(57)【要約】【課題】Ｘ−Ｙ軸方向の収縮特性を抑制して焼成されたセラミック配線基板におけるビア導体部分の凹凸の発生を抑制し、平坦な表面を形成することが可能で、実装されるＩＣなどの不良の発生を抑制した配線基板を提供する。【解決手段】複数の絶縁層２ａ〜２ｅを積層してなる絶縁基板２と、絶縁基板２の表面、裏面および内部に形成された平面導体パターン３と、絶縁層２ａ〜２ｅを貫通するように、金属粉末を含有するペーストを充填焼成されたビア導体４と、絶縁基板２表面にて電気素子５とフリップチップ実装、ろう材を用いた表面実装、またはワイアボンディングされる複数の電極パッド６を具備してなるセラミック配線基板において、電極パッド６ａと直接接続されたビア導体４が、絶縁基板２裏面の平面導体パターン３ｂと接続されているとともに、その接続経路の一部が接続パッド６ａ中心の鉛直方向から部分的にずれていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の絶縁層を積層してなる絶縁基板と、該絶縁基板の表面、裏面および内部に形成された平面導体パターンと、前記誘電体層を貫通するように、金属粉末を含有するペーストを充填焼成されたビア導体と、絶縁基板表面にて電気素子とフリップチップ実装、ろう材を用いた表面実装、またはワイアボンディングされる複数の電極パッドを具備してなるセラミック配線基板において、
前記電極パッドと直接接続されたビア導体が、前記絶縁基板裏面の平面導体パターンと接続されているとともに、該接続経路の一部が前記接続パッド中心の鉛直方向から部分的にずれていることを特徴とするセラミック配線基板。
【請求項２】
前記電極パッドと直接接続されたビア導体の前記電極パッドから鉛直方向の最長長さが絶縁基板の全体厚みの６０％以下であることを特徴とする請求項１記載のセラミック配線基板。
【請求項３】
前記接続経路のずれ量が、前記電極パッド中心から、ビアホール導体の直径以上であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のセラミック配線基板。
【請求項４】
前記ビア導体の直径が、５０〜２００μｍであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか記載のセラミック配線基板。
【請求項５】
絶縁基板前記電極パッドと絶縁基板裏面の平面導体パターンまで接続経路が３つ以上のビアホール導体と２つ以上の内部に形成された平面導体パターンとの組み合わせからなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか記載のセラミック配線基板。
【請求項６】
前記絶縁層の厚みが１５０μｍ以下、前記絶縁層の総数が５層以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか記載のセラミック配線基板。
【請求項７】
前記配線基板が、Ｘ−Ｙ方向の焼成収縮量がＺ方向の焼成収縮量よりも小さくなるように焼成されたものである請求項１乃至請求項６のいずれか記載のセラミック配線基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックスからなる絶縁基板に対して、配線層を形成してなり、携帯電話や無線ＬＡＮ等に用いられる通信機器用高周波モジュール基板、パワーアンプ基板、半導体素子を搭載する配線基板、パッケージなどに適したセラミック配線基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、配線基板、例えば、表面に半導体素子を搭載、実装した配線基板としては、高密度の配線層の形成が可能で、また配線層により種々の回路を容易に形成できることから、複数の絶縁層および複数の配線層を積層した多層セラミック配線基板が多用されている。
【０００３】
この多層セラミック配線基板は、アルミナ、窒化アルミニウム、ガラスセラミックなどの絶縁基板と、その表面に形成されたＷやＭｏ、Ｃｕ、Ａｇ等の導体とからなる配線層によって構成されており、必要に応じて、配線基板表面に蓋体を接合して、配線基板表面に搭載された半導体素子などを気密に封止したものや、有機樹脂で封止したものが提供されている。
