この記事で分かること

半導体パッケージ基板：露光工程

　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。

　前回はイミダゾール二量体系とアセトフェノン系の光重合開始剤に関する記事でしたが、今回はドライフィルムレジストの露光に関する記事となります。

露光工程とは何か

　半導体パッケージ基板（FC-BGA、FC-CSPなど）の製造におけるドライフィルムレジスト（DFR：Dry Film Resist）の露光工程とは、基板表面にラミネートされた感光性樹脂フィルムに対し、回路パターン（マスク情報またはCADデータ）を光（主に紫外線）によって焼き付け、化学変化（光重合・架橋反応）を引き起こすことによって、回路の潜像を形成するパターニング工程です。

1. 基本メカニズムとプロセス上の位置づけ

　パッケージ基板（ビルドアップ基板やコア基板）の配線形成（主にSAP法 / MSAP法などのセミアディティブ/モディファイド・セミアディティブ工法）において、露光工程は以下のフローの中で行われます。

1. フィルムラミネート:銅箔または下地絶縁層の表面に、熱と圧力でDFRを均一に密着させる。
2. 露光工程（本工程）:パターン状に紫外線を照射し、光が当たった部分のレジストを硬化（重合）させる。
3. 現像工程:現像液を用いて、光が当たらず未硬化のままだった部分のレジストを選択的に溶解・除去し、銅面を露出させる。
4. めっき・エッチング:露出した銅面に銅電解めっき等で回路を成長させた後、残った硬化レジストを剥離する。

　半導体パッケージ基板で一般的に使用されるDFRはネガ型であり、露光された部分が硬化してマスク（保護膜）として機能します。

2. 露光方式の主流：マスク露光からLDIへ

　微細化が進む半導体パッケージ基板分野では、露光方式のパラダイムシフトが起きています。

• 従来型（フォトマスク露光方式）:
  • ガラス等で作られた原版（フォトマスク）をレジストに密着または近接させ、一括で紫外線を照射する方式。
  • スループット（生産性）に優れる一方、微細化の限界や、マスクのコスト・管理、基板の伸縮による位置ズレが課題となります。
• 最先端（LDI：Laser Direct Imaging / レーザー直接描画方式）:
  • 現在の先端パッケージ基板（FC-BGA等）の主流。
  • 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（i線など）をダイレクトにDFRへ走査・照射して描画します。
  • 最大のメリット:基板の反り（ウォーページ）や熱伸縮、プロセスの歪みに合わせて、照射位置をデジタル補正（スケーリング補正）できるため、極めて高いアライメント精度（重ね合わせ精度）を実現できます。

3. 半導体パッケージ基板特有の要求仕様と技術的課題

プリント基板（PWB）向けの露光と比べ、半導体パッケージ基板向け（ICキャリア）の露光工程では、ナノ・マイクロレベルの非常にシビアな要求が課されます。

• 超微細解像度と高矩形性（サーフェス・プロファイル）:
  • 配線の微細化（Line/Spaceが10µm以下、さらには数µm台へ）に伴い、露光されたレジストの断面が地面に対して垂直（矩形性が高い状態）であることが求められます。裾野が広がったり、頭が削れたりすると、後工程の銅めっきやエッチングでショート・断線の原因になります。
• 高アスペクト比対応:
  • 厚みのあるレジスト（ファインパターンかつ厚膜）に対しても、底部まで確実に光を届けて硬化させる光学設計（平行光化や高深度焦点）が必要となります。
• レジスト材料との共進化:
  • LDIの短波長化や高感度化に対応するため、旭化成の「サンフォート™ ADP&DAシリーズ」などに代表されるように、高解像度・高密着性・高薬液耐性を兼ね備えた専用のドライフィルムレジストが最適化されています。

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　半導体パッケージ基板の露光工程は、単に「パターンを焼き付ける作業」にとどまらず、チップレットやAIアクセラレータなどの高密度化・多ピン化を支える「微細配線の命運を握るコアテクノロジー」です。

　現在では、基板の伸縮や反りに動的に追従できるLDI技術と、それに最適化された高解像度DFR材料の組み合わせが、先端パッケージの歩留まりを左右する心臓部となっています。

フォトマスク露光方式とは何か

　フォトマスク露光方式とは、回路パターンが描かれた原版（フォトマスク）を感光性樹脂（レジスト）の表面に密着または近接させ、上から一括して光（紫外線など）を照射することで、パターンを基板に転写する伝統的な露光手法です。

