JPWO2020111256A1

JPWO2020111256A1 - 配線基板、電子装置及び電子モジュール

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Publication number: JPWO2020111256A1
Application number: JP2020557872A
Authority: JP
Inventors: 恭平山下; 細井　義博
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2018-11-30
Filing date: 2019-11-29
Publication date: 2021-10-14
Anticipated expiration: 2039-11-29
Also published as: EP3890006A1; CN113169136A; EP3890006A4; US20220037220A1; US11823966B2; JP7239610B2; WO2020111256A1

Abstract

ＡｌＮ（窒化アルミニウム）を含む絶縁基板とＣｕ（銅）系の導体層との高い結合強度が得られる配線基板を提供する。配線基板は、ＡｌＮを含む絶縁基板と、Ｃｕを含む導体層と、絶縁基板と導体層との間に位置する中間層とを備える。中間層は、絶縁基板に近い第１領域と、導体層に近い第２領域とにおいて、Ｃｕの濃度が、第１領域よりも第２領域が高く、Ａｌの濃度が、第２領域よりも第１領域が高い。

Description

本開示は、配線基板、電子装置及び電子モジュールに関する。

特開平５−１８２９２６号公報には、基板に、バリアメタル層を挟んで、Ａｌ（アルミニウム）系の配線が設けられた配線基板の製造方法について開示されている。上記の製造方法においては、基板の表面に小径の接続孔を形成した後、スパッタ法によって連続的にバリアメタル層と配線層とが成膜される。バリアメタル層としてはＴｉ系材料が適用されている。

本開示に係る配線基板は、
ＡｌＮを含む絶縁基板と、
Ｃｕを含む導体層と、
前記絶縁基板と前記導体層との間に位置する中間層と、
を備え、
前記中間層は、前記絶縁基板に近い第１領域と、前記導体層に近い第２領域とにおいて、
Ｃｕの濃度が、前記第１領域よりも前記第２領域が高く、
Ａｌの濃度が、前記第２領域よりも前記第１領域が高い、構成とした。

本開示に係る電子装置は、
上記の配線基板と、
前記配線基板に搭載された電子部品と、
を備える構成とした。

本開示に係る電子モジュールは、
上記の電子装置と、
前記電子装置を搭載したモジュール用基板と、
を備える構成とした。

本開示によれば、ＡｌＮを含む絶縁基板とＣｕを構成元素とする導体層との高い結合強度が得られる配線基板、並びに、上記の配線基板を有する電子装置及び電子モジュールを提供できる。

本開示の実施形態に係る配線基板を示す図である。図１Ａの配線基板の一部を示す部分拡大図である。本開示の実施形態に係る電子モジュールを示す図である。実施形態の配線基板における中間層周辺の構成元素の濃度分布を示す図である。比較例における中間層周辺の構成元素の濃度分布を示す図である。絶縁基板の界面周辺の構造を示す断面図である。凹部内の界面周辺の構成元素の濃度分布を示す図である。実施形態の配線基板の製造方法の一例を説明する図である。

以下、本開示の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１Ａは、本開示の実施形態に係る配線基板の断面図である。図１Ｂは図１Ａの配線基板の一部を示す部分拡大図である。図１Ｃは本開示の実施形態に係る電子モジュールを示す断面図である。

本実施形態の配線基板１０は、絶縁基板１２と、絶縁基板１２の板面上に形成された導体層１４とを有する。導体層１４は、絶縁基板１２上に任意のパターンで形成され、信号又は電力を伝送するための配線あるいは光素子等の電子部品２０を接続するための電極又は接続パッドとして機能する。絶縁基板１２の内部、並びに、絶縁基板１２の裏面（導体層１４の反対側）には、別途、配線又は接続パッド３１（図１Ｃ）が設けられていてもよい。配線基板１０は、電子部品２０を収容する凹部を備えたパッケージであってもよい。

