(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）入出力パッドが置かれる表面を有するセラミック・グリーン・シートを設けるステップと、
（ｂ）前記セラミック・グリーン・シートの前記入出力パッドが置かれる場所に対応する区域に、第１のスクリーン印刷材料をスクリーン印刷するステップと、
（ｃ）前記セラミック・グリーン・シートの前記入出力パッドが置かれる場所に対応する区域に、前記入出力パッドの下の局部応力分布および幾何形状を修正するように、印刷パターンとして形成された前記第１のスクリーン印刷材料を前記セラミック・グリーン・シートの中に埋め込むステップと、
（ｄ）前記セラミック・グリーン・シートの前記第１のスクリーン印刷材料が埋め込まれた場所に、第２のスクリーン印刷材料をスクリーン印刷するステップと、
（ｅ）前記第１のスクリーン印刷材料が埋め込まれた部分上に、前記第２のスクリーン印刷材料からなる前記入出力パッドを形成するステップと、
（ｆ）前記セラミック・グリーン・シート、印刷パターンとして形成された前記第１のスクリーン印刷材料および第２のスクリーン印刷材料からなる入出力パッドを熱処理して、前記入出力パッド、パターン及びセラミック・グリーン・シートの間に結合を形成するステップと
を含む、多層セラミック・ボードを製造する方法。
【請求項２】
前記パターンが、正方形、長方形、角錐、逆円錐、点、穴、半円、円、および溝からなる群から選択した三次元形状のアレイである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
印刷パターンとして形成された前記第１のスクリーン印刷材料が、前記セラミック・グリーン・シート表面から少なくとも２５μｍの深さにまで達する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
（ａ）入出力パッドが置かれる表面を有する第１のセラミック・グリーン・シートを設けるステップと、
（ｂ）前記入出力パッドの下の局部応力分布および幾何形状を修正するように、前記入出力パッドが置かれる場所に対応する各区域に、前もって形状パターンを打ち抜いた表面を有する第２のセラミック・グリーン・シートを設けるステップと、
（ｃ）前記第２のセラミック・グリーン・シートを第１のセラミック・グリーン・シート上面に積層するステップと、
（ｄ）第２のセラミック・グリーン・シート上面の、前記パターンが打ち抜かれた場所に、材料をスクリーン印刷するステップと、
（ｅ）前記第２のセラミック・グリーン・シートのパターン形成された部分上に前記入出力パッドをスクリーン印刷するステップと、
（ｆ）前記第１および第２のセラミック・グリーン・シート、スクリーン印刷材料、ならびに入出力パッドを熱処理して、前記入出力パッド、第１および第２のセラミック・グリーン・シート、およびスクリーン印刷材料の間に結合を形成するステップと
を含む、多層セラミック・ボードを製造する方法。
【請求項５】
前記第２のセラミック・グリーン・シートの厚みが、２００μｍ未満である、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記形状パターンが、一連の溝、半円、または穴である、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
第２のスクリーン印刷材料が、前記入出力パッドのスクリーン印刷に使用される、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
（ａ）入出力パッドが置かれる表面を有するセラミック・グリーン・シートと、
（ｂ）前記入出力パッドの下の局部応力分布および幾何形状を修正するように、前記表面の、前記入出力パッドが置かれる前記セラミック・グリーン・シート上の区域に対応する印刷パターンとして形成された第１のスクリーン印刷材料が埋め込まれた部分と、
（ｃ）前記第１のスクリーン印刷材料が埋め込まれた部分上に第２のスクリーン印刷材料でスクリーン印刷した前記セラミック・グリーン・シートの表面から内部に向かって伸びている入出力パッドと
を備える、多層セラミック・ボード。
【請求項９】
前記パターンの深さが、前記セラミック・グリーン・シートの表面から少なくとも２５μｍの深さにまで達する、請求項８に記載のボード。
【請求項１０】
前記パターンがリングの形状である、請求項８に記載のボード。
【請求項１１】
（ａ）入出力パッドが置かれる表面を有する第１のセラミック・グリーン・シートと、
（ｂ）前記入出力パッドの下の局部応力分布および幾何形状を修正するように、前記表面の、前記入出力パッドが置かれる前記第１のセラミック・グリーン・シート上の区域に対応するパターンが打ち抜かれた表面を有する第２のセラミック・グリーン・シートが積層された部分と、
（ｃ）前記パターンが打ち抜かれた表面を有する第２のセラミック・グリーン・シートが積層された表面の部分上にスクリーン印刷材料でスクリーン印刷した前記第１のセラミック・グリーン・シートの表面から内部に向かって伸びている入出力パッドと
を備える、多層セラミック・ボード。
【請求項１２】
前記第２のセラミック・グリーン・シート上の前記パターンが、第１のスクリーン印刷材料によりスクリーン印刷され、前記入出力パッドが、第２のスクリーン印刷材料によりスクリーン印刷される、請求項１１に記載のボード。
【請求項１３】
前記第２のセラミック・グリーン・シートの厚みが０．２ｍｍ未満である、請求項１１に記載のボード。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多層セラミック（「ＭＬＣ」）基板などの、セラミック基板の製造に関するものであり、特に構造的故障に対する耐性が改善された入出力パッドの表面メタラジを有するＭＬＣ基板の製法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
