JP2017220612A - 多層基板の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ビアと導体パターンの接続強度が低い多層基板を減らすことができる多層基板の製造方法を提供する。【解決手段】片面に導体パターン18が形成された絶縁基材12を用意する。このとき、導体パターン18は、Cu元素で構成されている。また、導体パターン18の絶縁基材12側の表面にはNi層16が形成されている。その後、絶縁基材12に対して導体パターン18を底20aとするビアホール20を形成する。このとき、底20aとなる範囲に位置するNi層16を除去する。その後、ビアホール20の内部に導電ペースト22を充填する。その後、絶縁基材12を複数枚積層して積層体を形成する。その後、積層体を加圧しながら加熱する。これにより、複数枚の絶縁基材12が一体化されるとともに、ビアが形成される。このとき、導体パターンとビアとの間に、Cu元素と導電ペースト22中の金属元素とを含む拡散層が形成される。【選択図】図1

Description

本発明は、多層基板の製造方法に関するものである。
従来の多層基板の製造方法として、特許文献1に記載のものがある。この製造方法では、まず、片面に導体パターンが形成された絶縁基材を用意する。その後、絶縁基材に対して導体パターンを底とするビアホールを形成する。その後、ビアホールの内部にビア形成材料を充填する。その後、絶縁基材を複数枚積層して積層体を形成する。その後、積層体を加圧しながら加熱する。これにより、複数枚の絶縁基材が一体化される。さらに、ビアが形成されることで、ビアと導体パターンとが電気的に接続される。
この製造方法では、Cu元素で構成された導体パターンが形成される。ビア形成材料として、Ag粒子とSn粒子とを含む導電ペーストが用いられる。ビア形成材料が加熱されることで、Ag元素とSn元素とを含む合金で構成されたビアが形成される。ビア形成材料が加熱されるとき、ビア形成材料中のSn元素と導体パターン中のCu元素とが相互に拡散した拡散層が、導体パターンとビアとの間に形成される。特許文献1の製造方法は、この拡散層を介して、導体パターンとビアとを接合することを図ったものである。
また、多層基板の製造に用いられる一般的な導体箔の絶縁基材側の表面には、表面処理層としてのNi層が形成されている。ここで、多層基板の最表面に位置する導体パターンと部品との半田付け時に、半田が導体パターンの側面から導体パターンの絶縁基材との接合面側に回り込むと、導体パターン中のCu元素が半田に拡散する。これにより、導体パターンが絶縁基材からはがれてしまう。Ni層は、このCu元素の拡散を抑制する拡散バリア層として機能する。
特開2003−110243号公報
本発明者は、実際に、上記した従来の多層基板の製造方法によって複数の多層基板を製造した。このとき、片面に導体パターンが形成された絶縁基材として、導体パターンがCu元素で構成され、導体パターンの絶縁基材側の表面にNi層を有する絶縁基材を用いた。この結果、製造された複数の多層基板の一部は、製造後に実施した耐久試験において、ビアと導体パターンの間にクラックが入りやすいことが、本発明者によって見出された。
そこで、本発明者は、多層基板の元素分析を行った。この結果、耐久試験でクラックが発生した多層基板では、導体パターンとビアとの間に拡散層が形成されていないか、形成されていても狭い範囲にしか形成されておらず、拡散層の形成が不十分であった。この多層基板では、導体パターンとビアとの間において、導体パターンの表面にNi層が残っていた。一方、耐久試験でクラックが発生しなかった多層基板では、導体パターンとビアとの間に拡散層が十分に形成されていた。さらに、導体パターンとビアとの間において、導体パターンの表面にNi層が存在していなかった。この結果、Ni層が拡散層の形成を阻害していたことが、本発明者によって見出された。
なお、上記した課題は、Ni層に限られず、Ni層と同様に拡散層の形成を阻害する表面金属層が導体パターンの絶縁基材側の表面に形成されている場合においても、同様に生じると考えられる。
本発明は上記点に鑑みて、ビアと導体パターンの接続強度が低い多層基板を減らすことができる多層基板の製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明である多層基板の製造方法は、
一面(12a)とその反対側の他面(12b)とを有し、一面と他面のうち一面のみに導体パターン(18)が形成された絶縁基材(12)を用意することと、
絶縁基材を用意した後、絶縁基材に対して、他面側に開口を有するとともに導体パターンを底とするビアホール(20)を形成することと、
ビアホールを形成した後、ビアホールの内部に、複数の金属粒子を含むビア形成材料(22)を充填することと、
ビア形成材料を充填した後、絶縁基材を複数枚積層して積層体(24)を形成することと、
