JP4115377B2 - 配線基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＩＣパッケージなどの配線基板の製造方法に関し、詳しくは、ＩＣ（半導体集積回路素子）等の電子部品（チップ）の封止に用いられるセラミック積層構造の配線基板のうち、電子部品を収容するキャビティを構成するように、上下に貫通する貫通孔を備え、その内周縁にボンディングシェルフ部を備えたセラミック積層構造の配線基板の製造方法に関する。

この種のセラミック積層構造の配線基板は、例えばアルミナセラミックのグリーンシート（生シート）を打抜いて貫通孔部分（キャビティ部）やスルーホールを形成し、配線層やビア用にＷ（タングステン）やＭｏ（モリブデン）等の高融点金属を主成分とするメタライズペースト（メタライズインクともいう）をスクリーン印刷し、このようなセラミックグリーンシートを積層、圧着し、そして未焼成配線基板単位に切断し、この未焼成配線基板を焼成することで製造（形成）される。ところで、このようにセラミックと配線層等のためのメタライズペーストとを同時焼成して製造される配線基板では、セラミックとメタライズペーストとの焼成収縮率の相違に起因する焼成時の変形を防止するため、その構造をどのようにするかが設計上極めて重要である。

ところが、配線基板を形成するセラミック層とメタライズ層のパターンや厚さなどは仕様によって様々であり、したがって、セラミックグリーンシート（以下、グリーンシートともいう）を積層、圧着した状態の未焼成配線基板の焼成収縮をその全体にわたって一定にすることは不可能である。一方、ＰＧＡ（ピングリッドアレイ）接続方式やＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）接続方式の配線基板のように比較的大きく、しかも基板全体の厚さが比較的厚く、多層構造（例えば５〜１０層）をなす配線基板は、その自重が大きいことから、焼成過程での収縮差による変形が出るようなものでも自重によって焼成炉中の平坦な台面（台座）に馴染もうとし、したがって、焼成後の変形も僅かであり問題とならない。このことは、キャビティ用に厚さ方向に貫通する貫通孔を備えている配線基板であっても同様である。

しかし、こうした貫通孔を有する配線基板でも、例えばその全厚さが１ｍｍ程度以下と薄く、２〜４層のセラミック層からなるものでは、前記のような自重による作用は少なく、したがって焼成時に反りや変形が発生し易い。とりわけ裏面の全面にメタライズ層が形成されるような配線基板ではその変形が生じやすい。というのは、メタライズ層のある裏面側に比べ、それがない表面側では焼成収縮率が大きく、表裏両面の焼成収縮率のアンバランスが大きいためである。したがって、このような未焼成配線基板を自由状態のままで焼成すると、裏面を凸とするように反りや変形が発生しがちとなる。

そこで従来はこうした変形を防止するため、図９に示したキャビティ用の貫通孔２を備えた未焼成配線基板１の焼成においては、焼成炉中の平坦な台面（モリブデンなどの耐熱板）５１の上に、その未焼成配線基板１を裏面３を下にして置き、未焼成配線基板１の表面４をなす最上層のセラミックグリーンシート（以下、セラミック層ともいう）１ａの上面にセラミックなどの耐火物（耐熱材）からなる錘（おもり）３１を載せ、これによって未焼成配線基板（以下、未焼成基板若しくは単に基板ともいう）１の表面（上面）４を押え付けながら焼成し、反り等の変形を防止していた。

ところが、同図に示したように未焼成配線基板１の表面４に錘３１を載せても、貫通孔２の内周縁のボンディングシェルフ部５にはその錘３１の押え付け作用が働かない。ボンディングシェルフ部５は、その上面が最上層のセラミック層１ａの上面より低位とされているためである。すなわち、ボンディングシェルフ部５は、基板の全厚さに比べると薄く形成され、しかもその先端つまり貫通孔２の内周縁部位は同図に示されるように断面視、自由端をなしており、したがって、基本的に上方に反り等の変形（以下、単に変形ともいう）が発生しやすくなっている。

