JP3780503B2 - 配線基板 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子や圧電振動子等の電子部品を搭載するための配線基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体素子や圧電振動子等の電子部品を搭載するための配線基板は、一般に、略四角板状のセラミックス材料から成り、上面に電子部品搭載部を有する絶縁基体と、該絶縁基体の電子部品搭載部より絶縁基体内部を介して側面に導出されている複数個の配線層と、前記絶縁基体の上面で、前記電子部品搭載部を取り囲むように形成されている枠状の金属層と、前記絶縁基体の下面外周部に形成されている複数個の接続パッドと、前記絶縁基体の側面に形成され、各配線層と各接続パッドとを電気的に接続する複数個のキャスタレーション導体とにより構成されており、絶縁基体の電子部品搭載部に電子部品を搭載するとともに、電子部品の信号用、接地用等の各電極を各配線層にボンディングワイヤ等の導電性接続部材を介して電気的に接続し、しかる後、絶縁基体上面の枠状金属層に電子部品を覆うようにして鉄−ニッケル−コバルト合金や鉄−ニッケル合金等から成る金属製の蓋体をロウ材等を介して接合し電子部品を封止することによって電子装置となる。
【０００３】
かかる電子装置は、絶縁基体下面の外周部に形成した接続パッドを外部電気回路基板の配線導体に錫−鉛半田等の半田を介して接続することによって外部電気回路基板に実装され、同時に電子部品の各電極は配線層とキャスタレーション導体と接続パッドとを介して外部電気回路に電気的に接続されることとなる。
【０００４】
なお、前記キャスタレーション導体のうち、少なくとも電子部品の接地用の電極が接続されるもの（通常、全接続パッド中約２０〜５０％）は、一部が絶縁基体上面に形成されている枠状の金属層まで導出されており、枠状金属層を接地できるようになっている。
【０００５】
また前記各キャスタレーション導体は絶縁基体の側面に垂直方向に形成されており、枠状金属層と接続されるキャスタレーション導体は絶縁基体の側面で下面部から上面部にかけて形成されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近時、各種電子装置は環境、人体に対する悪影響を防止するため従来使用されている錫−鉛半田に代わり、錫−銀−ビスマス系、錫−銀−銅−ビスマス系等の鉛を含有しない、いわゆる鉛フリー半田を用いて外部電気回路基板に接続されるようになってきており、かかる鉛フリー半田は、従来の錫−鉛半田に比べて溶融時に流れやすいため電子装置を外部電気回路基板に実装するとき、半田がキャスタレーション導体を伝って絶縁基体上面の枠状金属層や枠状金属層に取着されている金属製蓋体にまで這い上がり、その結果、絶縁基体の接続パッドと、外部電気回路の配線導体との間に介在する半田の量が極めて少量となり、電子装置を外部回路基板に強固に実装することができないという欠点を有していた。
【０００７】
また錫−銀−ビスマス系等の鉛フリー半田は、従来の錫−鉛半田に比べてビスマス等の成分の偏析により接続パッド等に対する接合強度が低くなりやすいこと、配線基板の小型化により接続パッドも小さくなり、半田接合の面積が小さくなってきていること、前記接続パッドと鉛フリー半田との接合面が水平であること等から、外部電気回路基板の配線導体に電子装置の接続パッドを錫−銀系等の鉛フリー半田を介して接続し外部電気回路基板に電子装置を実装させた後、電子装置と外部電気回路基板に熱が作用すると電子装置の絶縁基体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熱応力（水平方向の剪断応力）が発生するとともにこれが鉛フリー半田および鉛フリー半田と接続パッドとの接合界面に沿って水平方向に作用し、その結果、鉛フリー半田の接続パッドとの接合界面に沿って亀裂等の機械的な破壊を招来させて電子装置の外部回路基板に対する接続信頼性を低いものにしてしまうという欠点も有していた。
【０００８】
