JP2021182573A - 配線基板 - Google Patents

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Abstract

【課題】接合部分での導電配線の密着性が強い良好な信頼性を有する配線基板を得る。【解決手段】配線基板の基板側から第1の導電配線、第2の導電配線が積層されてあり、前記第1の導電配線は前記基板側から、第1の下側導電性酸化物層、第1の金属配線層、および第1の上側導電性酸化物層の順に積層され、前記第2の導電配線は前記基板側から、第2の下側導電性酸化物層、第2の金属配線層、および第2の上側導電性酸化物層の順に積層され、第1の上側導電性酸化物層の厚さと、第2の下側導電性酸化物層の厚さと第2の上側導電性酸化物層の厚さの和を70nm以上130nm未満にした構成を持つ配線基板を用いる。【選択図】図2

Description

本発明は、配線基板に関する。
プリント配線基板やインターポーザなどに代表される配線基板は複数の導電配線が積層された多層構造となっている。例えば特許文献1では基板上に形成された導電配線を導電配線1とし、導電配線1に積層される導電配線を導電配線2とすると、導電配線1と導電配線2は、絶縁層のスルーホールを介して接続されている。このように、配線基板はスルーホールを介した多層構造となっており、半導体パッケージ用基板用途として幅広く使用されている。
特開2017−054926号公報
半導体装置あるいは液晶表示装置用の、半導体基板やガラス基板の上に導電配線を形成する配線基板では、導電配線として、銅やアルミニウムといった低抵抗な材料を使用することが多い。しかしこのような材料では、ガラス基板などの基板との密着性や耐食性が劣る。例えば、銅は、半導体基板やガラス基板に対する密着性が低く、剥がれやすい。
また、絶縁層に形成したスルーホールを介して導電配線1および導電配線2を接合する接合部分において、配線同士の密着力不足により、断線不具合が発生することが多々ある。特に、温度サイクル試験を始めとするデバイス状態での信頼性試験において、配線材料と絶縁層の熱膨張差により、最も応力が集中するスルーホール部で配線間に剥離が生じ、断線に至るケースがしばしば起こり得る。
特許文献1では、導電配線として、金属配線層の上下を密着性が高く耐食性を有する材料でサンドイッチした挟持構成の導電配線を用いる配線基板が利用されている。
しかし、特許文献1の配線基板では、導電配線1と導電配線2が接合するスルーホール部は6層という多層な構造となっており、より複雑な応力が発生してしまう。それが、スルーホール部で断線を引き起こす一因となる。
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、金属配線層を有する導電配線のスルーホール部において良好な密着性および密着性に伴う良好な信頼性を有する配線基板を提供することを目的とする。
本発明は、上記の課題を解決するために、配線基板であって、基板と、前記基板上に直接的または間接的に配置した少なくとも2つの導電配線を有し、前記導電配線は、前記基板側から第1の導電配線、第2の導電配線が積層されてあり、前記第1の導電配線は前記基板側から、第1の下側導電性酸化物層、第1の金属配線層、および第1の上側導電性酸化物層の順に積層され、前記第2の導電配線は前記基板側から、第2の下側導電性酸化物層、第2の金属配線層、および第2の上側導電性酸化物層の順に積層され、第1の導電配線と第2の導電配線はスルーホールにおいて電気的に接続され、前記スルーホールにおける第1の上側導電性酸化物層の厚さと、第2の下側導電性酸化物層の厚さと第2の上側導電性酸化物層の厚さの和を70nm以上130nm未満にしたことを特徴とする配線基板である。
本発明は、この構成により、配線基板の第1の導電配線の上に第2の導電配線を電気接続させた部分での各層の界面で強い密着力が得られる効果がある。
また、本発明は、上記の配線基板であって、前記基板がガラス基板であることを特徴とする配線基板である。
