JP2022151782A - ガラス基板及びガラスコア多層配線基板 - Google Patents

Abstract

【課題】電解めっき時に発生する気泡が除去しやすい形状の貫通電極を有する多層配線基板およびその製造方法を提供する。【解決手段】第１面、第１面と反対側の第２面を貫通し、かつその孔径が、前記第１面側から前記第２面側に近づくに従って小さくなる孔を有するガラス基板であって、前記第１面から前記貫通孔の内側面覆い、さらに少なくとも前記貫通孔内において、第３導電層が積層されており、貫通孔の第１面側の孔径をＤ、第２面側の孔径をｄ、ガラス基板の厚さをｈ、めっき液の粘度をνとした場合に、以下の（１）、（２）式の条件を満たす、ガラス基板。式（１） ０．０２０＜（Ｄ－ｄ）ν／（２ｈ）式（２） ３．７＞ｈ／（Ｄ＊ν）【選択図】図２

Description

本発明は、ガラス基板及びガラスコア多層配線基板に関する。

近年のモバイル機器においては、その使用周波数帯が高くなる傾向にあり、電流における表皮効果など高周波特有の問題が顕在化しつつある。配線の断面形状の小さな凹凸なども基板全体の電気特性に悪影響を与える可能性があり、また絶縁性、誘電率、誘電正接などにおいて、コア層などの材料に求められる基準も厳しくなっている。
特許文献１においては、コア層の材料としてガラスを選択し、貫通孔を形成したガラス基板により、多層配線基板を作成する技術が開示されている。

国際公開第２０１９／２２５６９８号

しかし、ガラス基板に対して孔径が数十μｍ程度の貫通孔を設け、その貫通孔の壁面に対し均一な厚みに導電膜を形成するためには様々な技術的課題が存在する。例えば、ガラス基板の微細な貫通孔にめっきやスパッタ法などで導電膜を形成する場合、テーパーのある貫通孔の方がテーパーのない貫通孔に比べ、壁面の下層が上層の死角となりにくく、導電膜の形成に有利とされる。
しかし、孔径が微細、かつ、有底の貫通孔の場合は、たとえテーパーのある貫通孔であっても、めっきなどにより導電膜を形成する工程において、化学反応やメッキ液に浸した際に発生する気泡が貫通孔の奥部から抜けにくく、めっき液の働きを阻害して、導電膜が均一に形成されない課題がある。

本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、信頼性の高い導電膜が形成されたガラス貫通電極を有するガラス基板及びガラスコア多層配線基板を提供することを目的とする。

かかる課題を解決するために、本発明の代表的なガラス基板の一つは、
動粘度が０．５×１０^－６ｍ^２／ｓから３．０×１０^－６ｍ^２／ｓであるめっき液を用いて導体層を積層するガラス基板であって、
第１面、第１面と反対側の第２面、前記第１面と前記第２面を貫通し、かつその孔径が、前記第１面側から前記第２面側に近づくに従って小さくなる貫通孔を有し、
前記貫通孔の前記第１面側の孔径をＤ、前記第２面側の孔径をｄ、ガラス基板の厚さをｈ、めっき液の粘度をνとした場合に、以下の（１）、（２）式の条件を満たすガラス基板である。
式（１） ０．０２０＜（Ｄ－ｄ）＊ν／（２ｈ）
式（２） ３．７＞ｈ／（Ｄ＊ν）

本発明によれば、信頼性の高い導電膜が形成されたガラス基板及びガラスコア多層配線基板を提供することが出来る。
上記した以外の課題、構成及び効果は以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施例におけるガラス基板及びガラスコア多層配線基板の断面図である。 本発明の実施例におけるガラス基板の断面図である。 本発明によるガラス基板内の有底化した孔内の気泡の様子を示す参考図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。実施例は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施することが可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。

