(57)【要約】【課題】磁器強度の低いセラミック配線基板にろう材を介してリードピンを接合した場合、リードピンに斜め方向に外力が生じたときに、セラミックスそのものがその破壊応力に屈してクラック等の破壊が発生しやすくなり、リードピンの接合信頼性の低下等の問題が発生する。【解決手段】３点曲げ強度が３５０ＭＰａ以下のセラミックスから成る絶縁基体５の表面に、ヘッド部２ａの直径が０．４ｍｍ以上であるとともに厚みが０．１０ｍｍ〜０．２４ｍｍであり、かつピン部のヤング率が５０〜１５０ＧＰａであるリードピン２をろう材１を介して接合したリードピン付き配線基板である。リードピン２と絶縁基体５との接合強度不足やセラミックスの破壊を防ぐことができ、高い接合信頼性を確保することができる。【選択図】　図１
2004140249.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３点曲げ強度が３５０ＭＰａ以下のセラミックスから成る絶縁基体と、該絶縁基体の表面および／または内部に形成された配線導体と、前記絶縁基体の下面に露出した前記配線導体を含む領域にヘッド部がろう材を介して接合されたリードピンとから成るリードピン付き配線基板であって、前記リードピンは、前記ヘッド部の直径が０．４ｍｍ以上であるとともに厚みが０．１０〜０．２４ｍｍであり、かつピン部のヤング率が５０〜１５０ＧＰａであることを特徴とするリードピン付き配線基板。
【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回路基板・電子回路モジュール等に使用される、入出力端子用のリードピンが立設されたいわゆるピングリッドアレイ（ＰＧＡ）型のリードピン付き配線基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体集積回路素子等の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、高周波回路や電力回路等を構成する回路基板あるいは電子回路モジュール等には、セラミックスから成る絶縁基体の表面および／または内部に配線導体を有する配線基板が使用される。また、この配線基板には、リードピン・ボール端子等の端子部材や放熱板・放熱フィン等の放熱部材、あるいは配線基板と蓋体とから成る容器の内部に半導体素子を気密に収容するために金属製蓋体を取着するためのシールリング等のシール部材といった金属部材が、配線基板の表面のメタライズ配線導体やメタライズ層に、あるいは配線基板の絶縁基体に直接にろう材を介して接合される。
【０００３】
例えば、半導体素子収納用パッケージの場合であれば、一般にアルミナセラミックス等の電気絶縁材料から成り、その上面の略中央部に半導体素子を収容するための凹部およびこの凹部周辺から外周端にかけて導出されたＷ・Ｍｏ等の高融点金属粉末から成る複数のメタライズ配線導体を有する絶縁基体としての配線基板と、半導体素子を外部電気回路に電気的に接続するために配線基板の下面に形成されたパッドと呼ばれるメタライズ配線導体に、Ａｇろう等のろう材を介して接合されたリードピン端子を有する形態（ピングリッドアレイ型）で構成され、また必要に応じて金属製放熱部材等が取着されている。そして、配線基板の凹部の底面に半導体素子をガラスや樹脂等から成る接着剤を介して接着固定し、半導体素子の各電極とメタライズ配線導体とをボンディングワイヤ等を介して電気的に接続するとともに、配線基板の上面に蓋体をガラスや樹脂等の封止材を介して接合し、配線基板と蓋体とから成る容器の内部に半導体素子を気密に封止することによって半導体装置が構成される。
【０００４】
なお、このような半導体装置の端子部材のリードピンは、一般に、ろう材との接合面積を大きくしてパッドとの接合強度を上げるために、リード線の一方の端部を塑性加工することにより、外部電気回路のソケットに挿入されるピン部と、配線基板のパッドと接合されるヘッド部とを有するネイルヘッド型となっている。
【０００５】
一方、近年の高度情報化時代を迎え、信号に使用される周波数帯域はますます高周波帯に移行しつつある。このような高周波の信号の伝送を行なう高周波用の配線基板においては、高周波信号を高速で伝送する上で、配線層を形成する導体の抵抗が低いことが要求され、絶縁基板にもより低い誘電率が要求される。そこで、誘電率が低く高周波用絶縁基体として好適であるガラスセラミックスをセラミックスから成る絶縁基体に用い、Ｃｕ・Ａｇ・Ａｕ等の低抵抗金属をメタライズ配線導体とした配線基板が多用されている。
【０００６】
しかしながら、このような高周波用の配線基板においては、低誘電率のガラスセラミックスはガラス成分を多量に含有することから、その磁器強度は従来のアルミナセラミックス等に比べて低く、また、低抵抗金属は融点が低いことから低温で焼成する必要があるため、メタライズ配線導体のセラミックスへの接合強度も低いものとなっている。
