JP3784221B2 - 配線基板およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メタライズ配線層を具備する配線基板およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来から、絶縁基板の表面あるいは内部にメタライズ配線層が配設された配線基板が知られており、その代表的な例である半導体素子を収容するための半導体素子収納用パッケージは、例えば、アルミナセラミックス等の電気絶縁材料からなり、その上面中央部に半導体素子を収容するための凹部を有する絶縁基板と、前記絶縁基板の凹部周辺から下面にかけて導出されるタングステン、モリブデン等の高融点金属粉末から成る複数個のメタライズ配線層と、前記絶縁基板の下面に形成され、メタライズ配線層が電気的に接続される複数個の接続パッドと、前記接続パッドにロウ付け取着される接続端子と、蓋体とから構成される。
【０００３】
そして、絶縁基板の凹部底面に半導体素子を実装、固定し、半導体素子の各電極とメタライズ配線層とをボンディングワイヤを介して電気的に接続させるとともに、絶縁基板上面に蓋体を封止材によって接合し、絶縁基板と蓋体とからなるキャビティ内部に半導体素子を気密に封止し、さらに、前記絶縁基板下面の接続パッドに接続された接続端子を外部回路基板の配線導体と半田等によりロウ付けすることによって、パッケージを外部回路基板表面に電気的に接続、実装することができる。
【０００４】
一般に、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も増大するが、これに伴いパッケージにおける端子数も増大する。ところが、パッケージ自体の寸法を大きくするにも限界があり、小型化の要求に対して、必然的にパッケージにおける端子の密度を高くする必要がある。
【０００５】
パッケージにおける端子の密度を高める構造としては、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）、パッケージの側面からガルウイング状（Ｌ字状）の金属ピンが導出されたクワッドフラットパッケージ（ＱＦＰ）、さらに接続端子を半田や半田からなる球状端子により構成したランドグリッドアレイ（ＬＧＡ）やボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）等があり、これらの中でも、接続端子を接続パッドに半田などのロウ材からなる球状端子をロウ付けした端子により構成し、この球状端子を外部回路基板の配線導体上に載置当接させて、前記端子を約２５０〜４００℃の温度で加熱溶融し、球状端子を配線導体に接合させるボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）が最も高密度化が可能である。
【０００６】
ところで、これらのパッケージにおける絶縁基板として広く使用されているアルミナの熱膨張係数は約４〜７ｐｐｍ／℃程度であるのに対して、パッケージが実装される外部回路基板として最も多用されているガラス−エポキシ絶縁層からなるプリント基板の熱膨張係数は１１〜１８ｐｐｍ／℃と非常に大きい。
【０００７】
そのため、半導体素子収納用パッケージを外部回路基板に実装した場合、半導体素子の作動時に発する熱が絶縁基板と外部回路基板の両方に繰り返し印加されるとパッケージの絶縁基板と外部回路基板との間に両者の熱膨張係数差に起因する大きな熱応力が発生する。この熱応力は、端子数が３００を超え、パッケージが大型化するにつれて影響が増大し、パッケージの作動および停止の繰り返しにより熱応力が繰り返し印加されると、絶縁基板下面の接続パッドの外周部、及び外部回路基板の配線導体と端子との接合界面に熱応力に伴う応力集中が生じる結果、接続パッドや接続端子が絶縁基板や配線導体より剥離し、半導体素子収納用パッケージを外部回路基板に長期にわたり安定に電気的接続することができないという問題があった。
【０００８】
また、ＢＧＡ構造を持ちパッケージサイズが半導体のチップサイズに近似したチップスケールパッケージ（ＣＳＰ）でもパッケージとプリント基板との接続距離が小さいため、上述した理由により１０〜１５ｍｍ角の大きさでは両者間の熱膨張差が問題となる。
【０００９】
一方、上記課題に対し、配線基板における絶縁基板として、上述した外部回路基板との熱膨張差が小さく、ＣｕやＡｇ等の低抵抗導体との同時焼成が可能なガラス−セラミックスが開発されており、例えば、特開平６−１９１８８７号公報では、熱膨張係数が１００〜１５０×１０-7のガラス中に熱膨張係数１１．０ｐｐｍ／℃のフォルステライト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ2 ）を３０〜７０重量％分散させて磁器の熱膨張係数を高めたガラスセラミックや、特開昭６３−１１７９２９号公報では、ＺｎＯ−Ａｌ2 Ｏ3 −ＳｉＯ2 系ガラスを用い、化学組成と熱処理条件の制御によって珪酸亜鉛、コーディライト、亜鉛尖小石の結晶を生成させて熱膨張係数を制御できることが提案されている。
【００１０】
また、本出願人は、特開平９−１４２８８０号公報において、ガラス相１〜５０重量％と、結晶相５０〜９９重量％とを含有し、かつフォルステライト及びエンスタタイトを合計で２０〜８５重量％の比率で含有するガラスセラミックスの熱膨張係数が９〜１８ｐｐｍ／℃と高く、これを配線基板の絶縁基板として用いることにより外部回路基板の実装信頼性を向上できることを提案した。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開昭６３−１１７９２９号公報におけるガラスセラミックスを具備するパッケージでは高い熱膨張係数の基板が得られるものの、公報に記載されているように同一の組成でもわずかな熱処理条件の相違により析出結晶相が変化し熱膨張係数を安定して制御することが難しく、しかも高価な結晶性ガラスを使用するため、パッケージを安価に製造することができないものであった。
【００１２】
また、特開平６−１９１８８７号公報におけるガラスセラミックスを具備するパッケージ基板では高い熱膨張係数の基板が得られるものの、ガラスとフォルステライトとの組み合わせだけでは、９ｐｐｍ／℃以上の高熱膨張係数を得ることが困難であった。
【００１３】
さらにまた、特願平９−１４２８８０号公報によって得られる磁器では、エンスタタイト原料が不安定であるために、焼成後の磁器特性の再現性が低く、特に２００ＭＰａ以上の機械的強度が安定して得られないものであった。
【００１４】
従って、本発明は、高熱膨張係数で、かつ安定して機械的強度の高い絶縁基板を具備する配線基板を得ることにより、これをプリント基板等の外部回路基板に実装した場合、強固に且つ長期にわたり安定した接続状態を維持できる高信頼性の配線基板およびその製造方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記問題点に対して検討を重ねた結果、絶縁基板としてガラスとエンスタタイトとクォーツとを所定の比率で含有し、かつエンスタタイト原料中のクリノエンスタタイトの比率を高めることによって、焼成によるエンスタタイトの体積収縮を防止し、低温で緻密な磁器が得られること、また磁器中のクリノエンスタタイトの比率を高めることによって、磁器強度を高めることを知見した。
