JP2018078133A - コイル内蔵ガラス基板およびビルドアップ基板 - Google Patents

Abstract

【課題】ソレノイドコイルの形成に必要とする絶縁層は１層であり、且つ１枚のガラス板から構成されるガラスコア層を用いたガラス基板においても形成可能であるソレノイドコイルとその製造方法を提供することを課題とする。【解決手段】ガラス基板１の表裏面に形成した導体配線４、５を、ガラス基板に形成した複数の貫通孔２を介して、接続することにより形成したソレノイドコイルを、インダクタンス素子として使用するコイル内蔵ガラス基板２０であって、ガラス基板の内部にソレノイドコイルの鉄心を備えていることを特徴とするコイル内蔵ガラス基板。【選択図】図１

Description

本発明は、電子機器等に用いられる受動部品に関し、特にガラス基板に形成されたコイル部品と、それを使用したビルドアップ基板に関する。

通常電子機器には、半導体部品や多数の受動部品が用いられており、それらがプリント基板に実装され、電子回路が形成されている。受動部品にはコイルやコンデンサ等があり、様々な仕様、サイズ、特性の製品が販売されているが、最近は電子機器の小型化の要求に応えるため、受動部品においても小型化が進んでいる。

現在、小型の受動部品はセラミック製のチップ部品が主流となっている。サイズは１０ｍｍ×５ｍｍ、６ｍｍ×３ｍｍ、４ｍｍ×２ｍｍなど非常に小型のものが実用化されてきている。しかしスマートフォン、携帯電話等のモバイル機器に代表される小型電子機器においては、小型化とともに高機能化も進み、受動部品の点数が増加し、部品の実装面積、実装した際の高さなどの面での制限がますます厳しくなっている。

そのような小型化の要求に対応するため、プリント基板の内部に受動部品を埋め込む部品内蔵基板が提案されている。ここで議論するプリント基板は、小型電子機器に搭載されるものを前提としているため、セラミックではなく樹脂製のプリント基板を指すものとする。部品内蔵基板には大別して２種類あり、作りこみタイプと埋め込みタイプに分類できる。作りこみタイプはプリント基板の製造プロセスを応用して基板の内部にキャパシタやコイルを作りこむものであるが、樹脂基板の製造プロセスを利用するため、作りこんだ受動部品の精度が低いため特性値のバラツキが大きく、また材料の面で、大きなキャパシタンス値やインダクタンス値を持った受動部品の製造が難しいという欠点がある。一方埋め込みタイプは、前記のようなチップ部品を樹脂基板に埋め込んで作製するため、高精度でバラツキも小さく、幅広いキャパシタンス値、インダクタンス値に対応可能であるが、樹脂基板にセラミック部品を埋め込むという通常の樹脂基板の製造工程には存在しない工程が必要となり、製造プロセスが複雑になるという欠点がある。

一方、最近ではプリント基板のコア材にガラス板を利用する技術が注目されている。以下、このような基板をガラス基板と呼ぶこととする。ガラス板は従来の樹脂コア材を使用した樹脂基板に比べて熱膨張率が低いため、ガラス基板と半導体チップの材料であるシリコンとの熱膨張率の差を小さくすることができる。そのため、チップ実装時における接続部へのストレスが緩和され、接続信頼性を向上させることができる。またガラス基板は、樹脂コア材に比べ平坦性が高いため、微細配線の形成にも有利であり、吸湿による基板の伸縮が発生しない点などがメリットとして挙げられている。

また、ガラス基板は前述のように熱や吸湿による伸縮が小さくサイズの安定性に優れるため、フォトリソやビア形成時におけるパターンの位置ズレが少なく、コイルを作りこんだ際の精度の向上やバラツキの低減が期待できる。また、セラミックのチップ部品では配線形成に印刷法を用いることが一般的だが、ガラス基板では銅などの材料をめっきすることにより配線を形成するため、配線抵抗が小さく、よりＱ値の大きなコイルが形成可能である。

