JP2007027508A - 多層配線板における層間導通部の構造 - Google Patents

Abstract

【課題】層間導通部の導電体と層間導通相手の導電層との密着性を高めて導通特性を改善し、層間回路の接続抵抗を低くすること。
【解決手段】絶縁層１１に設けられ、絶縁層１１１の両側にある導電層１２、２２同士を電気的に接続する層間導通部の構造であって、層間導通部が有する導電体（焼結型導電性ペースト１５）と導電層２２との界面が略球面状になっている。
【選択図】図１

Description

この発明は、多層配線板における層間導通部の構造および多層配線板に関し、特に、層間導通部の導電体として焼結型導電性ペーストを用いた層間導通部の構造および多層配線板に関するものである。

従来の多層配線板においては、絶縁層にビアホールを開口し、導電性ペーストを充填してビアを形成することで、層間の電気接続（層間導通）を得るものがある（例えば、非特許文献１）。

このような構造の層間導通部（以降、ペーストビアと称呼する）を、多層配線板の全層に、任意の配置することにより層間導通を達成できる、いわゆる全層ＩＶＨ（ｌｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ Ｖｉａ Ｈｏｌｅ）配線板は、回路の高密度化に有利な技術として注目され、一部実用化されている。

従来、ペーストビアには、金属粒子とエポキシなどの樹脂によるバインダを複合させたポリマー型導電性ペーストが用いられてきた。ペーストビアは、従来のめっきＴＨ（Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｈｏｌｅ）によるものに比べて、導電性ペーストを印刷法などによってビアホールに充填し、硬化させるだけで、低コストで作製できる利点がある。

しかし、ポリマー型導電性ペーストでは、ペーストに含有される金属粒子同士の点接触を樹脂バインダで固定した物理的接触により層間導通を取るため、点接触部での熱酸化による導電阻害層の成長や、温度や外力による応力に弱く、層間の電気的接続信頼性に不安があった。

これらの問題に対し、近年、少なくとも２種類以上の金属を含み、加熱することによって異種金属同士が拡散し焼結することで、金属間化合物による合金が形成され、強固に結合した導電体を構成する導電性ペースト（以下、焼結型導電性ペーストと呼称）が開発されている（例えば、特許文献１）。焼結型導電性ペーストは、ポリマー型導電性ペーストと同様に、印刷法などによってビアホールに充填し、硬化させることにより、層間導通部の導電体をなす。

ビアホールに充填された焼結型導電性ペーストは、金属粒子同士が金属結合する共に層間導通相手の導体回路（銅箔）とも金属結合するため、熱酸化による導電阻害層の影響を受けにくく、物理接触によって導通を得るポリマー型導電性ペーストに比べて、接続信頼性の極めて高い全層ＩＶＨ配線板を得ることができる。

また、従来の焼結型導電性ペーストは、焼結温度が高く、一般的なプリント配線板の材料に適合させるのは困難であったが、近年では２００℃以下の低温城においても金属焼結する焼結型導電性ペーストが開発され、プリント配線板にも十分適用可能となっている（例えば特許文献２）。
中谷"全層ＩＶＨを有する樹脂多届基板「ＡＬＩＶＨ」"、電子材料、１９９５年１０月５２頁 特開２００３−１１０２４３号公報 持開２０００−４９４６０４号公報

焼結型導電性ペーストは、層間導通相手の導体回路（導電層）とも金属拡散するが、導体回路の表面状態によって、その拡散状態が大きく左右される。

例えば、導体回路表面に、防錆のための有機皮膜や、酸化膜、その他、拡散阻害層などが形成されている場合には、焼結型導電性ペーストと導体回路のいわゆる「ぬれ」が悪くなる可能性があり、拡散が十分進行しないおそれがある。

これらの条件に左右されると、焼結型導電性ペーストに組み合わせて適用できる配線板用材料が限定されることになり、コストアップにつながる可能性がある。また、拡散が十分進行してなければ、耐湿熱性などが劣化し、結果として接続信頼性を十分に得られない。

前述の拡散阻害層を貫通させて導体回路の新生面を露出させ、焼結型導電性ペースト内の金属粒子を導体回路に直に接触させるよう食い込ませ、拡散を促進する方法も考えられるが、焼結型導電性ペーストは焼結前の粘度が低く、キュアプレスの圧力を増大させても接触面積が増大するだけにとどまり、阻害層を貫通できない。

また、ビアホール内に焼結型導電性ペーストを充填した後に、プレス前に加熱によって仮硬化させてペーストビアの剛性を高める方法も考えられるが、積層前に導電性ペーストの一部で合金化や金属拡散が起こってしまうため、焼結型導電性ペーストの利点を十分に活かすことができないといった問題がある。

