WO2024122429A1 - プリント配線板 - Google Patents

プリント配線板 Download PDF

Info

Publication number
WO2024122429A1
WO2024122429A1 PCT/JP2023/042781 JP2023042781W WO2024122429A1 WO 2024122429 A1 WO2024122429 A1 WO 2024122429A1 JP 2023042781 W JP2023042781 W JP 2023042781W WO 2024122429 A1 WO2024122429 A1 WO 2024122429A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
bismuth
wiring board
printed wiring
region
cross
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2023/042781
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
信朗 井上
啓貴 上田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujikura Ltd
Original Assignee
Fujikura Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fujikura Ltd filed Critical Fujikura Ltd
Priority to EP23900544.0A priority Critical patent/EP4633298A1/en
Priority to JP2024562722A priority patent/JPWO2024122429A1/ja
Publication of WO2024122429A1 publication Critical patent/WO2024122429A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05KPRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/40Forming printed elements for providing electric connections to or between printed circuits
    • H05K3/4038Through-connections; Vertical interconnect access [VIA] connections
    • H05K3/4053Through-connections; Vertical interconnect access [VIA] connections by thick-film techniques
    • H05K3/4069Through-connections; Vertical interconnect access [VIA] connections by thick-film techniques for via connections in organic insulating substrates
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05KPRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00Printed circuits
    • H05K1/02Details
    • H05K1/11Printed elements for providing electric connections to or between printed circuits
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05KPRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00Printed circuits
    • H05K1/02Details
    • H05K1/11Printed elements for providing electric connections to or between printed circuits
    • H05K1/115Via connections; Lands around holes or via connections
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05KPRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/40Forming printed elements for providing electric connections to or between printed circuits
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05KPRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2201/00Indexing scheme relating to printed circuits covered by H05K1/00
    • H05K2201/02Fillers; Particles; Fibers; Reinforcement materials
    • H05K2201/0203Fillers and particles
    • H05K2201/0263Details about a collection of particles
    • H05K2201/0272Mixed conductive particles, i.e. using different conductive particles, e.g. differing in shape

