JP3210837B2 - 配線基板とそれを用いた半導体素子収納用パッケージおよびその実装構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、メタライズ配線層を具
備する配線基板、その配線基板を具備する半導体素子収
納用パッケージおよびその実装構造に関するものであ
る。

【０００２】

【従来技術】従来、配線基板は、絶縁基板の表面あるい
は内部にメタライズ配線層が配設された構造からなる。
また、この配線基板を用いた代表的な例として、半導体
素子、特にＬＳＩ（大規模集積回路素子）等の半導体集
積回路素子を収容するための半導体素子収納用パッケー
ジは、一般にアルミナセラミックス等の電気絶縁材料か
らなり、その上面中央部に半導体素子を収容するための
凹所を有する絶縁基板と、前記絶縁基板の凹所周辺から
下面にかけて導出されるタングステン、モリブデン等の
高融点金属粉末から成る複数個のメタライズ配線層と、
前記絶縁基板の下面または側面に形成され、メタライズ
配線層が電気的に接続される複数個の接続パッドと、前
記接続パッドにロウ付け取着される接続端子と、蓋体と
から構成されている。そして、絶縁基板の凹所底面に半
導体素子をガラス、樹脂等から成る接着剤を介して接着
固定させ、半導体素子の各電極とメタライズ配線層とを
ボンディングワイヤを介して電気的に接続させるととも
に絶縁基板上面に蓋体をガラス、樹脂等の封止材を介し
て接合させ、絶縁基板と蓋体とから成る容器内部に半導
体素子が気密に封止される。

【０００３】また、かかる半導体素子収納用パッケージ
と外部電気回路基板の配線導体とは、半導体素子収納用
パッケージに接続された接続端子と外部電気回路基板の
配線導体とを半田等により電気的に接続される。

【０００４】一般に、半導体素子の集積度が高まるほ
ど、半導体素子に形成される電極数も増大するが、これ
に伴いこれを収納する半導体収納用パッケージにおける
端子数も増大することになる。ところが、電極数が増大
するに伴いパッケージ自体の寸法を大きくする必要があ
るが、それと同時に小型化が要求されるためにパッケー
ジにおける端子の密度を高くすることが必要となる。

【０００５】これまでのパッケージにおける端子の密度
を高めるための構造としては、パッケージの下面にコバ
ールなどの金属ピンを接続したピングリッドアレイ（Ｐ
ＧＡ）が最も一般的であるが、最近では、パッケージの
４つの側面に導出されたメタライズ配線層にガルウイン
グ状（Ｌ字状）の金属ピンが接続されたタイプのクワッ
ドフラットパッケージ（ＱＦＰ）、パッケージの４つ側
面に電極パッドを備えリードピンがないリードレスチッ
プキャリア（ＬＣＣ）、さらに絶縁基板の下面に半田か
らなる球状端子を多数配置したボールグリッドアレイ
（ＢＧＡ）等があり、これらの中でもＢＧＡが最も高密
度化が可能であると言われている。

【０００６】このボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）で
は、接続パッドに半田などのロウ材からなる球状端子を
ロウ付けした端子により構成し、この球状端子を外部電
気回路基板の配線導体上に載置当接させ、しかる後、約
２５０〜４００℃の温度で加熱して前記端子を溶融して
配線導体に接合させることによって外部電気回路基板上
に実装される。

【０００７】また、半導体素子収納用パッケージにおけ
る絶縁基板としては、従来よりアルミナやムライトが用
いられているが、最近では低温焼成化および低誘電率化
を目的として、絶縁基板をガラス−セラミックスなどの
焼結体により構成することが提案されている。

【０００８】例えば、特開昭６３−１１７９２９号公報
においては、ＺｎＯ−Ａｌ₂ Ｏ₃ −ＳｉＯ₂ でアルカリ
金属を含まないガラスセラミック体が提案されており、
かかる公報によれば、化学組成と熱処理条件の制御によ
って珪酸亜鉛の他にコーディライトまたは亜鉛尖小石の
結晶を生成させて線熱膨張係数を制御した基板が提案さ
れている。

【０００９】

【発明が解決しようとする問題点】これらのパッケージ
における絶縁基板として従来より使用されているアルミ
ナ、ムライトなどのセラミックスは、２００ＭＰａ以上
の高強度を有し、しかもメタライズ配線層との多層化に
おいて信頼性が高いことで有用ではあるが、その線熱膨
張係数は約４〜７ｐｐｍ／℃程度であるのに対して、パ
ッケージが実装される外部電気回路基板として最も多用
されているガラス−エポキシ絶縁体などからなるプリン
ト基板の線熱膨張係数は１２〜１８ｐｐｍ／℃と非常に
大きい。

