JP2020161767A - プリント配線板 - Google Patents

Abstract

【課題】熱応力による導体柱のクラックを抑制すると共に、導体柱内部の空洞部の形成を抑制できるプリント配線板の提供。【解決手段】プリント配線板１は、絶縁層１０と、絶縁層１０の一方の面１０ａに設けられた第１の導体層２０と、絶縁層１０の他方の面１０ｂに設けられた第２の導体層３０と、絶縁層１０の一方の面１０ａから他方の面１０ｂにかけて形成された貫通穴１１に配設され、第１の導体層２０と第２の導体層３０とを接続する導体柱４０と、を有し、第１の導体層２０及び第２の導体層３０の少なくともいずれか一方は、平面視で円形のランド部であり、導体柱４０は、ランド部の外周よりも内側に配置され、導体柱４０の直径φが、２５μｍ以上且つ３５μｍ以下である。【選択図】図２

Description

本発明は、プリント配線板に関するものである。

プリント配線板として、下記特許文献１には、絶縁層の一方の面に設けられた第１の導体層（ランド）と他方の面に設けられた第２の導体層との接続不良を抑制する配線構造が開示されている。この配線構造では、第１の導体層及び第２の導体層よりも広い範囲に複数の導体柱（ビア）を配置し、これら導体柱のうち少なくとも一本が、第１の導体層と第２の導体層との間を接続している。導体柱は、高密度に配置するため、直径が２０μｍ（マイクロメートル）以下であることを特徴の一つとしている（特許文献１の請求項２参照）。

特開２０１４−０８６５２５号公報

しかしながら、導体柱の直径が２０μｍ以下であると、導体柱と絶縁層との線膨張係数の違いによる熱応力が発生した場合、その熱応力に耐えられず、導体柱にクラックが入り、第１の導体層と第２の導体層の電気的な接続の信頼性が低下してしまう虞がある。
一方で、導体柱の直径を大きくしすぎてしまうと、例えば、めっきなどにより導体柱を形成する場合、導体柱の内部をめっきにより埋め難くなり、導体柱の内部に空洞部が形成され易くなる。この空洞部が形成されると、電子部品の半田付けが困難になったり、断線が生じやすくなる。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、熱応力による導体柱のクラックを抑制すると共に、導体柱内部の空洞部の形成を抑制できるプリント配線板の提供を目的とする。

（１）本発明の一態様に係るプリント配線板は、絶縁層と、前記絶縁層の一方の面に設けられた第１の導体層と、前記絶縁層の他方の面に設けられた第２の導体層と、前記絶縁層の前記一方の面から前記他方の面にかけて形成された貫通穴に配設され、前記第１の導体層と前記第２の導体層とを接続する導体柱と、を有し、前記第１の導体層及び前記第２の導体層の少なくともいずれか一方は、平面視で円形のランド部であり、前記導体柱は、前記ランド部の外周よりも内側に配置され、前記導体柱の直径が、２５μｍ以上且つ３５μｍ以下である。

（２）上記（１）に記載されたプリント配線板であって、前記導体柱の直径が、３０μｍであってもよい。
（３）上記（１）または（２）に記載されたプリント配線板であって、前記第１の導体層と前記第２の導体層が、３個の前記導体柱で接続されていてもよい。
（４）上記（３）に記載されたプリント配線板であって、前記導体柱の中心から、当該導体柱と隣り合う前記導体柱の中心までの距離は、前記導体柱の直径より大きくてもよい。
（５）上記（３）または（４）に記載されたプリント配線板であって、前記導体柱の中心から、当該導体柱と隣り合う前記導体柱の中心までの距離は、前記導体柱の直径よりも１０μｍ以上大きくてもよい。
（６）上記（１）〜（５）のいずれかに記載されたプリント配線板であって、前記絶縁層の一方の面側に積層された第１の外層回路と、前記絶縁層の他方の面側に積層された第２の外層回路と、を有し、前記第１の外層回路及び前記第２の外層回路の少なくともいずれか一方は、前記第１の導体層、前記導体柱、前記第２の導体層と電気的に接続されていてもよい。

