(57)【要約】【課題】絶縁性材料を基材としても、信頼性の高い真空封止等が可能なパッケージを作製することができる回路基板及び当該回路基板の製造方法を提供する。【解決手段】回路基板１は、ガラス基板２と、ガラス基板２を上下に貫通するテーパ状の貫通孔と、貫通孔を塞ぐように充填された２種類以上の金属からなる合金材で形成される貫通電極３と、を有し、合金材を構成するそれぞれの金属は、貫通孔の径方向及び／又は軸線方向に沿って合金材に占める濃度が異なるように構成した。【選択図】図１
2013197399.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性材料からなる基材と、
当該基材を上下に貫通するテーパ状の貫通孔と、
前記貫通孔を塞ぐように充填された２種類以上の金属からなる合金材で形成される貫通電極と、
を有し、
前記合金材を構成するそれぞれの金属は、前記貫通孔の径方向及び／又は軸線方向に沿って前記合金材に占める濃度が異なることを特徴とする回路基板。
【請求項２】
前記絶縁性材料は、セラミックス、ガラス、又は石英の何れかであることを特徴とする請求項１に記載の回路基板。
【請求項３】
前記合金材は、前記貫通孔の軸線方向において、当該貫通孔の平面積が小さい側から大きい側に向かうにつれて熱膨張率が小さくなることを特徴とする請求項１又は２に記載の回路基板。
【請求項４】
前記合金材は、ニッケルと鉄を含有してなることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の回路基板。
【請求項５】
前記鉄は、前記貫通孔の軸線方向において、当該貫通孔の平面積が小さい側から大きい側に向かうにつれて前記合金材に占める濃度が高まることを特徴とする請求項４に記載の回路基板。
【請求項６】
前記鉄は、重量比換算における前記合金材に占める濃度が最大で６３．５％以下であることを特徴とする請求項５に記載の回路基板。
【請求項７】
絶縁性材料からなる基材の上下何れか一方の面に、平面積が底部へ向かうにつれて減少する形状からなる凹部を形成する工程と、
前記凹部を塞ぐように、ニッケルと鉄を含有してなる合金材を充填する工程と、
前記基材を上下方向より研磨して前記合金材の上下面を露出させ、当該合金材からなる貫通電極を形成する工程と、
を備えることを特徴とする回路基板の製造方法。
【請求項８】
前記絶縁性材料は、セラミックス、ガラス、又は石英の何れかであることを特徴とする請求項７に記載の回路基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品を搭載するための電子回路や電子部品を実装するためのパッケージとなる部材となる回路基板及び回路基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
基板の両面が孔を介して電気的に接続されたスルーホール回路基板や貫通電極と呼ばれる電極により両面が電気的に接続される回路基板は、電子部品の小型化、多様化に伴い広く使われている。
【０００３】
また、気密性を要求される電子部品の小型化や実装性を高めるため、回路基板には、真空封止や雰囲気封止を行ったセラミックス等からなるパッケージ類が広く使われている。特に、サーフェイスマウントと呼ばれるチップ実装においては、方形からなる耐熱性、小型・薄型パッケージ化が必須となっている。
【０００４】
ここで、一般にセラミックスによる真空封止パッケージでは、セラミックスの焼成時に貫通孔や層構造を利用して金属を同時に焼き付けることにより作製される。ところが、セラミックスの真空封止パッケージは、上記焼成による形状変化等が大きいため、小型化や寸法精度を高めることが困難であった。また、上記焼成は製造工程が煩雑かつ長時間に及ぶため、コスト的な問題も多く残されている。
【０００５】
また、ガラスを基板とした真空封止パッケージも考案されている。具体的には、貫通孔が形成されているガラス基板に金属製のピン（金属ピン）を挿入し、ガラスを軟化させて金属ピンを固定、一体化し、平坦化を行うために研削を行う。その結果、金属貫通電極を有する回路基板が作製されるので、これを用いてパッケージ化することで、圧電振動子を封止する方法が採用されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００６】
