JP2015128124A - 部品搭載したプリント配線板とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザー孔明けビアと銅めっきによりプリント配線板の部品の電極を精度よく接続する。【解決手段】第一の導体層１１に第二の導体上にスリットのある電極１２ｂを設けることにより、孔明けの面積を絞り込むことが出来、ビアと部品電極の位置精度を上げることができた。また、接着剤２１にめっきの触媒を付与することにより、さらに小径孔に確実にめっきできることを見出した。【選択図】図２

Description

部品内蔵プリント配線板とその製造方法に関する。

モバイル電子機器の高機能化、軽量化、薄型に伴い、プリント配線板および電子部品の小型化が要求されている。
プリント配線板については配線の細線化、層間接続ランドの小径化とともに、全層がブラインドビアもしくはベリードビアで接続されるいわゆる全層ＩＶＨ基板（以降、全層ＩＶＨ基板と記載）が採用されている。
また、プリント配線板に実装する実装部品においても小型化が進んでいる。
実装部品の一種であるチップ部品を例にとると、電極の大きさが０．２ミリメートル×０．３ミリメートル程度のいわゆる０６０３チップが多く使用されているが、最近では０．１ミリメートル×０．２ミリメートルのいわゆる０４０２チップも採用され始めている。
さらに、部品実装されたプリント配線板の表面積を減らすため、部品や素子をプリント配線板の内部に取り込んだ構造の部品内蔵プリント配線板（以降、内蔵基板と記載）が注目されている。

内蔵基板には大きく分けて、プリント配線板の中に素子を形成するものとチップ部品を内蔵する２つの方法がある。
プリント配線板の内部に、素子を形成する方法は部品内蔵プリント配線板の厚さを薄くできる利点があるが、電気的制度の良い素子の形成が難しい。素子の形成方法は蒸着、スパッタといった薄膜技術を使う方法やシルクスクリーンによる厚膜技術を使う方法がある。
しかしながら、薄膜法では、基板から発生するガスの影響や作りこみのできる抵抗値が限られるといった問題や基板のそりや寸法変化による破壊の問題がありごく限られた条件でしか使用することができない。
また、厚膜技術による方法は、簡便であるが、電気精度を確保することが困難である。例えば、抵抗体を印刷した場合、抵抗値は長さ／断面積に比例する。通常、電子機器では許容値は±５％であるが、スクリーン印刷方式では厚み方向の制御が難しく、生成された抵抗体の精度は±２０％が限界で、抵抗値調整が必要となり調整作業が煩雑になる。また、その後のプリント配線板製造工程による熱、物理的ストレスにより抵抗値のドリフトを起こしやすい。
以上より、素子形成による部品内蔵基板は、現状では課題が多く、幅広い実用化には至っていない。

他方、チップ部品を内蔵する方法は、大別して、プリント配線板の電極ランドと内蔵するチップ部品の電極の接続をはんだで行ういわゆるＳＭＴ方式（以降ＳＭＴ方式と記載）とレーザー孔明けと銅めっきにより接続するいわゆるめっき接続方式（以降、めっき方式と記載）が一般的である。ＳＭＴ方式は実用化の動きもあるが、はんだ付けのための厚みが必要なため結果として配線板の厚さが厚くなってしまうこと、はんだの再溶融による不良およびはんだ付の際の洗浄でフラックス残渣の懸念があるなどの課題がある。

一方、レーザー孔明けと銅めっきにより接続するめっき接続方式は、例えば、キャビティのある基板、図８（ａ）に、図８（ｂ）に示すように、接着剤２１でチップ部品３を固定し、次に図８（ｃ）に示すように樹脂充填し、次に、図８（ｄ）に示すようにプリント配線板の内部にチップ部品３を内蔵する。さらに図８（ｅ）に示すように、レーザー孔あけ機等で第一の導体層１１側から電極３ａに向けて孔あけを行う。さらに、図８（ｆ）に示すように、無電解銅めっきと電解銅めっきで孔埋めを行いビア１０ｃを形成し、電極１１ａと部品電極３ａを電気的に接続する。その後、図８（ｇ）の通り、回路を形成し、部品内蔵した基板を形成する。

