(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラスとセラミックフィラーとから構成される低温焼成セラミックスからなる絶縁基板の少なくとも表面に該絶縁基板と同時焼成して形成され、且つ低抵抗金属を主体とするメタライズ層を被着形成してなるセラミック配線基板において、前記メタライズ層が、金属粒子と、フォルステライト、Ａｌ２Ｏ３およびＭｇＯから選ばれる１種の金属酸化物粒子と、ガラスとを含み、前記メタライズ層の前記絶縁基板との界面から１０μｍ以内における前記金属酸化物粒子の最大径の平均値が３μｍ以下であるとともに、前記絶縁基板に含まれる前記ガラスと前記メタライズ層中の前記ガラスとが同じガラスであることを特徴とするセラミック配線基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高熱膨張性を有する絶縁基板にメタライズ層を配設したセラミック配線基板およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来より、セラミック配線基板は、絶縁基板の表面あるいは内部にメタライズ層が配設された構造となっている。また、このセラミック配線基板を用いた代表的な例としては、半導体素子、特にＬＳＩ（大規模集積回路素子）等の半導体集積回路素子を収容するための半導体素子収納用パッケージがある。
【０００３】
半導体素子収納用パッケージは、一般にアルミナセラミックス等の電気絶縁材料が用いられており、絶縁基板の表面および内部において、Ｗ、Ｍｏ等の高融点金属粉末から成る複数個のメタライズ層が形成されている。さらに、その絶縁基板の下面には接続パッドが形成されており、その接続パッドには適当な接続端子が取り付けられ、外部回路基板と電気的に接続されている。一方、絶縁基板の上面に搭載された半導体素子は、蓋体によって気密に封止された構造となっている。
【０００４】
半導体素子収納用パッケージにおける絶縁基板として、前記アルミナセラミックス等に代えて、最近では、メタライズ層として、Ｃｕ、Ａｇなどの低抵抗金属を用いることのできる１０００℃前後で焼成可能なガラスセラミックスなどの低温焼成セラミック材料が提案されている。
【０００５】
ガラスセラミックスからなる絶縁基板の表面および／または内部における銅等の低抵抗金属を主成分とするメタライズ層は、ガラスセラミックス原料粉末からなるグリーンシートに貫通孔を打ち抜き加工し、該貫通孔に銅を主成分とする導体ペーストを充填してビアホール導体を形成し、同時にグリーンシート上に銅を主成分とする導体ペーストを配線パターン状にスクリーン印刷法などで印刷形成し、配線パターンおよびビアホール導体が形成されたグリーンシートを複数枚加圧積層し、８００〜１０００℃で焼成することにより作製されている。
【０００６】
銅を主成分とする導体ペーストとしては、主成分であるＣｕまたはＣｕ２Ｏ、あるいはＣｕ−Ｃｕ２Ｏ混合物またはＣｕ−ＣｕＯ混合物に対して、金属酸化物として、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＮｉＯ、ＭｇＯ、ＺｎＯ、Ｍｇ２ＳｉＯ４、ＭｇＳｉＯ３、ＳｉＯ２およびＮｂ２Ｏ５、または金属として、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｆｅ、ＣｏおよびＡｇのうち少なくとも１種を無機成分中に総量で０．５〜３０．０体積％含有した銅メタライズ組成物を用いることが特開平１０−９５６８６号公報等で提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のように、銅メタライズ組成物中に、金属酸化物を含有させる場合、特に、フィラーとして、アルミナ、フォルステライト、エンスタタイト等の金属酸化物を用いると、これらの金属酸化物がメタライズ層とガラスセラミックスからなる絶縁基板との界面に粒径３μｍ以上の粒子として存在しやすくなり、その金属酸化物粒子が存在する部分におけるメタライズ層と絶縁基板との界面接着強度が著しく低下してしまうという問題があった。そのために、メタライズ層と絶縁基板との接着強度に大きなバラツキが生じてしまい、セラミック配線基板の実装信頼性を著しく低下させてしまっていた。つまり、実装信頼性を高めるには、接着強度の平均が高いことはもちろん、接着強度のバラツキの最低値の値をいかに高くするかが重要となる。
