JP2018063983A - 多層配線板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接続信頼性を向上させることができる多層配線板の製造方法を提供する。【解決手段】実施形態に係る多層配線板１の製造方法は、導電性ペースト１０によってポスト１２を形成し、層間接続する多層配線板１の製造方法であって、高融点金属１３及び低融点合金１４を含む導電性ペースト１０を基板１１に印刷してポスト１２を形成する印刷工程と、ポスト１２を加熱して半焼結状態にする半焼結工程と、基板１１を積層して加熱しながらプレスする高温プレス工程と、を備える。導電性ペースト１０を半焼結状態にすることで低融点合金が高融点金属を包み込むようにする。【選択図】図４

Description

本発明は、多層配線板の製造方法に関するものであり、例えば、導電性ペーストを用いた多層配線板の製造方法に関する。

近年、電子機器の軽薄短小化が急激に進んでいる。それに伴い、プリント基板分野では、導電性ペーストを用いて任意の層及び任意の箇所で層間接続させ、これにより、配線密度を向上させた構造が注目されている。このような構造のプリント基板を用いることにより、電子機器の小型化を可能にしている。

特許文献１には、導電性ペーストによってポストを形成し、層間接続する多層配線板の製造方法が記載されている。

特許文献１の多層配線板は、基板を備えており、基板上の配線層におけるランドに、層間接続するための導電性ポストを配設している。導電性ポストを導電性ペーストで形成することにより、基板に接続できる部材の汎用性を向上させている。

特開平０６−３４２９７７号公報

従来、導電性ペーストによる層間接続したプリント基板は、一般的な銅メッキ品よりも抵抗値が高く、また、接続信頼性が劣る傾向があった。低コストでかつ接続信頼性が良好なプリント基板を含む多層配線板の製造方法が求められていた。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、接続信頼性を向上させることができる多層配線板の製造方法を提供する。

本発明の一態様に係る多層配線板の製造方法は、導電性ペーストによってポストを形成し、層間接続する多層配線板の製造方法であって、高融点金属及び低融点合金を含む前記導電性ペーストを基板に印刷して前記ポストを形成する印刷工程と、前記ポストを加熱して半焼結状態にする半焼結工程と、前記基板を積層して加熱しながらプレスする高温プレス工程と、を備える。このような構成によって、接続信頼性を向上させることができる。

本発明により、接続信頼性を向上させることができる多層配線板の製造方法を提供することができる。

（ａ）は、実施形態に係る多層配線板の製造方法において、印刷工程を例示した断面図であり、（ｂ）は、印刷工程におけるポストの金属組織を例示した拡大図であり、（ｃ）は、印刷工程におけるポストの金属組織を例示した模式図である。 （ａ）は、実施形態に係る多層配線板の製造方法において、半焼結工程を例示した断面図であり、（ｂ）は、半焼結工程におけるポストの金属組織を例示した拡大図である。 実施形態に係る多層配線板の製造方法において、積層工程を例示した断面図である。 （ａ）は、実施形態に係る多層配線板の製造方法において、高温プレス工程を例示した断面図であり、（ｂ）は、高温プレス工程におけるポストの金属組織を例示した拡大図であり、（ｃ）は、高温プレス工程におけるポストの金属組織を例示した模式図である。 実施例１〜３における半焼結工程後の断面形状並びに積層・高温プレス工程後のペースト流れ、接続抵抗値及び冷熱信頼性を例示した図である。 （ａ）は、実施例２におけるペースト流されを例示した図であり、（ｂ）は、実施例３における接続抵抗値及び冷熱信頼性の不良の原因を例示した図である。 比較例１〜３に係る多層配線板の製造方法の概要、工程及び課題・リスクを例示した図である。 導電性ペーストを含むポストの圧縮率と接続抵抗値との関係を例示したグラフである。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

実施形態に係る多層配線板の製造方法を説明する。本実施形態は、例えば、導電性ペーストによってポストを形成し、層間接続する多層配線板の製造方法である。具体的には、実施形態に係る多層配線板の製造方法は、印刷工程と、半焼結工程と、積層工程と、高温プレス工程とを含んでいる。

