JP2009088173A

JP2009088173A - 配線基板

Info

Publication number: JP2009088173A
Application number: JP2007254891A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Yoshimura; 英明吉村; Kenji Fukusono; 健治福園; Kenji Iida; 憲司飯田; Tomoyuki Abe; 知行阿部; Yasutomo Maehara; 靖友前原; Takashi Nakagawa; 隆中川; Shin Hirano; 伸平野; Takashi Sugata; 隆菅田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2009-04-23
Also published as: US20090084590A1; CN101400221B; KR101008892B1; CN101400221A; TW200920195A; KR20090032964A; US8119923B2

Abstract

【課題】実装される素子の熱膨張率に合致した低熱膨張率を有する配線基板であって、且つ低温環境下の使用に際してコア層の剥離、クラックの発生を防止することが可能な配線基板を提供する。
【解決手段】本発明に係る配線基板は、コア層と配線層とが積層されて構成される配線基板において、前記配線層は、前記コア層よりも面方向の外形寸法が一回り小さいことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、配線基板に関し、さらに詳細には、コア層と配線層とが積層されて構成される多層構造の配線基板に関する。

近年、電子機器に対する高性能化および小型化などの要求に伴い、電子機器に組み込まれる電子部品の高密度実装化が急速に進んでいる。そのような高密度実装化に対応すべく、半導体チップについては、ベアチップの状態で配線基板に面実装すなわちフリップチップ実装される場合が多い。

ところが、フリップチップ実装において、一般的な半導体材料による半導体チップにおける面方向の熱膨張率は約３．５ｐｐｍ／℃であるのに対し、コア基板としてガラスエポキシ基板を採用する一般的な配線基板における面方向の熱膨張率は１２〜２０ｐｐｍ／℃であり、両者の熱膨張率の差は比較的大きい。そのため、環境温度の変化等により、配線基板と半導体チップの間における電気的接続部には応力が発生し易く、当該応力の発生は、当該接続部におけるひび割れや剥がれ等の原因となり得る。

配線基板および半導体チップにおける面方向の熱膨張率差に起因する上記の不具合を解消ないし軽減するための手法の一つとして、熱膨張率の小さな配線基板を採用することが考えられる。

ここで、熱膨張率の低減が可能な従来の配線基板の例として、特許文献１に記載の配線基板１００がある。この配線基板１００は、図５の詳細断面図、図６（ａ）の平面図、図６（ａ）の概略断面図に示すように、炭素繊維材１１１ａ、および、無機フィラーを含有する樹脂組成物１１１ｂからなるコア層１１０と、コア層１１０上に形成された絶縁層１２１および当該絶縁層１２１上に設けられた配線パターン１２２を含む積層配線部１２０と、コア層１１０内を厚み方向に延び且つ積層配線部１２０における配線パターン１２２と電気的に接続している導電部１３０とを備えることを特徴とする。この構成により、配線基板における面方向の熱膨張率を充分に小さく設定することができるというものである。

特開２００４−１１９６９１号公報

しかしながら、上記コア層１１０に用いられる炭素繊維材および樹脂組成物からなる複合材料は圧縮に弱く、特に、積層温度から低温側に冷却されると、図７に示すように、コア層１１０の基材の部分に剥離やクラック１４０が発生してしまうという課題が生じていた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされ、実装される素子の熱膨張率に合致した低熱膨張率を有する配線基板であって、且つ低温環境下の使用に際してコア層の剥離、クラックの発生を防止することが可能な配線基板を提供することを目的とする。

本発明は、以下に記載するような解決手段により、前記課題を解決する。

本発明に係る配線基板は、コア層と配線層とが積層されて構成される配線基板において、前記配線層は、前記コア層よりも面方向の外形寸法が一回り小さいことを特徴とする。

また、前記コア層は、炭素繊維材を含有する樹脂組成物からなることを特徴とする。

また、前記積層した状態における面方向の熱膨張率が１５ｐｐｍ／℃以下であることを特徴とする。

また、記配線層として、第一の配線層および第二の配線層を備え、前記コア層の表面側に前記第一の配線層が積層され、前記コア層の裏面側に前記第二の配線層が積層されることを特徴とする。

ここで、前記配線層の外縁部と、前記コア層の外縁部とが、面方向において１ｍｍ以上離隔していることが好適である。

請求項１によれば、配線基板のコーナー部側面および辺中央部側面に生じる引張応力の低減を可能とし、それにより、コア層における剥離やクラックの発生を防止して、配線基板の寿命を増加させることが可能となる。

