JP2008159686A - キャパシタを内蔵するプリント配線板の製造法 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波用小型キャパシタとデカップリングキャパシタおよびEMI用フィルタキャパシタとを高精度に形成したキャパシタ内蔵配線板の製造方法を提供する。
【解決手段】第１および第２の金属箔２，３を有する絶縁ベース材１の第１の金属箔２にメタルマスク７となる開口を設け、メタルマスク７を用い開口部６に露出した絶縁ベース材１を周縁部から中央部に向けて連続した斜面となるように、かつメタルマスク７よりも小さな径で、第２の金属箔３が露出する迄除去し、次いでメタルマスク７より小さく、絶縁ベース材１より露出した第２の金属箔３よりも大きな面積で絶縁ベース材１より露出した第２の金属箔３を覆うように、誘電体層１０を印刷法で形成し、誘電体層１０の上に導体層１１を形成し、導体層１１を第１の電極とし、第２の金属箔３のうち、誘電体層に接する面を第２の電極とすることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明はプリント配線板の構造及び製造方法に関し、特にキャパシタ構造を内蔵するプリント配線板の製造方法に関する。

近年、プリント配線板は軽量化が要求され、かつ、小型・多ピン化されたＢＧＡ（ボール・グリッド・アレイ）やＰＧＡ（ピン・グリッド・アレイ）、ＣＳＰ（チップ・サイズ・パッケージ）等を搭載するため、配線の微細化及び高密度化が要求されている。

しかし、配線の高密度化が進むにつれて、各配線パターンが互いに近接しているために、配線間でクロストークノイズが生じたり、また電源ラインやグラウンドライン等の電位が変動したりする等の問題が起こり得る。

特に、高速のスイッチング動作が要求される半導体素子や電子部品等を搭載する場合は、周波数の上昇に伴いクロストークノイズが発生し易くなり、またスイッチング素子が高速にオン/オフすることでスイッチングノイズが発生し、これによって電源ライン等の電位が変動し易くなる。これは、搭載する半導体素子等の動作信頼性の低下に繋がり、好ましくない。

そこで、電源電圧を安定化させ、且つスイッチングノイズ等を低減させる目的で、従来から、半導体素子を搭載した半導体パッケージにチップキャパシタ等の容量素子を付設して、電源ライン等を「デカップリング」することが行われている。

典型的な手法としては、半導体パッケージの半導体素子等が搭載される側と同じ面又はその反対側の面に、チップキャパシタをはんだ付け等により表面実装する方法がある。加えて、信号伝達の高速化の影響を受け、ノイズ対策であるＥＭＩ用フィルタキャパシタも多く使われるようになっている。

また高機能化、高速化が求められる携帯電話などのモバイル機器の実装に許される機器内の空間あるいは配線板上の面積は、益々小さくなっている。たとえば、小型化が進んでいる携帯電話向けの電子部品の一つとしてキャパシタが挙げられる。携帯電話向けの代表的な小型キャパシタには、０４０２（サイズ：長さ０．４ｍｍ×幅０．２ｍｍ×高さ０．２ｍｍ）、０６０３（サイズ：長さ０．６ｍｍ×幅０．３ｍｍ×高さ０．３ｍｍ）等がある。

従来技術の問題点としては、上記以下の大きさへの小型化は部品製造および実装が困難なこと、また携帯電話１台につきキャパシタが250個程度搭載されていることから、部品コストおよび実装コストがかかることが挙げられる。

このことから、新しい実装形態として部品を配線板に内蔵することにより、新たな実装エリアや空間を確保し三次元的な実装を可能にする部品内蔵配線板が開発されている。これまでにも、部品内蔵プリント配線板としては、抵抗、キャパシタ、インダクタンスなどの受動素子をガラスエポキシ樹脂やセラミックスなどの基材または配線板に内蔵する技術開発が行われ、一部実用化されている。

