JP4476226B2 - 回路基板および回路基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子部品を搭載可能な回路基板に関する。より具体的には、本発明は、配線層間がビア導体で電気的に接続された回路基板に関する。

半導体素子などの電子部品が実装される回路基板は、回路装置の高密度化にともなって多層化が図られている。一般に、回路基板における配線層間は、絶縁層により電気的に絶縁され、所定位置において絶縁層を貫通するビア導体によって電気的に接続されている。

より具体的には、ガラス繊維にエポキシ樹脂を含浸させたガラスエポキシ基材を用いて、高密度な多層プリント基板を作製する際に、ＣＯ_２レーザを用いてブラインドビアの加工が行われてきた。特許文献１は、ビアが形成された回路基板の典型例を開示する。特許文献１に記載の回路基板では、樹脂層に強度を確保するためのガラス繊維が設けられ、ガラス繊維の一部がビアホールの側壁面から突出することにより、ビアホールに設けられためっき層とのアンカー構造を形成している。
特開２００４−２８８７９５号公報

従来の回路基板では、レーザ加工により、ビアホールの側壁部分においてガラス繊維の切断面あるいは端面が剥き出しの状態になっている。このようなガラス繊維がビアホールの側壁部分でビアホールの中心方向に向かって突出した状態で、ビアホールの側壁にめっき層が形成されると、ガラス繊維の切断面あるいは端面の部分でめっきが異常成長し、ガラス繊維の切断面あるいは端面の部分がビアホール内で突出してしまう。このようにめっきの異常成長が発生すると、フォトソルダーレジスト（ＰＳＲ）をビア内に十分に埋め込むことが困難になるため、ビア部分の接続信頼性が低下する。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ビアの側壁から突出したガラス繊維などの芯材の影響によるビア内のめっき層の形成異常を抑制し、ビアの接続信頼性の向上を図る技術の提供にある。

本発明のある態様は、回路基板である。当該回路基板は、複数の配線層と、複数の配線層間を電気的に絶縁する樹脂で形成され、芯材を含む絶縁層と、所定位置において絶縁層を貫通するビアホールに設けられ、複数の配線層間を電気的に接続するビア導体と、を備え、ビアホールの側壁の異なる箇所においてビアホール側に突出した芯材がビア導体内で互いに接合していることを特徴とする。ビア導体は、たとえば、銅めっき層である。芯材としては、ガラス繊維が好適である。ガラス繊維は、一定方向に配向した状態で延在しているため、ガラス繊維同士が接合すると、接合部分がＵ字状になる。この場合、めっき層をビアホールの側壁に被覆した状態では、Ｕ字状の接合部分がめっきに食い込んだ状態になる。この結果、銅めっきを引き剥がそうとする力が発生しても、ガラス繊維間の接合部分によるアンカー効果によって剥離が抑制される。また、樹脂は、ＢＴレジン系のエポキシ樹脂およびポリイミドからなる群より選ばれることが好適である。

これによれば、ビアホールの側壁から突出した複数のガラス繊維が互いに接合しているため、ガラス繊維がビア内に飛び出ることが抑制され、ビア導体の形成に異常が発生することが抑制される。また、ビア導体内でビア導体と接触するガラス繊維の表面積が増加するため、ビアの放熱性が向上する。また、ガラス繊維同士の接合部分がビア導体に取り囲まれて埋め込まれた状態になっているため、ビア導体を引き剥がそうとする力が発生しても、ガラス繊維間の接合部分によるアンカー効果によって剥離が抑制される。

本発明の他の態様は、配線層間を電気的に接続するビアを有する回路基板を製造する方法であって、芯材が埋め込まれた樹脂からなる絶縁層と、芯材が吸収可能な波長領域のレーザを絶縁層に照射してビアホールを形成するとともに、ビアホールの異なる箇所の側壁から突出した芯材を互いに接合する工程と、ビアホールの側壁にめっき層を形成して、互いに接合した芯材をめっき層により被覆して、絶縁層を介して配設された配線層間を電気的に接続する工程と、を備えることを特徴とする。ここで、「芯材が吸収可能な波長領域」とは、芯材の材質にもよるが、物体に吸収された光のエネルギが熱に変わり安い波長領域である赤外波長領域が好適である。芯材としては、ガラス繊維が好適である。ガラス繊維は、一定方向に配向した状態で延在しているため、ガラス繊維同士が接合すると、接合部分がＵ字状になる。この場合、めっき層をビアホールの側壁に被覆した状態では、Ｕ字状の接合部分がめっきに食い込んだ状態になる。この結果、銅めっきを引き剥がそうとする力が発生しても、ガラス繊維間の接合部分によるアンカー効果によって剥離が抑制される。レーザはＣＯ_２レーザが好適である。

