JP3872401B2 - Wiring board - 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やコンデンサ、抵抗器等の電子部品が搭載される配線基板に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、電子部品、例えば、半導体素子が搭載される配線基板は、酸化アルミニウム質焼結体や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、該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ている、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ている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材を介して接着固定させるとともに半導体素子の各電極をボンディングワイヤ等の電気的接続手段を介して配線導体に電気的に接続し、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、間に錫−鉛半田等の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約200℃〜300℃の温度で加熱溶融させ、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も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。
【0004】
【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、接続パッドは一般に円形状もしくは楕円形状をなしており、接続パッドと低融点ロウ材との接合面の外縁部も同様の円形状、楕円形状等の線状をなしていること等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水平方向に大きな熱応力が繰り返し生じるとともにこの熱応力が接続パッドの外周縁に沿って線状に集中し、その結果、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前記接続パッドとの界面付近の外縁部に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。
【0005】
特に、低融点ロウ材として、従来の錫−鉛半田に代わり、錫−銀−ビスマス系等の鉛非含有半田が用いられるようになると、このような鉛非含有半田は、ビスマス等の成分の偏析により接続パッドに対する接合強度が低くなりやすいため、低融点ロウ材の破断の発生がより顕著なものとなってしまう。
【0006】
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、半導体素子等の電子部品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。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電気絶縁材料から成り、表面に電子部品が搭載される搭載部を有する絶縁基体と、該絶縁基体の下面に形成されている多数の接続パッドと、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ている複数個の配線導体とから成る配線基板であって、前記各接続パッドは外周縁部分のみがメッシュ状であることを特徴とするものである。
【0008】
本発明の配線基板によれば、接続パッドの外周縁部分のみをメッシュ状としたことから、接続パッドと低融点ロウ材との接合面の外縁部を入り組んだ形状とすることができ、外部電気回路基板上に実装した後、配線基板の絶縁基体と外部電気回路基板に熱が繰り返し作用し、両者間に両者の熱膨張係数の差に起因して水平方向に大きな熱応力が繰り返し生じたとしても、この熱応力はメッシュ状とされた接続パッドの外周縁に沿って分散されるため集中することはなく、同時に、メッシュ部分の側面部分で、接続パッドと低融点ロウ材との接合面は、熱応力が作用する方向に対してほぼ直角方向となって熱応力に対する耐性が大きくなり、その結果、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外縁部に亀裂が生じることはほとんどなく、低融点ロウ材として鉛フリー半田を使用したとしても、低融点ロウ材に短期間で破断が生じることはなく、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電子部品の各電極と外部電気回路と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。
【0009】
【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。
【0010】
図1及び図2は、本発明の配線基板を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す断面図及び底面図であり、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。
【0011】
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、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状の収納部1aを有し、該収納部1a底面には半導体素子3がガラスや樹脂、ロウ材等の接着材を介して接着固定される。
【0012】
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型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。
【0013】
また前記絶縁基体1は、その収納部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の収納部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接続パッド6が形成されている。
【0014】
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の収納部1a周辺から下面にかけて被着形成される。
【0015】
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、低融点ロウ材を介して外部電気回路基板の回路配線に接合され、これにより半導体素子3の電極が外部電気回路基板の回路配線と電気的に接続される。
【0016】
本発明においては、図3に示すように、前記接続パッド6の外周縁部分6aのみをメッシュ状としておくことが重要である。
【0017】
このように接続パッド6の外周縁部分6aのみをメッシュ状としておくと、接続パッド6と低融点ロウ材との接合面の外縁部を入り組んだ形状とすることができ、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3の作動時に発する熱が配線基板4の絶縁基体1と外部電気回路基板に繰り返し作用し、両者間に両者の熱膨張係数の差に起因して水平方向に大きな熱応力が繰り返し生じたとしても、この熱応力はメッシュ状とされた接続パッド6の外周縁に沿って分散されるため集中することはなく、低融点ロウ材として鉛フリー半田を使用したとしても、低融点ロウ材の接続パッド6との界面付近の外縁部から亀裂が生じることを効果的に防止することができる。
【0018】
また同時に、接続パッド6の外周縁部分6aのみをメッシュ状としておくと、このメッシュ状の部分、例えば網目状のパターンの側面で、接続パッド6と低融点ロウ材との接合面を、熱応力が作用する方向に対してほぼ直角方向とすることができ、熱応力によって低融点ロウ材の接合面に亀裂が発生することを効果的に防止することができる。
【0019】
その結果、低融点ロウ材に短期間で破断が生じることはなく、これによって接続パッド6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。
【0020】
