(57)【要約】【課題】金属部品が強固にロウ付けされたセラミック電子回路部品を提供する。【解決手段】セラミックパッケージ基板１００は、ガラスセラミック誘電体層５０と、導体層５６とを交互に積層させた基板本体部６０を有する。基板本体部６０の導体パッド２４には、接続ピン２０がロウ付けされている。導体パッド２４と接続ピン２０とに介在する接合部２２は、Ａｕ−Ｇｅロウ材層２８と、該Ａｕ−Ｇｅロウ材層２８と接続ピン２０の母材とに接し、かつＡｕ−Ｇｅロウ材層２８よりもＧｅ含有率が低いＡｕ層２６とからなる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック誘電体を含んで構成された本体部の導体パッドに、金属部品がロウ付けされてなるセラミック電子回路部品であって、
前記導体パッドと前記金属部品の母材とに介在する接合部は、Ａｕ−Ｇｅロウ材層と、該Ａｕ−Ｇｅロウ材層と前記金属部品の母材とに接し、かつ前記Ａｕ−Ｇｅロウ材層よりもＧｅ含有率が低いＡｕメッキ層とを含んで構成されていることを特徴とするセラミック電子回路部品。
【請求項２】
前記金属部品の母材は、ＣｕまたはＣｕ合金からなり、前記Ａｕメッキ層には、Ｃｕが拡散されている請求項１記載のセラミック電子回路部品。
【請求項３】
前記導体パッドと前記接合部との接合界面方向に沿った断面を観察したとき、前記Ａｕメッキ層と前記Ａｕ−Ｇｅロウ材層とが、噛み合い形態により接合されている請求項１または２記載のセラミック電子回路部品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミック電子回路部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば、ＰＧＡ接続用のピン（接続ピン）をセラミック配線基板に固定するには、半田やＡｇロウ材を用いることが一般的である。この際、接続ピンには、予めＮｉ／Ａｕメッキが施される。接続ピンをＮｉメッキで被覆すると、接続ピンの母材金属が接合部に拡散することを防止でき、不要な合金層が形成されたりすることを防止できる。ただし、Ｎｉメッキはロウ材や半田との濡れ性に劣るので、Ｎｉメッキの上にＡｕメッキを施す（たとえば特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−２５２４６１号公報
【０００４】
ところで、Ａｕ系ロウ材の１つとして、Ａｕ−Ｇｅロウ材が使用されている。Ａｕ−Ｇｅロウ材の融点は比較的低温なので、Ａｇ系ロウ材の使用が困難な場合に有効である。そのような場合の一例として、低温焼成セラミックにより配線基板を製造する場合を例示できる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、本発明者らがセラミック配線基板への接続ピンのロウ付けを、Ａｕ−Ｇｅロウ材を使用して行なったところ、接続ピンの母材とロウ接合部との界面での剥離が容易に生じ、接合強度が不十分な製品が頻発した。
【０００６】
本発明は、金属部品が強固にロウ付けされたセラミック電子回路部品を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記課題を解決するために本発明のセラミック電子回路部品は、セラミック誘電体を含んで構成された本体部の端子パッドに、金属部品がロウ付けされてなるセラミック電子回路部品であって、端子パッドと金属部品とに介在する接合部は、Ａｕ−Ｇｅロウ材層と、該Ａｕ−Ｇｅロウ材層と金属部品の母材とに接し、かつＡｕ−Ｇｅロウ材層よりもＧｅ含有率が低いＡｕメッキ層とを含んで構成されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明者らは、十分な接合強度が得られない理由について詳細に検討した。その結果、Ｎｉ／Ａｕメッキ層を施した金属部品（具体的には接続ピン）にＡｕ−Ｇｅロウ材を接触させ、本体部の導体パッドへのロウ付けを試みた場合、金属部品の母材と、接合部との界面に脆弱なＮｉ−Ｇｅ金属間化合物層が形成されることを突き止め、上記本発明を完成させた。上記本発明においては、金属部品の母材に直接接する金属層は、Ａｕメッキ層とされている。従来は接合強度の向上に寄与すると考えられていたＮｉメッキを除くことで、Ｎｉ−Ｇｅ脆弱層が形成されず、意外にも高強度の接合構造を得ることができるのである。
