JP2004221407A

JP2004221407A - Wiring board

Info

Publication number: JP2004221407A
Application number: JP2003008482A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Matsudera; 拓松寺
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-01-16
Filing date: 2003-01-16
Publication date: 2004-08-05

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To overcome a problem that electrode pads of a wiring board connected with electrodes of a semiconductor element via metal bumps are peeled off from an insulating substrate, thus lowering the reliability of connection between the semiconductor element and the wiring board. <P>SOLUTION: In the wiring board comprising the insulating substrate 1 which is made of an electric insulating material and has a mounting part 1a for mounting an electronic component 3 on its surface, a plurality of electrode pads 5 that are formed on the mounting part 1a of the insulating substrate 1 and the electrodes of the electronic component 3 are connected with via the metal bumps 6, and a plurality of wiring conductors 2 which are led out to the outside surface from the electrode pads 5 of the insulating substrate 1, each electrode pad 5 consists of a major connecting part 5a which is directly connected with the wiring conductor 2 made of tungsten and/or molybdenum and copper, and an auxiliary connecting part 5b which is applied from an outer circumferential part of the major connecting part 5a made of tungsten and/or molybdenum and iron group metals to the surface of the insulating substrate 1. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体素子やコンデンサ、抵抗器等の電子部品が搭載される配線基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電子部品、例えば、半導体素子が搭載される配線基板は、酸化アルミニウム質焼結体から成り、その表面に半導体素子が搭載される搭載部を有する絶縁基体と、該絶縁基体の半導体素子搭載部に形成され、前記半導体素子の電極が半田等の金属材料から成る金属バンプ等を介して接続される多数の電極パッドと、各電極パッドと接続して前記絶縁基体の搭載部から下面等の外表面にかけて導出されている、例えば、タングステンやモリブデン等の高融点金属粉末から成る複数個の配線導体とから構成されており、絶縁基体の搭載部に半導体素子を搭載するとともに、半導体素子の各電極を錫−鉛半田等から成る金属バンプを介して電極パッドに電気的に接続し、しかる後、必要に応じて前記半導体素子を蓋体や封止樹脂で気密封止させることによって半導体装置となる。
【０００３】
なお、半導体素子の各電極と配線基板の電極パッドとの金属バンプを介しての接続は、半導体素子の各電極の表面にあらかじめ錫−鉛半田等から成る金属バンプを被着させておき、これらの金属バンプを配線基板の電極パッドに位置決め当接するとともに加熱溶融させることにより行なわれる。
【０００４】
かかる半導体装置は、例えば、外部電気回路基板上に、該外部電気回路基板の回路配線と絶縁基体の下面に導出された配線導体の露出部とが、間に錫−鉛半田等の低融点ロウ材を挟んで対向するよう載置させ、しかる後、前記低融点ロウ材を約２００℃〜３００℃の温度で加熱溶融させ、外部電気回路基板の回路配線と絶縁基体の下面等に導出された配線導体とを接合させることによって外部電気回路基板上に実装され、同時に配線基板に搭載されている半導体素子の各電極も電極パッド、金属バンプおよび配線導体を介して外部電気回路基板に電気的に接続されることとなる。
【０００５】
しかしながら、上記従来の半導体素子が搭載される配線基板は絶縁基体が酸化アルミニウム質焼結体で形成されるとともに、配線導体および電極パッドがタングステンやモリブデン等の高融点金属で形成されており、該高融点金属は電気抵抗が高い（電気抵抗率（２０℃）で、タングステン：５．５×１０^−６Ω・ｃｍ、モリブデン：５．７×１０^−６Ω・ｃｍ）ことから電極パッドや配線導体を、半導体素子の演算速度の高速化等に対応して十分に低抵抗とすることができないという欠点があった。
【０００６】
そこで、この従来の欠点を解決する方法として、本出願人は先に酸化アルミニウムを主成分とする相対密度が９５％以上のセラミックスから成る絶縁基体と、該絶縁基体の表面および／または内部に銅を１０〜７０体積％、タングステンおよび／またはモリブデンを３０〜９０体積％の割合で含有したメタライズ層（電極パッド、配線導体）を具備する配線基板およびその製造方法を提案した（特開２０００−１８８４５３号参照）。
【０００７】
この配線基板によれば、メタライズ層（電極パッド、配線導体）が低抵抗の銅を含有するため電極パッドや配線導体を形成する導体の電気抵抗を低く（電気抵抗率（２０℃）で約３×１０^−６〜５×１０^−６Ω・ｃｍ）することができ、また絶縁基体が酸化アルミニウム質焼結体等から成り、かつ相対密度が高く緻密であるため熱伝導性を高くすることもできる。
【０００８】
このような配線基板は、例えば、酸化アルミニウムを主成分とし、酸化マンガン（ＭｎＯ_２）を２．０〜６．０質量％の割合で含有するセラミック成分をシート状に成形して得た複数枚のセラミックグリーンシートの表面に、銅粉末を１０〜７０体積％、平均粒径が１〜１０μｍのタングステンおよび／またはモリブデンを３０〜９０体積％の割合で含有してなる導体ペーストを印刷塗布し、このセラミックグリーンシートを上下に積層するとともに、非酸化性雰囲気中で１２００〜１５００℃の温度で焼成することによって製作される。
【０００９】
〔特許文献１〕
特開平１１−１１１８８６号公報
〔特許文献２〕
特開２０００−１８８４５３号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記配線基板は、電極パッドや配線導体を低抵抗とすることができるものの電極パッドや配線導体の主成分である銅の融点以上の温度で焼成されることから銅粉末同士が融着し、銅粉末の絶縁基体に対する焼結一体化が不十分なものとなり、電極パッドや配線導体の絶縁基体に対する接着強度が低いものであった。
【００１１】
また、上記配線基板は絶縁基体が酸化アルミニウム質焼結体等のセラミックス材料で形成されており、その熱膨張係数が約６．５×１０^−６／℃〜８×１０⁻ ^６／℃であるのに対し、シリコン等から成る半導体素子の熱膨張係数が約２．５×１０^−６／℃であり、相違することから、半導体素子を配線基板に搭載して半導体装置となし、この半導体装置を外部電気回路基板に実装した後、半導体素子の作動時に発する熱が半導体素子と配線基板の絶縁基体に繰り返し作用すると、両者間に両者の熱膨張係数の差に起因して水平方向に熱応力が繰り返し生じるとともにこの熱応力が電極パッドの外周縁に沿って集中する。
【００１２】
また、半導体素子の電極を配線基板に接続する金属バンプとして、従来の錫−鉛半田に代わり錫−銀−ビスマス系等の鉛非含有半田が用いられるようになり、このような鉛非含有半田は硬く変形しにくいため熱応力を吸収緩和する作用が弱く、従来の錫−鉛半田の場合に比べて大きな熱応力が電極パッドに作用する。
【００１３】
