JP2004247677A - 配線基板 - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体素子の電極と金属バンプを介して接続される配線基板の電極パッドが絶縁基体から剥がれ、半導体素子と配線基板との接続信頼性が低下する。
【解決手段】表面に電子部品３が搭載される搭載部１ａを有する絶縁基体１と、該絶縁基体１の前記搭載部１ａに形成され、前記電子部品３の電極が金属バンプ６を介して接続される多数の電極パッド５と、前記絶縁基体１の電極パッド５から外表面にかけて導出されている複数個の配線導体２とから成る配線基板であって、前記各電極パッド５は、前記配線導体２と直接接続する主接続部５ａと、該主接続部５ａと前記絶縁基体１との間に介在し前記主接続部５ａと絶縁基体１とを接合する補助接続部５ｂとから成り、前記主接続部５ａはタングステンおよび／またはモリブデンと銅とにより形成され、前記補助接続部５ｂはタングステンおよび／またはモリブデンと鉄族金属とにより形成されている。
【選択図】図１
【解決手段】表面に電子部品３が搭載される搭載部１ａを有する絶縁基体１と、該絶縁基体１の前記搭載部１ａに形成され、前記電子部品３の電極が金属バンプ６を介して接続される多数の電極パッド５と、前記絶縁基体１の電極パッド５から外表面にかけて導出されている複数個の配線導体２とから成る配線基板であって、前記各電極パッド５は、前記配線導体２と直接接続する主接続部５ａと、該主接続部５ａと前記絶縁基体１との間に介在し前記主接続部５ａと絶縁基体１とを接合する補助接続部５ｂとから成り、前記主接続部５ａはタングステンおよび／またはモリブデンと銅とにより形成され、前記補助接続部５ｂはタングステンおよび／またはモリブデンと鉄族金属とにより形成されている。
【選択図】図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体素子やコンデンサ、抵抗器等の電子部品が搭載される配線基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電子部品、例えば、半導体素子が搭載される配線基板は、酸化アルミニウム質焼結体から成り、その表面に半導体素子が搭載される搭載部を有する絶縁基体と、該絶縁基体の半導体素子搭載部に形成され、前記半導体素子の電極が半田等の金属材料から成る金属バンプ等を介して接続される多数の電極パッドと、各電極パッドと接続して前記絶縁基体の搭載部から下面等の外表面にかけて導出されている、例えば、タングステンやモリブデン等の高融点金属粉末から成る複数個の配線導体とから構成されており、絶縁基体の搭載部に半導体素子を搭載するとともに、半導体素子の各電極を錫−鉛半田等から成る金属バンプを介して電極パッドに電気的に接続し、しかる後、必要に応じて前記半導体素子を蓋体や封止樹脂で気密封止させることによって半導体装置となる。
【０００３】
なお、半導体素子の各電極と配線基板の電極パッドとの金属バンプを介しての接続は、半導体素子の各電極の表面にあらかじめ錫−鉛半田等から成る金属バンプを被着させておき、これらの金属バンプを配線基板の電極パッドに位置決め当接するとともに加熱溶融させることにより行なわれる。
【０００４】
かかる半導体装置は、例えば、外部電気回路基板上に、該外部電気回路基板の回路配線と絶縁基体の下面に導出された配線導体の露出部とが、間に錫−鉛半田等の低融点ロウ材を挟んで対向するよう載置させ、しかる後、前記低融点ロウ材を約２００℃〜３００℃の温度で加熱溶融させ、外部電気回路基板の回路配線と絶縁基体の下面等に導出された配線導体とを接合させることによって外部電気回路基板上に実装され、同時に配線基板に搭載されている半導体素子の各電極も電極パッド、金属バンプおよび配線導体を介して外部電気回路基板に電気的に接続されることとなる。
【０００５】
しかしながら、上記従来の半導体素子が搭載される配線基板は絶縁基体が酸化アルミニウム質焼結体で形成されるとともに、配線導体および電極パッドがタングステンやモリブデン等の高融点金属で形成されており、該高融点金属は電気抵抗が高い（電気抵抗率（２０℃）で、タングステン：５．５×１０−６Ω・ｃｍ、モリブデン：５．７×１０−６Ω・ｃｍ）ことから電極パッドや配線導体を、半導体素子の演算速度の高速化等に対応して十分に低抵抗とすることができないという欠点があった。
【０００６】
そこで、この従来の欠点を解決する方法として、本出願人は先に酸化アルミニウムを主成分とする相対密度が９５％以上のセラミックスから成る絶縁基体と、該絶縁基体の表面および／または内部に銅を１０〜７０体積％、タングステンおよび／またはモリブデンを３０〜９０体積％の割合で含有したメタライズ層（電極パッド、配線導体）を具備する配線基板およびその製造方法を提案した（特開２０００−１８８４５３号参照）。
【０００７】
この配線基板によれば、メタライズ層（電極パッド、配線導体）が低抵抗の銅を含有するため電極パッドや配線導体を形成する導体の電気抵抗を低く（電気抵抗率（２０℃）で約３×１０−６〜５×１０−６Ω・ｃｍ）することができ、また絶縁基体が酸化アルミニウム質焼結体等から成り、かつ相対密度が高く緻密であるため熱伝導性を高くすることもできる。
【０００８】
このような配線基板は、例えば、酸化アルミニウムを主成分とし、酸化マンガン（ＭｎＯ２）を２．０〜６．０質量％の割合で含有するセラミック成分をシート状に成形して得た複数枚のセラミックグリーンシートの表面に、銅粉末を１０〜７０体積％、平均粒径が１〜１０μｍのタングステンおよび／またはモリブデンを３０〜９０体積％の割合で含有してなる導電ペーストを印刷塗布し、このセラミックグリーンシートを上下に積層するとともに、非酸化性雰囲気中で１２００〜１５００℃の温度で焼成することによって製作される。
【０００９】
〔特許文献１〕
特開平１１−１１１８８６号公報
〔特許文献２〕
特開２０００−１８８４５３号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記配線基板は電極パッドや配線導体が銅粉末と、タングステンおよび／またはモリブデン粉末とからなり、内部に抵抗の低い銅が含有されていることから電極パッドや配線導体の電気抵抗を低抵抗となすことができるものの、酸化アルミニウムと酸化マンガン（ＭｎＯ２）を含有するセラミックグリーンシートの表面に、銅粉末とタングステンおよび／またはモリブデン粉末とを含有してなる導電ペーストを印刷塗布し、これを非酸化性雰囲気中、１２００〜１５００℃の温度で焼成して絶縁基体に電極パッドや配線導体を形成した配線基板を得る際、焼成温度が約１２００℃〜１５００℃と銅の融点（１０８３℃）よりも高いことから焼成時に導電ペースト中の銅粉末同士が融着し、銅粉末の絶縁基体に対する焼結一体化が不十分なものとなってしまい、その結果、電極パッドや配線導体の絶縁基体に対する接着強度が低いものとなる欠点を有していた。
【００１１】
また、上記配線基板は絶縁基体が酸化アルミニウム質焼結体等のセラミックス材料で形成されており、その熱膨張係数が約６．５×１０−６／℃〜８×１０−６／℃であるのに対し、シリコン等から成る半導体素子の熱膨張係数が約２．５×１０−６／℃であり、相違することから、半導体素子を配線基板に搭載して半導体装置となし、この半導体装置を外部電気回路基板に実装した後、半導体素子の作動時に発する熱が半導体素子と配線基板の絶縁基体に繰り返し作用すると、両者間に両者の熱膨張係数の差に起因して水平方向に熱応力が繰り返し生じるとともにこの熱応力が電極パッドの外周縁に沿って集中する。
【００１２】
また、半導体素子の電極を配線基板に接続する金属バンプとして、従来の錫−鉛半田に代わり錫−銀−ビスマス系等の鉛非含有半田が用いられるようになり、このような鉛非含有半田は硬く変形しにくいため熱応力を吸収緩和する作用が弱く、従来の錫−鉛半田の場合に比べて大きな熱応力が電極パッドに作用する。
【００１３】
そしてその結果、電極パッドが、外周縁部分から捲れるようにして、絶縁基体の表面から剥がれ、半導体素子と配線基板の配線導体との電気的接続が短期間で破れてしまうという問題があった。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の配線基板は、電気絶縁材料から成り、表面に電子部品が搭載される搭載部を有する絶縁基体と、該絶縁基体の前記搭載部に形成され、前記電子部品の電極が金属バンプを介して接続される多数の電極パッドと、前記絶縁基体の電極パッドから外表面にかけて導出されている複数個の配線導体とから成る配線基板であって、前記各電極パッドは、前記配線導体と直接接続する主接続部と、該主接続部と前記絶縁基体との間に介在し前記主接続部と絶縁基体とを接合する補助接続部とから成り、前記主接続部はタングステンおよび／またはモリブデンと銅とにより形成され、前記補助接続部はタングステンおよび／またはモリブデンと鉄族金属とにより形成されていることを特徴とするものである。
