JP2006121022A - リードピン付き配線基板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 低熱膨張のガラスセラミック配線基板にろう材を介してリードピン接続した場合、ガラスセラミックスとろう材の熱膨張差が大きく、リードピンに斜め方向に外力が生じたときに、ガラスセラミックスそのものが破壊応力に屈してクラック等の破壊が発生しやすくなる。
【解決手段】 ４０乃至４００℃での熱膨張係数が２．３×１０^−６／℃〜４．５×１０^−６／℃であるガラスセラミックスから成る絶縁基体５の表面および内部のうち少なくとも表面に配線導体６が形成されるとともに、絶縁基板５の表面の配線導体６の露出した部位を含む領域に、リードピンのヘッドが、Ｔｉ、ＺｒまたはＨｆの少なくとも一種を含むＡｇ−Ｃｕ合金ろう材から成る接続パッドを介して接続されて成るリードピン付き配線基板において、前記絶縁基体５表面の十点平均粗さ（Ｒｚ）が５μｍ以下とした。また、Ｔｉ、ＺｒまたはＨｆ粉末の粉末の中位径は好ましくは１乃至５μｍとした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体素子を収容するための半導体素子収納用パッケージや回路基板、電子回路モジュール等に使用される、入出力端子用のリードピンが立設された、所謂ピングリッドアレイ（ＰＧＡ）用のリードピン付き配線基板に関する。

従来から、ＩＣ，ＬＳＩ等の半導体集積回路素子等の半導体素子を収容するための半導体素子収納用パッケージや、高周波回路や電力回路等を構成する回路基板あるいは電子回路モジュール等には、セラミックスから成る絶縁基体の表面および内部の少なくとも一方に配線導体を有する配線基板が使用されている。この配線基板には、一般的に、リードピン、ボール端子等の端子部材や放熱板、放熱フィン等の放熱部材、あるいは配線基板と蓋体とから成る容器の内部に半導体素子を気密に収容するために、金属製の蓋体を取着するためのシールリング等のシール部材といった金属部材が、配線基板の表面のメタライズ層から成る配線導体にろう材を介して接合されている。

上記の配線基板においては、高周波信号を高速で伝送する上で、配線導体を形成する導体の抵抗が低いことが要求され、絶縁基体にもより低い誘電率が要求されている。

例えば、誘電率が低く高周波用の絶縁基体として好適であるガラスセラミックスを絶縁基体に用い、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ等の低抵抗金属のメタライズ層を配線導体として形成した配線基板が多用されている。

しかしながら、このような高周波用の配線基板においては、低誘電率のガラスセラミックスはガラス成分を多量に含有することから、その磁器強度は従来のアルミナセラミックス等に比べて低く、また、低抵抗金属は融点が低いことから低温で焼成する必要があるため、メタライズ層から成る配線導体のガラスセラミックスへの接合強度も低いものとなっている。

このため、このような配線基板のメタライズパッドにろう材を介してリードピンを接合しピングリッドアレイ型のリードピン付き配線基板とした場合、外部電気回路に配線基板を装着するためにリードピンを外部電気回路のソケットに差し込んだり、外部電気回路に配線基板を装着後に故障や交換等のメンテナンス等が必要となりリードピンを引き抜いたりした際に、リードピンに垂直方向や斜め方向からの外力が働くと、絶縁基体であるガラスセラミックスとメタライズパッドとの界面に破壊応力が発生して、メタライズパッドに剥がれが生じたり、ガラスセラミックスそのものがその破壊応力に屈して破壊されたりして、接合信頼性が低下するという問題点があった。

そこで、磁器強度の弱いガラスセラミックス等の絶縁基体とメタライズパッドとの界面における破壊を回避する手法として、活性金属としてＴｉ，ＺｒまたはＨｆの少なくとも１種を含有するＡｇ−Ｃｕ合金ろう材を用いて、リードピン接合用のメタライズパッドを配線基板に形成せずに、配線基板の内部から下面に導出された配線導体としての貫通導体（ビア導体）が絶縁基体の表面に露出した部位を含む領域にリードピンを直接接合する手法が提案されている。

この手法では、メタライズパッドを介さずに、配線基板の配線導体の一部である貫通導体の絶縁基体の表面に露出した部位とリードピンとを、Ｔｉ，ＺｒまたはＨｆの少なくとも１種を含有するＡｇ−Ｃｕ合金ろう材から成る接続パッド（以下、ろう材パッドという）を介して直接接続することによって電気的な接続を行なうことができる。また、貫通導体の露出部は通常は直径が約１００μｍ以下と小さいことから、リードピンは実質的には絶縁基体とろう材パッドを介して接合されるため、メタライズパッドと絶縁基体との接合強度に依存することなくリードピンを接合することができ、絶縁基体とメタライズパッドとの間の界面における破壊を回避することができる。

一方、上記の高周波用の配線基板に搭載される半導体素子においては、近年の更なる高集積化や高速化に伴い、半導体素子の配線容量を低減させ信号伝達速度を高くするために、半導体素子に使用する絶縁膜を低誘電率化することが検討されている。

