JP7446950B2

JP7446950B2 - 配線基板

Info

Publication number: JP7446950B2
Application number: JP2020141374A
Authority: JP
Inventors: 孝有奈須
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2020-08-25
Filing date: 2020-08-25
Publication date: 2024-03-11
Anticipated expiration: 2040-08-25
Also published as: JP2022037312A; CN114126213A

Description

本発明は、配線基板に関する。

半導体チップを配線基板の配線と電気的に接続する方法として、従来、配線基板に配置された導電性のボンディングパッドを用いたワイヤボンディング技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５－８６２００号公報

ところで、従来、セラミックパッケージに形成された窪み（キャビティ）に半導体チップが搭載された半導体デバイスが用いられている。このセラミックパッケージにおいて、ボンディングパッドは、特許文献１と同様に、セラミックパッケージの表面に載置されている。このようなセラミックパッケージにおいて、ボンディングパッドは、キャビティの開口から所定の距離を離して、換言すると、キャビティの開口から引き下げて形成されている。

近年、半導体チップが高性能化、大型化する一方、半導体デバイスの大型化を抑制する技術が求められている。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、半導体デバイスの大型化を抑制する技術を提供することを目的とする。

（１）本発明の一形態によれば、セラミックを主成分とする基体と、前記基体に配置される導電性のボンディングパッドと、を備える配線基板が提供される。この配線基板において、前記基体は、底面と、前記底面の外周と繋がり前記底面に対して立設されたキャビティ側面と、を備えるキャビティと、前記キャビティの開口が形成された面であって、前記ボンディングパッドが配置される電極配置面と、を備え、前記ボンディングパッドは、第１主面と、前記第１主面の裏面である第２主面と、前記第１主面と前記第２主面とを繋ぐ複数の側面と、を備え、自身の少なくとも一部が前記基体に埋め込まれ、前記第１主面が前記基体の前記電極配置面側に露出し、前記複数の側面のうち第１側面が前記キャビティ内に突出し、または、前記第１側面が前記基体の前記キャビティ側面と揃っており、前記基体の前記キャビティ側面において、前記ボンディングパッドの前記第２主面と前記キャビティの前記底面の外周との間は前記基体が露出している。

この構成によれば、ボンディングパッドは、自身の少なくとも一部が基体に埋め込まれており、ボンディングパッドの側面が基体と接触して、それらの面を介してボンディングパッドが基体に接合されている。また、配線基板の製造工程の焼成時の熱収縮により、ボンディングパッドが側面側から基体に挟まれて押されている。そのため、ボンディングパッド２０の剥離を抑制することができる。

また、ボンディングパッドの第１側面がキャビティ内に突出し、または、第１側面が基体のキャビティ側面と揃っており、キャビティの開口とボンディングパッドとの間の距離を縮めることができるため、例えば、配線基板の外形のサイズを変えず、キャビティの開口面積を大きくして、大型化された半導体チップを搭載することができる。また、例えば配線基板の外形を小型化することができる。すなわち、半導体デバイスの大型化を抑制することができる。

さらに、基体のキャビティ側面において、ボンディングパッドの第２主面とキャビティの底面の外周との間は基体が露出しており、例えば、ビア等の金属部等が配置されていないため、ビア等によるボンディングパッド先端の押上に伴うボンディングパッドの剥離を抑制することができる。

（２）上記形態の配線基板であって、前記ボンディングパッドは、自身の６０％以上が前記基体に埋まっていてもよい。このようにすると、ボンディングパッドの剥離を適切に抑制することができる。

（３）上記形態の配線基板であって、前記ボンディングパッドの前記第１側面と、前記基体の前記キャビティの前記キャビティ側面と、の前記第１主面に沿う方向の距離は、１０μｍ以下であってもよい。このようにすると、ボンディングパッドの剥離を適切に抑制することができ、また、配線基板の大型化の抑制に資することができる。

