JP2014232760A - 層間接続基板およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
1つ目の課題は以下の通りである。サーバミッドプレーンに多数搭載されるプレスフィットコネクタはコネクタのバネ型ピンが銅めっきTHに圧入し機械的に金属同士が接触接合することで、電気的接続を得る構造となっている。層間接続基板をサーバミッドプレーンに適用する場合には、接着材層の樹脂がTH内に侵入することで、コネクタピンが挿入不可となったり、あるいは挿入可能であっても銅めっきTH表面に存在する樹脂が原因となり電気的接続不良等の不具合が発生する可能性がある。この場合、TH内に侵入した樹脂を除去するため、高精度のドリル加工を追加で実施する必要があり、THのめっき厚を確保するためのドリルの加工精度(孔形状精度)や相対孔位置精度の制約が厳しく製造困難であることや、工程増加によりコスト増となる点が課題であった。また、樹脂侵入が許容されるTHであっても、小径孔では基板表面まで樹脂が吹き上がる場合があり問題となっていた。
図1は、実施例1の層間接続基板101の断面図を示したものである。上側多層プリント配線板109と下側多層プリント配線板110は接着材層118を介して接着されており、層間接続部107によって電気的に接続されている。また、基板表裏に非貫通スルーホール111(以下、非貫通THと記す)が形成可能なため、表側に搭載されたプレスフィットコネクタ103の裏側に別のプレスフィットコネクタ103を搭載することが可能である。また、上側多層プリント配線板109と下側多層プリント配線板110のスルーホール(以下、THと記す)位置を合わせることで、貫通TH102を形成することができる。
図2は貼り合わせ対象とする多層プリント配線板の前処理の工程について示したものである。図2(a)は貼り合わせ対象となる多層プリント配線板110を示したものである。上下の貼り合わせ対象基板間の電気的導通を得たい箇所に予め、THのパッド202に接続された電極116が上下の基板で対向するように設置されている。貼り合わせ面側の電極116部を除く銅箔パターンに対して、ネオブラウン処理などの表面粗化を行った後、図2(b)に示すように電極116上にはんだペースト印刷し、基板をリフローすることによりはんだバンプ115を形成する。
プリプレグ材112は低流動性であることを特徴とする熱硬化性樹脂にガラス繊維を含侵させたBステージ材(樹脂の硬化過程にあり、完全に硬化していない材料)であり、また、コア材113はCu両貼り積層基材の両面のCuをエッチアウトしたCステージ材(樹脂の硬化過程がほぼ完全に硬化している材料)とした。
次に図3(b)に示すように、3層化シートに対して、層間接続基板101のTHおよび層間接続部107の位置に、基板THと同じ孔径、または層間接続部径でドリルで孔明け加工を行う。
ただし、本構造の基板101をミッドプレーンなどのプレスフィット搭載基板に適用する際には、プレスフィットコネクタ搭載用のTHには樹脂取りドリル加工が必要となる。
以上により、層間接続部107にCuコアはんだめっきボールを使用する従来の製造方法に対し、製造工程や部材費用を抑えることが可能となる。
図4は貼り合わせ対象とする多層プリント配線板の前処理工程について示したものである。
図4(b)は貼り合わせ側の面の平坦化工程について示したものである。基板の貼り合わせ側の面に銅箔パターン114と同じ厚さで液状のソルダレジスト117を塗布し、例えば銅箔パターン114、THのパッド202、および電極116などの領域に露光処理を施す。そして、後に続く現像処理によって銅箔パターン114、THのパッド202、および電極116などの領域のソルダレジストパターンを溶かして除去することによって、図4(b)に示すように、その他の領域をソルダレジスト117で埋めるように、パターン形成を行う。
貼り合わせ面側の電極116部を除く銅箔パターン、THのパッドに対して、ネオブラウン処理(例えば主成分は過酸化水素/硫酸系、銅表面を粗化させることで、表面積を広くし、アンカー効果により樹脂との密着力を向上させる。)などの表面粗化を行った後、図4(c)に示すように電極116上にはんだペースト印刷し、基板をリフローすることによりはんだバンプ115を形成する。