ガラス基板へのソレノイドコイルの形成方法の一例を図４と図５を用いて説明する。
図５は上面から見た図、図４は図５のＸ−Ｙ断面、を表している。
図４（ａ）と図５（ａ）は、ガラス板１に貫通孔２を開け、貫通孔２の内部に金属や導
電性ペーストなどの良導体３が充填された状態を示す。ガラス板１の厚さは１００μｍ〜５００μｍ程度、貫通孔２は直径５０μｍ〜１００μｍ程度であり、レーザー加工等により形成することができる。良導体３は導電性ペーストや金属めっきであり、導電性ペーストをスクリーン印刷等によって充填する方法や、電解銅めっきにより銅を充填する方法等、既存の技術を用いることで形成することができる。電解銅めっきにより銅を充填する方法は、スパッタまたは無電解めっきによる金属給電層形成後に、レジスト塗布、フォトリソグラフィー、電解めっき、レジスト剥離、給電層除去などの工程が入るが、図では省略している。
図４（ｂ）、図５（ｂ）はガラス基板の表裏に導体配線４、５を形成したところを示す。これもフォトリソグラフィーとめっきを使った既知の方法により形成可能である。

このようにして形成したコイルは空芯コイルとなるため、コアの鉄損が発生しない。さらに配線が銅で形成され、抵抗値が低くなるため高いＱ値を持つコイルが期待できる。しかしながら、空芯であるため小サイズでかつ高いインダクタンスを得ることが難しいという問題がある。この問題を解決する技術として、特許文献１には、半導体基板上に設けた絶縁層上に平行に配列して設けた複数の下層配線と、その下層配線と交互に接続してソレノイドコイルを形成する上層配線とを有する半導体装置において、下層配線と上層配線との間に互いに絶縁膜を介して設け、且つ下層配線と上層配線と交差する方向に設けた帯状の強磁性体層を備えた半導体装置が開示されている。この技術は、半導体基板上に設けたソレノイドコイルの芯となる部位に高い透磁率を持つ強磁性体層をコア材として備えることで、より高いインダクタンスを得ることを可能とした技術である。この技術は半導体装置に関するものであるが、同様の技術をプリント基板やガラス基板にも応用することができる。

特許文献１に開示された技術においては、本来１層で構成される絶縁層を２回に分けて形成し、その間に強磁性体の層を追加で１層加える必要がある。そのため、工程が複雑化するという問題がある。また、これをガラス基板に応用する際、ガラス基板のビルドアップ層にソレノイドコイルを形成する場合はこの技術を応用できるが、図４と図５に示すようなガラスコア層にソレノイドコイルを形成する場合は、ガラスコア層の内部に強磁性体層を形成する必要があり、１枚のガラス板から構成されるガラスコア層においては物理的に適用できないという問題がある。

特開平４−１３０７６７号公報

上記の問題点を解決するため、本発明は、ソレノイドコイルの形成に必要とする絶縁層は１層であり、且つ１枚のガラス板から構成されるガラスコア層を用いたガラス基板においても形成可能であるソレノイドコイルとその製造方法を提供することを課題とする。

上記の課題を解決する手段として、本発明の請求項１に記載の発明は、ガラス基板の表裏面に形成した導体配線を、ガラス基板に形成した複数の貫通孔を介して、接続することにより形成したソレノイドコイルを、インダクタンス素子として使用するコイル内蔵ガラス基板であって、
ガラス基板の内部にソレノイドコイルの鉄心を備えていることを特徴とするコイル内蔵ガラス基板である。

また請求項２に記載の発明は、前記鉄心が、前記ガラス基板の内部に形成された管状経路に充填された磁芯材料からなり、該管状経路の両端は前記ガラス基板の表面または裏面に形成された開口となっていることを特徴とする請求項１に記載のコイル内蔵ガラス基板である。

また請求項３に記載の発明は、前記管状経路が延伸する方向に直交する平面における該管状経路の断面形状が円形であることを特徴とする請求項２に記載のコイル内蔵ガラス基板である。

また請求項４に記載の発明は、前記管状経路は、その両端に近づくほど直径が大きくなることを特徴とする請求項２または３に記載のコイル内蔵ガラス基板である。

また請求項５に記載の発明は、前記磁芯材料がニッケルからなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のコイル内蔵ガラス基板である。

また請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載のコイル内蔵ガラス基板を使用したことを特徴とするビルドアップ基板である。

本発明によれば、ガラス基板に形成されたソレノイドコイルにおいて、ソレノイドコイルの内部に、ソレノイドコイルの長さ方向に沿って磁芯材料を使用して鉄芯として形成するので、インダクタンスを大きくすることが可能となり、コイルのサイズが小さくても大きなインダクタンス素子を備えたコイル内蔵ガラス基板を得ることができる。