集積回路パッケージングの性能を高めることに対する要求の高まりを満たすために、入出力（「Ｉ／Ｏ」）パッド構造の密度を高めたＭＬＣ基板が開発されている。しかし、必要とする入出力パッド構造を構築する新しい材料の使用とともに、焼結後のセラミック基板の加工の変化によって、金属とセラミックとの境界面に、入出力パッドのセラミック破壊（「ＣＴＯ」）などの、基板の機械的故障の発生が増大している。
【０００３】
一般に、弱い入出力パッド構造とは、入出力パッドの強度試験中に弱い引っ張り力を入出力パッドに与えた場合に破壊するようなものをいう。「弱い力」による構造的故障と呼ばれる特定の場合は、ピンの引き抜き試験で、約４．５ｋｇ（１０ポンド）未満の引っ張り力を与えたときの故障と理解されている。たとえば２１ポンド・ピン（21-pound pin）を使用した代表的なアルミナＭＬＣパッケージでは、入出力パッドは、ピンの引き抜き試験で約９．５ｋｇ（２１ポンド）の力を入出力ピンに与えた場合に、構造的破損を生じることなく耐えることが期待される。約９．５ｋｇ（２１ポンド）を超える力を入出力ピンに与えた場合は、入出力ピンにシャンク故障が生じることが予想される。この例では、弱い入出力パッドとは、約９．５ｋｇ（２１ポンド）未満の力を入出力ピンに与えた場合に、構造的に破壊するようなものをいう。
【０００４】
入出力パッド構造の弱い力による故障の原因となる機構の一部は解明されており、これらにはピン・シャンク故障またはソルダ・ボール故障、セラミック破壊、金属とセラミックとの境界面における平面故障、およびろう付け故障が含まれる。高強度ＣＴＯの場合、入出力ピンはセラミック構造の大きな破片を同時に引き抜き、その破片の直径は通常、入出力パッドの直径の３分の１を超える。２１ポンド・ピンを使用したアルミナ基板では、この種の故障は通常約４．５ｋｇ（１０ポンド）を超えるピン引き抜き力によって生じ、入出力パッド周囲の近傍にあるろう付け材料の体積に直接依存する。入出力パッド周囲の近傍にあるろう付け材料の量が少ないほど、入出力パッド中のピンの位置が中央に近くなり、入出力パッドの中心近くにあるろう付け材料の量を最適化することにより、通常この種の故障が最少になる。この種の問題を減少させるため、セラミックのブレーズ・ダム（braze dam）を使用することがある。強度の弱いＣＴＯピン引き抜き故障の場合、入出力ピンはセラミックの小さい破片、通常入出力パッドの寸法の３分の１より小さい破片を引き抜く。２１ポンド・ピンを使用したアルミナ基板上では、強度の弱いＣＴＯピン引き抜き故障は通常、約４．５ｋｇ（１０ポンド）未満のピン引き抜き力によって生じる。極端な場合、故障はほとんどの破壊線が金属とセラミックとの境界面に沿って走っている場合に生じ、セラミックは少量しか、または全く入出力ピンとともに引き抜かれない。この場合は、平面または境界面故障としても分類されるが、生じる頻度が少ない。２１ポンド・ピンを使用したアルミナ基板上では、平面故障は約２．３ｋｇ（５ポンド）未満のピン引き抜き力によって容易に生じる。
【０００５】
これらの故障の原因となる機構は一般に認識されているが、未知の理由によりかなりの弱い力による故障がアルミナＭＬＣに生じている。これらの金属とセラミックとの境界面における小さい力による故障を減少させる方法には、入出力パッドの縁部でのブレーズ・ピン構造により生じる応力を減少させるため、焼結後の入出力パッド上に置かれたセラミックのブレーズ・ダムを使用することが含まれている。しかし、セラミックのダムは、入出力パッドの中央における入出力ピンの故障の問題は解決しない。
【０００６】
セラミック材料の強度を制御するため、セラミックのグリーン・シートの組成と製法を変化させることも知られている。米国特許第５０４５４０２号明細書には、ジルコニアの粒子を使用して、じん性の強いガラス・セラミックを製造する方法が開示されている。この方法によれば、基板上の増大した応力に耐えるグリーン・シートを製造することができるが、入出力パッドの下の金属とセラミックとの境界面の結合力は改善しない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の方法による問題と欠陥を考慮して、本発明の目的は、ＭＬＣ基板の入出力パッドの下の、金属とセラミックとの境界面の弱い力による故障の発生を減少させる方法および構造を提供することにある。
【０００８】
本発明の他の目的は、ＭＬＣ基板上の入出力パッドのピン引き抜き強度を増大させる方法および構造を提供することにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、ＭＬＣ基板上の入出力パッドの上に、セラミックのブレーズ・ダムを設ける必要をなくす方法および構造を提供することにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、セラミックの破壊頻度の分布を変更し、低強度のＣＴＯの頻度を減少させるための、ＭＬＣの金属とセラミックのトポロジを変更することにある。
【００１１】
本発明の他の目的は、ＭＬＣ基板に約４．５ｋｇ（１０ポンド）未満の力を与えることによるピン引き抜き試験での不合格の発生を減少させることにある。
【００１２】
本発明のさらに他の目的および利点は、一部は自明であり、一部は本明細書から明らかとなるであろう。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記および他の目的および利点は、当業者には明らかとなるであろうが、本発明の第１の態様では、
（ａ）入出力パッドが置かれる表面を有するグリーン・シートを設けるステップと、
（ｂ）入出力パッドが置かれる場所に対応する区域の、表面の部分を粗面化するステップと、
（ｃ）表面の粗面化した部分の上に入出力パッドをスクリーン付着するステップと、
（ｄ）グリーン・シートおよび入出力パッドを熱処理して、パッドと表面との間に結合を形成するステップとを含む、
