JP2015008261A

JP2015008261A - 配線基板およびその製造方法

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Publication number: JP2015008261A
Application number: JP2013157267A
Authority: JP
Inventors: 湯川　英敏; Hidetoshi Yugawa; 英敏湯川
Original assignee: Kyocera Circuit Solutions Inc
Current assignee: Kyocera Circuit Solutions Inc
Priority date: 2013-05-28
Filing date: 2013-07-30
Publication date: 2015-01-15
Also published as: KR20140139988A; CN104219877A; US20140353021A1; US9237649B2; TW201513749A

Abstract

【課題】ビア導体とこれに接続された下層の配線導体との間の電気的接続信頼性の高い配線基板を提供すること。【解決手段】下層の配線導体１と、下層の配線導体１上に積層されており、下層の配線導体１を底面とするビアホール５を有する上層の絶縁層２と、下層の配線導体１に接続されてビアホール５内を充填するビア導体３とを具備して成る配線基板１０において、上層の絶縁層２は、下層の配線導体１上に積層された第１樹脂層２ａと、第１樹脂層２ａ上に積層された第２樹脂層２ｂとから成り、ビアホール５は、第１樹脂層２ａと第２樹脂層２ｂとの境界に、ビアホール５の内壁が全周にわたり水平方向に凹む環状の溝部５ａを有し、溝部５ａ内にビア導体５が食い込んで充填されている。【選択図】図１

Description

本発明は、ビアホールを有する配線基板およびその製造方法に関するものである。

図３に示すように、下層の配線導体１１と上層の絶縁層１２の上面に形成された上層の配線導体１４とを、上層の絶縁層１２を貫通するビア導体１３により電気的に接続して成る配線基板２０が知られている。なお、ビア導体１３は、上層の絶縁層１２に設けたビアホール１５内をめっき導体により充填することにより形成されている。

近時、このような配線基板においては、微細配線化が進んでいる。そのため、ビア導体１３の直径が４０μｍ以下の小さいものが要求されるようになってきている。しかしながら、ビア導体１３の直径が４０μｍ以下の小さなものとなってくると、ビア導体１３と下層の配線導体１１との接続面積も狭くなり、両者間の接続強度が低いものとなる。そのため、例えば配線基板２０に部品を実装する時の熱や部品が作動時に発生する熱が繰り返し加えられると、絶縁層１２とビア導体１３との熱膨張係数の差に起因する熱応力により、ビア導体１３と下層の配線導体１１との間にクラックが発生し、遂にはビア導体１３と下層の配線導体１１との間の電気的な接続が損なわれて配線基板として機能しなくなってしまうという問題が発生する。

特開２００２−２５２４３６号公報

本発明は、ビア導体とこれに接続された下層の配線導体との間の電気的接続信頼性の高い配線基板を提供することを目的とする。

本発明の配線基板は、下層の配線導体と、該下層の配線導体上に積層されており、該下層の配線導体を底面とするビアホールを有する上層の絶縁層と、前記下層の配線導体に接続されて前記ビアホール内を充填するビア導体とを具備して成る配線基板において、前記上層の絶縁層は、前記下層の配線導体上に積層された第１樹脂層と、該第１樹脂層上に積層された第２樹脂層とから成り、前記ビアホールは、前記第１樹脂層と第２樹脂層との境界に、該ビアホールの内壁が全周にわたり水平方向に凹む環状の溝部を有し、該溝部内に前記ビア導体が食い込んで充填されていることを特徴とするものである。

また、本発明の配線基板の製造方法は、下層の配線導体上に、無機絶縁フィラーの含有量が高い第１樹脂層と前記無機絶縁フィラーの含有率が低い第２樹脂層とを積層して該第１および第２樹脂層から成る上層の絶縁層を形成する工程と、該上層の絶縁層に上面側からレーザを照射して前記下層の配線導体を底面とするビアホールを形成するとともに、前記照射の途中で前記レーザの一部を前記第１樹脂層で反射させて前記ビアホール周辺の前記第１樹脂層と前記第２樹脂層との境界に侵入させることにより、該ビアホール内壁の前記第１樹脂層と前記第２樹脂層との境界に前記ビアホールの内壁が全周にわたり水平方向に凹む環状の溝部を形成する工程と、前記ビアホール内にビア導体を、前記溝部内に食い込んだ状態で充填する工程と、を含むことを特徴とするものである。