そしてその結果、電極パッドが、外周縁部分から捲れるようにして、絶縁基体の表面から剥がれ、半導体素子と配線基板の配線導体との電気的接続が短期間で破れてしまうという問題があった。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の配線基板は、電気絶縁材料から成り、表面に電子部品が搭載される搭載部を有する絶縁基体と、該絶縁基体の前記搭載部に形成され、前記電子部品の電極が金属バンプを介して接続される多数の電極パッドと、前記絶縁基体の電極パッドから外表面にかけて導出されている複数個の配線導体とから成る配線基板であって、前記各電極パッドは、タングステンおよび／またはモリブデンと銅とから成る前記配線導体と直接接続する主接続部と、タングステンおよび／またはモリブデンと鉄族金属とから成る前記主接続部の外周部から前記絶縁基体の表面にかけて被着された補助接続部とにより形成されていることを特徴とするものである。
【００１５】
本発明の配線基板によれば、各電極パッドを、タングステンおよび／またはモリブデンと銅とから成る前記配線導体と直接接続する主接続部と、タングステンおよび／またはモリブデンと鉄族金属とから成る前記主接続部の外周部から前記絶縁基体の表面にかけて被着された補助接続部とにより形成し、前記主接続部が低抵抗の銅を主成分として含有していることから、電極パッドを低抵抗とすることができる。
【００１６】
また同時に、前記電極パッドは、前記主接続部の外周縁から絶縁基体の表面にかけて、絶縁基体および主接続部に対し強固に接合することが可能なタングステンおよび／またはモリブデンと鉄族金属とから成る補助接続部を被着形成していることから、この補助接続部により主接続部の外周部を絶縁基体に対して強固に接合させておくことができ、電極パッドに対して熱応力が作用したとしても、その外周部から剥がれが発生することを効果的に防止することができ、半導体素子と配線基板との接続信頼性を高くすることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に本発明を添付の図面を基にして詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明の配線基板を使用した半導体素子収納用パッケージの一実施例を示す断面図であり、１は絶縁基体、２は配線導体である。この絶縁基体１と配線導体２とで半導体素子３を搭載する配線基板４が構成される。
【００１９】
前記絶縁基体１は、例えば酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体等のセラミック焼結体により形成され、その上面に半導体素子３が搭載される搭載部１ａを有し、該搭載部１ａ上に半導体素子３が搭載される。
【００２０】
前記絶縁基体１は、その熱伝導性および機械的強度を良好とする上では、相対密度９５％以上の高緻密体から構成されるものであることが望ましい。
【００２１】
更に本発明では、前記絶縁基体１は、配線導体２との同時焼成による保形性を達成する上では、１２００℃乃至１５００℃の低温で焼成することが必要となるが、本発明によれば、このような低温での焼成においても相対密度９５％以上に緻密化することが望ましい。
【００２２】
かかる観点から、本発明における絶縁基体１は、例えば、酸化アルミニウムを主成分とするもの、具体的には酸化アルミニウムを９０質量％以上の割合で含有するものが好適に使用され、第２の成分として、Ｍｎ化合物をＭｎＯ_２換算で２．０乃至６．０質量％の割合で含有するものが望ましい。即ち、マンガン化合物が２．０質量％よりも少ないと、１２００℃乃至１５００℃での緻密化が達成されにくく、また６．０質量％よりも多いと絶縁基体１の絶縁性が低下する。マンガン化合物の最適な範囲はＭｎＯ_２換算で３乃至７質量％である。
【００２３】
また、この絶縁基体１中には、第３の成分として、ＳｉＯ_２およびＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ等のアルカリ土類元素酸化物を低温焼結性を高めるために合計で０．４乃至８質量％の割合で含有せしめることが望ましい。
【００２４】
さらに、この絶縁基体１中には、着色成分や誘電率などの誘電特性の向上のためにＷ、Ｍｏ、Ｃｒなどの金属を着色成分とし２質量％以下の割合で含んでもよい。
【００２５】
上記酸化アルミニウム以外の成分は、酸化アルミニウム主結晶相の粒界に非晶質相あるいは結晶相として存在するが、熱伝導性を高める上で粒界中に助剤成分を含有する結晶相が形成されていることが望ましい。
【００２６】
また前記絶縁基体１を酸化アルミニウムを主成分として形成した場合、酸化アルミニウム主結晶相は、粒状または柱状の結晶として存在するが、これら主結晶相の平均結晶粒径は、１．５乃至５．０μｍであることが望ましい。
【００２７】
なお、主結晶相が柱状結晶からなる場合、上記平均結晶粒径は、短軸径に基づくものである。この主結晶相の平均結晶粒径が１．５μｍよりも小さいと、高熱伝導化が難しく、平均粒径が５．０μｍよりも大きいと基板材料として用いる場合に要求される十分な強度が得られにくくなるためである。
【００２８】
このような絶縁基体１は、例えば、酸化アルミニウムを主成分とする原料粉末に有機バインダーや溶媒を添加してスラリー（泥漿状物）となすとともに、これをドクターブレード法等でシート状に成形して得たセラミックグリーンシートを非酸化性雰囲気中、１２００℃〜１５００℃の温度で焼成することにより形成される。
【００２９】
また前記絶縁基体１は、図２に示すように、その搭載部１ａ上面に多数の電極パッド５が形成されており、搭載部１ａに搭載される半導体素子３の各電極を対応する電極パッド５と錫−銀系の鉛非含有半田等から成る金属バンプ６を介して接続することにより半導体素子３が搭載部１ａ上に固定される。
【００３０】
前記多数の電極パッド５から、それぞれ絶縁基体１の外表面（この実施例では下面）にかけて複数個の配線導体２が導出されており、各配線導体２は、電極パッド５と接続し、これを絶縁基体１の下面等の外表面に導出する作用をなす。
【００３１】
そして、半導体素子３の電極を配線基板４の電極パッド５に接続するとともに、配線導体２の絶縁基体１下面に導出された露出端部を外部電気回路基板の回路配線に低融点ロウ材等を介して接合することにより半導体素子３の電極が外部電気回路基板の回路配線と電気的に接続される。
【００３２】
前記配線導体２は、タングステン、モリブデン、銅等の金属材料から成り、配線導体２を低抵抗とするとともに、酸化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基体１との同時焼成による形成を可能とする上では、タングステンおよび／またはモリブデンと銅とにより形成することが好ましい。
【００３３】
前記配線導体２は、絶縁基体１となるセラミックグリーンシートにタングステンおよび／またはモリブデン粉末と、銅粉末とを所定の割合で有機溶剤、バインダーとともに混練してなる導電ペーストを前記セラミックグリーンシートの表面にスクリーン印刷法等により印刷塗布することにより形成することができる。
【００３４】
前記配線導体２は、銅を１０乃至７０体積％、タングステン及び／またはモリブデンを３０乃至９０体積％の割合で含有することが望ましい。これは、配線導体２の低抵抗化と、上記絶縁基体１との同時焼結性を達成するとともに、特に配線導体２の同時焼成時の保形成を維持するためであり、上記銅量が１０体積％よりも少なく、タングステンやモリブデン量が９０体積％よりも多いと、配線導体２の抵抗が高く（電気抵抗率で約５．５×１０^−６Ω・ｃｍ以上）なる。また銅量が７０体積％よりも多く、タングステンやモリブデン量が３０体積％よりも少ないと、配線導体２の、特に絶縁基体１表面に露出した部分で、同時焼成時の保形成が低下し、配線導体２においてにじみが発生したり、溶融した銅によって配線導体２が凝集して断線が生じるとともに、絶縁基体１と配線導体２との熱膨張系数差により配線導体２の剥離が発生するためである。最適な組成範囲は、銅を４０乃至６０体積％、タングステンおよび／またはモリブデンを６０乃至４０体積％である。
【００３５】
また、本発明においては、配線導体２中におけるタングステンおよび／またはモリブデンは、平均粒径１乃至１０μｍの球状あるいは数個の粒子による焼結粒子として銅からなるマトリックス中に分散含有していることが望ましい。これは、上記平均粒径が、１μｍよりも小さい場合、配線導体２の保形性が悪くなるとともに組織が多孔質化し、配線導体２の抵抗が高くなり、１０μｍを越えると銅のマトリックスがタングステンやモリブデンの粒子によって分断されてしまい配線導体２の抵抗が高くなったり、銅成分が分離してにじみなどが発生するためである。タングステンおよび／またはモリブデンは平均粒径１．３乃至５μｍ、特に１．３乃至３μｍの大きさで分散されていることが最も望ましい。
【００３６】
また、上記配線導体２中には、絶縁基体１との密着性を改善するために、アルミナ、または絶縁基体１と同じ成分のセラミックスを０．０５乃至２体積％の割合で含有させることも可能である。
【００３７】
さらに、本発明の配線基板４においては、銅を含有する配線導体２を銅の融点を越える温度で絶縁基体１と同時焼成することにより、配線導体２中の銅成分が絶縁基体１中に拡散する場合があるが、本発明によれば、上記少なくとも銅を含む配線導体２の周囲のセラミックスへの銅の拡散距離が２０μｍ以下、特に１０μｍ以下であることが望ましい。これは、銅のセラミックス中への拡散距離が２０μｍを越えると、電気回路形成時に配線導体２間の絶縁性が低下し電気回路の信頼性が低下するためである。
【００３８】
この銅の拡散距離を２０μｍ以下とすることにより、配線導体２のうち、同一平面内に形成された各配線導体２間の最小線間距離を１００μｍ以下、特に９０μｍ以下の高密度化を図ることができる。
