(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＢａＯを３７〜５５質量％と、Ａｌ２Ｏ３を１〜６質量％と、ＳｉＯ２を２８〜４３質量％含有するガラスと、該ガラス中に含まれているＺｒＯ２と、４０℃〜４００℃における線熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上の金属酸化物を含むフィラーであるクオーツとからなり、前記ＺｒＯ２を１〜３０質量％の割合で含有するとともに、実質的にクリストバライトを含有せず、４０℃〜４００℃における線熱膨張係数が９．３〜１３．８ｐｐｍ／℃であり、且つ４０℃〜４００℃における線熱膨張係数曲線において変曲点が存在しないことを特徴とするガラスセラミック焼結体。
【請求項２】
請求項１に記載のガラスセラミック焼結体の製造方法であって、ＢａＯを３７〜５５質量％と、Ａｌ２Ｏ３を１〜６質量％と、ＳｉＯ２を２８〜４３質量％含有するガラス成分と、４０℃〜４００℃における線熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上の金属酸化物を含有するフィラーであるクオーツとからなる組成物に、ＺｒＯ２を１〜３０質量％の割合で含有する混合物を成形後、９４０℃〜９８０℃の温度で焼成することを特徴とするガラスセラミック焼結体の製造方法。
【請求項３】
絶縁基板の表面あるいは内部に、メタライズ配線層が配設された配線基板において、前記絶縁基板が、請求項１に記載のガラスセラミック焼結体からなることを特徴とする配線基板。
【請求項４】
前記絶縁基板の表面において、半導体素子が気密に封止され、且つ前記絶縁基板の裏面に、前記半導体素子と電気的に接続された接続端子を具備することを特徴とする請求項３に記載の配線基板。
【請求項５】
請求項１に記載のガラスセラミック焼結体からなる絶縁基板の表面あるいは内部にメタライズ配線層が配設され、前記絶縁基板の表面において半導体素子が気密に封止され、且つ前記絶縁基板の裏面に、前記半導体素子と電気的に接続された接続端子を具備する配線基板を、少なくとも有機樹脂を含む絶縁体の表面に配線導体が被着形成された外部回路基板上に載置し、前記配線基板の接続端子を前記配線導体にロウ材により接合してなることを特徴とする配線基板の実装構造。
【請求項６】
前記接続端子が、ボール状端子からなることを特徴とする請求項５に記載の配線基板の実装構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高熱膨張性を有するガラスセラミック焼結体およびその製造方法と、それを絶縁基板とする半導体素子収納用パッケージなどに使用される配線基板と、その実装構造に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来、配線基板は、絶縁基板の表面あるいは内部にメタライズ配線層が配設された構造からなる。また、この配線基板を用いた代表的な例として、半導体素子、特にＬＳＩ（大規模集積回路素子）等の半導体素子を収容する半導体素子収納用パッケージがある。
【０００３】
この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セラミック絶縁基板の表面に半導体素子を搭載し、また絶縁基板の表面、内部にはＷやＭｏなどの金属から成るメタライズ配線層が形成され、絶縁基板の裏面にはこれらのメタライズ配線層と接続された複数の接続パッドが形成されており、その接続パッドには、外部回路基板と接続するための接続端子が取り付けられている。そして、絶縁基板の表面に搭載された半導体素子は、メタライズ配線層とワイヤなどによって接続された後、蓋体によって気密に封止される。
【０００４】
また、半導体素子収納用パッケージは、絶縁基板下面の接続パッドに接続された接続端子と外部回路基板の配線導体とを半田等により電気的に接続することによって外部回路基板に実装される。
【０００５】
一般に、半導体素子の集積度が高まるほど、半導体素子に形成される電極数も増大するが、これに伴いこれを収納する半導体収納用パッケージにおける端子数も増大することになる。ところが、電極数が増大するに伴いパッケージ自体の寸法を大きくするにも限界があり、より小型化を要求される以上、パッケージにおける端子の密度を高くすることが必要となる。
【０００６】
