JP3934811B2 - 高熱膨張ガラスセラミック焼結体およびその製造方法、配線基板ならびにその実装構造 - Google Patents
高熱膨張ガラスセラミック焼結体およびその製造方法、配線基板ならびにその実装構造 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高熱膨張性を有するガラスセラミック焼結体およびその製造方法と、それを絶縁基板とする、半導体素子収納用パッケージなどに使用される配線基板と、その実装構造に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来、配線基板は、絶縁基板の表面あるいは内部にメタライズ配線層が配設された構造からなる。また、この配線基板を用いた代表的な例として、半導体素子、特にＬＳＩ（大規模集積回路素子）等の半導体素子を収容する半導体素子収納用パッケージがある。
【０００３】
この半導体素子収納用パッケージは、一般にアルミナセラミックス等のセラミック絶縁基板の表面に半導体素子を搭載し、また絶縁基板の表面、内部にはＷやＭｏなどの金属から成るメタライズ配線層が形成され、絶縁基板の裏面にはこれらのメタライズ配線層と接続された複数の接続パッドが形成されており、その接続パッドには、外部回路基板と接続するための接続端子が取り付けられている。そして、絶縁基板の表面に搭載された半導体素子は、メタライズ配線層とワイヤなどによって接続された後、蓋体によって気密に封止される。
【０００４】
また、半導体素子収納用パッケージは、絶縁基板下面の接続パッドに接続された接続端子と外部回路基板の配線導体とを半田等により電気的に接続することによって外部回路基板に実装される。
【０００５】
一般に、半導体素子の集積度が高まるほど、半導体素子に形成される電極数も増大するが、これに伴いこれを収納する半導体収納用パッケージにおける端子数も増大することになる。ところが、電極数が増大するに伴いパッケージ自体の寸法を大きくするにも限界があり、より小型化を要求される以上、パッケージにおける端子の密度を高くすることが必要となる。
【０００６】
これまでのパッケージにおける端子の密度を高めるための構造としては、ピングリッドアレイ（ＰＧＡ）、パッケージの４つの側面のすべてからガルウイング状（Ｌ字状）の金属ピンが導出された構造のクワッドフラットパッケージ（ＱＦＰ）、さらに接続端子を半田からなる球状端子により構成したボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）等があり、これらの中でもＢＧＡが最も高密度化が可能であると言われている。
【０００７】
このボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）は接続端子を接続パッドに半田などのロウ材からなる球状端子をロウ付けした端子により構成し、この球状端子を外部電気回路基板の配線導体上に載置当接させ、しかる後、前記端子を約２５０〜４００℃の温度で加熱溶融し、球状端子を配線導体に接合させることによって外部電気回路基板上に実装することが行われている。このような実装構造により、半導体素子収納用パッケージの内部に収容されている半導体素子はその各電極がメタライズ配線層及び接続端子を介して外部電気回路に電気的に接続される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来のセラミック絶縁基板として使用されているアルミナ、ムライトなどのセラミックスは、２００ＭＰａ以上の高強度を有し、しかもメタライズ配線層などとの多層化技術として信頼性の高いことで有用ではあるが、その熱膨張係数は約４〜７ｐｐｍ／℃程度であるのに対して、パッケージが実装される外部電気回路基板として最も多用されているガラス−エポキシ絶縁層にＣｕ配線層が形成されたプリント基板の熱膨張係数は１１〜１８ｐｐｍ／℃と非常に大きい。
【０００９】
そのため、半導体素子収納用パッケージの内部に半導体素子を収容し、しかる後、プリント基板などの外部回路基板に実装した場合、半導体素子の作動時に発する熱が絶縁基板と外部回路基板の両方に繰り返し印加されると絶縁基板と外部回路基板との間の熱膨張差に起因する熱応力が発生し、この熱応力が外部回路基板との接続部に影響し、クラックや端子の剥離などが生じ、パッケージを外部回路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ものであった。
【００１０】
また、アルミナやムライトなどのセラミックスは、焼成温度が１５００℃以上と高いために、同時焼成してメタライズ配線層を形成する場合、タングステンなどの高融点金属からなる抵抗の高い金属を用いる必要があった。
【００１１】
そこで、本発明者らは、先にＢａＯを５〜６０重量％の割合で含有する低軟化点、高熱膨張のガラスを用いて、所定のフィラーとを混合し焼成した高熱膨張性を有し、しかも１０００℃以下の低温でＣｕなどの低抵抗金属と同時焼成可能なガラスセラミック焼結体を絶縁基板とすることを提案した。
【００１２】
しかしながら、上記ＢａＯを含有する低軟化点のガラスでは、ガラスの軟化流動により焼結体表面が内部より早く緻密化してしまい、内部まで十分に緻密な焼結体を得ることが難しく、絶縁基板の強度が低下するという問題があった。
【００１３】
従って本発明は、ＢａＯを含有するガラスを用いた低温焼成基板の焼結性を改善したガラスセラミック焼結体とその製造方法と、かかるガラスセラミック焼結体を絶縁基板として、有機樹脂を含有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配線基板とその実装構造を提供することを目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記問題点に対して検討を重ねた結果、ＢａＯを５〜６０重量％含有するガラスと、４０℃〜４００℃における線熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上の金属酸化物粒子を含むフィラーとからなる焼結体を作製するにあたり、前記フィラーとしての金属酸化物粒子として、粗粉末と微粉末との混合物によって構成し、前記粗粉末と微粉末の平均粒径比を特定の範囲に制御することにより、焼結性を高め、相対密度の高い焼結体を得ることができることを見いだした。
【００１５】
即ち、本発明の高熱膨張ガラスセラミック焼結体は、ＢａＯを５〜６０重量％含有するガラスと、４０℃〜４００℃における線熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上の金属酸化物粒子を含むフィラーとからなる４０℃〜４００℃における線熱膨張係数が８．５〜１８ｐｐｍ／℃の焼結体であって、前記フィラーとしての金属酸化物粒子の粒度分布図において０．５〜６μｍの範囲に少なくとも２つのピークＤ１が存在し、粗粒側ピーク位置をＤ１（μｍ）、微粒側のピーク位置をＤ２（μｍ）とした時、比率（Ｄ１／Ｄ２）が２〜６とすると、焼結体表面が内部より早く緻密化するのを防止し、緻密な焼結体を安定して得ることができ、しかも焼結可能温度範囲を大幅に広くすることができ、相対密度が９０％以上の寸法安定性に優れた緻密な焼結体を再現よく製造することができる。
【００１６】
また、本発明の高熱膨張ガラスセラミック焼結体の製造方法は、ＢａＯを５〜６０重量％含有するガラスと、フィラーとして平均粒径ｄ１が３〜６μｍの粗粉末と、平均粒径ｄ２が０．５〜２μｍの微粉末との混合粉末からなり、前記粗粉末の平均粒径ｄ１と前記微粉末の平均粒径ｄ２のｄ１／ｄ２で表される平均粒径比が２〜６である金属酸化物粒子を混合した後、成形後、８００〜１０００℃の温度で焼成することを特徴とするものであり、特に、前記粗粉末と前記微粉末とは、重量比で９５：５〜５０：５０の範囲にあることが望ましい。
【００１７】
また、本発明によれば、絶縁基板の表面あるいは内部に、メタライズ配線層が配設された配線基板において、前記絶縁基板を上記の高熱膨張ガラスセラミック焼結体によって構成することにより、Ｃｕなどのメタライズ配線層を絶縁基板との同時焼成によって形成することができ、また、かかる配線基板は、その表面において半導体素子を気密に封止し、且つ該絶縁基板の裏面に前記半導体素子と電気的接続された接続端子を設けることにより、パッケージとして機能し得る。
【００１８】
