JP3719834B2 - Low temperature fired ceramics - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｃｕ，Ａｇ等の金属によるメタライズ配線層との同時焼成が可能な低温焼成セラミックスに関するものであり、より詳細には、熱膨張の急激な変化が抑制された低温焼成セラミックスに関する。本発明はまた、上記の低温焼成セラミックスを用いた配線基板や半導体収納パッケージの実装構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、配線基板は、絶縁基板の表面或いは内部にメタライズ配線層が配設された構造を有している。このような配線基板の代表的な例として、半導体素子収納用パッケージ、特にＬＳＩ（大規模集積回路素子）等の半導体集積回路素子を収納するためのパッケージがある。このようなパッケージでは、一般に、アルミナセラミックスから成る絶縁基板の表面に半導体素子を収納するための凹部が形成されており、また絶縁基板の表面及び内部には、タングステン、モリブデン等の高融点金属の粉末から成るメタライズ配線層が複数配設されており、これらの配線層は、凹部内に収納されている半導体素子と電気的に接続されている。更に絶縁基板の下面又は側面には、外部電気回路基板と電気的に接続するための接続端子が設けられており、この接続端子は、メタライズ配線層と電気的に接続されている。即ち、半田等を用いてのロウ付けにより、この接続端子を、外部電気回路基板表面に形成されている配線導体に電気的に接続することにより、半導体素子収納用パッケージの実装が行われる。
【０００３】
ところで、半導体素子の集積度が高まるほど、半導体素子に形成される電極数が増大し、従ってパッケージに設けられる接続端子の数も増大する。また電極数が増大するに伴ってパッケージ自体の寸法を大きくする必要があるが、パッケージの小型化が要求されているため、パッケージ当りの接続端子の数を多くすること（即ち、接続端子の密度を高くすること）も必要である。
【０００４】
従来の半導体素子収納用パッケージの接続端子としては、パッケージの下面にコバールなどの金属ピンを接続したピングリッドアレイ（ＰＧＡ）が最も一般的である。また表面実装型のパッケージには、パッケージの側面に導出されたメタライズ配線層にＬ字状の金属部材をロウ付けして成るクワッドフラットパッケージ（ＱＦＰ）、パッケージの４つの側面に電極パッドを備えており、リードピンを有していないリードレスチップキャリヤ（ＬＣＣ）などがあり、更に、絶縁基板の下面に半田などのロウ材から成る球状端子を設けたボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）もあり、これらの中では、ＢＧＡが最も接続端子の高密度化が可能であると言われている。
このＢＧＡでは、上記球状端子が接続パッドにロウ付けされており、この球状端子を外部電気回路基板の配線導体上に載置当接させ、この状態で球状端子を約２５０乃至４００℃の温度で加熱溶融して配線導体に接合することにより、外部電気回路基板上へのＢＧＡの実装が行われている。このような実装構造により、パッケージ内部に収容されている半導体素子の各電極が、メタライズ配線層及び接続端子を介して外部電気回路基板に電気的に接続される。
【０００５】
上述したパッケージに用いられている絶縁基板としては、従来、アルミナ、ムライトなどのセラミックス製のものが多く使用されている。このセラミックス製絶縁基板は、２００ＭＰａ以上の高強度を有しており、しかもメタライズ配線層などとの多層化を有効に行うことができるという利点を有している。然しながら、アルミナ、ムライトなどのセラミックスは、焼成温度が１５００℃以上と高いため、かかるセラミックスから成る絶縁基板には、導体抵抗が低く且つ比較的安価なＣｕ，Ａｇ等の金属を配線層に用いることが出来ないと云う欠点があった。
そこで、低温での焼成が可能であり、Ｃｕ，Ａｇ等の金属を配線層として使用し得るガラスセラミックスなどの焼結体から成る絶縁材料が種々提案されており（例えば、特開昭５０−１１９８１４号、特開昭５８−１７６６５１号、特公平３−５９０２９号、特公平３−３７７５８号等）、これらの絶縁材料は実際に使用されている。
【０００６】
かかる先行技術の絶縁材料は、ガラス成分とフィラーとの混合物を低温で焼成することにより得られ、アルミナなどに比較して誘電率を低く出来るという長所を有している。例えば、フィラーとして安価なＳｉＯ2 を用いて、焼結体中にクオーツやクリストバライトなどの結晶を含有せしめると、コストダウンのみならず低誘電化を図ることができる。これらの結晶は、誘電率が５以下と低いからである。また、クオーツやクリストバライト等の結晶は熱膨張係数が大きい。従って、その添加量の調整により焼結体の熱膨張係数を制御することが可能となり、例えば、かかる焼結体から成る絶縁基板を、ＰＣボード等の外部電気回路基板に実装させる場合には、両者の熱膨張係数のミスマッチ等を解消する上で極めて有利となる。
【０００７】
しかしながら、クオーツやクリストバライト等の結晶を含む焼結体の熱膨張曲線は、これらの結晶に特有な温度で熱膨張率が急激に増大する変曲点を有している。従って、焼成後の降温時に焼結体にクラックが入ったり、このような焼結体を各種配線基板の絶縁基板として用いた場合には、使用時の温度変化によって急激な体積膨張が発生し、この結果、回路の接点不良を生じたり、外部電気回路基板等への実装に際しては接続不良等を引き起こすという問題があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、ＳｉＯ ２ 系フィラーを含む焼結体から成る低温焼成セラミックスにおいて、特定の温度領域で熱膨張が急激に変化するという熱膨張特性が消失した特性を有する低温焼成セラミックスを提供することにある。
本発明の他の目的は、上記低温焼成セラミックスを絶縁基板として有する配線基板及び該配線基板を用いた半導体収納用パッケージの実装構造を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、ガラスと、ＳｉＯ２系フィラーとの混合物を焼成して得られる焼結体から成り、該焼結体は、１０１面におけるピークが少なくとも０．０５度（２θ）低角側にシフトしているＸ線回折像を有するクォーツを含有していることを特徴とする低温焼成セラミックスが提供される。
また本発明によれば、絶縁基板の表面乃至内部にメタライズ配線層が配設された配線基板において、該絶縁基板が、上記の低温焼成セラミックスから形成されている配線基板が提供される。
本発明によれば更に、絶縁基板表面乃至内部にメタライズ配線層が配設された配線基板を有する半導体収納用パッケージを、外部電気回路基板上に接続端子を介して接合して成る半導体収納用パッケージの実装構造において、前記絶縁基板が、上記の低温焼成セラミックスから形成されている実装構造が提供される。
【００１０】
本発明の低温焼成セラミックスの特に重要な特徴は、特定格子面の面間隔が変位（シフト）したクォーツが存在している点にある。即ち、この結晶は、クォーツの結晶構造を保持しているが、その１０１面のＸ線回折ピークは、正規のクォーツに比して０．０５度（２θ）以上低角側にシフトしている。本発明によれば、このようにクォーツの結晶構造を部分的に変化させることにより、クォーツに特有の熱膨張の急激な変化を抑制することが可能となる。
【００１１】
図１を参照されたい。この図１中の曲線Ａは、結晶としてクォーツ（１０１面ピーク，２θ＝２６．６５度）を含有している焼結体（後述する実施例１の試料Ｎｏ．１）の熱膨張曲線を示すものである。この曲線Ａは、４００〜６００℃の間に変曲点を有しており、この温度領域で熱膨張率が急激に変化していることが判る。また曲線Ｂは、結晶としてクリストバライト（１０１面ピーク，２θ＝２１．９３度）を含有している焼結体（実施例１の試料Ｎｏ．６）の熱膨張曲線を示す。この曲線Ｂは、２００〜２５０℃の間に変曲点を有している。一方、図１中の曲線Ｃは本発明例であり、ＳｉＯ ２ 系結晶として、１０１面ピークが０．２０度（２θ）低角側にシフトした結晶構造のクォーツを含む焼結体（実施例１の試料Ｎｏ．２）の熱膨張係数曲線を示す。この曲線Ｃに示されている通り、本発明の焼結体の熱膨張曲線は、実質上直線であり、曲線Ａ，Ｂで示されている様な変曲点を有しておらず、熱膨張率が急激に変化する領域は存在していないことが判る。
【００１２】
この様に１０１面のＸ線回折ピークが０．０５度（２θ）以上低角側にシフトした構造のクォーツを含有している本発明の焼結体は、クォーツに特有の熱膨張率が急激に変化する領域を有しておらず、従って、配線基板中の絶縁基板として用いた場合、温度変化による回路の接点不良や、外部電気回路基板との実装に際しての接続不良等を有効に防止することができる。
【００１３】