この発明は、上記従来の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、層間導通部の導電体と層間導通相手の導電層との密着性を高めて導通特性を改善し、層間回路の接続抵抗を低くすることができる層間導通部の構造を提供することである。

この発明による層間導通部の構造は、絶縁層に設けられ、当該絶縁層の両側にある導電層同士を電気的に接続する層間導通部の構造であって、前記層間導通部が有する導電体と少なくとも一方の前記導電層との界面が、略球面状になっている。

この発明による層間導通部の構造は、好ましくは、前記導電体の略球面は、曲率が0０．００３以上である。

この発明による層間導通部の構造は、好ましくは、前記導電体として焼結型導電性ペーストを用いる。

この発明による多層配線板は、上述の発明による層間導通部を少なくとも１以上備えている。

この発明による層間導通部の構造は、層間導通部が有する導電体と導電層との界面が、略球面状になつていることにより、層間導通部の導電体が導電層に食い込み易くなり、投錨効果によって層間導通部の導電体が導電層との密着性が高められると共に、導電層表面の接続阻害層を貫通し、焼結型導電性ペーストの使用では、導電層と層間導通部の導電体の金属拡散を補助することで、層間回路の接続抵抗を低くすることができる。

この発明による層間導通部の構造および多層配線板の一つの実施形態を、図１を参照して説明する。

この実施形態の多層配線板は、上層基板１０と下層基板２０との２層構造になっている。

上層基板１０は、ポリイミド等の可撓性を有する樹脂フィルムによる絶縁層１１と、絶縁層１１の一方の面（上面）に形成された銅箔等による導電層（導体回路）１２と、絶縁層１１の他方の面（下面）に形成された熱硬化性樹脂製の接着剤層１３とを有する。

上層基板１０には、絶縁層１１と接着剤層１３とを貫通して導電層１２の裏面に届くビアホール１４が形成されている。ビアホール１４には、層間導通用の導電体として、焼結型導電性ペースト１５が、充填され、硬化状態で存在する。焼結型導電性ペースト１５はビアホール１４の天井部（底部）をなす導電層１２の裏面に接触している。

焼結型導電性ペースト１５は、少なくとも２種類以上の金属粉末、たとえば、錫、銀、銅、ビスマスを含み、加熱することによって異種金属同士が拡散し焼結することで、金属間化合物による合金を形成する導電性ペーストである。

下層基板２０は、ポリイミド等の可撓性を有する樹脂フィルムによる絶縁層２１と、絶縁層２１の一方の面（上面）に形成された銅箔等による導電層（導体回路）２２とを有する。

上層基板１０と下層基板２０は、位置合わせされて接着剤層１３によって貼り合わせられている。

これにより、ビアホール１４の焼結型導電性ペースト１５は、接着剤層１３の側の先端部１６によって下層基板２０の導電層２２に接触する。

ビアホール１４に充填された焼結型導電性ペースト１５の加熱硬化は、接着剤層１３の加熱硬化による上層基板１０と下層基板２０との貼り合わせ工程と同工程で行われる。

これにより、焼結型導電性ペースト１５は、金属粒子同士がビアホール１４内で強固に金属結合して低抵抗の層間導通用の導電体をなす。そして、焼結型導電性ペースト１５はに、一方でビアホール１４の天井部（底部）をなす導電層１２の裏面に接触した状態で合金化して導電層１２の裏面に金属結合し、他方、つまり接着剤層１３の側の先端部１６によって導電層２２の表面とも金属結合する。

これにより、焼結型導電性ペースト１５は、絶縁層１２の両側にある導電層１２と２２同士を電気的に接続する層間導通部の導電体をなす。

ここで、本発明による層間導通部の構造の特徴として、層間導通部の導電体である焼結型導電性ペースト１５と導電層２２との界面が、略球面状になっている。この略球面状の界面は、図２によく示されているように、焼結型導電性ペースト１５の接着剤層１３側の先端部１６が凸球面１７で、導電層２２に食い込み、導電層２２の表面が、焼結型導電性ペースト１５の先端部１６の凸球面１７の補形をなす凹球面２３になっている。

これにより投錨効果が得られ、焼結型導電性ペースト１５と導電層２２との密着性が高められると共に、導電層２２表面に接続阻害層が形成されていても、焼結型導電性ペースト１５の凸球面１７による先端部１６がこれを貫通し、しかも、焼結型導電性ペースト１５の使用において、焼結型導電性ペースト１５と導電層２２との金属拡散を補助することで、層間回路の接続抵抗が低くなる。

焼結型導電性ペースト１５と導電層２２との界面の略球面は、曲率が０．００３以上であることが好ましい。この略球面の曲率が０．００３以上でないと、適切な投錨効果が得られない。

