JP2015177174A - 配線基板および配線基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本願は、製造工数と原材料費の増加を抑制しながら接続信頼性の向上を図ることが可能な配線基板および配線基板の製造方法を提供することを課題とする。
【解決手段】配線基板であり、配線を表面に有する部材を積層した積層体と、前記積層体の少なくとも何れかの配線層を形成する部材に設けられ、他の配線層の配線と接触するビアが配置されるビアホールと、前記ビアを形成する導電材であり、前記ビアホールの内部を満たす第１の導電性ペーストによって形成される第１の層と、含有する導電性粒子の粒子径が前記第１の導電性ペーストの導電性粒子より小さい第２の導電性ペーストによって形成される第２の層と、を有する導電材と、を備える。
【選択図】図２Ｇ

Description

本願は、配線基板および配線基板の製造方法に関する。

近年、電子機器の高機能化に伴い、電子部品の実装密度が向上の一途を辿っている。電子部品を搭載するプリント基板は、配線を微細化しながら低コスト短期間で製造することが求められている。低コスト短期間の配線基板の製造方法としては、例えば、導電性ペーストが充填されたビアを用いた配線基板を積み重ねる一括積層方法がある（例えば、特許文献１−３を参照）。

特開平４−２３４９３号公報 特開２００７−９６１２１号公報 特開２０００−２８６５５５号公報

導電性ペーストを充填したビアホールを有する基板を複数用意し、ビアホールの導電性ペーストが他の配線層の配線と接触するように各基板を積層する場合、導電性ペーストと配線との間は、電気的に接続されていることが求められる。導電性ペーストと配線との間の接続信頼性の向上策としては、例えば、配線の表面にスズメッキを施す方策や、導電性ペーストに含有されている導電性粒子の粒子径をより小さいものに変更する方策がある。しかし、メッキ工程の追加は製造工数の増加を招き、また、小径の粒子を含有する比較的高価な導電性ペーストの使用量の増加は原材料費の増加を招く。

そこで、本願は、製造工数と原材料費の増加を抑制しながら接続信頼性の向上を図ることが可能な配線基板および配線基板の製造方法を提供することを課題とする。

本願は、次のような配線基板を開示する。
配線を表面に有する部材を積層した積層体と、
前記積層体の少なくとも何れかの配線層を形成する部材に設けられ、他の配線層の配線と接触するビアが配置されるビアホールと、
前記ビアを形成する導電材であり、前記ビアホールの内部を満たす第１の導電性ペーストによって形成される第１の層と、含有する導電性粒子の粒子径が前記第１の導電性ペーストの導電性粒子より小さい第２の導電性ペーストによって形成される第２の層と、を有する導電材と、を備える、
配線基板。

また、本願は、次のような配線基板の製造方法を開示する。
配線を表面に有する部材にビアホールを形成し、
前記ビアホールの内部を第１の導電性ペーストで満たし、
前記ビアホールの開口部を、含有する導電性粒子の粒子径が前記第１の導電性ペーストの導電性粒子より小さい第２の導電性ペーストで覆い、
前記部材とは異なる他の部材が形成する他の配線層の配線と前記第２の導電性ペーストとが接触するように前記部材同士を積み重ねて積層体を形成する、
配線基板の製造方法。

上記配線基板および配線基板の製造方法であれば、製造工数と原材料費の増加を抑制しながら接続信頼性の向上を図ることが可能である。

図１は、実施形態に係る配線基板の製造方法を示したフローチャートの一例を示した図である。 図２Ａは、実施形態に係る配線基板の製造方法において用いる基板の一例を示した図である。 図２Ｂは、配線を片面に形成した基板の一例を示した図である。 図２Ｃは、ビアホールを形成した基板の一例を示した図である。 図２Ｄは、第１の導電性ペーストを充填する工程の一例を示した図である。 図２Ｅは、第２の導電性ペーストを充填する工程の一例を示した図である。 図２Ｆは、基板同士を積み重ねる工程の一例を示した図である。 図２Ｇは、積み重ねた基板をプレスする工程の一例を示した図である。

