JP2016100497A

JP2016100497A - 配線基板及び配線基板の製造方法

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Publication number: JP2016100497A
Application number: JP2014237350A
Authority: JP
Inventors: 正則秋江; Masanori Akie
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2014-11-25
Filing date: 2014-11-25
Publication date: 2016-05-30

Abstract

【課題】印刷法で形成された配線の抵抗が上昇するのを抑制することが可能な配線基板及び配線基板の製造方法を提供すること。【解決手段】基板１０の上に、配線本体１２ｗと、パッド１２ｐと、配線本体１２ｗから分岐して同一のパッド１２ｐに繋がる複数の分岐配線１２ｂとを一括して印刷法で形成する工程を有する配線基板の製造方法による。【選択図】図４

Description

本発明は、配線基板及び配線基板の製造方法に関する。

パーソナルコンピュータやスマートフォン等の電子機器には様々な配線基板が使用される。配線基板は、絶縁性の基板や層間絶縁膜の上に配線を形成してなるが、その配線の形成方法として印刷法がある。

印刷法においては、金属微粒子を含むインクを下地の上に配線形状に塗布し、焼成によりインク中に金属粒子を析出させることで配線を形成する。これによれば、めっき法等で使用されるめっき槽等の大掛かりな装置が不要なため、安価に簡単に配線を形成することができる。

インクを焼成する前においては、未乾燥のインク中を金属微粒子が移動して、場所によって金属微粒子の濃度が異なるようになることがある。このような現象はコーヒーステイン現象と呼ばれ、パッドのように広い面積のパターンを印刷した場合にはそのパターンの周縁部に金属微粒子が集まることが知られている。

特開２００５−３５３７７２号公報特開２００６−２９３２９１号公報特開２００６−３１９２３０号公報特開２００７−５３３３４号公報

しかしながら、前述のようにコーヒーステイン現象が発生すると、塗布後のインクにおいて金属微粒子の濃度差が発生し、濃度が低い部分で配線の膜厚が不足して抵抗が上昇してしまう。

開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、印刷法で形成された配線の抵抗が上昇するのを抑制することが可能な配線基板及び配線基板の製造方法を提供することを目的とする。

以下の開示の一観点によれば、基板の上に、配線本体と、パッドと、前記配線本体から分岐して同一の前記パッドに繋がる複数の分岐配線とを一括して印刷法で形成する工程を有する配線基板の製造方法が提供される。

また、その開示の他の観点によれば、基板と、前記基板の上に印刷され、配線本体と、パッドと、前記配線本体から分岐して同一の前記パッドに繋がる複数の分岐配線とを備えた導体パターンとを有する配線基板が提供される。

以下の開示によれば、印刷法で配線本体とパッドとを一括で形成するときに、両者の間に分岐配線を複数設けるので、コーヒーステイン現象で各分岐配線が薄くなったとしても、配線本体とパッドとの間の電気抵抗が上昇するのを抑制できる。

図１は、検討に使用した配線基板の拡大平面図である。図２は、図１の領域Aを配線の延在方向に沿って切断した拡大断面図である。図３は、配線の電気抵抗が上昇するのを抑制するために案出された導体パターンの拡大平面図である。図４（ａ）、（ｂ）は、第１実施形態に係る配線基板の製造途中の拡大平面図である。図５（ａ）〜（ｃ）は、第１の調査で使用した比較例に係る導体パターンを示す平面図である。図６（ａ）〜（ｄ）は、第１実施形態と同一の導体パターンを示す平面図であって、分岐配線の本数をそれぞれ５本、４本、３本、２本とした例である。図７は、第１の調査において、導体パターンの余剰印刷面積と全体抵抗値の測定結果をまとめた図である。図８は、第２の調査において、導体パターンの全体抵抗値の測定結果をまとめた図である。図９（ａ）〜（ｃ）は、第３の調査で使用した導体パターン１２の形状について説明するための平面図である。図１０（ａ）、（ｂ）は、第３の調査において、配線抵抗値を調べるために用意したパターンの拡大平面図である。図１１は、第３の調査において、配線本体の幅を０．１mmに固定しつつ、分岐配線の幅を様々に変化させた場合の全体抵抗値と配線抵抗値の測定結果を示す図である。図１２は、第４の調査において、配線本体の幅を０．２mmに固定しつつ、第３の調査と同様にして測定した全体抵抗値の結果を示す図である。図１３は、第２実施形態に係る配線基板の拡大平面図である。図１４は、第３実施形態に係る配線基板の斜視図である。

