JPWO2017154593A1 - 接続基板 - Google Patents

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Abstract

セラミック基板の貫通孔内に設けられた貫通導体11が、金属多孔体20、金属多孔体20の気孔16A〜16Dに形成されているガラス相17、19および気孔内の空隙30、31を有する。貫通導体11の横断面において気孔の面積比率が5〜50%である。貫通導体11をセラミック基板の厚さ方向Bに見て第一の主面11a側の第一の部分11Aと第二の主面側11bの第二の部分11Bとに分けたとき、第一の部分11Aにおけるガラス相の面積比率が第二の部分11Bにおけるガラス相の面積比率よりも大きく、第一の部分11Aにおける空隙の面積比率が第二の部分11Bにおける空隙の面積比率よりも小さい。【選択図】 図7

Description

本発明は、ビア導体などの貫通導体が貫通孔内に形成された電気的接続基板に関するものである。
SAWフィルター等の電子デバイスを実装するための基板として、セラミック等の絶縁基板に貫通穴を設け、その穴を導体で埋め、貫通電極とする構造の基板(ビア基板)が用いられている。近年は携帯電話に代表される通信機器の小型化に伴い、使用される電子デバイスにも小型化、低背化が求められており、その構成要素であるビア基板についても同様に薄板化が求められている。
また、小型化のため、基板表面の配線も微細化する必要があるため、貫通電極径の小径化、およびその位置の高精度化が求められる。更に、これらの微細配線はフォトリソグラフィーやめっきにより形成されることから、レジスト塗布工程やめっき工程での薬液の浸入による不具合を防止するため、貫通電極が緻密で水密性が高いことが特に求められている。
貫通電極の緻密化については各種の解決策が提示されているが、いずれも比較的厚い基板と大径の貫通電極を対象としたものであり、薄板および小径の貫通電極を用いる場合は所望の結果が得られない。
例えば、特許文献1では、ポーラス(多孔質)な貫通電極の表面に導電保護膜を形成することで、レジスト液の浸入を防止する方法が開示されている。しかし、絶縁性基板が薄いと、貫通電極の通気性が高くなるため、導電保護膜の強度が不足し、保護膜として機能しない。また、セラミックスと金属の間が熱膨張差により剥離しやすい。
特許文献2では、貫通電極として多孔質の第1導電体を形成した後、その空隙を第2導電体で埋める方法が開示されている。しかし、セラミック基板を用いる場合、導電材である金属とセラミックスとの熱膨張差により、基板を薄板化した際にクラックや基板の反りが発生しやすい。
特許文献3では、セラミック基板の貫通孔に、活性金属を含む金属を充填することで、セラミック基板と貫通電極の間に活性金属層を形成し、緻密化する方法が開示されている。しかし、上述したようなセラミックスと金属との熱膨張差によるクラック発生といった問題に加え、活性金属を含む金属ロウは粘度が非常に高いため、貫通電極径が小さいと、うまく充填できない。
特許文献4では、貫通電極を形成する際、膨張材を含む導体ペーストを用いる方法が開示されている。しかし、膨張材のみで全ての空洞を埋めることは難しく、特に薄板化した場合は貫通電極の緻密性が得られない。
特許文献5では、粒状導電物質をセラミック基板の貫通孔内にそれぞれ配置した後、ガラスペーストを充填する方法が開示されている。しかし、セラミックスと球状導電物質の熱膨張差に起因するクラックや反りが発生しやすい。更に、貫通孔が小さくなると、球状導電物質の配置が困難となる。
特許4154913 特開2013-165265 特開2015-65442 特開H09-46013 特開2015-119165
本発明の課題は、セラミック基板と、貫通孔内に設けられた貫通導体とを備える接続基板を製造するのに際して、貫通孔の水密性を向上させ得るような微構造を提供することである。
