JP4044801B2 - 配線基板 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体集積回路素子等の半導体素子や圧電振動子・容量素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・容量素子等の電子部品を搭載するための配線基板は、一般にアルミナセラミックス等の電気絶縁材料から成り、その上面のほぼ中央に電子部品を載置するための載置部を有する絶縁基体と、絶縁基体の表面および内部に形成されたメタライズ層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た複数個の接続パッドと、配線導体と接続パッドとを接続するビア導体と、接続パッドにロウ付け取着される半田等から成るほぼ球状のボール状端子とから構成されており、絶縁基体の載置部に電子部品を載置固定させ、電子部品の各電極と配線導体とをボンディングワイヤ等を介して電気的に接続させるとともに、必要に応じて電子部品を蓋体や封止樹脂で封止することによって製品としての電子装置とされていた。
【０００３】
かかる電子装置は、絶縁基体の下面の接続パッドにロウ付け取着されているボール状端子を樹脂絶縁材料と銅配線等により形成される外部電気回路基板の配線導体上に載置して当接させ、しかる後、ボール状端子を約150〜250℃の温度で加熱溶融し、ボール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される。これと同時に、配線基板に搭載されている電子部品はその各電極が配線導体および接続パッドに接合されたボール状端子を介して外部電気回路に接続されることとなる。
【０００４】
なお、絶縁基体１はアルミナセラミックス等のグリーンシートを積層・焼成することにより形成される。また、配線導体および接続パッドは、一般に、タングステン・モリブデン・銅・銀等の金属粉末メタライズ層から成り、例えば、タングステン粉末に有機溶剤・バインダ等を添加し混練して得た金属ペーストを絶縁基体となるセラミックグリーンシートの表面にスクリーン印刷法等で印刷塗布しておくことにより形成される。また、ビア導体は、グリーンシートの接続パッドとなる金属ペーストが印刷塗布される位置にビアホール（貫通孔）を設け、このビアホール内に配線導体や接続パッドを形成するのと同様の金属ペーストを充填しておくことにより形成される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の配線基板においては、接続パッドが金属ペーストを印刷し塗布することによって形成されることから、印刷された金属ペーストが表面張力により変形するため、通常、この接続パッドは中心部を頂点とする凸形状になっている。このため、ボール状端子を接続パッドに接合させるときにボール状端子が接続パッドの凸形状の傾斜面に沿ってずり落ちて位置ずれを生じる傾向があり、近年の配線基板の小型化とそれによる接続パッド間隔の狭ピッチ化に伴い、ボール状端子の位置ずれによる隣接する接続パッド間の短絡の発生およびボー状端子と接続パッドとの接合面積の減少によって、配線基板と外部電気回路基板とのボール状端子を介しての接続信頼性が低下するという問題点を有していた。
【０００６】
このような問題点を解決するため、本出願人は、特開平８−31974号公報において、配線基板の用途の一つでもある半導体素子収納用パッケージについて、接続パッドのボール状端子がロウ付けされる領域に凹部を設けた半導体素子収納用パッケージを提案した。
【０００７】
しかしながら、この半導体素子収納用パッケージにおいては、ボール状端子を接続パッドの所定位置に正確に接合させることはできるものの、凹部の深さをあまり深くすることができず、従って凹部の表面の傾斜も緩やかなものとなる傾向があるため、近年の配線基板の小型化に伴う接続パッドの面積の減少によるボール状端子との接合面積の減少および接合強度の低下等の不具合を効果的に解消することは困難となってきていた。
【０００８】
また、この半導体素子収納用パッケージには、凹部を設けた部分で接続パッドの厚みが薄くなるため、この凹部を設けた部分での接続パッドとビア導体との接合強度が低下するおそれがあり、特に、最近のように、ボール状端子として鉛−錫系高温半田や錫−銀系・錫−銅系等の鉛フリー半田が使用され、接合時の加熱温度が250℃を超えるような高いものとなり、接合に伴う応力が増大してきている状況では、接続パッドの凹部の厚みが薄い部分でビア導体からの浮き・ハガレ等の不具合を生じ、接続不良を誘発してしまう危険性が高くなり、この半導体素子収納用パッケージを用いた半導体装置の外部電気回路基板に対する接続の長期信頼性が低くなってしまうことがあるという問題点もあった。
【０００９】
本発明は上記問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、配線基板の小型化に伴う接続パッドの面積の減少および接続パッド間隔の狭ピッチ化に対しても、配線基板に形成された接続パッドとボール状端子との接合部の位置ずれをなくすことができると同時に、ボール状端子が高温半田や鉛フリー半田から成るものであったとしても接続パッドに強固に接合させることが可能で、搭載される半導体素子等の電子部品の各電極を長期間にわたり所定の外部電気回路に安定して電気的に接続することができる配線基板を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の配線基板は、内部に配線導体を有する絶縁基体の前記内部から表面にかけて前記配線導体と接続されたビア導体が形成され、このビア導体の露出端面が、表面形状が縦断面が円弧状の窪みで 10 乃至 80 