Definitions

  • the present invention relates to a printed wiring board.
  • Patent Application No. 2022-195201 filed in Japan on December 6, 2022 are incorporated by reference into this specification and made a part of the description of this specification.
  • paste vias made by combining Cu powder and Sn-Bi powder have attracted attention. This is because the eutectic temperature of Sn-Bi is low at 139°C, so they can be manufactured using a relatively low-temperature process, and because they do not use expensive In or environmentally harmful Pb.
  • Vias made from the above combination of materials have stable connection reliability even in high-temperature processes such as reflow, and several such technologies are known (see, for example, Patent Document 1).
  • Patent Document 1 discloses a multilayer wiring board having a via hole conductor including a region mainly composed of Cu-Sn alloy and a region mainly composed of Cu and a region mainly composed of Bi surrounded by the region mainly composed of Cu-Sn alloy.
  • the Cu-Sn alloy contains two types of intermetallic compounds, Cu 6 Sn 5 and Cu 3 Sn, and about 90% or more of the Cu-Sn alloy is Cu 3 Sn. According to Patent Document 1, by using such a via hole conductor, it is possible to obtain a via having a stable metal structure and high connection reliability even after a post-process involving heating or after long-term use.
  • Bi has lower rigidity and strength than the surrounding Cu-Sn alloy, and the boundary between the two is a concentration field of strain applied from the outside and is likely to become the starting point of destruction. Furthermore, there is a concern that the boundary between Bi and Cu-Sn may also have a decrease in strength due to changes in the crystal structure caused by local eutectic melting reactions near the eutectic temperature of Sn-Bi.
  • the problem that this invention aims to solve is to provide a printed wiring board that can suppress the occurrence of failures due to broken vias.
  • Aspect 1 of the present invention is a printed wiring board comprising an insulating layer, a conductor layer provided on the insulating layer, and a via penetrating the insulating layer and electrically connected to the conductor layer, the via including a bismuth region containing bismuth as a main component, and the sum of the perimeter lengths of the bismuth regions per unit area of the cross section of the via is 0.25/ ⁇ m or less.
  • Aspect 2 of the present invention is the printed wiring board according to aspect 1, in which the sum of the cross-sectional areas of the bismuth regions per unit area of the cross section of the via is 0.10 or less.
  • a third aspect of the present invention is the printed wiring board according to the first or second aspect, wherein the number of the bismuth regions per unit area of a cross section of the via is 0.01/ ⁇ m2 or less.
  • Aspect 4 of the present invention is a printed wiring board according to any one of aspects 1 to 3, in which the vias are formed using solder powder containing SnBi and metal powder containing copper as a main component, and the compounding ratio of the solder powder to the metal powder is 0.5 to 2.0 by weight (solder powder/metal powder).
  • the fifth aspect of the present invention is a printed wiring board comprising an insulating layer, an electrode provided on the insulating layer, and a via penetrating the insulating layer and electrically connected to the electrode, the via including a spherical bismuth region mainly composed of bismuth.
  • Aspect 6 of the present invention is the printed wiring board according to aspect 5, in which the average cross-sectional diameter of the bismuth region is 4 ⁇ m or more.
  • the present invention provides a printed wiring board that can prevent failures caused by broken vias.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a printed wiring board according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a conventional printed wiring board.
  • 3A to 3H are diagrams illustrating the process of forming the bismuth region 31 in the embodiment of the present invention.
  • 4(a) is a reflected electron image by a scanning electron microscope of a cross section of a via 30 in the printed wiring board 1 of Example 1
  • FIG. 4(b) is a diagram showing the results of Bi mapping by EDS analysis in the same field of view as FIG. 4(a) of the printed wiring board 1 of Example 1.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a printed wiring board according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a conventional printed wiring board.
  • 3A to 3H are diagrams illustrating the process of forming the bismuth region 31 in the embodiment of the present invention.
  • 4(a) is a
  • FIG. 5(a) is a reflected electron image by a scanning electron microscope of a cross section of a via 30 in the printed wiring board 1 of Example 1
  • FIG. 5(b) is an image of the printed wiring board 1 after binarization processing in the same field of view as FIG. 5(a).
  • FIG. 6(a) is a reflected electron image by a scanning electron microscope of a cross section of a via in the printed wiring board of Comparative Example 1
  • FIG. 6(b) is an image of the printed wiring board of Comparative Example 1 after binarization processing in the same field of view as FIG. 6(a).
  • 7A to 7C are diagrams for explaining a method for evaluating the shape of the bismuth region 31.
  • FIG. 1 is a reflected electron image by a scanning electron microscope of a cross section of a via 30 in the printed wiring board 1 of Example 1
  • FIG. 5(b) is an image of the printed wiring board 1 after binarization processing in the same field of view as FIG. 5(a).
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a printed wiring board 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the printed wiring board 1 in this embodiment includes a resin base material 10, an electrode 20 provided on the resin base material 10, and a via 30 that penetrates the resin base material 10 and is electrically connected to the electrode 20.
  • the resin base material 10 in this embodiment corresponds to an example of an "insulating layer” in the present invention
  • the electrode 20 in this embodiment corresponds to an example of a “conductor layer” in the present invention
  • the via 30 in this embodiment corresponds to an example of a "via” in the present invention.
  • the printed wiring board 1 is a single-layer wiring board using one resin base material 10, but the configuration of the printed wiring board 1 is not particularly limited thereto, and it may be a multi-layer wiring board formed by stacking multiple resin base materials 10.
  • the resin substrate 10 is made of an insulating resin material.
  • resin materials that make up the resin substrate 10 include polyimide, polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polyester, and liquid crystal polymer (LCP).
  • the thickness of the resin substrate 10 is preferably 12 to 50 ⁇ m.
  • the electrodes 20 are made of a conductive material such as copper, and are formed on both sides of the resin substrate 10.
  • An adhesive layer 40 is provided between the electrodes 20 and the resin substrate 10, and the electrodes 20 are fixed to the resin substrate 10 by the adhesive layer 40.
  • the adhesive layer 40 is not particularly limited, but an epoxy adhesive can be used.
  • the electrodes 20 may be formed over the entire surfaces of both surfaces of the resin substrate 10, or may be formed on parts of both surfaces of the resin substrate 10. When the electrodes 20 are formed on parts of both surfaces of the resin substrate 10, they may be formed in a predetermined pattern.
  • the via 30 is a conductive path that electrically connects a pair of electrodes 20 formed on both sides of the resin substrate 10.
  • the inner diameter of the via 30 is preferably 50 to 150 ⁇ m.
  • the length of the via 30 is equal to the thickness of the resin substrate 10, and is preferably 12 to 50 ⁇ m.
  • the via 30 includes a bismuth region 31, a high melting point metal region 32, and a resin region 33.
  • the bismuth region 31 is a region containing a metal whose main component is bismuth, and has a spherical shape. Metals other than bismuth contained in the bismuth region 31 include Sn, SnBi, etc.
  • the bismuth region 31 contained in the via 30 can be detected, for example, by performing EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) analysis on a cross section of the via 30.
  • the bismuth region 31 has a total perimeter of the bismuth region 31 per unit area of the cross section of the via 30 observed with a scanning electron microscope of 0.25/ ⁇ m ( ⁇ m/ ⁇ m 2 ) or less.
  • the total perimeter of the bismuth region 31 per unit area of the cross section of the via 30 is more preferably 0.2/ ⁇ m or less, and even more preferably 0.15/ ⁇ m or less.
  • the lower limit of the total perimeter of the bismuth region 31 per unit area is not particularly limited, but is preferably 0.05/ ⁇ m or more.
  • the total perimeter of the bismuth region 31 can be measured using a reflected electron image obtained by a scanning electron microscope for the cross section of the via 30.
  • the reflected electron image obtained by the scanning electron microscope can be binarized at a predetermined threshold value using image analysis software (product name "ImageJ Ver. 1.52", manufactured by National Institute of Health, Inc.). Specifically, first, the printed wiring board 1 is cut at a cross section through which the via 30 passes, and the cross section of the via 30 is exposed. Next, the cross section of the via 30 is observed using a scanning electron microscope, an image of the cross section of the via 30 is obtained, and an observation area A ob is set for the obtained image as shown in FIG. 5(a). A threshold value for image analysis is set for the observation area A ob so that an area containing bismuth (an area that is white relative to other areas in FIG.
  • image analysis software product name "ImageJ Ver. 1.52", manufactured by National Institute of Health, Inc.
  • each closed area in FIG. 5(b) is the bismuth area A Bi detected by the binarization process.
  • the perimeter [ ⁇ m] of the bismuth area A Bi is calculated for the binarized image by image analysis.
  • the calculated perimeter lengths of the bismuth regions A Bi are summed up and divided by the area [ ⁇ m 2 ] of the observation region A ob to obtain the sum [ ⁇ m/ ⁇ m 2 ] of the perimeter lengths of the bismuth regions 31 per unit area in the cross section of the via 30.
  • the observation region A ob may be an area that sufficiently includes the cross section of the via 30, and may be, for example, a range of 45 ⁇ m ⁇ 60 ⁇ m.
  • FIG. 5(a) is a backscattered electron image by a scanning electron microscope of the cross section of the via 30 of the printed wiring board 1 of Example 1
  • FIG. 5(b) is an image after binarization processing in the same field of view as FIG. 5(a).
  • EDS analysis on the observation region A ob shown in FIG. 5(a)
