JP2006203163A - 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なく、また、配線基板の反りも効果的に防止した、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。
【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金属を含むメタライズ配線層２とを具備してなり、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、少なくとも外部電気回路に接続される部位が、金属成分１００質量部に対してフォルステライトを０．５〜１０質量部、シリカを０．５〜１０質量部含んで構成する。
【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金属を含む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。

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金属を含んで成り、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。

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金属を含むことから、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。

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。
特開２０００−９５５４４号公報 特開１９９９−２７３９９７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、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。

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メタライズ配線層に作用する。

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。

特に、低融点ろう材として、従来より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。

このような問題に対し、メタライズ配線層のうち少なくとも外部電気回路に接続される部位にフォルステライトを含ませるという手段が考えられる。フォルステライトは、ガラスの濡れ性に優れるので、ガラス成分の金属ペースト（メタライズ配線層）への入り込みが促進され、ガラス成分を介してメタライズ配線層の絶縁基体に対する接合の強度を高めることができる。

しかしながら、このようにフォルステライトを添加すると、メタライズ配線層の接合強度は増すものの、メタライズ配線層となる金属ペーストの収縮タイミングを遅らせることになり、絶縁基体とメタライズ配線層との焼結時のタイミングが広がり、この焼成の程度の差に起因して絶縁基体とメタライズ配線層との間に大きな応力が生じ、結果として配線基板の反りが大きくなるという問題が誘発されるおそれがある。

また近年、配線基板の薄型化の要求にともない、絶縁基体の厚さが薄くなる傾向にあり、さらに絶縁基体に反りが生じやすくなっている。

本発明は上述の問題点に鑑み案出されたもので、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のメタライズ配線層の剥がれ、配線基板の反りを有効に防止することができる、優れた接続信頼性を有した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金属を含むメタライズ配線層とを具備してなり、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、少なくとも前記外部電気回路に接続される部位が、金属成分１００質量部に対してフォルステライトを０．５〜１０質量部、シリカを０．５〜１０質量部含んでな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、前記ガラスセラミック焼結体の熱膨張係数が１１×１０−
６〜１３×１０−６／℃であることを特徴とするものである。

また、本発明の配線基板は、前記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％含有していることを特徴とするものである。

また、本発明の配線基板は、前記メタライズ配線層は、少なくとも前記外部電気回路に接続される部位が、チタン酸系の複合酸化物およびチタン酸系酸化物の少なくとも一方を含んでな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、少なくとも外部電気回路に接続される部位が、金属成分１００質量部に対してフォルステライトを０．５〜１０質量部、シリカを０．５〜１０質量部含んで構成されていることから、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のメタライズ配線層の剥がれ、配線基板の反りを有効に防止することができ、これによって接続信頼性に優れた低電気抵抗の配線基板が得られる。

また、本発明の配線基板によれば、ガラスセラミック焼結体の熱膨張係数を１１×１０−６〜１３×１０−６／℃に設定しておくことにより、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、配線基板と外部電気回路基板との間に生じる熱応力を小さくして、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。

さらに、本発明の配線基板によれば、ガラスセラミック焼結体中に酸化バリウムを１５〜２０質量％、酸化ホウ素を２〜７質量％含有させておくことにより、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。

また、本発明の配線基板によれば、メタライズ配線層は、少なくとも前記外部電気回路に接続される部位が、チタン酸系の複合酸化物およびチタン酸系酸化物の少なくとも一方を含んでなることから、メタライズ配線層の焼結タイミングをガラスセラミック焼結体の焼結タイミングに近づけることができるのに加え、メタライズ配線層の焼結による収縮率をガラスセラミック焼結体の焼結による収縮率に近づけることができる。したがって、本発明の配線基板では、焼結時におけるメタライズ配線層とガラスセラミック焼結体との間に生じる応力を低減することができるため、配線基板の反りを抑制することができるのである。

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。

同図において、１は絶縁基体、２はメタライズ配線層であり、同図に示す配線基板９は、大略的に、絶縁基体１およびメタライズ配線層２により構成されている。

前記絶縁基体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。

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、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、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。

このような絶縁基体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。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。

このようなメタライズ配線層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、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。

なお、メタライズ配線層２の表面にはめっき層３を形成しておくことが好ましい。

メタライズ配線層２の表面にめっき層３を形成しておくと、メタライズ配線層２が外気と接触して酸化するのを有効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。

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。

ここで、めっき層３は、酸化防止用の保護層として機能することから、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好ましい。

