配線基板
【課題】 ガラスセラミックスから成る配線基板の回路導体の端面に活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材を介してリードピンを接合した場合、回路導体に含まれるＣｕと活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材が接することでろう付け中に回路導体内にＡｇ−Ｃｕ合金が侵入し、回路導体内にボイドが発生し回路導体の導通抵抗値が上昇するという問題点があった。
【解決手段】 ガラスセラミックスから成る絶縁基体１と、絶縁基体１に形成された回路導体は、回路部と、前記回路導体における前記リードピンが接続される側に形成される接合部とからなり、該接合部は、第１の成分であるＣｕまたはＡｇと、第２の成分であるガラスとを含み、前記接合部におけるガラスの含有量が、前記回路部のガラスの含有量に比較して少なく成してあるとともに、前記接合部の表面にＮｉ層が形成されている。
【解決手段】 ガラスセラミックスから成る絶縁基体１と、絶縁基体１に形成された回路導体は、回路部と、前記回路導体における前記リードピンが接続される側に形成される接合部とからなり、該接合部は、第１の成分であるＣｕまたはＡｇと、第２の成分であるガラスとを含み、前記接合部におけるガラスの含有量が、前記回路部のガラスの含有量に比較して少なく成してあるとともに、前記接合部の表面にＮｉ層が形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子を収容するための半導体素子収納用パッケージや回路基板、電子回路モジュール等に使用される、入出力端子用のリードピンが立設されたいわゆるピングリッドアレイ（Pin Grid Array：ＰＧＡ）用の配線基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＩＣ（Integrated Circuit），ＬＳＩ（Large Scale Integration）等の半導体素子を収容するための半導体素子収納用パッケージは、一般的に、セラミック配線基板の表面に形成された回路導体にリードピン等の金属からなる端子部材が、ろう材を介して接合された、いわゆるリードピン付き配線基板の形態で用いられている。
【０００３】
近年の半導体素子の駆動の高速化にともない、誘電率の低いガラスセラミックスを絶縁基体に電気抵抗の小さいＣｕ系やＡｇ系の材料で回路導体を形成したセラミック配線基板が用いられるようになっており、回路導体の中で絶縁基体の表面に形成された電極パッドにＡｇ−Ｃｕ合金ろう材を用いてリードピン等がろう付けされる。このようなガラスセラミックスは、用いられるガラスの種類によっては磁器強度が極めて小さいものもあり、ガラスセラミックスから成る絶縁基体と電極パッドとの界面において破壊してしまう場合もある。
【０００４】
このような場合は、リードピンを接合する回路導体にリードピン接合用の電極パッドを絶縁基体の表面に形成せずに絶縁基体表面に貫通導体を露出させた形態とし、この部位を含む絶縁基体の表面に、Ｔｉ，ＺｒおよびＨｆの少なくとも１種から成る活性金属を含有するＡｇ−Ｃｕ合金ろう材（活性ろう材）を用いてリードピンを直接ろう付けする、いわゆる活性ろう付け法によりリードピンを接合した構成が提案されている。この構成では、リードピンは活性ろう材を介して回路導体（貫通導体）と電気的に接続され、リードピンの機械的接続は活性ろう材を介して主として絶縁基体に直接接合されることにより行なわれている。このため、電極パッドと絶縁基体との接合強度に依存することなくリードピンを接合することができ、絶縁基体と電極パッドとの間の界面における破壊を防止することができる（例えば、特許文献１を参照。）。
【０００５】
また、このようなセラミック配線基板においては、ガラスセラミックスとＣｕ系やＡｇ系の材料との間で焼結挙動が異なることにより回路導体と絶縁基体との間に空隙などの欠陥が発生してしまうことから、Ｃｕ系やＡｇ系の材料の焼結挙動をガラスセラミックスの焼結挙動に近づけ、また絶縁基体との密着を良くするために、回路導体は導電性材料であるＣｕ系やＡｇ系の材料を第１の成分とし、第２の成分として焼結挙動を調節するガラス成分が添加されている。
【特許文献１】特開平２００４−１４０２４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の配線基板にリードピンを接合すると、ろう材に接した回路導体内にボイドが発生してしまう場合があり、特にろう付け温度が高く、ろう付け時間が長い場合には、配線基板のさらに内部に位置する回路導体内にまでボイドが発生してしまうこともあった。
【０００７】
このように回路導体内にボイドが発生した場合、導通抵抗の増加や断線などの不良が発生してしまう場合があった。特に、近年の配線基板に対する小型化や高密度化の要求に対応するために回路導体を微細なものとした場合には、回路導体の内部に発生したボイドが小さいあるいは少ないものであってもその影響は大きく、導通抵抗の増加や断線を顕著に誘発し、リードピン付き配線基板の電気的特性や機械的信頼性を十分に確保できないという問題があった。
【０００８】
