JP2014067891A - 配線基板 - Google Patents

Abstract

【課題】 配線基板の接続部等における機械的な破壊の抑制が可能な配線基板を提供する。
【解決手段】 複数の絶縁層11が積層されてなる絶縁基板１と、絶縁基板１に設けられた接続部２とを備えており、接続部２が、絶縁基板１の前記主面に設けられた金属層３と、金属層３の外周部を被覆する絶縁コート層４と、少なくとも最上層の絶縁層11を厚み方向に貫通しており、金属層３側の第１端部が金属層３に接続している貫通導体５とを含んでおり、貫通導体５の第１端部が、平面透視で金属層３から絶縁コート層４の内周部に跨っている配線基板である。金属層３によって、絶縁基板１に生じる熱応力が低減され、絶縁基板１における機械的な破壊が抑制される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、複数の絶縁層が積層されてなる絶縁基板と、絶縁基板の主面に設けられた接続部とを有する配線基板に関するものである。

半導体素子や容量素子，圧電振動子等の電子部品が搭載される配線基板として、酸化アルミニウム質焼結体またはガラスセラミック質焼結体等からなる四角板状等の絶縁基板と、絶縁基板の下面等の主面に設けられた、外部接続用の接続部とを備えたものが多用されている。接続部は、一般に、メタライズ層やめっき層等の金属層が絶縁基板の主面に円形状等のパターンで被着されて形成されている。

配線基板に搭載された電子部品は、例えば、絶縁基板の上面から下面にかけて形成された配線導体等の接続用の導体を介して外部の回路基板と電気的に接続される。そして、絶縁基板の下面の接続部がはんだ等の導電性の接続材を介して外部回路基板に電気的および機械的に接続される。

特開2005−286303号公報 特開2005−101321号公報 特開平10−92965号公報

近年、配線基板に搭載される半導体素子等の電子部品の高機能化、高集積化に伴い、電子部品が使用される際の発熱量が大きくなり、配線基板の絶縁基板と外部回路基板との熱膨張率の差に起因して発生する応力が、より大きくなる傾向がある。この熱応力が、はんだと金属層との接続部分の外周部に集中し、この外周部の直下において、絶縁基板または絶縁基板と金属層との界面等にクラックが生じるという問題点があった。

特に、近年、電子装置の接続パッドと外部回路基板との電気的な接続に用いられるはんだとして、従来のスズ−鉛（共晶）はんだに代わり、スズ−銀系や、スズ−銀−銅系、スズ−銀−ビスマス系等の、いわゆる鉛フリーはんだが多用されるようになってきている。このような鉛フリーはんだは、スズ−鉛はんだに比べて融点が高いため、上記熱応力がより大きくなる傾向がある。そのため、上記クラック等がさらに発生しやすくなってきている。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、接続部等における機械的な破壊の抑制が可能な配線基板を提供することにある。

本発明の一つの態様による配線基板は、複数の絶縁層が積層されてなる絶縁基板と、該絶縁基板に設けられた接続部とを備えており、該接続部が、前記絶縁基板の前記主面に設けられた金属層と、前記複数の絶縁層のうち少なくとも最上層の絶縁層を厚み方向に貫通しており、前記金属層側の第１端部が前記金属層に接続している貫通導体とを含んでおり、該貫通導体の前記第１端部が、平面透視で前記金属層の外周部に位置していることを特徴とする。

本発明の一つの態様による配線基板によれば、平面透視で金属層の外周部に貫通導体が設けられていることから、熱応力が集中する金属層の外周部において、その応力が効果的に緩和される。これは、絶縁基板よりも弾性率が小さく、変形しやすい貫通導体の変形によって応力が緩和されるためである。そのため、応力による上記破壊が生じにくくなる。したがって、接続部の接続信頼性の向上等が可能な配線基板を提供することができる。

本発明の実施形態の配線基板を示す断面図である。 （ａ）は本発明の実施形態の配線基板を示す要部拡大平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。 図１に示す配線基板が外部回路基板に接続されたときの要部を示す要部拡大断面図である。 本発明の他の実施形態の配線基板を示す要部拡大断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明の他の実施形態の配線基板を示す要部拡大平面図である。

