JP4981572B2 - 液状粘性材料の充填方法 - Google Patents

Description

この発明は、多層回路基板に用いられる液状粘性材料の充填方法に関する。

近年、処理する情報量の増大にともない、集積化された回路をよりコンパクトに形成できる多層回路基板に関する技術が注目を集めている。

一例としては、各層間を導体であるワイヤー５１で接続した図４（Ａ）に示す多層回路基板が公知となっている。ただし、この多層回路基板は、ワイヤー５１によって接続されるスペース５２を各層に確保するために積重ねる回路基板５３の大きさを順次小さくせざるを得ないため、多数の回路基板５３を積重ねることができない。

これに対し、多層回路基板の表裏面間を貫通する貫通孔５４に導電性の液状粘性材料５６を充填して各層間を導通させる図４（Ｂ）に示す技術が公知となっている。この技術によれば、多くの回路基板５７を積重ねることが可能になる一方で、上記貫通孔５４が非常に小さいな孔であるため、このような孔に液状粘性材料５６をどのようにして充填させるかが問題となる。

上記問題を解決する手段として、表裏面間に貫通する貫通孔を穿設した多層回路基板の上記貫通孔に超音波振動を利用して液状粘性材料を充填する特許文献１に示す液状粘性材料の充填方法が公知となっている。
特開２００７−７３９１８号公報

しかし、上記文献の液状粘性材料の充填方法は、昇圧処理して差圧充填する際に超音波振動を付加するもので、充填作業工程が複雑になるという課題がある他、多層回路基板に穿設された貫通孔への充填に適用すると、各層間に形成される微小な隙間によって昇圧処理する際に貫通孔内の圧力も上がってしまい、貫通孔内への差圧充填を効率良く行うことができないことがあるという課題もある。
本発明は、上記課題を解決し、作業工程が簡略化されるとともに、多層回路基板に穿設された貫通孔への充填を効率良く行うことができる液状粘性材料の充填方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明の液状粘性材料の充填方法は、第１に表裏面間に貫通する貫通孔３を穿設した多層回路基板２の上記貫通孔３に超音波振動を利用して液状粘性材料４を充填する液状粘性材料の充填方法において、上記貫通孔３の一方の開口部３ａを液状粘性材料４に浸漬し、該貫通孔３の軸心方向に超音波振動を与えることによりポンピング作用を生じさせ、該ポンピング作用によって、貫通孔３の前記一方の開口部３ａから他方の開口部３ｂに向かって液状粘性材料４を供給して充填することを特徴としている。

第２に、超音波振動する振動体７の振動面７ａに多層回路基板２の開口部３ａを対向させ、前記多層回路基板２を前記振動面７ａ側に押接し、振動面７ａの超音波振動により、多層回路基板２と振動面７ａとの間の隙間を変化させ、該隙間の変化による生じるポンピング作用によって、該開口部３ａと前記振動面７ａとの間に液状粘性材料４を導入して介在させることを特徴としている。

第３に、液状粘性材料４の液面より上下方向のホーン７の上端部を突出させて上記ホーン７に超音波振動を与え、ホーン７の上端部外周面に沿って液状粘性材料４を上昇移動させることにより、ホーン７上端面の振動面７ａを液状粘性材料４で覆うことを特徴としている。

第４に、貫通孔３が多層回路基板２の各層導通用の孔であり、液状粘性材料４が導電性の材料である溶融金属であり、前記他方の開口部３ｂから排出されて球状をなす溶融金属４を冷却することにより、バンプ２２を形成することを特徴としている。

第５に、非酸化雰囲気下で行われることを特徴としている。

以上のように構成される液状粘性材料の充填方法によれば、貫通孔の一方の開口部を液状粘性材料に浸漬し該貫通孔の軸心方向に超音波振動を与えることにより貫通孔の他方の開口部に向かって液状粘性材料を供給して充填するため、昇圧処理を行う必要がなくなるので、作業工程が簡略化されるとともに多層回路基板の貫通孔への充填を効率良く行うことができるという効果がある。

また、液状粘性材料の液面より上下方向のホーンの上端部を突出させて上記ホーンに超音波振動を与え、ホーンの上端部外周面に沿って液状粘性材料を上昇移動させ、ホーン上端面の振動面を液状粘性材料で覆う方法を用いることにより、多層回路基板が必要以上に液状粘性材料に浸漬されないため、各層間に形成される隙間から多層回路基板の充填対象部分以外の部分に液状粘性材料が入り込んでしまう事態が防止できる。

