(57)【要約】【課題】  半導体素子の接続端子としての導電性ボールとビアホール導体との間の導電接続を全てのピンについて均質良好に且つ高強度に維持できるビアホール導体表面構造を有するセラミック配線基板を提供する。【解決手段】    接続端子部材としての導電性ボールを介して半導体素子と導通するためのビアホール導体を備えた燒結セラミック絶縁基体からなる配線基板において、前記導電性ボールに接続すべきビアホール導体の表面が前記ボールの形状にほぼ対応する凹形状に形成されていることを特徴とする配線基板。【選択図】  図２
2005243783.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
接続端子部材としての導電性ボールを介して半導体素子と導通するためのビアホール導体を備えた燒結セラミック絶縁基体からなる配線基板において、
前記導電性ボールに接続すべきビアホール導体の表面が前記ボールの形状にほぼ対応する凹形状に形成されていることを特徴とする配線基板。
【請求項２】
前記導電性ボールの直径をＡとし、前記ビアホール導体表面に形成された凹部の深さをＤとした時、導電性ボールの直径Ａとビアホール導体凹部深さＤの比率が０．１≦Ｄ／Ａ≦０．５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】
前記導電性ボールの直径をＡとし、前記ビアホール導体表面の断面相当径をＢとした時、導電性ボールの直径Ａとビアホール導体断面相当径Ｂの比率が１≦Ｂ／Ａ≦１．３５であることを特徴とする請求項１又は２記載の配線基板。
【請求項４】
前記導電性ボールの直径をＡとし、前記ビアホール導体の基板面配列ピッチをＧとした時、導電性ボールの直径Ａと前記ピッチＧの比率がＧ／Ａ≧３であることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の配線基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体素子やハイブリッドＩＣデバイス素子等を搭載するためのセラミック配線基板に関し、より詳細には、半導体素子等の素子表面電極を配線基板の配線用電極に球状端子を介して直接接続するフリップチップ接続等のワイヤレスボンディング実装構造のセラミック配線基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に半導体素子収納用パッケージや混成集積回路装置等に用いられる配線基板は、例えばアルミナ質燒結体等の電気絶縁性のセラミック燒結体からなる絶縁基体の表面或いは内部に、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）、マンガン（Ｍｎ）等の高融点金属からなる複数の配線導体を配設すると共に該配線導体を絶縁基体内に設けた高融点金属からなるビアホール導体で互いに接続した構造をなしている。
【０００３】
そして、配線基板を、例えば、半導体素子収納用パッケージに適用する場合には、従来は、絶縁基体の凹部底面に半導体素子が接着固定され、該半導体素子はワイヤーボンディングにより電気的に接続され、該固定、接続された半導体素子が絶縁基体凹部内に気密に収容されることにより最終製品となっていた。
近年に至り、ＩＣ、ＬＳＩ等半導体素子のより一層の高周波化、高度集積化、高速化が図られ、素子の高密度化、多ピン化傾向が顕著となってきた。
【０００４】
これに対応して、該半導体素子を搭載する配線基板は、高速化、高集積化により高密度となった半導体素子からの発熱の放散を良好ならしめると共に該半導体素子をコンパクトに搭載するために、例えばシリコンチップ等の半導体素子の表面電極を前記配線基板の配線用電極にハンダ等の球状端子を設けて直接接続するフリップチップ接続等、所謂、ワイヤーレスボンディング方式の接続が多く採用されるようになってきている。
又、上記ワイヤーレスボンディング方式は、多ピン化傾向の強い最近のＩＣ、ＬＳＩの結線には効率的でコスト面から非常に有利である点も上記方式が多用されるようになってきた有力な理由である。
【０００５】
他方、高速信号に対応でき、高密度、小型軽量化の要求に応えるために、配線基板の外部電気回路基板への表面実装にも球状の端子が用いられ、この場合、前記球状端子は配線基板の下面に多数配置され、該球状端子を外部電気回路基板の配線導体上に搭載当接させた後、前記同様に球状端子を所定温度で加熱溶融して配線基板に接続させることにより外部電気回路基板上に実装することが行われており、配線基板に搭載された半導体素子の各電極は配線導体及びビアホール導体を介して外部電気回路基板に電気的に接続される。