  • the sum of the perimeters of the bismuth regions 31 per unit area in the cross section of the via 30 calculated based on at least one observation area A ob is 0.25/ ⁇ m or less, but in order to perform a more accurate evaluation using a sufficient measurement area, it is more preferable that the sum of the perimeters of the bismuth regions 31 per unit area is calculated for multiple observation areas A ob , and the average value of the sum of the perimeters of the bismuth regions 31 per unit area is 0.25/ ⁇ m or less.
  • Figure 2 is a schematic cross-sectional view of a conventional printed wiring board.
  • the inside of the via 300 formed using a conductive paste containing conductive particles such as Cu or Sn-Bi and a resin such as epoxy resin is heated after formation, and the Bi portion 310 has a shape with acute angles and protrusions, and the Bi portion 310 is dispersed between the conductor 320 (intermetallic compound particles) and at the position where it contacts the electrode 200.
  • the sum of the perimeters of the bismuth regions 31 in the cross section of the via 30 is 0.25/ ⁇ m or less, and as shown in FIG. 1, the bismuth regions 31 are present in the via 30 in a spherical shape (including cases where they are nearly spherical; the same applies below). Therefore, stress is not easily applied to the bismuth regions 31, and the occurrence of disconnections in the via 30 can be suppressed.
  • the finer the size of the via the greater the load due to thermal stress per unit volume of the via tends to be.
  • the sum of the outer perimeter lengths of the bismuth regions 31 per unit area of the cross section of the via 30 is 0.25/ ⁇ m or less. This makes it possible to prevent breaks in the via 30 and prevent failures in the printed wiring board 1, even if the via 30 has a minute structure with an inner diameter of 100 ⁇ m or less and a length of 50 ⁇ m or less.
  • the sum of the cross-sectional areas of the bismuth regions 31 per unit area of the cross section of the via 30 is preferably 0.10 ( ⁇ m 2 / ⁇ m 2 ) or less, and more preferably 0.08 or less.
  • the lower limit of the sum of the cross-sectional areas of the bismuth regions 31 per unit area is not particularly limited, but is preferably 0.04 or more.
  • the sum of the cross-sectional areas of the bismuth regions 31 can be obtained by performing image analysis using a binarization process on an image of the cross section of the via 30 observed by a scanning electron microscope in the same manner as the sum of the periphery lengths of the bismuth regions 31.
  • an observation region A ob is set for the obtained image, EDS analysis is performed for the observation region A ob , and binarization processing is performed by image analysis to calculate the cross-sectional area [ ⁇ m 2 ] of the bismuth region A Bi for the region detected as the bismuth region A Bi by image analysis.
  • the calculated cross-sectional areas of the bismuth regions ABi are summed up and divided by the area [ ⁇ m2 ] of the observation region Aob to obtain the sum [ ⁇ m2 / ⁇ m2 ] of the cross-sectional areas of the bismuth regions 31 per unit area in the cross section of the via 30.
  • the observation region Aob may be set to the same value as the sum of the perimeter lengths of the bismuth regions 31.
  • the sum of the cross-sectional areas of the bismuth regions 31 in the cross section of the via 30 is 0.10 or less, making it difficult for a stress concentration field to form, and thus suppressing the occurrence of disconnection of the via 30.
  • the number of bismuth regions 31 per unit area of the cross section of the via 30 is preferably 0.01 pieces/ ⁇ m2 or less, and more preferably 0.008 pieces/ ⁇ m2 or less.
  • the lower limit of the number of bismuth regions 31 per unit area is not particularly limited, but is preferably 0.003 pieces/ ⁇ m2 or more.
  • the number of bismuth regions 31 in the cross section of the via 30 can be obtained by performing image analysis using a binarization process on an image of the cross section of the via 30 observed by a scanning electron microscope in the same manner as the sum of the perimeter lengths of the bismuth regions 31, and counting the number of detected bismuth regions 31.
  • an observation region A ob is set for the acquired image, EDS analysis is performed on the observation region A ob , and binarization processing is performed by image analysis, so that the number of bismuth regions A Bi is measured by image analysis for the region detected as the bismuth region A Bi .
  • the number of bismuth regions 31 per unit area [units/ ⁇ m 2 ] in the cross section of the via 30 can be obtained by dividing the number of the measured bismuth regions A Bi by the area [ ⁇ m 2 ] of the observation region A ob .
  • the observation region A ob may be set to the same value as the sum of the perimeter lengths of the bismuth regions 31.
  • the volume ratio of the bismuth region 31 to the total volume of the bismuth region 31 and the high melting point metal region 32 is 13 to 16%.
  • the volume ratio of the bismuth region 31 can be determined by measuring using a method such as EDS element mapping.
  • the high melting point metal region 32 is a region containing a metal or metal compound having a melting point higher than that of bismuth.
  • metals and metal compounds contained in the high melting point metal region 32 include Cu, Cu6Sn5 , and the like.
  • the volume ratio of the high melting point metal region 32 to the total volume of the bismuth region 31 and the high melting point metal region 32 is preferably 84 to 87%.
  • the volume ratio of the high melting point metal region 32 can be determined by measurement using a method such as EDS element mapping.
  • the resin region 33 is a region containing resin scattered inside the high melting point metal region 32.
  • the resin contained in the resin region 33 is not particularly limited, but an epoxy resin is preferred because of its excellent heat resistance and low linear expansion coefficient. As shown in FIG. 1, a portion of the resin region 33 surrounds the bismuth region 31.
  • the bismuth regions 31 contained in the vias 30 of the printed wiring board 1 include those having a spherical shape. Whether the bismuth regions 31 have a spherical shape is determined by the following method. First, the cross section of the via 30 is measured using a scanning electron microscope, and EDS analysis is performed on the obtained image to identify the region containing bismuth and detect the resin region that exists around the region containing bismuth. Based on the shape of the resin region around the region containing bismuth, the cross-sectional shape of the bismuth region is identified and it is determined whether the cross-sectional shape of the bismuth region is circular.
  • FIG. 7(a) to FIG. 7(c) are diagrams for explaining a method for evaluating the shape of the bismuth region 31.
  • the cross section of the via 30 is measured by a scanning electron microscope, and an EDS analysis is performed on the acquired image to identify a region containing bismuth, as shown in FIG. 7(a).
  • the EDS analysis confirmed that the white region contains bismuth.
  • a threshold is set so that the resin region is detected by image analysis, and a binarization process is performed. As a result, as shown in FIG.
  • the resin region A r e in FIG. 7(a) is detected.
  • the adjacent resin regions A r e in FIG. 7(b) are connected at the shortest distance to form a provisional region S, as shown in FIG. 7(c).
  • This provisional region S is assumed to be the cross section of the bismuth region 31.
  • the periphery of the provisional region S is assumed to be the periphery of the cross section of the bismuth region 31.
  • the provisional region S also includes solid solution parts other than bismuth in the image of FIG. 7(a), but these are also considered to be the bismuth region 31.
  • the provisional region S is compared with the analysis result by EDS, and when the ratio of the bismuth element in the provisional region S is 50% or more, it can be confirmed that the provisional region S is the bismuth region 31.
  • the circularity of the provisional region S is obtained based on the outer periphery and area of the provisional region S.
  • the circularity of the provisional region S is 0.8 or more, it can be determined that the cross-sectional shape of the bismuth region 31 is circular, and thus it can be determined that the bismuth region 31 has a spherical shape.
  • the aspect ratio of the provisional region S may be obtained, and when the aspect ratio is 1.4 or less, it may be determined that the cross-sectional shape of the bismuth region 31 is circular and the bismuth region 31 has a spherical shape. It is preferable that 80% or more of the bismuth region 31 included in the via 30 is spherical. Specifically, it is preferable that 10 or more provisional regions S are evaluated, and 80% or more of them are spherical. When the shape of the bismuth region 31 was examined by the above-mentioned method in the examples, it was confirmed that the shape of the bismuth region 31 included a spherical shape.
  • the average diameter of the cross section of the bismuth region 31 is preferably 4 ⁇ m or more, more preferably 7 ⁇ m or more.
  • the upper limit of the average diameter of the cross section of the bismuth region 31 is not particularly limited, but is usually 10 ⁇ m or less. If the average diameter of the cross section of the bismuth region 31 is too small, the strength of the entire via 30 may be reduced.
  • the average diameter of the cross section of the bismuth region 31 is calculated as follows. First, an image of the cross section of the via 30 is obtained by observing with a scanning electron microscope.
  • an observation area A ob is set, and for the observation area A ob , a plurality of bismuth regions 31 are detected by image analysis using the same binarization process as above, and the inner diameters of the plurality of bismuth regions 31 detected are calculated as circle equivalent diameters when approximated to the diameter of a circle having the same cross-sectional area.
  • the average diameter of the cross section of the bismuth region 31 can be calculated by calculating the average value of the inner diameters of the cross sections of the plurality of bismuth regions 31 thus obtained.
  • the observation area A ob may be an area including multiple bismuth areas 31 (for example, an area including 10 or more bismuth areas 31), and may be set to, for example, the same as the sum of the outer perimeter lengths of the bismuth areas 31.
  • the printed wiring board 1 having the vias 30 with the bismuth regions 31 described above can be manufactured using solder powder containing Sn and Bi, and metal powder mainly composed of copper.
  • the printed wiring board 1 is manufactured by filling the through holes 11 of the resin substrate 10 with solder powder containing Sn and Bi, metal powder mainly composed of copper, and a conductive paste containing an epoxy resin or the like, laminating the electrodes 20 on the resin substrate 10, pressurizing the laminate of the resin substrate 10 and the electrodes 20, and then heating while applying pressure.
  • Figures 3(a) to 3(h) are diagrams illustrating the process of forming the bismuth region 31 in this embodiment.
  • the conductive paste contains solder powder containing Sn and Bi, and metal powder mainly composed of copper.
