JP2005243733A - Wiring board - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガラスセラミック焼結体から成る絶縁基体の表面に銅または銅を主成分とする合金のメタライズ配線層が形成され、このメタライズ配線層が低融点ろう材を介して外部電気回路に接続される配線基板に関するものである。 In the present invention, a metallized wiring layer of copper or a copper-based alloy is formed on the surface of an insulating base made of a glass ceramic sintered body, and this metallized wiring layer is connected to an external electric circuit via a low melting point brazing material. The present invention relates to a printed wiring board.
IC,LSI等の半導体集積回路素子、LD(半導体レーザ),LED(発光ダイオード),PD(フォトダイオード),CCD,ラインセンサ,イメージセンサ等の光半導体素子、圧電振動子,水晶振動子等の振動子、その他の種々の電子部品が搭載される配線基板として、ガラスセラミック焼結体から成る絶縁基体と、銅または銅を主成分とする合金から成り絶縁基体の表面に形成されたメタライズ配線層とを具備する構造のものが知られている。 Semiconductor integrated circuit elements such as IC and LSI, LD (semiconductor laser), LED (light emitting diode), PD (photodiode), CCD, line sensor, optical semiconductor element such as image sensor, piezoelectric vibrator, crystal vibrator, etc. As a wiring board on which a vibrator and other various electronic components are mounted, an insulating substrate made of a glass ceramic sintered body and a metallized wiring layer made of copper or an alloy containing copper as a main component and formed on the surface of the insulating substrate The thing of the structure which comprises is known.
このような配線基板は、メタライズ配線層が、低電気抵抗の銅または銅を主成分とする合金から成ることから、メタライズ配線層を低電気抵抗とすることができ、搭載される電子部品を外部電気回路と低抵抗で電気的に接続することができる。 In such a wiring board, since the metallized wiring layer is made of copper having a low electrical resistance or an alloy containing copper as a main component, the metallized wiring layer can have a low electrical resistance, and an electronic component to be mounted can be externally connected. It can be electrically connected to the electric circuit with low resistance.
絶縁基体の上面等に電子部品が搭載され、電子部品の電極がメタライズ配線層とボンディングワイヤや金属バンプ等を介して電気的に接続され電子装置となる。また、メタライズ配線層のうち電子部品の電極と接続されない部位の一部が外部電気回路に錫−鉛半田等の低融点ろう材を介して電気的、機械的に接続される。 An electronic component is mounted on the upper surface of the insulating base, and the electrodes of the electronic component are electrically connected to the metallized wiring layer via bonding wires, metal bumps, or the like to form an electronic device. Further, a part of the metallized wiring layer that is not connected to the electrode of the electronic component is electrically and mechanically connected to the external electric circuit via a low melting point brazing material such as tin-lead solder.
このような配線基板は、例えば、以下のようにして製作される。まず、セラミック粉末に適当なガラス粉末を混合した原料粉末を、有機溶剤、バインダとともにシート状に成形してセラミックグリーンシート(グリーンシート)を作製し、次に、銅または銅を主成分とする金属の粉末に有機溶剤、バインダを添加混練して金属ペーストを作製し、この金属ペーストをグリーンシートにスクリーン印刷法で所定のメタライズ配線層のパターンに印刷塗布し、次に、グリーンシートを、必要に応じて複数上下に積層した後、約1000℃程度の温度で焼成することにより製作される。なお、焼成の際に、金属ペーストの銅の粉末の間にグリーンシートのガラス成分が溶融して入り込み、このガラス成分を介して金属ペーストがグリーンシートと一体的に焼結(液相焼結)し、メタライズ配線層が絶縁基体の表面に接合される。
しかしながら、ガラスセラミック焼結体から成る絶縁基体の表面に銅または銅を主成分とする合金のメタライズ配線層を形成した場合、銅の融点が比較的低い(約1083℃)ことから、焼成時に銅成分が溶融し易いため、銅の粉末同士の間に十分にガラス成分が入り込んで焼結させることが難しく、メタライズ配線層の絶縁基体に対する接合強度が低くなり易い。 However, when a metallized wiring layer of copper or an alloy containing copper as a main component is formed on the surface of an insulating base made of a glass ceramic sintered body, the melting point of copper is relatively low (about 1083 ° C.). Since the components are easily melted, it is difficult to sinter the glass components sufficiently between the copper powders, and the bonding strength of the metallized wiring layer to the insulating substrate tends to be low.