これまでのパッケージにおける端子の密度を高めるための構造としては、パッケージの下面にコバールなどの金属ピンを接続したピングリッドアレイ（ＰＧＡ）、パッケージの４つの側面のすべてからガルウイング状（Ｌ字状）の金属ピンが導出された構造のクワッドフラットパッケージ（ＱＦＰ）、さらに接続端子を半田からなる球状端子により構成したボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）等があり、これらの中でもＢＧＡが最も高密度化が可能であると言われている。
【０００７】
このボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）は接続端子を接続パッドに半田などのロウ材からなる球状端子をロウ付けした端子により構成し、この球状端子を外部電気回路基板の配線導体上に載置当接させ、しかる後、前記端子を約２５０〜４００℃の温度で加熱溶融し、球状端子を配線導体に接合させることによって外部電気回路基板上に実装することが行われている。このような実装構造により、半導体素子収納用パッケージの内部に収容されている半導体素子はその各電極がメタライズ配線層及び接続端子を介して外部電気回路に電気的に接続される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来のセラミック絶縁基板として使用されているアルミナ、ムライトなどのセラミックスは、２００ＭＰａ以上の高強度を有し、しかもメタライズ配線層などとの多層化技術として信頼性の高いことで有用ではあるが、その線熱膨張係数は約４〜７ｐｐｍ／℃程度であるのに対して、パッケージが実装される外部電気回路基板として最も多用されているガラス−エポキシ絶縁層にＣｕ配線層が形成されたプリント基板の線熱膨張係数は１１〜１８ｐｐｍ／℃と非常に大きい。
【０００９】
そのため、半導体素子収納用パッケージの内部に半導体素子を収容し、しかる後、プリント基板などの外部回路基板に実装した場合、半導体素子の作動時に発する熱が絶縁基板と外部回路基板の両方に繰り返し印加されると絶縁基板と外部回路基板との間の熱膨張差に起因する熱応力が発生し、この熱応力が外部回路基板との接続部に影響し、クラックや端子の剥離などが生じ、パッケージを外部回路基板に長期にわたり安定に電気的接続させることができないものであった。
【００１０】
そこで、本発明者らは、先にＢａＯを主成分とし、ＢａＯを１５〜６０質量％の割合で含有する低軟化点、高熱膨張のガラスを用いて、高熱膨張のフィラーを混合し焼成した高熱膨張のガラスセラミック焼結体を絶縁基板とすることを提案した。
【００１１】
しかしながら、ＢａＯを主成分とする前記ガラスが、Ａｌ２Ｏ３を１〜６質量％と少量含有し、且つＳｉＯ２を２５〜６０質量％と多量含有する場合、所定のフィラーを混合し８００℃〜１１００℃のある特定温度以上で焼成すると、ガラスからクリストバライト結晶が析出し、焼結体の４０℃〜４００℃における線熱膨張係数曲線に変曲点が存在するという欠点があった。
【００１２】
そのため、この焼結体を半導体素子収納用パッケージとしてプリント基板などの外部回路基板に実装した場合、その接続部では半導体素子の作動時に発する熱により絶縁基板と外部回路基板における過剰な寸法変化の差に起因するクラックや端子の剥離などが生じ、さらに、絶縁基板内部ではクリストバライト結晶からなる相転移領域とそれ以外の成分からなる無相転移領域における過剰な寸法変化の差に起因するマイクロクラックが発生するという問題があった。
【００１３】
また、ガラスセラミック焼結体は、一般にガラスとフィラーにより構成されるが、なかでもガラスは有機物をその表面に吸着しやすく、また、成形用の助剤として添加した有機バインダーを熱処理によって分解除去する際に、分解によって発生した有機系のガスが軟化したガラス中に閉じ込められてしまい、その結果、絶縁基板表面近傍や、絶縁基板とメタライズ配線層との間にふくれが発生したり、高温域までその有機物が脱離しにくいために、焼成雰囲気では有機バインダーの残さを迅速に除去することは困難であった。そのため、有機バインダーの残さを完全に除去するために脱バインダー処理および焼成時間が非常に長くなったり、ふくれ等により生産性が著しく低下するという問題もあった。
【００１４】
また、他の手法として、真空脱脂等によって長時間の脱残さ処理を行っても残さを完全に除去することは困難であり、また大気中で焼成した場合と比較するとくすんだ色調になるといった不具合が多発する傾向にあった。
