WO2018155418A1 - 多層配線基板および半導体装置 - Google Patents

Abstract

層間の位置ずれを抑制することができ、かつ、ピール強度に優れる接着層を使用することにより、フッ素樹脂基板を用いるときの、電気信号の伝送損失を抑制することができる多層配線基板を提供することを目的とする。　少なくともその一面に形成されている導体パターン２０を有するフッ素樹脂基板３０と、前記フッ素樹脂基板３０を接着するための接着層１０と、を含み、前記接着層１０が、熱硬化性樹脂の硬化物を含有し、かつ、２０％以上３００％以下の破断伸び率を有する、多層配線基板１が提供される。

Description

多層配線基板および半導体装置

　本開示は、多層配線基板、および半導体装置に関する。

　近年、電子機器は、小型化・高性能化が進み、情報伝達に使用される電気信号のさらなる高速化が必要とされている。高速電気信号を伝達する際には、信号の損失が生ずる。電気信号がより高速になるにつれて、この信号の損失は、大きくなる。この損失を低減する手法として、一般的に、回路材料にフッ素樹脂基板が、使用されている。

　また、部品の高機能化に伴い、回路基板等、特に、高周波回路に適した多層配線基板の回路材料は、高多層化されている。従来、多層化するには、低誘電率・低誘電正接（高周波特性に優れる）熱可塑性樹脂を、接着層として用いてきた。

　多層化したフッ素樹脂基板として、弗素樹脂製の絶縁基板に接着されている銅箔を含む銅張積層板が知られている。この銅張り積層板の特徴は、粗化処理も黒化処理もされていない平滑面を両面に有する銅箔が、ＬＣＰとＰＦＡとの複合フィルムを介して、絶縁基板に接着されていることである（特許文献１）。また、積層された複数のフッ素樹脂系基材層により形成され、かつ、内部に少なくとも１つの導電体層を備える多層プリント回路基板も報告されている（特許文献２）。この回路基板の特徴は、上記の内部導電体層を備えた基材層と、これに隣接する基材層とが、液晶ポリマーからなる接着層を介して互いに接着されていることである。

　しかしながら、一般に、回路基板に熱可塑性樹脂を用いる場合、多層化のために繰り返し熱をかけた際、層間に位置ずれが起こる、という問題が生じる。ジグを使うことにより、位置ずれを抑制することは可能である。しかし、微小な位置ずれを防ぐことはできない。

　特に、上記の銅張積層板及び多層プリント回路基板には、いずれも融点が高い液晶ポリマー（ＬＣＰ）を使用されている。そのため、層間の位置ずれの現象が悪化する。その結果、多層化がより難しくなってしまう。

特開２００７－０９８６９２号公報 特開２００５－２６８３６５号公報

　本発明者らは、鋭意研究を行い、層間の位置ずれを抑制することができ、かつ、ピール強度に優れる接着層を使用することにより、フッ素樹脂基板を用いるときの、電気信号の伝送損失を抑制することができる多層配線基板を得た。

　本開示は、層間の位置ずれを抑制することができ、かつ、ピール強度に優れる接着層を使用することにより、フッ素樹脂基板を用いるときの、電気信号の伝送損失を抑制することができる多層配線基板およびこれを用いた半導体装置を提供することを目的とする。

　本開示は、以下の構成を有することによって、上記問題を解決することのできる、多層配線基板および半導体装置に関する。
〔１〕少なくともその一面に形成されている導体パターンを有するフッ素樹脂基板と、前記フッ素樹脂基板を接着するための接着層と、を含み、前記接着層が熱硬化性樹脂の硬化物を含有し、かつ、２０％以上３００％以下の破断伸び率を有する、多層配線基板。
〔２〕前記接着層の引張り弾性率が、１ＧＰａ以下である、上記〔１〕の多層配線基板。
〔３〕前記接着層が、０．００２以下の誘電正接を有するフィラーを含む、上記〔１〕または〔２〕の多層配線基板。
〔４〕前記フッ素樹脂基板の誘電率が１００％であるときの、前記接着層の誘電率が、７０～１３０％である、上記〔１〕～〔３〕のいずれかの多層配線基板。
〔５〕前記接着層上の伝送損失が、２０ＧＨｚにおいて、０～－３ｄＢ／７０ｍｍである、上記〔１〕～〔４〕のいずれかの多層配線基板。
〔６〕上記〔１〕～〔５〕のいずれかの多層配線基板を含む、半導体装置。

