JPH09148489A

JPH09148489A - セラミックス回路基板

Info

Publication number: JPH09148489A
Application number: JP30273795A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Iwase; 暢男岩瀬
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-11-21
Filing date: 1995-11-21
Publication date: 1997-06-06

Abstract

(57)【要約】【課題】信号線路間の相互容量を低減して、クロック周
波数が２ＧＨｚ程度までの高周波数信号を伝送した場合
においても、クロストークノイズや反射ノイズを低減で
き、高周波特性を高めることが可能なセラミックス回路
基板を提供する。【解決手段】回路層を有するセラミックス基板１表面
に、回路層と接続する複数の導体電極部３を形成したセ
ラミックス回路基板において、各導体電極部３の周囲に
アイソレーション配線４を形成したことを特徴とする。
またアイソレーション配線４が、接地配線，電源配線お
よびフローティーング配線のいずれかであることを特徴
とする。さらに導体電極部３とアイソレーション配線４
とを電気的に接続する短絡線５を形成するとよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はセラミックス回路基
板に係り、特に信号線路間の相互容量を低減してクロス
トークノイズや反射ノイズを低減でき、高周波特性を高
めることが可能なセラミックス回路基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】Ａｌ₂Ｏ₃などのセラミックス基板に、
信号処理用の配線層や導体電極部を一体に形成したセラ
ミックス回路基板が各種電子機器の構成部品として広く
使用されている。特に１００ＭＨｚクロック以上の高速
信号や３００ＭＨｚ以上の高周波信号を取扱う電子機器
であって、コンピュータ，移動体通信，ゲーム機，画像
処理装置，工作機械制御装置，各種産業機器の制御装置
としては、より高速化に対応したセラミックス回路基板
や半導体パッケージが求められている。

【０００３】また近年になって、半導体部品やＩＣの高
密度実装化への要請が高まるにつれて、基板の単位面積
当りの回路密度をより高くできる構造を有する多層セラ
ミックス回路基板が多用化されている。この多層セラミ
ックス回路基板は、一般に下記の工程で製造されてい
る。すなわちセラミックス原料粉末をシート成形法によ
って薄いシート状に形成し、このシート状成形体表面に
導通スルーホールや所定の回路パターンや導体電極部を
スクリーン印刷し、得られた印刷体を多段に積層して加
熱圧着して積層体とし、さらにこの積層体を焼結し、さ
らに表面の回路層や導体電極部に電気めっきを施して製
造する方法が採用されている。

【０００４】すなわち、図２に示すように信号配線など
の回路層２を有するセラミックス基板１の表面に、それ
ぞれ円形形状の複数の導体電極部（ランド）３が独立し
て形成されている。さらに上記導体電極部に、ピン，半
田ボール，ランドなどの接続部を形成して、それぞれＰ
ＧＡ（ピングリッドアレイ）型，ＢＧＡ（ボールグリッ
ドアレイ）型，ＬＧＡ（ランドグリッドアレイ）型の半
導体パッケージがそれぞれ形成される。

【０００５】上記従来の多層セラミックス回路基板にお
いては、電気めっきを施すために、予め、めっき専用引
出し線を内層に配設していた。すなわち、シート状成形
体の段階で回路パターンを印刷する際に、めっき専用引
出し線も同時に印刷形成し、この印刷体を複数層積層し
て積層体とし、この積層体の側面に露出しためっき専用
引出し線の断面を相互に電気的に短絡させるために、側
面に導体をベタ印刷して側面電極を形成してから、一括
して焼成する。焼成後において、短絡された側面電極部
に通電して電気めっきを実施する。そして、電気めっき
完了後に、短絡用の側面電極部を研削加工によって除去
し、パッケージボディとなる多層セラミックス回路基板
として完成させていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のセラミックス回路基板の構造においては、導体電極
部は各種信号配線の中でも最も自己容量および相互容量
が大きくなる部位である。すなわち基板表面の導体電極
部の相互容量は、セラミックス基板表面および内部の回
路配線層に起因する相互容量と、電極付近の電場空間で
形成される相互容量とが加算された大きな値となる。

