JP2009141049A - スルーホールフィリング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡便にビアを形成することができるスルーホールフィリング方法を提供する。
【解決手段】 基板の表面、裏面およびスルーホール内の側面に給電用金属膜を形成した後、基板の表面および裏面を陰極として金属メッキ膜を形成する。その後、表面を陰極として裏面を陽極としてメッキ金属層を形成する工程と、表面を陽極として裏面を陰極としてメッキ金属層を形成する工程とを繰り返し行う。その結果、表面および裏面に比べて相対的に早くスルーホール内にメッキ金属を析出させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、基板に形成したスルーホールにメッキ金属を充填し、ボイド等のないビアを形成するスルーホールフィリング方法に関する。

プリント基板やセラミック基板などからなる基板に形成されたスルーホールをメッキ金属で充填する方法として、基板表面に導電化処理を施し、その後メッキ法によって、スルーホール内にメッキ金属を充填するスルーホールフィリング方法が種々提案されている。

図３は従来提案されているスルーホールフィリング方法の説明図である。厚さ３００μｍの基板２０に直径が１ｍｍ以下のスルーホール２１を形成する。この後、基板２０表面およびスルーホール２１内壁に給電用金属膜２２を形成し（図４Ａ）、図５に示すように構成したメッキ浴で、促進剤や抑制剤を含まないメッキ液を用い、基板２０の一方の面側の電流密度と他方の面側の電流密度を異ならせて電解メッキを行う。その結果、スルーホール２１の高電流密度の面がメッキ金属２３で塞がれる（図２Ｂ）。その後、開口する面側の電流密度を高くし、メッキ金属２３で塞がれた面側の電流密度を低くして、促進剤や抑制剤を含むメッキ液で電解メッキを行う。このようにすることにより、スルーホール２１内にメッキ金属２３を充填することが可能となる（図２Ｃ）（特許文献１参照）。

一般的にこのような電解メッキ法では、図５に示すように、基板１が陰極、その表面および裏面に対置する対向電極が陽極となるように電流源に接続して通電する構成となっている。
特開２００１−２００３８６号公報

従来のスルーホールフィリング方法は、２種類のメッキ液を使用する必要があり、簡便な方法ではなかった。本発明はこのような問題点を解消し、簡便にビアを形成することができるスルーホールフィリング方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、基板に形成されたスルーホールに金属を充填するスルーホールフィリング方法において、前記基板の表面、裏面およびスルーホール内の壁面に給電用金属膜を形成する第１の工程と、前記基板の表面および裏面の前記給電用金属膜それぞれを陰極とし、それぞれに対置する対向電極を陽極として、前記基板の表面、裏面およびスルーホール内の前記給電用金属膜上に金属メッキ膜を形成する第２の工程と、該金属メッキ膜が形成された前記基板の表面および裏面のいずれか一方の面を陽極とし、該一方の面に対置する第１の対向電極を陰極とし、前記基板の表面および裏面の他方の面を陰極とし、該他方の面に対置する第２の対向電極を陽極としてそれぞれ通電し、前記一方の面上の前記金属メッキ膜から該金属メッキ膜を構成する金属を溶出させると共にその表面に前記金属メッキ膜を酸化した酸化膜を形成し、前記他方の面上の前記金属メッキ膜上及び前記スルーホール内に金属メッキ膜を析出させる第３の工程と、前記一方の面を陰極とし、前記第１の対向電極を陽極とし、前記他方の面を陽極とし、前記第２の対向電極を陰極としてそれぞれ通電し、前記一方の面に形成されている酸化膜を還元すると共に前記スルーホール内に金属メッキ膜を析出させ、前記他方の面上の前記金属メッキ膜から前記金属を溶出させると共にその表面に前記酸化膜を形成する第４の工程と、前記一方の面を陽極とし、前記第１の対向電極を陰極とし、前記他方の面を陰極とし、前記第２の対向電極を陽極としてそれぞれ通電し、前記一方の面上の金属メッキ膜から前記金属を溶出させると共にその表面に酸化膜を形成し、前記他方の面上に形成されている酸化膜を還元すると共に前記スルーホール内に前記金属メッキ膜を析出させる第５の工程と、前記第４の工程と、前記第５の工程を繰り返し、前記スルーホール内を金属メッキ膜で充填する第６の工程とを含むことを特徴とする。

本願請求項２に係る発明は、請求項１記載のスルーホールフィリング方法において、前記金属メッキ膜は、銅あるいは銀のいずれかであることを特徴とする。

本発明は、基板表面に形成した金属メッキ膜を陽極として作用させることによって、その表面に酸化膜を形成し、基板表面への金属メッキ膜の形成を抑制させる一方、スルーホール内部への金属メッキ膜の形成は抑制させることなく行うことができる。この方法は、電流源の電極の正極と負極とを交互に交換するだけで良く、非常に簡便な方法である。

