JP3662910B2

JP3662910B2 - 窒化アルミニウム多層基板

Info

Publication number: JP3662910B2
Application number: JP2003103314A
Authority: JP
Inventors: 晋秋山
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 2003-04-07
Filing date: 2003-04-07
Publication date: 2005-06-22
Anticipated expiration: 2020-06-22
Also published as: JP2003264375A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化アルミニウム多層基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年において小型化・高密度化等の著しい電子機器には、同じく小型化・高密度化したＩＣチップやＬＳＩチップ等が使用される状況にある。ところが、チップの高密度化等が進むと発熱量も増加するということから、セラミックス多層基板にチップを搭載してなるパッケージには高い放熱性が要求されることとなる。このため、従来から良く知られているアルミナパッケージよりも更に放熱性に優れたセラミックパッケージを実現することが近年強く望まれている。
【０００３】
非酸化物系セラミックスに属する窒化アルミニウムは、熱伝導率がアルミナよりも高くしかも熱膨張係数がシリコンに近似しているという優れた物理的特性を備えている。よって、現時点においては、窒化アルミニウム製の多層基板を使用したパッケージが好適であろうと考えられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この種のパッケージとしては、例えば窒化アルミニウム多層基板の下面側に接続用端子としての多数のピンを備えた、いわゆるＰＧＡ（ピングリッドアレイ）タイプのものなどが良く知られている。そして、ＰＧＡタイプのパッケージは、マザーボードであるプリント配線板上のパッドにピンを介して表面実装されるようになっている。
【０００５】
ところが、窒化アルミニウム多層基板を使用したセラミックパッケージには、以下に述べるような問題点があった。つまり、窒化アルミニウムの熱膨張係数は４．５（×１０^−６／℃）前後であるため、熱膨張係数が３．６（×１０^−６／℃）前後であるシリコンとの差は比較的小さい。このため、窒化アルミニウム多層基板とシリコンチップとの組合わせに関しては、両者間に特に熱的不整合が生じるということはない。従って、窒化アルミニウム多層基板−シリコンチップ間で抵抗増大がみられたり、接続不良が起こるということもない。
【０００６】
一方、プリント配線板の形成材料であるガラスエポキシ等の樹脂は、一般的にセラミックスや金属に比して熱膨張係数が数倍大きいという特徴を有する。ゆえに、窒化アルミニウム多層基板とプリント配線板との組合せに関しては、両者間に熱的不整合が生じ易い。このため、窒化アルミニウム多層基板−プリント配線板間で抵抗増大がみられたり、接続不良が起こる確率が高くなる。また、前記のような不具合は、例えばパッケージが急激な温度変化に遭遇したときなどに顕著になるものと予測される。
【０００７】
本願発明者は上記のような予測のもと、窒化アルミニウム基板を使用したパッケージを実際に作製しかつそのパッケージをプリント配線板に表面実装させた状態で、次のような実装信頼性試験を行った。
【０００８】
被験用のパッケージのサイズは、２０mm角、２５mm角、３０mm角、３５mm角の４種類とした。また、これらのパッケージを表面実装するためのプリント配線板として、一般的に良く使用されているＦＲ−４製のプリント配線板を選択した。接続用端子としてのピンには、コバール製のショートピン（長さ２mm，０．２mmφ）を用いた。また、前記ピンの接合には共晶はんだ（Ｐｂ：Ｓｎ＝６３：３７）を用いた。そして、サーマルサイクル試験（気相，−６５℃〜１５０℃）とサーマルショック試験（液相，−５５℃〜１２５℃）とをそれぞれ１０００サイクルずつ行い、所定のサイクル毎に抵抗値を測定した。そして、抵抗変化率（％）を求め、当初の抵抗値の１０％増になった時点を「ＮＧ」と判定した。なお、抵抗値の測定は、(a)パッケージの最外周部に存在しているピン及び(b)そうでないピンの二群に分けて行った。以下、説明の便宜上前者(a)を「外周部のピン」、後者(b)を「中央部のピン」と呼ぶことにする。