このような不具合について研究した結果、本発明者は、ろう付け時に回路導体のＣｕやＡｇがろう材に取り込まれることに起因して上記の不具合が誘発されるということを見出した。すなわち、ろう付け温度では、溶融したＡｇ−Ｃｕ合金を主成分とするろう材とＣｕやＡｇを主成分とする回路導体とが接しており、この界面では回路導体のＣｕやＡｇが溶融したろう材に溶解されるので、溶融したＡｇ−Ｃｕ合金（液相）が回路導体内に浸入していく。このとき、ろう材に溶解された回路導体のＣｕやＡｇの跡が空隙となるため、ろう付け後には回路導体内に浸入したＡｇ−Ｃｕ合金と回路導体のＣｕやＡｇとの界面にこの空隙がボイドとして残留してしまう。
【０００９】
本発明は、上記の問題点を解決するために案出されたものであり、その目的は、ろう付けの際の回路導体内への溶融したＡｇ−Ｃｕ合金ろう材の浸入を抑制することにより、ボイドによる回路導体の導通抵抗の増加や断線を抑えることのできる、狭ピンピッチで高信頼性を有するリードピン付き配線基板用の配線基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の配線基板は、ガラスセラミックスから成る絶縁基体と、該絶縁基体に形成され回路導体とを有し、該回路導体に、Ｔｉ，ＺｒおよびＨｆのうちの少なくとも一種を含むＡｇ−Ｃｕ合金ろう材を介してリードピンが接合される配線基板であって、前記回路導体は、第１の成分であるＣｕまたはＡｇと、第２の成分であるガラスとを含み、回路部と、前記回路導体における前記リードピンが接続される側に形成される接合部とからなり、該接合部におけるガラスの含有量が前記回路部におけるガラスの含有量に比較して少なく、且つ前記接合部の表面にＮｉ層が形成されていることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の配線基板は、前記回路部における前記第２の成分の含有量が前記第１の成分に対して８質量％乃至３０質量％、前記接合部における前記第２の成分の含有量が前記第１の成分に対して５質量％未満であり、且つ前記Ｎｉ層の厚みが１μｍ乃至１５μｍであることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の配線基板によれば、回路導体は、第１の成分であるＣｕまたはＡｇと、第２の成分であるガラスとを含み、回路部と、前記回路導体における前記リードピンが接続される側に形成される接合部とからなり、該接合部におけるガラスの含有量が前記回路部におけるガラスの含有量に比較して少なくしてあることから、接合部の表面に露出したガラスが少ないので、めっき法にて接合部の表面に形成されたＮｉから成る層を、ピンホールなどの欠陥が少なく、且つ十分に被覆されたものとなすことができる。また接合部の表面にＮｉ層が形成されていることから、Ｔｉ，ＺｒおよびＨｆのうちの少なくとも一種を含むＡｇ−Ｃｕ合金ろう材（以下、活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材ともいう）によりリードピンを接合する際に、回路導体のＣｕまたはＡｇと溶融した活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材とが接することがないので、溶融した活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材に回路導体のＣｕまたはＡｇが溶解されることにより回路導体内にボイドが発生することを抑制することができる。これにより導通抵抗の増加や断線などの不良がないリードピン付配線基板を作製することができる。
【００１３】
また、本発明の配線基板によれば、前記回路部における前記第２の成分の含有量が前記第１の成分に対して８質量％乃至３０質量％であることから回路導体の導通抵抗を大きく上げることなく回路導体の材料の焼結挙動（焼結挙動とは回路導体やガラスセラミックスの焼結時の収縮の挙動を意味する。）を、絶縁基体の材料であるガラスセラミックスの焼結挙動に近づけることことにより、回路導体内のみならず回路導体と絶縁基体との間にも空隙などの欠陥のない配線基板を作成する事ができる。また、前記接合部における前記第２の成分の含有量が前記第１の成分に対して５質量％未満であることから接合部の表面に露出したガラスが十分に少ないのでめっき法にてＮｉ層を形成する場合に１μｍという薄い厚みでピンホールなどの欠陥なく接合部の表面を十分に被覆することができる。さらに前記Ｎｉ層の厚みが１μｍ乃至１５μｍであることから、活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材によりリードピンを接合する際に、活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材へ拡散するＮｉの量が少ないので、Ｎｉの拡散により形成される脆弱な合金層の厚みを薄くすることができ、リードピンをより強固に接合することが可能な配線基板を作成する事ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の配線基板について以下に詳細に説明する。図１は本発明の配線基板の実施の形態の一例を示す断面図である。図２および図３は図１におけるＡ部拡大の一例を示す断面図である。図１乃至図３において１は絶縁基体、２は回路導体、３はＮｉ層、４は配線基板、５はろう材、６はリードピン、７は電極、８は半導体素子、９は金属細線であり、本発明の配線基板４の下面にろう材５を介してリードピン６を接合し、上面に半導体素子８を搭載して、配線基板４の電極７と半導体素子８とをＡｕ等からなる金属細線９を用いたワイヤーボンディングにより電気的に接続した例である。
