JP3825352B2 - 回路基板 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、弾性表面波素子等の電子部品素子をキャビティ内に気密封止して収容する回路基板に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
複数の半導体素子や電子部品素子及び実装電子部品を回路基板に搭載する場合においては、半導体素子や電子部品素子(以下、端に電子部品素子という)等を気密用パッケージに収容せず、直接、回路基板に搭載封止することによって、小型化の要求に対応していた。
【0003】
具体的には、回路基板の主面にキャビティを形成して、このキャビティ内に電子部品素子を収容し、この電子部品素子を樹脂封止材で封止していた。ところが、電子部品素子として弾性表面波素子等を収容する場合、圧電基板の表面で弾性表面波振動が発生するため、電子部品素子の表面は空間が必要となる。即ち、キャビティ内をN2等の不活性ガスで充満された状態で、キャビティの開口を金属蓋体等で気密封止してきた。
【0004】
また、回路基板の更なる小型化、高機能化に対応するため、積層型回路基板が採用されてきた。
【0005】
図4は従来の回路基板の断面図である。回路基板40は複数のガラス成分とセラミック成分を含んだ絶縁層1a〜1fを積層した積層体1と、積層体1に配置された実装電子部品8とから構成されている。この回路基板1には、積層体1の層間に内部配線層2やビアホール導体3が形成されている。また、積層体1の主面にキャビティ7が形成され、このキャビティ7内に電子部品素子5が収容されている。そして、このキャビティ7の開口には、金属製蓋体6が積層体1に被着封止されている。さらに、積層体1の主面には、表面配線層4が形成されている。
【0006】
キャビティ7は、回路基板1の主面側に形成される。具体的には、積層体1を構成する所定絶縁層1a〜1dにキャビティ7の形状に対応する孔を形成した後に積層することにより形成される。一般には、セラミックグリーンシートを積層したのち焼成されるので、キャビティ7の壁面の各絶縁層1a〜1dは緻密に接合されている。
【0007】
キャビティ7の例えば底面(実際には、電子部品素子5が接合実装される実装底面)には、電極パッド12が形成されている。そして、内部配線層2の一方がキャビティ7内の電極パッド12に接続されるとともに、他方が積層体1の表面配線層4と接続されている。
【0008】
ここで、一般的に内部配線層2、ビアホール導体3、表面配線層4、電極パッド12は、Au、Ag等の金属成分及びホウケイ酸ガラス等のガラス成分を含有する。金属成分は、高周波用途の回路基板においては、低インピーダンスが求められるため、Ag系の低導体抵抗材料が用いられる。また、回路基板1の外部に形成される導体膜、例えば表面配線層4の表面には、酸化防止等の理由によりメッキ層(図示せず)が形成される。
【0009】
また、電子部品素子5は、弾性表面波素子等等が例示でき、キャビティ7内の底面に形成された電極パッド12に、ワイヤボンディング等で接合する。なお、回路基板1の小型化のために、フリップチップ等により接合する方法も増えてきている。さらに、金属製蓋体6は、封止部材により積層体1と接合される。
【0010】
そして、一般的に電子部品素子5として例えば弾性表面波素子等を収納する場合、周波数精度を保ち安定した電気特性を得るために、キャビティ7内はN2等の不活性ガスにて気密性を保つことが重要となる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
かかる積層体1の焼成時には、ガラス成分が表面配線層4の金属成分と積層体1との界面に集まり、表面配線層4の金属成分と積層体1は接合されるため、表面配線層4はガラス成分を含有させる必要がある。
【0012】
しかしながら、表面配線層4をメッキ処理する際に、弱酸性であるメッキ液が表面配線層4内のガラス成分を溶解させ、表面配線層4がポーラスになってしまっていた。これは、メッキ液は硝酸(HNO3)等の弱酸性水溶液中に金属イオンが存在しているため、ガラス成分の内、SiO2を溶解すると考えられる。
【0013】
また、上述の回路基板10では、一括焼成時において、ビアホール導体3と積層体1の絶縁層1a〜1fとの焼結挙動の差により、両者の焼結持における収縮状態が異なるため、両者の接合界面に応力が発生し、基板のそりが生じるとともに微少なクラックが形成されていた。また、積層体1の主面には表面配線層4が形成されるが、表面配線層4と積層体1の絶縁層1a〜1fとの焼結挙動の差によっても、基板のそりが生じ、内部配線層2がキャビティ内の気体が抜ける流路となっることもあった。
【0014】
これらのことから、キャビティ7内と積層体1外部との間にメッキ液によっては気体のスルーパスが形成されることになり、その結果、キャビティ7内にリークが生じ気密性を保つことができず、特性不良や信頼性性能の低下を招いていた。