【０００４】
近年、高出力化が進み、ＭＭＩＣ等の半導体素子や、各種電子部品が搭載される混成集積回路装置に適用される配線基板は、能動回路素子の内蔵化、配線の微細化に伴い、高寸法精度の配線基板が要求されている。
【０００５】
このような高寸法精度化に対して、従来の、アルミナやガラスセラミックスのグリーンシートに、貫通穴を形成し、ＷやＭｏ、Ｃｕ、Ａｇ等の金属からなる導体ペーストを充填してビア導体を形成し、さらにシート表面に導体ペーストを印刷形成し、積層、焼成する方法では、Ｘ−Ｙ軸方向でのセラミック特有の収縮作用によって、微細な寸法制御ができず、高集積化、多ピン化のＩＣを実装する配線基板には適用することが出来なかった。
【０００６】
このような問題を解決する手法として、上記セラミックグリーンシートの積層体を加圧しながら焼成したり、セラミックグリーンシートの表面に、焼成温度では焼結しない無機組成物の層を形成して同時焼成することによって、Ｚ軸方向にのみ収縮させて、Ｘ−Ｙ軸方向の収縮を抑制することによって、成形時の寸法を維持した高寸法精度の配線基板を製造することが提案されている。（例えば、特許文献１、２）
【特許文献１】特開平７−８６７４３号
【特許文献２】特開２００１−３３９１６６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記のＸ−Ｙ軸方向の収縮特性を制御する製造方法を用いた多層配線基板は、Ｚ軸方向の基板収縮が大きい。そのために、図５に示すように、絶縁基板２１の表面にＩＣなどと接続される電極パッド２２で、その直下にビア導体２３が形成されている場合、ビア導体２３を形成した電極パッド２２ａと、ビア導体２２と接続していない電極パッド２２ｂとでは、ビア導体形成領域と、ビア導体を形成していない領域とのそれぞれの焼結温度、収縮挙動が異なる結果、電極パッド２２ａ，２２ｂ間で厚み方向に凹凸差２３が生じやすく、ビア導体２３直上の電極パッド２２ａでは極端に盛り上がる傾向にあった。そのため、超多ピンのＩＣや、厚みが薄い高出力ＩＣを実装する際には、電極パッド２２ａ、２２ｂ間の凹凸差によって実装不良、ＩＣの欠け等が発生していた。
【０００８】
したがって、本発明は、このようなＸ−Ｙ軸方向の収縮特性を抑制して焼成されたセラミック配線基板におけるビア導体と接続された電極パッドの凹凸の発生を抑制し、平坦な表面を形成することが可能で、ＩＣなどとの実装不良ｍなどの発生を抑制した配線基板を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のセラミック配線基板は、複数の絶縁層を積層してなる絶縁基板と、該絶縁基板の表面、裏面および内部に形成された平面導体パターンと、前記誘電体層を貫通するように、金属粉末を含有するペーストを充填焼成されたビア導体と、絶縁基板表面にて電気素子とフリップチップ実装、ろう材を用いた表面実装、またはワイアボンディングされる複数の電極パッドを具備してなり、前記電極パッドと直接接続されたビア導体が、前記絶縁基板裏面の平面導体パターンと接続されているとともに、該接続経路の一部が前記接続パッド中心の鉛直方向から部分的にずれていることを特徴とするものである。
【００１０】
このように絶縁基板表面側に形成された電極パッドと接続されるビア導体と絶縁基板裏面の平面導体パターンと接続する接続経路内で、前記接続パッド中心の鉛直方向から部分的にずれた部分を設けることによって、このずれた部分で発生する段差より下面側のビア導体の突出が低減されるとともに、仮に突出があっても、接続パッドに直接的に影響を及ぼさないようにすることで、電極パッド形成面における平坦度を高めることができる。
【００１１】
特に、かかる効果をより発揮させる前記電極パッドと直接接続されたビア導体の前記電極パッドから鉛直方向の最長長さが絶縁基板の全体厚みの６０％以下であることが適当である。
【００１２】
