特許 6616612 印刷配線板およびその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6616612

(24)【登録日】2019年11月15日

(45)【発行日】2019年12月4日

(54)【発明の名称】印刷配線板およびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H05K 3/46 20060101AFI20191125BHJP

   H01P 5/08 20060101ALI20191125BHJP

   H01L 23/12 20060101ALI20191125BHJP

【ＦＩ】

   H05K3/46 Z

   H05K3/46 N

   H05K3/46 X

   H01P5/08 A

   H01L23/12 N

   H01L23/12 301Z

【請求項の数】5

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2015-147106(P2015-147106)

(22)【出願日】2015年7月24日

(65)【公開番号】特開2017-28168(P2017-28168A)

(43)【公開日】2017年2月2日

【審査請求日】2018年3月16日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006633

【氏名又は名称】京セラ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100104318

【弁理士】

【氏名又は名称】深井 敏和

(74)【代理人】

【識別番号】100182796

【弁理士】

【氏名又は名称】津島 洋介

(74)【代理人】

【識別番号】100181308

【弁理士】

【氏名又は名称】早稲田 茂之

(72)【発明者】

【氏名】黎 志文

(72)【発明者】

【氏名】内藤 政則

【審査官】 鹿野 博司

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−２４８６５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２７７６９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０７７７６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２４８７９７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０５Ｋ ３／４６

Ｈ０１Ｌ ２３／１２

Ｈ０１Ｐ ５／０８

Ｈ０５Ｋ ３／００

Ｈ０５Ｋ １／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

絶縁材の表裏面を貫通し、内壁面に導体層を形成したスルーホールを有し、このスルーホールの一方の表面から内部の内層回路にかけて信号回路が形成され、かつ他方の表面から前記内層回路の直前までの導体層が除去された印刷配線板であって、
前記内層回路から他方の表面方向に延びている導体層の除去残りであるスタブ長Ｌ（ｍｍ）が、次の関係式（１）を満足し、且つ関係式（１）中の信号波長λが、絶縁材料の比誘電率εr、絶縁材料の比透磁率μr、前記スルーホールに流れる信号の周波数ｆから関係式（２）を満足することを特徴とする印刷配線板。ただし、絶縁材料を、比誘電率εrが３．３〜４．９の範囲を有するものに限定している。
（１） Ｌ＝０．１０１４λ−０．１３０５ （但し、λは信号波長（ｍｍ）、Ｌ＞０、信号波長λとは、前記スルーホールに使用する最も高い周波数の信号の、印刷配線板の絶縁層材料中における信号波長を指す）
（２） λ＝ ｃ／（ｆ×√（εr×μr）） （ｃは真空中の光速）

【請求項2】

絶縁材の表裏面を貫通し、内壁面に導体層を形成したスルーホールを有し、このスルーホールの一方の表面から内部の内層回路にかけて信号回路を形成し、かつ他方の表面から前記内層回路の直前までの導体層を除去する印刷配線板の製造方法であって、
前記内層回路から他方の表面方向に延びている導体層の除去残りであるスタブ長Ｌ（ｍｍ）が、次の関係式（１）を満足し、且つ関係式（１）中の信号波長λが、絶縁材料の比誘電率εr、絶縁材料の比透磁率μr、前記スルーホールに流れる信号の周波数ｆから関係式（２）を満足するように、印刷配線板の他方の表面から前記内層回路の直前までの導体層を除去することを特徴とする印刷配線板の製造方法。ただし、絶縁材料を、比誘電率εrが３．３〜４．９の範囲を有するものに限定している。
（１） Ｌ＝０．１０１４λ−０．１３０５ （但し、λは信号波長（ｍｍ）、Ｌ＞０、信号波長λとは、前記スルーホールに使用する最も高い周波数の信号の、印刷配線板の絶縁層材料中における信号波長を指す）
（２） λ＝ ｃ／（ｆ×√（εr×μr）） （ｃは真空中の光速）

【請求項3】

印刷配線板の他方の表面から前記内層回路の直前までの導体層をバックドリル工法で除去する請求項２に記載の印刷配線板の製造方法。

【請求項4】

前記スタブ長Ｌが、上記関係式（１）および（２）を組み込んだＣＡＤ装置を用いて算出する請求項２または３に記載の印刷配線板の製造方法。

【請求項5】

前記スタブ長Ｌが、上記関係式（１）および（２）を組み込んだプログラムまたはシミュレーションツールを用いて算出する請求項２または３に記載の印刷配線板の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、スルーホール部分で発生するスタブ長を電気特性に影響が出ないように設定した印刷配線板およびその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、多層構造の印刷配線板のＬＳＩ（大規模集積回路）等の電子部品を実装するために、内層回路との接続に、印刷配線板を貫通するスルーホールを形成し、スルーホール内の導体層としてめっき処理を施して信号回路を形成している。
このとき、スルーホール内において、内層回路を越えて余った導体層（これを通常、スタブという）は、削除しなければ、特性インピーダンスの不整合や信号遅延などが起こり、高周波での電気特性が悪化する。

