JPH0761871A - セラミックス基板と外部金属端子との接合構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】セラミックス基板２のパッド部３に外部金属端
子４の一端面を銀銅（Ａｇ−Ｃｕ）系ろう材６にて接合
したものにおいて、パッド部３の接合面の直径をＤ、外
部金属端子４の前記一端面の直径をｄ、パッド部の前記
接合面の中心から前記一端面の中心までの距離をＸとす
るとき、セラミックス基板２の主成分がムライトであっ
て、下記の条件を充足していることを特徴とするセラミ
ックス基板と外部金属端子との接合構造１。 （Ｄ−
ｄ）／２−Ｘ≧０．２５ｍｍ 【効果】接合の信頼性に優れ、しかも生産歩留まりが高
いものである。従って、信号伝搬速度が速く、ＩＣとの
接続性に優れたＩＣパッケージを安定して供給すること
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、セラミックス基板と外
部金属端子との接合構造に関するもので、特に多層配線
基板に形成されたろう付けパッドとリード、ピン等の入
出力端子部材とがろう材にて接合される、ピングリッド
アレイＩＣパッケージに好適に利用され得る。

【０００２】

【従来の技術】ピングリッドアレイ（ＰＧＡ）等の高密
度ＩＣパッケージは、集積回路ＩＣを搭載するとともに
主面上に縦横に多数配列して形成されたパッド部を備え
る多層配線基板と、この多層配線基板のパッド部に接合
された多数のコバール等からなるＩ／Ｏ（入出力）ピン
等の外部端子部材とで構成されており、場合により更に
その多層配線基板のＩＣ搭載部の周縁部にコバール等か
らなる封止用枠体が接合されている。

【０００３】多層配線基板は、通常アルミナ等を主成分
とするセラミックスからなり、板形状の複数枚の絶縁層
と、各絶縁層の主表面に高融点金属にて形成された各種
配線パターンとを備えている。また、入出力ピン等の外
部金属端子は、例えば直径０．３〜０．４ｍｍ程度の丸
棒状の胴体部先端に、径大の鍔状部が設けられたネイル
（釘）形状をなしており、その鍔状部を接合面としてい
る。そして、セラミックスと外部金属端子との接合強度
は、セラミックス部分の信頼性確保のために、外部金属
端子自体の強度を上回ることが要請されることが非常に
多い。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年、信号
伝播速度を速くすることと、集積回路ＩＣの接続不良及
び剥離を未然に防止することのために、上記のような高
密度ＩＣパッケージの多層基板中の絶縁層として、ムラ
イト質セラミックスを用いようとする提案がなされてい
る（特公昭５７−２３６７２号公報，特開昭５５−１３
９７０９号公報）。

【０００５】すなわち、電気信号の伝播遅延時間は、配
線導体をとりまく絶縁層の誘電率の平方根に比例するの
で、比誘電率の小さいムライトを絶縁層の主成分として
信号の高速化を達成しようとするのである。また、集積
回路ＩＣが半導体シリコンよりなるものの場合、シリコ
ンの熱膨張係数が３．５×１０^-6／℃であるから、これ
と熱膨張差の小さいムライトをＩＣ搭載部の絶縁層の主
成分とすることにより、ＩＣ接続部分の熱応力を軽減し
ようとするのである。

【０００６】しかし、ムライト質焼結体よりなる多層配
線基板に従来のアルミナ基板に対するのと同じ要領で外
部金属端子を接合した構造のものを引っ張り強度試験に
かけると、低強度でセラミックス部分において破壊する
場合が頻繁に生じた。従って、パッケージ全体の信頼性
に欠けるとともに歩留まりを悪くしていた。

【０００７】本発明の第１の目的は、上記従来の課題を
解決し、接合の信頼性に優れたムライト質セラミックス
基板と外部金属端子との接合構造を提供することにあ
る。第２の目的は、接合体の歩留まりを向上させること
にある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的達成のために本
発明接合構造は、セラミックス基板のパッド部に外部金
属端子の一端面を銀銅（Ａｇ−Ｃｕ）系ろう材にて接合
したものにおいて、パッド部の接合面の直径をＤ、外部
金属端子の前記一端面の直径をｄ、パッド部の前記接合
面の中心から前記一端面の中心までの距離をＸとすると
き、セラミックス基板の主成分がムライトであって、下
記の条件を充足していることを特徴とする。

