JP2000022017A

JP2000022017A - セラミック配線基板およびその実装構造

Info

Publication number: JP2000022017A
Application number: JP10188940A
Authority: JP
Inventors: Masaya Kokubu; 正也國分; Masahiko Azuma; 昌彦東; Hideto Yonekura; 秀人米倉; Koichi Nagata; 公一永田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-07-03
Filing date: 1998-07-03
Publication date: 2000-01-21

Abstract

(57)【要約】【課題】ガラスセラミックスを絶縁基板とする配線基板
を、有機樹脂を含む絶縁基体表面に配線層が被着形成さ
れた外部回路基板にロウ付けにより実装する際に、強固
にかつ長期にわたり安定した接続状態を維持できる高信
頼性のセラミック配線基板とその実装構造を提供する。【解決手段】ガラスセラミックスからなる絶縁基板１
と、絶縁基板１の表面あるいは内部に形成された低抵抗
金属からなる配線回路層４と、絶縁基板１の底面に形成
された複数の接続パッド５とを具備するセラミック配線
基板Ａを、有機樹脂を含む絶縁基体７表面に配線層８が
被着形成された外部回路基板Ｂに対して、接続パッド５
と配線層８とを球状のロウ材からなる接続端子６によっ
て電気的に接続してなるセラミック配線基板の実装構造
において、接続パッド５のパッド径ｘが、隣接する接続
パッド５の中心間距離ｙの５５〜６５％となるように形
成する。なお、絶縁基板１と、絶縁基体７との熱膨張差
が１〜８ｐｐｍ／℃であることが望ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、表面実装型のセラ
ミック配線基板と、その配線基板を有機樹脂を含有する
外部回路基板の表面にロウ付け実装するのに適した実装
構造に関する。

【０００２】

【従来技術】近年、半導体実装基板の小型化のための配
線の高密度化、信号伝搬特性の向上のための低誘電率化
および配線の低抵抗化の要求から、これらの要求を満足
するガラスセラミックスを絶縁基板とする配線基板の需
要が高まっている。このガラスセラミックスによる配線
基板は、ガラス、あるいはガラスとセラミックフィラー
との混合物を成形後、銅などの低抵抗金属を含有するペ
ーストを配線パターンに印刷した後、９００〜１２００
℃の低温で同時焼成することにより作製されるものであ
る。

【０００３】また、半導体実装基板の小型化、高密度化
のために配線基板の実装構造もＱＦＰ（クワッドフラッ
トパッケージ）やＰＧＡ（ピングリッドアレイ）のよう
なリードやピンで接続される実装構造からＢＧＡ（ボー
ルグリッドアレイ）やＣＳＰ（チップサイズパッケー
ジ）といったパッケージ形態に変換しつつある。

【０００４】前記ＢＧＡ、ＣＳＰは、（１）外部回路基
板に対して表面実装ができ、（２）多ピン化が容易であ
り、（３）電気特性が良い、という特長を持つ。（１）
（２）は外部端子を配線基板の裏面に配置することによ
り表面実装が可能であり、２５ｍｍ角の配線基板で比較
すると、ＱＦＰが２００〜２３０ピン程度であるのに対
し、ＢＧＡでは、３００〜３５０ピンが可能である点で
高密度配線化に優れている。（３）の電気特性が良いの
は、同じピン数のＱＦＰやＰＧＡよりも配線基板自体を
小型化できる結果、配線距離が短くできることによるも
のである。

【０００５】このＢＧＡ、ＣＳＰは、通常、配線基板の
裏面に接続パッドが被着形成され、この接続パッドは、
絶縁基板の内部や表面に形成された配線回路層によって
配線基板に収容されている半導体素子や電子部品と電気
的に接続されている。そして、この接続パッドには半田
などのロウ材からなる球状の接続端子がロウ付けされて
いる。

【０００６】このような配線基板を、配線層が表面に形
成された外部回路基板に実装するには、配線基板の球状
端子を外部回路基板の配線層上に載置当接させ、しかる
後、前記球状端子を約２００〜４００℃の温度で加熱溶
融して、接続パッドと配線層とを電気的に接続させるこ
とによって実装される。

