JP2012015209A - 貫通配線基板および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ボイドを生じさせない貫通ビアを設けた貫通配線基板。
【解決手段】貫通ビアが設けられた貫通配線基板であって、貫通孔が形成された基板と、貫通孔内に設けられ、基板の上面と下面の間を電気的に接続する導電体と、導電体と貫通孔の間の隙間に充填された樹脂と、を備える貫通配線基板および製造方法を提供する。基板は、ガラス基板であってよい。樹脂は、ポリイミドであってよい。樹脂は、ポリマーであってもよい。樹脂は、光に反応して固体に変化する光硬化樹脂であってもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、貫通配線基板および製造方法に関する。

従来、基板に導電性金属を充填した貫通ビアを形成して、基板の両面に形成された配線間を電気的に接続していた。ここで、基板と導電性金属とで熱膨張率が異なる場合、導電性金属と基板との間に導電性ろう材を充填して、基板の破損を防止すると共に基板と導電性金属との間に隙間が形成されることを防止していた（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１ 特開２００６−６０１１９号公報

このような、ろう材を充填した貫通ビアは、ろう材と基板と導電性金属とでそれぞれ熱膨張率が異なるので、製造過程の高温熱処理または加工工程の熱処理の加熱温度および加熱時間によって、基板と導電性金属との間にボイドと呼ばれる空洞が生じる。ボイドが生じた基板を用いてデバイスを封止した場合、ボイドから外気が進入してデバイスの機能を劣化させていた。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、貫通ビアが設けられた貫通配線基板であって、貫通孔が形成された基板と、貫通孔内に設けられ、基板の上面と下面の間を電気的に接続する導電体と、導電体と貫通孔の間の隙間に充填された樹脂と、を備える貫通配線基板を提供する。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

本実施形態に係る貫通配線基板１００の構成例を示す。 本実施形態に係る貫通配線基板１００の製造フローを示す。 本実施形態に係る貫通配線基板１００の製造方法を示す。 本実施形態に係る貫通配線基板１００の製造方法の変形例を示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態に係る貫通配線基板１００の構成例を示す。図１（ａ）は、貫通配線基板１００の上面図である。図１（ｂ）は、貫通配線基板１００の図１（ａ）におけるＡ−Ａ'の断面図である。貫通配線基板１００は、基板と導電性金属との間にボイドを生じさせずに貫通ビアが設けられる。貫通配線基板１００は、基板１１０と、導電体１３０と、樹脂１４０とを備える。

基板１１０は、ガラス基板、シリコン等の半導体基板、または、セラミック基板等の各種の基板であってよい。基板１１０は、貫通孔１２０が形成される。

導電体１３０は、貫通孔１２０内に設けられ、基板１１０の上面と下面の間を電気的に接続する。導電体１３０は、タングステン、モリブデン、ステンレス鋼、コバール（鉄、ニッケル、コバルトの合金）、または鉄ニッケル等であってよい。導電体１３０は、熱膨張率が基板１１０に近い材質を用いてよい。例えば、基板１１０が熱膨張率３．３［ｐｐｍ／Ｋ］程度の硼硅酸系ガラスの場合、導電体１３０は、熱膨張率５．３［ｐｐｍ／Ｋ］程度のコバールを用いる。導電体１３０は、円柱状の形状であってよく、これに代えて、円筒状の形状であってもよい。

樹脂１４０は、導電体１３０と貫通孔１２０の間の隙間に充填される。樹脂１４０は、ポリアミド酸の溶液を塗布乾燥後に熱処理でイミド化させて絶縁性の固体となるポリイミドであってよい。これに代えて、樹脂１４０は、熱処理または水分蒸発等で固化する脱ガス性の少ないポリマーであってもよい。これに代えて、樹脂１４０は、光に反応して固体に変化する光硬化樹脂であってもよい。

図２は、本実施形態に係る貫通配線基板１００の製造フローを示す。図３は、本実施形態に係る貫通配線基板１００の製造方法を示す。

まず、基板１１０に貫通孔１２０を形成する（Ｓ２００）。次に、貫通孔１２０が開けられた基板１１０に支持基盤２１０を張り合わせる（Ｓ２１０）。基板１１０と支持基盤２１０とは、１００℃程度の加熱によって張り合わされてよい。ここで基板１１０と支持基盤２１０とを張り合わせ材２２０によって張り合わせてよい。図３（ａ）において、貫通孔１２０が形成された基板１１０に支持基盤２１０を張り合わせ材２２０によって張り合わせた状態を示す。

