JP3610226B2 - 配線基板およびその実装構造 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子収納用パッケージ、多層配線基板等に適用される配線基板に関するものであり、特に、銅や、銀と同時焼成が可能であり、また、マイクロ波やミリ波等の高周波用途において優れた特性を有するとともに、プリント基板などの有機樹脂からなる外部電気回路基板に対する高い信頼性をもって実装可能な配線基板とその実装構造に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来より、セラミック多層配線基板としては、アルミナ質焼結体からなる絶縁基板の表面または内部にタングステンやモリブデンなどの高融点金属からなる配線層が形成されたものが最も普及している。また、最近に至り、高度情報化時代を迎え、使用される周波数帯域はますます高周波化に移行しつつある。
【０００３】
このような、高周波の信号の伝送を必要を行う高周波配線基板においては、高周波信号を損失なく伝送する上で、配線層を形成する導体の抵抗が小さいこと、また絶縁基板の高周波領域での誘電損失が小さいことが要求される。
【０００４】
ところが、従来のタングステンや、モリブデンなどの高融点金属は導体抵抗が大きく、特に３０ＧＨｚ以上のミリ波領域において高周波用配線基板には使用できないことから、これらの金属に代えて銅、銀、金などの低抵抗金属を使用することが必要である。
【０００５】
このような低抵抗金属からなる配線層は、アルミナと同時焼成することが不可能であるため、最近では、ガラス、またはガラスとセラミックスとの複合材料からなる、いわゆるガラスセラミックスを絶縁基板として用いた配線基板が開発されつつある。例えば、特公平４−１２６３９号のように、ガラスにＳｉＯ２ 系フィラーを添加し、銅、銀、金などの低抵抗金属からなる配線層と９００〜１０００℃の温度で同時焼成した多層配線基板や、特開昭６０−２４０１３５号のように、ホウケイ酸亜鉛系ガラスに、Ａｌ２ Ｏ３ 、ジルコニア、ムライトなどのフィラーとして添加したものを低抵抗金属と同時焼成したものなどが提案されている。その他、特開平５−２９８９１９号には、ムライトやコージェライトを結晶相として析出させたガラスセラミックス材料が提案されている。
【０００６】
また、多層配線基板や半導体素子収納用パッケージなどの配線基板をマサーボードなどの絶縁基板が有機樹脂を含むプリント基板に実装する上で、プリント基板との熱膨張差により発生する応力により実装部分が剥離したり、クラックなどが発生するのを防止するで、絶縁基板の熱膨張係数がプリント基板とそれを近似していることが望まれる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記の従来のガラスセラミックスでは、銅、銀、金などの低抵抗金属との同時焼成が可能であっても、マイクロ波やミリ波などの高周波信号を用いる配線基板の絶縁基板として具体的に検討されておらず、そのほとんどが誘電損失が高く、十分満足できる高周波特性を有するものではなかった。また、熱膨張特性においても、従来のガラスセラミックス焼結体は、アルミナ質焼結体に比較して熱膨張係数が低く、３〜６ｐｐｍ／℃程度であり、プリント基板に実装する場合に、実装の信頼性が低く実用上満足できるものではなかった。
【０００８】
従って、本発明は、金、銀、銅を配線導体として多層化が可能となるように１０００℃以下で焼成可能であるとともに、高周波領域において誘電率および誘電正接が小さく、且つ高熱膨張係数を有する配線基板を提供することを目的とする。また、本発明は、絶縁基板中に有機樹脂を含むプリント基板などの外部電気回路基板に対して、高信頼性をもって実装可能な配線基板の実装構造を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を鋭意検討した結果、配線基板における絶縁基板を、クオーツ結晶相と、ＺｎとＳｉを含む酸化物結晶相としてＺｎ ２ ＳｉＯ ４ で表される化合物と、Ｚｎとアルカリ金属とＳｉを含有する酸化物結晶相の群から選ばれる少なくとも１種との組み合わせを構成結晶相とした複合酸化物焼結体により構成することにより、高周波領域において、低誘電率と低誘電損失化を実現できると同時に、高熱膨張化を実現できることを見いだし、本発明に至った。
【００１０】
即ち、本発明の配線基板は、絶縁基板の表面あるいは内部に、配線層が配設されてなる配線基板において、前記絶縁基板が、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｂおよびアルカリ金属を含み、構成結晶相がクオーツ結晶相と、ＺｎとＳｉを含む酸化物結晶相としてＺｎ ２ ＳｉＯ ４ で表される化合物と、Ｚｎとアルカリ金属とＳｉを含有する酸化物結晶相の群から選ばれる少なくとも１種との組み合わせからなるとともに、室温から４００℃における熱膨張係数が７〜１７ｐｐｍ／℃の複合酸化物焼結体からなることを特徴とする。
【００１１】
なお、前記アルカリ金属として、少なくともＬｉを含有すること、前記アルカリ金属（Ｍ）とＳｉを含有する酸化物結晶相が、Ｍ２Ｓｉ２Ｏ５およびＭ２ＳｉＯ３のうちの少なくとも１種からなること、前記Ｚｎとアルカリ金属（Ｍ）とＳｉを含有する結晶相が、Ｍ２ＺｎＳｉＯ４結晶相であるが望ましい。
【００１２】
さらに、前記複合酸化物焼結体は、各金属元素の酸化物換算による比率で、ＳｉＯ２ を６０〜９８重量％と、ＺｎＯを４５重量％以下と、Ｂ２ Ｏ３ を０．５〜１５重量％と、アルカリ金属酸化物を０．２〜１０重量％の割合で含む組成物、あるいは、ＳｉＯ２ を３５〜９８重量％と、ＺｎＯを４０重量％以下と、少なくともＳｉＯ２ およびＢ２ Ｏ３ を含有するガラスを０．５〜６０重量％と、アルカリ金属酸化物を０．２〜１０重量％の割合で含む組成物を焼成して得られたものであることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明の配線基板の実装構造は、絶縁基板の表面あるいは内部に配線層が配設され、且つ外部電気回路への接続端子を具備する配線基板を、有機樹脂を含有する絶縁基板表面に配線導体が形成された外部電気回路基板に載置して、前記接続端子を前記配線導体に対してロウ付けしてなる配線基板の実装構造において、前記配線基板の絶縁基板が、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｂおよびアルカリ金属を含み、構成結晶相がクオーツ結晶相と、ＺｎとＳｉを含む酸化物結晶相としてＺｎ ２ ＳｉＯ ４ で表される化合物と、Ｚｎとアルカリ金属とＳｉを含有する酸化物結晶相の群から選ばれる少なくとも１種との組み合わせからなるとともに、室温から４００℃における熱膨張係数が７〜１７ｐｐｍ／℃の複合酸化物焼結体からなることを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の配線基板として、半導体素子を収納搭載したパッケージを例として図１をもとに説明する。図１は、半導体収納用パッケージ、特に、接続端子がボール状端子からなるボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）型パッケージの概略断面図である。図１によれば、パッケージＡは、絶縁材料からなる絶縁基板１と蓋体２によりキャビティ３が形成されており、そのキャビティ３内には、半導体素子４が搭載されている。
【００１５】
また、絶縁基板１の表面および内部には、半導体素子４と電気的に接続された配線層５が形成されている。この配線層５は、例えば、高周波信号としては、１ＧＨｚ以上、特に２０ＧＨｚ以上、さらには、５０ＧＨｚ以上、またさらには７０ＧＨｚ以上の高周波信号が伝送される場合には、高周波信号が損失なく伝送されることが必要となるため、周知のストリップ線路、マイクロストリップ線路、コプレーナ線路、誘電体導波管線路のうちの少なくとも１種から構成される。また、配線層５は、高周波信号の伝送時に導体損失を極力低減するために、銅、銀あるいは金などの低抵抗金属からなることが望ましい。
