(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック焼結体から成る複数の絶縁基体に配線導体を一体的に形成した配線基板であって、前記配線基板に設けた入出力用の接続パッドが、周辺部よりも中央部が盛り上がるように形成され、配線基板表面より２０〜２００μｍの高さで突出した導電材料とガラスで構成されたビアホール導体から成るとともに、前記絶縁基板と接続パッドが同時焼成され、前記ガラスの軟化点が６００〜７００℃であり、前記ビアホール導体の前記ガラスの含有量が３０〜４０重量％であることを特徴とする配線基板。
【請求項２】
前記導電材料が銅（Ｃｕ）及び／又はその酸化物であることを特徴とする請求項１記載の配線基板。
【請求項３】
前記接続パッドが配線基板表面より１００〜１８０μｍの高さで突出していることを特徴とする請求項１又は２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、半導体素子が収容搭載され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が搭載される混成集積回路装置等、とりわけ半導体素子の表面電極を配線基板の配線用電極に直接接続する、あるいは配線基板を外部電気回路基板に表面実装するに好適な、入出力用の球状端子を必要としない接続パッドを有する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の表面あるいは内部に、タングステン（Ｗ）やモリブデン（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、該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ビアホール導体で互いに接続した構造を成している。
【０００３】
そして、前記配線基板を、例えば半導体素子収納用パッケージに適用する場合には、前記絶縁基体の凹部底面に半導体素子が接着固定され、該半導体素子はボンディングワイヤを介して電気的に接続され、更に前記凹部を塞ぐように蓋体を接合し、前記半導体素子を絶縁基体の凹部内に気密に収容することにより最終製品となっていた。
【０００４】
近年、高周波化及び高密度化が進むＩＣやＬＳＩ等の半導体素子を搭載する配線基板は、半導体素子の高速化と放熱性を良好ならしめると共に該半導体素子をコンパクトに搭載するために、例えば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等の球状端子を設けて直接接続するフリップチップ接続法等が採用されるようになってきている。
【０００５】
かかる配線基板は、例えば図３に示すように配線基板７の絶縁基体８上に半導体素子の表面電極（不図示）に対応して形成されたビアホール導体９に接続するように接続パッド１０を被着形成し、該接続パッド１０の表面にニッケル（Ｎｉ）等の金属被膜１１を形成し、その上に半田から成る球状端子１２を配置して該球状端子１２上に半導体素子の表面電極を載置当接した後、前記球状端子１２を所定温度で加熱溶融して接続することにより半導体素子と配線基板が電気的に接続されている。
【０００６】
他方、高速信号に対応でき、高密度、小型軽量化の要求に応えるために、配線基板を外部電気回路基板に表面実装すべく前記球状端子が採用されており、この場合、前記球状端子は配線基板の下面に多数配置され、該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た後、前記同様に球状端子を所定温度で加熱溶融して配線導体に接続させることにより外部電気回路基板上に実装することが行われており、配線基板に搭載された半導体素子の各電極は配線導体及びビアホール導体を介して外部電気回路基板に電気的に接続されている。
【０００７】
そこで、かかるフリップチップ接続法や、外部電気回路基板への表面実装に対応するために配線基板に高精度の寸法形状を有する球状端子を形成する各種方法が提案されている（特開平６−５３６５５号公報、特開平５−２４３３３０号公報参照）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記提案では個々の球状端子の寸法形状は高精度が得られるものの、前述のように配線基板では更なる高密度、小型化が要求されており、その要求を満足するために、ビアホールの直上に接続パッドが形成されている。
【０００９】