つぎに、この発明による層間導通部の構造および多層配線板の製造方法の一つの実施形態を、図３を参照して説明する。

図３（ａ）に示されているように、可撓性のある薄い樹脂フィルムからなる絶縁層５１の片面に、銅箔５２が設けてある片面銅張板（ＣＣＬ：Ｃｏｐｐｅｒ ＣＩａｄ Ｌａｍｉｎａｔｅ）５０を出発材とし、図３（ｂ）に示されているように、銅箔５２をエッチングして回路パターン５３を形成した。片面銅張板（片面ＣＣＬ）５０の絶縁層５１はポリイミドであり、厚さは２５μｍのものを使用し、銅箔５２の厚みが１２μｍのものを使用した。

つぎに、図３（ｃ）に示されているように、絶縁層５１の回路パターン５３の形成面とは反対側の面に、層間接着剤層５４を加熱圧着により貼り合わせた。層間接着剤層５４にはエポキシ系の熱硬化性樹脂フィルムを用い、厚さは２５μｍのものを使用した。

つぎに、図３（ｄ）に示されているように、層間接着剤層５４と絶縁層５１にレーザ加工によってビアホール５５を開口する。

つぎに、図３（ｅ）に示されているように、ビアホール５５内に焼結型導電性ペースト５６を印刷法によってすり切り一杯に充填した。焼結型導電ペースト５６は、錫、銀、銅の金属粒子を含有しているものを使用した。これにより、上層基板（上層基材）５７が得られる。

つぎに、図３（ｆ）に示されているように、片面ＣＣＬ５０と同等の片面ＣＣＬを出発材として、樹脂フィルムからなる絶縁層６１の片面（上面）に銅箔のエッチングによる回路パターン６２を形成された下層基板（下層基材）６０を別途用意し、上層基板５７と下層基板６０とを画像認識の位置合わせ装置によって位置合わせした。

つぎに、図３（ｇ）に示されているように、位置合わせされた上層基板５７と下層基板６０を、真空加熱プレス機によりキュアプレスした。このとき、キュアプレス工程を、以下に示す順で進めた。

初めに、真空チャンバ内をｌｋＰａまで減圧し、上層基板５７と下層基板６０との積層体に、上下一対の熱盤（プレス盤）によって４ＭＰａの圧力を印加した。続いて熱盤を２００℃まで加熱し、６０分保持した。

ここで、このキュアプレス工程では、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、上下一対の熱盤による圧力印加によって、下層基板６０の回路パターン（銅箔）６２が、上層基板５７の接着層５４に、銅箔の厚さｔ分だけ埋め込まれる。これにより、焼結型導電ペースト５６を充填されたビアホール５５によるペーストビア、つまり、ビアホール５５内の焼結型導電ペースト５６には圧縮応力がかかる。

図４（ｂ）に示すように、このペーストビアの縦断面中央付近ａ部では、周囲に焼結型導電ペースト５６が存在することから、焼結型導電ペースト５６が基板面内方向に移動しにくく、真下に反発・応力が集中しやすい。

一方、ペーストビアの外周付近ｂ部では、加熱プレス中においては周囲の接着剤層５４が軟化しているため、接着層５４の内部へ焼結型導電ペースト５６が横移動することができるため、応力が横方向に逃げやすく、真下の銅箔（回路パターン６２）には応力が集中し難い。

このように、ビア底部の各部位で、下層の銅箔にかかる応力方向が異なる状態で、ペーストビアの焼結型導電ペースト５６と下層銅箔（回路パターン６２）との金属拡散が進行するため、焼結型導電ペースト５６と下層の回路パターン６２との界面６３（図３（ｇ）参照）が、略球面状になる。

この時、ペーストビア底部５８は、図４（ｃ）に示されているように、接着剤層５４の内部に裾が広がったような形状を取ることもある。

本実施形態では、ワーク（上層基板５７と下層基板６０との積層体）をプレス機に組み込む際に、図５に示されているように、上層基板５７の側に、クッション材８０を組み込み、離型フィルム８１、８２でワークを挟み、ＳＵＳ板８３、８４を組み込んでプレス機に投入した。

クッション材８０は、キュアプレス中の温度で軟化する材料を選択した。図６に示されているように、軟化したクッション材８０および離型フィルム８１に、上層の銅箔（回路パターン６２）が十分に埋め込まれ、このことにより、基板全体に均一な圧力が掛かりながら加熱加圧される。

このとき、基板全体に圧力Ｐが均一にかかることによって、図７に示すように、焼結型導電ペースト５６の裾が広がろうとする力Ｆａに対して、接着剤層５４に広がりを押さえ込もうとする力Ｆｂが働くため、焼結型導電ペースト５６は真下への圧縮応力が強くなり、下層のランド部（回路パターン６２）へ食い込んで、焼結型導電ペースト５６と回路パターン６２との界面６３が略球面形状になる。