【０００７】
このため、このような配線基板のパッドにろう材を介してリードピンを接合しピングリッドアレイ型のリードピン付き配線基板とした場合においては、外部電気回路に配線基板を装着するためにリードピンを外部電気回路のソケットに差し込んだり、あるいは外部電気回路に配線基板を装着後に故障や交換等のメンテナンス等が必要となりリードピンを引き抜いたりした際に、リードピンに垂直方向や斜め方向からの外力が働くと、絶縁基体であるセラミックスとメタライズ配線導体であるパッドとの界面に破壊応力が発生し剥がれが生じたり、セラミックスそのものがその破壊応力に屈して破壊したりして、接合信頼性が低下するという問題があった。
【０００８】
そこで、セラミックスとパッドと間の界面における破壊を回避する手法として、活性金属としてＴｉ・ＺｒまたはＨｆの少なくとも１種を含有するＡｇ−Ｃｕ系ろう材を用いて、リードピン接合用のパッドを配線基板に形成せずに、配線基板の内部から下面に導出された貫通導体（ビア導体）が露出した部分を含む絶縁基体の表面領域にリードピンを直接接合する手法が提案されている。
【０００９】
この手法では、パッドを介さずに、配線基板の内部配線の一部である貫通導体（ビア導体）とリードピンとをろう材を介して直接接続することによって電気的接続を行ない、また、貫通導体（ビア導体）の露出部は直径が約１００μｍ以下と小さなことから、リードピンは実質的には絶縁基体であるセラミックスとろう材を介して接合されることになるため、パッドとセラミックスとの接合強度に依存することなくリードピンを接合することができ、セラミックスとパッドと間の界面における破壊を回避することができる。
【００１０】
【特許文献１】
特開平８−１６２５６３号公報
【特許文献２】
特開平８−２９８３８１号公報
【特許文献３】
特開平９−１８１４４号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような手法においても、リードピンに斜め方向の外力に対してセラミックスの磁器強度以上の破壊応力がセラミックスから成る絶縁基体とろう材との接合面の周端部に集中して作用した場合には、絶縁基体そのものがその破壊応力に屈して破壊しやすくなり、この部分を起点として絶縁基体の内部にクラック等が進行し接合信頼性の低下を引き起こす等の問題は残されたままになっていた。
【００１２】
また、パッドとリードピンとの界面が剥離してしまうという従来の問題に代わって、ろう材およびリードピンの剥離がセラミックスから成る絶縁基体とリードピンとの接合信頼性に大きな影響を与えるという問題が新たに発生してしまうことになっていた。
【００１３】
本発明は以上のような従来の技術における問題点を解決するために案出されたものであり、その目的は、リードピンに斜め方向の外力が生じても実用上耐えうるレベルのリードピンとセラミックスから成る絶縁基体との接合強度を確保できる、高信頼性のリードピン付き配線基板を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記問題点について鋭意研究した結果、リード付き配線基板においてリードピンに斜め方向に外力が生じた場合のリードピンとセラミックスから成る絶縁基体との接合強度について、リードピンのヘッド部の形状と、ピン部の剛性とを適切な状態に設定することによって、リードピンと絶縁基体との接合強度が大きく改善されることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１５】
すなわち、本発明のリードピン付き配線基板は、３点曲げ強度が３５０ＭＰａ以下のセラミックスから成る絶縁基体と、この絶縁基体の表面および／または内部に形成された配線導体と、前記絶縁基体の下面に露出した前記配線導体を含む領域にヘッド部がろう材を介して接合されたリードピンとから成るリードピン付き配線基板であって、前記リードピンは、前記ヘッド部の直径が０．４ｍｍ以上であるとともに厚みが０．１０〜０．２４ｍｍであり、かつピン部のヤング率が５０〜１５０ＧＰａであることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明のリード付き配線基板によれば、リードピンのヘッド部の直径を０．４ｍｍ以上としたことから、リードピンとろう材との接合面積が十分に確保され接合強度を高いものとすることができるため、リードピンに斜め方向から大きな外力が生じても、リードピンとろう材との界面で剥離が生じることを抑制することができる。また、ヘッド部の厚みを０．１０〜０．２４ｍｍとしたことから、リードピンに斜め方向から外力が生じた際にセラミックスの破壊の起点となるろう材と絶縁基体との接合面の周端部への応力の集中を低減することができるため、３点曲げ強度が３５０ＭＰａ以下と磁器強度が低いセラミックスを絶縁基体として用いても絶縁基体にクラック等の破壊が発生することを防止することができる。さらに、ピン部のヤング率を５０〜１５０ＧＰａとしたことから、リードピンに斜め方向の外力が生じた際に発生する応力の作用点を、ろう材と絶縁基体との接合界面からヘッドピンのピン部側に移動させることができ、ろう材と絶縁基体との接合面の周端部に作用する応力を分散し低減することができる。