【００１５】
本発明の配線基板によれば、各電極パッドを、前記配線導体と直接接続する主接続部と、該主接続部と前記絶縁基体との間に介在し前記主接続部と絶縁基体とを接合する補助接続部とから成るものとするとともに、前記主接続部をタングステンおよび／またはモリブデンと銅とにより形成し、前記補助接続部をタングステンおよび／またはモリブデンと鉄族金属とにより形成したことから、前記主接続部を低抵抗の銅を主成分として含有するものと成すことができ、電極パッドを低抵抗とすることができる。
【００１６】
また同時に、前記電極パッドは、前記主接続部の外周部と絶縁基体の表面との間に、絶縁基体および主接続部に対し強固に接合することが可能なタングステンおよび／またはモリブデンと鉄族金属とから成る補助接続部を介在させたことから、この補助接続部を介して主接続部の外周部を絶縁基体に対して強固に接合させておくことができ、電極パッドに対して熱応力が作用したとしても、その外周部から剥がれが発生することを効果的に防止することができ、半導体素子と配線基板との接続信頼性を高くすることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に本発明を添付の図面を基にして詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明の配線基板を使用した半導体素子収納用パッケージの一実施例を示す断面図であり、１は絶縁基体、２は配線導体である。この絶縁基体１と配線導体２とで半導体素子３を搭載する配線基板４が構成される。
【００１９】
前記絶縁基体１は、例えば酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体等のセラミック焼結体により形成され、その上面に半導体素子３が搭載される搭載部１ａを有し、該搭載部１ａ上に半導体素子３が搭載される。
【００２０】
前記絶縁基体１は、その熱伝導性および機械的強度を良好とする上では、相対密度９５％以上の高緻密体から構成されるものであることが望ましい。
【００２１】
更に本発明では、前記絶縁基体１は、配線導体２との同時焼成による保形性を達成する上では、１２００℃乃至１５００℃の低温で焼成することが必要となるが、本発明によれば、このような低温での焼成においても相対密度９５％以上に緻密化することが望ましい。
【００２２】
かかる観点から、本発明における絶縁基体１は、例えば、酸化アルミニウムを主成分とするもの、具体的には酸化アルミニウムを９０質量％以上の割合で含有するものが好適に使用され、第２の成分として、Ｍｎ化合物をＭｎＯ２換算で２．０乃至６．０質量％の割合で含有するものが望ましい。即ち、マンガン化合物が２．０質量％よりも少ないと、１２００℃乃至１５００℃での緻密化が達成されにくく、また６．０質量％よりも多いと絶縁基体１の絶縁性が低下する。マンガン化合物の最適な範囲はＭｎＯ２換算で３乃至７質量％である。
【００２３】
また、この絶縁基体１中には、第３の成分として、ＳｉＯ２およびＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ等のアルカリ土類元素酸化物を低温焼結性を高めるために合計で０．４乃至８質量％の割合で含有せしめることが望ましい。
【００２４】
さらに、この絶縁基体１中には、着色成分や誘電率などの誘電特性の向上のためにＷ、Ｍｏ、Ｃｒなどの金属を着色成分とし２質量％以下の割合で含んでもよい。
【００２５】
上記酸化アルミニウム以外の成分は、酸化アルミニウム主結晶相の粒界に非晶質相あるいは結晶相として存在するが、熱伝導性を高める上で粒界中に助剤成分を含有する結晶相が形成されていることが望ましい。
【００２６】
また前記絶縁基体１を酸化アルミニウムを主成分として形成した場合、酸化アルミニウム主結晶相は、粒状または柱状の結晶として存在するが、これら主結晶相の平均結晶粒径は、１．５乃至５．０μｍであることが望ましい。
【００２７】
なお、主結晶相が柱状結晶からなる場合、上記平均結晶粒径は、短軸径に基づくものである。この主結晶相の平均結晶粒径が１．５μｍよりも小さいと、高熱伝導化が難しく、平均粒径が５．０μｍよりも大きいと基板材料として用いる場合に要求される十分な強度が得られにくくなるためである。
【００２８】
このような絶縁基体１は、例えば、酸化アルミニウムを主成分とする原料粉末に有機バインダーや溶媒を添加してスラリー（泥漿状物）となすとともに、これをドクターブレード法等でシート状に成形して得たセラミックグリーンシートを非酸化性雰囲気中、１２００℃〜１５００℃の温度で焼成することにより形成される。
【００２９】
また前記絶縁基体１は、図２に示すように、その搭載部１ａ上面に多数の電極パッド５が形成されており、搭載部１ａに搭載される半導体素子３の各電極を対応する電極パッド５と錫−銀系の鉛非含有半田等から成る金属バンプ６を介して接続することにより半導体素子３が搭載部１ａ上に固定される。
【００３０】
前記多数の電極パッド５から、それぞれ絶縁基体１の外表面（この実施例では下面）にかけて多数の配線導体２が導出されており、各配線導体２は、電極パッド５と接続し、これを絶縁基体１の下面等の外表面に導出する作用をなす。
【００３１】
そして、半導体素子３の電極を配線基板４の電極パッド５に接続するとともに、配線導体２の絶縁基体１下面に導出された露出端部を外部電気回路基板の回路配線に低融点ロウ材等を介して接合することにより半導体素子３の電極が外部電気回路基板の回路配線と電気的に接続される。
【００３２】
前記配線導体２は、タングステン、モリブデン、銅等の金属材料から成り、配線導体２を低抵抗とするとともに、酸化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基体１との同時焼成による形成を可能とする上では、タングステンおよび／またはモリブデンと銅とにより形成することが好ましい。
【００３３】
前記配線導体２は、絶縁基体１となるセラミックグリーンシートにタングステンおよび／またはモリブデン粉末と、銅粉末とを所定の割合で有機溶剤、バインダーとともに混練して成る導電ペーストを前記セラミックグリーンシートの表面にスクリーン印刷法等により印刷塗布することにより形成することができる。
【００３４】
前記配線導体２は、銅を１０乃至７０体積％、タングステン及び／またはモリブデンを３０乃至９０体積％の割合で含有することが望ましい。これは、配線導体２の低抵抗化と、上記絶縁基体１との同時焼結性を達成するとともに、特に配線導体２の同時焼成時の保形成を維持するためであり、上記銅量が１０体積％よりも少なく、タングステンやモリブデン量が９０体積％よりも多いと、配線導体２の抵抗が高く（電気抵抗率で約５．５×１０−６Ω・ｃｍ以上）なる。また銅量が７０体積％よりも多く、タングステンやモリブデン量が３０体積％よりも少ないと、配線導体２の、特に絶縁基体１表面に露出した部分で、同時焼成時の保形成が低下し、配線導体２においてにじみが発生したり、溶融した銅によって配線導体２が凝集して断線が生じるとともに、絶縁基体１と配線導体２との熱膨張系数差により配線導体２の剥離が発生するためである。最適な組成範囲は、銅を４０乃至６０体積％、タングステンおよび／またはモリブデンを６０乃至４０体積％である。
【００３５】
また、本発明においては、配線導体２中におけるタングステンおよび／またはモリブデンは、平均粒径１乃至１０μｍの球状あるいは数個の粒子による焼結粒子として銅からなるマトリックス中に分散含有していることが望ましい。これは、上記平均粒径が、１μｍよりも小さい場合、配線導体２の保形性が悪くなるとともに組織が多孔質化し、配線導体２の抵抗が高くなり、１０μｍを越えると銅のマトリックスがタングステンやモリブデンの粒子によって分断されてしまい配線導体２の抵抗が高くなったり、銅成分が分離してにじみなどが発生するためである。タングステンおよび／またはモリブデンは平均粒径１．３乃至５μｍ、特に１．３乃至３μｍの大きさで分散されていることが最も望ましい。
【００３６】
また、上記配線導体２中には、絶縁基体１との密着性を改善するために、アルミナ、または絶縁基体１と同じ成分のセラミックスを０．０５乃至２体積％の割合で含有させることも可能である。
【００３７】
さらに、本発明の配線基板４においては、銅を含有する配線導体２を銅の融点を越える温度で絶縁基体１と同時焼成することにより、配線導体２中の銅成分が絶縁基体１中に拡散する場合があるが、本発明によれば、上記少なくとも銅を含む配線導体２の周囲のセラミックスへの銅の拡散距離が２０μｍ以下、特に１０μｍ以下であることが望ましい。これは、銅のセラミックス中への拡散距離が２０μｍを越えると、電気回路形成時に配線導体２間の絶縁性が低下し電気回路の信頼性が低下するためである。
