JPWO2014115252A1 - 回路基板及び回路基板の製造方法 - Google Patents

回路基板及び回路基板の製造方法 Download PDF

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Abstract

層間の導通を得るための材料と回路基板との密着力を向上させ、電気的接続に関して、安定して低抵抗を得ることを目的とする。目的を達成するため、配線が形成された基板が複数枚積層され、前記基板の層間を導通する導電材料を有する回路基板において、前記導電材料は、P又はAgの何れかとVとTeとを含む酸化物と、導電性物質とを含む。また、配線が形成された基板が複数枚積層された回路基板の製造方法において、前記基板に開けられた穴に、P又はAgの何れかとVとTeとを含む酸化物と導電性物質とを供給する工程と、前記酸化物と前記導電性物質に電磁波を照射し、穴内で軟化溶融させる工程とを有する。

Description

本発明は、層間の電気的接続を図るために酸化物ガラスを用いた回路基板とその製造方法に関する。
近年、情報機器や電子機器分野の発展に伴い、回路基板の小型化、高密度化が求められている。従来、回路基板の層間の電気的な接続は銅メッキが主流であった。銅メッキでは
スルーホールと呼ばれる貫通穴が必要となり、配線可能な領域を減少させるため、配線の高密度化が困難になりつつある。また銅メッキでは薬品使用量が多いことや、その薬品を洗浄するために多くの水を使用すること、排水中和汚泥などの産業廃棄物が排出され、地球環境負荷が大きいという問題があった。まためっき工程はエッチング、穴あけ、めっき、洗浄など複数の工程を経るため、製造効率の向上が求められている。そこで近年、銅メッキの工程短縮化、環境負荷低減を目的とした代替方法として、導電性ペーストをビアホールに充填して層間の電気的接続を得るプリント配線基板が開示されている。
例えば特許文献1では、プリント基板のビアホール内に金属粒子とバインダ樹脂を含有する導電性ペーストを充填した後、加圧しながら、加熱することによって、プリント基板の層間の電気的接続を得るものである。
特開平7−176846号公報
上記の従来方法では、プリント基板の層間の電気的な接続は、ビアホール内の金属粒子同士の接触によって導通が得られる。しかしながら、基板と金属粒子との密着力が十分ではなく、金属粒子同士の接触は不安定となり、安定した導通を得ることが困難である。またこの課題は回路基板の高密度化が進むとさらに深刻な問題となる。
本発明の目的は、層間の導通を得るための材料と回路基板との密着力を向上させ、電気的接続に関して、安定して低抵抗を得ることにある。
上記課題を解決するために、本発明は、配線が形成された基板が複数枚積層され、前記基板の層間を導通する導電材料を有する回路基板において、前記導電材料は、P又はAgの何れかとVとTeとを含む酸化物と、導電性物質とを含むことを特徴とする。
また、配線が形成された基板が複数枚積層された回路基板の製造方法において、前記基板に開けられた穴に、P又はAgの何れかとVとTeとを含む酸化物と導電性物質とを供給する工程と、前記酸化物と前記導電性物質に電磁波を照射し、穴内で軟化溶融させる工程とを有することを特徴とする。
本発明によれば、層間の導通を得るための材料と回路基板との密着力を向上させ、電気的接続に関して、安定して低抵抗を得ることができる。
酸化物の示差熱分析で得られるDTA曲線の1例である。 酸化物の透過率曲線の1例である。 複合部材の断面概略図の1例である。 導電性酸化物ペーストを充填した樹脂基板の斜視図及び断面図である。 多層基板の作製手順の1例である。 多層基板の作製手順の1例である。
回路基板の層間の電気的接続を得るための酸化物は、V(バナジウム)、Te(テルル)及びP(リン)を含む。または、V、Te及びAg(銀)を含む。これらの酸化物にはPb(鉛)とBi(ビスマス)を実質的に含まない。上述した酸化物に対し、例えば、Ag、Au、Pt、Cu、Al、Sn、Zn、Bi、Inなどの導電性物質を混合することによって、層間の電気伝導性を得ることが可能である。