以下、実施形態について説明する。以下に示す実施形態は、単なる例示であり、本開示の技術的範囲を以下の態様に限定するものではない。

図１は、実施形態に係る配線基板の製造方法を示したフローチャートの一例を示した図である。以下、実施形態に係る配線基板の製造方法について、図１に示すフローチャートに沿って説明する。

図２Ａは、実施形態に係る配線基板の製造方法において用いる部材の一例を示した図である。配線基板を製造する場合は、部材１を用意する（Ｓ１０１）。部材１は、絶縁性の材料で形成される板状の部材であり、例えば、絶縁性を有する樹脂製の板に銅を貼り付けた銅貼り積層板を用いることができる。

図２Ｂは、配線を片面に形成した部材の一例を示した図である。部材１を用意した後は、部材１の片面に配線２を形成する（Ｓ１０２）。配線２は、如何なる方法で形成してもよい。配線２は、例えば、片面に銅箔を有する部材の銅箔を所望の配線パターンとなるようにエッチングすることにより形成可能である。

図２Ｃは、ビアホールを形成した部材の一例を示した図である。部材１の片面に配線２を形成した後は、部材１に穴あけ加工を施し、ビアホール３を形成する（Ｓ１０３）。ビアホール３の形成は、部材１の両面のうち配線２が形成されていない側の面から開始され、配線２に到達するまで行われる。ビアホール３やその他の穴は、例えば、レーザーで形成することができる。

図２Ｄは、第１の導電性ペーストを充填する工程の一例を示した図である。部材１に穴あけ加工を施した後は、ビアホール３の内部を第１の導電性ペースト４で満たす（Ｓ１０４）。ビアホール３の内部を第１の導電性ペースト４で満たす際は、例えば、部材１の表面に第１の導電性ペースト４をスクリーン印刷で塗布した後、第１の導電性ペースト４を部材１の表面に押し広げる。

図２Ｅは、第２の導電性ペーストを充填する工程の一例を示した図である。ビアホール３の内部を第１の導電性ペースト４で満たした後は、ビアホール３の開口部を第２の導電性ペースト５で覆う（Ｓ１０５）。ビアホール３の開口部を第２の導電性ペースト５で覆う際は、例えば、部材１の表面に第２の導電性ペースト５をスクリーン印刷で塗布した後、第２の導電性ペースト５を部材１の表面に押し広げる。ビアホール３の開口部を覆うように塗布する第２の導電性ペースト５は、含有する導電性粒子の粒子径が第１の導電性ペースト４の導電性粒子より小さいものを用いる。

なお、ビアホール３の開口部を第２の導電性ペースト５で覆う際は、第１の導電性ペースト４で満たされるビアホール３の開口部が凹状に窪んでいると、ビアホール３の開口部に第２の導電性ペースト５が付着しやすい。第１の導電性ペースト４で満たされるビアホール３の開口部が凹状に窪むようにするには、ビアホール３の内部を第１の導電性ペースト４で満たす際、例えば、ゴムやウレタンといった変形しやすい柔軟な道具を使って第１の導電性ペースト４を押し広げる。柔軟な道具であれば、第１の導電性ペースト４を押し広げる際、ビアホール３の開口部に侵入しやすい。よって、ビアホール３の内部が第１の導電性ペースト４で満たされつつ、ビアホール３の開口部に残る第１の導電性ペースト４が取り除かれ、第１の導電性ペースト４で満たされるビアホール３の開口部が凹状に窪んだ状態に形成される。