また、外部電気回路を表面に形成した外部の電気回路基板(プリント配線基板等)の基板の熱膨張係数(12〜16×10−6/℃程度)と絶縁基体の熱膨張係数(6〜12×10−6/℃程度)との差に起因して大きな熱応力が生じるとともに、この熱応力が低融点ろう材および接続パッドに作用する。 In addition, the coefficient of thermal expansion (about 12 to 16 × 10 −6 / ° C.) of an external electric circuit board (printed wiring board or the like) having an external electric circuit formed on the surface and the coefficient of thermal expansion (6 to 12) of the insulating substrate. A large thermal stress is generated due to the difference from about 10 × 6 −6 / ° C., and this thermal stress acts on the low melting point brazing material and the connection pad.
そのため、メタライズ配線層を外部電気回路に低融点ろう材を介して接続した場合、上記熱応力等の応力により、メタライズ配線層が絶縁基体から剥がれてしまうという問題があった。 Therefore, when the metallized wiring layer is connected to an external electric circuit via a low melting point brazing material, there is a problem that the metallized wiring layer is peeled off from the insulating substrate due to the stress such as the thermal stress.
特に、近時、低融点ろう材として、従来一般的に使用されていた錫−鉛半田に替わり、錫−銀系等の、いわゆる鉛フリー半田が用いられるようになってきており、従来の錫−鉛半田に比べて、鉛フリー半田の半田付け温度が高いため、メタライズ配線層を外部電気回路に電気的に接続するときの熱応力も大きくなり、メタライズ配線層の剥がれ等の不具合も発生しやすくなる傾向がある。 In particular, as a low melting point brazing filler metal, a so-called lead-free solder such as a tin-silver type has come to be used instead of a tin-lead solder generally used conventionally. -Compared with lead solder, the soldering temperature of lead-free solder is higher, so the thermal stress when electrically connecting the metallized wiring layer to an external electric circuit also becomes larger, causing problems such as peeling of the metallized wiring layer. It tends to be easier.
本発明は上記従来の諸問題に鑑みて案出されたものであり、その目的は、銅または銅を主成分とする合金から成るメタライズ配線層を外部電気回路に低融点ろう材を介して電気的に接続したときに、メタライズ配線層が絶縁基体から剥がれるような問題が発生することを効果的に防止した、接続信頼性に優れるとともに低電気抵抗の配線基板を提供することにある。 The present invention has been devised in view of the above-described conventional problems, and an object thereof is to electrically connect a metallized wiring layer made of copper or a copper-based alloy to an external electric circuit via a low melting point brazing material. An object of the present invention is to provide a wiring board having excellent connection reliability and low electrical resistance, which effectively prevents the problem that the metallized wiring layer is peeled off from the insulating substrate when connected electrically.
本発明の配線基板は、ガラスセラミック焼結体から成る絶縁基体と、該絶縁基体の表面に形成された、銅または銅を主成分とする合金のメタライズ配線層とを具備しており、前記メタライズ配線層が低融点ろう材を介して外部電気回路に電気的に接続される配線基板において、前記メタライズ配線層は、前記外部電気回路に接続される部位において銅100質量部に対してフォルステライトを0.5〜10質量部含んでいることを特徴とするものである。 The wiring board of the present invention comprises an insulating base made of a glass ceramic sintered body, and a metallized wiring layer of copper or an alloy containing copper as a main component formed on the surface of the insulating base. In the wiring board in which the wiring layer is electrically connected to the external electric circuit through the low melting point brazing material, the metallized wiring layer is formed of forsterite with respect to 100 parts by mass of copper at the portion connected to the external electric circuit. It contains 0.5 to 10 parts by mass.