また、特許文献１（４頁、段落００３１）や特許文献２（５頁、段落００３１）に記載のキャパシタ内蔵配線板は、誘電体に電着によるポリイミド等の樹脂を用いている。ポリイミドの比誘電率は約３．３であることから、高周波用小型キャパシタの静電容量０．１−１ｐＦ程度を高密度に作り込むことは可能である。

しかし、工程が煩雑であり、またデカップリングキャパシタに必要な０．００５−０．１μＦ程度の容量を得るためには大面積を必要とするので、高密度化には適さない。さらに多層配線板においては、電着リードが必要なことから誘電体を形成できる場所が限定されてしまうという設計上の制約がある。

また、特許文献３（２頁、段落０００８）に記載されているキャパシタ内蔵配線板は、誘電体を孔に充填していることから電極間距離が大きくなり、容量を増大させるには大面積を必要とし、高密度化には適さない。

そこで、これらの課題を解決するために、０．１−１ｐＦ程度の高周波用小型キャパシタと０．００５−０．１μＦ程度のデカップリングキャパシタおよびＥＭＩ用フィルタキャパシタとを同時に高密度に内蔵する配線板を製造する方法が、本願出願人により出願されている（特願２００６−１３３３４６号（以下、先願という。））。しかし、ＥＭＩ用フィルタキャパシタは高精度な容量のものを作り込む必要があり、上記先願の内容では必ずしも十分ではない。

図２は、上記先願のキャパシタ内蔵配線板の製造方法を示す断面工程であって、先ず、図２（１）に示すように、ポリイミド等の可撓性絶縁ベース材２１の両面に銅箔等の第１の導体層２２、第２の導体層２３を有する、所謂、両面銅張積層板２４を用意し、第１の導体層２２の所要位置に、通常のフォトファブリケーション手法によるエッチング手法を用いて、孔や溝を形成する部位に開口を有するメタルマスクを形成するためのレジスト層２５を形成する。この工程は、ドライフィルムレジスト等をラミネーター等により張り合わせることが好ましい。尚、ベース材には、２５μｍ厚のポリイミドを用いた。

次に図２（２）に示すように、レジスト層２５を用い、通常のフォトファブリケーション手法によるエッチング手法を用いて、孔や溝を形成する部位に開口２６を有するメタルマスク２７を形成する。

次いで図２（３）に示すように、開口２６により露出された可撓性絶縁ベース材２１に対しキャパシタを形成するための孔２８と、ビアホールを形成するための孔２９をレーザー加工手法、プラズマエッチング手法、樹脂エッチング手法等を単独でまたは組み合わせることによりエッチング除去し、他方面の導体層２３に達する有底のキャパシタを形成するための孔２８と、ビアホールを形成するための孔２９を形成する。

ここでは、様々な形状の孔を同時に形成し、尚且つ孔の壁面に４５°以下のテーパーを付けるために薬液処理による樹脂エッチング手法にて形成した。この場合、ポリイミドフィルムの種類によって、樹脂エッチング速度が異なることから、可撓性絶縁ベース材２１の種類としては、ピロメリット酸二無水物と芳香族ジアミンとの重縮合により得られるポリイミドフィルム（例えば、米国デュポン社製のカプトン、鐘淵化学株式会社のアピカル）あるいはこれに類する構造の熱可塑性ポリイミド等が好適である。

また、孔の壁面を４５°以下のテーパー状に加工する理由としては、次工程の誘電体を塗布する際に、ペーストをテーパー状の壁面にまで到達させることで、キャパシタ構造部におけるショートを確実に防止するためである。ベース材には、２５μｍ厚のポリイミドを用いていることから孔の壁面を４５°以下のテーパー状にすることで、誘電体を塗布する際の位置ずれ許容量は±１０μｍであることから、インクジェット工法で十分対応することができる。ここでは、上孔径と下孔径との差を４０μｍと設計した。

