JP3927562B2

JP3927562B2 - コンデンサを内蔵した基板の製造方法

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Publication number: JP3927562B2
Application number: JP2004182453A
Authority: JP
Inventors: 隆楫野; 正美佐々木; 由美子尾崎
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2003-06-27
Filing date: 2004-06-21
Publication date: 2007-06-13
Anticipated expiration: 2024-06-21
Also published as: JP2005039234A

Description

本発明は、コンデンサを内蔵した基板の製造方法に係り、特に大容量でかつ信頼性の高い基板内蔵コンデンサを量産性よく製造する技術に関する。

携帯電話機やノートブックパソコンのような電子機器の小型・薄型化、多機能・高性能化の進展に伴い、これらに使用するプリント配線板を多層化し、基板内部にコンデンサやインダクタ、抵抗等の機能素子を内蔵させた各種の基板構造が提案されている。

例えば大容量のコンデンサは、従来、基板表面に表面実装部品として搭載されることが多かったが、近年の高密度実装化の要請から、基板内部への実装が望まれている。このような基板内蔵型のコンデンサを作るには、一般に、図６に示すように基板１の上にまず下部電極２を形成し（同図（ａ））、これに樹脂付き銅箔３をラミネートした後、樹脂付き銅箔表面の銅箔３ａをウエットエッチングにより選択的に除去して上部電極３ａを形成していた。

また、このような樹脂付き銅箔を使用して多層基板を製造する方法を開示するものとして下記特許文献がある。

特開平１１−２６６０８０号公報

特開２００１−１７７２４１号公報

ところで、従来の基板内蔵コンデンサの形成方法には、次のような問題があり、薄型大容量でかつ信頼性の高いコンデンサを基板内に作り込むことは困難であった。

まず、樹脂付き銅箔を使用した上記方法では、上部電極をエッチング法で形成するためにエッチング液が基板に残留しやすく、これにより基板の信頼性を低下させることがある点である。また、樹脂付き銅箔は、樹脂との密着性を確保するため、銅箔の少なくとも一面を粗面（凹凸）化してこの面に樹脂層を形成しているから、これにより薄い絶縁層を形成しようとすると容量の公差が大きくなり、また信頼性が低下する。絶縁層（樹脂層）を薄くするほど、かかる銅箔の凹凸の影響が無視できないものとなり、絶縁層厚がばらつき、また凸部への電界集中によって絶縁耐電圧が低下することとなるからである。このため、樹脂付き銅箔を使用する従来の工法では、大容量でかつ信頼性の高いコンデンサを形成することは難しかった。

さらに、電極を構成する銅が樹脂層へ拡散してマイグレーションが生じ、ＩＲ不良が生じる問題もある。特にコンデンサの高容量化のため樹脂層を薄くした場合には、絶縁劣化や短絡が生じやすくなり、この点でもコンデンサを大容量化すると同時にその品質・信頼性を確保することは容易ではない。

他方、前記特許文献は、いずれもこのような基板内コンデンサを作成する上での問題を解決する方法を提示するものではない。

そこで本発明の目的は、基板内部に薄く大容量でかつ信頼性の高いコンデンサを量産性よく作成することにある。

前記目的を達成して課題を解決するため、本発明に係る第一のコンデンサ内蔵基板の製造方法は、コンデンサの一方の電極となる第一の導体パターンを第一の転写用基板の表面に形成する工程と、該第一の導体パターンを覆うようにバリア層を形成する工程と、コンデンサの他方の電極となる第二の導体パターンを第二の転写用基板の表面に形成する工程と、該第二の導体パターンを覆うようにバリア層を形成する工程と、前記バリア層で覆われた第一の導体パターンおよび第二の導体パターンのうちのいずれか一方の上にさらに誘電体層を配する工程と、前記バリア層で覆われた第一の導体パターンと第二の導体パターンとが該誘電体層を介して対向するように、前記第一の転写用基板と第二の転写用基板とを重ねてプレスし、これによりコンデンサを備えた基板構成材を形成する工程と、該第一および第二の転写用基板を剥離する工程と、該転写用基板を剥離した各剥離面に存在するバリア層を除去する工程とを含む。