また、本発明は、上記の配線基板であって、前記第1の金属配線層および前記第2の金属配線層が銅、又は、銅合金であることを特徴とする配線基板である。
また、本発明は、上記の配線基板であって、前記第1の下側導電性酸化物層の厚さが10nm以上80nm以下であり、前記第1の上側導電性酸化物層の厚さが30nm以上あり、前記第2の下側導電性酸化物層の厚さが10nm以上あり、前記第2の上側導電性酸化物層の厚さが30nm以上あることを特徴とする配線基板である。
本発明の配線基板は、基板側から第1の導電配線、第2の導電配線が積層されてあり、前記第1の導電配線は前記基板側から、第1の下側導電性酸化物層、第1の金属配線層、および第1の上側導電性酸化物層の順に積層され、前記第2の導電配線は前記基板側から、第2の下側導電性酸化物層、第2の金属配線層、および第2の上側導電性酸化物層の順に積層され、第1の上側導電性酸化物層の厚さと、第2の下側導電性酸化物層の厚さと第2の上側導電性酸化物層の厚さの和を70nm以上130nm未満にした構成を持つ。
本発明の配線基板は、この構成により、第1の導電配線と第2の導電配線の電気接続部分での各層の界面で強い密着力が得られ、良好な信頼性を有する効果がある。
本発明の第1の実施形態の配線基板の構成の一例を示す模式的な断面図である。 本発明の第1の実施形態の配線基板のスルーホールを拡大した断面図である。 本発明の第1の実施形態の配線基板のスルーホールの第1の導電配線と第2の導電配線を構成する各層の厚さを詳細に定義する断面模式図である。
<第1の実施形態>
以下、本発明の第1の実施形態について図1から図3を参照して説明する。図1は、本発明の第1の実施形態の配線基板100の構成の一例を示す模式的な断面図であり、図2は、配線基板100のスルーホールHを拡大した断面図であり、図3は、スルーホールHにおける第1の導電配線10と第2の導電配線20を構成する各層の厚さを詳細に定義する断面模式図である。
図1に示すように、本実施形態の配線基板100は、基板101と、第1の導電配線10と、感光性フォトレジストで形成した絶縁層31と、絶縁層31の上の第2の導電配線20で構成する。絶縁層31に形成したスルーホールHにおいて、第1の導電配線10と第2の導電配線20を電気接続させる。また、絶縁層31と第2の導電配線20の上層に、感光性フォトレジストで第2の絶縁層32を形成する事もできる。
(配線基板)
配線基板100は、種々の電子機器として、あるいは電子機器の一部として用いることができる。配線基板100は、例えば、半導体を含む半導体装置であってもよい。配線基板100は、画像または映像を表示する電子機器である表示装置の一部であってもよい。例えば、配線基板100は、液晶表示装置、有機EL表示装置などの表示装置に用いることができる。
基板101は特に限定されず、半導体基板、ガラス基板、シリコン基板、セラミックス基板、ポリイミドなどの有機樹脂を用いることができる。
特にガラス基板であるときに第1の導電配線と第2の導電配線の電気接続部分での各層の界面で強い密着力が得られ、良好な信頼性を有する効果を得やすいため好ましい。
(第1の導電配線10の構成)
配線基板100の基板101の上面に第1の導電配線10を形成する。第1の導電配線10は、図2の様に、基板101の表面から順に、第1の下側導電性酸化物層11、金属配線層12、および第1の上側導電性酸化物層13をこの順に積層して構成する。なお、第1の下側導電性酸化物層11、第1の上側導電性酸化物層13を合わせて第1の導電性酸化物層と呼ぶこともある。金属配線層12には銅、又は、銅合金を用いることが好ましい。
第1の導電配線10の線幅は、配列方向によって変化していてもよいし、延在方向にわたって変化していてもよい。例えば、配線基板100を液晶表示装置などの表示装置に用いる場合、第1の導電配線10の線幅は、0.5μm以上、6μm以下としてもよく、6μmを超えてもよい。
また、例えば、配線基板100を半導体装置に用いる場合、第1の導電配線10は、半導体用の描画装置や露光装置を用いて、サブミクロンの線幅とすることができる。
(スルーホールH)