【００１５】
絶縁基体１はガラスセラミックスから成るものであり、ガラス粉末とフィラー粉末との焼結体である。ガラス粉末やフィラー粉末は従来のガラスセラミックスに用いられているものを用いればよく、例えばガラス粉末はＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−ＭＯ系（但し、ＭはＣａ，Ｓｒ，Ｍｇ，ＢａまたはＺｎを示す）、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｍ１Ｏ−Ｍ２Ｏ系（但し、Ｍ１およびＭ２は同じまたは異なっていて、Ｃａ，Ｓｒ，Ｍｇ，ＢａまたはＺｎを示す）、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−Ｍ１Ｏ−Ｍ２Ｏ系（但し、Ｍ１およびＭ２は上記と同じである）、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ｍ３２Ｏ系（但し、Ｍ３はＬｉ，ＮａまたはＫを示す）、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−Ｍ３２Ｏ系（但し、Ｍ３は上記と同じである）、Ｐｂ系、Ｂｉ系等のガラスの粉末が挙げられる。またフィラー粉末は、Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，ＺｒＯ２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、ＴｉＯ２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、Ａｌ２Ｏ３およびＳｉＯ２から選ばれる少なくとも１種を含む複合酸化物（スピネル，ムライト，コージェライト等）等のセラミックスの粉末が挙げられる。ガラス粉末とフィラー粉末の割合は、質量比で１０：９０乃至９９：１であり、好ましくは４０：６０乃至８０：２０である。
【００１６】
回路導体２は、第１の成分であるＣｕまたはＡｇと第２の成分であるガラスとを含むものであり、これらの成分を含む焼結体である。第２の成分のガラスの粉末としては、絶縁基体１に用いられるガラス粉末として挙げられたものを用いることができる。回路導体のガラス粉末は、回路導体２の成分の焼結挙動を絶縁基体１のガラスセラミックスの焼結挙動に近づけるために含むものであるので、軟化点等の焼結挙動に関係する特性が絶縁基体１に用いられるガラス粉末に近いものが用いられ、好ましくは絶縁基体１に用いられるガラス粉末と同じものが用いられる。
【００１７】
回路導体２は、回路部２ａと、回路導体２におけるリードピン６が接続される側に形成される接合部２ｂとからなる。接合部２ｂは、図２に示すように貫通孔内に形成され、貫通導体である回路導体２の一部として形成される場合や、図３に示すように貫通孔の上に形成される場合、すなわち貫通導体である回路部２ａの配線基板４の表面に露出した部分を覆うように形成される場合がある。接合部２ｂが貫通孔内に形成され、貫通導体である回路導体２の一部として形成された場合は、活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材５と絶縁基体１が貫通孔を除く部分で直接接合できるために、リードピン６の接合強度を高いものとすることができる点で好ましい。接合部２ｂが貫通孔（貫通導体）の上に形成される場合は、回路部２ａを覆うために貫通孔（貫通導体）の径以上に形成されるが、活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材５によるリードピン６の接合強度を高いものとするためには、活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材５と絶縁基体１とが接合される面積が大きい方がよいので、接合部２ｂの径は、好ましくは貫通孔（貫通導体）と同程度の径であるのがよい。
【００１８】
また、接合部２ｂにおけるガラスの含有量は、回路部２のガラスの含有量に比較して少なく成してあるとともに、接合部２ｂの表面にはＮｉ層３が形成されている。接合部２ｂの表面に露出したガラスが少ないので、めっき法にて接合部２ｂの表面に形成されたＮｉから成る層３はピンホールなどの欠陥が少なく十分に被覆されたものとなすことができる。また接合部２ｂの表面にＮｉ層３が形成されていることから、活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材５によりリードピン６を接合する際に、回路導体２のＣｕまたはＡｇと溶融した活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材５とが接することがないので、溶融した活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材５に回路導体２のＣｕまたはＡｇが溶解されることにより回路導体２内にボイドが発生することを抑制することができ、導通抵抗の増加や断線などの不良がないリードピン付配線基板を作製することができる配線基板４となる。
