JP3574738B2

JP3574738B2 - 配線基板

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Publication number: JP3574738B2
Application number: JP01705498A
Authority: JP
Inventors: 理一笹森; 祐二飯野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-01-29
Filing date: 1998-01-29
Publication date: 2004-10-06
Anticipated expiration: 2018-01-29
Also published as: JPH11214575A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも有機樹脂を含む絶縁基板の表面および内部に配線回路層と金属粉末を充填して形成したバイアホール導体を具備する、半導体素子収納用パッケージなどに適した配線基板に関するものであり、特に、配線回路層とバイアホール導体との接続信頼性の向上に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来より、多層配線基板、例えば、半導体素子を収納するパッケージに使用される多層配線基板として、アルミナ等の絶縁層とＷ、Ｍｏなどの高融点金属からなる配線層とを具備したセラミック多層配線基板が多用されているが、このようなセラミック配線基板は硬くて脆い性質を有することから、製造工程または搬送工程においてセラミックの欠けや割れ等が発生しやすく、また、焼結前のグリーンシートにメタライズペーストを印刷後にシートを積層して焼結する場合、焼結により得られる基板に反り等の変形や寸法のばらつき等が発生しやすいという問題があり、回路基板の超高密度化やフリップチップ等のような基板の平坦度の厳しい要求に対して十分に対応できないという問題があった。
【０００３】
そこで、最近では、有機樹脂を含む絶縁層表面に銅箔を接着した後、これをエッチングして微細な回路を形成した基板や、銅などの金属粉末を含むペーストを絶縁層に印刷して配線層を形成した後、これを積層しあるいは積層後に、所望位置にマイクロドリルやパンチング等によりバイア用の孔明けを行い、そのバイア内壁にメッキ法により金属を付着させて配線層を接続して多層化したプリント配線基板が提案されている。また、絶縁層としては、その強度を高めるために、樹脂に対して、粉末状あるいは繊維状の無機質フィラーを分散させた基板も提案されており、これらの複合材料からなる絶縁層上に多数の半導体素子を搭載したマルチチップモジュール（ＭＣＭ）等への適用も検討されている。
【０００４】
このようなプリント配線板の多層化、配線の超微細化、精密化の要求に対応して、有機樹脂を含む絶縁層の表面に銅などの低抵抗金属を含む導体ペーストで回路パターンを印刷して配線回路層を形成したり、バイアホール導体をホール内に金属粉末を含む導体ペーストを充填して形成した高密度に多層化された配線基板を作製する試みが行われている。
【０００５】
この導体ペーストの充填によってバイアホール導体を形成する方法は、従来のメッキ法によりスルーホール導体を形成するのに対して、バイアホール導体を任意の箇所に設けることができるために、特に高密度配線化に適した方法として注目されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、低抵抗金属を含む導体ペースト中には、絶縁層への印刷性およびホールへの充填性を高めるとともに、金属粉末を互いに結合させるために結合用樹脂を配合させており、しかも金属粉末表面には、高抵抗の酸化膜が生成されやすいことから、金属粉末の接触界面には、樹脂や酸化膜が介在するために、通常の銅箔や銅メッキにより形成された回路またはスルーホール導体よりも抵抗値が高いという問題点があった。
【０００７】
