JP2006222110A - 抵抗素子内蔵プリント配線板 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明の目的は、抵抗体のスクリーン印刷による抵抗値の作り込み精度に優れ、高温高湿試験においても抵抗値変動が小さく、さらに絶縁信頼性試験においてもエレクトロマイグレーションによるショート及び断線が発生しない抵抗素子内蔵プリント配線板を提供することである。
【解決手段】
絶縁層と銅配線層からなる多層プリント配線板の、前記配線層の少なくとも１層に一つ以上の抵抗素子を内蔵したプリント配線板において、前記抵抗素子は、前記銅配線層の一部を置換型無電解銀めっきにより被覆された電極部と、該電極部間に抵抗体を配置し、さらに前記銀めっきと銅配線の境界部を抵抗ペースト層で被覆した構造とすることで解決した。
【選択図】図３

Description

本発明はプリント配線板に抵抗素子をあらかじめ作り込んだ抵抗素子内蔵プリント配線板に関するものである。

近年、電子機器の高速化、高機能化、小型化、および軽量化の要求を満たすため、電気機器に用いられている基板の中に受動素子を作り込み高密度化する技術が広く展開されようとしている。
このような受動素子の一つである抵抗素子も、プリント配線板に内蔵するためにはより小型のものが望まれている。プリント基板に内蔵される抵抗素子の種類としては一対の電極間に樹脂系の抵抗ペーストをスクリーン印刷等によって部分的に形成し、抵抗素子とする方法および一つの電極に抵抗値の高い金属被膜および無機系材料をめっきおよびスパッタリング等により形成する方法がある。前者の方が工程も少なく低コストで作製できるという利点がある。

しかしながら、前述の印刷方法で抵抗素子を形成した場合、図１に示すように、絶縁基板１３上に設けた、銅配線１０からなる電極１２と抵抗ペーストからなる抵抗体１１が直接接触するため、界面における接触抵抗の影響が大きく、例えば、高温高湿条件化（温度＝８５℃，相対湿度＝８５％）では界面の腐食等により抵抗値が大きく増加することが報告されている（非特許文献１）。
この問題を解決すべく、図２に示すように、絶縁基板２３上に設けた銅電極部２２と抵抗ペーストからなる抵抗体２１間に、電気接続性に優れた銀ペースト２４を挟み、界面の接触抵抗を低下させた構造の抵抗素子２２や、銅電極部２２に銀めっき処理を施した抵抗素子が報告されている（例えば非特許文献１，特許文献１および特許文献２参照）。
しかし、上述の銀ペースト２４上に抵抗ペーストを用いてスクリーン印刷により抵抗体２１を形成しているため印刷条件の制御が難しく、銀ペースト２４上に印刷した抵抗体２１がかすれ、にじみ等の印刷不良が発生し易かった。このため、抵抗素子内蔵プリント配線板の製品間で抵抗値に大きなバラツキが生じる問題があった。

また、銀ペースト−配線層、銀ペースト−銀ペースト間においてエレクトロマイグレーションが発生し、抵抗素子の抵抗値が低下するという問題があった。エレクトロマイグレーションとは抵抗素子内蔵プリント配線板に直流電圧を印可した場合、金属原子が電子の衝突により移動する現象であり、隣り合う配線や銀ペーストパターンとショートする等の問題が発生する。さらに、絶縁樹脂積層前に実施する配線層の表面粗化処理において銀ペーストまたは銀めっき形成領域と銅配線の境界部において局部電池作用により銅配線のエッチングレートが異常に早くなり断線が発生するという問題点がある。
本発明の目的は、抵抗体のスクリーン印刷による抵抗値の作り込み精度に優れ、高温高湿試験においても抵抗値変動が小さく、さらに絶縁信頼性試験においてもエレクトロマイグレーションによるショート及び断線が発生しない抵抗素子内蔵プリント配線板を提供することである。

特開平１１−３４０６３３号公報 特開平１１−４０５６号公報 師岡功：「埋め込み受動素子技術に使用されるポリマー抵抗体」エレクトロニクス実装学会誌，Ｖｏｌ．６，Ｎｏ４，ｐ．２９４−２９９，２００３

