JP2014107491A - 配線基板 - Google Patents

Abstract

【課題】 絶縁基板の主面の平坦性が高く、主面に実装される電子部品を確実に取着することが可能な配線基板を提供する。
【解決手段】 平面透視における複数の導体層２の分布密度が部分的に異なっており、導体層２の厚みが、平面透視における導体層２の分布密度が小さい部分において、分布密度が大きい部分よりも厚い配線基板９である。平面透視における複数の導体層２の分布密度の差による複数の導体層２の合計の厚みの差を小さくすることができるため、絶縁基板１の主面の平坦性を高めることができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、複数の絶縁層が積層されてなる絶縁基板と、絶縁層の層間に設けられた導体層とを含む配線基板に関するものである。

従来、ＬＳＩおよびＩＣ等の半導体素子、容量素子および圧電振動子等の電子部品が搭載される配線基板として、酸化アルミニウム質焼結体またはガラスセラミック質焼結体等からなる四角板状等の絶縁基板を含む配線基板が多用されている。このような配線基板は一般に、複数の絶縁層間に、回路パターン等の導体層が形成されている。近年、その導体層について高密度化が求められている。そのため、複数の絶縁層の層間の導体層の密度（ある一つの層間において、その層間に設けられた導体層の面積的な割合）は高くなってきている。

また一方で、複数の層間には、導体層が設けられていない部分が存在する。そのため、絶縁基板を平面透視したときに、積層方向における複数の層間の複数の導体層同士の重なりの頻度、つまり分布密度のばらつきが大きくなる傾向にある。

導体層の分布密度がばらつくと、積層方向における導体層の合計の厚みがばらつき、これに応じて絶縁基板の上面等の最表面において凹凸が生じる可能性がある。このような凹凸が生じると、その上面に電子部品が搭載されるときの信頼性および作業性等が低下する可能性がある。これに対しては、例えば絶縁層のうち導体層が設けられていない部分にダミーの導体層等を追加して、凹凸を低減する技術が提案されている。

特開平８−181447号公報 特開2001−267467号公報 特開2006−196535号公報

しかしながら、導体層の高密度化により、ダミーの導体層を絶縁層間に設けることがさらに難しくなっている。また、ダミーの導体層を設けることのみを目的として絶縁層（層間）数を増加させることも考えられるが、この場合には絶縁基板（配線基板）の厚みが厚くなる傾向がある。すなわち、配線基板としての小型化、低背化が難しくなる可能性がある。

本発明の一つの態様による配線基板は、複数の絶縁層が積層されてなる絶縁基板と、前記複数の絶縁層の複数の層間に設けられた複数の導体層とを備えており、前記複数の導体層の分布密度が前記層間に沿ってばらついており、前記複数の導体層のうち少なくとも一つの導体層において、前記分布密度が小さい部分に位置する部分の厚みが、前記分布密度が大きい部分に位置する部分の厚みよりも厚いことを特徴とする。

本発明の一つの態様による配線基板によれば、上記構成を有し、複数の絶縁層の積層方向における複数の導体層の分布密度がばらついており、導体層の厚みが、導体層の分布密
度が小さい部分において、分布密度が大きい部分よりも厚いことから、平面透視において、積層方向における導体層の厚みの合計の差を効果的に低減することができる。したがって、絶縁基板の主面の平坦性を高める上で有効な配線基板を提供することができる。

（ａ）は、本発明の実施形態の配線基板を示す上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における断面図であり、（ｃ）は（ａ）の下面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、それぞれ図１の配線基板を絶縁層毎に分解して示す分解上面図である。 図１に示す配線基板の第１の変形例を示す断面図である。 図１に示す配線基板の第２の変形例における要部を示す断面図である。

本発明の実施形態の配線基板について、添付の図面を参照して説明する。なお、以下の説明における上下の区別は各図面に対応した便宜的ものであり、配線基板が実際に用いられるときの上下を規定するものではない。以下の説明では、直交座標系ｘｙｚを定義して、ｘｙｚを参照して方向を特定することがある。

