JP2005243734A - 配線基板 - Google Patents

Abstract

【課題】 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。
【解決手段】 ガラスセラミック焼結体から成る絶縁基体１と、絶縁基体１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２と、メタライズ配線層２の表面を被覆するめっき層３とを具備しており、メタライズ配線層２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９において、メタライズ配線層２は、銅または銅を主成分とする合金の粉末が、外部電気回路に電気的に接続される部位において平均粒径が３乃至９μｍの球状とされている。
【選択図】 図１

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り、特に、メタライズ配線層の外部電気回路に対する接続信頼性が良好な配線基板に関するものである。

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、メタライズ配線層の表面を被覆するニッケル、金等のめっき層とを具備する構造のものが知られている。

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。

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。

メタライズ配線層の表面を被覆するめっき層は、メタライズ配線層が外気と接触して酸化腐食することを防止することや、配線層に対する低融点ろう材の濡れ性を良好に確保すること等の機能をなす。

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。すなわち、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、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、このグリーンシートを、必要に応じて複数上下に積層した後、約１０００℃程度の温度で焼成し、次に、この絶縁基体およびメタライズ配線層をニッケルや金等のめっき液中に浸漬し、所定のめっき用電流をメタライズ配線層の表面に供給してメタライズ配線層の表面にめっき層を被着させ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。
特開２００３−２１２６４６号公報 特開２００３−２０１１７０号公報

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、メタライズ配線層に用いる合金の融点が比較的低いことから、その粒径が過剰に小さい場合には、焼結が早く進み易く、絶縁基体との間に収縮差が発生し配線基板に反りが発生するために、実装性に問題がある。また、粒径が過剰に大きい場合、あるいは形状が針状など、形状が歪な場合、銅の粉末あるいは銅の粉末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空隙が出来易い。この間隙内にめっき用のめっき液や、めっきの前処理に通常用いられる酸，アルカリ等の腐食性の成分が入り込み、メタライズ配線層を部分的に腐食させることから、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。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合し電気的に接続した場合、接合のための加熱、および絶縁基体と外部電気回路の基板との熱膨張係数の差にともなう熱応力により、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。

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。

また、近年配線基板の小型化の要求が強く、これに伴い、接合端子部面積の微小化および、平坦化が求められるようになっている。その為、上記のようにメタライズ配線層の絶縁基体からの剥がれ等の問題がより発生しやすくなる傾向がある。

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。

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、該メタライズ配線層の表面を被覆するめっき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、前記銅または銅を主成分とする合金の粉末が、前記外部電気回路に電気的に接続される部位において平均粒径が３乃至９μｍの球状とされていることを特徴とするものである。

また、本発明の配線基板は、好ましくは、前記絶縁基体は、前記メタライズ配線層の抵抗率が０．１×１０^−６〜０．６×１０^−６Ω・mのガラスセラミック焼結体から成り、前記メタライズ配線層は、前記絶縁基体との同時焼成により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層から成ることを特徴とするものである。

また、本発明の配線基板は、好ましくは、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毎に独立して形成された接続パッドとして形成されており、該各接続パッドから前記絶縁基体の内部配線にかけて６本以上の貫通導体が形成されていることを特徴とするものである。

本発明の配線基板によれば、メタライズ配線層は、銅または銅を主成分とする合金の粉末が、外部電気回路に電気的に接続される部位において平均粒径が３乃至９μｍの球状とされていることから、個々の粉末の単位表面積あたりの体積が大きくなるとともに熱容量が大きくなるため、焼成の早い段階で銅粉末が溶融し始めることを効果的に防止するができ、銅の粉末の間に十分にガラス成分を入り込ませ、このガラス成分を介してメタライズ配線層を絶縁基体に強固に接合させることができる。

また、銅粉末の粒径が大きすぎず、形状が球状であり、密に充填することが可能であるため銅の粉末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できる。

そのため、銅の粉末間のガラス成分を介しての焼結性が向上するので、銅粉末間にめっき液等が浸入することを効果的に防止することができ、メタライズ配線層の腐食を防止することができる。

その結果、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。

また、本発明の配線基板は、絶縁基体は、メタライズ配線層の抵抗率が０．１〜０．６×１０^−６Ω・mのガラスセラミック焼結体から成り、メタライズ配線層は、絶縁基体との同時焼成により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層から成ることが好ましい。