【００１５】
従って、本発明は、ＢａＯ系ガラスを用いた低温焼成基板の４０℃〜４００℃における線熱膨張係数曲線に変曲点が存在せず、且つ高熱膨張を有し、有機樹脂を含有する外部回路基板に対して強固に且つ長期にわたり安定した接続状態を維持でき、さらには有機バインダーの分解除去時の残さに起因するふくれなどの不良のない、高信頼性のガラスセラミック焼結体と、配線基板および半導体素子収納用パッケージを提供することを目的とするものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の問題点に対して検討を重ねた結果、絶縁基板として、ＢａＯを３７〜５５質量％と、Ａｌ２Ｏ３を１〜６質量％と、ＳｉＯ２を２８〜４３質量％含有するガラスと、４０℃〜４００℃における線熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上の金属酸化物を含むフィラーであるクオーツとからなる組成物に、ＺｒＯ２を１〜３０質量％の割合で含有させることで、焼結体の４０℃〜４００℃における線熱膨張係数曲線において変曲点の発生を抑制することができるとともに、ＺｒＯ２量を変化させることで焼結体の線熱膨張係数を適宜調整することができること、さらには、ＺｒＯ２が、ガラスの軟化挙動を緩慢化し、上記ガラスの屈伏点を高める作用をなすことにより、ふくれなどの不良の発生が顕著に低減されることを見いだし、本発明に至った。
【００１７】
即ち、本発明のガラスセラミック焼結体は、ＢａＯを３７〜５５質量％と、Ａｌ２Ｏ３を１〜６質量％と、ＳｉＯ２を２８〜４３質量％含有するガラスと、該ガラス中に含まれているＺｒＯ２と、４０℃〜４００℃における線熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上の金属酸化物を含むフィラーであるクオーツとからなり、前記ＺｒＯ２を１〜３０質量％の割合で含有するとともに、実質的にクリストバライトを含有せず、４０℃〜４００℃における線熱膨張係数が９．３〜１３．８ｐｐｍ／℃であり、且つ４０℃〜４００℃における線熱膨張係数曲線において変曲点が存在しないことを特徴とするものである。
【００１８】
そして、本発明のガラスセラミック焼結体の製造方法は、上記のガラスセラミック焼結体の製造方法であって、ＢａＯを３７〜５５質量％と、Ａｌ２Ｏ３を１〜６質量％と、ＳｉＯ２を２８〜４３質量％含有するガラス成分と、４０℃〜４００℃における線熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上の金属酸化物を含有するフィラー成分であるクオーツとからなる組成物に、ＺｒＯ２を１〜３０質量％の割合で含有する混合物を成形後、９４０℃〜９８０℃の温度で焼成することを特徴とするものである。
【００１９】
また、本発明の配線基板は、絶縁基板の表面あるいは内部に、メタライズ配線層が配設された配線基板において、前記絶縁基板が、上記のガラスセラミック焼結体からなることを特徴とするものであり、かかる配線基板の絶縁基板の表面において、半導体素子が気密に封止され、且つ該絶縁基板の裏面に、前記半導体素子と電気的に接続された接続端子を具備することが望ましい。
【００２０】
また、本発明の配線基板の実装構造は、上記のガラスセラミック焼結体からなる絶縁基板の表面あるいは内部にメタライズ配線層が配設され、前記絶縁基板の表面において半導体素子が気密に封止され、且つ前記絶縁基板の裏面に、前記半導体素子と電気的に接続された接続端子を具備する配線基板を、少なくとも有機樹脂を含む絶縁体の表面に配線導体が被着形成された外部回路基板上に載置し、前記配線基板の接続端子を前記配線導体にロウ材により接合してなることを特徴とするものである。
【００２１】
本発明によれば、絶縁基板としてＢａＯを３７〜５５質量％と、Ａｌ２Ｏ３を１〜６質量％と、ＳｉＯ２を２８〜４３質量％含有するガラスと、該ガラス中に含まれているＺｒＯ２と、４０℃〜４００℃における線熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上の金属酸化物を含むフィラーであるクオーツとからなる焼結体を用いるものであるが、その焼結体中にＺｒＯ２を１〜３０質量％の割合で含有させることにより、焼結体の４０℃〜４００℃における線熱膨張係数曲線において変曲点の発生を抑制することができるとともに、前記ＺｒＯ２量を変化させることにより、線熱膨張係数を９．３〜１３．８ｐｐｍ／℃の範囲で容易に制御することができる。
