JP4891235B2 - 回路基板とその製造方法及びこれを用いた電子部品 - Google Patents

回路基板とその製造方法及びこれを用いた電子部品 Download PDF

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Description

本発明は、水晶片や半導体素子等を搭載する回路基板とその製造方法及びこれを用いた電子部品に関する。
従来の回路基板におけるスルーホールの密閉方法として、スルーホールにガラスペーストを充填する方法があった（例えば、特許文献１参照）。図５Ａ〜Ｃは、特許文献１に記載された従来のスルーホールの密閉方法を説明するための断面図である。まず、図５Ａに示すように、絶縁基板１０１の厚み方向に、ブラスト処理等による手段を用いてスルーホール１０２を形成する。次に、図５Ｂに示すように、スルーホール１０２の内壁とスルーホール１０２の開口部周囲とに導電膜１０３を形成する。そして、図５Ｃに示すように、スルーホール１０２にガラスペーストからなる充填部材１０４を充填し、これを焼成してスルーホール１０２を塞ぐ。
特開平０５−６７８６８号公報
しかし、上記従来の方法では、充填部材１０４を焼成する際、充填部材１０４に含まれるバインダー樹脂が発泡するため、充填部材１０４が多孔質化する。その結果、スルーホール１０２の密閉性が低くなるため、上記従来の方法で得られた回路基板を後述する水晶振動子等の電子部品に適用した場合に、電子部品の気密性の維持が困難となるおそれがある。
本発明は、上記従来の問題を解決するもので、スルーホールの密閉性が高い回路基板とその製造方法及びこれを用いた電子部品を提供する。
本発明の回路基板は、絶縁基板と、前記絶縁基板の厚さ方向に形成された、前記絶縁基板の第１主面と前記絶縁基板の第２主面とを接続するためのスルーホールとを含む回路基板であって、
前記スルーホールの内壁と前記第１及び第２主面における前記スルーホールの開口部周囲とに形成された導電膜と、
前記スルーホールに充填された充填部材とを含み、
前記充填部材が非発泡状態で充填されており、
前記絶縁基板は、ガラス基板であり、
前記充填部材は、ガラスからなり、
前記充填部材の軟化点が前記絶縁基板の軟化点より低く、
前記絶縁基板の主面に平行な方向において、前記絶縁基板の熱膨張係数を前記充填部材の熱膨張係数で除した値が、１．４〜２．０であることを特徴とする。
本発明の回路基板の製造方法は、
絶縁基板の厚さ方向に、前記絶縁基板の第１主面と前記絶縁基板の第２主面とを接続するためのスルーホールを形成し、
前記スルーホールの内壁と前記第１及び第２主面における前記スルーホールの開口部周囲とに導電膜を形成し、
前記スルーホールに充填部材を充填する回路基板の製造方法であって、
前記絶縁基板は、ガラス基板であり、
前記充填部材は、ガラスからなり、
前記充填部材の軟化点が前記絶縁基板の軟化点より低く、
前記絶縁基板の主面に平行な方向において、前記絶縁基板の熱膨張係数を前記充填部材の熱膨張係数で除した値が、１．４〜２．０であり、
前記充填部材を充填した後に、前記充填部材を加熱・加圧して、焼成することを特徴とする。
本発明の電子部品は、
絶縁基板と、前記絶縁基板の厚さ方向に形成された、前記絶縁基板の第１主面と前記絶縁基板の第２主面とを接続するためのスルーホールとを含む回路基板と、
前記回路基板に搭載された電子素子と、
前記電子素子を覆う蓋体とを含む電子部品であって、
前記回路基板は、前記スルーホールの内壁と前記第１及び第２主面における前記スルーホールの開口部周囲とに形成された導電膜と、前記スルーホールに充填された充填部材とを含み、
前記充填部材が非発泡状態で充填されており、
前記絶縁基板は、ガラス基板であり、
前記充填部材は、ガラスからなり、
前記充填部材の軟化点が前記絶縁基板の軟化点より低く、