【００３８】
この銅の拡散距離を２０μｍ以下とすることにより、配線導体２のうち、同一平面内に形成された各配線導体２間の最小線間距離を１００μｍ以下、特に９０μｍ以下の高密度化を図ることができる。
【００３９】
また、本発明の配線基板４においては、図３、図４に示すように、各電極パッド５を、前記配線導体２と直接接続する主接続部５ａと、主接続部５ａの外周部と絶縁基体１の表面との間に介在し、主接続部５ａと絶縁基体１とを接合する補助接続部５ｂとから成るものとするとともに、前記主接続部５ａをタングステンおよび／またはモリブデンと銅とにより形成し、前記補助接続部５ｂをタングステンおよび／またはモリブデンと鉄族金属とにより形成することが重要である。
【００４０】
各電極パッド５を、前記配線導体２と直接接続する主接続部５ａと、主接続部５ａの外周部と絶縁基体１の表面との間に介在し、主接続部５ａと絶縁基体１とを接合する補助接続部５ｂとから成るものとするとともに、前記主接続部５ａをタングステンおよび／またはモリブデンと銅とにより形成し、前記補助接続部５ｂをタングステンおよび／またはモリブデンと鉄族金属とにより形成しておくと、前記主接続部５ａが低抵抗の銅を主成分として含有していることから、電極パッド５を低抵抗とすることができ、鉛非含有半田等から成る金属バンプ６と電極パッド５との接触抵抗を低くすることができる。また、前記補助接続部５ｂは、絶縁基体１および主接続部５ａのいずれに対しても強固に接合することが可能なタングステンおよび／またはモリブデンと鉄族金属とから成り、主接続部５ａの外周部と絶縁基体１表面との間に介在して両者と接合することから、主接続部５ａの外周部を絶縁基体１に対して強固に接合させる接合材として作用し、電極パッド５に対して熱応力が作用したとしても、その外周部から剥がれが発生することを効果的に防止することができ、半導体素子３と配線基板４との接続信頼性を高くすることができる。
【００４１】
前記電極パッド５の主接続部５ａは、配線導体２と直接接続しており、金属バンプ６を介して接続される半導体素子３の電極を配線導体２に接続させるための主導体として作用し、前記絶縁基体１の搭載部１ａとなるセラミックグリーンシート表面にタングステンおよび／またはモリブデン粉末と、銅粉末とを所定の割合で有機溶剤、バインダーとともに混練して成る導電ペーストを前記セラミックグリーンシートの表面にスクリーン印刷法等により印刷塗布することにより形成することができる。
【００４２】
この場合、電極パッド５の主接続部５ａは、上記配線導体２をタングステンおよび／またはモリブデンと銅とにより形成する場合と同様の材料を用いることが望ましく、例えば、銅を１０乃至７０体積％、タングステン及び／またはモリブデンを３０乃至９０体積％の割合で含有することが望ましい。また、タングステンおよび／またはモリブデンは、平均粒径１乃至１０μｍの球状あるいは数個の粒子による焼結粒子として銅からなるマトリックス中に分散含有していることが望ましい。さらに、アルミナ、または絶縁基体１と同じ成分のセラミックスを０．０５乃至２体積％の割合で含有させることも可能である。
【００４３】
また、前記電極パッド５は、前記主接続部５ａの外周縁と絶縁基体１の表面との間に、絶縁基体１および主接続部５ａに対し強固に接合することが可能なタングステンおよび／またはモリブデンと鉄族金属とから成る補助接続部５ｂが介在し両者と接合していることから、この補助接続部５ｂを介して主接続部５ａの外周部を絶縁基体１に対して強固に接合させておくことができ、電極パッド５に対して熱応力が作用したとしても、その外周部から剥がれが発生することを効果的に防止することができ、半導体素子３と配線基板４との接続信頼性を高くすることができる。
【００４４】
この場合、配線導体２および金属バンプ６と直接接続するのが、銅を含有し低抵抗の主接続部５ａであるため、電極パッド５と絶縁基体１との間の接合を強固とするとともに、配線導体２と金属バンプ６との間の導通抵抗や接触抵抗を低く維持することができる。
【００４５】
なお、前記電極パッド５の補助接続部５ｂは、主接続部５ａおよび配線導体２と同時焼成によって形成する場合、その焼成温度が１２００〜１５００℃の低温で焼成する必要がある。そのため本発明ではこれを達成するため補助接続部５ｂを、タングステンおよび／またはモリブデンに、鉄族金属を含有せしめている。
【００４６】
前記補助接続部５ｂを、タングステンおよび／またはモリブデンに、鉄族金属を含有せしめて形成すると低温での焼成性を高めて絶縁基体１と同時焼成によって、また絶縁基体１に対し密着強度を強固として形成することができる。
【００４７】
前記補助接続部５ｂは鉄族金属の量が酸化物換算で０．１体積％未満の場合には補助接続部５ｂの緻密化が進行せず焼結不良になって絶縁基体１との接着強度が低下する。逆に、５体積％を超える場合には、タングステン、モリブデンの粒子が異常粒成長し絶縁基体１との接着強度が低下する。従って、上記鉄族金属の量は、酸化物換算で０．１乃至５体積％、好適には０．５乃至２体積％としておくことが望ましい。
【００４８】
なお上記補助接続部５ｂ中の鉄族金属としては、鉄、ニッケル、コバルトが挙げられるがこれらの中でもニッケルが最も望ましい。また酸化物換算量は、鉄（Ｆｅ）はＦｅ２Ｏ３、ニッケル（Ｎｉ）はＮｉＯ、コバルト（Ｃｏ）はＣｏ３Ｏ４の形態で換算した量である。
【００４９】
更に、この補助接続部５ｂ中には、酸化アルミニウム等を主成分とする絶縁基体１との接着強度を高めるために、酸化アルミニウム等の絶縁基体１と同種のセラミック粉末を添加することも有効である。しかし、その含有量が４５体積％よりも多いと焼結不良を招くおそれがある。従って、補助接続部５ｂに酸化アルミニウムを添加する場合、その含有量は特に２乃至３５体積％が望ましい。
【００５０】
なお、前記補助接続部５ｂは、主接続部５ａの外縁から１００μｍ以上の幅で絶縁基体１表面との間に介在し両者を接合させるようにして形成しておくことが好ましい。主接続部５ａと絶縁基体１表面との間に介在する補助接続部５ｂの、主接続部５ａ外縁からの幅が１００μｍ未満となると、接合幅が狭いため、主接続部５ａの絶縁基体１に対する被着を効果的に強固なものとすることが困難となる。
【００５１】
また、前記補助接続部５ｂは、前記主接続部５ａの外縁から外側に延出させるようにして形成してもよい。このように補助接続部５ｂを延出させておくと電極パッド５（主接続部５ａ）が、例えば直径１ｍｍ以下の円形等に、非常に小さくなってきたとしても、補助接続部５ｂと絶縁基体１表面との接合幅を十分に確保することができ、電極パッド５と絶縁基体１との接合の信頼性をより一層確実に確保することができる。また、このように補助接続部５ｂを主接続部５ａの外縁より外側に延出させる場合、隣接する接続パッド５の補助接続部５ｂとの間の隣接間隔を５０μｍ以上確保するようにしておくことが好ましい。この隣接間隔が５０μｍ未満となると隣接する接続パッド６間の電気絶縁性が低下するおそれがある。
【００５２】
また、前記電極パッド５は、円形または楕円形としておくと、外周の一部に熱応力が集中して、その部分から剥がれを生じることを効果的に防止することができ、配線基板４としての信頼性をより一層確実に優れたものとすることができる。したがって、前記電極パッド５は、円形または楕円形としておくことが好ましい。
【００５３】
この場合、前記電極パッド５の主接続部５ａと補助接続部５ｂとは、同心円状として、主接続部５ａの外周部の全周をほぼ同じ幅で補助接続部５ｂを介して絶縁基体１表面に接合させるようにしてもよく、また、長軸方向が絶縁基体１上面（搭載部１ａ）の対角線方向（熱応力が大きく作用する方向）となるような楕円状とし、熱応力が大きく作用する方向で、電極パッド５と絶縁基体１、および電極パッド５と金属バンプ６の接合の強度をより高めるようにしてもよい。
【００５４】
また、前記配線導体２および電極パッド５の主接続部５ａ、補助接続部５ｂは、その露出表面をニッケル、銅、金等のめっき金属層で被覆するようにしておくと、配線導体２および電極パッド５の酸化腐食を防止することができるとともに、鉛非含有半田等から成る金属バンプ６の電極パッド５に対する接続強度や、配線導体２の絶縁基体１下面に露出した部位を外部電気回路基板の回路配線に低融点ロウ材を介して接続する際の低融点ロウ材の濡れ性等をより一層良好とすることができる。従って、前記配線導体２および電極パッド５の主接続部５ａ、補助接続部５ｂは、その露出表面をニッケル、銅、金等のめっき金属層（図示せず）で被覆しておくことが好ましい。
【００５５】
この場合、各めっき金属層は全領域で均一な層構成、厚みとする必要はなく、各被着される部位に応じて、適宜、層構成や厚み等を変えるようにしてもよい。
【００５６】
