JPH1013006A - 電子部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】繰り返して過酷な熱サイクルが付加された場合
においても接合部の剥離や損傷が少なく、耐久性および
信頼性が優れた電子部品を提供する。 【解決手段】タングステンを主成分とする配線層３を有
するセラミックス基板４と、上記配線層３の接続端部
に、タングステンを主成分として形成されたパッド部５
と、このパッド部５の表面に形成されたニッケルめっき
層６とを備え、半田層１０を介して上記パッド部５と他
の部品１１とを接合した電子部品において、上記タング
ステンを主成分とするパッド部５とニッケルめっき層６
との間に拡散層１２を形成したことを特徴とする。また
拡散層１２の厚さは０．５μｍ以上であることが望まし
い。さらにニッケルめっき層６の表面に金めっき層７を
形成するとよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置に使用さ
れる回路基板などの電子部品に係り、特に他の部品との
接合強度を高めることが可能であり、繰り返して熱サイ
クルが付加された場合においても接合部の剥離や損傷が
少なく耐久性や信頼性に優れた電子部品に関する。

【０００２】

【従来の技術】タングステンなどの高融点金属から成る
配線層や電極パッドを形成したセラミックス基板上に半
導体素子を搭載し、この半導体素子と配線層とを電気的
に接続した回路基板や半導体パッケージなどの電子部品
が、半導体装置，電子計算機や事務機器の構成部品とし
て広く使用されている。

【０００３】図２は半導体素子２を搭載した従来の電子
部品１としての回路基板の構成例を示す断面図である。
すなわち、図２に示す回路基板１は、タングステン
（Ｗ）を主成分とする配線層３を有するセラミックス基
板４と、上記配線層３の接続端部にタングステンを主成
分として形成されたパッド部５と、このパッド部５の表
面に形成されたニッケルめっき層６と、このニッケルめ
っき層６の表面に形成された金（Ａｕ）めっき層７とを
備えて構成されている。

【０００４】また半導体素子２の端子と表面配線層の電
極部８とは金（Ａｕ）やアルミニウム（Ａｌ）などの導
電材から成るボンディングワイヤ９によって電気的に接
続され、この電極部８は、セラミックス基板４の内部に
形成された内部配線層３を経由して基板４の裏面側に形
成されたパッド部５に電気的に接続される。

【０００５】上記各配線層３，電極部８およびパッド部
５は、例えばタングステンを含有させて調製したペース
トをセラミックス基板４に所定形状に印刷した後に焼成
して形成される。そして形成されたパッド部５の表面に
は、電気めっき法，蒸着法，スパッタリング法などによ
ってＮｉめっき層６やＡｕめっき層７が形成される。

【０００６】さらにＡｕめっき層７の表面に半田ペース
トを塗布し、温度１５０℃で予備加熱した後に２３０℃
で本加熱を実施することにより、所定厚さの半田層１０
を形成し、この半田層１０を介して、プリント基板やリ
ードフレームなどの他の部品１１と一体に接合される。

【０００７】上記Ｎｉめっき層６は半田との濡れ性を改
善して接合強度を高める効果を有する一方、Ａｕめっき
層７は、Ｎｉめっき層６の酸化を防止する保護膜として
機能し、上記回路基板の耐久性を高めている。

【０００８】上記構成の回路基板１によれば、焼結後に
おけるＷから成るパッド部５表面が極めて多孔質（ポー
ラス）となっているため、その内部に半田がくい込み、
そのアンカー効果によって半田層とパッド部５との高い
接合強度が確保されると考えられていた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本発明
者の知見によれば、上記アンカー効果による接合強度の
改善効果は少ないことが判明した。また上記のように形
成したパッド部の表面に半田ペーストを印刷してプリン
ト基板などの他の部品を接合しようとすると半田層内に
多数の空孔（ボイド）１３や巣が発生し易くなり、電子
部品と他の部品との接合強度が大幅に低下し易くなるこ
とが判明した。

【００１０】このように半田層内に空孔や巣が発生する
と、接合部の有効断面積が減少し、十分な接合強度が得
られないという問題点があった。そのため、半導体素子
の発熱によって繰り返して熱サイクルを受けるにしたが
って回路基板の疲労が高まり、接合部に剥離や損傷を引
き起し、いずれにしても回路基板の耐久性および信頼性
が低下する問題点があった。