これによれば、ビアホールの側壁から突出した複数のガラス繊維が互いに接合し、ガラス繊維がビア内に飛び出ることが抑制され、ビア導体の形成に異常が発生することが抑制された回路基板を製造することができる。また、ビア導体内でビア導体と接触するガラス繊維の表面積が増加するため、ビアの放熱性が向上した回路基板を製造することができる。また、ガラス繊維同士の接合部分がビア導体に取り囲まれて埋め込まれた状態になっているため、ビア導体を引き剥がそうとする力が発生しても、ガラス繊維間の接合部分によるアンカー効果によって剥離が抑制された回路基板を製造することができる。

本発明によれば、ビア内のめっき層の形成異常を抑制し、ビアの接続信頼性を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

（回路基板の構造）
図１は、実施形態に係る回路基板１０の構成を示す断面図である。回路基板１０は、第１の配線層２０、第２の配線層２２、絶縁層３０、ガラス繊維４０およびビア導体５０を備える。

第１の配線層２０および第２の配線層２２は、多層配線の一部を構成し、それぞれ所定の配線パターンを有する。第１の配線層２０および第２の配線層２２の材料は、特に限定されないが、たとえば銅などの金属が好適である。

絶縁層３０は、第１の配線層２０と第２の配線層２２との間に設けられている。絶縁層３０により、第１の配線層２０と第２の配線層２２との間が電気的に絶縁されている。絶縁層３０に用いられる材料としては、たとえば、ＢＴレジン系のエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂などの熱硬化型樹脂が挙げられる。絶縁層３０の層厚は、特に限定されないが、典型的には３５〜１２０μｍである。

絶縁層３０には、芯材として、繊維状のガラスで形成されたガラス繊維（ガラスクロス）４０が埋め込まれている。絶縁層３０にガラス繊維４０を埋め込むことにより、絶縁層３０の強度が増加するとともに、放熱性および耐熱性が向上する。本実施形態のガラス繊維４０は、図１に示すように、紙面横方向に延在するガラス繊維４０ａと、紙面鉛直方向に延在するガラス繊維４０ｂからなる。

ビア導体５０は、所定位置において絶縁層３０を貫通するビアホール６０に設けられている。本実施形態では、ビア導体５０は、ビアホール６０の側壁を被覆する状態で形成されている。ビアホール６０の側壁の異なる箇所においてビアホール６０側に突出したガラス繊維４０が互いに接合されている。ガラス繊維４０間を接合する接合部分は、ビア導体５０に埋め込まれている。互いに接合されるガラス繊維４０の本数は、少なくとも２本である。２本のガラス繊維が互いに接合されている場合には、図１に示すように、その接合部分はＵ字状となる。なお、図１では、ビアホール６０の深さ方向に並んだガラス繊維４０が互いに接合しているが、接合方向はこれに限られない。たとえば、図２に示すように、絶縁層３０の面方向にならんだガラス繊維４０が互いに接合していてもよい。

本実施形態の構造の回路基板によれば、ビアホールの側壁から突出した複数のガラス繊維が互いに接合しているため、ビアホールの側壁部分で切断面あるいは端面を有するガラス繊維がビアホール側に突出することによって発生するめっきの異常成長が抑制される。

また、ビアホールの側壁から突出した複数のガラス繊維が互いに接合しているため、めっき内でめっきと接触するガラス繊維の表面積が増加する。たとえば、ガラス繊維に使用される石英ガラスおよびソーダガラスの熱伝導率は、それぞれ、１．３８Ｗ／ｍＫ、１．０３Ｗ／ｍＫである。これに対して、絶縁層に用いられるエポキシ樹脂の熱伝導率は、０．３Ｗ／ｍＫである。このように、ガラス繊維は絶縁樹脂よりも熱伝導率が高いので、ビアの放熱性が向上する。