　プリント基板や半導体パッケージ基板の製造において、長年主流として用いられてきた技術です。

1. 基本的な仕組み

1. マスクの作成: 石英ガラスやガラス基板の上に、クロムなどの遮光膜で精密な回路パターンを描いた「フォトマスク（原版）」を作成します。
2. 密着・照射: レジストをラミネートした基板の上にフォトマスクを重ね合わせ、上方から紫外線を一括照射します。
3. パターンの転写: マスクの「光を通す部分」のレジストだけが感光し、回路の潜像が形成されます。

2. 主なメリット（長所）

• 圧倒的なスループット（生産性）:基板全体（または広範囲）に対して光を1回照射するだけで一括してパターンを焼き付けられるため、量産時のタクトタイムが極めて短いという最大の利点があります。
• 技術の成熟度:プロセスや装置のノウハウが蓄積されており、安定した製造基盤があります。

3. 主なデメリットと現代の課題（特にパッケージ基板において）

　微細化が進む最先端の半導体パッケージ基板（FC-BGAなど）では、以下の課題が顕在化し、LDI（レーザー直接描画）方式への置き換えが進んでいます。

• 基板の伸縮・反り（ウォーページ）への弱さ:多層基板の製造プロセスでは、熱やプレスによって基板自体が微かに伸縮・変形します。固定されたフォトマスクを使うこの方式では、基板の歪みに合わせてパターンを柔軟に追従・補正することが難しく、位置ズレ（アライメントエラー）の原因になります。
• マスクコストとリードタイム:回路設計を変更するたびに高価なフォトマスクを作り直す必要があるため、試作や多品種少量生産、頻繁な設計変更には不向きです。
• 微細化の限界:光の回折現象などにより、数マイクロメートル単位の超微細な配線や矩形性（垂直な断面）を維持するのが難しくなります。

フォトマスクにはどのような物質が使用されるのか

　半導体パッケージ基板やプリント基板のドライフィルムレジスト（DFR）露光に用いられるフォトマスクは、紫外線を「通す部分（基板）」と「遮る部分（遮光膜）」の組み合わせで構成されています。

1. 基板（光を透過させる部分）の材質

　露光光源（水銀ランプのi線やg線などの紫外線）を効率よく透過させ、熱による変形が少ない素材が選ばれます。

• 合成石英ガラス（Synthetic Quartz Glass）
  • 特徴:紫外線の透過率が極めて高く、温度変化による伸縮（熱膨張）がほとんど起きません。
  • 用途: 微細化が求められる最先端の半導体パッケージ基板（FC-BGAなど）向けの主流。
• ソーダライムガラス（Soda-Lime Glass）
  • 特徴: 石英に比べてコストパフォーマンスに優れています。
  • 用途:超微細化を求められない一般的なプリント基板（PWB）用などに使用されます。
• ポリエステルフィルム（PETなど）
  • 特徴: 柔軟性があり非常に安価です。
  • 用途: ガラスではなく「フィルム状のマスク」として、簡易的な試作や比較的ラフなパターンの露光に用いられることがあります。

2. 遮光膜（パターンを形成する部分）の材質

　基板上にコーティングされ、光を完全に遮断して回路パターンを描き出すための物質です。

• クロム（Chromium / Cr）薄膜
  • 特徴:ガラス基板の上に数十ナノメートル程度の厚みでスパッタ等により成膜される、ハードマスクの標準材料です。耐久性とエッジのシャープさに優れ、微細なパターンを忠実に再現できます。
  • 用途: 高精度なガラス製フォトマスク（先端パッケージ基板や高密度配線板向け）。
• 銀塩（乳剤 / エマルジョン）
  • 特徴:写真のフィルムと同様の感光・現像原理を利用して光を遮ります。
  • 用途: フィルムマスク（銀塩フィルム）の遮光部として使用されます。コストを抑えられますが、クロムマスクに比べると微細解像度や耐久性は劣ります。

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　最先端の半導体パッケージ基板の製造現場では、高精度なパターニングを実現するため、歪みの少ない「合成石英ガラス」を基板に使い、その上にシャープな線を形成できる「クロム薄膜」を載せたフォトマスクが主に採用されています。