JP4609850B2 - 積層回路基板 - Google Patents

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Description

本発明は、積層回路基板(多層プリント配線板)において、表裏に設けられた配線の導通を導電性組成物(導電性ペースト)によって行う積層回路基板に関するものである。
従来の積層回路基板には、多層配線基板用基材を多層に積層後、絶縁層にスルーホールを開口し、該スルーホールの内周面をめっき処理しためっき層によって層間導通を取るスルーホールめっき法によるものがある。該スルーホールめっき法による積層回路基板は、各層の回路を低く安定した接続抵抗で接続できる利点をもつが、工程が複雑で、工数も多いため、コストが高くなり、積層回路基板の用途を制限する要因となっている。
また、スルーホールめっき法による積層回路基板では、スルーホールの直上には部品を実装できず、配線の自由度が低いと云う欠点もある。
この欠点を解消するために、スルーホールめっき法による積層回路基板において、実装部品の配置位置を避けるように、スルーホールを基板表面に対して傾斜させて形成する手法も採用されている。
また近年、スルーホールめっき法に代わる層間接続法として、スルーホールに導電性ペーストを充填したIVH(Interstitial Via Hole)による積層回路基板が実用化されている。この導電性ペーストを用いた積層回路基板は、スルーホールめっき法によるものに比して製造工程が簡素化され、低コスト化を図ることができる。導電性ペーストを使用した多層配線基板としては、松下グループのALIVH(Any Layer Interstitial Via Hole)基板が知られている。
しかしながら現代ではさらなる工程の短縮などの要求から、一括プレスにより積層回路基板の製造方法も開発されており、この製造方法においても導電性ペーストが用いられている。
積層回路基板の層間接続に用いられる導電性ペーストは銀ペースト、銅ペーストを主成分とし、製造工程の安定性向上及び時間短縮のために、該主成分に低融点金属を含有させ多層配線基板を形成するプレス温度に近い温度で軟化させ圧着させやすい状態にしている。
上記、銀ペースト、銅ペーストに添加する低融点金属は、導電率、積層回路基板を形成する時のプレス温度を考慮にいれて低融点金属の種類、量を決めている。
しかしながら、この低融点金属を含有した導電性ペーストを使用してプレスにより積層回路基板を成形する場合、銅箔表面に銅と低融点金属の拡散層が生成し、銅箔と導電性ペーストとの界面にボイドまたは亀裂が発生し、銅箔と導電性ペーストとの接続部に不具合が発生し、接続信頼性が損なわれる問題が発生することがある。
本発明は、低融点金属を含む導電性ペーストを使用した積層回路基板において、銅箔と低融点金属を含む導電性ペーストとの界面にボイドが発生せず、接続信頼性の高い積層回路基板を提供することを目的とする。
本発明の積層回路基板は、銅箔または銅合金箔の少なくとも片面の表面粗さが0.1μm〜5μmの元箔上に、表面粗さが0.3〜10μmで突起物からなる粗化処理層が形成され、該粗化処理層上に低融点金属を含有する導電性ペーストを設けた表面処理銅箔を樹脂基板に積層したものである。
前記元箔上に形成の粗化処理層は、平均付着量が150mg/dm以下で表面粗さが0.3〜10μmの突起物で形成されているが特に好ましい。
また、上記粗化処理層表面の明度数値は35以下であることが望ましい。
前記元箔の銅箔または銅合金箔は電解銅箔であることが好ましく、該電解銅箔の表面処理を行う面の粗さが2μm以下で、粒状結晶で構成されていることが更に好ましい。
