JP6696795B2

JP6696795B2 - 配線基板

Info

Publication number: JP6696795B2
Application number: JP2016035774A
Authority: JP
Inventors: 重岡　俊昭; 俊昭重岡; 神村　正憲; 正憲神村; 博文寺園
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2016-02-26
Filing date: 2016-02-26
Publication date: 2020-05-20
Anticipated expiration: 2036-02-26
Also published as: JP2017152631A

Description

本発明は、配線基板に関する。

近年、携帯電話に代表される通信機器の分野においては、利用される周波数帯域が０．１ＧＨｚ以上の高周波となりつつある。このような高周波帯域を利用する配線基板には、絶縁材料としてガラスセラミックスが用いられている。これは、ガラスセラミックスがアルミナセラミックスに比べて高周波特性に優れているためである。また、絶縁材料にガラスセラミックスを用いた場合には、導体材料として、銅や銀などの低抵抗導体を適用できることに起因している（例えば、特許文献１、２を参照）。

さらに、近年、電子部品に対してますます小型化、薄型化のニーズが高まっており、電子部品を実装する配線基板についても薄型化が求められている。

特開２００５−３０６７１４号公報特開２０１２−２５０９０３号公報

ところが、配線基板を薄層化しようとして、絶縁層を薄くすると、長期間使用している間に絶縁性の低下が見られる場合がある。これは絶縁層を構成するガラスセラミックス中に多くのボイドが存在するためである。

従って、本発明は、上記課題に鑑みて案出されたものであり、その目的は、絶縁層中にボイドが存在しても、絶縁性の低下を小さくできる配線基板を提供することである。

本発明の配線基板は、ガラスセラミック製の絶縁層と、該絶縁層に配置された導体層とを有する配線基板であって、前記絶縁層は、該絶縁層の面に沿って存在している多数の細長形状のボイドを有しており、前記多数の細長形状のボイドのうち、最も大きい径を示す前記ボイドのその最大径は、前記絶縁層の厚みを１としたときに、０．３８以上０．４５以下である。

本発明によれば、絶縁層中にボイドが存在しても、絶縁性の低下を小さくできる。

本発明の素子搭載用基板の第１実施形態を示す断面模式図である。第２実施形態の配線基板を示す断面模式図である。第３実施形態の配線基板を示す断面模式図である。第４実施形態の配線基板を示す断面模式図である。評価用基板の構成を示す断面模式図である。

図１は、本発明の配線基板の第１実施形態を示す断面模式図である。

第１実施形態の配線基板は、絶縁層１にガラスセラミックスを適用し、その上面および下面に導体層３ａ、３ｂを備えたものである。

ここで、絶縁層１は、ガラス相２が母相となっているガラスセラミックスの内部に大きなボイド５を多数有する。そのボイド５のうち一部にはサイズの大きいボイド５が存在する。そのようなボイド５の形状は細長形状である。また、そのボイド５は最大長さＬ１が絶縁層１の平均厚みｔ０の０．２〜０．６倍である。さらに、このボイド５は、その長手方向が絶縁層１の面１ａに沿って存在している。言い換えると、細長形状のボイド５のうちの一部は絶縁層１の面１ａに対して平行な方向を向いている。つまり、ボイド５の長手方向に対して垂直な方向は絶縁層１の厚み方向に向く配置となっている。

本実施形態の配線基板では、絶縁層１の内部に細長形状のボイド５が存在しても、そのボイド５の長手方向の向きが絶縁層１の面１ａに沿った方向であるため、２つの導体層３ａ、３ｂが挟む絶縁層１内は厚み方向へはガラスセラミックスの占める割合が多くなる。これにより２つの導体層３ａ、３ｂ間に設けられた絶縁層１における絶縁性の低下を小さくすることができる。この場合、少なくとも２つの導体層３ａ、３ｂ間の絶縁層１内に存在するボイド５の長手方向の向きが、いずれも絶縁層１の面１ａに対して平行に向いているのが良い。そして、ボイド５としては、図１に示すように、細長形状のボイド５の最長径をＬ１とし、Ｌ１に対して垂直な方向の長さをＬ２としたときの比（アスペクト比Ｌ１／Ｌ２）が１．３以上、特に、２以上であるのが良い。