このように、めっき接続方式は、プリント配線板の電極１１ａと内蔵するチップ部品３の電極の接続をはんだで行う方法に比べ、配線板全体を薄くできること、従来のプリント配線板製造の装置、方法で製造が可能なため信頼性が確保しやすいこと等の利点があり、部品内蔵基板の中でも信頼性を要求する電子機器用途を中心として、本格的な工法の確立と実用化が待たれている。

しかしながら、めっき接続方式は、いくつかの課題がある。
図８（ｆ）のビア１０ｃを形成する際、孔が深くなるため、めっきの付まわり、すなわち、めっき液の入り込み、充填性が問題になる。その対策として、孔径を大きくすることにより、めき液の入り込み、循環をよくすることが出来る。図５は部品電極３ａとレーザー光による孔明け後めっきをしたビア１０ｃとの位置関係を示す断面図であるが、孔径を大きくすると、孔ずれと呼ばれる不良を起こす。

すなわち図８（ｅ）において、レーザー光で孔あけを行う際、レーザー光による孔１０ｃｈが部品電極３ａ内に収まることが必要である。しかしながら、孔あけ精度のほか、部品搭載精度、接着剤効果時の部品移動により部品の位置精度にばらつきがあるため、孔ずれを発生しやすい。レーザー光による孔が部品電極３ａ内に収まらない場合は、孔ずれにより不要な部分まで孔が開いてしまい、次の導体層に到達する等短絡の原因になる。
逆に、図６に示すように、孔径を小さくした場合、孔ずれの可能性は減るが、上述のめっきの付まわりが不十分で、十分な接続が得られない。
すなわち、メッキ充填の為にはなるべく孔径を大きく、部品電極３ａとの位置精度のためには孔径を小さくする必要がある。

本発明は、レーザー光の孔１０ａｈの径を従来工法と同じように大きく保ったまま、部品電極３ａに到達する孔径を小さく絞り、前記課題を解決するものである。さらに、小径の孔でもめっき付まわりを改善しようとするものである。
具体的には、本発明では、図１のように、第二の導体上にスリットのある電極１２ａが形成され、電極１１ａと部品電極３ａは、ビア１０ａと小径ビア２１ａにより接続されている。
すなわち、スリットのある電極１２ａがレーザー光による孔あけのストッパーとして機能し、スリットの部分のみレーザー光が侵入し小径孔２１ａｈを開口し、小径ビア２１ａを形成し、図１の構造を形成できることを見出した。

また、接着剤２１にめっきの触媒を付与することにより、さらに小径孔２１ａｈのめっき付まわりをさらに確実にめっきできることを見出した。

本発明により、部品内蔵基板において、微小なチップ部品３の搭載が確実に行えるようになり、更なる小型化が可能になった。
また、触媒入り接着剤２１を用いることにより、小径孔２１ａｈのめっき付まわりが改善でき、更なる小径ビア２１ａの形成が可能になった。上記により、本発明では、部品内蔵基板において、信頼性の高い、更なる小型化が可能になった。

本発明が適用されたプリント配線板の断面拡大図。 本発明が適用されたプリント配線板の断面図。 図２の製造工程を説明した断面図。 スリットのある電極１２ａの例を説明した平面図。 比較例のプリント配線板の断面拡大図。 比較例のプリント配線板の断面拡大図。 比較例のプリント配線板の断面図。 図７の製造工程を説明した断面図。 電極１２ｂを説明した平面図。 チップ部品３の平面図。

以下、さらに図面を参照にしつつ、本発明によるプリント配線板およびその製造方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

