JP3210844B2 - 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】

【発明の属する技術分野】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
から構成される。また、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
は前記絶縁基板下面の接続パッド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
に接続することにより実装される。

【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も要求されるためパッケージ
における接続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（ＰＧＡ）が最も一般的
であるが、最近ではパッケージの側面に導出されたメタ
ライズ配線層にＬ字状の金属部材がロウ付けされたクワ
ッドフラットパッケージ（ＱＦＰ）、図４に示されるよ
うにパッケージの４つの側面に電極パッドを備えたリー
ドピンのないリードレスチップキャリア（ＬＣＣ）、さ
らに図１に示されるような絶縁基板の下面に半田からな
る球状端子により構成したボールグリッドアレイ（ＢＧ
Ａ）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）は接
続端子を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、前記端子を約２５０〜４００℃の温度で加熱溶融
し、球状端子を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することが行われている。このよ
うな実装構造により、半導体素子収納用パッケージの内
部に収容されている半導体素子はその各電極がメタライ
ズ配線層及び接続端子を介して外部電気回路に電気的に
接続される。

【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、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 系ガラスを
用いた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
成させることで、熱膨張係数を制御できると報告してい
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】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などとの多層
化技術として信頼性の高いことで有用ではあるが、その
線熱膨張係数（以下、単に熱膨張係数という。）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−エポキシ絶縁体にＣｕ配線層が形成されたプリン
ト基板の熱膨張係数は１１〜１８ｐｐｍ／℃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の
内部に半導体集積回路素子を収容し、しかる後、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
集積回路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３００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。即ち、パッケージの作動および停止の繰
り返しにより熱応力が繰り返し印加されると、この熱応
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、その
結果、接続パッドが絶縁基板より剥離したり、端子が配
線導体より剥離したり、半導体素子収納用パッケージの
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
に電気的接続させることができないという欠点を有して
いた。

【００１１】そこで、絶縁基板や半導体収納用パッケー
ジにおける基板を高熱膨張係数の材料により構成するこ
とが考えられる。例えば、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熱膨張係数の基板が得られると報
告されている。しかし、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。

【００１２】また、ガラス−セラミック焼結体を高熱膨
張化させるには、高熱膨張のフィラー成分を析出させる
ことが望ましい。その中で、クリストバライト、クォー
ツ、フォルステライトは１０ｐｐｍ／℃以上の高い熱膨
張係数を有することから高熱膨張化するには好適なフィ
ラーである。しかし、これらの結晶相は、熱膨張特性に
おいて、クリストバライトでは２３０℃℃付近に、クォ
ーツでは５７０℃付近に熱膨張係数が急激に変化する屈
曲点が存在するため、この温度付近で使用する場合にお
いて熱膨張特性の変化により配線基板と、プリント基板
やメタライズ配線層との接続不良が発生することがあっ
た。また、フォルステライト単味では誘電率が高くなる
傾向にあった。

【００１３】従って、本発明は、配線基板や半導体素子
収納用パッケージをプリント基板等の外部電気回路基板
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。

【００１４】さらに、本発明は、Ｃｕ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およ
び比較的少ないガラス量でも低温での焼結を行うことの
できる低誘電率で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。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記問題
点に対して検討を重ねた結果、絶縁基板として、Ｌｉ₂
Ｏを５〜３０重量％含有するリチウム珪酸ガラスとフォ
ルステライトおよびクオーツを混合した場合、焼結過程
において熱膨張係数が１３ｐｐｍ／℃のリチウム珪酸結
晶を安定して析出させ、かつクリストバライトの生成を
抑制しＭｇＯを固溶したクオーツを析出させることか
ら、４００℃以下で急激な熱膨張係数の変化の少ない焼
結体を得られることを見いだした。かかる組成に対し
て、さらにフィラー成分として高熱膨張係数の化合物を
添加し、これを焼成することで、４００℃以下の温度域
において急激な熱膨張係数の変化の無い高熱膨張の焼結
体を作製できること、また、リチウム珪酸ガラスはホウ
珪酸ガラスに比較して屈伏点が比較的低く、その結果、
ガラスの添加量が少なくても低温焼成が可能であるこ
と、さらにはフィラー成分としてフォルステライト、ク
オーツの他に、ペタライト、ネフェリン、リチウムシリ
ケート、リチアから選ばれる少なくとも１種を添加する
と、リチウム珪酸の結晶化が促進され、低温での焼成が
可能となることを見出し、本発明に至った。

