JP2016004973A

JP2016004973A - 配線基板、パッケージおよび電子機器

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Publication number: JP2016004973A
Application number: JP2014126424A
Authority: JP
Inventors: 佐郷　文昭; Fumiaki Sago; 文昭佐郷; 誠最所; Makoto Saisho
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2014-06-19
Filing date: 2014-06-19
Publication date: 2016-01-12
Anticipated expiration: 2034-06-19
Also published as: JP6336829B2

Abstract

【課題】ビア導体の導通が良好であるとともに、気密性を維持できる配線基板およびパッケージ、ならびにこれらを備えた電子機器を提供する。【解決手段】一方の主面に電子部品２１の搭載面３を有する基板５と、該基板５を厚み方向に貫通する孔７と、該孔７に設けられたビア導体９とを有し、ビア導体９は、金属成分およびセラミック成分からなる複合体１３が海綿状構造を成し、孔７の内壁に接着した状態にあるとともに、複合体１３と混在した状態で存在する空隙１５が閉気孔の状態にある。【選択図】図１

Description

本発明は、配線基板、パッケージ、および電子機器に関する。

従来より、半導体素子や水晶振動子等の電子部品を収納するパッケージに使用される配線基板として、機械的強度が比較的高くかつ気密性に優れるという点からセラミック製の配線基板が多用されている（例えば、特許文献１を参照）。

図４は、従来のパッケージを模式的に示す断面図である。図４に示すパッケージ１００は、配線基板１０１と、当該配線基板１０１上に搭載された電子部品１０３と、電子部品１０３を覆うように設けられた蓋体１０５とから構成されている。

配線基板１０１は、板状の基板１０１ａと、その表面に設けられた電極パッド１０１ｂと、これを連結するビア導体１０１ｃとを有する構成となっている。

この場合、基板１０１ａがセラミックスによって形成されるものである場合、電極パッド１０１ｂやビア導体１０１ｃには、通常、金属粉末を主成分とする導体材料の焼結体が適用される。

近年、携帯電話やＩＣカード等のモバイル電子機器が普及しているが、これらの電子機器は、ますます薄型化および高性能化が要求されてきており、そのため、これらの電子機器に組み込まれる電子部品１０３やこれを収納するためのパッケージ１００についても一層の薄型化が求められている。

パッケージ１００の薄型化を行う場合、配線基板１０１を構成する基板１０１ａの薄層化や蓋体１０５の低背化を行うことになるが、基板１０１ａの厚みを薄くしていくと、基板１０１ａに設けられたビア導体１０１ｃ部分の気密性を維持することが困難になってくる。

これは、ビア導体１０１ｃが導体材料の焼結体により形成されるセラミックス製の配線基板１０１の場合、ビア導体１０１ｃの気密性を高めるために緻密化を図ろうとすると、ビア導体１０１ｃの焼成による収縮率が大きくなることから、ビア導体１０１ｃと接続する電極パッド１０１ｂとの間やビア導体１０１ｃが埋設されている基板１０１ａの孔との間に隙間が形成されやすく、この部分の気密性が低下したり、導通不良が発生しやすくなるという問題がある。

特開２００１−１９６４８５号公報

従って、本発明の目的は、ビア導体の導通が良好であるとともに、気密性を維持できる配線基板、パッケージおよび電子機器を提供することにある。

本発明の配線基板は、一方の主面に電子部品の搭載面を有する基板と、該基板を厚み方
向に貫通する孔と、該孔に設けられたビア導体とを有する配線基板であって、前記ビア導体は、金属成分を含む複合体が海綿状構造を成し、前記孔の内壁に接着した状態にあるとともに、前記複合体と混在した状態で存在する空隙が閉気孔の状態にあることを特徴とする。

本発明のパッケージは、上記の配線基板と、該配線基板を構成する基板の搭載面に搭載された電子部品と、該電子部品を覆うように前記基板の上面に設けられた蓋体とを具備してなることを特徴とする。

本発明の電子機器は、上記のパッケージが実装されていることを特徴とする。

本発明によれば、ビア導体の導通が良好であるとともに、気密性を維持できる配線基板およびパッケージ、ならびにこれらを備えた電子機器を得ることができる。

（ａ）は、本発明の配線基板の一実施形態を示す断面模式図であり、（ｂ）は、（ａ）の部分拡大図である。本実施形態の配線基板を構成するビア導体の一例を示す断面の電子顕微鏡写真である。本発明のパッケージの一実施形態を示す断面模式図である。従来のパッケージを模式的に示す断面図である。

