JPH0637414A - セラミックス回路基板 - Google Patents
セラミックス回路基板Info
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Landscapes
- Lead Frames For Integrated Circuits (AREA)
Abstract
て外部端子を高強度に接合することを可能にすると共
に、多端子で高密度な導体回路への対応を図ったAlN製
セラミックス回路基板を提供する。 【構成】 AlNを主成分とするセラミックス基板1の内
部には、一端部がセラミックス基板1の一表面に到達す
るように、導体回路5(13)が設けられている。セラ
ミックス基板1の表面には、導体回路の一端部(13)
と電気的に接続するように、ランド12が設けられてい
る。ランド12は、 Wおよび/またはMoとAlNとを少な
くとも含有する導体層を有している。ランド12上に
は、Ti、ZrおよびHfから選ばれた少なくとも 1種の活性
金属元素を含有する銀ろう14により、外部端子8が接
合されている。
Description
(PGA)パッケージやフラットパッケージ等に好適な
窒化アルミニウム製セラミックス回路基板に関する。
Aパッケージやフラットパッケージにおける外部端子の
接合構造としては、図4に示すような構造が一般的に用
いられてきた。すなわち、 AlNを主成分とするセラミッ
クス基板1の表面には、 Wからなる導体層2が形成され
ている。この表面の導体層2は、 AlNセラミックス基板
1の表面側絶縁層(AlN層)1aを貫通して設けたビアホ
ール3内に充填された導電材料4によって、内部導体回
路5に接続されている。上記表面の導体層2上には、ニ
ッケルや金のメッキ層6が順次形成されており、これら
の積層物によってランド7が構成されている。このラン
ド7には、例えばコバールや42アロイからなるピン8の
ネールヘッド部8aが銀ろう9を介して接合されてい
る。
8の接合構造では、 AlN基板1と、ランド7中の AlN層
1aに接して設けられた W層2との接合界面における強
度が低く、ランド7を強固に接合形成することができな
いために、ピン8の接合信頼性が十分に得られないとい
う問題を有していた。
という目的ではないにしても、 AlN焼結体と W層との界
面を強固な接合界面にしようとすることが試みられてい
る。例えば、 AlN焼結体と W層との間に、 AlNと Wの混
合物からなる中間層を設ける(特開昭 61-281089号公報
参照)ことが行われている。しかし、この方法は、表面
が全て Wからなる金属層を形成するものであり、例えば
強度測定用のコバール板は W層上にNiメッキ層を形成し
た後、銀ろうにより接合している。つまり、この表面の
Wには銀ろうが濡れにくく、ピン等の金属部材を接合す
る際には、必ずNi等の銀ろうに対する濡れ性が良好な金
属層の形成が必要となる。よって、上記方法をピンの接
合構造に適用しても、コスト的に高価になるばかりでな
く、製造工程も繁雑になる。さらに、 AlNと Wの界面に
異なる(一部 AlNと Wの混合物を設ける同一の方法も考
えられる)元素種を介在させてメタライズすることも行
われているが(特開昭 62-197374号公報、同 63-195183
号公報参照)、上記した方法と同様に、表面が全て Wか
らなる金属層を形成することになるため、ピン等を銀ろ
うで接合するためには、Niメッキ等の表面加工工程が必
要になる。
混合物層を形成することも試みられている(特開平 2-5
0972号公報参照)。しかし、このメタライズ層において
も、Niメッキ層を設けた後に錫メッキ銅線を半田で接合
して強度を測定しており、半田は AlNと Wを含むメタラ
イズ層に良好に濡れないことを示している。その結果、
同様に均一な接合強度が得られにくいばかりでなく、ピ
ンを接合する際には必ずNi等の金属層の形成が必要とな
り、コスト的に高価になると共に、製造工程も繁雑にな
る。
銀ろうを用いて、銅板やアルミニウム板等を AlN焼結体
表面に接合することが行われている。この方法は、 AlN
とTi等の活性金属との反応を利用する方法であり、 TiN
等の反応生成物が界面に生じることによって、強固な接
合界面が得られる。この際、活性金属を含む銀ろうが金
属板の接合面全面を濡らせば良好な接合体が作製される
