JPH11103141A

JPH11103141A - 配線基板

Info

Publication number: JPH11103141A
Application number: JP26239697A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Sasaki; 康博佐々木; Shinya Terao; 慎也寺尾; Shoichi Nakagawa; 彰一仲川
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1997-09-26
Filing date: 1997-09-26
Publication date: 1999-04-13

Abstract

(57)【要約】【課題】絶縁基体に５０μｍ以上の厚い低抵抗配線導体
を設けても、該低抵抗配線導体との熱膨張差による絶縁
基体のクラックや、その進展による他の配線導体の断線
等が発生せず、低抵抗配線導体が絶縁基体から剥離して
それに接続された他の配線導体を断線したりせず、配線
導体の低抵抗化を実現して大電流化に適応した信頼性の
高い低抵抗配線導体を有する配線基板を得る。【解決手段】絶縁基体２と一体化した５０μｍ以上の厚
さを有する銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａ
ｌ）のいずれかを主成分とする低抵抗配線導体３が、Ｊ
ＩＳ−Ｃ２１４１の規定に準ずる気孔率が５〜２５％を
示す気孔を有するようにして配線基板１を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子が収容
搭載される半導体素子収納用パッケージや、半導体素子
の他にコンデンサや抵抗体等の各種電子部品が搭載され
る混成集積回路装置等で、大電流を流すことが可能な低
抵抗配線導体を有する配線基板に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体素子収納用パッケージや混
成集積回路装置等に用いられる配線基板は、一般にアル
ミナ質焼結体等の電気絶縁性のセラミック焼結体から成
る絶縁基体を用い、その上面の略中央部に設けた凹部周
辺から下面に、あるいはその内部及び表面に、タングス
テン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、マンガン（Ｍｎ）等
の高融点金属から成る複数の配線導体を配設すると共
に、各配線導体を絶縁基体内に設けた前記同様の高融点
金属から成るビアホール導体で接続した構造を成してい
る。

【０００３】そして、前述のように構成された配線基板
は、例えば半導体素子収納用パッケージに適用した場合
には、その絶縁基体の凹部底面に半導体素子をガラスあ
るいは樹脂、ロウ材等の接着剤を介して接着固定すると
共に、半導体素子の各電極が凹部周辺に位置する配線導
体にボンディングワイヤを介して電気的に接続され、金
属やセラミックス等から成る蓋体を前記凹部を塞ぐよう
に前記接着剤と同様の封止剤を介して接合し、絶縁基体
の凹部内に半導体素子を気密に収容することにより最終
製品としての半導体装置としていた。

【０００４】かかる半導体装置は、その絶縁基体に設け
た配線導体の一部に鉄−ニッケル（Ｆｅ−Ｎｉ）合金等
から成る外部リード端子が銀ロウ等のロウ材を介して接
着されており、該外部リード端子を外部電気回路に接続
することによって、半導体素子の各電極は配線導体、ボ
ンディングワイヤ及び外部リード端子を介して外部電気
回路に電気的に接続されている。

【０００５】しかしながら、前記従来の配線基板は、配
線導体及びビアホール導体を形成するＷやＭｏの電気抵
抗値が４〜８×１０^-6Ω・ｃｍと極めて高いため、配線
間の電気抵抗値を小さくして、例えば２５〜６０Ａもの
大電流を流せることが要求されるような配線基板、具体
的には昨今の配線導体のより低抵抗化が望まれている、
例えば、車載環境のような厳しい環境下で使用される各
種制御機器等をはじめとする用途には適用できなかっ
た。

【０００６】従って、前述のような用途に適用する配線
基板では、配線導体の抵抗値を低減して大電流を流せる
ようにするために、配線基板を構成する絶縁基体に銅
（Ｃｕ）や銀（Ａｇ）等を主成分とする導体材料で、厚
膜法や無電解メッキ法により配線導体を形成することが
行われていた。

【０００７】しかし、かかる配線導体では、配線の高密
度化のために配線パターンの線幅が配線基板の面積によ
り制限され、一定以上に幅広く形成することができず、
しかも、前記配線導体の形成方法では後の工程に悪影響
を及ぼさず短時間に低コストで充分な厚さの配線導体を
得ることが困難であり、前記低抵抗化を満足するもので
はなかった。