また、そのコイル内蔵ガラス基板を使用して、その上にビルドアップ層を形成することにより、小型化したビルドアップ基板を提供することが可能となる。

本発明のガラス基板に形成したソレノイドコイルの構成例を示す説明図。 図２（ａ）〜（ｆ）は、図３（ａ）〜（ｆ）におけるＸ−Ｙ切断線に対応した断面図。 本発明のガラス基板に形成したソレノイドコイルの製造過程の例を示す説明図。 図４（ａ）、（ｂ）は、図５（ａ）、（ｂ）におけるＸ−Ｙ切断線に対応した断面図。 従来のガラス基板に形成したソレノイドコイルの構成例を示す説明図。

本発明の実施形態の例を、図１を用いて説明する。

＜ソレノイドコイル＞
図１は本発明のソレノイドコイルを内蔵したコイル内蔵ガラス基板２０の構成を例示したものである。図１（ａ）は上面から見た図、図１（ｂ）は図１（ａ）で示したＡ−Ｂ切断線及びＡ´−Ｂ´切断線における断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）で示したＸ−Ｙ切断線における断面図である。

ガラス基板１には複数の貫通孔２が形成されており、貫通孔２の内部には、金属ペースト、導電性ペースト、銅めっきなどの良導体３が充填されている。ガラス基板１の表裏には導体配線４、５が形成され、貫通孔２に充填された良導体３によって導通し、導体配線４、５及び貫通孔２に充填された良導体３によってソレノイドコイルが形成されている。さらにソレノイドコイルを貫通するように略円柱状の管状経路６が形成され、その内部には、高い透磁率を持つパーマロイなどの金属系、ダストコアなどの粉末状の強磁性体の表
面を電気的絶縁処理して押し固めた圧粉系、フェライトなどセラミック系などの磁芯材料７が充填され、ソレノイドコイルの鉄芯（磁芯（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｒｅ）とも言う。）となっている。管状経路６の両端８及び８´はガラス板１の表面に露出しており、表面に近づくほど直径が大きくなる開口部となっている。

次に、本発明のコイル内蔵ガラス基板の製造方法を図２と図３を用いて説明する。
図２（ａ）〜（ｆ）はそれぞれ、図３（ａ）〜（ｆ）のＸ−Ｙ切断線における断面図を示している。

図２（ａ）と図３（ａ）は、ガラス基板１に複数の貫通孔２を形成し、良導体３を充填した状態を示している。
ガラス基板１は、厚さ１００μｍ〜５００μｍ程度、貫通孔２は直径５０μｍ〜１００μｍ程度とすることが一般的である。貫通孔２はレーザー加工により形成することが一般的だが、レーザー加工に限る必要はない。
良導体３の充填は、金属ペーストをスクリーン印刷で充填する方法、または電解めっきによる方法等が利用できる。金属の種類に制限はないが、どちらも銅を用いる方法が一般的である。

電解めっきによる方法は、貫通孔２を形成した後、スパッタまたは無電解めっきにより金属の給電層を形成した後に、レジスト塗布・乾燥・露光・現像などのフォトリソグラフィー、電解めっき、レジスト剥離、給電層除去などの各工程を経て処理する一般的な処理工程で実施可能である。

ガラス基板１の材質については特に制限はないが、貫通孔２及び、後に説明する管状経路６の形成にレーザー加工を用いる場合は、加工のしやすさから、純度の高い石英ガラスよりも一般に流通している無アルカリガラス等を用いるほうが良い。

図２（ｂ）と図３（ｂ）は、ガラス基板１に管状経路６を形成した状態を示す。
管状経路６の形成には、レーザーとフッ酸によるエッチングを用いる。具体的には、ピコ秒程度以下の短パルスレーザーを、管状経路６を形成したい部分のガラス内部に集光させることで集光した部分のガラスを改質し、フッ酸でエッチング処理を行うことで形成することができる。短パルスレーザーは非常に大きなパワーを短いパルス幅に集中して発生させるため、ガラス内部の集光した部分にだけマイクロクラック等を発生させることができる。そのため改質された部分は周囲のガラスよりもフッ酸にエッチングされやすくなる。フッ酸によるエッチングはガラス表面から行うため、管状経路６の端面８、８´はガラス基板１の表面に達している必要がある。またフッ酸によるエッチングは等方性であるため、管状経路６の内部は略円形となり、さらに等方性エッチングのため管状経路６の両端は徐々に広がる形状となる。

