JP3692272B2 - 配線基板 - 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等に用いられる配線基板に関し、詳しくは実装した半導体素子の各電極を所定の外部電気回路に長期間にわたり安定して電気的に接続させることができる配線基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体素子が搭載される配線基板は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体等の電気絶縁材料から成り、その表面に半導体素子が搭載される搭載部を有する絶縁基体と、絶縁基体の半導体素子搭載部またはその周辺から下面にかけて導出される、例えば、タングステンやモリブデン等の高融点金属粉末から成る複数個の配線導体と、絶縁基体の下面に形成され、前記配線導体と電気的に接続された複数個の接続パッドとから構成されており、絶縁基体の搭載部に半導体素子をガラス、樹脂、ロウ材等から成る接着剤を介して接着固定させるとともに半導体素子の各電極と配線導体とをボンディングワイヤ等の電気的接続手段を介して電気的に接続し、しかる後、必要に応じて前記半導体素子を蓋体や封止樹脂で気密封止させることによって半導体装置となる。
【０００３】
かかる半導体装置は、外部電気回路基板上に、該外部電気回路基板の回路配線と絶縁基体下面の接続パッドとが、間に低融点ロウ材を挟んで対向するよう載置させ、しかる後、前記低融点ロウ材を所定の温度で加熱溶融し、外部電気回路基板の回路配線と絶縁基体下面の接続パッドとを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、同時に配線基板に搭載されている半導体素子の各電極が配線導体および低融点ロウ材を介して外部電気回路基板に電気的に接続されることとなる。
【０００４】
なお、前記接続パッドおよび配線導体は、通常、その露出表面にニッケルから成る下地めっき層と金めっき層とが順次被着されており、下地めっき層により金めっき層が接続パッド表面に強固に被着され、金めっき層により低融点ロウ材の濡れ性やボンディングワイヤのボンディング性が良好なものとされている。
【０００５】
また前記半導体装置を外部電気回路基板上に実装し、半導体素子の各電極を外部電気回路基板の回路配線に電気的に接続する低融点ロウ材は、鉛が人体に対し悪影響を与えるために鉛を含有しない錫―銀系の鉛フリー半田（ロウ付け温度：約２６０℃〜３００℃）が使用されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の半導体素子が搭載される配線基板は絶縁基体が酸化アルミニウム質焼結体等のセラミックス材料で形成されており、その熱膨張係数が約４×１０−６／℃〜１０×１０−６／℃であるのに対し、外部電気回路基板は一般にガラスエポキシ樹脂等の樹脂材で形成されており、その熱膨張係数が３０×１０−６／℃〜５０×１０−６／℃であり、大きく相違することから、外部電気回路基板上に半導体装置を実装した後、半導体素子の作動時に発する熱が配線基板の絶縁基体と外部電気回路基板に繰り返し作用すると、両者間に両者の熱膨張係数の差に起因して大きな熱応力が繰り返し生じ、この熱応力の繰り返しによって接続パッドと外部電気回路基板とを接合する低融点ロウ材の接続パッドとの界面付近の端部から亀裂が生じるとともにこれが前記界面に沿って進行し、最終的には低融点ロウ材に破断が発生し、半導体素子と外部電気回路との電気的接続が短期間で破れてしまうという問題があった。
【０００７】
また、錫−銀系の鉛フリー半田は、そのロウ付け温度が約２６０℃〜３００℃と高いことから、ロウ付け時、下地めっき層のニッケルが金めっき層の表面に拡散しやすく、ニッケルが金めっき層の表面に拡散析出しこれが酸化されると低融点ロウ材の濡れ性や、ボンディングワイヤのボンディング性が劣化して半導体装置の外部電気回路基板上への実装及び半導体素子の各電極と外部電気回路基板の回路配線との電気的接続の信頼性が大きく低下するという欠点も有していた。
【０００８】
なお、この欠点を解消するために金めっき層の厚みを約１μｍ以上と厚くしニッケル等の金めっき層表面への拡散を防ぐことが考えられる。
【０００９】
しかしながら、金めっき層の厚みを厚くすると低融点ロウ材中に拡散する金の量が増大し、これによって低融点ロウ材の組成が変わり固液共存領域の増大等に起因して銀、錫等のロウ材成分に偏析が生じてしまい、その結果、ロウ材が脆くなり、前述のような熱応力に起因する低融点ロウ材の破断の危険性がより一層顕著になるという問題を誘発してしまう。
【００１０】
本発明は、従来の配線基板における上記問題点に鑑み案出されたもので、その目的は、絶縁基体の接続パッドと外部電気回路基板の回路配線とを接合する低融点ロウ材に破断が発生するのを有効に防止し、半導体素子の各電極を外部電気回路に長期間にわたり確実、強固に電気的接続することができる長期信頼性に優れた配線基板を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の配線基板は、電気絶縁材料から成り、上面に半導体素子搭載部を有する絶縁基体と、該絶縁基体下面のパッド形成領域に形成され外部電気回路基板の回路配線に低融点ロウ材を介して接続される多数の円形状の接続パッドと、前記絶縁基体の前記搭載部から前記接続パッドにかけて導出される複数個の配線導体とから成る配線基板であって、前記接続パッドは、外周縁近傍に間隙部が形成され、該間隙部を挟んで対向する前記接続パッドの露出表面側の角部が絶縁基体下面に対して傾斜しており、前記接続