それに加えて、絶縁基板が有機樹脂を含有している関係上、銅や銀等の低抵抗金属を焼結できるような温度で処理することができないために、配線とバイアホール導体間の接続信頼性が低く、ヒートサイクルやヒートショック等による熱変形さらには振動により、配線回路層とバイアホール導体間との導体抵抗が増大するという問題があるのが現状である。また、この樹脂分を加熱分解したり、通電加熱を行うことなど様々な改良も行われているが、これらの加熱処理においても十分な効果が得られておらず、場合によっては、通電加熱によっては通電時に発生する熱によって絶縁層に対して悪影響を及ぼすなどの問題があった。
【０００８】
従って、本発明は、配線回路層と導体ペーストを充填して形成したバイアホール導体との接続信頼性に優れた配線基板を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記の課題に対して検討を重ねた結果、配線基板における配線回路層と、金属粉末を充填して形成したバイアホール導体中の金属粉末とを、少なくともインジウム（Ｉｎ）あるいは錫（Ｓｎ）を含有する低融点金属によって結合することにより、配線回路層とバイアホール導体間の接続抵抗を低下させることができるとともに、過酷な環境下において接続信頼性を向上できることを知見した。
【００１０】
即ち、本発明の配線基板は、少なくとも有機樹脂を含有する絶縁基板と、該絶縁基板表面および内部に被着形成された金属箔からなる配線回路層と、前記配線回路層間を電気的に接続するために設けられ、少なくとも金属粉末を充填してなるバイアホール導体を具備する配線基板において、前記配線回路層と前記バイアホール導体との接続部の前記金属粉末間に、少なくともインジウム（Ｉｎ）あるいは錫（Ｓｎ）を含有する低融点金属層を前記バイアホール導体長さの１〜３０％の厚みで形成したことを特徴とするものであり、さらに、前記バイアホール導体が、銅粉末、銀粉末、銀−銅合金粉末、銀被覆銅粉末のうちのいずれか１種からなる平均粒径が３〜１０μｍの金属粉末を充填してなることを特徴とするものである。
【００１１】
【作用】
従来の配線回路層と金属粉末の充填によって形成されたバイアホール導体との接続は、バイアホール導体中の金属粉末と配線回路層との点接触によるものであり、両者間の接触抵抗が大きく、しかも外部からの応力等によって、その接続状態が変化しやすいために、抵抗が変化するなどの問題がある。
【００１２】
これに対して、本発明によれば、配線回路層とバイアホール導体中の金属粉末を低融点金属により結合することにより、配線回路層とバイアホール導体中の金属粉末とが低融点金属の介在による３次元的な面接触によって接続されるために、両者間の接触抵抗を大幅に低減できるとともに、配線回路層とバイアホール導体とが強固に接合されているために、熱変形や振動によっても両者間の接続状態が変化することがないために、配線基板における回路としての信頼性を大幅に高めることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の配線基板を図面をもとに説明する。
図１は、本発明の配線基板の一実施態様として多層配線基板を説明するための概略断面図である。図１に示すように、本発明の多層配線基板１は、有機樹脂を含む複数の絶縁層２ａ〜２ｄを積層してなる絶縁基板３の表面および内部に配線回路層４が形成され、さらに、異なる層の配線回路層４を電気的に接続するためのバイアホール導体５とを具備するものであり、バイアホール導体５は、少なくとも金属粉末を充填して形成されたものからなる。本発明における大きな特徴は、バイアホール導体５中の金属粉末と配線回路層４との接続部に少なくともインジウム（Ｉｎ）あるいは錫（Ｓｎ）を含有する低融点金属層を形成したことを特徴とする。
【００１４】
そこで、図２にバイアホール導体５と配線回路層４との接続部の拡大図を示した。図２に示すように、例えば、配線回路層４が金属箔６からなる場合、金属箔６とバイアホール導体５中の金属粉末７との接続は、金属粉末７と金属箔６との点接触によるものであるが、本発明によれば、金属粉末７間の空隙部に低融点金属８が充填された低融点金属層９を形成することにより、金属粉末７と金属箔６との接続が、前記点接触のみならず、低融点金属８を介した３次元的な面接触により接合されている。