本発明の実施形態の配線基板について、添付の図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態における上下の区別は、説明のための便宜的なものであり、実際に配線基板が用いられる際の上下を特定するものではない。図１は、本発明の実施形態の配線基板を示す断面図であり、図２（ａ）は図１に示す配線基板の要部を拡大して示す平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。

絶縁基板１は、例えば四角板状であり、電子部品（図示せず）を搭載し支持するための基体として機能する。絶縁基板１の上面に電子部品が搭載される。電子部品としては、ＩＣやＬＳＩ等の半導体集積回路素子、およびＬＥＤ（発光ダイオード）やＰＤ（フォトダイオード），ＣＣＤ（電荷結合素子）等の光半導体素子を含む半導体素子、弾性表面波素子や水晶振動子等の圧電素子，容量素子，抵抗器，半導体基板の表面に微小な電子機械機構が形成されてなるマイクロマシン（いわゆるＭＥＭＳ素子）等の種々の電子部品が挙げられる。

絶縁基板１の主面（本実施形態では下面）には、外部接続用の接続部２が設けられている。接続部２は、絶縁基板１の下面に設けられた金属層３と、金属層３の外周部を被覆している絶縁コート層４と、平面透視で絶縁コート層４の内周部から金属層３に跨るように設けられた貫通導体５とを含んでいる。接続部２は、例えば図３に示すように、配線基板９が外部回路基板７に実装されるときに、外部回路基板の電気回路（外部電気回路）（符号なし）に対してはんだバンプ６を介して接続される部分である。

絶縁基板１は、例えばガラスセラミック焼結体からなる複数の絶縁層11が積層されて形成されている。絶縁層11の積層数は、図１に示す例では４層であるが、これ以外の積層数でも構わない。

絶縁層11を形成するガラスセラミック焼結体としては、ホウケイ酸系ガラスにセラミック成分として酸化アルミニウムを添加してなるもの、およびリチウム系ガラスを用いたもの等が挙げられる。

絶縁基板１は、例えば各絶縁層11が、ホウケイ酸系ガラスにセラミック成分として酸化アルミニウムを添加してなるガラスセラミック焼結体からなる場合であれば、次のように
して製作することができる。すなわち、まず、酸化ケイ素，酸化ホウ素等のガラス成分の粉末に酸化アルミニウム等のセラミック粉末を添加した原料粉末に適当な有機バインダおよび有機溶剤を添加混合してスラリーを作製する。次に、このスラリーをドクターブレード法やリップコータ法等のシート成形技術を採用してシート状に成形することによって複数枚のセラミックグリーンシートを作製する。その後、セラミックグリーンシートを切断加工や打ち抜き加工によって適当な形状とするとともにこれを複数枚積層し、最後にこの積層されたセラミックグリーンシートを還元雰囲気中において約900〜1000℃の温度で焼
成することによって製作することができる。

絶縁基板１の上面の電子部品が搭載される部分（搭載部）（符号なし）から絶縁基板１の下面にかけて、配線導体８が設けられている。配線導体８は、絶縁基板１の上面においては、電子部品の電極が接続される接続端子として機能する。また、配線導体８のうち絶縁基板１の内部に設けられた部分は、接続端子として機能する部分を絶縁基板１の下面に電気的に導出する導電路として機能する。配線導体８のうち絶縁基板１の内部に設けられた部分は、絶縁層11の層間に位置する内部配線導体、および絶縁層11を厚み方向に貫通しているビア導体を含んでいる。

配線導体８の一部が、絶縁基板１の下面に設けられた接続部２と電気的に接続されている。配線導体８と接続部２とを介して、絶縁基板１の上面に搭載される電子部品が、外部電気回路（図示せず）と電気的に接続される。

金属層３は、例えば平面視で円形状や楕円形状，四角形状等である。金属層３のうち絶縁基板１の下面において露出した部分が、外部電気回路と直接に接続される。接続部２（金属層３）と外部電気回路との接続は、例えば、スズ−銀系、スズ−銀−銅系またはスズ−銀−ビスマス系等の、いわゆる鉛フリーはんだを介して行なわれる。

