JP4483981B2 - 層間接続用導電体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、配線層と絶縁層とが交互に積層された多層プリント基板において、隣接する配線層を層間接続するために、絶縁層内のスルーホールに配置される導電体の製造方法に関する。

従来の多層プリント配線基板においては、例えば特許文献１に記載されるように、絶縁層としての樹脂フィルムに形成されたビアホール内に、導電性の金属粒子に導電性のフィラーや樹脂粒子を添加したものを溶剤に混合させて攪拌した導電ペーストを充填し、この導電ペーストを用いて隣接する配線層（回路パターン層）の層間接続を行なっていた。

ただし、導電ペーストをビアホールに充填するときに、導電ペーストがビアホール以外の樹脂フィルムの表面に付着しないようにするために、ビアホールの導電ペースト充填入口側となる樹脂フィルムの表面に保護フィルムを貼着していた。このように保護フィルムを貼着した樹脂フィルムにビアホールを形成するために、例えば保護フィルム側からレーザ光を照射していた。このレーザ光の照射により、樹脂フィルムの保護フィルムの貼着面とは反対側の面に形成された回路パターン層を底面とする有底孔が形成される。この有底孔をビアホールとして、当該ビアホール内に導電ペーストを充填する。そして、導電ペーストの充填後、保護フィルムを樹脂フィルムから剥離して、ビアホールに導電ペーストが充填された樹脂フィルムを得ていた。
特開２００１−２４３２３号公報

従来のように、保護フィルムを用いてビアホールに導電ペーストを充填する場合、まず、レーザ加工などによって、保護フィルム及び樹脂フィルムに、ビアホールとなる有底孔を形成する必要がある。この有底孔の形成時には、必ず加工屑が発生する。その加工屑が保護フィルムの表面に付着していると、ビアホール内への導電ペーストの充填時に、その加工屑が導電ペースト中に取り込まれる可能性が生じる。このような加工屑がビアホールに充填された導電ペースト中に混入していると、層間接続の信頼性を低下させる要因となる。

また、保護フィルムを剥離する時に、導電ペーストの崩壊や導電ペーストの樹脂フィルム上への落下が起こる可能性もある。このような場合には、層間接続の接続信頼性が低下したり、短絡不良などの不具合が生じたりすることが考えられる。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、多層プリント基板において、層間接続の接続信頼性を向上することが可能な層間接続用導電体の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の層間接続用導電体の製造方法は、配線層と絶縁層とが交互に積層された多層プリント基板において、隣接する配線層を層間接続するために、絶縁層内のスルーホールに配置される導電体を製造する方法であって、
一面が、形成すべき導電体形状に応じた溝部を有する型部材からなり、その型部材の対向面が、型部材に対して相対的に移動可能な移動部材からなる閉空間に、銀粒子と錫粒子との混合粉体を充填する充填工程と、
移動部材を型部材に接近するように相対的に移動させて、閉空間に充填された混合粉体を加圧し、型部材の溝部に押し込む加圧工程と、
加圧工程後に、型部材の溝部に入りきらず型部材表面上に残された混合粉体を、型部材の溝部に押し込まれた混合粉体から切り離すべく、型部材と移動部材との間において閉空間を構成する側面部材を、型部材表面上に残された混合粉体と共に型部材上を摺動させる切離工程と、
型部材の溝部から、当該溝部に応じた形状の混合粉体からなる導電体を取り外す取外工程と、を備えることを特徴とする。

請求項１に記載の発明では、従来のように樹脂フィルム（絶縁層）のビアホールに導電ペーストを充填することなく、隣接する配線層を層間接続することができるように、予め、絶縁層のビアホールの形状に対応した導電体を作製する。このように作製された導電体は、絶縁層の各ビアホール内に１個ずつ配置される。従って、加工屑が導電体中に混入する虞はない。また、保護フィルムを用いることなく絶縁層のビアホール内に導電体を配することができるので、保護フィルムの剥離時の導電ペーストの崩壊なども生じない。このような理由から、予めビアホールの形状に対応した導電体を用いることにより、層間接続の信頼性が低下することを抑制することができる。