【００１１】近年、半導体技術の急速な進展に伴い、半
導体素子の高出力化および高集積化が指向されており、
半導体素子からの発熱量も急増する傾向にある。そのた
め、回路基板などの電子部品においても、接合部に付加
する熱サイクルに対応した接合構造を確立することが技
術上の課題になっていた。

【００１２】本発明は上記課題を解決するためになされ
たものであり、繰り返して過酷な熱サイクルが付加され
た場合においても接合部の剥離や損傷が少なく、耐久性
および信頼性が優れた電子部品を提供することを目的と
する。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明者は上記半田層に
空孔が発生する原因を研究するとともにＷから成るパッ
ド部の表面性状が接合強度に及ぼす影響を実験により確
認した。また半田層に発生する空孔を低減する方法につ
いて種々検討を行った。

【００１４】その結果、セラミックス基板にタングステ
ンを含むペーストを印刷して所定パターンを形成し焼結
して配線層およびパッド部を印刷し、さらにパッド部表
面にニッケルめっき層を形成した後に、温度８００℃以
上で１時間以上焼結することにより、パッド部とニッケ
ルめっき層との間に拡散層を形成したときに、パッド部
表面が緻密で、かつ平滑に形成された。そして、さらに
このパッド部に他の部品を半田接合した場合において、
半田層に発生する空孔（ボイド）および剥離を大幅に低
減することが初めて可能となり、接合強度，耐久性およ
び信頼性が優れた電子部品が得られるという知見を得
た。

【００１５】本発明は上記知見に基づいて完成されたも
のである。すなわち本発明に係る電子部品は、タングス
テンを主成分とする配線層を有するセラミックス基板
と、上記配線層の接続端部に、タングステンを主成分と
して形成されたパッド部と、このパッド部表面に形成さ
れたニッケルめっき層とを備え、半田層を介して上記パ
ッド部と他の部品とを接合した電子部品において、上記
タングステンを主成分とするパッド部とニッケルめっき
層との間に拡散層を形成したことを特徴とする。

【００１６】また上記拡散層の厚さは０．５μｍ以上が
好ましい。さらにニッケルめっき層表面に金めっき層を
形成するとよい。

【００１７】ここで上記セラミックス基板としては、絶
縁性材料であれば特に限定されないが、窒化アルミニウ
ム（ＡｌＮ），窒化けい素（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ），アルミナ
（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）などの各種窒化物系セラミックス基板や
酸化物系セラミックス基板が使用できる。特に高熱伝導
性の特性を有するＡｌＮや高強度の特性を有するＳｉ₃
Ｎ₄ を主体とするセラミックス基板が実用上好ましい。

【００１８】また配線層およびパッド部はタングステン
を含有するペーストを、例えばスクリーン印刷法により
セラミックス基板上に所定形状に印刷した後に、非酸化
性雰囲気中で温度１８００〜２０００℃で焼成して形成
される。

【００１９】ニッケル（Ｎｉ）めっき層は半田に対する
濡れ性を改善し接合部の強度を高めるために設けられ、
通常の電気めっき法，蒸着法またはスパッタリング法な
どの薄膜形成法に従って形成される。Ｎｉめっき層の厚
さは１〜３μｍ程度の範囲でよい。

【００２０】なお上記Ｎｉめっき層の酸化を防止する保
護膜として、上記Ｎｉめっき層の表面に、さらに厚さ
０．２〜２μｍ程度の金（Ａｕ）めっき層を形成しても
よい。

【００２１】上記のようにセラミックス基板のパッド部
に所定厚さのＮｉめっき層を形成した後にセラミックス
基板全体をＨ₂ ガス，Ａｒガスなどの非酸化性雰囲気中
で温度８００℃以上で少なくも１時間加熱処理すること
により、タングステンから成るパッド部とＮｉめっき層
との間にＮｉ−Ｗから成る拡散層が形成されると同時に
パッド部の表層部が緻密化する上に平滑化される。

【００２２】すなわち拡散層が形成されるときに多孔質
なＷから成るパッド部の表面が緻密化されるとともにパ
ッド部の表面の凹凸部が拡散層によって埋められて平滑
化する。上記拡散層の厚さは０．５μｍ以上であること
が必要である。拡散層の厚さが０．５μｍ未満において
は、パッド部表面の緻密化および平滑化が不十分であ
る。一方厚さが５μｍを超えるように拡散層を形成して
も上記効果が飽和する上に熱処理時間が長くなり不利益
となる。従って拡散層の厚さは０．５μｍ以上に設定さ
れるが１〜３μｍの範囲がより好ましい。

