JPH06279137A - セラミックス基板と外部金属端子との接合構造 - Google Patents

セラミックス基板と外部金属端子との接合構造

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JPH06279137A
JPH06279137A JP8921593A JP8921593A JPH06279137A JP H06279137 A JPH06279137 A JP H06279137A JP 8921593 A JP8921593 A JP 8921593A JP 8921593 A JP8921593 A JP 8921593A JP H06279137 A JPH06279137 A JP H06279137A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】接合の信頼性に優れたムライト質セラミックス
基板と外部金属端子との接合構造を提供し、接合体の歩
留まりを向上させる。 【構成】セラミックス基板2のパッド部3に外部金属端
子4の一端面を銀銅(Ag−Cu)系ろう材6にて接合
したものにおいて、パッド部3の接合面積をS1、外部
金属端子4の前記一端面の面積をS2、ろう材6の重量
をMとするとき、セラミックス基板2の主成分がムライ
トであって、M/(S1−S2)が0.13〜0.45m
g/mm2であることを特徴とするセラミックス基板と
外部金属端子との接合構造1

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、セラミックス基板と外
部金属端子との接合構造に関するもので、特に多層配線
基板に形成されたろう付けパッドとリード、ピン等の入
出力端子部材とがろう材にて接合される、ピングリッド
アレイICパッケージに好適に利用され得る。
【0002】
【従来の技術】ピングリッドアレイ(PGA)等の高密
度ICパッケージは、集積回路ICを搭載するとともに
主面上に縦横に多数配列して形成されたパッド部を備え
る多層配線基板と、この多層配線基板のパッド部に接合
された多数のコバール等からなるI/O(入出力)ピン
等の外部端子部材とで構成されており、場合により更に
その多層配線基板のIC搭載部の周縁部にコバール等か
らなる封止用枠体が接合されている。
【0003】多層配線基板は、通常アルミナ等を主成分
とするセラミックスからなり、板形状の複数枚の絶縁層
と、各絶縁層の主表面に高融点金属にて形成された各種
配線パターンとを備えている。また、入出力ピン等の外
部金属端子は、例えば直径0.3〜0.4mm程度の丸
棒状の胴体部先端に、径大の鍔状部が設けられたネイル
(釘)形状をなしており、その鍔状部を接合面としてい
る。そして、セラミックスと外部金属端子との接合強度
は、セラミックス部分の信頼性確保のために、常に外部
金属端子自体の強度を上回ることが要請されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、近年、信号
伝播速度を速くすることと、集積回路ICの接続不良及
び剥離を未然に防止することのために、上記のような高
密度ICパッケージの多層基板中の絶縁層として、ムラ
イト質セラミックスを用いようとする提案がなされてい
る(特公昭57−23672号公報,特開昭55−13
9709号公報)。
【0005】すなわち、電気信号の伝播遅延時間は、配
線導体をとりまく絶縁層の誘電率の平方根に比例するの
で、比誘電率の小さいムライトを絶縁層の主成分として
信号の高速化を達成しようとするのである。また、集積
回路ICが半導体シリコンよりなるものの場合、シリコ
ンの熱膨張係数が3.5×10-6/℃であるから、これ
と熱膨張差の小さいムライトをIC搭載部の絶縁層の主
成分とすることにより、IC接続部分の熱応力を軽減し
ようとするのである。
【0006】しかし、発明者らが研究した結果、ムライ
ト質焼結体よりなる多層配線基板に従来のアルミナ基板
に対するのと同じ要領で外部金属端子を接合した構造の
ものを引っ張り強度試験にかけると、低強度でセラミッ
クス部分において破壊する場合が頻繁に生じた。従っ
て、パッケージ全体の信頼性に欠けるとともに歩留まり
を悪くしていた。
【0007】本発明の第1の目的は、上記従来の課題を
解決し、接合の信頼性に優れたムライト質セラミックス
基板と外部金属端子との接合構造を提供することにあ
る。第2の目的は、接合体の歩留まりを向上させること
にある。
【0008】
【課題を解決するための手段】その手段は、セラミック
ス基板のパッド部に外部金属端子の一端面を銀銅(Ag
−Cu)系ろう材にて接合したものにおいて、パッド部
の接合面積をS1、外部金属端子の前記一端面の面積を
2、ろう材の重量をMとするとき、セラミックス基板
の主成分がムライトであって、M/(S1−S2)が0.
