JP3905991B2

JP3905991B2 - ガラスセラミック配線基板

Info

Publication number: JP3905991B2
Application number: JP05025799A
Authority: JP
Inventors: 哲也木村; 紀彰浜田; 吉健寺師
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-02-26
Filing date: 1999-02-26
Publication date: 2007-04-18
Anticipated expiration: 2019-02-26
Also published as: JP2000247682A

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や多層配線基板などに適用されるセラミック絶縁基板の表面あるいは内部にメタライズ配線層が形成された高熱膨張特性を有する配線基板に関する。
【０００２】
【従来技術】
近年、配線基板においては、高周波回路への対応性、高密度化、高速化が要求され、アルミナ系セラミック材料に比較して低い誘電率が得られ、配線層の低抵抗化が可能な低温焼成配線基板が一層注目されている。
【０００３】
一般に、低温焼成配線基板に用いられるＡｕ、Ａｇ、Ｃｕなどの低抵抗金属のうち、Ａｕは非常に高価な材料でコスト的に不利であり、Ａｇではマイグレーションの問題から、配線基板の用途、構造等に制限があった。これに対して、Ｃｕ系材料は、焼成処理を還元性雰囲気で行う必要があるものの、配線基板の高密度化、配線基板中の回路の高周波化の要求に充分応えることができることから、低温焼成配線基板におけるメタライズ配線材料として最も用いられている。
【０００４】
ガラスセラミックスからなる絶縁基板の表面及び内部にこのようなＣｕを主成分とするメタライズ配線層を形成した配線基板は、一般にはガラスセラミック原料粉末、有機バインダーに溶剤を添加して調製したスラリーをドクターブレード法等によってシート状に成形し、このシートにＣｕを主成分とするメタライズペーストを印刷塗布したり、スルーホールを形成し前記ペーストを充填する。そしてこのようなグリーンシートを複数枚加圧積層し、９００〜１０００℃で焼結することにより作製されていた。その後、必要に応じて配線基板表面にＩＣ等の各種電子部品を実装していた。
【０００５】
このような配線基板は、半導体素子が収容搭載される半導体素子収納用パッケージや、回路線導体を有する各種回路基板、携帯電話やパーソナルハンディホンシステム、各種衛星通信用の高周波用多層配線基板に用いられている。
【０００６】
上述の９００〜１０００℃の比較的低温で焼成可能な絶縁基板としては、ホウケイ酸亜鉛系ガラスに、Ａｌ₂Ｏ₃、ジルコニア、ムライト等のフィラーを添加したものを低抵抗金属と同時焼成したもの等が提案されている。その他、ムライトやコージェライトを結晶相として析出させたガラスセラミックスも提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来、一般にガラスセラミックスの焼結開始温度は、８００〜９００℃、例えば８５０℃前後であり、Ｃｕを主成分とするメタライズ配線層の焼結開始温度が７００〜８００℃、例えば７５０℃前後である。従って、この焼結開始温度の差異によって、焼成過程での収縮にズレを生じ、さらに焼結終了温度の差異によりＣｕを主成分とするメタライズ配線層が先に緻密化してガラスセラミックスの収縮を抑制してしまう。
【０００８】
その結果、焼成された配線基板には、例えば表面粗さＲｍａｘで３０μｍを越える大きな反りやうねりが発生するという問題があった。最終焼結温度も、ガラスセラミックスは９００〜１０００℃であり、Ｃｕメタライズは８００〜９００℃である。このように最終焼結温度の差によって、ガラスセラミックスの焼結温度で同時焼成すると、Ｃｕメタライズは過焼結となってＣｕ粒子が緻密化し、ガラスセラミックスのガラス成分で強固な接合を行うとしてもこれを阻み、その結果接着強度が弱くなる。