このように、２〜４層のセラミック層からなり、全厚さが例えば１ｍｍ程度以下と薄く、しかもボンディングシェルフ部（セラミック層）の厚さが例えば０．２〜０．３ｍｍと極めて薄い未焼成配線基板では、最上層のセラミック層の上面に錘を載せただけでは、ボンディングシェルフ部をなすセラミック層の反りの発生は防止できない。すなわち、前記従来の製法では、図１０に示した配線基板１のように厚肉部位の変形は防止されても、ボンディングシェルフ部５の先端が捲れ上がるような反りが発生するといった問題があった。とりわけ、裏面の全面にメタライズペーストが印刷されたものでは、表裏両面間の焼成収縮のアンバランスが大きいことより、変形が大きくなる。

そして、このような変形が出ると、図１０中、２点鎖線で示したように、その後、基板１の裏面３に放熱部材（ヒートシンク）Ｈをロー（ろう）付けすると、同放熱部材Ｈとボンディングシェルフ部５との間に隙間が発生することになる。したがって、その後のＮｉ（ニッケル）メッキやＡｕ（金）メッキの工程において、その隙間にメッキ液が残留し、メッキの変質や変色等を起こし、そのような変質等が放熱部材のダイアタッチ面などにも拡散し、外観不良を招く原因ともなる。

また、ボンディングシェルフ部５が変形していると、搭載した電子部品の電極とワイヤボンディングする際に支障を来してしまうといった問題もある。なお、こうした問題に対して本発明者は、焼成後、変形したボンディングシェルフ部に錘を載せて軟化温度（焼成温度以下）まで加熱し、その変形を修正（矯正）するといったことも試みたが、このような方法では、加熱工程の繰返しとなりコストや工程が増大するだけでなく、ボンディングシェルフ部がその加熱過程で割れてしまうことが多く、採用できないものであった。

本発明は、如上のような問題点に鑑みて成されたもので、その目的とするところは、上下に貫通する貫通孔の内周縁にボンディングシェルフ部を備えたセラミック積層構造の配線基板のうち、同ボンディングシェルフ部をなすセラミックが薄いものを製造する場合において、そのボンディングシェルフ部にも反りなどの変形のない高精度の配線基板をうることのできる製法を提供することにある。

前記の目的を達成するため、本発明は、上下に貫通する貫通孔の内周縁にボンディングシェルフ部を備えたセラミック積層構造の配線基板であって、該配線基板の裏面の全体にメタライズ層が形成されてなるものを製造する方法において、
複数のセラミックグリーンシートを積層してなる未焼成配線基板であって、該未焼成配線基板の裏面の全体に、前記メタライズ層の形成用のメタライズペーストが印刷されてなるものを、その裏面を下にして焼成するにあたり、その最上層のセラミックグリーンシートの上面の他に、前記ボンディングシェルフ部をなすセラミックグリーンシートの上面にも、前記未焼成配線基板をなすセラミックと同素材若しくは略同じ焼成収縮率をもつ未焼成のセラミックからなる錘を載せて焼成することを特徴とする。

本発明では、ボンディングシェルフ部なすグリーンシートの上面にも錘を載せて焼成するものであるため、薄肉なボンディングシェルフ部でも焼成工程で捲り上がりなどの変形を起さない。したがって、後で放熱部材をロー付けしてもその間に隙間ができないから、メッキ液の残留もない。そしてＩＣの電極とボンディングシェルフ部に形成されるボンディングパッドとのワイヤボンディングにおいても支障を生じない。

本発明における前記錘は、前記未焼成配線基板をなすセラミックと同素材若しくは略同じ焼成収縮率をもつ未焼成のセラミックからなるものである。ただし、焼結体が緻密なものを使用すると、セラミックの組成（ガラス含有量）によっては基板との焼付き（接着）を招くこともあることから、多孔質（ポーラス）なものを使用するとよい。

