(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱可塑性樹脂を含む第１の樹脂層とこの第１の樹脂層の両面に設けられた熱硬化性樹脂を含む第２の樹脂層からなる多層樹脂層と、
前記多層樹脂層の一方の主面に設けられた発熱素子と、
前記発熱素子とは異なる熱膨張係数を有し、前記多層樹脂層の他方の主面に設けられた基板とを具備し、
前記多層樹脂層は、前記基板と前記発熱素子とを電気的に接続する厚さ方向に貫通されたビアホール導体と、前記発熱素子の熱を前記基板に伝熱する厚さ方向に貫通されたサーマルビアとを有し、
前記多層樹脂層の第２の樹脂層の厚さは、前記第１の樹脂層の厚さの１／４０〜１／５であり、
前記多層樹脂層の層平面方向の５０℃〜１５０℃での熱膨張係数が、全体として３〜２５×１０−６／℃であり、かつ、厚さ方向の熱膨張係数が前記ビアホール導体または前記サーマルビアのうち少なくともいずれか一方の熱膨張係数以上である
ことを特徴とする複合基板。
【請求項２】
前記発熱素子は、半導体素子であることを特徴とする請求項１に記載の複合基板。
【請求項３】
前記多層樹脂層の第１の樹脂層の層平面方向の５０℃〜１５０℃での熱膨張係数が、−１０〜３０×１０−６／℃であり、かつ、厚さ方向の熱膨張係数が前記ビアホール導体または前記サーマルビアのうち少なくともいずれか一方の熱膨張係数以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の複合基板。
【請求項４】
前記多層樹脂層の第２の樹脂層の層平面方向及び厚さ方向の５０℃〜１５０℃での熱膨張係数が、１０〜６０×１０−６／℃であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の複合基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱膨張係数が互いに異なる複数の基板又は電気素子を積層してなる複合基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パーソナルコンピュター、デジタル家電などの電気製品分野などにおいて、製品の小型化、高機能化、高付加価値化が益々進んでいる。それに伴い異種材料の基板同士、または異種材料の電気素子同士を接合してなる複合基板が実用化されている。しかし、このような複合基板は、熱膨張係数が互いに異なるため、異種材料界面に応力が集中して層間剥離、反り、クラック等が発生し易い。
【０００３】
そこで、異種材料層間に合成樹脂で構成された中間層を挟み、熱プレスで積層一体化した構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
しかしながら、中間層を構成する合成樹脂として、例えば熱硬化性樹脂を単独で用いた場合や熱可塑性樹脂を単独で用いた場合には、中間層に形成された電気導通用のビアホール導体や放熱用のサーマルビアの形状及び位置精度保持性と、基板、電気素子等の反り及びパターン凹凸への追随性を両立させることは難しく、その結果、位置ズレ、ビア形状崩れ等による導通不良、反り及びパターン凹凸追随性不足による接着不良等を招きやすいといった問題がある。
【特許文献１】特開平９−５５３３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、その目的は、基板と中間層である樹脂層との間で、層間剥離、接着不良、クラック等がなく、更に、中間層である樹脂層に形成されたビアホール導体やサーマルビアの形状や位置精度に寸法ズレの少ない、信頼性に優れた複合基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の複合基板は、熱可塑性樹脂を含む第１の樹脂層とこの第１の樹脂層の両面に設けられた熱硬化性樹脂を含む第２の樹脂層からなる多層樹脂層と、前記多層樹脂層の一方の主面に設けられた発熱素子と、前記発熱素子とは異なる熱膨張係数を有し、前記多層樹脂層の他方の主面に設けられた基板とを具備し、前記多層樹脂層は、前記基板と前記発熱素子とを電気的に接続する厚さ方向に貫通されたビアホール導体と、前記発熱素子の熱を前記基板に伝熱する厚さ方向に貫通されたサーマルビアとを有し、前記多層樹脂層の第２の樹脂層の厚さは、前記第１の樹脂層の厚さの１／４０〜１／５であり、前記多層樹脂層の層平面方向の５０℃〜１５０℃での熱膨張係数が、全体として３〜２５×１０−６／℃であり、かつ、厚さ方向の熱膨張係数が前記ビアホール導体または前記サーマルビアのうち少なくともいずれか一方の熱膨張係数以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
