(57)【要約】【課題】積層回路基板において、各層の回路間の電気接続を向上しつつ、簡便に行う手法を提供することで、積層回路基板をパワー半導体回路に耐えうる電気接合とする。【解決手段】第２層のスルーホール２３、第３層のスルーホール３３、及び第４層のスルーホール４３により、第１層の界面部１４、第２層の界面部２４、第３層の界面部３４を形成する。第１層の界面部１４、第２層の界面部２４、第３層の界面部３４、及び第４層の導電回路４２の上面に堆積し、且つ第２層のスルーホール２３、第３層のスルーホール３３、及び第４層のスルーホール４３を充填した導電体粒子５を備える。【選択図】図１
2017175089.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１層の絶縁基材と、
前記第１層の絶縁基材の上面に形成された第１層の導電回路と、
前記第１層の導電回路の上面に積層された第２層の絶縁基材と、
前記第２層の絶縁基材の上面に形成された第２層の導電回路と、
前記第２層の導電回路の上面に積層された第３層の絶縁基材と、
前記第３層の絶縁基材の上面に形成された第３層の導電回路と、を備え、
前記第１層の導電回路は、
前記第２層の絶縁基材と前記第２層の導電回路とを貫通する第２層のスルーホール、及び前記第３層の絶縁基材と前記第３層の導電回路とを貫通し、前記第２層のスルーホールに連通する第３層のスルーホールが形成されることにより、一部の上面が前記第２層のスルーホールの端面に接した第１層の界面部を有し、
前記第２層の導電回路は、
前記第３層のスルーホールが前記第２層のスルーホールよりも径方向に大きく形成されることにより、一部の上面が前記３層のスルーホールの端面に接した第２層の界面部を有し、
前記第１層の界面部、前記第２層の界面部、及び前記第３層の導電回路の上面に堆積し、且つ前記第２層のスルーホール、及び前記第３層のスルーホールを充填した導電体粒子を備えることを特徴とする積層回路基板。
【請求項２】
第１層の絶縁基材の上面に第１層の導電回路を形成する工程と、
前記第１層の導電回路の上面に第２層の絶縁基材を積層する工程と、
前記第２層の絶縁基材の上面に第２層の導電回路を形成する工程と、
前記第２層の導電回路の上面に第３層の絶縁基材を積層する工程と、
前記第３層の絶縁基材の上面に第３層の導電回路を形成する工程と、
前記第２層の絶縁基材と前記第２層の導電回路とを貫通する第２層のスルーホールを形成する工程と、
前記第３層の絶縁基材と前記第３層の導電回路とを貫通し、前記第２層のスルーホールに連通し、前記第２層のスルーホールよりも径方向に大きな第３層のスルーホールを形成する工程と、
前記第１層の導電回路の上面のうち、一部が第２層のスルーホールの端面に接した第１層の界面部と、前記第２層の導電回路の上面のうち、一部が第３層のスルーホールの端面に接した第２層の界面部と、前記第３層の導電回路の上面とに、導電体粒子を堆積させ、前記導電体粒子で前記第２層のスルーホール、及び前記第３層のスルーホールを充填する工程と、を含むことを特徴とする積層回路基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
積層回路基板とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の回路基板を積層した積層回路基板において、積層された回路基板同士を電気的に接続する場合、回路基板にスルーホールと呼ばれる孔を開け、孔に導電体を充填する手法がある。例えば、ピンやハトメを挿入して半田付けしたり、孔に導電ペーストを充填したりする方法があり、一般にはスルーホールメッキと呼ばれる、孔の壁面に無電解メッキにより、銅などの金属層を形成する方法が採用されている。
【０００３】
