(57)【要約】【課題】  スルーホールの許容電流値の高いスルーホール充填基板およびその製造方法を提供する。【解決手段】  貫通導体２４が焼成収縮率が互いに異なる２種の導体ペーストを用いた中間層２６および内周導体２８から構成されることから、その中間層２６がスルーホール２２の内周面および内周導体２８に強固に固着されるので、それらによって構成される貫通導体２４がスルーホール２２内に強固に固着される。しかも、内周導体用ペーストは焼成収縮率が小さいことから、焼成時や冷熱サイクル時の貫通導体２４の寸法変化が抑制されるので、中間層２６がスルーホール２２の内周面に強固に固着されていることと相俟って、貫通導体２４がスルーホール２２の内周面から剥離することや、その上下端面における配線層１６，２０との間の断線が好適に抑制される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基板の両面に所定の平面形状で形成された配線層がその基板を厚み方向に貫通する貫通孔内に充填形成された貫通導体で相互に接続されたスルーホール充填基板であって、
前記貫通導体は、前記貫通孔の内周面に固着された第１導体材料から成る筒状の中間層と、前記中間層の内周面に固着された第２導体材料から成る内周導体とを含み、前記第１導体材料は前記第２導体材料に比較して焼成収縮率が大きく且つ前記セラミック基板との接着強度が高いことを特徴とするスルーホール充填基板。
【請求項２】
前記第１導体材料は、酸化ビスマスおよび酸化銅を含むものである請求項１のスルーホール充填基板。
【請求項３】
前記中間層は、前記セラミック基板の少なくとも一方の表面において前記貫通孔の周囲に広がる部分を有するものである請求項１または請求項２のスルーホール充填基板。
【請求項４】
セラミック基板の両面に所定の平面形状で形成された配線層がその基板を厚み方向に貫通する貫通孔内に充填形成された貫通導体で相互に接続されたスルーホール充填基板を製造する方法であって、
前記貫通孔の内周面に所定の第１導体ペーストを塗布して焼成処理を施すことによって前記貫通導体の外周部を構成する所定厚さ寸法の中間層を形成する中間層形成工程と、
所定の第２導体ペーストを前記中間層が形成された前記貫通孔内に充填して焼成処理を施すことによって前記貫通導体の内周部を構成する内周導体を形成する内周導体形成工程と
を含み、前記第１導体ペーストは前記第２導体ペーストに比較して焼成収縮率が大きく且つ前記セラミック基板との接着強度が高いことを特徴とするスルーホール充填基板の製造方法。
【請求項５】
前記第１導体ペーストは、酸化ビスマスおよび酸化銅を含むものである請求項４のスルーホール充填基板の製造方法。
【請求項６】
前記第１導体ペーストは、平均粒径が0.4〜0.6(μm)の範囲内且つ比表面積が1.5〜1.8(m2/g)の範囲内の球状を成す銀粉末を導体成分として含むものであり、前記第２導体ペーストは、最大粒径が10(μm)以上且つ平均粒径が前記第１導体ペーストに含まれるものよりも大きい銀粉末を導体成分として含むものである請求項４または請求項５のスルーホール充填基板の製造方法。
【請求項７】
前記第１導体ペーストは、前記銀粉末が酸化ジルコニウムで被覆されたものである請求項６のスルーホール充填基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板に開けた貫通孔に貫通導体が充填されたスルーホール充填基板およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、アルミナ等から成るセラミック基板を用いた厚膜回路基板において、その基板に貫通孔(すなわちスルーホール)を設け、そのスルーホール内壁面に導体層を形成して基板両面に備えられた配線を相互に接続することが行われている(例えば特許文献１，２を参照。)。このようなスルーホールは、高い導電性を有するものの、基板厚み方向の導体断面積が小さいことから例えば1(A)程度の小電流用途に用いられており、大電流を流すことの可能な接続構造が望まれている。例えば、大型車の電動パワーステアリング(ＥＰＳ)用の基板では50〜60(A)程度の電流が望まれるのである。
【０００３】
大電流を通電可能とするためには、貫通孔内の導体断面積を大きくすることが必要であり、例えば、貫通孔全体に導体材料を充填することが考えられる。しかしながら、スルーホール用の導体ペーストは焼成収縮が大きいため、貫通孔内に充填して焼成処理を施すと内壁面から剥離する問題がある。また、焼成収縮によって端面が基板表面から著しく凹んだ状態になるため、基板両面の配線との接続確保が困難な問題もある。
【特許文献１】特開平０３−０５０７８１号公報
【特許文献２】特開平０９−３０７２０７号公報
【特許文献３】特開２００６−２８７０１９号公報
【特許文献４】特開２０００−０５８９９５号公報
【特許文献５】特開２００１−０９４２２３号公報
【特許文献６】特開２００４−３４３０５６号公報
【特許文献７】特開２００７−０２７６８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これに対して、従来から、スルーホール内に導体を充填した構造が種々提案されている。例えば、スルーホール壁面にNiおよびCrから成る金属膜をスパッタ等で設け、CuおよびSnから成る電極材を充填するものがある(例えば特許文献３を参照。)。また、スルーホールの内壁面にWまたはMoのメタライズ層を設け、CuまたはAgのメッキ層を充填形成するものがある(例えば特許文献４を参照。)。また、スルーホール内にCuを20〜35(重量％)含むCu-W金属柱を配置して基板両面の金属回路板をこれに接続するものがある(例えば特許文献５を参照。)。また、基板両面に750(℃)以下で焼成されたCu系の導体層を設け、スルーホール内に充填したAg系の導体で両面の導体層を接続するものがある(例えば特許文献６を参照。)。
