特許 7566051 配線基板

(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】

(24)【登録日】2024-10-03

(45)【発行日】2024-10-11

(54)【発明の名称】配線基板

(51)【国際特許分類】

   H05K 3/12 20060101AFI20241004BHJP

   H05K 3/18 20060101ALI20241004BHJP

   B22F 7/04 20060101ALI20241004BHJP

   B22F 1/00 20220101ALI20241004BHJP

【ＦＩ】

H05K3/12 610G

H05K3/18 A

B22F7/04 G

B22F1/00 L

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2022578361

(86)(22)【出願日】2022-01-24

(86)【国際出願番号】 JP2022002423

(87)【国際公開番号】W WO2022163574

(87)【国際公開日】2022-08-04

【審査請求日】2023-07-12

(31)【優先権主張番号】P 2021012421

(32)【優先日】2021-01-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(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】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】東 登志文

(72)【発明者】

【氏名】佐野 裕明

(72)【発明者】

【氏名】井本 晃

(72)【発明者】

【氏名】山元 泉太郎

【審査官】齊藤 健一

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１７／１８７７５３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０００－２４４１２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－２０２８２３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２２Ｆ １／００

Ｂ２２Ｆ ７／０４

Ｈ０５Ｋ １／００―３／４６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

絶縁層と、
導体層と、が積層されており、
前記絶縁層は、ガラスセラミックスであり、
前記導体層は、銅を主成分とする複数の結晶子の焼結体であり、
前記複数の結晶子は、直線状の辺を含む多角形状の結晶子を含み、前記辺を粒界として接しており、
前記導体層は、複数個のシリカ粒子を有し、
前記シリカ粒子は、単一の組成で互いに個々の粒子が孤立して存在している
配線基板。

【請求項2】

前記複数の結晶子は、前記辺が２以上の結晶子を個数割合で７０％以上有する
請求項１に記載の配線基板。

【請求項3】

前記導体層は、前記絶縁層に沿う面に凹部を有し、
前記凹部は、前記絶縁層に沿う方向の幅が前記導体層の平均厚みの５０％以上である
請求項１または２に記載の配線基板。

【請求項4】

前記導体層が、前記絶縁層に挟まれており、前記絶縁層に沿う両面に凹凸部を有する
請求項１～３のいずれか１つに記載の配線基板。

【請求項5】

前記導体層は、金属成分として銅を含み、該銅の含有率が８０質量％以上９９質量％以下である、請求項１～４のいずれか１つに記載の配線基板。

【請求項6】

前記導体層は、周波数３０ＧＨｚ以上４９ＧＨｚ以下の領域における界面導電率が７８％以上である、請求項１～５のいずれか１つに記載の配線基板。

【請求項7】

前記シリカ粒子は、前記導体層と前記絶縁層との界面付近に存在する、請求項１～６のいずれか１つに記載の配線基板。

【請求項8】

前記シリカ粒子は、平均粒径が１０ｎｍ以上８０ｎｍ以下である、請求項１～７のいずれか１つに記載の配線基板。

【請求項9】

前記シリカ粒子は、平均粒径が３０ｎｍであり、下限２０ｎｍ、上限４０ｎｍの積算量の割合が７０％以上である、請求項１～８のいずれか１つに記載の配線基板。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

開示の実施形態は、配線基板に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、絶縁層と銅を主成分とする導体層とを有する配線基板が知られている。かかる配線基板は、例えば、銅粉末に金属酸化物を添加した導体層材料と、絶縁層材料としてのガラスセラミックスとを同時に焼成することにより得られる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００３－２７７８５２号公報

【発明の概要】

【0004】

実施形態の一態様に係る配線基板は、絶縁層と、導体層と、が積層されている。前記絶縁層は、ガラスセラミックスである。前記導体層は、銅を主成分とする複数の結晶子の焼結体である。前記複数の結晶子は、直線状の辺を含む多角形状の結晶子を含み、直線状の辺を粒界として接している。

【図面の簡単な説明】

【0005】

【図1】図１は、実施形態に係る配線基板の一例を示す断面図である。

【図2】図２は、図１に示す領域Ａの拡大図である。

【図3】図３は、結晶子の評価方法を示す説明図である。

【図4】図４は、導体層が有する複数の結晶子の評価結果を示す図である。

【図5】図５は、実施例および参考例に係る配線基板における周波数と界面導電率との関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0006】