また、特許文献１では、コールドスプレー技術によって、スルーホールに導電体を充填することが提案されている。コールドスプレーは、常温衝撃固化現象を利用して、金属粒子から金属バルクを形成できる技術であり、スルーホールを形成することで、金属バルクレベルの導電性をもつ材料形成と、回路間の接続を可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５３２１９４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の接続方法で、スルーホールの電気接続を行う場合、導電体と回路パターン導電材料とに明確な界面があるため、接触抵抗が発生する問題がある。また、導電体自体の抵抗もバルク金属よりも高くなるため、回路に流れる電流が多くなると、接続部での発熱により材料変形が発生して、接続界面での断線の可能性が高くなる問題がある。また、外部から衝撃を受けた際に、接続界面で断線が発生することがあった。
【０００６】
また、特許文献１による常温衝撃固化材料を用いたスルーホールの導電体形成では、導電粒子を積み上げる成膜原理から、水平面の導電接続性は高くなるが、スルーホールの垂直面の回路との接続性が低下する問題があった。したがって、積層回路基板においては、最下層の回路と最上層の回路との接続は良好であるが、中間層の回路との接続性が低下する問題がある。
【０００７】
また、上記のいずれの従来技術においても、孔の導電体と回路の接続の抵抗が金属バルクの抵抗よりも高くなり、通信系の回路では十分な接続であったとしても、パワー系の回路では、接続抵抗により発熱するなど、損失が大きくなる問題がある。本発明の課題は、積層回路基板において、各層の回路間の電気接続を向上しつつ、簡便に行う手法を提供することで、積層回路基板をパワー半導体回路に耐えうる電気接合を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様に係る積層回路基板は、第１層の絶縁基材と、第１層の絶縁基材の上面に形成された第１層の導電回路と、第１層の導電回路の上面に積層された第２層の絶縁基材と、第２層の絶縁基材の上面に形成された第２層の導電回路と、第２層の導電回路の上面に積層された第３層の絶縁基材と、第３層の絶縁基材の上面に形成された第３層の導電回路と、を備え、第１層の導電回路は、第２層の絶縁基材と第２層の導電回路とを貫通する第２層のスルーホール、及び第３層の絶縁基材と第３層の導電回路とを貫通し、第２層のスルーホールに連通する第３層のスルーホールが形成されることにより、一部の上面が第２層のスルーホールの端面に接した第１層の界面部を有し、第２層の導電回路は、第３層のスルーホールが第２層のスルーホールよりも径方向に大きく形成されることにより、一部の上面が第３層のスルーホールの端面に接した第２層の界面部を有し、第１層の界面部、第２層の界面部、及び第３層の導電回路の上面に堆積し、且つ第２層のスルーホール、及び第３層のスルーホールを充填した導電体粒子を備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、簡便な回路スルーホール接続の手法を提供しつつ、パワー半導体回路にも耐えうる良好な回路間の電気接続を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】積層回路基板の構成図である。
【図２】比較例１を示す積層回路基板の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図面は模式的なものであって、現実のものとは異なる場合がある。また、以下の実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであり、構成を下記のものに特定するものでない。すなわち、本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
【００１２】
《実施形態》
図１は、積層回路基板の構成図である。
図中の（ａ）はコールドスプレー前の断面図であり、（ｂ）はコールドスプレー中の断面図であり、（ｃ）はコールドスプレー後の断面図である。
【００１３】