例えば、１０ＧＨｚ程度の高周波信号を伝達し、かつ、半導体素子の設計基準（ＭＰＵゲート長）が１３０ｎｍ程度に微細配線化された半導体素子の絶縁膜として要求されている誘電率は２．５以下であり、これを実現するために、スピンコート法によりシルセスキオキサン系の無機オリゴマー（低分子量のポリマー）やポリ芳香族エーテル系等の有機オリゴマーの熱重合による絶縁膜に、誘電率１の空気を内包させた多孔質絶縁膜が開発された。
特開平８−１６２５６３号公報 特開平８−２９８３８１号公報 特開平９−１８１４４号公報

しかしながら、このような半導体素子に形成された多孔質絶縁膜は、その空孔率の増加に伴い強度が低くなるため、上述の配線基板に実装する際や半導体素子動作時などの熱負荷が加わる際に、半導体素子と配線基板の熱膨張係数の差に起因して発生する熱応力によって絶縁膜自身が破壊するという不具合が、一般的な絶縁膜に比べて顕著に発生するという問題点があった。

そこで、発生する熱応力を低減するために、４０乃至４００℃での熱膨張係数が２．３×１０^−６／℃〜４．５×１０^−６／℃のガラスセラミックスを絶縁基体に用いて、配線基板の熱膨張係数をＳｉ（シリコン）などからなる半導体素子の４０乃至４００℃での熱膨張係数である２×１０^−６／℃〜４×１０^−６／℃に可能な限り近づけるという手法が考えられる。

しかしながら、４０乃至４００℃での熱膨張係数が２．３×１０^−６／℃〜４．５×１０^−６／℃と低熱膨張のガラスセラミックスを絶縁基体として用いた場合、配線基板の配線導体の一部である貫通導体の絶縁基体の表面に露出した部位とリードピンとを、Ｔｉ，ＺｒまたはＨｆの少なくとも１種を含有するＡｇ−Ｃｕ合金ろう材パッドを介して直接接続する方法では、低熱膨張のガラスセラミックスとろう材パッドとの熱膨張係数の差が大きく、この熱膨張係数の差に起因する熱応力がろう付け後にろう材パッドと絶縁基体の界面に発生する。

一方、上記のガラスセラミックスから成る絶縁基体は焼結体であることから、その表面には凹凸があり、一般的に算術平均粗さ（Ｒａ）で０．８μｍから３．３μｍ、十点平均粗さ（Ｒｚ）で５μｍから２０μｍとなっている。そして、この表面の凹凸は、Ｔｉ，ＺｒまたはＨｆの少なくとも１種を含有するＡｇ−Ｃｕ合金ろう材ペーストをガラスセラミックスから成る絶縁基体表面に印刷した際に、ろう材パッドとガラスセラミックスから成る絶縁基体との間に空隙を発生させる原因となっている。

上記の空隙を誘発してしまう表面の凹凸は、表面粗さ曲線の山頂の高さの平均値と谷底の深さの平均値の和が大きくなるほど増大することから十点平均粗さ（Ｒｚ）が寄与しており、これが大きくなると表面の凹凸の高さが大きくなり、そのために発生する空隙も大きくなりやすい。そして、この大きな空隙は、Ｔｉ，ＺｒまたはＨｆの少なくとも１種を含有するＡｇ−Ｃｕ合金ろう材はガラスセラミックスから成る絶縁基体に対して濡れ性が低いために、リードピンをガラスセラミックスから成る絶縁基体にろう付けした際に、ろう材と絶縁基体との接合界面のボイド等の欠陥となり、ここに応力が集中しやすくなる。その結果、リードピンへ斜め方向の外力が加えられ、この外力がガラスセラミックスから成る絶縁基体とろう材との接合界面に作用した場合には、この外力と残留応力とが相俟って大きな応力が発生し、さらに、ボイド等の欠陥部分にこの応力が集中することによって、ここを起点として絶縁基体の内部にクラック等が進行して接合信頼性の低下を引き起こしたり、配線基板からリードピンが脱離してしまうという問題点があった。

本発明は、上記の問題点を解決するために案出されたものであり、その目的は、多孔質絶縁膜を形成した半導体素子を搭載し、低熱膨張のガラスセラミックスからなる配線基板に取着したリードピンに斜め方向の外力が生じても、実用上耐えうるレベルのリードピンとガラスセラミックスから成る絶縁基体との接合強度を確保できる高信頼性のリードピン付き配線基板およびその製造方法を提供することにある。

本発明のリードピン付き配線基板は、４０乃至４００℃での熱膨張係数が２．３×１０^−６／℃〜４．５×１０^−６／℃であるガラスセラミックスから成る絶縁基体の表面および内部のうち少なくとも表面に配線導体が形成されるとともに、前記絶縁基体の表面の前記配線導体の露出した部位を含む領域に、リードピンのヘッド部が、Ｔｉ、ＺｒまたはＨｆの少なくとも一種を含むＡｇ−Ｃｕ合金ろう材から成る接続パッドを介して接続されて成るリードピン付き配線基板において、前記絶縁基体の少なくとも前記接続パッドが形成される表面の十点平均粗さＲｚが５μｍ以下であることを特徴とする。

