JP3652203B2

JP3652203B2 - 配線基板

Info

Publication number: JP3652203B2
Application number: JP2000053997A
Authority: JP
Inventors: 悟竹之内; 良博竹下
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-02-29
Filing date: 2000-02-29
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2020-02-29
Also published as: JP2001244582A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＣ、ＬＳＩ、トランジスタ等の半導体素子が搭載される回路基板の電圧変動及び不要放射ノイズを抑制するための構造に関するものであり、特にディジタル回路を搭載した配線基板に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来より、ＩＣやＬＳＩ、トランジスタ等の電子部品を搭載して所定の電子回路を構成する回路基板においては、電子部品の作動時に電源端子とグラウンド端子の間に高周波成分を含む貫通電流が発生し、この高周波電流が電子回路内に伝播し、回路自体の誤動作を引き起こしたり、不要な放射ノイズの原因となったりしていた。
【０００３】
これらの対策として従来よりノイズ源となる電子部品の近傍にデカップリングコンデンサを搭載し、高周波電流を閉じ込める方法が取られている。また、電源層とグラウンド層に接続したコンデンサを基板外周全体に配置することにより、配線基板の電源層及びグラウンド層に電播した高周波電流を基板端で吸収することも特開平９−２６６３６１号にて提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のデカップリングコンデンサを用いる方法ではデカップリングコンデンサの容量と寄生インダクタンスによって決まる特定の周波数においては高周波電流を閉じ込めることができるが、それ以外の周波数で新たに高周波電流を発生させてしまい、これがノイズとなるなどの副作用があった。この問題に対しては、容量の異なる複数個のコンデンサを用いる方法も提案されているが、広い周波数範囲にわたって改善することは困難であった。
【０００５】
また、コンデンサを基板外周全体に配置する方法は、特別な形状のコンデンサや多数のチップコンデンサが必要であるために、コンデンサにかかるコストの問題あるいはコンデンサの取付けの手間などにより生産性が低下するなどの問題があった。
【０００６】
一方、情報通信分野において処理速度向上を図るために、ＣＰＵ、ＬＳＩの動作周波数が向上し、高い周波数のノイズ対策が必要となってきている。そこで、ミリ波、マイクロ波帯域の高周波帯域におけるノイズ対策が求められているが、前記の従来のノイズ除去方法では実用的には不十分であった。
【０００７】
そこで、本出願人らは、絶縁基板内部の電源層及びグランド層に発生するノイズ定在波を抑制する方法として、電源層および／またはグランド層の周縁部に０．１Ω／ｓｑ〜１０００Ω／ｓｑのシート抵抗を有する低導電率領域を設けることを提案した。かかる方法によれば、電圧変動の抑制効果を大きくすることができる。これは、導電率に換算すると５×１０Ω^-1・ｍ^-1〜５×１０⁵Ω^-1・ｍ^-1となる。
【０００８】
しかし、上記のシート抵抗の制御も、１ＧＨｚ未満程度の周波数におけるノイズ除去には適用できるが、１ＧＨｚ以上の高周波、特にマイクロ波、ミリ波の領域では、電流は導体と絶縁基板との界面付近を流れるようになり、実効的な抵抗は体積抵抗率よりも高くなるために、上記シート抵抗の制御では十分な効果が発揮されない場合があった。
【０００９】
従って、本発明は、電源層とグランド層間で発生するＧＨｚ帯の電源電圧変動及び不要放射ノイズを広い周波数範囲にわたって簡単な構造で容易に抑制することのできる配線基板を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の配線基板は、絶縁基板の表面に電子部品が搭載する搭載部を有し、且つ前記絶縁基板の裏面または内部に電源層とグラウンド層とが形成されてなる配線基板であって、前記電源層と前記グラウンド層の内、少なくとも一方の周縁にその内部領域よりも低い導電率を有する低導電率領域を前記内部領域と電気的に連続的に形成してなり、前記低導電率領域の前記絶縁基板との界面の粗さが、前記配線基板に伝送される信号の最も高い周波数における表皮深さの２倍以上としたことを特徴とするものであり、前記内部領域は、Ｃｕ、Ｗ、Ｍｏのうち少なくとも１種を主成分とする導体材料によって形成されてなり、特に前記低導電率領域の導電率が７０Ω^−１・ｍ^−１〜５×１０^６Ω^−１・ｍ^−１であることが望ましい。