図１（ａ）は、実施形態に係る多層配線板の製造方法において、印刷工程を例示した断面図であり、（ｂ）は、印刷工程におけるポストの金属組織を例示した拡大図であり、（ｃ）は、印刷工程におけるポストの金属組織を例示した模式図である。

図１（ａ）に示すように、印刷工程においては、導電性ペースト１０を第１基板１１に印刷してポスト１２を形成する。

図１（ｂ）及び（ｃ）に示すように、導電性ペースト１０は、高融点金属１３及び低融点合金１４を含んでいる。導電性ペースト１０は、高融点金属１３の金属粉末及び低融点合金１４の金属粉末がバインダ樹脂１５の中に分散したペースト状の材料である。

高融点金属１３は、例えば、銅（Ｃｕ）である。銅の融点は、１０８５℃である。高融点金属１３は、半焼結工程及び高温プレス工程において溶融しない金属である。高融点金属１３は、例えば、融点が半焼結工程及び高温プレス工程における熱処理温度よりも高温の金属である。なお、高融点金属１３は、銅に限らない。高融点金属１３は、半焼結工程及び高温プレス工程において溶融しなければ、銅以外の金属を用いてもよい。

低融点合金１４は、例えば、スズ（Ｓｎ）−ビスマス（Ｂｉ）合金である。スズ−ビスマス合金の融点は、１３９℃である。低融点合金１４は、半焼結工程及び高温プレス工程において溶融する金属である。低融点合金１４は、例えば、融点が半焼結工程及び高温プレス工程における熱処理温度よりも低温の合金である。低融点合金１４は、半焼結工程において一部が溶融する。なお、低融点合金１４は、スズ−ビスマス合金に限らない。低融点合金１４は、半焼結工程及び高温プレス工程において溶融すれば、スズ−ビスマス合金以外の合金を用いてもよい。

第１基板１１は、例えば、板状の部材である。第１基板１１は、例えば、両面を有している。第１基板１１の一方の面１１ａには、金属配線１６が設けられている。金属配線１６は、例えば、銅配線である。金属配線１６は、例えば、線状の部分と、ランドの部分とを含んでいる。金属配線１６は、第１基板１１の他方の面１１ｂにも設けられてもよい。

印刷工程において、まず、第１基板１１の一方の面１１ａ上に、メタルマスク１７を配置する。メタルマスク１７は、板状の部材である。メタルマスク１７は、一方の面１７ａから他方の面１７ｂに貫通する孔１７ｃが設けられている。孔１７ｃは、複数設けられている。第１基板１１の一方の面１１ａ上に、メタルマスク１７を配置する際には、第１基板１１の一方の面１１ａに、メタルマスクの他方の面１７ｂが対向するように、メタルマスク１７を配置する。そして、孔１７ｃが、金属配線１６上の、例えば、ランドの部分に位置するように、メタルマスク１７を配置する。例えば、メタルマスク１７の他方の面１７ｂ側の孔１７ｃを、金属配線１６の上面１６ａに接するように配置する。

次に、メタルマスク１７を用いて、第１基板１１の金属配線１６上に導電性ペースト１０を印刷する。具体的には、例えば、メタルマスク１７の一方の面１７ａ側から孔１７ｃに導電性ペースト１０を充填させ、孔１７ｃの直下の金属配線１６の上面１６ａに導電性ペースト１０を接触させる。例えば、導電性ペースト１０を金属配線１６のランドに接触させる。これにより、金属配線１６上に導電性ペースト１０からなるポスト１２が形成される。

ポスト１２の形状は、例えば、円柱状である。円柱状のポスト１２の外径は、例えば、０．１ｍｍ〜０．８ｍｍである。ポスト１２の高さは、例えば、０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍである。このようなポスト１２の形状及び寸法になるように、メタルマスク１７の孔１７ｃは形成されている。

図１（ｂ）及び（ｃ）に示すように、金属配線１６上に形成されたポスト１２の金属組織を拡大して見ると、バインダ樹脂１５の間に、高融点金属１３の粒子と、低融点合金１４の粒子とが分散したものとなっている。具体的には、例えば、バインダ樹脂１５の間に、銅（Ｃｕ）粒子とスズ−ビスマス（Ｓｎ−Ｂｉ）粒子とが分散している。

