JP4703207B2 - 配線基板 - Google Patents

Description

本発明は、電気素子収納用パッケージや混成集積回路装置等に用いられる配線基板に関するものである。

近年における情報通信技術の急速な発展は、使用する周波数の高周波化をもたらし、情報通信用途に使用される配線基板では、高周波信号の伝送損失を低減するために、配線層の低抵抗化と絶縁層の低誘電率化が求められている。そこで、１０００℃以下での焼成によって緻密化でき、金、銀、銅等の低抵抗金属を主成分とする配線層との同時焼成が可能なガラスセラミックス焼結体を絶縁層とする配線基板が提案されている。

さらに、これら配線基板においては高密度化、小型軽量化への要求が非常に強く要求されており、携帯電話に代表される携帯型の情報通信機器へ搭載される配線基板においてその要求が特に強い。このような、高密度化、小型軽量化への要求に対して、特に、低背化という要求に対して、配線基板を構成する絶縁層の厚みを薄層化することが提案されているが、絶縁層が薄くなることによって絶縁性が低下するという問題が発生する。

そこで、各絶縁層の厚みを１００μｍ以下に薄層化を図ると同時に、結晶子の最大径を５μｍ以下、絶縁層のボイド面積率を３％以下、最大ボイド径を５μｍ以下に制御した絶縁性ガラスセラミックスを用いることにより絶縁層の比抵抗を１０^１１Ω・ｃｍ以上に絶縁性を改善したことが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−２３５３４７号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されている絶縁層は、低抵抗金属からなる配線層と同時焼成を行った後、表面配線層にめっき膜を形成するが、めっき処理において絶縁層の内部にまでめっき液が浸透し、絶縁層内部にめっき成分である金属が析出するため、表面の絶縁層を挟む配線層間の絶縁性が低下し、短絡等が発生するという問題があった。

従って、本発明は、絶縁層の厚みを１００μｍ以下と薄層化し、めっき処理を施しても、高い絶縁性を示す配線基板を提供することを目的とする。

本発明の配線基板は、複数の絶縁層を積層してなる絶縁基板と、該絶縁基板の少なくとも表面および前記複数の絶縁層間に設けられた配線層とを具備する配線基板であって、前記絶縁基板の表層をなす前記絶縁層は、少なくともＳｉＯ _２ およびＹ _２ Ｏ _３ を含有するガラス、及び結晶相を含み、厚みが１００μｍ以下のガラスセラミック焼結体からなり、前記ガラスセラミック焼結体の断面におけるボイドの面積占有率が１．８％以下であり、該ボイドのうち、孤立して存在するボイドの占有面積が全体の８１％以上であることを特徴とする。

特に、前記ボイドのうち、略球状のボイドの占有面積が全体の８３％以上であることが好ましい。これにより、めっき液の浸透をより効果的に抑制できるという利点がある。

前記ガラスセラミック焼結体が、実質的にアルカリ金属酸化物を含有しないことが好ましい。これにより、絶縁層の絶縁性を高めることができるという利点がある。

前記表層をなす絶縁層の厚み方向の電気抵抗が、１０ ^１１ Ω／ｍｍ^２以上であることが好ましい。これにより、絶縁層の厚み方向の絶縁性を確保することができるという利点がある。

前記配線層が、金、銀及び銅の少なくとも１種を主成分とすることが好ましい。これにより、低抵抗の配線を形成することができるという利点がある。

前記絶縁基板の表面に配設された配線層の表面に、めっき層が被着形成されていることが好ましい。これにより、配線層の半田濡れ性や耐酸化性を確保することができるという利点がある。

本発明は、めっき処理の前処理として酸を用いた表面処理を行うため、酸溶液に浸された絶縁層を構成する絶縁性ガラスセラミックスからガラス成分が溶出し、絶縁層の内部に溶液の浸透する微細な空間が形成され、その空間からめっき液が絶縁層の内部に浸透し、絶縁層の内部に金属が析出することにより絶縁性が低下する、との新規な知見に基づきなされたものであり、耐酸性の高い絶縁性ガラスセラミックスを用いることによって、表面に配置された絶縁層の厚みが１００μｍ以下の配線基板に、めっき処理を行った場合においても高い絶縁性を実現したものである。

