(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板のパッド部に外部金属端子の一端面を銀銅（Ａｇ−Ｃｕ）系ろう材にて接合したものにおいて、前記パッド部は、その周縁が絶縁材料にて被覆されており、前記外部金属端子が丸棒状の胴体部とその一端に一体的に連なる径大の鍔状部とからなるネイルピンであり、前記一端面が鍔状部端面であり、パッド部の接合面積をＳ１、前記外部金属端子の前記一端面の面積をＳ２、ろう材の重量をＭとするとき、セラミックス基板の主成分がムライトであって、Ｍ／（Ｓ１−Ｓ２）が０．１３〜０．４５ｍｇ／ｍｍ２であることを特徴とするセラミックス基板と外部金属端子との接合構造。
【請求項２】
外部金属端子の接合端面からはみ出たろう材が、その縦断面形状において外方に向かって漸減する円錐状である請求項１に記載のセラミックス基板と外部金属端子との接合構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、セラミックス基板と外部金属端子との接合構造に関するもので、特に多層配線基板に形成されたろう付けパッドとリード、ピン等の入出力端子部材とがろう材にて接合される、ピングリッドアレイＩＣパッケージに好適に利用され得る。
【０００２】
【従来の技術】
ピングリッドアレイ（ＰＧＡ）等の高密度ＩＣパッケージは、集積回路ＩＣを搭載するとともに主面上に縦横に多数配列して形成されたパッド部を備える多層配線基板と、この多層配線基板のパッド部に接合された多数のコバール等からなるＩ／Ｏ（入出力）ピン等の外部端子部材とで構成されており、場合により更にその多層配線基板のＩＣ搭載部の周縁部にコバール等からなる封止用枠体が接合されている。
【０００３】
多層配線基板は、通常アルミナ等を主成分とするセラミックスからなり、板形状の複数枚の絶縁層と、各絶縁層の主表面に高融点金属にて形成された各種配線パターンとを備えている。また、入出力ピン等の外部金属端子は、例えば直径０．３〜０．４ｍｍ程度の丸棒状の胴体部先端に、径大の鍔状部が設けられたネイル（釘）形状をなしており、その鍔状部を接合面としている。そして、セラミックスと外部金属端子との接合強度は、セラミックス部分の信頼性確保のために、常に外部金属端子自体の強度を上回ることが要請されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、信号伝播速度を速くすることと、集積回路ＩＣの接続不良及び剥離を未然に防止することのために、上記のような高密度ＩＣパッケージの多層基板中の絶縁層として、ムライト質セラミックスを用いようとする提案がなされている（特公昭５７−２３６７２号公報，特開昭５５−１３９７０９号公報）。
【０００５】
すなわち、電気信号の伝播遅延時間は、配線導体をとりまく絶縁層の誘電率の平方根に比例するので、比誘電率の小さいムライトを絶縁層の主成分として信号の高速化を達成しようとするのである。また、集積回路ＩＣが半導体シリコンよりなるものの場合、シリコンの熱膨張係数が３．５×１０-6／℃であるから、これと熱膨張差の小さいムライトをＩＣ搭載部の絶縁層の主成分とすることにより、ＩＣ接続部分の熱応力を軽減しようとするのである。
【０００６】
しかし、発明者らが研究した結果、ムライト質焼結体よりなる多層配線基板に従来のアルミナ基板に対するのと同じ要領で外部金属端子を接合した構造のものを引っ張り強度試験にかけると、低強度でセラミックス部分において破壊する場合が頻繁に生じた。従って、パッケージ全体の信頼性に欠けるとともに歩留まりを悪くしていた。
【０００７】
本発明の第１の目的は、上記従来の課題を解決し、接合の信頼性に優れたムライト質セラミックス基板と外部金属端子との接合構造を提供することにある。第２の目的は、接合体の歩留まりを向上させることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
その手段は、
セラミックス基板のパッド部に外部金属端子の一端面を銀銅（Ａｇ−Ｃｕ）系ろう材にて接合したものにおいて、前記パッド部は、その周縁が絶縁材料にて被覆されており、前記外部金属端子が丸棒状の胴体部とその一端に一体的に連なる径大の鍔状部とからなるネイルピンであり、前記一端面が鍔状部端面であり、パッド部の接合面積をＳ１、前記外部金属端子の前記一端面の面積をＳ２、ろう材の重量をＭとするとき、セラミックス基板の主成分がムライトであって、Ｍ／（Ｓ１−Ｓ２）が０．１３〜０．４５ｍｇ／ｍｍ２であることを特徴とするセラミックス基板と外部金属端子との接合構造
にある。
【０００９】
