JP4953875B2 - 配線基板および実装構造体 - Google Patents

Description

本発明は、各種ＡＶ機器や家電機器，通信機器，コンピュータ装置およびその周辺機器などの電子機器に使用される配線基板に関し、特にシリコンチップがフリップチップ実装される配線基板に関するものである。

本発明において、「略同数」とは、その他の単繊維の本数の８０％以上１００％以下と同義である。本発明において、「略同一」は同一を含む。

従来、配線基板は、ＩＣ（Integrated Circuit），ＬＳＩ（Large Scale Integration）などの半導体素子に代表される能動素子および容量素子や抵抗素子などの受動素子を多数搭載して所定の電子回路を構成する混成集積回路に用いられる。この配線基板は、通常、以下のように製作される。（１）ガラスクロスにエポキシ樹脂を含浸させて成る絶縁基板の上下面に銅箔を接着して成る、いわゆる両面銅貼基板をサブトラクティブ法により配線パターン状の配線導体に加工する。（２）その後、ドリルによって配線導体と絶縁基板とを貫通する貫通孔（スルーホール）を形成し、この貫通孔内部にめっき法により導体層を被着して成る貫通導体を形成することによって基体を製作する。（３）その主面にソルダーレジストと呼ばれる絶縁層を積層することによって、配線基板を製作する（たとえば特許文献１、２参照）。

または配線密度をより上げるために、前記（２）で製作された基体の主面に、エポキシ樹脂などから成る絶縁層を積層し、レーザ光を照射することにより絶縁層に貫通孔（ビアホール）を形成した後、めっき法により貫通孔の内部に導体層を形成するとともに、絶縁層の表面に配線導体を形成するという工程を数回繰り返すことにより、ビルドアップ部を形成することによって、配線基板を製作する（たとえば特許文献３参照）。

多層配線板は、通常、内層回路を形成した内層回路板の上に絶縁層を形成し、その上に金属層を形成して、配線板全体を貫通する孔をあけたり、内層回路に達するバイアホールを形成して内層回路と金属箔とを電気的に接続し、金属箔の不要な箇所をエッチング除去して製造しているが、通常の絶縁材では、熱膨張率が約１６ｐｐｍ／℃であり、シリコンチップの３ｐｐｍ／℃との間に大きな差があった。
特開２００２−１９８６５８号公報 特開２００２−２１２３９４号公報 特開２００５−８６１６４号公報

近年、ＬＳＩの高速化・高機能化に伴い、シリコン表面に低誘電率材料が用いられる傾向がある。最も低誘電率の材料は空気であるが、回路の保持に問題があるため、低誘電率材料の候補は多くの気泡を含んだ材料となる傾向がある。多くの気泡を含んだ低誘電率材料は強度が低いため、このような、気泡を含んだ低誘電率材料を用いたシリコンチップを従来の基板にフリップチップ実装すると、基板とシリコンチップとの熱膨張率差のため、フリップチップ実装後の冷却過程でシリコンチップ表面の低誘電率材料にクラックが入り、回路が断線するという問題が生じている。

そのため、気泡を含む低誘電率材料を用いたシリコンチップを実装するパッケージはシリコンチップとの熱膨張率差をできる限り小さくし、シリコンチップに熱応力を生じさせないものでなければならない。このため、パッケージ基板の熱膨張率はシリコンチップの熱膨張率に限りなく近いものが求められている。

また、ＬＳＩは同時に多くのデータを処理するため大形化する傾向がある。ＬＳＩが大形化するとデータのインプットとアウトプットを行うＩ／Ｏ（Input/Output)を増やす必要がある。Ｉ／Ｏは現在数千程度であるが、将来は一万に達すると予測されている。そのため、半導体素子と配線基板との接続部分(バンプ)は小形化する傾向があり、現在、直径１００μｍ、ピッチ２２０μｍのバンプが今後は直径５０μｍ以上７５μｍ以下、ピッチ１００μｍ以上１２５μｍ以下に小形化することが求められている。バンプが小形化すると機械的強度が低下すること、およびシリコンチップと基板との距離が縮まることから、基板とシリコンチップとの熱膨張率差のため、製品使用時の加熱冷却の繰り返しによりバンプが破断し、回路が断線するためにシステムが停止するという問題が生じている。

そのため、Ｉ／Ｏが多く小さなバンプが必要なシリコンチップを実装するパッケージはシリコンチップとの熱膨張率差をできる限り小さくし、シリコンチップに熱応力を生じさせないものでなければならない。このため、配線基板の熱膨張率はシリコンチップの熱膨張率に限りなく近いものが求められている。

しかしながら、ガラスクロスにエポキシ樹脂を含浸させて成る通常の絶縁基板は、ガラスクロスの熱膨張率が大きくシリコンチップと同等の熱膨張率の達成は困難であった。また、ガラスクロスはドリルやレーザー光により穿設加工することが困難なため、貫通導体の微細化には限界があり、また、ガラスクロスの厚みが不均一なために均一な孔径の貫通導体を形成することが困難であるという問題点を有していた。

本発明はかかる従来技術の問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、高密度な配線を有するとともに、接続信頼性および積層信頼性に優れた配線基板を提供することにある。

本発明の配線基板は、絶縁基板と、該絶縁基板に形成され、かつチップ部品が電気的に接続される導電部と、を備えた配線基板であって、前記絶縁基板は、複数の単繊維から成る複数の繊維束と、該繊維束を被覆する樹脂部とを含み、前記単繊維は、前記チップ部品の材料よりも線膨張係数の小さい樹脂材料から成り、前記樹脂部は、前記チップ部品の材料よりも線膨張係数の大きい樹脂材料から成り、前記複数の繊維束は、互いに略平行に配置された複数の第１繊維束と、該第１繊維束と交差するように配置された複数の第２繊維束と、を有し、前記第１繊維束および第２繊維束は、相互に編み込まれており、前記第１繊維束および第２繊維束は、互いの交差部において、その長手方向に垂直な仮想平面で切断して見た横断面形状が横長の扁平状であり、前記第１繊維束と前記第２繊維束との交差部に位置する前記第１繊維束は、前記第２繊維束に近接した領域での前記単繊維の本数が、前記第２繊維束から離間した領域での前記単繊維の本数と略同数または同数以上であり、前記第１繊維束と前記第２繊維束との交差部に位置する前記第２繊維束は、前記第１繊維束に近接した領域での前記単繊維の本数が、前記第１繊維束から離間した領域での前記単繊維の本数と略同数または同数以上であることを特徴とする。

