径であっても貫通孔１４の内部をめっきによる導体金属３４によって充填することは容易である。なお、銅箔３０ａをめっき給電層とする電解めっきを施す際に、銅箔３０ａの露出面の全面をめっき保護フィルムにより被覆し、導体金属３４を形成する際に銅箔３０ａの厚さがめっきによって厚くならないようにしてもよい。凹部１４ａを充填する電解めっきとしてはんだめっきを施し、凹部１４ａがはんだによって充填されるようにしている。

また、特許文献２によると、プリント配線板の導体回路に接続されたスルーホールに接合ピンを挿入しておき、この接合ピンを介して、相手側基板のパッドに接合することが開示されている。接合ピンは相手側パッドに接合する際の加熱温度では溶融しない材料を用いて作製されており、かつスルーホールの開口直径より大きく且つ相手方パッドとの接合部となる接合頭部と、スルーホールの内部に挿入可能な大きさを有する脚部とからなる。脚部は、スルーホールの内部に挿入されている半田材料等の導電性材料によりスルーホールに接合されている。

特開２００３−３３２７０５号公報 特開平１０−２７５９６６号公報

上述した特許文献１に示されるように、配線基板のスルーホールを導電性材料によって充填する方法として、電解めっきによる場合は、特にスルーホールの孔径が小さい場合には、スルーホールの孔内における導電性材料の成長に時間を要すること、スルーホールの壁面及びその近傍の周辺部は比較的導電性材料の成長が速いものの、スルーホールの中心部では導電性材料の成長が遅く均一な導電性材料の成長が望めないこと、また電解めっきによる金属の析出の過程で空気の泡が混入し、これがボイドとなって、緻密な導電性材料の成長を妨げること等の問題がある。このような問題を解消するこめに、例えば、電解めっき槽内においてめっき液の攪拌する等の措置が採られているが、十分満足できる結果は得られなかった。

そこで、本発明では、上記のような問題を解消するべく、基板のスルーホールを導電性材料で充填する場合において、スルーホール内を均一に且つ迅速に導電性材料で充填することのできる半導体基板の製造方法を提供することを課題とする。

上記の課題を達成するために、本発明によれば、基板に貫通孔を形成する工程と、該基板の一方の面に溶融はんだを配置する工程と、該はんだをプレスにより前記基板の側に押圧すると共に、該はんだを加熱溶融させて、前記基板の貫通孔に埋め込む工程と、からなることを特徴とする半導体基板の製造方法が提供される。これにより、低コストで半導体基板の貫通孔に導電性材料であるはんだを埋め込むことが可能となり、基板の貫通孔への導電性材料の埋め込み作業を短時間で完了させることができる。

基板の貫通孔には、孔壁とはんだとの濡れ性を向上させるために、予め濡れ性向上膜を塗布しておくことを特徴とする。この場合において、濡れ性向上膜として、粘度の比較的低いフラックス膜を使用することを特徴とする。このように、基板の貫通孔の壁面にはんだとの濡れ性を向上するための処理を施すことにより、半導体基板の貫通孔への導電性材料の埋め込みをより緻密に且つ短時間で行うことができる。

はんだをプレスにより半導体基板の側に押圧する際、該基板の反対側から吸引することを特徴とする。これにより、このような吸引力を反対側から及ぼすことでプレスによる押圧力を助長することが出来、基板の貫通孔の一方の面から反対の面まで導電性材料が埋め込まれる時間をより短縮することができる。

また、はんだをプレスにより基板の側に押圧する際、減圧環境下にて行うことを特徴とする。このように減圧環境下でプレス作業を行うことにより、はんだが半導体基板の貫通孔に埋め込まれ際の表面張力を低下させることとなり、基板の貫通孔への導電性材料の埋め込みをより緻密に且つより短時間で行うことができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

図３は本発明の半導体基板の製造方法、特に、半導体用の基板の貫通孔に埋め込む方法を示すものである。

半導体用の基板１０は、例えば、図２で説明した従来例と同様、絶縁材料、例えばシリコン等のセラミック基板を用いるのが好適である。ガラスエポキシ基板等の樹脂性からなる絶縁性基板を使用することも可能であるが、このような樹脂基板を用いる場合は、耐熱性の高いものを使用する。即ち、はんだとして、錫・銀はんだを用いる場合は、その融点である２６０℃以上の耐熱性のあるものを使用する必要がある。

シリコン基板１０は例えば厚さが２００〜２５０μｍ程度であり、６０μｍ径の貫通孔１４が１００〜２００μｍのピッチで多数設けられたものである。貫通孔１４を形成する工程は図示していないが、従来例と同様、レーザ加工又は精密ドリル加工により形成することができる。

シリコン基板１０の貫通孔１４には、次のプレス工程を実行する前に、貫通孔１４の孔壁とはんだとの濡れ性を向上させるために、フラックス等の濡れ性を向上する膜を予め塗布する。使用するフラックスとして出来るだけ粘性の低いものが好ましい。また、基板１０を構成しているシリコン材との濡れ性を良好にするために、スパッタリング又はめっきにより貫通孔１４の壁面に銅の薄い膜１４ａを予め形成しておくのが好ましい。

