(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基体と、該絶縁基体内に形成され、一端が絶縁基体の表面に露出し、露出面に半導体素子の電極が電気的接続手段を介して接続される貫通導体層とから成るセラミック配線基板であって、前記絶縁基体はムライト質焼結体から成り、かつ前記貫通導体層はモリブデンを主成分とする金属材で形成されているとともに、露出面がタングステンから成る、断面形状が中央部が厚く周辺部が薄い被覆層で被覆されていることを特徴とするセラミック配線基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は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や混成集積回路基板等に用いられるセラミック配線基板に関し、より詳細には半導体素子がフリップチップ方式により搭載接続されるセラミック配線基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体素子収納用パッケージや混成集積回路基板等に用いられるセラミック配線基板への半導体素子の搭載方法としては、半導体素子等の電子部品の高密度化、小型化に対応するためセラミック配線基板の表面に露出する貫通導体層に半導体素子の電極を半田等の電気的接続手段を介し直接接続する、所謂、フリップチップ方式のボンディングが多用されつつある。
【０００３】
このフリップチップ方式のボンディングが採用される半導体素子収納用パッケージや混成集積回路基板等に用いられるセラミック配線基板は、一般に酸化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基体と、該絶縁基体内に形成され、一端が絶縁基体の表面に露出するタングステン、モリブデン等の高融点金属から成る貫通導体層とから構成されており、貫通導体層の絶縁基体表面に露出する露出面に半導体素子等の電子部品の電極を半田ボール等から成る電気的接続手段を介し取着接続させることによって半導体素子等の電子部品はセラミック配線基板上に搭載されるとともに電子部品の各電極が貫通導体層に接続される。
【０００４】
なお、前記貫通導体層の露出面には、通常、その酸化腐食を防ぐとともに半田ボール等から成る電気的接続手段に対する濡れ性を良好なものとするために、ニッケル、金等の耐食性に優れ、且つ半田等のろう材に対して濡れ性の良い金属層がめっき法により被着されている。
【０００５】
またかかるセラミック配線基板は、一般に、セラミックスの積層技術及びスクリーン印刷等の厚膜形成技術を採用することによって製作されており、具体的には以下の方法によって製作される。
【０００６】
即ち、
（１）まず、酸化アルミニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）、酸化珪素（ＳｉＯ2 ）酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）等から成るセラミックス原料粉末に有機溶剤、溶媒を添加混合して泥漿物を作り、次にこれを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等によりシート状に成形して複数枚のセラミックグリーンシート（セラミック生シート）を形成するとともに所定位置に打ち抜き加工等により貫通孔を形成する。
【０００７】
（２）次に、前記貫通孔内に、タングステン、モリブデン等の金属の粉末に有機溶剤、溶媒を添加混合して得た導電ペーストをスクリーン印刷法等により印刷充填する。
【０００８】
（３）そして最後に、これらのセラミックグリーンシートを、前記貫通孔に印刷充填した導電ペーストの一端が露出するようにして上下に積層するとともに、還元雰囲気中、約１６００℃の温度で焼成し、セラミックグリーンシートと導電ペーストとを焼結一体化することによってセラミック配線基板が完成する。
【０００９】
この場合、セラミックグリーンシートと導電ペーストの焼結開始温度が相違すると焼結に伴なう収縮の開始時期がセラミックグリーンシートと導電ペーストとの間で相違して絶縁基体と貫通導体層との間に応力が発生し、絶縁基体にクラック等が生じてしまうため導電ペーストは、通常、その焼結開始温度がセラミックグリーンシートの焼結開始温度に近似したものが用いられる。
【００１０】