【０００９】
図９，図１０は上記した試験の結果を示したグラフである。これらのグラフから明らかなように、外周部のピンに関しては、いずれの試験においても１０００サイクルを経過するまでにＮＧに到るという結果が得られた。逆に中央部のピンに関しては、１０００サイクルを経過した後でもＮＧに到らないという結果が得られた。また、ＮＧに到った外周部のピンの接続部分を観察したところ、ピンとはんだとの界面付近にクラックが発生したものが多くみられた。
【００１０】
そこで、本願発明者は、上記のような現象を引き起こすメカニズムについて次のように推論した。図８には、パッケージを窒化アルミニウム多層基板Ｓの底面側から見た図が示されている。窒化アルミニウム多層基板Ｓに突設されているピンのうち、ピンＰ1，Ｐ1aがいわゆる外周部のピンであり、ピンＰ2，Ｐ2aがいわゆる中央部のピンである。ここでピンＰ2aについて注目すると、同ピンＰ2aの周囲には８本のピンが存在していることがわかる。それに比べて、ピンＰ1の周囲には５本のピンのみが、ピンＰ1aの周囲には３本のピンのみが存在しているに過ぎないことがわかる。従って、ピンに熱応力が加わった場合、周囲に存在するピンの本数が少ないものほど熱応力の分散度合いも小さくなることがわかる。
【００１１】
つまり、一本当たりの熱応力の負担分が大きい外周部のピンＰ1，Ｐ1a、特にコーナー部Ｃに位置するピンＰ1aにクラックが多発するのであろう、という結論に到ることになる。
【００１２】
そこで、本願発明者は、外周部のピンＰ1，ピンＰ1aのような特定のピンに対して大きな熱応力が加わらないように、何らかの対策を講じれば良いものと考えた。そして、本願発明者は、これまでに得た知見を更に発展させることによって、以下に詳述する本発明を完成させた。
【００１３】
本発明の目的は、マザーボードであるプリント配線板に対する実装信頼性に極めて優れた窒化アルミニウム多層基板を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、ガラスエポキシ樹脂からなるプリント配線板上に複数の接続用端子を介して表面実装される窒化アルミニウム多層基板において、前記接続用端子は、窒化アルミニウム多層基板の最下層に設けられたスルーホールに接合されてなり、前記窒化アルミニウム多層基板のうち、接続用端子形成領域の外周を包囲するようにコバール製のダミー接続用端子を設け、該ダミー接続用端子は前記スルーホールに接合されてなることを特徴とする窒化アルミニウム多層基板をその要旨としている。
【００１５】
【作用】
請求項１に記載の発明の構成によると、温度変化に遭遇したときでもダミーの接続用端子側に熱応力が分散することになるため、熱応力の集中し易い接続用端子の破壊が未然に回避される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
〔実施例１〕
以下、本発明を窒化アルミニウム多層基板を用いたセラミックパッケージに具体化した一実施例を図１〜図３に基づき詳細に説明する。
【００１７】
図１に示されるように、本実施例のパッケージ１はＰＧＡタイプのパッケージであり、主に窒化アルミニウム多層基板２、封止用のリング３及びキャップ４、並びにＬＳＩチップ５等によって構成されている。
【００１８】
本実施例において使用される窒化アルミニウム多層基板２は、グリーンシートを積層したものをホットプレス焼成してなる５層板である。窒化アルミニウム多層基板２の内部には、タングステンペースト等の印刷によって、表裏を貫通するスルーホール７ａ，７ｂや配線パターン６が形成されている。窒化アルミニウム多層基板２の上面には、５層の薄膜多層回路（Ｌ／Ｓ＝２０μｍ／２０μｍ）８を備えるビルドアップ層９が形成されている。ビルドアップ層９の上面中央部には、ＬＳＩチップ５が搭載されている。ＬＳＩチップ５とビルドアップ層９の薄膜多層回路８とは、ボンディングワイヤ１１を介して電気的に接続されている。
【００１９】
窒化アルミニウム多層基板２の最下層のスルーホール７ａの径（０．８mmφ）は、それ以外の層のスルーホール７ｂの径（０．２mmφ）よりも大きくなっている。そして、この窒化アルミニウム多層基板２の場合、このスルーホール７ａの表面が接続用端子を取り付けるためのパッドとして使用されている。なお、スルーホール７ａの表面には予めＮｉ−Ａｕめっきが施されている。
【００２０】
