説明

多層回路基板、その製造方法及び半導体装置

【課題】 多層回路基板、その製造方法及び半導体装置に関し、基板表面に露出した電極端子の近傍におけるインピーダンス整合を実現する。
【解決手段】 複数の絶縁層と複数の導体層とが交互に積層された多層基板と、前記多層基板の一方の主表面側に形成され、前記多層基板の内部から前記主表面に向かうにつれて径が大きくなる円錐台形状のビア導体と、前記円錐台形状のビア導体に対して絶縁層を介して同軸的に形成された縦断面がテーパ状部を有するグランド電極とを設ける。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は多層回路基板、その製造方法及び半導体装置に関するものであり、例えば、数GHz以上で動作する半導体装置を実装する高周波回路基板の高周波特性の改善に関するものである。
【背景技術】
【0002】
高周波回路基板では、電気信号を通す経路においてインダクタンスとキャパシタンスの比を一定に保ってインピーダンス整合することで、信号の反射を抑制し、信号の品質を向上することが行われている。
【0003】
即ち、伝送路の高周波における特性インピーダンスZは、キャパシタンスをC、インダクタンスをLとすると、
=(L/C)1/2
で近似される。したがって、インダクタンスLとキャパシタンスCの比が一定であれば、特性インピーダンスZも一定になる。
【0004】
そのため、配線や基板内部に埋もれたビア部では、インピーダンス整合を行う技術が開発されてきた。例えば、配線では、インピーダンスを所望の値に近づけるために、絶縁材料の誘電率に応じてキャパシタンスを調整するために、信号線−グランド線間の導体距離や信号配線幅を調整することでキャパシタンスを増減させるという設計手法を用いる。
【0005】
図10は、配線部のインピーダンス整合の説明図であり、図10(a)は概略的要部斜視図であり、図10(b)は伝搬方向に垂直な概略的断面図であり、上下に配置された1対のグランド線91の間に絶縁層93を介して信号線92が配置されている。
【0006】
このような高周波線路において、インピーダンス整合を取るためには、図10(c)に示すように、信号線92の幅を調整したり、或いは、図10(d)に示すように信号線92とグランド線91との間隔を調整している。
【0007】
また、回路基板では、図11(a)示すように、層をまたぐ方向の信号伝播を考えると、グランド線91や信号線等の導体層と絶縁層93が伝播方向に対し、交互に来るため、インダクタンスやキャパシタンスが場所ごとに変化してしまう。したがって、インダクタンスとキャパシタンスとの比を一定に保つことができないので、インピーダンス整合をとることができない。
【0008】
そこで、図11(b)に示すように、シグナル層となるビア94の周りを均一な形状の同軸グランド線95で覆ってしまうことが提案されている。或いは、電極端子付近の構造を複雑な構造にすることで、キャパシタンスやインダクタンスを調整することも提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【特許文献1】特開2001−168530号公報
【特許文献2】特開2010−219463号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
しかし、図12に示すように、パッド96等の基板表面に露出した電極端子に関しては、電極端子からビア部へ移行する際の形状の変化が大きいため、その形状変化に対応して、どの場所でも均一にインピーダンスを保つことが困難であった。なお、図における符号97ははんだバンプである。
【0011】
例えば、上記の特許文献2のように、電極端子付近の構造を複雑な構造にして、キャパシタンスやインダクタンスを調整しても未だ完全なインピーダンス整合を実現できないという問題がある。
【0012】
したがって、多層回路基板の基板表面に露出した電極端子の近傍におけるインピーダンス整合を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0013】
開示する一観点からは、複数の絶縁層と複数の導体層とが交互に積層された多層基板と、前記多層基板の一方の主表面側に形成され、前記多層基板の内部から前記主表面に向かうにつれて径が大きくなる円錐台形状のビア導体と、前記円錐台形状のビア導体に対して絶縁層を介して同軸的に形成された縦断面がテーパ状部を有するグランド電極とを有することを特徴とする多層回路基板が提供される。
【0014】