誘電体層を形成するには、樹脂にフィラーを混入して形成した誘電体シートを使用することが望ましい。かかる複合材料を使用すれば、高誘電率の誘電体層を備えた大容量のコンデンサを形成することが可能となるからである。また、このような誘電体シートを使用して誘電体層を形成する前記工程は、真空下で当該シートをラミネートすることにより行うことが好ましい。誘電体シートと絶縁材および導体パターンとの密着性を高め、それらの間の空気を排除してボイドの発生を抑制するためである。したがって、かかる真空ラミネートを行う工程での真空度は高い（より気圧の低い減圧状態）ほど望ましいが、完全な真空でなくてもボイド発生を抑制する効果は得られるから、本発明に云う真空とは、１×１０⁴Ｐａ以下の減圧状態を含むものである。

かかる第一の基板製造方法では、コンデンサの電極がバリア層で覆われるから、誘電体層内に導体パターンの金属がイオン化して拡散することを防ぐことができ、マイグレーションの発生を防止することが可能となる。特に、大容量のコンデンサを形成するため誘電体層を薄く形成した場合であっても、絶縁劣化や短絡事故が生じ難くなり、この点で基板の信頼性を向上させることが出来る。

さらに、本発明に係る第二のコンデンサ内蔵基板の製造方法は、コンデンサの一方の電極となる第一の導体パターンを第一の転写用基板の表面に形成する工程と、該第一の導体パターンを覆うようにバリア層を形成する工程と、コンデンサの他方の電極となる第二の導体パターンを第二の転写用基板の表面に形成する工程と、該第二の導体パターンを覆うようにバリア層を形成する工程と、前記バリア層で覆われた第一の導体パターンおよび第二の導体パターンのうちのいずれか一方の上にさらに誘電体層を配する工程と、前記バリア層で覆われた第一の導体パターンと第二の導体パターンとが該誘電体層を介して対向するように、前記第一の転写用基板と第二の転写用基板とを重ねてプレスし、これによりコンデンサを備えた基板構成材を形成する工程と、該第一の転写用基板および第二の転写用基板のうちのいずれか一方を剥離する工程と、該転写用基板を剥離した剥離面に存在するバリア層を除去する工程と、該バリア層を除去した前記基板構成材を、プリプレグを介在させて別の基板構成材とプレスして一体化する工程と、前記第一の転写用基板および第二の転写用基板のうちの他方を剥離する工程と、該転写用基板を剥離した剥離面に存在するバリア層を除去する工程とを含む。

誘電体層を非常に薄くしてコンデンサを含む基板構成材を形成した場合には、それに応じて当該基板構成材の機械的な強度は低下せざるを得ず、製造工程での取り扱いが難しくなり勝ちである。これに対し、上記本発明の第二の製造方法では、一方の転写用基板のみを剥離し、他方の転写用基板に当該コンデンサを含む基板構成材を支持させたまま別の基板構成材をプレスして一体化するから、極めて薄い誘電体層を備えたコンデンサを形成する場合であっても、当該コンデンサを含む基板構成材単独での取り扱いの困難性を回避することが出来る。したがって、このような薄い誘電体層を備えた大容量のコンデンサを含む基板の製造を容易に行うことができ、その量産性を向上させることが可能となる。

かかる第二の基板製造方法においても、誘電体層を配する工程を、樹脂にフィラーを混入して形成した誘電体シートを真空ラミネートすることにより行うことが望ましいことは前記第一の製造方法と同様である。

本発明によれば、基板内部に薄く大容量でかつ信頼性の高いコンデンサを量産性よく作成することが出来る。本発明の他の目的、特徴および利点は、以下の本発明の実施の形態および実施例の説明により明らかにする。

以下、添付図面の図１から図３を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。尚、図中、同一の符号は、同一又は相当部分を示す。

図１Ａ〜図１Ｂは、本発明の前提となる参考例に係るコンデンサ内蔵基板の製造方法を示す工程図である。同図に示すようにこの製造方法では、まず、転写用基板１１にコンデンサの一方の電極となる導体パターン１２を形成する（同図（ａ））。転写用基板１１としては、例えばＳＵＳ板を使用することができ、この表面に例えばパターンめっき法により導体パターン１２を形成する。