【０００９】
例えば、２ｍｍ角の銅配線層にリード線を半田付けし、該リード線を銅配線に対して垂直方向に引っ張った場合、２ｋｇ未満の引っ張り荷重で剥離してしまい、前記ガラスセラミック配線基板に各種チップ部品を搭載したり、表面実装する際、あるいは各種金属を被覆する際に接着不良等の不具合を生じるという問題もあった。
【００１０】
この大きな反りやうねり等の発生を防止するため、焼成する際に該配線基板の上に重りを乗せて反り、うねりを矯正するという方法があるが、工程の複雑化、コストアップにつながるため、あまり現実的ではない。また、Ｃｕを主成分とするメタライズペーストのガラス成分を調整して、メタライズ配線パターンの焼結挙動をガラスセラミックスの焼結挙動に近似させることが考えられるが、これでは、Ｃｕを主成分とするメタライズ配線層のもつ低抵抗特性を損ねることになる。
【００１１】
また、従来のガラスセラミックスを絶縁基板とする配線基板の４０〜４００℃付近の熱膨張係数は４〜７ｐｐｍ／℃であるのに対して、この配線基板が実装される外部回路基板として最も多用されているマザーボードなどのガラス−エポキシ絶縁基体にＣｕ配線層が形成されたプリント基板の熱膨張係数は、１２〜１８ｐｐｍ／℃と非常に大きい。
【００１２】
そのため、配線基板や半導体素子収納用パッケージに半導体素子を収納し、しかる後、これをプリント基板等に実装した場合、半導体素子の作動時に発する熱が絶縁基板とプリント基板の両方に繰り返し印加されると前記絶縁基板とプリント基板との熱膨張差に起因する大きな熱応力が発生する。そのために、半導体素子の作動および停止の繰り返しにより熱応力が絶縁基板下面の接続パッドの外周部および外部回路基板の配線導体と端子との接合界面に作用し、接続パッドが絶縁基板より剥離したり、端子が配線導体より剥離し、配線基板やパッケージをプリント基板に長期にわたり安定に電気的接続させることができないという欠点を有していた。
【００１３】
そこで、配線基板における絶縁基板の熱膨張係数をプリント基板の熱膨張係数に整合させることが考えられるが、従来のアルミナやムライトでは、そもそも熱膨張係数が大きく異なるために、組成等を変更しても、プリント基板の熱膨張係数に整合させるのは非常に困難であった。
【００１４】
従って、本発明は、Ｃｕメタライズ配線層とガラスセラミックスからなる絶縁基板とを同時焼成しても、基板の反りやうねりを有効に防止することができ、Ｃｕメタライズ配線層と絶縁基板との界面の接着強度が高く、しかも、Ｃｕメタライズ配線層がもつ抵抗特性、ガラスセラミックスがもつ低誘電率特性を損ねることがなく、ガラス−エポキシ樹脂等を絶縁基体とする外部回路基板に対して強固に且つ長期にわたり安定した接続状態を維持できる高信頼性の配線基板を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記目的に対して鋭意研究の結果、絶縁基板として、ガラス成分としてホウケイ酸系ガラスを５５〜８５重量％、無機フィラーとして石英、クリストバライト、トリジマイト、ステショバイトから選ばれるＳｉＯ_２結晶を１０〜４０重量％およびＧｅＯ_２を０．５〜１０重量％の範囲で含有させることにより、ガラスセラミック絶縁基板の焼結挙動をＣｕを主成分とするメタライズ配線層の焼結挙動に近似させることができるため、基板の反り、うねり等の変形が低減できることを見いだした。また、本発明によれば、最終焼成温度も低温化できるために、Ｃｕメタライズの過焼結を防ぐことができ、Ｃｕメタライズ配線層とガラスセラミック基板が強固に接合される。
【００１６】