本発明の配線基板によれば、ビアホールは、上層の絶縁層を構成する第１樹脂層と第２樹脂層との境界にビアホールの内壁が全周にわたり水平方向に凹む環状の溝部を有し、その溝部内にビア導体が食い込んで充填されていることから、ビア導体の溝部内に食い込んだ部分が楔となってビア導体がビアホール内に強固に係止される。したがって、上層の絶縁層とビア導体との熱膨張係数の差に起因する熱応力が配線基板に繰り返し加わったとしても、ビア導体とこれに接続された下層の配線導体との間にクラックが発生することを有効に防止することができる。その結果、ビア導体とこれに接続された下層の配線導体との間の電気的接続信頼性に優れる配線基板を提供することができる。

また、本発明の配線基板の製造方法によれば、上層の絶縁層を、無機絶縁フィラーの含有量が高い第１樹脂層と前記無機絶縁フィラーの含有率が低い第２樹脂層とを順次積層することにより形成し、次に、上層の絶縁層に上面側からレーザを照射して下層の配線導体を底面とするビアホールを形成するとともに、レーザの照射の途中でレーザの一部を第１樹脂層で反射させてビアホール周辺の第１樹脂層と第２樹脂層との境界に侵入させることにより、ビアホール内壁の第１樹脂層と第２樹脂層との境界にビアホールの内壁が全周にわたり水平方向に凹む環状の溝部を形成し、最後にビアホール内にビア導体を溝部内に食い込んだ状態で充填することから、ビア導体の溝部内に食い込んだ部分が楔となってビア導体がビアホール内に強固に係止される。したがって、上層の絶縁層とビア導体との熱膨張係数の差に起因する熱応力が繰り返し加わったとしても、ビア導体とこれに接続された下層の配線導体との間にクラックが発生することが有効に防止され、それによりビア導体とこれに接続された下層の配線導体との間の電気的接続信頼性に優れる配線基板を提供することができる。

図１は、本発明の配線基板の実施形態の一例を示す要部概略断面図である。図２は、図１に示す配線基板の製造方法を説明するための工程毎の要部概略断面図である。図３は、従来の配線基板を示す要部概略断面図である。

次に、本発明の配線基板の実施形態の一例を添付の図１を基に説明する。図１に示すように、本例の配線基板１０は、下層の導体層１と、上層の絶縁層２と、ビア導体３と、上層の配線導体４とを有している。なお、ビア導体３と上層の配線導体４とは、互いに一体となっている。

下層の配線導体１は、例えば主として銅めっき層や銅箔から成る。この下層の配線導体１は、図示しない下層の絶縁層上に形成されている。下層の導体層１の厚みは例えば２〜５０μｍ程度である。

上層の絶縁層２は、第１樹脂層２ａと第２樹脂層２ｂとから成る。第１樹脂層２ａは、エポキシ樹脂やポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂中にシリカ等の無機絶縁フィラーＦを３０〜８０容量％程度含有して成る。無機絶縁フィラーＦは、粒径が１〜４μｍ程度であり、球形であることが好ましい。第１樹脂層２ａの厚みは下層の配線導体１上で３〜１０μｍ程度である。また、第１樹脂層２ａは、そのヤング率が５〜１０ＧＰａであることが好ましく、その熱膨張係数が０〜４０ｐｐｍ／℃（３０〜１５０℃）であることが好ましい。

第２樹脂層２ｂは、エポキシ樹脂やポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂から成り、シリカ等の無機絶縁フィラーを含有していない。あるいは、シリカ等の無機絶縁フィラーを３０量％未満含有している。第２樹脂層２ｂの厚みは１〜５μｍ程度である。また、第２樹脂層２ｂは、そのヤング率が０．５〜４ＧＰａであることが好ましく、その熱膨張係数が５０〜１００ｐｐｍ／℃（３０〜１５０℃）であることが好ましい。

