(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板と、メタライズ配線層とを具備した配線基板において、前記絶縁基板を、Ｌｉ２Ｏを２〜１５重量％で、ＣａＯを２〜３０重量％で含有するリチウム珪酸ガラスを２０〜８０体積％、４０〜４００℃における熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上の金属酸化物を含むフィラーを８０〜２０体積％含む成形体を焼成してなる、リチウムシリケートとディオプサイトとを含有し、４０〜４００℃における熱膨張係数が８〜１８ｐｐｍ／℃の焼結体から構成したことを特徴とする配線基板。
【請求項２】
メタライズ配線層と接続端子が配設された絶縁基板と、蓋体と、半導体素子を収納するためのキャビティを具備する半導体素子収納用パッケージにおいて、前記絶縁基板を、Ｌｉ２Ｏを２〜１５重量％で、ＣａＯを２〜３０重量％で含有するリチウム珪酸ガラスを２０〜８０体積％、４０〜４００℃における熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上の金属酸化物を含むフィラーを８０〜２０体積％含む成形体を焼成してなる、リチウムシリケートとディオプサイトとを含有し、４０〜４００℃における熱膨張係数が８〜１８ｐｐｍ／℃の焼結体から構成したことを特徴とする半導体素子収納用パッケージ。
【請求項３】
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てなる外部電気回路基板上に、Ｌｉ２Ｏを２〜１５重量％で、ＣａＯを２〜３０重量％で含有するリチウム珪酸ガラスを２０〜８０体積％、４０〜４００℃における熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上の金属酸化物を含むフィラーを８０〜２０体積％含む成形体を焼成してなる、リチウムシリケートとディオプサイトとを含有し、４０〜４００℃における熱膨張係数が８〜１８ｐｐｍ／℃の焼結体からなる配線基板、あるいは半導体素子収納用パッケージを前記配線導体上にロウ付け接合し、実装したことを特徴とする実装構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はメタライズ配線層を具備する配線基板、その配線基板を備えた半導体素子収納用パッケージおよびその実装構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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が、これの代表例として、半導体素子、特にＬＳＩ等の半導体素子を収容するための半導体素子収納用パッケージについては、その表面および内部にＷやＭｏ等のメタライズ配線層が設けられ、さらに底面には接続端子が配設されたアルミナセラミックス等からなる絶縁基板からなり、その絶縁基板の上面中央部に半導体素子を収容するためのキャビティが形成され、そして、このキャビティは蓋体によって気密封止される。
【０００３】
一般に半導体素子の集積度が高まるほど、それに形成される電極数も増大するが、これに伴い、半導体収納用パッケージにおける端子数も増大する。ところが、電極数を増大させるにしてもパッケージ自体の寸法には限界がある。したがって、パッケージの小型化という要求との相まって、パッケージの接続端子の形成密度を高くする必要がある。
【０００４】
かかる市場要求において、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）が製品化されているが、最近、パッケージの４つの側面に導出されたメタライズ配線層にガルウイング状（Ｌ字状）の金属ピンが接続されたタイプのクワッドフラットパッケージ（ＱＦＰ）、パッケージの４つの側面に電極パッドを備え、リードピンがないリードレスチップキャリア（ＬＣＣ）、Ｓｉチップをフリップチップ実装したチップサイズパッケージ（ＣＳＰ）、さらに絶縁基板の下面に半田からなる球状端子を多数配置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。
【０００５】
このボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）によれば、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、上記端子を約２５０〜４００℃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している。かかる実装構造により、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およ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。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