また、上記の配線基板を少なくとも有機樹脂を含む絶縁体の表面に配線導体が被着形成された外部回路基板上に載置し、該配線基板の接続端子を前記配線導体にロウ付け接合し実装してすることにより、外部回路基板との熱膨張特性が近似し、長期信頼性にわたり安定した実装状態を維持することができる。特に、上記の接続端子としては、ボール状端子からなることが望ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明のガラスセラミック焼結体の応用例として、配線基板、とりわけ、ＢＧＡ型の半導体素子収納用パッケージとその実装構造の一実施例を示す概略断面図である。このパッケージは、絶縁基板の表面あるいは内部にメタライズ配線層が配設された、いわゆる配線基板を基礎的構造とするものであり、Ａは半導体素子収納用パッケージ、Ｂは外部回路基板をそれそれ示す。
【００２０】
半導体素子収納用パッケージＡは、絶縁基板１と蓋体２とメタライズ配線層３と接続端子４により構成され、絶縁基板１及び蓋体２は半導体素子５を内部に気密に収容するためのキャビティ６を形成する。そして、キャビティ６内にて半導体素子５は、ガラス、樹脂等の接着材を介して絶縁基板１に接着固定される。
【００２１】
また、絶縁基板１の表面および内部には、メタライズ配線層３が配設されており、半導体素子５と絶縁基板１の下面に形成された接続端子４と電気的に接続するように配設されている。図１のパッケージによれば、接続端子４は、接続パッド４ａを介して高融点の半田（錫−鉛合金）から成る球状端子４ｂがロウ材により取着されている。
【００２２】
一方、外部回路基板Ｂは、絶縁体７と配線導体８により構成されており、絶縁体７は、少なくとも有機樹脂を含む絶縁材料からなり、具体的には、ガラス−エポキシ系複合材料などのように４０〜４００℃の線熱膨張係数が１２〜１６ｐｐｍ／℃の特性を有し、一般にはプリント基板等が用いられる。また、この基板Ｂの表面に形成される配線導体８は、絶縁体７との熱膨張係数の整合性と、良電気伝導性の点で、通常、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｂ−Ｓｎなどの金属導体からなる。
【００２３】
半導体素子収納用パッケージＡを外部回路基板Ｂに実装するには、パッケージＡの絶縁基板１下面の球状端子４ｂを外部回路基板Ｂの配線導体８上に載置当接させ、しかる後、低融点の半田等のロウ材により約２５０〜４００℃の温度で半田を溶融させて配線導体と球状端子４ｂとの接合することにより、実装される。この時、配線導体８の表面には球状端子４とのロウ材による接続を容易に行うために予めロウ材が被着形成されていることが望ましい。
【００２４】
本発明によれば、このような外部回路基板Ｂの表面に実装される半導体素子収納用パッケージなどの配線基板における絶縁基板１として、４０〜４００℃の温度範囲における線熱膨張係数が８．５〜１８ｐｐｍ／℃、特に８．５〜１４ｐｐｍ／℃の焼結体を用いることが重要である。これは、前述した外部回路基板Ｂとの熱膨張差により熱応力の発生を緩和し、外部回路基板ＢとパッケージＡとの電気的接続状態を長期にわたり良好な状態に維持するために重要であり、この線熱膨張係数が８．５ｐｐｍ／℃より小さいか、あるいは１８ｐｐｍ／℃より大きいと、いずれも熱膨張差に起因する熱応力が大きくなり、外部回路基板ＢとパッケージＡとの電気的接続状態が悪化することを防止することができない。
【００２５】
本発明の絶縁基板を形成するガラスセラミック焼結体は、ガラスとフィラーとの混合物を成形、焼成して作製されたものである。そこで以下に本発明のガラスセラミック焼結体の製造方法について説明する。
【００２６】
まず、本発明によれば、ガラスとして、ＢａＯを５〜６０重量％含有するガラスを用いることが重要である。このＢａＯ含有ガラスは低軟化点であり、比較的高い熱膨張係数を有しているために、ガラス量を少なく、且つ高熱膨張のフィラーを多く添加することが可能であり、高い熱膨張係数を有する焼結体が容易に得られる。ＢａＯ量を上記の範囲に限定したのは、５重量％よりも少ないと、ガラスの低軟化点化が困難となるとともに、熱膨張係数が低くなり、高熱膨張の焼結体を得ることが難しくなり、６０重量％よりも多いとガラス化が困難であり、特性が不安定となりやすく、また、耐薬品性が著しく低下するからである。特に、ＢａＯ量は２０〜４０重量％が望ましい。
【００２７】
また、このガラス中にはＰｂを実質的に含まないことが望ましい。これは、Ｐｂが毒性を有するため、製造工程中での被毒を防止するための格別な装置および管理を必要とするために焼結体を安価に製造することができないためである。Ｐｂが不純物として不可避的に混入する場合を考慮すると、Ｐｂ量は０．０５重量％以下であることが望ましい。
【００２８】
また、ガラスの４０℃〜４００℃における熱膨張係数が６〜１８ｐｐｍ／℃、特に７〜１３ｐｐｍ／℃であることが望ましい。これは、熱膨張係数が上記範囲を逸脱するとフィラーとの熱膨張差が生じ、焼結体の強度の低下の原因になるためである。
【００２９】
さらに、上記ＢａＯ含有ガラスの屈伏点は４００℃〜８００℃、特に４００〜７００℃であることが望ましい。これは、ガラスおよびフィラーからなる混合物を成形する場合、有機樹脂等の成形用バインダーを添加するが、このバインダーを効率的に除去するとともに、絶縁基体と同時に焼成されるメタライズとの焼成条件のマッチングを図るために必要であり、屈伏点が４００℃より低いとガラスが低い温度で焼結が開始されるために、例えばＡｇ、Ｃｕ等の焼結開始温度が６００〜８００℃のメタライズとの同時焼成ができず、また成形体の緻密化が低温で開始するためにバインダーは分解揮散できなくなりバインダー成分が残留し特性に影響を及ぼす結果になるためである。一方、屈伏点が８００℃より高いとガラス量を多くしないと焼結しにくくなるため、高価なガラスを大量に必要とするために焼結体のコストを高めることになる。
【００３０】
上記の特性を満足するガラスとしては、上記ＢａＯ以外に、少なくともＳｉＯ2 を２５〜６０重量％の割合で含み、残部がＢ2 Ｏ3 、Ａｌ2 Ｏ3 、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｒＯ、ＴｉＯ2 、ＺｎＯの群から選ばれる少なくとも１種によって構成される。
【００３１】
一方、上記ガラスと組み合わせるフィラーとしては、少なくとも４０℃〜４００℃における熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上の金属酸化物を用いることが焼結体の高熱膨張化を図る上で重要である。熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上の金属酸化物を含有しないと、焼結体の熱膨張係数を８．５ｐｐｍ／℃以上に高めることができないためである。
【００３２】
このような熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上の金属酸化物としては、クリストバライト（ＳｉＯ2 ）、クォーツ（ＳｉＯ2 ）、トリジマイト（ＳｉＯ2 ）、フォルステライト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ2 ）、スピネル（ＭｇＯ・Ａｌ2 Ｏ3 ）、ウォラストナイト（ＣａＯ・ＳｉＯ2 ）、モンティセラナイト（ＣａＯ・ＭｇＯ・ＳｉＯ2 ）、ネフェリン（Ｎａ2 Ｏ・Ａｌ2 Ｏ3 ・ＳｉＯ2 ）、ジオプサイド（ＣａＯ・ＭｇＯ・２ＳｉＯ2 ）、メルビナイト（３ＣａＯ・ＭｇＯ・２ＳｉＯ2 ）、アケルマイト（２ＣａＯ・ＭｇＯ・２ＳｉＯ2 ）、マグネシア（ＭｇＯ）、アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）、カーネギアイト（Ｎａ2 Ｏ・Ａｌ2 Ｏ3 ・２ＳｉＯ2 ）、エンスタタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ2 ）、ホウ酸マグネシウム（２ＭｇＯ・Ｂ2 Ｏ3 ）、セルシアン（ＢａＯ・Ａｌ2 Ｏ3 ・２ＳｉＯ2 ）、Ｂ2 Ｏ3 ・２ＭｇＯ・２ＳｉＯ2 、ガーナイト（ＺｎＯ・Ａｌ2 Ｏ3 ）の群から選ばれる少なくとも１種以上が挙げられる。これらの中でも、クリストバライト、クオーツ、トリジマイトなどのＳｉＯ2 系材料や、フォルステライト、エンスタタイトの群から選ばれる少なくとも１種が高熱膨張化を図る上で望ましい。
【００３３】
また、上記金属酸化物からなるフィラー粉末を、平均粒径ｄ1 が３〜６μｍの粗粉末と、平均粒径ｄ2 が０．５〜２μｍの微粉末との混合粉末からなり、前記粗粉末の平均粒径ｄ1 と前記微粉末の平均粒径ｄ2 のｄ1 ／ｄ2 で表される平均粒径比が２〜６となるように調整する。