本実施形態の説明に先立ち、本願発明者が検討した事項について説明する。

図１は、その検討に使用した配線基板の拡大平面図である。

この配線基板１は、絶縁性の基板２とその上に形成された導体パターン３とを有する。

導体パターン３は、パッド３ｐと配線３ｗとを有しており、印刷法により形成される。印刷法では銅や銀等の導体パターンを形成できるが、ここでは導体パターン３の材料は特に問わない。

導体パターン３の形成にあたっては、最初にインクジェット法で基板２の上にインクを塗布する。そして、インクが乾燥した後に、インクを加熱して焼成することで導体パターン３を形成する。

焼成前のインクにおいては、銅や銀等の金属微粒子がインク中で流動し、これが原因で前述のコーヒーステイン現象が発生する。

そして、そのコーヒーステイン現象により、導体パターン３には膜厚が厚い部分と薄い部分とが生じてしまう。

図２は、図１の領域Aを配線３ｗの延在方向に沿って切断した拡大断面図である。

図２に示すように、コーヒーステイン現象が原因で、配線３ｗの膜厚T₁はパッド３ｐの周縁部の膜厚T₂よりも薄くなる。これは、インクの乾燥途中で配線３ｗの金属微粒子がパッド３ｐに吸収され、金属微粒子が配線３ｗにおいて不足するためと考えらえる。

このように膜厚T₁が薄くなると配線３ｗの電気抵抗が上昇してしまい、好ましくない。

図３は、配線３ｗの電気抵抗が上昇するのを抑制するために案出された導体パターン３の拡大平面図である。

図３の例では、配線３ｗとパッド３ｐとの間にテーパ部３ｔを設ける。

テーパ部３ｔは、配線３ｗからパッド３ｐに向かって幅Wが広がるような平面形状を有する。

この構造によれば、テーパ部３ｔによって配線３ｗがパッド３ｐから隔てられるため、パッド３ｐから配線３ｗにコーヒーステイン現象が及ぶ可能性が低減できる。

また、コーヒーステイン現象によってテーパ部３ｔの膜厚が減少しても、テーパ部３ｔの幅Wは配線３ｗのそれよりも広いので、配線３ｗとパッド３ｐとの間の電気抵抗が上昇する可能性も少ない。

しかしながら、このように幅Wが広いテーパ部３ｔを設けると、導体パターン３の印刷面積が広がってしまうため、インクの消費量が増大すると共に、テーパ部３ｔを印刷するための作業時間も増える。

なお、配線３ｗよりも先にパッド３ｐを印刷し、パッド３ｐが乾燥してから配線３ｗを印刷することで、コーヒーステイン現象によって配線３ｗの金属微粒子がパッド３ｐに吸収されるのを防ぐことも考えられる。但し、このように二回に分けて導電パターン３を形成したのでは、導電パターン３を形成するのに要する作業が増え、作業時間が増大してしまう。

以下に、インクの消費量や作業時間を抑制しながら、コーヒーステイン現象が生じても配線の電気抵抗が上昇するのを抑制できる本実施形態について説明する。

（第１実施形態）
本実施形態では、印刷法で形成された導体パターンの電気抵抗が上昇するのを以下のように抑制する。

図４（ａ）、（ｂ）は、本実施形態に係る配線基板の製造途中の拡大平面図である。

まず、図４（ａ）に示すように、インクジェット法等の印刷法で絶縁性の基板１０の上にインクを塗布することにより、基板１０に印刷パターン１１を形成する。

その印刷法で使用されるインクには銀の微粒子が含有される。そのようなインクとしては、例えば、ハリマ化成グループ株式会社製のNPS-JLがある。

なお、銀に代えて銅の微粒子を含むインクを使用してもよい。

また、基板１０としては、例えばプリプレグを硬化してなる樹脂基板を使用し得る。

更に、インクの流れ出しを防止するために印刷パターン１１の周囲にバンクを形成してもよいが、この例ではバンクを形成せずに基板１０の平坦面上に印刷パターン１１を形成する。