　本開示〔１〕によれば、層間の位置ずれを抑制することができ、かつ、ピール強度に優れる接着層を使用することにより、フッ素樹脂基板を用いるときの、電気信号の伝送損失を抑制することができる多層配線基板を提供することができる。

　本開示〔６〕によれば、層間の位置ずれが抑制することができ、かつ、ピール強度に優れる接着層により、電気信号の伝送損失を抑制することができる多層配線基板を含む、高信頼性の半導体部品を提供することができる。

多層配線基板の断面の一例を示す模式図である。

　本開示の多層配線基板は、少なくともその一面に形成されている導体パターンを有するフッ素樹脂基板と、前記フッ素樹脂基板を接着するための接着層と、を含み、前記接着層が、熱硬化性樹脂の硬化物を含有し、かつ、２０％以上３００％以下の破断伸び率を有する。図１は、多層配線基板の断面の一例を示す模式図である。図１は、２層配線基板の断面の例である。図１に示す多層配線基板１は、少なくともその一面に形成されている導体パターン２０を有するフッ素樹脂基板３０と、フッ素樹脂基板３０を接着するための接着層１０と、を含む。接着層１０は、熱硬化性樹脂の硬化物を含有する。さらに、接着層１０の破断伸び率は、２０％以上３００％以下である。
　なお、図１に示すように、多層配線基板１には、必要に応じ、ヴィアホール（スルーホール）４０を形成することができる。

〔フッ素樹脂基板〕
　フッ素樹脂基板としては、例えば、特開平０７－３２３５０１号公報あるいは特開２００５－２６８３６５号公報に記載のフッ素樹脂基板を使用できる。具体的な例として、ガラスクロスに、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を含浸保持させて得られる、プリプレグから構成したリジッド基板、および、フッ素樹脂繊維と、ガラス繊維などの耐熱性絶縁繊維と、を用いて、湿式抄紙法にて形成することにより得られる、いわゆる抄紙シートが、挙げられる。

　フッ素樹脂基板に用いるフッ素樹脂の例としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＦＥＰＰＦＡ）、ＦＥＰ、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、フッ化ビニリデン樹脂（ＰＶＤＦ）、フッ化ビニル樹脂（ＰＶＦ）、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、および、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）が挙げられる。これらフッ素樹脂のうち、低誘電率、低誘電正接、耐熱性、および耐薬品性等の観点から、ＰＴＦＥが、好ましい。なお、ＰＦＡ等の融点は、好ましくは２８０℃以上である。フッ素樹脂の成形温度の一例は、３２０～４００℃である。フッ素樹脂は、単独でも２種以上を併用してもよい。

　耐熱性絶縁繊維の例としては、ガラス繊維、シリカ繊維、アルミナ繊維、およびアルミニウムシリケート繊維等の無機繊維、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維（ＰＢＯ繊維）、芳香族ポリエステル繊維、ポリフェニレンスルフィド繊維、および、全芳香族ポリアミド繊維等の有機繊維が、挙げられる。耐熱性、高強度、高弾性率、および安価の観点から、ガラス繊維が好ましい。耐熱性絶縁繊維は、単独でも２種以上を併用してもよい。

　導体パターンとしては、銅箔のエッチングにより形成される銅配線等が、挙げられる。

〔接着層〕
　接着層は、熱硬化性樹脂の硬化物を含有し、かつ、この接着層の破断伸び率は、２０％以上３００％以下である。

　熱硬化性樹脂は、接着層に接着性および耐熱性（加熱時の耐溶融性）を付与する。熱硬化性樹脂は、その熱硬化後に、接着層に、２０％以上３００％以下の破断伸び率を与えるものであれば、特に限定されない。例として、変性ポリフェニレンエーテル、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、ビスマレイミド、特殊アクリレート、および変性ポリイミド等が、挙げられる。変性ポリフェニレンエーテルあるいは変性ポリイミドを含有する樹脂が、接着層の破断伸び率および誘電率の観点から、好ましい。特に末端にエチレン性不飽和基（特に、スチレン基）を有する変性ポリフェニレンエーテル（例えば、特開２００４－５９６４４号に記載されたもの）は、その小さな極性のため、極性の小さなフッ素樹脂とも、高い接着性を有するので、より好ましい。なお、エポキシ樹脂は、一般的に、単独では、低い破断伸び率および高い誘電率を有するため、好ましくない。熱硬化性樹脂は、単独でも２種以上を併用してもよい。