【００２３】上記のようにパッド部のタングステン成分
とＮｉめっき層のＮｉ成分との相互拡散によって生じた
拡散層を形成し、パッド部の表面を緻密化するとともに
平滑化することにより、このパッド部に半田を介して他
のプリント基板等の部品を接合した場合においても半田
層に空孔や巣を発生することが少なく接合強度が高い電
子部品を形成することができる。

【００２４】空孔や巣の発生が防止できる機構は必ずし
も明確ではないが、従来、多孔質であったパッド部表面
が緻密かつ平滑に形成されるため、溶融した半田がパッ
ド部表面の凹凸部に吸引されて移動して集中することが
抑制されるため、空孔や巣の発生がなくなるものと考え
られる。

【００２５】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施形態について以
下の実施例に基づいて具体的に説明する。

【００２６】実施例１〜３ 窒化けい素（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）粉末に対して、４重量％の酸
化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃ ）粉末および０．２重量％の
酸化アルミニウム（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）粉末を配合して混合粉
末にアクリル系有機バインダー，可塑剤，トルエン，ア
ルコール系溶剤を添加し、樹脂性ポットおよび窒化けい
素ボールで十分に混合してセラミックススラリーを調製
した。このセラミックススラリーをドクターブレード法
によってシート成形して厚さ０．６mmのグリーンシート
を多数調製した。

【００２７】一方、タングステン粉末にアクリル系有機
バインダーとテルピネオール系の有機溶剤とを添加して
十分に混練して導体ペーストを調製した。

【００２８】次に上記導体ペーストを使用して各グリー
ンシート用に導体配線パターン，電極部，パッド部を印
刷した。そしてこれらの導体パターンで印刷された４〜
５枚のグリーンシートを所定の順序で積み重ねた後、温
度１５０℃に加熱しながら８０kg／cm² の押圧力を作用
させて一体化して多層基板成形体とした。

【００２９】さらに得られた多層基板成形体を９．５気
圧の窒素雰囲気中で温度１８５０℃で４．５時間保持し
て導体パターンおよび基板構成部を同時焼成して各実施
例用のＳｉ₃ Ｎ₄ 多層基板を調製した。

【００３０】次にＳｉ₃ Ｎ₄ 多層基板に形成したパッド
部の表面に電気めっき法により、表１に示す厚さを有す
るＮｉめっき層をそれぞれ形成した。そしてＮｉめっき
層を形成した多層基板をＨ₂ ガス雰囲気に調整した焼成
炉に挿入し、表１に示す温度・時間条件で熱処理（焼
成）することにより、パッド部とＮｉめっき層との間に
Ｗ成分とＮｉ成分とから成る拡散層を形成するとともに
パッド部表面を緻密化することにより、それぞれ実施例
１〜５用の多層回路基板とした。

【００３１】次に上記各多層回路基板のＮｉめっき層表
面にさらに表１に示す厚さを有するＡｕめっき層を形成
した。さらに各めっき層を形成したパッド部に半田ペー
ストを印刷し、プリント基板の電極部を押圧した状態で
２３０℃に加熱リフローして多層回路基板とプリント基
板とをパッド部において一体に接合して実施例１〜５に
係る電子部品としてのＳｉ₃ Ｎ₄ 多層回路基板を製造し
た。

【００３２】各実施例に係るＳｉ₃ Ｎ₄ 多層回路基板１
ａは、図１に示すように配線層３，電極部８，パッド部
５を有するＳｉ₃ Ｎ₄ 多層セラミックス基板４のパッド
部５が、拡散層１２，Ｎｉめっき層６，Ａｕめっき層
７，半田層１０ａを介して他の部品１１としてのプリン
ト基板に一体に接合されている。Ｓｉ₃ Ｎ₄ 多層セラミ
ックス基板４の電極部８と半導体素子２の端子とはＡｕ
製のボンディングワイヤ９によって電気的に接続されて
いる。

【００３３】実施例４〜５ 窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末に対して焼結助剤とし
ての酸化イットリウム（Ｙ₂ Ｏ₃ ）粉末を５重量％添加
した以外は実施例１〜３と同一条件でシート形成，パタ
ーン印刷，積層，焼結，めっき処理等を実施することに
より、それぞれ実施例４〜５に係る多層配線基板を製造
した。

【００３４】比較例１〜２ 実施例１〜３において、パッド部に厚さ２μｍのＮｉめ
っき層を形成した後における熱処理条件を表１に示すよ
うに変更した点以外は、実施例１〜３と同様な手順に従
って金めっき層の形成と半田層を介してプリント基板を
接合することにより、それぞれ比較例１〜２に係る電子
部品としてのＳｉ₃ Ｎ₄ 多層回路基板を調製した。

