JP3556377B2

JP3556377B2 - 配線基板

Info

Publication number: JP3556377B2
Application number: JP4252996A
Authority: JP
Inventors: 隆志奥ノ薗; 憲一合原
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1996-02-29
Filing date: 1996-02-29
Publication date: 2004-08-18
Anticipated expiration: 2016-02-29
Also published as: JPH09237947A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は混成集積回路装置等に使用される配線基板に関し、より詳細には内部にＷ、Ｍｏ等の高融点金属から成る配線導体を、外表面にＣｕから成る回路導体を有する配線基板の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体素子等の能動部品や抵抗体、コンデンサ等の受動部品を多数搭載し、所定の電子回路を構成するように成した混成集積回路装置は、通常、内部にＷ、Ｍｏ、Ｍｎ等の高融点金属から成る配線導体を埋設した絶縁基体の外表面にＣｕから成る回路導体をその一部が前記配線導体と接続するようにして被着させた構造の配線基板を準備し、該配線基板の表面に半導体素子やコンデンサ、抵抗体等を搭載取着するとともに、該半導体素子等の電極を前記回路導体に接続することによって形成されている。
【０００３】
かかる混成集積回路装置等に使用される配線基板は、一般にセラミックスの積層技術およびスクリーン印刷等の厚膜技術を採用することによって作製されており、具体的には以下のような手順で得られる。
【０００４】
先ず、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等の電気絶縁性に優れたセラミック原料粉末に有機バインダーと溶媒を添加混合して調製した泥漿から複数枚のセラミックグリーンシートを成形し、該セラミックグリーンシートの上下面にＷ、Ｍｏ、Ｍｎ等の高融点金属粉末から成る導電ペーストを従来周知のスクリーン印刷等の厚膜手法により所定パターンに印刷塗布する。
【０００５】
次に、前記セラミックグリーンシートを積層した後、これを約１５００℃の温度で焼成し、図２に示すように内部及び表面にＷ、Ｍｏ、Ｍｎ等の高融点金属から成る配線導体８を有する絶縁基体９を得る。
【０００６】
その後、前記絶縁基体９の外表面に、Ｃｕ粉末にガラス粉末及び有機バインダー、溶媒を添加混合して得た銅ペーストを従来周知のスクリーン印刷法によりその一部が前記配線導体８と接続するように直接塗布したり、あるいは該配線導体８の少なくとも一部にＣｕのメッキ層１０を設けてその表面に前記銅ペーストを塗布するとともに、これを中性雰囲気（窒素雰囲気）中、約８００℃の温度で焼成し、Ｃｕ粉末を絶縁基体９及び配線導体８上に焼き付け、銅（Ｃｕ）から成る回路導体１１を被着させることにより製品としての配線基板１２としていた（特開昭６３−１０７０８７号公報参照）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記配線基板の配線導体は、回路導体を形成するＣｕとの濡れ性（反応性）が悪いＷ、Ｍｏ等から成るため、該配線導体の一部に回路導体を被着形成させたとしても両者の密着性が悪く、その結果、前記配線導体と回路基板との間の電気的導通が満足すべきものでないという課題があった。
【０００８】
【発明の目的】
