JP4089671B2 - 回路形成基板の製造方法および回路形成基板 - Google Patents

Description

本発明は、各種電子機器に利用される回路形成基板の製造方法および回路形成基板に関する。

近年の電子機器の小型化・高密度化に伴って、電子部品を搭載する回路形成基板も従来の片面基板から両面、多層基板の採用が進み、より多くの回路および部品を基板上に集積可能な高密度基板が開発されている（たとえば、日刊工業新聞社発行の「表面実装技術」１９９７年１月号、高木清著；“目覚ましいビルドアップ多層ＰＷＢの開発動向”）。

従来例について図を用いて以下に説明する。

図３（Ａ）に示す基板材料１は回路形成基板に用いられる補強材としてのガラス繊維織布に熱硬化性のエポキシ樹脂等を含浸しＢステージ状態としたいわゆるプリプレグである。基板材料１には熱ロール等を用いたラミネート法によりフィルム２を両面に張り付ける。

次に、図３（Ｂ）に示すようにレーザ等の加工法により基板材料１にビア穴３を形成した後に銅粉等の導電性粒子と熱硬化性樹脂、硬化剤、溶剤などを混練しペースト状にした導電性ペースト４を充填して図３（Ｃ）に示す構成を得る。

その後にフィルム２を剥離することで図３（Ｄ）に示すような導電性ペースト４が突出した形状を得て、その両側に銅箔５を配置して熱プレス装置（図示せず）によって加熱加圧することで図３（Ｅ）に示すように基板材料１は熱硬化し、導電性ペースト４は圧縮されて表裏の銅箔５が電気的に接続される。その際に、基板材料１中の含浸されたエポキシ樹脂は流動し外側に流出し流れ出し部６を形成する。

その後に端部の余分な部分を切り落として図３（Ｆ）のような形状とし、さらにエッチングなどの方法で銅箔５を所望のパターンに加工して回路７とし、図３（Ｇ）に示すような両面の回路形成基板を得る。
高木清、"目覚ましいビルドアップ多層ＰＷＢの開発動向"、「表面実装技術」１月号、日刊工業新聞社、１９９７年

しかしながら、上記のような回路形成基板の製造法では、導電性ペーストによる回路形成基板の表裏の回路、また、多層回路形成基板の場合には表層と内層の回路についての電気的接続が不安定なものになる場合がある。

その原因を調べるため、発明者が実験試作あるいは製作した回路形成基板の解析を実施した結果、上記の接続不良の原因は接続図３（Ｅ）に示すような導電性ペースト４中の導電性粒子がビア穴３の穴径から外部に流れ出す流出粒子８の発生等によることを確認した。

すなわち、理想的な電気的接続の実現には導電性ペースト４は図中上下方向に圧縮され、効率的に導電性ペースト中の導電性粒子同士が強固に接触し、銅箔５とも強固に接触する必要がある。

しかしながら、図３（Ｄ）から３（Ｅ）に至る工程中で流れ出し部６が形成されることでも解るように、基板材料１中の熱硬化性樹脂は加熱圧縮時に外側の開放端に向かって流動する。その際に、流動した熱硬化性樹脂により導電性ペースト４中の導電性粒子が図中の横方向に押し流される現象を起こす。その結果、効率的な導電性ペースト４の圧縮が行われず、導電性ペースト４による電気的接続は不安定なものとなってしまう。

以上の説明では、ガラス織布と熱硬化性樹脂を用いた基板材料の場合を述べたが、ガラス以外の無機繊維あるいはアラミド等の有機繊維や、織布以外の不織布の補強材を用いた場合でも同様の接続不良現象は確認できた。

特に、織布を用いた場合には織布を用いた構成による流動抵抗の小ささにより、上述した熱硬化性樹脂の流動は顕著なものとなり、導電性ペーストによる電気的接続の実現は困難であった。

発明者は、種々の実験を繰り返し実施し、電気的接続の不十分なビア穴部周辺を解析した結果、図３（Ｅ）に示すような流出粒子８は基板材料１の表面側に多く観察されることを見いだした。さらに、その発生原因を考察し次に述べるような結論を得た。

基板材料としてガラス繊維織布を用いたプリプレグを使用する場合において、基板材料は図４に示すような断面形状を有する。すなわち、基板材料１はガラス繊維織布９にワニス状のエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸樹脂１０として含浸し、所望の厚みになるようロール等で含浸樹脂１０の厚みを調節した後に、乾燥してＢステージ化する工程により製造する。