上記課題を解決するために、請求項１に係わる発明は、絶縁層と銅配線層からなる多層プリント配線板の、前記配線層の少なくとも１層に一つ以上の抵抗素子を内蔵したプリント配線板において、前記抵抗素子は、前記銅配線層の一部を置換型無電解銀めっきにより被覆された電極部と、該電極部間に抵抗体を配置し、さらに前記銀めっきと銅配線の境界部を抵抗ペースト層で被覆した構造としたことを特徴とする抵抗素子内蔵プリント配線板である。
このように、抵抗素子の電極部が、置換銀めっきにより形成されているので、抵抗体と電極部界面における接触抵抗の増大に伴う抵抗値変動を抑制することが可能となった。
また、抵抗素子の電極部上に形成される置換型無電解銀めっきは、銀ペーストを電極部上に形成する場合と比較して、電極部分の厚みを薄くできるため、従来の様に抵抗ペースト印刷時におけるかすれ、にじみ等の印刷不良を軽減することが可能となった。
さらに、エレクトロマイグレーションを発生しやすい銀めっき被膜を抵抗ペーストで被覆している（図３参照）ためエレクトロマイグレーションによる断線またはショート等の不良を防ぐことが可能となった。

請求項２に係わる発明は、前記抵抗体は、少なくとも熱硬化性樹脂に導電性フィラーを分散させた抵抗材料により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の抵抗素子内蔵プリント配線板である。
このように抵抗体を熱硬化性樹脂に導電性フィラーを分散させた抵抗材料を用いることで、一般に高温焼成が必要とされる抵抗体形成を、２５０℃以下の低い温度で焼成でき、耐熱性の低い有機基板上に抵抗素子形成が可能となった。

請求項３に係わる発明は、前記銀めっきは、厚みが０．３μｍ以上、１μｍ以下であることを特徴とする請求項または２のいずれかに記載の抵抗素子内蔵プリント配線板である。
このように銀めっきは、厚みが０．３μｍ以上、１μｍ以下とすることにより、高温高湿試験（８５℃、８５％、１０００ｈ）においても、電極部と抵抗ペースト界面における接触抵抗の上昇が抑制され、抵抗値変動を極小にすることが可能となった。

請求項４に係わる発明は、前記抵抗体ペースト層は、電極間に形成される抵抗体と連続していることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の抵抗素子内蔵プリント配線板である。
このように抵抗体ペースト層が、銀めっき形成領域の境界部に対して新たに抵抗ペースト形成パターンを作製する必要がなく、さらに銀めっき被膜が露出していないため、抵抗素子形成後、さらに上層積層工程迄の工程滞留時間中に銀めっき被膜が酸化することによる抵抗値変動を抑制することが可能となった。

請求項５に係わる発明は、前記抵抗体は、抵抗材料を最高到達温度が１８０℃以上となるような温度条件下で硬化させたことを特徴とすることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の抵抗素子内蔵プリント配線板である。
このように抵抗材料を最高到達温度が１８０℃以上となるような温度条件下、すなわち、一般的な多層プリント配線板用絶縁材料の硬化温度以上で抵抗材料を硬化させることにより、抵抗素子の内蔵前後での抵抗値変化を少なくすることが可能となった。

請求項６に係わる発明は、前記絶縁層は、抵抗体を構成する抵抗材料の硬化温度より低い温度で、プレスあるいはラミネートおよび硬化させたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の抵抗素子内蔵プリント配線板である。
このように内蔵する抵抗素子上への絶縁層形成工程における熱履歴が抵抗素子焼成温度より低温にすることで、内蔵前後の抵抗値変動を抑制することが可能となった。

本発明によれば、抵抗ペーストからなる抵抗体と銅電極の界面に置換型無電解銀めっき皮膜が形成されているため、接触抵抗増大による抵抗値の経時変動を抑制することが可能となった。
また、銀めっき被膜形成領域を抵抗ペーストにより被覆しているため、銀めっき被膜のイオンマイグレーションが抑制可能となり、また銅配線層上のめっき形成領域境界部が、抵抗ペーストにより被覆されているため、上層積層工程前に実施する配線層粗化工程に置いて局部電池作用に伴う銅配線部の断線を抑制することが可能となった。

本発明の実施形態の一例について図３を用いて説明する。
図３（ａ）は、本発明の抵抗素子内蔵プリント配線板における抵抗素子構成を断面で示した断面説明図である。
図３（ｂ）は、本発明の抵抗素子内蔵プリント配線板における抵抗素子構成の平面図である。

本発明における抵抗素子内蔵プリント配線板３００ａでは、抵抗素子の銅電極部３４上に銀めっき被膜３２が形成されており、抵抗素子電極部３４間に、抵抗ペーストからなる抵抗体３１が電気的に接続し、かつ、銀めっき形成領域の境界部３６を抵抗体ペースト層３５が被覆するように形成された構造となっている（図３（Ｂ）参照）。
つまり、抵抗素子電極部３４の表面が銀めっき皮膜３２により被覆されているため、銅電極部表面が酸化することによる接触抵抗増加により抵抗値変動を抑制でき、さらに銀めっき被膜が、抵抗ペースト層により被覆されているため、抵抗素子形成後の積層前処理として導体層の表面粗化処理等において、銀めっき被膜が形成されている導体層（銅）境界部において局部電池作用による導体層の断線を防止することができる。