ところが、金属ピンとガラスの軟化を利用する基板では、金属ピンの材質とガラスの熱膨張率を合わせることが必須であるが、金属とガラスの一体化に伴う歪みやガラスの軟化と硬化に伴う大きな体積変化が歪みとなって最後まで残存する可能性がある。そのため、パッケージ作製時に金属とガラスの界面で破壊を引き起こしたり、パッケージ化された後、実装時の熱歪みによる強度低下が生じるなどの大きな問題があった。この問題については、めっき技術を利用したスルーホールやビアホールといった穴あきや凹部付き回路基板の製造に対して、フィルドビアと呼ばれる銅めっき技術により回路基板中の穴部や凹部を銅めっきによって穴埋めする技術の利用が考えられる（例えば、特許文献２参照。）。
【０００７】
しかしながら、このフィルドビア技術は、多くの場合、銅めっきが適用されるため、気密封止に用いることが出来る基板材質であるセラミックスやガラスなどの絶縁性材料に対して、熱膨張率に大きな違いがあるので、その使用が困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１１−１６６３０７号公報
【特許文献２】特開２０１０−３１３６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、絶縁性材料を基材としても、信頼性の高い真空封止等が可能なパッケージを作製することができる回路基板及び当該回路基板の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係わる回路基板は、絶縁性材料からなる基材と、当該基材を上下に貫通するテーパ状の貫通孔と、前記貫通孔を塞ぐように充填された２種類以上の金属からなる合金材で形成される貫通電極と、を有し、前記合金材を構成するそれぞれの金属は、前記貫通孔の径方向及び／又は軸線方向に沿って前記合金材に占める濃度が異なることを特徴とする。
この回路基板は、テーパ状の貫通孔を塞ぐように形成された貫通電極を有するので、貫通電極の断面積が一面からこれに対向する一面に向かって変化している。そして、当該貫通電極が、この回路基板の製造時および他部品との接合時における熱処理による熱歪みを緩和する。しかも貫通電極は、２種類以上の金属からなる合金材で構成され、合金材を構成するそれぞれの金属が、貫通孔の径方向及び／又は軸線方向に沿って合金材に占める濃度が異なる。そのため、熱膨張率がこの貫通電極の断面積に応じて変化するので、熱処理に対する熱歪みを緩和することが出来るので、耐熱性および機械的強度、信頼性を高められたものとなる。
【００１１】
また、本発明に係わる回路基板において、前記絶縁性材料は、セラミックス、ガラス、又は石英の何れかであることを特徴とする。
また、本発明に係わる回路基板において、前記合金材は、前記貫通孔の軸線方向において、当該貫通孔の平面積が小さい側から大きい側に向かうにつれて熱膨張率が小さくなることを特徴とする。
この回路基板によると、貫通孔の軸線方向における平面積（断面積）が小さい側から大きい側に向かって金属部を構成する合金の熱膨張率が小さくなるので、断面方向における熱による膨張量の違いを小さく出来るため、熱処理に対する熱歪みを緩和することが出来るので、耐熱性および機械的強度、信頼性を高められたものとなる。
また、本発明に係わる回路基板において、前記鉄は、前記貫通孔の軸線方向において、当該貫通孔の平面積が小さい側から大きい側に向かうにつれて前記合金材に占める濃度が高まる。
【００１２】
この回路基板は、前記金属部のうち主要分をなす部分の合金がニッケルと鉄を含有することから、低い熱膨張率の領域で比較的幅広い範囲で、これを変化させることが可能であるため、基板を構成する基材のうち、熱膨張率が近いセラミックスやガラスなどの絶縁性材料に対して有効に働き、断面積が小さい側から大きい側に向かって、鉄の濃度が増加していることから、断面積が小さい側を高ニッケル濃度とし、小さい側に向かって適宜、鉄の濃度を増加させることにより熱膨張率を連続的に小さくすることが出来るので、断面方向における熱による膨張量の違いを小さく出来るため、熱処理に対する熱歪みを緩和することが出来るので、耐熱性および機械的強度、信頼性を高められたものとなると、同時に材料として安価であるためコスト的に優位なものとする。