本発明において、上述したＳｉＯ２系結晶の１０１面ピークの変位の程度（低角側へのシフトの度合）は、０．０５度（２θ）以上であり、クォーツの基本的な結晶構造が維持される限り、その上限値に特に制限はないが、通常０．５度（２θ）以下であるのがよい。
また、焼結体中の上記ＳｉＯ２系結晶の存在割合は、５乃至７５体積％の範囲とするのが、特に焼結体の低誘電率化や高熱膨張率化の点で有利である。尚、本発明において、クォーツの結晶構造の一部が変位したＳｉＯ２系結晶を焼結体中に生成させるには、以下に詳述する様に、フィラーとしてアルカリ土類金属酸化物成分を含有する結晶性無機粉末を使用し、この成分をクォーツ中に固溶させることが必要である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（ガラス成分）
本発明の低温焼成セラミックスの製造に用いるガラス成分としては、ホウケイ酸亜鉛系ガラスやホウケイ酸鉛ガラスなど、従来から公知のガラスを何れも使用できる。しかし、焼結体の高熱膨張化の点で、４０〜４００℃における熱膨張係数が６〜１８ｐｐｍ／℃のガラス、例えばリチウム珪酸系ガラス、ＰｂＯ系ガラス、ＢａＯ系ガラス、ＺｎＯ系ガラス等が好適に使用される。なお、上記ガラス成分の熱膨張係数は、結晶化ガラスの場合には、焼成温度で熱処理した後の熱膨張係数を指すものであり、線熱膨張係数を意味する。また、用いるガラスは、成形に用いる有機バインダーを効率よく除去し且つ銅等の金属との同時焼結性を高めるために、屈伏点が４００乃至８００℃、特に４００乃至６５０℃の範囲に調整されていることが好ましい。
【００１５】
リチウム珪酸系ガラスとしては、Ｌｉ2 Ｏを５〜３０重量％、特に５〜２０重量％の割合で含有するものが好ましく、このリチウム珪酸系ガラスを用いた場合には、焼成後に高熱膨張係数を有するリチウム珪酸を析出させることができる。また、上記のリチウム珪酸ガラスは、Ｌｉ2 Ｏ以外にＳｉＯ2 を必須の成分として含むが、ＳｉＯ2 がガラス全量中６０〜８５重量％の割合で存在し、且つＳｉＯ2 とＬｉ2 Ｏとの合計量がガラス全量中６５〜９５重量％であることがリチウム珪酸結晶を析出させる上で望ましい。また、上記成分以外に、Ａｌ2 Ｏ3 、ＭｇＯ、ＴｉＯ2 、Ｂ2 Ｏ3 、Ｎａ2 Ｏ、Ｋ2 Ｏ、Ｐ2 Ｏ5 、ＺｎＯ、Ｆ等を含有していてもよい。但し、Ｂ2 Ｏ3 含量は１重量％以下であることが望ましい。
【００１６】
ＰｂＯ系ガラスは、ＰｂＯを主成分とし、さらにＢ2 Ｏ3 及びＳｉＯ2 のうちの少なくとも１種を含有するガラス粉末であり、特に焼成によりＰｂＳｉＯ3 、ＰｂＺｎＳｉＯ4 等の高熱膨張の結晶相が析出するものが好適に使用される。特に、ＰｂＯ（６５〜８５重量％）−Ｂ2 Ｏ3 （５〜１５重量％）−ＺｎＯ（６〜２０重量％）−ＳｉＯ2 （０．５〜５重量％）−ＢａＯ（０〜５重量％）の組成を有する結晶性ガラスや、ＰｂＯ（５０〜６０重量％）−ＳｉＯ2（３５〜５０重量％）−Ａｌ2 Ｏ3 （１〜９重量％）の組成を有する結晶性ガラスが好適である。
【００１７】
ＺｎＯ系ガラスは、ＺｎＯを１０重量％以上含有するガラスであり、例えば、ＺｎＯ以外の成分として、ＳｉＯ2 （６０重量％以下）、Ａｌ2 Ｏ3 （６０重量％以下）、Ｂ2Ｏ3（３０重量％以下）、Ｐ2Ｏ5（５０重量％以下）、アルカリ土類酸化物（２０重量％以下）、Ｂｉ2Ｏ3 （３０重量％以下）等の少なくとも１種を含み得る。
特に焼成によって、ＺｎＯ・Ａｌ2 Ｏ3 ・ＳｉＯ2 ・ｎＢ2 Ｏ3 等の高熱膨張係数の結晶相を析出し得るものが好適であり、例えば、ＺｎＯ（１０〜５０重量％）−Ａｌ2 Ｏ3 （１０〜３０重量％）−ＳｉＯ2 （３０〜６０重量％）の組成を有する結晶性ガラスやＺｎＯ（１０〜５０重量％）−ＳｉＯ2 （５〜４０重量％）−Ａｌ2 Ｏ3 （０〜１５重量％）−ＢａＯ（０〜６０重量％）−ＭｇＯ（０〜３５重量％）の組成を有する結晶性ガラスが好適である。
【００１８】
ＢａＯ系ガラスは、ＢａＯを１０重量％以上含有するものであり、ＢａＯ以外の成分として、Ａｌ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 、Ｂ2 Ｏ3 、Ｐ2 Ｏ5 、アルカリ土類酸化物、アルカリ金属酸化物等を含んでいてよい。
特に、焼成によりＢａＡｌ2 Ｓｉ2 Ｏ3 、ＢａＳｉ2 Ｏ3 、ＢａＢ2 Ｓｉ2 Ｏ3 などの結晶相が析出するものが好適である。
【００１９】
（フィラー）
本発明において、ＳｉＯ２系フィラーとしては、特にクォーツ（石英）の使用が必須不可欠である。かかるＳｉＯ２系フィラーは、焼結体中のＳｉＯ2 系結晶の存在割合が前述した範囲（焼結体当り５乃至７５体積％）となるような量で使用する。
【００２０】
また本発明では、焼結体内のクォーツの結晶変位を生じさせるために、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ等のアルカリ土類金属酸化物成分を含有する結晶性無機粉末から成るセラミックフィラーを上記のクォーツと組み合わせて使用する。このようなセラミックフィラーとしては、例えば、マグネシア（ＭｇＯ）、フォルステライト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ２）、スピネル（ＭｇＯ・Ａｌ２Ｏ３）、ウォラストナイト（ＣａＯ・ＳｉＯ２）、モンティセラナイト（ＣａＯ・ＭｇＯ・ＳｉＯ２）、ジオプサイド（ＣａＯ・ＭｇＯ・２ＳｉＯ２）、メルビナイト（２ＣａＯ・ＭｇＯ・２ＳｉＯ２）、アケルマイト（２ＣａＯ・ＭｇＯ・２ＳｉＯ２）、エンスタタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ２）、ホウ酸マグネシウム（２ＭｇＯ・Ｂ２Ｏ３）、セルシアン（ＢａＯ・Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）、Ｂ２Ｏ３・２ＭｇＯ・２ＳｉＯ２等を例示することができる。中でも好ましいのは、ＭｇＯ含有フィラーであり、最も好適には、マグネシア、フォルステライト及びエンスタタイトである。
【００２１】
即ち、本発明では、これらのフィラー中に含まれるアルカリ土類金属酸化物成分をクォーツに固溶させることにより、前述した結晶の変位を生じさせることができる。これらのアルカリ土類金属酸化物含有のセラミックフィラーは、クォーツの結晶変位が有効に行われる限り特に制限はないが、一般的には、アルカリ土類金属酸化物換算で、ＳｉＯ２系フィラー１００重量部当り１重量部以上使用するのがよい。また、これらのセラミックフィラーは、４０〜４００℃における熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上であるので、その使用量を適宜調節して、得られる焼結体の４０〜４００℃における熱膨張係数を８〜１８ｐｐｍ／℃の範囲に設定することが好ましい。即ち、焼結体の熱膨張係数がこの範囲にあると、これを配線基板の絶縁基板として用いた場合、配線基板を外部電気回路基板に実装する際のミスマッチを有効に防止することができる。
【００２２】
尚、上記の様なアルカリ土類金属酸化物成分は、ガラス成分中にも含まれていることがあるが、ガラス成分中に含まれるアルカリ土類金属酸化物成分は、前述した結晶の変位には全く寄与しない（後述する実施例１の試料Ｎｏ．９の実験結果参照）。この理由は明確ではないが、ガラス成分中のアルカリ土類金属酸化物は、フィラーであるクォーツと反応しにくい状態で存在しているのではないかと思われる。
【００２３】
本発明においては、前述した各種フィラーの合計量を１０〜９０体積％（残量はガラス成分）、特に２０〜８０体積％の範囲とするのが好ましいが、フィラーの合計量がこの範囲内である限り、上述したＳｉＯ2 系フィラーやセラミックフィラー以外のフィラーも使用することができる。
この様な他のフィラーとしては、例えばトリジマイト等の結晶無機粉末を使用することができるが、これ以外にも、
ＺｒＯ2 、ペタライト（ＬｉＡｌＳｉ4 Ｏ10）、
ネフェリン（Ｎａ2 Ｏ・Ａｌ2 Ｏ3 ・ＳｉＯ2 ）、
リチウムシリケート（Ｌｉ2 Ｏ・ＳｉＯ2 ）、
カーネギアイト（Ｎａ2 Ｏ・Ａｌ2 Ｏ3 ・２ＳｉＯ2 ）、
ガーナイト（ＺｎＯ・Ａｌ2 Ｏ3)、ＣａＴｉＯ3 、ＢａＴｉＯ3 、
ＳｒＴｉＯ3 、ＴｉＯ2 等
のセラミックフィラーを使用することができる。ここに例示したセラミックフィラーも、先に例示したものと同様、４０〜４００℃における熱膨張係数が６ppm ／℃以上であるので、得られる焼結体の４０〜４００℃における熱膨張係数を８〜１８ｐｐｍ／℃の範囲に設定する上で有利に使用される。
【００２４】
（低温焼成セラミックスの製造）
本発明の低温焼成セラミックスを製造するにあたっては、先ず上述したガラス成分とフィラー成分との混合物に対して、適当な有機バインダーを添加し、目的とする形状に成形する。ガラス成分及びフィラー成分は、通常、平均粒径が１０μm 以下の粉末の形で使用される。成形手段としては、金型プレス、冷間静水圧プレス、射出成形、押出し成形、ドクターブレード法、カレンダーロール法、圧延法等の公知の方法を採用することができる。