  • solder powder containing Sn and Bi
  • metal powder mainly composed of copper.
  • Such conductive paste is filled into the through hole 11 of the resin base material 10, and the resin base material 10 is pressed and pressurized, so that the solder powder and the metal powder are adhered to each other, as shown in FIG. 3(b).
  • the resin base material 10 is pressed and pressurized, so that the solder powder and the metal powder are adhered to each other, as shown in FIG. 3(b).
  • the solder powder melts and a coexistence state of solid phase Sn and Sn-Bi melt is formed.
  • the resin base material 10 is pressed at high pressure, the metal particles are in close contact with each other, so the Sn-Bi melt does not penetrate between the metal particles and maintains a droplet state.
  • Sn in the melt diffuses to the surface of the metal powder (Cu), Sn and Cu are alloyed, and Cu 6 Sn 5 is formed on the surface of the metal powder.
  • the solid phase Sn dissolves and fills the metal powder by the amount of Sn that has diffused therein, but since the mass transfer in the melt is faster than the diffusion, the melt composition remains uniform.
  • the metal powder is preferably composed mainly of copper, and contains 80 to 90% by weight of copper.
  • the metal powder is preferably treated to be resistant to oxidation using an oxidation-resistant film made of metal or resin.
  • the metal powder preferably contains one or more metal elements selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, and Zn as a diffusion-impeding element.
  • the content of the diffusion-impeding element is preferably 0.5 to 10% by weight relative to 100% by weight of the metal powder. Since the metal powder contains a diffusion-impeding element, the alloying of Sn and Cu (the formation of Cu 6 Sn 5 ) proceeds at a relatively slow rate from the surface of the metal powder, so that Bi is easily aggregated in the SnBi melt, and the bismuth region 31 is formed in a shape closer to a sphere.
  • the ratio of solder powder to metal powder, by weight is preferably 0.5 to 2.0, and more preferably 1.0 to 1.5.
  • the pressure conditions for forming the via 30 are preferably 2 MPa or more, and more preferably 2 to 6 MPa. By setting the pressure conditions within the above range, alloying of the Sn contained in the solder powder and the Cu contained in the metal powder is promoted, the resistance value of the via 30 is lowered, and the connection reliability of the via 30 is improved. If the pressure conditions for forming the via 30 are less than 2 MPa, Sn and Cu do not alloy, the resistance value of the via 30 increases, and the connection reliability of the via 30 tends to deteriorate. If the pressure conditions are more than 6 MPa, the alloying of Sn and Cu occurs quickly, and the spherical bismuth region 31 is not formed, so the connection reliability of the via 30 tends to deteriorate.
  • the heating temperature for forming the via 30 is preferably 140 to 200°C, and more preferably 170 to 190°C. If the heating temperature is too low, Sn and Cu will not alloy, the resistance value of the via 30 will increase, and the connection reliability of the via 30 will tend to deteriorate. On the other hand, if the heating temperature is too high, the amount of SnBi melt will increase due to heating, and it will penetrate into the surrounding area, which will tend to prevent the formation of a spherical bismuth region 31.
  • the sum of the outer perimeters of the bismuth regions 31 per unit area in the cross section of the via 30 is 0.25/ ⁇ m or less, and the bismuth regions 31 are present in a spherical shape within the via 30. Therefore, stress is not easily applied to the bismuth regions 31, and the occurrence of failures due to disconnections in the vias 30 can be suppressed.
  • Example 1 A through hole 11 having a diameter of 60 to 120 ⁇ m was formed in a resin base material 10 made of polyimide having a thickness of 12 to 25 ⁇ m using a laser, and the through hole 11 was filled with a conductive paste having the following composition.
  • the conductive paste used contained Sn-Bi solder powder, copper powder treated with oxidation resistance, and epoxy resin, and the compounding ratio of the solder powder and the copper powder was 1.3 in terms of the weight ratio of solder powder/copper powder.
  • the copper powder used contained the above-mentioned diffusion-hindering element.
  • an epoxy adhesive was applied to both sides of the resin base material 10, and copper foil having a thickness of 12 ⁇ m was bonded as the electrode 20.
  • This laminate was pressed with a hot press machine under a pressure of 2 to 6 MPa and held for 110 minutes. During the time of pressing with the hot press machine, the laminate was pressed and heated at 150 to 200° C. for 60 minutes, to obtain a printed wiring board 1 having vias 30.
  • the printed wiring board 1 was cut in a direction perpendicular to the resin base material 10 so that the cross section of the via 30 was exposed, and a reflected electron image was taken of the cross section of the via 30 using a scanning electron microscope (product name "JSM-7001F", manufactured by JEOL Co., Ltd.), and a component analysis was performed using EDS analysis.
  • the measurement conditions were an output of 15 kV and a measurement magnification of 2000 times. As shown in Figures 4(a) and 4(b), it was confirmed that Bi atoms were contained in the area having a circular cross section and being white relative to other areas in the reflected electron image.
  • Figure 4(a) is a reflected electron image taken by a scanning electron microscope of the cross section of the via 30 of the printed wiring board 1 of Example 1
  • Figure 4(b) is a diagram of the Bi mapping result by EDS analysis in the same field of view as Figure 4(a) of the printed wiring board 1 of Example 1.
  • the printed wiring board 1 was cut in a direction perpendicular to the resin base material 10 so that the cross section of the via 30 was exposed, and a backscattered electron image was obtained using a scanning electron microscope for any eight locations on the cross section of the via 30.
  • the measurement conditions were an output of 15 kV and a measurement magnification of 900 times.
  • a binarization process was performed by setting the lower limit of the shading divided into 256 steps to 150 and the upper limit to 175.
  • the peripheral length [ ⁇ m] and cross-sectional area [ ⁇ m 2 ] of each bismuth region A Bi detected by the binarization process were obtained by image analysis.
  • the sum of the perimeters of the bismuth regions 31 per unit area of the cross section of the via 30 [/ ⁇ m] was obtained by dividing the sum of the perimeters of the bismuth regions 31 [ ⁇ m] by the area [ ⁇ m 2 ] of the observation region A ob .
  • the sum of the cross-sectional areas of the bismuth regions 31 per unit area of the cross section of the via 30 [ - ] was obtained by dividing the sum of the cross-sectional areas of the bismuth regions A Bi by the area [ ⁇ m 2 ] of the observation region A ob . Furthermore, the number of the bismuth regions A Bi detected by binarization was counted, and divided by the area [ ⁇ m 2 ] of the observation region A ob to obtain the number of the bismuth regions 31 per unit area of the cross section of the via 30 [pieces/ ⁇ m 2 ].
  • FIG. 5(a) shows a reflected electron image by a scanning electron microscope of a cross section of a via 30 in the printed wiring board 1 of Example 1
  • FIG. 5(b) shows an image of the printed wiring board 1 after binarization processing in the same field of view as FIG. 5(a).
  • Thermal shock test A thermal shock test was carried out on a plurality of test samples, each of which was a printed wiring board 1 obtained, using a temperature cycle tester (product name "WINTECH", manufactured by ETAC Corporation).
  • the test conditions were a temperature range of -40 to +85°C, a test time of 30 minutes, and the number of cycles of 250, 500, 750, and 1000.
  • the failure rate was measured every 250 cycles.
  • the failure rate is the percentage of test samples that had a resistance value failure. The results are shown in Table 3.
  • Examples 2 to 4 A printed wiring board 1 was obtained in the same manner as in Example 1, except that the compounding ratio of the solder powder and the copper powder in the conductive paste was changed to 1.1, 1.2, and 1.4 in terms of the weight ratio of the solder powder/copper powder. The outer perimeter, cross-sectional area, and number of the bismuth regions 31 were evaluated for the obtained printed wiring board 1 in the same manner as in Example 1.
  • the total outer perimeter of the bismuth regions 31 per unit area of the via cross section was 0.25/ ⁇ m or less
  • the total cross-sectional area of the bismuth regions 31 per unit area of the via cross section was 0.10 or less
  • the number of the bismuth regions 31 per unit area of the via cross section was 0.01/ ⁇ m 2 or less.
  • a thermal shock test was performed on these printed wiring boards 1. The results are shown in Table 3.
  • ⁇ Comparative Example 1> A printed wiring board 1 was obtained in the same manner as in Example 1, except that the copper powder contained in the conductive paste did not contain a diffusion-hindering element, and the cross section of the via 30 was evaluated and a thermal shock test was performed in the same manner as in Example 1. The results are shown in Tables 2 and 3.
  • Fig. 6(a) shows a backscattered electron image of the cross section of the via of the printed wiring board of Comparative Example 1 taken by a scanning electron microscope
  • Fig. 6(b) shows an image of the printed wiring board of Comparative Example 1 after binarization processing in the same field of view as Fig. 6(a).
  • the printed wiring board of Comparative Example 1 in Table 2 in which the sum of the perimeters of the bismuth regions per unit area of the via cross section exceeds 0.25/ ⁇ m, has a structure in which the bismuth regions are finely dispersed inside the vias, as shown in Figures 6(a) and 6(b).
  • the printed wiring board of Comparative Example 1 had defects and via breaks at the point where the thermal shock test was performed 500 cycles, as shown in Table 3.
  • the white areas that are relatively different from the other areas are bismuth areas
  • each closed area is a bismuth area detected by binarization processing.
  • EDS analysis also confirmed that the white areas in FIG. 6(a) contain bismuth.
  • Example 1 copper powder containing a diffusion-inhibiting element was used, so the diffusion of Sn from the Sn-Bi molten liquid to Cu and the alloying of Cu and Sn during pressure and heat treatment were relatively slow, and the solid phase Bi aggregated while the Sn-Bi molten liquid maintained the shape of droplets, resulting in a spherical structure of the bismuth regions.
  • the copper powder did not contain a diffusion-inhibiting element, so the diffusion of Sn to Cu and the alloying of Cu and Sn were fast, and Bi was dispersed without agglomerating.
  • Reference Signs List 1 printed wiring board 10: resin substrate 20: electrode 30: via 31: bismuth region 32: high melting point metal region 33: resin region 40: adhesive layer