例えば、配線導体２を、高周波信号の伝送等に対応するため、より一層低抵抗とする場合であれば、配線導体２の表面に銅めっき層を２μｍ乃至１５μｍ、特に３μｍ乃至６μｍ程度の厚みで被着させるようにしておくことが好ましく、電極パッド５に対する金属バンプ６の接続を強固とする場合には、ニッケルめっき層を３〜８μｍ、金めっき層を０．０５〜０．８μｍの厚みで、順次被着させるようにしておくことが好ましい。
【００５７】
（製造方法）
次に、上記配線基板４の製造方法の一例を、絶縁基体１が酸化アルミニウム質焼結体から成る場合について具体的に説明する。
【００５８】
まず、絶縁基体１を形成するために、セラミックス焼結体の主成分となる酸化アルミニウム原料粉末として、平均粒径が０．５μｍ乃至２．５μｍ、特に０．５μｍ乃至２．０μｍの粉末を用いる。これは、平均粒径は０．５μｍよりも小さいと、粉末の取扱いが難しく、また粉末のコストが高くなり、２．５μｍよりも大きいと、１５００℃以下の温度で焼成することが難しくなるためである。
【００５９】
そして、上記酸化アルミニウム粉末に対して、第２の成分として、ＭｎＯ２を２．０乃至８．０質量％、特に３．０乃至７．０質量％の割合で添加する。また適宜、第３の成分として、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ２粉末等を０．４乃至８質量％、第４の成分として、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒなどの遷移金属の金属粉末や酸化物粉末を着色成分として金属換算で２質量％以下の割合で添加する。
【００６０】
なお、上記酸化物の添加にあたっては、酸化物粉末以外に、焼成によって酸化物を形成し得る炭酸塩、硝酸塩、酢酸塩などとして添加してもよい。
【００６１】
そして次に、この混合粉末を用いて絶縁基体１を形成するためのセラミックグリーンシートを複数枚作製する。セラミックグリーンシートは、周知の成形方法によって作製することができる。例えば、上記混合粉末に有機バインダーや溶媒を添加してスラリーを調整した後、ドクターブレード法によって形成したり、混合粉末に有機バインダーを加え、プレス成形、圧延成形等により所定の厚みのセラミックグリーンシートを作製できる。
【００６２】
このようにして作製したセラミックグリーンシートに対して、まず、配線導体２となる導体成分として、平均粒径が１乃至１０μｍの銅粉末を１０乃至７０体積％、特に４０乃至６０体積％、平均粒径が１乃至１０μｍのタングステンおよび／またはモリブデン粉末を３０乃至９０体積％、特に４０乃至６０体積％の割合で添加してなる固形成分に対して有機バインダーや溶剤を添加混合することにより作製した導電ペーストを調整し、このペーストを前記セラミックグリーンシートの表面にスクリーン印刷、グラビア印刷等の手法によって印刷塗布する。
【００６３】
なお、前記導電ペースト中には、絶縁基体１との密着性を高めるために、酸化アルミニウム粉末や、絶縁基体１を形成する酸化物セラミックス成分と同一の組成物粉末を０．０５〜２体積％の割合で添加することも可能である。
【００６４】
次に、電極パッド５の補助接続部５ｂとなる導電ペーストを、セラミックグリーンシート表面のうち、主接続部５ａとなる導電ペーストの印刷予定領域の外周部に、環状等の所定のパターンに印刷塗布する。
【００６５】
なお、前記補助接続部５ｂとなる導電ペーストは、例えば、平均粒径が０．５〜５μｍのタングステンおよび／またはモリブデンに、酸化ニッケル等の鉄族金属の酸化物粉末を０．１〜５体積％、アルミナ粉末を０〜４５体積％の割合で含有する固形成分に対して、有機バインダーや溶剤を添加混合することにより作製される。
【００６６】
その後、前記配線導体２となる導電ペーストと同様の導電ペーストを、セラミックグリーンシートの表面および印刷した補助接続部５ｂとなる導電ペーストの表面に、電極パッド５の主接続部５ａの所定パターンに印刷する。この場合、主接続部５ａのパターンに印刷された導電ペーストは、その外周部で、下側に補助接続部５ｂとなる導電ペーストが印刷されているため、外周が盛り上がった形状となるが、この印刷した導電ペーストに対して加圧加工を施すことにより、平坦に均すことができ、電極パッド５としての上面の平坦度を確保することができる。
【００６７】
そして最後に、各配線導体２、主接続部５ａ、補助接続部５ｂとなる導電ペーストを印刷塗布したセラミックグリーンシートを位置合わせして積層圧着した後、この積層体を、非酸化性雰囲気中、焼成最高温度が１２００〜１５００℃の温度となる条件で焼成する。
【００６８】
このときの上記焼成温度が１２００℃より低いと、通常の原料を用いた場合において、酸化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基体が相対密度９５％以上まで緻密化できず、熱伝導性や機械的強度が低下し、１５００℃よりも高いと、配線導体２および電極パッド５の主接続部５ａにおいて、タングステンあるいはモリブデン自体の焼結が進み、銅との均一組織を維持できなく、ひいては低抵抗を維持することが困難となりシート抵抗や低融点ロウ材との接触抵抗等が高くなってしまう。また、酸化物セラミックスの主結晶相の粒径が大きくなり異常粒成長が発生したり、銅がセラミックス中へ拡散するときのパスである粒界の長さが短くなるとともに拡散速度も速くなる結果、拡散距離を３０μｍ以下に制御することが困難となるためである。好適には１３５０〜１４５０℃の範囲がよい。
【００６９】
また、この焼成時の非酸化性雰囲気としては、窒素、あるいは窒素と水素との混合雰囲気であることが望ましいが、特に、配線導体２や主接続部５ａ中の銅の拡散を抑制する上では、水素および窒素を含み露点＋１０℃以下、特に−１０℃以下の非酸化性雰囲気であることが望ましい。なお、この雰囲気には所望により、アルゴンガス等の不活性ガスを混入してもよい。焼成時の露点が＋１０℃より高いと、焼成中に酸化物セラミックスと雰囲気中の水分とが反応し酸化膜を形成し、この酸化膜と銅含有導体の銅が反応してしまい、導体の低抵抗化の妨げとなるのみでなく、銅の拡散を助長してしまうためである。
【００７０】
さらにまた、上記のように焼成温度および雰囲気を制御して焼成することによって、絶縁基体１の表面の算術平均粗さＲａを１μｍ以下、特に０．７μｍ以下の平滑性に優れた表面を形成できる。
【００７１】
かくして本発明の配線基板によれば、絶縁基体１の搭載部１ａ上に半導体素子を搭載するとともにこの半導体素子３の各電極を電極パッド５に金属バンプ６を介して電気的、機械的に接続し、しかる後、絶縁基体１の上面に金属やセラミックスから成る蓋体７をガラスや樹脂、ロウ材等の封止材を介して接合させ、絶縁基体１と蓋体７とから成る容器内部に半導体素子３を気密に収容することによって製品としての半導体装置が完成する。
【００７２】
なお、本発明の配線基板は上述の実施の形態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は可能であり、例えば、上記の実施例では本発明の配線基板を半導体素子収納用パッケージに用いた例について説明したが、これを混成集積回路基板等に用いてもよい。
【００７３】
【発明の効果】
本発明の配線基板によれば、各電極パッドを、配線導体と直接接続する主接続部と、該主接続部と絶縁基体との間に介在し前記主接続部と絶縁基体とを接合する補助接続部とから成るものとするとともに、前記主接続部をタングステンおよび／またはモリブデンと銅とにより形成し、前記補助接続部をタングステンおよび／またはモリブデンと鉄族金属とにより形成したことから、前記主接続部を低抵抗の銅を主成分として含有するものと成すことができ、電極パッドを低抵抗とすることができる。
【００７４】
また同時に、前記電極パッドは、前記主接続部の外周部と絶縁基体の表面との間に、絶縁基体および主接続部に対し強固に接合することが可能なタングステンおよび／またはモリブデンと鉄族金属とから成る補助接続部を介在させたことから、この補助接続部を介して主接続部の外周部を絶縁基体に対して強固に接合させておくことができ、電極パッドに対して熱応力が作用したとしても、その外周部から剥がれが発生することを効果的に防止することができ、半導体素子と配線基板との接続信頼性を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線基板の一実施例を示す断面図である。
【図２】図１に示す配線基板の上面図である。
【図３】図１に示す配線基板の要部拡大上面図である。
【図４】図１に示す配線基板の要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１・・・・絶縁基体
１ａ・・・搭載部
２・・・・配線導体
３・・・・半導体素子
４・・・・配線基板
５・・・・電極パッド
５ａ・・・主接続部
５ｂ・・・補助接続部
６・・・・金属バンプ
７・・・・蓋体