【0015】
本発明は上述の課題に鑑みて案出されたものであり、その目的は、キャビティ内にビアホール導体と接続した基板内部から導体膜を延出させても、キャビティ内の気密性が高く維持できる回路基板を提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ガラス成分とセラミック成分を含む絶縁層を複数積層した積層体と、
前記積層体の主面に形成したキャビティと、
該キャビティ内部に形成した電極パッドと、
前記キャビティの開口を封止する蓋体と、
前記積層体の主面に形成した金属成分及びガラス成分を含む表面配線層と、
前記絶縁層の厚みを貫くように形成したAg系のビアホール導体と、
前記キャビティ内の電極パッドに接続するように該キャビティ内に収容される電子部品素子とを有し、
前記ビアホール導体の一方が前記キャビティ内の前記電極パッドに電気的に接続するとともに、他方が前記積層体の表面配線層と接続して成る回路基板において、
前記表面配線層と前記ビアホール導体との接続領域にガラス成分を含有しない金属成分から成る中間層を介在させたことを特徴とする。
【0017】
また、前記中間層は、Ag単体又はAgを主成分として、Pt、Rh、Ru2Oの内、少なくとも1種類を添加して成ることを特徴とする。
【作用】
本発明の構成によれば、回路基板の表面配線層とビアホール導体との接続領域にガラス成分を含有しない金属成分から成る中間層を介在しているので、中間層の部分はメッキ液が浸透してポーラスになるのを抑制し、これにより、キャビティ内の気体がビアホール導体と絶縁層との間隙を介して気体が抜ける流路が形成されないので、積層体外部に洩れることを防止することができる。
【0018】
また、中間層は、Ag単体又はAgを主成分として、Pt、Rh、Ru2Oの内、少なくとも1種類を添加してもよい。これにより、中間層がガラス成分を含有しなくても、積層体と中間層の両者の焼結時における収縮状態を略同じに近づけることができるので、中間層がキャビティ内の気体が抜ける流路を形成することを抑制することができ、更にキャビティの気密性を高めることが可能となる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の回路基板を図面に基づいて詳説する。なお、従来の技術と同じの構成は同じの符号を用いるものとする。
【0020】
図1は本発明の回路基板の断面構造図であり、本発明の回路基板10は、積層体1と、積層体1の主面に実装された実装電子部品8とからなる。
【0021】
積層体1は複数の絶縁層1a〜1fからなり、1層あたり例えば40〜300μm程度の厚みを有し、その材質としては、セラミック成分と、ガラス成分(ガラス成分は誘電体粉末の界面に存在したり、また焼結助剤となる)から成る。具体的には、セラミック成分としては、例えばA12O3、BaO−TiO2系、CaO−TiO2系、MgO−TiO2系等が選ばれる。また、ガラス成分としては、例えばホウケイ酸亜鉛、ホウケイ酸ビスマス等のホウケイ酸アルカリ酸化物等のガラスから選ばれる少なくとも1種が用いられる。
【0022】
積層体1の内部、例えば絶縁層1a〜1fの層間には、内部配線層2が形成されている。さらに、絶縁層1a〜1fの厚み方向には、所定配線層を接続するビアホール導体3が形成されている。
【0023】
また、積層体1の底面には、後述する本発明の特徴部である外部回路を接続する表面配線層4が形成されている。また、積層体1の主面には、各種実装電子部品8を接合するための所定配線層9が形成されている。
【0024】
また、積層体1の主面には、キャビティ7が形成される。具体的には、キャビティ7は積層体1を構成する絶縁層1a〜1fの内、主面側の所定数の絶縁層1a〜1dに貫通孔を設けることにより形成される。さらに、キャビティ7の内部の一部、例えは底面には、電極パッド12が形成され、上記電子部品素子5は、電極パッド12に接続するようにキャビティ7内に収容される。そして、ビアホール導体3の一方がキャビティ7内の電極パッド12に接続されるとともに、他方が積層体1の表面配線層4と接続されている。このことにより、キャビティ7内に収容された電子部品素子5と表面配線層4とを電気的に接続している。具体的には、電子部品素子5の上面側に電極が形成されている場合には、ボンディングワイヤによって、また、電子部品素子5の下面側に電極が形成されている場合には、フリップチップ等で電気的に接続される。また、キャビティ7上部には、その開口を封止する金属製蓋体6が形成されている。
【0025】
金属製蓋体6は、その材質として、Fe、Co、SUS、洋白、Fe−Ni合金、Cu合金等が用いられ、封止方法として、例えば、シームリングを介してシーム溶接、封止ガラスによる封止、キャビティ開口周囲に電極を形成して、互いに半田接合による封止、接合用樹脂による封止等が例示できる。
【0026】
