この記事で分かること

半導体パッケージ基板：Laser Direct Imaging方式による露光

　パッケージ基板とは、半導体チップ（ダイ）を載せ、マザーボードなどのメイン基板に接続するための中継基板のことです。半導体チップは非常に微細な端子を持ち、そのまま一般的なプリント基板（PCB）に直接実装することは極めて困難です。

　そこでチップとマザーボードの間に介在し、電気信号を橋渡しする役割を持つのがパッケージ基板です。

　従来の半導体の微細化による性能向上が限界に近づく中、半導体の先端パッケージング技術であるビルドアップ多層構造による高密度・微細配線が求められ、半導体性能向上の新たな競争軸となっています。

　前回はドライフィルムレジストの露光に関する記事でしたが、今回はLaser Direct Imaging方式に関する記事となります。

Laser Direct Imaging方式の特徴は何か

　LDI（Laser Direct Imaging：レーザー直接描画方式）とは、フォトマスクを使用せず、CADデータを基に高出力のUVレーザービームを感光性樹脂（DFRなど）に直接走査・照射して回路パターンを描画する最先端の露光技術です。

　半導体パッケージ基板や高密度プリント基板の製造において、従来のマスク露光に代わる主流の方式となっています。

1. 主な特徴・メリット

• フォトマスクが不要（マスクレス）: 原版となるフォトマスクを作製・維持するコストや時間がかかりません。回路の設計変更があった場合も、CADデータを書き換えるだけで即座に対応できるため、試作や多品種少量生産、短納期対応に圧倒的な強みを持ちます。
• 基板の伸縮・反りへの動的補正（スケーリング補正）: 多層基板のプレス工程などでは、熱や圧力によって基板自体が微細に伸縮・変形（ウォーページ）します。LDIは、基板の実際の歪み状態をカメラ等で認識し、レーザーの照射位置やパターンサイズをデジタル的に伸縮・補正しながら描画できるため、極めて高い重ね合わせ精度（アライメント）を実現します。
• 超微細配線への対応: レーザーを極小のスポットに絞り込んで照射できるため、先端パッケージ基板に求められる数マイクロメートル単位のファインパターン（Line/Space）や、垂直性の高いレジスト断面（矩形性）を高精度に形成できます。

2. デメリット・課題

• スループット（生産性能）の課題: 一括で光を照射するマスク露光に比べ、レーザーを「走査（スキャン）」して描画していくため、大面積の基板を大量生産する際のタクトタイム（処理時間）が長くなる傾向があります（※近年はマルチビーム化や高出力化により高速化が進んでいます）。
• 設備投資コスト: 高精度な光学系や高速スキャン機構を備える露光装置本体が高価です。

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　LDI方式は、従来の「マスクで一括転写する」発想から、「デジタルデータに合わせてレーザーを賢く当てていく」発想への転換です。

　特に、反りや伸縮が避けられない最先端の半導体パッケージ基板（FC-BGAなど）において、歩留まりを確保しながら超微細化を達成するための心臓部技術となっています。

なぜLaser Direct Imagingでも微細化可能になったのか

　Laser Direct Imaging（LDI）が、従来のマスク露光の限界を超えて数マイクロメートル（µm）以下の超微細化（ファインパターン化）を可能にした理由は、主に「光学的な高集光・回折の回避」と「デジタルによる歪み補正（アライメントの極限追求）」という2つの側面にあります。

1. 光学的な要因：回折限界の回避と微小スポット制御

• マスク端での回折現象がない: フォトマスク露光では、マスクのクロムパターン端を光が通過する際に「回折（光が回り込む現象）」が発生し、光の境界がぼやけてレジストの断面（矩形性）が崩れる原因になります。LDIはマスクを使用せず、レンズで極限まで絞り込んだレーザービームを直接照射するため、回折による像の劣化を最小限に抑えられます。
• 高エネルギー密度のシャープなビーム: 高出力なUVレーザー（355nm帯のDPSSレーザーや半導体レーザーなど）をガウス分布や整形されたビームプロファイルで照射するため、狙った微小領域（スポット径数µm〜サブµm）だけに的確に光化学反応を起こさせ、エッジの立ったシャープなレジストパターン（高矩形性）を形成できます。