【０００６】
従来、導電性ボールと前記ビアホール導体表面との接続方法としては、例えば、特許文献１に教示されているように、ビアホール表面上を平坦にして、その平坦状表面にロウ付けしたボールを接合させ、半導体素子と絶縁基体との導通を図る方法等が広く用いられていた。
【０００７】
このようなフリップチップ接続や外部電気回路基板への表面実装の際には、前記ボールとビアホール導体表面との接続信頼性が高いことが極めて重要で、この接続信頼性向上を目的として、配線基板に高精度の寸法形状を有する球状端子を形成させる各種方法が、例えば、特許文献２等に開示されている。
【特許文献１】特開平６−５３６５５号公報
【特許文献２】特開平１１−１７２９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来、本発明が属する類型のセラミック配線基板は、例えば、多層配線基板の場合、内層部に焼成可能な厚膜導体による配線が形成された多層基板に、半導体素子底面に形成された複数のバンプ位置の夫々に対応して前記厚膜導体に接続されるようにビアホールを形成し、このビアホール内に前記厚膜導体に接続出来るように充填導体を埋め込み、この充填導体の前記多層配線基板表層部と一致する表面部にロウ材等の電導接合材で接合を形成させて製作されるのが一般的であった。
【０００９】
ところが、最近の半導体素子の高集積化、高密度化に伴ってハンダ等からなる導電球状端子（ハンダボール）自体の小型化、接続パッドの小型化が顕著に進行する一方、それに伴い発生し勝ちとなる電気的短絡等の不都合を回避する観点から接続パッドとビアホールとの位置関係の一層の精度向上や、半導体素子の底面に形成された複数のバンプ及び、ビアホール直上に接合したハンダボールとの間の接合強度を全てのピンについて確保することが厳しく要求され、上記従来法のままでは、これらの要求の全てに充分対処し、接続信頼性の維持を図ることが非常に困難となってきた。
【００１０】
特に、従来は、ビアホール導体の平坦な表面上にハンダボール等の導電性ボールを接合する方法であったため、導電性ボールがロウ付だけで固定されるのが難しくなってきており、半導体素子との間で接合バラツキや接合ヶ所の強度不安定が問題になって来ている。
【００１１】
従って、本発明の目的は、この従来法の不都合を解消し、ビアホール直上の導電性ボールとの間の接続を全てのピンについて均質良好に且つ高強度に維持できるビアホール導体表面構造を有するセラミック配線基板を提供するにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によれば、接続端子部材としての導電性ボールを介して半導体素子と導通するためのビアホール導体を備えた燒結セラミック絶縁基体からなる配線基板において、
前記導電性ボールに接続すべきビアホール導体の表面が前記ボールの形状に対応する凹形状に形成されていることを特徴とする配線基板が提供される。
【００１３】
本発明の配線基板は、搭載される半導体素子を電気的に接続するための基板上面に設けられたビアホール導体の表面が、前記半導体素子の接続端末である導電球状端子（ハンダボール）の形状にほぼ対応する凹形状に形成されていることが構成上の顕著な特徴である。
これにより、ビアホール導体の表面とその直上の導電性ボールとをロウ付け等で接合する際に、接合面がほぼ嵌合状の凹凸関係となって接着面積が増し、両者の強固な接着を具現することが出来る。
【００１４】
そして、上記ハンダボールのロウ付接続の際、ビアホール中に空洞が生成しない凹形状とすることが、半導体を搭載接続した配線基板の導通信頼性の担保と繰返し応力歪み等に対する接続強度保持、即ち、耐久性の観点から重要である。
【００１５】
これら空洞の生成を可及的に低減し、全てのハンダボールの均等良好な接続強度の維持を図る観点から、本発明の配線基板に於いて前記ビアホール導体の導電性ボール接続用表面の凹形状は下記寸法、形状、構造に形成されていることが好ましい。
【００１６】
即ち、１）前記導電性ボールの直径をＡとし、前記ビアホール導体表面に形成された凹部の深さをＤとした時、導電性ボールの直径Ａとビアホール導体凹部深さＤの比率が０．１≦Ｄ／Ａ≦０．５であること。