そして、請求項１に記載の層間接続用導電体の製造方法では、移動部材を型部材に接近するように相対的に移動させることにより、混合粉体を加圧して、型部材の溝部に押し込む。このため、混合粉体が緻密に一体化され、導電体がビアホールに配置されたときの電気導電性を向上することができる。

ただし、移動部材は、閉空間に充填された混合粉体全体を加圧するので、溝部内に押し込まれた混合粉体は、型部材の表面上に残されている混合粉体とも一体化してしまう。このため、ビアホールの形状に対応した所望の形状の導電体を得るためには、型部材の溝部に入りきらず型部材表面上に残された混合粉体を、型部材の溝部に押し込まれた混合粉体から切り離す必要がある。この点、請求項１に記載の発明では、型部材と移動部材との間において閉空間を構成する側面部材を、型部材表面上に残された混合粉体と共に型部材上を摺動させる切離工程を備えている。このため、加圧工程において一体化された、溝部内の混合粉体と、型部材の表面上に残されている混合粉体とを切り離すことができる。そして、取外工程において、混合粉体からなる導電体を型部材の溝部から取り外すことにより、絶縁層のビアホールの形状に対応した導電体を得ることができる。

請求項２に記載したように、型部材は複数の溝部を有することが好ましい。これにより、多数の導電体を同時に製造することができるので、生産性を向上することができる。

請求項３に記載したように、混合粉体に含まれる銀粒子は、銀粒子同士が固結することを防止するための分散材によって表面がコーティングされており、切離工程後であって取外工程前に、型部材を加熱することによって分散材を溶かして、型部材の溝内の混合粉体を固結させる加熱工程を行なうことが好ましい。銀粒子は、粒子同士が固結しやすいので、銀粒子そのままの状態では粉体としての流動性が低下しやすい。このため、表面に分散材をコーティングして、銀粒子同士の固結を防止することが銀粉末や混合粉体の取り扱い性を容易にするため好ましい。しかし、混合粉体を加圧して一体化する際には、その分散材により逆に結合力が弱まってしまう。そこで、請求項３に記載したように、切離工程後であって取外工程前に、分散剤を溶融できる温度に型部材を加熱することが好ましい。これにより、混合粉体において、銀粒子同士の固結を促進することができるので、混合粉体の結合力が強まり、その形状維持力を向上することができる。

なお、分散材としては、請求項４に記載したように、比較的低い融点温度（約７０℃）を有するステアリン酸を用いることが好ましい。

請求項５に記載したように、取外工程では、型部材に外力を加えて湾曲させることにより、型部材の溝部から導電体を取り外すことが好ましい。個々の導電体のサイズは、非常に小さい（例えば直径１００μｍ〜１５０μｍ）ので、個々の導電体に対して何らかの外力を加えて型部材から取り外すよりも、型部材を湾曲させるように外力を加えて導電体を取り外すほうが容易かつ効率的である。

請求項６に記載したように、移動部材は、側面部材の内表面を摺動することにより、型部材に対して相対的に移動するものであり、切離工程では、移動部材を、側面部材とともに、型部材の表面と平行な方向に移動させることが好ましい。これにより、切離工程は、加圧工程によって一体化された混合粉体を、移動部材によって型部材方向に押えた状態で行なうことができる。このため、切離工程において、溝部内の混合粉体が、溝部内から浮き上がってしまうことを抑制できるので、ほぼ型部材の表面に沿って、溝部内の混合粉体と型部材表面上の混合粉体とを切り離すことができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。ただし、最初に、本実施形態により製造される層間接続用導電体を用いた、多層プリント基板の製造方法の一例を、図１を用いて説明する。図１（ａ）〜（ｆ）は、多層プリント基板の各製造工程を説明するための工程別断面図である。

図１（ａ）に示すように、まず、絶縁性基材である樹脂フィルム１の片側表面に導体である金属層２を貼着したフィルムを用意する。樹脂フィルム１は、例えば、ポリエーテルエーテルケトン樹脂６５〜３５重量％とポリエーテルイミド樹脂３５〜６５重量％とからなる厚さ２５〜７５μｍの熱可塑性樹脂フィルムである。金属層２は例えば厚さ１８μｍの銅箔により形成されている。