【０００７】そのため高周波数の信号を伝送しようとす
ると、導体電極部間においてクロストークが発生し易く
なり、回路の動作信頼性が低下してしまう問題点があ
り、高周波信号や高速信号を処理することが困難になる
問題点があった。ちなみに従来構造のセラミックス回路
基板における伝送信号の上限周波数は、上記導体電極部
間や信号線路間のクロストークの発生限界によって律速
されており、通常５ＧＨｚであった。この値をクロック
周波数に換算すると、約１／５の１ＧＨｚという低い値
であり、いずれにしても高周波特性を改善することは困
難であった。

【０００８】一方、上記高周波特性を改善するために、
例えば図２に示すように、導体電極部３に信号／接地
（ＳＩＧ／ＧＮＤ）ツイストペア線を配置することによ
り、基板表面の電場を、２本の配線で封じ込める構造も
採用されている。しかしながらこのＳＩＧ／ＧＮＤツイ
ストペア配線を設ける構造では、電極部のイレイアウト
や配線が複雑化して設計自由度が大幅に低下する問題点
があった。

【０００９】また前記めっき専用引出し線を形成するセ
ラミックス回路基板においては、電気的短絡用の側面電
極の印刷，電気めっき後における側面電極の研削などの
工程が増加し、回路基板の製造効率が低下するととも
に、材料の有効利用という視点から見た場合に無駄が多
い問題点があった。また基板に配置しためっき専用引出
し線は、電気的に先端が解放状態であり、いわゆるオー
プンブランチとして作用するため、回路基板の自己容量
の増大，相互容量の増大，相互インダクタンスの増大，
特性インピーダンスの空間位置による変動，重量増加，
高価なタングステンペーストの使用量の増大などの種々
の問題を生起し、いずれにしても、製造コストが上昇
し、また高周波信号や高速信号を処理することが困難に
なるという問題点があった。

【００１０】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたものであり、信号線路間の相互容量を低減して、ク
ロック周波数が２ＧＨｚ程度までの高周波数信号を伝送
した場合においても、クロストークノイズや反射ノイズ
を低減でき、高周波特性を高めることが可能なセラミッ
クス回路基板を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係るセラミックス回路基板は、回路層を有
するセラミックス基板表面に、回路層と接続する複数の
導体電極部を形成したセラミックス回路基板において、
上記各導体電極部の周囲にアイソレーション配線を形成
したことを特徴とする。

【００１２】また、アイソレーション配線が、接地配
線，電源配線およびフローティーング配線のいずれかで
あることを特徴とする。さらに、導体電極部とアイソレ
ーション配線とを電気的に接続する短絡線を形成すると
よい。

【００１３】上記セラミックス回路基板において使用す
るセラミックス基板の種類は特に限定されるものではな
いが、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）などの酸化物系セラミッ
クスの他に、高熱伝導性を有し高出力用基板として好適
な窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や高強度の窒化けい素
（Ｓｉ₃Ｎ₄）などの非酸化物系セラミックスを使用す
ることもできる。

【００１４】セラミックス基板表面に、回路層，複数の
導体電極部およびアイソレーション配線を有する多層配
線構造のセラミックス回路基板は下記のようなシート状
成形体（グリーンシート）積層法で製造される。すなわ
ち、ＡｌＮやＳｉ₃Ｎ₄などのセラミックス原料粉末を
焼結助剤とともに有機バインダや溶剤中に分散して調製
される原料スラリーをドクターブレード法などのシート
成形法によって薄いシート状成形体を形成し、得られた
シート状成形体を所定の寸法に打ち抜いて、導通スルー
ホールの穿孔や所定の回路配線パターン，導体電極部お
よびアイソレーション配線のスクリーン印刷を実施した
後に、得られた複数のシート状成形体を多段に重ね加熱
圧着または加圧圧着したり、または溶剤や接着剤を塗布
した上で積層して積層体（多層セラミックス成形体）を
形成し、この積層体を焼結して製造する方法が採用でき
る。特にセラミックス原料として窒化アルミニウム（Ａ
ｌＮ）を使用した場合には、その特異な高熱伝導性と高
絶縁性とを併せ持つことになり、半導体素子を実装する
基板として放熱性および絶縁強度に優れた多層配線構造
のセラミックス回路基板が得られる。