【００１３】
また、本発明に係わる回路基板において、前記合金材は、ニッケルと鉄を含有してなることを特徴とする。
この回路基板は、前記金属部のうち主要分をなす部分の合金がニッケルと鉄を含有することから、低い熱膨張率の領域で比較的幅広い範囲で、これを変化させることが可能である。したがって、基板を構成する基材のうち、熱膨張率が近いセラミックスやガラスに対して有効に働くと同時に材料として安価であるためコスト的に優位なものとする。
【００１４】
また、本発明に係わる回路基板において、前記鉄は、前記貫通孔の軸線方向において、当該貫通孔の平面積が小さい側から大きい側に向かうにつれて前記合金材に占める濃度が高まることを特徴とする。
また、本発明に係わる回路基板において、前記鉄は、重量比換算における前記合金材に占める濃度が最大で６３．５％以下であることを特徴とする。
【００１５】
この回路基板は、前記金属部のうち主要分をなす部分の合金がニッケルと鉄を含有することから、低い熱膨張率の領域で比較的幅広い範囲で、これを変化させることが可能であるため、基板を構成する基材のうち、熱膨張率が近いセラミックスやガラスに対して有効に働き、さらに、断面積が小さい側から大きい側に向かって、鉄の濃度が増加し、その濃度をニッケル−鉄系合金における最小の熱膨張率を示す６３．５％以下とすることにより、１３×１０-6（／Ｋ）から１×１０-6（／Ｋ）の範囲で熱膨張率の変化を単調なものとすることができ安定的に熱膨張率を連続的に小さくすることが出来るので、断面方向における熱による膨張量の違いを小さく出来るため、熱処理に対する熱歪みを緩和することが出来るので、耐熱性および機械的強度、信頼性を高められたものとなると、同時に材料として安価であるためコスト的に優位なものとする。
【００１６】
また、本発明に係わる回路基板の製造方法において、回路基板の製造方法絶縁性材料からなる基材の上下何れか一方の面に、平面積が底部へ向かうにつれて減少する形状からなる凹部を形成する工程と、前記凹部を塞ぐように、ニッケルと鉄を含有してなる合金材を充填する工程と、前記基材を上下方向より研磨して前記合金材の上下面を露出させ、当該合金材からなる貫通電極を形成する工程と、を備えることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係わる回路基板の製造方法において、前記絶縁性材料は、セラミックス、ガラス、又は石英の何れかであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
この発明によれば、絶縁性材料を基材としても、信頼性の高い真空封止等が可能なパッケージを作製することができる回路基板及び当該回路基板の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係わる回路基板の断面を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係わる回路基板を作製するに当たり使用した凹部を有するガラス基板を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係わる回路基板を作製するための工程のうち、ガラス基板に導電層を形成する工程を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係わる回路基板を作製するための工程のうち、マスキング工程を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係わる回路基板を作製するための工程のうち、めっき工程を示す図である。
【図６】本発明の実施形態に係わる回路基板を作製するための工程のうち、研削研磨工程を示す図である。
【図７】本発明の実施形態に係わる回路基板の貫通電極を構成する金属部の各断面方向における鉄の含有量を示した図である。
【図８】本発明の実施形態に係わる回路基板の適用例として貫通電極付配線を有する回路基板の作製工程を示した図である。