本発明の図１について、製造工程にしたがい詳細な説明を行う。
図３（ａ）に示すように、両面基板を形成する。これは、プリント基板製造で通常用いられる材料、方法を使用することが出来る。すなわち、銅張積層板に、孔明け、めっき、回路形成により図３（ａ）を形成する。銅張積層板は、絶縁層の両側に銅箔が張り合わされた構造を持ち、絶縁層はガラス布に樹脂を含浸し、銅箔を両面に積層した市販の銅張積層板（たとえば、日立化成工業ＭＣＬ６７９シリーズ）を使用することができる。
孔明けは、市販の炭酸ガスレーザー孔明け機（たとえば、三菱電機社製、日立ビアメカニクス社製）、ドリル孔明け装置（たとえば、日立ビアメカニクス社製ＮＤシリーズ）を用いることが出来る。めっきは水平搬送方式めっき装置（たとえば、アトテック社製）や垂直搬送型メッキ装置（たとえば、ケミトロン社製）を用いることが出来きる。回路形成では、ドライフィルム（たとえば、日立化成工業株式会社製、旭化成工業社製）をドライフィルムラミネーターで貼り合せ、露光機（たとえば、オルボテック社製、オーク社製）により露光の後、ＤＥＳラインと呼ばれる現像、エッチング、ドライフィルム剥離を行って回路を形成する。また、回路形成として、アディティブ工法を用いることもできる。

次に、図３（ｂ）に示す通り、離型層２３を形成する。離形層２３は、後の図３（ｅ）で選択的に内層を引きはがすために用いられるので、積層後剥離可能な層であればインク、フィルム等形態は特に、指定しない。たとえば、ポリイミドテープや離形インク（たとえば、東京ソリューション社製ＴＳ１００）を用いることが出来る。

次に、図３（ｃ）に示すように、成型、孔明け、めっき、回路形成により４層基板を形成する。成型はプリント基板製造で通常用いられる材料、方法で、形成することが出来る。
すなわち、プリプレグ（たとえば日立化成工業社製ＧＥＡシリーズ）、銅箔（たとえば、三井金属社製ＶＬＦ箔）を用いて、レイアップ後、真空加圧成形機（たとえば、北川製作所製）を用いて行うことが出来る。孔明け、めっき、回路形成は前述の方法で行うことが出来る。この時、導体１２の回路形成時に、スリットのある電極１２ｂも同時に形成される。スリットのある電極１２ｂの形状は、図４に示す通り、銅箔によって囲まれた形状であればよく、スリットのある電極１２ｂ形状や部品電極３ａの形状に合わせて、円形、長円形等が使用できる。たとえば、部品電極が幅１００マイクロメートル、長さ２００マイクロメートルの長方形の場合、スリットのある電極１２ｂの外形は幅１５０マイクロメートル、長さ２５０マイクロメートル、スリットは幅５０マイクロメートル、長さ１５０マイクロメートルにすると孔あけ精度、部品搭載精度、接着剤硬化時の部品移動といった位置精度の狂いを吸収し、最終的に精度よく電極１１ａと部品電極３ａを形成することが出来る。

次に、図３（ｄ）に示すように、切込み２４を形成する。形成方法は、市販の高さ制御のできるルーター加工装置や炭酸ガスレーザー孔明け装置が使用できる。炭酸ガスレーザーを用いる場合は、第二の導体層１２の銅箔をストッパーとして使用する。その場合は、銅箔は少なくとも１０マイクロメートルの厚さが必要である。１０マイクロメートルより薄い場合は、レーザー光がストッパーである銅箔を突き破ってしまい、ストッパーの役目を果たさなくなる。