【００１９】
また、本発明の配線基板４は、接合部２ｂの第２の成分であるガラスの含有量が第１の成分に対して５質量％未満、回路部２ａの第２の成分であるガラスの含有量が第１の成分に対して８質量％乃至３０質量％になしてあり、且つＮｉ層３の厚みが１μｍ乃至１５μｍであることが好ましい。回路部２ａの第２の成分であるガラスの含有量が第１の成分に対して８質量％乃至３０質量％になしてあることから、回路導体２の導通抵抗を大きく上げることなく回路導体２の材料の焼結挙動を絶縁基体１の材料であるガラスセラミックスの焼結挙動に近づけることができるので、回路導体２内のみならず回路導体２と絶縁基体との間にも空隙などの欠陥の少ない配線基板４となるとともに、接合部２ｂの第２の成分であるガラスの含有量が第１の成分に対して５質量％未満であることから、接合部２ｂの表面に露出したガラスが十分に少なく、これによりめっき法にてＮｉ層３を形成する場合に１μｍという薄い厚みでピンホールなどの欠陥が少なく且つ接合部の表面を十分に被覆することができる。また、Ｎｉ層３の厚みが１μｍ乃至１５μｍであることから、活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材５によりリードピン６を接合する際に、活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材５へ拡散するＮｉの量が少ないので、Ｎｉの拡散により形成される脆弱な合金層の厚みを薄くすることができ、リードピン６をより強固に接合することが可能な配線基板４となる。
【００２０】
このような配線基板４におけるガラスセラミックスより成る絶縁基体１は、例えば以下のような従来周知のセラミックグリーンシート積層法を用いて製作することができる。すなわち、上記割合のガラス粉末とフィラー粉末に適当な有機バインダや溶剤、必要に応じて分散剤や可塑剤等を添加し、ボールミル法等の混合方法により混合して作製したスラリーをドクターブレード法やカレンダーロール法等の成形方法を採用してシート状に成形してセラミックグリーンシートを得て、このセラミックグリーンシートを上下に積層し、この積層体を１００〜８００℃の温度で加熱して脱バインダした後、８００〜１１００℃の温度で焼成することによって製作される。焼成は、回路導体２の第１の成分がＣｕである場合は窒素雰囲気中で行なわれ、Ａｇである場合は大気中で行なわれる。なお、窒素雰囲気の場合は、加湿することにより脱バインダ性を高めることが行なわれる。
【００２１】
このときの、回路導体２は、たとえば銅（Ｃｕ）・銀（Ａｇ）からなる。これらの金属粉末に適当な有機バインダや溶剤、必要に応じて分散剤等を添加混合し、ボールミル・三本ロールミル・プラネタリーミキサー等の混練手段により混練して得た金属ペーストを上記にセラミックグリーンシートに所定のパターンに印刷塗布し、これをセラミックグリーンシートの積層体とともに焼成することによって形成することができる。
【００２２】
次に、このセラミックグリーンシートに、導体材料の粉末をペースト化した導体ペーストをスクリーン印刷法やグラビア印刷法等により印刷するか、または所定パターン形状の金属箔を転写する等の方法を用いて、回路導体２を形成する。導体ペーストの導体材料としては、ガラスセラミックス焼結体に対しては、ＣｕまたはＡｇが好適に用いられる。
【００２３】
なお、この回路導体２には、絶縁基体１の上面と下面とにそれぞれ配置された導体パターン同士を絶縁基体１の内部で接続するためのビア導体やスルーホール導体等といった回路部２ａも含まれる。この回路部２ａは、例えば、パンチング加工等によりセラミックグリーンシートに形成した貫通孔に導体ペーストを充填することによって形成される。
【００２４】
ここで、回路部２ａの導体ペーストには焼成時にセラミックとの密着を良くする為に導体成分のＣｕまたはＡｇを第１の成分とし、セラミックグリーンシートと同じガラス粉末を第２の成分として、第１の成分のＣｕまたはＡｇに対して８乃至３０質量％のガラス粉末が添加される。ガラスの含有量が８質量％未満だと回路部２ａ内では焼成時に回路導体の成分のＣｕまたはＡｇとグリーンシートの収縮挙動が合わずに、回路導体とグリーンシートとの剥離が生じる場合がある。また、ガラスの含有量が３０質量％を越えると回路導体の抵抗値が高くなり、配線基板としての機能を充分に発揮できなくなる。
【００２５】
更に本発明の配線基板によれば、貫通孔に導体ペーストを充填後に、導体の成分のＣｕまたはＡｇを第１の成分とし、セラミックグリーンシートと同じガラス粉末を第２の成分として、第１の成分のＣｕまたはＡｇに対して５質量％未満のガラス粉末が添加された導体ペーストを貫通孔の表縁側の一端面に充填したり、印刷することにより回路部２ｂとなる層が形成される。また、回路導体２は、主に絶縁基体１の表面に形成され、その一部が半導体素子８の電極を電気的に接続させるための電極７として機能する。
【００２６】
次に、図２に断面図で示すように、回路部２ｂの露出する表面にＮｉ層３を形成するために、めっき法、蒸着法およびスパッタリング等によって１μｍ乃至１５μｍＮｉ層を形成する。Ｎｉ層３は、ＣｕやＡｇに対して密着性が良く、拡散しにくいためにバリア層として有効に機能する。
【００２７】