V、Te及びPを含む酸化物は、転移点Tgが340℃以下と比較的低温であるだけでなくレーザ吸収性が高いことによって、レーザの照射により容易に加熱されるので軟化流動しやすい。また、V、Te及びAgを含む酸化物は、V、Te及びPを含む酸化物よりもレーザ吸収性は劣るが、転移点Tgが270℃以下と更に低いために、レーザの照射によって容易に軟化流動させることができる。これらの酸化物を使用すれば、樹脂などの基板であっても、樹脂を劣化させない温度範囲で酸化物が軟化するので、層間を接続することができる。軟化流動した後の酸化物は非晶質(ガラス)、結晶質の少なくとも何れかを含む。
これらの酸化物にFe、Sb、W、Ba、Kの何れかを更に含有させることによって、酸化物の構造をより安定に保つことが可能になる。特に、Fe又はSbを含む場合は、レーザ、マイクロ波の吸収が大きく発熱しやすいため、更に良く軟化流動させることができる。特にW、Ba又はKを含む場合は、結晶化を抑制することができる。
使用するレーザの波長としては、この酸化物が効率的に吸収する2000nm以下が有効である。波長が2000nm以下であると、酸化物がレーザを吸収し易いためである。
Agが含まれていない酸化物の場合は、酸化物換算でV25が最も多く含有されるとよい。またFe23、Sb23を含有させることによって2000nmの波長範囲のレーザを吸収しやすくなる。
TeとPはガラス化させるための成分であり、これらを含むことでレーザ照射によっても容易に軟化流動させることができる。Pは低熱膨張化にも有効であるが、酸化物換算でP25の含有量(質量%)をTeO2よりも多くすると転移点Tgが高くなりやすいので、P25の含有量をTeO2の含有量以下にするとよい。
酸化物の有効な組成範囲は、上記条件を満たした上で、次の酸化物換算でV25が17〜50質量%、TeO2が20〜33質量%、P25が4〜12質量%である。レーザ吸収特性が更に良くなる組成範囲として、V25が37〜50質量%、TeO2が20〜32質量%、P25が6〜12質量%、Fe23が10〜19質量%が好ましい。
または、V25が17〜50質量%、TeO2が25〜35質量%、Ag2Oが20〜50質量%であり、V25+TeO2+Ag2Oが85質量%以上が好ましい。
上述した酸化物に対し、例えば、SiO2、ZrO2、Al23、Nb25、ZrSiO4、Zr2(WO4)(PO42、コージェライト、ムライト、ユークリプタイトなどの充填材を混合することで、基板の材質に応じて熱膨張係数を所定の値に調整して基板と酸化物との接着強度を高めたり、酸化物自体の強度を高めたりすることが可能である。接着する基板間に大きな熱膨張係数差がある場合、熱膨張係数の異なる酸化物を重ねることにより、接着強度を高めることが可能である。
ただし、ここで取り上げた実施例の記載に限定されることはなく、適宜組み合わせてもよい。
本実施例では、基板にポリカーボネート基板、酸化物として次の酸化物換算で20V25−35TeO2−45Ag2O(質量%)を用い、電磁波照射実験を行い、酸化物の樹脂基板への接着性の確認試験を行った。電磁波としては、波長が約400nm、600nm及び800nmのレーザを用いた。
上記酸化物の作製は、(株)高純度化学研究所製試薬V25、TeO2、Ag2Oを用い、合計200gになるように、所定量配合、混合し、白金ルツボに入れ、電気炉にて5〜10℃/分の昇温速度で900〜950℃まで加熱し、溶融した。この温度で均一にするために撹拌しながら1〜2時間保持した。その後、ルツボを取り出し、予め150℃程度に加熱しておいたステンレス板上に流し込んだ。
ステンレス板上に流し込んだ酸化物は、平均粒子径(D50)が20μm未満になるまで粉砕した。この酸化物を5℃/分の昇温速度で550℃まで示差熱分析(DTA)することによって、転移点(Tg)、屈伏点(Mg)、軟化点(Ts)及び結晶化温度(Tcry)を測定した。なお、標準サンプルとしてアルミナ(Al23)粉末を用いた。
図1に酸化物の代表的なDTA曲線を示す。図1に示すように、Tgは第一吸熱ピークの開始温度、Mgはそのピーク温度、Tsは第二吸熱ピーク温度、Tcryは結晶化による顕著な発熱ピークの開始温度とした。本実施例の酸化物のTgは163℃、Mgは172℃、Tsは208℃であった。Tcryは263℃までのDTAでは認められなかった。