【０００８】
従って、本発明は、低温焼成セラミックスからなる絶縁基板の表面に、低抵抗金属を含有するメタライズ層を具備したセラミック配線基板において、メタライズ層と絶縁基板との接着強度の最低値を高く維持し、接着強度のバラツキを低減したセラミック配線基板およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のセラミック配線基板は、ガラスとセラミックフィラーとから構成される低温焼成セラミックスからなる絶縁基板の少なくとも表面に該絶縁基板と同時焼成して形成され、且つ低抵抗金属を主体とするメタライズ層を被着形成してなるセラミック配線基板において、前記メタライズ層が、金属粒子と、フォルステライト、Ａｌ２Ｏ３およびＭｇＯから選ばれる１種の金属酸化物粒子と、ガラスとを含み、前記メタライズ層の前記絶縁基板との界面から１０μｍ以内における前記金属酸化物粒子の最大径の平均値が３μｍ以下であるとともに、前記絶縁基板に含まれる前記ガラスと前記メタライズ層中の前記ガラスとが同じガラスであることを特徴とするものである。かかる構成によって、メタライズ層と絶縁基板との接着強度を高めるとともに、そのバラツキを低減し、セラミック配線基板の実装信頼性を向上させることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて詳細に説明する。本発明のセラミック配線基板は、低温焼成セラミックスからなる絶縁基板の表面あるいは内部にメタライズ層が配設された、いわゆるセラミック配線基板を基礎的構造とするものであるが、図１は、その代表的な例として、半導体素子収納用パッケージとその実装構造の一実施例を示す概略断面図であり、Ａは半導体素子収納用パッケージ、Ｂは外部回路基板である。
【００１３】
半導体素子収納用パッケージＡは、低温焼成セラミックスからなる絶縁基板１と、蓋体２と、回路層３としての低抵抗金属を含有するメタライズ層と、接続端子４とから構成されており、パッケージの内部に半導体素子５が実装されて収納されている。絶縁基板１及び蓋体２は半導体素子５を内部に気密に収容するためのキャビティ６を構成する。絶縁基板１には上面に半導体素子５が載置収容され、また、半導体素子５はガラス、樹脂等の接着剤を介して絶縁基板１に接着固定されている。
【００１４】
また、絶縁基板１には、半導体素子５が載置された周辺から下面にかけて複数個の回路層３が被着形成されており、更に、絶縁基板１の下面には、多数の接続パッド４ａが設けられており、回路層３と電気的に接続されている。また、この接続パッド４ａの表面には、半田（錫−鉛合金）などのロウ材から成る突起状端子４ｂが外部回路基板Ｂへの接続端子として取付けられている。
【００１５】
なお、接続パッド４ａと電気的に接続された回路層３が半導体素子５の各電極とボンディングワイヤを介して電気的に接続されることにより、半導体素子５の電極が接続パッド４ａと電気的に接続されることになる。
【００１６】
一方、外部回路基板Ｂは、絶縁体７の表面に配線導体８が形成されている。絶縁体７は、具体的には、ガラス−エポキシ系複合材料などのような４０〜４００℃における線熱膨張係数が１２〜１６ｐｐｍ／℃の絶縁材料からなる。また、配線導体８は、絶縁体７との線熱膨張係数の整合性と、電気伝導性の良い点で、通常、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、ＮｉおよびＰｂ−Ｓｎなどの金属導体からなる。
【００１７】