【００３４】
これは、ｄ1 ／ｄ2 比が２より小さい場合、低軟化点のガラスを用いているため脱バインダーが終了する前に焼結体表面がガラスで覆われてしまい、緻密な焼結体を得ることができなくなり、上記比率が６より大きい場合、テープ化工程においてフィラー中の微粒の影響でスラリー特性が劣化し、テープの良品歩留まりが低下するためである。なお、上記比率は、３種類以上の粉末を混合する場合には、最も粗粒側の粉末の平均粒径をｄ1 、最も微粒側の粉末の平均粒径をｄ2 として計算する。
【００３５】
また、粗粉末の平均粒径ｄ1 が３μｍよりも小さいと、焼結性が改善されず、緻密な焼結体を得ることができず、６μｍよりも大きいと、緻密な焼結体を得るのが難しく、また、微粉末の平均粒径ｄ2 が０．５μｍより小さいと、スラリー特性が劣化し、テープの良品歩留りが低下し、２μｍよりも大きいと焼結性が改善されず、緻密な焼結体を得ることが難しくなる。
【００３６】
また、平均粒径ｄ1 の粗粉末と、平均粒径ｄ2 の微粉末とは、重量比で９５：５〜５０：５０の範囲で混合されることが望ましい。これは、微粉末の重量比が５より小さい場合、緻密な焼結体を得ることができにくく、緻密な焼結体を得ることができたとしても焼成可能温度範囲の温度幅が１０℃と狭く、製品の寸法安定性やメタライズと同時焼成する場合の焼結体とメタライズとの焼結挙動の整合の観点から不利となる。また、フィラー中の微粉末の重量比が５０より大きい場合、テープ化工程においてフィラー中の微粒の影響でスラリー特性が劣化しテープの良品歩留まりが低下しやすいためである。
【００３７】
本発明によれば、上記のガラス粉末とフィラー粉末とを、焼成温度や最終的に得られる焼結体の熱膨張特性などの目的に応じて適当な比率で混合する。本発明において用いられる上記ＢａＯ含有ガラスは、フィラー無添加では収縮開始温度は７００℃以下で、８５０℃以上では溶融してしまい、メタライズ配線層等を配設することができない。しかし、フィラーを混合することにより焼成過程において結晶の析出が起こり、フィラー成分を液相焼結させるための液相を適切な温度で形成させることができる。また、成形体全体の収縮開始温度を上昇させることができるため、このフィラーの含有量の調整により用いるメタライズの種類によりメタライズ配線層との同時焼成条件のマッチングを図ることができる。
【００３８】
好適には、上記ガラス粉末を２０〜８０体積％と、フィラー粉末を８０〜２０体積％の割合で混合した混合物を成形した成形体を焼成してなる焼結体により構成する。このガラスとフィラーの量を上記の範囲に限定したのは、ガラス量が２０体積％より少ない、言い換えればフィラーが８０体積％より多いと液相焼結することが難しく、焼成温度が高くなり、メタライズ配線層との同時焼成時にメタライズ配線層が溶融してしまう恐れがある。また、ガラスが８０体積％より多い、言い換えるとフィラーが２０体積％より少ないと焼結体の特性がガラスの特性に大きく依存してしまい、材料特性の制御が困難となるとともに、焼結開始温度が低くなるためにメタライズ配線層との同時焼成が難しくなるという問題が生じる。また、ガラス量が多いために原料のコストも高くなる傾向にある。
【００３９】
また、フィラー量は、ＢａＯガラスの屈伏点に応じ、その量を適宜調整することが望ましい。即ち、ガラスの屈伏点が４００℃〜７００℃と低い場合、低温での焼結性が高まるためフィラーの含有量は４０〜８０体積％と比較的多く配合できる。これに対して、ガラスの屈伏点が７００℃〜８００℃と高い場合、焼結性が低下するためフィラーの含有量は２０〜５０体積％と比較的少なく配合することが望ましい。
【００４０】
また、本発明によれば、フィラーまたはガラスの一部として、Ｚｒ化合物をＺｒＯ２換算で０．１〜３０重量％の割合で含有させることにより、このＺｒがＢａＯ含有ガラス中に溶融し、ガラスの耐酸化性を高めることができる結果、焼結体の耐薬品性を向上させることができる。その結果、酸性溶液あるいはアルカリ性溶液での処理後の焼結体の外観の変化やメタライズ強度の劣化が抑制される。
【００４１】
Ｚｒ化合物の配合方法としては、例えば、Ｚｒ化合物粉末としてフィラー中の一成分として混合する。この場合、添加時のＺｒ化合物、特にＺｒＯ２のＢＥＴ比表面積によって、焼結体の耐薬品性が変化する傾向にあり、ＢＥＴ比表面積が２５ｍ２／ｇ以上であることが望ましく、ＢＥＴ比表面積が２５ｍ２／ｇよりも小さいと、耐薬品性の改善効果が小さくなる傾向にある。また、他の配合形態としては、ガラス粉末として、ＢａＯ、ＳｉＯ２以外の成分としてＺｒ化合物を含有するガラスを用いてもよい。
【００４２】
その他に、着色成分として、酸化クロム、酸化コバルト、酸化マンガン、酸化ニッケルの群から選ばれる少なくとも１種を配合してもよい。
【００４３】
上記のように調合されたガラス粉末とフィラー粉末との混合物に、適当な成形の有機樹脂バインダーを添加した後、所望の成形手段、例えば、ドクターブレード、圧延法、金型プレス等によりシート状に任意の形状に成形後、焼成する。
【００４４】
なお、配線基板を作製する場合には、シート状成形体に対して、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕのうちの１種以上からなる金属粉末に有機バインダー、可塑剤、溶剤を添加混合して得た金属ペーストを前記グリーンシートに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する。また、場合によっては、前記グリーンシートに適当な打ち抜き加工してスルーホールを形成し、このホール内にもメタライズペーストを充填する。そしてこれらのグリーンシートを複数枚積層圧着した後、以下の方法で焼成する。
【００４５】
焼成にあたっては、まず、成形のために配合したバインダー成分を除去する。バインダーの除去は、７００℃前後の大気雰囲気中で行われるが、配線導体としてＣｕを用いる場合には、１００〜７００℃の水蒸気を含有する窒素雰囲気中で行われる。この時、成形体の収縮開始温度は７００〜８５０℃程度であることが望ましく、かかる収縮開始温度がこれより低いとバインダーの除去が困難となるため、成形体中のガラスの特性、特に屈伏点を前述したように制御することが必要となる。
【００４６】
焼成は、８５０℃〜１１００℃の酸化性雰囲気中で行われ、これにより相対密度９０％以上まで緻密化される。この時の焼成温度が８５０℃より低いと緻密化することができず、１１００℃を越えるとメタライズ配線層との同時焼成でメタライズ層が溶融してしまう。但し、配線導体としてＣｕを用いる場合には、８５０〜１０５０℃の非酸化性雰囲気中で行われる。
【００４７】
このようにして作製されたガラスセラミック焼結体中には、ＢａＯ含有ガラス相と、フィラー、あるいは、ガラスとフィラーとの反応により生成した結晶相やフィラーが分解して生成した結晶相等が存在する場合もある。析出する結晶相としては、焼結体全体の熱膨張係数を高める上で、少なくとも４０〜４００℃における熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上の酸化物の結晶相が析出することが望ましい。４０〜４００℃における熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上の酸化物の結晶相としては、前述したような４０〜４００℃における熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上の酸化物の結晶相が挙げられる。
【００４８】
また、本発明によれば、前述したようにフィラー粉末を粗粉末と微粉末との混合粉末によって構成したことにより、フィラーを構成する金属酸化物の粒子は、焼結体の断面による金属酸化物粒子の長径による粒度分布図から、０．５〜６μｍの範囲に少なくとも２つのピークが存在し、粗粒側ピーク位置をＤ１（μｍ）、微粒側のピーク位置をＤ２（μｍ）とした時、比率（Ｄ１／Ｄ２）が２〜６となる相対密度９０％以上の高密度の焼結体となる。なお、上記比率は、上記範囲にピークが３つ以上存在する場合には、最も粗粒側のピーク位置をＤ１、最も微粒側のピーク位置をＤ２として計算する。
【００４９】
このように、金属酸化物のフィラーを上記のような所定の粒度分布によって構成することにより、焼結体表面が内部より早く緻密化するのを防止し、緻密な焼結体を安定して得ることができ、しかも焼結可能温度範囲を大幅に広くすることができ、寸法安定性に優れた緻密な焼結体を再現よく製造することができる。