図１（ａ）は、本発明の配線基板の一実施形態を示す断面模式図であり、（ｂ）は、（ａ）の部分拡大図である。図２は、本実施形態の配線基板を構成するビア導体の一例を示す断面の電子顕微鏡写真である。図２は、後述する実施例における試料Ｎｏ．８の場合である。

本実施形態の配線基板１は、一方の主面に電子部品の搭載面３を有する基板５と、基板５を厚み方向に貫通する孔７と、該孔７に設けられたビア導体９とを有する構成となっている。ここで、ビア導体９の上側および下側には、これを覆うように電極パッド１１がそれぞれ設けられている。

配線基板１において、ビア導体９は、金属成分を含む複合体１３が海綿状構造を成しており、孔７の内壁に接着した状態にある。また、ビア導体９には、空隙１５が複合体１３と混在した状態で存在しているが、その空隙１５は、そのほとんどが閉気孔の状態で存在している。

本実施形態の配線基板１によれば、ビア導体９を構成している金属成分を含む複合体１３が空隙１５を混在させた海綿状構造であることから、ビア導体９は、空隙１５を有する分だけ外形の見かけ上の体積が複合体１３の実質的な体積よりも大きくなっている。これによりビア導体９は、その上側および下側に設けられた電極パッド１１との間に隙間を生じさせることなく強固な接合が可能となり、導電性の高いビア導体９を得ることができる。

また、ビア導体９は、これを構成している複合体１３が海綿状構造となっているものの、孔７の内壁との間においても強固に接着しており、しかも、複合体１３と混在している空隙１５のほとんどが閉気孔であることから高い気密性を維持することができる。

ここで、海綿状構造とは、図２に電子顕微鏡写真に示すように、ビア導体９を構成する複合体１３がポーラス状になった状態をいう。また、ビア導体９が孔７の内壁に接着した状態とは、本実施形態では、ビア導体９を構成する複合体１３と孔７の内壁との間に隙間が無いように形成されていることに相当するが、これに限られるものではない。

空隙１５であることの確認、ビア導体９が孔７の内壁７ａに接着した状態の評価および空隙１５が閉気孔の状態で存在している割合は、配線基板１を断面研磨し、露出したビア導体９を電子顕微鏡により観察を行い、撮影した写真を画像解析することによって求める。

ここで、空隙１５が閉気孔であるというのは、ビア導体９の断面において、空隙１５の全周囲に複合体１３が取り巻いている状態のことを言う。この場合、閉気孔の状態で存在している空隙１５の割合としては、ビア導体９の単位断面積当たりの個数割合で９０％以上であることが望ましい。空隙１５として認められるものは、空隙１５とわかるサイズとして、電子顕微鏡による観察から最長径が１μｍ以上であるものとする。

本実施形態の配線基板１では、ビア導体９を構成している空隙１５は、断面視で略円形状であることが望ましい。ビア導体９に含まれる空隙１５が断面視で略円形状であると、空隙１５が細長い形状である場合に比較して、ビア導体９中において、気体が導通する流路になりにくく、これによりビア導体９の気密性をさらに高めることができる。この場合、ビア導体９を観察した断面における空隙１５のアスペクト比（最長径と、その方向に対し、垂直な方向を短径としたときの最長径／短径の比）は平均で１以上１．６以下であることが望ましい。

本実施形態の配線基板１は、上述のように、ビア導体９内に複数の空隙１５を有するものであるが、空隙１５の割合としては面積比率で１０〜３０％であることが望ましい。空隙１５の面積比率が１０％以上であると、空隙１５間における複合体１３の肉厚を薄くできることから、ビア導体９の変形に対してクラックが生じにくく、これによりビア導体９の気密性を高く維持することができる。一方、空隙１５の面積比率が３０％以下であると、複合体１３の機械的強度を高く維持することができる。

本実施形態の配線基板１に形成されたビア導体９は、上述のように、高い気密性を維持できるものであることから、厚みのより薄い基板５に適用することが可能になる。基板５の厚み（平均厚み）としては、例えば、０．０５〜０．３μｍ、特に、０．０５〜０．２μｍに好適なものとなる。

図３は、本発明のパッケージ２０の一実施形態を示す断面模式図である。本実施形態のパッケージ２０は、上記の配線基板１と、配線基板１を構成する基板５の搭載面３に搭載された電子部品２１と、この電子部品２１を覆うように基板５の上面に設けられた蓋体２３とを具備してなるものである。