しかも、フィラーとして石英、クリストバライト、トリジマイト、ステショバイトから選ばれるＳｉＯ_２結晶を１０〜４０重量％とすることで熱膨張係数を高めることができ、絶縁基板の熱膨張係数を７．３ｐｐｍ／℃以上とすることにより、この配線基板とプリント基板などの外部回路基板との接続信頼性を大幅に向上させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のガラスセラミック配線基板について、図１に基づいて説明する。尚、図１では、配線基板の構造を複数のガラスセラミック層からなる多層配線基板を用いて説明する。
【００１８】
本発明の配線基板１によれば、絶縁基板２は、複数のガラスセラミック絶縁層２ａ〜２ｄを積層した積層体から構成され、その絶縁層間および絶縁基板表面には、厚みが５〜２５μｍ程度のＣｕを主成分とするメタライズ配線層３が被着形成されている。さらに、各ガラスセラミック絶縁層２ａ〜２ｄの厚み方向を貫くように形成された直径が８０〜２００μｍのビアホール導体４が形成され、これにより、所定回路を達成するための回路網が形成される。
【００１９】
絶縁基板２は、ガラス成分として、ホウケイ酸系ガラスを５５〜８５重量％、セラミックフィラー成分として石英、クリストバライト、トリジマイト、ステショバイトから選ばれるＳｉＯ_２結晶を１０〜４０重量％、ＧｅＯ_２を０．５〜１０重量％の範囲からなるガラスセラミックスからなり、特に８００〜９００℃で焼成可能なガラスセラミックスからなる。
【００２０】
具体的には、ガラス成分は、複数の金属酸化物を含むガラスフリットであり、非晶質ガラス、あるいは焼成処理によって、コージェライト、ムライト、アノーサイト、セルジアン、スピネル、ガーナイト、ウイレマイト、ドロマイト、ペタライトやその置換誘導体の結晶を少なくとも１種を析出するものであってもよい。また、ガラスセラミックス中の石英、クリストバライト、トリジマイト、ステショバイトから選ばれるＳｉＯ_２結晶、ＧｅＯ_２以外のフィラー成分としては、コランダム（αアルミナ）、ムライト、コージライト、フォルステライトなどが例示できる。
【００２１】
本発明における絶縁基板を構成する材料としては、ホウケイ酸系ガラスは、１０００℃以下の低温で焼結させるために必要であり、その配合量が５５重量％未満の場合、焼結が困難となり、８５重量％を越えると、ガラス成分が多くなり、強度の劣化や熱膨張係数の低下等、目標特性が得られなくなる。従って、上記ガラス成分とフィラー成分との構成比率はガラス成分が５５〜８５重量％、特に、６５〜７５重量％、フィラー成分が１５〜４５重量％、２５〜３５重量％からなることが適当である。
【００２２】
フィラー成分中の石英、クリストバライト、トリジマイト、ステショバイトから選ばれるＳｉＯ_２結晶は、熱膨張係数を大きくするための成分であって、その量が１０重量％未満では、熱膨張係数が７ｐｐｍ／℃未満となり、４０重量％を越えると焼結を阻害し、緻密な基板を得ることができない。ＳｉＯ_２結晶の配合量は、特に２０〜３０重量％が好適な範囲である。
【００２３】
フィラー成分中のＧｅＯ_２は、ＳｉＯ_２結晶との二元系状態図より、６００℃〜９５０℃付近で液相を生成する。このことから、メタライズ配線層とガラスセラミック絶縁基板を同時焼成した際、ガラスセラミック絶縁基板の焼結開始温度が早くなり、メタライズ配線層の焼結挙動と近似させることができ、反り、うねりの小さい配線基板を得ることができる。また、焼成温度も低温化するため、Ｃｕの過焼結を抑えることができ、メタライズ配線層の絶縁基板との接着強度を高めることができる。
【００２４】
また、前記配線基板中のＧｅＯ₂の含有量が０．５重量％未満では、ＧｅＯ₂−ＳｉＯ₂系の液相量が少なく、ガラスセラミックスの焼結開始温度、最終焼成温度とも低温化がはかられていないため効果が得られない。
【００２５】
逆に、１０重量％を越える場合、メタライズ配線層とガラスセラミック絶縁基板との焼結挙動のずれが大きくなり、反り、うねりが増大する。ＧｅＯ₂の含有量は２〜７重量％が好適な範囲である。