本発明は、上記欠点に鑑み案出されたものであり、その目的は、接続パッドを外部電気回路基板の配線導体に鉛フリー半田を介して強固に接合し、それにより外部電気回路基板に強固にかつ高信頼性で実装することが可能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、上面に電子部品搭載部および該搭載部を取り囲む枠状の金属層を有し、下面の外周部に接続パッドを有する絶縁基体と、前記絶縁基体の側面に形成され、前記接続パッドと枠状の金属層とを接続するキャスタレーション導体とを具備する配線基板であって、前記キャスタレーション導体は接続パッドから導出する第１領域と、枠状の金属層から導出する第２領域とから成り、前記第１領域と第２領域は絶縁基体側面の幅方向に位置がずれているとともに前記絶縁基体内部に形成された内部配線層を介して接続されており、かつ前記接続パッドの表面が前記絶縁基体の中央側から外周側にかけて下方に傾斜していることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明の配線基板によれば、絶縁基体上面に形成されている枠状金属層と絶縁基体下面に形成されている接続パッドとを電気的に接続するキャスタレーション導体を、接続パッドから導出すると、金属層から導出する第２領域とにより構成するとともに、前記第１領域と第２領域を絶縁基体側面の幅方向に位置をずらせたことから接続パッドと外部電気回路の配線導体とを鉛フリー半田を用いて接合したとしても、鉛フリー半田がキャスタレーション導体を伝って枠状金属層や金属製蓋体にまで這い上がることはなく、その結果、接続パッドと外部電気回路基板の配線導体との間に十分な量の半田を介在させることができ、配線基板（電子装置）を外部電気回路基板に極めて強固に接合することができる。
【００１１】
また同時に、本発明の配線基板によれば、接続パッドの表面が絶縁基体の中央側から外縁側にかけて下方に傾斜していることから、絶縁基体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熱応力（水平方向の剪断応力）が発生するとともにこれが鉛フリー半田および鉛フリー半田と接続パッドとの接合界面に沿って水平方向に作用したとしても、接続パッドと鉛フリー半田との接合界面が、熱応力の作用する方向に対して一定の勾配をもってずれることになって熱応力を緩和することができ、その結果、鉛フリー半田にクラック等の機械的な破壊を招来するのが有効に防止されて配線基板の外部回路基板に対する接続信頼性を極めて高いものになすことが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
図１（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の配線基板を半導体素子を収容する半導体素子収納用パッケージに適用した場合の一実施例を示し、１は絶縁基体、２は配線層、３は枠状金属層、４は接続パッド、５はキャスタレーション導体である。この絶縁基体１、配線層２、枠状金属層３、接続パッド４及びキャスタレーション導体５により半導体素子６を搭載するための配線基板７が形成される。
【００１３】
前記絶縁基体１は、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、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６を搭載する搭載部を有し、該搭載部に半導体素子６がガラス、樹脂、ロウ材等の接着材を介して接着固定される。
【００１４】
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には、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し、次に前記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によりしシート状となして所定形状のセラミックグリーンシート（セラミック生シート）を得る、最後に前記セラミックグリーンシートを複数枚積層するとともに還元雰囲気中、約１６００℃の温度で焼成することによって製作される。
【００１５】
また前記絶縁基体１はその上面の半導体素子６が搭載される搭載部周囲から絶縁基体１の内部を介し側面にかけて複数個の配線層２が形成されており、該配線層２は半導体素子６の信号用、接地用の各電極を接続パッド４に接続するための導電路として作用し、搭載部側の一端には半導体素子６の信号用、接地用等の電極がボンディングワイヤ８を介して電気的に接続される。
【００１６】