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Printing Elements For Providing Electric Connections Between Printed Circuits (AREA)

Abstract

プリント配線板1は、樹脂基材10と、樹脂基材10上に設けられた電極20と、樹脂基材10を貫通し、電極20と電気的に接続されたビア30と、を備え、ビア30は、ビスマスを主成分とするビスマス領域31を含み、ビア30の断面を走査型電子顕微鏡により観察した場合における断面積中の単位面積当たりのビスマス領域31の外周長の総和が0.25μm/μm以下である。

Description

プリント配線板
 本発明は、プリント配線板に関するものである。
 文献の参照による組み込みが認められる指定国については、2022年12月6日に日本国に出願された特願2022-195201に記載された内容を参照により本明細書に組み込み、本明細書の記載の一部とする。
 銅や銀などの高導電金属と錫を主成分とするはんだとを混合した金属結合型導電性ペーストを用いたビアや同ビアを用いた多層配線板は、層間接続にめっき法を使用せず環境にやさしい配線製造技術として多くの電子機器で使用され今後の発展が期待される技術である。特にCu粉とSn-Bi粉の組み合わせたペーストビアが注目されている。その理由として、Sn-Biの共晶温度が139℃と低く比較的低温プロセスで製造することができる点、および、高価なInや環境に有害なPbを使用しない点が挙げられる。上記材料の組み合わせで作製したビアはリフロー等の高温プロセスでも安定した接続信頼性を有しており、このような技術として、いくつかの技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。
 特許文献1には、Cu-Sn合金を主成分とする領域を大部分とし、同領域に囲まれるようにCuを主成分とする領域とBiを主成分とする領域を含むビアホール導体を有する多層配線基板が開示されている。特に、Cu-Sn合金がCuSnとCuSnの2種類の金属間化合物を含み、Cu-Sn合金の約9割以上がCuSnであることを特徴としている。特許文献1によれば、このようなビアホール導体を用いることにより、加熱を伴う後工程や長期間の使用後においても金属組織が安定で接続信頼性の高いビアを得られるとしている。
特許5099272号公報
 一方、近年の電子回路の高密度化に伴い、導電性ペーストビアにも微細化が求められるようになってきた。しかしながら、ビア構造が微細であるほど熱衝撃試験時にビアへかかる負荷が増大するため、微細なビア構造を有するプリント配線板では、ビアの断線による故障が発生するという問題があった。特に、特許文献1に記載の技術において、ビア径がφ100μm以下、ビア長が50μm以下になると上記のビア組織におけるCu-Sn合金に囲まれて点在するBi領域を起点としてクラックが発生し、ビアの抵抗が上昇するおそれがある。また、特許文献1では、Biを主成分とする領域は不定形で凹凸の多いまたは針状の外形を持っている。Biは周囲のCu-Sn合金に比べ剛性や強度が低く、両者の境界は外部から与えられた歪の集中場となり破壊の基点になりやすい。さらに、BiとCu-Snの接する境界部はSn-Biの共晶温度付近で局所的な共晶融解反応による結晶組織変化にともなう強度の低下も懸念されるという問題がある。
 本発明が解決しようとする課題は、ビアの断線による故障の発生を抑制することができるプリント配線板を提供することである。
 [1]本発明の態様1は、プリント配線板であって、絶縁層と、前記絶縁層上に設けられた導体層と、前記絶縁層を貫通し、前記導体層と電気的に接続されたビアと、を備え、前記ビアは、ビスマスを主成分とするビスマス領域を含み、前記ビアの断面の単位面積当たりの前記ビスマス領域の外周長の総和が0.25/μm以下であるプリント配線板である。
 [2]本発明の態様2は、態様1に記載のプリント配線板であって、前記ビアの断面の単位面積当たりの前記ビスマス領域の断面積の総和が0.10以下であるプリント配線板である。
 [3]本発明の態様3は、態様1または2に記載のプリント配線板であって、前記ビアの断面の単位面積当たりの前記ビスマス領域の個数が0.01個/μm以下であるプリント配線板である。
 [4]本発明の態様4は、態様1~3のいずれかに記載のプリント配線板であって、前記ビアは、SnBiを含む半田粉と、銅を主成分とする金属粉を用いて形成されたものであり、前記半田粉と前記金属粉との配合比が、重量比(半田粉/金属粉)で、0.5~2.0であるプリント配線板である。
 [5]本発明の態様5は、プリント配線板であって、絶縁層と、前記絶縁層上に設けられた電極と、前記絶縁層を貫通し、前記電極と電気的に接続されたビアを備え、前記ビアは、ビスマスを主成分とする球状のビスマス領域とを含むプリント配線板である。
 [6]本発明の態様6は、態様5に記載のプリント配線板であって、前記ビスマス領域の断面の平均径が4μm以上であるプリント配線板である。
 本発明によれば、ビアの断線による故障の発生を抑制することができるプリント配線板を提供することができる。
図1は、本発明の実施形態におけるプリント配線板の模式断面図である。 図2は、従来のプリント配線板の模式断面図である。 図3(a)~図3(h)は、本発明の実施形態におけるビスマス領域31の形成過程を説明する図である。 図4(a)は、実施例1のプリント配線板1のビア30の断面の走査型電子顕微鏡による反射電子像であり、図4(b)は、実施例1のプリント配線板1の図4(a)と同一の視野におけるEDS分析によるBiマッピング結果の図である。 図5(a)は、実施例1のプリント配線板1のビア30の断面の走査型電子顕微鏡による反射電子像であり、図5(b)は、プリント配線板1の図5(a)と同一の視野における二値化処理後の画像である。 図6(a)は、比較例1のプリント配線板のビアの断面の走査型電子顕微鏡による反射電子像であり、図6(b)は、比較例1のプリント配線板の図6(a)と同一の視野における二値化処理後の画像である。 図7(a)~図7(c)は、ビスマス領域31の形状の評価方法を説明するための図である。
 以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
 図1は、本発明の実施形態におけるプリント配線板1の模式断面図である。
 本実施形態におけるプリント配線板1は、図1に示すように、樹脂基材10と、樹脂基材10上に設けられた電極20と、樹脂基材10を貫通し、電極20と電気的に接続されたビア30と、を備えている。本実施形態における樹脂基材10が本発明における「絶縁層」の一例に相当し、本実施形態における電極20が本発明における「導体層」の一例に相当し、本実施形態におけるビア30が本発明における「ビア」の一例に相当する。なお、図1において、プリント配線板1は、1つの樹脂基材10を用いた単層の配線板であるが、プリント配線板1の構成は特にこれに限定されず、多数の樹脂基材10を積層してなる多層の配線板であってもよい。
 樹脂基材10は、絶縁性を有する樹脂材料から構成されている。樹脂基材10を構成する樹脂材料としては、例えば、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエステル、液晶ポリマー(LCP)等が挙げられる。樹脂基材10の厚みは、好ましくは12~50μmである。
 電極20は、銅などの導電性を有する材料から構成されており、樹脂基材10の両面に形成されている。電極20と樹脂基材10の間には、接着層40が設けられており、電極20は、接着層40により樹脂基材10に固定されている。接着層40としては、特に限定されないが、エポキシ系接着剤を用いることができる。また、電極20は、樹脂基材10の両表面の全面に亘って形成されたものであってもよいし、あるいは、樹脂基材10の両表面の一部に形成されたものであってもよい。樹脂基材10の両表面の一部に形成されたものである場合には、所定のパターン状に形成されたものであってもよい。
 ビア30は、樹脂基材10の両面に形成された一対の電極20を互いに電気的に接続する導電路である。ビア30の内径は、好ましくは50~150μmである。ビア30の長さは、樹脂基材10の厚みと同等の長さとなっており、好ましくは12~50μmである。本実施形態におけるビア30は、ビスマス領域31と、高融点金属領域32と、樹脂領域33と、を含んでいる。
 ビスマス領域31は、ビスマスを主成分とする金属を含む領域であり、球状の形状を有している。ビスマス領域31に含まれるビスマス以外の金属としては、Sn、SnBi等が挙げられる。ビア30に含まれるビスマス領域31は、たとえば、ビア30の断面についてEDS(Energy Dispersive Spectroscopy)分析を行うことにより検出することができる。
 ビスマス領域31は、ビア30の断面を走査型電子顕微鏡で観察した場合における断面の単位面積当たりのビスマス領域31の外周長の総和が0.25/μm(μm/μm)以下となっている。ビア30の断面の単位面積当たりのビスマス領域31の外周長の総和は、より好ましくは0.2/μm以下であり、さらに好ましくは0.15/μm以下である。なお、単位面積当たりのビスマス領域31の外周長の総和の下限は、特に限定されないが、好ましくは0.05/μm以上である。ビスマス領域31の外周長の総和は、ビア30の断面について、走査型電子顕微鏡により得られた反射電子像を用いて測定することができ、たとえば、走査型電子顕微鏡により得られた反射電子像について、画像解析ソフト(製品名「ImageJ Ver.1.52」、National Institute of Health社製)を用いて、所定の閾値にて二値化を行うことで求めることができる。具体的には、まず、プリント配線板1を、ビア30が通る断面において切断し、ビア30の断面を露出させる。次いで、ビア30の断面について、走査型電子顕微鏡を用いて観察し、ビア30の断面の画像を取得し、取得した画像について、図5(a)に示すように、観察領域Aobを設定する。観察領域Aobについて、ビスマスを含む領域(図5(a)において、他の領域と相対的に白色の領域)を識別できるように画像解析の閾値を設定し、画像解析により二値化処理を行い、図5(b)に示すように、ビスマス領域ABiを検出する。なお、図5(b)中、閉じられた各領域はいずれも二値化処理により検出されたビスマス領域ABiである。次いで、二値化処理された画像について、画像解析によりビスマス領域ABiの外周長[μm]を算出する。最後に、算出されたビスマス領域ABiの外周長を合計し、観察領域Aobの面積[μm]で除することにより、ビア30の断面における単位面積当たりのビスマス領域31の外周長の総和[μm/μm]を求めることができる。なお、観察領域Aobとしては、ビア30の断面が十分に含まれる領域とすればよく、たとえば、45μm×60μmの範囲とすることができる。なお、図5(a)は実施例1のプリント配線板1のビア30の断面の走査型電子顕微鏡による反射電子像であり、図5(b)は図5(a)と同一の視野における二値化処理後の画像である。また、図5(a)に示す観察領域AobについてEDS分析を行うことにより、図5(a)中の白色の領域にビスマスが存在することを確認した。ビア30の他の断面の画像についても、同様に、EDS分析により、白色の領域にビスマスが存在することを確認した。