上記構成の場合、上記多層樹脂層が、発熱素子と基板を接着する役目を果たしており、その上記多層樹脂層は、流動性が悪いが、ビア形状及び位置精度を保持できる熱可塑性樹脂を含むコアの役目をする第１の樹脂層と、この第１の樹脂層の両面に設けられた流動性が良く接合物のパターン凹凸、反りに追従することができる熱硬化性樹脂を含むコート層である第２の樹脂層からなっている。
【０００８】
このため、基板又は発熱素子と直接接着する樹脂層は、コート層である流れ性及び接着性の良い熱硬化性樹脂を含む樹脂層なので、基板又は発熱素子の回路パターンの凹凸、反り等に対して優れた追随性を発揮し、層間剥離、接着不良等を抑制することができる。さらに、多層樹脂層のコア層が熱可塑性樹脂を含む樹脂層のため、電気導通用のビアホール導体や放熱用のサーマルビアを形成した場合に所望のビア形状及び位置精度を保持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。なお、以下では本発明の実施形態を図面に基づいて述べるが、それらの図面は図解のために提供されるものであり、本発明はそれらの図面に限定されるものではない。図１は、本発明の第１の実施形態に係る複合基板を模式的に示す断面図である。
【００１１】
図１に示すように、第１の実施形態の複合基板１は、第１の基板として例えばＬＴＣＣ（Low Temperature Co-fired Ceramic：低温焼成セラミックス）基板２等のセラミック基板と、第２の基板としてこのＬＴＣＣ基板２とは異なる熱膨張係数を有する例えばアルミナ基板３等のセラミック基板と、これら異種材料のセラミック基板の間に介在してなる多層樹脂層４とを備える。
【００１２】
ＬＴＣＣ基板２及びアルミナ基板３は、それぞれ内部配線としてビアホール導体（不図示）を有し、このビアホール導体と電気的に接続するようにその表面には回路パターン５が形成されている。これら回路パターン５は、多層樹脂層４をその厚さ方向に貫通するビアホール導体６と電気的に接続される。
【００１３】
多層樹脂層４は、ＬＴＣＣ基板２とアルミナ基板３とを接着する樹脂接着剤層である。また、多層樹脂層４は、第１の樹脂層として厚さ５０〜１００μｍのコア層と、このコア層の少なくとも片面、本実施形態では両面に設けられたコート層である第２の樹脂層とを備えている。コート層８の厚さは、上記コア層７の厚さの１／４０〜１／５、好ましくは５〜１０μｍの範囲である。コート層８である第２の樹脂層をコア層７である第１の樹脂層の厚さに対して上記範囲にすることで、コア層７である熱可塑性樹脂の影響が支配的となり、寸法安定性が確保され、ビア形状の保持も可能となる。
【００１４】
第１の樹脂層であるコア層７としては、熱可塑性樹脂を含んでいればよく、多層樹脂層４の体積収縮（寸法変化）を抑制してビアホール導体６の所望の形状と位置精度を保持できる点から、例えばポリエーテルエーテルケトン樹脂と、ポリエーテルイミド樹脂と、無機フィラーとを配合調整した熱可塑性樹脂組成物が好ましい。配合例としては、例えばポリエーテルエーテルケトン樹脂７０〜２０重量％と、ポリエーテルイミド樹脂３０〜８０重量％からなる樹脂１００重量部に対して、無機フィラーの配合量が５〜６５重量部であることが好ましい。このように構成されたコア層７は、基板間に挟まれ加熱加圧して積層一体化された場合に、良好な電気的導通を付与することができる。また、このコア層７は、層平面方向（ＸＹ方向）の５０℃〜１５０℃での熱膨張係数が、−１０〜３０×１０−６／℃であり、かつ、厚さ方向（Ｚ方向）の熱膨張係数が、多層樹脂層４に形成されたビアホール導体６の熱膨張係数以上であることが好ましい。このような熱膨張係数の範囲にすることで、本実施形態の異種材料のセラミック基板２、３を接合してなる複合基板１を作製した場合に、多層樹脂層４と各セラミック基板２，３の界面に集中する応力を緩和することができる。また、多層樹脂層４内のコア層７とコート層８との界面に集中する応力も緩和することができる。