【００３５】上記のように調製した各実施例および比較
例に係る各多層回路基板について、各接合部の接合強度
を評価するため、接合部の剥離強度の平均値を測定し
た。なお剥離強度は従来例である比較例１の場合を基準
値１として相対的に表示した。

【００３６】また剥離強度測定後における半田層を研磨
し、その研磨面を写真撮影し、写真上に白色部として残
る未接合部（空孔）の面積率を画像解析により測定し
た。各測定結果を下記表１に示す。

【００３７】

【表１】

【００３８】上記表１に示す結果から明らかなように、
パッド部にＮｉめっき層を形成した後に熱処理を行い所
定の厚さ以上の拡散層を形成した各実施例に係る各Ｓｉ
₃ Ｎ₄ 多層回路基板においては、接合部の剥離強度が大
きく、優れた耐久性を有することが確認できた。また接
合部の未接合面積率も、従来の比較例と比較して大幅に
減少し、半田層内に発生する空孔や巣が大幅に減少した
ことが確認できた。

【００３９】すなわち、パッド部とＮｉめっき層との間
に０．５μｍ以上の厚さでＷとＮｉとから成る拡散層を
形成した各実施例においてはＷパッド部が緻密化され、
そこに半田層を介してプリント基板を接合した場合にお
いても、半田層に空孔がほとんど発生せず、信頼性が高
い接合構造が得られた。

【００４０】一方熱処理条件が不十分であり、拡散層の
厚さが不十分な比較例の場合においては、拡散層の厚さ
の減少に逆比例してボイドなどの発生量が増加し、接合
部における未接合部面積率が増加する傾向が確認でき
た。

【００４１】

【発明の効果】以上説明の通り、本発明に係る電子部品
によれば、タングステンを主成分とするパッド部とニッ
ケルめっき層との間に拡散層を形成しており、この拡散
層によってパッド部表面が緻密化されるとともに平滑化
されるため、このパッド部に半田層を介して他の部品を
接合した場合においても、溶融した半田が多孔質のパッ
ド部に吸い寄せられることが少なく、半田層内に空孔や
巣が発生することが効果的に防止できる。

【００４２】そのため、パッド部と他の部品との接合強
度が高くなり、電子部品に大きな熱サイクルが繰り返し
て作用した場合においても接合部の剥離や破損が生じに
くく、耐久性および信頼性に優れた電子部品を製造する
ことができる。

【００４３】特に発熱部品である半導体素子の高出力化
および高集積化が進行する状況にあって、半導体素子か
らの発熱量も急増する傾向にある。そのような半導体素
子を搭載する回路基板の耐久性および信頼性を高める上
で本発明に係る電子部品の構造は極めて有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る電子部品としての回路基板の一実
施例を模式的に示す断面図。

【図２】従来の電子部品としての回路基板の構成例を模
式的に示す断面図。

【符号の説明】

１，１ａ 電子部品（回路基板） ２ 半導体素子（Ｓｉチップ，ＬＳＩ） ３ 配線層 ４ セラミックス基板 ５ パッド部 ６ ニッケル（Ｎｉ）めっき層 ７ 金（Ａｕ）めっき層 ８ 電極部（表面配線層） ９ ボンディングワイヤ １０ 半田層 １１ 他の部品（プリント基板，リードフレーム） １２ 拡散層 １３ 空孔（ボイド，巣）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 タングステンを主成分とする配線層を有
   するセラミックス基板と、上記配線層の接続端部に、タ
   ングステンを主成分として形成されたパッド部と、この
   パッド部表面に形成されたニッケルめっき層とを備え、
   半田層を介して上記パッド部と他の部品とを接合した電
   子部品において、上記タングステンを主成分とするパッ
   ド部とニッケルめっき層との間に拡散層を形成したこと
   を特徴とする電子部品。
2. 【請求項２】 拡散層の厚さが０．５μｍ以上であるこ
   とを特徴とする請求項１記載の電子部品。
3. 【請求項３】 ニッケルめっき層表面に金めっき層を形
   成したことを特徴とする請求項１記載の電子部品。
4. 【請求項４】 セラミックス基板は、窒化アルミニウ
   ム，窒化けい素のいずれかを主成分とするセラミックス
   で形成されたことを特徴とする請求項１記載の電子部
   品。