【００２５】
次いで、成形体から有機バインダーを除去する。このバインダーの除去は、通常、７００℃前後の大気または窒素雰囲気中で行われる。また配線導体（メタライズペースト）としてＣｕを用いて同時焼成を行う場合には、水蒸気を含有する１００〜７００℃の窒素雰囲気中でバインダーの除去を行うのがよい。また、バインダーの除去を有効に行うためには、成形体の収縮開始温度が７００〜８５０℃程度になるようにしておくことが望ましい。このような範囲に収縮開始温度を調整するには、屈伏点が前述した範囲（４００乃至８００℃、特に４００乃至 ６５０℃）にあるガラスを用いるのがよい。
【００２６】
成形体から有機バインダーを除去した後、焼成を行うが、本発明では、クォーツの結晶変位を生じさせるために、焼成に先立って或いは焼成温度までの昇温過程で、アルカリ土類金属酸化物の固溶処理を行う。この固溶処理は、ＭｇＯ等のアルカリ土類金属酸化物が固溶する温度、具体的には８３０〜９００℃の温度に上記成形物を一定時間（０．５乃至５時間程度）保持することによって行われる。
【００２７】
焼成は、８５０℃以上の酸化性雰囲気または非酸化性雰囲気中で行われ、これにより相対密度９０％以上に緻密化された焼結体を得ることができる。またＣｕやＡｇなどのメタライズ配線層を同時焼成して配線基板を作製する場合には、焼成を非酸化性雰囲気で行うと共に、焼成温度を１０５０℃以下とすべきである。１０５０℃を越えると、形成すべきメタライズ配線層が溶融してしまうからである。
【００２８】
このようにして作製された本発明の焼結体中には、前述したクォーツが変位したＳｉＯ２系結晶が生成しており、該焼結体の熱膨張曲線は、クォーツに特有の熱膨張が急激に変化する変曲点が消失している。例えば、この熱膨張曲線について、０℃から１０００℃の温度領域で、下記式（１）にしたがって熱膨張の変化率を算出すると、この変化率は１ｐｐｍ／℃以下となり、熱膨張が急激に変化する変曲点が存在していないことが判る。
熱膨張変化率＝｜ＴＣＥ(t〜t+50)−ＴＣＥ(t＋50〜t＋100)｜ …（１）
式中、ＴＣＥ(t〜t+50)は、ｔ〜ｔ＋５０℃での熱膨張係数であり、
ＴＣＥ(t＋50〜t＋100)は、ｔ＋５０〜ｔ＋１００℃での熱膨張係数
である。
【００２９】
また、本発明の焼結体には、上記のＳｉＯ2 系結晶以外に、ガラス成分から生成した結晶相、ガラス成分とフィラー成分との反応により生成した結晶相、あるいはフィラー成分、あるいはフィラー成分が分解して生成した結晶相等が存在していてもよく、これらの結晶相の粒界にはガラス相が存在する場合もある。
本発明の焼結体は、誘電率が６以下であることが望ましく、さらには、４０〜４００℃における熱膨張係数が８〜１８ｐｐｍ／℃とするのがよい。かかる焼結体は、配線基板に用いられる絶縁基板として有用であり、低温焼成が可能であることから、ＣｕやＡｇ等の低融点金属から成るメタライズ配線層を同時焼成により形成して配線基板を作製することができる。また、このような配線基板は、半導体素子等が収容されたパッケージとして、ＰＣボードなどの外部電気回路基板へ実装した場合、実装時の加熱によって急激に熱膨張することがないため、接続不良を有効に防止できる。また、外部電気回路基板との熱膨張差に起因する熱応力が有効に抑制されているため、長期間にわたって安定な電気接続状態を確保することができる。
【００３０】
（実装構造）
図２は、本発明の低温焼成セラミックスを絶縁基板として備えた半導体素子収納用パッケージの実装構造の一例を示す図であり、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）型パッケージの例である。図中、Ａは半導体素子収納用パッケージ、Ｂは外部電気回路基板である。
【００３１】
図２において、半導体素子収納用パッケージＡは、前述した本発明の低温焼成セラミックスから形成された絶縁基板１と、蓋体２と、メタライズ配線層３と、接続端子４とを備えており、絶縁基板１の上面にはキャビティ６が形成されている。半導体素子５は、キャビティ６内に収容され、接着剤によって絶縁基板１に固定され、キャビティ６内は蓋体２によって気密に保たれている。
絶縁基板１に形成されているメタライズ配線層３は、ワイヤボンディング等によって半導体素子５に接続されていると共に、絶縁基板１の下面には多数の接続端子４が設けられており、メタライズ配線層３は、これらの接続端子４にも接続されている。
この接続端子４は、電極パッド７を備えており、この電極パッド７には、半田（錫ー鉛合金）などのロウ材からなる突起状端子８が取り付けられている。
一方、外部電気回路基板Ｂは一般的なプリント基板であり、ガラスーエポキシ樹脂等の有機樹脂を含む複合材料などから成る絶縁体９を有しており、絶縁体９の表面には、配線層１０が固定されている。この配線層１０は、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｐｂ−Ｓｎなどの金属乃至合金から形成されている。
【００３２】
半導体素子収納用パッケージＡを外部電気回路基板Ｂに実装するには、パッケージＡの接続端子４の突起状端子８を外部電気回路基板Ｂの配線層１０上に載置当接させ、しかる後、約２５０乃至４００℃の温度で加熱することにより行われる。これにより、半田などのロウ材からなる突起状端子８自体が溶融し、電極パッド７と配線層１０とが接合するわけである。従って、この接合を確実に行うために、外部電気回路基板Ｂの配線層１０の表面にはロウ材を付着させておくことが望ましい。
【００３３】
かかる実装構造においては、パッケージＡの絶縁基板１が前述した低温焼成セラミックから形成されており、外部電気回路基板Ｂの絶縁体９との熱膨張係数差が小さく、しかも熱膨張が著しく上昇する温度領域も有していない。従って、実装時におけるパッケージＡと外部電気回路基板Ｂとのミスマッチが有効に抑制され、接続不良の発生が有効に防止される。また、環境温度の変化を生じても回路の断線等を生じることがなく、長期間にわたって信頼性の高い電気接続状態が保持されるわけである。
【００３４】
図３には、パッケージＡの接続端子４の他の例を示す部分拡大図である。この例では、接続端子４の電極パッド７に、球状端子１１が低融点ロウ材１２によりロウ付けされている。球状端子１１は、低融点ロウ材１２よりも高融点の材料から形成されている。
例えば、低融点ロウ材１２として、Ｐｂ（４０重量％）−Ｓｎ（６０重量％）の組成を有する低融点半田を用いた場合には、球状端子１１は、Ｐｂ（９０重量％）−Ｓｎ（１０重量％）の組成を有する高融点半田やＣｕ，Ａｇ，Ｎｉ，Ａｌ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｆｅなどの金属により構成される。
このような構造の接続端子４を用いての実装は、パッケージＡの電極パッド７に取着されている球状端子１１を、外部電気回路基板Ｂの配線層１０に載置当接させ、次いで加熱を行って、ロウ材１３により球状端子１１を配線層１０に接合させることにより行われる。この場合、球状端子１１の形状を柱状とすることもできる。また、ロウ材１２或いはロウ材１３の材質は特に制限されず、例えば、Ａｕ−Ｓｎ合金を用いることもできる。
【００３５】
【実施例】
実施例１
ガラス粉末とフィラーとを混合し、この混合物をさらに粉砕した後、有機バインダーを添加して、十分に混合した後、得られた混合物を１軸プレス法により、3.５×１５ｍｍの形状の成形体に成形した。用いたガラス及びフィラーの種類、混合割合は、表１に示した。
この成形体を７００℃のＮ2 ＋Ｈ2 Ｏ雰囲気中で脱バインダー処理した後に、８８０℃で１時間保持した後、大気中、表１に示す温度で１時間焼成した。
得られた焼結体について、次の分析及び特性評価を行い、その結果を表２に示した。
【００３６】
−結晶相の同定−
得られた焼結体に対して、Ｃｕのターゲットを用いてＸ線回折測定を行い、結晶相の同定を行った。また、Ｘ線チャートから１０１面のピークのシフト幅（度）を測定した。シフト幅の基準として、クオーツの１０１面は２θ＝２６．６４度、クリストバライトの１０１面は２θ＝２１．９３度とした。
【００３７】
−熱膨張特性−
焼結体の４０〜４００℃の熱膨張係数を測定し、また０〜１０００℃での熱膨張曲線において変曲点の有無を確認した。試料Ｎｏ．１，２，５，６のサンプルについては、その熱膨張曲線を図１に示した。
尚、変曲点の有無は、前記式（１）の値が１ｐｐｍ／℃を超える部分が有る場合を変曲点が有りとし、そうでない場合を変曲点が無しと認定した。
【００３８】
−誘電特性−
焼結体を直径６０ｍｍ、厚さ２ｍｍに加工し、ＪＩＳ−Ｃ−２１４１の手法で誘電率を求めた。測定はＬＣＲメータ（Ｙ．Ｈ．Ｐ４２８４Ａ）を用いて行い、１ＭＨｚ，1.０Ｖｒｓｍの条件で２５℃における静電容量を測定し、この静電容量から２５℃における誘電率を測定した。