また、前記接続経路のずれ量は、前記電極パッド中心から、ビアホール導体の直径以上であることが適当である。
【００１３】
前記ビア導体の直径は、電極パッドや絶縁層の厚み、層数などは回路構成の関係などで変化するが、一般には、ビア導体の直径は１００〜３００μｍ、前記絶縁層の厚みは１５０μｍ以下、前記絶縁層の層数５層以上であることが適当である。
【００１４】
さらに、絶縁基板前記電極パッドと絶縁基板裏面の平面導体パターンまで接続経路が３つ以上のビアホール導体と２つ以上の内部に形成された平面導体パターンとの組み合わせからなることによって、より電極パッド部分の平坦度を高めることができる。
【００１５】
なお、本発明は、前記配線基板が、Ｘ−Ｙ方向の焼成収縮量がＺ方向の焼成収縮量よりも小さくなるように焼成されたものである場合に最も好適に適用されるものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のセラミック配線基板によれば、絶縁基板表面側に形成された電極パッドと接続されるビア導体と絶縁基板裏面の平面導体パターンと接続する接続経路内で、前記接続パッド中心の鉛直方向から部分的にずれた部分を設けることによって、Ｘ−Ｙ方向の焼成収縮量がＺ方向の焼成収縮量よりも小さくなるように焼成された高寸法精度のセラミック配線基板においても、絶縁基板表面の電極パッドと接続するビア導体による突出を低減することができ、これによって、絶縁基板表面の平坦度を高めることができ、この表面にＩＣを実装した場合において不良の発生を抑制することができ、高い歩留まりで高信頼性の配線基板を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明のセラミック配線基板について、図面に基づいて説明する。図１は本発明のセラミック配線基板の一例を示す概略断面図である。図１のセラミック配線基板１によれば、絶縁基板２は、複数のセラミック絶縁層２ａ〜２ｅを一括積層してなる積層体から構成され、その絶縁層間および絶縁基板表面には、厚みが５〜２０μｍの配線回路層３が被着形成されている。また、異なる層に形成された２つ以上の配線回路層３を接続するために、絶縁層２ａ〜２ｅを貫通して直径が５０〜１５０μｍのビア導体４が形成されている。
【００１８】
この配線基板１の表面には、高周波用半導体素子５が搭載され、その搭載部には、半導体素子５をフリップチップ実装するための電極パッド６が形成されており、この電極パッド６のうち、電極パッド６ａには、直径が５０〜２００μｍのビア導体４が接続され、絶縁基板２下面の配線回路層３ｂと電気的に接続されている。また、電極パッド６ｂには、基板表面に形成された配線回路層３と接続されている。
【００１９】
本発明においては、電極パッド６と直接接続されたビア導体４から絶縁基板裏面の配線回路層３ｂまでの接続経路の一部が接続パッド６a中心の鉛直方向から部分的にずれていることが重要である。具体的には、図２に示すように、電極パッド６aから、ビア導体４ａ、平面導体７、ビア導体４ｂを経由して裏面の配線回路層３ｂに接続されている。
【００２０】
このように接続経路を、電極パッド６aから裏面の配線回路層３bまでビア導体によって直線的に接続することなく、平面導体７を介して部分的にずらすことによって、セラミック配線基板１全体がＺ方向に収縮する場合に、鉛直方向に形成されたビア導体４がＺ方向への収縮が充分に進行しない場合であっても、部分的にずれた段差部でビア導体４がビア導体４aと４bに分断されていることから、直線的に形成された場合に比較してビア導体による絶縁基板２の表面側への突出が防止され、電極パッド６aを含めた電極パッド群全体の平坦度を高めることができる。
【００２１】
また、セラミック配線基板は、電極パッド６aと直接接続されたビア導体４の電極パッド６ａの中心から鉛直方向の最長長さ、即ち、電極パッド６ａからずれ部分の平面導体７までの長さＬ１が絶縁基板２の全体厚みＬ２の７５％以下であることが望ましく、特に望ましいのは全体厚みの６０％以下、さらには５０％以下であることが望ましい。これにより、効果的にビア導体４a,４bによる基板表面の電極パッド６aへの突出を低減することができる。