【００１６】
すなわち、本発明の配線基板は、絶縁基板の表面あるいは内部にメタライズ配線層が配設され、前記絶縁基板が、ガラス２０〜６０重量％と、下記式により計算されるクリノエンスタタイトの比率が２０％以上のエンスタタイト１０〜６０重量％と、クォーツ５〜６０重量％との含有比率で含有する混合物を成形してグリーンシートを作製し、該グリーンシート表面にメタライズペーストを被着形成した後、９７０℃以下で焼成してなるものであって、ガラス２０〜６０重量％と、下記式により計算されるクリノエンスタタイトの比率が３０％以上のエンスタタイト１０〜６０重量％と、クォーツ５〜６０重量％との比率で含有し、４０℃〜４００℃における熱膨張係数が９〜１８ｐｐｍ／℃、抗折強度２００ＭＰａ以上であることを特徴とするものである。
Ｐ＝ Ｉ（Ｃｌｉｎｏ＿３１０）＊１００／（Ｉ（Ｐｒｏｔｏ＿３１０）／０．４＋ Ｉ（Ｃｌｉｎｏ＿３１０））
ただし、Ｐ：クリノエンスタタイトの比率（％）、
Ｉ（Ｃｌｉｎｏ＿３１０）：クリノエンスタタイトの（３１０）のＸ線回折ピーク強度、
Ｉ（Ｐｒｏｔｏ＿３１０）：プロトエンスタタイトの（３１０）のＸ線回折ピーク強度、
である。
【００１７】
また、本発明の配線基板の製造方法は、ガラス２０〜６０重量％と、下記式により計算されるクリノエンスタタイトの比率が２０％以上のエンスタタイト１０〜６０重量％と、クォーツ５〜６０重量％との含有比率で含有する混合物を成形してグリーンシートを作製し、該グリーンシート表面にメタライズペーストを被着形成した後、９７０℃以下で焼成することを特徴とするものである。
Ｐ＝ Ｉ（Ｃｌｉｎｏ＿３１０）＊１００／（Ｉ（Ｐｒｏｔｏ＿３１０）／０．４＋ Ｉ（Ｃｌｉｎｏ＿３１０））
ただし、Ｐ：クリノエンスタタイトの比率（％）、
Ｉ（Ｃｌｉｎｏ＿３１０）：クリノエンスタタイトの（３１０）のＸ線回折ピーク強度、
Ｉ（Ｐｒｏｔｏ＿３１０）：プロトエンスタタイトの（３１０）のＸ線回折ピーク強度、
である。
【００１８】
【作用】
エンスタタイトはＭｇＯとＳｉＯ2 を１２００℃以上で熱処理して以下の反応式（１）により合成される。
ＭｇＯ＋ＳｉＯ2 →（ＭｇＯ・ＳｉＯ2 ） （１）
上記反応式（１）においては、一般的にプロトエンスタタイトが生成されるが、この結晶相は高温（１０５０℃以上）で安定であるため、これを原料として用い、９７０℃以下の温度で焼成すると体積収縮を伴って低温で安定なクリノエンスタタイト等に変化する結果、磁器の緻密化を阻害する。すなわち、磁器を緻密化させるためには、より高温にて焼成する必要がある。
【００１９】
そこで、プロトエンスタタイトに代えてクリノエンスタタイトを出発原料にすることにより、焼成時の体積収縮が防止でき、磁器を容易に緻密化させることができるから、低温焼成化が可能であるとともに、磁器強度を高めることができる。
【００２０】
従って、９７０℃以下の焼成にて安定した密度および磁器強度を得るためには、エンスタタイト原料中のクリノエンスタタイトの比率を制御し、焼成時のエンスタタイトの相変態比率を低めることが重要である。 なお、エンスタタイトに代えてフォルステライトを出発原料とした場合、フォルステライトはクォーツと下記反応式（２）によりエンスタタイトを生成する。
【００２１】
２ＭｇＯ・ＳｉＯ2 ＋ＳｉＯ2 →２（ＭｇＯ・ＳｉＯ2 ） （２）
上記の反応は９００℃付近で起こるため、例えば、Ａｇメタライズとの同時焼成には不向きである。
【００２２】
また、本発明によれば、絶縁基板の４０〜４００℃の温度範囲における熱膨張係数が９〜１８ｐｐｍ／℃であることから、ガラス−エポキシ基板などのプリント基板からなる外部回路基板のそれと近似し、絶縁基板と外部回路基板の熱膨張係数差に起因する熱応力を抑制して、絶縁基板と接続端子と外部回路基板との間でクラックや剥離が発生して接続不良を起こすことがなく、配線基板を外部回路基板に長期間にわたり正確に、且つ強固に電気的接続させることが可能となる。
【００２３】
なお、本発明における熱膨張係数とは、特記しない限り４０〜４００℃の温度範囲における線熱膨張係数の平均値を指す。
【００２４】
また、パッケージのメタライズ配線層として使用されるＣｕの熱膨張係数１８ｐｐｍ／℃に対しても近似の熱膨張係数を有するため、メタライズ配線層の絶縁基板への密着性をも高めることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の配線基板の代表例である半導体素子収納用パッケージの一例を示す概略断面図であり、Ａは半導体素子収納用パッケージ、Ｂは外部回路基板である。
【００２６】
半導体素子収納用パッケージＡは、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およびパッケージの内部に収納される半導体素子５により構成され、絶縁基板１及び蓋体２によって半導体素子５を内部に気密に収容するためのキャビティ６を構成し、キャビティ６内には、半導体素子５が、ガラス、樹脂等の接着剤を介して接着固定される。
【００２７】
また、絶縁基板１の表面および内部には、メタライズ配線層３が配設され、半導体素子５と絶縁基板１の下面に形成された接続端子４とを電気的に接続するように配設されている。図１のパッケージによれば、接続端子４は、接続パッド４ａを介して高融点の半田（錫−鉛合金）からなる球状端子４ｂがロウ材により取着されているが、球状端子４ｂを使用せず、接続パッドに直接半田を塗布して外部回路基板に接続してもよい。
【００２８】
一方、外部回路基板Ｂは、絶縁体７と配線導体８とから構成され、絶縁体７は、少なくとも有機樹脂を含む絶縁材料からなり、具体的には、ガラス−エポキシ系複合材料などのように４０〜４００℃の熱膨張係数が１２〜１８ｐｐｍ／℃の特性を有し、一般的にはプリント基板等が用いられる。
【００２９】
なお、パッケージＡのメタライズ配線層３と外部回路基板Ｂの表面に形成される配線導体８は、絶縁基板１または絶縁体７との熱膨張係数の整合性と、電気抵抗の低減の点で、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｂ−Ｓｎから選ばれる少なくとも１種の金属導体からなることが望ましい。
【００３０】
また、パッケージＡの絶縁基板１下面の球状端子４ｂを外部回路基板Ｂの配線導体８上に載置当接させ、しかる後、低融点の半田等のロウ材により約２５０〜４００℃の温度で半田を溶融させて、接続端子４と配線導体８とを接合させることによって半導体素子収納用パッケージＡを外部回路基板Ｂに実装することができる。この時、配線導体８の表面には接続端子４との接続を容易に行うためにロウ材が被着形成されていることが望ましい。
