JP5192870B2 - 金属コア多層プリント配線板 - Google Patents

Description

本発明は、金属コアを内部に有する金属コア多層プリント配線板に関する。特に、４層以上の配線パターン導体層が積層された多層プリント配線板のスルーホールまたはインナーバイアホールのめっき膜に対して、冷熱衝撃試験での導通信頼性を高め、自動車のエンジンルーム等の過酷な温度環境下においても高い信頼性の得られる厚肉導体を用いた金属コア多層プリント配線板に関する。

配線パターン導体層が積層されたプリント基板において、所望の配線パターン導体層（以下本明細書においては、特に必要のない限り、単に「導体層」と称する）を電気的に相互接続する方法としてバイアホールが用いられる（例えば、特許文献１、特許文献２を参照）。バイアホールの形成方法としては、プリント基板の厚さ方向に貫通孔（スルーホール）をあけ、貫通孔壁面に厚さ２０μｍ〜３０μｍの銅めっきを施し、所望の導体層の層間を電気的に接続する方法が一般的に用いられる。尚、プリント基板は、ガラス繊維とエポキシ樹脂をベースとした絶縁材料が用いられ、導体層として電解銅箔が用いられ、バイアホールには上述した銅めっきが施されている。

また、近年、例えば、自動車において、制御の電動化、ハイブリッドカー用モータなど、大電流化される電装部品が使用されている。プリント基板の大電流化は、導体層の厚さを厚くすることで対応しており、汎用銅箔である厚さ１８μｍ〜３５μｍを超える、７０μｍ以上の厚さの厚肉銅箔が用いられている（例えば、特許文献３を参照）。

従来から、プリント基板の電気的特性として課題となっているのは、バイアホールに施された薄膜の銅めっき導体の疲労破断である。銅めっきの疲労破断発生のメカニズムは、高温、低温の温度サイクル環境下における絶縁材料と銅めっきとの熱膨張差によるものである。

高温、低温の環境下において、絶縁材料は銅めっきよりも大きく膨張したり、収縮したりする。そのため、銅めっきは自己の生ずる膨張、収縮より大きな歪を受け、温度サイクルの増加によりその歪が蓄積して疲労破断を生ずることとなる。

特に、自動車のエンジンルームに適用されるプリント基板は、熱的信頼性において高いレベルが求められ、冷熱衝撃試験においては、−４０℃〜１２０℃の広い温度レンジで、３０００サイクル以上での信頼性確保が求められる。
特開平８−１６２７６５号公報 特開平６−２２４５６１号公報 特開平８−２９３６５９号公報

上述したような過酷な温度環境下に適用されるプリント基板においては、一般的な絶縁材料（ＦＲ−４）では熱膨張係数が高く層間接続用のスルーホール銅めっきが破断してしまうという問題があった。

このような問題の解決対策として、低膨張材料であるＦＲ−５相当品が使用されている。しかしながら、実際の低膨張材料の用途は、半導体パッケージ、メモリーモジュール用に開発された薄い材料であり、現状の自動車用途の大電流、高放熱に使用するには、樹脂量不足を防止するために使用枚数も増え大変高価な材料となってしまうという問題があった。

また、その他の問題の解決対策として、銅めっき膜の厚さを厚くして、クラックの進行を長引かせる方法もある。しかしながら、破断寿命は多少延びるが、自動車の冷熱衝撃試験のサイクル規格である３０００サイクルをクリアすることは出来ない。また、一般的に銅めっきは、１回の工程で２０μｍ〜３０μｍの厚みが蓄積されるので、４０μｍ〜６０μｍ厚めっきを施すには２回分の工程が必要となる。その為、めっき工程が増す分、ランニングコストが増してしまうという問題もあった。また、基板の厚みに関係するがスルーイングパワー（均一電着性）により、スルーホールの中心辺りのめっきは薄く、外側のめっきは厚く付く傾向にある。そのため、めっき膜を厚くするとスルーホール径の品質が悪くなり、めっき膜の厚みにバラツキが生じ、その箇所に応力集中を起こし易くなるという問題もあった。