【0003】

この問題を解決するため、例えば、特許文献１には、スタブの存在により発生する信号共振及び信号波形段差を避けるため、それぞれの信号線を伝送する信号に要求される立ち上がり若しくは立ち下がり時間を定義して、その仕様を満足する配線及び外部接続端子配置が記載されている。
また、特許文献２には、半導体素子において使用される伝送信号の１０倍の高調波成分を考慮し、オープン状態のスタブ長を、周波数帯域の上限の波長の１／４未満（１ＧＨｚの場合約３．５ｍｍ未満）とすることが記載されている。

【0004】

このように、高周波での電気特性を悪化させないため、スルーホール内にめっき処理した後、印刷配線板の一方向から内層回路の手前までスタブを除去していた。スタブの除去には、通常バックドリル工法が採用されている。
このとき、スタブ長の電気特性への影響が分からないため、悪影響の出る可能性がないスタブ長０ｍｍをターゲットに、加工をしていた。

【0005】

しかしながら、バックドリル工法でスタブを除去する際に、層間の仕上がりを確認しながら精度の良いバックドリル加工を行っても、スタブ長を０ｍｍにすることは難しかった。これは、多層構造の印刷配線板が、通常、絶縁材（樹脂層）と内層回路（導体配線層）を交互に加熱圧着して形成されるため、各層の厚さや板厚にバラツキが発生し、層間厚の仕上がりが、基板の個々の製造ワーク、同一の製造ワークであっても位置によって変わることが原因であった。
さらに、スタブ長の電気特性への影響が不明であるため、スタブ長を０ｍｍにする根拠が明確になっていなかった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０００−２６９３７９号公報

【特許文献2】特開２００１−１１０９２７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明は、スタブ長を０ｍｍにしなくても、電気特性に悪影響を与えない印刷配線板およびそ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】

【0008】

本発明は、上記課題を解決するべく完成されたものであって、以下の構成からなる。
（１）表裏面を貫通し、内壁面に導体層を形成したスルーホールを有し、このスルーホールの一方の表面から内部の内層回路にかけて信号回路が形成され、かつ他方の表面から前記内層回路の直前までの導体層が除去された印刷配線板であって、前記内層回路から他方の表面方向に延びている導体層の除去残りであるスタブ長Ｌ（ｍｍ）が、次の関係式を満足することを特徴とする印刷配線板。
Ｌ≦０．１０１４λ−０．１３０５ （但し、λは信号波長（ｍｍ）、Ｌ＞０）
（２）表裏面を貫通し、内壁面に導体層を形成したスルーホールを有し、このスルーホールの一方の表面から内部の内層回路にかけて信号回路が形成され、かつ他方の表面から前記内層回路の直前までの導体層が除去された印刷配線板であって、前記信号波長λが、絶縁材料の比誘電率εr、絶縁材料の比透磁率μr、信号の周波数ｆから求めたものである（１）に記載の印刷配線板。
（３）印刷配線板の他方の表面から前記内層回路の直前までの導体層をバックドリル工法で除去する（１）または（２）に記載の印刷配線板。
（４）表裏面を貫通し、内壁面に導体層を形成したスルーホールを有し、このスルーホールの一方の表面から内部の内層回路にかけて信号回路を形成し、かつ他方の表面から前記内層回路の直前までの導体層を除去する印刷配線板の製造方法であって、前記内層回路から他方の表面方向に延びている導体層の除去残りであるスタブ長Ｌ（ｍｍ）が、次の関係式を満足するように、印刷配線板の他方の表面から前記内層回路の直前までの導体層を除去することを特徴とする印刷配線板の製造方法。
Ｌ≦０．１０１４λ−０．１３０５ （但し、λは信号波長（ｍｍ）、Ｌ＞０）
（５）印刷配線板の他方の表面から前記内層回路の直前までの導体層をバックドリル工法で除去する（４）に記載の印刷配線板の製造方法。
（６）前記スタブ長Ｌが、請求項１または２に記載の関係式を組み込んだＣＡＤ装置、プログラムまたはシミュレーションツールを用いて算出する（４）または（５）に記載の印刷配線板の製造方法。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、スタブ長Ｌが、上記関係式を満足するようにバックドリル加工などでスタブを除去することで、スタブ長を０ｍｍに設定するより基板製造上の難易度が低くなり、より生産効率を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の一実施形態に係る印刷配線板を示す断面図である。