また本発明の方法は、メッキ法によりスルーホール内部全体に金属を充填することができるため、スルーホール側壁と充填した金属（メッキ金属）との密着性が良く、熱伝導性の優れたビアホールを形成することができ、サーマルビアとして好適となる。また、導電性に優れているため、接地用ビアとしても好適となる。本発明の方法は、酸化膜を形成する金属の電解メッキ法に適用することができるため、特に、導電性に優れた銅、銀を充填する方法として好適である。

以下、本発明のスルーホールフィリング方法について、銅の充填する方法を例にとり、詳細に説明する。

図１は本発明の実施例の説明図である。まず、スルーホール２が形成されたセラミックスからなる基板１を用意する（図１Ａ）。そして基板１表面、裏面およびスルーホール２の側壁に約０．５μｍの銅からなる給電用金属膜３を形成する（図１Ｂ）。給電用金属膜３は、スパッタ法により、スルーホール２側壁全面を被覆するように形成する。なお、スルーホール２側壁全面を被覆することができれば、無電解メッキ法、蒸着法などによって形成しても良い。

次に、硫酸銅メッキ法により、従来例同様、図４に示すように電流源に接続すると共に、基板１の表面側と裏面側の電流密度を異ならせて、給電用金属膜３に銅メッキを施す。その結果、基板１の表面、裏面およびスルーホール内に銅からなる金属メッキ膜４が形成される。スルーホール２内の金属メッキ膜４は、図１（Ｃ）に示すように、電流密度の高い側のスルーホール２の開口部のメッキ成長が早く進み、スルーホール２にテーパー状の金属メッキ膜４が形成される。

次に、電流源との接続を図２に示すように変更する。即ち、２つの電流源ａ、ｂを用意し、電流源ａの一方の端子には対向電極ａを接続し、他方の端子には金属メッキ膜４が形成された基板１のａ面を接続する。また電流源ｂの一方の端子には対向電極ｂを接続し、他方の端子には金属メッキ膜４が形成された基板１のｂ面を接続する。対向電極ａ、ｂは銅板で構成する。そして以下に詳述するように、基板１のａ面とｂ面とは、相互に逆の電位となるようにする。

図１（Ｄ）において上面をａ面、下面をｂ面として説明すると、基板１のａ面が陰極（−）、ｂ面が陽極（＋）となるように、電流源ａ、ｂをそれぞれ接続する。電流源ａから電流を流すと、対向電極ａの表面では、対向電極を構成する銅が酸化されメッキ液中に銅イオンが溶出する。また基板１のａ面表面では、メッキ液中の銅イオンが還元され、ａ面表面およびスルーホール２内に金属メッキ膜４が析出する。ここで対向電極ａの表面には、酸化銅（ＣｕＯ）が形成される。これは、ブラックフィルムと呼ばれるものである。同時に電流源ｂから電流を流すと、対向電極ｂの表面では、メッキ液中の銅イオンが還元され、対向電極ｂ表面にメッキ銅が析出する。また基板１のｂ面表面では、先に形成した金属メッキ膜４が酸化されメッキ液中に銅イオンが溶出すると共に、その表面に酸化銅からなる第１の酸化膜５が形成される（図１Ｄ）。ここで電流源ｂから供給する電流より電流源ａから供給する電流が大きくなるように電流値を調整すると、スルーホール２の内部に第１の酸化膜５が形成されるのを防ぐことができる。また、メッキ金属層４が基板１のａ面表面に析出する膜厚は、メッキ時間と電流密度を調整することにより制御可能である。

次に、基板１をメッキ浴から取り出すことなく、電源の極性を反転させて基板１表面の極性を反転させる。即ち、基板１のａ面が陽極（＋）で対向電極ａが陰極（−）、基板１のｂ面が陰極（−）で対向電極ｂが陽極（＋）となるように電流源ａ、ｂの極性を反転させる。電流源ａから電流を流すと、対向電極ａの表面では、表面に形成さている酸化銅が還元され、その膜厚が徐々に薄くなる。また基板１のａ面表面では、金属メッキ膜４が酸化され、メッキ液中に銅イオンが溶出する。この銅イオンが析出した基板１のａ面表面には、酸化銅からなる第２の酸化膜６が形成される。同時に電流源ｂから電流を流すと、対向電極ｂの表面では、対向電極を構成する銅が酸化されメッキ液中に銅イオンが溶出する。この銅イオンが析出した対向電極ｂの表面には酸化銅が形成される。また基板１のｂ面表面では、第１の酸化膜５が還元され、その膜厚が徐々に薄くなる（図１Ｅ）。