【００３９】
−実装時の熱サイクル特性−
前述した焼結体を作製した時と全く同じガラス粉末とフィラーとの混合物を用いて、ドクターブレード法により厚み２５０μｍのグリーンシートを作製し、このシート表面にＣｕメタライズペーストをスクリーン印刷法に基づき塗布した。また、グリーンシートの所定箇所にスルーホールを形成しその中にもＣｕメタライズペーストを充填した。そして、メタライズペーストが塗布されたグリーンシートをスルーホールの位置に合わせを行いながら６枚積層し圧着した。
この積層体を７００℃でＮ2 ＋Ｈ2 Ｏ中で脱バインダーした後、先と同様に、８８０℃で１時間保持した後、同じ条件下で焼成を行い、メタライズ配線層と積層体とが同時焼成された配線基板を作製した。
得られた配線基板下面の電極パッドに、Ｐｂ９０重量％、Ｓｎ１０重量％からなる球状半田ボールを低融点半田（Ｐｂ３７％−Ｓｎ６３％）を用いて固定することにより、接続端子を形成した。なお、接続端子は、１ｃｍ2 当たり３０個の密度で配線基板の下面全体に形成した。
この配線基板を、ガラス−エポキシ製の絶縁基板（４０〜８００℃の熱膨張係数：１３ｐｐｍ／℃）の表面に銅箔からなる配線導体を有するプリント基板表面に実装し、試験サンプルとした。実装は、プリント基板上の配線導体と配線基板の球状端子とを位置合わせし、低融点半田によって接続することにより行った。
【００４０】
この試験サンプルを、大気の雰囲気にて−４０℃と１２５℃の各温度に制御した恒温槽に、それぞれ１５分ずつ交互に放置し、１５分／１５分の保持を１サイクルとし、１０００サイクル繰り返した。このような１０００サイクルの熱履歴を行った後、プリント基板の配線導体とパッケージ用配線基板との電気抵抗を測定し、熱履歴開始前の電気抵抗と差のないものをＯＫ、大きな差があったものをＮＧとして評価した。
【００４１】
【表１】
【表２】
尚、表２中、結晶相の欄における各符号の意味は以下の通りである。
ＬＳ：リチウムシリケート
Ｑ： クオーツ
Ｅ： エンスタタイト
Ｃ： クリストバライト
Ｐ： ペタライト
Ｇ： ガーナイト
また、上記の実施例中、試料Ｎｏ．５、１０、１４、１９は、変位したクリストバライト結晶を析出させた参考例である。
【００４４】
表１及び２より明らかなように、ＭｇＯを含有するフィラーを用いていない試料Ｎｏ．１，４，６，７，９，１２，１５，１７ではいずれも熱膨張曲線において変曲点が存在しており、熱サイクル試験において耐久性に劣るものであった。
これに対して、ＭｇＯを含有するフィラーがＳｉＯ2 フィラーと共に使用されている本発明の試料は、いずれもクオーツ又はクリストバライト結晶の１０１面に０．０５度以上の変位が確認され、熱膨張曲線においても変曲点が存在せず、熱サイクル試験においても優れた特性を示した。
【００４５】
【発明の効果】
本発明の低温焼成セラミックスは、クォーツを含む焼結体に特有の温度変化による急激な熱膨張変化が消失しているという特性を有している。従って、このセラミックスを電子機器等の低誘電率の配線基板の絶縁基板として用いた場合、半導体素子や外部電気回路基板を実装する際の加熱によって急激に熱膨張することがないため、接続不良を有効に防止できる。また、外部電気回路基板との熱膨張差に起因する熱応力が有効に抑制されているため、長期間にわたって安定な電気接続状態を確保することができる。
また、本発明の低温焼成セラミックスは、比較的安価なＳｉＯ２系フィラーを用いて製造されるため、製造コストが安価であるという利点を有していると共に、低温で焼成できるため、Ａｇ，Ｃｕ等の金属を用いたメタライズ配線層を同時焼成により形成できる点でも有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の低温焼成セラミックス（実施例１の試料Ｎｏ．２，５）及び従来公知の低温焼成セラミックス（実施例１の試料Ｎｏ．１，６）の熱膨張曲線を示す図。
【図２】本発明のボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）型半導体素子収納用パッケージの実装構造を説明するための断面図。
【図３】図２に示すパッケージに用いられる接続端子の他の例を示す要部拡大断面図。
【符号の説明】
１：絶縁基板
２：蓋体
３：メタライズ配線層
４：接続端子
５：半導体素子
６：キャビティ
７：電極パッド
８：突起状端子
９：絶縁体
１０：配線層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a low-temperature fired ceramic that can be fired simultaneously with a metallized wiring layer made of a metal such as Cu or Ag, and more particularly to a low-temperature fired ceramic in which a rapid change in thermal expansion is suppressed. The present invention also relates to a mounting structure of a wiring board or a semiconductor storage package using the low-temperature fired ceramic.
[0002]
[Prior art]
In general, a wiring board has a structure in which a metallized wiring layer is disposed on the surface or inside of an insulating substrate. A typical example of such a wiring board is a package for housing a semiconductor element, particularly a package for housing a semiconductor integrated circuit element such as an LSI (Large Scale Integrated Circuit Element). In such a package, generally, a recess for housing a semiconductor element is formed on the surface of an insulating substrate made of alumina ceramics, and the surface and the inside of the insulating substrate are made of a refractory metal such as tungsten or molybdenum. A plurality of metallized wiring layers made of powder are provided, and these wiring layers are electrically connected to the semiconductor elements housed in the recesses. Furthermore, a connection terminal for electrically connecting to an external electric circuit board is provided on the lower surface or side surface of the insulating substrate, and this connection terminal is electrically connected to the metallized wiring layer. That is, by mounting the connection terminal to a wiring conductor formed on the surface of the external electric circuit board by soldering using solder or the like, the package for housing the semiconductor element is mounted.
[0003]