【００１０】そのため、半導体素子収納用パッケージや
配線基板をプリント基板などの外部電気回路基板に実装
した場合、半導体素子の作動時に発する熱が絶縁基板と
外部電気回路基板の両方に繰り返し印加されると前記絶
縁基板と外部電気回路基板との間に両者の線熱膨張係数
の相違に起因する大きな熱応力が発生する。この熱応力
は、パッケージにおける端子数がおよそ３００以下の比
較的少ない場合には、大きな影響はないが、端子数が３
００を超え、パッケージそのものが大型化するに従いそ
の影響が増大する傾向にある。その結果、熱応力が絶縁
基板下面の接続パッドの外周部、及び外部電気回路基板
の配線導体と端子との接合界面に作用し、接続パッドが
絶縁基板より剥離したり、端子が配線導体より剥離し、
パッケージの接続端子を外部電極回路の配線導体に長期
にわたり安定に電気的接続できないという欠点を有して
いた。

【００１１】また、特開昭６３−１１７９２９号公報に
おけるガラスセラミック体を利用した集積回路パッケー
ジ基板では高い線熱膨張係数の基板が得られると報告さ
れているものの、公報に記載されているように同一の組
成でもわずかな熱処理条件の相違により析出結晶相が変
化し線熱膨張係数を安定して制御することが難しく、し
かも高価な結晶性ガラスを使用するため、パッケージを
安価に製造することができないものである。また、配線
基板や半導体素子収納用パッケージでは、より安価に作
製するために、メタライズ配線層と同時に焼成すること
が望まれる。

【００１２】従って、本発明は、ガラス−エポキシ樹脂
等を絶縁体とする外部電気回路に対して、強固に且つ長
期にわたり安定した接続状態を維持できる高信頼性の配
線基板、半導体素子収納用パッケージならびにその実装
構造を提供することを目的とするものである。

【００１３】さらに、メタライズ配線層との同時焼成を
可能とし、バインダーの効率的な除去を行うことができ
る高品質で且つ安価な配線基板および半導体素子収納用
パッケージを提供することを目的とするものである。

【００１４】

【問題点を解決するための手段】本発明によれば、絶縁
基板の表面あるいは内部にメタライズ配線層が配設され
た配線基板ならびに半導体素子が収納されたパッケージ
における絶縁基板を、４０℃〜４００℃における線熱膨
張係数が６〜１８ｐｐｍ／℃、屈伏点が４００℃〜８０
０℃であり、かつＰｂを含有しない結晶性ガラスを２０
〜８０体積％と、４０℃〜４００℃における線熱膨張係
数が６ｐｐｍ／℃以上のフィラーを８０〜２０体積％の
割合で含む成形体を焼成した４０℃〜４００℃における
線熱膨張係数が８〜１８ｐｐｍ／℃の焼結体により構成
することを特徴とする。

【００１５】また、本発明によれば、少なくとも有機樹
脂を含む絶縁体の表面に配線導体が被着形成された外部
電気回路基板上に、絶縁基板として上記の焼結体を有す
る半導体素子収納用パッケージを接続端子を介して回路
基板の配線導体にロウ付け接合し実装されるものであ
る。

【００１６】

【作用】本発明によれば、配線基板や、半導体素子収納
用パッケージの絶縁基板として、４０℃〜２００℃にお
ける線熱膨張係数が６〜１８ｐｐｍ／℃の結晶性ガラス
と、６ｐｐｍ／℃以上のフィラーとの混合物を成形焼成
してなるガラス−セラミック焼結体を用いることによ
り、焼結体の線熱膨張係数を８〜１８ｐｐｍ／℃の範囲
で容易に制御することができるともに、再現よく製造す
ることができる。

【００１７】また、上記結晶性ガラスとして屈伏点を４
００℃〜８００℃のガラスを用いることにより、成形時
に添加された有機樹脂等の成形用バインダーを効率的に
除去するとともに、絶縁基体と同時に焼成されるメタラ
イズとの焼成条件のマッチングを図ることできる。ま
た、結晶性ガラスとして、Ｐｂを実質的に含まないガラ
スを用いることにより、Ｐｂによる被毒防止のための格
別な装置や管理を必要とせず、安全に且つ安価に焼結体
を作製することができる。

【００１８】このように、ガラス−エポキシ基板などの
プリント基板からなる外部電気回路に対して実装される
半導体素子収納用パッケージにおける絶縁基板として４
０〜４００℃の温度範囲における線熱膨張係数が８〜１
８ｐｐｍ／℃のセラミックスを用いることにより、絶縁
基板と外部電気回路基板との間に両者の線熱膨張係数の
差が小さくなり、その結果、絶縁基板と外部電気回路基
板の線熱膨張係数の相違に起因する熱応力によって端子
が外部電気回路の配線導体とが接続不良を起こすことが
なく、容器内部に収容する半導体素子と外部電気回路と
を長期間にわたり正確に、且つ強固に電気的接続させる
ことができる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明を一実施例を示す添付図面に基
づき詳細に説明する。図１乃至図３は本発明におけるＢ
ＧＡ型の半導体素子収納用パッケージとその実装構造の
一実施例を示し、Ａは半導体素子収納用パッケージ、Ｂ
は外部電気回路基板である。