【００１６】即ち、本発明は、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配線基板における
絶縁基板、あるいは半導体素子収納用パッケージにおけ
る絶縁基板として、Ｌｉ₂ Ｏを５〜３０重量％含有し、
屈伏点が４００℃〜８００℃のリチウム珪酸ガラスを２
０〜８０体積％と、フィラー成分として、フォルステラ
イトとクオーツとを総量で２０〜８０体積％の割合で含
む成形体を焼成して得られる４０℃〜４００℃における
熱膨張係数が８〜１８ｐｐｍ／℃の焼結体を用いること
を特徴とするものである。

【００１７】さらに、フィラー成分として、上記の他に
ペタライト、ネフェリン、リチウムシリケート、リチア
から選ばれる１種を含むことを特徴とするものである。

【００１８】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
る上記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。

【００１９】

【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、Ｌｉ₂ Ｏを５〜３０重
量％含有し、屈伏点が４００℃〜８００℃のリチウム珪
酸ガラスを２０〜８０体積％と、必須成分としてフォル
ステライトとクオーツとを２０〜８０体積％の割合で含
む成形体を焼成することにより４０℃〜４００℃におけ
る熱膨張係数が８〜１８ｐｐｍ／℃の焼結体を容易再現
よく製造することができる。

【００２０】また、上記ガラスとして、Ｌｉ₂ Ｏを必須
の成分としてその含有量が５〜３０重量％のリチウム珪
酸ガラスを用いることにより、焼結後の焼結体中に高熱
膨張のリチウムシリケート（例えば、Ｌｉ₂ ＳｉＯ₃ ）
を析出することができ、しかも、屈伏点が比較的低く、
ガラスの添加量が少なくても低温焼成が可能であるため
に、Ｃｕからなるメタライズ配線層と同時に焼成するこ
とができる。

【００２１】また、フォルステライトとクオーツを混合
し、それらの比率を適宜制御することにより、ガラスセ
ラミック焼結体の熱膨張係数を８〜１８ｐｐｍ／℃の範
囲で任意に制御することができる。また、フィラーとし
てクォーツを添加した場合、クリストバライトが生成す
る場合があるが、本発明によれば、フォルステライトと
クォーツの組み合わせにより、クリストバライトの生成
を抑制することができる。しかも、焼結体中に析出する
クォーツ中にはＭｇＯが一部固溶しており、これにより
クォーツ自体が有する熱膨張係数の変極点がなくなる。
その結果、ガラスセラミック焼結体として、０〜８００
℃の使用温度条件下でも熱膨張係数の急激な変化のない
安定した熱膨張特性を有する焼結体を得ることができ
る。なお、フィラー成分がフォルステライトのみの場合
には、８ｐｐｍ／℃以上の熱膨張係数の焼結体が得られ
るが、誘電率が６を越えてしまう傾向にある。

【００２２】さらに、本発明によれば、フィラー成分と
して、上記のフォルステライトとクオーツの他にペタラ
イト、ネフェリン、リチウムシリケート、リチアから選
ばれる少なくとも１種を選択し添加することにより、リ
チウム珪酸の結晶化を促進する結果、１０００℃よりも
低い温度で焼成が可能となる。

【００２３】また、リチウム珪酸ガラスの屈伏点を４０
０℃〜８００℃とすることにより、ガラス含有量を低減
しフィラー量を増量することができ、また焼成収縮開始
温度を上昇することが可能である。それにより、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ができる。

【００２４】また、リチウム珪酸ガラスから析出するリ
チウム珪酸結晶相の熱膨張係数は１３ｐｐｍ／℃程度で
あるが、かかるガラスに少なくともフォルステライトと
クオーツを添加することによりさらに高熱膨張係数のク
オーツを安定に析出できる。またフィラーとしてさら
に、４０℃〜４００℃における熱膨張係数が６ｐｐｍ／
℃以上の金属酸化物を添加すれば、焼結体全体の熱膨張
係数を８〜１８ｐｐｍ／℃の範囲で容易に制御すること
ができる。

