JP3634984B2

JP3634984B2 - 配線基板

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Publication number: JP3634984B2
Application number: JP21701199A
Authority: JP
Inventors: 理一笹森
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-07-30
Filing date: 1999-07-30
Publication date: 2005-03-30
Anticipated expiration: 2019-07-30
Also published as: JP2001044590A

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有する絶縁基板と、導体材料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、バイアホール導体の低抵抗化と接続信頼性の改良に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
近年、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂を含む絶縁基板の表面に導体配線層を形成した、いわゆるプリント基板が回路基板や半導体素子を搭載したパッケージ等に適用されている。このようなプリント基板において導体配線層を形成する方法としては、絶縁基板の表面に銅箔を接着した後、これをエッチングして配線パターンを形成する方法、または配線パターンに形成された銅箔を絶縁基板に転写する方法、絶縁基板の表面に金属メッキ法によって配線パターンを形成する方法等が用いられている。
【０００３】
また、配線の多層化に伴い、異なる層間の導体配線層をバイアホール導体によって電気的に接続することも行われているが、このバイアホール導体は多層配線基板の絶縁基板の所定の箇所にドリル等でバイアホールを開けた後に、バイアホール内の内壁にメッキ等を施すのが一般的である。
【０００４】
ところが、上記のような方法では化学的なメッキ処理を施すのに用いられる薬品が高価であり、処理時間も長いなど生産性と経済性に難がある。また、内壁にメッキを施したバイアホール導体は、多層構造における任意の層間に形成することが難しく、導体配線層の密度を向上できないという問題がある。
【０００５】
このような問題に対して、最近では導体配線層を銀、銅、ハンダなどの金属粉末と熱硬化性樹脂や活性剤とを混合した導体ペーストを用い、これを絶縁基板の表面に塗布したり、バイアホール内に充填し、積層して多層化する方法が、特許第２６０３０５３号公報、特公平５−３９３６０号公報、特開昭５５−１６００７２号公報等にて開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の導体ペーストの充填によるバイアホール導体を形成する方法では、導電性ペースト中の熱硬化性樹脂成分の量が多く、またバイアホール導体中において金属粉末間の接触性が充分でないために、バイアホール導体の導電率が低いという問題があった。
【０００７】
このような問題に対して、ペースト中に銅などの粉末とともに、Ｐｂ−Ｓｎなどの低融点半田を含有させて銅粉末間を半田によって接続させてバイアホール導体の導電率を高めることも提案されている。
【０００８】
しかしながら、配線基板のバイアホール導体中にＰｂ−Ｓｎなどの半田そのものが存在すると、リフロー工程や信頼性試験時に配線基板が高温に加熱された場合、バイアホール導体中の半田成分が溶融して、銅箔などからなる配線層とバイアホール導体との接続状態が変化し、導電性が劣化するという問題があった。
【０００９】