金属とセラミックとの境界面における耐性を増大させた多層セラミック・ボードを製造する方法によって達成される。
【００１４】
好ましい一実施形態では、表面の粗面化した部分が、グリーン・シートの表面から少なくとも約２５μｍ（１ミル）の深さにまで達する。
【００１５】
表面を粗面化するために、グリーン・シートの注型にシリコーンをコーティングした紙または繊維質のバッキング・シートを使用したり、グリーン・シートをラミネータに通したりしてもよい。
【００１６】
他の好ましい実施形態では、グリーン・シートの粗面化した表面は、粗面化したフィーチャが注型されるテンプレートを設け、粗面化したフィーチャをグリーン・シート上にエンボスすることにより形成する。
【００１７】
好ましい一実施形態では、粗面化した表面は、グリーン・シートの入出力パッドが置かれる区域に、同心円のリングを付着させ、または代替方法として、グリーン・シートの粗面化した表面上に入出力パッドをスクリーン印刷してから、同心円のリングを入出力パッドの上に付着させることにより形成する。
【００１８】
好ましい一実施形態では、リングの形状が、入出力パッドの形状に対応する。
【００１９】
他の態様では、粗面化した表面は、グリーン・シートの入出力パッドが置かれる区域に、穴を設けることにより形成される。好ましい実施形態では、穴の深さと寸法のアスペクト比が２未満である。グリーン・シートの穴は、
（ｉ）アルミナの粒子が表面から突出するテンプレートを設け、
（ｉｉ）グリーン・シートをテンプレートの表面に接触させ、
（ｉｉｉ）テンプレートに圧力を与えて、グリーン・シートの入出力パッドが置かれる場所に対応する区域に穴を設けることにより形成することができる。
【００２０】
テンプレート上のアルミナ粒子の平均寸法は、２０〜１００μｍの範囲であることが好ましい。
【００２１】
さらに他の実施形態では、グリーン・シートの粗面化した表面は、グリーン・シートの入出力パッドが置かれる区域に、パターン形成した表面をインプリントすることにより形成する。グリーン・シートの上にインプリントするパターンは、正方形、長方形、角錐、逆円錐、点、穴、半円、円、溝などの三次元形状のアレイであることが好ましい。
【００２２】
さらに他の態様では、本発明は
（ａ）入出力パッドが置かれる表面を有するグリーン・シートを設けるステップと、
（ｂ）グリーン・シートの入出力パッドが置かれる場所に対応する区域に、第１のスクリーン印刷材料をスクリーン印刷するステップと、
（ｃ）グリーン・シートの入出力パッドが置かれる場所に対応する区域に、パターンをライン埋め込みするステップと、
（ｄ）グリーン・シートのパターンが埋め込まれた場所に、第２のスクリーン印刷材料をスクリーン印刷するステップと、
（ｅ）グリーン・シートの表面のパターン形成された部分上とスクリーン印刷材料中に入出力パッドを置くステップと、
（ｆ）グリーン・シート、第１および第２のスクリーン印刷材料、ならびに入出力パッドを熱処理して、入出力パッドとスクリーン印刷材料表面との間に結合を形成するステップとを含む、セラミックと金属との境界面における構造的故障に対する耐性を増大させた多層セラミック・ボードを製造する方法を提供する。
【００２３】
好ましい実施形態では、第１のスクリーン印刷材料と第２のスクリーン印刷材料が同一であっても、同一の材料であって、濃度が異なるものでもよい。選択されたパターンは、正方形、長方形、角錐、逆円錐、点、穴、半円、円、溝などの三次元形状のアレイであることが好ましい。好ましくは、パターンはグリーン・シート表面から少なくとも約２５μｍ（１ミル）の深さにまで達する。
【００２４】
さらに他の態様では、本発明は、
（ａ）入出力パッドが置かれる表面を有する第１のグリーン・シートを設けるステップと、
（ｂ）入出力パッドが置かれる場所に対応する区域に、前もってパターンを打ち抜いた表面を有する第２のグリーン・シートを設けるステップと、
（ｃ）第２のグリーン・シートを第１のグリーン・シート上面に積層するステップと、
（ｄ）第２のグリーン・シート上面の、パターンが打ち抜かれた場所に、材料をスクリーン印刷するステップと、
（ｅ）第２のグリーン・シートのパターン形成された部分上とスクリーン印刷材料中に、入出力パッドをスクリーン印刷するステップと、
（ｆ）第１および第２のグリーン・シート、スクリーン印刷材料、ならびに入出力パッドを熱処理して、入出力パッド、第１および第２のグリーン・シート、およびスクリーン印刷材料の間に結合を形成するステップとを含む、
金属とセラミックの境界面における構造的故障に対する耐性を増大させた多層セラミック・ボードを製造する方法を提供する。
【００２５】
好ましい実施形態では、第２のグリーン・シートの厚みが、約７６μｍ（３ミル）未満であり、形状パターンが、一連の溝、半円、または穴である。
【００２６】
他の好ましい実施形態では、第２のスクリーン印刷材料が、ステップ（ｅ）で入出力パッドのスクリーン印刷に使用される。
【００２７】
さらに他の態様では、
（ａ）入出力パッドが置かれる表面を有するグリーン・シートと、
（ｂ）表面の、入出力パッドが置かれるグリーン・シート上の区域に対応する粗面化した部分と、
（ｃ）表面の粗面化した部分上にスクリーン印刷材料でスクリーン印刷した入出力パッドとを備える、
セラミックと金属の各境界面における強度が強化された、前焼結状態の多層セラミック・ボードを提供する。
【００２８】
好ましい一実施形態では、（ｂ）のグリーン・シートの粗面化した部分を形成するため、パターン形成した表面が、グリーン・シート上にインプリントされる。パターンは、正方形、長方形、角錐、逆円錐、点、穴、半円、円、溝などの三次元形状のアレイであることが好ましい。パターンは、グリーン・シートの表面から少なくとも各パターン形状の、平均径の２倍の深さにまで達することが必要である。
【００２９】
他の好ましい実施形態では、（ｂ）のグリーン・シート表面の粗面化した部分が、