【００２５】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熱膨張係数が８〜１８
ｐｐｍ／℃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
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、
これによっても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
続させることが可能となる。

【００２６】また、パッケージの内部配線として使用さ
れるＣｕの熱膨張係数１８ｐｐｍ／℃に対しても近似の
熱膨張係数を有するため、メタライズ配線の基板への密
着性等の信頼性を高めることができる。

【００２７】

【発明の実施の形態】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。 （実装構造）図１及び図２は、本発明の一例を示す図で
あり、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、いわゆる配線基板を基礎的構造とするも
のであるが，図１及び図２は，その代表的な例として半
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
示すものであり、ＡはＢＧＡ型パッケージ、Ｂは外部電
気回路基板である。

【００２８】図１において、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。

【００２９】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。この接続端子４の
取付方法には、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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】一方、外部電気回路基板Ｂとしては、ガラ
ス−エポキシ樹脂の複合材料などの有機樹脂を含む材料
からなり、４０〜４００℃における熱膨張係数が１２〜
１６ｐｐｍ／℃の絶縁体９の表面に、配線導体として、
Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｂ−Ｓｎなどの金属からな
る配線導体８が被着形成された一般的なプリント基板で
ある。

【００３３】上記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、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接続
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されていることが望ま
しい。

【００３４】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。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。

【００３５】次に、図４をもとにリードレスチップキャ
リア（ＬＣＣ）型のパッケージ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。この図４において、前
記図１と同一部材には、同一の番号を付与した。図４に
おけるパッケージＣでは、メタライズ配線層３が絶縁基
板１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
では、例え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。

【００３６】このパッケージＣを外部電気回路基板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
行うために表面にロウ材が被着されていることが望まし
い。

【００３７】（基板材料）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熱膨張係数が８〜１８ｐｐｍ／℃、
特に９〜１４ｐｐｍ／℃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、この熱膨張係数が８
ｐｐｍ／℃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。

【００３８】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ため、半導
体素子を絶縁基板に接着する場合には、そのガラス、有
機系接着材などから適宜選択することが必要である。熱
膨張差による応力を緩衝するには可撓性の材料により構
成することが望ましく、例えば、エポキシ系、ポリイミ
ド系の有機系接着材や、この接着材にＡｇなどの金属を
添加したものが好適に使用される。

【００３９】本発明によれば、このような高熱膨張係数
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、言い換えればフィラー成分が８０体積％よ
り多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、結晶性ガラスが８０体
積％より多い、言い換えるとフィラー成分が２０体積％
より少な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配線導体と同時焼成
できないといった問題が生じる。また、原料のコストも
高くなる。

【００４０】また、結晶性ガラスとしては、Ｌｉ₂ Ｏを
５〜３０重量％、特に５〜２０重量％の割合で含有する
リチウム珪酸ガラスを用いることが重要であり、このよ
うなリチウム珪酸ガラスを用いることにより高熱膨張係
数を有するリチウム珪酸を析出させることができる。な
お、Ｌｉ₂ Ｏ中の含有量が５重量％より低いと、焼成時
にリチウム珪酸の結晶の生成量が少なくなり高熱膨張化
が達成できず、３０重量％より多いと誘電正接が１００
×１０^-4を越えるため、基板としての特性が劣化する。
また、このガラス中にはＰｂを実質的に含まないことが
望ましい。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。

【００４１】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。

【００４２】また、結晶性ガラスの４０℃〜４００℃に
おける熱膨張係数が６〜１８ｐｐｍ／℃、特に、７〜１
３ｐｐｍ／℃であることも必要である。これは、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
の熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃未満では、焼結体の熱膨張
係数を８〜１８ｐｐｍ／℃にすることも困難となる。