図2の様に、感光性フォトレジストで基板101の表面および第1の導電配線10を覆う絶縁層31を形成する。さらに、絶縁層31における第1の導電配線10と第2の導電配線20を接合する領域に、第2の導電配線20から第1の導電配線10に至る穴であるスルーホールHを形成する。すなわち、絶縁層31に形成されたスルーホールHの穴の底には第1の導電配線10が露出される。
スルーホールHは、フォトレジストを塗布して露光・現像し、ウェットエッチング又はドライエッチングをすることで形成する。スルーホールHは、テーパ形状に形成する。
(第2の導電配線20の構成)
絶縁層31の第1の導電配線10とは反対側の面に上配線として、第2の導電配線20を形成する。そして、スルーホールHの穴の底に露出した第1の導電配線10の上に第2の導電配線20を重ねることで両者を電気接続させる。
上配線である第2の導電配線20は、第1の導電配線10と同様に、基板101側から、第2の下側導電性酸化物層21、金属配線層22、および第2の上側導電性酸化物層23を順に積層して構成する。なお、第2の下側導電性酸化物層21、第2の上側導電性酸化物層23を合わせて第2の導電性酸化物層と呼ぶこともある。金属配線層22には銅、又は、銅合金を用いることが好ましい。
図2の様に、第1の導電配線10の金属配線層12を下層の第1の下側導電性酸化物層11と上層の第1の上側導電性酸化物層13とで挟んでいる。このため、金属配線層12の積層方向の表面は、第1の下側導電性酸化物層11と第1の上側導電性酸化物層13とによって覆われている。
第2の導電配線20も同様に、金属配線層22を下層の第2の下側導電性酸化物層21と上層の第2の上側導電性酸化物層23とで挟んでいる。
そして、スルーホールHにおいて、第1の導電配線10の上層の第1の上側導電性酸化物層13と、第2の導電配線20の下層の第2の下側導電性酸化物層21とを密着させる。
このような第1の下側導電性酸化物層11、金属配線層12、および第1の上側導電性酸化物層13の線幅が互いに等しい第1の導電配線10は、後述するように、1回の露光工程を含むフォトリソグラフィによって形成する。第2の導電配線20も、同様に、1回の露光工程を含むフォトリソグラフィによって形成する。
第1の導電配線10の第1の下側導電性酸化物層11および第1の上側導電性酸化物層13は、いずれも、ITO(Indium Tin Oxide)と呼称される、酸化インジウムと酸化錫の複合酸化物による低抵抗の透明導電膜で形成する。第2の導電配線10の第2の下側導電性酸化物層21と第2の上側導電性酸化物層23も同様にITOで形成する。
第1の下側導電性酸化物層11と第1の上側導電性酸化物層13のITOのウェットエッチングによる加工性は、酸化亜鉛および酸化錫の相対量によって変化する。第1の下側導電性酸化物層11と第1の上側導電性酸化物層13のウェットエッチングによる加工性は、金属配線層12のウェットエッチングによる加工性と同程度にするとよい。そうすることで、これら3層のパターン幅を略等しくすることができる。
スルーホールHにおいて電気接続する第1の導電配線10の第1の上側導電性酸化物層13と第2の導電配線20の第2の下側導電性酸化物層21の界面は、ITO同士となり、積層後のアニール処理に伴う結晶化で強固な結合力が得られる。
しかし、第1の上側導電性酸化物層13の層厚と第2の下側導電性酸化物層21の層厚の総和を厚くすると、内部応力の増加によって負荷が大きくなる。その結果、これらの層に隣接する金属配線層12、金属配線層22との界面で、それぞれ層間剥離が生じやすい。
そのため、後に説明するように、第1の導電配線10の金属配線層12と、第2の導電配線20の金属配線層22の間の導電性酸化物層の膜厚を最適化する必要がある。
図3に示す、第1の導電配線10の第1の下側導電性酸化物層11の層厚t1および第1の上側導電性酸化物層13の層厚t2、及び、第2の導電配線20の第2の下側導電性酸化物層21の層厚t3および第2の上側導電性酸化物層23の層厚t4は、以下の条件で設定することが望ましい。