（ｉ）各入出力パッドが置かれる場所に対応する区域に埋め込まれたパターン・ラインと、
（ｉｉ）グリーン・シートのスクリーン印刷材料と異なり、グリーン・シート上の各入出力パッドが置かれる場所に対応する区域にスクリーン印刷される第２のスクリーン印刷材料とを含む。
【００３０】
（ｉ）のパターンの深さが、グリーン・シートの表面から少なくとも約２５μｍ（１ミル）の深さにまで達し、パターンはリングの形状であることが好ましい。
【００３１】
本発明の他の実施形態では、（ｂ）の表面の粗面化した部分が、第１のグリーン・シート上に積層された第２のグリーン・シートを備え、第２のグリーン・シートは、前もって入出力パッドが置かれる場所に対応する各区域にパターンが打ち抜かれた表面を有する。第２のグリーン・シート上のパターンが、あるスクリーン印刷材料によりスクリーン印刷され、入出力パッドが、別のスクリーン印刷材料によりスクリーン印刷されることが好ましい。第２のグリーン・シートの厚みは、約０．２ｍｍ（８ミル）未満であることが好ましい。
【００３２】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施形態について説明するに際し、図１ないし図１４を参照するが、図中同様の番号は本発明の同様のフィーチャを示している。本発明のフィーチャは、図では必ずしも正しい縮尺とはなっていない。
【００３３】
本発明は、入出力パッド構造の下にある金属とセラミックの境界面の、弱い力による構造的故障の発生を少なくし、ＭＬＣ上にある入出力パッドの、ピンの引っ張り強度を高くする方法および装置に関するものである。
【００３４】
ＭＬＣ基板の製法は複雑で、使用するセラミックとメタラジの種類に依存するところが大きいが、処理ステップの多くはすべての種類のＭＬＣセラミックに共通である。本明細書では、本発明を説明する目的で、ピンをろう付けした入出力パッドを有するアルミナＭＬＣ基板を使用する。アルミナＭＬＣについて説明する方法および構造は他の種類のセラミック、入出力パッドのメタラジ、およびソルダ・ボール、キャスト・カラム、およびワイヤ結合などの入出力相互接続方法にも適用が可能である。また、本明細書では、本発明を説明するため、単一の入出力パッドのみを使用しているが、示した方法および構造は同一のグリーン・シートまたは焼結セラミック基板中の他の入出力パッドにも適用することができる。
【００３５】
図１は、従来の技術による焼結後のセラミック基板２２を示す。入出力ピン１０は、ろう付け材料１２を使用して、焼結後のセラミック基板２２の、入出力パッドのメタラジ１４に取り付けられている。焼結後の入出力パッド１４は、焼結したセラミック基板２２の上面より下に、金属とセラミックとの境界面２４まで伸びている。図２、図３、図４のそれぞれに、代表的な入出力パッドとＭＬＣとの境界面の、故障の機構を示す。各図に示すように、金属とセラミックとの境界面の故障は、それぞれ破壊線１６、１７または２０に沿って生じる。上面１８と、金属とセラミックとの境界面２４の交点で示す破壊始点１１は、本明細書では説明の目的のみで示したものである。破壊始点１１は、セラミック基板２２、入出力パッド１４、およびろう付け材料１２中にも見られる。
【００３６】
図２では、破壊線１６は高強度のＣＴＯピン抜け故障を示す。破壊線は入出力パッドの下、金属とセラミックの境界面２４の十分下にまで伸び、入出力ピン１０とともにセラミック基板２２の大きい部分が引き抜かれる。
【００３７】
図３では、破壊線２０は低強度のＣＴＯを示す。破壊線２０の一部は、金属とセラミックとの境界面２４に沿って、また境界面２４を通って伸び、セラミック基板２２のより小さい部分が入出力ピン１０とともに引き抜かれる。
【００３８】
図４では、平坦すなわち境界面故障を示し、破壊線１７の大部分が入出力パッド１４の大部分について金属とセラミックの境界面２４に沿って走った後、入出力パッド１４の角とろう付け材料１２を通り抜け、構造の表面に達する。セラミック基板２２は入出力ピン１０とともに、わずかしか、または全く引き抜かれない。
【００３９】
実験データは、低強度ＣＴＯおよび平坦故障が、ピンの中心度が良好で、ろう付け材料の体積がステップの仕様以内であっても起こりうることを示す。
【００４０】
図２、図３、図４に示す入出力パッド故障の機構の区別をさらに説明するために、代表的な２１ポンド・ピンの代わりに、３１ポンド・ピンを使用して基板を製作した。ピンの強度を増大させたことにより、大量の非シャンク故障が発生したので、３つの故障機構、すなわち約１４ｋｇ（３１ポンド）におけるシャンク故障、ＣＴＯ故障、および平坦故障を含むこの状況のための統計モデルを使用して分析した。図５は、７５００本を超えるピンからの試験データを含む分析結果を示す。２５０を超える故障はＣＴＯであり、２０を超える故障は平坦である。データの分析は、平均ＣＴＯ故障は約２５ｋｇ（５６ポンド）で、金属とセラミックの境界面の平均故障は約５９ｋｇ（１３０ポンド）で生じることが期待されることを示す。使用した入出力ピンの強度は約１４ｋｇ（３１ポンド）で、標準偏差がわずか約０．５ｋｇ（１ポンド）であるから、実験でいくらかのＣＴＯおよび平坦故障が観察された理由は、ＣＴＯおよび平坦の両方の故障機構に対するデータのばらつきが大きいためで、いずれの場合も平均ピン引き抜き強度は約４．５ｋｇ（１０ポンド）の限度を上回る３つの標準偏差だけである。
【００４１】
図５に示すデータをさらに分析すると、２１ポンド・ピンを用いて製作したＭＬＣ基板から、期待した母集団の分布が得られることがわかる。この場合、シャンク故障の分布は原点の方向に移動する。期待される新しいシャンク故障分布は約９．５ｋｇ±約０．５ｋｇ（２１ポンド±１ポンド）である。平均シャンク故障の減少は、他の２種類の故障発生も有意に減少させるが、与えられた材料セットに与えられた分布、入出力パッドの幾何形状、入出力パッドの局部的応力分布、および金属とセラミックに固有の結合力は変化しない。
