JP4996838B2 - 多層配線基板 - Google Patents
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第二の本発明は、熱可塑性樹脂組成物からなる絶縁基材(10)、該絶縁基材上に設けられた導体パターン(20)を備え、該絶縁基材に導電性ペースト組成物(40)が充填されたビアホール(30)が形成されてなる配線基板(100)を、該配線基板同士を複数重ね合わせて、または、該配線基板とは異なる、熱可塑性樹脂組成物以外からなる配線基板(300)と交互に重ね合わせて、熱融着により一括積層または逐次積層してなる多層配線基板であって、導電性ペースト組成物(40)が、導電粉末と、バインダー成分とを含み、該導電粉末および該バインダー成分の質量比が、90/10以上98/2未満であり、導電粉末が、第1の合金粒子と第2の金属粒子とからなり、第1の合金粒子が、180℃以上260℃未満の融点を有する非鉛半田粒子であり、第2の金属粒子が、Au,Ag,Cuからなる群から選ばれる少なくとも一種以上であり、第1の合金粒子と第2の金属粒子との質量比が、76/24以上90/10未満であり、バインダー成分がマレイミド類を含有する混合物であり、非鉛半田粒子の融点における、熱可塑性樹脂組成物の貯蔵弾性率が、10MPa以上5GPa未満である、多層配線基板(200)である。
図1に本発明の多層配線基板200の製造方法の概略を示す。図1(a)〜(g)に示すように、本発明の多層配線基板200aは、熱可塑性樹脂組成物からなる絶縁基材10、この絶縁基材上に設けられた導体パターン20を備え、この絶縁基材10に導電性ペースト40が充填されたビアホール30が形成されてなる配線基板100aを、複数枚かさね合わせて、熱融着により積層して製造される。
熱可塑性樹脂組成物からなる絶縁基材10を形成する熱可塑性樹脂組成物としては、260℃以上の結晶融解ピーク温度(Tm)を有する、ポリアリールケトン樹脂および非晶性ポリエーテルイミド樹脂の混合組成物を用いることが好ましい。なお、ポリアリールケトン樹脂および非晶性ポリエーテルイミド樹脂は相溶系であり、これらの混合組成物は一つの結晶融解ピーク温度を有する。つまり、上記においては、ポリアリールケトン樹脂および非晶性ポリエーテルイミド樹脂の混合組成物が示す一つの結晶融解温度が260℃以上であることを意味している。
導体パターン20は、熱可塑性樹脂組成物からなる絶縁基材10上に、金属箔を熱圧着等により貼り付けた後、エッチング処理して導体パターン20とする方法、熱可塑性樹脂組成物からなる絶縁基材10を押出製膜する際に金属箔に直接ラミネートする方法、あるいは、熱可塑性樹脂組成物からなる絶縁基材10上に、レジストを形成して、メッキにより導体パターン20を形成する方法、等の通常の回路パターンを作製する方法により形成することができる。なお、以下において説明するように、本発明における好ましい形態である熱可塑性樹脂組成物は、急冷製膜により非晶性フィルム化されているので、比較的低温において熱圧着することが可能である。導体パターン20を形成する金属としては、Au、Ag、Cu等の電気抵抗が小さい金属を使用することができる。この中でも、配線基板の導体パターンとして使用されてきた実績が豊富であること、コストが低いことから、Cuを使用することが好ましい。
熱可塑性樹脂組成物からなる絶縁基材10には、ビアホール30が形成され、この中に導電性ペースト組成物40が充填される。本発明の多層配線基板200において使用される導電性ペースト組成物40は、導電粉末、および、バインダー成分を含むものである。
本発明において使用する導電粉末は、第1の合金粒子と第2の金属粒子とから構成されるものである。
本発明において使用するバインダー成分は、加熱により硬化する重合性単量体の混合物である。このようなバインダー成分としては、アルケニルフェノール化合物およびマレイミド類の混合物を挙げることができる。なお、アルケニルフェノール化合物および/またはマレイミド類が、高分子化合物であっても、これらを加熱することにより、架橋反応して硬化するものであれば、本発明の重合性単量体に含まれるものとする。