この導体パターン１２を絶縁材１３に対してプレスし（同図（ｂ））、転写用基板１１を剥離することにより導体パターン１２が絶縁材１３に埋設されるように転写する（同図（ｃ））。絶縁材１３としては、例えばガラスクロスにビニルベンジルエーテル化合物樹脂（ＶＢ）を含浸させたプリプレグを使用することが出来る。ビニルベンジルエーテル樹脂はＳＵＳ板との剥離性が良好であり、かかる樹脂プリプレグを使用すれば歩留が良好となる。

また、同様にして図１Ｂに示すようにコンデンサのもう一方の電極となる導体パターン２２を転写用基板２１に形成し（同図（ａ１））、この導体パターン２２を上記転写法により埋設状態に別の絶縁材２３に転写する（同図（ｂ１））。

そして、電極導体１２，２２を転写形成したかかる絶縁材１３，２３のうちのいずれか一方の表面に誘電体層１４ａを形成する。誘電体層１４ａの形成は、誘電体材料１４ａをキャリアフィルム１４ｂに支持したシート材１４を真空ラミネートし（図１Ａ（ｄ））、キャリアフィルム１４ｂを剥離する（同図（ｅ））ことにより行う。真空下でラミネートすることで、誘電体層１４ａと電極導体１２および絶縁層１３との間の密着性を高め、それらの間の空気を排除してボイドの発生を防ぐことが出来る。

誘電体層１４ａを形成するシート材１４としては、例えばＰＥＴフィルムの一面に、Ｂステージの樹脂層を形成し一体化したシート材を使用することが可能である。誘電体材料１４ａとしては、ビニルベンジルエーテル化合物樹脂（ＶＢ）に無機フィラー（高誘電率の材料粉末）を適宜混入して誘電率を向上させた複合材料を使用することが出来る。

キャリアフィルム１４ｂの剥離後、電極導体２２を転写したもう一方の絶縁材２３を、導体埋設面を誘電体層１４ａに向けかつ電極１２，２２同士を位置合わせして前記絶縁材１３に重ね、真空プレスしてこれらを一体化することによりコンデンサを形成する（同図（ｆ）、（ｇ））。尚、この工程もボイドの発生を防ぐため、真空下でプレスを行うことが望ましい。以降は、公知の手法、例えばプリプレグを接着シートとして基板材料を適宜積層していくことでコンデンサを内蔵した多層基板を形成することが可能である。

〔第一の実施形態〕図２Ａ〜２Ｃは、本発明の第一の実施形態に係るコンデンサ内蔵基板の製造方法を示す工程図である。図に示すようにこの製造方法では、まず、転写用基板３１（例えばＳＵＳ板）にコンデンサの一方の電極となる導体パターン３２を例えばパターンめっき法により形成し（同図（ａ））、導体パターン３２を覆うようにバリア層３３を設ける（同図（ｂ））。バリア層３３を設けるのは、後の工程で形成する誘電体層３４ａの中に導体パターン３２（コンデンサ電極）を構成する金属が拡散して絶縁不良を起すことを防止するためである。

バリア層３３の形成は、例えばスパッタや蒸着法等の薄膜工法を使用して行うことが出来る。また、バリア層を形成する材料としては、例えばＴｉ、ＴｉＮ、Ｔａ、ＴａＮ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ等を用いることが出来る。さらに図２Ｂに示すように、図２Ａ（ａ）〜（ｂ）と同様にして、コンデンサの他方の電極となる導体パターン４２を転写用基板４１の上に形成し（同図（ａ１））、誘電体層への金属拡散を防ぐためにこの導体パターン４２に対してもバリア層４３を設けておく（同図（ａ２））。

バリア層３３の形成後、その上に誘電体層３４ａを形成する。この誘電体層３４ａの形成方法は、前記参考例で説明したのと同様であり、誘電体材料３４ａ（例えばビニルベンジルエーテルにフィラーを混入した複合材料）をキャリアフィルム３４ｂに支持したシート材３４を真空ラミネートし（図２Ａ（ｃ））、キャリアフィルム３４ｂを剥離する（同図（ｄ））ことにより行えば良い。