【００２０】半導体素子収納用パッケージＡは、絶縁基
板１と蓋体２とメタライズ配線層３と接続端子４および
パッケージの内部に収納される半導体素子５により構成
され、絶縁基板１及び蓋体２は半導体素子５を内部に気
密に収容するための容器６を構成する。つまり、絶縁基
板１は上面中央部に半導体素子５が載置収容される凹部
１ａが設けてあり、凹部１ａ底面には半導体素子５はガ
ラス、樹脂等の接着剤を介して接着固定される。

【００２１】また、絶縁基板１には半導体素子５が載置
収容される凹部１ａの周辺から下面にかけて複数個のメ
タライズ配線層３が被着形成されており、更に絶縁基板
１の下面には図２に示すように多数の凹部１ｂが設けら
れており、凹部１ｂの底面にはメタライズ配線層３と電
気的に接続された接続パッド３ａが被着形成されてい
る。この接続パッド３ａの表面には半田（錫−鉛合金）
などのロウ材から成る突起状端子４が外部電気回路基板
への接続端子４として取着されている。この突起状端子
４の取付方法としては、球状もしくは柱状のロウ材を接
続パッド３ａに並べる方法と、スクリーン印刷法により
ロウ材を接続パッド上に印刷する方法がある。

【００２２】この接続パッド３ａに取着されている接続
端子４は絶縁基板１の下面に突出部４ａを有しており、
半導体素子５の各電極が接続されている接続パッド３ａ
を外部電気回路基板Ｂの配線導体８に接続させるととも
に半導体素子収納用パッケージＡを外部電気回路基板Ｂ
上に実装させる作用を為す。

【００２３】なお、接続パッド３ａと電気的に接続され
たメタライズ配線層３は、半導体素子５の各電極とボン
ディングワイヤ７を介して電気的に接続されることによ
り、半導体素子の電極は、接続パッド３ａと電気的に接
続されることになる。

【００２４】一方、外部電気回路基板Ｂは、絶縁体９と
配線導体８により構成されており、絶縁体９は、少なく
とも有機樹脂を含む材料からなるプリント基板からな
る。具体的には、ガラス−エポキシ系複合材料などのよ
うな４０〜４００℃における線熱膨張係数が１２〜１６
ｐｐｍ／℃の絶縁材料からなる。また、この回路基板Ｂ
の表面に形成される配線導体８は、絶縁体との線熱膨張
係数の整合性と、良電気伝導性の点で通常Ｃｕ、Ａｕ、
Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｂ−Ｓｎなどの金属導体からなる。

【００２５】半導体素子収納用パッケージＡを上記外部
電気回路基板Ｂに実装するには、パッケージＡの絶縁基
板１下面の接続パッド３ａに取着されている半田から成
る突起状端子４を外部電気回路基板Ｂの配線導体８上に
載置当接させ、しかる後、約２５０〜４００℃の温度で
加熱することにより、半田などのロウ材からなる突起状
端子４自体が溶融し、端子４を配線導体８に接合させる
ことによって外部電気回路基板Ｂ上に実装される。この
時、配線導体８の表面には端子４とのロウ材による接続
を容易に行うためにロウ材が被着形成されていることが
望ましい。

【００２６】また、他の例として、図３に示すように前
記接続端子として、接続パッド３ａに対して高融点材料
からなる球状端子１０を低融点ロウ材１１によりロウ付
けしたものが適用できる。この高融点材料は、ロウ付け
に使用される低融点ロウ材よりも高融点であることが必
要で、ロウ付け用ロウ材が例えばＰｂ４０重量％−Ｓｎ
６０重量％の低融点の半田からなる場合、球状端子は例
えばＰｂ９０重量％−Ｓｎ１０重量％の高融点半田や、
Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｆｅなどの金属
により構成される。

【００２７】かかる構成においてはパッケージＡの絶縁
基板１下面の接続パッド３ａに取着されている球状端子
１０を外部電気回路基板Ｂの配線導体８上に載置当接さ
せ、しかる後、球状端子１０を半田などのロウ材１２に
より配線導体８に接着させて外部電気回路基板Ｂ上に実
装することができる。また、低融点のロウ材としてＡｕ
−Ｓｎ合金を用いて接続端子を外部電気回路基板に接続
してもよく、さらに上記球状端子に代わりに柱状の端子
を用いてもよい。

【００２８】次に、図４にリードレスチップキャリア
（ＬＣＣ）型パッケージＣの外部電気回路基板Ｂへの実
装構造について説明する。なお、図４において、図１と
同一部材については同一の番号を付与した。図４におけ
るパッケージＣでは、半導体素子の電極と個々に接続さ
れたメタライズ配線層３が絶縁基板１の４つの側面に導
出され、側面に導出されたメタライズ層が接続端子４を
構成している。また、このパッケージＣによれば、電磁
波障害を防止するために、半導体素子５を収納する凹部
１ａにエポキシ樹脂等が充填され、また凹部は導電性樹
脂からなる蓋体１３により密閉されている。また、パッ
ケージＣの底面にはアースのための導電層１４が形成さ
れている。

