JP4779668B2

JP4779668B2 - 積層基板の製造方法

Info

Publication number: JP4779668B2
Application number: JP2006015909A
Authority: JP
Inventors: 敏彦森
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-01-25
Filing date: 2006-01-25
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2026-01-25
Also published as: JP2007201035A

Description

本発明は、パソコン、移動体通信機器、ビデオカメラ、デジタルカメラ等の各種電子機器に用いられる電子部品が埋設された積層基板の製造方法に関するものである。

以下、従来の電子部品が埋設された積層基板について説明する。従来の電子部品が埋設された積層基板は、図７に示すような構成と成っていた。図７において、３０は金属ベース部材からなる基板であり、この基板３０の上方には熱可塑性樹脂で形成された基板３１ａ〜３１ｅが積層されていた。

そして、この基板３１ｃ、３１ｄ内に電子部品３２を埋設すべく孔３３が設けられていた。３４は、基板３１ａ〜３１ｅに設けられたパターンであり、３５は基板３１ａ〜３１ｅに設けられたビアホール３６内に充填された導電ペーストである。また、３７は電子部品３２の両端に設けられた電極であり、導電ペースト３５と導通するようになっていた。

ここで、導電ペースト３５は錫粒と銀粒の混合物である。また、電極３７と導電ペースト３５が充填されたビアホール３６を精密に合わせるため、孔３３と電子部品３２とのクリアランスは電子部品３２の全周にわたって２０μｍとしており、略電子部品３２の外形寸法と略同一寸法になっていた。

以上のように構成された積層基板を、温度２５０℃〜３５０℃、圧力１〜１０ＭＰａ、時間１０〜２０分で加熱圧着して積層基板を形成していた。即ち、この加熱圧着により、錫が溶融して銀と一体化するとともに、電子部品３２の電極３７と接続されて、電子部品３２が電気的・機械的に固定されていた。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。

また上記構成の内、金属ベース部材に替えて熱硬化性樹脂基板をベース部材として採用し、その上方に織布あるいは不織布に加熱流動性のある熱硬化性樹脂を含浸させたシートを積層して同様の構成とする発明も提唱されている。

この発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献２が知られている。
特開２００３−８６９４９号公報特開２００５−１５８７７０号公報

しかしながら、前記従来の構成の金属ベース部材を用いた技術においては、金属ベース板に比較して、その上方に積層される熱可塑性樹脂基板の加熱圧着時の硬化収縮量が極端に大きいので、このことが主原因となって加熱圧着後の積層基板に上方向（上側から見て凹形状）のそりが発生するという課題を有していた。

また同様に、前記従来の構成の熱硬化性樹脂基板を用いた技術においては、ベース部材である熱硬化性樹脂基板に比較して、その上方に積層される熱硬化性樹脂シートの加熱圧着時の硬化収縮量が極端に大きいので、このことが主原因となって加熱圧着後の積層基板に上方向（上側から見て凹形状）のそりが発生するという課題を有していた。

ここでベース部材である熱硬化性樹脂基板には上面に予め電子部品が加熱リフロー等の手段により接続固定されており、この時の加熱温度は熱硬化性樹脂基板を硬化処理時の温度よりもはるかに高温である。そのため通常の熱硬化性樹脂基板よりも硬化反応が促進されており、加熱圧着時の硬化収縮量が通常の熱硬化性樹脂基板よりも小さく、上記のそり発生をより助長するという課題を有していた。

またベース部材である熱硬化性樹脂基板は電子部品を接続固定するためにある程度の厚みを持たせなければならない。そのために、たとえ小さなそり量であってもその剛性を考慮するとこのそり量を打ち消すためには大きな力が必要となり、通常用いられる金属パターンによる設計的補強や完成品をローラーに通してそりの逆方向に力を加える等の周知の方法では改善できないという課題を有していた。