13〜0.45mg/mm2であることを特徴とするセ
ラミックス基板と外部金属端子との接合構造にある。
【0009】この手段において望ましいのは、パッド部
の周縁が絶縁材料にて被覆されていることを特徴とする
ものである。ここで、パッド部の接合面積とは、パッド
部の全面積がろう材に濡れて接合に関与しているとき
は、その面積のことをいう。また、その周縁が絶縁材料
にて被覆されているために被覆部分にろう材が濡れない
ときは、被覆部分を除いた面積のことをいう。
【0010】
【作用効果】セラミックス基板が主としてアルミナより
なる場合、アルミナ焼結体の強度が高いので、外部金属
端子との接合部で熱膨張差による応力が発生してもセラ
ミックス基板の破壊が起こりにくい。これに対して、ム
ライト焼結体はアルミナ焼結体よりも強度が弱い。加え
て、外部金属端子との熱膨張差もアルミナ焼結体の場合
よりも大きい。従って、ろう付け部分で破壊し易い。
【0011】そこで、本発明では、ろう材の量を適切な
範囲に定め、それによって熱応力を最小限度に抑えたの
である。すなわち、ろう付け時には、外部金属端子とセ
ラミックス基板とに一定の荷重が加わる。従って、外部
金属端子の接合端面とセラミックス基板のパッド部とで
挟まれる部分に存在するろう材量及びその厚さは常にほ
ぼ一定となる。その結果、ろう材の量が適切であると、
外部金属端子の接合端面からはみ出たろう材が、その縦
断面形状において図1に示すように外方に向かって漸減
する円錐状となる。従って、パッド部周縁でセラミック
ス基板に加わる応力が急変しない。
【0012】但し、銀銅(Ag−Cu)系ろう材の量が
1mm2当たり0.45mgより多いと、外部金属端子
の接合端面からはみ出たろう材がパッド部全体に過剰に
盛り上がるように濡れるので、パッド部内外でセラミッ
クスに加わる応力が著しく変化する。その結果、パッド
部の周縁上でセラミックスが破壊する。従って、ろう材
量の上限を0.45mg/mm2とした。特にパッド部
の周縁が絶縁材料にて被覆されている場合、ろう材量が
過剰であるにもかかわらず、ろう材の流れがその絶縁材
料によってせき止められるので、パッド部周縁上におけ
るろう材の盛り上がり方が急激となる。従って、上限値
を厳守することが必要となる。
【0013】他方、ろう材の量が面積1mm2当たり
0.13mgより少ないと、ろう材が外部金属端子のほ
ぼ直下しか濡れなくなる。従って、ろう材の濡れていな
いパッド部の表面と外部金属端子の直下とでセラミック
スに加わる応力が著しく変化する。その結果、外部金属
端子の周縁下でセラミックスが破壊する。
【0014】銀銅(Ag−Cu)系ろう材の組成は、A
g/Cu重量比が50/50〜87/13の範囲に属す
るものが良い。この範囲よりAgが少なくても多くても
液相温度が高くなって900℃より高い温度でろう付け
しなければならず、作業性が悪くなるからである。ま
た、銀銅(Ag−Cu)系ろう材は、その特性を逸脱し
ない限り、例えばインジウムInのようにAgCu以外
の第三の成分を少量含むものであっても良い。
【0015】尚、パッド部の周縁が絶縁材料で被覆され
ていると、パッド部周端へのろう材の流れがせき止めら
れる。その結果、応力の集中し易いパッド部周端への更
なる応力集中を抑え、端子部の破壊を防止することがで
きる。従って、パッド部の周縁が絶縁材料で被覆されて
いるのが望ましい。
【0016】
【実施例】実施例1 [本発明接合構造]本発明接合構造の一実施例を図面と
ともに説明する。図1は、本発明接合構造を備えたセラ
ミックス基板とネイルピンとの接合部を示す断面図であ
る。
【0017】接合構造1は、ムライト75重量%、密度
2.9g/cm3のセラミックス基板2と、このセラミ
ックス基板2の表面に形成された金属化面からなるパッ
ド3と、パッド3に接合されたネイルピン4とで構成さ
れている。そして、セラミックス基板2の表面は、パッ
ド3の大部分を除いてセラミックス基板2と同質で厚さ
15μmの絶縁膜5で覆われている。
【0018】パッド3は、厚さ20μmのタングステン
からなる第1層及び厚さ2μmのニッケルからなる第2
層の2層構造(但し、絶縁膜5の直下は第2層が存在し
ない。)で、直径1.55〜2.05mmの大きさとな
っており、その周縁0.15mmが絶縁膜5で覆われて
いるので、ネイルピン4との接合に関与している部分の
大きさは直径1.4〜1.9mmである。
【0019】ネイルピン4は、本発明接合構造に用いら
れる外部金属端子であり、全長4.5mmのコバール
(KOVAR)製で、直径0.35mmの胴体部とその
一端に一体的に連なる直径0.7mm、厚さ0.3mm
の鍔状部とからなる。パッド3とネイルピン4とは、所
定量の銀ー銅共晶ろう(日本工業規格BAg8)6にて
接合されている。尚、ネイルピン4の材質は、42アロ
イ、アロイ194(Cu合金)でも良い。
【0020】[本発明接合構造を備えた接合体の製造方
法]このような接合体の製造方法を説明する。まず、ム
ライト等のセラミックス粉末を主成分とするグリーンシ
ートの表面に、タングステンWのペーストを所定パター
ンにスクリーン印刷して、各パッドのパターンを形成す
る。次に同じ組成のセラミックス粉末を主成分とする絶
縁ペーストをグリーンシートの表面に印刷する。そし