ここで、パッド部の接合面積とは、パッド部の全面積がろう材に濡れて接合に関与しているときは、その面積のことをいう。また、その周縁が絶縁材料にて被覆されているために被覆部分にろう材が濡れないときは、被覆部分を除いた面積のことをいう。
【００１０】
【作用効果】
セラミックス基板が主としてアルミナよりなる場合、アルミナ焼結体の強度が高いので、外部金属端子との接合部で熱膨張差による応力が発生してもセラミックス基板の破壊が起こりにくい。
これに対して、ムライト焼結体はアルミナ焼結体よりも強度が弱い。加えて、外部金属端子との熱膨張差もアルミナ焼結体の場合よりも大きい。従って、ろう付け部分で破壊し易い。
【００１１】
そこで、本発明では、ろう材の量を適切な範囲に定め、それによって熱応力を最小限度に抑えたのである。すなわち、ろう付け時には、外部金属端子とセラミックス基板とに一定の荷重が加わる。従って、外部金属端子の接合端面とセラミックス基板のパッド部とで挟まれる部分に存在するろう材量及びその厚さは常にほぼ一定となる。その結果、ろう材の量が適切であると、外部金属端子の接合端面からはみ出たろう材が、その縦断面形状において図１に示すように外方に向かって漸減する円錐状となる。従って、パッド部周縁でセラミックス基板に加わる応力が急変しない。
【００１２】
但し、銀銅（Ａｇ−Ｃｕ）系ろう材の量が１ｍｍ2当たり０．４５ｍｇより多いと、外部金属端子の接合端面からはみ出たろう材がパッド部全体に過剰に盛り上がるように濡れるので、パッド部内外でセラミックスに加わる応力が著しく変化する。その結果、パッド部の周縁上でセラミックスが破壊する。従って、ろう材量の上限を０．４５ｍｇ／ｍｍ2とした。特にパッド部の周縁が絶縁材料にて被覆されている場合、ろう材量が過剰であるにもかかわらず、ろう材の流れがその絶縁材料によってせき止められるので、パッド部周縁上におけるろう材の盛り上がり方が急激となる。従って、上限値を厳守することが必要となる。
【００１３】
他方、ろう材の量が面積１ｍｍ2当たり０．１３ｍｇより少ないと、ろう材が外部金属端子のほぼ直下しか濡れなくなる。従って、ろう材の濡れていないパッド部の表面と外部金属端子の直下とでセラミックスに加わる応力が著しく変化する。その結果、外部金属端子の周縁下でセラミックスが破壊する。
【００１４】
銀銅（Ａｇ−Ｃｕ）系ろう材の組成は、Ａｇ／Ｃｕ重量比が５０／５０〜８７／１３の範囲に属するものが良い。この範囲よりＡｇが少なくても多くても液相温度が高くなって９００℃より高い温度でろう付けしなければならず、作業性が悪くなるからである。また、銀銅（Ａｇ−Ｃｕ）系ろう材は、その特性を逸脱しない限り、例えばインジウムＩｎのようにＡｇＣｕ以外の第三の成分を少量含むものであっても良い。
【００１５】
尚、パッド部の周縁が絶縁材料で被覆されていると、パッド部周端へのろう材の流れがせき止められる。その結果、応力の集中し易いパッド部周端への更なる応力集中を抑え、端子部の破壊を防止することができる。従って、パッド部の周縁が絶縁材料で被覆されているのが望ましい。
【００１６】
【実施例】
実施例１
［本発明接合構造］
本発明接合構造の一実施例を図面とともに説明する。図１は、本発明接合構造を備えたセラミックス基板とネイルピンとの接合部を示す断面図である。
【００１７】
接合構造１は、ムライト７５重量％、密度２．９ｇ／ｃｍ3のセラミックス基板２と、このセラミックス基板２の表面に形成された金属化面からなるパッド３と、パッド３に接合されたネイルピン４とで構成されている。そして、セラミックス基板２の表面は、パッド３の大部分を除いてセラミックス基板２と同質で厚さ１５μｍの絶縁膜５で覆われている。
【００１８】
パッド３は、厚さ２０μｍのタングステンからなる第１層及び厚さ２μｍのニッケルからなる第２層の２層構造（但し、絶縁膜５の直下は第２層が存在しない。）で、直径１．５５〜２．０５ｍｍの大きさとなっており、その周縁０．１５ｍｍが絶縁膜５で覆われているので、ネイルピン４との接合に関与している部分の大きさは直径１．４〜１．９ｍｍである。
【００１９】
ネイルピン４は、本発明接合構造に用いられる外部金属端子であり、全長４．５ｍｍのコバール（ＫＯＶＡＲ）製で、直径０．３５ｍｍの胴体部とその一端に一体的に連なる直径０．７ｍｍ、厚さ０．３ｍｍの鍔状部とからなる。
パッド３とネイルピン４とは、所定量の銀ー銅共晶ろう（日本工業規格ＢＡｇ８）６にて接合されている。尚、ネイルピン４の材質は、４２アロイ、アロイ１９４（Ｃｕ合金）でも良い。
【００２０】
［本発明接合構造を備えた接合体の製造方法］
このような接合体の製造方法を説明する。