また本発明の配線基板は、前記チップ部品が、シリコンチップであることを特徴とする。

また本発明の配線基板は、前記繊維束が、波形状を成しているとともに、この波形状の周期に対して、一周期分に相当する単繊維長さが１倍より大きく１．２０倍以下であることを特徴とする。

また本発明の配線基板は、前記単繊維のヤング率が１０ＧＰａ以上で、かつ前記樹脂材料のヤング率は０．０５ＧＰａ以上であることを特徴とする。

また本発明の配線基板は、前記単繊維の長手方向の線膨張係数（２５℃以上２００℃以下）は−１０ｐｐｍ／℃以上０ｐｐｍ／℃以下で、かつ前記樹脂材料の線膨張係数（２５℃以上２００℃以下）は１０ｐｐｍ／℃以上６０ｐｐｍ／℃以下であることを特徴とする。

また本発明の配線基板は、前記樹脂材料が、非金属無機フィラーを２０ｗｔ％以上８０ｗｔ％以下含有するエポキシ樹脂から成ることを特徴とする。

また本発明の配線基板は、前記絶縁基板に対する前記第１繊維束および前記第２繊維束の体積比率が４０体積％以上７０体積％以下であることを特徴とする。

また本発明の配線基板は、前記単繊維の表面部に、その長手方向に沿って溝部が形成されていることを特徴とする。

また本発明の配線基板は、前記単繊維が、全芳香族ポリアミド、全芳香族ポリエステル、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾールのいずれかよりなる樹脂繊維であることを特徴とする。

また本発明の配線基板は、前記絶縁基板の少なくとも一方主面側に、絶縁層と回路層とを交互に積層してなる配線層が形成されていることを特徴とする。

また本発明の実装構造体は、前記配線基板と、前記配線基板に形成された導電部にバンプを介して接合される半導体素子と、を備えたことを特徴とする。

本発明の配線基板は、チップ部品の材料よりも低い線膨張係数を有する単繊維または複数の単繊維から成る繊維束を、チップ部品の材料よりも線膨張係数の大きい樹脂材料から成る樹脂部で被覆したので、次のような効果を奏する。

配線基板全体としての熱膨張率を、チップの材料と略同一にすることができる。したがって、半導体素子と配線基板との熱膨張の差が小さく、半導体素子のスイッチング態様の変化によって温度変化が生じた場合でも、配線基板と半導体素子との接続部に熱膨張差に起因する大きなひずみが発生せず、接続の信頼性つまり製品の信頼性が保たれる。それ故、本発明の配線基板では、低誘電率の絶縁材料を使用している半導体チップのフリップチップ実装などを行う場合の断線が発生せず、半導体素子の性能を十分に発揮することが可能となる。したがって、高密度な配線を有するとともに、接続信頼性および積層信頼性に優れた配線基板を実現することができる。

また本発明によれば、前記チップ部品がシリコンチップであっても、シリコンよりも低い線膨張係数の単繊維を用いることにより、配線基板としてシリコンと略同一の熱膨張率を保つことができる。これにより配線基板にシリコンチップを実装する場合であっても、接続部に熱膨張差に起因する大きなひずみが発生せず、接続の信頼性が保たれる。

また本発明によれば、第１繊維束と第２繊維束とが互いに編み込まれていることで、繊維束は、基板の厚み方向一方および他方に波形状にうねって配設されている。このうねりが大きければ大きい程、「ばね」の効果（ばね効果と称す）を示すため、低熱膨張係数の単繊維を用いる効果が低減する。そこでこのうねりの程度を示す値は、波形状の周期に対して、一周期分に相当する単繊維長さが１倍より大きく１．２０倍以下であることが望ましい。この数値が「１」の場合は、うねりがなく単繊維が真直ぐになっていることを示している。数値が「１」未満であれば単繊維の前記厚み方向一方および他方の変化が少ないため、配線基板の熱膨張率は低くできるが、この単繊維を積層した界面で、樹脂が剥がれ易くなる問題がある。

数値が「１」より大きく「１．２０」以下では、ばね効果が小さいので、界面での樹脂の剥がれもなく、低熱膨張率化の効果も大きい。この数値範囲は、最適には１．０２以上１．１０以下が望ましい。その数値範囲では、ばね効果を極力小さくすることが可能となり、界面での樹脂の剥がれを確実に防止することができ、低熱膨張率化の効果を一層大きくすることができる。数値が「１．２０」を超えると、ばね効果が大きくなり、どのような低熱膨張の繊維を用いても、基板全体として半導体素子と略同一の低熱膨張率を得ることが難しくなる。

また本発明によれば、第１繊維束と第２繊維束とが互いに編み込まれ、繊維束の横断面形状を横長の扁平状にすることで、二方向に交差する単繊維の接触部分を大きくすることができる。これによって、交差付近部での繊維の変形を極力防止し得る。換言すれば、前記交差付近部でのばね効果を緩和することが可能となる。

逆に、繊維束の横断面形状が横長の扁平状でない場合には、前記交差付近部での繊維束の接触部分が小さく、該交差付近部で繊維の変形が観察される。このため、この部分でばね効果が観察され、どのような低熱膨張の単繊維を用いても、基板全体として半導体素子と略同一の低熱膨張率を得ることが難しくなる。