これらのパッケージに使用される絶縁基板はアルミナ、ムライトなどのセラミックスからなるので、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に対して高い信頼性が得られている。
【０００７】
しかしながら、この絶縁基板の熱膨張係数が約４〜７ｐｐｍ／℃程度であるのに対して、パッケージに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プリント基板（ガラス−エポキシ絶縁層にＣｕ配線層が形成されたものである）の熱膨張係数については１１〜１８ｐｐｍ／℃と非常に大きく、双方間の大きな熱膨張係数差によって下記のような問題点がある。
【０００８】
すなわち、配線基板や半導体素子収納用パッケージに半導体素子を収容し、しかる後、プリント基板などに実装した場合、半導体素子の作動時に発する熱が絶縁基板とプリント基板の両方に繰り返し印加され、これによって絶縁基板とプリント基板との熱膨張差に起因して、大きな熱応力が発生し、パッケージにおける端子数が３００を超えたり、パッケージのサイズが大型化すると、その熱応力の影響が大きくなり、そのため、半導体素子の作動および停止の繰り返しによって、熱応力が絶縁基板下面の接続パッドの外周部、および外部電気回路基板の配線導体と端子との接合界面に作用し、その結果、接続パッドが絶縁基板から剥離したり、端子が配線導体から剥離し、配線基板やパッケージをプリント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という問題点がある。
【０００９】
そこで、絶縁基板の熱膨張係数をプリント基板のものと整合させることが考えられるが、アルミナやムライトの熱膨張係数はそもそも大きく、組成等を変えることによりプリント基板の熱膨張係数に整合させるのは非常に困難である。
【００１０】
他方、ガラスセラミックスからなる絶縁基板は、誘電率が低く、ＣｕやＡｇ等の低抵抗体からなるメタライズ配線層が形成でき、そのためにアルミナ等に代わる優れた基板材料として注目されている。
【００１１】
このガラスセラミックスに関係して、特開昭６３−１１７９２９号公報にはＺｎＯ−Ａｌ2 Ｏ3 −ＳｉＯ2 系ガラスを用いて、熱処理条件の制御によって、珪酸亜鉛とコージェライトまたは亜鉛尖小石の結晶を生成させて熱膨張係数を制御することが提案されている。しかし、かかるガラスセラミックスでは、同一の組成でもわずかな熱処理条件の相違により析出結晶相が変化しやすく、熱膨張係数を安定して制御することが難しく、量産性に欠けるものであった。
【００１２】
また、特開平３−２０５３２３号公報によれば、ジオプサイトを析出させることで、化学的耐久性や機械的強度を向上させると報告されているが、高価な結晶化ガラスのみで構成されるため、パッケージを安価に製造することができない。
【００１３】
ガラス−セラミック焼結体のガラスとして、ホウ珪酸ガラスが最も一般的に用いられるが、このホウ珪酸ガラスは、その屈伏点が比較的高く、焼結させるためにガラスを主成分とする必要があり、そのために、低温で焼成する場合には、高価なガラスを多量に必要とし、その結果、製造コストが高くなるという問題点がある。しかも、脱バインダーおよび焼結が十分に行われない場合があり、そのためにガラスの組成やフィラーを細かく制御しなければならない。
【００１４】
さらに、配線基板や半導体素子収納用パッケージによれば、絶縁基板と、その内部および表面に配設されるメタライズ配線層とを同時に焼成することがおこなわれるが、高熱膨張を有する絶縁基板との同時焼成については何ら検討されていないのが現状である。
【００１５】
そこで、本発明者らは先にＬｉ2 Ｏを５〜３０重量％含有する低軟化点のガラスを用いて、同様の検討をおこなったが、その場合、Ｌｉ2 Ｏが１５重量％越える領域でガラスの吸水性が高くなり、たとえばドクターブレード法でテープを作製すると、スラリー化が困難になることがあり、また、成形体の寸法が経時変化するために焼結体の寸法精度が悪化したり、緻密化の後期で軟化したガラス相の量が多くなりすぎることで焼結体にセッターが付着することが判明した。
【００１６】
したがって、本発明は、高熱膨張特性を有する絶縁基板の表面あるいは内部にメタライズ配線層を具備する配線基板や、高熱膨張特性を有し且つ半導体素子が収納された半導体素子収納用パッケージをガラス−エポキシ樹脂等を絶縁体とする外部電気回路に対して、強固に且つ長期にわたり安定した接続状態を維持できる高信頼性の半導体素子収納用パッケージならびにその実装構造を提供することを目的とする。
【００１７】
また、本発明はＣｕメタライズ配線層との同時焼成を可能とし、バインダーの効率的な除去および比較的少ないガラス量でも低温焼結をおこなうことができる高品質で且つ安価な配線基板および半導体素子収納用パッケージならびにその実装構造を提供することを目的とする。
【００１８】
さらにまた、本発明は成形体の経時的寸法変化を少なくして、焼成可能な温度領域を広くしながらも、所望の特性を有する配線基板を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは叙上の問題点に対して鋭意検討を重ねた結果、絶縁基板としてＬｉ2 Ｏを２〜１５重量％で、ＣａＯを２〜３０重量％で含有するリチウム珪酸ガラスを焼結過程で結晶化させると、約１３ｐｐｍ／℃の高熱膨張係数を有することで、かかるガラスに対して、さらにフィラー成分として高熱膨張係数の金属酸化物を添加し、これによって下記（１）〜（４）の点を知見した。