従って本発明はこのような欠点を解消し、少なくとも有機樹脂を含有する絶縁基板を具備し、高導電率と高い耐熱性を有し、導体配線層との高い接続信頼性を有するバイアホール導体を具備する配線基板を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、バイアホール導体の高導電率化及び耐熱性について検討を重ねた結果、少なくとも有機樹脂を含有する絶縁基板と、該絶縁基板の表面および／または内部に形成された複数層の導体配線層と、該導体配線層間を電気的に接続するために絶縁基板内に設けられたバイアホール導体とを具備する配線基板において、前記バイアホール導体をＣｕ _３ＳｎおよびＣｕ _６Ｓｎ _５のＣｕ−Ｓｎ系金属間化合物を主体とするＣｕ−Ｓｎ系金属間化合物を主体とする導体材料によって形成し、前記バイアホール導体の断面観察において、Ｃｕ _３ＳｎとＣｕ _６Ｓｎ _５との面積比率（Ｃｕ _６Ｓｎ _５／Ｃｕ _３Ｓｎ）が０．３０〜０．６５であることによって、上記目的が達成されることを見いだした。
【００１１】
特に、前記導体材料におけるＳｎとＣｕとのＳｎ／（Ｃｕ＋Ｓｎ）で表される重量比が０．２５〜０．７５であることが望ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の配線基板の一例を示す概略断面図を図１に示した。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層１ａ〜１ｄを複数層積層してなる絶縁基板１を有し、その絶縁基板１の表面および内部には、回路パターンに形成された複数層の導体配線層２が被着形成されている。そして、異なる層間の導体配線層２を接続するために、バイアホール導体３が設けられている。
【００１４】
本発明によれば、このバイアホール導体３をＣｕ−Ｓｎ系金属間化合物を主体とする導体材料によって形成したことが大きな特徴である。特に前記Ｃｕ−Ｓｎ系金属間化合物中には少なくともＣｕ_３Ｓｎを含有することが望ましい。
【００１５】
また、バイアホール導体３を形成する導体は、Ｃｕ−Ｓｎ系金属間化合物を主体とするものである。なお、この導体中には、Ｃｕ−Ｓｎ系金属間化合物以外にＣｕ、Ｓｎ−Ｚｎ、Ｓｎ−Ｂｉ等の他の導体成分を含有していてもよい。
【００１６】
ＣｕとＳｎの金属間化合物としては、前記Ｃｕ_３Ｓｎ及びＣｕ_６Ｓｎ_５があるが、このＣｕ_３Ｓｎは、ＣｕとＳｎとが３：１の比率からなる結晶性化合物であり、本発明によれば、少なくともＣｕ含有量の多いＣｕ_３Ｓｎを少なくとも存在させることによって、バイアホール導体の耐熱性と高電気伝導性を付与することができる。なお、本発明においては、Ｃｕ_６Ｓｎ_５がＣｕ_３Ｓｎとともに存在してもよい。
【００１７】
本発明においては、このＣｕ_３Ｓｎの生成を促進させるために、バイアホール導体を形成する導体材料中のＳｎおよびＣｕとのＳｎ／（Ｃｕ＋Ｓｎ）で表される重量比が０．２５〜０．７５、特に０．３０〜０．７０、さらには０．３５〜０．６５となる割合で含有されることが望ましい。
【００１８】
これによって、金属間化合物の生成量が促進される結果、Ｃｕ−Ｓｎ系金属間化合物４間およびＣｕ−Ｓｎ系金属間化合物４と導体配線層２間との接続性が高くなるために、バイアホール導体を介した２つの導体配線層２間の導電率も高く、しかもリフロー時の耐熱性が向上する、即ち、２４０〜２６０℃の温度でリフローした場合に、バイアホール導体と導体配線層との接触状態が変化せずバイアホール導体を介した２つの導体配線層間の導電率が変化することがない。
【００１９】
また、前記重量比率が０．７５よりも大きいと、前記Ｃｕ−Ｓｎ系金属間化合物４の生成量が少なく、Ｃｕ−Ｓｎ系金属間化合物を主体とする導体材料が形成されず、しかもＣｕとの金属間化合物を形成できなかった未反応のＳｎがバイアホール導体内に、錫または低融点の錫金属間化合物として残存して、同様にリフロー（２４０〜２６０℃）時の耐熱性が劣化する恐れがある。即ち、リフロー時に未反応の錫あるいは低融点の錫金属間化合物が溶融して、バイアホール導体における金属粉末間や、バイアホール導体と導体配線層との接触状態が容易に変化してバイアホール導体を介した２つの導体配線層間の導電率が低下しやすくなるためである。