本発明に係る接続基板は、貫通孔が設けられているセラミック基板、および前記貫通孔中に設けられた貫通導体であって、第一の主面と第二の主面とを有する貫通導体を備える。貫通導体が、金属多孔体、この金属多孔体の気孔に形成されているガラス相、および前記気孔内の空隙を有しており、貫通導体の横断面において前記気孔の面積比率が5〜50%であり、貫通導体をセラミック基板の厚さ方向に見て第一の主面側の第一の部分と第二の主面側の第二の部分とに分けたとき、第一の部分において前記気孔に占めるガラス相の面積比率が第二の部分において前記気孔に占めるガラス相の面積比率よりも大きく、第一の部分において前記気孔に占める空隙の面積比率が第二の部分において前記気孔に占める空隙の面積比率よりも小さいことを特徴とする。
本発明者は、貫通導体の水密性を検討する過程で、以下の知見に至った。すなわち、従来は、セラミック基板の貫通孔に金属ペーストを供給し、焼き付けることで貫通導体を得ていた。こうした貫通導体の微構造は全体的に均一である。ここでセラミック基板の厚さがきわめて小さくなってくると、貫通導体の両方の主面間で一部の開気孔が連通し、微量の液漏れが発生したものと考えられた。
そこで、本発明者は、貫通導体を構成する金属多孔体の気孔を少なくすることも検討した。しかし、金属多孔体の気孔が少なくなると、貫通導体とセラミックスとの熱膨張差が大きいため、界面での剥離が生じやすくなり、この剥離部分を通じて水密性が損なわれる。
このため、本発明者は、貫通導体の第一の主面側でガラス相の比率を相対的に高くし、こちらに水密性機能を主として担持させることを想到した。このように、貫通導体の第一の主面側でガラス相の比率を高くし、空隙比率を低くした場合にも、貫通導体の第二の主面側でガラス相の比率を低いままにしておけば、全体として貫通導体とセラミックスとの剥離は生じにくくなり、水密性が保持される。
(a)は、貫通孔2が配列されたセラミック基材1を模式的に示す平面図であり、(b)は、セラミックス基材1の横断面図である。 (a)は、セラミック基材1の貫通孔に金属ペースト3を充填した状態を示し、(b)は、金属ペースト3を焼き付けて金属多孔体4を形成した状態を示し、(c)は、セラミック基材1の第一の主面1a上にガラス層9を形成した状態を示し、(d)は、ガラス層9を除去した状態を示す。 (a)は、貫通孔2A中に貫通導体11が形成された接続基板10を模式的に示す平面図であり、(b)は、接続基板10の横断面図である。 貫通孔内に生成した金属多孔体4の構造を示す模式図である。 金属多孔体4の開気孔16Aに含浸したガラス相19およびセラミック基板1の第一の主面1a上に形成されたガラス層18を示す模式図である。 ガラス層を除去した後の貫通導体11の構造を示す模式図である。 貫通導体の微構造を説明するための拡大図である。 水密性試験の方法を説明するための模式図である。
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。最初に、本発明のセラミック基板を製造する方法例について述べる。
図1に示すように、セラミック基材1には一方の主面1aと他方の主面1bとが設けられており、主面1aと1bとの間を貫通する貫通孔2が多数形成されている。貫通孔2には、第一の主面1a側の開口2aと、第二の主面1b側の開口2bとがある。
次いで、図2(a)に示すように、セラミック基材1の開口2内に金属ペースト3を充填する。そして、金属ペースト3を加熱することによって、金属ペーストを焼き付け、図2(b)に示すように、貫通孔2内に金属多孔体4を生じさせる。ここで、本例では、金属多孔体4は、セラミック基材1の第一の主面1aから第二の主面1bへと延びている。5は金属多孔体の第一の主面であり、6は金属多孔体の第二の主面である。
次いで、セラミック基材1の第一の主面1a上にガラスペーストを塗布し、ガラスペースト層を形成する。これとともに、金属多孔体4の第一の主面5上に塗布されたガラスペーストが、金属多孔体4内の開気孔に含浸される。この状態で、ガラスペーストを加熱して焼き付けることにより硬化させる。これにより、図2(c)に示すように、セラミック基材1の第一の主面1a上にガラス層9が形成される。同時に、金属多孔体の開気孔内に含浸したガラスペーストが硬化し、ガラス相を生成し、これによって貫通孔内に貫通導体7を生成する。なお、8は、貫通導体8の第一の主面である。
次いで、ガラス層9を除去することによって、セラミック基材の第一の主面側に貫通導体を露出させ、接続基板とする。この際、好ましくは、セラミック基材1の第一の主面1aを更に研磨し、図2(d)に示すように、研磨面1cを形成し、接続基板10を得る。