　熱硬化性樹脂としてのエポキシ樹脂は、硬化剤を必要とする場合がある。その硬化剤は、特に限定されない。例として、イミダゾール系、アミン系、酸無水物系、およびフェノール系の硬化剤が、挙げられる。反応温度および反応時間の観点から、イミダゾール系の硬化剤が、好ましい。１－ベンジル－２－フェニルイミダゾール、および、２－フェニル－４，５－ジヒドロキシメチルイミダゾールが、より好ましい。

　接着層には、その他の樹脂を含有させることもできる。その他の樹脂は、熱硬化性樹脂単体では、熱硬化後に、接着層に２０％以上の破断伸び率を付与できないときに、伸び率を向上させるために付加される。その他の樹脂の例としては、ポリオレフィン系エラストマーのうち、特に、スチレン系熱可塑性エラストマーとして、ポリスチレン－ポリ（エチレン／ブチレン）ブロック共重合体、ポリスチレン－ポリ（エチレン－エチレン／プロピレン）ブロック共重合体等が、挙げられる。これらの水添エラストマーは、誘電率および誘電正接が低いため、好ましい。その他の樹脂は、単独でも２種以上を併用してもよい。

　接着層の破断伸び率は、銅箔とのピール強度の観点から、好ましくは２０％以上３００％以下である。破断伸び率が２０％未満では、接着層が硬く脆くなる。そのため、銅箔とのピール強度が弱くなる。破断伸び率が３００％を超えると、積層時に位置ずれが発生し易くなる。ここで、接着層の破断伸び率は、オートグラフで測定することができる。

　接着層は、多層配線基板のさらなる低伝送損失化の観点から、好ましくは、０．００２以下の誘電正接を有するフィラーを含有する。０．００２以下の誘電正接を有するフィラーの例としては、フッ素樹脂フィラーおよびシリカフィラー（中空シリカ粒子を含む）が、挙げられる。また、０．００２以下の誘電正接を有するフィラーの平均粒径は、好ましくは０．０１～１０μｍ、より好ましくは０．０１～１μｍである。ここで、平均粒径は、ＢＥＣＫＭＡＮ　ＣＯＵＬＴＥＲ社製レーザー回折粒度分布測定装置（型番：ＬＳ１３３２０）で測定することができる。誘電正接０．００２以下のフィラーは、単独でも２種以上を併用してもよい。

　本実施形態の接着層には、本実施形態の目的を損なわない範囲で、必要に応じて、更に、添加剤を配合することができる。添加剤の例として、レベリング剤、消泡剤、揺変剤、酸化防止剤、顔料、あるいは染料を挙げることができる。

　接着層の引張り弾性率は、積層体である多層配線基板の内部応力緩和、フッ素樹脂と接着層との間のピール強度の観点から、好ましくは１ＧＰａ以下である。また、接着層の引張り弾性率は、プレス時の耐圧の観点から、好ましくは０．１ＧＰａ以上である。弾性率が０．１ＧＰａより小さくなると、接着層の耐熱性（加熱プレス時など）が劣り、位置ずれが生じ易くなる。

　フッ素樹脂基板の誘電率が１００％であるとき、接着層の誘電率は、好ましくは７０～１３０％である。この範囲にある接着層の誘電率は、フッ素樹脂基板の誘電率に近似する。そのため、多層配線基板の設計が簡便になる。