μｍの深さの凹形状とされているとともに、前記露出端面の周囲の前記絶縁基体の表面に前記ビア導体と接続されたリング状のメタライズ層が形成され、前記ビア導体の露出端面およびリング状の前記メタライズ層の露出表面は、表面粗さが算術平均粗さ（Ｒａ）で１μｍ乃至３μｍであり、前記ビア導体の露出端面およびリング状の前記メタライズ層の露出表面にめっき層が被着されて、前記ビア導体の前記端面とリング状の前記メタライズ層とでボール状端子が接合される接続パッドを構成することを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の配線基板によれば、絶縁基体の内部から表面にかけて内部の配線導体と接続されたビア導体が形成され、このビア導体の露出端面が、表面形状が縦断面が円弧状の窪みで 10 乃至 80 μｍの深さの凹形状とされているとともに、この露出端面の周囲の絶縁基体の表面にビア導体と接続されたリング状のメタライズ層が形成されて、これらビア導体の端面とリング状のメタライズ層とでボール状端子が接合される接続パッドを構成していることから、接続パッドのほぼ中央に、ボール状端子の端部分を差し入れるのに十分な大きさおよび深さを有する凹部を形成することができ、ボール状端子を接続パッドのほぼ中央に、容易かつ確実に位置決めして挿入するとともに強固に接合することができる。また、ビア導体の露出端面が、表面形状が縦断面が円弧状の窪みで 10 乃至 80 μｍの深さの凹形状とされていることから、接続パッドにボール状端子を接合するときの位置決めを容易、かつ確実にすることができるとともに、高温半田等のボール状端子が、凹形状とされた部分を確実に隙間なく充填することができ、隙間が生じることによる接合強度の低下等の不具合を誘発することを防ぎ、強固な接合強度を確実に持たせることができる。
【００１３】
また、この場合の凹部はリング状のメタライズ層の内側の側面とビア導体の露出端面の表面形状が縦断面が円弧状の窪みで 10 乃至 80 μｍの深さの凹形状の部分とで構成されることから、この接続パッドとボール状端子との間の接合面積を十分に確保できるとともに、それらが強固に組み合わされて接合されているため、接続パッドとボール状端子との接合部に剥離や疲労破壊が容易に発生することはなく、その結果、配線基板に搭載される半導体素子等の電子部品の各電極を長期間にわたり所定の外部電気回路基板に安定して電気的に接続させることが可能となる。
【００１４】
また、ビア導体の露出端面およびリング状のメタライズ層の露出表面の表面粗さを、算術平均粗さ（Ｒａ）で１μｍ乃至３μｍとした場合には、ビア導体の露出した端面およびリング状のメタライズ層の露出表面にニッケル・金等のめっき層を、欠陥等を生じさせることなく、かつ密着性を良好として被着させることができ、半導体素子・チップ部品等のより一層良好な実装性を得ることができる。
【００１５】
また、この本発明の配線基板の接続パッドにおいては、厚みの薄いメタライズ層のような強度の不足しがちな部分がなく、ビア導体およびリング状のメタライズ層はいずれも絶縁基体に強固に被着していることから、ボール状端子として高温半田や鉛フリー半田を用いて接続パッドに接合したときのような応力が大きくなるような場合であっても、接続パッドの一部に浮き・ハガレ等の不具合を発生させることはなく、本発明の配線基板を用いた電子装置の外部電気回路基板に対する長期の接続信頼性を優れたものとすることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
【００１７】
図１は本発明の配線基板の実施の形態の一例を示す要部断面図であり、図２は本発明の配線基板の実施の形態の一例を示す要部平面図である。これらの図において、１は絶縁基体、２は配線導体、３はビア導体、４はリング状のメタライズ層であり、これら絶縁基体１と配線導体２とビア導体３とリング状のメタライズ層４とで配線基板５が構成される。
【００１８】
絶縁基体１はセラミックス等の電気絶縁材料、例えば酸化アルミニウム質焼結体・窒化アルミニウム質焼結体・炭化珪素質焼結体・ムライト質焼結体・ガラスセラミックス焼結体等から成る。例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、酸化アルミニウム・酸化珪素・酸化マグネシウム・酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機バインダ・可塑剤・溶剤等を添加混合して泥漿物を作り、その泥漿物からドクターブレード法やカレンダーロール法によってグリーンシート（生シート）を成形し、しかる後、そのグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともにこれを複数枚積層し、約1600℃の温度で焼成することによって作製される。
【００１９】
絶縁基体１の表面および内部には配線導体２が被着形成されている。配線導体２は、タングステン・モリブデン・銅・銀等の金属粉末メタライズ層から成り、例えば、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・可塑剤・溶剤等を添加混合して得た金属ペーストを絶縁基体１となるグリーンシートの表面に印刷塗布しておくことにより形成される。
【００２０】
ビア導体３は、絶縁基体１の内部から表面にかけて、配線導体２と接続するようにして形成され、内部の配線導体２を絶縁基体１の外表面に導出する機能を有する。また、その露出端面が、後述するリング状のメタライズ層４とともに接続パッドを構成する。
【００２１】
このビア導体３は、配線導体２と同様に、タングステン・モリブデン・マンガン等の高融点金属から成り、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・可塑剤・溶剤等を添加混合して得た金属ペーストを絶縁基体１となるグリーンシートに打ち抜き加工で設けた貫通孔に従来周知のメタライズ充填法等により所定貫通孔に圧入充填しておくことによって、焼成後に絶縁基体１の所定位置に形成される。
【００２２】