前記配線層２はタングステン、モリブデン、マンガン、銅、銀、金、パラジウム等の金属粉末から成り、タングステン等の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の上面から絶縁基体１の内部を介し側面にかけて被着形成される。
【００１７】
また前記絶縁基体１はその上面で、半導体素子６が搭載される搭載部を取り囲むようにして枠状の金属層３が被着されており、該枠状の金属層３は後述する金属製蓋体９を絶縁基体１に取着させる際の下地金属層として作用し、タングステン、モリブデン、マンガン、銅、銀、金、パラジウム等の金属粉末により形成されている。
【００１８】
前記枠状金属層３には金属製蓋体９がロウ材を介してロウ付け取着され、これによって絶縁基体１の半導体素子搭載部に搭載されている半導体素子６は大気から気密に封止されることとなる。
【００１９】
なお、前記枠状金属層３は前述の配線層２と同様の方法によって絶縁基体１の上面で、半導体素子搭載部を取り囲むように形成される。
【００２０】
更に前記絶縁基体１の下面外周部には複数個の接続パッド４が形成されており、該接続パッド４は外部電気回路基板の配線導体に鉛フリー半田を介して接続され、半導体素子６の信号用、接地用の各電極を外部電気回路に電気的に接続する作用をなす。
【００２１】
前記接続パッド４は、タングステン、モリブデン、マンガン、銅、銀、金、パラジウム等の金属粉末より成り、前述の配線層２と同様の方法によって絶縁基体１の下面外周部に所定形状に形成される。
【００２２】
また更に前記絶縁基体１はその側面に複数個のキャスタレーション導体５（絶縁基体１の側面に断面半円状の凹部を設け、該凹部内に形成されている導体）が被着されており、該キャスタレーション導体５は配線層２と接続パッド４とを電気的に接続する作用をなす。
【００２３】
前記キャスタレーション導体５はタングステン、モリブデン、マンガン、銅、銀、金、パラジウム等の金属粉末より成り、絶縁基体１となるセラミックグリーンシートの側面に打ち抜き加工法により半円形の凹部を形成するとともに該凹部内にタングステン等の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の側面に所定形状に形成される。
【００２４】
前記キャスタレーション導体５はまた半導体素子６の接地用の電極と導通する配線層２に接続されるものについては一部が絶縁基体１上面の枠状金属層３にまで導出されており、枠状金属層３を接地するように成っている。
【００２５】
なお、前記配線層２、枠状の金属層３、接続パッド４及びキャスタレーション導体５は、その露出する表面に、ニッケル、金等の耐蝕性やボンディングワイヤ８のボンディング性、半田の濡れ性等が良好な金属から成るめっき層を被着させておくと配線層２や枠状の金属層３等の酸化腐食を有効に防止することができるとともに枠状金属層３への金属製蓋体９の取着、接続パッド４の外部電気回路基板への接続が確実、強固となる。従って、前記配線層２、枠状金属層３、接続パッド４及びキャスタレーション導体５は、その露出する表面に、ニッケル、金等の耐蝕性やボンディング性、半田の濡れ性等が良好な金属をめっき法により被着させておくことが好ましく、特に、例えば、厚さ１〜１０μｍのニッケルめっき層、０．０５〜３μｍの厚さの金めっき層を順次被着させておくことが好ましい。
【００２６】
この場合、金めっき層の厚みは、被着する部位や金めっき層の結晶配向等に応じて異なる厚みとしてもよく、例えば、金めっき層のＸ線回折における結晶配向を極力（１１１）面に揃えるようにするとともに、ボンディングワイヤ８が接続される領域も含め、全域で約０．３〜１μｍとするようにしてもよく、半田付け用の領域のみ約０．３μｍ以下の薄いものとし、錫−金の脆い金属間化合物の生成を抑えて半田付けの信頼性を高めるようにしてもよい。
【００２７】
かくして本発明の配線基板７によれば、絶縁基体１上面の搭載部に半導体素子６を搭載するとともに半導体素子６の信号用、接地用の各電極を配線層２にボンディングワイヤ８を介して接続し、しかる後、絶縁基体１上面の枠状金属層３に鉄−ニッケル−コバルト合金や鉄−ニッケル合金等からなる金属製蓋体９をロウ材等を介して接合させ、金属製蓋体９で半導体素子６を気密に封止することによって製品としての電子装置（半導体装置）が完成する。
【００２８】