【００１６】
また、図１のパッケージにおいて、絶縁基板１の底面には、接続用電極層６が被着形成されており、パッケージ内の配線層５と接続されている。そして、接続用電極層６には、半田などのロウ材７によりボール状端子８が被着形成されている。
【００１７】
また、上記の配線基板の実装構造は、図１に示すように、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などの有機樹脂を含む絶縁材料からなる絶縁基板９の表面に導体配線１０が形成された外部電気回路基板Ｂに対して、ロウ材を介して実装されるものである。具体的には、パッケージＡにおける絶縁基板１の底面に取付けられているボール状端子８と、外部電気回路基板Ｂの導体配線１０とを当接させてＰｂ−Ｓｎなどの半田等のロウ材１１によりロウ付けして、実装される。
【００１８】
本発明によれば、配線基板の上記外部電気回路基板との実装の信頼性を向上させる上で、配線基板における絶縁基板の室温から４００℃における熱膨張係数が７ｐｐｍ／℃以上、特に９ｐｐｍ／℃以上、さらには１０ｐｐｍ／℃以上であることが重要である。これは、上記熱膨張係数が７ｐｐｍ／℃よりも低いと、プリント基板との熱膨張差により、半田実装時や半導体素子の作動停止による繰り返し温度サイクルによって、プリント基板とパッケージとの実装部に熱膨張差に起因する応力が発生し、実装部にクラック等が発生し、実装構造の信頼性を損ねてしまうためである。
【００１９】
このようなボール状端子８を介在してロウ付けにより実装されるような表面実装型のパッケージにおいて、有機樹脂を含む絶縁基板からなる外部電気回路基板にロウ付け実装した場合においても、配線基板における熱膨張係数を上記の範囲とすることにより外部電気回路基板の絶縁基板との熱膨張差を従来のセラミック材料よりも小さくできることから、かかる実装構造に対して、熱サイクルが印加された場合においても、応力の発生を抑制することができる結果、実装構造の長期信頼性を高めることができる。
【００２０】
本発明によれば、配線基板の絶縁基板を、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｂおよびアルカリ金属を構成元素として含む複合酸化物焼結体から構成するものであって、その焼結体は、８００〜１０００℃の低温での焼成によって相対密度９５％以上まで緻密化されたものからなる。
【００２１】
また、上記複合酸化物焼結体は、構成結晶相が、クオーツ結晶相と、ＺｎとＳｉを含む酸化物結晶相としてＺｎ ２ ＳｉＯ ４ で表される化合物と、Ｚｎとアルカリ金属とＳｉを含有する酸化物結晶相の群から選ばれる少なくとも１種との組み合わせからなる。
【００２２】
なお、ＳｉＯ２系結晶相としては、クオーツ、クリストバライト、トリジマイトなどが知られているが、クリストバライトは、熱膨張係数の屈曲部を有することから、特に、これらの中でもクオーツ結晶相であることが重要である。
【００２３】
また、アルカリ金属（Ｍ）とＳｉを含有する酸化物結晶相としては、Ｍ２Ｓｉ２Ｏ５およびＭ２ＳｉＯ３などのアルカリ金属シリケートのうちの少なくとも１種からなることが望ましい。また、ＺｎとＳｉを含む酸化物結晶相としては、Ｚｎ２ＳｉＯ４で表されるウイレマイト型結晶相からなることが重要である。
【００２４】
さらにＺｎとアルカリ金属（Ｍ）とＳｉを含有する結晶相としては、Ｍ２ ＺｎＳｉＯ４ 結晶相であることが望ましいが、その他、Ｚｎ２ ＳｉＯ４ 型結晶のＳｉサイトにＺｎおよびアルカリ金属（Ｍ）が固溶したＺｎ２ （Ｚｎｘ Ｍｙ Ｓｉｚ ）Ｏ４ （ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）の結晶相でもよい。
【００２５】
構成結晶相が、ＳｉＯ２ 系結晶相の２つ以上の結晶相の組み合わせ例としては、ＳｉＯ２ 系結晶相と、Ｚｎ２ ＳｉＯ４ で表されるウイレマイト型結晶相を含み、さらに少なくともＳｉ、アルカリ金属およびＺｎを含む酸化物結晶相を含む。
【００２６】
また、これらの結晶相の粒界には、少なくともＳｉおよびＢを含むガラス相が存在する。
【００２７】
このように本発明によれば、複合酸化物焼結体中に、ＳｉＯ２ 系結晶相、特に室温〜４００℃における熱膨張係数が１３〜２０ｐｐｍ／℃のクオーツ型結晶相を析出させることにより、比誘電率を７以下の低誘電率を有するとともに、マイクロ波、ミリ波などの高周波帯域、具体的には１ＧＨｚ〜６０ＧＨｚの範囲において、誘電損失が３０×１０−４以下の低損失特性を有するものである。
【００２８】
また、合わせて、１〜２ｐｐｍ／℃の低熱膨張特性を有するＺｎ２ ＳｉＯ４ 結晶相や９〜１３ｐｐｍ／℃のＬｉ２ ＳｉＯ５ 、Ｌｉ２ ＳｉＯ３ 、Ｌｉ２ ＺｎＳｉＯ４ などの結晶相の存在によって、その熱膨張特性を任意の範囲に制御することができる。例えば、全量中のＳｉＯ２ 量が９４重量％以上である場合、焼結体を構成する結晶相は、実質的にクオーツ型結晶相のみからなり、この場合には、誘電率を４．５以下、室温から４００℃における熱膨張係数を１５〜１７ｐｐｍ／℃の範囲で制御することができる。
【００２９】
本発明における配線基板を構成する複合酸化物焼結体の第１の態様によれば、各金属元素の酸化物換算による比率で、ＳｉＯ２ を６０〜９８重量％と、ＺｎＯを４５重量％以下と、Ｂ２ Ｏ３ を０．５〜１５重量％と、アルカリ金属酸化物を０．２〜１０重量％の割合で含む組成物からなるものである。
【００３０】
各成分組成を上記の範囲に限定したのは、主成分組成において、ＳｉＯ２ が６０重量％よりも少ないとＳｉＯ２ 系結晶相の析出量が少なくなり、熱膨張係数が７ｐｐｍ／℃未満となるためである。ＳｉＯ２ 量が９８重量％よりも多いと、１０００℃以下で焼成できなくなる。なお、ＳｉＯ２ の望ましい量は６５〜９５重量％である。
【００３１】
また、ＺｎＯが４５重量％よりも多いとＺｎＯとＳｉＯ２ との化合物（Ｚｎ２ ＳｉＯ４ ）が過剰に析出してしまい、熱膨張係数が７ｐｐｍ／℃未満となってしまう。ＺｎＯの望ましい量は１５重量％以下である。
【００３２】
また、アルカリ金属酸化物量が０．２重量％よりも少ないと、主相となるＳｉＯ２ 相が容易にクリストバライトに相変態してしまい、２００℃付近に変曲点をもつ熱膨張挙動を示してしまうためであり、１０重量％よりも多いと誘電損失が劣化してしまうためである。アルカリ金属酸化物の望ましい量は、０．５〜５重量％である。
【００３３】
なお、アルカリ金属としては、少なくともＬｉを含むことが望ましく、さらには、Ｌｉと、Ｋ、Ｎａ、ＣｓおよびＲｂの群から選ばれる少なくとも１種との組み合わせからなることが望ましい。これは、前記Ｌｉ２ Ｏとの相乗効果により、さらに低温焼成化を実現することができる。ＬｉとＬｉ以外のアルカリ金属とを組み合わせて用いる場合には、Ｌｉ以外のアルカリ金属量は０．０５〜５重量％であることが望ましい。かかるＬｉ以外のアルカリ金属量が０．０５重量％よりも少ないと、Ｌｉ２ Ｏとの相乗効果が発現せず、５重量％よりも多いと８００〜８５０℃でＬｉ、Ｂ、Ｎａなどを含む液相成分が溶出してしまうためである。
【００３４】
また、Ｂ２ Ｏ３ について、Ｂ２ Ｏ３ 量が０．５重量％より少ないと、８００〜１０００℃の温度で磁器が十分に緻密化することができず、１５重量％より多いと、過剰な液相が生成し１〜６０ＧＨｚの高周波領域における誘電損失が３０×１０−４を越えるためである。Ｂ２ Ｏ３ の望ましい範囲は１〜５重量％である。
【００３５】
また、本発明における配線基板を構成する複合酸化物焼結体の第２の態様によれば、各金属元素の酸化物換算による比率で、ＳｉＯ２ を３５〜９８重量％と、ＺｎＯを４０重量％以下と、少なくともＳｉＯ２ およびＢ２ Ｏ３ を含有するガラスを０．５〜６０重量％と、アルカリ金属酸化物を０．２〜１０重量％の割合で含む組成物からなることが望ましい。
