JP7234049B2

JP7234049B2 - プリント配線基板

Info

Publication number: JP7234049B2
Application number: JP2019118994A
Authority: JP
Inventors: 卓石岡; 英敏湯川
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2018-09-26
Filing date: 2019-06-26
Publication date: 2023-03-07
Anticipated expiration: 2039-06-26
Also published as: JP2020057767A; US10779408B2; US20200120799A1

Description

本開示は、プリント配線基板に関するものである。

現在、高機能なパッケージ基板や電子部品を搭載するプリント配線基板が開発されている。プリント配線基板は、積層された複数の絶縁層、および配線導体を有している。配線導体は、積層された絶縁層の上下表面や、絶縁層同士の間に位置している。互いに異なる層に位置している配線導体同士は、厚さ方向に絶縁層を貫通するスルーホール内のスルーホール導体により電気的に接続されている。このようなプリント配線基板は、パッケージ基板や電子部品等が実装されて、例えばサーバー等の電子機器に搭載される。

特開２０００－２４４１２９号公報

近年、電子機器の高機能化に伴いパッケージ基板や電子部品の高機能化が進んでおり、信号系統数や電力供給量が増大する傾向にある。このため、プリント配線基板は、配線導体の増数が要求されている。このような要求に対応するために、プリント配線基板は、絶縁層数を増やすことで配線導体の形成領域を確保している場合がある。しかしながら、絶縁層数が増えてプリント配線基板の厚さが大きくなると、絶縁層およびスルーホール導体の熱膨張係数の違いによる厚さ方向の伸縮量の差が大きくなり、絶縁層とスルーホール導体との間に応力が生じる。その結果、スルーホール導体と配線導体との接続部が破断してしまい信号の伝播、あるいは電力供給特性が低下してしまうおそれがある。

本開示のプリント配線基板は、厚さ方向に積層された複数の絶縁層と、複数の絶縁層の間にそれぞれ対応して位置する複数の配線導体と、複数の絶縁層および複数の配線導体を厚さ方向に貫通しているスルーホールと、スルーホールの壁面に位置しているスルーホール導体とを有しており、スルーホールに面する配線導体の第１面は、スルーホールを厚さ方向に貫く中心軸を基準として、スルーホールに面する絶縁層の第２面よりも外側に位置している。

本開示のプリント配線基板によれば、信号の伝播、あるいは電力供給特性に優れる。

図１は、本開示のプリント配線基板の実施形態例を示す概略断面図である。図２は、本開示のプリント配線基板の実施形態例の要部を示す拡大断面図である。図３は、本開示のプリント配線基板の別の実施形態例の要部を示す概略断面図である。図４は、本開示のプリント配線基板の別の実施形態例を示す概略断面図である。図５（Ａ）は、図３において概略断面図で示す部分の電子顕微鏡写真であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示す領域Ｘの拡大写真である。従来のプリント配線基板における配線導体とスルーホール導体との境界面を示す電子顕微鏡写真である。

次に、本開示のプリント配線基板を、図１および図２を基にして説明する。プリント配線基板１は、絶縁基体２と、配線導体３と、ソルダーレジスト４とを有している。プリント配線基板１は、上面に例えばパッケージ基板等の配線基板や電子部品等が搭載される。プリント配線基板１は、厚みが０．０４～１０．０ｍｍ程度である。

絶縁基体２は、厚さ方向に積層された５層の絶縁層５を有している。絶縁層５は、例えば補強用のガラスクロスにエポキシ樹脂やビスマレイミドトリアジン樹脂等を含浸させた絶縁材料を含んでいる。絶縁基体２は、プリント配線基板１における配線導体３の配置領域を確保する機能、および平坦性を保持する支持体としての機能等を有している。それぞれの絶縁層５の厚みは、例えば２０～４００μｍに設定されている。