積層体を形成した後、積層体を加圧しながら加熱することで、複数枚の絶縁基材を一体化させるとともに、複数の金属粒子を焼結させてビア(26)を形成することとを備え、
絶縁基材を用意することにおいては、導体パターンはCu元素で少なくとも構成され、かつ、導体パターンの絶縁基材側の表面に、Cu元素およびビア形成材料を構成する金属元素と比較して活性化エネルギーが高い金属元素で少なくとも構成された表面金属層(16)を有する絶縁基材を用意し、
さらに、ビアホールを形成するときを含み、ビアホールを形成するときからビア形成材料を充填するときよりも前までの期間内に、導体パターンのうち底となる範囲に位置する表面金属層を除去することを備え、
積層体を加圧しながら加熱することにおいては、ビアを形成することに加えて、導体パターンとビアとの間に、Cu元素とビア形成材料を構成する金属元素とを含む拡散層(28)を形成する。
この製造方法では、ビア形成材料を充填する前に、ビアホールの底に位置する表面金属層を除去する。これにより、導体パターンとビアの間に、拡散層を十分に形成することができる。よって、ビアと導体パターンの接続強度が低い多層基板を減らすことができる。
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
第1実施形態における多層基板の製造工程を示す断面図である。 図1に続く多層基板の製造工程を示す断面図である。 比較例1における多層基板の製造工程を示す断面図である。 第2実施形態における多層基板の製造工程を示す断面図である。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
(第1実施形態)
図1、2を用いて、本実施形態の多層基板の製造方法について説明する。
まず、図1(a)に示すように、片面導体フィルム10を用意する工程を行う。片面導体フィルム10は、一面12aとその反対側の他面12bとを有する樹脂フィルム12と、一面12aと他面12bのうち一面12aのみに接着された導体箔14とを有する。樹脂フィルム12は、フィルム状の絶縁基材である。樹脂フィルム12は、熱可塑性樹脂で構成されている。導体箔14は、Cu元素の純金属で構成されている。
導体箔14は、樹脂フィルム12側の表面である樹脂面14aに、Ni層16などの表面処理層が形成されている。なお、図1、2では、表面処理層としてNi層16のみを図示している。樹脂面14aは、樹脂フィルム12との接着性を高めるために、粗化処理がされている。このため、樹脂面14aは、粗化面、Matte面、M面などとも呼ばれる。
Ni層16は、Ni元素で構成された金属層である。本実施形態では、Ni層16が導体パターンの絶縁基材側の表面に形成された表面金属層に相当する。Ni元素は、導体箔14を構成するCu元素と、後述する導電ペースト22を構成するSn元素との両方の金属元素と比較して活性化エネルギーが高い金属元素である。活性化エネルギーは、反応の出発物質の基底状態から遷移状態に励起するのに必要なエネルギーである。活性化エネルギーは、アレニウス・パラメータとも呼ばれる。活性化エネルギーが高いことを、活性化障壁と表現することもある。このため、Ni層16は、図示しない半田への導体箔14中のCu元素の拡散を抑制するための拡散バリア層として機能する。このNi層16によって、多層基板の最表面に位置する導体パターンと部品とを接続する際に用いられる半田が、導体箔14の側面から樹脂面14a側に回り込むことが抑制される。Ni層16は、メッキ処理により形成されたメッキ層である。Ni層16は、Ni元素を全体の99質量%含み、Ni元素以外の不純物を全体の1質量%含んでいる。
続いて、図1(b)に示すように、導体パターン18を形成する工程を行う。この工程では、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、導体箔14をパターニングする。これにより、電気回路を構成するための所望の平面形状を有する導体パターン18が形成される。
続いて、図1(c)に示すように、ビアホール20を形成する工程を行う。この工程では、樹脂フィルム12の他面12bにレーザを照射する。このとき用いるレーザとしては、炭酸ガスレーザが挙げられる。また、このときでは、ビアホール20が他面12bから導体パターン18に到達し、かつ、Ni層16が除去されるように、レーザの出力や照射時間を設定する。これにより、他面12b側に開口を有するとともに導体パターン18を底とするビアホール20が形成される。さらに、導体パターン18のうちビアホール20の底となる範囲に位置するNi層16が除去される。すなわち、導体パターン18のうちビアホール20の内部空間21に対向する範囲に存在していたNi層16が除去される。なお、この範囲内のすべてのNi層16が除去されることが好ましいが、すべてのNi層16が除去されなくてもよい。後述する拡散層28の形成を阻害しない程度であれば、Ni元素で構成されたNi金属部が残っていてもよい。