【００１７】
これにより、ろう材を介して３点曲げ強度が３５０ＭＰａ以下と低いセラミックスから成る絶縁基体とリードピンとを強固に接合することが可能となり、斜め方向に応力が発生した場合においても高い接合信頼性を有するリードピン付き配線基板を提供することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のリードピン付き配線基板について詳細に説明する。
【００１９】
図１は本発明のリードピン付き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の実施の形態の一例を示す断面図であり、１はろう材、２はリードピン、３は配線基板、４は半導体素子である。配線基板３のセラミックスから成る絶縁基体５は、上面中央部に半導体素子４を搭載するための半導体素子搭載部７を有している。
【００２０】
配線基板３を構成する絶縁基体５は、ムライト質焼結体・ガラスセラミックス焼結体等のセラミックスから成る例えば略四角形状の板状体であり、その表面および／または内部に配線導体６を有している。
【００２１】
なお、このようなセラミックスから成る絶縁基体５の磁器強度は、ＪＩＳ−Ｒ１６０１−１９９５「ファインセラミックスの曲げ強さ試験方法」に規定された方法で求められる３点曲げ強度等で表わすことができる。
【００２２】
このような配線基板３は、例えば以下のようにして製作される。
【００２３】
絶縁基体５がガラスセラミックス焼結体から成る場合であれば、例えば、ガラス成分としてＳｉＯ２−Ｂ２０３系・ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３系・ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−ＭＯ系（但し、ＭはＣａ・Ｓｒ・Ｍｇ・ＢａまたはＺｎを示す）・ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｍ１Ｏ−Ｍ２Ｏ系（但し、Ｍ１およびＭ２は同一または異なってＣａ・Ｓｒ・Ｍｇ・ＢａまたはＺｎを示す）・ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−Ｍ１Ｏ−Ｍ２Ｏ系（但し、Ｍ１およびＭ２は前記と同じである）・ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ｍ３２Ｏ系（但し、Ｍ３はＬｉ・ＮａまたはＫを示す）・ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−Ｍ３２Ｏ系（但し、Ｍ３は前記と同じである）・ＰＢ系ガラス・Ｂｉ系ガラス等から成るガラス粉末と、例えば、Ａｌ２Ｏ３・ＳｉＯ２・ＺｒＯ２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、ＴｉＯ２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、Ａｌ２Ｏ３およびＳｉＯ２から選ばれる少なくとも１種を含む複合酸化物（例えばスピネル・ムライト・コージェライト）等のフィラー粉末とを質量比で４０：６０〜９９：１の割合で混合し、さらに適当な有機溶剤・溶媒を添加混合して泥漿状となすとともに、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によりシート状に成形してセラミックグリーンシート（セラミック生シート）を得る。
【００２４】
次に、このセラミックグリーンシートに、導体材料粉末をペースト化した導体ペーストをスクリーン印刷法やグラビア印刷法等により印刷するか、あるいは所定パターン形状の金属箔を転写する等の方法を用いて配線導体６を形成する。導体ペーストの導体材料としては、ガラスセラミックス焼結体に対しては、Ｃｕ・Ａｇ・Ａｇ−Ｐｔ・Ａｇ−Ｐｄ・Ａｕ等が一般に用いられる。
【００２５】
なお、この配線導体６には、絶縁基体５の上面と下面に位置する導体パターン同士を絶縁基体５の内部で接続するためのビア導体やスルーホール導体等といった貫通導体の部分も含まれる。ここで、図１においてこの貫通導体は、説明のために実際のスケールよりも強調して図示している。これら貫通導体は、例えば、パンチング加工等によりセラミックグリーンシートに形成した貫通孔に導体ペーストを充填することによって形成される。