【００１１】
【作用】
本発明の配線基板によれば、電源層及び／またはグラウンド層の周縁に低導電率領域を設けることにより、ＩＣやＬＳＩで発生した高周波電流によるノイズをこの低導電率領域で減衰、散逸させることができるため、電源層及びグラウンド層間での高周波ノイズによる共振が発生せず、電源層及びグラウンド層内の電圧変動を抑制することができ、同時に放射ノイズも低減できる。
【００１２】
特に、この低導電率領域における前記低導電率領域の前記絶縁基板との界面の粗さが、前記配線基板に伝送される信号の最も高い周波数における表皮深さの２倍以上とすることにより、電源層やグランド層の高周波ノイズの行路が長くなるために抵抗が大きくなり高周波ノイズを減衰することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の配線基板について、具体的な構造を図面を参照しながら説明する。図１は本発明による配線基板の第一の実施の形態を示す断面図、図２は図１の配線基板において電源層及びグラウンド層だけを取り出した斜視図である。
【００１４】
図１の配線基板１においては、絶縁基板２の表面には信号伝達用の配線回路層３が形成されており、電子部品としてＩＣやＬＳＩ等の半導体素子４が配線基板１表面に搭載され、表面の配線回路層３と接続されている。
【００１５】
また、絶縁基板２の内部には、電源層５とグラウンド層６が形成されており、半導体素子４は、その電源端子４ａおよびグラウンド端子４ｂを経由して、電源層５およびグラウンド層６と絶縁基板２を貫通するように形成されたビア導体７によってそれぞれ電気的に接続されている。
【００１６】
電源層５及びグラウンド層６は、低いシート抵抗を有する内部領域ａによって主として形成されているが、本発明によれば、この内部領域５ａ、６ａの周縁に、内部領域５ａ、６ａ（以下、単に内部領域ａと称する）を取り巻くように内部領域ａよりも低い導電率を有する低導電率領域５ｂ、６ｂ（以下、単に低導電率領域ｂと称する）が形成されている。この低導電率領域は、導電率が、内部領域ａに対して相対的に低いことを意味するものである。特に、内部領域ａにおける導電率σ１と低導電率領域ｂにおける導電率σ２とは、導電率差が１×１０⁷Ω^-1・ｍ^-1以上、特に２×１０⁷Ω^-1・ｍ^-1以上であることが望ましい。
【００１７】
電源層５及びグラウンド層６の内部領域ａは、一般的に配線基板における導体材料として従来から用いられるＣｕ、Ｗ、Ｍｏ等の導体によって形成され、導体損による電圧降下を小さくするために、その導電率は高い程よく、１．０×１０⁷Ω^-1・ｍ^-1以上が望ましい。また、導体層と絶縁基板の界面における表面粗さは、表面が粗いと高周波における抵抗が大きくなるため、０．５μｍ以下に小さくする事が望ましく、特に、０．１μｍ以下が望ましい。
【００１８】
一方、低導電率領域ｂの導電率としては、５×１０⁶Ω^-1・ｍ^-1以上では高周波電流の吸収能力が低く、７０Ω^-1・ｍ^-1以下では高周波電流を反射し吸収しなくなるため、７０Ω^-1・ｍ^-1〜５×１０⁶Ω^-1・ｍ^-1の範囲が望ましく効果が大きい。特に、１００Ω^-1・ｍ^-1〜１×１０⁴Ω^-1・ｍ^-1の範囲で効果が大きい。
【００１９】
１ＧＨｚ以上の高周波領域における表皮抵抗は、導体層と絶縁基板との界面の粗さによっても変化する。これは周波数が高くなると電流が導体の表面付近を流れるようになるため、界面における表面粗さが大きくなると高周波信号の行路が長くなり抵抗が増すためである。
【００２０】
例えば、界面における表面粗さが表皮深さの３倍の時、表皮抵抗は約２倍となる。１０ＧＨｚの信号では銅の場合、表皮深さは約０．７μｍであり、表面粗さを２μｍ以上にすれば表皮抵抗は約２倍となる。
【００２１】
従って、本発明によれば、前記低導電率領域の前記絶縁基板との界面の粗さが、前記配線基板に伝送される信号の最も高い周波数における表皮深さの２倍以上、特に３倍以上とすることによって、高周波ノイズを減衰することができる。