【０００５】
しかしながら、上記特許文献３，４に記載された構造では、スパッタやメタライズ等による膜形成が必要であることから、製造工程が複雑になり延いては製造コストが高くなる問題がある。また、前記特許文献５に記載された構造では、貫通孔内壁面に設けたメタライズ層に前記金属柱をロウ付けすることから、メタライズが必要となって工程が複雑化し延いては高コスト化する問題がある。しかも、金属柱と金属回路板は単に接触させられるだけの状態のため、十分な導電性を確保するためには、それらの接触面の平滑性を極めて高くすることが必要となるので、これが製造コストを一層高くする。また、前記特許文献６に記載された構造は、前述したように焼成収縮が大きい一般的な導体膜用の厚膜銀ペーストを用いると、貫通孔内壁面から剥離し易く実現困難である。
【０００６】
因みに、セラミック基板に設けた貫通孔に金属材料を充填することは、その基板の放熱性を高めることを目的として従来から行われており、サーマルビアと称される(例えば特許文献７を参照。)。基板の裏面にはアルミニウム等の熱伝導に優れた金属などから成るヒートシンクが配置され、基板の表面側で発生した熱をサーマルビアを経由させて裏面側に導き、そのヒートシンクに逃がすことで放熱性が高められる。このような放熱性の改善によって基板表面の温度上昇が抑制されるので、例えば、その基板表面における部品の実装密度を高めることができる。この結果、基板の小型化や高機能化が容易になる。
【０００７】
上記のサーマルビアは、上述した熱伝達が良好に行われるようにその両端面が部品およびヒートシンクに密着している必要がある。そのため、例えば粒径を大きくして焼結性が抑制された材料を用いることで焼成収縮が小さくされ、端面が基板表面から凹むことが好適に抑制されている。しかしながら、サーマルビア用ペーストをそのままスルーホール用に用いたところ、基板両面の配線層との電気的接続が得られない貫通孔が40(％)程度の割合で生じる結果となった。しかも、当初は電気的接続が得られた貫通孔でも、基板厚み方向の抵抗値は例えば平均で12.6(mΩ)程度と高く、更に、冷熱サイクル試験を実施すると全ての貫通孔で電気的接続が失われ、配線接続用途には利用できないことが判明した。上記のサーマルビア用ペーストは、焼結性が抑制された結果として粒子相互の接触面積が小さく且つセラミック基板との接着強度が低いので、導電性が低くなると共に、焼成時或いは冷熱サイクル時の収縮によって貫通孔内壁面から剥離して配線層との接続が断たれたものと考えられる。
【０００８】
本発明は、以上の事情を背景として為されたものであって、その目的は、スルーホールの許容電流値の高いスルーホール充填基板およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
斯かる目的を達成するため、第１発明の要旨とするところは、セラミック基板の両面に所定の平面形状で形成された配線層がその基板を厚み方向に貫通する貫通孔内に充填形成された貫通導体で相互に接続されたスルーホール充填基板であって、(ａ)前記貫通導体は、前記貫通孔の内周面に固着された第１導体材料から成る筒状の中間層と、前記中間層の内周面に固着された第２導体材料から成る内周導体とを含み、前記第１導体材料は前記第２導体材料に比較して焼成収縮率が大きく且つ前記セラミック基板との接着強度が高いことにある。
【００１０】
また、前記目的を達成するための第２発明の要旨とするところは、セラミック基板の両面に所定の平面形状で形成された配線層がその基板を厚み方向に貫通する貫通孔内に充填形成された貫通導体で相互に接続されたスルーホール充填基板を製造する方法であって、(ａ)前記貫通孔の内周面に所定の第１導体ペーストを塗布して焼成処理を施すことによって前記貫通導体の外周部を構成する所定厚さ寸法の中間層を形成する中間層形成工程と、(ｂ)所定の第２導体ペーストを前記中間層が形成された前記貫通孔内に充填して焼成処理を施すことによって前記貫通導体の内周部を構成する内周導体を形成する内周導体形成工程とを含み、前記第１導体ペーストは前記第２導体ペーストに比較して焼成収縮率が大きく且つ前記セラミック基板との接着強度が高いことにある。
【発明の効果】
【００１１】
前記第１発明によれば、前記貫通導体は、中間層およびその内周側の内周導体から構成されるが、中間層を構成する第１導体材料は、内周導体を構成する第２導体材料に比較して前記セラミック基板との接着強度が高いことから、内周導体はその中間層を介して貫通孔内に強固に固着され、延いては、中間層および内周導体を備えた貫通導体がセラミック基板に強固に固着される。このとき、第２導体材料は第１導体材料に比較して焼成収縮率が小さいことから、焼成時や冷熱サイクル時の貫通導体の寸法変化が抑制されるので、中間層が貫通孔内壁面に強固に固着されていることと相俟って、貫通導体が貫通孔内壁面から剥離することやセラミック基板両面の配線層との間で断線することが好適に抑制される。また、貫通孔内には貫通導体が充填されるが、焼成収縮率の相対的に大きい第１導体材料から成る中間層は高い導電性を有すると共に、焼成収縮率の相対的に小さい第２導体材料から成る内周導体も中間層には劣るものの導電性を有するので、貫通導体全体の導電性は、貫通孔内に薄い中間層のみを設けた場合、すなわち貫通孔内に導体を充填しないスルーホールの場合に比較しても、貫通導体全体を第２導体材料で構成した場合に比較しても、格段に向上する。したがって、スルーホールの許容電流値の高いスルーホール充填基板が得られる。