【００２６】
次に、この配線導体６を形成したセラミックグリーンシートを複数枚積層し、所定の温度（ガラスセラミックスの場合であれば約９００℃）で焼成することによって、配線基板３が製作される。
【００２７】
そして、配線基板３の下面の、所定部位に位置する内部および／または表面の導体パターン同士を接続するための貫通導体（配線導体６）が絶縁基体５の表面に露出した部位を含む領域に、例えば、活性金属としてＴｉ・ＺｒおよびＨｆのうち少なくとも１種を含有するＡｇ−Ｃｕ系ろう材であるろう材１をペースト化したものをスクリーン印刷法やグラビア印刷法等により印刷し、リードピン２と配線基板３の絶縁基体５とのろう材１を介しての接合（ろう付け）を行なう。
【００２８】
リードピン２を絶縁基体５の表面に露出した貫通導体を含む領域に接合するためのろう材１には、ＢＡｇ−８（７２質量％Ａｇ−２８質量％Ｃｕ）ろう材を始めとして、Ａｇが６０〜８０質量％でＣｕが２０〜４０質量％の組成から成るＡｇ−Ｃｕ系ろう材に、活性金属であるＴｉ・ＺｒおよびＨｆのうち少なくとも１種を金属または水素化物の状態で外添加で２〜１０質量％添加して含有させたものが用いられる。
【００２９】
このろう材１を介してリードピン２を絶縁基体５に接合するには、例えば、このろう材１の粉末に有機溶剤・バインダおよび溶媒を合わせて５〜１５質量％を外添加で混合して得たろう材ペーストを、絶縁基体５の表面にスクリーン印刷法等によりリードピン２を立設する部位に対応した所定パターンに印刷し、これにリードピン２のヘッド部２ａを載置して、これを真空中または中性雰囲気中もしくは還元雰囲気中で所定温度（約８００℃）で加熱処理し、ろう材１を溶融させて、絶縁基体５とリードピン２とをろう付け接合する。
【００３０】
このとき、ろう材１の融点およびろう付け後の接合部の外観や反応層および合金層の厚み等を考慮して、ろう材１の活性金属の含有量・ボリューム（体積）・ブレージング最高到達温度や、ろう材１の融点以上の温度の保持時間等を決める必要がある。
【００３１】
その一例として、７２質量％Ａｇ−２８質量％ＣｕのいわゆるＢＡｇ−８と呼ばれるろう材に活性金属としてＴｉＨ２を３質量％添加したろう材１を用いて、絶縁基体５にピン径が０．３ｍｍ、ヘッド部２ａの直径が０．４５ｍｍ、ヘッド部２ａの厚みが０．２ｍｍのリードピン２を接合する場合であれば、ろう材１を直径を０．８８ｍｍかつ厚みを６０μｍとして絶縁基体５の表面に印刷し、リードピン２のヘッド部２ａを当接した状態で、真空炉にて最高温度７９５℃から８５０℃で５分から１時間保持すれば、良好な接合状態が得られる。
【００３２】
ここで、３点曲げ強度が３５０ＭＰａ以下のセラミックスから成る絶縁基体５の表面に、リードピン２をろう材１を介して接合するときは、リードピン２のヘッド部２ａの直径が０．４ｍｍ以上であることが必要である。
【００３３】
ヘッド部２ａの直径が０．４ｍｍよりも小さいと、ろう材１とリードピン２との絶対的な接合面積が不足して、リードピン２に斜め方向から大きな外力が生じた際に、リードピン２とろう材１との界面で剥離やクラック等が発生しやすくなり、ろう材１の活性金属の含有量・ボリューム（体積）・ブレージング最高到達温度やろう材１の融点以上の温度の保持時間等をどのように調整しても、ろう材１を介してのリードピン２と絶縁基体５との接合強度が低下してしまい、例えば、リードピン２を４５°方向へ１０ｍｍ／分の速度で引っ張る４５°引張り試験等において測定される引張り強度が１５Ｎ未満と実使用に耐えられない程度まで低下してしまう。従って、ヘッド部２ａの直径は０．４ｍｍ以上が必要であり、ヘッド部２ａの直径が大きくなるほどろう材１とリードピン２の接合面積が増加し、ろう材１を介してのリードピン２と絶縁基体５との接合強度も向上する。
【００３４】
なお、上述の通り、ヘッド部２ａの直径は０．４ｍｍ以上が必要であるが、その直径の上限は、絶縁基体５の外形寸法や、絶縁基体５の下面に複数のリードピン２を立設する部分の面積や、リードピン２の数やリードピン２の配列方法等によって任意に設定することができる。例えば、半導体素子４搭載用の半導体素子収納用パッケージに適用する場合には、一般的に、リードピン２のヘッド部２ａの直径として０．４〜１．５ｍｍ程度の範囲が選択される。
【００３５】