図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。

同一あるいは同様の機能を有する構成要素が複数ある場合には、同一の符号に異なる添字を付して説明する場合がある。また、これらの複数の構成要素を区別する必要がない場合には、添字を省略して説明する場合がある。
なお、本開示において、「特定の層を覆う形状にて形成された層」とは、特定の層に直接的に接するものでもよいし、直接は接しないものでもよい。また、特定の層の全体を覆うものでもよいし、特定の層の一部のみを覆うものであってもよい。

はじめに、無電解めっき工程にて発生する気泡が有底孔内に入った場合の除去のしやすさについて、図２、図３にて模式的に説明する。例えば、無電解めっき時の気泡としては、大気中からめっき液中に基板を浸漬する際に、基板ともに巻き込まれた空気や、めっき中の水素などの発生ガスによる気泡がある。

図２（ａ）のような貫通孔の場合は、孔の深さ方向と平行に単純な揺動を加えることで、孔の中の液を入れ替え、併せて気泡を除去することが比較的容易である。

これに対して、図２（ｂ）に示すような有底孔の場合は、上記と同様の揺動では、孔内に乱流を生じさせることは可能なものの、結果として液の循環は不十分であり、気泡の除去も不十分になる可能性が高い。そのため、流体力学的見地から、あるいは経験論的ノウハウなど、さまざまなアプローチにて効果的な方法が試行され、提唱されている。
たとえば、連続的な揺動とは異なる方法として、パルス的な衝撃を基板に加えるというものがある。これは、孔内に乱流が生じることを容認したうえで、瞬間的に気泡を孔の外に大きく弾き出すことを意図しており、衝撃の強さ、方向、頻度などが基板や孔の状態と適合すれば、大きな効果を挙げることができる。

しかしながら、いずれにしても、有底孔の中に発生した気泡を除去しやすくするために、有利な孔の形状は、図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、「浅い」、「平たい」、「内部に縊れがない」ということで共通している。いずれも、基板にランダムに力が加わった場合に、孔の外に気泡が出る確率が高い形状の特徴となっている。

上記のような形状の有底孔を設計するにあたり、発明者は、「内部に縊れがない」という形状を保つため、開口から底側に向けて、径が小さくなってゆくテーパー型を採用することとした。そのうえで、本発明の対象分野である高周波用部品の分野で用いられる、配線や基板サイズのスケールなどから、評価すべき有底孔の形状を限定した。
有底孔の形状については、第１面側の孔径Ｄを、５５μｍ～１５２μｍの範囲で、第２面側の孔径ｄを、３６μｍ～１２１μｍの範囲で、ガラス基板の厚さｈを、５０μｍ～３５０μｍの範囲で変更した。
さらに、めっき液の粘度を変更した上で、一連の孔内部の導電化加工を行った。

有底孔の中の気泡の除去しやすさについては、先に図３で述べた様に、「浅い」「平たい」形状が有利となる。つまり、有底孔のテーパー角が一定角度よりも緩やかであると、気泡が抜けやすくなると言える。ここで、貫通孔、もしくは有底孔の壁面とガラス基板の第２面との角度、テーパーの角度をθとし、有底孔の第１面側の孔径をＤ［μｍ］、第２面側の孔径をｄ［μｍ］、ガラス基板の厚さをｈ［μｍ］とした場合のｔａｎθを表すと、以下の式（ａ）となる。
式（ａ） ｔａｎθ＝（Ｄ－ｄ）／２ｈ

例えば孔経Ｄは３０μｍ～１５０μｍが良好であり、更には５０～１００μｍがより好適である。孔経Ｄはより大きい方が気泡抜けが良くなるが、大きすぎると配線基板に対するＴＧＶの面積が大きくなるため、配線密度が下がり、高密度実装の観点から好ましくない。よって１５０μｍが望ましい。一方で孔経Ｄは３０μｍより小さくなるとＴＧＶでの接続端子としての強度が低下するため、ＴＧＶが信頼性評価等で破断しにくくなるため、こちらも３０μｍ以上が好適である。
同様の理由で第２側面側の孔経ｄも３０μｍ～１５０μｍが良好であり、更には５０～１００μｍがより好適である。

