(57)【要約】【課題】  銅または銅を主成分とする合金から成るメタライズ配線層を外部電気回路に低融点ろう材を介して電気的に接続したときに、メタライズ配線層が絶縁基体から剥がれるような問題が発生することを効果的に防止した、接続信頼性に優れるとともに低電気抵抗の配線基板を提供すること。【解決手段】  ガラスセラミック焼結体から成る絶縁基体１と、絶縁基体１の表面に形成された、銅または銅を主成分とする合金のメタライズ配線層２とを具備しており、メタライズ配線層２が低融点ろう材を介して外部電気回路に電気的に接続される配線基板９において、メタライズ配線層２は、外部電気回路に接続される部位において銅１００質量部に対してフォルステライトを０．５〜１０質量部含んでいる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラスセラミック焼結体から成る絶縁基体と、該絶縁基体の表面に形成された、銅または銅を主成分とする合金のメタライズ配線層とを具備しており、前記メタライズ配線層が低融点ろう材を介して外部電気回路に電気的に接続される配線基板において、前記メタライズ配線層は、前記外部電気回路に接続される部位において銅１００質量部に対してフォルステライトを０．５〜１０質量部含んでいることを特徴とする配線基板。
【請求項２】
前記ガラスセラミック焼結体は、熱膨張係数が１１×１０−６〜１３×１０−６／℃であることを特徴とする請求項１記載の配線基板。
【請求項３】
前記ガラスセラミック焼結体は、酸化バリウムを１５〜２０質量％、酸化ホウ素を２〜７質量％含有していることを特徴とする請求項１または請求項２記載の配線基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラスセラミック焼結体から成る絶縁基体の表面に銅または銅を主成分とする合金のメタライズ配線層が形成され、このメタライズ配線層が低融点ろう材を介して外部電気回路に接続される配線基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＩＣ，ＬＳＩ等の半導体集積回路素子、ＬＤ（半導体レーザ），ＬＥＤ（発光ダイオード），ＰＤ（フォトダイオード），ＣＣＤ，ラインセンサ，イメージセンサ等の光半導体素子、圧電振動子，水晶振動子等の振動子、その他の種々の電子部品が搭載される配線基板として、ガラスセラミック焼結体から成る絶縁基体と、銅または銅を主成分とする合金から成り絶縁基体の表面に形成されたメタライズ配線層とを具備する構造のものが知られている。
【０００３】
このような配線基板は、メタライズ配線層が、低電気抵抗の銅または銅を主成分とする合金から成ることから、メタライズ配線層を低電気抵抗とすることができ、搭載される電子部品を外部電気回路と低抵抗で電気的に接続することができる。
【０００４】
絶縁基体の上面等に電子部品が搭載され、電子部品の電極がメタライズ配線層とボンディングワイヤや金属バンプ等を介して電気的に接続され電子装置となる。また、メタライズ配線層のうち電子部品の電極と接続されない部位の一部が外部電気回路に錫−鉛半田等の低融点ろう材を介して電気的、機械的に接続される。
【０００５】
このような配線基板は、例えば、以下のようにして製作される。まず、セラミック粉末に適当なガラス粉末を混合した原料粉末を、有機溶剤、バインダとともにシート状に成形してセラミックグリーンシート（グリーンシート）を作製し、次に、銅または銅を主成分とする金属の粉末に有機溶剤、バインダを添加混練して金属ペーストを作製し、この金属ペーストをグリーンシートにスクリーン印刷法で所定のメタライズ配線層のパターンに印刷塗布し、次に、グリーンシートを、必要に応じて複数上下に積層した後、約１０００℃程度の温度で焼成することにより製作される。なお、焼成の際に、金属ペーストの銅の粉末の間にグリーンシートのガラス成分が溶融して入り込み、このガラス成分を介して金属ペーストがグリーンシートと一体的に焼結（液相焼結）し、メタライズ配線層が絶縁基体の表面に接合される。
【特許文献１】特開２００３−２１２６４６号公報
【特許文献２】特開２００３−２０１１７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ガラスセラミック焼結体から成る絶縁基体の表面に銅または銅を主成分とする合金のメタライズ配線層を形成した場合、銅の融点が比較的低い（約１０８３℃）ことから、焼成時に銅成分が溶融し易いため、銅の粉末同士の間に十分にガラス成分が入り込んで焼結させることが難しく、メタライズ配線層の絶縁基体に対する接合強度が低くなり易い。
【０００７】