次に、導体により構成される回路パターン３を樹脂フィルム１の表面に形成する回路パターン形成工程を実施する。回路パターン形成工程は、エッチング、印刷、蒸着、めっき等により行うことができるが、本実施形態では図１（ｂ）に示すように、図１（ａ）の樹脂フィルム１に貼着された金属層２をエッチングし、金属層２を所望のパターン３に形成して、片面に第１の回路パターン層（配線層）１０を作成する。

次に、図１（ｃ）に示すように、回路パターン層１０が設けられていない側の樹脂フィルム１表面に炭酸ガスレーザを照射することにより、樹脂フィルム１に回路パターン３を底面とする有底のビアホール４を複数個形成する（ビアホール形成工程）。各ビアホール４の開口径は、例えば１００μｍ〜１５０μｍ程度であって、後述の導電体配置工程で配置される１個の導電体（ペレット）５がビアホール４内に収まる大きさである。つまり、ビアホール４の開口寸法は、円柱状に形成される導電体５の最大径となる部分よりも僅かに大きく形成されている。

ビアホール４の底面となる回路パターン３の部位は、複数の樹脂フィルム１を多層化する際に、回路パターン３の層間接続のための電極となる部位である。ビアホール４の形成においては、炭酸ガスレーザの出力と照射時間等を適切に調整することにより、回路パターン３に穴を開けないようにしている。

ビアホール４の形成には、炭酸ガスレーザを使用する以外にエキシマレーザ等が使用可能である。レーザ以外のドリル加工等によるビアホール形成方法も可能であるが、レーザビームによる穴あけ加工では微細な径で穴あけでき、回路パターン３に過度の損傷を与えないため好ましい。

次に、図１（ｄ）に示すように、導電体５を各ビアホール４に１個ずつ配置する（導電体配置工程）。導電体５は、例えばビアホール４の形成位置に貫通孔を有するメタルマスクを用いてビアホール４内に配置することができる。具体的には、導電体５がメタルマスク上に複数載置され、スキージのような刷毛で導電体５を移動させる。すると、メタルマスクの貫通孔が形成された位置で導電体５がビアホール４へと落下する。これにより、各ビアホール４へ１個ずつ導電体５を配置することができる。また、ビアホール４内に導電体５を配置するには、メタルマスクを使用せず樹脂フィルム１上で導電体５を刷毛等で移動させるようにし、残存した余分な導電体５を回収するようにしても良い。

この導電体配置工程で配置された状態の導電体５は、各樹脂フィルム１を積層したときに、隣接する樹脂フィルム１の回路パターンとの電気的接続を確実に行なうべく、ビアホール４の開口縁部の表面と同じ高さ、あるいは僅かに突出していることが好ましい。また、ビアホール４内においてビアホール４の内周面と導電体５の外周面との間には、隙間が形成されていることが好ましい。これは、導電体５をビアホール４内に配置しやすくするとともに、後の加熱・加圧工程において導電体５を変形させた場合に上記隙間を埋めるように導電体５が変形できるようにするためである。

次に、図１（ｅ）に示すように、図１（ａ）〜（ｄ）までの工程によって製造された、片面に回路パターン３が形成され、かつビアホール４内に導電体５が配置された樹脂フィルム１を複数枚積層する。そして、樹脂フィルム１を複数枚積層した積層体を、図示しない真空加熱プレス機により、真空条件下において上下両面から加熱しつつ、加圧する。この加熱・加圧工程では、例えば、樹脂フィルム１の積層体を、２５０〜３５０℃に加熱しつつ、１〜１０ＭＰａの圧力で１０〜２０分間加圧する。

上述の加熱・加圧工程により、複数枚の樹脂フィルム１が相互に熱融着されて一体化する。さらに、ビアホール４内の導電体５が焼結され、その両端に位置する回路パターン３と金属結合する。具体的には、導電体５中の銀粒子と錫粒子とが合金化するとともに、導電体５の錫成分と回路パターン３を構成する銅箔のＣｕ成分とが相互に固相拡散し、導電体５と回路パターン３との界面に固相拡散層を形成する。これにより、隣接する回路パターン３が導電体５により電気的に層間接続された多層プリント基板１００が得られる。