上層の絶縁層２には、下層の配線導体１を底面とするビアホール５が形成されている。ビアホール５は、下端の直径よりも上端の直径が大きい略逆円錐台形状であり、下端の直径が８〜４０μｍ程度、上端の直径が１０〜５０μｍ程度である。さらに、ビアホール５は、第１樹脂層２ａと第２樹脂層２ｂとの境界にビアホール５の内壁が全周にわたり水平方向に凹む環状の溝部５ａを有している。溝部５ａは、開口部の高さＨが３〜１０μｍ程度、凹みの深さＤが２〜８μｍ程度であり、溝部５ａの奥にいくに従って上下面の間隔が狭くなっている。

上層の絶縁層２のビアホール５内にはビア導体３が充填されており、さらにビア導体３上を含む上層の絶縁層２上には上層の配線導体４が被着されている。ビア導体３および上層の配線導体４は、互いに一体となっており、例えば主として銅めっき導体により形成されている。上層の配線導体４の厚みは上層の絶縁層２上で２〜８μｍ程度である。

ビア導体３は、ビアホール５内を隙間なく充填しており、その一部が溝部５ａ内に食い込んでいる。そのため、この食い込んだ部分が楔となってビアホール５内にビア導体３が強固に係止される。したがって、上層の絶縁層２とビア導体３との熱膨張係数の差に起因する熱応力が配線基板１０に繰り返し加わったとしても、ビア導体３と下層の配線導体１との間にクラックが発生することを有効に防止することができる。その結果、ビア導体３と下層の配線導体１との間の電気的接続信頼性に優れる配線基板１０を提供することができる。

なお、溝部５ａの開口部の高さＨが３μｍ未満の場合、溝部５ａ内にビア導体３を良好に食い込ませることが困難となり、逆に１０μｍを超える場合、そのような溝部５ａを形成することが困難となる。したがって、溝部５ａの開口部の高さＨは３〜１０μｍの範囲が好ましい。また、溝部５ａの深さＤが２μｍ未満の場合、溝部５ａ内に食い込んだビア導体３による楔の効果が弱く、ビア導体３をビアホール５内に十分強固に係止することが困難となり、逆に８μｍを超える場合、そのような溝部５ａを形成することが困難となる。したがって、溝部５ａの深さＤは２〜８μｍの範囲が好ましい。

さらに、第１樹脂層２ａは、そのヤング率が５〜１０ＧＰａであり、その熱膨張係数が０〜４０ｐｐｍ／℃（３０〜１５０℃）である場合、ビア導体３の底部をビアホール５内に強固に保持することが可能となり、ビア導体３と下層の配線導体１との間に大きな応力が発生したとしても、ビア導体３と下層の配線導体１との間に剥離が発生することを有効に防止することができる。さらに、第２樹脂層２ｂは、そのヤング率が０．５〜４ＧＰａであると、ビア導体３の上部に応力が加わった場合に、その応力を第２樹脂層が弾性変形することにより良好に緩和することができる。したがって、第１絶縁層２ａは、そのヤング率が５〜１０ＧＰａであり、その熱膨張係数が０〜４０ｐｐｍ／℃（３０〜１５０℃）であることが好ましく、第２樹脂層２ｂは、そのヤング率が０．５〜４ＧＰａであることが好ましい。

なお、第１絶縁層２ａのヤング率５〜１０ＧＰａとするとともに、第２樹脂層２ｂのヤング率を０．５〜４ＧＰａとするには、第１樹脂層２ａおよび第２樹脂層２ｂに含有させる無機フィラーの含有量を調整することによりヤング率を調整する方法が採用される。この場合、無機フィラーの含有量を多くすれば、ヤング率が大きくなり、逆に無機フィラーの含有量を少なくすれば、ヤング率が小さくなる。また第１樹脂層２ａの熱膨張係数を０〜４０ｐｐｍ／℃（３０〜１５０℃）とするには、第１樹脂層２ａに含有させる無機フィラーの含有量を調整することにより熱膨張係数を調整する方法が採用される。この場合、無機フィラーの含有量を多くすれば、第１樹脂層２ａの熱膨張係数が小さくなり、無機フィラーの含有量を少なくすれば、第１樹脂層２ａの熱膨張係数が大きくなる。