また、ビア導体３の露出端面の周囲の絶縁基体１の表面には、ビア導体３の露出端面と接続されたリング状のメタライズ層４が形成されている。このリング状のメタライズ層４も、配線導体２およびビア導体３と同様に、タングステン・モリブデン・マンガン等の高融点金属から成り、例えば、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・可塑剤・溶剤等を添加混合して得た金属ペーストを絶縁基体１の表面に位置することとなるセラミックグリ−ンシート表面のビア導体３の露出端面の周囲に印刷塗布しておくことにより形成される。
【００２３】
本発明の配線基板５においては、ビア導体３の露出端面を表面形状が縦断面が円弧状の窪みで 10 乃至 80 μｍの深さの凹形状とするととともに、このビア導体３の露出端面とリング状のメタライズ層４とにより外部接続用のボール状端子（図示せず）を接合する接続パッドが構成されており、接続パッドをこのような構成とすることが重要である。
【００２４】
ボール状端子の接続パッドに対する接合は、図１に示す例であれば、ボール状端子の下部を接続パッドの表面に位置決めして当接させておき、これらを加熱してボール状端子の下部を接続パッドの表面、すなわちビア導体３の露出端面およびリング状のメタライズ層４の表面に融着させることにより行なわれる。
【００２５】
この場合、ビア導体３の露出端面を表面形状が縦断面が円弧状の窪みで 10 乃至 80 μｍの深さの凹形状とするとともに、この露出端面の周囲の絶縁基体１の表面に、ビア導体３と接続されたリング状のメタライズ層４を形成し、これらのビア導体３の露出端面とリング状のメタライズ層４とによりボール状端子が接合される接続パッドを構成したことにより、接続パッドとボール状端子とが十分な接合面積でもって強固に組み合わされて接合されることとなる。これによって、絶縁基体１の表面に設けられる載置部に半導体素子等の電子部品を搭載し、この配線基板５を外部電気回路基板に実装した後、半導体素子の作動時の発熱が絶縁基体１と外部電気回路基板との両方に繰り返し印加され、両者の熱膨張係数の相違に起因する大きな熱応力がこの接続パッドとボール状端子との接合部に加わったとしても、接続パッドとボール状端子との間の剥離や疲労破壊が発生することを有効に防止することができる。また、ビア導体の露出端面が、表面形状が縦断面が円弧状の窪みで 10 乃至 80 μｍの深さの凹形状とされていることから、接続パッドにボール状端子を接合するときの位置決めを容易、かつ確実にすることができるとともに、高温半田等のボール状端子が、凹形状とされた部分を確実に隙間なく充填することができ、隙間が生じることによる接合強度の低下等の不具合を誘発することを防ぎ、強固な接合強度を確実に持たせることができる。
【００２６】
また、接続パッドをこのような構成とすることにより、ボール状端子の下部を、リング状のメタライズ層４の中央の貫通部分とビア導体３の凹形状とされた露出端面とで形成される凹み内に容易に入り込ませて接合することができ、接続パッドにボール状端子を接合するときの位置決めが容易・確実になる。
【００２７】
また、接続パッドをこのような構成とすると、接続パッドを形成する各金属粉末メタライズに厚みが薄く強度が不足するような部分が生じることはなく、また各メタライズはセラミックグリーンシートとの同時焼成により絶縁基体１に強固に被着していることから、例えば、ボール状端子として、鉛−錫系高温半田や鉛フリー半田等の接合温度の高いものを使用して接合に伴う応力が増大してきたとしても、接続パッドの一部に浮き・ハガレ等の不具合が生じることを効果的に防止することができ、この配線基板５を用いた電子装置の外部電気回路基板に対する接続の長期信頼性を優れたものとすることができる。
【００２８】
本発明の配線基板において接続パッドを構成する、露出端面を凹形状としたビア導体３は、その凹形状の深さとしては、10乃至80μｍの深さとすることが必要である。ここで、凹形状の深さを10μｍ以上とするのは、接続パッドにボール状端子を接合するときの位置決めを容易、かつ確実にするためである。
【００２９】
また、深さを80μｍ以下とするのは、高温半田等のボール状端子が、凹形状とされた部分を確実に隙間なく充填することができ、隙間が生じることによる接合強度の低下等の不具合を誘発することを防ぎ、強固な接合強度を確実に持たせるためである。
【００３０】
また、リング状のメタライズ層４は、ビア導体３の端面の周囲に20μｍ以上の幅で形成することが好ましい。ここでリング状のメタライズ層４の幅を20μｍ以上とするのは、ボール状端子と接続パッドとの接合面積を確保し、より一層強固にボール状端子を接合させるためである。
【００３１】
このように露出端面を凹形状としたビア導体３とリング状のメタライズ層４とから成る接続パッドを形成するには、貫通孔を開けたグリーンシートに、スクリーン印刷によって貫通孔内に金属ペーストを流し込みビア導体３を形成すると同時に、貫通孔の周囲のグリーンシート表面にビア導体３の露出端面と接続されるようにリング状のメタライズ層４を形成することで、金属ペーストの表面張力によってそのビア導体３の露出端面の表面形状が縦断面が円弧状の窪みになるような凹形状となるので、これを焼成する。
【００３２】
また、接続パッドの表面には、厚み１乃至20μｍのニッケルメッキならびに厚み0.01乃至0.5μｍの金メッキを施すことが好ましく、これにより接続パッドを形成する高融点金属等の表面の酸化を有効に防止できると同時に半田等から成るボール状端子との接合をより一層強固に保つことができる。
【００３３】
また、この場合のビア導体３の露出した端面およびリング状のメタライズ層４は、その露出表面の表面粗さが算術平均粗さ（Ｒａ）で１μｍ乃至３μｍであることが好ましい。このビア導体３の露出した端面およびリング状のメタライズ層４の露出した表面の表面粗さが１μｍ未満であると、表面に被着させるニッケル・金等のめっき層との密着強度が、表面が平滑であることで十分なアンカー効果を得ることができず、低下する傾向がある。また、３μｍを超えると、表面が粗くなりすぎてしまい、被着させるニッケル・金等のめっき層がビア導体３およびリング状のメタライズ層４を覆うことができずに、めっき層にピンホール等の欠陥が生じ実装性が低下する傾向がある。