また、ビアホールの側壁から突出した複数のガラス繊維が互いに接合しているため、ガラス繊維同士の接合部分がめっきに取り囲まれて埋め込まれた状態になっている。たとえば、２本のガラス繊維が接合している場合には、Ｕ字状の接合部分がめっきに食い込んだ状態になる。この結果、銅めっきを引き剥がそうとする力が発生しても、ガラス繊維間の接合部分によるアンカー効果によって剥離が抑制される。

（回路基板の製造方法）
図３は、本実施形態に係る回路基板１０の製造方法を示す工程断面図である。まず、図３（Ａ）に示すように、第１の配線層２０、銅箔２２ａ、絶縁層３０からなる積層体を形成する。第１の配線層２０は、たとえば、フォトリソグラフィ法とエッチング法とを組み合わせた加工法により、厚さ３μｍの銅箔から所定の配線パターンを形成することにより得られる。ガラス繊維４０が予め充填された絶縁層３０に銅箔２２ａが貼付されている積層シートを第１の配線層２０の上に貼り付けることにより、図３（Ａ）に示す積層体が得られる。

次に、図３（Ｂ）に示すように、銅箔２２ａおよび絶縁層３０の所定位置にレーザ加工を施すことにより、ビアホール６０を形成する。より具体的には、ＲＦ励起のスラブ型ＣＯ_２レーザ（波長１０．６μｍ、パルス幅１５μｓｅｃ：以下、単にＣＯ_２レーザと呼ぶ）およびメタルマスクを用いた縮小投影型の光学系を用いて、直径１００μｍ程度までレーザビームを集光し、銅箔２２ａおよび絶縁層３０の所定位置に照射し、ビアホール６０を形成した。ビアホール６０の形成時に、ＣＯ_２レーザによって与えられたエネルギの典型値は５．８ｍＪである。

次に、パラジウムなどを触媒として用いた無電解銅めっき処理によって、ビアホール６０の側壁表面に数百ｎｍの膜厚の銅薄膜を析出させる。その後、硫酸銅溶液をめっき液とした電解銅めっきによって、ビア導体５０を形成した（図３（Ｃ）参照）。この電解銅めっきにより、銅箔２２ａの上に銅が堆積し、銅箔２２ａが所定の厚さまで厚膜化される。さらに、厚膜化した銅箔２２ａにフォトリソグラフィ法およびエッチング法を用いてパターニングを施すことにより、所定の配線パターンを有する第２の配線層２２（図１参照）が形成される。

図４および図５は、ＣＯ_２レーザ照射（パルス幅１５μｓｅｃ）によって形成されたビアホール６０のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真像である。図５の矢印Ａで示した部分では、ビアホール６０の側壁の異なる２カ所において、それぞれガラス繊維４０がビアホール６０側に突出し、これら２本のガラス繊維がＵ字状に相互に接続されている。また、図５の矢印Ｂで示した部分では、ビアホール６０の側壁の異なる３カ所において、それぞれガラス繊維４０がビアホール内に突出し、これら３本のガラス繊維が相互に接合されている。

ＣＯ_２レーザ照射によってビアホール側壁から突出したガラス繊維４０同士が接合するメカニズムは以下のように推測される。ＣＯ_２レーザの照射によって、絶縁層３０の温度が上昇し、絶縁層３０が溶融・気化することによってビアホール６０が形成される。ＣＯ_２レーザの照射方向と直交する方向の強度プロファイルはガウシアン分布をなしている。すなわち、ビアホール６０の側壁部分は、ビアホール６０の中心部分に比べて相対的にレーザ強度が低くなる。このため、ＣＯ_２レーザの照射エネルギが十分でない場合（たとえば、パルス幅が９μｓｅｃ）には、ガラス繊維４０よりも融点が低い絶縁層３０のみが先に溶融・蒸発し、ほとんど加工されていないガラス繊維４０がビアホール内に突出した状態が生じる。

