説明

貫通孔付きガラス基板、および貫通電極付きガラス基板

【課題】良好な強度を有する貫通孔付き絶縁基板を提供すること。
【解決手段】貫通孔付きガラス基板10は、第1の表面11aと、第2の表面11bと、第1の表面11aと第2の表面11bとの間に形成される貫通孔13とを有する。ガラス基板10の厚みが0.01mm〜1mmの範囲にある。貫通孔13の平均直径Dとガラス基板10の厚みtとの比(D/t)が1/50〜1/5の範囲にある。貫通孔13の両端部15a、15bの壁面がそれぞれ湾曲形状の断面形状を有する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、貫通孔付きガラス基板、および貫通電極付きガラス基板に関する。
【背景技術】
【0002】
近年の半導体デバイスの小型化および高集積化の要求に対応するため、複数のLSIを含むシステムを、一つのパッケージとして三次元的に集約する技術、いわゆる「半導体三次元パッケージ化技術」の開発が進められている。このような半導体三次元パッケージでは、各素子同士及び素子とパッケージを実装するプリント基板とを電気的に接続する必要がある。
【0003】
しかしながら、従来のワイヤーボンディングでは、微細ボンディングの限界やワイヤー長が長くなることによる伝送損失の問題がある。
【0004】
そこで、伝送損失の少ないインターポーザが注目されている。インターポーザは、例えば素子と、パッケージを実装するプリント基板とを接続するものである。インターポーザは、基材に貫通孔を形成し、形成した貫通孔の壁面に貫通電極を形成してなる。
【0005】
有機樹脂材料を基材としたオーガニックインターポーザでは、基材に微細な貫通孔を形成する方法として、多数の貫通開口が形成されたマスクを介して、絶縁層にレーザ光を照射する方法が提案されている(例えば特許文献1、2参照)。この方法によれば、樹脂製の絶縁層に複数の貫通孔を同時に空けることができるので、貫通孔(ビアホール)をより容易に形成できる。また、非特許文献1には、このような絶縁層として、複数の貫通孔を有するガラス基板が使用され得ることが記載されている。
【0006】
また、シリコンを基材に用いたシリコンインターポーザでは、基材に微細な貫通孔を形成する方法として、ボッシュプロセスと呼ばれる、Deep Reactive Ion Etching法により多数の微細な貫通孔を形成する方法が知られている。
【0007】
一方、ガラスインターポーザでは、基材に微細な貫通孔を形成する方法として、レーザを用いて加工する方法、ドリルを用いて機械加工を行う方法、エッチングにより貫通孔を形成する方法などが検討されている。
【0008】
貫通孔の壁面に貫通電極を形成する方法としては、めっき法、はんだなどの低融点金属を埋め込む方法、導電ペースト材料及び導電インク材料を埋め込む方法が検討されている。
【0009】
ところで、オーガニックインターポーザでは、柔らかい有機樹脂材料を基材とするため、基材の寸法安定性に問題がある。また、シリコンインターポーザでは、円盤状のシリコンウエハから基材を切り出すため、基材の収率が悪く、コストに問題がある。そのため、寸法安定性やコストに優れたガラスインターポーザが注目されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
【特許文献1】日本国特開2005−88045号公報
【特許文献2】日本国特開2002−126886号公報
【非特許文献】
【0011】
【非特許文献1】JPCA NEWS、p16−p25 2009年10月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
前述のように、半導体デバイス貫通電極用の基板材料として、ガラス基板を使用することが考えられる。ガラス基板の貫通孔の壁面に貫通電極が形成される。
【0013】
しかし、貫通電極とその配線が、貫通孔の端部で電気的に断線するという問題が生じ得る。この現象は、貫通電極などとガラス基板との熱膨張率の差によって生じる。