本発明は、以上のような問題点を解決するためになされたもので、４層以上の配線パターン導体層が積層された多層プリント配線板のスルーホールまたはインナーバイアホールのめっき膜に対して、冷熱衝撃試験での導通信頼性を高め、自動車のエンジンルーム等の過酷な温度環境下においても高い信頼性の得られる厚肉導体を用いた金属コア多層プリント配線板を提供することを目的とする。

上述した従来の問題点を解決すべく下記の発明を提供する。
本発明の第１の態様にかかる金属コア多層プリント配線板は、絶縁層を介して積層される複数の配線パターン導体層を、表面と裏面と少なくとも２つの内層に備える金属コア多層プリント配線板であって、前記配線パターン導体層を貫き、所望の前記配線パターン導体層間をめっき膜により電気的に接続するスルーホール、及び、内層の所望の前記配線パターン導体層間をめっき膜により電気的に接続するインナーバイアホールを備え、前記スルーホール及び前記インナーバイアホールは、穴径が直径１．１ｍｍ以下であり、かつ、壁面のめっき膜の厚さが２０μｍ〜３０μｍであり、前記絶縁層の絶縁材料は、厚さ方向の熱膨張係数が４０ｐｐｍ／℃〜５５ｐｐｍ／℃であり、かつ、縦弾性係数が２２ＧＰａ〜２９ＧＰａであり、表面と裏面の前記配線パターン導体層の厚さが前記絶縁層の厚さよりも厚く、かつ、前記内層の前記配線パターン導体層の厚さが前記絶縁層の厚さよりも薄いことを特徴とする。

表面及び裏面の導体層（以下本明細書においては、特に必要のない限り、単に「外層の導体層」と称する）の厚さを絶縁層の厚さよりも厚くし、かつ、内層の前記配線パターン導体層の厚さを記絶縁層の厚さよりも薄くすることにより、絶縁樹脂が高温下で、金属コア多層プリント配線板の厚み方向に大きく膨張する作用を押えることができる。即ち、絶縁層が高温環境下で熱膨張してめっきビアホールを破断させるまでの変形を、押えることができる。

従って、高温、低温の温度サイクルの厳しい環境下においても、金属コア多層プリント配線板のスルーホールまたはインナーバイアホールのめっき膜に対して、破断寿命を長くし、導通信頼性を向上させることができる。

ここで、スルーホールまたはインナーバイアホールのめっきが表面に施されている導体層においては、導体層の厚さは、めっき膜の厚さを含めた厚さを導体層の厚さとする。

スルーホールまたはインナーバイアホールの穴径及びスルーホールまたはインナーバイアホールの壁面のめっき厚さを上述した条件となるようにすることにより、絶縁層が高温環境下で熱膨張してめっきビアホールを破断させるまでの変形を、押えることができる。

絶縁材料の厚さ方向の熱膨張係数及び縦弾性係数を上述した条件となるようにすることにより、絶縁層が高温環境下で熱膨張してめっきビアホールを破断させるまでの変形を、押えることができる。

本発明によれば、４層以上の配線パターン導体層が積層された多層プリント配線板において、絶縁樹脂が高温下で、金属コア多層プリント配線板の厚み方向に大きく膨張する作用を押えることができる。即ち、絶縁層が高温環境下で熱膨張してめっきビアホールを破断させるまでの変形を、押えることができる。

従って、高温、低温の温度サイクルの厳しい環境下においても、金属コア多層プリント配線板のスルーホールまたはインナーバイアホールのめっき膜に対して、破断寿命を長くし、導通信頼性を向上させることができる。

この発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施形態は説明のためのものであり、本発明の範囲を制限するものではない。従って、当業者であればこれらの各要素もしくは全要素をこれと均等なもので置換した実施形態を採用することが可能であるが、これらの実施形態も本発明の範囲に含まれる。

図１は、本発明を適用可能な金属コア多層プリント配線板の厚さ方向の部分概略断面図である。ここでは、金属コアを含む導体層が５層からなる５層プリント配線板を例に挙げて説明する。