【図2】スタブ長の違いにおけるＴＤＲ波形を示すグラフである。

【図3】スタブ長の違いにおける透過波形を示すグラフである。

【図4】各周波数における伝送特性とスタブ長の関係を示すグラフである。

【図5】表２のスタブ長と波長の値を用いて作成したグラフである。

【図6】本発明の一実施形態に係る計算フローチャートである。

【図7】図６により得られたグラフ結果の一例を示すグラフである。

【図8】（ａ）〜（ｆ）は本発明の一実施形態に係る印刷配線板の製造方法を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本発明の一実施形態に係る印刷配線板を図１に基づいて説明する。
本発明の印刷配線板１０は、絶縁材１と内層回路２とを交互に積層したものであり、印刷配線板１０の表裏面の少なくとも一方には、ソルダーレジスト３が形成されている。
また、印刷配線板１０は、表裏面を貫通し、内壁面に導体層４を形成したスルーホール５が設けられる。スルーホール５の導体層４は回路の構成要素で、内層回路２と接続した信号回路６となる。
このような印刷配線板１０は、板厚が２〜１０ｍｍ、導体層４の層数は２〜１００層程度あるのがよい。

【0012】

絶縁材１としては、例えば、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）樹脂等が使用される。
この場合の比誘電率（εr）は、例えば３．６（周波数１ＧＨｚにおいて）である。絶縁材１は、印刷配線板用材料から、特に限定されず使用できることは言うまでもない。比誘電率（εr）では、３．３から４．９程度が該当する。

【0013】

導体層４としては銅が一般に使用され、導電率＝５．８×１０⁷［Ｓ／ｍ］（２５℃）である。

【0014】

ソルダーレジスト３の比誘電率（εr）は、例えば４．３（周波数１ＧＨｚにおいて）である。ソルダーレジスト３は、印刷配線板用ソルダーレジストから、特に限定されず使用できることは言うまでもない。比誘電率（εr）では、４．３から４．６程度が該当する。

【0015】

スルーホール５は、印刷配線板１０の表裏面を貫通する貫通孔であり、内壁面に導体層４を備え、印刷配線板１０の表面から内部の内層回路２にかけて信号回路６を形成したものである。
スルーホール５は、印刷配線板１０に、レーザやドリル加工により貫通孔を設けた後、貫通孔の開口部周縁および内壁面に、導体材料で導体層４を形成（めっき処理）して形成される。このとき、スルーホール５内の導体層４が、内層回路２と接続した信号回路６が形成される。

【0016】

印刷配線板の一方の表面から内層回路２まで信号回路６が形成されたスルーホール５において、内層回路２から他方の表面方向に延びている導体層４は、信号回路６に寄与しないため、バックドリル８を使用した公知のバックドリル工法により除去される。
バックドリル工法により、他方の表面からスルーホール５の導体層４を、内層回路６の直前まで除去すると、この除去残りがスタブ７となる。

【0017】

バックドリル工法による導体層４の除去残りであるスタブ７の長さ（スタブ長）Ｌは、電気特性に悪影響を与えないように、０ｍｍであるのが理想的だが、層間のバラつき、ドリルの加工精度などから０ｍｍにするのは困難である。そのため、スタブ長Ｌ（ｍｍ）は、関係式；Ｌ≦０．１０１４λ−０．１３０５ （但し、λは信号波長（ｍｍ）、Ｌ＞０）を満たすように設定されれば、電気特性に悪影響を与えず、かつスタブ長Ｌを０ｍｍにするより基板製造の難易度が下がり、生産効率も上昇する。

【0018】

＜スタブ長と伝送特性＞
次に、印刷配線板１０において、図１に示すような、第１層の導体層４０から、第５層の導体層４４に伝送される信号に用いるバックドリルビアのスタブ長Ｌを、０μｍ〜１ｍｍの範囲で変化させた場合の伝送特性を評価した。

【0019】

図２は、スタブ長の違いにおけるＴＤＲ(Time Domain Reflectometry 時間領域反射測定)波形のシミュレーション結果を示すものである。
図２に示すように、スタブ長が長くなるとインピーダンスの不整合が大きくなる。０μｍスタブと１ｍｍスタブでは、概ね１０Ω程度の差異がある。

