JP4907216B2 - プリント配線板及びプリント配線板の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、ＢＧＡ（Ball Grid Array）実装、チップ実装、発熱部品の実装等を行う表面実装基板に好適なプリント配線板及びこのプリント配線板の製造方法に関するものである。

近年の電子機器に対する小型及び高性能化の要望に伴い電子部品の高密度実装が図られている。例えば、高密度実装を実現するものとしてＢＧＡ実装があるが、セラミックＢＧＡパッケージでは、半導体集積回路の高集積化に伴ってピン数や発熱量が増加する傾向にある。

一般的なセラミックＢＧＡパッケージを実装するプリント配線板は、Ｘ−Ｙ方向で１５〜１７ｐｐｍの熱膨張係数を有する。これに対し、セラミックパッケージの熱膨張係数はおよそ７ｐｐｍと低い。このような熱膨張係数の差異は、電子機器の動作時における基板温度の上昇や熱ストレスが加わると、プリント配線板とパッケージとのはんだ接合部に応力を発生させる要因となる。

この応力によりパッケージのはんだ接合部のボールにクラックや破断等が生じるのを防ぐためには、半導体集積回路の高集積化の要望に反してパッケージのピン数やサイズを抑える必要があった。

上述した不具合を解消しようとする従来の技術として、例えば特許文献１に開示される多層配線基板がある。特許文献１の多層配線基板では、カーボンファイバ材を包含するコア層の表裏にガラスクロスを包含する絶縁層を設けた積層構造を有している。このように、特許文献１は、基板側の低熱膨張率化を図ることにより、低熱膨張係数のパッケージ材との間における熱膨張係数の差異を低減している。

特開２００４−８７８５６号公報

特許文献１において、コア層としてＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastic：炭素繊維強化プラスチック）基板を用いる場合、ＣＦＲＰの熱膨張係数がほぼ０ｐｐｍであるのに対し、ガラスクロスを包含する絶縁層は１３ｐｐｍ程度の熱膨張係数であり、熱膨張係数の差がおよそ１０ｐｐｍ以上となる。

このため、この構造を有するプリント配線板を電子機器等に使用した場合、電子機器の動作時における基板温度の上昇や温度変化、熱ストレスを繰り返し受けると、熱膨張係数の差異に起因する応力により、ＣＦＲＰ基板とガラスクロスを含有する絶縁層との界面が剥離する場合がある。

また、ＣＦＲＰ基板をコア層として積層基板を構成するにあたり、ＣＦＲＰ基板が低熱膨張係数であるので、ＣＦＲＰ基板の表裏面に設ける接着基材との間で熱膨張係数が大きく異なる場合、温度上昇により接着基材にクラックや剥離等が発生する場合がある。

さらに、ＣＦＲＰ基板のコア層（以下、ＣＦＲＰコア部と称す）では、カーボンファイバ材が導電性を有するため、貫通スルーホールを設ける箇所に予めクリアランスを設け、クリアランス箇所を絶縁樹脂で穴埋めしなければならない。このとき、クリアランス箇所の壁面に被覆を施していないと、穴埋めした絶縁樹脂内にカーボンが飛散して混合され、絶縁低下をきたし電気絶縁性に不具合が生じる場合がある。

また、ＣＦＲＰコア部を銅張板にすると、ＣＦＲＰコア部が低熱膨張であるのに対し、銅の熱膨張係数は１７ｐｐｍ程度と大きいため、温度上昇や温度変化、熱ストレスを受けると、ＣＦＲＰコア部と銅箔層の界面、ＣＦＲＰコア部のカーボン繊維界面、樹脂間等に剥離が発生する場合がある。

さらに、ＣＦＲＰコア部、パターン形成を施した内層コア材、及びガラスクロスを含有したプリプレグを重ねて加熱溶融することで製造したＣＦＲＰ多層プリント配線板では、ガラスクロス絶縁層の熱膨張係数が１３〜１５ｐｐｍであるため、温度上昇や温度変化、熱ストレスを繰り返し受けると、ＣＦＲＰコア部とガラスクロス絶縁層との間で剥離する場合がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、熱伝導性及び放熱性に優れ、熱ストレス等に対する信頼性を向上させたプリント配線板及びこの製造方法を得ることを目的とする。