また、リードピン２のヘッド部２ａの直径を０．４ｍｍ以上とした場合には、ヘッド部２ａの厚みを０．１０〜０．２４ｍｍとすることが重要である。ヘッド部２ａの厚みが０．１０ｍｍよりも薄いときは、ろう材１がヘッド部２ａの上部、すなわちピン部の付け根付近まで這い上がりやすくなり、ろう材１と絶縁基体５との接合部の周端部における絶縁基体５に対するろう材１の接触角が大きくなってしまう。このように絶縁基体５に対するろう材１の接触角が大きくなった場合は、ろう材１と絶縁基体５との接合部の周端部におけるろう材１のボリューム（体積）が大きくなり、これに伴ってリードピン２と絶縁基体５とをろう材１を介して接合する際にろう材１の周端部に発生する残留応力が高いものとなってしまう。その結果、リードピン２に斜め方向から外力が生じた際に、ろう材１と絶縁基体５との接合界面には、外力により発生した応力とろう材１の内部の残留応力とがあいまった大きな破壊応力が作用することとなり、絶縁基体５にクラック等の破壊が発生しやすくなってしまう。
【００３６】
一方、ヘッド部２ａの厚みが０．２４ｍｍよりも厚いときには、リードピン２に斜め方向に外力が加わったときに、力の支点となるピン部のヘッド部２ａへの付け根の部分から作用点であるろう材１と絶縁基体５との接合部の周端部までの距離が長くなることによって、加わった外力と同じ方向の周端部側ではヘッド部２ａが絶縁基体５に押し付けられる（圧縮）方向の応力が、また、加わった外力と反対方向の周端部側では引き剥がされる（引っ張り）方向の応力が、それぞれが小さな外力であっても両者があいまって大きな応力となってしまい、特に、加わった外力と反対方向の周端部側では容易に絶縁基体５が破壊しやすくなってしまう。
【００３７】
さらに、リードピン２のピン部のヤング率は５０〜１５０ＧＰａであることが望ましい。このピン部のヤング率は、リードピン２に斜め方向から外力が加えられた際に、ピン部が変形することによってろう材１と絶縁基体５との接合界面に作用する応力を緩和するという観点では低い方が好ましいが、５０ＧＰａより小さいと、リードピン２に斜め方向から外力が加えられた際に容易に伸びてしまったり折れ曲がったりしてしまい実用に耐え得ないものとなる傾向がある。他方、１５０ＧＰａを超えて大きくなると、ピン部が剛直になり過ぎて、リードピン２のピン部や、ピン部のヘッド部２ａへの付け根の部分等における応力緩和作用が小さくなり、加えられた外力が直接にろう材１と絶縁基体５との接合界面に作用してしまい、絶縁基体５の破壊を助長してしまう傾向がある。
【００３８】
リードピン２の材質は、上述の通り、ピン部のヤング率が５０〜１５０ＧＰａであればその用途等に応じて任意に選択することができる。例えば、半導体素子収納用パッケージに適用するリードピン２であれば、Ｃｕ合金・Ｎｉ合金・Ａｌ合金・Ｃｕ−Ｎｉ合金・純Ｆｅ・Ｆｅ−Ｎｉ合金・Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等を用いることができる。また、ピン部のヤング率が１５０ＧＰａを超えた材質のリードピン２に熱処理（アニール）を施すことによって、ピン部のヤング率を５０〜１５０ＧＰａの範囲に調整する等の方法によって得たリードピン２を用いても良い。
【００３９】
なお、本発明のリードピン付き配線基板に用いられるリードピン２のヘッド部２ａの直径および厚み以外の各部の寸法は、外部電気回路のソケットの形状や接続方法等に応じて任意に選択が可能であり、例えば、半導体素子収納用パッケージに適用するリードピン２であれば、一般に、ピン部の直径としては０．１〜１．０ｍｍ（ただし、リードピン２はネイルヘッド型であるため、ピン部の直径がヘッド部２ａの直径よりも大きくなることはない。）、ピン部の長さとしては１〜６ｍｍ程度の範囲で使用される。
【００４０】
以上のようにして、リードピン２と絶縁基体５とを接合することにより、斜め方向からリードピン２に外力が生じても、絶縁基体５とリードピン２とのろう材１を介した接合部の接合強度を確保して、良好なろう付け状態のリードピン付き配線基板を得ることが可能となる。
【００４１】
なお、このような配線基板３においては、絶縁基体５の表面に形成されるリードピン２が接合されない配線導体６、ならびにリードピン２が接合されない貫通導体の露出する表面には、必要に応じて、絶縁基体５とリードピン２との接合前あるいは接合後に、耐蝕性に優れ、かつ、Ａｇ−Ｃｕ系ろう材との濡れ性が良好なＮｉやＡｕ等の金属皮膜が１〜２０μｍの厚みでめっき法等により被着される。
【００４２】
Ｎｉめっき層は、例えばＰを４〜１２質量％程度含有する無電解Ｎｉ−Ｐめっきから成る。このようなＮｉめっき層は、まず、配線導体６が形成された絶縁基体５を界面活性剤と塩酸水溶液とから成る温度が２５〜５０℃の酸性の洗浄液に１〜５分間浸漬して配線導体６の露出した表面を清浄とし、次にこれを純水で洗浄した後、塩化パラジウム・水酸化カリウム・エチレンジアミンテトラアセティクアシッドから成る温度が２５〜４０℃のパラジウム活性液中に１〜５分間程度浸漬して配線導体６の表面にパラジウム触媒を付着させ、次にこれを純水で洗浄した後、硫酸ニッケル・クエン酸ナトリウム・酢酸ナトリウム・次亜リン酸ナトリウム・塩化アンモニウムから成る温度が５０〜９０℃の無電解Ｎｉめっき液中に２〜６０分間浸漬することによって配線導体６の露出した表面に被着される。
