JPH0613755A - セラミック多層配線基板とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 セラミック多層配線基板表面における薄膜配
線層および入出力ピン、はんだバンプ、封止キャップ等
の接続信頼性を向上する。 【構成】 表層セラミックグリ−ンシ−トの貫通孔導体
金属部面積を内層部セラミックグリ−ンシ−トの貫通孔
導体金属部面積より大きくして内層部の貫通孔導体金属
との位置ずれを吸収し、焼成後、表面を平坦に研磨して
薄膜配線層、入出力ピン、はんだバンプ、封止キャップ
等を密着性良く接続し、接続強度を高める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、セラミック配線基板に
係り、とくに基板表裏面のＩ／Ｏピンや封止キャップ等
の接続強度を強化した平坦なセラミック配線基板及びそ
の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】セラミック配線基板は、小型化が可能で
信頼性が高いため半導体チップや小型電子部品搭載用の
基板として電子計算機、通信機器、家電品等に用いら
れ、とくに、グリ−ンシ−トを用いた湿式セラミック配
線基板は高密度配線に有利であるので広く用いられてい
る。この湿式セラミック配線基板は、セラミック原料粉
末を有機樹脂で結合したセラミック生シ−ト（以下、グ
リ−ンシ−ト）に貫通孔を加工した後、各シ−トに導体
ペ−ストの配線パタ−ンを形成して配線パタ−ンを接続
する貫通孔にも導体ペ−ストを充填し、これを所定枚数
積層して圧着後、焼成して作製される。

【０００３】また、日経エレクトロニクス、１９８５
年、６月１７日、Ｐ２４３〜２６６「マルチチップ・パ
ッケ−ジを水冷する」に記載のように、上記焼成したセ
ラミック配線基板の表面に、さらに薄膜配線を形成し、
裏面には入出力ピンがろう材を接続したりする。また、
入出力端子が微小で配置密度が高い場合には、はんだバ
ンプを形成して上記入出力ピンを接続し、ＬＳＩやチッ
プキャリア等を搭載後、キャップ等をはんだ封じしてこ
れらを気密保護する。

【０００４】上記薄膜配線を形成する必要上、基板表面
には平坦性が要求される。これに対して焼成後のセラミ
ック配線基板には反りや凹凸や基板表面の配線パタ−ン
の突出があるため、基板表面を平坦に研磨する必要があ
った。しかし、基板表面を平坦に研磨するためには基準
面となる基板裏面側をまず平坦に研磨する必要があっ
た。また、特開平１−１４０６９９号公報には、セラミ
ック基板表面の配線導体を加熱、加圧してその厚み分だ
け表面層に埋め込むようにすることが開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術において
は、セラミック配線基板の表裏面を平坦にすることを主
眼としているため、セラミック配線基板裏面の入出力ピ
ンやはんだバンプ等の接続強度、基板表面の封止強度等
が不十分で配慮されていないといういう問題があった。
すなわち、セラミック配線基板の表裏面を研磨するの
で、基板裏面に接続する入出力用のパタ−ン、基板表面
の封止パタ−ン等は薄膜で形成される。このためピン接
続強度、バンプ剪断強度、封止強度等はこれらをセラミ
ック配線基板表裏面の厚膜パタ−ン上に直接設ける場合
に較べて約１／２〜１／３に弱くなり、十分な信頼性が
得られなかった。本発明の目的は、上記の問題を解消し
たセラミック配線基板とその製造方法を提供することに
ある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、セラミック多層配線基板の表裏面に露出する導体パ
タ−ン面をセラミック表面と同一平面になるようにし、
その上に薄膜配線層を形成し、また、上記表面裏面に露
出する導体パタ−ン面に金属めっき膜を設けて入出力ピ
ン、はんだバンプ、封止キャップ等を接続するようにす
る。また、上記セラミック多層配線基板を、貫通孔に導
体金属を充填したセラミックグリ−ンシ−トを積層し、
さらにその表面の少なくとも片面に上記貫通孔より大き
な面積の貫通孔に導体金属を充填した表層用のセラミッ
クグリ−ンシ−トを積層して焼成し、次いで上記表層用
セラミックグリ−ンシ−トの表面を平坦に研磨して製造
する。