また、本発明のリードピン付配線基板の製造方法は、有機バインダを含有し表面に導体パターンが形成されたガラスセラミックグリーンシートの複数枚を積層して、表面に前記導体パターンが配置されたガラスセラミックグリーンシート積層体を作製する工程と、前記ガラスセラミックグリーンシート積層体から有機成分を除去し、次いで焼成して、ガラスセラミック積層体の表面に導体が形成されたガラスセラミックスから成る絶縁基体を得る工程と、セラミック粉末と水の混合物を圧縮空気とともに吹きつけることによって、前記絶縁基体の表面を十点平均粗さ（Ｒｚ）が５μｍ以下にする工程と、前記絶縁基体に、前記Ｔｉ，ＺｒおよびＨｆのうち少なくとも一種を含むＡｇ−Ｃｕ系ろう材をペースト化したものを印刷することによって前記接続パッドを形成する工程と、前記リードピンと前記絶縁基体とを、前記接続パッドを介してろう付けする工程とを具備したことを特徴とするものである。

また、本発明のリードピン付配線基板の製造方法は好ましくは、前記Ｔｉ，ＺｒおよびＨｆのうち少なくとも一種を含むＡｇ−Ｃｕ系ろう材ペーストは、Ｔｉ、ＺｒあるいはＨｆの金属粉末または水素化物粉末の中位径が１乃至５μｍであることを特徴とするものである。

本発明のリードピン付き配線基板によれば、ガラスセラミックスから成る絶縁基体の少なくともろう材パッドが形成される表面の十点平均粗さ（Ｒｚ）を５μｍ以下として凹凸を小さくしたことから、４０乃至４００℃での熱膨張係数が２．３×１０^−６／℃〜４．５×１０^−６／℃であるガラスセラミックスにリードピンをＴｉ、ＺｒまたはＨｆの少なくとも一種を含むＡｇ−Ｃｕ合金ろう材を印刷した際に、ろう材パッドとガラスセラミックスから成る絶縁基体との間に大きな空隙が発生することを抑制することができる。この結果、リードピンをガラスセラミックスから成る絶縁基体にろう付けした際に、ろう材と絶縁基体との接合界面に、応力が集中し絶縁基体の破壊の起点となる大きなボイド等の欠陥が形成されることを防止することができる。

その結果、リードピンへの斜め方向の外力が加わって発生した応力と、ろう付け時に発生した残留応力とが相俟って、ガラスセラミックスから成る絶縁基体とろう材との接合界面に作用した場合にも、この破壊応力は接合界面のボイド等の欠陥部分に集中することがなく、絶縁基体にクラック等の破壊が発生するのを効果的に抑制することができ、配線基板からリードピンが脱離することなく、より高い接合強度を得ることが可能となる。

また、本発明の製造方法によれば、セラミック粉末と水の混合物を圧縮空気とともに吹きつける物理的な方法によってガラスセラミックから成る絶縁基体表面の十点平均粗さ（Ｒｚ）を５μｍ以下にしたことから、エッチング法などの化学的な方法と比較して基板表面の組成などのバラツキ起因する反応選択性がないために均一に基板表面を処理でき、より一層高い接合強度を得ることができる。

さらに、本発明の製造方法によれば、絶縁基体表面にＴｉ，ＺｒおよびＨｆのうち少なくとも一種を含むＡｇ−Ｃｕ系ろう材ペーストに粉末の中位径が１乃至５μｍであるＴｉ、ＺｒあるいはＨｆの金属または水素化物粉末を用いた場合には、印刷法により絶縁基体表面にろう材パッドを形成するときに、絶縁基体表面の凹部にＴｉ、ＺｒあるいはＨｆの金属または水素化物粉末が充填されやすく、絶縁基体表面の凹凸形状に効果的に追随することができるので、印刷時にろう材パッドと絶縁基体の界面での空隙等の欠陥の発生を抑制できる。その結果、絶縁基体とリードピンをろう材パッドを介して直接接続する際にろう材パッドと金属間化合物の界面に形成されるボイド等の欠陥の大きさをより小さくすることができ、さらに安定した接合強度を得ることができる。

本発明のリードピン付き配線基板について詳細に説明する。図１は半導体素子を収容する半導体素子収納用パッケージに本発明のリードピン付き配線基板を適用した場合の実施の形態の一例を示す断面図である。図１において、１はリードピン、２は活性金属としてＴｉ，ＺｒまたはＨｆの少なくとも１種を含有するＡｇ−Ｃｕ合金ろう材（以下、ろう材ともいう）、３はリードピン付き配線基板（以下、配線基板ともいう）、４は半導体素子である。配線基板３のガラスセラミックスから成る絶縁基体５は、上面の中央部に半導体素子４を搭載するための搭載部７を有している。

絶縁基体５は、ガラスセラミックスの焼結体から成る、例えば四角形状の板状体であり、その表面および内部の少なくとも表面に配線導体６を有している。このような配線基板３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，有機バインダ，溶融成分に溶剤（有機溶剤，水等）、必要に応じて硬度や強度を調整するための所定量の可塑剤，分散剤を加えてスラリーを得、これをＰＥＴフィルムや紙等の支持体上にドクターブレード法，リップコーター法，ダイコーター法等のシート成型方法によりセラミックグリーンシートを作製する。

４０乃至４００℃での熱膨張係数が２．３×１０^−６／℃〜４．５×１０^−６／℃であるガラスセラミックスから成る絶縁基体５を得るためのセラミック粉末としては、例えばＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ−ＺｎＯ−Ｂ_２Ｏ_３,ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−ＮａＯ_２, ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ｋ_２Ｏ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＮａＯ等の硼珪酸ガラスのような低熱膨張係数のガラス粉末とアルミナ,コーディエライト,石英ガラス,ムライトのようなフィラー粉末とを混合したものを用いればよく、要求される特性に合わせてその種類や組合せ、含有量は適宜選択される。