【0014】
図4は、従来の貫通孔付きガラス基板の部分断面図である。貫通孔付きガラス基板は、ガラス基板51に貫通孔53を形成してなり、第1の表面51aと、第2の表面51bと、第1の表面51aから第2の表面51bまで延在する貫通孔53とを有する。貫通孔53の壁面、第1の表面51a、および第2の表面51bには、導電性被覆61が設けられている。貫通孔53の壁面に形成される導電性被覆が貫通電極として機能する。また、第1の表面51aや第2の表面51bに形成される導電性被覆が配線として機能する。配線は、第1の表面51aや第2の表面51bの一部に形成されてよい。
【0015】
第1の表面51aと貫通孔53との角部52aや、第2の表面51bと貫通孔53との角部52bに、上術の導電性被覆61とガラス基板51との熱膨張差に起因する応力が集中する。その結果、角部52a、52bまたはその周辺を起点としたクラックが生じることがある。
【0016】
特に、半導体デバイスに対するさらなる微細化の要請のため、半導体デバイス貫通電極用のガラス基板における貫通孔の数密度(単位面積あたりの数)は、将来さらに増加するものと思われる。このような傾向が続くと、ガラス基板の強度がよりいっそう低下し、そのため、前述のような貫通孔の端部でのクラックの発生の問題は、より顕著になるおそれがある。
【0017】
本発明は、このような問題に鑑みなされたものであり、ガラス基板と導電性被覆との熱膨張差に起因する、貫通孔の端部でのクラックの発生を抑制できる、貫通孔付きガラス基板の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0018】
本発明の一態様による貫通孔付きガラス基板は、
第1の表面と、第2の表面と、前記第1の表面と前記第2の表面との間に形成される貫通孔とを有する貫通孔付きガラス基板であって、
前記ガラス基板の厚みが0.01mm〜1mmの範囲にあり、
前記貫通孔の平均直径Dと前記ガラス基板の厚みtとの比(D/t)が1/50〜1/5の範囲にあり、
前記貫通孔の両端部の壁面がそれぞれ湾曲形状の断面形状を有する。
【発明の効果】
【0019】
本発明によれば、ガラス基板と導電性被覆との熱膨張差に起因する、貫通孔の端部でのクラックの発生を抑制できる、貫通孔付きガラス基板を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】本発明の貫通孔付きガラス基板の一例を示す部分断面図である。
【図2】本発明の貫通電極付きガラス基板の一例を示す部分断面図である。
【図3】本発明の貫通孔付きガラス基板の製造方法の一例を示す模式図である。
【図4】従来の貫通電極付きガラス基板の一例を示す部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0021】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態について説明する。
【0022】
図1は、本発明の貫通孔付きガラス基板の一例を示す部分断面図である。図1に示すように、貫通孔付きガラス基板10は、ガラス基板11に貫通孔13を形成してなり、第1の表面11aと、第2の表面11bと、第1の表面11aから第2の表面11bまで延在する貫通孔13とを有する。第1の表面11aと、第2の表面11bとは、互いに平行な平面である。
【0023】
ガラス基板11の厚みは0.01mm〜1mmの範囲にある。ガラス基板11の厚みを1mm以下にすることにより、貫通孔13が短時間で形成できる。また、ガラス基板11の厚みを0.01mm以上にすることで、貫通孔13の形成時に破損などの問題が生じにくい。ガラス基板11の厚みは、0.02mm〜1mmであることがより好ましく、0.02mm〜0.7mmであることがさらに好ましく、0.05mm以上0.7mm以下であることが特に好ましい。
【0024】