次に、第１基板１１の金属配線１６上にポスト１２を配置させたまま、第１基板１１から、メタルマスク１７を取り除く。

次に、半焼結工程を説明する。
図２（ａ）は、実施形態に係る多層配線板の製造方法において、半焼結工程を例示した断面図であり、（ｂ）は、半焼結工程におけるポストの金属組織を例示した拡大図である。図２（ａ）に示すように、半焼結工程においては、金属配線１６上に形成されたポスト１２を加熱して半焼結状態にする。加熱処理の温度は、例えば、１４０℃〜１８０℃であり、加熱時間は、３０秒〜１０分である。

ここで、半焼結状態とは、次の２点を満たすような状態である。すなわち、（１）低融点合金１４の一部が溶融し、溶融した低融点合金１４が高融点金属１３の粒子を包み込む状態。（２）低融点合金１４の一部が化学反応せずに残存している状態。

図２（ｂ）に示すように、ポスト１２の金属組織を拡大して見ると、ポスト１２は半焼結状態となっている。高融点金属１３は、バインダ樹脂１５の間に分散している。そして、低融点合金１４の一部は溶融している。そして溶融した低融点合金１４は、高融点金属１３の銅粒子を包み込んでいる。また、低融点合金１４の一部は化学反応せずに残存している。

このように、低融点合金１４の一部が溶融し、高融点金属１３を包み込むことで、この後の積層工程及び高温プレス工程において、導電性ペースト１０のペースト流されを防止することができる。また、低融点合金１４の一部が残存していることにより、高温プレス工程において、再溶融し、対向接触する金属配線２６と合金化することができる。

次に、積層工程を説明する。
図３は、実施形態に係る多層配線板の製造方法において、積層工程を例示した断面図である。図３に示すように、積層工程においては、第２基板２２を第１基板１１上に積層する。例えば、第１基板１１上にプリプレグ１８を積層させ、その上に第２基板２２を積層する。プリプレグ１８は、基板等を製造するための主原料となるものであり、樹脂１９を含み、ガラスクロス２０等の繊維で強化した半硬化の樹脂シートである。プリプレグ１８には、一方の面１８ａから他方の面１８ｂに貫通する開口部１８ｃが形成されている。

例えば、プリプレグ１８の他方の面１８ｂが、第１基板１１の一方の面１１ａと対向するように積層させる。プリプレグ１８を、第１基板１１上に積層した場合に、開口部１８ｃを、第１基板１１上のポスト１２の位置に一致させる。したがって、第１基板１１上に、プリプレグ１８を積層させると、プリプレグ１８の開口部１８ｃにポスト１２が嵌合する。ポスト１２の金属配線１６上からの高さと、プリプレグ１８の厚さとを予め調整する。後述する高温プレス工程によって、ポスト１２が高温プレスされるとともに、プリプレグ１８が、第１基板１１及び第２基板２２と接合するように調整する。

次に、プリプレグ１８を積層させた第１基板１１上に、第２基板２２を積層する。第２基板２２は、例えば、板状の部材である。第２基板２２は、例えば、両面を有している。第２基板２２の他方の面２２ｂには、金属配線２６が設けられている。金属配線２６は、例えば、銅配線である。第２基板２２の一方の面２２ａにも金属配線２６が設けられてもよい。

第２基板２２の他方の面２２ｂが、第１基板１１の一方の面１１ａ及びプリプレグ１８の一方の面１８ａと対向するように、第２基板２２を第１基板１１上に積層させる。第２基板２２を、第１基板１１及びプリプレグ１８上に積層した場合に、金属配線２６を、プリプレグ１８の開口部１８ｃに嵌合されたポスト１２と一致させる。したがって、第１基板１１及びプリプレグ１８上に、第２基板２２を積層させると、第２基板２２の金属配線２６の位置にポスト１２が配置される。