【００２２】
また、ＢａＯを３７〜５５質量％と、Ａｌ２Ｏ３を１〜６質量％と、ＳｉＯ２を２８〜４３質量％含有するガラスの線熱膨張係数は６〜１０ｐｐｍ／℃程度であるが、かかるガラスにフィラーとして、さらに、４０℃〜４００℃における線熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上の金属酸化物を含むフィラーであるクオーツを添加することにより、焼結体全体の線熱膨張係数を９．３〜１３．８ｐｐｍ／℃の範囲で容易に制御することができる。
【００２３】
このように、ガラス−エポキシ基板などのプリント基板からなる外部回路基板に対して実装される半導体素子収納用パッケージにおける絶縁基板として４０〜４００℃の温度範囲における線熱膨張係数が９．３〜１３．８ｐｐｍ／℃のセラミック焼結体を用いることにより、絶縁基板と外部回路基板との間に両者の線熱膨張係数の差が小さくなり、その結果、絶縁基板と外部回路基板の線熱膨張係数の相違に起因する熱応力によって端子が外部電気回路の配線導体とが接続不良を起こすことがなく、これによっても容器内部に収容する半導体素子と外部電気回路とを長期間にわたり正確に、且つ強固に電気的接続させることが可能となる。
【００２４】
また、パッケージの内部配線として使用されるＣｕの線熱膨張係数１８ｐｐｍ／℃に対しても近似の線熱膨張係数を有するため、メタライズ配線の基板への密着性等の信頼性を高めることができる。
【００２５】
ガラスセラミックスからなる絶縁基板を有する配線基板を作製する場合、ガラスセラミック組成物に対して所定の製品形状に成形するために有機バインダーを添加し、またスラリー化しこれをシート状に成形する場合には、有機溶媒が用いられる。これらの有機バインダーや有機溶媒などの有機質成分は、ガラスの粉砕あるいは混合過程でガラスの表面と強固に結合し、脱溶媒、脱バインダーの過程を経た後もその一部はガラスの表面に付着しており、また、脱バインダーの過程で生じる残さも同様にガラスの表面に付着している。
【００２６】
一般的には、ガラスセラミックスの焼成工程は、バインダーの熱分解過程、バインダーや溶媒に起因する残さの除去過程、無機成分の焼結過程から構成されている。
【００２７】
有機バインダーの熱分解は約４００℃前後で終了し、残さが発生する。無機成分の焼結は、その組成物の構成に依存するが、一般的には６５０℃から７５０℃の温度範囲で焼結が開始し、約１０００℃までに焼結が終了する。
【００２８】
即ち、バインダーの熱分解が終了する４００℃から６５０℃、焼成開始温度が高い場合でも７５０℃までの温度域で残さの除去を行う必要がある。６５０℃あるいは７５０℃以上の温度域で残さが残存すると、焼結体は灰色を呈することになる。また、残さの脱離あるいは酸化により気化する場合には、メタライズ配線層と同時焼成する場合、表面に形成されたメタライズ配線層との界面にふくれが発生してしまう。このようなメタライズ配線層のふくれ現象を避けるためにも７５０℃以下の温度域、望ましくは６５０℃以下の温度域で残さの除去を完全に行うことが必要となる。
【００２９】
しかしながら、残さが完全に除去する前にガラスが軟化挙動を示し、基板の収縮挙動がはじまってしまうとその残さ除去過程を阻害してしまうことになる。
【００３０】
そこで本発明によれば、絶縁基板の有機バインダーや溶媒を含有するグリーンシートにおいて、ＢａＯ含有ガラスの屈伏点を６５０℃〜７５０℃とし、ガラスの軟化挙動を緩慢にすることにより、焼成収縮開始温度を７５０℃以上に上昇させ、成形時に添加された有機樹脂等の成形用バインダー等の残さを効率良く、迅速に除去することができる結果、絶縁基板表面近傍や、絶縁基板とメタライズ配線層との間にふくれの発生を防ぐことができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明のガラスセラミック焼結体の応用例として、配線基板、とりわけ、ＢＧＡ型の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る。このパッケージは、絶縁基板の表面あるいは内部にメタライズ配線層が配設された、いわゆる配線基板を基礎的構造とするものであり、Ａは半導体素子収納用パッケージ、Ｂは外部回路基板をそれぞれ示す。