【００１５】
第２の樹脂層であるコート層８は、本実施形態ではコア層７の両面に設けられ、被接着物であるセラミック基板２、３表面に形成された回路パターン５の凹凸等に対して優れた追随性を発揮し、層間剥離、接着不良等を抑制することができる。コート層８としては、熱硬化性樹脂を含んでいればよく、高耐熱性を発揮し、優れた流れ性及び接着性を有する点から、例えばポリイミド樹脂、変性エポキシ樹脂、BCB樹脂、PPE樹脂、シアネート系樹脂等が好ましい。このように構成されたコート層８は、層平面方向（ＸＹ方向）及び厚さ方向（Ｚ方向）の５０℃〜１５０℃での熱膨張係数が１０〜６０×１０−６／℃の範囲であることが好ましい。このような熱膨張係数の範囲にすることで、熱膨張係数の異なるセラミック基板同士を接合した場合に、多層樹脂層４と各セラミック基板２，３の界面に集中する応力を緩和するとともに、多層樹脂層４内のコア層７とコート層８との界面に集中する応力を緩和することができる。また、上記のような熱硬化性樹脂単体では熱膨張係数が大きくなるため、フィラーを含有させることで低熱膨張化を図る方法が一般的に用いられる。この場合、フィラー含有量の増加は樹脂の流れ性を低下させる要因となるが、上記の熱膨張係数の範囲内であれば、流動性を損なうことなく、良好なパターン追随性が得られる。
【００１６】
第１の樹脂層であるコア層７と第２の樹脂層であるコート層８からなる、多層樹脂層４の熱膨張係数としては、コート層８とコア層７とを含む全体として層平面方向の５０℃〜１５０℃での熱膨張係数が３〜２５×１０−６／℃であり、かつ、厚さ方向の熱膨張係数がビアホール導体６の熱膨張係数以上であることが好ましい。このような熱膨張係数の範囲にすることで、異種材料のセラミック基板２，３同士を接合した場合に、多層樹脂層４と各セラミック基板２，３の界面に集中する応力を緩和することができる。
【００１７】
このような多層樹脂層４の製造方法としては、例えば押出キャスト法等で得られたフィルム状のコア層７の両面に、ポリイミド樹脂等からなるフィルム状のコート層８を設けて熱プレス機で加熱加圧する方法、ワニス状樹脂を塗布する方法等が挙げられる。
【００１８】
なお、第１の基板としてＬＴＣＣ基板２を使用し、第２の基板としてアルミナ基板３を用いて説明したが、これら基板を構成する材料は適宜変更可能である。すなわち、本実施形態において、第１の基板及び第２の基板の２５℃〜３００℃での熱膨張係数の絶対値の差は、１０×１０−６／℃以内であることがより好ましい。構成する材料としては、例えば窒化ケイ素、酸化イットリウム、窒化物アルミニウム、炭化ケイ素等の公知のセラミック材料が例示され、１種単独又は２種以上を含有した複合材料を使用してもよい。また、異種材料のセラミック基板の数も限られるものではなく、３個もしくはそれ以上であってもよい。
【００１９】
また、第１の基板及び第２の基板は、セラミック基板以外に、樹脂基板（例えば、ＦＰＣ基板、エポキシ系ビルドアップ基板など）、ガラス基板等の絶縁基板（石英ガラス基板等）、金属基板（アルミベースの基板、銅ベースの基板、メタル単体など）、シリコン基板、さらには電気素子（例えばインダクタ素子、コンデンサ素子等の受動素子、半導体素子等の能動素子）を適用することもできる。
【００２０】
上述した本実施形態の複合基板１は、例えば以下のようにして製造される。
【００２１】
まず、成形、焼成したアルミナ基板３（厚さ１．０ｍｍ、２０ｍｍ角、２５℃〜３００℃での熱膨張係数６．８×１０−６／℃）とＬＴＣＣ基板２（厚さ１．０ｍｍ、２０ｍｍ角、２５℃〜３００℃での熱膨張係数５．９×１０−６／℃）を用意する。なお、これらの基板２、３には、内部にビアホール導体を形成し、その表面に回路パターン５として例えばＡｇ、Ｗ、Ｃｕ粉末等を含む導体ペーストをパターン印刷して形成しておく。
【００２２】
次に、多層樹脂層４（厚さ５０μｍ）に、例えば炭酸ガスレーザー等のレーザー加工、パンチング加工もしくはドリル加工等でビアホールを形成し、このビアホールに導電性ペーストをスクリーン印刷、圧入、ディスペンサ等で充填して、電気導通用のビアホール導体６を形成する。導電性ペーストは、Ａｇ，Ｃｕ，Ｓｎ粉末等に液状樹脂、可塑剤、硬化剤等を加えてペースト化したものであり、無溶剤系が好ましい。
