(57)【要約】【課題】シリコン等の熱膨張係数の小さい電気素子とプリント基板等の熱膨張係数の大きい外部回路基板との間に介装されても高い実装信頼性の得られる積層型配線基板およびこれを用いた電気装置、並びに、その実装構造を提供する。【解決手段】第１および第２絶縁基板１ｂ、２ｂと、前記第１および第２絶縁基板１ｂ、２ｂの少なくとも表裏面にそれぞれ配線層１ａ、２ａを具備してなる第１および第２配線基板１、２とからなり、前記第１配線基板１の裏面の配線層１ｂと前記第２配線基板２の表面の配線層２ａとが接続用電極５により接続されている積層型配線基板Ａであって、前記第１配線基板１の０〜１５０℃における熱膨張係数が、前記第２配線基板２の０〜１５０℃における熱膨張係数よりも小さく、かつ前記第１配線基板１の０−１５０℃における熱膨張係数が４．５×１０−６／℃以下である。【選択図】図２
2005050881.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックスからなる第１および第２絶縁基板と、前記セラミックスからなる第１および第２絶縁基板の少なくとも表裏面にそれぞれ配線層を具備してなる第１および第２配線基板とからなり、前記第１配線基板の裏面の配線層と前記第２配線基板の表面の配線層とが接続用電極により接続されている積層型配線基板であって、前記第１配線基板の０〜１５０℃における熱膨張係数が、前記第２配線基板の０〜１５０℃における熱膨張係数よりも小さく、かつ前記第１配線基板の０−１５０℃における熱膨張係数が４．５×１０−６／℃以下であることを特徴とする積層型配線基板。
【請求項２】
前記第１絶縁基板の、誘電率が７以下であることを特徴とする請求項１に記載の積層型配線基板。
【請求項３】
前記第１配線基板を構成する前記配線層が、銅、銀、金のいずれか１種を主成分とすることを特徴とする請求項１または２に記載の積層型配線基板。
【請求項４】
前記第１絶縁基板が、少なくともＳｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂ、Ｏを構成元素として含有し、かつＰｂ、アルカリ金属の含有量が酸化物換算でそれぞれ０．１質量％以下である焼結体からなり、該焼結体が結晶相として少なくともコーディエライト結晶相を含有することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか記載の積層型配線基板。
【請求項５】
前記第１絶縁基板となる前記焼結体が、酸化物に換算した場合の組成比で、少なくともＳｉＯ２：２０〜５３質量％、Ａｌ２Ｏ３：２０〜６１質量％、ＭｇＯ：２〜２４質量％、ＺｎＯ：２〜１４質量％、Ｂ２Ｏ３：２〜１４質量％、を含有し、さらに任意成分として、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＺｒＯ２の群から選ばれる少なくとも一種をその合量で０〜１５質量％含有することを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか記載の積層型配線基板。
【請求項６】
前記第１絶縁基板となる前記焼結体中に、結晶相として、さらに、アルミナ、ガーナイト、ムライト、フォルステライト、ジルコニアの群から選ばれる少なくとも一種を含有することを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか記載の積層型配線基板。
【請求項７】
前記第１配線基板と、前記第２配線基板との、０−１５０℃における熱膨張係数差が９×１０−６／℃以下であることを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか記載の積層型配線基板。
【請求項８】
前記接続用電極が、主成分として半田を含み、太鼓状であることを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか記載の積層型配線基板。
【請求項９】
前記接続用電極の周囲に少なくとも有機樹脂を含有する充填剤が付与されていることを特徴とする請求項１乃至８のうちいずれか記載の積層型配線基板。
【請求項１０】
前記第２配線基板の、０〜１５０℃における熱膨張係数が８×１０−６／℃以上であることを特徴とする請求項１乃至９のうちいずれか記載の積層配線基板。
【請求項１１】
前記第２配線基板を構成する前記配線層が、銅、銀、金のいずれかを主成分として含有することを特徴とする請求項１乃至１０のうちいずれか記載の積層型配線基板。
【請求項１２】
少なくともＳｉＯ２：２０〜５３質量％、Ａｌ２Ｏ３：２０〜６１質量％、ＭｇＯ：２〜２４質量％、ＺｎＯ：２〜１４質量％、Ｂ２Ｏ３：２〜１４質量％、を含有し、さらに任意成分として、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＺｒＯ２の群から選ばれる少なくとも一種をその合量で０〜１５質量％含有し、かつかつＰｂＯ、アルカリ金属酸化物の含有量がそれぞれ０．１質量％以下である混合粉末と、有機バインダーおよび溶媒とを混合してスラリーを調製する工程と、該スラリーをシート状に成形してグリーンシートを作製する工程と、該グリーンシート上に、銅、銀、金にいずれかを主成分として含有する導体ペーストを印刷して配線パターンを形成する工程と、該配線パターンを形成した前記グリーンシートを複数積層して積層成形体を形成する工程と、該積層成形体を、大気中あるいは窒素雰囲気中で、７００〜１０００℃の温度で焼成し、第１配線基板を得ることを特徴とする積層型配線基板の製造方法。
【請求項１３】
前期混合粉末が、少なくともＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＺｎＯ、Ｂ２Ｏ３、を含むほう珪酸系ガラス粉末を６０〜９９．５質量％と、コーディエライト粉末を０．５〜２０質量％と、アルミナ、ムライト、フォルステライト、ジルコニア、ＣａＺｒＯ３、ＣａＳｉＯ３、の群から選ばれる少なくとも一種を含有する金属酸化物粉末を０〜３５質量％と、を含有することを特徴とする請求項１２に記載の積層型配線基板の製造方法。