本発明は前記課題に鑑み成されたもので、その目的は、Ｗ、Ｍｏの少なくとも一種から成る配線導体と、Ｃｕから成る回路導体との密着性を大幅に向上させるとともに、両者間の電気的導通を良好なものとし、かつセラミックスから成る絶縁基体表面のＣｕから成る回路導体の接着強度を向上させた混成集積回路装置等に好適な配線基板を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の配線基板は、Ｗ、Ｍｏの少なくとも一種から成る配線導体を設けた絶縁基体の外表面に、Ｎｉ、Ｃｏの少なくとも一種と、Ｗ、Ｍｏの少なくとも一種、及びＢから成る合金を主成分とする中間金属層を介して接続した回路導体が、Ｃｕ１００重量部に対してガラス成分２．０〜８．０重量部を含有し、かつ前記中間金属層と接続するように形成した第一回路層と、Ｃｕ１００重量部に対してＣｕＯが０．５〜５．０重量部、Ｗが０．５〜２．０重量部、ガラス成分が１．０〜５．０重量部を含有し、かつ第一回路層と接続するように形成した第二回路層の二層構造となるように被着したもので、かつ回路導体を形成する第二回路層の一部は絶縁基体の外表面に直接被着されたものである。
【００１０】
更に、前記中間金属層は、Ｎｉ、Ｃｏの少なくとも一種の総量を１００重量部とした場合、Ｗ、Ｍｏの少なくとも一種の含有量が２．０〜５０．０重量部であり、かつＢの含有量が０．１〜３．０重量部であることがより望ましいものである。
【００１１】
【作用】
本発明の配線基板によれば、Ｗ、Ｍｏの少なくとも一種から成る配線導体に、Ｎｉ、Ｃｏの少なくとも一種と、Ｗ、Ｍｏの少なくとも一種、及びＢから成る合金を主成分とする中間金属層を介して接続した回路導体を、銅１００重量部に対してガラス成分２．０〜８．０重量部を含有し、かつ前記中間金属層と接続するように形成した第一回路層と、銅１００重量部に対してＣｕＯが０．５〜５．０重量部、Ｗが０．５〜２．０重量部、ガラス成分が１．０〜５．０重量部を含有し、かつ第一回路層と接続するように形成した第二回路層から成る二層構造とし、回路導体を構成する第二回路層の一部を絶縁基体の外表面にも直接被着したことから、中間金属層との接着強度が維持され、かつセラミックスとの接着強度の劣化を小さくすることも可能となる。
【００１２】
即ち、前記第一回路層を形成する銅導体は、ガラスによりセラミックスへのアンカー効果で接着するいわゆるガラスボンドタイプであり、銅ペースト中にはＣｕＯやＷを含有しないため、焼き付け時にガラスを還元して中間金属層表面を酸化したりせず、接着強度を損なうことがない。
【００１３】
一方、前記第二回路層を形成する銅導体は、セラミックスとＣｕ粉末との接合界面でＣｕ−Ａｌ−Ｏ化合物（アルミン酸銅）を形成して接着するケミカルボンドタイプ、あるいは前記ガラスボンドタイプとの中間のミックスボンドタイプであり、単に機械的アンカー効果のみで接着しているのではないため、熱応力が加わっても接着強度の劣化が小さくなる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の配線基板を図面に基づき詳細に説明する。
【００１５】
図１は本発明の配線基板を説明するための要部拡大断面図であり、１は内部に配線導体２を有する絶縁基体３の外表面に、中間金属層４を介して形成された第一回路層５と第二回路層６から成る二層構造の回路導体７を被着し、かつ回路導体７を構成する第二回路層６の一部が絶縁基体３に直接被着された配線基板である。
【００１６】
先ず、前記絶縁基体３は、例えばアルミナセラミックス等の電気絶縁材料から成り、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、シリカ（ＳｉＯ_２）、マグネシア（ＭｇＯ）、カルシア（ＣａＯ）等のセラミック原料粉末に有機バインダーと溶媒を添加混合して泥漿状となし、これをドクターブレード法等によりシート状に成形した後、該セラミックグリーンシートを複数枚積層し、還元性雰囲気中、約１５００℃の温度で焼成することによって製作される。
【００１７】
