JP5191331B2

JP5191331B2 - スルーホールフィリング方法

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Publication number: JP5191331B2
Application number: JP2008247251A
Authority: JP
Inventors: 晋一杉本; 隆啓杉山
Original assignee: New Japan Radio Co Ltd
Current assignee: New Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2008-09-26
Filing date: 2008-09-26
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2028-09-26
Also published as: JP2010077496A

Description

本発明は、基板に形成されたスルーホールにメッキ金属を充填し、ビアを形成するスルーホールフィリング方法に関する。

セラミック基板やプリント基板等に形成されたスルーホールをメッキ金属で充填する方法として、基板表面に導電化処理を施し、その後電解メッキ法によって、スルーホール内をメッキ金属で充填するスルーホールフィリング方法が種々提案されている。

従来提案されているスルーホールフィリング方法の一例として、スルーホールのような複雑な形状を有する領域でメッキ処理を促進する促進剤と平坦な形状を有する領域でメッキ処理を抑制する抑制剤とを含むメッキ液を使用するスルーホールフィリング方法が提案されている。

以下、図面に基づいて、従来のスルーホールフィリング方法とその解決すべき課題、及び、本願発明のスルーホールフィリング方法について説明する。基板を構成する面には、基板の表面、裏面、側面、及びスルーホールの壁面とがあるが、本願明細書で、メッキ法を説明するための便宜から、基板の表面と裏面を、基板の「第１の主面」と「第２の主面」と以下記載する。

図３は、形状によりメッキ処理を促進する促進剤とメッキ処理を抑制する抑制剤とを含むメッキ液を使用する従来のスルーホールフィリング方法の一例を示す断面図である。図４（ｂ）は、従来のスルーホールフィリング方法によりメッキ処理をする場合に使用するメッキ装置の構成の一例を示す。

従来のスルーホールフィリング方法においては、例えば、直径が１ｍｍ以下のスルーホール３２を備え、厚さが、例えば、３００μｍの基板３１の第１の主面３１ａ、第２の主面３１ｂ及びスルーホール３２の内壁面に、例えば、スパッタ法を用いて、給電用金属膜３３を形成する（図３（ａ））。

次に、図４（ｂ）に示すメッキ装置の構成を用いて、形状によりメッキ処理を促進する促進剤とメッキ処理を抑制する抑制剤とを含まないメッキ液を用い、基板３１の第１の主面３１ａの電流密度よりも第２の主面３１ｂの電流密度を大きくして電解メッキを行う（図３（ｂ））。その結果、高電流密度で通電した第２の主面３１ｂに近い側で、スルーホール３２がメッキ金属３４で塞がれる（図３（ｃ））。

次に、スルーホール３２が開口している側の第１の主面３１ａの電流密度を高くし、スルーホール３２がメッキ金属３４で塞がれている側の第２の主面３１ｂの電流密度を低くして、形状によりメッキ処理を促進する促進剤とメッキ処理を抑制する抑制剤とを含むメッキ液を用いて電解メッキを行う（図３（ｄ））。このようにすることにより、スルーホール３２内にメッキ金属３４が充填される（図３（ｅ））。

特許文献１は、形状によりメッキ処理を促進する促進剤とメッキ処理を抑制する抑制剤とを含むメッキ液を使用するスルーホールフィリング方法の一例を開示する。
特開２００１−２００３８６号公報

従来のスルーホールフィリング方法においては、スルーホールのような複雑な形状を有する領域でメッキ処理を促進する促進剤と平坦な形状を有する領域でメッキ処理を抑制する抑制剤とを含むメッキ液と、促進剤と抑制剤とを含まないメッキ液との２種類のメッキ液を使用する必要があるため工程が複雑になるという問題を生じていた。

また、従来のスルーホールフィリング方法においては、スルーホール内をメッキ金属で埋め込んだ後に基板表面に析出したメッキ金属を除去し、基板表面を平坦化する別の工程が必要となり、工程が複雑になるとともに、基板表面に析出したメッキ金属を除去し及び／又は平坦化する際に基板を破損することがあり、歩留まりを低下させるという問題も生じていた。