そして前記錘は、その素材にかかわらず、前記最上層のセラミックグリーンシートの上面に載せるものと、前記ボンディングシェルフ部をなすセラミックグリーンシートの上面に載せるものとに分割するのが好ましい。このようにすれば、共に一定厚さの平板状の錘を用いることができる。また、このように分割した錘を用いると錘の形成が容易であり、錘をセットするのも容易になる。この際、前記ボンディングシェルフ部（薄肉部の上面）をなすセラミックグリーンシートの上面に載せる前記錘は、最上層のセラミックグリーンシートの上面から上に突出しないものとするとよい。

薄肉部であるボンディングシェルフ部の周囲（厚肉部）が収縮する際にこの錘が収縮しない場合には、その周囲のセラミックグリーンシートの収縮を阻害して基板自体を歪ませる危険があるが、この錘を未焼成配線基板をなすセラミックと同素材若しくは略同じ焼成収縮率をもつ未焼成のセラミックとしておけば、焼成過程でセラミックグリーンシート（配線基板）と同時に同程度収縮するのでそのような危険が解消される。

そして、錘を、本発明のように、未焼成配線基板をなすセラミックと同素材若しくは略同じ焼成収縮率をもつ未焼成のセラミックとする場合には、基板周囲の収縮を阻害することを皆無としうる。

さらに前記錘をなす未焼成セラミックのうち、前記未焼成配線基板に当接する面に、タングステンやモリブデンなどの高融点金属を主成分とするメタライズペーストが印刷（塗布）されているものを使用するとよい。前記もしたように、錘がセラミックで、未焼成配線基板をなすセラミックにガラス成分が多く含まれる場合には、焼成過程で焼付きによる接着（融着）を起こすことがあるが、このようにメタライズペーストが印刷されていれば、その焼付きや接着が防止されるためである。

とくに、前記錘をなす未焼成セラミックを平板状とし、前記未焼成配線基板に当接する面及びその反対面にメタライズペーストが印刷されているとよい。錘における上下両面共にメタライズ層がある場合には、焼成収縮のバランスがとれ、錘自体の反りの発生を低減できるためである。

以上の説明から明らかなように、本発明の製法によれば、ボンディングシェルフ部にも前記錘を載せて焼成するものであるため、セラミックやメタライズペーストとの相違に起因する基板全体における焼成収縮率の相違があっても、焼成工程で薄肉なボンディングシェルフ部が捲り上がりなどの変形を起すのを防止することができる。したがって、ボンディングシェルフ部にも反りなどの変形のない高精度の配線基板をうることができる。

本発明に係る製造方法の実施の形態について、図１ないし５を参照しながら詳細に説明する。なお、図１は次記する本例の未焼成配線基板１に錘を載せて焼成する状態を示す概略断面図である。図中、１は、平面視、矩形枠状の薄板状をなす未焼成配線基板であり、中央に略矩形で上下に貫通する貫通孔２を備えており、本例では裏面３をなす下のグリーンシート１ｂと表面４をなす上のグリーンシート１ａの上下２層の積層構造とされている。

そして、貫通孔２の内周縁の数箇所に、裏面３をなす下のグリーンシート（セラミック層）１ｂの上面が露出するように構成され、その数箇所の露出部がボンディングシェルフ部５を構成している。なお、本例の基板のボンディングシェルフ部５は、断面視、その一部が裏面３を形成する下のグリーンシート（セラミック層）１ｂが貫通孔２の中央寄り部位に突出するように構成されている。なお、ボンディングシェルフ部５の適所にはボンディングパッド用にメタライズペースト５ａが印刷されている。

また、本例では裏面３の全体にメタライズペースト（図示せず）が印刷され、焼成後に放熱部材のロー付け用のメタライズ層を形成するようにされている。そして、表面４にはその外周縁に沿って所定の幅で矩形枠状にメタライズペースト６が印刷され、図示しない封止用リッドのハンダ付け用のメタライズ層を形成するようにされている。