【００２６】
メタライズ配線層３は、Ｃｕ系材料、例えば、Ｃｕ単体、Ｃｕ酸化物、Ｃｕ合金等の導電材料と、焼結を調整するための無機成分、有機ビヒクルからなる。また、ＳｉＯ₂、ＭｇＯなどの酸化物を５重量％以下の割合で添加することも可能である。また、ビアホール導体４は、上記のメタライズ配線層３と同様の成分からなる導体が充填されていることが望ましい。
【００２７】
また、多層配線基板の表面のメタライズ配線層は、ＩＣチップなどの各種電子部品５を搭載するためのパッドとして、シールド用導体膜として、さらには、外部回路と接続する端子電極として用いられ、各種電子部品５がメタライズ配線層３に半田や導電性接着剤などを介して接合される。
【００２８】
尚、図示していないが、必要に応じて、配線基板の表面には、さらに珪化タンタル、珪化モリブデンなどの厚膜抵抗体膜や配線保護膜などを形成しても構わない。
【００２９】
次に、本発明の配線基板を作製する方法について説明する。まず、上述したようにガラス成分としてホウケイ酸系ガラス、セラミックフィラー成分として石英、クリストバライト、トリジマイト、ステショバイトから選ばれるＳｉＯ_２結晶およびＧｅＯ_２を前述した範囲で混合してガラスセラミック組成物を調製する。
【００３０】
この時に用いるホウケイ酸系ガラスとしては、ＳｉＯ₂３０〜６０重量％、Ｂ₂Ｏ₃５〜４０重量％の割合で含有し、さらに、残部がＡｌ₂Ｏ₃、アルカリ土類酸化物、アルカリ金属酸化物、ＺｒＯ₂、ＺｎＯなどの群から選ばれる少なくとも１種から構成されることが好適である。
【００３１】
また、ＳｉＯ₂としては、石英、クリストバライト、トリジマイト、ステショバイトなどの粉末が挙げられる。
【００３２】
次に、その混合物に有機バインダー等を加えた後、ドクターブレード法、圧延法、プレス法などによりシート状に成形してグリーンシートを作製する。
【００３３】
そして、このグリーンシートの表面に導体ペーストを印刷する。用いる導体ペースト中の主成分となるＣｕ成分としては、Ｃｕ単体、酸化銅（ＣｕＯ、Ｃｕ₂Ｏ）、Ｃｕ合金、あるいはそれらの混合物が用いられる。
【００３４】
また、導体ペースト中には、Ｃｕ成分、焼結を調整するための無機成分以外に、アクリル樹脂などからなる有機バインダーとトルエン、イソプロピルアルコール、アセトンなどの有機溶剤とを均質混合して形成される。有機バインダーは、Ｃｕ成分及び、焼結を調整するための無機成分からなる固形成分１００重量部に対して、０．５〜５．０重量部、有機溶剤は、固形成分及び有機バインダー１００重量部に対して、５〜１００重量部の割合で混合されることが望ましい。
【００３５】
次に、上述の導体ペーストを、前記ガラスセラミックグリーンシート上に、スクリーン印刷法などにより配線パターン状に印刷する。また、ビアホール導体を形成する場合には、グリーンシートにレーザーやマイクロドリル、パンチングなどにより、直径８０〜２００μｍの貫通孔を形成し、その内部にペーストを充填する。その後、配線パターンやビアホール導体が形成されたグリーンシートを積層圧着して積層体を形成する。
【００３６】
その後、この積層体を４００〜７５０℃の窒素雰囲気中で加熱処理してグリーンシート内やペースト中の有機成分を分解除去した後、８００〜９００℃の窒素雰囲気中で同時焼成することにより、メタライズ配線層およびビアホール導体を具備する多層配線基板を作製することができる。
【００３７】
【実施例】
本発明のガラスセラミック配線基板について、一実施例に基づき評価する。
【００３８】
先ず、一般的なホウケイ酸ガラス（Ｂ₂Ｏ₃１０重量％、ＳｉＯ₂４３重量％、Ａｌ₂Ｏ₃３０重量％、ＺｎＯ７重量％、ＭｇＯ１０重量％）とＳｉＯ₂（クオーツ）、ＧｅＯ₂を表１に示す割合で秤量し、それに、バインダーとしてアクリル樹脂と、可塑剤としてＤＢＰ（ジブチルフタレート）、溶媒としてトルエンとイソプロピルアルコールを加えて調製したスラリーを用いて、ドクターブレード法により厚さ５００μｍのグリーンシートを作製した。