が、これらの接合をピンの接合に応用しようとした場合
には、図5に示すように、 AlN焼結体(AlN基板1)と活
性金属とを広い面積で反応させなければならないため、
ランド(2)の大きさは、ピン8のネールヘッド部8a
の大きさと同程度か、あるいは小さくする必要がある。
しかし、この方法でピンの接合を実施しようとすると、
活性金属を含む銀ろうの AlNに対する濡れが悪く、 AlN
基板と銀ろうとの間で応力集中を生じてピン強度を弱め
るため、多くの銀ろうを接合に使うこととなるが、この
場合は、図5に示したように、 AlN基板1と銀ろう10
との接触面積が増して、隣接するピンのランドとショー
トする可能性が高くなる。また逆に、活性金属を含む銀
ろうを通常の量で用いると、均一で強固な接合が行えな
くなる。さらに、ランド面積を大きくするためには、Ti
スパッタ等で面積を広くし、かつスパッタやメッキによ
りNiやAu等の層を形成する必要があり、コスト的に高価
になると共に、製造工程も繁雑になってしまう。
パッケージにピン等の外部端子を良好に接合するために
は、銀ろうや半田が濡れやすいランド、もしくはランド
に濡れやすい銀ろうや半田が必要であると共に、 AlNか
らなるパッケージ母体とランド間の高い接合強度が必要
となる。しかしながら、現在のところ、この両者を十分
に満足する AlN製セラミックス回路基板は得られていな
いのが現状である。また、ピンを用いないフラットパッ
ケージ等のリードを接合する場合においても、上記した
問題が同様に解決されず存在している。
になされたもので、 AlNを主成分とするセラミックス基
板に対して外部端子を高強度に接合することを可能にす
ると共に、多端子で高密度な導体回路への対応を図った
AlN製セラミックス回路基板を提供することを目的とし
ている。
クス回路基板は、窒化アルミニウムを主成分とするセラ
ミックス基板と、前記セラミックス基板の内部に設けら
れた導体回路と、前記導体回路の一端部と電気的に接続
するように、前記セラミックス基板の表面に設けられた
ランドと、前記ランド上にろう付け接合された外部端子
とを具備するセラミックス回路基板において、前記ラン
ドは、タングステン(W) および/またはモリブデン(Mo)
と窒化アルミニウム(AlN) とを少なくとも含有する導体
層を少なくとも有し、かつ前記外部端子は、チタン(T
i)、ジルコニウム(Zr)およびハフニウム(Hf)から選ばれ
た少なくとも 1種の活性金属元素を含有する銀ろうまた
は半田により前記ランド上に接合されていることを特徴
としている。
るセラミックス基板は、 AlNを主成分とする多層焼結体
であり、この焼結体はイットリウム(Y) のような3A族元
素や希土類元素、カルシウム(Ca)やマグネシウム(Mg)等
の2A族元素等から選ばれた元素を焼結助剤として含んで
いる。また、着色添加物として、Tiのような4A族元素、
Wのような6A族元素、Niのような8A族元素を含有してい
てもよい。
れた WやMo等からなる導体回路(ビアホール内に充填さ
れた導電材料を含む)と、導体回路にビアホールを介し
て電気的に接続されたランドを有している。内部導体回
路は、上記したように金属のみから構成されていてもよ
い(AlN等が入っていてもよい)が、 AlN焼結体基板の表
面に形成するランドは、 AlN焼結体とランドを構成する
導体層との界面を強固な接合面とするために、 Wおよび
Moから選ばれた少なくとも 1種の導電性材料とAlNとを
含有する混合材料により形成する。なお、本発明におけ
るランドは、上記 W等と AlNとの混合材料層の一層のみ
に限定されるものではなく、 AlN焼結体基板に接して設
けられる層が上記混合材料からなる導体層であれば、さ
らにその上に WやMoの層を積層形成してランドを構成す
ることも可能である。
AlNを 1重量% 〜20重量% の範囲で含むことが好まし
く、さらに好ましくは 3重量% 〜20重量% の範囲であ
る。このランド構成材料中の AlNは、 AlN焼結体基板と
ランドとの間で、微構造的には部分的に同一化合物によ
る連続組織を形成するものであり、 AlNの含有量が 1重
量% より少ないと、 AlNの連続組織部分が十分に得られ
なくなるために、ランドの接合強度が低下し、さらには
外部端子の接合強度の低下に繋がる。また、 AlNの含有
量が20重量% を超えると、導体層としては電気抵抗が増
