JP2006165508A - 多層配線基板及び基板製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 多層基板の層間接続の信頼性を向上させる。
【解決手段】 まず、熱可塑性樹脂からなる基材１１に、金属製の導体パターン１２を複数層形成する。次に、ビアホール１３内に、銅を含む高融点金属２２と、スズを含む低融点金属２３と、基材の熱融着温度にて溶融するバインダ樹脂２４とを充填する。続いて、低融点金属２３の融点より高い温度で加熱及び所定の圧力で加圧して、導体パターン１２のビアの開口部の表面部分と低融点金属２３との合金層２７を形成するとともに、高融点金属２２と低融点金属２３は、この両金属の半溶融金属混合物２６と溶融したバインダ樹脂２４と、相分離を経由しながら合金化し、柱状の層間接続部を形成する。このような熱処理をした結果、多層配線基板には、柱状の層間接続部の外側面とビアホール１３の内側面との間に、バインダ樹脂２４で形成された中間層が形成される。
【選択図】 図４

Description

本発明は、熱可塑性樹脂からなる基材に金属製の導体パターンが複数層形成された多層配線基板、及び、多層配線基板を製造する基板製造方法に関するものである。

携帯電話やデジタルスチルカメラ等の携帯用電子機器が普及する中で、部品の超微細化とともに高密度化のためのファインパターン化やビアホールの微小化を目的としたビルドアップ基板が市場に台頭している。しかし、ビルドアップ基板は、各層を順次に形成して積み上げていく、いわゆるシーケンシャル多層配線技術によるものであり、基板製造工程を複雑にしている。

そこで、グリーンシートを用いたセラミック多層基板のように、あらかじめ各層ごとにビアホールや配線パターンを形成しておき、それらを位置あわせして一括積層する方法が有機材料でも検討されつつある。

この有機材料基材として熱可塑性樹脂は非常に有用である。熱可塑性樹脂の配線基板は、一般的なガラエポの如きガラス繊維強化熱硬化性樹脂基材のように基材に含まれる空隙（ボイド）抜きや樹脂硬化のために長時間真空熱プレスする必要がなく、基材を熱融着させ、短時間に一括して積層一体化することができるため簡便に多層化ができ、また、誘電率などの高周波特性が優れていた基材を採用できる等の利点があるからである。

また、一括多層基板の配線同士の層間接続に応用できる技術として、ビアホールに金属ペーストを充填して導通を得ようとするものがある。例えば、特許文献１に開示された技術である。特許文献１の技術では、配線パターンが形成された熱可塑性樹脂基材に設けられたビアホール内に、導体パターンを形成する金属と合金化する低融点金属であるスズと、層間接続時の加熱温度より高い融点を有する高融点金属である銀粉末とを充填し、加熱と加圧により導体パターンを形成する金属と、焼結により形成された導電性組成物中のスズとの合金層を介し、導体パターン間相互を導電性組成物により電気的接続を行うものである。

この接続方法では導体パターン相互の電気的接続が接続導通により行われることはないので、層間接続抵抗値は変化しにくいため層間接続の信頼性低下を防止できる。

合金化した場合、図７の模式図に示すように、基材１００のビアホール内に充填された低融点金属粒子１０１が溶融する温度で加熱し、高融点金属粒子１０２の界面から順次に溶融した低融点金属と合金化させてゆく。そして、低融点金属が高融点金属粒子１０２と合金化すると、金属粒子間に合金（金属間化合物）１０３を形成する。いわゆる焼結がおこる。この時の金属配線パターン１０４と合金１０３との接続部界面には、配線パターンと低融点金属の合金（金属間化合物）層１０５が形成されており、層間の金属配線パターン１０４同士が連結される。

これらの合金１０３，１０５は高融点であるため、はんだ付けに必要な２５０℃以上の高温が加わった場合でも、導電性組成物が融解せずに、強度を保つことができる。例えば、特許文献１の場合では、高融点金属が銀（融点：９６１℃）、低融点金属がスズ（融点：２３２℃）であった場合、融点が４８０℃の銀とスズとの合金となり、高融点化する。この合金（金属間化合物）１０３，１０５により、後工程でのはんだ接続時の熱処理プロセスに耐えられる強度を十分に確保できる。