【０００７】このため、上記焼成前の表層用セラミック
グリ−ンシ−ト上にセラミックグリ−ンシ−トを積層し
て焼成し、次いで上記焼成後のセラミックグリ−ンシ−
ト体の表面を平坦に研磨して上記表層用セラミックグリ
−ンシ−トの貫通孔導体金属面を露出するようにし、上
記貫通孔導体金属の露出面に入出力ピン、はんだバン
プ、封止キャップ、薄膜配線層等を接続するようにす
る。

【０００８】

【作用】導体パタ−ン面が露出したセラミック多層配線
基板の片面には薄膜配線層が平坦に形成され、また、封
止キャップが密着性良く接続される。また、他の面には
入出力ピンやはんだバンプ等が密着性良く接続される。
また、上記表層セラミックグリ−ンシ−トの貫通孔導体
金属部の面積は内層部セラミックグリ−ンシ−トの貫通
孔導体金属部面積より大きいので、焼き縮み等により表
層部と内層部セラミックグリ−ンシ−トの貫通孔導体金
属の位置ずれを吸収して表層部と内層部間の接続を確実
にし、さらに、面積が大きいのでセラミック部に強固に
固着して入出力ピン、はんだバンプ、封止キャップ等の
接続強度を高める。

【０００９】また、上記表層部セラミックグリ−ンシ−
トの焼成後の厚みを上記研磨量以上にするので研磨によ
り表層部の貫通孔導体金属部が削りとられることがな
い。焼成前に上記表層部の上に設けたグリ−ンシ−ト
は、貫通孔導体金属部面積がとくに大きい場合の導体ペ
−ストの充填を確実、容易化する。

【００１０】

【実施例】〔実施例 １〕図１は本発明により完成され
たムライト系材料のセラミック配線基板の部分断面図で
あり、図２に示す焼成前のセラミック配線基板をベ−ス
にして製作する。

【００１１】まず、図２における各グリ−ンシ−トの作
製方法を説明する。グリ−ンシ−ト用のスラリ−は、７
２ｗｔ％のムライトの微粉末と、２８ｗｔ％のアルミ
ナ、シリカ、マグネシア微粉末の焼結助剤よりなるセラ
ミック粉末６ｇに、ポリビニルブチラ−ルの有機バイン
ダ−とブチルフタリル・ブチルグリコレ−トよりなる可
塑剤２ｇを加え、さらにこれにトリクロルエチレン、テ
トラクロルエチレン、ブチルアルコ−ルからなるアゼオ
トロ−プ組成の溶剤を加えあわせてボ−ルミルにて十分
混合し、セラミック粉末を均一に分散させて作成する。
次いで、上記スラリ−を減圧下で撹拌、脱気して気泡分
を除去し、ドクタ−ブレイド型キャスチング装置を用い
て厚さ０．２４ｍｍにした後、所定寸法に切断してグリ
−ンシ−トを作製する。

【００１２】図２は上記グリ−ンシ−トを積層した焼成
前の基板の部分断面図である。内層部のグリ−ンシ−ト
８３、８４等の上下間の配線導通用の貫通孔は、超硬製
ピンを配置した打ち抜き金型を用いて穿孔する。同様
に、積層後基板裏面に露出するグリ−ンシ−トの入出力
用ピンの厚膜パタ−ンの貫通孔も金型を用いて穿孔す
る。次いで、上記内層部のグリ−ンシ−ト８３、８４等
の各貫通孔や配線パタ−ン部にタングステン導体ペ−ス
トを充填する。

【００１３】上記タングステン導体ペ−ストは次ぎのよ
うにしての作製する。内層部のグリ−ンシ−ト８３、８
４内の配線パタ−ン用の導体ペ−スト（タングステンペ
−ストＡ）は、タングステン微粉末を８０ｇ、焼結助剤
としてガラス粉末を２ｇ、エチルセルロ−スを３ｇ、有
機溶剤としてジエチレングリコ−ルを１５ｇ加え合わ
せ、らいかい機および３本ロ−ルで混練した後、ｎ−ブ
チルカルビト−ルアセテ−トを加えて粘度調製して作製
する。