熱可塑性樹脂組成物以外からなる配線基板300としては、ガラスエポキシ基板(FR4基板)、2層ポリイミド基板、擬似2層ポリイミド基板、3層ポリイミド基板、液晶ポリマー(LCP)基板、低温焼成セラミック(LTCC)基板を使用することができる。これらの配線基板300は、二種以上を併せて積層して多層基板200を形成してもよい。
図1(a)〜(e)に、単層の配線基板100aを製造する工程を示した。まず、図1(a)に示すように、熱可塑性樹脂組成物からなる絶縁基材10を用意する。絶縁基材10は、フィルム、薄板状またはシート状が好ましく、成形方法としては、公知の方法、例えばTダイを用いる押出キャスト法、あるいはカレンダー法等を採用することができ、特に限定されるものではないが、シートの製膜性や安定生産性等の点から、Tダイを用いる押出キャスト法が好ましい。Tダイを用いる押出キャスト法での成形温度は、用いる樹脂の流動特性や製膜性等によって適宜調整されるが、概ね、260℃以上の結晶融解ピーク温度を有する、ポリアリールケトン樹脂および非晶性ポリエーテルイミド樹脂の混合組成物の場合、360〜400℃である。また、押出キャスト製膜時に急冷製膜することにより非晶性フィルム化することが必要である。これにより、170〜230℃付近に弾性率が低下する領域を発現するので、この温度領域での熱成形、熱融着が可能となる。詳細には、170℃付近で弾性率が低下し始め、200℃付近において熱成形、熱融着が可能となる。また、図3に示したグラフは、昇温速度を3℃/分として弾性率を測定したものであるが、昇温速度を10℃/分とすると、非晶から結晶への転移が遅れて、230℃付近において弾性率がもっとも低くなる。
ここで、熱可塑性樹脂組成物からなる絶縁基材10の温度に対する弾性率の挙動について説明する。熱可塑性樹脂組成物として、260℃以上の結晶融解ピーク温度(Tm)を有する、ポリアリールケトン樹脂および非晶性ポリエーテルイミド樹脂の混合組成物であって、特に、ポリアリールケトン樹脂としてポリエーテルエーテルケトンを使用した場合における絶縁基材10の、温度に対する弾性率の挙動を図3に示した。
図1(e)〜(g)に、本発明の多層配線基板200aの製造工程を示した。図1(f)に示すように、作製した単層の配線基板100aを複数枚重ね合わせる。図示した形態においては、単層配線基板100aを三つ重ね合わせている。また、最下層の基板をその方向を変えて重ね合わせて、多層基板の外側に導体パターン20が形成されるようにしている。具体的には、図4に示すように、ヒーター内蔵の積層治具50内に下側より弾性および離型性を有するクッションフィルム51、配線基材100aを三つ、その上に、クッションフィルム51を重ねて、その後、押圧治具52を、図中に示した矢印の方向に押し下げることで、三つの配線基材100aに熱圧着を施し、これらを積層一体化して本発明の多層配線基板200aを製造する。各層の積層条件としては、金属拡散接合を効果的に起こらしめる観点から、温度:200℃以上260℃未満、圧力:3MPa以上8MPa未満、プレス時間:10分以上40分未満とすることが好ましい。
(絶縁基材10の作製)
ポリエーテルエーテルケトン樹脂(PEEK450G、Tm=335℃)40質量%と、非晶性ポリエーテルイミド樹脂(Ultem 1000)60質量%とからなる樹脂混合物100質量部に対して、平均粒径5μm、平均アスペクト比50の合成マイカを39質量部混合して得られた熱可塑性樹脂組成物を溶融混練し、急冷製膜して100μm厚の非晶性フィルムからなる絶縁基材10を作製した。この非晶性フィルムを、示差走査熱量計を用いて10℃/分で昇温させながら測定した時の結晶融解ピーク温度(Tm)は、335℃であった。