図１（ａ）は、本発明の実施形態の配線基板を示す上面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線における断面図であり、図１（ｃ）は、図１（ａ）の下面図である。また、図２は、図１に示す配線基板を絶縁層毎に分解して示す分解平面図（分解上面図）である。

配線基板９は、基本的に、複数の絶縁層１ａが積層されてなる絶縁基板１と、複数の絶縁層１ａの複数の層間に設けられた複数の導体層２とを有している。絶縁基板１は、例えば四角板状であり、電子部品（図示せず）を搭載し支持するための基体として機能する。配線基板９の上面に電子部品が搭載される。電子部品としては、ＩＣやＬＳＩ等の半導体集積回路素子、およびＬＥＤ（発光ダイオード）やＰＤ（フォトダイオード），ＣＣＤ（電荷結合素子）等の光半導体素子を含む半導体素子、弾性表面波素子、水晶振動子等の圧電素子、容量素子、抵抗器および半導体基板の表面に微小な電子機械機構が形成されてなるマイクロマシン（いわゆるＭＥＭＳ素子）等の種々の電子部品が挙げられる。

電子部品が搭載される絶縁基板１の上面については、その平坦度が高いことが求められている。これは、例えば、搭載部に搭載される電子部品と配線基板９との電気的な接続の信頼性、および接続時の作業性等を確保する必要があることによる。絶縁基板１の上面の平坦度が低いと、その上面に電子部品と電気的に接続される複数の接続パッド（後述）が設けられるようなときに、上記凹凸のために、これらの接続パッドと電子部品との接続が難しくなる。実施形態の配線基板９は、以下に説明するように、その絶縁基板１の上面の平坦度を高くする上で有効な構成である。そのため、電子部品の搭載時の信頼性および作業性等が高いという効果を有している。

図１（ａ）は実施形態の配線基板９の上面図であり、平面視において四角形状の最上層の絶縁層１ａの上面（絶縁基板１の上面）の中央部に、電子部品（図示せず）と電気的に接続される接続パッド４が形成されている。また、最下層の絶縁層１ａの下面（絶縁基板１の下面）に、外部電気回路基板（図示せず）と電気的に接続される接続パッド４が形成されている。絶縁基板１の上面の接続パッド４と、下面の接続パッド４とは、絶縁基板１の内部に設けられた複数の導体層２等を介して互いに電気的に接続されている。

絶縁基板１を形成している複数の絶縁層１ａは、例えばガラスセラミック焼結体からなる。絶縁層11の積層数は、図１に示す例では４層であるが、これ以外の積層数でも構わな
い。また、導体層２の形状も図示されたもの以外でも構わない。

絶縁層１ａを形成するガラスセラミック焼結体としては、ホウケイ酸系ガラスにセラミック成分として酸化アルミニウムを添加してなるもの、およびリチウム系ガラスを用いたもの等が挙げられる。

絶縁基板１は、例えば各絶縁層１ａが、ホウケイ酸系ガラスにセラミック成分として酸化アルミニウムを添加してなるガラスセラミック焼結体からなる場合であれば、次のようにして製作することができる。すなわち、まず、酸化ケイ素，酸化ホウ素等のガラス成分の粉末に酸化アルミニウム等のセラミック粉末を添加した原料粉末に適当な有機バインダおよび有機溶剤を添加混合してスラリーを作製する。次に、このスラリーをドクターブレード法やリップコータ法等のシート成形技術を採用してシート状に成形することによって複数枚のセラミックグリーンシートを作製する。その後、セラミックグリーンシートを切断加工や打ち抜き加工によって適当な形状とするとともにこれを複数枚積層し、最後にこの積層されたセラミックグリーンシートを還元雰囲気中において約900〜1000℃の温度で
焼成することによって製作することができる。

絶縁層１ａの層間の導体層２は、電気信号を伝送する線路状パターン２ａと、線路状パターンよりも広い幅で設けられているとともに、電源またはグランド電位に電気的に接続される面状パターン２ｂとを含んでいる。また、この実施の形態の例においては、絶縁層１ａを厚み方向に貫通して上下に導通する貫通導体３と、貫通導体３の端部に接続されたランドパターン５も形成されている。ランドパターン５は貫通導体３と絶縁層１ａの層間の導体層２の機械的接続を確実にするために設けている。すなわち、貫通導体３の平面視における面積よりもランドパターン５の面積を大きくすることで、複数の絶縁層１ａを積層する際にわずかに位置ずれが生じても機械的接続を保つことができる。