続いて図２（４）に示すように、誘電体３０を孔２８により露出した第２の導体層上にインクジェット工法を用いて塗布し、熱硬化させる。ここでは、キャパシタ構造部におけるショートを防止するために、第２の導体層３上に隙間なく誘電体を描画することが必要である。そこで図２（４）に示すように、可撓性絶縁ベース材２１に形成された孔の壁面まで到達させるよう誘電体を描画した。

またデカップリングキャパシタは、本発明の方式では１００ｍｍ^２程度の面積を必要とすることから、底面はスクリーン印刷を用い、壁面部はインクジェット工法を用いることも有効である。

誘電体に電着ポリイミドを用いる場合には、ポリイミドを析出させない部分をマスクテープ等で保護しなければならない。しかし、高誘電ペーストを用いれば、インクジェット工法やスクリーン印刷により任意の場所にのみ塗布することができるから、工程の簡略化を図ることができると共に、誘電体の比誘電率や膜厚ならびに塗布面積を変える事で任意の静電容量を得ることができる。

またインクジェット用のインクは、スクリーン印刷用ペーストに比べ溶剤分が多いため熱硬化後の膜減りも多い。このことから、同じ誘電率のインクを用いてもスクリーン印刷で形成した誘電体に比べインクジェットで形成した誘電体が薄くなり、高容量のキャパシタを形成することができる。

インクジェット工法での誘電体描画の際に、１度の描画では表面に１．５μｍ程度の凹凸ができるが、３度の描画では膜厚３．５μｍ程度で表面の凹凸は０．２μｍ程度まで小さくなる。ここでは、ピンホールによるショートを確実に防止するために５度の描画で５μｍの膜厚を形成した。

この後図２（５）に示すように、第１の導体層２２ならびに孔２８により露出した第２の導体層２３上に塗布した誘電体３０、ならびに孔２８の壁面および孔２９により露出した第２の導体層２３の上と孔２９の壁面に対して導電化処理を行い、めっき皮膜３１を形成する。

そして図２（６）に示すように、第１の導体層２２、第２の導体層２３ならびにめっき皮膜３１に対してフォトファブリケーション手法によるエッチング手法を用いて、回路パターン３２，３３を形成することで、キャパシタ構造を内蔵する両面可撓性配線板３４を得る。
特開２００４−２３５４９０号公報 特開２００４−３９９０８号公報 特開２００３−３０４０６０号公報

上述のことから、０．１−１ｐＦ程度の高周波用小型キャパシタと、０．００５−０．１μＦ程度のデカップリングキャパシタおよびＥＭＩ用フィルタキャパシタとを、同時に高密度に内蔵した配線板を製造するための方法が要望されている。

静電容量を増大させるためには、両電極間の間隔を狭くすること、すなわち誘電体を薄くすることが重要である。また、誘電体の比誘電率は、大きい方が少ない面積で静電容量を大きくすることができる。そして、従来の技術では、小容量キャパシタおよび大容量キャパシタを同じ手法で高精度に製作することができない。

本発明は上述の点を考慮してなされたもので、高周波用小型キャパシタとデカップリングキャパシタおよびＥＭＩ用フィルタキャパシタとを同じ手法で形成し得る、キャパシタを内蔵したプリント配線板の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的達成のため、本願発明は、
各面に第１および第２の金属箔を各別に有する絶縁ベース材を用意する第１の工程と、
前記第１の金属箔にメタルマスクとなる開口を設ける第２の工程と、
前記メタルマスクを用い、前記メタルマスクの開口部に露出した前記絶縁ベース材を、前記メタルマスクの周縁部から中央部に向けて連続した斜面となるように除去する第3の工程と、
斜面が形成された前記絶縁ベース材に対し、前記メタルマスクよりも小さな径で、前記第２の金属箔が露出するまで前記絶縁ベース材を除去する第４の工程と、
前記メタルマスクよりも小さく、前記絶縁ベース材より露出した前記第２の金属箔よりも大きな面積で前記絶縁ベース材より露出した前記第２の金属箔を覆うように、誘電体層を印刷法で形成する第５の工程と、
前記誘電体層の上に導体層を形成し、前記導体層を第１の電極とし、前記第２の金属箔のうち、前記誘電体層に接する面を第２の電極とする第６の工程と
をそなえるキャパシタを内蔵したプリント配線板の製造方法、
を提供する。