【００４２】
平均ＣＴＯの位置を現在の約２５ｋｇ（５６ポンド）の位置から変化させるには、新しいセラミック材料が必要であるが、この変化は現在の標準偏差である約８ｋｇ（１７ポンド）に影響を与えない。与えられたセラミック材料セット、ピンの設計、および入出力パッドの直径に対して、ＣＴＯ故障の広がり、すなわち標準偏差を減少させるための唯一のパラメータは、入出力パッド下の局部応力分布を修正すること、および破壊経路の障害物となる金属とセラミックの境界面の幾何形状を修正することの両方またはいずれか一方である。
【００４３】
低強度ＣＴＯおよび平坦故障は、通常金属とセラミックとの境界面の結合での故障が関係する。これらの種類の故障発生が少ないことは、図５で金属とセラミックとの境界面が約５９ｋｇ（１３０ポンド）の高い平均強度によって直接説明される。ここで測定された約１８ｋｇ（３９ポンド）という大きい標準偏差は、予想される入出力パッド構造へのどのような処理および材料の変動にも非常に影響されやすい故障機構を示す。平均平坦故障強度を変化させるには、金属とセラミックの境界面で見られる材料の直接変更、および既存の金属とセラミックの化学的結合を変化させることができる処理の変更の両方またはいずれか一方を必要とするが、これらの変更は標準偏差を変化させることは期待されない。また、金属とセラミックの境界面における全体強度は、境界面の面積を増大することにより増大させることができる。平坦強度の変動性を減少させるには、入出力パッドの下の局部応力分布を正しく修正し、金属とセラミックの境界面のトポロジを変化させることが必要である。
【００４４】
好ましい実施形態では、厚みが１００〜３００μｍのセラミックの薄いグリーン・テープを、セラミックの粒子を有機マトリクスに分散させたスラリーから注型する。このテープからグリーン・シートを切断し、打ち抜いた後、適当な金属ペーストでスクリーン印刷して、所定の金属パターンを得る。入出力パッドは通常この処理ステップ中にスクリーン印刷する。次にスクリーン印刷したグリーン・シートを重ね、積層してグリーン積層品を形成する。次に必要があればグリーン積層品の寸法を合わせた後、適当な焼結炉で焼結する。焼結ステップにより、有機物をすべて除去し、固相をすべて緻密にして、セラミック・マトリクス中に導電性金属相を含むモノリシックなセラミック基板を製造する。場合によっては、製造ステップのこの段階で入出力パッドを基板に追加する。焼結後、基板表面のメタラジに、必要に応じてニッケルと金の薄い層をメッキして、ろう付けに適した表面を得る。この時点で、シリコン・チップと入出力相互接続構造をセラミック基板に取り付けるが、ほとんどの場合これらは別の処理ステップを使用して行う。
【００４５】
図６は、積層品の焼結前の状態を示す。入出力パッド５４をスクリーン印刷するグリーン・シート５０の表面領域を粗面化し、グリーン・シート５０と入出力パッド５４との接触表面積を大きくし、これにより金属とセラミックの境界面との機械的インターロックを増大し、セラミックのグリーン・シート５０と入出力パッド５４のメタラジとの結合点の数を増加させる。焼結後、ろう付け材料１２を用いて入出力ピン１０をセラミック基板２２の焼結後の入出力パッド１４に結合する。
【００４６】
従来の技術では、図６および図７に示すように、金属とセラミックの境界面６４の粗面は、スクリーン印刷した焼結前の入出力パッド５４とグリーン・シート５０との間の、焼結前の金属とセラミックの境界面６４で、グリーン・シート５０の表面から１μｍ未満、典型的なもので約０．３μｍまで延びている。図７は図６の金属とセラミックの境界面６４の、部分拡大図である。本発明ではグリーン・シート５０を注型する際に、シリコーンでコーティングした紙、または繊維質のバッキング・シートを使って各金属とセラミックの境界面６４におけるグリーン・シート５０の表面の粗さを人工的に増大させ、入出力パッド５４をスクリーン印刷する区域に、制御され、均一に粗面にされたグリーン・シート５０の表面を形成することができる。均一な表面粗さは、連続ロールを作動させることによりグリーン・シート５０上に、またラミネータのロールを通過させることによりカット・シートの上に形成することもできる。表面粗さのフィーチャはラミネータのロールに付けておくことができる。代替方法として、グリーン・シート５０上の制御した表面粗さは、グリーン・シート５０上にフィーチャをエンボスするテンプレートを使用して形成することもできる。テンプレートの表面には粗さのフィーチャが付けてあり、単純な積層によりパターンがグリーン・シート５０にエンボスされる。
【００４７】
制御された粗面のフィーチャは、グリーン・シート５０に制御された深さの穴を形成することによっても形成することができる。好ましい深さと寸法のアスペクト比は２未満で、穴の数はグリーン・シート５０の機械的完全性を損なわない程度に多くすべきである。制御された深さの穴は、尖った小さい物をグリーン・シート５０の表面に押しつけることにより形成することができる。たとえば、テンプレートは平均寸法が２０〜１００μｍの範囲のアルミナ粒子を選択的にフレーム溶射することにより製作することができる。次にこのテンプレートを所定の圧力でグリーン・シート５０に押しつけ、後のステップで入出力パッド５４をスクリーン印刷する区域のグリーン・シートの表面に穴をあける。穴は、機械的打ち抜き、集団穿孔などの従来の打ち抜き技術、または化学的もしくは光学的パターン形成もしくは処理技術のいずれかまたは両方を用いて、規則的およびランダムなパターンで形成することもできる。
【００４８】