【００４３】
なお、Ｎｉめっき層は、その厚みが１μｍ未満では、絶縁基体５の表面に形成された配線導体６、図１に示す例では半導体素子４と配線基板３を接続するための電極パッド８となる部位の表面を良好に被覆することができずに、配線導体６の露出した表面に酸化や変色をきたす傾向にある。他方、２０μｍを超えると、Ｎｉめっき層の内部応力によりＮｉめっき層にクラックや剥がれが発生してしまいやすい。したがって、Ｎｉめっき層の厚みは１〜２０μｍの範囲が好ましい。
【００４４】
また、Ｎｉめっき層を上述のように無電解Ｎｉ−Ｐめっきから形成する場合は、Ｎｉめっき層中のＰの含有量が４質量％未満であると、配線導体６の露出した表面にＮｉめっき層を被着させる際にＮｉめっきの析出速度が遅くなり、所定の厚みのＮｉめっき層を得るために長時間を要することとなるので生産性が極めて悪くなる。他方、１２質量％を超えると、Ｎｉめっき層上に被着させるＡｕめっき層との反応性が悪くなり、Ｎｉめっき層をＡｕめっき層で良好に被覆することが困難となる傾向にある。したがって、Ｎｉめっき層中のＰの含有量は、４〜１２質量％の範囲が好ましい。
【００４５】
特に、絶縁基体５とリードピン２との接合後に無電解めっき法によりＮｉ−Ｐめっきを施すときには、ろう材１の周りの絶縁基体５上にＮｉめっきが析出してしまい、隣接する配線導体６同士が短絡してしまう場合がある。これを防止するには、ろう材１ペースト中のバインダ量を少なくして、絶縁基体５の表面における炭素の残留を減らして絶縁基体５の表面にＮｉめっきが被着する要因を減らすか、めっきの前処理の段階で絶縁基体５の表面をエッチングすることにより、ろう付け時に溶融・気化してろう材１の周りの絶縁基体５の表面に付着したＡｇやＣｕといったろう材成分を除去するか、といった対策を採用すればよい。ここで、ろう材１ペースト中のバインダ量としては、以上のような理由と印刷性の観点から、８〜１２質量％の割合で外添加するのが適当である。さらに、無電解めっきによるめっき層の耐熱変色性の低下を改善するためには、めっき後に４００℃以上で加熱処理することにより、めっき皮膜を緻密化させることが効果的である。
【００４６】
そして、半導体素子搭載部７上にエポキシ樹脂やＡｇエポキシ樹脂等を用いて半導体素子４を搭載し、この半導体素子４上の電極と絶縁基体５の半導体素子搭載部７の近傍に配線導体６の一部として形成された電極パッド８とをＡｕ・Ｃｕ・Ａｌ等の金属細線で電気的に接続した後、ＣｕやＡｌ等から成る金属製または酸化アルミニウム質焼結体等から成るセラミック製の蓋体９をエポキシ等の樹脂やＡｕ−Ｓｎ・Ａｕ−Ｇｅといった金属ろう材等による封着または溶接によって封止することによって半導体装置となる。
【００４７】
【実施例】
次に、本発明のリード付き配線基板について、具体例を説明する。
【００４８】
まず、３点曲げ強度が２００ＭＰａのガラスセラミックスから成る絶縁基体の表面に、Ａｇ：７２質量％とＣｕ：２８質量％とから成るＢＡｇ−８組成のＡｕ−Ｃｕ系ろう材に活性金属としてのＴｉＨ２を３質量％およびバインダを１０質量％の割合で外添加した活性金属ろう材ペーストを、一つのパッド当たり０．２ｍｇのろう材量になるようにスクリーン印刷して直径０．８８ｍｍのろう材パターンを形成し、これを介してピン部の直径が０．３ｍｍ、ヘッド部の直径が０．４５ｍｍ、ヘッド部の厚みが０．０８ｍｍから０．２５ｍｍまでの８種類（表１に示す実施例１〜６および比較例１・２に対応する）のＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金製リードピン（ヤング率１２０〜１３０ＧＰａ）を、真空炉にて最高温度８００℃で１５分保持することにより接合した。
【００４９】
その後、このリードピンの接合強度（４５°引っ張り強度）を、４５°方向に１０ｍｍ／分の速度で引っ張る引っ張り試験により評価した。
【００５０】
なお、この形状のリードピンにおいては、４５°引っ張り強度が１５Ｎ以上あればリードピンは折り曲げに耐えうるが、１５Ｎ未満しか４５°引っ張り強度がない場合には、リードピンに外部から力が加わったときにリードピンが折れ曲がる前にガラスセラミックスから成る絶縁基体が破壊してしまうため、ソケット挿入時にリードピンが取れてしまうといった不具合が発生することとなる。これより、接合強度の判断基準としては、４５°引っ張り強度が１５Ｎ以上であれば実用上問題ないとした。
【００５１】