【００３６】
この組成において、ＳｉＯ２ 、ＺｎＯ、アルカリ金属酸化物のそれぞれの上限および下限の限定理由は第１の態様と同様な理由による。少なくともＳｉＯ２ およびＢ２ Ｏ３ を含有するガラスについて、上記ガラス量が０．５重量％より少ないと、８００〜１０００℃の温度で磁器が十分に緻密化することができず、６０重量％より多いと、過剰な液相が生成し１〜６０ＧＨｚの高周波領域における誘電損失が３０×１０−４を越えて高くなるためである。少なくともＳｉＯ２ とＢ２ Ｏ３ を含有するガラスの望ましい範囲は、３〜２０重量％である。
【００３７】
なお、上記の少なくともＳｉＯ２ 、Ｂ２ Ｏ３ を含むガラスとしては、一般にホウケイ酸系ガラス、ホウケイ酸亜鉛系ガラス、ホウケイ酸鉛系ガラスなどが好適に用いられるが、特にＳｉＯ２ を５〜８０重量％、Ｂ２ Ｏ３ を４〜５０重量％の割合でそれぞれ含み、他の成分としてＡｌ２ Ｏ３ を３０重量％以下、アルカリ金属酸化物を２０重量％以下の割合で含むものが好適に使用され、これらの酸化物成分を所定割合で配合したものを溶融、冷却してガラス化したものが使用される。
【００３８】
本発明における絶縁基板を構成する複合酸化物焼結体を製造するには、原料粉末としては、ＳｉＯ２ 、ＺｎＯ、Ｂ２ Ｏ３ およびＬｉ、Ｋ、Ｎａ、ＣｓおよびＲｂなどのアルカリ金属の酸化物、あるいは焼成により酸化物を形成し得る炭酸塩、硝酸塩など、あるいは上記酸化物のうち２種以上の複合酸化物なども使用できる。
【００３９】
具体的には、ＺｎＯ、ＳｉＯ２ 源としては、単味の酸化物の他に、Ｚｎ２ ＳｉＯ４ で表されるウイレマイト化合物を用いることができる。また、Ｂ２ Ｏ３ 源としては、Ｂ２ Ｏ３ や焼結過程でＢ２ Ｏ３ を形成し得るＢ２ Ｓ３ 、Ｈ２ ＢＯ３ や、ＺｎＯ・２Ｂ２ Ｏ３ 、４ＺｎＯ・３Ｂ２ Ｏ３ などのほう酸亜鉛などの化合物の群から選ばれる少なくとも１種が用いられる。
【００４０】
さらに、Ｌｉ２ Ｏ源として、Ｌｉ２ Ｏ、焼結過程でＬｉ２ Ｏを形成し得るＬｉ２ ＣＯ３ 、ＬｉＯＨ・Ｈ２ Ｏ、Ｌｉ２ Ｓ等、あるいはＬｉ２ ＳｉＯ３ 、Ｌｉ４ ＳｉＯ４ 、Ｌｉ２ Ｓｉ２ Ｏ５ 、Ｌｉ２ Ｓｉ３ Ｏ７ 、Ｌｉ６ Ｓｉ２ Ｏ７ 、Ｌｉ８ ＳｉＯ６ などのＳｉＯ２ とＬｉ２ Ｏとの化合物、Ｌｉ２ ＺｎＳｉＯ４ 、Ｚｎ２ （ＺｎｘＬｉｙＳｉｚ）Ｏ４ （ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）などのＳｉＯ２ とＬｉ２ ＯとＺｎＯとの複合酸化物の群から選ばれる少なくとも１種が用いられる。
【００４１】
また、Ｋ、Ｎａ、ＣｓおよびＲｂの群から選ばれる少なくとも１種の酸化物源としては、各金属元素の酸化物や、焼成によって酸化物を形成し得る炭酸塩、硝酸塩などが使用される。
【００４２】
またさらに、少なくともＳｉＯ２ およびＢ２ Ｏ３ を含有するガラスとしては、前述したような、ホウケイ酸系ガラス、ホウケイ酸亜鉛系ガラス、ホウケイ酸鉛系ガラスなどが好適に用いられる。
【００４３】
これらの原料を用いて、前記第１の態様または第２の態様の組成物に調合し、混合する。そして、その混合粉末に適宜バインダ−を添加した後、例えば、金型プレス、冷間静水圧プレス、押出し成形、ドクターブレード法、圧延法等により任意の形状に成形後、酸化雰囲気中または、Ｎ２ 、Ａｒ等の非酸化性雰囲気中において８００℃〜１０００℃、特に８５０〜９５０℃の温度で０．１〜５時間焼成することにより相対密度９５％以上に緻密化することができる。
【００４４】
この時の焼成温度が８００℃より低いと、磁器が十分に緻密化せず、１０００℃を越えると緻密化は可能であるが、銅、銀などの導体と同時焼成ができなくなる。因みに、同時焼成時に、導体として銅を用いる場合には非酸化性雰囲気とし、銀を用いる場合には非酸化性または酸化性雰囲気で焼成することが必要である。銅導体を用いることが出来なくなるためである。
【００４５】
また、上記の焼結体の製造方法において、成形処理を施す前に、所定の混合粉末を７００〜８００℃の酸化性雰囲気中で１〜３時間程度仮焼処理し、これを粉砕することにより、成分および粉末の均一化が進行するために焼結性が向上し、焼成温度を仮焼処理を施さない場合に比較して５０℃程度低下させることが可能となる。
【００４６】
上記の製造方法によれば、ＺｎおよびＳｉからなる複合酸化物と、Ｂ２ Ｏ３ 、またはＳｉＯ２ 、Ｂ２ Ｏ３ を含むガラスに、さらにＬｉ２ Ｏと、Ｋ、Ｎａ、ＣｓおよびＲｂの群から選ばれる少なくとも１種の酸化物とを組み合わせて添加することにより、複合酸化物から生成するＺｎを主とする液相とＢ２ Ｏ３ 中またはガラス中のＢ（ホウ素）成分のより活性な液相反応が生じる。さらにＬｉとＫ、Ｎａ、ＣｓおよびＲｂの群から選ばれる少なくとも１種の酸化物とを組み合わせることにより、アルカリ混合効果により、さらに低温で液相が生成されることにより、アルカリ金属元素が一種の場合に比較して、低温で液相が生成される結果、僅かな添加物の添加により、８００〜１０００℃以下の温度で焼成でき、磁器を緻密化することができる。そのために、誘電損失を増大させる要因となる粒界の非晶質相の量を最小限に押さえることができる。このため高周波帯域においてより低い誘電損失を得ることができるのである。
【００４７】
また、本発明における絶縁基板は、８００〜１０００℃で焼成可能であることから、特に銅、金、銀などを配線する配線基板の絶縁基板として用いることができる。かかる焼結体を用いて配線基板を作製する場合には、例えば、上記のようにして調合した混合粉末を、所望により仮焼処理した後、公知のテープ成形法、例えばドクターブレード法、圧延法等に従い、絶縁層形成用のグリーンシートを作製した後、そのシートの表面に配線回路層用として、銅、金および銀のうちの少なくとも１種の金属、特に、銅粉末を含む導体ペーストを用いて、グリーンシート表面に配線パターンにスクリーン印刷法、グラビア印刷法等によって回路パターン状に印刷し、場合によってはシートにスルーホールやビアホール形成後、上記導体ペーストを充填する。その後、複数のグリーンシートを積層圧着した後、上述した条件で焼成することにより、配線層と絶縁基板とを同時に焼成することによって配線基板を作製することができる。
【００４８】
また、配線基板の底面には、外部電気回路基板と接続するための接続端子がロウ付け等により取り付けられる。例えば、ＢＧＡ型パッケージの場合には、低融点半田あるいは高融点半田からなるボール状端子を低融点半田により配線基板の底面に形成された接続パッドに取り付けられる。
【００４９】
そして、この配線基板の表面には、半導体素子が搭載され配線層と信号の伝達が可能なように接続される。接続方法としては、配線層上に直接搭載させて接続させたり、あるいはワイヤーボンディングや，ＴＡＢテープなどが採用される。
【００５０】
その後、図１のように、蓋体をロウ付けしてその内部に半導体素子を気密に封止する。また、半導体装置が完成される。この半導体装置を外部電気回路基板に接続するには、外部電気回路基板表面の配線導体と配線基板の接続端子とを半田などのロウ材によって実装すればよい。
【００５１】
【実施例】
実施例１
平均粒径が１μｍ以下のＺｎ２ ＳｉＯ４ 粉末、ＺｎＯ・２Ｂ２ Ｏ３ 粉末または４ＺｎＯ・３Ｂ２ Ｏ３ 粉末で示される化合物、溶融ＳｉＯ２ （アモルファス）、各種アルカリ金属の炭酸塩の粉末を原料として用い、各金属元素の酸化物量が表１、２の組成に従い混合した。そして、この混合物を大気中、７５０℃で１時間仮焼処理した後、粉砕処理した。この処理物に有機バインダー、可塑剤、トルエンを添加し、ドクターブレード法により厚さ３００μｍのグリーンシートを作製した。そして、このグリーンシートを５枚積層し、５０℃の温度で１００ｋｇ／ｃｍ２ の圧力を加えて熱圧着した。得られた積層体を水蒸気含有窒素雰囲気中で、７００℃で脱バインダーした後、乾燥窒素中で表１、２の条件において焼成して多層配線基板用焼結体を得た。
【００５２】
