JP4771905B2

JP4771905B2 - 配線基板およびこれを用いた表面実装部品の実装方法ならびに表面実装部品実装装置

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Publication number: JP4771905B2
Application number: JP2006260718A
Authority: JP
Inventors: 洋二古久保
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2006-09-26
Filing date: 2006-09-26
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2026-09-26
Also published as: JP2008084944A

Description

本発明は、電子部品や半導体部品などの各種表面実装部品を実装する配線基板、この配線基板への表面実装部品の実装方法および表面実装部品実装装置に関する。

近年、高集積化したＬＳＩや各種電子部品を搭載する配線基板において、小型化、信頼性などの要求から絶縁基板材料としてセラミックスが用いられることが多くなってきている。これらセラミックスの代表的な存在としてアルミナがあげられる。このアルミナは強度が大きく、耐熱性に優れるという利点がある反面、比誘電率が大きく伝送信号の遅延をもたらすという欠点がある。さらに、アルミナは焼成温度が１５００℃以上と高いため、内部配線の形成材料として融点は高いが電気抵抗率の大きいＷまたはＭｏを使用しなければならないという問題点も有している。

このような問題を解決するために、配線導体にＣｕやＡｇなどの低融点金属を用いても、この低融点金属と同時に焼成することのできる比誘電率の小さい低温焼成セラミック基板用材料の研究開発が進められている。

一般に低温焼成セラミック基板は、ガラス材料とフィラーと呼ばれるセラミック材料を混合し、焼成することによって製造される。そのガラス材料とフィラーとの組み合わせは無数に存在するが、ガラス材料は概ね焼成後に結晶相を析出するものと結晶層を析出しないものとに大別される。また、フィラーとしては、例えばアルミナ、シリカをベースとした素材であり、これにアルカリ金属酸化物やアルカリ土類金属酸化物、ホウ素などの成分を加えたものが用いられる。

このような低温焼成セラミック基板の上面には、表面実装部品の電極と接続される配線導体（パッド）が形成されている。配線導体としてＣｕを用いる場合は、腐食防止の観点からＣｕの表面にＡｕめっきが施され、また配線導体としてＡｇを用いる場合は、表面にＡｕめっきを施すことなく露出したままで用いられたり、マイグレーション防止の観点からＣｕと同様に表面にＡｕめっきが施されて用いられたりする。

そして、表面実装部品を実装する際には、低温焼成セラミック基板および配線導体で反射する光（画像）を検出し、この検出した画像を２値化して配線導体の位置を特定し、この位置に表面実装部品を実装するという方法が採用されている（例えば、特許文献１を参照。）。
特許第３２５０９３７号公報

ここで、Ａｕめっき表面あるいはＡｇ導体の表面は光沢があり、低温焼成セラミック基板の色調が白色系であると光の反射率が近似し、その後の表面実装部品の位置決めにおいて、検出される画像を２値化することができず画像認識が困難になっていた。また、低温焼成セラミック基板の色調が白色系ではなく着色されたものであったとしても、低温焼成セラミック基板がガラスセラミックスからなることから、めっき液により表面があらされて光の反射率にばらつきが生じ、画像認識が困難になるおそれがあった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、画像認識を確実に行うことができ表面実装部品を精度よく実装できる配線基板、この配線基板への表面実装部品の実装方法および表面実装部品実装装置を提供することを目的とする。

本発明の配線基板は、結晶化ガラスを含むガラスセラミックスからなる絶縁基体の表面に配線導体が形成されており、前記絶縁基体は、前記配線導体の周囲の前記結晶化ガラス中に銅を有し、紫外線の照射によって前記配線導体の周囲より励起光を発する発光部を有することを特徴とする。

また本発明の表面実装部品の実装方法は、前記配線基板に紫外線を照射し、紫外線の照射によって前記配線導体の周囲の前記発光部が発する励起光を検出し、該励起光の検出により前記配線導体の位置を特定し、特定された前記配線導体の位置に合わせて前記配線基板に表面実装部品を実装することを特徴とする。