次に図３（ｅ）に示す通り、切込み２４に沿って離形層２３からはがれる部分を除去し、キャビティ構造を持つ基板を形成する。
次に、図（ｆ）に示すように、接着剤２１を用いてチップ部品３をキャビティ内の所定の位置に固定する。接着剤２１は、市販の部品固定用のエポキシ系接着剤やＤＡＦと呼ばれるウエハ固定用接着剤を用いても良い。
この時、透明な接着剤２１を用いることにより、スリットの入った電極１２ｂは透けて見えるので、部品を置いた際、位置ずれの確認ができる。もし、位置不良があれば、位置の修正、修復することが可能である。従来工法では目印となるランドがないため、目視による位置確認ができず、位置の修正はできない。

次に、図３（ｇ）に示すように、キャビティに充填樹脂２２を充填し、硬化する。ここで使用する接着剤は無溶剤型の熱硬化充填剤が良好で、特に収縮率を抑えたフィラー入りの市販のエポキシ充填剤（たとえば、日立化成工業社製エポキシ樹脂封止材ＣＥＬシリーズ、レック社製樹脂封止材）を用いることが出来る。
次に、図３（ｈ）に示すよう、プリプレグと銅箔を用いて導体層１６を形成し、キャビティに蓋をする。

次に、図３（ｉ）に示す通り、炭酸ガスレーザー孔明け装置により、孔１０ａｈ、孔２０ａｈとともに、同時に小径孔２１ａｈを形成する。この工程が本発明で最も重要な工程である。
第一の導体１１層側から照射された炭酸ガスレーザー光は、スリットのある電極１２ｂでスリット部分を除いて、遮断される。スリットの部分では、レーザー光はそのまま直進し小径２１ａｈを形成する。通常、孔１０ａｈ、孔２０ａｈは直径１００マイクロメートル程度である。小径孔２１ａｈは円形の場合は、直径３０マイクロメートルから６０マイクロメートルが良好である。直径３０マイクロメートル以下であると、スリットの形成が困難で、また、小径孔２１ａｈ内のめっきの付まわりも悪くなる。逆に直径６０マイクロメートル以上になると絞り込みのためのスリットの役目を果たせず、部品電極３ａとの位置合わせが難しくなる。スリット上の場合は、スリットの幅は、短手で最低３０マイクロメートルは必要である。３０マイクロメートルより狭いと円形と同様の不具合を起こす。

次に図３（ｊ）に示すように、銅めっきによりビア１０ａ、ビア２０ａ、小径ビア２１ａを形成する。この際、小径ビア２１ａの形成は、小径であるため液循環の良いメッキ装置を選択する必要がある。めっき装置は水平搬送方式めっき装置（たとえば、アトテック社製）や垂直搬送型メッキ装置（たとえば、ケミトロン社製）を用いることが出来きる。
次に、図３（ｋ）に示す通り、第一の導体１１と第六の導体１６の回路形成を行う。これもプリント配線板製造で一般に用いられるアディティブ工法やエッチング工法を用いることが出来る。

以上の製造方法で、本発明の部品内蔵基板を形成することが出来る。
上記の製造工程は本発明で主要な工程を示したもので、プリント配線板製造において一般に行われている洗浄、表面処理等といった工程は省略した。
また、図３（ｋ）と図２は同様の構造の図である。

次に、小径ビア２１ａの形成において、めっき付まわりを改善した接着剤２１について、説明を行う。
上述のように、小径ビア２１ａの形成は、触媒入りの接着剤を使用することにより、めっき付まわりの改善を行うことが出来る。
めっき触媒を含んだ接着剤（以降、触媒入り接着剤と記載）を使用することにより、めっき付着性を改善でき、後に形成する小径ビア２１ａのさらなる小径化に対応することができる。すなわち、接着剤２１の層は、後にレーザー光により導通のための孔２１が開孔され、銅めっきが施される。銅めっきは、触媒付与、触媒活性化、無電解銅めっき、電解銅めっきの順で行われる。そして、触媒付与は主に、塩化パラジウム等の触媒成分を孔壁に定着させることが重要で、小径孔の場合は特に定着が難しくなる。本発明は、接着剤にあらかじめめっきの触媒となりうる例えば、塩化パラジウムを配合し、あらかじめ孔壁に触媒を配置し、触媒の孔壁への固着を効率的に助けようとするものである。