また、比較例として、ＭｇＳｉＯ３ 、ＣａＳｉＯ３ を主成分とし、これに、Ｂ２ Ｏ３ 含有化合物やアルカリ金属酸化物を添加して、同様に焼結体を作製し評価した（試料Ｎｏ．２７、２８）。
【００５３】
得られた各焼結体について誘電率、誘電損失を以下の方法で評価した。測定は、形状直径１〜５ｍｍ、厚み２〜３ｍｍの試料を切り出し、６０ＧＨｚにてネットワークアナライザー、シンセサイズドスイーパーを用いて誘電体円柱共振器法により行った。測定では、ＮＲＤガイド（非放射性誘電体線路）で、誘電体共振器の励起を行い、ＴＥ０２１，ＴＥ０３１モードの共振特性より誘電率、誘電損失を算出した。測定の結果は表１、２に示した。また、各焼結体について、室温から４００℃の温度範囲における熱膨張係数を測定した。
【００５４】
さらに、上記のグリーンシートに対して、バイアホールを形成して銅ペーストを充填し、シート表面に銅ペーストを配線パターンに印刷塗布し、また、最下層のグリーンシートの底面には、内部の配線層と導通する電極層を形成した後、これを５層積層して、上記と同様な条件で焼成して３５ｍｍ角、厚み１．２ｍｍの多層配線基板を作製した。
【００５５】
この多層配線基板の電極層に、Ｐｂ９０重量％−Ｓｎ１０重量％の半田からなるボール状端子を低融点半田（Ｐｂ３７重量％−Ｓｎ６３重量％）により取着した。なお、ボール状端子は、１ｃｍ２ 当たり３０個の密度で配線基板の底面全体に形成した。
【００５６】
そして、この配線基板をガラス−エポキシ基板からなる４０〜８００℃における熱膨張係数が１３ｐｐｍ／℃の絶縁基板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に実装した。実装は、プリント基板表面の配線導体と配線基板のボール状端子とを位置合わせして、前記低融点半田によって実装した。
【００５７】
上記のようにして多層配線基板をプリント基板に実装したものを大気雰囲気にて−４０℃と１２５℃の各温度に制御した恒温槽に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配線基板間の電気抵抗を測定し電気抵抗の変化が現れるまでのサイクル数を表１、表２に示した。
【００５８】
【表１】
【００５９】
【表２】
【００６０】
表１、２の結果から明らかなように、結晶相として、クオーツ型結晶相、あるいはクオーツ型結晶相、ウイレマイト型結晶相（Ｚｎ２ ＳｉＯ４ ）（Ｗ）が主として析出した本発明の磁器は、いずれも誘電率が７以下、６０ＧＨｚでの誘電損失が３０×１０−４以下であり、熱膨張係数が７〜１７ｐｐｍ／℃の特性を示した。なお、本発明品の磁器の液相に対して、ＩＣＰ発光分光分析によって分析した結果、いずれも液相中からＺｎと、その他に極微量のＳｉ、Ｂ、Ｌｉ、Ｎａ等が検出された。
【００６１】
また、絶縁基板を熱膨張係数が７〜１７ｐｐｍ／℃の焼結体により構成した試料は、いずれも熱サイクル試験においても１０００サイクル以上の優れた耐久性を示した。
【００６２】
これに対して、ＳｉＯ２ 量が９８重量％を越える試料Ｎｏ．７では１４００℃まで高めないと緻密化できず、６０重量％よりも少ない試料Ｎｏ．１９，２１では、熱膨張率が小さく、本発明の目的に適合しないものであった。Ｂ２ Ｏ３ 量が０．５重量％未満である試料Ｎｏ．１７では、焼成温度を１２００℃まで高めないと緻密化することができず、本発明の目的に適さないものであった。一方、Ｂ２ Ｏ３ 量が１５重量％を越える試料Ｎｏ．２０は、液相が溶出してした。アルカリ金属量が０．２重量％よりも少ない試料Ｎｏ．１３では、クリストバライトが多量に析出し、熱膨張係数が１７ｐｐｍ／℃を越え、本発明の目的に適さず、しかも、熱膨張曲線に変曲点が生じた。アルカリ金属量が１０重量％よりも多い試料Ｎｏ．１１、１６では液相が溶出した。
【００６３】
また、比較例として、ＭｇＳｉＯ３ やＣａＳｉＯ３ を用いた試料Ｎｏ．２５、２６では、Ｂ２ Ｏ３ 量を１５重量％以上添加しないと緻密化しないため十分な誘電特性が得られず、本発明の目的に適さないものであった。
【００６４】
実施例２
平均粒径が１μｍ以下のＺｎ２ ＳｉＯ４ に対して、表３の組成からなるガラス粉末と、さらに各種アルカリ金属の炭酸塩、場合により溶融ＳｉＯ２ を添加して、添加したガラス以外のＳｉＯ２ 、ＺｎＯおよびアルカリ金属酸化物量が表３の組成になるように混合した。そして、この混合物を大気雰囲気中で７００℃で１時間仮焼処理した後、粉砕処理した。この処理物に有機バインダー、可塑剤、トルエンを添加し、ドクターブレード法により厚さ３００μｍのグリーンシートを作製した。そして、このグリーンシートを５枚積層し、５０℃の温度で１００ｋｇ／ｃｍ２ の圧力を加えて熱圧着した。得られた積層体を水蒸気含有／窒素雰囲気中で、７００℃で脱バインダーした後、乾燥窒素中で表３の条件において焼成して多層基板用複合酸化物焼結体を得た。
【００６５】
得られた焼結体について実施例１と同様にして誘電率、誘電損失および結晶相の同定、熱膨張係数、ならびに熱サイクル試験を実施例１と同様な方法で測定評価した。測定の結果は表４、５に示した。
【００６６】
【表３】
【００６７】
【表４】
【００６８】
【表５】
【００６９】
表４、表５の結果から明らかなように、本発明に従い、結晶相として、クオーツ型結晶相やウイレマイト型結晶相が主として析出した焼結体は、いずれも誘電率が７以下、６０ＧＨｚでの誘電損失が３０×１０−４以下の優れた値を示し、熱膨張係数が７〜１７ｐｐｍ／℃の焼結体は、熱サイクル試験においても優れた耐久性を示した。
【００７０】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の配線基板によれば、絶縁基板を特定の結晶相が析出した複合酸化物焼結体により構成することにより、１０００℃以下の低温で焼成できることから、銅などの低抵抗金属による配線層を形成でき、しかも１ＧＨｚ以上の高周波領域において、低誘電率、低誘電損失を有することから、高周波信号を極めて良好に損失なく伝送することができる。しかも、この絶縁基板は、高熱膨張特性を有することから、有機樹脂を含む絶縁基板を具備するプリント基板などのマザーボードに対してロウ材等により実装した場合においても優れた耐熱サイクル性を有し、高信頼性の実装構造を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線基板を用いたＢＧＡ型の半導体素子収納用パッケージの一例を説明するための概略断面図である。
【符号の説明】
Ａ ＢＧＡ型パッケージ
１ 絶縁基板
２ 蓋体
３ キャビティ
４ 半導体素子
５ 配線層
６ 接続用電極層
７ ロウ材
８ ボール状端子
Ｂ 外部電気回路基板
９ 絶縁基板
１０ 導体配線
１１ ロウ材
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子収納用パッケージ、多層配線基板等に適用される配線基板に関するものであり、特に、銅や、銀と同時焼成が可能であり、また、マイクロ波やミリ波等の高周波用途において優れた特性を有するとともに、プリント基板などの有機樹脂からなる外部電気回路基板に対する高い信頼性をもって実装可能な配線基板とその実装構造に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来より、セラミック多層配線基板としては、アルミナ質焼結体からなる絶縁基板の表面または内部にタングステンやモリブデンなどの高融点金属からなる配線層が形成されたものが最も普及している。また、最近に至り、高度情報化時代を迎え、使用される周波数帯域はますます高周波化に移行しつつある。
【０００３】
このような、高周波の信号の伝送を必要を行う高周波配線基板においては、高周波信号を損失なく伝送する上で、配線層を形成する導体の抵抗が小さいこと、また絶縁基板の高周波領域での誘電損失が小さいことが要求される。
【０００４】