酸化物の光学特性を、紫外可視分光光度計を用いて透過率によって評価した。評価サンプルは、酸化物をジェットミルで平均粒径(D50)が2μm以下になるまで粉砕し、その酸化物粉末に樹脂バインダー4%を溶解した溶剤を入れ、混合することによって、印刷用ペーストを作製した。ここで、樹脂バインダーにはエチルセルロース、溶剤にはブチルカルビトールアセテートを用いた。
ペーストをスクリーン印刷にてスライド酸化物に塗布し、150℃で乾燥させた。その塗膜の平均厚みは、それぞれ約5μm、10μm、20μmになるようにペーストの粘度や印刷方法をコントロールした。スライド酸化物に形成した塗膜を、紫外可視分光光度計を用いて300〜2000nmの波長域における透過率曲線を測定した。その際、スライド酸化物のみの透過率曲線をベースラインとして差し引き、極力、酸化物の焼成塗膜のみの透過率曲線が得られるようにした。本実施例の酸化物の各膜厚における透過率曲線を図2に示す。この酸化物は、300〜2000nmの波長域において、波長が小さいほど透過率が小さく、波長が400nm未満の紫外線はほとんど透過しなかった。
電磁波照射実験では、上記同様に酸化物をジェットミルで平均粒径(D50)が2μm以下になるまで粉砕した。その酸化物粉末に樹脂バインダー1%を溶解した溶剤を入れ、混合することによって、スプレー噴霧用のスラリーを作製した。ここで、樹脂バインダーにはエチルセルロース、溶剤にはブチルカルビトールアセテートを用いた。このスラリーをスプレーによってポリカーボネート基板へ均一に噴霧し、約70℃で乾燥後した。その後、波長が約400nm、600nm、800nmの半導体レーザをそれぞれ照射した。図3に複合部材の断面概略図を示す。
レーザヘッドを動かすことによって樹脂基板1上のスラリーにレーザ3を照射した。酸化物がレーザを吸収し加熱されることによって比較的低温で軟化流動するので、樹脂基板1を劣化させることなく樹脂基板1上に酸化物2の膜を形成することができた。しかもこの膜は強固に樹脂基板に接着、密着していた。酸化物はどの波長のレーザを照射しても、ポリカーボネート基板に強固に接着、密着していた。また、破線で示すレーザ3のように基板側からレーザを照射しても、樹脂基板を透過したレーザが酸化物に吸収されるので、同様な結果が得られた。
本実施例においては、実施例1の酸化物、樹脂バインダー、溶剤に更に導電材を混合して導電性酸化物ペーストを作製し、該導電性酸化物ペーストを用いて回路基板のビアホールを充填し、導電性を評価した。図4は、ビアホールに導電性酸化物ペーストを充填した樹脂基板の斜視図及び断面図である。4はビアホール、5は金属粒子を示している。ビアホール内には酸化物2と金属粒子(導電性物質)が含まれる。
(導電性酸化物ペーストの作製)
金属粒子としては福田金属箔粉工業(株)製の銀粒子:AGC−103(球状粒子、平均粒径1.4μm)を用いた。ペースト中の酸化物粉末の含有率は、銀粒子に対して10体積%とした。また、ペースト中の固形分(銀粒子、酸化物粉末)の含有率は80〜85質量%とした。
(ペーストの充填及び電気的評価)
上述で用意したペーストを用いて、ポリカーボネート基板及びポリイミド基板上へ印刷法によりビアホールにペーストを充填した。150℃で乾燥した後、波長が約800nmの半導体レーザを用いて、ビアホール内にレーザ照射し、軟化・固化させた。導電性酸化物ペーストはビアホール内にしっかり密着していた。穴の抵抗値を測定した結果、平均0.48mΩ/穴であり、優れた電気抵抗を示した。
上記のペーストは、酸化物の軟化点が従来よりも低く(従来よりも低温で軟化流動する)、波長が200〜2000nmのレーザを吸収することから、レーザによる局所加熱によりビアホールの導通を得ることができた。
本実施例では、ポリアミドイミド、ポリアリレート、ポリサルホン、エポキシ樹脂、フッ素樹脂、フッ素ゴム、シリコーンゴム、アクリルゴム等の基板やフィルム上にビアホールを形成し、実施例2の導電性酸化物ペーストを充填し、レーザを照射して軟化・固化させた。波長が約800nmの半導体レーザを使用した。導電性酸化物ペーストはビアホール内に密着しており、金属粒子をしっかりと固定していた。
形成したビアホールの電気抵抗を測定した結果、平均0.51mΩ/穴であり、優れた電気抵抗を示した。ペーストは、回路を形成する樹脂基板として、本実施例のように幅広い種類の樹脂に対しても、レーザ照射条件を調整することで適用可能であることを確認した。