【００２０】
また、本発明によれば、バイアホール導体内には、Ｃｕ−Ｓｎ系金属間化合物が、少なくともＣｕ_３Ｓｎが存在することが望ましく、他の金属間化合物としてＣｕ_６Ｓｎ_５と共存していてもよいが、上記金属間化合物としてはＣｕ_３Ｓｎ化合物が多量に存在し、Ｃｕ_６Ｓｎ_５化合物がＣｕ_３Ｓｎ化合物間に点在するか、または存在しないことが望ましい。
【００２１】
より具体的には、バイアホール導体の断面観察において、Ｃｕ_３ＳｎとＣｕ_６Ｓｎ_５との面積比率（Ｃｕ_６Ｓｎ_５／Ｃｕ_３Ｓｎ）が０．３０〜０．６５であであり、特に０．３５〜０．６０、さらに０．４０〜０．５５であることが望ましい。
【００２２】
なお、本発明においてバイアホール導体を形成する導体成分の比率は、いずれもバイアホール導体の断面の走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ写真）によって定量されたものである。このＳＥＭ写真によれば、Ｃｕ_３Ｓｎ、Ｃｕ_６Ｓｎ_５、Ｃｕは、それぞれ色の濃さによって明確に判別でき、色の濃さの順序では、Ｃｕ_３Ｓｎ、Ｃｕ_６Ｓｎ_５、Ｃｕの順序で黒い。
【００２３】
従って、この各相の面積をそれぞれ測定し、その面積比率で判別し、Ｃｕ−Ｓｎ系金属間化合物を主体とする、とは、全導体中におけるＣｕ_３ＳｎとＣｕ_６Ｓｎ_５との合計比率が５０％以上であることを意味する。また前記Ｃｕ_６Ｓｎ_５／Ｃｕ_３Ｓｎの比率も上記と同様にしてＣｕ_６Ｓｎ_５相とＣｕ_３Ｓｎ相との面積比率によって算出することがされる。
【００２４】
本発明における配線基板は、バイアホール導体を上記のような組成および組織によって構成することにより、後述する実施例から明らかなように、耐熱試験後においてもバイアホール導体の体積固有抵抗の変化率が小さく、優れた信頼性を維持することができる。
【００２５】
また、バイアホール導体中には、上記の導体成分以外にエポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等の熱硬化性樹脂やセルロース等の樹脂が含まれる場合もある。
【００２６】
本発明の多層配線基板における絶縁層１ａ〜１ｄは、少なくとも有機樹脂を含む絶縁材料から構成され、具体的には、有機樹脂としては例えば、ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）、ＢＴレジン（ビスマレイミドトリアジン）、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、フェノール樹脂等の樹脂が望ましく、とりわけ原料としてガラス転移点が１８０℃以上の熱硬化性樹脂であることが望ましい。また、この有機樹脂中には、基板全体の強度を高めるために、フィラー成分を複合化させることもできる。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等の無機質フィラーが好適に使用される。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。このようにフィラー成分と複合化する場合、有機樹脂とフィラーとは体積比率で３０：７０〜７０：３０の比率で複合化することが望ましい。
【００２７】
さらに、導体配線層２としては、銅、アルミニウム、金、銀の群から選ばれる少なくとも１種、または２種以上の金属間化合物からなることが望ましく、特に、銅、または銅を含む金属間化合物からなる厚さ５〜４０μｍの金属箔によって形成することが、バイアホール導体を両端を封止して外気の影響を防止でき、しかもＣｕ−Ｓｎ系金属間化合物を主体として充填、形成したバイアホール導体との電気的な接続性に優れることから最も望ましい。