また本発明によれば、第１繊維束と第２繊維束とが互いに編み込まれ、第１繊維束と第２繊維束との交差部において、互いの繊維束と近接した領域での一群の単繊維の本数が、互いの繊維束から離間した領域での単繊維の本数と略同数または同数以上であることで、二方向に交差する単繊維の接触部分を大きくすることができる。これによって、交差付近部での繊維の変形を極力防止し得る。したがって、温度変化が生じた場合でも、配線基板と半導体素子との接続部に熱膨張差に起因するひずみが発生せず、接続の信頼性が保たれる。

逆に、前記一群の単繊維の本数が、その他の単繊維の本数よりも少ない場合には、二方向に交差する単繊維の接触部分が小さく、該交差付近部で繊維の変形が観察される。このため、この部分でばね効果が観察され、どのような低熱膨張の繊維を用いても、配線基板全体として半導体素子と略同一の低熱膨張率を得ることが難しくなる。

また本発明によれば、ヤング率が１０ＧＰａ以上の単繊維と、ヤング率が０．０５ＧＰａ以上の樹脂材料とによって、本発明の配線基板を実現することができる。

また本発明によれば、単繊維の長手方向の線膨張係数を−１０ｐｐｍ／℃以上０ｐｐｍ／℃以下で、かつ樹脂材料の線膨張係数を１０ｐｐｍ／℃以上６０ｐｐｍ／℃以下とすることおよびその他の条件によって、配線基板全体の熱膨張率を半導体素子と同等のレベルまで低くすることができる。

また本発明によれば、非金属無機フィラーを２０ｗｔ％以上８０ｗｔ％以下含有するエポキシ樹脂から成る樹脂材料によって、配線基板を実現することができる。

また本発明によれば、球状シリカによって非金属無機フィラーを実現し得る。

また本発明によれば、絶縁基板に対する前記第１繊維束および前記第２繊維束の体積比率を、４０体積％以上７０体積％以下にすることで、絶縁基板全体を低熱膨張率にする効果を高めることができる。第１繊維束および第２繊維束の体積比率が４０体積％未満であれば、絶縁基板全体を低熱膨張率にする効果が少なく、第１繊維束および第２繊維束の体積比率が７０体積％を超えると単繊維と単繊維との間に空隙が生じ、絶縁不良または基板の膨れなどの不良の原因となる。このように第１繊維束および第２繊維束の体積％は、４０体積％以上７０体積％以下が良く、最適な範囲は４５体積％以上５５体積％以下が望ましい。

また本発明によれば、単繊維の表面部には、その長手方向つまり軸方向に沿って溝部が形成されているので、繊維と樹脂部との接触面積を増やし、両者を強固に接着させることにより、繊維と樹脂部との剥離を低減することができる。

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態を説明する。なお図は該略図であり、実際の寸法比率とは必ずしも一致していない。図１は、本発明の第１の実施形態に係る配線基板１Ａの要部の断面図である。図２は、一方向の繊維束４ｙと他方向の繊維束４ｘとの関係を拡大して示す断面図（図１の拡大断面図）である。第１の実施形態に係る配線基板１Ａ（第１配線基板とも称す）は、たとえば各種ＡＶ機器や家電機器，通信機器，コンピュータ装置およびその周辺機器などの電子機器に使用される。ただしこれらの機器、装置に必ずしも限定されるものではない。以下の説明は、配線基板の製造方法の説明をも含む。第１配線基板１Ａは、絶縁基板に導電部としての配線導体２，３を備えるものであり、基材としての樹脂織布４と、該樹脂織布４を被覆する樹脂部５とを有する。

先ず樹脂織布４について説明する。樹脂織布４は、全芳香族ポリアミド、全芳香族ポリエステル、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾールなどの樹脂材料からなる単繊維または複数の単繊維を束ねてなる繊維束を二方向に編み込んで形成されるものであり、本実施形態では繊維束を使用している。前記二方向のうちの一方向は、第１配線基板１の厚み方向に垂直な一方向を意味する。二方向のうちの他方向は、前記一方向および前記厚み方向に垂直な方向を意味する。ここで二方向のうち、一方向をｘ方向、他方向をｙ方向と定義し、前記厚み方向をｚ方向と定義する。

樹脂織布４において、その樹脂の線膨張係数は、当該第１配線基板１に搭載すべきシリコンチップの材料であるシリコンよりも低い線膨張係数に規定されている。単繊維４ａは、ｚ方向一方および他方に波形状にうねって配設されるうえ、この樹脂織布４を編み込むピッチに対応した波形状を成している。これとともに単繊維４ａは、前記波形状の周期Ｌに対して、一周期分に相当する単繊維長さＳが１倍より大きく１．２０倍以下に規定されている。

つまり、うねりが大きければ大きい程、このうねりが「ばね」の効果（ばね効果と称す）を示すため、低熱膨張係数の繊維を用いる効果が低減する。このうねりの程度を示す値は、波形状の周期Ｌに対して、一周期分に相当する単繊維長さＳが１倍より大きく１．２０倍以下であることが望ましい。この数値が「１」の場合は、うねりがなく繊維が真直ぐになっていることを示している。数値が「１」未満であれば繊維の前記厚み方向一方および他方の変化が少ないため、基板の熱膨張率は低くできるが、この繊維を積層した界面で、樹脂が剥がれ易くなる問題がある。

数値が「１」より大きく「１．２０」以下では、ばね効果が小さいので、界面での樹脂の剥がれもなく、低熱膨張率化の効果も大きい。この数値範囲は、最適には１．０２以上１．１０以下が望ましい。その数値範囲では、ばね効果を極力小さくすることが可能となり、界面での樹脂の剥がれを確実に防止することができ、低熱膨張率化の効果を一層大きくすることができる。