代替方法として、パターン形成した表面のレリーフを、グリーン・シート５０に選択的にインプリントして、入出力パッド５４をスクリーン印刷するグリーン・シートの表面に平坦ではない領域を形成し、入出力パッド５４下の金属とセラミック相との機械的インターロックを増大させる。代表的な表面パターンの例を図８、図９、図１０に示すが、グリーン・シート５０のセラミック面は、エンボス、機械加工、エッチング、溶剤、レーザ、電子線、紫外線誘起化学反応など、機械的、化学的、または光学的手段により、局部的に所期の表面パターンが得られるように変性されている。次に入出力パッド５４のメタラジをスクリーン印刷して、形成されたセラミックのトポグラフィを被覆、充填して、図８、図９、図１０に示すようなパターンを形成する。このようにして入出力パッド５４は、入出力パッド５４下の金属とセラミックの接触表面積が増大するが、使用する材料は変化しないままとなる。インプリントされたパターンは、グリーン・シートの表面から少なくとも１０μｍの深さまで、または各パターン形状の直径の、少なくとも２倍の深さまで延びるべきである。たとえば図８で、ペースト・バンプ２６をグリーン・シート５０中に形成し、これにより入出力パッド５４下のグリーン・シート５０の接触表面積を増大させる。ペースト・バンプ２６は、上述のどの方法によっても形成することができる。図９では、逆円錐形のパターン２８がグリーン・シート５０中に型押しされており、図１０では、正方形のパターン３０がグリーン・シート５０中に彫られている。図９および図１０のパターンの配置は、規則的であっても不規則であってもよい。好ましい実施形態では、パターンは入出力パッド５４下の区域にインプリントされ、または機械的、化学的、もしくは光学的にグリーン・シート５０上に形成され、たとえば点、穴、リング、短い線、円錐、または角錐など、どのような形状であってもよい。これらの形状は、後に入出力パッド５４がスクリーン印刷されるグリーン・シート５０の表面から、セラミック粗面度の平均直径の、少なくとも２倍の深さまで延びるべきである。
【００４９】
本発明の他の実施形態では、金属とセラミックとの境界面６４の接触表面積を増大させるために、第２のスクリーン印刷ステップを使用している。まずパターンを、入出力パッド５４をスクリーン印刷する区域の上にスクリーン印刷し、次にグリーン・シート５０中に線を埋め込んだ後、第２のスクリーン印刷ステップで入出力パッドのメタラジをスクリーン印刷する。埋め込んだパターンは、入出力パッド５４のメタラジとグリーン・シート５０との機械的、化学的結合のための接触面積を増大させる。パターンを、入出力パッド５４のスクリーン印刷に使用した金属ペーストと同一のペーストでスクリーン印刷すると、得られる入出力パッド構造は、図８〜図１０の入出力パッド構造と等しいものになる。図１１に示すように、代替のスクリーン印刷材料３２を、第２のスクリーン印刷ステップで使用して、埋め込んだパターンにスクリーン印刷することもできる。この代替のペーストは、入出力パッドのスクリーン印刷に使用したペーストと同一のグループに属するものでも、入出力パッドのスクリーン印刷に使用したペーストと濃度が異なるペーストでも、異なる機械的または化学的結合特性が得られる異なる組成のものでもよい。異なる組成には金属、銅、銅に類似した金属、金、銀、またはニッケルを含むことができる。
【００５０】
異なるスクリーン印刷材料３２を使用することにより、入出力パッド５４の下の、局部的応力分布特性を変えたり、入出力パッド５４とグリーン・シート５０との化学的結合を増大させたり、またはこれらの両方が行われる。埋め込んだパターンは、通常小さい点または利用できるあらゆる形状のアレイで、グリーン・シート５０表面から少なくとも約２５μｍ（１ミル）の深さに達するものでよい。スクリーン印刷材料３２は、適合する金属ペーストであればどのようなものでもよく、代替材料として、入出力パッド５４とグリーン・シート５０との結合を増強する金属／セラミック複合ペーストでもよい。
【００５１】
本発明の他の実施形態では、図１２に示すように、１個または複数個の同心円のリング３４をグリーン・シート５０上に付着させる前または後に、入出力パッドのメタラジをスクリーン印刷することができる。この場合、第１の、場合によっては１個しかないリング３４は、入出力パッド５４の外周に極めて近接して位置する必要があり、入出力パッドの外周における局部的応力分布特性を変化させたり、ピン引き抜き試験中の入出力パッド５４の応答を変化させたりするのに使用される。本明細書では入出力パッドを円形として記載しているので、リング３４も円形として記載する。入出力パッド５４が円形でない場合には、「リング」の形状もこれに応じて変える必要がある。
【００５２】
図１３は、入出力パッド５４のメタラジをスクリーン印刷した後に形成したリング６５を含む、金属セラミック境界面６４のトポグラフィを示す。リング３４は、グリーン・シート５０中に入出力パッド５４を埋め込んだ後、スクリーン印刷して形成することができる。
【００５３】
制御された深さの穴および溝を入出力パッド５４の下に形成する代替方法は、１枚または複数枚の薄いセラミックのグリーン・シート４０を用いる方法である。この薄いグリーン・シート４０の厚みは約２００μｍ（８ミル）までの範囲とすることができるが、好ましくは約２５μｍ（１ミル）である。この薄いグリーン・シート４０中の穴または溝は、上述のどの方法を用いて形成してもよい。たとえば、図１４に示すように、入出力パッド５４が形成される区域に少なくとも１個の溝または穴４２を有する、グリーン・シート５０と同一または類似の材料の薄いセラミックのグリーン・シート４０を、グリーン・シート５０の上に積層して、２層セラミック構造を形成する。この積層体はスクリーン印刷中保たれ、その後の乾燥時に変形しないようにする。入出力パッドのメタラジは、モリブデン、タングステン、銅、ニッケル、合金、および金属とセラミックの複合材料から選択される。薄いグリーン・シート４０をグリーン・シート５０の上に積層し、溝または穴４２は、入出力パッド５４のスクリーン印刷の間にスクリーン印刷用ペーストで充てんされる。代替方法として、溝または穴４２は、入出力パッド５４をスクリーン印刷するのに使用するペーストとは異なるスクリーン印刷用ペーストで充てんしてもよい。この代替のペーストは、入出力パッドのスクリーン印刷に使用したペーストと同一のグループに属するものでも、入出力パッドのスクリーン印刷に使用したペーストと濃度が異なるペーストでも、異なる機械的または化学的結合特性が得られる異なる組成のものでもよい。異なる組成には金属、銅、銅に類似した金属、金、銀、またはニッケルを含むことができる。