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体素子やコンデンサ、抵抗器等の電子部品が搭載される配線基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電子部品、例えば、半導体素子が搭載される配線基板は、酸化アルミニウム質焼結体から成り、その表面に半導体素子が搭載される搭載部を有する絶縁基体と、該絶縁基体の半導体素子搭載部に形成され、前記半導体素子の電極が半田等の金属材料から成る金属バンプ等を介して接続される多数の電極パッドと、各電極パッドと接続して前記絶縁基体の搭載部から下面等の外表面にかけて導出されている、例えば、タングステンやモリブデン等の高融点金属粉末から成る複数個の配線導体とから構成されており、絶縁基体の搭載部に半導体素子を搭載するとともに、半導体素子の各電極を錫−鉛半田等から成る金属バンプを介して電極パッドに電気的に接続し、しかる後、必要に応じて前記半導体素子を蓋体や封止樹脂で気密封止させることによって半導体装置となる。
【０００３】
なお、半導体素子の各電極と配線基板の電極パッドとの金属バンプを介しての接続は、半導体素子の各電極の表面にあらかじめ錫−鉛半田等から成る金属バンプを被着させておき、これらの金属バンプを配線基板の電極パッドに位置決め当接するとともに加熱溶融させることにより行なわれる。
【０００４】
かかる半導体装置は、例えば、外部電気回路基板上に、該外部電気回路基板の回路配線と絶縁基体の下面に導出された配線導体の露出部とが、間に錫−鉛半田等の低融点ロウ材を挟んで対向するよう載置させ、しかる後、前記低融点ロウ材を約２００℃〜３００℃の温度で加熱溶融させ、外部電気回路基板の回路配線と絶縁基体の下面等に導出された配線導体とを接合させることによって外部電気回路基板上に実装され、同時に配線基板に搭載されている半導体素子の各電極も電極パッド、金属バンプおよび配線導体を介して外部電気回路基板に電気的に接続されることとなる。
【０００５】
しかしながら、上記従来の半導体素子が搭載される配線基板は絶縁基体が酸化アルミニウム質焼結体で形成されるとともに、配線導体および電極パッドがタングステンやモリブデン等の高融点金属で形成されており、該高融点金属は電気抵抗が高い（電気抵抗率（２０℃）で、タングステン：５．５×１０−６Ω・ｃｍ、モリブデン：５．７×１０−６Ω・ｃｍ）ことから電極パッドや配線導体を、半導体素子の演算速度の高速化等に対応して十分に低抵抗とすることができないという欠点があった。
【０００６】
そこで、この従来の欠点を解決する方法として、本出願人は先に酸化アルミニウムを主成分とする相対密度が９５％以上のセラミックスから成る絶縁基体と、該絶縁基体の表面および／または内部に銅を１０〜７０体積％、タングステンおよび／またはモリブデンを３０〜９０体積％の割合で含有したメタライズ層（電極パッド、配線導体）を具備する配線基板およびその製造方法を提案した（特開２０００−１８８４５３号参照）。
【０００７】
この配線基板によれば、メタライズ層（電極パッド、配線導体）が低抵抗の銅を含有するため電極パッドや配線導体を形成する導体の電気抵抗を低く（電気抵抗率（２０℃）で約３×１０−６〜５×１０−６Ω・ｃｍ）することができ、また絶縁基体が酸化アルミニウム質焼結体等から成り、かつ相対密度が高く緻密であるため熱伝導性を高くすることもできる。
【０００８】
このような配線基板は、例えば、酸化アルミニウムを主成分とし、酸化マンガン（ＭｎＯ２）を２．０〜６．０質量％の割合で含有するセラミック成分をシート状に成形して得た複数枚のセラミックグリーンシートの表面に、銅粉末を１０〜７０体積％、平均粒径が１〜１０μｍのタングステンおよび／またはモリブデンを３０〜９０体積％の割合で含有してなる導電ペーストを印刷塗布し、このセラミックグリーンシートを上下に積層するとともに、非酸化性雰囲気中で１２００〜１５００℃の温度で焼成することによって製作される。
【０００９】
〔特許文献１〕
特開平１１−１１１８８６号公報
〔特許文献２〕
特開２０００−１８８４５３号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記配線基板は電極パッドや配線導体が銅粉末と、タングステンおよび／またはモリブデン粉末とからなり、内部に抵抗の低い銅が含有されていることから電極パッドや配線導体の電気抵抗を低抵抗となすことができるものの、酸化アルミニウムと酸化マンガン（ＭｎＯ２）を含有するセラミックグリーンシートの表面に、銅粉末とタングステンおよび／またはモリブデン粉末とを含有してなる導電ペーストを印刷塗布し、これを非酸化性雰囲気中、１２００〜１５００℃の温度で焼成して絶縁基体に電極パッドや配線導体を形成した配線基板を得る際、焼成温度が約１２００℃〜１５００℃と銅の融点（１０８３℃）よりも高いことから焼成時に導電ペースト中の銅粉末同士が融着し、銅粉末の絶縁基体に対する焼結一体化が不十分なものとなってしまい、その結果、電極パッドや配線導体の絶縁基体に対する接着強度が低いものとなる欠点を有していた。
【００１１】
また、上記配線基板は絶縁基体が酸化アルミニウム質焼結体等のセラミックス材料で形成されており、その熱膨張係数が約６．５×１０−６／℃〜８×１０−６／℃であるのに対し、シリコン等から成る半導体素子の熱膨張係数が約２．５×１０−６／℃であり、相違することから、半導体素子を配線基板に搭載して半導体装置となし、この半導体装置を外部電気回路基板に実装した後、半導体素子の作動時に発する熱が半導体素子と配線基板の絶縁基体に繰り返し作用すると、両者間に両者の熱膨張係数の差に起因して水平方向に熱応力が繰り返し生じるとともにこの熱応力が電極パッドの外周縁に沿って集中する。
【００１２】
また、半導体素子の電極を配線基板に接続する金属バンプとして、従来の錫−鉛半田に代わり錫−銀−ビスマス系等の鉛非含有半田が用いられるようになり、このような鉛非含有半田は硬く変形しにくいため熱応力を吸収緩和する作用が弱く、従来の錫−鉛半田の場合に比べて大きな熱応力が電極パッドに作用する。
【００１３】
そしてその結果、電極パッドが、外周縁部分から捲れるようにして、絶縁基体の表面から剥がれ、半導体素子と配線基板の配線導体との電気的接続が短期間で破れてしまうという問題があった。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の配線基板は、電気絶縁材料から成り、表面に電子部品が搭載される搭載部を有する絶縁基体と、該絶縁基体の前記搭載部に形成され、前記電子部品の電極が金属バンプを介して接続される多数の電極パッドと、前記絶縁基体の電極パッドから外表面にかけて導出されている複数個の配線導体とから成る配線基板であって、前記各電極パッドは、前記配線導体と直接接続する主接続部と、該主接続部と前記絶縁基体との間に介在し前記主接続部と絶縁基体とを接合する補助接続部とから成り、前記主接続部はタングステンおよび／またはモリブデンと銅とにより形成され、前記補助接続部はタングステンおよび／またはモリブデンと鉄族金属とにより形成されていることを特徴とするものである。
【００１５】
本発明の配線基板によれば、各電極パッドを、前記配線導体と直接接続する主接続部と、該主接続部と前記絶縁基体との間に介在し前記主接続部と絶縁基体とを接合する補助接続部とから成るものとするとともに、前記主接続部をタングステンおよび／またはモリブデンと銅とにより形成し、前記補助接続部をタングステンおよび／またはモリブデンと鉄族金属とにより形成したことから、前記主接続部を低抵抗の銅を主成分として含有するものと成すことができ、電極パッドを低抵抗とすることができる。
【００１６】
また同時に、前記電極パッドは、前記主接続部の外周部と絶縁基体の表面との間に、絶縁基体および主接続部に対し強固に接合することが可能なタングステンおよび／またはモリブデンと鉄族金属とから成る補助接続部を介在させたことから、この補助接続部を介して主接続部の外周部を絶縁基体に対して強固に接合させておくことができ、電極パッドに対して熱応力が作用したとしても、その外周部から剥がれが発生することを効果的に防止することができ、半導体素子と配線基板との接続信頼性を高くすることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に本発明を添付の図面を基にして詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明の配線基板を使用した半導体素子収納用パッケージの一実施例を示す断面図であり、１は絶縁基体、２は配線導体である。この絶縁基体１と配線導体２とで半導体素子３を搭載する配線基板４が構成される。
【００１９】