前記接続パッド6の外周縁部分6aのみをメッシュ状にする方法としては、タングステンやモリブ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スクリーン印刷法等により所定パターンに印刷して接続パッド6を形成する際、スクリーンマスクの接続パッド6の外周縁部分6aのみに対応する領域をメッシュ状としておくことによって、或いは、絶縁基体1の下面で接続パッド6の外周縁部分6aのみが形成される領域に予め多数の窪み部を配列形成しておくことによって形成される。
【0021】
なお、図4に示すように、前記接続パッド6の外周縁部分の各メッシュ6bの幅Aは、20μm未満では、接続パッド6の外縁に沿って集中しようとする熱応力を分散させる効果が不十分となるおそれがあり、特に半導体素子3の発熱量が増大したようなときや、ビスマス含有量の多い鉛フリー半田を低融点ロウ材として用いたようなときに、接続パッド6と低融点ロウ材との接合の信頼性が劣化する傾向がある。また、接続パッド6の外周縁部分の各メッシュ6bの幅Aが100μmを超えると、かえって、各メッシュ6bの先端(外縁)部分に大きな熱応力が集中し、この個々のメッシュ6bの先端(外縁)部分から低融点ロウ材に亀裂が生じ、低融点ロウ材が短期間で破断するおそれがある。したがって、前記接続パッド外周縁部分6aの各メッシュ6bの幅Aは20〜100μmとしておくことが好ましい。
【0022】
また、前記接続パッド6のメッシュ状とされた外周縁部分6aの幅は、接続パッド6の半径に対して40%を超えると、接続パッド6の絶縁基体1に対する被着強度が低下し、配線基板としての長期信頼性が低下するおそれがある。したがって、接続パッド6のメッシュ状とされた外周縁部分6aの幅は、接続パッド6の半径に対して40%以下としておくことが好ましい。
【0023】
更に前記各メッシュ6bは、その上下端の角部分を円弧状に面取りしておくことが好ましく、メッシュ6bの間隙部内にエアーを巻き込むことなく低融点ロウ材を充填させることがより一層容易・確実となるとともに、角部と接する部分で低融点ロウ材に熱応力が集中して短期間で亀裂が発生することを効果的に防止することができる。したがって、前記各メッシュ6bは、その上下端の角部分を円弧状に面取りしておくことが好ましい。
【0024】
また更に前記配線導体2および接続パッド6は、またその露出する領域に、ニッケル、銅、金等の低融点ロウ材に対する濡れ性およびボンディング性に優れた金属からなるめっき層を、例えばニッケルまたは銅を約1μm〜10μm、金を0.05μm〜5μmの厚さで順次、被着させておくと、配線導体2および接続パッド6の酸化腐食を効果的に防ぐことができるとともに、接続パッド6に対し低融点ロウ材やボンディングワイヤ5を強固に接合、接続させることができる。従って、前記配線導体2および接続パッド6はその表面にニッケル、銅、金等のめっき層を約1μm〜15μmの厚さで被着させておくことが好ましい。
【0025】
かくして本発明の配線基板によれば、絶縁基体1の凹状の収納部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7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7と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。
【0026】
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り、例えば、上記の実施例では本発明の配線基板を半導体素子収納用パッケージに用いた例について説明したが、これを混成集積回路基板等に用いてもよい。
【0027】
【発明の効果】
本発明の配線基板によれば、接続パッドの外周縁部分のみをメッシュ状としたことから、接続パッドと低融点ロウ材との接合面の外縁部を入り組んだ形状とすることができ、外部電気回路基板上に実装した後、配線基板の絶縁基体と外部電気回路基板に熱が繰り返し作用し、両者間に両者の熱膨張係数の差に起因して水平方向に大きな熱応力が繰り返し生じたとしても、この熱応力はメッシュ状とされた接続パッドの外周縁に沿って分散されるため集中することはなく、同時に、メッシュ部分の側面部分で、接続パッドと低融点ロウ材との接合面は、熱応力が作用する方向に対してほぼ直角方向となって熱応力に対する耐性が大きくなり、その結果、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外縁部に亀裂が生じることはほとんどなく、低融点ロウ材として鉛フリー半田を使用したとしても、低融点ロウ材に短期間で破断が生じることはなく、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電子部品の各電極と外部電気回路と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。
【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に示す配線基板の底面図である。
【図3】図1に示す配線基板の要部拡大下面図である。
【図4】図3の部分拡大図である。
【符号の説明】
1・・・・絶縁基体
1a・・・収納部
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・・・接続パッドの外周縁部分
6b・・・各メッシュ
7・・・・蓋体
A・・・・各メッシュの幅[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a wiring board on which electronic components such as a semiconductor element, a capacitor, and a resistor are mounted.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, an electronic component, for example, a wiring board on which a semiconductor element is mounted is made of an electrically insulating material such as an aluminum oxide sintered body or a glass ceramic sintered body, and has a mounting portion on which the semiconductor element is mounted. An insulating base, a plurality of wiring conductors made of refractory metal powder such as tungsten and molybdenum, which are led out from the semiconductor element mounting portion of the insulating base or its periphery to the lower surface, and formed on the lower surface of the insulating base. And a plurality of connection pads electrically connected to the wiring conductor, and the semiconductor element is bonded and fixed to the mounting portion of the insulating base via an adhesive made of glass, resin, brazing material, or the like. In addition, each electrode of the semiconductor element is electrically connected to the wiring conductor via an electrical connection means such as a bonding wire, and then, if necessary, the semiconductor element A semiconductor device by causing hermetically sealed with a lid and a sealing resin.