【００１５】上記のように、導体電極部の周囲に、接地
配線，電源配線，フローティング配線のようなアイソレ
ーション配線を形成することにより、実質的に隣り合う
導体電極部間に電気的アイソレーション作用を発揮させ
ることが可能である。上記導体電極部を囲むアイソレー
ション配線は、空間的に導体電極部を完全に囲んでいる
必要はなく、実質的にアイソレーション作用をもたらす
必要最小限の範囲にアイソレーション配線を形成すれば
足りる。

【００１６】上記アイソレーション配線を導体電極部の
周囲に形成することにより、セラミックス基板の表面お
よび内部における相互容量は対接地容量となり、導体電
極部間に残る相互容量は空間容量のみで極めて小さい値
になるため、結果として導体電極部間における信号の相
互干渉が小さくなる。

【００１７】また、図１に示すように、上記アイソレー
ション配線４と導体電極部３とを電気的に接続する短絡
線５を形成することにより、このアイソレーション配線
４と短絡線５とを電気めっき用の導通線として使用する
ことができ、電気めっき専用引出し線が不要なセラミッ
クス回路基板とすることができる。すなわち、セラミッ
クス基板の表面に配設した導体電極部とアイソレーショ
ン配線とを電気的に接続する短絡線を予め形成する。こ
の短絡線は、前記回路配線パターンおよび導体電極部を
スクリーン印刷する際に同時に印刷され、焼成操作によ
って固化した状態になる。次に上記短絡線を形成した基
板材について、短絡線およびアイソレーション配線を導
通線として利用して、配線層および導体電極部表面に、
ＮｉやＡｕなどから成る厚さ０．１〜５μｍ程度のめっ
き層を電気めっき法により形成する。しかる後に、上記
所定厚さのめっき層を表層に形成した基板材について、
全ての短絡線をブラスト処理またはエッチング処理によ
って除去する。

【００１８】上記セラミックス回路基板に半導体素子を
搭載して半導体実装体や半導体パッケージが形成され
る。また、上記回路基板にプリント配線基板，メタル基
板，他のセラミックス基板を接合して各種の実装体が得
られる。

【００１９】上記構成に係るセラミックス回路基板によ
れば、アイソレーション配線を導体電極部の周囲に形成
しているため、セラミックス基板の表面および内部にお
ける相互容量は対接地容量となり、導体電極部間に残る
相互容量は空間容量のみで極めて小さい値になるため、
結果として導体電極部間における信号の相互干渉が小さ
くなる。したがって高周波数信号を伝送した場合におい
ても、クロストークが発生しにくく、動作信頼性が優れ
たセラミックス回路基板が得られる。

【００２０】また、アイソレーション配線と導体電極部
とを電気的に接続する短絡線を形成することにより、め
っき専用引出し線を配設せずに、短絡線を導通線として
利用して電気めっきを施すことができる。また、めっき
専用引出し線を配設していないため、高速信号や高周波
信号を処理した場合においても混信等の発生が少なく、
動作信頼性が優れたセラミックス回路基板が得られる。

【００２１】また従来から高周波特性を改善するために
必須であったＳＩＧ／ＧＮＤツイストペア線などの配置
構造が不要となるため、電極部のレイアウトや配線パタ
ーンが簡素化され、回路基板の配線設計の自由度が大幅
に改善できる。

【００２２】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施形態について添
付図面を参照して説明する。

【００２３】出発原料として、純度が９９．９９％以上
であり、０．８μｍの高純度窒化アルミニウム（Ａｌ
Ｎ）粉末に対して、焼結助剤としての酸化イットリウム
Ｙ₂Ｏ₃を３重量％と、界面活性剤としてのポリオキシ
エチレンアルキルエーテルリン酸を０．５重量％とを添
加し、トルエンとエタノールとの混合溶媒中でボールミ
ルにて２４時間湿式混合した。さらに有機バインダーと
してのアクリル樹脂を１２重量％添加してボールミルに
て混合して、原料スラリーを調製した。このスラリーを
使用しドクターブレード法にてシート成形し、多数のシ
ート状成形体を製造した。シート状成形体の厚さは４０
０μｍ，外径寸法は３０cm×３０cmとした。