【００３１】
（絶縁基板）本発明によれば、上記配線基板の絶縁基板１として、ガラス２０〜６０重量％と、後述の式（３）により計算されるクリノエンスタタイトの比率が２０％以上のエンスタタイト１０〜６０重量％と、クォーツ５〜６０重量％との含有比率で含有する混合物を成形してグリーンシートを作製し、該グリーンシート表面にメタライズペーストを被着形成した後、９７０℃以下で焼成してなるものであって、ガラス２０〜６０重量％、特に３０〜５０重量％と、後述の式（３）により計算されるクリノエンスタタイトの比率が３０％以上、特に５０％以上のエンスタタイト１０〜６０重量％、特に２０〜５０重量％と、クォーツ５〜６０重量％、特に１０〜５０重量％との比率で含有する。
【００３２】
そして、４０℃〜４００℃における熱膨張係数が９〜１８ｐｐｍ／℃、特に１０〜１６ｐｐｍ／℃、抗折強度２００ＭＰａ以上、特に２２０ＭＰａ以上であることが大きな特徴であり、これによって、前述した外部回路基板Ｂとの熱膨張差に起因する熱応力の発生を緩和し、外部回路基板ＢとパッケージＡとの電気的接続状態を長期にわたり良好に維持することができるとともに、配線基板自体の強度を高めることができる。
【００３３】
すなわち、ガラスが２０重量％より少ないと、９７０℃以下の温度にて磁器を緻密化させることができず、６０重量％を越えると原料単価が上昇してしまうとともに、磁器の焼結温度が低下しすぎ、ＣｕやＡｇのメタライズ配線層との焼成収縮挙動が合わず、配線基板が変形する恐れがある。
【００３４】
また、エンスタタイトが１０重量％より少ないと、原料のクォーツの一部がクリストバライトに変態して２００〜２５０℃に急激な熱膨張変化が発生し、接続端子部でのクラックや剥離の要因となるとともに、磁器強度が低下する。また、エンスタタイトが６０重量％を越える場合、磁器の熱膨張係数を９ｐｐｍ／℃以上とすることが難しい。さらに、クォーツが５重量％より少ないと、磁器の熱膨張係数を９ｐｐｍ／℃以上とできず、６０重量％を越える場合、磁器強度を２００ＭＰａ以上とすることができない。
【００３５】
なお、上記ガラスは、後述するバインダの効率的な除去および高価なガラスの含有比率の低減、絶縁基板と同時に焼成されるメタライズとの焼成条件のマッチングの点で、屈伏点が４００℃〜８００℃で、熱膨張係数が６〜１８ｐｐｍ／℃、特に７〜１３ｐｐｍ／℃の結晶化ガラスであることが望ましく、具体的には、
ＳｉＯ2 −Ｌｉ2 Ｏ−ＣａＯ−Ａｌ2 Ｏ3 、
ＳｉＯ2 −Ｌｉ2 Ｏ−Ａｌ2 Ｏ3 、
ＳｉＯ2 −Ｌｉ2 Ｏ−ＭｇＯ、
ＳｉＯ2 −Ｌｉ2 Ｏ−ＣａＯ−Ａｌ2 Ｏ3 −ＭｇＯ−ＴｉＯ2 、
ＳｉＯ2 −Ｌｉ2 Ｏ−ＣａＯ−Ａｌ2 Ｏ3 −ＭｇＯ−Ｎａ2 Ｏ−Ｆ、
ＳｉＯ2 −Ｌｉ2 Ｏ−ＣａＯ−Ａｌ2 Ｏ3 −Ｋ2 Ｏ−Ｎａ2 Ｏ−ＺｎＯ、
ＳｉＯ2 −Ｌｉ2 Ｏ−ＣａＯ−Ａｌ2 Ｏ3 −Ｋ2 Ｏ−Ｐ2 Ｏ5 、
ＳｉＯ2 −Ｌｉ2 Ｏ−Ａｌ2 Ｏ3 −Ｋ2 Ｏ−Ｐ2 Ｏ5 −Ｓｂ2 Ｏ3 、
ＳｉＯ2 −Ｌｉ2 Ｏ−ＣａＯ−Ａｌ2 Ｏ3 −Ｋ2 Ｏ−Ｐ2 Ｏ5 −ＺｎＯ−Ｎａ2 Ｏ、
ＳｉＯ2 −Ｌｉ2 Ｏ−ＣａＯ−ＭｇＯ、
ＳｉＯ2 −Ｌｉ2 Ｏ−ＣａＯ−ＺｎＯ、
ＳｉＯ2 −ＢａＯ−Ｂ2 Ｏ3
ＳｉＯ2 −ＢａＯ−Ｂ2 Ｏ3 −Ａｌ2 Ｏ3
ＳｉＯ2 −ＢａＯ−Ｂ2 Ｏ3 −ＣａＯ
ＳｉＯ2 −ＢａＯ−Ｂ2 Ｏ3 −ＭｇＯ
ＳｉＯ2 −ＢａＯ−Ｂ2 Ｏ3 −ＣａＯ−Ａｌ2 Ｏ3
ＳｉＯ2 −ＢａＯ−Ｂ2 Ｏ3 −ＭｇＯ−Ａｌ2 Ｏ3
ＳｉＯ2 −ＢａＯ−Ｂ2 Ｏ3 −ＣａＯ−Ａｌ2 Ｏ3 −ＺｎＯ
等の結晶化ガラスが挙げられる。
【００３６】
また、本発明によれば、エンスタタイト中には、クリノエンスタタイトを３０％以上、特に５０％以上、さらに７０％以上含有することが重要であり、これによって、磁器強度を２００ＭＰａ以上に高めることができる。なお、エンスタタイトとしては、クリノエンスタタイト以外にも、プロトエンスタタイトやそれ以外のエンスタタイト結晶相が存在する。
【００３７】
（配線基板の製造方法）次に、本発明の配線基板を製造するには、ガラス２０〜６０重量％と、後述の式（３）により計算されるクリノエンスタタイトの比率が２０％以上、特に４０％以上のエンスタタイト１０〜６０重量％と、クォーツ５〜６０重量％との含有比率で混合する。なお、エンスタタイト中のクリノエンスタタイトの比率を２０％以上とするためには、上記式（１）の反応時に触媒としてＬｉ成分を添加するか、またはプロトエンスタタイト原料に対して、例えば、ボールミル、アトライタミル、振動ミル、ジェットミル等の公知の粉砕方法を用いてプロトエンスタタイトに衝撃を付与することによって、プロトエンスタタイトをクリノエンスタタイトに相変態させることによって制御できる。
【００３８】
なお、本発明では、エンスタタイト中のクリノエンスタタイトの比率は、図２に示すＸ線回折ピークから下記式（３）によって求めた値である。
Ｐ= Ｉ(Clino＿310)*100/(Ｉ(Proto＿310)/0.4+ Ｉ(Clino＿310)) （３）
ただし、Ｐ：クリノエンスタタイトの比率（％）、
Ｉ(Clino＿310)：クリノエンスタタイトの（３１０）のＸ線回折ピーク強度、
Ｉ(Proto＿310)：プロトエンスタタイトの（３１０）のＸ線回折ピーク強度、
である。
【００３９】
上記結晶性ガラスとフィラーとの混合物に、適当な有機樹脂バインダを添加して泥漿物を作るとともに、該泥漿物をドクターブレード法やカレンダーロール法を採用することによってグリーンシートを作製する。そして、メタライズ配線層及び接続パッドとして、上述した金属粉末に有機バインダ、可塑剤、溶剤等を添加、混合して得た金属ペーストを前記グリーンシートに周知のスクリーン印刷法により所定パターンに印刷塗布する。また、場合によっては、前記グリーンシートに適当な打ち抜き加工してスルーホールを形成し、このホール内にもメタライズペーストを充填する。そしてこれらのグリーンシートを複数枚積層し、グリーンシートとメタライズとを同時焼成することにより多層構造のパッケージを得ることができる。
【００４０】
焼成にあたっては、まず、成形のために配合したバインダ成分を除去する。バインダの除去は、７００℃前後の大気雰囲気中で行われるか、または配線導体としてＣｕ等の卑金属を用いる場合には、１００〜７００℃の水蒸気を含有する窒素雰囲気中で行われることが望ましい。この時、成形体の焼成による収縮開始温度は７００〜８５０℃程度であることが望ましく、かかる収縮開始温度によりバインダを容易に除去できることから、成形体中の結晶化ガラスの屈伏点を４００℃〜８００℃に制御することが望ましい。
【００４１】
焼成は、８００℃〜９７０℃の酸化性または還元性雰囲気中で行われ、これにより相対密度９０％以上、特に９５％以上まで緻密化される。焼成温度が９７０℃を越えると、メタライズ層が溶融してしまう。
【００４２】
【実施例】
結晶性ガラスとして、重量比率で
の２種のガラスを準備した。
【００４３】