大しすぎるため、外部端子と内部導体回路との良好な電
気的接続を妨げることとなる。
体基板中の焼結助剤元素(例えば Y、Ca等)や着色添加
元素(例えばTi、 W、Ni等)を含有させてもよく、これ
によって元素分布が均一となりさらに好ましい。さら
に、ランド構成材料には、Ti、Zr、Hf等の活性金属元素
を含有させてもよい。このようなランド構成材料を用い
ることによって、 AlN焼結体基板とランドとの接合界面
は、非常に強固な組織を有することになる。
ドに直接繋がるビアホール内の導電材料は、上記ランド
の構成材料と同様な、 Wおよび/またはMoと AlN等との
混合導電材とすることが好ましい。ビアホール内の導電
材料を上記混合導電材とする場合の混合比や、他の添加
元素は上記したランドの場合と同様である。
は、上述したようなランド上に、Ti、ZrおよびHfから選
ばれた少なくとも 1種の活性金属元素を含有する銀ろう
(以下、活性金属含有銀ろうと記す)または半田を用い
て、外部端子例えばピンやリードを接合している。銀ろ
うや半田の中にTi等の活性金属を含有させることによ
り、 AlNと W等とからなるランドに対する銀ろうや半田
の濡れ性が改善され、外部端子を強固にかつ良好に銀ろ
う付けまたは半田付けすることが可能となる。この作用
は、特に Wが存在する部分において顕著である。
るランドに対して、通常の銀ろうにより直接外部端子を
接合しようとしても、ランドの表面は AlNと W等とから
なるため、通常の銀ろう(活性金属を含まない)では良
好な濡れ状態は得られない。そこで、従来は銀ろうの濡
れを向上させるために、Ni層やAu層を形成していたが、
これら金属層は界面強度が弱いばかりでなく、メッキ加
工を行わなければならない点で非常に高価な処理とな
る。
分において、 AlNとTiとが反応して、強固な接合界面が
形成されることは知られていたが、Ti等の活性金属を添
加した銀ろうの AlN上での濡れは均一には起こらない。
従って、Tiを添加した銀ろうを用いると共に、ランドを
小さくすることによって、 AlN上にAlN-Ti結合を生成し
ようとしても、銀ろうを均一に分布させた接合や円形の
理想的な銀ろうの濡れは起こらない。均一な接合をした
いがために多くのTi入り銀ろうを使用すると、外部端子
間の狭い多ピンパッケージでは、ランド間が電気的にシ
ョートしてしまうと同時に、局所的な熱膨張率の差に起
因する応力が発生し、外部端子の強度低下の原因にな
る。これに対して、本発明のランドは AlNと W等との混
合材料から構成されているため、 W等が活性金属含有銀
ろうの濡れ範囲を決定して、理想的な円形に銀ろうを濡
らすことができ、良好な接合形状(ろう形状)が得られ
るばかりでなく、 W等と活性金属含有銀ろうとが強固な
結合を形成する。また、ランド中の AlNは、上述したよ
うにTi等の活性金属と強固に結合する。
等を形成してランドを構成する場合においても、上述し
たように、 W等と活性金属含有銀ろうとが強固な結合を
形成するため、外部端子を高強度に接合することができ
る。
性金属元素の量は、 0.5重量% 〜10重量% の範囲とする
ことが好ましい。活性金属元素の含有量が 0.5重量% よ
り少ないと、活性金属の添加効果が十分に発揮されず、
外部端子の接合強度を十分に高めることが困難となる。
また、10重量% を超えて添加すると、銀ろうが硬化し、
接合に悪影響を及ぼす。なお、ここで言う銀ろうとは、
通常の Ag-Cu系ろう材のことであり、AgとCuとを主成分
とするものであれば他の添加元素を含んでいてもよい。
また、銀ろう中のAgの配合比は、40重量% 〜80重量% 程
度とすることが好ましい。上記した活性金属含有銀ろう
による接合は、真空下、減圧下および常圧下のいずれか
の窒素雰囲気中で行うことが好ましい。
き換えて用いることができる。この場合、 3重量% 〜96
重量% のSn、残部Pbとし、必要に応じて 1重量% 以下の
Sb、Cu、Bi、Zn、Fe、Al、As等を添加することもでき
る。
半田を用いることにより、ランドと銀ろうや半田の濡れ
性が向上すると共に、強固な接合が達成される。また、
外部端子の構成材料としては、コバールや42アロイを用
いるために、活性金属含有銀ろうまたは半田と良好に接
合することができる。従って、外部端子を接合する部分
の全ての界面で、強固な接合が行われるだけでなく、ラ