以下図示する実施形態について説明する。
図１は本発明の方法に用いられる充填装置の要部正断面図である。充填装置１は、多層回路基板２の後述する貫通孔３（図２参照）に液状粘性材料である溶融半田４（溶融金属）を充填するものであり、超音波振動を発生させる振動子６と、振動子６の振動が伝搬されるホーン７（振動体）と、フレーム８と、上記溶融半田４及び多層回路基板２を収容する上方が開放されたケース９と、ヒータ１１と、キャップ１２とを備えている。

上記フレーム８の上部には上方が開放された上下方向の筒状部８ａが設置されている。この筒状部８ａ内には上記ホーン７が上向きに収容されている。ホーン７は上下方向に延びる略円柱状に成形され、振動子６の振動が伝えられて上下方向中心が節、上下の端部が腹となる軸方向の超音波振動を発生させるものであり、上記筒状部８ａの同心軸上に配置されている。そして、ホーン７の上端には略水平な振動面７ａが形成されており、この振動面７ａに多層回路基板２を載置する。

上記ホーン７の上部には上記ケース９が固定的に外装されている。ケース９は、ホーン７の上部外周面を囲繞する円筒状に形成されており、上端が開口し、下端内周面でホーン７の外周に嵌合して取り付けられている。上記ケース９へのホーン７の固定は、ホーン７の中途部外周面に突設されたフランジ部１３にケース９の下端面をボルト固定することにより行う。

ちなみに、上記フランジ部１３はホーン７の上下方向中心に形成され、ホーン７が超音波振動している際にも殆ど振動しないため、上記ケース９も殆ど振動はしない。くわえて、上記ケース９の上端部外周面全体が上記筒状部８ａの上端部内周面全体に当接しており、ケース９によって筒状部８ａの上端開放側が塞がれている。そして、上記ケース９内を溶融半田４で満たして、溶融半田４の液面下に上記振動面７ａを位置させる。なお、ケース９内の溶融半田４の液面を下降させ、該液面からホーン７の上端部を突出させてもよい（図１の状態）。

上記ヒータ１１は、上記ケース９の外周面に設けられており、ケース９を加熱してケース９内の半田が溶融半田４である状態を維持させる。

上記キャップ１２はその基端部が上記筒状部８ａに挿脱可能に嵌合され、振動面７ａに載置された多層回路基板２の周辺及び上方を覆う作業空間Ｓを形成する。また、キャップ１２の天井部分にはキャップ孔１２ａが穿設され、上記作業空間Ｓの外側から多層回路基板２にアクセスできるように構成されている。

充填装置１による充填作業中は、上記空間Ｓに窒素ガス、アルゴンガス等の不活性ガス等が常時供給され、作業空間Ｓに非酸化雰囲気（不活性雰囲気、還元雰囲気）が形成される。そして、作業空間Ｓに供給された不活性ガスは、上記キャップ孔１２ａから排出され、作業空間Ｓの圧力が所定以上に上昇しないようになっている。なお、上記キャップ孔１２ａを塞いで作業空間Ｓを真空雰囲気にすることにより非酸化雰囲気を形成することもできる。

図２は多層回路基板の要部正断面図である。多層回路基板２は複数の回路基板１４によって構成される。回路基板１４はウエハー１６と、ウエハー１６の片面に形成された電気回路である集積回路１７と、集積回路１７を覆って保護する絶縁層１８とを備える。さらに回路基板１４には表裏を貫く積層方向の導通孔１９が穿設されている。そして、各回路基板１４の集積回路形成側（表面側）を積層方向に向けた状態で、回路基板１４を積重ねていくことにより、多層化された多層回路基板２を構成する。

上記導通孔１９は回路基板１４が多層化されると、導通孔１９同士が連通されて多層回路基板２全体を積層方向に貫く貫通孔３を形成するように構成されている。そして、上記貫通孔３内に溶融半田４を充填して凝固させて凝固半田４’とすることにより、各層の回路基板１４に形成された集積回路１７同士を電気的に接続させる。