【００５０】
また、本発明のガラスセラミック焼結体は、上記のように、ＢａＯ含有ガラスと、高熱膨張を有する金属酸化物からなるフィラーによって、４０℃〜４００℃における線熱膨張係数が８．５〜１８ｐｐｍ／℃の高熱膨張特性を有することから、かかる焼結体をパッケージなどの配線基板の絶縁基板として用いた場合、有機樹脂を含有する絶縁材料を有するプリント基板などの外部回路基板に対して、配線基板を接続端子を介して実装した場合においても、熱膨張特性を近似させることができることから長期信頼性にわたり安定した実装状態を維持することができる。
【００５１】
【実施例】
ＢａＯ含有ガラスとして表１に示すガラス粉末を準備した。なお、表中の熱膨張係数は４０〜４００℃における熱膨張係数を示す。
【００５２】
【表１】
【００５３】
このガラスに対して表２に示すようにフィラーとして、表１に示すようにフィラーとして、平均粒径が１〜７μｍの種々のクォーツ（ＳｉＯ２、線熱膨張係数１５ｐｐｍ／℃）粉末を表１の比率で添加するとともに、比表面積が１８０ｃｍ２／ｇのＺｒＯ２粉末を５重量％の割合で配合した。
【００５４】
この混合物を粉砕後、有機バインダー、有機溶剤を添加して十分に混合した後、ドクターブレード法によりテープ化し、積層した後、所望の形状の成形体を作製し、この成形体を７００℃のＮ2 ＋Ｈ2 Ｏ中で脱バインダ処理した後、窒素雰囲気中で表１の温度で焼成してガラスセラミック焼結体を作製した。
【００５５】
得られた焼結体に対して、アルキメデス法に基づいて相対密度を算出した。なお、各組成系における焼結可能温度範囲は相対密度が９０％以上となる範囲を示したものである。
【００５６】
次に、上記のようにして得られた焼結体に対して４０〜４００℃の熱膨張係数を測定し表２、３に示した。また、表面積が５ｃｍ2 の焼結体を切り出し、それを１０ｇのＮＨ4 Ｆ・ＨＦを１リットルの水に溶解させた常温のフッ酸溶液に９０秒浸漬した後の焼結体の表面のＳＥＭ観察を行った。
【００５７】
また、得られた焼結体の断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）観察を行い、ＳｉＯ2 粒子の粒度分布を画像解析し、Ｄ1 、Ｄ2 、Ｄ1 ／Ｄ2 を求めた。
【００５８】
（実装試験）
実装信頼性試験の評価サンプルについて以下に説明する。各試料の混合粉末のスラリーを用いてドクターブレード法によってテープを作製し、テープの表面にＣｕメタライズペーストをスクリーン印刷法により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箇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合わせを行いながら６枚積層し圧着した。
【００５９】
この積層体を７００℃でＮ2 ＋Ｈ2 Ｏ中で脱バインダ後、各焼成温度で窒素雰囲気中でメタライズ配線層と絶縁基板とを同時に焼成しパッケージ用の配線基板を作製した。次に、配線基板の下面にスルーホールに接続する箇所に凹部を形成しＣｕメタライズからなる接続パッドを作製した。そして、その接続パッドに図１に示すように半田（錫３０〜１０％−鉛７０〜９０％）からなる接続端子を取着した。なお、接続端子は、１ｃｍ2 当たり３０端子の密度で配線基板の下面全体に形成した。
【００６０】
一方、ガラス−エポキシ基板からなる４０〜８００℃における線熱膨張係数が１３ｐｐｍ／℃の絶縁体の表面に銅箔からなる配線導体が形成されたプリント基板を準備した。そして、上記のパッケージ用配線基板をプリント基板の上の配線導体とパッケージ用絶縁基板の接続端子が接続されるように位置合わせし、これをＮ2 の雰囲気中で２６０℃で３分間熱処理しパッケージ用配線基板をプリント基板表面に実装した。この熱処理によりパッケージ用配線基板の半田からなる接続端子が溶けてプリント基板の配線導と電気的に接続されたことを確認した。次に、上記のようにしてパッケージ用配線基板をプリント基板面に実装したものを大気の雰囲気にて−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、１００サイクル毎にプリント基板の配線導体とパッケージ用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測定した。
【００６１】
【表２】
【００６２】
【表３】
【００６３】
表２、３より明らかなように、平均粒径の異なる２種類以上のＳｉＯ2 を用いていない試料Ｎo.１では、緻密な焼結体を得ることができなかった。また、試料Ｎo.２、３では緻密な焼結体を得ることができたが、焼成可能温度範囲が１０℃の幅しかなく、製品の寸法安定性やメタライズと同時焼成する場合の焼結体とメタライズとの焼結挙動の整合の観点から不利となる。
【００６４】
これらに対して、平均粒径の異なる２種類以上のＳｉＯ2 粉末を用いた試料Ｎo.４〜１４、１６、１７、１９〜２２では十分緻密な焼結体を得ることができるとともに、焼成可能温度範囲も２０〜４０℃あり、製品の寸法安定性やメタライズと同時焼成する場合の焼結体とメタライズとの焼結挙動の整合の観点で非常に有利である。
【００６５】
しかし、ｄ1 ／ｄ2 比、Ｄ1 ／Ｄ2 比が２〜６を逸脱する試料Ｎo.１５、１６では、いずれも相対密度９０％以上の焼結体を得ることができなかった。
【００６６】
さらに、ガラスとしてＢａＯ量が５重量％よりも少ないガラス▲３▼を用いた試料Ｎo.２３では、軟化点（屈伏点）が高くなり、ガラスを多量に添加しないと焼結できず、得られた焼結体の熱膨張特性も６ｐｐｍ／℃と低いものであった。
【００６７】
なお、上記ＺｒＯ2 を添加した表２、表３の試料は、試験後においても全く表面に変化がなく、いずれも耐薬品性に優れたものであった。また、ＺｒＯ2 を添加しない場合について試験を行った結果、試験後の表面からガラス相が欠除しており耐薬品性に劣ることがわかった。
【００６８】
また、熱サイクル試験においては、熱膨張係数が８．５ｐｐｍ／℃以上の試料は、いずれも２０００回の熱サイクル後も全く変化なく優れた実装構造を示したが、熱膨張係数が８．５ｐｐｍ／℃よりも低い試料Ｎo.２３では、２００サイクルで抵抗の変化が生じ、実装信頼性に劣るものであった。
【００６９】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、ＢａＯ含有ガラスに対して添加する金属酸化物フィラーを粗粒と微粒によって構成することにより、緻密な焼結体を得ることができるとともに、緻密な焼結体を得ることのできる焼成可能温度範囲を大幅に広くすることができる。しかも、熱膨張係数がプリント基板に近いために、半導体素子収納用パッケージなどの絶縁基板に適用し、線熱膨張係数が大きいプリント基板などの外部電気回路基板に実装した場合に、両者の線熱膨張係数の差に起因する応力発生を抑制し、パッケージと外部電気回路とを長期間にわたり正確、かつ強固に電気的接続させることが可能となる。しかも、半導体回路素子の大型化による多ピン化に十分対応できる信頼性の高い配線基板の実装構造を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体素子収納用パッケージの実装構造を説明するための概略断面図である。
【符号の説明】
Ａ 半導体素子収納用パッケージ
Ｂ 外部回路基板
１ 絶縁基板
２ 蓋体
３ メタライズ配線層
４ 接続端子
５ 半導体素子
６ キャビティ
７ 絶縁体
８ 配線導体
【発明の属する技術分野】
本発明は、高熱膨張性を有するガラスセラミック焼結体およびその製造方法と、それを絶縁基板とする、半導体素子収納用パッケージなどに使用される配線基板と、その実装構造に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来、配線基板は、絶縁基板の表面あるいは内部にメタライズ配線層が配設された構造からなる。また、この配線基板を用いた代表的な例として、半導体素子、特にＬＳＩ（大規模集積回路素子）等の半導体素子を収容する半導体素子収納用パッケージがある。
【０００３】
この半導体素子収納用パッケージは、一般にアルミナセラミックス等のセラミック絶縁基板の表面に半導体素子を搭載し、また絶縁基板の表面、内部にはＷやＭｏなどの金属から成るメタライズ配線層が形成され、絶縁基板の裏面にはこれらのメタライズ配線層と接続された複数の接続パッドが形成されており、その接続パッドには、外部回路基板と接続するための接続端子が取り付けられている。そして、絶縁基板の表面に搭載された半導体素子は、メタライズ配線層とワイヤなどによって接続された後、蓋体によって気密に封止される。