第１の導電性ペースト４で満たされるビアホール３の開口部が、例えば、数μｍ程度窪んだ状態に形成されていれば、部材１の表面に塗布した第２の導電性ペースト５を押し広げることにより、ビアホール３の開口部が第２の導電性ペースト５で覆われた状態にすることができる。第２の導電性ペースト５を押し広げる際は、少なくとも第１の導電性ペースト４を押し広げる際に使った道具よりも変形しにくい柔軟性の劣る道具（例えば、ステンレス製の金属板等）を使う。例えば、第２の導電性ペースト５を押し広げる際に用いる道具として、第１の導電性ペースト４を押し広げる際に用いる道具の弾性率よりも高いものを選定すれば、ビアホール３の開口部への侵入量が小さくなる。よって、第２の導電性ペースト５を押し広げた際、ビアホール３の開口部を満たした第２の導電性ペースト５が取り除かれることなく、ビアホール３の開口部を覆うように第２の導電性ペースト５を残留させることができる。

図２Ｆは、部材同士を積み重ねる工程の一例を示した図である。ビアホール３の開口部を第２の導電性ペースト５で覆った後は、部材１同士を積み重ねる（Ｓ１０６）。各部材１の配線２が設計通りに形成されていれば、部材１同士を積み重ねることにより、各部材１のビアホール３の開口部を覆う第２の導電性ペースト５が、他の部材１が形成する他の配線層の配線２と接触する状態になる。

図２Ｇは、積み重ねた部材をプレスする工程の一例を示した図である。部材１同士を積み重ねた後は、部材１を積み重ねた積層体６を加熱しながらプレスする（Ｓ１０７）。積み重ねた部材１同士が加熱されながらプレスされることにより、第１の導電性ペースト４や第２の導電性ペースト５を形成する樹脂や導電性粒子の混合物が溶融しながら硬化し、ビアを形成する導電材Ｖが形成される。第１の導電性ペースト４や第２の導電性ペースト５は、プレスによる厚さ方向の圧縮によって導電性粒子同士が接触し、電気的な接続を形成する。よって、第１の導電性ペースト４によって形成される第１の層７や第２の導電性ペースト５によって形成される第２の層８を有する導電材Ｖの抵抗値は、プレスの際の圧縮率に依存する。従って、例えば、圧縮率を大きくすると、導電性粒子同士の接触密度が高くなるので導電経路の増加により低抵抗化することができる。

上記一連の製造工程を経ることにより、第１の導電性ペースト４によって形成される第１の層７と第２の導電性ペースト５によって形成される第２の層８とを有する導電材Ｖが
ビアを形成し、複数の配線層間が層間接続される配線部材１０が製造される。上記製造方法であれば、メッキ工程の追加や、小径の粒子を含有する比較的高価な導電性ペースト（本願でいう「第２の導電性ペースト」が一例に該当する）の使用量を抑制しているので、製造工数や原材料費の増加を抑制することができる。また、特定の部材１のビアホール３内に形成される導電材Ｖの第１の層７と他の部材１の配線２との間の接触部分に、第１の導電性ペースト４よりも径の小さい導電性粒子を含有する第２の導電性ペースト５を使って形成した第２の層８を設けているので、接続信頼性の向上を図ることができる。

なお、上記実施形態では、部材１を３枚積層した配線基板１０を例示しているが、上記実施形態は、２枚または４枚以上の部材１を積層した配線基板を製造してもよい。また、ビアホール３の開口部を導電性ペーストで覆う際は、第１の導電性ペースト４の導電性粒子よりも融点の低い導電性粒子を含有するものを第２の導電性ペースト５として用いてもよい。この場合、第２の導電性ペースト５に含有されている導電性粒子が溶融する温度で積層体６を圧縮することにより、第１の導電性ペースト４と配線２とを溶融拡散接合させることができる。例えば、第２の導電性ペースト５として、配線２を形成する銅等の材料に濡れ広がりやすいスズまたはスズを主成分とする金属粉（Ｂｉ，Ａｇ，Ｃｕなどの金属材料）を含有し、樹脂と溶剤とを用いて形成したものを用いる場合、第１の導電性ペースト４には、第２の導電性ペースト５の金属粉より溶融温度の高い合金もしくは金属紛体（Ｂｉ，Ａｇ，Ｃｕなどの金属材料）を含有するものを用いる。第１の導電性ペースト４の導電性粒子よりも融点の低い導電性粒子を含有するものを第２の導電性ペースト５として用いれば、部材１の積層時の熱で第２の導電性ペースト５が溶融し、配線２と第１の導電性ペーストに固相拡散する。よって、電気抵抗が小さく、接続信頼性の高い導電材Ｖによって層間接続される配線部材１０を製造することができる。