より具体的には、３０〜５５質量％のＳｉＯ_２、１５〜４０質量％のＡｌ_２Ｏ_３、３〜２５質量％のＭｇＯ、２〜１５質量のＺｎＯ、２〜１５質量％のＢ_２Ｏ_３を含有するガラス粉末６４．５〜９８．５質量％と、コーディエライト粉末０．５〜２０質量％と、ムライト、アノーサイト、スラウソナイト、セルジアン、石英ガラスの群から選ばれる少なくとも１種のフィラー粉末１〜３５質量％とを含有するものがある。このガラス粉末を１０５０℃以下の熱処理を施すことにより、少なくともコーディエライトを結晶相として析出させ、さらにコーディエライトとともに、ガーナイト、スピネル、ムライトの群から選ばれる少なくとも１種を結晶相として析出させることによって、絶縁基体５の低熱膨張化、低誘電率化、低ヤング率化を達成することができる。低熱膨張化と低ヤング率化により１次実装と２次実装の信頼性の向上が達成されるのでより好ましいものとなる。

次に、このセラミックグリーンシートに、導体材料の粉末をペースト化した導体ペーストをスクリーン印刷法やグラビア印刷法等により印刷するか、あるいは所定パターン形状の金属箔を転写する等の方法を用いて、配線導体６を形成する。

導体ペーストの導体材料としては、ガラスセラミックス焼結体に対しては、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｇ−Ｐｔ，Ａｇ−Ｐｄ，Ａｕ等が好適に用いられる。

なお、この配線導体６には、絶縁基体５の上面と下面とにそれぞれ配置された導体パターン同士を絶縁基体５の内部で接続するためのビア導体やスルーホール導体等といった貫通導体の部分も含まれる。この貫通導体は、例えば、パンチング加工等によりセラミックグリーンシートに形成した貫通孔に導体ペーストを充填することによって形成される。

次に、配線導体６を形成したセラミックグリーンシートを複数枚積層し、所定の温度（ガラスセラミックスの場合であれば約９００℃）で焼成することによって、配線基板３が製作される。

そして、配線基板３の下面の、配線導体６としての貫通導体が絶縁基体５の表面に露出した部位を含む領域に、活性金属としてＴｉ，ＺｒおよびＨｆのうち少なくとも１種を含有するＡｇ−Ｃｕ系ろう材２をペースト化したものをスクリーン印刷法やグラビア印刷法等により印刷し、ネイルヘッド型のリードピン１と配線基板３の配線導体６および絶縁基体５とを、Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材２を介してろう付けする。

このＡｇ−Ｃｕ合金ろう材２は、ＢＡｇ−８（ＪＩＳ Ｚ−３２６１：７２質量％Ａｇ−２８質量％Ｃｕ）ろう材を始めとして、Ａｇが６０〜８０質量％でＣｕが２０〜４０質量％の組成から成るＡｇ−Ｃｕ合金ろう材に、活性金属であるＴｉ，ＺｒおよびＨｆのうち少なくとも１種を、金属または水素化物の状態で外添加で２〜１０質量％添加したものが用いられる。

このとき、活性金属であるＴｉ，ＺｒあるいはＨｆの金属または水素化物は、粉末の中位径が１乃至５μｍの粉末を用いることが好ましい。

粉末の中位径を絶縁基体表面の十点平均粗さ（Ｒｚ）よりも小さな１乃至５μｍとすると、印刷法により絶縁基体表面にろう材パッドを形成するときに、絶縁基体表面の凹部にＴｉ、ＺｒあるいはＨｆの金属または水素化物粉末が充填されやすくなり、絶縁基体表面の凹凸形状に効果的に追随することができるので、印刷時にろう材パッドと絶縁基体の界面での空隙等の欠陥の発生を抑制できる。

これにより、絶縁基体とリードピンをろう材パッドを介して直接接続する際にろう材パッドと金属間化合物の界面に形成されるボイド等の欠陥の大きさをより小さくすることができ、より一層高い接合強度を得ることができる。

Ｔｉ、ＺｒあるいはＨｆの金属または水素化物粉末は、ろう付け温度域においては溶融しないので、印刷法によりろう材パッドを形成する際に絶縁基体とＴｉ、ＺｒあるいはＨｆの金属または水素化物粉末との間で発生した空隙等の欠陥は、ろう付け中に融液等により満たされることがなく、ろう付け後の絶縁基体と接続パッドの界面にボイド等の欠陥として残存してしまう。

このため、粉末の中位径が５μｍを越えると、Ｔｉ，ＺｒおよびＨｆの金属または水素化物が、絶縁基体の凹部に充填されにくくなるため、ろう材パッドと絶縁基体の界面で空隙が発生することを抑制する効果がやや低下してしまう傾向がある。

他方、粉末の中位径が１μｍ未満であると、粉末の比表面積が大きくなるために粉末表面の活性エネルギーが上昇し粉末同士の凝集が発生しやすくなる。このため、Ｔｉ，ＺｒおよびＨｆの金属または水素化物が、絶縁基体の凹部に充填されにくく、ろう材パッドと絶縁基体の界面で空隙が発生することを抑制する効果がやや低下してしまう傾向がある。