図5(a)に示すようにコア材113の上下をプリプレグ材112で挟み込み、プレスにより、圧着させたものを用意する。プリプレグ材112は低流動性であることを特徴とする熱硬化性樹脂にガラス繊維を含侵させたBステージ材(樹脂の硬化過程にあり、完全に硬化していない材料)であり、また、コア材は両貼り積層基材の両面のCuをエッチアウトしたCステージ材(樹脂の硬化過程がほぼ完全に硬化している材料)とした。
最大の侵入防止効果を得るためには、設計上可能な最も大きな孔径、例えば、隣接孔とのスペースが0.1mm残る径で3層化シートに孔明け加工を行うことが望ましい。この場合、コネクタの仕様に合せて、例えば1.1mmピッチで形成されているプレスフィットピン挿入用のTHの場合は、3層化シートの孔径は1.0mmとする。
以上により、これまで課題となっていたTH部の樹脂侵入と貼り合わせ基板間のボイド発生を防ぐことが可能となり、層間接続基板をミッドプレーンなどのプレスフィット搭載基板に適用可能となる。
図9は貼り合わせ対象とする多層プリント配線板の前処理工程について示したものである。図9(a)は貼り合わせ対象となる多層基板を示したものである。実施例2と同様に基板間の導通を得たい箇所に予め電極116を上下基板で対向するように設けておく。
貼り合わせ面側の電極116部を除く銅箔パターン114、THのパッドに対して、ネオブラウン処理などによる表面粗化を行った後、図9(c)に示すようにはんだペーストを電極116に印刷し基板をリフロー加熱してはんだバンプ115を形成する。
図10(b)に示すようにプリプレグ材、コア材の孔位置を重ね合わせてプレス機により圧着を行い、3層化シートとする。
熱圧着工程においてTH周囲が図9(b)の工程で形成したソルダレジスト203とコア材113によって隙間なく囲われるため、TH部への樹脂侵入の防止効果を高めることができる。
図11は貼り合わせ対象とする多層プリント配線板の前処理工程について示したものである。まず、実施例2、3と同様に図11(a)〜(b)に示すように貼り合わせ側の面の平坦化とネオブラウン処理などによるパターンの表面粗化を実施する。
図11(c)に示すように貼り合わせ側の面に例えば35μm以上の膜厚のシートタイプソルダーレジスト119を貼り付け、露光現像処理によりTHを覆う。
図11(d)に示すように電極116部に、はんだペースト印刷によりはんだバンプ115を形成する。
THのピッチが狭く、3層化シートの孔径を十分大きく取れない場合には、このようにTHを塞ぐことで、TH壁面への樹脂の付着を防止することが可能となる。
3層化シート118のTH部に開ける孔の周囲のプリプレグ材を、レーザーにより局所加熱して、予め硬化させておくことでTH部への樹脂侵入防止効果を高めることが可能である。
図13(b)に示すようにプリプレグ材112とコア材113の位置を合わせて圧着し、実施例1と同様に図13(c)に示すようにTH部と層間接続部の3層化シート118にドリルにより孔明け加工を行う。
実施例1の図3のプロセスにおいて、以上の方法でTH部周囲のプリプレグ材を硬化させた3層化シートを使用することで、TH内への樹脂侵入防止効果を高めることが可能となる。
この距離127,128は、製品の実稼動時の温度変化や衝撃などによる構造の変形がはんだ接続部の信頼性に与える影響を考慮して決めればよい。なお、本実施例の場合、樹脂およびコア材を取り除いたことで、信号配線の特性インピーダンスばらつき悪化、イオンマイグレーションなどの懸念が発生するため、配線の電気特性の評価や、イオンマイグレーション耐性の評価を実施して適用判断することが望ましい。
次に図17(c)に示すように層間接続に使用するTH部に絶縁樹脂123を充填する。
図17(d)に示すように絶縁樹脂123を充填したTHのパッド202上に、はんだペーストを印刷して基板をリフロー加熱してはんだバンプ115を形成する。
図18(c)に示すように、下側多層プリント配線板110、3層化シート118、若しくは接着層112のみのどちらかを置いて、上側多層プリント配線板109の順に真空熱圧着装置内に、図示されていない位置決めピンなどでガイドして載置し、真空引きした環境において、熱圧着することで、図18(d)に示す構造の層間接続基板が完成する。
これにより、インピーダンス不連続点や静電容量の影響を低減し、信号の伝送特性を向上させることが可能となる。
次に図19(c)に示すように層間接続に使用するTH部に絶縁樹脂123を基板面と同等かそれより少し低い位置に充填する。