【０００７】なお、上記ＢＧＡやＣＳＰ構造の従来のセ
ラミック配線基板では、絶縁基板を構成するセラミック
スは、一般に熱膨張係数が５〜７ｐｐｍ／℃であり、配
線基板底面に形成された接続パッドのパッド径は、隣接
する接続パッドとの中心間距離の約５０％程度に設計さ
れている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】有機樹脂を含む絶縁基
体表面に配線層が形成された外部回路基板に、従来のＢ
ＧＡやＣＳＰ構造のセラミック配線基板を表面実装した
場合、半導体素子の作動時に発する熱がセラミック配線
基板と外部回路基板の両方に繰り返し印加されると、前
記セラミック配線基板と外部回路基板との熱膨張係数差
により応力が発生するという問題がある。

【０００９】この応力は、前記セラミック配線基板と外
部回路基板とのロウ材による接合部に集中し、接続端子
がセラミック配線基板から剥離し、外部回路基板との長
期にわたる安定した電気的接続状態が維持できないとい
う欠点があった。

【００１０】また、従来の配線基板においては、外部回
路基板との長期にわたる電気的接続信頼性を高める上で
は、接続パッド径を大きくすることが望ましいが、接続
パッド径を大きくすると、外部回路基板とのロウ材によ
る接続において、接続パッド間が短絡する虞があるため
に、接続パッド径を大きくするにも限界がある。

【００１１】従って、本発明は、ガラスセラミックスを
絶縁基板とする配線基板を、有機樹脂を含む絶縁基体表
面に配線層が被着形成された外部回路基板にロウ付けに
より実装する際に、強固にかつ長期にわたり安定した接
続状態を維持できる高信頼性のセラミック配線基板と、
その実装構造を提供することを目的とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の課
題に対して検討を重ねた結果、セラミック配線基板にお
ける接続パッドのパッド径を、隣接する接続パッドの中
心間距離に対して所定の関係になるように調整すると同
時に、配線基板における接続パッド形成領域面積に対す
る接続パッドの面積比率を特定の比率に限定することに
より、熱膨張差に起因する応力に対して優れた耐久性を
付与することができ、外部回路基板に対する実装の長期
信頼性を向上できることを見いだし本発明に至った。

【００１３】即ち、本発明は、ガラスセラミックスから
なる絶縁基板と、該絶縁基板の表面あるいは内部に形成
された低抵抗金属からなる配線回路層と、前記絶縁基板
の底面に形成された複数の接続パッドと、該接続パッド
に接続されたロウ材からなる接続端子を具備するセラミ
ック配線基板に関し、前記接続パッドのパッド径を隣接
する接続パッド間距離の５５〜６５％に設定するととも
に、配線基板における接続パッド形成領域面積に対する
全接続パッドの面積が２０％以上となるように設定した
ことを特徴とするものである。

【００１４】また、本発明のセラミック配線基板の実装
構造は、ガラスセラミックスからなるセラミックス絶縁
基板と、該絶縁基板の表面あるいは内部に形成された低
抵抗金属からなる配線回路層と、前記絶縁基板の底面に
形成された複数の接続パッドとを具備するセラミック配
線基板を、有機樹脂を含む絶縁基体表面に配線層が被着
形成された外部回路基板に対して、前記接続パッドと前
記配線層とをロウ材からなる接続端子によって電気的に
接続してなるものであって、セラミック配線基板におけ
る前記接続パッドのパッド径を隣接する接続パッドの中
心間距離の５５〜６５％に設定するとともに、配線基板
における接続パッド形成領域面積に対する全接続パッド
の面積が２０％以上となるように設定したことを特徴と
するものである。

【００１５】なお、かかる実装構造は、前記絶縁基板
と、前記外部回路基板における絶縁基体との熱膨張差が
１〜８ｐｐｍ／℃である場合において好適である。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明を一実施例を示す添
付図面に基づき詳細に説明する。図１は、本発明におけ
るセラミック配線基板の典型的な応用例として、ＢＧＡ
型の半導体素子収納用パッケージ（以下、単にＢＧＡ型
パッケージという。）とその実装構造の一実施例を示す
概略断面図であり、ＡはＢＧＡ型パッケージ、Ｂは外部
回路基板をそれそれ示す。