前記絶縁基体１は、例えば酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体等のセラミック焼結体により形成され、その上面に半導体素子３が搭載される搭載部１ａを有し、該搭載部１ａ上に半導体素子３が搭載される。
【００２０】
前記絶縁基体１は、その熱伝導性および機械的強度を良好とする上では、相対密度９５％以上の高緻密体から構成されるものであることが望ましい。
【００２１】
更に本発明では、前記絶縁基体１は、配線導体２との同時焼成による保形性を達成する上では、１２００℃乃至１５００℃の低温で焼成することが必要となるが、本発明によれば、このような低温での焼成においても相対密度９５％以上に緻密化することが望ましい。
【００２２】
かかる観点から、本発明における絶縁基体１は、例えば、酸化アルミニウムを主成分とするもの、具体的には酸化アルミニウムを９０質量％以上の割合で含有するものが好適に使用され、第２の成分として、Ｍｎ化合物をＭｎＯ２換算で２．０乃至６．０質量％の割合で含有するものが望ましい。即ち、マンガン化合物が２．０質量％よりも少ないと、１２００℃乃至１５００℃での緻密化が達成されにくく、また６．０質量％よりも多いと絶縁基体１の絶縁性が低下する。マンガン化合物の最適な範囲はＭｎＯ２換算で３乃至７質量％である。
【００２３】
また、この絶縁基体１中には、第３の成分として、ＳｉＯ２およびＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ等のアルカリ土類元素酸化物を低温焼結性を高めるために合計で０．４乃至８質量％の割合で含有せしめることが望ましい。
【００２４】
さらに、この絶縁基体１中には、着色成分や誘電率などの誘電特性の向上のためにＷ、Ｍｏ、Ｃｒなどの金属を着色成分とし２質量％以下の割合で含んでもよい。
【００２５】
上記酸化アルミニウム以外の成分は、酸化アルミニウム主結晶相の粒界に非晶質相あるいは結晶相として存在するが、熱伝導性を高める上で粒界中に助剤成分を含有する結晶相が形成されていることが望ましい。
【００２６】
また前記絶縁基体１を酸化アルミニウムを主成分として形成した場合、酸化アルミニウム主結晶相は、粒状または柱状の結晶として存在するが、これら主結晶相の平均結晶粒径は、１．５乃至５．０μｍであることが望ましい。
【００２７】
なお、主結晶相が柱状結晶からなる場合、上記平均結晶粒径は、短軸径に基づくものである。この主結晶相の平均結晶粒径が１．５μｍよりも小さいと、高熱伝導化が難しく、平均粒径が５．０μｍよりも大きいと基板材料として用いる場合に要求される十分な強度が得られにくくなるためである。
【００２８】
このような絶縁基体１は、例えば、酸化アルミニウムを主成分とする原料粉末に有機バインダーや溶媒を添加してスラリー（泥漿状物）となすとともに、これをドクターブレード法等でシート状に成形して得たセラミックグリーンシートを非酸化性雰囲気中、１２００℃〜１５００℃の温度で焼成することにより形成される。
【００２９】
また前記絶縁基体１は、図２に示すように、その搭載部１ａ上面に多数の電極パッド５が形成されており、搭載部１ａに搭載される半導体素子３の各電極を対応する電極パッド５と錫−銀系の鉛非含有半田等から成る金属バンプ６を介して接続することにより半導体素子３が搭載部１ａ上に固定される。
【００３０】
前記多数の電極パッド５から、それぞれ絶縁基体１の外表面（この実施例では下面）にかけて多数の配線導体２が導出されており、各配線導体２は、電極パッド５と接続し、これを絶縁基体１の下面等の外表面に導出する作用をなす。
【００３１】
そして、半導体素子３の電極を配線基板４の電極パッド５に接続するとともに、配線導体２の絶縁基体１下面に導出された露出端部を外部電気回路基板の回路配線に低融点ロウ材等を介して接合することにより半導体素子３の電極が外部電気回路基板の回路配線と電気的に接続される。
【００３２】
前記配線導体２は、タングステン、モリブデン、銅等の金属材料から成り、配線導体２を低抵抗とするとともに、酸化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基体１との同時焼成による形成を可能とする上では、タングステンおよび／またはモリブデンと銅とにより形成することが好ましい。
【００３３】
前記配線導体２は、絶縁基体１となるセラミックグリーンシートにタングステンおよび／またはモリブデン粉末と、銅粉末とを所定の割合で有機溶剤、バインダーとともに混練して成る導電ペーストを前記セラミックグリーンシートの表面にスクリーン印刷法等により印刷塗布することにより形成することができる。
【００３４】
前記配線導体２は、銅を１０乃至７０体積％、タングステン及び／またはモリブデンを３０乃至９０体積％の割合で含有することが望ましい。これは、配線導体２の低抵抗化と、上記絶縁基体１との同時焼結性を達成するとともに、特に配線導体２の同時焼成時の保形成を維持するためであり、上記銅量が１０体積％よりも少なく、タングステンやモリブデン量が９０体積％よりも多いと、配線導体２の抵抗が高く（電気抵抗率で約５．５×１０−６Ω・ｃｍ以上）なる。また銅量が７０体積％よりも多く、タングステンやモリブデン量が３０体積％よりも少ないと、配線導体２の、特に絶縁基体１表面に露出した部分で、同時焼成時の保形成が低下し、配線導体２においてにじみが発生したり、溶融した銅によって配線導体２が凝集して断線が生じるとともに、絶縁基体１と配線導体２との熱膨張系数差により配線導体２の剥離が発生するためである。最適な組成範囲は、銅を４０乃至６０体積％、タングステンおよび／またはモリブデンを６０乃至４０体積％である。
【００３５】
また、本発明においては、配線導体２中におけるタングステンおよび／またはモリブデンは、平均粒径１乃至１０μｍの球状あるいは数個の粒子による焼結粒子として銅からなるマトリックス中に分散含有していることが望ましい。これは、上記平均粒径が、１μｍよりも小さい場合、配線導体２の保形性が悪くなるとともに組織が多孔質化し、配線導体２の抵抗が高くなり、１０μｍを越えると銅のマトリックスがタングステンやモリブデンの粒子によって分断されてしまい配線導体２の抵抗が高くなったり、銅成分が分離してにじみなどが発生するためである。タングステンおよび／またはモリブデンは平均粒径１．３乃至５μｍ、特に１．３乃至３μｍの大きさで分散されていることが最も望ましい。
【００３６】
また、上記配線導体２中には、絶縁基体１との密着性を改善するために、アルミナ、または絶縁基体１と同じ成分のセラミックスを０．０５乃至２体積％の割合で含有させることも可能である。
【００３７】
さらに、本発明の配線基板４においては、銅を含有する配線導体２を銅の融点を越える温度で絶縁基体１と同時焼成することにより、配線導体２中の銅成分が絶縁基体１中に拡散する場合があるが、本発明によれば、上記少なくとも銅を含む配線導体２の周囲のセラミックスへの銅の拡散距離が２０μｍ以下、特に１０μｍ以下であることが望ましい。これは、銅のセラミックス中への拡散距離が２０μｍを越えると、電気回路形成時に配線導体２間の絶縁性が低下し電気回路の信頼性が低下するためである。
【００３８】
この銅の拡散距離を２０μｍ以下とすることにより、配線導体２のうち、同一平面内に形成された各配線導体２間の最小線間距離を１００μｍ以下、特に９０μｍ以下の高密度化を図ることができる。
【００３９】
また、本発明の配線基板４においては、図３、図４に示すように、各電極パッド５を、前記配線導体２と直接接続する主接続部５ａと、主接続部５ａの外周部と絶縁基体１の表面との間に介在し、主接続部５ａと絶縁基体１とを接合する補助接続部５ｂとから成るものとするとともに、前記主接続部５ａをタングステンおよび／またはモリブデンと銅とにより形成し、前記補助接続部５ｂをタングステンおよび／またはモリブデンと鉄族金属とにより形成することが重要である。
【００４０】
各電極パッド５を、前記配線導体２と直接接続する主接続部５ａと、主接続部５ａの外周部と絶縁基体１の表面との間に介在し、主接続部５ａと絶縁基体１とを接合する補助接続部５ｂとから成るものとするとともに、前記主接続部５ａをタングステンおよび／またはモリブデンと銅とにより形成し、前記補助接続部５ｂをタングステンおよび／またはモリブデンと鉄族金属とにより形成しておくと、前記主接続部５ａが低抵抗の銅を主成分として含有していることから、電極パッド５を低抵抗とすることができ、鉛非含有半田等から成る金属バンプ６と電極パッド５との接触抵抗を低くすることができる。また、前記補助接続部５ｂは、絶縁基体１および主接続部５ａのいずれに対しても強固に接合することが可能なタングステンおよび／またはモリブデンと鉄族金属とから成り、主接続部５ａの外周部と絶縁基体１表面との間に介在して両者と接合することから、主接続部５ａの外周部を絶縁基体１に対して強固に接合させる接合材として作用し、電極パッド５に対して熱応力が作用したとしても、その外周部から剥がれが発生することを効果的に防止することができ、半導体素子３と配線基板４との接続信頼性を高くすることができる。