Sn−Ag−Cu合金粒子(平均粒径5.55μm、融点220℃、Sn:Ag:Cu(質量比)=96.5:3:0.5)76質量%およびCu粒子(平均粒径5μm)24質量%の割合で混合した導電粉末97質量部に対して、ジメタリルビスフェノールA50質量%およびビス(4−マレイミドフェニル)メタン50質量%の割合で混合した重合性単量体の混合物3質量部、ならびに溶剤としてγブチロラクトン7.2質量部、を添加して、3本ロールで混練して導電性ペースト組成物を調製した。
205℃、5MPa、10分間の熱圧着により、12μmの厚みの銅箔を上記で作製した絶縁基材10に貼り付けた。次いで、絶縁基材の所望の位置に、レーザーを使用して絶縁基材を貫通する直径100μmのビアホールを形成した。そして、上記で調製した導電性ペースト組成物を、このビアホールにスクリーン印刷により充填した。充填後、125℃、45分間加熱し、溶剤を揮発させて導電性ペーストを乾燥固化した。その後、フォトリソグラフ法によって、銅箔に導体パターンを形成して、単層の配線基板100aを作製した。
上記で得られ単層の配線基板100aを3枚用意し、ビア部の位置が合うように積み重ね、温度230℃、5MPa、30分間、真空プレスすることにより積層して、絶縁基材10が結晶化した層厚0.3mmの3層の多層配線基板200aを作製した。
実施例1において導電性ペースト組成物中の導電粉末を95質量部、重合性単量体の混合物を5質量部とした以外は、実施例1と同様にして、導電性ペースト組成物を調製し、単層の配線基板100aおよび多層配線基板200aを作製した。
実施例1において導電性ペースト組成物中の導電粉末を、Sn−Ag−Cu合金粒子85質量%、Cu粒子15質量%の割合で混合したものとした以外は、実施例1と同様にして、導電性ペースト組成物を調製し、単層の配線基板100aおよび多層配線基板200aを作製した。
(単層の配線基板100bの作製)
実施例1において、絶縁基材10に銅箔を貼り付けない以外は、実施例1と同様にして単層の配線基板100bを作製した。
(ガラスエポキシ基板(FR4)の作製)
ガラスクロスにエポキシ樹脂組成物を含浸させて、厚さ100μmの半硬化状態(Bステージ)のプリプレグを用意した。このプリプレグの所定の箇所にレーザーによりビアホールを形成し、このビアホールに実施例1において調製した導電性ペースト組成物をスクリーン印刷により充填した。充填後、125℃45分間加熱し、溶剤を揮発させて導電性ペーストを乾燥固化した。
そして、プリプレグの両面に12μmの厚さの銅箔を180℃、5MPa、30分間の熱圧着により貼り付け、これと同時にエポキシ樹脂を完全に硬化した(Cステージ)。次いで、フォトリソグラフ法によって、銅箔に導体パターンを形成して、ガラスエポキシ基板を作製した。
(多層配線基板200bの作製)
上記で得られ単層の配線基板100bを1枚、および、ガラスエポキシ基板を2枚用意して、これらを交互に、ビア部の位置が合うように積み重ね、温度230℃、5MPa、30分間、真空プレスすることにより積層して、絶縁基材10が結晶化した層厚0.3mmの3層の多層配線基板200bを製造した。
実施例4において、ガラスエポキシ基板の代わりに、液晶ポリマー基板を用いた以外は、実施例4と同様にして、多層配線基板200bを製造した。液晶ポリマー基板の製造方法を以下に説明する。
(液晶ポリマー基板の製造方法)
Tダイを用いた押出キャスト法によって、LCPI型を420℃にて押し出すと同時に、12μmの厚さの銅箔を両面に貼り付けた。その後、上記のガラスエポキシ基板における場合と同様にして、ビアホールを形成し、導電性ペースト組成物を充填・乾燥し、導体パターンを形成して、厚さ0.1mmの液晶ポリマー基板を得た。
実施例4において、ガラスエポキシ基板の代わりに、3層ポリイミド基板を用いた以外は、実施例4と同様にして、多層配線基板200bを得た。3層ポリイミド基板の製造方法を以下に説明する。
(3層ポリイミド基板の製造方法)