このような、絶縁基体２は、例えば次のように形成される。まず、両面銅張り積層板を２枚用意する。両面銅張り積層板は、例えばガラスクロスに絶縁樹脂を含侵させた絶縁板の上下面に、銅箔を張り付けたものである。次に、各両面銅張り積層板の銅箔をエッチングにより所定のパターンを有する配線導体３を形成する。次に、プリプレグを３枚、および銅箔を２枚用意する。プリプレグは、例えばガラスクロスに絶縁樹脂を含侵させた半硬化状態の絶縁材料である。次に、１枚のプリプレグを中心として、その上下面にそれぞれ両面銅張り積層板、プリプレグ、銅箔の順に積層する。次に、加熱下でプレス加工を行うことで上記のような絶縁基体２が形成される。

なお、上記のように両面銅張り積層板の銅箔をもとに形成された配線導体３は、例えば厚さ方向に対して長尺形状を持つ結晶粒を有していても構わない。言い換えれば、結晶粒同士の間の結晶界面が厚さ方向を向いているものが多く、厚さ方向に直交する水平方向を向いている結晶界面が少ない。このため、プリント配線基板１が、熱膨張して厚さ方向の応力が加わるときに、配線導体３の耐破断性を向上させることが可能になる点で有利である。

絶縁基体２は、その厚さ方向に貫通する複数のスルーホール６を有している。スルーホール６は、その内側に複数の絶縁層の第２面５ｓおよび複数の配線導体の第１面３ｓが露出しているものがある。絶縁基体２の上下表面の配線導体３同士、あるいは絶縁基体２の上下表面および絶縁層５の間の配線導体３同士が、スルーホール６を介して電気的に接続される。スルーホール６の径は、例えば５０～２０００μｍに設定されている。

なお、図２に示すように、スルーホール６内において、各々の配線導体の第１面３ｓは、スルーホール６を厚さ方向に貫く中心軸を基準として、絶縁層の第２面５ｓよりも外側に位置している。配線導体の第１面３ｓと絶縁層の第２面５ｓとの段差は、例えば１～１０μｍの範囲に設定されている。

両者の段差が、１μｍよりも小さいと、後述するスルーホール導体３ａの一部が、絶縁層の第２面５ｓよりも外側に入り込める距離が小さいため、スルーホール導体３ａを絶縁層５に係止しておく効果が小さくなってしまう。また、１０μｍよりも大きいと、後述するスルーホール導体３ａの形成時に、めっき処理液が配線導体の第１面３ｓにまで良好に環流せず、銅めっき金属が良好に析出しない場合がある。このため、スルーホール導体３ａと配線導体の第１面３ｓとの接続が不完全になってしまうおそれがある。これらの観点を考慮して、配線導体の第１面３ｓと絶縁層の第２面５ｓとの段差は、３～７μｍに設定しておくと、品質上および生産上有利である。

このような、スルーホール６は、例えば次のように形成される。まず、絶縁基体２を厚さ方向に貫く貫通孔をドリル加工によって形成する。次に、貫通孔内に残る樹脂屑をデスミア処理によって除去する。最後に、スルーホール６内に露出する配線導体３をエッチング処理して、上述の段差になるまで溶解する。これにより、上記のようなスルーホール６が形成される。

なお、このエッチング処理は、デスミア処理では除去しきれない金属屑や、貫通孔内に露出する配線導体の第１面３ｓにこびりついた樹脂屑を除去する効果も有している。

配線導体３は、絶縁層５同士の間、絶縁基体２の上下表面、およびスルーホール６内に位置している。配線導体３は、プリント配線基板１の導電経路を構成するものであり、信号の伝播や電力の供給等の機能を有している。配線導体３は、例えば銅等の良導電性金属を含んでいる。

このような配線導体３のうち、スルーホール６内に位置しているものは、スルーホール導体３ａとして機能する。各々のスルーホール導体３ａは、信号の伝播に用いられる信号用、電力の供給に用いられる電源用、または接地用の機能を有している。スルーホール導体３ａは、絶縁基体２の上下表面の配線導体３同士、あるいは絶縁基体２の上下表面の配線導体３および絶縁層５の間の配線導体３同士を電気的に接続している。