【請求項１４】
前記ほう珪酸系ガラス粉末が、少なくともＳｉＯ２：３０〜５５質量％、Ａｌ２Ｏ３：１５〜４０質量％、ＭｇＯ：３〜２５質量％、ＺｎＯ：２〜１５質量％、Ｂ２Ｏ３：２〜１５質量％、を含有し、さらに任意成分として、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＺｒＯ２の群から選ばれる少なくとも一種をその合量で０〜１５質量％、含有することを特徴とする請求項１２または１３に記載の積層型配線基板の製造方法。
【請求項１５】
請求項１乃至１１のうちいずれか記載の積層型配線基板を構成する第１配線基板の少なくとも一方主面に複数の接続部を介して接続された電気素子を具備してなるとともに、前記第１配線基板と前記電気素子との０〜１５０℃における熱膨張係数差が２×１０−６／℃以下であることを特徴とする電気装置。
【請求項１６】
前記電気素子が、シリコンを主体とし、０―１５０℃における熱膨張係数が４×１０−６／℃以下、かつ前記電気素子を構成する絶縁膜の誘電率が２．５以下であることを特徴とする請求項１５に記載の電気装置。
【請求項１７】
前記接続部の周囲に少なくとも有機樹脂を含有する充填剤が付与されていることを特徴とする請求項１５または１６に記載の電気装置。
【請求項１８】
前記電気素子の前記第１配線基板への接合面の面積をＤ１として、該Ｄ１が５０ｍｍ２以上である場合に、第１配線基板における主面の面積をＳ１としたときの比率Ｓ１／Ｄ１が１〜１．５の範囲であることを特徴とする請求項１５乃至１７のうちいずれか記載の電気装置。
【請求項１９】
請求項１５乃至１８のうちいずれか記載の電気装置を構成する第２配線基板の下層側に複数の接続用電極を介して外部回路基板を接続してなるとともに、前記外部回路基板と前記第２配線基板との０〜１５０℃における熱膨張係数差が１２×１０−６／℃以下であることを特徴とする電気装置の実装構造。
【請求項２０】
外部回路基板がプリント基板であることを特徴とする請求項１９に記載の電気装置の実装構造。
【請求項２１】
前記接続部が、主成分として半田を含み、太鼓状であることを特徴とする請求項１９または２０に記載の電気装置の実装構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、積層型配線基板およびその製造方法、電気装置、並びにその実装構造に関し、特に、異なる熱膨張係数を有する２種類の配線基板により構成され、高い実装信頼性と高速信号の伝送に適する積層型配線基板およびその製造方法、電気装置、並びにその実装構造に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
例えば、Ｓｉを主成分とする半導体素子に代表されるような電気素子は、極めてミクロな配線回路層を有する多数のトランジスタが高度に集積されたものであるが、トランジスタ数のさらなる増加により電気素子は大型化を余儀なくされている。また、このような電気素子においては、信号処理の高速化に対応するために、配線回路層の微細配線化、低抵抗化、および、層間絶縁膜の低誘電率化が図られ、これにより電気素子の機械的強度は低下する傾向にある。
【０００３】
さらに、近年においては、電気素子の集積技術の発達により電気素子自体に圧電特性などの機能部を形成することのできる工法が開発され、例えば、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）と呼ばれる微細な立体構造や可動部を有する電気素子も実用化されているが、こうした工法により作製された電気素子では立体構造や可動部が応力により破壊されやすいものとなっている。
【０００４】
そして、このようにミクロな配線回路層を有する電気素子を、パソコンや携帯電話あるいは液晶表示装置などの電子機器に組み込む場合には、電子機器を作動させる電源線など、マクロな配線とのサイズの調整を図るために、電気素子を、電気素子収納用パッケージ等の配線基板やプリント基板等の外部回路基板を用いて階層的に実装する形態が採られている。
【０００５】
さらには、下記の特許文献１によれば、図４に示すように、電気素子１０１と外部回路基板１０３との間に介装される配線基板として、電気素子側に接続部１０４を介してセラミックス基板を用いた配線基板（以下、セラミックス基板１０５）を配置し、その下層の外部回路基板１０３側に有機樹脂を含有する樹脂基板を用いた配線基板（以下、樹脂基板１０７）を配置させ２段構造としたものが提案されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−２４７７０６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した積層型配線基板を構成するセラミックス基板１０５の０−１５０℃における熱膨張係数が７×１０−６／℃と、電気素子１０１の０−１５０℃における熱膨張係数（２．５×１０−６／℃）に比較して２倍以上も大きいことから、温度サイクル試験やリフロー加熱のような実装工程の冷熱サイクルにおいて、これら電気素子１０１とセラミックス基板１０５との間の接続部１０４が破壊されやすくなり実装信頼性が低下するという問題があった。
【０００８】
また、前述のように、電気素子１０１を大型化させたかあるいは高機能化させたために機械的強度の低くなった電気素子１０１を用いた場合には、電気素子１０１と、これを搭載するセラミックス基板１０５との間の熱膨張係数差に起因した熱応力のために電気素子１０１自体が破壊されやすいという問題があった。
【０００９】