【００４１】
前記電極パッド５の主接続部５ａは、配線導体２と直接接続しており、金属バンプ６を介して接続される半導体素子３の電極を配線導体２に接続させるための主導体として作用し、前記絶縁基体１の搭載部１ａとなるセラミックグリーンシート表面にタングステンおよび／またはモリブデン粉末と、銅粉末とを所定の割合で有機溶剤、バインダーとともに混練して成る導電ペーストを前記セラミックグリーンシートの表面にスクリーン印刷法等により印刷塗布することにより形成することができる。
【００４２】
この場合、電極パッド５の主接続部５ａは、上記配線導体２をタングステンおよび／またはモリブデンと銅とにより形成する場合と同様の材料を用いることが望ましく、例えば、銅を１０乃至７０体積％、タングステン及び／またはモリブデンを３０乃至９０体積％の割合で含有することが望ましい。また、タングステンおよび／またはモリブデンは、平均粒径１乃至１０μｍの球状あるいは数個の粒子による焼結粒子として銅からなるマトリックス中に分散含有していることが望ましい。さらに、アルミナ、または絶縁基体１と同じ成分のセラミックスを０．０５乃至２体積％の割合で含有させることも可能である。
【００４３】
また、前記電極パッド５は、前記主接続部５ａの外周縁と絶縁基体１の表面との間に、絶縁基体１および主接続部５ａに対し強固に接合することが可能なタングステンおよび／またはモリブデンと鉄族金属とから成る補助接続部５ｂが介在し両者と接合していることから、この補助接続部５ｂを介して主接続部５ａの外周部を絶縁基体１に対して強固に接合させておくことができ、電極パッド５に対して熱応力が作用したとしても、その外周部から剥がれが発生することを効果的に防止することができ、半導体素子３と配線基板４との接続信頼性を高くすることができる。
【００４４】
この場合、配線導体２および金属バンプ６と直接接続するのが、銅を含有し低抵抗の主接続部５ａであるため、電極パッド５と絶縁基体１との間の接合を強固とするとともに、配線導体２と金属バンプ６との間の導通抵抗や接触抵抗を低く維持することができる。
【００４５】
なお、前記電極パッド５の補助接続部５ｂは、主接続部５ａおよび配線導体２と同時焼成によって形成する場合、その焼成温度が１２００〜１５００℃の低温で焼成する必要がある。そのため本発明ではこれを達成するため補助接続部５ｂを、タングステンおよび／またはモリブデンに、鉄族金属を含有せしめている。
【００４６】
前記補助接続部５ｂを、タングステンおよび／またはモリブデンに、鉄族金属を含有せしめて形成すると低温での焼成性を高めて絶縁基体１と同時焼成によって、また絶縁基体１に対し密着強度を強固として形成することができる。
【００４７】
前記補助接続部５ｂは鉄族金属の量が酸化物換算で０．１体積％未満の場合には補助接続部５ｂの緻密化が進行せず焼結不良になって絶縁基体１との接着強度が低下する。逆に、５体積％を超える場合には、タングステン、モリブデンの粒子が異常粒成長し絶縁基体１との接着強度が低下する。従って、上記鉄族金属の量は、酸化物換算で０．１乃至５体積％、好適には０．５乃至２体積％としておくことが望ましい。
【００４８】
なお上記補助接続部５ｂ中の鉄族金属としては、鉄、ニッケル、コバルトが挙げられるがこれらの中でもニッケルが最も望ましい。また酸化物換算量は、鉄（Ｆｅ）はＦｅ２Ｏ３、ニッケル（Ｎｉ）はＮｉＯ、コバルト（Ｃｏ）はＣｏ３Ｏ４の形態で換算した量である。
【００４９】
更に、この補助接続部５ｂ中には、酸化アルミニウム等を主成分とする絶縁基体１との接着強度を高めるために、酸化アルミニウム等の絶縁基体１と同種のセラミック粉末を添加することも有効である。しかし、その含有量が４５体積％よりも多いと焼結不良を招くおそれがある。従って、補助接続部５ｂに酸化アルミニウムを添加する場合、その含有量は特に２乃至３５体積％が望ましい。
【００５０】
なお、前記補助接続部５ｂは、主接続部５ａの外縁から１００μｍ以上の幅で絶縁基体１表面との間に介在し両者を接合させるようにして形成しておくことが好ましい。主接続部５ａと絶縁基体１表面との間に介在する補助接続部５ｂの、主接続部５ａ外縁からの幅が１００μｍ未満となると、接合幅が狭いため、主接続部５ａの絶縁基体１に対する被着を効果的に強固なものとすることが困難となる。
【００５１】
また、前記補助接続部５ｂは、前記主接続部５ａの外縁から外側に延出させるようにして形成してもよい。このように補助接続部５ｂを延出させておくと電極パッド５（主接続部５ａ）が、例えば直径１ｍｍ以下の円形等に、非常に小さくなってきたとしても、補助接続部５ｂと絶縁基体１表面との接合幅を十分に確保することができ、電極パッド５と絶縁基体１との接合の信頼性をより一層確実に確保することができる。また、このように補助接続部５ｂを主接続部５ａの外縁より外側に延出させる場合、隣接する接続パッド５の補助接続部５ｂとの間の隣接間隔を５０μｍ以上確保するようにしておくことが好ましい。この隣接間隔が５０μｍ未満となると隣接する接続パッド６間の電気絶縁性が低下するおそれがある。
【００５２】
また、前記電極パッド５は、円形または楕円形としておくと、外周の一部に熱応力が集中して、その部分から剥がれを生じることを効果的に防止することができ、配線基板４としての信頼性をより一層確実に優れたものとすることができる。したがって、前記電極パッド５は、円形または楕円形としておくことが好ましい。
【００５３】
この場合、前記電極パッド５の主接続部５ａと補助接続部５ｂとは、同心円状として、主接続部５ａの外周部の全周をほぼ同じ幅で補助接続部５ｂを介して絶縁基体１表面に接合させるようにしてもよく、また、長軸方向が絶縁基体１上面（搭載部１ａ）の対角線方向（熱応力が大きく作用する方向）となるような楕円状とし、熱応力が大きく作用する方向で、電極パッド５と絶縁基体１、および電極パッド５と金属バンプ６の接合の強度をより高めるようにしてもよい。
【００５４】
また、前記配線導体２および電極パッド５の主接続部５ａ、補助接続部５ｂは、その露出表面をニッケル、銅、金等のめっき金属層で被覆するようにしておくと、配線導体２および電極パッド５の酸化腐食を防止することができるとともに、鉛非含有半田等から成る金属バンプ６の電極パッド５に対する接続強度や、配線導体２の絶縁基体１下面に露出した部位を外部電気回路基板の回路配線に低融点ロウ材を介して接続する際の低融点ロウ材の濡れ性等をより一層良好とすることができる。従って、前記配線導体２および電極パッド５の主接続部５ａ、補助接続部５ｂは、その露出表面をニッケル、銅、金等のめっき金属層（図示せず）で被覆しておくことが好ましい。
【００５５】
この場合、各めっき金属層は全領域で均一な層構成、厚みとする必要はなく、各被着される部位に応じて、適宜、層構成や厚み等を変えるようにしてもよい。
【００５６】
例えば、配線導体２を、高周波信号の伝送等に対応するため、より一層低抵抗とする場合であれば、配線導体２の表面に銅めっき層を２μｍ乃至１５μｍ、特に３μｍ乃至６μｍ程度の厚みで被着させるようにしておくことが好ましく、電極パッド５に対する金属バンプ６の接続を強固とする場合には、ニッケルめっき層を３〜８μｍ、金めっき層を０．０５〜０．８μｍの厚みで、順次被着させるようにしておくことが好ましい。
【００５７】
（製造方法）
次に、上記配線基板４の製造方法の一例を、絶縁基体１が酸化アルミニウム質焼結体から成る場合について具体的に説明する。
【００５８】
まず、絶縁基体１を形成するために、セラミックス焼結体の主成分となる酸化アルミニウム原料粉末として、平均粒径が０．５μｍ乃至２．５μｍ、特に０．５μｍ乃至２．０μｍの粉末を用いる。これは、平均粒径は０．５μｍよりも小さいと、粉末の取扱いが難しく、また粉末のコストが高くなり、２．５μｍよりも大きいと、１５００℃以下の温度で焼成することが難しくなるためである。
【００５９】
そして、上記酸化アルミニウム粉末に対して、第２の成分として、ＭｎＯ２を２．０乃至８．０質量％、特に３．０乃至７．０質量％の割合で添加する。また適宜、第３の成分として、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ２粉末等を０．４乃至８質量％、第４の成分として、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒなどの遷移金属の金属粉末や酸化物粉末を着色成分として金属換算で２質量％以下の割合で添加する。
【００６０】
なお、上記酸化物の添加にあたっては、酸化物粉末以外に、焼成によって酸化物を形成し得る炭酸塩、硝酸塩、酢酸塩などとして添加してもよい。
【００６１】