スルーホール導体３ａは、スルーホール６に面する配線導体の第１面３ｓおよび絶縁層の第２面５ｓの全面に密着する状態で位置しており、スルーホール６の径方向の中央部に空洞を有する筒状である。上述のように、配線導体の第１面３ｓは、スルーホール６を厚さ方向に貫く中心軸を基準として、絶縁層の第２面５ｓよりも外側に位置している。このため、スルーホール導体３ａの一部は、絶縁層５同士の間に入り込む状態で位置している。

言い換えれば、スルーホール６内において、配線導体の第１面３ｓが露出している個所は、絶縁層の第２面５ｓに対して窪んだ状態である。スルーホール導体３ａは、この窪みの中にある配線導体の第１面３ｓに密着しているとともに絶縁層の第２面５ｓにも密着している。

これにより、スルーホール導体３ａと絶縁層の第２面５ｓとの接触面積が増加することで、スルーホール導体３ａの密着強度の向上に有利である。また、特に厚さ方向において、窪みの中のスルーホール導体３ａが、絶縁層５に対する係止の役割を果たすことで、スルーホール導体３ａと絶縁層５との間のせん断応力の抑制が可能になる。さらに、スルーホール導体３ａと配線導体の第１面３ｓとの間におけるせん断応力の抑制も可能になる。

なお、スルーホール６に面する配線導体の第１面３ｓは、図２に示す断面図において直線状を有しているが、曲線状を有していても構わない。このような場合、スルーホール導体３ａとの接触面積が増えるため、配線導体の第１面３ｓとスルーホール導体３ａとの密着強度の向上が可能になる点で有利である。

スルーホール６内には、スルーホール導体３ａの空洞内に充填されている孔埋め樹脂７が位置している。孔埋め樹脂７は、本開示において必須ではないが、プリント配線基板１が、スルーホール６の上下の開口を、例えば導体層または絶縁層等で塞いでしまう構造を有している場合に用いられる。

スルーホール６内において、スルーホール導体３ａの内側を孔埋め樹脂７で充填しておくことで、ガスや液体がスルーホール６内に残留することを抑制し、ガスの膨張や液体の腐食等で、配線導体３等が損傷または腐食することを回避することが可能になる。

孔埋め樹脂７は、例えばエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂およびシリカ等の絶縁粒子を含んでいる。

絶縁基体２の上下表面、およびスルーホール６内に位置している配線導体３は、例えば次のように形成される。

まず、上述の工程によってスルーホール６が形成された絶縁基体２を用意する。次に、絶縁基体２の上下面およびスルーホール６に面する配線導体の第１面３ｓおよび絶縁層の第２面５ｓに、無電解銅めっき処理および電解銅めっき処理を順に行う。配線導体の第１面３ｓおよび絶縁層の第２面５ｓに析出した銅めっき金属が、スルーホール導体３ａになる。次に、スルーホール６内の銅めっき金属よりも内側に、孔埋め樹脂７を充填して硬化する。次に、スルーホール６から突出した穴埋め樹脂７を研磨して、絶縁基体２の上下面に析出した銅めっき金属と穴埋め樹脂７の露出面とを同一の高さにする。最後に、絶縁基体２の上下面に析出した銅めっき金属および穴埋め樹脂７の露出面に、めっき処理を行い、エッチングにより所定のパターンを形成することで絶縁基体２の上下表面に配線導体３が形成される。

スルーホール導体３ａは、結晶界面の方向がランダムな結晶粒を有していても構わない。つまり、スルーホール導体３ａの結晶界面は、方向性を有していない。このような場合、スルーホール導体３ａに加わる熱応力をランダムな方向に分散させることが可能になる点で有利である。