このような問題を解決するために、本発明は、複雑な工程を用いることなく、歩留まりの低下を防止して、基板に形成されたスルーホールをメッキ金属で充填するスルーホールフィリング方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のスルーホールフィリングは、基板に形成されたスルーホールを金属で充填するスルーホールフィリング方法であって、基板の第１の主面、第２の主面、スルーホールの内壁面に、給電用金属膜を形成する工程と、前記第１の主面を陰極とし前記第１の主面と対向する第１の対向電極を陽極として、低電流密度の電流を通電し、前記第２の主面を陰極とし前記第２の主面と対向する第２の対向電極を陽極として、高電流密度の電流を通電し、前記給電用金属膜上にメッキ金属を析出させ、前記スルーホールの前記第２の主面側の開口を塞ぐ工程と、前記第２の主面を陽極とし前記第２の主面と対向する第２の対向電極を陰極として、電流を通電し、前記第２の主面上のメッキ金属を溶出させ、前記第１の主面を陰極とし前記第１の主面と対向する第１の対向電極を陽極として、電流を通電し、前記スルーホールの開口内の前記第１の主面の側に形成された凹部をメッキ金属で充填する工程と、を有することを特徴とする。

また、本発明の好ましい実施形態のスルーホールフィリング方法は、前記メッキ金属が、銅又は銀のいずれかで形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、基板１の第１の主面１ａと第２の主面１ｂの極性と、通電する電流量と、通電時間とを変えることにより、基板表面への金属の析出と基板表面からの金属の溶出を制御することができるので、基板１の第１の主面１ａと第２の主面１ｂの上のメッキ金属の厚さを制御することが可能となる。これにより、基板のスルーホール部分をメッキ金属で充填するスルーホールフィリングとスルーホールに充填された金属を接続する配線層の形成を同時に行ったり、あるいは、基板のスルーホールの部分のみをメッキ金属で充填するスルーホールフィリングを行うことができる。

また、本発明によれば、電解メッキ法により、スルーホール内部全体を金属で充填することができるので、メッキにより充填された金属とスルーホールの側壁との密着性が向上し、熱伝導性と導電性に優れたビアを形成することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、説明を省略する。本発明に係るスルーホールフィリング方法において、メッキに使用する金属は、例えば、銅（Ｃｕ）又は銀（Ａｇ）である。本願発明において、銅（Ｃｕ）は、銅を主成分とする銅系金属を含み、銀（Ａｇ）は、銀を主成分とする銀系金属を含む。

本発明の第１の実施形態に係るスルーホールフィリング方法について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係るスルーホールフィリング方法を示す断面図であり、図４（ａ）は、本発明に係るスルーホールフィリング方法によりメッキを行う場合に使用するメッキ装置の構成を示す図である。

スルーホール２が形成された基板１を用意する。基板１の厚さは、例えば、３００μｍで、スルーホール２の直径は、１ｍｍ以下である。スルーホール２の直径の小さいものとして、直径１００〜２００μｍ程度のものまで使用される。基板１として、例えば、セラミックスにより形成されるセラミックス基板が使用される。セラミックス基板の代わりに、ポリマー基板又はプラスチック基板が使用されても良い（図１（ａ））。

基板１の表面及びスルーホール２の内壁に、給電用金属膜３を形成する。給電用金属膜３の厚さは、例えば、０．５μｍである。スルーホール２の内壁の全面が給電用金属膜３によって被覆されるように、給電用金属膜３は、スパッタリング法により形成されるのが好ましい。スルーホール２の内壁の全面が給電用金属膜３によって被覆される条件の下で、給電用金属膜３は、無電解メッキ法、蒸着法等によって形成しても良い（図１（ｂ））。

次に、基板１をメッキ装置２１でメッキする。メッキ装置２１は、従来使用されているメッキ装置を用いる。図４（ａ）は、メッキ装置２１の構成を示す図である。メッキ装置２１は、めっき槽２２を備え、めっき槽２２内にメッキ処理の対象となる基板１を設置する。メッキ装置２１は、基板１の第１の主面１ａと対向して第１の対向電極２３ａを備え、基板１の第２の主面１ｂと対向して第２の対向電極２３ｂを備える。めっき槽２２は、メッキ液２４で満たされる。メッキ装置２１は、めっき槽２２の外に第１の電流源２５ａと第２の電流源２５ｂとを備える。第１の電流源２５ａの一方の端子は、第１の対向電極２３ａと接続され、他方の端子は、基板１の第１の主面１ａと接続される。また、第２の電流源２５ｂの一方の端子は、基板１の第２の主面１ｂと接続され、他方の端子は、第２の対向電極２３ｂと接続される。なお、第１の電流源２５ａと基板１の第１の主面１ａとの接続、及び第２の電流源２５ｂと基板１の第２の主面１ｂとの接続は、図１（ｂ）の工程で形成された給電用金属３によって行われる。

メッキする金属が、例えば、銅（Ｃｕ）又は銅（Ｃｕ）系金属の場合には、第１の対向電極２３ａと第２の対向電極２３ｂのそれぞれの表面は、例えば、銅により形成され、メッキ液は、例えば、硫酸銅水溶液が使用される。