回路基板１４の導通孔１９は、他の回路基板１４の導通孔１９と連通する２つの連通部２１（連通口）の径がその他の部分（中途部）の径に対して大きくなるように形成されている。これによって、凝固半田４’が充填された際、各導通孔１９間の接合強度が向上し、各回路基板１４の集積回路１７同士を電気的に確実に接続せしめることが可能になる。

また、上記２つの連通部２１における回路基板の表面側の連通部２１ａ（表面連通部）と裏面側の連通部２１ｂ（裏面連通部）とは径が異なるように形成されている（図示する例では、裏面連通部２１ｂに対して表面連通部２１ａの径が大きくなるように形成されている）。このため、一方の回路基板１４の連通部２１で凝固した半田の一部が他方の回路基板１４の表面又は裏面に固着（図示する例では、表面連通部２１ａの凝固半田４’の一部が他方の回路基板１４のウエハー１６に固着）され、回路基板１４同士の付着強度が向上する。

ちなみに、導通孔１９の絶縁層１８部分が中途部に対して径が大きく形成されることにより、導通孔１９の表面連連通部２１ａの径が中途部の径に対して大きくなっている。くわえて、導通孔１９の絶縁層１８部分においても、回路基板１４の表面に向かって次第に径が大きくなるテーパ状に形成されている。このため、導通孔１９の絶縁層１８部分に溶融半田４が充填されると、集積回路が確実に溶融半田に導通せしめられる。

次に、図１及図２に基づいて、多層回路基板１４の貫通孔３に溶融半田４を充填させる方法について説明する。
まず、多層回路基板１４における最下層の回路基板１４のウエハー１６側の面（下面）がホーン７の振動面７ａに接触するようにして、多層回路基板１４をホーン７の振動面７ａに載置する。そして、多層回路基板１４に穿設された複数の積層方向の挿通孔２ａに固定棒（図示しない）をそれぞれ挿通させ、該固定棒を振動面７ａに対して固定することにより、多層回路基板２の振動面７ａ上での水平方向の移動を規制するとともに、多層回路基板２の各層間のずれを防止している。（図１参照）

なお、多層回路基板１２の外側周に沿う複数の外形枠２０を設け、該外形枠２０を振動面７ａに固設することにより、振動面７ａ上に載置された多層回路基板２の水平方向の移動を規制させてもよい（図１参照）。これによって、多層回路基板２の各層間のずれも防止される。

そして、上記のように水平方向の移動が規制された多層回路基板１４を任意の押接手段手段により振動面７ａに押接し、多層回路基板１２の積層方向の移動も規制する。この際、多層回路基板１４の下面と振動面７ａとは面接触している状態であることが好ましい。

なお、振動面７ａと多層回路基板１４との間に板状のスペーサ（図示しない）等を介在させてもよい。この場合に、スペーサ上の溶融半田４を充填させる必要がある貫通孔３が位置する箇所には該貫通孔３と連通する孔を穿設する一方で、溶融半田４を充填させる必要がない貫通孔３をスペーサによって塞ぐことにより、溶融半田４を充填させる貫通孔３を自由に設定することが可能になる。

上記セッティングをした後、作業空間Ｓに不活性ガスを供給するか、作業空間Ｓを真空雰囲気にし、上記ホーン７を軸方向に超音波振動させる。すると、振動面７ａが溶融半田４の液面下にある場合には、振動面７ａの超音波振動により、多層回路基板１４の下面と振動面７ａとの間に形成される微小な隙間（図示しない）が変化し、ポンピング作用によって上記隙間に振動面７ａ上の溶融半田４が入り込み、多層回路基板１４に形成された上記貫通孔３の一方の開口部３ａ（導入口）まで溶融半田４が導入される。

一方、振動面７ａがケース９の溶融半田４に浸漬されておらず、溶融半田４の液面からホーン７の上端部が突出している場合には、ホーン７の超音波振動により、ホーン７の上端部外周面に発生する表面波その他の作用によりホーン７の上端部外周面付近の溶融半田４がその外周面に沿って上昇して振動面７ａにまで達し、振動面７ａ上に溶融半田４の被膜を形成する。そして、前述した場合と同様に超音波振動のポンピング作用によって、貫通孔３の導入口３ａまで溶融半田４が導入される。