換言すれば、繊維束をその長手方向に垂直な仮想平面で切断して見た横断面形状が、横長の扁平状となるように、繊維束が形成されている。ここで「扁平状」とは、図７に示すように、繊維束の断面形状の最大幅をｗ、最大厚みをｔとしたとき、（ｗ／ｔ）≧１０のものをいい、繊維束の断面形状とは、当該繊維束を構成する単繊維に対して引いた接線同士を繋げて形成される形状のことをいう。なお、最大幅ｗ及び最大厚みｔは、繊維束をその長手方向に垂直な５箇所の仮想平面で切断して見たときの断面において測定したときの平均値である。このように繊維束の横断面形状を横長の扁平状にすることで、二方向に交差する単繊維４ａの接触部分を大きくすることができる。これによって、交差付近部での繊維の変形を極力防止し得る。換言すれば、前記交差付近部でのばね効果を緩和することが可能となる。逆に、繊維束の横断面形状が横長の扁平状でない場合には、前記交差付近部での単繊維４ａの接触部分が小さく、該交差付近部で繊維の変形が観察される。ここで図４は、従来の配線基板１０の要部の断面図である。図５は、従来の配線基板１０において、一方向の繊維束１１と他方向の繊維束１２との関係を拡大して示す断面図である。このため、この部分でばね効果が観察され、どのような低熱膨張の繊維を用いても、基板全体として半導体素子と略同一の低熱膨張率を得ることが難しくなる。

さらに換言すれば、ｘｙ方向に交差する繊維束のうちの一方向の繊維束４ｙは、他方向の繊維束４ｘと近接する単繊維４ａの本数αが、その他の単繊維４ａの本数βと略同数または同数以上に規定されている。ここで「他方向の繊維束４ｘと近接する単繊維４ａ」とは、図８に示すように、一方向の繊維束４ｙ（４ｘ）を構成する単繊維４ａに接し且つ他方向の繊維束４ｘ（４ｙ）に下ろした垂線をＰ１、Ｐ２としたとき、垂線Ｐ１，Ｐ２と単繊維４ａと他方向の繊維束４ｘとで囲まれた領域（図の斜線部）に他の単繊維が存在しない単繊維４ａ（以下、「近接単繊維」ともいう）のことをいう。例えば、図８に示される一方向の繊維束４ｙの３つの単繊維４ａのうち、下の２つは近接単繊維であるが、上の一つは近接単繊維ではない。また「単繊維４ａの本数α」とは、繊維束をその長手方向に垂直な５箇所の仮想平面で切断して見たときの断面における近接単繊維の本数の平均値であり、「その他の単繊維４ａの本数β」とは、同断面における近接単繊維以外の単繊維の本数の平均値である。このように近接単繊維の本数αを、その他の単繊維の本数βと略同数または同数以上にすることで、二方向に交差する単繊維４ａの接触部分を大きくすることができ、交差付近部での繊維の変形を極力防止することが可能となる。したがって、温度変化が生じた場合でも、基板と半導体素子との接続部に熱膨張差に起因する大きなひずみが発生せず、接続の信頼性が保たれる。

逆に、前記近接単繊維の本数αが、その他の単繊維の本数βよりも少ない場合には、二方向に交差する単繊維の接触部分が小さく、該交差付近部で繊維の変形が観察される。このため、この部分でばね効果が観察され、どのような低熱膨張の繊維を用いても、基板全体として半導体素子と略同一の低熱膨張率を得ることが難しくなる。

第１配線基板１において、ヤング率が１０ＧＰａ以上の単繊維４ａが好適に使用される。しかも単繊維４ａの長手方向の線膨張係数（２５℃以上２００℃以下）は、−１０ｐｐｍ／℃以上０ｐｐｍ／℃以下のものが適用される。また基板に対する樹脂織布４の体積比率を、４０体積％以上７０体積％以下にしている。これによって、基板全体を低熱膨張率にする効果を高めることができる。樹脂織布４の体積比率が４０体積％未満であれば、基板全体を低熱膨張率にする効果が少なく、樹脂織布４の体積比率が７０体積％を超えると繊維と繊維との間に空隙が生じ、絶縁不良または基板の膨れなどの不良の原因となる。このように樹脂織布４の体積％は、４０体積％以上７０体積％以下が良く、最適な範囲は４５体積％以上５５体積%が望ましい。

図３は、単繊維４ａの溝部６を表す断面図である。前記単繊維４ａの表面部には、その長手方向つまり軸方向に沿って溝部６が形成されているので、次のような効果を奏する。単繊維４ａと樹脂部５との接触面積を増やし、両者を強固に接着させることにより、単繊維４ａと樹脂部５との剥離を低減することができる。

次に樹脂部５について説明する。

前記樹脂織布４を被覆する樹脂部５は、シリコンチップの線膨張係数３ｐｐｍ／℃よりも線膨張係数の大きい樹脂材料から成る。この樹脂材料は、ヤング率が０．０５ＧＰａ以上のものが適用されるうえ、線膨張係数（２５℃以上２００℃以下）が１０ｐｐｍ／℃以上６０ｐｐｍ／℃以下のものが適用される。また前記樹脂材料は、非金属無機フィラー（たとえば球状シリカ）を２０ｗｔ％以上８０ｗｔ％以下含有するエポキシ樹脂から成る。このような樹脂材料から成る樹脂部５によって第１配線基板１を形成することができる。

表１は、「１」から「１７」まで番号が付された配線基板の個別のデータ（ヤング率等）を表す表である。

表２は、「１８」から「３４」まで番号が付された配線基板の個別のデータ（ヤング率等）を表す表である。表２におけるＳガラス、Ｔガラス、Ｅガラスとは、ＳｉＯ_２を５０重量％以上７０重量％以下、残部がＡｌ_２Ｏ_３、不純物としてＭｇＯ、ＣａＯ、Ｂ_２Ｏ_３、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、ＺｒＯ_２を少量含有するガラスと同義である。