本実施形態のパッケージ２０は、基板５に形成されたビア導体９が高い導電性を有し、かつ高い気密性を維持できるものであることから、水晶振動子やＭＥＭＳ用の半導体素子など外気に敏感な電子部品２１を配線基板１に搭載した場合にも気密性と動作特性を長期間維持することが可能となる。

さらに、このようなパッケージ２０によれば、パッケージ２０自体の薄型化が可能になることから、より高密度化を要求される電子機器に適用することが可能となり、電子部品２１をより高い密度で実装することが必要な高性能の携帯情報機器等に好適なものとなる。

次に、本実施携帯の配線基板１の製法方法について説明する。まず、ビア導体９用の孔７を有し、予め焼成された基板５を準備する。次に、この基板５の孔７にビア導体９用の導体ペーストをスクリーン印刷法などの慣用的な方法により埋入させて生のビア導体を形成する。さらに、この生のビア導体の両面に電極パッド１１となる導体パターンを印刷する。

ビア導体９用の導体ペーストとしては、Ａｇ（銀）粉末を主成分とし、これに少量のＰｄ（パラジウム）粉末、ガラス粉末およびセラミック粉末を含有させたものが好適である。Ａｇ粉末およびＰｄ粉末は、いずれも純度が９９％以上であるのが良い。ガラス粉末としては、後述するＰｄ粉末の酸化還元反応との関係からガラス転移点が５００〜８００℃であるものを用いるのが良い。セラミック粉末はビア導体９において金属成分との関係で共材となるものであるが、この場合、金属粉末よりも高い融点を示すものが良く、Ａｇ粉末との複合体１３を形成したときに、焼成収縮率を小さくできるという点で、アルミナを主成分とする粉末を用いるのが良い。

本実施形態の配線基板１は、上記のように、ビア導体９中に多くの割合の空隙１５を有しても複合体１３が孔７の内容積を見かけ上埋めるほどの状態となっているものである。このようなビア導体９は、導体ペースト中に少量のＰｄ粉末を添加することにより得ることができる。これは、ビア導体９を形成する焼成の際に、Ｐｄ粉末に酸化反応および還元反応が起こり、還元反応時にＰｄ粉末から遊離した酸素が空隙１５を形成するためであると考えられる。このため、本実施形態におけるビア導体９に形成された空隙１５はいずれも球形状に近く、断面視したときの平均のアスペクト比が平均で１．６以下であり、ビア導体９を構成する金属粉末が焼結したときに形成される粒界のような細長い空隙がほとんど見られないのもこのためである。また、Ａｇ粉末などの金属成分を含む複合体１３は、焼結する際に、空隙１５が酸素の膨張による内圧によって外側へ広がるように変化することから、焼成後に形成されたビア導体９は基板５に形成された孔７の内壁に強固に接着することになると考えられる。このため、この配線基板１はビア導体９に多くの空隙１５が形成されていても、ガスの流れる導通路が形成されにくいことから高い気密性を維持することができる。この場合、ビア導体９に含ませるＰｄの含有量としては、Ａｇ１００質量部に対し、１〜６質量部であることが望ましい。

本実施形態の配線基板１では、予め焼成された基板５に対して、ビア導体９を形成するものであるため、基板とビア導体とが同時焼成によって形成される配線基板に比較して、基板に含まれる成分のビア導体９中への拡散がほとんど無いものとなる。このため、ビア導体９および基板５のそれぞれの特性が安定した配線基板１を得ることができる。そして、このような配線基板１では、基板５に含まれる主成分以外の成分（基板がアルミナ製である場合、アルミナ以外の成分）のビア導体９側への拡散距離が５μｍ以下であるものが良く、この場合、アルミナの含有率としては８５質量％以上であるものが好ましい。

まず、ビア導体用の孔を有し、焼成された基板を準備した。基板はアルミナを９０質量％と、残部に酸化珪素および酸化マグネシウムを含むものを用いた。基板のサイズとしては、（縦）１０ｍｍ×（横）１０ｍｍ×（厚）０．１ｍｍのものを用いた。

次に、この基板の孔にビア導体用の導体ペーストをスクリーン印刷法により埋入させて生のビア導体を形成した。さらに、この生のビア導体の両面に電極パッドとなる導体パターンを印刷した。