また、めっき層３は、例えば金めっき層の場合、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、絶縁基体１の上面等には電子部品が搭載されるとともに、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し、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、電子部品がメタライズ配線層２を介して外部電気回路と電気的に接続される。

なお、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。

そして、本形態の配線基板９によれば、メタライズ配線層２は、少なくとも外部電気回路に接続される部位が、金属成分１００質量部に対してフォルステライトを０．５〜１０質量部、シリカを０．５〜１０質量部含んで構成されている。このため、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ときに、メタライズ配線層２が絶縁基体１から剥がれるといった問題が発生することは少なく、また、配線基板の反りの問題も有効に防止される。これにより、優れた接続信頼性を備えた低電気抵抗の配線基板９が得られる。

ここで、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およびシリカが、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にくいため、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、フォルステライトおよびシリカが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、かえって絶縁基体１に対するメタライズ配線層２の接合が弱くなってしまい、また、メタライズ配線導体２の金属成分の比率が低くなり、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。

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、シリカを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、シリカが０．５〜１０質量部となるように添加しておくこと等の手段が用いられる。

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、シリカを０．５〜１０質量部含ませておくことが好ましい。

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により、生産性や焼成時の収縮率の制御管理等を良好かつ精度良く行なうことができる。従って、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、シリカを０．５〜１０質量部含ませておくことが好ましい。

また、本形態の配線基板９において、ガラスセラミック焼結体の熱膨張係数は１１×１０−６〜１３×１０−６／℃に設定しておくことが好ましい。

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。

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が用いられる。

また、本形態の配線基板９においては、ガラスセラミック焼結体中に、酸化バリウムを１５〜２０質量％、酸化ホウ素を２〜７質量％含有させておくことが好ましい。

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が得られる。

また、本発明の配線基板９においては、メタライズ配線層２は、少なくとも外部電気回路に接続される部位が、チタン酸系の複合酸化物およびチタン酸系酸化物の少なくとも一方を含有させておくことが好ましい。チタン酸系の複合酸化物としては、例えばＭｇＯ−ＴｉＯ_２が挙げられ、チタン酸系酸化物としては、例えばＢａＴｉＯ_３、ＰＺＴ、Ａｌ_２ＴｉＯ_５、ＰｂＴｉＯ_３が挙げられる。なお、メタライズ配線層２におけるチタン酸系の複合酸化物およびチタン酸系酸化物の少なくとも一方の含有量は、フォルステライトやシリカなどの添加量に応じて適宜設定されるが、例えば絶縁基体１の反りを抑制する効果が充分得られ、且つ、メタライズ配線層２の導通抵抗が不当に大きくならない範囲に設定すればよい。

このように、メタライズ配線層に対してチタン酸系の複合酸化物およびチタン酸系酸化物の少なくとも一方を含有させておくと、メタライズ配線層の焼結タイミングをガラスセラミック焼結体の焼結タイミングに近づけることができるのに加え、メタライズ配線層の焼結による収縮率をガラスセラミック焼結体の焼結による収縮率に近づけることができる。したがって、配線基板９では、焼結時におけるメタライズ配線層２と絶縁基体（ガラスセラミック焼結体）１との間に生じる応力を低減することができるため、配線基板の反りを抑制することができるのである。

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において種々の変更、改良等が可能である。例えば、メタライズ配線層２を被覆するめっき層３を、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部位とその他の部位とで異なる構成としてもよい。

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。

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。

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−銀−銅系からなる鉛フリー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。

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およびシリカの添加量を表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、フォルステライトおよびシリカをそれぞれ０．５〜１０質量部を、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り、反りも規格内であり、また、導通抵抗も規格内であった。

それに対し、フォルステライトおよびシリカの添加量がそれぞれ、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。

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
９・・・配線基板

Claims (4)

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金属を含むメタライズ配線層とを具備してなり、前記メタライズ配線層を低融点ろう材を介して外部電気回路に電気的に接続するようにした配線基板において、
   前記メタライズ配線層は、少なくとも前記外部電気回路に接続される部位が、金属成分
   １００質量部に対してフォルステライトを０．５〜１０質量部、シリカを０．５〜１０質
   量部含んでなることを特徴とする配線基板。
2. 前記ガラスセラミック焼結体の熱膨張係数は１１×１０^−６〜１３×１０^−６／℃であることを特徴とする請求項１に記載の配線基板。
3. 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請求項２に記載の配線基板。
4. 前記メタライズ配線層は、少なくとも前記外部電気回路に接続される部位が、チタン酸系の複合酸化物およびチタン酸系酸化物の少なくとも一方を含んでなることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の配線基板。

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