【００２２】
なお、上記の「表皮深さ」とは、導体内部の電磁界の強さが導体界面における値の０．３６８（１／ｅ）倍になる深さを表すパラメータであって、通常、下記数１によって表される。
【００２３】
【数１】

【００２４】
本発明によれば、かかる構成において、半導体素子４で発生した高周波電流は電流端子４ａ及びグラウンド端子４ｂより電源層５の内部領域５ａ及びグラウンド層６の内部領域６ａに伝播し、電源層５及びグラウンド層６の低導電率領域ｂで吸収される。従って、電源層５及びグラウンド層６内で共振を起こし定在波が発生することがなく、圧電変動を低く抑えることができると同時に、放射ノイズも低減される。
【００２５】
本発明に基づき、低導電率領域を形成するには、この領域を形成する導体層中に無機粉末を添加する方法が好適である。無機粉末の量としては１０重量％以上が望ましい。用いる無機粉末としては、絶縁基板を構成する成分と類似または同一であることが、密着性などの点から好適である。
【００２６】
本発明において、低導電率領域を形成する具体的な方法としては、以下の方法が挙げられる。
【００２７】
絶縁基板をアルミナ、ガラスセラミックス等のセラミックスとする場合、これらの原料粉末をドクターブレード法など周知のシート成形法によって所定のグリーンシートを作製する。そして、このグリーンシートの配線基板におけるグランド層や電源層の周縁部に当たる部分のグリーンシート表面に粗く加工したパネルを押し付けたり、その周縁部に絶縁基板と同じ成分の粗いセラミック粉末を散りばめ、その領域に導体ペーストを印刷塗布することによって、導体層と絶縁基板との界面の粗さを大きくすることができる。
【００２８】
また、導体ペーストとして、金属粉末に粗い絶縁基板成分の主成分または基板と同一成分のセラミック粉末を添加し、低導電率の形成領域に印刷塗布する。このようなセラミック粉末の添加量は、１０重量％以上とすることが望ましい。
【００２９】
また、上記に合わせて低導電率領域ｂを内部領域ａよりも低い導電率を有する導体材料によって形成し、低導電率領域の導電率を調整することも可能である。低い導電率を有する導体材料としては、ＳｎＯ₂、ＬａＢ₆のうち少なくとも１種を主成分とする低導電率材料によって形成したり、Ｃｕ、Ｗ、Ｍｏから選ばれる少なくとも１種の導体に、Ｒｅ、Ｒｕや、絶縁物を含有させた導体材料によって形成することにより導電率を低下させることができる。
【００３０】
低導電率領域ｂの導体層は、導電率を低下させるために図３ａ）のように複数の孔８を形成したり、ｂ）のように複数の溝９を形成したり、さらには、ｃ）のように抵抗体１０を点在させることによって、この領域の見掛け上の導電率を低下させることができ、その孔８、溝９、抵抗体１０の大きさや数によって導電率を調整できる。
【００３１】
また、この低導電率部ｂの周縁部の幅は０．１ｍｍ以上が望ましい。これは低導電率領域ｂの幅が小さすぎると、形成が困難であると同時に、高周波電流の吸収効果が小さいからである。低導電率領域ｂの幅の上限は、内部領域ａの面積が確保できる範囲内であれば特に定めるものではないが、その幅が３０ｍｍを越えてもその効果は実質的に同じである。
【００３２】
電源層５とグラウンド層６の内部領域ａと低導電率領域ｂの接続部の構造としては、それらが全く異なる導体材料からなる場合、図４のａ）に示すように内部領域ａと低導電率領域ｂの重なりが全くない構造であるよりも、ｂ）ｃ）のように内部領域ａを構成する導体材料ａ１と低導電率領域ｂを構成する導体材料ｂ１とが重なりあう構造であることが望ましい。また、電源層５、グラウンド層６が配線基板の表面層に形成される場合はｄ）のように内部領域ａと低導電率領域ｂを形成する導体材料ｂ１によって内部領域ａ全体を覆うように形成しても電流は内部領域ａにおける絶縁基板２との接触する側を流れるため問題はない。
【００３３】
さらに、電源層５、グラウンド層６が基板の内部に形成される場合、ｅ）のように、電源層５、グラウンド層６の対向面側に内部領域ａを形成し、この領域ａ全体を覆うように低導電率領域ｂを形成してもよい。その場合、ビア導体７は、内部領域ａと接続することが必要である。
【００３４】
