JP3167796B2 - セラミックス回路基板 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ピングリッドアレイ
（ＰＧＡ）パッケージやフラットパッケージ等に好適な
窒化アルミニウム製セラミックス回路基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、窒化アルミニウム(AlN) 製のＰＧ
Ａパッケージやフラットパッケージにおける外部端子の
接合構造としては、図４に示すような構造が一般的に用
いられてきた。すなわち、 AlNを主成分とするセラミッ
クス基板１の表面には、 Wからなる導体層２が形成され
ている。この表面の導体層２は、 AlNセラミックス基板
１の表面側絶縁層(AlN層）１ａを貫通して設けたビアホ
ール３内に充填された導電材料４によって、内部導体回
路５に接続されている。上記表面の導体層２上には、ニ
ッケルや金のメッキ層６が順次形成されており、これら
の積層物によってランド７が構成されている。このラン
ド７には、例えばコバールや42アロイからなるピン８の
ネールヘッド部８ａが銀ろう９を介して接合されてい
る。

【０００３】しかしながら、上記したピン（外部端子）
８の接合構造では、 AlN基板１と、ランド７中の AlN層
１ａに接して設けられた W層２との接合界面における強
度が低く、ランド７を強固に接合形成することができな
いために、ピン８の接合信頼性が十分に得られないとい
う問題を有していた。

【０００４】そこで、ＰＧＡ用のピン接合部に応用する
という目的ではないにしても、 AlN焼結体と W層との界
面を強固な接合界面にしようとすることが試みられてい
る。例えば、 AlN焼結体と W層との間に、 AlNと Wの混
合物からなる中間層を設ける（特開昭 61-281089号公報
参照）ことが行われている。しかし、この方法は、表面
が全て Wからなる金属層を形成するものであり、例えば
強度測定用のコバール板は W層上にNiメッキ層を形成し
た後、銀ろうにより接合している。つまり、この表面の
Wには銀ろうが濡れにくく、ピン等の金属部材を接合す
る際には、必ずNi等の銀ろうに対する濡れ性が良好な金
属層の形成が必要となる。よって、上記方法をピンの接
合構造に適用しても、コスト的に高価になるばかりでな
く、製造工程も繁雑になる。さらに、 AlNと Wの界面に
異なる（一部 AlNと Wの混合物を設ける同一の方法も考
えられる）元素種を介在させてメタライズすることも行
われているが（特開昭 62-197374号公報、同 63-195183
号公報参照）、上記した方法と同様に、表面が全て Wか
らなる金属層を形成することになるため、ピン等を銀ろ
うで接合するためには、Niメッキ等の表面加工工程が必
要になる。

【０００５】また、 AlN焼結体の表面に、 AlNと Wとの
混合物層を形成することも試みられている（特開平 2-5
0972号公報参照）。しかし、このメタライズ層において
も、Niメッキ層を設けた後に錫メッキ銅線を半田で接合
して強度を測定しており、半田は AlNと Wを含むメタラ
イズ層に良好に濡れないことを示している。その結果、
同様に均一な接合強度が得られにくいばかりでなく、ピ
ンを接合する際には必ずNi等の金属層の形成が必要とな
り、コスト的に高価になると共に、製造工程も繁雑にな
る。