第1の導電配線10の上層の第1の上側導電性酸化物層13や、第2の導電配線20の上層の第2の上側導電性酸化物層23は、金属配線層12や金属配線層22の保護膜の役割を担う。そのため、第1の上側導電性酸化物層13の層厚t2、及び、第2の上側導電性酸化物層23の層厚t4は、30nm以上の厚さを持たせることが望ましい。その膜厚がそれより薄いと、大気下での熱処理によって、第1の導電配線10の金属配線層12や第2の導電配線20の金属配線層22の銅が容易に酸化する問題を生じるおそれがある。
第1の導電配線10の第1の下側導電性酸化物層11の層厚t1および、第2の導電配線20の第2の下側導電性酸化物層21の層厚t3は、例えば、10nm以上80nm以下に形成することができる。なお、第1の導電配線10と第2の導電配線20の接着強度を同程度にするため、第1の下側導電性酸化物層11の層厚t1と第2の下側導電性酸化物層21の層厚t3は同じ層厚であることが好ましい。
(実験結果)
表1に、配線基板100のスルーホールHの部分の第1の導電配線10と第2の導電配線20の電気接続部分での剥離の有無を実験で確認した結果を示す。
Figure 2021182573
表1は、導電性酸化物層と銅の金属配線の界面での剥離の有無を、第1の導電配線10の上層の第1の上側導電性酸化物層13の層厚t2と、第2の導電配線20の下層の第2の下側導電性酸化物層21の層厚t3と、第2の導電配線20の上層の第2の上側導電性酸化物層23の層厚t4を変えて実験した結果を示す。
実験の結果、表1の様に、第1の上側導電性酸化物層13の層厚t2と第2の下側導電性酸化物層21の層厚t3と第2の上側導電性酸化物層23の層厚t4の和を130nm以上にすると、第2の下側導電性酸化物層21と金属配線層22の界面で剥離する不具合を生じることが分かった。
一方で、第1の上側導電性酸化物層13の層厚t2と第2の下側導電性酸化物層21の層厚t3と第2の上側導電性酸化物層23の層厚t4の和を130nm未満にすると、ITOの第2の下側導電性酸化物層21と金属配線層22の界面で剥離することのない高い密着性を有する積層膜を得ることができた。
そのため、上述のとおり、ITOの第1の導電配線10の第1の上側導電性酸化物層13の層厚t2は30nm以上にし、第2の導電配線20の下層の第2の下側導電性酸化物層21の層厚t3は10nm以上にすることが好ましく、さらに第1の導電配線10の第1の上側導電性酸化物層13の層厚t2と、第2の導電配線20の第2の下側導電性酸化物層21の層厚t3と第2の上側導電性酸化物層23の層厚t4の和は130nm未満にして配線基板100を製造する。
以上より、第1の上側導電性酸化物層13の層厚t2と第2の下側導電性酸化物層21の層厚t3と第2の上側導電性酸化物層23の層厚t4の和を70nm以上130nm未満にすることで、スルーホールHにおいて電気接続している第1の導電配線10の金属配線層12と第2の導電配線20の金属配線層22の間の各層の界面で強い密着力を得ることが可能となり、スルーホールHでの断線不具合が防止できる。
なお、第1の導電配線10の金属配線層12の層厚、及び、第2の導電配線20の金属配線層22の層厚は特に限定されない。金属配線層12および金属配線層22の層厚は、100nm未満でもよい。また、金属配線層12および金属配線層22の層厚を、例えば、100nm以上300nm以下にすることもでき、あるいは、300nmよりも厚くすることもできる。
(製造方法)
次に、配線基板100の製造方法について説明する。
(工程1)成膜工程
まず、配線基板100の基板101上に、少なくとも第1の導電配線10を形成する領域を含む範囲に、第1の下側導電性酸化物層11、金属配線層12、および第1の上側導電性酸化物層13を、この順に連続成膜する。
成膜装置としては、スパッタリング装置などの真空装置を用いることができる。本工程における連続成膜は、真空を破らずに(装置内の真空状態を維持して)行う。