次に、矩形における長辺と短辺の比率を表す手法の一つに、アスペクト比がある。本発明の様な貫通孔においてもその断面形状を表す方法として用いられる。本発明における貫通孔は、ガラス基板の第１面から第２面に向かい、孔径が徐々に小さくなるテーパー形状であるが、簡易的に第１面とガラス基板の厚みから、アスペクト比を表すこととし、以下の式（ｂ）を決定した。
式（ｂ） ｈ／Ｄ

さらに、式（ａ）、（ｂ）にめっき液の動粘度の要素を加え、式（ｃ）、（ｄ）を決定した。
式（ｃ） （Ｄ－ｄ）＊ν／２ｈ
式（ｄ） ｈ／（Ｄ＊ν）
ここで、めっき液は、濃度の異なる４種類を用意した。
なお、動粘度ν［ｃＳｔ］ は、本来それぞれ×１０^－６の値であるが、簡易的にべき乗を外した値で算出した。
すなわち、［ｃＳｔ］１＝１＊１０^－６［ｍｍ^２／ｓ］であるため、［ｍｍ^２／ｓ］にて表記した。なお、動粘度の測定方法は、ＪＩＳ Ｚ８８０３：２０１１準拠の方法で測定し、２０℃の値を用いた。

基板厚さｈは５０～３００μｍが良好であり、更には７０～１５０μｍがより好適である。基板厚さｈが５０μｍ未満の場合は、ガラス基板において割れ・欠け等が発生しやすく、プロセス中で不良が発生しやすい。一方で、基板厚さｈが３００μｍを超える場合には、アスペクト比ｈ／Ｄが大きくなりやすく、気泡が抜けにくい。

また、上記の構成は、第３導電層の形成の為の電解めっき液の場合も同様であり、電解めっきの際の気泡は、めっき皮膜中に気泡が取り込まれ、ＴＧＶ内のめっき不良の要因となる。

まず、スパッタリングによって形成したシード層の上に、無電解めっきを行い、さらに電解めっきを行った場合の前述の孔の各寸法形状における式（ｃ）、（ｄ）の値を算出し、表１に示す。無電解めっき（ｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓ Ｐｌａｔｉｎｇ）の際の動粘度をνｌとし、電解めっき（ｅｌｅｃｔｒｏ ｐｌａｔｉｎｇ）の際の動粘度をνｅとした。

（評価方法）
電解めっき及び電解めっき工程の気泡については、ガラス基板に与える操作の水準をいくつか定め、気泡が残ったか除去できたかの判断については、電解めっき工程を終えた後の有底孔、および導電層の表面観察および断面観察にて行った。
操作としては、揺動として、ガラス基板の厚さ方向と平行に、振幅５０ｍｍにて０．２５Ｈｚの往復運動を行ったもの（揺動１）、０．５Ｈｚの往復運動を行ったもの（揺動２）、衝撃印加として、ガラス基板側面の一点に対して、３０ｇの塩化ビニル片を、５０ｍｍの高さより落としてぶつける操作を、０．２５Ｈｚで行ったもの（衝撃１）、０．５Ｈｚで行ったもの（衝撃２）の４水準とした。
前記表面観察および断面観察の結果、導電層の形成が良好である、つまり電解メッキにおいて気泡除去が良好に行われたと判断されるものを「〇」、されなかったと判断されるものを「×」として、結果を表１に示す。表面観察にて、貫通孔内にめっきの偏析や凹凸、未着（貫通孔内にそもそもめっきが付いていない）、を確認し、断面観察にて、膜厚不均一、気泡の噛み込み等を確認した。