【0020】

図３は、スタブ長の違いにおける透過波形のシミュレーション結果を示すものである。図３より、１０ＧＨｚ以下において、スタブ長Ｌの差異による影響は殆ど無いことがわかる。さらに、スタブ長が５００μｍ以下であれば、５０ＧＨｚよりも低い周波数には共振は発生しない。また、透過波形の伝送損失についてはスタブ長が短い方が良好である。

【0021】

図４は、周波数における伝送特性とスタブ長との関係を示すシミュレーション結果のグラフである。図４はＸ軸にスタブ長、Ｙ軸に伝送損失（ｄＢ）を取り、対象周波数を線で表記した。

【0022】

表１は図４により絞った数値を示す表である。また、表２は、表１の結果より、特定周波数に応じてスタブ長を算出した表である。なお、Ｓ２１とはＳパラメータで定義されるもので、伝送損失（ｄＢ）のことである。

【表1】

【表2】

【0023】

表２から、スタブ長（０μｍ）を基準として、減衰率（Ｂ−Ａ）が−０．５ｄＢであれば、殆ど減衰していないといえる。すなわち、この時のスタブ長は印刷配線板の電気特性に影響がない。

【0024】

図５は、表２のスタブ長Ｌと波長λの値のシミュレーション結果を用いて作成したグラフである。
スタブ長を算出するため、表２を用いて、近似線（Ｌ１、Ｌ２）で計算式を導き出している。計算式による計算結果を表３に示す。なお、Ｌ１は、スタブ長さ[SIM値]を最小二乗法で線形近似した値であり、Ｌ１より０．０２減じたものがＬ２である。SIM値は、表２のスタブ長さＬである。

【表3】

【0025】

表３より、図５の近似線Ｌ１で導き出した式Ｌ１にすると、ＳＩＭ値より計算値１がやや大きいが、式Ｌ２にすれば、計算値２は全ての波長λでＳＩＭ値より小さく満たすことができる。
以上より、特定周波数（１０ＧＨz〜５０ＧＨｚまで）に応じて、スタブ長Ｌは０．１０１４λ−０．１３０５以下にすればよい。

【0026】

スタブ長Ｌの関係式は、プログラムに組み込み、印刷配線板の製造方法に利用することもできる。このプログラムは、印刷配線板を形成する絶縁材料の比誘電率、比透磁率および周波数を入力すると、スタブ長Ｌがグラフまたは数字で表示される。

【0027】

図６は、プログラムにおける計算フローチャートを示している。このプログラムは、例えばパソコンの計算ソフトなどのツールに組み込んで使用すればよい。
スタブ長を計算するには、まず印刷配線板を形成する絶縁材料を入力する（ステップ１０１）。
次に、ステップ１０２に示すように、予め比誘電率および比透磁率を入力した材料をボタンで呼び出す（ステップ１０３Ａ）か、あるいは比誘電率および比透磁率を手動で入力するか（ステップ１０３Ｂ）を選択する。
このとき、材料としては、三菱ガス化学（株）社製の多層プリント配線板用高性能FR-4などが挙げられる。
次に、求めるスタブ長を、グラフ結果（波長λとスタブ長Ｌの関係）か数字結果のどちらで表示するかを選択する（ステップ１０４）。
ステップ１０４で、グラフ結果を選択した場合、次に、区間周波数を入力（ステップ１０５Ａ）し、計算を開始すると、スタブ長Ｌと波長λの式（Ｌ＝０．１０１４λ−０．１３０５）が読み込まれ（ステップ１０６Ａ）、グラフ結果が表示される（ステップ１０７）。グラフ結果は、例えば図７に示すようなグラフで表示される。

【0028】

同様に、ステップ１０４で、数字結果を選択した場合、次に、特定周波数を入力（ステップ１０５Ｂ）し、計算を開始すると、スタブ長Ｌと波長λの式（Ｌ＝０．１０１４λ−０．１３０５）が読み込まれ（ステップ１０６Ｂ）、数字結果が表示される（ステップ１０８）。

【0029】

上記したグラフ結果または数字結果から、スタブ長Ｌが、上記関係式を満足するようにバックドリル加工などでスタブを除去することで、電気特性に悪影響を与えない印刷配線板を製造することができる。そのため、スタブ長Ｌを０ｍｍに加工するより印刷配線板の製造上の難易度が低くなり、より生産効率を高めることができる。

【0030】

上記したスタブ長Ｌの関係式；Ｌ≦０．１０１４λ−０．１３０５ （但し、λは信号波長（ｍｍ）、Ｌ＞０）は、例えば、ＣＡＤ装置またはシュミレーションツールなどに組み込んで使用することもできる。