これに対して、ＣＯ_２レーザのパルス幅を１５μｓｅｃに伸ばすと、ＣＯ_２レーザによって投入されるエネルギは、パルス幅が増加した分だけ単純に増加する。パルス幅が１５μｓｅｃのときに投入されるエネルギは、パルス幅が９μｓｅｃのときの１．６７倍になる。このように、過剰なエネルギが投入された結果、絶縁層３０の溶融・蒸発に使われたエネルギの残りがガラス繊維４０を溶融させ、近接している溶融したガラス繊維４０同士が表面張力によって接合すると推測される。

パルスエネルギをさらに大きくするために、パルス幅をさらに長くした場合には、ガラス繊維４０同士の接合は実現されるが、ビア周囲の銅箔に剥がれや変形等のダメージが見られた。また、絶縁層３０の後退量が大きくなるため、ガラス繊維４０の露出量が非常に大きくなり、銅めっきによってガラス繊維をカバーすることが困難になる。具体的には、ＣＯ_２レーザのパルス幅を１８μｓｅｃ以上にしてビア加工の実験を行ったところ、下層の配線層（図１の第１の配線層２０に相当）および銅箔（図３（Ａ）の銅箔２２ａ）に損傷が発生し、所望の回路基板を製造することが困難になることが見いだされている。

なお、プリント基板のビア加工を行う際にＵＶレーザが用いられることもあるが、ガラス繊維を構成するガラスはＵＶ光をほとんど吸収しない。このため、ＵＶレーザではガラス繊維を加工することができず、図１に示したようなガラス繊維同士が接合した構造を再現することが困難である。

本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。

たとえば、上述の実施の形態では、ビア導体は、ビアホールの側壁に沿って形成されているが、これに限られない。たとえばビア導体によってビアホールが埋め込まれていてもよい。これによれば、本発明を適用したビアを積層したスタックビアにより、多層配線のビルドアップが可能となる。

また、図１に例示されたガラス繊維４０では、個々のガラス繊維がばらけた状態で編み込まれているが、これに限られない。たとえば、ガラス繊維４０は、複数のガラス繊維が束になったガラス繊維群を編み込むことによって形成されていてもよい。この場合には、ビアホールの側壁の異なる箇所においてビアホール側に突出したガラス繊維群同士を互いに接合させることにより、個々のガラス繊維同士が接合したときと同様な効果を得ることができる。

実施形態に係る回路基板を示す断面図である。 ビアホール側壁部分でのガラス繊維の接合形態を示す図である。 本実施形態に係る回路基板の製造方法を示す工程断面図である。 ＣＯ_２レーザ照射によって形成されたビアホールの全体的な構造を示すＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真像（倍率１０００倍）である。 ＣＯ_２レーザ照射によって形成されたビアホールの側壁部分の構造を示すＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真像（倍率３０００倍）である。

符号の説明

１ 回路基板、２０ 第１の配線層、２２ 第２の配線層、３０ 絶縁層、４０ ガラス繊維、５０ ビア導体、６０ ビアホール。

Claims (4)

1. 複数の配線層と、
   前記複数の配線層間を電気的に絶縁する樹脂で形成され、複数の芯材を含む絶縁層と、
   所定位置において前記絶縁層を貫通するビアホールに設けられ、前記複数の配線層間を電気的に接続するビア導体と、
   を備え、
   前記ビアホールの側壁において、前記複数の芯材が前記ビアホールの側壁から前記ビアホール側に突出しており、前記突出した複数の芯材が前記ビア導体内で互いにＵ字状に接合していることを特徴とする回路基板。
2. 前記複数の芯材がガラス繊維であることを特徴とする請求項１に記載の回路基板。
3. 配線層間を電気的に接続するビアを有する回路基板を製造する方法であって、
   複数の芯材が埋め込まれた樹脂からなる絶縁層と、
   前記複数の芯材が吸収可能な波長領域のレーザを前記絶縁層に照射して、ビアホールを形成するとともに、前記ビアホールの側壁から突出した前記複数の芯材の前記突出した部分をＵ字状に互いに接合する工程と、
   前記ビアホールの側壁にめっき層を形成し、互いに接合した芯材をめっき層により被覆して、前記絶縁層を介して配設された配線層間を接続する工程と、
   を備えることを特徴とする回路基板の製造方法。
4. 前記複数の芯材がガラス繊維であることを特徴とする請求項３に記載の回路基板の製造方法。