なお、この半導体装置は絶縁基体１下面外周部の接続パッド４を外部電気回路基板の配線導体に鉛フリー半田を介して接合することによって外部電気回路基板上に実装され、同時に半導体素子６の信号用、接地用の各電極が外部電気回路基板の配線導体に電気的に接続される。
【００２９】
本発明の配線基板７においてはキャスタレーション導体５のうち枠状金属層３と接続パッド４とを接続しているキャスタレーション導体５ａを図２に示すように接続パッド４から導出する第１領域５ｂと、枠状の金属層３から導出する第２領域５ｃとに分け、第１領域５ｂと第２領域５ｃとを絶縁基体１側面の幅方向に位置をずらせておくとともに絶縁基体１内部で内部配線層１０を介して電気的に接続しておくことが重要である。
【００３０】
前記枠状金属層３と接続パッド４とを接続しているキャスタレーション導体５ａを接続パッド４から導出する第１領域５ｂと、枠状金属層３から導出する第２領域５ｃとに分け、各々を絶縁基体１側面の幅方向に位置をずらせておくと接続パッド４と外部電気回路の配線導体とを鉛フリー半田を用いて接合したとしても、鉛フリー半田がキャスタレーション導体５ａを伝って枠状金属層３や金属製蓋体９にまで這い上がることはなく、その結果、接続パッド４と外部電気回路基板の配線導体との間に十分な量の半田を介在させることができ、配線基板（電子装置）を外部電気回路基板に極めて強固に接合することができる。
【００３１】
なお、前記枠状金属層３と接続パッド４とを接続しているキャスタレーション導体５ａの第１領域５ｂと第２領域５ｃとの分割位置は、使用する半田の種類や、絶縁基体１の厚さ、配線層２の設計上の都合等に応じて適宜決めるようにすればよく、例えば、キャスタレーション導体５ａが直径０．３ｍｍ〜０．７ｍｍの半円状で、半田として錫−銀系半田を用いる場合であれば、第１領域５ｂの長さを０．３ｍｍ〜１ｍｍの範囲とすればよい。
【００３２】
また本発明の配線基板７においては、図３に示すように、接続パッド４の表面が絶縁基体１の中央側から外縁側にかけて下方に傾斜するようにしておくことが重要である。
【００３３】
前記接続パッド４の表面を傾斜させておくと、この接続パッド４に半田（鉛フリー半田）を接合したとき、接続パッド４と半田との接合界面を水平方向に対して一定の勾配をもたせてずらすことができ、配線基板７と外部電気回路基板に熱が作用し、両者間に両者の熱膨張係数の相異に起因する熱応力が発生するとともにこれが両者を接合している鉛フリー半田、特に接続パッド４との接合界面付近に水平方向に作用したとしても、この熱応力を緩和することができ、鉛フリー半田の接続パッド４との接合界面付近に沿って亀裂等の機械的な破壊が発生することを有効に防止し、接続パッド４を外部電気回路基板の配線導体に強固に、かつ高信頼性で接続することができる。
【００３４】
このような表面が傾斜した接続パッド４は、例えば、絶縁基体１の下面のうち少なくとも接続パッド４が形成される部位を外周側から中央側にかけて傾斜するようにして成形しておくことや、接続パッド４となる金属ペーストを外周側で厚くなるようにして印刷塗布しておくことにより形成することができる。なお、絶縁基体１の下面のうち少なくとも接続パッド４が形成される部位を外周側から中央側にかけて傾斜するようにして成形するには、絶縁基体１となるセラミックグリーンシートの下面中央側を加圧して下面側を凹状に加工しておく方法や、セラミックグリーンシートに印刷された接続パッド４となる金属ペーストに対して、絶縁基体１の中央側で低くなるように加圧する方法等の方法を用いることができる。
【００３５】
また、前記接続パッド４は、その表面の傾斜の勾配が５パーミル（千分率）未満では熱応力を有効に緩和することが困難となり、接続パッド４の外部電気回路基板の配線導体に対する接続信頼性が劣化する傾向がある。従って、前記接続パッド４の表面の傾斜の勾配は５パーミル（千分率）以上としておくことが好ましい。
【００３６】
更に前記接続パッド４は、絶縁基体１中央側と外周側との間の最大高低差が５０μｍを超えると、接続パッド４と外部電気回路基板の配線導体との間の隙間が絶縁基体１の中央側で大きくなり、半田の溜まりが大きくなりすぎて、かえって半田内部等にクラック等の機械的な破壊が発生しやすくなって接合強度が劣化するおそれがある。従って、前記接続パッド４の最大高低差は５０μｍ以下とすることが好ましい。例えば、一般的な、長さが１ｍｍ（１０００μｍ）のほぼ長方形の接続パッドにおいて、絶縁基体１の中央側から外周側にかけて下方に傾斜させた場合、絶縁基体１の中央側と外周側との高低差を５０μｍとすると勾配は５０／１０００（５０パーミル）となり、接続パッド４の表面の傾斜の勾配は、５〜５０パーミルの範囲で調整することが好ましいことになる。