【００１４】同様に、上記貫通孔と積層後基板裏面に露
出するグリ−ンシ−トの入出力パタ−ン用の導体ペ−ス
ト（タングステンペ−ストＢ）を、粒度分布が異なるタ
ングステン微粉末を８０ｇ、焼結助剤としてガラス粉末
を４ｇ、その他はタングステンペ−ストＡと同様の方法
にて作製する。次いで、上記タングステンペ−ス−ト
Ａ，Ｂを用い、スクリ−ン印刷法にて上記貫通孔にペ−
ストを充填し、表面に配線パタ−ンを形成する。

【００１５】ここで、積層後基板裏面に露出するグリ−
ンシ−トの入出力用ピン用の貫通孔にはタングステンペ
−ス−トＢを次ぎのようにして充填する。すなわち、上
記グリ−ンシ−トに貫通孔が無いグリ−ンシ−トを仮接
着した後、スクリ−ン印刷法により上記貫通孔により形
成される凹み部分にタングステンペ−ストＢを充填す
る。次いで図２に示すように、上記各グリ−ンシ−トを
それぞれの配線パタ−ン間が電気的に接続されるように
して積み重ね、温度：１３０℃、圧力：１００ｋｇ／ｃ
ｍ² でグリ−ンシ−トを互いに接着し一体化する。

【００１６】上記図２の積層グリ−ンシ−ト体を焼成す
ると図３に示すような変形が発生する。貫通孔導体ペ−
ストの焼成収縮率がグリ−ンシ−トの焼成収縮率と同じ
であれば、焼成後の厚膜パタ−ンの厚みはグリ−ンシ−
ト一枚分と同じになる。また、上記導体ペ−ストの焼成
収縮率がグリ−ンシ−トより小さい場合は、貫通孔部分
が基板セラミック面より突き出し、焼成収縮率差が過大
だとクラックが発生する。

【００１７】またあ、導体ペ−ストの焼成収縮率がグリ
−ンシ−トより大きい場合には、貫通孔部分がセラミッ
ク基板面より凹み、焼成収縮率差が過大だとクラックや
隙間が発生する。また、厚膜パタ−ン部とセラミック部
の熱膨張率と等しくないと、クラックが発生したり、熱
膨張率差に基づく内部応力によって厚膜パタ−ン部の強
度が低下したりする。本発明では、上記のように導体ペ
−ストのビヒクル組成や割合、導体金属粒子の粒度、ガ
ラス成分やセラミック粉末の組成および添加量等を調節
して、厚膜パタ−ン部とグリ−ンシ−トの焼成収縮率や
熱膨張率等を等しくするようにしている。

【００１８】上記焼成は、上記積層グリ−ンシ−ト体を
台板上に置き、モリブデンを発熱体とする電気炉を用
い、窒素、水素、水蒸気の混合ガス雰囲気中で所定温度
にて作製する。なお、焼成後の大きさは２００ｍｍ角、
一層分の厚みは、０．１６ｍｍであった。また、焼成後
の基板の反り、凹凸量等は６０μｍであった。次いで上
記焼成後の基板表面および裏面を、その平坦度が１μ
ｍ、表面粗さが０．２μｍとなるように図３に示す鎖線
Ｃレベルまで研磨する。研磨量は表面側が０．１ｍｍ、
裏面側が０．２５ｍｍである。次いで、基板裏面側にＮ
ｉ／Ａｕめっきをし、還元雰囲気中熱処理によりタング
ステンとＮｉを拡散させる。次いで図１に示すように、
基板表面に薄膜配線層１を形成し、基板裏面に入出力ピ
ン７をろう材で接続する。

【００１９】〔比較例 １〕図４に示す従来のセラミッ
ク積層基板は上記本発明実施例１（図１）と同様の方法
で作製されているものの、厚膜パタ−ン導体金属３とそ
のグリ−ンシ−ト８２が省略されている点が異なってい
る。基板の反り、凹凸量、一層当たりの厚み等は同じで
あったため、基板の表面と裏面側をそれぞれ０．１ｍｍ
研磨して同様の平坦度と表面粗さを得、表面に薄膜配線
層１を形成し、裏面には入出力ピン接続パタ−ンを形成
して入出力ピンをろう材で接続した。

【００２０】表１は引張強度試験機による上記実施例１
と比較例１の入出力ピン７の接続強度測定結果であり、
本発明により引張強度が略３倍に増加できることがわか
る。

【表１】 なお、上記研磨後の厚膜パタ−ンはその端部とセラミッ
ク部の界面での応力集中がないので、セラミック表面に
盛り上がった形状の厚膜パタ−ンの場合に較べて２〜３
割大きい接着強度が得られる。