半導体素子収納用パッケージＡを外部回路基板Ｂに実装するには、パッケージＡの絶縁基板１の下面の接続パッド４ａに取付けられている突起状端子４ｂを外部回路基板Ｂの配線導体８上に載置当接させ、しかる後、約２５０〜４００℃の温度で加熱する。このことにより、半田などのロウ材からなる突起状端子４ｂ自体が溶融し、突起状端子４ｂを配線導体８に接合させることによって外部回路基板Ｂ上に実装される。
【００１８】
上記半導体素子収納用パッケージＡにおいて、回路層３および接続パッド４ａは、いずれも低抵抗金属を含有する導体ペーストを絶縁基板形成用のグリーンシートの表面に塗布し、焼成することによって形成されたものである。
【００１９】
これら回路層３としてのメタライズ層１０は、低抵抗金属であるＣｕ、Ａｇ、ＡｕおよびＡｌの群から選ばれる少なくとも１種を主成分とするものである。メタライズ層１０と絶縁基板１との界面付近の模式図を図２に示した。図２によれば、メタライズ層１０は、低抵抗金属粒子１１と、金属酸化物粒子１２と、低抵抗金属粒子１１と金属酸化物粒子１２との粒界に存在するガラス相１３とを含むものである。そして、メタライズ層１０の絶縁基板１との界面から１０μｍ以内における金属酸化物粒子１２の最大値の平均値が３μｍ以下であることが大きな特徴である。
【００２０】
これは、メタライズ層１０の絶縁基板１との界面から１０μｍ以内における金属酸化物粒子１２が大きいと、その部分のメタライズ層１０と絶縁基板１と界面の接着強度を局所的に低下させてしまうために、メタライズ層１０の接着強度にバラツキが発生してしまい、複数の接続パッド４ａを備えたセラミック配線基板において、接続パッド４ａ間で接着強度が異なり、接着強度の低い接続パッド４ａが剥離等を起こすことによってパッケージ自体の接続信頼性を損ねてしまうことになる。
【００２１】
これに対して、メタライズ層１０の絶縁基板１との界面から１０μｍ以内における金属酸化物粒子１２の最大値の平均値を３μｍ以下としたものは、メタライズ層１０の絶縁基板１との接着強度が高まるとともに、接着強度のバラツキを低減することができる。その結果、複数の接続パッド４ａを有する場合においても、接続パッド４ａ間での接着強度のバラツキを低減できる結果、セラミック配線基板として接続信頼性を高めることができる。
【００２３】
また、金属酸化物粒子１２は、メタライズ層１０の焼結を阻害し、未焼結のメタライズ層１０の気孔を絶縁基板１から発生するガスの通路として機能させることにより絶縁基板１からのガスの抜けを改善し、絶縁基板１とメタライズ層１０間でガスをトラップされることによって発生するメタライズ層１０の膨れなどの発生を防止することができる。
【００２４】
かかる金属酸化物粒子１２の機能を十分に発揮させる上で、金属酸化物粒子１２は、低抵抗金属１００重量部当り、０．２〜１０重量部、特に１〜８重量部、さらには２〜５重量部の割合で含有されることが望ましい。
【００２５】
かかる金属酸化物粒子１２としては、Ａｌ２Ｏ３、フォルステライトおよびＭｇＯから選ばれる少なくとも１種が好適に選択されるが、メタライズ層１０の膨れを有効に防止する機能をより高める上で、金属酸化物粒子１２はＭｇＯまたはフォルステライトが好適に使用される。
【００２６】
また、メタライズ層１０中のガラス相１３は、後述する絶縁基板１中に含まれるガラス成分と実質的に同じであることが、メタライズ層１０と絶縁基板の接着強度を高めるとともに、接着強度のバラツキを抑えることができる。ガラス相はメタライズ層１０中に、低抵抗金属１００重量部当り、０．５〜５重量部、特に１〜３重量部の割合で含有することが望ましい。
【００２７】
本発明のセラミック配線基板における絶縁基板１を形成する低温焼成セラミックスとしては、８００〜１０５０℃で焼成可能なセラミックスであれば特に問わないが、具体的には、ガラス成分、あるいはガラス成分とセラミックフィラー成分との混合物を焼成したものが好適に用いられる。
【００２８】