Ａｇ−Ｃｕ合金粉末はろう付け温度域において溶融するので、印刷法によりろう材パッドを形成する際に絶縁基体とＡｇ−Ｃｕ合金粉末との間で発生した空隙等の欠陥は、ろう付け中に融液等により満たすことはできるが、粉末の中位径が１乃至５μｍの粉末を用いることがより好ましい。粉末の中位径を絶縁基体表面の十点平均粗さ（Ｒｚ）よりも小さな１乃至５μｍとすると、印刷法により絶縁基体表面にろう材パッドを形成するときに、絶縁基体表面の凹部にＡｇ−Ｃｕ合金粉末が充填されやすくなり、絶縁基体表面の凹凸形状に効果的に追随することができるので、印刷時にろう材パッドと絶縁基体の界面での空隙等の欠陥の発生を抑制でき、絶縁基体とリードピンをろう材パッドを介して直接接続する際にろう材パッドと金属間化合物の界面に形成されるボイド等の欠陥の大きさをより小さくすることができる。

Ａｇ−Ｃｕ合金粉末の中位径が５μｍを越えると、Ａｇ−Ｃｕ合金粉末が絶縁基体の凹部に充填されにくくなるため、ろう材パッドと絶縁基体の界面で空隙が発生することを抑制する効果がやや低下してしまう傾向がある。

他方、Ａｇ−Ｃｕ合金粉末の中位径が１μｍ未満であると粉末の比表面積が大きくなるために、ろう材をペースト化するためにバインダおよび溶媒を添加した場合でもペースト化しにくくなり、実質的に印刷法によるろう材パッドの形成が難しくなる。

ここで、粉末の中位径とはＪＩＳＺ８８２１ピペット法による粒子径分布測定方法に則り測定したものである。

このろう材２を介してリードピン１を絶縁基体５に接合するには、例えば、ろう材２の粉末に有機溶剤、バインダおよび溶媒を合わせて５〜１５質量％を外添加で混合して得たろう材ペーストを、配線導体６が露出した部位、例えば貫通導体の露出した端面を含む絶縁基体５の表面に、スクリーン印刷法等によりリードピン１を立設する部位に対応した所定パターンで印刷し、これにリードピン１のヘッド１ａを載置して、これを真空中または中性雰囲気中もしくは還元雰囲気中でろう材２の溶融温度に合わせた所定温度（例えば約８００℃）で加熱処理し、ろう材２を溶融させて、配線導体６および絶縁基体５とリードピン１をろう付け接合する。

このとき、ろう材２の融点およびろう付け後の接合部の外観や反応層および合金層の厚み等を考慮して、ろう材２における活性金属の含有量、ボリューム（体積）、ブレージング最高到達温度、ろう材２の融点以上の温度の保持時間等を決める必要がある。

その一例として、７２質量％Ａｇ−２８質量％ＣｕのいわゆるＢＡｇ−８と呼ばれるろう材に活性金属としてＴｉＨ_２を３質量％添加したろう材２を用いて、絶縁基体５の表面にろう付け後に直径０．９０ｍｍのろう材パッドを形成する場合であれば、ピン径が０．２０ｍｍ、ヘッド部１ａの厚みが０．１５ｍｍ、ヘッド部の直径が０．４５ｍｍのリードピン１を絶縁基体５の所定部位に当接した状態で、真空炉中で最高温度７９５℃乃至８５０℃で５分乃至１時間保持すれば、高い強度を有する良好な接合状態が得られる。

ここで絶縁基体５が４０乃至４００℃での熱膨張係数が２．３×１０^−６／℃〜４．５×１０^−６／℃であるガラスセラミックスである場合は絶縁基体５の表面の十点平均粗さ（Ｒｚ）が５μｍ以下であることが必要である。

これは、以下に示す理由によるものである。一般的に、ガラスセラミックス等の弾性体に外力が加えられた場合におけるクラック進展の駆動力の尺度として、外力と欠陥サイズの１／２乗の積で表される応力拡大係数がある。これにおいて、ボイド等の欠陥のサイズが大きくなるほど、外力が加えられた際における応力拡大係数が増大し、絶縁基体５中のクラック進展が容易になり絶縁基体が破壊しやすくなる。ボイド等の欠陥のサイズは、ろう材２を絶縁基体５にスクリーン印刷法等で塗布した際に、絶縁基体５の表面の十点平均粗さ（Ｒｚ）で示される凹凸に起因する空隙の大きさに依存する。したがって、絶縁基体５の表面の十点平均粗さ（Ｒｚ）が小さい程、空隙およびボイド等の欠陥のサイズは小さくなり、絶縁基体５のクラックの進展を抑制することができる。なお、４０乃至４００℃での熱膨張係数を２．３×１０−６／℃〜４．５×１０−６／℃とするために、絶縁基体５を上記のような硼珪酸ガラスから成る低熱膨張係数のガラスとアルミナ,コーディエライト,石英ガラス,ムライトのようなフィラーからなるガラスセラミックスとした場合には、絶縁基体５とろう材２の濡れ性が悪いため、絶縁基体５表面の十点平均粗さ（Ｒｚ）が５μｍを超えると、ろう材２が絶縁基体５表面の凹凸形状に追随できなくなる。このため、絶縁基体５表面の十点平均粗さ（Ｒｚ）が５μｍを超えて大きくなるとボイド等の欠陥のサイズが大きくなり、この結果、絶縁基体５が破壊しやすくなってしまう。