【００３９】
次に、平均粒径が５μｍのＣｕ単体、ＭｇＣＯ_３、それに有機バインダーとしてアクリル樹脂を、溶媒としてジブチルフタレートを添加混練し、ペースト状の銅メタライズ用ペーストを作製した。尚、前記銅メタライズ用ペースト中の有機バインダー量は、主成分であるＣｕに対して２．０重量％であり、固形成分、有機バインダーに対して７５重量％の割合で溶剤を加えた。
【００４０】
かくして得られた銅メタライズ用ペーストを用いて、前記ガラスセラミックグリーンシート上に、接着強度、反りを評価するサンプルとして、焼成後の形状が縦横各２ｍｍ、厚さ約１５μｍとなる銅配線用パターンを形成し、この様なガラスセラミックグリーンシートを３枚加圧積層した。
【００４１】
同時に配線抵抗を評価するサンプルとして、幅０．２ｍｍ、長さ２０ｍｍ、厚さ約１５μｍとなる銅配線用パターンを形成し、このようなガラスセラミックグリーンシートを３枚加圧積層した。
【００４２】
接続信頼性評価サンプルとしては、グリーンシート表面に、前述のメタライズペーストをスクリーン印刷法に基づきメタライズ配線層を塗布した。また、グリーンシートの所定個所にスルーホールを形成しスルーホール内が最終的に基板の下面に露出するように形成し、そのスルーホール内にもＣｕメタライズペーストを充填した。そして、メタライズペーストが塗布されたグリーンシートをスルーホールの位置あわせを行いながら６枚積層し圧着した。そして、配線基板の下面のスルーホールに接続する個所に凹部を形成し、Ｃｕメタライズからなる接続パッドを作製した。
【００４３】
次いで、この未焼成状態のサンプルパターンが形成された積層体を、有機バインダー等の有機成分を分解除去するために、窒素雰囲気中、７００℃の温度で３時間保持して脱脂した後、８８０℃に昇温して１時間保持し、配線基板を作製した。
【００４４】
先ず、前記評価用のガラスセラミック配線基板の２ｍｍ角の銅配線層に厚さ２．０μｍのＮｉメッキを行い、その上に厚さ０．１μｍのＡｕメッキを施した後、該メッキ被覆層上のＣｕ系のリード線を銅配線層表面と平行に半田付けし、リード線を銅配線層表面に対して垂直方向に曲げ、該リード線を１０ｍｍ／ｍｉｎの引っ張り速度で垂直方向に引っ張り、リード線が剥離したときの荷重を銅配線層の接着強度として評価した。尚、良否の判断としては、リード線が剥離したときの荷重が２ｋｇｆ／２ｍｍ角を越える場合を良品とした。また、焼結性について、得られた焼結体を赤色染料液に浸漬した後、洗浄して染料液の色が残らなかったものを良好、色が残ったものを不良として評価した。
【００４５】
一方、ガラスセラミック配線基板の反りは、前述の２ｍｍ角の銅配線層直下のガラスセラミック配線基板表面を、銅配線層を含めて長さ７ｍｍ、該銅配線層を横切るように表面状態を計測し、その表面粗さ（Ｒｍａｘ）を反り量として評価した。尚、良否の判断としては、上記Ｒｍａｘが３０μｍ以下のものを良品とした。
【００４６】
次に、銅配線層の導通抵抗の評価については、幅０．２ｍｍ、長さ２０ｍｍの銅配線層の抵抗をテスターを用いて測定し、銅配線層の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、銅配線層の長さを４０倍の顕微鏡を用いて測定し、得られた面積、長さから抵抗率を算出した。尚、良否の判断としては、抵抗率が１０．０μΩ・ｃｍ以下を良品とした。
【００４７】
