(57)【要約】【課題】  絶縁基板の上下面の配線導体同士の導通のための金属導体にボイドが生じたり、金属導体と絶縁基板とが剥離したり、絶縁基板にクラックが生じたりするのを抑制することのできる導通信頼性の高い回路基板を提供すること。【解決手段】  絶縁基板１に形成したスルーホール２に金属導体４を埋め込み、金属導体４を介して絶縁基板１の上下面に形成した配線導体３同士を電気的に接続して成る回路基板において、金属導体４の上下面に凹部６を形成した。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板に形成したスルーホールに金属導体を埋め込み、該金属導体を介して前記絶縁基板の上下面に形成した配線導体同士を電気的に接続して成る回路基板において、前記金属導体の上下面に凹部を形成したことを特徴とする回路基板。
【請求項２】
前記凹部は、前記金属導体の深さ方向の中央部に向かうにともなって漸次内寸法が小さくなっていることを特徴とする請求項１記載の回路基板。
【請求項３】
前記スルーホールの縦断面形状を鼓状としたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の回路基板。
【請求項４】
前記絶縁基板をセラミックスで構成し、前記金属導体を、金属ペーストを焼成することにより形成したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の回路基板。
【請求項５】
前記上下の凹部に前記金属導体よりも電気抵抗率の小さい低抵抗金属を充填したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の回路基板。
【請求項６】
前記上下の凹部に前記金属導体よりも縦弾性係数の大きい高弾性金属を充填したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の回路基板。
【請求項７】
前記充填をめっきにより行うことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の回路基板。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の回路基板の上面に形成された前記配線導体に電子部品を搭載し、前記金属導体を介して前記回路基板の下面に形成された前記配線導体に電気的に接続して成ることを特徴とする電子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、上下面の配線導体を導通するための金属導体を有する回路基板およびその回路基板を備えた電子装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の電子部品の著しい小型化、高密度実装化に伴い、電子部品がマウントされる回路基板も高性能化が望まれている。その方法としては、パターン状の回路導体を微細化してサイズを縮小する方法、或いは、回路導体を３次元的に多層化する方法等が採用されている。
【０００３】
回路導体を３次元的に多層化する方法としては、絶縁基板が金属導体によって上下面が電気的に接続された回路基板を複数積層する方法が採用され、各層間での所望の導通を確保することによって小型化、高集積化等に対応すべく回路設計が行われている。
【０００４】
このような３次元高密度配線を有する回路基板は、加工性が良好な樹脂製の基板を用いたプリント配線基板の分野では広く実用化されているが、絶縁特性や放熱特性に優れるセラミック基板（アルミナ質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、炭化ケイ素質焼結体等）においても需要が高まっている。このようなセラミック基板を用いた上記多層回路基板の製造方法に用いられる回路基板の製造方法としては、所謂コファイア法とポストファイア法が知られている。
【０００５】
コファイア法とは、セラミックグリーンシート（以下、グリーンシートともいう）と呼ばれる焼結前のセラミック前駆体にスルーホールを穿孔した後にこのスルーホールに金属粉末を有機バインダー中に分散させたペースト状の物質（以下、金属ペーストともいう）を充填し、ついで脱脂，焼成する方法である。
【０００６】
一方ポストファイア法とは、スルーホールが形成されたセラミック焼結体に金属ペーストを充填して再焼成する方法であり、汎用的な方法としては、グリーンシートを穿孔し、脱脂，焼成した後、セラミック焼結体に直接ドリルを用いて加工し、エッチング法や銅めっき法を用いて金属導体を形成する方法である。
【０００７】
いずれの方法においても、絶縁基板前駆体又は絶縁基板に穿孔した後、上下面の導通のための金属導体を形成する方法である。
【０００８】