特許３４７３６０１号公報

しかし、上記の接続メカニズムでは、焼結による導電性組成物形成時に、下記の問題が生じるおそれがある。

図８に示すように、低融点金属粒子１０１は、高融点金属粒子１０２の表面に濡れ広がって合金（金属間化合物）１０３を形成する。高融点金属粒子１０２は、低融点金属粒子１０１の融点温度ではビア内でほとんど動かず、溶融した低融点金属粒子１０１が高融点金属粒子１０２表面に移動することになるため、溶融前に比べてビアホール内のところどころに、加熱前に金属粒子間に存在していた空隙がまとまって鬆やさらに大きな空隙が発生するおそれがある。特に、低融点金属粒子１０１の融点以上の温度では、プレス時の加圧によりビア空隙を圧縮除去しようとしても金属粒子同士１０１，１０２が接し合っているために接続点から急速に合金化が進行してしまう。この生成した合金（金属間化合物）１０３は融点が基材１００の融着温度よりもはるかに高いため合金１０３を再溶融して圧縮することができず、ビア金属内に空隙を残したままになってしまう。このような場合、さらに圧縮を続けると空隙部位で接続部位自体が座屈し、接続時に支障が出るおそれもある。

また、この生成した合金が基材融着後の高さよりも高い場合は、導体パターンが基材にめり込むことができないため、ビア柱となって基材融着を阻害し、この状態で加圧し続けた場合、ビア近傍パターンを破断し、クラックを生じさせるおそれがある。

これを防ぐために、低融点金属の融点以下から徐々に加熱圧縮しながら合金化させていく必要があるが、この作業は時間がかかり、短時間に融着積層が可能な熱可塑性樹脂基材の利点を生かすことができず、生産性の低下からコスト高になってしまう。

また、焼結では合金内の空隙を少なくするために金属の微粉化も必要とされる。しかし、微粉になるほど充填密度が高くなり圧縮時の粒子間の摩擦が大きくなるため、ビアの各部まで均一な成形圧力を付加できにくくなり、ビア合金が均一に合金化しにくくなったり金属配線パターンと低融点金属との合金形成が不十分になったりする。この現象はビアホールの径が小さくなるほど顕著になり、高密度基板作製には不利になってしまう。

本発明は、このような課題を解決し、熱可塑性樹脂からなる基材に、金属製の導体パターンが複数層形成された多層配線基板及び多層配線基板の製造方法において、層間の接続の信頼性を向上させることを目的とする。

本発明に係る多層配線基板は、熱可塑性樹脂からなる絶縁基材に、金属の導体パターンが複数層形成された多層配線基板であって、基材の融着温度よりも高融点の少なくとも銅を含む金属と、導体パターンと合金化でき、基材の融着温度よりも低融点の少なくともスズを含む金属と、基材の融着温度以下で融解するバインダ樹脂とが、基材に形成されたビアホール中に充填され、ビアホールの上下の開口部に導体パターンが形成された後、基材の融着温度で加熱及び所定の圧力で加圧され、液化した低融点金属と溶融したバインダ樹脂とが相分離を経由して、導体パターンのビアの開口部の表面部分と低融点金属とが合金化されるとともに、低融点金属と高融点金属とが合金化されることにより、導体パターンの層間の電気的な導通が図られている。

また、本発明に係る多層配線基板を製造する基板製造方法は、基材の融着温度よりも高融点の少なくとも銅を含む金属と、導体パターンと合金化でき、基材の融着温度よりも低融点の少なくともスズを含む金属と、基材の融着温度以下で融解するバインダ樹脂とを基材に形成されたビアホール中に充填する第１の工程と、ビアホールの上下の開口部に導体パターンを形成後、基材の融着温度で加熱及び所定の圧力で加圧して、液化した低融点金属と溶融したバインダ樹脂とが相分離を経由して、導体パターンのビアの開口部の表面部分と低融点金属とを合金化させるとともに、低融点金属と高融点金属とを合金化させることにより、導体パターンの層間の電気的な導通を図る第２の工程とを有する。

また、本発明に係る多層配線基板は、熱可塑性樹脂からなる絶縁基材に、金属の導体パターンが複数層形成され、基材を貫通するビアホールにより層間の導体パターンの接続がされた多層配線基板であって、ビアホール内に形成された少なくともスズと銅との合金を含む金属が、ビアホールの上下の開口部の導体パターン同士を接続しており、その層間接続金属の外周部とビアホール内側面との間にバインダ樹脂層が形成されている。