そして、転写用基板３１，４１の上に形成したバリア層３３，４３を備える両導体パターン３２，４２を対向させるように配置し（図２Ｃ（ｅ））、両転写用基板３１，４１を位置合わせした後、重ね合わせて誘電体層３４ａに他方の導体パターン４２をプレスして一体化し、コンデンサを形成する（同図（ｆ））。

その後、両転写用基板３１，４１を剥離し（同図（ｇ））、電極配置領域以外の領域に残ったバリア層３３ａ，４３ａを除去する（同図（ｈ））。この余分なバリア層３３ａ，４３ａの除去は、例えばドライエッチングにより行えば良い。以降は、前記参考例と同様に、例えばプリプレグを接着シートとして基板材料を適宜積層していくことでコンデンサを内蔵した多層基板を形成する。

〔第二の実施形態〕図３は、本発明の第二の実施形態に係るコンデンサ内蔵基板の製造方法を示す工程図である。図に示すようにこの製造方法は、前記第一の実施形態（図２Ａ（ａ）〜図２Ｃ（ｆ））と同様にして、バリア層５３で覆われた導体パターン５２（コンデンサの一方の電極）と誘電体層５４ａとを表面に形成した転写用基板５１と、コンデンサの他方の電極を構成する導体パターン６２をバリア層６３とともに表面に形成した転写用基板６１とをプレスしてコンデンサを形成する（図３（ａ））。

その後、本実施形態では、一方の転写用基板６１だけを剥離することとし（図３（ｂ））、コンデンサを含む誘電体層５４ａを他方の転写用基板５１の上に支持したままとする。これは、以降の基板積層工程を容易に実施できるようにするためである。特に大容量のコンデンサを形成するため誘電体層５４ａをきわめて薄く形成する場合には、当該誘電体層５４ａの機械的強度が低下し、その取り扱いが難しくなる。これに対し、本実施形態の方法によれば、誘電体層５４ａが転写用基板５１に支持されているから、取り扱いが容易となり、生産性を向上させることが出来る。このために転写用基板の厚さは２０μｍ以上が好ましく、５０μｍ以上がさらに好ましい。材質は金属が好ましく、ステンレスが剛性、また転写時の剥離性を考慮すると最も好ましい。転写用基板上の導体パターン形成には、量産性および精度を考慮するとパターンめっき法が最も好ましいが、この場合、転写用基板に導電性を有する材質を用いると、シード層（下地導体層）形成工程が省略できるので好ましい。

一方の転写用基板６１を剥離した後、前記第一実施形態と同様にして余分なバリア層６３ａを除去し（同図（ｃ））、その上に接着シート７１（例えばガラスクロスにビニルベンジルエーテル化合物樹脂を含浸させたプリプレグ）を介在させて基板７２をプレスし積層する（同図（ｄ））。その後、他方の転写用基板５１を剥離し（同図（ｅ））、余分なバリア層５３ａを除去すれば良い（同図（ｆ））。

以下、本発明の実施例を説明する。

〔参考例〕
前記参考例に係る方法に基づいて次のようにコンデンサを作成した。

転写用基板１１，２１として厚さ０．１ｍｍのＳＵＳ３０４ＴＡ材を使用し、このＳＵＳ板上に電極（導体パターン１２，２２）をパターンめっき法により形成した。電極のサイズは、縦３ｍｍ、横４ｍｍ、厚さ２０μｍである。絶縁層１３，２３には、厚さ１５０μｍのビニルベンジルエーテル化合物樹脂製のガラスクロス入りプリプレグを使用した。また、誘電体層１４ａを形成するため、ビニルベンジルエーテル化合物樹脂（ＶＢ）にＢａＯ、ＴｉＯ₂およびＮｄ₂Ｏ₃からなる誘電体粉末を混入した複合材料を支持したＰＥＴフィルム１４を使用し、これを真空ラミネータにより絶縁材１３に真空ラミネートした。ＰＥＴフィルム１４の厚さは５０μｍである。また、複合材料における誘電体粉末の混入量は、体積パーセントにしてＶＢ樹脂に対し誘電体粉末が４０ｖｏｌ％である。誘電体層１４ａの膜厚として、１０μｍと２０μｍの２種類のものを作成した。