例えば貫通導体３およびランドパターン５を介して、絶縁基板１の上面の接続パッド４と下面の接続パッド４とが電気的に接続されている。また、貫通導体３およびランドパターン５の少なくとも一方の一部と、導体層２とが直接に接続されて、導体層２が接続パッド４と電気的に接続されている。この場合、絶縁基板１の上下面の接続パッド４同士の間を接続する導電路の一部に、線路状パターン２ａおよび面状パターン２ｂの少なくとも一方が含まれることになる。

実施形態の配線基板９において、例えば、絶縁基板１の上面の接続パッド４に電子部品が電気的に接続され、絶縁基板１の下面の接続パッド４が外部電気回路に電気的に接続される。これにより、電子部品と外部電気回路との間で送受される電気信号（いわゆるシグナル）が線路状パターン２ａを伝送される。また、電子部品および外部電気回路の少なくとも一方の接地（グランド）および電源（パワー）電位用の電極が、面状パターン２ｂと電気的に接続される。

導体層２を構成する線路状パターン２ａ、面状パターン２ｂ（後述する面状パターン厚膜部２ｃを含む）、ランドパターン５、貫通導体３および接続パッド４といった導体部分は、銅、銀、パラジウム、金または白金、もしくはこれらの金属材料を主成分とする合金等の金属材料により形成されている。これらの金属材料、特に銅および銀は、電気抵抗が低いため、導体層２等の導体部分における電気抵抗を低く抑えて、配線基板９としての電気特性を高くする上で有利である。また、耐マイグレーション性および経済性等を考慮すれば、導体層２等は銅からなるものであることが好ましい。

接続パッド４は、ニッケル、銅または金等のめっき層で被覆されていてもよい。めっき層は、１層でもよく、複数層でもよい。また、例えば接続パッド４上に順次被着されたニ
ッケルめっき層および金めっき層のように、互いに異なる種類の金属材料からなる複数層のめっき層でもよい。

導体層２等の導体部分は、例えば、銅等の金属ペーストを、絶縁層１ａとなるセラミックグリーンシートの主面等の表面に、スクリーン印刷法等の方法で塗布し、焼成することによって形成することができる。

この場合、あらかじめセラミックグリーンシートに貫通孔を形成しておいて、この貫通孔内に上記と同様の金属ペーストを充填して焼成すれば、貫通導体３を形成することができる。セラミックグリーンシートの貫通孔は、例えば金属ピンを用いた機械的な孔あけ加工やレーザ加工等の方法で形成することができる。

なお、貫通導体３となる金属ペーストには、セラミックグリーンシートとの間で焼成時の収縮率の差を小さくするために、ガラス成分が添加されていてもよい。ガラス成分を添加することによって金属ペーストの焼成時の収縮挙動をセラミックグリーンシートに近づけることができる。

実施形態の配線基板９において、複数の絶縁層１ａの複数の層間に設けられた複数の導体層２のパターンが互いに異なる。そのため、平面透視において、積層方向における複数の導体層２の分布密度がばらついている。導体層２の分布密度とは、複数の絶縁層１ａの積層方向における複数の層間の複数の導体層２同士の重なりの頻度を示す。言い換えれば、分布密度は、平面透視において複数の層間に存在する導体層２の枚数を示す。なお、平面透視における平面は直交座標系におけるｘ−ｙ方向である。また、積層方向は直交座標系におけるｚ方向である。この場合の導体層２の重なりの頻度とは、個々の導体層２の厚みとは関係なく、ｚ方向において導体層２がカウントされる層間の数に応じて比例する。この分布密度が、ｘ−ｙ方向に沿って異なる（ばらつく）。