【０００８】そこで、配線導体の抵抗値を低減して大電
流を流せるようにするために、配線基板を構成する絶縁
基体に配線用空間部や溝を形成し、該配線用空間部や溝
に電気抵抗値の低い銅（Ｃｕ）や銀（Ａｇ）等の低融点
金属から成る導体材料を厚く充填して低抵抗配線導体と
したものが提案されている（特開平５−２１６３５号公
報、特開昭６３―１９４号公報参照）。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記低
抵抗配線導体を、例えば５０μｍ以上に所定パターンで
厚く充填したセラミックグリーンシートを焼成したり、
焼成したセラミック絶縁基板に充填して焼成一体化した
りして配線基板とする際、低抵抗配線導体と絶縁基体と
の間に両者の熱膨張差に起因する熱応力が発生し、特
に、低抵抗配線導体端部近傍のセラミックスに応力が集
中して大きな残留応力となり、その結果、配線基板に外
力や熱衝撃力が加わると前記残留応力と相まって極めて
大となり、前記絶縁基体にクラックを発生させたり、該
クラックが進展したりして他の配線導体を断線したり、
前記絶縁基体の配線用空間部や溝に充填して形成した低
抵抗配線導体が、該配線用空間部や溝から剥離して低抵
抗配線導体に接続された他の配線導体と断線する恐れが
ある等の課題があった。

【００１０】

【発明の目的】本発明は、前記課題を解消せんとして成
されたもので、その目的は絶縁基体に５０μｍ以上の厚
さを有する低抵抗配線導体を設けても、該低抵抗配線導
体との熱膨張差による絶縁基体のクラックや、該クラッ
クの進展による他の配線導体の断線等が発生せず、更
に、低抵抗配線導体が絶縁基体の配線用空間部や溝から
剥離したりせず、従って低抵抗配線導体に接続された他
の配線導体を断線したりすることがなく、配線導体の低
抵抗化を実現して大電流を流すことが可能な信頼性の高
い低抵抗配線導体を有する配線基板を提供することにあ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、前記目的
を達成するために鋭意検討した結果、低抵抗配線導体を
絶縁基体と一体化した配線基板において、厚さが５０μ
ｍ以上の低抵抗配線導体が一定範囲の気孔を有するもの
とすることにより、絶縁基体のクラックや低抵抗配線導
体が絶縁基体に設けた配線用空間部や溝から剥離する等
の前記課題が解消できることを知見し、本発明に至っ
た。

【００１２】即ち、本発明の配線基板は、複数のセラミ
ック絶縁層から成る絶縁基体と一体化した５０μｍ以上
の厚さを有する銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム
（Ａｌ）のいずれかを主成分とする低抵抗配線導体が、
ＪＩＳ−Ｃ２１４１に規定の気孔率で５〜２５％の気孔
を有することを特徴とするものである。

【００１３】

【作用】本発明の配線基板によれば、絶縁基体と一体化
した厚さ５０μｍ以上の銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、アル
ミニウム（Ａｌ）のいずれかを主成分とする低抵抗配線
導体をＪＩＳ−Ｃ２１４１に規定の気孔率で５〜２５％
の気孔を有するものとしたことから、前記低抵抗配線導
体のヤング率が該気孔の存在により、例えば緻密な銅
（Ｃｕ）のヤング率が１３０ＧＰａに対して５０〜１１
０ＧＰａ程度と小さく変形しやすいものとなり、その結
果、絶縁基体と低抵抗配線導体とを焼成一体化する際、
両者間に熱膨張率の相違に起因する熱応力が発生したと
しても、その熱応力は低抵抗配線導体が変形することに
より有効に吸収され、絶縁基体及び低抵抗配線導体に応
力が残留することがほとんどない。

【００１４】従って、熱応力が関与する前記課題は全て
解消することになり、絶縁基体のクラックや低抵抗配線
導体が絶縁基体の配線用空間部や溝から剥離して該低抵
抗配線導体に接続された他の配線導体を断線することも
なく、配線導体の低抵抗化を実現して大電流を流すこと
が可能な接続信頼性の高い低抵抗配線導体を有する配線
基板を得ることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の配線基板を図面に
基づき詳細に説明する。