【００２８】
（ペースト調製方法）
本発明の配線基板のバイアホール導体中に充填する際の導体ペーストの調製方法について説明すると、まず、金属成分として、銅粉末、銀を被覆した銅粉末、銅−銀金属間化合物粉末などの銅含有粉末に対して、錫粉末、あるいはＰｂ−Ｓｎ、Ｂｉ−Ｓｎなどの合金からなる半田等のＳｎ含有粉末とを、全導体成分中のＳｎとＣｕとのＳｎ／（Ｃｕ＋Ｓｎ）で表される重量比が０．２５〜０．７５となる割合に配合する。そして、この金属成分１００重量部に対して、適宜、樹脂分を１〜６重量部、溶剤を０〜４重量部の割合で添加する。
【００２９】
使用する銅含有粉末は、平均粒径は０．５〜５μｍが望ましい。これは０．５μｍよりも小さいと、表面が酸化して粉末間の導電性が低下し、５μｍよりも大きいと、バイアホール導体への粉末の充填率が低下し抵抗が増大するためである。また、前記錫含有粉末の平均粒径は１〜１５μｍがよい。これは、１μｍよりも小さいと表面が酸化して高抵抗化し、１５μｍよりも大きいと充填率が低下するとともに錫が局在化して耐熱性を損ねるためにである。
【００３０】
樹脂分としては、銅含有粉末や錫含有粉末の分散性、接着性、耐熱性、保存性、耐候性などの観点から、アミン系硬化剤や酸無水物と反応するビスフェノールＡ、或いはビスフェノールＦ、エポキシ樹脂、トリアリルイソシアヌレート樹脂などの熱硬化性樹脂の他、セルロースなども使用できる。
【００３１】
また、溶剤としては、樹脂分や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。
【００３２】
上記のようにして調合された組成物を攪拌脱泡機や３本ロールなどで混練することによりペーストを作製できる。この混練において、金属粉末と熱硬化性樹脂が混ざり、錫を主体とした粉末の硬化時の酸化を防ぐことができる。
【００３３】
（配線基板作製方法）
次に、前記導体ペーストを用いて、配線基板を製造する方法について説明する。まず、図２（ａ）に示すように未硬化または半硬化状態の軟質の絶縁シート１１に対して、レーザー加工やマイクロドリルなどによってバイアホール１２を形成する。そして、図２（ｂ）に示すように、そのバイアホール１２内に、前述したようにして調製された導体ペーストを充填してバイアホール導体１３を形成する。導体ペーストの充填はスクリーン印刷によって行うことができる。
【００３４】
次に、絶縁シート１１の表面に、導体配線層１４を形成する。この導体配線層１４の形成は、ａ）絶縁シート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、ｂ）絶縁シート表面にレジストを形成して、メッキにより金属層を形成する方法、ｃ）転写シート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した後、この金属箔の回路パターンを絶縁シート表面に転写させる方法、等が挙げられるが、この中でも、絶縁シートをエッチングやメッキ液などに浸漬する必要がなく、バイアホール導体内への薬品の侵入を防止する上では、ｃ）の転写法が最も望ましい。
【００３５】
そこで、ｃ）転写法による導体配線層を例にして以下に説明する。図２（ｃ）に示すように、転写シート１５の表面に、金属箔からなる導体配線層１４を形成する。この導体配線層１４は、転写シート１５の表面に金属箔を接着剤によって接着した後、この金属箔の表面にレジストを回路パターン状に塗布した後、エッチング処理およびレジスト除去を行って形成される。この時、金属箔からなる導体配線層１４露出面は、エッチング等により表面粗さ（Ｒａ）０．１〜５μｍ、特に０．２〜４μｍ程度に粗化されていることが望ましい。
【００３６】