上記本発明の態様によれば、熱応力による導体柱のクラックを抑制すると共に、導体柱内部の空洞部の形成を抑制できるプリント配線板を提供できる。

一実施形態に係るプリント配線板１に設けられた第１の導体層２０の形状及び導体柱４０の配置を示す平面図である。 図１に示す矢視Ａ−Ａ断面図である。 一実施形態に係るプリント配線板１の適用例を示す断面図である。 貫通穴１１の穴径（導体柱４０の直径φ）を２０μｍ〜４０μｍに変更した場合の接続信頼性（断線の有無）と貫通穴１１内部のめっき埋まりを評価した試験結果を示す図である。 導体柱４０の数を１個〜４個に変更した試験片を示す図である。 導体柱４０の数を１個〜４個に変更した場合の第１の導体層２０のランド径を示す図である。 導体柱４０の数を１個〜４個に変更した場合の接続信頼性を抵抗値の変化率で評価した試験結果を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、一実施形態に係るプリント配線板１に設けられた第１の導体層２０の形状及び導体柱４０の配置を示す平面図である。図２は、図１に示す矢視Ａ−Ａ断面図である。
プリント配線板１は、図２に示すように、絶縁層１０と、絶縁層１０の一方の面１０ａに設けられた第１の導体層２０と、絶縁層１０の他方の面１０ｂに設けられた第２の導体層３０と、第１の導体層２０と第２の導体層３０とを接続する導体柱４０と、を有する。

絶縁層１０としては、例えば、ポリイミド基板、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）基板、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）基板などの可撓性を有するフレキシブル基板を用いることができる。なお、絶縁層１０は、ガラスエポキシ基板などの硬質な材料から形成されていてもよい。

絶縁層１０の一方の面１０ａには、第１の導体層２０が設けられている。絶縁層１０の他方の面１０ｂには、第２の導体層３０が設けられている。第１の導体層２０及び第２の導体層３０は、絶縁層１０に圧延銅箔または電解銅箔などによりパターン加工して形成されている。なお、第１の導体層２０及び第２の導体層３０は、銅箔以外の金属箔などの導体から形成されていてもよい。

第１の導体層２０は、図１に示すように、平面視で円形のランド部となっている。この第１の導体層２０には、図示しない電子部品が半田付けされる。第２の導体層３０は、第１の導体層２０と同様のランド部であってよいし、他の配線パターンであってもよい。すなわち、第１の導体層２０と第２の導体層３０の少なくともいずれか一方が、ランド部であればよい。

絶縁層１０には、一方の面１０ａから他方の面１０ｂにかけて貫通穴１１が形成されている。貫通穴１１は、図１に示す平面視で、第１の導体層２０（ランド部）の内側の領域に、３つ形成されている。これら貫通穴１１は、正三角形の頂点に対応する位置関係で等間隔に形成されている。これら貫通穴１１には、導体柱４０が配設されている。すなわち、１つの第１の導体層２０（ランド部）に対し、３個の導体柱４０が配設されている。

導体柱４０は、図２に示すように、絶縁層１０の厚み方向において、第１の導体層２０と第２の導体層３０とを接続する円柱状のビア部である。この導体柱４０は、例えば、貫通穴１１の内壁面に導電性を有するカーボン粒子を付着させ、電解めっき法により銅めっきを内壁部に形成し、貫通穴１１の内部を銅めっきにより埋め尽くすように内壁部の銅めっきを成長させることで形成することができる。

このような導体柱４０（貫通穴１１）の直径φは、２５μｍ以上且つ３５μｍ以下であることが好ましい。より好ましい導体柱４０（貫通穴１１）の直径φは、３０μｍである。また、図１に示すように、導体柱４０の中心から、隣り合う導体柱４０の中心までの距離Ｄは、導体柱４０の直径φより大きいことが好ましく、直径φよりも１０μｍ以上大きいことがより好ましい。