表３は、「１」から「１７」まで番号が付された配線基板のテスト結果を表す表である。

表４は、「１８」から「３４」まで番号が付された配線基板のテスト結果を表す表である。

以上説明した第１配線基板１によれば、シリコンよりも低い線膨張係数を有する樹脂製の単繊維４ａまたは複数の単繊維４ａから成る繊維束を、二方向に配列して相互に編み込んで成る樹脂織布４を、シリコンよりも線膨張係数の大きい樹脂材料から成る樹脂部５で被覆したので、次のような効果を奏する。

第１配線基板全体としての熱膨張率を、シリコンと略同一にすることができる。したがって、半導体素子と基板との熱膨張の差が小さくなり、半導体素子のスイッチング態様の変化によって温度変化が生じた場合でも、基板と半導体素子との接続部に熱膨張差に起因する大きなひずみが発生せず、接続の信頼性つまり製品の信頼性が保たれる。それ故、第１配線基板１では、低誘電率の絶縁材料を使用している半導体チップのフリップチップ実装などを行う場合の断線が発生せず、半導体素子の性能を十分に発揮することが可能となる。したがって、高密度な配線を有するとともに、接続信頼性および積層信頼性に優れた配線基板を実現することができる。

シリコンよりも低い線膨張係数の単繊維４ａを用いるのは、配線基板に不可避的に含まれる銅配線部分の熱膨張率が１６ｐｐｍ／℃であるため、第１配線基板１に銅配線部分を含む場合であっても、基板としてシリコンと略同一の熱膨張率を保つためである。このような第１配線基板１にシリコンチップを実装する場合に、接続部に熱膨張差に起因する大きなひずみが発生せず、接続の信頼性が保たれる。

ヤング率が１０ＧＰａ以上の単繊維４ａと、ヤング率が０．０５ＧＰａ以上の樹脂材料とによって、第１配線基板１を実現することができる。第１配線基板１は、単繊維４ａのヤング率が１０ＧＰａ以上であることが重要である。第１配線基板１に不可避的に含まれる銅配線部分の熱膨張率が１６PPM／℃であるため、銅配線を含んで全体を低熱膨張率にするためには、繊維のヤング率が６５ＧＰａ以上である方が好ましい。繊維のヤング率は高ければ高いほど良いが、ヤング率が高い繊維は絶縁樹脂との接着力が低下する傾向があることから、２００〜２７０ＧＰａ程度の繊維が望ましい。

また樹脂のヤング率が０．０５Ｇｐａ未満であれば、繊維を保持する力が弱くなり、繊維が様々な方向に動くため、基板の変形が大きくなる問題がある。樹脂のヤング率が高く、かつ樹脂の熱膨張率が高い場合は、低熱膨張率の繊維による基板全体の低熱膨張化の効果が少なくなる問題がある。樹脂のヤング率が高く、かつ樹脂の熱膨張率が１０PPM/℃以下の場合は、シミュレーション上、基板全体の熱膨張率を低くすることができるが、このような特性を有する樹脂材料は現在市販されていない。

単繊維および樹脂材料のヤング率は、次のような方法で計測可能である。

樹脂の場合、配線基板を作製するときと同条件で硬化して作成したフィルムを矩形状の試験片に切り出し、この試験片を引張り試験機で測定して得られた単位断面積あたりの引張り応力を樹脂の伸び量で割ることにより計測できる。また、単繊維の場合、繊維の束を引張り試験機により測定して得られた単位断面積あたりの引張り応力を繊維の伸び量で割ることで計測できる。

また、配線基板となった状態から計測することもできる。樹脂の場合、樹脂を薄片状に切り出し、四角柱や三角錐などの圧子を薄片表面に押し込み、その時の圧子にかかる荷重と圧子の下の射影面積から求める。また、単繊維の場合、樹脂を除去して繊維束を取り出し、この繊維束を引っ張り試験機により測定して得られた単位断面積あたりの引っ張り応力を繊維の伸び量で割ることで計測できる。あるいは、上記のように薄片状に切り出した樹脂から予め樹脂のヤング率を測定しておき、樹脂と繊維との複合体の状態でヤング率を測定し、この複合体のヤング率と樹脂のみのヤング率とから、シミュレーションにより単繊維のヤング率を計測することもできる。

単繊維４ａの長手方向（軸方向）の線膨張係数を−１０ｐｐｍ／℃以上０ｐｐｍ／℃以下で、かつ樹脂材料の線膨張係数を１０ｐｐｍ／℃以上６０ｐｐｍ／℃以下とすることおよびその他の条件によって、基板全体の熱膨張率を半導体素子と同等のレベルまで低くすることができる。前記単繊維４ａの軸方向の線膨張係数は低ければ低いほど良い。前記線膨張係数は０ｐｐｍ／℃以下であれば好適に用いられる。０ｐｐｍ／℃を超えると基板全体を低熱膨張率にする効果がなくなる。樹脂材料の線膨張係数は低ければ低いほど良いが、１０ｐｐｍ／℃以下の線膨張係数を有するものは市販されていないため試験ができていない。樹脂材料の線膨張係数は１０ｐｐｍ／℃以上５０ｐｐｍ／℃以下のものが好適に用いられる。５０ｐｐｍ／℃を超えると第１配線基板全体の熱膨張率をシリコンと同等にすることができなくなるためである。

単繊維の長手方向の線膨張係数は、次のような方法で計測可能であり、樹脂材料の線膨張係数は、次のような方法で計測可能である。

樹脂の場合、例えば２×３×１５ｍｍの試験片を切り出し、この試験片に寸法測定用のプローブを接触させつつ温度を上げ、温度変化による寸法変化を測定することにより計測できる。また、単繊維の場合、繊維束を寸法測定用のプローブに取り付け、繊維束を引張る方向に荷重を加えながら温度を上げ、温度変化による寸法変化を測定することにより計測できる。