このガラスに対してフィラー成分として、エンスタタイト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ2 、熱膨張係数１０ｐｐｍ／℃）、クォーツ（ＳｉＯ2 、熱膨張係数１５ｐｐｍ／℃）を用いて表１に示す調合組成になるように秤量混合した。
【００４４】
なお、上記エンスタタイト原料については、所望時間振動ミルを行い、粉末Ｘ線回折測定にて上述の式（３）に基づくエンスタタイト中のクリノエンスタタイトの比率を算出したものを用いた。エンスタタイト原料エンスタタイト中のクリノエンスタタイトの比率は表１に示した。
【００４５】
この混合物に有機バインダを添加した後、プレス成形により、３．５×３．５×１５ｍｍの形状の成形体を作製し、この成形体を７００℃のＮ2 ＋Ｈ2 Ｏ中で脱バインダ処理した後、窒素雰囲気中で表１に示す温度にて焼成した。
【００４６】
得られた磁器に対して、アルキメデス法により理論密度に対する比率である相対密度を測定し、また、４０〜４００℃の熱膨張係数およびＪＩＳＲ１６０１に基づいて磁器強度を測定した。さらに、磁器表面でＸ線回折測定を行い、上述の式（３）に基づいてエンスタタイト中のクリノエンスタタイトの比率を算出した。結果は表１に示した。
【００４７】
また、上記ガラスとフィラーとからなる混合物に有機バインダ、可塑剤、分散剤、溶剤を添加、混合してスラリーを調整し、ドクターブレード法にてグリーンシートを作製した。得られたグリーンシートを所定の形状にカットした後、グリーンシートの所定箇所にスルーホールを形成し、スルーホール内にＣｕ粉末と有機ビヒクルとからなるＣｕメタライズペーストを充填した。また、グリーンシートの表面にＣｕメタライズペーストを用いてスクリーン印刷法によりメタライズ配線層を塗布した。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合わせを行いながら６枚積層し圧着した。
【００４８】
なお、配線基板の下面にはスルーホールに接続する箇所にＣｕメタライズからなる接続パッドを形成した。この積層体を７００℃でＮ2 ＋Ｈ2 Ｏ中で脱バインダ後、窒素雰囲気中、表１に示す温度で同時焼成した。
【００４９】
そして、前記接続パッドに図１に示すような半田（錫７０〜１０％−鉛３０〜９０％）からなる接続端子を取着した。なお、接続端子は、１ｃｍ2 当たり３０端子の密度で配線基板の下面全体に形成した。
【００５０】
一方、ガラス−エポキシ基板からなる４０〜８００℃における熱膨張係数が１３ｐｐｍ／℃の絶縁体の表面に銅箔からなる配線導体が形成されたプリント基板を準備した。
【００５１】
そして、上記のパッケージに取着した接続端子をプリント基板の配線導体に接続されるように位置合わせし、これをＮ2 雰囲気中で２６０℃で３分間熱処理してパッケージをプリント基板表面に実装した。この熱処理により接続端子が溶けてパッケージとプリント基板とが電気的に接続されたことを確認した。
【００５２】
次に、得られた実装物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１５分／１５分の保持を１サイクルとして最高１０００サイクル繰り返した。そして、１００サイクル毎に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、電気抵抗が増大したサイクル数をパッケージ（ＰＫＧ）の熱サイクルテスト回数（ＴＣＴ）として表１に示した。
【００５３】
【表１】
【００５４】
表１より明らかなように、ガラスの含有量が２０重量％より少ない試料Ｎｏ．１では、緻密な焼結体を得ることができず、ガラスの含有量が６０重量％より多い試料Ｎｏ．６では、パッケージに変形が生じた。また、エンスタタイトの含有量が１０重量％より少ない試料Ｎｏ．７では、磁器強度が低下し、また、２００℃付近で急激に熱膨張変化が生じて熱膨張係数を１８ｐｐｍ／℃以下とすることができず、ＴＣＴにて５００回でパッケージと外部回路基板との間に接続不良が発生した。
【００５５】
さらに、クォーツの含有量が５重量％より少ない試料Ｎｏ．１３、１８では、熱膨張係数が９ｐｐｍ／℃より低くなり、ＴＣＴにて３００回でパッケージと外部回路基板との間に接続不良が発生した。また、クォーツの含有量が６０重量％を越える試料Ｎｏ．２４では、磁器強度が低下した。
【００５６】
さらに、エンスタタイト原料中のクリノエンスタタイトの比率が２０％より低く、磁器中のそれが３０％より低い試料Ｎｏ．１４、２５では、磁器を９５％以上に緻密化させることができず、また、磁器強度も低いものであった。
【００５７】
これに対して、本発明の範囲内である試料Ｎｏ．２〜５、８〜１２、１５〜１７、１９〜２３、２６、２７は、いずれも相対密度９５％以上、熱膨張係数９〜１８ｐｐｍ／℃、磁器強度２００ＭＰａ以上で、ＴＣＴにて１０００サイクルまで良好な接続状態を維持できた。
【００５８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の配線基板および半導体素子収納用パッケージによれば、配線基板における絶縁基板の磁器強度を高めることができるとともに、絶縁基板の熱膨張係数を高めてプリント基板等の外部回路基板との熱膨張係数差を小さくできることから、外部回路基板に実装した場合に、両者の熱膨張係数の差に起因する応力発生を抑制し、パッケージと外部回路とを長期間にわたり正確、かつ強固に電気的接続させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線基板の代表例である半導体素子収納用パッケージの一例を示す概略断面図である。
【図２】エンスタタイト中の式（３）により計算されるクリノエンスタタイトの比率を求める方法を説明するための図である。
【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
４ａ・・接続パッド
４ｂ・・球状端子
５・・・半導体素子
６・・・キャビティ
７・・・絶縁体
８・・・配線導体
Ａ・・・半導体素子収納用パッケージ
Ｂ・・・外部回路基板
【発明の属する技術分野】
本発明は、メタライズ配線層を具備する配線基板およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来から、絶縁基板の表面あるいは内部にメタライズ配線層が配設された配線基板が知られており、その代表的な例である半導体素子を収容するための半導体素子収納用パッケージは、例えば、アルミナセラミックス等の電気絶縁材料からなり、その上面中央部に半導体素子を収容するための凹部を有する絶縁基板と、前記絶縁基板の凹部周辺から下面にかけて導出されるタングステン、モリブデン等の高融点金属粉末から成る複数個のメタライズ配線層と、前記絶縁基板の下面に形成され、メタライズ配線層が電気的に接続される複数個の接続パッドと、前記接続パッドにロウ付け取着される接続端子と、蓋体とから構成される。
【０００３】
