JPH11511901A - セラミック回路基板支持基板用電気フィードスルー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 両面セラミック多層プリント回路基板の作成に使用されるプリント回路基板支持基板（２４）の電気フィードスルーは、フィードスルー開口部を酸化ニッケルの第１層（２２）及び１層以上のガラス層（２６、２８）で絶縁し、次にフイードスルーの残りの部を導電性金属バイア充填インクで満たすことにより形成される。加熱後、得られる構造物は、支持基板（２４）を貫通する絶縁電気フィードスルーを備える。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 セラミック回路基板支持基板用電気フィードスルー 技術分野 本発明は、合衆国陸軍省から授与されたＤＡＡＢ07-94-Ｃ-Ｃ009号に基づく政 府支援より達成された。合衆国政府は本発明に対して一定の権利を有する。 本発明は、セラミック多層プリント回路基板に機械的強度を付与するため用い られる熱伝導性支持基板への電気フィードスルーの製造方法に関する。より詳細 には、本発明は、大量生産技術に適合するセラミック多層プリント回路基板支持 基板への電気フィードスルーの製造方法に関する。 背景技術 セラミック多層回路基板は、長年、メインフレームコンピュータなどの電子装 置の回路に使用されてきた。そのようなプリント回路基板は、ガラス及び／また はセラミック粉末を有機結合剤と共に「グリーンテープ」と呼ばれるテープ状に 型どりすることにより製造される。そのグリーンテープ上には例えばスクリーン 印刷により金属回路をパターン成型することが可能である。異なる層の回路を電 気的に接続するため、導電性材料により充填されているバイアが各グリーンテー プ層に形成される。グリーンテープ層はその後、揃えられ、重ねられ、共に圧縮 され、さらに、有機残留物を焼却除去し、ガラスを焼結するために加熱処理され て、熱処理多層セラミック回路基板が形成される。 当初は、アルミナのようなセラミックが、グリーンテープ層を形成するために 使用された。しかし、これらのセラミックは、1500℃に達する高い加熱温度を必 要とする。これは、導電性回路パターンを形成するため、タングステンやモリブ デンのような耐熱性の導電性金属の使用を余儀なくされていた。なぜならこのよ うな金属は、高い加熱温度にも溶解せずに耐え得るからである。さらに最近にな り、アルミナの代わりに、1000℃以下の低温で加熱処理できる不透明ガラスのよ うな低温材料が使用されている。これらのガラスあるいはガラス−セラミック材 料で製造された多層回路基板は低融点で高導電性の金属、例えば、銀、金、銅等 とともに使用することができる。しかし、これらのセラミック回賂基板は、アル ミナベースの回路基板ほど強度がないという欠点を有する。 したがって、さらにより最近では、ガラスが固着する金属あるいはセラミック 製の支持基板上に低加熱処理温度ガラスを堆積することが行われて来た。支持基 板は、ニッケル、コバール、鉄ニッケル／コバルト／マンガン合金、インバール ウム、シリコンカーバイド、ダイアモンド等の熱伝導性セラミックにより形成で きる。これらの基板により、複合物に強度が付与される。接合ガラスは、例えば プラビュー(Ｐrabhu)の米国特許第5,277,724号に記載されているように、グリー ンテープ層から形成されるセラミック基板を基板に固着する。さらに正しく選択 された場合、この接合ガラスは、金属支持基板の少なくとも二つの水平方向に対 するグリーンテープの収縮を削減することができる。この結果、収縮は全て厚さ 方向にのみ起こる。このことにより、加熱処理後のセラミック層の回路パターン と金属基板のバイア孔の位置合わせの問題が減少する。 しかし、支持基板の両面にガラス／セラミック多層セラミック回路基板を形成 することが望ましい場合、２枚の回路基板間に熱及び電気伝導性の金属あるいは セラミックの芯材が存在することにより、短絡が引き起こされてしまう。したが って、支持基板の一方の面上の多層回路は、支持基板の他方の面上の多層回路と 支持基板を貫通するよりもむしろ回路基板周辺に沿って伸びる配線パターンある いは配線により接続されてきた。しかしながら、このような周辺の配線パターン は、例えば回路基板の取扱い中やモジュールへの回路基板の組立て中に損傷、破 壊等を受け易く、場合によっては、容認しうる設計とするには、配線パターンを 長すぎる状態にしなければならないこともある。