パッドの露出表面に、ニッケルめっき層と、パラジウム−リンめっき層と、金めっき層とが順次被着されていることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明の配線基板によれば、各接続パッドは、その外周縁近傍に、例えば、幅が接続パッドの半径の５％〜３５％、内周の半径が接続パッドの半径の６０％〜８２％である円環状の間隙部が形成されていることから接続パッドを外部電気回路基板の回路配線に低融点ロウ材を介して接合した後、低融点ロウ材に配線基板の絶縁基体と外部電気回路基板の熱膨張係数の差に起因する熱応力が繰り返し作用した場合、低融点ロウ材の外周端、即ち接続パッドの外周縁との接合界面付近に前記熱応力によって亀裂が生じるが該亀裂はその進行方向が前記間隙部で変更されて阻止され、その結果、低融点ロウ材が破断することはほとんどなく、これによって接続パッドと外部電気回路基板の回路配線とを確実、強固に電気的接続することができるとともに半導体素子の外部電気回路への接続を長期信頼性に優れたものとなすことが可能となる。
【００１５】
また本発明の配線基板によれば、金めっき層とニッケルめっき層との間にパラジウム−リンめっき層を介在させたことからニッケルめっき層のニッケルが金めっき層表面に拡散するを効果的に抑制することができ、これによって接続パッドの表面に被着される金めっき層の厚みを０．０３μｍ〜０．５μｍと薄くすることが可能となるとともにロウ付け時に低融点ロウ材中に拡散する金の量を少なくし、低融点ロウ材の組成変動に伴なうロウ材成分の偏析を有効に防止して、低融点ロウ材の機械的強度を強いものとなすことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に本発明を添付の図面を基にして詳細に説明する。
図１は、本発明の配線基板を使用した半導体素子収納用パッケージの一実施例を示す断面図であり、１は絶縁基体、２は配線導体である。この絶縁基体１と配線導体２とで半導体素子３を搭載する配線基板４が構成される。
【００１７】
前記絶縁基体１は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、ガラスセラミック焼結体等の電気絶縁材料から成り、その上面に半導体素子３が搭載収容される凹部１ａ有し、該凹部１ａ底面には半導体素子３がガラスや樹脂、ロウ材等の接着剤を介して接着固定される。
【００１８】
前記絶縁基体１は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化カルシウム、酸化マグネシウム等の原料粉末に適当な有機バインダー、溶剤を添加混合して泥漿状のセラミックスラリーとなすとともに該セラミックスラリーを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等のシート成形技術を採用してシート状のセラミックグリーンシート（セラミック生シート）を得、しかる後、前記セラミックグリーンシートを切断加工や打ち抜き加工等により適当な形状とするとともにこれを複数枚積層し、最後に前記積層されたセラミックグリーンシートを還元雰囲気中、約１６００℃の温度で焼成することによって製作される。
【００１９】
また前記絶縁基体１は、その凹部１ａ周辺から下面にかけて多数の配線導体２が被着形成されており、該配線導体２の凹部１ａ周辺部位には半導体素子３の各電極がボンディングワイヤ５を介して電気的に接続され、また絶縁基体１の下面に導出された部位には配線導体２と電気的に接続する複数の円形状の接続パッド６が形成されている。
【００２０】
前記配線導体２および接続パッド６は、半導体素子３の電極を外部電気回路に接続する作用をなし、例えば、タングステン、モリブデン、マンガン等の高融点金属粉末から成り、タングステン等の高融点金属粉末に適当な有機バインダーや溶剤を添加混合して得た金属ペーストを絶縁基体１となるセラミックグリーンシートに予め従来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しておくことによって絶縁基体１の凹部１ａ周辺から下面にかけて被着形成される。
【００２１】
また前記接続パッド６は、配線基板４を外部電気回路基板に実装する外部端子として作用し、錫−銀系半田等の鉛を含有しない低融点ロウ材７を介して外部電気回路基板８の回路配線８ａに、例えば約２６０℃〜３００℃と比較的高温のリフロー炉で加熱することにより接合され、これにより半導体素子３の電極が外部電気回路基板８の回路配線８ａと電気的に接続される。
【００２２】
前記接続パッド６は、図２および図３に示すように、その外周縁近傍に円環状の間隙部６ｂが形成されており、該接続パッド６の間隙部６ｂよりも内側の領域６ａは配線導体２を外部電気回路基板８の回路配線８ａに確実に電気的接続させるための主接続部として作用し、間隙部６ｂよりも外側の領域６ｃがその接合強度を更に向上させる作用をなす。
【００２３】
前記接続パッド６は、その外周縁近傍に円環状の間隙部６ｂが形成されていることから、接続パッド６を外部電気回路基板８の回路配線８ａに低融点ロウ材７を介して接合した後、低融点ロウ材７に配線基板４の絶縁基体１と外部電気回路基板８の熱膨張係数の差に起因する熱応力が繰り返し作用した場合、低融点ロウ材７の外周端、即ち、接続パッド６の外周縁との接合界面付近に前記熱応力によって亀裂が生じるが該亀裂はその進行が前記間隙部６ｂにより変更されて阻止され、その結果、低融点ロウ材７が破断することはほとんどなく、これによって接続パッド６と外部電気回路基板８の回路配線８ａとを確実、強固に電気的接続することができるとともに半導体素子３の外部電気回路への接続を長期信頼性に優れたものとなすことが可能となる。