貫通孔13は、板厚方向と垂直な断面視で円状に形成される。貫通孔13の直径は、図1に示すように、第1の表面11aから第2の表面11bにかけて、急激に小さくなった後、一定の比率で徐々に小さくなり、その後、急激に大きくなってよい。尚、貫通孔13の直径は、両端部を除き、第1および第2の表面11a、11bからの深さ位置に関係なく一定であってもよい。
【0025】
貫通孔13の平均直径Dとガラス基板11の厚みtとの比(D/t)が1/50〜1/5の範囲にある。D/tが1/50以上であると、ガラス基板11の厚みtに対して貫通孔13の平均直径Dが十分に大きく、貫通孔13の壁面に対する導電性ペーストの塗布が、第1および第2の表面11a、11bからの深さ位置に関係なく容易である。また、D/tが1/5以下であると、貫通孔13の直径が十分に小さく、ガラス基板と導電性被覆との貫通孔13を塞ぐ貫通電極をめっき法により短時間で緻密に形成できる。また、D/tが1/5以下であると、貫通孔13を塞ぐ貫通電極の体積が小さく、貫通電極とガラス基板との熱膨張差による影響が小さい。
【0026】
貫通孔13の両端部の壁面15a、15bは、それぞれリング状に形成され、湾曲形状の断面形状を有している。ここで、「湾曲形状」は、円弧状、楕円弧状、放物線状などを含む。また、「断面」とは、貫通孔13の周方向と直交する断面を意味する。貫通孔13の両端部の壁面15a、15bは、それぞれ、貫通孔13の周方向に沿って同じ断面形状を有してよい。貫通孔13の両端部の壁面15a、15bは、互いに異なる断面形状を有してもよい。
【0027】
貫通孔13の第1の表面11aとの境界部(つまり、貫通孔13の第1の表面11a側の端部)の壁面15aは、第2の表面11b側から第1の表面11a側に向けて凸の断面形状を有している。また、貫通孔13の第2の表面11bとの境界部(つまり、貫通孔13の第2の表面11b側の端部)の壁面15bは、第1の表面11a側から第2の表面11b側に向けて凸の断面形状を有している。
【0028】
貫通孔13の両端部の壁面15a、15bはそれぞれ断面視で0.5〜10μmの範囲の平均曲率半径を有してよい。平均曲率半径が0.5μm以上であると、貫通孔13の壁面に設けられる導電性被覆と、ガラス基板11との熱膨張差に起因する応力が貫通孔13の両端部に集中しにくい。また、平均曲率半径が10μm以下であると、隣り合う貫通孔13間のピッチが十分に広く、貫通孔13同士の間に配線を形成する領域を確保できる。
【0029】
図2は、本発明の貫通電極付きガラス基板の一例を示す部分断面図である。図2に示すように、貫通電極付きガラス基板20は、図1の貫通孔付きガラス基板10に導電性被覆21を設けてなる。
【0030】
導電性被覆21は、貫通孔13の壁面、並びに第1および第2の表面11a、11bに設けられてよい。貫通孔13の壁面に設けられた導電性被覆が貫通電極として機能する。貫通電極は、図2に示すようにガラス基板11を貫通していればよく、貫通孔13を完全に塞いでいなくてよい。一方、第1および第2の表面11a、11bに設けられた導電性被覆は配線として機能してよい。配線は、第1および第2の表面11a、11bの一部に設けられてよい。
【0031】
この貫通電極付きガラス基板20は、貫通孔13の両端部の壁面15a、15bがそれぞれ湾曲形状の断面形状を有しているので、ガラス基板11の熱膨張と導電性被覆21の熱膨張との差によって生じる応力を緩和でき、貫通孔13の両端部を起点としたクラックの発生を防止できる。
【0032】
貫通電極付きガラス基板20は、第1の表面11aに設けられた導電性被覆に積層される電極パッド23をさらに有してよい。
【0033】
尚、図2の電極パッド23は、第1の表面11aに設けられた導電性被覆に積層されるが、第2の表面11bに設けられた導電性被覆に積層されてもよく、また、両方の導電性被覆に積層されてもよい。
【0034】
貫通電極付きガラス基板20は、インターポーザとして用いられてよい。貫通孔電極付きガラス基板20に含まれる貫通孔付きガラス基板10は、下記の(1)〜(3)のような構成であることが好ましい。
【0035】