【００１２】
また、前記第２発明によれば、中間層形成工程において、貫通孔内周面に第１導体ペーストが塗布され且つ焼成されることによって中間層が形成され、内周導体形成工程において、その中間層が形成された貫通孔内に第２導体ペーストが充填され且つ焼成されることによって内周導体が形成される。すなわち、中間層および内周導体を備えた貫通導体が形成される。このとき、第１導体ペーストは第２導体ペーストに比較して前記セラミック基板との接着強度が高いことから、内周導体はその中間層を介して貫通孔内に強固に固着され、延いては、中間層および内周導体を備えた貫通導体がセラミック基板に強固に固着される。このとき、第２導体ペーストは第１導体ペーストに比較して焼成収縮率が小さいことから、焼成時や冷熱サイクル時の貫通導体の寸法変化が抑制されるので、中間層が貫通孔内壁面に強固に固着されていることと相俟って、貫通導体が貫通孔内壁面から剥離することやセラミック基板両面の配線層との間で断線することが好適に抑制される。また、貫通孔内には貫通導体が充填されるが、焼成収縮率の相対的に大きい第１導体ペーストから生成される中間層は高い導電性を有すると共に、焼成収縮率の相対的に小さい第２導体ペーストから生成される内周導体も中間層には劣るものの導電性を有するので、貫通導体全体の導電性は、貫通孔内に薄い中間層のみを設けた場合、すなわち貫通孔内に導体を充填しないスルーホールの場合に比較しても、貫通導体全体を第２導体ペーストで形成した場合に比較しても、格段に向上する。したがって、スルーホールの許容電流値の高いスルーホール充填基板を製造することができる。
【００１３】
なお、本願において、焼成収縮率は、乾燥後の膜厚をＴd、焼成後の膜厚をＴfとしたとき、[(Ｔd−Ｔf)／Ｔd]×100  で求められる値である。
【００１４】
また、上記製造方法において、前記中間層形成工程および前記内周導体形成工程は、それぞれの焼成処理を別々に行う方が良く、一括して行うことは好ましくない。すなわち、前記「第２導体ペーストを前記中間層が形成された前記貫通孔内に充填」における「中間層」は、好ましくは焼成処理を終えた中間層を意味する。
【００１５】
また、前記第１導体材料、第２導体材料、第１導体ペースト、第２導体ペーストは、前述した焼成収縮率およびセラミック基板との接着強度の関係を満足する範囲で、所望する接着強度や導電性が得られるように適宜のものを用い得る。前記中間層を形成するための第１導体材料或いは第１導体ペーストとしては、従来からスルーホール用に用いられているもの或いはこれに準ずる焼結性を有するものを好適に用い得る。また、前記内周導体を形成するための第２導体材料或いは第２導体ペーストとしては、従来からサーマルビア用に用いられている金属ペースト或いはこれに準ずる焼結性を有するものを好適に用い得る。
【００１６】
因みに、従来から用いられているスルーホール用導体は、前記セラミック基板との接着強度が比較的高い反面で焼成収縮率が比較的大きい。また、従来から用いられているサーマルビア用導体は、焼成収縮率は比較的小さい反面で、セラミック基板との接着強度が比較的低い。そのため、これら２種の導体の何れを用いた場合にも、単独で貫通孔に充填すると、焼成時および冷熱サイクル時の収縮によって発生する剥離方向の力が接着強度を容易に上回るので、貫通孔の内周面から剥離し易く、その結果、表面に形成されている配線層との間で断線が生じることとなる。
【００１７】
ここで、好適には、前記第１導体材料または前記第１導体ペーストは、酸化ビスマスおよび酸化銅を含むものである。このようにすれば、酸化ビスマスは導体粉末の焼結を促進すると共に導体ペーストとセラミックスとの濡れ性を高める利点があり、酸化銅は生成される導体膜とセラミックスとの密着性を高める利点があるので、これらが含まれていると導電性が一層高く且つ断線が一層生じ難い充填導体が得られる。
【００１８】
また、好適には、前記中間層は、前記セラミック基板の少なくとも一方の表面において前記貫通孔の周囲に広がる部分を有するものである。このようにすれば、中間層が貫通孔内周面から剥離することが一層抑制される。このような鍔状部は、セラミック基板の一方の面のみに設けられていても十分な効果を享受できるが、両面に設ければ剥離防止および導通確保の面で一層好ましい。
【００１９】
また、好適には、前記第１導体ペーストは、平均粒径が0.4〜0.6(μm)の範囲内且つ比表面積が1.5〜1.8(m2/g)の範囲内の球状を成す銀粉末を導体成分として含むものであり、前記第２導体ペーストは、最大粒径が10(μm)以上且つ平均粒径が前記第１導体ペーストに含まれるものよりも大きい銀粉末を導体成分として含むものである。このようにすれば、第１導体ペーストは粒径が十分に小さい焼結性の高い銀粉末を導体成分として含むので、セラミック基板との密着性が高く導電性の高い中間層を生成できる。また、第２導体ペーストは粒径が十分に大きい焼結性の低い銀粉末を導体成分として含むので、焼成収縮率が十分に小さい内周導体が得られる。なお、第１導体ペーストに含まれる銀粉末は、平均粒径が小さいほど焼結性の面では好ましいが、0.4(μm)未満では取扱いが著しく困難になると共に分散性も悪くなる。第１導体ペーストに含まれる導体成分は特に限定されず、銅系或いは金系の材料でも良いが、銀系材料が最も好ましい。なお、上記粒径は、レーザ回折・散乱法で測定したもので、平均粒径は、粒度分布計による50％平均粒径である。