さらに電流源ａから電流を流し続けると、対向電極ａの表面の酸化銅がすべて還元され、対向電極を構成する銅が露出する。また基板１のａ面表面では、酸化銅からなる第２の酸化膜６の厚さが厚くなっていく。同時に電流源ｂから電流を流し続けると、対向電極ｂの表面では、銅イオンの溶出とともに酸化銅の厚さが厚くなる。また基板１のｂ面表面では、第１の酸化膜５が消失し、金属メッキ膜４が露出する。このとき、スルーホール２内部にも金属メッキ膜４が析出する（図１Ｆ）。ここで電流源ａから供給する電流より電流源ｂから供給する電流が大きくなるように電流値を設定すると、スルーホール２の内部に第２の酸化膜５が形成されるのを防ぐことができる。

このように基板１のａ面では銅イオンが溶出し、基板１のｂ面では、第１の酸化膜５が還元された後金属メッキ膜が析出するため、基板表面の金属メッキ膜の析出速度は非常に遅くなる。それに比べて、スルーホール２内では、酸化膜が形成されないため、先にスルーホール内で金属メッキ膜の析出が始まる。その結果、スルーホール内の金属メッキ膜の析出速度が相対的に早くなる。なお、基板の一方の面と他方の面の極性を異ならせるとともに、陰極側の基板の電流密度を陽極側の基板の電流密度より高くすることによって、スルーホール２内に酸化膜を形成しない構成とすることができる。これは、陰極側の基板表面に対置する対向電極（陽極）の電界が基板を回り込んでスルーホール２内にかかるため、陽極となっている基板側であっても、スルーホール２内の金属メッキ膜４は、陰極として作用するためと考えられる。

引き続き、基板１をメッキ浴から取り出すことなく、電源の極性を反転させて基板１表面の極性を反転させる。即ち、基板１のａ面が陰極（−）で対向電極ａが陽極（＋）、基板１のｂ面が陽極（＋）で対向電極ｂが陰極（−）となるように電流源ａ、ｂの極性を反転させる。電流源ａから電流を流すと、対向電極ａの表面では、表面に析出した金属メッキ膜及び対向電極を構成する銅が酸化され、メッキ液中に銅イオンを溶出する。また基板１のａ面表面では、表面に形成されている第２の酸化銅６が還元され、その膜厚が徐々に薄くなる。同時に電流源ｂから電流を流すと、対向電極ｂの表面では、酸化膜が還元され、その膜厚が徐々に薄くなる。また基板１のｂ面表面では、金属メッキ膜４が酸化され、メッキ液中に銅イオンが溶出する。前述同様、銅イオンが析出した基板１のｂ面表面には、酸化銅からなる第３の酸化膜７が形成される（図１Ｇ）。

さらに電流源ａから電流を流し続けると、対向電極ａの表面では酸化銅の厚さが厚くなる。また基板１のａ面表面では、第２の酸化膜６が消失し、金属メッキ膜４が露出する。そして、この露出した金属メッキ膜４が酸化されメッキ液中に銅イオンを溶出する。同時に電流源ｂから電流を流し続けると、対向電極ｂの表面の表面の酸化膜がすべて還元され、対向電極を構成する銅が露出し、露出した銅が酸化され、メッキ液中に銅イオンを溶出する。また、基板１のｂ面表面では、第３の酸化膜７の厚さが厚くなる（図１Ｈ）。ここで電流源ｂから供給する電流より電流源ａから供給する電流が大きくなるように電流値を調整すると、スルーホール２の内部に第３の酸化膜７が形成されずに、スルーホール２内部に金属メッキ膜４を析出させることができる。

引き続き、基板１をメッキ浴から取り出すことなく、電源の極性を反転させて基板１表面の極性を反転させる。即ち、基板１のａ面が陽極（＋）で対向電極ａが陰極（−）、基板１のｂ面が陰極（−）で対向電極ｂが陽極（＋）となるように電流源ａ、ｂの極性を反転させる。電流源ａから電流を流すと、対向電極ａの表面では、表面に形成されている酸化銅が還元され、その膜厚が除去に薄くなる。また基板１のａ面表面では、金属メッキ膜４が酸化され、メッキ液中に銅イオンが溶出する。この銅イオンが析出した基板１のａ面表面には、酸化銅からなる第４の酸化膜８が形成される。同時に電流源ｂから電流を流すと、対向電極ｂの表面では、表面に析出した銅及び対向電極を構成する銅が酸化され、メッキ液中に銅イオンが溶出する。また基板１のｂ面表面では、第３の酸化膜７が還元され、その膜厚が徐々に薄くなる（図１Ｉ）。この工程は、前述の図１（Ｅ）の工程と同一である。