【００２４】
なお、前記間隙部６ｂは、その幅が接続パッド６の半径に対して５％未満の狭いものになると亀裂の進行方向を変更させるのが困難となって低融点ロウ材７に破断を発生させてしまう危険性があり、また３５％を超える広いものになると、低融点ロウ材７と接続パッド６の接合面積が小さくなり、低融点ロウ材７の接続パッド６に対する接合強度が低いものとなる危険性がある。従って、前記間隙部６ｂは、その幅を接続パッド６の半径に対して５％〜３５％の範囲としておくことが好ましい。
【００２５】
また、前記接続パッド６は、間隙部６ｂの内周半径、即ち、接続パッド６の間隙部６ｂよりも内側の領域６ａの半径が接続パッド６全体の半径の６０％未満となると、間隙部６ｂ及び間隙部６ｂよりも外側の領域６ｃの幅が広くなって亀裂が大きく進行したり、低融点ロウ材７との接合面積が狭いものとなったりして接続パッド６に対する低融点ロウ材７の長期にわたる接合信頼性が低くなる傾向にあり、また８２％を超えると接続パッド６の間隙部６ｂよりも外側の領域６ｃ及び間隙部６ｂの幅がそれぞれ極めて狭いものとなって、亀裂の進行を有効に阻止することができなくなる危険性がある。従って、前記接続パッド６は、間隙部６ｂの内周半径、即ち、接続パッド６の間隙部よりも内側の領域６ａの半径が接続パッド６全体の半径に対し６０％〜８２％の範囲としておくことが好ましい。
【００２６】
更に、前記接続パッド６は、間隙部６ｂよりも内側の領域６ａを円形、間隙部６ｂよりも外側の領域６ｃおよび間隙部６ｂを円環状とし、それぞれ同心円状としておくと、熱応力が特定の部位に集中することなく全体に分散し、その結果、熱応力の集中による亀裂の発生が有効に阻止され、接合の信頼性をより一層優れたものとすることができる。従って、前記接続パッド６は、間隙部６ｂよりも内側の領域６ａを円形、外側の領域６ｃを円環状とし、それぞれ同心円状として形成しておくことが好ましい。
【００２７】
また更に前記間隙部６ｂを挟んで対向する間隙部６ｂよりも内側の領域６ａおよび外側の領域６ｃの側壁６ｄは、少なくともその表面側の角部に図２に示すような絶縁基体１下面に対して角度θ、６０°≦θ≦８５°の傾斜もたせておくと、低融点ロウ材７中を進行する亀裂の進行方向を絶縁基体１の方向に容易に変えさせて亀裂の進行を有効に阻止することができる。従って、前記間隙部６ｂを挟んで対向する間隙部６ｂよりも内側の領域６ａおよび外側の領域６ｃの側壁６ｄは、少なくともその表面側の角部に、絶縁基体１下面に対して６０°〜８５°の範囲で傾斜させておくことが好ましい。
【００２８】
また本発明の配線基板においては、図４に示す如く、接続パッド６の表面に、ニッケルめっき層９と、パラジウム−リンめっき層１０と、厚さが０．０３μｍ〜０．５μｍの金めっき層１１とが順次被着されている。
【００２９】
前記ニッケルめっき層９は、接続パッド６およびパラジウムめっき層１０のいずれに対しても密着性が良好であることから、接続パッド６の表面にパラジウムめっき層１０および金めっき層１１を強固に被着させるための下地めっき層として作用する。
【００３０】
前記ニッケルめっき層９は、例えば、硫酸ニッケル等のニッケル化合物と水素化ホウ素ナトリウムやジメチルアミンボラン等のホウ素系の還元剤とを主成分とし、錯化剤、安定剤、ｐＨ調整剤等を添加して成る無電解ニッケルめっき浴中に配線基板４を所定時間浸漬させる無電解めっき法により接続パッド６の表面に所定厚みに被着される。
【００３１】
この場合、前記ニッケルめっき層９は、その厚さが１μｍ未満と薄いものになると接続パッド６の表面を完全に被覆することが難しく、パラジウム−リンめっき層１０を接続パッド６の表面に強固に被着させることが困難となり、また１０μｍを超えると内部応力が大きくなって接続パッド６にニッケルめっき層９を強固に被着させることが困難となってしまう。従って、前記ニッケルめっき層９は、その厚さを１μｍ〜１０μｍの範囲としておくことが好ましい。
【００３２】
また、前記パラジウム−リンめっき層１０はニッケルめっき層９に金めっき層１１を強固に被着接合させるとともに、接続パッド６を外部電気回路基板８の回路配線８ａに錫−銀系鉛フリー半田等の低融点ロウ材を介して接続するとき等の熱によりニッケルめっき層９のニッケルが金めっき層１１の表面に移動拡散することを防ぐ作用をなす。
【００３３】
前記パラジウム−リンめっき層１０は、塩化パラジウム等のパラジウム化合物とリン系還元剤、例えば次亜リン酸ナトリウム等を含む無電解パラジウムめっき浴を用いた無電解めっき法によりニッケルめっき層９の表面に被着される。この場合、下地のニッケルめっき層９をホウ素系還元剤を用いて形成し、ホウ素を含有するニッケル−ホウ素めっき層としておくと該ニッケル−ホウ素めっき層は表面が極めて平滑であること、パラジウム−リンめっき層１０はニッケル−ホウ素めっき層９に対し密着性が良いことからパラジウム−リンめっき層１０をニッケルめっき層９の表面にピンホールやボイド等を形成することなく均一厚みに、かつ強固に被着させることができる。
【００３４】
なお、前記パラジウム−リンめっき層１０は、リンの含有率が０．２重量％未満となると、その内部をニッケルが移動拡散し易くなり、接続パッド６を外部電気回路基板８の回路配線８ａに錫−銀系半田等の低融点ロウ材７を介して配線層２に接続する際等において約２５０℃以上と比較的高温に加熱されると、ニッケルめっき層９のニッケルが金めっき層１１表面にまで移動拡散して酸化ニッケル層が形成され易くなり、配線導体２および接続パッド６に対する低融点ロウ材の濡れ性やボンディング性が劣化しやすくなり、また２重量％を超えると、触媒不活性なリン成分が増大してめっき速度が遅くなり、量産性が低いものとなって実用性が損なわれてしまう傾向にある。従って、前記パラジウム−リンめっき層１０は、リンの含有率を０．２重量％〜２重量％の範囲としておくことが好ましい。