ガラス成分としては、硼珪酸ガラス、硼珪酸亜鉛系ガラス、リチウム珪酸系ガラス、ＰｂＯ系ガラス、ＢａＯ系ガラスなどが用いられる。また、セラミックフィラー成分としては、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ムライト、フォルステライト、ペタライト、ネフェリン、リチウムシリケート、カーネギアナイト、ガーナイト、ジルコニアなどが使用される。
【００２９】
また、かかる低温焼成セラミックス中には、ガラス成分、セラミックフィラー成分以外に、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｖの群から選ばれる少なくとも１種を着色などの特性改善のために、酸化物換算で０．０５〜１０重量％、特に０．１〜２重量％の割合で含有することもできる。
【００３０】
次に、上記の半導体素子収納用パッケージＡをはじめとするセラミック配線基板を製造する方法について以下に説明する。まず、絶縁基板１を構成するための前述したようなガラスとフィラーからなる原料粉末に適当な有機バインダー、可塑剤、溶剤を添加混合して泥漿物を作るとともに該泥漿物をドクターブレード法やカレンダーロール法を採用することによってグリーンシート（生シート）を作製する。
【００３１】
そして、メタライズ層１０及び接続パッド４ａとして、低抵抗金属粉末を含む導体ペーストを前記グリーン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塗布する。また、場合によっては、前記グリーンシートに適当な打ち抜き加工してスルーホールを形成し、このホール内にも導体ペーストを充填する。
（導体ペースト組成）
本発明によれば、ここで用いる導体ペースト中には、低抵抗金属粉末と、平均粒径１μｍ以下の金属酸化物粉末と、平均粒径４μｍ以下のガラス粉末と、さらには分散剤を添加含有することが重要である。
【００３２】
低抵抗金属粉末は、Ｃｕ、Ａｇ、ＡｕおよびＡｌの群から選ばれる少なくとも１種からなり、平均粒径が２〜８μｍ、特に２〜５μｍであることがその分散性を高める上で望ましい。
【００３３】
また、金属酸化物粉末は、前述した通り、メタライズ層１０の焼結を阻害し、磁器から発生するガスを通路を形成する役割を果たすものであるが、その平均粒径が１μｍよりも大きいと、焼成後に３μｍ以上の粗大粒子となり、前記界面接着強度のバラツキを増大してしまう。そのため、金属酸化物粉末の平均粒径は１μｍ以下であることが望ましい。
【００３４】
さらには、金属酸化物粉末の小粒径側から相対累積度数が９０％となる粒子径ｄ９０が２μｍ以下、特に１．５μｍ以下であることが望ましい。このｄ９０が２μｍよりも大きいと、３μｍ以上の粗大粒子が発生しやすくなるためである。
【００３５】
用いられる金属酸化物は、Ａｌ２Ｏ３、フォルステライトおよびＭｇＯから選ばれる少なくとも１種が選択される。
【００３６】
また、金属酸化物粉末は、低抵抗金属１００重量部に対して、０．２〜１０重量部、特に１〜８重量部、さらには２〜５重量部の割合で添加されるのが効果的で、０．２重量部よりも少ないと前記金属酸化物の添加効果が期待できず、１０重量部よりも多いとメタライズ層の表面に金属酸化物粒子が露出し、メッキ膜が形成できないなどの問題が発生する。
【００３７】
また、導体ペースト中の金属酸化物粉末は、メタライズ層１０の焼結を阻害していることから、メタライズ層１０と絶縁基板１間の接着強度が維持できなくなってしまう。そこで、本発明によれば、この導体ペースト中に平均粒径４μｍ以下のガラス粉末を含むことにより、焼結過程でガラス成分が絶縁基板１に拡散し、メタライズ層１０と絶縁基板１間の接着強度を高める作用をなす。ここで用いるガラスとしては、硼珪酸ガラス、硼珪酸亜鉛系ガラス、リチウム珪酸系ガラス、ＰｂＯ系ガラス、ＢａＯ系ガラスなどが用いられるが、特に絶縁基板１中に含まれるガラスと同一のガラスであると、導体ペースト中のガラス成分と絶縁基板１中のガラス成分の相互拡散の効果を得ることができ、メタライズ層１０と絶縁基板１間の接着強度をさらに高めることができる。
