JP2000232178A - セラミックキャリアとその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 グリッド電極を備えそのはんだ接合部に亀裂
が生じ難いセラミックキャリアとその製造方法を提供す
ること。 【解決手段】 配線パターンが設けられた複数のセラミ
ックグリーンシート積層体により構成され、かつこの積
層体における一方側最外セラミックグリーンシート５の
貫通孔40内に充填された導体組成物41にて形成されたグ
リッド電極４を備えるセラミックキャリアであって、上
記グリッド電極における各電極の表面形状が電極周縁部
よりその中央部が外方に凸の山型形状になっていること
を特徴とする。そして、山型形状の電極を有するセラミ
ックキャリアがはんだを介しプリント基板に搭載される
際、はんだ内に大きなボイドが形成されなくなるためは
んだ接合部における亀裂が生じ難くその接続信頼性が向
上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、配線パターンが設
けられた複数のセラミックグリーンシート積層体により
その主要部が構成され、例えばＢＧＡ（ボールグリッド
アレイ）、ＣＳＰ（チップサイズパッケージ）等に適用
されるセラミックキャリアに係り、特に、実装時におけ
る接続信頼性が改善されたセラミックキャリアとその製
造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種のセラミックキャリアが組込まれ
たＣＳＰ（チップサイズパッケージ）の構造を図４に示
す。すなわち、セラミックキャリアａは、配線パターン
が設けられた複数のセラミックグリーンシートb1、b2の
積層体によりその主要部が構成されており、この積層体
の一方の面にはバンプｃを介しＩＣチップｄと接続する
ための電極ｅが設けられ、他方の面にはマザーボード
（プリント基板）ｆと接続するための電極ｇが設けられ
ていると共に、この両面の電極ｅ、ｇはヴィアｈや内層
配線ｉを通じて結線されている。

【０００３】また、マザーボード（プリント基板）ｆに
接続される電極ｇは、０．５〜１．２５ｍｍピッチで略
格子状に配列され、各電極ｇの形状は一般的に直径０．
３〜０．８ｍｍの円形に設定されていると共に、従来、
上記配線パターン等の形成と同様、導体ペースト（樹脂
と溶剤を主成分とするビヒクル、およびＡｇ、Ａｕ等の
金属から成る導体組成物）を用いたスクリーン印刷によ
り形成されている。

【０００４】ところで、このセラミックキャリアａがマ
ザーボード（プリント基板）ｆに実装される際、スクリ
ーン印刷により形成された上記電極ｇは図４〜５に示す
ようにはんだｊを介してマザーボード（プリント基板）
ｆの配線層ｋに接続されるが、この電極ｇについてはそ
の全体が上記積層体より外方へ突出する構造になってい
るため、完成された装置に熱サイクルが作用した場合に
これ等電極ｇにクラックが発生し易く、上記セラミック
キャリアａとマザーボード（プリント基板）ｆとの接続
信頼性に劣る欠点があった。

【０００５】このため、スクリーン印刷で形成される上
記電極構造に代わって、近年、グリッド電極構造と称さ
れる新たな電極が開発されている。すなわち、このグリ
ッド電極は、図６に示すように最外セラミックグリーン
シートb3の貫通孔ｍ内に充填された導体組成物ｎにて構
成されるものであった。

【０００６】そして、このグリッド電極ｇにおいては、
電極自体が最外セラミックグリーンシートb3より外方へ
突出する構造でないことから機械的強度に優れるため、
上記熱サイクルが作用しても電極ｇにクラック等が生じ
難いものであった。

【０００７】尚、このグリッド電極構造を有するセラミ
ックキャリアは、従来、以下のような工程を経て製造さ
れている。

【０００８】まず、金型を用いて各セラミックグリーン
シートに貫通孔を開設し、かつ、各貫通孔内に導体組成
物を充填してヴィア若しくはグリッド電極パターンを形
成した後、セラミックグリーンシート表面に導体組成物
を用いたスクリーン印刷により配線パターンを形成す
る。次に、グリッド電極パターンが形成されたセラミッ
クグリーンシートを最外側に配置して複数のセラミック
グリーンシートを重合し、かつ、金型で挟み込みながら
６０〜９０℃、１００〜５００ｋｇ／ｃｍ²の条件で熱
圧着させてセラミックグリーンシート積層体を作製す
る。このとき、セラミックグリーンシート積層体と金型
との接着現象を回避するため、通常、セラミックグリー
ンシート積層体と金型間に樹脂フィルムを介在させてい
る。