さらに本発明の表面実装部品実装装置は、前記配線基板に紫外線を照射する紫外線照射手段と、前記紫外線の照射によって前記配線導体の周囲の前記発光部が発する励起光を検出する励起光検出手段と、該励起光検出手段で検出された励起光に基づいて前記配線導体の位置を特定する配線導体位置特定手段と、該配線導体位置特定手段で特定された前記配線導体の位置に合わせて表面実装部品を実装する表面実装部品実装手段とを具備することを特徴とする。

本発明の配線基板によれば、励起光の検出により配線導体の形成された領域を確実に認識することができることから、表面実装部品を精度よく実装することができる。特に、絶縁基体に画像認識のための着色をしなくてもよく、着色のための金属を添加する必要がなくなるため誘電損失の上昇を防ぐことができる。

また本発明の表面実装部品の実装方法および表面実装部品実装装置によれば、表面実装部品の精密な位置あわせを行うことができ、精度よく実装することができる。

以下、本発明の実施形態を説明する。

図１は本発明の配線基板の概略平面図であり、図２は図１に示す配線基板の概略断面図である。絶縁基体１の表面および内部に配線導体が形成されている。具体的には、絶縁基体１の上面に半導体素子搭載用の電極パッド２とチップコンデンサーやチップ抵抗などの部品を搭載する接続パッド３が形成されていて、絶縁基体１の内部にはこれらのパッドに接続されたビアホール導体４が形成されている。

絶縁基体１は、ガラス材料とフィラーとを混合し焼成してなるガラスセラミックスで構成される。ガラス材料は、ＳｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３などを主成分とし、これにアルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物などを副成分として含んでいる。特徴として、焼成したときに結晶を析出する特性を有する、いわゆる結晶化ガラスである。結晶化ガラスである必要性については、後述する。またフィラーは、高強度を目的とする場合はＡｌ_２Ｏ_３系が、低熱膨張を目的とする場合はコージェライト（２ＭｇＯ２Ａｌ_２Ｏ_３５ＳｉＯ_２）や石英ガラス（ＳｉＯ_２）が、高熱膨張を目的とする場合はクォーツ（ＳｉＯ_２）が好適であり、所望とする特性に応じて選定することができる。

配線導体２は、Ｃｕを主成分とする導体からなる各種の配線層やビアホール導体で構成される。

配線基板の製造方法としては、以上のようなガラス材料とフィラーに有機成分としてアクリルバインダーなどの結合剤とフタル酸ジブチル（ＤＢＰ）などの可塑剤を適量加え、さらに溶媒としてトルエンを加え粉砕混合したのちドクターブレード法などの周知の方法によりグリーンシートを形成する。得られたグリーンシートにレーザー加工やパンチングによりスルーホール加工を施し、これにＣｕを主成分とする導体を埋め込みビアホール導体を形成する。さらに配線パターンを印刷し、これらを複数枚重ねて加圧積層することにより焼成前の配線基板が形成される。焼成にあたっては、まず脱バインダー処理を行う必要があり、加湿したＮ_２雰囲気中で６００〜７５０℃で数時間保持することにより脱バインダー処理が終了する。その後、８５０〜１０００℃に昇温し１〜数時間保持することにより配線基板が完成する。

ところで本発明の配線基板は、紫外線の照射に応じて配線導体の近傍（周囲）から励起光を発することを特徴とするが、これについて詳述する。
図３は、図１に示す配線基板に紫外線を照射したときの状態を示している。すなわち、電極パッド２および接続パッド３の周囲の部分（発光部５）が緑色に発光していることを表している。この現象はガラスのフォトルミネッセンスと呼ばれる現象であり、絶縁基体の材料として焼成後に結晶化するガラスを用いるとともに、配線導体を構成するＣｕが結晶化したガラスの結晶中に拡散した場合に顕著に発生すると思われる。焼成後に結晶化しないガラスを用いた場合は、光の散乱が起こり、波高のピークが弱くブロードであるのに対し、焼成後に結晶化するガラスを用いた場合は、Ｃｕが結晶中に拡散することにより、配線導体の近傍（周囲）が顕著に蛍光を示し、波長３５５ｎｍの紫外線照射により励起光は波長４００〜５００ｎｍの緑色を中心とする可視光線となる。なお、焼成後に結晶化するガラスとしては、Ｚｎが含まれているのがフォトルミネッセンス効果を発現する点で好ましい。このように励起光を検出することで、光の反射率のばらつき等を考慮する必要はなく、画像認識を確実に行うことができ表面実装部品を精度よく実装することができるようになる。