【００３８】
なお、ガラス粉末の平均粒径を４μｍ以下に限定したのは、ガラス粉末の平均粒径が４μｍよりも大きいと、ガラス成分の偏りが生じガラス成分がメタライズ層１０の表面に固まりとして存在し、メッキ性を低下させてしまうからである。特にガラス粉末の平均粒径は、３．５μｍ以下であることが望ましい。このガラス粉末は、低抵抗金属１００重量部当り、０．５〜５重量部、特に１〜３重量部の割合で添加することが効果的である。
【００３９】
また、本発明によれば、導体ペースト中に分散剤を添加することにより、平均粒径１μｍ以下の金属酸化物粉末、平均粒径４μｍ以下のガラス粉末および低抵抗金属粉末の分散性が向上し、メタライズ層１０の絶縁基板１との界面から１０μｍ以内における３μｍより大きい金属粒子の存在を無くすことができる。
【００４０】
用いられる分散剤としては、チタネート系カップリング剤、アルミニウム系カップリング剤、シラン系カップリング剤の群から選ばれる少なくとも１種が挙げられるが、特にシラン系カップリングが好適に使用される。この分散剤は、低抵抗金属１００重量部に対して、０．１〜１．５重量部、特に０．２〜１．０重量部の割合で添加されるのが効果的で、０．１重量部よりも少ないと分散効果が十分でなく、１．５重量部よりも多いと分散剤のカーボン残さがメタライズ層中に残り、メタライズ層−磁器間の膨れを発生させるるなどの影響があるためである。
【００４１】
次に、上記のように導体ペーストが施されたグリーンシートを複数枚積層した後、焼成する。焼成にあたっては、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、７００℃前後の大気雰囲気中で行われるが、メタライズ層１０としてＣｕを用いる場合には、１００〜７００℃の水蒸気を含有する窒素雰囲気中で行われる。この時、成形体の収縮開始温度は７００〜８５０℃程度であることが望ましく、かかる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。
【００４２】
焼成は、８００℃〜１０５０℃の酸化性雰囲気中で行われ、これにより低温焼成セラミックスは相対密度９０％以上まで緻密化される。但し、メタライズ層１０としてＣｕを用いる場合には、８５０〜１０５０℃の非酸化性雰囲気中で、Ａｇを用いる場合には、酸化性雰囲気中で８００〜１０００℃で焼成される。
【００４３】
なお、このようにして作製された絶縁基板１中には、結晶性ガラスから生成した結晶相、ガラスとフィラーとの反応により生成した結晶相、あるいはフィラー成分が分解して生成した結晶相等が存在し、これらの結晶相の粒界にはガラス相が存在する。
【００４４】
また、本発明によれば、導体ぺースト中の金属酸化物粉末、ガラス粉末および分散剤を制御することによって、焼成後のメタライズ層１０の絶縁基板１との界面から１０μｍ以内に粒径３μｍより大きい金属酸化物粒子１２が存在しなくなり、その結果、メタライズ層１０の絶縁基板１への接着強度のバラツキの発生を効果的に抑制することができる。
【００４５】
【実施例】
重量比率で４３％ＳｉＯ2−８％Ｂ2Ｏ3−５％ＣａＯ−６％Ａｌ2Ｏ3−３７％ＢａＯ−１％以下ＳｒＯ（屈伏点７００℃）の結晶性ガラス５０重量％、クォーツ（ＳｉＯ2）５０重量％からなる混合物に有機バインダーとしてアクリル系樹脂を添加し、さらに溶媒としてトルエンを用いて粉砕後、ドクターブレード法により厚さ２５０μｍのテープを作製した。
【００４６】
次に、平均粒径が４μｍの銅粉末のＣｕ換算１００重量部に対して、平均粒径が０．７〜２．０μｍのフォルステライト粉末、ＭｇＯ粉末、平均粒径が０．５〜１．３μｍのＡｌ２Ｏ３粉末、平均粒径が３〜４μｍの上記結晶化ガラス、分散剤としてデシルトリメトキシシランをそれぞれ表１の比率で秤量混合し、さらに、これら無機物成分１００重量部に対して有機バインダーとしてアクリル系樹脂を２重量部、有機溶剤としてα−テルピネオールを１５重量部添加混錬し、導体ペーストを調製した。