図１に示すように、金属コア多層プリント配線板１０は、外層の導体層１１及び１９と、金属コアである内層の導体層（以下、「金属コア層」と称する）１５と、金属コア層以外の内層の導体層（以下、「内層の導体層」と称する）１３及び１７とを備え、外層の導体層１１と内層の導体層１３との間に絶縁層１２と、内層の導体層１３と金属コア層１５との間に絶縁層１４と、金属コア層１５と内層の導体層１７との間に絶縁層１６と、内層の導体層１７と外層の導体層１９との間に絶縁層１８とを備えた、外層の導体層１１、絶縁層１２、内層の導体層１３、絶縁層１４、金属コア層１５、絶縁層１６、内層の導体層１７、絶縁層１８、外層の導体層１９の構成となっている。

外層の導体層１１及び１９、金属コア層１５、並びに、内層の導体層１３及び１７は、銅箔でできている。また、絶縁層１２、１４、１６、及び１８は、ガラス布エポキシ樹脂でできている。尚、絶縁層１２、１４、１６、及び１８の絶縁材料は、厚さ方向の熱膨張係数が４０ｐｐｍ／℃〜５５ｐｐｍ／℃であり、かつ、縦弾性係数が２２ＧＰａ〜２９ＧＰａである。

また、金属コア多層プリント配線板１０には、厚さ方向に金属コア多層プリント配線板１０の表裏を貫くスルーホール２１、２２及び２３と、インナーバイアホール２４形成されている。スルーホール２１、２２及び２３の壁面、並びに、インナーバイアホール２４の壁面には銅めっきが施されている。

スルーホール２１は、外層の導体層１１及び外層の導体層１９を銅めっき膜２５により電気的に接続し、スルーホール２２は、内層の導体層１７、外層の導体層１１及び外層の導体層１９を銅めっき膜２６により電気的に接続し、スルーホール２３は、内層の導体層１３、内層の導体層１７、外層の導体層１１及び外層の導体層１９を銅めっき膜２７により電気的に接続し、インナーバイアホール２４は、内層の導体層１３及び内層の導体層１７を銅めっき膜２８により電気的に接続している。

即ち、スルーホール２１は外層の配線パターンのみを接続させたスルーホールであり、スルーホール２２は１つの内層及び外層の配線パターンを接続させたスルーホールであり、スルーホール２３は２つの内層及び外層の配線パターンを接続させたスルーホールであり、インナーバイアホール２４は２つの内層の配線パターンを接続させたインナーバイアホールである。

尚、スルーホール２１の穴径、スルーホール２２の穴径及びスルーホール２３の穴径、並びに、インナーバイアホール２４の穴径は直径１．１ｍｍ以下である。また、スルーホール２１の壁面の銅めっき膜２５、スルーホール２２の壁面の銅めっき膜２６、スルーホール２３の壁面の銅めっき膜２７、及び、インナーバイアホール２４の壁面の銅めっき膜２８の厚さは２０μｍ〜３０μｍである。

また、銅めっき膜２５と内層の導体層１３との間を電気的に絶縁する絶縁埋め込み部３１、銅めっき膜２５と金属コア層１５との間を電気的に絶縁する絶縁埋め込み部３２、及び、銅めっき膜２５と内層の導体層１７との間を電気的に絶縁する絶縁埋め込み部３３が形成されている。

また、銅めっき膜２６と内層の導体層１３との間を電気的に絶縁する絶縁埋め込み部３４、銅めっき膜２６と金属コア層１５との間を電気的に絶縁する絶縁埋め込み部３５、及び、銅めっき膜２６と一部の内層の導体層１７との間を電気的に絶縁する絶縁埋め込み部３６が形成されている。

また、銅めっき膜２７と一部の内層の導体層１３との間を電気的に絶縁する絶縁埋め込み部３７、銅めっき膜２７と金属コア層１５との間を電気的に絶縁する絶縁埋め込み部３８、及び、銅めっき膜２７と一部の内層の導体層１７との間を電気的に絶縁する絶縁埋め込み部３９が形成されている。

また、銅めっき膜２８と金属コア層１５との間を電気的に絶縁する絶縁埋め込み部４０形成されている。また、インナーバイアホール２４の内部には絶縁埋め込み部４５形成されている。

尚、絶縁埋め込み部３２、３５、３８及び４０は、絶縁層１４及び１６から流れ出たエポキシ樹脂が充填され、絶縁埋め込み部３１、３３、３４、３６、３７、３９及び４５は、絶縁層１２及び１８から流れ出たエポキシ樹脂が充填されている。