【００３９】
また、本発明の配線基板４においては、図３、図４に示すように、各電極パッド５を、タングステンおよび／またはモリブデンと銅とから成り前記配線導体２と直接接続する主接続部５ａと、タングステンおよび／またはモリブデンと鉄族金属とから成り前記主接続部５ａの外周部から前記絶縁基体１の表面にかけて被着された補助接続部５ｂとにより形成することが重要である。
【００４０】
各電極パッド５を、タングステンおよび／またはモリブデンと銅とから成る配線導体２と直接接続する主接続部５ａと、タングステンおよび／またはモリブデンと鉄族金属とから成る前記主接続部５ａの外周部から絶縁基体１の表面にかけて被着された補助接続部５ｂとにより形成しておくと、前記主接続部５ａが低抵抗の銅を主成分として含有していることから、電極パッド５を低抵抗とすることができ、鉛非含有半田等から成る金属バンプ６と電極パッド５との接触抵抗を低くすることができる。また、前記補助接続部５ｂは、絶縁基体１および主接続部５ａのいずれに対しても強固に接合することが可能なタングステンおよび／またはモリブデンと鉄族金属とから成り、主接続部５ａの外周部を絶縁基体１表面と一体的に被覆するようにして被着されることから、主接続部５ａの外周部を絶縁基体１に対して強固に接合させる被覆層として作用し、電極パッド５に対して熱応力が作用したとしても、その外周部から剥がれが発生することを効果的に防止することができ、半導体素子３と配線基板４との接続信頼性を高くすることができる。
【００４１】
前記電極パッド５の主接続部５ａは、配線導体２と直接接続しており、金属バンプ６を介して接続される半導体素子３の電極を配線導体２に接続させるための主導体として作用し、前記絶縁基体１の搭載部１ａとなるセラミックグリーンシート表面にタングステンおよび／またはモリブデン粉末と、銅粉末とを所定の割合で有機溶剤、バインダーとともに混練してなる導電ペーストを前記セラミックグリーンシートの表面にスクリーン印刷法等により印刷塗布することにより形成することができる。
【００４２】
この場合、電極パッド５の主接続部５ａは、上記配線導体２をタングステンおよび／またはモリブデンと銅とにより形成する場合と同様の材料を用いることが望ましく、例えば、銅を１０乃至７０体積％、タングステン及び／またはモリブデンを３０乃至９０体積％の割合で含有することが望ましい。また、タングステンおよび／またはモリブデンは、平均粒径１乃至１０μｍの球状あるいは数個の粒子による焼結粒子として銅からなるマトリックス中に分散含有していることが望ましい。さらに、アルミナ、または絶縁基体１と同じ成分のセラミックスを０．０５乃至２体積％の割合で含有させることも可能である。
【００４３】
また、前記電極パッド５は、前記主接続部５ａの外周縁から絶縁基体１の表面にかけて、絶縁基体１および主接続部５ａに対し強固に接合することが可能なタングステンおよび／またはモリブデンと鉄族金属とから成る補助接続部５ｂを被着形成していることから、主接続部５ａの外周部を絶縁基体１に対して強固に接合させておくことができ、電極パッド５に対して熱応力が作用したとしても、その外周部から剥がれが発生することを効果的に防止することができ、半導体素子３と配線基板４との接続信頼性を高くすることができる。
【００４４】
この場合、主接続部５ａの外周部から絶縁基体１表面にかけて覆うようにして被着されている補助接続部５ｂが、導電性を有し、金属バンプ６との間で一定の接合強度確保することもできるため、電極パッド５と絶縁基体１との間の接合を強固とすることに加え、電極パッド５と金属バンプ６との接合面積を広く確保することもでき、電極パッド５と金属バンプ６との間の接続の信頼性を確保することもできる。また、電極パッド５と金属バンプ６との間の接触抵抗の増加を防止することもできる。これにより、半導体素子３と配線基板４との接続信頼性を極めて高くすることができる。
【００４５】
なお、前記電極パッド５の補助接続部５ｂは、主接続部５ａおよび配線導体２と同時焼成によって形成する場合、その焼成温度が１２００〜１５００℃の低温で焼成する必要がある。そのため本発明ではこれを達成するため補助接続部５ｂを、タングステンおよび／またはモリブデンに、鉄族金属を含有せしめている。
【００４６】
前記補助接続部５ｂを、タングステンおよび／またはモリブデンに、鉄族金属を含有せしめて形成すると低温での焼成性を高めて絶縁基体１と同時焼成によって、また絶縁基体１に対し密着強度を強固として形成することができる。
【００４７】
前記補助接続部５ｂは鉄族金属の量が酸化物換算で０．１体積％未満の場合には補助接続部５ｂの緻密化が進行せず焼結不良になって絶縁基体１との接着強度が低下する。逆に、５体積％を超える場合には、タングステン、モリブデンの粒子が異常粒成長し絶縁基体１との接着強度が低下する。従って、上記鉄族金属の量は、酸化物換算で０．１乃至５体積％、好適には０．５乃至２体積％としておくことが望ましい。
【００４８】
なお上記補助接続部５ｂ中の鉄族金属としては、鉄、ニッケル、コバルトが挙げられるがこれらの中でもニッケルが最も望ましい。また酸化物換算量は、鉄（Ｆｅ）はＦｅ_２Ｏ_３、ニッケル（Ｎｉ）はＮｉＯ、コバルト（Ｃｏ）はＣｏ_３Ｏ_４の形態で換算した量である。
【００４９】
更に、この補助接続部５ｂ中には、酸化アルミニウム等を主成分とする絶縁基体１との接着強度を高めるために、酸化アルミニウム等の絶縁基体１と同種のセラミック粉末を添加することも有効である。しかし、その含有量が４５体積％よりも多いと焼結不良を招くおそれがある。従って、補助接続部５ｂに酸化アルミニウムを添加する場合、その含有量は特に２乃至３５体積％が望ましい。
【００５０】
なお、前記補助接続部５ｂは、主接続部５ａの外周部に外縁から１００μｍ以上の幅で被着し、かつ絶縁基体１表面に対して少なくとも１００μｍ以上の幅で被着するようにして形成しておくことが好ましい。主接続部５ａや絶縁基体１と補助接続部５ｂとの被着の幅が１００μｍ未満となると、補助接続部５ｂの被着強度が低下し、主接続部５ａの絶縁基体１に対する被着を効果的に強固なものとすることが困難となる。
【００５１】
また、前記電極パッド５は、円形または楕円形としておくと、外周の一部に熱応力が集中して、その部分から剥がれを生じることを効果的に防止することができ、配線基板４としての信頼性をより一層確実に優れたものとすることができる。したがって、前記電極パッド５は、円形または楕円形としておくことが好ましい。
【００５２】
この場合、前記電極パッド５の主接続部５ａと補助接続部５ｂとは、同心円状として、主接続部５ａの外周部の全周をほぼ同じ幅で補助接続部５ｂが被着し覆うようにしてもよく、また、長軸方向が絶縁基体１上面（搭載部１ａ）の対角線方向（熱応力が大きく作用する方向）となるような楕円状とし、熱応力が大きく作用する方向で、電極パッド５と絶縁基体１、および電極パッド５と金属バンプ６の接合の強度をより高めるようにしてもよい。
【００５３】
また、前記配線導体２および電極パッド５の主接続５ａ、補助接続部５ｂは、その露出表面をニッケル、銅、金等のめっき金属層で被覆するようにしておくと、配線導体２および電極パッド５の酸化腐食を防止することができるとともに、鉛非含有半田等から成る金属バンプ６の電極パッド５に対する接続強度や、配線導体２の絶縁基体１下面に露出した部位を外部電気回路基板の回路配線に低融点ロウ材を介して接続する際の低融点ロウ材の濡れ性等をより一層良好とすることができる。従って、前記配線導体２および電極パッド５の主接続５ａ、補助接続部５ｂは、その露出表面をニッケル、銅、金等のめっき金属層（図示せず）で被覆しておくことが好ましい。
【００５４】
この場合、各めっき金属層は全領域で均一な層構成、厚みとする必要はなく、各被着される部位に応じて、適宜、層構成や厚み等を変えるようにしてもよい。
【００５５】
例えば、配線導体２を、高周波信号の伝送等に対応するため、より一層低抵抗とする場合であれば、配線導体２の表面に銅めっき層を２μｍ乃至１５μｍ、特に３μｍ乃至６μｍ程度の厚みで被着させるようにしておくことが好ましく、電極パッド５に対する金属バンプ６の接続を強固とする場合には、ニッケルめっき層を３〜８μｍ、金めっき層を０．０５〜０．８μｍの厚みで、順次被着させるようにしておくことが好ましい。
【００５６】
（製造方法）
次に、上記配線基板４の製造方法の一例を、絶縁基体１が酸化アルミニウム質焼結体から成る場合について具体的に説明する。
【００５７】
まず、絶縁基体１を形成するために、セラミックス焼結体の主成分となる酸化アルミニウム原料粉末として、平均粒径が０．５μｍ乃至２．５μｍ、特に０．５μｍ乃至２．０μｍの粉末を用いる。これは、平均粒径は０．５μｍよりも小さいと、粉末の取扱いが難しく、また粉末のコストが高くなり、２．５μｍよりも大きいと、１５００℃以下の温度で焼成することが難しくなるためである。
【００５８】
そして、上記酸化アルミニウム粉末に対して、第２の成分として、ＭｎＯ_２を２．０乃至８．０質量％、特に３．０乃至７．０質量％の割合で添加する。また適宜、第３の成分として、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ_２粉末等を０．４乃至８質量％、第４の成分として、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒなどの遷移金属の金属粉末や酸化物粉末を着色成分として金属換算で２質量％以下の割合で添加する。
【００５９】