これらの結果を表１に示すとともに、図２に線図で示す。なお、図２において、横軸はリードピンのヘッド部の厚み（単位：ｍｍ）を、縦軸は４５°引っ張り強度（単位：Ｎ）を表わし、黒丸はヘッド部のそれぞれの厚みにおける４５°引っ張り強度の平均値を、その上側の線は測定最大値を、下側の線は測定最小値を示し、測定値のばらつき範囲を平均値と同時に示している。
【００５２】
【表１】
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【００５３】
表１および図２に示す結果から分かるように、本発明の実施例１〜６では、リードピンの４５°引っ張り強度（破壊強度）が最小値でも１５Ｎ以上であった。一方、比較例１・２では、リードピンの４５°引っ張り強度の最小値が１５Ｎ未満であった。
【００５４】
次に、セラミックスの材質を変えて、３点曲げ強度が３５０ＭＰａのガラスセラミックスおよび４００ＭＰａのアルミナセラミックスにおいても、同様にヘッド厚みの異なる８種類のリードピンを接合し、同様の評価を行なった（表１に示す実施例７〜１８および比較例３〜６に対応する）。これらの結果を表１に示すとともに、図３および図４にそれぞれ図２と同様の線図で示す。なお、図３は絶縁基体に３点曲げ強度が３５０ＭＰａのガラスセラミックスを用いた場合の結果であり、図４は３点曲げ強度が４００ＭＰａのアルミナセラミックスを用いた場合の結果である。
【００５５】
これらの結果から分かるように、３点曲げ強度が３５０ＭＰａのガラスセラミックスから成る絶縁基体を用いた場合では、４５°引っ張り強度の値が異なるものの、３点曲げ強度が２００ＭＰａのガラスセラミックスから成る絶縁基体を用いた場合と同様の傾向であったのに対して、４００ＭＰａのアルミナセラミックスから成る絶縁基体を用いた場合では、今回評価したヘッド部の厚みの範囲では、リードピン切れが発生し、あるいは１５Ｎ以上の大きな４５°引っ張り強度で絶縁基体と活性金属ろう材との界面が破壊し、本発明のリードピン付き配線基板におけるリードピンのヘッド部の直径および厚みによるリードピンと絶縁基体との接合強度への影響は認められなかった。
【００５６】
次に、リードピンの形状を変えて、同様の評価を行なった。これらの結果を表１に併せて示す。
【００５７】
ピン部の直径が０．３ｍｍ、ヘッド部の直径が０．４０ｍｍで、ヘッド部の厚みが０．１０ｍｍおよび０．２４ｍｍの２種類（表１に示す実施例１９および２０に対応する）のＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金製リードピンを、３点曲げ強度が２００ＭＰａのガラスセラミックスから成る絶縁基体に接合し、４５°引っ張り強度を評価したところ、１５Ｎ以上の４５°引っ張り強度で破壊した。
【００５８】
また、ピン部の直径が０．３ｍｍ、ヘッド部の直径が０．３５ｍｍで、ヘッド部の厚みが０．１０ｍｍおよび０．２４ｍｍの２種類（表１に示す比較例７および８に対応する）のＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金製リードピンを、３点曲げ強度が２００ＭＰａのガラスセラミックスから成る絶縁基体に接合し、４５°引っ張り強度を評価したところ、リードピンの４５°引っ張り強度の最小値が１５Ｎ未満であった。
【００５９】
さらに、ピン部の直径が０．３ｍｍ、ヘッド部の直径が０．５５ｍｍおよび０．６５ｍｍで、ヘッド部の厚みが０．１５ｍｍの２種類（表１に示す実施例２１および２２に対応する）のＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金製リードピンを、３点曲げ強度が２００ＭＰａのガラスセラミックスから成る絶縁基体に接合し、４５°引っ張り強度を評価したところ、３０Ｎ以上の４５°引っ張り強度でリードピン切れが発生した。
【００６０】
以上のように、３点曲げ強度が３５０ＭＰａ以下のセラミックスから成る絶縁基体の表面に、リードピンをろう材を介して接合する場合には、リードピンのヘッド部の直径を０．４ｍｍ以上とし、かつヘッド部の厚みを０．１０ｍｍ以上０．２４ｍｍ以下にすることにより、実用上問題ない接合強度を得ることができ、斜め方向に応力が発生した場合においても高い接合信頼性を有するリードピン付き配線基板を提供することができた。
【００６１】
次に、ピン部のヤング率がリードピンとガラスセラミックスから成る絶縁基体との接合強度に及ぼす影響について評価を行なうために、３点曲げ強度が２００ＭＰａのガラスセラミックスから成る絶縁基体に、ピン部の直径が０．３ｍｍ、ヘッド部の直径が０．４５ｍｍでヘッド部の厚みが０．１７ｍｍ（表１に示す実施例３に対応する）のリードピンを、ヤング率が１２０〜１３０ＧＰａのＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金製のものと、ヤング率が６５〜７５ＧＰａのＡｌに熱処理（アニール）を施すことによってヤング率を４０〜４５ＧＰａに調整したＡｌ製のものと、ヤング率が１９０〜２００ＧＰａのＦｅに熱処理（アニール）を施すことによってヤング率を１５５〜１６０ＧＰａに調整したＦｅ製のものとの３種類の材質によるリードピンを用いて接合し、それぞれの４５°引っ張り強度を評価した。