【００２３】
続いて、アルミナ基板３とＬＴＣＣ基板２との間に多層樹脂層４を挟み、例えば２７５℃、５ＭＰａ、３０分のプレス条件で真空加熱プレス機により加熱加圧して積層一体化する。
【００２４】
以上説明したように、本実施形態によれば、コア層７の両面に熱硬化性樹脂からなるコート層８を設けた多層樹脂層４を用いて熱膨張係数の異なるセラミック基板２，３を接合することにより、多層樹脂層４に形成された所望のビア形状と位置精度を保持して良好な層間導通が得られ、コート層８がセラミック基板２，３表面に形成された回路パターン５の凹凸に対して良好な追随性を発揮するため、基板２，３と多層樹脂層４の間で層間剥離、接着不良、クラック等のない信頼性に優れた複合基板１を提供することができる。また、予め成形、焼成し、パターン形成された異種材料のセラミック基板２，３間に多層樹脂層４を挟んで熱プレスすることにより、比較的低温での接合が可能であり、熱膨張係数の差による異種材料界面の応力集中を緩和することができる。
【００２５】
次に、第２の実施形態に係る複合基板について図２を用いて説明する。図２は、第２の実施形態に係る複合基板を模式的に示す断面図である。本実施形態の複合基板２１は、上述した第１の実施形態において、樹脂接着材４のコート層８がコア材７の片面に設けられる点が異なる。なお、第１の実施形態と同一の構成部分には、同一の符号を付してその説明を簡略又は省略する。
【００２６】
図２に示すように、第２の実施形態の複合基板２１は、多層樹脂層４のコート層８がコア層７の片面に設けられている。コート層８は、多層樹脂層４との接合面となるセラミック基板２、３に形成された回路パターン５に凹凸の差が少なく、ほぼフラットに近い場合には設けなくてもよい。
【００２７】
したがって、本実施形態によれば、コア層７に熱硬化性樹脂からなるコート層８を設けた多層樹脂層４を用いて異種材料のセラミック基板２，３を接合することにより、上記第１の実施形態と同様に、良好な層間導通を得られ、層間剥離、反り、クラックを防止して信頼性に優れた複合基板２１を提供することができる。また、コア層７の片面にコート層８を有する多層樹脂層４を用いることにより、セラミック基板２，３表面に形成された回路パターン５の凹凸の差に応じて、多層樹脂層４の接合面を選択することができる。
【００２８】
次に、第３の実施形態に係る複合基板について図３を用いて説明する。図３は、第３の実施形態に係る複合基板を模式的に示す断面図である。本実施形態の複合基板３１は、上述した第１の実施形態において、異種材料のセラミック基板２，３に加えて、フレキシブルプリント（ＦＰＣ）基板３２を積層、接合する点が異なる。なお、第１の実施形態と同一の構成部分には、同一の符号を付してその説明を簡略又は省略する。
【００２９】
図３に示すように、第３の実施形態の複合基板３１は、ＬＴＣＣ基板２、ＦＰＣ基板３２及びアルミナ基板３の間に多層樹脂層４をそれぞれ挟み、これらを加熱加圧して積層一体化したものである。多層樹脂層４は、本実施形態では、コア層７の両面にコート層８を設けたものである。ＦＰＣ基板３２は、その内部にビアホール導体（不図示）を有し、このビアホール導体と電気的に接続された回路パターン５がＦＰＣ基板３２の表面に引き出されている。この回路パターン５は、ＦＰＣ基板３２の両面に設けられた多層樹脂層４のビアホール導体６と電気的に接続されている。
【００３０】
したがって、本実施形態によれば、コア層７の両面に熱硬化性樹脂からなるコート層８を設けた多層樹脂層４を用いて異種材料のセラミック基板２，３とＦＰＣ基板３２を接合することにより、上述した実施形態と同様に、層間剥離、反り、クラックを防止し、信頼性に優れた複合基板３１を提供することができる。また、比較的低温での接合が可能であるため、接合可能な基板の種類が増え、被接着物の選択の自由度を高めることができる。なお、異種材料のセラミック基板２，３を用いたが、その間にＦＰＣ基板３２を挟んで積層する本実施形態では、同種材料からなるセラミック基板を用いることもできる。
【００３１】
（その他の実施形態）