【０００９】次に、得られたセラミックグリーンシート
積層体は、セラミックの材質がアルミナの場合には１５
００〜１７００℃の条件で、ガラスセラミックの場合に
は８００〜１０００℃の条件で焼成した後、所定の大き
さに分割されてグリッド電極構造を有する上記セラミッ
クキャリアが得られる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この様な工
程を経て製造されるセラミックキャリアは、上述したよ
うにそのグリッド電極ｇの各電極自体が最外セラミック
グリーンシートb3より外方へ突出する構造でないため、
このセラミックキャリアを搭載した装置に熱サイクルが
作用した場合でも各電極にクラック等が発生し難い利点
を有するが、その反面、グリッド電極ｇとマザーボード
（プリント基板）ｆの電極層ｋとを接続させるはんだｊ
内に生ずるボイドが原因となってはんだ接合部に亀裂が
生じ易く、その接続信頼性において未だ改善の余地を有
する問題点が存在した。

【００１１】本発明はこの様な問題点に着目してなされ
たもので、その課題とするところは、グリッド電極を備
えそのはんだ接合部に亀裂が生じ難いセラミックキャリ
アとその製造方法を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】そこで、上記課題を解決
するため本発明者等が鋭意研究を行った結果、はんだ接
合部に亀裂が生じてしまう原因はグリッド電極における
各電極の表面形状に起因していることを見出だすに至っ
た。

【００１３】すなわち、上述した工程を経て製造される
従来のセラミックキャリアにおいては焼成時における導
体組成物ｎの収縮現象が原因となって、そのグリッド電
極ｇにおける各電極の表面形状は、図６に示した平坦状
態でなく図７に示すように内側へ若干凹んだ凹型状態に
なっている。

【００１４】そして、各電極の表面形状が凹型状態にあ
るグリッド電極ｇについてはんだｊを介しマザーボード
（プリント基板）ｆの電極層ｋに接続させた場合、グリ
ッド電極における各電極の表面形状に起因して上記はん
だｊ内に１５０μｍ以上の大きなボイドが形成され易
く、この大きなボイドが原因となってはんだ接合部に亀
裂を生じさせていることを究明するに至った。

【００１５】すなわち、はんだｊを介してグリッド電極
ｇの各電極とマザーボード（プリント基板）ｆの電極層
ｋを接続させる場合、はんだペースト内に含まれる溶剤
やフラックスが気化あるいは分解してガスを発生し、は
んだ内においておよそ５０〜３００μｍのボイドが形成
され、その中で、１５０μｍ以上の大きなボイドは温度
変化を受けることでそのボイド内の気体の膨張収縮現象
によりはんだ接合部に亀裂を生じさせ易い。そして、１
５０μｍ以上の大きなボイドは、グリッド電極ｇにおけ
る各電極の表面形状が凹型状態の場合に形成され易いこ
とが分かった。すなわち、図８に示すようにはんだｊを
介してグリッド電極ｇの各電極とマザーボード（プリン
ト基板）ｆの電極層ｋを接続する場合、はんだペースト
内に含まれる溶剤やフラックスが気化あるいは分解して
はんだ内に５０〜７０μｍのボイドｐが生成されるが、
これ等ボイドｐは熔融したはんだ中を上昇して図９に示
すようにグリッド電極ｇの各電極近傍に到達する。この
とき、グリッド電極ｇにおける各電極の表面形状が凹型
状態の場合、図１０に示すように上記ボイドｐ群は合体
して１５０μｍ以上の大きなボイドを形成し易いため、
この大きなボイドが原因となってはんだ接合部に亀裂を
生じさせていることが解明された。

【００１６】本発明はこの様な技術的検討を経て完成さ
れたものである。

【００１７】すなわち、請求項１に係る発明は、配線パ
ターンが設けられた複数のセラミックグリーンシート積
層体により構成され、かつ、この積層体における一方側
最外セラミックグリーンシートの貫通孔内に充填された
導体組成物にて形成されたグリッド電極を備えるセラミ
ックキャリアを前提とし、上記グリッド電極における各
電極の表面形状が、電極周縁部よりその中央部が外方に
凸の山型形状になっていることを特徴とするものであ
る。

【００１８】そして、請求項１記載の発明に係るセラミ
ックキャリアによれば、グリッド電極における各電極の
表面形状が電極周縁部よりその中央部が外方に凸の山型
形状になっていることから、はんだ内に形成されるボイ
ド群が上記グリッド電極における各電極近傍に集まり難
くなると共に大きく成長したボイドは各電極の山型形状
に沿ってはんだ内から外方へ抜け易くなるため、上記は
んだ内に大きなボイドが残留し難くなる。