張り合わせ材２２０は、接着樹脂等であってよく、これに代えて、１００℃程度の加熱によって粘着力が低下して容易に剥離できる両面粘着シートであってよい。これに代えて、基板１１０上にレジストを塗布して固化されたレジストを支持基盤２１０としてもよい。これによって、張り合わせ材２２０を用いずに、基板１１０に支持基盤２１０を張り合わせることができる。

次に、貫通孔１２０内に導電体１３０を挿入する（Ｓ２２０）。図３（ｂ）において、貫通孔１２０内に導電体１３０を挿入した状態を示す。ここで複数の導電体１３０を基板１１０の上面に置いて振動を与えることで、導電体１３０を貫通孔１２０内に挿入してよい。これに代えて、導電体１３０をピンセット等でそれぞれ移動して貫通孔１２０内に挿入してよい。

次に、基板１１０の支持基盤２１０を張り合わせた面と反対側の面に樹脂１４０を塗布して、導電体１３０と貫通孔１２０の間の隙間に樹脂１４０を充填する（Ｓ２３０）。本実施例において、樹脂１４０は、ポリイミドを用いる例を説明する。

図３（ｃ）において、樹脂１４０を塗布して、導電体１３０と貫通孔１２０の間の隙間に樹脂１４０を充填した状態を示す。ここで、樹脂１４０を基板１１０の上面に塗布して、スピンコータ等で基板１１０を回転させて樹脂１４０を基板１１０上に均一に被膜形成させてよい。これに代えて、樹脂１４０をスプレーコータによって基板１１０上に噴霧して被膜形成させてよい。

次に、ポリアミド酸の溶液に含有する溶媒を揮発させ、ポリイミドの被膜を形成および定着させるプリベークを実行する（Ｓ２４０）。プリベークの温度は、１００℃程度でよい。次に、張り合わせ材２２０を剥離液によって融解し、基板１１０と支持基盤２１０とを分離する。ここで剥離液は、ポリイミド膜は融解させずに張り合わせ材２２０を融解するアセトン等の溶剤でよい。次に、樹脂１４０を硬化させる（Ｓ２５０）。ここで、樹脂１４０を複数回の熱処理によって硬化させてよい。ここで、張り合わせ材２２０を剥離液で融解する代わりに、少なくとも１回の熱処理によってポリイミド膜を形成する過程で融解して、基板１１０と支持基盤２１０とを分離してもよい。これによって、支持基盤２１０を分離する工数を省くことができる。

ここで、張り合わせ材２２０を融解させる熱処理の温度は、樹脂１４０を硬化させる熱処理の温度とは異なっていてよい。一例として、プリベークの段階で張り合わせ材２２０が融解して、基板１１０と支持基盤２１０とが分離する。樹脂１４０を硬化させる温度に比べて低い温度で融解する張り合わせ材２２０を用いることによって、プリベークしつつ、張り合わせ材２２０を分離することができる。

図３（ｄ）において、支持基盤２１０がプリベーク後またはプリベークによって分離された基板１１０を示す。基板１１０は、オーブン等で２００〜３５０℃程度の温度でさらに熱処理されてよい。これに代えて、ホットプレート等によって基板１１０は、２００〜３５０℃程度の温度で熱処理されてもよい。これによって、ポリイミド膜のイミド化が促進し、樹脂１４０は硬化する。

ここで、樹脂１４０が光に反応して固体に変化する光硬化樹脂の場合、基板１１０に光を照射して樹脂１４０を硬化させてもよい。これによって、ポリイミドまたはポリマー等を硬化させる熱処理を省くことができ、熱処理に起因するボイドの形成を抑制することができる。

また、光を照射して樹脂１４０を硬化させる場合、張り合わせ材２２０を熱処理によって分離してよい。この場合、樹脂１４０を硬化させる温度と比べて低い温度で融解する張り合わせ材２２０を用いることで、例えば、１００℃程度の熱処理で貫通配線基板１００を製造することができる。

これに代えて、樹脂１４０が硬化した後に張り合わせ材２２０を剥離液によって融解し、基板１１０と支持基盤２１０とを分離してもよい。剥離液は、アセトン等の溶剤でよく、これによって熱処理の回数を減らすことができる。また、レジストで支持基盤を形成した場合または加熱によって融解しない張り合わせ材２２０を用いた場合は、樹脂１４０が硬化した後にレジストを現像液または剥離液によって基板１１０と分離してもよい。これによって、熱処理の回数を減らすことができる。特に、樹脂１４０を光硬化樹脂とする場合と組み合わせることで、熱処理を無くすことができる。