前述の各孔の寸法と式（ｃ）、（ｄ）により求められる値、さらに、揺動、および衝撃試験による結果より、請求項に記載の（１）、（２）式を決定した
式（１） ０．０２０＜（Ｄ－ｄ）＊ν／（２ｈ）
式（２） ３．７＞ｈ／（Ｄ＊ν）

表１の第１例～第７例は、νｌが０．８１１［ｍｍ^２／ｓ］、νｅが０．９２１［ｍｍ^２／ｓ］の場合である。
第１例～第５例に示す様に、無電解めっきの際と電解めっきの際の、式（１）、式（２）を両方満たすような領域では、無電解および電解めっき時の気泡が効果的に除去されて、めっき皮膜が安定的につき、貫通孔内でのめっきの未着や、めっき皮膜への気泡の巻き込みは発生しなかった。

一方で、第６、第７例に示す様に無電解めっき時での、式（１）、式（２）さらには、電解めっき時での式（１）、式（２）をすべて満たさない場合には、めっき中に衝撃や揺動を印加しても、めっき皮膜が良好に製膜されなかった。すなわち、貫通孔内のめっき不着や、気泡の噛み込み、膜厚不均一、偏析などが発生した。

第８～第１４例は、νｌが０．８１１［ｍｍ^２／ｓ］、νｅが１．３２［ｍｍ^２／ｓ］の場合である。この場合も、式（１）、式（２）を満たす条件である、第８～第１２例では、気泡に起因するめっき不良は発生しておらず、式（１）、式（２）を満たしていない第１３～第１４例では、揺動、衝撃条件の一部でめっき不良が発生している。
電解めっき後の評価であるため、無電解めっきと電解めっきでの気泡の有無の切り分けは困難であるが、無電解めっきと電解めっきの両方を経た結果として、式（１）、式（２）を満たす条件であれば、気泡起因の不良が発生していない事を確認できた。

次に、スパッタリングによるシード層の上に電解めっきを行った場合の結果を表２に示す。

表２の第１５～第２１例は、νｅが０．９２１［ｍｍ^２／ｓ］の場合である。この場合も、式（１）、式（２）を満たす条件である、第１５～第１９例では、気泡に起因するめっき不良は発生しておらず、式（１）、式（２）を満たしていない第２０～第２１例では、揺動、衝撃条件の一部でめっき不良が発生している。

第２２～第２８例は、νｅが１．３２［ｍｍ^２／ｓ］の場合である。この場合も、式（１）、式（２）を満たす条件である、第２６例以外では、気泡に起因するめっき不良は発生しておらず、式（１）、式（２）を満たしていない第２６例では、揺動、衝撃条件の一部でめっき不良が発生している。

第２９～第３５例は、νｅが１．１０５［ｍｍ^２／ｓ］の場合である。この場合も、式（１）、式（２）を満たす条件である、第２９～第３３例では、気泡に起因するめっき不良は発生しておらず、式（１）、式（２）を満たしていない第３４～第３５例では、揺動、衝撃条件の一部でめっき不良が発生している。
スパッタリングによるシード層の上に直接電解めっきを行った場合でも、式（１）、式（２）を満たす条件の範囲では、気泡に起因する電解めっき不良は発生していないことが確認できた。上記により、無電解めっきを行わずに、電解めっきを行う場合においても本発明の動粘度と形状寸法の範囲については、技術的効果が有ることが確認できた。

次に、無電解めっきを行い、さらに電解めっきを行った場合を表３に示す。

表３の第３６例～第４２例は、νｌが１．５９４［ｍｍ^２／ｓ］、νｅが０．９２１［ｍｍ^２／ｓ］の場合である。
第３６例～第４０例に示す様に、無電解めっきの際と電解めっきの際の、式（１）、式（２）を両方満たすような領域では、無電解および電解めっき時の気泡が効果的に除去されて、めっき皮膜が安定的につき、貫通孔内でのめっきの未着や、めっき皮膜への気泡の巻き込みは発生しなかった。