そして、絶縁基板の凹部底面に半導体素子を実装、固定し、半導体素子の各電極とメタライズ配線層とをボンディングワイヤを介して電気的に接続させるとともに、絶縁基板上面に蓋体を封止材によって接合し、絶縁基板と蓋体とからなるキャビティ内部に半導体素子を気密に封止し、さらに、前記絶縁基板下面の接続パッドに接続された接続端子を外部回路基板の配線導体と半田等によりロウ付けすることによって、パッケージを外部回路基板表面に電気的に接続、実装することができる。
【０００４】
一般に、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も増大するが、これに伴いパッケージにおける端子数も増大する。ところが、パッケージ自体の寸法を大きくするにも限界があり、小型化の要求に対して、必然的にパッケージにおける端子の密度を高くする必要がある。
【０００５】
パッケージにおける端子の密度を高める構造としては、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）、パッケージの側面からガルウイング状（Ｌ字状）の金属ピンが導出されたクワッドフラットパッケージ（ＱＦＰ）、さらに接続端子を半田や半田からなる球状端子により構成したランドグリッドアレイ（ＬＧＡ）やボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）等があり、これらの中でも、接続端子を接続パッドに半田などのロウ材からなる球状端子をロウ付けした端子により構成し、この球状端子を外部回路基板の配線導体上に載置当接させて、前記端子を約２５０〜４００℃の温度で加熱溶融し、球状端子を配線導体に接合させるボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）が最も高密度化が可能である。
【０００６】
ところで、これらのパッケージにおける絶縁基板として広く使用されているアルミナの熱膨張係数は約４〜７ｐｐｍ／℃程度であるのに対して、パッケージが実装される外部回路基板として最も多用されているガラス−エポキシ絶縁層からなるプリント基板の熱膨張係数は１１〜１８ｐｐｍ／℃と非常に大きい。
【０００７】
そのため、半導体素子収納用パッケージを外部回路基板に実装した場合、半導体素子の作動時に発する熱が絶縁基板と外部回路基板の両方に繰り返し印加されるとパッケージの絶縁基板と外部回路基板との間に両者の熱膨張係数差に起因する大きな熱応力が発生する。この熱応力は、端子数が３００を超え、パッケージが大型化するにつれて影響が増大し、パッケージの作動および停止の繰り返しにより熱応力が繰り返し印加されると、絶縁基板下面の接続パッドの外周部、及び外部回路基板の配線導体と端子との接合界面に熱応力に伴う応力集中が生じる結果、接続パッドや接続端子が絶縁基板や配線導体より剥離し、半導体素子収納用パッケージを外部回路基板に長期にわたり安定に電気的接続することができないという問題があった。
【０００８】
また、ＢＧＡ構造を持ちパッケージサイズが半導体のチップサイズに近似したチップスケールパッケージ（ＣＳＰ）でもパッケージとプリント基板との接続距離が小さいため、上述した理由により１０〜１５ｍｍ角の大きさでは両者間の熱膨張差が問題となる。
【０００９】
一方、上記課題に対し、配線基板における絶縁基板として、上述した外部回路基板との熱膨張差が小さく、ＣｕやＡｇ等の低抵抗導体との同時焼成が可能なガラス−セラミックスが開発されており、例えば、特開平６−１９１８８７号公報では、熱膨張係数が１００〜１５０×１０-7のガラス中に熱膨張係数１１．０ｐｐｍ／℃のフォルステライト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ2 ）を３０〜７０重量％分散させて磁器の熱膨張係数を高めたガラスセラミックや、特開昭６３−１１７９２９号公報では、ＺｎＯ−Ａｌ2 Ｏ3 −ＳｉＯ2 系ガラスを用い、化学組成と熱処理条件の制御によって珪酸亜鉛、コーディライト、亜鉛尖小石の結晶を生成させて熱膨張係数を制御できることが提案されている。
【００１０】
また、本出願人は、特開平９−１４２８８０号公報において、ガラス相１〜５０重量％と、結晶相５０〜９９重量％とを含有し、かつフォルステライト及びエンスタタイトを合計で２０〜８５重量％の比率で含有するガラスセラミックスの熱膨張係数が９〜１８ｐｐｍ／℃と高く、これを配線基板の絶縁基板として用いることにより外部回路基板の実装信頼性を向上できることを提案した。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開昭６３−１１７９２９号公報におけるガラスセラミックスを具備するパッケージでは高い熱膨張係数の基板が得られるものの、公報に記載されているように同一の組成でもわずかな熱処理条件の相違により析出結晶相が変化し熱膨張係数を安定して制御することが難しく、しかも高価な結晶性ガラスを使用するため、パッケージを安価に製造することができないものであった。
【００１２】
また、特開平６−１９１８８７号公報におけるガラスセラミックスを具備するパッケージ基板では高い熱膨張係数の基板が得られるものの、ガラスとフォルステライトとの組み合わせだけでは、９ｐｐｍ／℃以上の高熱膨張係数を得ることが困難であった。
【００１３】
さらにまた、特願平９−１４２８８０号公報によって得られる磁器では、エンスタタイト原料が不安定であるために、焼成後の磁器特性の再現性が低く、特に２００ＭＰａ以上の機械的強度が安定して得られないものであった。
【００１４】
従って、本発明は、高熱膨張係数で、かつ安定して機械的強度の高い絶縁基板を具備する配線基板を得ることにより、これをプリント基板等の外部回路基板に実装した場合、強固に且つ長期にわたり安定した接続状態を維持できる高信頼性の配線基板およびその製造方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記問題点に対して検討を重ねた結果、絶縁基板としてガラスとエンスタタイトとクォーツとを所定の比率で含有し、かつエンスタタイト原料中のクリノエンスタタイトの比率を高めることによって、焼成によるエンスタタイトの体積収縮を防止し、低温で緻密な磁器が得られること、また磁器中のクリノエンスタタイトの比率を高めることによって、磁器強度を高めることを知見した。
【００１６】
すなわち、本発明の配線基板は、絶縁基板の表面あるいは内部にメタライズ配線層が配設され、前記絶縁基板が、ガラス２０〜６０重量％と、下記式により計算されるクリノエンスタタイトの比率が２０％以上のエンスタタイト１０〜６０重量％と、クォーツ５〜６０重量％との含有比率で含有する混合物を成形してグリーンシートを作製し、該グリーンシート表面にメタライズペーストを被着形成した後、９７０℃以下で焼成してなるものであって、ガラス２０〜６０重量％と、下記式により計算されるクリノエンスタタイトの比率が３０％以上のエンスタタイト１０〜６０重量％と、クォーツ５〜６０重量％との比率で含有し、４０℃〜４００℃における熱膨張係数が９〜１８ｐｐｍ／℃、抗折強度２００ＭＰａ以上であることを特徴とするものである。