[0003]
Such a semiconductor device is placed on an external electric circuit board such that the circuit wiring of the external electric circuit board and the connection pads on the lower surface of the insulating base are opposed to each other with a low melting point solder such as tin-lead solder interposed therebetween. After that, the low melting point brazing material is heated and melted at a temperature of about 200 ° C. to 300 ° C., and the circuit wiring of the external electric circuit board and the connection pads on the lower surface of the insulating base are bonded to each other on the external electric circuit board. Each electrode of the semiconductor element mounted and simultaneously mounted on the wiring board is also electrically connected to the external electric circuit board via the wiring conductor and the low melting point brazing material.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the wiring substrate on which the conventional semiconductor element is mounted has an insulating base made of a ceramic material such as an aluminum oxide sintered body, and has a thermal expansion coefficient of about 4 × 10 −6 / ° C. to 10 × 10. The external electric circuit board is generally formed of a resin material such as a glass epoxy resin, and its thermal expansion coefficient is 30 × 10 −6 / ° C. to 50 × 10 −6 / ° C. The connection pad is generally circular or elliptical, and the outer edge of the joint surface between the connection pad and the low melting point brazing material has a similar circular or elliptical line shape. Therefore, after mounting a semiconductor device on an external electric circuit board, if the heat generated during the operation of the semiconductor element repeatedly acts on the insulating substrate of the wiring board and the external electric circuit board, the difference in thermal expansion coefficient between the two will be caused. Due to horizontal In addition, a large thermal stress is repeatedly generated in the substrate, and the thermal stress is concentrated linearly along the outer peripheral edge of the connection pad. As a result, the low melting point brazing material connecting the connection pad and the external electric circuit board is connected to the connection pad. Cracks occur at the outer edge near the interface and this progresses along the interface, eventually causing a breakage in the low melting point brazing material and breaking the electrical connection between the semiconductor element and the external electric circuit in a short period of time. There was a problem that.
[0005]
In particular, when lead-free solder such as tin-silver-bismuth is used instead of the conventional tin-lead solder as the low melting point brazing material, such lead-free solder is composed of bismuth and the like. Since the bonding strength to the connection pad tends to be lowered due to segregation, the occurrence of breakage of the low melting point brazing material becomes more remarkable.
[0006]
The present invention has been devised in view of the above-mentioned problems in the conventional wiring board, and its purpose is to break the low melting point brazing material that joins the connection pad of the insulating base and the circuit wiring of the external electric circuit board. It is an object of the present invention to provide a wiring board excellent in long-term reliability that can effectively prevent electrical connection and can reliably and firmly electrically connect each electrode of an electronic component such as a semiconductor element to an external electric circuit for a long period of time. .
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention comprises an insulating base made of an electrically insulating material and having a mounting portion on which an electronic component is mounted, a large number of connection pads formed on the lower surface of the insulating base, and the mounting portion of the insulating base. A wiring board comprising a plurality of wiring conductors led out over the connection pads, wherein each connection pad has a mesh shape only at the outer peripheral edge.