【００１７】図１のＢＧＡ型パッケージＡによれば、絶
縁基板１の表面には、半導体素子２が実装されており、
この半導体素子２は、絶縁基板１の表面に接合された蓋
体３によって気密に封止されている。また絶縁基板１の
表面には、配線回路層４が被着形成され、半導体素子２
とワイヤボンディング、リボン、フリップチップ、スタ
ッドバンプボンディング等の手法によって電気的に接続
されている。

【００１８】また、絶縁基板１の底面には、複数の接続
パッド５が設けられており、この接続パッド５は、絶縁
基板１の内部に形成された配線回路層４を経由して半導
体素子２と電気的に接続されている。

【００１９】接続パッド５は、銀、銅、白金、パラジウ
ムのうちの少なくとも１種を含有する導体によって形成
されており、この接続パッド５には、鉛、錫、銅、銀、
アンチモンの少なくとも１種を含有するボール状のロウ
材からなる接続端子６が取り付けられている。

【００２０】上記パッケージＡにおいて、絶縁基板１
は、ガラスセラミックスを絶縁基板とするものである。
このガラスセラミックスは、例えば、硼珪酸系ガラス、
アルカリ珪酸系ガラス等のガラス粉末、あるいはこのガ
ラス粉末に、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ムライト、Ａｌ
Ｎ、Ｓｉ₃Ｎ₄、フォルステライトなどのセラミックフ
ィラーを適宜添加混合したものを成形し、９００〜１２
００℃の温度で焼成することによって作製されたもので
ある。

【００２１】また、配線回路層４は、銅、銀、金等の低
抵抗金属から構成されるものであって、前記ガラスセラ
ミックスからなる絶縁基板と同時焼成して形成すること
ができる。

【００２２】一方、外部回路基板Ｂによれば、絶縁基体
７の少なくとも表面に配線層８が被着形成されており、
絶縁基体７は、少なくとも有機樹脂を含む絶縁材料から
なる。具体的には、ガラス−エポキシ系複合材料などの
ように４０〜４００℃の線熱膨張係数が１２〜１６ｐｐ
ｍ／℃の特性を有し、一般にはプリント基板等が用いら
れる。

【００２３】また、この外部回路基板Ｂの表面に形成さ
れる配線層８は、絶縁基体７との熱膨張係数の整合性
と、良電気伝導性の点で、通常、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａ
ｌ、Ｎｉ、Ｐｂ−Ｓｎなどの金属導体から構成される。

【００２４】ＢＧＡ型パッケージＡを外部回路基板Ｂに
実装するには、パッケージＡの絶縁基板１下面の接続端
子６を外部回路基板Ｂの配線層８上に載置当接させ、し
かる後、約２５０〜４００℃の温度に加熱して、ロウ材
からなる接続端子６を一部溶融させることにより実装さ
れる。この時、配線層８の表面には接続端子６との接続
を容易に行うために予めロウ材が被着形成されているこ
とが望ましい。

【００２５】本発明によれば、このような外部回路基板
Ｂの表面に実装される半導体素子用パッケージなどの配
線基板における絶縁基板１として、４０〜４００℃の温
度範囲における線熱膨張係数が９〜１８ｐｐｍ／℃、特
に９〜１４ｐｐｍ／℃の焼結体を用いることが重要であ
る。これは、前述した外部回路基板Ｂとの熱膨張差によ
り熱応力の発生を緩和し、外部回路基板Ｂとパッケージ
Ａとの電気的接続状態を長期にわたり良好な状態に維持
するために重要であり、この線熱膨張係数が９ｐｐｍ／
℃より小さいか、あるいは１８ｐｐｍ／℃より大きい
と、いずれも熱膨張差に起因する熱応力が大きくなり、
外部回路基板ＢとパッケージＡとの電気的接続状態が悪
化することを防止することができない。