【０００９】
具体的に、金属部品の母材には、ＣｕまたはＣｕ合金を使用することができる。この場合、接合部のＡｕメッキ層には、Ｃｕが拡散される。Ｃｕの拡散係数はＮｉのそれよりも大きいので、ＣｕはＡｕメッキ層内に拡散する。ロウ付け工程の際の熱履歴にもよるが、Ａｕ−Ｃｕの規則格子の生成により、金属部品とＡｕメッキ層との密着性が向上することも考え得る。
【００１０】
Ｎｉは固相でＡｕと分離しやすく、しかも強固な不動態を形成するので、従来のＮｉ／Ａｕメッキ層を介したロウ付けでは、Ｎｉメッキ層とＡｕメッキ層との密着が不十分となることも多かった。一方、金属部品の母材のＣｕ（またはＣｕ合金）は、Ａｕと相分離もしにくいうえ、Ｎｉほどに強固な不動態も形成しない。したがって、本発明のようにすれば、金属部品の母材と、接合部との高い密着性を実現できる。
【００１１】
また、導体パッドと接合部との接合界面方向に沿った断面を観察したとき、接合部を構成するＡｕメッキ層とＡｕ−Ｇｅロウ材層とが、噛み合い形態により接合されているとよい。このような接合形態が形成されることにより、いっそう強固な接合構造を実現することが可能である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。
図１に示すのは、本発明にかかるセラミックパッケージ基板１００の断面模式図である。セラミックパッケージ基板１００は、導体層５６とセラミック誘電体層５０とを交互に積層した基板本体部６０と、裏面側にロウ付けされた複数の接続ピン２０を含んで構成されている。また、枠体６が基板本体部６０の表面から突出する形で設けられている。基板本体部６０には、導体層５６のほかに、コンデンサ、インダクタ及び抵抗器などの種々の厚膜回路素子が作りこまれていてもよい。
【００１３】
基板本体部６０の第一主表面側（表面側）には、高周波用ＩＣやＬＳＩ等のチップ５の搭載部８が設けられている。枠体６は、セラミック誘電体層５０と、開口部側をなす低膨張率金属層３（インバーあるいはコバール等の低膨張率金属からなる）とが、ロウ材層２にて接続された構造をなす。チップ５は搭載部８に固定され、ボンディングワイヤ７，７により金属配線層５６と端子接続される。そして、枠体６の開口部は金属製の蓋体４により封止される。また、基板本体部６０の第二主表面側（裏面側）には、ビア３５を介して導体層５６と導通する複数の導体パッド２４（図２参照）が設けられている。そして、各導体パッド２４に、接続ピン２０がロウ付けされている。
【００１４】
セラミック誘電体層５０を構成するセラミックは、ガラス相と当該ガラス相よりも高融点のセラミック粒子を混合したガラスセラミック（低温焼成セラミック）が、以下のような利点を有しているので、本発明に好適に使用できる。▲１▼誘電体基板表面の焼き上げ時の表面平滑性に優れる。▲２▼ガラス相の軟化点と配合比率調整により、配線層の材質として特に高融点の金属（たとえばＷ、Ｍｏ）を用いなくとも、セラミックとの同時焼成が可能になる。
【００１５】
ガラスセラミックとしては、ホウケイ酸系ガラスあるいはホウケイ酸鉛系ガラス１００質量部に、アルミナ等のセラミックフィラーを３５〜７０質量部添加した系が、導体層５６との同時焼結性が良好で好ましい。また、セラミックフィラーは、アルミナ含有量を９８％以上としたアルミナ質セラミック、ムライト質セラミック、窒化アルミニウムセラミック、窒化珪素セラミックあるいは炭化珪素セラミックよりなるものを本発明に好適に使用できる。
【００１６】
ガラスセラミックとの同時焼成に好適な導体層５６の材質としては、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕのいずれかを主成分とするものを好適に使用することができる。具体的には、Ａｇ系（Ａｇ単体、Ａｇ−金属酸化物（Ｍｎ、Ｖ、Ｂｉ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｕ等の酸化物）、Ａｇ−ガラス添加、Ａｇ−Ｐｄ、Ａｇ−Ｐｔ、Ａｇ−Ｒｈ等）、Ａｕ系（Ａｕ単体、Ａｕ−金属酸化物、Ａｕ−Ｐｄ、Ａｕ−Ｐｔ、Ａｕ−Ｒｈ等）、Ｃｕ系（Ｃｕ単体、Ｃｕ−金属酸化物、Ｃｕ−Ｐｄ、Ｃｕ−Ｐｔ、Ｃｕ−Ｒｈ等）等の低抵抗材料から選ばれるものを用いることができる。「主成分」は、質量％換算で最も多く含まれる成分のことを示す。
【００１７】