また、本発明の配線基板は、好ましくは、前記ガラスセラミック焼結体は、熱膨張係数が11×10−6〜13×10−6/℃であることを特徴とするものである。 The wiring board of the present invention is preferably characterized in that the glass ceramic sintered body has a thermal expansion coefficient of 11 × 10 −6 to 13 × 10 −6 / ° C.
また、本発明の配線基板は、好ましくは、前記ガラスセラミック焼結体は、酸化バリウムを15〜20質量%、酸化ホウ素を2〜7質量%含有していることを特徴とするものである。 The wiring board of the present invention is preferably characterized in that the glass-ceramic sintered body contains 15 to 20% by mass of barium oxide and 2 to 7% by mass of boron oxide.
本発明の配線基板によれば、メタライズ配線層は、外部電気回路に接続される部位において銅100質量部に対してフォルステライトを0.5〜10質量部含んでいることから、ガラス質に対する濡れ性の良いフォルステライト質がガラスセラミック焼結体のガラス質に絡み、このフォルステライトのアンカー効果によりメタライズ配線層が絶縁基体に強固に接合されるので、銅または銅を主成分とする合金から成るメタライズ配線層を外部電気回路に低融点ろう材を介して電気的に接続した場合でも、メタライズ配線層が絶縁基体から剥がれるような問題が発生することを効果的に防止することができ、接続信頼性に優れるとともに低電気抵抗の配線基板を提供することができる。 According to the wiring board of the present invention, the metallized wiring layer contains 0.5 to 10 parts by mass of forsterite with respect to 100 parts by mass of copper in the portion connected to the external electric circuit, so that the wetness with respect to the glassy material is achieved. The forsterite material with good properties is entangled with the vitreous material of the sintered glass ceramic, and the metallized wiring layer is firmly bonded to the insulating substrate by the anchor effect of this forsterite, so it consists of copper or an alloy containing copper as a main component. Even when the metallized wiring layer is electrically connected to an external electric circuit via a low melting point brazing filler metal, it is possible to effectively prevent the problem that the metallized wiring layer is peeled off from the insulating substrate, and the connection reliability can be effectively prevented. In addition, it is possible to provide a wiring board having excellent electrical properties and low electrical resistance.
また、本発明の配線基板は、好ましくは、ガラスセラミック焼結体は熱膨張係数が11×10−6〜13×10−6/℃であることから、絶縁基体の熱膨張係数を外部電気回路基板の熱膨張係数に近付けることができ、より一層接続信頼性に優れた配線基板を提供することができる。 In the wiring board of the present invention, preferably, the glass ceramic sintered body has a thermal expansion coefficient of 11 × 10 −6 to 13 × 10 −6 / ° C. It is possible to provide a wiring board that is close to the thermal expansion coefficient of the board and that is further excellent in connection reliability.
また、本発明の配線基板は、好ましくは、ガラスセラミック焼結体は、酸化バリウムを15〜20質量%、酸化ホウ素を2〜7質量%含有していることから、熱膨張係数が11×10−6〜13×10−6/℃のガラスセラミック焼結体をより容易かつ確実に製作することができる。 In the wiring board of the present invention, preferably, the glass ceramic sintered body contains 15 to 20% by mass of barium oxide and 2 to 7% by mass of boron oxide. A glass ceramic sintered body of −6 to 13 × 10 −6 / ° C. can be produced more easily and reliably.
次に、本発明の配線基板を添付の図面に基づき詳細に説明する。 Next, the wiring board of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は本発明の配線基板の実施の形態の一例を示す断面図である。 FIG. 1 is a sectional view showing an example of an embodiment of a wiring board according to the present invention.