従って、本発明は、シリコン等の熱膨張係数の小さい電気素子とプリント基板等の熱膨張係数の大きい外部回路基板との間に介装されても高い実装信頼性の得られる積層型配線基板およびこれを用いた電気装置、並びに、その実装構造を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の課題に対して種々検討を行なった結果、シリコン等の熱膨張係数の小さい電気素子とプリント基板等の熱膨張係数の大きい外部回路基板との間に介装される積層型配線基板を、熱膨張係数の異なる２つの配線基板を複数の接続用電極を介して構成する場合に、第１配線基板の０〜１５０℃における熱膨張係数が、第２配線基板の０〜１５０℃における熱膨張係数よりも小さく、かつ第１配線基板の０−１５０℃における熱膨張係数を４．５×１０−６／℃以下とすることにより、高い１次実装信頼性及び２次実装信頼性を兼ね備えつつ、さらに高速信号の伝送に適した積層配線基板を得ることが出来ることを知見し本発明に至った。
【００１１】
即ち、本発明の積層型配線基板は、セラミックスからなる第１および第２絶縁基板と、前記セラミックスからなる第１および第２絶縁基板の少なくとも表裏面にそれぞれ配線層を具備してなる第１および第２配線基板とからなり、前記第１配線基板の裏面の配線層と前記第２配線基板の表面の配線層とが接続用電極により接続されている積層型配線基板であって、前記第１配線基板の０〜１５０℃における熱膨張係数が、前記第２配線基板の０〜１５０℃における熱膨張係数よりも小さく、かつ前記第１配線基板の０−１５０℃における熱膨張係数が４．５×１０−６／℃以下であることを特徴とする。
【００１２】
また、上記積層型配線基板では、前記第１絶縁基板の、誘電率が７以下であること、また、前記第１配線基板を構成する前記配線層が、銅、銀、金のいずれか１種を主成分とすることが望ましい。
【００１３】
さらに、前記第１絶縁基板が、少なくともＳｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂ、Ｏを構成元素として含有し、かつＰｂ、アルカリ金属の含有量が酸化物換算でそれぞれ０．１質量％以下である焼結体からなり、該焼結体が結晶相として少なくともコーディエライト結晶相を含有すること、前記焼結体が、酸化物に換算した場合の組成比で、少なくともＳｉＯ２：２０〜５３質量％、Ａｌ２Ｏ３：２０〜６１質量％、ＭｇＯ：２〜２４質量％、ＺｎＯ：２〜１４質量％、Ｂ２Ｏ３：２〜１４質量％、を含有し、さらに任意成分として、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＺｒＯ２の群から選ばれる少なくとも一種をその合量で０〜１５質量％含有すること、そして、前記焼結体中に、結晶相として、さらに、アルミナ、ガーナイト、ムライト、フォルステライト、ジルコニアの群から選ばれる少なくとも一種を含有することが望ましい。
【００１４】
また、上記積層型配線基板では、前記第１配線基板と、前記第２配線基板との、０−１５０℃における熱膨張係数差が９×１０−６／℃以下であること、前記接続用電極が主成分として半田を含み太鼓状であること、さらに、前記接続用電極の周囲に少なくとも有機樹脂を含有する充填剤が付与されていることが望ましい。なお、太鼓状とは柱状体の高さ方向の中央部が太くなっている状態をいう。
【００１５】
さらに、上記積層型配線基板では、前記第２配線基板の、０〜１５０℃における熱膨張係数が８×１０−６／℃以上であること、前記第２配線基板を構成する前記配線層が、銅、銀、金のいずれかを主成分として含有することが望ましい。
【００１６】
また、本発明の積層型配線基板の製造方法は、少なくともＳｉＯ２：２０〜５３質量％、Ａｌ２Ｏ３：２０〜６１質量％、ＭｇＯ：２〜２４質量％、ＺｎＯ：２〜１４質量％、Ｂ２Ｏ３：２〜１４質量％、を含有し、さらに任意成分として、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＺｒＯ２の群から選ばれる少なくとも一種をその合量で０〜１５質量％含有し、かつＰｂＯ、アルカリ金属酸化物の含有量がそれぞれ０．１質量％以下である混合粉末と、有機バインダーおよび溶媒とを混合してスラリーを調製する工程と、該スラリーをシート状に成形してグリーンシートを作製する工程と、該グリーンシート上に、銅、銀、金にいずれかを主成分として含有する導体ペーストを印刷して配線パターンを形成する工程と、該配線パターンを形成した前記グリーンシートを複数積層して積層成形体を形成する工程と、該積層成形体を、大気中あるいは窒素雰囲気中で、７００〜１０００℃の温度にて０．２〜１０時間加熱して焼成し、第１配線基板を得ることを特徴とする。
【００１７】
ここで、前期混合粉末が、少なくともＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＺｎＯ、Ｂ２Ｏ３、を含むほう珪酸系ガラス粉末を６０〜９９．５質量％と、コーディエライト粉末を０．５〜２０質量％と、アルミナ、ムライト、フォルステライト、ジルコニア、ＣａＺｒＯ３、ＣａＳｉＯ３、の群から選ばれる少なくとも一種を含有する金属酸化物粉末を０〜３５質量％と、を含有すること、また、前記ほう珪酸系ガラス粉末が、少なくともＳｉＯ２：３０〜５５重量％、Ａｌ２Ｏ３：１５〜４０質量％、ＭｇＯ：３〜２５質量％、ＺｎＯ：２〜１５重量％、Ｂ２Ｏ３：２〜１５質量％、を含有し、さらに任意成分として、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＺｒＯ２の群から選ばれる少なくとも一種をその合量で０〜１５質量％、含有することが望ましい。
【００１８】
本発明の電気装置は、上記の積層型配線基板を構成する第１配線基板の少なくとも一方主面に複数の接続部を介して接続された電気素子を具備してなるとともに、前記第１配線基板と前記電気素子との０〜１５０℃における熱膨張係数差が２×１０−６／℃以下であることを特徴とする。
【００１９】
ここで、前記電気素子が、シリコンを主体とし、０―１５０℃における熱膨張係数が４×１０−６／℃以下、かつ前記電気素子を構成する絶縁膜の誘電率が２．５以下であること、前記接続部の周囲に少なくとも有機樹脂を含有する充填剤が付与されていること、前記電気素子の前記第１配線基板への接合面の面積をＤ１として、該Ｄ１が５０ｍｍ２以上である場合に、第１配線基板における主面の面積をＳ１としたときの比率Ｓ１／Ｄ１が１〜１．５の範囲であることが望ましい。
【００２０】