【００２１】〔実施例 ２〕図５はセラミック配線基板
裏面の厚膜パタ−ン導体金属３１をはんだバンプを介し
て回路基板１２に電気接続する本発明実施例の部分断面
図である。実施例２は実施例１に較べて、厚膜パタ−ン
導体金属３１の密度をはんだバンプ１１接続用に高めて
いる点と、基板表面に薄膜配層１の電気接続用の厚膜パ
タ−ン導体金属３２１および封止用厚膜パタ−ン導体金
属１０を設けた点が異なっている。

【００２２】厚膜パタ−ン導体金属３１の面積は比較的
小さてよいので、貫通孔導体金属（タングステンペ−ス
−トＢ）２はダミ−用のグリ−ンシ−トを仮接着せずに
スクリ−ン印刷法により充填することができる。封止用
厚膜パタ−ン導体金属１０（タングステンペ−スト）は
実施例１と同様の方法で充填する。このセラミック配線
基板の表裏面を研磨してめっきを施し、熱処理後、基板
表面に薄膜配線層を形成し、基板表面をキャップ封止
し、裏面には接続用のはんだバンプを形成する。

【００２３】〔比較例 ２〕表２は引張強度試験機と剪
断強度試験機とによる上記実施例２と比較例２の封止部
分の引張強度およびはんだバンプの剪断強度の測定結果
であり、本発明により引張強度と剪断強度を略３倍に増
加できることがわかる。

【表２】 〔実施例 ３〕本実施例では、セラミック配線基板の材
料をムライト系（実施例１）からアルミナ系に変えてい
る。

【００２４】セラミック粉末として、アルミナの微粉末
９０ｗｔ％、焼結助剤としてコ−ジエライト組成となる
ようなタルクとクレイの混合粉末１０ｗｔ％を用いた。
また、タングステンペ−ストには、実施例１とは粉度分
布が異なるタングステン微粉末を、またガラス粉末も組
成や添加料が異なるものを用いた。その他は実施例１と
同様の方法にて、基板を作製し、研磨、めっき・熱処
理、表面に薄膜形成をした後、裏面に入出力ピンをろう
材で接続した。

【００２５】〔比較例 ３〕実施例３および比較例１と
同様に、研磨した基板表面に薄膜配線層を、基板裏面に
薄膜で入出力ピン接続パタ−ンを形成した入出力ピンを
ろう材で接続した。このように作製した基板の入出力ピ
ンの接続強度を引張試験機で測定した結果、実施例３は
比較例３の約３倍の接続強度であった。なお、はんだバ
ンプの剪断強度および封止部分の引張強度についても全
く同じ結果が得られた。

【００２６】〔実施例 ４〕セラミック配線基板のセラ
ミック材料を、アルミナフィラ−／ホウケイ酸ガラス
に、また導体材料を銅としたガラス配線基板を作製し、
研磨・薄膜形成した後、厚膜パタ−ン上および薄膜パタ
−ン上に、それぞれ入出力ピンの接続およびはんだバン
プの形成、キャップ封止を行い、入出力ピン引張強度お
よびはんだバンプ剪断強度、キャップ封止強度を調べ
た。その結果、前述と同様、厚膜パタ−ン上の引張強度
および剪断強度は、薄膜パタ−ン上の場合の約２．５〜
３倍の大きさであった。

【００２７】以上の実施例で述べたように、焼成した時
のセラミック配線基板において、基板表裏面となる厚膜
パタ−ンの厚みを裏面の研磨量以上にしておけば、上記
研磨後、基板表裏面の厚膜パタ−ンはそのまま残るの
で、これに入出力ピンを直接接続し、また、はんだバン
プの形成してそれぞれの接続強度を強めることができる
のである。また、同様にしてキャップを十分な封止強度
でとりつけることができる。また、本発明を他のセラミ
ック材料や導体材料を用いるグリ−ンシ−ト法によるセ
ラミック配線基板に適用して同様の効果を得ることがで
きる。