絶縁基体５表面の十点平均粗さ（Ｒｚ）を５μｍ以下とするには、ウエットブラスト装置などを用いて、セラミック粉末と水の混合物を圧縮空気とともに絶縁基体５の表面に吹きつけると、均一に処理できることからより好ましい。

例えば、セラミック粉末としてアルミナを用い、吹き付け圧力を０．１３５ＭＰａとしてアルミナ２０重量部のアルミナと水の混合物を所定の場所に１乃至５回吹き付けることによって、十点平均粗さ（Ｒｚ）を５μｍ以下の所望の凹凸とすることができる。

なお、本発明のリードピン付き配線基板３に用いられるリードピン１の材質、ピン部の長さ、ヘッド部１ａの厚み等は、外部電気回路のソケットの形状や接続方法等に応じて選択が可能である。例えば、半導体素子収納用パッケージに適用するリードピン１であれば、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ合金製のものが使用され、ピン部の長さとしては１〜６ｍｍ程度の範囲のものが使用される。

以上のようにして、リードピン１と絶縁基体５とを接合することにより、斜め方向からリードピン１に外力が加わっても、絶縁基体５とリードピン１とのろう材２を介した接合部において高い接合強度を確保することができ、良好なろう付け状態でリードピン１が接合されたリードピン付き配線基板３を得ることが可能となる。

なお、本発明の配線基板３においては、絶縁基体５の表面に形成される配線導体６のリードピン１が接合されない部位の表面、および貫通導体の露出する表面のリードピン１が接合されない部位には、絶縁基体５とリードピン１との接合前あるいは接合後に、耐蝕性に優れ、かつＡｇ−Ｃｕ系ろう材２との濡れ性が良好なＮｉやＡｕ等の金属層が１〜２０μｍの厚みでめっき法等により被着されていてもよい。

Ｎｉめっき層は、例えばＰを４〜１２質量％程度含有する無電解Ｎｉ−Ｐめっき層から成る。このようなＮｉめっき層は、まず、配線導体６が形成された絶縁基体５を界面活性剤と塩酸水溶液とから成る温度が２５〜５０℃の酸性の洗浄液に１〜５分間浸漬して、配線導体６の露出した表面を清浄とし、次にこれを純水で洗浄した後、塩化パラジウム，水酸化カリウム，エチレンジアミンテトラアセティクアシッドから成る温度が２５〜４０℃のパラジウム活性液中に１〜５分間程度浸漬して、配線導体６の表面にパラジウム触媒を付着させ、次にこれを純水で洗浄した後、硫酸ニッケル，クエン酸ナトリウム，酢酸ナトリウム，次亜リン酸ナトリウム，塩化アンモニウムから成る温度が５０〜９０℃の無電解Ｎｉめっき液中に、２〜６０分間浸漬することによって、配線導体６の露出した表面に被着される。

なお、Ｎｉめっき層は、その厚みが１μｍ未満では、絶縁基体５の表面に形成された配線導体６の表面、図２に示す例では半導体素子４の電極が接続される電極パッド８となる部位の表面を良好に被覆することができず、配線導体６の露出した表面に酸化や変色をきたす傾向にある。他方、２０μｍを超えると、Ｎｉめっき層の内部応力によりＮｉめっき層にクラックや剥がれが発生しやすい。従って、Ｎｉめっき層の厚みは１〜２０μｍの範囲が好ましい。

また、Ｎｉめっき層を上述のように無電解Ｎｉ−Ｐめっきにより形成する場合、Ｎｉめっき層中のＰの含有量が４質量％未満であると、配線導体６の露出した表面にＮｉめっき層を被着させる際にＮｉめっきの析出速度が遅くなり、所定の厚みのＮｉめっき層を得るために長時間を要することとなるので生産性が極めて悪くなる。他方、１２質量％を超えると、Ｎｉめっき層上に被着させるＡｕめっき層との反応性が悪くなり、Ｎｉめっき層をＡｕめっき層で良好に被覆することが困難となる傾向にある。従って、Ｎｉめっき層中のＰの含有量は４〜１２質量％の範囲が好ましい。

特に、絶縁基体５とリードピン１との接合後に無電解めっき法によりＮｉ−Ｐめっきを施すときには、ろう材２の周りの絶縁基体５上にＮｉめっきが析出してしまい、隣接する配線導体６同士が短絡する場合がある。これを防止するには、ろう材２ペースト中の樹脂バインダ量を少なくして、絶縁基体５の表面における炭素の残留を減らして絶縁基体５の表面にＮｉめっきが被着する要因を減らすか、めっきの前処理の段階で絶縁基体５の表面をエッチングすることにより、ろう付け時に溶融、気化してろう材２の周りの絶縁基体５の表面に付着したＡｇやＣｕといったろう材成分を除去するといった対策を施せばよい。

ここで、ろう材２のペースト中の樹脂バインダ量としては、以上のような理由および印刷性の観点から、８〜１２質量％の割合で外添加するのがよい。さらに、無電解めっきによるめっき層の耐熱性および変色性の低下を改善するためには、めっき後に４００℃以上で加熱処理することにより、めっき層を緻密化させることが効果的である。