なお、図８に示すように、クッション材８０を使用しないでプレスをした場合、基板にかかる圧力は、図９に示すように、ビアランド部へかかる圧力Ｐａがそれ以外の部分にかかる圧力Ｐｂより大きくなり、結果として、図１０に示すように、ペーストビアの裾の広がりを抑える圧力Ｆｂが小さくなる。その結果、焼結型導電ペースト５６が分散してしまい、略球面状のビア底部構造を得ることができず、平坦なビア底部形状となってしまう。

クッション材８０を用いたキュアプレス後、室温まで冷却してから圧力を開放し、真空チャンバ内を大気圧まで増圧してサンプル（上層基板５７と下層基板６０との積層体）を取り出した。

以上の工程にて作製したサンプルのビア断面は、図７に示すように、下層の銅箔（回路パターン６２）が略球面状に陥没するようにペーストビアの焼結型導電ペースト５６が食い込んでいることを確認した。このとき、略球面状の曲率は０．００８であった。

図１１に示すような、ペーストビア底部１０１と下層銅箔１０２との界面１０３が平坦である従来のペーストビアと、図１に示すようなペーストビア底部（焼結型導電ペースト１５の先端部１６）と下層銅箔（導電層２２）との界面が略球面形状の本実施形態のペーストビアについて、回路抵抗値を測定して比較したところ、本実施形態のペーストビアは、従来のペーストビアに比べて抵抗値が１０％低減された。

また、耐熱衝撃サイクル試験を行った結果、試験後の抵抗値上昇率は、従来ペーストビアに比べて、本実施形態のペーストビアの方が３０〜５０％小さかった。

さらに、界面の略球面状の曲率が異なるペーストビアを作製して比較した結果、曲率が０．００３よりも小さなビアは、従来のペーストビアと同等の抵抗値となり、抵抗値低減の効果を得られなかった。

よって、本実施形態によって得られたペーストビアと同等以上に曲率が大きい略球面状のビア構造に、信頼性向上の効果があることを見出した。

以上説明したように、本発明によるの構造および製法を用いることで、上層のペーストビア底部の一部が、下層の導体回路部に、略球面状に食い込むことにより、投錨効果によってペーストビア（焼結型導電ペースト）と導体回路部との密着性を高めると共に、導体表面の接続阻害層を貫通し、導体回路と導電ペーストの金属拡散を補助することで、層間回路の接続抵抗を低くすることができる。これにより、焼結型導電ペーストによるペーストビアを内包するプリント配線板の接続信頼性を向上させることができる。

この発明による層間導通部の構造および多層配線板の一つの実施形態を示す断面図である。 本実施形態による層間導通部の要部を拡大して示す断面図である。 （ａ）〜（ｇ）はこの発明による層間導通部の構造および多層配線板の製造方法の一つの実施形態を示す工程図である。 （ａ）〜（ｃ）はこの発明による層間導通部の構造の形成原理を示す拡大断面図である。 この発明による層間導通部の構造および多層配線板のプレスの仕方を示す断面図である。 この発明による層間導通部の構造および多層配線板の形成原理を示す拡大断面図である。 この発明による層間導通部の構造および多層配線板の形成原理を示す拡大断面図である。 他の例による層間導通部の構造および多層配線板のプレスの仕方を示す断面図である。 他の例による層間導通部の構造および多層配線板の形成原理を示す拡大断面図である。 他の例による層間導通部の構造および多層配線板の形成原理を示す拡大断面図である。 従来のペーストビアによる多層配線板を示す断面図である。

符号の説明

１０ 上層基板
１１ 絶縁層
１２ 導電層
１３ 接着剤層
１４ ビアホール
１５ 焼結型導電性ペースト
１６ 先端部
１７ 凸球面
２０ 下層基板
２１ 絶縁層
２２ 導電層
２３ 凹球面
５０ 片面銅張板（片面ＣＣＬ）
５１ 絶縁層
５２ 銅箔
５３ 回路パターン
５４ 層間接着剤層
５５ ビアホール
５６ 焼結型導電性ペースト
５７ 上層基板
６０ 下層基板
６１ 絶縁層
６２ 回路パターン
６３ 界面

Claims (4)

1. 絶縁層に設けられ、当該絶縁層の両側にある導電層同士を電気的に接続する層間導通部の構造であって、
   前記層間導通部が有する導電体と少なくとも一方の前記導電層との界面が、略球面状になっている層間導通部の構造。
2. 前記界面の略球面は、曲率が０．００３以上である請求項１記載の層間導通部の構造。
3. 前記導電体は焼結型導電性ペーストである請求項１または２記載の層間導通部の構造。
4. 請求項１乃至３の何れか１項記載の層間導通部を少なくとも１以上備えた多層配線板。

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