また、絶縁層１中に上記のようなボイド５を有する配線基板では、絶縁層１内にボイド５の占める容積が大きくなると、ガラスセラミックスよりも比誘電率の低い空間の割合が多くなることから、絶縁層１の比誘電率を見かけ上小さくすることができる。これにより配線基板の高周波特性を高めることができる。この場合、高周波特性の向上とともに、配線基板の機械的強度を維持するという理由から、絶縁層１の単位断面積に占めるボイド５の面積割合としては、ボイド５の直径が０．１μｍ以上のボイドを全ボイドとしたときに面積割合で１〜２０％であるのが良い。この中で、アスペクト比が２以上の細長形状のボイド５は、面積割合で全ボイドの３０〜６０％であるのが良い。なお、絶縁層１中に含まれるボイド５の面積割合は、図１に示すような配線基板の断面観察から単位面積当たりに占めるボイド５の面積割合から求める。このような測定を行う場合、便宜上、ボイド５の最大径が０．１μｍより小さいものは除くようにする。

図２は、第２実施形態の配線基板を示す断面模式図である。

第２実施形態の配線基板は、絶縁層１のガラス相２中に結晶粒子７を含むものである。ここで、結晶粒子７のうちの一部は、その形状が細長形状であり、最大長さＬ３が絶縁層１の平均厚みｔ０の０．２〜０．６倍となるものである。この場合、第１結晶粒子７ａの長径は３〜７μｍ、特に、４〜６μｍであるのが良い。以下、結晶粒子７中に含まれる細長形状の結晶粒子７ａのことを第１結晶粒子７ａという場合がある。

この場合、第１結晶粒子７ａも、その長手方向が絶縁層１の面１ａに沿うように向いているのが良い。言い換えると、第１結晶粒子７ａの長手方向に垂直な方向（短径Ｌ４の方向）が絶縁層１の厚み方向に向くように配置されているのが良い。

ガラスセラミックスを母材とする絶縁層１中に上記のような細長形状のフィラーである第１結晶粒子７ａを含ませ、その第１結晶粒子７ａの長手方向が絶縁層１の面１ａに沿って存在する場合には、ガラスセラミックスが未焼成の状態から焼結体に変化する際に形成されるボイド５が絶縁層１の厚み方向に大きくなるのを抑えることができる。つまり、絶縁層１内において、ボイド５は絶縁層１の厚み方向において、第１結晶粒子７ａ間に点在
するようになる。これにより、ガラスセラミックスが未焼成の状態から焼結体に変化するときに、厚み方向に細長形状となるボイド５が形成される確率を小さくすることができる。これは、ガラスセラミックスが未焼成の状態から焼結体に変化するときに、ガラス相２内に小さいボイド５が多数発生するが、中には、小さいボイド５同士がつながった状態で残ってしまう。これが細長形状のボイド５となる。このような場合に、細長形状をした第１結晶粒子７ａが絶縁層１（またはガラス相２）中に存在し、その長手方向が絶縁層１の面１ａに沿った方向に配置されていると、小さいボイド５同士を絶縁層１の厚み方向につながりにくくすることができる。

この場合、少なくとも２つの導体層３ａ、３ｂ間の絶縁層１内に存在する第１結晶粒子７ａの長手方向の向きが、いずれも絶縁層１の面１ａに対して平行に向いているのが良い。第１結晶粒子７ａとしては、図２に示すように、第１結晶粒子７ａの絶縁層１の面１ａに平行な方向の長さをＬ３とし、Ｌ３に対して垂直な方向の長さをＬ４としたときの比（アスペクト比Ｌ３／Ｌ４）が１．３以上、特に、２以上であるのが良い。これにより配線基板を撓み難くできる。