ソルダーレジスト４は、最上層の絶縁層５の上面、および最下層の絶縁層５の下面に位置している。ソルダーレジスト４は、絶縁基体２の上面に位置している配線導体３の一部を露出する開口４ａおよび下面に位置している配線導体３の一部を露出する開口４ｂを有している。

開口４ａに露出する配線導体３の一部は、例えばパッケージ基板や電子部品の電極と接続する電極として機能する。

開口４ｂに露出する配線導体３の一部は、例えば電子部品と接続する電極として機能する。

ソルダーレジスト４は、例えばアクリル変性エポキシ樹脂等の感光性を有する熱硬化性樹脂のフィルムを絶縁層５の表面に貼着し、露光および現像により開口４ａ、または４ｂを形成して熱硬化することで形成される。

上述のように、本開示のプリント配線基板１は、厚さ方向に積層された複数の絶縁層５と、複数の絶縁層５の間にそれぞれ対応して位置する複数の配線導体３と、それらを厚さ方向に貫通し、複数の絶縁層の第２面５ｓおよび複数の配線導体の第１面３ｓが露出しているスルーホール６とを有している。スルーホール６内には、絶縁層の第２面５ｓおよび配線導体の第１面３ｓの全面に密着しているスルーホール導体３ａが位置している。そして、スルーホール６内において、複数の配線導体の第１面３ｓは、スルーホール６を厚さ方向に貫く中心軸を基準として、複数の絶縁層の第２面５ｓよりも外側に位置している。つまり、スルーホール６内において、配線導体の第１面３ｓが露出している個所は、絶縁層の第２面５ｓに対して窪んだ状態である。

このため、スルーホール導体３ａは、その一部が窪みに入り込む状態で配線導体の第１面３ｓおよび絶縁層の第２面５ｓに密着している。これにより、スルーホール導体３ａと、配線導体の第１面３ｓおよび絶縁層の第２面５ｓとの接触面積が増加して、スルーホール導体３ａの密着強度の向上に有利である。また、特に厚さ方向において、窪みの中のスルーホール導体３ａが、絶縁層５に対する係止の役割を果たすことで、スルーホール導体３ａと絶縁層５との間のせん断応力の抑制が可能になる。その結果、スルーホール導体３ａと配線導体の第１面３ｓとの間の破断の抑制が可能になる。

このように本開示によれば、信号用、電源用、または接地用の機能を有するスルーホール導体３ａと配線導体３ｓとの間の破断の抑制が可能になるため、信号の伝播、あるいは電力供給特性に優れたプリント配線基板を提供することができる。

なお、本開示は、上述の実施形態の一例に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能である。

例えば、上述の実施形態の一例においては、図２に示すようにスルーホール導体３ａと孔埋め樹脂７との界面に凹部が無い状態を示した。

この場合とは別に、図３に示すように、スルーホール導体３ａは、スルーホール６に面する複数の配線導体の第１面３ｓに対向する内周面に環状の凹部８を有していても構わない。つまり、筒状のスルーホール導体３ａの内周面は、上述の窪みに対向する位置に環状の凹部８を有している。

このような場合、例えばプリント配線基板１に熱膨張が生じたときに、スルーホール導体３ａが、凹部８内に入り込んでいる孔埋め樹脂７によって配線導体の第１面３ｓの方向に押圧される。これにより、スルーホール導体３ａと配線導体の第１面３ｓとの間の密着強度が向上する。

凹部８の深さは、例えば２～５μｍに設定されている。２μｍよりも小さい場合は、上記の押圧の効果が小さくなりスルーホール導体３ａと配線導体の第１面３ｓとの間の密着強度の向上に寄与できない可能性がある。５μｍよりも大きい場合は、孔埋め樹脂７を凹部８内に充填することが困難になる可能性がある。