しかしながら、近時、半導体素子の大型化、信号の伝播速度の高速化が急激に進み、該半導体素子を上記従来のセラミック配線基板に搭載した場合、以下に述べる欠点を有したものとなる。
【００１１】
即ち、
（１）半導体素子を構成するシリコンと絶縁基体を構成する酸化アルミニウム質焼結体の熱膨張係数がそれぞれ３．０×１０-6／℃〜３．５×１０-6／℃、６．０×１０-6／℃〜７．５×１０-6／℃であり、大きく相違することから両者に半導体素子を作動させた際等に発生する熱が印加されると両者間に大きな熱応力が発生し、該熱応力によって半田ボール等の電気的接続手段や半導体素子が破損したり、絶縁基体より剥離して半導体装置としての機能を喪失させてしまう。
【００１２】
（２）絶縁基体を構成する酸化アルミニウム質焼結体はその誘電率が９〜１０（室温１ＭＨｚ）と高いため、絶縁基体に設けた貫通導体層を伝わる信号の伝播速度が遅く、そのため信号の高速伝播を要求する半導体素子はその搭載が不可となる。
【００１３】
そこで上記欠点を解消するために、絶縁基体を酸化アルミニウム質焼結体に代えて半導体素子を構成するシリコンの熱膨張係数（３．０×１０-6／℃〜３．５×１０-6／℃）と近似した熱膨張係数４．０×１０-6／℃〜４．５×１０-6／℃を有し、且つ誘電率が６．３と低いムライト質焼結体で形成することが考えられる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、絶縁基体をムライト質焼結体で形成した場合、貫通導体層となる導電ペーストは、その焼結開始温度をムライト質焼結体となるセラミックグリーンシートと近似させるためにモリブデンを主成分とする金属粉末を用いる必要があり、このモリブデンで貫通導体層を形成した場合、該モリブデンは酸化されやすい金属であり、露出表面に酸化物が極めて容易に形成されてしまい、貫通導体層の露出表面に酸化物が形成されると貫通導体層の露出表面にニッケル等のめっき層を密着性良く形成することができなくなり、その結果、貫通導体層に電子部品の各電極を半田ボール等からなる電気的接続手段を介して強固に電気的に接続させることができないという欠点を有していた。
【００１５】
本発明は、上記問題に鑑み案出されたもので、その目的は、絶縁基体がムライト質焼結体で形成され、かつ貫通導体層の露出面にめっき層を密着性良く形成することができるセラミック配線基板を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、絶縁基体と、該絶縁基体内に形成され、一端が絶縁基体の表面に露出し、露出面に半導体素子の電極が電気的接続手段を介して接続される貫通導体層とから成るセラミック配線基板であって、前記絶縁基体はムライト質焼結体から成り、かつ前記貫通導体層はモリブデンを主成分とする金属材で形成されているとともに、露出面がタングステンから成る、断面形状が中央部が厚く周辺部が薄い被覆層で被覆されていることを特徴とするものである。
【００１７】
本発明のセラミック配線基板によれば、貫通導体層の露出面を酸化し難いタングステンから成る被覆層で被覆したことから、貫通導体層の露出表面に半田等のろう材に対して濡れ性が良いニッケル等のめっき層を確実、強固に被着させることができ、その結果、貫通導体層に電子部品の各電極を半田ボール等からなる電機的接続手段を介して強固に電気的に接続させることができる。
【００１８】
また本発明のセラミック配線基板によれば、貫通導体層の全領域を、焼結開始温度が絶縁基体となるセラミックグリーンシートの焼結開始温度に近似するモリブデンを主成分とする金属材で形成したことから、絶縁基体と貫通導体層との間に大きな応力が発生することはなく、該応力によって絶縁基体にクラック等が発生することもない。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に本発明を添付図面に基付き詳細に説明する。
図１及び図２は本発明のセラミック配線基板を半導体素子収納用パッケージの絶縁基体に適用した場合の一実施例を示し、図中、１はセラミック配線基板からなる絶縁基体、２は蓋体である。この絶縁基体１と蓋体２とで半導体素子を収容するための容器４が構成される。
【００２０】
前記絶縁基体１は半導体素子３を支持する支持部材として作用し、上面の略中央部に半導体素子３が搭載実装される。
【００２１】