前記絶縁基板の主面に平行な方向において、前記絶縁基板の熱膨張係数を前記充填部材の熱膨張係数で除した値が、１．４〜２．０であることを特徴とする。
本発明の回路基板によれば、スルーホールに充填部材が非発泡状態で充填されているため、スルーホールの密閉性が高い回路基板を提供できる。また、本発明の電子部品によれば、上記本発明の回路基板を用いているため、気密性が高い電子部品を提供できる。また、本発明の回路基板の製造方法によれば、上記本発明の回路基板を容易に製造できる。
本発明の回路基板は、絶縁基板と、この絶縁基板の厚さ方向に形成された、絶縁基板の第１主面と絶縁基板の第２主面とを接続するためのスルーホールとを含む。ここで、「第１主面」とは、上記回路基板を後述する電子部品に適用した際、電子素子が搭載される側の絶縁基板の主面をいう。
上記絶縁基板は、ガラス基板であることが好ましい。ガラス基板は酸化珪素分子がつながって出来た境目のない構造を有しているため、セラミック基板等に比べ密に形成されている。よって、上記絶縁基板がガラス基板の場合は、後述する電子部品に適用した際、電子部品の気密性の向上が可能となる。ガラス基板としては、例えば、熱膨張係数が３×１０-6／℃〜８×１０-6／℃の硼珪酸ガラスや、同じく熱膨張係数が３×１０-6／℃〜８×１０-6／℃の無アルカリガラス、あるいは熱膨張係数が８×１０-6／℃〜１．２×１０-5／℃のソーダガラス等が使用できる。また、その厚みは、例えば１００〜３００μｍ程度である。なお、上記絶縁基板の軟化点は、例えば７００〜９００℃程度である。
上記スルーホールは、上記第１主面から上記第２主面にかけてその径が漸次小さくなっていることが好ましい。後述する充填部材の充填を容易に行うことができるからである。スルーホールの径は、絶縁基板の厚みに応じて適宜設定すればよいが、例えば絶縁基板の厚みが１５０μｍの場合は、上記第１主面側の開口径を１００〜１５０μｍの範囲とすればよく、上記第２主面側の開口径を５０〜１００μｍの範囲とすればよい。また、スルーホールの形成は、例えばサンドブラスト法やエッチング法等により行うことができる。特に、サンドブラスト法によれば、ブラスト圧等を適宜調整することによって、所望の形状のスルーホールを形成することができるため好ましい。
そして、本発明の回路基板は、上記スルーホールの内壁と上記第１及び第２主面における上記スルーホールの開口部周囲とに形成された導電膜と、上記スルーホールに充填された充填部材とを含み、上記充填部材が非発泡状態で充填されている。これにより、スルーホールの密閉性が高い回路基板を提供できる。特に、上記スルーホールに充填された上記充填部材の空孔率が２０％以下（より好ましくは１０％以下）である場合は、スルーホールの密閉性がより向上するため好ましい。なお上記充填部材の空孔率は、例えば、上記充填部材の比重を実測し、この実測値と上記充填部材の構成材料自体の比重との比から求めることができる。また、上記充填部材の軟化点は、例えば５００〜７００℃程度である。
また、本発明において、上記絶縁基板としてガラス基板を用いる場合は、上記充填部材がガラスからなることが好ましい。上記絶縁基板の熱膨張係数と上記充填部材の熱膨張係数とを、ある程度揃えることができるため、例えば熱的な歪によるスルーホールの密閉性の低下を防止することができる。
また、本発明において、上記充填部材がガラスからなる場合は、上記導電膜として、チタン、銅等の酸化物被膜が形成されやすい金属からなる薄膜を用いることが好ましい。上記充填部材を構成するガラス（酸化物が主成分）と上記導電膜を覆う酸化物被膜とが強固に密着するため、上記スルーホールの密閉性がより向上するからである。上記導電膜は、例えばスパッタリング法やめっき法等の手段を用いて形成できる。例えばチタン薄膜を０．０５〜０．１μｍ程度の厚さに形成する場合は、スパッタリング法を用いて形成することができる。また、例えば銅薄膜を１〜２μｍ程度の厚さに形成する場合は、無電解めっき法及び電解めっき法を用いて形成することができる。