電子部品素子5は、LiTaO3等を材料とした弾性表面波素子が用いられる。このLiTaO3等を材料は、温度変化により周波数特性が変化しやすく水蒸気等により周波数特性が変動するので金属製蓋体6により気密封止される必要がある。従って、本発明では弾性表面波素子に限定されず、気密封止が必要な電子部品素子ならば良い。
【0027】
内部配線層2、ビアホール導体3、表面配線層4、電極パッド12は、金属成分とガラス成分からなる。金属成分としては、低抵抗であるAg系の材料が用いられる。Ag系の材料としては、Ag単体、Ag合金が挙げられ、Ag合金は例えば、Ag−Pd、Ag−Pt等が挙げられる。ガラス成分としては、例えばホウケイ酸亜鉛、ホウケイ酸ビスマス等のホウケイ酸アルカリ酸化物等のガラスから選ばれる少なくとも1種が用いられる。
【0028】
また、表面配線層4、電極パッド12の表面には、図では省略しているが、酸化防止等の理由により、メッキ層が形成されている。メッキ層としては、半田やフリップチップにより接合される最表層にAuメッキ、中間層に硬質化と耐半田くわれ性を高めるNiメッキを形成する。
【0029】
本発明の特徴的なことは、表面配線層4とビアホール導体3との接続領域にガラス成分を含有しない金属材料から成る中間層14を介在させたことである。この中間層14の材質としては、Au単体、Ag単体又はAgを主成分として、Pt、Rh、Ru2Oの内、少なくとも1種類を添加する。ここで、Pt、Rh、Ru2Oは、表面配線層4と絶縁層1a〜1fの焼結挙動を合わせる無機添加物であって、ガラス成分ではない。
【0030】
また、本発明のガラス成分を含有しない中間層14とは、表面配線層4側から中間層14にガラス成分が含浸する場合もあるが、少なくとも中間層14と内部配線層2との接合界面においては金属リッチとなっているものもここでいう中間層14に含まれる。
【0031】
なお、中間層14と表面配線層4の厚みの合計は、10〜35μm、好ましくは20〜30μmの範囲にあることが望ましい。すなわち、上記厚みが10μm未満の場合、中間層14の厚みを大きくできないため、キャビティ内の気体が積層体外部に洩れることを防止する効果が不十分である。一方、上記厚みが35μmを超える場合、回路基板10を実装する際に傾いてしまう。
【0032】
本発明の回路基板10の製造方法は次のようになる。
【0033】
まず、各絶縁層1a〜1fとなるセラミックグリーンシートを用意する。まず、絶縁材料と有機樹脂材料及び有機可塑材料からなるセラミックグリーンシートをドクターブレード法等により成型する。
【0034】
次に、各セラミックグリーンシートにビアホール導体3となる貫通孔を形成する。次に、このビアホール導体3となる貫通孔内にAg系導電性ペーストを充填するとともに、各セラミックグリーンシート上に内部配線層2となる導体膜や電極パッド12となる導体膜をAg系導電性ペーストを用いて印刷形成する。
【0035】
また、絶縁層1fとなるセラミックグリーンシートのビアホール導体3となる貫通孔に導電性パースとを充填した箇所には、Ru2Oを含有すしてガラス成分を含有しないAg系導電性ペーストをスクリーン印刷、乾燥して、中間層14を被着形成する。そして、この中間層14を覆うように、ガラス成分を含有するAg系導電性ペーストを同様にスクリーン印刷、乾燥して、表面配線層4を被着形成する。その後、所定セラミックグリーンシートにキャビティ7の形状に応じた貫通孔を形成する。なお、導電性ペーストは、Ag等の金属成分及びホウケイ酸系ガラス成分に、種々の添加剤とビヒクルとで混合混練してペーストにする。ビヒクルは、エチルセルロース等の有機バインダと溶剤からなる。
【0036】
その後、これらのセラミックグリーンシートを所定の積層順序で積層し、熱圧着により積層一体化する。必要に応じて分割溝等を形成する。さらに、各セラミックグリーンシート、各導体膜を一体的に焼成する。
【0037】
その後、表面配線層4及び電極パッド12の表面に、Niメッキ、Auメッキ等を通常の方法で形成する。
【0038】
その後、表面処理として、キャビティ7内に電子部品素子5を上述の方法で接合して収容し、キャビティ7の開口を蓋体6で気密封止する。同時に、積層体1の主面に実装電子部品8を接合する。なお、図1では、キャビティ7の開口の周囲に主面から一段落ち込んだ段差部を設け、この段差部に蓋体6を被着してもよい。また、この段差部に蓋体6を封止接合するための封止用導体膜を形成してもよい。このようにして、図1のような回路基板10が得られる。
【0039】
次に、本発明の回路基板10に形成するキャビティ7の気密性評価実験について説明する。
【0040】
まず、キャビティ7に封止工程を行う。封止用の蓋体6は、あらかじめ内面側の全面または外周部にAu80%、Sn20%の封止部材を溶融させて塗布させておき、キャビティ7の開口の周囲に形成した接合導体膜(図示せず)に載置して、酸素濃度20ppm以下に制御されたN2チャンバー内で、ピーク温度320℃、280℃以上90秒の温度プロファイル下で封止した。