また、前記絶縁基体３には、その内部から表面に導出される配線導体２が設けてあり、該配線導体２はＷ、Ｍｏの少なくとも一種の粉末に有機バインダーと溶媒を添加混合して導体ペーストを調製し、該導体ペーストを前記セラミックグリーンシートの上下面にスクリーン印刷等により絶縁基体３の内部及び表面に所定のパターンで被着形成されている。
【００１８】
更に、前記配線導体２は、その露出外表面で後述する第一回路層５が被着される部分にＮｉ、Ｃｏの少なくとも一種と、Ｗ、Ｍｏの少なくとも一種、及びＢから成る合金を主成分とする中間金属層４が被着形成されており、該中間金属層４は配線導体２の露出外表面に電解メッキ法や無電解メッキ法等により被着形成される。
【００１９】
また前記中間金属層４は、これを構成する金属、即ちＮｉ、Ｃｏの少なくとも一種と、Ｗ、Ｍｏの少なくとも一種、及びＢから成る合金が配線導体２と第一回路層５の両方に濡れ性（反応性）が良く、配線導体２上に第一回路層５を被着させた場合、両者は完全に密着して両者間の電気的導通を極めて優れたものと成している。
【００２０】
かかる中間金属層４を構成する金属はＣｕと相互拡散し難い金属であり、そのため配線導体２上に中間金属層４を間に挟んで第一回路層５を被着させたとしても、第一回路層５のＣｕの一部が配線導体２に直接接触することは全く無く、これには中間金属層４表面に酸化膜が形成されるのを抑制し、中間金属層４と第一回路層５との密着性を良好とする作用をなす。
【００２１】
従って、中間金属層に含有されるＷ、Ｍｏの量は、２．０〜５０．０重量部が好ましく、更にＣｕの拡散の抑制並びに電気的導通を良好な状態に保ち、抵抗値の上昇を防ぐという点からは、その含有量は５．０〜２０．０重量部がより望ましい。
【００２２】
一方、中間金属層４に含有されるＢの量は、前記作用と中間金属層４の硬さや脆さに起因する温度サイクル等の熱応力によるクラックを防止して電気的導通を良い状態に保つという点からは０．１〜３．０重量部の範囲が望ましい。
【００２３】
また、中間金属層４の厚さは銅の拡散を防止し、配線導体２と第一回路層５との密着性を保つこと、及び内部応力による中間金属層４のクラックを防止するという点からは、０．１〜１０．０μｍの範囲が望ましい。
【００２４】
次に、前記配線導体２の外表面に被着された中間金属層４の表面には、Ｃｕから成る第一回路層５が被着され、更に該第一回路層５に接続するように第二回路層６が被着され、第二回路層６には半導体素子等の能動部品や抵抗体、コンデンサ等の受動部品の各電極が接続される。
【００２５】
前記第一回路層５はＣｕの粉末にガラスフリット及び有機バインダー、溶媒を添加混合して銅ペーストを調製し、該ペーストをその一部が配線導体２に被着させた中間金属層４と接続するようにして中間金属層４の外表面に印刷塗布した後、これを中性雰囲気中、約８００〜９００℃の温度で焼成することにより絶縁基体３の外表面に被着形成される。
【００２６】
その際、添加するガラスフリットは、例えばホウケイ酸鉛ガラスやホウケイ酸亜鉛ガラス等が好適であり、その添加量は後述するようにＣｕ１００重量部に対して２．０〜８．０重量部となり、絶縁基体３への密着強度並びに第一回路層５の銅導体と第二回路層６との電気的導通を良好に保つという点からは３．０〜６．０重量部が最も好適である。
【００２７】
尚、前記第一回路層５は中間金属層４と相互拡散により接着を強固なものとする他、含有するガラスが中間金属層４に入り込みアンカー効果として接着強度を高める効果があり、ケミカルボンドさせるため、Ｎｉとの濡れ性（反応性）の悪いＷやＣｕＯを多量に添加する必要は全く無く、ガラス成分も微量であることから、第一回路層５は配線導体２に広い密着面積で密着性良く被着させることができ、その結果、配線導体２と回路導体７との間の電気的導通を極めて良好なものとすることができる。
【００２８】
前記第一回路層５に含有されるガラス成分としては、例えばＰｂＯ、Ｂ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、ＣａＯ、ＺｎＯ等から成るガラスが好適に使用される。