本発明における抵抗素子は、銅配線の一部が電極の役割を果たし、この銅電極上に置換型無電解銀めっき皮膜を介して抵抗体が形成されているため、抵抗体と銅電極間の接触抵抗を抑えることができる。
また、導体層全面に銀めっき皮膜を形成する方法と比較してめっき面積が少ないため、エレクトロマイグレーションによるショート不良を低減することが可能となり、銀めっきコストを抑えることもできる。
この置換型無電解銀めっき被膜の厚みは０．２μｍ以上、０．５μｍ以下であることが好ましい。これは銀めっき被膜の厚みが０．２μｍに達しないと抵抗体と銅電極間の接触抵抗を十分に下げることができなくなり、また、０．５μｍを超えると接触抵抗を下げる効果にほとんど差が無くなるためである。

本発明における抵抗体は、熱硬化性樹脂と導電性フィラーを主成分としてなる。
ここで、前記熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂、およびこれらを変性した樹脂、またはこれら樹脂と熱可塑性樹脂の混合物等を用いることができる。中でも基材との密着性、耐薬品性、コストの点からエポキシ樹脂を用いることが好ましい。
また、導電性フィラーとしては、ケッチェレンブラック、アセチレンブラック、グラファイト、活性炭素等安価なカーボンを用いることが好ましい。導電性フィラー以外にシリカ等無機フィラーが加えてあっても良い。市販のカーボンペーストをそのまま使用することもできる。

本発明の銅配線上の銀めっき形成領域境界部を被覆する抵抗ペースト層は、抵抗素子電極間に設置される抵抗ペーストからなる抵抗体のパターンの一部からからなる構造とすることで、銀めっき形成領域境界部を被覆するために別途パターンを必要とせず、検査時に抵抗素子と間違えることを防ぐことができる。

本発明においては受動素子を内蔵する絶縁樹脂は、プリプレグ、樹脂付き銅箔、ビルドアップ基板用絶縁樹脂フィルムあるいはワニスのいずれの形態であってもかまわないが、内蔵素子の埋め込み性、作業性を考慮するとビルドアップ絶縁樹脂フィルムを用いることが好ましい。
また、一般にエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂は硬化温度が高くなるほど架橋密度が高くなる傾向があり、例えば一度硬化させた抵抗体をさらに高い温度で加熱すると熱硬化性樹脂の硬化が進行し、抵抗値が下がる傾向にある。
従って抵抗素子の内蔵前後での抵抗値変化を少なくするには、絶縁樹脂のプレス・ラミネート・硬化等における最高到達温度は抵抗材料の硬化時における最高到達温度より低いことが好ましい。

以下に実施例および比較例を示して本発明を具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
なお、各実施例及び比較例で製造した抵抗素子を内蔵した受動素子内蔵プリント配線板について、抵抗値測定、高温高湿試験、サーマルサイクル試験（ＴＣＴ）を行い、内蔵されている受動素子の特性について評価を行った。
＜抵抗値測定＞
各実施例および比較例で製造した抵抗素子の設計値が１００Ωである素子１００個について、デジタルマルチメーターにて抵抗値測定を行い、平均抵抗値、標準偏差（σ）、３σの値を算出し抵抗値のバラツキを評価した。
＜高温高湿試験＞
各実施例および比較例で製造した受動素子内層基板について、４０℃、９５％での高温高湿試験を１０００時間行い、試験前後の抵抗値より抵抗値変化を算出した。
＜ＴＣＴ＞
各実施例および比較例で製造した受動素子内蔵プリント配線板について、低温槽−４０℃、高温槽１２５℃、さらし時間３０分の条件で１０００サイクルＴＣＴを行い、抵抗素子については、試験後の抵抗値が１０００Ω以上となった素子を、クラックによる不良と判定した。
キャパシタについては、容量値が±１００％以上変化した素子を不良と判断した。各実施例および比較例について設計値が、１００Ωである抵抗素子１００個および設計値が１０ｐＦのキャパシタ素子１００個についてテストした。