また、積層体６を形成する際は、第２の導電性ペースト５の導電性粒子を他の配線層の配線２および第１の導電性ペースト４の導電性粒子へ拡散接合させるようにしてもよい。例えば、第１の導電性ペースト４の導電性粒子同士が圧接し、第２の導電性ペースト５の導電性粒子同士が溶着する温度でプレスすれば、第２の導電性ペースト５の導電性粒子を他の配線層の配線２および第１の導電性ペースト４の導電性粒子へ拡散接合させることができる。第１の導電性ペースト４として圧接型のペーストを採用し、第２の導電性ペースト５として溶融型のペーストを採用する場合、第１の導電性ペースト４と第２の導電性ペースト５とは互いに異なる接合状態を呈することになる。しかし、第２の導電性ペースト５の導電性粒子が他の配線層の配線２および第１の導電性ペースト４の導電性粒子へ拡散接合することにより、電気抵抗が小さく、接続信頼性の高い導電材Ｖによって層間接続される配線部材１０が製造される。

近年、ＬＳＩ（Large Scale Integration）は、微細化や高速化、高周波化の一途を辿
っている。このため、例えば、ＬＳＩを実装するパッケージ基板についても、高密度化と並んで、高速伝送に適した材料や構造が求められている。高密度な実装を実現するものとしては、例えば、ガラスエポキシ基板を用いたコア基板の上下にエポキシ樹脂を用いたビルトアップ層を逐次積み上げるビルドアップ多層配線基板がある。しかしながら、ビルドアップ多層配線基板は、層間接続ビアが銅メッキで形成されるため、製造プロセス上、ビアの上にビアを形成することが難しいことや、メッキ時間がかかるために手番が多く、層数が増えるとコストアップにつながることが知られている。

そこで、最近では、設計自由度が高く、伝送特性に優れた全層ＩＶＨ（Interstitial Via-hole）基板が提案されている。全層ＩＶＨ基板では、層間接続をするビア配線が導電
性ペーストで形成されている。よって、ビアの上にビアを形成したり、メッキを用いないので少ない手番で製造したりすることが可能であり、近年の更なる高密度化の要求に対応しやすい。

ところで、全層ＩＶＨ基板の各配線層間を接続する方法の一つとして、スクリーン印刷を用いて導電性ペーストを充填する方法がある。スクリーン印刷に用いる導電性ペーストは、樹脂と金属紛体（スズ、ビスマス等）の混合物であり、積層時の熱と圧力によって紛体が溶融し、樹脂が硬化することで、電気的な接続を実現する。しかし、例えば、上記実施形態に係る２層構造の導電性ペーストのようなビア構造とはせず、単に１層構造の導電性ペーストのようなビア構造を採る場合、ビルトアップ基板と比べ、ビア抵抗が数１０倍〜数１００倍と高くなり、接続信頼性が低下する場合がある。この点、積層時の熱で溶融させる溶融型の導電性ペーストを層間接続に用いる場合、接続信頼性は確保しやすいものの、低融点なので熱で再溶融しやすく、また、導電性ペーストの溶融によって形成される金属合金が純金属に比べて基板変形に弱い場合がある。一方、積層時の圧力で接続する圧接型の導電性ペーストを層間接続に用いる場合、金属紛体の粒子サイズを小さくすると抵抗値が上がるために、高密度なビアを作製することが難しい場合がある。