従って、半導体素子の高密度化に伴って半田等から成る球状端子自体の小型化と共にピッチの短縮化も必要となり、その上、前記接続パッドも小型化され、該接続パッドとビアホールとの位置精度や、接続パッドの印刷のにじみ等からの接続信頼性や、電気的な短絡等も懸念され、前記球状端子の直径や厚さ、ピッチ等の寸法形状を高精度に形成することがますます困難となり、また、前記球状端子の厚さを研磨等により調整すると工程数が増加することから、製造コストが増大する等の種々の課題がある他、接続部である半田から成る球状端子は熱疲労により破壊し易いという課題もあった。
【００１０】
【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、半田等から成る球状端子を接続パッドに形成することなく、半導体素子を配線基板に直接接続することが可能な、あるいは配線基板を外部電気回路基板に直接表面実装することが可能な接続パッドを有する、低コストの配線基板を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、前記課題に鑑み検討した結果、ビアホール導体を構成するガラス成分を調整することにより、配線基板表面より前記ビアホール導体が突出して高くなることから、ビアホールを接続パッドに対応した位置に形成しておき、該ビアホール部の導体を接続パッドとして利用することにより、球状端子を設けなくとも半田や導電性接着剤等で半導体素子と配線基板、あるいは配線基板と外部電気回路基板が表面実装可能であることを知見したものである。
【００１２】
即ち、本発明の配線基板は、セラミック焼結体から成る複数の絶縁基体に配線導体を同時焼成して一体的に形成し、該絶縁基体上の入出力用の接続パッドに対応して形成されたビアホールに充填した導電材料とガラスから成る導体が、周辺部よりも中央部が盛り上がるように形成され、配線基板の表面より２０〜２００μｍの高さで突出し、ガラスの軟化点が６００〜７００℃であり、ビアホール導体のガラスの含有量が３０〜４０重量％であることを特徴とするものである。
【００１３】
特に、ビアホール導体を構成する導電材料は、銅（Ｃｕ）及び／又はその酸化物であることが最も望ましいものである。
【００１４】
一方、突出したビアホール導体から成る接続パッドの配線基板の表面よりの高さも１００〜１８０μｍであることが最も望ましいものである。
【００１５】
【作用】
本発明によれば、セラミック焼結体から成る複数の絶縁基体に配線導体を同時焼成して一体化した配線基板に形成されたビアホールが、導電材料とガラスを充填して形成された導体から成り、該ビアホール導体が、周辺部よりも中央部が盛り上がるように形成され、配線基板の表面から２０〜２００μｍの高さに突出していることから、該突出部を接続パッドとして充当でき、ビアホールと接続パッドの位置精度の課題も解消すると共に、従来のように個別に半田から成る球状端子を形成して配線基板表面からの高さを一定に確保する必要がないものであるため、前記球状端子が存在することによって起こる課題は全て解消されることになり、電気的な接続信頼性が向上する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の配線基板について図面に基づき詳細に述べる。
【００１７】
図１は本発明の配線基板の一実施例を示す断面図であり、図２は本発明の配線基板に設けた、絶縁基板と同時焼成して形成した入出力用の接続パッドを説明するための要部拡大断面図である。
【００１８】
図１及び図２において、１は絶縁基体２に一体化した配線導体３と、該配線導体３が絶縁基体２に設けたビアホール導体４で電気的に接続された接続パッド５とから成る配線基板である。
【００１９】
本発明の配線基板１の接続パッド５は、周辺部よりも中央部が盛り上がるように形成され、ビアホール導体４が配線基板１の表面から高さ６だけ突出した構造を成すものである。
【００２０】
本発明の配線基板において、絶縁基体を構成するセラミック焼結体としては特に限定されるものではなく、例えばガラス成分とセラミックフィラー成分とから成るガラスセラミック磁器等があり、前記ガラス成分としては周知のガラスを用いることができるが、特に銅を導電材料とする場合には、銅配線層との熱膨張差を小さくできるリチウム系結晶化ガラスが銅配線層との接着強度を向上させる上で望ましい。
【００２１】
一方、前記セラミックフィラーとしては、アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）やシリカ（ＳｉＯ2 ）、マグネシア（ＭｇＯ）、カルシア（ＣａＯ）、フォルステライト等が挙げられる。
【００２２】
また、絶縁基体としては、２０〜８０体積％のリチウム珪酸ガラスに、４０〜４００℃の温度範囲における熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上の前記フィラーを８０〜２０体積％の割合で含む成形体を焼成したものが好適である。