これらの特徴により、本発明は次のような効果を奏する。

本発明によれば、絶縁ベース材を除去し孔底の残膜をレーザーで除去することで壁面に段差を形成し、塗布する誘電体層を孔の壁面の段差にまで到達させることで、キャパシタの電極面積を高精度に規定でき、尚且つキャパシタ構造部におけるショートをより確実に防止することができる。またインクジェット工法もしくはスクリーン印刷等の印刷法を用い誘電体層を孔底に形成することから、任意の場所に様々な容量のキャパシタを小面積で形成することができる。

この結果、０．１−１ｐＦ程度の高周波用小型キャパシタと０．００５−０．１μＦ程度のデカップリングキャパシタおよびＥＭＩ用フィルタキャパシタとを、同じ手法で高精度に内蔵したプリント配線板を安価に安定的に製造することが可能となる。

以下、図示の実施例を参照しながら本発明をさらに説明する。

図１は、本発明の一実施例におけるキャパシタ構造を内蔵するプリント配線板の製造方法を示す断面工程図である。この方法では、先ず、図１（１）に示すように、ポリイミド等の可撓性絶縁ベース材１の両面に、銅箔等の第１の金属箔２、第２の金属箔３を有する、所謂、両面銅張積層板４を用意し、第１の金属箔２の所要位置に通常のフォトファブリケーション手法によるエッチング手法を用いて、孔を形成する部位に開口を有するメタルマスクを形成するためのレジスト層５を形成する。

この工程は、ドライフィルムレジスト等を、ラミネーター等を用いて張り合わせることが好ましい。尚、ベース材には２５μｍ厚のポリイミドを用いた。

次に図１（２）に示すように、レジスト層５を用い、通常のフォトファブリケーション手法によるエッチング手法を用いて、孔を形成する部位に開口６を有するメタルマスク７を形成する。

次いで図１（３）に示すように、開口６により露出された可撓性絶縁ベース材１にキャパシタを形成するための孔８と、ビアホールを形成するための孔９に対し、レーザー加工手法、プラズマエッチング手法、樹脂エッチング手法等を単独でまたは組み合わせて施すことにより薄膜化する。ここでは、薬液処理による樹脂エッチング手法を用いた。

この場合、ポリイミドフィルムの種類によって、樹脂エッチング速度が異なることから、可撓性絶縁ベース材１の種類としては、ピロメリット酸二無水物と芳香族ジアミンとの重縮合により得られるポリイミドフィルム（例えば、米国デュポン社製のカプトン、鐘淵化学株式会社のアピカル）、またはこれに類する構造のポリイミド等が好適である。

絶縁ベース材の除去量は、最薄部に５μｍ程度の厚みが残る状態が好適である。絶縁ベース材を薄くする理由は、次工程でのレーザー加工等にて絶縁ベース材を除去する際に少ないショット数で除去面積の精度を向上させるためと、孔の壁面に段差を形成する目的で、メタルマスクの周縁部から孔の中央部に向けて斜面を形成するためとである。

キャパシタの容量は、電極面積、電極間距離および電極間の比誘電率によって決定するが、ここで電極面積を高精度に規定することは容量精度向上に大きく寄与する。よって、ＥＭＩ用のフィルタキャパシタのような１〜５％程度の容量公差が求められる用途に対しては、レーザー加工等により電極面積を規定し、高周波用小型キャパシタやデカップリングキャパシタ等の１０〜２０％程度の容量公差が求められる用途に対しては、薬液処理による樹脂エッチング手法等のみで、層間絶縁フィルムを除去してもよい。