以下の実施例により本発明を詳細に説明する。
図４（ａ）〜（ｇ）は、本発明の受動素子内蔵プリント配線版のおける工程の一部を断面で示した説明図である。
まず、両面銅箔付き絶縁樹脂（商品名：ＣＣＬ−ＨＬ８３０ 三菱ガス化学製）からなる絶縁層４２を準備した。
次いで、ドライフィルムレジスト（商品名：ＲＹ３２１５ 日立化成製）をロールラミネーターにて熱圧着して貼り付けフィルムマスクを用いた露光、現像により配線パターンの導体層４１を得た（図４ａ）。

次にドライフィルムレジスト（商品名：ＲＹ３２１５ 日立化成製）４３をロールラミネーターにて熱圧着して貼り付け、フィルムマスクを用いた露光、現像により抵抗素子の電極パターンを得た。（図４ｂ）。

次に、１０ｗｔ％−硫酸水溶液、液温＝２５℃にて１分間の酸洗浄を行い、純水で洗浄後、プリディップ（商品名：ＳＳＰ−７００Ｐ 四国化成製）、液温＝４０℃にて４０秒間浸漬し、置換銀めっき（商品名：ＳＳＰ−７００ 四国化成製）、液温＝４０℃にて５分間の処理を施し、ドライフィルムレジストを剥膜して、抵抗素子電極部に約０．５μｍ厚の置換型無電解銀めっき皮膜４４を形成した。（図４ｃ）

次に、前記ドライフィルムを５％濃度の水酸化ナトリウム水溶液に浸漬し剥膜した。（図４ｄ）

次に、カーボンペースト（商品名：ＴＵ−１００−８ アサヒ化学研究所製）を２００メッシュ、線径＝４０μｍのステンレスメッシュ版を用いて、一対の前記置換銀めっき電極間を電気的に接続できるようにスクリーン印刷により抵抗体４５を形成した。この時、抵抗体の形成と同時に、前記抵抗体に連続した状態の前記銀めっきとの境界部も被覆するように抵抗ペースト層を設けた。
印刷に使用した抵抗体のカーボンペーストは、粘度を回転粘度計（商品名：ビスコテスターＶＴ−０４ リオン製）にて測定したところ、７００ｄＰａ・ｓ前後であった。
また、前記一対の電極間に挟まれる抵抗体の設計値は、幅０．５ｍｍ、長さ０．６７ｍｍであった。このようにして抵抗体が、印刷形成された基板を９０℃で３０分間乾燥させた後、さらに２００℃で１時間の焼成を施した。（図４ｅ）

前述のように素子を形成した基板上に、プリプレグ（商品名：ＧＥＡ−６７Ｎ 日立化成製）４６を用いて、先に抵抗体を形成した誘電体シートを真空プレス機にて貼り合わせ、ビアホール形成、めっき、配線形成、ソルダーレジストパターン４８形成、端子部へのニッケル−金めっき仕上げを施し受動素子内蔵プリント配線板を製造した。
このようにして方法で製造された受動素子内蔵プリント配線板の評価結果を表１に示す。

（比較例１）
コア基板上にプリプレグ／銅箔の順で積み重ね真空プレス機にて積層した後、ＣＯ２レーザーによりビアホールを形成し、アルカリ性過マンガン酸塩による粗面化処理、無電解銅めっき、電解銅めっきによる電気的接続を施し、エッチングにより抵抗素子の電極、および配線パターンを形成した。
次に銀ペースト（商品名：ＬＳ−５０４Ｊ アサヒ化学研究所製）を２００メッシュ、線径＝４０μｍのステンレスメッシュ版を用いて、スクリーン印刷により抵抗素子の電極上に銀ペーストパターンを形成した。
このように銀ペーストパターンが形成された基板を、９０℃で３０分間乾燥させた後、さらに１５０℃で３０分間の焼成を施した後、銀ペースト硬化物の厚みを測定したところ約２０μｍの厚みを有していた。
次にカーボンペースト（商品名：ＴＵ−１００−８ アサヒ化学研究所製）を２００メッシュ、線径＝４０μｍのステンレスメッシュ版を用いて、一対の前記銀ペースト電極間を電気的に接続できるようにスクリーン印刷した。
印刷に使用したカーボンペーストは、粘度を回転粘度計（商品名：ビスコテスターＶＴ−０４ リオン製）にて測定したところ７００ｄＰａ・ｓ前後であった。
また、前記一対の電極間に挟まれる抵抗体の設計値は、幅０．５ｍｍ、長さ０．６７ｍｍであった。
このようにして抵抗体が印刷された基板を、９０℃で３０分間乾燥させた後、さらに２００℃で１時間の焼成を施した。
次に誘電体ペースト（商品名：ＣＸ−１６ アサヒ化学研究所製）を１００メッシュ、線径＝５０μｍのステンレスメッシュ版を用いて、スクリーン印刷により下電極を被覆するように形成した。
このようにして得られた誘電体パターンを、９０℃で３０分間乾燥させた後、さらに１５０℃で３０分間の焼成を施した。
次に銅ペースト（商品名：ＮＦ２０００ タツタシステムエレクトロニクス製）を１００メッシュ、線径＝５０μｍのステンレスメッシュ版を用いて、誘電体パターン上と上電極引き出し配線上を跨ぐ様に形成した。
この銅ペーストパターンを、９０℃で３０分間乾燥させた後、さらに１５０℃で３０分間の焼成を施し、キャパシタ素子を形成した。
以下実施例１と同様の方法で抵抗素子内蔵プリント配線板を製造した。
比較例１の受動素子内蔵プリント配線板の評価結果を表１に示す。