Ｐ＝ Ｉ（Ｃｌｉｎｏ＿３１０）＊１００／（Ｉ（Ｐｒｏｔｏ＿３１０）／０．４＋ Ｉ（Ｃｌｉｎｏ＿３１０））
ただし、Ｐ：クリノエンスタタイトの比率（％）、
Ｉ（Ｃｌｉｎｏ＿３１０）：クリノエンスタタイトの（３１０）のＸ線回折ピーク強度、
Ｉ（Ｐｒｏｔｏ＿３１０）：プロトエンスタタイトの（３１０）のＸ線回折ピーク強度、
である。
【００１７】
また、本発明の配線基板の製造方法は、ガラス２０〜６０重量％と、下記式により計算されるクリノエンスタタイトの比率が２０％以上のエンスタタイト１０〜６０重量％と、クォーツ５〜６０重量％との含有比率で含有する混合物を成形してグリーンシートを作製し、該グリーンシート表面にメタライズペーストを被着形成した後、９７０℃以下で焼成することを特徴とするものである。
Ｐ＝ Ｉ（Ｃｌｉｎｏ＿３１０）＊１００／（Ｉ（Ｐｒｏｔｏ＿３１０）／０．４＋ Ｉ（Ｃｌｉｎｏ＿３１０））
ただし、Ｐ：クリノエンスタタイトの比率（％）、
Ｉ（Ｃｌｉｎｏ＿３１０）：クリノエンスタタイトの（３１０）のＸ線回折ピーク強度、
Ｉ（Ｐｒｏｔｏ＿３１０）：プロトエンスタタイトの（３１０）のＸ線回折ピーク強度、
である。
【００１８】
【作用】
エンスタタイトはＭｇＯとＳｉＯ2 を１２００℃以上で熱処理して以下の反応式（１）により合成される。
ＭｇＯ＋ＳｉＯ2 →（ＭｇＯ・ＳｉＯ2 ） （１）
上記反応式（１）においては、一般的にプロトエンスタタイトが生成されるが、この結晶相は高温（１０５０℃以上）で安定であるため、これを原料として用い、９７０℃以下の温度で焼成すると体積収縮を伴って低温で安定なクリノエンスタタイト等に変化する結果、磁器の緻密化を阻害する。すなわち、磁器を緻密化させるためには、より高温にて焼成する必要がある。
【００１９】
そこで、プロトエンスタタイトに代えてクリノエンスタタイトを出発原料にすることにより、焼成時の体積収縮が防止でき、磁器を容易に緻密化させることができるから、低温焼成化が可能であるとともに、磁器強度を高めることができる。
【００２０】
従って、９７０℃以下の焼成にて安定した密度および磁器強度を得るためには、エンスタタイト原料中のクリノエンスタタイトの比率を制御し、焼成時のエンスタタイトの相変態比率を低めることが重要である。 なお、エンスタタイトに代えてフォルステライトを出発原料とした場合、フォルステライトはクォーツと下記反応式（２）によりエンスタタイトを生成する。
【００２１】
２ＭｇＯ・ＳｉＯ2 ＋ＳｉＯ2 →２（ＭｇＯ・ＳｉＯ2 ） （２）
上記の反応は９００℃付近で起こるため、例えば、Ａｇメタライズとの同時焼成には不向きである。
【００２２】
また、本発明によれば、絶縁基板の４０〜４００℃の温度範囲における熱膨張係数が９〜１８ｐｐｍ／℃であることから、ガラス−エポキシ基板などのプリント基板からなる外部回路基板のそれと近似し、絶縁基板と外部回路基板の熱膨張係数差に起因する熱応力を抑制して、絶縁基板と接続端子と外部回路基板との間でクラックや剥離が発生して接続不良を起こすことがなく、配線基板を外部回路基板に長期間にわたり正確に、且つ強固に電気的接続させることが可能となる。
【００２３】
なお、本発明における熱膨張係数とは、特記しない限り４０〜４００℃の温度範囲における線熱膨張係数の平均値を指す。
【００２４】
また、パッケージのメタライズ配線層として使用されるＣｕの熱膨張係数１８ｐｐｍ／℃に対しても近似の熱膨張係数を有するため、メタライズ配線層の絶縁基板への密着性をも高めることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の配線基板の代表例である半導体素子収納用パッケージの一例を示す概略断面図であり、Ａは半導体素子収納用パッケージ、Ｂは外部回路基板である。
【００２６】
半導体素子収納用パッケージＡは、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およびパッケージの内部に収納される半導体素子５により構成され、絶縁基板１及び蓋体２によって半導体素子５を内部に気密に収容するためのキャビティ６を構成し、キャビティ６内には、半導体素子５が、ガラス、樹脂等の接着剤を介して接着固定される。
【００２７】
また、絶縁基板１の表面および内部には、メタライズ配線層３が配設され、半導体素子５と絶縁基板１の下面に形成された接続端子４とを電気的に接続するように配設されている。図１のパッケージによれば、接続端子４は、接続パッド４ａを介して高融点の半田（錫−鉛合金）からなる球状端子４ｂがロウ材により取着されているが、球状端子４ｂを使用せず、接続パッドに直接半田を塗布して外部回路基板に接続してもよい。
【００２８】
一方、外部回路基板Ｂは、絶縁体７と配線導体８とから構成され、絶縁体７は、少なくとも有機樹脂を含む絶縁材料からなり、具体的には、ガラス−エポキシ系複合材料などのように４０〜４００℃の熱膨張係数が１２〜１８ｐｐｍ／℃の特性を有し、一般的にはプリント基板等が用いられる。
【００２９】
なお、パッケージＡのメタライズ配線層３と外部回路基板Ｂの表面に形成される配線導体８は、絶縁基板１または絶縁体７との熱膨張係数の整合性と、電気抵抗の低減の点で、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｂ−Ｓｎから選ばれる少なくとも１種の金属導体からなることが望ましい。
【００３０】
また、パッケージＡの絶縁基板１下面の球状端子４ｂを外部回路基板Ｂの配線導体８上に載置当接させ、しかる後、低融点の半田等のロウ材により約２５０〜４００℃の温度で半田を溶融させて、接続端子４と配線導体８とを接合させることによって半導体素子収納用パッケージＡを外部回路基板Ｂに実装することができる。この時、配線導体８の表面には接続端子４との接続を容易に行うためにロウ材が被着形成されていることが望ましい。
【００３１】
（絶縁基板）本発明によれば、上記配線基板の絶縁基板１として、ガラス２０〜６０重量％と、後述の式（３）により計算されるクリノエンスタタイトの比率が２０％以上のエンスタタイト１０〜６０重量％と、クォーツ５〜６０重量％との含有比率で含有する混合物を成形してグリーンシートを作製し、該グリーンシート表面にメタライズペーストを被着形成した後、９７０℃以下で焼成してなるものであって、ガラス２０〜６０重量％、特に３０〜５０重量％と、後述の式（３）により計算されるクリノエンスタタイトの比率が３０％以上、特に５０％以上のエンスタタイト１０〜６０重量％、特に２０〜５０重量％と、クォーツ５〜６０重量％、特に１０〜５０重量％との比率で含有する。
【００３２】
そして、４０℃〜４００℃における熱膨張係数が９〜１８ｐｐｍ／℃、特に１０〜１６ｐｐｍ／℃、抗折強度２００ＭＰａ以上、特に２２０ＭＰａ以上であることが大きな特徴であり、これによって、前述した外部回路基板Ｂとの熱膨張差に起因する熱応力の発生を緩和し、外部回路基板ＢとパッケージＡとの電気的接続状態を長期にわたり良好に維持することができるとともに、配線基板自体の強度を高めることができる。