一方、上記実施形態に係る製造方法であれば、各部材のビアホールに充填される導電性ペーストのうち他の部材の配線と接触する部分についてはビアホールの内部を満たす第１の導電性ペーストよりも粒子径の小さい導電性粒子を含有する第２の導電性ペーストを採用しているので、例えば、金属拡散接合させることもでき、ビアの抵抗値の低下や接続信頼性の向上を図ることができる。また、上記実施形態に係る製造方法であれば、通常のスクリーン印刷方法を用いてビアホール内への導電性ペーストの充填をすることができるので、製造が容易であり、接続信頼性の向上も図ることができる。

以下、配線基板を実際に作製し、比較実験を行ったので、その結果を以下に示す。上記実施形態に係る製造方法で製造したものを「実施例」と呼ぶことにする。また、上記実施形態に係る製造方法において、第２の導電性ペースト５を第１の導電性ペースト４に置き換えて製造したものを「比較例」と呼ぶことにする。

実施例および比較例の作製においては、第１の導電性ペースト４として、平均粒径が５μｍのＣｕ粒子とＳｎ粒子を含有し、Ｃｕが８０％以上の混合比のものを採用した。また、第２の導電性ペースト５として、平均粒径が１μｍ以下のスズと銅とビスマス粒子を含有し、スズが７０％以上の混合比のものを採用した。平均粒径が１μｍ以下の粒子の場合、配線２の表面粗さと同等の粒子サイズとなり、また、第１の導電性ペースト４に含有される導電性粒子の粒子径よりも小さいため、固相拡散しやすいと考えられる。

また、実施例および比較例の作製においては、１８μｍの銅箔を片面に設けた厚さ６０μｍの絶縁性の部材１にレーザーを用いて直径１５０μｍのビアホールを形成した。そして、実施例においてはゴム製のスキージで第１の導電性ペースト４を印刷した後にステンレス製のスキージで第２の導電性ペースト５を印刷し、比較例においてはゴム製のスキージで第１の導電性ペースト４を印刷した後にステンレス製のスキージで第１の導電性ペースト４を印刷した。

また、実施例および比較例の作製においては、積み重ねた部材１の上に１８μｍの銅箔を更に重ねて真空プレス（２００℃、３ＭＰａ）を行い、銅箔を両面に張り付けた両面銅張の板状の積層体６を作製した。次に、エッチングを行い、１００個のビアがデイジーチェーンで接続されるようにした。なお、真空プレスは、温度が１８０℃以上２２０℃未満で、圧力が３ＭＰａ以上であれば、第２の導電性ペースト５に含有されるスズと銅が合金化された後、第１の導電性ペースト４に含有される導電性粒子同士が加圧によって電気的に接続される。

実施例および比較例のそれぞれについて、デイジーチェーンの両端間の抵抗値を計測し
たところ、実施例は１００ｍΩ程度であったのに対し、比較例は１０００ｍΩ程度であった。すなわち、実施例は、各ビアの電気抵抗値が比較例の１０分の１程度であることが確認された。この比較結果より、上記実施形態のように、ビアホールに充填する導電性ペーストを、含有する導電性粒子の粒子径が互いに異なる２層構造にした場合、製造工数と原材料費の増加を抑制しながら接続信頼性の向上を図ることができることが判る。

なお、配線基板に形成する配線密度等にもよるが、第１の導電性ペーストに含有される導電性粒子の平均粒径が概ね１０μｍ以下であれば、近年要求されている配線密度に対応可能である。また、上記実施例では、第１の導電性ペースト４としてＣｕ粒子とＳｎ粒子を含有し、第２の導電性ペースト５としてスズと銅とビスマス粒子を含有したものが採用されているが、例えば、銀（Ａｇ）等のその他金属、或いは金属合金の粉末を含有していても同様の結果が得られると推定される。なお、例えば、第２の導電性ペースト５として、スズビスマスの合金を含有するものを用いれば約１３９℃で溶融させ、銅スズの合金を含有するものを用いれば約１８０℃で溶融させることができる。なお、例えば、第２の導電性ペースト５として融点が１８０℃程度のものを採用する場合、第１の導電性ペースト４には約２００℃以上で溶融し合金化する金属配合のものを採用することが好ましい。また、この場合、第２の導電性ペースト５の樹脂にはエポキシ等を用いた２００℃以下で熱硬化する材料を採用すれば、第１の導電性ペースト４の硬化時には第２の導電性ペースト５の樹脂を硬化させた状態にし、第１の導電性ペースト４の圧接時の流動変形を防ぐことができる。

