HARIMATECHNOLOGY REPORT

両面基板スルーホール用
銅ペーストの開発−紙フェノール基板使用時に発生する不具合と対策−

平山悠斗

齊藤 寛Development of copper paste for through-hole of double sided circuit board- Defections and countermeasures occurred when using Paper-phenol board -平山悠斗

齊藤 寛／研究開発カンパニー 研究開発センター 電子材料開発室

Yuto Hirayama Hiroshi Saito Electronics Materials Development , R&D Center, R&D Company

表1 両面基板のスルーホール形成材の種類

1
はじめにめっき法

家電製品や自動車等に欠かすことができない重要な部品

銅めっき

印刷法

銀ペースト

銅ペースト

△ めっきコストが高い △ ペーストコストが（規模による）高い
×廃液が多い○廃液が少ない○マイグレーション△ マイグレーション
なし
あり○ペーストコストが安価○廃液が少ない○マイグレーション
なしの1つであるプリント配線板は、主に東南アジア地域で生産されており、環境負荷低減やコストダウンに対する取り組みが活発に行われている。プリント配線板には、材質や用途によってさまざまな種類がある。絶縁材料でできた板を用いたリジッド基板は、表面や内部に銅箔などの導電体で回路パターンが形成されており、集積回路やコンデンサーをはんだ付けにより固定して部品間を接続することで、信号を伝えたり、電力を送ったりするなどの役割を果たしている。
基板の中で表裏両面に回路パターンが形成された両面基

これらの工法の中で銅めっき法は、工程数が多く、環境板には、スルーホールと呼ばれる貫通孔が多数設けられて負荷物質を含む多量の廃液処理が必要であり、製造コストいる。当社の銅ペーストは、スクリーン印刷工法によりスがかかるなどの欠点がある。一方、銀ペーストを印刷する

ルーホールに充填され、熱を加えることで樹脂が硬化収縮

工法は、めっき法に比べて工程数や廃液が少ないなどのメすることにより銅粉同士が接触して導電性が発現し、基板リットはあるが、銀はイオンマイグレーションを起こしやの表面と裏面の回路を電気的に接続するために使用されてすいため、スルーホール間の距離が短い基板などへの適用いる（図1）。スルーホールに使用される他の工法として、は難しい。また、近年銀価格が高騰しており、銅と比較しスルーホール内部に銅めっきを形成する銅めっき法や印刷て非常に高価なため、めっき法に対して全体的なコスト面により銀ペーストを充填する方法が広く知られている（表での優位性は小さくなっている。

1）。

当社が開発したスルーホール用銅ペーストは、従来技術に比べて環境負荷の低減およびコストダウンを両立できる材料として、家電製品や音響機器、PC周辺機器をはじめ、高信頼性が要求される自動車用途まで幅広くご使用いただいている。
プリント配線板には、ガラス布・ガラス不織布複合基材を使用してエポキシ樹脂を絶縁材料として用いたCEM-3や紙基材に絶縁材料としてフェノール樹脂を含侵させて製造されたFR-1等がある。CEM-3は、打ち抜き加工性や耐（a)両面基板の表面（b)スルーホールの断面

図1 銅ペーストで形成された両面基板のスルーホール

トラッキング性に優れており、車載や家電製品、一部の産業機器等で使用されている。また、FR-1は、CEM-3に比べて安価であるが、耐熱性や電気的特性は劣っており、主にHarima Quarterly No.145 2021 WINTER

白物家電やゲーム機等の用途で使われている。CEM-3は、

基板

印刷

溶剤乾燥

樹脂硬化めっき法によりスルーホール内部に銅めっきを形成することができるが、FR-1では、めっき液が基板中に染み込んでしまうため、スルーホールへの銅めっき法の適用はできない。一方、当社が開発した銅ペーストは、紙基材を用いたスルーホール

FR-1に対してもスクリーン印刷によりスルーホールに充填し、硬化することで、基板の表面と裏面の回路を電気的に銅ペースト

150〜165℃接続することができるが、導電性が著しく低下することが樹脂硬化ある。本稿では、FR-1等の紙基材で起こる抵抗値不良の昇温原因を解析し、その対策について検討した結果を報告する。
50〜60℃

2
スルーホール用銅ペーストの概要について
2-1溶剤乾燥

図3 銅ペーストの硬化条件

銅ペーストの設計

当社が開発した銅ペーストは、樹脂バインダー、溶剤および添加剤中に銅粉が分散しており、そのままでは絶縁体であるが、硬化反応により樹脂が収縮することで銅粉同士

3FR-1基板への適用性についてが接触し、導電性が発現する（図2）。しかしながら、銅3-1は大気中で容易に酸化される性質があり、銅粉の表面には「はじめに」で述べたように、銅ペーストの使用範囲を広既存ペーストでのFR-1基板への適用性酸化銅や亜酸化銅が存在する。通常、銅粉はこれらの薄いげるため銅めっき法では適用不可能であるFR-1基板につ酸化皮膜で覆われているため、銅粉同士が接触しても電気いて既存ペーストでの適用性検証を実施した。検証の結果、は流れない。そのため、先に述べた樹脂の硬化収縮だけで特定の基板において抵抗値不良が発生してしまうことが確は、十分な導電性を確保することはできない。銅ペースト認された。