本発明に係る多層配線基板は、バインダ樹脂の存在により、低融点金属の融点以上であっても加圧していないときには低融点金属と高融点金属とが直接触れ合わないため合金化せず、基材融着の温度に達した時点において加圧するだけでバインダ樹脂が流動し、液化した低融点金属と高融点金属とが接触する。しかし、この時点でも、溶融したバインダ樹脂の存在により液化した低融点金属も高融点金属もビア内で流動することができ、高融点の合金が形成されるまで、液化した低融点金属と高融点金属とが局所的に混ざった半溶融状態の金属混合物の液滴となる。この液滴は溶融したバインダ樹脂中で水に懸濁している油滴が凝集し相分離するが如く、溶融したバインダ樹脂と相分離しながら、液滴同士で融合していく。また、この金属混合物の液滴は、導体パターンと合金化するスズを含んでいるため、濡れ易い基材上下の導体パターンの周辺に集まって融合していき、この時点で、金属混合物の液滴は、上下の導体パターンと合金層を形成し接続しながら柱形状となる。また、バインダ樹脂は、柱形状となった半溶融金属混合物の外側面と、ビアホールの内側面との間に位置するようになる。そして、十分な期間、加熱及び加圧を継続した後、この加熱及び加圧を停止して常温状圧の状態に戻す。

この結果、ビアホール内で柱形状となった半溶融金属混合物は合金化が進み、銅とスズとの合金Ｃｕ_６Ｓｎ_５（融点：約６３０℃）を含んだ高融点化した層間接続部となる。層間接続部は、上下の導体パターンと合金化して接合している。この結果、基材の上面及び下面の導体パターン同士が電気的に接続され層間接続が図られる。さらに、層間接続部の外側面とビアホールの内側面との間には、バインダ樹脂が固体化して存在することにより中間層が形成されている。

本発明に係る多層配線基板は、この溶融した低融点金属と溶融したバインダ樹脂との液−液相分離を経由することで、短時間の合金化でも合金内に鬆ができる等の前述のような問題が生じない。

また、金属粒子が微粉である場合でもバインダ樹脂が粒子間の潤滑剤の役割を果たすことが可能となり、粘土の如く塑性を有した状態となり、ビア全体に均一に圧力がかかり、ビア内の低融点金属と高融点金属が均等に接触することによりビアホール内の合金が均一化する。

本発明では、熱可塑性樹脂基材上に金属性の配線パターンを形成しておき、少なくとも銅（融点：１０８３℃）を含む金属である高融点金属と、配線パターンそして高融点金属の両方と合金を形成することができるスズ又はスズを含む合金である低融点金属と、低融点金属粒子の周囲に存在させた、基材の融着温度にて溶融するバインダ樹脂とを、基材に形成されたビアホール中に充填し、ビアホールの上下の開口部に導体パターンを形成後、低融点金属の融点以上である基材融着温度で加熱及び所定の圧力で加圧する。

液化した低融点金属と溶融したバインダ樹脂とが液−液層分離を経由して、導体パターンのビアの開口部の表面部分と低融点金属とを合金化させるとともに低融点金属と高融点金属とを合金化させることにより、基材の両面に形成された導体パターンの電気的な導通を図ることができる。

また、バインダ樹脂が、上述したようにビアホール内の合金を均一化することにより、接続安定性が高い多層配線基板が得られる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

多層配線基板の構成
図１は、本発明が適用された多層配線基板１０の断面を模式的に表した図である。

本発明が適用された多層配線基板１０は、図１に示すように、基材１１と、当該基材１１の両面（上面及び下面）に形成された金属製の導体パターン１２（１２ａ，１２ｂ）とを備えている。基材１１には、上面から下面に貫通する孔であるビアホール１３が形成されている。ビアホール１３内には、層間接続部１４が形成されている。ビアホール１３は、その開口が導体パターン１２により塞がれている。層間接続部１４は、基材１１の両面の導体パターン１２（１２ａ，１２ｂ）に接合しており、両者を電気的に接続し、層間の導通を図っている。

基材１１は、当該多層配線基板１０に対して部品をはんだづけする工程において必要な耐熱性を有するとともに、十分な機械強度を有する熱可塑性樹脂フィルムである。基材１１は、例えば、全芳香族ポリエステル樹脂の液晶ポリマーである。なお、熱可塑性樹脂フィルムとして、液晶ポリマー以外に、以下の１又は複数を用いても良い。また、充填材等の添加物を必要に応じて添加しても良い。