本実施形態の電子装置４０は、図１Ｃに示すように、図１Ａの配線基板１０に、電子部品２０が搭載されて構成される。電子部品２０は、電子部品２０の端子が導体層１４と電気的に接続されて実装される。電子部品２０の端子と導体層１４との接続形態は、半田等の接合材による接続、ワイヤーボンディングによる接続など、どのような接続形態であってもよい。図１Ｃでは、導体層１４に電子部品２０が搭載されているが、配線基板１０の導体層１４の無い部分に、電子部品２０が搭載されていてもよい。電子部品２０としては、ＬＤ（Laser Diode）、ＰＤ（Photo Diode）、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の光素子、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）型、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型等の撮像素子、水晶振動子等の圧電振動子、弾性表面波素子、半導体集積回路素子（ＩＣ：Integrated Circuit）等の半導体素子、電気容量素子、インダクタ素子又は抵抗器等の種々の電子部品を適用できる。

本実施形態の電子モジュール１００は、図１Ｃに示すように、電子装置４０がモジュール用基板１１０に搭載されて構成される。モジュール用基板１１０には、電子装置４０に加えて、他の電子部品及び他の電気部品が搭載されていてもよい。モジュール用基板１１０は、回路配線と、各部品を接続する接続パッド１１１とを有する。電子装置４０は、例えば半田等の接合材１１３を介してモジュール用基板１１０に実装することができる。

＜配線基板＞
配線基板１０における絶縁基板１２は、構成元素の主成分としてＡｌＮ（窒化アルミニウム）を含む。導体層１４は、構成元素がＣｕ（銅）である。絶縁基板１２と導体層１４との界面には、中間層１６が存在する。中間層１６は、２０ｎｍ〜８０ｎｍ等の厚みを有する。

図２Ａは、実施形態の配線基板における中間層周辺の構成元素の濃度分布を示す図である。図２Ｂは、比較例における中間層周辺の構成元素の濃度分布を示す図である。以下に示す中間層１６の構成元素及び中間層１６の構成元素の濃度分布は、電子エネルギー損失分光法（ＴＥＭ−ＥＥＬＳ：Electron Energy-Loss Spectroscopy）の測定により得られた。濃度分布はａｔ％（アトミックパーセント）の濃度により表される。なお、図２Ａ及び図２Ｂのグラフは、濃度分布の値を厳密に表わしたものではなく、値の変化を単純化して示している。

中間層１６は、図２Ａに示すように、Ａｌ（アルミニウム）、Ｎ（窒素）、Ｃｕ（銅）を含む。中間層１６の各領域のうち、絶縁基板１２に近い第１領域１６ｒ１と導体層１４に近い第２領域１６ｒ２とを比較したとき、Ｃｕの濃度は第１領域１６ｒ１よりも第２領域１６ｒ２のほうが高い。さらに、Ａｌの濃度は、第２領域１６ｒ２よりも第１領域１６ｒ１のほうが高い。さらに、Ｎの濃度は、第２領域１６ｒ２よりも第１領域１６ｒ１のほうが高くてもよい。中間層１６において、ＡＬの濃度及びＮの濃度は、絶縁基板１２から導体層１４に向かって漸減していてもよい。第１領域１６ｒ１及び第２領域１６ｒ２は、互いに重ならず、層方向に任意の厚み（例えば中間層１６の１０％の厚みであってもよい）を有する２つの領域である。第１領域１６ｒ１は第２領域１６ｒ２よりも絶縁基板１２に近い領域であり、第２領域１６ｒ２は第１領域１６ｒ１よりも導体層１４に近い領域であってよい。あるいは、第１領域１６ｒ１は、中間層１６の中央よりも絶縁基板１２に近く、第２領域１６ｒ２は、中間層１６の中央よりも導体層１４に近い領域であってもよい。

中間層１６の構成元素は、より具体的には、次に示すような濃度分布を有していてもよい。すなわち、Ａｌ、Ｎの濃度勾配は、導体層１４に近いほど濃度が低い勾配であり、Ｃｕの濃度勾配は、導体層１４に近いほど濃度が高い勾配である。上記の濃度勾配は、中間層１６の導体層１４側から絶縁基板１２側にかけて存在してもよい。