次に、基板１１０の表面で硬化した樹脂１４０を除去する（Ｓ２６０）。図３（ｅ）において、ポリイミドを除去した基板１１０を示す。一例として、基板１１０の表面で硬化したポリイミドを研磨によって除去する。ここで、基板１１０の表面まで研磨して、導電体１３０を露出させてよい。

これに代えて、樹脂１４０をエッチングによって除去してもよい。ドライエッチングまたはウェットエッチングによって、精度よく除去することができる。また、エッチングの過程において、マスクを用いることで、基板１１０の表面で硬化した樹脂のうち、マスクの形状を残して除去することもできる。

以上の本実施例の製造方法によれば、基板１１０の貫通孔１２０と導電体１３０との間の隙間に充填および硬化されたポリイミドは残り、導電体１３０は基板１１０の表面に露出しつつ貫通孔１２０内に支持および接着された状態にできる。

これによって、ろう材を用いず、樹脂１４０を硬化させる温度になる熱処理を用いて、基板１１０に貫通ビアを設けることができる。基板１１０および導電体１３０よりも大きい熱膨張率の、即ち、例えば２０［ｐｐｍ／℃］程度のろう材を用いず、また、ろう材を充填させる６００℃を超える熱処理を用いないので、熱処理による基板１１０の破損またはろう材の剥離、欠損等に起因したボイドの形成を抑制することができる。

また、本例のポリイミド樹脂は脱ガスが少ないので、デバイスを封止する基板として貫通配線基板１００を用いることができる。また、ポリイミド樹脂は耐熱性も優れているので、デバイスを封止する基板として貫通配線基板１００を用いる場合に、電界を印加しつつ熱処理して接合する陽極接合を用いることができる。また、ポリイミド樹脂は充填性にも優れているので、容易に貫通配線基板１００を形成することができる。

なお、樹脂１４０を少なくとも２回に分けて充填し、先に充填する樹脂１４０は、後に充填する樹脂１４０よりも粘性を高くしてよい。このように、粘度を変えた樹脂１４０を複数回に分けて充填することにより、導電体１３０と貫通孔１２０の間の隙間に気泡等が生じることを防ぐことができる。

図４は、本実施形態に係る貫通配線基板１００の製造方法の変形例を示す。ここで、樹脂１４０をプリベークして支持基盤２１０を分離するまでの過程は、図３で説明した図３（ｄ）までの内容と重複するので、図３（ｄ）の状態を改めて図４（ａ）とした。また、図３の説明と略同一の内容については説明を省略する。

図４（ａ）において、樹脂１４０は、感光性のある樹脂であってよい。この場合、図４（ｂ）において、マスク４１０を介して光４２０を樹脂１４０に照射する。現像液で感光された部分の樹脂１４０を除去すると、マスクされて感光されなかった部分の樹脂１４０が残る（図４（ｃ））。次に、基板１１０を加熱処理して、除去されなかった樹脂１４０を硬化させる。

このようにして形成された貫通配線基板１００を、図４（ｃ）および図４（ｄ）に示す。図４（ｃ）は、図４（ｄ）のＡ−Ａ'の断面図となる。貫通配線基板１００の表面上に、導電体１３０を円形に露出させつつ、貫通孔１２０と導電体１３０の隙間に充填された樹脂１４０に蓋をする形で樹脂１４０が残る。これにより、貫通孔１２０と樹脂１４０との境界および樹脂１４０と導電体１３０との境界に蓋をしているので、それぞれの境界にボイドを発生させず、気密性を高めることができる。また、樹脂１４０が感光性を有する場合、貫通孔１２０と導電体１３０の隙間に充填された樹脂１４０に光が届かないように、蓋状の樹脂１４０で保護できる。

また、貫通配線基板１００の裏面側にも、樹脂１４０を塗布して略同一のマスク４１０を介して感光させ、現像液で除去することで、貫通孔１２０と導電体１３０の隙間に充填された樹脂１４０に蓋をする形で樹脂１４０を形成してよい。貫通配線基板１００の両方の面で蓋状の樹脂１４０を形成することで、より気密性を高めることができる。また、蓋状の樹脂１４０を形成しているので、デバイスを封止する基板として用いる場合に、貫通配線基板１００を陽極接合しても、熱処理によるボイドの形成または気密性の劣化を防ぐことができる。