次に、高温プレス工程を説明する。
図４（ａ）は、実施形態に係る多層配線板の製造方法において、高温プレス工程を例示した断面図であり、（ｂ）は、高温プレス工程におけるポストの金属組織を例示した拡大図であり、（ｃ）は、高温プレス工程におけるポストの金属組織を例示した模式図である。図４（ａ）に示すように、高温プレス工程においては、積層させた第１基板１１及び第２基板２２を加熱しながらプレスする。プレスする際には、第１基板１１の他方の面１１ｂと、第２基板２２の一方の面２２ａとの間をプレスする。高温プレス工程により、ポスト１２が焼結する。そして、ポスト１２と、金属配線１６及び２６との境界で、合金を形成する。高温プレス工程における加熱温度は、例えば、１６０℃〜２００℃であり、加熱時間は、１５分〜９０分である。圧力は、例えば、１ＭＰａ〜４ＭＰａである。また、ボイドの発生を防止するために真空雰囲気中で実施することが好ましい。

図４（ｂ）及び（ｃ）に示すように、高温プレス工程後のポスト１２の金属組織を拡大してみると、ポスト１２は、焼結後の状態となっている。焼結後の状態では、バインダ樹脂１５は硬化している。硬化したバインダ樹脂２５の間に高融点金属１３が分散している。分散した高融点金属１３の粒子の周りを、高融点金属１３と低融点合金１４とにより形成された合金２３が包み込んでいる。具体的には、形成された合金２３は、例えば、銅と、スズとの合金であるスズ−銅（Ｓｎ−Ｃｕ）合金である。低融点合金１４を構成していた単体の金属２４、例えば、単体のビスマスは、硬化したバインダ樹脂２５の間に分散している。スズ−銅合金の融点は、４１５℃である。単体のビスマスの融点は、２７１℃である。

このように、高温プレス工程において、ポスト１２が焼結すると、ポスト１２に含まれる高融点金属１３と低融点合金１４との合金２３が形成される。これにより、化学反応せず、そのままの状態で残存する低融点合金１４の量を低減させることができる。よって、低融点合金１４は、高融点金属１３と合金化するか、単体の金属２４に変化する。これにより、ポスト１２の内部に残存する低融点の金属材料を低減させることができる。このようにして、ポスト１２に含まれる各金属材料の融点が上昇する。よって、接続信頼性を向上させることができる。こうして、多層配線板１が製造される。

（実施例）
次に、多層配線板の製造方法について、より具体的な実施例を説明する。
図５は、実施例１〜３における半焼結工程後の断面形状並びに積層・高温プレス工程後のペースト流れ、接続抵抗値及び冷熱信頼性を例示した図である。実施例１〜３において、高温プレス条件は、加熱温度を１９０℃、加熱時間を６０分、圧力は３ＭＰａで統一している。また、冷熱信頼性条件は、−４０℃で３０分おいた後に１２０℃で３０分おくことを３０００サイクル繰り返して抵抗変化率を測定することである。評価に用いる多層配線板１のサンプルについては、第１基板１１及び第２基板２２の厚さは、０．８ｍｍであり、プリプレグ１８の厚さは、０．１ｍｍである。ポスト１２の外径は、０．６ｍｍであり、ポスト１２の厚さは、０．１ｍｍである。

図５に示すように、実施例１では、半焼結工程における加熱温度は１６０℃であり、加熱時間は１分である。この場合の半焼結工程後の断面形状は、半焼結状態となっている（○判定）。また、積層・高温プレス工程後において、ペースト流れは無い（○判定）。接続抵抗値は、１ｍΩ以下であり、基準の４ｍΩ以下を満たしている（○判定）。抵抗変化率は５％以下であり、基準の２０％以下であるので、冷熱信頼性を満たしている（○判定）。すべての項目で○判定であるので、実施例１における半焼結工程及び積層・高温プレス工程は好ましい。

実施例２では、半焼結工程における加熱温度は１００℃であり、加熱時間は５分である。この場合の半焼結工程後の断面形状では、低融点合金１４の溶融がなく、半焼結状態となっていない（×判定）。また、積層・高温プレス工程後において、ペースト流れが有る（×判定）。接続抵抗値は、１ｍΩ以下であり、基準の４ｍΩ以下を満たしている（○判定）。抵抗変化率は５％以下であり、基準の２０％以下であるので、冷熱信頼性を満たしている（○判定）。接続抵抗値及び冷熱信頼性の項目で○判定であるが、断面形状及びペースト流されの項目で×判定である。したがって、実施例２における半焼結工程及び積層・高温プレス工程は好ましくない。