そして次に、この混合粉末を用いて絶縁基体１を形成するためのセラミックグリーンシートを複数枚作製する。セラミックグリーンシートは、周知の成形方法によって作製することができる。例えば、上記混合粉末に有機バインダーや溶媒を添加してスラリーを調整した後、ドクターブレード法によって形成したり、混合粉末に有機バインダーを加え、プレス成形、圧延成形等により所定の厚みのセラミックグリーンシートを作製できる。
【００６２】
このようにして作製したセラミックグリーンシートに対して、まず、配線導体２となる導体成分として、平均粒径が１乃至１０μｍの銅粉末を１０乃至７０体積％、特に４０乃至６０体積％、平均粒径が１乃至１０μｍのタングステンおよび／またはモリブデン粉末を３０乃至９０体積％、特に４０乃至６０体積％の割合で添加してなる固形成分に対して有機バインダーや溶剤を添加混合することにより作製した導電ペーストを調整し、このペーストを前記セラミックグリーンシートの表面にスクリーン印刷、グラビア印刷等の手法によって印刷塗布する。
【００６３】
なお、前記導電ペースト中には、絶縁基体１との密着性を高めるために、酸化アルミニウム粉末や、絶縁基体１を形成する酸化物セラミックス成分と同一の組成物粉末を０．０５〜２体積％の割合で添加することも可能である。
【００６４】
次に、電極パッド５の補助接続部５ｂとなる導電ペーストを、セラミックグリーンシート表面のうち、主接続部５ａとなる導電ペーストの印刷予定領域の外周部に、環状等の所定のパターンに印刷塗布する。
【００６５】
なお、前記補助接続部５ｂとなる導電ペーストは、例えば、平均粒径が０．５〜５μｍのタングステンおよび／またはモリブデンに、酸化ニッケル等の鉄族金属の酸化物粉末を０．１〜５体積％、アルミナ粉末を０〜４５体積％の割合で含有する固形成分に対して、有機バインダーや溶剤を添加混合することにより作製される。
【００６６】
その後、前記配線導体２となる導電ペーストと同様の導電ペーストを、セラミックグリーンシートの表面および印刷した補助接続部５ｂとなる導電ペーストの表面に、電極パッド５の主接続部５ａの所定パターンに印刷する。この場合、主接続部５ａのパターンに印刷された導電ペーストは、その外周部で、下側に補助接続部５ｂとなる導電ペーストが印刷されているため、外周が盛り上がった形状となるが、この印刷した導電ペーストに対して加圧加工を施すことにより、平坦に均すことができ、電極パッド５としての上面の平坦度を確保することができる。
【００６７】
そして最後に、各配線導体２、主接続部５ａ、補助接続部５ｂとなる導電ペーストを印刷塗布したセラミックグリーンシートを位置合わせして積層圧着した後、この積層体を、非酸化性雰囲気中、焼成最高温度が１２００〜１５００℃の温度となる条件で焼成する。
【００６８】
このときの上記焼成温度が１２００℃より低いと、通常の原料を用いた場合において、酸化アルミニウム質焼結体から成る絶縁基体が相対密度９５％以上まで緻密化できず、熱伝導性や機械的強度が低下し、１５００℃よりも高いと、配線導体２および電極パッド５の主接続部５ａにおいて、タングステンあるいはモリブデン自体の焼結が進み、銅との均一組織を維持できなく、ひいては低抵抗を維持することが困難となりシート抵抗や低融点ロウ材との接触抵抗等が高くなってしまう。また、酸化物セラミックスの主結晶相の粒径が大きくなり異常粒成長が発生したり、銅がセラミックス中へ拡散するときのパスである粒界の長さが短くなるとともに拡散速度も速くなる結果、拡散距離を３０μｍ以下に制御することが困難となるためである。好適には１３５０〜１４５０℃の範囲がよい。
【００６９】
また、この焼成時の非酸化性雰囲気としては、窒素、あるいは窒素と水素との混合雰囲気であることが望ましいが、特に、配線導体２や主接続部５ａ中の銅の拡散を抑制する上では、水素および窒素を含み露点＋１０℃以下、特に−１０℃以下の非酸化性雰囲気であることが望ましい。なお、この雰囲気には所望により、アルゴンガス等の不活性ガスを混入してもよい。焼成時の露点が＋１０℃より高いと、焼成中に酸化物セラミックスと雰囲気中の水分とが反応し酸化膜を形成し、この酸化膜と銅含有導体の銅が反応してしまい、導体の低抵抗化の妨げとなるのみでなく、銅の拡散を助長してしまうためである。
【００７０】
さらにまた、上記のように焼成温度および雰囲気を制御して焼成することによって、絶縁基体１の表面の算術平均粗さＲａを１μｍ以下、特に０．７μｍ以下の平滑性に優れた表面を形成できる。
【００７１】
かくして本発明の配線基板によれば、絶縁基体１の搭載部１ａ上に半導体素子を搭載するとともにこの半導体素子３の各電極を電極パッド５に金属バンプ６を介して電気的、機械的に接続し、しかる後、絶縁基体１の上面に金属やセラミックスから成る蓋体７をガラスや樹脂、ロウ材等の封止材を介して接合させ、絶縁基体１と蓋体７とから成る容器内部に半導体素子３を気密に収容することによって製品としての半導体装置が完成する。
【００７２】
なお、本発明の配線基板は上述の実施の形態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は可能であり、例えば、上記の実施例では本発明の配線基板を半導体素子収納用パッケージに用いた例について説明したが、これを混成集積回路基板等に用いてもよい。
【００７３】
【発明の効果】
本発明の配線基板によれば、各電極パッドを、配線導体と直接接続する主接続部と、該主接続部と絶縁基体との間に介在し前記主接続部と絶縁基体とを接合する補助接続部とから成るものとするとともに、前記主接続部をタングステンおよび／またはモリブデンと銅とにより形成し、前記補助接続部をタングステンおよび／またはモリブデンと鉄族金属とにより形成したことから、前記主接続部を低抵抗の銅を主成分として含有するものと成すことができ、電極パッドを低抵抗とすることができる。
【００７４】
また同時に、前記電極パッドは、前記主接続部の外周部と絶縁基体の表面との間に、絶縁基体および主接続部に対し強固に接合することが可能なタングステンおよび／またはモリブデンと鉄族金属とから成る補助接続部を介在させたことから、この補助接続部を介して主接続部の外周部を絶縁基体に対して強固に接合させておくことができ、電極パッドに対して熱応力が作用したとしても、その外周部から剥がれが発生することを効果的に防止することができ、半導体素子と配線基板との接続信頼性を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線基板の一実施例を示す断面図である。
【図２】図１に示す配線基板の上面図である。
【図３】図１に示す配線基板の要部拡大上面図である。
【図４】図１に示す配線基板の要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１・・・・絶縁基体
１ａ・・・搭載部
２・・・・配線導体
３・・・・半導体素子
４・・・・配線基板
５・・・・電極パッド
５ａ・・・主接続部
５ｂ・・・補助接続部
６・・・・金属バンプ
７・・・・蓋体
Claims (1)
- 電気絶縁材料から成り、表面に電子部品が搭載される搭載部を有する絶縁基体と、該絶縁基体の前記搭載部に形成され、前記電子部品の電極が金属バンプを介して接続される多数の電極パッドと、前記絶縁基体の電極パッドから外表面にかけて導出されている複数個の配線導体とから成る配線基板であって、
前記各電極パッドは、前記配線導体と直接接続する主接続部と、該主接続部と前記絶縁基体との間に介在し前記主接続部と絶縁基体とを接合する補助接続部とから成り、前記主接続部はタングステンおよび／またはモリブデンと銅とにより形成され、前記補助接続部はタングステンおよび／またはモリブデンと鉄族金属とにより形成されていることを特徴とする配線基板。
Priority Applications (1)
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| JP2003038343A JP2004247677A (ja) | 2003-02-17 | 2003-02-17 | 配線基板 |
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| JP2003038343A JP2004247677A (ja) | 2003-02-17 | 2003-02-17 | 配線基板 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2020008851A1 (ja) * | 2018-07-06 | 2020-01-09 | 浜松ホトニクス株式会社 | 分光モジュール、及び分光モジュールの製造方法 |
-
2003
- 2003-02-17 JP JP2003038343A patent/JP2004247677A/ja active Pending
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