このような設計はまた配線長を 増加させ、相互接続密度を減少させる。したがって、支持基板の両面上の２つの セラミック多層回路基板間を電気的に接続する改良された方法が大いに望まれて いる。 発明の開示 両面プリント回路基板用の支持基板に電気フィードスルーを形成する本発明の 工程は、フィードスルー内に誘電絶縁を形成することにより構成される。一般に 、バイア孔は、支持基板の芯材にドリル等により穴開けされ、基板バイア孔はニ ッケルメッキされ、ガラス等の１種以上の誘電材料がバイア孔内に堆積される。 最後に誘電性リング内側のバイア孔を満たすように導電性金属が堆積される。誘 電材料及び中心部の導電性金属は、溶解あるいは流動することなく少なくとも９ ００℃までの温度での数回の加熱処理に耐えられなければならない。 図面の簡単な説明 本発明の教示は、添付図面を参照しながら、以下の詳細な説明を検討すること により容易に理解できる。 図１は、本発明の工程によるプリント回路基板支持基板のバイア孔を充填する 好適な工程のフローチャートであり、 図２は、本発明の工程において誘電体として使用するのに適したガラスの熱膨 張係数をプロットした図であり、 図３は、本発明の工程において誘電体として使用するのに適したガラスの示差 熱分析（ＤＴＡ）結果をプロットした図であり、 図４Ａ及び図４Ｂは、バイア孔内にガラス誘電層を形成する工程を示す図であ り、 図５は、本発明の工程により充填された充填バイア孔を有するプリント回路基 板支持基板の部分横断面図である。 発明を実施するための最良の形態 ここで使用する好適な支持基板は、市販のクライマックスメタル社製の銅／モ リブデン／銅・金属複合基板であるが、前述したような他の材料を代わりに使用 することもできる。 図１は、本発明によるプリント回路基板支持基板の電気フィードスルーの好適 な製造工程を示すフローチャートであり、同図を参照すると、本発明の工程の第 １工程では、例えば径約１３〜４０ミル以下の小径孔を開口できるレーザーある いは機械ドリル機器を用いて支持基板上にバイア開口部が形成される。その後、 機械的に穿孔された開口部は、軟石で端部を磨くことによりバリ取りされ、それ により鋭角の角を有するバイア開口部は取り除かれる。基板材料の厚さが大きけ れば大きい程、開口形成はより困難となる。径１３ミルの孔もまた、０．６ミリ 秒のパルス長を有する出力１５〜３０ＷのＮｄ：ＹＡＧレーザを用いることで容 易に形成することができる。２０ミル厚の支持基板に対して、７ミルの最小径の 孔を容易に形成できる。支持基板の厚さがより厚い場合、形成できる最小孔径は さらに大きくなる。例えば、４０ミル厚の支持基板の場合、容易に形成できる最 小孔径は８ミルである。 穿孔された孔は、次にバリ取りされてニッケルめっきされる。この工程では、 支持基板の芯材を密封するもので、これは従来のニッケル電気めっき方法により 達成される。次に、ニッケルが、約820℃の温度で空気中で加熱すること等によ り酸化される。酸化ニッケル層は、10⁸〜10⁹オームの抵抗を有し、バイア孔内の 誘電材料の第１リングを構成する。 次に、ガラス等の絶縁性誘電層が、環状リングを形成するためバイア孔内に堆 積される。ガラスは、複数回の加熱処理中に割れる可能性がある脆弱な材料であ るため、開口部内に連続して２層またはそれ以上の多層のガラス層を形成するこ とが好ましい。それにより、たとえ一層に細孔のような欠陥が生じても、それが ガラス層全体へ伸びてフィードスルーの短絡を引き起こすことはない。 銅／モリブデン／銅金属複合基板を用いる本発明での使用に適したガラスは、 銅／モリブデン／銅基板に整合した熱膨張係数を有し、酸化ニッケルと良好な接 着性を有し、酸化ニッケルを濡らすことができ、所望のセラミック多層回路基板 を形成するのに必要な温度で加熱することができるものでなくてはならない。 以下に示す重量比組成を有する一つの特有のガラス組成物が、前記ニッケルめ っき銅／モリブデン／銅複合金属基板に対して特に有効である。 ＺnＯ 28.68 ＭgＯ 5.92 ＢaＯ 6.21 Ａl₂Ｏ₃ 15.36 ＳiＯ₂ 43.82 このガラスは、図２に示すような熱膨張係数特性図及び図３に示すようなＤＴ Ａ特性図を有する。このガラスは、基板バイア孔用の誘電性絶縁材として利用可 能である。同じガラスは、後述のように導電性金属で各バイア孔の中心を充填す るのに必要な厚膜導電性バイア充填インクの成分として、後の工程でもまた利用 可能である。 