ンド上を均一に活性金属含有銀ろうまたは半田が濡らす
ため、電気的な接続も良好となる。
て説明する。
m の AlNグリーンシートを作製した。一方、 W粉末と A
lN粉末との混合粉末(AlN粉末:10重量%)に、有機バイン
ダと適量の溶剤を加え、十分に混合して Wと AlNを主成
分とする導体ペーストを作製した。
通するビアホールを開口し、このビアホール内に上記 W
と AlNを主成分とする導体ペーストを埋め込むと共に、
その表面に同一の導体ペーストをランド形状に応じて印
刷した。さらに、 AlNグリーンシートの裏面に Wを主成
分とする導体ペーストを導体回路形状に応じて印刷し、
この導体回路側に他の AlNグリーンシートを重ねた後、
加熱加圧して積層した。次いで、上記積層体を脱脂した
後、窒素雰囲気中にて1800℃× 3時間の条件で常圧焼結
して、図1に示す30mm角のPGA用回路基板の同時焼結
体部分11を作製した。図1において、12は Wと AlN
を主成分とするランドであり、13はビアホール3内に
充填された Wと AlNを主成分とする導体材料である。な
お、図4に示した従来図と同一部分には、同一符号が付
してある。
0.7mmの各円形ランド12上の接合位置に、ピン直径
0.3mm、ネールヘッド部直径0.45mmの外部端子ピン8を
それぞれ治具を用いてセットした。なお、ピン8は 300
本セットした。また、ピン8のネールヘッド部8aの下
部には、予め活性金属元素としてTiを 2重量% 含有する
銀ろうが付けてある。この状態のままで、真空中にて 8
30℃に加熱して、ピン8の接合を行った。
ン接合部を観察したところ、ランド全体に銀ろうが濡れ
て接合されていた。また、コバールピン8を接合面に垂
直方向に引っ張ることにより接合強度試験を行った。そ
の結果、4.2kgfの引っ張り荷重のときにコバールピン8
が切断した。このことから、接合部は十分に高い接合強
度を有していることを確認した。
ーストをランド形状に印刷した後、さらにその上に Wを
主成分とする導体ペーストを同形状に印刷する以外は、
実施例1と同様にして、図2に示すPGA用回路基板の
同時焼結体部分15を作製した。図2において、16は
Wを主成分とする導体層であり、この W層16と、 Wと
AlNを主成分とする導体層12との積層物によって、ラ
ンド17が構成されている。このPGA用回路基板の同
時焼結体部分15に、実施例1と同様な条件でピン8を
接合し、PGA用回路基板を作製した。
ン接合部を観察したところ、ランド17全体に銀ろうが
濡れて接合されていた。また、コバールピン8を接合面
に垂直方向に引っ張ることにより接合強度試験を行っ
た。その結果、4.1kgfの引っ張り荷重のときにコバール
ピン8が切断した。このことから、接合部は十分に高い
接合強度を有していることを確認した。
用すると共に、その接合を窒素雰囲気中で 830℃まで加
熱することにより行う以外は、実施例1と同様にして、
ピンを接合したPGA用回路基板を作製した。
実施例1と同様にして調べたところ、4.3kgfの引っ張り
荷重のときにコバールピンが切断した。このことから、
接合部は十分に高い接合強度を有していることを確認し
た。
0.5mm)の形状に合せて0.7mm× 2.0mmとし、実施例1と
同一条件で同時焼成した後、このランド12上に実施例
1と同一のTi含有銀ろう14を用いてリード18を接合
する以外は、実施例1と同様にして、フラットパッケー
ジ用回路基板を作製した。
回路基板のリード18の接合強度を測定するために、接
合面に垂直にピール強度試験を行ったところ、 3.0kgf/
mmという良好な結果が得られた。
Nを主成分とする導体ペーストを埋め込むと共に、その
表面に Wを主成分とする導体ペーストでランドを形成
し、かつTiを含有していない銀ろうを用いてピンを接合
する以外は、実施例1と同様にしてPGA用回路基板を
作製した。このPGA用回路基板のピンの接合強度を実
施例1と同様にして調べたところ、1.1kgfの引っ張り荷
重の際に銀ろうと Wランドとの界面で剥離が起こり、ピ
ン接合部の強度が低いことを確認した。
メッキにより順に形成する以外は、比較例1と同様にし
てPGA用回路基板を作製した。このPGA用回路基板
は図4に示したものである。このPGA用回路基板のピ
ンの接合強度を実施例1と同様にして調べたところ、1.