【００３４】
また、接続パッドに接合されたボール状端子は、その接続パッドに接合された側と反対側の部分が外部電気回路基板の接続端子や接続パッド等に融着されることにより、配線基板５を外部電気回路基板に接続・実装する機能を有し、これにより、配線基板５に搭載された電子部品が外部電気回路基板の電気回路と電気的に接続される。
【００３５】
以下、上述の好適な各条件について、具体例を挙げて説明する。
【００３６】
表１にビア導体３の露出した端面およびリング状のメタライズ層４の露出表面の各水準の表面粗さ（算術平均粗さ（Ｒａ）（単位：μｍ））におけるビア導体３およびリング状のメタライズ層４のメタライズ導体に対するめっき層の被着強度（めっき／メタライズ強度（単位：Ｎ））および外観ピンホール発生率（単位：％）について測定・検査した結果を示す。
【００３７】
【表１】
【００３８】
表１の結果より分かるように、ビア導体３の露出した端面およびリング状のメタライズ層４の露出表面の平均線表面粗さ（Ｒａ）が１μｍ未満であると、表面が平滑であることで十分なアンカー効果を得ることができずに、めっき／メタライズの強度が、例えばタングステンやモリブデン等から成り、ニッケル／金等のめっき層を被着させたメタライズ層に対する半田の一般的な接合強度である19.6Ｎを下回り低下してしまう。また、３μｍを超えると、表面が粗くなりすぎてしまい、被着させるニッケル・金等のめっき層が表層ビア導体２ｂを覆うことができずに、めっき層に外観で認められるピンホールが発生しやすくなる。
【００３９】
なお、本発明は上述の実施の形態の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において種々の変更を加えることは差し支えない。
【００４０】
例えば、リング状メタライズ層４は、一般的には円環状であるが、ビア導体３を囲むように四角形の枠状としてもよく、また熱応力等の応力が大きくかかる方向を長軸とした楕円環状としてもよい。
【００４１】
【発明の効果】
本発明の配線基板によれば、絶縁基体の内部から表面にかけて内部の配線導体と接続されたビア導体が形成され、このビア導体の露出端面が、表面形状が縦断面が円弧状の窪みで 10 乃至 80 μｍの深さの凹形状とされているとともに、この露出端面の周囲の絶縁基体の表面にビア導体と接続されたリング状のメタライズ層が形成されて、これらビア導体の端面とリング状のメタライズ層とでボール状端子が接合される接続パッドを構成していることから、接続パッドのほぼ中央にボール状端子の端部分を差し入れるのに十分な大きさおよび深さを有する凹部を形成することができ、ボール状端子を接続パッドのほぼ中央に、容易かつ確実に位置決めし挿入して強固に接合することができる。また、ビア導体の露出端面が、表面形状が縦断面が円弧状の窪みで 10 乃至 80 μｍの深さの凹形状とされていることから、接続パッドにボール状端子を接合するときの位置決めを容易、かつ確実にすることができるとともに、高温半田等のボール状端子が、凹形状とされた部分を確実に隙間なく充填することができ、隙間が生じることによる接合強度の低下等の不具合を誘発することを防ぎ、強固な接合強度を確実に持たせることができる。
【００４２】
また、この場合の凹部はリング状のメタライズ層の内側の側面とビア導体の露出端面の表面形状が縦断面が円弧状の窪みで 10 乃至 80 μｍの深さの凹形状の部分とで構成されることから、この接続パッドとボール状端子との間の接合面積を十分に確保できるとともに、それらが強固に組み合わされて接合されているため、接続パッドとボール状端子との接合部に剥離や疲労破壊が容易に発生することはなく、その結果、配線基板に搭載される半導体素子等の電子部品の各電極を長期間にわたり所定の外部電気回路基板に安定して電気的に接続させることが可能となる。
【００４３】
また、ビア導体の露出端面およびリング状のメタライズ層の露出表面の表面粗さを、算術平均粗さ（Ｒａ）で１μｍ乃至３μｍとした場合には、ビア導体の露出した端面およびリング状のメタライズ層の露出表面にニッケル・金等のめっき層を、欠陥等を生じさせることなく、かつ密着性を良好として被着させることができ、半導体素子・チップ部品等のより一層良好な実装性を得ることができる。
【００４４】
また、この本発明の配線基板の接続パッドにおいては、厚みの薄いメタライズ層のような強度の不足しがちな部分がなく、ビア導体およびリング状のメタライズ層はいずれも絶縁基体に強固に被着していることから、ボール状端子として高温半田や鉛フリー半田を用いて接合したときのような応力が大きくなるような場合であっても、接続パッドの一部に浮き・ハガレ等の不具合を発生させることはなく、本発明の配線基板を用いた電子装置の外部電気回路基板に対する長期の接続信頼性を優れたものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線基板の実施の形態の一例を示す要部断面図である。
【図２】本発明の配線基板の実施の形態の一例を示す要部平面図である。
【符号の説明】
１・・・・・絶縁基体
２・・・・・配線導体
３・・・・・ビア導体
４・・・・・メタライズ層
５・・・・・配線基板
