JP2012167008A - ガラスセラミック組成物、ガラスセラミック焼結体並びにそれを用いた配線基板とその実装構造 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 必須成分として、SiO240〜65質量%、B2O35〜20質量%、Al2O310〜20質量%、アルカリ土類金属酸化物のうち少なくとも1種をその合量で10〜45質量%含有し、かつ1000℃以下の熱処理を施した際においても結晶化しない非晶質ガラス粉末40〜70質量%と、コーディエライト、ムライト、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30〜60質量%とを含有することを特徴とするガラスセラミック組成物。
【選択図】図1
Description
特に、シリコンを主体とする半導体素子に関しては、近年、微細配線化、高速化が急速に進行し、素子内部のトランジスタ間を接続する配線の微細化に伴い、配線の低抵抗化及び絶縁膜の低誘電率化が進められている。
特に、非常に低い誘電率が得られる多孔質の絶縁膜において、機械的特性の低下が著しいものとなる。
さらに、素子が大型化すると熱応力がそれに伴い大きくなるため、素子が破壊する危険性が増大する。
この反り変形を抑制するためには、基板上に重石を乗せる荷重焼成が有効である。
しかしながら、基板が変形し、寸法ばらつきが大きくなるという問題があった。
このため、該燒結体を絶縁基板として用いた配線基板は、単に一次実装信頼性が高いだけでなく、プリント基板の熱膨張、収縮に追従することの出来る柔軟性をも具備し二次実装性にも顕著に優れる。
また、かかる組成物は、PbOおよびA2O(A:アルカリ金属)の含有量が夫々0.1質量%以下に抑制されていることが耐環境負荷、耐薬品性を向上させる観点から望ましい。
ガラス粉末の量が、前記範囲内の場合、該組成物を1000℃以下で焼結させることが容易となり、又、組成物を焼結した場合に、その原形を保つことが容易となる。
そのため、反り変形抑制のための荷重焼成を行った際にも結晶化による応力集中を回避することができる。
その結果、寸法ばらつきの増大を抑制し、良好な寸法精度を達成することができる。
前記ガラス粉末は、40〜400℃における熱膨脹係数が6×10−6/℃以下であることが望ましく、さらにガラス転移点が、600℃〜750℃であることによって、得られる燒結体の低熱膨張化、低誘電率化、低ヤング率化を図ることができる。
SiO2が前記範囲内の場合、ガラスの軟化温度が上昇することなく、適切な温度に制御できるため、1000℃以下の低温焼成が容易となり、前記ガラスセラミック燒結体の特性を望ましい範囲内とすることが容易となる。
また、軟化温度、溶解温度を低下せしめる働きがあり、B2O3が前記範囲内の場合、ガラスの溶解温度が上昇することなく、工業的に安価な製造が容易になると共に、ガラスの軟化温度を適切な範囲内に制御できるため、1000℃以下の低温焼成が容易となり、また前記ガラスセラミック燒結体の耐薬品性を良好に維持することが出来る。
Al2O3が前記範囲内の場合には、ガラスの軟化温度を適当な範囲内に制御できるため、1000℃以下の低温焼成が容易となると同時に、前記ガラスセラミック燒結体の特性を望ましい範囲内とすることが出来、ガラスセラミック燒結体のヤング率が上昇し、高い二次実装信頼性の確保が容易となる。
但し、PbOおよびA2O(A:アルカリ金属)は、環境への負荷が大きく、また耐薬品性や絶縁性が低下することから、これらの成分量は、全量中、夫々で0.1質量%以下に抑制されていることが望ましい。
これらの内でもフィラー粉末としては、特にコーディエライトが望ましい。
さらに、誘電率は、信号遅延時間を短縮するために低いことが望ましく、前記範囲内の場合には、前記配線基板の遅延時間を容易に短縮することができ、好適性能を容易に維持することが出来る。
従って、焼結体の熱膨張係数を半導体素子に整合させるために低熱膨張化することによって、プリント配線基板への二次実装における熱膨張差が大きくなっても、二次実装部において発生する熱応力を焼結体の追従変形により緩和することができ、二次実装信頼性を向上させることができる。
従って、ヤング率が前記範囲よりも大きいと、二次実装信頼性が著しく低下する。
ここで、前記ガラス粉末の組成、フィラー粉末の組成及び両粉末の配合量比が前記範囲内から外れる場合には、前述のように、該ガラスセラミック焼結体の特性が望ましい範囲とならない。
なお、前記ガラスセラミック焼結体は、還元雰囲気下でも焼成することは可能であるが、コスト、安全性の面から、望ましくは酸化性雰囲気あるいは窒素雰囲気中での焼成が望ましい。
上記ガラスセラミック焼結体を絶縁基板とすることによって、銅、銀、金の群から選ばれる少なくとも1種の低抵抗金属を含有する配線層との同時焼成が可能となる。