このような凹部８は、配線導体の第１面３ｓが露出している個所が、絶縁層の第２面５ｓに対して窪んでいる形態が残る程度の厚みになるように、電解めっき処理時間を調整することで形成される。なお、凹部８が不要な場合は、電解めっき処理時間をさらに延長する、あるいは電解めっき処理を２回行えばよい。

また、図４に示すように、絶縁基体２の上下面にビルドアップ用の絶縁層９と配線導体３とがさらに積層されていても構わない。本例においては、上面および下面にそれぞれ２層のビルドアップ用絶縁層９と配線導体３とが位置している。

ビルドアップ用絶縁層９は、絶縁基体２の上下面において、配線導体３を配置するための領域を確保する機能を有している。このため、ビルドアップ用絶縁層９を有する構造は、電子機器の高機能化に伴う信号系統や電力供給の増大に対応するため、プリント配線基板１の配線導体３を増やすことが可能になる点で有利である。

また、ビルドアップ用絶縁層９は、配線導体３を被覆しており、互いに隣接する配線導体３同士の絶縁性を確保する機能を有している。

ビルドアップ用絶縁層９は、例えばＥガラスまたはＳガラス等のガラス繊維、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂またはビスマレイミドトリアジン樹脂等の絶縁樹脂およびシリカ（ＳｉＯ₂）またはアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）等の絶縁粒子等を含んでいる。ガラス繊維については、含んでいなくてもよい。

ビルドアップ用絶縁層９は、例えば絶縁層用のフィルムを、真空下で絶縁基体２の上下面、あるいは既に形成されたビルドアップ用絶縁層９の表面に配線導体３を被覆するように被着して熱圧着し硬化することで形成される。

ビルドアップ用絶縁層９は、配線導体３を底面とする複数のビアホール１０を有している。ビルドアップ用絶縁層９を介して上下に位置する配線導体３同士が、ビアホール１０内の配線導体３を介して電気的に接続される。ビアホール１０の径は、例えば３０～１００μｍに設定されている。

ビアホール１０は、例えばビルドアップ用絶縁層９に、レーザー加工処理を施すことによって形成される。なお、レーザー加工の後に、ビアホール１０の内部を洗浄して、炭化物等の異物を除去することで、配線導体３と、ビアホール１０内に露出するビルドアップ用絶縁層９および配線導体３との間の密着強度を向上させることが可能になる。

配線導体３は、ビルドアップ用絶縁層９の上面または下面、およびビアホール１０内に位置している。配線導体３は、例えばセミアディティブ法やサブトラクティブ法等のめっき処理技術によって形成され、銅等の良導電性金属を含んでいる。

最上層のビルドアップ用絶縁層９の上面および最下層のビルドアップ用絶縁層９の下面には、ソルダーレジスト４が位置している。ソルダーレジスト４は、ビルドアップ用絶縁層９の上面に位置している配線導体３の一部を露出する開口４ａ、下面に位置している配線導体３の一部を露出する開口４ｂを有している。

開口４ａに露出する配線導体３の一部は、例えばパッケージ基板や電子部品の電極と接続する電極として機能する。開口４ｂに露出する配線導体３の一部は、例えば電子部品と接続する電極として機能する。

図３において概略断面図で示す部分の電子顕微鏡写真を図５（Ａ）に示し、図５（Ａ）に示す領域Ｘの拡大写真を図５（Ｂ）に示す。図５（Ａ）および（Ｂ）に示す符号は、図３に示す符号と同じであり、説明は省略する。

例えば、図２および３では、配線導体の第１面３ｓの位置を明確に示している。これは、断面図で示す際に配線導体の第１面３ｓの位置を便宜上示しているだけであり、図５（Ｂ）に示すように、配線導体の第１面３ｓが不明瞭な状態、すなわち、配線導体の第１面３ｓとスルーホール導体３ａとの境界面が、非直線的に入り組んで渾然一体となったような状態であってもよい。つまり、配線導体３をエッチング処理する際に、配線導体の第１面３ｓを非直線的に入り組んだ状態、言い換えれば凹凸形状に処理しておき、スルーホール導体３ａとなる銅めっき金属を析出させることで配線導体の第１面３ｓとスルーホール導体３ａとの境界面が上記の状態となる。