続いて、図1(d)に示すように、ビアホール20の内部に導電ペースト22を充填する工程を行う。導電ペースト22は、後述するビア26を形成するためのビア形成材料である。導電ペースト22は、複数の金属粒子が溶媒と混合されてペースト状となったものである。導電ペースト23は、さらに、バインダが混合されている。バインダとしては、ポリイミド粒子、ガラス粉末、エポキシ樹脂粉末、ポリエステル樹脂などが挙げられる。
本実施形態では、導電ペースト22は、複数の金属粒子としての複数のAg粒子と複数のSn粒子とを含んでいる。また、導電ペースト22は、後述する拡散層28が形成されても、後述するビア26を構成する合金が所望の組成となるように、Ag成分とSn成分の組成比が設定されている。すなわち、導電ペースト22は、所望の合金組成を有するビア26のみを形成する場合と比較して、導電ペースト22の全体に対するSn成分の割合を大きくしている。これにより、拡散層28が形成されても、所望の合金組成を有するビア26を形成できる。ビア26の合金組成が変化することによるビア26の強度低下を回避できる。
また、この工程後において、導電ペースト22と導体パターン18との間に、Ni層16は存在しない。または、導電ペースト22と導体パターン18との間に、Ni元素で構成されたNi金属部が部分的に存在する。換言すると、導電ペースト22と導体パターン18との間に、Ni元素は層状に存在しない。
続いて、図2(a)に示すように、樹脂フィルム12を複数枚積層して積層体24を形成する工程を行う。積層される複数枚の樹脂フィルム12のそれぞれは、ビアホール20に導電ペースト22が充填されている。
本実施形態では、複数枚の樹脂フィルム12のそれぞれに形成されたビアホール20は、積層方向に一列に並んで配置されている。また、複数枚の樹脂フィルム12のうち一番上に積層される樹脂フィルム12は、他の樹脂フィルム12と反対の向きで積層されている。このため、上から1番目と2番目の樹脂フィルム12同士では、導電ペースト22同士が接触している。
続いて、図2(b)に示すように、積層体24を加圧しながら加熱する工程を行う。この工程の加熱温度は、例えば、232〜350℃とされる。
これにより、樹脂フィルム12と樹脂フィルム12とが一体化される。Ag粒子とSn粒子とが焼結してビア26が形成される。より詳細には、Sn粒子が溶融してAg粒子と合金化する。合金化した粒子が焼結してビア26が形成される。したがって、ビア26は、Sn元素とAg元素の合金で構成される。積層体24のうち上から2番目以降の樹脂フィルム12では、樹脂フィルム12と導体パターン18とが一体化される。導体パターン18とビア26とが一体化される。積層体24のうち上から1番目と2番目の樹脂フィルム12に形成されたビア26同士が一体化される。
さらに、1枚の樹脂フィルム12において、ビアホール20に形成されたビア26と、このビアホール20の底20aとなる導体パターン18との間に、Cu元素とSn元素とを含む拡散層28が形成される。この拡散層28は、導体パターン18を構成するCu元素と、導電ペースト22中の金属粒子を構成するSn元素とが、相互に拡散することによって形成される。なお、導体箔14の樹脂面14aとは反対側の表面である光沢面には、Ni層が形成されていない。このため、図示していないが導体パターン18の光沢面とビア26との間にも、拡散層28が形成される。また、この工程での加熱温度は、ビア26を構成する合金が形成され、拡散層28が形成されれば、上記した温度よりも低くてもよい。
このようにして、表面に導体パターン18が形成された複数枚の樹脂フィルム12が積層され、積層方向に並ぶ導体パターン18同士が樹脂フィルム12中に形成されたビア26を介して接続された構造を有する多層基板が製造される。
ここで、本実施形態の多層基板の製造方法と、比較例1の多層基板の製造方法とを比較する。比較例1は、図3(a)に示すように、ビアホール20を形成する工程で、Ni層16を除去しない点が、本実施形態と異なる。比較例1のその他の工程は、第1実施形態と同じである。
このため、比較例1では、図3(b)に示すように、導電ペースト22を充填したときに、導電ペースト22と導体パターン18との間に、ビアホール20の内部以外に位置するNi層16と同じ厚さのNi層16が存在する。さらに、図3(c)に示すように、積層体24を加圧しながら加熱する工程後において、拡散層28が形成されない場合が生じる。これは、導電ペースト22と導体パターン18との間に位置するNi層16によって、Cu元素とSn元素の拡散が阻害されたためである。