By the way, as the degree of integration of semiconductor elements increases, the number of electrodes formed on the semiconductor elements increases, and thus the number of connection terminals provided on the package also increases. As the number of electrodes increases, it is necessary to increase the size of the package itself. However, since the size of the package is required, the number of connection terminals per package is increased (that is, the density of connection terminals). Is also required).
[0004]
As a connection terminal of a conventional package for housing semiconductor elements, a pin grid array (PGA) in which metal pins such as kovar are connected to the lower surface of the package is the most common. The surface mount type package includes a quad flat package (QFP) formed by brazing an L-shaped metal member to a metallized wiring layer led out to the side surface of the package, and electrode pads on four side surfaces of the package. In addition, there are leadless chip carriers (LCC) that do not have lead pins, and there are also ball grid arrays (BGA) in which spherical terminals made of brazing material such as solder are provided on the lower surface of the insulating substrate. Therefore, it is said that the BGA can achieve the highest density of connection terminals.
In this BGA, the spherical terminal is brazed to the connection pad, the spherical terminal is placed on and abutted on the wiring conductor of the external electric circuit board, and in this state, the spherical terminal is at a temperature of about 250 to 400 ° C. BGA is mounted on an external electric circuit board by heating and melting and bonding to a wiring conductor. With such a mounting structure, each electrode of the semiconductor element housed in the package is electrically connected to the external electric circuit board through the metallized wiring layer and the connection terminal.
[0005]
As the insulating substrate used in the above-described package, a ceramic substrate such as alumina or mullite has been conventionally used. This ceramic insulating substrate has a high strength of 200 MPa or more and has an advantage that it can be effectively multilayered with a metallized wiring layer or the like. However, since ceramics such as alumina and mullite have a high firing temperature of 1500 ° C. or higher, an insulating substrate made of such ceramics uses a metal such as Cu or Ag, which has a low conductor resistance and is relatively inexpensive, for the wiring layer. There was a drawback that it was not possible.
Accordingly, various insulating materials made of a sintered body such as glass ceramics that can be fired at a low temperature and can use a metal such as Cu or Ag as a wiring layer have been proposed (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 50-198114). Insulators, Japanese Patent Publication No. 58-176651, Japanese Patent Publication No. 3-59029, Japanese Patent Publication No. 3-37758, etc.), these insulating materials are actually used.
[0006]
Such a prior art insulating material is obtained by firing a mixture of a glass component and a filler at a low temperature, and has an advantage that a dielectric constant can be lowered as compared with alumina or the like. For example, inexpensive SiO as filler2If a crystal such as quartz or cristobalite is contained in the sintered body by using this, not only cost reduction but also low dielectric constant can be achieved. This is because these crystals have a low dielectric constant of 5 or less. In addition, crystals such as quartz and cristobalite have a large coefficient of thermal expansion. Therefore, it becomes possible to control the thermal expansion coefficient of the sintered body by adjusting the addition amount. For example, when mounting an insulating substrate made of such a sintered body on an external electric circuit board such as a PC board, This is extremely advantageous in eliminating a mismatch between the thermal expansion coefficients of the two.