また、前記粗化処理層の突起物の数は、100μm×100μm範囲内に200個〜150000個が存在することが好ましく、さらには、前記粗化処理層の突起物の高は、0.2〜3.0μmであることがより好ましい。
本発明は、低融点金属を含む導電性ペーストを使用した積層回路基板において、銅箔と低融点金属を含む導電性ペーストとの界面にボイドが発生せず、接続信頼性の高い積層回路基板を提供することができる。
本発明は、元箔(銅箔または銅合金箔。以下特に区別する必要がないときは単に元箔という)表面に特定の形状と分布を示す突起状粗化粒子を付着し、該粗化粒子層表面に低融点金属含有導電性ペーストを設けた表面処理銅箔を絶縁基板に積層し、該積層基板を複数枚積層して構成した積層回路基板である。なお、前記粗化処理層に設ける導電性ペーストは表面全体に設けてもよく、あるいはスルーホール周辺の必要とする箇所のみに部分的に設けても良い。
本発明で用いる表面処理銅箔は、絶縁基板であるエポキシ樹脂フィルム、ポリイミドフィルム、吸湿性が著しく低いために誘電特性の変化が少なく半田付けに耐えられる耐熱性を有する液晶ポリマーフィルム、ポリエーテルエーテルケトン系樹脂フィルムと張り合わせた際、密着強度が大きく、ファインパターン化が可能で、銅箔と低融点金属含有導電性ペーストとの界面においてボイドが発生するようなことのない銅箔である。
特に、絶縁基板としては、エポキシ樹脂・ポリイミドフィルム・液晶ポリマーを50%以上含む組成物からなるフィルムが適している。
本発明者等は、銅箔表面と低融点金属含有導電性ペーストとの界面におけるボイド発生の原因につき鋭意研究し、低融点金属が表面処理銅箔の粗化処理層に拡散する時にボイドが発生することを突き止め、拡散する低融点金属の量と粗化処理層に拡散する厚み(深さ)に依存することを解明し、元箔表面の表面粗さ、表面に付着する粗化粒子の付着量、導電性ペーストを設ける粗化表面の表面粗さにつき、ボイド発生の有無、亀裂発生の有無、絶縁基板との接着性、さらに粗化粒子の形状を検討し、本発明に至った。
本発明は、元箔の少なくとも片面の表面粗さが0.1μm〜5μmの銅箔上に、粗化処理において平均付着量が150mg/dmの粗化粒子からなる突起物を付着させ、導電性ペーストと接合する片面の表面粗さが、0.3〜10μmであり、主成分金属に対し低融点金属含有導電性ペーストを使用しても表面処理銅箔と導電性ペーストとの境界においてボイドや亀裂が発生しない表面処理銅箔を使用した積層回路基板である。
本発明では、元箔は、電解もしくは圧延によって製造された銅箔である。その銅箔の厚さは1μm〜200μmであり、少なくとも片面の表面粗さが、Rz:0.1μm〜5μmの銅もしくは銅合金箔であることが好ましい。銅箔の厚みについては、厚さが1μm以下の銅箔に対し、その表面上に粗化処理を施すことは非常に難しく、また、実用性を考慮すると、例えば高周波プリント配線板用に使用する銅箔としては、200μm以上の箔は現実的でないと考えられるためである。
元箔の表面粗さを、Rz:0.1μm〜5μmに規定するのは、Rzが0.1μm以下の箔は、現実的に製造も困難であり、もし製造できたとしても製造コストがかかることから現実的に不適であり、また、Rz:5.0μm以上の元箔を使用してもよいが、高周波特性及びファインパターン化を考えると5.0μm以下であることが好ましく、その表面粗さが2μm以下であると更に好ましい。また、この元箔は、導電性ペーストを使用し積層回路基板を形成する際、高温におけるプレス工程がはいるため銅箔に柔軟性がないとプレス時に破断が生じる可能性があるため銅箔には柔軟性が要求される。