【００２９】
また、前記第一回路層５に含有されるガラス成分の量が２．０重量部未満であるとガラスによるアンカー効果が低下し、第一回路層５の中間金属層４への接着強度が低下することになり、該第一回路層上に後述する第二回路層６を被着した後、半導体素子や抵抗体等をはんだを介して取着する際等に、外力が加わると絶縁基体３より極めて容易に剥がれてしまう。
【００３０】
一方、前記ガラス成分の含有量が８．０重量部を越えると、中間金属層４と第一回路層５との間にガラスが偏析し、両者間の電気的導通を阻害してしまう。
【００３１】
従って、前記ガラス成分の含有量は、２．０〜８．０重量部に特定され、前述のように密着強度及び電気的導通の点からは３．０〜６．０重量部がより望ましい。
【００３２】
次に、第二回路層６は、Ｃｕの粉末にＣｕＯを０．５〜５．０重量部、Ｗを０．５〜２．０重量部、ガラス成分を１．０〜５．０重量部添加し、それに有機バインダーと溶媒を添加混合して銅ペーストを調製し、該銅ペーストを用いてその一部が前記第一回路層５と接続するようにして絶縁基体３の外表面に印刷塗布した後、中性雰囲気中、約８００〜９００℃の温度で焼成することにより絶縁基体３の外表面に被着される。
【００３３】
この時、第二回路層６は前述したケミカルボンド、即ちガラスを介して絶縁基体３に被着されるが添加したＣｕＯが絶縁基体３と第二回路層６の銅導体間においてアルミン酸銅を形成し、化学的な結合により絶縁基体３に強固に接着されるものである。
【００３４】
また、Ｗは第二回路層６の表面における過剰のＣｕＯを還元して金属銅とし、はんだ濡れ性を向上させる作用をなす。
【００３５】
その結果、第一回路層５及び第二回路層６は、ともに銅を主成分とする導体であるから両者の接続部における電気的導通には何ら支障を来さず、極めて良好なものとなる。
【００３６】
尚、前記第二回路層６に含有されるガラス成分としては、例えばＰｂＯ、Ｂ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、ＣａＯ、ＺｎＯ等から成るガラスが好適に使用される。
【００３７】
また、前記第二回路層６は含有するガラス成分が１．０重量部未満では半導体素子や抵抗体をはんだを介して取着する際等に外力が印加されると絶縁基体より極めて容易に剥がれてしまい、逆に５．０重量部を越えると第二回路層のはんだ濡れ性が劣化し、回路導体７に半導体素子や抵抗体の電極端子をはんだを介して接合する際、その接合強度は極めて弱いものとなる。
【００３８】
従って、第二回路層６は含有するガラス成分の量が１．０〜５．０重量部としたものに適用し得るが、はんだ付け後の強度に影響する膜緻密性並びにアルミン酸銅の形成を促すという点からは、２．０〜４．０重量部がより望ましい。
【００３９】
一方、ＣｕＯの含有量が０．５重量部未満では、絶縁基体３と第二回路層６の銅導体間においてアルミン酸銅の形成が不十分となり、半導体素子や抵抗体をはんだを介して取着する際等に加わる外力により絶縁基体３より極めて容易に剥がれてしまい、５．０重量部を越えると、第二回路層６の導体表面にＣｕＯが偏析してはんだ濡れ性が劣化することから、ＣｕＯの含有量は０．５〜５．０重量部に特定され、ＣｕＯの還元残りの防止及びアルミン酸銅の均一な形成という点からは１．０〜３．０重量部がより望ましい。
【００４０】
更に、Ｗの含有量が０．５重量部未満の場合、第二回路層６の導体表面に偏析したＣｕＯを還元することができず、第二回路層６のはんだ濡れ性が劣化してしまい、その含有量が２．０重量部を越えるとＷそのものがはんだに濡れないため、第二回路層６に前記各電極端子をはんだを介して接合する際、その接合強度は極めて弱いものとなる。
【００４１】
従って、前記含有量は０．５〜２．０重量部、特にＣｕＯの還元残りの防止、あるいはＷの析出防止という点からは１．０〜１．５重量部が良好である。