図2(d)および図3(a)、(b)に示すように、接続基板10のセラミック基板1Aでは、各貫通孔2A内に貫通導体11が充填されている。11aは貫通導体11の第一の主面であり、11bは貫通導体11の第二の主面である。
図4に示すように、金属多孔体4は、金属マトリックス(母材)20と気孔16A、16B、16C、16Dからなる。ただし、金属ペースト中にガラス成分を添加した場合には、気孔の一部がガラス相17によって充填される。マトリックス中に生ずる気孔には、第一の主面5に開口する開気孔16A、16D、第二の主面6に開口する開気孔16B、および主面5、6に対して開口していない閉気孔16Cがある。なお、開気孔16Aは、図4の横断面において第一の主面5に対して開口している。これに対して、開気孔16Dは、図4の横断面においては第一の主面5に開口していないが、横断面に現れていないルートで第一の主面5に開口しているので、開気孔16Aと16Dとを区別している。
図4の状態では、開気孔16A、16B、16D、閉気孔16Cともに、一部分はガラス相17によって充填され、一部分は空隙のまま残留している。
ここで、セラミック基板について水密性試験を行うと、第一の主面1aから第二の主面1bへと向かって漏水が観測されることがあった。この理由であるが、第一の主面5に開口する開気孔16A、16Dと、第二の主面6に開口する開気孔16Bとが、一部で連通していたものと推定された。
一方、図5に示すように、第一の主面5に開口する開気孔16A、16D中に第一の主面側からガラスペーストが含浸される。この状態でガラスペーストを焼き付けることによって、第一の主面1a上にガラス層18が形成され、同時に開気孔16A、16D中にガラス相19が形成される。一部の開気孔では、金属多孔体中にもともと存在していたガラス相17と、ガラスペーストの含浸および焼き付けによって生成したガラス相19とが混在する場合もあり得る。
ここで、ガラスペーストを第一の主面側から金属多孔体の開気孔に含浸させることで、開気孔のうち少なくとも第一の主面側はガラス相19によって閉塞される。この結果、第一の主面5から第二の主面6に向かって連通するような開気孔は残留しないため、水密性が著しく改善される。
ただし、図5の状態では金属多孔体がガラス層18によって蓋をされているため、貫通導体7によってセラミック基材1の両側を電気的に導通させることができない。そこで、本発明では、不要になったガラス層18を除去し、図6に示す状態とし、貫通導体を第一の主面側に露出させる。この際、セラミック基材の第一の主面を研磨加工することで、研磨面を形成すると、貫通導体の露出をいっそう確実にし、その露出面を平坦化できるので好ましい。
この状態では、図6に示すように、セラミック基板1Aに研磨面1cが形成されており、セラミック基板1Aの厚さは研磨前より小さくなっている。そして、貫通孔2A内には貫通導体11が形成されている。
ここで、図6に示すような形態の貫通導体を更に分析すると、以下のことが判明してきた。図7を参照しつつ水密性の発現機構を説明する。
図7においても、第一の主面11aに開口する開気孔16A、16Dには、金属ペーストに由来するガラス相17と、後から含浸させたガラスペーストに由来するガラス相19と、主面11aに開口しない空隙30とが残留している。また、閉気孔16C中には、金属ペーストに由来するガラス相17と、主面に開口しない空隙30とが残留している。更に、第二の主面11bに開口する開気孔16Bには、金属ペーストに由来するガラス相17と、主面11bに開口する空隙31と、主面11a、11bに開口しない空隙30とが残留している。
ここで、セラミック基板の厚さ方向Bに見て、貫通導体11を、第一の主面11a側の第一の部分11Aと第二の部分11Bとに分ける。ここで、第一の部分と第二の部分とは、セラミック基板の厚さ方向の中心線Lで分割するものとする。この状態で、第一の部分11Aにおけるガラス相17、19の面積比率が第二の部分11Bにおけるガラス相17、19の面積比率よりも大きく、第一の部分11Aにおける空隙30、31の面積比率が第二の部分における空隙30、31の面積比率よりも小さい。このように、貫通導体の厚さ方向に見てガラス相と空隙との面積比率を変化させた微構造とすることによって、主として第一の部分11Aにおいて水密性を担持でき、かつ第二の部分においてセラミックスと金属との熱膨張差を緩和し、これによる貫通導体の剥離を抑制できる。