従って、初期のガラス繊維織布９の厚みに対して、その表面に形成された含浸樹脂１０の層の厚みが加わったものが基板材料１の厚みとなる。表面に形成された含浸樹脂１０の層は前述した回路形成基板の製造工程中の熱プレス工程において激しく流動する。そのため基板材料１の表面付近に流出粒子８が多く発生する結果、導電ペースト４による層間の接続が不十分なものとなる。

通常のプリプレグを基板材料として用いた回路形成基板では熱プレスによりプリプレグを完全硬化させ、すなわちＣステージ化した後にドリル等を用いて穴加工を実施し、銅等の金属をめっきすることで層間の接続をとるので上記したような問題は発生しない。

近年、高密度回路形成基板では導電性物質すなわち導電性ペースト等をＢステージ状態の基板材料中に形成したビア穴に充填して層間接続手段とするという工法が開発され、そのような工法にて回路形成基板を製造する際に上記のような問題が顕在化してきた。

回路形成基板としては、層間の絶縁層には種々の厚みが設計上要求されるが、プリプレグに使用する補強材の厚みの種類は限られており、図４で示した含浸樹脂１０の層の厚みが比較的厚い基板材料も多く用いられているのが現状である。

以上述べたような従来の問題点を発明者は多くの実験結果および試作サンプルの解析等から基板材料の表面付近すなわち補強材の上下に存在する含浸樹脂が主体となる部分の厚さと、含浸樹脂が補強材と一体となっている基板材料の中心部分の厚さとを適切な比率に保つことが重要であることを見い出した。すなわち前記比率が不適切な場合に基板材料の表面付近において導電性粒子等の層間接続手段が熱プレス等の工程時に基板材料成分の流動等により流出してしまう現象が起こる。

本発明の回路形成基板の製造方法においては、Ｂステージ状態基板材料が補強材としての織布もしくは不織布あるいは織布と不織布の混成材料を含み、熱プレス工程において成型後の前記Ｂステージ状態基板材料の厚みが前記補強材厚み以上かつ前記補強材厚みの１．５倍以下である等の構成を採用したものである。

この本発明により、導電性ペースト等の層間接続手段による電気的接続の発現が効率的に行える。

また、本発明の回路形成基板の製造用材料においては、補強材の基板材料中の重量比が３０％以上かつ６０％以下である構成とする。

この本発明によれば、導電性ペースト等の層間接続手段による電気的接続の発現が効率的に行えるものである。

以上の結果として、導電性ペースト等を用いた層間の電気的接続の信頼性が大幅に向上し、高密度で品質の優れた回路形成基板を提供できるものである。

以上述べたように本発明の回路形成基板の製造方法および回路形成基板においては、層間接続手段の存在する層の基板材料の厚みが前記補強材厚み以上かつ前記補強材厚みの１．５倍以下とする等の構成としたものであり、導電性ペースト等の層間接続手段による電気的接続の発現が効率的に行えるものである。

特に、基板材料としてのプリプレグの補強材にガラス等の繊維を用いた織布を用いた場合には、織布の持つ寸法安定性および、銅箔等の引き剥がし強度が強い等の利点を生かしながら、層間の接続を安定化できるという格別の効果を発揮するものである。

また、本発明の回路形成基板の製造用材料においては、補強材の基板材料中の重量比が３０％以上かつ６０％以下もしくは補強材の厚みが基板材料厚みの５０％以上かつ９０％以下に設定する等の構成とすることで、導電性ペースト等の層間接続手段による電気的接続の発現が効率的に行える。