また、外部電気回路を表面に形成した外部の電気回路基板（プリント配線基板等）の基板の熱膨張係数（１２〜１６×１０−６／℃程度）と絶縁基体の熱膨張係数（６〜１２×１０−６／℃程度）との差に起因して大きな熱応力が生じるとともに、この熱応力が低融点ろう材および接続パッドに作用する。
【０００８】
そのため、メタライズ配線層を外部電気回路に低融点ろう材を介して接続した場合、上記熱応力等の応力により、メタライズ配線層が絶縁基体から剥がれてしまうという問題があった。
【０００９】
特に、近時、低融点ろう材として、従来一般的に使用されていた錫−鉛半田に替わり、錫−銀系等の、いわゆる鉛フリー半田が用いられるようになってきており、従来の錫−鉛半田に比べて、鉛フリー半田の半田付け温度が高いため、メタライズ配線層を外部電気回路に電気的に接続するときの熱応力も大きくなり、メタライズ配線層の剥がれ等の不具合も発生しやすくなる傾向がある。
【００１０】
本発明は上記従来の諸問題に鑑みて案出されたものであり、その目的は、銅または銅を主成分とする合金から成るメタライズ配線層を外部電気回路に低融点ろう材を介して電気的に接続したときに、メタライズ配線層が絶縁基体から剥がれるような問題が発生することを効果的に防止した、接続信頼性に優れるとともに低電気抵抗の配線基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の配線基板は、ガラスセラミック焼結体から成る絶縁基体と、該絶縁基体の表面に形成された、銅または銅を主成分とする合金のメタライズ配線層とを具備しており、前記メタライズ配線層が低融点ろう材を介して外部電気回路に電気的に接続される配線基板において、前記メタライズ配線層は、前記外部電気回路に接続される部位において銅１００質量部に対してフォルステライトを０．５〜１０質量部含んでいることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明の配線基板は、好ましくは、前記ガラスセラミック焼結体は、熱膨張係数が１１×１０−６〜１３×１０−６／℃であることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明の配線基板は、好ましくは、前記ガラスセラミック焼結体は、酸化バリウムを１５〜２０質量％、酸化ホウ素を２〜７質量％含有していることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の配線基板によれば、メタライズ配線層は、外部電気回路に接続される部位において銅１００質量部に対してフォルステライトを０．５〜１０質量部含んでいることから、ガラス質に対する濡れ性の良いフォルステライト質がガラスセラミック焼結体のガラス質に絡み、このフォルステライトのアンカー効果によりメタライズ配線層が絶縁基体に強固に接合されるので、銅または銅を主成分とする合金から成るメタライズ配線層を外部電気回路に低融点ろう材を介して電気的に接続した場合でも、メタライズ配線層が絶縁基体から剥がれるような問題が発生することを効果的に防止することができ、接続信頼性に優れるとともに低電気抵抗の配線基板を提供することができる。
【００１５】
また、本発明の配線基板は、好ましくは、ガラスセラミック焼結体は熱膨張係数が１１×１０−６〜１３×１０−６／℃であることから、絶縁基体の熱膨張係数を外部電気回路基板の熱膨張係数に近付けることができ、より一層接続信頼性に優れた配線基板を提供することができる。
【００１６】
また、本発明の配線基板は、好ましくは、ガラスセラミック焼結体は、酸化バリウムを１５〜２０質量％、酸化ホウ素を２〜７質量％含有していることから、熱膨張係数が１１×１０−６〜１３×１０−６／℃のガラスセラミック焼結体をより容易かつ確実に製作することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に、本発明の配線基板を添付の図面に基づき詳細に説明する。
【００１８】
図１は本発明の配線基板の実施の形態の一例を示す断面図である。
【００１９】
これらの図において、１は絶縁基体、２はメタライズ配線層である。これら絶縁基体１およびメタライズ配線層２により主に配線基板９が構成される。
【００２０】
絶縁基体１は、シリカ系、アルミナ系等のガラスセラミックス焼結体により形成される。
【００２１】
絶縁基体１は、例えばシリカ系のガラスセラミックス焼結体から成る場合であれば、酸化バリウム等のガラス粉末とシリカ等のセラミック粉末等から成る原料粉末を有機溶剤，バインダとともにシート状に成形し複数枚のグリーンシートを得て、これに適当な孔あけ加工を施すとともに上下に積層し、約１０００℃で焼成することにより製作される。
【００２２】