平面透視において、複数の層間のうち導体層２同士の重なる頻度が大きい（小さい）ほど、導体層２の分布密度が大きい（小さい）。

この配線基板９において、面状パターン２ａの厚みが、上記導体層２の分布密度が小さい部分において、分布密度が大きい部分よりも厚い。言い換えれば、導体層２の分布密度が小さい部分における面状パターン２ａの厚みが、他の部分における面状パターン２ａの厚みよりも大きい。

面状パターン２ａのうち厚みが他の部分よりも大きい部分（以下、面状パターン厚膜部２ｃ）は、上記のように平面透視で配線基板９の導体層２の分布密度が小さい部分に設けられている。このように、平面透視における導体層２の分布密度の差に起因した複数の導体層２の合計の厚みの差を小さくすることで、配線基板９の主面における平坦度を高くすることができる。

なお、面状パターン厚膜部２ｃは、面状パターン２ｂの一部ではあるが、説明の便宜上、面状パターン２ｂと異なる符号を付している。面状パターン厚膜部２ｃは、面状パターン厚膜部２ｃが設けられている部分以外における面状パターン２ｂから凸状に（図１の例では上方向に）盛り上がった部分を指す。また、以下の説明において、面状パターン２ｂのうち面状パターン厚膜部２ｃが設けられていない部分を、単に面状パターン２ｂという場合がある。

つまり、複数の絶縁層１ａとなる複数のセラミックグリーンシート（あらかじめ金属ペーストが上面等に印刷されたもの）を積層する際に、上下のセラミックグリーンシート同
士を互いに密着させるためにプレス加工が行なわれる。プレスに伴う厚み方向の縮み（圧縮度合）は、平面透視において、複数の相関の複数の導体層２同士の重なりの頻度が高い領域より、低い領域の方が小さい。この圧縮度合の差に応じて、積層された複数のセラミックグリーンシートの積層体（絶縁基板１となるもの）の上面等に凹凸が生じる可能性がある。これに対して、実施形態の配線基板においては、上記のように導体層２（金属ペースト）の合計厚みの差が小さい。そのため、プレスする工程での圧縮度合の差が平面方向（層間に沿った方向）で小さくなり、絶縁基板１の上面等に部分的に凹部または凸部が生じることが抑制される。

導体層２の分布密度の差に応じた導体層２の厚みの調整は、線路状パターン２ａを含めても構わないが、上記分布密度の差による不具合の低減の効果、および上下の絶縁層１ａ間の密着性等を考慮すれば、幅がより広い導体層２である面状パターン２ｂの一部を厚くする方が好ましい。

なお、複数の層間における導体層２の積層方向における合計の厚みは、平面透視において（層間に沿った方向において）均一であることが望ましいが、線路状パターン２ａおよび面状パターン２ｂに求められるパターンおよび特性等の都合に応じて、必ずしも完全に均一にできるとは限らない。しかし、このような面状パターン厚膜部２ｃが設けられていることによって、複数の導体層２の分布密度の差に起因した、積層方向における導体層２の合計の厚みのばらつきを低減することができ、絶縁基板１の上面等における平坦度を向上させることができる。

面状パターン２ｂについて、その一部における厚みを他の部分における厚みよりも厚くするには、例えば、面状パターン２ｂ（面状パターン厚膜部２ｃを含む）となる金属ペーストの印刷を複数回に分けて行なうようにすればよい。例えば、まず、面状パターンの２ｂのうち面状パターン厚膜部２ｃ以外の部分の厚みで、面状パターン２ｂの全体の所定パターンで金属ペーストを印刷する。次に、面状パターン厚膜部２ｃを設ける範囲のみに、その面状パターン厚膜部２ｃの厚みの分、再度金属ペーストを印刷する。その後、これらの金属ペーストを印刷したセラミックグリーンシートを積層し、焼成すれば面状パターン厚膜部２ｃを有する面状パターン２ｂを絶縁基板１に設けることができる。

なお、それぞれの金属ペーストの印刷厚みは、面状パターン２ｂおよび面状パターン厚膜部２ｃそれぞれの所定の厚みに応じて、適宜設定すればよい。例えば、面状パターン２ｂの厚みは約５〜25μｍ程度である。また、面状パターン厚膜部２ｃの厚み（凸状の部分のみの厚み）は、調整すべき導体層２の分布密度に応じて適宜調整する。