（比較例２）
比較例１に記載の抵抗素子において導体電極パターンと抵抗体パターンを電気的に接続するように形成した抵抗素子内蔵プリント配線板を製造した。
比較例２の受動素子内蔵プリント配線板の評価結果を表１に示す。

表１から明らかなように、実施例の受動素子内蔵プリント配線板は、スクリーン印刷による抵抗値の作り込み精度に優れ、高温高湿試験においても抵抗値変動が小さく、さらに絶縁信頼性試験においてもエレクトロマイグレーションによるショート及び断線は確認されなかった。
比較例１の受動素子内蔵プリント配線板は、抵抗素子の作り込み精度が悪く、さらに高温高湿試験においては抵抗値の変動量が大きく、さらに線間絶縁信頼性では抵抗素子に使用されている銀ペーストがエレクトロマイグレーションにより移動し、ショート不良を起こす素子が確認された。
比較例２の受動素子内蔵プリント配線板は、高温高湿試験において抵抗値の変動が大きく信頼性が悪いことがわかる。
これらの結果より、実施例１の構造を有する受動素子内蔵プリント配線板が加工精度、信頼性の点で優れていることが明らかである。

従来の抵抗素子を内蔵したプリント配線板の一例を示す断面説明図である。 従来の抵抗素子を内蔵したプリント配線板の他の例を示す断面説明図である 本発明の抵抗素子内層プリント配線板の一例を示す抵抗素子の説明図である。 本発明の抵抗素子内蔵プリント配線板の製造工程を示す説明図である。

符号の説明

１１，２１・・・・・・・抵抗体
１２，２２・・・・・・・銅電極
１３，２３・・・・・・・絶縁層
２４・・・・・・・・・・銀ペースト
３００ａ・・・・・・・・抵抗素子内蔵プリント配線板
３１・・・・・・・・・・抵抗ペースト
３２・・・・・・・・・・銀めっき被膜
３３・・・・・・・・・・絶縁樹脂
３４・・・・・・・・・・導体層（引き出し配線）
４１・・・・・・・・・・導体層（銅）
４２・・・・・・・・・・絶縁層
４３・・・・・・・・・・レジスト
４４・・・・・・・・・・銀めっき被膜
４５・・・・・・・・・・抵抗ペースト
４６・・・・・・・・・・プリプレグ
４７・・・・・・・・・・ビアホール
４８・・・・・・・・・・ソルダーレジスト

Claims (6)

1. 絶縁層と銅配線層からなる多層プリント配線板の、前記配線層の少なくとも１層に一つ以上の抵抗素子を内蔵したプリント配線板において、前記抵抗素子は、前記銅配線層の一部を置換型無電解銀めっきにより被覆された電極部と、該電極部間に抵抗体を配置し、さらに前記銀めっきと銅配線の境界部を抵抗ペースト層で被覆した構造としたことを特徴とする抵抗素子内蔵プリント配線板。
2. 前記抵抗体は、少なくとも熱硬化性樹脂に導電性フィラーを分散させた抵抗材料により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の抵抗素子内蔵プリント配線板。
3. 前記銀めっきは、厚みが０．３μｍ以上、１μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の抵抗素子内蔵プリント配線板。
4. 前記抵抗体ペースト層は、電極間に形成される抵抗体と連続していることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の抵抗素子内蔵プリント配線板
5. 前記抵抗体は、抵抗材料を最高到達温度が１８０℃以上となるような温度条件下で硬化させたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の抵抗素子内蔵プリント配線板。
6. 前記絶縁層は、抵抗体を構成する抵抗材料の硬化温度より低い温度で、プレスあるいはラミネートおよび硬化させたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の抵抗素子内蔵プリント配線板。