次に、図２に示すのは、接続ピン２０の軸線方向に沿った拡大断面模式図である。接続ピン２０は、接合部２２を介して基板本体部６０の第二主表面（裏面）に形成された導体パッド２４に導通接合されている。接続ピン２０は、軸方向において、鍔部２０１が導体パッド２４の周縁よりも内側に収まる配置となっている。また、接続ピン２０は、ＣｕやＣｕ合金などの良導性金属により構成される。導体パッド２４は、ビア３５に充填されたビア導体３５’を介して、導体層５６に導通している。
【００１８】
図３に示すのは、図２に示す接合部２２の拡大断面模式図である。本発明にかかるセラミックパッケージ基板１００において、接続ピン２０のロウ付けには、ガラスセラミック誘電体層５０への影響が小さい低融点ロウであるＡｕ−Ｇｅロウ材を使用している。そして、接続ピン２０の鍔部２０１には、ロウ付け前に、予めＡｕメッキのみを施すようにしている。その結果、図３に示すように、接合部２２は、Ａｕ−Ｇｅロウ材層２８と、Ａｕメッキ層２６とにより構成されることとなる。Ａｕメッキ層２６は、Ａｕ−Ｇｅロウ材層２８と接続ピン２０の母材（本実施形態ではＣｕ合金）とに接し、Ａｕ−Ｇｅロウ材層２８よりもＧｅ含有率が低い。
【００１９】
Ａｕメッキ層２６には、接続ピン２０の鍔部２０１からのＣｕの拡散、Ａｕ−Ｇｅロウ材層２８からのＧｅの拡散がある。ただし、ＡｕとＣｕとの金属間化合物は形成されにくく、Ｎｉ−Ｇｅ層のような脆弱層が形成される恐れはない。また、Ａｕメッキ層２６とＡｕ−Ｇｅロウ材層２８との界面ＳＨが凹凸面を呈しており、Ａｕメッキ層２６とＡｕ−Ｇｅロウ材層２８とが噛み合い形態により強固に接合されている。
【００２０】
なお、導体層５６と同様の材料（たとえばＣｕやＣｕ合金）で構成される導体パッド２４の表面については、Ｎｉメッキ層およびＡｕメッキ層で覆うようにしている。導体パッド２４は、ビア導体３５’に接続されており、接続ピン２０に比べて熱容量が大きい。そのため、ロウ付けの際の温度上昇も小であり、Ｎｉメッキ層へのＧｅの拡散が少ないと考えられる。ただし、導体パッド２４上のＮｉメッキ層を省略することも可能である。
【００２１】
セラミックパッケージ基板１００の製造方法について簡単に説明する。まず、セラミック誘電体層５０となるべきセラミックグリーンシートを用意する。該セラミックグリーンシートは、セラミック誘電体層の原料セラミック粉末、具体的には、ホウケイ酸ガラス粉末とアルミナ等のセラミックフィラー粉末との混合粉末をアセトンなどの有機溶剤、必要に応じて結合剤、可塑剤、解膠剤、界面活性剤、湿潤剤などの添加剤を配合して混練し、周知のドクターブレード法等によりシート状に成形したものである。
【００２２】
上記のようにして成形したセラミックグリーンシート上に、導体層５６となるべき金属粉末パターンを形成する。配線層金属粉末パターンは、Ｃｕを主成分とする金属粉末のペーストを用いて公知のスクリーン印刷法により形成される。金属粉末のペーストは、金属粉末に、エチルセルロース等の有機バインダと、ブチルカルビトール等の有機溶剤を適度な粘度が得られるように配合・調整したものである。なお、ビア３５を形成する場合は、セラミックグリーンシートのビア形成位置にドリル等を用いて穿孔しておき、そこに金属ペーストを充填するようにする。そして、金属粉末パターンとビア３５が形成された複数のセラミックグリーンシートを重ね合わせて圧着し、グリーン積層体を得る。
【００２３】
上記のグリーン積層体を焼成することにより、基板本体部６０が得られる。本実施形態では、セラミック誘電体が前述のガラスセラミックにて構成されており、焼成温度は、低温焼成セラミックで一般的な８００℃以上１０００℃以下（例えば９５０℃）である。導体パッド２４上のＮｉメッキ層およびＡｕメッキ層は、それぞれ公知の無電解メッキにより形成するとよい。
【００２４】
一方、接続ピン２０には、図４に示すように、鍔部２０１の表面に予めＡｕメッキ層２３を形成する。Ａｕメッキ層２３は、たとえば公知の無電解メッキまたは電解メッキにより形成することができる。Ａｕメッキ層２３の厚さは、たとえば１．５μｍ以上２．０μｍ以下とすることができる。Ａｕメッキ層２３の厚さが不足すると、Ａｕ−Ｇｅロウ材２８’との濡れ性が不足し、接合不良を生じやすくなる。また、Ａｕメッキ層２３の厚さが過剰であると、Ａｕ−Ｇｅロウ材２８’に溶け込むＡｕが多くなって組成がＡｕ−Ｇｅ共晶から大きくずれること、溶融ムラや組成ムラが発生すること、粗大化したＡｕ粒子により接合部２２を薄くできないこと、などのいくつかの不具合が予測される。また、コスト高となるので好ましくない。