【００１９】従って、グリッド電極のはんだ接合部にお
ける上記亀裂が起こり難くなり、セラミックキャリアに
おける接続信頼性を大幅に改善させることが可能とな
る。

【００２０】次に、請求項２に係る発明は請求項１記載
の発明に係るセラミックキャリアの製造方法を特定した
発明に関する。

【００２１】すなわち、請求項２に係る発明は、請求項
１記載のセラミックキャリアの製造方法を前提とし、配
線パターンが設けられた複数のセラミックグリーンシー
トを重合して加圧成形する際、貫通孔内に導体組成物が
充填された上記最外セラミックグリーンシート表面に対
しそのグリッド電極における各電極の対応部位に開口若
しくは凹部を有する型材を接合させた状態で加圧成形
し、上記導体組成物により構成される各電極の表面形状
を電極周縁部よりその中央部が外方に凸の山型形状に加
工することを特徴とするものである。

【００２２】そして、請求項２記載の発明に係るセラミ
ックキャリアの製造方法によれば、グリッド電極におけ
る各電極の対応部位に開口若しくは凹部を有する型材を
最外セラミックグリーンシート表面に対し接合させた状
態で加圧成形することにより、グリッド電極における各
電極の表面形状を電極周縁部よりその中央部が外方に凸
の山型形状に加工できるため、請求項１記載のセラミッ
クキャリアを低工数でかつ歩留まりよく簡便に製造する
ことが可能となる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。

【００２４】図１は、本発明に係るセラミックキャリア
の製造途中の工程を示す説明図である。

【００２５】すなわち、ヴィアや配線パターン等がそれ
ぞれ設けられた第一、第二、第三セラミックグリーンシ
ート１、２、３と、貫通孔40内に充填された導体組成物
41にて構成されたグリッド電極４を有する最外セラミッ
クグリーンシート５を重合し、かつ、第一セラミックグ
リーンシート１の上面側に対しシリコン等がコーティン
グされたポリエステルフィルム等樹脂フィルム６を載置
する一方、最外セラミックグリーンシート５の下面側に
対しそのグリッド電極４における各電極の対応部位に開
口７を有すると共にシリコン等がコーティングされたポ
リエステルフィルム等から成る型材（セッター）８を載
置した後、その両側から金型11、12により挟み込みなが
ら熱圧着させてセラミックグリーンシート積層体を作製
する。

【００２６】このとき、上記型材（セッター）８の開口
７に位置整合された最外セラミックグリーンシート５に
おける貫通孔40内の導体組成物41は上記開口７内に押し
出されるため、図２に示すようにその表面形状は、中央
部が外方に凸の山型形状に加工される。

【００２７】次に、作製された上記セラミックグリーン
シート積層体は通常の処理工程に従って焼成されると共
に、所定の大きさに分割されてそのグリッド電極４にお
ける各電極の表面形状が山型形状に加工されたセラミッ
クキャリアが得られる。

【００２８】そして、このセラミックキャリアにおいて
はグリッド電極４における各電極の表面形状が上述した
ように電極周縁部よりその中央部が外方に凸の山型形状
に加工されていることから、はんだ内に形成されるボイ
ド群が上記グリッド電極４における各電極近傍に集まり
難くなり、かつ、図３（Ａ）に示すように複数のボイド
ｐが合体して大きく成長したボイドｐが存在した場合で
も、このボイドｐは図３（Ｂ）に示すように各電極の山
型形状に沿ってはんだｊ内から外方へ抜け易くなるため
はんだｊ内に大きなボイドが残留することはない。

【００２９】このため、従来のセラミックキャリアと比
べてグリッド電極のはんだ接合部における亀裂が起こり
難くなり、セラミックキャリアにおける接続信頼性を大
幅に改善できる利点を有している。

【００３０】ここで、上記型材（セッター）の材質につ
いては、熱圧着する際の熱あるいは圧力により熔解ある
いは著しく変形しないものであれば任意の材料が適用で
き、例えば、ポリエステル、ポリフェニレンサルファイ
ド、塩化ビニル等の樹脂フィルム、あるいは、アルミニ
ウム、ステンレス等の金属が利用できる。

【００３１】尚、型材（セッター）を介して熱圧着する
と、セラミックグリーンシートは上記型材（セッター）
に付着し易く剥離が困難となる場合があるため、型材
（セッター）表面にシリコンあるいはフッ素系樹脂等を
コーティングすることが好ましい。