一方、比較対照として、前記ＰＥＴフィルム１４（誘電体材料１４ａ）を真空ラミネートすることなく高圧ラミネートしたものと、低圧ラミネートしたものとを作成した。高圧ラミネートは、ラミネータのゴムローラ間の圧力を通常より高く、また低圧ラミネートはゴムローラ間の圧力を低く設定することによりラミネートを行ったものである。尚、これら高圧および低圧ラミネートに係る対照例についても、誘電体層１４ａの膜厚が１０μｍと２０μｍの２種類のものをそれぞれ作成した。

ＰＥＴフィルム剥離後、前記参考例の基板、高圧ラミネートにより形成した基板、並びに低圧ラミネートにより形成した基板について、ＰＥＴフィルム１４を剥離した各剥離面（誘電体層１４ａの表面）を顕微鏡で観察した。その結果、高圧ラミネートしたものでは、数十μｍの大きなボイドが多数発生しているのが観察された。また、低圧ラミネートしたものでは、小さなボイドが散見された。これに対し、真空ラミネートした参考例の基板では、ボイドは観察されなかった。このように常圧下でラミネートした場合には、高圧ラミネートするほど誘電体層にピンホールが発生し易くなり、これが耐圧を低下させる原因ともなっている。

また、これらのコンデンサの耐圧（絶縁耐電圧）を測定する試験と、耐湿負荷試験とを行った。耐湿負荷試験は、温度８５℃、湿度８５％の環境下でコンデンサに電圧１０Ｖを印加した。各試験結果は、図４Ａ〜４Ｃ並びに図５Ａ〜５Ｂにそれぞれ示すとおりである。これらの図においては、前記高圧ラミネートしたものを「転写１」、低圧ラミネートしたものを「転写２」、真空ラミネートした参考例のものを「真空ラミネート」、バリア層を設けかつ真空ラミネートした実施例（これについては後に述べる）のものを「真空ラミネート＋バリアメタル」として示してある。

図４Ａ〜４Ｃから明らかなように、真空ラミネートした参考例のコンデンサ（図４Ｃ）は、膜厚１０μｍのもの並びに２０μｍのもの共にばらつきが少なく、良好な耐圧性が得られることがわかる。また、耐湿負荷試験結果を示す図５Ａ〜５Ｂから明らかなように、参考例および後述の実施例の方法により作成したコンデンサでは、長時間経過しても良品率の割合が低下せず、絶縁不良が生じ難いことがわかる。

前記第一の実施形態に係る方法に基づいて次のようにコンデンサ内蔵基板を作成した（実施例と称する）。

転写用基板３１，４１として厚さ０．１ｍｍのＳＵＳ３０４ＴＡ材を使用し、このＳＵＳ板上にピロリン酸銅めっきによって厚さ２μｍの電極パターン３２，４２を形成した。電極のサイズは、前記参考例と同一である。チタンからなるバリア層３３，４３を厚さ０．１μｍにスパッタリングで形成した。誘電体層３４ａの形成は、前記参考例と同一の複合材料を使用し、真空ラミネートにより行った。余分なバリアメタル（バリア層）３３ａ，４３ａの除去（図２Ｃ（ｇ）〜（ｈ））は、ＣＦ₄によるドライエッチングで行った。耐湿負荷試験の結果は、前記図５Ａ〜５Ｂに基づいて説明したとおりである。

以上、本発明の実施の形態並びに実施例について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で種々の変更を行うことができることは当業者にとって明らかである。