ここで、絶縁基体１は実質的に着色剤を含んでいないのが好ましい。ここでいう着色剤とは、いわゆる無機顔料であり、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｔｉなどの金属酸化物を指す。絶縁基体１にこの金属酸化物が含まれていると、誘電損失が上昇するという問題がある。そして、シリコンデバイスから発せられた高周波信号の配線基板内での伝送速度は、導体材料（配線導体）の抵抗率による損失（抵抗率に比例して悪くなる）と、誘電体（低温焼成セラミック基板）の比誘電率による損失（比誘電率の２分の１乗に反比例して悪くなる）と、誘電体（低温焼成セラミック基板）の誘電損失による損失（誘電損失に比例して悪くなる）の３つの要因により影響を受け、実質的に着色剤を含んでいると、抵抗率、比誘電率はいずれも小さいが、誘電損失が大きくなるため、伝送速度が低下してしまい、実装したシリコンデバイスが正常に働かなくなってしまうおそれがあるからである。なお、実質的に着色剤を含んでいるとは、この着色により画像認識を確実に行うことができる（画像認識エラーを抑制できる）程度に含み、本発明の実装方法を実施せずとも実装可能なことをいい、コンタミネーションレベルの数百ｐｐｍ未満の含有についてはこれに該当しない。

上述のような配線基板の性質を利用することにより本発明の表面実装部品の実装方法が実現できる。すなわち、上述の配線基板にＮｉ−Ａｕめっきを施し、表面実装部品を実装できる配線基板に仕上げる。そして、配線基板に紫外線を照射すると、この紫外線の照射に応じて配線導体の近傍（周囲）の絶縁基体から励起光が発せられる。この発せられた励起光を検出することで、配線基板の表面に形成された配線導体の位置が特定される。最後に、特定された配線導体の位置に合わせて半導体素子、チップコンデンサー、チップ抵抗などの表面実装部品を実装する。

従来の表面実装部品の実装方法では、配線導体（電極パッド２、接続パッド３等）の位置と表面実装部品の電極位置との位置あわせを可視光の２値化によるもので行っていたため、配線導体のＡｕめっきの色調とその周囲の絶縁基体の色調とが２値化できず、画像認識できないことがあった。これに対し、本発明の表面実装部品の実装方法では、紫外線（波長３５５ｎｍ）を照射することにより、配線導体の近傍の絶縁基体が概ね紫外線よりも長波長側の波長（波長４００〜５００ｎｍ）の励起光を発生させるため、この波長を検知するＣＣＤカメラを使用すれば容易に画像認識ができる。そして、この画像認識で特定された配線導体（電極パッド２、接続パッド３等）の位置と表面実装部品の電極位置との位置あわせを行い、表面実装部品を実装することとなる。このような実装方法により、表面実装部品の精密な位置あわせを行うことができ、特に絶縁基体１が実質的に着色剤を含んでいなくても精度よく表面実装部品を実装することができる。

また、上述のような表面実装部品の実装方法を実現する本発明の表面実装部品実装装置を図４に示す。この表面実装部品実装装置は、配線基板６１に紫外線を照射する紫外線照射手段６２と、紫外線の照射に応じて配線導体の近傍の絶縁基体が発する励起光を検出する励起光検出手段６３と、励起光検出手段６３で検出された励起光に基づいて配線導体の位置を特定する配線導体位置特定手段（図示しない）と、配線導体位置特定手段で特定された配線導体の位置に合わせて表面実装部品６４を実装する表面実装部品実装手段６５とを具備する。

配線基板６１に紫外線を照射する紫外線照射手段６２としては、紫外線を発することができる装置、例えばマークテック社のブラックライトＤ−１０Ｂなどが用いられる。また、紫外線の照射に応じて配線導体の近傍の絶縁基体が発する励起光を検出する励起光検出手段６３としては、照射した紫外線に邪魔をされずに励起光が観察できるようＣＣＤカメラにフィルターをつけたものが好適に用いられる。