以下、添付図面を参照して、本願の開示する配線基板の実施形態について説明する。なお、以下に示す実施形態により本開示が限定されるものではない。

【0007】

図１は、実施形態に係る配線基板の一例を示す断面図である。図１に示すように、実施形態に係る配線基板１は、絶縁層２０と、導体層１０とを有する。

【0008】

絶縁層２０は、ガラスセラミックスである。絶縁層２０は、導体層１０を挟んで向かい合う第１層２１と第２層２２とを有してもよい。第１層２１および第２層２２は、例えば、導体層１０の厚み方向の両面をそれぞれ挟むように位置している。

【0009】

導体層１０は、銅を主成分として含有する。具体的には、導体層１０は、銅を５０質量％以上含有する。導体層１０は、７０質量％以上、８０質量％以上、９０質量％以上１００質量％未満（９９質量％以下）の銅を含有してもよい。

【0010】

導体層１０は、複数の結晶子の焼結体である。図２は、図１に示す領域Ａの拡大図である。導体層１０は、図２に示すように、断面視で多角形状の結晶子１１を含む。

【0011】

また、隣り合う複数の結晶子１１ａ，１１ｂは、各結晶子１１が有する直線状を成す辺を粒界１２として接している。これにより、高周波での界面導電率を高めることができる。高周波で高い界面導電率を示す配線基板を得ることができる。

【0012】

ここで、結晶子１１が有する「直線状を成す辺」の評価方法について、図３を用いて説明する。図３は、結晶子の評価方法を示す説明図である。図３に示すように、結晶子１１は、多角形状の断面を有している。例として図３に示す結晶子１１は、辺Ｓ０１～Ｓ０８を有する八角形状の輪郭を有している。かかる断面を含む導体層１０を撮影した画像について、例えばスケール（または物差し）３０を用意して辺Ｓ０１に沿うように位置させる。辺Ｓ０１のうち、スケール（または物差し）３０に沿っている部分の長さが、結晶子１１の最長径ｄ_ＭＡＸの１／２以上であれば、「直線状を成す辺」であると規定する。また、その他の辺Ｓ０２～Ｓ０８についても、辺Ｓ０１と同様に「直線状を成す辺」であるか否かをそれぞれ評価する。図３に示す例では、長さＬ０１を有する辺Ｓ０１および長さＬ０７を有する辺Ｓ０７が、「直線状を成す辺」であると評価される。すなわち、図３に示す結晶子１１は、２つの「直線状を成す辺」を有する。結晶子１１の最長径ｄ_ＭＡＸは、１μｍ以上１０μｍ以下であるのがよい。

【0013】

例えば、実施形態に係る導体層１０につき、複数の結晶子１１がそれぞれ有する各辺に対し、上記した評価を繰り返す。かかる場合、複数の結晶子１１は、直線状を成す辺が２以上の結晶子１１を７０％以上有してもよい。このように、直線状を成す辺を２以上有する結晶子１１が７０％以上となる導体層１０を有する配線基板１では、例えば、周波数１ＧＨｚ～４９ＧＨｚにおける界面導電率の低下を小さくすることができる。これにより、高周波での界面導電率を高めることができる。

【0014】

図４は、導体層が有する複数の結晶子の評価結果を示す図である。図４に示すように、導体層１０は、直線状を成す辺の数が０～５である結晶子１１をそれぞれ有している。結晶子１１の総数が７＋９＋２４＋２３＋２１＋４＝８８であるのに対し、直線状を成す辺の数が２以上である結晶子１１の数は２４＋２３＋２１＋４＝７２であり、その割合は７２／８８×１００≒８１．８％である。

【0015】

この場合、配線基板１は、導体層１０の断面が見えるところで切断し、その切断面を研磨することにより、断面観察用の試料を作製する。

【0016】

次に、研磨した面を電子線後方散乱回折（EBSD：Electron Back Scattered Diffraction Pattern）法を用いて解析する。導体層１０の厚み方向および長さ方向における試料の撮影範囲は、例えば、次のように設定する。また、撮影範囲に含まれる結晶子１１の数は、例えば、５０以上１００以下とする。