該凹部に深さがある程度以上あることにより、導電性ボールをビアホール直上に容易に固定することが出来る。
【００１７】
２）前記導電性ハンダボールの直径をＡとし、前記ビアホール導体表面の断面相当径をＢとした時、導電性ボールの直径Ａとビアホール導体断面相当径Ｂの比率が１≦Ｂ／Ａ≦１．３５であること。
これにより、導電性ボール表面がビアホール導体の凹部表面に密着固定し易くなり、接合強度の温度サイクル耐久性の向上に寄与する。
【００１８】
３）前記導電性ボールの直径をＡとし、前記ビアホール導体の基板面配列ピッチをＧとした時、導電性ボールの直径Ａと前記ピッチＧの比率がＧ／Ａ≧３であること。
これにより、導電性ボール同士の接触による電気的な短絡障害等を防ぐことが出来、接続信頼性を向上させることが出来る。
【００１９】
嵩密度の高い電解銅粉末等の導電材料を用いて上記寸法、形状、構造の凹部に形成された本発明の配線基板に於けるビアホール導体表面は、前記導電性ボールと接続した状態で、前記ビアホール導体内に実質上空洞を存在させることが無く、空洞による配線基板の層間内の導通不良発生を可及的に低減でき好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の燒結セラミック絶縁基体からなる配線基板は、半導体素子等の素子と導電性ボールを介して導通を図るためのビアホール導体を有し、該ビアホール導体の前記ボールとの接合表面が、ボール接続面にほぼ嵌合する凹形状に形成されているため、導電性ボールとビアホール導体との良好な接続が容易で、且つ、接続強度が強く、繰り返し熱応力等に対する耐久性に優れ、然も、ビアホール中に空洞が存在しないため導電信頼性に顕著に優れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に、本発明に係る配線基板の実施形態について図面を参照して詳細且つ具体的に説明する。
図１は、本発明の配線基板の一実施例を示すセラミック多層配線基板の断面図であり、図２は本発明の配線基板に配設されるビアホール導体の基板表面に於ける形状、寸法等の状態を示した説明用模式図であり、図３は本発明の配線基板に配設されるビアホール導体の基板表面に於ける面配列ピッチ（ビアピッチ）と導電性ボール端子（ハンダボール）の直径との関係を説明するための模式図である。
【００２２】
図１、図２、図３において、配線基板１は、膜状配線導体３を一体に形成したセラミック絶縁基体２の多層積層体と前記絶縁基体２の層間導通のために設けられたビアホール導体４と前記ビアホール導体４の基板表面に接続される直径Ａの導電性ボール５とからなる。
【００２３】
そして、図２に示されているように、本発明の配線基板は、導電性ボール５に直接ロウ付されるビアホール導体４の基板面上の表面形状が前記ボール４の形状にほぼ対応する凹状であることが重要である。
特に、ビアホール導体４の表面凹部の深さをＤとし、前記導電性ボール５の直径をＡとしたとき、ビアホール導体４の凹部深さＤの前記導電性ボール５の直径Ａに対する比率が０．１≦Ｄ／Ａ≦０．５であることが好ましく、より好ましくは、０．２≦Ｄ／Ａ≦０．４である。
これにより、導電性ボール５がビアホール導体４の表面凹部に安定固定され易くなり、接合バラツキを抑制することが出来る。
【００２４】
又、前記導電性ボール５の直径をＡとし、前記ビアホール導体４の基板表面の相当直径をＢとした時、導電性ボール５の直径Ａとビアホール導体４の相当直径Ｂの比率が１≦Ｂ／Ａ≦１．３５であることが好ましく、より好ましくは、１．２≦Ｂ／Ａ≦１．３５である。
これにより、導電性ボール５とビアホール導体４表面との接合面積を稼ぎ、接合強度をより高め、特に温度サイクル耐久性を向上させることが出来る。
【００２５】
更に、ビアホール直上に接続される導電性ボール４の基板面上配設ピッチは下記条件を満たすことが接続時に生じ勝ちな端子間短絡等の不都合を回避する観点から好ましい。
【００２６】
即ち、図３を参照して、前記導電性ボール５の直径をＡとし、前記ビアホール導体４の基板面配列ピッチ（ビアホールの凹部中心間距離ピッチ；以後ビアピッチと云う）をＧとした時、導電性ボール５の直径Ａと前記ビアピッチＧの比率がＧ／Ａ≧３であることが好ましく、特に高ピッチ化要求を出来る限り満たす点から、３＜Ｇ／Ａ＜５であることが好ましい。
【００２７】
又、導電性ボール端子と直接接続されるビアホール中に空洞が存在しないことが特に好ましい。
ビアホール中に空洞が存在すると、配線基板の層間内の導通阻害もしくは、電気短絡障害等が発生する恐れがある。