この構成により、メタライズ配線層の電気抵抗をより低くすることができ、電気信号の伝送特性を良好に確保して、例えば送受信用アンテナやパワーアンプ等のモジュールとしての機能に優れた電子装置を形成することが可能な配線基板を提供することができ、電子部品を長期にわたって精度よく確実に作動させ続けることができる。

また、本発明の配線基板は、好ましくは、メタライズ配線層は、外部電気回路に接続される部位毎に独立して形成された接続パッドとして形成されており、各接続パッドから絶縁基体の内部配線にかけて６本以上の貫通導体が形成されていることから、メタライズ配線層の各部位を外部電気回路に、より容易に位置決めして接続することができるとともに、各接続パッドを、６本以上の貫通導体を介して絶縁基体により一層強固に接合させることができ、より一層外部電気回路に対する電気的な接続信頼性に優れた配線基板を提供することができる。

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。

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。

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、３はめっき層である。これら絶縁基体１、メタライズ配線層２およびめっき層３により主に配線基板９が構成される。

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焼結体により形成される。

絶縁基体1は、例えばシリカ系のガラスセラミック焼結体から成る場合であれば、酸化カリウム、酸化マグネシウム等のガラス粉末とアルミナ，シリカ等のセラミック粉末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。

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。

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。

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。メタライズ配線層２に対する電子部品の電極や外部電気回路との電気的な接続は、ボンディングワイヤや低融点ろう材を介して行われる。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。

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、銅に銀、金、チタン等の金属成分を添加した合金が用いられる。

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。

このメタライズ配線層２の表面は、めっき層３により被覆されている。

めっき層３は、メタライズ配線層２が外気と接触して酸化することを防止するとともに、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機能をなす。

このようなめっき層３は、例えば、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、白金等のめっき層である。

この場合、めっき層３は、耐食性、半田濡れ性、ボンディング性の観点から、腐食され難く、半田等の低融点ろう材との拡散が早く、硬度が比較的低いことからボンディング性が良い（ボンディングワイヤの食い込み食いつきが良い）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い。

また、金めっき層のメタライズ配線層２に対する強固な接合強度および、メタライズ配線層２に接合される低融点ろう材との強固な接合強度を得るため、低融点ろう材と高強度な合金層を形成するニッケルあるいは銅などのめっきを、メタライズ配線層２と金めっき層との間に施すことが好ましい。

従って、めっき層３は、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。

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。

そして、例えば、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。

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。

本発明の配線基板９において、メタライズ配線層２は、銅または銅を主成分とする合金の粉末が、外部電気回路に電気的に接続される部位において平均粒径が３乃至９μｍの球状としておくことが重要である。

メタライズ配線層２について、銅または銅を主成分とする合金の粉末を、外部電気回路に電気的に接続される部位において平均粒径が３乃至９μｍの球状とした場合には、個々の粉末の単位表面積あたりの体積が大きくなるとともに熱容量が大きくなるため、焼成の早い段階で銅粉末が溶融し始めることを効果的に防止するができ、銅の粉末の間に十分にガラス成分を入り込ませ、このガラス成分を介してメタライズ配線層２を絶縁基体１に強固に接合させることができる。

また、銅粉末の粒径が大きすぎず、形状が球状であり、密に充填することが可能であるため銅の粉末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できる。

そのため、銅の粉末間のガラス成分を介しての焼結性が向上するので、銅粉末間にめっき液等が浸入することを効果的に防止することができ、メタライズ配線層２の腐食を防止することができる。

その結果、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。

この場合、銅の粉末の粒径が３μｍ未満では、個々の粉末の体積および熱容量が小さくなるため、銅粉末の間にガラス成分が入り込む前に銅成分の溶融等が始まり、絶縁基体１と一体的に焼結させることができず、また銅と絶縁基体１との収縮率の不一致により絶縁基体１に反り等の不具合を発生させてしまう。また、９μｍを超えると、銅の粉末が大きくなりすぎて粉末間の焼結性が不十分になりかえって絶縁基体１に対する接合強度が低くなってしまう。

なお、銅の粉末を、平均粒径が３乃至９μｍの球状とするには、水アトマイズ工法等の手段を用いることができる。

また、本発明の配線基板９において、絶縁基体１は、メタライズ配線層２の抵抗率が０．１×１０^−６〜０．６×１０^−６Ω・ｍのガラスセラミック焼結体から成り、メタライズ配線層２は、絶縁基体１との同時焼成により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２から成ることが好ましい。