さらに、中間層１６は、Ｃ（炭素）を含んでもよい。しかし、Ｃが含まれる場合でも、中間層１６のＣの濃度は１０ａｔ％以下である。Ｃの１０ａｔ％以下の濃度は、導体層１４のＣの濃度とほぼ同じであってもよい。

図２Ｂの比較例は、後述する所定条件のシンター処理を行わなかった場合の界面の構成元素の濃度分布を示す。比較例の構成においては、中間層２１６の絶縁基板２１２側と、中間層２１６の導体層２１４側とで、構成元素（Ａｌ、Ｎ、Ｃｕ）の濃度変化が急峻である。

さらに、比較例の中間層２１６は、Ｃの濃度が高く、例えばＡｌ、Ｎ、Ｃｕの合計の濃度以上含まれる箇所を有する。中間層２１６には、導体層２１４をめっき処理により生成する際、めっき液に含まれる炭素成分が混入され、後述する所定条件のシンター処理が行われないことで、Ｃの濃度が高くなっている。

＜密着成分＞
図３は、絶縁基板の界面周辺の構造を示す断面図である。

絶縁基板１２には、導体層１４との界面において、図３に示すような、微細な凹部１２Ｄを多数有する。凹部１２Ｄには、導体層１４の構成元素が入り込み、凹部１２Ｄの外の領域の界面だけではなく、凹部１２Ｄの内面にも絶縁基板１２と導体層１４との間に中間層１６が形成される。上記の中間層１６の元素成分及び濃度分布は、図２Ａで説明した通りである。

さらに、凹部１２Ｄの内面には、ＴｉＯ_２（酸化チタン）を構成元素に含む密着領域ｅ１が点在している。密着領域ｅ１は、凹部１２Ｄの外の領域の絶縁基板１２と導体層１４との界面にも点在していてもよい。点在とは、絶縁基板１２と導体層１４との界面において、密着領域ｅ１と、密着領域ｅ１以外の領域とが混在していることを意味する。

続いて、密着領域ｅ１が含まれる箇所の中間層１６Ａについて説明する。密着領域ｅ１が含まれる箇所の中間層１６Ａと、密着領域ｅ１が含まれない箇所の中間層１６とを、異なる符号により区別する。図４は、凹部内の密着領域ｅ１が含まれる界面周辺の構成元素の濃度分布を示す図である。図４のグラフは、濃度分布の値を厳密に表わしたものではなく、値の変化を単純化して示している。

中間層１６Ａには、Ａｌ、Ｎ、Ｃｕ、Ｔｉ（チタン）、Ｏ（酸素）が含まれる。中間層１６Ａにおいても、Ａｌ、Ｎ、Ｃｕの濃度が徐々に変化する濃度勾配が存在する。Ａｌ、Ｎ、Ｃｕの各濃度勾配の向きは、前述した中間層１６における濃度勾配と同様である。Ａｌ、Ｎ、Ｃｕの濃度勾配は、中間層１６Ａの絶縁基板１２側から導体層１４側にかけて存在する。また、中間層１６Ａにおいても、Ｃの濃度は１０ａｔ％以下である。

中間層１６Ａにおいては、さらに、Ｔｉ及びＯが含まれることにより、後述する所定条件のシンター処理においてＣｕとＡｌの相互拡散が促進されている。したがって、中間層１６ＡのＡｌ、Ｎ、Ｃｕの濃度勾配は、密着領域ｅ１が含まれない箇所の中間層１６の濃度勾配と比較して、緩やかである。

さらに、密着領域ｅ１が含まれる中間層１６Ａは、導体層１４側にＯ（酸素）の濃度勾配が発生し、よって、導体層１４の密着強度が増している。凹部１２Ｄにおける絶縁基板１２と導体層１４との密着強度が増すことで、絶縁基板１２と導体層１４との全体の密着強度がより増強する。