金属層３および配線導体８は、ニッケル、銅または金等のめっき層で被覆されていてもよい。めっき層は、１層でもよく、複数層でもよい。また、例えば金属層３上に順次被着されたニッケルめっき層および金めっき層のように、互いに異なる種類の金属材料からなる複数層のめっき層でもよい。

金属層３および配線導体８は、銅、銀、パラジウム、金または白金、もしくはこれらの金属材料を主成分とする合金等の金属材料により形成されている。これらの金属材料、特に銅および銀は、電気抵抗が低いため、金属層３および配線導体８における電気抵抗を低く抑えて、配線基板９としての電気特性を高くする上で有利である。また、耐マイグレーション性および経済性等を考慮すれば、金属層３および配線導体８は銅からなるものであることが好ましい。

金属層３および配線導体８は、例えば、銅等の金属ペーストを、絶縁層11となるセラミックグリーンシートの主面等の表面に、スクリーン印刷法等の方法で塗布し、焼成することによって形成することができる。

この場合、あらかじめセラミックグリーンシートに貫通孔を形成しておいて、この貫通孔内に上記と同様の金属ペーストを充填して焼成すれば、配線導体８のうちビア導体の部分を形成することができる。セラミックグリーンシートの貫通孔は、例えば金属ピンを用いた機械的な孔あけ加工やレーザ加工等の方法で形成することができる。

なお、ビア導体となる金属ペーストには、セラミックグリーンシートとの間で焼成時の収縮率の差を小さくするために、ガラス成分が添加されていてもよい。ガラス成分を添加することによって金属ペーストの焼成時の収縮挙動をセラミックグリーンシートに近づけ
ることができる。

絶縁コート層４は、金属層３の外周部から絶縁基板１の下面にかけて一体的に被覆して、金属層３の絶縁基板１に対する被着の強度高めるためのものである。

絶縁コート層４は、例えば、絶縁基板１を形成しているものと同様のガラスセラミック焼結体によって設けられている。このガラスセラミック焼結体は、例えば上記セラミックグリーンシートを作製するスラリーと同様の混合物であるセラミックペーストが焼結してなるものである。

絶縁コート層４は、例えば、絶縁コート層となるセラミックペーストを金属層３の外周部から、その外周部に隣接している絶縁基板１の主面にかけて塗布し、その後、加圧して焼成することによって設けることができる。

貫通導体５は、平面透視で、絶縁コート層４の内周部から金属層３に跨るように設けられている。言い換えれば、貫通導体５の第１端部は、平面透視で、金属層３とコート層４とに跨って接続されている。貫通導体５によって、絶縁コート層４の内周（平面透視において絶縁コート層４の内周部と金属層３との境界）に集中する応力（熱応力）が低減され、絶縁基板１におけるクラック等の機械的な破壊が抑制されている。

この場合、ガラスセラミック焼結体等からなる絶縁基板１に比べて、銅等の金属材料からなる貫通導体５の方が、弾性率が小さい。つまり、比較的変形しやすい貫通導体５によって、応力が吸収されやすくなっている。

この場合、絶縁コート層４の内周部と金属層３との境界は、外部に実装したときにはんだバンプの外周に相当する位置である。この位置は、外部電気回路（回路基板）と配線基板（絶縁基板１）との熱膨張率（線膨張係数）の差に起因する熱応力が生じたときに、その熱応力が集中しやすい位置である。これに対して、上記のように貫通導体５で応力が低減され得るため、絶縁基板１におけるクラック等の機械的な破壊が抑制できる。

なお、絶縁コート層４が設けられていない場合にも、貫通導体５によって、応力低減の効果を得ることはできる。この場合、図２等に示すように、平面透視で金属層３の外周部に貫通導体５が位置する。そのため、上記絶縁コート層４が設けられている場合と同様に、熱応力が集中しやすい金属層３の外周部において、貫通導体５によって熱応力が低減される。

絶縁コート層４は、貫通導体５の第１端部も被覆しているため、この第１端部にはんだバンプが流れ出ることが防止される。そのため、より確実に、貫通導体５が、平面透視で応力の集中しやすい部分に配置され得る。