次に、図４（ｂ）に示すように、不図示の炉の中で上記の印刷パターン１１を約１５０℃の温度で約１時間加熱することで焼成し、厚さが約０．８μmの導体パターン１２を得る。

なお、焼成に代えて、光硬化により導体パターン１２を形成してもよい。

以上により、導体パターン１２を備えた本実施形態に係る配線基板１３の基本構造を得る。

その導体パターン１２は、配線本体１２ｗと、該配線本体１２ｗから分岐した複数の分岐配線１２ｂと、分岐配線１２ｂの各々に繋がるパッド１２ｐとを有しており、上記の印刷法ではこれらの各部が一括して形成されることになる。

パッド１２ｐは、例えば導体パターン１２においてはんだバンプが接合される部位であり、配線本体１２ｗや各分岐配線１２ｂよりも広い幅の矩形状である。

このようなパッド１２ｐと分岐配線１２ｂの幅の相違に起因して、焼成前の導体パターン１２には前述のコーヒーステイン現象が起きることがある。そのコーヒーステイン現象によって分岐配線１２ｂの銀微粒子が矢印Aのようにパッド１２ｐに吸収され、分岐配線１２ｂの膜厚がパッド１２ｐのそれよりも薄くなることがある。

このように膜厚が薄くなっても、配線本体１２ｗとパッド１２ｐとの間で複数の分岐配線１２ｂが並列に接続されているため、導体パターン１２の全体の抵抗が上昇するのが抑制される。

しかも、配線本体１２ｗとパッド１２ｐとが分岐配線１２ｂで隔てられているため、コーヒーステイン現象がパッド１２ｐから配線本体１２ｗにまで及びにくくなり、配線本体１２ｗの膜厚が低下するのを抑制することもできる。

更に、分岐配線１２ｂは配線本体１２ｗやパッド１２ｐと同時に形成されるので、分岐配線１２ｂを形成するための余分な作業は不要であり、作業時間が増大するのを抑制することもできる。

そして、各分岐配線１２ｂの間には隙間があるため、その隙間によって印刷面積を低減でき、インクの消費量が増大するのを抑制できる。

なお、分岐配線１２ｗの各々の幅W₂を加算して得た総和Sが配線本体１２ｗの幅W₁よりも狭いと、各分岐配線１２ｗの合成抵抗が配線本体１２ｗの抵抗よりも低くなるので、総和Sを幅W₁以上とするのが好ましい。

また、この例では一つのパッド１２ｐに繋がる分岐配線１２ｂの本数を５本としているが、分岐配線１２ｂの本数はパッド１２ｐの大きさに合わせて適宜設定すればよい。

更に、隣接する分岐配線１２ｂ同士間隔Tが狭いと、インクの濡れ広がりによって分岐配線１２ｂ同士が接触してしまうおそれがある。間隔Tは、このように分岐配線１２ｂ同士が接触してしまうのを防止できる程度に広くするのが好ましく、この例では間隔Tを約０．１mm〜０．２mm程度とする。

次に、本実施形態の効果を確認するために本願発明者が行った調査について説明する。

・第１の調査
本調査では、二つのパッド１２ｐ間の電気抵抗が導体パターン１２の形状によってどのように変化するのかが調査された。

図５〜図６は、その調査で使用した導体パターン１２の形状について説明するための平面図である。

このうち、図５（ａ）〜（ｃ）は比較例に係る導体パターンを示す平面図である。

図５（ａ）は、分岐配線１２ｂを形成せずに、配線本体１２ｗとパッド１２ｐとを直接繋いだ例である。

二つのパッド１２ｐ同士の間隔Lは１０mmであり、パッド１２ｐは一辺の長さXが３mmの正方形状である。そして、配線本体１２ｗの幅W₁は０．１mmである。これら間隔L、長さX、及び幅W₁の値は、図５（ｂ）、（ｃ）、及び図６（ａ）〜（ｄ）の全てについて同様である。