因みに、本例の未焼成配線基板１は、その全体の厚さが例えば０．８ｍｍ程度のものであり、上下のグリーンシート１ａ，１ｂは、それぞれ厚さ０．５ｍｍ、０．３ｍｍとされている。なお、このような未焼成配線基板１は、従来と同様にドクターブレード法にてグリーンシートを製造し、貫通孔（キャビティ）用などの穴を開けて、必要なメタライズペーストを印刷し、これを積層、圧着して未焼成基板単位に切断することで形成される。

さて次に、このような未焼成配線基板１の焼成において使用する錘について説明する。ただし、本例では、図１に示されるように、表面（上面）４に載せる錘２１と、ボンディングシェルフ部５をなす下のセラミックグリーンシート１ｂの上面に載せる錘１１の２つに分割したもので説明する。すなわち、ボンディングシェルフ部（薄肉部）５に載せる錘（以下、第１錘ともいう）１１として、本例では、図３に示したような一定厚さの未焼成セラミック板（グリーンシート）を用いる。ただし、第１錘１１をなす未焼成セラミック板は、未焼成配線基板１と同素材からなるものとし、その平面形状は、貫通孔２の平面形状に各ボンディングシェルフ部５の形状を付加したものを若干小さめとしたもの、つまり上のセラミックグリーンシート１ａにおける貫通孔の平面形状より一回り小さくしたものとされている（図２〜４参照）。

こうして、この第１錘１１は、ボンディングシェルフ部５に架橋状に載置され、各ボンディングシェルフ部５を押え付けるようにされている（図１，４参照）。なお、第１錘１１の両主面１１ａ，１１ｂには基板１の配線層と同素材からなるメタライズペーストを印刷してある。因みに、本例でのこの第１錘１１の厚さは、上のセラミックグリーンシート１ａの厚さと同じで、０．５ｍｍとされている。

また、上のセラミックグリーンシート１ａの上面に載せる錘（以下、第２錘ともいう）２１は、第１錘と同素材からなり、基板の平面より大きく焼成済で多孔質（ポーラス）な矩形のセラミック平板（厚さ０．８ｍｍ）を用いる。なお、各錘１１，２１の重量は基板を構成するセラミックとメタライズペーストとの焼成収縮差に伴う変形を防止でき、かつ焼成過程で配線基板１が圧縮変形しない程度に設定すればよい。なお、第２錘２１は、多孔質（ポーラス）なセラミック焼結体とし、本例では、その表面（基板への当接面）にメタライズ層を形成していない。

しかして、このような未焼成配線基板１を焼成するに当たっては、焼成炉中の平坦な台面（モリブデン板）５１の上に裏面３を当接させるようにして着座させる（図５−Ａ参照）。そして、第１錘１１をなす未焼成セラミック板を貫通孔２の内周縁の各ボンディングシェルフ部５を押え付けるように位置決めし、架橋状にセットする（図５−Ｂ）。次いで、基板１の上面４に第２錘２１をなす焼成済セラミック板（図５−Ｃ）を載せる。こうして、錘１１，２１をセットした後、例えば１５００℃で還元雰囲気中で所定時間焼成する。

このような焼成過程では基板１は、表面４には封止用のメタライズペーストが枠状に印刷されているだけであるのに対し、裏面３にはその全面にメタライズペーストが印刷されていることから、表面４を凹とするように反ろうとするが、第２錘２１により台面５１側に押さえ付けられていることから、その変形が防止される。また各ボンディングシェルフ部５はその貫通孔２の中央寄り部位を捲り上げるように変形しようとするが、第１錘１１により台面５１側に押さえ付けられているので、そのように変形することが防止される。