１・・部材；２・・配線；３・・ビアホール；４・・第１の導電性ペースト；５・・第２の導電性ペースト；６・・積層体；１０・・配線基板；Ｖ・・導電材；第１の層・・７；第２の層・・８

Claims (9)

1. 配線を表面に有する部材を積層した積層体と、
   前記積層体の少なくとも何れかの配線層を形成する部材に設けられ、他の配線層の配線と接触するビアが配置されるビアホールと、
   前記ビアを形成する導電材であり、前記ビアホールの内部を満たす第１の導電性ペーストによって形成される第１の層と、含有する導電性粒子の粒子径が前記第１の導電性ペーストの導電性粒子より小さい第２の導電性ペーストによって形成される第２の層と、を有する導電材と、を備える、
   配線基板。
2. 前記第２の層は、前記第１の導電性ペーストの導電性粒子よりも融点の低い導電性粒子を含有する前記第２の導電性ペーストによって形成される、
   請求項１に記載の配線基板。
3. 前記第２の層は、前記第２の導電性ペーストの導電性粒子が前記他の配線層の配線および前記第１の層と拡散接合している、
   請求項１または２に記載の配線基板。
4. 前記第１の層は、前記第１の導電性ペーストの導電性粒子同士が圧接しており、
   前記第２の層は、前記第２の導電性ペーストの導電性粒子同士が溶着している、
   請求項１から３の何れか一項に記載の配線基板。
5. 配線を表面に有する部材にビアホールを形成し、
   前記ビアホールの内部を第１の導電性ペーストで満たし、
   前記ビアホールの開口部を、含有する導電性粒子の粒子径が前記第１の導電性ペーストの導電性粒子より小さい第２の導電性ペーストで覆い、
   前記部材とは異なる他の部材が形成する他の配線層の配線と前記第２の導電性ペーストとが接触するように前記部材同士を積み重ねて積層体を形成する、
   配線基板の製造方法。
6. 前記開口部を導電性ペーストで覆う際は、前記第１の導電性ペーストの導電性粒子よりも融点の低い導電性粒子を含有する前記第２の導電性ペーストで前記開口部を覆い、
   前記積層体を形成する際は、前記第２の導電性ペーストに含有されている導電性粒子が溶融する温度で前記積層体を圧縮する、
   請求項５に記載の配線基板の製造方法。
7. 前記積層体を形成する際は、前記第２の導電性ペーストの導電性粒子を前記他の配線層の配線および前記第１の導電性ペーストの導電性粒子へ拡散接合させる、
   請求項５または６に記載の配線基板の製造方法。
8. 前記積層体を形成する際は、前記第１の導電性ペーストの導電性粒子同士が圧接し、前記第２の導電性ペーストの導電性粒子同士が溶着する温度でプレスする、
   請求項５から７の何れか一項に記載の配線基板の製造方法。
9. 前記ビアホールの内部を前記第１の導電性ペーストで満たす際は、柔軟性を有する道具で前記第１の導電性ペーストを前記部材の表面に押し広げ、
   前記ビアホールの内部を前記第２の導電性ペーストで満たす際は、少なくとも前記第１の導電性ペーストを押し広げる際よりも柔軟性の劣る道具で前記第２の導電性ペーストを前記部材の表面に押し広げる、
   請求項５から８の何れか一項に記載の配線基板の製造方法。

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