図５（ｂ）は、配線本体１２ｗとパッド１２ｐとの間に長方形の補助パターン１２ａを設けた例である。

その補助パターン１２ａを設けたことで、配線本体１２ｗとパッド１２ｐとは距離Dだけ隔てられる。距離Dは１mmである。この距離Dの値については、図５（ｃ）、及び図６（ａ）〜（ｄ）についても同様である。

図５（ｃ）は、補助パターン１２ａをテーパ状にした場合の平面図である。

図６（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態と同一の導体パターンを示す平面図であって、分岐配線１２ｂの本数をそれぞれ５本、４本、３本、２本とした例である。なお、分岐配線１２ｂの各々の幅W₂は、図６（ａ）〜（ｄ）の全てにおいて０．１mmである。

更に、図５（ａ）〜（ｃ）と図６（ａ）〜（ｄ）のいずれの導電パターンにおいても、その膜厚、焼成条件、及びインクは図４（ａ）、（ｂ）で説明したのと同じである。これについては、後述の第２〜第４の調査でも同様である。

図７は、上記した各々の導体パターンの余剰印刷面積Sと全体抵抗値R_Tの測定結果をまとめた図である。

なお、余剰印刷面積Sは、図５（ｂ）、（ｃ）については補助パターン１２ａの面積であり、図６（ａ）〜（ｄ）については分岐配線１２ｂの面積の総和である。

また、全体抵抗値R_Tは、二つのパッド１２ｐの間の電気抵抗を四端子法で測定して得られた値である。

図７に示すように、全体抵抗値R_Tは図５（ａ）の例が最も大きい。これは、コーヒーステイン現象により配線本体１２ｗの膜厚が低減して、配線本体１２ｗそのものの電気抵抗が上昇したためと考えられる。

一方、本実施形態（図６（ａ）〜（ｄ））においては、比較例（図５（ｂ）、（ｃ））よりも余剰印刷面積Sが少ないにも関わらず、全体抵抗値R_Tが比較例よりも小さくなることが明らかとなった。

本実施形態でこのように全体抵抗値R_Tが低減したのは、コーヒーステイン現象が起きる範囲が分岐配線１２ｂに留まり、更に各分岐配線１２ｂを並列に接続したためと考えられる。

この結果により、本実施形態では、導体パターン１２の印刷パターンが増加するのを抑制しながら、コーヒーステイン現象に起因した抵抗増加を抑制できることが確認できた。

・第２の調査
本調査では、第１の調査とは異なる大きさの導体パターン１２を形成し、全体抵抗値R_Tを測定した。

その結果を図８に示す。

図８に示すように、この例ではパッド１２ｐの一辺の長さLが３mmの場合と２mmの場合について調査した。また、距離Dが１mmと１．５mmの場合についても調査した。

図８の結果から分かるように、長さLと距離Dの如何を問わず、本実施形態では比較例よりも全体抵抗値R_Tが低い。

・第３の調査
本調査では、分岐配線１２ｂの幅W₂を変えると全体抵抗値R_Tがどのように変化するのかが調べられた。

図９（ａ）〜（ｃ）は、その調査で使用した導体パターン１２の形状について説明するための平面図である。

このうち、図９（ａ）は分岐配線１２ｂの本数を２本にした場合の平面図であり、図９（ｂ）は分岐配線１２ｂの本数を３本にした場合の平面図である。

また、図９（ｃ）は比較例に係るパターンを示す平面図である。この比較例においては、分岐配線１２ｂを形成せずに、配線本体１２ｗとパッド１２ｐとを直接繋いだ。

図９（ａ）〜（ｃ）のいずれにおいても、二つのパッド１２ｐ同士の間隔Lは４mmであり、パッド１２ｐは一辺の長さXが３mmの正方形状であり、配線本体１２ｗの幅W₁は０．１mmである。

