JP7433461B2

JP7433461B2 - 配線基板

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Publication number: JP7433461B2
Application number: JP2022551905A
Authority: JP
Inventors: 英敏湯川
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2020-09-28
Filing date: 2021-09-14
Publication date: 2024-02-19
Anticipated expiration: 2041-09-14
Also published as: JPWO2022065134A1; WO2022065134A1; US20230337361A1; KR20230054466A; CN116235639A; EP4221473A1; TW202224521A; TWI803002B

Description

本発明は、配線基板に関する。

配線基板は、例えば、特許文献１に示すように、複数の絶縁層と絶縁層の表面に形成された配線導体層とを含んでいる。絶縁層はビアホール導体を有しており、このビアホール導体を介して、異なる絶縁層に位置している配線導体層間の電気的な接続、すなわち配線基板の厚み方向の電気的な接続が行われている。

ビアホール導体は、通常、異なる絶縁層に形成されたランドと接続される。ビアホール導体とランドとの接触面において、例えば、ビアホール導体に含まれる導体の線膨張係数およびヤング率とランドに含まれる導体の線膨張係数およびヤング率との間に、比較的大きな差が存在すると、熱伸縮時に応力が発生して、ビアホール導体とランドとの接続信頼性が低下することがある。例えば、ビアホール導体とランドとの接触面において、一方が銅で他方が銅以外の金属（例えばニクロム（ＮｉＣｒ）など）の場合に、ビアホール導体とランドとの接続信頼性が低下しやすくなる。

特開２０１５－２１６３４４号公報

本開示に係る配線基板は、第１面を有する第１絶縁層と、第１絶縁層上に位置し、第２面を有するランドと、第１絶縁層の第１面に位置しており、ランドの第２面にわたるビアホールを有する第２絶縁層と、ビアホール内に位置するビアホール導体とを含む。ランドは、第２面に複数の凹部を有しており、複数の凹部のうち少なくとも１つの凹部は、樹脂を含む緩衝体を有している。ビアホール導体は、ランドの第２面および緩衝体と接触している。

本開示の一実施形態に係る配線基板を示す模式図である。（Ａ）は図１に示す領域Ｘを説明するための拡大説明図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示す領域Ｙを説明するための拡大説明図である。図２（Ａ）に示す領域Ｙの別の実施形態を説明するための拡大説明図である。

従来の配線基板は、上記のように、ビアホール導体とランドとの接触面において、一方が銅で他方が銅以外の金属（例えばニクロム（ＮｉＣｒ）など）の場合に、ビアホール導体とランドとの接続信頼性が低下しやすくなる。そのため、ビアホール導体とランドとの電気的信頼性に影響を及ぼすことなく、ビアホール導体とランドとの接続信頼性を向上させた配線基板が求められている。

本開示に係る配線基板は、ランドが表面に複数の凹部を有しており、凹部内には樹脂を含む緩衝体が位置している。したがって、本開示によれば、ビアホール導体とランドとの電気的信頼性に影響を及ぼすことなく、ビアホール導体とランドとの接続信頼性を向上させた配線基板を提供することができる。

本開示の一実施形態に係る配線基板を、図１および２に基づいて説明する。図１は、本開示の一実施形態に係る配線基板１を示す模式図である。

一実施形態に係る配線基板１は、複数の絶縁層２と、絶縁層２の表面に位置する配線導体層４とを含む。配線導体層４にはランド４１が含まれる。

絶縁層２は、絶縁性を有する素材であれば特に限定されない。絶縁性を有する素材としては、例えば、エポキシ樹脂、ビスマレイミド－トリアジン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、液晶ポリマーなどの樹脂が挙げられる。これらの樹脂は単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。絶縁層２には、図２（Ａ）に示すように、絶縁粒子２３が分散されていてもよい。絶縁粒子２３は限定されず、例えば、シリカ、アルミナ、硫酸バリウム、タルク、クレー、ガラス、炭酸カルシウム、酸化チタンなどの無機絶縁性フィラーが挙げられる。

一実施形態に係る配線基板１において、複数の絶縁層２のうち１層はコア層２１であり、残りの絶縁層２はビルドアップ層２２である。コア層２１は、例えば０．０４ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の厚みを有している。

コア層２１は、コア層２１の上下面の配線導体層４を電気的に接続するためのスルーホール導体３を有している。スルーホール導体３は、コア層２１の上下面を貫通するスルーホール内に位置している。スルーホール導体３は、例えば、銅めっきなどの金属めっきからなる導体で形成されている。スルーホール導体３は、コア層２１の両面の配線導体層４に接続されている。スルーホール導体３は、スルーホールの内壁面のみに形成されていてもよく、スルーホール内に充填されていてもよい。