【0017】

導体層１０の厚み方向：導体層１０が１層見える範囲を撮影する。
導体層１０の長さ方向：２０μｍ程度の範囲を撮影する。また、１０μｍ以上２０μｍ以下の範囲としてもよい。

【0018】

実施形態に係る配線基板１は、例えば、周波数２ＧＨｚにおける界面導電率が９０％以上であってもよい。また、配線基板１は、例えば、周波数３０ＧＨｚにおける界面導電率が８５％以上であってもよい。また、配線基板１は、例えば、周波数４９ＧＨｚにおける界面導電率が７８％以上であってもよい。配線基板１では、周波数３０ＧＨｚ以上４９ＧＨｚ以下の範囲における界面導電率が７８％以上となる。このように、実施形態に係る配線基板１によれば、例えば、周波数２ＧＨｚ～４９ＧＨｚにおける界面導電率の低下を小さくすることができる。これにより、高周波での界面導電率を高めることができる。

【0019】

また、導体層１０は、絶縁層２０に沿う面に凹部１３，１４を有してもよい。ここで、凹部１３，１４は、例えば、最大深さが１μｍ以上３μｍ以下であるのがよい。また、凹部１３，１４は、絶縁層２０に沿う方向の幅ｗが、導体層１０の平均厚みｔの５０％以上９０％以下の範囲であるのがよい。導体層１０がかかる凹部１３，１４を有することにより、例えば、導体層１０と絶縁層２０との密着性を高めることができる。凹部１３，１４の曲率半径は、５μｍ以上５０μｍ以下、特に１０μｍ以上３０μｍ以下であるのがよい。

【0020】

導体層１０の平均厚みｔは、例えば、観察した領域（例えば、長さ５０μｍ）を長さ方向に４等分したときの各地点（計５か所）で測定された導体層１０の厚みを平均して求める。導体層１０の各地点の厚みは、導体層１０の長手方向に対して垂直な方向の長さとする。なお、導体層１０の平均厚みｔは、例えば、５μｍ以上１５μｍ以下、さらに６．５μｍ以上１０μｍ以下とすることができる。

【0021】

なお、導体層１０は、絶縁層２０に面する両面のうち、一方の面のみに凹部１３または凹部１４を有してもよく、絶縁層２０に面する導体層１０の両面に、凹部１３，１４をそれぞれ有してもよい。また、導体層１０が有する凹部１３および／または凹部１４は、複数であってもよい。

【0022】

また、導体層１０は、上記した、比較的大きな凹部１３，１４の他に、これよりも幅の小さい凹凸部１０Ａ（図２では、凹の位置を凹状部分１０ａ、隣接した位置にある凸の位置を凸状部分１０ｂとした。）を複数有してもよい。ここで、導体層１０は、凹凸部１０Ａがあっても導体層１０の最大厚みｔｍａｘと最小厚みｔｍｉｎとの差が１μｍ以上３μｍ以下であるのがよい。導体層１０がかかる凹凸部１０Ａを有することにより、例えば、導体層１０と絶縁層２０との密着性を高めることができる。また、界面導電率のばらつきを小さくすることができる。

【0023】

また、導体層１０は、その表面にシリカ粒子を有してもよい。言い換えると、この配線基板１では、シリカが粒子状の状態で導体層１０の表面に存在するということである。ここで、導体層１０の表面とは、導体層１０が絶縁層２０の表面に形成されたときに、絶縁層２０と導体層１０との界面付近のことである。界面付近とは、導体層１０の表面から導体層１０の内部にわずかな幅の範囲まで含む。わずかな幅とは導体層１０の表面から１μｍ以内の範囲である。導体層１０の表面にシリカ粒子が存在することにより、例えば、導体層１０と絶縁層２０との密着性をさらに高めることができる。なお、シリカ粒子は、絶縁層２０に面する導体層１０の全面にわたり存在してもよく、導体層１０の表面の一部に存在してもよい。導体層１０の表面に複数個のシリカ粒子が存在する場合、これらのシリカ粒子は互いに個々の粒子が孤立して存在していてもよい。