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体集積回路素子等の半導体素子や圧電振動子・容量素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・容量素子等の電子部品を搭載するための配線基板は、一般にアルミナセラミックス等の電気絶縁材料から成り、その上面のほぼ中央に電子部品を載置するための載置部を有する絶縁基体と、絶縁基体の表面および内部に形成されたメタライズ層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た複数個の接続パッドと、配線導体と接続パッドとを接続するビア導体と、接続パッドにロウ付け取着される半田等から成るほぼ球状のボール状端子とから構成されており、絶縁基体の載置部に電子部品を載置固定させ、電子部品の各電極と配線導体とをボンディングワイヤ等を介して電気的に接続させるとともに、必要に応じて電子部品を蓋体や封止樹脂で封止することによって製品としての電子装置とされていた。
【０００３】
かかる電子装置は、絶縁基体の下面の接続パッドにロウ付け取着されているボール状端子を樹脂絶縁材料と銅配線等により形成される外部電気回路基板の配線導体上に載置して当接させ、しかる後、ボール状端子を約150〜250℃の温度で加熱溶融し、ボール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される。これと同時に、配線基板に搭載されている電子部品はその各電極が配線導体および接続パッドに接合されたボール状端子を介して外部電気回路に接続されることとなる。
【０００４】
なお、絶縁基体１はアルミナセラミックス等のグリーンシートを積層・焼成することにより形成される。また、配線導体および接続パッドは、一般に、タングステン・モリブデン・銅・銀等の金属粉末メタライズ層から成り、例えば、タングステン粉末に有機溶剤・バインダ等を添加し混練して得た金属ペーストを絶縁基体となるセラミックグリーンシートの表面にスクリーン印刷法等で印刷塗布しておくことにより形成される。また、ビア導体は、グリーンシートの接続パッドとなる金属ペーストが印刷塗布される位置にビアホール（貫通孔）を設け、このビアホール内に配線導体や接続パッドを形成するのと同様の金属ペーストを充填しておくことにより形成される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の配線基板においては、接続パッドが金属ペーストを印刷し塗布することによって形成されることから、印刷された金属ペーストが表面張力により変形するため、通常、この接続パッドは中心部を頂点とする凸形状になっている。このため、ボール状端子を接続パッドに接合させるときにボール状端子が接続パッドの凸形状の傾斜面に沿ってずり落ちて位置ずれを生じる傾向があり、近年の配線基板の小型化とそれによる接続パッド間隔の狭ピッチ化に伴い、ボール状端子の位置ずれによる隣接する接続パッド間の短絡の発生およびボー状端子と接続パッドとの接合面積の減少によって、配線基板と外部電気回路基板とのボール状端子を介しての接続信頼性が低下するという問題点を有していた。
【０００６】
このような問題点を解決するため、本出願人は、特開平８−31974号公報において、配線基板の用途の一つでもある半導体素子収納用パッケージについて、接続パッドのボール状端子がロウ付けされる領域に凹部を設けた半導体素子収納用パッケージを提案した。
【０００７】
しかしながら、この半導体素子収納用パッケージにおいては、ボール状端子を接続パッドの所定位置に正確に接合させることはできるものの、凹部の深さをあまり深くすることができず、従って凹部の表面の傾斜も緩やかなものとなる傾向があるため、近年の配線基板の小型化に伴う接続パッドの面積の減少によるボール状端子との接合面積の減少および接合強度の低下等の不具合を効果的に解消することは困難となってきていた。
【０００８】
また、この半導体素子収納用パッケージには、凹部を設けた部分で接続パッドの厚みが薄くなるため、この凹部を設けた部分での接続パッドとビア導体との接合強度が低下するおそれがあり、特に、最近のように、ボール状端子として鉛−錫系高温半田や錫−銀系・錫−銅系等の鉛フリー半田が使用され、接合時の加熱温度が250℃を超えるような高いものとなり、接合に伴う応力が増大してきている状況では、接続パッドの凹部の厚みが薄い部分でビア導体からの浮き・ハガレ等の不具合を生じ、接続不良を誘発してしまう危険性が高くなり、この半導体素子収納用パッケージを用いた半導体装置の外部電気回路基板に対する接続の長期信頼性が低くなってしまうことがあるという問題点もあった。
【０００９】
本発明は上記問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、配線基板の小型化に伴う接続パッドの面積の減少および接続パッド間隔の狭ピッチ化に対しても、配線基板に形成された接続パッドとボール状端子との接合部の位置ずれをなくすことができると同時に、ボール状端子が高温半田や鉛フリー半田から成るものであったとしても接続パッドに強固に接合させることが可能で、搭載される半導体素子等の電子部品の各電極を長期間にわたり所定の外部電気回路に安定して電気的に接続することができる配線基板を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の配線基板は、内部に配線導体を有する絶縁基体の前記内部から表面にかけて前記配線導体と接続されたビア導体が形成され、このビア導体の露出端面が、表面形状が縦断面が円弧状の窪みで 10 乃至 80 μｍの深さの凹形状とされているとともに、前記露出端面の周囲の前記絶縁基体の表面に前記ビア導体と接続されたリング状のメタライズ層が形成され、前記ビア導体の露出端面およびリング状の前記メタライズ層の露出表面は、表面粗さが算術平均粗さ（Ｒａ）で１μｍ乃至３μｍであり、前記ビア導体の露出端面およびリング状の前記メタライズ層の露出表面にめっき層が被着されて、前記ビア導体の前記端面とリング状の前記メタライズ層とでボール状端子が接合される接続パッドを構成することを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の配線基板によれば、絶縁基体の内部から表面にかけて内部の配線導体と接続されたビア導体が形成され、このビア導体の露出端面が、表面形状が縦断面が円弧状の窪みで 10 乃至 80 μｍの深さの凹形状とされているとともに、この露出端面の周囲の絶縁基体の表面にビア導体と接続されたリング状のメタライズ層が形成されて、これらビア導体の端面とリング状のメタライズ層とでボール状端子が接合される接続パッドを構成していることから、接続パッドのほぼ中央に、ボール状端子の端部分を差し入れるのに十分な大きさおよび深さを有する凹部を形成することができ、ボール状端子を接続パッドのほぼ中央に、容易かつ確実に位置決めして挿入するとともに強固に接合することができる。