（４）上記形態の配線基板であって、前記基体の内部に形成された内部配線層と、前記基体の内部に形成され、前記ボンディングパッドと前記内部配線層とを接続するビアと、を備えてもよい。このようにすると、キャビティ側面の内側にビアが配置される場合と比較して、ボンディングパッドの剥離を適切に抑制することができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、配線基板を含む製品、配線基板の製造方法、配線基板を含む製品の製造方法などの形態で実現することができる。

第１実施形態の配線基板の概略構成を示す図である。ボンディングパッドをキャビティ側から見た様子を概念的に示す図である。本実施形態の配線基板を用いた半導体デバイスの説明図である。本実施形態のセラミック配線基板の製造方法のフローチャートである。比較例の配線基板の概略構成を示す図である。実施形態の配線基板と比較例の配線基板のサイズを比較した説明図である。第２実施形態の配線基板の概略構成を示す図である。第３実施形態の配線基板の概略構成を示す図である。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態の配線基板１００の概略構成を示す図である。図１（ａ）は平面図を示し、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ－Ａ断面を示す。図には、方向を特定するために、互いに直交するＸＹＺ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Ｚ軸正方向を上方向といい、Ｚ軸負方向を下方向というものとするが、配線基板１００は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図１（ａ）において、紙面手前に向かう方向がＺ軸正方向であり、図１（ｂ）において、紙面奥に向かう方向がＹ軸正方向である。

図１に示すように、配線基板１００は、セラミックを主成分とする基体１０と、複数の導電性のボンディングパッド２０と、を備える。基体１０は、全体として、外形が略正方形状の平板状であり、正方形の中心にキャビティ１２が形成されている。キャビティ１２は、底面１２２と、底面１２２の外周１２２Ｌ（図１（ｂ））と繋がり底面１２２に対して立設されたキャビティ側面１２４と、を備える。基体１０は、キャビティ１２の開口１２Ｌ（図１（ａ））が形成された面であって、ボンディングパッド２０が配置される電極配置面１４と、を備える。電極配置面１４は、「シェルフ」とも呼ばれる。配線基板１００は、電極配置面１４の外周に、電極配置面１４よりＺ軸正方向に突出する略正方形枠状のフレーム部１５を有する。基体１０は、セラミックを主成分とする絶縁性材料により形成され、本実施形態では、例えば、アルミナにより形成されている。本実施形態の配線基板１００は、いわゆる、半導体パッケージであり、キャビティ１２に半導体チップが搭載され、半導体デバイスが構成される（後述する）。

図２は、ボンディングパッド２０をキャビティ１２側から見た様子を概念的に示す図である。ボンディングパッド２０は、金属を主成分とする電気伝導体であり、外形が平面略長方形の平板状である（図１）。ボンディングパッド２０は、第１主面２１（図１（ｂ））と、第１主面２１の裏面である第２主面２２と、第１主面２１と第２主面２２とを繋ぐ複数の側面２３と、を備える。本実施形態では、配線基板１００は、２８個のボンディングパッド２０を有するが、ボンディングパッド２０の個数は、本実施形態に限定されない。

ボンディングパッド２０は、基体１０の電極配置面１４に配置されている。本実施形態では、図２に示すように、ボンディングパッド２０の全部が基体１０に埋め込まれ、ボンディングパッド２０の第１主面２１の面位置が基体１０の電極配置面１４と揃って、第１主面２１が露出している。また、ボンディングパッド２０の４つの側面２３のうち、第１側面２３１の面位置が、基体１０のキャビティ１２のキャビティ側面１２４と揃って、第１側面２３１が露出している（図１（ｂ）、図２）。

ボンディングパッド２０の主成分である金属としては、銅、銀、金、アルミニウム、タングステン、モリブデンまたはそれらの各金属を主成分とする合金等、導電性が高い金属を用いることができる。また、炭素、導電性高分子材料等、金属以外の種々の導電性材料を用いることができる。

図１（ｂ）に示すように、配線基板１００は、基体１０の内部に形成された内部配線層１６と、基体１０の内部に形成されボンディングパッド２０と内部配線層１６とを接続するビア１８と、を備える。内部配線層１６およびビア１８は、ボンディングパッド２０と同様の導電性材料を主成分とする材料により形成されている。