図19(d)に示すように絶縁樹脂123を充填したTHのパッド202上に、Cuコアはんだめっきボール等の金属ボール124を接続材として配置する。このときCuコアはんだめっきボール124の接続材のコア径、若しくはコアとNi等のバリア層を合わせた径は、THの径よりも大きいことを特徴とする。
図21(b)に示すように電極116を上側多層プリント配線板109、および下側多層プリント配線板110の各基板で対向するように形成し、凹部の水平断面と同じ形状に加工された3層化シート118および上側多層プリント配線板109を下側プリント配線板110の凹部に嵌め込み、真空熱圧着装置にて一括熱圧着することで、図21(c)に示す層間接続基板を製造することができる。
電極接続は、はんだペーストで形成したはんだバンプ、Cuコアはんだボール、はんだペーストで固定したCuコアボールなどの金属ボール、Agペーストのような金属入り接着剤系ペーストとこれらのうちの任意の組み合わせを用いて接続が可能である。本実施例の下側プリント配線基板はキャビティを加工する例を示しているが、キャビティに限らず、一部段差のある下側多層プリント配線基板の段部に、上側多層プリント配線基板を搭載する形式のものでも良い。
図25(a)は実施例1の層間接続基板101において、例えばプレスフィットコネクタ103搭載部のようにTH102,111と層間接続部107が密に存在する領域について貼り合わせ基板間のコア材113の中央部で水平に切断したG−G’断面図を示したものである。ここで、132の符号を添付して層間接続部107の周囲、およびTH102,111の周囲に2つの円弧が連なるように記載した領域は、下側多層プリント配線板110の中の貼り合わせ面に最も近いグランド層131をその領域の形状に繰り抜いたことを表わしている。(本実施例では、上側多層プリント配線板109の中の貼り合わせ面に最も近いグランド層131も同じ領域の形状に繰り抜いていることを図25(b)で示している。)
例えば図25(a), (b)で、132の符号を添付して示すように、上側多層プリント配線基板109、および下側多層プリント配線基板110の各電極116に最も近いグランド層131を、はんだ接続電極(層間接続部107)を中心とした円形に繰り抜くことにより、貼り合わせ面に形成された電極116と繰り抜く前のグランド層131との間に起こる負荷容量による反射が原因で生じる反射損失を低減できる。
それぞれ、140、141、142、143、144で示す曲線は以下の通りである。
140はリファレンスの通常のTH接続の場合の反射損失特性である。
141で示す曲線は、グランド抜き直径:0.4mmの場合の反射損失特性である。
142で示す曲線は、グランド抜き直径:0.8mmの場合の反射損失特性である。
143で示す曲線は、グランド抜き直径:1.6mmの場合の反射損失特性である。
144で示す曲線は、グランド抜き直径:2.4mmの場合の反射損失特性である。
本実施例記載のように、グランド層131を繰り抜いた場合、接続部分の負荷容量起因と推測される特性インピーダンスの低下は改善された。
102 貫通TH
103 プレスフィットコネクタ
104 プレスフィットピン
105 サーバブレード
106 マネジメントモジュール
107 層間接続材
108 接着材層
109 上側多層プリント配線板
110 下側多層プリント配線板
111 非貫通TH
112 プリプレグ材
113 コア材
114 銅箔パターン
115 はんだバンプ
116 電極
117 ソルダレジスト
118 3層化シート
120 プリプレグ材硬化部
121 余剰はんだ
122 ダミー孔
123 TH充填絶縁材料
124 Cuコアボール/Cuコアはんだめっきボール
126 3層化シート除去エリア
127,128 溶融樹脂が到達しないと見込める適当な距離
131 グランド層
132 グランド層抜き部分
133 グランド層抜き径
140 リファレンスの通常のTH接続の場合の反射損失特性
141 グランド抜き直径:0.4mmの場合の反射損失特性
142 グランド抜き直径:0.8mmの場合の反射損失特性
143 グランド抜き直径:1.6mmの場合の反射損失特性
144 グランド抜き直径:2.4mmの場合の反射損失特性
201 レーザー照射
202 THのパッド
203 リング状の土手形状パターンのソルダレジスト
204 TH径