【００４３】上記の特性を満足する結晶性ガラスとして
は、例えば ＳｉＯ₂ −Ｌｉ₂ Ｏ−Ａｌ₂ Ｏ₃ 、 ＳｉＯ₂ −Ｌｉ₂ Ｏ−Ａｌ₂ Ｏ₃ −ＭｇＯ−ＴｉＯ₂ ＳｉＯ₂ −Ｌｉ₂ Ｏ−Ａｌ₂ Ｏ₃ −ＭｇＯ−Ｎａ₂ Ｏ−
Ｆ ＳｉＯ₂ −Ｌｉ₂ Ｏ−Ａｌ₂ Ｏ₃ −Ｋ₂ Ｏ−Ｎａ₂ Ｏ−
ＺｎＯ、 ＳｉＯ₂ −Ｌｉ₂ Ｏ−Ａｌ₂ Ｏ₃ −Ｋ₂ Ｏ−Ｐ₂ Ｏ₅ ＳｉＯ₂ −Ｌｉ₂ Ｏ−Ａｌ₂ Ｏ₃ −Ｋ₂ Ｏ−Ｐ₂ Ｏ₅ −
ＺｎＯ−Ｎａ₂ Ｏ ＳｉＯ₂ −Ｌｉ₂ Ｏ−ＭｇＯ、 ＳｉＯ₂ −Ｌｉ₂ Ｏ−ＺｎＯ、 等の組成物が挙げられ、このうち、ＳｉＯ₂ は本発明に
よれば、リチウム珪酸を形成するための必須の成分であ
り、ＳｉＯ₂ はガラス全量中、６０〜８５重量％の割合
で存在し、ＳｉＯ₂ とＬｉ₂ Ｏとの合量がガラス全量
中、６５〜９５重量％であることがリチウム珪酸結晶を
析出させる上で望ましい。なお、このリチウム珪酸ガラ
ス中には、Ｂ₂ Ｏ₃ は１重量％以下であることが望まし
い。

【００４４】一方、フィラー成分としては、フォルステ
ライトとクォーツを総量で２０〜８０体積％、特に４０
〜７０体積％の割合で配合し、さらにフォルステライト
とクォーツの重量比率が１：９〜９：１であることが望
ましい。これらのフィラーは単独では、フォルステライ
トが１０ｐｐｍ／℃、クォーツが１３〜１５ｐｐｍ／℃
の熱膨張係数を有することから、これらを適宜配合する
ことによりガラス−セラミック焼結体の熱膨張係数を制
御することができる。

【００４５】また、フィラー成分としては、熱膨張係数
の制御のために他のフィラー成分を混合することもでき
る。フィラーとしては、少なくとも４０〜４００℃にお
ける熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上の金属酸化物を用い
ることが望ましい。

【００４６】このような熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上
の結晶相としては、トリジマイト（ＳｉＯ₂ ）、スピネ
ル（ＭｇＯ・Ａｌ₂ Ｏ₃ ）、ウォラストナイト（ＣａＯ
・ＳｉＯ₂ ）、モンティセラナイト（ＣａＯ・ＭｇＯ・
ＳｉＯ₂ ）、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・Ａｌ₂Ｏ₃ ・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 ）およびペタライト（ＬｉＡｌ
Ｓｉ₄ Ｏ₁₀）の群から選ばれる少なくとも１種以上が挙
げられる。

【００４７】これらの中でもペタライト、ネフェリン、
リチウムシリケートおよびリチアは、前述したリチウム
珪酸ガラスからのリチウム珪酸の結晶相の析出を促進さ
せる作用をなすために、１０００℃より低い温度で焼成
することが可能となる。これらの添加成分は、０．５〜
１０体積％の添加により効果を発するが、その場合にお
いてもフィラー全量は２０〜８０体積％の範囲になるよ
うに調整することが必要である。

【００４８】上記の結晶性ガラスおよびフィラーとは、
結晶性ガラスの屈伏点に応じ、その量を適宜調整するこ
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５０〜８０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℃と高い場合、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。この結晶性ガラスの屈伏点は、メタライ
ズ配線層の焼成条件に合わせて制御することが望まし
い。

【００４９】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。

【００５０】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。

【００５１】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、７００℃前後の大気雰囲気中で行われるが、配線導
体としてＣｕを用いる場合には、水蒸気を含有する１０
０〜７００℃の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７００〜８５０℃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。