また、本発明に於いては、この配線基板の表面にシリコンを主体とする半導体素子を装着してなることが好ましく、特に、該配線基板の表面に凹部を設け、該凹部底面に、素子を装着してなることが、一次実装信頼性を確保する上で望ましい。
また、図1によれば、絶縁層1a〜1d間に形成される銅、銀、金の群から選ばれる少なくとも1種の低抵抗金属を含有する配線層2、および配線層2同士を電気的に接続する銅、銀、金の群から選ばれる少なくとも1種の低抵抗金属を含有するビアホール導体3が形成されている。
また、電気素子5とパッケージAとの間は、一次実装信頼性を高める為にエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含有するアンダーフィル7が注入され、硬化されている。
さらに、電気素子5と、絶縁基板1の下面に形成された複数の接続用電極4Aとは、バンプ6、配線層2およびビアホール導体3を介して電気的に接続されている。
そして、接続用電極4A、4B間は、共晶半田9、高温半田ボール8を介して電気的に接続される。
また、図1のパッケージにおいては、素子5はバンプ6を介して配線層2と接続される場合に好適であるが、素子5と配線層2がワイヤボンディング等によって接続されたものであってもよい。
また、素子5は、その上にさらに封止樹脂で覆う形態であってもよい。
また、絶縁基板1にキャビティを形成して素子5を収納し、蓋体によってキャビティを気密封止するものであってもよい。
そして、シート状成形体表面には、前記導体ペーストを用いてスクリーン印刷法、グラビア印刷法などの公知の印刷手法を用いて配線層の厚みが5〜30μmとなるように配線パターンを印刷塗布する。
そして、複数のシート状成形体を位置合わせして積層圧着した後、大気中、または窒素雰囲気中にて脱バインダ処理した後、1000℃以下の大気中または窒素雰囲気で焼成することにより、配線基板を作製することができる。
かかる配線基板は、前記の本発明のガラスセラミック燒結体からなる絶縁基板を具備しており、低熱膨張係数、低誘電率、低ヤング率特性を有し、且つ反り変形が小さく、寸法精度が良好なものである。
そして、この配線基板の表面に、半導体素子等の電気素子5を搭載し、配線層2と信号の伝達が可能なように接続される。
さらに、半導体素子5と配線基板Aとの間隙にアンダーフィル材7を充填、硬化したり、素子上にポッティング樹脂を被覆し、硬化させるか、絶縁基板Aと同種の絶縁材料や、その他の絶縁材料、あるいは放熱性が良好な金属等からなる蓋体をガラス、樹脂、ロウ材等の接着剤により接合することにより、素子収納用パッケージを作製することができる。
また、配線基板Aの下面に、低融点ハンダによって高融点半田からなるボール8を接続する。
表1に示した組成からなる平均粒径が2μmのガラス粉末A、B、C、D、Eの5種類を準備し、これらのガラス粉末に対して、平均粒径が1〜2μmの表2に示すフィラー粉末を用いて、表2の組成に従い混合した。
そして、この混合物にアクリル樹脂系バインダ、可塑剤、トルエンを添加し、スラリーを調製した後、このスラリーを用いてドクターブレード法により厚さ300μmのグリーンシートを作製した。
さらに、このグリーンシートを所望の厚さになるように複数枚積層し、60℃の温度で10MPaの圧力を加えて熱圧着した。
得られた焼結体について、焼結体を2mm□、長さ18mmに加工し、10℃/分の速度で昇温しながらレーザー測距計にて寸法変化を測定することにより、40〜400℃における熱膨張係数を測定した。
また、50mm□、厚さ1.0mmに加工し、空洞共振器法にて2GHzにおける誘電率を測定した。
さらに、焼結体を3mm×4mm×40mmに加工し、超音波パルス法にてヤング率を測定した。
以上の測定結果を表2に示す。
結果を表2に示す。
それに対して、ガラス粉末の量が70質量%よりも多い試料No.8では、ガラスの軟化流動が著しく焼結体の原型を保つことができず、評価不可能な試料しか得ることができなかった。
また、ガラス粉末の量が40質量%よりも少ない試料No.7は、1000℃以下の焼成にて緻密な焼結体を得ることができなかった。
また、フィラー粉末として、本発明の範囲外であるZrO2、TiO2を用いた試料No.33〜36は、いずれも熱膨張係数が6×10−6/℃よりも高くなった。
さらに、本発明の範囲外のガラス粉末F、Gを用いた試料No.37〜40では、いずれの試料も、熱膨張係数が7×10−6/℃よりも高くなった。
実施例1の試料No.1〜3、No.5〜6、No.9〜32の原料粉末に対して、アクリル系樹脂バインダーと可塑剤とトルエンを添加、混合し、ドクターブレード法によって厚み250μmのグリーンシートを作製した。