【００３３】
すなわち、ガラスが２０重量％より少ないと、９７０℃以下の温度にて磁器を緻密化させることができず、６０重量％を越えると原料単価が上昇してしまうとともに、磁器の焼結温度が低下しすぎ、ＣｕやＡｇのメタライズ配線層との焼成収縮挙動が合わず、配線基板が変形する恐れがある。
【００３４】
また、エンスタタイトが１０重量％より少ないと、原料のクォーツの一部がクリストバライトに変態して２００〜２５０℃に急激な熱膨張変化が発生し、接続端子部でのクラックや剥離の要因となるとともに、磁器強度が低下する。また、エンスタタイトが６０重量％を越える場合、磁器の熱膨張係数を９ｐｐｍ／℃以上とすることが難しい。さらに、クォーツが５重量％より少ないと、磁器の熱膨張係数を９ｐｐｍ／℃以上とできず、６０重量％を越える場合、磁器強度を２００ＭＰａ以上とすることができない。
【００３５】
なお、上記ガラスは、後述するバインダの効率的な除去および高価なガラスの含有比率の低減、絶縁基板と同時に焼成されるメタライズとの焼成条件のマッチングの点で、屈伏点が４００℃〜８００℃で、熱膨張係数が６〜１８ｐｐｍ／℃、特に７〜１３ｐｐｍ／℃の結晶化ガラスであることが望ましく、具体的には、
ＳｉＯ2 −Ｌｉ2 Ｏ−ＣａＯ−Ａｌ2 Ｏ3 、
ＳｉＯ2 −Ｌｉ2 Ｏ−Ａｌ2 Ｏ3 、
ＳｉＯ2 −Ｌｉ2 Ｏ−ＭｇＯ、
ＳｉＯ2 −Ｌｉ2 Ｏ−ＣａＯ−Ａｌ2 Ｏ3 −ＭｇＯ−ＴｉＯ2 、
ＳｉＯ2 −Ｌｉ2 Ｏ−ＣａＯ−Ａｌ2 Ｏ3 −ＭｇＯ−Ｎａ2 Ｏ−Ｆ、
ＳｉＯ2 −Ｌｉ2 Ｏ−ＣａＯ−Ａｌ2 Ｏ3 −Ｋ2 Ｏ−Ｎａ2 Ｏ−ＺｎＯ、
ＳｉＯ2 −Ｌｉ2 Ｏ−ＣａＯ−Ａｌ2 Ｏ3 −Ｋ2 Ｏ−Ｐ2 Ｏ5 、
ＳｉＯ2 −Ｌｉ2 Ｏ−Ａｌ2 Ｏ3 −Ｋ2 Ｏ−Ｐ2 Ｏ5 −Ｓｂ2 Ｏ3 、
ＳｉＯ2 −Ｌｉ2 Ｏ−ＣａＯ−Ａｌ2 Ｏ3 −Ｋ2 Ｏ−Ｐ2 Ｏ5 −ＺｎＯ−Ｎａ2 Ｏ、
ＳｉＯ2 −Ｌｉ2 Ｏ−ＣａＯ−ＭｇＯ、
ＳｉＯ2 −Ｌｉ2 Ｏ−ＣａＯ−ＺｎＯ、
ＳｉＯ2 −ＢａＯ−Ｂ2 Ｏ3
ＳｉＯ2 −ＢａＯ−Ｂ2 Ｏ3 −Ａｌ2 Ｏ3
ＳｉＯ2 −ＢａＯ−Ｂ2 Ｏ3 −ＣａＯ
ＳｉＯ2 −ＢａＯ−Ｂ2 Ｏ3 −ＭｇＯ
ＳｉＯ2 −ＢａＯ−Ｂ2 Ｏ3 −ＣａＯ−Ａｌ2 Ｏ3
ＳｉＯ2 −ＢａＯ−Ｂ2 Ｏ3 −ＭｇＯ−Ａｌ2 Ｏ3
ＳｉＯ2 −ＢａＯ−Ｂ2 Ｏ3 −ＣａＯ−Ａｌ2 Ｏ3 −ＺｎＯ
等の結晶化ガラスが挙げられる。
【００３６】
また、本発明によれば、エンスタタイト中には、クリノエンスタタイトを３０％以上、特に５０％以上、さらに７０％以上含有することが重要であり、これによって、磁器強度を２００ＭＰａ以上に高めることができる。なお、エンスタタイトとしては、クリノエンスタタイト以外にも、プロトエンスタタイトやそれ以外のエンスタタイト結晶相が存在する。
【００３７】
（配線基板の製造方法）次に、本発明の配線基板を製造するには、ガラス２０〜６０重量％と、後述の式（３）により計算されるクリノエンスタタイトの比率が２０％以上、特に４０％以上のエンスタタイト１０〜６０重量％と、クォーツ５〜６０重量％との含有比率で混合する。なお、エンスタタイト中のクリノエンスタタイトの比率を２０％以上とするためには、上記式（１）の反応時に触媒としてＬｉ成分を添加するか、またはプロトエンスタタイト原料に対して、例えば、ボールミル、アトライタミル、振動ミル、ジェットミル等の公知の粉砕方法を用いてプロトエンスタタイトに衝撃を付与することによって、プロトエンスタタイトをクリノエンスタタイトに相変態させることによって制御できる。
【００３８】
なお、本発明では、エンスタタイト中のクリノエンスタタイトの比率は、図２に示すＸ線回折ピークから下記式（３）によって求めた値である。
Ｐ= Ｉ(Clino＿310)*100/(Ｉ(Proto＿310)/0.4+ Ｉ(Clino＿310)) （３）
ただし、Ｐ：クリノエンスタタイトの比率（％）、
Ｉ(Clino＿310)：クリノエンスタタイトの（３１０）のＸ線回折ピーク強度、
Ｉ(Proto＿310)：プロトエンスタタイトの（３１０）のＸ線回折ピーク強度、
である。
【００３９】
上記結晶性ガラスとフィラーとの混合物に、適当な有機樹脂バインダを添加して泥漿物を作るとともに、該泥漿物をドクターブレード法やカレンダーロール法を採用することによってグリーンシートを作製する。そして、メタライズ配線層及び接続パッドとして、上述した金属粉末に有機バインダ、可塑剤、溶剤等を添加、混合して得た金属ペーストを前記グリーンシートに周知のスクリーン印刷法により所定パターンに印刷塗布する。また、場合によっては、前記グリーンシートに適当な打ち抜き加工してスルーホールを形成し、このホール内にもメタライズペーストを充填する。そしてこれらのグリーンシートを複数枚積層し、グリーンシートとメタライズとを同時焼成することにより多層構造のパッケージを得ることができる。
【００４０】
焼成にあたっては、まず、成形のために配合したバインダ成分を除去する。バインダの除去は、７００℃前後の大気雰囲気中で行われるか、または配線導体としてＣｕ等の卑金属を用いる場合には、１００〜７００℃の水蒸気を含有する窒素雰囲気中で行われることが望ましい。この時、成形体の焼成による収縮開始温度は７００〜８５０℃程度であることが望ましく、かかる収縮開始温度によりバインダを容易に除去できることから、成形体中の結晶化ガラスの屈伏点を４００℃〜８００℃に制御することが望ましい。
【００４１】
焼成は、８００℃〜９７０℃の酸化性または還元性雰囲気中で行われ、これにより相対密度９０％以上、特に９５％以上まで緻密化される。焼成温度が９７０℃を越えると、メタライズ層が溶融してしまう。
【００４２】
【実施例】
結晶性ガラスとして、重量比率で
【００４３】
このガラスに対してフィラー成分として、エンスタタイト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ2 、熱膨張係数１０ｐｐｍ／℃）、クォーツ（ＳｉＯ2 、熱膨張係数１５ｐｐｍ／℃）を用いて表１に示す調合組成になるように秤量混合した。
【００４４】
なお、上記エンスタタイト原料については、所望時間振動ミルを行い、粉末Ｘ線回折測定にて上述の式（３）に基づくエンスタタイト中のクリノエンスタタイトの比率を算出したものを用いた。エンスタタイト原料エンスタタイト中のクリノエンスタタイトの比率は表１に示した。
【００４５】
この混合物に有機バインダを添加した後、プレス成形により、３．５×３．５×１５ｍｍの形状の成形体を作製し、この成形体を７００℃のＮ2 ＋Ｈ2 Ｏ中で脱バインダ処理した後、窒素雰囲気中で表１に示す温度にて焼成した。
【００４６】
得られた磁器に対して、アルキメデス法により理論密度に対する比率である相対密度を測定し、また、４０〜４００℃の熱膨張係数およびＪＩＳＲ１６０１に基づいて磁器強度を測定した。さらに、磁器表面でＸ線回折測定を行い、上述の式（３）に基づいてエンスタタイト中のクリノエンスタタイトの比率を算出した。結果は表１に示した。