　接着層上の伝送損失は、効率的な電気信号の送受信の観点から、好ましくは、２０ＧＨｚにおいて、０～－３ｄＢ／７０ｍｍである。

　接着層は、低電力（低エネルギー）、部材への熱ダメージ低減の観点から、好ましくは、２００℃以下の低温でも積層可能である。

〔多層配線基板〕
　上述のとおり、本開示の多層配線基板は、少なくともその一面に形成されている導体パターンを有するフッ素樹脂基板と、そのフッ素樹脂基板を接着するための接着層と、を含む。その接着層は、熱硬化性樹脂の硬化物を含有し、かつ、２０％以上３００％以下の破断伸び率を有する。この多層配線基板は、フッ素樹脂基板と接着層との間のピール強度、および導体パターンと接着層との間のピ－ル強度に優れる。この優れたピ－ル強度の原因は、投錨効果（アンカー効果）による、と考えられる。接着層の破断伸び率が、導体（銅箔）とのピール強度に寄与することが考えられる。破断伸び率が２０％未満または３００％を超えると、銅箔ピール強度は弱くなる。なお、フッ素樹脂基板と接着層と間のピール強度が高いため、ピール試験では、フッ素樹脂基板と銅箔との間で剥離が生じたり、フッ素樹脂基板自体が破壊される場合がある。

〔半導体装置〕
　本開示の半導体装置は、上述の多層配線基板を含む。半導体装置の例としては、ミリ波アンテナおよび無線基地局が、挙げられる。

　本実施形態について、実施例により説明する。ただし、本実施形態は、これら実施例に限定されるものではない。なお、以下の実施例において、部および％は、ことわりのない限り、質量部および質量％を示す。

　熱硬化性樹脂１として、三菱ガス化学製変性ポリフェニレンエーテル（品名：ＯＰＥ２Ｓｔ２２００）が、使用された。
　熱硬化性樹脂２として、三菱ガス化学製変性ポリフェニレンエーテル（品名：ＯＰＥ２Ｓｔ１２００）が、使用された。
　熱硬化性樹脂３として、大阪ソーダ製ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（品名：ＬＸ－０１）が、使用された。
　熱硬化性樹脂４として、日本化薬製ビフェニル型エポキシ樹脂（品名：ＮＣ３０００）が、使用された。
　熱硬化性樹脂５として、ＤＩＣ製ナフタレン型エポキシ樹脂（品名：ＨＰ４０３２Ｄ）が、使用された。
　熱硬化性樹脂６として、ケイ・アイ化成製ビスマレイミドである、ビス－（３－エチル－５－メチル－４－マレイミドフェニル）メタン（品名：ＢＭＩ－７０）が、使用された。
　熱硬化性樹脂７として、東亞合成製特殊アクリレートである、Ｎ－アクリロイルオキシエチルヘキサヒドロフタルイミド（品名：Ｍ－１４０）が、使用された。
　硬化剤１として、四国化成製イミダゾール（品名：１Ｂ２ＰＺ）が、使用された。
　硬化剤２として、四国化成製イミダゾール（品名：２ＰＨＺ）が、使用された。
　その他の樹脂１として、クレイトンポリマー製エラストマーＳＥＢＳ（品名：Ｇ１６５２）が、使用された。
　その他の樹脂２として、クレイトンポリマー製エラストマーＳＥＢＳ（品名：Ｇ１６５７）が、使用された。
　その他の樹脂３として、クラレ製エラストマーＳＥＥＰＳ（品名：セプトン４０４４）が、使用された。
　その他の樹脂４として、旭化成ケミカルズ製エラストマーＳＥＢＳ（品名：タフテックＨ１０５２）が、使用された。
　その他の樹脂５として、ＪＳＲ製エラストマーＳＢＳ（品名：ＴＲ２００３）が、使用された。
　フィラー１として、ダイキン工業製フッ素樹脂フィラー（品名：ルブロン　Ｌ－２、平均粒径：２μｍ）が、使用された。
　フィラー２として、アドマテックス  シリカフィラー（品名：ＳＥ２０５０、平均粒径：０．５μｍ）が、使用された。
　なお、フィラー１の誘電正接、および、フィラー２の誘電正接は、いずれも０．００２以下であった。