図２（ｃ）と図３（ｃ）は、管状経路６の内部に磁芯材料７を充填した状態を示す。
磁芯材料７は、例えばニッケルを無電解めっきで析出させることで形成できる。無電解めっきはガラス基板１の両面にも形成されるため、無電解めっき後に管状経路６の端面８、８´の近傍のみフォトリソグラフィー法でエッチングマスクを形成し、その他の不要な部分はエッチングで取り除いておく必要がある。ただし、一般にこのような管状の経路に無電解めっきで金属を充填させることは難しい。その場合は図２（ｄ）と図３（ｄ）に示すように管状経路６の内壁にのみ無電解めっき層を形成しても良い。

図２（ｅ）と図３（ｅ）は、ガラス基板１の表裏に導体配線４、５を形成し、それらを貫通孔２に充填した良導体３で接続し、ソレノイドコイルを形成し、本発明のコイル内蔵ガラス基板２０を作製した状態を示す。
導体配線４、５は、良導体３と同様にフォトリソグラフィーと電解めっきにより形成することができる。すなわち、スパッタまたは無電解めっきにより金属の給電層を形成した後に、レジスト塗布・乾燥・露光・現像などのフォトリソグラフィー、電解めっき、レジスト剥離、給電層除去などの工程を経て形成することができる。

図２（ｆ）と図３（ｆ）は、管状経路６の端面８、８´が形成されている側にビルドアップ層を１層追加し、ビルドアップ層上に、ビルドアップ層に形成したビア９を介して導体配線４と接続して、ソレノイドコイルの電極１０を形成し、本発明のビルドアップ基板３０を作製した状態を示す。
ビルドアップ工程は、絶縁層として絶縁樹脂１１を、真空ラミネート等で導体配線４、５を含めて図２（ｅ）の表裏両面に接着させ、ビア９をレーザーで形成後、フォトリソグラフィーと電解めっきにより電極１０を形成する。絶縁樹脂１１としては一般によく使用されるエポキシ系樹脂が使用でき、電極１０の材料としては銅めっきを使用することができる。

なお、本発明のコイル内蔵ガラス基板２０について、鉄心を備えたソレノイドコイルによるインダクタンス素子について説明して来たが、これ以外のキャパシタンス素子や抵抗素子などの受動素子および集積回路やその他の半導体素子などの能動素子が、本発明のコイル内蔵ガラス基板に備えられていても構わない。

この後、必要に応じビルドアップ層やソルダーレジスト層の形成など、通常のビルドアップ基板の製造方法を使用することにより、鉄心を備えたソレノイドコイルを内蔵したガラス基板をコア材とするビルドアップ基板３０とすることができる。

本発明の鉄心を備えたソレノイドコイルを内蔵したガラス基板をコア材としたビルドアップ基板は、インダクタンス素子の薄型化および小型化を可能とする。そのため、インダクタンス素子が不可欠な受動回路を含む半導体装置分野において、半導体装置の薄型化および小型化を可能とする技術として利用可能である。

１・・・ガラス基板、２・・・貫通孔、３・・・良導体、４・・・導体配線、５・・・導体配線、６・・・管状経路、７・・・磁芯材料、８・・・管状経路の端面、８´・・・管状経路の端面、９・・・ビア、１０・・・電極、１１・・・絶縁樹脂、２０・・・コイル内蔵ガラス基板、３０・・・ビルドアップ基板

Claims (6)

1. ガラス基板の表裏面に形成した導体配線を、ガラス基板に形成した複数の貫通孔を介して、接続することにより形成したソレノイドコイルを、インダクタンス素子として使用するコイル内蔵ガラス基板であって、
   ガラス基板の内部にソレノイドコイルの鉄心を備えていることを特徴とするコイル内蔵ガラス基板。
2. 前記鉄心が、前記ガラス基板の内部に形成された管状経路に充填された磁芯材料からなり、該管状経路の両端は前記ガラス基板の表面または裏面に形成された開口となっていることを特徴とする請求項１に記載のコイル内蔵ガラス基板。
3. 前記管状経路が延伸する方向に直交する平面における該管状経路の断面形状が円形であることを特徴とする請求項２に記載のコイル内蔵ガラス基板。
4. 前記管状経路は、その両端に近づくほど直径が大きくなることを特徴とする請求項２または３に記載のコイル内蔵ガラス基板。
5. 前記磁芯材料がニッケルからなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のコイル内蔵ガラス基板。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載のコイル内蔵ガラス基板を使用したことを特徴とするビルドアップ基板。

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