結晶性樹脂：ポリアセタール（ＰＯＭ：融点１６５℃），ポリアミド（ＰＡ：融点２６５℃），ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ：融点２２８℃），ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ：融点２７８℃），ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ：融点３３４℃）
非結晶性樹脂：熱可塑性ポリイミド（ＰＩ），変形ポリフェニレンエーテル（ｍ−ＰＰＥ），ポリアミドイミド（ＰＡＩ），ポリエーテルイミド（ＰＥＩ），ポリアリレート（ＰＡＲ），ポリスルホン（ＰＳＦ），ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）
導体パターン１２は、抵抗値が低くスズと合金化する金属である。例えば、コストの面から、銅もしくは銅に防錆処理を施した一般的な基板用銅箔が望ましい。

層間接続部１４は、少なくとも銅とスズとを含む合金である。銅とスズとの合金Ｃｕ_６Ｓｎ_５（融点：約６３０℃）を含んでいるため高融点化し、はんだ実装時のリフローに耐えうる合金となっている。

さらに、多層配線基板１０は、ビアホール１３の内側面の周囲部分、すなわち、層間接続部１４の外側面とビアホール１３の内側面との間に、基材融着温度にて溶融する樹脂から構成された中間層１５が形成されている。

本発明が適用された多層配線基板１０は、基材１１が複数枚であってもよい。多層配線基板１０は、例えば、図２に示すように、複数の基材１１（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）が積層されているとともに、各基材１１の間並びに表面及び裏面に形成された金属製の導体パターン１２（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ）が積層されている。各基材１１（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）には、ビアホール１３（１３ａ，１３ｂ，１３ｃ）が形成されており、ビアホール１３（１３ａ，１３ｂ，１３ｃ）内には、導体パターン１２同士を電気的に接続する層間接続部１４が形成されているとともに、層間接続部１４の外周囲に中間層１５が設けられている。

製造プロセス
以上のような多層配線基板１０の製造プロセスについて説明をする。

図３は、多層配線基板１０を製造する際の各工程の処理内容を説明した図である。

まず、第１の工程（Ｓ１１）では、導体パターン１２となる片面又は両面が粗化された銅箔と、基材１１となる絶縁性の熱可塑性樹脂フィルムとを準備する。

本例では、基材１１は、厚さが２５μｍ乃至２００μｍの全芳香族ポリエステル系の液晶ポリマー（ＬＣＰ）である。ただし、熱可塑性樹脂フィルムは、加熱プレスにより融着が可能であり、部品をはんだ付けする工程等に必要な耐熱性を有し、十分な機械的強度を有する必要がある。

続いて、第２の工程（Ｓ１２）では、基材１１である熱可塑性樹脂フィルムの一方の表面に、導体パターン１２となる金属箔を、熱融着や接続等により貼り付ける。本例では、導体パターン１２となる金属箔として銅箔を用いた。

続いて、第３の工程（Ｓ１３）では、貼り付けた金属箔をエッチングすることにより導体パターン１２を形成する。

続いて、第４の工程（Ｓ１４）では、導体パターン１２が貼り付けられていない側の表面から、基材１１となる熱可塑性樹脂フィルムに対して炭酸ガスレーザを照射し、ビアホール１３を形成する。このとき、導体パターン１２には孔を形成せず、熱可塑性樹脂フィルムのみ削る。このため、導体パターン１２が底となった有底の状態となる。なお、炭酸ガスレーザ以外にＵＶ−ＹＡＧレーザ、エキシマレーザなどのレーザ光を用いてもよい。また、必要であれば、有底のビアホール１３を形成後、底面をデスミア処理してもよい。デスミア処理についてはケミカルデスミアでもプラズマやエキシマレーザなどの物理デスミアでもよい。

続いて、第５の工程（Ｓ１５）では、基材１１に形成された有底のビアホール１３に、ビア充填材２１を充填する。

ここで、ビア充填材２１を構成する材料は、高融点金属と、低融点金属と、バインダ樹脂又はバインダ樹脂の前駆体とが混合されたものである。

高融点金属は、少なくとも銅を含み、融点が熱可塑性樹脂である基材１１の融着温度よりも高い金属の粒子状のものである。具体的には、銅単体の粒子、又は銅と金、銀、亜鉛、及びニッケルの内１つ以上の金属とを含む合金の粒子である。また、これら金属粒子の表面は、金、銀、亜鉛、又はニッケルがめっき等により被覆されていてもよい。このめっきには、金、銀、亜鉛、及びニッケルのいずれの合金めっきを含んでもよい。本例では、高融点金属として、金属粒子の平均粒径が８μｍである銅粉を使用した。