35μmのポリイミドフィルムの両面に、熱硬化型の接着層を薄くコーティングし、接着層の硬化が進まない程度に乾燥固化させ、この接着層付きポリイミドフィルムの所定の箇所にビアホールを形成し、このビアホールに実施例1において調製した導電性ペースト組成物をスクリーン印刷により充填した。充填後、さらに、接着層の硬化が進まない125℃45分間の条件で加熱乾燥し、溶剤を揮発させて導電性ペーストを乾燥固化した。
そして、ビアが形成された接着層付きポリイミドフィルムの両面に12μmの厚さの銅箔を180℃、5MPa、30分間の熱圧着により貼り付け、これと同時にエポキシ樹脂を完全に硬化した(Cステージ)。次いで、フォトリソグラフ法によって、銅箔に導体パターンを形成して、厚さ60μmの3層ポリイミド両面基板を作製した。
実施例4において、ガラスエポキシ基板の代わりに、LTCCを用いた以外は、実施例4と同様にして、多層配線基板200bを得た。LTCCの製造方法を以下に説明する。
(LTCCの製造方法)
焼成前のLTCC(低温焼成セラミック)基板にビアホールを形成し、このビアホール中にAgペーストを充填し、焼成前の基板の表裏層にAgペースト配線を施し、焼成して、LTCC両面基板を作製した。
実施例1において導電性ペースト組成物中の導電粉末を98質量部、重合性単量体の混合物を2質量部とした以外は、実施例1と同様にして、導電性ペースト組成物を調製し、単層の配線基板100aおよび多層配線基板200aを作製した。
実施例1において導電性ペースト組成物中の導電粉末を89質量部、重合性単量体の混合物を11質量部とした以外は、実施例1と同様にして、導電性ペースト組成物を調製し、単層の配線基板100aおよび多層配線基板200aを作製した。
実施例1において導電性ペースト組成物中の導電粉末を、Sn−Ag−Cu合金粒子75質量%、Cu粒子25質量%の割合で混合したものとした以外は、実施例1と同様にして、導電性ペースト組成物を調製し、単層の配線基板100aおよび多層配線基板200aを作製した。
実施例1において導電性ペースト組成物中の導電粉末を、Sn−Ag−Cu合金粒子91質量%、Cu粒子9質量%の割合で混合したものとした以外は、実施例1と同様にして、導電性ペースト組成物を調製し、単層の配線基板100aおよび多層配線基板200aを作製した。
実施例1において導電性ペースト組成物中のSn−Ag−Cu合金粒子の平均粒径を、15μmとした以外は、実施例1と同様にして、導電性ペースト組成物を調製し、単層の配線基板100aおよび多層配線基板200aを作製した。
実施例1において導電性ペースト組成物中のCu粒子の平均粒径を、15μmとした以外は、実施例1と同様にして、導電性ペースト組成物を調製し、単層の配線基板100aおよび多層配線基板200aを作製した。
実施例1において導電性ペースト組成物中のCu粒子の平均粒径を、3.5μmとした以外は、実施例1と同様にして、導電性ペースト組成物を調製し、単層の配線基板100aおよび多層配線基板200aを作製した。
実施例1において導電性ペースト組成物中のSn−Ag−Cu合金粒子の平均粒径を、8μmとした以外は、実施例1と同様にして、導電性ペースト組成物を調製し、単層の配線基板100aおよび多層配線基板200aを作製した。
実施例1において導電性ペースト組成物中の重合性単量体の混合物を、ジメタリルビスフェノールA25質量%およびビス(4−マレイミドフェニル)メタン75質量%の割合で混合したものとした以外は、実施例1と同様にして、導電性ペースト組成物を調製し、単層の配線基板100aおよび多層配線基板200aを作製した。
実施例1において導電性ペースト組成物中の重合性単量体の混合物を、ジメタリルビスフェノールA75質量%およびビス(4−マレイミドフェニル)メタン25質量%の割合で混合したものとした以外は、実施例1と同様にして、導電性ペースト組成物を調製し、単層の配線基板100aおよび多層配線基板200aを作製した。
比較のために、特許文献2に記載の導電性ペースト、多層配線基板を作製した。
(導電性ペーストの調製)