【０００９】（Ｄ−ｄ）／２−Ｘ≧０．２５ｍｍ ここで、パッド部の接合面の中心とは、パッド部の全面
積がろう材に濡れて接合に関与しているときは、その面
全体の中心のことをいう。また、その周縁が絶縁材料に
て被覆されているために被覆部分にろう材が濡れないと
きは、被覆部分を除いた面の中心のことをいう。そし
て、上記不等式の左辺は、パッド部と外部金属端子との
間で、ろう材によって形成されるメニスカス部分の最小
幅を示す。

【００１０】

【作用効果】ろう付け時には、外部金属端子の接合端面
からはみ出たろう材が、その縦断面形状において図１に
示すように外方に向かって漸減する円錐状となる。この
円錐状に湾曲した表面がメニスカスである。そして、パ
ッド部の接合面の中心と金属端子の端面の中心とが一致
しているとき（Ｘ＝０）、メニスカスの幅は、一定値
（Ｄ−ｄ）／２となる。

【００１１】しかし、Ｘ≠０のときのメニスカスの幅
は、金属端子の位置がずれた側で最小値［（Ｄ−ｄ）／
２−Ｘ］となり、その反対側で最大値［（Ｄ−ｄ）／２
＋Ｘ］となる。そして、ろう付け部分に引っ張り応力を
かけると接着力の弱いところからパッドが抉れる。

【００１２】そこで、種々実験の結果、セラミックス基
板の主成分がムライトである場合、ろう材によって形成
されるメニスカス部分の最小幅が０．２５ｍｍより小さ
いと、パッドの面積がたとえ大きくても低い引っ張り強
度で、パッドが抉れることが判った。従って、ろう付け
部分の接合強度は、メニスカス幅の最小値に依存する。

【００１３】セラミックス基板が主としてアルミナより
なる場合、アルミナ焼結体の強度が高いので、外部金属
端子との接合部で熱膨張差による応力が発生してもセラ
ミックス基板の破壊が起こりにくい。従って、通常の製
造条件においてメニスカス幅を考慮する必要がない。

【００１４】これに対して、ムライト焼結体はアルミナ
焼結体よりも強度が弱い。加えて、外部金属端子との熱
膨張差もアルミナ焼結体の場合よりも大きい。従って、
ろう付け部分で破壊し易いことから、アルミナとは異な
る配慮が必要と考えられるのである。

【００１５】銀銅（Ａｇ−Ｃｕ）系ろう材の組成は、Ａ
ｇ／Ｃｕ重量比が５０／５０〜８７／１３の範囲に属す
るものが良い。この範囲よりＡｇが少なくても多くても
液相温度が高くなって９００℃より高い温度でろう付け
しなければならず、作業性が悪くなるからである。ま
た、銀銅（Ａｇ−Ｃｕ）系ろう材は、その特性を逸脱し
ない限り、例えばインジウムＩｎのようにＡｇＣｕ以外
の第三の成分を少量含むものであっても良い。

【００１６】尚、パッド部の周縁が絶縁材料で被覆され
ていると、パッド部周端へのろう材の流れがせき止めら
れる。その結果、応力の集中し易いパッド部周端への更
なる応力集中を抑え、端子部の破壊を防止することがで
きる。従って、パッド部の周縁が絶縁材料で被覆されて
いるのが望ましい。

【００１７】

【実施例】

［本発明接合構造］本発明接合構造の一実施例を図面と
ともに説明する。図１は、本発明接合構造を備えたセラ
ミックス基板とネイルピンとの接合部を示す断面図であ
る。

【００１８】接合構造１は、ムライト７５重量％、密度
２．９ｇ／ｃｍ³のセラミックス基板２と、このセラミ
ックス基板２の表面に形成された金属化面からなるパッ
ド３と、パッド３に接合されたネイルピン４とで構成さ
れている。そして、セラミックス基板２の表面は、パッ
ド３の大部分を除いてセラミックス基板２と同質で厚さ
１５μｍの絶縁膜５で覆われている。

【００１９】パッド３は、厚さ２０μｍのタングステン
からなる第１層及び厚さ２μｍのニッケルからなる第２
層の２層構造（但し、絶縁膜５の直下は第２層が存在し
ない。）で、直径１．５５〜２．０５ｍｍの大きさとな
っており、その周縁０．１５ｍｍが絶縁膜５で覆われて
いるので、ネイルピン４との接合に関与している部分の
大きさは直径１．４〜１．９ｍｍである。

