(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ペリフェラルタイプの表面実装素子が搭載される配線基板であって、前記表面実装素子のフリップチップ接続用電極から外側に配線回路が形成されるとともに、前記表面実装素子の搭載される下部領域で、該表面実装素子のフリップチップ接続用電極に対し少なくとも５０μｍ以上内側に、表面実装素子がフリップチップ接続される前記配線回路とは独立した配線パターンを配設したことを特徴とする配線基板。
【請求項２】
前記配線パターンがペリフェラルタイプの表面実装素子がフリップチップ接続される配線回路と同一平面内に形成されていることを特徴とする請求項１記載の配線基板。
【請求項３】
前記配線パターンを構成する導電材料の焼成収縮率Ｓ１に対するペリフェラルタイプの表面実装素子がフリップチップ接続される配線回路を構成する導電材料の焼成収縮率Ｓ２の比Ｓ１／Ｓ２が０．６≦Ｓ１／Ｓ２≦１．４であることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の配線基板。
【請求項４】
前記配線パターンを構成する導電材料の焼成収縮率Ｓ１に対するペリフェラルタイプの表面実装素子がフリップチップ接続される配線回路を構成する導電材料の焼成収縮率Ｓ２の比Ｓ１／Ｓ２が０．８≦Ｓ１／Ｓ２≦１．０であることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の配線基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ペリフェラルタイプの表面実装素子を収容搭載する配線基板に関するもので、とりわけペリフェラルタイプの半導体素子をフリップチップ接続する半導体素子収納用パッケージや、半導体素子の他にコンデンサや抵抗体等の各種電子部品を密に搭載する混成集積回路装置等に好適である平坦度が良好な低コストの配線基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、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、一般にアルミナ質焼結体等の電気絶縁性のセラミック焼結体から成る絶縁基体を用い、その上面の略中央部に設けた凹部周辺から下面に、あるいはその内部及び表面に、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、マンガン（Ｍｎ）等の高融点金属から成る複数の配線導体を配設すると共に、各配線導体を絶縁基体内に設けた前記同様の高融点金属から成るスルーホール導体で接続した構造を成している。
【０００３】
そして、前述のように構成された配線基板は、例えば半導体素子収納用パッケージでは、その絶縁基体の凹部底面に半導体素子をガラスあるいは樹脂、ロウ材等の接着剤を介して接着固定すると共に、半導体素子の各電極を凹部周辺に位置する配線導体にボンディングワイヤを介して電気的に接続し、金属やセラミックスから成る蓋体を前記凹部を塞ぐ様に前記接着剤と同様の封止材を介して接合し、絶縁基体の凹部内に半導体素子を気密に収納することにより半導体装置としていた。
【０００４】
しかしながら、近年のＩＣやＬＳＩ等の半導体素子の高速化、高集積化に伴い、該半導体素子を搭載する配線基板には、従来より更に微細で高密度な配線パターンが形成されており、前記半導体素子をよりコンパクトに搭載するため、半導体素子の表面電極を前記配線基板の配線用電極に半田バンプ等により直接接続するフリップチップ接続法が採用されるようになってきている。
【０００５】
一方、近年の前記半導体素子を搭載した半導体装置等、各種電子装置の用途の拡大により、その使用環境は従来よりも多彩でかつより厳しいものとなっており、特に自動車の電子制御化の発展に伴って車載環境で用いられる場合には、使用環境が厳しい上に高い信頼性が要求されている。
【０００６】