前記絶縁基体１はムライト質焼結体から成り、該ムライト質焼結体は熱膨張係数が４．０×１０-6／℃〜４．５×１０-6／℃であり、半導体素子３を構成するシリコンの熱膨張係数（３．０×１０-6／℃〜３．５×１０-6／℃）に近似することから、絶縁基体１上に半導体素子３を搭載実装した後、両者に半導体素子３を作動させた際等に発生する熱が印加されたとしても両者間には大きな熱応力が発生することはなく、該熱応力によって半導体素子３が破損したり、半導体素子３が絶縁基体１より剥離したりすることはない。
【００２２】
前記ムライト質焼結体から成る絶縁基体１は、例えば、ムライト、酸化カルシウム、酸化マグネシウム等の原料粉末に適当な有機バインダー、溶剤等を添加混合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セラミックグリーンシート（セラミック生シート）と成し、しかる後、前記セラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともにこれを複数枚積層し、約１６００℃の温度で焼成することによって製作される。
【００２３】
また前記絶縁基体１はその上面で半導体素子３が搭載実装される領域から内部及び側面を介し底面にかけて複数の貫通導体層５が形成されており、該貫通導体層５のうち絶縁基体１の上面に露出する領域には半導体素子３の各電極が半田ボール等の電気的接続手段８を介して接続され、また絶縁基体１の下面に導出する部位には外部リード端子７が銀ロウ等のロウ材を介してロウ付けされている。
【００２４】
前記貫通導体層５は、半導体素子３の各電極を外部電気回路に接続される外部リード端子７に接続するための導電路として作用し、半導体素子３の各電極を絶縁基体１の上面に露出する貫通導体層５の露出表面に半田ボール等の電気的接続手段８を介して接続すれば半導体素子３の各電極は貫通導体層５を介して絶縁基体１の下面において貫通導体層５にロウ付けされている外部リード端子７に電気的に接続され、外部リード端子７を外部電気回路に接続すれば半導体素子３の各電極は貫通導体層５及び外部リード端子７を介して外部電気回路に電気的に接続されることとなる。
【００２５】
なお、前記貫通導体層５は絶縁基体１を形成するムライト質焼結体の誘電率が６．３（室温１ＭＨｚ）と低いため、貫通導体層５における電気信号の伝播速度を速いものとなすことができ、これによって貫通導体層５を介して半導体素子３と外部電気回路との間で電気信号を高速で出し入れすることが可能となる。
【００２６】
また前記貫通導体層５はモリブデンを主成分とする金属材で形成されているとともに露出面がタングステンから成る被覆層５ａで被覆されており、かかる貫通導体層５及び被覆層５ａは、例えば、まず、同じ位置に貫通孔が形成された焼成により絶縁基体１となる複数枚のセラミックグリーンシートを準備し、次に前記複数枚のセラミックグリーンシートの各貫通孔内に、モリブデン粉末を主成分とし、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム等の粉末及び有機溶剤、溶媒を添加混合して得たモリブデンを主成分とする導電ペーストを印刷充填するとともに、これらのセラミックグリーンシートを上下に積層し、最後に貫通孔に印刷充填したモリブデンを主成分とする導電ペーストの露出面に、タングステン粉末に有機溶剤、溶媒を添加混合して得た導電ペーストをスクリーン印刷法により印刷塗布して被覆するとともにこれを高温で焼成することによって製作される。
【００２７】
前記貫通導体層５はまたモリブデンを主成分とする金属材で形成されているとともに露出面が酸化し難いタングステンから成る被覆層５ａで被覆されているため貫通導体層５及び被覆層５ａの露出面に酸化物が形成されることはなく、被覆層５ａの表面に後述する半田等のろう材に対して濡れ性が良いニッケルや金等のめっき層を確実、強固に被着させることができる。
【００２８】
更に前記貫通導体層５は、その全領域が、絶縁基体１となるセラミックグリーンシートの焼結開始温度に近似した焼結開始温度を有するモリブデンを主成分とする金属材で形成されていることから絶縁基体１と貫通導体層５との間に大きな応力が発生することはなく、該応力によって絶縁基体１にクラック等が発生することもない。
【００２９】