請求項２によれば、炭素繊維材を含有する樹脂組成物からなるコア層を備えることによって、所望の低熱膨張率を有する配線基板を提供することが可能となる。

請求項３によれば、炭素繊維材含有材料以外の材料によりコア層を形成する場合であっても、面方向の熱膨張率が１５ｐｐｍ／℃以下である配線基板であれば、低熱膨張率化と寿命増加を達成し得る。

請求項４によれば、特に、コア層の表面側に第一の配線層が積層され、コア層の裏面側に第二の配線層が積層される配線基板において、コーナー部側面および辺中央部側面に生じる引張応力を低減させることが可能となる。

請求項５によれば、当該離隔距離が１ｍｍ以下では引張応力の値の変化率が大きいため、少なくとも１ｍｍ以上離隔する形状に構成することがより大きな引張応力低減効果を得るという点で好適である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳しく説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る配線基板１の一例を示す概略図である。図２は、その配線基板１のコーナー部の拡大図である。図３および図４は、その配線基板のコーナー部側面および辺中央部側面に生じる引張応力のシミュレーション結果である。なお、図面の符号に関して、符号１２は符号１２ａ、１２ｂの総称として用いる（他の符号について同様）。

まず図１に、本発明の一実施形態に係る配線基板１を示す。ここで、図１（ａ）は配線基板１の平面図、図１（ｂ）は配線基板１の正面図（断面図）である。配線基板１は、コア層１０と、一対の配線層１２（図中１２ａ、１２ｂ）とを備える。配線層１２ａおよび配線層１２ｂは、それぞれコア層１０の表面と裏面とに積層されている。通常、配線基板１は一対の配線層１２を電気的に導通するため、厚み方向に貫通するめっきスルーホールやヴィアホールが設けられるが、図ではこれらの構成を省略している。

本実施形態において、コア層１０は、炭素繊維材を含有する樹脂組成物を用いて構成される。一例として、炭素繊維材およびこれを包容して硬化している樹脂組成物からなる炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）の板材から加工を行う。

前記炭素繊維材は、例えば、炭素繊維を束ねた炭素繊維糸により織られた炭素繊維クロスであり、本実施形態では、コア層１０の面方向に展延するように配向している。なお、炭素繊維クロスに代えて、炭素繊維メッシュまたは炭素繊維不織布を採用してもよい。また、本実施形態では、コア層１０における炭素繊維材の含有率は、３０〜８０ｖｏｌ％である。

前記樹脂組成物は、樹脂分と、これに分散する無機フィラーとを含んでいる。例えば、樹脂分としては、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリフェニルサルホン、ポリフタルアミド、ポリアミドイミド、ポリケトン、ポリアセタール、ポリイミド、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンオキサイド、ポリブチレンテレフタレート、ポリアクリレート、ポリスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルエーテルケトン、テトラフルオロエチレン、エポキシ、シアネートエステル、ビスマレイミド等が挙げられる。無機フィラーとしては、シリカ粉末、アルミナ粉末、水酸化マグネシウム粉末、窒化アルミニウム粉末、水酸化アルミニウム粉末等が挙げられる。本実施形態では、無機フィラーの重量平均粒径は、１０μｍ以下であり、樹脂組成物における無機フィラーの含有率は５〜５０ｗｔ％である。

本実施形態においては、上記の構成を備えるコア層１０の面方向の熱膨張率は０〜１７ｐｐｍ／℃程度である。なお、本発明に係る配線基板１を、ＬＧＡパッケージにおけるチップ実装基板、および、マザーボード等に適用する場合には、当該コア層１０の熱膨張率は０〜６ｐｐｍ／℃に設定するのが好ましい。また、配線基板１を、ＢＧＡパッケージにおけるチップ実装基板等に適用する場合には、当該コア層１０の熱膨張率は３〜１７ｐｐｍ／℃に設定するのが好ましい。

一方、配線層１２は、いわゆるビルドアップ法により配線が多層化された部位であり、図示しないが、絶縁層および配線パターンによる一般的な積層構造を有する。絶縁層は、例えば、前述のコア層１０に用いる樹脂組成物と同様の材料により構成される。配線パターンは、例えば、銅により構成される。なお、隣接する層に形成されている配線パターンは、ヴィアホールにより相互に電気的に接続している。最上位の配線パターンには、外部接続用の電極パッドが形成される。