[0008]
According to the wiring board of the present invention, since only the outer peripheral edge portion of the connection pad is made into a mesh shape, the outer edge portion of the joint surface between the connection pad and the low melting point brazing material can be formed in an intricate shape. After mounting on the circuit board, heat repeatedly acts on the insulating substrate of the wiring board and the external electric circuit board, and a large thermal stress is repeatedly generated in the horizontal direction due to the difference in thermal expansion coefficient between the two. However, since this thermal stress is distributed along the outer peripheral edge of the mesh-like connection pad , it does not concentrate, and at the same time, the joint surface between the connection pad and the low melting point brazing material is on the side surface of the mesh part. As a result, the resistance to the thermal stress increases substantially at a right angle to the direction in which the thermal stress acts, and as a result, near the interface between the connection pad and the connection pad of the low melting point brazing material that joins the external electric circuit board. Outer edge Even if lead-free solder is used as the low melting point soldering material, the low melting point soldering material will not break in a short period of time. Can be reliably and firmly electrically connected, and the connection between each electrode of the electronic component and the external electric circuit can be made excellent in long-term reliability.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0010]
1 and 2 are a cross-sectional view and a bottom view showing an embodiment in which the wiring board of the present invention is applied to a package for housing a semiconductor element, wherein 1 is an insulating substrate, and 2 is a wiring conductor. The insulating substrate 1 and the wiring conductor 2 constitute a wiring board 4 on which the
[0011]
The insulating substrate 1 is made of an electrically insulating material such as an aluminum oxide sintered body, an aluminum nitride sintered body, a mullite sintered body, a silicon carbide sintered body, a glass ceramic sintered body, and a semiconductor on its upper surface. It has a concave storage portion 1a on which the
[0012]
For example, when the insulating substrate 1 is made of an aluminum oxide sintered body, a suitable organic binder and solvent are added to and mixed with raw material powders such as aluminum oxide, silicon oxide, calcium oxide, magnesium oxide, etc., and a slurry-like ceramic slurry is obtained. At the same time, the ceramic slurry is formed into a sheet-like ceramic green sheet (ceramic green sheet) by using a sheet molding technique such as a doctor blade method or a calender roll method, and then the ceramic green sheet is cut. It is manufactured by forming a suitable shape by punching or by stacking a plurality of sheets, and finally firing the laminated ceramic green sheets at a temperature of about 1600 ° C. in a reducing atmosphere.
[0013]
The insulating base 1 has a large number of wiring conductors 2 formed from the periphery of the housing portion 1a to the lower surface, and each electrode of the
[0014]
The wiring conductor 2 and the
[0015]
The
[0016]
In the present invention, as shown in FIG. 3, it is important that only the outer
[0017]
With such only the outer
[0018]
At the same time, when only the outer
[0019]
As a result, the low melting point brazing material does not break in a short period of time, and thereby the
[0020]
The contact as a way to continue
[0021]
As shown in FIG. 4, if the width A of each
[0022]
Further, when the width of the outer
[0023]
Further, it is preferable that the upper and lower corners of each
[0024]
Furthermore, the wiring conductor 2 and the
[0025]
Thus, according to the wiring board of the present invention, the
[0026]
The wiring board of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. Although the example in which the wiring board is used for the package for housing semiconductor elements has been described, this may be used for a hybrid integrated circuit board or the like.
[0027]
【The invention's effect】
According to the wiring board of the present invention, since only the outer peripheral edge portion of the connection pad has a mesh shape, the outer edge portion of the joint surface between the connection pad and the low melting point brazing material can be complicated, After mounting on the circuit board, heat repeatedly acts on the insulating substrate of the wiring board and the external electric circuit board, and a large thermal stress is repeatedly generated in the horizontal direction due to the difference in thermal expansion coefficient between the two. However, since this thermal stress is distributed along the outer peripheral edge of the mesh-like connection pad , it does not concentrate, and at the same time, the joint surface between the connection pad and the low melting point brazing material is on the side surface of the mesh part. As a result, the resistance to the thermal stress increases substantially at a right angle to the direction in which the thermal stress acts, and as a result, near the interface between the connection pad and the connection pad of the low melting point brazing material that joins the external electric circuit board. Outer edge Even if lead-free solder is used as the low melting point soldering material, the low melting point soldering material will not break in a short period of time. Can be reliably and firmly electrically connected, and the connection between each electrode of the electronic component and the external electric circuit can be made excellent in long-term reliability.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a wiring board according to the present invention.
2 is a bottom view of the wiring board shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is an enlarged bottom view of the main part of the wiring board shown in FIG. 1;
4 is a partially enlarged view of FIG. 3;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Insulation base | substrate 1a ... Storage part 2 ...
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