【００１５】
このような接合によって、金属箔からなる配線回路層４とバイアホール導体５とを強固に且つ低い接触抵抗で接続することができる。特に、本発明によれば、金属箔からなる配線回路層４とバイアホール導体５間との初期抵抗を後述する実施例から明らかなように、８×１０^−５Ω−ｃｍ以下まで低減することができる。
【００１６】
配線回路層４とバイアホール導体５との間に低融点金属層９が存在しないと、配線回路層４とバイアホール導体５との強固な接続ができずに、ヒートサイクルやヒートショック等により、配線回路層４とバイアホール導体５中の金属粉末との接触部分が不安定となる結果、配線回路層４とバイアホール導体５間の抵抗が大きくなるという問題が発生する。
【００１７】
また、本発明によれば、前記低融点金属層９は、バイアホール導体の前記配線回路層との結合端部からバイアホール導体長さの１〜３０％の深さまで存在することが重要である。これは、低融点金属層９がバイアホール導体の全体に存在する場合、低融点金属を加熱により溶融処理した際に、溶融した低融点金属による表面張力の発生によってバイアホール内の金属粉末を含む導体が収縮してしまい、その結果、バイアホール導体５と配線回路層４の接続部に空隙が発生してしまうためである。なお、前記低融点金属層９の厚みは、バイアホール導体の断面における平均厚みであり、バイアホール導体長さとは、バイアホール導体５を両側から挟持する配線回路層４間の距離である。
【００１８】
従って、本発明によれば、低融点金属層９の厚みがバイアホール導体長さの１％より小さいと、低融点金属層９の形成による作用効果が十分に発揮されず、３０％よりも厚いと前述したようにバイアホール導体の収縮によってバイアホール導体５と配線回路層４の接続不良が生じるためである。
【００１９】
本発明において、配線回路層４は、銅、アルミニウム、銅を含む合金などからなる金属箔が金属粉末を充填して形成されたバイアホール導体５を封止する上で望ましいが、その他、配線回路層４をメッキ膜で形成してもその膜の緻密性から金属箔と同様な作用を有する。
【００２０】
バイアホール導体５中に充填される金属粉末としては、銅粉末、銀粉末、銀被覆銅粉末、銅銀合金のうちのいずれかからなる平均粒径が３〜１０μｍ、特に３〜７μｍ、最適には３〜５μｍの低抵抗の金属粉末が望ましい。
【００２１】
本発明における絶縁基板３を形成する絶縁層２は、絶縁材料としての電気的特性、耐熱性、および機械的強度を有する熱硬化性樹脂、例えば、アラミド樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、イミド樹脂、フッ素樹脂、フェニレンエーテル樹脂、ビスマレイミドトリアジン樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アリル樹脂等が、単独または組み合わせで含む。
【００２２】
また、上記の絶縁層２中には、絶縁基板あるいは配線基板全体の強度を高めるために、有機樹脂に対してフィラーを複合化させることもできる。有機樹脂と複合化されるフィラーとしては、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＢａＴｉＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３、ゼオライト、ＣａＴｉＯ_３、ほう酸アルミニウム等の無機質フィラーが好適に用いられる。また、ガラスやアラミド樹脂からなる不織布、織布などに上記樹脂を含浸させて用いてもよい。なお、有機樹脂とフィラーとは、体積比率で１５：８５〜５０：５０の比率で複合化されるのが適当である。これらの中でも、絶縁層の加工性、強度等の点で、エポキシ樹脂、イミド樹脂、フェニレンエーテル樹脂と、シリカまたはアラミド不織布との混合物であることが最も望ましい。
【００２３】
図１に示した本発明の多層配線基板は、例えば、具体的に以下の方法によって作製される。まず、図３に示すように、非硬化または半硬化の軟質状態の絶縁層１０に対して、所定の箇所にバイアホール１１を形成した後（図３（ａ））、そのホール１１内に金属粉末を含む導体ペーストを充填してバイアホール導体１２を形成する（図３（ｂ））。