205 外層電極径
206 接続電極パッド径
Claims (19)
- 貫通THを有する第1の被貼り合わせ多層基板の貼り合わせ面上に、電気的導通を得たいTHのパッドに接続した電極を形成して、該電極上にはんだバンプを形成し、
貫通THを有する第2の被貼り合わせ多層基板の貼り合わせ面上に、前記第1の被貼り合わせ多層基板の電極形成位置と対向する位置にTHパッドに接続した電極を形成して、該電極上にはんだバンプを形成し、
硬化している樹脂より成るコア材の両面を完全に硬化していない樹脂材料の接着材で挟んで形成した3層化シートに、前記THに対応する位置、および前記電極上のはんだバンプに対応する位置にそれぞれ孔を開け、
前記第1、第2の被貼り合わせ多層基板を、それぞれの貼り合わせ面を対向させて設置し、それらの間に前記3層化シートを位置決めて積層し、真空の環境下で、加熱、圧縮のプロセスにより一括熱圧着することを特徴とする層間接続基板の製造方法。 - 前記層間接続基板において、前記一括熱圧着の過程でTH内に樹脂が流動した場合には、THに対して樹脂取りドリル加工を更に施すことを特徴とする請求項1に記載の層間接続基板の製造方法。
- 前記第1、第2の被貼り合わせ多層基板のそれぞれの貼り合わせ面において、ソルダレジストを塗布して露光現像処理により平坦化処理を更に施し、
前記3層化シートのTHに対応する位置で、前記THの径よりも大きな径の孔を開けることを特徴とする請求項1に記載の層間接続基板の製造方法。 - 前記第1、第2の被貼り合わせ多層基板のそれぞれの貼り合わせ面において、前記ソルダレジストによる平坦化処理時に、更にTHのパッド上にリング状の土手形状パターンを前記ソルダレジストにより形成し、
前記3層化シートのTHに対応する位置で、前記THの径よりも大きく、更に前記接着材の孔径を前記コア材の孔径よりも大きく開けることを特徴とする請求項3に記載の層間接続基板の製造方法。 - 前記第1、第2の被貼り合わせ多層基板のそれぞれの貼り合わせ面において、ソルダレジストを塗布して露光現像処理により平坦化処理を施した後、シートタイプソルダーレジストを貼り付け、露光現像処理によりTHを覆い、
前記一括熱圧着プロセス後に貫通THにドリルで孔明け加工を行うことを特徴とする請求項3に記載の層間接続基板の製造方法。 - 前記3層化シートの貼り合わせ形成後に、前記THに対応する位置にTH径よりも大きな径にレーザーにより局所加熱して予め硬化させて、前記THに対応する位置、および前記電極上のはんだバンプに対応する位置にそれぞれ孔を開けることを特徴とする請求項1に記載の層間接続基板の製造方法。
- THと層間接続部が密に存在する領域において、前記3層化シートに溶融樹脂の流動を抑えて均一化させるためのダミー孔を、外周に存在する層間接続部の周囲、または層間接続部とTHとの間に開けておくことを特徴とする請求項1に記載の層間接続基板の製造方法。
- THと層間接続部が密に存在する領域において、溶融樹脂の流動が層間接続部まで達しないようにするために、前記3層化シートに除去エリアを設け、該除去エリアの境界は、最も近くに存在する層間接続部へ周囲のプリプレグ材から溶融樹脂が到達しないと見込める適当な距離に設定されることを特徴とする請求項1に記載の層間接続基板の製造方法。
- 前記第1、第2の被貼り合わせ多層基板のTHの一部を層間接続に使用して、該THに絶縁樹脂を充填し、該THのパッド上にはんだペーストを印刷してはんだバンプを形成することを特徴とする請求項3に記載の層間接続基板の製造方法。
- 前記第1の被貼り合わせ多層基板の前記THのパッド上にCuコアはんだめっきボール等の金属ボールを搭載し、
前記第2の被貼り合わせ多層基板の前記THのパッド上にはんだバンプを形成するか、またははんだバンプを形成せずに貼り合わせることを特徴とする請求項9に記載の層間接続基板の製造方法。 - 前記第1の被貼り合わせ多層基板に凹部、または段差部を加工して、前記凹部の底部、または段差部の貼り合わせ面上に、電気的導通を得たいTHのパッドに接続した電極を形成して、該電極上にはんだバンプを形成し、