次に、基板１の第１の主面１ａと第２の主面１ｂとを陰極（−）として、第１の対向電極２３ａと第２の対向電極２３ｂとを陽極（＋）とする。そして、第１の電流源２５ａにより、第１の対向電極２３ａから基板１の第１の主面１ａに電流を流し、第２の電流源２５ｂにより、第２の対向電極２３ｂから基板１の第２の主面１ｂに電流を流す。すると、メッキ２４液中の金属イオンが、基板１の第１の主面１ａと第２の主面１ｂ、及びスルーホール２の内壁にメッキ金属４として析出する。このとき、第２の電流源２５ｂから基板１の第２の主面１ｂに流れる電流を、第１の電流源２５ａから基板１の第１の主面１ａに流れる電流より大きくして、基板１の第２の主面１ｂを高電流密度とし基板１の第１の主面１ａを低電流密度とすると、基板１の第１の主面１ａよりも基板１の第２の主面１ｂにメッキ金属４が厚く析出する。また、スルーホール２の内壁においても、基板１の第１の主面１ａに近い側よりも基板１の第２の主面１ｂに近い側の方がメッキ金属４が厚く析出するので、スルーホール２の内壁にメッキ金属４がテーパ形状に析出する（図１（ｃ））。

この状態でメッキを続けると、スルーホール２の基板１の第２の主面１ｂに近い側で、スルーホール２がメッキ金属４により閉塞される（図１（ｄ））。

次に、基板１の第１の主面１ａを陰極（−）に接続し、第１の対向電極２３ａを陽極（＋）に接続したまま、基板１の第２の主面１ｂを陽極（＋）に接続し、第２の対向電極２３ｂを陰極（−）に接続する。そして、このように基板１の第１の主面１ａを陰極に接続した状態で、基板１の第１の主面１ａを流れる電流を高電流密度として、スルーホール２内部がメッキ金属４で完全に充填されるまでメッキを行う。この際、基板１の第２の主面１ｂは陽極（＋）に接続されているので、基板１の第２の主面１ｂからメッキ金属４の一部がメッキ液２４中に溶出する。基板１の第２の主面１ｂから溶出するメッキ金属４の溶出量は、電流密度及び／又は通電時間を変えることにより、制御される（図１（ｅ））。

次に、基板１の第１の主面１ａと第２の主面１ｂとをともに陽極（＋）に接続し、第１の対向電極２３ａと第２の対向電極２３ｂをともに陰極（−）に接続する。そして、このように基板１の第１の主面１ａと第２の主面１ｂをともに陽極（＋）に接続した状態で通電して、基板１の第１の主面１ａと第２の主面１ｂからメッキ金属４をメッキ液２４中に溶出させる（図１（ｆ））。この際、通電する電流量と通電時間を制御することにより、基板１の第１の主面１ａと第２の主面１ｂの上のメッキ金属４の厚さを制御することにより、基板のスルーホール部分をメッキ金属で充填するスルーホールフィリングとスルーホールに充填された金属を接続する配線層の形成を同時に行うことができる。

図１（ｆ）の工程をさらに続けて、基板１の第１の主面１ａと第２の主面１ｂをともに陽極（＋）に接続した状態で通電をして、基板１の第１の主面１ａと第２の主面１ｂからメッキ金属４をメッキ液２４中に溶出させても良く、このようにすると、給電用金属膜３が露出する（図１（ｇ））。これにより、基板のスルーホール部分のみをメッキ金属で充填するスルーホールフィリングを行うことができる。

また、本発明の第１の実施形態のスルーホールフィリングにおいては、電解メッキ法により、スルーホール内部全体を金属で充填することができるので、メッキにより充填された金属とスルーホールの側壁との密着性が向上し、熱伝導性と導電性に優れたビアを形成することができる。なお、導電性に優れたビアは、接地用ビアとして優れている。

次に、本発明の第２の実施形態に係るスルーホールフィリング方法について説明する。図２は、本発明の第２の実施形態に係るスルーホールフィリング方法を示す断面図である。

スルーホール２が形成された基板１を用意する。基板１として、例えば、セラミックスにより形成されるセラミックス基板を使用する。セラミックス基板の代わりに、ポリマー基板又はプラスチック基板を使用しても良い（図２（ａ））。

基板１のいずれか一方の面に金属箔５を貼り付ける。この金属箔５により基板１に形成されたスルーホール２のいずれか一方の開口が塞がれる。金属箔５として、銅箔又は銀箔が使用される。基板１の第２の主面１ｂに金属箔５を貼り付けた場合を例として、以下に説明する（図２（ｂ））。