【００４７】
かくして得られた導体ペーストを前記グリーンシート上に、焼成後の形状が０．７ｍｍφ、厚さが約１５μｍとなるように、配線用パターン状にスクリーン印刷し、その下部にグリーンシート６枚を加圧積層し、メタライズ層と絶縁基板との接着強度測定サンプルとした。
【００４８】
次いで、この未焼結状態の配線パターンが形成された積層体を、有機バインダーなどの有機成分を分解除去するために、水蒸気含有窒素雰囲気中で７００℃の温度で３時間保持して脱脂した後、窒素雰囲気中で９１０℃に昇温して１時間保持し、セラミック配線基板を作製した。
【００４９】
作製したセラミック配線基板について、メタライズ層を走査型電子顕微鏡写真やＥＰＭＡで観察し、界面から１０μｍの範囲に点在する任意の３０個の金属酸化物粒子についてそれぞれ写真平面での最大径を測定し、その平均を算出した。
【００５０】
接着強度の測定にあたっては、そのセラミック配線基板の銅のメタライズ層に厚さ１μｍのＮｉメッキを行い、その上に厚さ０．１μｍのＡｕメッキを施し、その上にフラックスを塗布し、さらに直径０．７ｍｍφのＳｎ／Ｐｂ共晶半田ボールを乗せて、大気中で２４５℃で１分間保持して半田ボール付けを行った。そして、クランププル強度測定機にて、半田ボールをつかんで垂直方向に引っ張り、銅のメタライズ層が破断したときの最大荷重をメタライズ層の接着強度として評価した。測定では、各試料について３０個の接着強度を測定し、平均値（Ａｖｅ．）と最低値（Ｍｉｎ．）および平均値と最低値との差（Ａｖｅ．−Ｍｉｎ．）を表１に示した。
【００５１】
【表１】
0004587617.tif 000002
【００５２】
表１より明らかなように、導体ペースト中の金属酸化物の平均粒径が１μｍを超える試料Ｎｏ．１、１１、１２は、界面から１０μｍ内の金属酸化物粒子の最大値の平均値が３．０μｍを超え、接着強度の最低値が１．３ｋｇ/０．７ｍｍφを下回り、Ａｖｅ−Ｍｉｎも０．６ｋｇ／０．７ｍｍφ以上と大きいものであった。
【００５３】
導体ペースト中にガラスを全く添加しなかった試料Ｎｏ．７では、平均で０．９ｋｇ／０．７ｍｍφと接着強度が著しく低下した。
【００５４】
また、分散剤を添加していない試料Ｎｏ．４、１６は、平均粒径１μｍ以下の金属酸化物を添加したにもかかわらず、界面から１０μｍ内の金属酸化物粒子の最大値の平均値が３μｍよりも大きくなり、接着強度の最低値が１．３ｋｇ/０．７ｍｍφを下回り、Ａｖｅ−Ｍｉｎも０．６ｋｇ／０．７ｍｍφと大きいものであった。
【００５５】
これに対して、本発明品は、いずれも接着強度の最低値（Ｍｉｎ．）が１．３ｋｇ／０．７ｍｍφ以上であり、平均値（Ａｖｅ．）が１．５ｋｇ／０．７ｍｍφ以上、Ａｖｅ−Ｍｉｎも０．５ｋｇ／０．７ｍｍφ以下とバラツキが小さいものであった。
【００５６】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、導体ペースト中の金属酸化物粉末、ガラス粉末、分散剤を用いて調製し、メタライズ層の絶縁基板との界面から１０μｍ以内における金属酸化物粒子の最大値の平均値を３μｍ以下とすることによって、メタライズ層と絶縁基板との接着強度を高めるとともに、そのバラツキを低減し、セラミック配線基板の実装信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のセラミック配線基板の一例である半導体素子収納用パッケージの概略断面図である。
【図２】  本発明のセラミック配線基板におけるメタライズ層の絶縁基板との界面付近の模式図である。
【符号の説明】
１  絶縁基板
１０  メタライズ層
１１  低抵抗金属粒子
１２  金属酸化物粒子
１３  ガラス相
【図１】
0004587617.tif 000003
【図２】
0004587617.tif 000004