【０００４】
また、半導体素子収納用パッケージは、絶縁基板下面の接続パッドに接続された接続端子と外部回路基板の配線導体とを半田等により電気的に接続することによって外部回路基板に実装される。
【０００５】
一般に、半導体素子の集積度が高まるほど、半導体素子に形成される電極数も増大するが、これに伴いこれを収納する半導体収納用パッケージにおける端子数も増大することになる。ところが、電極数が増大するに伴いパッケージ自体の寸法を大きくするにも限界があり、より小型化を要求される以上、パッケージにおける端子の密度を高くすることが必要となる。
【０００６】
これまでのパッケージにおける端子の密度を高めるための構造としては、ピングリッドアレイ（ＰＧＡ）、パッケージの４つの側面のすべてからガルウイング状（Ｌ字状）の金属ピンが導出された構造のクワッドフラットパッケージ（ＱＦＰ）、さらに接続端子を半田からなる球状端子により構成したボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）等があり、これらの中でもＢＧＡが最も高密度化が可能であると言われている。
【０００７】
このボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）は接続端子を接続パッドに半田などのロウ材からなる球状端子をロウ付けした端子により構成し、この球状端子を外部電気回路基板の配線導体上に載置当接させ、しかる後、前記端子を約２５０〜４００℃の温度で加熱溶融し、球状端子を配線導体に接合させることによって外部電気回路基板上に実装することが行われている。このような実装構造により、半導体素子収納用パッケージの内部に収容されている半導体素子はその各電極がメタライズ配線層及び接続端子を介して外部電気回路に電気的に接続される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来のセラミック絶縁基板として使用されているアルミナ、ムライトなどのセラミックスは、２００ＭＰａ以上の高強度を有し、しかもメタライズ配線層などとの多層化技術として信頼性の高いことで有用ではあるが、その熱膨張係数は約４〜７ｐｐｍ／℃程度であるのに対して、パッケージが実装される外部電気回路基板として最も多用されているガラス−エポキシ絶縁層にＣｕ配線層が形成されたプリント基板の熱膨張係数は１１〜１８ｐｐｍ／℃と非常に大きい。
【０００９】
そのため、半導体素子収納用パッケージの内部に半導体素子を収容し、しかる後、プリント基板などの外部回路基板に実装した場合、半導体素子の作動時に発する熱が絶縁基板と外部回路基板の両方に繰り返し印加されると絶縁基板と外部回路基板との間の熱膨張差に起因する熱応力が発生し、この熱応力が外部回路基板との接続部に影響し、クラックや端子の剥離などが生じ、パッケージを外部回路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ものであった。
【００１０】
また、アルミナやムライトなどのセラミックスは、焼成温度が１５００℃以上と高いために、同時焼成してメタライズ配線層を形成する場合、タングステンなどの高融点金属からなる抵抗の高い金属を用いる必要があった。
【００１１】
そこで、本発明者らは、先にＢａＯを５〜６０重量％の割合で含有する低軟化点、高熱膨張のガラスを用いて、所定のフィラーとを混合し焼成した高熱膨張性を有し、しかも１０００℃以下の低温でＣｕなどの低抵抗金属と同時焼成可能なガラスセラミック焼結体を絶縁基板とすることを提案した。
【００１２】
しかしながら、上記ＢａＯを含有する低軟化点のガラスでは、ガラスの軟化流動により焼結体表面が内部より早く緻密化してしまい、内部まで十分に緻密な焼結体を得ることが難しく、絶縁基板の強度が低下するという問題があった。
【００１３】
従って本発明は、ＢａＯを含有するガラスを用いた低温焼成基板の焼結性を改善したガラスセラミック焼結体とその製造方法と、かかるガラスセラミック焼結体を絶縁基板として、有機樹脂を含有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配線基板とその実装構造を提供することを目的とするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記問題点に対して検討を重ねた結果、ＢａＯを５〜６０重量％含有するガラスと、４０℃〜４００℃における線熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上の金属酸化物粒子を含むフィラーとからなる焼結体を作製するにあたり、前記フィラーとしての金属酸化物粒子として、粗粉末と微粉末との混合物によって構成し、前記粗粉末と微粉末の平均粒径比を特定の範囲に制御することにより、焼結性を高め、相対密度の高い焼結体を得ることができることを見いだした。
【００１５】
即ち、本発明の高熱膨張ガラスセラミック焼結体は、ＢａＯを５〜６０重量％含有するガラスと、４０℃〜４００℃における線熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上の金属酸化物粒子を含むフィラーとからなる４０℃〜４００℃における線熱膨張係数が８．５〜１８ｐｐｍ／℃の焼結体であって、前記フィラーとしての金属酸化物粒子の粒度分布図において０．５〜６μｍの範囲に少なくとも２つのピークＤ１が存在し、粗粒側ピーク位置をＤ１（μｍ）、微粒側のピーク位置をＤ２（μｍ）とした時、比率（Ｄ１／Ｄ２）が２〜６とすると、焼結体表面が内部より早く緻密化するのを防止し、緻密な焼結体を安定して得ることができ、しかも焼結可能温度範囲を大幅に広くすることができ、相対密度が９０％以上の寸法安定性に優れた緻密な焼結体を再現よく製造することができる。
【００１６】
また、本発明の高熱膨張ガラスセラミック焼結体の製造方法は、ＢａＯを５〜６０重量％含有するガラスと、フィラーとして平均粒径ｄ１が３〜６μｍの粗粉末と、平均粒径ｄ２が０．５〜２μｍの微粉末との混合粉末からなり、前記粗粉末の平均粒径ｄ１と前記微粉末の平均粒径ｄ２のｄ１／ｄ２で表される平均粒径比が２〜６である金属酸化物粒子を混合した後、成形後、８００〜１０００℃の温度で焼成することを特徴とするものであり、特に、前記粗粉末と前記微粉末とは、重量比で９５：５〜５０：５０の範囲にあることが望ましい。
【００１７】
また、本発明によれば、絶縁基板の表面あるいは内部に、メタライズ配線層が配設された配線基板において、前記絶縁基板を上記の高熱膨張ガラスセラミック焼結体によって構成することにより、Ｃｕなどのメタライズ配線層を絶縁基板との同時焼成によって形成することができ、また、かかる配線基板は、その表面において半導体素子を気密に封止し、且つ該絶縁基板の裏面に前記半導体素子と電気的接続された接続端子を設けることにより、パッケージとして機能し得る。
【００１８】
また、上記の配線基板を少なくとも有機樹脂を含む絶縁体の表面に配線導体が被着形成された外部回路基板上に載置し、該配線基板の接続端子を前記配線導体にロウ付け接合し実装してすることにより、外部回路基板との熱膨張特性が近似し、長期信頼性にわたり安定した実装状態を維持することができる。特に、上記の接続端子としては、ボール状端子からなることが望ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明のガラスセラミック焼結体の応用例として、配線基板、とりわけ、ＢＧＡ型の半導体素子収納用パッケージとその実装構造の一実施例を示す概略断面図である。このパッケージは、絶縁基板の表面あるいは内部にメタライズ配線層が配設された、いわゆる配線基板を基礎的構造とするものであり、Ａは半導体素子収納用パッケージ、Ｂは外部回路基板をそれそれ示す。
【００２０】
半導体素子収納用パッケージＡは、絶縁基板１と蓋体２とメタライズ配線層３と接続端子４により構成され、絶縁基板１及び蓋体２は半導体素子５を内部に気密に収容するためのキャビティ６を形成する。そして、キャビティ６内にて半導体素子５は、ガラス、樹脂等の接着材を介して絶縁基板１に接着固定される。
【００２１】
また、絶縁基板１の表面および内部には、メタライズ配線層３が配設されており、半導体素子５と絶縁基板１の下面に形成された接続端子４と電気的に接続するように配設されている。図１のパッケージによれば、接続端子４は、接続パッド４ａを介して高融点の半田（錫−鉛合金）から成る球状端子４ｂがロウ材により取着されている。