この場合、面状パターン厚膜部２ｃの厚みは、例えば約５〜25μｍに設定すればよい。好ましくは、面状パターン２ｂと面状パターン厚膜部２ｃの合計の厚みが約10〜30μｍ程度になるように設定するとよい。この範囲より薄くなると金属ペーストの印刷時にカスレやムラ等が生じる可能性がある。また、この範囲より厚くなると、面状パターン２ｂおよび面状パターン厚膜部２ｃ近傍にデラミネーションが生じる可能性がある。

図１および図２に示す例では、面状パターン２ｂの厚みと、面状パターン厚膜部２ｃの厚みとが、ほぼ同じになっている。つまり、面状パターン厚膜部２ｃを含む面状パターン２ｂ全体の厚みは、面状パターン厚膜部２ｃが設けられている部分において、その他の部分の約２倍になっている。

また、図３に示したように、面状パターン２ｃに囲まれたランドパターン５を面状パターンとみなし、ランドパターン５を厚く形成してもよい。図３は、図１に示す配線基板の第１の変形例を示す断面図である。図３において図１と同様の部位には同様の符号を付し
ている。図３に示す例においては、上記のようにランドパターン５の一部における厚みが、他の部分における厚みよりも厚くなっている。これ以外の点については、上記実施形態の配線基板と同様である。

このように、ランドパターン５の一部または全部を、積層方向における導体層２の分布密度の差による導体層２の厚みのばらつきを低減するための導体として利用することもできる。この場合には、例えば面状パターン２ｂが設けられていない部分でも導体層２を含む導体の厚みの調整ができる。

また、複数の絶縁層１ａの層間のうち下層側よりも上層側に位置する面状パターン２ｂを厚く形成することが望ましい。特に、絶縁基板の上面に電子部品の搭載部があり、この搭載部に電子部品の電極と接続される複数の電極パッド４が形成されている場合に、上記構成が有効である。これは、次のような理由による。

すなわち、電子部品の搭載部にできるだけ近い層間の面状パターン２ｂを厚くして、導体層２の分布密度を制御することで、電子部品の搭載部側の絶縁基板の主面を効果的に平坦化することが可能となる。言い換えれば、導体層２の合計の厚みばらつきの低減を、この厚みのばらつきに起因した凹凸の影響が生じやすい上面部分において行なうことにより、上記厚みばらつきに起因した上面の凹凸がより効果的に抑制される。

また、平面視で面状パターン２ｂの端部からオフセットした（離れた）位置に、面状パターン厚膜部２ｃの端部が位置していることが好ましい。

面状パターン厚膜部２ｃの端部が面状パターン２ｂの端部面状パターン２ｂの端部における厚みが厚いと、面状パターン２ａの端部（面状パターン厚膜部２ｃの端部）と絶縁層１ａの間に大きな段差が生じる可能性がある。そのため、複数の絶縁層１ａを積層した際に、この段差に起因した密着不良が起こり、空隙（デラミネーション）が発生しやすくなる可能性がある。

また、複数の絶縁層１ａの複数の層間について、面状パターン厚膜部１ｃが設けられた層間が複数含まれている場合、例えば図４に示すように、平面透視において複数の面状パターン厚膜部１ｃの端部同士が重ならないことが望ましい。なお、図４は、図１に示す配線基板９の第２の変形例における要部を示す断面図である。図４において図１と同様の部位には同様の符号を付している。

この場合において、厚みが厚い部分（面状パターン２ｂのうち面状パターン厚膜部２ｃが設けられた部分）の端部同士が平面透視で上下に重なると、導体層２の厚みが厚い部分と絶縁層１ａとなるセラミックグリーンシートとの高さの差が特に大きい部分が上下に重なることになる。そのため、導体層２となる金属ペーストを印刷した複数のセラミックグリーンシートを積層した際に、この大きな段差に起因した密着不良が起こりやすい。この密着不良に起因して、焼成後の絶縁基板９において、上下の絶縁層１ａ同士の間で空隙（デラミネーション）が発生する可能性がある。これに対して、層（セラミックグリーンシート）毎に面状パターン厚膜部１ｃの端部の面状パターン１ｂの端部からの距離を変えれば、平面透視で段差部が集中することが回避できる。したがって、上記のような密着不良等の不具合が生じる可能性が、より効果的に低減できる。