【００２０】
（１）焼成温度をＣｕメタライズ配線層との焼成温度に整合できること、
（２）Ｃｕメタライズ配線層を具備する高熱膨張の絶縁基板からなる配線基板が製造できること、
（３）リチウム珪酸ガラスはホウ珪酸ガラスに比べ、屈伏点が比較的低いことから、少ないガラス添加量で低温焼成が可能であること、
（４）Ｌｉ2 Ｏ、ＣａＯの各量を上記範囲にすることで容易にスラリー化でき、成形体の保形性も向上し、そして、ジオプサイト、ウォラストナイト等を析出させることで焼成可能な温度範囲が広くなること。
【００２１】
すなわち、本発明によれば、メタライズ配線層を具備する配線基板や半導体素子収納用パッケージに使用される絶縁基板を、Ｌｉ２Ｏを２〜１５重量％で、ＣａＯを２〜３０重量％で含有するリチウム珪酸ガラスを２０〜８０体積％の割合で、４０〜４００℃における熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上の金属酸化物を含むフィラーを８０〜２０体積％の割合で含む成形体を焼成して得られ、リチウムシリケートとディオプサイトとを含有し、４０〜４００℃における熱膨張係数が８〜１８ｐｐｍ／℃の焼結体から構成することを特徴とする。
【００２２】
また、本発明によれば、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電気回路基板上に、絶縁基板として上記のガラスセラミック焼結体を有する半導体素子収納用パッケージや配線基板を接続端子を介して回路基板の配線導体にロウ付け接合し、実装したものである。
【００２３】
【作用】
本発明によれば、配線基板や半導体素子収納用パッケージの絶縁基板として、Ｌｉ2 Ｏを２〜１５重量％とＣａＯを２〜３０重量％含有し、屈伏点が４００℃〜８００℃のリチウム珪酸ガラスを２０〜８０体積％の割合で、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を８０〜２０体積％の割合で含む成形体を焼成した４０℃〜４００℃における熱膨張係数が８〜１８ｐｐｍ／℃の焼結体を用いることにより、その熱膨張係数を８〜１８ｐｐｍ／℃の範囲で容易に制御することができるともに、再現性よく製造することができる。また、Ｌｉ2 Ｏの含有量が２〜１５重量％であるリチウム珪酸ガラスを用いることで、焼成後の焼結体中に高熱膨張のリチウム珪酸（たとえば、Ｌｉ2 ＳｉＯ3 ）が析出される。
【００２４】
さらにリチウム珪酸ガラスの屈伏点を４００℃〜８００℃にすると、ガラス含有量を低減させ、フィラーを増量できるので、焼成収縮開始温度を上昇でき、これによって成形時に添加された有機樹脂等の成形用バインダーが効率的に除去されるとともに、絶縁基体と同時焼成されるように、メタライズとの焼成条件をマッチングできる。
【００２５】
また、ガラス中のＬｉ2 Ｏ量を１５重量％以下にすることでガラスの吸水性が低くなり、スラリー化が容易になり、また、成形体の保形性が向上した。また、ガラス中にＣａＯを含有させることで結晶化温度が高いジオプサイトやウォラストナイト等の結晶が析出され、緻密化の後期において軟化したガラス相の量を減少させることができる。これによって、セッターとの付着や反応が抑制され、焼成可能温度の広い組成物が得られる。
【００２６】
さらにまた、リチウム珪酸ガラスから析出するリチウム珪酸結晶相の熱膨張係数は１３ｐｐｍ／℃程度であるが、かかるガラスにフィラーとして４０℃〜４００℃における熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上の金属酸化物を含むフィラーを添加することで、焼結体全体の熱膨張係数を８〜１８ｐｐｍ／℃の範囲に容易に制御できる。
【００２７】
このようにプリント基板からなる外部電気回路に実装される絶縁基板として４０〜４００℃の温度範囲における熱膨張係数が８〜１８ｐｐｍ／℃のセラミックスを用いると、両者の熱膨張係数の差が小さくなり、これにより、双方の熱膨張係数差に起因する熱応力も小さくなり、半導体素子収納用パッケージや配線基板の接続端子と、外部電気回路の配線導体との間で接続不良が生じなくなり、その結果、パッケージ内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できる。
【００２８】
しかも、上記絶縁基板の熱膨張係数は、パッケージの内部配線に使用されるＣｕの熱膨張係数１８ｐｐｍ／℃と近似しているので、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。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を一実施例を示す添付図面に基づき詳細に説明する。
図１は本発明における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図である。