さらに、本発明の電気装置の実装構造は、請求項１５乃至１８のうちいずれか記載の電気装置を構成する第２配線基板の下層側に複数の接続用電極を介して外部回路基板を接続してなるとともに、前記外部回路基板と前記第２配線基板との０〜１５０℃における熱膨張係数差が１２×１０−６／℃以下であることを特徴とするものであり、ここで用いる外部回路基板がプリント基板であること、前記接続部が、主成分として半田を含み、太鼓状であることが望ましい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について実施例を示す添付図面に基づき詳細に説明する。図１は、本発明の積層型配線基板を示す概略断面図であり、望ましい応用例の一つである。
【００２２】
本発明の積層型配線基板Ａは上層側の第１配線基板１と下層側の第２配線基板２とからなり、第１配線基板１の裏面に形成された配線層１ａと第２配線基板２の表面に形成された配線層２ａとが複数の接続用電極５により接続され構成されている。そして、本発明ではこれに限定されるものではないが、接続用電極５の周囲に少なくとも有機樹脂を含有する充填剤７が付与されている。
【００２３】
そして、本発明にかかる第１配線基板１は、絶縁基板（第１絶縁基板１ｂ）の表面および内部に配線層１ａが形成され、この配線層１ａはビアホール導体１ｃにより接続されており、第２配線基板２もまた、第１配線基板１と同様、絶縁基板（第２絶縁基板２ｂ）の表面および内部に配線層２ａが形成され、これらの配線層２ａはビアホール導体２ｃにより接続されている。
【００２４】
図２は、本発明の電気装置を示す概略断面図である。本発明の電気装置Ｂは、前記積層型配線基板Ａの一方主面に複数の接続部９を介して電気素子１１が搭載され構成されている。積層型配線基板Ａと電気素子１１との間の接続を１次実装という。
【００２５】
図３は本発明の電気装置の実装構造を示す概略断面図である。本発明の電気装置Ｂの実装構造は、前記した電気装置Ｂを構成する第２配線基板２の下層側に、複数の接続用電極１５を介して外部回路基板Ｃが接続され構成されている。積層型配線基板Ａと外部回路基板Ｃとの間の接続を２次実装という。
【００２６】
そして、本発明の積層型配線基板Ａでは、第１配線基板１の０−１５０℃における熱膨張係数が、第２配線基板２の０−１５０℃における熱膨張係数よりも小さく、かつ前記第１配線基板の熱膨張係数が４．５×１０−６／℃以下であることが重要であり、特に、４×１０−６／℃以下、最適には３×１０−６／℃以下であることが望ましい。
【００２７】
本発明の積層型配線基板Ａを、かかる構成とすることにより電気素子１１と外部回路基板Ｃとの間の熱膨張係数差により生じる熱応力を、第１配線基板１および第２配線基板２の双方に分散させることが出来るため、積層型配線基板Ａおよびその接続用電極５への応力集中を緩和することができる結果、１次実装及び２次実装の接続信頼性を確保することが可能となることに加え、さらに、前記第１および第２配線基板１、２間の熱応力を低減することができる結果、両配線基板間の接続信頼性をも確保することが可能となる。
【００２８】
一方、前記第１配線基板１の熱膨張係数が、前記第２配線基板２の熱膨張係数よりも大きい場合には、電気素子１１と外部回路基板Ｃとの間の熱応力は緩和されず、むしろ増幅されるため、積層型配線基板Ａの接続用電極５等に亀裂が急速に伸展し、最終的に破壊に至り、接続部が断線してしまうまでの時間が短くなるため、積層型配線基板Ａの接続用電極５の長期信頼性が著しく低下する。さらには、１次実装側、２次実装側へもさらに応力集中が生じる結果、１次実装、２次実装の接続部の長期信頼性が損なわれる。
【００２９】
本発明では、特にシリコンを主体とする電気素子１１と第１配線基板１の熱膨張係数とを近似させることができるため、機械的耐性に劣る電気素子１１を実装した場合でも、熱応力を低減することができる結果、電気素子１１の破壊を防止することができるため、非常に優れた１次実装の長期信頼性を得ることが可能となる。
【００３０】
一方、前記第１配線基板１の０−１５０℃における熱膨張係数が４．５×１０−６／℃よりも大きい場合には、電気素子１１と第１配線基板１との間の熱膨張係数差が大きくなるため、熱応力により、電気素子１１が破壊される恐れがあり、１次実装の長期信頼性を確保することが困難となる。
【００３１】
また、本発明では、前記第１配線基板１を構成する第１絶縁基板１ｂの誘電率を７以下、特に６．５以下、最適には６以下とすること、および、前記第１配線基板１を構成するの配線層１ａは、銅、銀、金のいずれかを主成分とすることが望ましく、このことにより、高速信号をより低損失で伝送することが可能となる。
【００３２】
前記第１配線基板１として、上述したような特性を全て満足するために、本発明においては、前記第１絶縁基板１ｂが、少なくともＳｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂ、Ｏを構成元素として含有し、かつＰｂ、アルカリ金属の含有量が酸化物換算でそれぞれ０．１質量％以下である焼結体からなり、この焼結体が結晶相として少なくともコーディエライト結晶相を含有することが望ましい。
【００３３】
ここで、上記コーディエライト結晶相は上記焼結体の熱膨張係数と誘電率とを同時に低下させる効果があり、該焼結体に結晶相として存在させることにより、該焼結体の熱膨張係数をシリコンに近似させることができる。
【００３４】
また、構成成分としてＳｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｏは、上記コーディエライト結晶相の構成成分であり、さらにＺｎ、Ｂは、緻密な焼結体を得るために含有させることが望ましい成分である。一方、Ｐｂ、アルカリ金属は、環境への影響、耐薬品性、耐水性の観点から、その含有量は、酸化物換算で、それぞれ０．１質量％以下、特に０．０１質量％以下に抑制されていることが望ましい。
【００３５】