次に、図２（ｃ）に示すように、導体配線層１４が形成された転写シート１５を前記バイアホール導体１３が形成された軟質の絶縁シート１１の表面に位置合わせして加圧積層した後、転写シート１５を剥がして導体配線層１４を絶縁シート１１に転写させることにより一単位の配線層ａが形成される。
【００３７】
この時、絶縁シート１１が軟質状態であることから、導体配線層１４は、絶縁シート１１の表面に埋設され、実質的に絶縁シート１１表面と導体配線層１４の表面が同一平面となるように加圧積層する。この時の加圧積層条件としては、圧力２０ｋｇ／ｃｍ^２以上、温度６０〜１４０℃が適当である。
【００３８】
そして、上記のようにして作製された一単位の配線層ａおよび同様にして作製された一単位の配線層ｂ、ｃを図２（ｅ）に示すように積層圧着し、所定の温度に加熱することにより絶縁シート中の熱硬化性樹脂を完全硬化させることにより多層化された配線基板を作製することができる。
【００３９】
この時の加熱硬化温度は、絶縁シート中の熱硬化性樹脂が完全に硬化するに充分な温度であると同時に、バイアホール導体中の銅と錫を反応せしめ、Ｃｕ_３Ｓｎ、Ｃｕ_６Ｓｎ_５が生成可能な温度であることが要求され、Ｓｎ含有粉末の融点よりも４０℃低い温度を下限値として、Ｓｎ含有粉末の融点以下の温度範囲で加熱処理する。
【００４０】
より具体的には、Ｓｎ含有粉末としてＳｎ粉末を用いた場合には、Ｓｎ粉末の融点が２３２℃であることから、およそ１９０℃以上に加熱する。また、Ｐｂ−Ｓｎ等の半田粉末を用いた場合には、Ｐｂ、Ｓｎの比率によって融点が異なることから、その比率に応じて、半田粉末が半溶融または完全溶融する温度に加熱すればよいが、Ｃｕ_３Ｓｎの生成のためには２１０℃以上で、２時間以上熱処理することが望ましい。
【００４１】
この加熱によって、溶融したＳｎ成分がＣｕ含有粉末中のＣｕ成分と反応し、Ｃｕ_３Ｓｎ、Ｃｕ_６Ｓｎ_５などの金属間化合物が生成されるが、この反応による前記金属間化合物の生成量は、加熱温度と加熱時間によって定められ、例えば、Ｓｎ含有粉末として、Ｓｎ粉末を配合した場合、未反応のＳｎは、電子顕微鏡写真によって観察した時に、Ｓｎの凝集部として確認される。また、半田粉末を用いた場合も同様にＳｎおよびＰｂの凝集部が確認されるが、本発明によれば、最終的には、バイアホール導体中のＳｎ成分のほとんどが前記金属間化合物に変換されており、上記未反応のＳｎやＣｕが実質的に存在しないことが望ましい。
【００４２】
上記の製造方法によれば、絶縁シートへのバイアホール形成や積層化と、導体配線層の形成工程を並列的に行うことができるために、配線基板における製造時間を大幅に短縮することができる。また、本発明の多層配線基板によれば、ドリルを用いてスルーホールを形成し、そのホール内壁に金属メッキ層を形成することもできる。
【００４３】
なお、上記の製造方法では、絶縁シートの完全硬化およびバイアホール導体におけるＣｕ_３Ｓｎ、Ｃｕ_６Ｓｎ_５等の金属間化合物のための加熱処理を多層化後に一括して行ったが、この加熱処理は、積層前に個々の絶縁シートに対して施した後、積層して多層化することも可能である。
【００４４】
本発明によれば、配線基板におけるＣｕ−Ｓｎ系金属間化合物を主体とするバイアホール導体は、導電性に優れるとともに、互いにあるいは導体配線層間との強固に接合している。しかも、この金属間化合物は、錫粉末や半田粉末に比較して耐熱性に優れるために、耐熱試験を行っても、バイアホール導体自体の抵抗が変化したり、あるいはバイアホール導体と導体配線層間との接合状態が変化することがなく、導電性の変化のない安定した高導電率を有するバイアホール導体を有する配線基板を作製することができる。
【００４５】
【実施例】
本発明におけるバイアホール導体の特性を評価をするために、以下のようにして単層の配線基板を作製した。
【００４６】
まず、銀被覆銅粉末（平均粒径５μｍ、銀含有量６重量％）と、表１に示すＳｎ含有粉末を表１に示す割合で調合した金属成分に対して、熱硬化性樹脂であるビスフェノールＦとアミン系硬化剤からなるエポキシ樹脂を４．０重量部、溶剤として２−オクタノールを２．０重量部添加し、３本ロールで混練して導電性ペーストを調製した。