一方で、第４１、第４２例に示す様に無電解めっき時での、式（１）、式（２）さらには、電解めっき時での式（１）、式（２）をすべて満たさない場合には、めっき中に衝撃や揺動を印加しても、めっき皮膜が良好に製膜されなかった。すなわち、貫通孔内のめっき不着や、気泡の噛み込み、膜厚不均一、偏析などが発生した。

第４３～第４９例は、νｌが１．５９４［ｍｍ^２／ｓ］、νｅが１．３２［ｍｍ^２／ｓ］の場合である。この場合も、式（１）、式（２）を満たす条件である、第４３～第４７例では、気泡に起因するめっき不良は発生しておらず、式（１）、式（２）を満たしていない第４８～第４９例では、揺動、衝撃条件の一部でめっき不良が発生している。

これらは、電解めっき後の評価であるため、無電解めっきと電解めっきでの気泡の有無の切り分けは困難であるが、無電解めっきと電解めっきの両方を経た結果として、式（１）、式（２）を満たす条件であれば、気泡起因の不良が発生していないことを確認できた。

スパッタリングによるシード層を形成せずに、無電解めっき上に直接電解めっきを行った場合でも、式（１）、式（２）を満たす条件の範囲では、気泡に起因する電解めっき不良は発生していないことが確認できた。

上記により、スパッタシードを形成せず、無電解めっき上に電解めっきを行う場合においても本発明の動粘度と形状寸法の範囲には、技術的効果が有ることが確認できた。
なお、ガラス基板上の無電解めっきは、一般的に密着強度が悪いことが多いが、本発明の実施形態では、無電解めっき層の剥離による配線及び貫通孔の剥離は特に確認されなかった。

続いて、実際のガラス基板、それをコアとした多層配線基板について詳細を説明する。
＜実施形態＞
以下、図１を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付して示している。

本実施形態に係るガラスコア多層配線基板は、ガラス基板１００に貫通孔２０１を有し、ガラス基板の第１面１０１または第２面１０２に導電体からなる配線層を有し、第１面上の導体層と第２面上の導体層は、貫通孔２０１の内壁に導電層を積層した貫通電極によって電気的に接続されている。

貫通電極内には、貫通孔側壁に近い順から、スパッタリングを行った場合にはスパッタリングによる第１導電層１０３、無電解めっきを行った場合には、無電解メッキによる第２導電層１０４、電解メッキによる第３導電層１０５が積層され、すべてが、ガラス基板第１面上の導電層に連続している。スパッタリングによるシード層、無電解めっきによる層、電解めっきによる層は底の部分で層をなしている。

例えば、スパッタリングは、ＴＧＶの側壁への付き回りがよいものが良好であるため製膜圧力が高い条件が良好であり、ＵＨＳＰ－２０６０（島津製作所製）などが良好である。スパッタリングによるシード層の材質としては、ガラスへの密着性、導電性などの観点から、チタン、銅、クロム及びその合金などが良好である。

例えば無電解めっきは、市販の無電解めっきを用いることができ、ガラスもしくは、スパッタリングによるシード層との密着性向上のため、洗浄等の前処理が重要である。無電解めっきの材質としては、ガラスやスパッタリングによるシード層への密着性、導電性などの観点から、銅やニッケルおおびその合金などが良好である。

例えば電解めっきは、ビアフィリング用めっき浴が望ましく、導電性の観点から、抵抗の低い銅が良好である。

また、ガラス基板の第１面１０１、第２面１０２の上には、絶縁樹脂層が積層され前記のガラスコア基板第１面、第２面上の配線は、絶縁樹脂層内に埋まるような構造となっている。また、ガラスコア基板の貫通電極のうち、導電層が積層されていない部分には、前記絶縁樹脂層から連続する絶縁樹脂が満たされている。

前記絶縁樹脂層の上には、さらに導電層が形成されており、以下、絶縁樹脂層、導電層の順に積層が必要数繰り返されている。絶縁層内には貫通電極が設けられ、上下の導体層の電気的導通をとっている。