さらに、前記焼結体が、酸化物に換算した場合の組成比で、少なくともＳｉＯ２：２０〜５３質量％、Ａｌ２Ｏ３：２０〜６１質量％、ＭｇＯ：２〜２４質量％、ＺｎＯ：２〜１４質量％、Ｂ２Ｏ３：２〜１４質量％、を含有し、さらに任意成分として、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＺｒＯ２の群から選ばれる少なくとも一種をその合量で０〜１５質量％含有せしめることにより、ボイドの少ない緻密な焼結体を得ると同時に、上記コーディエライト結晶相を効果的に存在せしめ、かつシリコンに近似した熱膨張係数と、低い誘電率、高い抗折強度を得ることができるため望ましいものである。
【００３６】
また、前記焼結体中に、結晶相として、さらに、アルミナ、ガーナイト、ムライト、フォルステライト、ジルコニアの群から選ばれる少なくとも一種を含有せしめることにより、前記焼結体の抗折強度の向上に効果的であるため望ましいものである。ここで、ガーナイト結晶相は後述するガラス粉末から析出せしめることにより、抗折強度の向上効果を高めることができる。また、ムライトは、前記焼結体の熱膨張係数と誘電率を低下させる効果もあり望ましいものである。なお、これらの結晶相のなかでも、抗折強度の向上効果が特に大きく、耐薬品性を向上させる効果もあるという点で、アルミナ、ガーナイト、ジルコニアの群から選ばれる少なくとも一種が最適である。
【００３７】
さらに、本発明では、前記第１配線基板１と前記第２配線基板２との０−１５０℃における熱膨張係数の差を９×１０−６／℃以下、特に、８．５×１０−６／℃以下、さらには、８×１０−６／℃以下とすることが望ましく、こうすることにより両配線基板間に発生する熱応力を緩和することができる結果、積層型配線基板Ａの接続用電極５の長期接続信頼性を確保することができる。
【００３８】
また、第１配線基板１と第２配線基板２間に配設された接続用電極５は、主成分として半田を含み、その形状が太鼓状であることが望ましい。つまり、接続用電極５は、半田ボール、高温半田ボール、高温半田を用いたカラム（円柱）、球状の樹脂ボール表面を半田等の導電性物質にて被覆した樹脂含有導電性ボール等の各種接続用端子を用いることにより、例えば、印刷により形成された薄い半田層に接続される場合と比較して、接続用電極５の高さを高くすることができるため、接続用電極５に集中する応力を緩和することができる結果、より高い接続信頼性を確保することが可能となる。特に、上記接続用電極５を構成する半田を含む端子のなかでも、低コストであるという面で、溶融、被着された半田ボールあるいは高温半田ボールを介して接続されている構造が望ましい。
【００３９】
また、本発明の積層型配線基板Ａでは、第１配線基板１と第２配線基板２との接続用電極５の周囲に少なくとも有機樹脂を含有する充填剤が付与されていることが望ましく、これにより第１配線基板１と第２配線基板２とを強固に接着しつつ、両配線基板間の応力緩和をも高めることができ、このことにより高い接続信頼性を得ることができる。このとき、充填剤のヤング率が低いほど、応力緩和効果が大きくなり、より高い接続信頼性を得る事ができる。そのためには、アンダーフィル剤中に熱膨張係数を低下させるために添加される、例えば石英ガラスのような無機フィラーの量を、極力低減されることが望ましい。
【００４０】
また、本発明では、前記第２配線基板２の０−１５０℃における熱膨張係数が８×１０−６／℃以上、特に９×１０−６／℃以上、最適には１０×１０−６／℃以上とすることにより、外部回路基板Ｃと第２配線基板２との熱膨張係数差により発生する熱応力を低減することができる結果、高い２次実装信頼性を得ることが可能となる。
【００４１】
さらに、前記第２配線基板２を構成する第２絶縁基板２ｂの誘電率を７以下、特に６．５以下、最適には６以下とすることにより、高速信号をより低損失で伝送することが可能となり、さらには、該第２絶縁基板２ｂのヤング率を１５０ＧＰａ以下、特に１４５ＧＰａ以下、最適には１４０ＧＰａ以下の焼結体とすることにより、例えば、ヤング率が約３００ＧＰａ程度と高いアルミナ基板と比較して基板自体が変形し易くなるため、第２配線基板２と外部回路基板Ｃとの間の熱応力が緩和され、両者の間の長期接続信頼性をさらに高めることができる。
【００４２】
また、前記第２配線基板２の配線層２ａもまた、第１配線基板１と同様、高速信号をより低損失で伝送することが可能とするという点で、銅、銀、金のいずれかを主成分とすることが望ましい。
【００４３】
そして、第２配線基板２として、上述したような特性を全て満足するためには、第２絶縁基板２ｂが、１０００℃以下で焼成可能な低温焼成磁器からなることが望ましく、特に、ガラス単独、あるいはガラスとセラミックフィラーとを組み合わせて焼成して得られるガラスセラミック焼結体からなることが特性の制御が可能であるという点で望ましい。
【００４４】
本発明の積層型配線基板Ａの製造方法においては、７００〜１０００℃の熱処理において揮発せずに残留する成分を、酸化物に換算した場合の組成比で、少なくともＳｉＯ２：２０〜５３質量％、Ａｌ２Ｏ３：２０〜６１質量％、ＭｇＯ：２〜２４質量％、ＺｎＯ：２〜１４質量％、Ｂ２Ｏ３：２〜１４質量％、を含有し、さらに任意成分として、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＺｒＯ２の群から選ばれる少なくとも一種をその合量で０〜１５質量％含有し、かつかつＰｂＯ、アルカリ金属酸化物の含有量がそれぞれ０．１質量％以下である混合粉末と、有機バインダーおよび溶媒とを混合してスラリーを調製する工程と、該スラリーをシート状に成形してグリーンシートを作製する工程と、該グリーンシート上に、銅、銀、金にいずれかを主成分として含有する導体ペーストを印刷して配線パターンを形成する工程と、該配線パターンを形成した前記グリーンシートを複数積層して積層成形体を形成する工程と、該積層成形体を、大気中あるいは窒素雰囲気中で、７００〜１０００℃の温度にて０．２〜１０時間加熱して焼成し、第１配線基板を得ることを特徴とする。
【００４５】