低融点金属は、スズ、又はスズを含む合金（例えば、はんだ）の粒子である。はんだとしては、スズ−銅系はんだ、スズ−銀系はんだ、スズ−銀−銅系はんだ、これらにインジウム、亜鉛、ビスマスのいずれか一つ以上を添加したはんだのうち、一種以上を混合して用いることが可能である。本例では、平均粒径が８μｍであるスズ粉を使用した。なお、低融点金属は、本例の場合、粒子状であるが、ビア充填材２１に平均的に混合されれば粒子状でなくても良い。

低融点金属は、融点が熱可塑性樹脂である基材１１の融着温度よりも低く、導体パターン１２及び高融点金属粒子と合金化する。なお、導体パターン１２は、この低融点金属と濡れ性が高い金属が望ましい。本例では、導体パターン１２として、液化したスズと濡れ性が高く、合金化が可能な銅を用いている。

バインダ樹脂は、溶融する温度が基材１１の融着温度より低い熱可塑性を有する樹脂である。また、溶融した低融点金属との相分離の際に、液体として挙動する樹脂である。ここで示す熱可塑性とは特有の温度を通じて加熱による軟化及び冷却による固化を可逆的に行えるものである。このようなバインダ樹脂としての性能を満たす樹脂として、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアクリル、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルフィド、ポリビニルブチラールなどの典型的な熱可塑性樹脂はもちろんであるが、エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂、グアナミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アルキッド樹脂、ジアリルフタレート樹脂等の熱硬化性樹脂など一般的に不融性といわれているものであっても、熱硬化反応終了後に基材融着温度にて流動性を有し、融解した低融点金属と液−液の相分離ができるものであればバインダ樹脂になりうる。例えば、架橋度を低くコントロールし、熱可塑性を有したものであればバインダ樹脂として使用可能である。バインダ樹脂は、有機溶剤や反応性希釈剤に溶かしてペースト状態であっても、金属粒子にコーティングしてあっても、金属粒子同士を直接接触させることができないようになっていれば微粒子状であってもよい。

また、バインダ樹脂は、基材融着する時点で熱可塑性の樹脂となっていればよいため、ビアホール充填時には樹脂の前駆体、すなわち、前述した樹脂のモノマーや反応性オリゴマー、プレポリマーでもよい。但し、その場合は基材融着の前に熱処理などで樹脂化を完了させる工程を経て樹脂化しておく必要がある。前駆体は熱により重合や架橋の反応が起こり、液粘度が不安定になったり、また、低分子であるため、揮発して気泡が発生したりするなどして、低融点金属との相分離に不具合を生じるためである。したがって樹脂のように安定したものを用いて相分離を経由することが重要である。

本例では、バインダ樹脂としてポリエステル樹脂を用いた。液化したポリエステル樹脂は、基材１１として使用したＬＣＰ（全芳香族ポリエステル系液晶ポリマー）との間で濡れ性が高く、そのため密着性も高い。これは、ポリエステルという同系統のポリマーであり、親和性が高いためである。また、固体化した際に弾性率がＬＣＰよりも低い。バインダ樹脂は、固体化している状態で、弾性率が基材１１よりも十分低いものが望ましい。この理由については、詳細を後述する。

本例では、ビア充填材２１は、バインダ樹脂を有機溶剤であるブチルカルビトールに溶解し、高融点金属（銅）粒子及び低融点金属（スズ）粒子を混ぜてペースト状にし、開口部を有底のビアホールに位置あわせしたメタルマスクを用いて、ビアホール１３の内部に印刷充填する。充填後は有機溶剤を乾燥する工程を加えた。ビアホール１３内へのペースト状の充填は、確実にできるのであれば、ディスペンサ等を用いる方法でも可能である。また、ビア充填材２１は、粉体のバインダ樹脂を有機溶剤に分散させ、そこに高融点金属（銅）粒子及び低融点金属（スズ）粒子を混ぜたサスペンションでも良い。

また、ビアホール１３の内部に対してビア充填材２１を充填する前に、導体パターン１２のビアホール１３に面する部位に対してソフトエッチングを行ったり、還元処理等してもよい。これらを行うことにより、導体パターン１２の酸化物を除去し、後述する合金層の形成が一層良好に行われる。

続いて、第６の工程（Ｓ１６）では、片側の表面にのみ導体パターン１２が形成された基材１１を、複数枚（本例では、４枚であるが、この枚数に限られない。）積層して、基材１１と基材１１との間に導体パターン１２が形成されるように、多層配線構造を形成する。さらに、各基材１１のビアホール１３に開口部分があれば、さらに導体パターン１２を成膜してエッチングする。