次に、上述した配線基板１０の製造方法について添付の図２を基に説明する。まず、図２（ａ）に示すように、下層の配線導体１の上に、第１樹脂層２ａおよび第２樹脂層２ｂから成る上層の絶縁層２を積層する。第１樹脂層２ａは、上述したように、エポキシ樹脂やポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂中にシリカ等の無機絶縁フィラーＦを３０〜８０容量％程度含有している。第１樹脂層２ａは、そのヤング率が５〜１０ＧＰａであることが好ましく、その熱膨張係数が０〜４０ｐｐｍ／℃（３０〜１５０℃）であることが好ましい。また、第２樹脂層２ｂは、第１絶縁層２ａ同様の樹脂中にシリカ等の無機絶縁フィラーＦを含んでないか、あるいは３０容量％未満含有している。第２樹脂層２ｂは、そのヤング率が０．５〜４ＧＰａであることが好ましく、その熱膨張係数が５０〜１００ｐｐｍ／℃（３０〜１５０℃）であることが好ましい。

このような第１樹脂層２ａおよび第２樹脂層２ｂは、例えば熱硬化性樹脂から成る場合であれば、無機絶縁フィラーＦを３０〜８０容量％含有する未硬化または半硬化の熱硬化性樹脂シートと無機絶縁フィラーＦを含有しないか、３０容量％未満含有する未硬化または半硬化の熱硬化性樹脂シートとを準備し、これらの樹脂シートを順次積層した後、熱硬化させる方法が採用される。あるいは、これらの樹脂シートを予め互いに積層した積層樹脂シートを下層の配線導体１上に積層した後、熱硬化させる方法が採用される。

次に、図２（ｂ）に示すように、上層の絶縁層２の上からレーザを照射して第２樹脂層２ｂにビアホール５の一部を穿孔するとともにレーザの一部を第１樹脂層２ａで反射させて第１樹脂層２ａと第２樹脂層２ｂとの境界に溝部５ａを形成する。このとき、第１樹脂層２ａ中にはシリカから成る無機絶縁フィラーＦが３０〜８０容量％含有されているので、この無機絶縁フィラーＦに当たったレーザが横方向にも反射し、それが第１樹脂層２ａと第２樹脂層２ｂとの境界に沿って侵入し、溝部５ａが形成される。なお、第１樹脂層２ａに含有される無機絶縁フィラーＦの含有量が３０容量％未満では、レーザの一部を第１樹脂層２ａで十分に反射させることができずに第１樹脂層２ａと第２樹脂層２ｂとの境界に溝部５ａを良好に形成することが困難となる傾向にあり、逆に８０容量％を超えると、第１樹脂層２ａの加工性や強度が低いものとなる傾向にある。したがって、第１樹脂層２ａに含有される無機絶縁フィラーＦの含有量は、３０〜８０容量％の範囲が好ましい。また、第２樹脂層２ｂに無機絶縁フィラーが３０容量％以上含まれていると、第２樹脂層２ｂでのレーザの反射が大きくなるので、第１樹脂層で反射されたレーザの一部を第１樹脂層２ａと第２樹脂層２ｂとの境界に沿って侵入させにくくなり、溝部５ａの形成が困難となる。したがって、第２樹脂層２ｂは、無機絶縁フィラーＦを含まないか、あるいは３０容量％未満含むことが好ましい。

引き続き、図２（ｃ）に示すように、第１樹脂層２ａにレーザを照射し、ビアホール５を形成する。このとき、レーザの一部は第１樹脂層２ａで反射して散乱するものの、散乱したレーザは周囲の無機絶縁フィラーＦにより反射して散乱を繰り返して弱められるので、第１樹脂層２ａにおいては横方向に大きく拡散することはない。したがって第１樹脂層２ａと第２樹脂層２ｂとの境界のみに溝部５ａを有した状態で略逆円錐台形状のビアホール５が形成される。