即ち、絶縁層が厚い場合には、絶縁層の内部にめっき液が浸透し金属が析出しても、内部電極との絶縁距離が十分あったため、短絡することはなかったが、絶縁層が１００μｍ以下、特に５０μｍ以下、更には３０μｍ以下と薄くなると、上記絶縁距離が短くなり、短絡すること、そして、それがめっきの前処理として行う薬品処理によって絶縁性ガラスセラミックスが溶出することが原因であることを見出し、絶縁層のボイドの面積占有率を１．８％以下にするとともに、該ボイドのうち、孤立して存在するボイドの占有面積を全体の８１％以上とすることによって、高い絶縁性を維持することができる。

以下、本発明の配線基板について、図面に基づいて説明する。図１は本発明の配線基板を用いた、混成集積回路装置の概略断面図を示す。

図１において、配線基板Ａは複数の絶縁層１ａ〜１ｅを積層してなる絶縁基板１からなり、各絶縁層の表面および界面には、金、銀及び銅のいずれかを主成分とする低抵抗金属からなる配線層２が形成されている。また、上記の配線層２を電気的に接続するためのビアホール導体３が、絶縁層１ａ〜１ｅを貫通するように形成されており、該ビアホール導体３は、金、銀、銅等のいずれかを主成分とする低抵抗金属からなる。さらに、配線基板Ａの下面には複数の接続用電極４Ａが配列されており、この接続用電極４Ａは、プリント基板等の外部回路基板Ｂの接続用電極４Ｂと半田９等により接続されている。

配線基板Ａの表面には、ＳｉやＧａＡｓなどの半導体素子、ＳＡＷデバイスやコンデンサ等の各種電子部品５がガラスやアンダーフィル剤等の接着剤１０あるいは半田８を介して接着固定され、この電子部品５の表面はポッティング剤等からなる封止樹脂６により封止されている。また、電子部品５は配線層２とワイヤボンディング７や半田８等を介して電気的に接続される。

本発明の配線基板においては、表層をなす絶縁層１ａが、少なくともＳｉＯ _２ およびＹ _２ Ｏ _３ を含有するガラス、及び結晶相を含み、厚みが１００μｍ以下のガラスセラミック焼結体からなることを大きな特徴とするものである。絶縁層１ａは、さらなる低背化を図るため、５０μｍ以下、特に３０μｍ以下であることが好ましい。

本発明によれば、１００μｍ以下の薄層化した絶縁層の絶縁性を高めるためには、絶縁基板の断面におけるボイドの面積占有率（以下、単にボイド率と言う）が１．８％以下であることが重要である。

ボイド率が３％を超えると、ボイド同士が連結し易くなり、このような連結したボイドが表面にあると、ボイドの内部に酸が進入し、さらに内部までボイドが拡大し、拡大した連結ボイドの内部にめっき膜が形成されるため、絶縁層の絶縁性が低下する恐れがある。

また、大きなボイドが表面に存在する場合でも同様の現象が発生するため、緻密化を進めてボイド率を３％以下とし、大きなボイドを除去することが重要である。特に、ボイドの平均径を５μｍ以下、更には３μｍ以下、より好適には２μｍ以下とすることが好ましい。

なお、本発明におけるボイドの平均径は、ボイドの断面積を円換算し、その直径を平均径として算出したものである。

本発明によれば、絶縁基板に含まれるボイドのうち、略球状のボイドの占有面積が全体の８３％以上、更には８５％以上とすることが好ましい。ボイドの形状が略球状であれば、複数のボイドが３次元的に結合しにくくなり、そのような球状ボイドの占有面積を上記範囲に設定することによって、絶縁層の内部へのめっき液の浸透をより効果的に抑制し、高い絶縁性を維持できる。