係る車載環境で用いられる各種電子装置では、高い信頼性を確保する上で重要となるのが半田等による接合部であり、例えば、前記半田バンプによるフリップチップ接続法では、代表的な尺度として即時剪断強度及び熱疲労寿命が優れていることが接合信頼性を確保する上で重要となっている。
【０００７】
従って、前記フリップチップ接続法は、前述のように半導体素子の表面電極を直接、配線基板の配線用電極に接続することからも、特に、前記配線基板の半導体素子が搭載される部分には、高い平坦度が要求されることになる。
【０００８】
係る高い平坦度を確保するために、従来より配線基板を構成する積層体の密度や焼成時の温度分布を均一にする等の方法が講じられてきたが、電気絶縁性セラミック焼結体と配線導体との熱膨張率が本質的に大きく異なることから、それらを同時焼成すると焼成過程での収縮差に伴って配線基板に反りやうねりが発生し、平坦度の良好な配線基板を歩留り良く得ることが困難であるという問題があった。
【０００９】
そこで、係る問題を解消するために治具を用いた矯正方法や、無機材料の軟化温度よりも高く、絶縁基体であるセラミック基板の焼成温度よりも低い温度領域で予備焼成した後、荷重をかけて本焼成する方法等、各種提案が成されている（特公平２−２５２７７号公報、特開平４−３１３６８号公報参照）。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記提案等では、一旦、焼成したセラミック焼結体を再度、治具を用いて焼成したり、あるいは予備焼成した後、更に荷重をかけて本焼成するという複数の焼成工程を要することになり、いずれも製造コストが大幅に増加して経済性を大きく損なう他、その都度、治具等により荷重を均一に加えるという煩雑な工程を経なければならず、作業性が極めて悪いという課題があった。
【００１１】
その上、前記治具や荷重を加えるために何らかの重石等を用いると、治具や重石の表面状態が前記配線基板の当接面に転写されて表面に窪みを生じたり、傷を付けてしまい、高密度に形成された微細配線パターンを断線したり、短絡したりする恐れがあり、フリップチップ接続法による接合信頼性が低下するという課題もあった。
【００１２】
【発明の目的】
本発明は前記課題に鑑み成されたもので、その目的は、配線導体を内部に有する配線基板の絶縁基体表面に反りやうねり等の変形が小さく、特に絶縁基体表面の表面実装素子が搭載される部分の変形が極めて小さく、フリップチップ接続部の高い接合信頼性を有し、量産効果に優れた配線基板を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、ペリフェラルタイプの表面実装素子が搭載される配線基板であって、前記表面実装素子のフリップチップ接続用電極から外側に配線回路が形成されるとともに、前記表面実装素子が搭載される下部領域に、該表面実装素子をフリップチップ接続するための配線回路とは別に、該配線回路と電気的に接続しない独立した配線パターンを設けることにより、前記目的が達成されることを知見したものである。
【００１４】
即ち、本発明の配線基板は、ペリフェラルタイプの表面実装素子をフリップチップ接続法で搭載する下部領域に、フリップチップ接続法で搭載するために設けた配線回路とは別に、該配線回路と電気的に接続されない独立した配線パターンを、前記配線回路のフリップチップ接続用電極で囲まれた内側に、いずれの電極よりも少なくとも５０μｍの間隔を有するように配設したことを特徴とするものである。
【００１５】
また、かかる配線基板の配線パターンは、ペリフェラルタイプの表面実装素子がフリップチップ接続される配線回路とは同一平面内に形成されていることがより望ましく、前記配線パターンを構成する導電材料の焼成収縮率Ｓ1 に対する前記配線回路を構成する導電材料の焼成収縮率Ｓ2 の比Ｓ1 ／Ｓ2 が
０．６≦Ｓ1 ／Ｓ2 ≦１．４
であることがより望ましく、更に前記比Ｓ1 ／Ｓ2 が
０．８≦Ｓ1 ／Ｓ2 ≦１．０
であることが最も望ましいものである。
【００１６】
【作用】