上記空洞生成を抑止するためビアホール内の導体の充填性を高める手段として充填導体組成物のインク粘度を低くする方法が有効である。
【００２８】
本発明の配線基板に於いて絶縁基体を構成するセラミック燒結体としては、ガラスセラミックス、アルミナ質燒結体、ジルコニア燒結体、窒化アルミニウム燒結体、窒化珪素燒結体、炭化珪素燒結体、窒化ホウ素燒結体等一般にセラミック配線基板用の絶縁基板材として用いられるセラミックス燒結体は特に限定されることなく用いることが出来るが、該基板上に搭載する素子がシリコン半導体チップ等である場合、熱膨張係数がシリコン（熱膨張係数４×１０−６／℃程度）のそれに近似し、高周波領域での誘電損失が小さく、更にパターン導体層の構成材である銅（Cu)、銀(Ag)、金(Au)等の高電気伝導率金属からなる導体層を同時焼成出来る程度の低温焼成が可能な燒結体である点から無アルカリ乃至低アルカリのアルミノ・ケイ酸塩系ガラスセラミックス、アルミノホウケイ酸塩系ガラスセラミックス等のガラスセラミックスの使用が好ましい。
特にガラス成分とセラミックフィラー成分とからなるガラスセラミックス磁器で熱膨張係数が３〜６×１０−６／℃、比誘電率が７以下のものが好ましい。
【００２９】
前記ガラスセラミックス磁器のガラス成分としては一般に用いられる基板作製用ガラス、例えば、SiO２・Al２O３・MgO・B２O３系、SiO２・Al２O３・K２O・B２O３系等のホウケイ酸質ガラス等が挙げられ、前記セラミックフィラー成分としてはアルミナやコージェライト（MAS-225）等が挙げられる。
そして４０〜８０体積％の前記ガラスに、１０〜２０体積％の割合で前記フィラーを含む成形体を焼成したものが絶縁基体として好適に用いられる。
【００３０】
本発明の配線基板は、導電性ボール端子が、ビアホール導体に直接ロウ付されるが、そのビアホール導体の表面が凹状に形成されていることが特に重要である。
このビアホール導体凹部に導電性ボールをロウ付するという点で、ビアホール導体としては、嵩密度が高い電解銅粉末を使用するのが好ましい。
又、インクフィラーとして同時に樹脂ビーズを添加することが好ましい。
このように樹脂ビーズを配合したビアホール充填用の導体組成物は焼成時にこの樹脂ビーズが蒸発し、樹脂ビーズの蒸発した分の体積が減少することにより、ビアホール表面が自然な状態で凹形状に形成される。
【００３１】
本発明の配線基板に於いて前記セラミック絶縁基体に一体に形成される膜状配線導体材料には、銅（Cu)、銀(Ag)、金(Au)等の高電気伝導率金属が一般的に使用されるが、タングステン（W)、モリブデン(Mo)等の高融点金属やニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、クロム(Cr)等を用いることも出来る。
又、接続端子部材としての導電性ボールには、通常ハンダ材が使用され、特に、外部回路プリント基板等へ実装する際の結線加熱などに於ける再溶融等の不都合を回避する観点から鉛を６０数％以上含有する比較的高融点のハンダ材が好適に使用される。
【００３２】
本発明に於いて、上記低温焼成磁器を得るための具体的な製造方法の一例を挙げると、まず、前述したガラス成分とセラミックフィラー成分との混合物に対して、適当な成形のための有機樹脂バインダーを添加した後、所望の成形手段、例えば金型プレス成形、冷間静水圧プレス成形、射出成形、押出成形、ドクターブレード成形、カレンダーロール成形、圧延等の成形手段により所望の形状に成形し、得られた成形体を焼成する。
【００３３】
焼成に当たっては、まず成形のために配合したバインダー成分を仮焼乃至加熱除去する。
バインダー除去は、７００〜８００℃の大気又は窒素雰囲気中で行う。
この時、成形体の収縮開始温度は５００〜８５０℃程度であることが望ましく、収縮開始温度がこれより低いとバインダーの除去が困難となる。
【００３４】
尚、配線基板を作製する場合には、上記のようなガラスとフィラーとの混合物に、適当な有機バインダー、溶剤、可塑剤を添加混合することによりスラリーとし、このスラリーを周知の方法、例えばドクターブレードなどの塗工方式によるシート成形法によりシート形成する。
【００３５】
更に、銅、銀、ニッケル、パラジウム、金等の導電性金属粉末に有機バインダー、可塑剤、溶剤を添加混合して得た金属ペーストを上記シートに周知のスクリーン印刷法により所定パターンに印刷する。