これに対して、本実施形態では、ビアホール20を形成する工程で、Ni層16を除去している。このため、積層体24を加圧しながら加熱する工程において、Cu元素とSn元素が拡散することができる。これにより、拡散層28が形成される。この拡散層28を介して、導体パターン18とビア26とが接続された構造となる。すなわち、導体パターン18とビア26とが拡散接合された構造となる。
よって、本実施形態によれば、比較例1と比較して、ビア26と導体パターン18の接続強度を向上させることができる。換言すると、本実施形態の製造方法を用いて複数の多層基板を製造することで、Ni層16を除去しない場合と比較して、製造された複数の多層基板において、ビア26と導体パターン18の接続強度が低いものを減らすことができる。
また、本実施形態では、ビアホール20を形成する工程で、レーザ照射によってビアホール20を形成する。このため、ビアホール20の底20aは、内部空間21側を凹面とする球面となる。これにより、底20aが平坦面である場合と比較して、拡散層28の面積が大きくなる。このため、ビア26と導体パターン18の接続強度をより向上させることができる。
(第2実施形態)
第1実施形態では、ビアホール20を形成する工程において、Ni層16を除去していた。これに対して、本実施形態では、ビアホール20を形成する工程と、Ni層16を除去する工程とを別々に行う。
具体的には、図1(b)に示す導体パターン18を形成する工程の後に、図4(a)に示すように、炭酸ガスレーザを照射してビアホール20を形成する。このとき、ビアホール20の底20aには、Ni層16が存在する。換言すると、導体パターン18とNi層16とがビアホール20の底20aとなる。
その後、図4(b)に示すように、ビアホール20の内部に、微細な除去加工が可能なエキシマレーザを照射する。これにより、導体パターン18のうちビアホール20の底20aとなる範囲に位置するNi層16を除去する。
その後、第1実施形態と同様に、導電ペースト22を充填する工程を行う。
このように、本実施形態では、ビアホール20を形成する工程の後であって、導電ペースト22を充填する工程の前に、Ni層16を除去する工程を行う。これによっても、第1実施形態と同様の効果が得られる。
(他の実施形態)
(1)上記した各実施形態では、導体パターン18は、Cu元素の純金属で構成されていたが、これに限定されない。導体パターン18は、Cu元素で少なくとも構成されていればよい。
(2)上記した各実施形態では、導電ペースト22に含まれる複数の金属粒子として、複数のAg粒子と複数のSn粒子とを用いたが、他の金属粒子を用いてもよい。
例えば、複数の金属粒子として、複数のAg粒子を用いてもよい。この場合、Ag元素の純金属で構成された金属からなるビア26が形成される。拡散層28として、導体パターン18を構成するCu元素と複数の金属粒子を構成するAg元素とを含む層が形成される。
また、例えば、複数の金属粒子として、Cu粒子とSn粒子とを用いてもよい。この場合、Cu元素とSn元素とを含む合金で構成されたビア26が形成される。拡散層28として、導体パターン18を構成するCu元素と複数の金属粒子を構成するCu元素およびSn元素とを含む層が形成される。
(3)上記した各実施形態では、Ni層16は、Ni元素を全体の99質量%含んでいた。しかし、Ni層16におけるNi元素の含有率は、これに限定されない。
(4)上記した各実施形態では、表面金属層として、Ni層16が形成されていたが、他の表面金属層が形成されていてもよい。
表面金属層は、導体パターン18を構成するCu元素およびビア形成材料を構成する金属元素と比較して活性化エネルギーが高い金属元素で少なくとも構成された層であればよい。ビア形成材料を構成する金属元素がSn、Agのいずれであっても、この活性化エネルギーが高い金属元素としては、Niの他にCo、P、W、Moが挙げられる。表面金属層は、単一の金属元素からなる純金属で構成されていてもよく、複数の金属元素からなる合金で構成されていてもよい。したがって、表面金属層は、Ni、Co、P、WおよびMoから選ばれる1種以上の金属元素で構成された層であればよい。
(5)上記した各実施形態では、樹脂フィルム12は熱可塑性樹脂で構成されていた。しかし、樹脂フィルム12は、熱硬化性樹脂等の他の可撓性を有する樹脂で構成されていてもよい。さらに、樹脂フィルム12は、可撓性を有する樹脂以外の他の絶縁材料で構成されていてもよい。
(6)本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能であり、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の材質、形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の材質、形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その材質、形状、位置関係等に限定されるものではない。