なお、上記酸化物の添加にあたっては、酸化物粉末以外に、焼成によって酸化物を形成し得る炭酸塩、硝酸塩、酢酸塩などとして添加してもよい。
【００６０】
そして次に、この混合粉末を用いて絶縁基体１を形成するためのセラミックグリーンシートを複数枚作製する。セラミックグリーンシートは、周知の成形方法によって作製することができる。例えば、上記混合粉末に有機バインダーや溶媒を添加してスラリーを調整した後、ドクターブレード法によって形成したり、混合粉末に有機バインダーを加え、プレス成形、圧延成形等により所定の厚みのセラミックグリーンシートを作製できる。
【００６１】
このようにして作製したセラミックグリーンシートに対して、まず、配線導体２および電極パッド５の主接続部５ａとなる導体成分として、平均粒径が１乃至１０μｍの銅粉末を１０乃至７０体積％、特に４０乃至６０体積％、平均粒径が１乃至１０μｍのタングステンおよび／またはモリブデン粉末を３０乃至９０体積％、特に４０乃至６０体積％の割合で添加してなる固形成分に対して有機バインダーや溶剤を添加混合することにより作製した導体ペーストを調整し、このペーストを前記セラミックグリーンシートの表面にスクリーン印刷、グラビア印刷等の手法によって印刷塗布する。
【００６２】
なお、前記導体ペースト中には、絶縁基体１との密着性を高めるために、酸化アルミニウム粉末や、絶縁基体１を形成する酸化物セラミックス成分と同一の組成物粉末を０．０５〜２体積％の割合で添加することも可能である。
【００６３】
次に、電極パッド５の補助接続部５ｂとなる導体ペーストを、前記印刷した主接続部５ａとなる導体ペーストの外周部からグリーンシートの表面にかけて一体的に覆うようにして印刷塗布する。
【００６４】
なお、前記補助接続部５ｂとなる導体ペーストは、例えば、平均粒径が０．５〜５μｍのタングステンおよび／またはモリブデンに、酸化ニッケル等の鉄族金属の酸化物粉末を０．１〜５体積％、アルミナ粉末を０〜４５体積％の割合で含有する固形成分に対して、有機バインダーや溶剤を添加混合することにより作製される。
【００６５】
そして最後に、各配線導体２、主接続部５ａ、補助接続部５ｂとなる導体ペーストを印刷塗布したセラミックグリーンシートを位置合わせして積層圧着した後、この積層体を、非酸化性雰囲気中、焼成最高温度が１２００〜１５００℃の温度となる条件で焼成する。
【００６６】
このときの上記焼成温度が１２００℃より低いと、通常の原料を用いた場合において、酸化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基体が相対密度９５％以上まで緻密化できず、熱伝導性や機械的強度が低下し、１５００℃よりも高いと、配線導体２および電極パッド５の主接続部５ａにおいて、タングステンあるいはモリブデン自体の焼結が進み、銅との均一組織を維持できなく、ひいては低抵抗を維持することが困難となりシート抵抗や低融点ロウ材との接触抵抗等が高くなってしまう。また、酸化物セラミックスの主結晶相の粒径が大きくなり異常粒成長が発生したり、銅がセラミックス中へ拡散するときのパスである粒界の長さが短くなるとともに拡散速度も速くなる結果、拡散距離を３０μｍ以下に制御することが困難となるためである。好適には１３５０〜１４５０℃の範囲がよい。
【００６７】
また、この焼成時の非酸化性雰囲気としては、窒素、あるいは窒素と水素との混合雰囲気であることが望ましいが、特に、配線導体２や主接続部５ａ中の銅の拡散を抑制する上では、水素および窒素を含み露点＋１０℃以下、特に−１０℃以下の非酸化性雰囲気であることが望ましい。なお、この雰囲気には所望により、アルゴンガス等の不活性ガスを混入してもよい。焼成時の露点が＋１０℃より高いと、焼成中に酸化物セラミックスと雰囲気中の水分とが反応し酸化膜を形成し、この酸化膜と銅含有導体の銅が反応してしまい、導体の低抵抗化の妨げとなるのみでなく、銅の拡散を助長してしまうためである。
【００６８】
さらにまた、上記のように焼成温度および雰囲気を制御して焼成することによって、絶縁基体１の表面の算術平均粗さＲａを１μｍ以下、特に０．７μｍ以下の平滑性に優れた表面を形成できる。
【００６９】
かくして本発明の配線基板によれば、絶縁基体１の搭載部１ａ上に半導体素子を搭載するとともにこの半導体素子３の各電極を電極パッド５に金属バンプ６を介して電気的、機械的に接続し、しかる後、絶縁基体１の上面に金属やセラミックスから成る蓋体７をガラスや樹脂、ロウ材等の封止材を介して接合させ、絶縁基体１と蓋体７とから成る容器内部に半導体素子３を気密に収容することによって製品としての半導体装置が完成する。
【００７０】
なお、本発明の配線基板は上述の実施の形態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は可能であり、例えば、上記の実施例では本発明の配線基板を半導体素子収納用パッケージに用いた例について説明したが、これを混成集積回路基板等に用いてもよい。
【００７１】
【発明の効果】
本発明の配線基板によれば、各電極パッドを、タングステンおよび／またはモリブデンと銅とから成る前記配線導体と直接接続する主接続部と、タングステンおよび／またはモリブデンと鉄族金属とから成る前記主接続部の外周部から前記絶縁基体の表面にかけて被着された補助接続部とにより形成し、前記主接続部が低抵抗の銅を主成分として含有していることから、電極パッドを低抵抗とすることができる。
【００７２】
また同時に、前記電極パッドは、前記主接続部の外周縁から絶縁基体の表面にかけて、絶縁基体および主接続部に対し強固に接合することが可能なタングステンおよび／またはモリブデンと鉄族金属とから成る補助接続部を被着形成していることから、この補助接続部により主接続部の外周部を絶縁基体に対して強固に接合させておくことができ、電極パッドに対して熱応力が作用したとしても、その外周部から剥がれが発生することを効果的に防止することができ、半導体素子と配線基板との接続信頼性を高くすることができる。
【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】図１に示す配線基板の上面図である。
【図３】図１に示す配線基板の要部拡大上面図である。
【図４】図１に示す配線基板の要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１・・・・絶縁基体
１ａ・・・搭載部
２・・・・配線導体
３・・・・半導体素子
４・・・・配線基板
５・・・・電極パッド
５ａ・・・主接続部
５ｂ・・・補助接続部
６・・・・金属バンプ
７・・・・蓋体[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a wiring board on which electronic components such as a semiconductor element, a capacitor, and a resistor are mounted.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, an electronic component, for example, a wiring board on which a semiconductor element is mounted is made of an aluminum oxide sintered body, and has an insulating base having a mounting portion on which a semiconductor element is mounted on a surface thereof, and a semiconductor element mounting of the insulating base. A plurality of electrode pads formed on a portion, and the electrodes of the semiconductor element are connected via metal bumps or the like made of a metal material such as solder. It is composed of a plurality of wiring conductors made of a refractory metal powder such as tungsten or molybdenum, which are led out to the outer surface.The semiconductor element is mounted on the mounting portion of the insulating base, and each of the semiconductor elements is mounted. The electrodes are electrically connected to the electrode pads via metal bumps made of tin-lead solder or the like, and then, if necessary, the semiconductor element is hermetically sealed with a lid or a sealing resin. A semiconductor device by.