[0007]
However, the thermal expansion curve of a sintered body containing crystals such as quartz and cristobalite has an inflection point at which the coefficient of thermal expansion increases rapidly at a temperature peculiar to these crystals. Therefore, when the sintered body is cracked when the temperature is lowered after firing, when such a sintered body is used as an insulating substrate of various wiring boards, rapid volume expansion occurs due to temperature change during use, As a result, there is a problem that a contact failure of the circuit occurs or a connection failure occurs when mounting on an external electric circuit board or the like.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, the object of the present invention is toSiO 2 FillerAn object of the present invention is to provide a low-temperature fired ceramic having a characteristic in which the thermal expansion characteristic disappears such that the thermal expansion rapidly changes in a specific temperature range.
Another object of the present invention is to provide a wiring board having the low-temperature fired ceramic as an insulating substrate and a mounting structure for a semiconductor storage package using the wiring board.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
According to the invention, glass and SiO2Consisting of a sintered body obtained by firing a mixture with a system filler,Quartz having an X-ray diffraction image in which the peak on the 101 plane is shifted to the low angle side by at least 0.05 degrees (2θ)There is provided a low-temperature fired ceramic characterized in that
Further, according to the present invention, there is provided a wiring board in which a metallized wiring layer is disposed on the surface or inside of the insulating board, wherein the insulating board is formed from the low-temperature fired ceramic.
According to the present invention, there is further provided a semiconductor storage package formed by joining a semiconductor storage package having a wiring substrate having a metallized wiring layer disposed on the surface or inside of the insulating substrate, on an external electric circuit substrate via a connection terminal. In this mounting structure, there is provided a mounting structure in which the insulating substrate is formed from the low-temperature fired ceramic.
[0010]
Particularly important features of the low-temperature fired ceramics of the present invention are:Quartz with spacing of specific lattice planes displacedIs the point that exists. That is,This crystal retains the crystal structure of quartz,The 101 plane X-ray diffraction peak isCompared to regular quartzIt is shifted to the low angle side by 0.05 degrees (2θ) or more. According to the present invention,Quartz crystal structureBy partially changingQuartz specificA rapid change in thermal expansion can be suppressed.
[0011]
Please refer to FIG. A curve A in FIG. 1 shows a thermal expansion curve of a sintered body (sample No. 1 in Example 1 described later) containing quartz (101 plane peak, 2θ = 26.65 degrees) as a crystal. Is. This curve A has an inflection point between 400 and 600 ° C., and it can be seen that the coefficient of thermal expansion changes rapidly in this temperature region. Curve B shows the thermal expansion curve of a sintered body (sample No. 6 in Example 1) containing cristobalite (101-plane peak, 2θ = 21.93 degrees) as a crystal. This curve B has an inflection point between 200 and 250 ° C. On the other hand, curve C in FIG. 1 is an example of the present invention.SiO 2 A thermal expansion coefficient curve of a sintered body (sample No. 2 of Example 1) containing quartz having a crystal structure in which the 101-plane peak is shifted to the low angle side of 0.20 degrees (2θ) as a system crystal is shown.As shown by this curve C, the thermal expansion curve of the sintered body of the present invention is substantially straight, does not have an inflection point as shown by curves A and B, It can be seen that there is no region where the expansion coefficient changes rapidly.
[0012]
Like thisQuartz with a structure in which the X-ray diffraction peak of the 101 plane is shifted to the low angle side by 0.05 degrees (2θ) or moreThe sintered body of the present invention containingTo quartzIt does not have a region where the specific coefficient of thermal expansion changes abruptly. Therefore, when used as an insulating substrate in a wiring board, circuit contact failure due to temperature changes or connection when mounting to an external electric circuit board Defects can be effectively prevented.
[0013]
In the present invention, the above-mentioned SiO.2The degree of displacement of the 101 plane peak of the system crystal (the degree of shift to the low angle side) is 0.05 degrees (2θ) or more,QuartzAs long as the basic crystal structure is maintained, the upper limit value is not particularly limited, but is usually 0.5 degrees (2θ) or less.
In addition, the SiO in the sintered body2The proportion of the system crystal in the range of 5 to 75% by volume is particularly advantageous in terms of lowering the dielectric constant and increasing the thermal expansion coefficient of the sintered body. In the present invention,QuartzSiO in which part of the crystal structure is displaced2In order to form a system crystal in a sintered body, as described in detail below, a crystalline inorganic powder containing an alkaline earth metal oxide component is used as a filler.quartzIt is necessary to dissolve in.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Glass component)
Any conventionally known glass such as zinc borosilicate glass or lead borosilicate glass can be used as the glass component used for producing the low-temperature fired ceramic of the present invention. However, a glass having a thermal expansion coefficient of 6 to 18 ppm / ° C. at 40 to 400 ° C., for example, lithium silicate glass, PbO glass, BaO glass, ZnO glass or the like is preferable in terms of increasing the thermal expansion of the sintered body. Used for. In addition, the thermal expansion coefficient of the said glass component points out the thermal expansion coefficient after heat-processing at a calcination temperature in the case of crystallized glass, and means a linear thermal expansion coefficient. Further, the glass used is adjusted to a yield point of 400 to 800 ° C., particularly 400 to 650 ° C. in order to efficiently remove the organic binder used for molding and to enhance the co-sinterability with a metal such as copper. It is preferable.
[0015]
Lithium silicate glass includes Li2What contains 5 to 30 weight%, especially 5 to 20 weight% of O is preferable, and when this lithium silicate type glass is used, lithium silicate which has a high thermal expansion coefficient can be deposited after baking. . The above lithium silicate glass is Li2In addition to O, SiO2Is contained as an essential component, but SiO2Is present in a proportion of 60 to 85% by weight in the total amount of glass, and SiO2And Li2The total amount of O is preferably 65 to 95% by weight based on the total amount of glass in order to precipitate lithium silicate crystals. In addition to the above components, Al2OThree, MgO, TiO2, B2OThree, Na2O, K2O, P2OFive, ZnO, F and the like may be contained. However, B2OThreeThe content is desirably 1% by weight or less.
[0016]
PbO-based glass contains PbO as the main component and B2OThreeAnd SiO2A glass powder containing at least one of PbSiO, especially by firingThree, PbZnSiOFourThose in which a crystal phase having a high thermal expansion, such as, is precipitated are preferably used. In particular, PbO (65 to 85% by weight) -B2OThree(5-15 wt%)-ZnO (6-20 wt%)-SiO2Crystalline glass having a composition of (0.5 to 5% by weight) -BaO (0 to 5% by weight), PbO (50 to 60% by weight) -SiO2(35-50% by weight) -Al2OThreeCrystalline glass having a composition of (1 to 9% by weight) is preferred.
[0017]
The ZnO-based glass is a glass containing 10% by weight or more of ZnO. For example, as a component other than ZnO, SiO2(60 wt% or less), Al2OThree(60 wt% or less), B2OThree(30 wt% or less), P2OFive(50 wt% or less), alkaline earth oxide (20 wt% or less), Bi2OThree(30 wt% or less) and the like.
Especially by firing, ZnO · Al2OThree・ SiO2・ NB2OThreeThose capable of precipitating a crystal phase having a high thermal expansion coefficient such as ZnO (10 to 50% by weight) -Al are suitable.2OThree(10-30% by weight) -SiO2Crystalline glass having a composition of (30 to 60% by weight) or ZnO (10 to 50% by weight) -SiO2(5-40% by weight) -Al2OThreeA crystalline glass having a composition of (0 to 15% by weight) -BaO (0 to 60% by weight) -MgO (0 to 35% by weight) is preferable.
