(57)【要約】【課題】絶縁性材料を基材とした、信頼性の高い真空封止が可能な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７と、当該ガラス基板７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金属部材からなる貫通電極３と、を有し、金属部材の上面には、凹状の窪みである凹部１９が備わるように構成した。【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金属部材からなる貫通電極と、
を有し、
前記金属部材の上下何れか一方の面には、凹状の窪みである凹部が備わ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】
前記凹部は、前記金属部材の上下面のうち、平面積が大きい方の面に形成されて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】
前記凹部の深さは、前記基材の厚みの１／２以上であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の回路基板。
【請求項５】
前記凹部が導電樹脂層で充填されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の回路基板。
【請求項６】
前記金属部材は、ニッケルまたは前記ニッケルを主成分とする材料を含んでなることを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の回路基板。
【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状の窪みである第一の凹部を形成する工程と、
前記第一の凹部の窪みを塞ぐように、上下何れか一方の面に凹状の窪みである第二の凹部を備えた金属部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金属部材の上下面を露出させ、当該金属部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。
【請求項９】
前記第一の凹部を形成する工程の後に、少なくとも当該第一の凹部の底部及び周面を覆うように導電層を形成する工程を有し、
前記金属部材を充填する工程において、当該金属部材は前記導電層を介しためっき処理により形成される金属めっき層であることを特徴とする請求項７又は８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回路基板及び当該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】
しかしながら、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た、信頼性の高い真空封止が可能な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、セラミックス、ガラス、石英等の絶縁性材料を基材とし、この基材の一面とこれに対向する一面との間を貫通し、両面を塞ぐ金属部からなる貫通電極を有する回路基板であって、基材に開けられた貫通孔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、かつ、この貫通孔を埋め、両面間を塞ぐ前記金属部が一面で凹部を有していることを特徴とする。
この回路基板は、対向する二面に施されている配線を接続するために設けられた一面からこれに対向する一面に貫通し、両面を塞ぐ金属部からなる貫通電極を有する回路基板であって、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ことから、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と同時に、貫通電極を構成する金属部に凹部を有していることから、外力による歪みや熱処理による熱歪みに対して、力を分散することが出来るので機械的強度、耐熱性等の信頼性が高められたものとなる。
【００１１】
また、本発明に係わる回路基板は、基材の一面において、貫通孔の面積が大きい方に前記金属部凹部が設けられていることを特徴とする。
この回路基板は、一面で貫通電極が外部に現れる部分において、この貫通孔が大きい面積を占める側に貫通電極を構成する金属部に設けられた凹部が存在するので、より大きな歪みや応力を吸収することが出来るので機械的強度、耐熱性等に優れたものとなる。
【００１２】
また、本発明に係わる回路基板は、前記凹部の深さが基材厚みの１／２以上であることを特徴とする。
この回路基板は、凹部の深さが基材厚みの１／２以上であることから、より大きな歪みや応力を吸収することが出来るので機械的強度、耐熱性等に優れたものとなる。
【００１３】
また、本発明に係わる回路基板は、前記凹部に導電樹脂が埋め込まれていることを特徴とする。
この回路基板は、貫通孔を塞ぐ金属部からなる貫通電極に凹部を有しており、この凹部の内部に柔軟性を有する導電樹脂部を供えていることから、歪みや応力を吸収し信頼性を高めると同時に、貫通電極の平坦度を上げることとなり、さらに、導電樹脂部の一部を基材面より凸とすることにより実装性を高めることが出来る。
【００１４】
また、本発明に係わる回路基板は、前記金属部の主要分がニッケルまたはニッケルを主成分とする材料であることを特徴とする。
この回路基板は、貫通孔を塞ぐ金属部からなる貫通電極を構成する金属部の材質としてニッケルまたはニッケルを主成分とする材料を用いていることから、基材として用いる低熱膨張率を有するセラミックス、ガラスおよび石英等の絶縁性材料との熱膨張率を近づけることが出来るので熱に対する信頼性を高めることになる。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、絶縁性材料を基材とした、信頼性の高い真空封止が可能な回路基板及び当該回路基板の製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【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８】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】
【００１７】
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９×１０-6Ｋ-1のソーダライムガラス製のガラス基板２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。
【００１８】
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、で構成されており、そ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。
【００１９】
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。
【００２０】
（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る。なお、図２（ａ）はガラス基板７の上面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）に示すＡ−Ａ断面線に沿った縦断面図である。
【００２１】
（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。