この場合、配線基板の剛性を高められるという理由から、絶縁層１の単位断面積に占める第１結晶粒子７ａの面積割合としては２０〜６０体積％が良い。また、第２結晶粒子７ｂの最大径としては０．５〜３μｍであるのが良い。

なお、絶縁層１中に含まれる第１結晶粒子７ａの割合は、図２に示すような配線基板の断面観察から単位面積当たりに占める第１結晶粒子７ａの面積割合を求め、これを体積割合とする。

図３は、第３実施形態の配線基板を示す断面模式図である。

第３実施形態の配線基板は、絶縁層１中に、上記した細長形状の無機フィラーである第１結晶粒子７ａに加えて、多角形状の第２結晶粒子７ｂを含むものである。以下、この多角形状の結晶粒子７ｂのことを第２結晶粒子７ｂという場合がある。この場合、第２結晶粒子７ｂは、少なくとも１つの平坦面７ｂｓを持つものが良い。結晶粒子７の中に１つの平坦面７ｂｓを持つ多角形状を成す第２結晶粒子７ｂが含まれていると、第２結晶粒子７ｂのサイズ（最大径）が細長形状を成す第１結晶粒子７ａに比べて小さい場合でも、複数の第２結晶粒子７ｂ同士が近接する場合に平坦面７ｂｓ同士あるいは第１結晶粒子７ａの平坦面７ａｓと接触する確率が高くなる。これにより第２結晶粒子７ｂ間に三重点粒界が形成されにくくなり、複数の三重点粒界がつながった細長形状のボイド５の形成を抑えることができる。第２結晶粒子７ｂのサイズとしては、第１結晶粒子７ａとの間で最大径を比較したときに、０．１〜０．５倍がよい。この場合、第２結晶粒子７ｂの最大径は０．５〜２．５μｍであるのが良い。第２結晶粒子７ｂのサイズが大きくなりすぎると、第１結晶粒子７ａの配向性を低下させることになるためである。この場合、絶縁層１の単位断面積に占める第２結晶粒子７ｂの面積割合としては５〜２５体積％であるのが良い。また、第２結晶粒子７ｂも絶縁層１についてＸ線回折を行ったときに、結晶軸が絶縁層１の面１ａの沿った方向に配向しているのが良い。

図４は、第４実施形態の配線基板を示す断面模式図である。

第４実施形態の配線基板は、絶縁層１に、上記した第１結晶粒子７ａおよび第２結晶粒子７ｂに加えて、これらとは組成あるい結晶構造の異なる結晶粒子７ｃを有しているものである。この第３結晶粒子７ｃは、主に、ガラスセラミックスが未焼成の状態から焼結体に変化する際に、ガラス相２中に部分的に形成されてくる結晶相である。このような第３結晶粒子７ｃは、少なくとも細長形状の無機フィラーである第１結晶粒子７ａの平坦面７
ａｓに沿った方向に成長しやすいものとなっている。この第３結晶粒子７ｃも絶縁層１についてＸ線回折を行ったときに、結晶軸が絶縁層１の面１ａの沿った方向に配向しているのが良い。なお、第３結晶粒子７ｃがガラス相２中に部分的に形成されてくる結晶相であることは、第３結晶粒子７ｃがガラス相に連続した相として観察できることから確認できる。また、第３結晶粒子７ｃのサイズとしては、第１結晶粒子７ａとの間で最大径を比較したときに、０．０５〜０．２倍が良い。この場合、第３結晶粒子７ｃの最大径は０．１〜１．５μｍであるのが良い。第３結晶粒子７ｃの場合も、そのサイズが大きくなりすぎると、第１結晶粒子７ａの配向性を低下させることになるためである。この場合、絶縁層１の単位断面積に占める第３結晶粒子７ｂの面積割合としては５〜１５体積％であるのが良い。