【００２２】
なお、ビア導体４ａ，４ｂは、電気回路を形成するためのものであることから、低抵抗化を図る上で、ビア導体４の直径は５０〜２００μｍであることが望ましい。
【００２３】
さらに、ビア導体４における経路のずれ量，つまり、ビア導体４ａの中心と、ビア導体４ｂとのずれ量Ｍは、ビア導体４ａ，４ｂの直径ｄ以上、特に望ましいのは、ビア導体４ａ，４ｂの直径２ｄ以上であることが望ましい。
【００２４】
また、ビア導体４による突出をさらに低減するために、電極パッド６ａから絶縁基板裏面の配線回路層３ｂまでの接続経路を、３つ以上のビアホール導体と２つ以上の内部に形成された平面導体パターンとの組み合わせによって２段以上の段数で形成することが望ましい。具体的には、図３の概略断面図には２段で形成した図であって、電極パッド６ａからビア導体９ａ、平面導体１０ａ，ビア導体９ｂ，平面導体１０ｂ、ビア導体９ｃを経由して配線回路層３ｂに接続する。この場合においても、ビア導体９ａ、９ｂ、９ｃは互いにずれた位置に形成されており、ビア導体９ａ、９ｂ間、ビア導体９ｂ、９ｃ間、ビア導体９ａ、９ｃ間のずれ量Ｍ１、Ｍ２は、いずれもビア導体４ａ、４ｂの直径ｄ以上、特に望ましくはビア導体４ａ、４ｂの直径２ｄ以上であることが望ましい。
【００２５】
かかる構造によれば、電極パッド６ａと配線回路層３ｂとを接続するビア導体９を複数のビア導体９a,９b,９cに分断することができ、平面導体１０a、１０bがそのビア導体の突出を抑制する作用をなし、全体としてビア導体による基板表面の平坦度を高めることができる。なお、段数が多くなるに従い、接続経路の長さが長くなり、引き回しに所定の面積も必要になることから、段数は５段以下であることが望ましい。
【００２６】
さらに配線基板１における絶縁層２ａ〜２ｅの厚みは、インダクタ、コンデンサなどの種々の回路を内蔵し、小型化、低背化を図るために、１５０μｍ以下、前記絶縁層の総数が５層以上で形成されていることが望ましい。
【００２７】
図１、図２、図３の配線基板における電極パッド６aは、半導体素子５をフリップチップ実装するものとして説明したが、この電極パッド６aは、フリップチップ実装に限られるものではなく、ワイアボンディングされる電極パッドであってもよい。また、半導体素子５に限られることなく、コンデンサ、フィルタ、インダクタなどの種々の電子部品をろう材によって実装するための電極パッドであってもよい。
【００２８】
本発明のセラミック配線基板における絶縁基板は、特に、ガラス粉末、あるいはガラス粉末とセラミックフィラー粉末との混合物を焼成してなるガラスセラミック焼結体からなることによって、配線回路層、サーマルビア導体、ビア導体、平面導体層などをＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ又はそれらの混合物などを使用することが可能である。
【００２９】
配線回路層３は、またサーマルビア導体４は、上記の配線回路層３と同様の成分からなる導体が充填されている。
【００３０】
用いられるガラス成分としては、少なくともＳｉＯ２を含み、Ａｌ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＰｂＯ、アルカリ土類金属酸化物、アルカリ金属酸化物のうちの少なくとも１種を含有したものであって、例えば、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３系−ＭＯ系（但し、ＭはＣａ、Ｓｒ、Ｍｇ、ＢａまたはＺｎを示す）等のホウケイ酸ガラス、アルカリ珪酸ガラス、Ｂａ系ガラス、Ｐｂ系ガラス、Ｂｉ系ガラス等が挙げられる。これらガラスは、焼成によって結晶が析出する結晶化ガラスであることが基板強度を高める上で望ましい。
【００３１】
また、セラミックフィラーとしては、クォーツ、クリストバライト等のＳｉＯ２や、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ムライト、フォルステライト、エンスタタイト、スピネル、マグネシア等が好適に用いられる。