【００２４】一方、平均粒径３μｍのタングステン
（Ｗ）粉末に対して、共生地成分であるＡｌＮ粉末を２
０体積％添加し、さらに周知のバインダー，溶剤等を配
合混練して塗布組成物（導体ペースト）を調製した。

【００２５】次に上記導体ペーストを使用し、スクリー
ン印刷法により、前記シート状成形体表面に信号配線，
電源配線，接地配線を含む所定の回路パターン，３２４
個の導体電極部，アイソレーション配線および導体電極
部を全て接続するように短絡線を印刷した。

【００２６】ここで上記導体電極部は、直径０．７０mm
の円形状とし、ピッチ１．００mmで配置したので隣接す
る導体電極部の最短距離は０．３０mmとした。そして、
この最狭電極間に、表１に示すように、最狭線幅が０．
０４mm（実施例１）〜０．１０mm（実施例４）のアイソ
レーション配線を形成した。このアイソレーション配線
は、各導体電極部を大略菱形になるように包み込む形状
で形成した。したがって各アイソレーション配線と導体
電極部とのギャップは０．１３０mm（実施例１）〜０．
１０mm（実施例４）に設定した。また、従来必要とされ
ためっき専用引出し線は形成しなかった。

【００２７】次に、各種配線パターンを印刷したシート
状成形体を複数枚積層し、温度７０℃で１００kg／cm²
の加圧力を作用させながら３０分間押圧して積層体とし
た。積層操作前においては、６０℃で１５分間乾燥した
時点で導体電極部が周辺よりも約３０μｍだけ盛り上が
った形状に印刷形成されていたが、積層操作によって、
表面の導体電極部（ランド）は、セラミックスシート中
に押圧されて表面が完全に平滑化した。

【００２８】次に積層体を、目的とするパッケージ外形
寸法に近い寸法値に切断した。さらに切断した各積層体
は、窒素ガス雰囲気中で温度７００℃で２時間脱脂処理
した。さらに各脱脂積層体を同じく窒素ガス雰囲気にて
温度１８５０℃で５時間焼成して、外形寸法が２５．４
×２５．４×２mmである窒化アルミニウム多層回路基板
とした。

【００２９】図１は、上記窒化アルミニウム多層回路基
板の表層部を部分的に示す斜視図である。セラミックス
基板１としてのＡｌＮ多層基板の表面に３２４個の導体
電極部（ランド）３が形成され、各導体電極部３は、ア
イソレーション配線４によって周囲が囲まれているとと
もに、短絡用の短絡線５で電気的に接続されている。上
記３２４個の導体電極部３のうち、電気的に他の回路と
全く接続関係がない浮き電極が３本存在したが、これら
の浮き電線に接続する浮き配線は内層からバイアホール
を経由して基板表面層まで立上げて露出せしめ、接地電
極と接続した。

【００３０】しかる後に、電気的に導通がとれた導体電
極部のひとつをマイナス極とする一方、白金をプラス極
とした状態で電気めっきを実施し、表面回路層および導
体電極部に厚さ４μｍのＮｉめっき層を形成した。さら
に、Ｎｉめっき層，アイソレーション配線を形成した基
板材を、窒素ガス雰囲気中で温度７００℃で５分間熱処
理した後に、電気めっき法により厚さ１．５μｍ以上の
金（Ａｕ）めっき層を形成した。この場合の通電方法は
導体電極部に接点を接触させる通常の方式を採用した。
なお、各めっき層の厚さは、蛍光Ｘ線法によって測定し
た。

【００３１】次にめっき層を形成した回路基板をウェッ
トサンドブラスト装置にかけて、短絡用の短絡線を除去
した。

【００３２】次に、上記ＡｌＮ回路基板表面に、Ａｇ含
有導電性ポリイミドペーストを介して半導体素子（チッ
プ）を接合搭載し、さらに半導体素子の各端子と回路層
の端子とをワイヤボンディングして半導体パッケージと
した。さらにＮｉ／Ａｕめっき層を形成した３２４個の
導体電極部（ランド）２表面に半田ペーストを印刷し、
ここに直径０．７０mmの半田ボールを載置して、温度２
００℃でリフロー処理してボールグリッドアレイ（ＢＧ
Ａ）パッケージとした。