また、図１に示す平面視における導体柱４０の外周から第１の導体層２０の外周までの最短の距離Ｓは、貫通穴１１の加工位置精度を考慮して設定することが好ましく、例えば、この加工位置精度が±１０μｍであれば、距離Ｓは１０μｍにするとよい。つまり、導体柱４０は、第１の導体層２０（ランド部）の外周よりも内側に配置されている。一例として、導体柱４０の直径φが３０μｍ、距離Ｄが６０μｍ、距離Ｓが１０μｍのとき、第１の導体層２０の直径（ランド径）は、１２０μｍとなる。

このようなプリント配線板１によれば、熱応力による導体柱４０のクラックを抑制すると共に、導体柱４０内部の空洞部（後述する図４及び図５の符号４１参照）の形成を抑制できる。また、第１の導体層２０と第２の導体層３０が、３個の導体柱４０で接続されることで、熱応力による材料の伸縮が発生した場合、第１の導体層２０（ランド部）に発生する熱応力を３個の導体柱４０に分散できるため、クラックの発生を抑制できる。

また、導体柱４０を３個形成することで、仮に、１個の導体柱４０にクラックが発生したとしても、残り２本の導体柱４０で電気的な接続を確保することができるため、接続信頼性を保つことができる。また、３個の導体柱４０を三角形の配置とすることで、第１の導体層２０の外形を小さくしていった場合に、導体柱４０がランド部内に占める密度を最も高くすることができる。

図３は、一実施形態に係るプリント配線板１の適用例を示す断面図である。
図３に示すプリント配線板１は、上述した絶縁層１０の両面に第１の外層回路５０と第２の外層回路６０とが配設された積層構造を有している。絶縁層１０の一方の面１０ａ側に積層された第１の外層回路５０及び絶縁層１０の他方の面１０ｂ側に積層された第２の外層回路６０の少なくともいずれか一方は、上述した第１の導体層２０、導体柱４０、第２の導体層３０と電気的に接続されている。

第１の外層回路５０は、絶縁層１０の一方の面１０ａ側（第１の導体層２０を含む）を覆うように接着層５１を介して貼り付けられた絶縁層５２と、絶縁層５２の表面の少なくとも一部及び絶縁層５２及び接着層５１に形成された第１の導体層２０との接続穴を覆うように形成された導体層５３と、を有している。
また、第２の外層回路６０は、絶縁層１０の他方の面１０ｂ側（第２の導体層３０を含む）を覆うように接着層６１を介して貼り付けられた絶縁層６２と、絶縁層６２の表面の少なくとも一部及び絶縁層６２及び接着層６１に形成された第２の導体層３０との接続穴を覆うように形成された導体層６３と、を有している。
なお、プリント配線板１は、図３の紙面左側に示すように、第１の外層回路５０と第２の外層回路６０とが導体柱４０を介して電気的に接続されてもよいし、図３の紙面中央に示すように、第２の外層回路６０のみが導体柱４０と電気的に接続されてもよい。また、図３の紙面右側に示すように、第１の外層回路７０のみが導体柱４０と電気的に接続されてもよい。

上記積層構造であったとしても、導体柱４０を３個形成した構成のプリント配線板１を用いることにより、熱応力による材料の伸縮が大きくなっても、３個の導体柱４０に応力が分散され、その結果クラックが抑制され、接続信頼性の高いプリント配線板１が得られる。

［実施例］
以下、実施例により本発明の効果をより明らかにする。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。

図４は、貫通穴１１の穴径（導体柱４０の直径φ）を２０μｍ〜４０μｍに変更した場合の接続信頼性（断線の有無）と貫通穴１１内部のめっき埋まりを評価した試験結果を示す図である。
この試験では、絶縁層１０にポリイミドを用いている銅張積層板に、ＹＡＧレーザーにより、直径φが２０μｍ、２５μｍ、３０μｍ、４０μｍの貫通穴１１を３個、それぞれの貫通穴１１の中心が６０μｍ間隔で三角形の配置となるように試験片を作成した。