この発明に係るプリント配線板は、一方向性炭素繊維のプリプレグシートが複数枚配向角度を変えて重ね合わせられたカーボンファイバ材を含む樹脂組成物からなるコア部と、コア部に形成された貫通孔と、貫通孔の孔内壁面及び開口周縁部を被覆する金属薄膜又は絶縁樹脂膜と、貫通孔が形成されたコア部を、前記貫通孔内が充填されるように被覆するアラミド繊維を含有した樹脂絶縁層と、貫通孔内に充填された樹脂絶縁層内を貫通孔の孔内壁面から離間し、前記貫通孔と同軸状態で通過するように表裏面を貫通する貫通スルーホールとを備えたものである。

この発明によれば、コア部がカーボンファイバ材を含む樹脂組成物からなるので、低熱膨張であると共に熱伝導性及び放熱性に優れ、アラミド繊維を含有する樹脂絶縁層でコア部を被覆することで、コア部と絶縁層との熱膨張係数の差が緩和されて熱耐性が向上し、実装信頼性を向上させることができる。
また、コア部に形成された貫通孔の孔内壁面及び開口周縁部を金属薄膜又は絶縁樹脂膜により被覆し、貫通孔内を絶縁樹脂で充填し、この絶縁樹脂内を貫通孔の孔内壁面から離間して貫通スルーホールを設けたので、貫通孔の孔内壁面及び開口周縁部から露出したカーボンファイバが貫通スルーホールに接触することなく、貫通孔内の絶縁低下を防止することができるという効果がある。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるプリント配線板の構造を概略的に示す断面図である。図１に示すプリント配線板は、アラミド繊維を含有するＣＦＲＰコア層（コア層）４の表裏面に、接着層６を介して、ブラインドビアホール７を有する積層基板（以降、ＢＶＨ層と称す）（配線層）５を積層し、貫通スルーホール８を形成した構造を有する。

ＣＦＲＰコア層４は、ＣＦＲＰコア部（コア部）１に対しアラミド繊維を含む絶縁樹脂組成物を加熱溶融して接着することにより、アラミド繊維を含む樹脂絶縁層（以降、アラミド繊維絶縁層と称す）２によりＣＦＲＰコア部１が被覆された構造を有している。

カーボンファイバ材を含む樹脂組成物であるＣＦＲＰコア部１は、例えば一方向性炭素繊維のプリプレグシートを複数枚適当な配向に重ねてプレス積層成形した積層成形物を用いる。このＣＦＲＰコア部１では、一方向性炭素繊維のプリプレグシートの重ね合わせる配向角度を変えることによって、熱伝導性、熱膨張係数、弾性率を変えることができる。また、アラミド繊維を含む絶縁樹脂組成物としては、例えばアラミド繊維の不織布にエポキシ樹脂を含浸したプリプレグが考えられる。

ＣＦＲＰコア層４において、ＣＦＲＰコア部１の熱膨張係数がほぼ０ｐｐｍであるのに対し、アラミド繊維絶縁層２の熱膨張係数はおよそ６ｐｐｍであり、両者の熱膨張係数の差は６ｐｐｍ程度である。また、特許文献１に開示される多層配線基板では、ＣＦＲＰコア部を被覆するガラスクロス絶縁層の熱膨張係数が１３〜１５ｐｐｍである。従って、本実施の形態１では、コア部とこれを被覆する絶縁層との間における熱膨張係数の差がおよそ半分以下になっているのがわかる。

このように、実施の形態１によるＣＦＲＰコア層４では、ＣＦＲＰコア部と絶縁層の熱膨張係数の差が、従来と比較して大幅に緩和されることから、ＣＦＲＰコア部の表裏面と絶縁層との間にクラックや剥離等が発生するのを軽減することができ、絶縁性能、実装信頼性を著しく向上させることができる。

内層コア基板５ａの表裏面には配線パターンとなる銅パターンが形成されており、その銅パターン上に接着層５ｂを介してさらに銅パターンが形成される。このように、ＢＶＨ層５は、本実施の形態１によるプリント配線板の内層となる３層構造を有しており、さらに接着層６でブラインドされるブラインドビアホール７が形成されている。