【００３０】
前記配線基板は、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ものであって、その一例として上記半導体素子収納用パッケージを示す。
このパッケージによれば、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なし、そして、Ａは上記配線基板としての半導体素子収納用パッケージ、Ｂは外部電気回路基板をそれぞれ示す。
【００３１】
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および蓋体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、樹脂等の接着剤を介して絶縁基板１に接着固定される。
【００３２】
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、接続パッドを介して半田（錫−鉛合金）などのロウ材から成る突起状端子が取着されている。この突起状端子は、球状もしくは柱状のロウ材を接続パッドに並べるか、またはスクリーン印刷法によりロウ材を接続パッド上に印刷することにより形成される。
【００３３】
一方、外部電気回路基板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℃における熱膨張係数が１２〜１６ｐｐｍ／℃の絶縁材料からなり、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との熱膨張係数の整合性と、良電気伝導性の点で、通常、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｂ−Ｓｎなどの金属導体からなる。
【００３４】
半導体素子収納用パッケージＡを外部電気回路基板Ｂに実装するには、パッケージＡの絶縁基板１下面の突起状端子を外部電気回路基板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とにより、半田などのロウ材からなる突起状端子自体が溶融して配線導体８と接合し、外部電気回路基板Ｂ上に実装される。この時、配線導体８の表面には突起状端子とのロウ材による接続を容易に行うためにロウ材が被着形成されていることが望ましい。
【００３５】
次に図２にリードレスチップキャリア（ＬＣＣ）型パッケージＣの外部電気回路基板Ｂへの実装構造について説明する。なお、図２において、図１と同一部材については同一の符号を付与した。
【００３６】
このパッケージＣでは、半導体素子の電極と個々に接続されたメタライズ配線層３が絶縁基板１の４つの側面に導出され、側面に導出されたメタライズ配線層が接続端子４を構成している。また、このパッケージＣによれば、電磁波障害を防止するために、半導体素子５を収納するキャビティ６内にエポキシ樹脂等が充填され、また、キャビティは導電性樹脂からなる蓋体１３により密閉されている。パッケージＣの底面にはアースのための導電層１４が形成されている。１２は半田である。
【００３７】
このパッケージＣをプリント基板などの外部電気回路基板Ｂに実装するには、パッケージＣの絶縁基板１側面の接続端子４を外部電気回路基板Ｂの配線導体８上に載置当接させてロウ材等により電気的に接続する。この時、接続端子４は配線導体８の表面にはロウ材による接続を容易に行うためでそれぞれロウ材が被着されていることが望ましい。
【００３８】
（絶縁基板の材質）
本発明によれば、外部電気回路基板Ｂの表面に実装される半導体素子収納用パッケージとして、その絶縁基板１が４０〜４００℃の温度範囲における熱膨張係数が８〜１８ｐｐｍ／℃、特に９〜１４ｐｐｍ／℃の焼結体からなることが重要である。これは、前述した外部電気回路基板Ｂとの熱膨張差により熱応力の発生を緩和し、外部電気回路基板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であって、この熱膨張係数が８ｐｐｍ／℃未満の場合、あるいは１８ｐｐｍ／℃を越える場合、いずれも熱膨張差に起因して熱応力が大きくなり、外部電気回路基板ＢとパッケージＡとの電気的接続不良が生じやすい。
【００３９】
なお、絶縁基板の熱膨張係数が８〜１８ｐｐｍ／℃と大きくなるに伴い、Ｓｉを基板とする半導体素子との熱膨張差が逆に大きくなってしまう。そのため、接着材としては、半導体素子が熱膨張差により剥離しないように半導体素子の絶縁基板への接着材を適宜選択することが必要である。望ましくは、その熱膨張差を緩衝可能な可撓性の材料により接着することが望ましく、たとえばエポキシ系、ポリイミド系などの有機系接着材や、これにＡｇなどの金属を配合した接着材が好適である。
【００４０】