【００５２】焼成は、８５０℃〜１３００℃の酸化性雰
囲気中、配線層と同時焼成する場合には非酸化性雰囲気
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。但
し、配線導体としてＣｕを用いる場合には、８５０〜１
０５０℃の非酸化性雰囲気中で行われる。

【００５３】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、フィラーとして添加したフォルステラ
イト、クォーツ等のフィラー成分以外に、結晶性ガラス
からリチウムシリケート結晶相が析出し、クリストバラ
イトは析出しないことが重要である。その他、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も存在す
る場合がある。そして、これらの結晶相の粒界には、ガ
ラス相が存在する。

【００５４】また、上記ガラスセラミック焼結体を絶縁
基板として、Ｃｕ、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
により多層構造の配線基板やパッケージを得ることがで
きる。

【００５５】以下、本発明をさらに具体的な例で説明す
る。 実施例１ 結晶性ガラスとして、重量比率で７４％ＳｉＯ₂ −１
４％Ｌｉ₂ Ｏ−４％Ａｌ₂ Ｏ₃ −２％Ｐ₂ Ｏ₅ −２％Ｋ
₂ Ｏ−２％ＺｎＯ−２％Ｎａ₂ Ｏ（Ｐｂ含有量５０ｐｐ
ｍ以下、屈伏点４８０℃）、および重量比率で７８％
ＳｉＯ₂ −１０％Ｌｉ₂ Ｏ−４％Ａｌ₂ Ｏ₃ −２％Ｐ₂
Ｏ₅ −２％Ｋ₂ Ｏ−３％Ｋ₂ Ｏ−１％Ｎａ₂ Ｏ（Ｐｂ含
有量５０ｐｐｍ以下、屈伏点４８０℃）の２種のガラス
を準備し、さらに他のフィラー成分として、ペタライト
（ＬｉＡｌＳｉ₄ Ｏ₁₀、熱膨張係数８ｐｐｍ／℃）、ネ
フェリン（Ｎａ₂ Ｏ・Ａｌ₂ Ｏ₃ ・ＳｉＯ₂ 、熱膨張係
数９ｐｐｍ／℃）、リチウムシリケート（Ｌｉ₂ Ｏ・Ｓ
ｉＯ₂ 、熱膨張係数１３．０ｐｐｍ／℃）、リチア（Ｌ
ｉ₂ Ｏ）を用いて表１、２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、窒素雰囲気中で６５０〜１３００℃で焼成して焼結
体を作製した。

【００５６】（特性評価）次に、上記のようにして得ら
れた焼結体に対して４０〜４００℃の熱膨張係数を測定
し表１、２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．Ｐ
４２８４Ａ）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。

【００５７】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。

【００５８】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より配線パターンに塗
布し、シートの所定箇所に基板の下面まで通過するスル
ーホールを形成しその中にも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６枚積層圧着した。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。

【００５９】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。

【００６０】一方、ガラス−エポキシ基板からなる４０
〜８００℃における熱膨張係数が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。

【００６１】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。

【００６２】（実装時の熱サイクル試験）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、２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。

【００６３】

【表１】

【００６４】

【表２】

【００６５】表１、２より明らかなように、ガラスの含
有量が２０体積％より少ない試料Ｎo.１、２０では、い
ずれも緻密な焼結体を得ることができず、８０体積％を
越える試料Ｎo.４、１９、２３、３６では、メタライズ
層が溶融しＣｕと同時焼成できなかった。

【００６６】これに対してフィラー量が２０〜８０体積
％の本発明品は、誘電率が６以下であり、脱バインダー
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、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。

【００６７】また、Ｘ線回折測定による結晶相の同定を
行った結果、本発明の焼結体は、いずれも結晶相として
リチウムシリケート、フォルステライト、エンスタタイ
ト、クオーツおよびその他のフィラー成分による結晶相
が検出された。

【００６８】さらに、出発組成中のフィラーとしてクォ
ーツのみからなる試料Ｎo.７、８、２６、２７では、焼
結体中にクォーツとクリストバライトが析出しており、
これにより熱膨張係数に変極点が存在するものであっ
た。さらに、クォーツを全く添加しない試料Ｎo.５、
６、２４、２５は、１１ｐｐｍ／℃の熱膨張係数を有す
るものであったが、誘電率が６を越えるものであった。