【００１６】図１は、本発明の配線基板を気孔を有する
低抵抗配線導体を含む断面で切断した斜視図である。

【００１７】図において、１は絶縁基体２と表層に気孔
を有する低抵抗配線導体３とを設けた配線基板である。

【００１８】配線基板１の表層に形成された気孔を有す
る低抵抗配線導体３は、絶縁基体２の内部に設けたビア
ホール導体４から絶縁基体２の内部の配線導体５に、更
に配線導体５からビアホール導体６に接続することによ
り絶縁基体２の他方の面に導出されている。

【００１９】次に本発明の配線基板において、低抵抗配
線導体を構成する導電材料は、低抵抗で大電流を流すこ
とができる銅（Ｃｕ）や銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａ
ｌ）を主成分とするものが挙げられ、特に熱伝導性に優
れ、加工が容易で安価である等の点からは銅（Ｃｕ）を
主成分とするものが最適である。

【００２０】そして、本発明において前記低抵抗配線導
体には気孔が形成されていることが必要であり、該気孔
はＪＩＳ−Ｃ２１４１に規定に準じる気孔率が５％未満
であると、低抵抗配線導体３のヤング率が十分に低くな
らず、絶縁基体２と低抵抗配線導体３との間に発生する
熱応力を吸収することができず、また２５％を越えると
低抵抗配線導体３の電気抵抗が大きなものとなり、半導
体素子と外部電気回路との電気的接続を良好に行うこと
ができなくなる。

【００２１】従って、前記低抵抗配線導体３に形成され
る気孔はＪＩＳ−Ｃ２１４１に規定の気孔率で５〜２５
％の範囲に限定される。

【００２２】また、前記低抵抗配線導体３に形成される
気孔は、直径が３０μｍを越えると低抵抗配線導体３の
単位体積当たりの密度のばらつきが大きなものとなり、
低抵抗配線導体３の電気抵抗が部分的に大きな部分を生
じて半導体素子と外部電気回路との電気的接続を良好に
行うことができなくなる恐れがあるため、前記低抵抗配
線導体３に形成される気孔の直径は３０μｍ以下とする
ことが望ましい。

【００２３】尚、前記低抵抗配線導体３に形成される気
孔は、例えば低抵抗配線導体３となる導電材ペースト中
に直径が２〜２０μｍ程度のアクリル樹脂粉末や炭素粉
末等を予め適量添加混合したり、あるいは導電材を粒度
配合して調製した導電材ペーストをセラミックグリーン
シートに印刷充填するか、あるいはセラミック焼成体に
設けた配線用空間部や溝に充填した後、焼成一体化する
ことにより低抵抗配線導体３中に形成される。

【００２４】また、本発明における低抵抗配線導体３の
厚さは、低抵抗配線導体３の低抵抗化を図り、かつ前記
大電流を流せて前記課題を解消するためにはその厚さは
５０μｍ以上が必要となる。

【００２５】また、図２は本発明の配線基板の他の実施
例を示す断面図であり、配線基板１は一方の表面に気孔
を有する低抵抗配線導体３を配設し、低抵抗配線導体３
は絶縁基体２に設けたビアホール導体７から配線導体８
に、更に配線導体８から絶縁基体２の他方の面に導出さ
れるビアホール導体９に接続されたものである。

【００２６】次に、図３は本発明の配線基板の他の実施
例を示す断面図であり、配線基板１は絶縁基体２の一方
の表層に気孔を有する低抵抗配線導体３を複数配設し、
低抵抗配線導体３から絶縁基体２の他方の面にサーマル
ビアを兼ねたビアホール導体１０が導出されて表面に形
成された配線導体１１に接続されたものである。

【００２７】更に、図４は本発明の配線基板の他の実施
例を示す断面図であり、配線基板１は気孔を有する低抵
抗配線導体３が絶縁基体２の内部に埋設されており、低
抵抗配線導体３はそれぞれの面に接続されたビアホール
導体１２又は１３によりいずれかの表面に導出されたも
のである。

【００２８】尚、前記ビアホール導体はタングステン
（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）、レニウムＲｅ）、コバル
ト（Ｃｏ）等の高融点金属を主成分とするものが適用で
き、特に絶縁基体との熱膨張率の整合性及びコストの点
からはＭｏが好適である。

