これまで電子機器の高密度実装化は主に電子部品の小型化により実現してきましたが、小型化により定格の低下が伴うことから電子部品の小型化も限界に近づいています。 一方スマートフォン、タブレットなどの情報端末では寸法的な制約やバッテリー容積の確保の必要性から更なる小型化を実現するために実装技術のブレークスルーが課題とされており、この解決策として部品内蔵基板技術が開発されています。 部品内蔵基板を用いることで、機器の小型化、薄型化、電源のインピーダンス低減、配線経路の最適化による信号伝送の品質改善などのメリットがあります。
図1. 表面実装も限界に
部品内蔵基板はDES(Device Embedded Substrates)と略され、その名の通り基板の中に電子部品を内蔵するものですが、 部品の種類や内蔵方法によっていくつかの方式があります。以下に代表的な方式を示します。
表1 部品内蔵基板の分類
＜用語の意味＞
汎用表面実装部品をはんだなどを用いて実装する方式です。部品のラインアップが多く、 既存の表面実装技術・設備を使用することが可能となっています。 サイズや定数により部品厚みが異なりますがはんだ付け接続方式では厚みに影響を受けず内蔵が可能です。 一方、汎用品を使用しているため基板が厚くなる傾向にあります。 一例として1005サイズの抵抗器(厚み0.33mm)を内蔵した場合、4層基板で0.7～0.8mm程度となります。 また、部品内蔵基板の表面に部品実装した場合、内蔵時に使用したはんだがリフローの熱で 再溶融する恐れがあるため、使用するはんだ材料や埋め込み樹脂材料の選定が重要です。
基板の内層に埋め込むために開発された低背EPDを用いて内蔵する方法です。 主な工法としては基板のコア材上にEPDを搭載し、埋め込み樹脂や銅箔を積層プレス後レーザーで EPDの電極上に穴あけを行い、Cuめっきで基板の銅箔とEPDの電極を接続します（レーザービア方式）。 プリント基板のビルドアップ工法を適用できるため、設備投資を抑えることが可能です。 基板の薄型化が可能でたとえば1005サイズの抵抗器(厚み0.14mm)を使用した場合、 4層基板で0.4～0.5mm程度となります。 EPDは基板の薄型化を実現するため部品厚みを低背（代表値：0.14mm）としており、 EPDの電極はCuめっきとの相性の良いCuめっき電極を形成しています。 また、部品搭載時の搭載精度、レーザー穴あけ時のアライメント精度を考慮し、 SMD部品よりも電極寸法を広くしています。 抵抗器の場合部品厚みを揃えることが可能ですが、キャパシタは静電容量・耐圧により厚みが違うため、 異なる厚みのEPDを内蔵する場合にはプロセスの工夫が必要です。
写真1 部品内蔵なし（透過画像）
写真2 部品内蔵状態（透過画像）
写真3 部品内蔵基板断面【協力：三次元半導体研究センター】
実装方式によるモジュール比較（例）
基板の層間に抵抗体や誘電体を厚膜印刷などで形成する方法です 。素子が薄いため基板の厚みを極めて薄くすることが可能です。 反面、高精度のものを実現しにくいことや、基板の耐熱性面で高温での素子形成が困難なため、 表面実装時のリフロー熱で抵抗値や静電容量が変化し、経時変化も大きい傾向にあります。 特に高温環境下で使用される場合は注意が必要です。 部品内蔵基板とは異なりますが、抵抗器、キャパシタ、インダクタなど内層膜素子の高温焼成が 可能なLTCC(Low temperature Co-fired Ceramic)基板もあります。セラミックをベース基材として、抵抗器、キャパシタ、インダクタなどの受動部品を内層・表層に印刷形成します。 耐熱性、耐湿性に優れるため、高い信頼性を要求される各種モジュール基板として利用されます。
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