また、開示する別の観点からは、複数の絶縁層と複数の導体層とが交互に積層された多層基板と、前記多層基板を貫通して形成された貫通孔と、前記貫通孔と通じ、前記多層基板の一方の主表面側に形成され、前記多層基板の内部から前記主表面に向かうにつれて径が大きくなる円錐台形状のビア導体と、前記貫通孔に形成され、前記円錐台形状のビア導体と接続するスルービア導体と、前記円錐台形状のビア導体に対して絶縁層を介して同軸的に形成された縦断面がテーパ状部を有するグランド電極とを有し、前記円錐台形状のビア導体の表面の位置が、前記多層基板の表面と同等か或いは前記多層基板の表面よりも低いことを特徴とする多層回路基板が提供される。
【0015】
また、開示するさらに別の観点からは、複数の絶縁層と複数の導体層とが交互に積層された多層基板の一方の主表面に円錐状の孔を形成する工程と、前記円錐状の孔の表面及び前記多層基板表面の一部を覆うように導電膜を形成する工程と、前記導電膜上に絶縁膜を介して、ビア導体を形成する工程とを有することを特徴とする多層回路基板の製造方法が提供される。
【0016】
また、開示するさらに別の観点からは、複数の絶縁層と複数の導体層とが交互に積層された多層基板と、前記多層基板の一方の主表面側に形成され、前記多層基板の内部から前記主表面に向かうにつれて径が大きくなる円錐台形状のビア導体と、前記円錐台形状のビア導体に対して絶縁層を介して同軸的に形成された縦断面がテーパ状部を有するグランド電極とを有する多層回路基板と、前記多層回路基板の円錐台形状のビア導体にはんだ導体を介して電気的に接続された半導体チップとを有することを特徴とする半導体装置が提供される。
【発明の効果】
【0017】
開示の多層回路基板、その製造方法及び半導体装置によれば、基板表面に露出した電極端子の近傍におけるインピーダンス整合を実現することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】本発明の実施の形態の回路基板の説明図である。
【図2】本発明の実施の形態におけるインピーダンス整合の説明図である。
【図3】本発明の実施例1の高周波回路基板の製造工程の途中までの説明図である。
【図4】本発明の実施例1の高周波回路基板の製造工程の図3以降の途中までの説明図である。
【図5】本発明の実施例1の高周波回路基板の製造工程の図4以降の途中までの説明図である。
【図6】本発明の実施例1の高周波回路基板の製造工程の図5以降の説明図である。
【図7】本発明の実施例1の高周波回路基板を用いた実装構造の説明図である。
【図8】本発明の実施例1の高周波回路基板を用いた積層構造の説明図である。
【図9】本発明の実施例2の中継基板の説明図である。
【図10】配線部のインピーダンス整合の説明図である。
【図11】ビア部のインピーダンス整合の説明図である。
【図12】パッド部におけるインピーダンス不整合の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
ここで、図1及び図2を参照して、本発明の実施の形態の高周波回路基板を説明する。図1は、本発明の実施の形態の高周波回路基板の説明図であり、図1(a)は概略的断面図であり、図1(b)は付随的作用効果の説明図である。
【0020】
図1(a)に示すように、ビア導体11の形状を基板表面に露出した電極端子から基板内部構造であるビアにかけての形状を連続的なテーパ状とし、ビア導体11を同軸的に囲むようにグランド電極12を形成する。この時、テーパ状のビア導体11を構成する円錐の頂点と、グランド電極12を構成する円錐の頂点が一致するように形成することで、半導体素子や電子部品との接合部におけるインピーダンス整合を行う。
【0021】
このような、テーパ状のビア導体11やグランド電極12を形成する場合には、多層基板のベースとなる絶縁物14にドリル加工を施して円錐状の凹部を形成してグランド電極12を形成する。次いで、グランド電極12の内側を絶縁物13で埋め込み、絶縁物13にドリル加工を施してテーパ状ビアホールを形成すれば良い。
【0022】
また、テーパ状のビア導体11の表面の位置をグランド電極12の表面の位置より低く、即ち、陥没するように形成することが望ましい。また、半導体素子や電子部品とはんだバンプ等を介して接続する場合には、短絡を防止するためにグランド電極12の露出表面をソルダーレジスト15で覆うことが望ましい。
【0023】