なお、上述の例では、貫通導体の第一の主面側からガラスペーストを含浸させることで第一の部分におけるガラス相の比率を相対的に高くした。しかし、本発明はこの製法に限定されるものではない。例えば、貫通孔に金属ペーストを充填する際に、貫通孔の上半分と下半分との間でペースト組成を変化させることで、本発明のような微構造の貫通導体を作製できる。
以下、本発明の構成要素について更に述べる。
本発明では、貫通導体の横断面において気孔の面積比率が5〜50%である。気孔の面積比率が高すぎると、貫通導体の水密性が低下する。こうした観点から、貫通導体の横断面において気孔の面積比率を50%以下とするが、40%以下とすることが更に好ましい。また、気孔の面積比率が低すぎると、貫通導体とセラミックスとの熱膨張差に起因する剥離によって水密性が低下する。こうした観点からは、気孔の面積比率を5%以上とするが、15%以上とすることが更に好ましい。
本発明では、第一の部分において気孔に占めるガラス相の面積比率が第二の部分において気孔に占めるガラス相の面積比率よりも大きい。この面積比率の差は、10%以上とすることが好ましく、15%以上とすることが更に好ましい。
また、本発明では、第一の部分において気孔に占める空隙の面積比率が第二の部分において気孔に占める空隙の面積比率よりも小さい。この面積比率の差は、10%以上とすることが好ましく、15%以上とすることが更に好ましい。
また、水密性を更に改善するという観点からは、第一の部分において気孔の面積を100%としたとき、ガラス相および空隙の比率がそれぞれ60〜90%および10〜40%であることが好ましく、70〜90%および10〜30%であることが更に好ましい。また、同様の観点からは、第二の部分において気孔の面積を100%としたとき、ガラス相および空隙の比率がそれぞれ50〜80%および20〜50%であることが好ましく、60〜80%および20〜40%であることが更に好ましい。
なお、貫通導体部分における金属、ガラス、空隙の面積比率については、SEM(1000倍)により観測を実施した。金属相及びガラス相、空隙についてはSEMにおける2次電子像が異なるためにそれぞれを容易に見分けることが可能となる。
好適な実施形態においては、セラミック基板の厚さが25〜150μmであり、貫通孔の径W(図3(a)、図3(b)参照)が20μm〜60μmである。本発明は、このような小型で薄い接続基板に対して特に有用である。
セラミック基板に形成する貫通孔の径Wは、成形しやすさの観点からは、25μm以上が更に好ましい。隣接する貫通孔2の間隔D(最も近接する貫通孔間の距離)は、破損やクラックを抑制するという観点からは、50μm以上が好ましく、100μm以上が更に好ましい。また、隣接する貫通孔2の間隔Dは、貫通孔の密度を向上させるという観点からは、1000μm以下が好ましく、500μm以下が更に好ましい。
セラミック基板に貫通孔を形成する方法は、特に限定されない。例えば、セラミック基板のグリーンシートにピンやレーザー加工によって貫通孔を形成することができる。あるいは、セラミックスからなるブランク基板を製造した後に、ブランク基板にレーザー加工によって貫通孔を形成することもできる。
セラミック基板を構成するセラミックスとしては、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、ジルコニアを例示できる。
本発明では、貫通孔に金属ペーストを供給し、加熱によって金属多孔体を生成させる。こうした金属ペーストを構成する主成分である金属としては、Ag、Au、Cu、Pd、またはこれらの混合物を例示できる。また、金属に対してガラス成分を混合してペースト化することが好ましい。こうしたガラス成分としては、鉛系、バナジウム系、の各種低融点ガラスや、ホウケイ酸系、低融点アルカリ系、リン酸系のガラス等が挙げられる。
金属ペーストの焼き付け温度は、ペーストの種類によって適宜選択するが、例えば500〜900℃とすることができる。