そして、本発明のリードピン付き配線基板３は、搭載部７上にエポキシ樹脂やＡｇエポキシ樹脂等を用いて半導体素子４を搭載し、半導体素子４上の電極と、絶縁基体５の搭載部７の近傍に配線導体６の一部として形成された電極パッド８とを、Ａｕ，Ｃｕ，Ａｌ等の金属細線（ボンディングワイヤ）で電気的に接続した後、ＣｕやＡｌ等から成る金属製または酸化アルミニウム質焼結体等のセラミック製の蓋体９を、エポキシ樹脂等の樹脂やＡｕ−Ｓｎ合金，Ａｕ−Ｇｅ合金といったろう材等による接着、または溶接によって取着し封止することによって、外部からの衝撃を受けた際にもリードピン接合部から破壊することのない電気的接合信頼性の高い電子装置となる。

本発明のリードピン付き配線基板の実施例について以下に説明する。

まず、４４質量％のＳｉＯ_２、２８質量％のＡｌ_２Ｏ_３、１１質量％のＭｇＯ、５質量％のＺｎＯ、５質量％のＢ_２Ｏ_３、６質量％のＣａＯ、１質量％のＢａＯを含有するガラス粉末を８５質量％と、フィラー粉末としてコーディエライト粉末を５質量％、ムライト粉末を１０質量％に、有機バインダ、有機溶剤、可塑剤、分散剤を加えてスラリーを得、これをＰＥＴフィルムの支持体上にドクターブレード法によりセラミックグリーンシートを作製した。

次に、このセラミックグリーンシートにパンチング加工により貫通孔を形成し、導体ペーストを充填することによってビア導体を形成した。

次に、Ｃｕ粉末をペースト化した導体ペーストをスクリーン印刷法より印刷して配線導体を形成した。

次に、これらのビア導体と配線導体を形成したセラミックグリーンシートを複数枚積層し、９５０℃の温度で焼成することによって４０乃至４００℃での熱膨張係数が３．２×１０^−６／℃であるガラスセラミックスから成る絶縁基体を製作した。

またフィラー粉末のムライト粉末に換えてアノーサイト粉末を用いて、４０乃至４００℃での熱膨張係数が４．５×１０^−６／℃であるガラスセラミックスから成る絶縁基体を作製した。

また同様に４４質量％のＳｉＯ_２、２９質量％のＡｌ_２Ｏ_３、１１質量％のＭｇＯ、７質量％のＺｎＯ、９質量％のＢ_２Ｏ_３を含有するガラス粉末を７２．５質量％と、フィラー粉末としてコーディエライト粉末を２．５質量％、石英ガラス粉末を２５質量％用い、９５０℃の温度で焼成することによって、４０乃至４００℃での熱膨張係数が２．３×１０^−６／℃であるガラスセラミックスから成る絶縁基体を作製した。

次に、これら絶縁基体の表面にアルミナ２０重量部のアルミナと水の混合物を０．１３５ＭＰａの吹き付け圧力で吹きつけ処理することにより絶縁基体表面の表面粗さを変化させた。

次に、これら絶縁基体の表面にＡｇ７２質量％とＣｕ２８質量％とから成るＡｇ−Ｃｕ合金ろう材（ＢＡｇ−８）に活性金属として粉末の中位径が３μｍのＴｉＨ_２を３質量％およびバインダを１０質量％の割合で外添加した活性金属ろう材ペーストを、リードピンと絶縁基体との接合用のろう材パッドとしてスクリーン印刷し、ろう付け後の直径が０．９０ｍｍとなるろう材パッドを形成した。

次に、このろう材パッドを介して、ピン部の直径が０．２０ｍｍで、ヘッド部の厚みが０．１５ｍｍ、ヘッド部の直径が０.４５ｍｍであるＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金製のリードピンを、真空炉中で最高温度８００℃を１５分保持することにより接合した。

その後、このリードピンの接合強度（４５°引っ張り強度）を、４５°上方に１０ｍｍ／分の速度で引っ張る引っ張り試験により破壊強度と破壊モードを評価した。

また、走査型電子顕微鏡を用いた断面観察により絶縁基体とろう材パッド界面のボイドの大きさの測定も行った。

なお、リードピンについて、４５°引っ張り強度（破壊強度）が１５Ｎ以上であればリードピンは折り曲げに耐えうるが、４５°引っ張り強度が１５Ｎ未満の場合、リードピンに外力が加わった際にリードピンが折れ曲がる前に絶縁基体が破壊される場合があるため、ソケット挿入時にリードピンが取れてしまうといった不具合が発生しやすい。また、１０Ｎ未満であると完全に絶縁基体が破壊される。これより、接合強度の判断基準として、４５°引っ張り強度が１５Ｎ以上であり、破壊モードは、絶縁基体の破壊の起点となるろう材と絶縁基体との接合面の外周端部ではなく、ピン部での破壊の割合（ピン切れ率）が１００％であれば問題ないとした（表１中に○印で示す。）。