ビア導体11のテーパ状の先端部分での小型化を目的とする場合は、製造精度の限界が制約となるため、絶縁物13として、誘電率の小さいものを用いれば、周囲グランド形状を小型化でき、集積度の向上に有利である。この絶縁物13は、多層基板のベースとなる絶縁層14と同じである必要性はない。コスト的な観点からも、絶縁物13は全体の絶縁材料に比べれば微量であるため、伝送特性に優れた高価な絶縁材料、例えば、シクロオレフィンポリマー、フッ素化樹脂を用いても良い。
【0024】
図1(b)は、本発明の実施の形態の高周波回路基板の付随的作用効果の説明図であり、テーパ状のビア導体11の表面の位置をグランド電極12の表面の位置より低くしておくことによって、ビア導体11に対するシールド効果が高まる。それによって、互いに隣接するビア導体11同士を伝搬する信号の干渉を防止することができる。
【0025】
図2は、本発明の実施の形態におけるインピーダンス整合の説明図であり、ここでは、図2(a)に示すように、同軸構造の伝送路について説明する。ここでは、信号線となる内部のビア導体の直径をD、グランド電極の内径をDとする。
【0026】
ここで、ビア導体とグランド電極との間の絶縁物の誘電率をε、透磁率をμとすると、特性インピーダンスZは、
=(L/C)1/2=(1/2π)×(μ/ε)1/2×ln(D/D
≒(1/2π)×(μ/ε)1/2×2.3025×log10(D/D
で表わされる。ここで、真空の透磁率をμ、真空の誘電率をε、絶縁物の比誘電率をε、光速をcとすると、
ε=ε×ε=ε×(μ−1
μ≒μ=4π×10−7
であるので、
≒(1/2π)×(μ/ε)1/2×2.3025×log10(D/D
=(1/2π)×μc×(1/ε1/2×2.3025×log10(D/D
≒138×(1/ε1/2×log10(D/D
となる。したがって、内径と外径の比に直すと、
/D=10
但し、A=(ε1/2×Z/138
となる。
【0027】
したがって、図2(b)に示すように、D及びDを変化させても、D/Dの比が一定であれば、特性インピーダンスZも一定になる。なお。ここでは、特性インピーダンスZが50Ωになるように、D/Dの比を設定した例を示している。
【0028】
図2(c)は、ビア導体11の先端部をテーパ状にした場合のインピーダンス整合の説明図であり、ビア導体11の先端部のテーパ状部の円錐の頂角を2β、グランド電極12の円錐の頂角を2αとする。この時、ビア導体11の先端部の円錐の頂点とグランド電極12の円錐の頂点が一致していれば、
/D=tanα/tanβ
となり、テーパ状のビア導体11のどの位置においてもインピーダンス整合が取れていることになる。
【0029】
なお、仮想的な円錐の頂点は一致させることが望ましいが、円錐の頂点付近はビアなどに接続を行うため、完全に頂点の尖った円錐形に削り取ることは必要ではない。そのため、ドリルは必ずしも新品で先端の尖った構造をしている必要はなく、円錐側面形状さえきちんと削り取ることができれば、ある程度先端が磨耗したドリルでも使うことができる。
【実施例1】
【0030】
次に、図3乃至図6を参照して、本発明の実施例1の高周波回路基板の製造工程を説明する。まず、図3(a)に示すように、絶縁層41を介して信号線42とグランド線43,44を積層して各層毎でのパターンのつくり込みの終わった多層基板を用意する。
【0031】
次いで、図3(b)に示すように、角度のゆるいドリルの先端を用いて、円錐状の穴を開けてテーパ状凹部45とする。なお、この場合、上述の図2(c)に示した角度αとしては、α=57.5°とし、深さは400μmとする。
【0032】
次いで、図3(c)に示すように、Cuの無電解めっきを行って、テーパ状凹部45の表面に縦断面形状がテーパ状の側壁グランド線46を形成する。なお、この時、表面のグランド線44上にも無電解めっき層が形成されるが、図示は省略する。
【0033】
次いで、図4(d)に示すように、再度、ドリル加工を行い、テーパ状凹部45の頂点付近無電解めっき層を削り取るとともに、信号線42の近傍に達する円筒状の凹部47を形成する。この場合、凹部47の直径は300μmとする。
【0034】
次いで、図4(e)に示すように、エポキシ樹脂からなる埋込絶縁樹脂48で、テーパ状凹部45及び凹部47を埋め込む。次いで、図4(f)に示すように、全面に後述するビアのエッチング工程の際の保護膜となるレジスト49を形成する。
【0035】
次いで、図5(g)に示すように、細いドリルを用いてドリル加工を行うことによって、その中心が凹部47の中心と一致すると共に、信号線42に接続するビアホール50を形成する。なお、この場合、ビアホール50の直径は150μmとし、通常は多層基板を貫通するように形成する。
【0036】