【００２９】このパッケージＣの外部電気回路基板Ｂに
実装するには、パッケージＣの絶縁基板１側面の接続端
子４を外部電気回路基板Ｂの配線導体８上に載置当接さ
せてロウ材等により電気的に接続する。この時、接続端
子４や配線導体８の表面にはロウ材による接続を容易に
行うためでそれぞれロウ材が被着されていることが望ま
しい。

【００３０】本発明によれば、このような外部電気回路
基板Ｂの表面に実装される半導体素子収納用パッケージ
として、その絶縁基板１が４０〜４００℃の温度範囲に
おける線熱膨張係数が８〜１８ｐｐｍ／℃、特に９〜１
４ｐｐｍ／℃の焼結体からなることが重要である。これ
は、前述した外部電気回路基板Ｂとの熱膨張差により熱
応力の発生を緩和し、外部電気回路基板Ｂとパッケージ
Ａとの電気的接続状態を長期にわたり良好な状態に維持
するために重要であり、この線熱膨張係数が８ｐｐｍ／
℃より小さいか、あるいは１８ｐｐｍ／℃より大きい
と、いずれも熱膨張差に起因する熱応力が大きくなり、
外部電気回路基板ＢとパッケージＡとの電気的接続状態
が悪化することを防止することができない。

【００３１】なお、絶縁基板の熱膨張係数が８〜１８ｐ
ｐｍ／℃と大きくなるに伴い、Ｓｉを基板とする半導体
素子との熱膨張差が逆に大きくなってしまう。そのた
め、接着材としては、半導体素子が熱膨張差により剥離
しないように半導体素子の絶縁基板への接着材を適宜選
択することが必要である。望ましくは、その熱膨張差を
緩衝可能な可撓性の材料により接着することが望まし
く、例えば、エポキシ系、ポリイミド系などの有機系接
着材や、場合によってはこれにＡｇなどの金属を配合し
たものが好適に使用される。

【００３２】本発明によれば、このような高線熱膨張係
数を有する絶縁基板を構成する焼結体として、結晶性ガ
ラス２０〜８０体積％と、フィラー成分を８０〜２０体
積％含む成形体を焼成してなる焼結体により構成するも
のである。この結晶性ガラスとフィラー成分の量を上記
の範囲に限定したのは、結晶性ガラス成分量が２０体積
％より少ないと液相焼結することができずに高温で焼成
する必要があり、その場合、メタライズ同時焼成におい
てメタライズが溶融してしまう。また、８０体積％より
多いと焼結体の特性が結晶性ガラスの特性に大きく依存
してしまい、材料特性の制御が困難となるとともに、焼
結開始温度が低くなるためにバインダーが残存するとい
った問題が生じる。また、原料のコストも高くなる。

【００３３】また、結晶性ガラス中には、かつＰｂを含
有しないことも必要である。これは、Ｐｂが毒性を有す
るため、製造工程中での被毒を防止するための格別な装
置および管理を必要とするために焼結体を安価に製造す
ることができないためである。Ｐｂが不純物として不可
避的に混入する場合を考慮すると、Ｐｂ量は０．０５重
量％以下であることが望ましい。

【００３４】さらに、結晶性ガラスの屈伏点は４００℃
〜８００℃、特に４００〜６５０℃であることも必要で
ある。これは、結晶性ガラスおよびフィラーからなる混
合物を成形する場合、有機樹脂等の成形用バインダーを
添加するが、このバインダーを効率的に除去するととも
に、絶縁基体と同時に焼成されるメタライズとの焼成条
件のマッチングを図るために必要であり、屈伏点が４０
０℃より低いと結晶性ガラスが低い温度で焼結が開始さ
れるために、例えばＡｇ、Ｃｕ等の焼結開始温度が６０
０〜８００℃のメタライズとの同時焼成ができず、また
成形体の緻密化が低温で開始するためにバインダーは分
解揮散できなくなりバインダー成分が残留し特性に影響
を及ぼす結果になるためである。一方、屈伏点が８００
℃より高いと結晶性ガラス量を多くしないと焼結しにく
くなるため、高価な結晶性ガラスを大量に必要とするた
めに焼結体のコストを高めることになる。

【００３５】また、上記結晶性ガラスはその屈伏点に応
じ、フィラー量も適宜調整することが望ましい。即ち、
結晶性ガラスの屈伏点が４００℃〜６５０℃と低い場
合、低温での焼結性が高まるためフィラーの含有量は５
０〜８０体積％の比較的多く配合できる。これに対し
て、結晶性ガラスの屈伏点が６５０℃〜８００℃と低い
場合、焼結性が低下するためフィラーの含有量は２０〜
５０体積％の比較的少なく配合することが望ましい。

