JP2007096187A

JP2007096187A - 回路基板および回路基板の製造方法

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Publication number: JP2007096187A
Application number: JP2005286300A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Obara; 泰浩小原; Ryosuke Usui; 良輔臼井
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2007-04-12
Anticipated expiration: 2025-09-30
Also published as: JP4562632B2

Abstract

【課題】回路基板における絶縁層に形成された金属等の導体部の放熱性を向上させる。
【解決手段】回路基板は、複数の配線層と、繊維状の充填材と樹脂２４とを有し複数の配線層を絶縁する絶縁層２０と、絶縁層２０を貫通するサーマルビア３０の側壁３０ａに形成された導体部４１と、を備える。側壁３０ａから突出したガラス繊維２３を覆う導体部４１ａの表面の粗さＲｚ１が、側壁３０ａから突出するガラス繊維２３がないその側壁３０ａを覆う導体部４１ｂの表面の粗さＲｚ２より大きい。これにより絶縁層２０に形成された導体部４１の放熱性を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、繊維状の充填材を含む絶縁層を有する回路基板の技術に関する。より具体的には、絶縁層に形成された金属等の導体部の放熱性が優れた回路基板の技術に関する。

近年、ＬＳＩのさらなる高性能化、高機能化にともない、その消費電力は増加の傾向にある。また、電子機器の小型化にともない、実装基板にも小型化、高密度化、多層化が求められている。このため、回路基板の体積当たりの消費電力（熱密度）は上昇し、その放熱対策の必要性が高まっている。

このため、多層基板においては、多層基板の各層の導通を確保したり温度上昇を抑制したりするためのビアが設けられた構造が知られている。また、強度や機能性向上のために樹脂にガラス繊維を混入した絶縁層も用いられている。

特許文献１には、半田が絶縁基板から抜け出ることを防止するために、絶縁基板にレーザー光を照射することで半田充填用孔を形成し、その壁面に突出した繊維の端部を充填された半田に食い込ませるプリント配線基板が開示されている。

特許文献２には、有機系樹脂基板にザグリ加工を施し、形成された凹部の側壁に露出したヒゲ状の多数の繊維をスルーホールめっき層で被覆したプリント配線基板が開示されている。
特開２００２−２３７６８１号公報特開平５−５５４０１号公報

しかしながら、多層基板においては、必ずしも半田で孔を充填できない箇所もある。また、繊維をスルーホールめっき層で単に平滑に被覆した場合、通常のめっき層の場合と比較して放熱性はほとんど変わらない。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、絶縁層に形成された金属等の導体部の放熱性を向上させる技術の提供にある。

本発明のある態様は、回路基板である。この回路基板は、複数の配線層と、繊維状の充填材と樹脂とを有し前記複数の配線層を絶縁する絶縁層と、前記絶縁層を貫通する貫通孔の側壁に形成された導体部と、を備え、前記側壁から突出した繊維状の充填材を覆う導体部の表面の粗さが、前記側壁から突出する繊維状の充填材がない該側壁を覆う導体部の表面の粗さより大きいことを特徴とする。ここで、繊維状の充填材としては、放熱性や強度の観点からガラス繊維が好適である。

この態様によれば、側壁から突出した繊維状の充填材を覆う導体部の表面の粗さが、側壁から突出する繊維状の充填材がないその側壁を覆う導体部の表面の粗さより大きいため、繊維状の充填材を覆う導体部の表面積が大きくなる。その結果、貫通孔の側壁に形成された導体部全体の表面積が増し放熱性が高くなると共に、特に繊維状の充填材を覆う導体部の表面積が増し、熱伝導の良い繊維状の充填材を経由した熱がより放熱しやすくなる。なお、表面の粗さの値としては、例えば、ＪＩＳＢ０６０１に規定されている、算術平均粗さＲａ、十点平均粗さＲｚ等の表面積に関連づけられる値を用いることができる。

ここで、導体部とは、複数の配線層と導通して多層配線を構成する電気的導通部として機能する場合だけでなく、放熱の際の伝熱経路として機能する場合も含む。導体部としては、めっき処理により形成可能な金属が好ましく、例えば、銅めっきにより形成してもよい。

また、導体部が銅めっきの場合、熱膨張率の小さいガラス繊維を銅めっき内へ食い込ませることで、ガラスと銅の熱膨張率が複合され銅めっきの熱膨張率が減少する。その結果、熱負荷時における銅めっきの膨張が軽減され、樹脂と銅めっきとの境界近傍におけるクラックの発生を抑制することができる。

上記態様において、貫通孔はドリル加工により形成されることが好ましい。これによれば、ドリル加工の際に側壁から繊維状の充填材が突出しやすくなり、その後に形成される導体部の表面の粗さが大きくなる。