【図９】本発明の実施形態に係わる回路基板の適用例として、本実施形態の回路基板を用いて振動子を真空封入したパッケージを示した図である。
【図１０】本発明の実施形態に係わる回路基板の適用例として、本実施形態の回路基板を用いて振動子を真空封入したパッケージを作製するための工程を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明に係る実施形態について、図を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る回路基板のうち主要分である貫通電極部の縦断面図を示す図である。
この回路基板１は主に、熱膨張率９×１０-6（／Ｋ）のソーダライムガラス製のガラス基板２（基材）と、当該ガラス基板２の上下を貫通するテーパ状の貫通孔に形成された貫通電極３からなる。
【００２１】
貫通電極３は、貫通孔の内壁面を覆うように形成された導電層４と、貫通孔を塞ぐように充填された金属めっきの層からなり、上面に凹部１９を備えた金属部５（金属部材）とで構成される（貫通孔を塞ぐように充填された２種類の金属からなる合金材で形成される）。貫通電極３の断面形状は、概等脚台形形状を有する。つまり、貫通電極３において、回路基板１の一面（図１に示す下面）側における貫通電極表面３ａの平面積は、対向する一面（図１に示す上面）側における貫通電極表面３ｂの平面積より小さくなっている。
【００２２】
このような貫通電極３を有する回路基板１は、図２に示した貫通しない凹部６を有するガラス基板７を作製する工程（ガラス基板作製工程）と、図３に示しためっき層を成長させるための導電層８を形成する工程（導電層形成工程）と、図４に示した金属部５となるめっき層を選択的に形成するためのマスキング工程と、図５に示した金属部５となるめっき層を形成するためのめっき工程と、図６に示した金属層５を平坦化するための研削研磨工程と、で製造される。以下では、上述の各製造工程について、それぞれ詳細に説明する。
【００２３】
（ガラス基板作製工程）
図２に示すように、平面積が底部へ向かうにつれて減少する形状からなる凹状の窪みである凹部６（第一の凹部）を有するガラス基板７は、所望の開口部を有するように樹脂等でマスキングしたガラス板にサンドブラスト法により作製する方法や、軟化したガラスに凹部６に相当する型を加圧することにより作製される。ここで、いずれの作製法においても、凹部６はガラス基板７を貫通することなく、かつ、開口部から底面８に向かうにつれて面積が次第に小さくなるように加工されている。
【００２４】
（導電層形成工程）
次に、図３に示す如く、ガラス基板７の一面のうち凹部６を有する面全体に（少なくとも凹部６の底部及び周面を覆うように）、スパッタリング法によってクロム、金の順にスパッタリング処理を施し、ガラス基板７側からクロム、金からなる導電層９を形成することで、ガラス基板１０を作製する。
【００２５】
（マスキング工程）
次に、マスキング工程では、図４（ａ）に示した如く、ネガフォトレジストからなるフォトレジスト層１１を導電層９の上部に形成し、ガラス基板１２を作成する。
次いで、図４（ｂ）に示した如く、ガラス基板１２とフォトマスク１３の位置を合わせ、紫外光１４を照射することにより、フォトレジスト層１１のうちフォトマスク１３の遮光部１５により遮光された部分を除いて感光、硬化を行う。
次いで、図４（ｃ）に示した如く、現像処理を行い、フォトレジスト層１１の未硬化部分を除去することによりマスキング層１６が形成されたガラス基板１７を得る。
【００２６】
（めっき工程）
めっき工程では、図５に示すように、ガラス基板１７をスルファミン酸系ニッケル−鉄合金めっき液に浸漬し、導電層９を介して通電することにより、マスキング層１６でマスクされた箇所を除く導電層９の上部に、合金材からなるめっき層１８を形成する。
この時、スルファミン酸系ニッケル−鉄合金めっき液として、電流密度が高い場合には高ニッケル組成のものを、電流密度が低い場合には高鉄組成のめっき層を形成することが出来るものを使用する。
つまり、このめっき液によれば、徐々に電流密度が低下することにより、めっき層の成長にしたがって、析出するめっき層の鉄濃度を上昇させることが可能となるので、成長方向にしたがって鉄濃度が高いめっき層１８を形成できる。