また、Ｎｉ層３の厚みが１μｍ未満の場合、回路導体２を形成する導体にガラス成分を含んでいるために、十分に回路導体をカバーできずにピンホール部などの欠陥が生じる場合がある。このため、リードピン６取付けの加熱処理が行なわれる場合、回路導体のＣｕまたはＡｇと活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材（ろう材５）が互いに接する部分が生じ、この互いに接触した界面より回路導体のＣｕまたはＡｇが溶解されることにより回路導体内やさらに内部に位置する回路導体と接続された配線導体内にボイドが発生する場合がある。その結果、回路導体内で断線が生じる恐れがある。
【００２８】
また、Ｎｉ層３を構成するＮｉはろう付けの際にろう材側へ拡散し、ろう材内で活性金属と合金層を形成する。この合金層の引っ張り等の外力に対する強度は脆弱である為に、ピンピッチが狭く、リードピン６とろう材５との接合面積が小さくなると外力により破壊され易くなる。Ｎｉ層３の厚みが厚いほどその傾向は大きくなり１５μｍを超える場合、比較的小さな外力でも容易にＮｉ層３が破壊されるやすくなるという問題点が発生する。
【００２９】
Ｎｉ層３をめっき法で形成する際の一例を以下に示す。Ｎｉめっき層は、Ｐを４乃至１２質量％含有する無電解Ｎｉ−Ｐめっき層から成る。このようなＮｉめっき層は、まず、配線導体６および回路導体７が形成された絶縁基体１を界面活性剤と塩酸水溶液とから成る温度が２５乃至５０℃の酸性の洗浄液に１乃至５分間浸漬して、回路導体２の表面に露出する面を清浄し、次にこれを純水で洗浄した後、塩化パラジウム，水酸化カリウム，エチレンジアミンテトラアセティクアシッドから成る温度が２５乃至４０℃のパラジウム活性液中に１乃至５分間程度浸漬して、回路導体７の表面に露出する面にパラジウム触媒を付着させ、次にこれを純水で洗浄した後、硫酸ニッケル，クエン酸ナトリウム，酢酸ナトリウム，次亜リン酸ナトリウム，塩化アンモニウムから成る温度が５０乃至９０℃の無電解Ｎｉめっき液中に、２乃至６０分間浸漬することによって、回路導体２の表面に露出する面に被着される。
【００３０】
そして、配線基板４の下面の回路導体２が絶縁基体１表面に露出した部位を含む領域に、活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材を含む導体ペーストを、スクリーン印刷法やグラビア印刷法等により印刷し、リードピン６と、配線基板４の回路導体２の表面に露出する面とその面を含む絶縁基体１とを、活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材からなるろう材を介してろう付けする。この活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材は、ＢＡｇ−８（ＪＩＳ Ｚ−３２６１：７２質量％Ａｇ−２８質量％Ｃｕ）ろう材を始めとして、Ａｇが６０乃至８０質量％でＣｕが２０乃至４０質量％の組成から成るＡｇ−Ｃｕ合金ろう材に、活性金属であるＴｉ，ＺｒおよびＨｆのうち少なくとも１種を、金属または水素化物の状態で外添加で２乃至１０質量％添加したものが好適に用いられる。なお、外添加とはあらかじめ出来上がったＡｇ−Ｃｕ合金ろう材１００質量％に対して活性金属を別に添加することをいう。
【００３１】
このろう材５を介してリードピン６を絶縁基体１に接合するには、活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材の粉末に有機溶剤、樹脂バインダおよび溶剤（有機溶剤，水等）を合わせて５乃至１５質量％を外添加で混合して得たろう材ペーストを、回路導体２が露出した端面を含む絶縁基体１の表面に、スクリーン印刷法等によりリードピン１を立設する部位に対応した所定パターンで印刷し、これにリードピン６のヘッド部を載置して、真空中、中性雰囲気中または還元雰囲気中で活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材の溶融温度に合わせた所定温度（例えば約８００℃）で加熱処理し、活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材を溶融させて、配線導体４および絶縁基体１とリードピン６とをろう付け接合する。
【００３２】
このとき、活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材の融点およびろう付け後の接合部の外観や反応層および合金層の厚み等を考慮して、ろう材５における活性金属の含有量、ボリューム（体積）、ブレージング最高到達温度（ブレージング最高到達温度とはろう材が溶融するための温度以上の所望の温度をいう。）、ろう材５の融点以上の温度の保持時間等を決める必要がある。また、加熱処理時にリードピン６に加重を掛けると、ろう材５がリードピン６のヘッド部にメニスカスをきれいに形成し、より強固にろう材５とリードピン６を接合できる。
【００３３】
その一例として、７２質量％Ａｇ−２８質量％ＣｕのいわゆるＢＡｇ−８と呼ばれるろう材に活性金属としてＴｉＨ２を３質量％添加したろう材を用いて、絶縁基体１の表面にろう付け後に直径０．９０ｍｍの接続パッドを形成する場合、ピン径が０．２０ｍｍ、ヘッド部の厚みが０．１５ｍｍ、ヘッド部の直径が０．４５ｍｍのネイルヘッド型（ネイルヘッド型とは、図１に示すようにリードピン６の片側の先端の型がリードピン６の径より大きい型をいう。）のリードピン６を絶縁基体１の所定部位に当接した状態で、真空炉中で最高温度７９５℃乃至８５０℃で５分乃至１時間保持すれば、高い接合強度を有する良好な接合状態が得られる。