絶縁基体１は、ＩＣ，ＬＳＩ等の半導体集積回路素子、ＬＤ（半導体レーザ），ＬＥＤ（発光ダイオード），ＰＤ（フォトダイオード），ＣＣＤ，ラインセンサ，イメージセンサ等の光半導体素子、圧電振動子，水晶振動子等の振動子、その他の種々の電子部品を搭載・支持するための基体として機能し、主面（この例では上面）や側面に電子部品が搭載される。
【００２３】
また、絶縁基体１の表面には、メタライズ配線層２が形成されている。
【００２４】
メタライズ配線層２は、例えば、絶縁基体１の電子部品が搭載される主面から他の主面や側面等にかけて形成されており、配線基板９に搭載される電子部品（図示せず）の電極を外部に導出し外部電気回路（図示せず）と電気的に接続する機能をなす。なお、メタライズ配線層２は、絶縁基体１の内部にも形成してもよい。
【００２５】
メタライズ配線層２は、銅または銅を主成分とする合金により形成される。銅を主成分とする合金としては、銅とタングステンあるいは銅とモリブデン等の合金が用いられる。
【００２６】
メタライズ配線層２は、例えば、銅または銅を主成分とする合金（混合物）の金属ペーストをグリーンシートの表面に印刷塗布しておくことにより形成される。
【００２７】
また、メタライズ配線層２は、表面をめっき層３により被覆しておくことが好ましい。
【００２８】
メタライズ配線層２の表面をめっき層３で被覆しておくと、メタライズ配線層２が外気と接触して酸化することをより効果的に防止するとともに、ボンディングワイヤのボンディング性や、低融点ろう材の濡れ性等を向上させることができる。
【００２９】
このようなめっき層３としては、ニッケルやニッケル−コバルト等のニッケル合金、金、銅、パラジウム、白金等のめっき層を被着させることができる。
【００３０】
この場合、めっき層３は、酸化防止の保護層であることから、少なくとも最表面に金めっき層が位置するものが好ましく、特にメタライズ配線層２とめっき層３との間の接合強度の確保や、メタライズ配線層２を確実にめっき層３で被覆して酸化をより有効に防止すること等のため、メタライズ配線層２の表面から順次被着されたニッケルあるいは銅めっき層および金めっき層により構成することがより好ましい。
【００３１】
めっき層３は、例えば金めっき層の場合であれば、メタライズ配線層２が被着された絶縁基体１を、シアン系金化合物を金の供給源として含有し、ｐＨ調整剤、錯化剤等を添加して成る金めっき液中に浸漬するとともに、メタライズ配線層２の露出している表面に、めっき用治具等を介して所定の電流を通電することによりメタライズ配線層２の表面に形成される。なお、めっきの前処理として、メタライズ配線層２に対して、アルカリ脱脂処理や、酸（希塩酸等）による酸処理が施される。
【００３２】
そして、絶縁基体１の上面等に電子部品を搭載するとともに、電子部品の電極をメタライズ配線層２の所定部位にボンディングワイヤや半田等の導電性接続材を介して電気的に接続するとともに、メタライズ配線層２のうち、電子部品の電極と接続されない部分の一部を、外部電気回路に低融点ろう材（図示せず）を介して電気的、機械的に接続することにより、メタライズ配線層２を介して電子部品が外部電気回路と電気的に接続される。
【００３３】
低融点ろう材としては、錫−鉛（共晶）半田や、錫−銀系、錫−銀−銅系、錫−銀−銅―ビスマス系、錫−銀−銅−亜鉛系等の半田等が用いられる。
【００３４】
本発明の配線基板９によれば、メタライズ配線層２は、外部電気回路に接続される部位において銅１００質量部に対してフォルステライトを０．５〜１０質量部含んでいることから、ガラス質に対する濡れ性の良いフォルステライト質がガラスセラミック焼結体のガラス質に絡み、このフォルステライトのアンカー効果によりメタライズ配線層２が絶縁基体１に強固に接合されるので、銅または銅を主成分とする合金から成るメタライズ配線層２を外部電気回路に低融点ろう材を介して電気的に接続した場合でも、メタライズ配線層２が絶縁基体１から剥がれるような問題が発生することを効果的に防止することができ、接続信頼性に優れるとともに低電気抵抗の配線基板９を提供することができる。
【００３５】
この場合、メタライズ配線層２は、外部電気回路に接続される部位において銅１００質量部に対してフォルステライトが０．５質量部未満では、焼結時に銅のみの焼結が進み、銅と絶縁基体１（グリーンシート）との接着強度が十分に得られないため、メタライズ配線層２の絶縁基体１に対する接合を十分に強固なものとすることができず、１０質量部を超えると、メタライズ配線層２の焼結体表面にガラス質が多量に存在し銅の焼結が不十分となり、かえってメタライズ配線層２の絶縁基体１に対する接合が弱くなってしまう。また、メタライズ配線層２の導通抵抗の増大や、めっき層３を被着させる場合にめっき層３の被着強度が劣化してしまう。
【００３６】