なお前記被覆層５ａは、その厚さが１０００μｍを超える厚いものとなると、タングステン粉末の焼結体が硬く脆いことからカケやハガレ等の欠損を生じ易くなる傾向があり、また５０μｍ未満の薄いものとなると被覆層５ａ内のピンホール（空孔）を介して貫通導体層５の露出表面が酸化しやすくなる傾向がある。従って、前記被覆層５ａは、その厚みを５０μｍ〜１０００μｍの範囲としておくことが好ましい。
【００３０】
更に前記被覆層５ａは、その断面形状を中央部が厚く周辺部が薄い、所謂、カマボコ状としており、熱応力等の応力が周辺部、特に外周端部に集中することがなく、貫通導体層５に対する接合強度をより一層強いものとすることができる。従って、前記被覆層５ａは、その断面形状をカマボコ状としておくこととする。
【００３１】
前記貫通導体層５の露出面を被覆している被覆層５ａは更に図２に示す如く、その露出する表面にニッケルめっき層９や金めっき層１０が被着されており、該ニッケルめっき層９や金めっき層１０は半田ボール等から成る電気的接続手段８の貫通導体層５に対する濡れ性を改善し、貫通導体層５に半田ボール等から成る電気的接続手段８を強固に被着させる作用をなす。
【００３２】
前記ニッケルめっき層９は、例えば、無電解めっき法によって形成され、具体的には、硫酸ニッケル２０〜４０グラム／リットル、コハク酸ナトリウム４０〜６０グラム／リットル、ホウ酸２５〜３５グラム／リットル、塩化アンモニウム２５〜３５グラム／リットル、ジメチルアミンボラン２．５〜４．５グラム／リットル等から成る無電解ニッケルめっき液を準備するとともに、貫通導体層５の露出面を脱脂、酸処理した後、触媒剤を含有する溶液に浸漬して活性処理をし、しかる後、貫通導体層５の露出面を６０〜６５℃に設定された前記無電解ニッケルめっき液中に３０〜６０分間浸漬させることによって貫通導体層５の露出面に所定厚み（２μｍ〜８μｍ）に被着され、また金めっき層１０は、例えば、水酸化カリウム２０〜４０グラム／リットル、エチレンジアミン四酢酸３０〜５０グラム／リットル、リン酸二水素カリウム１５〜４５グラム／リットル、シアン化カリウム０．０１〜０．１グラム／リットル、シアン化金カリウム１〜４グラム／リットル等から成る金めっき液（液温：８５〜９５℃）を準備し、これに前記表面にニッケルめっき層９が被着されている貫通導体層５の露出面を５〜１５分間浸漬させることによってニッケルめっき層９上に所定厚み（０．０２μｍ〜０．３μｍ）に被着される。
【００３３】
前記ニッケルめっき層９はその厚みが２μｍ未満となると貫通導体層５の露出面に金めっき層１０を強固に被着させるのが困難となる傾向にあり、また８μｍを越えるとニッケルめっき層９を形成する際に大きな応力が発生するとともにこれがニッケルめっき層９の内部に内在し、該内在応力によって貫通導体層５の露出面とニッケルめっき層９との密着の信頼性が低下してしまう危険性がある。従って、前記ニッケルめっき層９はその厚みを２μｍ〜８μｍの範囲としておくことが好ましい。
【００３４】
また前記金めっき層１０はその厚みが０．０２μｍ未満となると下地のニッケルめっき層９を完全に被覆することができず、半田ボール等から成る電気的接続手段８の貫通導体層５に対する接合強度が低下してしまう危険性があり、また０．３μｍを超えると金めっき層１０の一部が半田ボール等から成る電気的接続手段８の内部に拡散して電気的接続手段８の機械的強度を低下させてしまう危険性がある。従って、前記金めっき層１０はその厚みを０．０２μｍ〜０．３μｍの範囲としておくことが好ましい。
【００３５】
更に前記ニッケルめっき層９はその表面の粗さを中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．５μｍ≦Ｒａ≦１．５μｍの範囲とし、表面を適度に粗しておくとニッケルめっき層９と金めっき層１０との密着面積が広いものとして両者の密着強度を極めて強いものとなすことができる。従って、前記ニッケルめっき層９はその表面の粗さを中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．５μｍ≦Ｒａ≦１．５μｍの範囲に粗しておくことが好ましい。
【００３６】
前記ニッケルめっき層９の表面を中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．５μｍ≦Ｒａ≦１．５μｍの範囲に粗す方法としては、ニッケルめっき層９の表面に＃１５００程度のメディアを２．０ｋｇ／ｃｍ2 〜４．０ｋｇ／ｃｍ2 の圧力で吹き付けする、所謂、ブラスト処理を施すことによって行われる。
【００３７】