これらの図において、1は絶縁基体、2はメタライズ配線層である。これら絶縁基体1およびメタライズ配線層2により主に配線基板9が構成される。
In these drawings, 1 is an insulating substrate and 2 is a metallized wiring layer. The
絶縁基体1は、シリカ系、アルミナ系等のガラスセラミックス焼結体により形成される。
The
絶縁基体1は、例えばシリカ系のガラスセラミックス焼結体から成る場合であれば、酸化バリウム等のガラス粉末とシリカ等のセラミック粉末等から成る原料粉末を有機溶剤,バインダとともにシート状に成形し複数枚のグリーンシートを得て、これに適当な孔あけ加工を施すとともに上下に積層し、約1000℃で焼成することにより製作される。
If the
絶縁基体1は、IC,LSI等の半導体集積回路素子、LD(半導体レーザ),LED(発光ダイオード),PD(フォトダイオード),CCD,ラインセンサ,イメージセンサ等の光半導体素子、圧電振動子,水晶振動子等の振動子、その他の種々の電子部品を搭載・支持するための基体として機能し、主面(この例では上面)や側面に電子部品が搭載される。
The
また、絶縁基体1の表面には、メタライズ配線層2が形成されている。
A
メタライズ配線層2は、例えば、絶縁基体1の電子部品が搭載される主面から他の主面や側面等にかけて形成されており、配線基板9に搭載される電子部品(図示せず)の電極を外部に導出し外部電気回路(図示せず)と電気的に接続する機能をなす。なお、メタライズ配線層2は、絶縁基体1の内部にも形成してもよい。
The
メタライズ配線層2は、銅または銅を主成分とする合金により形成される。銅を主成分とする合金としては、銅とタングステンあるいは銅とモリブデン等の合金が用いられる。
The
メタライズ配線層2は、例えば、銅または銅を主成分とする合金(混合物)の金属ペーストをグリーンシートの表面に印刷塗布しておくことにより形成される。
The
また、メタライズ配線層2は、表面をめっき層3により被覆しておくことが好ましい。
The
メタライズ配線層2の表面をめっき層3で被覆しておくと、メタライズ配線層2が外気と接触して酸化することをより効果的に防止するとともに、ボンディングワイヤのボンディング性や、低融点ろう材の濡れ性等を向上させることができる。
If the surface of the
このようなめっき層3としては、ニッケルやニッケル−コバルト等のニッケル合金、金、銅、パラジウム、白金等のめっき層を被着させることができる。
As such a plating
この場合、めっき層3は、酸化防止の保護層であることから、少なくとも最表面に金めっき層が位置するものが好ましく、特にメタライズ配線層2とめっき層3との間の接合強度の確保や、メタライズ配線層2を確実にめっき層3で被覆して酸化をより有効に防止すること等のため、メタライズ配線層2の表面から順次被着されたニッケルあるいは銅めっき層および金めっき層により構成することがより好ましい。
In this case, since the
めっき層3は、例えば金めっき層の場合であれば、メタライズ配線層2が被着された絶縁基体1を、シアン系金化合物を金の供給源として含有し、pH調整剤、錯化剤等を添加して成る金めっき液中に浸漬するとともに、メタライズ配線層2の露出している表面に、めっき用治具等を介して所定の電流を通電することによりメタライズ配線層2の表面に形成される。なお、めっきの前処理として、メタライズ配線層2に対して、アルカリ脱脂処理や、酸(希塩酸等)による酸処理が施される。
For example, in the case of a gold plating layer, the
そして、絶縁基体1の上面等に電子部品を搭載するとともに、電子部品の電極をメタライズ配線層2の所定部位にボンディングワイヤや半田等の導電性接続材を介して電気的に接続するとともに、メタライズ配線層2のうち、電子部品の電極と接続されない部分の一部を、外部電気回路に低融点ろう材(図示せず)を介して電気的、機械的に接続することにより、メタライズ配線層2を介して電子部品が外部電気回路と電気的に接続される。
The electronic component is mounted on the upper surface of the
低融点ろう材としては、錫−鉛(共晶)半田や、錫−銀系、錫−銀−銅系、錫−銀−銅―ビスマス系、錫−銀−銅−亜鉛系等の半田等が用いられる。 Low melting point brazing materials include tin-lead (eutectic) solder, tin-silver, tin-silver-copper, tin-silver-copper-bismuth, tin-silver-copper-zinc solder, etc. Is used.