（ａ）に示すように、積層回路基板１は、第１層、第２層、第３層、及び第４層まで順に積層されており、第１層が最下層で、第４層が最上層である。具体的には、第１層は、絶縁基材１１と、この絶縁基材１１の上面に形成された導電回路１２と、を備える。第２層は、第１層の導電回路１２の上面に積層された絶縁基材２１と、この絶縁基材２１の上面に形成された導電回路２２と、を備える。第３層は、第２層の導電回路２２の上面に積層された絶縁基材３１と、この絶縁基材３１の上面に形成された導電回路３２と、を備える。第４層は、第３層の導電回路３２の上面に積層された絶縁基材４１と、この絶縁基材４１の上面に形成された導電回路４２と、を備える。
【００１４】
第２層には、絶縁基材２１と導電回路２２とを面直角方向に貫通するスルーホール２３が形成されている。スルーホール２３の内周面は、絶縁基材２１の端面、及び導電回路２２の端面からなる。第３層には、絶縁基材３１と導電回路３２とを面直角方向に貫通し、第２層のスルーホール２３に連通するスルーホール３３が形成されている。スルーホール３３の内周面は、絶縁基材３１の端面、及び導電回路３２の端面からなる。第４層には、絶縁基材４１と導電回路４２とを面直角方向に貫通し、第２層のスルーホール２３及び第３層のスルーホール３３に連通するスルーホール４３が形成されている。スルーホール４３の内周面は、絶縁基材４１の端面、及び導電回路４２の端面からなる。
【００１５】
第３層のスルーホール３３は、第２層のスルーホール２３よりも径方向に大きく、第４層のスルーホール４３は、第３層のスルーホール３３よりも径方向に大きい。これら第２層のスルーホール２３、第３層のスルーホール３３、及び第４層のスルーホール４３により、第１層の導電回路１２には、一部の上面が開放され、第２層のスルーホール２３の下端面に接した界面部１４が形成される。また、第３層のスルーホール３３、及び第４層のスルーホール４３により、第２層の導電回路２２には、一部の上面が開放され、第３層のスルーホール３３の下端面に接した界面部２４が形成される。さらに、第４層のスルーホール４３により、第３層の導電回路３２には、一部の上面が開放され、第４層のスルーホール４３の下端面に接した界面部３４が形成される。
【００１６】
そして、（ｂ）に示すように、コールドスプレー装置４から導電体粒子５を超音速で吹き付け、第１層の界面部１４、第２層の界面部２４、第３層の界面部３４、及び第４層の導電回路４２の上面に、導電体粒子５を付着させ、且つ堆積させる。そして、導電体粒子５で、第２層のスルーホール２３、第３層のスルーホール３３、及び第４層のスルーホール４３を充填する。このとき、第１層の界面部１４、第２層の界面部２４、第３層の界面部３４、及び第４層の導電回路４２の上面に対して、導電体粒子５が垂直に衝突することになり、強固に接続された導電体が形成される。こうして、（ｃ）に示すように、導電体粒子５によって常温衝撃固化導電体６が形成される。
ここでは、４層の場合を例示したが、これに限定されるものではなく、３層以上の積層回路基板に対して適用できる。
【００１７】
絶縁基材としては、積層回路基板製造用途に適用可能な適宜のものを挙げることができるが、特に可撓性フィルム（フレキシブルフィルム）を用いることが好ましい。可撓性フィルムとしては、プラスチックフィルムであって、導電回路の形成工程及び電子部品の実装工程における熱プロセスに耐えるだけの耐熱性を有するものであることが好ましい。絶縁基材の具体的な材質としてはポリカーボネート、ポリエーテルサルファイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリイミド、ポリアミド、液晶ポリマー等を挙げることができる。特にポリイミドフイルムは耐熱性に優れると共に耐薬品性にも優れるため好適に採用される。また、低誘電損失など電気的特性が優れている点で液晶ポリマーも好適に採用される。また、可撓性のガラス繊維補強樹脂板を採用することも可能であり、この場合のガラス繊維補強樹脂板を構成する樹脂としてはエポキシ樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、マレイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂などが挙げられる。絶縁基材を形成するための可撓性フィルムの寸法、厚み等は特に制限されず、適宜のものが採用されるが、例えば厚みは０.０２〜１.１０ｍｍの範囲とすることができる。