【００３６】本発明において用いられる結晶性ガラス
は、フィラー無添加では収縮開始温度は７００℃以下
で、８５０℃以上では溶融してしまい、メタライズ配線
層等を配設することができない。しかし、フィラーを２
０〜８０体積％の割合で混合することにより焼成温度に
おいて、結晶の析出とフィラー成分を液相焼結させるた
めの液相を形成させることができる。また、成形体全体
の収縮開始温度を上昇させることができるため、このフ
ィラーの含有量の調整により用いるメタライズの種類に
よりメタライズ配線層との同時焼成条件のマッチングを
図ることができる。また、原料コストを下げるためには
高価な結晶性ガラスの含有量を減少させることが好まし
い。

【００３７】例えば、メタライズ配線層として、Ｃｕ、
Ａｇ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕのうちの１種以上により構成す
る場合、これらのメタライズの焼成は６００〜１０００
℃で生じるため、同時焼成を行うには、結晶性ガラスの
屈伏点は４００℃〜６５０℃であり、フィラーの含有量
は５０〜８０体積％であるのが好ましい。また、このよ
うに高価な結晶性ガラスの配合量を低減することにより
焼結体のコストも低減できる。

【００３８】また、結晶性ガラスの４０℃〜４００℃に
おける線熱膨張係数が６〜１８ｐｐｍ／℃、特に、７〜
１３ｐｐｍ／℃であることも必要である。これは、線熱
膨張係数が上記範囲を逸脱するとフィラーとの熱膨張差
が生じ、焼結体の強度の低下の原因になる。また、フィ
ラーの線熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃未満では、焼結体の
線熱膨張係数を８〜１８ｐｐｍ／℃にすることも困難と
なる。

【００３９】上記の特性を満足する結晶性ガラスとして
は、例えばＳｉＯ₂ −ＭｇＯ、ＳｉＯ₂ −Ａｌ₂ Ｏ₃ −
Ｎａ₂ Ｏ、ＳｉＯ₂ −ＭｇＯ−ＣａＯ、ＳｉＯ₂ −Ａｌ
₂ Ｏ₃ −Ｌｉ₂ Ｏ、ＳｉＯ₂ −ＭｇＯ−Ｌｉ₂ Ｏ、Ｓｉ
Ｏ₂ −ＺｎＯ−Ｌｉ₂ Ｏ、ＳｉＯ₂ −ＭｇＯ−ＢａＯ、
ＳｉＯ₂ −ＢａＯ−Ａｌ₂ Ｏ₃ −Ｂ₂ Ｏ₃ 、ＳｉＯ₂−
Ｎａ₂ Ｏ−Ｐ₂ Ｏ₅ −ＣａＯ、ＳｉＯ₂ −Ｎａ₂ Ｏ−Ａ
ｌ₂ Ｏ₃ −Ｐ₂ Ｏ₅ −ＺｎＯ、ＳｉＯ₂ −ＢａＯ−Ａｌ
₂ Ｏ₃ −ＭｇＯ−ＴｉＯ₂ −ＺｒＯ₂ 、ＳｉＯ₂ −Ａｌ
₂ Ｏ₃ −ＢａＯ−Ｎａ₂ Ｏ、ＳｉＯ₂ −Ｌｉ₂ Ｏ−Ａｌ
₂ Ｏ₃ −Ｋ₂ Ｏ−Ｐ₂ Ｏ₅ −ＺｎＯ、ＳｉＯ₂ −Ａｌ₂
Ｏ₃ −ＣａＯ−Ｂ₂ Ｏ₃ −Ｎａ₂ Ｏ等の組成物が挙げら
れる。

【００４０】この結晶性ガラスとフィラーとの混合物
は、適当な成形の有機樹脂バインダーを添加した後、所
望の成形手段、例えば、ドクターブレード、圧延法、金
型プレス等によりシート状に任意の形状に成形後、焼成
する。

【００４１】焼成にあたっては、まず、成形のために配
合したバインダー成分を除去する。バインダーの除去
は、１００〜７００℃の温度で水蒸気を含有する窒素雰
囲気中で行われる。この時、成形体の収縮開始温度は７
００〜８５０℃程度であることが望ましく、かかる収縮
開始温度がこれより低いとバインダーの除去が困難とな
るため、成形体中の結晶化ガラスの特性、特に屈伏点を
前述したように制御することが必要となる。

【００４２】焼成は、８５０℃〜１３００℃の酸化性雰
囲気中で行われ、これにより相対密度９０％以上まで緻
密化される。この時の焼成温度が８５０℃より低いと緻
密化することができず、１３００℃を越えるとメタライ
ズ配線層との同時焼成でメタライズ層が溶融してしま
う。

【００４３】このようにして作製されたガラスセラミッ
ク焼結体中には、フィラー成分以外に結晶性ガラスから
生成した結晶相、結晶性ガラスとフィラーとの反応によ
り生成した結晶相が存在し、これらの結晶相の粒界には
ガラス相が存在する。析出する結晶相としては、焼結体
全体の線熱膨張係数を高める上で、４０〜４００℃にお
ける線熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上の結晶相が析出す
ることが望ましい。