ポストファイア法においては、焼成後の絶縁基板にスルーホールを形成するため、スルーホールの寸法や、位置精度を高く形成できる反面、スルーホールにめっき法等で金属導体を充填した場合の絶縁基板と金属導体の接合信頼性や、スルーホール内にボイドが残留し、装置の長期信頼性を低下させる問題を発生させやすい傾向があった。
【０００９】
それらの問題の対策を行なったポストファイア法も検討されている。例えば、下記の特許文献１には、絶縁基板に最狭部を有するスルーホールを形成し、この最狭部に電流密度を集中させてめっき成長を促進し、この最狭部からスルーホールを閉塞してゆくことによって、ボイドが生じるのを防止するというものである。
【特許文献１】特開2004−311919号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１に述べられているようなポストファイア法によれば、スルーホール中のボイドを発生させずに金属導体を形成することはできるものの、開口径が小さい場合は問題無いが、スルーホールの開口部の開口径が大きくなったり、スルーホールの形成密度を高めた場合、絶縁基板と金属導体の熱膨張係数の差によって、絶縁基板に加わる応力が大きくなるため、絶縁基板にクラックが発生したり、絶縁基板と金属導体とが剥離したりしやすくなる傾向があり、絶縁基板との接続信頼性が低下したり、基板の表面の素子で発生した熱を効果的に裏面に伝えることができないという問題点があった。
【００１１】
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、絶縁基板の上下面の配線導体同士の導通のための金属導体にボイドが生じたり、金属導体と絶縁基板とが剥離したり、絶縁基板にクラックが生じたりするのを抑制することのできる導通信頼性の高い回路基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の回路基板は、絶縁基板に形成したスルーホールに金属導体を埋め込み、該金属導体を介して前記絶縁基板の上下面に形成した配線導体同士を電気的に接続して成る回路基板において、前記金属導体の上下面に凹部を形成したことを特徴とする。
【００１３】
本発明の回路基板において、好ましくは、前記凹部は前記金属導体の深さ方向の中央部に向かうにともなって漸次内寸法が小さくなっていることを特徴とする。
【００１４】
本発明の回路基板において、好ましくは、前記スルーホールの縦断面形状を鼓状としたことを特徴とする。
【００１５】
本発明の回路基板において、好ましくは、前記絶縁基板をセラミックスで構成し、前記金属導体を、金属ペーストを焼成することにより形成したことを特徴とする。
【００１６】
本発明の回路基板において、好ましくは、前記上下の凹部に前記金属導体よりも電気抵抗率の小さい低抵抗金属を充填したことを特徴とする。
【００１７】
本発明の回路基板において、好ましくは、前記上下の凹部に前記金属導体よりも縦弾性係数の大きい高弾性金属を充填したことを特徴とする。
【００１８】
本発明の回路基板において、好ましくは、前記充填をめっきにより行うことを特徴とする。
【００１９】
本発明の電子装置は、本発明の回路基板の上面に形成された前記配線導体に電子部品を搭載し、前記金属導体を介して前記回路基板の下面に形成された前記配線導体に電気的に接続して成ることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の回路基板によれば、金属導体の上下面に凹部を形成したことから、スルーホールに埋め込んだ金属導体と絶縁基板の熱膨張係数の違いによる応力が集中するスルーホールの開口部分を凹部によって応力を小さくすることができるために、スルーホールを形成した絶縁基板にクラック等が発生するのを有効に抑制し、また、中央部では金属導体が充填されているので、電気的接続性や熱伝導性、気密性に優れた回路基板となる。
【００２１】
また、金属導体中に混入した気泡は凹部から良好に排出でき、金属導体中にボイドが生じるのを有効に防止できる。
【００２２】
本発明の回路基板によれば、スルーホールの縦断面形状を鼓状としたことから、基板の中央部に充填部分を容易に形成することができる。
【００２３】
また、金属導体の絶縁基板に対して垂直な方向への熱膨張を鼓状のスルーホール内壁で効果的に抑制でき、金属導体と絶縁基板との間に剥離が発生したり、絶縁基板にクラックが生じるのをより有効に抑制できる。
【００２４】
本発明の回路基板によれば、絶縁基板をセラミックスで構成し、金属導体を、金属ペーストを焼成することにより形成したことから、絶縁基板に金属導体を強固に接合して導通信頼性をより高めることができる。また、金属導体の凹部に低抵抗金属を充填する場合、低抵抗金属と絶縁基板との熱膨張係数差による応力を金属導体でより効果的に抑制することができる。
【００２５】
本発明の回路基板によれば、上下の凹部に金属導体よりも電気抵抗率の小さい低抵抗金属を充填したことから、低抵抗金属で電気特性を向上できる。