外層の導体層１１及び１９の厚さをＬ１及びＬ９とし、金属コア層１５の厚さをＬ５とし、内層の導体層１３及び１７の厚さをＬ３及びＬ７とし、絶縁層１２、１４、１６、及び１８の厚さをＬ２、Ｌ４、Ｌ６、及びＬ８としたとき、金属コア多層プリント配線板１０は、下記の２つの条件を満足する。尚、外層の導体層１１及び外層の導体層１９の厚さには、銅めっき膜２５及び２６の厚さも含まれている。
（条件１） Ｌ１、Ｌ９ ＞ Ｌ２、Ｌ４、Ｌ６、Ｌ８
（条件２） Ｌ３、Ｌ５、Ｌ７ ＜ Ｌ２、Ｌ４、Ｌ６、Ｌ８
金属コア多層プリント配線板１０を上述したような構成にすることにより、絶縁層１２、１４、１６、及び１８が高温環境下で、金属コア多層プリント配線板１０の厚み方向に大きく膨張する作用を押えることができる。即ち、絶縁層１２、１４、１６、及び１８が高温環境下で熱膨張して、スルーホール２１の銅めっき膜２５、スルーホール２２の銅めっき膜２６、スルーホール２３の銅めっき膜２７、及び、インナーバイアホール２４の銅めっき膜２８を破断させるまでの変形を、押えることができる。

従って、高温、低温の温度サイクルの厳しい環境下においても、金属コア多層プリント配線板１０のスルーホール２１の銅めっき膜２５、スルーホール２２の銅めっき膜２６、スルーホール２３の銅めっき膜２７、及び、インナーバイアホール２４の銅めっき膜２８に対して、破断寿命を長くし、導通信頼性を向上させることができる。

上述した金属コア多層プリント配線板１０は５層プリント配線板であったが、その他の４層以上の金属コア多層プリント配線板においても、絶縁樹脂が高温環境下で、金属コア多層プリント配線板の厚み方向に大きく膨張する作用を押えることができる。即ち、絶縁層が高温環境下で熱膨張してめっきビアホールを破断させるまでの変形を、押えることができる。従って、高温、低温の温度サイクルの厳しい環境下においても、金属コア多層プリント配線板のスルーホールまたはインナーバイアホールのめっき膜に対して、破断寿命を長くし、導通信頼性を向上させることができる。

次に、本発明の好適な金属コア多層プリント配線板の実施例を説明する。

金属コア多層プリント配線板において、スルーホールまたはインナーバイアホールのめっき膜に対する冷熱衝撃試験をした結果を説明する。使用した金属コア多層プリント配線板の試験片５０は、図１に示した金属コア層を含む導体層が５層からなる金属コア多層プリント配線板１０である。即ち、外層の導体層１１及び１９の厚さをＬ１及びＬ９とし、金属コア層１５の厚さをＬ５とし、内層の導体層１３及び１７の厚さをＬ３及びＬ７とし、絶縁層１２、１４、１６、及び１８の厚さをＬ２、Ｌ４、Ｌ６、及びＬ８としたとき、金属コア多層プリント配線板の試験片５０は、下記の（条件１）及び(条件２)を満足する。
（条件１） Ｌ１、Ｌ９ ＞ Ｌ２、Ｌ４、Ｌ６、Ｌ８
（条件２） Ｌ３、Ｌ５、Ｌ７ ＜ Ｌ２、Ｌ４、Ｌ６、Ｌ８
また、スルーホールまたはインナーバイアホールの測定対象となる層間接続は、（Ａ）外層の導体層１１と外層の導体層１９の場合（図１のスルーホール２１の接続形態の場合）と、（Ｂ）外層の導体層１１と内層の導体層１７の場合（図１のスルーホール２２の接続形態の場合）と、（Ｃ）内層の導体層１３と内層の導体層１７の場合（図１のスルーホール２３の接続形態の場合）と、（Ｄ）内層の導体層１３と内層の導体層１７の場合（図１のインナーバイアホール２４の接続形態の場合）とである。