本発明によれば、このような高熱膨張係数を有する絶縁基板を構成する焼結体として、出発原料として結晶性ガラス２０〜８０体積％、フィラー成分８０〜２０体積％含む成形体を焼成してなるものである。この結晶性ガラスとフィラー成分の各量を上記の範囲に限定したのは、結晶性ガラス成分量が２０体積％未満（言い換えればフィラー成分８０体積％を越える場合）であれば、液相焼結できないので、高温にて焼成する必要があり、その場合に、メタライズ同時焼成においてメタライズが溶融する。他方、結晶性ガラスが８０体積％を越えると（言い換えるとフィラー成分が２０体積％未満の場合）、焼結体の特性が結晶性ガラスの特性に大きく依存して、材料特性の制御が困難になり、しかも、焼結開始温度が低くなるために配線導体と同時焼成できなくなる。その上、原料のコストが高くなる。
【００４１】
また、結晶性ガラスとしては、Ｌｉ2 Ｏを２〜１５重量％、ＣａＯを２〜３０重量％、特にＬｉ2 Ｏを４〜１０重量％の割合で含有するリチウム珪酸ガラスを用いることが重要であって、これによって高熱膨張係数を有するリチウム珪酸が析出される。ちなみに、Ｌｉ2 Ｏの含有量が２重量％未満の場合、焼成時にリチウム珪酸の結晶生成量が少なくなって高熱膨張化が達成できず、１５重量％を越える場合、ガラスの吸水性が高くなり、テープの成形性や保存性が劣化する。
【００４２】
ＣａＯ含有量については、２重量％未満の場合、ジオプサイトのようなＣａＯを含む結晶が析出されなくなって、焼成可能な温度領域が狭くなる。その含有量が３０重量％を越えるとジオプサイトのような結晶が多く析出され、電気的な特性が劣化する。
【００４３】
なお、このガラス中にはＰｂを実質的に含まないことが望ましい。すなわち、Ｐｂは毒性があるので、製造工程中の被毒を防止するための格別な装置および管理を必要とし、そのために製造コストが上昇する。かかるＰｂは不純物として不可避的に混入しても、０．０５重量％以下であることが望ましい。
【００４４】
さらに、結晶性ガラスの屈伏点は４００℃〜８００℃、特に４００〜６５０℃であることも必要である。すなわち、結晶性ガラスおよびフィラーからなる混合物を成形する場合、有機樹脂等の成形用バインダーを添加するが、このバインダーを効率的に除去し、且つ絶縁基体と同時に焼成されるメタライズとの焼成条件のマッチングを図る必要があり、そのために結晶性ガラスの屈伏点を上記の範囲に設定する。
【００４５】
この屈伏点が４００℃未満の場合には、結晶性ガラスが低い温度で焼成が開始されるため、たとえばＡｇ、Ｃｕ等の焼結開始温度が６００〜８００℃であるようなメタライズに対して、同時焼成ができず、また、成形体の緻密化が低温で開始するためにバインダーが分解揮散されなくなり、バインダー成分が残留し、特性に悪影響を及ぼす。他方、屈伏点が８００℃を越える場合、結晶性ガラス量を多くしないと焼結しにくくなるため、高価な結晶性ガラスが大量に必要とされ、焼結体の製造コストが高くなる。
【００４６】
このフィラー成分は、結晶性ガラスの屈伏点に応じ、その量を適宜調整するのがよい。すなわち、結晶性ガラスの屈伏点が４００℃〜６５０℃と低い場合、低温での焼結性が高くなるので、フィラー含有量を５０〜８０体積％にまで多く配合する。これに対して、結晶性ガラスの屈伏点が６５０℃〜８００℃と高い場合には、焼結性が低下するのでフィラー含有量は２０〜５０体積％にまで少なく配合するとよい。
【００４７】
上記結晶性ガラスに対し、フィラーを添加しない場合には、収縮開始温度７００℃以下で、８５０℃以上の加熱によって溶融し、そのためにメタライズ配線層等を配設することがむずかしくなる。しかし、フィラーを２０〜８０体積％の割合で混合することで、焼成過程において、結晶が析出され、フィラー成分を液相焼結させるための液相が適切な温度で形成される。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ので、このフィラー含有量の調整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。また、原料コストを下げる点でもよい。
【００４８】
たとえば、メタライズ配線層として、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕのうちの１種以上により構成した場合、これらのメタライズ層の焼成は６００〜１０００℃でおこなわれるために、同時焼成をおこなうべく、結晶性ガラスの屈伏点を４００℃〜６５０℃に、フィラーの含有量を５０〜８０体積％にするのがよい。しかも、高価な結晶性ガラスの配合量を低減して、製造コストが低減できる。
【００４９】
また、結晶性ガラスの４０℃〜４００℃における熱膨張係数が６〜１８ｐｐｍ／℃、特に７〜１３ｐｐｍ／℃であることも必要である。上記範囲から外れるとフィラーとの熱膨張差でもって、焼結体の強度が低下する。また、フィラーの熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃未満では焼結体の熱膨張係数を８〜１８ｐｐｍ／℃にすることがむずかしくなる。
【００５０】
かかる所要の結晶性ガラスとしては、たとえば
ＳｉＯ2 −Ｌｉ2 Ｏ−ＣａＯ  −Ａｌ2 Ｏ3 、
ＳｉＯ2 −Ｌｉ2 Ｏ−ＣａＯ  −Ａｌ2 Ｏ3 −ＭｇＯ−ＴｉＯ2 
ＳｉＯ2 −Ｌｉ2 Ｏ−ＣａＯ  −Ａｌ2 Ｏ3 −ＭｇＯ−Ｎａ2 Ｏ−Ｆ
ＳｉＯ2 −Ｌｉ2 Ｏ−ＣａＯ  −Ａｌ2 Ｏ3 −Ｋ2 Ｏ−Ｎａ2 Ｏ−ＺｎＯ、