【００５４】
まとめとして、本発明の構成に関して以下の事項を開示する。
【００５５】
（１）（ａ）入出力パッドが置かれる表面を有するセラミック・グリーン・シートを設けるステップと、
（ｂ）前記入出力パッドの下の局部応力分布および幾何形状を修正するように、前記入出力パッドが置かれる場所に対応する区域の、前記表面の部分を粗面化するステップと、
（ｃ）前記表面の粗面化した部分の上に前記入出力パッドをスクリーン印刷するステップと、
（ｄ）前記セラミック・グリーン・シートおよび前記入出力パッドを熱処理して、前記パッドと前記表面の間に結合を形成するステップと
を含む、多層セラミック・ボードを製造する方法。
（２）前記表面の粗面化した部分は、前記表面から少なくとも２５μｍの深さにまで達する、上記（１）に記載の方法。
（３）前記表面を粗面化するステップは、グリーン・シートの注型にシリコーンをコーティングした紙を使用することを含む、上記（１）に記載の方法。
（４）前記表面を粗面化するステップは、グリーン・シートの注型に繊維質のバッキング・シートを使用することを含む、上記（１）に記載の方法。
（５）前記表面を粗面化するステップは、前記セラミック・グリーン・シートをラミネータに通すことを含む、上記（１）に記載の方法。
（６）前記表面を粗面化するステップは、
（ｉ）粗面化したフィーチャが注型された表面を有するテンプレートを設けるステップと、
（ｉｉ）粗面化したフィーチャを前記セラミック・グリーン・シート上にエンボスするステップとを含む、上記（１）に記載の方法。
（７）前記表面を粗面化するステップは、前記セラミック・グリーン・シートの入出力パッドが置かれる区域に、リングを付着させることを含む、上記（１）に記載の方法。
（８）ステップ（ｃ）をステップ（ｂ）の前に行う、上記（７）に記載の方法。
（９）前記リングの形状が、入出力パッドの形状に対応する、上記（７）に記載の方法。
（１０）前記表面を粗面化するステップは、前記セラミック・グリーン・シートの前記入出力パッドが置かれる区域に、穴を設けることを含む、上記（１）に記載の方法。
（１１）穴の深さと寸法のアスペクト比が２未満である、上記（１０）に記載の方法。
（１２）前記表面を粗面化するステップは、
（ｉ）アルミナの粒子が表面から突出するテンプレートを設けるステップと、
（ｉｉ）前記セラミック・グリーン・シートを前記テンプレートの表面に接触させるステップと、
（ｉｉｉ）前記テンプレートに圧力を与えて、前記セラミック・グリーン・シートの前記入出力パッドが置かれる場所に対応する区域に穴を設けるステップとを含む、上記（１）に記載の方法。
（１３）アルミナ粒子の平均寸法が、２０〜１００μｍの範囲である、上記（１２）に記載の方法。
（１４）前記表面を粗面化するステップは、前記セラミック・グリーン・シートの前記入出力パッドが置かれる場所に対応する区域に、パターン形成した表面をインプリントすることを含む、上記（１）に記載の方法。
（１５）前記セラミック・グリーン・シートの前記入出力パッドが置かれる区域にインプリントしたパターンが、正方形、長方形、角錐、逆円錐、点、穴、半円、円、および溝からなる群から選択した三次元形状のアレイである、上記（１４）に記載の方法。
（１６）（ａ）入出力パッドが置かれる表面を有するセラミック・グリーン・シートを設けるステップと、
（ｂ）前記セラミック・グリーン・シートの前記入出力パッドが置かれる場所に対応する区域に、第１のスクリーン印刷材料をスクリーン印刷するステップと、
（ｃ）前記セラミック・グリーン・シートの前記入出力パッドが置かれる場所に対応する区域に、前記入出力パッドの下の局部応力分布および幾何形状を修正するようにパターンを形成するステップと、
（ｄ）前記セラミック・グリーン・シートの前記パターンが形成された場所に、第２のスクリーン印刷材料をスクリーン印刷するステップと、
（ｅ）前記表面のパターン形成された部分上と前記材料中に前記入出力パッドを置くステップと、
（ｆ）前記セラミック・グリーン・シート、第１および第２のスクリーン印刷材料、ならびに前記入出力パッドを熱処理して、前記パッドとスクリーン印刷材料表面との間に結合を形成するステップと
を含む、多層セラミック・ボードを製造する方法。
（１７）前記第２のスクリーン印刷材料が、前記第１のスクリーン印刷材料と同一である、上記（１６）に記載の方法。
（１８）前記第２のスクリーン印刷材料が、前記第１のスクリーン印刷材料と濃度が異なる、上記（１６）に記載の方法。
（１９）前記パターンが、正方形、長方形、角錐、逆円錐、点、穴、半円、円、および溝からなる群から選択した三次元形状のアレイである、上記（１６）に記載の方法。
（２０）前記パターンが、前記セラミック・グリーン・シート表面から少なくとも２５μｍの深さにまで達する、上記（１６）に記載の方法。
（２１）（ａ）入出力パッドが置かれる表面を有する第１のセラミック・グリーン・シートを設けるステップと、
（ｂ）前記入出力パッドの下の局部応力分布および幾何形状を修正するように、前記入出力パッドが置かれる場所に対応する各区域に、前もって形状パターンを打ち抜いた表面を有する第２のセラミック・グリーン・シートを設けるステップと、
（ｃ）前記第２のセラミック・グリーン・シートを第１のセラミック・グリーン・シート上面に積層するステップと、
（ｄ）第２のセラミック・グリーン・シート上面の、前記パターンが打ち抜かれた場所に、材料をスクリーン印刷するステップと、
（ｅ）前記第２のセラミック・グリーン・シートのパターン形成された部分上と前記材料中に前記入出力パッドをスクリーン印刷するステップと、