かくして、焼成された配線基板１は、図５−Ｄに示したように、反り等の変形のない寸法精度の高いものとなる。この結果、その後、メタライズ層にＮｉメッキ及びＡｕメッキをかけ、裏面３に対し、Ｎｉメッキが施されたＣｕ−Ｗ（銅タングステン合金）等からなる放熱部材Ｈをロー付けしても、従来のようにボンディングシェルフ部５との間に隙間ができない。したがって、メッキ液が残留することもないし、ボンディングシェルフ部５の反り（捲り上がり）もないことから、電子部品の搭載後におけるボンディング不良を招くこともない。

しかも本例では、ボンディングシェルフ部５に載せられた第１錘１１は、配線基板１と同材質の未焼成セラミックであり、したがって、配線基板１と同一の収縮率で同時に収縮することから、その基板１の収縮を阻害することもないので、配線基板が歪になるなどその変形や寸法不良の発生させることもない。すなわち、本例では、ボンディングシェルフ部５に載せる錘１１，２１を未焼成のセラミックとし、配線基板１と同様に焼成収縮させるようにしたため、各ボンディングシェルフ部５においてそのエリア全体に載せることができるため、その変形防止作用が高い。このように、第１錘１１は未焼成のセラミックとし配線基板１と同素材とするのが好ましい。

また、上記形態では、第１錘１１の基板当接面にメタライズペーストが印刷されているため、ガラス含有量が多いなどにより焼付きが問題となるようなセラミックからなる基板でも、そのボンディングシェルフ部５に焼付くこともない。そのうえ、本例では第１錘１１は、未焼成配線基板１に当接する面１１ｂだけでなく、その反対面１１ａにも同ぺーストを印刷したため、上下両面の収縮のバランスがとれているため、焼成過程での錘１１自体の反りの発生を低減でき、安定した押え付け作用を成すことができる。なお、焼付きの防止のためには、錘１１の面のうち、ボンディングシェルフ部５に当接する部位にのみメタライズを印刷しておけばよい。

さらに上記形態では、第１錘１１を平板状のものとしたため、それ自体の製造も容易となる。つまり、このものは、一定厚さのグリーンシートをその平面形状にプレス型で打ち抜けばよいからである。そして、第１錘１１は最上層のセラミック１ａの上面より上に出ない厚さに設定したので、第２錘２１も平板状のものとすることができる。なお、第１錘１１の平面形状は、貫通孔２とボンディングシェルフ部５の平面形状に基いて適宜の形状にすればよいが、なるべくボンディングシェルフ部５の全体を押え付けるように形成するのが好ましい。そして、その重量は、焼成過程での反り等の変形を防止できる押え付け効果があり、しかも圧縮変形を招かない範囲で適宜に設定すればよい。

なお、前記の形態において、第１錘１１の中央が焼成過程で垂れ下がり変形するような場合には、図６に示したように第１錘１１の下（空隙）にボンディングシェルフ部５の厚さより薄めで、セラミックなどの耐火物からなる平板（垂れ下がり防止材）１２を台面５１との間にセットしておいてもよい。また、前記形態では第１錘１１を平板としたが、これは平板でなくともよい。すなわち図７に示したように、裏面を凸とする断面形状の錘１３、つまり図６における第１錘１１と平板１２を一体化した形状のものとしてもよい。この場合にも、錘１３の下面には略空隙がないから焼成時の軟化による垂れ下がりも防止される。なお、本発明において錘を分割する場合には、前記のように分割した第１錘１１，１３と第２錘２１の各々をさらに分割することも可能である。

もっとも、図８に示したように、錘１４は分割することなく一体のものとし、最上層のセラミックグリーンシート１ａの上面４の他に、ボンディングシェルフ部５をなすセラミックグリーンシートの上面にも錘が載るようしてもよい。そしてこの場合にも図８中２点鎖線で示したように、焼成過程で垂れ下がり変形を防止するため、貫通孔２内において台面５１と錘１４の下面に空隙が生じないように錘１４の下面に凸部１５を一体形成しておいてもよいし、或いは、図６に示したような平板１２を載置しておいてもよい。なお、この際もその錘１４はセラミックとするが適切であり、しかも未焼成のものを用いるのが適切である。そして、未焼成基板１との焼付き防止のため、少くとも、同基板との当接面にはメタライズペーストを印刷しておくとよい。