第３結晶粒子７ｃが、上記のように、第１結晶粒子７ａと同じ向きに成長したものであると、この場合もガラスセラミックスが未焼成の状態から焼結体に変化する際に形成されるボイド５が絶縁層１の厚み方向に大きくなるのを抑制することができる。これにより、絶縁層１の厚み方向において、ボイド５が第１結晶粒子７ａ間に点在してくる確率がさらに高まる。その結果、絶縁層１はさらに絶縁性の高いものとなる。

上記した絶縁層１を形成するガラス相２の材料としては、セルジアンを析出するガラス粉末が好適である。この場合、ガラス粉末の組成としては、ＳｉＯ_２を２５〜５０質量％、Ａｌ_２Ｏ_３を１０〜２０質量％、ＢａＯを５〜２５質量％、Ｂ_２Ｏ_３を１〜１２質量％含むものが良い。これによりガラス相２中にセルジアンとなる第３結晶粒子７ｃを形成することができる。この場合、ガラス粉末と無機フィラーとの混合粉末中に含まれるガラス粉末量としては４０〜５５質量％が良い。

また、第１結晶粒子７ａとなる無機フィラーとしては、ガラスセラミックスが未焼成の状態から焼結体に変化する際に、セルジアンやガラス相２が強固に接着し、低誘電率であるクオーツを用いるのが良い。混合粉末中に含まれる第１結晶粒子７ａとなる無機フィラー量としては３０〜５０質量％が良い。さらに、第２結晶粒子７ｂとなる無機フィラーとしては、第１結晶粒子７ａと同様の理由に加えて、絶縁層１を高強度化できるという点からアルミナを用いるのが良い。この場合、混合粉末中に含まれる第２結晶粒子７ｂとなる無機フィラー量としては５〜１０質量％が良い。第１結晶粒子７ａおよび第２結晶粒子７ｂとなる無機フィラーとしては、破砕粒を用いるのが良い。

導体層３ａ、３ｂの材料としては、ガラスセラミック製の絶縁層１との同時焼成を可能にするという理由から、銅または銀を主成分とするものが良い。

以下、配線基板を作製し、評価を行った。ガラス粉末およびフィラーを準備した。

ガラス粉末としては、試料Ｎｏ．１〜３、５は、ＳｉＯ_２：４８質量％、Ａｌ_２Ｏ_３：１５質量％、ＢａＯ：８質量％、ＳｒＯ：１質量％、ＣａＯ：９質量％、ＭｇＯ：６質量％、Ｂ_２Ｏ_３：２質量％、ＺｒＯ_２：１０質量％、Ｙ_２Ｏ_３：１質量％であるものを用い、試料Ｎｏ．４については、ＳｉＯ_２：３２質量％、Ａｌ_２Ｏ_３：１２質量％、ＢａＯ：１９質量％、ＳｒＯ：１質量％、ＣａＯ：３質量％、ＭｇＯ：２４質量％、Ｂ_２Ｏ_３：８質量％、ＺｒＯ_２：１質量％であるものを用いた。

これらのガラス粉末は一部に扁平状粒子を含むものであった。フィラーにはクォーツおよびアルミナを用いた。フィラー（クオーツおよびアルミナ）には、粗粉を粉砕して調製した破砕粒を用いた。

次に、ガラス粉末とフィラーとを表１に示す構成になるように混合した。この場合、混合粉末の組成については、ガラス粉末が５２質量％、フィラーが４８質量％となるように配合した。クオーツとアルミナを用いる組成（試料Ｎｏ．３、４）については、クオーツを４０質量％、アルミナを８質量％の組成とした。

次いで、これらの混合粉末に対して、有機バインダーとしてメタクリル酸樹脂を固形分で１１質量部、可塑剤としてフタル酸ジブチルを５質量部添加し、トルエンを溶媒としてボールミルで混合しスラリーを調製した。