【００３４】
なお、本発明の配線基板４に用いられるリードピン６の材質、ピン部の長さ、ヘッド部の厚み等は、外部電気回路のソケットの形状や接続方法等に応じて選択が可能である。例えば、半導体素子収納用パッケージに適用するリードピンであれば、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ合金製のものが使用され、ピン部の長さとしては１乃至６ｍｍ程度の範囲のものが使用される。
【００３５】
以上のようにしてリードピン６と絶縁基体１とを接合することにより、リードピン６がろう材５を介して回路導体２に接合され、回路導体２とリードピン６の導通抵抗の増大を抑制し、回路導体２とリードピン６が絶縁することを防止することが可能な配線基板４を得ることができる。
【実施例１】
【００３６】
本発明の配線基板の実施例について以下に説明する。
【００３７】
まず、ガラス粉末として平均粒径が２μｍであるＳｉＯ２を用い、フィラー粉末として平均粒径が１乃至２μｍであるコーディライトを用い、質量比で４０：６０の割合で混合し、さらに適当な有機溶剤，溶媒を添加混合して泥漿状となし、これをドクターブレード法やカレンダーロール法によりシート状に成形してセラミックグリーンシート（セラミック生シート）を作製した。
【００３８】
次に、このセラミックグリーンシートにパンチング加工により貫通孔を形成し、表１に示すようにＣｕ粉末を第１の成分とし、第２の成分として平均粒径が２μｍであるＳｉＯ２のガラス粉末を第１の成分のＣｕ粉末に対して５乃至３４質量％とを混合してペースト化した導体ペーストを充填することによって回路導体（回路導体となる導体ペースト層）を形成した。
【表１】
【００３９】
また、最表層のリードピンを接合する部分のグリーンシートには更に、Ｃｕ粉末を第１の成分とし、第２の成分として平均粒径が２μｍであるＳｉＯ２のガラス粉末を第１の成分のＣｕ粉末に対して０乃至７質量％とをペースト化した導体ペーストをスクリーン印刷法より回路導体上に貫通孔径と同じサイズで印刷して接合部２ｂを形成したサンプルを作成した。
【００４０】
次に、これらの回路導体を形成したセラミックグリーンシートを複数枚積層し、９５０℃の温度で焼成することによって、回路導体７にガラス粉末を５乃至３４質量％含み、かつ回路導体７の直上にガラス粉末を０乃至７質量％含む接合部２ｂを有するガラスセラミックスから成る絶縁基体を製作した。
【００４１】
焼成後の絶縁基体において、貫通孔部の凹みや凸が見られたサンプルは、リードピン付けを行う際の活性ろう材の印刷工程において貫通孔部の凹みによるろう材の気泡の巻き込みや、貫通孔部の凸によるろう材の欠けが出やすく、外観上の歩留まりを低下させるために実使用上問題は無いが表１中の外観に△で示す。
【００４２】
また、焼成後に回路導体部の導通抵抗を電気テスターによりチェックを行い、導通抵抗が５００ｍΩ未満の物は使用上問題無し（表１中の電気チェックに○で示す）、５００乃至１０００ｍΩの物は使用上問題無し（表１中の電気チェックに△で示す）、１０００ｍΩを越えるもの使用に耐えないとした（表１中の電気チェックに×で示す）。
【００４３】
表１より、回路導体中のガラスの含有量が７質量％以下のサンプルにおいて貫通孔部に凹みが見られた。また、３３質量％以上のサンプルにおいて貫通孔部に凸が見られた。また、３１質量％以上のサンプルにおいて電気チェックで５００乃至１０００ｍΩの物が見られた。
【００４４】
次に、表２に示すように回路部２ａのガラスの含有量が１５質量％、接合部２ｂのガラスの含有量が０乃至７質量％の絶縁基体を用いて、回路導体７の絶縁基体５の表面に露出する面にめっき法によってＮｉ層３の厚みが０．５乃至１７μｍの評価用サンプルを製作した。
【表２】
【００４５】
次に、絶縁基体１の表面に、Ａｇ７２質量％とＣｕ２８質量％とから成るＡｇ−Ｃｕ合金ろう材（ＢＡｇ−８）に活性金属としてのＴｉＨ２を３質量％および樹脂バインダを１０質量％の割合で外添加した活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材のペーストを、リードピン１と絶縁基体５との接合用のろう材２としてスクリーン印刷し、ろう付け後の直径が０．９０ｍｍとなるろう材５を形成した。
【００４６】
次に、このろう材５を介して、リードピン６の全長が２．０ｍｍ、ピン部の直径が０．２０ｍｍ、ヘッド部１ａの厚みが０．１５ｍｍ、ヘッド部１ａの直径が０.４５ｍｍであるＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金製のリードピン６を、真空炉中で最高温度８００℃を１５分保持することにより接合した。
【００４７】
以上のようにして、リードピン６がろう材５を介して配線基板４に接合され、回路導体２とリードピン６の導通抵抗の増大を抑制し、回路導体２とリードピン６とが絶縁することを防止することが可能なリードピン付き配線基板を得た。
【００４８】