〔実施例１～４、比較例１～４〕
　表１に示す配合で、各成分が計量配合された。その後、それら成分を８０℃に加温された反応釜に投入して、回転数２５０ｒｐｍで回転させながら、常圧溶解混合を３時間行った。ただし、硬化剤は、冷却後に加えた。なお、表１には記載していないが、溶解および粘度調整にトルエンを使用した。

　このようにして得られた接着層用組成物を含むワニスが、支持体（離型処理をほどこしたＰＥＴフィルム）の一面に塗布された。このワニスを１００℃で乾燥させることにより、支持体付の接着層用フィルム（接着層の厚さ：約２５μｍ、約５０μｍの２種）を得た。

〔接着層の破断伸び率の測定〕
　支持体付の接着層用フィルムを、２００℃、６０ｍｉｎ、および１ＭＰａの条件で真空熱プレス硬化させた。硬化後の支持体付の接着層用フィルムを、１５ｍｍ×１５０ｍｍに切り出した。支持体を剥がした後、長手方向に、引張り速度２００ｍｍ／ｍｉｎで、オートグラフで引張り、破断までに伸びた長さを測定した。接着層の破断伸び率は、破断時の長さを、初期の長さで除して得られる値を、パーセントで表示した値である。表１に、接着層の破断伸び率の測定結果を示す。

〔接着層の引張り弾性率の測定〕
　支持体付の接着層用フィルムを、２００℃、６０ｍｉｎ、および１ＭＰａの条件で、真空熱プレス硬化させた。硬化後の支持体付の接着層用フィルムから、２５ｍｍ×２５０ｍｍの支持体付の硬化フィルムを切り出した。支持体付の硬化フィルムから支持体を剥がして試験片を得た後、試験片の厚みを測定した。次いで、オートグラフを用いて、試験片を、その長手方向に、引張速度１ｍｍ／ｍｉｎで、引っ張った。そして、１～２ｍｍまでに試験片が伸びた時の、応力ひずみ曲線の傾きを測定した。この値を断面積で除して、接着層の引張り弾性率を求めた。接着層の引張り弾性率は、好ましくは０．１～１ＧＰａ以下である。表１に、接着層の引張り弾性率の測定結果を示す。

〔ピール強度の測定〕
　支持体からはがした接着層用フィルムの一面に、中興化成工業（株）製フッ素樹脂基板（品名：ＣＧＳ－５００）を、他の一面に福田金属箔粉工業（株）製銅箔（厚さ：３５μｍ、品名：ＣＦ－Ｔ８Ｇ－ＨＴＥ）を、２００℃、６０ｍｉｎ、および２ＭＰａの条件で、真空熱プレスしながら、貼りあわせた。このようにして、積層部材を作製した。その後、ＪＩＳ　Ｋ６８５４－１に準拠して、銅箔またはフッ素樹脂基板をオートグラフで引きはがして、ピール強度（９０°ピール）を測定した。ピール強度は、好ましくは７Ｎ／ｃｍ以上である。表１に、ピール強度の測定結果を示す。

〔耐熱性の評価〕
　上記と同じ方法で作製した積層部材を、２６０℃のはんだ浴に１分間浮かべて、剥離および膨れの有無を、目視で確認した。

〔接着層の誘電率（ε）、誘電正接（ｔａｎδ）の測定〕
　支持体付の接着層用フィルムを、２００℃、６０ｍｉｎ、１ＭＰａの条件で、真空熱プレス硬化させた。硬化後の支持体付の接着層用フィルムから、支持体付の硬化フィルム（７０ｍｍ×１３０ｍｍ）を切り出した。支持体付の硬化フィルムから支持体を剥離して試験片を得た後、試験片の厚みを測定した。次いで、ＳＰＤＲ法（１．９ＧＨｚ）により、試験片の誘電率（ε）および誘電正接（ｔａｎδ）を測定した。誘電率は、好ましくは１．６～３．５、より好ましくは２．０～２．９である。誘電正接は、好ましくは０．０００５～０．００５である。

〔フッ素樹脂基板と接着層の誘電率の比の計算〕
　次に、フッ素樹脂基板の誘電率が１００％であるときの、接着層の誘電率の比（単位：％）を計算した。使用したフッ素樹脂基板の誘電率は、２．２４であった。フッ素樹脂基板の誘電率が１００％であるとき、接着層の誘電率は、好ましくは７０～１３０％である。