ビルドアップ層２２は、例えば５μｍ以上１００μｍ以下の厚みを有している。ビルドアップ層２２は、同じ樹脂で形成されていてもよく、それぞれ異なる樹脂で形成されていてもよい。上記の絶縁層２は、ランド４１が位置している第１面Ｓ１を有している。

絶縁層２の表面、すなわちコア層２１の表面およびビルドアップ層２２の表面には、配線導体層４が位置している。配線導体層４は銅などの導体、例えば銅箔や銅めっきで形成されている。配線導体層４の厚みは特に限定されず、例えば２μｍ以上５０μｍ以下である。複数の配線導体層４が存在する場合、配線導体層４は同じ導体で形成されていてもよく、それぞれ異なる導体で形成されていてもよい。配線導体層４の一部は、後述するビアホール導体５を接続するためのランド４１として使用される。このようなランド４１は、上記の絶縁層２の第１面Ｓ１に接している部分を除く第２面Ｓ２を有している。

ビルドアップ層２２は、ビルドアップ層２２を介して上下に位置している配線導体層４同士を電気的に接続するためのビアホール導体５を有している。ビアホール導体５は、ビルドアップ層２２の上下面を貫通するビアホールに、例えば銅めっきなどを析出させることによって得られる。ビルドアップ層２２の上下面を貫通するビアホールは、例えば底部において２μｍ以上１００μｍ以下程度の内径を有しており、例えば、ＣＯ_２レーザー、ＵＶ－ＹＡＧレーザー、エキシマレーザーなどのようなレーザー加工によって形成される。ビアホール導体５は、ビアホール内を充填する状態で位置していてもよく、ビアホール導体５が、ビアホール内表面に被着しており、かつビアホール導体５が無い部分には樹脂が充填していても構わない。

図２（Ａ）は図１に示す領域Ｘを説明するための拡大説明図である。図２（Ａ）に示すように、ランド４１は第１絶縁層２２ａの表面（第１面Ｓ１）に位置している。本明細書において、「第１絶縁層」および後述の「第２絶縁層」の用語は、便宜上、一方の絶縁層を「第１絶縁層」と定義し、他方の絶縁層を「第２絶縁層」と定義しているにすぎず、２層の絶縁層が積層された積層構造に限定しているわけではない。

具体的には、絶縁層の積層数に関係なく、ランドとビアホール導体とが接触している任意の２層の絶縁層において、表面（第１面Ｓ１）にランドが位置している絶縁層を「第１絶縁層」と定義し、ランドと接触しているビアホール導体を含む絶縁層を「第２絶縁層」と定義している。したがって、このビアホール導体を含む絶縁層の表面にランドが形成され、このランドと接触するビアホール導体を含む絶縁層が、さらに積層されている場合、前者の絶縁層を「第１絶縁層」と定義し、後者の絶縁層を「第２絶縁層」と定義する。

第１絶縁層２２ａの表面（第１面Ｓ１）に位置しているランド４１は、第１金属層４１ａ、第２金属層４１ｂ、第３金属層４１ｃおよび第４金属層４１ｄで形成されている。第１金属層４１ａは、例えばニクロム（ＮｉＣｒ）で形成されており、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚みを有している。第２金属層４１ｂは、第１金属層４１ａの表面を被覆するように形成されている。第２金属層４１ｂは、例えば銅で形成されており、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の厚みを有している。第３金属層４１ｃは、第２金属層４１ｂの表面を被覆するように形成されている。第３金属層４１ｃは、例えば銅で形成されており、１μｍ以上６０μｍ以下の厚みを有している。

第４金属層４１ｄは、第３金属層４１ｃの表面、ならびに第１金属層４１ａの側面、第２金属層４１ｂの側面および第３金属層４１ｃの側面を被覆するように形成されている。第４金属層４１ｄは、例えば錫を含む導体で形成されており、０．１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚みを有している。第４金属層４１ｄは、上面および側面の一部に銅との合金を含んでいる。第４金属層４１ｄが錫と銅との合金で形成されていると、錫が後述するシランカップリング剤との相性に優れているため、ランド４１と第２絶縁層２２ｂとの接着性をより向上させることができる。