【００４４】このような線熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以
上の結晶相としては、クリストバライト（ＳｉＯ₂ ）、
クォーツ（ＳｉＯ₂ ）、トリジマイト（ＳｉＯ₂ ）、フ
ォルステライト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ₂ ）、スピネル（Ｍ
ｇＯ・Ａｌ₂ Ｏ₃ ）、ウォラストナイト（ＣａＯ・Ｓｉ
Ｏ₂ ）、モンティセラナイト（ＣａＯ・ＭｇＯ・ＳｉＯ
₂ ）、ネフェリン（Ｎａ₂ Ｏ・Ａｌ₂ Ｏ₃ ・Ｓｉ
Ｏ₂ ）、リチウムシリケート（Ｌｉ₂ Ｏ・ＳｉＯ₂ ）、
ジオプサイド（ＣａＯ・ＭｇＯ・２ＳｉＯ₂ ）、メルビ
ナイト（３ＣａＯ・ＭｇＯ・２ＳｉＯ₂ ）、アケルマイ
ト（２ＣａＯ・ＭｇＯ・２ＳｉＯ₂ ）、マグネシア（Ｍ
ｇＯ）、アルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）、カーネギアイト（Ｎ
ａ₂ Ｏ・Ａｌ₂ Ｏ₃ ・２ＳｉＯ₂ ）、エンスタタイト
（ＭｇＯ・ＳｉＯ₂ ）、ホウ酸マグネシウム（２ＭｇＯ
・Ｂ₂ Ｏ₃ ）、セルシアン（ＢａＯ・Ａｌ₂ Ｏ₃ ・２Ｓ
ｉＯ₂ ）、Ｂ₂ Ｏ₃ ・２ＭｇＯ・２ＳｉＯ₂ 、ガーナイ
ト（ＺｎＯ・Ａｌ₂ Ｏ₃ ）、ペタライト（ＬｉＡｌＳｉ
₄ Ｏ₁₀）の群から選ばれる少なくとも１種以上が挙げら
れる。これらの中でも特に８ｐｐｍ／℃以上の結晶相が
良い。

【００４５】また、上記焼結体を絶縁基板として、Ｃ
ｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕのうちの１種以上からなる
メタライズ配線層を配設した配線基板やパッケージを製
造するには、絶縁基板を構成するための前述したような
結晶化ガラスとフィラーからなる原料粉末に適当な有機
バインダー、可塑剤、溶剤を添加混合して泥漿物を作る
とともに該泥漿物をドクターブレード法やカレンダーロ
ール法を採用することによってグリーンシート（生シー
ト）と作製する。そして、メタライズ配線層３及び接続
パッドとして、適当な金属粉末に有機バインダー、可塑
剤、溶剤を添加混合して得た金属ペーストを前記グリー
ンシートに周知のスクリーン印刷法により所定パターン
に印刷塗布する。また、場合によっては、前記グリーン
シートに適当な打ち抜き加工してスルーホールを形成
し、このホール内にもメタライズペーストを充填する。
そしてこれらのグリーンシートを複数枚積層し、グリー
ンシートとメタライズとを同時焼成することにより多層
構造のパッケージを得ることができる。

【００４６】以下、本発明をさらに具体的な例で説明す
る。

【００４７】実施例１ 結晶性ガラスとして、重量比率で７４％ＳｉＯ₂ −１４
％Ｌｉ₂ Ｏ−４％Ａｌ₂ Ｏ₃ −２％Ｐ₂ Ｏ₅ −２％Ｋ₂
Ｏ−２％ＺｎＯ−２％Ｎａ₂ Ｏ（Ｐｂ含有量５０ｐｐｍ
以下、屈伏点４８０℃）のガラスと、フィラー成分とし
て、クォーツ（ＳｉＯ₂ 、線熱膨張係数１５ｐｐｍ／
℃）、ガーナイト（ＺｎＯ・Ａｌ₂ Ｏ₃ 、線熱膨張係数
１０ｐｐｍ／℃）、ペタライト（ＬｉＡｌＳｉ₄ Ｏ₁₀、
線熱膨張係数８ｐｐｍ／℃）、フォルステライト（２Ｍ
ｇＯ・ＳｉＯ₂ 、線熱膨張係数１０ｐｐｍ／℃）、クリ
ストバライト（ＳｉＯ₂ 、線熱膨張係数２０ｐｐｍ／
℃）、ウォラストナイト（ＣａＯ・ＳｉＯ₂ 、線熱膨張
係数９ｐｐｍ／℃）、エンスタタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ
₂ 、線熱膨張係数９ｐｐｍ／℃）を表１に示す調合組成
になるように秤量混合した。この混合物を粉砕後、有機
バインダーを添加して十分に混合した後、１軸プレス法
により３．５×３．５×１５ｍｍの形状の成形体を作製
し、この成形体を７００℃のＮ₂ ＋Ｈ₂ Ｏ中で脱バイン
ダ処理した後、大気の雰囲気中で８５０〜１３００℃で
焼成して焼結体を作製した。