【００３２】
半導体素子収納用パッケージＡは、絶縁基板１と蓋体２とメタライズ配線層３と接続端子４により構成され、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を形成する。そして、キャビティ６内にて半導体素子５は、ガラス、樹脂等の接着材を介して絶縁基板１に接着固定される。
【００３３】
また、絶縁基板１の表面および内部には、メタライズ配線層３が配設されており、半導体素子５と絶縁基板１の下面に形成された接続端子４と電気的に接続するように配設されている。図１のパッケージによれば、接続端子４は、接続パッド４ａを介して高融点の半田（錫−鉛合金）から成る球状端子４ｂがロウ材により取着されている。
【００３４】
一方、外部回路基板Ｂは、絶縁体７と配線導体８により構成されており、絶縁体７は、少なくとも有機樹脂を含む絶縁材料からなり、具体的には、ガラス−エポキシ系複合材料などのように４０〜４００℃の線熱膨張係数が１２〜１６ｐｐｍ／℃の特性を有し、一般にはプリント基板等が用いられる。また、この基板Ｂの表面に形成される配線導体８は、絶縁体７との線熱膨張係数の整合性と、良電気伝導性の点で、通常、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｂ−Ｓｎなどの金属導体からなる。
【００３５】
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下面の球状端子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、低融点の半田等のロウ材により約２５０℃〜４００℃の温度で半田を溶融させて配線導体と球状端子４ｂとを接合することにより、実装される。この時、配線導体８の表面には球状端子４ｂとのロウ材による接続を容易に行うために予めロウ材が被着形成されていることが望ましい。
（絶縁基板）
本発明によれば、このような外部回路基板Ｂの表面に実装される半導体素子収納用パッケージなどの配線基板における絶縁基板１として、４０℃〜４００℃の温度範囲における線熱膨張係数が９．３〜１３．８ｐｐｍ／℃であり、且つ４０〜４００℃における線熱膨張係数曲線において変曲点が存在しないガラスセラミック焼結体を用いることが重要である。これは、前述した外部回路基板Ｂとの熱膨張差による熱応力の発生を緩和し、且つ両者の過剰な寸法変化の差に起因するクラックや端子の剥離などの発生を抑制し、外部回路基板ＢとパッケージＡとの電気的接続状態を長期にわたり良好な状態に維持するために重要であり、この線熱膨張係数が９．３ｐｐｍ／℃より小さいか、あるいは１３．８ｐｐｍ／℃より大きいと、いずれも熱膨張差に起因する熱応力が大きくなり、外部回路基板ＢとパッケージＡとの電気的接続状態が悪化することを防止することができない。
（ガラスセラミック焼結体）
本発明の絶縁基板を形成するガラスセラミック焼結体は、ガラス成分とフィラー成分との混合物を成形、焼成して作製されたものである。そこで、以下に本発明のガラスセラミック焼結体を製造する方法について説明する。
【００３６】
まず、本発明によれば、ガラス成分として、ＢａＯを３７〜５５質量％と、Ａｌ２Ｏ３を１〜６質量％と、ＳｉＯ２を２８〜４３質量％含有するガラスを用いることが重要である。このＢａＯを主成分とするガラスは低軟化点であり、比較的高い線熱膨張係数を有しているために、ガラス量を少なく、且つ高熱膨張のフィラーを多く添加することが可能であり、高い線熱膨張係数を有する焼結体が容易に得られる。ＢａＯ量とＡｌ２Ｏ３量とＳｉＯ２量を上記の範囲に限定したのは、ＢａＯ量が３７質量％よりも少ない、またはＡｌ２Ｏ３量が６質量％よりも多い、またはＳｉＯ２量が４３質量％よりも多いと、ガラスの低軟化点化が困難となるとともに、線熱膨張係数が低くなり、高熱膨張のガラスセラミック焼結体を作製することが難しく、一方、ＢａＯ量が５５質量％よりも多い、またはＡｌ２Ｏ３量が１質量％よりも少ない、またはＳｉＯ２量が２８質量％よりも少ないとガラス化が困難であり、特性が不安定となりやすく、また耐薬品性が著しく低下するためである。
【００３７】