以上の結果として、導電性ペースト等を用いた層間の電気的接続の信頼性が大幅に向上し、高密度で品質の優れた回路形成基板を提供できる。

本発明の請求項１に記載の発明は、
（１）金属箔、もしくは支持体に張り付けられた金属箔、もしくは支持体に張り付けられ回路パターンを形成された金属箔
（２）層間接続手段を設けたＢステージ状態の基板材料
（３）回路もしくは金属箔と層間接続手段を備えたＢステージ状態の基板材料
（４）回路もしくは金属箔を備えたＣステージ状態基板材料もしくは回路もしくは金属箔と層間接続手段を備えたＣステージ状態基板材料
のうち、
少なくとも１種以上の層間接続手段を設けたＢステージ状態の基板材料を含んだ２種以上の金属箔もしくは基板材料を積層物として積層する積層工程と、
前記積層物を加熱・加圧により成型する熱プレス工程と、
前記熱プレス工程の際に基板材料中から流動した熱硬化性樹脂の流れ出し部を含む積層物周辺を切断する工程とを備え、
前記Ｂステージ状態の基板材料は、厚みＴ１のガラス繊維織布の補強材と前記補強材に含浸された熱硬化性樹脂とで構成され、
前記Ｂステージ状態の基板材料中の前記補強材の割合は重量比で３０％以上かつ６０％以下であり、
前記補強材の厚みＴ１は前記Ｂステージ状態基板材料の厚みの５０％から９０％になるよう調整され、
前記Ｂステージ状態の基板材料は、前記熱プレス工程を経て前記基板材料中の熱硬化性樹脂が流動し流れ出し部を形成することにより厚みＴ２の基板材料に圧縮されて成型されるものであって、
前記熱プレス工程は、厚みＴ１、Ｔ２の比率Ｔ２／Ｔ１が１．１７以上かつ１．３１以下を満たす加熱・加圧条件で行うものであり、
前記Ｂステージ状態の基板材料に設けられた層間接続手段はビア穴に充填された導電性粒子と樹脂成分を主体とする導電性ペーストで構成され、
前記導電性ペーストは前記熱プレス工程にて前記基板材料の厚み方向に圧縮されることを特徴とする回路形成基板の製造方法としたものであり、熱プレス工程の際に基板材料中から流動した熱硬化性樹脂の流れ出し部が形成されることにより、熱プレス工程で厚みＴ１の補強材と熱硬化性樹脂で構成された基板材料を、熱プレス工程後に厚みＴ２の基板材料に効率的に圧縮し成型することができる。これにより導電性物質等にて構成された層間接続手段は、低抵抗の層間接続を実現できるという効果を有する。
また、補強材の重量は基板材料の重量の３０％以上かつ６０％以下とすることにより、熱プレス工程での基板材料の流動が制御でき、層間接続手段の形成が安定する等の効果を有する。

また、補強材にガラス繊維織布を用いた場合には、織布の持つ寸法安定性および、銅箔等の引き剥がし強度が強い等の利点を生かしながら、層間の接続を安定化できるという格別の効果を発揮するものである。

また、層間接続手段は貫通の穴に充填された導電性粒子と樹脂成分を主体とする導電性ペーストで構成されることにより、導電性物質の貫通の穴への充填作業が簡便に行えるとともに、形成される層間接続手段が可とう性を有するために、熱衝撃や機械的繰り返しストレスに対しての信頼性が向上する等の効果を有する。

以下、本発明の実施の形態について、図１、図２を用いて説明する。

（実施の形態１）
図１（Ａ）〜（Ｇ）は本発明の第１の実施の形態における回路形成基板の製造方法および回路形成基板の製造用材料を示す工程断面図である。

図１（Ａ）に示すように両面に厚み２０μｍのフィルム２を張り合わせた基板材料１を準備する。基板材料１はガラス繊維織布を補強材として用いたプリプレグである。補強材としてのガラス繊維織布の厚みを表現するには通常よく用いられる公称厚という数値を用いる。

フィルム２には厚み２０μｍのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を用いた。ＰＥＴフィルムにかえてエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂等をコーティングしてフィルム２として用いても良い。

次に、図１（Ｂ）に示すように炭酸ガスレーザを用いて約２００μｍ径のビア穴３を加工した。

次に、スクリーン印刷等の方法で、図１（Ｃ）に示すように導電性ペースト４をビア穴３に充填した。導電性ペースト４は、直径約５μｍの銅粉を熱硬化性樹脂及び硬化剤とともに混練したものである。粘度調整等の目的で導電性ペースト４に溶剤などを添加することも可能である。

次に、図１（Ｄ）に示すように基板材料１の両面のフィルム２を剥離して、フィルム２の厚みに相当して導電性ペースト４が突出した基板材料１を得たのち、両面に銅箔５を配置する。

次に、基板厚み方向に加熱加圧する熱プレス工程を経ることで図１（Ｅ）に示すような形状を得る。その際に基板材料１中の熱硬化性樹脂は流動し流れ出し部６となる。

次に、図１（Ｆ）に示すように基板材料１の周辺部を所望のサイズに切断した後に銅箔５をエッチング等の方法でパターン形成して回路７を形成し、図１（Ｇ）に示すような両面回路形成基板を得た。

以上のような工程にて回路形成基板を製造した場合に、従来例で述べたような導電性ペースト４の導電性粒子が流れる等の現象で導電性ペースト４による電気的接続が不十分となる課題を解決するために、発明者は様々な基板材料および熱プレス工程条件の検討を実施した。