【００２０】ネイルピン４は、本発明接合構造に用いら
れる外部金属端子であり、全長４．５ｍｍのコバール
（ＫＯＶＡＲ）製で、直径０．４５ｍｍの胴体部とその
一端に一体的に連なる直径０．７ｍｍ、厚さ０．３ｍｍ
の鍔状部とからなる。パッド３とネイルピン４とは、所
定量の銀ー銅ろう（Ａｇ８５重量％）６にて接合されて
いる。尚、ネイルピン４の材質は、４２アロイ、アロイ
１９４（Ｃｕ合金）でも良い。

【００２１】［本発明接合構造を備えた接合体の製造方
法］このような接合体の製造方法を説明する。まず、ム
ライト等のセラミックス粉末を主成分とするグリーンシ
ートの表面に、タングステンＷのペーストを所定パター
ンにスクリーン印刷して、各パッドのパターンを形成す
る。次に同じ組成のセラミックス粉末を主成分とする絶
縁ペーストをグリーンシートの表面に印刷する。そし
て、これらグリーンシートが１５００℃前後の高温で焼
成され、Ｎｉ鍍金が施されてセラミックス基板２とな
る。

【００２２】別途、前記ネイルピン４を準備し、その鍔
状部端面に０．３ｍｇのＡｇ−Ｃｕろう６を付けてお
く。前記セラミックス基板２のパッド３にネイルピン４
をＡｇ−Ｃｕろう６にて炉設定温度９００℃、窒素−水
素混合ガス中で接合する。これにて接合構造１が完成す
る。

【００２３】［実験及び評価］上記接合構造１におい
て、ネイルピン４の寸法及び形状を一定値とし、接合に
関与するパッド３の面積を種々変えたものにつき、ネイ
ルピン４の遊端部を図２に示すように４５°方向に引っ
張り、接合強度を測定するとともに破壊モードを観察し
た。パッド３の中心からネイルピン４の中心までの距離
すなわち位置ズレ量Ｘ（横軸）と接合強度（縦軸）との
関係を図３に打点した。

【００２４】この図から、各々のパッド面積において、
位置ズレ量が一定値までは安定した接合強度を示すが、
一定値を越えると位置ズレ量が大きくなるにつれて接合
強度が低下することが判る。尚、パッド３の直径が１．
９ｍｍのものについても同様に測定したが同じ傾向を示
したので打点を省略した。更にミリメートルオーダー
で、パッド３の接合面の直径をＤ、ネイルピン４の鍔状
部端面の直径をｄ、位置ズレ量をＸとし、メニスカス幅
の最小値［（Ｄ−ｄ）／２−Ｘ］と接合強度との関係を
打点し、図４に示した。

【００２５】この図から、パッド３の直径にかかわら
ず、メニスカス幅の最小値が０．２５ｍｍ以上であると
きに、常に接合強度が５ｋｇｆ以上となることが判っ
た。そして、接合強度５ｋｇｆは、ネイルピン自体に要
求される機械的強度に相当する。従って、製品を設計す
る段階で、メニスカス幅の最小値が０．２５ｍｍとなる
ようにパッド径、ネイルピン径、寸法公差及び治具公差
を定めることにより、安定的に接合強度の高いＩＣパッ
ケージを製造することが可能となる。また、製品の品質
検査工程において、メニスカス幅の最小値を検査するこ
とにより、接合不良品の供給を未然に防止することがで
きる。

【００２６】

【発明の効果】この発明のムライトセラミックス基板と
外部金属端子との接合構造は、以上の構成を備えるの
で、接合の信頼性に優れ、しかも生産歩留まりが高いも
のである。従って、信号伝搬速度が速く、ＩＣとの接続
性に優れたＩＣパッケージを安定して供給することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】セラミックス基板と外部金属端子との接合構造
を示す要部断面図である。

【図２】接合強度を測定する方法を説明する図である。

【図３】位置ズレ量Ｘに対して接合強度を打点したグラ
フである。

【図４】メニスカス量の最小値［（Ｄ−ｄ）／２−Ｘ］
に対して接合強度を打点したグラフである。

【符号の説明】

１ 接合構造 ２ セラミックス基板 ３ パッド ４ ネイルピン（外部金属端子部材）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミックス基板のパッド部に外部金属
   端子の一端面を銀銅（Ａｇ−Ｃｕ）系ろう材にて接合し
   たものにおいて、パッド部の接合面の直径をＤ、外部金
   属端子の前記一端面の直径をｄ、パッド部の前記接合面
   の中心から前記一端面の中心までの距離をＸとすると
   き、セラミックス基板の主成分がムライトであって、下
   記の条件を充足していることを特徴とするセラミックス
   基板と外部金属端子との接合構造。 （Ｄ−ｄ）／２−Ｘ≧０．２５ｍｍ