【００２０】
また、好適には、前記第１導体ペーストは、前記銀粉末が酸化ジルコニウムで被覆されたものである。このようにすれば、銀粉末の焼結が酸化ジルコニウム被膜によって抑制されるので、過焼結や異常粒成長等が生じ難くなり、適度な焼結性を有する第１導体ペーストが得られる。
【００２１】
また、好適には、前記第２導体材料または前記第２導体ペーストに含まれる銀粉末はアトマイズ法で製造したものである。このようにすれば、アトマイズ法で製造した銀粉末は球状を成し、焼結性が低いことから、第１導体材料および第１導体ペーストに比較して焼成収縮率の小さい第２導体材料および第２導体ペーストの導体成分として好適である。
【００２２】
また、好適には、前記中間層および前記内周導体は何れも銀系厚膜材料から成るものであり、前記配線層は銅系厚膜材料から成るものである。前記中間層および前記内周導体から成る前記貫通導体は、セラミック基板との十分に高い接着強度を有することから、貫通孔の内周面から剥離し難い特性を有するため、銀系厚膜材料および銅系厚膜材料のように導体相互の接着強度の確保が困難な組合せにおいても、配線と貫通導体との間の断線が好適に抑制されて導通を確保できる。そのため、銀系或いは金系材料に比較して安価な銅系材料で配線を設けたスルーホール充填基板が得られる。
【００２３】
また、好適には、前記第１導体材料および前記第１導体ペーストは、50(％)以上の焼成収縮率を有するものである。前記中間層を形成するための第１導体材料および第１導体ペーストには、前記セラミック基板との接着強度が高く且つ導電性が高いことが望まれるが、50(％)以上の焼成収縮率を有する材料であれば、接着強度および導電性も十分に高くなる。
【００２４】
また、好適には、前記第２導体材料および前記第２導体ペーストは、収縮抑制作用を有する粒子(以下、収縮抑制剤という)を含むものである。前記第１発明および前記第２発明には、前記のように焼結性の低い銀粉末を導体成分として含むことで第２導体材料および第２導体ペーストの焼成収縮率を小さくするものに限られず、焼成抑制作用を有する粒子を添加することでそれら第２導体材料および第２導体ペーストの焼成収縮率を小さくしたものも含まれる。上記焼成収縮剤としては、窒化珪素やパラジウムなどが挙げられる。また、前記のような焼結性の低い銀粉末と上記収縮抑制剤とを併用することも好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例において図は適宜簡略化或いは変形されており、各部の寸法比および形状等は必ずしも正確に描かれていない。
【００２６】
図１は、本発明の一実施例のスルーホール充填基板１０の要部断面を模式的に示す図である。図１において、スルーホール充填基板１０は、基板１２と、その基板１２の表面１４に設けられた表面側配線層１６と、裏面１８に設けられた裏面側配線層２０(以下、これらを特に区別しないときは配線層１６，２０という)と、基板１２に厚み方向に貫通して設けられたスルーホール２２内に備えられた貫通導体２４とを備えている。
【００２７】
上記の基板１２は、例えば厚膜回路基板によく用いられているアルミナから成るものであって、例えば0.8(mm)程度の厚さ寸法を備えている。この基板１２に設けられているスルーホール２２は、例えば0.2(mm)程度の直径を有するもので、その内部全体が前記貫通導体２４で埋められている。すなわち、スルーホール２２には導体がその内壁面に密着した状態で充填されている。
【００２８】
上記の貫通導体２４は、その上下端面がそれぞれ基板１２の表面１４および裏面１８と略同一平面上に位置する。すなわち、貫通導体２４の上下端面は、それら表面１４および裏面１８と同一平面に位置するか、僅かに凹み、或いは僅かに突き出した状態にある。図１では、僅かに突き出した状態を描いている。この貫通導体２４は、外周側に位置し、スルーホール２２の内周面に固着された円筒状の中間層２６と、その中間層２６の内周面に固着された円柱状の内周導体２８とから構成されている。
【００２９】
上記の中間層２６および内周導体２８は、何れも厚膜導体材料、例えば厚膜銀から成るものである。中間層２６は、例えばスルーホール導体用に好適に用い得るものであって、例えば2〜3(μm)程度の薄い厚さ寸法でスルーホール２２の内周面に強固に固着されている。また、中間層２６は、基板１２の表面１４および裏面１８との間の抵抗値(以下、端面間抵抗値という)が例えば3〜4(mΩ)程度の比較的高い導電性を有する。この中間層２６は、その上下両端が表面１４および裏面１８の各々に僅かに突き出す状態になっており、その突き出した端部はスルーホール２２の周囲に鍔状に広がって表面１４および裏面１８にそれぞれ固着されている。
【００３０】
一方、上記の内周導体２８は、例えば従来からサーマルビア用に用いられているものであって、例えば194〜196(μm)程度の直径を備え、端面間抵抗値が例えば3〜4(mΩ)程度の導電性を有するものである。内周導体２８は中間層２６に比較して大きい断面積を備えているが、導電率が劣るため、端面間抵抗値は同程度になっている。この内周導体２８は、その上下両端が上記中間層２６の両端と略同一平面上に位置している。貫通導体２４は、このような中間層２６および内周導体２８から構成されることから、全体の端面間抵抗値は例えば2.5(mΩ)程度で、比較的高い導電性を備えている。