＜密着強度＞
実施形態の配線基板１０と、後述する所定条件のシンター処理を行っていない基板とについて、導体層１４と絶縁基板１２との密着強度について試験した。試験方法は、絶縁基板１２を固定した第１冶具と、導体層１４とを固定した第２冶具とに、界面に垂直な方向に互いを引き離す方向の引っ張り力を加え、最大の引っ張り強度を密着強度として測定した。引っ張り力を大きくしていくと、絶縁基板１２と導体層１４との界面が破壊される場合と、絶縁基板１２が破壊される場合とがあり、破壊モードとして、絶縁基板１２が破壊される割合を求めた。

試験対象は、シンター処理を行っていない基板と、後述する所定条件とは別条件のシンター処理を行った基板と、後述する所定条件のシンター処理を行いかつ界面に密着領域ｅ１が点在する実施形態の配線基板１０との３つである。

試験の結果、次の比較表に示すように、実施形態の配線基板１０の密着強度に大きな改善が見られた。

＜製造方法＞
図５は、実施形態の配線基板の製造方法の一例を説明する図である。

本実施形態の製造方法は、時系列順に、ＡｌＮ基板７０を洗浄及び乾燥する前処理工程Ｊ１と、ＡｌＮ基板７０に有機Ｔｉ液７１を塗布する工程Ｊ２と、有機Ｔｉ液７１が塗布されたＡｌＮ基板７０を焼き付ける焼付工程Ｊ３とを含む。前処理工程Ｊ１では、薬剤又は反応性イオンを用いた異方性エッチングを行って、ＡｌＮ基板７０の表面に微細な凹部１２Ｄを形成してもよい。焼付工程Ｊ３では、４００℃以上、３０分以上の条件で焼き付けを実行する。したがって、有機Ｔｉ液７１は固化された酸化チタン層７１Ａとなる。さらに、本製造方法は、焼き付け放冷後の基板７２に、無電解Ｃｕめっき７４を施す工程Ｊ４と、シンター処理を施すシンター工程Ｊ５とを含む。

本製造方法においては、塗布及び焼き付け、並びに、めっきにより、酸化チタンと導体層１４との成膜を行っているので、低コストに配線基板１０を製造できる。

シンター工程Ｊ５では、不活性ガスの雰囲気中、３００℃以上、３０分以上の条件でシンター処理を実行する。上記の条件のシンター処理により、無電解Ｃｕめっき７４のＣｕが、酸化チタン層７１Ａを越えてＡｌＮ基板７０まで達し、界面において、Ａｌ、Ｎ、Ｃｕの濃度勾配を有する中間層１６が形成される。

また、上記条件のシンター処理により、無電解Ｃｕめっき７４のＣ（炭素）の成分が、界面から無電解Ｃｕめっき７４側に拡散する。加えて、上記条件のシンター処理により、無電解Ｃｕめっき７４のＣの成分が、めっき液に含まれるＯ（酸素）の成分と反応し、ＣＯガス又はＣＯ_２ガスとして外部に飛散する。上記によって、中間層１６のＣの濃度が１０ａｔ％以下に低減する。

さらに、上記条件のシンター処理により、酸化チタン層７１Ａは、界面に点在する密着領域ｅ１へと変化し、密着領域ｅ１の箇所では、ＴｉとＯとを含んだ中間層１６Ａが形成される。

以上のように、本実施形態の配線基板１０によれば、中間層１６のうち絶縁基板１２に近い第１領域１６ｒ１と導体層１４に近い第２領域１６ｒ２とを比較したとき、Ｃｕの濃度は第１領域１６ｒ１よりも第２領域１６ｒ２のほうが高い。さらに、Ａｌの濃度は、第２領域１６ｒ２よりも第１領域１６ｒ１のほうが高い。上記の濃度勾配により、中間層１６において絶縁基板１２側から導体層１４側にかけて熱膨張率の変化が緩やかになる。よって、膜間で熱膨張率の違いによる応力の集中が低減され、絶縁基板１２と導体層１４との高い密着強度を得ることができる。