貫通導体５は、例えば金属層３および配線導体６と同様の金属材料からなる。また、貫通導体５は、上記のように応力を緩和する上では、銅、銀および金のような、弾性率が低い材料が好ましい。また、耐マイグレーション性、および経済性等を考慮すれば、貫通導体５は、銅からなるものであることが好ましい。貫通導体５は、例えば銅からなる場合であれば、銅の金属ペーストを、絶縁基板１となるセラミックグリーンシートに設けた貫通孔内に充填し、これらを同時焼成することによって絶縁基板１内に設けることができる。

貫通導体５は、絶縁基板１との同時焼成時の収縮率（収縮挙動）等の整合用として、ガラス粒子またはセラミック粒子等が添加されていてもよい。

貫通導体５は、例えば、平面視において円形状であり、その貫通導体５の中心が、絶縁コート層４の内周上に位置している。この場合には、応力が最も大きくなる部分に、円形状の貫通導体５のうち最も幅が広い部分が位置しているので、より有効に応力を低減することができる。

貫通導体５の長さ（絶縁基板１の厚み方向の寸法）は、この貫通導体５が接続された部分における金属層３の厚みよりも大きいものであることが好ましい。この場合には、貫通導体５による上記応力低減の効果をより確実に得ることができる。

また、貫通導体５の長さ（絶縁基板１の厚み方向の寸法）は、この貫通導体５が接続された部分における金属層３の厚みの２倍以上であることがより好ましい。

例えば、金属層３の厚みが約10〜20μｍ程度であれば、貫通導体５の長さは、30μｍ〜150μｍ程度に設定される。貫通導体５の上限値は、この貫通導体５が設けられる絶縁層11の厚みと同じ程度であり、例えば上記150μｍ程度である。 また、平面視における貫通導体５の外形（例えば平面視で円形状の貫通導体５の第１端部の直径）が大きいほど、貫通導体５の体積を大きくすることが容易であるため、熱応力低減の効果を得る上で有利である。平面視における貫通導体５の外形は、例えば金属層３の外形と同じ程度に大きいものであってもよい。平面視における貫通導体５の外形および金属層３がともに円形状であるとともに、互いに同じ程度の大きさである場合には、貫通導体５の中心が、金属層３の絶縁コート層４内周部との境界（平面透視において絶縁コート層４の内周）上に位置するか、または若干外側に位置するように設定すればよい。

上記のように、平面透視で、円形状の貫通導体５の中心が絶縁コート層４の内周上に位置しているときに、複数の貫通導体５が設けられていれば、熱応力低減の効果がさらに高められる。この場合、応力が最も大きくなる部位である絶縁基板１の主面の角部分に接続部２が設けられていたとしても、その応力を有効に緩和することができる。

また、この実施形態の配線基板において、金属層３の外周部が、外側ほど絶縁基板１の内部方向（図２における上方向）に位置するように傾斜している。この金属層３の外周部の傾斜に応じて、絶縁基板１の下面も傾斜している。また、絶縁基板１の傾斜している部分を、絶縁コート層４が埋めていてもよい。つまり、金属層３の外周部において、外側ほど絶縁コート層４の厚みが大きくなっていてもよい。この場合には、金属層３の外周部が、外側ほど、より厚い絶縁コート層４で被覆される。絶縁コート層４が厚いことにより、金属層３の外周部における絶縁基板１に対する被着の強度がより効果的に向上している。

図４は、本発明の他の実施形態の配線基板の要部を拡大して示す断面図である。平面透視において、貫通導体５の面積が、貫通導体５の金属層３と接続されている第１端部において、この第１端部と反対側の第２端部よりも大きい。図４に示す例では、断面視において貫通導体５が台形状である。

この場合には、応力がより大きな部分（金属層３により近い部分）において貫通導体５の体積がより大きい。そのため、金属層３の変形による上記応力の低減が、より効果的に行なわれる。したがって、この場合には、絶縁基板１の機械的な破壊がより効果的に抑制された配線基板９を提供することができる。