銅箔に柔軟性を付与するためには粒状晶で構成されている銅箔が好ましい。特に、粒状結晶のサイズは平均0.3μm以上が好ましく、1μm以上の結晶サイズのものが銅箔断面の10%以上を占めているものが特に好ましい。
本発明においては、上記した元箔に表面処理を行う。元箔表面の表面粗化処理は、元箔の表面に粗化粒子を付着させ、その少なくとも片面の表面粗さがRz:0.3〜10.0μmになるように粗化を施す。このように規定する理由は、粗化処理による表面粗さRzが0.3μm未満では、ピール強度が低いためその目的を果たす表面処理銅箔としては満足でなく、また、Rz:10.0μmより大きいと、高周波特性が低下し、また、ファインパターン化にも不向きとなるためである。
高周波特性・ファインパターン化を考慮すると表面粗さは3μm以下にすることが好ましい。
また、上述したように、本発明の元箔上に施す表面粗化処理において付着させる銅もしくは銅合金の付着量によっては、導電性ペーストに含まれる低融点金属が粗化粒子に拡散し、粗化処理層の厚さ及び銅と低融点金属の合金組成の性質によってはボイドまたは亀裂の発生が見られたり見られなかったりする。
銅箔と導電性ペースト層との界面に発生するボイドまたは亀裂を防止するためには、低融点金属種により違いがあるが、拡散可能な低融点金属の原子個数に対し、粗化粒子を構成している銅原子個数が、4倍以下であることが好ましい。ただし、現実に導電性ペーストを使用する場合、抵抗値を上げる低融点金属を多く添加することはあまり好ましいことではない。そのため、拡散する低融点金属原子個数も少なくしたい。
このような観点から本発明は、元箔上に付着させる銅もしくは銅合金の量を1mg/dm〜150mg/dmの範囲とすることが好ましい。付着量が1mg/dm未満ではピール強度が低いためその目的を果たす表面処理銅箔としては満足でなく、また150mg/dmより多いと拡散可能な低融点金属原子個数も多く存在させることになり、そのような量は導電性ペーストの抵抗値を大きくすることとなり、あまり好ましくないからである。
なお、上述したように粗化粒子層に拡散する低融点金属原子個数に対し粗化粒子層を構成する銅原子個数が4倍以下であれば亀裂・ボイドの発生が抑えられるため粗化付着量を150mg/dm以上としてもボイド・亀裂を抑制することはできる。したがって、導電性ペーストの抵抗増加を無視し、ピール強度に重点をおく場合は、拡散できる低融点金属個数に対し粗化銅原子個数が4倍以下にするならば亀裂・ボイドを抑制した表面処理銅箔とすることは可能である。
上記表面処理銅箔に設ける導電性ペーストは主成分(Ag、Cu)に対し低融点金属が1%〜50%添加されたものが積層回路基板用として特に好ましい。導電性ペーストが含有する低融点金属としてはZn、In、Sn、Pb、Biまたはこれらの合金であり、少なくともこれら金属の1種類がはいっているものが好ましい。
本発明においては表面粗化処理を行った表面処理銅箔は、明度値が35以下であることが望ましい。本発明において明度とは、通常、表面の粗さを見る指標として使用されている明度であり、測定方法としては、測定サンプル表面に光をあて光の反射量を測定し明度値として表す方法である。
本発明においては、被測定銅箔に
Ni: 0.01〜0.5mg/dm
Zn: 0.01〜0.5mg/dm
Cr: 0.01〜0.3mg/dm
の範囲内の防錆処理を施した後、明度計(スガ試験機株式会社 機種名:SMカラーコンピューター 型番SM−4)を使用して明度値を測定した。