なお、メタライズ配線層２について、外部電気回路に接続される部位において銅１００質量部に対してフォルステライトを０．５〜１０質量部含むものとするには、メタライズ配線層２となる金属ペースト中に、金属粉末１００質量部に対して、フォルステライトが０．５〜１０質量部となるように添加しておくこと等の手段を用いることができる。
【００３７】
また、メタライズ配線層２は、外部電気回路に接続される部位以外の部位についても、同様に、フォルステライトを０．５〜１０質量部含んでいるものとしてもよい。
【００３８】
例えば、グリーンシートにメタライズ配線層２と成る金属ペーストを印刷する際、同じグリーンシートの表面には、同じ金属ペーストを用いて、一つの印刷用製版で同時に印刷することが生産性や、焼成時の収縮率の制御管理等の面で好ましい。そのため、メタライズ配線層２のうち、外部電気回路に接続される部位を含む層のものは、全域にわたって、フォルステライトを０．５〜１０質量部含んでいるものとすることが好ましい。
【００３９】
また、本発明の配線基板９において、ガラスセラミック焼結体は熱膨張係数が１１×１０−６〜１３×１０−６／℃であることが好ましい。
【００４０】
ガラスセラミック焼結体の熱膨張係数を１１×１０−６〜１３×１０−６／℃とした場合には、絶縁基体１の熱膨張係数を外部電気回路基板の熱膨張係数に近付けることができ、より一層接続信頼性に優れた配線基板９を提供することができる。
【００４１】
このような熱膨張係数を有するガラスセラミック焼結体は、例えば、熱膨張係数の大きいシリカ系成分（石英、クリストバライト、トリジマイト等）の添加量を多くすること等の方法を用いることができる。
【００４２】
また、本発明の配線基板９は、ガラスセラミック焼結体は、酸化バリウムを１５〜２０質量％、酸化ホウ素を２〜７質量％含有していることが好ましい。
【００４３】
ガラスセラミック焼結体が、酸化バリウムを１５〜２０質量％、酸化ホウ素を２〜７質量％含有している場合には、熱膨張係数を１１×１０−６〜１３×１０−６／℃により容易かつ確実に制御することができ、得られ、より一層接続信頼性に優れた配線基板９を確実に提供することができる。
【００４４】
なお、本発明は上述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あれば種々の変更は可能である。例えば、メタライズ配線層２を被覆するめっき層３を、接続パッド３と成る部位とその他の部位とで異なる構成としてもよい。
【実施例】
【００４５】
シリカ系の組成のガラスセラミック焼結体で外寸が１ｃｍ×１ｃｍの平板状の絶縁基体１を形成し、その表面に銅によりメタライズ配線層２を形成して試験用の配線基板９とした。
【００４６】
メタライズ配線層２のうち、絶縁基体１の一方の主面に露出するものは、幅０．５ｍｍの線状パターンとし、それと反対側の主面に露出するものは直径０．５ｍｍの円形状のパターンで、１０×１０の配列で縦横に並べて形成した。
【００４７】
メタライズ配線層２の露出表面には、電解めっき法により厚さ２〜５μｍのニッケルめっき層と、厚さ１．５〜２μｍの金めっき層とを順次被着させた。
【００４８】
そして、円形状のパターンを、錫−鉛（共晶）半田を介してプリント配線基板９の電気回路に接続し、接合強度を測定した。
【００４９】
上記の配線導体の強度について、銅に対するフォルステライトの添加量を表１に示すように変えて、試験した。
【００５０】
その結果を表１に示す。
【表１】
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【００５１】
表１からわかるように、フォルステライトを、銅１００質量部に対して０．５〜１０質量部添加した本発明の範囲内のものについては、メタライズ配線層２と絶縁基体１との間の接合が十分に強固で、接続信頼性が良好であった。
【００５２】
それに対し、フォルステライトの添加量が、銅１００質量部に対して０．５質量部未満の場合には銅と絶縁基体１との接着強度が十分に得られず、メタライズ配線層２の接合強度不足の不具合が発生した。また、１０質量部を超える場合には導通抵抗の増大や、めっき層３を被着させる場合にめっき層３の被着強度が劣化してしまう問題の発生が見られた。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の配線基板の実施の形態の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１・・・絶縁基体
２・・・メタライズ配線層
３・・・めっき層
９・・・配線基板
【図１】
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