これらのリードピン付き配線基板の回路導体部の導通抵抗を電気テスターにより測定し、回路導体の電気チェックを行った。また、電気チェック後に回路導体部分の断面観察を行う事で回路導体内へのＡｇ−Ｃｕ合金の侵入具合を確認した。
【００４９】
なお、リードピン接合後の電気チェックにおいて、導通抵抗が５００ｍΩ未満の物は使用上問題無し（表２中の電気チェックに○で示す）、５００乃至１０００ｍΩの物は実使用上問題無し（表２中の電気チェックに△で示す）、１０００ｍΩを越えるもの使用に耐えないとした（表２中の電気チェックに×で示す）。
【００５０】
本発明の配線基板において接合部２ｂのガラスの含有量がを５質量％未満であり、且つＮｉ層の厚みが１μｍのサンプルは電気チェックによる導通抵抗の大きい部分は見られなかったが、接合部２ｂのガラスの含有量が５質量％を越えるサンプルとＮｉ層３の厚みが０．５μｍのサンプルにおいて、実使用上問題無いレベルであるが電気チェックによる導通抵抗の大きい部分がみられた。また、電気チェックによる導通抵抗の大きい回路導体部の断面を観察すると回路部２ａにＡｇ−Ｃｕ合金が見られた。また、電気チェックによる導通抵抗の大きい部分では回路部２ａにボイドが生じている場所もあった。
【００５１】
さらに、リードピンの接合強度（４５°引っ張り強度）を、４５°上方に１０ｍｍ／分の速度でリードピンを引っ張る引っ張り試験によりリードピン５０ピンを引っ張ることによって測定し、破壊強度と破壊モードを評価した。なお、引張り試験の判断基準として、破壊モードのピン切れ率が１００％であれば問題ないとした（表中に○印で示す）。また、破壊モードが磁器破壊やろう材内の破壊であっても破壊強度が１０Ｎ以上有れば実用上問題ないとした（表中に△印で示す）。
【００５２】
接合部２ｂのガラスの含有量によらず、Ｎｉ層３の厚みが１５μｍ未満のサンプルはリードピンで破壊し、充分な強度であったが、接合部２ｂのガラスの含有量によらず、Ｎｉ層３の厚みが１５μｍを越えたサンプルにおいて、実使用上問題ない破壊強度であるが、ろう材内での破壊モードが見られた。
【００５３】
なお、本発明は以上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種々の変更を施すことは何ら差し支えない。例えば、上記の実施の形態では、本発明の配線基板を半導体素子収納用パッケージに適用した例を示したが、混成集積回路基板等の他の用途に適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の配線基板の実施の形態の例を示す断面図である。
【図２】図１に示す配線基板の要部拡大断面図である。
【図３】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】
【００５５】
１・・・絶縁基体
２・・・回路導体
２ａ・・・回路部
２ｂ・・・接合部
３・・・Ｎｉ層
４・・・配線基板
５・・・ろう材
６・・・リードピン
７・・・電極
８・・・半導体素子
９・・・金属配線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子を収容するための半導体素子収納用パッケージや回路基板、電子回路モジュール等に使用される、入出力端子用のリードピンが立設されたいわゆるピングリッドアレイ（Pin Grid Array：ＰＧＡ）用の配線基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＩＣ（Integrated Circuit），ＬＳＩ（Large Scale Integration）等の半導体素子を収容するための半導体素子収納用パッケージは、一般的に、セラミック配線基板の表面に形成された回路導体にリードピン等の金属からなる端子部材が、ろう材を介して接合された、いわゆるリードピン付き配線基板の形態で用いられている。
【０００３】
近年の半導体素子の駆動の高速化にともない、誘電率の低いガラスセラミックスを絶縁基体に電気抵抗の小さいＣｕ系やＡｇ系の材料で回路導体を形成したセラミック配線基板が用いられるようになっており、回路導体の中で絶縁基体の表面に形成された電極パッドにＡｇ−Ｃｕ合金ろう材を用いてリードピン等がろう付けされる。このようなガラスセラミックスは、用いられるガラスの種類によっては磁器強度が極めて小さいものもあり、ガラスセラミックスから成る絶縁基体と電極パッドとの界面において破壊してしまう場合もある。
【０００４】
このような場合は、リードピンを接合する回路導体にリードピン接合用の電極パッドを絶縁基体の表面に形成せずに絶縁基体表面に貫通導体を露出させた形態とし、この部位を含む絶縁基体の表面に、Ｔｉ，ＺｒおよびＨｆの少なくとも１種から成る活性金属を含有するＡｇ−Ｃｕ合金ろう材（活性ろう材）を用いてリードピンを直接ろう付けする、いわゆる活性ろう付け法によりリードピンを接合した構成が提案されている。この構成では、リードピンは活性ろう材を介して回路導体（貫通導体）と電気的に接続され、リードピンの機械的接続は活性ろう材を介して主として絶縁基体に直接接合されることにより行なわれている。このため、電極パッドと絶縁基体との接合強度に依存することなくリードピンを接合することができ、絶縁基体と電極パッドとの間の界面における破壊を防止することができる（例えば、特許文献１を参照。）。
【０００５】