[0018]
BaO-based glass contains 10% by weight or more of BaO, and as a component other than BaO, Al2OThree, SiO2, B2OThree, P2OFiveIn addition, alkaline earth oxides, alkali metal oxides, and the like may be included.
In particular, BaAl2Si2OThree, BaSi2OThree, BaB2Si2OThreeThose in which a crystal phase such as the above precipitates are suitable.
[0019]
(Filler)
In the present invention, SiO2As a system filler, especiallyThe use of quartz is essential.Such SiO2System filler is SiO in the sintered body2It is used in such an amount that the proportion of the system crystal is within the above-mentioned range (5 to 75% by volume per sintered body).
[0020]
In the present invention, the inside of the sintered bodyQuartzIn order to cause crystal displacement, a ceramic filler comprising a crystalline inorganic powder containing an alkaline earth metal oxide component such as MgO, CaO, SrO, BaO or the like is used.With quartzUse in combination. Examples of such ceramic filler include magnesia (MgO) and forsterite (2MgO.SiO2).2), Spinel (MgO · Al2O3), Wollastonite (CaO.SiO)2), Monticeranite (CaO / MgO / SiO)2), Diopside (CaO · MgO · 2SiO2), Melvinite (2CaO · MgO · 2SiO2), Achelite (2CaO · MgO · 2SiO2), Enstatite (MgO · SiO2), Magnesium borate (2MgO · B2O3), Celsian (BaO · Al2O3・ 2SiO2), B2O3・ 2MgO ・ 2SiO2Etc. can be illustrated. Among these, MgO-containing fillers are preferable, and magnesia, forsterite, and enstatite are most preferable.
[0021]
That is, in the present invention, the alkaline earth metal oxide component contained in these fillers is reduced.To quartzThe solid displacement can cause the above-described crystal displacement. These alkaline earth metal oxide-containing ceramic fillers are:QuartzAlthough there is no particular limitation as long as the crystal displacement is effectively performed, generally, in terms of alkaline earth metal oxide, SiO2It is preferable to use 1 part by weight or more per 100 parts by weight of the system filler. Moreover, since these ceramic fillers have a thermal expansion coefficient at 40 to 400 ° C. of 6 ppm / ° C. or higher, the amount of use thereof is adjusted as appropriate, and the resulting sintered body has a thermal expansion coefficient at 40 to 400 ° C. of 8 It is preferable to set in the range of ˜18 ppm / ° C. That is, when the thermal expansion coefficient of the sintered body is within this range, when this is used as an insulating substrate of a wiring board, mismatch when the wiring board is mounted on an external electric circuit board can be effectively prevented.
[0022]
The alkaline earth metal oxide component as described above may be contained in the glass component, but the alkaline earth metal oxide component contained in the glass component is caused by the above-described crystal displacement. Does not contribute at all (see the experimental results of Sample No. 9 of Example 1 described later). The reason for this is not clear, but the alkaline earth metal oxide in the glass component is a filler.With quartzIt seems to exist in a state that is difficult to react.
[0023]
In the present invention, the total amount of the various fillers described above is preferably in the range of 10 to 90% by volume (the remaining amount is a glass component), particularly 20 to 80% by volume, but the total amount of filler is within this range. As long as there is SiO2Fillers other than system fillers and ceramic fillers can also be used.
As such other fillers, for example, crystalline inorganic powder such as tridymite can be used, but besides this,
ZrO2Petalite (LiAlSiFourOTen),
Nepheline (Na2O ・ Al2OThree・ SiO2),
Lithium silicate (Li2O ・ SiO2),
Carnegiaite (Na2O ・ Al2OThree・ 2SiO2),
Garnite (ZnO · Al2OThree), CaTiOThree, BaTiOThree,
SrTiOThreeTiO2etc
The ceramic filler can be used. The ceramic filler exemplified here also has a thermal expansion coefficient at 40 to 400 ° C. of 6 ppm / ° C. or more, as in the case of the above example. It is advantageously used for setting the range of 18 ppm / ° C.
[0024]
(Manufacture of low-temperature fired ceramics)
In producing the low-temperature fired ceramic according to the present invention, first, an appropriate organic binder is added to the mixture of the glass component and the filler component described above, and the desired shape is formed. The glass component and filler component are usually used in the form of powder having an average particle size of 10 μm or less. As the molding means, known methods such as a die press, cold isostatic pressing, injection molding, extrusion molding, doctor blade method, calendar roll method, rolling method and the like can be employed.
[0025]
Next, the organic binder is removed from the molded body. The removal of the binder is usually performed in an air atmosphere or a nitrogen atmosphere around 700 ° C. Moreover, when performing simultaneous baking using Cu as a wiring conductor (metallized paste), it is good to remove a binder in 100-700 degreeC nitrogen atmosphere containing water vapor | steam. In order to effectively remove the binder, it is desirable that the shrinkage start temperature of the molded body is about 700 to 850 ° C. In order to adjust the shrinkage start temperature to such a range, it is preferable to use a glass having a yield point in the above-described range (400 to 800 ° C., particularly 400 to 650 ° C.).
[0026]
After removing the organic binder from the molded body, firing is performed.QuartzIn order to cause crystal displacement, a solid solution treatment of an alkaline earth metal oxide is performed prior to firing or in the process of raising the temperature to the firing temperature. In this solid solution treatment, the molded product is held for a certain period of time (about 0.5 to 5 hours) at a temperature at which an alkaline earth metal oxide such as MgO is dissolved, specifically at a temperature of 830 to 900 ° C. Is done by.
[0027]
Firing is performed in an oxidizing atmosphere or a non-oxidizing atmosphere of 850 ° C. or higher, whereby a sintered body densified to a relative density of 90% or more can be obtained. When a wiring board is manufactured by simultaneously firing metallized wiring layers such as Cu and Ag, the firing should be performed in a non-oxidizing atmosphere and the firing temperature should be 1050 ° C. or lower. This is because if it exceeds 1050 ° C., the metallized wiring layer to be formed melts.
[0028]
In the sintered body of the present invention thus produced, the above-mentionedQuartzDisplaced SiO2System crystals are produced, and the thermal expansion curve of the sintered body isTo quartzThe inflection point at which the specific thermal expansion changes suddenly disappears. For example, if the rate of change of thermal expansion is calculated according to the following formula (1) in the temperature range of 0 ° C. to 1000 ° C. for this thermal expansion curve, this rate of change is 1 ppm / ° C. or less, and the thermal expansion changes rapidly. It turns out that there is no inflection point.
Thermal expansion change rate = | TCE (t to t + 50) −TCE (t + 50 to t + 100) | (1)
In the formula, TCE (t to t + 50) is a thermal expansion coefficient at t to t + 50 ° C.,
TCE (t + 50 to t + 100) is the coefficient of thermal expansion at t + 50 to t + 100 ° C.
It is.
[0029]
Further, the sintered body of the present invention includes the above-mentioned SiO.2In addition to the system crystal, there may be a crystal phase generated from the glass component, a crystal phase generated by the reaction between the glass component and the filler component, a filler component, or a crystal phase generated by decomposition of the filler component, There may be a glass phase at the grain boundaries of these crystal phases.