【００２６】
また、金属導体がスルーホールの深さ方向の中央部を閉塞しているので、低抵抗金属と金属導体との熱膨張係数の違いによる絶縁基板に対して垂直な方向への応力を効果的に抑えるので、金属導体と絶縁基板との間に剥離が発生したり、絶縁基板にクラックが生じるのを有効に抑制した導通信頼性の高い回路基板を提供できる。
【００２７】
本発明の回路基板によれば、上下の凹部に金属導体よりも縦弾性係数の大きい高弾性金属を充填したことから、凹部に充填された金属と絶縁基板との熱膨張係数の違いによるスルーホールの水平方向への応力を凹部に充填された金属より縦弾性率が小さい金属導体が緩衝材となり抑えることができる。
【００２８】
本発明の回路基板によれば、充填をめっきにより行うことから、凹部内の金属を緻密に形成して電気抵抗を小さくでき、電気特性を向上できる。
【００２９】
本発明の電子装置によれば、上記本発明の回路基板の特徴を有する、動作信頼性の高い電子装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明の回路基板を図１に基づいて詳細に説明する。
【００３１】
図１は、本発明の回路基板の実施の形態の例を示す縦断面図である。また、図２は、本発明の回路基板の実施の形態の他の例を示す縦断面図である。これらの図において１は絶縁基板、２はスルーホール、３は配線導体、４は金属導体、５は金属、６は凹部を示す。なお、回路基板の縦断面とは、絶縁基板１の厚み方向、すなわち絶縁基板１の主面に垂直な方向に回路基板を切断したときの断面をいう。本実施の形態による回路基板では、絶縁基板１の主面に垂直な方向とスルーホール２の軸方向が一致しているため、図１に示されたスルーホールの断面は、スルーホールをその軸方向に切断したときの断面、すなわちスルーホールの縦断面を示している。
【００３２】
絶縁基板１は、酸化アルミニウム（アルミナ：Ａｌ２Ｏ３）質焼結体，窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質焼結体等のセラミック絶縁材料等から成り、絶縁基板１が例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、先ずアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）やシリカ（ＳｉＯ２），カルシア（ＣａＯ），マグネシア（ＭｇＯ）等の原料粉末に適当な有機溶剤，溶媒を添加混合して泥漿状と成し、これを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等によりシート状に成形してセラミックグリーンシート（以下、グリーンシートともいう）を得る。その後、グリーンシートを所定形状に打ち抜き加工するとともに必要に応じて複数枚積層し、これを約１６００℃の温度で焼成することにより製作される。また、その後、必要に応じて絶縁基板１の主面に研磨加工を施す場合もある。
【００３３】
なお、絶縁基板１の材料として、特に酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体を用いた場合には、これらの材料の熱伝導率が40Ｗ／ｍ・Ｋ以上と高いため、高放熱性という観点から、ＬＤ（レーザダイオード），ＬＥＤ（Light Emitting Diode），高速ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の発熱量の大きい各種半導体素子を搭載する回路基板に好適に使用することができる。
【００３４】
スルーホール２は、例えば、絶縁基板１を貫通するように従来周知のレーザー加工や、フォトリソグラフィ法を用いたブラスト法等により穿孔される。なお、レーザー加工やブラスト法の条件を調整することにより、ほぼストレートの断面のスルーホール２や鼓状、すり鉢状等の各種の断面形状のスルーホール２とすることができる。
【００３５】
スルーホール２の穴径は２０〜１００ｕｍとすることが好ましい。２０μｍ未満の場合は、熱や電気の抵抗値が大きくなる傾向があり、１００μを超える場合は、絶縁基板１にクラックが発生しやすくなる傾向がある。
【００３６】
また、金属導体４は、銀，パラジウム，白金，金，チタン，ジルコニウム，ハフニウム，クロム，アルミニウム，モリブデン，タングステン，銅およびニッケル−クロム合金等の金属で形成することができ、好ましくは、絶縁基板１がセラミックスから成り、金属導体４を、金属ペーストを焼成して成るものとするのがよい。これにより、絶縁基板１に金属導体を強固に接合して導通信頼性をより高めることができる。また、金属導体４の凹部６に金属５を充填して、充填された金属５の電気抵抗率を金属導体４よりも小さくする場合、凹部６内の金属５と絶縁基板１との熱膨張係数差による応力を金属導体４でより効果的に抑制することができる。