表面処理銅箔の表面明度を測定すると、表面粗さのRzが大きいかまたは粗化粒子間の深さが深い時は、光の反射量が少なくなるため明度値が低くなり、平滑だと光の反射量が大きくなり明度値が高くなる傾向にある。絶縁基板とのピール強度を向上させるためには明度値を35以下とすることが好ましい。即ち、明度値が35以上では、粗化面の表面粗度Rzを大きくしてもなだらかな凹凸面となり表面処理銅箔と絶縁基板との食いつきが悪く、ピール強度が向上しないためである。
本発明の表面処理銅箔は、導電性ペーストによる亀裂・ボイドの影響を抑えるために粗化処理による付着金属量を絶縁樹脂との接着強度を充分持たせる量より少なく付着することになる。そのため、絶縁樹脂との密着性を上げるために最適な粗化形状が要求される。
本発明において、粗化粒子から構成される突起物は、場所による密着性の差を無くすため、高さとして0.2μm〜3.0μmの範囲に入っている突起物が、100μm×100μmの面積の中に200〜150000個存在することが好ましい。なお、ここでいう高さとは、元箔の表面と突起物の頂点との距離をいう。
元箔表面に形成される突起物の高さについては、0.3μm以下では、高さが低いためピール強度を上げる効果が得られず、また、3.0μm以上では、高周波特性が低下するうえにファインパターン化に不向きとなる。突起物の数が100μm×100μmの面積の中に200個以下になると密着性の安定性に関して不適となり、また150000個以上になると突起物間の空間が少なくなり密着性に対する効果を果たさなくなり不適となる。
突起物の高さは、表面処理銅箔を樹脂埋め、研磨を行った後断面のSEM観察を行い観察写真により突起物の高さを確認する。突起物は表面に均一に分布していることがさらに好ましい。
本発明の基板複合材を構成する表面処理箔の突起物を形成する粗化粒子は、Cu又はCuとMoの合金粒子、あるいはCuとNi、Co、Fe、Cr、V及びWの群から選ばれる少なくとも1種の元素を含んでいるものである。
Cu粒子又はCuとMoの合金粒子で所望の突起物は得られるが、Cu粒子又はCuとMoの合金粒子にNi、Co、Fe、Cr、V及びWの群から選ばれる少なくとも1種の元素を含んでいる2種類以上の合金粗化粒子で形成された突起物は更に均一性のある突起物を形成できるためより効果的である。これらの突起物を形成する粗化粒子は、化学結合を絶縁樹脂と行うため、ピール強度を増大させると考えられる。樹脂種にもよるが、ピール強度を化学結合で増大させる粒子としてはCu−Mo合金、Cu−Ni合金、Cu−Co合金、Cu−Fe合金、Cu−Cr合金、Cu−Mo−Ni合金、Cu−Mo−Cr合金、Cu−Mo−Co合金、Cu−Mo−Fe合金などがある。
前記突起物を形成する合金粒子として含まれるMo、Ni、Co、Fe、Cr、V及びWの群から選ばれる少なくとも1種の元素は、Cuに対し0.01ppm〜20%を占めることが好ましい。存在量が20%を越える合金組成では、後工程で回路パターンをエッチングする際に、溶解しにくくなるためである。
更に、均一な突起物を得るために、粗化処理時の各種電解液の選択、電流密度、液温、処理時間を最適にすることが望ましい。
また、突起物を設けた表面に、粉落ち性・耐塩酸性・耐熱性・導電性を向上させることを目的にNi、Ni合金、Zn、Zn合金、Agの群から選ばれる少なくとも1種の金属めっき層を設けると良い。更に、突起物を設けなかった方の表面にも耐塩酸性・耐熱性・導電性を向上させることを目的にNi、Ni合金、Zn、Zn合金、Agの少なくとも1種の金属めっき層を付着させると良い。これらの目的を果たすためには、付着金属量として0.05mg/dm以上、10mg/dm以下であることが望ましい。
特に液晶ポリマー樹脂等におけるNi金属またはNi合金は、ピール強度を高める効果がある。
上記構成からなる表面処理銅箔上にCrおよび/またはクロメート被膜を形成させ防錆処理を行い、又は、必要に応じシランカップリング処理または防錆処理+シランカップリングを施す。
