JP6165436B2

JP6165436B2 - 多層基板、および多層基板の設計方法

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Publication number: JP6165436B2
Application number: JP2012277260A
Authority: JP
Inventors: 英樹西村
Original assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2012-12-19
Filing date: 2012-12-19
Publication date: 2017-07-19
Anticipated expiration: 2032-12-19
Also published as: JP2014120736A

Description

本発明は、多層基板、および多層基板の設計方法、より詳しくは、複数の配線基板を積層してなるコア基板と、コア基板に設けられためっきスルーホールと、コア基板上に積層されたビルドアップ層とを備える多層基板、および多層基板の設計方法に関する。

近年、電源装置（例えばＤＣ／ＤＣコンバータ）等において小型化に対する要求が高まっており、電源装置等を構成する多層基板の積層数が増大している。図６（ａ）は、従来の多層基板１００の一部断面図であり、めっきスルーホール１１５の周辺領域を示している。多層基板１００は、めっきスルーホール１１５が設けられたコア基板１１０に、ビルドアップ層１２０を積層したものである。

めっきスルーホール１１５は、コア基板１１０を厚さ方向に貫通する貫通孔の内壁に形成された導電膜から構成され、層間の電気的接続を行う。めっきスルーホール１１５の内部には、エポキシ樹脂などの充填材１１６が充填されている。

コア基板１１０は、複数（図６では８枚）の配線基板１１１を、プリプレグ１１４を介して積層し、プレス成形したものである。各配線基板１１１には、絶縁基材（コア材）１１２の両面に導電パターン層１１３が設けられている。

ビルドアップ層１２０は、プリプレグ１２１と、プリプレグ１２１の外側に導電層（銅箔）１２２とを有する。

なお、特許文献１には、めっきスルーホールの充填材として、線膨張の値が極めて低い絶縁材料を用いることで、めっきスルーホール周辺の導体部分にクラックが生じにくくした多層基板が開示されている。

特開２００５−２０３７６４号公報

上記の多層基板１００では、リフロー工程や使用時における加熱・冷却サイクルにより、ビルドアップ層１２０のプリプレグ１２１内に剥離（以下、「層間剥離」と呼ぶ。）が生じるという課題があった。

より詳しくは、リフロー工程等において、多層基板１００は、絶縁基材１１２やプリプレグ１１４のガラス転位温度Ｔｇ（例えば１４０℃）よりも高い温度（例えば２４０〜２５０℃）まで加熱される。これにより、図６（ｂ）に示すように、めっきスルーホール１１５の充填材１１６およびめっきスルーホール１１５周囲の絶縁部材（絶縁基材１１２およびプリプレグ１１４）が、多層基板１００の厚さ方向に膨張する。膨張量は、導電パターン層１１３が形成されていない絶縁領域Ａおよび充填材１１６が充填された領域において、相対的に大きくなる。よって、図６（ｂ）に示すように、導電層１２２が内側から突き上げられて変形する。

その後、冷却する際には、図６（ｃ）に示すように、めっきスルーホール１１５の充填材１１６およびその周囲の絶縁部材は元の大きさに収縮する。これにより、ビルドアップ層１２０のプリプレグ１２１が内側に引っ張られる。一方、導電層１２２は変形したままである。プリプレグ１２１は、導電層１１３だけでなく導電層１２２にも比較的強い接着強度で接着している。このため、図６（ｃ）に示すように、プリプレグ１２１内で剥離面Ｂに沿って層間剥離が発生してしまう。即ち、プリプレグ１２１が導電層１２２により上側に引っ張られ且つ導電層１１３により下側に引っ張られる結果、プリプレグ１２１のうち最も強度的に弱い部分において層間剥離が発生する。

上記の導電層１２２の加熱に伴う変形量は、多層基板１００の積層数が増えるにつれて大きくなる。また、多層基板１００の両面に電子部品を実装する場合や、多層基板１００がマザーボードに実装される場合は、リフロー工程（加熱・冷却サイクル）の回数が多くなる。このように積層数やリフロー工程の回数が増加するにつれて、ビルドアップ層１２０のプリプレグ１２１内で剥離の程度が進んだり、剥離箇所の数が増加してしまう。