ところが、従来のタングステンや、モリブデンなどの高融点金属は導体抵抗が大きく、特に３０ＧＨｚ以上のミリ波領域において高周波用配線基板には使用できないことから、これらの金属に代えて銅、銀、金などの低抵抗金属を使用することが必要である。
【０００５】
このような低抵抗金属からなる配線層は、アルミナと同時焼成することが不可能であるため、最近では、ガラス、またはガラスとセラミックスとの複合材料からなる、いわゆるガラスセラミックスを絶縁基板として用いた配線基板が開発されつつある。例えば、特公平４−１２６３９号のように、ガラスにＳｉＯ２ 系フィラーを添加し、銅、銀、金などの低抵抗金属からなる配線層と９００〜１０００℃の温度で同時焼成した多層配線基板や、特開昭６０−２４０１３５号のように、ホウケイ酸亜鉛系ガラスに、Ａｌ２ Ｏ３ 、ジルコニア、ムライトなどのフィラーとして添加したものを低抵抗金属と同時焼成したものなどが提案されている。その他、特開平５−２９８９１９号には、ムライトやコージェライトを結晶相として析出させたガラスセラミックス材料が提案されている。
【０００６】
また、多層配線基板や半導体素子収納用パッケージなどの配線基板をマサーボードなどの絶縁基板が有機樹脂を含むプリント基板に実装する上で、プリント基板との熱膨張差により発生する応力により実装部分が剥離したり、クラックなどが発生するのを防止するで、絶縁基板の熱膨張係数がプリント基板とそれを近似していることが望まれる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記の従来のガラスセラミックスでは、銅、銀、金などの低抵抗金属との同時焼成が可能であっても、マイクロ波やミリ波などの高周波信号を用いる配線基板の絶縁基板として具体的に検討されておらず、そのほとんどが誘電損失が高く、十分満足できる高周波特性を有するものではなかった。また、熱膨張特性においても、従来のガラスセラミックス焼結体は、アルミナ質焼結体に比較して熱膨張係数が低く、３〜６ｐｐｍ／℃程度であり、プリント基板に実装する場合に、実装の信頼性が低く実用上満足できるものではなかった。
【０００８】
従って、本発明は、金、銀、銅を配線導体として多層化が可能となるように１０００℃以下で焼成可能であるとともに、高周波領域において誘電率および誘電正接が小さく、且つ高熱膨張係数を有する配線基板を提供することを目的とする。また、本発明は、絶縁基板中に有機樹脂を含むプリント基板などの外部電気回路基板に対して、高信頼性をもって実装可能な配線基板の実装構造を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を鋭意検討した結果、配線基板における絶縁基板を、クオーツ結晶相と、ＺｎとＳｉを含む酸化物結晶相としてＺｎ ２ ＳｉＯ ４ で表される化合物と、Ｚｎとアルカリ金属とＳｉを含有する酸化物結晶相の群から選ばれる少なくとも１種との組み合わせを構成結晶相とした複合酸化物焼結体により構成することにより、高周波領域において、低誘電率と低誘電損失化を実現できると同時に、高熱膨張化を実現できることを見いだし、本発明に至った。
【００１０】
即ち、本発明の配線基板は、絶縁基板の表面あるいは内部に、配線層が配設されてなる配線基板において、前記絶縁基板が、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｂおよびアルカリ金属を含み、構成結晶相がクオーツ結晶相と、ＺｎとＳｉを含む酸化物結晶相としてＺｎ ２ ＳｉＯ ４ で表される化合物と、Ｚｎとアルカリ金属とＳｉを含有する酸化物結晶相の群から選ばれる少なくとも１種との組み合わせからなるとともに、室温から４００℃における熱膨張係数が７〜１７ｐｐｍ／℃の複合酸化物焼結体からなることを特徴とする。
【００１１】
なお、前記アルカリ金属として、少なくともＬｉを含有すること、前記アルカリ金属（Ｍ）とＳｉを含有する酸化物結晶相が、Ｍ２Ｓｉ２Ｏ５およびＭ２ＳｉＯ３のうちの少なくとも１種からなること、前記Ｚｎとアルカリ金属（Ｍ）とＳｉを含有する結晶相が、Ｍ２ＺｎＳｉＯ４結晶相であるが望ましい。
【００１２】
さらに、前記複合酸化物焼結体は、各金属元素の酸化物換算による比率で、ＳｉＯ２ を６０〜９８重量％と、ＺｎＯを４５重量％以下と、Ｂ２ Ｏ３ を０．５〜１５重量％と、アルカリ金属酸化物を０．２〜１０重量％の割合で含む組成物、あるいは、ＳｉＯ２ を３５〜９８重量％と、ＺｎＯを４０重量％以下と、少なくともＳｉＯ２ およびＢ２ Ｏ３ を含有するガラスを０．５〜６０重量％と、アルカリ金属酸化物を０．２〜１０重量％の割合で含む組成物を焼成して得られたものであることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明の配線基板の実装構造は、絶縁基板の表面あるいは内部に配線層が配設され、且つ外部電気回路への接続端子を具備する配線基板を、有機樹脂を含有する絶縁基板表面に配線導体が形成された外部電気回路基板に載置して、前記接続端子を前記配線導体に対してロウ付けしてなる配線基板の実装構造において、前記配線基板の絶縁基板が、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｂおよびアルカリ金属を含み、構成結晶相がクオーツ結晶相と、ＺｎとＳｉを含む酸化物結晶相としてＺｎ ２ ＳｉＯ ４ で表される化合物と、Ｚｎとアルカリ金属とＳｉを含有する酸化物結晶相の群から選ばれる少なくとも１種との組み合わせからなるとともに、室温から４００℃における熱膨張係数が７〜１７ｐｐｍ／℃の複合酸化物焼結体からなることを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の配線基板として、半導体素子を収納搭載したパッケージを例として図１をもとに説明する。図１は、半導体収納用パッケージ、特に、接続端子がボール状端子からなるボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）型パッケージの概略断面図である。図１によれば、パッケージＡは、絶縁材料からなる絶縁基板１と蓋体２によりキャビティ３が形成されており、そのキャビティ３内には、半導体素子４が搭載されている。
【００１５】
また、絶縁基板１の表面および内部には、半導体素子４と電気的に接続された配線層５が形成されている。この配線層５は、例えば、高周波信号としては、１ＧＨｚ以上、特に２０ＧＨｚ以上、さらには、５０ＧＨｚ以上、またさらには７０ＧＨｚ以上の高周波信号が伝送される場合には、高周波信号が損失なく伝送されることが必要となるため、周知のストリップ線路、マイクロストリップ線路、コプレーナ線路、誘電体導波管線路のうちの少なくとも１種から構成される。また、配線層５は、高周波信号の伝送時に導体損失を極力低減するために、銅、銀あるいは金などの低抵抗金属からなることが望ましい。
【００１６】
また、図１のパッケージにおいて、絶縁基板１の底面には、接続用電極層６が被着形成されており、パッケージ内の配線層５と接続されている。そして、接続用電極層６には、半田などのロウ材７によりボール状端子８が被着形成されている。
【００１７】
また、上記の配線基板の実装構造は、図１に示すように、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などの有機樹脂を含む絶縁材料からなる絶縁基板９の表面に導体配線１０が形成された外部電気回路基板Ｂに対して、ロウ材を介して実装されるものである。具体的には、パッケージＡにおける絶縁基板１の底面に取付けられているボール状端子８と、外部電気回路基板Ｂの導体配線１０とを当接させてＰｂ−Ｓｎなどの半田等のロウ材１１によりロウ付けして、実装される。
【００１８】