まず、ムライト等のセラミックス粉末を主成分とするグリーンシートの表面に、タングステンＷのペーストを所定パターンにスクリーン印刷して、各パッドのパターンを形成する。次に同じ組成のセラミックス粉末を主成分とする絶縁ペーストをグリーンシートの表面に印刷する。そして、これらグリーンシートが１５００℃前後の高温で焼成され、Ｎｉ鍍金が施されてセラミックス基板２となる。
【００２１】
別途、前記ネイルピン４を準備し、その鍔状部端面に予め所定量のＡｇ−Ｃｕ共晶ろう６を付けておく。
前記セラミックス基板２のパッド３にネイルピン４をＡｇ−Ｃｕ共晶ろう６にて炉設定温度９００℃、窒素−水素混合ガス中で接合する。これにて接合構造１が完成する。
【００２２】
［実験及び評価］
上記接合構造１において、ネイルピン４の寸法及び形状を一定値とし、接合に関与するパッド３の面積及びＡｇ−Ｃｕ共晶ろう６の量を表１のように種々変えたものにつき、ネイルピン４の遊端部を４５°方向に引っ張り、引っ張り強度を測定するとともに破壊モードを観察した。測定及び観察の結果を表１に併記する。
【００２３】
【表１】
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表１から判るように、共晶ろうの量が面積１ｍｍ2当たり０．１３〜０．４５ｍｇである接合構造の場合は、ネイルピン４の胴体部が切れた。すなわち、ネイルピン４自体の機械的強度よりも接合強度のほうが高かった。尚、ネイルピン４自体の機械的強度は、その材質が、コバールもしくは４２アロイの場合で８ｋｇ以上、アロイ１９４（Ｃｕ合金）の場合で５ｋｇ以上である。
【００２４】
これに対して、共晶ろうの量が面積１ｍｍ2当たり０．４５ｍｇを超えている接合構造の場合は、パッド３の周縁上でセラミックス基板２が抉れてしまった。また、共晶ろうの量が面積１ｍｍ2当たり０．１３ｍｇより少ない接合構造の場合は、ネイルピン４の周縁直下でセラミックス基板２が抉れてしまった。
尚、共晶ろうの量が面積１ｍｍ2当たり０．１３〜０．４５ｍｇである接合構造のものは、熱衝撃試験（ＭＩＬ−ＳＴＤ−８８３Ｃ  方法１０１１．６  試験条件Ｃ）において、１０００サイクル後も強度の劣化がみられなかった。
【００２５】
実施例２
実施例１の接合構造１において、Ａｇ−Ｃｕ共晶ろう６に代えてＡｇ−Ｃｕ（Ａｇ８５重量％）ろうを用いた以外は、実施例１と同一条件で実験及び評価を行った。結果を表２に示す。
【表２】
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表２から判るように、Ａｇ−Ｃｕろうの量が面積１ｍｍ2当たり０．１３〜０．４５ｍｇである接合構造の場合は、ネイルピン４の胴体部が切れた。すなわち、ネイルピン４自体の機械的強度よりも接合強度のほうが高かった。
【００２６】
これに対して、Ａｇ−Ｃｕろうの量が面積１ｍｍ2当たり０．４５ｍｇを超えている接合構造の場合は、パッド３の周縁上でセラミックス基板２が抉れてしまった。また、Ａｇ−Ｃｕろうの量が面積１ｍｍ2当たり０．１３ｍｇより少ない接合構造の場合は、ネイルピン４の周縁直下でセラミックス基板２が抉れてしまった。
【００２７】
実施例３
実施例１の接合構造１において、Ａｇ−Ｃｕ共晶ろう６に代えてＡｇ−Ｃｕ（Ａｇ５０重量％）ろうを用いた以外は、実施例１と同一条件で実験及び評価を行った。結果を表３に示す。
【表３】
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表３から判るように、Ａｇ−Ｃｕろうの量が面積１ｍｍ2当たり０．１３〜０．４５ｍｇである接合構造の場合は、ネイルピン４の胴体部が切れた。すなわち、ネイルピン４自体の機械的強度よりも接合強度のほうが高かった。
【００２８】
これに対して、Ａｇ−Ｃｕろうの量が面積１ｍｍ2当たり０．４５ｍｇを超えている接合構造の場合は、パッド３の周縁上でセラミックス基板２が抉れてしまった。また、Ａｇ−Ｃｕろうの量が面積１ｍｍ2当たり０．１３ｍｇより少ない接合構造の場合は、ネイルピン４の周縁直下でセラミックス基板２が抉れてしまった。
【００２９】
【発明の効果】
この発明のムライトセラミックス基板と外部金属端子との接合構造は、以上の構成を備えるので、接合の信頼性に優れ、しかも生産歩留まりが高いものである。従って、信号伝搬速度が速く、ＩＣとの接続性に優れたＩＣパッケージを安定して供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】セラミックス基板と外部金属端子との接合構造を示す要部断面図である。
【符号の説明】
１    接合構造
２    セラミックス基板
３    パッド
４    ネイルピン（外部金属端子部材）
【図１】
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