次いで、金属多孔体の第一の主面にガラスペーストを塗布すると共に金属多孔体の開気孔中にガラスペーストを含浸させる。この際には、セラミック基材の第一の主面の全体にわたってガラスペーストを塗布することができる。あるいは、スクリーン印刷法などによって、金属多孔体の第一の主面上にのみガラスペーストを塗布し、その他のセラミックス表面にはガラスペーストを塗布しないようにすることもできる。
次いで、加熱によってガラスペーストを硬化させることで、金属多孔体の主面上にガラス層を形成し、かつ開気孔に含浸したガラスペーストをガラス相とする。ガラスペーストの焼き付け温度は、ペーストの種類によって適宜選択するが、例えば500〜900℃とすることができる。
次いで、少なくとも金属多孔体上にあるガラス層を除去することで、セラミック基板と、貫通孔内に設けられた貫通導体とを備える接続基板を得る。この状態では、少なくともガラス層を除去して貫通導体を露出させれば足りるが、好ましくはセラミック基材の第一の主面も研磨する。そして、セラミック基板の各主面11a、11bには、所定の配線やパッドなどを形成する。また,セラミック基板は、一体の中継基板とする。
セラミック基材は精密研磨加工することが好ましい。こうした精密研磨加工としては、CMP(Chemical Mechanical Polishing)加工が一般的であり。これに使われる研磨スラリーとして、アルカリまたは中性の溶液に30nm〜200nmの粒径を持つ砥粒を分散させたものが使われる。砥粒材質としては、シリカ、アルミナ、ダイヤ、ジルコニア、セリアを例示でき、これらを単独または組み合わせて使用する。また、研磨パッドには、硬質ウレタンパッド、不織布パッド、スエードパッドを例示できる。
(実施例1)
図1〜図6を参照しつつ説明したようにして接続基板を作製した。
具体的には、まず以下の成分を混合したスラリーを調製した。
(原料粉末)
・比表面積3.5〜4.5m/g、
平均一次粒子径0.35〜0.45μmのα−アルミナ粉末
(アルミナ純度99.99%) 100質量部
・MgO(マグネシア) 250pppm
・ZrO(ジルコニア) 400ppm
・Y(イットリア) 15ppm
(分散媒)
・2-エチルヘキサノール 45重量部
(結合剤)
・PVB(ポリビニルブチラール)樹脂 4重量部
(分散剤)
・高分子界面活性剤 3重量部
(可塑剤)
・DOP 0.1重量部
このスラリーを、ドクターブレード法を用いて、焼成後の厚さに換算して300μmとなるようテープ状に成形し、焼成後の大きさに換算して、直径φ100mmとなるように切断した。得られた粉末成形体を、大気中1240℃で仮焼(予備焼成)の後、基板をモリブデン製の板に載せ、水素3:窒素1の雰囲気中で1300℃から1550℃での昇温速度を50℃/hとして、1550℃で2.5時間保持し、焼成を行い、ブランク基板を得た。
このブランク基板を以下の条件でレーザー加工することによって、以下の寸法の貫通孔を形成した。

CO2レーザー:波長 10.6μm
パルス:1000Hz- On time 5μs
レーザーマスク径: 0.9 mm
ショット回数: 40回
貫通孔径W: 0.08 mm
貫通孔の間隔D: 0.12 mm
貫通孔の数 : 10,000個/枚
次いで、レーザー加工の際、基板表面に付着した溶融物(ドロス)をグラインダーによる研削で除去した後、大気中1300℃で5時間アニール処理を行い、厚さ200μmのセラミック基材を得た。
次に、印刷による貫通孔へのAgペースト埋め込みを行った。Agペーストには10%以下のガラス成分が含まれる。その後、700℃にて焼成を行い、貫通孔中に金属多孔体を形成した。次いで、低融点ホウケイ酸ガラスペーストをセラミック基材の第一の主面上に印刷し、700℃にてガラスペーストの溶融を実施した。
次いで、表面に残留したガラス層を研磨加工により除去し、接続基板を得た。具体的には、基板をアルミナプレートに貼り付けた状態でグラインダーによる研削を行った後、ダイヤモンドスラリーによるラップ加工を両面に実施した。ダイヤモンドの粒径は3μmとした。最後にSiO砥粒とダイヤモンド砥粒によるCMP加工を実施した。その後、基板をアルミナプレートから剥がし、反対側の主面に同様の加工をした後、洗浄を実施し、接続基板を得た。