【０００６】一方、Ti、Zr、Hfのような活性金属を含む
銀ろうを用いて、銅板やアルミニウム板等を AlN焼結体
表面に接合することが行われている。この方法は、 AlN
とTi等の活性金属との反応を利用する方法であり、 TiN
等の反応生成物が界面に生じることによって、強固な接
合界面が得られる。この際、活性金属を含む銀ろうが金
属板の接合面全面を濡らせば良好な接合体が作製される
が、これらの接合をピンの接合に応用しようとした場合
には、図５に示すように、 AlN焼結体(AlN基板１）と活
性金属とを広い面積で反応させなければならないため、
ランド（２）の大きさは、ピン８のネールヘッド部８ａ
の大きさと同程度か、あるいは小さくする必要がある。
しかし、この方法でピンの接合を実施しようとすると、
活性金属を含む銀ろうの AlNに対する濡れが悪く、 AlN
基板と銀ろうとの間で応力集中を生じてピン強度を弱め
るため、多くの銀ろうを接合に使うこととなるが、この
場合は、図５に示したように、 AlN基板１と銀ろう１０
との接触面積が増して、隣接するピンのランドとショー
トする可能性が高くなる。また逆に、活性金属を含む銀
ろうを通常の量で用いると、均一で強固な接合が行えな
くなる。さらに、ランド面積を大きくするためには、Ti
スパッタ等で面積を広くし、かつスパッタやメッキによ
りNiやAu等の層を形成する必要があり、コスト的に高価
になると共に、製造工程も繁雑になってしまう。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、 AlN
パッケージにピン等の外部端子を良好に接合するために
は、銀ろうや半田が濡れやすいランド、もしくはランド
に濡れやすい銀ろうや半田が必要であると共に、 AlNか
らなるパッケージ母体とランド間の高い接合強度が必要
となる。しかしながら、現在のところ、この両者を十分
に満足する AlN製セラミックス回路基板は得られていな
いのが現状である。また、ピンを用いないフラットパッ
ケージ等のリードを接合する場合においても、上記した
問題が同様に解決されず存在している。

【０００８】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、 AlNを主成分とするセラミックス基
板に対して外部端子を高強度に接合することを可能にす
ると共に、多端子で高密度な導体回路への対応を図った
AlN製セラミックス回路基板を提供することを目的とし
ている。

【０００９】

【課題を解決するための手段と作用】本発明のセラミッ
クス回路基板は、窒化アルミニウムを主成分とするセラ
ミックス基板と、前記セラミックス基板の内部に設けら
れた導体回路と、前記導体回路の一端部と電気的に接続
するように、前記セラミックス基板の表面に設けられた
ランドと、前記ランド上に接合された外部端子とを具備
するセラミックス回路基板において、前記ランドは、タ
ングステン（W）および／またはモリブデン（Mo）と窒
化アルミニウム（AlN）とを少なくとも含有する導体層
を有し、かつ前記外部端子は、チタン（Ti）、ジルコニ
ウム（Zr）およびハフニウム（Hf）から選ばれた少なく
とも1種の活性金属元素を含有する銀ろうまたは半田に
より前記ランド上に接合されていると共に、前記銀ろう
または半田は前記導体層またはその上に積層形成された
タングステン（W）またはモリブデン（Mo）層上のみを
濡らした接合部形状を有することを特徴としている。

【００１０】本発明のセラミックス回路基板の母体とな
るセラミックス基板は、 AlNを主成分とする多層焼結体
であり、この焼結体はイットリウム(Y) のような3A族元
素や希土類元素、カルシウム(Ca)やマグネシウム(Mg)等
の2A族元素等から選ばれた元素を焼結助剤として含んで
いる。また、着色添加物として、Tiのような4A族元素、
Wのような6A族元素、Niのような8A族元素を含有してい
てもよい。

【００１１】上記 AlN焼結体基板は、その内部に設けら
れた WやMo等からなる導体回路（ビアホール内に充填さ
れた導電材料を含む）と、導体回路にビアホールを介し
て電気的に接続されたランドを有している。内部導体回
路は、上記したように金属のみから構成されていてもよ
い(AlN等が入っていてもよい）が、 AlN焼結体基板の表
面に形成するランドは、 AlN焼結体とランドを構成する
導体層との界面を強固な接合面とするために、 Wおよび
Moから選ばれた少なくとも 1種の導電性材料とAlNとを
含有する混合材料により形成する。なお、本発明におけ
るランドは、上記 W等と AlNとの混合材料層の一層のみ
に限定されるものではなく、 AlN焼結体基板に接して設
けられる層が上記混合材料からなる導体層であれば、さ
らにその上に WやMoの層を積層形成してランドを構成す
ることも可能である。