本発明は前記従来の課題を解決するもので、そりが発生することのない電子部品が埋設された積層基板の製造方法を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の発明は、硬化後の熱硬化性樹脂で構成され複数の個別基板と外枠と前記個別基板間および前記個別基板と前記外枠との間にスリットと前記個別基板の角部に支持部とを有する集合基板である第１の基板を準備する工程と、前記第１の基板の上面に設けられたランドと電子部品の電極とを半田により接続固定する工程と、少なくとも１層以上の配線層を有する熱硬化性の樹脂基板からなる第２の基板を準備する工程と、前記第１の基板の上に熱流動性を有する樹脂を含浸した織布あるいは不織布からなり、かつ、前記電子部品が挿入される箇所には孔が設けられているシートを積層する工程と、前記シートの上面に前記第２の基板を積層する工程と、それを前記半田が溶融しない温度で加熱圧着して一体化する工程とを備え、前記の加熱圧着して一体化する工程は、真空室内において前記シートの樹脂が前記第１の基板のスリットに充填され硬化収縮されることを含むものであることを特徴とする積層基板の製造方法としたものである。

この構成により、第１の基板とシートと第２の基板を加熱圧着して一体化する際に、第１の基板に加工されたスリット部にシートの樹脂が流れ込んで充填されることにより、スリット部に流れ込んだシートの樹脂の硬化収縮が第１の基板の硬化収縮に寄与し、第１の基板の硬化収縮量を増大させることができる。その結果、第１の基板の硬化収縮量をシートの硬化収縮量に近づけることができ、第１の基板とシートとの間に発生する内部応力が低減され、加熱圧着時のそりを低減することができる。

本発明の請求項２に記載の発明は、個別基板間に形成したスリットは、同一直線上にあるスリットの長さの合計が、スリットと平行な第１の基板の一辺の長さに対して８０％〜９５％となるように形成することにより、第１の基板の硬化収縮量を効率的に増大することができるため、第１の基板とシートとの間に発生する内部応力を低減することができ、加熱圧着時のそり量を低減することができる。

本発明の請求項３に記載の発明は、個別基板と外枠との間に形成したスリットは、同一直線上にあるスリットの長さの合計が、スリットと平行な第１の基板の一辺の長さに対して８０％〜９５％となるように形成することにより、第１の基板の硬化収縮量を効率的に増大することができるため、第１の基板とシートとの間に発生する内部応力を低減することができ、加熱圧着時のそり量を低減することができる。

本発明の請求項４に記載の発明は、個別基板外周の角部にスリットを形成しない支持部を設けることにより、外枠と個別基板および個別基板同士が安定して接続しているため、安定したものづくりができるという作用を有する。

本発明の請求項５に記載の発明は、スリットの面積の合計が第１の基板の面積の２０％以下となるようにスリットを形成することにより、シートの樹脂の流動性に影響することなく、第１の基板のスリット加工部にシートの樹脂を充填することができるという作用を有する。

本発明の積層基板の製造方法によれば、第１の基板の硬化収縮量をシートの硬化収縮量に近づけることができ、第１の基板とシートとの間に発生する内部応力が低減され、加熱圧着後の積層基板のそりを低減することができるという効果を奏するものである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における積層基板の製造方法を示す概略図である。

まず、図１において、第１の基板１は熱硬化性の樹脂基板であり、多層に形成されている。そして、この層内にはインナービア８で各層の上面と下面が接続されている。また、各層毎に金属パターン９が敷設され、各電子回路を形成している。さらに、スリット１１が加工されている。このスリット１１に関しては図２で述べることにする。

この金属パターン９は、電気導電性を有する物質、例えばＣｕ（銅）箔や各種の導電性樹脂組成物からなっており、本実施の形態においてはＣｕ箔を用いている。インナービア８は、例えば金属粒子と熱硬化性樹脂とを混合した導電性樹脂組成物でなる熱硬化性の電気導電性物質であり、その金属粒子としては、Ａｕ、ＡｇあるいはＣｕなどを用いることができる。金属粒子としてのＡｕ、ＡｇあるいはＣｕは、電気導電性および熱伝導性が高いために好ましく、中でもＣｕは電気導電性が高くマイグレーションも少なく、また低コストであるためより好ましい。熱硬化性樹脂としては、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂あるいはシアネート樹脂を用いることができるが、中でもエポキシ樹脂は耐熱性が高いためにより好ましい。

そして第１の基板１の上面には金属パターン９が形成されていて、第１の基板１の上面に載置された集積回路２（電子部品の一例として用いた）や抵抗３（電子部品の一例として用いた）と半田４（接続固定材の一例として用いた）で接続されている。

なお、この半田４は例えば、錫・銀・銅系の鉛フリー半田を用いることが可能であるが、その他の半田材料であっても使用可能である。ただし、近年の環境問題から鉛フリー半田を用いることが望ましい。