【００３１】
上記の中間層２６は、例えば、導体成分として銀を98.9(wt％)程度、無機酸化物を1.1(wt％)程度含み、比較的高い焼結性を有する材料から成る。上記無機酸化物は例えば酸化ビスマスおよび酸化銅で、例えば2:1程度の割合で含まれている。
【００３２】
また、上記の内周導体２８は、例えば導体成分として銀および錫をそれぞれ94.1(wt％)程度、5.1(wt％)程度、金属酸化物を0.8(wt％)程度含み、中間層２６の構成材料に比較して低い焼結性を有する材料から成る。上記金属酸化物は、例えば酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化鉄、酸化亜鉛、酸化ルビジウムで、酸化亜鉛は0.5(wt％)程度、他の酸化物は0.1(wt％)以下の範囲でそれぞれ含まれている。
【００３３】
また、前記の配線層１６，２０は、例えば銅を導体成分として含む厚膜導体材料から成るもので、表面１４に例えば5〜150(μm)程度の厚さ寸法で設けられている。図２に上記表面側配線層１６の要部を拡大して示す。表面側配線層１６は、予め定められた平面形状で導体配線が設けられたものであって、例えば、前記スルーホール２２上にはそれよりも十分に大きい面積の接続部３０が備えられている。平面形状の図示は省略するが、裏面側配線層２０も同様にスルーホール２２上に接続部を備えた導体配線が表面側配線層１６とは異なる平面形状で設けられたものである。
【００３４】
このように、上記の配線層１６，２０は、何れも前記スルーホール２２上に設けられていることから、その内部に設けられた貫通導体２４の上下端面にそれぞれ固着されている。この結果、その貫通導体２４を介して配線層１６，２０が電気的に接続されている。前述したように、貫通導体２４は、例えば抵抗値が2.5(mΩ)程度の比較的高い導電性を有していることから、表面１４および裏面１８の配線層１６，２０を低抵抗で接続する。しかも、貫通導体２４は、スルーホール２２内に導体が充填されることによって大きな断面積を備えていることから、スルーホール２２の内周面に薄い導体層が設けられているだけの接続構造に比較して、例えば50〜60(A)程度の大電流を通電し得る利点がある。
【００３５】
なお、図示は省略するが、上記のようなスルーホール２２および貫通導体２４は、基板１２に多数設けられており、配線層１６，２０は、それら複数個の貫通導体２４を介して複数箇所で相互に接続されている。また、基板１２上には、ＩＣや抵抗体等の電子部品が実装されると共に、基板１２の裏面１８にはヒートシンクが接着剤等によって必要に応じて固着されている。このようにヒートシンクが設けられる場合には、スルーホール２２内に充填形成された前記貫通導体２４は表面１４側から裏面１８側に熱を逃がすためのサーマルビアとしても機能させることができる。但し、これらは本実施例の理解には無用であるので、図示および詳細な説明は省略する。
【００３６】
図３は、上記のスルーホール充填基板１０の製造工程の要部を説明するための工程流れ図である。先ず、中間層用ペースト塗布・乾燥工程Ｐ１では、別途製造した前記基板１２のスルーホール２２に、別途調製した中間層用ペーストを裏面側から吸引しつつ表面側から塗布し、乾燥処理を施す。これにより、前記中間層２６を形成するための塗布膜が形成される。
【００３７】
上記の基板１２は、例えば、よく知られた適宜のシート成形法を利用して成形したセラミック未焼成シートに前記スルーホール２２を形成すると共に予め定められた大きさに切断し、焼成処理を施すことで製造される。また、上記の中間層用ペーストは、例えば下記の組成に調製されたものである。下記組成において、導体は平均粒径(D50)が0.4〜0.6(μm)、比表面積が1.5〜1.8(m2/g)で、球状を成し、表面にZrO2が被覆されたものを用いた。また、無機酸化物は酸化ビスマスおよび酸化銅である。このように構成される中間層用ペーストは、微細な銀粉末を含むことから高い焼結性を有し、例えば焼成時に50(％)程度の収縮が生ずるもので、導体を充填しない形式のスルーホール導体形成に好適に用い得るものである。上記平均粒径は粒度分布計を用いてレーザ回折・散乱法で測定した50％平均粒径である。
【表１】
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【００３８】
次いで、焼成工程Ｐ２では、塗布した中間層用ペーストの焼成処理を施す。この焼成処理は、例えば、酸化雰囲気中にて850(℃)程度の焼成温度で行われる。これにより、中間層用ペーストから前記中間層２６が生成される。このとき、中間層用ペーストは前記のように高い焼結性を有することから、生成される中間層２６は、スルーホール２２の内周面に強固に固着される。本実施例においては、中間層用ペースト塗布・乾燥工程Ｐ１および焼成工程Ｐ２が中間層形成工程に対応する。
【００３９】
次いで、内周導体用ペースト塗布・乾燥工程Ｐ３では、前記中間層２６用の塗布膜を形成したスルーホール２２内に、別途調製した内周導体用ペーストを塗布して充填し、乾燥処理を施す。このペーストの充填は、例えば、裏面１８側から吸引しつつ表面１４側からスルーホール２２にペーストを塗布することで行われる。これにより、前記内周導体２８を形成するための充填物が生成される。