【００６２】
その結果、本発明の実施例に対応するヤング率が１２０〜１３０ＧＰａのＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金製のリードピンにおいては、最小値でも１５Ｎ以上の４５°引っ張り強度を示し実用上問題のない接合強度が得られた。これに対して、ヤング率が４０〜４５ＧＰａのＡｌ製のリードピンおよびヤング率が１５５〜１６０ＧＰａのＦｅ製のリードピンにおいては、最小値が１５Ｎ以下の値を示すようになり、場合によっては数Ｎという小さな４５°引っ張り強度でリードピン切れや、絶縁基体とろう材の界面の破壊等が発生し、実用上の接合信頼性において不具合が発生する危険性が高いという結果が得られた。
【００６３】
これにより、リードピンのヘッド部の直径が０．４ｍｍ以上であるとともに厚みが０．１０〜０．２４ｍｍであり、かつピン部のヤング率が５０〜１５０ＧＰａであることによって、斜め方向に応力が発生した場合においても高い接合信頼性を有するリードピン付き配線基板を提供することができることを確認できた。
【００６４】
なお、本発明は以上の実施の形態の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種々の変更を加えることは何ら差し支えない。例えば、リードピンのヘッド部の下部、すなわち絶縁基体と接合する側の底面について、その周縁を面取りしたり丸みを付けたりしたような形状として使用してもよい。また、以上の実施の形態の例では、本発明のリード付き配線基板を半導体素子収納用パッケージに適用したが、混成集積回路基板等の他の用途に適用してもよい。
【００６５】
【発明の効果】
本発明のリード付き配線基板によれば、リードピンのヘッド部の直径を０．４ｍｍ以上としたことから、リードピンとろう材との接合面積が十分に確保され接合強度を高いものとすることができるため、リードピンに斜め方向から大きな外力が生じても、リードピンとろう材との界面で剥離が生じることを抑制することができる。また、ヘッド部の厚みを０．１０〜０．２４ｍｍとしたことから、リードピンに斜め方向から外力が生じた際にセラミックスの破壊の起点となるろう材と絶縁基体との接合面の周端部への応力の集中を低減することができるため、３点曲げ強度が３５０ＭＰａ以下と磁器強度が低いセラミックスを絶縁基体として用いても、絶縁基体にクラック等の破壊が発生することを防止することができる。さらに、ピン部のヤング率を５０〜１５０ＧＰａとしたことから、ヘッドピンに斜め方向の外力が生じた際に発生する応力の作用点を、ろう材と絶縁基体との接合界面からヘッドピンのピン部側に移動させることができ、ろう材と絶縁基体との接合面の周端部に作用する応力を分散し低減することができる。
【００６６】
以上により、本発明によれば、ろう材を介して３点曲げ強度が３５０ＭＰａ以下と低いセラミックスから成る絶縁基体とリードピンとを強固に接合することが可能となり、斜め方向に応力が発生した場合においても高い接合信頼性を有するリードピン付き配線基板を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のリードピン付き配線基板の実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】リードピン付き配線基板において、３点曲げ強度２００ＭＰａのガラスセラミックスから成る絶縁基体にリードピンを接合したときの、リードピンのヘッド部の厚みと４５°引っ張り強度との関係を示す線図である。
【図３】リードピン付き配線基板において、３点曲げ強度３５０ＭＰａのガラスセラミックスから成る絶縁基体にリードピンを接合したときの、リードピンのヘッド部の厚みと４５°引っ張り強度との関係を示す線図である。
【図４】リードピン付き配線基板において、３点曲げ強度４００ＭＰａのアルミナセラミックスから成る絶縁基体にリードピンを接合したときの、リードピンのヘッド部の厚みと４５°引っ張り強度との関係を示す線図である。
【符号の説明】
１・・・・ろう材
２・・・・リードピン
２ａ・・・・ヘッド部
３・・・・配線基板
４・・・・半導体素子
５・・・・絶縁基体
６・・・・配線導体
７・・・・半導体素子搭載部
８・・・・電極パッド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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