図５は、本発明の配線基板における電源層またはグラウンド層の他の具体的な実施形態の示す図である。この図５に示すように、電源層５やグラウンド層６は、図５ａ）に示されるように、複数の層に分離され、それぞれの内部領域ａの周縁に低導電率領域ｂを形成してもよく、ｂ）のように、低導電率領域ｂは、内部領域ａの周縁において一定の間隔ｘをおいて形成することも可能である。その場合、その間隔ｘの周縁長さに対する比率が大きくなると、ノイズの吸収量が減るために、上記の間隔ｘの和が、全周縁長さの１／３以下であることが必要である。
【００３５】
さらに、図５ｃ）のように、低導電率領域ｂをシート抵抗の異なる領域ｂ１〜ｂ３によって構成してもよい。この場合、内側から外側にかけて、即ち、シート抵抗がａ＜ｂ１＜ｂ２＜ｂ３となるように構成することが望ましい。また、ｂ１〜ｂ３の各領域内も内側から外側にかけて連続的にシート抵抗が変化するようにすることもできる。
【００３６】
さらに、低導電率領域ｂにおける絶縁基板２の表面形状は、図６に示すように、ａ）角状、ｂ）三角形状、ｃ）丸型などの反復形状でも、さらに導体層中に無機粉末を添加した場合には図６ｄ）のように不規則な凹凸形状であってもよい。
【００３７】
前記絶縁基板４を構成する材料としては、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を主成分とする絶縁基板から成るものは勿論、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、炭化珪素（ＳｉＣ）、ムライト（３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂）、ガラスセラミックス等を主成分とするセラミックスのほか、エポキシ樹脂、ガラス−エポキシ複合材料等の有機樹脂を含有する絶縁材料によって形成される。
【００３８】
また、前記信号を伝達する配線回路層３及びビア導体７を構成する材料としては、Ｃｕ、Ｗ、Ｍｏ等及びこれらを含む合金が使用可能である。
【００３９】
本発明の配線基板は、配線基板表面に半導体素子を搭載し、これを気密に封止する半導体素子収納用パッケージや、半導体素子の他にコンデンサや抵抗体等の各種電子部品が搭載される混成集積配線基板等に適用される。
【００４０】
【実施例】
以下に、本発明の配線基板の実施例を、図７ａ）、ｂ）に沿って詳細に説明する。この実施例の配線基板では、絶縁基板１１にアルミナ質焼結体を用いた。まず、平均粒径０．２μｍのＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＭｇＯ、ＣａＯの焼結助剤を７重量％添加した混合粉末にに有機バインダー、可塑剤、溶剤を添加混合して泥漿を調整し、該泥漿を周知のドクターブレード法により厚さ約２５０μｍのセラミックグリーンシートを成形する。次に、励振点となる位置にビア１３を形成するために、セラミックグリーンシートに孔（あな）空け加工法によってスルーホールを形成する。
【００４１】
そして、タングステン（Ｗ）を主成分とする粉末原料に、適当な有機バインダ、可塑剤、溶剤等を添加し、混合して得た金属ペーストを印刷によって前記セラミックグリーンシートのスルーホール部に充填するとともに、スルーホール形成部の表面に電源端子１４となるように、前記金属ペーストを印刷塗布した。
【００４２】
次いで、印刷塗布された前記グリーンシートを、水素（Ｈ₂）や窒素（Ｎ₂）の混合ガスからなる還元性雰囲気中で１６００℃の温度で焼成することにより、縦５６ｍｍ×横８０ｍｍ×厚さ２５０μｍの評価用アルミナ基板を得た。
【００４３】
次にこのアルミナ基板の表面側にグランド層１５を、裏面側に電源層１２を次の方法にて形成した。尚、低導電率領域ｂを形成する場合、その幅はすべて４ｍｍとした。
【００４４】
試料Ｎｏ．１については、Ｃｕペーストを用いてグランド層１５、電源層１２を低導電率領域を形成することなく、印刷塗布し９００℃で焼き付け処理した。
【００４５】
試料Ｎｏ．２〜１０については、Ｃｕペーストを用いてグランド層１５おける内部領域１５ａ、電源層１２の内部領域１２ａを印刷塗布し、９００℃で焼き付け処理した。但し、グランド層１５の内部領域１５ａについては、図７に示すように、先にタングステンによって形成した電源端子１４の周囲に印刷塗布した。そしてグランド層１５及び電源層１２の各内部領域１５ａ、１２ａの周縁に、Ｃｕ、Ｃｕ−Ｗ、Ｃｕ−ＮｉまたはＬａＢ₆に対して適宜アルミナ成分を表１の比率で添加混合した金属ペーストを図４ｃ）に示すようにして一部内部領域１５ａ、１２ａと重なるように印刷し、９００℃で焼き付けして低導電率領域１２ｂ、１５ｂを形成した。