 なお、本実施形態におけるプリント配線板1では、少なくとも1つの観察領域Aobに基づいて求めたにビア30の断面における単位面積当たりのビスマス領域31の外周長の総和が0.25/μm以下となっていればよいが、十分な測定対象面積を用いてより正確な評価をするために、複数の観察領域Aobについて単位面積当たりのビスマス領域31の外周長の総和を算出し、単位面積当たりのビスマス領域31の外周長の総和の平均値が0.25/μm以下となっていることがより好ましい。具体的には、複数の断面における、観察領域Aobの面積の総合計が、20000μm以上となるような範囲について求めた、ビスマス領域31の外周長の総和の平均値が0.25/μm以下となっていることがより好ましい。
 ビア30の断面の単位面積当たりのビスマス領域31の外周長の総和が大きいほど、ビスマス領域31の形状が不均一で、ビスマス領域31の表面形状が凹凸形状や針状形状であることを表す。逆に、ビア30の断面におけるビスマス領域31の外周長の総和が小さいほど、表面に凸凹形状が少なく、球状の形状のビスマス領域31が多く存在していることを表す。
 図2は、従来のプリント配線板の模式断面図である。
 図2に示すように、従来のプリント配線板1000では、Cu、Sn-Bi等の導電性粒子及びエポキシ樹脂等の樹脂を含む導電性ペーストを用いて形成されるビア300内部は、形成後の加熱によりBi部310が鋭角部や突出部を有する形状となっており、Bi部310は導体320(金属間化合物粒子)の間および電極200と接する位置に分散した状態となっている。このようなビア構造では、絶縁層(基材)100とビア300に含まれる樹脂330との熱膨張係数の差に起因した熱応力が生じた際に、鋭角部や突出した形状を有するBi部310に応力が集中しやすく、Bi部310を起点としてビア300に亀裂が生じ、ビア300の電気抵抗が上昇したり、ビア300の破断による故障が発生したりするおそれがあった。
 これに対し、本実施形態におけるプリント配線板1では、ビア30の断面におけるビスマス領域31の外周長の総和が0.25/μm以下であり、図1に示すように、ビア30内にビスマス領域31が球状(略球状である場合も含む。以下、同様。)の形状で存在している。このため、ビスマス領域31に応力がかかりにくいため、ビア30の断線の発生を抑制することができる。
 特に、上述したように、ビアの大きさが微細であるほど、ビアの単位体積当たりにかかる熱応力による負荷が大きくなる傾向にあるところ、本実施形態におけるプリント配線板1では、ビア30の断面の単位面積当たりのビスマス領域31の外周長の総和が0.25/μm以下であることにより、ビア30の構造を内径100μm以下、長さ50μm以下の微小な構造としたとしても、ビア30の断線の発生を抑制し、プリント配線板1の故障の発生を抑制することができる。
 また、ビア30の断面の単位面積当たりのビスマス領域31の断面積の総和が0.10(μm/μm)以下であることが好ましく、0.08以下であることがより好ましい。なお、単位面積当たりのビスマス領域31の断面積の総和の下限は、特に限定されないが、好ましくは0.04以上である。ビスマス領域31の断面積の総和は、ビスマス領域31の外周長の総和と同様の方法で、ビア30の断面の走査型電子顕微鏡による観察画像について二値化処理を用いた画像解析を行うことにより求めることができる。具体的には、取得した画像について、観察領域Aobを設定し、観察領域Aobについて、EDS分析を行い、画像解析により二値化処理を行うことで、ビスマス領域ABiとして検出された領域について、画像解析によりビスマス領域ABiの断面積[μm]を算出する。算出されたビスマス領域ABiの断面積を合計し、観察領域Aobの面積[μm]で除することにより、ビア30の断面における単位面積当たりのビスマス領域31の断面積の総和[μm/μm]を求めることができる。なお、観察領域Aobとしては、ビスマス領域31の外周長の総和と同様に設定すればよい。
 ビア30の断面の単位面積当たりのビスマス領域31の断面積の総和が大きいほど、ビスマス領域31の形状が不均一で、ビスマス領域31の表面形状が凹凸形状や針状形状であることを表す。逆に、ビア30の断面におけるビスマス領域31の断面積の総和が小さいほど、ビスマス領域31の形状が均一で、表面に凸凹形状が少なく、全体として球状の形状を有していることを表す。本実施形態におけるプリント配線板1では、ビア30の断面におけるビスマス領域31の断面積の総和が0.10以下であることにより、応力集中場が形成されにくいため、ビア30の断線の発生を抑制することができる。
 また、ビア30の断面の単位面積当たりのビスマス領域31の個数が0.01個/μm以下であることが好ましく、0.008個/μm以下であることがより好ましい。なお、単位面積当たりのビスマス領域31の個数の下限は、特に限定されないが、好ましくは0.003個/μm以上である。ビア30の断面におけるビスマス領域31の個数は、ビスマス領域31の外周長の総和と同様の方法で、ビア30の断面の走査型電子顕微鏡による観察画像について二値化処理を用いた画像解析を行い、検出されたビスマス領域31の個数を数えることにより求めることができる。具体的には、取得した画像について、観察領域Aobを設定し、観察領域Aobについて、EDS分析を行い、画像解析により二値化処理を行うことで、ビスマス領域ABiとして検出された領域について、画像解析によりビスマス領域ABiの個数を計測する。計測されたビスマス領域ABiの個数を、観察領域Aobの面積[μm]で除することにより、ビア30の断面における単位面積当たりのビスマス領域31の個数[個/μm]を求めることができる。なお、観察領域Aobとしては、ビスマス領域31の外周長の総和と同様に設定すればよい。
 特に限定されないが、ビスマス領域31および高融点金属領域32の合計の体積に対するビスマス領域31の体積比率は、13~16%である。ビスマス領域31の体積比率は、EDS元素マッピング等の方法により測定することにより求めることができる。
 高融点金属領域32は、ビスマスよりも高い融点を有する金属または金属化合物を含む領域である。高融点金属領域32に含まれる金属および金属化合物としては、Cu、CuSn等が挙げられる。特に限定されないが、高融点金属領域32は、ビスマス領域31および高融点金属領域32の合計の体積における体積比率が好ましくは84~87%である。高融点金属領域32の体積比率は、EDS元素マッピング等の方法により測定することにより求めることができる。
 樹脂領域33は、高融点金属領域32の内部に点在する樹脂を含む領域である。樹脂領域33に含まれる樹脂としては、特に限定されないが、耐熱性に優れ、線膨張係数が低い点から、エポキシ系樹脂が好ましい。一部の樹脂領域33は、図1に示すように、ビスマス領域31を囲んでいる。
 なお、本実施形態におけるプリント配線板1のビア30に含まれるビスマス領域31は、球状の形状を有するものを含んでいる。ビスマス領域31が球状の形状を有するものであることは、以下の方法により判断する。まず、ビア30の断面を走査型電子顕微鏡により測定し、取得した画像について、EDS分析を行い、ビスマスを含む領域を特定し、ビスマスを含む領域の周りに存在する樹脂領域を検出する。ビスマスを含む領域の周りの樹脂領域の形状に基づいて、ビスマス領域の断面形状を特定し、ビスマス領域の断面形状が円形状であるか否かを判断する。
 ビスマス領域31の形状の評価方法について、図7(a)~図7(c)を用いて具体的に説明する。図7(a)~図7(c)は、ビスマス領域31の形状の評価方法を説明するための図である。まず、ビア30の断面を走査型電子顕微鏡により測定し、取得した画像についてEDS分析を行い、図7(a)に示すように、ビスマスを含む領域を特定する。図7(a)では、EDS分析により、白色の領域がビスマスを含むことが確認された。次いで、ビスマスを含む領域の周りの樹脂領域に着目し、画像解析により、樹脂領域が検出されるように閾値を設定し、二値化処理を行う。これにより、図7(b)に示すように、図7(a)中における樹脂領域Areが検出される。次いで、図7(b)における隣り合う樹脂領域Areを最短距離で結び、図7(c)に示すように、仮領域Sを形成する。この仮領域Sをビスマス領域31の断面と仮定する。また、仮領域Sの外周をビスマス領域31の断面の外周と仮定する。この際、仮領域Sには、図7(a)の画像におけるビスマス以外の固溶部分も含まれるが、これもビスマス領域31であるとする。そして、仮領域SとEDSによる分析結果を比較し、仮領域Sにおけるビスマス元素の割合が50%以上である場合に、仮領域Sがビスマス領域31であると確認することができる。このようにして仮領域Sがビスマス領域31であることを確認したうえで、仮領域Sの外周および面積に基づいて、仮領域Sの円形度を求める。仮領域Sの円形度が0.8以上である場合に、ビスマス領域31の断面形状が円形状であると判断することができ、これにより、ビスマス領域31が球状の形状を有すると判断することができる。あるいは、仮領域Sのアスペクト比を求めて、アスペクト比が1.4以下である場合に、ビスマス領域31の断面形状が円形状であり、ビスマス領域31が球状の形状を有すると判断してもよい。ビア30に含まれるビスマス領域31のうち、80%以上が球状であることが好ましい。具体的には、10個以上の仮領域Sについて評価を行い、そのうち80%以上が球状であることが好ましい。なお、実施例において上記の方法によりビスマス領域31の形状を検証したところ、球状の形状が含まれることが確認された。
 ビスマス領域31の断面の平均径は、4μm以上であることが好ましく、より好ましくは7μm以上である。ビスマス領域31の断面の平均径の上限は、特に限定されないが、通常10μm以下である。ビスマス領域31の断面の平均径が小さすぎると、ビア30全体の強度が低下してしまうおそれがある。ビスマス領域31の断面の平均径は、次のようにして算出される。まず、ビア30の断面について、走査型電子顕微鏡観察により画像を取得する。取得した画像について、観察領域Aobを設定し、観察領域Aobについて、上記と同様の二値化処理を用いた画像解析により複数のビスマス領域31を検出し、検出された複数のビスマス領域31について、同一の断面積を有する円の直径と近似した場合の円相当径として、複数のビスマス領域31の内径を求める。このようにして求めた複数のビスマス領域31の断面の内径の平均値を算出することにより、ビスマス領域31の断面の平均径を求めることができる。なお、観察領域Aobとしては、ビスマス領域31が複数含まれる領域(たとえば、ビスマス領域31が10個以上含まれる領域)とすればよいが、たとえば、ビスマス領域31の外周長の総和と同様に設定することができる。
 上記のビスマス領域31を有するビア30を有するプリント配線板1は、SnおよびBiを有する半田粉と、銅を主成分とする金属粉を用いて製造することができる。本実施形態におけるプリント配線板1は、SnおよびBiを有する半田粉と、銅を主成分とする金属粉と、エポキシ系樹脂等を含む導電性ペーストを樹脂基材10の貫通孔11に充填し、樹脂基材10に電極20を積層した後、樹脂基材10および電極20の積層体を加圧し、その後加圧しながら加熱することにより製造される。
 図3(a)~図3(h)は、本実施形態におけるビスマス領域31の形成過程を説明する図である。