【0024】

導体層１０の表面、あるいは絶縁層２０と導体層１０との界面付近にシリカ粒子が存在することによって絶縁層２０と導体層１０との密着性が高まる理由は、導体層１０に用いている金属材料（例えば、銅）の焼成時の収縮挙動とシリカ粒子の収縮挙動が近いことが一因として考えられる。この場合、導体層１０に用いている金属材料の焼成時の収縮挙動とシリカ粒子の収縮挙動が近くなる要因は、シリカ粒子のサイズが微小であることが考えられる。例えば、後述するサイズのシリカ粒子の代わりに、これよりもサイズの大きいシリカ粒子は、サイズに基づく粒度分布の広がりがある。また、サイズに起因する熱容量の増加がある。これらの要因が焼結挙動や密着性を変化させる要因となる。なお、微小サイズのシリカ粒子の代わりに、複合酸化物のガラス粉末を用いた場合には、ガラス粉末が複数の成分を含むことからガラス粉末の溶融状態となる温度の範囲が微小サイズのシリカ粒子の場合よりも広くなる。例えば、ガラス粉末では、微小サイズのシリカ粒子に比べて、溶融温度が低温から始まる場合がある。また、ガラス粉末は広い粒度分布を有している場合が多い。これらの性状を有するガラス粉末を用いた場合には、ガラス粉末が焼成中に導体層１０となる印刷パターン内で焼結に伴う凝集や移動が起きやすくなる。その結果、導体層１０を形成するときに、金属粒子が粒成長しやすく、また、導体層１０中に空隙が発生しやすい。これは、ガラス粉末が印刷パターンの部分から絶縁層２０となる領域に拡散しやすいからである。微小サイズのシリカ粒子を用いた場合は、単一の組成であることから、溶融状態となる温度の範囲がガラス粉末の場合よりも狭い。その結果、導体層１０は緻密質となり、絶縁層２０に沿う面にゆるやかな形状の凹部１３，１４が形成されやすくなる。シリカ粒子の粒径は、平均粒径が１０ｎｍ以上８０ｎｍ以下であるのがよい。この中で、平均粒径が３０ｎｍであるものがよい。下限２０ｎｍ、上限４０ｎｍの積算量の割合が７０％以上であるのがよい。

【0025】

また、導体層１０は、凹部１３，１４に加えて、凹凸部１０Ａを絶縁層２０に面する両面に有してもよい。絶縁層２０に面する導体層１０の両面、すなわち、絶縁層２０の第１層２１および第２層２２に面する導体層１０の表面に、凹部１３，１４に加えて、凹凸部１０Ａを成す部分を有することにより、例えば、導体層１０と絶縁層２０との密着性をさらに高めることができる。

【0026】

また、導体層１０は、外部に露出する配線基板１の表面に位置してもよい。かかる場合、導体層１０は、配線基板１の一方面に位置してもよく、配線基板１の両面に位置してもよい。

【0027】

［実施例］
具体的に配線基板を作製し、界面導電率の相違について評価した。

【0028】

まず、絶縁層の材料として、アルミナ粒子４０ｗｔ％と、ホウケイ酸ガラス６０ｗｔ％との混合物を用意した。かかる混合物は、焼成温度が９００℃以上１０００℃以下のガラスセラミックス原料である。また、有機バインダとして、ガラスセラミックス原料１００質量部に対して２０質量部のメタクリル酸イソブチル樹脂とフタル酸ジブチルを使用し、ドクターブレード成形により厚みが１００μｍのグリーンシートを作製した。

【0029】

また、導体層の原料として、平均粒径が２μｍの銅粉末と平均粒径が２０ｎｍのシリカ粒子を用意した。シリカ粒子は、下限１０ｎｍ、上限３０ｎｍの積算量の割合が７０％以上であった。シリカ粒子の添加量は、銅粉末１００質量部に対して、１質量部とした。また、有機バインダには、メタクリル酸イソブチル樹脂および、ブチルカルビトールアセテート、ジブチルフタレートの混合溶媒を用いた。銅粉末１００質量部に対して５質量部の割合でメタクリル酸イソブチル樹脂を添加し、さらにブチルカルビトールアセテート、ジブチルフタレートの混合溶媒を添加して銅粉末およびシリカ粒子を含有する導体ペーストを調製した。