ＳｉＯ2 −Ｌｉ2 Ｏ−ＣａＯ  −Ａｌ2 Ｏ3 −Ｋ2 Ｏ−Ｐ2 Ｏ5 
ＳｉＯ2 −Ｌｉ2 Ｏ−ＣａＯ  −Ａｌ2 Ｏ3 −Ｋ2 Ｏ−Ｐ2 Ｏ5 −ＺｎＯ−Ｎａ2 Ｏ
ＳｉＯ2 −Ｌｉ2 Ｏ−ＣａＯ  −ＭｇＯ、
ＳｉＯ2 −Ｌｉ2 Ｏ−ＣａＯ  −ＺｎＯ、
等の組成物が挙げられる。ＳｉＯ2 はリチウム珪酸を形成するための必須成分であって、ガラス全量中、６０〜８５重量％の割合で存在させる。また、ＳｉＯ2 とＬｉ2 Ｏとの合量がガラス全量中、６５〜９５重量％にすると、リチウム珪酸結晶を析出させる点で望ましい。なお、Ｂ2 Ｏ3 はリチウム珪酸ガラス中、１重量％以下にするとよい。
【００５１】
この結晶性ガラスとフィラーとの混合物は、従来周知の有機樹脂バインダーを添加し、次いで所望の成形手段、たとえばドクターブレード、圧延法、金型プレス等を用いて、シート状に成形し、しかる後に焼成する。
【００５２】
この焼成には、まず上記バインダーを除去する。そのために７００℃前後の大気雰囲気中でおこなわれるが、配線導体としてＣｕを用いた場合には、１００〜７００℃の水蒸気を含む窒素雰囲気中で焼成する。その際には、成形体の収縮開始温度は７００〜８５０℃程度でするとよく、それより低い収縮開始温度になると、バインダー除去が困難となる。
【００５３】
焼成は８５０℃〜１３００℃の酸化性雰囲気中でおこなわれ、相対密度９０％以上までに緻密化される。その焼成温度が８５０℃未満に場合には緻密化できず、１３００℃を越えるとメタライズ配線層との同時焼成にてメタライズ層が溶融する。ただし、配線導体としてＣｕを用した場合、８５０〜１０５０℃の非酸化性雰囲気中でおこなうとよい。
【００５４】
かくして得られたガラスセラミック焼結体によれば、結晶性ガラスから生成した結晶相、結晶性ガラスとフィラーとの反応により生成した結晶相、あるいはフィラーが分解することで生成した結晶相等が存在し、そして、これらの結晶相の粒界にはガラス相が存在する。
【００５５】
このように析出される結晶相は、少なくとも４０〜４００℃における熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上であるとよく、これによって焼結体全体の熱膨張係数が高められる。
【００５６】
かかる熱膨張係数６ｐｐｍ／℃以上の結晶相としては、クリストバライト（ＳｉＯ2 ）、クォーツ（ＳｉＯ2 ）、トリジマイト（ＳｉＯ2 ）、フォルステライト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ2 ）、スピネル（ＭｇＯ・Ａｌ2 Ｏ3 ）、ウォラストナイト（ＣａＯ・ＳｉＯ2 ）、モンティセラナイト（ＣａＯ・ＭｇＯ・ＳｉＯ2 ）、ネフェリン（Ｎａ2 Ｏ・Ａｌ2 Ｏ3 ・ＳｉＯ2 ）、リチウムシリケート（Ｌｉ2 Ｏ・ＳｉＯ2 ）、ジオプサイド（ＣａＯ・ＭｇＯ・２ＳｉＯ2 ）、メルビナイト（３ＣａＯ・ＭｇＯ・２ＳｉＯ2 ）、アケルマイト（２ＣａＯ・ＭｇＯ・２ＳｉＯ2 ）、マグネシア（ＭｇＯ）、アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）、カーネギアイト（Ｎａ2 Ｏ・Ａｌ2 Ｏ3 ・２ＳｉＯ2 ）、エンスタタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ2 ）、ホウ酸マグネシウム（２ＭｇＯ・Ｂ2 Ｏ3 ）、セルシアン（ＢａＯ・Ａｌ2 Ｏ3 ・２ＳｉＯ2 ）、Ｂ2 Ｏ3 ・２ＭｇＯ・２ＳｉＯ2 、ガーナイト（ＺｎＯ・Ａｌ2 Ｏ3 ）、ペタライト（ＬｉＡｌＳｉ4 Ｏ10）の群から選ばれる少なくとも１種以上があり、好適には８ｐｐｍ／℃以上の結晶相がよい。なお、上記フィラーでもって焼結体としての熱膨張係数が１８ｐｐｍ／℃を越えていまう場合があるが、そのような事態を解消するには、熱膨張係数が小さいフィラーと混合させ、熱膨張係数を適宜制御するとよい。
【００５７】
次にＣｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕのうちの１種以上からなるメタライズ配線層を配設した配線基板やパッケージを製造する方法を説明する。
【００５８】
まず、絶縁基板を構成するための前述したような結晶化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、これによって泥漿物を作り、この泥漿物をドクターブレード法やカレンダーロール法でもってグリーンシート（生シート）にする。その後、メタライズ配線層および接続パッドとして、金属ペースト（適当な金属粉末に有機バインダー、可塑剤、溶剤を添加混合したもの）をこのグリーンシート上に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、上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、これらグリーンシートを複数枚積層し、グリーンシートとメタライズとを同時焼成し、これによって多層構造型のパッケージが得られる。
【００５９】
【実施例】
結晶性ガラスとして、下記３種類のガラスを用意した。ただし、数値は重量比率を示す。