【００３５】
また前記パラジウム−リンめっき層１０は、その厚みが０．０５μｍ未満と薄いものとなった場合、ニッケルめっき層９を完全に被覆することができず、金めっき層１１の表面にニッケルが移動拡散して酸化物層を形成し易くなる危険性があり、また３μｍを超えると内部応力が大きくなってニッケルめっき層９への被着強度が低いものとなってしまう傾向がある。従って、前記パラジウム−リンめっき層１０は、その厚さを０．０５μｍ〜３μｍの範囲としておくことが好ましい。
【００３６】
更に前記パラジウム−リンめっき層１０の表面には金めっき層１１が所定厚みに被着されており、該金めっき層１１はニッケルめっき層９及びパラジウム−リンめっき層１０が酸化腐蝕するのを有効に防止するとともに、接続パッド６に対する低融点ロウ材の濡れ性や、配線導体２に対するボンディングワイヤ５のボンディング性を良好なものとする作用を有している。
【００３７】
前記金めっき層１１は、例えば、従来周知のシアン化金カリウム等の金化合物とエチレンジアミン四酢酸（ナトリウム塩）等の錯化剤とを含有する置換型の無電解金めっき浴中に配線基板４を所定時間浸漬させる無電解めっき法によりパラジウム−リンめっき層１０表面に所定厚みに被着形成される。
【００３８】
前記金めっき層１１は、その厚みが０．０３μｍ未満の薄いものとなると、接続パッド６に対する低融点ロウ材７の濡れ性が劣化して接合強度がばらつき、接続パッド６と外部電気回路基板８の回路配線８ａとの接続信頼性が低いものとなってしまい、また、０．５μｍを超えると低融点ロウ材７中に拡散する金の量が多くなり、低融点ロウ材は、その組成が大きく変動し、半田成分の偏析等に起因して脆くなり、熱応力により極めて短期間で破断してしまう。従って、前記金めっき層１１は、その厚さを０．０３μｍ乃至０．５μｍの範囲としておく必要があり、好適には０．０５μｍ乃至０．５μｍの範囲としておくのがよい。
【００３９】
かくして本発明の配線基板によれば、絶縁基体１の凹部１ａ底面に半導体素子３をガラスや樹脂、ロウ材等の接着剤を介して接着固定するとともにこの半導体素子３の各電極を配線導体２にボンディングワイヤ５を介して電気的に接続し、しかる後、絶縁基体１の上面に金属やセラミックスから成る蓋体１２をガラスや樹脂、ロウ材等の封止材を介して接合させ、絶縁基体１と蓋体１２から成る容器内部に半導体素子３を気密に収容することによって製品としての半導体装置が完成する。
【００４０】
なお、本発明の配線基板は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能である。
【００４１】
【発明の効果】
本発明の配線基板によれば、各接続パッドは、その外周縁近傍に、例えば、幅が接続パッドの半径の５％〜３５％、内周の半径が接続パッドの半径の６０％〜８２％である円環状の間隙部が形成されていることから接続パッドを外部電気回路基板の回路配線に低融点ロウ材を介して接合した後、低融点ロウ材に配線基板の絶縁基体と外部電気回路基板の熱膨張係数の差に起因する熱応力が繰り返し作用した場合、低融点ロウ材の外周端、即ち接続パッドの外周縁との接合界面付近に前記熱応力によって亀裂が生じるが該亀裂はその進行方向が前記間隙部で変更されて阻止され、その結果、低融点ロウ材が破断することはほとんどなく、これによって接続パッドと外部電気回路基板の回路配線とを確実、強固に電気的接続することができるとともに半導体素子の外部電気回路への接続を長期信頼性に優れたものとなすことが可能となる。
【００４２】
また本発明の配線基板によれば、金めっき層とニッケルめっき層との間にパラジウム−リンめっき層を介在させたことからニッケルめっき層のニッケルが金めっき層表面に拡散するを効果的に抑制することができ、これによって接続パッドの表面に被着される金めっき層の厚みを０．０３μｍ〜０．５μｍと薄くすることが可能となるとともにロウ付け時に低融点ロウ材中に拡散する金の量を少なくし、低融点ロウ材の組成変動に伴なうロウ材成分の偏析を有効に防止して、低融点ロウ材の機械的強度を強いものとなすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線基板の一実施例を示す断面図である。
【図２】図１に示す配線基板の要部拡大断面図である。
【図３】図１に示す配線基板の要部拡大平面図である。
【図４】図１に示す配線基板の要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１・・・・絶縁基体
１ａ・・・凹部
２・・・・配線導体
３・・・・半導体素子
４・・・・配線基板
５・・・・ボンディングワイヤ
６・・・・接続パッド
６ａ・・・間隙部より内側の領域
６ｂ・・・間隙部
６ｃ・・・間隙部より外側の領域
６ｄ・・・側壁
７・・・・低融点ロウ材
８・・・・外部電気回路基板
８ａ・・・回路配線
９・・・・ニッケルめっき層
１０・・・パラジウム−リンめっき層
１１・・・金めっき層
１２・・・蓋体