【００３３】一方、比較例として、上記アイソレーショ
ン配線を形成しない点以外は実施例１〜４と同様に処理
して、図２に示すような従来構造のセラミックス回路基
板を使用したＢＧＡパッケージを製造した。

【００３４】上記のように製造した実施例および比較例
の各セラミックス回路基板を使用したＢＧＡパッケージ
の高周波特性の良否を評価するために、低周波から高周
波数までの信号を伝送せしめ、入力側の信号強度が出力
側で半減する際の信号周波数を散乱行列実測値Ｓ２１の
３ｄＢダウン点（Ｓ２１遮断周波数）として測定した。
測定結果を下記表１に示す。

【００３５】

【表１】

【００３６】表１に示す結果から明らかなように、導体
電極部の周囲にアイソレーション配線を形成した実施例
１〜４においては、アイソレーション配線を形成してい
ない従来構造の比較例と比べてＳ２１遮断周波数が５０
〜９０％と大幅に上昇し、より高周波特性が改善される
ことが判明した。

【００３７】なお、アイソレーション配線を菱形に形成
した上記実施例１〜４の他に、相互に直角に交差する格
子状のアイソレーション配線を形成した場合においても
上記実施例と同様な結果が得られた。またアイソレーシ
ョン配線は、必ずしも相互に連結する必要はなく、例え
ば最狭ギャップ部分で線幅をゼロとして部分的に形成し
ない場合においても同様な効果が得られている。この場
合は、最狭ギャップは、導体電極部の配設ピッチに拘束
されなくなり、任意の値を選択することが可能である。
そのため、最狭ギャップを大きく設定することにより、
実装時における半田ボールの接合によるショート事故を
低減することも可能である。

【００３８】

【発明の効果】以上説明の通り、本発明に係るセラミッ
クス回路基板によれば、アイソレーション配線を導体電
極部の周囲に形成しているため、セラミックス基板の表
面および内部における相互容量は対接地容量となり、導
体電極部間に残る相互容量は空間容量のみで極めて小さ
い値になるため、結果として導体電極部間における信号
の相互干渉が小さくなる。したがって高周波数信号を伝
送した場合においても、クロストークが発生しにくく、
動作信頼性が優れたセラミックス回路基板が得られる。

【００３９】また、アイソレーション配線と導体電極部
とを電気的に接続する短絡線を形成することにより、め
っき専用引出し線を配設せずに、短絡線を導通線として
利用して電気めっきを施すことができる。また、めっき
専用引出し線を配設していないため、高速信号や高周波
信号を処理した場合においても混信等の発生が少なく、
動作信頼性が優れたセラミックス回路基板が得られる。

【００４０】また従来から高周波特性を改善するために
必須であったＳＩＧ／ＧＮＤツイストペア線などの配置
構造が不要となるため、電極部のレイアウトや配線パタ
ーンが簡素化され、回路基板の配線設計の自由度が大幅
に改善できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るセラミックス回路基板の一実施形
態を模式的に示す斜視図。

【図２】従来のセラミックス回路基板の構成を模式的に
示す斜視図。

【符号の説明】

１セラミックス基板（ＡｌＮ多層基板）２回路層（信号配線層）３導体電極部（ランド）４アイソレーション配線５短絡線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回路層を有するセラミックス基板表面
に、回路層と接続する複数の導体電極部を形成したセラ
ミックス回路基板において、上記各導体電極部の周囲に
アイソレーション配線を形成したことを特徴とするセラ
ミックス回路基板。
【請求項２】アイソレーション配線が、接地配線，電
源配線およびフローティーング配線のいずれかであるこ
とを特徴とする請求項１記載のセラミックス回路基板。
【請求項３】導体電極部とアイソレーション配線とを
電気的に接続する短絡線を形成したことを特徴とする請
求項１記載のセラミックス回路基板。