【００２３】
次に、前記ビアホール導体を構成する導電材料としては、特に限定するものではないが、Ｗ、Ｍｏ、Ｍｎ等の高融点金属や、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）等の良電気伝導性の金属、あるいはそれらの化合物等も好適に用いることができる上、それらを併用することも可能である。
【００２４】
なかでも、ビアホール導体の導通の信頼性と取扱い易さの点からはＣｕが最適であり、ＣｕはＣｕＯやＣｕ2 Ｏ等の酸化物や、Ｃｕとそれらを組み合わせても適用可能である。
【００２５】
また、原料粉末として用いる導電材料の粒径は、均質な組織のビアホール導体を得ると共に、接続パッドの表面粗さあるいはスクリーン印刷法による印刷の鮮明度の点からは１〜１０μｍ程度の大きさにしておくことがより望ましい。
【００２６】
また、ビアホール導体を構成するガラス成分としては、ビアホール導体の高さの制御と導電材料の焼結性との整合から、例えば、軟化点が６００〜７００℃のアルカリガラスやホウ珪酸ガラス、亜鉛ガラス、リン酸ガラス等が挙げられ、とりわけ前記導電材料中、Ｃｕとの熱膨張差を小さくするという点からは、高い熱膨張率を有するリチウム珪酸ガラスが好適である。
【００２８】
更に、前記ガラスの含有量は、配線基板の表面から突出したビアホール導体の高さの制御し易さの点からは３０重量％以上がよく、他方、前記導体へのメッキのし易さや接着強度、及び該導体の比抵抗の点からは４０重量％以下がよい。
【００２９】
従って、双方の特性のバランスに基づきその含有量を適性化することによって両立させることが可能となるが、特にビアホール導体と絶縁基体との接着強度の観点から３０〜４０重量％が必要である。
【００３０】
一方、原料粉末として用いるガラスの粒径は、機械的強度の点で１〜５μｍが望ましく、その粒径は前記導電材料の粒径より小であることが、ビアホール導体の配線基板表面からの突出高さを制御する点からは望ましい。
【００３１】
また、前記ビアホール導体が配線基板の表面より突出する高さが２０μｍ未満になると配線基板に発生する反りにより、半導体素子のシリコンチップあるいは外部電気回路基板の電極との接続が不十分となる等の接続信頼性が劣化し、逆に前記高さが２００μｍを越えると、突出したビアホール導体が破断し易く、接続信頼性が劣化するため、その高さは２０〜２００μｍに特定され、とりわけ接続部の応力を緩和するという点からは１００〜１８０μｍが最適である。
【００３２】
更に、前記ビアホール導体を形成する際に用いる導電材料とガラス粉末に有機バインダーを加えて調製した導電性ペーストは、前記有機バインダーの含有量としてビアホール部への充填性からは１重量％以上が好ましく、他方、配線基板表面からの突出高さの制御し易さの点からは６重量％以下となり、両者の兼ね合いからは２〜４重量％の範囲で、有機バインダー成分としては、例えば分子量が５０万以下のアクリル樹脂等が望ましい。
【００３３】
他方、前記接続パッドがビアホール導体の導電材料として前記高融点金属から成る場合、半導体素子を半田で表面実装するには配線基板表面に露出した前記ビアホール導体の表面に、無電解メッキ処理等によりＣｕあるいはＮｉの被覆を形成しておくことが必要である。
【００３４】
【実施例】
本発明の配線基板を以下のようにして評価した。
【００３５】
先ず、ビアホール導体用及び内部配線用ペーストとして、平均粒径が３〜６μｍのＣｕ及びＣｕ2 Ｏ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｐｄ粉末を導電材料とし、ガラスフリットとしては軟化点が６００〜１０００℃の範囲であるリチウム珪酸ガラスを、表１に示す割合にそれぞれ秤量し、これら原料粉末にその分子量と添加量を選択した有機バインダーを添加して混練機で２時間混練して粘度を調整したペーストを作製した。
【００３６】
一方、絶縁基体としては、リチウム珪酸系ガラスとＡｌ2 Ｏ3 、ＳｉＯ2 、ＭｇＯ、ＣａＯ等のフィラーの粉末に、窒素雰囲気下での熱分解性に優れた分子量が５０万以下のアクリル系樹脂から成る有機バインダーと、必要に応じて可塑剤、溶剤を添加して調製した泥漿を、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０．２ｍｍのセラミックグリーンシートに成形した。
【００３７】
その後、前記セラミックグリーンシートにＮＣパンチング装置により孔径が０．１５ｍｍのスルーホールを所定パターンで設けた。
【００３８】
次いで、前記ペーストをスクリーン印刷法によりセラミックグリーンシートのスルーホールに充填すると共に、該グリーンシートの一方の外表面に所定の配線パターンを被着形成し、次いでこれらを複数枚積層圧着した後、該積層体を所定形状に切断し、これを窒素と水素ガスから成る還元性雰囲気中、８００〜１０００℃の温度で焼成し、１１ｍｍ角の評価用の配線基板を作製した。