隣り合う貫通穴１１の間隔（距離Ｄ）を６０μｍとしたのは、貫通穴１１の加工位置のズレ（加工位置精度±１０μｍ）を考慮し、貫通穴１１同士がつながり、楕円状になることを防ぐためである。次に、貫通穴１１内のポリイミド壁部分に導電性のあるカーボン粒子を付着させ、電解めっき法により銅めっきを穴内壁に形成した。この銅めっき（導体柱４０）により、絶縁層１０の一方の面１０ａと他方の面１０ｂの銅層（第１の導体層２０及び第２の導体層３０）を電気的に接続した後、エッチング法により回路を形成した。回路を形成した際の、導体柱４０を受ける第１の導体層２０及び第２の導体層３０のランド径は１５０μｍとなるようにした。

先ず、導体柱４０の接続信頼性を評価するために、試験片を２６０℃に加熱したシリコンオイル中に１０秒浸漬後、２０℃のシリコンオイル中に２０秒浸漬する熱履歴を２００回実施するホットオイル試験を実施し、試験前後の抵抗値を比較した。その結果、導体柱４０の直径φが２０μｍのものは断線してしまったが、直径φが２５μｍ以上且つ４０μｍ以下のものは断線しなかった。

次に、これら試験片の断面を観察したところ、直径φが２０μｍ以上且つ３５μｍ以下のものは貫通穴１１の内部がめっきで塞がっていたが、直径φが４０μｍのものでは貫通穴１１の内部がめっきで完全に塞がっていなかった。
次に、導体柱４０の内部に空洞部４１が形成された場合の不具合について説明する。

仮に、貫通穴１１が完全に塞がっておらず、空洞部が形成された場合、第１の導体層２０に、図示しない電子部品を半田付けする半田の一部が空洞部に流れ込んでしまうことがある。そうすると、第１の導体層２０上の半田の厚みが薄くなり、図示しない電子部品との導通が取れなくなる原因となる。

また、仮に、導体柱４０に空洞部が形成されている状態で、第１の導体層２０の上に、接着層を介して外層回路用の銅張積層板を貼り付け、外層回路用の銅張積層板と接着層に導体柱４０の上部との接続穴を形成し、その接続穴を覆うようにめっきを形成した場合、空洞部にめっき液が残ったまま、めっきで空洞部の上部が封止されてしまうと、熱履歴がかかることで内部に封止されためっき液が気化し、その圧力でめっきが断線する原因となる。

また、仮に、空洞部がめっきで封止されない場合であっても、空洞部の中が埋まるようにめっきが成長することでそれ以外の場所のめっき厚が薄くなり、他の場所でめっきが断線する原因となる。このため、導体柱４０に空洞部が形成されないように、貫通穴１１を銅めっきで埋めつくす必要がある。
以上のように、接続信頼性を確保し、且つ貫通穴１１内を銅めっきで埋めつくすためには、貫通穴１１（導体柱４０）の直径φを２５μｍ以上且つ３５μｍ以下にするとよいことが分かる。

次に、導体柱４０の数と、接続信頼性との関係について説明する。

図５は、導体柱４０の数を１個〜４個に変更した試験片を示す図である。
この試験では、絶縁層１０にポリイミドを用いている銅張積層板に、ＹＡＧレーザーにより、直径φが３０μｍの貫通穴１１を形成する際、貫通穴１１の数を１個、２個、３個、４個と図５に示す配置で、隣り合う貫通穴１１の距離（穴中心の距離）を６０μｍ、貫通穴１１の外周から第１の導体層２０の外周までの距離が１０μｍとなるように試験片を作成した。

隣り合う貫通穴１１の距離Ｄを６０μｍとしたのは、加工位置のズレ（加工位置精度±１０μｍ）を考慮し、貫通穴１１同士がつながり、楕円状になることを防ぐためである。また、貫通穴１１の加工位置のズレを考慮し、第１の導体層２０内に貫通穴１１が配置されるようにするために、距離Ｓ（図１参照）を１０μｍとした。次に、貫通穴１１内のポリイミド壁部分に導電性のあるカーボン粒子を付着させ、電解めっき法により銅めっきを穴内壁に形成した。この銅めっき（導体柱４０）により、絶縁層１０の一方の面１０ａと他方の面１０ｂの銅層（第１の導体層２０及び第２の導体層３０）を電気的に接続した後、エッチング法により回路を形成した。