(1)ガラス基板11は、第1および第2の表面11a、11bから所定の深さで形成される化学強化層を有する。化学強化層の厚さは、例えば1μm〜30μmの範囲、好ましくは5μm〜25μmの範囲にあってよい。上記板厚のガラス基板11においては、化学強化処理を深くまで行うと、ガラス基板11全体がイオン交換され、表面圧縮応力が大きくならないため、化学強化層の厚さは25μm以下であることが好ましい。また、充分な化学強化処理の効果を得ることから、化学強化層の厚さは5μm以上であることが好ましい。
【0036】
化学強化層の表面圧縮応力が500MPa以上、特に650MPa以上であることが好ましい。これによって、充分な化学強化処理の効果が得られる。なお、ガラス基板の表面圧縮応力および化学強化層の厚さは、例えば、折原製作所社製表面応力計FSM−6000などの表面応力計により、容易に測定できる。
【0037】
(2)ガラス基板11のSiO濃度は、50質量%以上70質量%以下であることが好ましい。SiO含有量が70質量%より高いと、貫通孔形成時に、裏面にクラックが生成しやすくなる。ガラスのクラック発生挙動はSiO含有量の高いガラスと低いガラスで異なることが知られており、SiO含有量の高いガラスは物体との接触などにより、コーン形状のクラックが生成しやすい。一方、SiO含有量が50質量%より低いガラスは物体との接触などにより、割れが生成しやすい。従って、ガラス基板中のSiO含有量によって、割れやクラックが生成しにくくすることができる。SiO以外の成分については特に制限はなく、例えば、Al、MgO、CaO、NaO、KO、ZrO等を任意の量で、任意に組み合わせたものを使用することができる。
【0038】
(3)貫通孔13がガラス基板11に複数設けられ、第1の表面11aにおける貫通孔13の数密度(平均値)は0.1個/mm〜10,000個/mmの範囲である。数密度が10,000個/mmを超えると、ガラス基板11が割れやすい。数密度は、0.1個/mm〜1,000個/mmであることがより好ましく、0.5個/mm〜500個/mmであることがさらに好ましい。
【0039】
図3は、本発明の貫通孔付きガラス基板の製造方法の一例を示す模式図である。図3に示すガラス基板に貫通孔を設ける方法は、ガラス基板に対するレーザ光照射と電極間放電現象とを組み合わせたレーザ誘導式放電加工技術を用いた方法である。
【0040】
図3に示すように、レーザ誘導式放電加工装置100は、レーザ光源110と、高周波高電圧電源130と、直流高圧電源140と、切り替えユニット150と、一組の電極160A、160Bとを有する。
【0041】
レーザ光源110は、特に限定されないが、例えば1W〜100Wの出力を有する二酸化炭素レーザであり、ガラス基板180の表面に例えば10μm〜50μmの範囲の焦点スポットを形成してよい。
【0042】
一組の電極160A、160Bは、それぞれ、対応する導体162A、162Bと電気的に接続されている。一組の導体162A、162Bは、切り替えユニット150を介して、高周波高電圧電源130および直流高圧電源140と接続されている。
【0043】
切り替えユニット150は、導体162A、162Bの接続先を、高周波高電圧電源130/直流高圧電源140の間で切り替える役割を有する。
【0044】
このようなレーザ誘導式放電加工装置100を用いて貫通孔を形成する際には、ガラス基板180が、一組の電極160A、160Bの間に配置される。電極間距離は、通常の場合、1mm程度である。ガラス基板180を支持するステージ(図示されていない)を水平方向に移動させることにより、ガラス基板180と電極160A、160Bとの位置合わせが行われる。
【0045】
次に、レーザ光源110からガラス基板180にレーザ光113が照射される。ガラス基板180のレーザ光113が照射される部分では、ガラス基板180のレーザ光113が照射されない部分よりも、温度が上昇し、抵抗が低くなる。
【0046】