なお、本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張、変更可能であり、拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
【００３２】
上記実施形態では、２個又は３個の異種材料からなる基板を接着した構造について説明したが、基板の積層数はこれに限られるものではなく、４個もしくはそれ以上であってもよい。
【００３３】
また、上記実施形態では、多層樹脂層４のコア層７としてポリエーテルエーテルケトン樹脂とポリエーテルイミド樹脂と無機フィラーから構成された樹脂フィルムを用いたが、これに限定されるものではない。例えば異種材料のセラミック基板を接着、接合する場合には、コア層７が熱可塑性樹脂を含む材料であり、好ましくは、コア層７の層平面方向の５０℃〜１５０℃での熱膨張係数が、−１０〜３０×１０−６／℃であり、かつ、厚さ方向の熱膨張係数がビアホール導体６の熱膨張係数以上である樹脂材料およびフィラーであればよい。また、熱可塑性樹脂としては、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂以外に、例えば熱可塑性ポリイミド、液晶ポリマー等が挙げられる。
【００３４】
また、上記実施形態では、被接着物となるセラミック基板として、ＬＴＣＣ基板２、アルミナ基板３を用いたが、これ以外に、高誘電率を有する誘電体セラミックス基板を適用することもできる。誘電体セラミックス基板としては、例えばチタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウム、チタン酸鉛又はこれらの混合物が挙げられる。
【００３５】
また、基板以外に、被接着物には電気素子として、例えばインダクタ素子、コンデンサ素子等の受動素子、半導体素子等の能動素子を適用することもできる。ここで、図４にインダクタ素子４２とコンデンサ素子４３とを多層樹脂層４を介して接合した複合基板を示す。図４に示す複合基板４１は、例えば、予め、成形、焼成されたインダクタ素子４２とコンデンサ素子４３とを、その間に多層樹脂層４を挟んで熱プレスし、積層一体化することによって得られる。
【００３６】
また、多層樹脂層４には、電気導通用のビアホール導体６以外に、被接着物の種類、用途に応じて放熱用のサーマルビアを形成することができ、上記ビアホール導体６と併用することもできる。ここで、図５に、例えば半導体素子等の発熱素子５２から発生した熱を放熱するサーマルビア５３を多層樹脂層４に形成した複合基板の一例を示す。この複合基板５１においては、半導体素子等の発熱素子５２が、多層樹脂層４のサーマルビア５３形成部の上面に設けられる。発熱素子５２から発生した熱は、サーマルビア５３を経由して多層樹脂層４の裏面に設けられた金属基板５４に伝熱される。
【００３７】
上記実施形態では、被接着物としてその表面に回路パターン５が形成されたセラミック基板２，３、ＦＰＣ基板３２を使用し、また、多層樹脂層４としてビアホール導体６が形成された樹脂接着材を用いて説明したが、これに限定されない。例えば、ビアホール導体６をもたない多層樹脂層４を用いて、内部や表面に回路を有さない異種材料の基板を接着することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施形態に係る複合基板の構成を模式的に示す断面図。
【図２】本発明の別の実施形態に係る複合基板の構成を模式的に示す断面図。
【図３】本発明のさらに別の実施形態に係る複合基板の構成を模式的に示す断面図。
【図４】本発明のさらに別の実施形態に係る複合基板の構成を模式的に示す断面図。
【図５】本発明のさらに別の実施形態に係る複合基板の構成を模式的に示す断面図。
【符号の説明】
【００３９】
１、２１、３１，４１，５１…複合基板、２…ＬＴＣＣ基板、３…アルミナ基板、４…多層樹脂層、５…回路パターン、６…ビアホール導体、７…コア層、８…コート層、３２…ＦＰＣ基板、５２…発熱素子、５３…サーマルビア、５４…金属基板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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