【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等に用いられる配線基板に関し、詳しくは実装した半導体素子の各電極を所定の外部電気回路に長期間にわたり安定して電気的に接続させることができる配線基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体素子が搭載される配線基板は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体等の電気絶縁材料から成り、その表面に半導体素子が搭載される搭載部を有する絶縁基体と、絶縁基体の半導体素子搭載部またはその周辺から下面にかけて導出される、例えば、タングステンやモリブデン等の高融点金属粉末から成る複数個の配線導体と、絶縁基体の下面に形成され、前記配線導体と電気的に接続された複数個の接続パッドとから構成されており、絶縁基体の搭載部に半導体素子をガラス、樹脂、ロウ材等から成る接着剤を介して接着固定させるとともに半導体素子の各電極と配線導体とをボンディングワイヤ等の電気的接続手段を介して電気的に接続し、しかる後、必要に応じて前記半導体素子を蓋体や封止樹脂で気密封止させることによって半導体装置となる。
【０００３】
かかる半導体装置は、外部電気回路基板上に、該外部電気回路基板の回路配線と絶縁基体下面の接続パッドとが、間に低融点ロウ材を挟んで対向するよう載置させ、しかる後、前記低融点ロウ材を所定の温度で加熱溶融し、外部電気回路基板の回路配線と絶縁基体下面の接続パッドとを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、同時に配線基板に搭載されている半導体素子の各電極が配線導体および低融点ロウ材を介して外部電気回路基板に電気的に接続されることとなる。
【０００４】
なお、前記接続パッドおよび配線導体は、通常、その露出表面にニッケルから成る下地めっき層と金めっき層とが順次被着されており、下地めっき層により金めっき層が接続パッド表面に強固に被着され、金めっき層により低融点ロウ材の濡れ性やボンディングワイヤのボンディング性が良好なものとされている。
【０００５】
また前記半導体装置を外部電気回路基板上に実装し、半導体素子の各電極を外部電気回路基板の回路配線に電気的に接続する低融点ロウ材は、鉛が人体に対し悪影響を与えるために鉛を含有しない錫―銀系の鉛フリー半田（ロウ付け温度：約２６０℃〜３００℃）が使用されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の半導体素子が搭載される配線基板は絶縁基体が酸化アルミニウム質焼結体等のセラミックス材料で形成されており、その熱膨張係数が約４×１０−６／℃〜１０×１０−６／℃であるのに対し、外部電気回路基板は一般にガラスエポキシ樹脂等の樹脂材で形成されており、その熱膨張係数が３０×１０−６／℃〜５０×１０−６／℃であり、大きく相違することから、外部電気回路基板上に半導体装置を実装した後、半導体素子の作動時に発する熱が配線基板の絶縁基体と外部電気回路基板に繰り返し作用すると、両者間に両者の熱膨張係数の差に起因して大きな熱応力が繰り返し生じ、この熱応力の繰り返しによって接続パッドと外部電気回路基板とを接合する低融点ロウ材の接続パッドとの界面付近の端部から亀裂が生じるとともにこれが前記界面に沿って進行し、最終的には低融点ロウ材に破断が発生し、半導体素子と外部電気回路との電気的接続が短期間で破れてしまうという問題があった。
【０００７】
また、錫−銀系の鉛フリー半田は、そのロウ付け温度が約２６０℃〜３００℃と高いことから、ロウ付け時、下地めっき層のニッケルが金めっき層の表面に拡散しやすく、ニッケルが金めっき層の表面に拡散析出しこれが酸化されると低融点ロウ材の濡れ性や、ボンディングワイヤのボンディング性が劣化して半導体装置の外部電気回路基板上への実装及び半導体素子の各電極と外部電気回路基板の回路配線との電気的接続の信頼性が大きく低下するという欠点も有していた。
【０００８】
なお、この欠点を解消するために金めっき層の厚みを約１μｍ以上と厚くしニッケル等の金めっき層表面への拡散を防ぐことが考えられる。
【０００９】
しかしながら、金めっき層の厚みを厚くすると低融点ロウ材中に拡散する金の量が増大し、これによって低融点ロウ材の組成が変わり固液共存領域の増大等に起因して銀、錫等のロウ材成分に偏析が生じてしまい、その結果、ロウ材が脆くなり、前述のような熱応力に起因する低融点ロウ材の破断の危険性がより一層顕著になるという問題を誘発してしまう。
【００１０】
本発明は、従来の配線基板における上記問題点に鑑み案出されたもので、その目的は、絶縁基体の接続パッドと外部電気回路基板の回路配線とを接合する低融点ロウ材に破断が発生するのを有効に防止し、半導体素子の各電極を外部電気回路に長期間にわたり確実、強固に電気的接続することができる長期信頼性に優れた配線基板を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の配線基板は、電気絶縁材料から成り、上面に半導体素子搭載部を有する絶縁基体と、該絶縁基体下面のパッド形成領域に形成され外部電気回路基板の回路配線に低融点ロウ材を介して接続される多数の円形状の接続パッドと、前記絶縁基体の前記搭載部から前記接続パッドにかけて導出される複数個の配線導体とから成る配線基板であって、前記接続パッドは、外周縁近傍に間隙部が形成され、該間隙部を挟んで対向する前記接続パッドの露出表面側の角部が絶縁基体下面に対して傾斜しており、前記接続パッドの露出表面に、ニッケルめっき層と、パラジウム−リンめっき層と、金めっき層とが順次被着されていることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明の配線基板によれば、各接続パッドは、その外周縁近傍に、例えば、幅が接続パッドの半径の５％〜３５％、内周の半径が接続パッドの半径の６０％〜８２％である円環状の間隙部が形成されていることから接続パッドを外部電気回路基板の回路配線に低融点ロウ材を介して接合した後、低融点ロウ材に配線基板の絶縁基体と外部電気回路基板の熱膨張係数の差に起因する熱応力が繰り返し作用した場合、低融点ロウ材の外周端、即ち接続パッドの外周縁との接合界面付近に前記熱応力によって亀裂が生じるが該亀裂はその進行方向が前記間隙部で変更されて阻止され、その結果、低融点ロウ材が破断することはほとんどなく、これによって接続パッドと外部電気回路基板の回路配線とを確実、強固に電気的接続することができるとともに半導体素子の外部電気回路への接続を長期信頼性に優れたものとなすことが可能となる。