を設計するうえでこの酸化皮膜を除去し、良好な導電性をこの要因を確かめるべく、抵抗値不良が発生している箇得る工夫が必要となる。我々は、銅粉を分散させる際に表所の印刷面および裏面を確認したところ、印刷面および裏面の酸化皮膜を除去し、再酸化を抑制する技術を独自に開面の両箇所で銅ペーストが膨れたような異常な形状が観察発することで、スルーホールで要求される性能を満足するされた（図4）。そこで、スルーホール箇所の断面観察に良好な導電性を得ている。

より内部形状を観察した。図4で示すように抵抗値不良箇
所では、基板内で銅ペーストが破裂したような異常形状となっていた。3-2では、このような異常形状が起きる要因

溶剤
樹脂
銅粉チキソ剤を明確にし、対策を講じた新規ペーストを開発し、FR-1添加剤基板への適用性を確認した。

その他
樹脂

既存ペースト

正常箇所

不良箇所

主樹脂

印刷面
図2 銅ペーストの組成

2-2

銅ペーストの使用方法

銅ペーストは、スクリーン印刷により基板のスルーホー裏面ルに充填される。図3に銅ペーストの硬化条件例を示す。
加熱は、溶剤乾燥工程と樹脂硬化の2段階で行われる。溶剤乾燥工程において、銅ペーストに含まれる溶剤が揮発してスルーホールの形状が形成されるため、溶剤乾燥の温度

断面および時間の最適化は、良好な導電性を確保するために、非常に重要である。

図4 既存ペーストで処理した際のスルーホール形状（FR-1基板使用）

HARIMATECHNOLOGY REPORT

3-2

異常形状発生要因解明

泡が外へ逃げるような銅ペーストにすることを目的にした。

異常形状発生要因を明確化するために、不良箇所におけそこで、STEP1下における銅ペーストの粘度変化に注目るスルーホール内部の挙動を加熱制御機能が付いたX線装した。STEP1下では、溶剤の揮発および緩やかな樹脂硬置の透過観察により確認した。観察時の加熱プロファイル化による粘度上昇が予測され、この粘度上昇を抑えることに関しては、図5に示すような溶剤乾燥過程であるSTEP1

ができれば、ペースト内の流動性が向上し気泡が系外へ放と昇温過程であるSTEP2の2段階に分けて実施した。

出されやすくなると考えた。

観察結果を図6に示す。STEP1の初めでは、ごく少量の粘度変化測定に関しては、粘弾性測定装置であるレオメ小さい気泡が複数確認された。これらの小さい気泡は、銅ーターを使用した。測定条件に関しては、温度はSTEP1

ペースト内に含まれる溶剤もしくは基板から発生するアウを模擬し、ペーストに与える歪みおよび回転周波数を一定

トガス、印刷時に発生する泡かみであることが推測される。にして測定した。新規ペーストと既存ペーストとの測定結

その後、それらの気泡は合一し、内部で徐々に拡大される果を図7に示す。青い曲線を既存ペースト、赤い曲線を新ことが確認され、STEP1の最後では図4で示されるような規ペーストとして表している。新規ペーストは既存ペース異常形状となっていた。その後のSTEP2では、樹脂硬化

トよりも粘度上昇率が低く、絶対的な粘度値においても15にともないその形状が維持されていた。

Pa・s程度の差異が生じていることが確認された。そのため、以上より、課題であった異常形状の発生は、STEP1で新規ペーストはSTEP1下で流動性が高くなっていること形成され、その形状を維持したまま樹脂硬化してしまうこが示唆され、気泡が系外へ放出されやすくなり異常形状がとで起きる現象であることが実証された。異常形状の発生発生しにくいペーストであることが期待される。

要因である気泡に関しては、ガラス布・ガラス不織布複合基材で作製されたCEM-3基板では、異常形状が確認され3-4ていないことから、紙基材で作製されたFR-1基板から発新規ペーストにおける形状確認

前述したX線透過観察によって、新規ペーストにおける気泡の状態を確認した。図8に結果を示す。新規ペーストは、生したアウトガスが原因であると考えられる。

既存ペーストと同様にSTEP1下の初めで小さな気泡が発3-3新規ペーストの設計指針生していた。その後既存ペーストでは気泡は合一しペース新規ペーストの開発指針として、STEP1で発生した気ト内に残存していたが、新規ペーストでは、気泡はスルー