以下、本発明における配線基板の製造方法の望ましい一例について詳細に説明する。まず、少なくともＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＺｎＯ、Ｂ２Ｏ３、を含むほう珪酸系ガラス粉末を６０〜９９．５質量％、特に６５〜８７質量％と、少なくともコーディエライト粉末０．５〜２０質量％、特に１．５〜１５質量％と、アルミナ、ムライト、フォルステライト、ジルコニア、ＣａＺｒＯ３、ＣａＳｉＯ３、の群から選ばれる少なくとも一種をその合量で０〜３５質量％、特に１０〜３０質量％、とを含有する混合粉末を準備する。
【００４６】
このように、前記混合粉末を、ガラスとコーディエライト粉末及び金属酸化物の組み合わせとし、かつ前記組成範囲を満足せしめることにより、ガラスの軟化流動によりフィラーの最配列が効率よく行われる結果、１０００℃以下の低温で、より短時間に、気孔の少ない緻密な燒結体を得ることができる。なお、上記ほう珪酸系ガラス粉末および金属酸化物粉末の粒径は、０．５〜１０μｍ、望ましくは０．８〜７μｍ、最適には１〜５μｍである。
【００４７】
ここで、上記ほう珪酸系ガラス粉末中に上記成分を含有する事が望ましい理由は、ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３はガラス形成酸化物でありこれらの成分がないとガラスとならないためであり、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯはコーディエライト結晶相をガラスから析出させより低い熱膨張係数と誘電率とを得るために有効である。また、Ｂ２Ｏ３、ＺｎＯはガラスの軟化点を低下させ、焼結性を向上させることにより、酸化物粉末の量を増加させ抗折強度を向上させるために効果的である。
【００４８】
ここで、上記コーディエライト粉末は、シリコンと近似した熱膨張係数と低い誘電率とを同時に達成する効果があり、前記ガラス粉末に後述する組成を選択することにより、前記ガラス粉末中から該コーディエライト粉末を核として、より多くのコーディエライト結晶相を析出させることが可能となるため、より低い熱膨張係数とより低い誘電率とをより少ないコーディエライト粉末添加量にて実現できる。そのため、前記金属酸化物粉末の添加量を増加させることができることから、焼結体の特性の制御、特に抗折強度の向上を図ることができる。
【００４９】
また、前記金属酸化物の中で、アルミナ、ムライト、フォルステライト、ジルコニア、ＣａＺｒＯ３は、前記焼結体の抗折強度の向上に効果的であるため望ましい。
【００５０】
また、ムライトは、前記焼結体の熱膨張係数、誘電率を低下させる効果があり、さらに、アルミナ、ＺｒＯ２、ＣａＺｒＯ３、ＣａＳｉＯ３は、前記焼結体の耐薬品性を向上させる効果があり望ましい。前記金属酸化物としては、抗折強度の向上効果と耐薬品性の向上効果が特に高いという点で、アルミナ及びＣａＺｒＯ３を選択することが最適である。
【００５１】
さらに、本発明においては、前記ほう珪酸系ガラス粉末が、少なくともＳｉＯ２：３０〜５５重量％、特に３５〜５０質量％、Ａｌ２Ｏ３：１５〜４０質量％、特に２０〜３５質量％、ＭｇＯ：３〜２５質量％、特に５〜２０質量％、ＺｎＯ：２〜１５重量％、特に４〜１２質量％、Ｂ２Ｏ３：２〜１５質量％、特に４〜１２質量％と、さらに任意成分として、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＺｒＯ２の群から選ばれる少なくとも一種以上をその合量で０〜１５質量％、特に０〜１０質量％、含有することが望ましい。
【００５２】
上記ほう珪珪酸系ガラスの成分を上記範囲に限定したのは、緻密な焼結体を得るために最適な軟化特性を得ると同時に、上記コーディエライト結晶相を効果的に析出せしめるためである。また、任意成分であるＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯは、前記ほう珪酸系ガラスの軟化挙動を制御しつつ、かつ例えば、アノーサイト結晶相、スラウソナイト結晶相、セルジアン結晶相等をガラス中から析出させ磁器特性を制御することが可能となる。さらに、ＣａＯ、ＺｒＯ２は焼結体の耐薬品性を向上させるために特に効果的な成分であり、また、ＺｒＯ２は核形成剤としてガラスの結晶化を促進し、より高い抗折強度を得ることができる。
【００５３】
そして、上記の絶縁基板を用いて配線層１ａやビアホール導体１ｃを有する第１配線基板１を作製するには、まず、例えば、平均粒径１〜１０μｍの上記混合粉末に適当な有機樹脂バインダー、溶媒等を添加した後、所望の成形手段、例えば、金型プレス、冷間静水圧プレス、射出成形、押出し成形、ドクターブレード法、カレンダーロール法、圧延法等により任意の形状に成形する。
【００５４】
次に、このセラミックグリーンシートにビアホール導体を形成するための貫通穴をパンチングやレーザー加工法などにより形成してその貫通穴内に、銅、銀、金の群から選ばれる少なくとも一種以上を主成分として含有する導体ペーストを充填するとともに、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って、接続用電極５、８のパターンを形成する。そして、必要に応じて上記と同様にしてビアホール導体や配線パターンを形成したグリーンシートを積層する。
【００５５】
また、配線パターンの形成方法は上記印刷法に限定されるものではなく、表面に形成した所定のパターンの金属箔を形成した転写フィルムを前記グリーンシート表面に転写することによって形成することもできる。
【００５６】
次に、上記の成形体を焼成するにあたり、まず、成形のために配合したバインダー成分を除去する。バインダーの除去は、導体材料として銀、金を使用する際には５００℃前後の大気雰囲気中で行い、導体材料として銅を用いる場合には、７００℃前後の水蒸気を含有する窒素雰囲気中で行われる。
【００５７】
そして、７００〜１０００℃の酸化性雰囲気または非酸化性雰囲気中で０．２〜１０時間、特に０．５〜５時間焼成することによって、緻密な焼結体を得ることができる。
【００５８】