前記形態では、配線基板１を２層のセラミック１ａ，１ｂからなるものにおいて説明したが、これが３層以上であっても、またその材質がアルミナセラミック以外であっても、本発明はまったく同様に適用できることはいうまでもない。本発明は、上下に貫通する貫通孔の内周縁にボンディングシェルフ部を備えたセラミック積層構造の配線基板を製造する方法であれば、同様に適用できる。因みに、３層以上のセラミック積層構造の配線基板では、ボンディングシェルフ部をなすセラミック層が複数であっても、自由状態で焼成する際に反りがでる場合に有効である。また、前記基板ではボンディングシェルフ部が貫通孔の内周縁の全周に沿って存在せず、間隔をおいて適数あるもので説明したが、同内周縁の全周に沿って存在する配線基板を製造する場合でも同様に適用できる。ただし、その場合にも、そのボンディングシェルフ部の全体を押え付けるような錘を用いるのが好ましい。

本発明に係る製法の実施形態例を説明する、未焼成配線基板に錘を載せた状態の概略断面図。 未焼成配線基板の平面図。 第１錘の平面図。 図３の第１錘を未焼成配線基板に載せた平面図。 錘を載せる過程を示す図。 図１の錘のセット状態で、第１錘の下に垂れ下がり防止材をセットした概略断面図。 第１錘の別例を示す、焼成時の概略断面図。 分割しない錘を未焼成配線基板に載せた状態の概略断面図。 従来の未焼成配線基板の焼成時の説明用断面図。 従来の製法で製造された配線基板の反り（変形）を説明する断面概念図。

符号の説明

１ 未焼成配線基板
１ａ，１ｂ セラミックグリーンシート
２ 貫通孔
３ 基板の裏面
４ 基板の表面
５ ホンディングシェルフ部
１１，１３ 第１錘（ホンディングシェルフ部に載せる錘）
２１ 第２錘（基板の表面に載せる錘）
５１ 焼成炉中の台面

Claims (5)

1. 上下に貫通する貫通孔の内周縁にボンディングシェルフ部を備えたセラミック積層構造の配線基板であって、該配線基板の裏面の全体にメタライズ層が形成されてなるものを製造する方法において、
   複数のセラミックグリーンシートを積層してなる未焼成配線基板であって、該未焼成配線基板の裏面の全体に、前記メタライズ層の形成用のメタライズペーストが印刷されてなるものを、その裏面を下にして焼成するにあたり、その最上層のセラミックグリーンシートの上面の他に、前記ボンディングシェルフ部をなすセラミックグリーンシートの上面にも、前記未焼成配線基板をなすセラミックと同素材若しくは略同じ焼成収縮率をもつ未焼成のセラミックからなる錘を載せて焼成することを特徴とする配線基板の製造方法。
2. 前記錘は、前記最上層のセラミックグリーンシートの上面に載せるものと、前記ボンディングシェルフ部をなすセラミックグリーンシートの上面に載せるものとに分割されていることを特徴とする請求項１記載の配線基板の製造方法。
3. 前記ボンディングシェルフ部をなすセラミックグリーンシートの上面に載せる前記錘を、最上層のセラミックグリーンシートの上面から上に突出しないものとしたことを特徴とする請求項２記載の配線基板の製造方法。
4. 前記錘をなす未焼成セラミックのうち、前記未焼成配線基板に当接する面にメタライズペーストが印刷されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の配線基板の製造方法。
5. 前記錘をなす未焼成セラミックを平板状とし、前記未焼成配線基板に当接する面及びその反対面にメタライズペーストが印刷されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の配線基板の製造方法。

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