また、破壊強度が１０Ｎ乃至１５Ｎであり、破壊モードのピン切れ率が５０％以上であれば実用上問題ないとした（表１中に△印で示す。）。

さらに、破壊強度が１５Ｎ未満で、破壊モードのピン切れ率が５０％未満であれば実使用に耐え得ないとした（表１中に×印で示す。）。

表１より、ガラスセラミックスの４０乃至４００℃での熱膨張係数が２．３×１０^−６／℃〜４．５×１０^−６／℃であり、絶縁基体表面の十点平均粗さ（Ｒｚ）が５μｍ以下の本発明のリードピン付き配線基板（試料Ｎｏ２〜７、９〜１４、１６〜２１）は、リードピンの４５°引っ張り強度が最小値でも１５Ｎ以上であり、十分な接合強度であった。また、破壊の状態は、ガラスセラミックスの破壊の起点となるろう材と絶縁基体との界面ではなく、ピン部で切断されたものであった。このときのボイドの大きさは３．０μｍ以下であった。

一方、絶縁基体表面の十点平均粗さ（Ｒｚ）が５μｍより大きい試料Ｎｏ１、８、１５はリードピンの４５°引っ張り強度の平均値が１５Ｎ未満であり、いずれもろう材とガラスセラミックスとの接合面の界面を起点とした磁器破壊が生じた。このときのボイドの大きさは４．５μｍ以上であった。

実施例１で用いた製造方法で作成したリードピン付き配線基板において、活性金属ろう材ペーストとして、粉末の中位径が０．８乃至６．０μｍのＴｉＨ_２粉末を３質量％およびバインダを１０質量％の割合で外添加したものを実施例２とした。これを実施例１と同様に評価した結果を表２に示す。

表２より、ガラスセラミックスの４０乃至４００℃での熱膨張係数が２．３×１０^−６／℃〜４．５×１０^−６／℃であり、ＴｉＨ_２の粉末の中位径が１乃至５μｍの本発明のリードピン付き配線基板（試料Ｎｏ２〜７、１１〜１６、２０〜２５）は、リードピンの４５°引っ張り強度が最小値でも１５Ｎ以上であり、十分な接合強度であった。また、破壊の状態は全てガラスセラミックスの破壊の起点となるろう材と絶縁基体との界面ではなく、ピン部で切断されたものであった。また、ボイドの大きさは３．０μｍ以下であった。

一方、ＴｉＨ_２の粉末の中位径が１μｍよりも小さいかあるいは５μｍよりも大きい試料Ｎｏ１、８〜１０、１７〜１９、２６、１７はリードピンの４５°引っ張り強度の平均値が１５Ｎ未満であり、いずれも破壊モードはピン切れ率が５０％以上であった（表中に△印で示す）。また、ボイドの大きさは３．５乃至４．０μｍであった。

以上より、本発明の構成のリードピン付き配線基板を用いることで、実用上問題ない接合強度を得ることができ、リードピンに斜め方向に外力が加わった際にも高い接合信頼性を有するリードピン付き配線基板を得ることができた。

なお、本発明は以上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種々の変更を施すことは何ら差し支えない。例えば、上記の実施の形態の例では、本発明のリードピン付き配線基板を半導体素子収納用パッケージに適用した例を示したが、混成集積回路基板等の他の用途に適用してもよい。

本発明のリードピン付き配線基板の実施の形態の例を示す断面図である。

符号の説明

１・・・リードピン
１ａ・・・ヘッド部
２・・・ろう材
３・・・リードピン付き配線基板
４・・・半導体素子
５・・・絶縁基体
６・・・配線導体
７・・・搭載部
８・・・電極パッド

Claims (3)

1. ４０乃至４００℃での熱膨張係数が２．３×１０^−６／℃〜４．５×１０^−６／℃であるガラスセラミックスから成る絶縁基体の表面および内部のうち少なくとも表面に配線導体が形成されるとともに、前記絶縁基体の表面の前記配線導体の露出した部位を含む領域に、リードピンのヘッド部が、Ｔｉ，ＺｒおよびＨｆのうちの少なくとも一種を含むＡｇ−Ｃｕ合金ろう材から成る接続パッドを介して接続されて成るリードピン付き配線基板において、前記絶縁基体の少なくとも前記接続パッドが形成される表面の十点平均粗さ（Ｒｚ）が５μｍ以下であることを特徴とするリードピン付き配線基板。
2. 有機バインダを含有し表面に導体パターンが形成されたガラスセラミックグリーンシートの複数枚を積層して、表面に前記導体パターンが配置されたガラスセラミックグリーンシート積層体を作製する工程と、前記ガラスセラミックグリーンシート積層体から有機成分を除去し、次いで焼成して、ガラスセラミック積層体の表面に導体が形成されたガラスセラミックスから成る絶縁基体を得る工程と、セラミック粉末と水の混合物を圧縮空気とともに吹きつけることによって、前記絶縁基体の表面を十点平均粗さ（Ｒｚ）が５μｍ以下にする工程と、前記絶縁基体に、前記Ｔｉ，ＺｒおよびＨｆのうち少なくとも一種を含むＡｇ−Ｃｕ系ろう材をペースト化したものを印刷することによって前記接続パッドを形成する工程と、前記リードピンと前記絶縁基体とを、前記接続パッドを介してろう付けする工程とを具備したことを特徴とする請求項１記載のリードピン付き配線基板の製造方法。
3. 前記Ｔｉ，ＺｒおよびＨｆのうち少なくとも一種を含むＡｇ−Ｃｕ系ろう材ペーストは、Ｔｉ、ＺｒあるいはＨｆの金属粉末または水素化物粉末の中位径が１乃至５μｍであることを特徴とする請求項２記載のリードピン付き配線基板の製造方法。

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