図２（Ａ）および（Ｂ）に示すように、ランド４１の表面には、複数の凹部４２が存在している。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示す領域Ｙを説明するための拡大説明図である。

凹部４２の内部には緩衝体２４が位置している。緩衝体２４は樹脂を含んでいる。樹脂としては限定されず、例えば、エポキシ樹脂、ビスマレイミド－トリアジン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、シクロオレフィン樹脂、液晶ポリマーなどの樹脂が挙げられる。これらの樹脂は単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。特に、第２絶縁層２２ｂを形成している樹脂と同じ樹脂であってもよい。

緩衝体２４には、絶縁粒子２４’が含まれていてもよい。このような絶縁粒子２４’は、限定されず、例えば、シリカ、アルミナ、硫酸バリウム、タルク、クレー、ガラス、炭酸カルシウム、酸化チタンなどの無機絶縁性フィラーが挙げられる。絶縁粒子２４’は、例えば、第２絶縁層２２ｂに含まれる絶縁粒子２３と同じであってもよい。

ビアホール導体５は、第１金属層５ａ、第２金属層５ｂ、および第３金属層５ｃで形成されている。第１金属層５ａは、第２絶縁層２２ｂが有しているビアホールの内周面およびビアホールの周縁部に位置している。第１金属層５ａは、例えばニクロムで形成されており、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚みを有している。第２金属層５ｂは、第１金属層５ａの表面を被覆するように位置している。第２金属層５ｂは、例えば銅で形成されており、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の厚みを有している。第３金属層５ｃは、第２金属層５ｂの表面を被覆するようにビアホールの中に充填されている。第３金属層５ｃは、例えば銅で形成されている。

ランド４１の上面に緩衝体２４が存在することによって、ランド４１に含まれる導体（特に第４金属層４１ｄ）の線膨張係数およびヤング率とビアホール導体５に含まれる導体（特に第１金属層５ａ）の線膨張係数およびヤング率との間に、比較的大きな差が存在しても、例えば、熱伸縮時に発生する応力を緩和することができる。その結果、ビアホール導体５とランド４１との接続信頼性が向上する。さらに、緩衝体２４はランド４１の上面に形成された凹部にのみ存在しており、ランド４１とビアホール導体５との電気的信頼性に影響を及ぼすこともない。

ビアホール導体５とランド４１との電気的信頼性を低下させずに、接続信頼性をより向上させるためには、平面視した場合に、ビアホールの底部の面積に対する緩衝体２４の占める面積の割合が、例えば１％以上２０％以下であればよい。緩衝体２４の占める面積は、電子顕微鏡写真によって求めればよい。具体的には、次の手順で求めればよい。

第２絶縁層２２ｂにビアホールを形成した後、ビアホールの底部となるランド４１の表面を電界放出形走査電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ）で観察し、ランド４１の表面の反射電子像写真を撮影する。撮影した反射電子像写真を画像処理ソフト「ＩｍａｇｅＪ」で２値化処理を行う。緩衝体２４の部分が黒色に写るため、黒色度が７０％以上の部分を黒色と認定し、緩衝体２４の占める面積を求める。この面積とビアホールの底部の面積とから、ランド４１とビアホール導体５との接触面積に対する緩衝体２４の占める面積の割合を算出すればよい。

ランド４１においてビアホール導体５との非接触部の少なくとも一部に、シランカップリング剤が存在している。ビアホール導体５との非接触部というのは具体的には、ランド４１の側面、ランド４１上面のビアホール周縁、および凹部内面である。金属で形成されているランド４１と樹脂で形成されている第２絶縁層２２ｂとは、接着性に乏しい場合がある。両者の間にシランカップリング剤が存在していると、ランド４１と第２絶縁層２２ｂとの接着性をより向上させることができる。シランカップリング剤は、分子内に無機材料と反応する官能基と有機材料に反応する官能基とを有する化合物である。そのため、無機材料である金属（ランド４１）と有機材料である樹脂（第２絶縁層２２ｂ）とが、シランカップリング剤を介して結合し、ランド４１と第２絶縁層２２ｂとの接着性がより向上する。このようなシランカップリング剤の存在は、例えばフーリエ変換赤外分光法（ＦＴＩＲ）を用いて上記の官能基構造を分析することや、飛行時間型二次イオン質量分析（ＴＯＦ－ＳＩＭＳ）で質量分析することによって確認することができる。