次に、本発明の回路基板の製造方法について説明する。なお、以下の記述において、上述した本発明の回路基板の説明と重複する内容を省略する場合がある。
本発明の回路基板の製造方法は、まず、絶縁基板の厚さ方向に、絶縁基板の第１主面と絶縁基板の第２主面とを接続するためのスルーホールを形成し、このスルーホールの内壁と上記第１及び第２主面における上記スルーホールの開口部周囲とに導電膜を形成する。スルーホール及び導電膜の形成方法は、上述の通りである。スルーホールを形成する際は、上記第１主面から上記第２主面にかけてスルーホールの径が漸次小さくなるように形成することが好ましい。後述する充填部材の充填を容易に行うことができるからである。また、使用する絶縁基板は、上述した本発明の回路基板と同様にガラス基板であることが好ましい。
そして、上記スルーホールに充填部材を加熱・加圧しながら充填する。これにより、充填部材が非発泡状態で充填されて、上述した本発明の回路基板が得られる。なお、上記充填部材を充填する際の充填条件は、上記充填部材の材料等により異なるが、上記充填部材がガラスからなる場合の好適な充填条件については後述する。
また、本発明の回路基板の製造方法では、上記スルーホールに略球状の上記充填部材を充填してもよい。スルーホールの内壁に形成された導電膜と充填部材とを均一に密着させることができるからである。この場合、充填される上記充填部材の直径は、上記スルーホールの開口径に応じて適宜設定すればよいが、例えば上記第１主面側の上記スルーホールの開口径が１００〜１５０μｍ程度の場合は、上記充填部材の直径を２１０〜２４０μｍ程度とすればよい。
また、本発明の回路基板の製造方法では、上記絶縁基板の熱膨張係数を上記充填部材の熱膨張係数で除した値が、１．１〜２．０であることが好ましく、１．４〜２．０であることがより好ましい。この条件を満たす場合は、上記充填部材の充填工程において、上記充填部材が上記スルーホールの内壁により押圧されるため、上記スルーホールの密閉性がより向上する。
次に、本発明の電子部品について説明する。なお、本発明の電子部品は、上述した本発明の回路基板を含む電子部品である。よって、以下の記述において、上述した本発明の回路基板と同じ構成要素についての説明を省略する場合がある。
本発明の電子部品は、上述した本発明の回路基板と、この回路基板に搭載された電子素子と、この電子素子を覆う蓋体とを含む。本発明の電子部品に含まれる回路基板は、上述したようにスルーホールの密閉性が高いため、本発明によれば気密性が高い電子部品を提供することができる。
上記電子素子としては、例えば水晶片や半導体素子等が使用できる。例えば、上記電子素子が水晶片である場合、上記電子部品は水晶振動子となる。上記蓋体の材料については特に限定されないが、例えばガラス等を使用することができる。上記蓋体の厚みは、例えば０．３〜０．４ｍｍ程度である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
［第１実施形態］
まず、本発明の第１実施形態について図面を参照して説明する。参照する図１は、本発明の第１実施形態に係る回路基板の断面図である。
図１に示すように、第１実施形態に係る回路基板１は、絶縁基板１０と、絶縁基板１０の厚さ方向に形成された、絶縁基板１０の第１主面１０ａと絶縁基板１０の第２主面１０ｂとを接続するためのスルーホール１１と、第１導電膜１２と、第２導電膜１３と、スルーホール１１に充填された充填部材１４とを含む。そして、充填部材１４は、非発泡状態で充填されている。これにより、スルーホール１１の密閉性を向上させることができる。特に、スルーホール１１に充填された充填部材１４の空孔率が２０％以下（より好ましくは１０％以下）である場合は、スルーホール１１の密閉性がより向上するため好ましい。