【００３２】
上記ガラス成分およびフィラー成分は、ガラス成分が１０〜７０重量％と、セラミックフィラー成分３０〜９０重量％の割合からなることが基板強度を高める上で望ましい。
【００３３】
本発明のセラミック配線基板は、通常、上記ガラス粉末、またはガラス粉末とセラミックフィラー粉末との混合物に有機バインダー有機溶剤などを添加混合してスラリーを作製した後、ドクターブレード法やカレンダーロール法などによって、所定の厚みのセラミックグリーンシートを作製する。
【００３４】
その後、このセラミックグリーンシートにビア導体を形成するための貫通穴をマイクロドリルやパンチング、レーザー加工などによって形成した後、貫通穴内に、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ又はそれらの混合物などの導体のペーストをスクリーン印刷法などによって充填するとともに、種々の配線回路パターンに印刷する。
【００３５】
そして、ビア導体および配線回路層を形成したセラミックグリーンシートを積層圧着した後、８５０〜１０００℃の温度で焼成することによって、配線回路層およびビア導体を具備するセラミック配線基板を作製することができる。
【００３６】
本発明のセラミック配線基板は、特に、Ｘ−Ｙ方向の焼成収縮量がＺ方向の焼成収縮量よりも小さくなるように焼成されたものに好適に適用される。これは、通常の焼成方法の場合、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に対して同様なレベルで焼成収縮するが、Ｘ−Ｙ方向の焼成収縮量がＺ方向の焼成収縮量よりも小さくなるように焼成した場合、Ｚ方向のセラミックスの収縮量に対して、ビア導体の収縮量がそれに追従して十分に収縮しにくい。このような場合、本発明のセラミック配線基板の構造を採用することによって、ビア導体による突出を低減し、基板表面の平坦度を高めることができる。
【００３７】
Ｘ−Ｙ方向の焼成収縮量がＺ方向の焼成収縮量よりも小さくなるように焼成する方法としては、例えば、特開２００１−１５８６７０号に記載の方法に従えば、図４に示すように、セラミックグリーンシートの積層体１１の上下面に、セラミックグリーンシートの焼成温度では焼結しにくい、難焼結性のセラミック材料を主成分とするシート１２を積層した後、この積層体を焼成することによって、難焼結性セラミックシートが焼成しないことから、このシートとの摩擦力によってセラミックグリーンシート積層体１１はＸ―Ｙ方向の収縮が抑制され、Ｚ方向に強制的に収縮することによって、Ｘ―Ｙ方向の収縮を小さくし、寸法精度の高い配線基板を作製することができる。
【００３８】
なお、難焼結性セラミックシートは、アルミナ、シリカなど、焼成温度では焼結をしないセラミック材料を主成分とし、適宜、接着材としてガラスを適量添加したものをシート状に成形したものが使用される。また、焼成にあたってＺ方向に圧力を印加することによって、よりＺ方向の焼成収縮を促進し、Ｘ−Ｙ方向の寸法精度の高い配線基板を作製することができる。
【実施例】
【００３９】
次に、本発明に係るセラミック配線基板を作製した実施例について説明する。
【００４０】
ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ−Ｂ２Ｏ３−ＺｎＯ系ガラス６０質量％、セラミックフィラーとして平均粒径が１μｍのアルミナ粉末を４０重量％との混合物に、有機バインダーとして、アクリル樹脂、溶剤としてトルエンを加え、混合してスラリーを作製した後、ドクターブレード法によりキャリアフイルム上にシート状に成形して厚さ５０〜１５０μｍのグリーンシートを作成した。
【００４１】
次に、このグリーンシートにパンチングにより、貫通孔を形成し、その内部にＣｕ導体ペーストを充填して直径が１００μｍのビア導体を形勢した。導体ペースト中には、Ｃｕ粉末に、アクリル樹脂、トルエンを加え、均質混合して調整したものである。そして、このグリーンシートの表面に上記銅ペーストをスクリーン印刷法によって印刷して直径が２００μｍΦの電極パッド、配線回路層、平面導体を形成した。