なお、上記焼成については銅等の導体材料と同時焼成する場合には、導体材料が酸化しない、窒素、窒素／水蒸気混合、窒素／水素混合雰囲気などの非酸化性雰囲気中で焼成される。これによって、ビアホール導体１ｃや配線層１ａを有する第１配線基板１が得られる。
【００５９】
次に、本発明の電気装置Ｂにおいては、前記詳述した積層型配線基板Ａの表面に複数の接続部９を介して電気素子１１が電気的に接続されており、前記第１配線基板１と電気素子１１との０−１５０℃における熱膨張係数の差が２×１０−６／℃以下であることが重要であり、特に１．５×１０−６／℃以下、最適には１×１０−６／℃以下であることが望ましい。
【００６０】
本発明の電気装置Ｂを、かかる構成とすることにより、電気素子１１と積層型配線基板Ａとの間の熱膨張係数差を小さくすることができる結果、両者に働く熱応力を低減させることが出来る。そのため、特に電気素子１１として、誘電率の低い多孔質の絶縁膜を用いた機械的耐性に劣る半導体素子を用いた場合でも、半導体素子の破壊を防止することができ、１次実装の長期接続信頼性を確保することが可能となる。
【００６１】
一方、前記第１配線基板１と電気素子１１との０−１５０℃における熱膨張係数の差が２×１０−６／℃よりも大きくなると、前記熱応力が大きくなりすぎる結果、前記電気素子１１が破壊する恐れが生じる。
【００６２】
ここで、本発明に用いる電気素子１１は、シリコンを主体とし、０−１５０℃における熱膨張係数が４×１０−６／℃以下、特に、３．５×１０−６／℃以下、かつこの電気素子１１の誘電率が２．５以下であることが望ましく、例えば、半導体素子を用いることにより、本発明の電気装置Ｂの性能と接続部の長期実装信頼性を最大限発揮することができる。さらに、前記電気素子１１と前記第１配線基板１との接続部９の周囲にも少なくとも有機樹脂を含有する充填剤を注入することにより、有機樹脂による応力緩和効果が発生するため、より高い接続信頼性を得ることが可能となる。
【００６３】
また、本発明においては、電気素子１１として、その表面積（Ｄ１）が５０ｍｍ２以上のものを用いることにより、電気素子１１の集積度を大きくすることができるため、電気装置の性能を向上させることできる。
【００６４】
つまり、本発明では、前記電気素子１１の前記第１配線基板１への接合面の面積をＤ１として、該Ｄ１が５０ｍｍ２以上であり、第１配線基板における主面の面積をＳ１としたときの比率Ｓ１／Ｄ１が１〜１．５の範囲であることが望ましく、特に、Ｓ１／Ｄ１は１〜１．４、最適には１〜１．３が好ましい。Ｓ１／Ｄ１をこのような範囲とすることにより、相対的に第２配線基板２に対して第１配線基板１の表面積が小さくなるため、第１配線基板１と第２配線基板２の間に発生する熱応力を更に低減することができるため、積層型配線基板Ａと電気素子１１との間の接続部９の長期信頼性を更に高めることができる。さらには、第１配線基板１の大きさを小さくすることができるため、コストを低減する効果も期待できる。
【００６５】
また、本発明の電気装置の実装構造においては、前記電気装置Ｂ外部回路基板Ｃの０−１５０℃における熱膨張係数との差が、１２×１０−６／℃以下であることが重要である。特に１０×１０−６／℃以下、最適には８×１０−６／℃以下であることが望ましい。
【００６６】
本発明の実装構造を上記構成とすることにより、第２配線基板２と外部回路基板Ｃとの熱膨張係数差により発生する熱応力を低減することができる結果、２次実装の長期接続信頼性を確保することができる。
【００６７】
一方、両者の熱膨張係数の差が１２×１０−６／℃よりも大きいと、第２配線基板２と外部回路基板Ｃとの間に発生する熱応力が大きくなりすぎる結果、両者の接続用電極１５に亀裂が急速に伸展し、最終的に破壊に至り、接続部が断線してしまうため、接続部の長期接続信頼性が損なわれ実用に耐えなくなる。
【００６８】
さらに、本発明では、第２配線基板２と外部回路基板Ｃとの間に配設される接続用電極１５は、前記した積層型配線基板Ａを構成する接続用電極５と同様ものを用いることが望ましく、これにより、例えば、印刷により形成された薄い半田層に接続される場合と比較して、接続部の高さを高くすることができるため、接続用電極とロウ材の界面に集中する応力を緩和することができる結果、より高い接続信頼性を確保することが可能となる。
【００６９】
特に、上記接続用電極１５のなかでも、低コストであるという面で、溶融、被着された半田ボールあるいは高温半田ボールを介して接続されている構造が望ましく、最適には、高温半田ボールを用いた場合には、接続用電極１５の高さを半田ボールよりも高くすることができるため、応力緩和の面でより望ましいものとなる。
【００７０】
以上、図１〜３を基に詳述してきたが、本発明では上記の例以外であっても、本発明を逸脱しない範囲であれば効果を発揮できるものであり、上記例に限定されるものではない。例えば、上記例では電気素子１１としてシリコンを主体とする半導体素子、１次実装としてフリップチップ実装を採用しているが、電気素子１１としては、シリコン以外の材質の半導体素子や、また半導体素子に限らず上述のＭＥＭＳ等の電気素子材質を用いてもよく、１次実装形態もワイヤボンディング実装や各種バンプ等を用いた公知の実装方法を用途に応じて選択できる。
【００７１】
【実施例】
本発明の積層配線基板の効果を確認すべく、以下のようにして評価用の積層配線基板を作製した。
【００７２】
表１、表２に示す特性を有する絶縁基板を用いて厚さ０．４ｍｍの第１配線基板１、および厚さ１ｍｍ、表面積１６００ｍｍ２の第２配線基板２を作製し、同様のパターンを有する接続用電極５及び１５に、Ｐｂ３６質量％−Ｓｎ６４質量％の共晶半田ペーストを印刷法にて印刷した。なお、接続用電極８及び１８の大きさはφ０．２ｍｍ、電極の中心間距離を０．３５ｍｍとし、マトリックス状に配設した。尚、第２絶縁基板２ｂは、組成（表３におけるガラスセラミック）として、ＳｉＯ２  ４５質量％、Ａｌ２Ｏ３  ７質量％、Ｂ２Ｏ３  １３質量％、ＣａＯ  １２質量％、ＢａＯ  ２３質量％を含むガラス粉末を５０質量％と、セラミックフィラーとして５０質量％との混合物を用いて第１配線基板１と同様の製法により作製した。
【００７３】