【００３７】
ここで、凹部に充填された金属５の電気抵抗率を金属導体４よりも小さくするとは、金属５の物性的な電気抵抗率が金属導体４と等しくても、その金属導体４より大きくても、金属５が凹部６に充填された場合に、結果的に凹部６に充填された金属５の電気抵抗率が金属導体４より小さければよい。これは、金属導体４を形成した方法と別の方法で金属５を凹部６に充填させることにより実現できる。例えば、金属導体４の主成分が銀であり、金属５が銀よりもやや電気抵抗率の大きい銅である場合、金属導体４をメタライズ法により形成する一方、凹部６に金属５をめっきにより充填すると、凹部６に充填された金属５の電気抵抗率を金属導体４の電気抵抗率よりも小さくすることができる。なお、金属５の物性としての電気抵抗率が金属導体４より小さい場合には、凹部６に充填された金属５の電気抵抗率をより確実に金属導体４より小さくすることができる。
【００３８】
なお、金属導体４となる金属ペーストは焼成後のセラミックスから成る絶縁基板１に塗布して焼成してもよく、焼成前のセラミックス前駆体の状態の絶縁基板１に塗布してセラミックス前駆体と同時に焼成してもよい。好ましくは、焼成後のセラミックスから成る絶縁基板１に金属ペーストを塗布してこれを焼成するのがよい。これにより、絶縁基板１の焼成による収縮によって位置ずれが生じるのを抑制でき、非常に位置精度の高い回路基板を形成できる。また、金属ペースト中に混入した気泡は金属導体４の凹部６を介して良好に排出され、金属導体４中にボイドが生じるのを有効に防止できる。
【００３９】
焼成後のセラミックスから成る絶縁基板１に金属ペーストを塗布してこれを焼成する場合、使用する金属ペーストは、例えば銀粉末と銅粉末または銀−銅合金粉末から成るろう材粉末と、チタン、ジルコニウム、ハフニウムおよびこれらの水素化物の少なくとも１種から成る活性金属材を金属成分全体に対し例えば２〜５質量％含有させ、適当な有機溶剤、溶媒を添加混合し、混練することによって活性金属ろう材ペーストを製作することにより作製できる。
【００４０】
また、焼成前のセラミックス前駆体の状態の絶縁基板１に塗布してセラミックス前駆体と同時に焼成する場合、例えば銀粉末に対し、高融点ガラス粉末を金属成分全体に対し例えば２〜１０質量％含有させ、適当な有機溶剤、溶媒を添加混合し、混練することによって厚膜金属ペーストを作製してもよい。
【００４１】
これらのペースト状の金属混合物をスクリーン印刷等で、セラミックス（焼成後のセラミックスやセラミックス前駆体）等に被着し、焼成することによって金属層を形成する方法を一般にメタライズ法という。
【００４２】
接続金属層４は、例えば活性金属ろう材ペーストなどの金属ペーストをスクリーン印刷等でスルーホール２に埋め込み、それを適当な乾燥温度、例えば１２０℃で乾燥することにより、スルーホール２内壁面に形成すると同時にスルーホール２を塞ぐことができる。その後、約８００℃で焼成することで、接続金属層４を形成する。
【００４３】
この際、金属ペーストに有機成分を含ませておくことにより、金属ペーストの焼成時に有機成分が除去され、体積が収縮することとなり、金属導体４がスルーホール２の内面および絶縁基板１の厚み方向の中央部を充填するように形成され、金属導体４の上下面に凹部６を形成することができる。このような凹部６の大きさは金属ペーストに含有する有機成分（バインダーとしての樹脂や溶剤、界面活性剤など）を調整することにより、所望のものとすることができる。
【００４４】
ここで、活性金属ろう材ペーストなどの金属ペーストに含有する有機樹脂の体積を、含有する金属粉末の体積より多くすると、乾燥、焼成時に樹脂が分解して大幅に体積が収縮するので、より薄い金属導体層４厚みでスルーホールを形成でき、絶縁基板１と金属導体４との熱膨張係数差による応力をより効果的に防ぐことができるようになる。
【００４５】
このような金属ペーストとしては、例えば、バインダーとしての樹脂の体積を樹脂と金属粉末の合計体積に対して５０〜７５％とするのが良い（なお、金属粉末の体積はバルクで換算した場合の体積とする）。５０％未満の場合は、厚みが０．２ｍｍ以下程度の薄い絶縁基板１に形成したスルーホール２に金属ペーストを埋め込んだ場合に絶縁基板１に加わる応力が大きくなりやすい傾向があり、７５％を超えた場合は、金属導体４が薄くなりすぎ、抵抗値が大きくなる傾向がある。
【００４６】
なお、接続金属層４は、スルーホール２内壁に予めスパッタリング法および蒸着法によりチタン，クロム，アルミニウム，モリブデン，タングステン，銅およびニッケル−クロム合金のうちの少なくとも１種から成る金属を成膜しておき、それから金属ろう材ペーストを埋め込んでも良い。
【００４７】
金属導体４のスルーホール内壁面の厚みは１〜５０μｍが良い。１μｍ未満の場合は内壁面との密着性が低下しやすくなり、５０μｍを上回る場合は、ボイドが発生しやすくなり、電気特性、熱伝導特性が低下しやすくなる。