また、第１導電膜１２は、第１主面１０ａにおけるスルーホール１１の開口部周囲に形成された電子素子接続電極１２ａと、スルーホール１１の内壁に形成された接続導電膜１２ｂと、第２主面１０ｂにおけるスルーホール１１の開口部周囲に形成された外部接続電極１２ｃとからなる。なお、第１導電膜１２は、特許請求の範囲に記載された「導電膜」に相当する。
次に、上述した回路基板１の各構成要素の一例について説明する。絶縁基板１０としては、例えば熱膨張係数が７×１０-6／℃で軟化点が７３０℃の硼珪酸ガラスからなるガラス基板（厚み：１５０μｍ）が使用できる。スルーホール１１は、第１主面１０ａから第２主面１０ｂにかけてその径が漸次小さくなっており、第１主面１０ａ側の開口径が例えば１５０μｍで、第２主面１０ｂ側の開口径が例えば５０μｍである。充填部材１４としては、例えば熱膨張係数が５×１０-6／℃で軟化点が６５０℃の硼珪酸ガラスからなるものが使用できる。
次に、上述した回路基板１の製造方法の一例について説明する。参照する図２Ａ〜Ｇは、回路基板１の製造方法の一例を説明するための断面図である。なお、図２Ａ〜Ｇにおいて、図１と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
まず、図２Ａに示すように、絶縁基板１０の厚さ方向に、絶縁基板１０の第１主面１０ａと絶縁基板１０の第２主面１０ｂとを接続するためのスルーホール１１を形成する。例えば、アルミナや炭化珪素等のメディアを用いたサンドブラスト法を用いてスルーホール１１を形成することができる。
次に、図２Ｂに示すように、絶縁基板１０の表面及びスルーホール１１の内壁に導電膜１５を形成する。例えば、スパッタリング法を用いて、厚みが１μｍ程度の導電膜１５を形成すればよい。
次に、導電膜１５上の所定の箇所にレジスト膜（図示せず）を形成した後、導電膜１５上のレジスト膜で覆われていない箇所をエッチングして、図２Ｃに示す第１及び第２導電膜１２，１３を形成する。
次に、図２Ｄに示すように、スルーホール１１の第１主面１０ａ側の開口部に略球状に形成されたガラス製の充填部材１４を載置する。この場合の充填部材１４としては、例えば日本電気硝子株式会社製ＢＨガラス等が使用できる。また、充填部材１４の直径は、例えばスルーホール１１の第１主面１０ａ側の開口径が１５０μｍの場合、２１０μｍ程度であればよい。
そして、プレス治具１６を用いて、充填部材１４を加熱しながら挟圧する（図２Ｅ〜Ｆ）。充填部材１４の加熱温度は、例えば充填部材１４の軟化点以下の温度（例えば６００〜６３０℃程度）であればよい。また、プレス治具１６で挟圧する際の圧力は、例えば４．０×１０8〜１．１×１０10Ｐａ程度であればよい。これにより、充填部材１４が非発泡状態で充填される（図２Ｇ）。なお、プレス治具１６の構成材料としては、例えばＴｉＣ等を焼結した超硬質材料からなる芯材の表面をダイヤモンドライクカーボン等で被覆したものが使用できる。
また、上記製造方法において、絶縁基板１０の熱膨張係数を充填部材１４の熱膨張係数で除した値が１．１〜２．０の範囲となるように各構成材料を選択した場合は、充填工程において、充填部材１４がスルーホール１１の内壁により押圧される。これにより、スルーホール１１の密閉性がより高くなる。
また、上記製造方法において、第１導電膜１２（導電膜１５）として酸化物被膜が形成されやすい金属からなる導電膜を用いた場合は、充填部材１４（ガラス）と第１導電膜１２との密着性が向上し、スルーホール１１の密閉性がより一層高くなる。
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について図面を参照して説明する。参照する図３は、本発明の第２実施形態に係る電子部品の断面図である。第２実施形態に係る電子部品は、上述した第１実施形態に係る回路基板１を含む。なお、図３において、図１と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