また、貫通スルーホール８は、図１に示すようにプリント配線板の表面から裏面に貫通しており、ＣＦＲＰコア層４に設けたクリアランス部３を通るように設けられる。クリアランス部３は、貫通スルーホール８と同軸にＣＦＲＰコア部１に設けられた貫通孔であり、貫通スルーホール８より大きい所定の径を有する。このようにクリアランス部３を通過するように貫通スルーホール８を設けるのは、ＣＦＲＰコア部１に含有されるカーボンファイバが導電性を有するため、ＣＦＲＰコア部１と貫通スルーホール８とが近すぎると短絡してしまうためである。

クリアランス部３としては、貫通スルーホール８に対する絶縁性が許容範囲となる間隔が必要であるが、積層ずれ等により貫通スルーホール８との間隔にばらつきが生じ、絶縁低下が起こらないように、ある程度の径が確保されていなければならない。また、クリアランス径が過剰に大きい場合、ＣＦＲＰコア部１の低熱膨張性や熱伝導性が低下するので好ましくない。これらの条件を考慮すると、クリアランス部３のクリアランス径としては、貫通スルーホール径と比較して＋０．５〜１．０ｍｍ程度大きい穴が好ましい。

次に実施の形態１によるプリント配線板の製造工程を説明する。
先ず、ＣＦＲＰコア層４の製造工程を説明する。
図２は、図１中のＣＦＲＰコア層の製造工程を示す図であり、図２（ａ）に示す工程から図２（ｄ）に示す工程へ製造が進む。なお、図２では、各工程での製造物を断面図で表している。図２（ａ）の工程に示すＣＦＲＰ基板であるＣＦＲＰコア部１に対し、図２（ｂ）の工程において、貫通スルーホール８を通過させるためのクリアランス部３となる貫通孔３ａを形成する。例えば、ＮＣボール盤を用い、貫通スルーホール８の径に対して＋０．５〜１．０ｍｍ程度径の大きいドリルで貫通孔３ａを開ける。

図２（ｂ）の工程でＮＣボール盤等によりＣＦＲＰコア部１を穴開けしたため、貫通孔３ａの孔内壁面にはカーボンファイバの加工カスが付着している。
そこで、図２（ｃ）の工程では、カーボンファイバの加工カスの飛散防止と貫通孔３ａ内の絶縁低下を防止するため、超音波洗浄等によりＣＦＲＰコア部１を洗浄し、特に貫通孔３ａの内壁に付着した加工カスを取り除く。

続いて、貫通孔３ａの孔内壁面から露出したカーボンファイバが貫通スルーホール８に接触しないようにするため、貫通孔３ａに対して無電解銅、電解銅メッキを施し、貫通孔３ａの孔内壁とスルーホールランド（開口周縁部）に銅厚１０μｍ程度の銅パターンを形成する（図２（ｃ）中の貫通孔３ｂ）。

このように、ＣＦＲＰコア部１の表裏面において貫通孔３ａの孔内壁とスルーホールランドのみに銅パターンを形成するのは、ＣＦＲＰコア部１と銅との熱膨張係数の差異に起因して、基板の温度上昇等により銅パターンにクラックや剥離等が発生するためである。従って、ＣＦＲＰコア部１の表面に形成する銅メッキ部分は、最小限の範囲に抑える。

例えば、ＣＦＲＰコア部１の表面全体に銅メッキを施すと、ＣＦＲＰコア部１の熱膨張係数がほぼ０ｐｐｍであるのに対し、銅の熱膨張係数は１７ｐｐｍ程度と大きく、ＣＦＲＰコア部１と銅パターンとの熱膨張係数の差が大きい。このため、ＣＦＲＰコア部１の表面全体に銅メッキを施すのは好ましくない。

なお、銅メッキ厚さは５〜１０μｍ程度が好ましい。これは、銅メッキ厚を厚くすると重量が重くなる上、貫通孔３ｂの径が小さくなり、最終的なクリアランス部３のクリアランス径が小さくなり、貫通スルーホール８との間の絶縁性が低下するからである。

