JP3673448B2

JP3673448B2 - コンデンサ素子内蔵配線基板

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Publication number: JP3673448B2
Application number: JP2000160749A
Authority: JP
Inventors: 裕美岩地; 祐二飯野; 桂林
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-05-30
Filing date: 2000-05-30
Publication date: 2005-07-20
Anticipated expiration: 2020-05-30
Also published as: JP2001339164A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、多層配線基板及びＬＳＩ搭載パッケージなどに適し、特に絶縁基板内部にコンデンサ素子が内蔵されてなるコンデンサ素子内蔵配線基板に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
近年、通信機器の普及に伴い、高速動作が求められる電子機器が広く使用されるようになり、さらにこれに伴って高速動作が可能なパッケージが求められている。このような高速動作を行うためには、電気信号ノイズを極力低減する必要がある。そのためには、コンデンサ素子を能動電子素子の近傍に配置し、電子回路の配線長を極力短くすることにより、配線部のインダクタンスを低減することが必要とされている。
【０００３】
このような問題に対処する方法として、例えば、特開平２−１２１３９３号には、電源層とグランド層の間の絶縁層内にチップ状のコンデンサ素子を埋め込む方法が案出されている。また、特開平１０−５１１５０号、特開平１１−２２０２６２号でも、絶縁基板内に半導体素子やコンデンサ素子を内蔵した配線基板が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のコンデンサ素子を内蔵した配線基板においては、熱サイクルや応力が付加された場合に、コンデンサ素子と配線基板における配線回路層との接続信頼性が低いという問題があった。コンデンサ素子の配線基板への固定方法として、コンデンサ素子と絶縁層との隙間に熱硬化性樹脂を充填して熱硬化性樹脂を含む絶縁層とともに硬化して強固に固着することも提案されている。
【０００５】
しかしながら、そもそもコンデンサ素子の熱膨張は絶縁層よりも低いために、熱サイクルなどが印加されると応力がコンデンサ素子に直接付加され、その応力によって、コンデンサ素子が破損したり、配線回路層との接続信頼性が失われるという問題があった。
【０００６】
従って、本発明は、コンデンサ素子を内蔵し、且つ過酷な熱サイクルが付加された場合においても、配線基板の回路との接続信頼性が高いコンデンサ内蔵配線基板を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、コンデンサ素子を多層配線基板内に内蔵する際、基板材料である熱硬化性樹脂との接着性、および応力が付加された場合の応力の低減および配線層との接続信頼性を得るための構成について種々検討した結果、コンデンサ素子の表面にガラス転移点の低い熱可塑性樹脂を被覆しておくことによって、温度変化に対しても塑性を有するためにコンデンサ素子への応力集中を緩和することができるために優れた信頼性が得られることを見いだし、本発明に至った。
【０００８】
即ち、本発明のコンデンサ素子内蔵配線基板は、少なくとも熱硬化性樹脂を含む複数の絶縁層を積層してなる絶縁基板と、該絶縁基板の表面および内部に形成された配線回路層と、金属粉末が充填されてなるビアホール導体とを具備する配線基板の内部に、少なくとも１対の電極を具備するコンデンサ素子を内蔵したコンデンサ素子内蔵配線基板において、前記コンデンサ素子の電極が前記ビアホール導体と半田によって直接的に電気的に接続されているとともに、前記コンデンサ素子の前記電極以外の表面をガラス転移点が１００℃以下の熱可塑性樹脂で被覆してなることを特徴とするものである。
【０００９】
なお、前記熱可塑性樹脂による被覆層の厚みは１〜５００μｍが適当であり、また、前記絶縁層がＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）樹脂を含有することが、さらには熱可塑性樹脂がポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂又はポリウレタン系樹脂の群から選ばれる少なくとも１種からなることが望ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面をもとに説明する。図１は、本発明のコンデンサ素子内蔵配線基板を製造するための製造工程を説明するための図である。
【００１１】
図１によれば、まず、図１（ａ）に示すように、熱硬化性樹脂を含む軟質（Ｂステージ状態）の絶縁シート１を作製し、この絶縁シート１には、厚み方向に貫通するビアホールを形成し、そのビアホールのうち、コンデンサ素子の電極と接続されるビアホール内に、導体ペーストをスクリーン印刷や吸引処理しながら充填して、コンデンサ素子接続用のビアホール導体２を形成する。