【００４０】
上記の内周導体用ペーストは、例えばサーマルビア用として市販されているもの(例えば、田中貴金属工業株式会社製  ＴＲ６９０６)で、例えば下記の組成に調製されたものである。下記組成において、銀は例えばアトマイズ法で製造されたもので、グラインドゲージ(粒度ゲージとも言う)で測定した最大粒径が40〜45(μm)程度の比較的粗大な粒子である。また、ガラスは硼素、珪素、カルシウム、アルミニウム等から成るものであり、バインダーは例えばエチルセルロースであり、溶剤は例えばターピネオール、ブチルジグリコールアセテート、芳香族炭化水素から成るものである。なお、上記内周導体用ペーストは、比較的粗大な銀粉末を含むことから、低い焼結性を有し、焼成収縮率は例えば-2.1(％)程度である。
【表２】
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【００４１】
なお、上記グラインドゲージによる最大粒径は、例えば、連続して10(mm)以上の線が３本以上並んで現れた位置の目盛を読み取る線条法評価によって得た値であるが、走査型電子顕微鏡(ＳＥＭ)で観察したところでは、殆どの粒子が10〜15(μm)、すなわち平均粒径が10〜15(μm)程度で、40(μm)以上の粒子は認められなかった。したがって、前記最大粒径は10(μm)程度の数個の粒子が凝集した凝集粒の測定値と考えられ、本実施例においては、内周導体用ペーストを構成する銀粉末は最大粒径が10(μm)以上で前記中間層用ペーストに含まれる銀粉末よりも平均粒径が大きいものが用いられている。
【００４２】
次いで、焼成工程Ｐ４では、塗布・充填した内周導体用ペーストの焼成処理を施す。この焼成処理は、例えば、酸化雰囲気中にて850(℃)程度の焼成温度で行われる。これにより、内周導体用ペーストから前記内周導体２８が生成され且つ前記中間層２６と一体化させられて、前記貫通導体２４が生成される。このとき、内周導体用ペーストは前記のように焼成収縮率が小さいことから、焼成時の寸法変化が小さいので、生成される内周導体２８は、中間層２６に強固に固着されながら中実状態に保たれると共に、その上下端面の表面１４および裏面１８からの凹み量が微小に留められる。本実施例においては、内周導体用ペースト塗布・乾燥工程Ｐ３および焼成工程Ｐ４が内周導体形成工程に対応する。
【００４３】
次いで、配線形成工程Ｐ５では、別途調製した厚膜導体ペーストを前記基板１２の表面１４および裏面１８に予め定められた平面形状で塗布し、その厚膜導体ペーストの組成に応じて予め定められた温度で焼成処理を施すことにより、前記表面側配線層１６および前記裏面側配線層２０を形成する。これにより、前記スルーホール充填基板１０が得られる。上記厚膜導体ペーストは、例えば銅等の導体材料および無機結着剤等をビヒクルに分散して調製されたものである。なお、必要に応じて、上記配線形成に先立ち、別途調製した厚膜抵抗体ペーストを前記基板１２の表面１４および裏面１８の予め定められた箇所に例えば矩形パターンで塗布し、その抵抗体ペーストの組成に応じて予め定められた温度で焼成処理を施すことにより、厚膜抵抗体が形成される。
【００４４】
次いで、保護層形成工程Ｐ６では、別途調製したガラスペーストを前記基板１２の裏面１８に配線層２０を覆うように塗布し、そのガラスの種類に応じた温度で焼成処理を施すことにより、図示しない保護層を形成する。なお、保護層は合成樹脂から成るものでもよく、その場合には、ガラスペーストに変えて樹脂ペーストを用いると共に、焼成温度をその材料に応じて変更すればよい。
【００４５】
本実施例によれば、貫通導体２４が上記のようにして焼成収縮率が互いに異なる２種の導体ペーストを用いた中間層２６および内周導体２８から構成されることから、その中間層２６がスルーホール２２の内周面および内周導体２８に強固に固着されるので、その内周導体２８がその中間層２６を介してスルーホール２２内に強固に固着され、延いては、それらによって構成される貫通導体２４がスルーホール２２内に強固に固着される。しかも、内周導体用ペーストは焼成収縮率が小さいことから、焼成時や冷熱サイクル時の貫通導体２４の寸法変化が抑制されるので、中間層２６がスルーホール２２の内周面に強固に固着されていることと相俟って、貫通導体２４がスルーホール２２の内周面から剥離することや、その上下端面における配線層１６，２０との間の断線が好適に抑制される。
【００４６】
次に、上記のようにして貫通導体２４が形成された実施例のスルーホール充填基板１０の貫通導体２４の特性を、構成の異なる比較例と合わせて評価した結果について説明する。図４に示すスルーホール充填基板３２は、前記内周導体２８と同一の導体ペーストを用いて、貫通導体３４全体を構成したものである。これを比較例１とする。また、図５に示すスルーホール充填基板３６は、上記スルーホール充填基板３２と同様な貫通導体３４の上下端面を覆って中間層３８，４０を設け、その上に配線層１６，２０を設けたものである。中間層３８，４０は、前記中間層２６と同一の導体ペーストを用いて形成したものである。これを比較例２とする。これら実施例および比較例１，２について、スルーホール内の充填性、配線層１６，２０との接合状態、内壁との接着性、抵抗値信頼性を評価した。
【００４７】