また、ビア導体の露出端面が、表面形状が縦断面が円弧状の窪みで 10 乃至 80 μｍの深さの凹形状とされていることから、接続パッドにボール状端子を接合するときの位置決めを容易、かつ確実にすることができるとともに、高温半田等のボール状端子が、凹形状とされた部分を確実に隙間なく充填することができ、隙間が生じることによる接合強度の低下等の不具合を誘発することを防ぎ、強固な接合強度を確実に持たせることができる。
【００１３】
また、この場合の凹部はリング状のメタライズ層の内側の側面とビア導体の露出端面の表面形状が縦断面が円弧状の窪みで 10 乃至 80 μｍの深さの凹形状の部分とで構成されることから、この接続パッドとボール状端子との間の接合面積を十分に確保できるとともに、それらが強固に組み合わされて接合されているため、接続パッドとボール状端子との接合部に剥離や疲労破壊が容易に発生することはなく、その結果、配線基板に搭載される半導体素子等の電子部品の各電極を長期間にわたり所定の外部電気回路基板に安定して電気的に接続させることが可能となる。
【００１４】
また、ビア導体の露出端面およびリング状のメタライズ層の露出表面の表面粗さを、算術平均粗さ（Ｒａ）で１μｍ乃至３μｍとした場合には、ビア導体の露出した端面およびリング状のメタライズ層の露出表面にニッケル・金等のめっき層を、欠陥等を生じさせることなく、かつ密着性を良好として被着させることができ、半導体素子・チップ部品等のより一層良好な実装性を得ることができる。
【００１５】
また、この本発明の配線基板の接続パッドにおいては、厚みの薄いメタライズ層のような強度の不足しがちな部分がなく、ビア導体およびリング状のメタライズ層はいずれも絶縁基体に強固に被着していることから、ボール状端子として高温半田や鉛フリー半田を用いて接続パッドに接合したときのような応力が大きくなるような場合であっても、接続パッドの一部に浮き・ハガレ等の不具合を発生させることはなく、本発明の配線基板を用いた電子装置の外部電気回路基板に対する長期の接続信頼性を優れたものとすることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
【００１７】
図１は本発明の配線基板の実施の形態の一例を示す要部断面図であり、図２は本発明の配線基板の実施の形態の一例を示す要部平面図である。これらの図において、１は絶縁基体、２は配線導体、３はビア導体、４はリング状のメタライズ層であり、これら絶縁基体１と配線導体２とビア導体３とリング状のメタライズ層４とで配線基板５が構成される。
【００１８】
絶縁基体１はセラミックス等の電気絶縁材料、例えば酸化アルミニウム質焼結体・窒化アルミニウム質焼結体・炭化珪素質焼結体・ムライト質焼結体・ガラスセラミックス焼結体等から成る。例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、酸化アルミニウム・酸化珪素・酸化マグネシウム・酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機バインダ・可塑剤・溶剤等を添加混合して泥漿物を作り、その泥漿物からドクターブレード法やカレンダーロール法によってグリーンシート（生シート）を成形し、しかる後、そのグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともにこれを複数枚積層し、約1600℃の温度で焼成することによって作製される。
【００１９】
絶縁基体１の表面および内部には配線導体２が被着形成されている。配線導体２は、タングステン・モリブデン・銅・銀等の金属粉末メタライズ層から成り、例えば、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・可塑剤・溶剤等を添加混合して得た金属ペーストを絶縁基体１となるグリーンシートの表面に印刷塗布しておくことにより形成される。
【００２０】
ビア導体３は、絶縁基体１の内部から表面にかけて、配線導体２と接続するようにして形成され、内部の配線導体２を絶縁基体１の外表面に導出する機能を有する。また、その露出端面が、後述するリング状のメタライズ層４とともに接続パッドを構成する。
【００２１】
このビア導体３は、配線導体２と同様に、タングステン・モリブデン・マンガン等の高融点金属から成り、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・可塑剤・溶剤等を添加混合して得た金属ペーストを絶縁基体１となるグリーンシートに打ち抜き加工で設けた貫通孔に従来周知のメタライズ充填法等により所定貫通孔に圧入充填しておくことによって、焼成後に絶縁基体１の所定位置に形成される。
【００２２】
また、ビア導体３の露出端面の周囲の絶縁基体１の表面には、ビア導体３の露出端面と接続されたリング状のメタライズ層４が形成されている。このリング状のメタライズ層４も、配線導体２およびビア導体３と同様に、タングステン・モリブデン・マンガン等の高融点金属から成り、例えば、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・可塑剤・溶剤等を添加混合して得た金属ペーストを絶縁基体１の表面に位置することとなるセラミックグリ−ンシート表面のビア導体３の露出端面の周囲に印刷塗布しておくことにより形成される。