次に、本実施形態における層間接続用導電体５の製造方法について、詳しく説明する。まず、図２を用いて、導電体５の製造装置について説明する。

図２において、ダイ２０は、略筒状に形成されている。その筒状内部に、銀粒子と錫粒子とからなる混合粉体が投入され、当該混合粉体を保持する。本実施形態において用いられる混合粉体は、上述したように、銀粒子と錫粒子とからなる。ただし、銀粒子は、そのままでは銀粒子同士が固結しやすいため、その表面に分散材としてのステアリン酸がコーティングされている。これにより、銀粒子と錫粒子とを混ぜ合わせた混合粉体は、良好な流動性を維持することができる。なお、本実施形態では、混合粉体をペースト化する必要はないので、混合粉体に溶剤等は一切含まれていない。

ペレット型２１は、形成すべき導電体（ペレット）５の形状に対応した形状の溝（貫通孔）が多数形成されたものである。このペレット型２１は、例えばステンレス合金などから構成される。上述したダイ２０は、ペレット型２１上に搭載される。ダイ２０に対してペレット型２１が配置される側と反対側のダイ２０の開口部には、パンチ２２がダイ２０の内面を摺動可能に挿入されている。これにより、ダイ２０の内部に、一面がペレット型２１の表面からなり、その対向面がパンチ２２の先端面からなる閉空間が形成される。

ペレット型２１は、ベース２３上に支持されている。ベース２３は、その中央部にペレット型２１の支持部を有し、その支持部と周辺部との間には段差が設けられている。その段差に係合するように、ベース２３上にケース２５が設けられている。このケース２５は、ダイ２０及びペレット型２１が、ベース２３に対してずれたりしないように、ダイ２０及びペレット型２１を保持するものである。

ただし、後述するように、ダイ２０は、ペレット型２１の表面と平行な方向に沿って、ペレット型２１の表面を摺動する必要がある。このため、その摺動方向に沿って、ケース２５とダイ２０との間には隙間２６が設けられている。

このように、ケース２５とダイ２０との間に隙間２６が設けられているにも係らず、ダイ２０を摺動させる摺動時以外は、ダイ２０をケース２５に保持可能にするため、ケース２５には、左右両方向から可動ロッド２４が挿入されている。この可動ロッド２４の先端は、ダイ２０の外面に当接しているので、隙間２６があっても、ダイ２０は、ケース２５（可動ロッド２４）によって、その位置がずれたりしないように保持される。可動ロッド２４は、例えばケース２５に形成されたねじ溝にねじ込まれており、一方向に回転されると、先端部がケース２５内により深く進入し、逆方向に回転されると後退する。

以上のように構成された導電体５の製造装置を用いて、導電体５を製造する方法について説明する。

まず、図２に示すように、左右両側の可動ロッドの先端をダイ２０に当接させ、ダイ２０をケース２５にしっかりと保持させる。そして、パンチ２２がダイ２０に挿入される開口部から銀粒子と錫粒子との混合粉体をダイ２０の内部に投入し、その後、パンチ２２をダイ２０に挿入する（粉体充填工程）。これにより、混合粉体は、ダイ２０、ペレット型２１、及びパンチ２２によって形成される閉空間に充填された状態となる。

導電体５の製造装置を、図示しないプレス装置によって上下方向から挟み、図３に示すように、パンチ２２をペレット型２１に対して相対的に移動させて、閉空間内部の混合粉体を加圧する（加圧工程）。これにより、閉空間内の混合粉体は、ペレット型２１の溝部に押し込まれる。このとき、例えば、混合粉体に１５０ＭＰａ以上の荷重が加わるように圧縮を加え、９０秒程度保持する。その結果、混合粉体は、強い力で圧縮されるので、図４に示すように、隙間無く緻密に成形され結合する。このため、ペレット型２１の溝部によって形成される導電体５の機械的強度及び形状維持性を十分に確保することができる。