【００４２】
また、前記絶縁基体３の外表面に被着させた第一回路層５及び第二回路層６は、その外表面にＮｉ、Ｆｅ、Ｍｎの少なくとも一種を主成分とする被覆層を０．２〜１２．０μｍの厚さに層着させておくと、該被覆層が第一回路層５及び第二回路層６に半導体素子やコンデンサ等の電極端子をはんだを介して接合させる際、第一回路層５及び第二回路層６とはんだとの濡れ性を改善し、第一回路層５及び第二回路層６に半導体素子やコンデンサ等の電極端子をより強固に接合させることができる。
【００４３】
更に、前記被覆層の外表面に金（Ａｕ）から成る層を０．１〜５．０μｍの厚さに層着させておくと、被覆層の酸化腐食を有効に防止するとともに前記各電極端子を第一回路層５及び第二回路層６により強固に接合させることができる。
【００４４】
かくして得られた配線基板は、その表面に半導体素子や抵抗体、コンデンサ等が載置され、該半導体素子等を回路導体にはんだを介して接合させることにより混成集積回路装置となる。
【００４５】
【実施例】
以下、本発明の配線基板を実験例に基づき説明する。
【００４６】
先ず、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とするセラミックグリーンシートの上面にＷ、Ｍｏの粉末から成る導体ペーストを印刷塗布し、巾１．０ｍｍ、長さ１０．０ｍｍのパターンを一対とし、その先端の間隔を５．０ｍｍとして２０対被着させた後、これを還元性雰囲気中、約１５００℃の温度で焼成し、アルミナ質焼結体から成る絶縁基体に表１に示す材質から成る配線導体を形成する。
【００４７】
次に、前記配線導体の表面に表１に示す組成と厚さの中間金属層を電解メッキ法もしくは無電解メッキ法により被着させた後、前記一対の配線導体間に表２に示す第一回路層に該当する成分を有するＣｕペーストを厚さ約３０μｍに印刷するとともに、これを中性雰囲気中、約８００〜９００℃の温度で焼成して回路導体を構成する第一回路層を形成する。
【００４８】
尚、Ｃｕペーストの配線導体への被覆は、配線導体の先端１．０ｍｍ先までＣｕペーストが覆うようにした。
【００４９】
更に、前記第一回路層に接続するように、該第一回路層上面に表２に示す第二回路層に該当する成分を有するＣｕペーストを厚さ約３０μｍに印刷するとともに、これを中性雰囲気中、約９００℃の温度で焼成して第二回路層を被着形成し、評価用の配線基板を作製した。
【００５０】
また、前記配線導体の表面に中間金属層を設けずにＮｉもしくはＣｏの層を被着させたものを比較例とした。
【００５１】
【表１】

【００５２】
【表２】

【００５３】
かくして得られた評価用の配線基板を用いて、前記一対の配線導体間の初期電気抵抗値を測定するとともに、−６５℃〜＋１５０℃の温度サイクルテストを１００サイクル実施した後の電気抵抗値を測定し、その変化率（増加率）を求めるとともに平均値を算出し、平均増加率の大きさを配線導体と回路導体の電気的導通の評価とした。
【００５４】
また、前記評価用の配線基板の断面を切り出し、第一回路層と中間金属層との接合性を顕微鏡で目視検査し、剥離の有無により密着性を評価した。
【００５５】
一方、第二回路層の接着強度の評価は、先ず、回路導体パターンの寸法を巾２ｍｍ、長さ２ｍｍにして前記評価用配線基板と同様に作製した試料を用い、該試料をフラックス中に浸漬した後、２３５℃に保った６０Ｓｎ−２Ａｇのはんだ槽中に５秒間浸漬して予備はんだ付けを行った後、直径が０．８ｍｍのＳｎメッキ軟銅線を２９０℃のはんだゴテで前記巾２ｍｍ、長さ２ｍｍのパターン（２ｍｍＳＱ）にはんだ付けし、イソプロピルアルコールでフラックスを除去した後、乾燥して評価用の試料を作製した。
【００５６】
かくして得られた試料を１２５℃の高温放置試験及び−４０℃と＋１２５℃の温度にそれぞれ３０分間保持して繰り返すサイクルテストを実施し、高温放置試験では１０００時間、サイクルテストでは１０００サイクルでの強度変化を前記Ｓｎメッキ軟銅線を基板から引き剥がす時の全荷重で評価した。