【００４６】
また、Ｎｏ．４〜１０は、さらに絶縁基板の低導電率領域１２ｂ、１５ｂは、この形成領域に、表面を粗く加工したパネルを押し付けて、絶縁基板の表面を機械的に粗くした。
【００４７】
さらに、試料Ｎｏ．８については、電源層（Ｄ）のみに低導電率領域を形成し、試料Ｎｏ．９については、グランド層（Ｇ）のみに低導電率領域を形成した。
【００４８】
かくして得られた評価用アルミナ配線基板の励振点に設けた電源端子１４及びグランド端子１６にウェハープローブ１７の先端を接触させ、ネットワークアナライザにて１ＧＨｚから４０ＧＨｚの反射減衰量（Ｓ１１）を測定した。Ｓ１１の最大値が−５ｄＢ以下のサンプルを電圧変動の抑制効果があると判断した。
【００４９】
なお、表中の表面粗さは走査型電子顕微鏡のＢＥＭ（反射電子像）から絶縁基板と低導電率領域の導体層との界面の粗さ（Ｒａ）を測定した。表皮深さは５００ＭＨｚにおけるＣｕの値３．４μｍとした。
【００５０】
低導電率領域を形成する導体の導電率は、厚さ０．２ｍｍの絶縁層の片面に幅２ｍｍ、長さ３０ｍｍの線路を形成した基板を作製し、線路の抵抗値を４端子測定法にて測定して求めた。尚、線路の厚さは、断面を金属顕微鏡で観察して、導電率を算出した。
【００５１】
【表１】

【００５２】
表１の結果から明らかなように、本発明を適用した試料Ｎｏ．４〜９のＳ１１は５ｄＢ以上減衰しているのに対して、低導電率領域を形成していない試料Ｎｏ．１では減衰量が５ｄＢ未満であった。また、低導電率領域の導電率が適当な範囲であっても、低導電率領域の絶縁基板との界面の粗さが、前記配線基板に伝送される信号の最も高い周波数における表皮深さの２倍未満の試料Ｎｏ．２、３や、低導電率領域の導電率が低すぎる試料Ｎｏ．１０でも、十分な効果が発揮できず、１〜４０ＧＨｚの高周波領域では上記比率が２倍以上であることが必要であることが理解される。
【００５３】
【発明の効果】
以上のように、本発明の配線基板に依れば、電源層とグランド層の少なくとも１層の導体層の導電率を内部領域の周縁部を囲むように低導電率領域を設け、且つその絶縁基板との界面の表面粗さを大きくすることによって、ＩＣやＬＳＩで発生した１ＧＨｚ以上の高周波帯域、特に１０ＧＨｚ以上のミリ波、マイクロ波帯域の高周波電流を電源層及びグランド層の周縁に設けた低導電率領域で減衰、散逸することができるため、電源層及びグランド層での定在波の発生を抑制し、電圧変動を抑制することができ、回路の信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線基板の一実施例を示すが概略断面図である。
【図２】本発明の図１の配線基板における電源層とグラウンド層の構造を説明するための概略斜視図である。
【図３】ａ）ｂ）ｃ）はいずれも本発明における低導電率領域の他の構造を説明するための概略図である。
【図４】ａ）〜ｅ）は本発明の配線基板における内部領域と低導電率領域との接続部の構造を説明するための概略断面図である。
【図５】ａ）〜ｃ）は本発明の配線基板における電源層またはグラウンド層における他の構造を説明するための概略斜視図である。
【図６】ａ）〜ｄ）は本発明の配線基板における低導電率領域の界面の構造を説明するための概略断面図である。
【図７】本発明の実施例における評価用配線基板の構造を説明するためのａ）概略斜視図とｂ）概略断面図である。
【符号の説明】
１配線基板
２絶縁基板
３配線回路層
４電子部品（半導体素子）
５電源層
６グランド層
５ａ、６ａ、ａ内部領域
５ｂ、６ｂ、ｂ低導電率領域
７ビア導体
８孔
９溝
１０抵抗体

Claims

絶縁基板の表面に電子部品が搭載される搭載部を有し、且つ前記絶縁基板の裏面または内部に電源層とグランウド層が形成されてなる配線基板であって、
前記電源層と前記グラウンド層の内、少なくとも一方の層の周縁にその内部領域よりも低い導電率を有する低導電率領域を前記内部領域と電気的に連続的に形成してなり、前記低導電率領域の前記絶縁基板との界面の粗さが、前記配線基板に伝送される信号の最も高い周波数における表皮深さの２倍以上であることを特徴とする配線基板。
前記内部領域が、Ｃｕ、Ｗ、Ｍｏのうち少なくとも１種を主成分とする導体材料によって形成されてなる請求項１記載の配線基板。
前記低導電率領域の導電率が７０Ω^−１・ｍ^−１〜５×１０^６Ω^−１・ｍ^−１である請求項１記載の配線基板。