(まとめ)
上記各実施形態の一部または全部で示された第1の観点によれば、多層基板の製造方法は、ビア形成材料を充填するときよりも前までの期間内に、導体パターンのうち底となる範囲に位置する表面金属層を除去することを備える。積層体を加圧しながら加熱することにおいては、ビアを形成することに加えて、導体パターンとビアとの間に、Cu元素とビア形成材料を構成する金属元素とを含む拡散層を形成する。
また、第2の観点によれば、ビア形成材料を充填することにおいては、複数の金属粒子として、複数のAg粒子と複数のSn粒子とを用いる。積層体を加圧しながら加熱することにおいては、拡散層として、Cu元素とSn元素とを含む層を形成する。第1の観点においては、例えば、この構成を採用することができる。
また、第3の観点によれば、ビア形成材料を充填することにおいては、複数の金属粒子として、複数のAg粒子を用いる。積層体を加圧しながら加熱することにおいては、拡散層として、Cu元素とAg元素とを含む層を形成する。第1の観点においては、例えば、この構成を採用することができる。
また、第4の観点によれば、ビア形成材料を充填することにおいては、複数の金属粒子として、複数のCu粒子と複数のSn粒子を用いる。積層体を加圧しながら加熱することにおいては、拡散層として、Cu元素とSn元素とを含む層を形成する。第1の観点においては、例えば、この構成を採用することができる。
また、第5の観点によれば、絶縁基材を用意することにおいては、表面金属層として、Ni、Co、P、WおよびMoから選ばれる1種以上の金属元素で構成された層を用いる。第2−第4の観点においては、例えば、この構成を採用することができる。
12 絶縁基材
16 Ni層
18 導体パターン
20 ビアホール
22 導電ペースト
24 積層体
26 ビア
28 拡散層

Claims (5)

  1. 多層基板の製造方法であって、
    一面(12a)とその反対側の他面(12b)とを有し、前記一面と前記他面のうち前記一面のみに導体パターン(18)が形成された絶縁基材(12)を用意することと、
    前記絶縁基材を用意した後、前記絶縁基材に対して、前記他面側に開口を有するとともに前記導体パターンを底とするビアホール(20)を形成することと、
    前記ビアホールを形成した後、前記ビアホールの内部に、複数の金属粒子を含むビア形成材料(22)を充填することと、
    前記ビア形成材料を充填した後、前記絶縁基材を複数枚積層して積層体(24)を形成することと、
    積層体を形成した後、前記積層体を加圧しながら加熱することで、複数枚の前記絶縁基材を一体化させるとともに、前記複数の金属粒子を焼結させてビア(26)を形成することとを備え、
    前記絶縁基材を用意することにおいては、前記導体パターンはCu元素で少なくとも構成され、かつ、前記導体パターンの前記絶縁基材側の表面に、Cu元素および前記ビア形成材料を構成する金属元素と比較して活性化エネルギーが高い金属元素で少なくとも構成された表面金属層(16)を有する前記絶縁基材を用意し、
    さらに、前記ビアホールを形成するときを含み、前記ビアホールを形成するときから前記ビア形成材料を充填するときよりも前までの期間内に、前記導体パターンのうち前記底となる範囲に位置する前記表面金属層を除去することを備え、
    前記積層体を加圧しながら加熱することにおいては、前記ビアを形成することに加えて、前記導体パターンと前記ビアとの間に、Cu元素と前記ビア形成材料を構成する金属元素とを含む拡散層(28)を形成する多層基板の製造方法。
  2. 前記ビア形成材料を充填することにおいては、前記複数の金属粒子として、複数のAg粒子と複数のSn粒子とを用い、
    前記積層体を加圧しながら加熱することにおいては、前記拡散層として、Cu元素とSn元素とを含む層を形成する請求項1に記載の多層基板の製造方法。
  3. 前記ビア形成材料を充填することにおいては、前記複数の金属粒子として、複数のAg粒子を用い、
    前記積層体を加圧しながら加熱することにおいては、前記拡散層として、Cu元素とAg元素とを含む層を形成する請求項1に記載の多層基板の製造方法。
  4. 前記ビア形成材料を充填することにおいては、前記複数の金属粒子として、複数のCu粒子と複数のSn粒子を用い、
    前記積層体を加圧しながら加熱することにおいては、前記拡散層として、Cu元素とSn元素とを含む層を形成する請求項1に記載の多層基板の製造方法。
  5. 前記絶縁基材を用意することにおいては、前記表面金属層として、Ni、Co、P、WおよびMoから選ばれる1種以上の金属元素で構成された層を用いる請求項2ないし4のいずれか1つに記載の多層基板の製造方法。
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