【００２２】
一方、外部回路基板Ｂは、絶縁体７と配線導体８により構成されており、絶縁体７は、少なくとも有機樹脂を含む絶縁材料からなり、具体的には、ガラス−エポキシ系複合材料などのように４０〜４００℃の線熱膨張係数が１２〜１６ｐｐｍ／℃の特性を有し、一般にはプリント基板等が用いられる。また、この基板Ｂの表面に形成される配線導体８は、絶縁体７との熱膨張係数の整合性と、良電気伝導性の点で、通常、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｂ−Ｓｎなどの金属導体からなる。
【００２３】
半導体素子収納用パッケージＡを外部回路基板Ｂに実装するには、パッケージＡの絶縁基板１下面の球状端子４ｂを外部回路基板Ｂの配線導体８上に載置当接させ、しかる後、低融点の半田等のロウ材により約２５０〜４００℃の温度で半田を溶融させて配線導体と球状端子４ｂとの接合することにより、実装される。この時、配線導体８の表面には球状端子４とのロウ材による接続を容易に行うために予めロウ材が被着形成されていることが望ましい。
【００２４】
本発明によれば、このような外部回路基板Ｂの表面に実装される半導体素子収納用パッケージなどの配線基板における絶縁基板１として、４０〜４００℃の温度範囲における線熱膨張係数が８．５〜１８ｐｐｍ／℃、特に８．５〜１４ｐｐｍ／℃の焼結体を用いることが重要である。これは、前述した外部回路基板Ｂとの熱膨張差により熱応力の発生を緩和し、外部回路基板ＢとパッケージＡとの電気的接続状態を長期にわたり良好な状態に維持するために重要であり、この線熱膨張係数が８．５ｐｐｍ／℃より小さいか、あるいは１８ｐｐｍ／℃より大きいと、いずれも熱膨張差に起因する熱応力が大きくなり、外部回路基板ＢとパッケージＡとの電気的接続状態が悪化することを防止することができない。
【００２５】
本発明の絶縁基板を形成するガラスセラミック焼結体は、ガラスとフィラーとの混合物を成形、焼成して作製されたものである。そこで以下に本発明のガラスセラミック焼結体の製造方法について説明する。
【００２６】
まず、本発明によれば、ガラスとして、ＢａＯを５〜６０重量％含有するガラスを用いることが重要である。このＢａＯ含有ガラスは低軟化点であり、比較的高い熱膨張係数を有しているために、ガラス量を少なく、且つ高熱膨張のフィラーを多く添加することが可能であり、高い熱膨張係数を有する焼結体が容易に得られる。ＢａＯ量を上記の範囲に限定したのは、５重量％よりも少ないと、ガラスの低軟化点化が困難となるとともに、熱膨張係数が低くなり、高熱膨張の焼結体を得ることが難しくなり、６０重量％よりも多いとガラス化が困難であり、特性が不安定となりやすく、また、耐薬品性が著しく低下するからである。特に、ＢａＯ量は２０〜４０重量％が望ましい。
【００２７】
また、このガラス中にはＰｂを実質的に含まないことが望ましい。これは、Ｐｂが毒性を有するため、製造工程中での被毒を防止するための格別な装置および管理を必要とするために焼結体を安価に製造することができないためである。Ｐｂが不純物として不可避的に混入する場合を考慮すると、Ｐｂ量は０．０５重量％以下であることが望ましい。
【００２８】
また、ガラスの４０℃〜４００℃における熱膨張係数が６〜１８ｐｐｍ／℃、特に７〜１３ｐｐｍ／℃であることが望ましい。これは、熱膨張係数が上記範囲を逸脱するとフィラーとの熱膨張差が生じ、焼結体の強度の低下の原因になるためである。
【００２９】
さらに、上記ＢａＯ含有ガラスの屈伏点は４００℃〜８００℃、特に４００〜７００℃であることが望ましい。これは、ガラスおよびフィラーからなる混合物を成形する場合、有機樹脂等の成形用バインダーを添加するが、このバインダーを効率的に除去するとともに、絶縁基体と同時に焼成されるメタライズとの焼成条件のマッチングを図るために必要であり、屈伏点が４００℃より低いとガラスが低い温度で焼結が開始されるために、例えばＡｇ、Ｃｕ等の焼結開始温度が６００〜８００℃のメタライズとの同時焼成ができず、また成形体の緻密化が低温で開始するためにバインダーは分解揮散できなくなりバインダー成分が残留し特性に影響を及ぼす結果になるためである。一方、屈伏点が８００℃より高いとガラス量を多くしないと焼結しにくくなるため、高価なガラスを大量に必要とするために焼結体のコストを高めることになる。
【００３０】
上記の特性を満足するガラスとしては、上記ＢａＯ以外に、少なくともＳｉＯ2 を２５〜６０重量％の割合で含み、残部がＢ2 Ｏ3 、Ａｌ2 Ｏ3 、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＳｒＯ、ＴｉＯ2 、ＺｎＯの群から選ばれる少なくとも１種によって構成される。
【００３１】
一方、上記ガラスと組み合わせるフィラーとしては、少なくとも４０℃〜４００℃における熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上の金属酸化物を用いることが焼結体の高熱膨張化を図る上で重要である。熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上の金属酸化物を含有しないと、焼結体の熱膨張係数を８．５ｐｐｍ／℃以上に高めることができないためである。
【００３２】
このような熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上の金属酸化物としては、クリストバライト（ＳｉＯ2 ）、クォーツ（ＳｉＯ2 ）、トリジマイト（ＳｉＯ2 ）、フォルステライト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ2 ）、スピネル（ＭｇＯ・Ａｌ2 Ｏ3 ）、ウォラストナイト（ＣａＯ・ＳｉＯ2 ）、モンティセラナイト（ＣａＯ・ＭｇＯ・ＳｉＯ2 ）、ネフェリン（Ｎａ2 Ｏ・Ａｌ2 Ｏ3 ・ＳｉＯ2 ）、ジオプサイド（ＣａＯ・ＭｇＯ・２ＳｉＯ2 ）、メルビナイト（３ＣａＯ・ＭｇＯ・２ＳｉＯ2 ）、アケルマイト（２ＣａＯ・ＭｇＯ・２ＳｉＯ2 ）、マグネシア（ＭｇＯ）、アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）、カーネギアイト（Ｎａ2 Ｏ・Ａｌ2 Ｏ3 ・２ＳｉＯ2 ）、エンスタタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ2 ）、ホウ酸マグネシウム（２ＭｇＯ・Ｂ2 Ｏ3 ）、セルシアン（ＢａＯ・Ａｌ2 Ｏ3 ・２ＳｉＯ2 ）、Ｂ2 Ｏ3 ・２ＭｇＯ・２ＳｉＯ2 、ガーナイト（ＺｎＯ・Ａｌ2 Ｏ3 ）の群から選ばれる少なくとも１種以上が挙げられる。これらの中でも、クリストバライト、クオーツ、トリジマイトなどのＳｉＯ2 系材料や、フォルステライト、エンスタタイトの群から選ばれる少なくとも１種が高熱膨張化を図る上で望ましい。
【００３３】
また、上記金属酸化物からなるフィラー粉末を、平均粒径ｄ1 が３〜６μｍの粗粉末と、平均粒径ｄ2 が０．５〜２μｍの微粉末との混合粉末からなり、前記粗粉末の平均粒径ｄ1 と前記微粉末の平均粒径ｄ2 のｄ1 ／ｄ2 で表される平均粒径比が２〜６となるように調整する。
【００３４】
これは、ｄ1 ／ｄ2 比が２より小さい場合、低軟化点のガラスを用いているため脱バインダーが終了する前に焼結体表面がガラスで覆われてしまい、緻密な焼結体を得ることができなくなり、上記比率が６より大きい場合、テープ化工程においてフィラー中の微粒の影響でスラリー特性が劣化し、テープの良品歩留まりが低下するためである。なお、上記比率は、３種類以上の粉末を混合する場合には、最も粗粒側の粉末の平均粒径をｄ1 、最も微粒側の粉末の平均粒径をｄ2 として計算する。
【００３５】
また、粗粉末の平均粒径ｄ1 が３μｍよりも小さいと、焼結性が改善されず、緻密な焼結体を得ることができず、６μｍよりも大きいと、緻密な焼結体を得るのが難しく、また、微粉末の平均粒径ｄ2 が０．５μｍより小さいと、スラリー特性が劣化し、テープの良品歩留りが低下し、２μｍよりも大きいと焼結性が改善されず、緻密な焼結体を得ることが難しくなる。
【００３６】
また、平均粒径ｄ1 の粗粉末と、平均粒径ｄ2 の微粉末とは、重量比で９５：５〜５０：５０の範囲で混合されることが望ましい。これは、微粉末の重量比が５より小さい場合、緻密な焼結体を得ることができにくく、緻密な焼結体を得ることができたとしても焼成可能温度範囲の温度幅が１０℃と狭く、製品の寸法安定性やメタライズと同時焼成する場合の焼結体とメタライズとの焼結挙動の整合の観点から不利となる。また、フィラー中の微粉末の重量比が５０より大きい場合、テープ化工程においてフィラー中の微粒の影響でスラリー特性が劣化しテープの良品歩留まりが低下しやすいためである。