【００２８】

【発明の効果】本発明により、セラミック多層配線基板
の表面に平坦な導体パタ−ン面を形成できるので、その
上に薄膜配線層を良好に設けることができ、さらに、入
出力ピン、はんだバンプ、封止キャップ等を密着性良く
接続してセラミック多層配線基板の信頼性を向上するこ
とができる。また、上記表層セラミックグリ−ンシ−ト
の貫通孔導体金属部の面積は内層部セラミックグリ−ン
シ−トの貫通孔導体金属部面積より大きいので、焼き縮
み等により表層部と内層部セラミックグリ−ンシ−トの
貫通孔導体金属の位置ずれを吸収して表層部と内層部間
の接続を確実にし、さらに、面積が大きいのでセラミッ
ク部に強固に固着して入出力ピン、はんだバンプ、封止
キャップ等の接続強度を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【表１】図１のセラミック配線基板と図４の従来基板の
入出力イピン接続強度比較表である。

【表２】図５のセラミック配線基板と従来基板の封止部
分引張強度とはんだバンプの剪断接続強度の比較表であ
る。

【図１】本発明により表面に薄膜配線層を形成し、裏面
の厚膜パタ−ン上に入出力イピンを接続したセラミック
配線基板の部分断面図である。

【図２】図１に用いる焼成前のセラミック配線基板の部
分断面図である。

【図３】図１に用いる焼成後のセラミック配線基板の部
分断面図である。

【図４】従来の表面に薄膜配線層を形成し、裏面の厚膜
パタ−ン上に入出力イピンを接続したセラミック配線基
板の部分断面図である。

【図５】本発明により表面に薄膜配線層と封止用厚膜パ
タ−ンを形成し、裏面の厚膜パタ−ン上にはんだバンプ
を形成したセラミック配線基板の部分断面図である。

【符号の説明】

１…薄膜配線層，２…貫通孔導体金属，３…厚膜パタ−
ン導体金属，４…セラミック部，５…めっき，６…ろう
材，７…入出力ピン，８１…グリ−ンシ−ト，９…薄膜
パタ−ン，１０…封止用厚膜パタ−ン導体金属，１１…
はんだバンプ，１２…回路基板，Ｃ…研磨面。

フロントページの続き (72)発明者 槌田 誠一 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 高根 悦子 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミック多層配線基板において、上記
   セラミック多層配線基板の表裏面に露出する導体パタ−
   ン面をセラミック表面と同一平面にあるようにしたこと
   を特徴とするセラミック多層配線基板。
2. 【請求項２】 請求項１において、上記セラミック多層
   配線基板の表面及び／または裏面に薄膜配線層を形成し
   たことを特徴とするセラミック配線基板。
3. 【請求項３】 請求項１において、上記セラミック多層
   配線基板の表面裏面に露出する導体パタ−ン面に金属め
   っき膜を設け、上記金属めっき膜上に入出力ピンの接
   続、および／または、はんだバンプの形成、および／ま
   たはキャップの封止を行なったことを特徴とするセラミ
   ック配線基板。
4. 【請求項４】 セラミック多層配線基板の製造方法にお
   いて、所定の貫通孔に導体金属を充填した所定数のセラ
   ミックグリ−ンシ−トを積層し、セラミックグリ−ンシ
   −ト体の少なくとも片面に上記貫通孔より大きな面積の
   貫通孔に導体金属を充填した表層用のセラミックグリ−
   ンシ−トを積層して焼成し、次いで上記表層用セラミッ
   クグリ−ンシ−トの表面を平坦に研磨するようにしたこ
   とを特徴とするセラミック多層配線基板の製造方法。
5. 【請求項５】 請求項４において、上記表層用セラミッ
   クグリ−ンシ−トの上に、さらにセラミックグリ−ンシ
   −トを積層して焼成し、次いで上記焼成後のセラミック
   グリ−ンシ−ト体の表面を平坦に研磨して上記表層用セ
   ラミックグリ−ンシ−トの貫通孔導体金属面を露出する
   ようにしたことを特徴とするセラミック多層配線基板の
   製造方法。
6. 【請求項６】 請求項４または５において、上記表層用
   セラミックグリ−ンシ−トの貫通孔導体金属面を金属め
   っきして入出力ピン、および／または、はんだバンプ、
   および／または封止キャップ、および／または薄膜配線
   層等を接続するようにしたことを特徴とするセラミック
   多層配線基板の製造方法。