【００６０】
ガラス１：７３％ＳｉＯ2 −８％Ｌｉ2 Ｏ−１３％ＣａＯ−４％Ａｌ2 Ｏ3 −２％Ｋ2 Ｏ（Ｐｂ含有量５０ｐｐｍ以下、屈伏点５４０℃）
ガラス２：７５％ＳｉＯ2 −１０％Ｌｉ2 Ｏ−１０％ＣａＯ  −５％ＭｇＯ（Ｐｂ含有量５０ｐｐｍ以下、屈伏点７００℃）
ガラス３：７４％ＳｉＯ2 −１４％Ｌｉ2 Ｏ−２％Ｐ２Ｏ５−２％Ｋ２Ｏ−２％ＺｎＯ−２％Ｎａ２Ｏ（Ｐｂ含有量５０ｐｐｍ以下、屈伏点４８０℃）
また、フィラー成分として、フォルステライト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ2 、熱膨張係数１０ｐｐｍ／℃）、クォーツ（ＳｉＯ2 、熱膨張係数１５ｐｐｍ／℃）、ペタライト（ＬｉＡｌＳｉ4 Ｏ10、熱膨張係数８ｐｐｍ／℃）、ネフェリン（Ｎａ2 Ｏ・Ａｌ2 Ｏ3 ・ＳｉＯ2 、熱膨張係数９ｐｐｍ／℃）を用いて、表１に示すように調合秤量し、混合した。この混合物を粉砕後、有機バインダーを添加し、さらに十分に混合した後、１軸プレス法により３．５×３．５×１５ｍｍの形状の成形体を作製した。この成形体を７００℃のＮ2 ＋Ｈ2 Ｏ中で脱バインダ処理した後、窒素雰囲気中で６５０〜１３００℃で焼成し、各種焼結体の試料を作製した。
【００６１】
【表１】
0003748315.tif 000002
【００６２】
かくして得られた試料に対し、４０〜４００℃の熱膨張係数、比誘電率および誘電損失を求めたところ、表１に示すような結果が得られた。
【００６３】
測定用サンプルは、直径６０ｍｍ、厚さ２ｍｍに切削加工したものであって、ＪＩＳＣ２１４１の手法にしたがって比誘電率と誘電損失を求めた。この測定にはＬＣＲメータ（Ｙ．Ｈ．Ｐ４２８４Ａ）を用いて、１ＭＨｚ，１．０Ｖｒｓｍの条件で２５℃における静電容量を測定し、この静電容量から２５℃における比誘電率を測定した。
【００６４】
また、脱バインダー処理後における残留炭素の有無も確認した。この測定方法は、その処理後のサンプルを粉砕し、酸素中で熱処理し、その時に消費される酸素量より炭素量を同定かつ定量する。
【００６５】
グリーンシートの経時変化については、表１における各原料組成物を用いて、溶媒としてトルエンとイソプロピルアルコール、バインダーとしてアクリル樹脂、可塑剤としてＤＢＰ（ジブチルフタレート）を用いて、ドクターブレード法により厚み５００μｍのグリーンシートを作製し、このシートに対し所定位置にピンホールを開け、そして、湿度８０％の雰囲気中に放置し、ピンホール間の距離の経時変化を測定することで評価した。
【００６６】
また、実装時の熱サイクル試験については、次のように測定した。
すなわち、このグリーンシートの表面にＣｕメタライズペーストをスクリーン印刷法に基づき塗布し、メタライズ配線層となし、そして、グリーンシートの所定箇所にスルーホールを形成し、スルーホール内が最終的に基板の下面に露出するように形成し、さらにそのスルーホール内にもＣｕメタライズペーストを充填し、しかる後にメタライズペーストが塗布されたグリーンシートをスルーホールの位置合わせをしながらも、６枚積層し、圧着させた。
【００６７】
この積層体を７００℃でＮ2 ＋Ｈ2 Ｏの雰囲気中で脱バインダし、その後に表１に記載された焼成温度でもって窒素雰囲気中でメタライズ配線層と絶縁基板とを同時に焼成し、これによってパッケージ用の配線基板を作製した。
【００６８】
次に配線基板下面の、スルーホール用接続箇所に凹部を形成し、次いでＣｕメタライズからなる接続パッドを作製した。そして、その接続パッドに図１に示すように半田（錫３０〜１０％−鉛７０〜９０％）からなる接続端子を取着した。この接続端子は１ｃｍ2 当たり３０端子の密度で配線基板の下面全体に形成した。
【００６９】
一方、４０〜８００℃における熱膨張係数が１３ｐｐｍ／℃である絶縁体（ガラス−エポキシ基板）の表面に、銅箔からなる配線導体を形成したプリント基板を準備した。
【００７０】
そして、上記パッケージ用配線基板をプリント基板上に載置するに当たって、プリント基板の配線導体とパッケージ用絶縁基板の接続端子が所定の位置でもって合わされ接続されるようにして、これをＮ2 の雰囲気中２６０℃で３分間熱処理し、パッケージ用配線基板をプリント基板表面に実装した。この熱処理によりパッケージ用配線基板の半田からなる接続端子が溶けて、プリント基板の配線導体と電気的に接続される。
【００７１】
次に上記のように実装したものを大気雰囲気中−４０℃と１２５℃の各温度に制御した恒温槽に試験サンプルを、それぞれの温度でもって１５分／１５分保持し、それを１サイクルとし、最高１０００サイクル繰り返した。そして、各サイクル毎にプリント基板の配線導体とパッケージ用配線基板との電気抵抗を測定し、電気抵抗に変化が現れるまでのサイクル数でもって評価し、その数を表１に示した。また、同時焼成によるＣｕメタライズ層に対して、メタライズ層の剥離、溶融、焼結不良についても評価を行った。さらにまた、クオーツ、クリストバライトは温度の上昇もしくは下降の際に急激に膨張あるいは収縮するポイントがあるが、このように熱膨張係数が急激に変化する温度（変極点）に対して、熱膨張係数の変極点の有無として測った。なお、表中のpet,nep はそれぞれペタライト、ネフェリンを表す。