図６は、導体柱４０の数を１個〜４個に変更した場合の第１の導体層２０のランド径を示す図である。
導体柱４０が１個の場合（図５（ａ）参照）、第１の導体層２０Ａのランド径は、５０μｍであった。また、導体柱４０が２個の場合（図５（ｂ）参照）、第１の導体層２０Ｂのランド径は、１１０μｍであった。また、導体柱４０が３個の場合（図５（ｃ）参照）、第１の導体層２０Ｃのランド径は、１２０μｍであった。また、導体柱４０が４個の場合（図５（ｄ）参照）、第１の導体層２０Ｄのランド径は、１３５μｍであった。

図７は、導体柱４０の数を１個〜４個に変更した場合の接続信頼性を抵抗値の変化率で評価した試験結果を示す図である。
この試験では、導体柱４０の接続信頼性を評価するために、試験片を２６０℃に加熱したシリコンオイル中に１０秒浸漬後、２０℃のシリコンオイル中に２０秒浸漬する熱履歴を２００回実施するホットオイル試験を実施し、試験前後の抵抗値を比較した。

その結果、図７に示すように、試験前後での抵抗値変化率は、導体柱４０が３個の場合が最も小さく、導体柱４０が１個、２個と減ることで大きくなり、また、導体柱４０が４個に増えることでも大きくなった。
ここで、第１の導体層２０のランド径の点で考えると、ランド径は貫通穴１１の数が少ないほうが小さくすることができ（図５（ａ）参照）、高密度に回路を形成することができるが、接続信頼性との両立を考えると、３個の貫通穴１１（導体柱４０）を形成することが最も良いことが分かる。

以上、本発明の好ましい実施形態を記載し説明してきたが、これらは本発明の例示的なものであり、限定するものとして考慮されるべきではないことを理解すべきである。追加、省略、置換、およびその他の変更は、本発明の範囲から逸脱することなく行うことができる。従って、本発明は、前述の説明によって限定されていると見なされるべきではなく、特許請求の範囲によって制限されている。

１…プリント配線板、１０…絶縁層、１０ａ…一方の面、１０ｂ…他方の面、１１…貫通穴、２０…第１の導体層、３０…第２の導体層、４０…導体柱、５０…第１の外層回路、６０…第２の外層回路

Claims (6)

1. 絶縁層と、
   前記絶縁層の一方の面に設けられた第１の導体層と、
   前記絶縁層の他方の面に設けられた第２の導体層と、
   前記絶縁層の前記一方の面から前記他方の面にかけて形成された貫通穴に配設され、前記第１の導体層と前記第２の導体層とを接続する導体柱と、を有し、
   前記第１の導体層及び前記第２の導体層の少なくともいずれか一方は、平面視で円形のランド部であり、
   前記導体柱は、前記ランド部の外周よりも内側に配置され、
   前記導体柱の直径が、２５μｍ以上且つ３５μｍ以下である、ことを特徴とするプリント配線板。
2. 前記導体柱の直径が、３０μｍである、ことを特徴とする請求項１に記載のプリント配線板。
3. 前記第１の導体層と前記第２の導体層が、３個の前記導体柱で接続されている、ことを特徴とする請求項１または２に記載のプリント配線板。
4. 前記導体柱の中心から、当該導体柱と隣り合う前記導体柱の中心までの距離は、前記導体柱の直径より大きい、ことを特徴とする請求項３に記載のプリント配線板。
5. 前記導体柱の中心から、当該導体柱と隣り合う前記導体柱の中心までの距離は、前記導体柱の直径よりも１０μｍ以上大きい、ことを特徴とする請求項３または４に記載のプリント配線板。
6. 前記絶縁層の一方の面側に積層された第１の外層回路と、
   前記絶縁層の他方の面側に積層された第２の外層回路と、を有し、
   前記第１の外層回路及び前記第２の外層回路の少なくともいずれか一方は、前記第１の導体層、前記導体柱、前記第２の導体層と電気的に接続されている、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のプリント配線板。

Images