上述した加圧工程が終了すると、導電体５の製造装置をプレス装置から取り外す。そして、図５に示すように、可動ロッド２４を回転させて、ダイ２０をペレット型２１に対して数ミリ移動させる。このとき、ダイ２０は、ケース２５により、ペレット型２１の表面に垂直な方向への移動を規制されているので、ペレット型２１から浮き上がることなく、ペレット型２１の表面を摺動するように移動する。また、ダイ２０を移動させるときには、ダイ２０にパンチ２２が挿入されたままとなっているので、パンチ２２もペレット型２１の表面と平行な方向に移動する。

このように、ダイ２０及びパンチ２２がペレット型２１の表面と平行な方向に移動すると、ダイ２０及びパンチ２２により保持されている、ペレット型２１の表面上に残された混合粉体も、ダイ２０及びパンチ２２とともにペレット型２１の表面と平行な方向に移動する。

ここで、上述した加圧工程では、パンチ２２が、閉空間に充填された混合粉体全体を加圧する。このため、混合粉体を、ペレット型２１の溝部に緻密に押し込むことができる一方、ペレット型２１の溝部内に押し込まれた混合粉体が、ペレット型２１の表面上に残されている混合粉体とも一体化してしまう。

そこで、本実施形態では、上述したように、ダイ２０及びパンチ２２を、保持している混合粉体とともに、ペレット型２１の表面に平行な方向に移動（摺動）させる切離工程を実施する。これにより、加圧工程において一体化された、ペレット型２１の溝部内の混合粉体と、ペレット型２１の表面上に残されている混合粉体とを切り離すことができる。

特に、本実施形態では、パンチ２２で混合粉体を抑えた状態で、上述した切離工程を実施しているので、切離工程において、ペレット型２１の溝部内の混合粉体が、溝部内から浮き上がってしまうことを抑制できる。この結果、ほぼペレット型２１の表面に沿って、溝部内の混合粉体とペレット型２１の表面上の混合粉体とを切り離すことができる。

切離工程を実施した後、図６に示すように、ペレット型２１をベース２３ごと、ケース２５から取り外す。取り外したペレット型２１は、図７に示すように、加熱ヒータ３０上に置かれて加熱される（加熱工程）。この加熱工程は、例えば、ステアリン酸の融点（約７０℃）より高い、１２０〜１５０℃の温度で、３〜５分行なわれる。

上述したように、銀粒子は、粒子同士が固結しやすいので、銀粒子そのままの状態では粉体としての流動性が低下しやすい。このため、本実施形態では、銀粒子の表面に分散材としてのステアリン酸をコーティングして、混合粉体の流動性を確保している。しかし、混合粉体を加圧して一体化する際には、そのステアリン酸により逆に結合力が弱まってしまう虞がある。そのため、上述したように、切離工程後に加熱工程を実施し、ステアリン酸を溶融できる温度にペレット型２１を加熱する。これにより、混合粉体において、銀粒子同士の固結を促進することができるので、混合粉体の結合力が強まり、機械的強度や形状維持力をさらに向上することができる。

加熱工程後は、図８に示すように、ペレット型２１の溝部から導電体（ペレット）５を取り外す（取外工程）。この取外工程は、例えば、ペレット型２１をペレット捕集ケース３１に搭載した状態で、ペレット型２１が湾曲するように外力を加える。本実施形態では、生産性を向上するため、ペレット型２１には多数の溝部が形成されており、しかも、個々の溝部の径（導電体のサイズ）は、非常に小さい。このため、個々の導電体（ペレット）５に対して何らかの外力を加えてペレット型２１から取り外すよりも、ペレット型２１を湾曲させるように外力を加えて導電体５を取り外すほうが容易かつ効率的である。

上述した各工程を実施することにより、多層プリント基板の層間接続を行なうべく、樹脂フィルム１のビアホールの形状に対応した導電体５を得ることができる。

ここで、図９（ａ），（ｂ）に、上述した各工程により製造された導電体５の一例を示す。図９（ａ）、（ｂ）から、銀粒子と錫粒子とを含む混合粉体が非常に緻密に円柱形状にされていることが観察できる。これにより、電気的な接続信頼性、耐久性ともに良好な導電体５を得られることが分かる。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。