【００２７】
（研削研磨工程）
次に研削研磨工程では、図６に示した如く、マスキング層１６、めっき層１８の一部とガラス基板１７の一部および底部８を、ガラス基板１７の上下方向より研削研磨することにより除去し、貫通電極１９（を構成する金属部２２）を有し、平坦度および平行度に優れた基板面２０ａと２０ｂを備えた回路基板２０を作り上げる。
【００２８】
また、貫通電極１９は、表面に出ている部分のうち電極面積が小さい貫通電極表面１９ａと、貫通電極表面１９ａよりも電極面積が大きい貫通電極表面１９ｂと、を有している。このうち電極面積が大きい貫通電極表面１９ｂでは、電極凹部２１を有している。
【００２９】
この電極凹部２１は、上述のめっき工程におけるめっき層１８形成時に生じるものである。当該電極凹部２１は、めっき層１８の厚みを十分にするか、研削研磨工程で除去することが可能であるが、その後の工程および回路基板２０の実装時における熱処理による熱の影響を緩和する効果があるため、必ずしも除去する必要はなく、使用条件により要／不要を勘案すべきものである。
【００３０】
図７は、以上により作製された回路基板２０のうち、主要部である貫通電極１９を構成する金属部２２の、各断面方向における鉄の含有量（金属部２２を構成する合金材に占める濃度）を示した図である。具体的には、図７（ｂ）は、図７（ａ）に示すＢ−Ｂ方向（貫通電極表面１９ａの位置がＢ１、電極凹部２１の下端位置がＢ２）に沿った、金属部２２に含まれる鉄の含有量（）を示す。一方、図７（ｃ）は、図７（ａ）に示すＣ−Ｃ方向（金属部２２の左右側面位置がＣ１，Ｃ４、電極凹部２１の左右側面位置がＣ２，Ｃ３）に沿った、金属部２２に含まれる鉄の含有量（）を示す。
【００３１】
図７（ｂ）に示したように、貫通電極１９の軸線方向に沿ったＢ−Ｂ方向では、貫通電極１９の電極面積が小さい面１９ａから電極面積が大きい面１９ｂ方向に向かうにつれて（貫通孔の平面積が小さい側から大きい側に向かうにつれて）、鉄の含有量は、徐々に高くなっている。
【００３２】
一方、図７（ｃ）に示したように、貫通電極１９の径方向に沿ったＣ−Ｃ方向では、貫通電極１９の中心（Ｃ２やＣ３）に向かうにつれて鉄の含有量が徐々に高くなっている。
いずれの方向においても鉄の含有量は、５５％以下であり、ニッケル−鉄合金の特性から考えて、鉄の含有量（濃度）の上昇に伴い熱膨張率が小さくなるといえる。
【００３３】
なお、本実施形態では、熱膨張率が９×１０-6（／Ｋ）のソーダライムガラス製のガラス基板２を用いているため、図７に示したように鉄の含有量は最大で５５％以下となるが、熱膨張率が１〜２×１０-6（／Ｋ）からなる低熱膨張ガラスをガラス基板２に用いた場合には、鉄の含有量は最大で６３．５％以下となる。
【００３４】
次に、本実施形態に係る回路基板２０を用いた応用例を説明する。
まず、図８は、本実施形態による回路基板の適用例として貫通電極付配線を有する回路基板を示した図である。
図８（ａ）に示した如く、まず、回路基板２０は、貫通電極１９の電極面積が大きい貫通電極表面１９ｂの電極凹部２１とその近傍をスクリーン印刷法により銀ペースト２３で覆い、所望とする配線パターンも同時に形成して焼成することにより硬化させる。
【００３５】
次いで、図８（ｂ）に示した如く、銀ペースト２３表面および貫通電極１９の電極面積が小さい貫通電極表面１９ａの表面およびその近傍、さらに所望の配線パターン２４をスパッタリングによるメタライズとフォトリソグラフィーによるパターニングにより形成することにより、通電極付配線を有する回路基板２０を製造できる。
【００３６】
（変形例１）
図９は、本実施形態による回路基板の別の適用例（変形例１）を示す図である。具体的には、本実施形態による回路基板２８を、振動子３０を真空封止する真空封止パッケージ２５の一部として用いた例を示す。ここで、図９（ａ）は、真空封止パッケージ２５を外部接続電極２６側から見た図を示し、図９（ｂ）は、真空封止パッケージ２５の内部の主要部であるＤ−Ｄ断面線に沿った縦断面図である。図９（ｂ）に示すように、振動子３０は、封止剤３２を介して回路基板２８と蓋により真空封止されている。
【００３７】
図１０は、この図９に示した振動子３０を真空封止した真空封止パッケージ２５の作製工程を示した図である。