配線導体３を形成している導体は、図５（Ｂ）に矢印で示すように、スルーホール６の深さ方向に結晶が伸びている。つまり、断面視で結晶が、上層の絶縁層５と下層の絶縁層５との積層方向に伸びる長尺形状を有している。このように、配線導体３を形成している導体の結晶がスルーホール６の深さ方向に伸びていると、配線導体３を絶縁層５により強く密着させることができる。例えば、プリント配線基板に負荷がかかった場合、スルーホール導体３ａは、スルーホール６の深さ方向と直交する方向、すなわち配線導体３や絶縁層５の主面と水平な方向に負荷がかかりやすい。このような負荷がかかったとしても、配線導体３は絶縁層５により強く密着しているため、負荷によるスルーホール導体３ａの変位を低減することができ、より破断しにくくすることができる。

スルーホール６内に露出する配線導体３をエッチング処理する場合、スルーホール６にエッチング液を流して行う。図５（Ｂ）の領域Ｙに示すように、エッチング液の流れの上流側におけるスルーホール６の壁面とスルーホール導体３ａとの角がテーパー状を有し、角が取れている。このように角が取れてテーパー状を有することによって、スルーホール導体３ａを形成する際のめっき液が、配線導体３方向に流れ込みやすくなる。

図６に示すように、従来のプリント配線基板における配線導体１３とスルーホール導体１３ａとの境界面は、領域Ｚに示すように、スルーホールの壁面近くで比較的明確に現れている。配線導体１３とスルーホール導体１３ａと境界面がスルーホールの壁面近くに存在すると、例えば、プリント配線基板に負荷がかかった場合、配線導体１３を形成している導体の結晶とスルーホール導体１３ａを形成している導体の結晶との間に破断が発生しやすく、導通不良が発生しやすくなる。

なお、上述の実施形態においては、スルーホール導体３ａが筒状である場合を示した。この場合とは別に、孔埋め樹脂７あるいは凹部８が不要である場合には、スルーホール導体３ａがスルーホール６内を充填していても構わない。この場合、スルーホール導体３ａの電気抵抗が低減するため、信号の伝播あるいは電力供給特性の向上という観点から有利である。

１プリント配線基板
３配線導体
３ａスルーホール導体
３ｓ配線導体の第１面
５絶縁層
５ｓ絶縁層の第２面
６スルーホール
７孔埋め樹脂
８凹部

Claims

厚さ方向に積層された複数の絶縁層と、
前記複数の絶縁層の間にそれぞれ対応して位置する複数の配線導体と、
複数の前記絶縁層および複数の前記配線導体を前記厚さ方向に貫通しているスルーホールと、
前記スルーホールの壁面に位置しているスルーホール導体と、を有しており、
前記スルーホールに面する前記配線導体の第１面は、前記スルーホールを前記厚さ方向に貫く中心軸を基準として、前記スルーホールに面する前記絶縁層の第２面よりも外側に位置しており、
複数の前記配線導体は、前記厚さ方向に沿った長尺形状の結晶粒を有し、前記厚さ方向を向いている結晶界面を、前記厚さ方向に直交する水平方向を向いている結晶界面よりも多く含む、ことを特徴とするプリント配線基板。
前記スルーホール導体は、径方向の中央部が空洞になっている筒状である、請求項１に記載のプリント配線基板。
前記空洞内が樹脂で充填されている、請求項２に記載のプリント配線基板。
前記スルーホール導体は、前記配線導体の前記第１面に相当する部位に、環状の凹部を有している、請求項２または３のいずれかに記載のプリント配線基板。
前記配線導体の前記第１面と前記スルーホール導体との境界が、非直線的に入り組んでいる、請求項１～４のいずれかに記載のプリント配線基板。