上記態様において、前記側壁から突出した繊維状の充填材を覆う導体部の膜厚が、前記側壁から突出する繊維状の充填材がない該側壁を覆う導体部の膜厚より大きいことが好ましい。このように、側壁から突出した繊維状の充填材を覆う導体部の膜厚を通常より大きくすることで導体部の容積が増し放熱性を向上することができる。加えて、膜厚の異なる領域の境界に段差ができ表面積が大きくなるため、さらに放熱性を向上することができる。

また、本発明の他の態様は、回路基板の製造方法である。この回路基板の製造方法は、周期的に密度が異なる繊維状の充填材と該繊維状の充填材の隙間を埋める樹脂とを有し複数の配線層を絶縁する絶縁層を備える回路基板の製造方法であって、前記絶縁層にドリル加工により貫通孔を形成する工程と、前記貫通孔の側壁のうち樹脂部分の溶解処理を行う工程と、樹脂部分が溶解された側壁にめっき処理により導体部を形成する工程と、を有することを特徴とする。

この態様によれば、側壁のうち樹脂部分の溶解処理を前記めっき処理の前に行う。そのため、側壁のうち樹脂部分が溶解されるため、絶縁層に含まれていた繊維状の充填材をより露出することができ、側壁から突出した繊維状の充填材を覆う導体部の表面の粗さを、側壁から突出する繊維状の充填材がないその側壁を覆う導体部の表面の粗さより大きくすることができる。

ここで、周期的に密度が異なるとは、例えば、網目状に互い違いに繊維状の充填材を編み込んだ場合や、繊維状の充填材の密度が少なくとも一方向に粗密ができるように並べた場合を含む。より具体的には、単位面積あたりの繊維の本数が周期的に変化する場合を含む。また、繊維状の充填材としては、放熱性や強度の観点からガラス繊維が好適である。

なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。

本発明によれば、回路基板における絶縁層に形成された金属等の導体部の放熱性を向上させることができ、より高集積化が可能な回路基板を提供することができる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。なお、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。

（回路基板の構造）
図２は、本実施形態に係る多層の回路基板１０の構造を示す断面図である。回路基板１０は、複数の絶縁層２０，２１，２２と、絶縁層２０，２１，２２を貫通するように形成された複数のサーマルビア３０と、複数の絶縁層２０，２１，２２の間または絶縁層２０の表面上に形成された複数の配線層４０と、各配線層４０を回路基板１０の鉛直方向に導通するビアプラグ５０とを備える。

絶縁層２０，２１，２２は、ガラスクロスに絶縁性の樹脂２４を含浸させた材料であり、樹脂としては例えばエポキシ樹脂、ＢＴレジン等のメラミン誘導体、液晶ポリマー、ＰＰＥ樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、フェノール樹脂、ポリアミドビスマレイミド等の有機系樹脂が好適に用いられる。ガラスクロスは、エポキシ樹脂内に３層あると好ましい。ここで、１層とは、異なる方向にそれぞれ延びているガラス繊維が交差している状態をいい、３層とは、この状態を単位として上下方向に３段積み重なっている状態をいう。

なお、本実施形態では、難燃性ガラス布基材のエポキシ樹脂銅張り積層板（例えば、ＦＲ−４）を用いた。ここで、ＦＲ−４の熱伝導率は０．３３Ｗ／ｍＫ、絶縁耐圧は２９ＭＶ／ｍｍ（印加電圧の周波数が５０Ｈｚの場合）である。

サーマルビア３０は、回路基板１０の表面に配置された発熱体、例えばＬＳＩチップ６０で発生する熱を回路基板１０の裏面に逃がす機能を果たす。ここで、ＬＳＩチップ６０は、例えばペースト６２により絶縁層２１に取り付けられている。

配線層４０は、例えばめっき処理による銅配線が好適に用いられる。また、ビアプラグ５０は、配線層４０と同様の材質である銅を用いることで境界面での良好な導通を達成することができる。

本実施形態に係る回路基板１０に、ＬＳＩチップ６０などの半導体素子や、キャパシタ、抵抗などの受動素子を実装し、配線層４０と電気的に接続することにより、熱伝導性に優れた回路装置が得られる。

（ビアの作製方法）
次に、図３を参照して、回路基板１０のうちサーマルビア３０の作製方法を説明する。図３（ａ）は、ガラスクロスを含む絶縁層を模式的に示した断面図、図３（ｂ）は、（ａ）に示す絶縁層にドリルによりビアを形成した断面図、図３（ｃ）は、（ｂ）に示すビア近傍を溶解処理した状態を示す断面図、図３（ｄ）は、（ｃ）に示す溶解処理したビアにめっきをした状態を示す断面図である。