The sintered body of the present invention desirably has a dielectric constant of 6 or less, and further preferably has a thermal expansion coefficient at 40 to 400 ° C. of 8 to 18 ppm / ° C. Such a sintered body is useful as an insulating substrate used for a wiring board, and can be fired at a low temperature. Therefore, a metallized wiring layer made of a low melting point metal such as Cu or Ag is formed by simultaneous firing to form a wiring board. Can be produced. In addition, when such a wiring board is mounted on an external electric circuit board such as a PC board as a package in which a semiconductor element or the like is accommodated, it does not rapidly expand due to heating at the time of mounting. It can be effectively prevented. Moreover, since the thermal stress resulting from the thermal expansion difference with the external electric circuit board is effectively suppressed, a stable electrical connection state can be ensured over a long period of time.
[0030]
(Mounting structure)
FIG. 2 is a view showing an example of a mounting structure of a package for housing a semiconductor element provided with the low-temperature fired ceramic of the present invention as an insulating substrate, and is an example of a ball grid array (BGA) type package. In the figure, A is a package for housing a semiconductor element, and B is an external electric circuit board.
[0031]
In FIG. 2, a package A for housing a semiconductor element includes an insulating
The metallized
The connection terminal 4 includes an
On the other hand, the external electric circuit board B is a general printed circuit board, and has an
[0032]
In order to mount the semiconductor element storage package A on the external electric circuit board B, the protruding
[0033]
In such a mounting structure, the insulating
[0034]
FIG. 3 is a partially enlarged view showing another example of the connection terminal 4 of the package A. In this example, a spherical terminal 11 is brazed to the
For example, when a low melting point solder having a composition of Pb (40% by weight) -Sn (60% by weight) is used as the low melting
In mounting using the connection terminal 4 having such a structure, the spherical terminal 11 attached to the
[0035]
【Example】
Example 1
After mixing the glass powder and filler and further crushing this mixture, adding an organic binder and mixing well, the resulting mixture is molded into a shape of 3.5 × 15 mm by a uniaxial press method. Molded into body. The types and mixing ratios of the glass and filler used are shown in Table 1.
This molded body was treated with N at 700 ° C.2+ H2After debinding in an O atmosphere, the binder was held at 880 ° C. for 1 hour, and then baked in the air at the temperature shown in Table 1 for 1 hour.
The obtained sintered body was subjected to the following analysis and characteristic evaluation, and the results are shown in Table 2.
[0036]
-Identification of crystalline phase-
The obtained sintered body was subjected to X-ray diffraction measurement using a Cu target, and the crystal phase was identified. Further, the shift width (degree) of the peak on the 101 plane was measured from the X-ray chart. As a reference for the shift width, the quartz 101 plane was 2θ = 26.64 degrees, and the cristobalite 101 plane was 2θ = 21.93 degrees.
[0037]
-Thermal expansion characteristics-
The thermal expansion coefficient of 40-400 degreeC of the sintered compact was measured, and the presence or absence of an inflection point was confirmed in the thermal expansion curve at 0-1000 degreeC. Sample No. The thermal expansion curves of the
As for the presence or absence of an inflection point, it was determined that there was an inflection point when there was a portion where the value of the formula (1) exceeded 1 ppm / ° C., and that there was no inflection point.
[0038]
-Dielectric properties-
The sintered body was processed into a diameter of 60 mm and a thickness of 2 mm, and the dielectric constant was determined by the method of JIS-C-2141. The measurement was performed using an LCR meter (YH.P4284A). The capacitance at 25 ° C. was measured under the conditions of 1 MHz and 1.0 Vrsm, and the dielectric constant at 25 ° C. was measured from this capacitance.
[0039]
-Thermal cycle characteristics during mounting-
Using the same mixture of glass powder and filler as the above-mentioned sintered body, a green sheet with a thickness of 250 μm is prepared by the doctor blade method, and Cu metallized paste is applied to the surface of the sheet based on the screen printing method. did. In addition, through holes were formed at predetermined locations on the green sheet, and Cu metallized paste was filled therein. Then, six green sheets coated with metallized paste were laminated and pressure-bonded while being aligned with the positions of the through holes.
This laminate was
A spherical solder ball composed of 90% by weight of Pb and 10% by weight of Sn was fixed to the electrode pad on the lower surface of the obtained wiring board by using a low melting point solder (Pb 37% -Sn 63%) to form a connection terminal. The connection terminal is 1cm2It was formed on the entire lower surface of the wiring board at a density of 30 per unit.
This wiring board was mounted on the surface of a printed board having a wiring conductor made of copper foil on the surface of a glass-epoxy insulating substrate (coefficient of thermal expansion of 40 to 800 ° C .: 13 ppm / ° C.) to prepare a test sample. The mounting was performed by aligning the wiring conductor on the printed board and the spherical terminal of the wiring board and connecting them with a low melting point solder.
[0040]
This test sample is left to stand alternately for 15 minutes each in a thermostat controlled at −40 ° C. and 125 ° C. in the atmosphere of air, and holding for 15 minutes / 15 minutes is one cycle, and 1000 cycles are repeated. It was. After such 1000 cycles of thermal history, the electrical resistance between the printed circuit board wiring conductor and the package wiring board is measured, and the electrical resistance before the start of the thermal history is OK, and there is a large difference. Was evaluated as NG.
[0041]
[Table 1]
[Table 2]
In Table 2, the meaning of each symbol in the column of crystal phase is as follows.
LS: Lithium silicate
Q: Quartz
E: Enstatite
C: Cristobalite
P: Petalite
G: Garnite
In the above examples, the sample No.
[0044]
As is clear from Tables 1 and 2, Sample No. which does not use a filler containing MgO. In each of 1, 4, 6, 7, 9, 12, 15, and 17, there was an inflection point in the thermal expansion curve, which was inferior in durability in the thermal cycle test.
On the other hand, the filler containing MgO is SiO.2In the samples of the present invention used together with the filler, a displacement of 0.05 degrees or more was confirmed on the 101 surface of the quartz or cristobalite crystal, and there was no inflection point in the thermal expansion curve. Also showed excellent properties.
[0045]
【The invention's effect】
The low-temperature fired ceramic of the present invention isIncluding quartzIt has a characteristic that a rapid thermal expansion change due to a temperature change peculiar to the sintered body disappears. Therefore, when this ceramic is used as an insulating substrate of a low dielectric constant wiring board such as an electronic device, it does not rapidly expand due to heating when mounting a semiconductor element or an external electric circuit board. It can be effectively prevented. Moreover, since the thermal stress resulting from the thermal expansion difference with the external electric circuit board is effectively suppressed, a stable electrical connection state can be ensured over a long period of time.
Further, the low-temperature fired ceramic of the present invention is a relatively inexpensive SiO.2Since it is manufactured using a system filler, it has the advantage that the manufacturing cost is low, and since it can be fired at a low temperature, a metallized wiring layer using a metal such as Ag or Cu can be formed by simultaneous firing. But it is advantageous.
[Brief description of the drawings]
1 is a graph showing thermal expansion curves of a low-temperature fired ceramic according to the present invention (Sample Nos. 2 and 5 in Example 1) and a conventionally known low-temperature fired ceramic (Sample Nos. 1 and 6 in Example 1).
FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining a mounting structure of a ball grid array (BGA) type semiconductor element housing package according to the present invention.
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a main part showing another example of connection terminals used in the package shown in FIG. 2;
[Explanation of symbols]
1: Insulated substrate
2: Lid
3: Metallized wiring layer
4: Connection terminal
5: Semiconductor element
6: Cavity
7: Electrode pad
8: Projected terminal
9: Insulator
10: Wiring layer
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