【００３７】
また更に前記キャスタレーション導体５ａの接続パッド４から導出する第１領域５ｂは、図４に示すように、その内側に突出する突出部１１を形成しておけば接続パッド４を外部電気回路基板の配線導体に半田を介して接合するとき、前記突出部１１が半田の中に食い込むようにして接合されて接合強度がより一層強固となる。従って、前記キャスタレーション導体５ａの接続パッド４から導出する第１領域５ｂは、図４に示すように、その内側に突出する突出部１１を形成しておくことが好ましい。
【００３８】
なお、本発明は上述の実施例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り、例えば、上述の実施例では本発明の配線基板を半導体素子を収容する半導体素子収納用パッケージに適用したが、混成集積回路基板等の他の用途に適用してもよい。
【００３９】
【発明の効果】
本発明の配線基板によれば、絶縁基体上面に形成されている枠状金属層と絶縁基体下面に形成されている接続パッドとを電気的に接続するキャスタレーション導体を、接続パッドから導出する第１領域と、金属層から導出する第２領域とにより構成するとともに、前記第１領域と第２領域を絶縁基体側面の幅方向に位置をずらせたことから接続パッドと外部電気回路の配線導体とを鉛フリー半田を用いて接合したとしても、鉛フリー半田がキャスタレーション導体を伝って枠状金属層や金属製蓋体にまで這い上がることはなく、その結果、接続パッドと外部電気回路基板の配線導体との間に十分な量の半田を介在させることができ、配線基板（電子装置）を外部電気回路基板に極めて強固に接合することができる。
【００４０】
また同時に、本発明の配線基板によれば、接続パッドの表面が絶縁基体の中央側から外縁側にかけて下方に傾斜していることから、絶縁基体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熱応力（水平方向の剪断応力）が発生するとともにこれが鉛フリー半田および鉛フリー半田と接続パッドとの接合界面に沿って水平方向に作用したとしても、接続パッドと鉛フリー半田との接合界面が、熱応力の作用する方向に対して一定の勾配をもってずれることになって熱応力を緩和することができ、その結果、鉛フリー半田にクラック等の機械的な破壊を招来するのが有効に防止されて配線基板の外部回路基板に対する接続信頼性を極めて高いものになすことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）（ｂ）（ｃ）は本発明の配線基板の一実施例を示す側面図、平面図、底面図である。
【図２】本発明の配線基板の要部拡大斜視図である。
【図３】本発明の配線基板の要部拡大断面図である。
【図４】本発明の配線基板の他の実施例の要部拡大図である。
【符号の説明】
１・・・・・絶縁基体
２・・・・・配線層
３・・・・・枠状の金属層
４・・・・・接続パッド
５・・・・・キャスタレーション導体
５ａ・・・・接続パッドと枠状金属層とを接続しているキャスタレーション導体
５ｂ・・・・第１領域
５ｃ・・・・第２領域
６・・・・・半導体素子
７・・・・・配線基板
８・・・・・ボンディングワイヤ
９・・・・・蓋体
１０・・・・内部配線層
１１・・・・突出部

Claims (1)

1. 上面に電子部品搭載部および該搭載部を取り囲む枠状の金属層を有し、下面の外周部に接続パッドを有する絶縁基体と、前記絶縁基体の側面に形成され、前記接続パッドと枠状の金属層とを接続するキャスタレーション導体とを具備する配線基板であって、前記キャスタレーション導体は接続パッドから導出する第１領域と、枠状の金属層から導出する第２領域とから成り、前記第１領域と第２領域は絶縁基体側面の幅方向に位置がずれているとともに前記絶縁基体内部に形成された内部配線層を介して接続されており、かつ前記接続パッドの表面が前記絶縁基体の中央側から外周側にかけて下方に傾斜していることを特徴とする配線基板。

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