て、これらグリーンシートが1500℃前後の高温で焼
成され、Ni鍍金が施されてセラミックス基板2とな
る。
【0021】別途、前記ネイルピン4を準備し、その鍔
状部端面に予め所定量のAg−Cu共晶ろう6を付けて
おく。前記セラミックス基板2のパッド3にネイルピン
4をAg−Cu共晶ろう6にて炉設定温度900℃、窒
素−水素混合ガス中で接合する。これにて接合構造1が
完成する。
【0022】[実験及び評価]上記接合構造1におい
て、ネイルピン4の寸法及び形状を一定値とし、接合に
関与するパッド3の面積及びAg−Cu共晶ろう6の量
を表1のように種々変えたものにつき、ネイルピン4の
遊端部を45°方向に引っ張り、引っ張り強度を測定す
るとともに破壊モードを観察した。測定及び観察の結果
を表1に併記する。
【0023】
【表1】 表1から判るように、共晶ろうの量が面積1mm2当た
り0.13〜0.45mgである接合構造の場合は、ネ
イルピン4の胴体部が切れた。すなわち、ネイルピン4
自体の機械的強度よりも接合強度のほうが高かった。
尚、ネイルピン4自体の機械的強度は、その材質が、コ
バールもしくは42アロイの場合で8kg以上、アロイ
194(Cu合金)の場合で5kg以上である。
【0024】これに対して、共晶ろうの量が面積1mm
2当たり0.45mgを超えている接合構造の場合は、
パッド3の周縁上でセラミックス基板2が抉れてしまっ
た。また、共晶ろうの量が面積1mm2当たり0.13
mgより少ない接合構造の場合は、ネイルピン4の周縁
直下でセラミックス基板2が抉れてしまった。尚、共晶
ろうの量が面積1mm2当たり0.13〜0.45mg
である接合構造のものは、熱衝撃試験(MIL−STD
−883C 方法1011.6 試験条件C)におい
て、1000サイクル後も強度の劣化がみられなかっ
た。
【0025】実施例2 実施例1の接合構造1において、Ag−Cu共晶ろう6
に代えてAg−Cu(Ag85重量%)ろうを用いた以
外は、実施例1と同一条件で実験及び評価を行った。結
果を表2に示す。
【表2】 表2から判るように、Ag−Cuろうの量が面積1mm
2当たり0.13〜0.45mgである接合構造の場合
は、ネイルピン4の胴体部が切れた。すなわち、ネイル
ピン4自体の機械的強度よりも接合強度のほうが高かっ
た。
【0026】これに対して、Ag−Cuろうの量が面積
1mm2当たり0.45mgを超えている接合構造の場
合は、パッド3の周縁上でセラミックス基板2が抉れて
しまった。また、Ag−Cuろうの量が面積1mm2
たり0.13mgより少ない接合構造の場合は、ネイル
ピン4の周縁直下でセラミックス基板2が抉れてしまっ
た。
【0027】実施例3 実施例1の接合構造1において、Ag−Cu共晶ろう6
に代えてAg−Cu(Ag50重量%)ろうを用いた以
外は、実施例1と同一条件で実験及び評価を行った。結
果を表3に示す。
【表3】 表3から判るように、Ag−Cuろうの量が面積1mm
2当たり0.13〜0.45mgである接合構造の場合
は、ネイルピン4の胴体部が切れた。すなわち、ネイル
ピン4自体の機械的強度よりも接合強度のほうが高かっ
た。
【0028】これに対して、Ag−Cuろうの量が面積
1mm2当たり0.45mgを超えている接合構造の場
合は、パッド3の周縁上でセラミックス基板2が抉れて
しまった。また、Ag−Cuろうの量が面積1mm2
たり0.13mgより少ない接合構造の場合は、ネイル
ピン4の周縁直下でセラミックス基板2が抉れてしまっ
た。
【0029】
【発明の効果】この発明のムライトセラミックス基板と
外部金属端子との接合構造は、以上の構成を備えるの
で、接合の信頼性に優れ、しかも生産歩留まりが高いも
のである。従って、信号伝搬速度が速く、ICとの接続
性に優れたICパッケージを安定して供給することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】セラミックス基板と外部金属端子との接合構造
を示す要部断面図である。
【符号の説明】
1 接合構造 2 セラミックス基板 3 パッド 4 ネイルピン(外部金属端子部材)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 セラミックス基板のパッド部に外部金属
    端子の一端面を銀銅(Ag−Cu)系ろう材にて接合し
    たものにおいて、パッド部の接合面積をS1、外部金属
    端子の前記一端面の面積をS2、ろう材の重量をMとす
    るとき、セラミックス基板の主成分がムライトであっ
    て、M/(S1−S2)が0.13〜0.45mg/mm
    2であることを特徴とするセラミックス基板と外部金属
    端子との接合構造。
  2. 【請求項2】 パッド部は、その周縁が絶縁材料にて被
    覆されている請求項1に記載のセラミックス基板と外部
    金属端子との接合構造。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016143796A (ja) * 2015-02-03 2016-08-08 日本特殊陶業株式会社 静電チャック

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