【0041】
気密封止後、Heを5〜6kgf/cm2で圧入し、それをHeディテクターにて、封止部に浸入したHeが漏れて出てくる量を測定した。本発明の回路基板10においては、その測定値は10-10以下であり、気密性を高めることができた。
【0042】
なお、本発明は上記の実施の形態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内での種々の変更や改良等は何ら差し支えない。
【0043】
図2は、本発明の他の実施の形態を示す回路基板10の断面構造図である。図において、一方がキャビティ内7の電極パッド12に接続した内部配線層2は、ビアホール導体3の一方に接続している。さらに、ビアホール導体3の他方は、積層体1の主面側に延出させるとともに、積層体1の主面側に形成した表面配線層4と接続して成る。そして、表面配線層4とビアホール導体3との接続領域に、本発明のガラス成分を含有しない金属材料から成る中間層14を介在させても良い。
【0044】
図3は、本発明の他の実施の形態を示す回路基板の断面構造図である。
【0045】
図において、積層体1の底面にキャビティ7が形成されており、キャビティ7内部に形成したダイアタッチ導体膜32に接続するように、電子部品素子5がキャビティ7内に収容されている。そして、一方がダイアタッチ導体膜32に接続するともに、他方が表面配線層4と接続して成る複数のサーマルビアホール導体33が積層体1の厚み方向に形成されている。そして、表面配線層4とサーマルビアホール導体33との接続領域にガラス成分を含有しない金属材料から成る中間層14を全てのサーマルビアホール導体33を覆うようにしても良い。このことにより、キャビティ7から通じるダイアタッチ導体膜32と複数のサーマルビアホール導体33を形成すると気密性が失われやすいが、中間層33で複数のサーマルビアホール導体33を覆うように形成しているので、放熱性も良好で気密性が良い回路基板を提供できる。
【0046】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、回路基板の積層体の主面に形成するこの表面配線層は、通常、酸化防止等の理由でメッキ処理を施すが、その際、メッキ液は弱酸性であるために表面配線層に含まれたガラス成分を溶解し、表面配線層のガラス成分が存在していた部分がポーラスとなる。しかし、本発明の構成によれば、回路基板の表面配線層とビアホール導体との接続領域にガラス成分を含有しない金属成分から成る中間層を介在しているので、中間層の部分はメッキ液が浸透してポーラスになるのを抑制し、これにより、キャビティ内の気体がビアホール導体と絶縁層との間隙を介して気体が抜ける流路が形成されないので、積層体外部に洩れることを防止することができる。
【0047】
また、中間層は、Ag単体又はAgを主成分として、Pt、Rh、Ru2Oの内、少なくとも1種類を添加してもよい。これにより、中間層がガラス成分を含有しなくても、積層体と中間層の両者の焼結時における収縮状態を略同じに近づけることができるので、中間層がキャビティ内の気体が抜ける流路を形成することを抑制することができ、更にキャビティの気密性を高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の回路基板の断面構造図である。
【図2】本発明の他の実施の形態の回路基板の断面構造図である。
【図3】本発明のさらに他の実施の形態の回路基板の断面構造図である。
【図4】従来の回路基板の断面図である。
【符号の説明】
10 回路基板
1 積層体
1a〜1f 絶縁層
2 内部配線層
3 ビアホール導体
4 表面配線層
5 弾性表面波フィルタ
6 蓋体
7 キャビティ
8 表面実装電子部品
12 電極パッド
14 中間層
32 ダイアタッチ導体膜
33 サーマルビアホール
Claims (2)
- ガラス成分とセラミック成分を含む絶縁層を複数積層した積層体と、
前記積層体の主面に形成したキャビティと、
該キャビティ内部に形成した電極パッドと、
前記キャビティの開口を封止する蓋体と、
前記積層体の主面に形成した金属成分及びガラス成分を含む表面配線層と、
前記絶縁層の厚みを貫くように形成したAg系のビアホール導体と、
前記キャビティ内の電極パッドに接続するように該キャビティ内に収容される電子部品素子とを有し、
前記ビアホール導体の一方が前記キャビティ内の前記電極パッドに接続するとともに、他方が前記積層体の表面配線層と接続して成る回路基板において、
前記表面配線層と前記ビアホール導体との接続領域にガラス成分を含有しない金属成分から成る中間層を介在させたことを特徴とする回路基板。 - 前記中間層は、Ag単体又はAgを主成分として、Pt、Rh、Ru2Oの内、少なくとも1種類を添加して成ることを特徴とする請求項1記載の回路基板。
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