図３に示すように、第２実施形態に係る電子部品２は、上述した第１実施形態に係る回路基板１と、回路基板１に搭載された電子素子２０と、電子素子２０を覆う蓋体２１とを含む。蓋体２１は、サンドブラスト法やエッチング法等の手段を用いて形成された凹部２１ａを有する。そして、電子素子２０は、電子素子接続電極１２ａに導電性接着剤２２を介して搭載されている。また、第２導電膜１３と蓋体２１とは、接着層２３を介して接着されている。接着層２３の構成材料としては、金−錫めっき膜や金−錫ペースト、あるいは低融点ガラス等が使用できる。このように、第２実施形態に係る電子部品２は、上述した本発明の第１実施形態に係る回路基板１を用いるため、気密性の向上が可能となる。
次に、上述した第２実施形態に係る電子部品２の製造方法の一例について図面を参照して説明する。参照する図４Ａ〜Ｃは、第２実施形態に係る電子部品２の製造方法の一例を説明するための断面図である。なお、図４Ａ〜Ｃにおいて、図３と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
まず、図４Ａに示すように、回路基板１の電子素子接続電極１２ａ上に導電性接着剤２２を介して電子素子２０を搭載する。これにより、回路基板１の外部接続電極１２ｃは、接続導電膜１２ｂ、電子素子接続電極１２ａ及び導電性接着剤２２を介して電子素子２０と電気的に接続される。
次に、真空雰囲気中で回路基板１を位置決め用冶具（図示せず）にセットした後、蓋体２１を回路基板１の真上に位置合わせし（図４Ｂ参照）、蓋体２１と回路基板１とを接着する。この際、図４Ｂに示すように、蓋体２１の回路基板１との接続部には、接着層２３が予め設けられている。本実施形態では、接着層２３として、電解めっきにより形成した金−錫合金（厚み：１０〜１５μｍ）を用いている。この場合、金−錫合金の質量比（金：錫）は、例えば４：１とすればよい。
次に、蓋体２１を５×１０4〜６×１０4Ｐａで加圧しながら、２９０〜３１０℃のＮ2ガス雰囲気炉中で回路基板１と共に加熱する。この際の加熱時間は３０〜６０秒が好ましい。これにより、回路基板１と蓋体２１とが接着層２３によって接合され、気密性が高い電子部品２が得られる（図４Ｃ）。
得られた電子部品２を、ＩＥＣ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｏｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ：国際電気標準会議）６８−２−６６による不飽和型蒸気加圧試験（試験条件：１３０℃、８５％相対湿度（ＲＨ）、４０時間）での高湿条件下に曝した後、気密性試験を行った結果（各１００個）、電子部品２の気密性はいずれも良好であることが確認できた。ここでいう「気密性が良好」とは、ヘリウムをトレーサガスに用いた気密性試験機において、１×１０-9Ｐａ・ｍ3／ｓｅｃ以下の漏れ量に保持できる状態の事をいう。なお、上記気密性試験は、ＪＩＳＺ２３３１「ヘリウム漏れ試験方法（真空吹き付け法）」に準拠する試験であり、気密性試験機として、株式会社アルバック社製ヘリウムリークディテクターを用いて行った。なお、試験に用いた電子部品２は、充填部材１４の空孔率が２０％であった。
また、比較として、充填部材にガラスペースト（日本フィールド・エンジニアリング社製ＦＸ−１０−０２６）を用いて背景技術で説明した方法によりスルーホールを密閉したこと以外は、上記試験に用いた電子部品２と同様の方法で製造した電子部品について上記気密性試験を行ったところ（各１００個）、漏れ量はいずれも１×１０-6・ｍ3／ｓｅｃとなった。なお、試験に用いた比較例の電子部品は、充填部材の空孔率が４０％であった。
本発明は、水晶片や半導体素子等を含む電子部品に有用であり、特に、高気密性が要求される電子部品に有用である。