本発明の配線基板によれば、ペリフェラルタイプの表面実装素子がフリップチップ接続法で搭載される下部領域に、フリップチップ接続法で搭載するために設けた配線回路とは別に、該配線回路と電気的に接続されない独立した配線パターンを、前記配線回路のフリップチップ接続用電極で囲まれた内側に少なくとも５０μｍの間隔を有するように設けたことにより、少なくとも表面実装素子を搭載する絶縁基体の下部領域の収縮が、該下部領域に設けた独立した配線パターンによって拘束され、表面実装素子を搭載する絶縁基体表面の反りやうねり等の変形が極めて小さくなり、寸法精度が良好となる結果、フリップチップ接続部の即時剪断強度及び熱疲労寿命に優れた、高い接合信頼性を有することになる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の配線基板について詳細に説明する。
【００１８】
本発明の配線基板は、ペリフェラルタイプの表面実装素子が搭載される配線基板であって、前記表面実装素子のフリップチップ接続用電極から外側に配線回路が形成されるとともに、ペリフェラルタイプの表面実装素子がフリップチップ接続法で搭載される下部領域に、フリップチップ接続法で搭載するために設けた配線回路とは別に、該配線回路と電気的に接続されない独立した配線パターンを、前記配線回路のフリップチップ接続用電極で囲まれた内側に、表面実装素子をフリップチップ接続するいずれの電極よりも少なくとも５０μｍの間隔を有するように設けたものである。
【００１９】
本発明における独立した配線パターンは、フリップチップ接続法でペリフェラルタイプの表面実装素子を搭載するために設けた配線回路とは直接、電気的に接続されなければ良く、グランド層に接続した構造であっても良い。
【００２０】
前記ペリフェラルタイプの表面実装素子としては、一般のＩＣチップをはじめ、電源ＩＣ用のパワーＩＣチップ等が挙げられる。
【００２１】
また、前記独立した配線パターンは、特にその材質を限定するものではないが、配線基板用の導電材料として一般の配線回路に使用されるＷ、Ｍｏ、Ｍｎ等の高融点金属を主成分とするものが適用でき、それらを混合して用いることも可能である。
【００２２】
更に、前記導電材料の焼成収縮率を制御して反りやうねり等の変形を防止することからは、前記主成分にＴｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａの窒化物等を変色したりして外観不良を起こしたり、配線の電気抵抗値を増大させたりしない範囲で適宜添加することが望ましく、それらの粒径も均一に分散した組織が得られ、焼成収縮率もいかなる場所でも均一となるように、前記主成分である高融点金属の粒径よりも小さなものにしておくことが望ましい。
【００２３】
また、本発明において前記配線パターンは、フリップチップ接続法でペリフェラルタイプの表面実装素子を搭載するために設けた配線回路の電極内側に設けたもので、いずれの電極よりも少なくとも５０μｍの間隔を有するように設けたのは、配線を印刷形成する際の位置精度を考慮すると、前記間隔が５０μｍ未満では前記配線回路と配線パターンが短絡してしまう恐れがある他、前記配線を形成した初期の段階では異常がなくとも、経時変化によりそれらが短絡を生じる恐れがあるためである。
【００２４】
尚、前記絶縁基体の下部領域の収縮を効果的に拘束するという点からは、配線パターンの大きさとして、前記配線パターンの対角線長さＬ1 と配線回路の電極内側の領域の対角線長さＬ2 との関係Ｌ1 ／Ｌ2 が０．４以上であることが望ましい。
【００２５】
一方、前記配線パターンは、ペリフェラルタイプの表面実装素子がフリップチップ接続される配線回路とは別な層に形成しても良いが、配線実装密度の向上という点からは同一平面内に形成することがより望ましい。
【００２６】
また、車載用等の長期接合信頼性という点からは、前記配線パターンを構成する導電材料の焼成収縮率Ｓ1 に対するペリフェラルタイプの表面実装素子がフリップチップ接続される配線回路を構成する導電材料の焼成収縮率Ｓ2 の比Ｓ1 ／Ｓ2 は、０．６≦Ｓ1 ／Ｓ2 ≦１．４の範囲内がより望ましく、表面実装素子と配線基板とのフリップチップ接続法による接合強度を考慮すると０．８≦Ｓ1 ／Ｓ2 ≦１．０の範囲が最適である。