図３は、本実施形態の配線基板１００を用いた半導体デバイスの説明図である。図３に示す半導体デバイスにおいて、半導体チップ２００は、配線基板１００のキャビティ１２に搭載され、半導体チップ２００の電極とボンディングパッド２０とがワイヤＷにより電気的に接続されている。これにより、半導体チップ２００は、配線基板１００の内部配線層１６と電気的に接続されている。なお、図３では、封止材の図示を省略している。

半導体チップ２００としては、例えば、Ｌｏｇｉｃ回路用チップ、イメージセンサ用チップ、水晶振動子、受動態部品等、種々の半導体チップを用いることができる。

次に、本実施形態の配線基板１００の製造方法について説明する。
図４は、本実施形態のセラミック配線基板の製造方法のフローチャートである。本実施形態では、ボンディングパッドパターンが形成されたキャリアフィルムを用いて、ボンディングパッドパターンをセラミックグリーンシートに転写する。以下では、３枚のグリーンシートを積層して、配線基板１００を製造する例について説明する。３枚のグリーンシートは、底面１２２（図１（ｂ））となる面を有する、平面略正方形の第１グリーンシート、電極配置面１４（図１（ａ））となる面（以下、「グリーンシート電極載置面」とも呼ぶ）を有する平面略正方形枠状の第２グリーンシート、およびフレーム部１５となる平面略正方形枠状の第３グリーンシートである。

準備工程（Ｐ１１）では、３枚のグリーンシートと、ボンディングパッドパターンが形成されたキャリアフィルムと、溶剤と、が準備される。３枚のグリーンシートは、配線パターンとなる金属膜やビアとなる金属が形成されているグリーンシートを含む。金属膜は印刷、蒸着等によって形成されてもよいし、転写により形成されてもよい。ボンディングパッドパターンは、例えば、フォトリソグラフィを用いて、キャリアフィルム上に形成されている。

溶剤塗布工程（Ｐ１２）では、第２グリーンシートのグリーンシート電極載置面に、印刷、スプレー等の公知の方法により溶剤が塗布される。溶剤としては、グリーンシートに可塑性を発現させる種々の溶剤を用いることができる。溶剤は、グリーンシートに含まれる有機バインダーに応じて選択することが望ましく、例えば、アルコール系、アセトン系、ケトン系等の溶剤を用いることができる。溶剤の塗布量は、適宜、設定可能である。第２グリーンシートのグリーンシート電極載置面に溶剤を塗布することにより、グリーンシート電極載置面から溶剤が浸透して一部が溶解されるため、第２グリーンシートのグリーンシート電極載置面から所定の距離までは他の部分より柔らかく、変形しやすくなる。

転写工程（Ｐ１３）では、キャリアフィルムに形成されたボンディングパターンを、第２グリーンシート上に転写する。具体的には、キャリアフィルムに形成されたボンディングパターンを、第２グリーンシートのグリーンシート電極載置面に載せて、加圧し、加熱した後、キャリアフィルムを剥がすことにより、ボンディングパターンが第２グリーンシート上に形成される。

積層工程（Ｐ１４）では、第１グリーンシートの上に第２グリーンシートを積層し、さらに、第２グリーンシートの上に第３グリーンシートを積層し、グリーンシート積層体を形成する。このとき、第２グリーンシートのグリーンシート電極載置面には、ボンディングパッドパターンが転写されている。

加圧工程（Ｐ１５）では、第１グリーンシート、第２グリーンシート、および第３グリーンシートが積層されることによって形成された段差形状に勘合する突起を有する加圧板によって、グリーンシート電極配置面に略垂直な方向に、グリーンシート積層体が加圧される。グリーンシート積層体が加圧されることにより、ボンディングパッドパターンが第２グリーンシートにめり込む。