また、銅メッキを施す代わりに、エポキシ樹脂をスプレイコートにより塗布して、貫通孔３ａの孔内壁と開口周縁部にエポキシ塗膜を形成するようにしてもよい。この場合、エポキシ樹脂の膜厚としては、１０μｍ以下で５μｍ程度が好ましい。これは、エポキシ樹脂の膜厚が１０μｍ以上になると、エポキシ樹脂被膜内に気泡（ボイド）が発生して、クラックや剥離等を発生する要因となり得、好ましくないからである。

図２（ｄ）の工程では、ＣＦＲＰコア部１の表裏面にアラミド繊維不織布を含有する絶縁層プリプレグを配置し、加熱溶融しつつ、ＣＦＲＰコア部１の表裏側からプレスして積層成形することによりＣＦＲＰコア層４を形成する。
例えば、図２（ｃ）の工程で貫通孔３ｂが形成されたＣＦＲＰコア部１の表裏面にアラミド繊維不織布にエポキシ樹脂を含浸したプリプレグを重ね、圧力６ＭＰａ、温度１８０℃で１２０分間積層成形加工を行う。これにより、貫通孔３ｂ内にアラミド繊維不織布が充填され、貫通スルーホール８に対するクリアランス部３が形成される。

このように、アラミド繊維不織布を充填することにより、クリアランス部３内の熱膨張係数が低下してＣＦＲＰコア部１との熱膨張係数の整合がとられ、クリアランス部３の内壁でクラックが発生するのを防止する。これにより、クリアランス部３の絶縁信頼性を著しく向上させることができる。

上記積層形成の推奨条件としては、温度が１７５℃〜１９０℃、圧力が５ＭＰａ〜６ＭＰａ、加熱時間が９０分〜１２０分程度が挙げられる。なお、プレス温度範囲より温度が低い、あるいはプレス成形時間範囲より時間が短い場合、成形樹脂の硬化不足が発生し、基板に部品を実装する際、基板の反り等の要因となり好ましくない。また、成形圧力範囲より圧力が低い場合、貫通孔３ｂ内へのアラミド繊維不織布の充填が不十分となり、貫通孔３ｂ内にボイドが残存する可能性があるため好ましくない。
このように、上記推奨条件は、発明者による本発明に至るまでの研究解析の結果として見出されたものであり、上記不具合のないＣＦＲＰコア層４を的確に形成できる臨界的意義を有する。

上述したように、本発明では、ＣＦＲＰコア部１の表裏面にアラミド繊維を含有する絶縁層を配置することにより、従来のプリント配線板と比較して熱膨張係数の差が緩和され、ＣＦＲＰコア部１のようなカーボンファイバ材を含むコア部を被覆する絶縁層にクラックや剥離等が発生するのを防止することができ、絶縁性能及び実装信頼性を著しく向上させることが可能である。

次に、ＢＶＨ層５の製造工程を説明する。
図３は、図１中のＢＶＨ層の製造工程を示す図であり、３（ａ）に示す工程から図３（ｅ）に示す工程へ製造が進む。なお、図３では各工程での製造物を断面図で表している。
図３（ａ）の工程に示す表裏面に銅箔が設けられた内層コア基板５ａに対し、図３（ｂ）の工程において、既存の写真製版技術等を用いて表裏面に配線パターンとなる銅パターンを形成する。

続いて、図３（ｃ）の工程において、内層コア基板５ａの銅パターンを酸化処理し、乾燥した後、表裏面の銅パターン上に絶縁層となる接着層５ｂを重ね、さらに銅箔５ｃをそれぞれ置いて真空プレスによる積層成形を行う。これにより、図３（ｃ）に示すような内層コア基板５ａの表裏面に接着層５ｂ及び銅箔５ｃを有する積層基板が形成される。

図３（ｄ）の工程では、上述の積層基板に対し、例えばＮＣボール盤を用いてブラインドビアホールを形成するための貫通孔７ａを開ける。
この後、図３（ｅ）の工程において、貫通孔７ａを開けた積層基板に対し、デスミア処理を施して微小な加工カスを取り除き、無電解銅、電解銅メッキを施してブラインドビアホール（ＢＶＨ）７を形成する。
次に、図１のプリント配線板を構成する際に内層側になる面に対して、既存の写真製版技術等を利用して銅パターン（内層パターン）を形成する。これにより、図３（ｅ）に示すような内層となる面側に銅パターンが形成され、外表面（外層側の面）にはべたの銅箔が残るＢＶＨ層５が得られる。