次に、該グリーンシートの所定位置にビアホールを形成し、銅を主成分とする導体ペーストを充填した後、スクリーン印刷法により前記導体ペーストを用いてグリーンシート表面に配線層を形成した。
そして、前記配線層を形成したグリーンシートを位置合わせしながら4枚積層、熱圧着した。
この積層体を水蒸気含有窒素中、750℃で脱バインダー処理した後、200℃/時間で昇温し、窒素中、900℃〜950℃で1時間焼成して銅を主成分とする配線層を具備する多層配線基板を作製した。
得られた配線基板について、配線層の導通を確認したところ、断線等がなく、低抵抗で良好な導通特性を示した。
さらに、上記グリーンシートの表面に、銅を主体とした導体ペーストをスクリーン印刷法にて、パッケージAの表面には、0.12mmφのパッドをマトリックス状に配設したフリップチップパッドを形成し、裏面には1mmφのパッドをマトリックス状に配設したボールパッドを形成した。
焼成後の形状が30mm□、厚み1.5mmとなるようにグリーンシートを積層、切断後、表2に示す条件にて焼成した。
得られた配線基板にNi−Auメッキを施した後、上記パッド上に共晶半田ペーストを印刷し、1.2mmφの高温半田ボールを位置合わせして載置し、リフロー処理を行うことにより、高温半田ボールを搭載したパッケージAを20個作製した。
ここで、反りが±100μm以下のものを合格(OK)とし、寸法精度として、収縮率の誤差の3σが±0.5%以下のものを合格(OK)とした。
次に、シリコンを主体とする40〜400℃における熱膨張係数が3×10−6/℃の半導体素子5をパッケージAの表面に、半田ボールを位置合わせして載置し、リフロー処理を行った後、エポキシ樹脂からなるアンダーフィル剤を半導体素子とパッケージAとの間隙に注入し、硬化させることにより半導体素子をフリップチップ実装した。
上記二次実装サンプルを、0〜100℃の温度範囲で温度サイクル試験を行い、100サイクル終了毎に一次実装側、二次実装側の双方に関して抵抗値を測定し、断線の有無を確認し、断線したサイクル数を表2に示した。
ここで、1000サイクルまで断線のなきものを合格(OK)とした。
また、反り、寸法精度の評価において、良好な結果が得られた。
また、反り、寸法精度の評価では、荷重焼成を行ってもなお、著しい基板反りと寸法ばらつきが認められた。
また、反り、寸法精度の評価でも、著しい基板反りと寸法ばらつきが認められた。
B プリント配線基板
1 絶縁基板
2 配線層
3 ビアホール導体
4 接続用電極
5 素子
6 バンプ
7 アンダーフィル材
8 高温半田ボール
9 共晶半田
Claims (9)
- 必須成分として、SiO240〜65質量%、B2O35〜20質量%、Al2O310〜20質量%、アルカリ土類金属酸化物のうち少なくとも1種をその合量で10〜45質量%含有し、かつ1000℃以下の熱処理を施した際においても結晶化しない非晶質ガラス粉末40〜70質量%と、コーディエライト、ムライト、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30〜60質量%とを含有することを特徴とするガラスセラミック組成物。
- 前記ガラス粉末の40〜400℃における熱膨脹係数が6×10-6/℃以下であることを特徴とする請求項1に記載のガラスセラミック組成物。
- 前記ガラス粉末のガラス転移点が、600℃〜750℃であることを特徴とする請求項1または請求項2のいずれかに記載のガラスセラミック組成物。
- 前記ガラス粉末中のアルカリ金属酸化物(A2O(A:アルカリ金属))及びPbOの量が、夫々0.1質量%以下に抑制されていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載のガラスセラミック組成物。
- 前記請求項1乃至4のいずれかに記載のガラスセラミック組成物を混合、成形し、大気中あるいは窒素雰囲気中で1000℃以下の温度にて焼成して得られることを特徴とするガラスセラミック焼結体。
- 前記ガラスセラミック焼結体の40〜400℃における熱膨張係数が6×10−6/℃以下、誘電率が7以下、ヤング率が100GPa以下である、ことを特徴とする請求項5に記載のガラスセラミック焼結体。
- 絶縁基板の表裏面および内部に、銅、銀、金の少なくとも1種を含有する配線層を配設してなる配線基板において、前記絶縁基板が、請求項5又は6に記載のガラスセラミック焼結体からなることを特徴とする配線基板。
- 前記配線基板の表面に、シリコンを主体とする半導体素子を配置、装着してなることを特徴とする請求項7に記載の配線基板。
- 請求項7または8に記載の配線基板を、有機樹脂を含有する絶縁基板を具備するプリント配線基板の表面に実装してなることを特徴とする配線基板の実装構造。
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