本発明の配線基板9によれば、メタライズ配線層2は、外部電気回路に接続される部位において銅100質量部に対してフォルステライトを0.5〜10質量部含んでいることから、ガラス質に対する濡れ性の良いフォルステライト質がガラスセラミック焼結体のガラス質に絡み、このフォルステライトのアンカー効果によりメタライズ配線層2が絶縁基体1に強固に接合されるので、銅または銅を主成分とする合金から成るメタライズ配線層2を外部電気回路に低融点ろう材を介して電気的に接続した場合でも、メタライズ配線層2が絶縁基体1から剥がれるような問題が発生することを効果的に防止することができ、接続信頼性に優れるとともに低電気抵抗の配線基板9を提供することができる。
According to the
この場合、メタライズ配線層2は、外部電気回路に接続される部位において銅100質量部に対してフォルステライトが0.5質量部未満では、焼結時に銅のみの焼結が進み、銅と絶縁基体1(グリーンシート)との接着強度が十分に得られないため、メタライズ配線層2の絶縁基体1に対する接合を十分に強固なものとすることができず、10質量部を超えると、メタライズ配線層2の焼結体表面にガラス質が多量に存在し銅の焼結が不十分となり、かえってメタライズ配線層2の絶縁基体1に対する接合が弱くなってしまう。また、メタライズ配線層2の導通抵抗の増大や、めっき層3を被着させる場合にめっき層3の被着強度が劣化してしまう。
In this case, if the forsterite is less than 0.5 parts by mass with respect to 100 parts by mass of copper in the portion connected to the external electric circuit, the metallized
なお、メタライズ配線層2について、外部電気回路に接続される部位において銅100質量部に対してフォルステライトを0.5〜10質量部含むものとするには、メタライズ配線層2となる金属ペースト中に、金属粉末100質量部に対して、フォルステライトが0.5〜10質量部となるように添加しておくこと等の手段を用いることができる。
In order to include 0.5 to 10 parts by mass of forsterite with respect to 100 parts by mass of copper in the part connected to the external electric circuit for the metallized
また、メタライズ配線層2は、外部電気回路に接続される部位以外の部位についても、同様に、フォルステライトを0.5〜10質量部含んでいるものとしてもよい。
Similarly, the metallized
例えば、グリーンシートにメタライズ配線層2と成る金属ペーストを印刷する際、同じグリーンシートの表面には、同じ金属ペーストを用いて、一つの印刷用製版で同時に印刷することが生産性や、焼成時の収縮率の制御管理等の面で好ましい。そのため、メタライズ配線層2のうち、外部電気回路に接続される部位を含む層のものは、全域にわたって、フォルステライトを0.5〜10質量部含んでいるものとすることが好ましい。
For example, when printing a metal paste that becomes the metallized
また、本発明の配線基板9において、ガラスセラミック焼結体は熱膨張係数が11×10−6〜13×10−6/℃であることが好ましい。
Moreover, in the
ガラスセラミック焼結体の熱膨張係数を11×10−6〜13×10−6/℃とした場合には、絶縁基体1の熱膨張係数を外部電気回路基板の熱膨張係数に近付けることができ、より一層接続信頼性に優れた配線基板9を提供することができる。
When the thermal expansion coefficient of the glass-ceramic sintered body is set to 11 × 10 −6 to 13 × 10 −6 / ° C., the thermal expansion coefficient of the insulating
このような熱膨張係数を有するガラスセラミック焼結体は、例えば、熱膨張係数の大きいシリカ系成分(石英、クリストバライト、トリジマイト等)の添加量を多くすること等の方法を用いることができる。 For the glass-ceramic sintered body having such a thermal expansion coefficient, for example, a method of increasing the addition amount of a silica-based component (quartz, cristobalite, tridymite, etc.) having a large thermal expansion coefficient can be used.