ここで、ペースト流されが有るとは、図６（ａ）に示すように、ポスト１２が硬度不足のため、高温プレス工程において、プリプレグ１８の樹脂の流動により、ポスト１２の導電性ペースト１０が流されることをいう。

実施例３では、半焼結工程における加熱温度は１８０℃であり、加熱時間は２０分である。この場合の半焼結工程後の断面形状では、低融点合金１４の残存がなく、半焼結状態となっていない（×判定）。また、積層・高温プレス工程後において、ペースト流れは無い（○判定）。接続抵抗値は、４ｍΩ以上であり、基準の４ｍΩ以下を満たしていない（×判定）。抵抗変化率は２０％以上であり、基準の２０％以下を満たしていないので、冷熱信頼性を満たしていない（×判定）。ペースト流されの項目で○判定であるが、断面形状、接続抵抗値及び冷熱信頼性の項目で×判定である。したがって、実施例３における半焼結工程及び積層・高温プレス工程は好ましくない。

ここで、接続抵抗値が４ｍΩ以上及び抵抗変化率が２０％以上となるのは、図６（ｂ）に示すように、高温プレス工程において、低融点合金１４の溶融がなく、上側の第２基板２２における金属配線２６との合金化が不良となっていることが考えられる。これにより、抵抗値が上昇し、接続信頼性が低下する。

次に、本実施形態の効果を説明する前に、比較例を説明する。そして、比較例と対比させて、本実施形態の効果を説明する。

導電性ペーストにより層間接続を行うプリント基板の製造方法としては、半硬化状態のプリプレグの開口部に導電性ペーストを印刷し積層する方法（比較例１）、熱可塑性樹脂層の開口部に導電性ペーストを印刷し積層する方法（比較例２）及び導電性ペーストでバンプを印刷しプリプレグを貫通させて積層する方法（比較例３）等がある。

図７は、比較例１〜３における概要、工程及び課題・リスクを例示した図である。
図７に示すように、比較例１の工程は、ＰＥＴフィルムが付着した半硬化状態のプリプレグに導電性ペーストを印刷する。そして、銅箔の間に積層し、熱圧着してパターニングする。これを繰り返すことにより、プリント基板を形成する。比較例１の課題及びリスクとしては、ＰＥＴフィルムの廃棄の必要があること、ペースト流されが発生すること、プリプレグのハンドリング性に難点があること等が挙げられる。

比較例２の工程は、熱可塑性樹脂層の開口に導電性ペーストを印刷し、印刷した導電性ペーストに銅パターンを形成する。このような熱可塑性樹脂層の複数を、相互に導電性ペーストが接続するように一括熱圧着する。このようにして、プリント基板を形成する。比較例２の課題及びリスクとしては、熱可塑性樹脂が高価なこと、高温プレス工程が必要なこと、ペースト流されが発生すること等が挙げられる。

比較例３の工程は、銅箔上に導電性ペーストのバンプを印刷し、印刷したバンプでプリプレグを貫通させて積層する。これにより、プリント基板を形成する。比較例３の課題及びリスクは、プリプレグとして用いられるのは、バンプが貫通することができる程度に薄物のプリプレグに限定される。そして、このようなプリプレグは高価である。また、バンプによるプリプレグの貫通不良によって断線が発生すること等が挙げられる。

比較例１〜３の問題点・課題をまとめると、一般的な銅メッキによる層間接続と比較して、導電性ペーストの場合には、接続抵抗のバラツキが大きく、また、接続信頼性に乏しくなっている。これは、導電性ペーストの導通がプレス工程における金属フィラー同士の接触によるものだからである。図８に示すように、ポストの接続抵抗値は、導電性ペーストの圧縮率によって、大きく変化する。また、導電性ペースト中の各材料の分布のバラツキ、導電性ペーストのプレス工程の面圧のバラツキも、接続抵抗値及び冷熱サイクル等での信頼性に大きく影響している。