【００５７】
【表３】

【００５８】
表３の結果から明らかなように、本発明の請求範囲外の試料番号１、１０、１３、２１、２７、３０、３８、４４は抵抗変化率が１４．８％以上であり、第二回路層の接着強度も高温放置試験では０．７０ｋｇｆ／２ｍｍＳＱ以下と低く、サイクルテストでも０．６０ｋｇｆ／２ｍｍＳＱ以下と劣化度合いが大きい。
【００５９】
また、比較例の試料番号４５、４６では抵抗変化率が８１．０％以上と極めて大となっている。
【００６０】
それらに対して、本発明のものはいずれも抵抗変化率は１２．５％以下、接着強度も高温放置試験で０．８５ｋｇｆ／２ｍｍＳＱ以上、サイクルテストで０．７１ｋｇｆ／２ｍｍＳＱ以上と優れていることが分かる。
【００６１】
【発明の効果】
以上、詳述した通り、本発明の配線基板はＷ、Ｍｏの少なくとも一種から成る配線導体に、Ｎｉ、Ｃｏの少なくとも一種と、Ｗ、Ｍｏの少なくとも一種、及びＢから成る合金を主成分とする中間金属層を介して接続した回路導体が、銅１００重量部に対してガラス成分２．０〜８．０重量部を含有し、かつ前記中間金属層と接続するように形成した第一回路層と、銅１００重量部に対して酸化銅（ＣｕＯ）が０．５〜５．０重量部、タングステン（Ｗ）が０．５〜２．０重量部、ガラス成分が１．０〜５．０重量部を含有し、かつ第一回路層と接続するように形成した第二回路層から成る二層構造とし、かつ第二回路層の一部を絶縁基体に直接被着したことから、Ｗ、Ｍｏの少なくとも一種から成る配線導体と、Ｃｕから成る回路導体との密着性を大幅に向上させるとともに、両者間の電気的導通を良好なものとし、かつセラミックスから成る絶縁基体表面に対するＣｕから成る回路導体の接着強度を向上させた混成集積回路装置等に好適な配線基板が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線基板を説明するための要部拡大断面図である。
【図２】従来の配線基板を説明するための要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１配線基板
２配線導体
３絶縁基体
４中間金属層
５第一回路層
６第二回路層
７回路導体

Claims

タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）の少なくとも一種から成る配線導体を設けた絶縁基体の外表面に、銅（Ｃｕ）から成る回路導体の一部を、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）の少なくとも一種と、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）の少なくとも一種、及びホウ素（Ｂ）から成る合金を主成分とする中間金属層を介して前記配線導体と接続するように被着した配線基板であって、前記中間金属層を介して接続する回路導体部が銅１００重量部に対してガラス成分２．０〜８．０重量部を含有し、かつ前記中間金属層と接続するように形成した第一回路層と、銅１００重量部に対して酸化銅（ＣｕＯ）が０．５〜５．０重量部、タングステン（Ｗ）が０．５〜２．０重量部、ガラス成分が１．０〜５．０重量部を含有し、かつ第一回路層と接続するように形成した第二回路層との二層構造から成ることを特徴とする配線基板。
前記中間金属層は、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）の少なくとも一種の総量を１００重量部とした時、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）の少なくとも一種の含有量が２．０〜５０．０重量部であり、かつホウ素（Ｂ）の含有量が０．１〜３．０重量部であることを特徴とする請求項１記載の配線基板。