本実施形態に係る絶縁層２０は、図３（ａ）に示すように、紙面横方向に延びるガラス繊維２３ａと、紙面鉛直方向に延びるガラス繊維２３ｂとが内包されている（以下、ガラス繊維２３ａ，２３ｂをまとめてガラス繊維２３という）。

この絶縁層２０の所望の位置にドリル加工によりサーマルビア３０を形成すると、ガラス繊維２３の一部が切断される（図３（ｂ）参照）。本実施形態では、ドリル加工の際に側壁からガラス繊維が突出しやすくなり、その後に形成される導体部の表面の粗さが大きくなる。

このように、網目状に互い違いに繊維状の充填材を編み込んだ場合や、繊維状の充填材の密度が少なくとも一方向に粗密ができるように並べた場合のように、周期的に密度が異なる場合、ドリル加工により形成されたサーマルビア３０の側壁から突出する繊維状の充填材は、場所によってその繊維の本数が異なり、その密度は周期的に変化する。

この状態で、ガラス繊維２３を溶解させず、絶縁性の樹脂２４のみを溶解する薬液（例えば過マンガン酸溶液）によるデスミア処理を行う。この処理により、ドリル加工によるサーマルビア形成時に発生した樹脂カスや、サーマルビア側壁表面の樹脂が除去される。しかし、放熱性を高める目的で絶縁層２０に充填された無機材料、本実施形態ではガラス繊維２３は溶解されずに残る。

その結果、図３（ｃ）に示すように、絶縁層２０に内包されていたガラス繊維２３は、サーマルビア３０の側壁からその一部が突き出た状態となる。

次に、パラジウムをキャタリストに用いた無電解銅めっき処理によって、サーマルビア３０の側壁表面に数百ナノメートルの銅薄膜を析出させる。その後、硫酸銅溶液をめっき液とした電解めっきによって導体部４１を形成する（図３（ｄ）参照）。銅めっきの膜厚は、数十μｍ程度の厚さが好ましく、より好適には１０〜３０μｍ程度の膜厚がよい。本実施形態では膜厚を約１５μｍとした。

このように、ガラス繊維２３がビア側壁から突出した状態で銅めっき処理をすることで、突出したガラス繊維２３が銅めっきに取り込まれた形となり、絶縁層２０に含まれる樹脂とめっきにより形成された導体部４１との密着性を向上させることができる。その結果、樹脂から導体部である金属の膜が剥がれたり、クラックが発生したりするのを抑制し、回路基板の信頼性を向上することができる。

上述の方法により作製したサーマルビアについて図１を参照してより詳細に説明する。図１（ａ）は、本実施形態に係る回路基板のサーマルビア近傍を溶解処理した様子を示す模式図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すサーマルビアにめっき処理を施した状態における粗さの違いを説明するための模式図である。

図１（ａ）に示すように、ドリル加工により絶縁層２０にサーマルビア３０を形成すると、側壁３０ａからいくつかのガラス繊維２３が突出した状態となる。

この状態で樹脂２４のみの溶解を行うと、側壁３０ａのうち樹脂部分が後退し、ガラス繊維２３がより長く露出する。そのため、めっき処理がなされると、図１（ｂ）に示すように、ガラス繊維が導体部４１ａ，４１ｂ（以下、導体部４１ａ，４１ｂをまとめて適宜導体部４１という）内に内包されることになる。

そして、サーマルビア３０の側壁３０ａから突出したガラス繊維２３を覆う導体部４１ａの表面の粗さ（十点平均粗さ：基準長さＬ＝０．０２５ｍｍ）をＲｚ１、サーマルビア３０の側壁３０ａから突出するガラス繊維２３がない箇所を覆う導体部４１ｂの表面の粗さをＲｚ２とすると、Ｒｚ１とＲｚ２は以下の関係となる。

Ｒｚ１＞Ｒｚ２・・・（式１）
本実施形態においては、Ｒｚ１＝１．７３μｍ、Ｒｚ２＝１．３５μｍである。

このような構成により、ガラス繊維２３を覆う導体部４１ａの表面積が大きくなり、サーマルビア３０の側壁３０ａに形成された導体部４１全体の表面積が増し放熱性が高くなると共に、ガラス繊維２３を経由した熱がより放熱しやすくなる。

さらには、側壁３０ａから突出したガラス繊維２３を覆う導体部４１ａの膜厚をＺ１、側壁３０ａから突出するガラス繊維２３がないその側壁を覆う導体部４１ｂの膜厚をＺ２とすると、Ｚ１とＺ２は以下の関係となる。

Ｚ１＞Ｚ２・・・（式２）
本実施形態においては、Ｚ１＝２２．５μｍ、Ｚ２＝２０．５μｍである。

このような構成により、側壁３０ａから突出したガラス繊維２３を覆う導体部４１ａの膜厚Ｚ１を通常の膜厚Ｚ２より大きくすることで導体部４１の容積が増し放熱性を向上することができる。加えて、膜厚の異なる領域の境界に段差ができ表面積が大きくなるため、さらに放熱性を向上することができる。