この構成により、メタライズ配線層２の電気抵抗をより低くすることができ、電気信号の伝送特性を良好に確保して、例えば送受信用アンテナやパワーアンプ等のモジュールとしての機能に優れた電子装置を形成することが可能な配線基板９を提供することができ、電子部品を長期にわたって精度よく確実に作動させ続けることができる。

また、本発明の配線基板９は、メタライズ配線層２は、外部電気回路に接続される部位毎に独立して形成された接続パッド４として形成されており、各接続パッド４から絶縁基体１の内部配線２ａにかけて６本以上の貫通導体５が形成されていることが好ましい。

この構成により、メタライズ配線層２の各部位を外部電気回路に、より容易に位置決めして接続することができるとともに、各接続パッド４を、６本以上の貫通導体５を介して絶縁基体１により一層強固に接合させることができ、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。

接続パッド４は、例えば、円形状や楕円形状，四角形状等の、個々に独立したパターンで形成される。

内部配線２ａは、メタライズ配線層２を絶縁基体１の内部にも形成した場合、その内部に形成された部位をわかりやすく区別するための呼び方である。内部配線２ａは、例えば、絶縁基体１の対向する主面にそれぞれ形成されたメタライズ配線層２の間を電気的に接続する機能をなす。内部配線２ａは、絶縁基体１の表面に形成されているメタライズ配線層２と同様の金属材料から成り、同様の方法で形成される。

また、貫通導体５は、例えば、絶縁基体１となるグリーンシートのうち、接続パッド４が形成される部位に一端が位置するような貫通孔を形成しておき、この貫通孔内に、メタライズ配線層２を形成するのと同様の金属ペーストを印刷充填しておくことにより形成される。

貫通導体５は、接続パッド４と内部配線２ａとを電気的に接続するとともに、それぞれの接続パッド４の絶縁基体１に対する接合を補強する機能をなし、各接続パッド４に６本以上形成することが好ましい。

６本未満では、接続パッド４の絶縁基体１に対する接合を補強する効果が不十分になるおそれがある。

この場合、貫通導体５は、各接続パッド４の中心部から見て同じ角度の間隔で形成することが好ましい。等間隔としておくと、接続パッド４の全面にわたって均一に絶縁基体１に対する接合を補強することができ、配線基板９の外部電気回路に対する接続信頼性をより一層優れたものとすることができる。例えば、接続パッド４が円形で、貫通導体５が６本の場合であれば、接続パッド４の外周に沿って、接続パッド４の中心から見て６０度ずつの間隔になるようにして貫通導体５を形成することが好ましい。

各貫通導体５は、その断面積が接続パッド４の表面積に対して１％〜１０％程度の大きさであり、例えば、直径が７５〜１００μｍ程度の円形状である。

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を、接続パッド４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。

アルミナ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。

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、縦１０個×横１０個の配列で縦横に並べて形成した。

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。

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の電気回路に接続し、接合強度を測定した。

上記のメタライズ配線層２の強度について、銅粉末の粒径を表１に示すように変えて、試験した。

その結果を表１に示す。

表１からわかるように、銅の粉末の粒径を３乃至９μｍと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。

それに対し、銅の粉末の粒径が３μｍ未満の場合には絶縁基体１の反りの不具合が発生し、絶縁基体１に対する接合強度も不十分であった。また、９μｍを超える場合にはメタライズ配線層２の接合強度不足の問題の発生が見られた。

なお、本発明の配線基板は、上述の実施例に限定されるものではない。

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。

符号の説明

１・・・絶縁基体
２・・・メタライズ配線層
３・・・めっき層
４・・・接続パッド
５・・・貫通導体
９・・・配線基板

Claims (3)

1. 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、該メタライズ配線層の表面を被覆するめっき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、前記銅または銅を主成分とする合金の粉末が、前記外部電気回路に電気的に接続される部位において平均粒径が３乃至９μｍの球状とされていることを特徴とする配線基板。
2. 前記絶縁基体は、前記メタライズ配線層の抵抗率が０．１×１０^−６〜０．６×１０^−６Ω・mのガラスセラミック焼結体から成り、前記メタライズ配線層は、前記絶縁基体との同時焼成により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層から成ることを特徴とする請求項１記載の配線基板。
3. 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毎に独立して形成された接続パッドとして形成されており、該各接続パッドから前記絶縁基体の内部配線にかけて６本以上の貫通導体が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の配線基板。

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