【００２９】一方、配線導体については、セラミックス
から成る絶縁基体と配線導体を同時焼成で形成する場
合、前記ビアホール導体と同様の高融点金属が使用で
き、更に熱伝導性や配線の低抵抗化が必要とされる場
合、ポストファイヤー法やメッキ法により銅（Ｃｕ）や
銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）
等で形成することができ、前記同時焼成の場合には焼成
温度と融点の関係からＷが、ポストファイヤー法やメッ
キ法で形成する場合には、電気特性上、Ｃｕが好適とな
る。

【００３０】また、前記ビアホール導体は、表面実装さ
れたパワーＭＯＳＦＥＴ等からの発熱を熱伝導により表
層に形成された低抵抗配線導体と接続することで、該低
抵抗配線導体とヒートシンクの効果を奏するものであ
る。

【００３１】また、前記絶縁基体は一般に配線基板に適
用されるアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）や窒化アルミニウム
（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）等を主成分とする
セラミック焼結体であればいずれにも適用できるが、と
りわけアルミナ質焼結体から成るものが望ましく、例え
ばアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、シリカ（ＳｉＯ₂）、マグ
ネシア（ＭｇＯ）、カルシア（ＣａＯ）等の原料粉末に
周知の有機性バインダーと有機溶剤、可塑剤、分散剤等
を添加混合して調製した泥漿を、周知のドクターブレー
ド法やカレンダーロール法等のシート成形法により成形
したセラミックグリーンシートに所定の打ち抜き加工を
施すと共にこれを複数枚積層し、約１６００℃の温度で
焼成することにより得られる。

【００３２】更に、本発明の配線基板に大電流を必要と
するパワーＭＯＳＦＥＴ等を表面実装する際、パワーＭ
ＯＳＦＥＴ用配線にも低抵抗の配線導体を形成しておく
と共に、前述のようにパワーＭＯＳＦＥＴが表面実装さ
れる部分にサーマルビアを兼用したビアホール導体を多
数設け、低抵抗配線導体のヒートシンク作用と併用して
熱放散性を向上させることが望ましい。

【００３３】

【実施例】次に、本発明の配線基板を以下に詳述するよ
うにして評価した。先ず、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、Ｍｇ
Ｏ、ＣａＯ等の原料粉末にアクリル系の有機性バインダ
ーと可塑剤、溶剤を添加混合して泥漿を調製し、該泥漿
をドクターブレード法により厚さ約３００μｍのシート
状に成形した。

【００３４】次いで、前記セラミックグリーンシートの
所定位置に打ち抜き加工を施して低抵抗配線導体用空間
部とビアホールをそれぞれ形成した後、Ｗを主成分とす
る印刷用ペーストを用いて所定の配線パターンを印刷形
成すると共に、ビアホールにも所定のペーストを充填し
た。

【００３５】その後、前記低抵抗配線導体用空間部を有
するセラミックグリーンシートを表層とし、それらを所
定の厚さとなるように複数枚積層した後、それに続いて
表面に配線パターンを有し、ビアホールに所定のペース
トを充填した他のセラミックグリーンシートを複数枚積
層後、約１６００℃の温度で焼成一体化して縦５０ｍ
ｍ、横５ｍｍ、深さがそれぞれ０．１、０．５、１．０
ｍｍの低抵抗配線導体用空間を有する絶縁基体を作製し
た。

【００３６】かくして得られた絶縁基体の低抵抗配線導
体用空間部に、低抵抗配線導体として、所定の気孔率と
なるよう粒度配合したＣｕ、Ａｇ、Ａｌ各粉末をそれぞ
れ充填して加熱融着させ、評価用の配線基板を作製し
た。

【００３７】尚、前記低抵抗配線導体用空間部に気孔を
有しない緻密な銅板を接合させたものを比較例とした。

【００３８】一方、低抵抗配線導体の気孔率は、各導体
材料に溶媒を添加したものを縦２０ｍｍ、幅５ｍｍ、深
さ５ｍｍの凹部を有する型に充填した後、乾燥して前記
溶媒を揮散させてから評価用の配線基板を作製するのと
同一条件で焼成した焼結体を用い、各５個についてＪＩ
Ｓ−Ｃ２１４１に準じてアルキメデス法により測定し
た。