したがって、本実施形態によれば、ドリル加工と樹脂の溶解処理により、周期的に密度が異なるガラス繊維２３とガラス繊維２３の隙間を埋める樹脂とを有し複数の配線層を絶縁する絶縁層において、サーマルビア３０の側壁３０ａにガラス繊維２３が突出している領域とガラス繊維２３が突出していない領域を形成することができる。そして、それぞれの領域をめっき処理することにより、導体部４１の少なくともガラス繊維２３を覆う導体部４１ａの粗さＲｚ１を他の領域より大きくすることができ、その部分の表面積を増加させ、放熱性を向上することができる。また、導体部４１の少なくともガラス繊維２３を覆う導体部４１ａの膜厚Ｚ１を他の領域の膜厚Ｚ２より大きくすることができ、熱伝導性の高い導体部の容積を増加させ、さらに放熱性を向上することができる。

その結果、回路基板１０における絶縁層２０，２１，２２に形成された金属等の導体部４１の放熱性を向上させることができ、より高集積化が可能な回路基板１０を提供することができる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施形態も本発明の範囲に含まれうるものである。

上述の実施形態では、複数の絶縁層を貫通しているサーマルビア（貫通孔）の場合を例に説明しているが、これに限られない。例えば、図４に示す回路基板１１０のように、３層の絶縁層１２０，１２１，１２２のうち真ん中の絶縁層１２０にのみ、上述のサーマルビア３０と同様のサーマルビア１３０を設けた場合であっても、同様の効果を得ることができる。また、最外層の絶縁層１２１，１２２を除く内部の絶縁層１２０のみに隙間のあるサーマルビア１３０を形成することで、放熱性を向上しつつ外部からの水分の侵入を抑制することができる。

また、上述の実施形態では、絶縁層の両面に配線層が形成されているが、配線層の構造はこれに限られない。例えば、配線層は絶縁層の片面のみに設けられていてもよい。また、複数の絶縁層を介して複数の配線層が積層されていてもよい。

また、上述の実施形態では、絶縁樹脂層は多層であるが、単層構造であってもよい。

図１（ａ）は、本実施形態に係る回路基板のサーマルビア近傍を溶解処理した様子を示す模式図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すサーマルビアにめっき処理を施した状態における粗さの違いを説明するための模式図である。実施形態に係る多層の回路基板の構造を示す断面図である。図３（ａ）は、ガラスクロスを含む絶縁層を模式的に示した断面図、図３（ｂ）は、（ａ）に示す絶縁層にドリルによりビアを形成した断面図、図３（ｃ）は、（ｂ）に示すビア近傍を溶解処理した状態を示す断面図、図３（ｄ）は、（ｃ）に示す溶解処理したビアにめっきをした状態を示す断面図である。他の実施形態に係る多層の回路基板の構造を示す断面図である。

符号の説明

１０回路基板，２０，２１，２２絶縁層，２３ガラス繊維，２４樹脂，３０サーマルビア，３０ａ側壁，４０配線層，４１導体部，５０ビアプラグ，６０ＬＳＩチップ，６２ペースト，１１０回路基板，１２０，１２１，１２２絶縁層，１３０サーマルビア。

Claims

複数の配線層と、
繊維状の充填材と樹脂とを有し前記複数の配線層を絶縁する絶縁層と、
前記絶縁層を貫通する貫通孔の側壁に形成された導体部と、
を備え、
前記側壁から突出した繊維状の充填材を覆う導体部の表面の粗さが、前記側壁から突出する繊維状の充填材がない該側壁を覆う導体部の表面の粗さより大きいことを特徴とする回路基板。
前記繊維状の充填材は、ガラス繊維であることを特徴とする請求項１に記載の回路基板。
前記複数の配線層と前記導体部が導通していることを特徴とする請求項１または２に記載の回路基板。
前記貫通孔は、ドリル加工により形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の回路基板。
前記側壁から突出した繊維状の充填材を覆う導体部の膜厚が、前記側壁から突出する繊維状の充填材がない該側壁を覆う導体部の膜厚より大きいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の回路基板。
周期的に密度が異なる繊維状の充填材と該繊維状の充填材の隙間を埋める樹脂とを有し、複数の配線層を絶縁する絶縁層を備える回路基板の製造方法であって、
前記絶縁層にドリル加工により貫通孔を形成する工程と、
前記貫通孔の側壁のうち樹脂部分の溶解処理を行う工程と、
樹脂部分が溶解された側壁にめっき処理により導体部を形成する工程と、
を有することを特徴とする回路基板の製造方法。