次に実施例2のペーストをフッ素樹脂基板のビアホールに充填した。四国計測(株)製μリアクターを用い2.45GHz帯(波長:125mm)のマイクロ波を照射し、導電性酸化物ペーストを軟化・固化させた。上記レーザの照射と同様に軟化流動でき、樹脂基板は劣化せず、ビアホール内にしっかり密着していた。形成したビアホールの電気抵抗を測定した結果、平均0.48mΩ/穴であり、優れた電気抵抗を示した。酸化物は、半導体的な導電性を有しているために、2.45GHz帯(波長:125mm)のマイクロ波を吸収し、軟化させることができる。この結果より、波長が0.1〜1000mmの範囲にあるマイクロ波においても2.45GHz帯に代表されるように酸化物を軟化・固化できる。
また他の金属粒子、Au、Al、Cu、Pt、Pd、Sn、Zn、Bi、Inを入れてもAg粒子を入れた場合と同様の結果が得られ、安定した導電性を有していた。
本実施例では、基板にアルミナを用いて、アルミナ基板上に形成されたビアホールに、実施例2の導電性酸化物ペーストを充填し、レーザまたはマイクロ波を照射して軟化・固化させた。レーザは波長が約800nmの半導体レーザを用い、マイクロ波には四国計測(株)製μリアクターを使用して、2.45GHz帯(波長:125mm)のマイクロ波を照射した。レーザ及びマイクロ波、どちらの場合でも導電性酸化物ペーストはビアホール内に密着しており、金属粒子をしっかりと固定していた。
形成したビアホールの電気抵抗を測定した結果、平均0.51mΩ/穴であり、優れた電気抵抗を示した。ペーストは、セラミック基板に対しても有効であることを確認した。
本実施例では、酸化物の組成と特性について検討した。検討した酸化物の組成と特性を表1に示す。酸化物原料には、高純度化学研究所製試薬V25、TeO2、P25、Fe23、Ag2O、WO3、Sb23、BaO、及びK2Oを用い、実施例1と同様にして酸化物を作製した。作製した酸化物の転移点は、実施例1と同様にしてDTAにて測定した。作製した酸化物の軟化流動性は、酸化物粉末をハンドプレスにより圧粉成形し、そこにチタンサファイアレーザ(波長:808nm)、YAGレーザ(波長:1064nm)、及び2.45GHz帯(波長:125mm)のマイクロ波をそれぞれ照射した。
酸化物を良く流動させることができた場合には「◎」、流動させることができた場合には「○」、流動も軟化もできなかった場合には「×」と評価した。酸化物No.1〜35の実施例では、レーザ及びマイクロ波を良く吸収し、流動させることが可能であり、樹脂基板やセラミック基板を劣化させることなく固化することができた。また、これらの酸化物に導電材を含有させることで、ビアホールで導通を得ることが可能となった。
本実施例では、実勢例2の導電性酸化物ペーストを用いて多層基板を作製した例を述べる。ペースト中の酸化物粉末の含有率が銀粒子に対して10体積%のものをビアホールの充填材料として使用した。
図5に作製手順の例を示す。6は基板、7は銅箔、8は単層基板、9は多層基板を示している。基板にはガラスエポキシを用いた。
まず(a)基板6に対し、(b)のように所定の位置にレーザ3によりビアホール4を形成した。次いで、(c)銅箔7を圧着し、(d)導電性酸化物ペーストをスクリーン印刷により充填した。充填後、120℃で10分間加熱し、溶剤を揮発させた。(e)充填したペーストに対し、波長が約800nmの半導体レーザ3を用いて、軟化・固化させた。次いで、(f)基板6上に銅箔7を圧着させ、(g)フォトリソグラフィ法により銅箔7に導体のパターンを形成した。(g)で作製した単層基板に対し、(h)片側にのみ銅箔7を圧着した単層基板8を重ねて真空プレスにより多層化した。(i)フォトリソグラフィ法により銅箔7に導体パターンを形成した。
このように本実施例では3層の多層基板9を作製した。また本実施例では熱源に半導体レーザを用いたが、マイクロ波を用いることも可能である。また本実施例では基板にガラスエポキシを用いたが、他の樹脂基板、セラミック基板でも同様に作製することができる。また本実施例では配線に銅箔を用いているが、アルミなどの他の金属でも可能である。また本実施例では、(b)のレーザによりビアホールを形成した後、(c)銅箔を圧着したが、銅箔の圧着前に導電性酸化物ペーストを充填し、乾燥させて、レーザを照射した後に、銅箔を圧着しても作製可能である。