 本実施形態のプリント配線板1のビア30におけるビスマス領域31が球状の形状を有している理由は、ビスマス領域31が以下の工程で形成されるためであると考えられる。まず、図3(a)に示すように、導電性ペーストには、SnおよびBiを含有する半田粉と、銅を主成分とする金属粉が含まれている。このような導電性ペーストを樹脂基材10の貫通孔11に充填し、樹脂基材10をプレスして加圧することにより、図3(b)に示すように、半田粉と金属粉を密着させる。次いで、樹脂基材10を加圧した状態で加熱することにより、図3(c)に示すように、半田粉が融解し固相SnとSn-Bi融液の共存状態となる。この時、樹脂基材10が高圧でプレスされていることにより、金属粒子が互いに密着しているため、Sn-Bi融液は金属粒子間に浸透せずに液滴状態を保つ。その後、図3(d)に示すように、融液中のSnが金属粉(Cu)の表面に拡散してSnとCuが合金化し、金属粉の表面にCuSnが形成される。この時、金属粉へSnが拡散した分、固相Snが溶解し補填されるが、融液中の物質移動が拡散より速いため、融液組成は均一に保たれる。次いで、図3(e)に示すように、Sn-Bi融液組成が共晶比Bi:Sn=53:43となった段階で固相Snがすべて溶解する。さらに、図3(f)に示すように、Snの拡散流出が続くことによりSnBi融液中のBi濃度が徐々に増加し、固相Biの析出が始まる。次いで、図3(g)に示すように、Snの拡散流出がさらに進み、固相Biは球状の形状を保ちつつ成長し、SnBi融液量が減少する。最後に、図3(h)に示すように、Sn-Bi融液中のすべてのSnが金属粉へ拡散し、残ったBiが球状の形状を保ったまま固化する。このようにして、ビスマス領域31が形成され、図1に示すプリント配線板1が製造される。
 なお、図3(a)~図3(h)に示す形成過程を経て、これにより、このようなビスマス領域31が形成された、図1に示すプリント配線板1を製造する方法としては、たとえば、以下の金属粉および半田粉を、以下の態様にて含有する導電性ペーストを用い、以下に説明する条件にて、製造等を行う方法が例示される。
 金属粉は、銅を主成分とするものであり、80~90重量%の銅を含有するものであることが好ましい。また、金属粉は、金属製または樹脂製の耐酸化膜等により耐酸化処理されていることが好ましい。
 金属粉は、拡散阻害元素として、Ti,V,Cr,Mn,Co,Ni,Znからなる群から選ばれる1つ以上の金属元素を含有することが好ましい。拡散阻害元素の含有量は、金属粉100重量%に対して好ましくは0.5~10重量%である。金属粉が拡散阻害元素を含有することにより、SnとCuの合金化(CuSnの生成)が金属粉の表面から比較的ゆっくりした速さで進むため、SnBi融液中でBiが凝集しやすく、より球形に近い形状でビスマス領域31が形成される。
 半田粉と金属粉の配合比は、重量比(半田粉/金属粉)で、好ましくは0.5~2.0であり、より好ましくは1.0~1.5である。
 ビア30の形成における加圧の条件は、好ましくは2MPa以上であり、より好ましくは2~6MPaである。加圧条件を上記範囲とすることにより、半田粉に含まれるSnと金属粉に含まれるCuの合金化が促進され、ビア30の抵抗値が低くなり、ビア30の接続信頼性が向上する。ビア30の形成における加圧条件が2MPa未満であると、SnとCuが合金化せず、ビア30の抵抗値が高くなり、ビア30の接続信頼性が悪化する傾向にある。加圧条件が6MPa超であると、SnとCuの合金化が早くなり、球状の形状のビスマス領域31が形成されないため、ビア30の接続信頼性が悪化する傾向にある。
 ビア30の形成における加熱温度は、好ましくは140~200℃であり、より好ましくは170~190℃である。加熱温度が低すぎると、SnとCuが合金化せず、ビア30の抵抗値が高くなり、ビア30の接続信頼性が悪化する傾向にある。一方、加熱温度が高すぎると、加熱によりSnBi融液の量が多くなり、周囲に進入してしまうことにより、球状の形状のビスマス領域31が形成されなくなる傾向にある。
 以上のように、本実施形態におけるプリント配線板1では、ビア30の断面における単位面積当たりのビスマス領域31の外周長の総和が0.25/μm以下であり、ビア30内にビスマス領域31が球状の形状で存在している。このため、ビスマス領域31に応力がかかりにくく、ビア30の断線による故障の発生を抑制することができる。
 以下に、実施例を挙げて本発明についてより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。
<実施例1>
 厚み12~25μmのポリイミド製の樹脂基材10に、レーザーを用いて直径60~120μmの貫通孔11を形成し、この貫通孔11に下記組成の導電性ペーストを充填した。導電性ペーストとしては、Sn-Bi系半田粉、耐酸化処理された銅粉、およびエポキシ系樹脂を含有し、半田粉と銅粉の配合比が、半田粉/銅粉の重量比で1.3であるものを使用した。銅粉としては、上記の拡散阻害元素を含有するものを使用した。次いで、樹脂基材10の両面にエポキシ系接着剤を塗布し、電極20として厚み12μmの銅箔を接着した。この積層体をホットプレス機により圧力2~6MPaの条件でプレスし、110分間保持した。ホットプレス機でプレスした時間のうち、60分間は、積層体をプレスしたまま、150~200℃での加熱を行い、ビア30を有するプリント配線板1を得た。
<EDS(Energy Dispersive Spectroscopy)分析>
 プリント配線板1を、ビア30の断面が露出するように樹脂基材10に対して垂直な方向に切断し、ビア30の断面について、走査型電子顕微鏡(製品名「JSM-7001F」、JEOL社製)にて、反射電子像の撮影を行うと共に、EDS分析による成分分析を行った。測定の条件は、出力15kV、測定倍率2000倍とした。図4(a)および図4(b)に示すように、反射電子像において、円状の断面形状を有し、他の領域と相対的に白色である領域にBi原子が含まれることが確認された。図4(a)は実施例1のプリント配線板1のビア30の断面の走査型電子顕微鏡による反射電子像であり、図4(b)は実施例1のプリント配線板1の図4(a)と同一の視野におけるEDS分析によるBiマッピング結果の図である。
<ビスマス領域31の外周長、断面積および個数の測定>
 プリント配線板1を、ビア30の断面が露出するように樹脂基材10に対して垂直な方向に切断し、ビア30の断面の任意の8か所について、走査型電子顕微鏡を用いて、反射電子像を得た。測定の条件は、出力15kV、測定倍率900倍とした。得られた各画像について、画像サイズ588×441ピクセル=60×45μmの視野を観察領域Aobとして、画像解析ソフト(製品名「ImageJ Ver.1.52」、National Institute of Health社製)を用いて、画像解析を行った。この際、256段階に分けられた濃淡の下限を150、上限を175に設定することで、二値化処理を行った。このような閾値を設定することで、ビスマスを主成分とするビスマス領域ABiを検出することができた。二値化処理によって検出された各ビスマス領域ABiの外周長[μm]および断面積[μm]を画像解析により求めた。さらに、各ビスマス領域31の外周長の総和[μm]を観察領域Aobの面積[μm]で除することにより、ビア30の断面の単位面積当たりのビスマス領域31の外周長の総和[/μm]を求めた。同様に、各ビスマス領域ABiの断面積の総和[μm]を観察領域Aobの面積[μm]で除することにより、ビア30の断面の単位面積当たりのビスマス領域31の断面積の総和[-]を求めた。さらに、二値化により検出されたビスマス領域ABiの個数を数え、観察領域Aobの面積[μm]で除することにより、ビア30の断面の単位面積当たりのビスマス領域31の個数[個/μm]を求めた。このようにして8つの観察領域Aobについてそれぞれ単位面積当たりのビスマス領域の外周長の総和、断面積の総和、および個数を求め、これらの平均値を求めた。結果を表1に示す。図5(a)に実施例1のプリント配線板1のビア30の断面の走査型電子顕微鏡による反射電子像を示し、図5(b)に、プリント配線板1の図5(a)と同一の視野における二値化処理後の画像を示す。
<熱衝撃試験>
 得られたプリント配線板1を試験サンプルとした複数の試験サンプルについて、温度サイクル試験器装置(製品名「WINTECH」、 ETAC社製)を用いて、熱衝撃試験を行った。試験条件は、温度範囲-40~+85℃、試験時間30分、サイクル数を250、500、750、1000とした。250サイクルごとに、不良率の発生率を測定した。不良率とは、抵抗値不良が発生した試験サンプルの割合である。結果を表3に示す。
<実施例2~4>
 導電性ペーストにおける半田粉と銅粉の配合比を、半田粉/銅粉の重量比で1.1,1.2,1.4にそれぞれ変更した以外は、実施例1と同様にしてプリント配線板1を得た。得られたプリント配線板1について、実施例1と同様に、ビスマス領域31の外周長、断面積、および個数の評価を行ったところ、いずれもプリント配線板1においても、ビア断面の単位面積当たりのビスマス領域31の外周長の総和が0.25/μm以下であり、ビア断面の単位面積当たりのビスマス領域31の断面積の総和が0.10下であり、ビア断面の単位面積当たりのビスマス領域31の個数が0.01個/μm以下であった。また、これらのプリント配線板1について、熱衝撃試験を行った。結果を表3に示す。
<比較例1>
 導電性ペーストに含まれる銅粉として、拡散阻害元素を含まないものを使用した以外は、実施例1と同様にしてプリント配線板1を得て、実施例1と同様にビア30の断面の評価、および熱衝撃試験を行った。結果を表2および表3に示す。図6(a)に、比較例1のプリント配線板のビアの断面の走査型電子顕微鏡による反射電子像を示し、図6(b)に、比較例1のプリント配線板の図6(a)と同一の視野における二値化処理後の画像を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
 ビアの断面を走査型電子顕微鏡により観察した場合における断面の単位面積当たりのビスマス領域の外周長の総和が0.25/μm以下である表1の実施例1のプリント配線板1は、ビア30の内径が60~120μm、長さが12~50μmと非常に微小なビアを備えたものであるにもかかわらず、表3に示すように、熱衝撃試験を1000サイクル実施したあとも不良の発生がなく、ビアの断線が生じなかった。一方、ビア断面の単位面積当たりのビスマス領域の外周長の総和が0.25/μmを超える表2の比較例1のプリント配線板は、図6(a)および図6(b)に示すように、ビスマス領域がビアの内部に細かく分散した構造となった。さらに、比較例1のプリント配線板は、表3に示すように、熱衝撃試験を500サイクル実施した時点で不良が発生し、ビアの断線が生じた。なお、図6(a)において、他の領域と相対的に白色の領域がビスマス領域であり、図6(b)において、閉じられた各領域が、二値化処理により検出されたビスマス領域である。図6(a)についても、EDS分析により、白色の領域がビスマスを含むことを確認した。
 比較例1で得られたプリント配線板において、ビスマス領域が細かく分散した構造となった理由としては、以下のように考えられる。まず、実施例1では、銅粉として拡散阻害元素を含有するものを使用したため、加圧・加熱処理した際のSn-Bi融液からCuへのSnの拡散、およびCuとSnの合金化が比較的遅く、Sn-Bi融液が液滴の形状を保ったまま固相Biが凝集したため、ビスマス領域が球状の構造となった。これに対し、比較例1では、銅粉に拡散阻害元素を含有させなかったため、CuへのSnの拡散、およびCuとSnの合金化が速く、Biが凝集せずに分散しと考えられる。これにより、比較例1では、ビスマス領域が細かく分散した構造となったと考えられる。さらに、比較例1では、ビスマス領域が細かく分散し、凹凸の多い形状でありビスマス領域に熱応力が集中しやすい構造となっているため、熱衝撃試験の結果が悪くなったと考えられる。
1…プリント配線板
 10…樹脂基材
 20…電極
 30…ビア
 31…ビスマス領域
 32…高融点金属領域
 33…樹脂領域
 40…接着層