なお、上記の課題を解決するために、多層基板１００を構成する絶縁材料（絶縁基材１１２、プリプレグ１１４および充填材１１６）を、ガラス転位温度がリフロー工程の加熱温度よりも高い材料で構成することも考えられる。しかしながら、そのような絶縁材料は種類が少ない上に高価である。

また、特許文献１のように、絶縁材料の線膨張の値を極めて小さくし、かつ絶縁材料間で線膨張の値の差を小さくしようとした場合には、使用する絶縁材料に対する制約が非常に大きくなり、多層基板の設計が困難になるという問題があった。

そこで、本発明は、多層基板を構成する絶縁材料が制約されることなく、加熱・冷却サイクルによりビルドアップ層に層間剥離が発生することを防止することが可能な多層基板、および多層基板の設計方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る多層基板は、
絶縁基材と、前記絶縁基材の少なくとも一方の主面に設けられた導電パターン層とを有する複数の配線基板を積層してなるコア基板と、
前記コア基板を厚さ方向に貫通する貫通孔の内壁面に設けられ、前記複数の配線基板の前記導電パターン層を電気的に接続するめっきスルーホールと、
前記コア基板上に積層され、外側に導電層を有するビルドアップ層と、
を備え、
前記各配線基板の前記導電パターン層は、前記絶縁基材上に設けられ、前記めっきスルーホールに電気的に接続され、かつ前記めっきスルーホールの側面を囲う第１のパターン部と、前記絶縁基材上に設けられ、スペース領域を隔てて前記第１のパターン部の周囲に設けられた第２のパターン部と、を有し、
前記導電層は、平面視して、前記めっきスルーホール、前記第１のパターン部および前記スペース領域を覆い、
前記コア基板の複数の前記導電パターン層のうち、厚さ方向に隣り合う少なくともいずれか１組の導電パターン層については、一方の導電パターン層における前記スペース領域が他方の導電パターン層における前記スペース領域の上方に位置しない
を備えることを特徴とする。

また、前記多層基板において、
前記１組の導電パターン層は、前記導電層の隣に設けられているようにしてもよい。

また、前記多層基板において、
前記各配線基板の前記絶縁基材の両面に前記導電パターン層が設けられ、前記絶縁基材の一方の主面に設けられた前記導電パターン層の前記スペース領域が、前記絶縁基材の他方の主面に設けられた前記導電パターン層の前記スペース領域の上方に位置しないようにしてもよい。

また、前記多層基板において、
前記コア基板は、
前記絶縁基材の両面に前記導電パターン層が設けられ、前記絶縁基材の一方の主面に設けられた前記導電パターン層のスペース領域が、前記絶縁基材の他方の主面に設けられた前記導電パターン層のスペース領域の上方に位置しない、第１の配線基板と、
前記絶縁基材の両面に前記導電パターン層が設けられ、前記絶縁基材の一方の主面に設けられた前記導電パターン層のスペース領域が、前記絶縁基材の他方の主面に設けられた前記導電パターン層のスペース領域の上方に位置する、第２の配線基板と、
を交互に積層したものであってもよい。

本発明の一態様に係る多層基板の設計方法は、
絶縁基材と、前記絶縁基材の少なくとも一方の主面に設けられた導電パターン層とを有する複数の配線基板を積層してなるコア基板と、
前記コア基板を厚さ方向に貫通する貫通孔の内壁面に設けられ、前記複数の配線基板の前記導電パターン層を電気的に接続するめっきスルーホールと、
前記コア基板上に積層され、外側に導電層を有するビルドアップ層と、
を備え、前記導電パターン層が、前記絶縁基材上に設けられ、前記スルーホールに電気的に接続され、かつ前記スルーホールの側面を囲う第１のパターン部と、前記絶縁基材上に設けられ、スペース領域を隔てて前記第１のパターン部を囲う第２のパターン部とを有し、前記導電層は、平面視して、前記スルーホール、前記第１のパターン部および前記スペース領域を覆う、多層基板の、設計方法であって、
前記コア基板の前記複数の配線基板の前記導電パターン層を設計する際、厚さ方向に隣り合う少なくともいずれか１組の導電パターン層については、一方の導電パターン層における前記スペース領域が、他方の導電パターン層における前記スペース領域の上方に位置しないように設計することを特徴とする。