【００４２】
その後、同様にして得られた５〜１２枚のグリーンシートを積層圧着してグリーンシート積層体を形成した。
【００４３】
一方、平均粒径が１μｍのアルミナ粉末９７質量％に、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ−Ｂ２Ｏ３−ＺｎＯ系ガラスを３質量％添加混合したものドクターブレード法によって厚さ２５０μｍの難焼結性シートを２枚作製した。そして、前記グリーンシート積層体の上下面にこの難焼結性シートを積層圧着した。
【００４４】
そして、この積層体を４００〜７５０℃の窒素雰囲気中で加熱処理してグリーンシート内や導体ペースト中の有機成分を分解除去した後、９００℃の窒素雰囲気中で１時間焼成した。そして、表面に付着している難焼結性シートをサンドブラスト法によって除去した。焼成前後の寸法から求められるＸ−Ｙ収縮率は０．５％と寸法精度の高いものであった。
【００４５】
この実施例においては、フリップチップ実装される電極パッドは、１５０μｍΦの大きさの電極パッドを、ピッチ０．５mmで縦１５個、横１５個でマトリックス状に配列した。なお、基板表面の電極パッドと基板裏面の配線回路層との間の接続経路を表１に示すように、ビア直径、ビア導体間のずれ量、電極パッドと直接接続されたビア導体の前記電極パッドから鉛直方向の最長長さを、種々変更したものを作製した。
【００４６】
作製した評価サンプルに対して、半導体素子実装部分の基板表面の平坦度を表面形状測定顕微鏡によって測定し、電極パッドを含む半導体素子のフリップチップ実装部分の平坦度が２０μｍを超えるものを不良品とした。
【表１】
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【００４７】
表１より、電極パッドと基板裏面の配線回路層間を１つの垂直なビア導体のみで形成した試料Ｎｏ．１，１０では、平坦度が２０μｍを超えており、フリップチップ実装には適さないものであった。これに対して、電極パッドと基板裏面の配線回路層間を、ずれた位置に形成した２つ以上のビア導体およびそれらを接続する平面導体によって形成した本発明品はいずれも平坦度が２０μｍ以下となっており、Ｘ−Ｙ収縮がほとんどなく、かつ平坦度に優れた配線基板を提供することができた。
【００４８】
特に、前記電極パッドと直接接続されたビア導体の前記電極パッドから鉛直方向の最長長さが絶縁基板の全体厚みの６０％以下であること、前記接続経路のずれ量が、前記電極パッド中心から、ビアホール導体の直径以上であることによって、平坦度がさらに改善され、また、ずれの段数を増加して、ビア導体の数を増加させるに従い、平坦度は小さくなった。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明のセラミック配線基板を説明するための概略断面図である。
【図２】本発明の別のセラミック配線基板を説明するための概略断面図である。
【図３】本発明のさらに別のセラミック配線基板を説明するための概略断面図である。
【図４】本発明のセラミック配線基板の製造方法の一例を説明するための概略断面図である。
【図５】従来のセラミック配線基板の要部拡大断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１    セラミック配線基板
２    絶縁基板
２ａ〜２ｄ  セラミック絶縁層
３    配線回路層
４，９  ビア導体
５    高周波半導体素子
６    電極パッド
７、１０  平面導体
【図１】
2006041241.tif 000004
【図２】
2006041241.tif 000005
【図３】
2006041241.tif 000006
【図４】
2006041241.tif 000007
【図５】
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