図２は、参考までに、接続形態（Ａ）及び（Ｂ）のときに使用した金属コア多層プリント配線板の試験片５０の表面外観図である。

図２に示すように、金属コア多層プリント配線板の試験片５０は、スルーホールの穴径が、直径０．４ｍｍのスルーホール５５、直径０．９ｍｍのスルーホール５６、及び直径１．１ｍｍのスルーホール５７の３つ領域５１、５２及び５３から構成され、各領域には５３個のスルーホールは直列に回路形成されている。また、金属コア多層プリント配線板の試験片５０の寸法は、５１ｍｍ×１１３ｍｍである。

上述した構成の金属コア多層プリント配線板の試験片５０を使用して、−４０℃〜１２０℃の温度レンジの環境下で、５００サイクル、１０００サイクル、２０００サイクル、３０００サイクル、４０００サイクル、及び５０００サイクルにおいて、冷熱衝撃試験を実施した。尚、基板のｎ数は各３枚で実施した。図３は、（条件１）及び(条件２)を満足した金属コア多層プリント配線板の試験片５０において、各サイクルの冷熱衝撃試験を実施した結果を示した図である。

尚、判定基準は、スルーホールの試験前の導通抵抗値に対する試験後の導通抵抗値の変動率が、１０％以下の場合を「合格（○）」とし、１０％を超える場合を「不合格（×）」とした。また、不合格(×)となった試験片はその時点で試験を終了し、次試験結果欄は「−」表示とした。

また、比較例として、下記の（条件３）及び(条件４)を満足する金属コア多層プリント配線板の試験片５０に対しても、−４０℃〜１２０℃の温度レンジの環境下で、５００サイクル、１０００サイクル、及び２０００サイクルにおいて、冷熱衝撃試験を実施した。
（条件３） Ｌ１、Ｌ９ ＜ Ｌ２、Ｌ４、Ｌ６、Ｌ８
（条件４） Ｌ３、Ｌ５、Ｌ７ ＞ Ｌ２、Ｌ４、Ｌ６、Ｌ８
図４は、（条件３）及び(条件４)を満足した金属コア多層プリント配線板の試験片５０において、各サイクルの冷熱衝撃試験を実施した結果を示した図である。

図３に示すように、本発明の金属コア多層プリント配線板の試験片５０の実施例では、層間接続が（Ａ）スルーホール２１による外層の導体層１１と外層の導体層１９の接続形態の場合で、スルーホールの穴径が直径０．４ｍｍ、直径０．９ｍｍ、及び直径１．１ｍｍにおいて、全て、導通信頼性の基準以上の４０００サイクルまで合格であった。特に、スルーホールの穴径が直径０．９ｍｍ及び直径１．１ｍｍにおいては、全て５０００サイクルまで合格であった。

また、層間接続が（Ｂ）スルーホール２２による外層の導体層１１と内層の導体層１７の接続形態の場合で、スルーホールの穴径が直径０．４ｍｍ、直径０．９ｍｍ、及び直径１．１ｍｍにおいて、全て、導通信頼性の基準以上の４０００サイクルまで合格であった。特に、スルーホールの穴径が直径１．１ｍｍにおいては、全て５０００サイクルまで合格であった。

また、層間接続が（Ｃ）スルーホール２３による内層の導体層１３と内層の導体層１７の接続形態の場合で、スルーホールの穴径が直径０．４ｍｍ、直径０．９ｍｍ、及び直径１．１ｍｍにおいて、全て、導通信頼性の基準の３０００サイクルまで合格であった。特に、スルーホールの穴径が直径０．９ｍｍ及び直径１．１ｍｍにおいては、全て４０００サイクルまで合格であった。

また、層間接続が（Ｄ）インナーバイアホール２４による内層の導体層１３と内層の導体層１７の接続形態の場合で、インナーバイアホールの穴径が直径０．４ｍｍ、直径０．９ｍｍ、及び直径１．１ｍｍにおいて、全て、導通信頼性の基準の３０００サイクルまで合格であった。