【００２４】
この絶縁層１０は、前述したような熱硬化性有機樹脂、または熱硬化性有機樹脂とフィラーなどの組成物を混練機や３本ロールなどの手段によって十分に混合し、これを圧延法、押し出し法、射出法、ドクターブレード法などによってシート状に成形する。また、所望により熱処理して熱硬化性樹脂を半硬化させる。半硬化には、樹脂が完全硬化するのに十分な温度よりもやや低い温度に加熱すればよい。
【００２５】
また、バイアホール１１の形成は、ドリル、パンチング、サンドブラスト、あるいは炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザ、及びエキシマレーザ等の照射による加工など公知の方法が採用される。
【００２６】
また、バイアホール１１内に充填する金属ペーストは、銅粉末、銀粉末、銀被覆銅粉末、銅銀合金のうちのいずれかの平均粒径が３〜１０μｍ、特に３〜７μｍ、最適には３〜５μｍの低抵抗の金属粉末と、粉末１００重量部に対して樹脂結合剤を２重量部以下、特に０．０５〜１重量部の割合で含み、さらには適当な溶剤等を含む。また、場合によっては、適当な硬化剤を含む場合もある。
【００２７】
前記金属粉末の平均粒径が３μｍよりも小さいと、金属粉末同士の接触抵抗が増加してバイアホール導体の抵抗が高くなる傾向にあり、１０μｍを越えるとバイアホール導体の低抵抗化が難しくなる傾向にある。
【００２８】
導体ペースト中の樹脂結合剤としては、前述した種々の絶縁層を構成する有機樹脂の他、セルロースなども使用される。この有機樹脂は、ホール内への充填性を高めるとともに、前記金属粉末同士および金属粉末と絶縁層とを結合する作用をなしている。この有機樹脂は、金属ペースト中において、２重量部を越えると金属粉末間に樹脂が介在することになり粉末同士を十分に接触させることが難しくなり、バイアホール導体の抵抗が大きくなるためである。なお、場合によっては、熱処理によって樹脂結合剤を分解除去することも可能である。
【００２９】
導体ペースト中の溶剤としては、用いる結合用有機樹脂が溶解可能な溶剤であればよく、例えば、イソプロピルアルコール、テルピネオール、２−オクタノール、ブチルカルビトールアセテート等が用いられる。
【００３０】
次に、図３（ｃ）に示すように、形成したバイアホール導体１２の両端に、インジウム（Ｉｎ）あるいは錫（Ｓｎ）を含む低融点金属を塗布して低融点金属層１３を形成する。この低融点金属層１３の形成方法としては、直接バイアホール導体１２上に、低融点金属を含むペーストを印刷塗布するか、低融点金属のメッキ膜を形成するか、あるいは低融点金属からなるボールをバイアホール導体１２の端部に埋込むことにより形成することができる。
【００３１】
この時、低融点金属層１３の厚みは、その後の工程によって低融点金属をバイアホール導体内に含浸させた時の厚みが、バイアホール導体１２長さの１〜３０％となるような厚みに制御される。
【００３２】
次に、図３（ｄ）に示すように、絶縁層１０の少なくともバイアホール導体１２形成部を含む表面に、配線回路層１４を形成する。配線回路層１４の形成は、１）絶縁層１０の表面に金属箔を貼り付けた後、エッチング処理して回路パターンを形成する方法、２）絶縁層１０表面にレジストを形成して、メッキにより形成する方法、３）転写フィルム表面に金属箔を貼り付け、金属箔をエッチング処理して回路パターンを形成した後、この金属箔からなる配線回路層１４を絶縁層１０表面に転写させる方法、４）導体ペーストをスクリーン印刷等の方法で印刷する方法等が挙げられる。
【００３３】
なお、配線回路層１４と絶縁層１０との密着強度を高める上では、絶縁層１０の配線回路層１４の形成箇所および／または転写フィルム表面の配線回路層１４表面を０．１μｍ以上、特に０．３μｍ〜３μｍ、最適には０．３〜１．５μｍに粗面加工することが望ましい。また、バイアホール導体１２の両端を封止する上では、配線回路層１４は、厚みが５〜４０μｍの金属箔からなることが望ましい。