好適な金属基板に使用するのに適したもう１つのガラス組成物は、以下の重量 比組成である。 ＭgＯ 29.0 Ａl₂Ｏ₃ 22.0 ＳiＯ₂ 45.0 Ｐ₂Ｏ₅ 1.5 Ｂ₂Ｏ₃ 1.0 ＺrＯ₂ 1.5 前述のガラスを構成する標準うわぐすりインクからなるガラス組成物を塗布す る好適な方法は、スクリーン印刷後に、一層以上の前述のガラス層を堆積するた めに真空にすることである。このようなうわぐすりインクは、微細分割ガラス及 び有機ビヒクルより構成される。適当な有機ビヒクルは、適当な溶剤中の樹脂結 合剤溶液である。樹脂は、例えば、セルロース誘導体やポリアクリレート、ポリ メタクリレート、ポリエステル、ポリオレフィン等の合成樹脂である。溶剤は、 パイン油、テルピネオール、ブチルカルビトールアセテート、２、２、４トリメ チル−１、３−ペンタネディオールモノイソブチレート等を使用できる。一般に 、ビヒクルは、樹脂結合剤の重量比にして約５〜25％含有される。 したがって、本発明のガラスは、支持基板材料に近い熱膨張係数を有するガラ スから構成され、酸化ニッケルを濡らし、そして約1000℃までの温度で加熱処理 が可能である。本発明の適当なガラスには、重量比約28.68％の酸化亜鉛、約5.9 2％の酸化マグネシウム、約6.21％の酸化バリウム、約15.36％の酸化アルミ ニウム、約43.82％の酸化シリコンからなるガラス及び約29％の酸化マグネシウ ム、約22％の酸化アルミニウム、約45％の酸化シリコン、最大約４％までの酸化 リン、酸化ホウ素、酸化ジルコニウムからなるガラスが含まれる。 図４Ａは、金属基板２４のバイア孔２２を覆うプリントガラス層２０を示して いる。 印刷後、バイア孔２２内部にガラスインク層２０をもたらすのに十分な真空を 、矢印２５方向に金属基板２４下に加える。それによりバイア孔２２内にガラス インクの環状リングが形成される。次に、このガラス層は乾燥される。堆積及び 真空吸引がバイア孔２２内に多層ガラス誘電体層を形成するために繰り返される 。金属基板２４の両面が使用される場合、前記一連の工程は、金属基板２４の反 対側の面に対して繰り返される。 支持基板はそれから加熱処理されて、ガラス粉末が焼結され、開口部に複合加 熱ガラス絶縁体層が形成される。 次に、導電性金属粉末を含有する厚いバイア充填インクが、金属基板に塗布さ れる。この場合も、従来のスクリーン印刷技術が利用される。例えば、適当な導 電厚膜インクは、銀、あるいは他の導電性金属粉末、ガラス、そして有機ビヒク ルの混合物からなる。そしてそれらは前述したように、スクリーン印刷可能な厚 膜ペーストを形成するための割合で混合されている。 厚膜導電バイア充填インクは、微細に分割された導電性金属粉末を予め選択さ れたガラス粉末及び有機ビヒクルに混合することにより作成される。適当な導電 性粉末には、銀、金、銅、それらの混合物、及びそれらとパラジウム及びプラチ ナム等、あるいはニッケルとの合金が含まれる。加熱処理された厚膜導電性金属 インクは、重量比約50〜90％の金属、約10〜50％のガラスにより構成可能である 。 厚膜導電バイア充填インク組成物は、ガラスで絶縁されたバイア孔を充填する ため準備されたプリント回路基板支持基板に塗布され、次に、有機材料を取り除 き、導電性絶縁フィードスルーが得られるように金属粉末を焼結するため、加熱 される。 図５は、内部に誘電絶縁電気フィードスルーを有する金属基板２４の横断面図 である。金属基板２４のバイア孔２２は、その内部に酸化ニッケル誘電体の第１ の層２２と、二つの誘電ガラス層２６、２８と導電性バイア充填層３０を有する 。充分な量の導電性バイア充填インクが、バイア孔２２の残りの部分を完全に充 填するように、工程の最後において加えられる。 基板の残りの部から誘電絶縁されたバイア開口中に導電性バイアを有する前述 のように調整された支持基板は、その後、従来の方法で、本発明の支持基板から 両面多層プリント回路基板を製作するのに使用可能である。 前述の処理工程は、基板の両面上の回路間で短絡することなく、内部に複数の 電気フィードスルーを有する再生可能支持基板を作成するのに利用可能である。 前記のように調整された電気フィードスルーを有する支持基板は、フィードスル ーの構造的、電気的完全性を阻害することなく、セラミック多層プリント回路基 板を形成するのに使用される温度での数回に渡る加熱処理に耐えることができる 。 