一方、図４に示すように、金属コア多層プリント配線板の試験片５０の比較例では、層間接続が（Ａ）スルーホール２１による外層の導体層１１と外層の導体層１９の接続形態の場合で、スルーホールの穴径が直径０．４ｍｍ、直径０．９ｍｍ、及び直径１．１ｍｍにおいて、２０００サイクル以上で全て不合格であり、導通信頼性の基準の３０００サイクルをクリアしていない。また、層間接続が（Ｂ）スルーホール２２による外層の導体層１１と内層の導体層１７の接続形態の場合で、スルーホールの穴径が直径０．４ｍｍ、直径０．９ｍｍ、及び直径１．１ｍｍにおいて、１０００サイクル以上で全て不合格であり、導通信頼性の基準の３０００サイクルをクリアしていない。

また、層間接続が（Ｃ）スルーホール２３による内層の導体層１３と内層の導体層１７の接続形態の場合で、スルーホールの穴径が直径０．４ｍｍ、直径０．９ｍｍ、及び直径１．１ｍｍにおいて、２０００サイクル以上で全て不合格であり、導通信頼性の基準の３０００サイクルをクリアしていない。層間接続が（Ｄ）インナーバイアホール２４による内層の導体層１３と内層の導体層１７の接続形態の場合で、インナーバイアホールの穴径が直径０．４ｍｍ、直径０．９ｍｍ、及び直径１．１ｍｍにおいて、２０００サイクル以上で全て不合格であり、導通信頼性の基準の３０００サイクルをクリアしていない。

これは、外層の導体層を内層の導体層より薄くした場合は、絶縁材の熱膨張により、ランド部の薄い銅箔に亀裂が発生し、スルーホールまたはインナーバイアホールのめっき膜と銅箔の境目で切れてしまうコーナークラックが発生したためである。また、内層の導体層が厚い場合は、スルーホールと電気的接続を取らない箇所に絶縁樹脂のみの層が出来るため、導体層が厚ければ厚いほど、樹脂の膨張が大きくなりスルーホールまたはインナーバイアホールのめっき膜の破断寿命が短くなってしまうためである。

上述した図３及び図４の結果より、金属コア多層プリント配線板５０において、絶縁樹脂が高温環境下で、金属コア多層プリント配線板の厚み方向に大きく膨張する作用を押えられることがわかった。即ち、縁層が高温環境下で熱膨張してめっきビアホールを破断させるまでの変形を、押えられることがわかった。

本発明を適用可能な金属コア多層プリント配線板の厚さ方向の部分概略断面図である。 接続形態（Ａ）及び（Ｂ）のときに使用した金属コア多層プリント配線板の試験片５０の表面外観図である。 （条件１）及び(条件２)を満足した金属コア多層プリント配線板の試験片５０において、各サイクルの冷熱衝撃試験を実施した実施例結果を示した図である。 （条件３）及び(条件４)を満足した金属コア多層プリント配線板の試験片５０において、各サイクルの冷熱衝撃試験を実施した比較例結果を示した図である。

符号の説明

１０ 金属コア多層プリント配線板
１１、１９ 外層の導体層（配線パターン導体層）
１２、１４、１６、１８ 絶縁層
１３、１７ 内層の導体層（配線パターン導体層）
１５ 金属コア層（内層の導体層）
２１、２２、２３ スルーホール
２４ インナーバイアホール
２５、２６、２７、２８ 銅めっき膜
３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９、４０、４５ 絶縁埋め込み部

Claims (1)

1. 絶縁層を介して積層される複数の配線パターン導体層を、表面と裏面と少なくとも２つの内層に備える金属コア多層プリント配線板であって、
   前記配線パターン導体層を貫き、所望の前記配線パターン導体層間をめっき膜により電気的に接続するスルーホール、及び、内層の所望の前記配線パターン導体層間をめっき膜により電気的に接続するインナーバイアホールを備え、
   前記スルーホール及び前記インナーバイアホールは、穴径が直径１．１ｍｍ以下であり、かつ、壁面のめっき膜の厚さが２０μｍ〜３０μｍであり、
   前記絶縁層の絶縁材料は、厚さ方向の熱膨張係数が４０ｐｐｍ／℃〜５５ｐｐｍ／℃であり、かつ、縦弾性係数が２２ＧＰａ〜２９ＧＰａであり、
   表面と裏面の前記配線パターン導体層の厚さが前記絶縁層の厚さよりも厚く、かつ、前記内層の前記配線パターン導体層の厚さが前記絶縁層の厚さよりも薄いことを特徴とする金属コア多層プリント配線板。

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