【００２５】
次に、Ａｕメッキ層２３をＡｕ−Ｇｅロウ材２８’で被覆する。具体的には、接続ピン２０にＡｕ−Ｇｅロウ材２８’を融着させる。Ａｕ−Ｇｅロウ材２８’の融着後、接続ピン２０を基板本体部６０の導体パッド２４にロウ付けすることにより、セラミックパッケージ基板１００が得られる。
【００２６】
【実験例】
本発明の効果を確かめるために、以下の実験を行なった。まず、セラミックグリーンシートを以下のようにして作製した。平均粒径２．５μｍ、組成がＣａＯ＋ＢａＯ：６質量％、ＳｉＯ２：６質量％、Ａｌ２Ｏ３：９質量％、Ｂ２Ｏ３２６質量％のホウケイ酸系ガラス粉末５０質量部に対し、セラミックフィラー粒子として平均粒径２μｍのアルミナ粉末を５０質量部配合し、複合セラミック粉末を調製した。この複合セラミック粉末１００質量部に対し、バインダ成分としてアクリル系の樹脂を１０質量部、可塑剤としてジブチルフタレートを５質量部、さらに有機溶剤としてメチルエチルケトンを適量添加して混合し、スラリーにした後、ドクターブレード法によりグリーンシートを得た。
【００２７】
次に、金属ペーストを以下のようにして調製した。すなわち、平均粒径３μｍのＣｕ粉末１００質量部に対して、ガラスセラミック粉末を５質量部添加し、これに有機バインダとしてエチルセルロース及び溶剤としてブチルカルビトールを粘度が１０００ポイズになるように適量添加し、３本ロールミルにて混合することにより調製した。
【００２８】
上記のグリーンシートに、パンチングによりビア３５を複数形成し、Ｃｕを主体とする金属ペーストを充填した。次に、導体層５６となるべき金属配線パターンを、同様の金属ペーストにより形成した。また、導体パッド２４となるべき金属パッドパターンをビア３５上に形成した。作製したグリーンシートを、積層し、基板本体部６０となるべき積層体を得た。このようにして得た積層体を、窒素／水素混合雰囲気にて９５０℃で焼成し、基板本体部６０を得た。
【００２９】
次に、図４に示したように、Ａｕ−Ｇｅロウ材２８’を鍔部２０１に融着させた接続ピン２０を用意した。接続ピン２０は、Ａｌｌｏｙ１９４であり、軸径０．４５ｍｍ、鍔部２０１の径が０．６０ｍｍのものである。接続ピン２０には、予めＡｕメッキを直に施した。接続ピン２０を基板本体部６０にロウ付け治具で固定し、４００℃以下の温度でロウ付けを行ない、図１に示すセラミックパッケージ基板１００を１０サンプル得た。また、比較のため、Ｎｉ／Ａｕメッキを施した接続ピンを用いたセラミックパッケージ基板を、同様の手順にて作製した。
【００３０】
上記のようにして得た各サンプル（セラミックパッケージ基板）について、特定位置の接続ピン２０のロウ付け強度を、ロウ付け面に対して４５°上方へ引っ張って試験した。結果を表１に示す。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
表１の結果に示すように、Ａｕメッキを直付けした接続ピンについては、高い接合強度が得られた。しかも、破壊箇所は、全て接続ピンの軸部と鍔部との境界近傍で発生した。他方、Ｎｉ／Ａｕメッキを施した場合には、接合強度が不十分であった。破壊箇所は、ほとんどのサンプルにおいて、接続ピンの母材と接合部との界面で発生した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるセラミックパッケージ基板の断面模式図。
【図２】接続ピン近傍の拡大断面模式図。
【図３】接合部の拡大断面模式図。
【図４】接続ピンのロウ付け手順を説明する模式図。
【符号の説明】
２０  接続ピン（金属部品）
２２  接合部
２３  Ａｕメッキ層
２４  導体パッド
２６  Ａｕメッキ層
２８  Ａｕ−Ｇｅロウ材層
６０  基板本体部
１００  セラミックパッケージ基板（セラミック電子回路部品）
【図１】
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【図２】
2004327945.tif 000005
【図３】
2004327945.tif 000006
【図４】
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