【0031】

次に、本発明に係る印刷配線板の製造方法を説明する。本発明に係る印刷配線板の製造方法は、下記の工程（ｉ）〜（vii）を含む。
（i）絶縁材と内層回路とを交互に積層して積層体を得る工程。
（ii）前記積層体をレーザ加工またはドリル加工して、積層体を貫通したスルーホール形成用のスルーホール下孔を設ける工程。
（iii）前記積層体の表面およびスルーホール下孔の内壁面に導体層を形成する工程。
（iv）前記積層体表面にドライフィルムを貼付した後、露光および現像して、導体層を形成したい場所以外のドライフィルムを剥離し、エッチング後、残ったドライフィルムを剥離して、スルーホール内壁面及び前記積層体の両表面に信号回路を形成する工程。
（v）絶縁材の比誘電率、絶縁材の比透磁率、信号の周波数から信号波長を求め、さらに、前記内層回路から他方の表面方向に延びている導体層の除去残りであるスタブ長を求める工程。
（vi）前記スタブ長の長さになるまで、積層体の他方の表面からバックドリル工法でスタブを除去する工程。
（vii）前記積層体表面にソルダーレジストを形成する工程。

【0032】

本発明に係る印刷配線板の製造方法を、図８を用いて説明する。なお、上述した部材についての説明は省略する。

【0033】

まず、図８（ａ）に示すように、絶縁材１と内層回路２を交互に複数積層して積層体１２を形成する。より詳細には、内層回路２を埋設するように、絶縁材１の表面に別の絶縁材１’を熱プレスで加熱・加圧して交互に複数積層して積層体１２を形成する。
絶縁材１’は、絶縁材１と同じ材料で形成されていてもよく、異なる材料で形成されていてもよい。さらに、絶縁材１’は、絶縁材１と同じ厚みを有していてもよく、異なる厚みを有していてもよい。

【0034】

次いで、図８（ｂ）に示すように、レーザ加工またはドリル加工により積層体１２を貫通するスルーホール５形成用のスルーホール下孔５ａを形成する。このレーザ加工で用いられるレーザ光としては、ＣＯ₂レーザ、ＵＶ−ＹＡＧレーザなどが挙げられる。
なお、スルーホール下孔５ａは、ドリルまたはレーザのいずれの方法を使用しても、孔壁等に開口時に絶縁材１、１’の残渣（図示せず）が残ることがある。その場合は、デスミア処理により残渣を除去する。

【0035】

次いで、図８（ｃ）に示すように、スルーホール下孔５ａの内壁面と積層体１２の両表面にめっき処理を施して銅めっきからなる導体層４を形成する。

【0036】

次いで、スルーホール下孔５ａをめっき処理した後、積層体１２の表面にドライフィルム９を貼付し、公知の方法で露光および現像して回路パターンを形成したい場所以外のドライフィルム９を剥離する。積層体１２の表面の導体層４をエッチングして、導体層４に回路パターンを形成し、信号回路６を形成する。
エッチング後、残ったドライフィルム９を剥離すると、図８（ｄ）に示すように、積層体１２に導体層４と、導体層４を内壁面に有するスルーホール５により信号回路６が形成される。

【0037】

次いで、絶縁材１の比誘電率、絶縁材１の比透磁率、信号回路６の周波数から信号波長を求める。さらに、内層回路２から積層体１２の他方の表面方向に延びている導体層４の除去残りであるスタブ７の長さ（スタブ長Ｌ）を求める。
このスタブ長Ｌは、上述した図６に示すようなプログラムにおける計算フローチャートを利用して求めることができる。

【0038】

次いで、図８（ｅ）に示すように、積層体１２の他方の表面から、スルーホール５を、スタブ長Ｌの長さになるまで、バックドリル８を利用したバックドリル工法にて除去する。なお、このバックドリル８の径はスルーホール５の径より大きい。

【0039】

最後に、積層体１２の表面に絶縁樹脂層としてソルダーレジスト３を形成すると、図８（ｆ）に示す印刷配線板１０’が完成する。

【0040】

以上述べたように、本発明に係る印刷配線板の製造方法では、印刷配線板１０を製造する際にスタブ長Ｌを０ｍｍに加工するより製造上の難易度が低くなり、より生産効率を高めることができる。

【符号の説明】

【0041】

１、１’ 絶縁材
２ 内層回路
３ ソルダーレジスト
４ 導体層
４０ 第１層の導体層
４４ 第５層の導体層
５ スルーホール
５ａ スルーホール下孔
６ 信号回路
７ スタブ
８ バックドリル
９ ドライフィルム
１０、１０’ 印刷配線板
１２ 積層体
１０１〜１０８ ステップ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】