また、本発明の配線基板9は、ガラスセラミック焼結体は、酸化バリウムを15〜20質量%、酸化ホウ素を2〜7質量%含有していることが好ましい。
Moreover, as for the
ガラスセラミック焼結体が、酸化バリウムを15〜20質量%、酸化ホウ素を2〜7質量%含有している場合には、熱膨張係数を11×10−6〜13×10−6/℃により容易かつ確実に制御することができ、得られ、より一層接続信頼性に優れた配線基板9を確実に提供することができる。
When the glass ceramic sintered body contains 15 to 20% by mass of barium oxide and 2 to 7% by mass of boron oxide, the thermal expansion coefficient is 11 × 10 −6 to 13 × 10 −6 / ° C. The
なお、本発明は上述の実施の形態の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は可能である。例えば、メタライズ配線層2を被覆するめっき層3を、接続パッド3と成る部位とその他の部位とで異なる構成としてもよい。
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, the
シリカ系の組成のガラスセラミック焼結体で外寸が1cm×1cmの平板状の絶縁基体1を形成し、その表面に銅によりメタライズ配線層2を形成して試験用の配線基板9とした。
A flat insulating
メタライズ配線層2のうち、絶縁基体1の一方の主面に露出するものは、幅0.5mmの線状パターンとし、それと反対側の主面に露出するものは直径0.5mmの円形状のパターンで、10×10の配列で縦横に並べて形成した。
Of the metallized
メタライズ配線層2の露出表面には、電解めっき法により厚さ2〜5μmのニッケルめっき層と、厚さ1.5〜2μmの金めっき層とを順次被着させた。
On the exposed surface of the metallized
そして、円形状のパターンを、錫−鉛(共晶)半田を介してプリント配線基板9の電気回路に接続し、接合強度を測定した。
Then, the circular pattern was connected to the electric circuit of the printed
上記の配線導体の強度について、銅に対するフォルステライトの添加量を表1に示すように変えて、試験した。 The strength of the wiring conductor was tested by changing the amount of forsterite added to copper as shown in Table 1.
その結果を表1に示す。
表1からわかるように、フォルステライトを、銅100質量部に対して0.5〜10質量部添加した本発明の範囲内のものについては、メタライズ配線層2と絶縁基体1との間の接合が十分に強固で、接続信頼性が良好であった。
As can be seen from Table 1, forsterite is added in an amount of 0.5 to 10 parts by mass with respect to 100 parts by mass of copper, and within the scope of the present invention, bonding between the metallized
それに対し、フォルステライトの添加量が、銅100質量部に対して0.5質量部未満の場合には銅と絶縁基体1との接着強度が十分に得られず、メタライズ配線層2の接合強度不足の不具合が発生した。また、10質量部を超える場合には導通抵抗の増大や、めっき層3を被着させる場合にめっき層3の被着強度が劣化してしまう問題の発生が見られた。
On the other hand, when the amount of forsterite added is less than 0.5 parts by mass with respect to 100 parts by mass of copper, sufficient adhesion strength between copper and the insulating
1・・・絶縁基体
2・・・メタライズ配線層
3・・・めっき層
9・・・配線基板
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JP2004048442A JP2005243733A (en) | 2004-02-24 | 2004-02-24 | Wiring board |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015201514A (en) * | 2014-04-07 | 2015-11-12 | 株式会社村田製作所 | Wiring board and method for manufacturing the same |
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2004
- 2004-02-24 JP JP2004048442A patent/JP2005243733A/en active Pending
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