【００３９】
かくして得られた前記評価用の配線基板を用いて、表面粗さ計により該配線基板の対角方向にビアホール導体の突出部の凹凸を計測し、１０ケ所のビアホール導体の配線基板表面からの高さの平均値を求めた。
【００４０】
次に、ビアホール導体の導通性を評価するために、配線基板表面を研磨した後、露出したビアホール導体にＮｉ−Ａｕメッキを施し、デジタルマルチメータにて抵抗値を測定すると共に、ビアホール導体の直径を金属顕微鏡で、ビアホール導体の長さをマイクロメータでそれぞれ１０ケ所測定して平均値を求め、それら平均値からビアホール導体の比抵抗を算出した。
【００４１】
更に、ビアホール導体へのメッキ性について、ビアホール導体及び配線パターンに無電解メッキ法により厚さ２μｍのＮｉメッキを施し、その上に厚さ０．１μｍのＡｕメッキを施した後、メッキ直後の外観検査及びメッキ後に３５０℃の温度に１０分間曝す耐熱試験をした後の外観検査の２段階評価により、メッキ面の欠けやふくれ、しみ等の欠陥が認められないものを良と、前記欠陥のメッキ不良が認められるものを不可として評価した。
【００４２】
また、シリコンチップとの接続信頼性及び外部電気回路基板との接続信頼性について、評価用の配線基板上面に高温半田ペーストをスクリーン印刷法で接続パッドの位置に印刷塗布した後、その上にシリコンチップを搭載し、ピーク温度が３５０℃となる３００℃以上の温度域で２分間熱処理した後、フラックスを洗浄してアンダーフィル剤をシリコンチップと配線基板との間隙に注入した。
【００４３】
一方、前記評価用の配線基板下面には、共晶半田ペーストを同様にして印刷塗布した後、外部電気回路基板の所定位置に載置し、ピーク温度が２３０℃となる２００℃以上の温度域で２分間熱処理した後、フラックスを洗浄して評価用の実装基板を作製した。
【００４４】
かくして得られた評価用の実装基板を用いて、１サイクルを２４時間とする−４５℃と１２５℃の温度サイクル試験を行い、５００サイクル及び１０００サイクルでのそれぞれの接続パッド部を経由してシリコンチップ搭載側の抵抗値と、外部電気回路基板側の抵抗値をそれぞれ測定し、いずれかが試験前の抵抗値に対して５００サイクルで抵抗値が１．５倍以上となったものを不可、１０００サイクルで抵抗値が１．５倍以上となったものを可、１０００サイクルで抵抗値が１．２倍以上、１．５倍未満となったものを良、１０００サイクルで抵抗値が１．２倍未満のものを優と判定し、シリコンチップとの接続信頼性、及び外部電気回路基板との接続信頼性をそれぞれ評価した。
【００４５】
【表１】
0003732923.tif 000002
【００４６】
表から明らかなように、本発明の請求範囲外である試料番号１、４、５、９、２０、２５、２６では、シリコンチップ及び外部電気回路基板との接続信頼性が悪く、また試料番号１９、３２、３６ではメッキ性に不安があり、長期間での信頼性に劣ると考えられ実用的でない。
【００４７】
それらに対して、本発明ではいずれもシリコンチップ及び外部電気回路基板との接続信頼性は満足すべきものであり、かつメッキ性も良好なものであることが分かる。
【００４８】
尚、本発明の配線基板は、前記実施例に何ら限定されるものではない。
【００４９】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の配線基板はビアホール導体を配線基板表面から所定高さに突出させたことから、半田より成る球状端子を接続パッドに形成する必要がなく、得られたビアホール導体の突出部を利用して半導体素子を配線基板に半田や導電性接着剤等で直接接続することができると共に、配線基板を外部電気回路基板に直接表面実装することも可能となり、接続信頼性が極めて高い低コストの配線基板を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線基板の一実施例を示す断面図である。
【図２】本発明の配線基板に設けた入出力用の接続パッドを説明するための要部拡大断面図である。
【図３】従来の配線基板に設けた入出力用の球状端子を説明するための要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１      配線基板
２      絶縁基体
３      配線導体
４      ビアホール導体
５      接続パッド
６      高さ
【図１】
0003732923.tif 000003
【図２】
0003732923.tif 000004
【図３】
0003732923.tif 000005