以上本発明の方法及び電気フィードスルーについて具体的実施例を基に説明し たが、当業者であれば分かるとおり、前記ガラス層及び導体に対して、他の材料 及び反応条件を使用できる。従って、本発明の範囲は、添付された請求の範囲に よってのみ限定されることを企図している。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 コンロン，エドワード，ジェイムズ アメリカ合衆国 ニュージャージー州 プ リンストン マウント ルーカス ロード 396 (72)発明者 クマール，アナンダ，ホサケレ アメリカ合衆国 ニュージャージー州 プ レインズボロ アスペン ドライヴ 1907

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． バイア中のガラス誘電体層により支持基板から誘電絶縁された導電性バイ アを有する加熱処理プリント回路基板支持基板。 ２． 前記支持基板は、鉄ニッケル合金、コバール及び銅／鉄ニッケル合金／銅 、銅／モリブデン／銅、銅／コバール／銅の複合物からなるグループのうちのい ずれかの導電性金属である請求項１記載の支持基板。 ３． 前記ガラス誘電体層は、前記導電性金属基板と整合する熱膨張係数を有す るガラスのうちから選ばれている請求項２記載の支持基板。 ４． 前記ガラス誘電体層は、約28.68重量％の酸化亜鉛、約5.92重量％の酸化 マグネシウム、約6.21重量％の酸化バリウム、約15.36重量％の酸化アルミニウ ム、約43.82重量％の酸化シリコンからなるガラスと、約29重量％の酸化マグネ シウム、約22重量％の酸化アルミニウム、約45重量％の酸化シリコン、及び約５ 重量％までのリン、ホウ素、ジルコニウムの各酸化物からなるガラスとのいずれ かのガラスである請求項３記載の支持基板。 ５． バイア孔を有する加熱処理プリント回路基板支持基板であって、 第１の酸化ニッケル誘電体層と、 前記酸化ニッケル層上の一層以上のガラス誘電体層と、 前記バイアを充填する導電性金属とガラスの混合物より構成される導電性材料 と、 とからなる連続層をバイア孔に有する支持基板。 ６． 前記支持基板材料は、銅／モリブデン／銅、銅／コバール／銅、銅／鉄ニ ッケル合金／銅、インバール及びコバールからなるグループのうちのいずれかの ニッケルめっき複合物から構成されている請求項５記載の支持基板。 ７． 前記導電性金属は、銀、銅及び金からなるグループのいずれかである請求 項５記載の支持基板。 ８． 前記ガラス誘電体層は、前記支持基板材料に近い熱膨張係数を有し、酸化 ニッケルを濡らし、約1000℃までの温度で加熱処理できる請求項５記載の支持基 板。 ９． 前記ガラス誘電体層は、約28.68重量％の酸化亜鉛、約5.92重量％の酸化 マグネシウム、約6.21重量％の酸化バリウム、約15.36重量％の酸化アルミニウ ム、約43.82重量％の酸化シリコンよりなるガラスと、約29重量％の酸化マグネ シウム、約22重量％の酸化アルミニウム、約45重量％の酸化シリコン、及び約５ ％までのリン、ホウ素、ジルコニウムの各酸化物からなるガラスと、のいずれか である請求項８記載の支持基板。 １０． 両面セラミック多層回路基板の製造に使用されるプリント回路基板支持 基板の電気フィードスルーを形成する方法であって、 ａ）前記支持基板にバイア孔を形成し、 ｂ）前記バイア孔に電気絶縁層を形成し、 ｃ）前記バイア孔を充填するため、有機ビヒクルに金属粉末及びガラスを 含有する厚膜導体インクを塗布し、 ｄ）前記バイア孔中の有機材料を除去して、金属及びガラス粉末を焼結す るため、前記支持基板を加熱処理する、 工程からなる電気フィードスルー形成方法。 １１． 前記絶縁層は、前記支持基板に厳密に整合する熱膨張係数を有する請求 項１０記載の方法。 １２． 前記絶縁層は、約28.68重量％の酸化亜鉛、約5.92重量％の酸化マグネ シウム、約6.21重量％の酸化バリウム、約15.36重量％の酸化アルミニウム、約 43.82重量％の酸化シリコンよりなるガラスと、約29重量％の酸化マグネシウム 、約22重量％の酸化アルミニウム、約45重量％の酸化シリコン、及び約５％まで のリン、ホウ素、ジルコニウムの各酸化物からなるガラスと、のいずれかである 請求項１１記載の支持基板。 １３． 前記支持基板は、インバール、コバール、銅／コバール／銅の複合物、 銅／鉄ニッケル合金／銅の複合物及び銅／モリブデン／銅の複合物からなるグル ープのうちのいずれかである請求項１１記載の方法。