【００１２】
ここで用いられる絶縁シート１は、熱硬化性樹脂、または熱硬化性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か、または所望により硬化温度よりもやや低い温度で熱処理して半硬化させることにより作製される。
【００１３】
そして、絶縁シートへのビアホールおよび空隙部の形成は、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。
【００１４】
なお、絶縁シートを形成する熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、熱硬化型ポリフェニレンエーテル樹脂等が挙げられるが、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型ポリフェニレンエーテル樹脂が最も好適である。
【００１５】
また、上記の絶縁シート１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、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＢａＴｉＯ₃、ＳｒＴｉＯ₃、ゼオライト、ＣａＴｉＯ₃、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。
【００１６】
これらの中でもパンチング又はレーザー等により加工の容易性の点で、一般にガラス織布またはガラス不織布に樹脂が含浸されたプリプレグが最も好適に用いられる。
【００１７】
導体ペーストを調製する場合、Ｃｕ、Ａｇなどの低融点金属を含有するが、この金属粉末は、平均粒径が０．５〜５０μｍであることが望ましく、金属粉末の平均粒径が０．５μｍよりも小さいと金属粉末同士の接触抵抗が増加してビアホール導体の抵抗が高くなる傾向にあり、５０μｍを越えるとビアホール導体の低抵抗化が難しくなる傾向にある。
【００１８】
また、導体ペースト中には、金属粉末に結合用有機樹脂や溶剤を添加混合して調製される。ペースト中に添加される溶剤としては、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。
【００１９】
導体ペースト中の結合用有機樹脂としては、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、前記金属粉末同士を互いに接触させた状態で結合するとともに、金属粉末を絶縁シートに接着させる作用をなしている。
【００２０】
この有機樹脂は、金属ペースト中において、０．１乃至４０体積％、特に０．３乃至３０体積％の割合で含有されることが望ましい。これは、樹脂量が０．１体積％よりも少ないと、金属粉末同士を強固に結合することが難しく、低抵抗金属を絶縁層に強固に接着させることが困難となり、逆に４０体積％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、ビアホール導体の抵抗が大きくなるためである。
【００２１】
また、この導体ペースト中には、コンデンサ素子の電極との接着性を高める上で、Ｐｂ−Ｓｎなどの半田を５〜６０重量％の割合で含有させることが望ましい。
【００２２】
次に、図１（ｂ）に示すように、絶縁シート１の表面あるいは裏面に適宜、配線回路層３を形成する。配線回路層３の形成は、１）絶縁シート１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）絶縁シート１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回路パターンを絶縁シート１表面に転写させる方法等が挙げられる。この時、コンデンサ素子の電極と接続されるビアホール導体２に対しては、配線回路層を形成しないか、または前記低融点金属を含む接続用パッドを設けてもよい。
【００２３】
配線回路層３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種以上の合金からなることが望ましく、特に、銅、または銅を含む合金が最も望ましい。また、場合によっては、導体組成物として回路の抵抗調整のためにＮｉ−Ｃｒ合金などの高抵抗の金属を混合、または合金化してもよい。さらには、配線回路層の低抵抗化のために、前記低抵抗金属よりも低融点の金属、例えば、半田、錫などの低融点金属を導体組成物中の金属成分中に２〜２０重量％の割合で含んでもよい。
【００２４】
一方、配線基板内に内蔵させるコンデンサ素子は、その表面に少なくとも１対の電極を有するものであり、例えば、端部に１対の電極が形成された一般的な積層セラミックコンデンサや、複数の正電極と、複数の負電極を具備する積層コンデンサなどが挙げられる。
【００２５】
本発明によれば、図１（ｃ）に示すように、コンデンサ素子４の電極以外の表面に熱可塑性樹脂５を被覆する。熱可塑性樹脂５を被覆する方法としては、例えば、コンデンサ素子４の表面に熱可塑性樹脂５を溶媒に溶かした溶液中にコンデンサ素子を浸漬後、引き上げるか、または溶液をコンデンサ素子の電極以外の表面に塗布した後、加熱、乾燥させて溶媒を除去することによって、コンデンサ素子表面に樹脂の被覆層を形成することができる。