【００２６】本発明によれば、図２の要部拡大図に示す
ように、パッケージＡの接続パッド５の径ｘが隣り合う
接続パッド５の中心間距離ｙの５５〜６５％、特に５８
〜６２％とすることにより、パッケージＡと外部回路基
板Ｂとの接合界面に熱膨張差による応力が集中しても長
期にわたる強固で良好な電気的実装信頼性が得られる。

【００２７】この接続パッド５の径ｘが接続パッド５の
中心間距離ｙの５５％未満では、実装信頼性が低下し、
６５％よりも大きいと、接続パッド５間でショートする
虞があるためである。

【００２８】なお、接続パッド５は、円形の場合、径ｘ
はパッドの直径であり、接続パッド間５の距離ｙは、接
続パッドの中心間距離となるが、接続パッド５が四角形
状など矩形状である場合には、最大径（例えば、正方形
の場合は対角線となる）を意味し、また、接続パッドの
中心間距離ｙは、矩形状の対角線の交点（中心）間距離
を意味する。

【００２９】また、本発明によれば、上記セラミック配
線基板の底面に形成された複数の接続パッド５の接続パ
ッド形成領域面積に対する全接続パッドの面積が２０％
以上、特に２５〜３０％であることも重要である。即
ち、かかる面積比率は、接続パッドによる配線基板と外
部回路基板との実効接続面積比率を示すものであって、
かかる比率が２０％よりも小さいと、外部回路基板との
実効接続面積比率が小さく、外部回路基板との強固な接
続が達成されず、実装の長期信頼性に劣るものとなる。

【００３０】なお、上記接続パッド形成領域面積Ｓ
₀は、例えば、図３に示すように、パッケージＡの底面
のほぼ全面に接続パッドが形成された場合、その接続パ
ッド形成領域の外側を囲む領域（斜線部分）の面積を意
味し、図４に示すように、パッケージＡの底面の一部に
接続パッドが形成された場合には、実質的に接続パッド
が密に形成された領域の外側を囲む領域（斜線部分）の
面積を意味するものである。

【００３１】また、本発明の実装構造において、パッケ
ージＡと外部回路基板Ｂとの実装の信頼性を高める上で
は、前記熱膨張差は２ｐｐｍ／℃以下、特に１ｐｐｍ／
℃以下であることが望ましいが、本発明の上記の接続パ
ッド５の径、距離ｙとの関係は、上記熱膨張差が１ｐｐ
ｍ／℃以下の場合には、応力自体が小さいために比較的
に優れた実装信頼性が発揮されるが、熱膨張差が１ｐｐ
ｍ／℃以上、特に２ｐｐｍ／℃以上と大きくなるに従い
応力が発生するが、本発明の上記構成によって熱膨張差
に起因する応力に対しても高い耐久性をもって実装状態
を維持することできる。

【００３２】但し、熱膨張差が５ｐｐｍ／℃、特に８ｐ
ｐｍ／℃よりも大きくなると、熱膨張差に起因する応力
も非常に大きくなり、本発明による接続パッド５の配置
でも十分に応力を吸収できない場合がある。よって、本
発明の実装構造は、パッケージＡにおける絶縁基板１と
外部回路基板Ｂにおける絶縁基体７との４０〜４００℃
における熱膨張係数の差が１〜８ｐｐｍ／℃、特に２〜
５ｐｐｍ／℃である場合において効果が発揮される。

【００３３】また、接続パッド５における応力を緩和す
る上では、接続パッド５は、銅を主体とする導体から形
成されていることが望ましく、また、接続端子６は、錫
（半田）を主体とするロウ材から形成されていることが
望ましい。

【００３４】さらに、この接続パッド５の厚さは５〜２
０μｍが適当である。即ち、この厚さが５μｍよりも薄
いと、接続パッドの強度劣化が発生しやすく、２０μｍ
よりも厚いと製造上困難となるためである。なお、この
接続パッド５の表面には、ロウ材との濡れ性を高めるた
めに、Ｎｉ、Ａｕ、錫、銅などのメッキ層を０．１〜１
０μｍの厚みで形成することが望ましい。