通常のプリント配線板用の平織ガラス繊維織布で厚みが６０，８０，１００μｍの３種の補強材を用い、補強材に含浸する熱硬化性樹脂の量を重量比で樹脂量として表している。含浸した熱硬化性樹脂は乾燥機にてＢステージ化してプリプレグを製造している。熱プレス後の基板厚みを測定し、ガラス織布厚みとの比を算出した。

さらに作成した両面基板に約２００μｍ径のビア穴で層間接続部が５００個直列に接続されるようなテストパターンを配置して、その回路電気抵抗を測定して１カ所あたりの表裏の接続抵抗値、すなわち両面基板の表裏を接続する層間接続部１ヶ所の電気抵抗値の平均を算出してビア抵抗値とした。

以上の結果をまとめて（表１）に示す。

（表１）の結果からもわかるように基板材料１中の補強材、すなわち実施の形態１では基板材料１の熱プレス後の厚み（Ｔ２）がガラス繊維織布の厚み（Ｔ１）の１．５倍以下の場合にビア抵抗値が安定することがわかる。

また、実験番号１のサンプルはビア抵抗値は低いものの、銅箔５を基板材料１から引き剥がすピール強度が通常より低下しており、ピール強度を要求する用途に用いる場合には樹脂量を６６％から増量し、６７％〜６８％にすることが望ましい。

また、実験番号２のサンプルを高温高湿下での保存信頼性試験を行うとビア抵抗値の上昇が見られた。

上記実験の結果から、ビア抵抗を１０ｍΩ以下に形成することが総合的に好ましいことが分かった。従って、熱プレス後の基板厚みを測定し、Ｔ２／Ｔ１の比を１．５以下にすることが良好であるとの結論を得た。

より良好な電気的接続を得るには図１（Ｅ）の状態での基板材料１のプレス後厚みは薄くするほど有効であるが、一方で、先述のピール強度の問題および熱プレス工程での成型性および、後述する多層回路形成基板を製造する際の内層回路形成基板の回路凹凸を埋め込む必要性等の理由により、少なくとも補強材厚み以上のプレス後厚みが必要であることを実験の結果として得た。

さらに前記プレス後厚み（Ｔ２）を薄くしすぎた際の問題点として、補強材中の繊維が銅箔と接触し銅マイグレーション等の問題を起こしやすいことも試験サンプルの信頼性試験等の結果により確認した。

また、上記の基板材料のプレス後厚み（Ｔ２）を達成する手段として、基板材料中の補強材の割合を重量比で３０％以上かつ６０％以下にすること、および図１（Ａ）の状態での基板材料１の厚みを補強材厚みの２倍から１．１倍の間に設定すること、すなわち補強材厚みが基板材料１厚みの５０％から９０％になるよう調整することが有効であることも実験の結果として確認した。

（実施の形態２）
実施の形態１では両面回路形成基板について説明したが、実施の形態２では、図２に示すように多層回路形成基板を製造する場合について説明する。

まず、図２（Ａ）に示すような両面回路形成基板１１を用意し、図２（Ｂ）に示すように導電性ペースト４を充填した基板材料１および銅箔５を両面回路形成基板１１の表裏に位置合わせして配置する。この状態で熱プレス装置等で加熱加圧することで基板材料１を成型および硬化させ図２（Ｃ）のような形状を得る。その際、流動した基板材料１の成分により流れ出し部６が形成される。

次に、周辺の余分な部分を切断して図２（Ｄ）のような形状を得た後に、銅箔５をエッチング等の方法でパターン形成して回路７を形成し、図２（Ｅ）に示すような４層回路形成基板を得た。

このような多層回路形成基板の製造においても、本発明の回路形成基板の製造方法および製造用材料を適用することで、層間の電気的接続が良好に形成できた。

なお、本実施の形態で用いた両面回路形成基板１１は実施の形態１で説明したものでもよいが、通常のめっき法等で層間の接続を形成した基板を用いることも可能であり、また図２（Ｂ）に示す段階で両面回路形成基板１１に基板材料１が仮圧着されたような構成も採用できる。

その製造法の例を説明する。図２（Ａ）に示す回路形成基板の両面にラミネート法等を用いて図１（Ａ）〜（Ｇ）で示したようにフィルム２、基板材料１、回路形成基板７、基板材料１、フィルム２の順番になるように貼り合わせする。次に、レーザー加工によりビア穴３を加工した後に導電性ペースト４をビア穴３に充填し、その後、フィルム２をはがし、さらにその後、銅箔５を外側に配置して熱プレスするという製造方法が可能である。

以上述べた実施の形態１から２で基板材料すなわちプリプレグとして説明した材料の例としては、通常のガラス繊維織布あるいは不織布に熱硬化性樹脂を含浸しＢステージ化したものを用いることが可能で、ガラス繊維の代わりにアラミド等の有機繊維を採用することもできる。