一実施形態に係る配線基板１において、ランド４１とビアホール導体５とを形成する方法は限定されず、例えば、下記の方法によって形成される。

第１絶縁層２２ａの表面に第１金属層４１ａを形成する。第１絶縁層２２ａについては上述の通りであり、詳細な説明については省略する。第１金属層４１ａは、例えばスパッタリングによってニクロムで形成される。第１金属層４１ａの厚みは上述の通りである。次いで、第１金属層４１ａの表面を被覆するように、第２金属層４１ｂを形成する。第２金属層４１ｂは、例えばスパッタリングによって銅で形成される。第２金属層４１ｂの厚みは上述の通りである。

次いで、第３金属層４１ｃを形成するために、第２金属層４１ｂの表面に開口を有するめっきレジストを形成する。その後、電解銅めっき処理に供して、開口内に銅を析出させる。次いで、めっきレジストを剥離してめっきレジストで被覆されていた部分の第２金属層４１ｂを、例えば酸（硫酸と過酸化水素水との混合溶液）によって除去する。次いで、第１金属層４１ａを、例えば酸（塩酸と硫酸との混合溶液など）によって除去する。その際、電解銅めっきによって析出した銅の表面も酸によって浸食され、径および深さが、例えば１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下程度の窪みが形成される。

次いで、窪みが形成された銅の表面をソフトエッチング処理に供する。ソフトエッチングは、例えば、硫酸過水系の薬液を用いて行う。ソフトエッチング処理を行うことによって、窪みの径および深さを、例えば１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下程度にする。ソフトエッチング処理は、最終的に凹部４２に形成される緩衝体２４の大きさを調整するために行われる。長時間ソフトエッチング処理を行うと、電解銅めっきによって析出させた銅の幅方向も浸食される。そのため、銅の表面が浸食されて窪みの径および深さが上記の範囲となれば、ソフトエッチング処理を終了する。このようにして、最終的に第３金属層４１ｃとなる層が形成される。

次いで、積層された金属層（銅）の表面に置換錫めっき処理を施す。置換錫めっきによって銅の表面が錫に置換される。この際、ソフトエッチング処理で形成された窪み内においても、銅が錫と置換されて錫が析出する。その後、錫の表面を硝酸処理することで窪み内の錫の一部も除去されて内壁面に錫が析出している凹部４２が形成される。次いで、錫の表面にシランカップリング剤を被着させる。このような凹部４２は、例えば、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下程度の径および深さを有する。上述のソフトエッチング処理を行わなければ、例えば凹部４２の深さが深くなりすぎるおそれがある。

次いで、第２絶縁層２２ｂを、第１絶縁層２２ａおよび表面に錫が析出した第３金属層４１ｃを被覆するように形成する。第２絶縁層２２ｂについては上述の通りであり、詳細な説明については省略する。この時、第２絶縁層２２ｂを形成している樹脂の一部が、上記の積層された金属層の表面に形成された凹部４２にも埋入される。第２絶縁層２２ｂを形成している樹脂に絶縁粒子２３が含まれていれば、絶縁粒子２３の一部も凹部４２に埋入される。このようにして、凹部４２内に緩衝体２４（必要に応じて、絶縁粒子２４’を含む）が形成される。

次いで、第２絶縁層２２ｂにビアホールを形成する。ビアホールは、例えば上記のレーザー加工によって、上記の積層された金属層の一部を底部とする位置に形成される。その後、第２絶縁層２２ｂおよびビアホールを被覆するように第１金属層５ａを形成する。第１金属層５ａは、例えばスパッタリングによってニクロムで形成される。第１金属層５ａの厚みは上述の通りである。次いで、第１金属層５ａの表面を被覆するように、第２金属層５ｂを形成する。第２金属層５ｂは、例えばスパッタリングによって銅で形成される。第２金属層５ｂの厚みは上述の通りである。これらのスパッタリングの際の熱によって、上記の積層された金属層の表面に形成された錫と第３金属層４１ｃに含まれる銅とから、錫および銅の合金が形成される。これにより、ランド４１が形成される。第１金属層５ａは、一例としてニクロムを挙げたが、他にもチタン、クロム、ニッケル、タンタル、モリブデン、タングステン、パラジウムなどの周期表第４族、５族または６族である遷移金属をスパッタおよびスパッタ以外の蒸着法を用いて形成してもかまわない。

次いで、ビアホールに第３金属層５ｃを形成するため、第２金属層５ｂの表面のうち、ビアホールおよびビアホールの周縁部以外に、めっきレジストを形成する。その後、電解銅めっき処理に供して、めっきレジスト未処理部分に銅を析出させる。次いで、めっきレジストを剥離してめっきレジストで被覆されていた部分の第１金属層５ａおよび第２金属層５ｂを、例えば上記の酸によって除去する。このようにして、ランド４１と接続するビアホール導体５が形成される。