【００１２】上記ランドの構成材料となる混合材料は、
AlNを 1重量% 〜20重量% の範囲で含むことが好まし
く、さらに好ましくは 3重量% 〜20重量% の範囲であ
る。このランド構成材料中の AlNは、 AlN焼結体基板と
ランドとの間で、微構造的には部分的に同一化合物によ
る連続組織を形成するものであり、 AlNの含有量が 1重
量% より少ないと、 AlNの連続組織部分が十分に得られ
なくなるために、ランドの接合強度が低下し、さらには
外部端子の接合強度の低下に繋がる。また、 AlNの含有
量が20重量% を超えると、導体層としては電気抵抗が増
大しすぎるため、外部端子と内部導体回路との良好な電
気的接続を妨げることとなる。

【００１３】また、上記ランド構成材料には、 AlN焼結
体基板中の焼結助剤元素（例えば Y、Ca等）や着色添加
元素（例えばTi、 W、Ni等）を含有させてもよく、これ
によって元素分布が均一となりさらに好ましい。さら
に、ランド構成材料には、Ti、Zr、Hf等の活性金属元素
を含有させてもよい。このようなランド構成材料を用い
ることによって、 AlN焼結体基板とランドとの接合界面
は、非常に強固な組織を有することになる。

【００１４】なお、上述した内部導体回路のうち、ラン
ドに直接繋がるビアホール内の導電材料は、上記ランド
の構成材料と同様な、 Wおよび／またはMoと AlN等との
混合導電材とすることが好ましい。ビアホール内の導電
材料を上記混合導電材とする場合の混合比や、他の添加
元素は上記したランドの場合と同様である。

【００１５】本発明のセラミックス回路基板において
は、上述したようなランド上に、Ti、ZrおよびHfから選
ばれた少なくとも 1種の活性金属元素を含有する銀ろう
（以下、活性金属含有銀ろうと記す）または半田を用い
て、外部端子例えばピンやリードを接合している。銀ろ
うや半田の中にTi等の活性金属を含有させることによ
り、 AlNと W等とからなるランドに対する銀ろうや半田
の濡れ性が改善され、外部端子を強固にかつ良好に銀ろ
う付けまたは半田付けすることが可能となる。この作用
は、特に Wが存在する部分において顕著である。

【００１６】ここで、本発明による AlNと W等とからな
るランドに対して、通常の銀ろうにより直接外部端子を
接合しようとしても、ランドの表面は AlNと W等とから
なるため、通常の銀ろう（活性金属を含まない）では良
好な濡れ状態は得られない。そこで、従来は銀ろうの濡
れを向上させるために、Ni層やAu層を形成していたが、
これら金属層は界面強度が弱いばかりでなく、メッキ加
工を行わなければならない点で非常に高価な処理とな
る。

【００１７】また、微構造的に AlNが表面に存在する部
分において、 AlNとTiとが反応して、強固な接合界面が
形成されることは知られていたが、Ti等の活性金属を添
加した銀ろうの AlN上での濡れは均一には起こらない。
従って、Tiを添加した銀ろうを用いると共に、ランドを
小さくすることによって、 AlN上にAlN-Ti結合を生成し
ようとしても、銀ろうを均一に分布させた接合や円形の
理想的な銀ろうの濡れは起こらない。均一な接合をした
いがために多くのTi入り銀ろうを使用すると、外部端子
間の狭い多ピンパッケージでは、ランド間が電気的にシ
ョートしてしまうと同時に、局所的な熱膨張率の差に起
因する応力が発生し、外部端子の強度低下の原因にな
る。これに対して、本発明のランドは AlNと W等との混
合材料から構成されているため、 W等が活性金属含有銀
ろうの濡れ範囲を決定して、理想的な円形に銀ろうを濡
らすことができ、良好な接合形状（ろう形状）が得られ
るばかりでなく、 W等と活性金属含有銀ろうとが強固な
結合を形成する。また、ランド中の AlNは、上述したよ
うにTi等の活性金属と強固に結合する。