本発明の一態様に係る多層基板では、厚さ方向に隣り合う少なくともいずれか１組の導電パターン層については、一方の導電パターン層における前記スペース領域が、他方の導電パターン層における前記スペース領域の上方に位置しない。これにより、多層基板を加熱した際、めっきスルーホールの周囲の絶縁部材が厚さ方向に伸び難くなり、膨張が抑制される。

よって、本発明によれば、加熱によりビルドアップ層の導電層が変形せず、冷却後にビルドアップ層に層間剥離が発生することを防止することができる。即ち、多層基板の絶縁材料が制約されることなく、加熱・冷却サイクルによりビルドアップ層に層間剥離が発生することを防止することができる。

本発明の第１の実施形態に係る多層基板の一部断面図である。（ａ）は本発明の一実施形態に係る多層基板の一部上面図であり、（ｂ）は該多層基板の一部下面図である。（ａ）は本発明の一実施形態に係る多層基板を構成する配線基板の一部上面図であり、（ｂ）は該配線基板の一部断面図であり、（ｃ）は該配線基板の一部下面図である。変形例に係る配線基板の導電パターン層の一部平面図である。本発明の第２の実施形態に係る多層基板の一部断面図である。（ａ），（ｂ）および（ｃ）ともに、従来の多層基板の一部断面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。なお、各図において同等の機能を有する構成要素には同一の符号を付し、同一符号の構成要素の詳しい説明は繰り返さない。

（第１の実施形態）
図１〜図３を参照して本発明の第１の実施形態に係る多層基板１について説明する。図１は多層基板１の一部断面図である。図２（ａ）は多層基板１の一部上面図であり、図２（ｂ）は多層基板１の一部下面図である。図３（ａ）は、多層基板１を構成する配線基板１１の一部上面図であり、（ｂ）は配線基板１１の一部断面図であり、（ｃ）は配線基板１１の一部下面図である。図１〜図３のいずれも、めっきスルーホールの周辺領域のみを示している。なお、図１（後述の図５も同様）では、４枚の配線基板１１が積層されているが、積層数はこれに限るものではない。

図１に示すように、多層基板１は、コア基板１０と、めっきスルーホール１５と、ビルドアップ層２０とを備えている。

多層基板１は、プリプレグ（絶縁層）２１を介してコア基板１０の上に導電層２２を載置してプレス成形したものである。

コア基板１０は、プリプレグ（絶縁層）１４を介して複数の配線基板１１を積層し、プレス成形してなるものである。ここで、配線基板１１は、例えばガラスエポキシからなる絶縁基材（コア材）１２と、絶縁基材１２上に設けられた導電パターン層１３とを有する。導電パターン層１３は、銅などからなる金属層を所定のパターンに加工したものであるが、その形状については後ほど詳しく説明する。

以下の説明において、絶縁基材１２の上面側に設けられた導電パターン層を導電パターン層１３Ａと呼び、絶縁基材１２の下面側に設けられた導電パターン層を導電パターン層１３Ｂと呼ぶ。また、導電パターン層１３は、導電パターン層１３Ａおよび導電パターン層１３Ｂの総称として用いる。

図１に示すように、コア基板１０では、導電パターン層１３Ａと導電パターン層１３Ｂとが交互に配置されている。

絶縁基材１２の厚みは、例えば１００μｍである。プリプレグ１４の厚みは、例えば１２０μｍである。導電パターン層１３の厚みは、例えば５０μｍ〜１００μｍである。

なお、導電パターン層１３は、図１に示すように絶縁基材１２の両面に設けられていてもよいし、絶縁基材１２の片面にのみ設けられていてもよい。

めっきスルーホール１５は、コア基板１０を厚さ方向に貫通する貫通孔（例えばφ０．３ｍｍ）の内壁面に設けられ、複数の配線基板１１の導電パターン層１３を電気的に接続する。めっきスルーホール１５の内部には、例えばエポキシ系の樹脂からなる充填材１６が充填されている。