焼成工程（Ｐ１６）では、グリーンシート積層体が焼成される。具体的には、例えば、窒化アルミニウム製のケースに、グリーンシート積層体が加圧された状態で入れられ、カーボン炉にセットされる。そして、例えば、常圧窒素雰囲気において、所定の温度で所定の時間焼成される。これにより、配線基板１００が製造される。製造された配線基板１００において、ボンディングパッド２０は、基体１０に埋め込まれている。

図５は、比較例の配線基板１００Ｐの概略構成を示す図である。図５では、図１と同様に、図５（ａ）に平面図を示し、図５（ｂ）に図５（ａ）におけるＡ－Ａ断面を示す。図５（ｂ）では、半導体チップ２００が搭載された状態を示している。比較例の配線基板１００Ｐにおいて、ボンディングパッド２０Ｐは、スクリーン印刷にて印刷方式で作成されている。そのため、図５（ｂ）に示すように、ボンディングパッド２０Ｐは、基体１０の電極配置面１４上に載置された状態で形成されている。そして、ボンディングパッド２０Ｐは、電極配置面１４の端（キャビティ１２のキャビティ側面１２４の面位置）から距離Ｌ１を開けて形成されている。換言すると、比較例のボンディングパッド２０Ｐは、電極配置面１４の端から距離Ｌ１だけ引き下がって形成されている。また、比較例の配線基板１００Ｐでは、ボンディングパッド２０Ｐは、上述の通り、印刷方式で形成されており、印刷後のインクが抜ける際にパッド際部がマスクの乳剤にとられるため、図５（ｂ）に示すように、断面形状がかまぼこ形状になっている。比較例の配線基板１００Ｐでは、ボンディングパッド２０Ｐは、主に、底面２２Ｐを介して基体１０に接合されている。

これに対し、本実施形態の配線基板１００では、ボンディングパッド２０は、第１側面２３１の面位置が基体１０のキャビティ１２のキャビティ側面１２４と揃っている(図１（ｂ）、図２)。換言すると、ボンディングパッド２０の先端が、電極配置面１４の端まで出ており、引き下がり距離は、「０」である。また、本実施形態の配線基板１００によれば、ボンディングパッド２０が、基体１０に埋め込まれている。そのため、主に、ボンディングパッド２０の第２主面２２と３つの側面２３が基体１０と接触して、それらの面を介してボンディングパッド２０は基体１０に接合されている。また、配線基板１００の製造工程の焼成時の熱収縮により、ボンディングパッド２０が側面２３側から基体１０に挟まれて押されている。そのため、本実施形態の配線基板１００によれば、ボンディングパッド２０を、第１側面２３１の面位置が基体１０のキャビティ１２のキャビティ側面１２４と揃うように配置しても、ボンディングパッド２０の剥離を抑制することができる。

また、配線基板１００では、基体１０の内部に形成された内部配線層１６とボンディングパッド２０とを接続するビア１８は、基体１０の内部に形成されている（図１（ｂ））。例えば、ビア１８が、キャビティ１２のキャビティ側面１２４に沿ってキャビティ１２内に露出して設けられている場合には、ビア１８がボンディングパッド２０の先端（第１側面２３１近傍）を押し上げることにより、ボンディングパッド２０が先端から剥がれやすくなる。これに対し、本実施形態の配線基板１００では、ビア１８が基体１０の内部に形成され、基体１０のキャビティ側面１２４において、ボンディングパッド２０の第２主面２２とキャビティ１２の底面１２２の外周１２２Ｌとの間は基体１０が露出しているため、ビアによるボンディングパッド２０先端の押上に伴うボンディングパッド２０の剥離を抑制することができる。

また、本実施形態の配線基板１００の製造方法によれば、ボンディングパッド２０が、転写によって形成されるため、比較例の配線基板１００Ｐと比較して、表面の平坦性を向上させることができる。そのため、ボンディングパッドの表面の凹凸によるワイヤボンディングの接続不良を抑制することができる。