基板１の第１の主面１ａの表面及びスルーホール２の内壁と底面に、給電用金属膜３を形成する。給電用金属膜３の厚さは、例えば、０．５μｍである。スルーホール２の内壁の全面が給電用金属膜３によって被覆されるように、給電用金属膜３は、スパッタリング法により形成されるのが好ましい。スルーホール２の内壁の全面が給電用金属膜３によって被覆される条件の下で、給電用金属膜３は、無電解メッキ法、蒸着法等によって形成しても良い（図２（ｃ））。

次に、図４（ａ）に示すようにメッキ装置２１を用いて、基板１の第１の主面１ａとスルーホール２の内壁をメッキする。基板１の第１の主面１ａを陰極（−）として、第１の対向電極２３ａを陽極（＋）とする。そして、第１の電流源２５ａにより、第１の対向電極２３ａから基板１の第１の主面１ａに電流を流す。すると、メッキ２４液中の金属イオンが、基板１の第１の主面１ａ、スルーホール２の内壁、及びスルーホール２の底面の金属箔５上にメッキ金属４として析出する（図２（ｄ））。

このような状態でスルーホール２の内部がメッキ金属４で完全に充填されるまでメッキを行う（図２（ｅ））。

次に、基板１の第１の主面１ａと第２の主面１ｂに貼り付けられた金属箔５をともに陽極（＋）に接続し、第１の対向電極２３ａと第２の対向電極２３ｂをともに陰極（−）に接続する。そして、基板１の第１の主面１ａと第２の主面１ｂとをともに陽極（＋）に接続した状態で通電して、基板１の第１の主面１ａと第２の主面１ｂからメッキ金属４と金属箔５の表面から金属をメッキ液２４中に溶出させる（図２（ｆ））。この際、通電する電流量と通電時間を制御することにより、基板１の第１の主面１ａの上のメッキ金属４の厚さと第２の主面１ｂの上の金属箔５の厚さを制御することにより、基板のスルーホール部分をメッキ金属で充填するスルーホールフィリングとスルーホールに充填された金属を接続する配線層の形成を同時に行うことができる。

図２（ｆ）の工程をさらに続けて、基板１の第１の主面１ａと第２の主面１ｂをともに陽極（＋）に接続した状態で通電をして、基板１の第１の主面１ａの上のメッキ金属４と第２の主面１ｂの金属箔５の表面から金属をメッキ液２４中に溶出させても良く、このようにすると、給電用金属膜３が露出する（図２（ｇ））。これにより、基板のスルーホール部分のみをメッキ金属で充填するスルーホールフィリングを行うことができる。

また、本発明の第２の実施形態においては、電解メッキ法により、スルーホール内部全体を金属で充填することができるので、メッキにより充填された金属とスルーホールの側壁との密着性が向上し、熱伝導性と導電性に優れたビアを形成することができる。

本発明の第１の実施形態に係るスルーホールフィリング方法を示す断面図である。本発明の第２の実施形態に係るスルーホールフィリング方法を示す断面図である。従来のスルーホールフィリング方法を示す断面図である。メッキ装置の構成を示す図である。

符号の説明

１：基板、１ａ：基板の第１の主面、１ｂ：基板の第２の主面、２：スルーホール、３：給電用金属膜、４：メッキ金属、５：金属箔、２１：メッキ装置、２２：メッキ槽、２３ａ：第１の対向電極、２３ｂ：第２の対向電極、２４：メッキ液、２５ａ：第１の電流源、２５ｂ：第２の電流源、２８ａ：メッキ液、２８ｂ：メッキ液、３１：基板、３１ａ：基板の第１の主面、３１ｂ：基板の第２の主面、３２：スルーホール、３３：給電用金属膜、３４：メッキ金属

Claims

基板に形成されたスルーホールを金属で充填するスルーホールフィリング方法であって、
基板の第１の主面、第２の主面、スルーホールの内壁面に、給電用金属膜を形成する工程と、
前記第１の主面を陰極とし前記第１の主面と対向する第１の対向電極を陽極として、低電流密度の電流を通電し、前記第２の主面を陰極とし前記第２の主面と対向する第２の対向電極を陽極として、高電流密度の電流を通電し、前記給電用金属膜上にメッキ金属を析出させ、前記スルーホールの前記第２の主面側の開口を塞ぐ工程と、
前記第２の主面を陽極とし前記第２の主面と対向する第２の対向電極を陰極として、電流を通電し、前記第２の主面上のメッキ金属を溶出させ、前記第１の主面を陰極とし前記第１の主面と対向する第１の対向電極を陽極として、電流を通電し、前記スルーホールの開口内の前記第１の主面の側に形成された凹部をメッキ金属で充填する工程と、
を有することを特徴とするスルーホールフィリング方法。
前記メッキ金属が、銅又は銀のいずれかで形成されていることを特徴とする請求項１記載のスルーホールフィリング方法。