【００４８】次に、上記のようにして得られた焼結体に
対して４０〜４００℃の線熱膨張係数を測定し表１に示
した。また、焼結体を直径６０ｍｍ、厚さ２ｍｍに加工
し、ＪＩＳＣ２１４１の手法で比誘電率と誘電損失を求
めた。測定はＬＣＲメータ（Ｙ．Ｈ．Ｐ４２８４Ａ）を
用いて行い、１ＭＨｚ，１．０Ｖｒｓｍの条件で２５℃
における静電容量を測定し、この静電容量から２５℃に
おける比誘電率を測定した。また、脱バインダー処理後
における残留炭素の有無を確認した。

【００４９】（実装時の熱サイクル試験）次に、表１に
おける各原料組成物を用いて、溶媒としてトルエンとイ
ソプロピルアルコール、バインダーとしてアクリル樹
脂、可塑剤としてＤＢＰ（ジブチルフタレート）を用い
てドクターブレード法により厚み５００μｍのグリーン
シートを作製した。

【００５０】このグリーンシートの表面にＣｕメタライ
ズペーストをスクリーン印刷法に基づきメタライズ配線
層を塗布した。また、グリーンシートの所定箇所にスル
ーホールを形成しスルーホール内が最終的に基板の下面
に露出するように形成し、そのスルーホール内にもＣｕ
メタライズペーストを充填した。そして、メタライズペ
ーストが塗布されたグリーンシートをスルーホールの位
置合わせを行いながら６枚積層し圧着した。

【００５１】この積層体を７００℃でＮ₂ ＋Ｈ₂ Ｏ中で
脱バインダ後、各焼成温度で窒素雰囲気中でメタライズ
配線層と絶縁基板とを同時に焼成しパッケージ用の配線
基板を作製した。

【００５２】次に、配線基板の下面にスルーホールに接
続する箇所に凹部を形成しＣｕメタライズからなる接続
パッドを作製した。そして、その接続パッドに図１に示
すように半田（錫３０〜１０％−鉛７０〜９０％）から
なる接続端子を取着した。なお、接続端子は、１ｃｍ²
当たり３０端子の密度で配線基板の下面全体に形成し
た。

【００５３】一方、ガラス−エポキシ基板からなる４０
〜８００℃における線熱膨張係数が１３ｐｐｍ／℃の絶
縁体の表面に銅箔からなる配線導体が形成されたプリン
ト基板を準備した。

【００５４】そして、上記のパッケージ用配線基板をプ
リント基板の上の配線導体とパッケージ用絶縁基板の接
続端子が接続されるように位置合わせし、これをＮ₂ の
雰囲気中で２６０℃で３分間熱処理しパッケージ用配線
基板をプリント基板表面に実装した。この熱処理により
パッケージ用配線基板の半田からなる接続端子が溶けて
プリント基板の配線導体と電気的に接続されたことを確
認した。

【００５５】次に、上記のようにしてパッケージ用配線
基板をプリント基板表面に実装したものを大気の雰囲気
にて−４０℃と１２５℃の各温度に制御した恒温槽に試
験サンプルを１５分／１５分の保持を１サイクルとして
最高１０００サイクル繰り返した。そして、各サイクル
毎にプリント基板の配線導体とパッケージ用配線基板と
の電気抵抗を測定し電気抵抗に変化が現れるまでのサイ
クル数を表１に示した。また、同時焼成によるＣｕメタ
ライズ層に対して、メタライズ層の剥離、溶融、焼結不
良についての評価を行った。

【００５６】

【表１】

【００５７】表１より明らかなように、フィラーの含有
量が２０体積％より少ない試料Ｎo.１、２では、いずれ
も焼結開始温度が低くなり脱バイ不良が生じ、８０体積
％を越える試料Ｎo.６では、メタライズ層が溶融した。

【００５８】これに対してフィラー量が２０〜８０体積
％の本発明品は、脱バイ不良の発生がなく、Ｃｕメタラ
イズの同時焼成も良好であった。また、線熱膨張係数が
８〜１８ｐｐｍ／℃のガラスセラミックを絶縁基板とし
て作製したパッケージ用配線基板では昇降温１０００サ
イクル後もプリント基板の配線導体とパッケージ用配線
基板との間に電気抵抗変化は全く見られず、極めて安定
で良好な電気的接続状態を維持できた。

【００５９】実施例２ 結晶性ガラスとして、屈伏点および４０〜４００℃にお
ける線熱膨張係数が表２に示すような特性を有する組成
のガラスを準備し、これにフィラーとしてフォルステラ
イト、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、クォーツ、クリストバライトを用い
て表２に示す割合で添加し、この混合物を粉砕後、有機
バインダーを添加して十分に混合した後、１軸プレス法
により３．５×３．５×１５ｍｍの形状の成形体を作製
し、この成形体を大気の雰囲気中で８００〜１２００℃
で焼成して焼結体を作製した。そして得られた焼結体に
対して、実施例１と同様な方法で、焼結体中の結晶相、
４０〜４００℃の線熱膨張係数、比誘電率、実装時の熱
サイクル試験を行い、さらに、７００℃における脱バイ
ンダー処理における残留炭素の有無、および同時焼成に
よるＣｕメタライズの配線層について観察した。その結
果を表３に示した。