また、配線基板となった状態から計測することもできる。樹脂の場合、樹脂を適当な大きさの薄片状に切り出し、この薄片を試験片として寸法測定用のプローブに取り付け、試験片を引張る方向に荷重を加えながら温度を上げ、温度変化による寸法変化を測定することにより計測できる。また、単繊維の場合、樹脂を除去して繊維束を取り出し、繊維束を寸法測定用のプローブに取り付け、繊維束を引張る方向に荷重を加えながら温度を上げ、温度変化による寸法変化を測定することにより計測できる。あるいは、上記のように薄片状に切り出した樹脂から予め樹脂の熱膨張係数を測定しておき、樹脂と繊維との複合体の状態で熱膨張係数を測定し、この複合体の熱膨張係数と樹脂のみの熱膨張係数とから、シミュレーションにより単繊維の熱膨張係数を計測することもできる。

図６は本発明の第１の実施形態にかかる配線基板１Ａの変形例、および本発明の実装構造体２０の例を示す断面図である。

図６に示す配線基板１Ａは、絶縁基板の両主面に絶縁層１４と回路層１５とを交互に積層してなる配線層１３が形成されているものである。

絶縁層１４は、厚み寸法が１２μｍ以上５０μｍ以下程度となるように設定された樹脂フィルムから成る。基板全体の熱膨張率を半導体素子と同等のレベルまで低くするためには、樹脂フィルムのヤング率１０ＧＰａ以上、線膨張係数３ｐｐｍ／℃以下であることが好ましい。その材料としては、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール（ポリベンズオキサゾール）、ポリイミドベンゾオキサゾール、全芳香族ポリアミド、全芳香族ポリエステル、液晶ポリマーが使用できる。この樹脂フィルムには、熱膨張係数の調整や、機械的強度の向上のために、フィラが含有される。無機フィラとして用いられるセラミック材料には、シリカ（二酸化珪素）、酸化アルミニウムなどが用いられる。フィラの粒子形状は、略球状、針状およびフレーク状などがあり、充填性の観点からは略球状が好ましい。

一方、回路層１５は、銅などの金属材料をめっきすることにより形成され、その厚みは、例えば３〜１８μｍに設定される。回路層１５同士は、絶縁層１４に設けたビア導体１８により接続されている。ビア導体１８は回路層１５と同様に銅めっきなどにより形成される。

絶縁層１４と回路層１５との間、または絶縁層１４同士の間には、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、シリコン樹脂のいずれか一つを主成分とする接着剤１７が介在されており、この接着剤により絶縁層１４と回路層１５、または絶縁層同士がそれぞれ接着されている。絶縁層１４と接着剤１７との材質の組み合わせは、絶縁層１４と接着剤１７との接着性が良好であり、かつ耐熱性が高くなるように選択される。これによって配線基板を外部の別の基板に半田等を用いて実装する際、耐熱性が良好なものとなる。また絶縁層１４と接着剤１７との材質の組み合わせは、絶縁層１４と接着剤１７との熱膨張係数の差が小さくなるように選択される。これによって熱膨張係数の差による応力を低くすることができ、回路層１５と絶縁層１４との界面における剥離を防止することができる。また、配線基板１Ａの全体の反りを低減することができ、その表面に実装される半導体素子の端子の狭ピッチ化にもよりよく対応可能な配線基板となすことができる。

なお、絶縁基板の一主面側の配線層１３における回路層１５と他主面側の配線層１３における回路層１５とは絶縁基板の厚み方向に貫く貫通孔の内壁面に設けられたスルーホール導体１６を介して電気的に接続されている。

実装構造体２０は、配線基板１Ａと配線基板１Ａに実装される半導体素子とを含んで構成されるものである。半導体素子はシリコンチップ２１であり、配線基板１Ａの一主面に形成された導電部としてのパッド２３に半田や金などの導電性材料からなるバンプ２２を介して実装されている。シリコンチップ２１は、所定の電気信号を制御する機能、あるいは所定の情報を保持しておく機能を備え、例えば、ダイヤモンドライクカーボンなどの低誘電率材料（Ｌｏｗ ｋ材料）を用いて作製されたものである。このようなＬｏｗ ｋ材料を用いることにより信号を高速に処理することができる一方で、Ｌｏｗ ｋ材料からなるシリコンチップ２１は強度が低い。それ故、従来の配線基板では、かかるシリコンチップを実装した場合、シリコンチップと配線基板との熱膨張率の不整合によりシリコンチップが破損しやすいという不都合があった。これに対し、本発明に係る配線基板にシリコンチップ２１を実装した場合、シリコンチップ２１と配線基板１Ａとの熱膨張率の差が小さいため、熱膨張率の差に起因して発生する応力も小さくなり、その結果、シリコンチップ２１の破損を抑えることが可能となる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る配線基板１Ｂについて図９及び図１０を用いて説明する。なお、第２の実施形態に係る配線基板１Ｂについては、前述の第１の実施形態に係る配線基板１Ａと異なる構成を中心に説明し、同一の構成については同一の参照符号を付しその説明を省略する。

図９は第２の実施形態に係る配線基板１Ｂの断面図であり、図１０は配線基板１Ｂを構成する各シートの斜視図である。第１の実施形態に係る配線基板１Ａでは、基材として単繊維または繊維束を編み込んで形成された織布を用いていたのに対し、第２の実施形態に係る配線基板１Ｂでは、基材として、複数の前記単繊維または複数の前記繊維束が複数列をなすようにして配置させたものを用いている。このように単繊維または繊維束を一方向に揃えた基材からなる配線基板１Ｂは、基本的に繊維のばね効果が発現されないため、繊維の長手方向の線膨張係数を極めて小さくすることができる。一方、繊維の長手方向と直交する方向については線膨張係数はそれ程小さくない。そこで、本実施形態にかかる配線基板１Ｂでは、図１０に示すように、一方向に揃えて整列された繊維を被覆する樹脂部５からなる複数の樹脂シート５１、５２、５３、５４を、繊維方向が異なるようにして積層している。より具体的には、最上層の樹脂シート５１の繊維の長手方向を０°とすると、上から順に各樹脂シートの繊維の長手方向が、０°、９０°、９０°、０°となるようにして積層することにより配線基板１Ｂが形成されている。このようにして積層を行うことにより配線基板１Ｂ全体の線膨張係数を均一化しながら、低熱膨張化を実現することができる。なお、繊維の長手方向の向きは上記のものに限られず、例えば、０°、６０°、１２０°、０°などでもよい。