続いて図１（４）に示すように、薄膜化した絶縁ベース材をレーザー加工等で除去し、他方面の金属箔３に達する有底のキャパシタを形成するための孔８と、ビアホールを形成するための孔９とを形成する。ここでは、メタルマスク径より８０μｍ小さな径で薄膜化した絶縁ベース材をＵＶ−ＹＡＧレーザーにて除去し、孔の壁面に段差を形成した。

メタルマスク径より小さな径で薄膜化した絶縁ベース材を除去する理由としては、次工程の誘電体を塗布する際に、誘電体を絶縁ベース材の壁面の段差にまで到達させることで、キャパシタ構造部におけるショートやリークを確実に防止するためである。

メタルマスク径より８０μｍ小さな径で絶縁ベース材を除去すると、片側４０μｍのクリアランスが確保され、レーザー加工等の位置合わせ精度、およびインクジェット工法の位置合わせ精度を考慮しても十分対応することができる。

そして図１（５）に示すように、孔８により露出した第２の金属箔上に、誘電体層１０をインクジェット工法を用いて塗布し、熱硬化させる。ここでは、キャパシタ構造部におけるショートを防止するために、第２の金属箔３の上に隙間なく誘電体層１０を形成することが必要である。

そこで図１（５）に示すように、可撓性絶縁ベース材１に形成された孔の壁面の段差にまで到達させるように誘電体層１０を形成した。また、デカップリングキャパシタは、本発明の方式では１００ｍｍ^２程度の面積を必要とすることから、底面はスクリーン印刷を用い、壁面部はインクジェット工法を用いることも有効である。

誘電体として電着ポリイミドを用いる場合には、ポリイミドを析出させない部分をマスクテープ等で保護しなければならないが、高誘電ペーストを用いればインクジェット工法やスクリーン印刷により任意の場所にのみ塗布することができる。したがって、工程の簡略化を図ることができると共に、誘電体の比誘電率や膜厚並び塗布面積を変えることで任意の静電容量を得ることができる。

また、インクジェット用のインクは、スクリーン印刷用ペーストに比べ溶剤分が多いため熱硬化後の膜減りも多い。このことから、同じ誘電率のインクを用いても、スクリーン印刷で形成した誘電体に比べインクジェットで形成した誘電体層がより薄くなることから、より高容量のキャパシタを形成することができる。

インクジェット工法での誘電体描画の際に、１度の描画では表面に１．５μｍ程度の凹凸ができるが、３度の描画では膜厚３．５μｍ程度で表面の凹凸は０．２μｍ程度まで小さくなる。ここでは、ピンホールによるショートを確実に防止するために、５度の描画で５μｍの膜厚を形成した。

次に図１（６）に示すように、第１の金属箔２および孔８により露出した第２の金属箔３の上面に塗布した誘電体層１０、ならびに孔８の壁面および孔９により露出した第２の金属箔３の上面と孔９の壁面とに対して導電化処理を行い、めっき皮膜１１を形成する。

次いで図１（７）に示すように、第１の金属箔２、第２の金属箔３およびめっき皮膜１１に対し、フォトファブリケーション手法によるエッチング手法を用いて配線パターン１２，１３を形成することにより、キャパシタ構造を内蔵する両面可撓性プリント配線板１４を得る。

上記実施例のキャパシタの設計例として、下式(1)より厚さ５μｍで１００ｍｍ^２の誘電体膜を第２の導体層上に残した場合の静電容量は、およそ０．００５μＦとなる。
Ｃ＝ε０×εｒ×ｓ／ｄ （１）
ここで、Ｃ：静電容量（F）、ε０：真空の誘電率８．８５×１０^１２Ｆ／ｍ）、εr：比誘電率（アサヒ化研製の誘電ペースト「ＣＸ−１６」を用いた場合は約６０）、ｓ：面積（ｍ^２）、ｄ：厚さ（ｍ）。