また、図９（ａ）、（ｂ）においては、配線本体１２ｗとパッド１２ｐとの距離Dを１mmとした。

そして、図９（ａ）〜（ｃ）のパターンの各々について、二つのパッド１２ｐの間の電気抵抗を四端子法で測定することにより全体抵抗値R_Tを得た。

また、この調査では、以下のようにして配線本体１２ｗのみの配線抵抗値R_Wも合わせて調べられた。

図１０（ａ）、（ｂ）は、その配線抵抗値R_Wを調べるために用意したパターンの拡大平面図である。

このうち、図１０（ａ）は、２本の分岐配線１２ｂでパッド１２ｐを直接繋いだパターンを示す平面図である。そして、図１０（ｂ）は、３本の分岐配線１２ｂでパッド１２ｐを直接繋いだパターンを示す平面図である。

図１０（ａ）、（ｂ）のどちらにおいても、分岐配線１２ｗの長さDは図９（ａ）、（ｂ）と同じ１mmとした。また、正方形のパッド１２ｐの一辺の長さXも、図９（ａ）、（ｂ）と同じ３mmとした。

図１０（ａ）において二つのパッド１２ｐの間の電気抵抗を四端子法で測定すると、パッド１２ｐと分岐配線１２ｂとを合わせた抵抗値R₀が得られる。その抵抗値R₀を２倍した値を図９（ａ）の導体パターン１２の全体抵抗値R_Tから減算した値を、分岐配線１２ｂが２本の場合における配線本体１２ｗのみの配線抵抗値R_Wとみなす。

これと同様な方法を用いることで、図９（ｂ）と図１０（ｂ）の各パターンから分岐配線１２ｂが３本の場合における配線本体１２ｗのみの配線抵抗値R_Wが得られる。

図１１に、配線本体１２ｗの幅W₁を０．１mmに固定しつつ、分岐配線１２ｂの幅W₂を０．０５mm〜０．５mmの範囲で０．０５mm刻みで変化させた場合の全体抵抗値R_Tと配線抵抗値R_Wの測定結果を示す。

図１１に示すように、分岐配線１２ｂが２本の場合には、分岐配線１２ｂの幅W₂が０．０５mmから増加して０．２mmになるまでは全体抵抗値R_Tが減少傾向となる。

一方、幅W₂が０．２mm〜０．２５mmよりも広がると全体抵抗値R_Tは増加に転じる。

この結果より、配線本体１２ｗの幅W₁の２倍を超える値に幅W₂を設定しても、全体抵抗値R_Tを低下させることはできず、むしろ幅W₂の拡幅によりインクの消費量が無駄になることが明らかとなった。

このように幅W₂を広げても全体抵抗値R_Tが増加するのは、幅W₂が増加すると、各分岐配線１２ｂの抵抗減少よりも、配線本体１２ｗの配線抵抗値R_Wの上昇の方が優勢になるためと考えられる。これは、各幅W₁、W₂の相違に起因したコーヒーステイン現象が配線本体１２ｗと分岐配線１２ｂの境界で発生し、これにより配線本体１２ｗの膜厚が減少することが原因と推測される。

また、分岐配線１２ｂが３本の場合には、幅W₂が０．２mm〜０．２５mmを超えると全体抵抗値R_Tが増加し始める。よって、この場合においても、幅W₁の２倍を超える値に幅W₂を設定しても全体抵抗値R_Tを低下させることはできないことが明らかとなった。

以上の結果より、インクの消費量を抑制しながら全体抵抗値R_Tを低減するには、分岐配線１２ｗの幅W₂を配線本体１２ｗの幅W₁の２倍以下にするのが好ましいことが明らかとなった。

・第４の調査
本調査では、配線本体１２ｗの幅W₁を０．２mmに固定しつつ、分岐配線１２ｂの幅W₂を０．０５mm〜０．８mmの範囲で０．０５mm刻みで変化させて全体抵抗値R_Tを測定した。なお、間隔L、長さX、及び距離Dの各値は第３の調査におけるのと同じである。

その調査結果を図１２に示す。

図１２に示すように、分岐配線１２ｂの本数が２本と３本のいずれの場合においても、分岐配線１２ｗの幅W₂が増加して０．４mm程度となったところで全体抵抗値R_Tが飽和し、幅W₂をむやみに広げても全体抵抗値R_Tが低減できないことが分かった。