また、絶縁基板に含まれるボイドのうち、孤立して存在するボイドの占有面積が全体の７５％以上、特に８０％以上、更には８５％以上であることが好ましい。ボイドが孤立して存在すれば、ボイドの内部にめっき液が進入しても、その深度はボイド径と略同一程度であり、めっき液の浸透をより効果的に抑制し、高い絶縁性を維持できる。

また、本発明によれば、１質量％ＨＦ水溶液に１分間浸漬した際の重量減少が０．８μｇ／ｍｍ^２以下であることも重要である。１質量％ＨＦ水溶液に１分間浸漬した際の重量減少を小さくするということは、即ち、絶縁層を構成するガラスセラミックス焼結体からのガラス成分の溶出を抑制するということであり、これにより、絶縁層の内部へのめっき液の浸透をより効果的に抑制し、高い絶縁性を維持できる。

逆に重量減少が２．５μｇ／ｍｍ^２よりも大きい場合には、絶縁層を構成するガラスセラミックス焼結体からガラス成分が溶出し、絶縁層の内部に溶液の浸透する微細な空間が形成され、その空間からめっき液も絶縁層の内部に浸透し、絶縁層の内部に金属が析出する結果、絶縁性を大きく損なう恐れがある。

なお、ＨＦは、めっき処理の前に、配線層上に存在するガラスを除去するために行うガラスエッチング処理において一般に使用される薬品であり、ＳｉＯ_２を含有するガラスを溶解させる働きを有する。

本発明によれば、配線基板の表層をなす絶縁層の厚み方向の電気抵抗を、１０^１１Ω／ｍｍ^２以上とすることができる。これにより、めっき後の絶縁層の厚み方向の絶縁性を確保することが容易になり、具体的には、めっき後の絶縁層の厚み方向の電気抵抗を１０ ^１１ Ω／ｍｍ^２以上とすることができる。

本発明で用いるガラスセラミック焼結体は、ガラスと結晶相とを含有する。結晶相を含有せしめ、かつその量を増加させることにより、耐酸性を向上させることができる。

ガラスセラミック焼結体に含まれるガラスとしては、少なくともＳｉＯ_２を含有し、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、ＳｎＯ_２といった４価金属酸化物や、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｂ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３といった３価金属酸化物や、アルカリ土類酸化物（以下ＭＯ）、ＺｎＯ、ＰｂＯなどの２価金属酸化物、遷移金属酸化物のうち少なくとも１種を含むことが好ましい。これらの組み合わせを調整することにより、酸処理を行っても高い絶縁性を維持することができる。

例えば、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系ガラス、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−ＭＯ系ガラス、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭＯ系ガラス等のほう珪酸系ガラスやＢｉ系ガラス等を例示できる。

これらのうち、低温で焼成するために好適な軟化特性を制御することが容易であるという点でＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−ＭＯ系ガラスを採用するのが好ましく、また、より優れた耐酸性を有する点において、さらにＡｌ_２Ｏ_３やＹ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２等を含有せしめることが望ましく、特にＡｌ_２Ｏ_３を含有せしめることが望ましい。

なお、環境調和性を考慮すると、上記ガラスにはＰｂＯ、Ａｓ_２Ｏ_３、ＣｄＯ、Ｈｇ等の有害物質を実質的に含有しないことが望ましい。なお、実質的に含有しないとは、意図的に含有せしめないことを指し、微量の不可避不純物はこの限りではない。

ガラスセラミック焼結体に含まれる結晶相としては、アルミナ、ジルコニア、クオーツ、クリストバライト、コーディエライト、ムライト、スピネル、ガーナイト、エンスタタイト、フォルステライト、アノーサイト、スラウソナイト、セルジアン、ディオプサイド、モンティセライト、アケルマナイト、ウイレマイト、窒化珪素、窒化アルミニウム、炭化珪素、炭化ホウ素やその固溶体、置換誘導体などを例示できる。

これら結晶相のうち、抗折強度向上させるという点で、アルミナやジルコニア、フォルステライト、エンスタタイト、スピネル、アノーサイト、スラウソナイト、セルジアンを採用するのが好ましく、特に、アルミナ、ジルコニア、フォルステライトが好ましい。また、耐酸性を向上させるという点では、アルミナやジルコニア、フォルステライト、エンスタタイト、スピネル、アノーサイト、スラウソナイト、セルジアン、コーディエライトが好ましく、特に、アルミナ、ジルコニアが好ましい。