上述のようにして作成されたＣＦＲＰコア層４とＢＶＨ層５を用い、図１に示すプリント配線板を作成する。
先ず、ＣＦＲＰコア層４の表裏面に接着層６を重ね、その上にＢＶＨ層５をそれぞれ配置して真空プレスによる積層成形を施す。このとき、図３（ｅ）の工程で銅パターンを形成した内層面が接着層６側となるように配置する。これにより、ＣＦＲＰコア層４の表裏面に接着層６を介してＢＶＨ層５が積層した積層基板が形成される。

次に、上記積層基板に対し、例えばＮＣボール盤を用いて、ＣＦＲＰコア層４のクリアランス部３を通過するように表裏に貫通する貫通孔を開ける。この処理で生じた微小な加工カスをデスミア処理で取り除き、無電解銅、電解銅メッキを施して貫通スルーホール８を形成する。この後、ＢＶＨ層５の外表面（外層側の面）に対し、既存の写真製版技術等を利用して所望の銅パターンを形成することにより、図１に断面で示すようなプリント配線板が得られる。

以上のように、この実施の形態１によれば、ＣＦＲＰコア部１がカーボンファイバ材を含む樹脂組成物からなるので、低熱膨張であると共に熱伝導性及び放熱性に優れ、アラミド繊維を含有する樹脂絶縁層２によってＣＦＲＰコア部１を被覆するので、ＣＦＲＰコア部１と絶縁層２との熱膨張係数の差が緩和されて熱耐性が向上し、実装信頼性を向上させることができる。

また、上記実施の形態１によれば、クリアランス部３の孔内壁面及び開口周縁部を銅薄膜や、絶縁樹脂薄膜で被覆するので、クリアランス部３の孔内壁面からカーボンファイバが露出することがなく、絶縁性を向上させることができる。

この発明の実施の形態１によるプリント配線板の構造を概略的に示す断面図である。 図１中のＣＦＲＰコア層の製造工程を示す図である。 図１中のＢＶＨ層の製造工程を示す図である。

符号の説明

１ ＣＦＲＰコア部（コア部）、２ アラミド繊維絶縁層、３ クリアランス部、３ａ，３ｂ，７ａ 貫通孔、４ ＣＦＲＰコア層、５ ＢＶＨ層（配線層）、５ａ 内層コア基板、５ｂ，６ 接着層、５ｃ 銅箔、７ ブラインドビアホール、８ 貫通スルーホール。

Claims (3)

1. 一方向性炭素繊維のプリプレグシートが複数枚配向角度を変えて重ね合わせられたカーボンファイバ材を含む樹脂組成物からなるコア部と、
   前記コア部に形成された貫通孔と、
   前記貫通孔の孔内壁面及び開口周縁部を被覆する金属薄膜と、
   前記貫通孔が形成された前記コア部を、前記貫通孔内が充填されるように被覆するアラミド繊維を含有した樹脂絶縁層と、
   前記貫通孔内に充填された前記樹脂絶縁層内を前記貫通孔の前記孔内壁面から離間し、前記貫通孔と同軸状態で通過するように表裏面を貫通する貫通スルーホールとを備えたプリント配線板。
2. 一方向性炭素繊維のプリプレグシートが複数枚配向角度を変えて重ね合わせられたカーボンファイバ材を含む樹脂組成物からなるコア部と、
   前記コア部に形成された貫通孔と、
   前記貫通孔の孔内壁面及び開口周縁部を被覆する絶縁樹脂薄膜と、
   前記貫通孔が形成された前記コア部を、前記貫通孔内が充填されるように被覆するアラミド繊維を含有した樹脂絶縁層と、
   前記貫通孔内に充填された前記樹脂絶縁層内を前記貫通孔の前記孔内壁面から離間し、前記貫通孔と同軸状態で通過するように表裏面を貫通する貫通スルーホールとを備えたプリント配線板。
3. 前記樹脂絶縁層上に積層され、少なくとも一つの層に配線パターンが形成された積層構造を有する配線層を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２記載のプリント配線板。

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