銀被覆銅粉末(平均粒径5μm、銀含有量6質量%)60質量%と、Pb−Sn合金(平均粒径10μm、Pb:Sn質量比=38:62、融点=約183℃)40質量%の割合で混合した金属成分96質量部に対して、エポキシ樹脂を4質量部、溶剤として2−オクタノールを2.0質量部添加し、3本ロールで混練して導電性ペーストを調製した。
(多層配線基板の作製)
ポリフェニレンエーテル樹脂40体積%と、シリカを60体積%からなるBステージの絶縁シートに対して、マイクロドリルによって直径が200μmのビアホールを形成し、このビアホール内に前記において調製した導電性ペースト組成物を充填した。そして、導電性ペーストを埋め込んだBステージ状態の絶縁シートの両面に、厚さ12μmの銅箔からなる導体配線層を転写法により前記ビアホール導体の両端を狭持するように貼りあわせた後、200℃、1時間の条件にて熱処理を施した。次いで、フォトリソグラフ法によって、銅箔に導体パターンを形成して、単層基板を作製した。この単層基板4枚を、ビア部の位置が合うように積み重ねて、温度200℃、5MPa、30分間、真空プレスすることにより積層し、4層の多層配線基板を製造した。
(圧接ペーストの作製)
Ag粒子(平均粒径5μm)90質量部に対して、バインダー10質量部、溶剤としてγブチロラクトン7質量部、を添加して、3本ロールで混練して導電性ペースト組成物を調製した。なお、バインダーとしては、実施例1で使用したジメタリルビスフェノールA50質量%およびビス(4−マレイミドフェニル)メタン50質量%の割合で混合した重合性単量体の混合物を使用した。
(多層配線基板の作製)
上記の圧接ペーストを使用して、実施例1と同様にして単層の配線基板100a、多層配線基板200aを作製した。
上記で作製した多層配線基板に対して、以下の評価を行った。それぞれの評価結果を表1に示す。
(ビア断面の外観)
得られた多層配線基板のビア部について、断面SEM観察を行い、以下の基準により評価した。
○:金属粒子が見あたらない。充填欠陥がない。
×:金属粒子が確認できる。または、金属粒子は見あたらないが充填欠陥が存在する。
得られた多層配線基板を、125℃で4時間乾燥する。そして、30℃、湿度85%の恒温恒湿槽に96時間おいて、その後、ピーク温度250℃のリフロー炉で加熱する処理を二度繰り返した。得られた多層配線基板を以下の基準により評価した。
○:基板間の積層界面に剥がれがなく、ビアホール中に膨れが生じていない。
×:基板間の積層界面に剥がれ生じ、および/または、ビアホール中に膨れが生じた。
得られた多層配線基板の最上層から最下層まで配線が施されたテストパターン部において、以下の基準により評価した。
○:抵抗値が1×10−4Ωcm未満
×:抵抗値が1×10−5Ωcm以上
上記の吸湿耐熱性における処理を施した多層配線基板に対して、以下の二つの接続信頼性試験を行った。
85℃、湿度85%の恒温恒湿槽中において、DC50Vを240時間印可した。得られた多層配線基板を以下の基準により評価した。なお、「マイグレーション」とは、例えば、銅からなる導体パターン間において、CuOが形成され、ショートしてしまう現象をいう。
○:絶縁抵抗値が低下しなかった。
×:絶縁抵抗値が低下した。
−25℃において9分、125℃において9分というサイクルを1000回繰り返した。
得られた多層配線基板を以下の基準により評価した。なお、抵抗変化率は、「|試験前抵抗値−試験後抵抗値|/試験前抵抗値」×100(%)で表される値である。
○:抵抗変化率が、常温時および恒温時(25℃)ともに、20%未満である。
×:抵抗変化率が、常温時あるいは恒温時(25℃)のいずれかにおいて、20%以上である。
多層配線基板上に表出した導体パターン部に針金を半田付けし、この針金を上に引き上げ、導体パターン部を剥がした時の強度を測定した。
○:強度が1N/mm以上であった。
×:強度が1N/mm未満であった。
20 導体パターン
30 ビアホール
40 導電性ペースト組成物
100a、100b 単層配線基板
200a、200b 多層配線基板
300 熱可塑性樹脂組成物以外からなる配線基板