【００３７】
本発明によれば、上記のガラス粉末とフィラー粉末とを、焼成温度や最終的に得られる焼結体の熱膨張特性などの目的に応じて適当な比率で混合する。本発明において用いられる上記ＢａＯ含有ガラスは、フィラー無添加では収縮開始温度は７００℃以下で、８５０℃以上では溶融してしまい、メタライズ配線層等を配設することができない。しかし、フィラーを混合することにより焼成過程において結晶の析出が起こり、フィラー成分を液相焼結させるための液相を適切な温度で形成させることができる。また、成形体全体の収縮開始温度を上昇させることができるため、このフィラーの含有量の調整により用いるメタライズの種類によりメタライズ配線層との同時焼成条件のマッチングを図ることができる。
【００３８】
好適には、上記ガラス粉末を２０〜８０体積％と、フィラー粉末を８０〜２０体積％の割合で混合した混合物を成形した成形体を焼成してなる焼結体により構成する。このガラスとフィラーの量を上記の範囲に限定したのは、ガラス量が２０体積％より少ない、言い換えればフィラーが８０体積％より多いと液相焼結することが難しく、焼成温度が高くなり、メタライズ配線層との同時焼成時にメタライズ配線層が溶融してしまう恐れがある。また、ガラスが８０体積％より多い、言い換えるとフィラーが２０体積％より少ないと焼結体の特性がガラスの特性に大きく依存してしまい、材料特性の制御が困難となるとともに、焼結開始温度が低くなるためにメタライズ配線層との同時焼成が難しくなるという問題が生じる。また、ガラス量が多いために原料のコストも高くなる傾向にある。
【００３９】
また、フィラー量は、ＢａＯガラスの屈伏点に応じ、その量を適宜調整することが望ましい。即ち、ガラスの屈伏点が４００℃〜７００℃と低い場合、低温での焼結性が高まるためフィラーの含有量は４０〜８０体積％と比較的多く配合できる。これに対して、ガラスの屈伏点が７００℃〜８００℃と高い場合、焼結性が低下するためフィラーの含有量は２０〜５０体積％と比較的少なく配合することが望ましい。
【００４０】
また、本発明によれば、フィラーまたはガラスの一部として、Ｚｒ化合物をＺｒＯ２換算で０．１〜３０重量％の割合で含有させることにより、このＺｒがＢａＯ含有ガラス中に溶融し、ガラスの耐酸化性を高めることができる結果、焼結体の耐薬品性を向上させることができる。その結果、酸性溶液あるいはアルカリ性溶液での処理後の焼結体の外観の変化やメタライズ強度の劣化が抑制される。
【００４１】
Ｚｒ化合物の配合方法としては、例えば、Ｚｒ化合物粉末としてフィラー中の一成分として混合する。この場合、添加時のＺｒ化合物、特にＺｒＯ２のＢＥＴ比表面積によって、焼結体の耐薬品性が変化する傾向にあり、ＢＥＴ比表面積が２５ｍ２／ｇ以上であることが望ましく、ＢＥＴ比表面積が２５ｍ２／ｇよりも小さいと、耐薬品性の改善効果が小さくなる傾向にある。また、他の配合形態としては、ガラス粉末として、ＢａＯ、ＳｉＯ２以外の成分としてＺｒ化合物を含有するガラスを用いてもよい。
【００４２】
その他に、着色成分として、酸化クロム、酸化コバルト、酸化マンガン、酸化ニッケルの群から選ばれる少なくとも１種を配合してもよい。
【００４３】
上記のように調合されたガラス粉末とフィラー粉末との混合物に、適当な成形の有機樹脂バインダーを添加した後、所望の成形手段、例えば、ドクターブレード、圧延法、金型プレス等によりシート状に任意の形状に成形後、焼成する。
【００４４】
なお、配線基板を作製する場合には、シート状成形体に対して、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕのうちの１種以上からなる金属粉末に有機バインダー、可塑剤、溶剤を添加混合して得た金属ペーストを前記グリーンシートに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する。また、場合によっては、前記グリーンシートに適当な打ち抜き加工してスルーホールを形成し、このホール内にもメタライズペーストを充填する。そしてこれらのグリーンシートを複数枚積層圧着した後、以下の方法で焼成する。
【００４５】
焼成にあたっては、まず、成形のために配合したバインダー成分を除去する。バインダーの除去は、７００℃前後の大気雰囲気中で行われるが、配線導体としてＣｕを用いる場合には、１００〜７００℃の水蒸気を含有する窒素雰囲気中で行われる。この時、成形体の収縮開始温度は７００〜８５０℃程度であることが望ましく、かかる収縮開始温度がこれより低いとバインダーの除去が困難となるため、成形体中のガラスの特性、特に屈伏点を前述したように制御することが必要となる。
【００４６】
焼成は、８５０℃〜１１００℃の酸化性雰囲気中で行われ、これにより相対密度９０％以上まで緻密化される。この時の焼成温度が８５０℃より低いと緻密化することができず、１１００℃を越えるとメタライズ配線層との同時焼成でメタライズ層が溶融してしまう。但し、配線導体としてＣｕを用いる場合には、８５０〜１０５０℃の非酸化性雰囲気中で行われる。
【００４７】
このようにして作製されたガラスセラミック焼結体中には、ＢａＯ含有ガラス相と、フィラー、あるいは、ガラスとフィラーとの反応により生成した結晶相やフィラーが分解して生成した結晶相等が存在する場合もある。析出する結晶相としては、焼結体全体の熱膨張係数を高める上で、少なくとも４０〜４００℃における熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上の酸化物の結晶相が析出することが望ましい。４０〜４００℃における熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上の酸化物の結晶相としては、前述したような４０〜４００℃における熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上の酸化物の結晶相が挙げられる。
【００４８】
また、本発明によれば、前述したようにフィラー粉末を粗粉末と微粉末との混合粉末によって構成したことにより、フィラーを構成する金属酸化物の粒子は、焼結体の断面による金属酸化物粒子の長径による粒度分布図から、０．５〜６μｍの範囲に少なくとも２つのピークが存在し、粗粒側ピーク位置をＤ１（μｍ）、微粒側のピーク位置をＤ２（μｍ）とした時、比率（Ｄ１／Ｄ２）が２〜６となる相対密度９０％以上の高密度の焼結体となる。なお、上記比率は、上記範囲にピークが３つ以上存在する場合には、最も粗粒側のピーク位置をＤ１、最も微粒側のピーク位置をＤ２として計算する。
【００４９】
このように、金属酸化物のフィラーを上記のような所定の粒度分布によって構成することにより、焼結体表面が内部より早く緻密化するのを防止し、緻密な焼結体を安定して得ることができ、しかも焼結可能温度範囲を大幅に広くすることができ、寸法安定性に優れた緻密な焼結体を再現よく製造することができる。
【００５０】
また、本発明のガラスセラミック焼結体は、上記のように、ＢａＯ含有ガラスと、高熱膨張を有する金属酸化物からなるフィラーによって、４０℃〜４００℃における線熱膨張係数が８．５〜１８ｐｐｍ／℃の高熱膨張特性を有することから、かかる焼結体をパッケージなどの配線基板の絶縁基板として用いた場合、有機樹脂を含有する絶縁材料を有するプリント基板などの外部回路基板に対して、配線基板を接続端子を介して実装した場合においても、熱膨張特性を近似させることができることから長期信頼性にわたり安定した実装状態を維持することができる。
【００５１】
【実施例】
ＢａＯ含有ガラスとして表１に示すガラス粉末を準備した。なお、表中の熱膨張係数は４０〜４００℃における熱膨張係数を示す。
【００５２】
【表１】
このガラスに対して表２に示すようにフィラーとして、表１に示すようにフィラーとして、平均粒径が１〜７μｍの種々のクォーツ（ＳｉＯ２、線熱膨張係数１５ｐｐｍ／℃）粉末を表１の比率で添加するとともに、比表面積が１８０ｃｍ２／ｇのＺｒＯ２粉末を５重量％の割合で配合した。
【００５４】
この混合物を粉砕後、有機バインダー、有機溶剤を添加して十分に混合した後、ドクターブレード法によりテープ化し、積層した後、所望の形状の成形体を作製し、この成形体を７００℃のＮ2 ＋Ｈ2 Ｏ中で脱バインダ処理した後、窒素雰囲気中で表１の温度で焼成してガラスセラミック焼結体を作製した。