さらに電流源ａから電流を流し続けると、対向電極ａの表面の酸化膜がすべて還元され、対向電極を構成する銅が露出する。また基板１のａ面表面では、第４の酸化膜８の厚さが厚くなっていく。同時に電流源ｂから電流を流し続けると、対向電極ｂの表面では、銅イオンの溶出とともに酸化銅の厚さが厚くなる。また基板１のｂ面表面では、第３の酸化膜６が消失し、金属メッキ膜４が露出する。このとき、スルーホール２内部にも金属メッキ膜４が析出する（図１Ｈ）。ここで電流源ａから供給する電流より電流源ｂから供給する電流が大きくなるように電流値を調整すると、スルーホール２の内部に第４の酸化膜８が形成されるのを防ぐことができる（図１Ｊ）。この工程は、前述の図１（Ｆ）の工程と同一である。

このように、電源の極性を反転させることを繰り返し、銅メッキを行うと、図１（Ｋ）に示すようにスルーホール２内を金属メッキ膜４で充填することができる。

このように形成した基板は、必要に応じて、表面及び裏面を研磨し、基板表面を露出させて使用する。表面及び裏面に析出したメッキ銅は、所定のパターニングを施すことによって、配線金属として使用することもできる。

本発明は、メッキ法によりスルーホール内部を充填する構成となっているため、スルーホール側壁と充填した金属との接着性が良く、熱伝導性の優れたビアホールを形成することができ、サーマルビアとして好適である。また、導電性に優れているため、接地用ビアとして好適である。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではないことはいうまでもない。例えば、硫酸銅メッキ方法に限らず、メッキ工程で金属酸化膜が形成される電解メッキ方法、例えば銀メッキ方法に適用することができる。また、基板はセラミック基板に限らず、誘電体基板を用いることができるし、使用する基板との接着性がよく、銅メッキを行うことができる金属は適宜選択することができる。

また、図１（Ｃ）に示す金属メッキ膜４を形成する工程は、図２に示すように２つの電源に基板１の表面をそれぞれ接続し、その表面が陰極（−）となるように設定すれば、図１に示す工程を、メッキ浴から基板１を取り出すことなく、電源の極性を変更するだけで連続して行うことができ、好適である。

本発明の実施例を説明する図である。 本発明の実施例を説明する図である。 従来のこの種のスルーホールフィリング方法を説明するための図である。 従来のこの種のスルーホールフィリング方法を説明するための図である。

符号の説明

１；基板、２；スルーホール、３；給電用金属膜、４；金属メッキ膜、５；第１の酸化膜、６；第２の酸化膜、７；第３の酸化膜、８；第４の酸化膜

Claims (2)

1. 基板に形成されたスルーホールに金属を充填するスルーホールフィリング方法において、
   前記基板の表面、裏面およびスルーホール内の壁面に給電用金属膜を形成する第１の工程と、
   前記基板の表面および裏面の前記給電用金属膜それぞれを陰極とし、それぞれに対置する対向電極を陽極として、前記基板の表面、裏面およびスルーホール内の前記給電用金属膜上に金属メッキ膜を形成する第２の工程と、
   該金属メッキ膜が形成された前記基板の表面および裏面のいずれか一方の面を陽極とし、該一方の面に対置する第１の対向電極を陰極とし、前記基板の表面および裏面の他方の面を陰極とし、該他方の面に対置する第２の対向電極を陽極としてそれぞれ通電し、前記一方の面上の前記金属メッキ膜から該金属メッキ膜を構成する金属を溶出させると共にその表面に前記金属メッキ膜を酸化した酸化膜を形成し、前記他方の面上の前記金属メッキ膜上及び前記スルーホール内に金属メッキ膜を析出させる第３の工程と、
   前記一方の面を陰極とし、前記第１の対向電極を陽極とし、前記他方の面を陽極とし、前記第２の対向電極を陰極としてそれぞれ通電し、前記一方の面に形成されている酸化膜を還元すると共に前記スルーホール内に金属メッキ膜を析出させ、前記他方の面上の前記金属メッキ膜から前記金属を溶出させると共にその表面に前記酸化膜を形成する第４の工程と、
   前記一方の面を陽極とし、前記第１の対向電極を陰極とし、前記他方の面を陰極とし、前記第２の対向電極を陽極としてそれぞれ通電し、前記一方の面上の前記金属メッキ膜から前記金属を溶出させると共にその表面に酸化膜を形成し、前記他方の面上に形成されている前記酸化膜を還元すると共に前記スルーホール内に金属メッキ膜を析出させる第５の工程と、
   前記第４の工程と、前記第５の工程を繰り返し、前記スルーホール内を金属メッキ膜で充填する第６の工程とを含むことを特徴とするスルーホールフィリング方法。
2. 請求項１記載のスルーホールフィリング方法において、
   前記金属メッキ膜は、銅あるいは銀のいずれかであることを特徴とするスルーホールフィリング方法。

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