レーザ光113の照射後、短時間の内に、切り替えユニット150により、一組の導体162A、162Bが高周波高電圧電源130に接続され、一組の電極160A、160B間で、高周波高電圧の放電が生じる。放電は、抵抗の低い、レーザ光113の照射位置183において生じる。
【0047】
一組の電極160A、160B間での放電により、ガラス基板180におけるレーザ光113の照射位置183には大きなエネルギーが印加され、ガラス基板180が局部的に溶融する。溶融した部分では、絶縁破壊が生じ、電気が流れやすくなり、ジュール熱が生じやすくなる。
【0048】
次に、切り替えユニット150により一組の導体162A、162Bが直流高圧電源140に接続され、一組の電極160A、160B間に高直流電圧が印加される。そうすると、ガラス基板180の溶融した部分にさらに大きなエネルギーが印加され、ガラス基板180の溶融した部分が熱で除去される。このようにして、ガラス基板180におけるレーザ光113の照射位置に貫通孔185が形成される。貫通孔185は、レーザ光113の照射エネルギーや照射形状、放電電圧等の調整によって、所望の形状に調整可能である。
【0049】
貫通孔を形成する他の方法としては、例えば、レーザ加工やドリル加工によってガラス基板に貫通孔を形成した後に、フッ酸などの薬液処理により、貫通孔の両端部を断面湾曲形状に形成する方法などがある。
【0050】
以上、貫通孔付きガラス基板の実施例などを説明したが、本発明は上記実施例に限定されず、特許請求の範囲に記載された趣旨の範囲内で種々の変形、および改良が可能である。
【符号の説明】
【0051】
10 貫通孔付きガラス基板
11 ガラス基板
11a 第1の表面
11b 第2の表面
13 貫通孔
15a 貫通孔の第1の表面との境界部(貫通孔の第1の表面側の端部)の壁面
15b 貫通孔の第2の表面との境界部(貫通孔の第2の表面側の端部)の壁面
20 貫通電極付きガラス基板
21 導電性被覆
23 電極パッド
100 レーザ誘導式放電加工装置
110 レーザ光源
113 レーザ光
130 高周波高電圧電源
140 直流高圧電源
150 切り替えユニット
160A、160B 電極
162A、162B 導体
180 ガラス基板
183 ガラス基板におけるレーザ光の照射位置
185 貫通孔

【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1の表面と、第2の表面と、前記第1の表面と前記第2の表面との間に形成される貫通孔とを有する貫通孔付きガラス基板であって、
前記ガラス基板の厚みが0.01mm〜1mmの範囲にあり、
前記貫通孔の平均直径Dと前記ガラス基板の厚みtとの比(D/t)が1/50〜1/5の範囲にあり、
前記貫通孔の両端部の壁面がそれぞれ湾曲形状の断面形状を有する、貫通孔付きガラス基板。
【請求項2】
前記貫通孔の両端部の壁面はそれぞれ断面視で0.5μm〜10μmの範囲の平均曲率半径を有する、請求項1に記載の貫通孔付きガラス基板。
【請求項3】
前記貫通孔が前記ガラス基板に複数設けられていて、前記第1の表面における前記貫通孔の数密度は、0.1個/mm〜10,000個/mmの範囲である、請求項1又は2に記載の貫通孔付きガラス基板。
【請求項4】
前記ガラス基板が、SiOを50質量%〜70質量%の範囲で含有する請求項1〜3のいずれかに記載の貫通孔付きガラス基板。
【請求項5】
請求項1〜4のいずれかに記載の貫通孔付きガラス基板と、前記貫通孔の壁面に設けられた導電性被覆としての貫通電極とを有する、貫通電極付きガラス基板。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2013−102138(P2013−102138A)
【公開日】平成25年5月23日(2013.5.23)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−220713(P2012−220713)
【出願日】平成24年10月2日(2012.10.2)
【出願人】(000000044)旭硝子株式会社 (2,665)
【Fターム(参考)】