【００３２】また、上記型材（セッター）の開口若しく
は凹部の位置はセラミックグリーンシートのグリッド電
極の位置に対応させる。また、型材（セッター）の開口
若しくは凹部の形状と大きさについてはグリッド電極に
おける各電極と同じとすることが原則望ましいが、必ず
しも同一にする必要はない。

【００３３】また、上記熱圧着の際、最外セラミックグ
リーンシートにおける貫通孔内の導体組成物は上記型材
（セッター）の開口若しくは凹部内に押し出されてその
中央部が外方へ凸の山型形状に加工される。従って、山
型形状を有するグリッド電極の高さは、型材（セッタ
ー）における開口若しくは凹部の深さ、熱圧着の温度あ
るいは圧力に応じて調整することができる。尚、グリッ
ド電極における各電極の高さが小さいとボイド除去の効
果が小さく、反対に大き過ぎると加圧成形時に重合され
た複数のセラミックグリーンシートが変形する場合があ
るため、１０〜３０μｍ程度が好ましい。

【００３４】そして、熱圧着して形成されたセラミック
グリーンシート積層体を金型から取り出し、焼成処理す
ることによりグリッド電極における各電極の表面形状が
山型形状に加工されたセラミックキャリアが完成する。

【００３５】

【実施例】以下、本発明の実施例について具体的に説明
する。

【００３６】まず、シリコンコーティングが施された厚
さ５０μｍのポリエステルフィルムに対しＮＣ穴開け機
を用いてグリッド電極と同位置に円形の開口７を設けて
型材（セッター）８を作製した。

【００３７】尚、開口７の直径はグリッド電極４におけ
る各電極と同じ６００μｍφとした。また、最外セラミ
ックグリーンシート５におけるグリッド電極４と上記型
材（セッター）８における開口７との位置合せについて
は、最外セラミックグリーンシート５と上記型材（セッ
ター）８にそれぞれ基準孔を設けておき、上記金型12に
付設されている図示外の基準ピンに上記基準孔をそれぞ
れ差し込むことで行っている。

【００３８】次に、ヴィアや配線パターン等がそれぞれ
設けられた厚さ１５０μｍの第一、第二、第三セラミッ
クグリーンシート１、２、３と、貫通孔40内に充填され
た導体組成物（導体ペースト）41にて構成されたグリッ
ド電極４を有しかつ上記基準孔が設けられた最外セラミ
ックグリーンシート５を重合し、かつ、第一セラミック
グリーンシート１の上面側に対しシリコンがコーティン
グされたポリエステルフィルムの樹脂フィルム６を載置
する一方、最外セラミックグリーンシート５の下面側に
対しそのグリッド電極４における各電極の対応部位に開
口７を有すると共にシリコンがコーティングされかつ上
記基準孔が設けられたポリエステルフィルムから成る型
材（セッター）８を載置し、更に、最外セラミックグリ
ーンシート５の基準孔と型材（セッター）８の基準孔を
金型12の基準ピンにそれぞれ差し込んだ後、重合したセ
ラミックグリーンシートの両側から金型11、12により挟
み込みながら静水圧ラミネーターにより熱圧着させてセ
ラミックグリーンシート積層体を作製した。尚、熱圧着
条件は、７０℃、３００kgf、３００secとした。

【００３９】そして、熱圧着させた後、セラミックグリ
ーンシート積層体から上記樹脂フィルム６と型材（セッ
ター）８を剥がし、焼成し、かつ、電極面にメッキを施
し、更に、分割して、各電極の表面形状が山型形状に加工
されたセラミックキャリアを作製した。

【００４０】尚、完成されたセラミックキャリアのグリ
ッド電極における各電極の表面形状はその中央部が外方
に凸の山型形状で、その高さは平均で１８μｍ、そのばら
つきはσ＝１．１μｍであった。

【００４１】［評 価］次に、表面にはんだペーストが
印刷されたプリント基板上にこの実施例に係るセラミッ
クキャリアを実装し、かつ、プレヒート温度１５０℃で
６０sec、ピーク温度２３０℃で５secの条件でリフロー
した。

【００４２】そして、Ｘ線透過装置を用いてはんだ接合
部のボイドを観察したところ、ボイドの発生は見られた
が最大で８０μｍ程度であった。

【００４３】また、実施例に係るセラミックキャリアが
プリント基板に実装された装置（実装体）を５５〜１５
０℃、キープ温度３０minの条件でヒートサイクル試験を
行ったところ、１０００サイクルではんだ接合部の断
線、クラック等接合不良の発生は確認されなかった。

【００４４】［比較例］上記型材（セッター）８に代え
てシリコンがコーティングされたポリエステルフィルム
の樹脂フィルム６と同一構造の樹脂フィルム（すなわ
ち、上記開口７が開設されていないポリエステルフィル
ム）を適用した以外は実施例と同一の条件に従って比較
例に係るセラミックキャリアを作製した。