【００２７】
次に、本発明の配線基板を図面に基づき具体的に説明する。
【００２８】
図１は、本発明の配線基板を表面実装素子である半導体素子をフリップチップ接続法で収納搭載した半導体素子収納用パッケージに適用した場合の一実施例を示す断面図であり、図２は、図１の半導体素子収納用パッケージを半導体素子側から見た要部の部分拡大図である。
【００２９】
図１及び図２において、１はペリフェラルタイプの表面実装素子２が配線回路３の電極４にフリップチップ接続され、電極４で囲まれた内側に、配線回路３とは電気的に接続されていない独立した配線パターン５が表面実装素子２を搭載する下部領域の同一平面内に少なくとも５０μｍの間隔を設けて形成された配線基板である。
【００３０】
前記配線基板１では、ペリフェラルタイプの表面実装素子２である半導体素子はその表面電極６を配線基板１の凹部７にスルーホール導体８で引き出された電極４に半田バンプ９で直接接続されており、そこから配線回路３に接続するスルーホール導体８を介して下面に導出されている。
【００３１】
かくして配線基板１の下面に導出された部位には、外部電気回路と接続するリード端子（不図示）等が電気的に接続され、最終的に前記半導体素子の上部に封止材を介して蓋体（不図示）を接合して気密に搭載することとなる。
【００３２】
【実施例】
本発明の配線基板を評価するに際し、アルミナ質焼結体から成る絶縁基体を以下の手順にて作製した。
【００３３】
先ず、Ａｌ2 Ｏ3 を主成分とし、該主成分にＳｉＯ2 、ＭｇＯ、ＣａＯ等の焼結助剤を添加混合した原料粉末に、周知の有機バインダー、可塑剤、溶剤を添加して泥漿を調製し、該泥漿を周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等のテープ成形技術により、厚さ約３００μｍのセラミックグリーンシートを成形し、該セラミックグリーンシートの所定位置に打ち抜き加工を施してスルーホールを形成した。
【００３４】
一方、Ｗ、Ｍｏ等の高融点金属を主成分とする粉末に、アルミナ粒子を適量添加し、周知の有機バインダー、可塑剤、溶剤を添加して混練機で混練して配線用の基本の導電ペーストを作製した。
【００３５】
更に、前記基本の導電ペーストからその組成を調整して焼成収縮率の異なる配線回路用及び独立した配線パターン用の導電ペーストを調製した。
【００３６】
尚、前記各導電ペーストの焼成収縮率は、各導電ペーストを厚さ１００μｍのシート状に形成したものを後述する配線基板の焼成条件と同一条件で焼成し、焼成前後の寸法変化をマイクロメータ付き顕微鏡により測定して求めた。
【００３７】
先ず、得られたセラミックグリーンシート上に前記配線回路用ペーストを用いて配線回路をスクリーン印刷法で形成すると共に、スルーホール部分にも前記スクリーン印刷法あるいは圧力充填法により前記配線回路用ペーストを充填し、更に、表面実装素子をフリップチップ接続する電極からその内側に各種距離を設定して前記配線回路とは接続しない独立した配線パターンを前記配線パターン用ペーストを用いて前記同様にして同一平面内に形成したものを作製した。
【００３８】
また、前記同様にしてセラミックグリーンシート上に前記配線回路とそれらを接続するスルーホール導体を形成したもの、及び前記独立した配線パターンのみを形成したものをされぞれ作製し、それらを種々組み合わせて積層して、前記配線回路と独立した配線パターンをそれぞれ別の平面に形成したものも作製した。
【００３９】
その後、前記配線回路と独立した配線パターンを種々組み合わせ積層したものを、水素（Ｈ2 ）と窒素（Ｎ2 ）の混合ガスから成る還元性雰囲気中、約１６００℃の温度で焼成して、厚さが約１．２５ｍｍの５層から成る評価用の配線基板を作製した。
【００４０】
尚、前記同様にして独立した配線パターンを設けないで作製した配線基板を比較例とした。
【００４１】
【表１】
0003752359.tif 000002
【００４２】