【００２３】
本発明の配線基板５においては、ビア導体３の露出端面を表面形状が縦断面が円弧状の窪みで 10 乃至 80 μｍの深さの凹形状とするととともに、このビア導体３の露出端面とリング状のメタライズ層４とにより外部接続用のボール状端子（図示せず）を接合する接続パッドが構成されており、接続パッドをこのような構成とすることが重要である。
【００２４】
ボール状端子の接続パッドに対する接合は、図１に示す例であれば、ボール状端子の下部を接続パッドの表面に位置決めして当接させておき、これらを加熱してボール状端子の下部を接続パッドの表面、すなわちビア導体３の露出端面およびリング状のメタライズ層４の表面に融着させることにより行なわれる。
【００２５】
この場合、ビア導体３の露出端面を表面形状が縦断面が円弧状の窪みで 10 乃至 80 μｍの深さの凹形状とするとともに、この露出端面の周囲の絶縁基体１の表面に、ビア導体３と接続されたリング状のメタライズ層４を形成し、これらのビア導体３の露出端面とリング状のメタライズ層４とによりボール状端子が接合される接続パッドを構成したことにより、接続パッドとボール状端子とが十分な接合面積でもって強固に組み合わされて接合されることとなる。これによって、絶縁基体１の表面に設けられる載置部に半導体素子等の電子部品を搭載し、この配線基板５を外部電気回路基板に実装した後、半導体素子の作動時の発熱が絶縁基体１と外部電気回路基板との両方に繰り返し印加され、両者の熱膨張係数の相違に起因する大きな熱応力がこの接続パッドとボール状端子との接合部に加わったとしても、接続パッドとボール状端子との間の剥離や疲労破壊が発生することを有効に防止することができる。また、ビア導体の露出端面が、表面形状が縦断面が円弧状の窪みで 10 乃至 80 μｍの深さの凹形状とされていることから、接続パッドにボール状端子を接合するときの位置決めを容易、かつ確実にすることができるとともに、高温半田等のボール状端子が、凹形状とされた部分を確実に隙間なく充填することができ、隙間が生じることによる接合強度の低下等の不具合を誘発することを防ぎ、強固な接合強度を確実に持たせることができる。
【００２６】
また、接続パッドをこのような構成とすることにより、ボール状端子の下部を、リング状のメタライズ層４の中央の貫通部分とビア導体３の凹形状とされた露出端面とで形成される凹み内に容易に入り込ませて接合することができ、接続パッドにボール状端子を接合するときの位置決めが容易・確実になる。
【００２７】
また、接続パッドをこのような構成とすると、接続パッドを形成する各金属粉末メタライズに厚みが薄く強度が不足するような部分が生じることはなく、また各メタライズはセラミックグリーンシートとの同時焼成により絶縁基体１に強固に被着していることから、例えば、ボール状端子として、鉛−錫系高温半田や鉛フリー半田等の接合温度の高いものを使用して接合に伴う応力が増大してきたとしても、接続パッドの一部に浮き・ハガレ等の不具合が生じることを効果的に防止することができ、この配線基板５を用いた電子装置の外部電気回路基板に対する接続の長期信頼性を優れたものとすることができる。
【００２８】
本発明の配線基板において接続パッドを構成する、露出端面を凹形状としたビア導体３は、その凹形状の深さとしては、10乃至80μｍの深さとすることが必要である。ここで、凹形状の深さを10μｍ以上とするのは、接続パッドにボール状端子を接合するときの位置決めを容易、かつ確実にするためである。
【００２９】
また、深さを80μｍ以下とするのは、高温半田等のボール状端子が、凹形状とされた部分を確実に隙間なく充填することができ、隙間が生じることによる接合強度の低下等の不具合を誘発することを防ぎ、強固な接合強度を確実に持たせるためである。
【００３０】
また、リング状のメタライズ層４は、ビア導体３の端面の周囲に20μｍ以上の幅で形成することが好ましい。ここでリング状のメタライズ層４の幅を20μｍ以上とするのは、ボール状端子と接続パッドとの接合面積を確保し、より一層強固にボール状端子を接合させるためである。
【００３１】
このように露出端面を凹形状としたビア導体３とリング状のメタライズ層４とから成る接続パッドを形成するには、貫通孔を開けたグリーンシートに、スクリーン印刷によって貫通孔内に金属ペーストを流し込みビア導体３を形成すると同時に、貫通孔の周囲のグリーンシート表面にビア導体３の露出端面と接続されるようにリング状のメタライズ層４を形成することで、金属ペーストの表面張力によってそのビア導体３の露出端面の表面形状が縦断面が円弧状の窪みになるような凹形状となるので、これを焼成する。
【００３２】
また、接続パッドの表面には、厚み１乃至20μｍのニッケルメッキならびに厚み0.01乃至0.5μｍの金メッキを施すことが好ましく、これにより接続パッドを形成する高融点金属等の表面の酸化を有効に防止できると同時に半田等から成るボール状端子との接合をより一層強固に保つことができる。
【００３３】
また、この場合のビア導体３の露出した端面およびリング状のメタライズ層４は、その露出表面の表面粗さが算術平均粗さ（Ｒａ）で１μｍ乃至３μｍであることが好ましい。このビア導体３の露出した端面およびリング状のメタライズ層４の露出した表面の表面粗さが１μｍ未満であると、表面に被着させるニッケル・金等のめっき層との密着強度が、表面が平滑であることで十分なアンカー効果を得ることができず、低下する傾向がある。また、３μｍを超えると、表面が粗くなりすぎてしまい、被着させるニッケル・金等のめっき層がビア導体３およびリング状のメタライズ層４を覆うことができずに、めっき層にピンホール等の欠陥が生じ実装性が低下する傾向がある。
【００３４】