このサイズであれば、配線板に搭載するＱＦＰ（クワッド・フラット・パッケージ：ＩＣパッケージの４辺からリードピンを引き出した表面実装部品）などのチップ部品の下に内蔵することが可能となるため、高密度化の妨げにならない。

また誘電体の厚さ、面積を変更することにより、配線板上の静電容量の値を任意に制御可能である。例えば、携帯電話等に用いられる高周波用小型キャパシタの静電容量は、０．１−１ｐＦ程度であることから、０４０２（サイズ：長さ０．４ｍｍ×幅０．２ｍｍ×高さ０．２ｍｍ）以下の大きさに製造することが可能である。実際に、誘電ペーストの厚さが５μｍ、φ５０μｍの大きさで、０．２ｐＦの静電容量を得ることができる。よって、実装面積を大きく削減することができる。

また、本発明によるキャパシタ構造を内蔵する両面プリント配線板をコア配線板とした多層配線板も製作可能である。無論、ビルドアップ層にも形成可能であることから、コア配線板およびビルドアップ層は、ともに本発明によるキャパシタ構造を内蔵する両面プリント配線板を用いることができる。

本発明の一実施例を示す製造工程図。 従来工法を示す製造工程図。

符号の説明

１ 可撓性絶縁ベース材
２ 第１の金属箔
３ 第２の金属箔
４ 両面銅張積層板
５ レジスト層
６ 開口
７ メタルマスク
８，９ 孔
１０ 誘電体層
１１ めっき皮膜
１２，１３ 配線パターン
１４ 本発明によるキャパシタ構造を内蔵した両面可撓性プリント配線板
２１ 可撓性絶縁ベース材
２２ 第１の導体層
２３ 第２の導体層
２４ 両面銅張積層板
２５ レジスト層
２６ 開口
２７ メタルマスク
２８，２９ 孔
３０ 誘電体
３１ めっき皮膜
３２，３３ 回路パターン
３４ 本発明によるキャパシタ構造を内蔵した両面可撓性回路配線板

Claims (4)

1. 各面に第１および第２の金属箔を各別に有する絶縁ベース材を用意する第１の工程と、
   前記第１の金属箔にメタルマスクとなる開口を設ける第２の工程と、
   前記メタルマスクを用い、前記メタルマスクの開口部に露出した前記絶縁ベース材を、前記メタルマスクの周縁部から中央部に向けて連続した斜面となるように除去する第３の工程と、
   斜面が形成された前記絶縁ベース材に対し、前記メタルマスクよりも小さな径で、前記第２の金属箔が露出するまで前記絶縁ベース材を除去する第４の工程と、
   前記メタルマスクよりも小さく、前記絶縁ベース材より露出した前記第２の金属箔よりも大きな面積で前記絶縁ベース材より露出した前記第２の金属箔を覆うように、誘電体層を印刷法で形成する第５の工程と、
   前記誘電体層の上に導体層を形成し、前記導体層を第１の電極とし、前記第２の金属箔のうち、前記誘電体層に接する面を第２の電極とする第６の工程と
   をそなえるキャパシタを内蔵したプリント配線板の製造方法。
2. 請求項１記載のプリント配線板の製造方法において、
   前記第３の工程における絶縁ベース材の除去は、レーザー加工、プラズマエッチング、薬液を用いた樹脂エッチングのうち少なくとも一つを用いることを特徴とするプリント配線板の製造方法。
3. 請求項１記載のプリント配線板の製造方法において、
   前記第４の工程における絶縁ベース材の除去は、レーザー加工により行うことを特徴とするプリント配線板の製造方法。
4. 請求項１記載のプリント配線板の製造方法において、
   前記第４の工程における絶縁ベース材の除去は、薬液処理により行うことを特徴とするプリント配線板の製造方法。

Images