続いて、第７の工程（Ｓ１７）では、真空加熱プレス機により、多層化した配線基板１０に対して上下両面から加圧するとともに加熱をする。これにより、ビアホール１３内の銅粒子及び低融点金属が溶融し、溶融した低融点金属が銅粒子と合金化するとともに、溶融した低融点金属が導体パターン１２の接触面とも合金化して、層間接続が行われる。

この第７の工程（Ｓ１７）の層間接続のメカニズムは、以下の通りである。

まず、図４（Ａ）に示すように、ビアホール１３内に、ビア充填材２１が充填された状態から、加熱するとともに、多層化した配線基板１０に対して上下両面から加圧する。

加熱温度は、低融点金属２３の融点以上で、且つ熱可塑性樹脂の基材１１の融着可能な温度で加熱する。本例では、基材１１に液晶ポリマーを使用し、加熱温度は３１０℃であった。この温度では、低融点金属２３は融点（スズ：２３２℃）以上であって、すでに液化しており、バインダ樹脂２４（ポリエステル樹脂）は溶融している。

バインダ樹脂２４は、溶融しているものの液化した低融点金属２３と高融点金属２２との接触を制御し合金化を防いでいる。このような状態でプレスにて所定の圧力で加圧すると、導体パターン１２が基材にめり込みビア内の空間が狭まることにより、液化した低融点金属２３と高融点金属２２とが接触する。しかし、この時点でも溶融したバインダ樹脂２４の存在により液化した低融点金属２３も高融点金属２２も、ビア内で流動することができ、高融点の合金が形成されるまで、液化した低融点金属２３と高融点金属２２とが局所的に混ざった半溶融状態の金属混合物液滴２６となる。すなわち、金属混合物液滴２６は、溶融したバインダ樹脂２４中で、水に懸濁している油滴が凝集し相分離するが如く、液滴同士融合しつつ、溶融したバインダ樹脂と相分離していく。

図４（Ｂ）に示すように、この金属混合物液滴２６は、導体パターン１２と合金化する低融点金属２３を含んでいるため、濡れ易い基材上下の導体パターン１２の周辺に集まって融合していく。

図４（Ｃ）に示すように、導体パターンとの合金層２７が形成され、溶融したバインダ樹脂２４は、ビアホール中の半溶融金属混合物２６の柱と基材１１の間に集まってくる。

図４（Ｄ）に示すように、半溶融金属混合物２６は、上下の導体パターン１２を接続するように柱形状となる。また、バインダ樹脂２４は、柱形状となった半溶融金属混合物２６の外側面と、ビアホール１３の内側面との間に位置するようになる。そして、十分な時間、加熱及び加圧を継続した後、この加熱及び加圧を停止して常温常圧の状態に戻す。

この結果、図５に示すように、ビアホール１３内で柱形状となった半溶融金属混合物は、合金化し、銅とスズとの合金Ｃｕ_６Ｓｎ_５（融点：６３０℃）を含有し、高融点化した層間接続部１４となる。層間接続部１４は、上下の導体パターン１２と合金層２７を介して合金化して接合している。この結果、基材１１の上面及び下面の導体パターン１２同士が電気的に接続されて層間接続が図られる。さらに、層間接続部１４の外側面とビアホール１３の内側面との間には、バインダ樹脂２４が固体化して存在することにより中間層１５が形成されている。また、その時点で、基材融着も完了している。

このような層間接続は、溶融した低融点金属２２と溶融したバインダ樹脂２４との液−液層分離を経由することで、短時間の合金化でも合金内に鬆ができる等の前述のような問題が生じない。

また、このような層間接続では、金属粒子が微粉である場合でもバインダ樹脂２４が粒子間の潤滑剤の役割を果たすことが可能となり、粘土の如く塑性を有した状態となり、ビア全体に均一に圧力がかかり、ビア内の低融点金属と高融点金属とが均等に接触することにより、ビアホール１３内の合金が均一化する。これにより、接続安定性が高い多層配線基板１０が得られる。

効果、その他
これにより、ビアホール１３の上下の開口部に形成された導体パターン１２のビアの開口部の表面部分と液化した低融点金属２３とを合金化するとともに、低融点金属２３と高融点金属２２とを合金化させることにより、基材１１の両面に形成された導体パターン１２同士の層間の電気的な導通を図ることができる。

特に、本製造プロセスにおいては、合金化の際に、溶融したバインダ樹脂２４と半溶融金属混合物２６が液−液相分離を経由して、層間接続部位１４と中間層１５とを形成する。これにより層間接続部１４内に空隙が生じず接続信頼性が向上する。