さらには、誘電率を低下させ高周波信号の伝送損失を低減させるためには、フォルステライト、エンスタタイト、クオーツ、クリストバライト、コーディエライト、ムライト、が好ましく、特に、フォルステライト、クオーツ、コーディエライトが好ましい。さらに、熱伝導率を向上させるためには、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウム、炭化珪素が好ましく、特に、窒化アルミニウムが好ましい。

これらのガラスと結晶相を適宜組み合わせることにより、ガラスセラミック焼結体の機械的特性や熱特性、誘電特性等の磁器特性を用途に応じて制御することが可能となる。

また、ガラスセラミック焼結体が、アルカリ金属酸化物、特に酸化リチウムを実質的に含有しないことが、高い絶縁性を確保するために望ましい。これは、アルカリ金属酸化物が、導電性キャリアとしてガラス相の絶縁性を低下させる恐れのある成分であり、特に酸化リチウムを排除することにより、絶縁層の絶縁性を維持することが容易となる。

なお、実質的に含有しないとは、意図的に含有せしめないことを指し、微量の不可避不純物はこの限りではない。

また、高周波信号の伝送損失を低減するために、配線基板の表面に形成された配線層２が、金、銀及び銅の低抵抗金属のうち少なくとも１種を主成分とすることが望ましい。

さらに、表層の配線層の半田濡れ性や耐酸化性等を確保するために、配線基板の表面に配設された配線層の表面に、ＮｉやＡｕ、Ｃｕ等のめっき層が被着形成されていることが望ましい。

本発明の配線基板をかかる構成とすることにより、表層をなす絶縁層１ａの厚みが１００μｍ以下と薄層化しても、めっき処理を行った後に高い絶縁性を確保することができる。

次に、図１に示した配線基板を製造する方法ついて説明する。

まず、原料粉末としてガラス粉末と所望によりセラミック粉末を準備する。

ガラス粉末としては、前述したガラスが好適に用いられる。このとき、焼成中に結晶化しない非晶質ガラス、逆に焼成中に結晶化する結晶化ガラスのいずれを用いても差し支えないが、高い抗折強度や低い誘電損失を発現させるためには結晶化ガラスを用いることが望ましい。

一方、セラミック粉末としては、前述した結晶相を有するものが好適に用いられるが、これに加えて、石英ガラス等の非晶質の粉末を用いることも可能である。

これらの原料粉末の粒径としては、低いボイド率を達成するために、平均粒径（Ｄ５０）が、５．０μｍ以下、特に３．５μｍ以下、さらには２．５μｍ以下、最適には２．０μｍ以下であることが望ましい。

また、ボイドの形状を略球状とし、さらに、それぞれのボイドを孤立させるためには、ガラス粉末とセラミック粉末の粒度分布の相違を小さくする、即ち、平均粒径（Ｄ５０）の差を±１μｍ以下、特に±０．５μｍ以下と小さくすることが効果的である。

さらに、高い絶縁性を確保するために、ガラスセラミック焼結体中のアルカリ金属酸化物を実質的に含有せしめないようにするために、ガラス粉末及びセラミック粉末中にアルカリ金属酸化物を実質的に含有せしめないことが望ましい。

こうして適宜選択した、ガラス粉末とセラミック粉末とを一定の量比で混合した混合粉末を用いて成形用スラリーを調製し、この成形用スラリーを用いて、例えば厚みが２５〜５００μｍのセラミックグリーンシート（絶縁層１ａ〜１ｅ用のシート）を成形する。

このグリーンシートの所定位置にスルーホールを形成し、このスルーホール内に、銅や銀、金等の低抵抗金属を主成分とする導体ペーストを充填し、ビアホール導体３を形成する。また、表面または界面に配線層２が形成される絶縁層に対応するグリーンシートの表面には、上記の導体ペーストを用いて、スクリーン印刷法、グラビア印刷法などの公知の印刷手法を用いて配線層２の厚みが２〜３０μｍとなるように、配線パターンを印刷塗布する。