【００３５】なお、接続パッド５への接続端子６の形成
としては、接続パッド５に対して、高融点半田（例え
ば、Ｐｂ：Ｓｎ＝１０：９０）からなる球状の接続端子
を低融点半田（例えば、Ｐｂ：Ｓｎ＝３７：６３）によ
って接続したものであってもよい。そしてかかる接続端
子を低融点半田によって外部回路基板の配線層に接続す
ることにより、パッケージＡを外部回路基板Ｂに実装す
ることができる。

【００３６】

【実施例】実施例１リチウム珪酸系ガラスに対して、ＳｉＯ₂（石英）を４
０重量％の割合で添加したガラスセラミック組成物をド
クターブレード法によって種々の大きさのシート状成形
体を作製した。その後、このシート状成形体にスルーホ
ールを形成して銅ペーストを充填後、さらにシート状成
形体の表面に銅ペーストを配線パターン状に印刷塗布し
た。また、パッケージの底面に位置するシート状成形体
に対しては、銅ペーストを用いて所定の大きさの接続パ
ッドを印刷塗布した。そして、それらのシート状成形体
を複数層積層圧着した後、９５０℃の窒素雰囲気中で同
時焼成してパッケージ用の配線基板を作製した。なお、
この配線基板における絶縁基板の４０〜４００℃におけ
る熱膨張係数は１１．５ｐｐｍ／℃であった。また、パ
ッケージ用配線基板における接続パッドの厚さは１２μ
ｍであった。

【００３７】そして、上記配線基板の接続パッドに４μ
ｍのＮｉ−Ａｕメッキを施した後に接続パッドに、低融
点半田からなるロウ材を用いてパッド径に応じて直径が
０．３〜１．０ｍｍの球状の低融点半田からなる接続端
子を載置し、２３０℃で加熱溶融し、接続パッドに接続
端子を接続した。

【００３８】一方、外部回路基板Ｂとして、ガラスエポ
キシ複合材料からなる絶縁基体の表面に銅からなる配線
層を設けたプリント基板を用いた。このプリント基板に
おける絶縁基体の４０〜４００℃における熱膨張係数は
１５ｐｐｍ／℃であった。

【００３９】しかる後、外部回路基板Ｂの配線層に、低
融点半田からなるロウ材を塗布した後、パッケージＡの
接続端子と配線層とが接触するように、パッケージＡを
外部回路基板上に載置した後、２３０℃に加熱溶融して
パッケージＡと外部回路基板Ｂとを固定実装した。

【００４０】次にこの実装構造体を大気雰囲気にて−４
０℃と１２５℃の各温度に制御された温度槽に各３０分
の保持を１サイクルとして最高２０００サイクル繰り返
した。そして、１００サイクル毎に接続端子と外部電気
回路Ｂの配線層との電気抵抗を測定し、電気抵抗が初期
値に対して２５％上昇するまでのサイクル数を表１に示
した。結果は、表１に示した。

【００４１】

【表１】

【００４２】表１より明らかなように、パッケージの絶
縁基板と、外部回路基板の絶縁基体との熱膨張差が３．
５ｐｐｍ／℃の場合、接続パッドの径ｘが隣り合う接続
パッド間距離ｙの５５％よりも小さく、あるいはＳ／Ｓ
₀比が２０％よりも小さい試料Ｎo.１、２、７、８、１
３、１４では、１０００サイクル未満で抵抗変化が見ら
れ、ｘ／ｙ比が６５％よりも大きい試料Ｎo.６，１２，
１８では、隣り合う端子との短絡が顕著となった。

【００４３】このことから、それぞれのパッケージサイ
ズにおいて、パッケージＡの接続パッドの径ｘの隣り合
う接続パッド中心間距離ｙとの比ｘ／ｙが５５％以上お
よび接続パッド形成領域面積Ｓ₀に対する接続パッド総
面積の比率Ｓ／Ｓ₀を２０％以上とすることにより温度
サイクルに対する耐久性が向上するが、ｘ／ｙが６５％
を超えると接続パッド間での短絡が多発することから、
本発明の構成によって温度サイクルに対する耐久性が向
上し、また、隣り合う端子との短絡も非常にわずかであ
り、長期間にわたり正確且つ強固に電気的に接続させる
ことが可能となり、実装基板の大型化、多端子化に十分
対応できる配線基板の実装構造が実現できることがわか
る。