【００３４】
また、配線回路層１４を前記３）の転写法によって形成する場合には、転写前の金属箔からなる配線回路層のバイアホール導体１２との接続箇所に、低融点金属を含むペーストを印刷塗布したり、低融点金属のメッキ膜を形成し、その後、配線回路層１４をバイアホール導体１２上に転写させることにより、低融点金属層１３と配線回路層１４とを同時に形成することもできる。
【００３５】
また、所望により、配線回路層１４とバイアホール導体１２間に圧力を印加して、図３（ｅ）に示すように、配線回路層１４、低融点金属層１３を絶縁層１０内に埋め込み処理を行うこともできる。
【００３６】
その後、絶縁層中に含まれる熱硬化性樹脂が十分に硬化する温度で加熱して完全硬化させることにより単層の配線基板を作製することができる。
【００３７】
また、多層化する場合には、図３（ａ）〜（ｄ）あるいは（ａ）〜（ｅ）と同様な方法によって、バイアホール導体、低融点金属層および配線回路層を形成した絶縁層を複数作製し、それらを位置合わせして積層圧着した後、絶縁層中に含まれる熱硬化性樹脂が十分に硬化する温度で加熱して完全硬化させることにより図１の多層配線基板を作製することができる。
【００３８】
本発明によれば、上記における完全硬化処理時の加熱処理によって、配線回路層１４とバイアホール導体１２中の金属粉末間に配設した低融点金属層１３が溶融し、結果として、図２に示すように、バイアホール導体５中の金属粉末７間の間隙中に侵入して、配線回路層と金属粉末とを結合することができる。
【００３９】
なお、低融点金属の融点は、上記の製造方法を考慮して、絶縁層中の熱硬化性樹脂の硬化温度以下の温度で溶融可能であることが望ましく、より具体的には融点が１５０〜３００℃の範囲が適当である。
【００４０】
また、低融点金属層の溶融処理は、熱硬化性樹脂の完全硬化処理の他、前記図３（ｃ）の低融点金属層１３を形成した後、あるいは図３（ｄ）の低融点金属層１３の表面に配線回路層１４を形成して単層の配線基板を作製し、積層する前に熱処理を施してもよい。
【００４１】
かかる観点から、本発明において用いられる低融点金属は、少なくともインジウム（Ｉｎ）あるいは錫（Ｓｎ）を含有するものであるが、具体的には、インジウム単体、錫単体の他に、鉛、金、銀、銅、ビスマスから選ばれる少なくとも１種の金属と複合化することができ、例えば、Ｐｂ−Ｓｎ、Ａｇ−Ｃｕ−Ｓｎ、Ａｇ−Ｂｉ−Ｃｕ−Ｓｎ、Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｓｎ等が好適である。
【００４２】
上記のように、本発明においては、配線回路層とバイアホール導体との接続構造において、所定厚みの低融点金属層を形成して、バイアホール導体中の金属粉末と配線回路層とを低融点金属によって結合することにより、その周辺の絶縁層に悪影響を及ぼすことなく、配線回路層とバイアホール導体との接続抵抗の低減とともに、強固で高信頼性の高い接続構造を形成することができるのである。
【００４３】
【実施例】
実施例１
平均粒径が約５μｍの略球形の酸化珪素７０体積％、フェニレンエーテル樹脂３０体積％を用いてスラリーを調製し、このスラリーを用いてドクターブレード法によってキャリアシート上に塗布し、これを５０℃の温度で６０分間乾燥して厚み１２０μｍの絶縁層を完成した。
【００４４】
次に、前記絶縁層に、ＮＣパンチングにより直径が０．１ｍｍのスルーホールを形成し、そのホール内に平均粒径５．８μｍの銅粉末、平均粒径６．１μｍの銀２０重量％−銅８０重量％の銀銅合金粉末、平均粒径が５．３μｍの銀を３重量％の割合で銅粉末表面に被覆した銀被覆銅粉末のいずれかの粉末９９．８重量部と、セルロース０．２重量部、溶剤として２−オクタノール１０重量部とを混合して調製した導電性ペーストを充填してバイアホール導体を形成した。
【００４５】
一方、表１に示す各種低融点金属組成物９９．８重量部、セルロース０．２重量部、溶剤として２−オクタノール１０重量部とを混合して調製した低融点金属を含有するペーストを調製した。
【００４６】
【表１】

【００４７】