【００４７】
一方、ポリフェニレンエーテル樹脂４０体積％と、シリカを６０体積％からなるＢステージの絶縁シートに対して、マイクロドリルによって直径が２００μｍのバイアホールを形成し、そのバイアホール内に前記のようにして調製した導電性ペーストを充填した。
【００４８】
そして、導電性ペーストを埋め込んだＢステージ状態の絶縁シートの両面に、厚さ１２μｍの銅箔からなる導体配線層を転写法により前記バイアホール導体の両端を挟持するように張り合わせた後、表１に示す条件で熱処理を施し、熱硬化性樹脂を安定硬化させた。
【００４９】
そして、熱処理後のバイアホール導体の初期体積固有抵抗を測定し、表１に示した。なお、この体積固有抵抗の測定は、バイアホール導体を両側から挟持する金属箔からなる導体配線層間の抵抗を測定したものである。
【００５０】
さらに、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、さらに、１５０℃、１０００時間経過後の導通抵抗（テスト３）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、それぞれ表１に示した。
【００５１】
また、各配線基板のバイアホール導体に対して、ＥＰＭＡ分析によって断面観察を行い、Ｃｕ_３ＳｎとＣｕ_６Ｓｎ_５との面積比率を求め、表１に示した。
【００５２】
【表１】

【００５３】
表１の結果に示される通り、Ｓｎ／（Ｃｕ＋Ｓｎ）重量比が０．２５よりも低い場合（試料Ｎｏ．１、２）、Ｃｕ_３Ｓｎ化合物が主体とならないか、耐熱試験後の体積固有抵抗の変化率が１０％を越え、耐熱性の低いものであった。
【００５４】
さらに、熱処理温度が低すぎてＣｕ−Ｓｎ系金属間化合物の生成が充分でない試料Ｎｏ．４、１０ではＣｕが多量に残存し、優れた導電率と耐熱性が発揮されなかった。なお、断面観察においては、Ｃｕ_３ＳｎとＣｕ_６Ｓｎ_５との面積比率（Ｃｕ_６Ｓｎ_５／Ｃｕ_３Ｓｎ）が０．３０〜０．６５では、耐熱試験後においても１×１０^−４Ω−ｃｍ以下の優れた耐熱性と高導電性を示した。
【００５５】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の配線基板によれば、Ｃｕ−Ｓｎ系金属間化合物を主体とする導体によって形成されたバイアホール導体において、錫を特定の割合で含有させるとともに、特定の銅と錫との金属間化合物を生成せしめることにより、バイアホール導体の導電率を向上させることができるとともに、銅含有粉末間、あるいは銅粉末と導体配線層間を強固に接合し、半田耐熱試験後においても、導電性の変化のない安定性を有するために配線基板としての信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における配線基板の概略断面図である。
【図２】本発明における配線基板の製造方法を説明するための工程図である。
【符号の説明】
１・・・絶縁基板
２・・・導体配線層
３・・・バイアホール導体

Claims

少なくとも有機樹脂を含有する絶縁基板と、該絶縁基板の表面および／または内部に形成された複数層の導体配線層と、該導体配線層間を電気的に接続するために絶縁基板内に設けられたバイアホール導体とを具備する配線基板において、前記バイアホール導体をＣｕ_３ＳｎおよびＣｕ_６Ｓｎ_５のＣｕ−Ｓｎ系金属間化合物を主体とする導体材料によって形成してなり、前記バイアホール導体の断面観察において、前記Ｃｕ_３ＳｎとＣｕ_６Ｓｎ_５との面積比率（Ｃｕ_６Ｓｎ_５／Ｃｕ_３Ｓｎ）が０．３０〜０．６５であることを特徴とする配線基板。
前記導体材料におけるＳｎとＣｕとのＳｎ／（Ｃｕ＋Ｓｎ）で表される重量比が０．２５〜０．７５であることを特徴とする請求項１記載の配線基板。