さらに、中間層１６において、Ｎの濃度は、導体層１４に近い第２領域１６ｒ２よりも、絶縁基板１２に近い第１領域１６ｒ１のほうが高いことで、中間層１６における熱膨張率の変化がより緩やかになる。よって、膜間で熱膨張率の違いによる応力の集中がより低減され、絶縁基板１２と導体層１４とのより高い密着強度を得ることができる。同様に、中間層１６においてＡＬの濃度及びＮの濃度は、絶縁基板１２から導体層１４に向かって漸減していることで、中間層１６における熱膨張率の変化がより緩やかになる。よって、膜間で熱膨張率の違いによる応力の集中がより低減され、絶縁基板１２と導体層１４とのより高い密着強度を得ることができる。

さらに、本実施形態の配線基板１０によれば、絶縁基板１２の微細な凹部１２Ｄの外の領域の界面と、凹部１２Ｄの内面とに、Ａｌ、Ｎ、Ｃｕの濃度勾配を有する中間層１６が存在する。よって、絶縁基板１２と導体層１４とのより高い密着強度が得られる。

さらに、本実施形態の配線基板１０によれば、凹部１２Ｄの内面には、Ｔｉ、Ｏを含んだ中間層１６Ａが点在する。Ｔｉ、Ｏが層とならず、点在することで、Ｔｉ、Ｏを含んだ中間層１６Ａの点在する部分及び周囲においてＡｌ、Ｎ、Ｃｕのより緩やかな濃度勾配が得られ、よって、界面のより高い密着強度が得られる。さらに、凹部１２Ｄの内側でより高い密着強度が得られることから、絶縁基板１２と導体層１４との全体の密着強度をより向上できる。

さらに、本実施形態の配線基板１０によれば、中間層１６、１６ＡにおいてＣの濃度が１０ａｔ％以下である。界面がＣで占められていると、界面の強度が低下するが、本実施形態では、界面のＣによる強度低下が抑制される。Ｃの濃度についての構成及び効果は、導体層１４をめっきにより生成する場合に、特に有効である。

さらに、本実施形態の電子装置４０及び電子モジュール１００によれば、導体層１４の密着強度の高い配線基板１０が用いられることで、高い信頼性が得られるという効果が奏される。

以上、本開示の各実施形態について説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限られない。例えば、上記実施形態では、Ｔｉ及びＯを含む密着領域が絶縁基板１２と導体層１４との界面に点在する構成を示したが、上記の構成はなくてもよい。また、中間層のＣ（炭素）の濃度は、実施形態で示した濃度以外であってもよい。さらに、上記実施形態では、配線基板を製造する方法の一例を示したが、本発明に係る配線基板は実施形態とは別の製造方法により製造されてもよい。その他、実施形態で示した細部は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本開示は、配線基板、電子装置及び電子モジュールに利用できる。

Claims

ＡｌＮを含む絶縁基板と、
Ｃｕを含む導体層と、
前記絶縁基板と前記導体層との間に位置する中間層と、
を備え、
前記中間層は、前記絶縁基板に近い第１領域と、前記導体層に近い第２領域とにおいて、
Ｃｕの濃度が、前記第１領域よりも前記第２領域が高く、
Ａｌの濃度が、前記第２領域よりも前記第１領域が高い、
配線基板。
Ｎの濃度が、前記第２領域よりも前記第１領域が高い、
請求項１記載の配線基板。
前記中間層は、Ａｌ及びＮの濃度が、前記絶縁基板から前記導体層に向かって漸減している、
請求項１または請求項２に記載の配線基板。
前記絶縁基板は前記導体層側に複数の凹部を有し、
前記中間層が、前記凹部外及び前記凹部内に存在する、
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の配線基板。
前記中間層は、更にＴｉ及びＯを含む、
請求項４記載の配線基板。
前記中間層のＴｉが、前記凹部内の前記絶縁基板の界面に点在している、
請求項４記載の配線基板。
前記中間層の前記絶縁基板側から前記導体層側にかけて、Ｃの濃度が１０ａｔ％以下である、
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の配線基板。
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の配線基板と、
前記配線基板に搭載された電子部品と、
を備える電子装置。
請求項８記載の電子装置と、
前記電子装置を搭載したモジュール用基板と、
を備える電子モジュール。