そして、上記のようにして作成された複数のグリーンシートを位置合わせして積層圧着し、次いで、大気中、あるいは水蒸気を含有した窒素雰囲気中にて４５０〜７５０℃の温度にて脱バインダ処理した後、１０００℃以下の大気中または窒素雰囲気で焼成することにより、配線層２、ビアホール導体３を備えた絶縁基板１が作製される。

なお、脱バインダ雰囲気や焼成雰囲気は、用いる低抵抗金属の種類に応じて適宜決定され、例えば、銅を配線導体として用いた場合には大気中での焼成により酸化するため、窒素雰囲気中にて脱バインダ或いは焼成が行なわれる。

上記のようにして形成された絶縁層１の表面に、半導体素子等の電子部品５を搭載し、配線層２と信号の伝達が可能なように接続される。先にも述べた通り、配線層２上に電子部品５を直接搭載させて半田８等にて両者を接続することもできるし、あるいはワイヤボンディング７を用いて電子部品５と絶縁層１表面の配線層２とを接続させることもできる。また、フリップチップ接続などにより、両者を接続することも可能である。

さらに、電子部品５が搭載された絶縁層１表面に、封止樹脂６を塗布して硬化させるか、絶縁層１と同種の絶縁材料や、その他の絶縁材料、あるいは放熱性が良好な金属等からなる蓋体をガラス、樹脂、ロウ材等の接着剤により接合することにより、電子部品５を気密に封止することができ、これにより配線基板Ａを作製することができる。また、必要に応じて各種放熱板を、配線基板Ａにロウ材や接着剤を介して被着形成することも可能である。

このようにして作製した本発明の配線基板は、複数の絶縁層を積層してなる絶縁基板と、該絶縁基板の少なくとも表面および前記複数の絶縁層間に設けられた配線層とを具備する配線基板であって、前記絶縁基板の表層をなす絶縁層が、少なくともＳｉＯ _２ およびＹ _２ Ｏ _３ を含有するガラス、及び結晶相を含み、厚みが１００μｍ以下のガラスセラミック焼結体からなり、前記ガラスセラミック焼結体の断面におけるボイドの面積占有率が１．８％以下であり、該ボイドのうち、孤立して存在するボイドの占有面積が全体の８１％以上であるものとすることにより、めっき処理後においても高い絶縁性を確保することができる。

まず、表１に示す組成を有するガラス粉末を準備し、粒径（Ｄ５０）の異なるガラス粉末およびセラミック粉末を表２に従い秤量、混合し、この混合物にアクリル系樹脂からなるバインダ、可塑剤、トルエンを添加し、スラリーを調製した後、このスラリーを用いてドクターブレード法により焼成後の厚みが１５〜１００μｍとなるようにシート状成形体を作製した。

次に、該シート状成形体の所定位置にビアホールを形成し、銅を主成分とする導体ペーストを充填した後、スクリーン印刷法により銅を主成分とする導体ペーストを用いてシート状成形体の表面に焼成後の厚みが５μｍとなるような配線パターンを形成した。

そして、前記配線パターンを形成したシート状成形体を位置合わせしながら複数枚数積層、熱圧着し焼成前の生絶縁基板を作製した。このとき、該生絶縁基板の表面に表３に示す厚みのシート状成形体を配置した。

シート状成形体を表面に配置した生絶縁基板をＮ_２／Ｈ_２Ｏ雰囲気中、７００℃で脱バインダ処理した後、２００℃／時間で昇温し、Ｎ_２／Ｈ_２Ｏ雰囲気中、９００℃で１時間焼成して銅を主成分とする配線層を具備する絶縁基板からなる配線基板を作製し、さらに、前処理としてＨＦ水溶液処理を含むＮｉ−Ａｕめっきを施した。なお、この際のめっき厚みはＮｉ：３μｍ、Ａｕ：０．５μｍとした。