（ａ）から（ｇ）は、前提となる参考例に係るコンデンサ内蔵基板の製造方法の工程を順に示す断面図である。（ａ１）から（ｂ１）は、前記参考例に係るコンデンサ内蔵基板の製造方法の工程を順に示す断面図である。（ａ）から（ｄ）は、本発明の第一の実施形態に係るコンデンサ内蔵基板の製造方法の工程を順に示す断面図である。（ａ１）から（ｂ１）は、本発明の第一の実施形態に係るコンデンサ内蔵基板の製造方法の工程を順に示す断面図である。（ｅ）から（ｈ）は、本発明の第一の実施形態に係るコンデンサ内蔵基板の製造方法の工程を順に示す断面図である。（ａ）から（ｆ）は、本発明の第二の実施形態に係るコンデンサ内蔵基板の製造方法の工程を順に示す断面図である。高圧ラミネートした比較対照例に係るコンデンサの耐圧試験結果を示す線図であり、（ａ）は誘電体層の膜厚を１０μｍとした場合、（ｂ）は２０μｍとした場合である。低圧ラミネートした比較対照例に係るコンデンサの耐圧試験結果を示す線図であり、（ａ）は誘電体層の膜厚を１０μｍとした場合、（ｂ）は２０μｍとした場合である。参考例に係るコンデンサの耐圧試験結果を示す線図であり、（ａ）は誘電体層の膜厚を１０μｍとした場合、（ｂ）は２０μｍとした場合である。参考例（真空ラミネート）及び実施例（真空ラミネート＋バリアメタル）に係るコンデンサの耐湿負荷試験の結果を、比較対照例に係るコンデンサ（転写１：誘電体層を高圧ラミネートした場合と、転写２：低圧ラミネートした場合）とともに示す線図である（誘電体層が１０μｍの場合）。参考例（真空ラミネート）及び実施例（真空ラミネート＋バリアメタル）に係るコンデンサの耐湿負荷試験の結果を、比較対照例に係るコンデンサ（転写１：誘電体層を高圧ラミネートした場合と、転写２：低圧ラミネートした場合）とともに示す線図である（誘電体層が２０μｍの場合）。（ａ）から（ｃ）は、従来のコンデンサ内蔵基板の製造方法における工程を順に示す断面図である。

符号の説明

１１，２１，３１，４１，５１，６１転写用基板
１２，２２，３２，４２，５２，６２導体パターン（コンデンサ電極）
１３，２３絶縁材
１４誘電体材料を備えたシート
１４ａ，３４ａ，５４ａ誘電体層
１４ｂ，３４ｂキャリアフィルム
３３，４３，５３，６３バリア層
７１接着シート（プリプレグ）
７２基板

Claims

コンデンサの一方の電極となる第一の導体パターンを第一の転写用基板の表面に形成する工程と、
該第一の導体パターンを覆うようにバリア層を形成する工程と、
コンデンサの他方の電極となる第二の導体パターンを第二の転写用基板の表面に形成する工程と、
該第二の導体パターンを覆うようにバリア層を形成する工程と、
前記バリア層で覆われた第一の導体パターンおよび第二の導体パターンのうちのいずれか一方の上にさらに誘電体層を配する工程と、
前記バリア層で覆われた第一の導体パターンと第二の導体パターンとが該誘電体層を介して対向するように、前記第一の転写用基板と第二の転写用基板とを重ねてプレスし、これによりコンデンサを備えた基板構成材を形成する工程と、
該第一および第二の転写用基板を剥離する工程と、
該転写用基板を剥離した各剥離面に存在するバリア層を除去する工程と、
を含むことを特徴とするコンデンサ内蔵基板の製造方法。
コンデンサの一方の電極となる第一の導体パターンを第一の転写用基板の表面に形成する工程と、
該第一の導体パターンを覆うようにバリア層を形成する工程と、
コンデンサの他方の電極となる第二の導体パターンを第二の転写用基板の表面に形成する工程と、
該第二の導体パターンを覆うようにバリア層を形成する工程と、
前記バリア層で覆われた第一の導体パターンおよび第二の導体パターンのうちのいずれか一方の上にさらに誘電体層を配する工程と、
前記バリア層で覆われた第一の導体パターンと第二の導体パターンとが該誘電体層を介して対向するように、前記第一の転写用基板と第二の転写用基板とを重ねてプレスし、これによりコンデンサを備えた基板構成材を形成する工程と、
該第一の転写用基板および第二の転写用基板のうちのいずれか一方を剥離する工程と、
該転写用基板を剥離した剥離面に存在するバリア層を除去する工程と、
該バリア層を除去した前記基板構成材を、プリプレグを介在させて別の基板構成材とプレスして一体化する工程と、
前記第一の転写用基板および第二の転写用基板のうちの他方を剥離する工程と、
該転写用基板を剥離した剥離面に存在するバリア層を除去する工程と
を含むことを特徴とするコンデンサ内蔵基板の製造方法。
前記誘電体層を配する工程を、樹脂にフィラーを混入して形成した誘電体シートを真空ラミネートすることにより行う
請求項１または２に記載のコンデンサ内蔵基板の製造方法。