【００１８】
導電回路は、導電材料を回路パターンに形成したもので、絶縁基材に貼り付けた金属箔をエッチングしてパターン化している。導電材料としては、金、銀、銅、アルミニウムなどの金属材料とその合金が用いられる。また、絶縁基材の表面に導電性ペーストをパターン状に印刷して塗布し、この導電性ペーストを硬化することで導電回路を形成することもできる。導電回路は、絶縁基材の少なくとも一面に設けるものであり、絶縁基材の他面にも導電回路を設けても良い。また絶縁基材の両面に導電回路を形成する場合には、表裏の導電回路をスルーホールにて導通させても良い。本発明は、導電回路の材料やパターン作製方法に捉われるものではない。
【００１９】
積層回路基板１のように単層回路基板から複数の回路を積層化する手法としては、各層をそれぞれ回路パターン配線とスルーホール加工を行い、各回路基板をビルドアップ積層する。また、各層の材料をペースト化して、第１層から絶縁基材と導電回路を交互にパターン印刷を行い、焼成して組み上げても良い。本発明では、回路の積層方法に特に拘るものではない。
【００２０】
スルーホールの加工手段は、ビルドアップ積層では、各層をドリル加工してから積み上げ、積層化してスルーホール加工する方法が好適にとられる。また、回路を積層してから、孔を開ける加工法として、炭酸ガスレーザーによる加工で好適に行うことができる。レーザー加工では、中間回路となる第２層の界面部２４、第３層の界面部３４までの孔空け加工が容易に行うことができる。このように孔開け加工には様々な手法が取れるが、本発明では、加工手法に拘るものではない。
【００２１】
スルーホールを常温衝撃固化導電体６で充填する加工は、コールドスプレー技術により行う。コールドスプレー技術は、金属粒子をキャリアガスを用いて供給するステップと、キャリアガスを加熱するステップと、金属粒子材料とキャリアガスを、導電性回路パターンの領域に指向せしめるステップを持つ。キャリアガスは、常温で気体になる物質なら何でも使えるが、金属粒子を加速するには高い音速が求められ、このため分子量が低いものが用いられる。また、粉塵爆発等の危険を回避するために、その中でも不活性ガスを用いることが多い。金属粒子とキャリアガスを混合させ目的の位置に指向するために、ノド部を持つノズルを用いる。
【００２２】
スルーホールを充填する常温衝撃固化導電体６の材料は、導電回路を形成する導電材料の元素種を同じ材料とする。導電回路を形成する材料としては、金、銀、銅、アルミニウムとその合金が用いられることが多い。これらの材料と元素種を合わせることで、コールドスプレーにより形成した常温衝撃固化導電体６と導電回路の接合部分の界面がなくなり、良好な接合状態を維持できることになる。異種材料を選択すると、イオン化傾向の差により接合部分に電位差が生じて腐食を促進することになり、接合部の導電性と物理的接合性を低下させる。また、コールドスプレーの装置にセットする材料の粒子径は、１μｍから３０μｍが良く、好ましくは１０μｍ〜２０μｍが良い。
【００２３】
コールドスプレー技術では、その手法の機能上、ノズルからの噴射範囲を絞り込むことは困難であり、不要部への材料の付着を防止するために、補助的に最上層となる第４層のスルーホール４３の形状に合わせたパターンマスクを用いて、常温衝撃固化導電体６の充填加工をしても良い。用いるパターンマスクは、スルーホール形状の孔を持つ板状のマスクで、素材と膜厚は特に限定しないが、厚み０.１ｍｍ〜０.５ｍｍの基材に孔開け加工した金属板等があげられる。
以上説明したような積層回路基板には、必要に応じて抵抗、コンデンサ、トランジスタ、ダイオード、ＩＣ等の適宜の電子部品が実装される。
【実施例１】
【００２４】