【００４５】尚、比較例に係るセラミックキャリアにお
いては、焼結時における導体ペーストの収縮によりグリ
ッド電極における各電極の表面形状が内側に２〜３μｍ
凹んだ凹型形状となっていた。

【００４６】そして、実施例と同様、この比較例に係る
セラミックキャリアをプリント基板に実装した後、Ｘ線
透過装置を用いてはんだ接合部のボイドを観察したとこ
ろ、最大で３００μｍの大きなボイドが多数観測され
た。

【００４７】また、実施例と同様、比較例に係るセラミ
ックキャリアがプリント基板に実装された装置（実装
体）を実施例と同一条件でヒートサイクル試験を行った
ところ、４００サイクルではんだ接合部でクラックによ
る接合不良が発生した。

【００４８】

【発明の効果】請求項１記載の発明に係るセラミックキ
ャリアによれば、グリッド電極における各電極の表面形
状が電極周縁部よりその中央部が外方に凸の山型形状に
なっていることからはんだ内に形成されるボイド群がグ
リッド電極における各電極近傍に集まり難くなると共
に、大きく成長したボイドは各電極の山型形状に沿って
はんだ内から外方へ抜け易くなるため上記はんだ内に大
きなボイドが残留し難くなる。

【００４９】従って、グリッド電極のはんだ接合部にお
ける亀裂が起こり難くなり、セラミックキャリアにおけ
る接続信頼性を大幅に改善できる効果を有する。

【００５０】次に、請求項２記載の発明に係るセラミッ
クキャリアの製造方法によれば、グリッド電極における
各電極の対応部位に開口若しくは凹部を有する型材を最
外セラミックグリーンシート表面に対し接合させた状態
で加圧成形することにより、グリッド電極における各電
極の表面形状を電極周縁部よりその中央部が外方に凸の
山型形状に加工できるため、請求項１記載のセラミック
キャリアを低工数でかつ歩留まりよく簡便に製造できる
効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るセラミックキャリアの製造途中の
工程を示す説明図。

【図２】本発明に係るセラミックキャリアの一部拡大断
面図。

【図３】図３（Ａ）と図３（Ｂ）は本発明に係るセラミ
ックキャリアの作用を示す説明図。

【図４】従来のセラミックキャリアが組み込まれたチッ
プサイズパッケージ（ＣＳＰ）の構成説明図。

【図５】従来のセラミックキャリアの一部拡大断面図。

【図６】他の従来例に係るセラミックキャリアの一部拡
大断面図。

【図７】他の従来例に係るセラミックキャリアの一部拡
大断面図。

【図８】他の従来例に係るセラミックキャリアの弊害を
示す説明図。

【図９】他の従来例に係るセラミックキャリアの弊害を
示す説明図。

【図１０】他の従来例に係るセラミックキャリアの弊害
を示す説明図。

【符号の説明】

１ 第一セラミックグリーンシート ２ 第二セラミックグリーンシート ３ 第三セラミックグリーンシート ４ グリッド電極 ５ 最外セラミックグリーンシート ６ 樹脂フィルム ７ 開口 ８ 型材（セッター） 11，12 金型 40 貫通孔 41 導体組成物

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 工藤 康人 東京都青梅市末広町１丁目６番１号 住友 金属鉱山株式会社電子事業本部内 Ｆターム(参考） 5F044 KK04 KK12 KK17 LL05

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】配線パターンが設けられた複数のセラミッ
   クグリーンシート積層体により構成され、かつ、この積
   層体における一方側最外セラミックグリーンシートの貫
   通孔内に充填された導体組成物にて形成されたグリッド
   電極を備えるセラミックキャリアにおいて、 上記グリッド電極における各電極の表面形状が、電極周
   縁部よりその中央部が外方に凸の山型形状になっている
   ことを特徴とするセラミックキャリア。
2. 【請求項２】請求項１記載のセラミックキャリアの製造
   方法において、 配線パターンが設けられた複数のセラミックグリーンシ
   ートを重合して加圧成形する際、貫通孔内に導体組成物
   が充填された上記最外セラミックグリーンシート表面に
   対しそのグリッド電極における各電極の対応部位に開口
   若しくは凹部を有する型材を接合させた状態で加圧成形
   し、上記導体組成物により構成される各電極の表面形状
   を電極周縁部よりその中央部が外方に凸の山型形状に加
   工することを特徴とするセラミックキャリアの製造方
   法。