ビルドアップ層として、絶縁層をさらに積層させる場合は、上述のソフトエッチング処理から同様の手順を繰り返し行えばよい。すなわち、ビアホール導体５（第３金属層５ｃ）の表面に形成された窪みの径および深さを調整するソフトエッチング処理以降の手順を繰り返し行えばよい。

もちろん、記載するまでもないが、コア層２１を「第１絶縁層」とみなして、上述の手順でコア層２１の表面にランド４１を形成し、第１絶縁層２２ａを「第２絶縁層」とみなして、上述の手順でビアホール導体５を形成してもよい。

このようにして、ビアホール導体５が、ランド４１の表面およびランド４１の表面に位置する緩衝体２４と接続した配線基板１を得ることができる。ビアホール導体５の一部が緩衝体２４と接続することによって、ビアホール導体とランドとの電気的信頼性に影響を及ぼすことなく、ビアホール導体とランドとの接続信頼性を向上させることができる。

本開示の配線基板は、上述の実施形態に限定されない。上述の図２（Ｂ）では、凹部４２全体に緩衝体２４が位置している実施形態を示している。しかし、図３に示すように、凹部４２の内壁の一部にのみ位置していても構わない。この場合、ビアホール導体５の第１金属層５ａと凹部４２内の第４金属層４１ｄとの接触面積が増加する。そのため、ランド４１と第１金属層５ａ（ビアホール導体５）との接着性をより向上させることが可能になる。緩衝体２４が空気や水分を含有している場合、緩衝体２４が凹部４２全体に位置している場合に比べて、空気や水分の除去が容易になる点で有利である。

さらに、緩衝体２４の表面の少なくとも一部に、酸化金属皮膜が位置していても構わない。酸化金属皮膜としては、例えば酸化ニッケル皮膜が挙げられる。酸化ニッケルは、例えば第１金属層５ａとして用いられるニッケルに比べてヤング率が小さい。そのため、緩衝体２４と第１金属層５ａとの間に酸化金属皮膜が位置している場合、緩衝体２４と第１金属層５ａとが直接に接している場合に比べて、応力の緩和作用が向上する点で有利である。

１配線基板
２絶縁樹脂層
２１コア層
２２絶縁層
２２ａ第１絶縁層
２２ｂ第２絶縁層
２３絶縁粒子
２４緩衝体
２４’ 絶縁粒子
３スルーホール導体
４配線導体層
４１ランド
４１ａ第１金属層
４１ｂ第２金属層
４１ｃ第３金属層
４１ｄ第４金属層
４２凹部
５ビアホール導体
５ａ第１金属層
５ｂ第２金属層
５ｃ第３金属層
Ｓ１第１面
Ｓ２第２面

Claims

第１面を有する第１絶縁層と、
該第１絶縁層上に位置し、第２面を有するランドと、
前記第１絶縁層の前記第１面に位置しており、前記ランドの前記第２面にわたるビアホールを有する第２絶縁層と、
前記ビアホール内に位置するビアホール導体と、
を含み、
前記ランドは、前記第２面に複数の凹部を有しており、
該複数の凹部のうち少なくとも１つの凹部は、樹脂を含む緩衝体を有しており、
前記ビアホール導体は、前記ランドの前記第２面および前記緩衝体と接触している、
配線基板。
前記緩衝体は、前記凹部の内壁の一部にのみ位置している請求項１に記載の配線基板。
前記樹脂は、前記第２絶縁層と同じ樹脂である、請求項１または２に記載の配線基板。
前記緩衝体は、さらに絶縁粒子を含む、請求項１～３のいずれかに記載の配線基板。
前記緩衝体の表面の少なくとも一部に、酸化金属皮膜が位置している請求項１～４のいずれかに記載の配線基板。
前記ランドは、前記第２絶縁層との間に、錫および銅の合金層を有している、請求項１～５のいずれかに記載の配線基板。
前記ランドの表面において前記ビアホール導体との非接触部の少なくとも一部に、シランカップリング剤が存在している請求項１～６のいずれかに記載の配線基板。
平面視した場合に、前記ランドと前記ビアホール導体との接触面積に対する前記緩衝体の占める面積の割合が１％以上２０％以下である請求項１～７のいずれかに記載の配線基板。