1801601408070706060

観察STEP180Pa

60

観察STEP2505040403020401020000204060

80

10002468102010120

時間（min）

時間（min）

図5 X線透過観察に使用した温度プロファイル

昇温ステップ30

既存ペースト
新規ペースト
温度曲線

図7 STEP1下における新規および既存ペーストの粘度変化

STEP1

STEP2

基板温度

30~33℃

70℃

74℃

75℃

75℃

75℃

75℃

98℃

128℃

160℃

時間

0分

2.5分

5分

10分

20分

40分

60分

70分

80分

90分

既存ペースト

ごく少量の 気泡合一・成長し、内部で徐々に拡大
小さい気泡

図6 既存ペーストにおけるX線透過観察結果

Harima Quarterly No.145 2021 WINTER

膨れを確認(形状不良発生)

温度︵℃︶

100

粘度︵ ・ｓ︶

温度︵℃︶

120

昇温ステップ

STEP1

STEP2

基板温度30~33℃

70℃

74℃

75℃

75℃

75℃

75℃

98℃

128℃

160℃

時間

0分

2.5分

5分

10分

20分

40分

60分

70分

80分

90分

陥没確認

陥没進行

新規ペースト

ごく少量の 気泡の移動
小さい気泡

形状
ほぼ完成

図8 新規ペーストにおけるX線透過観察結果

ホール外部に移動している様子を確認することができた。

分、125℃ /30分を1000回）、はんだ耐熱（260℃のはんそのため、気泡は内部に残存せず、STEP2に至るまでにだに5秒間浸透を6回）の4項目を実施した。また、本評価

図1や図4で示すような正常なスルーホールの形状となっでは、スルーホール径が0.5 mm、基板の厚さが1.6 mmていた。のテストピースを使用し、試験を実施した。

実際に形状不良が発生した特定の基板に新規ペーストを結果について表2に示す。新規ペーストの物性は各種試印刷し、スルーホール断面の観察を行った。その結果、異験において抵抗値が1穴当たり50 mΩ以下と良好であり、常形状は発生せず図9で示すような正常なスルーホールの実使用に問題のない水準を満たしていた。

形状となることを再確認した。
新規ペースト表2形状

新規ペーストにおける信頼性試験結果

試験項目

参考値

備考

高温放置

50 mΩ/穴以下

125℃×1000時間

高温高湿放置50 mΩ/穴以下

85℃・85％ RH×1000時間

冷熱衝撃

50 mΩ/穴以下−55℃ /30分+125℃/30分×1000回

はんだ耐熱

20 mΩ/穴以下

260℃ /5秒×6回

印刷面

裏面

4
おわりに
断面

本稿で紹介した新規ペーストは、ペースト内に発生する気泡を外へ放出しやすい設計としたことによって、めっき

図9 新規ペーストで処理した際のスルーホール形状（FR-1基板使用）

3-5

新規ペーストにおける信頼性試験結果

法が採用できない安価なFR-1基板の適用性を向上することに成功した。現在の市場は、めっき法が多く採用されている状況である。しかし、本稿で紹介したようなめっき法で実現できない技術を開発していくことで、優位性を拡張

次に、新規ペーストの信頼性（FR-1基板使用）を評価していき、めっき法からの代替をスルーホール用銅ペースした。信頼性試験は、高温高湿条件や高温、冷温を繰り返トのトップメーカーとして牽引していきたいと考えている。

した際の電気抵抗値変化の推移で評価する接合信頼性試験と高温高湿条件下において電圧を印加し続けた際の絶縁性を評価する絶縁信頼性試験に分けられる1）〜4）。今回は接合信頼性試験の例として代表的である、高温放置試験（125℃下で1000時間放置）、高温高湿放置試験（85℃および85%湿潤下で1000時間放置）、冷熱衝撃試験（−55℃ /30＜参考文献＞
1)田中浩和、“導電性接着剤を用いた表面実装基板の信頼性試験”、日本接着学会誌、vol. 43、No.5、pp.187-194、2007
2)平田拓哉、小林晶子、田中浩和、“導電性接着剤の実装信頼性試験方法の検討”、
第17回マイクロエレクトロニクスシンポジウム論文集、pp.231-238、20073)田中浩和、“導電性接着剤実装の信頼性評価技術” 、エレクトロニクス実装学会誌、vol. 11、No.3、pp.231-238、2008
4)大鳥利行、“プリント回路板の絶縁劣化要因としてのイオンマイグレーション－その発生メカニズムと抑制策－”、回路実装学会誌、Vol.10、No.2、pp.80-86、1995