こうして、表層にＮｉ−Ａｕめっきを施した配線層を有する薄層の絶縁層を配置した配線基板を作製した。

ここで絶縁層の厚み方向に対向し、かつ１ｍｍ□の大きさを有する配線パットを３０個用いて、前記表層にＮｉ−Ａｕめっきを施した配線層を有する薄層の絶縁層の絶縁抵抗を測定した。測定結果の最低値を表２に示す。

一方、前記シート状成形体に配線層およびビアホールを形成せずに、前述と同様の方法にて、積層、熱圧着を行い、絶縁層のみからなるガラスセラミック焼結体を作製した。

得られた焼結体を鏡面研磨し、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を撮影し、画像解析装置を用いてボイド率を算出した。また、該ＳＥＭ写真から略球状のボイドと孤立したボイドの面積と全ボイドの面積を測定し、略球状のボイド面積率と孤立したボイドの面積率を算出した。結果を表２に示す。

このガラスセラミック焼結体を、１質量％ＨＦ水溶液に１分間浸漬し、その前後の重量変化を測定し、表面積で規格化することにより、１質量％ＨＦ水溶液に１分間浸漬した際の重量減少を測定した。結果を表２に示す。

本発明の配線基板である試料Ｎｏ．５〜１４においては、ガラスセラミック焼結体の断面におけるボイドの面積占有率を１．８％以下、１質量％ＨＦ水溶液に１分間浸漬した際の重量減少を０．８μｇ／ｍｍ^２以下とすることにより、めっき後においても絶縁基板表面に配置された絶縁層の厚み方向の電気抵抗が、１０ ^１１ Ω／ｍｍ^２以上と高い絶縁性を示した。

この中で、Ｃガラスを使用し、ボイド率が２％以下、かつ１質量％ＨＦ水溶液に１分間浸漬した際の重量減少が２μｇ／ｍｍ^２以下である試料Ｎｏ．５〜１３は、電気抵抗が１０^１１Ω／ｍｍ^２以上と特に絶縁性に優れていた。

一方、ガラスセラミック焼結体の断面におけるボイド面積率と１質量％ＨＦ水溶液に１分間浸漬した際の重量減少が本発明の範囲よりも大きい試料Ｎｏ．１では、絶縁層内部へのめっき液の浸透が多く、絶縁基板表面に配置された絶縁層の厚み方向の電気抵抗が、１０^９Ω／ｍｍ^２よりも低いものとなった。

本発明の配線基板の構造を示す概略断面図である。

符号の説明

１・・・絶縁基板
２・・・配線層
３・・・ビアホール導体
４・・・接続用電極
５・・・電子部品
６・・・封止樹脂
７・・・ワイヤボンディング
８・・・半田
９・・・半田
１０・・接着剤
Ａ・・・配線基板
Ｂ・・・プリント基板

Claims (6)

1. 複数の絶縁層を積層してなる絶縁基板と、該絶縁基板の少なくとも表面および前記複数の絶縁層間に設けられた配線層とを具備する配線基板であって、
   前記絶縁基板の表層をなす前記絶縁層は、少なくともＳｉＯ _２ およびＹ _２ Ｏ _３ を含有するガラス、及び結晶相を含み、厚みが１００μｍ以下のガラスセラミック焼結体からなり、
   前記ガラスセラミック焼結体の断面におけるボイドの面積占有率が１．８％以下であり、該ボイドのうち、孤立して存在するボイドの占有面積が全体の８１％以上であることを特徴とする配線基板。
2. 前記ボイドのうち、略球状のボイドの占有面積が全体の８３％以上であることを特徴とする請求項１記載の配線基板。
3. 前記ガラスセラミック焼結体が、実質的にアルカリ金属酸化物を含有しないことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の配線基板。
4. 前記絶縁基板の表層をなす前記絶縁層の厚み方向の電気抵抗が、１０ ^１１ Ω／ｍｍ^２以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の配線基板。
5. 前記配線層が、金、銀及び銅の少なくとも１種を主成分とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の配線基板。
6. 前記絶縁基板の表面に配設された配線層の表面に、めっき層が被着形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の配線基板。
   

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