上記の電子部品が接続された第１の基板１の上にシート５を積層する。シート５は熱流動性を有する樹脂を含浸した織布あるいは不織布からなるシートであり、集積回路２や抵抗３が挿入される箇所には孔１０が設けられている。この孔１０はドリルやレーザーによって加工され、形状や個数は任意である。シート５の枚数は載置された部品の高さによって変更することが容易にできる。そして、シート５の上面には孔の形成されていないシート６が配置されている。シート６は熱流動性を有する樹脂を含浸した織布あるいは不織布からなるシートである。

なお、シート５、６で使用される絶縁樹脂は、無機フィラーと熱硬化性樹脂とを含む混合物からなっている。無機フィラーには、例えばＡｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＢＮ、ＡｌＮ、ＳｉＯ₂およびＢａＴｉＯ₃などを用いることができる。

熱硬化性樹脂には、エポキシ樹脂、フェノール樹脂あるいはシアネート樹脂が好ましいが、中でもエポキシ樹脂は耐熱性が高いためにより好ましい。

そして、シート６の上面に第２の基板７を積層する。第２の基板７は熱硬化性の樹脂基板であり、また、この層内は第１の基板１と同様の構成によってインナービアで上面と下面が接続されていてもよい。また、各層毎に金属パターン９が敷設され、各電子回路を形成している。本実施の形態においては第２の基板７には２層基板を用いているが、多層にしてもかまわない。

また、図２では本発明の実施の形態１における第１の基板の平面図を記す。

第１の基板１は、製品となる複数の個別基板１３と外枠１２、スリット１１、並びに支持部１４で構成されている。支持部１４は、個別基板１３の角部にスリット加工を施さないことによって設けられたものである。スリット１１は金型による打ち抜きやルータ加工等の手段により、個別基板１３の外周部に形成されており、同一直線上にあるスリットの長さの合計が、スリットと平行な第１の基板の一辺の長さに対して８０％〜９５％、好ましくは９０％〜９５％を有する。８０％未満の場合、加熱圧着時の硬化収縮量を増大させる効果を十分に得ることができず、そりの低減効果を十分に発揮することができない。また、９５％以上とした場合は個別基板１３と外枠１２および支持部１４を連結する力が低下するために、製造工程の途中で折れ曲がりや割れの不具合が発生する危険性がある。

以上の手順によって得られた、第１の基板１、シート５、シート６、第２の基板７を図１に示した順に積層した後に加熱圧着を施すことで図３の状態が得られる。

図３は、本発明の実施の形態１における積層基板の製造方法の加熱圧着後の積層基板の断面図である。半田４が溶融しない程度に低い温度で加熱圧着されて一体化される。本実施の形態１における加熱圧着条件は以下のような条件で行って良好な結果を得ている。即ち、加熱温度は１８０℃〜２００℃、加圧圧力は１平方センチあたり約４０ｋｇ、加圧時間は約１時間である。また、この加熱圧着は真空室内で行っている。これは孔１０、スリット１１内の空気を十分に抜いて、樹脂を十分に充填する上で重要なことである。