【００１５】
また本発明の配線基板によれば、金めっき層とニッケルめっき層との間にパラジウム−リンめっき層を介在させたことからニッケルめっき層のニッケルが金めっき層表面に拡散するを効果的に抑制することができ、これによって接続パッドの表面に被着される金めっき層の厚みを０．０３μｍ〜０．５μｍと薄くすることが可能となるとともにロウ付け時に低融点ロウ材中に拡散する金の量を少なくし、低融点ロウ材の組成変動に伴なうロウ材成分の偏析を有効に防止して、低融点ロウ材の機械的強度を強いものとなすことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に本発明を添付の図面を基にして詳細に説明する。
図１は、本発明の配線基板を使用した半導体素子収納用パッケージの一実施例を示す断面図であり、１は絶縁基体、２は配線導体である。この絶縁基体１と配線導体２とで半導体素子３を搭載する配線基板４が構成される。
【００１７】
前記絶縁基体１は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、ガラスセラミック焼結体等の電気絶縁材料から成り、その上面に半導体素子３が搭載収容される凹部１ａ有し、該凹部１ａ底面には半導体素子３がガラスや樹脂、ロウ材等の接着剤を介して接着固定される。
【００１８】
前記絶縁基体１は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化カルシウム、酸化マグネシウム等の原料粉末に適当な有機バインダー、溶剤を添加混合して泥漿状のセラミックスラリーとなすとともに該セラミックスラリーを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等のシート成形技術を採用してシート状のセラミックグリーンシート（セラミック生シート）を得、しかる後、前記セラミックグリーンシートを切断加工や打ち抜き加工等により適当な形状とするとともにこれを複数枚積層し、最後に前記積層されたセラミックグリーンシートを還元雰囲気中、約１６００℃の温度で焼成することによって製作される。
【００１９】
また前記絶縁基体１は、その凹部１ａ周辺から下面にかけて多数の配線導体２が被着形成されており、該配線導体２の凹部１ａ周辺部位には半導体素子３の各電極がボンディングワイヤ５を介して電気的に接続され、また絶縁基体１の下面に導出された部位には配線導体２と電気的に接続する複数の円形状の接続パッド６が形成されている。
【００２０】
前記配線導体２および接続パッド６は、半導体素子３の電極を外部電気回路に接続する作用をなし、例えば、タングステン、モリブデン、マンガン等の高融点金属粉末から成り、タングステン等の高融点金属粉末に適当な有機バインダーや溶剤を添加混合して得た金属ペーストを絶縁基体１となるセラミックグリーンシートに予め従来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しておくことによって絶縁基体１の凹部１ａ周辺から下面にかけて被着形成される。
【００２１】
また前記接続パッド６は、配線基板４を外部電気回路基板に実装する外部端子として作用し、錫−銀系半田等の鉛を含有しない低融点ロウ材７を介して外部電気回路基板８の回路配線８ａに、例えば約２６０℃〜３００℃と比較的高温のリフロー炉で加熱することにより接合され、これにより半導体素子３の電極が外部電気回路基板８の回路配線８ａと電気的に接続される。
【００２２】
前記接続パッド６は、図２および図３に示すように、その外周縁近傍に円環状の間隙部６ｂが形成されており、該接続パッド６の間隙部６ｂよりも内側の領域６ａは配線導体２を外部電気回路基板８の回路配線８ａに確実に電気的接続させるための主接続部として作用し、間隙部６ｂよりも外側の領域６ｃがその接合強度を更に向上させる作用をなす。
【００２３】
前記接続パッド６は、その外周縁近傍に円環状の間隙部６ｂが形成されていることから、接続パッド６を外部電気回路基板８の回路配線８ａに低融点ロウ材７を介して接合した後、低融点ロウ材７に配線基板４の絶縁基体１と外部電気回路基板８の熱膨張係数の差に起因する熱応力が繰り返し作用した場合、低融点ロウ材７の外周端、即ち、接続パッド６の外周縁との接合界面付近に前記熱応力によって亀裂が生じるが該亀裂はその進行が前記間隙部６ｂにより変更されて阻止され、その結果、低融点ロウ材７が破断することはほとんどなく、これによって接続パッド６と外部電気回路基板８の回路配線８ａとを確実、強固に電気的接続することができるとともに半導体素子３の外部電気回路への接続を長期信頼性に優れたものとなすことが可能となる。
【００２４】
なお、前記間隙部６ｂは、その幅が接続パッド６の半径に対して５％未満の狭いものになると亀裂の進行方向を変更させるのが困難となって低融点ロウ材７に破断を発生させてしまう危険性があり、また３５％を超える広いものになると、低融点ロウ材７と接続パッド６の接合面積が小さくなり、低融点ロウ材７の接続パッド６に対する接合強度が低いものとなる危険性がある。従って、前記間隙部６ｂは、その幅を接続パッド６の半径に対して５％〜３５％の範囲としておくことが好ましい。