【００４８】
なお、図１に示された回路基板では、金属導体４の上下面に形成された凹部６は、金属導体４の深さ方向の中央部に向かうにともなって漸次内寸法が小さくなっているが、凹部６の形状はこれに限らない。金属導体４と絶縁基板１との熱膨張係数の違いによる応力が集中する空間を避けて金属導体４を形成すればよく、凹部６の形状は任意であってよい。また、どんな形状の凹部６であっても、金属導体４中に混入した気泡を排出することは可能である。
【００４９】
また、金属５は、例えば電解めっき法により金属導体４の上下の凹部６内に充填される。金属５は、銅や銀、チタン、およびこれらの合金等の金属導体４よりも電気抵抗率の小さいものから成ることが好ましい。凹部６に充填された金属５は、スルーホール２の内側の導体の電気抵抗を小さくして電気特性を向上させるとともに、熱伝導性を良好にして、回路基板に搭載された電子素子で発生した熱をスルーホール２の内側の導体を介して回路基板の下面から外部へ良好に熱伝導させる機能を有する。好ましくは、金属５は、銅を９０％以上含む銅合金から成るのがよく、この場合、縦弾性係数が一般的に銀系の接続金属層４より大きく、また電気伝導性、耐マイグレーション性を考慮すると最も良い。よって、金属５を銅めっきにより凹部６内に充填することで、スルーホール内部の導体の電気抵抗が小さく、耐マイグレーション性も良く、更には熱放散性の良い回路基板を得ることができる。
【００５０】
本発明の回路基板では、金属導体４の縦弾性係数を、凹部６に充填された金属５の縦弾性係数よりも小さくするのが好ましい。これにより、凹部６に充填された金属５と絶縁基板１との熱膨張係数の違いによるスルーホール２の水平方向への応力を凹部６に充填された金属５より縦弾性率が小さい金属導体４が緩衝材となり抑えることができる。ここで、凹部６に充填された金属５より縦弾性係数の小さい金属導体４とは、金属導体４を構成している金属の物性としての縦弾性係数がたとえ金属５より大きい場合でも、その金属が金属導体４となり、かつ金属５が凹部６に充填された場合に、金属導体４中に多数の微小な空隙があることにより、結果的に金属導体４を形成している状態の縦弾性係数が凹部６に充填された金属５より小さければよい。なお、金属導体４より縦弾性係数が大きい金属５を凹部６に充填した場合には、凹部６に充填された金属５の縦弾性係数をより確実に金属導体４より大きくすることができる。
【００５１】
また、金属導体４がスルーホール２の深さ方向の中央部を閉塞しているので、凹部６に充填された金属５と金属導体４との熱膨張係数の違いによる絶縁基板１に対して垂直な方向への応力を効果的に抑えるので、金属導体４と絶縁基板１との間に剥離が発生したり、絶縁基板１にクラックが生じるのを有効に抑制した導通信頼性の高い回路基板を提供できる。
【００５２】
なお、金属導体４および凹部６に充填された金属５の縦弾性係数は、例えばナノインデンテーション法により測定することができる。ナノインデンテーション法とは、測定試料に対して例えばダイヤモンド製の圧子をある荷重まで押し込んだ後、その圧子を取り除くまでの荷重と変位との関係から、硬さやヤング率（縦弾性係数）を求める方法である。このナノインデンテーション法を用いて凹部６に充填された金属５の縦弾性係数を測定する場合、絶縁基板１をその主面に垂直な方向に切断する等して凹部６内の金属５を露出させ、その露出した金属５に圧子を押し込めばよい。また、金属導体４の縦弾性係数を測定する場合も、絶縁基板１を主面に平行な方向に切断する等して金属導体４を露出させ、その露出した金属導体４に圧子を押し込めばよい。
【００５３】
また、上記絶縁基板１の両主面を研磨した後、絶縁基板１の上下面に従来周知の薄膜形成技術により形成された配線導体３が前記スルーホール２内に埋め込まれた金属導体４や金属５により電気的に接続される。
【００５４】
なお、上述した回路基板の上面に形成された配線導体３に電子部品を搭載し、金属導体４を介して回路基板の下面に形成された配線導体３に電気的に接続して成る電子装置は、非常に動作信頼性の高い電子装置となる。
【００５５】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行うことは何等差し支えない。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の回路基板の実施の形態の一例を示す縦断面図である。
【図２】本発明の回路基板の実施の形態の他の例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００５７】
１  ：絶縁基板
２  ：スルーホール
３  ：配線導体
４  ：金属導体
５  ：金属
【図１】
2006310779.tif 000003
【図２】
2006310779.tif 000004