本発明によれば、配線基板の上記外部電気回路基板との実装の信頼性を向上させる上で、配線基板における絶縁基板の室温から４００℃における熱膨張係数が７ｐｐｍ／℃以上、特に９ｐｐｍ／℃以上、さらには１０ｐｐｍ／℃以上であることが重要である。これは、上記熱膨張係数が７ｐｐｍ／℃よりも低いと、プリント基板との熱膨張差により、半田実装時や半導体素子の作動停止による繰り返し温度サイクルによって、プリント基板とパッケージとの実装部に熱膨張差に起因する応力が発生し、実装部にクラック等が発生し、実装構造の信頼性を損ねてしまうためである。
【００１９】
このようなボール状端子８を介在してロウ付けにより実装されるような表面実装型のパッケージにおいて、有機樹脂を含む絶縁基板からなる外部電気回路基板にロウ付け実装した場合においても、配線基板における熱膨張係数を上記の範囲とすることにより外部電気回路基板の絶縁基板との熱膨張差を従来のセラミック材料よりも小さくできることから、かかる実装構造に対して、熱サイクルが印加された場合においても、応力の発生を抑制することができる結果、実装構造の長期信頼性を高めることができる。
【００２０】
本発明によれば、配線基板の絶縁基板を、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｂおよびアルカリ金属を構成元素として含む複合酸化物焼結体から構成するものであって、その焼結体は、８００〜１０００℃の低温での焼成によって相対密度９５％以上まで緻密化されたものからなる。
【００２１】
また、上記複合酸化物焼結体は、構成結晶相が、クオーツ結晶相と、ＺｎとＳｉを含む酸化物結晶相としてＺｎ ２ ＳｉＯ ４ で表される化合物と、Ｚｎとアルカリ金属とＳｉを含有する酸化物結晶相の群から選ばれる少なくとも１種との組み合わせからなる。
【００２２】
なお、ＳｉＯ２系結晶相としては、クオーツ、クリストバライト、トリジマイトなどが知られているが、クリストバライトは、熱膨張係数の屈曲部を有することから、特に、これらの中でもクオーツ結晶相であることが重要である。
【００２３】
また、アルカリ金属（Ｍ）とＳｉを含有する酸化物結晶相としては、Ｍ２Ｓｉ２Ｏ５およびＭ２ＳｉＯ３などのアルカリ金属シリケートのうちの少なくとも１種からなることが望ましい。また、ＺｎとＳｉを含む酸化物結晶相としては、Ｚｎ２ＳｉＯ４で表されるウイレマイト型結晶相からなることが重要である。
【００２４】
さらにＺｎとアルカリ金属（Ｍ）とＳｉを含有する結晶相としては、Ｍ２ ＺｎＳｉＯ４ 結晶相であることが望ましいが、その他、Ｚｎ２ ＳｉＯ４ 型結晶のＳｉサイトにＺｎおよびアルカリ金属（Ｍ）が固溶したＺｎ２ （Ｚｎｘ Ｍｙ Ｓｉｚ ）Ｏ４ （ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）の結晶相でもよい。
【００２５】
構成結晶相が、ＳｉＯ２ 系結晶相の２つ以上の結晶相の組み合わせ例としては、ＳｉＯ２ 系結晶相と、Ｚｎ２ ＳｉＯ４ で表されるウイレマイト型結晶相を含み、さらに少なくともＳｉ、アルカリ金属およびＺｎを含む酸化物結晶相を含む。
【００２６】
また、これらの結晶相の粒界には、少なくともＳｉおよびＢを含むガラス相が存在する。
【００２７】
このように本発明によれば、複合酸化物焼結体中に、ＳｉＯ２ 系結晶相、特に室温〜４００℃における熱膨張係数が１３〜２０ｐｐｍ／℃のクオーツ型結晶相を析出させることにより、比誘電率を７以下の低誘電率を有するとともに、マイクロ波、ミリ波などの高周波帯域、具体的には１ＧＨｚ〜６０ＧＨｚの範囲において、誘電損失が３０×１０−４以下の低損失特性を有するものである。
【００２８】
また、合わせて、１〜２ｐｐｍ／℃の低熱膨張特性を有するＺｎ２ ＳｉＯ４ 結晶相や９〜１３ｐｐｍ／℃のＬｉ２ ＳｉＯ５ 、Ｌｉ２ ＳｉＯ３ 、Ｌｉ２ ＺｎＳｉＯ４ などの結晶相の存在によって、その熱膨張特性を任意の範囲に制御することができる。例えば、全量中のＳｉＯ２ 量が９４重量％以上である場合、焼結体を構成する結晶相は、実質的にクオーツ型結晶相のみからなり、この場合には、誘電率を４．５以下、室温から４００℃における熱膨張係数を１５〜１７ｐｐｍ／℃の範囲で制御することができる。
【００２９】
本発明における配線基板を構成する複合酸化物焼結体の第１の態様によれば、各金属元素の酸化物換算による比率で、ＳｉＯ２ を６０〜９８重量％と、ＺｎＯを４５重量％以下と、Ｂ２ Ｏ３ を０．５〜１５重量％と、アルカリ金属酸化物を０．２〜１０重量％の割合で含む組成物からなるものである。
【００３０】
各成分組成を上記の範囲に限定したのは、主成分組成において、ＳｉＯ２ が６０重量％よりも少ないとＳｉＯ２ 系結晶相の析出量が少なくなり、熱膨張係数が７ｐｐｍ／℃未満となるためである。ＳｉＯ２ 量が９８重量％よりも多いと、１０００℃以下で焼成できなくなる。なお、ＳｉＯ２ の望ましい量は６５〜９５重量％である。
【００３１】
また、ＺｎＯが４５重量％よりも多いとＺｎＯとＳｉＯ２ との化合物（Ｚｎ２ ＳｉＯ４ ）が過剰に析出してしまい、熱膨張係数が７ｐｐｍ／℃未満となってしまう。ＺｎＯの望ましい量は１５重量％以下である。
【００３２】
また、アルカリ金属酸化物量が０．２重量％よりも少ないと、主相となるＳｉＯ２ 相が容易にクリストバライトに相変態してしまい、２００℃付近に変曲点をもつ熱膨張挙動を示してしまうためであり、１０重量％よりも多いと誘電損失が劣化してしまうためである。アルカリ金属酸化物の望ましい量は、０．５〜５重量％である。
【００３３】
なお、アルカリ金属としては、少なくともＬｉを含むことが望ましく、さらには、Ｌｉと、Ｋ、Ｎａ、ＣｓおよびＲｂの群から選ばれる少なくとも１種との組み合わせからなることが望ましい。これは、前記Ｌｉ２ Ｏとの相乗効果により、さらに低温焼成化を実現することができる。ＬｉとＬｉ以外のアルカリ金属とを組み合わせて用いる場合には、Ｌｉ以外のアルカリ金属量は０．０５〜５重量％であることが望ましい。かかるＬｉ以外のアルカリ金属量が０．０５重量％よりも少ないと、Ｌｉ２ Ｏとの相乗効果が発現せず、５重量％よりも多いと８００〜８５０℃でＬｉ、Ｂ、Ｎａなどを含む液相成分が溶出してしまうためである。
【００３４】
また、Ｂ２ Ｏ３ について、Ｂ２ Ｏ３ 量が０．５重量％より少ないと、８００〜１０００℃の温度で磁器が十分に緻密化することができず、１５重量％より多いと、過剰な液相が生成し１〜６０ＧＨｚの高周波領域における誘電損失が３０×１０−４を越えるためである。Ｂ２ Ｏ３ の望ましい範囲は１〜５重量％である。
【００３５】
また、本発明における配線基板を構成する複合酸化物焼結体の第２の態様によれば、各金属元素の酸化物換算による比率で、ＳｉＯ２ を３５〜９８重量％と、ＺｎＯを４０重量％以下と、少なくともＳｉＯ２ およびＢ２ Ｏ３ を含有するガラスを０．５〜６０重量％と、アルカリ金属酸化物を０．２〜１０重量％の割合で含む組成物からなることが望ましい。
【００３６】
この組成において、ＳｉＯ２ 、ＺｎＯ、アルカリ金属酸化物のそれぞれの上限および下限の限定理由は第１の態様と同様な理由による。少なくともＳｉＯ２ およびＢ２ Ｏ３ を含有するガラスについて、上記ガラス量が０．５重量％より少ないと、８００〜１０００℃の温度で磁器が十分に緻密化することができず、６０重量％より多いと、過剰な液相が生成し１〜６０ＧＨｚの高周波領域における誘電損失が３０×１０−４を越えて高くなるためである。少なくともＳｉＯ２ とＢ２ Ｏ３ を含有するガラスの望ましい範囲は、３〜２０重量％である。
【００３７】
なお、上記の少なくともＳｉＯ２ 、Ｂ２ Ｏ３ を含むガラスとしては、一般にホウケイ酸系ガラス、ホウケイ酸亜鉛系ガラス、ホウケイ酸鉛系ガラスなどが好適に用いられるが、特にＳｉＯ２ を５〜８０重量％、Ｂ２ Ｏ３ を４〜５０重量％の割合でそれぞれ含み、他の成分としてＡｌ２ Ｏ３ を３０重量％以下、アルカリ金属酸化物を２０重量％以下の割合で含むものが好適に使用され、これらの酸化物成分を所定割合で配合したものを溶融、冷却してガラス化したものが使用される。
【００３８】