Claims (6)

  1.  プリント配線板であって、
     絶縁層と、
     前記絶縁層上に設けられた導体層と、
     前記絶縁層を貫通し、前記導体層と電気的に接続されたビアと、を備え、
     前記ビアは、ビスマスを主成分とするビスマス領域を含み、
     前記ビアの断面の単位面積当たりの前記ビスマス領域の外周長の総和が0.25/μm以下であるプリント配線板。
  2.  請求項1に記載のプリント配線板であって、
     前記ビアの断面の単位面積当たりの前記ビスマス領域の断面積の総和が0.10以下であるプリント配線板。
  3.  請求項1または2に記載のプリント配線板であって、
     前記ビアの断面の単位面積当たりの前記ビスマス領域の個数が0.01個/μm以下であるプリント配線板。
  4.  請求項1~3のいずれかに記載のプリント配線板であって、
     前記ビアは、SnBiを含む半田粉と、銅を主成分とする金属粉を用いて形成されたものであり、
     前記半田粉と前記金属粉との配合比が、重量比(半田粉/金属粉)で、0.5~2.0であるプリント配線板。
  5.  プリント配線板であって、
     絶縁層と、
     前記絶縁層上に設けられた電極と、
     前記絶縁層を貫通し、前記電極と電気的に接続されたビアと、を備え、
     前記ビアは、ビスマスを主成分とする球状のビスマス領域を含むプリント配線板。
  6.  請求項5に記載のプリント配線板であって、
     前記ビスマス領域の断面の平均径が4μm以上であるプリント配線板。
PCT/JP2023/042781 2022-12-06 2023-11-29 プリント配線板 Ceased WO2024122429A1 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP23900544.0A EP4633298A1 (en) 2022-12-06 2023-11-29 Printed wiring board
JP2024562722A JPWO2024122429A1 (ja) 2022-12-06 2023-11-29

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022195201 2022-12-06
JP2022-195201 2022-12-06

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024122429A1 true WO2024122429A1 (ja) 2024-06-13

Family

ID=91379182

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2023/042781 Ceased WO2024122429A1 (ja) 2022-12-06 2023-11-29 プリント配線板

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP4633298A1 (ja)
JP (1) JPWO2024122429A1 (ja)
WO (1) WO2024122429A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2025254165A1 (ja) * 2024-06-04 2025-12-11 株式会社フジクラ プリント配線板

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5099272B1 (ja) 2011-12-26 2012-12-19 パナソニック株式会社 多層配線基板とその製造方法
WO2016136204A1 (ja) * 2015-02-27 2016-09-01 タツタ電線株式会社 導電性ペースト及びこれを用いた多層基板
JP2020053524A (ja) * 2018-09-26 2020-04-02 日亜化学工業株式会社 回路基板及び部品実装基板、並びに、それらの製造方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5099272B1 (ja) 2011-12-26 2012-12-19 パナソニック株式会社 多層配線基板とその製造方法
WO2016136204A1 (ja) * 2015-02-27 2016-09-01 タツタ電線株式会社 導電性ペースト及びこれを用いた多層基板
JP2020053524A (ja) * 2018-09-26 2020-04-02 日亜化学工業株式会社 回路基板及び部品実装基板、並びに、それらの製造方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP4633298A1

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2025254165A1 (ja) * 2024-06-04 2025-12-11 株式会社フジクラ プリント配線板

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2024122429A1 (ja) 2024-06-13
EP4633298A1 (en) 2025-10-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5382270B1 (ja) 配線基板とその製造方法
JP5349703B1 (ja) はんだ合金、ソルダペーストおよび電子回路基板
EP2617515B1 (en) Semiconductor device bonding material
JP6766960B2 (ja) 多層配線基板、電子機器、及び、多層配線基板の製造方法
US8920580B2 (en) Solder paste and electronic device
TWI432103B (zh) A wiring substrate, a method for manufacturing a wiring substrate, and a through-hole paste
DE69321660T2 (de) Diffusionsverbindungsverfahren
CN102884872B (zh) 多层布线基板、多层布线基板的制造方法
JP4859999B1 (ja) 多層配線基板、多層配線基板の製造方法、及びビアペースト
TWI393496B (zh) 配線基板、配線基板的製造方法及通孔糊
CN104246909B (zh) 导电浆料、固化物、电极以及电子设备
US20140124250A1 (en) Wiring board and method for manufacturing same
KR20140107405A (ko) 전자부품
WO2013132942A1 (ja) 接合方法、接合構造体およびその製造方法
WO2024122429A1 (ja) プリント配線板
JP4949802B2 (ja) 導電性ペースト及びこれを用いた多層基板
TWI747537B (zh) 芯材料、電子部件以及凸塊電極的形成方法
KR20190045846A (ko) 핵재료 및 납땜 이음 및 범프 전극의 형성 방법
JP2017130623A (ja) 充填用ペースト材料、それを用いたビアホール導体の製造方法および多層基板の製造方法
JP2009224059A (ja) 導電性微粒子、異方性導電材料、及び、接続構造体
WO2025254165A1 (ja) プリント配線板
JP6543890B2 (ja) 高温はんだ合金
JP2009224058A (ja) 導電性微粒子、異方性導電材料、及び、接続構造体
JP2003224339A (ja) 導体ペーストおよびこれを用いた配線基板
JP2015065333A (ja) セラミック電子部品

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 23900544

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2024562722

Country of ref document: JP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2023900544

Country of ref document: EP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2023900544

Country of ref document: EP

Effective date: 20250707

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 2023900544

Country of ref document: EP