【００１８】なお、上記混合材料による導電層上に W層
等を形成してランドを構成する場合においても、上述し
たように、 W等と活性金属含有銀ろうとが強固な結合を
形成するため、外部端子を高強度に接合することができ
る。

【００１９】本発明に用いる活性金属含有銀ろう中の活
性金属元素の量は、 0.5重量% 〜10重量% の範囲とする
ことが好ましい。活性金属元素の含有量が 0.5重量% よ
り少ないと、活性金属の添加効果が十分に発揮されず、
外部端子の接合強度を十分に高めることが困難となる。
また、10重量% を超えて添加すると、銀ろうが硬化し、
接合に悪影響を及ぼす。なお、ここで言う銀ろうとは、
通常の Ag-Cu系ろう材のことであり、AgとCuとを主成分
とするものであれば他の添加元素を含んでいてもよい。
また、銀ろう中のAgの配合比は、40重量% 〜80重量% 程
度とすることが好ましい。上記した活性金属含有銀ろう
による接合は、真空下、減圧下および常圧下のいずれか
の窒素雰囲気中で行うことが好ましい。

【００２０】なお、上記した銀ろうは、通常の半田に置
き換えて用いることができる。この場合、 3重量% 〜96
重量% のSn、残部Pbとし、必要に応じて 1重量% 以下の
Sb、Cu、Bi、Zn、Fe、Al、As等を添加することもでき
る。

【００２１】上述したような活性金属含有銀ろうまたは
半田を用いることにより、ランドと銀ろうや半田の濡れ
性が向上すると共に、強固な接合が達成される。また、
外部端子の構成材料としては、コバールや42アロイを用
いるために、活性金属含有銀ろうまたは半田と良好に接
合することができる。従って、外部端子を接合する部分
の全ての界面で、強固な接合が行われるだけでなく、ラ
ンド上を均一に活性金属含有銀ろうまたは半田が濡らす
ため、電気的な接続も良好となる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

【００２３】実施例１ まず、ドクターブレード法により厚さ 100μm 〜 400μ
m の AlNグリーンシートを作製した。一方、 W粉末と A
lN粉末との混合粉末(AlN粉末：10重量%)に、有機バイン
ダと適量の溶剤を加え、十分に混合して Wと AlNを主成
分とする導体ペーストを作製した。

【００２４】次に、上記 AlNグリーンシートに上下に貫
通するビアホールを開口し、このビアホール内に上記 W
と AlNを主成分とする導体ペーストを埋め込むと共に、
その表面に同一の導体ペーストをランド形状に応じて印
刷した。さらに、 AlNグリーンシートの裏面に Wを主成
分とする導体ペーストを導体回路形状に応じて印刷し、
この導体回路側に他の AlNグリーンシートを重ねた後、
加熱加圧して積層した。次いで、上記積層体を脱脂した
後、窒素雰囲気中にて1800℃× 3時間の条件で常圧焼結
して、図１に示す30mm角のＰＧＡ用回路基板の同時焼結
体部分１１を作製した。図１において、１２は Wと AlN
を主成分とするランドであり、１３はビアホール３内に
充填された Wと AlNを主成分とする導体材料である。な
お、図４に示した従来図と同一部分には、同一符号が付
してある。

【００２５】上記により得た同時焼結体部分１１の直径
0.7mmの各円形ランド１２上の接合位置に、ピン直径
0.3mm、ネールヘッド部直径0.45mmの外部端子ピン８を
それぞれ治具を用いてセットした。なお、ピン８は 300
本セットした。また、ピン８のネールヘッド部８ａの下
部には、予め活性金属元素としてTiを 2重量% 含有する
銀ろうが付けてある。この状態のままで、真空中にて 8
30℃に加熱して、ピン８の接合を行った。

【００２６】このようにして得たＰＧＡ用回路基板のピ
ン接合部を観察したところ、ランド全体に銀ろうが濡れ
て接合されていた。また、コバールピン８を接合面に垂
直方向に引っ張ることにより接合強度試験を行った。そ
の結果、4.2kgfの引っ張り荷重のときにコバールピン８
が切断した。このことから、接合部は十分に高い接合強
度を有していることを確認した。