また、本実施形態の配線基板１００の製造方法によれば、ボンディングパッド２０を感光性メタライズペーストで形成し、転写により基体１０内に埋め込んでいる。そのため、比較例の配線基板１００Ｐのように、印刷手法によりボンディングパッドを形成する場合と比較して、ファイン化することができる。そのため、端子数が多い半導体チップと基板電極とを、ワイヤーボンド方式で接続することができる。これにより、半導体チップにおける発熱を、直接、セラミックを主成分とする基体１０から逃すことができる。

図６は、実施形態の配線基板１００と比較例の配線基板１００Ｐのサイズを比較した説明図である。図６（ａ）は本実施形態の配線基板１００を示し、図６（ｂ）は比較例の配線基板１００Ｐを示す。図示するように、配線基板１００と配線基板１００Ｐとには、同一の半導体チップ２００が搭載される。配線基板１００と配線基板１００Ｐとには、同一寸法のキャビティ１２が形成されており、同一幅のフレーム部１５が形成されている。また、ボンディングパッド２０とボンディングパッド２０Ｐとは、幅が異なるものの、長さは等しい。

上述の通り、比較例の配線基板１００Ｐでは、ボンディングパッド２０Ｐが、電極配置面１４Ｐの端から距離を開けて（引き下がって）形成されている。ボンディングパッド２０Ｐの長さはボンディングパッド２０と同一であるため、比較例の配線基板１００Ｐの電極配置面１４Ｐの幅は、本実施形態の配線基板１００の電極配置面１４よりも広い。そのため、比較例の配線基板１００Ｐの外形は、本実施形態の配線基板１００の外形より大きい。すなわち、本実施形態の配線基板１００によれば、ボンディングパッド２０の先端が、電極配置面１４の端まで出ており、引き下がり距離が「０」であるため、半導体チップが複雑化、大型化した場合にも、半導体デバイスの大型化を抑制することができる。また、配線基板（半導体パッケージ）の外形のサイズを変えず、キャビティを大きくすることにより、大型化した半導体チップを搭載することができるため、例えば、ＰＣボード（ｐｒｉｎｔｅｄ－ｃｉｒｃｕｉｔｂｏａｒｄ）内のスペースの変更を不要とすることができる。

＜第２実施形態＞
図７は、第２実施形態の配線基板１００Ａの概略構成を示す図である。図１と同様に、図７（ａ）は平面図を示し、図７（ｂ）は図７（ａ）におけるＡ－Ａ断面を示す。

本実施形態の配線基板１００Ａにおいて、ボンディングパッド２０は、自身の一部が基体１０に埋まっている。図７（ｂ）では、ボンディングパッド２０のうち、基体１０に埋まっている部分を破線で示し、電極配置面１４より上に突出している部分に斜線ハッチングを付して示している。本実施形態において、ボンディングパッド２０は、自身の６０％以上が基体１０に埋まっている。

本実施形態の配線基板１００Ａによっても、第１実施形態の配線基板１００と同様に、ボンディングパッド２０の剥離を抑制することができる。

＜第３実施形態＞
図８は、第３実施形態の配線基板１００Ｂの概略構成を示す図である。図１と同様に、図８（ａ）は平面図を示し、図８（ｂ）は図８（ａ）におけるＡ－Ａ断面を示す。

本実施形態の配線基板１００Ｂにおいて、ボンディングパッド２０の第１側面２３１がキャビティ１２内に突出している。本実施形態において、ボンディングパッド２０の第１側面２３１と、基体１０のキャビティ１２のキャビティ側面１２４と、の第１主面２１に沿う方向（図７（ｂ）では、Ｘ軸方向）の距離は、１０μｍ以下である。