次に、シリコン基板１０の一方の面に板状のはんだ４２を搭載する。はんだ４２の材料としては、融点が２６０℃程度の比較的高融点の錫・銀はんだが好ましい。或いは、鉛リッチの錫・鉛はんだを用いても良い。板状のはんだ４２の大きさは、シリコン基板１０の貫通孔１４が多数設けられている領域（例えば、１辺が１０ｍｍ角の正方形領域）を覆うことができるだけの面積を有し、且つ、導電性材料を埋め込む必要のあるすべての貫通孔１４の総容積を上回る体積を有するものとする。

板状のはんだ４２をシリコン基板１０に搭載する際、次のプレス工程ではんだ４２の溶融を容易に且つ短時間に行えるようするために、シリコン基板１０自体を予め１５０℃程度に加熱しておくのが望ましい。これにより、次のプレス工程の前に、はんだ４２が予めシリコン基板１０の温度である１５０℃に近くなる程度に加熱される。

板状のはんだ４２が配置されたシリコン基板１０の一方の面から、プレス４０により板状のはんだ４０を押圧し、且つ加熱する。プレス４０は予めはんだ４２の溶融温度（はんだ４２が錫・銀はんだである場合はその融点２６０℃）以上の温度に加熱されている。したがって、プレス４０が板状のはんだ４２に押圧された後、プレス４０の熱が板状はんだ４２に伝わり、はんだ４２は溶融し始める。はんだ４２の溶融が開始された時点で、プレス４０を強制的にシリコン基板１０の一方の面側へ押圧移動させて、溶融し且つ流動化したはんだ４２ａをシリコン基板１０の貫通孔１４の内へ押し込む。

板状のはんだ４０の加熱をより短時間で行うために、プレス４０自体による加熱に加えて板状のはんだ４０の周囲から電熱ヒーター等の別の加熱手段を用いて加熱を行っても良い。

シリコン基板１０の貫通孔１４の壁面には、はんだとの濡れ性を向上するための膜１４ａが予め塗布されているので、流動化したはんだ４２ａが貫通孔１４の内部に流入する際はんだの表面張力による影響が少なく、これらの貫通孔１４の壁面に都合よく密着する。

板状のはんだ４２をプレス４０によりシリコン基板１０の一方が側から押圧し、流動化したはんだ４２ａが貫通孔１４の内部に押し込む際に、はんだ４２ａの貫通孔１４への流入をより促進するために、シリコン基板１０の他方の面側から図示しない適当な吸引装置により吸引することにより、流動化したはんだ４２ａの貫通孔１４内での移動を促進するようにする。或いは、プレス４０を含む装置を減圧下にて作動させるようにしても良い。

シリコン基板１０の貫通孔１４がはんだ４２ａにより充填されると、プレス４０をシリコン基板１０から離し、シリコン基板１０の表面に付着した残りのはんだを除去して作業を終了する。

以上添付図面を参照して本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の精神ないし範囲内において種々の形態、変形、修正等が可能である。

以上説明したように、本発明によれば、半導体用の基板に貫通孔を形成し、該基板の一方の面にはんだを配置し、該はんだをプレスにより前記基板の側に押圧すると共に、該はんだを加熱溶融させて、前記基板の貫通孔に埋め込むことにより、スルーホール内に均一に且つ迅速に導電性材料で充填することのでき、緻密な導体ビアを形成することができる。

従来の配線基板の製造方法を工程順に示す。 従来の電解めっきによる貫通孔の埋め込み工程を示す。 本発明のよるプレスによる貫通孔の埋め込み工程を含む半導体基板の製造方法を示す。

符号の説明

１０ シリコン基板
１４ 貫通孔
１４ａ はんだ濡れ性を向上する膜
４０ プレス
４２ はんだ
４２ａ 溶融はんだ

Claims (5)

1. 基板に貫通孔を形成する工程と、
   該基板の一方の面にはんだを配置する工程と、
   該はんだをプレスにより前記基板の側に押圧すると共に、該はんだを加熱溶融させて、前記基板の貫通孔に埋め込む工程と、
   からなることを特徴とする半導体基板の製造方法。
2. 基板の貫通孔には、孔壁とはんだとの濡れ性を向上させるために、予め濡れ性向上膜を塗布しておくことを特徴とする請求項１に記載の半導体基板の製造方法。
3. 濡れ性向上膜として、粘度の比較的低いフラックス膜を使用することを特徴とする請求項２に記載の半導体基板の製造方法。
4. はんだをプレスにより基板の側へ押圧する際、該基板の反対側から吸引することを特徴とする請求項２に記載の半導体基板の製造方法。
5. はんだをプレスにより基板の側に押圧する操作を、減圧環境下にて行うことを特徴とする請求項１に記載の半導体基板の製造方法。

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