ここで、本発明に特徴的な構成として、配線基板１は、配線層１２が、コア層１０よりも面方向の外形寸法が一回り小さい形状に形成される。加工方法は特に限定されないが、例えば、エンドミルにより加工される。

上記構成を備える配線基板１において、配線層１２の外縁部１２ｘと、コア層１０の外縁部１０ｘとの、面方向における離隔距離をｄとして、配線基板１のコーナー部側面および辺中央部側面に生じる引張応力のシミュレーション結果を図３および図４に示す。

図３では、第一の配線層１２ａの厚さｔ_１＝０．５ｍｍ、第二の配線層１２ｂの厚さｔ_２＝０．５ｍｍ、コア層１０の厚さｈ＝３ｍｍに設定した。なお、本実施形態による配線層では、絶縁層と配線パターンとからなる層を６層積層し、コア層１０と配線層１２との間に厚さ０．０５ｍｍのボンディングシートを設ける構成としている。なお、ボンディングシートは配線層１２の一部と同視してよい。
ここで、第一の配線層１２ａの外縁部１２ａｘとコア層１０の外縁部１０ｘとの面方向離隔距離ｄ_１を変化させたときの、配線基板１のコーナー部側面に生じる引張応力を図３（ａ）に、辺中央部側面に生じる引張応力を図３（ｂ）にそれぞれ示す。また、第二の配線層１２ｂの外縁部１２ｂｘとコア層１０の外縁部１０ｘとの面方向離隔距離をｄ_２とした場合、図３の例ではｄ_２＝ｄ_１としている。

一方、図４では、第一の配線層１２ａの厚さｔ_１＝１ｍｍ、第二の配線層１２ｂの厚さｔ_２＝１ｍｍ、コア層１０の厚さｈ＝３ｍｍに設定した。なお、本実施形態では、絶縁層と配線パターンとからなる層を６層積層し、コア層１０と配線層１２との間に厚さ０．０５ｍｍのボンディングシートを設ける構成としている。なお、ボンディングシートは配線層１２の一部と同視してよい。
ここで、第一の配線層１２ａの外縁部１２ａｘとコア層１０の外縁部１０ｘとの面方向離隔距離ｄ_１を変化させたときの、配線基板１のコーナー部側面に生じる引張応力を図４（ａ）に、辺中央部側面に生じる引張応力を図４（ｂ）にそれぞれ示す。また、ｄ_２＝ｄ_１としている。

図３および図４に示すデータから明らかなように、配線層１２の外縁部１２ｘと、コア層１０の外縁部１０ｘとの、面方向における離隔距離ｄは、０よりも大きな値であれば、ｄ＝０の場合よりも配線基板１のコーナー部側面および辺中央部側面に生じる引張応力を低減させる効果を奏することとなる。図３および図４に示すモデル以外にも多くのシミュレーションを実施して、ｔ、ｈ、パッケージサイズの値を変化させて解析した結果、おおよそ、ｄ＝1ｍｍを境界として、１ｍｍ以下では引張応力の値の変化率が大きく、１ｍｍ以上では引張応力の値の変化率が小さい傾向にあることが確認された。したがって、配線層１２ａ、１２ｂの外縁部１２ａｘ、１２ｂｘと、コア層１０の外縁部１０ｘとの面方向における離隔距離ｄ１、ｄ２は、少なくとも１ｍｍ以上離隔する形状に構成することがより大きな引張応力低減効果を得るという点で好適であると考えられる。ただし、ｄ１およびｄ２が０から１ｍｍまでの長さであっても、低減量は小さいながら、同種の効果を奏することは前述の通りである。なお、配線基板１の反りを防止する等の観点から、ｄ１とｄ２とは同じ長さとすることが好適である。

また、上記シミュレーションとは別に、実際に面方向の外形寸法が２７０×１３５ｍｍ、および５４ｍｍ×５４ｍｍの２種類の大きさの配線基板を試作して、温度サイクル試験を実施して、剥離やクラックの発生について確認を行った。なお、温度サイクル試験の方法として、−６５℃での２０分間冷却、および１２５℃での２０分間加熱を１サイクルとして、このサイクルを繰り返し行った。

その結果、従来の配線基板（ｄ＝０）（図６参照）は、上記繰り返し試験１０サイクルでクラックが発生したのに対して、本実施形態に係る配線基板（ｄ＝１ｍｍとした）（図１等参照）は、上記繰り返し試験５００サイクル程度まで剥離やクラックが発生せず、寿命が飛躍的に増加することが確認された。当該試験結果を表１に示す。