また、織布と不織布を混成した材料、たとえば２枚のガラス繊維の間にガラス繊維不織布を挟み込んだような材料を補強材として用いることも可能である。

また、本発明の実施の形態で熱硬化性樹脂と記述した部分の熱硬化性樹脂の例としては、エポキシ系樹脂、エポキシ・メラミン系樹脂、不飽和ポリエステル系樹脂、フェノール系樹脂、ポリイミド系樹脂、シアネート系樹脂、シアン酸エステル系樹脂、ナフタレン系樹脂、ユリア系樹脂、アミノ系樹脂、アルキド系樹脂、ケイ素系樹脂、フラン系樹脂、ポリウレタン系樹脂、アミノアルキド系樹脂、アクリル系樹脂、フッ素系樹脂、ポリフェニレンエーテル系樹脂、シアネートエステル系樹脂等の単独、あるいは２種以上混合した熱硬化性樹脂組成物あるいは熱可塑性樹脂で変性された熱硬化性樹脂組成物を用いることができ、必要に応じて難燃剤や無機充填剤の添加も可能である。

また、銅箔の代わりに支持体に仮止めされた金属箔等からなる回路を用いることもできる。

また、層間接続手段として導電性ペーストを用いて説明したが、導電性ペーストとしては銅粉等の導電性粒子を硬化剤を含む熱硬化性樹脂に混練したもの以外に、導電性粒子と適当な粘度の高分子材料あるいは溶剤等を混練したもの等多種の組成が利用可能である。

さらに、導電性ペースト以外にめっき等により形成したポスト状の導電性突起や、ペースト化していない比較的大きな粒径の導電性粒子を単独で層間接続手段として用いることも可能である。

（Ａ）〜（Ｇ）は本発明の第１の実施の形態の回路形成基板の製造方法を示す工程断面図 （Ａ）〜（Ｅ）は本発明の第２の実施の形態の回路形成基板の製造方法を示す工程断面図 （Ａ）〜（Ｇ）は第１の従来例における回路形成基板の製造方法を示す工程断面図 第２の従来例における回路形成基板の製造用材料を示す断面模式図

符号の説明

１ 基板材料
２ フィルム
３ ビア穴
４ 導電性ペースト
５ 銅箔
６ 流れ出し部
７ 回路
８ 流出粒子
９ ガラス繊維織布
１０ 含浸樹脂
１１ 両面回路形成基板

Claims (1)

1. （１）金属箔、もしくは支持体に張り付けられた金属箔、もしくは支持体に張り付けられ回路パターンを形成された金属箔
   （２）層間接続手段を設けたＢステージ状態の基板材料
   （３）回路もしくは金属箔と層間接続手段を備えたＢステージ状態の基板材料
   （４）回路もしくは金属箔を備えたＣステージ状態基板材料もしくは回路もしくは金属箔と層間接続手段を備えたＣステージ状態基板材料
   のうち、
   少なくとも１種以上の層間接続手段を設けたＢステージ状態の基板材料を含んだ２種以上の金属箔もしくは基板材料を積層物として積層する積層工程と、
   前記積層物を加熱・加圧により成型する熱プレス工程と、
   前記熱プレス工程の際に基板材料中から流動した熱硬化性樹脂の流れ出し部を含む積層物周辺を切断する工程とを備え、
   前記Ｂステージ状態の基板材料は、厚みＴ１のガラス繊維織布の補強材と前記補強材に含浸された熱硬化性樹脂とで構成され、
   前記Ｂステージ状態の基板材料中の前記補強材の割合は重量比で３０％以上かつ６０％以下であり、
   前記補強材の厚みＴ１は前記Ｂステージ状態基板材料の厚みの５０％から９０％になるよう調整され、
   前記Ｂステージ状態の基板材料は、前記熱プレス工程を経て前記基板材料中の熱硬化性樹脂が流動し流れ出し部を形成することにより厚みＴ２の基板材料に圧縮されて成型されるものであって、
   前記熱プレス工程は、厚みＴ１、Ｔ２の比率Ｔ２／Ｔ１が１．１７以上かつ１．３１以下を満たす加熱・加圧条件で行うものであり、
   前記Ｂステージ状態の基板材料に設けられた層間接続手段はビア穴に充填された導電性粒子と樹脂成分を主体とする導電性ペーストで構成され、
   前記導電性ペーストは前記熱プレス工程にて前記基板材料の厚み方向に圧縮されることを特徴とする回路形成基板の製造方法。

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