本実施形態の配線基板１００Ｂによっても、第１実施形態の配線基板１００と同様に、ボンディングパッド２０の剥離を抑制することができる。

＜本実施形態の変形例＞
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

・上記実施形態において、ボンディングパッドの全体が基体に埋まっている例（第１実施形態）と、ボンディングパッドの先端はキャビティ側面と揃っており、ボンディングパッドの第１主面が電極載置面より突出している例（ボンディングパッドの一部が埋まっている例）(第２実施形態）と、ボンディングパッドの先端(第１側面）がキャビティ内に突出しており、ボンディングパッドの第１主面の面位置が電極載置面と揃っている例（ボンディングパッドの一部が埋まっている例）(第３実施形態）を示した。ボンディングパッドは、少なくとも一部が基体に埋まっていればよく、例えば、ボンディングパッドの先端(第１側面）がキャビティ内に突出しており、かつボンディングパッドの第１主面が電極載置面より突出していてもよい。

・ボンディングパッドが基体に埋まっている割合は、上記実施形態に限定されない。例えば、５０％であってもよいし、４０％であってもよい。６０％以上埋まっていると、ボンディングパッドと基体の剥離がより抑制されるため、好ましい。

・ボンディングパッドの第１側面と、基体のキャビティのキャビティ側面と、の第１主面に沿う方向の距離は、上記実施形態に限定されない。例えば、その距離は、１５μｍ、２０μｍであってもよい。その距離を１０μｍにすると、ボンディングパッドの剥離を適切に抑制でき、半導体デバイスの大型化の抑制に資することができるため、好ましい。

・ボンディングパッドの平面形状は、上記実施形態に限定されない。例えば、正方形、六角形等であってもよい。

・基体の形状は、上記実施形態に限定されない。例えば、平面形状が長方形、キャビティの開口形状が長方形でもよく、フレーム部を備えなくてもよい。

・配線基板の製造方法は、上記実施形態に限定されない。例えば、ボンディングパッドは、印刷、蒸着等によって形成されてもよい。

・基体は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ジルコニア（ＺｒＯ₂）、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、炭化珪素（ＳｉＣ）等のセラミックスを主成分とする絶縁材料により形成されてもよい。

以上、実施形態、変形例に基づき本発明について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。

１０…基体
１２…キャビティ
１２Ｌ…開口
１４、１４Ｐ…電極配置面
１５…フレーム部
１６…内部配線層
１８…ビア
２０、２０Ｐ…ボンディングパッド
２１…第１主面
２２…第２主面
２２Ｐ…底面
２３…側面
１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｐ…配線基板
１２２…底面
１２２Ｌ…外周
１２４…キャビティ側面
２００…半導体チップ
２３１…第１側面
Ｌ１…距離
Ｗ…ワイヤ

Claims

セラミックを主成分とする基体と、前記基体に配置される導電性のボンディングパッドと、を備える配線基板であって、
前記基体は、
底面と、前記底面の外周と繋がり前記底面に対して立設されたキャビティ側面と、を備えるキャビティと、
前記キャビティの開口が形成された面であって、前記ボンディングパッドが配置される電極配置面と、を備え、
前記ボンディングパッドは、
第１主面と、前記第１主面の裏面である第２主面と、前記第１主面と前記第２主面とを繋ぐ複数の側面と、を備え、
自身の少なくとも一部が前記基体に埋め込まれ、
前記第１主面が前記基体の前記電極配置面側に露出し、
前記複数の側面のうち第１側面が、前記電極配置面に形成された前記キャビティの開口より前記キャビティ内に突出しており、
前記基体の前記キャビティ側面において、前記ボンディングパッドの前記第２主面と前記キャビティの前記底面の外周との間は前記基体が露出しており、
前記ボンディングパッドの前記第１側面と、前記電極配置面に形成された前記キャビティの開口と、の前記第１主面に沿う方向の距離は、０μｍより大きく１０μｍ以下であることを特徴とする、
配線基板。
請求項１に記載の配線基板であって、
前記ボンディングパッドは、自身の６０％以上が前記基体に埋まっていることを特徴とする、
配線基板。
請求項１および請求項２のいずれか一項に記載の配線基板であって、
前記基体の内部に形成された内部配線層と、
前記基体の内部に形成され、前記ボンディングパッドと前記内部配線層とを接続するビアと、
を備えることを特徴とする、
配線基板。