図１に示すように、めっきスルーホール１５の上下端の開口部は、導電パターン層１３の一部である蓋部１３ｅにより蓋をされている。この蓋部１３ｅが設けられていなくても、本発明による効果を得ることは可能である。

ビルドアップ層２０は、プリプレグ２１と導電層２２を貼り合わせたものである。より詳しくは、ビルドアップ層２０は、図１に示すように、コア基板１０上に積層されており、プリプレグ２１を挟んで、外側に導電層２２を有する。

導電層２２は、例えば銅箔であり、図２（ａ）に示すように、平面視して、少なくとも、めっきスルーホール１５、ランド部１３ａおよびスペース領域Ｓ１を覆う。なお、コア基板１０の下面にもビルドアップ層２０が設けられていてもよい。

一方、図２（ｂ）は、多層基板１の下面の導電パターン層１３Ｂの一例を示している。本例は、めっきスルーホール１５を周囲の導電パターンに電気的に接続する場合の一例を示したものである。図２（ｂ）に示すように、この導電パターン層１３Ｂのうちランド部１３ｃは、蓋部１３ｅに電気的に接続し、かつ外部に引き出されるように設けられた導電パターンの例である。導電パターン層１３Ｂのうち囲繞パターン部１３ｄは、例えば、他の導電パターンに電気的に接続されていないベタパターンである。なお、導電パターン層１３Ａにおいても、同様にして、めっきスルーホール１５と周囲の導電パターンとの間の電気的接続を行ってもよい。

次に、導電パターン層１３の形状について、図３を参照して詳しく説明する。

各配線基板１１の導電パターン層１３Ａは、ランド部（第１のパターン部）１３ａと、囲繞パターン部（第２のパターン部）１３ｂとを有する。また、各配線基板１１の導電パターン層１３Ｂは、ランド部（第１のパターン部）１３ｃと、囲繞パターン部（第２のパターン部）１３ｄとを有する。

ランド部１３ａ，１３ｃは、めっきスルーホール１５に電気的に接続され、かつ、めっきスルーホール１５の側面を囲う。ランド部１３ａ，１３ｃの形状は、例えば、円形である。図３（ａ）および図３（ｃ）に示すように、ランド部１３ａの直径（例えば約２ｍｍ）は、ランド部１３ｃの直径（例えば約１ｍｍ）よりも大きい。

囲繞パターン部１３ｂは、図３（ａ）に示すように、スペース領域Ｓ１を隔ててランド部１３ａの周囲に設けられている。囲繞パターン部１３ｄは、図３（ｃ）に示すように、スペース領域Ｓ２を隔ててランド部１３ｃの周囲に設けられている。図３に示すように、囲繞パターン部１３ｂ（１３ｄ）はランド部１３ａ（１３ｃ）を完全に囲っている。

なお、囲繞パターン部１３ｂ，１３ｄの形状については、ランド部１３ａ，１３ｃを完全に囲うものに限られず、部分的に囲うものであってもよい。また、囲繞パターン部は複数のパターンにより構成されてもよい。例えば、囲繞パターン部１３ｂは、図４に示すように、ランド部１３ａを部分的に囲うベタパターン１３ｂ１と、信号が通る配線パターン１３ｂ２とから構成されてもよい。このように、本実施形態の囲繞パターン部は、ランド部を完全に囲わなくてもよいし、また、複数のパターンによりランド部を囲ってもよい。

本実施形態の多層基板１では、図１および図３に示すように、導電パターン層１３Ａにおけるスペース領域Ｓ１が、導電パターン層１３Ｂにおけるスペース領域Ｓ２の上方に位置しない。換言すれば、絶縁基材１２およびプリプレグ１４が、コア基板１０の厚さ方向に見て一直線上に連続しないように、導電パターン層１３により遮られている。

これにより、多層基板１を加熱した際、めっきスルーホール１５の周囲の絶縁部材（絶縁基材１２およびプリプレグ１４）が厚さ方向に伸び難くなり、膨張が抑制される。また、めっきスルーホール１５内部の充填材１６についても、めっきスルーホール１５の周囲が伸び難くなるために膨張が抑制される。