次いで、図5(h)に示すように、2度目の円錐状穴を形成するためのドリル加工を行って、テーパ状ビアホール51を形成する。この場合、上述の図2(c)に示した角度βとしては、β=17.5°とし、テーパ状ビアホール51の頂点とテーパ状凹部45の頂点が一致する深さに形成する。
【0037】
ついで、図5(i)に示すように、無電解めっきによりめっきシード層(図示は省略)を形成したのち、Cuを電解めっきすることによってビアホール50及びテーパ状ビアホール51を電解めっき膜52で埋め込む。
【0038】
次いで、図6(j)に示すように、硫酸系エッチング液を用いて電解めっき膜52をその表面が表面側のグランド線44の位置より低くなるまでエッチングしてテーパ状ビア53を形成する。なお、この場合、テーパ状ビア53の位置が、表面のグランド線44の位置より80μm低くなるようする。この時、ビアホール50を埋め込んだ電解めっき膜52はそのまま信号線42に接続するビア54になる。この段階で、本発明の実施例1の高周波回路基板の基本構成の完成としても良い。この場合は、たとえば、レジスト49は加熱処理を施すことにより、絶縁層として機能する。
【0039】
或いは、図6(k)に示すようにレジスト49を除去しても良い。また、図6(l)に示すように、埋込絶縁樹脂48の表面をエッチングで除去しても良い。以上により、本発明の実施例1の高周波回路基板の基本構成が完成する。
【0040】
このように、本発明の実施例1においては、信号線42と接続するビア54の主表面に露出する側をテーパ状にするとともに、縦断面形状がテーパ状の側壁グランド線46で囲んでいるので、パッド部において、インピーダンス整合をとることができる。即ち、テーパ状ビア53に対して側壁グランド線46を同軸的に形成しているので、パッド部近傍において、インダクタンスとキャパシタンスとの比を一定に保つことができ、それによって、インピーダンス整合を取ることができる。
【0041】
図7は、本発明の実施例1の高周波回路基板を用いた実装構造の説明図であり、高周波回路基板に設けたテーパ状ビア53と、半導体チップ62に設けたパッド63とをはんだバンプ61を設けて接続する。この時、はんだバンプ61と側壁グランド線46とが電気的に短絡するのを防止するために、側壁グランド線46及びグランド線44の露出部を覆うようにソルダーレジスト60を設けておく。
【0042】
このように、パッド63と接続する近傍において、テーパ状ビア53はインピーダンス整合が取れているので、テーパ状ビア53を介して伝搬する信号の反射を抑制し、信号の品質を向上することが可能になる。
【0043】
図8は、本発明の実施例1の高周波回路基板を用いた積層構造の説明図であり、同じビア構造を有する高周波回路基板を互いに対向させてテーパ状ビア53同士をはんだバンプ61によって接続したものである。この場合も、はんだバンプ61と側壁グランド線46とが電気的に短絡するのを防止するために、側壁グランド線46及びグランド線44の一部をソルダーレジスト60で被覆するとともに、グランド線44同士をはんだで短絡させ、シールド性を高める。
【実施例2】
【0044】
次に、図9を参照して、本発明の実施例2の中継基板を説明するが、この中継基板は本発明の実施例1の高周波回路基板のテーパ状ビア部を応用したものである。
【0045】
図9(a)は、本発明の実施例2の中継基板の概略的断面図であり、上記実施例1の図3(b)のドリル加工工程において、ドリルで形成できる円錐部の高さよりも薄いグランド線71のみを設けた多層基板を用いて、同様の工程を行って形成したものである。なお、図4(d)の工程、図5(g)の工程は行わない。この場合も、円錐台状のテーパ状ビア75の頂点と、縦断面形状がテーパ状の側壁グランド線73の頂点とがほぼ一致するように形成する。
【0046】
図9(b)は、中継基板70を用いた積層構造の説明図であり、直径の異なるビア同士を中継基板70を用いて接続して接続経路を形成したものである。この場合も、はんだバンプ61,78と側壁グランド線46,84とが電気的に短絡するのを防止するために、ソルダーレジスト60,76,80を設ける。また、グランド線44とグランド線72とをはんだ77で短絡させ、グランド線72とグランド線83とをはんだ79で短絡させてシールド性を高める。
【0047】
このように、中継基板70を用いることによって、互いに直径の異なるビアを設けた高周波回路基板同士をインピーダンス不整合の少ない接続構造で積層接続することが可能になる。
【符号の説明】
【0048】
11 ビア導体
12 グランド電極
13 絶縁物
14 絶縁層
15 ソルダーレジスト