【００６９】また、フィラー成分として、フォルステラ
イトとクオーツに加え、ペタライト、ネフェリン、リチ
ウムシリケート、リチアを添加した試料Ｎo.１２〜１
８、３１〜３５では、これらを添加しないその他の本発
明品よりも低い１０００未満の温度で焼成することがで
きた。

【００７０】実施例２ 結晶性ガラスとして、表３に示すように、Ｌｉ₂ Ｏ量が
異なるガラスに対して、フィラーとしてフォルステライ
ト、クオーツを１：１体積比としたものを用いて、ガラ
ス：フィラーが重量比で３０：７０となる割合で混合
し、これを実施例１と同様にして成形し、脱バインダー
処理し、表４に示す温度で焼成した。そして、上記のよ
うにして得られた焼結体に対して実施例１と同様にし
て、４０〜４００℃の熱膨張係数、比誘電率、誘電損失
および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。

【００７１】また、表３の組成物を用いて実施例１と同
様にＣｕをメタライズ配線層とする配線基板を作製し，
これをガラス−エポキシ基板に実装し、実装時の熱サイ
クル試験を行い、さらに同時焼成によるＣｕメタライズ
の配線層について観察した。結果は表３に示した。

【００７２】

【表３】

【００７３】

【表４】

【００７４】表３および表４の結果から明らかなよう
に、屈伏点が４００℃より低い試料Ｎo.４３ではＣｕと
の同時焼成ができなかった。屈伏点が８００℃を越える
試料Ｎo.４４では焼成温度を１２００℃まで高めないと
焼結することができず、そのためにＣｕのメタライズが
できなかった。また、結晶化ガラス中にＬｉ₂ Ｏを含ま
ない試料Ｎo.３７では熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃より低
く、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。また、Ｌｉ₂ Ｏの含有量が３０
重量％を越える試料Ｎo.４２では誘電損失が１００×１
０^-4より大きくなった。

【００７５】これに対して、Ｌｉ₂ Ｏ含有量が５〜３０
重量％であり、屈伏点が４００℃〜８００℃のガラスを
用いた試料Ｎo.３８〜４１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。

【００７６】なお、Ｘ線回折測定による結晶相の同定を
行った結果、Ｌｉ₂ Ｏが存在しない試料Ｎo.３１を除
き、いずれの試料においてもリチウム珪酸およびフォル
ステライト、クオーツ、エンスタタイト結晶相が検出さ
れた。

【００７７】

【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、使用温度
域で熱膨張係数の急激な変化がなく、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。

【００７８】さらに、Ｌｉ₂ Ｏを含む結晶性ガラスと特
定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】本発明におけるボールグリッドアレイ型の半導
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における接続端子の要部拡大断面図であ
る。

【図３】他の実施例における接続端子の要部拡大断面図
である。

【図４】本発明における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 東 昌彦 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 (72)発明者 古久保 洋二 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 23/14

Claims (5)

(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、Ｌｉ₂ Ｏを５〜３０重量％含有し、屈伏点が４００
   ℃〜８００℃のリチウム珪酸ガラスを２０〜８０体積％
   と、少なくともフォルステライトとクオーツを含むフィ
   ラー成分を総量で２０〜８０体積％の割合で含む成形体
   を焼成して得られた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】前記フィラー成分として、さらにペタライ
   ト、ネフェリン、リチウムシリケート、リチアから選ば
   れる少なくとも１種を含む請求項１記載の配線基板。
3. 【請求項３】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、Ｌｉ₂ Ｏを５〜３０重量％含有し、屈
   伏点が４００℃〜８００℃のリチウム珪酸ガラスを２０
   〜８０体積％と、フォルステライトとクオーツとを総量
   で２０〜８０体積％の割合で含む成形体を焼成して得ら
   れた４０℃〜４００℃における線熱膨張係数が８〜１８
   ｐｐｍ／℃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。
4. 【請求項４】前記フィラー成分として、さらにペタライ
   ト、ネフェリン、リチウムシリケート、リチアから選ば
   れる少なくとも１種を含む請求項３記載の半導体素子収
   納用パッケージ。
5. 【請求項５】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３または請求項４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。