本発明における絶縁基板を構成する複合酸化物焼結体を製造するには、原料粉末としては、ＳｉＯ２ 、ＺｎＯ、Ｂ２ Ｏ３ およびＬｉ、Ｋ、Ｎａ、ＣｓおよびＲｂなどのアルカリ金属の酸化物、あるいは焼成により酸化物を形成し得る炭酸塩、硝酸塩など、あるいは上記酸化物のうち２種以上の複合酸化物なども使用できる。
【００３９】
具体的には、ＺｎＯ、ＳｉＯ２ 源としては、単味の酸化物の他に、Ｚｎ２ ＳｉＯ４ で表されるウイレマイト化合物を用いることができる。また、Ｂ２ Ｏ３ 源としては、Ｂ２ Ｏ３ や焼結過程でＢ２ Ｏ３ を形成し得るＢ２ Ｓ３ 、Ｈ２ ＢＯ３ や、ＺｎＯ・２Ｂ２ Ｏ３ 、４ＺｎＯ・３Ｂ２ Ｏ３ などのほう酸亜鉛などの化合物の群から選ばれる少なくとも１種が用いられる。
【００４０】
さらに、Ｌｉ２ Ｏ源として、Ｌｉ２ Ｏ、焼結過程でＬｉ２ Ｏを形成し得るＬｉ２ ＣＯ３ 、ＬｉＯＨ・Ｈ２ Ｏ、Ｌｉ２ Ｓ等、あるいはＬｉ２ ＳｉＯ３ 、Ｌｉ４ ＳｉＯ４ 、Ｌｉ２ Ｓｉ２ Ｏ５ 、Ｌｉ２ Ｓｉ３ Ｏ７ 、Ｌｉ６ Ｓｉ２ Ｏ７ 、Ｌｉ８ ＳｉＯ６ などのＳｉＯ２ とＬｉ２ Ｏとの化合物、Ｌｉ２ ＺｎＳｉＯ４ 、Ｚｎ２ （ＺｎｘＬｉｙＳｉｚ）Ｏ４ （ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）などのＳｉＯ２ とＬｉ２ ＯとＺｎＯとの複合酸化物の群から選ばれる少なくとも１種が用いられる。
【００４１】
また、Ｋ、Ｎａ、ＣｓおよびＲｂの群から選ばれる少なくとも１種の酸化物源としては、各金属元素の酸化物や、焼成によって酸化物を形成し得る炭酸塩、硝酸塩などが使用される。
【００４２】
またさらに、少なくともＳｉＯ２ およびＢ２ Ｏ３ を含有するガラスとしては、前述したような、ホウケイ酸系ガラス、ホウケイ酸亜鉛系ガラス、ホウケイ酸鉛系ガラスなどが好適に用いられる。
【００４３】
これらの原料を用いて、前記第１の態様または第２の態様の組成物に調合し、混合する。そして、その混合粉末に適宜バインダ−を添加した後、例えば、金型プレス、冷間静水圧プレス、押出し成形、ドクターブレード法、圧延法等により任意の形状に成形後、酸化雰囲気中または、Ｎ２ 、Ａｒ等の非酸化性雰囲気中において８００℃〜１０００℃、特に８５０〜９５０℃の温度で０．１〜５時間焼成することにより相対密度９５％以上に緻密化することができる。
【００４４】
この時の焼成温度が８００℃より低いと、磁器が十分に緻密化せず、１０００℃を越えると緻密化は可能であるが、銅、銀などの導体と同時焼成ができなくなる。因みに、同時焼成時に、導体として銅を用いる場合には非酸化性雰囲気とし、銀を用いる場合には非酸化性または酸化性雰囲気で焼成することが必要である。銅導体を用いることが出来なくなるためである。
【００４５】
また、上記の焼結体の製造方法において、成形処理を施す前に、所定の混合粉末を７００〜８００℃の酸化性雰囲気中で１〜３時間程度仮焼処理し、これを粉砕することにより、成分および粉末の均一化が進行するために焼結性が向上し、焼成温度を仮焼処理を施さない場合に比較して５０℃程度低下させることが可能となる。
【００４６】
上記の製造方法によれば、ＺｎおよびＳｉからなる複合酸化物と、Ｂ２ Ｏ３ 、またはＳｉＯ２ 、Ｂ２ Ｏ３ を含むガラスに、さらにＬｉ２ Ｏと、Ｋ、Ｎａ、ＣｓおよびＲｂの群から選ばれる少なくとも１種の酸化物とを組み合わせて添加することにより、複合酸化物から生成するＺｎを主とする液相とＢ２ Ｏ３ 中またはガラス中のＢ（ホウ素）成分のより活性な液相反応が生じる。さらにＬｉとＫ、Ｎａ、ＣｓおよびＲｂの群から選ばれる少なくとも１種の酸化物とを組み合わせることにより、アルカリ混合効果により、さらに低温で液相が生成されることにより、アルカリ金属元素が一種の場合に比較して、低温で液相が生成される結果、僅かな添加物の添加により、８００〜１０００℃以下の温度で焼成でき、磁器を緻密化することができる。そのために、誘電損失を増大させる要因となる粒界の非晶質相の量を最小限に押さえることができる。このため高周波帯域においてより低い誘電損失を得ることができるのである。
【００４７】
また、本発明における絶縁基板は、８００〜１０００℃で焼成可能であることから、特に銅、金、銀などを配線する配線基板の絶縁基板として用いることができる。かかる焼結体を用いて配線基板を作製する場合には、例えば、上記のようにして調合した混合粉末を、所望により仮焼処理した後、公知のテープ成形法、例えばドクターブレード法、圧延法等に従い、絶縁層形成用のグリーンシートを作製した後、そのシートの表面に配線回路層用として、銅、金および銀のうちの少なくとも１種の金属、特に、銅粉末を含む導体ペーストを用いて、グリーンシート表面に配線パターンにスクリーン印刷法、グラビア印刷法等によって回路パターン状に印刷し、場合によってはシートにスルーホールやビアホール形成後、上記導体ペーストを充填する。その後、複数のグリーンシートを積層圧着した後、上述した条件で焼成することにより、配線層と絶縁基板とを同時に焼成することによって配線基板を作製することができる。
【００４８】
また、配線基板の底面には、外部電気回路基板と接続するための接続端子がロウ付け等により取り付けられる。例えば、ＢＧＡ型パッケージの場合には、低融点半田あるいは高融点半田からなるボール状端子を低融点半田により配線基板の底面に形成された接続パッドに取り付けられる。
【００４９】
そして、この配線基板の表面には、半導体素子が搭載され配線層と信号の伝達が可能なように接続される。接続方法としては、配線層上に直接搭載させて接続させたり、あるいはワイヤーボンディングや，ＴＡＢテープなどが採用される。
【００５０】
その後、図１のように、蓋体をロウ付けしてその内部に半導体素子を気密に封止する。また、半導体装置が完成される。この半導体装置を外部電気回路基板に接続するには、外部電気回路基板表面の配線導体と配線基板の接続端子とを半田などのロウ材によって実装すればよい。
【００５１】
【実施例】
実施例１
平均粒径が１μｍ以下のＺｎ２ ＳｉＯ４ 粉末、ＺｎＯ・２Ｂ２ Ｏ３ 粉末または４ＺｎＯ・３Ｂ２ Ｏ３ 粉末で示される化合物、溶融ＳｉＯ２ （アモルファス）、各種アルカリ金属の炭酸塩の粉末を原料として用い、各金属元素の酸化物量が表１、２の組成に従い混合した。そして、この混合物を大気中、７５０℃で１時間仮焼処理した後、粉砕処理した。この処理物に有機バインダー、可塑剤、トルエンを添加し、ドクターブレード法により厚さ３００μｍのグリーンシートを作製した。そして、このグリーンシートを５枚積層し、５０℃の温度で１００ｋｇ／ｃｍ２ の圧力を加えて熱圧着した。得られた積層体を水蒸気含有窒素雰囲気中で、７００℃で脱バインダーした後、乾燥窒素中で表１、２の条件において焼成して多層配線基板用焼結体を得た。
【００５２】
また、比較例として、ＭｇＳｉＯ３ 、ＣａＳｉＯ３ を主成分とし、これに、Ｂ２ Ｏ３ 含有化合物やアルカリ金属酸化物を添加して、同様に焼結体を作製し評価した（試料Ｎｏ．２７、２８）。
【００５３】
得られた各焼結体について誘電率、誘電損失を以下の方法で評価した。測定は、形状直径１〜５ｍｍ、厚み２〜３ｍｍの試料を切り出し、６０ＧＨｚにてネットワークアナライザー、シンセサイズドスイーパーを用いて誘電体円柱共振器法により行った。測定では、ＮＲＤガイド（非放射性誘電体線路）で、誘電体共振器の励起を行い、ＴＥ０２１，ＴＥ０３１モードの共振特性より誘電率、誘電損失を算出した。測定の結果は表１、２に示した。また、各焼結体について、室温から４００℃の温度範囲における熱膨張係数を測定した。
【００５４】
さらに、上記のグリーンシートに対して、バイアホールを形成して銅ペーストを充填し、シート表面に銅ペーストを配線パターンに印刷塗布し、また、最下層のグリーンシートの底面には、内部の配線層と導通する電極層を形成した後、これを５層積層して、上記と同様な条件で焼成して３５ｍｍ角、厚み１．２ｍｍの多層配線基板を作製した。
【００５５】
この多層配線基板の電極層に、Ｐｂ９０重量％−Ｓｎ１０重量％の半田からなるボール状端子を低融点半田（Ｐｂ３７重量％−Ｓｎ６３重量％）により取着した。なお、ボール状端子は、１ｃｍ２ 当たり３０個の密度で配線基板の底面全体に形成した。