第1の下側導電性酸化物層11、及び、第1の上側導電性酸化物層13を形成する際には、ITOと呼称される酸化インジウムと酸化錫との混合酸化物をスパッタリングによって成膜する。そのための出発材料として、酸化インジウムと酸化錫との混合酸化物を焼結して、例えば、厚さ7mm程度のターゲットを製作する。
ITOの、酸化インジウムと酸化錫との混合酸化物のターゲットは導電性がある。DCスパッタリングは、高周波でのRFスパッタリングよりも安定し、かつ、高速の成膜が可能である。また、高周波電源より直流電源のほうが安価であるため、第1の下側導電性酸化物層11、及び、第1の上側導電性酸化物層13をITOで形成する成膜を、DCスパッタリングで成膜することがより望ましい。
金属配線層12の成膜も、直流電源を用いたDCスパッタリングで成膜する。
連続成膜工程において、第1の下側導電性酸化物層11、金属配線層12、および第1の上側導電性酸化物層13の成膜後、200℃以上の熱処理を施してもよい。この場合、非晶質であった導電性酸化物層が結晶化するため、第1の導電配線10の信頼性をさらに向上できる。
本工程では、真空を破らずに連続成膜を行うことによって、基板101、第1の下側導電性酸化物層11、金属配線層12、および第1の上側導電性酸化物層13の各界面に水分などが付着することを抑制できる。そのため、成膜時に、水分などが付着して層間の界面が汚染されることに起因する配線基板100の信頼性の低下を防ぐことができる。
(工程2)パターニング
成膜工程の終了後、第1の導電配線10の第1の下側導電性酸化物層11、金属配線層12、および第1の上側導電性酸化物層13の積層体のパターニングを行う。
本実施形態では、周知のフォトリソグラフィの手法を用いて、第1の導電配線10の第1の下側導電性酸化物層11、金属配線層12、および第1の上側導電性酸化物層13の積層体の上にエッチングレジストのパターンを形成する。
そして、第1の導電配線10の第1の下側導電性酸化物層11、金属配線層12、および第1の上側導電性酸化物層13の積層体を一括してウェットエッチングすることによりパターニングを行う。例えば、上述した例の積層体を、線幅4μm、間隔21μmのストライプ状の細線パターンに加工してもよい。
(工程3)フォトレジスト
次に、工程2の完成後の第1の導電配線10の表面に、感光性フォトレジストを塗布する。次に、感光性フォトレジストを露光・現像し、ウェットエッチング又はドライエッチングをすることで形成したスルーホールHを持つ絶縁層31を形成する。
(工程4)成膜工程
次に、工程1と同様にして、スルーホールHを持つ絶縁層31を形成した配線基板100の上に、第2の下側導電性酸化物層21、金属配線層22、および第2の上側導電性酸化物層23を、この順に連続成膜する。
この工程4により成膜する第2の下側導電性酸化物層21の層厚t3と、工程2により成膜する第1の上側導電性酸化物層13の層厚t2は、第2の上側導電性酸化物層23の層厚t4も含めた総和が130nm未満になるように形成する。
(工程5)パターニング
工程4の終了後、工程2と同様にして、第2の導電配線20の第2の下側導電性酸化物層21、金属配線層22、および第2の上側導電性酸化物層23の積層体の上にエッチングレジストのパターンを形成して、一括してウェットエッチングすることによって、スルーホールHと第1の導電配線10のパターンを形成する。
(工程6)フォトレジスト
次に、工程3と同様にして、絶縁層31と第2の導電配線20の上層にフォトレジストを塗布し、露光・現像して第2の絶縁層32を形成する事もできる。
以上の製造工程によって、図1に示すような、配線基板100が製造できる。
本実施形態の配線基板100によれば、第1の導電配線10、及び、第2の導電配線20の銅の金属配線の層厚方向の各表面は、それぞれに密着する第1の導電性酸化物層と第2の導電性酸化物層とによって覆われている。このため、金属配線の層厚方向の表面からの銅のマイグレーション、あるいは金属配線の酸化等の化学反応が抑制される効果がある。
金属配線層12は、ガラスの基板101との密着性がよくない。このため、金属配線層12を基板101の表面に直接密着させると基板101との界面で剥がれを生じる可能性があった。