絶縁基板１の下面等の主面が四角形状であるときに、接続部２が、絶縁基板１の主面の角部分に設けられる場合がある。例えば、絶縁基板１の四角形状の下面に複数の接続部２が、縦横の並びに配列されて設けられるような場合には、その一部が絶縁基板１の主面の角部に位置する。このような場合、例えば図５に示すように、貫通導体５が、絶縁基板１
の下面の対角線上の部位に設けられていてもよい。貫通導体５は、この対角線上の部位のうち、主面の角に最も近い部位に設けられている。図５に示す例では、平面透視において円形状である貫通導体５が絶縁コート層４の内周上に位置している。なお、図５（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明の他の実施形態の配線基板を示す要部拡大平面図である。図５において図１および図２と同様の部位には、同様の符号を付している。

絶縁基板１と外部回路基板７との間に生じる熱応力は、主面の角部において最も大きくなる傾向がある。また、この応力は、絶縁基板１の対角線方向に作用する。すなわち、応力は、この対角線上の部位のうち主面の角に最も近い部位において最も大きくなる傾向がある。そのため、上記大きな応力が生じる部位に貫通導体５が設けられていれば、この応力がより効果的に低減される。これにより、絶縁基板１における機械的な破壊がより効果的に抑制される。

なお、図５（ａ）に示す例は、対角線の上の部位のうち主面の角に最も近い部位に加えて、中央側の部位においても貫通導体５が設けられた例である。この場合には、さらに応力を低減することができる。

また、図５（ｂ）に示す例は、対角線上の部位のうち主面の角に最も近い部位に設けられた貫通導体５に隣り合うように複数（二つ）の貫通導体５がさらに設けられた例である。この場合には、主面の角に近い部位における応力の低減がさらに効果的に行なわれる。

また、互いに隣り合う三つの貫通導体５は、平面透視において互いに隣り合う部分において一部同士が重なっている。平面透視においた互いに重なり合っている部分があることによって、三つの貫通導体５がまとまって、応力低減用の部位として機能する。これによっても、応力低減の効果が高められている。

また、貫通導体５は、角に近い部位に加えて、同じ接続部２において金属層３を挟んだ反対側にも設けられていてもよい。この場合には、応力が生じる方向に複数の貫通導体５が存在するため、さらに効果的に応力を低減することができる。

また、対角線上に限らず、例えば、四角形状の絶縁基板１の主面の中心部から金属層５の中心部を通って外側に延びる仮想線（図示せず）上に、貫通導体５が設けられていてもよい。この場合には、各接続部２においてより効果的に応力を低減する効果が得られる。

１・・・絶縁基板
２・・・接続部
３・・・金属層
４・・・絶縁コート層
５・・・貫通導体
６・・・導電性接続材
７・・・外部回路基板
８・・・配線導体
11・・・絶縁層

Claims (6)

1. 複数の絶縁層が積層されてなる絶縁基板と、
   該絶縁基板に設けられた接続部とを備えており、
   該接続部が、
   前記絶縁基板の主面に設けられた金属層と、
   前記複数の絶縁層のうち少なくとも最上層の絶縁層を厚み方向に貫通しており、前記金属層側の第１端部が前記金属層に接続している貫通導体とを含んでおり、
   該貫通導体の前記第１端部が、平面透視で前記金属層の外周部に位置していることを特徴とする配線基板。
2. 前記接続部が、前記金属層の前記外周部を被覆する絶縁コート層をさらに含んでおり、平面透視で、前記貫通導体の前記第１端部が、前記金属層から前記絶縁コート層の内周部に跨っていることを特徴とする請求項１記載の配線基板。
3. 前記金属層の前記外周部が、外側ほど前記絶縁基板の内部方向に位置するように傾斜し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。
4. 平面透視において、前記貫通導体が円形状であり、該貫通導体の中心が、前記絶縁コート層の内周上に位置していることを特徴とする請求項２記載の配線基板。
5. 前記絶縁基板の前記主面が四角形状であり、
   前記接続部が、前記絶縁基板の前記主面の角部分に設けられており、
   前記貫通導体が、前記主面の対角線上に設けられていることを特徴とする請求項４記載の配線基板。
6. 平面透視において、前記貫通導体の面積が、前記貫通導体の前記金属層と接続されている前記第１端部において、該第１端部と反対側の第２端部よりも大きいことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の配線基板。

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