以下、本発明を実施形態に基づいて更に詳しく説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
元箔1
厚さ:12μmで、マット面粗度:Rz=0.86μmの未処理電解銅箔、及び未処理圧延銅箔(元箔)を用意した。
元箔2
厚さ:12μmで、マット面粗度:Rz=1.24μmの未処理電解銅箔を用意した。
元箔3
厚さ:12μmで、マット面粗度:Rz=1.56μmの未処理電解銅箔を用意した。
上記元箔1〜3を、下記電気めっきA〜Cの液組成・浴温度・電流条件範囲内にて、めっき浴1→めっき浴2の順番で少なくとも1回のめっき(粗化処理)を行い、更にその粗化処理面に、Niめっき(0.3mg/dm)亜鉛めっき(0.1mg/dm)を施し、その上にクロメート処理を施した。
(実施例1〜7)
電気めっきA
めっき浴1
硫酸銅(Cu金属として) 1〜10g/dm
硫酸 30〜100g/dm
モリブデン酸アンモニウム(Mo金属として) 0.1〜5.0g/dm
電流密度 10〜60A/dm
通電時間 1秒〜20秒
浴温 20〜60℃
めっき浴2
硫酸銅(Cu金属として) 20〜70g/dm
硫酸 30〜100g/dm
電流密度 5〜45A/dm
通電時間 1秒〜25秒
浴温 20℃〜60℃
電気めっきB
めっき浴1
硫酸銅(Cu金属として) 1〜50g/dm
硫酸ニッケル(Ni金属として) 3〜25g/dm
メタパナジン酸アンモニウム(V金属として) 0.1〜15g/dm
pH 1.0〜4.5
電流密度 10〜60A/dm
通電時間 5秒〜20秒
浴温 20℃〜60℃
めっき浴2
硫酸銅(Cu金属として) 10〜70g/dm
硫酸 30〜120g/dm
電流密度 20〜50A/dm
通電時間 5秒〜25秒
浴温 20℃〜65℃
電気めっきC
めっき浴1
硫酸銅(Cu金属として) 1〜50/dm
硫酸コバルト(Co金属として) 1〜50g/dm
モリブデン酸アンモニウム(Mo金属として) 0.1〜10g/dm
pH 0.5〜4.0
電流密度 10〜60A/dm
通電時間 5秒〜25秒
浴温 20℃〜60℃
めっき浴2
硫酸銅(Cu金属として) 10〜70g/dm
硫酸 30〜120g/dm
電流密度 5〜60A/dm
通電時間 1秒〜20秒
浴温 20℃〜65℃
(比較例1〜7)
上記元箔1〜3を下記電気めっきD〜Fの液組成・浴温度・電流条件範囲内にてめっき浴3→めっき浴4の順番で少なくとも1回のめっき(粗化処理)を行い、表1に示す表面形状を得た。
更に、その粗化処理面に、Niめっき(0.3mg/dm)亜鉛めっき(0.1mg/dm)を施し、その上にクロメート処理を施した。
電気めっきD
めっき浴3
硫酸銅(Cu金属として) 1〜10g/dm
硫酸 30〜100g/dm
モリブデン酸アンモニウム(Mo金属として) 0.1〜5.0g/dm
電流密度 10〜60A/dm
通電時間 15秒〜60秒
浴温 20〜60℃
めっき浴4
硫酸銅(Cu金属として) 20〜70g/dm
硫酸 30〜120g/dm
電流密度 3A/dm
通電時間 2分以上(表面粗さにおいて時間を変更)
浴温 15℃
電気めっきE
めっき浴3
硫酸銅(Cu金属として) 1〜50g/dm
硫酸ニッケル(Ni金属として) 3〜25g/dm
メタパナジン酸アンモニウム(V金属として) 0.1〜15g/dm
pH 1.0〜4.5
電流密度 10〜60A/dm
通電時間 15秒〜60秒
浴温 20℃〜60℃
めっき浴4
硫酸銅(Cu金属として) 20〜70g/dm
硫酸 30〜120g/dm
電流密度 3A/dm