図１，図２に示されるように、最下層のスルーホール７ａの表面には、接続用端子としてのコバール製のショートピン（長さ２mm，０．２mmφ）１２，１２ａが接合されている。また、本実施例ではショートピン１２と最下層のスルーホール７ａとの接合に、Ａｕ−Ｃｕろう材が用いられている。従って、これらのショートピン１２，１２ａは、スルーホール７ａ，７ｂ、薄膜多層回路８及びボンディングワイヤ１１を介してＬＳＩチップ５に電気的に接続された状態にある。なお、本実施例では、ショートピン１２，１２ａのピッチは１．２７mmに設定されている。
【００２１】
図２に示されるように、ショートピン１２，１２ａが突設された領域の更に外周には、同ショートピン１２，１２ａを包囲するようにダミーのショートピン１３が突設されている。ここでいうダミーのショートピン１３は、前記ショートピン１２，１２ａとは異なり、電気的な接続には特に関与していない。また、本実施例では、ダミーのショートピン１３として、電気的接続に関与しているショートピン１２と同一形状かつ同一材質のものが使用されている。
【００２２】
図１に示されるように、ＬＳＩチップ５が搭載された窒化アルミニウム多層基板２の上面には、ＬＳＩチップ５を湿気等から保護するためにコバール製の封止用のリング３及びキャップ４が接合されている。その結果、いわゆるフェースアップ型かつ略正方形状のパッケージ１（本実施例では３５mm角）が構成されている。
【００２３】
図３に示されるように、このパッケージ１はマザーボードであるプリント配線板（ＦＲ−４製）１４上に実装される。プリント配線板１４上の所定位置には、パッケージ１側のショートピン１２，１２ａ及びダミーのショートピン１３の突設位置に対応して接続用パッド１５が形成されている。そして、共晶はんだ（Ｐｂ：Ｓｎ＝６３：３７）１０によって、ショートピン１２，１２ａ及びダミーのショートピン１３と接続用パッド１５とが接合されている。
【００２４】
さて、本実施例のパッケージ１によると、熱応力の集中し易いショートピン、即ち外周部（特にコーナー部Ｃ）に位置しているショートピン１２ａの周囲をダミーのショートピン１３が包囲したような構成となっている。従って、急激な温度変化に遭遇したときでも、ダミーのショートピン１３に熱応力を分散させることができる。よって、外周部に位置しているショートピン１２ａの破壊を未然に回避することができる。また、仮にダミーのショートピン１３の一部に破壊が生じたとしても、それ自身が電気的接続に何ら関与していないものであることから、重大な問題が生じるというようなことはない。ゆえに、本発明の窒化アルミニウム多層基板２を使用したパッケージ１は、プリント配線板１４に対する実装信頼性に極めて優れたものとなる。
【００２５】
ちなみに、本実施例においても上述の実装信頼性試験を行ったところ、１０００サイクルを経過した後でも外周部に位置しているショートピン１２ａがＮＧに到ることがない、という極めて好ましい結果が得られた。
【００２６】
以上の試験結果からも明らかなように、本実施例によると、窒化アルミニウム多層基板２−プリント配線板間１４での抵抗増大や接続不良等といった不具合は発生しないということがわかる。
【００２７】
なお、本発明は上記実施例のみに限定されることはなく、以下のように変更することが可能である。例えば、
（ａ）図４に示される別例１の窒化アルミニウム多層基板２０を使用したパッケージ２１のように、ダミーのショートピン１３をコーナー部Ｃのみに配設するという構成にしても良い。このような構成であっても、少なくとも熱応力が最も集中し易いコーナー部Ｃのショートピン１２ａが保護されることになるという利点がある。また、この構成を採用した場合、使用されるダミーのショートピン１３の本数が少なくて済むため、コスト的にも安くなる。
【００２８】
（ｂ）実施例に示したダミーのショートピン１３を、例えばショートピン１２，１２ａが突設されている領域Ｒの内側に設けることとしても良い。即ち、図４において二点鎖線で示されるような領域Ｒにダミーのショートピンを設ければ、その近傍のショートピン１２ｂに加わる熱応力を分散させることができるからである。
【００２９】
（ｃ）図５に示される別例２の窒化アルミニウム多層基板２２に使用するパッケージ２３のように、電気的接続に関与する接続用端子をバンプ２４とし、かつその周囲に電気的接続に関与しないダミーのバンプ２５としても良い。この場合、バンプの形成材料として、例えば高融点はんだ、銀ろう、タングステン等を使用することが好適である。
【００３０】
別例２のような構成であっても前記実施例と同様の作用効果が得られ、前記パッケージ２３のプリント配線板に対する実装信頼性を向上させることができる。（ｄ）図６に示される別例３の窒化アルミニウム多層基板２６に使用するパッケージ２７のような構成としても良い。