よって、配線本体１２ｗの幅W₁が０．２mmの場合においても、分岐配線１２ｗの幅W₂を配線本体１２ｗの幅W₁の２倍以下にすることで、インクの消費量を抑制しながら全体抵抗値R_Tを低減できることが確認された。

（第２実施形態）
第１実施形態では、図４（ｂ）に示したように、各分岐配線１２ｂは互いに平行であり、パッド１２ｐの一辺と垂直に交わる。分岐配線１２ｂの向きはこれに限定されない。

図１３は、本実施形態に係る配線基板１３の拡大平面図である。なお、図１３において、第１実施形態で説明したのと同じ要素には第１実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。

図１３に示すように、本実施形態においては、配線本体１２ｗの一点pからパッド１２ｐに向けて分岐配線１２ｂを放射状に形成する。このような形状であっても、第１実施形態と同様の理由により、コーヒーステイン現象に起因した導体パターン１２の抵抗増加を抑制できる。

（第３実施形態）
本実施形態では、第１実施形態で説明した導体パターン１２を多層配線構造に適用した例について説明する。

図１４は、本実施形態に係る配線基板２０の斜視図である。

この配線基板２０は、絶縁性の基板２１の上に層間絶縁膜２２と導体パターン１２とを交互に積層した多層配線構造を有する。

基板２１としては例えばプリプレグを硬化してなる樹脂基板を使用し、層間絶縁膜２２の材料としては例えばエポキシ樹脂がある。

層間絶縁膜２２には、例えばめっき法により形成された銅の導体ビア２３が埋め込まれており、その導体ビア２３によって上下に隣接する導体パターン１２同士が接続される。

このような構造においては、配線本体１２ｗよりも幅が広いパッド１２ｐにより、導体パターン１２と導体ビア２３との接続面積が増え、これによりパッド１２ｐと導体ビア２３とが電気的に確実に接続される。

また、最上層の層間絶縁膜２２の上に導体パターン１２を形成することで、その導体パターン１２のパッド１２ｐにはんだバンプやボンディングワイヤを接合することもできるようになる。

以上説明した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。

（付記１）基板の上に、配線本体と、パッドと、前記配線本体から分岐して同一の前記パッドに繋がる複数の分岐配線とを一括して印刷法で形成する工程を有することを特徴とする配線基板の製造方法。

（付記２）前記分岐配線の幅は、前記配線本体の幅の２倍以下であることを特徴とする付記１に記載の配線基板の製造方法。

（付記３）複数の前記分岐配線の各々の幅を加算して得た総和は、前記配線本体の幅以上であることを特徴とする付記１に記載の配線基板の製造方法。

（付記４）基板と、
前記基板の上に印刷され、配線本体と、パッドと、前記配線本体から分岐して同一の前記パッドに繋がる複数の分岐配線とを備えた導体パターンと、
を有することを特徴とする配線基板。

（付記５）前記分岐配線の幅は、前記配線本体の幅の２倍以下であることを特徴とする付記４に記載の配線基板。

（付記６）複数の前記分岐配線の各々の幅を加算して得た総和は、前記配線本体の幅以上であることを特徴とする付記４に記載の配線基板。

１、１３、２０…配線基板、２、１０、２１…基板、３、１２…導体パターン、３ｐ…パッド、３ｗ…配線、３ｔ…テーパ部、１１…印刷パターン、１２ａ…補助パターン、１２ｂ…分岐配線、１２ｐ…パッド、１２ｗ…配線本体、２２…層間絶縁膜、２３…導体ビア。

Claims

基板の上に、配線本体と、パッドと、前記配線本体から分岐して同一の前記パッドに繋がる複数の分岐配線とを一括して印刷法で形成する工程を有することを特徴とする配線基板の製造方法。
前記分岐配線の幅は、前記配線本体の幅の２倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の配線基板の製造方法。
基板と、
前記基板の上に印刷され、配線本体と、パッドと、前記配線本体から分岐して同一の前記パッドに繋がる複数の分岐配線とを備えた導体パターンと、
を有することを特徴とする配線基板。
前記分岐配線の幅は、前記配線本体の幅の２倍以下であることを特徴とする請求項３に記載の配線基板。