2. プロセス上の要因：基板の変形に対する「動的スケーリング補正」

　微細化（L/S 10µm以下など）において、パターン幅そのものを細くすること以上に難しいのが「重ね合わせ精度（アライメント）」です。

• 基板の伸縮・反りへのリアルタイム追従: 多層基板のプレスや熱履歴の過程で、基板自体はミクロン単位で伸縮・歪みます。固定されたフォトマスクを使う従来方式では、基板全体が伸び縮みしていると外周部で位置ズレ（位置ずれエラー）が起きるため、パターンの微細化に限界がありました。
• LDIのデジタル補正: LDIは露光直前にカメラで基板上のアライメントマークを認識し、基板が「どこに、どれだけ伸び縮み・変形しているか」をミリ秒単位で測定します。その歪みデータに合わせて、CADデータの描画位置や照射スケーリングをその場でリアルタイムにデジタル補正（変形させて描画）します。これにより、基板が歪んでいても狙った位置にズレなく微細配線を焼き付けることが可能になりました。

3. 光学系と描画エンジンの進化（マルチビーム化等）

　初期のLDIは「描画速度（スループット）が遅い」という致命的な弱点がありましたが、以下のような技術革新により、微細化と生産性を両立できるようになりました。

• 高密度マルチビーム / DMD（デジタル・マイクロミラー・デバイス）の活用: 数千〜数万のレーザービームやミラーを同時に制御して並列描画する技術が確立され、微細なスポットを維持したまま生産スピードが飛躍的に向上しました。

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　LDIが微細化を実現できた本質は、単に「細いレーザー光を当てられる」からだけではなく、「光学的シャープさ（回折のない描画）」と、「基板の伸縮をデジタルの力で完全に相殺する動的アライメント技術」を融合させたことにあります。

　これにより、反りやすい有機基板を用いる最先端の半導体パッケージ（FC-BGA等）でも、高歩留まりな微細配線形成が可能になりました。

マスク式とダイレクト式でのドライフィルムレジストの違い

　同じ感光性フィルムに見えますが、「感光させる光の特性」と「求められる反応速度」が根本的に異なるため、マスク式とダイレクト式で化学組成が専用にチューニングされています。

1. 感光波長（分光感度）の違い

• マスク露光用DFR:
  • 主に水銀ランプ（超高圧水銀灯）を光源とするため、g線（436nm）、h線（405nm）、i線（365nm）などの広波長帯（ブロードバンド光）、あるいはi線（365nm）に最適化されています。
• LDI用DFR:
  • 高出力の単一波長レーザー（主に355nmのUV-YAGレーザーや、405nm付近の半導体レーザー）を光源とするため、その特定のレーザー波長（355nmや405nm）だけに高い感度を持つ専用の光重合開始剤がブレンドされています。

2. 感度（感光スピード）の違い

• マスク露光用DFR:
  • 面全体に紫外線を一括照射するため、レジスト側の感度は中程度〜標準的で問題ありません（照射時間を調整できるため）。
• LDI用DFR:
  • 小さなレーザービームを高速で走査（スキャン）して描画するため、レーザーが一瞬通過するわずかな時間（ミリ秒・マイクロ秒単位）で化学反応（光重合）を完了させる必要があります。そのため、非常に感度が高い（高感度な）レジストでなければスループット（生産性）が維持できません。

3. 酸素阻害への耐性と解像性（高アスペクト比）

• LDI用DFR:
  • 高感度化すると、空気中の酸素によって重合反応が阻害される「酸素阻害」の影響を受けやすくなります。そのため、LDI用フィルムは、薄膜でも高解像度（L/S 10µm以下など）かつ垂直なパターン断面（高矩形性）を保てるよう、ポリマー骨格や架橋剤の分子設計が工夫されています。

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　露光装置のメーカーや仕様（355nmレーザーか、405nmレーザーか、水銀ランプか）に合わせて、レジストメーカー（旭化成、昭和電工マテリアルズ（現レゾナック）など）は「LDI（355nm）専用」「LDI（405nm）専用」「従来マスク露光用」といった形でラインナップを明確に分けて製造・販売しています。