この試験結果は、前述のシミュレーションにおいて、本実施形態に係る配線基板は引張応力を低減させる効果を奏することが明らかとなっているところ、当該応力低減の効果として、温度サイクル試験におけるクラック発生に至るまでの繰り返し試験回数増加、すなわち寿命増加がもたらされることを実証するものである。

以上のように、本実施形態に係る配線基板１によれば、炭素繊維材を含有する樹脂組成物からなるコア層を備えることによって、所望の低熱膨張率を有する配線基板を提供することが可能となる。これは、配線基板１の全体における面方向の熱膨張率は、コア層１０の熱膨張率に強く依存するものであるところ、配線基板１のコア層１０は、その内部で面方向に展延している炭素繊維材を基材として含有するため、コア層１０における面方向の熱膨張率を小さくできるためである。

さらに、配線層１２がコア層１０よりも面方向の外形寸法が一回り小さい形状を備えることによって、積層温度から低温側に冷却される環境下における配線基板１のコーナー部側面および辺中央部側面に生じる引張応力の低減を可能とし、それにより、コア層１０における剥離やクラックの発生を防止して、配線基板の寿命を従来と比べて飛躍的に増加させることが可能となる。

なお、コア層に関する他の例として、前述の炭素繊維材含有材料以外の材料を用いる構成とすることも考えられる。すなわち、従来のコア層として一般的に用いられている高耐熱ＦＲ４等は、概ね１５ｐｐｍ／℃以上の熱膨張率を有しているのに対して、炭素繊維材含有材料以外の材料によるコア層を有し、配線基板全体における面方向の熱膨張率が１５ｐｐｍ／℃以下である配線基板であれば、低熱膨張率を達成することとなるため、そのようなコア層を備える配線基板において、配線層をコア層よりも面方向の外形寸法が一回り小さく形成すれば上記同様の効果が得られる。つまり、低熱膨張率を有し、且つ寿命増加が可能な配線基板が得られることとなる。

以上の説明の通り、本実施形態に係る配線基板によれば、配線基板の熱膨張率を所望の値に低減することが可能となる。このような低熱膨張率の配線基板は、実装される素子との間で熱膨張率の差が小さいので、当該素子を搭載した状態において、熱膨張率差に起因する両者間の接続信頼性の低下を防止することができる。加えて、積層温度から低温側に冷却される環境下における引張応力の低減を可能とし、それにより、剥離やクラックの発生を防止して、配線基板の寿命を飛躍的に増加させることが可能となる。その結果、実装される素子と配線基板との接合強度の安定化および剥離・クラックの発生防止により、電子装置の信頼性を向上させることが可能となる。

なお、本発明は、半導体チップをフリップチップ実装する配線基板に限定されるものではない。

本発明の実施の形態に係る配線基板の例を示す概略図である。図１に示す配線基板のコーナー部の拡大図である。図１に示す配線基板のコーナー部側面および辺中央部側面に生じる引張応力のシミュレーション結果である。図１に示す配線基板のコーナー部側面および辺中央部側面に生じる引張応力のシミュレーション結果である。従来の実施の形態に係る配線基板の一例を示す概略図である。従来の実施の形態に係る配線基板の一例を示す概略図である。従来の実施の形態に係る配線基板のコーナー部の拡大図である（クラックが発生した状態として図示）。

符号の説明

１配線基板
１０コア層
１０ｘコア層の外縁部
１２、１２ａ、１２ｂ配線層
１２ｘ、１２ａｘ、１２ｂｘ配線層の外縁部

Claims

コア層と配線層とが積層されて構成される配線基板において、
前記配線層は、前記コア層よりも面方向の外形寸法が一回り小さいこと
を特徴とする配線基板。
前記コア層は、炭素繊維材を含有する樹脂組成物からなること
を特徴とする請求項１記載の配線基板。
前記積層した状態における面方向の熱膨張率が１５ｐｐｍ／℃以下であること
を特徴とする請求項１または請求項２記載の配線基板。
前記配線層として、第一の配線層および第二の配線層を備え、
前記コア層の表面側に前記第一の配線層が積層され、
前記コア層の裏面側に前記第二の配線層が積層されること
を特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の配線基板。
前記配線層の外縁部と、前記コア層の外縁部とが、面方向において１ｍｍ以上離隔していること
を特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の配線基板。