前記導体層を、エッチング法などにて不要な部分を除去し、回路配線を形成することで、多層配線基板となる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。
例えば、本発明は、配線基板、電子部品、部品内臓基板に利用可能である。さらに、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。
例えば、実施例で説明した材料、製造工程は、他の同等の材料や製造工程に置き換えることができ、寸法や形状についても適宜の変更が可能である。
また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１００・・・ガラス基板
１０１・・・ガラス基板第１面
１０２・・・ガラス基板第２面
１０３・・・第１導電層
１０４・・・第２導電層
１０５・・・第３導電層
２０１・・・貫通孔
２０２・・・有底孔
３０１・・・ガラス基板貫通孔内に浸入した気泡

Claims (6)

1. 動粘度が０．５×１０^－６ｍ^２／ｓから３．０×１０^－６ｍ^２／ｓである無電解めっき又は電解めっき液を用いて導体層を積層するガラス基板であって、
   第１面、第１面と反対側の第２面、前記第１面と前記第２面を貫通し、かつその孔径が、前記第１面側から前記第２面側に近づくに従って小さくなる貫通孔を有し、
   前記第１面から前記貫通孔の内側面を覆う第２導電層、さらに前記貫通孔内において、第３導電層が積層されており、
   前記第２導電層が、無電解めっきによるものであり、
   前記第３導電層が、電解めっきによるものであり、
   前記貫通孔の前記第１面側の孔径をＤ、前記第２面側の孔径をｄ、ガラス基板の厚さをｈ、無電解めっき又は電解めっき液の粘度をνとした場合に、以下の（１）、（２）式の条件を満たす、ガラス基板。
   式（１） ０．０２０＜（Ｄ－ｄ）＊ν／（２ｈ）
   式（２） ３．７＞ｈ／（Ｄ＊ν）
2. 前記第１面側の孔径Ｄが、３０μｍから１５０μｍであり、
   前記第２面側の孔径ｄが、３０μｍから１５０μｍであり、
   前記ガラス基板の厚さｈが、５０μｍから３００μｍである
   請求項１に記載のガラス基板。
3. 前記第２導電層が銅またはニッケルおよびその合金であることを特徴とする請求項１または２に記載のガラス基板。
4. 前記第３導電層が銅層であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のガラス基板。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のガラス基板の両面に、導体層からなる配線層を有し、
   さらにその上に、絶縁層、導体層の順に積層することを１回以上繰り返してなる積層構造をとっており、かつ上記絶縁層を貫通し、その上下の導体層と電気的導通している貫通電極を有することを特徴とする、ガラスコア多層配線基板。
6. 動粘度が０．５×１０^－６ｍ^２／ｓから３．０×１０^－６ｍ^２／ｓであるめっき液を用いて導体層を積層するガラス基板であって、
   第１面、第１面と反対側の第２面、前記第１面と前記第２面を貫通し、かつその孔径が、前記第１面側から前記第２面側に近づくに従って小さくなる貫通孔を有し、
   前記第１面から前記貫通孔の内側面を覆う第２導電層、さらに少なくとも前記貫通孔内において、第３導電層が積層されており、
   （１）前記第２導電層として、無電解めっきによる少なくとも１層を形成する工程、
   （２）前記第３導電層として、電解めっきによる少なくとも１層を形成する工程、
   のうち少なくとも１つ以上の工程を有し、
   前記貫通孔の前記第１面側の孔径をＤ、前記第２面側の孔径をｄ、ガラス基板の厚さをｈ、無電解又は電界めっき液の粘度をνとした場合に、以下の（１）、（２）式の条件を満たすガラス基板の製造方法。
   式（１） ０．０２０＜（Ｄ－ｄ）＊ν／（２ｈ）
   式（２） ３．７＞ｈ／（Ｄ＊ν）

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