【００２５】
また、前記接続パッド６は、間隙部６ｂの内周半径、即ち、接続パッド６の間隙部６ｂよりも内側の領域６ａの半径が接続パッド６全体の半径の６０％未満となると、間隙部６ｂ及び間隙部６ｂよりも外側の領域６ｃの幅が広くなって亀裂が大きく進行したり、低融点ロウ材７との接合面積が狭いものとなったりして接続パッド６に対する低融点ロウ材７の長期にわたる接合信頼性が低くなる傾向にあり、また８２％を超えると接続パッド６の間隙部６ｂよりも外側の領域６ｃ及び間隙部６ｂの幅がそれぞれ極めて狭いものとなって、亀裂の進行を有効に阻止することができなくなる危険性がある。従って、前記接続パッド６は、間隙部６ｂの内周半径、即ち、接続パッド６の間隙部よりも内側の領域６ａの半径が接続パッド６全体の半径に対し６０％〜８２％の範囲としておくことが好ましい。
【００２６】
更に、前記接続パッド６は、間隙部６ｂよりも内側の領域６ａを円形、間隙部６ｂよりも外側の領域６ｃおよび間隙部６ｂを円環状とし、それぞれ同心円状としておくと、熱応力が特定の部位に集中することなく全体に分散し、その結果、熱応力の集中による亀裂の発生が有効に阻止され、接合の信頼性をより一層優れたものとすることができる。従って、前記接続パッド６は、間隙部６ｂよりも内側の領域６ａを円形、外側の領域６ｃを円環状とし、それぞれ同心円状として形成しておくことが好ましい。
【００２７】
また更に前記間隙部６ｂを挟んで対向する間隙部６ｂよりも内側の領域６ａおよび外側の領域６ｃの側壁６ｄは、少なくともその表面側の角部に図２に示すような絶縁基体１下面に対して角度θ、６０°≦θ≦８５°の傾斜もたせておくと、低融点ロウ材７中を進行する亀裂の進行方向を絶縁基体１の方向に容易に変えさせて亀裂の進行を有効に阻止することができる。従って、前記間隙部６ｂを挟んで対向する間隙部６ｂよりも内側の領域６ａおよび外側の領域６ｃの側壁６ｄは、少なくともその表面側の角部に、絶縁基体１下面に対して６０°〜８５°の範囲で傾斜させておくことが好ましい。
【００２８】
また本発明の配線基板においては、図４に示す如く、接続パッド６の表面に、ニッケルめっき層９と、パラジウム−リンめっき層１０と、厚さが０．０３μｍ〜０．５μｍの金めっき層１１とが順次被着されている。
【００２９】
前記ニッケルめっき層９は、接続パッド６およびパラジウムめっき層１０のいずれに対しても密着性が良好であることから、接続パッド６の表面にパラジウムめっき層１０および金めっき層１１を強固に被着させるための下地めっき層として作用する。
【００３０】
前記ニッケルめっき層９は、例えば、硫酸ニッケル等のニッケル化合物と水素化ホウ素ナトリウムやジメチルアミンボラン等のホウ素系の還元剤とを主成分とし、錯化剤、安定剤、ｐＨ調整剤等を添加して成る無電解ニッケルめっき浴中に配線基板４を所定時間浸漬させる無電解めっき法により接続パッド６の表面に所定厚みに被着される。
【００３１】
この場合、前記ニッケルめっき層９は、その厚さが１μｍ未満と薄いものになると接続パッド６の表面を完全に被覆することが難しく、パラジウム−リンめっき層１０を接続パッド６の表面に強固に被着させることが困難となり、また１０μｍを超えると内部応力が大きくなって接続パッド６にニッケルめっき層９を強固に被着させることが困難となってしまう。従って、前記ニッケルめっき層９は、その厚さを１μｍ〜１０μｍの範囲としておくことが好ましい。
【００３２】
また、前記パラジウム−リンめっき層１０はニッケルめっき層９に金めっき層１１を強固に被着接合させるとともに、接続パッド６を外部電気回路基板８の回路配線８ａに錫−銀系鉛フリー半田等の低融点ロウ材を介して接続するとき等の熱によりニッケルめっき層９のニッケルが金めっき層１１の表面に移動拡散することを防ぐ作用をなす。
【００３３】
前記パラジウム−リンめっき層１０は、塩化パラジウム等のパラジウム化合物とリン系還元剤、例えば次亜リン酸ナトリウム等を含む無電解パラジウムめっき浴を用いた無電解めっき法によりニッケルめっき層９の表面に被着される。この場合、下地のニッケルめっき層９をホウ素系還元剤を用いて形成し、ホウ素を含有するニッケル−ホウ素めっき層としておくと該ニッケル−ホウ素めっき層は表面が極めて平滑であること、パラジウム−リンめっき層１０はニッケル−ホウ素めっき層９に対し密着性が良いことからパラジウム−リンめっき層１０をニッケルめっき層９の表面にピンホールやボイド等を形成することなく均一厚みに、かつ強固に被着させることができる。
【００３４】
なお、前記パラジウム−リンめっき層１０は、リンの含有率が０．２重量％未満となると、その内部をニッケルが移動拡散し易くなり、接続パッド６を外部電気回路基板８の回路配線８ａに錫−銀系半田等の低融点ロウ材７を介して配線層２に接続する際等において約２５０℃以上と比較的高温に加熱されると、ニッケルめっき層９のニッケルが金めっき層１１表面にまで移動拡散して酸化ニッケル層が形成され易くなり、配線導体２および接続パッド６に対する低融点ロウ材の濡れ性やボンディング性が劣化しやすくなり、また２重量％を超えると、触媒不活性なリン成分が増大してめっき速度が遅くなり、量産性が低いものとなって実用性が損なわれてしまう傾向にある。従って、前記パラジウム−リンめっき層１０は、リンの含有率を０．２重量％〜２重量％の範囲としておくことが好ましい。
【００３５】