[0003]
The connection between the electrodes of the semiconductor element and the electrode pads of the wiring board via the metal bumps is performed by depositing a metal bump made of tin-lead solder or the like on the surface of each electrode of the semiconductor element in advance. This is done by positioning and abutting the metal bumps on the electrode pads of the wiring board and melting them by heating.
[0004]
In such a semiconductor device, for example, a low melting point solder such as tin-lead solder is provided between the circuit wiring of the external electric circuit board and the exposed portion of the wiring conductor led out to the lower surface of the insulating base on the external electric circuit board. The low melting point brazing material was heated and melted at a temperature of about 200 ° C. to 300 ° C., and was led out to the circuit wiring of the external electric circuit board and the lower surface of the insulating base. The electrodes are mounted on the external electric circuit board by bonding with the wiring conductor, and at the same time, each electrode of the semiconductor element mounted on the wiring board is also electrically connected to the external electric circuit board via the electrode pad, the metal bump and the wiring conductor. It will be connected.
[0005]
However, in the wiring substrate on which the above-described conventional semiconductor element is mounted, the insulating base is formed of an aluminum oxide sintered body, and the wiring conductor and the electrode pad are formed of a refractory metal such as tungsten or molybdenum. The refractory metal has high electric resistance (electrical resistivity (20 ° C.), tungsten: 5.5 × 10^-6Ω · cm, molybdenum: 5.7 × 10^-6Ω · cm), the electrode pads and the wiring conductors have a drawback that they cannot have a sufficiently low resistance in response to an increase in the operation speed of the semiconductor element.
[0006]
Therefore, as a method of solving this conventional disadvantage, the present applicant has firstly made an insulating base made of ceramics containing aluminum oxide as a main component and having a relative density of 95% or more, and copper on the surface and / or inside of the insulating base. A metallized layer (electrode pads, wiring conductors) containing 10 to 70% by volume of tungsten and / or 30 to 90% by volume of tungsten and / or molybdenum, and a method for manufacturing the same (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-188453). No.).
[0007]
According to this wiring board, since the metallized layer (electrode pad, wiring conductor) contains low-resistance copper, the electric resistance of the conductor forming the electrode pad and the wiring conductor is reduced (about 3 at electric resistivity (20 ° C.)). × 10^-6~ 5 × 10^-6Ω · cm), and since the insulating base is made of an aluminum oxide sintered body or the like and has a high relative density and a high density, the thermal conductivity can also be increased.
[0008]
Such a wiring board contains, for example, aluminum oxide as a main component and manganese oxide (MnO 2).₂) Is formed at a ratio of 2.0 to 6.0% by mass into a sheet-like ceramic green sheet. A conductor paste containing 1 to 10 μm of tungsten and / or molybdenum in a ratio of 30 to 90% by volume is applied by printing, and the ceramic green sheets are laminated one above the other and 1200 to 1500 ° C. in a non-oxidizing atmosphere. It is manufactured by firing at a temperature of
[0009]
[Patent Document 1]
JP-A-11-111886
[Patent Document 2]
JP 2000-188453 A
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, although the above-mentioned wiring board can reduce the resistance of the electrode pads and the wiring conductor, it is baked at a temperature equal to or higher than the melting point of copper, which is a main component of the electrode pads and the wiring conductor. In addition, the sintering and integration of the copper powder with the insulating substrate became insufficient, and the adhesive strength of the electrode pads and wiring conductors to the insulating substrate was low.
[0011]
The wiring substrate has an insulating base made of a ceramic material such as an aluminum oxide sintered body, and has a thermal expansion coefficient of about 6.5 × 10 5.^-6/ ℃ ～ 8 × 10⁻ ⁶/ ° C, whereas the coefficient of thermal expansion of a semiconductor element made of silicon or the like is about 2.5 × 10^-6/ ° C., and the difference is that the semiconductor element is mounted on a wiring board to form a semiconductor device, and after this semiconductor device is mounted on an external electric circuit board, heat generated when the semiconductor element operates is generated by the semiconductor element and the wiring board. When repeatedly acting on the insulating substrate, thermal stress is repeatedly generated in the horizontal direction due to the difference in thermal expansion coefficient between the two, and the thermal stress is concentrated along the outer peripheral edge of the electrode pad.
[0012]
Further, as a metal bump for connecting an electrode of a semiconductor element to a wiring board, a lead-free solder such as tin-silver-bismuth is used instead of a conventional tin-lead solder. Since it is hard and hard to deform, the effect of absorbing and relaxing the thermal stress is weak, and a large thermal stress acts on the electrode pad as compared with the conventional tin-lead solder.
[0013]
As a result, there is a problem that the electrode pad is peeled off from the surface of the insulating base so as to be turned up from the outer peripheral portion, and the electrical connection between the semiconductor element and the wiring conductor of the wiring board is broken in a short time. .
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The wiring board of the present invention is made of an electrically insulating material, and has an insulating base having a mounting portion on the surface of which an electronic component is mounted, and an insulating base formed on the mounting portion of the insulating base, wherein an electrode of the electronic component is provided via a metal bump. And a plurality of wiring conductors extending from the electrode pads of the insulating base to the outer surface, wherein each of the electrode pads is made of tungsten and / or molybdenum. A main connection portion directly connected to the wiring conductor made of copper, and an auxiliary connection portion attached from an outer peripheral portion of the main connection portion made of tungsten and / or molybdenum and an iron group metal to a surface of the insulating base. Characterized by being formed by:
[0015]
According to the wiring board of the present invention, each electrode pad is directly connected to the wiring conductor made of tungsten and / or molybdenum and copper, and the main connection part made of tungsten and / or molybdenum and iron group metal is used. It is formed by an auxiliary connection portion attached from the outer peripheral portion of the connection portion to the surface of the insulating base, and the main connection portion contains low-resistance copper as a main component. can do.
[0016]
At the same time, the electrode pad is made of tungsten and / or molybdenum and an iron group metal that can be firmly joined to the insulating base and the main connecting portion from the outer peripheral edge of the main connecting portion to the surface of the insulating base. Since the auxiliary connection portion is formed by attachment, the outer peripheral portion of the main connection portion can be firmly joined to the insulating base by the auxiliary connection portion, and thermal stress acts on the electrode pad. However, peeling from the outer peripheral portion can be effectively prevented, and the connection reliability between the semiconductor element and the wiring board can be increased.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0018]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing one embodiment of a package for housing a semiconductor element using a wiring board of the present invention, wherein 1 is an insulating base, and 2 is a wiring conductor. The insulating substrate 1 and the wiring conductor 2 constitute a wiring board 4 on which the semiconductor element 3 is mounted.
[0019]
The insulating base 1 is formed of a ceramic sintered body such as an aluminum oxide sintered body, an aluminum nitride sintered body, or a silicon carbide sintered body, and has a mounting portion 1a on which a semiconductor element 3 is mounted. And the semiconductor element 3 is mounted on the mounting portion 1a.
[0020]
In order to improve the thermal conductivity and mechanical strength of the insulating base 1, it is desirable that the insulating base 1 be made of a high-density body having a relative density of 95% or more.