【0030】

作製したグリーンシートの両表面に導体ペーストを所定の面積で印刷し、焼成した。焼成は、水素－窒素の混合ガスを用いた還元雰囲気中にて、最高温度を９３０℃、保持時間を２時間として行った。グリーンシートは、複数枚を重ねて、厚みを５００μｍとした。

【0031】

一方、参考例に係る配線基板は、シリカ粒子の平均粒径を１μｍとしたことを除き、上記した実施例に係る配線基板と同様に作製した。

【0032】

上記のように作製された配線基板を用いて、界面導電率をそれぞれ測定した。界面導電率は、以下に示す誘電体円柱共振器法にて測定した。測定用の試料として、直径が５０ｍｍ、両面のほぼ全面にわたり導体層１０が形成されたものを用いた。

【0033】

誘電体円柱共振器法を利用した界面導電率の測定方法は、比誘電率、誘電損失が既知の誘電体材料からなる誘電体円柱の両端面または一方の端面に、上記導体が内部に形成された絶縁層を所定の関係になるように取り付けて誘電体共振器を形成することにより、導体と絶縁層との界面、すなわち導体界面での導電率を測定する方法である。

【0034】

この測定方法の原理は、所定の寸法比（高さｈ／直径ｄ）を有する誘電体円柱の両端面に、縁端効果が無視できる程度に充分大きな導体板（通常は、誘電体円柱の直径ｄの３倍程度の直径Ｄを有する導体板）を平行に設けて挟持した電磁界共振器を構成した場合、ＴＥｏｍｎ共振モード（以下、ＴＥｏｍｎモードと称する）によって導体板に流れる高周波電流は短絡面、即ち、誘電体と導体との対向面だけに分布していることによるものである。

【0035】

誘電体共振器においては、ＴＥｏｍｎモード（ｍ＝１，２，３・・・、ｎ＝１，２，３，・・・）によって導体に流れる高周波電流は、導体と誘電体円柱と接する誘電体基板の界面だけに分布することを利用して、測定されたＴＥｏｍｎモード（ｍ＝１，２，３・・・、ｎ＝１，２，３，・・・）の共振周波数ｆ０と無負荷Ｑ、Ｑｕから界面導電率を算出することができる。界面導電率は、周波数２ＧＨｚ以上４９ＧＨｚの範囲で測定した。結果を図５に示す。

【0036】

図５は、実施例および参考例に係る配線基板における周波数と界面導電率との関係を示す図である。実線５１は、実施例に係る配線基板を、破線５２は、参考例に係る配線基板を、それぞれ測定した結果である。

【0037】

図５に示すように、実施例に係る配線基板では、測定した周波数領域の全体にわたり、参考例に係る配線基板と比較して界面導電率が高かった。特に、参考例に係る配線基板では、周波数３０～４８ＧＨｚの領域における界面導電率の低下が顕著となる一方、実施例に係る配線基板では、界面導電率の低下が小さかった。これにより、実施形態に係る配線基板は、高周波での界面導電率を高めることができることが明らかとなった。

【0038】

また、導体層として銅箔を用いた有機基板の界面導電率を測定したところ、周波数２ＧＨｚ、３０ＧＨｚおよび４９ＧＨｚでの界面導電率がそれぞれ９９％、８１％、６１％となり、特に周波数３０～４８ＧＨｚの領域における界面導電率の低下が大きいという結果であった。

【0039】

以上のように、実施形態に係る配線基板１は、絶縁層２０と、導体層１０と、が積層されている。絶縁層２０は、ガラスセラミックスである。導体層１０は、銅を主成分とする複数の結晶子１１の焼結体である。複数の結晶子１１は、直線状の辺を含む多角形状の結晶子１１を含み、直線状の辺を粒界１２として接している。これにより、高周波での界面導電率を高めることができる。

【0040】

さらなる効果や他の態様は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本開示のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

【符号の説明】

【0041】

１ 配線基板
１０ 導体層
１１ 結晶子
１２ 粒界
１３，１４ 凹部
２０ 絶縁層
２１ 第１層
２２ 第２層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】