接続信頼性評価は、以下の手順で評価した。まず、接続パッドに半田（錫１０〜６０％、鉛４０〜９０％）からなる接続端子を取り付けた。なお、接続端子は、１ｃｍ^２あたり３０端子の密度で配線基板の下面全体に形成した。一方、ガラス−エポキシ基板からなる絶縁基体表面に、銅からなる配線導体が形成されたプリント基板を準備し、上記の配線基板をプリント基板上の配線導体と、それぞれの接続端子が接続されるように位置あわせし、これをＮ_２の雰囲気中で２６０℃で３分間熱処理し、ガラスセラミック配線基板をプリント基板表面に実装した。この熱処理により、配線基板の半田からなる接続端子が融けてプリント基板の配線導体と電気的に接続されたことを確認した。
【００４８】
このように、ガラスセラミック配線基板をプリント基板表面に実装したものを、大気中にて、−４０と１２５℃の各温度に制御した恒温槽に試験サンプルを１５分／１５分の保持を１サイクルとして最高１０００サイクル繰り返した。そして各サイクル毎にプリント基板の配線導体とガラスセラミック配線基板との電気抵抗を測定し、電気抵抗に変化が現れるまでのサイクル数を調べて接続信頼性評価を行い、その結果を表１に示した。
【００４９】
【表１】

【００５０】
表１の結果より明らかなように、ガラスセラミック配線基板としては、ガラスの量が５５重量％未満の本発明の請求範囲外である試料Ｎｏ．１、２、３は、磁器の焼結が不十分であるため実用的ではない。ガラスの量が８５重量％を越える試料Ｎｏ．１１、１２や、ＳｉＯ_２結晶の量が１０重量％未満の試料Ｎｏ．１３は、熱膨張係数が７ｐｐｍ／℃未満となり、熱サイクル試験において２００〜２２０サイクルで抵抗変化が生じた。また、試料Ｎｏ．１３はメタライズ強度も低く反りも３０μｍを越えるため実用的ではない。ＳｉＯ_２結晶の量が４０重量％を越える試料Ｎｏ．２１は、磁器の焼結が不十分であった。ＧｅＯ_２の量が０．５重量％未満の試料Ｎｏ．２２は、銅メタライズ配線層とガラスセラミック基板との接着強度が弱く、ガラスセラミック配線基板の反りがいずれも３０μｍを越えている。ＧｅＯ_２の含有量が１０重量％を越える試料Ｎｏ．３１、３２は反りが３０μｍを越えるため実用的ではない。
【００５１】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の配線基板は、ガラスとしてホウケイ酸系ガラスを５５〜８５重量％、無機フィラーとして石英、クリストバライト、トリジマイト、ステショバイトから選ばれるＳｉＯ_２結晶を１０〜４０重量％、ＧｅＯ_２を０．５〜１０重量％の範囲の組成で構成させることで、ガラスセラミックの焼結挙動と、銅メタライズの焼結挙動が近似され、８００〜９００℃の温度で同時焼成した場合、ガラスセラミックスが液相を生成する温度で、銅メタライズ組成物もほぼ同時に液相を生成し、両者の収縮も同時に開始されて最終的に配線基板の反りやうねり等の変形が極めて小さくなるとともに、焼結最終温度も低下することから、Ｃｕの過焼結を防ぎ、その結果、絶縁基板と銅配線層の接着強度を高く維持し、また、電気特性にも優れた配線基板を得ることができる。しかも、熱膨張係数が７．３ｐｐｍ／℃以上となることから、熱膨張係数の大きいプリント基板等の外部回路基板に実装した場合に、両者の熱膨張係数の差に起因する応力発生を抑制し、配線基板と外部回路基板とを、長期間にわたり、強固に電気接続させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線基板の一例を示す配線基板の断面図を示す。
【符号の説明】
１・・・配線基板
２・・・絶縁基板
３・・・メタライズ配線層
４・・・ビアホール導体
５・・・電子部品

Claims

ガラスセラミック絶縁基板と、銅を主成分とするメタライズ配線層とを有するガラスセラミック配線基板において、前記ガラスセラミック絶縁基板が、ホウケイ酸系ガラスを５５〜８５重量％、フィラーとして石英、クリストバライト、トリジマイト、ステショバイトから選ばれるＳｉＯ_２結晶を１０〜４０重量％およびＧｅＯ_２を０．５〜１０重量％の範囲で含有してなるとともに、４０〜４００℃における熱膨張係数が７．３ｐｐｍ／℃以上であることを特徴とするガラスセラミック配線基板。