[0021]
Further, in the present invention, in order to achieve the shape retention by simultaneous firing with the wiring conductor 2, the insulating base 1 needs to be fired at a low temperature of 1200 to 1500 ° C. It is desirable to densify to a relative density of 95% or more even in firing at such a low temperature.
[0022]
From this point of view, the insulating substrate 1 of the present invention is preferably made of, for example, a material containing aluminum oxide as a main component, specifically, a material containing aluminum oxide in a proportion of 90% by mass or more. As the Mn compound₂Desirably, the content is 2.0 to 6.0% by mass in terms of conversion. That is, if the manganese compound is less than 2.0% by mass, it is difficult to achieve densification at 1200 ° C. to 1500 ° C., and if it is more than 6.0% by mass, the insulating property of the insulating base 1 is reduced. The optimal range of manganese compounds is MnO₂The conversion is 3 to 7% by mass.
[0023]
Further, in the insulating base 1, SiO 3 is used as a third component.₂In addition, it is desirable to add alkaline earth element oxides such as MgO, CaO and SrO at a ratio of 0.4 to 8% by mass in total in order to enhance low-temperature sinterability.
[0024]
Further, the insulating base 1 may contain a metal such as W, Mo, or Cr as a coloring component at a ratio of 2% by mass or less in order to improve a dielectric component such as a coloring component and a dielectric constant.
[0025]
The components other than the aluminum oxide are present as an amorphous phase or a crystal phase at the grain boundaries of the aluminum oxide main crystal phase, but a crystal phase containing an auxiliary component is formed in the grain boundaries to enhance thermal conductivity. It is desirable to have been.
[0026]
When the insulating substrate 1 is formed mainly of aluminum oxide, the main crystal phase of aluminum oxide exists as granular or columnar crystals, and the average crystal grain size of these main crystal phases is 1.5 to 5. Desirably, it is 0 μm.
[0027]
When the main crystal phase is composed of columnar crystals, the average crystal grain size is based on the minor axis diameter. When the average crystal grain size of the main crystal phase is smaller than 1.5 μm, it is difficult to achieve high thermal conductivity. When the average crystal grain size is larger than 5.0 μm, sufficient strength required for use as a substrate material can be obtained. This is because it becomes difficult.
[0028]
Such an insulating substrate 1 is formed into a slurry (slurry) by adding an organic binder or a solvent to a raw material powder mainly composed of aluminum oxide, and is formed into a sheet by a doctor blade method or the like. The ceramic green sheet thus obtained is formed by firing at a temperature of 1200C to 1500C in a non-oxidizing atmosphere.
[0029]
As shown in FIG. 2, the insulating base 1 has a large number of electrode pads 5 formed on the upper surface of the mounting portion 1a, and each electrode of the semiconductor element 3 mounted on the mounting portion 1a corresponds to the corresponding electrode pad 5. The semiconductor element 3 is fixed on the mounting part 1a by connecting the semiconductor element 3 to the semiconductor element 3 via a metal bump 6 made of tin-silver based lead-free solder or the like.
[0030]
A plurality of wiring conductors 2 are led out from the large number of electrode pads 5 to the outer surface (the lower surface in this embodiment) of the insulating base 1, and each of the wiring conductors 2 is connected to the electrode pad 5 and is connected thereto. It functions to lead to the outer surface such as the lower surface of the insulating base 1.
[0031]
Then, the electrodes of the semiconductor element 3 are connected to the electrode pads 5 of the wiring board 4, and the exposed end of the wiring conductor 2, which is led to the lower surface of the insulating base 1, is coated with a low melting point brazing material or the like for the circuit wiring of the external electric circuit board. The electrodes of the semiconductor element 3 are electrically connected to the circuit wiring of the external electric circuit board by joining through the electrodes.
[0032]
The wiring conductor 2 is made of a metal material such as tungsten, molybdenum, copper or the like. The wiring conductor 2 has a low resistance and can be formed by simultaneous firing with the insulating base 1 made of an aluminum oxide sintered body. In this case, it is preferable to use tungsten and / or molybdenum and copper.
[0033]
The wiring conductor 2 has a conductive paste obtained by kneading a tungsten and / or molybdenum powder and a copper powder together with an organic solvent and a binder at a predetermined ratio on a ceramic green sheet to be an insulating base 1 on the surface of the ceramic green sheet. It can be formed by printing and applying by a screen printing method or the like.
[0034]
Preferably, the wiring conductor 2 contains 10 to 70% by volume of copper and 30 to 90% by volume of tungsten and / or molybdenum. This is to achieve a reduction in the resistance of the wiring conductor 2 and the simultaneous sinterability with the insulating base 1 and to maintain the preservation of the wiring conductor 2 at the time of the simultaneous firing. If the amount is less than 90% by volume and the amount of tungsten or molybdenum is more than 90% by volume, the resistance of the wiring conductor 2 is high (about 5.5 × 10 in electrical resistivity).^-6Ω · cm or more). If the amount of copper is more than 70% by volume and the amount of tungsten or molybdenum is less than 30% by volume, the formation of the wiring conductor 2, particularly at the portion exposed on the surface of the insulating substrate 1, is reduced during simultaneous firing, This is because bleeding occurs in the wiring conductor 2, the wiring conductor 2 aggregates due to the molten copper, and disconnection occurs, and the wiring conductor 2 peels due to a difference in thermal expansion coefficient between the insulating base 1 and the wiring conductor 2. is there. The optimal composition range is 40 to 60% by volume of copper and 60 to 40% by volume of tungsten and / or molybdenum.
[0035]
In the present invention, tungsten and / or molybdenum in the wiring conductor 2 may be dispersed and contained in a matrix made of copper as spherical or sintered particles of several particles having an average particle diameter of 1 to 10 μm. desirable. When the average particle size is smaller than 1 μm, the shape retention of the wiring conductor 2 deteriorates and the structure becomes porous, the resistance of the wiring conductor 2 increases. This is because the resistance of the wiring conductor 2 is increased by being separated by the particles of molybdenum or molybdenum, or the copper component is separated to cause bleeding. Most preferably, the tungsten and / or molybdenum are dispersed with a mean particle size of 1.3 to 5 μm, especially 1.3 to 3 μm.
[0036]
In order to improve the adhesion to the insulating substrate 1, the wiring conductor 2 may contain alumina or ceramics having the same composition as the insulating substrate 1 at a ratio of 0.05 to 2% by volume. It is.
[0037]
Further, in the wiring board 4 of the present invention, the copper component in the wiring conductor 2 diffuses into the insulating base 1 by simultaneously firing the wiring conductor 2 containing copper and the insulating base 1 at a temperature exceeding the melting point of copper. According to the present invention, the diffusion distance of copper into the ceramic surrounding the wiring conductor 2 containing at least copper is desirably 20 μm or less, particularly 10 μm or less. This is because if the diffusion distance of copper into the ceramics exceeds 20 μm, the insulation between the wiring conductors 2 decreases when the electric circuit is formed, and the reliability of the electric circuit decreases.
[0038]
By setting the copper diffusion distance to 20 μm or less, the minimum line distance between the wiring conductors 2 formed in the same plane among the wiring conductors 2 is reduced to 100 μm or less, particularly to 90 μm or less. Can be.
[0039]
In the wiring board 4 of the present invention, as shown in FIGS. 3 and 4, each electrode pad 5 is made of tungsten and / or molybdenum and copper, and has a main connection portion 5a directly connected to the wiring conductor 2. It is important that the auxiliary connection portion 5b is made of tungsten and / or molybdenum and an iron group metal and is formed from the outer peripheral portion of the main connection portion 5a to the surface of the insulating base 1 and is attached thereto.