さらに、φ０．２ｍｍの共晶半田ボールを、半田を印刷した第２配線基板２の表面の接続用の配線層２ａ上に載置し、その上に第１配線基板１を位置合わせして載置し、リフロー処理を行った後、表１、表２に従い、第１配線基板１と第２配線基板２との間隙に充填剤を注入、硬化させることにより積層型配線基板Ａを得た。
【００７４】
続いて、シリコンを主成分とし誘電率が２．２の多孔質の絶縁膜を有する、０−１５０℃における熱膨張係数が２．５×１０−６／℃、表面積が１００ｍｍ２の評価用の半導体素子を準備し、厚さ０．１ｍｍの半田を介して第１配線基板１上に位置合わせして載置し、リフロー処理を行った後、表１、表２に従い、充填剤を半導体素子と積層型配線基板Ａとの間隙に注入し、硬化させることにより半導体素子をフリップチップ実装した。
【００７５】
さらに、第２配線基板２の裏面の接続用の配線層２ａと同様のパターンを有する配線を形成した、０−１５０℃における熱膨張係数が１６×１０−６／℃であるプリント基板を用意し、配線上に共晶半田ペーストを印刷法にて印刷した。なお、接続用電極１５の大きさはφ０．８ｍｍ、電極の中心間距離１．３ｍｍとした。
【００７６】
前記プリント基板上に、φ０．８ｍｍのＰｂ９０質量％−Ｓｎ１０質量％の高温半田ボールを位置合わせして載置し、さらにその上に半導体素子を実装した積層配線基板Ａを位置合わせして載置し、再度リフロー処理を行うことにより、単導体素子をフリップチップ実装した積層配線基板Ａを、プリント基板上に実装した１次及び２次実装評価用サンプルをそれぞれ２０個作製した。
【００７７】
上記実装評価用サンプルを、０〜１００℃の温度範囲で温度サイクル試験を２０００サイクルまで行い、１００サイクル終了毎に半導体素子の破壊の有無を確認した。さらに、１次実装側、２次実装側、および積層配線基板内の３箇所に関して抵抗値を測定し、断線の有無を確認し、素子の破壊あるいは断線時のサイクル数を表２に示した。ここで、２０００サイクルまで素子の破壊あるいは断線のなきものを合格とした。
【００７８】
【表１】
2005050881.tif 000003
【００７９】
【表２】
2005050881.tif 000004
【００８０】
【表３】
2005050881.tif 000005
【００８１】
【表４】
2005050881.tif 000006
【００８２】
表１〜表４の結果から明らかなように、本発明に基づき、少なくともＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＺｎＯ、Ｂ２Ｏ３を所定量含有する混合粉末を７００〜１０００℃にて焼成し、０−１５０℃における熱膨張係数が４．５×１０−６／℃以下であり、かつ第２の配線基板の０−１５０℃における熱膨張係数よりも小さい第１の配線基板を作製し、また、前記第１の配線基板と該半導体素子との０−１５０℃における熱膨張係数の差が２×１０−６／℃以下とした電気装置であり、さらに、前記第２の配線基板の０−１５０℃における熱膨張係数と前記プリント基板の０−１５０℃における熱膨張係数との差が、１２×１０−６／℃以下とした電気装置の実装構造とすることにより、高速信号処理に適し、かつ高い１次実装信頼性及び２次実装信頼性を兼ね備え、さらに２つの配線基板間の接続信頼性をも確保できた。
【００８３】
一方、第１配線基板の０−１５０℃における熱膨張係数が、第２配線基板の０−１５０℃における熱膨張係数よりも大きい試料Ｎｏ．２、３では、積層型配線基板の接続用電極に著しい応力集中が起こり、１０００サイクル以下の温度サイクル数にて第１配線基板と第２配線基板との接続用電極において断線が生じた。さらに、第１配線基板の熱膨張係数が４．５×１０−６／℃よりも大きく、かつ半導体素子と第１配線基板との０−１５０℃における熱膨張係数の差が、２×１０−６／℃よりも大きい試料Ｎｏ．１〜８においては、半導体素子と第１配線基板との熱膨張係数の差が大きく、２０００サイクル以下の温度サイクル数にて素子の破壊が生じた。
【００８４】
また、第２配線基板とプリント基板との０−１５０℃における熱膨張係数の差が１２×１０−６／℃よりも大きい試料Ｎｏ．２、３では、２次実装側の接続部に過度の応力集中が生じる結果、２０００サイクル以下の温度サイクル数にて接続部の断線が生じた。
【００８５】
【発明の効果】
以上、詳述したように、本発明によれば、第１の配線基板の０−１５０℃における熱膨張係数が、第２配線基板の０−１５０℃における熱膨張係数よりも小さく、かつ第１配線基板の０−１５０℃における熱膨張係数が、４．５×１０−６／℃以下とした積層型配線基板を用い、また、前記第１配線基板と電気素子との０−１５０℃における熱膨張係数の差が２×１０−６／℃以下とした電気装置であり、また、前記第２配線基板の０−１５０℃における熱膨張係数と前記外部回路基板の０−１５０℃における熱膨張係数との差を１２×１０−６／℃以下とした電気装置の実装構造とすることにより、高速信号処理に適し、かつ高い１次実装信頼性及び２次実装信頼性を兼ね備え、さらに２つの配線基板間の接続信頼性をも確保できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の積層型配線基板を示す概略断面図である。
【図２】本発明の電気装置を示す概略断面図である。
【図３】本発明の電気装置の実装構造を示す概略断面図である。
【図４】従来の積層型配線基板を示す概略断面図である。
【符号の説明】
Ａ          積層型配線基板
Ｂ          電気装置
Ｃ          外部回路基板
１          第１配線基板
１ａ、２ａ  配線層
１ｂ        第１絶縁基板
２          第２配線基板
２ｂ        第２絶縁基板
５          接続用電極
７          充填剤
９          接続部
１１        電気素子
【図１】
2005050881.tif 000007
【図２】
2005050881.tif 000008
【図３】
2005050881.tif 000009
【図４】
2005050881.tif 000010