【００５６】
そして、この配線基板をガラス−エポキシ基板からなる４０〜８００℃における熱膨張係数が１３ｐｐｍ／℃の絶縁基板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に実装した。実装は、プリント基板表面の配線導体と配線基板のボール状端子とを位置合わせして、前記低融点半田によって実装した。
【００５７】
上記のようにして多層配線基板をプリント基板に実装したものを大気雰囲気にて−４０℃と１２５℃の各温度に制御した恒温槽に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配線基板間の電気抵抗を測定し電気抵抗の変化が現れるまでのサイクル数を表１、表２に示した。
【００５８】
【表１】
【表２】
表１、２の結果から明らかなように、結晶相として、クオーツ型結晶相、あるいはクオーツ型結晶相、ウイレマイト型結晶相（Ｚｎ２ ＳｉＯ４ ）（Ｗ）が主として析出した本発明の磁器は、いずれも誘電率が７以下、６０ＧＨｚでの誘電損失が３０×１０−４以下であり、熱膨張係数が７〜１７ｐｐｍ／℃の特性を示した。なお、本発明品の磁器の液相に対して、ＩＣＰ発光分光分析によって分析した結果、いずれも液相中からＺｎと、その他に極微量のＳｉ、Ｂ、Ｌｉ、Ｎａ等が検出された。
【００６１】
また、絶縁基板を熱膨張係数が７〜１７ｐｐｍ／℃の焼結体により構成した試料は、いずれも熱サイクル試験においても１０００サイクル以上の優れた耐久性を示した。
【００６２】
これに対して、ＳｉＯ２ 量が９８重量％を越える試料Ｎｏ．７では１４００℃まで高めないと緻密化できず、６０重量％よりも少ない試料Ｎｏ．１９，２１では、熱膨張率が小さく、本発明の目的に適合しないものであった。Ｂ２ Ｏ３ 量が０．５重量％未満である試料Ｎｏ．１７では、焼成温度を１２００℃まで高めないと緻密化することができず、本発明の目的に適さないものであった。一方、Ｂ２ Ｏ３ 量が１５重量％を越える試料Ｎｏ．２０は、液相が溶出してした。アルカリ金属量が０．２重量％よりも少ない試料Ｎｏ．１３では、クリストバライトが多量に析出し、熱膨張係数が１７ｐｐｍ／℃を越え、本発明の目的に適さず、しかも、熱膨張曲線に変曲点が生じた。アルカリ金属量が１０重量％よりも多い試料Ｎｏ．１１、１６では液相が溶出した。
【００６３】
また、比較例として、ＭｇＳｉＯ３ やＣａＳｉＯ３ を用いた試料Ｎｏ．２５、２６では、Ｂ２ Ｏ３ 量を１５重量％以上添加しないと緻密化しないため十分な誘電特性が得られず、本発明の目的に適さないものであった。
【００６４】
実施例２
平均粒径が１μｍ以下のＺｎ２ ＳｉＯ４ に対して、表３の組成からなるガラス粉末と、さらに各種アルカリ金属の炭酸塩、場合により溶融ＳｉＯ２ を添加して、添加したガラス以外のＳｉＯ２ 、ＺｎＯおよびアルカリ金属酸化物量が表３の組成になるように混合した。そして、この混合物を大気雰囲気中で７００℃で１時間仮焼処理した後、粉砕処理した。この処理物に有機バインダー、可塑剤、トルエンを添加し、ドクターブレード法により厚さ３００μｍのグリーンシートを作製した。そして、このグリーンシートを５枚積層し、５０℃の温度で１００ｋｇ／ｃｍ２ の圧力を加えて熱圧着した。得られた積層体を水蒸気含有／窒素雰囲気中で、７００℃で脱バインダーした後、乾燥窒素中で表３の条件において焼成して多層基板用複合酸化物焼結体を得た。
【００６５】
得られた焼結体について実施例１と同様にして誘電率、誘電損失および結晶相の同定、熱膨張係数、ならびに熱サイクル試験を実施例１と同様な方法で測定評価した。測定の結果は表４、５に示した。
【００６６】
【表３】
【表４】
【表５】
表４、表５の結果から明らかなように、本発明に従い、結晶相として、クオーツ型結晶相やウイレマイト型結晶相が主として析出した焼結体は、いずれも誘電率が７以下、６０ＧＨｚでの誘電損失が３０×１０−４以下の優れた値を示し、熱膨張係数が７〜１７ｐｐｍ／℃の焼結体は、熱サイクル試験においても優れた耐久性を示した。
【００７０】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の配線基板によれば、絶縁基板を特定の結晶相が析出した複合酸化物焼結体により構成することにより、１０００℃以下の低温で焼成できることから、銅などの低抵抗金属による配線層を形成でき、しかも１ＧＨｚ以上の高周波領域において、低誘電率、低誘電損失を有することから、高周波信号を極めて良好に損失なく伝送することができる。しかも、この絶縁基板は、高熱膨張特性を有することから、有機樹脂を含む絶縁基板を具備するプリント基板などのマザーボードに対してロウ材等により実装した場合においても優れた耐熱サイクル性を有し、高信頼性の実装構造を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線基板を用いたＢＧＡ型の半導体素子収納用パッケージの一例を説明するための概略断面図である。
【符号の説明】
Ａ ＢＧＡ型パッケージ
１ 絶縁基板
２ 蓋体
３ キャビティ
４ 半導体素子
５ 配線層
６ 接続用電極層
７ ロウ材
８ ボール状端子
Ｂ 外部電気回路基板
９ 絶縁基板
１０ 導体配線
１１ ロウ材
Claims (7)
- 絶縁基板の表面あるいは内部に、配線層が配設されてなる配線基板において、前記絶縁基板が、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｂおよびアルカリ金属を含み、構成結晶相がクオーツ結晶相と、ＺｎとＳｉを含む酸化物結晶相としてＺｎ ２ ＳｉＯ ４ で表される化合物と、Ｚｎとアルカリ金属とＳｉを含有する酸化物結晶相の群から選ばれる少なくとも１種との組み合わせからなるとともに、室温から４００℃における熱膨張係数が７〜１７ｐｐｍ／℃の複合酸化物焼結体からなることを特徴とする配線基板。
- 前記アルカリ金属として、少なくともＬｉを含有する請求項１記載の配線基板。
- 前記Ｚｎとアルカリ金属（Ｍ）とＳｉを含有する結晶相が、Ｍ２ＺｎＳｉＯ４で表される化合物からなる請求項１記載の配線基板。
- 前記複合酸化物焼結体が、各金属元素の酸化物換算による比率でＳｉＯ２を６０〜９８重量％と、ＺｎＯを４５重量％以下と、Ｂ２Ｏ３を０．５〜１５重量％と、アルカリ金属酸化物を０．２〜１０重量％の割合で含む組成物を焼成して得られたものである請求項１記載の配線基板。
- 前記複合酸化物焼結体が、各金属元素の酸化物換算による比率で、ＳｉＯ２を３５〜９８重量％と、ＺｎＯを４０重量％以下と、少なくともＳｉＯ２およびＢ２Ｏ３を含有するガラスを０．５〜６０重量％と、アルカリ金属酸化物を０．２〜１０重量％の割合で含む組成物を焼成して得られたものである請求項１記載の配線基板。
- １ＧＨｚ〜６０ＧＨｚの範囲において、誘電損失が３０×１０−４以下であることを特徴とする請求項１に記載の配線基板。
- 絶縁基板の表面あるいは内部に配線層が配設され、且つ外部電気回路への接続端子を具備する配線基板を、有機樹脂を含有する絶縁基板表面に配線導体が形成された外部電気回路基板に載置して、前記接続端子を前記配線導体に対してロウ付けしてなる配線基板の実装構造において、前記配線基板の絶縁基板が、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｂおよびアルカリ金属を含み、構成結晶相がクオーツ結晶相と、ＺｎとＳｉを含む酸化物結晶相としてＺｎ ２ ＳｉＯ ４ で表される化合物と、Ｚｎとアルカリ金属とＳｉを含有する酸化物結晶相の群から選ばれる少なくとも１種との組み合わせからなるとともに、室温から４００℃における熱膨張係数が７〜１７ｐｐｍ／℃の複合酸化物焼結体からなることを特徴とする配線基板の実装構造。
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