よって、第１の実施形態によれば、加熱により導電層２２が変形せず、冷却後にビルドアップ層２０に層間剥離が発生することを防止することができる。即ち、多層基板１を構成する絶縁材料（絶縁基材１２、プリプレグ１４および充填材１６など）が制約されることなく、加熱・冷却サイクルによりビルドアップ層２０のプリプレグ２１内に層間剥離が発生することを防止することができる。

（第２の実施形態）
次に、図５を参照して本発明の第２の実施形態に係る多層基板１Ａについて説明する。図５は多層基板１Ａの一部断面図を示している。図５は、めっきスルーホールの周辺領域のみを示している。

第２の実施形態と第１の実施形態との相違点の一つは、導電パターン層１３の構成である。本実施形態では、配線基板１１は２種類（配線基板１１Ａおよび１１Ｂ）ある。以下、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。

図５に示すように、多層基板１Ａのコア基板１０は、プリプレグ１４を介して配線基板１１Ａと配線基板１１Ｂとを交互に積層したものとして構成されている。

配線基板１１Ａは、第１の実施形態の配線基板１１と同じ構成を有する。即ち、絶縁基材１２の両面に導電パターン層１３が設けられ、導電パターン層１３Ａのスペース領域Ｓ１は、導電パターン層１３Ｂのスペース領域Ｓ２の上方に位置しない。

一方、配線基板１１Ｂでは、導電パターン層１３Ａのスペース領域Ｓ１は導電パターン層１３Ｂのスペース領域Ｓ２の上方に位置する。即ち、スペース領域Ｓ１とスペース領域Ｓ２とが平面視して重なるように設けられている。

第２の実施形態に係る多層基板１Ａによっても、絶縁基材１２およびプリプレグ１４は、コア基板１０の厚さ方向に見て一直線上に連続しないように、導電パターン層１３により遮られている。

よって、第２の実施形態によれば、加熱により導電層２２が変形せず、冷却後にビルドアップ層２０に層間剥離が発生することを防止することができる。即ち、第２の実施形態によっても、多層基板を構成する絶縁材料（絶縁基材１２、プリプレグ１４および充填材１６など）が制約されることなく、加熱・冷却サイクルによりビルドアップ層２０のプリプレグ２１内に層間剥離が発生することを防止することができる。

本発明による多層基板は、上記の第１および第２の実施形態に限るものではない。コア基板１０の複数の導電パターン層１３のうち、厚さ方向に隣り合う少なくともいずれか１組の導電パターン層１３，１３について、一方の導電パターン層におけるスペース領域Ｓ１が、他方の導電パターン層におけるスペース領域Ｓ２の上方に位置しないように導電パターン層が構成されていれば、本発明の効果を得ることができる。

例えば、１組の導電パターン層１３，１３を導電層２２の隣に設けてもよい。即ち、コア基板１０の最外層に位置する配線基板１１の両面に導電パターン層１３Ａ，１３Ｂを設け、導電パターン層１３Ａのスペース領域Ｓ１が、導電パターン層１３Ｂのスペース領域Ｓ２の上方に位置しないようにしてもよい。導電層２２に近い層に設けることにより、１組の導電パターン層１３，１３であっても、層間剥離を防止する効果を得ることができる。

（第３の実施形態）
本発明は、コア基板と、該コア基板に設けられためっきスルーホールと、ビルドアップ層とを備える多層基板を設計する方法にも適用可能である。即ち、このような多層基板を設計する際、厚さ方向に隣り合う少なくともいずれか１組の導電パターン層については、一方の導電パターン層におけるスペース領域Ｓ１が、他方の導電パターン層におけるスペース領域Ｓ２の上方に位置しないように設計すればよい。これにより、ガラス転位温度や線膨張の値によって、使用する絶縁材料が制約されることなく、多層基板を設計することができる。

上記の記載に基づいて、当業者であれば、本発明の追加の効果や種々の変形を想到できるかもしれないが、本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではない。異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。特許請求の範囲に規定された内容及びその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更及び部分的削除が可能である。