さらに、励起光検出手段６３で検出された励起光に基づいて配線導体の位置を特定する配線導体位置特定手段（図示しない）と、配線導体位置特定手段で特定された配線導体の位置に合わせて表面実装部品６４を実装する表面実装部品実装手段６５の機構については、以下のようになる。すなわち、まず基準スケールを用いてＣＣＤカメラの絶対倍率を求め、次にパッケージに形成された配線導体（例えば接続パッド３部分）を紫外線照射した励起光により映し出す。この画像を元に、前述の絶対倍率からパッケージの絶対位置座標値を決定する。次に実装すべき部品(シリコンチップやコンデンサー)を可視光によりＣＣＤカメラで撮影し、同様に絶対位置座標値を決定する。その後、両者の絶対位置座標値の差を計算し、パッケージを保持しているステージに取り付けられたＸＹθステージと実装部品を保持しているＸＹθステージを適宜調整し、実装を行う。

このような表面実装部品実装装置を用いることで、表面実装部品の精密な位置あわせを行うことができ、特に絶縁基体が実質的に着色剤を含んでいなくても精度よく表面実装部品を実装することができる。

ガラス材料として、質量比率で４０％ＳｉＯ_２−３２％Ａｌ_２Ｏ_３−７％ＭｇＯ−１０％ＺｎＯ−１１％Ｂ_２Ｏ_３の結晶性ガラス（Ａ）、質量比率で３６％ＳｉＯ_２−１８％Ａｌ_２Ｏ_３−１２％Ｂ_２Ｏ_３−３％ＣａＯ−１８％ＭｇＯ−１３％ＺｎＯの結晶性ガラス（Ｂ）、質量比率で４３％ＳｉＯ_２−３７％ＢａＯ−８％Ｂ_２Ｏ_３−７％Ａｌ_２Ｏ_３−５％ＣａＯの結晶化しないガラス（Ｃ）の３種類を準備した。なお、３種類のガラスは全て平均粒径３μｍである。

これらのガラスに対して表１の比率にてフィラー成分を調合し、この混合物に有機バインダーとしてアクリル系樹脂を１０％、可塑剤としてフタル酸ジブチルを５％添加し、さらに溶媒としてトルエンを用いて粉砕後、ドクターブレード法により厚さ８０μｍのグリーンシートを作製した。このシートにＮＣ加工機により直径９０μｍの貫通孔を形成した。なお、表１に示すように、一部の試料については着色剤としてＣｒ_２Ｏ_３、ＭｎＯ_２、Ｆｅ_２Ｏ_３を添加した。

次に平均粒径が２μｍの銅粉末１００質量部に対して硼珪酸ガラス粉末を１２質量部添加し、有機バインダーとして分子量３０万のアクリル樹脂を４質量部、有機溶剤としてα‐テルピネオールを１０質量部添加混錬し、ビアホール導体用の導体ペーストを調製した。かくして得られた導体ペーストを前記グリーンシートに形成した貫通孔にスクリーン印刷法により充填し、ビアホール導体を形成した。

次に平均粒径が２μｍの銅粉末１００質量部に対して硼珪酸ガラス粉末を４質量部添加し、有機バインダーとしてアクリル樹脂を５質量部、有機溶剤としてα‐テルピネオールを１５質量部添加混錬し、接続パッド用の導体ペーストを調製した。かくして得られた導体ペーストを前記グリーンシートに形成したビアホール導体上にスクリーン印刷法により塗布した。