それに対して、本実施形態における第1の導電配線10は、第1の下側導電性酸化物層11を介して、基板101に密着している。第1の下側導電性酸化物層11は、基板101との密着性が良好である。このため、第1の導電配線10は、金属配線層12が直接的に基板101に積層される場合に比べて、基板101に堅固に固定され、基板101からの剥がれが防止される効果がある。
さらに、金属配線層12、及び、金属配線層22は、真空状態における連続成形において、第1の導電性酸化物層と第2の導電性酸化物層とに挟持されて形成される。すなわち、金属配線層12、及び、金属配線層22の表面がそれぞれ第1の導電性酸化物層および第2の導電性酸化物層によって被覆されるため、化学反応の進行を抑制できる。この結果、電気的な実装に耐える状態を経時的に維持することができる効果がある。
また、第2の下側導電性酸化物層21の層厚と、第1の上側導電性酸化物層13の層厚の和を40nm以上80nm未満に形成することで、スルーホールHにおいて電気接続している第1の導電配線10の金属配線層12と第2の導電配線20の金属配線層22の間の各層の界面で強い密着力が得られる効果がある。
以上説明したように、第1の導電配線10の金属配線層12、及び、第2の導電配線20の金属配線層22は、第1の導電性酸化物層および第2の導電性酸化物層に挟持されているため、銅の金属配線の表面が露出する場合に比べて高い信頼性を有する。特に金属配線層12、及び、金属配線層22に銅を含む材料を用いたときにこの効果がより顕著となる。
以上で説明したように、本実施形態によれば、ガラスの基板101の上に導電配線を形成した配線基板100を、銅配線を用いて容易に製造できるとともに、良好な信頼性のある配線基板100が得られる効果がある。
10・・・第1の導電配線
11・・・第1の下側導電性酸化物層
12・・・金属配線層
13・・・第1の上側導電性酸化物層
20・・・第2の導電配線
21・・・第2の下側導電性酸化物層
22・・・金属配線層
23・・・第2の上側導電性酸化物層
31・・・絶縁層
32・・・第2の絶縁層
100・・・配線基板
101・・・基板
H・・・スルーホール
t1・・・第1の導電配線10の第1の下側導電性酸化物層11の層厚
t2・・・第1の導電配線10の第1の上側導電性酸化物層13の層厚
t3・・・第2の導電配線20の第2の下側導電性酸化物層21の層厚
t4・・・第2の導電配線20の第2の上側導電性酸化物層23の層厚

Claims (4)

  1. 配線基板であって、
    基板と、前記基板上に直接的または間接的に配置した少なくとも2つの導電配線を有し、
    前記導電配線は、前記基板側から第1の導電配線、第2の導電配線が積層されてあり、前記第1の導電配線は前記基板側から、第1の下側導電性酸化物層、第1の金属配線層、および第1の上側導電性酸化物層の順に積層され、
    前記第2の導電配線は前記基板側から、第2の下側導電性酸化物層、第2の金属配線層、および第2の上側導電性酸化物層の順に積層され、
    第1の導電配線と第2の導電配線はスルーホールにおいて電気的に接続され、前記スルーホールにおける第1の上側導電性酸化物層の厚さと、第2の下側導電性酸化物層の厚さと第2の上側導電性酸化物層の厚さの和を70nm以上130nm未満にしたことを特徴とする配線基板。
  2. 請求項1記載の配線基板であって、前記基板がガラス基板であることを特徴とする配線基板。
  3. 請求項1又は2に記載の配線基板であって、前記第1の金属配線層および前記第2の金属配線層が銅、又は、銅合金であることを特徴とする配線基板。
  4. 請求項1から3の何れか一項に記載の配線基板であって、前記第1の下側導電性酸化物層の厚さが10nm以上80nm以下であり、前記第1の上側導電性酸化物層の厚さが30nm以上あり、前記第2の下側導電性酸化物層の厚さが10nm以上あり、前記第2の上側導電性酸化物層の厚さが30nm以上あることを特徴とする配線基板。
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