なお、上記のような層間接続を実現するにはバインダ樹脂量と金属中のスズ量とをコントロールする必要がある。

まず、バインダ樹脂量であるが、ビアホールに充填する高融点金属２２、低融点金属２３及びバインダ樹脂２４全体の体積に対して、バインダ樹脂２４の体積は金属粒子を含むビア充填材２１全体の体積に対し、０．５体積％以上７０体積％以下であることが望ましい。これは、０．５体積％未満では、バインダ樹脂が不足して空隙低減効果が期待できず、７０体積％を超えると、金属間の合金形成を阻害するためである。

また、低融点金属２３の構成金属であるスズの量が、低融点金属２３と高融点金属２２を併せた金属全体重量に対して少なすぎる場合、加熱及び加圧時の際の液体金属成分が少なくなるため、バインダ樹脂２４との間の液−液相分離が起こりにくくなる。しかしながら、低融点金属２３が多すぎると、低融点金属２３中のスズによる導体パターン１２への侵食が大きくなり、接続信頼性が低下してしまう。例えば、スズ粉と銅粉とを、スズが９９重量％、銅が１重量％になるように形成された多層配線基板は、層間接続部１４が導体パターン１２を貫通してしまった。

上述した点を考慮して、適宜重量比を変えてみたところ、低融点金属２３に含まれるスズの重量は、高融点金属２２と低融点金属２３との全重量に対して、７５重量％乃至９５重量％であるのが望ましいことがわかった。

例えば、スズ粉が７６重量％、銅粉を２４重量％とした場合、多層配線基板１０は、銅箔からなる導体パターン１２を層間接続部１４が貫通しておらず、また、層間接続部１４内に空隙が生じず、層間接続部１４とビアホール１３の内側面の間にバインダ樹脂２４が存在する。また、このバインダ樹脂２４の弾性率が、基材１１の弾性率よりも低いことが望ましいと前述したが、これは、以下の理由による。

一般的に、ビアホール１３内の合金２６と比較して熱可塑性樹脂である基材１１との熱膨張係数は大きく、熱によるＺ軸方向の伸縮イメージを図６に示す。また、基材１１も層間接続部１４も弾性率が比較的に高い。熱膨張係数と弾性率との積に比例する熱応力は大きなものになる。そのため、熱衝撃を受けたときに、基材１１と層間接続部１４との間の熱応力によるビア合金の金属疲労が懸念される。

しかしながら、基材１１と、層間接続部１４との間に、基材１１により弾性率の低いバインダ樹脂２４が存在していれば、応力をバインダ樹脂２４が吸収する。これにより、ビア金属疲労が制御でき信頼性が高まる。

なお、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。

本発明が適用された多層配線基板の断面を模式的に表した図である。 本発明が適用された多層配線基板の断面を模式的に表した他の図である。 上記多層配線基板を製造する際の各工程の処理内容を示した図である。 本発明の層間接続のメカニズムを説明するための図である。 上記層間接続のメカニズムで接続された後の多層配線基板の断面を模式的に表した図である。 基材とビアホール内の合金との熱膨張係数を比較する図である。 高融点金属粒子と低融点金属粒子とをビアホール内に充填して熱処理を行い、高融点金属と低融点金属との合金層を形成して層間接続をする方法を示した図である。 金属粒子のみ（バインダ樹脂なし）の場合のビアホール内の模式図である。

符号の説明

１０ 多層配線基板、１１ 基材、１２ 導体パターン、１３ビアホール、１４ 層間接続部、１５ 中間層、２１ ビア充填材、２２ 高融点金属、２３ 低融点金属、２４バインダ樹脂、２６ 半溶融金属混合物、２７ 合金層

Claims (20)