一方、前記ガラスと組み合わせるフィラー成分としては、４０℃〜４００℃における線熱膨張係数曲線において変曲点が存在しないことは勿論のこと、４０℃〜４００℃における線熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上の金属酸化物であるクオーツを少なくとも含有することが焼結体の高熱膨張化を図る上で重要である。線熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上の金属酸化物であるクオーツを含有しないと、焼結体の線熱膨張係数を９．３ｐｐｍ／℃以上に高めることができないためである。
【００３８】
このような線熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上の金属酸化物としては、クォーツ（ＳｉＯ２）が好適である。
【００３９】
本発明によれば、前記ガラス粉末とフィラー粉末とを、焼成温度や最終的に得られる焼結体の熱膨張特性などの目的に応じて適当な比率で混合する。
【００４０】
本発明において用いられる前記ガラスは、フィラー無添加では収縮開始温度は７５０℃以下で、８５０℃以上では溶融してしまい、メタライズ配線層等を配設することができない。しかし、フィラーを混合することにより焼成過程において結晶の析出が起こり、フィラー成分を液相焼結させるための液相を適切な温度で形成させることができる。また、成形体全体の収縮開始温度を上昇させることができるため、このフィラーの含有量の調整により用いるメタライズの種類によりメタライズ配線層との同時焼成条件のマッチングを図ることができる。
【００４１】
好適には、前記ガラス粉末を５０質量％〜５２．５質量％と、フィラー粉末としてクオーツを１７．５質量％〜４９．０質量％の割合で混合した混合物を成形した成形体を焼成してなる焼結体により構成する。
【００４３】
本発明によれば、上記のフィラー成分およびガラス成分にＺｒＯ２を１〜３０質量％の割合で含有させることが大きな特徴であって、このＺｒＯ２の一部乃至全部が前記ガラス中に溶融し、ガラス成分からのクリストバライト結晶の析出を抑制する結果、４０℃〜４００℃における線熱膨張係数曲線において変曲点の存在しない焼結体を得ることができる。
【００４４】
ＺｒＯ２は、化合物粉末としてフィラー成分中の一成分として混合する。また、他の配合形態としては、ガラス粉末として、ＢａＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２以外の成分としてＺｒＯ２を含有するガラスを用いてもよい。
【００４５】
特に、ＺｒＯ２を、ガラス中に１〜７質量％の割合で含有させることにより、ガラスの屈伏点を６５０℃〜７５０℃に高め、言い換えれば軟化点を高め、ガラスの軟化が急激に進行しないように軟化挙動を緩慢にする作用をなし、これによってテープ成形のために添加された有機樹脂等の成形用有機バインダー等の残さを効率良く迅速に除去することができる。
【００４６】
なお、ＺｒＯ２量を上記の範囲に限定したのは、１質量％よりも少ないと、クリストバライト結晶の析出を抑制する効果が低く、また、ガラスの軟化挙動を緩慢にし成形用有機バインダの残さを除去するという効果が十分でなく、逆に、３０質量％よりも多いと、線熱膨張係数が９．３ｐｐｍ／℃よりも低くなり、焼結性が著しく低下してしまうためである。特に、ＺｒＯ２は１〜５質量％が望ましい。
【００４７】
その他に、着色成分として、酸化クロム、酸化コバルト、酸化マンガン、酸化ニッケル、クロム酸バリウム、シリコンの群から選ばれる少なくとも１種を配合してもよい。
【００４８】
上記のように調合されたガラス粉末とフィラー粉末との混合物に、適当な成形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、ドクターブレード、圧延法、金型プレス等によりシート状に任意の形状に成形後、焼成する。
【００４９】
なお、配線基板を作製する場合には、シート状成形体に対して、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕのうちの１種以上からなる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、このホール内にもメタライズペーストを充填する。そしてこれらのグリーンシートを複数枚積層圧着した後、以下の方法で焼成する。
【００５０】