【００５５】
得られた焼結体に対して、アルキメデス法に基づいて相対密度を算出した。なお、各組成系における焼結可能温度範囲は相対密度が９０％以上となる範囲を示したものである。
【００５６】
次に、上記のようにして得られた焼結体に対して４０〜４００℃の熱膨張係数を測定し表２、３に示した。また、表面積が５ｃｍ2 の焼結体を切り出し、それを１０ｇのＮＨ4 Ｆ・ＨＦを１リットルの水に溶解させた常温のフッ酸溶液に９０秒浸漬した後の焼結体の表面のＳＥＭ観察を行った。
【００５７】
また、得られた焼結体の断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）観察を行い、ＳｉＯ2 粒子の粒度分布を画像解析し、Ｄ1 、Ｄ2 、Ｄ1 ／Ｄ2 を求めた。
【００５８】
（実装試験）
実装信頼性試験の評価サンプルについて以下に説明する。各試料の混合粉末のスラリーを用いてドクターブレード法によってテープを作製し、テープの表面にＣｕメタライズペーストをスクリーン印刷法により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箇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合わせを行いながら６枚積層し圧着した。
【００５９】
この積層体を７００℃でＮ2 ＋Ｈ2 Ｏ中で脱バインダ後、各焼成温度で窒素雰囲気中でメタライズ配線層と絶縁基板とを同時に焼成しパッケージ用の配線基板を作製した。次に、配線基板の下面にスルーホールに接続する箇所に凹部を形成しＣｕメタライズからなる接続パッドを作製した。そして、その接続パッドに図１に示すように半田（錫３０〜１０％−鉛７０〜９０％）からなる接続端子を取着した。なお、接続端子は、１ｃｍ2 当たり３０端子の密度で配線基板の下面全体に形成した。
【００６０】
一方、ガラス−エポキシ基板からなる４０〜８００℃における線熱膨張係数が１３ｐｐｍ／℃の絶縁体の表面に銅箔からなる配線導体が形成されたプリント基板を準備した。そして、上記のパッケージ用配線基板をプリント基板の上の配線導体とパッケージ用絶縁基板の接続端子が接続されるように位置合わせし、これをＮ2 の雰囲気中で２６０℃で３分間熱処理しパッケージ用配線基板をプリント基板表面に実装した。この熱処理によりパッケージ用配線基板の半田からなる接続端子が溶けてプリント基板の配線導と電気的に接続されたことを確認した。次に、上記のようにしてパッケージ用配線基板をプリント基板面に実装したものを大気の雰囲気にて−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、１００サイクル毎にプリント基板の配線導体とパッケージ用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測定した。
【００６１】
【表２】
【表３】
表２、３より明らかなように、平均粒径の異なる２種類以上のＳｉＯ2 を用いていない試料Ｎo.１では、緻密な焼結体を得ることができなかった。また、試料Ｎo.２、３では緻密な焼結体を得ることができたが、焼成可能温度範囲が１０℃の幅しかなく、製品の寸法安定性やメタライズと同時焼成する場合の焼結体とメタライズとの焼結挙動の整合の観点から不利となる。
【００６４】
これらに対して、平均粒径の異なる２種類以上のＳｉＯ2 粉末を用いた試料Ｎo.４〜１４、１６、１７、１９〜２２では十分緻密な焼結体を得ることができるとともに、焼成可能温度範囲も２０〜４０℃あり、製品の寸法安定性やメタライズと同時焼成する場合の焼結体とメタライズとの焼結挙動の整合の観点で非常に有利である。
【００６５】
しかし、ｄ1 ／ｄ2 比、Ｄ1 ／Ｄ2 比が２〜６を逸脱する試料Ｎo.１５、１６では、いずれも相対密度９０％以上の焼結体を得ることができなかった。
【００６６】
さらに、ガラスとしてＢａＯ量が５重量％よりも少ないガラス▲３▼を用いた試料Ｎo.２３では、軟化点（屈伏点）が高くなり、ガラスを多量に添加しないと焼結できず、得られた焼結体の熱膨張特性も６ｐｐｍ／℃と低いものであった。
【００６７】
なお、上記ＺｒＯ2 を添加した表２、表３の試料は、試験後においても全く表面に変化がなく、いずれも耐薬品性に優れたものであった。また、ＺｒＯ2 を添加しない場合について試験を行った結果、試験後の表面からガラス相が欠除しており耐薬品性に劣ることがわかった。
【００６８】
また、熱サイクル試験においては、熱膨張係数が８．５ｐｐｍ／℃以上の試料は、いずれも２０００回の熱サイクル後も全く変化なく優れた実装構造を示したが、熱膨張係数が８．５ｐｐｍ／℃よりも低い試料Ｎo.２３では、２００サイクルで抵抗の変化が生じ、実装信頼性に劣るものであった。
【００６９】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、ＢａＯ含有ガラスに対して添加する金属酸化物フィラーを粗粒と微粒によって構成することにより、緻密な焼結体を得ることができるとともに、緻密な焼結体を得ることのできる焼成可能温度範囲を大幅に広くすることができる。しかも、熱膨張係数がプリント基板に近いために、半導体素子収納用パッケージなどの絶縁基板に適用し、線熱膨張係数が大きいプリント基板などの外部電気回路基板に実装した場合に、両者の線熱膨張係数の差に起因する応力発生を抑制し、パッケージと外部電気回路とを長期間にわたり正確、かつ強固に電気的接続させることが可能となる。しかも、半導体回路素子の大型化による多ピン化に十分対応できる信頼性の高い配線基板の実装構造を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体素子収納用パッケージの実装構造を説明するための概略断面図である。
【符号の説明】
Ａ 半導体素子収納用パッケージ
Ｂ 外部回路基板
１ 絶縁基板
２ 蓋体
３ メタライズ配線層
４ 接続端子
５ 半導体素子
６ キャビティ
７ 絶縁体
８ 配線導体
Claims (7)
- ＢａＯを５〜６０重量％含有するガラスと、金属酸化物粒子であるフィラーとからなる焼結体であって、前記金属酸化物粒子のうち少なくとも一部の金属酸化物粒子の４０℃〜４００℃における線熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上であり、前記金属酸化物粒子の粒度分布図において０．５〜６μｍの範囲に少なくとも２つのピークが存在し、粗粒側ピーク位置をＤ１（μｍ）、微粒側のピーク位置をＤ２（μｍ）とした時、比率（Ｄ１／Ｄ２）が２〜６であり、且つ４０℃〜４００℃における線熱膨張係数が８．５〜１８ｐｐｍ／℃であることを特徴とする高熱膨張ガラスセラミック焼結体。
- ＢａＯを５〜６０重量％含有するガラスと、平均粒径ｄ１が３〜６μｍの粗粉末と、平均粒径ｄ２が０．５〜２μｍの微粉末との混合粉末からなり、前記粗粉末の平均粒径ｄ１と前記微粉末の平均粒径ｄ２のｄ１／ｄ２で表される平均粒径比が２〜６である４０℃〜４００℃における線熱膨張係数が６ｐｐｍ／℃以上の金属酸化物粉末を含有するフィラーとしての金属酸化物粒子とを混合した後、成形後、８００〜１１００℃の温度で焼成することを特徴とする高熱膨張ガラスセラミック焼結体の製造方法。
- 前記粗粉末と、前記微粉末との重量比が９５：５〜５０：５０の範囲にあることを特徴とする請求項２記載の高熱膨張ガラスセラミック焼結体の製造方法。
- 絶縁基板の表面あるいは内部に、メタライズ配線層が配設された配線基板において、前記絶縁基板が、請求項１記載の高熱膨張ガラスセラミック焼結体からなることを特徴とする配線基板。
- 前記絶縁基板の表面において、半導体素子が気密に封止され、且つ該絶縁基板の裏面に、前記半導体素子と電気的接続された接続端子を具備することを特徴とする請求項４記載の配線基板。
- 請求項１記載の高熱膨張ガラスセラミック焼結体からなる絶縁基板の表面あるいは内部にメタライズ配線層が配設され、前記絶縁基板の表面において半導体素子が気密に封止され、且つ前記絶縁基板の裏面に、前記半導体素子と電気的接続された接続端子を具備する配線基板を少なくとも有機樹脂を含む絶縁体の表面に配線導体が被着形成された外部回路基板上に載置し、該配線基板の接続端子を前記配線導体にロウ付け接合し実装してなることを特徴とする配線基板の実装構造。
- 前記接続端子が、ボール状端子からなることを特徴とする請求項６記載の配線基板の実装構造。
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