そして、配線付きグリーンシートを１６層加圧積層し、水蒸気含有の窒素雰囲気中、７００℃で３時間の脱バインダー処理の後、９００℃で１時間焼成した。

その後、配線基板の配線部分上にＮｉめっきを厚み５ミクロンで、またＡｕめっきを厚み０．５ミクロンで形成し、配線基板を得た。

得られた配線基板を評価するために、紫外線を照射したときの表面実装部品の位置あわせ性の評価を行った。なお、各試料について、２０個ずつ評価した。

フリップチップボンダーの光学系を紫外線として、前述の方法で得られた配線基板に紫外線（波長３５５ｎｍ）を照射し、フィルターを特定波長（波長４００〜５００ｎｍ）のみが得られるように調整しこれをＣＣＤカメラで認識することにより、シリコンデバイスやチップコンデンサーの画像認識を行い、位置あわせをして実装を行った。評価は、位置あわせを行えたものを○、位置あわせができなかったものを×、ばらつきがあるものを△とした。

さらに、上記グリーンシートを２０枚重ね合わせ加圧積層、焼成し、電気特性を測定するサンプルを作製した。基板のサイズは５０ｍｍ×５０ｍｍであり、厚みは平面研磨後１ｍｍとなるように＃４００の砥石にて平面研磨した。電気特性としては誘電率と誘電損失を測定した。測定方法はいずれもネットワークアナライザーを用いた空洞共振器法であり、周波数は１０ＧＨｚにて測定を行った。その結果を表１に示す。

表１より明らかなように、ガラス材料としてＡ、Ｂを用いた試料Ｎｏ．１〜６（実施例）では、紫外線照射により優れた位置あわせ性を示した。さらに、これらの中で着色剤を含まない試料Ｎｏ．１、２、４、６の試料では電気特性も優れていた。これに対し、ガラス材料としてＣを用いた試料Ｎｏ．７〜９（比較例）では、紫外線照射による位置あわせ性がＮＧとなった。なお、試料Ｎｏ．７〜９（比較例）については可視光による位置あわせ性の評価を行ったところ、試料Ｎｏ．７および試料Ｎｏ．９はＮＧで、着色剤を入れた試料Ｎｏ．８では位置あわせ性にばらつき（表中では△の表示）があり、また電気特性がよくなかった。

なお、試料Ｎｏ．１（実施例）と試料Ｎｏ．７（比較例）については、紫外線（波長３５５ｎｍ）を照射し、この配線基板の配線導体近傍（周囲）から発せられる光の波長と強度をフォトマルチメータにて測定したところ、図５に示すように配線導体近傍から励起光が発せられる試料Ｎｏ．１のほうが試料Ｎｏ．７に比してかなり強度が高い値を示していることがわかる。

本発明の配線基板の概略平面図である。図１に示す配線基板の概略断面図である。図１に示す配線基板に紫外線を照射したときの状態を示す説明図である。本発明の表面実装部品実装装置の模式図である。試料Ｎｏ．１（実施例）および試料Ｎｏ．７（比較例）について、配線導体近傍（周囲）から発せられる光の波長と強度をフォトマルチメータにて測定した結果を示すグラフである。

符号の説明

１・・・絶縁基体
２・・・電極パッド
３・・・接続パッド
４・・・ビアホール導体
５・・・発光部
６１・・配線基板
６２・・紫外線照射手段
６３・・励起光検出手段
６４・・表面実装部品
６５・・表面実装部品実装手段

Claims

結晶化ガラスを含むガラスセラミックスからなる絶縁基体の表面に配線導体が形成されており、前記絶縁基体は、前記配線導体の周囲の前記結晶化ガラス中に銅を有し、紫外線の照射によって前記配線導体の周囲より励起光を発する発光部を有することを特徴とする配線基板。
請求項１に記載の配線基板に紫外線を照射し、紫外線の照射によって前記配線導体の周囲の前記発光部が発する励起光を検出し、該励起光の検出により前記配線導体の位置を特定し、特定された前記配線導体の位置に合わせて前記配線基板に表面実装部品を実装することを特徴とする表面実装部品の実装方法。
請求項１に記載の配線基板に紫外線を照射する紫外線照射手段と、前記紫外線の照射によって前記配線導体の周囲の前記発光部が発する励起光を検出する励起光検出手段と、該励起光検出手段で検出された励起光に基づいて前記配線導体の位置を特定する配線導体位置特定手段と、該配線導体位置特定手段で特定された前記配線導体の位置に合わせて表面実装部品を実装する表面実装部品実装手段とを具備することを特徴とする表面実装部品実装装置。