又、上記シートに適当な打ち抜き加工を施してビアホールを形成し、このホール内にも内層導体組成物を充填する。
そしてこれらのシートを複数枚積層圧着した後、焼成する。
【００３６】
焼成に当たっては、成形のために配合したバインダー成分を除去するが、バインダーの除去は、メタライズ配線層を形成する配線導体として、例えば銅を用いた場合には、１００〜８００℃の水蒸気を含有する窒素雰囲気中で行われる。
焼成は、８００〜１１００℃の最適焼成温度でおこなうことが望ましい。
かかる最適焼成温度が８００℃より低いと得られる燒結体を緻密化することが出来ず、１１００℃より高いとメタライズ配線層との同時焼成が難しくなる。
配線導体の成分として銅を用いる場合には、８００〜１１００℃の非酸化性雰囲気中で焼成されることが好ましい。
【実施例】
【００３７】
「評価用試料配線基板の作製」
ＳｉＯ２：４４質量％ーＡｌ２Ｏ３：２７．５質量％ーＭｇＯ：１１質量％ーＢ２Ｏ３：１０．４ーＺｎＯ：７．１質量％の組成を有し、軟化点が８１３℃、粒径がｄ５０で１．８μｍのガラス粉末１００質量部、フィラー５０質量部、石英５０質量部を夫々用意し秤量混合した。
この混合物を粉砕後、有機バインダー、有機溶剤を添加して充分混合してスラリーを調製し、ドクターブレード法により厚み３００μｍのシートを作製した。
上記シートの同一平面上にＧ＝３００μｍのピッチでパンチ加工したビアホールに、充填導体を埋め込んだ後、得られたシートを４枚積層圧着した。
その後、２５×２５ｍｍのサイズのサンプルとし、７５０℃の水蒸気を含有する窒素雰囲気中で脱バインダー処理した後、９１０℃×１時間の窒素雰囲気中で焼成して、基板表面の断面が夫々異なる凹形状に形成されたビアホール導体、及び、ほぼ平面形状の表面を有するビアホール導体を夫々備えた４層積層絶縁基体を得、次いでシリコンチップのバンプと前記ビアホール導体表面とを接続端子部材としての直径Ａが１００μｍのハンダボール（Ｐｂ６４％ーＳｎ３６％、溶融温度１８０℃）で接続し、半導体素子としてのシリコンチップを実装した配線基板を複数作製した。
「評価方法」
上記焼成後の積層基板をクロスセッションし、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）によりビアホールの形状及び、ビアホール中の空洞の有無を測定した。
又、表面粗さ測定機によりビアホール深さ及びビアホール周辺高さを測定した。
尚、ビアホールの外形寸法（基板表面でのビアホール断面相当直径）はパンチ加工時に測定した。
又、導電性ボールとビアピッチの距離は実装時に測定した。
又、サイクル試験（０〜１００℃にて１０００回）に於いて、ビアホールと導電性ボールとの接合強度を測定した。
「評価の結論」
上記評価方法により求めた導電性ボール及びビアホール表面の凹形状、ビアホール凹部の深さ、ビアピッチ等の各測定結果を表１に示した。
【００３８】
【表１】
2005243783.tif 000003
Ａ：ハンダボールの直径（μｍ）
Ｂ：ビアホールの外形寸法（μｍ）
Ｄ：ビアホールの深さ（μｍ）
Ｇ：ビアピッチ（μｍ）
【００３９】
本発明のビアホール導体面を凹状とした試料Ｎｏ．２〜６では接合強度が何れも２０００kgf/cm２、特にＤ／Ａ＝０．２〜０．５とした試料Ｎｏ．３〜６では、接合強度が２１００kgf/cm２以上、Ｂ／Ａ＝１〜１．３５では、温度サイクル試験にて１０００回をクリアーした。
一方、凹部のない形状の場合（本発明品外）接合強度が１７００kgf/cm２、温度サイクル試験８００回であった。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の配線基板に於けるセラミック多層配線基板の構造を示す断面図。
【図２】本発明の配線基板に配設されるビアホール導体の基板表面に於ける形状、寸法等の状態を示した説明用模式図。
【図３】本発明の配線基板に配設されるビアホール導体の基板表面に於ける面配列ピッチと導電性ボール端子の直径との関係を説明するための模式図。
【符号の説明】
【００４１】
１    配線基板
２    セラミック絶縁基体
３    膜状配線導体
４    ビアホール導体
５    導電性ボール（ハンダボール）
Ａ    ハンダボールの直径
Ｂ    ビアホール表面相当径
Ｄ    ビアホールの深さ
Ｇ    ビアピッチ
【図１】
2005243783.tif 000004
【図２】
2005243783.tif 000005
【図３】
2005243783.tif 000006