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電子部品同士を配線し、回路を形成するプリント基板。今回は、プリント基板の分類の1つ、硬い板状の「リジッド基板」に着目し、その内部構造と製造法を説明します。両面基板のように表面から観察して構造が分かるものもありますが、最新の基板は、実装部品点数の増加と回路の複雑化に伴い、外見からは内部構造を伺い知ることはできません。

 本連載第2回で述べたように、リジッド基板は基板上に実装される半導体製品の小型化・実装の高密度化と製品の多機能化に伴う実装部品数の増加に従い、両面基板から、多層貫通基板、ビルドアップ基板、エニーレイヤー(Any Layer)基板へと進化してきました。構造と製造方法を順番に見ていきます。

【両面基板】
エッチング、ドリル、銅めっきで実現

 リジッド基板の主材料は、銅張積層板です。銅張積層板は、FR-4と呼ばれるガラスクロス入りのエポキシ樹脂に、銅箔を両面に張り合わせた板状の材料です(図1)。

図1 銅張積層板
図1 銅張積層板
絶縁材の表面に銅板を張った銅張積層板はCCL(Copper Clad Laminate)とも呼ばれます。(写真:メイコー)
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 この銅張積層板に回路形成することで両面基板は出来上がりますが、表面の回路形成を行っただけでは、L1面とL2面の層間の導通は取れません注1)

注1)導体層は、Layerの頭文字をとってL1、L2、……と表記します。

 基板の製造工程で重要なことは、層間をつなぐためのドリルによる穴加工と、層間の電気接続を確保するための、銅めっき工程です。このドリル加工と銅めっきによる層間接続のための貫通穴をスルーホールと呼びます(図2)。

(a)プリント基板の表面からスルーホールを見たところ
(a)プリント基板の表面からスルーホールを見たところ
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(b)プリント基板の断面から見たスルーホール
(b)プリント基板の断面から見たスルーホール
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図2 スルーホールの様子
スルーホールはドリル加工と銅めっきによる層間接続のための貫通穴です。写真は両面基板ではなく8層の多層基板の場合です。(写真:メイコー)

 両面基板の製造工程は、まず、ドリルによる穴加工、次に銅めっきによる層間の導通の確保、最後に回路形成を行います。基本的には、この3ステップで電気信号を送る回路パターンが完成します(図3)。

図3 両面基板の製造工程
図3 両面基板の製造工程
ドリルによる穴加工、銅めっき、回路をエッチングで形成します。理解しやすいように工程を簡略して示しました。(図:メイコー)
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 しかし、このままの状態では、回路パターンが剥き出しのため、絶縁性を持つソルダーレジストインクを塗布し表面をカバーします。さらに、露出した銅パッド表面の酸化防止のためにプリフラックス処理をして仕上げます注2)

注2)ソルダーレジストで保護されていない部分に防錆皮膜を形成する処理です。実装時にはポストフラックス処理を施して防錆皮膜を溶解し銅を露出させ、濡れ性やはんだ付け性を向上させます。

【多層貫通基板】
複数導体層の貼り合わせで複雑さ増す

 両面基板の導体層はL1面とL2面の2層分に対し、多層貫通基板は絶縁層と導体層を複数回重ねて構成しています。導体層は4層、6層、8層が一般的な層数ですが、最終製品の用途によっては28層や46層もの導体層を構成した多層貫通基板もあります注3)

注3)このように層数が多い基板を、業界では高多層基板と呼んでいます。製品用途は、大型コンピューターやコンピューター周辺機器、通信機器、通信基地局です。

 多層貫通基板の製造工程は、スタートから両面基板とは異なっていて、第1ステップが回路形成です。そして第2ステップが、回路形成済みの銅張積層板をプリプレグという絶縁性の樹脂シートと銅箔でサンドする積層工程、第3ステップがドリルによる穴加工、第4ステップが外層への回路形成となります。

 8層貫通基板の場合で説明すると、L2面とL3面の銅張積層板と、L4面とL5面の銅張積層板、L6面とL7面の銅張積層板をそれぞれ回路形成し、3枚の回路形成済みの銅張積層板を作ります(図4)。そして回路形成済みの銅張積層板をプリプレグという絶縁性の樹脂シートを挟んで重ね合わせ、さらに銅箔で挟みます。積層工程では、高圧力と熱をかけてプリプレグを溶融させ、全ての材料を1つに接着します。この時の最外層の銅箔は、L1面とL8面の導体層を形成する材料となります。

図4 多層貫通基板の製造工程
図4 多層貫通基板の製造工程
両面基板とは順序が異なり、銅張積層板の表面にエッチングで回路形成した後、これらを積層、穴加工、銅めっき、と進みます。こちらも簡略版を示しました。(図:メイコー)
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 積層後にL1面からL8面がそろっているので、その後の工程順は両面基板と同様になります。ドリルによる穴加工をし、次に銅めっきで層間接続を確保します。最後に外層の回路であるL1面とL8面の回路形成を行います。

 内層の銅張積層板の枚数を増やすことで基板の層数を上げることができ、基本的には10層以上の多層貫通基板もこの工程順で製造します。