50 積層治具
51 クッションフィルム
52 押圧治具
Claims (8)
- 熱可塑性樹脂組成物からなる絶縁基材、該絶縁基材上に設けられた導体パターンを備え、該絶縁基材に導電性ペースト組成物が充填されたビアホールが形成されてなる配線基板を、該配線基板同士を複数重ね合わせて、または、該配線基板とは異なる、熱可塑性樹脂組成物以外からなる配線基板と交互に重ね合わせて、熱融着により一括積層または逐次積層してなる多層配線基板であって、
前記導電性ペースト組成物が、導電粉末と、バインダー成分とを含み、該導電粉末および該バインダー成分の質量比が、90/10以上98/2未満であり、
前記導電粉末が、第1の合金粒子と第2の金属粒子とからなり、
前記第1の合金粒子が、180℃以上260℃未満の融点を有する非鉛半田粒子であり、前記第2の金属粒子が、Au,Ag,Cuからなる群から選ばれる少なくとも一種以上であり、前記第1の合金粒子と前記第2の金属粒子との質量比が、76/24以上90/10未満であり、
前記バインダー成分が、マレイミド類を含有する混合物であり、
前記非鉛半田粒子の融点における、前記熱可塑性樹脂組成物の貯蔵弾性率が、10MPa以上5GPa未満である、多層配線基板。 - 熱可塑性樹脂組成物からなる絶縁基材、該絶縁基材上に設けられた導体パターンを備え、該絶縁基材に導電性ペースト組成物が充填されたビアホールが形成されてなる配線基板を、該配線基板同士を複数重ね合わせて、または、該配線基板とは異なる、熱可塑性樹脂組成物以外からなる配線基板と交互に重ね合わせて、熱融着により一括積層または逐次積層してなる多層配線基板であって、
前記導電性ペースト組成物が、導電粉末と、バインダー成分とを含み、該導電粉末および該バインダー成分の質量比が、90/10以上98/2未満であり、
前記導電粉末が、第1の合金粒子と第2の金属粒子とからなり、
前記第1の合金粒子が、180℃以上260℃未満の融点を有する非鉛半田粒子であり、前記第2の金属粒子が、Au,Ag,Cuからなる群から選ばれる少なくとも一種以上であり、前記第1の合金粒子と前記第2の金属粒子との質量比が、76/24以上90/10未満であり、
前記バインダー成分が、加熱により硬化する重合性単量体の混合物であり、前記非鉛半田粒子の融点が、前記バインダー成分の硬化温度範囲に含まれ、
前記非鉛半田粒子の融点における、前記熱可塑性樹脂組成物の貯蔵弾性率が、10MPa以上5GPa未満である、多層配線基板。 - 前記第1の合金粒子および前記第2の金属粒子の平均粒径が10μm以下であり、平均粒径差が2μm以下である、請求項1または2に記載の多層配線基板。
- 前記バインダー成分が、アルケニルフェノール化合物およびマレイミド類の混合物である、請求項1〜3のいずれかに記載の多層配線基板。
- 前記アルケニルフェノール化合物および前記マレイミド類の混合割合が、モル比で、30/70以上70/30未満である、請求項4に記載の多層配線基板。
- 前記配線基板の熱融着による一括積層または逐次積層が、温度200℃以上260℃未満、圧力3MPa以上8MPa未満で行われるものであって、前記第1の合金粒子と前記第2の金属粒子間、および/または、前記第1の合金粒子と前記導体パターンを形成する金属との間で金属拡散接合が形成されている、請求項1〜5のいずれかに記載の多層配線基板。
- 前記熱可塑性樹脂組成物が、260℃以上の結晶融解ピーク温度を有する、ポリアリールケトン樹脂および非晶性ポリエーテルイミド樹脂の混合組成物である、請求項1〜6のいずれかに記載の多層配線基板。
- 前記熱可塑性樹脂以外からなる配線基材が、ガラスエポキシ基板、2層ポリイミド基板、擬似2層ポリイミド基板、3層ポリイミド基板、液晶ポリマー基板、および、低温焼成セラミック基板からなる群から選ばれる一種以上の配線基板である、請求項1〜7のいずれかに記載の多層配線基板。
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