得られた接続基板について、貫通導体の横断面を前述のようにして観測し、下記の結果を得た。

貫通導体の横断面における気孔の面積比率: 40%
第一の部分において気孔に占めるガラス相の面積比率: 90%
第一の部分において気孔に占める空隙の面積比率: 10%
第二の部分において気孔に占めるガラス相の面積比率: 75%
第二の部分において気孔に占める空隙の面積比率: 25%
得られた接続基板の貫通導体の水密性を、図8を参照しつつ説明する方法で確認した。
すなわち、台座22に多孔体板21を固定し、台座22上に無塵紙23を載置し、その上にセラミック基板のサンプル24を設置した。セラミック基板24の貫通孔上に水26を滴下し、矢印Aのように吸引した。そして、無塵紙に水分の付着が見られるかどうかを確認した。
この結果、1枚のセラミック基板に設けられた貫通導体10000個に対して、液漏れの見られた貫通導体は1個であった。
(実施例2、3)
実施例1と同様にして接続基板を作製した。
ただし、貫通導体の横断面における気孔の面積比率、第一の部分におけるガラス相の面積比率、第一の部分における空隙の面積比率、第二の部分におけるガラス相の面積比率および第二の部分における空隙の面積比率を、表1に示すように変更した。これらのパラメーターを変更するには、ガラス層の溶融温度を700℃から750℃、800℃とすることでガラスの粘性を低下させて調整することとした。
そして、得られた各セラミック基板について、1枚のセラミック基板に設けられた貫通導体10000個に対して、液漏れの見られた貫通導体の多数を測定し、表1に示した。
(比較例1)
実施例1と同じセラミック基材の各貫通孔にAgペースト埋め込みを行った。使用したAgペーストは実施例1と同じである。その後、700℃にて焼成を行い、貫通孔中に金属多孔体を形成した。
次いで、ガラスペーストをセラミック基材の第一の主面上に印刷する工程を実施することなしに、セラミック基材の両方の主面を精密研磨加工し、接続基板を得た。
こうして作成した基板のビア部断面を確認したところ、ビアの全体にわたって空隙が均一に残留していた。すなわち、微構造を示す各パラメーターは以下のとおりである。

貫通導体の横断面における気孔の面積比率: 40%
貫通導体の横断面において気孔に占めるガラス相の面積比率: 20%
貫通導体の横断面において気孔に占める空隙の面積比率: 80%
次いで、実施例1と同様にして水密性試験を行った。この結果、1枚のセラミック基板に設けられた貫通導体10000個のほぼ全数について液漏れが見られた。

Claims (3)

  1. 貫通孔が設けられているセラミック基板、および
    前記貫通孔中に設けられた貫通導体であって、第一の主面と第二の主面とを有する貫通導体を備える接続基板であって、
    前記貫通導体が、金属多孔体、この金属多孔体の気孔に形成されているガラス相、および前記気孔内の空隙を有しており、
    前記貫通導体の横断面において前記気孔の面積比率が5〜50%であり、
    前記貫通導体を前記セラミック基板の厚さ方向に見て前記第一の主面側の第一の部分と前記第二の主面側の第二の部分とに分けたとき、前記第一の部分において前記気孔に占める前記ガラス相の面積比率が前記第二の部分において前記気孔に占める前記ガラス相の面積比率よりも大きく、前記第一の部分において前記気孔に占める前記空隙の面積比率が前記第二の部分において前記気孔に占める前記空隙の面積比率よりも小さいことを特徴とする、接続基板。
  2. 前記第一の部分において前記気孔の面積を100%としたときの前記ガラス相および前記空隙の面積比率がそれぞれ60〜90%および10〜40%であり、前記第二の部分において前記気孔の面積を100%としたときの前記ガラス相および前記空隙の面積比率がそれぞれ50〜80%および20〜50%であることを特徴とする、請求項1記載の接続基板。
  3. 前記セラミック基板の厚さが25〜150μmであり、前記貫通孔の径が20μm〜60μmであることを特徴とする、請求項1または2記載の接続基板。
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