【００２２】
（マスキング工程）
次に、マスキング工程では、図４（ａ）に示す如く、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）に示す如く、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。
【００２３】
（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、ニッケルからなるめっき層１８を形成する。
なお、このめっき層１８の厚みは、回路基板として出来上がったときに、深さがガラス基板１７の厚みの１／２以上である凹部１９（第二の凹部）が出来るように設定される。
【００２４】
（研削研磨工程）
次に研削研磨工程では、図６に示す如く、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めっき層１８の底面を外部に露出させ、貫通電極２０を有し、平坦度および平行度に優れた基板面２１ａと２１ｂを備えた回路基板２１を作り上げる。
【００２５】
また、貫通電極２０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２０と、貫通電極表面２０ａよりも電極面積が大きい貫通電極表面２０ｂ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２０ｂでは、金属部２２において、深さが貫通電極２０の１／２以上ある電極凹部１９を有している。ここで、電極凹部１９の深さを１／２以上としたのは、この回路基板２１が本工程以降の電子部品の実装等による熱処理に対して、回路基板２１の大部分を占めるガラス基板７と貫通電極２０との熱膨張率の違いにより生じる歪や応力を吸収するためである。なお、電極凹部１９の深さは、深ければ深いほど良いが、研削・研磨等で底部８を除去する際、電極凹部１９まで研磨が達すると、貫通電極２０が貫通孔を塞ぐという目的を達成できなくなるため、ある程度の深さの制約がある。
【００２６】
次に、本実施形態に係る回路基板２１を用いた応用例を説明する。
まず、図７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７（ａ）に示す如く、まず、回路基板２１は、貫通電極２０の電極面積が大きい貫通電極表面２０ｂの電極凹部１９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。
【００２７】
次いで、図７（ｂ）に示す如く、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２０ａ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２１を製造できる。
【００２８】
なお、図２から図７では、本実施形態に係る回路基板２１において、貫通電極２０を便宜上１個ずつ作製するかのように記したが、複数個の貫通電極２０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。
【００２９】
（変形例１）
図８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、本実施形態によるガラス基板２５からなる回路基板２６を振動子２７を真空封止する真空封止パッケージ２８の一部として用いた例を示す。つまり、振動子２７は、回路基板２６に形成された貫通電極２９上に設けられる電極３０で接続され、真空封止パッケージ２８の外部に形成された外部接続電極３１で外部と電気的に接続できるようになっている。
【００３０】
ここで、図８（ａ）は、真空封止パッケージ２８を外部接続電極３１側から見た図を示し、図８（ｂ）は、パッケージ２８の内部の主要部であるＢ−Ｂ断面線に沿った縦断面図である。図８（ｂ）に示すように、振動子２７は、封止剤３２を介して回路基板２６と蓋３３により真空封止されている。
【００３１】
図９は、この図８に示した振動子２７を真空封止したパッケージ２８の作製工程を示す図である。
まず、図９（ａ）に示す如く、ガラス基板３４に電極凹部３５を有する貫通電極２９のうち、金属部３６を必要な位置に形成した回路基板３７を作製する。
【００３２】
次に図９（ｂ）に示す如く、金属部３６の凹部３５が形成されていない側の表面に振動子２７を接続するための電極３８を形成する。ここでその形成方法は、薄膜技術とフォトリソグラフィーを用いても良いし、導電ペーストを用いた印刷技術等を用いても良いが、後述の振動子３９と回路基板３７との接触を防がれるように厚み・高さが設定される。
【００３３】
次に図９（ｃ）に示す如く、振動子３９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３８に接合する。
次に図９（ｄ）に示す如く、振動子３９に回路基板３７を構成するガラス基板３４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４０が設けられた蓋４１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。
【００３４】
次に、図９（ｅ）に示す如く、導電性を有する銀ペーストを凹部３５に埋め込んで焼成することにより導電樹脂層４２を形成し、その上部にメタルマスクを用いたスパッタリングにより金属層からなる外部接続電極４３を形成する。さらに、このパッケージ２８を別途電子回路基板に実装するに当たり、その作業性や接続性等を考えた場合、必要に応じて、図７（ｂ）に示したような突起状の電極としてもよい。
【００３５】
なお、図９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ことが可能であることはいうまでも無い。
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９×１０-6Ｋ-1のガラスと熱膨張率１３×１０-6Ｋ-1のニッケルから構成されているが、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。
【００３６】
なお、本実施形態では、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。
一般に、ガラスやセラミックスのような絶縁性材料の熱膨張率は、単一元素からなる金属と比べ、小さい場合が多く、このような材料を一体化したものは熱膨張の差により熱に対して弱いものとなるが、本発明の回路基板は、熱膨張率の差により生じる応力や歪に対して、非常に有効な手段となる。
【００３７】
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】
【００３８】
１、２１、２６  回路基板
２、１０、１２、１７、２５、３４  ガラス基板
３ａ、２０ａ  貫通電極表面
３ｂ、２０ｂ  貫通電極表面
４、９  導電層
５、２２、３６  金属部
６、１９、３５  凹部
７    ガラス基板
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
２０、２９  貫通電極
２１ａ  基板面
２１ｂ  基板面
２３、４２  銀ペースト
２４  配線パターン
２７、３９  振動子
２８  パッケージ
３０、３８  電極
３１、４３  外部接続電極
３２、４０  接合層
３３、４１  蓋
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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