上記の充填性および接着性は、スルーホール２２の断面をＳＥＭで観察して、外観によって判断した。充填性は貫通導体内に空洞が存在しないものを合格とした。また、接着性はスルーホール２２の内周面との間に隙間が存在しないものを合格とした。また、抵抗値信頼性は、スルーホール２２の上下端面間の抵抗値を、製造後、高温放置後、および冷熱サイクル後で測定し、初期値および変化度合いを評価した。抵抗値は5(mΩ)以下を合格とした。
【００４８】
図６〜図９に比較例１のスルーホール２２近傍の断面のＳＥＭ写真を、図１０〜図１３に比較例２のスルーホール２２近傍の断面のＳＥＭ写真を、図１４〜図１７に実施例のスルーホール２２近傍の断面のＳＥＭ写真をそれぞれ示す。図６、図１０、図１４はスルーホール２２の全体像、図７、図１１、図１５はスルーホール２２の開口部近傍、図８、図１２、図１６はスルーホール２２の内周面と貫通導体２４，３４との境界近傍、図９、図１３、図１７はその境界近傍を更に拡大したものである。
【００４９】
充填性は、図６、図１０、図１４等に基づいて判断したが、実施例および比較例１，２の何れにもおいても空洞が認められず、全て問題の無い状態である。また、配線層１６，２０との接合状態は、図７、図１１、図１５等に基づいて判断した。各写真において上方から半分弱の位置に配線層１６と貫通導体２４，３４との境界が現れており、横方向に伸びる部分が配線層１６，縦方向に伸びる部分が貫通導体２４，３４である。比較例１，２では、これらの境界に大きな隙間が存在するが、実施例では、隙間が何ら認められず、良好な接合状態であることが判る。また、内壁との接着性は、図８、図９、図１２、図１３、図１６、図１７等に基づいて判断した。各写真における左側部分が基板１２、右側部分が貫通導体２４，３４である。比較例１，２では、基板１２と貫通導体３４との間に明らかに隙間が存在するが、実施例では隙間が存在せず、良好な接着状態である。
【００５０】
上述したように、比較例１，２では、配線層１６，２０および基板１２と貫通導体３４との間に隙間が生じている。貫通導体３４は、前述したように粗大な銀粉末が用いられることによって焼結が抑制されているため、焼成収縮が小さく、寸法変化の小さい特性を有している。しかしながら、このように焼結性が低下させられた結果として、基板１２や配線層１６，２０との接着強度も低下させられているので、焼成時の収縮やその後の冷熱サイクル等に起因して貫通導体３４が基板１２から剥離し、或いは、配線層１６，２０と断裂し易くなっているのである。
【００５１】
図１８は、上記比較例１，２および実施例の初期抵抗値を測定した結果を示したものである。各比較例、実施例において、st1〜st6は、サンプル番号である。各サンプルは１面１２個取りで製造し、それら１２個の各々について、予め定めた位置にあるスルーホール２２の抵抗値を測定して、サンプル番号毎に測定データを図示した。但し、比較例１，２では、当初から断線して測定不能(すなわち抵抗値無限大)なものもあったため、測定できたもののみ、すなわち、比較例１のst1は７点、st2、st3はそれぞれ１点のデータのみを示した。st4は全て測定不能であったため、データがない。また、比較例２のst1は７点、st2は１１点のデータのみを示した。比較例２のst3〜st6はそれぞれ１２点全てを測定可能であった。
【００５２】
上記図１８に示されるように、比較例１では、当初から断線しているものが40(％)程度と多く、断線していないものでも平均で12(mΩ)以上の高い抵抗値を示しており、表面１４および裏面１８間の配線接続用途には不適当である。一方、比較例２では、st1、st2で断線が生じているものも存在し、接続が得られた一部のスルーホール２２で6(mΩ)前後の抵抗値であったが、殆どのスルーホール２２で5(mΩ)以下で、平均も基準値の5(mΩ)を下回る4.5(mΩ)程度である。また、実施例では、全てのサンプルで確実に接続が得られ、全て3(mΩ)以下、平均値で2.4(mΩ)程度の極めて高い導電性を有することが確かめられた。しかも、図１８に現れている通り、実施例ではばらつきも極めて小さいものとなっている。
【００５３】
図１９は、比較例１，２および実施例のサンプルを高温放置し或いは冷熱サイクルに曝して抵抗値変化を確かめた結果をまとめたものである。高温放置試験は、サンプルを150±3(℃)にて200時間、500時間、1000時間保持し、それぞれ保持後の抵抗値を測定した。また、冷熱サイクル試験は、サンプルを-40±5(℃)に冷却し、30分間保持後、150(℃)まで加熱し、30分間保持する冷却・加熱を200サイクル、500サイクル、1000サイクル行い、それぞれの規定回数後の抵抗値を測定した。上記冷却温度と加熱温度との切り替えは15分以内に行うこととした。なお、比較例１については、冷熱サイクル試験のみを行った。
【００５４】
上記図１９に示されるように、比較例１の冷熱サイクル試験では、200サイクルで著しく抵抗値が上昇し、500サイクルで全て断線して測定不能となった。一方、比較例２の高温放置試験では、放置時間が長くなるに従って抵抗値が上昇する傾向が明らかに認められ、500時間放置で抵抗値が平均で2.7(％)程度増大した。したがって、比較例２は、比較例１に比較すると変化は小さいものの十分な信頼性を有するとは言えない。また、冷熱サイクル試験では比較的少ない回数の冷熱サイクルで急激な抵抗値上昇が認められ、500時間では抵抗値が76.6(％)程度増大する。したがって、比較例２も冷熱サイクルに対する十分な耐性を有するとは言えない。
【００５５】