【００３９】次いで、前記評価用の配線基板を用いて−
６５℃と１５０℃の温度をそれぞれ１０分間加える履歴
を１サイクルとする冷熱サイクルを３０００サイクルま
で実施して液槽熱衝撃信頼性試験を行った。

【００４０】前記試験後、デジタルマイクロスコープを
用いて前記評価用の配線基板の絶縁基体と低抵抗配線導
体の界面及び、熱応力が最も集中する低抵抗配線導体用
空間部に相当する絶縁基体の四隅を外観検査し、前記低
抵抗配線導体のクラックや剥離、あるいは絶縁基体のク
ラック等の欠陥の有無を調査した。

【００４１】その後、前記評価用の配線基板の低抵抗配
線導体の中央部に直径が０．８ｍｍの銅線を半田で接合
し、１０ｍｍ／ｍｉｎの速度で引っ張り試験を行い、破
断モードと接合強度を測定した。

【００４２】一方、前記評価用の配線基板の配線導体の
導通評価は、先ず、低抵抗配線導体と該低抵抗配線導体
と接続し、絶縁基板の他方の表面に導出した配線導体と
の間で四端子法により抵抗を測定して初期抵抗とし、該
初期抵抗値が銅固有の抵抗値に対して、１．５倍以下を
優、１．５倍を越え２倍以下を良、２倍より大きい値を
示すものを不良と評価した。

【００４３】次いで、６０Ａの電流を１分間通電して遮
断するのを１サイクルとする通電サイクル試験を３００
００サイクル実施し、通電サイクル試験後の抵抗値を測
定して前記初期抵抗値に対する抵抗変化率を算出し、該
抵抗変化率が５％以下を優、６〜１５％を良、１６％以
上を不良と評価した。

【００４４】

【表１】

【００４５】表から明らかなように、比較例の試料番号
３７、３８では低抵抗配線導体の剥離、あるいは絶縁基
板のクラック等の欠陥が認められ、通電サイクル試験で
導通不良を起こしており、また、本発明の請求範囲外で
ある試料番号１、８、１５、２２でも低抵抗配線導体の
剥離が認められると共に、いずれも接合強度が著しく劣
化しており、同じく試料番号７、１４、２１、２８では
いずれも初期抵抗値が大きく低抵抗配線導体としては不
適当であることが認められた。

【００４６】それに対して本発明では、いずれも低抵抗
配線導体のクラックや剥離、あるいは絶縁基板のクラッ
ク等の欠陥は認められず、接合強度も７．８ｋｇｆ以上
と高く、６０Ａもの大電流にも充分対応可能であること
が確認できた。

【００４７】尚、本発明の実施例は低抵抗配線導体を絶
縁基体の表層に形成した配線基板で説明したが、本発明
はこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱
しない範囲であれば種々の変更が可能であり、例えば、
既に記述したように前記低抵抗配線導体を絶縁基体内部
に埋設して配線基板としたものにも適用し得るものであ
る。

【００４８】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の配線基板
によれば、絶縁基体に気孔率が５〜２５％を示す厚さ５
０μｍ以上の低抵抗配線導体を一体化したことから、配
線基板を構成する絶縁基体や該絶縁基体と一体化した低
抵抗配線導体自体にもクラックが発生したり、該低抵抗
配線導体が絶縁基体から剥離したりすることがなく、従
って低抵抗配線導体に直接接続された配線導体や他の配
線導体にも断線等が起こらず、しかも低抵抗配線導体を
厚く形成することが可能となり、高密度化と共に低抵抗
化が実現でき、大電流に適応し得る信頼性に優れた、例
えば、車載環境のような厳しい環境下においても故障す
ることなく稼働させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の配線基板を気孔を有する低抵抗配線導
体を含む断面で切断した一実施例を示す斜視図である。

【図２】本発明の配線基板の他の実施例を示す断面図で
ある。

【図３】本発明の配線基板の他の実施例を示す断面図で
ある。

【図４】本発明の配線基板の他の実施例を示す断面図で
ある。

【符号の説明】

１配線基板２絶縁基体３低抵抗配線導体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁基体と一体化した厚さ５０μｍ以上の
銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）のいず
れかを主成分とする低抵抗配線導体を有する配線基板で
あって、前記低抵抗配線導体はＪＩＳ−Ｃ２１４１に規
定の気孔率で５〜２５％の気孔を有することを特徴とす
る配線基板。