かくして得られた評価用の配線基板を用いて、表面実装素子がフリップチップ接続法で搭載される絶縁基体表面の平坦度として、先端の曲率半径が５μｍの触針を装着した接触式表面粗さ計で対角線方向に走査して最大変位を測定し、一方、配線回路や配線パターンを内在せず、フリップチップ接続用電極と導通チェック用配線パッドのみを設けた配線基板を前記同様にして測定した最大変位を基準反りとし、その比から配線基板の反りを評価した。
【００４３】
次に、前記評価用の配線基板に、ペリフェラルタイプの表面実装素子として評価用のシリコンチップをフリップチップ接続法により半田バンプで接合した。
【００４４】
その後、前記評価用の配線基板とシリコンチップとの接合信頼性を評価するために、配線基板を固定し、該配線基板にフリップチップ接続法で搭載したシリコンチップの側面をプッシュプルゲージにより配線基板と平行に力を加え、シリコンチップが配線基板から剥離する強度を測定し、前記反り評価と同様の配線基板にシリコンチップをフリップチップ実装して前述のようにシリコンチップの剥離強度を測定して基準強度とし、その比から即時剪断強度を評価した。
【００４５】
また、前記シリコンチップを搭載した評価用の配線基板について、−６５℃と１５０℃の温度サイクル試験を行い、それぞれ１０００サイクル、２０００サイクル、３０００サイクル毎にフリップチップ接続法による接合部に発生するクラックの進展を電気的導通の有無を測定して熱疲労寿命を評価し、とりわけ車載用等の長期接合信頼性という点から、前記配線基板の反り及び即時剪断強度、熱疲労寿命の諸特性に基づき総合評価した。
【００４６】
【表２】
0003752359.tif 000003
【００４７】
表から明らかなように、比較例の試料番号２２では配線基板の反りが基準反りの２倍にも達し、即時剪断強度も基準剪断強度の０．６倍と低く、２０００サイクルで導通が無くなり熱疲労寿命が極めて短く不適切であり、本発明の請求範囲外である試料番号１では配線回路の接続用電極と配線パターンの間隔が５０μｍ未満のため、短絡を生じており配線基板として不適切である。
【００４８】
それに対して、本発明ではいずれも配線基板の反りや即時剪断強度、熱疲労寿命の各特性をそれぞれ満足しており、配線基板として実用に耐えるものであることが明らかとなっている。
【００４９】
また、前記表からは、本発明の配線基板では表面実装素子が搭載される下部領域に設けた前記配線回路とは独立した配線パターンは、焼成収縮率、位置を制御することにより前記表面実装素子が搭載される絶縁基体表面の反りを制御可能であることも分かる。
【００５０】
尚、本発明は前述の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更が可能である。
【００５１】
【発明の効果】
本発明の配線基板は、ペリフェラルタイプの表面実装素子をフリップチップ接続法で搭載する下部領域に、フリップチップ接続法で搭載するために設けた配線回路とは別に、該配線回路と電気的に接続されない独立した配線パターンを、前記配線回路のフリップチップ接続用電極で囲まれた内側にいずれの電極よりも５０μｍ以上離して設けたことから、配線導体を内部に有する配線基板の絶縁基体表面の反りやうねり等の変形が小さく、特に絶縁基体表面の表面実装素子が搭載される部分の変形が極めて小さく、フリップチップ接続部の高い接合信頼性を有し、量産効果に優れた配線基板を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線基板を表面実装素子である半導体素子をフリップチップ接続法で収納搭載した半導体素子収納用パッケージに適用した場合の一実施例を示す断面図である。
【図２】図１の半導体素子収納用パッケージを半導体素子側から見た要部の部分拡大図である。
【符号の説明】
１      配線基板
２      ペリフェラルタイプの表面実装素子
３      配線回路
４      電極
５      配線パターン
【図１】
0003752359.tif 000004
【図２】
0003752359.tif 000005