【００２７】実施例２ 上記実施例１において、 Wと AlNを主成分とする導体ペ
ーストをランド形状に印刷した後、さらにその上に Wを
主成分とする導体ペーストを同形状に印刷する以外は、
実施例１と同様にして、図２に示すＰＧＡ用回路基板の
同時焼結体部分１５を作製した。図２において、１６は
Wを主成分とする導体層であり、この W層１６と、 Wと
AlNを主成分とする導体層１２との積層物によって、ラ
ンド１７が構成されている。このＰＧＡ用回路基板の同
時焼結体部分１５に、実施例１と同様な条件でピン８を
接合し、ＰＧＡ用回路基板を作製した。

【００２８】このようにして得たＰＧＡ用回路基板のピ
ン接合部を観察したところ、ランド１７全体に銀ろうが
濡れて接合されていた。また、コバールピン８を接合面
に垂直方向に引っ張ることにより接合強度試験を行っ
た。その結果、4.1kgfの引っ張り荷重のときにコバール
ピン８が切断した。このことから、接合部は十分に高い
接合強度を有していることを確認した。

【００２９】実施例３ ピンを接合する際に、Tiを 7重量％含有する銀ろうを使
用すると共に、その接合を窒素雰囲気中で 830℃まで加
熱することにより行う以外は、実施例１と同様にして、
ピンを接合したＰＧＡ用回路基板を作製した。

【００３０】このＰＧＡ用回路基板のピンの接合強度を
実施例１と同様にして調べたところ、4.3kgfの引っ張り
荷重のときにコバールピンが切断した。このことから、
接合部は十分に高い接合強度を有していることを確認し
た。

【００３１】実施例４ 図３に示すように、ランド１２の形状をリード１８（幅
0.5mm)の形状に合せて0.7mm× 2.0mmとし、実施例１と
同一条件で同時焼成した後、このランド１２上に実施例
１と同一のTi含有銀ろう１４を用いてリード１８を接合
する以外は、実施例１と同様にして、フラットパッケー
ジ用回路基板を作製した。

【００３２】このようにして得たフラットパッケージ用
回路基板のリード１８の接合強度を測定するために、接
合面に垂直にピール強度試験を行ったところ、 3.0kgf/
mmという良好な結果が得られた。

【００３３】比較例１ AlNグリーンシートに設けたビアホール３内に、 Wと Al
Nを主成分とする導体ペーストを埋め込むと共に、その
表面に Wを主成分とする導体ペーストでランドを形成
し、かつTiを含有していない銀ろうを用いてピンを接合
する以外は、実施例１と同様にしてＰＧＡ用回路基板を
作製した。このＰＧＡ用回路基板のピンの接合強度を実
施例１と同様にして調べたところ、1.1kgfの引っ張り荷
重の際に銀ろうと Wランドとの界面で剥離が起こり、ピ
ン接合部の強度が低いことを確認した。

【００３４】比較例２ 上記比較例１における Wランド上に、Ni層およびAu層を
メッキにより順に形成する以外は、比較例１と同様にし
てＰＧＡ用回路基板を作製した。このＰＧＡ用回路基板
は図４に示したものである。このＰＧＡ用回路基板のピ
ンの接合強度を実施例１と同様にして調べたところ、1.
5kgfの引っ張り荷重の際に、 Wランド２と AlN基板１と
の界面で剥離が起こった。

【００３５】比較例３ AlNグリーンシートに設けたビアホール内に、 Wと AlN
を主成分とする導体ペーストを埋め込むと共に、その表
面に Wを主成分とする導体ペーストでランドを形成した
後、実施例１と同一条件で同時焼成した。この際、焼結
後のランド面積は外部端子ピンのネールヘッド部の面積
と同じとした。次いで、実施例１と同様に、Ti含有銀ろ
うを用いてピンを接合して、ＰＧＡ用回路基板を作製し
た。このＰＧＡ用回路基板は図５に示したものである。
このＰＧＡ用回路基板のピンの接合強度を実施例１と同
様にして調べたところ、1.7kgfの引っ張り荷重の際に、
Wランド２と AlN基板１との界面で剥離が起こった。