１,１Ａ，１００多層基板
１０，１１０コア基板
１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１１配線基板
１２，１１２絶縁基材（コア材）
１３，１３Ａ，１３Ｂ，１１３導電パターン層
１３ａ，１３ｃランド部（第１のパターン部）
１３ｂ，１３ｄ囲繞パターン部（第２のパターン部）
１３ｂ１ベタパターン
１３ｂ２配線パターン
１３ｅ蓋部
１４，２１，１１４，１２１プリプレグ
１５，１１５めっきスルーホール
１６，１１６充填材
２０，１２０ビルドアップ層
２２，１２２導電層
Ａ絶縁領域
Ｂ剥離面
Ｓ，Ｓ１，Ｓ２スペース領域

Claims

ガラスエポキシからなる絶縁基材と、前記絶縁基材の少なくとも一方の主面に設けられた導電パターン層とを有する複数の配線基板を積層してなるコア基板と、
前記コア基板を厚さ方向に貫通する貫通孔の内壁面に設けられ、前記複数の配線基板の前記導電パターン層を電気的に接続するめっきスルーホールと、
前記コア基板上に積層されたプリプレグ、および前記プリプレグの外側に貼り合わされた導電層を有するビルドアップ層と、
を備え、
前記各配線基板の前記導電パターン層は、前記絶縁基材上に設けられ、前記めっきスルーホールに電気的に接続され、かつ前記めっきスルーホールの側面を囲う第１のパターン部と、前記絶縁基材上に設けられ、スペース領域を隔てて前記第１のパターン部の周囲に設けられた第２のパターン部と、を有し、
前記導電層は、平面視して、前記めっきスルーホール、前記第１のパターン部および前記スペース領域を覆い、前記導電層は、前記めっきスルーホールと層間接続されておらず、
前記コア基板の複数の前記導電パターン層のうち、厚さ方向に隣り合う少なくともいずれか１組の導電パターン層については、一方の導電パターン層における前記スペース領域が他方の導電パターン層における前記スペース領域の上方に位置しないことを特徴とする多層基板。
前記１組の導電パターン層は、前記導電層の隣に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の多層基板。
前記各配線基板の前記絶縁基材の両面に前記導電パターン層が設けられ、前記絶縁基材の一方の主面に設けられた前記導電パターン層の前記スペース領域が、前記絶縁基材の他方の主面に設けられた前記導電パターン層の前記スペース領域の上方に位置しないことを特徴とする請求項１に記載の多層基板。
前記コア基板は、
前記絶縁基材の両面に前記導電パターン層が設けられ、前記絶縁基材の一方の主面に設けられた前記導電パターン層のスペース領域が、前記絶縁基材の他方の主面に設けられた前記導電パターン層のスペース領域の上方に位置しない、第１の配線基板と、
前記絶縁基材の両面に前記導電パターン層が設けられ、前記絶縁基材の一方の主面に設けられた前記導電パターン層のスペース領域が、前記絶縁基材の他方の主面に設けられた前記導電パターン層のスペース領域の上方に位置する、第２の配線基板と、
を交互に積層したものであることを特徴とする請求項１に記載の多層基板。
ガラスエポキシからなる絶縁基材および前記絶縁基材の少なくとも一方の主面に設けられた導電パターン層を有する複数の配線基板を積層してなるコア基板と、前記コア基板を厚さ方向に貫通する貫通孔の内壁面に設けられ、前記複数の配線基板の前記導電パターン層を電気的に接続するめっきスルーホールと、前記コア基板上に積層されたプリプレグおよび前記プリプレグの外側に貼り合わされた導電層を有するビルドアップ層と、を備え、前記導電パターン層が、前記絶縁基材上に設けられ、前記めっきスルーホールに電気的に接続され、かつ前記めっきスルーホールの側面を囲う第１のパターン部と、前記絶縁基材上に設けられ、スペース領域を隔てて前記第１のパターン部を囲う第２のパターン部とを有し、前記導電層は、平面視して、前記めっきスルーホール、前記第１のパターン部および前記スペース領域を覆い、前記めっきスルーホールと層間接続されていない、多層基板の、設計方法であって、
前記コア基板の前記複数の配線基板の前記導電パターン層を設計する際、厚さ方向に隣り合う少なくともいずれか１組の導電パターン層については、一方の導電パターン層における前記スペース領域が、他方の導電パターン層における前記スペース領域の上方に位置しないように設計することを特徴とする多層基板の設計方法。