【００２６】
この時に用いる熱可塑性樹脂５としては、ガラス転移点が１００℃以下、特に７０℃以下であることが重要である。これは、ガラス転移点が１００℃よりも高いと、樹脂の剛性が高くなり、応力を緩和する効果が低くなってしまう。しかも樹脂自体が熱劣化しやすく、衝撃に弱くなるために接着力も低下するためである。
【００２７】
用いられる熱可塑性樹脂としては、ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂およびポリウレタン系樹脂のうちの１種または２種以上を組み合わせて使用する。これらは、絶縁層として、熱硬化性ポリフェニレンエーテル樹脂を用いた場合、密着性を高める上で望ましい。なお、この樹脂による被覆層は、コンデンサ素子の電極以外の表面に形成することが必要である。上記のように樹脂をコンデンサ素子の全表面に形成した場合、電極表面に形成された被覆層は、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り取り除くことができる。
【００２８】
また、コンデンサ素子の表面の樹脂による被覆層の厚みは、応力を吸収させる作用を発揮させるためには５〜１５０μｍ、特に３０〜８０μｍであることが望ましい。
【００２９】
なお、かかる実施態様におけるコンデンサ素子４は、図３に示すように、誘電体層と内部電極（図示せず）とが交互に積層された積層型コンデンサからなるコンデンサ本体４ａに対して、その角部および辺部に、４つの正電極６ａと４つの負電極６ｂとが形成されたものである。
【００３０】
そして、図１（ｄ）に示すように、複数の絶縁シートのうち、絶縁シート７にコンデンサ素子４を内蔵するための空隙部１０を形成した後、その空隙部１０にコンデンサ素子４を収納した後、他の絶縁シート１、８、９とともに積層する。そして、コンデンサ素子４の電極６と、絶縁シート１、９におけるビアホール導体２の端面とが当接するように位置合わせする。
【００３１】
その後、上記のようにして作製された積層物を絶縁シート１中の熱硬化性樹脂５の硬化温度以上に加熱することにより、絶縁シート１、７、８、９を完全硬化させる。
【００３２】
その結果、図１（ｅ）に示すように、コンデンサ素子４を多層配線基板Ａ内部の密閉された空隙１１中に収納搭載され、空隙１１内においてビアホール導体２と電気的に接続されたコンデンサ素子を搭載した多層配線基板を作製することができる。
【００３３】
本発明によれば、かかる方法によって形成されるコンデンサ素子内蔵配線基板によれば、コンデンサ素子４の表面には、ガラス転移点が１００℃以下の熱可塑性樹脂からなる被覆層が形成されていると、例えば、室温から１２５℃の温度での熱サイクルが印加された場合において、コンデンサ素子４の熱膨張係数と絶縁層１との熱膨張差によって応力が発生した場合においても、熱可塑性樹脂５が塑性変形するためにその応力を吸収緩和する結果、発生した応力によってコンデンサ素子４が破損したり、ビアホール導体２との接続性が損なわれることがない。
【００３４】
しかも、熱可塑性樹脂５はコンデンサ素子４の上下および左右の絶縁層との間に存在し、両者を強固に接着しているために、コンデンサ素子４を配線基板の内部に安定して内蔵することができる。
【００３５】
なお、本発明によれば、上記の方法を発展させて、あらゆる形態のコンデンサ素子を内蔵した配線基板を作製することができ、例えば、多層配線基板内の同一層内、あるいは異なる層に、複数の空隙部を形成してそれぞれ樹脂を被覆した複数のコンデンサ素子を収納搭載させることができる。
【００３６】
このように、本発明によれば、配線基板の内部に、単一のみならず、複数のコンデンサ素子を容易に内蔵することができるために、配線基板の小型化と、コンデンサ素子の実装密度を高めることのできるコンデンサ素子内蔵配線基板を提供できる。しかも、本発明の製造方法によれば、コンデンサ素子の配線基板への接続と、多層配線基板との製造を同時に行うことができる結果、製造工程の簡略化が可能であり、製造の歩留りを高め、コストの低減を図ることができる。
【００３７】
【実施例】
（１）Ａ−ＰＰＥ（熱硬化型ポリフェニレンエーテル）樹脂（硬化温度＝２００℃）５５体積％、ガラス織布４５体積％のプリプレグを準備した。このプリプレグに炭酸ガスレーザで直径１００μｍのビアホールを形成し、ビアホール内に表面に銀をメッキした平均粒径が５μｍの銅粉末を含む導電性ペーストを充填した。また、同じくプリプレグの一部に炭酸ガスレーザーによるトレパン加工により収納するセラミックコンデンサ素子の大きさ（１．６ｍｍ×１．６ｍｍ）よりもわずかに大きい縦１．６５ｍｍ×横１．６５ｍｍの空隙部を作製した。
（２）一方、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂からなる転写シートの表面に接着剤を塗布し、厚さ１２μｍ、表面粗さ０．８μｍの銅箔を一面に接着した。そして、フォトレジスト（ドライフィルム）を塗布し露光現像を行った後、これを塩化第二鉄溶液中に浸漬して非パターン部をエッチング除去して配線回路層を形成した。なお、作製した配線回路層は、線幅が２０μｍ、配線と配線との間隔が２０μｍの微細なパターンである。