接着剤２１として、自作調合の接着剤２１を用意した。自作調合品は、三菱化学社製エポキシ樹脂８２８ ２０部、日本ゼオン社製ニポノール１０４３ １５部、ＫＯＡＲＴＡＮＰｄＰａｓｔｅ６４９３ ５０部、四国化成工業社製２Ｅ４ＭＺ ４部、四国化成工業社製Ｃ１１Ｚアジン １部、ブチルセロソルブ １０部を拡散、分散して作製し、接着剤２１として使用した。

図３（ｆ）において、接着剤２１を絶縁層１７上に塗布し、８０℃で１０分乾燥後、チップ部品３を搭載し、１５０℃で３０分硬化することにより固着し実装した。
その他の製造方法は、実施例一と同様の方法で行うことが出来る。

以上本発明に係る部品内蔵基板とその製造方法の実施形態について説明したが、これらは実施の例であって、本発明はこれらに限定されない。当業者がこれらの実施形態に対し、容易になしえる追加、削除、変更、改良等は本発明に含まれる。
「比較例」

比較例図７は、スリットのある電極１２ａがない従来のプリント配線板である以外は本発明の図２と同じデザインを作成した。
また、本比較例の製造方法は、実施例一と同様の材料、装置、工法で図８に示す通り図８（ｇ）を形成した。図８（ｇ）は図７と同様の構造である。
「効果の検証」

実施例１、実施例２および比較例に対し、０６０３チップ部品と０４０２チップ部品の２種類について、部品内蔵基板を製造した。断面観察のより部品電極のレーザービアとの位置精度を確認した。確認方法は、断面研磨機により基板の断面をだし、金属顕微鏡にて孔ずれの有無を確認した。その結果、本発明では、孔ずれのない良好な接続を確認した。

本発明により薄板の高密度実装基板を実現できる。その用途としてスマートフォン等の携帯電話、タブレットＰＣ、デジタルカメラ、ビデオカメラ等のモバイル電子機器の薄型化、小型化への貢献が期待できる。

１：本発明の基板の一部分。３：チップ部品。３ａ：部品の電極。１０：第一の絶縁層。１０ａ：ビア。１０ａｈ：孔。１０ｃ：ビア。１０ｃｈ：孔。１１：第一の導体層。１１ａ：電極。１１ｃ：配線パターン。１２：第二の導体層。１２ａ：電極。１２ｂ：スリットのある電極。１２ｃ：配線パターン。１３：第三の導体層。１３ａ：電極。１３ｃ：配線パターン。１４：第四の導体層。１４ａ：電極。１４ｃ：配線パターン。１５：第五の導体層。１５ａ：電極。１５ｃ：配線パターン。１６：第六の導体層。１６ａ：電極。１６ｃ：配線パターン。１７：第二の絶縁層。１７ａ：ビア。１８：第三の絶縁層。１８ａ：ビア。１９：第四の絶縁層。１９ａ：ビア。２０：第五の絶縁層。２０ａ：ビア。２１：接着剤。２１ａ：小径ビア。２１ａｈ：小径孔。２２：充填樹脂。２３：離形層。２４：切込み。

Claims (3)

1. 第一の導体層の電極と部品電極の間にスリットのある電極が形成される基板で、第一の導体層の電極とスリットのある電極のある電極を接続するビアの面積が、スリットのある電極と部品電極を接続するビアの面積より大きいことを特徴とする部品内蔵基板とその製造方法。
2. 部品を固定する接着剤がめっき触媒を含有することを特徴とする請求項１のプリント配線板とその製造方法。
3. スリットのある電極のスリット幅が３０マイクロメートルから２００マイクロメートルであることを特徴とする請求項１のプリント配線板。

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