続いて、同じく超音波振動のポンピング作用により上記導入口３ａに導入された溶融半田４が他方の開口部３ｂ（排出口）に向かって移送される。上記溶融半田４が排出口３ａにまで達すると、貫通孔３内に溶融半田４が供給充填された状態になる。さらに、多層回路基板１４に超音波振動を付加し続けると、排出口３ｂから多層回路基板外２に溶融半田４が排出される。作業空間Ｓが非酸化雰囲気であるため、排出された溶融半田４は表面張力によって球状をなして排出口３ｂ付近に溜まる。

画像処理等により充填作業の終了状態が検知されると、キャップ孔１２ａを介して、ピンセット等により振動面７ａ上から多層回路基板２を摘み上げ、溶融半田４を冷却して凝固させる。すると、多層回路基板１４の上記排出口３ｂ付近に球状のバンプ２２が形成され、貫通孔３内の溶解半田４が凝固半田４’となり、各層の回路基板１４同士が電気的、機械的に強固に接続される。なお、上記バンプ２２は他の多層回路基板等との接続コネクタ又は接続用予備半田として利用できる。

上記構成の液状粘性材料の充填方法によれば、超音波振動の脱泡効果によって、貫通孔３内に充填した溶融半田４内にボイドが形成されることを防止できる。

次に、図３に示す他の実施形態について前述の実施形態と異なる部分を説明する。
図３は他の実施形態を示す多層回路基板の要部正断面図である。同図に示された多層回路基板２においては、導通路１９が中途部から裏面連通部２１ｂに向かって次第に径が大きくなるテーパ状に形成されている。このような形状に成形するのは比較的容易であるため、裏面連通部２１ｂに対して中途部の径を大きくすることも容易になる。

本発明の方法に用いられる充填装置の要部正断面図である。 多層回路基板の要部正断面図である。 他の実施形態を示す多層回路基板の要部正断面図である。 （Ａ）は各層をワイヤーによって電気的に接続する従来公知の多層回路基板の要部正面図であり、（Ｂ）は各層を貫通孔の充填される導電性の液状粘性材料によって接続する従来公知の多層回路基板の要部正面図である。

２ 多層回路基板
３ 貫通孔
３ａ 導入口（開口部）
３ｂ 排出口（開口部）
４ 溶融半田（液状粘性材料）
７ ホーン（振動体）
７ａ 振動面
２２ バンプ

Claims (5)

1. 表裏面間に貫通する貫通孔（３）を穿設した多層回路基板（２）の上記貫通孔（３）に超音波振動を利用して液状粘性材料（４）を充填する液状粘性材料の充填方法において、上記貫通孔（３）の一方の開口部（３ａ）を液状粘性材料（４）に浸漬し、該貫通孔（３）の軸心方向に超音波振動を与えることによりポンピング作用を生じさせ、該ポンピング作用によって、貫通孔（３）の前記一方の開口部（３ａ）から他方の開口部（３ｂ）に向かって液状粘性材料（４）を供給して充填する液状粘性材料の充填方法。
2. 超音波振動する振動体（７）の振動面（７ａ）に多層回路基板（２）の開口部（３ａ）を対向させ、前記多層回路基板（２）を前記振動面（７ａ）側に押接し、振動面（７ａ）の超音波振動により、多層回路基板（２）と振動面（７ａ）との間の隙間を変化させ、該隙間の変化による生じるポンピング作用によって、該開口部（３ａ）と前記振動面（７ａ）との間に液状粘性材料（４）を導入して介在させる請求項１の液状粘性材料の充填方法。
3. 液状粘性材料（４）の液面より上下方向のホーン（７）の上端部を突出させて上記ホーン（７）に超音波振動を与え、ホーン（７）の上端部外周面に沿って液状粘性材料（４）を上昇移動させることにより、ホーン（７）上端面の振動面（７ａ）を液状粘性材料（４）で覆う請求項２の液状粘性材料の充填方法。
4. 貫通孔（３）が多層回路基板（２）の各層導通用の孔であり、液状粘性材料（４）が導電性の材料である溶融金属であり、前記他方の開口部（３ｂ）から排出されて球状をなす溶融金属（４）を冷却することにより、バンプ（２２）を形成する請求項１，２又は３の液状粘性材料の充填方法。
5. 非酸化雰囲気下で行われる請求項１，２，３又は４の液状粘性材料の充填方法。

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