また一方、前記絶縁基体１の下面に導出されている貫通導体層５には外部リード端子７が銀ロウ等のロウ材を介して取着されており、該外部リード端子７は半導体素子３の各電極を外部電気回路に電気的に接続させる作用をなす。
【００３８】
前記外部リード端子７は鉄−ニッケル−コバルト合金や鉄−ニッケル合金等の金属材料から成り、例えば、鉄−ニッケル−コバルト合金や鉄−ニッケル合金等のインゴット（塊）に圧延加工法や打ち抜き加工法等、従来周知の金属加工法を施すことによって所定の形状に形成される。
【００３９】
また前記外部リード端子７はその露出する表面に良導電性で、かつ耐食性に優れるニッケル、金等の金属をめっき法により１μｍ〜２０μｍの厚みに被着させておくと、外部リード端子７の酸化腐食を有効に防止することができるとともに外部電気回路との接続を良好となすことができる。従って、前記外部リード端子７はその露出する表面にニッケル、金等をめっき法により１μｍ〜２０μｍの厚みに被着させておくことが好ましい。
【００４０】
更に前記外部リード端子７が取着された絶縁基体１はその上面外周部に椀状をなす蓋体２がガラス、樹脂、ロウ材等から成る封止材を介して接合され、これによって絶縁基体１と蓋体２とから成る容器４内部に半導体素子３が気密に封止される。
【００４１】
前記蓋体２は容器４の内部に半導体素子３を気密に収容する作用をなし、銅や鉄−ニッケル−コバルト合金や鉄−ニッケル−合金等の金属材料、あるいは酸化アルミニウム質焼結体等のセラミックス焼結体で形成されている。
【００４２】
かくして上述の半導体素子収納用パッケージによれば、絶縁基体１上面に半導体素子３を、該半導体素子３の各電極を被覆層５ａの表面に半田ボール等から成る電気的接続手段８を介して接続させることによって搭載実装し、しかる後、前記絶縁基体１の上面に椀状の蓋体２をガラス、樹脂、ロウ材等から成る封止材を介して接合させ、絶縁基体１と蓋体２とから成る容器４内部に半導体素子３を気密に収容することによって最終製品としての半導体装置となる。
【００４３】
なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能であり、例えば、上述の実施例では本発明のセラミック配線基板を半導体素子を収容する半導体素子収納用パッケージに適用した場合を例に挙げて説明したが、これを半導体素子が搭載される混成集積回路基板に適用した場合であってもよい。
【００４４】
【発明の効果】
本発明のセラミック配線基板によれば、絶縁基体をムライト質焼結体で形成したことから、半導体素子と絶縁基体との熱膨張係数が近似し、両者の熱膨張係数の差に起因する熱応力を小さく抑えて半導体装置としての機能を長期にわたって維持することが可能となり、かつ、絶縁基体の誘電率を約６．３と低いものとして信号の高速伝播を要求する半導体素子の搭載が可能となった。
【００４５】
また、本発明のセラミック配線基板によれば、貫通導体層をモリブデンを主成分とする金属材で形成するとともに露出面を酸化し難いタングステンから成る被覆層で被覆したことから、貫通導体層を被覆する被覆層の表面に、半田等のろう材に対して濡れ性が良いニッケル等のめっき層を確実、強固に被着させることができ、その結果、貫通導体層に電子部品の各電極を半田ボール等から成る電気的接続手段を介して強固に電気的に接続させることが可能となった。
【００４６】
更にまた、本発明のセラミック配線基板によれば、貫通導体層の全領域を、焼結開始温度が絶縁基体となるセラミックグリーンシートの焼結開始温度に近似するモリブデンを主成分とする金属材で形成したことから絶縁基体と貫通導体層との間に大きな応力が発生することはなく、該応力によって絶縁基体にクラック等が発生することもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミック配線基板を半導体素子収納用パッケージの絶縁基体に適用した場合の一実施例を示す断面図である。
【図２】図１の要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１・・・絶縁基体
２・・・蓋体
３・・・半導体素子
５・・・貫通導体層
５ａ・・被覆層
７・・・外部リード端子
８・・・電気的接続手段
９・・・ニッケルめっき層
１０・・金めっき層
【図１】
0003645744.tif 000002
【図２】
0003645744.tif 000003