【００６０】

【表２】

【００６１】

【表３】

【００６２】表２、表３の結果から明らかなように、屈
伏点が４００℃より低い試料Ｎo.２５では脱バイ不良を
生じ、しかも基板からのメタライズ層の剥がれが観察さ
れた。屈伏点が８００℃を越える試料Ｎo.２６では焼成
温度を高めないと焼結することができず、そのためにＣ
ｕのメタライズができなかった。また、結晶化ガラスの
線熱膨張係数が６〜１８ｐｐｍ／℃を逸脱する試料Ｎo.
１９、２７では、フィラーとの熱膨張差に起因すると思
われるクラックの発生が認められた。

【００６３】これに対して、屈伏点および線熱膨張係数
が特定の範囲を満足する本発明品では、いずれもバイン
ダーの除去をほぼ完全に行うことができ、緻密質な焼結
体を作製することができた。また、Ｃｕメタライズ層と
の同時焼成も可能であり強固な接着強度を示した。

【００６４】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の配線基板
および半導体素子収納用パッケージによれば、線熱膨張
係数が大きいプリント基板などの外部電気回路基板に実
装した場合に、両者の線熱膨張係数の差に起因する応力
発生を抑制し、パッケージと外部電気回路とを長期間に
わたり正確、かつ強固に電気的接続させることが可能と
なる。しかも、半導体回路素子の大型化による多ピン化
に十分対応できる信頼性の高いパッケージの実装構造を
実現できる。

【００６５】さらに、高コストの結晶性ガラスと低コス
トのフィラーとの組み合わせにより原料コストを下げ、
しかもメタライズとの同時焼成を可能とし、バインダー
の効率的な除去を行うことができるため、高品質で且つ
安価な配線基板および半導体素子収納用パッケージを提
供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＢＧＡ型の半導体素子収納用パッケー
ジの実装構造を説明するための断面図である。

【図２】図１の要部拡大断面図である。

【図３】接続端子の他の実施例における要部拡大断面図
である。

【図４】本発明のリードレスチップキャリア型のパッケ
ージの実装構造を説明するための断面図である。

【符号の説明】

１・・・絶縁基板 １ｂ・・凹部 ２・・・蓋体 ３・・・メタライズ配線層 ３ａ・・接続パッド ４・・・接続端子 ４ａ・・突出部 ５・・・半導体素子 ６・・・容器 ８・・・配線導体 ９・・・絶縁体 Ａ・・・ＢＧＡ型パッケージ Ｂ・・・外部電気回路基板 Ｃ・・・ＬＣＣ型パッケージ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 國松 廉可 鹿児島県国分市山下町１番４号 京セラ 株式会社総合研究所内 審査官 坂本 薫昭 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 23/15

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】絶縁基板の表面あるいは内部にメタライズ
   配線層が配設された配線基板において、前記絶縁基板
   が、４０℃〜４００℃における線熱膨張係数が６〜１８
   ｐｐｍ／℃、屈伏点が４００℃〜８００℃であり、かつ
   Ｐｂを含有しない結晶性ガラスを２０〜８０体積％と、
   ４０℃〜４００℃における線熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃
   以上のフィラーを８０〜２０体積％の割合で含む成形体
   を焼成した４０℃〜４００℃における線熱膨張係数が８
   〜１８ｐｐｍ／℃の焼結体からなることを特徴とする配
   線基板。
2. 【請求項２】接続端子が取着された絶縁基板と、蓋体と
   からなる容器内部に半導体素子が収納され、前記接続端
   子と前記半導体素子の電極とが前記絶縁基板の表面ある
   いは内部に配設されたメタライズ配線層により電気的に
   接続されてなる半導体素子収納用パッケージにおいて、
   前記絶縁基板が、４０℃〜４００℃における線熱膨張係
   数が６〜１８ｐｐｍ／℃、屈伏点が４００℃〜８００℃
   であり、かつＰｂを含有しない結晶性ガラスを２０〜８
   ０体積％と、４０℃〜４００℃における線熱膨張係数が
   ６ｐｐｍ／℃以上のフィラーを８０〜２０体積％の割合
   で含む成形体を焼成した４０℃〜４００℃における線熱
   膨張係数が８〜１８ｐｐｍ／℃の焼結体からなることを
   特徴とする半導体素子収納用パッケージ。
3. 【請求項３】少なくとも有機樹脂を含む絶縁体の表面に
   配線導体が被着形成された外部電気回路基板上に、請求
   項２記載の半導体素子収納用パッケージの前記接続端子
   を前記配線導体にロウ付け接合し実装してなることを特
   徴とする半導体素子収納用パッケージの実装構造。