第１層から第４層の絶縁基材１１、２１、３１、４１には、ポリエチレンテレフタレートの２００μｍのフィルムを用いた。その絶縁基材上に、５０μｍの銅箔を貼り合わせ、エッチング法により、導電回路１２、２２、３２、４２を形成した。第１層以外の各層には、ドリルで順に孔開け加工を行い、スルーホール２３、３３、４３を形成した。各スルーホール２３、３３、４３の位置を合わせながら、第１層から第４層までを順に張り合わせることで、積層回路基板１を形成した。その上に、第４層のスルーホール４３形状に加工したパターンマスクを密着させ、コールドスプレー装置４（ＩＮＯＶＡＴＩ社ＤＹＭＥＴ）により、平均粒子径１０μｍの銅粒子を原料として、条件：粒子供給量２.０ｇ／分、キャリアガス（ヘリウム）、ガス圧力６００ｋｐａ、ガス温度１００℃、ライン速度１０ｃｍ／秒にて、銅粒子から常温衝撃固化導電体６を形成した。予備動作も含めて、２０秒で形成が終了した。
【００２５】
スルーホール接続による第１層から第２層と第３層の回路間、また第４層から第２層と第３層の回路間の電気抵抗率を測定した平均値は、４.０×１０−８ Ω・ｍであった。これは、バルク純銅の電気抵抗率（１.７×１０−８ Ω・ｍ）に近く良好な特性であった。
【００２６】
［比較例１］
図２は、比較例１を示す積層回路基板の構成図である。
図中の（ａ）はコールドスプレー前の断面図であり、（ｂ）はコールドスプレー中の断面図であり、（ｃ）はコールドスプレー後の断面図である。
ここでは、第２層の絶縁基材２１と導電回路２２、第３層の絶縁基材３１と導電回路３２、及び第４層の絶縁基材４１と導電回路４２を、一つのスルーホール７で貫通させ、第１層の界面部１４だけを形成している。すなわち、全て同一径のドリルで孔開け加工をしている。それ以外は、実施例と同様に常温衝撃固化導電体６を形成し、積層回路基板１を作製した。
実施例と同様に抵抗率を測定したところ、８.０×１０−８ Ω・ｍであった。これは、第２層の界面部２４、第３層の界面部３４がなく、接続性が低下したためと推定される。
【００２７】
［比較例２］
ここでは、スルーホールの孔埋めをコールドスプレーではなく、ビアフィル用導電性銅ペーストを充填した後、６０℃で６０ｍｉｎ間乾燥し、その後、さらに１６０℃で６０ｍｉｎ間硬化処理を行って形成した以外は、実施例と同様に積層回路基板１を作製した。
実施例と同様に抵抗率を測定したところ、３.０×１０−６ Ω・ｍであった。ペースト法では、実施例に比較して２桁高い抵抗値になった。
【００２８】
［比較例３］
ここでは、コールドスプレーに使用した導電粒子をアルミニウム粒子とした以外は、実施例と同様に常温衝撃固化導電体６を形成し、積層回路基板１を作製した。
実施例と同様に抵抗率を測定したところ、１.８×１０−７ Ω・ｍであった。回路パターン配線材料と異種材料にしたことで、抵抗界面が形成され抵抗値が上昇したものと推定される。
実施例と比較例１〜３の抵抗率測定結果を表１にまとめた。
【００２９】
【表１】
2017175089.tif 000003
【００３０】
以上の通り、積層回路基板に界面部を設けることで、コールドスプレー法を用いた導電体材料の形成工程において導電回路との接続性を良化することが可能となった。本発明にて用いた積層回路基板であれば、電気抵抗率はバルク純銅と略同等である。そのため、パワー半導体回路に本発明の積層回路基板を用いたとしても良好な接続性を確保することが可能である。
【００３１】
以上、限られた数の実施形態を参照しながら説明したが、権利範囲はそれらに限定されるものではなく、上記の開示に基づく実施形態の改変は、当業者にとって自明のことである。
【符号の説明】
【００３２】
１  積層回路基板
４  コールドスプレー装置
５  導電体粒子
６  常温衝撃固化導電体
７  スルーホール
１１  第１層の絶縁基材
１２  第１層の導電回路
１４  第１層の界面部
２１  第２層の絶縁基材
２２  第２層の導電回路
２３  第２層のスルーホール
２４  第２層の界面部
３１  第３層の絶縁基材
３２  第３層の導電回路
３３  第３層のスルーホール
３４  第３層の界面部
４１  第４層の絶縁基材
４２  第４層の導電回路
４３  第４層のスルーホール
【図１】
2017175089.tif 000004
【図２】
2017175089.tif 000005