加熱圧着後の積層基板は必要に応じ、貫通孔加工と貫通孔に金属めっきを施すことで第１の基板１と第２の基板７を電気的に接続することも可能である。

その後、必要に応じ周知の方法により、最外層にソルダレジスト形成、部品図印刷、実装ランドの防錆処理等を行って積層基板が完成する。

次に、本実施の形態におけるそり低減の詳細なメカニズムについて説明する。本発明者は検討を繰り返し、以下のような考察を得た。

図４は、本発明のそりの低減のメカニズムを示した図である。第１の基板１の加熱圧着工程前の寸法をＬ１［ｍｍ］、単体で加熱圧着工程相当の熱処理を加えた時の硬化収縮量をΔＬ１［ｍｍ］とし、板厚をｔ１［ｍｍ］とする。また、第２の基板７についても同様に加熱圧着工程前の寸法をＬ２［ｍｍ］、単体で加熱圧着工程相当の熱処理を加えた時の硬化収縮量をΔＬ２［ｍｍ］とし、板厚をｔ２［ｍｍ］とする。シート５、６についても同様に加熱圧着工程前の寸法をＬｐ［ｍｍ］、板厚をｔｐ［ｍｍ］、単体で加熱圧着工程相当の熱処理を加えた時の硬化収縮量をΔＬｐ［ｍｍ］とする。また、第１の基板１とシート５、６の層間で発生する応力をσａ［Ｎ／ｍｍ²］、第２の基板７とシート５、６の層間で発生する応力をσｂ［Ｎ／ｍｍ²］とする。そりは各層での物性の相違によって、加熱圧着後の収縮量が異なるために、σａ、σｂといった、層間で応力を発生させる。各層間での力の差がそりを発生させている。よって、第１の基板１とシート５、６の層間で発生する力をＦ１［Ｎ］とし、第２の基板７とシート５、６の層間で発生する力をＦ２［Ｎ］として、それぞれの式を求めると、
Ｆ１＝σａ×（ｔ１＋ｔｐ）×｛（Ｌ１−ΔＬ１）−（Ｌｐ−ΔＬｐ）｝
Ｆ２＝σｂ×（ｔ２＋ｔｐ）×｛（Ｌ２−ΔＬ２）−（Ｌｐ−ΔＬｐ）｝
となる。Ｆ１−Ｆ２の値の絶対値が小さくなるほどそりは少なくなり、また、大きくなるほどそりは増大する。

上に示した図であるが、本発明の実施の形態では、第１の基板１と第２の基板７の材料としては、両者とも同系の樹脂を用いているため、σａとσｂ、ΔＬ１とΔＬ２の間に大きな差は出てこない。よって、第１の基板１と第２の基板７の板厚の差が大きな影響を与えることがわかる。ここで、第１の基板１は部品を実装するため、最低でも４層以上の積層板である必要がある。本実施の形態では６層基板としている。それに対して、近年の薄型化への要求が大きくなっている背景を踏まえると、部品を実装しない第２の基板７に対してはなるべく薄く作製することが要求されている。本実施の形態では２層基板を用いている。そのため板厚に関してはｔ１＞ｔ２となり、層間で発生する力の関係としてＦ１＞Ｆ２となる。また、異系の樹脂を用いた場合、必ずしも板厚によらない場合が発生するが、その際は、Ｆ１、Ｆ２値を計算することによって、力の大小関係を把握する。

ここで、本発明の実施の携帯では第１の基板１とシート５、６の層間で発生する力、つまりＦ１の方が大きいため、第１の基板１にスリット加工を施した場合を考える。また、Ｆ１、Ｆ２の大小関係が逆転する場合には、大きい値を示した基板にスリット加工を施す。

図５は加熱圧着工程後の第１の基板１の断面図である。ここで、スリット１１部には加熱圧着工程により、シート５から流れ出した樹脂により充填されている。このスリット１１の総幅をα［ｍｍ］としたとき、スリット加工を施した第１の基板の硬化収縮量ΔＬαは以下のように変化する。

ΔＬα＝ΔＬ１×（Ｌ１−α）／Ｌ１＋ΔＬｐ×α／Ｌ１
＝ΔＬ１＋α×（ΔＬｐ−ΔＬ１）／Ｌ１
ΔＬｐとΔＬ１では図６よりΔＬｐ＞ΔＬ１であるため、ΔＬα＞ΔＬ１となる。図６については次段落で説明する。従って上記Ｆ１の式のΔＬ１がスリット加工を施すとΔＬαになり、Ｆ１の値としては減少することがわかる。そのため、Ｆ１−Ｆ２の値の絶対値がスリット加工を加えることによって低減することができるために、そり量が小さくなる。

図６は本発明の樹脂シート５と第１の基板１と第２の基板７の硬化収縮量を示した表である。

従って、樹脂シート５の硬化収縮量ΔＬｐと第１の基板１の硬化収縮量ΔＬ１、第２の基板７の硬化収縮量ΔＬ２との間にはΔＬｐ＞ΔＬ１≒ΔＬ２が成り立つ。

以上のように本発明の実施の携帯では、第１の基板１とシート５、６と第２の基板７を加熱圧着して一体化する際に、第１の基板１に加工されたスリット１１部にシート５、６の樹脂が流れ込んで充填されることにより、スリット１１部に流れ込んだシート５、６の樹脂の硬化収縮が第１の基板１の硬化収縮に寄与し、第１の基板１の硬化収縮量をΔＬ１からΔＬαに増大させ、シート５、６の硬化収縮量ΔＬｐに近づけることができる。その結果、第１の基板１とシート５、６との間に発生する内部応力が低減され、加熱圧着後の積層基板のそりを低減することができる。