【００７２】
表１より明らかなように、本発明の試料Ｎｏ．２、３、５、６、９〜１４、１７、１８、２０、２１、２４〜２９については、脱バインダーによる不良が生じなく、Ｃｕメタライズの同時焼成も良好であった。また、熱膨張係数が８〜１８ｐｐｍ／℃であるガラスセラミックを絶縁基板として作製したパッケージ用配線基板では昇降温１０００サイクル後もプリント基板の配線導体とパッケージ用配線基板との間に電気抵抗変化は全く見られず、極めて安定で良好な電気的接続状態が維持できた。また、Ｘ線回折測定による結晶相の同定をおこなった結果、本発明の各試料では、いずれも結晶相としてリチウム珪酸およびフィラー成分による結晶相が検出された。
【００７３】
しかるにガラスの含有量が２０体積％より少ない試料Ｎo.１、１６では、いずれも緻密な焼結体を得ることができず、８０体積％を越える試料Ｎo.４、１５、１９、３０では、メタライズ層が溶融し、Ｃｕと同時焼成できなかった。
【００７４】
次に試料Ｎｏ．９、１０、２４、２５、３１について、テープの経時変化を測定した結果を表２に示す。この経時変化については、成形体を２５℃、湿度８０％の環境下に６０日間放置して、評価した。すなわち、成形後の成形体に対する所定の２点間距離をＬとし、そして、６０日後の２点間距離からＬを引いたものをΔｌとして、Δｌ／Ｌを百分率で表示することで評価した。
【００７５】
【表２】
0003748315.tif 000003
【００７６】
同表から明らかなとおり、本発明の組成範囲外のガラス３を用いた試料Ｎｏ．３１では成形体に対して非常に大きな経時変化が認められ、焼結体の寸法精度が低くなった。これに対する本発明のものではガラス１、２を用いて、経時変化がほとんど認められなかった。
【００７７】
また、本発明のようなガラスセラミックスにおいては、８００〜１０００℃にて生成される低粘度のガラスが焼結の駆動力となるが、その量が多すぎたり、低粘度すぎると過剰のガラスや表面に存在する非常に低粘度のガラスがセッター（セラミックスや金属材料により構成されている）と反応し、もしくは付着し、製品の特性や外観が損なわれることがある。
【００７８】
そこで、試料Ｎｏ．９、１０、２４、２５、３１に対する焼成可能温度域を測定した結果、ＣａＯを含まないガラス３を用いた試料Ｎｏ．３１では焼成可能温度域が表１に示す温度に対して±１０℃であり、これより低い温度であれば、緻密化できなくなり、それよりも高い温度である場合にはセッターとの反応が認められた。しかるにＣａＯを適量含むガラス１、２を用いた本発明の試料Ｎｏ．９、１０、２４、２５では表１に示す温度に対して±３０℃の広い温度域で緻密化が可能で、且つセッターとの反応も認められなかった。
【００７９】
【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、絶縁基板を、Ｌｉ２Ｏを２〜１５重量％で、ＣａＯを２〜３０重量％で含有するリチウム珪酸ガラスを２０〜８０体積％、４０〜４００℃における熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上の金属酸化物を含むフィラーを８０〜２０体積％含む成形体を焼成してなる、リチウムシリケートとディオプサイトとを含有し、４０〜４００℃における熱膨張係数が８〜１８ｐｐｍ／℃の焼結体から構成したことで、高熱膨張特性を有する絶縁基板の表面あるいは内部にメタライズ配線層を具備する配線基板や、高熱膨張特性を有し且つ半導体素子が収納された半導体素子収納用パッケージをガラス−エポキシ樹脂等を絶縁体とする外部電気回路に対して、強固に且つ長期にわたり安定した接続状態を維持できる高信頼性の半導体素子収納用パッケージならびにその実装構造が提供できた。
【００８０】
また、本発明によれば、Ｃｕメタライズ配線層との同時焼成を可能とし、バインダーの効率的な除去および比較的少ないガラス量でも低温焼結をおこなうことができる高品質且つ安価な配線基板および半導体素子収納用パッケージならびにその実装構造が提供できた。
【００８１】
さらにまた、本発明によれば、成形体の経時的寸法変化を少なくして、焼成可能な温度領域を広くしながらも、所望の特性を有する配線基板が提供できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＢＧＡ型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断面図である。
【図２】本発明のリードレスチップキャリア型のパッケージの実装構造を説明するための断面図である。
【符号の説明】
Ａ        半導体素子収納用パッケージ
Ｂ        外部電気回路基板
Ｃ        ＬＣＣ型パッケージ
１        絶縁基板
２、１３  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
１２      半田
１４      導電層
【図１】
0003748315.tif 000004
【図２】
0003748315.tif 000005