そして、この低融点金属含有ペーストをバイアホール導体の両端に２５μｍの厚みで印刷塗布した。そして、この絶縁層のバイアホール導体を挟む表面および裏面に、予め、銅箔からなる配線回路層が形成された転写フィルムをそれぞれ積層して、５０ｋｇ／ｃｍ^２の圧力で圧着した後、転写フィルムを剥がして、配線回路層を転写させた。
【００４８】
その後、その積層物を１２０℃に加熱してペースト中の有機溶剤を揮散除去した後、さらに２００℃で１時間加熱して低融点金属を溶融させるとともに、絶縁層を完全に硬化させて、単層の配線基板を作製した。得られた配線基板の低融点金属層の厚みは、バイアホール導体長さの２０％にあたるものであった。
【００４９】
そして、これらの処理後の配線基板における配線回路層の初期抵抗値を測定した。また、８５℃、８５％相対湿度において１０００時間経過後の導通抵抗（テスト１）と、９５％相対湿度中、−５５〜＋１２５℃の温度範囲において１０００サイクル後の導通抵抗（テスト２）を測定し、それぞれの条件における（テスト後抵抗値／初期抵抗値）×１００（％）で表される抵抗変化率を計算し表２に示した。
【００５０】
【表２】

【００５１】
表２の結果によれば、配線回路層とバイアホール導体との間にＩｎおよびＳｎの群から選ばれる少なくとも１種の低融点金属を被着させた本発明試料は、配線回路層−バイアホール導体−配線回路層間の初期抵抗を１０×１０^−５Ω−ｃｍ以下まで低下させることができ、しかも、サイクル試験において抵抗の変化が５％以下の優れた耐久性を示し長期にわたり接続信頼性の高いことが確認された。
【００５２】
実施例２
実施例１の表２中の試料Ｎｏ．１１、３５の組み合わせにおいて、バイアホール導体と低融点金属層の厚みとの関係を表３に示すように種々変更し、実施例１と同様に評価を行った。
【００５３】
【表３】

【００５４】
その結果、低融点金属層の厚みがバイアホール導体長さの１％よりも小さい試料Ｎｏ．４２、４８では、低抵抗化およひ耐久性の効果が十分でなく、また、３０％を越えた試料Ｎｏ．４７、５２では、逆に抵抗が増大した。この試料Ｎｏ．４７、５２について断面を観察した結果、バイアホール中の導体が収縮しており、バイアホール導体と配線回路層との界面に空隙が発生していることを確認した。
【００５５】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の配線基板によれば、配線回路層とバイアホール導体中の金属粉末間を低融点金属で接合することにより、配線回路層とバイアホール導体との接続抵抗を大幅に低減することができるとともに、ヒートサイクルやヒートショック等の熱変形や振動による接続信頼性の低下を抑制することができる。これにより、配線層の微細化と高密度化に十分に対応することができ、超微細化、精密化の要求の応えうることのできる高信頼性の多層配線板を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線基板の一実施態様として多層配線基板を説明するための概略断面図である。
【図２】図１の多層配線基板における配線回路層とバイアホール導体との接触部の拡大断面図である。
【図３】本発明における多層配線基板の製造工程を説明する工程図である。
【符号の説明】
１多層配線基板
２ａ〜２ｄ絶縁層
３絶縁基板
４配線回路層
５バイアホール導体
６金属箔
７金属粉末
８低融点金属
９低融点金属層

Claims

少なくとも有機樹脂を含有する絶縁基板と、該絶縁基板表面および内部に被着形成された金属箔からなる配線回路層と、前記配線回路層間を電気的に接続するために設けられ、少なくとも金属粉末を充填してなるバイアホール導体を具備する配線基板において、前記配線回路層と前記バイアホール導体との接続部の前記金属粉末間に、少なくともインジウム（Ｉｎ）あるいは錫（Ｓｎ）を含有する低融点金属層を前記バイアホール導体長さの１〜３０％の厚みで形成したことを特徴とする配線基板。
前記バイアホール導体が、銅粉末、銀粉末、銀−銅合金粉末、銀被覆銅粉末のうちのいずれか１種からなる平均粒径が３〜１０μｍの金属粉末を充填してなることを特徴とする請求項１記載の配線基板。