（ｆ）前記第１および第２のセラミック・グリーン・シート、スクリーン印刷材料、ならびに入出力パッドを熱処理して、前記入出力パッド、第１および第２のセラミック・グリーン・シート、およびスクリーン印刷材料の間に結合を形成するステップと
を含む、多層セラミック・ボードを製造する方法。
（２２）前記第２のセラミック・グリーン・シートの厚みが、２００μｍ未満である、上記（２１）に記載の方法。
（２３）前記形状パターンが、一連の溝、半円、または穴である、上記（２１）に記載の方法。
（２４）第２のスクリーン印刷材料が、前記入出力パッドのスクリーン印刷に使用される、上記（２１）に記載の方法。
（２５）（ａ）入出力パッドが置かれる表面を有するセラミック・グリーン・シートと、
（ｂ）前記入出力パッドの下の局部応力分布および幾何形状を修正するように、前記表面の、前記入出力パッドが置かれるセラミック・グリーン・シート上の区域に対応する粗面化した部分と、
（ｃ）前記表面の粗面化した部分上にスクリーン印刷材料でスクリーン印刷した入出力パッドと
を備える、多層セラミック・ボード。
（２６）前記粗面化した部分は、前記セラミック・グリーン・シート上にインプリントしたパターン形成した表面を有する、上記（２５）に記載のボード。
（２７）前記パターンが、正方形、長方形、角錐、逆円錐、点、穴、半円、円、および溝からなる群から選択した三次元形状のアレイである、上記（２６）に記載のボード。
（２８）前記パターンが、前記セラミック・グリーン・シートの表面から少なくとも各パターン形状の平均径の２倍の深さにまで達する、上記（２６）に記載のボード。
（２９）前記表面の粗面化した部分が、
（ｉ）前記入出力パッドが置かれる場所に対応する区域に形成されたパターンと、
（ｉｉ）前記セラミック・グリーン・シートのスクリーン印刷材料と異なり、前記セラミック・グリーン・シート上の各入出力パッドが置かれる場所に対応する区域にスクリーン印刷される第２のスクリーン印刷材料とを備える、上記（２５）に記載のボード。
（３０）前記パターンの深さが、前記セラミック・グリーン・シートの表面から少なくとも２５μｍの深さにまで達する、上記（２９）に記載のボード。
（３１）前記パターンがリングの形状である、上記（２９）に記載のボード。
（３２）前記表面の粗面化した部分が、前記第１のセラミック・グリーン・シート上に積層された第２のセラミック・グリーン・シートを備え、前記第２のセラミック・グリーン・シートが、前もって前記入出力パッドが置かれる場所に対応する区域にパターンが打ち抜かれた表面を有する、上記（２５）に記載のボード。
（３３）前記第２のセラミック・グリーン・シート上の前記パターンが、第１のスクリーン印刷材料によりスクリーン印刷され、前記入出力パッドが、第２のスクリーン印刷材料によりスクリーン印刷される、上記（３２）に記載のボード。
（３４）前記第２のセラミック・グリーン・シートの厚みが０．２ｍｍ未満である、上記（３２）に記載のボード。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の技術による焼結後のセラミック基板上の、入出力パッドとＭＬＣの境界面に取り付けられた入出力ピンを示す、縦断面図である。
【図２】強度の高いＣＴＯを示す、入出力パッドとＭＬＣの境界面に取り付けられた入出力ピンの、縦断面図である。
【図３】強度の低いＣＴＯを示す、入出力パッドとＭＬＣの境界面に取り付けられた入出力ピンの、縦断面図である。
【図４】平面すなわち境界面の故障を示す、入出力パッドとＭＬＣの境界面に取り付けられた入出力ピンの、縦断面図である。
【図５】入出力パッドとＭＬＣの境界面における、ピン引き抜き強度と相対故障頻度との関係を、シャンク、ＣＴＯ、または平面故障機構の関数として示すグラフである。
【図６】焼結前のグリーン・シート上の、典型的な入出力パッドとＭＬＣの境界面を示す断面図である。
【図７】図６の入出力パッドとＭＬＣの境界面の拡大断面図である。
【図８】入出力パッドの区域の下にあるＭＬＣ上にインプリントした、ペースト・バンプのパターンを示す、図６の入出力パッドとＭＬＣの境界面の拡大断面図である。
【図９】入出力パッドの区域の下にあるＭＬＣ中にパターンを埋め込むための、スタンピングの使用を示す、図６の入出力パッドとＭＬＣの境界面の拡大断面図である。
【図１０】入出力パッドの区域の下にあるＭＬＣ中にパターンを埋め込むための、カービングの使用を示す、図６の入出力パッドとＭＬＣの境界面の拡大断面図である。
【図１１】入出力パッドの区域の下にあるＭＬＣ中に埋め込まれたパターンをスクリーン印刷するための、代替スクリーン印刷材料の使用を示す、図６の入出力パッドとＭＬＣの境界面の拡大断面図である。
【図１２】リングを形成する半円形の溝を示す、入出力パッドの下に付着させた同心円のリングの使用を示す図６の入出力パッドとＭＬＣの境界面の拡大断面図である。
【図１３】入出力パッドの金属上にスクリーン印刷したリングの使用を示す入出力パッドとＭＬＣの境界面の拡大断面図である。
【図１４】２層のセラミックのグリーン・シート構造を使用した図６の入出力パッドとＭＬＣの境界面の拡大断面図である。
【符号の説明】
１０  入出力ピン
１１  破壊始点
１２  ろう付け材料
１４  入出力パッド・メタラジ
１６  破壊線
１７  破壊線
１８  上面
２０  破壊線
２２  セラミック基板
２４  金属とセラミックの境界面
２６  ペースト・バンプ
２８  逆円錐形パターン
３０  正方形パターン
３２  代替スクリーン印刷材料
３４  同心円リング
４０  薄いセラミック・グリーン・シート
４２  穴または溝
５０  グリーン・シート
５４  入出力パッド
６４  金属とセラミックの境界面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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