次に、配線基板の製造方法について、表１，２も参照しつつ説明する。

織布４として、樹脂繊維３種とガラス繊維３種から成り、糸の太さや織りのピッチを各種変更したものを用意した。また、全芳香族ポリアミドとポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維については、繊維を一方向に揃えて並べたシートも用意した。

樹脂材料として絶縁樹脂を準備した。該樹脂はエポキシ系樹脂、シアネート系樹脂、ビスマレイミドトリアジン系樹脂の３種を使用した。これらの樹脂と硬化剤とをメチルエチルケトンなどの溶剤に溶解し固形物が残らないよう良く混合した。次に所定の樹脂について、あらかじめシランカップリング処理を行った球状シリカ粉末を混合した。シランカップリング処理を行った球状シリカは、予め樹脂を溶解した溶剤と同じ種類の溶剤を加えて混合することで、粒子の凝集をほぐした。ついで、樹脂とシリカ粉末を溶剤に溶かした状態で混合し、さらにナイロン製フィルターでろ過して、未溶解の樹脂やシリカの粗大な凝集粒子を除去した。次に、混合物を混合しながら乾燥し、所定の濃度と粘度を有するワニスを作製した。

次に、作製したワニスを上記の織布および繊維を一方向に並べたシートに含浸させた。含浸後、余分のワニスをスクイズロールで取り除き、繊維に対する樹脂の付着量を調整した。このシートを乾燥機で乾燥させ、プリプレグとした。該プリプレグを所定枚数かさね、表裏に厚さ８μｍの銅箔を重ねて、真空プレス装置で２００℃６０分３．５ＭＰａの圧力で加熱プレスを行い、両面に銅箔のついた基板を作製した。

孔加工およびコア基板回路について説明する。

前記基板作製後、この基板の両面をクリーニングして、表面に付着した樹脂などの異物を取り除いた後、レーザー装置で貫通孔を加工した。加工後の孔は再度クリーニングし、無電解めっきと電解めっきを行ってスルーホール導体１６を完成した。さらに、感光性レジストを塗布して、所望の回路の露光現像を行い、エッチングを行って銅の回路を形成し、最後にレジストを剥離して、片面に１層づつ回路層１５を有するコア基板とした。

ビルドアップ加工について説明する。

前記コア基板の表裏に絶縁層１４と回路層１５とを交互に積層してなる配線層１３をビルドアップ法で形成した配線基板も作製した。ビルドアップは、セミアディティブ法を用いて行った。すなわち、前記コア基板にエポキシ系絶縁材料を塗布し、レーザー加工によりビアの孔を形成し、前面に無電解めっきを行った後、表面に感光性レジストを塗布し、めっき膜の露光と現像を行った後、無電解めっき層に通電して、電気めっきによって回路パターンを形成し、その後、レジストを剥離して、無電解銅めっきの層をエッチングで除去することにより、回路層１５を形成した。さらに、この工程をもう一度繰り返すことにより、片面当たり配線層１３が３層形成された図６に示す配線基板を作製した。

ビルドアップ加工した場合の基板厚さは、たとえば４００μｍ以上５００μｍ以下である。また、回路層１５の厚さは、たとえば１０μｍ以上１２μｍ以下であり、回路層１５の材料として用いた銅の線膨張係数はたとえば１６ｐｐｍ／℃である。また、絶縁層１４の厚さはたとえば２０μｍである。

基板の評価方法について、表３，４も参照しつつ説明する。

作製した基板から、基本的特性として熱膨張率を測定した。また、気泡など内部欠陥の有無を確認するため、はんだフロートのテストを行った。さらにシリコンチップを実装した後のシリコンチップの破壊の有無について調べた。

熱膨張率の測定について説明する。

作製したコア基板について、銅箔のない基板と回路形成後の基板から熱膨張率測定用の試料を切り出し、熱膨張率を測定した。また、ビルドアップ加工を行い回路の層数が片面当たり２層、３層になっている基板からも同様に試料を切り出して熱膨張率を測定した。

はんだフロートのテストについて説明する。

はんだフロートは加熱したはんだ浴に試料を浮かせる試験で、内部に気泡などの欠陥が残っている場合、その欠陥を起点に層の剥離や膨れが発生するため、欠陥の判別が可能である。具体的には、作製した試料を２８０℃に加熱したはんだ浴に浮かせ、試料の膨れの有無を観察した。膨れや層の剥離による変色が認められた試料は不良と判定した。表３，４において、不良と判定された試料は「×」と表記し、良品と判定された試料は「〇」と表記した。

チップ実装後の破壊試験について説明する。

シリコンチップをフリップチップ実装して、実装後のチップの破壊の有無について、実装後のシリコンチップ表面を超音波顕微鏡と微小部Ｘ線顕微鏡で調べた。その結果を表３，４に示す。表３、４おいて、チップにクラックが発生しているものを「×」、チップにクラックが発生していなかったものを「〇」で表記している。

この試験で使用した試料は、試作した配線基板にバンプを形成し、該配線基板にＬｏｗ ｋ材料の一種であるダイヤモンドライクカーボン（略称ＤＬＣ）を用いて作製したシリコンチップを実装してなる実装構造体である。Ｌｏｗ ｋ材料からなるシリコンチップは強度が低いため、一般的には、実装後シリコンチップと配線基板との熱膨張率の不整合によりＬｏｗ ｋ材料部分が破壊されやすい傾向にある。これに対し、本発明の配線基板を用いた実装構造体では、シリコンチップの破壊を抑えることができた。なお番号１２、１３の配線基板は、シリコンチップの破壊は見られなかったものの、基板に大きな変形が生じ、シリコンチップの実装不良が確認された。

なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。

上述した本実施形態においては、繊維束をｘおよびｙ方向の二方向に配列しているが、この配列方向は二方向だけに限定されるものではない。たとえば繊維束を三方向以上に配列して相互に編み込んで形成する場合もあり得る。この場合には、配線基板の剛性強度を、二方向に配列しているものに比べて高めることができる。また二方向に配列される繊維束は、ｚ方向に対しては垂直に規定されるものの、垂直に交差しない場合もある。

また上述した実施形態においては、単繊維４ａの表面に一筋の溝部６を形成する例を示したが、単繊維４ａの表面部の周囲に、複数の溝部６を軸方向に沿って形成するようにしてもよい。溝部６を増やすことにより、繊維と樹脂部５との接触面積が増加し、両者をより強固に接着させることができる。それ故、繊維と樹脂部５との剥離を低減することができる。

また上述した実施形態における非金属無機フィラーは、球状シリカに必ずしも限定されるものではない。たとえば非球状のシリカであっても本実施形態と略同様の効果を奏する。

また上述した実施形態では、配線導体に半導体素子としてシリコンチップ２１を実装する例を示したが、半導体素子は必ずしもシリコンチップに限定されるものではなく、シリコンチップの均等物であってもよい。

また上述した実施形態では、絶縁基板の両主面に配線層１３を設けた配線基板にシリコンチップ２１を実装した実装構造体について説明したが、配線層１３を設けないタイプの配線基板にシリコンチップ２１を実装するようにしてもよい。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を付加した形態で実施することも可能である。

本発明の第１の実施形態に係る配線基板の要部の断面図である。 一方向の繊維束と他方向の繊維束との関係を拡大して示す断面図（図１の拡大断面図）である。 単繊維の溝部を表す断面図である。 従来の配線基板の要部の断面図である。 従来の配線基板において、一方向の繊維束と他方向の繊維束との関係を拡大して示す断面図である。 本発明の他の実施形態に係る配線基板の要部の断面図である。 本発明の繊維束について説明するための断面図である。 近接単繊維について説明するための断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る配線基板の断面図である。 図９に示す配線基板を構成する各シートの斜視図である。

符号の説明

１・・・・・第１配線基板
２，３・・・・・配線導体
４・・・・・樹脂織布
４ａ・・・・・単繊維
５・・・・・樹脂部
６・・・・・溝部

Claims (11)

1. 絶縁基板と、該絶縁基板に形成され、かつチップ部品が電気的に接続される導電部と、を備えた配線基板であって、
   前記絶縁基板は、複数の単繊維から成る複数の繊維束と、該繊維束を被覆する樹脂部とを含み、
   前記単繊維は、前記チップ部品の材料よりも線膨張係数の小さい樹脂材料から成り、
   前記樹脂部は、前記チップ部品の材料よりも線膨張係数の大きい樹脂材料から成り、
   前記複数の繊維束は、互いに略平行に配置された複数の第１繊維束と、該第１繊維束と交差するように配置された複数の第２繊維束と、を有し、
   前記第１繊維束および第２繊維束は、相互に編み込まれており、
   前記第１繊維束および第２繊維束は、互いの交差部において、その長手方向に垂直な仮想平面で切断して見た横断面形状が横長の扁平状であり、
   前記第１繊維束と前記第２繊維束との交差部に位置する前記第１繊維束は、前記第２繊維束に近接した領域での前記単繊維の本数が、前記第２繊維束から離間した領域での前記単繊維の本数と略同数または同数以上であり、
   前記第１繊維束と前記第２繊維束との交差部に位置する前記第２繊維束は、前記第１繊維束に近接した領域での前記単繊維の本数が、前記第１繊維束から離間した領域での前記単繊維の本数と略同数または同数以上であることを特徴とする配線基板。
2. 前記チップ部品は、シリコンチップであることを特徴とする請求項１に記載の配線基板。
3. 前記繊維束は、波形状を成しているとともに、この波形状の周期に対して、一周期分に相当する単繊維長さが１倍より大きく１．２０倍以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の配線基板。
4. 前記単繊維のヤング率は１０ＧＰａ以上で、かつ前記樹脂部のヤング率は０．０５ＧＰａ以上であることを特徴とする請求項３に記載の配線基板。
5. 前記単繊維の長手方向の線膨張係数（２５℃以上２００℃以下）は−１０ｐｐｍ／℃以上０ｐｐｍ／℃以下で、かつ前記樹脂材料の線膨張係数（２５℃以上２００℃以下）は１０ｐｐｍ／℃以上６０ｐｐｍ／℃以下であることを特徴とする請求項４に記載の配線基板。
6. 前記樹脂材料は、非金属無機フィラーを２０ｗｔ％以上８０ｗｔ％以下含有するエポキシ樹脂からなることを特徴とする請求項５に記載の配線基板。
7. 前記絶縁基板に対する前記第１繊維束および前記第２繊維束の体積比率が４０体積％以上７０体積％以下であることを特徴とする請求項６に記載の配線基板。
8. 前記単繊維の表面部には、その長手方向に沿って溝部が形成されていることを特徴とする請求項７に記載の配線基板。
9. 前記単繊維が、全芳香族ポリアミド、全芳香族ポリエステル、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾールのいずれかよりなる樹脂繊維であることを特徴とする請求項８に記載の配線基板。
10. 前記絶縁基板の少なくとも一方主面側に、絶縁層と回路層とを交互に積層してなる配線層が形成されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか記載の配線基板。
11. 請求項１乃至１０のいずれかに記載の配線基板と、
    前記絶縁基板にフリップチップ実装された半導体素子と、を備える実装構造体。

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