1. 熱可塑性樹脂からなる絶縁基材に、金属の導体パターンが複数層形成された多層配線基板において、
   上記基材の融着温度よりも高融点の少なくとも銅を含む金属と、上記導体パターンと合金化でき、上記基材の融着温度よりも低融点の少なくともスズを含む金属と、上記基材の融着温度以下で融解するバインダ樹脂とが、上記基材に形成されたビアホール中に充填され、
   上記ビアホールの上下の開口部に上記導体パターンが形成された後、上記基材の融着温度で加熱及び所定の圧力で加圧され、液化した低融点金属と溶融したバインダ樹脂とが相分離を経由して、上記導体パターンのビアの開口部の表面部分と上記低融点金属とが合金化されるとともに、上記低融点金属と上記高融点金属とが合金化されることにより、導体パターンの層間の電気的な導通が図られていること
   を特徴とする多層配線基板。
2. 上記バインダ樹脂は、弾性率が、上記基材及び上記低融点金属と上記高融点金属との合金よりも低いことを特徴とする請求項１記載の多層配線基板。
3. 上記基材は、全芳香族ポリエステル樹脂の液晶ポリマーであることを特徴とする請求項１記載の多層配線基板。
4. 上記バインダ樹脂は、ポリエステル樹脂であることを特徴とする請求項３記載の多層配線基板。
5. 上記導体パターンは、少なくとも銅を含む金属であることを特徴とする請求項１記載の多層配線基板。
6. 上記低融点金属の構成要素であるスズの重量は、上記高融点金属及び上記低融点金属の全重量に対して、７５重量％乃至９５重量％であることを特徴とする請求項１記載の多層配線基板。
7. 上記バインダ樹脂の体積は、上記高融点金属及び上記低融点金属を含むビアホールの充填材料の全体積に対して、０．５体積％乃至７０体積％であることを特徴とする請求項１記載の多層配線基板。
8. 熱可塑性樹脂からなる絶縁基材に、金属の導体パターンが複数層形成された多層配線基板を製造する基板製造方法において、
   上記基材の融着温度よりも高融点の少なくとも銅を含む金属と、上記導体パターンと合金化でき、上記基材の融着温度よりも低融点の少なくともスズを含む金属と、上記基材の融着温度以下で融解するバインダ樹脂とを上記基材に形成されたビアホール中に充填する第１の工程と、
   上記ビアホールの上下の開口部に上記導体パターンを形成後、上記基材の融着温度で加熱及び所定の圧力で加圧して、液化した低融点金属と溶融したバインダ樹脂とが相分離を経由して、上記導体パターンのビアの開口部の表面部分と上記低融点金属とを合金化させるとともに、上記低融点金属と上記高融点金属とを合金化させることにより、導体パターンの層間の電気的な導通を図る第２の工程と
   を有することを特徴とする基板製造方法。
9. 上記第１の工程では、上記基材の融着温度よりも高融点の少なくとも銅を含む金属と、上記導体パターンと合金化でき、上記基材の融着温度よりも低融点の少なくともスズを含む金属と、上記バインダ樹脂の前駆体とを上記ビアホール中に充填し、上記ビアホール内で上記バインダ樹脂の前駆体を樹脂化させること
   を特徴とする請求項８記載の基板製造方法。
10. 上記バインダ樹脂は、弾性率が、上記基材及び上記低融点金属と上記高融点金属との合金よりも低いことを特徴とする請求項８記載の基板製造方法。
11. 上記基材は、全芳香族ポリエステル樹脂の液晶ポリマーであることを特徴とする請求項８記載の基板製造方法。
12. 上記バインダ樹脂は、ポリエステル樹脂であることを特徴とする請求項１１記載の基板製造方法。
13. 上記導体パターンは、少なくとも銅を含む金属であることを特徴とする請求項８記載の基板製造方法。
14. 上記低融点金属の構成要素であるスズの重量は、上記高融点金属及び上記低融点金属の全重量に対して、７５重量％乃至９５重量％であることを特徴とする請求項８記載の基板製造方法。
15. 上記バインダ樹脂の体積は、上記高融点金属及び上記低融点金属を含むビアホールの充填基材の全体積に対して、０．５乃至７０体積％であることを特徴とする請求項８記載の基板製造方法。
16. 熱可塑性樹脂からなる絶縁基材に、金属の導体パターンが複数層形成され、上記基材を貫通するビアホールにより層間の導体パターンの接続がされた多層配線基板において、
    上記ビアホール内に形成された少なくともスズと銅との合金を含む金属が、上記ビアホールの上下の開口部の導体パターン同士を接続しており、その層間接続金属の外周部と上記ビアホール内側面との間にバインダ樹脂層が形成されていることを特徴とする多層配線基板。
17. 上記バインダ樹脂は、弾性率が上記基材及び上記合金よりも低いことを特徴とする請求項１６記載の多層配線基板。
18. 上記基材は、全芳香族ポリエステル樹脂の液晶ポリマーであることを特徴とする請求項１６記載の多層配線基板。
19. 上記バインダ樹脂は、ポリエステル樹脂であることを特徴とする請求項１８記載の多層配線基板。
20. 上記導体パターンは、少なくとも銅を含む金属であることを特徴とする請求項１６記載の多層配線基板。

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