以上の本実施形態の変形例において、樹脂１４０は感光性のある樹脂として説明した。これに代えて、樹脂１４０が感光性をもたない場合、マスク４１０を介して光４２０の代わりに反応性ガス、反応性イオン、またはイオンビーム等を用いたドライエッチングによって樹脂１４０を除去してよい。この場合、樹脂１４０の硬化後にドライエッチングで樹脂１４０を除去してもよい。これに代えて、エッチング液によるウェットエッチングで樹脂１４０を除去してもよい。ドライエッチングまたはウェットエッチングのいずれの場合においても、マスク４１０は、基板１１０の表面上にレジスト等で形成されてよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１００ 貫通配線基板、１１０ 基板、１２０ 貫通孔、１３０ 導電体、１４０ 樹脂、２１０ 支持基盤、２２０ 張り合わせ材、４１０ マスク、４２０ 光

Claims (19)

1. 貫通ビアが設けられた貫通配線基板であって、
   貫通孔が形成された基板と、
   前期貫通孔内に設けられ、前記基板の上面と下面の間を電気的に接続する導電体と、
   前記導電体と前記貫通孔の間の隙間に充填された樹脂と、
   を備える貫通配線基板。
2. 前記基板は、ガラス基板である請求項１に記載の貫通配線基板。
3. 前記樹脂は、ポリイミドである請求項１または２に記載の貫通配線基板。
4. 前記樹脂は、ポリマーである請求項１または２に記載の貫通配線基板。
5. 前記樹脂は、光に反応して固体に変化する光硬化樹脂である請求項１または２に記載の貫通配線基板。
6. 貫通ビアが設けられた貫通配線基板を製造する製造方法であって、
   基板に貫通孔を形成する形成段階と、
   前記貫通孔が開けられた前期基板に支持基盤を張り合わせ、前記貫通孔内に導電体を挿入する挿入段階と、
   前記基板の前記支持基盤を張り合わせた面と反対側の面に樹脂を塗布して、前記導電体と前記貫通孔の間の隙間に前記樹脂を充填する充填段階と、
   前記樹脂を硬化させる硬化段階と、
   前記基板の表面の前記樹脂を除去する除去段階と、
   を備える貫通配線基板を製造する製造方法。
7. 前記基板は、ガラス基板である請求項６に記載の製造方法。
8. 前記樹脂は、ポリイミドである請求項６または７に記載の製造方法。
9. 前記樹脂は、ポリマーである請求項６または７に記載の製造方法。
10. 前記充填段階は、前記樹脂を少なくとも２回に分けて充填し、先に充填する前記樹脂は、後に充填する前記樹脂よりも粘性の高い請求項６から９のいずれかに記載の製造方法。
11. 前記樹脂は、光に反応して固体に変化する光硬化樹脂であり、
    前記硬化段階は、前記基板に光を照射して前記樹脂を硬化させる請求項６または７に記載の製造方法。
12. 前記硬化段階は、前記樹脂を熱処理によって硬化させる、請求項６から１０のいずれかに記載の製造方法。
13. 前記充填段階は、前記基板と前記支持基盤とを張り合わせ材によって張り合わせ、
    前記硬化段階は、前記樹脂を複数回の熱処理によって硬化させ、
    前記張り合わせ材は、前記硬化段階の少なくとも１回の熱処理によって融解して、前記基板と前記支持基盤とを分離する請求項６から１０のいずれかに記載の製造方法。
14. 前記張り合わせ材を融解させる熱処理の温度は、前記樹脂を硬化させる熱処理の温度とは異なる請求項１２に記載の製造方法。
15. 前記充填段階は、前記基板と前記支持基盤とを張り合わせ材によって張り合わせ、
    前記硬化段階は、前記張り合わせ材を剥離液によって融解し、前記基板と前記支持基盤とを分離する請求項６から１１のいずれかに記載の製造方法。
16. 前記挿入段階は、前記基板上にレジストを塗布して固化されたレジストを前記支持基盤とし、
    前記硬化段階は、前記レジストを現像液または剥離液によって前記基板と分離する請求項６から１２のいずれかに記載の製造方法。
17. 前記除去段階は、前記硬化段階において前記基板の表面で硬化した前記樹脂を研磨によって除去する請求項６から１６のいずれかに記載の製造方法。
18. 前記除去段階は、前記硬化段階において前記基板の表面で硬化した前記樹脂をエッチングによって除去する請求項６から１６のいずれかに記載の製造方法。
19. 前記樹脂は感光性を有し、
    前記除去段階は、前記基板の表面に塗布された前記樹脂にマスクを介して光を照射して、現像液で前記樹脂の露光部分を除去し、
    前記硬化段階は、前記除去段階において除去されなかった前記樹脂を硬化する請求項６から１６のいずれかに記載の製造方法。

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