また、接続パッドに接合されたボール状端子は、その接続パッドに接合された側と反対側の部分が外部電気回路基板の接続端子や接続パッド等に融着されることにより、配線基板５を外部電気回路基板に接続・実装する機能を有し、これにより、配線基板５に搭載された電子部品が外部電気回路基板の電気回路と電気的に接続される。
【００３５】
以下、上述の好適な各条件について、具体例を挙げて説明する。
【００３６】
表１にビア導体３の露出した端面およびリング状のメタライズ層４の露出表面の各水準の表面粗さ（算術平均粗さ（Ｒａ）（単位：μｍ））におけるビア導体３およびリング状のメタライズ層４のメタライズ導体に対するめっき層の被着強度（めっき／メタライズ強度（単位：Ｎ））および外観ピンホール発生率（単位：％）について測定・検査した結果を示す。
【００３７】
【表１】
表１の結果より分かるように、ビア導体３の露出した端面およびリング状のメタライズ層４の露出表面の平均線表面粗さ（Ｒａ）が１μｍ未満であると、表面が平滑であることで十分なアンカー効果を得ることができずに、めっき／メタライズの強度が、例えばタングステンやモリブデン等から成り、ニッケル／金等のめっき層を被着させたメタライズ層に対する半田の一般的な接合強度である19.6Ｎを下回り低下してしまう。また、３μｍを超えると、表面が粗くなりすぎてしまい、被着させるニッケル・金等のめっき層が表層ビア導体２ｂを覆うことができずに、めっき層に外観で認められるピンホールが発生しやすくなる。
【００３９】
なお、本発明は上述の実施の形態の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において種々の変更を加えることは差し支えない。
【００４０】
例えば、リング状メタライズ層４は、一般的には円環状であるが、ビア導体３を囲むように四角形の枠状としてもよく、また熱応力等の応力が大きくかかる方向を長軸とした楕円環状としてもよい。
【００４１】
【発明の効果】
本発明の配線基板によれば、絶縁基体の内部から表面にかけて内部の配線導体と接続されたビア導体が形成され、このビア導体の露出端面が、表面形状が縦断面が円弧状の窪みで 10 乃至 80 μｍの深さの凹形状とされているとともに、この露出端面の周囲の絶縁基体の表面にビア導体と接続されたリング状のメタライズ層が形成されて、これらビア導体の端面とリング状のメタライズ層とでボール状端子が接合される接続パッドを構成していることから、接続パッドのほぼ中央にボール状端子の端部分を差し入れるのに十分な大きさおよび深さを有する凹部を形成することができ、ボール状端子を接続パッドのほぼ中央に、容易かつ確実に位置決めし挿入して強固に接合することができる。また、ビア導体の露出端面が、表面形状が縦断面が円弧状の窪みで 10 乃至 80 μｍの深さの凹形状とされていることから、接続パッドにボール状端子を接合するときの位置決めを容易、かつ確実にすることができるとともに、高温半田等のボール状端子が、凹形状とされた部分を確実に隙間なく充填することができ、隙間が生じることによる接合強度の低下等の不具合を誘発することを防ぎ、強固な接合強度を確実に持たせることができる。
【００４２】
また、この場合の凹部はリング状のメタライズ層の内側の側面とビア導体の露出端面の表面形状が縦断面が円弧状の窪みで 10 乃至 80 μｍの深さの凹形状の部分とで構成されることから、この接続パッドとボール状端子との間の接合面積を十分に確保できるとともに、それらが強固に組み合わされて接合されているため、接続パッドとボール状端子との接合部に剥離や疲労破壊が容易に発生することはなく、その結果、配線基板に搭載される半導体素子等の電子部品の各電極を長期間にわたり所定の外部電気回路基板に安定して電気的に接続させることが可能となる。
【００４３】
また、ビア導体の露出端面およびリング状のメタライズ層の露出表面の表面粗さを、算術平均粗さ（Ｒａ）で１μｍ乃至３μｍとした場合には、ビア導体の露出した端面およびリング状のメタライズ層の露出表面にニッケル・金等のめっき層を、欠陥等を生じさせることなく、かつ密着性を良好として被着させることができ、半導体素子・チップ部品等のより一層良好な実装性を得ることができる。
【００４４】
また、この本発明の配線基板の接続パッドにおいては、厚みの薄いメタライズ層のような強度の不足しがちな部分がなく、ビア導体およびリング状のメタライズ層はいずれも絶縁基体に強固に被着していることから、ボール状端子として高温半田や鉛フリー半田を用いて接合したときのような応力が大きくなるような場合であっても、接続パッドの一部に浮き・ハガレ等の不具合を発生させることはなく、本発明の配線基板を用いた電子装置の外部電気回路基板に対する長期の接続信頼性を優れたものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線基板の実施の形態の一例を示す要部断面図である。
【図２】本発明の配線基板の実施の形態の一例を示す要部平面図である。
【符号の説明】
１・・・・・絶縁基体
２・・・・・配線導体
３・・・・・ビア導体
４・・・・・メタライズ層
５・・・・・配線基板
Claims (1)
- 内部に配線導体を有する絶縁基体の前記内部から表面にかけて前記配線導体と接続されたビア導体が形成され、該ビア導体の露出端面が、表面形状が縦断面が円弧状の窪みで１０乃至８０μｍの深さの凹形状とされているとともに、前記露出端面の周囲の前記絶縁基体の表面に前記ビア導体と接続されたリング状のメタライズ層が形成され、前記ビア導体の露出端面およびリング状の前記メタライズ層の露出表面は、表面粗さが算術平均粗さ（Ｒａ）で１μｍ乃至３μｍであり、前記ビア導体の露出端面およびリング状の前記メタライズ層の露出表面にめっき層が被着されて、前記ビア導体の前記端面とリング状の前記メタライズ層とでボール状端子が接合される接続パッドを構成することを特徴とする配線基板。
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