【００４７】
また、上記ガラスとフィラーとからなる混合物に有機バインダ、可塑剤、分散剤、溶剤を添加、混合してスラリーを調整し、ドクターブレード法にてグリーンシートを作製した。得られたグリーンシートを所定の形状にカットした後、グリーンシートの所定箇所にスルーホールを形成し、スルーホール内にＣｕ粉末と有機ビヒクルとからなるＣｕメタライズペーストを充填した。また、グリーンシートの表面にＣｕメタライズペーストを用いてスクリーン印刷法によりメタライズ配線層を塗布した。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合わせを行いながら６枚積層し圧着した。
【００４８】
なお、配線基板の下面にはスルーホールに接続する箇所にＣｕメタライズからなる接続パッドを形成した。この積層体を７００℃でＮ2 ＋Ｈ2 Ｏ中で脱バインダ後、窒素雰囲気中、表１に示す温度で同時焼成した。
【００４９】
そして、前記接続パッドに図１に示すような半田（錫７０〜１０％−鉛３０〜９０％）からなる接続端子を取着した。なお、接続端子は、１ｃｍ2 当たり３０端子の密度で配線基板の下面全体に形成した。
【００５０】
一方、ガラス−エポキシ基板からなる４０〜８００℃における熱膨張係数が１３ｐｐｍ／℃の絶縁体の表面に銅箔からなる配線導体が形成されたプリント基板を準備した。
【００５１】
そして、上記のパッケージに取着した接続端子をプリント基板の配線導体に接続されるように位置合わせし、これをＮ2 雰囲気中で２６０℃で３分間熱処理してパッケージをプリント基板表面に実装した。この熱処理により接続端子が溶けてパッケージとプリント基板とが電気的に接続されたことを確認した。
【００５２】
次に、得られた実装物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１５分／１５分の保持を１サイクルとして最高１０００サイクル繰り返した。そして、１００サイクル毎に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、電気抵抗が増大したサイクル数をパッケージ（ＰＫＧ）の熱サイクルテスト回数（ＴＣＴ）として表１に示した。
【００５３】
【表１】
表１より明らかなように、ガラスの含有量が２０重量％より少ない試料Ｎｏ．１では、緻密な焼結体を得ることができず、ガラスの含有量が６０重量％より多い試料Ｎｏ．６では、パッケージに変形が生じた。また、エンスタタイトの含有量が１０重量％より少ない試料Ｎｏ．７では、磁器強度が低下し、また、２００℃付近で急激に熱膨張変化が生じて熱膨張係数を１８ｐｐｍ／℃以下とすることができず、ＴＣＴにて５００回でパッケージと外部回路基板との間に接続不良が発生した。
【００５５】
さらに、クォーツの含有量が５重量％より少ない試料Ｎｏ．１３、１８では、熱膨張係数が９ｐｐｍ／℃より低くなり、ＴＣＴにて３００回でパッケージと外部回路基板との間に接続不良が発生した。また、クォーツの含有量が６０重量％を越える試料Ｎｏ．２４では、磁器強度が低下した。
【００５６】
さらに、エンスタタイト原料中のクリノエンスタタイトの比率が２０％より低く、磁器中のそれが３０％より低い試料Ｎｏ．１４、２５では、磁器を９５％以上に緻密化させることができず、また、磁器強度も低いものであった。
【００５７】
これに対して、本発明の範囲内である試料Ｎｏ．２〜５、８〜１２、１５〜１７、１９〜２３、２６、２７は、いずれも相対密度９５％以上、熱膨張係数９〜１８ｐｐｍ／℃、磁器強度２００ＭＰａ以上で、ＴＣＴにて１０００サイクルまで良好な接続状態を維持できた。
【００５８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の配線基板および半導体素子収納用パッケージによれば、配線基板における絶縁基板の磁器強度を高めることができるとともに、絶縁基板の熱膨張係数を高めてプリント基板等の外部回路基板との熱膨張係数差を小さくできることから、外部回路基板に実装した場合に、両者の熱膨張係数の差に起因する応力発生を抑制し、パッケージと外部回路とを長期間にわたり正確、かつ強固に電気的接続させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線基板の代表例である半導体素子収納用パッケージの一例を示す概略断面図である。
【図２】エンスタタイト中の式（３）により計算されるクリノエンスタタイトの比率を求める方法を説明するための図である。
【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
４ａ・・接続パッド
４ｂ・・球状端子
５・・・半導体素子
６・・・キャビティ
７・・・絶縁体
８・・・配線導体
Ａ・・・半導体素子収納用パッケージ
Ｂ・・・外部回路基板
Claims (2)
- 絶縁基板の表面あるいは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、前記絶縁基板が、ガラス２０〜６０重量％と、下記式により計算されるクリノエンスタタイトの比率が２０％以上のエンスタタイト１０〜６０重量％と、クォーツ５〜６０重量％との含有比率で含有する混合物を成形してグリーンシートを作製し、該グリーンシート表面にメタライズペーストを被着形成した後、９７０℃以下で焼成してなるものであって、ガラス２０〜６０重量％と、下記式により計算されるクリノエンスタタイトの比率が３０％以上のエンスタタイト１０〜６０重量％と、クォーツ５〜６０重量％との比率で含有し、４０℃〜４００℃における熱膨張係数が９〜１８ｐｐｍ／℃、抗折強度２００ＭＰａ以上であることを特徴とする配線基板。
Ｐ＝ Ｉ（Ｃｌｉｎｏ＿３１０）＊１００／（Ｉ（Ｐｒｏｔｏ＿３１０）／０．４＋ Ｉ（Ｃｌｉｎｏ＿３１０））
ただし、Ｐ：クリノエンスタタイトの比率（％）、
Ｉ（Ｃｌｉｎｏ＿３１０）：クリノエンスタタイトの（３１０）のＸ線回折ピーク強度、
Ｉ（Ｐｒｏｔｏ＿３１０）：プロトエンスタタイトの（３１０）のＸ線回折ピーク強度、
である。 - ガラス２０〜６０重量％と、下記式により計算されるクリノエンスタタイトの比率が２０％以上のエンスタタイト１０〜６０重量％と、クォーツ５〜６０重量％との含有比率で含有する混合物を成形してグリーンシートを作製し、該グリーンシート表面にメタライズペーストを被着形成した後、９７０℃以下で焼成することを特徴とする配線基板の製造方法。
Ｐ＝ Ｉ（Ｃｌｉｎｏ＿３１０）＊１００／（Ｉ（Ｐｒｏｔｏ＿３１０）／０．４＋ Ｉ（Ｃｌｉｎｏ＿３１０））
ただし、Ｐ：クリノエンスタタイトの比率（％）、
Ｉ（Ｃｌｉｎｏ＿３１０）：クリノエンスタタイトの（３１０）のＸ線回折ピーク強度、
Ｉ（Ｐｒｏｔｏ＿３１０）：プロトエンスタタイトの（３１０）のＸ線回折ピーク強度、
である。
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