41 絶縁層
42 信号線
43 グランド線
44 グランド線
45 テーパ状凹部
46 側壁グランド線
47 凹部
48 埋込絶縁樹脂
49 レジスト
50 ビアホール
51 テーパ状ビアホール
52 電解めっき膜
53 テーパ状ビア
54 ビア
60 ソルダーレジスト
61 はんだバンプ
62 半導体チップ
63 パッド
64 はんだ
70 中継基板
71 絶縁層
72 グランド線
73 側壁グランド線
74 埋込絶縁樹脂
75 テーパ状ビア
76 ソルダーレジスト
77 はんだ
78 はんだバンプ
79 はんだ
80 ソルダーレジスト
81 絶縁層
82 グランド線
83 グランド線
84 側壁グランド線
85 埋込絶縁樹脂
86 テーパ状ビア
87 ビア
91 グランド線
92 信号線
93 絶縁層
94 ビア
95 同軸グランド線
96 はんだ
97 はんだバンプ

【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の絶縁層と複数の導体層とが交互に積層された多層基板と、
前記多層基板の一方の主表面側に形成され、前記多層基板の内部から前記主表面に向かうにつれて径が大きくなる円錐台形状のビア導体と、
前記円錐台形状のビア導体に対して絶縁層を介して同軸的に形成された縦断面がテーパ状部を有するグランド電極と
を有することを特徴とする多層回路基板。
【請求項2】
複数の絶縁層と複数の導体層とが交互に積層された多層基板と、
前記多層基板を貫通して形成された貫通孔と、
前記貫通孔と通じ、前記多層基板の一方の主表面側に形成され、前記多層基板の内部から前記主表面に向かうにつれて径が大きくなる円錐台形状のビア導体と、
前記貫通孔に形成され、前記円錐台形状のビア導体と接続するスルービア導体と、
前記円錐台形状のビア導体に対して絶縁層を介して同軸的に形成された縦断面がテーパ状部を有するグランド電極と
を有し、
前記円錐台形状のビア導体の表面の位置が、前記多層基板の表面と同等か或いは前記多層基板の表面よりも低い
ことを特徴とする多層回路基板。
【請求項3】
複数の絶縁層と複数の導体層とが交互に積層された多層基板の一方の主表面に円錐状の孔を形成する工程と、
前記円錐状の孔の表面及び前記多層基板表面の一部を覆うように導電膜を形成する工程と、
前記導電膜上に絶縁膜を介して、ビア導体を形成する工程と
を有することを特徴とする多層回路基板の製造方法。
【請求項4】
前記円錐状の孔の表面及び前記多層基板表面の一部を覆うように導電体を形成する工程の後に、
前記円錐状の孔の底部に円筒状の孔を形成する工程と、
前記円錐状の孔及び円筒状の孔を絶縁物で埋め込む工程と、
前記円筒状の孔に対して同心円状となる貫通孔を形成する工程と、
前記貫通孔の前記主表面側の一部を円錐状に加工してテーパ状開口部を形成する工程と、
前記貫通孔と前記テーパ状開口部とを導電体で埋め込む工程と、
前記導電体の表面が、前記多層基板の表面と同等か或いは前記多層基板の表面よりも低くなるように前記導電体の一部を除去してテーパ状のビア導体と前記テーパ状のビア導体に接続するスルービア導体を形成する工程と
をさらに有することを特徴とする請求項3に記載の多層回路基板の製造方法。
【請求項5】
複数の絶縁層と複数の導体層とが交互に積層された多層基板と、
前記多層基板の一方の主表面側に形成され、前記多層基板の内部から前記主表面に向かうにつれて径が大きくなる円錐台形状のビア導体と、
前記円錐台形状のビア導体に対して絶縁層を介して同軸的に形成された縦断面がテーパ状部を有するグランド電極と
を有する多層回路基板と、
前記多層回路基板の円錐台形状のビア導体にはんだ導体を介して電気的に接続された半導体チップと
を有することを特徴とする半導体装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【図11】
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【図12】
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【公開番号】特開2013−41991(P2013−41991A)
【公開日】平成25年2月28日(2013.2.28)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−177922(P2011−177922)
【出願日】平成23年8月16日(2011.8.16)
【出願人】(000005223)富士通株式会社 (25,993)
【Fターム(参考)】