【００３１】
この窒化アルミニウム多層基板２６の場合、電気的接続に関与する接続用ピン２８，２８ａのうち、最外周の接続用ピン２８ａがそれ以外の接続用ピン２８に比べて小径（０．１５mmφ）なものとなっている。この構成であると、温度変化に遭遇したときでも、熱応力の集中し易い最外周の接続用ピン２８ａ自体が、ある程度の熱応力を吸収してしまう。よって、接続用ピン２８ａの破壊が未然に回避される。
【００３２】
また、接続用ピン２８，２８ａのうち少なくとも熱応力の集中し易い最外周の接続用ピン２８ａを、熱応力の集中し難い接続用ピン２８よりも軟質なものとしても良い。つまり、熱応力の集中し難い接続用ピン２８をコバール製としたときには、最外周の接続用ピン２８ａ用の材料として、例えば銅や金等のコバールよりも軟質な金属を選択すれば良い。また、これらの金属ばかりでなく、例えば軟質の合金を選択することも可能である。
【００３３】
更に、熱応力の集中し難い接続用ピン２８用の金属としてコバール以外のものを選択した場合であっても、最外周の接続用ピン２８ａとして同金属よりも軟質な別の金属を選択すれば良いということになる。
【００３４】
（ｅ）図７に示される別例４の窒化アルミニウム多層基板２９を使用したパッケージ３０のように、接続用ピン３１の全てを熱応力を吸収し得る形状にすることも好ましい。即ち、別例４のパッケージ３０の場合、接続用ピン３１を熱応力を吸収し得る形状にするために、同接続用ピン３１を小径（０．１５mmφ）にしている。また、前記接続用ピン３１の形状を変更するばかりでなく、例えば接続用ピン３１等の材料として軟質な金属である銅等を用いることとしても良い。
【００３５】
（ｆ）窒化アルミニウム多層基板２の上面のビルドアップ層９は特に必須というわけではなく、不要な場合には構成から省略することも可能である。また、窒化アルミニウム多層基板２の積層数は任意に変更することが可能である。
【００３６】
（ｇ）接続用ピンを平坦なパッドにはんだ付けするという接合方法に代え、例えば窒化アルミニウム多層基板２側の凹部に接続用ピンを挿入するという接続方法を採用しても良い。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の窒化アルミニウム多層基板によれば、特定の接続用端子に大きな熱応力が集中することがないため、マザーボードであるプリント配線板に対する実装信頼性に極めて優れたものとなるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】窒化アルミニウム多層基板を使用した実施例のパッケージを示す概略縦断面図である。
【図２】実施例の窒化アルミニウム多層基板を示す底面図である。
【図３】実施例のパッケージをマザーボードであるプリント配線板に実装した状態を示す要部拡大断面図である。
【図４】別例１の窒化アルミニウム多層基板（パッケージ）を示す底面図である。
【図５】別例２の窒化アルミニウム多層基板（パッケージ）を示す概略縦断面図である。
【図６】別例３の窒化アルミニウム多層基板（パッケージ）を示す概略縦断面図である。
【図７】別例４の窒化アルミニウム多層基板（パッケージ）を示す概略縦断面図である。
【図８】パッケージを構成する従来の窒化アルミニウム多層基板を示す一部破断底面図である。
【図９】従来のパッケージに対するサーマルサイクル試験の結果を表したグラフである。
【図１０】従来のパッケージに対するサーマルショック試験の結果を表したグラフである。
【符号の説明】
１，２１，２３，２７，３０…パッケージ、２，２０，２２，２６，２９…窒化アルミニウム多層基板、１２，１２ａ，１２ｂ…接続用端子としてのショートピン、１３…ダミーの接続用端子としてのダミーのショートピン、１４…プリント配線板、２４…接続用端子としてのバンプ、２５…ダミーの接続用端子としてのダミーのバンプ、２８…熱応力の集中し難い接続用ピン、２８ａ…熱応力の集中し易い最外周の接続用ピン、３１…接続用ピン。

Claims

ガラスエポキシ樹脂からなるプリント配線板上に複数の接続用端子を介して表面実装される窒化アルミニウム多層基板において、
前記接続用端子は、窒化アルミニウム多層基板の最下層に設けられたスルーホールに接合されてなり、前記窒化アルミニウム多層基板のうち、接続用端子形成領域の外周を包囲するようにコバール製のダミー接続用端子を設け、該ダミー接続用端子は前記スルーホールに接合されてなることを特徴とする窒化アルミニウム多層基板。