図１は、本発明の第１実施形態に係る回路基板の断面図である。 図２Ａ〜Ｇは、本発明の第１実施形態に係る回路基板の製造方法の一例を説明するための断面図である。 図３は、本発明の第２実施形態に係る電子部品の断面図である。 図４Ａ〜Ｃは、本発明の第２実施形態に係る電子部品の製造方法の一例を説明するための断面図である。 図５Ａ〜Ｃは、従来のスルーホールの密閉方法を説明するための断面図である。
符号の説明
１ 回路基板
２ 電子部品
１０ 絶縁基板
１０ａ 第１主面
１０ｂ 第２主面
１１ スルーホール
１２ 第１導電膜
１２ａ 電子素子接続電極
１２ｂ 接続導電膜
１２ｃ 外部接続電極
１３ 第２導電膜
１４ 充填部材
１５ 導電膜
１６ プレス治具
２０ 電子素子
２１ 蓋体
２１ａ 凹部
２２ 導電性接着剤
２３ 接着層

Claims (7)

  1. 絶縁基板と、前記絶縁基板の厚さ方向に形成された、前記絶縁基板の第１主面と前記絶縁基板の第２主面とを接続するためのスルーホールとを含む回路基板であって、
    前記スルーホールの内壁と前記第１及び第２主面における前記スルーホールの開口部周囲とに形成された導電膜と、
    前記スルーホールに充填された充填部材とを含み、
    前記充填部材が非発泡状態で充填されており、
    前記絶縁基板は、ガラス基板であり、
    前記充填部材は、ガラスからなり、
    前記充填部材の軟化点が前記絶縁基板の軟化点より低く、
    前記絶縁基板の主面に平行な方向において、前記絶縁基板の熱膨張係数を前記充填部材の熱膨張係数で除した値が、１．４〜２．０であることを特徴とする回路基板。
  2. 前記スルーホールに充填された前記充填部材は、空孔率が２０％以下である請求項１に記載の回路基板。
  3. 前記スルーホールは、前記第１主面から前記第２主面にかけてその径が漸次小さくなっている請求項１に記載の回路基板。
  4. 絶縁基板の厚さ方向に、前記絶縁基板の第１主面と前記絶縁基板の第２主面とを接続するためのスルーホールを形成し、
    前記スルーホールの内壁と前記第１及び第２主面における前記スルーホールの開口部周囲とに導電膜を形成し、
    前記スルーホールに充填部材を充填する回路基板の製造方法であって、
    前記絶縁基板は、ガラス基板であり、
    前記充填部材は、ガラスからなり、
    前記充填部材の軟化点が前記絶縁基板の軟化点より低く、
    前記絶縁基板の主面に平行な方向において、前記絶縁基板の熱膨張係数を前記充填部材の熱膨張係数で除した値が、１．４〜２．０であり、
    前記充填部材を充填した後に、前記充填部材を加熱・加圧して、焼成することを特徴とする回路基板の製造方法。
  5. 前記スルーホールに、略球状の前記充填部材を充填する請求項４に記載の回路基板の製造方法。
  6. 前記スルーホールを形成する際、前記第１主面から前記第２主面にかけて前記スルーホールの径が漸次小さくなるように形成する請求項４に記載の回路基板の製造方法。
  7. 絶縁基板と、前記絶縁基板の厚さ方向に形成された、前記絶縁基板の第１主面と前記絶縁基板の第２主面とを接続するためのスルーホールとを含む回路基板と、
    前記回路基板に搭載された電子素子と、
    前記電子素子を覆う蓋体とを含む電子部品であって、
    前記回路基板は、前記スルーホールの内壁と前記第１及び第２主面における前記スルーホールの開口部周囲とに形成された導電膜と、前記スルーホールに充填された充填部材とを含み、
    前記充填部材が非発泡状態で充填されており、
    前記絶縁基板は、ガラス基板であり、
    前記充填部材は、ガラスからなり、
    前記充填部材の軟化点が前記絶縁基板の軟化点より低く、
    前記絶縁基板の主面に平行な方向において、前記絶縁基板の熱膨張係数を前記充填部材の熱膨張係数で除した値が、１．４〜２．０であることを特徴とする電子部品。
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