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、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７５０〜８５０℃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ため、成形体中のガラスの特性、特に屈伏点を前述したように制御することが必要となる。
【００５１】
焼成は、８００℃〜１１００℃の窒素雰囲気中で行われ、これにより相対密度９０％以上まで緻密化される。このときの焼成温度が８００℃より低いと緻密化することができず、１１００℃を越えるとメタライズ配線層との同時焼成が難しくなる。
但し、配線導体としてＣｕを用いる場合には、９４０℃〜９８０℃の非酸化性雰囲気中で行われる。
【００５２】
また、この時の焼成温度が高いほどクリストバライトが生成しやすくなるために、ガラス量、ＺｒＯ2の含有量に応じて緻密化を阻害しない範囲でできる限り低温で焼成することが望ましい。
【００５３】
このようにして作製されたガラスセラミック焼結体中には、ＢａＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＺｒＯ2を含有したガラス相と、フィラー相、あるいは、ガラスとフィラーとの反応により生成した結晶相やフィラー成分が分解して生成した結晶相等が存在する場合もある。析出する結晶相としては、実質的にクリストバライトが検出されず、言い換えれば、通常のＸ線回折測定で検出されることがなく、４０℃〜４００℃における線熱膨張係数曲線において変曲点が存在しないことは勿論のこと、焼結体全体の線熱膨張係数を高める上で、少なくとも前記４０℃〜４００℃における温度領域における線熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上の酸化物の結晶相が析出することが望ましい。このような結晶相としては、前述したような４０〜４００℃における線熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上の酸化物の結晶相が挙げられる。
【００５４】
また、本発明のガラスセラミック焼結体は、上記のように、４０℃〜４００℃における線熱膨張係数が９．３〜１３．８ｐｐｍ／℃の高熱膨張特性を有することから、かかる焼結体をパッケージなどの配線基板の絶縁基板として用いた場合、有機樹脂を含有する絶縁材料を有するプリント基板などの外部回路基板に対して、配線基板を接続端子を介して実装した場合においても、熱膨張特性を近似させることができることから長期信頼性にわたり安定した実装状態を維持することができる。
【００５５】
【実施例】
ＢａＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2を含有するガラスとして表１に示すガラス粉末を準備した。なお、表中の線熱膨張係数は、４０〜４００℃における線熱膨張係数を示す。
【００５６】
【表１】
0004497627.tif 000002
【００５７】
実施例１
このガラスに対して表２〜４に示すようにフィラー成分として、平均粒径が５μｍのクオーツ粉末と、平均粒径が１μｍのクオーツ粉末とを重量比で８：２の比率で混合したもの（ＳｉＯ２、線熱膨張係数１５ｐｐｍ／℃）、変曲点抑制剤としてＢＥＴ比表面積が０．０１８０ｍ２／ｇのＺｒＯ２粉末を用いて表２〜４に示す調合組成になるように秤量混合した。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十分に混合した後、ドクターブレード法によりテープ化し、積層した後、所望の形状の成形体を作製し、この成形体を７００℃のＮ２＋Ｈ２Ｏ中で脱バインダー処理した後、窒素雰囲気中で表２〜４の温度で焼成してガラスセラミック焼結体を作製した。
【００５８】
上記のようにして得られた焼結体に対して、Ｃｕターゲットを用いてＸ線回折を行い、結晶相の同定を行なった。
【００５９】
次に、上記のようにして得られた焼結体に対して４０〜４００℃の線熱膨張係数を測定し表２〜４に示した。また、クリストバライト結晶の析出に起因して発生する前記温度領域の線熱膨張係数曲線における変曲点の有無は１５０〜２５０℃の線熱膨張係数が２５０〜３５０℃の線熱膨張係数以上であるものを有、それ未満であるものを無と判定した。そして、各基板について、ザイグロ液からなる探傷液を用いて絶縁基板のマイクロクラックの有無を確認した。