次に、調製したスラリーを用いて、ドクターブレード法によりシート状に成形し、グリーンシートを作製した。グリーンシートの厚みは１０μｍであった。また、厚みが１０μｍのグリーンシートが１層の試料を作製するときに、積層する補強シートとして、厚み１００μｍのグリーンシートも作製した。

次に、厚みが１０μｍグリーンシートの両面に、銅粉末を含む導体ペーストを印刷して評価用基板となるパターンシート１０を作製し、次いで、パターンシート１０の両面に、厚みが１００μｍのグリーシート１１を重ねて、図５に示すような積層体１３を作製した。厚みが１００μｍのグリーンシート１１には、パターンシート１０に導通するためのビア導体１５および接続パッド１７を形成しておいた。

こうして作製した積層体を水蒸気含有窒素雰囲気中４００℃〜７００℃で脱脂し、さらに、温度を８５０℃まで高めて、２時間の焼成を行い、評価用基板を作製した。
評価用基板は、面積が２０ｍｍ×２０ｍｍ、厚みが約１７０μｍであった。評価用基板の中で中央部に位置する配線基板は、絶縁層の平均厚みが７μｍであった。

次に、作製した評価用基板を用いて以下の評価を行った。
（絶縁層の内部組織観察）
絶縁層中に存在するボイドおよびその最大径、細長形状のフィラーおよびその面積割合、多角形状のフィラーならびに結晶相（セルジアン）の配向性は、作製した評価用基板の縦断面を鏡面研磨した後、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて倍率３０００倍で観察することによって評価した。作製した各試料の絶縁層は、それぞれボイド、細長形状のフィラーおよび結晶相（セルジアン）が、図１〜図４にそれぞれ示したように、絶縁層の面に沿って配向したものとなっていた。表１に示したボイドの最大径の値は、観察した断面に見られたボイドの中で最大径を示したものを絶縁層の平均厚みを１としたときの割合で表記した。
（電気特性の測定方法）
配線基板の絶縁抵抗は、高温高湿バイアスの条件（１２１℃、１００％ＲＨ、直流５．５Ｖ）に１００時間放置した後に、配線基板に１００Ｖの電圧を印加した状態で測定した。

なお、比較例として、同じ組成で球状粒子のみを含むガラス粉末を用いて、同様の試料Ｎｏ．５を作製し、評価した。

表１の結果からわかるように、それぞれボイド、細長形状のフィラーおよび結晶相（セルジアン）が、図１〜図４にそれぞれ示したように、絶縁層の面に沿って配向したものとなっていた試料（試料Ｎｏ．１〜４）は、絶縁抵抗がいずれも７．２×１０^１０Ω以上であったが、球状粒子のみを含むガラス粉末を用いて作製した試料Ｎｏ．５は、絶縁抵抗が８．８×１０^２Ωであった。

１・・・・・・絶縁層
１ａ・・・・・絶縁層の面
２・・・・・・ガラス相
３ａ、３ｂ・・導体層
５・・・・・・ボイド
７・・・・・・結晶粒子
７ａ・・・・・第１結晶粒子
７ｂ・・・・・第２結晶粒子
７ｃ・・・・・第３結晶粒子

Claims

ガラスセラミック製の絶縁層と、該絶縁層に配置された導体層とを有する配線基板であって、前記絶縁層は、該絶縁層の面に沿って存在している多数の細長形状のボイドを有しており、前記多数の細長形状のボイドのうち、最も大きい径を示す前記ボイドのその最大径は、前記絶縁層の厚みを１としたときに、０．３８以上０．４５以下であることを特徴とする配線基板。
前記絶縁層は、ガラス相と、細長形状の結晶粒子と、セルジアンとを含んでおり、前記結晶粒子は、前記絶縁層の面に沿って存在していることを特徴とする請求項１に記載の配線基板。
前記細長形状の結晶粒子は、前記絶縁層の単位面積に占める面積割合が４３％以上５５％以下であることを特徴とする請求項２に記載の配線基板。