ここでのスリット１１部に流れ込んだシート５、６の樹脂の硬化収縮が第１の基板１の硬化収縮に与える寄与分は、上記のそり低減のメカニズムの説明の中では便宜的にシート５、６自体の硬化収縮量ΔＬｐを元に第１の基板１の硬化収縮量ΔＬ１との差および第１の基板１の寸法Ｌ１に対するスリット１１の総幅αの割合から算出した。しかしながらスリット１１部に流れ込んだシート５、６の樹脂の硬化収縮量は織布あるいは不織布を補強材として構成されるシート５、６の硬化収縮量ΔＬｐよりもはるかに大きいものであり、したがって実際の第１の基板１の硬化収縮に与える寄与分は上記のそり低減のメカニズムの説明の中での算出量よりも大きくなり、そり低減の効果も理論値よりも大きいと予想される。

尚、更に詳細には、第１の基板１の硬化収縮量をΔＬ１からΔＬαに増大させ、シート５、６の硬化収縮量ΔＬｐに近づけることができたものの、依然としてシート５、６の硬化収縮量ΔＬｐは第１の基板１の硬化収縮量ΔＬαよりも大きいために第１の基板１とシート５、６間に上方向（上側から見て凹形状）へそりを起こそうとする力Ｆ１が発生するが、この力Ｆ１は第２の基板７とシート５、６間に発生する下方向（上側から見て凸形状）へそりを起こそうとする力Ｆ２と釣り合う程度に低減できればよい。

本発明の積層板の製造方法は、電子部品が埋設された積層板をそりが発生することなく製造し得るものであり、パソコン、移動体通信機器、ビデオカメラ、デジタルカメラ等の各種電子機器に用いられる積層基板の製造方法として有用である。

本発明の実施の形態１における積層基板の製造方法を示す概略図本発明の実施の形態１における第１の基板の平面図本発明の実施の形態１における積層基板の製造方法の加熱圧着後の積層基板の断面図本発明の実施の形態１における積層基板の製造方法のそり低減のメカニズムを示した図加熱圧着工程後の第１の基板の断面図本発明の実施の形態１における各層の硬化収縮量表を示した図従来の積層基板の組み立てを示す断面図

符号の説明

１第１の基板
２集積回路
３抵抗
４半田
５シート（孔あり）
６シート（孔なし）
７第２の基板
８インナービア
９金属パターン
１０孔
１１スリット
１２外枠
１３個別基板
１４支持部

Claims

硬化後の熱硬化性樹脂で構成され複数の個別基板と外枠と前記個別基板間および前記個別基板と前記外枠との間にスリットと前記個別基板の角部に支持部とを有する集合基板である第１の基板を準備する工程と、
前記第１の基板の上面に設けられたランドと電子部品の電極とを半田により接続固定する工程と、
少なくとも１層以上の配線層を有する熱硬化性の樹脂基板からなる第２の基板を準備する工程と、
前記第１の基板の上に熱流動性を有する樹脂を含浸した織布あるいは不織布からなり、かつ、前記電子部品が挿入される箇所には孔が設けられているシートを積層する工程と、
前記シートの上面に前記第２の基板を積層する工程と、
それを前記半田が溶融しない温度で加熱圧着して一体化する工程とを備え、
前記の加熱圧着して一体化する工程は、真空室内において前記シートの樹脂が前記第１の基板のスリットに充填され硬化収縮されることを含むものであることを特徴とする積層基板の製造方法。
個別基板間に形成したスリットは、同一直線上にあるスリットの長さの合計が、スリットと平行な第１の基板の一辺の長さに対して８０％〜９５％となるように形成する請求項１に記載の積層基板の製造方法。
個別基板と外枠との間に形成したスリットは、同一直線上にあるスリットの長さの合計が、スリットと平行な第１の基板の一辺の長さに対して８０％〜９５％となるように形成する請求項１に記載の積層基板の製造方法。
スリットの面積の合計が第１の基板の面積の２０％以下となるようにスリットを形成する請求項１に記載の積層基板の製造方法。