【００６０】
さらに、上記ガラスセラミック焼結体を絶縁基板とし、メタライズ配線層を銅メタライズ層によって同時焼成して形成して、図１に示すようなＢＧＡ型半導体素子収納用パッケージを作製した。そして、ガラスエポキシ系複合材料を絶縁基板とする外部回路基板の表面に形成された銅からなる配線導体に、半田を用いて実装した。その後、この実装したものを−４０〜１２５℃の熱サイクル試験を行い、１００サイクル毎のパッケージのメタライズ配線層と外部回路基板の配線導体間の抵抗を測定し、抵抗に変化が生じた時の熱サイクル数を表２〜４に示した。
【００６１】
【表２】
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【００６２】
【表３】
0004497627.tif 000004
【００６３】
【表４】
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【００６４】
表２〜表４より明らかなように、Ｚｒ化合物の添加量が無添加の場合、ガラス▲１▼、▲２▼、▲３▼を用いた試料Ｎｏ．１〜５、２０〜２３、３７〜４０ではいずれもクリストバライトが析出し変曲点の存在、並びにマイクロクラックの発生が認められた。
【００６５】
これに対してＺｒ化合物の添加量の増加に伴ってクリストバライトの析出が抑制されるが、Ｚｒ量が１質量％よりも少ない試料Ｎｏ．２４、２５、Ｚｒ量が１〜３０質量％であっても焼成温度が比較的高い試料Ｎｏ．６、７、９、１２では、クリストバライトが析出しており変曲点の存在、並びにマイクロクラックの発生が認められた。
【００６６】
また、Ｚｒ量が３０重量％を超える試料Ｎｏ．１９、３６、４８では、いずれも焼結体の線熱膨張係数が８．５ｐｐｍ／℃よりも低く熱サイクル試験において、本発明品よりも劣るものであった。
【００６７】
また、ＺｒＯ２の添加量を１〜３０質量％の範囲内で変更することにより、焼結体の線熱膨張係数を調整することが可能であった。また、焼成温度を低温で焼成することによってクリストバライトの生成を抑制することができ、変曲点が観察されず、またマイクロクラックの発生も認められなかった。
【００６８】
また、フィラーとしてのＺｒＯ2に代えて、ガラス中にＺｒＯ2を含有するガラス▲４▼を用いた試料Ｎｏ．４９〜５１においても、変曲点抑制の効果が認められた。この結果から、ＺｒＯ2は、フイラーまたはガラスにあらかじめ含有させても変曲点の抑制に効果があることがわかる。
【００６９】
さらに、ガラスとしてＢａＯ量が３７質量％よりも少ないガラス（５）を用いた試料Ｎｏ．５２〜５５では、得られた焼結体の線熱膨張係数が７．５ｐｐｍ／℃よりも低く、熱サイクル試験において、十分な特性が得られなかった。
【００７７】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の配線基板によれば、ＢａＯ系ガラスと４０℃〜４００℃における線熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上の金属酸化物であるクオーツとからなるガラスセラミック焼結体中に、ＺｒＯ２を所定の割合で含有させることにより、線熱膨張係数曲線における変曲点の発生やマイクロクラックの発生を抑制することができるとともに、ＺｒＯ２量を変化させることにより、前記温度領域における線熱膨張係数を９．３〜１３．８ｐｐｍ／℃の範囲で容易に制御することができ、また脱バインダ時の残さに起因するふくれなどの不良を解消し、かかる焼結体を絶縁基板とする半導体素子収納用パッケージなどの配線基板をガラス−エポキシ基板などのプリント基板からなる外部回路基板に対して実装した場合、配線基板と外部回路基板との接続信頼性を高め、長期間にわたり正確に、且つ強固に電気的接続させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体素子収納用パッケージの実装構造を説明するための概略断面図である。
【符号の説明】
Ａ  半導体素子収納用パッケージ
Ｂ  外部回路基板
１  絶縁基板
２  蓋体
３  メタライズ配線層
４  接続端子
５  半導体素子
６  キャビティ
７  絶縁体
８  配線導体
【図１】
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