また前記パラジウム−リンめっき層１０は、その厚みが０．０５μｍ未満と薄いものとなった場合、ニッケルめっき層９を完全に被覆することができず、金めっき層１１の表面にニッケルが移動拡散して酸化物層を形成し易くなる危険性があり、また３μｍを超えると内部応力が大きくなってニッケルめっき層９への被着強度が低いものとなってしまう傾向がある。従って、前記パラジウム−リンめっき層１０は、その厚さを０．０５μｍ〜３μｍの範囲としておくことが好ましい。
【００３６】
更に前記パラジウム−リンめっき層１０の表面には金めっき層１１が所定厚みに被着されており、該金めっき層１１はニッケルめっき層９及びパラジウム−リンめっき層１０が酸化腐蝕するのを有効に防止するとともに、接続パッド６に対する低融点ロウ材の濡れ性や、配線導体２に対するボンディングワイヤ５のボンディング性を良好なものとする作用を有している。
【００３７】
前記金めっき層１１は、例えば、従来周知のシアン化金カリウム等の金化合物とエチレンジアミン四酢酸（ナトリウム塩）等の錯化剤とを含有する置換型の無電解金めっき浴中に配線基板４を所定時間浸漬させる無電解めっき法によりパラジウム−リンめっき層１０表面に所定厚みに被着形成される。
【００３８】
前記金めっき層１１は、その厚みが０．０３μｍ未満の薄いものとなると、接続パッド６に対する低融点ロウ材７の濡れ性が劣化して接合強度がばらつき、接続パッド６と外部電気回路基板８の回路配線８ａとの接続信頼性が低いものとなってしまい、また、０．５μｍを超えると低融点ロウ材７中に拡散する金の量が多くなり、低融点ロウ材は、その組成が大きく変動し、半田成分の偏析等に起因して脆くなり、熱応力により極めて短期間で破断してしまう。従って、前記金めっき層１１は、その厚さを０．０３μｍ乃至０．５μｍの範囲としておく必要があり、好適には０．０５μｍ乃至０．５μｍの範囲としておくのがよい。
【００３９】
かくして本発明の配線基板によれば、絶縁基体１の凹部１ａ底面に半導体素子３をガラスや樹脂、ロウ材等の接着剤を介して接着固定するとともにこの半導体素子３の各電極を配線導体２にボンディングワイヤ５を介して電気的に接続し、しかる後、絶縁基体１の上面に金属やセラミックスから成る蓋体１２をガラスや樹脂、ロウ材等の封止材を介して接合させ、絶縁基体１と蓋体１２から成る容器内部に半導体素子３を気密に収容することによって製品としての半導体装置が完成する。
【００４０】
なお、本発明の配線基板は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能である。
【００４１】
【発明の効果】
本発明の配線基板によれば、各接続パッドは、その外周縁近傍に、例えば、幅が接続パッドの半径の５％〜３５％、内周の半径が接続パッドの半径の６０％〜８２％である円環状の間隙部が形成されていることから接続パッドを外部電気回路基板の回路配線に低融点ロウ材を介して接合した後、低融点ロウ材に配線基板の絶縁基体と外部電気回路基板の熱膨張係数の差に起因する熱応力が繰り返し作用した場合、低融点ロウ材の外周端、即ち接続パッドの外周縁との接合界面付近に前記熱応力によって亀裂が生じるが該亀裂はその進行方向が前記間隙部で変更されて阻止され、その結果、低融点ロウ材が破断することはほとんどなく、これによって接続パッドと外部電気回路基板の回路配線とを確実、強固に電気的接続することができるとともに半導体素子の外部電気回路への接続を長期信頼性に優れたものとなすことが可能となる。
【００４２】
また本発明の配線基板によれば、金めっき層とニッケルめっき層との間にパラジウム−リンめっき層を介在させたことからニッケルめっき層のニッケルが金めっき層表面に拡散するを効果的に抑制することができ、これによって接続パッドの表面に被着される金めっき層の厚みを０．０３μｍ〜０．５μｍと薄くすることが可能となるとともにロウ付け時に低融点ロウ材中に拡散する金の量を少なくし、低融点ロウ材の組成変動に伴なうロウ材成分の偏析を有効に防止して、低融点ロウ材の機械的強度を強いものとなすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線基板の一実施例を示す断面図である。
【図２】図１に示す配線基板の要部拡大断面図である。
【図３】図１に示す配線基板の要部拡大平面図である。
【図４】図１に示す配線基板の要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１・・・・絶縁基体
１ａ・・・凹部
２・・・・配線導体
３・・・・半導体素子
４・・・・配線基板
５・・・・ボンディングワイヤ
６・・・・接続パッド
６ａ・・・間隙部より内側の領域
６ｂ・・・間隙部
６ｃ・・・間隙部より外側の領域
６ｄ・・・側壁
７・・・・低融点ロウ材
８・・・・外部電気回路基板
８ａ・・・回路配線
９・・・・ニッケルめっき層
１０・・・パラジウム−リンめっき層
１１・・・金めっき層
１２・・・蓋体
Claims (1)
- 電気絶縁材料から成り、上面に半導体素子搭載部を有する絶縁基体と、
該絶縁基体下面のパッド形成領域に形成され外部電気回路基板の回路配線に低融点ロウ材を介して接続される多数の円形状の接続パッドと、前記絶縁基体の前記搭載部から前記接続パッドにかけて導出される複数個の配線導体とから成る配線基板であって、前記接続パッドは、外周縁近傍に間隙部が形成され、該間隙部を挟んで対向する前記接続パッドの露出表面側の角部が絶縁基体下面に対して傾斜しており、前記接続パッドの露出表面に、ニッケルめっき層と、パラジウム−リンめっき層と、金めっき層とが順次被着されていることを特徴とする配線基板。
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