【００３６】また、参考のために、上記比較例３におけ
る Wランドを、 Wと AlNを主成分とするランドに代える
以外は、同様にしてＰＧＡ用回路基板を作製し、ピンの
接合強度を調べたところ、2.0kgfの引っ張り荷重の際
に、銀ろうと W+AlNランドとのの界面で剥離が起こっ
た。

【００３７】比較例４ 図６に示すように、ビアホール３内に Wと AlNを主成分
とする導体ペーストを埋め込むと共に、その表面に Wを
主成分とする導体ペーストでランド２を形成する以外
は、実施例１と同様にして同時焼結体部分を作製した
後、実施例１と同様に、ランド２上にTi含有銀ろう１２
を用いてピンを接合して、ＰＧＡ用回路基板を作製し
た。このＰＧＡ用回路基板のピンの接合強度を実施例１
と同様にして調べたところ、1.3kgfの引っ張り荷重の際
に、 Wランド２と AlN基板１との界面で剥離が起こり、
ピン接合部の強度が低いことを確認した。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のセラミッ
クス回路基板によれば、 AlNを主成分とする基板上に高
接合強度でランドを形成することができ、かつランドと
銀ろうとの良好な濡れが得られると共に、ランドと銀ろ
うを強固に結合することができるため、外部端子を高強
度で接合することが可能となり、よって外部端子の信頼
性を大幅に向上させることが可能となる。また、銀ろう
を良好に濡らすことができるため、電気的な信頼性が高
まると共に、多端子で高密度の導体回路に対して十分に
対応することが可能となる。これらによって、ＰＧＡパ
ッケージやフラットパッケージ等に好適なセラミックス
回路基板を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるＰＧＡセラミックス回
路基板の要部構成を示す断面図である。

【図２】本発明の他の実施例によるＰＧＡセラミックス
回路基板の要部構成を示す断面図である。

【図３】本発明のさらに他の実施例によるフラットセラ
ミックス回路基板の要部構成を示す断面図である。

【図４】従来のＰＧＡセラミックス回路基板の構成を示
す断面図である。

【図５】従来の他のＰＧＡセラミックス回路基板の構成
を示す断面図である。

【図６】従来のさらに他のＰＧＡセラミックス回路基板
の構成を示す断面図である。

【符号の説明】

１……多層 AlNセラミックス基板 ３……ビアホール ５……内部導体回路 ８……ピン １２… Wと AlNを主成分とするランド １３…ビアホール内に充填された Wと AlNを主成分とす
る導体材料 １４…Ti含有銀ろう １８…リード

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加曽利 光男 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株式会社東芝 総合研究所内 (72)発明者 上野 文雄 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株式会社東芝 総合研究所内 (56)参考文献 特開 昭62−73799（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−308893（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−114289（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H05K 1/03 610 H01L 23/15 H01L 23/50

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 窒化アルミニウムを主成分とするセラミ
   ックス基板と、前記セラミックス基板の内部に設けられ
   た導体回路と、前記導体回路の一端部と電気的に接続す
   るように、前記セラミックス基板の表面に設けられたラ
   ンドと、前記ランド上に接合された外部端子とを具備す
   るセラミックス回路基板において、 前記ランドは、タングステンおよび／またはモリブデン
   と窒化アルミニウムとを少なくとも含有する導体層を有
   し、かつ前記外部端子は、チタン、ジルコニウムおよび
   ハフニウムから選ばれた少なくとも1種の活性金属元素
   を含有する銀ろうまたは半田により前記ランド上に接合
   されていると共に、前記銀ろうまたは半田は前記導体層
   またはその上に積層形成されたタングステンまたはモリ
   ブデン層上のみを濡らした接合部形状を有することを特
   徴とするセラミックス回路基板。