5kgfの引っ張り荷重の際に、 Wランド2と AlN基板1と
の界面で剥離が起こった。
を主成分とする導体ペーストを埋め込むと共に、その表
面に Wを主成分とする導体ペーストでランドを形成した
後、実施例1と同一条件で同時焼成した。この際、焼結
後のランド面積は外部端子ピンのネールヘッド部の面積
と同じとした。次いで、実施例1と同様に、Ti含有銀ろ
うを用いてピンを接合して、PGA用回路基板を作製し
た。このPGA用回路基板は図5に示したものである。
このPGA用回路基板のピンの接合強度を実施例1と同
様にして調べたところ、1.7kgfの引っ張り荷重の際に、
Wランド2と AlN基板1との界面で剥離が起こった。
る Wランドを、 Wと AlNを主成分とするランドに代える
以外は、同様にしてPGA用回路基板を作製し、ピンの
接合強度を調べたところ、2.0kgfの引っ張り荷重の際
に、銀ろうと W+AlNランドとのの界面で剥離が起こっ
た。
とする導体ペーストを埋め込むと共に、その表面に Wを
主成分とする導体ペーストでランド2を形成する以外
は、実施例1と同様にして同時焼結体部分を作製した
後、実施例1と同様に、ランド2上にTi含有銀ろう12
を用いてピンを接合して、PGA用回路基板を作製し
た。このPGA用回路基板のピンの接合強度を実施例1
と同様にして調べたところ、1.3kgfの引っ張り荷重の際
に、 Wランド2と AlN基板1との界面で剥離が起こり、
ピン接合部の強度が低いことを確認した。
クス回路基板によれば、 AlNを主成分とする基板上に高
接合強度でランドを形成することができ、かつランドと
銀ろうとの良好な濡れが得られると共に、ランドと銀ろ
うを強固に結合することができるため、外部端子を高強
度で接合することが可能となり、よって外部端子の信頼
性を大幅に向上させることが可能となる。また、銀ろう
を良好に濡らすことができるため、電気的な信頼性が高
まると共に、多端子で高密度の導体回路に対して十分に
対応することが可能となる。これらによって、PGAパ
ッケージやフラットパッケージ等に好適なセラミックス
回路基板を提供することが可能となる。
路基板の要部構成を示す断面図である。
回路基板の要部構成を示す断面図である。
ミックス回路基板の要部構成を示す断面図である。
す断面図である。
を示す断面図である。
の構成を示す断面図である。
る導体材料 14…Ti含有銀ろう 18…リード
Claims (1)
- 【請求項1】 窒化アルミニウムを主成分とするセラミ
ックス基板と、前記セラミックス基板の内部に設けられ
た導体回路と、前記導体回路の一端部と電気的に接続す
るように、前記セラミックス基板の表面に設けられたラ
ンドと、前記ランド上にろう付け接合された外部端子と
を具備するセラミックス回路基板において、 前記ランドは、タングステンおよび/またはモリブデン
と窒化アルミニウムとを少なくとも含有する導体層を少
なくとも有し、かつ前記外部端子は、チタン、ジルコニ
ウムおよびハフニウムから選ばれた少なくとも 1種の活
性金属元素を含有する銀ろうまたは半田により前記ラン
ド上に接合されていることを特徴とするセラミックス回
路基板。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP18675492A JP3167796B2 (ja) | 1992-07-14 | 1992-07-14 | セラミックス回路基板 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP18675492A JP3167796B2 (ja) | 1992-07-14 | 1992-07-14 | セラミックス回路基板 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0637414A true JPH0637414A (ja) | 1994-02-10 |
JP3167796B2 JP3167796B2 (ja) | 2001-05-21 |
Family
ID=16194060
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP18675492A Expired - Lifetime JP3167796B2 (ja) | 1992-07-14 | 1992-07-14 | セラミックス回路基板 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3167796B2 (ja) |
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- 1992-07-14 JP JP18675492A patent/JP3167796B2/ja not_active Expired - Lifetime
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---|---|
JP3167796B2 (ja) | 2001-05-21 |
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