[0040]
Each of the electrode pads 5 is directly connected to a wiring conductor 2 made of tungsten and / or molybdenum and copper, and an outer peripheral portion of the main connection 5a made of tungsten and / or molybdenum and an iron group metal. When the electrode pad 5 is formed with the auxiliary connection portion 5b attached to the surface of the insulating base 1, the main connection portion 5a contains low-resistance copper as a main component. The contact resistance between the metal bumps 6 made of lead-free solder or the like and the electrode pads 5 can be reduced. The auxiliary connection portion 5b is made of tungsten and / or molybdenum and an iron group metal which can be firmly joined to both the insulating base 1 and the main connection portion 5a. Since the portion is attached so as to cover the surface of the insulating substrate 1 integrally, the outer peripheral portion of the main connecting portion 5a acts as a coating layer for firmly joining the insulating substrate 1 to the electrode pad 5. On the other hand, even if a thermal stress is applied, it is possible to effectively prevent peeling from the outer peripheral portion, and to improve the connection reliability between the semiconductor element 3 and the wiring board 4.
[0041]
The main connection portion 5a of the electrode pad 5 is directly connected to the wiring conductor 2, and acts as a main conductor for connecting the electrode of the semiconductor element 3 connected via the metal bump 6 to the wiring conductor 2, A conductive paste obtained by kneading a tungsten and / or molybdenum powder and a copper powder together with an organic solvent and a binder at a predetermined ratio on the surface of the ceramic green sheet serving as the mounting portion 1a of the insulating base 1 is coated on the surface of the ceramic green sheet. It can be formed by printing and applying by a screen printing method or the like.
[0042]
In this case, it is preferable that the main connection portion 5a of the electrode pad 5 be made of the same material as when the wiring conductor 2 is formed of tungsten and / or molybdenum and copper. It is desirable to contain tungsten and / or molybdenum at a ratio of 30 to 90% by volume. Tungsten and / or molybdenum are desirably dispersed and contained in a copper matrix as spherical or sintered particles of several particles having an average particle diameter of 1 to 10 μm. Further, it is also possible to contain alumina or ceramics having the same components as the insulating base 1 at a ratio of 0.05 to 2% by volume.
[0043]
Further, the electrode pad 5 is formed of tungsten and / or molybdenum and iron group which can be firmly joined to the insulating base 1 and the main connecting part 5a from the outer peripheral edge of the main connecting part 5a to the surface of the insulating base 1. Since the auxiliary connection portion 5b made of metal is adhered and formed, the outer peripheral portion of the main connection portion 5a can be firmly joined to the insulating base 1, and thermal stress can be applied to the electrode pad 5. However, even if is applied, the occurrence of peeling from the outer peripheral portion can be effectively prevented, and the connection reliability between the semiconductor element 3 and the wiring board 4 can be increased.
[0044]
In this case, the auxiliary connection portion 5b, which is attached so as to cover from the outer peripheral portion of the main connection portion 5a to the surface of the insulating base 1, has conductivity and secures a constant bonding strength with the metal bump 6. Therefore, in addition to strengthening the bonding between the electrode pad 5 and the insulating base 1, a large bonding area between the electrode pad 5 and the metal bump 6 can be secured, and the electrode pad 5 and the metal bump 6 can be secured. 6 can be secured. Further, it is possible to prevent an increase in contact resistance between the electrode pad 5 and the metal bump 6. Thereby, the connection reliability between the semiconductor element 3 and the wiring board 4 can be extremely increased.
[0045]
When the auxiliary connection portion 5b of the electrode pad 5 is formed by simultaneous firing with the main connection portion 5a and the wiring conductor 2, it is necessary to fire at a low firing temperature of 1200 to 1500 ° C. Therefore, in the present invention, in order to achieve this, the auxiliary connection portion 5b includes tungsten and / or molybdenum containing an iron group metal.
[0046]
When the auxiliary connection portion 5b is formed by adding an iron group metal to tungsten and / or molybdenum, the sinterability at a low temperature is enhanced, and the cohesion with the insulating base 1 is increased, and the adhesion strength to the insulating base 1 is increased. Can be formed.
[0047]
When the amount of the iron group metal is less than 0.1% by volume in terms of oxide, the auxiliary connection portion 5b does not progress in densification, resulting in poor sintering and adhesion strength to the insulating base 1. Decreases. On the other hand, when the content exceeds 5% by volume, tungsten and molybdenum particles grow abnormally, and the bonding strength with the insulating substrate 1 decreases. Therefore, it is desirable that the amount of the iron group metal is 0.1 to 5% by volume, preferably 0.5 to 2% by volume in terms of oxide.
[0048]
Examples of the iron group metal in the auxiliary connection portion 5b include iron, nickel, and cobalt. Of these, nickel is most preferable. In terms of oxide equivalent, iron (Fe) is Fe₂O₃, Nickel (Ni) is NiO, cobalt (Co) is Co₃O₄It is a quantity converted in the form of
[0049]
Further, it is effective to add the same type of ceramic powder as the insulating substrate 1 such as aluminum oxide to the auxiliary connecting portion 5b in order to increase the adhesive strength with the insulating substrate 1 mainly containing aluminum oxide or the like. is there. However, if the content is more than 45% by volume, poor sintering may occur. Therefore, when aluminum oxide is added to the auxiliary connection portion 5b, its content is particularly preferably 2 to 35% by volume.
[0050]
The auxiliary connection portion 5b is formed so as to be attached to the outer peripheral portion of the main connection portion 5a with a width of 100 μm or more from the outer edge and to be attached to the surface of the insulating base 1 with a width of at least 100 μm or more. It is preferable to keep it. When the width of the main connection portion 5a or the adhesion between the insulating base 1 and the auxiliary connection portion 5b is less than 100 μm, the adhesion strength of the auxiliary connection portion 5b is reduced, and the adhesion of the main connection portion 5a to the insulating base 1 is effective. It is difficult to make the product robust.
[0051]
When the electrode pad 5 is circular or elliptical, thermal stress is concentrated on a part of the outer periphery and peeling off from the part can be effectively prevented. The reliability can be more reliably improved. Therefore, it is preferable that the electrode pad 5 has a circular or elliptical shape.
[0052]
In this case, the main connection portion 5a and the auxiliary connection portion 5b of the electrode pad 5 are concentric, and the entire circumference of the outer peripheral portion of the main connection portion 5a is covered and covered by the auxiliary connection portion 5b with substantially the same width. The electrode pad may be formed in an elliptical shape such that the major axis direction is the diagonal direction of the upper surface of the insulating substrate 1 (the mounting portion 1a) (the direction in which the thermal stress largely acts). The strength of the joint between the metal substrate 5 and the insulating substrate 1 and the strength between the electrode pad 5 and the metal bump 6 may be further increased.
[0053]
The exposed surface of the main connection 5a and the auxiliary connection portion 5b of the wiring conductor 2 and the electrode pad 5 is covered with a plating metal layer of nickel, copper, gold, or the like. 5 can be prevented from being oxidized and corroded, and the connection strength of the metal bumps 6 made of lead-free solder or the like to the electrode pads 5 and the portions of the wiring conductors 2 exposed on the lower surface of the insulating base 1 are determined by the circuit of the external electric circuit board It is possible to further improve the wettability of the low melting point brazing material when connecting to the wiring via the low melting point brazing material. Therefore, it is preferable that the main connection 5a and the auxiliary connection portion 5b of the wiring conductor 2 and the electrode pad 5 have their exposed surfaces covered with a plating metal layer (not shown) of nickel, copper, gold or the like.
[0054]
In this case, it is not necessary for each plated metal layer to have a uniform layer configuration and thickness in all regions, and the layer configuration, thickness, and the like may be appropriately changed according to each portion to be deposited.
[0055]
For example, if the wiring conductor 2 is to have a lower resistance in order to cope with transmission of a high-frequency signal or the like, a copper plating layer having a thickness of about 2 μm to 15 μm, particularly about 3 μm to 6 μm is formed on the surface of the wiring conductor 2. It is preferable that the metal bumps 6 are firmly connected to the electrode pads 5. When the metal bumps 6 are firmly connected to the electrode pads 5, the nickel plating layer has a thickness of 3 to 8 μm and the gold plating layer has a thickness of 0.05 to 0.8 μm. However, it is preferable to apply them sequentially.
[0056]
(Production method)
Next, an example of a method for manufacturing the wiring board 4 will be specifically described in a case where the insulating base 1 is made of an aluminum oxide sintered body.