例えば、上記実施形態では、樹脂フィルム１としてポリエーテルエーテルケトン樹脂６５〜３５重量％とポリエーテルイミド樹脂３５〜６５重量％とからなる熱可塑性樹脂フィルムを用いた。しかし、樹脂フィルムは、これに限定されるものではなく、ポリエーテルエーテルケトン樹脂とポリエーテルイミド樹脂に非導電性フィラーを充填したフィルムであってもよいし、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、液晶フィルムなどを使用することもできる。

また、上述した実施形態では、導電体５の製造方法において、切離工程後に加熱工程を実施したが、分散材を使用しなくとも混合粉体の流動性に問題がなく、銀粒子に分散材がコーティングされていない場合には、加熱工程を省略することができる。

（ａ）〜（ｆ）は、多層プリント基板の各製造工程を説明するための工程別断面図である。 層間接続用導電体の製造方法における、粉体充填工程を説明するための断面図である。 層間接続用導電体の製造方法における、加圧工程を説明するための断面図である。 加圧工程により混合粉体が成形された状態を示す断面図である。 層間接続用導電体の製造方法における、切離工程を説明するための断面図である。 ペレット型２１をケース２５から取り外した状態を示す図である。 層間接続用導電体の製造方法における、加熱工程を説明するための断面図である。 層間接続用導電体の製造方法における、ペレット取外工程を説明するための断面図である。 （ａ），（ｂ）は、図２〜図８の各工程により製造された導電体５を示す図である。

符号の説明

１…樹脂フィルム（絶縁性基材）
２…金属層（導体）
３…回路パターン
４…ビアホール
５…導電体
２０…ダイ
２１…ペレット型
２２…パンチ
２３…ベース
２４…可動ロッド
２５…ケース

Claims (6)

1. 配線層と絶縁層とが交互に積層された多層プリント基板において、隣接する配線層を層間接続するために、絶縁層内のスルーホールに配置される導電体の製造方法であって、
   一面が、形成すべき導電体形状に応じた溝部を有する型部材からなり、その型部材の対向面が、前記型部材に対して相対的に移動可能な移動部材からなる閉空間に、銀粒子と錫粒子との混合粉体を充填する充填工程と、
   前記移動部材を前記型部材に接近するように相対的に移動させて、前記閉空間に充填された混合粉体を加圧し、前記型部材の溝部に押し込む加圧工程と、
   前記加圧工程後に、前記型部材の溝部に入りきらず前記型部材表面上に残された混合粉体を、前記型部材の溝部に押し込まれた混合粉体から切り離すべく、前記型部材と前記移動部材との間において前記閉空間を構成する側面部材を、前記型部材表面上に残された混合粉体と共に前記型部材上を摺動させる切離工程と、
   前記型部材の溝部から、当該溝部に応じた形状の前記混合粉体からなる導電体を取り外す取外工程と、を備えることを特徴とする層間接続用導電体の製造方法。
2. 前記型部材は複数の溝部を有することを特徴とする請求項１に記載の層間接続用導電体の製造方法。
3. 前記混合粉体に含まれる銀粒子は、銀粒子同士が固結することを防止するための分散材によって表面がコーティングされており、
   前記切離工程後であって前記取外工程前に、前記型部材を加熱することによって、前記分散材を溶かして、前記型部材の溝内の混合粉体を固結させる加熱工程を行なうことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の層間接続用導電体の製造方法。
4. 前記分散材は、ステアリン酸であることを特徴とする請求項３に記載の層間接続用導電体の製造方法。
5. 前記取外工程では、前記型部材に外力を加えて湾曲させることにより、前記型部材の溝部から導電体を取り外すことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の層間接続用導電体の製造方法。
6. 前記移動部材は、前記側面部材の内表面を摺動することにより、前記型部材に対して相対的に移動するものであり、
   前記切離工程では、前記移動部材を、前記側面部材とともに、前記型部材の表面と平行な方向に移動させることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の層間接続用導電体の製造方法。

Images