さらに、熱可塑性樹脂及び薄物プリプレグ等のように材料コストが高価となっている。ＰＥＴフィルム等の廃棄物による廃棄コストも、材料コストを高価にしている。

熱圧着時に層間接着剤の樹脂流動により、ペースト流されが発生しやすく、良品率を低下させることも問題点・課題となっている。

次に、本実施形態の効果を比較例と対比させて説明する。
本実施形態では、導電性ペースト１０は、高融点金属１３及び低融点合金１４を含んでいる。そして、半焼結工程において、導電性ペースト１０を加熱し、半焼結状態にしている。半焼結状態では、低融点合金が高融点金属を包み込み、高温プレス時に合金化しやすくしている。これにより、接続信頼性を向上させることができる

導電性ペースト１０は、高融点金属１３の粉末、低融点金属１４の粉末、バインダ樹脂１５を含んでいる。そして、高温プレス工程における焼結により、ポスト１２に含まれる各金属材料の融点を上昇させることができる。例えば、ポスト１２に含まれる各金属材料の融点を、リフロー温度以上、例えば、２６０℃以上まで上昇させることができる。したがって、積層させた基板間の接続信頼性を向上させることができる。

また、ポスト１２内の低融点合金１４が溶融することにより、高融点金属１３を取り囲み、さらに、高融点金属１３間の隙間を埋め込む。これにより、ポスト１２の導通を確保することができる。よって、導電性ペースト中の各材料の分布のバラツキ、導電性ペーストの高温プレス工程における面圧のバラツキ等に影響されず、接続抵抗値を安定化させ、冷熱サイクル等での信頼性を向上させることができる。

高融点金属１３及び低融点合金１４を含む導電性ペーストは、従来の銀（Ａｇ）ペーストよりも安価である。また、プリプレグ１８には、一般的なプリプレグ１８を使用することができる。さらに、ＰＥＴフィルム等の廃棄物が発生しない。よって、材料コストを低減させ、多層配線板１の製造コストを低減させることができる。

本実施形態では、金属配線１６上に半焼結状態のポスト１２を形成する。そして、開口部１８ｃを有するプリプレグ１８とともに第１基板１１上に第２基板２２を積層し、高温プレスしている。導電性ペースト１０を半焼結化することにより、積層工程及び高温プレス工程におけるポスト１２の硬度を大きくすることができる。これにより、高温プレス工程における導電性ペースト１０のペースト流れを防止することができる。よって、良品率を向上させることができる。

以上、本発明に係る実施の形態を説明したが、上記の構成に限らず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、変更することが可能である。

例えば、積層工程において、第１基板１１及び第２基板２２の２つの基板を積層させたがこれに限らない。３つ以上の基板を積層させ、各基板間を、導電性ペーストを含むポスト１２で層間接続させてもよい。

また、半焼結工程及び高温プレス工程における加熱温度は、高融点金属１３及び低融点合金１４によって適宜変更してもよい。

１ 多層配線板
１０ 導電性ペースト
１１ 第１基板
１１ａ 一方の面
１１ｂ 他方の面
１２ ポスト
１３ 高融点金属
１４ 低融点合金
１５ バインダ樹脂
１６ 金属配線
１６ａ 上面
１７ メタルマスク
１７ａ 一方の面
１７ｂ 他方の面
１７ｃ 孔
１８ プリプレグ
１８ａ 一方の面
１８ｂ 他方の面
１８ｃ 開口部
１９ 樹脂
２０ ガラスクロス
２２ 第２基板
２２ａ 一方の面
２２ｂ 他方の面
２３ 合金
２４ 金属
２５ バインダ樹脂
２６ 金属配線

Claims (1)

1. 導電性ペーストによってポストを形成し、層間接続する多層配線板の製造方法であって、
   高融点金属及び低融点合金を含む前記導電性ペーストを基板に印刷して前記ポストを形成する印刷工程と、
   前記ポストを加熱して半焼結状態にする半焼結工程と、
   前記基板を積層して加熱しながらプレスする高温プレス工程と、
   を備えた多層配線板の製造方法。