これらに対して、実施例の高温放置試験では、抵抗値変化が殆ど認められず、500時間放置後でも抵抗値の増大は0.15(％)程度に留まる結果となった。また、冷熱サイクル試験においては、僅かに増大傾向が認められるものの、500サイクルで4.8(％)程度の増大に留まり、1000サイクル後にも平均で2.5(mΩ)程度に保たれる結果となった。
【００５６】
上記結果によれば、本実施例のように焼成収縮率が大きく基板１２との接着強度の高い中間層２６と、焼成収縮率が小さく基板１２との接着強度の低い内周導体２８とから成る貫通導体２４を備えた構造とすることにより、抵抗値が低く且つ信頼性の高いスルーホール充填基板１０が得られる。
【００５７】
なお、比較例１において、抵抗値が初期的に高く且つ冷熱サイクル試験で著しく抵抗値が増大し、更には測定不能となった理由は、前記図７に示されるように、配線層１６，２０と貫通導体３４との間に亀裂が生じ、これらが断線したためと考えられる。比較例１では、基板１２との接着強度の低い貫通導体３４がスルーホール２２に充填されているだけの構造であることから、前記図８、図９に示されるように貫通導体３４と基板１２との間に隙間が生じた状態、すなわち、接着されていない状態になっている。そのため、冷熱サイクル試験の際の貫通導体３４の僅かな膨張、収縮によって貫通導体３４と配線層１６，２０との間が断裂させられ、導通が得られなくなったものと考えられる。
【００５８】
比較例２では、配線層１６，２０と貫通導体３４との間に基板１２および貫通導体３４との接着強度の高い中間層３８，４０が備えられているため、比較例１よりは貫通導体３４と配線層１６，２０との接続性が高められ、断線も生じ難くなっている。しかしながら、貫通導体３４の膨張、収縮を抑制するものが何ら設けられていないことは比較例１と同様であり、その結果、冷熱サイクルで容易に部分的な断裂が生じ、抵抗値が著しく増大するものと考えられる。
【００５９】
これら比較例１，２に比較すると、実施例の構造では、貫通導体３４と同材料で構成される内周導体２８とスルーホール２２内周面との間に中間層２６が備えられることによって、貫通導体２４がそのスルーホール２２内周面に強固に固着されているため、貫通導体２４の収縮、膨張が抑制され、配線層１６，２０との界面における断裂等が好適に抑制されるものと考えられる。
【００６０】
以上、本発明を図面を参照して詳細に説明したが、本発明は更に別の態様でも実施でき、その主旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得るものである。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の一実施例のスルーホール充填基板の要部断面を模式的に示す図である。
【図２】図１のスルーホール充填基板のスルーホール上に設けられた配線層の要部を拡大して示す平面図である。
【図３】図１の厚膜回路基板の製造工程の要部を説明するための工程図である。
【図４】比較例１のスルーホール充填基板の構造を模式的に示す図である。
【図５】比較例２のスルーホール充填基板の構造を模式的に示す図である。
【図６】比較例１のスルーホール断面ＳＥＭ像である。
【図７】図６のスルーホール開口部近傍を拡大して示す図である。
【図８】図６のスルーホール中間部を拡大して示す図である。
【図９】図６のスルーホール中間部を更に拡大して示す図である。
【図１０】比較例２のスルーホール断面ＳＥＭ像である。
【図１１】図１０のスルーホール開口部近傍を拡大して示す図である。
【図１２】図１０のスルーホール中間部を拡大して示す図である。
【図１３】図１０のスルーホール中間部を更に拡大して示す図である。
【図１４】実施例のスルーホール断面ＳＥＭ像である。
【図１５】図１４のスルーホール開口部近傍を拡大して示す図である。
【図１６】図１４のスルーホール中間部を拡大して示す図である。
【図１７】図１４のスルーホール中間部を更に拡大して示す図である。
【図１８】実施例および比較例の初期抵抗値を示す図である。
【図１９】実施例および比較例の抵抗値変化を評価した結果を示す図である。
【符号の説明】
【００６２】
１０：スルーホール充填基板、１２：基板、１４：表面、１６：表面側配線層、１８：裏面、２０：裏面側配線層、２２：スルーホール、２４：貫通導体、２６：中間層、２８：内周導体、３０：接続部
【図１】
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【図２】
2009218287.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図１８】
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【図１９】
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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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2009218287.tif 000018
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2009218287.tif 000021
【図１６】
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【図１７】
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