通電時間 2分以上(表面粗さにおいて時間を変更)
浴温 15℃
電気めっきF
めっき浴3
硫酸銅(Cu金属として) 1〜50/dm
硫酸コバルト(Co金属として) 1〜50g/dm
モリブデン酸アンモニウム(Mo金属として) 0.1〜10g/dm
pH 0.5〜4.0
電流密度 10〜60A/dm
通電時間 15秒〜60秒
浴温 20℃〜60℃
めっき浴4
硫酸銅(Cu金属として) 20〜70g/dm
硫酸 30〜120g/dm
電流密度 3A/dm
通電時間 2分以上(表面粗さにおいて時間を変更)
浴温 15℃
実施例1〜7、比較例1〜7の電気めっきによる粗化処理による粒子の付着量、粗化処理面の表面粗さ、突起物の個数、明度値を表1に示す。
表面処理銅箔のピール強度の評価
実施例及び比較例で作成した表面処理銅箔に、液晶ポリマーフィルム1(以下フィルム1という)ポリエーテルエーテルケトンフィルム(以下フィルム2という)を下記ラミネート方法で貼り付け、ピール強度を測定した。
液晶ポリマーフィルムと表面処理銅箔のラミネート方法
表面処理銅箔と液晶ポリマーフィルム1を積層し、280℃で一定圧力をかけ、10分間保持した後冷却し、基板用複合材とした。
ポリエーテルエーテルケトンフィルムと表面処理銅箔のラミネート方法
表面処理銅箔とポリエーテルエーテルケトンフィルムを積層し、205℃で一定圧力をかけ、10分間保持した後冷却し、基板用複合材とした。
この様にして作成した表面処理箔とフィルムとの基板複合材(銅張積層)のピール強度を測定した。ピール強度の測定は、JIS・C6471に準じ、180度方向に引き剥がして行い、その結果を表1に示す。
低融点金属におけるボイド発生の確認方法
ボイド発生の確認方法は次のとおりである。即ち、ボイド発生の評価については、低融点金属であるSnを粗化処理面に1.5μmの厚さにめっきし、この銅箔を、320℃にて加熱処理を行い断面観察しボイド及び亀裂の発生状況を確認した。その結果を表1に示す。
Figure 0004609850
本発明の積層回路基板を構成する表面処理銅箔は、従来の銅箔と比較し粗化付着量を少なくし、表面粗さを小さくしながら従来銅箔と同等のピール強度を有し、絶縁基板との接着強度が充分であり、また表面粗化処理が均一になされていることでファインパターン化にも適し、粗化粒子付着量を低減することで低融点金属を含有する導電性ペーストの抵抗値を下げることなく、かつ、低融点金属による粗化粒子と元箔界面(境界近辺)に発生するボイドまたは亀裂がない積層回路基板を提供することができ、種々の電子機器製品その他様々な分野の製品に利用することができる。

Claims (2)

  1. 粒状結晶で構成されている電解銅箔または電解銅合金箔からなる元箔であって、その少なくとも片面の表面粗さRzが0.1μm〜2μmの元箔上に、明度数値が35以下であり、かつ100μm×100μmの範囲内に高さが0.3〜3.0μmの突起物が200個〜150000個存在している粗化処理層が形成された表面処理銅箔と、樹脂基板に穿設した貫通孔にZn、In、Sn、Pb、Biまたはこれらの合金から選ばれる低融点金属を含有する導電性ペーストを充填した基板とを積層したことを特徴とする積層回路基板。
  2. 前記元箔上に形成された粗化処理層は、低融点金属を含有する導電性ペーストからプレス時粗化処理層に拡散する低融点金属原子数に対し、付着粗化粒子を構成する銅原子数が4倍以下であり、表面粗さが0.3〜3.0μmの突起物で形成されていることを特徴とする請求項1に記載の積層回路基板。

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