（３）そして、（１）で作製した絶縁シートａの表面に、転写シートの配線回路層側を絶縁シートａに５０ｋｇ／ｃｍ²の圧力で圧着した後、転写シートを剥がして、配線回路層を絶縁シートａに転写させた。
（４）次に、コンデンサ素子表面に樹脂からなる被覆層を形成させた。表１に示す種々の熱可塑性樹脂をグリコールエーテルからなる溶媒で１０体積％に希釈した溶液を作製し、この溶液中にコンデンサ素子を浸漬、引き上げ後、１５０℃で１０分の熱処理を行い、溶媒を除去した。これを所望により数回繰り返して被覆層の厚みを調整した。また、コンデンサ素子のビアホール導体と接続する電極表面の樹脂をエキシマレーザを照射することにより除去した。
（５）次に、上記樹脂を被覆したコンデンサ素子の電極がビアホール導体が電極に接するように位置合わせし、キャビティに設置し、さらに絶縁シートを積層した。
（６）そして、この積層物を２００℃で１時間加熱して完全硬化させて多層配線基板を作製した。なお、加熱によるＡ−ＰＰＥとポリエステル系樹脂の流動で絶縁シートの空隙部が収縮して絶縁層とコンデンサ素子とが密着し、コンデンサ素子と絶縁層との隙間はほとんどなくなっていた。
【００３８】
また、得られた多層配線基板に対して、−５５℃〜１２５℃の熱サイクル１０００回の試験を施し、試験後の多層配線基板に対して、コンデンサ素子と配線基板における配線層との接続抵抗を測定し、抵抗変化率が初期抵抗の１０％以下のものを合格品としてその合格率を表１に示した。
【００３９】
また、半田リフロー試験では、２６０℃で３０秒間保持した後、試験後の多層配線基板に対して、接続抵抗を測定し、抵抗変化率が初期抵抗の１０％以下のものを合格品としてその合格率を表１に示した。
【００４０】
【表１】

【００４１】
表１のように、また、樹脂層を形成しなかった試料Ｎｏ．１では、熱サイクル試験や半田リフロー試験で合格品が得られなかった。また、熱可塑性樹脂からなる被覆層を形成した場合、その樹脂のガラス転移点が１００℃よりも高い試料Ｎｏ．２、また、被覆する樹脂がエポキシ樹脂（熱硬化性樹脂）の試料Ｎｏ．１０場合では、熱サイクル試験および半田リフロー試験で１０％以上の不合格品が発生した。
【００４２】
なお、所定の熱可塑性樹脂の被覆層を形成した本発明のコンデンサ素子内蔵配線基板は、断面における配線回路層やビアホール導体の形成付近を観察した結果、コンデンサ素子とビアホール導体とはビアホール導体中の低融点金属の溶融によって良好な接続状態であり、各配線間の導通テストを行った結果、配線の断線も認められなかった。また、コンデンサ素子の容量変化はなく何ら問題はなかった。熱サイクル試験や半田リフロー試験後においてもコンデンサ素子の容量変化もなく、何ら問題はなかった。
【００４３】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明によれば、配線基板の内部に、単一あるいは複数のコンデンサ素子を容易に内蔵することができるために、配線基板の小型化と、コンデンサ素子の実装密度を高めることのできるコンデンサ素子内蔵配線基板を提供できる。しかも、本発明によれば、低ガラス転移点の熱可塑性樹脂に覆われたコンデンサ素子を用いることにより、熱サイクルや半田リフロー等によって配線基板に熱サイクルが付加された場合においても、コンデンサ素子の配線層との接続信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のコンデンサ素子内蔵配線基板の製造方法を説明するための工程図である。
【図２】本発明のコンデンサ素子内蔵配線基板の概略断面図を示す図である。
【図３】図１、図２において使用されるコンデンサ素子の概略斜視図である。
【符号の説明】
１，７，８，９絶縁シート
２ビアホール導体
３配線回路層
４コンデンサ素子
５熱可塑性樹脂被膜
６電極
１０，１１空隙
Ａ多層配線基板

Claims

少なくとも熱硬化性樹脂を含む複数の絶縁層を積層してなる絶縁基板と、該絶縁基板の表面および内部に形成された配線回路層と、金属粉末が充填されてなるビアホール導体とを具備する配線基板の内部に、少なくとも１対の電極を具備するコンデンサ素子を内蔵したコンデンサ素子内蔵配線基板において、
前記コンデンサ素子の電極が前記ビアホール導体と半田によって直接的に電気的に接続されているとともに、前記コンデンサ素子の前記電極以外の表面をガラス転移点が１００℃以下の熱可塑性樹脂で被覆してなることを特徴とするコンデンサ素子内蔵配線基板。
前記熱可塑性樹脂による被覆層の厚みが５〜１５０μｍであることを特徴とする請求項１記載のコンデンサ素子内蔵配線基板。
前記絶縁層がＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）樹脂を含有することを特徴とする請求項１記載のコンデンサ素子内蔵配線基板。
前記熱可塑性樹脂がポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂又はポリウレタン系樹脂の群から選ばれる少なくとも１種からなることを特徴とする請求項１記載のコンデンサ素子内蔵配線基板。