ビア導体９用の導体ペーストとしては、固形分として、主成分であるＡｇ粉末にＰｄ粉
末、ガラス粉末およびアルミナ粉末を添加したものを用いた。このとき、Ａｇ粉末とＰｄ粉末との合計量が１００質量部となるように配合した。ガラス粉末およびアルミナ粉末の添加量は、Ａｇ粉末およびＰｄ粉末の金属成分を１００質量部としたときに、それぞれ３０質量部および１０質量部とした。これに有機ビヒクルを添加して導体ペーストを調製した。電極パッドとなる導体パターンには、上記の導体ペーストからＰｄ粉末を含まない組成の導体ペーストを使用した。

次に、生のビア導体および電極パッド用の導体パターンを付与した基板を、表１に示す温度を最高温度（再考温度での保持時間は約２時間）とする条件で焼成し、配線基板を作成した。

次に、作製した配線基板について、以下の特性評価を行った。ビア導体の導体抵抗は抵抗計により測定した。ビア導体のＨｅリーク特性は、配線基板に蓋体（コバール製）を取り付けて図３に示すようなパッケージを作製し、ヘリウムリークディテクターを用いて測定した。

ビア導体の断面は走査型電子顕微鏡によって観察し、空隙の面積比率、空隙のアスペクト比を測定した。

表１の結果から明らかなように、ビア導体用の導体ペーストとしてＰｄを含ませた導体ペーストを適用して作製した試料（試料Ｎｏ．３〜１４）は、いずれもＨｅリークテストの結果が１×１０^−９ｍ^３・Ｐａ／ｓｅｃ以下であり、高い気密性を有していた。また、これらの試料はビア導体の抵抗がいずれも０．１Ω以下であり、良好な導通特性を示すものであった。これらの試料に形成されたビア導体は金属成分およびセラミック成分からなる複合体が海綿状構造を成し、基板に形成した孔の内壁に接着した状態にあり、複合体と混在した状態で存在する空隙は、個数割合で９０％以上が閉気孔の状態にあることが確認
された。また、空隙のアスペクト比はいずれの試料においても１．３〜１．６であり、空隙の面積比率は１５〜１９％であった。また、これらの試料のビア導体の外形の面積は、電子顕微鏡観察により撮影した断面写真から、基板に形成された孔に対する面積比がいずれも９５％以上占める状態であることが確認された。

作製した試料の中で、Ｐｄ粉末の添加量を、Ａｇ粉末１００質量部に対し、２〜４質量部とした試料Ｎｏ．５〜１２は、Ｈｅリークテストの結果が、いずれも０．５×１０^−９ｍ^３・Ｐａ／ｓｅｃ以下であった。

これに対し、ビア導体用の導体ペーストとしてＰｄを含まない導体ペーストを適用して作製した試料（試料Ｎｏ．１、２）では、Ｈｅリークテストの結果が１×１０^−７ｍ^３・Ｐａ／ｓｅｃ以上であった。また、ビア導体の抵抗は１ＭΩ以上であった。

Ｎｏ．１の試料は、ビア導体の焼結性が低く、孔の内壁と強固に接着していない状態となっていた。一方、焼成温度を８５０℃とした試料Ｎｏ．２の場合には、金属成分を含む複合体がほぼ一体化し、海綿状構造がほとんど形成されていなかった。また、ビア導体の上端側および下端側に大きな開気孔が形成されていた。この部分における開気孔の面積割合は、複合体中に閉気孔の状態で存在する空隙の面積割合よりも単位領域当たりで高い比率となっていた。

１・・・配線基板
３・・・搭載面
５・・・基板
７・・・孔
９・・・ビア導体
１１・・電極パッド
１３・・複合体
１５・・空隙
２０・・パッケージ
２１・・電子部品
２３・・蓋体

Claims

一方の主面に電子部品の搭載面を有する基板と、該基板を厚み方向に貫通する孔と、該孔に設けられたビア導体とを有する配線基板であって、前記ビア導体は、金属成分を含む複合体が海綿状構造を成し、前記孔の内壁に接着した状態にあるとともに、前記複合体と混在した状態で存在する空隙が閉気孔の状態にあることを特徴とする配線基板。
前記空隙は、断面視で略円形状であることを特徴とする請求項１に記載の配線基板。
前記空隙は、前記ビア導体における単位断面積あたりの面積比率が１０〜３０％であることを特徴とする請求項１または２に記載の配線基板。
請求項１乃至３のうちいずれかに記載の配線基板と、該配線基板を構成する前記基板の前記搭載面に搭載された電子部品と、該電子部品を覆うように前記基板の上面に設けられた蓋体とを具備してなることを特徴とするパッケージ。
請求項４に記載のパッケージが実装されていることを特徴とする電子機器。