[0057]
First, in order to form the insulating substrate 1, a powder having an average particle diameter of 0.5 μm to 2.5 μm, particularly 0.5 μm to 2.0 μm is used as an aluminum oxide raw material powder that is a main component of the ceramic sintered body. . This is because if the average particle size is smaller than 0.5 μm, it is difficult to handle the powder, and the cost of the powder becomes high. If the average particle size is larger than 2.5 μm, it becomes difficult to fire at a temperature of 1500 ° C. or less. It is.
[0058]
And, as the second component, MnO 2 was added to the aluminum oxide powder.₂Is added at a ratio of 2.0 to 8.0% by mass, particularly 3.0 to 7.0% by mass. Also, if necessary, as the third component, SiO 3₂, MgO, CaO, SrO₂A powder or the like is added in an amount of 0.4 to 8% by mass, and as a fourth component, a metal powder or oxide powder of a transition metal such as W, Mo, or Cr is added as a coloring component at a ratio of 2% by mass or less in terms of metal.
[0059]
In addition, in addition to the oxide powder, the oxide may be added as a carbonate, a nitrate, an acetate or the like which can form an oxide by firing.
[0060]
Next, a plurality of ceramic green sheets for forming the insulating substrate 1 are prepared using the mixed powder. The ceramic green sheet can be manufactured by a well-known molding method. For example, after adjusting the slurry by adding an organic binder or a solvent to the mixed powder, formed by a doctor blade method, or by adding an organic binder to the mixed powder, press molding, rolling molding or the like, a ceramic green sheet having a predetermined thickness. Can be produced.
[0061]
First, 10 to 70 volume% of copper powder having an average particle size of 1 to 10 μm is used as a conductor component to be the main connection portion 5 a of the wiring conductor 2 and the electrode pad 5 with respect to the ceramic green sheet thus manufactured. Particularly, an organic binder or a solvent is added to a solid component obtained by adding tungsten and / or molybdenum powder having an average particle diameter of 1 to 10 μm in an amount of 30 to 90% by volume, particularly 40 to 60% by volume. Is added and mixed to prepare a conductor paste, and the paste is printed and applied to the surface of the ceramic green sheet by a method such as screen printing or gravure printing.
[0062]
In order to enhance the adhesiveness with the insulating substrate 1, aluminum oxide powder or the same composition powder as the oxide ceramic component forming the insulating substrate 1 is contained in the conductor paste in an amount of 0.05 to 2% by volume. It is also possible to add in the ratio of.
[0063]
Next, the conductive paste to be the auxiliary connecting portion 5b of the electrode pad 5 is printed and applied so as to integrally cover from the outer peripheral portion of the printed conductive paste to be the main connecting portion 5a to the surface of the green sheet.
[0064]
The conductive paste to be the auxiliary connection portion 5b may be prepared, for example, by adding 0.1 to 5 volumes of an oxide powder of an iron group metal such as nickel oxide to tungsten and / or molybdenum having an average particle size of 0.5 to 5 μm. %, A solid component containing 0 to 45% by volume of alumina powder, and an organic binder or a solvent is added and mixed.
[0065]
Lastly, the ceramic green sheets on which the conductor pastes to be the respective wiring conductors 2, the main connection portions 5a, and the auxiliary connection portions 5b are applied by printing are aligned and pressure-bonded, and then the laminate is placed in a non-oxidizing atmosphere. The firing is performed under the condition that the highest firing temperature is 1200 to 1500 ° C.
[0066]
If the firing temperature at this time is lower than 1200 ° C., the insulating substrate made of an aluminum oxide sintered body cannot be densified to a relative density of 95% or more when a normal raw material is used, and the thermal conductivity and mechanical If the strength is lowered and is higher than 1500 ° C., sintering of tungsten or molybdenum itself proceeds in the main connection portion 5 a of the wiring conductor 2 and the electrode pad 5, and a uniform structure with copper cannot be maintained. It becomes difficult to maintain, and the sheet resistance, the contact resistance with the low melting point brazing material, and the like increase. In addition, the grain size of the main crystal phase of the oxide ceramics increases, abnormal grain growth occurs, and the diffusion speed increases as the length of the grain boundary, which is the path when copper diffuses into the ceramics, decreases. This is because it becomes difficult to control the diffusion distance to 30 μm or less. Preferably, the range is 1350 to 1450 ° C.
[0067]
The non-oxidizing atmosphere at the time of this firing is preferably nitrogen or a mixed atmosphere of nitrogen and hydrogen. In particular, in order to suppress the diffusion of copper in the wiring conductor 2 and the main connecting portion 5a, it is preferable. It is desirable that the atmosphere be a non-oxidizing atmosphere containing hydrogen, nitrogen, and a dew point of + 10 ° C. or lower, particularly −10 ° C. or lower. Note that an inert gas such as an argon gas may be mixed into this atmosphere, if desired. If the dew point during firing is higher than + 10 ° C., the oxide ceramic reacts with moisture in the atmosphere during firing to form an oxide film, and the oxide film reacts with copper of the copper-containing conductor, resulting in a low conductor. This not only hinders resistance but also promotes copper diffusion.
[0068]
Further, by controlling the firing temperature and atmosphere as described above, the surface of the insulating substrate 1 can be formed with an arithmetic average roughness Ra of 1 μm or less, particularly 0.7 μm or less, and excellent smoothness. .
[0069]
Thus, according to the wiring board of the present invention, the semiconductor element is mounted on the mounting portion 1a of the insulating base 1 and each electrode of the semiconductor element 3 is electrically and mechanically connected to the electrode pad 5 via the metal bump 6. Thereafter, a lid 7 made of metal or ceramics is bonded to the upper surface of the insulating base 1 via a sealing material such as glass, resin, brazing material, or the like. A semiconductor device as a product is completed by housing the semiconductor element 3 in an airtight manner.
[0070]
It should be noted that the wiring board of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various changes can be made without departing from the gist of the present invention. Although the example in which the wiring board is used for the package for housing the semiconductor element has been described, this may be used for a hybrid integrated circuit board or the like.
[0071]
【The invention's effect】
According to the wiring board of the present invention, each electrode pad is directly connected to the wiring conductor made of tungsten and / or molybdenum and copper, and the main connection part made of tungsten and / or molybdenum and iron group metal is used. It is formed by an auxiliary connection portion attached from the outer peripheral portion of the connection portion to the surface of the insulating base, and the main connection portion contains low-resistance copper as a main component. can do.
[0072]
At the same time, the electrode pad is made of tungsten and / or molybdenum and an iron group metal that can be firmly joined to the insulating base and the main connecting portion from the outer peripheral edge of the main connecting portion to the surface of the insulating base. Since the auxiliary connection portion is formed by attachment, the outer peripheral portion of the main connection portion can be firmly joined to the insulating base by the auxiliary connection portion, and thermal stress acts on the electrode pad. However, peeling from the outer peripheral portion can be effectively prevented, and the connection reliability between the semiconductor element and the wiring board can be increased.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing one embodiment of a wiring board of the present invention.
FIG. 2 is a top view of the wiring board shown in FIG.
FIG. 3 is an enlarged top view of a main part of the wiring board shown in FIG. 1;
FIG. 4 is an enlarged sectional view of a main part of the wiring board shown in FIG. 1;
[Explanation of symbols]
1 ... Insulating substrate
1a: Mounting part
2 .... Wiring conductor
3. Semiconductor device
4. Wiring board
5 ... Electrode pad
5a: Main connection part
5b Auxiliary connection
6 Metal bumps
7 ··· Lid

Claims

An insulating base made of an electrically insulating material and having a mounting portion on the surface of which an electronic component is mounted, and a number of electrodes formed on the mounting portion of the insulating base and connected to the electrodes of the electronic component via metal bumps A wiring board comprising: a pad; and a plurality of wiring conductors extending from an electrode pad of the insulating base to an outer surface, wherein each of the electrode pads is made of tungsten and / or molybdenum and copper. A main connection portion directly connected to the main connection portion, and an auxiliary connection portion formed from the outer peripheral portion of the main connection portion made of tungsten and / or molybdenum and an iron group metal to the surface of the insulating base. Characteristic wiring board.