次に、図２（ｄ）に示すように、ビアホール５内をビア導体３で充填するとともに、ビア導体３上および上層の絶縁層２上に上層の配線導体４を形成する。なお、ビア導体３と上層の配線導体４とは、一体となっている。また、ビア導体３は、溝部５ａ内に食い込んだ状態でビアホール５内に充填されている。このように、ビアホール５内にビア導体３を溝部５ａ内に食い込んだ状態で充填することから、ビア導体３の溝部５ａ内に食い込んだ部分が楔となってビア導体３がビアホール５内に強固に係止される。したがって、上層の絶縁層２とビア導体３との熱膨張係数の差に起因する熱応力が繰り返し加わったとしても、ビア導体３と下層の配線導体１との間にクラックが発生することが有効に防止され、それによりビア導体３と下層の配線導体１との間の電気的接続信頼性に優れる配線基板１０を提供することができる。

なお、これらのビア導体３および上層の配線導体４は、主として銅めっき導体から成り、例えば、無電解めっき法やスパッタリング法によりビアホール５内および上層の絶縁層２の表面に厚みが０．０５〜１μｍの下地金属層を被着させ、その下地金属層上に電解めっき導体を析出させる方法により形成される。なお、下地金属層としては銅やニッケル、クロム、チタン等が好適に用いられる。また電解めっき導体としては銅が好適に用いられる。

１・・・下層の配線導体
２・・・上層の絶縁層
２ａ・・・第１樹脂層
２ｂ・・・第２樹脂層
３・・・ビア導体
５・・・ビアホール
５ａ・・・ビアホールの溝部

Claims

下層の配線導体と、該下層の配線導体上に積層されており、該下層の配線導体を底面とするビアホールを有する上層の絶縁層と、前記下層の配線導体に接続されて前記ビアホール内を充填するビア導体とを具備して成る配線基板において、前記上層の絶縁層は、前記下層の配線導体上に積層された第１樹脂層と、該第１樹脂層上に積層された第２樹脂層とから成り、前記ビアホールは、前記第１樹脂層と前記第２樹脂層との境界に、該ビアホールの内壁が全周にわたり水平方向に凹む環状の溝部を有し、該溝部内に前記ビア導体が食い込んで充填されていることを特徴とする配線基板。
前記第１樹脂層は、そのヤング率が５〜１０ＧＰａであるとともに、その熱膨張係数が０〜４０ｐｐｍ／℃（３０〜１５０℃）であり、前記第２樹脂層は、そのヤング率が０．５〜４ＧＰａであることを特徴とする請求項１記載の配線基板。
下層の配線導体上に、無機絶縁フィラーの含有量が高い第１樹脂層と前記無機絶縁フィラーの含有率が低い第２樹脂層とを積層して該第１および第２樹脂層から成る上層の絶縁層を形成する工程と、該上層の絶縁層に上面側からレーザを照射して前記下層の配線導体を底面とするビアホールを形成するとともに、前記照射の途中で前記レーザの一部を第１樹脂層で反射させて前記ビアホール周辺の前記第１樹脂層と前記第２樹脂層との境界に侵入させることにより、該ビアホール内壁の前記第１樹脂層と前記第２樹脂層との境界に前記ビアホールの内壁が全周にわたり水平方向に凹む環状の溝部を形成する工程と、前記ビアホール内にビア導体を、前記溝部内に食い込んだ状態で充填する工程と、を含むことを特徴とする配線基板の製造方法。
前記第１樹脂層は、そのヤング率が５〜１０ＧＰａであるとともに、その熱膨張係数が０〜４０ｐｐｍ／℃（３０〜１５０℃）であり、前記第２樹脂層は、そのヤング率が０．５〜４ＧＰａであることを特徴とする請求項３記載の配線基板の製造方法。