前記第1の被貼り合わせ多層基板の貼り合わせ面の形状に外形を加工された前記貫通THを有する第2の被貼り合わせ多層基板の貼り合わせ面上に、前記第1の被貼り合わせ多層基板の電極形成位置と対向する位置にTHパッドに接続した電極を形成して、該電極上にはんだバンプを形成したことを特徴とする請求項1に記載の層間接続基板の製造方法。 - 貫通THを有する第3の被貼り合わせ多層基板の第1の貼り合わせ面上に、該基板の上層に貼り合わされる基板の電極形成位置と対向する位置にTHパッドに接続した電極を形成して、該電極上にはんだバンプを形成し、前記第3の被貼り合わせ多層基板の第2の貼り合わせ面上に、該基板の下層に貼り合わされる基板の電極形成位置と対向する位置にTHパッドに接続した電極を形成して、該電極上にはんだバンプを形成し、
前記貫通THを有する第2の被貼り合わせ多層基板の貼り合わせ面上に、前記第3の被貼り合わせ多層基板の電極形成位置と対向する位置にTHパッドに接続した電極を形成して、該電極上にはんだバンプを形成し、
前記第1、第2、および少なくとも1つ以上の第3の被貼り合わせ多層基板を、それぞれの貼り合わせ面を対向させて設置し、それらの間に前記3層化シートを位置決めて積層し、真空の環境下で、加熱、圧縮のプロセスにより一括熱圧着することを特徴とする請求項1に記載の層間接続基板の製造方法。 - 前記第1の被貼り合わせ多層基板の電極上にはんだペースト印刷によりはんだを印刷した後、Cuコアはんだめっきボールを配置してはんだバンプを形成し、
前記第2の被貼り合わせ多層基板の電極上にはんだバンプを形成することを特徴とする請求項3に記載の層間接続基板の製造方法。 - 前記はんだは、Sn-3Ag-0.5Cuはんだ、またはSn系、Sn-Ag-Cu系、(低Ag系)、Sn-Cu系、Sn-Ag-Bi系、Sn-In系、Sn-Zn系他Pbフリーはんだ、またはPb含有はんだのいずれかであり、
前記3層化シートの接着材は熱硬化性樹脂にガラス繊維を含侵させたBステージ材であり、
前記複数の多層基板を一括熱圧着するプロセスは、真空の環境下で、加熱を始めてはんだの融点温度に達した段階で、基板を挟み込む仮プレスから本プレスへ移行して、溶融樹脂を多層基板間の隙間に充填させることを特徴とする請求項1乃至13のいずれかの請求項に記載の層間接続基板の製造方法。 - 前記はんだは、Sn-58Biはんだ、Sn-1Ag-57Biはんだ、またはSn系、Sn-Bi系、Sn-Ag-Cu系、Sn-Ag系(Ag含有量が3.0wt%よりも低い低Ag系も含む)、Sn-Cu系、Sn-Ag-Bi系、Sn-Zn系他Pbフリーはんだ、またはPb含有はんだのいずれかであり、
前記3層化シートの接着材は熱硬化性樹脂にガラス繊維を含侵させたBステージ材であり、
前記複数の多層基板を一括熱圧着するプロセスは、真空の環境下で、加熱を始めてはんだの融点温度に達した段階で、基板を挟み込む仮プレスから本プレスへ移行した後、樹脂硬化温度まで加熱して該温度に保持して、溶融樹脂を多層基板間の隙間に充填させることを特徴とする請求項1乃至13のいずれかの請求項に記載の層間接続基板の製造方法。 - 貫通THを有し、電気的導通を得たいTHのパッドに電極が形成されて、該電極に層間接続部が形成され、および貼り合わせ面に3層の樹脂基板の片面が接着している第1の被貼り合わせ多層基板と、
貫通THを有し、貼り合わせ面上に前記第1の被貼り合わせ多層基板の電極形成位置と対向する位置にTHパッドに接続された電極が形成されて、該電極に層間接続部が形成され、および貼り合わせ面に前記3層の樹脂基板の裏面が接着している第2の被貼り合わせ多層基板と、
はんだ接合部、金属ボールをコアとするはんだ接合部、またはピラーをコアとするはんだ接合部より成る前記層間接続部と、
を備えることを特徴とする層間接続基板。 - 前記第1、第2の被貼り合わせ多層基板の層間接続部が形成された電極に最も近いグランド層を、電極部を中心とした円形に繰り抜いたことを特徴とする請求項16に記載の層間接続基板。
- 前記はんだは、Sn系、Sn-Bi系、Sn-Ag-Cu系、Sn-Ag系(Ag含有量が3.0wt%よりも低い低Ag系も含む)、Sn-Cu系、Sn-Ag-Bi系、Sn-In系、Sn-Zn系他Pbフリーはんだ、またはPb含有はんだのいずれかであることを特徴とする請求項16に記載の層間接続基板。
- 前記金属ボールをコアとするコアボール接続は、Cu以外の他の金属(Ni、Al、Au、Pt、Pd)、樹脂コアボール、またはセラミック、ガラスなどの無機材料のいずれかであることを特徴とする請求項16に記載の層間接続基板。
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