本実施例では、実勢例2の導電性酸化物ペーストを用いて多層基板を作製した例を述べる。ペースト中の酸化物粉末の含有率が銀粒子に対して10体積%のものをビアホールの充填材料として使用し、基板にはガラスエポキシを用いた。
図6に作製手順の例を示す。まず(i)箔7が圧着された基板6に対し、(k)のように所定の位置にレーザ7によりビアホール4を形成した。次いで、(l)ビアホール4に導電性酸化物ペーストをスクリーン印刷により充填した。導電性酸化物ペーストは銅箔7に接するまで充填した。充填後、120℃で10分間加熱し、溶剤を揮発させた。(m)充填したペーストに対し、波長が約800nmの半導体レーザ3を用いて、軟化・固化させた。次いで、(n)フォトリソグラフィ法により銅箔7に導体のパターンを形成した。(n)で作製した単層基板に対し、(o)片側にのみ銅箔7を圧着した単層基板8を重ねて真空プレスにより多層化した。(p)フォトリソグラフィ法により銅箔7に導体パターンを形成した。このように本実施例では3層の多層基板9を作製した。また本実施例では熱源に半導体レーザを用いたが、マイクロ波を用いることも可能である。また本実施例では基板にガラスエポキシを用いたが、他の樹脂基板、セラミック基板でも同様に作製することができる。また本実施例では配線に銅箔を用いているが、アルミなどの他の金属でも可能である。
Figure 2014115252
1 樹脂基板
2 酸化物
3 レーザ
4 ビアホール
5 金属粒子(導電性物質)
6 基板
7 銅箔
8 単層基板
9 多層基板

Claims (14)

  1. 配線が形成された基板が複数枚積層され、前記基板の層間を導通する導電材料を有する回路基板において、前記導電材料は、P又はAgの何れかとVとTeとを含む酸化物と、導電性物質とを含むことを特徴とする回路基板。
  2. 請求項1において、前記酸化物がV、Te、Pを含み、転移点が340℃以下であることを特徴とする回路基板。
  3. 請求項1において、前記酸化物がV25、TeO2、P25を含み、酸化物換算でV25>TeO2>P25(質量%)であることを特徴とする回路基板。
  4. 請求項1において、前記酸化物がV、Te、Agを含み、転移点が270℃以下であることを特徴とする回路基板。
  5. 請求項1において、前記酸化物がV25、TeO2、Ag2Oを含み、酸化物換算でV25+TeO2+Ag2O≧85質量%であることを特徴とする回路基板。
  6. 請求項1において、前記酸化物がFe、Sb、W、Ba、Kのいずれかを含むことを特徴とする回路基板。
  7. 請求項1において、前記導電性物質がAu、Ag、Al、Cu、Pt、Pd、Sn、Zn、Bi、Inの少なくとも一種であることを特徴とする回路基板。
  8. 請求項1において、前記酸化物が電磁波の照射によって軟化して形成されたことを特徴とする回路基板。
  9. 請求項8において、前記電磁波の波長が2000nm以下のレーザ又は0.1−1000mmのマイクロ波であることを特徴とする回路基板。
  10. 配線が形成された基板が複数枚積層された回路基板の製造方法において、前記基板に開けられた穴に、P又はAgの何れかとVとTeとを含む酸化物と導電性物質とを供給する工程と、前記酸化物と前記導電性物質に電磁波を照射し、穴内で軟化溶融させる工程とを有することを特徴とする回路基板の製造方法。
  11. 請求項10において、前記酸化物がV25、TeO2、P25を含み、酸化物換算でV25>TeO2>P25(質量%)であることを特徴とする回路基板の製造方法。
  12. 請求項10において、前記酸化物がV25、TeO2、Ag2Oを含み、酸化物換算でV25+TeO2+Ag2O≧85質量%であることを特徴とする回路基板の製造方法。
  13. 請求項10において、前記導電性物質がAu、Ag、Al、Cu、Pt、Pd、Sn、Zn、Bi、Inの少なくとも一種であることを特徴とする回路基板の製造方法。
  14. 請求項10において、前記電磁波の波長が2000nm以下のレーザ又は0.1−1000mmのマイクロ波であることを特徴とする回路基板の製造方法。
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