【００４４】実施例２パッケージ用絶縁基板を形成するガラスセラミックス、
外部回路基板の絶縁基体との熱膨張係数が表２に示すよ
うな関係とする以外は、全く実施例１と同様にして配線
基板を外部回路基板に実装した。そして、実施例１と同
様にして熱サイクル試験を行い、評価を行い、結果を表
２に示した。

【００４５】

【表２】

【００４６】表２に示すように、試料Ｎo.１９〜２２、
Ｎo.２３〜２６、Ｎo.２７〜３０を比較すると、熱膨張
差Δαが小さいほど、発生する応力が小さくなるため
に、温度サイクルに対する耐久性も向上することから、
ｘ／ｙ比が５５％未満あるいはＳ／Ｓ₀比が２０％未満
でも比較的高い実装信頼性が発揮されるが、熱膨張差が
８ｐｐｍ／℃よりも大きくなると、熱膨張差に起因する
応力も非常大きくなり、接続パッド５の改善によって温
度サイクルに対する耐久性は向上できるが、熱膨張差が
８ｐｐｍ／℃以下の場合よりも温度サイクルに対する耐
久性の劣化がみられた。

【００４７】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の実装構造
によれば、配線基板の接続パッド径と接続パッド中心間
距離を特定の範囲に制御することにより、ガラスセラミ
ックス配線基板をガラス−エポキシ樹脂等の絶縁基板か
らなる外部回路基板に対して、強固に且つ長期にわたり
安定した接続状態を維持できる高信頼性の実装構造が提
供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明におけるセラミック配線基板の
典型的な応用例として、ＢＧＡ型の半導体素子収納用パ
ッケージとその実装構造の一実施例を示す概略断面図で
ある。

【図２】図１の実装構造における実装部の要部拡大図で
ある。

【図３】本発明におけるパッケージの接続パッド形成領
域を示す図である。

【図４】本発明における他のパッケージの接続パッド形
成領域を示す図である。

【符号の説明】

Ａ半導体素子用パッケージＢ外部回路基板１絶縁基板２半導体素子３蓋体４配線回路層５接続パッド６接続端子７絶縁基体８配線層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者永田公一鹿児島県国分市山下町１番４号京セラ株式会社総合研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガラスセラミックスからなる絶縁基板と、
該絶縁基板の表面あるいは内部に形成された低抵抗金属
からなる配線回路層と、前記絶縁基板の底面に形成され
た複数の接続パッドと、該接続パッドに接続されたロウ
材からなる接続端子を具備するセラミック配線基板にお
いて、前記接続パッドのパッド径が、隣接する接続パッ
ドの中心間距離の５５〜６５％であり、且つ接続パッド
形成領域面積に対する全接続パッドの面積が２０％以上
であることを特徴とするセラミック配線基板。
【請求項２】ガラスセラミックスからなる絶縁基板と、
該絶縁基板の表面あるいは内部に形成された低抵抗金属
からなる配線回路層と、前記絶縁基板の底面に形成され
た複数の接続パッドとを具備するセラミック配線基板
を、有機樹脂を含む絶縁基体表面に配線層が被着形成さ
れた外部回路基板に対して、前記接続パッドと前記配線
層とをロウ材からなる接続端子によって電気的に接続し
てなるセラミック配線基板の実装構造において、前記接
続パッドのパッド径が、隣接する接続パッドの中心間距
離の５５〜６５％であり、且つ前記配線基板における接
続パッド形成領域面積に対する全接続パッドの面積が２
０％以上であることを特徴とするセラミック配線基板の
実装構造。
【請求項３】前記絶縁基板と、前記外部回路基板におけ
る絶縁基体との熱膨張差が１〜８ｐｐｍ／℃であること
を特徴とする請求項２記載のセラミック配線基板の実装
構造。