すなわち、平面透視において複数の面状パターン厚膜部１ｃの端部同士が重ならないようにすることが好ましい。

特に、面状パターン厚膜部１ｃが設けられた複数の層間が、互いに上下に連続するもの
同士である場合は、複数の面状パターン厚膜部１ｃの端部同士が重ならないことが特に望ましい。上下に隣り合う絶縁層１ａ（セラミックグリーンシート）同士の間で、上記のように面状パターン２ｂ（面状パターン厚膜部２ｃ）とセラミックグリーンシートの上面との段差が大きい部分が連続すると、上記のような段差に起因した密着不良等の不具合が発生しやすい。これに対して、平面透視において複数の面状パターン厚膜部２ｃの端部同士が重なっていなければ、このような不具合が効果的に抑制される。

また、面状パターン２ｂのうち面状パターン厚膜部２ｃを有するもののすぐ上層に位置する絶縁層１ａは、その他の絶縁層に比べて厚く形成されていることが望ましい。絶縁層１ａが厚いことで、面状パターン厚膜部２ｃの厚みを、絶縁層１ａ（製作時のセラミックグリーンシート）内でより容易に吸収することが可能となる。そのため、面状パターン厚膜部２ｃの厚みによる段差起因の空隙（デラミネーション）をより有効に抑制することができる。

すなわち、複数の絶縁層１ａ（セラミックグリーンシート）の積層時にプレスを行う際に、絶縁層１ａ中に導体層２、特に面状パターン厚膜部２ｃがより容易に上側のセラミックグリーンシート内に埋め込まれる。そのため、上下の絶縁層１ａ同士の間がより密着しやすくなり、空隙（デラミネーション）をより効果的に抑制することができる。

１・・・・絶縁基板
１ａ・・・絶縁層
２・・・・導体層
２ａ・・・線路状パターン
２ｂ・・・面状パターン
２ｃ・・・面状パターン厚膜部
３・・・・貫通導体
４・・・・接続パッド
５・・・・ランドパターン
９・・・・配線基板

Claims (6)

1. 複数の絶縁層が積層されてなる絶縁基板と、
   前記複数の絶縁層の複数の層間に設けられた複数の導体層とを備えており、
   前記複数の導体層の分布密度が前記層間に沿ってばらついており、
   前記複数の導体層のうち少なくとも一つの導体層において、前記分布密度が小さい部分に位置する部分の厚みが、前記分布密度が大きい部分に位置する部分の厚みよりも厚いことを特徴とする配線基板。
2. 前記複数の導体層が、線路状パターンと、該線路状パターンよりも幅が広い面状パターンとを含んでおり、
   前記面状パターンにおいて、前記分布密度が小さい部分に位置する部分の厚みが、前記分布密度が大きい部分の厚みよりも厚いことを特徴とする請求項１記載の配線基板。
3. 前記絶縁基板の上面に電子部品の搭載部を有しており、前記面状パターンの厚みが、前記複数の層間のうち上層側において下層側よりも厚いことを特徴とする請求項２記載の配線基板。
4. 前記面状パターンのうち厚みが厚い部分の端部が、前記面状パターンの端部から離れていることを特徴とする請求項２または請求項３記載の配線基板。
5. 前記複数の層間のうち複数の層間において、前記面状パターンが、前記厚みが厚い部分を有しており、平面透視において、前記面状パターンの前記厚みが厚い部分の端部同士が互いに離れていることを特徴とする請求項４記載の配線基板。
6. 前記面状パターンのうち厚みが厚い部分の上層に位置する前記絶縁層の厚みは、その他の絶縁層の厚みよりも厚いことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の配線基板。

Images