まず、図１０（ａ）に示した如く、貫通電極２７を必要な位置に形成した回路基板２８を作製するが、図６に示したような電極凹部２１は、必要に応じて形成すれば良い。
【００３８】
次に図１０（ｂ）に示した如く、貫通電極２７の一面に振動子３０を設置するための電極３１を形成する。その方法としては、薄膜技術とフォトリソグラフィーによっても良いし、導電ペーストを用いた印刷技術等を用いても良い。ただし、電極３１は、振動子３０と回路基板２８との接触を防ぐための、適切な厚み・高さを持って形成される。
次に図１０（ｃ）に示した如く、振動子３０を、バンプ技術を用いた接合や導電ペーストによる接合技術により電極３１に接合する。
【００３９】
次に図１０（ｄ）に示した如く、振動子３０に回路基板２８を構成するガラス基板２９と同じ材質からなり凸部に陽極接合を行うための接合層３３が設けられた蓋３２を被せ、真空中で陽極接合を行うことにより真空封止する。
【００４０】
次に、図１０（ｅ）に示した如く、貫通電極２７のうち真空封止パッケージ２５の外側に出る部分に外部接続電極２６を形成する。この際、貫通電極２７に凹部がある場合は、銀ペーストのような導電ペーストで凹部を埋める。さらに、この真空封止パッケージ２５を別途電子回路基板に実装する場合、その作業性や接続性等を考えると、必要に応じて導電ペースト等を用い、図８（ｂ）に示したような突起状の電極としてもよい。
【００４１】
なお、図１０では、パッケージ２５を便宜上１個ずつ作製するかのように記したが、回路基板３７および蓋４１複数個を一枚にしたウエハでまとめて処理することができるのはいうまでも無い。
【００４２】
このようにして作製した振動子入りのパッケージは、熱膨張率９×１０-6（／Ｋ）のガラスと鉄濃度２５から５５重量％の範囲、すなわち、熱膨張率１２×１０-6（／Ｋ）から９×１０-6（／Ｋ）の範囲で変化させたニッケル鉄合金から構成されるが、この熱膨張率の違いは、研削研磨時に生じる金属部とガラス部の研削研磨性の違いにより発生する歪や応力を陽極接合や外部回路基板との接合による熱処理により緩和する効果を有している。
【００４３】
次に、この振動子入りパッケージをガラスエポキシ回路基板にクリームはんだを用いてコンベア炉を通すことにより接合したものを落下試験、環境試験等をおこなったところ何ら不具合を生じることが無かった。
なお、本実施形態では、絶縁性材料の基板としてガラス基板を用いたが、セラミックスや石英等の材料を用いても同様の効果が得られることはいうまでも無い。
【００４４】
また、本発明による回路基板を振動子の真空パッケージとして用いた適用例を挙げたが、真空や雰囲気を作る必要があるデバイス、たとえば加速度センサ、ジャイロセンサ等の力学量測定センサ等へも適用できることは言うまでも無い。
さらに、基材をソーダライムガラスのような安価で軟化による型成形が可能なものを用いることが出来るので、大量かつ安価に回路基板やパッケージを提供することが出来る。
【符号の説明】
【００４５】
１、２０、２８  回路基板
２、７、１０、１２、１７、２９  ガラス基板
３、１９、２７  貫通電極
３ａ、１９ａ  貫通電極表面
３ｂ、１９ｂ  貫通電極表面
４、９  導電層
５、２２  金属部
６、１９  凹部
８  底面
１１  フォトレジスト層
１３  フォトマスク
１４  紫外光
１５  遮光部
１６  マスキング層
１８  めっき層
２０ａ、２０ｂ  基板面
２１  電極凹部
２３  銀ペースト
２４  配線パターン
２５  真空封止パッケージ
２６  外部接続電極
３０  振動子
３１  電極
３２  蓋
３３  接合層
【図１】
2013197399.tif 000003
【図２】
2013197399.tif 000004
【図３】
2013197399.tif 000005
【図４】
2013197399.tif 000006
【図５】
2013197399.tif 000007
【図６】
2013197399.tif 000008
【図７】
2013197399.tif 000009
【図８】
2013197399.tif 000010
【図９】
2013197399.tif 000011
【図１０】
2013197399.tif 000012