〔接着層の伝送損失の測定〕
　支持体を取り除いた後の、厚み５０μｍの熱硬化前の接着層用フィルムを、２枚の銅箔（福田金属箔粉（株）製、１８μｍ、ＣＦ－Ｔ９ＦＺ－ＳＶ）間に挟み、次いで、２００℃、６０ｍｉｎ、１ＭＰａの条件で、真空熱プレスした。このようにして、銅張基板を作製した。この銅張基板の一面に、インピーダンス５０Ωとなるように、エッチング処理により、信号配線長７０ｍｍとなる信号配線とグランドパッドを作製した。銅張基板の他の一面は、グランド層とした。グランドパッドとグランド層との接続をとるため、スルーホールを作製したのち、銅めっき処理を行った。これにより、５０Ωのマイクロストリップライン基板を作製した。この時、銅めっき処理により配線高さは約３０μｍとなった。作製した基板を、ネットワークアナライザー（キーサイト製、Ｎ５２４５Ａ）を用いて、２０ＧＨｚで測定した。得られたＳパラメーター挿入損失（Ｓ２１）の測定値を接着層上の伝送損失と定義した。接着層上の伝送損失は、２０ＧＨｚにおいて、好ましくは０～－３ｄＢ／７０ｍｍである。

　表１からわかるように、層間の位置ずれが生じない熱硬化性樹脂を用いた実施例１～４の全てで、接着層の破断伸び率が５０～２８０％であり、接着層の引張り弾性率が、０．２３～０．８４ＧＰａであり、さらに、ピール強度が高かった。表１には、記載していないものの、実施例１～４の全てで、耐熱性が良好であるだけでなく、接着層の誘電率は２．４～２．５であり、接着層の誘電正接は０．０００８～０．００２５であり、フッ素樹脂基板と接着層の誘電率の比は１０７～１１２％であり、いずれも良好であった。接着層の伝送損失は、実施例１で－２．２ｄＢ、実施例２で－２．７ｄＢ、実施例３で－２．１ｄＢ、および実施例４で－２．３ｄＢであった。これに対して、接着層の破断伸び率が低すぎる比較例１、４では、銅箔とのピール強度が低かった。接着層の破断伸び率が高すぎる比較例２では、フッ素樹脂基板とのピール強度、および、銅箔とのピール強度が、いずれも低かった。接着層の破断伸び率が高すぎる比較例３では、銅箔とのピール強度が低かった。また、表１には、記載していないものの、比較例１の接着層の伝送損失は、－３．６ｄＢであった。

　上記のように、本開示の多層配線基板は、層間の位置ずれを抑制する熱硬化性樹脂を用いること、および、ピール強度に優れる接着層を使用すること、により、フッ素樹脂基板を用いるときの、電気信号の伝送損失が低い。そのため、本開示の多層配線基板は、非常に有用である。

１　多層配線基板
１０　接着層
２０　導体パターン
３０　フッ素樹脂基板
４０　ヴィアホール（スルーホール）

Claims (6)

1. 　少なくともその一面に形成されている導体パターンを有するフッ素樹脂基板と、
   　前記フッ素樹脂基板を接着するための接着層と、
   を含み、
   　前記接着層が、熱硬化性樹脂の硬化物を含有し、かつ、２０％以上３００％以下の破断伸び率を有する、多層配線基板。
2. 　前記接着層の引張り弾性率が、１ＧＰａ以下である、請求項１記載の多層配線基板。
3. 　前記接着層が、０．００２以下の誘電正接を有するフィラーを含む、請求項１または２記載の多層配線基板。
4. 　前記フッ素樹脂基板の誘電率が１００％であるときの、前記接着層の誘電率が、７０～１３０％である、請求項１～３のいずれか１項に記載の多層配線基板。
5. 　前記接着層上の伝送損失が、２０ＧＨｚにおいて、０～－３ｄＢ／７０ｍｍである、請求項１～４のいずれか１項に記載の多層配線基板。
6. 　請求項１～５のいずれか１項に記載の多層配線基板を含む、半導体装置。

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