また、このようなセラミック配線基板においては、ガラスセラミックスとＣｕ系やＡｇ系の材料との間で焼結挙動が異なることにより回路導体と絶縁基体との間に空隙などの欠陥が発生してしまうことから、Ｃｕ系やＡｇ系の材料の焼結挙動をガラスセラミックスの焼結挙動に近づけ、また絶縁基体との密着を良くするために、回路導体は導電性材料であるＣｕ系やＡｇ系の材料を第１の成分とし、第２の成分として焼結挙動を調節するガラス成分が添加されている。
【特許文献１】特開平２００４−１４０２４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の配線基板にリードピンを接合すると、ろう材に接した回路導体内にボイドが発生してしまう場合があり、特にろう付け温度が高く、ろう付け時間が長い場合には、配線基板のさらに内部に位置する回路導体内にまでボイドが発生してしまうこともあった。
【０００７】
このように回路導体内にボイドが発生した場合、導通抵抗の増加や断線などの不良が発生してしまう場合があった。特に、近年の配線基板に対する小型化や高密度化の要求に対応するために回路導体を微細なものとした場合には、回路導体の内部に発生したボイドが小さいあるいは少ないものであってもその影響は大きく、導通抵抗の増加や断線を顕著に誘発し、リードピン付き配線基板の電気的特性や機械的信頼性を十分に確保できないという問題があった。
【０００８】
このような不具合について研究した結果、本発明者は、ろう付け時に回路導体のＣｕやＡｇがろう材に取り込まれることに起因して上記の不具合が誘発されるということを見出した。すなわち、ろう付け温度では、溶融したＡｇ−Ｃｕ合金を主成分とするろう材とＣｕやＡｇを主成分とする回路導体とが接しており、この界面では回路導体のＣｕやＡｇが溶融したろう材に溶解されるので、溶融したＡｇ−Ｃｕ合金（液相）が回路導体内に浸入していく。このとき、ろう材に溶解された回路導体のＣｕやＡｇの跡が空隙となるため、ろう付け後には回路導体内に浸入したＡｇ−Ｃｕ合金と回路導体のＣｕやＡｇとの界面にこの空隙がボイドとして残留してしまう。
【０００９】
本発明は、上記の問題点を解決するために案出されたものであり、その目的は、ろう付けの際の回路導体内への溶融したＡｇ−Ｃｕ合金ろう材の浸入を抑制することにより、ボイドによる回路導体の導通抵抗の増加や断線を抑えることのできる、狭ピンピッチで高信頼性を有するリードピン付き配線基板用の配線基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の配線基板は、ガラスセラミックスから成る絶縁基体と、該絶縁基体に形成され回路導体とを有し、該回路導体に、Ｔｉ，ＺｒおよびＨｆのうちの少なくとも一種を含むＡｇ−Ｃｕ合金ろう材を介してリードピンが接合される配線基板であって、前記回路導体は、第１の成分であるＣｕまたはＡｇと、第２の成分であるガラスとを含み、回路部と、前記回路導体における前記リードピンが接続される側に形成される接合部とからなり、該接合部におけるガラスの含有量が前記回路部におけるガラスの含有量に比較して少なく、且つ前記接合部の表面にＮｉ層が形成されていることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の配線基板は、前記回路部における前記第２の成分の含有量が前記第１の成分に対して８質量％乃至３０質量％、前記接合部における前記第２の成分の含有量が前記第１の成分に対して５質量％未満であり、且つ前記Ｎｉ層の厚みが１μｍ乃至１５μｍであることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の配線基板によれば、回路導体は、第１の成分であるＣｕまたはＡｇと、第２の成分であるガラスとを含み、回路部と、前記回路導体における前記リードピンが接続される側に形成される接合部とからなり、該接合部におけるガラスの含有量が前記回路部におけるガラスの含有量に比較して少なくしてあることから、接合部の表面に露出したガラスが少ないので、めっき法にて接合部の表面に形成されたＮｉから成る層を、ピンホールなどの欠陥が少なく、且つ十分に被覆されたものとなすことができる。また接合部の表面にＮｉ層が形成されていることから、Ｔｉ，ＺｒおよびＨｆのうちの少なくとも一種を含むＡｇ−Ｃｕ合金ろう材（以下、活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材ともいう）によりリードピンを接合する際に、回路導体のＣｕまたはＡｇと溶融した活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材とが接することがないので、溶融した活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材に回路導体のＣｕまたはＡｇが溶解されることにより回路導体内にボイドが発生することを抑制することができる。これにより導通抵抗の増加や断線などの不良がないリードピン付配線基板を作製することができる。
【００１３】
また、本発明の配線基板によれば、前記回路部における前記第２の成分の含有量が前記第１の成分に対して８質量％乃至３０質量％であることから回路導体の導通抵抗を大きく上げることなく回路導体の材料の焼結挙動（焼結挙動とは回路導体やガラスセラミックスの焼結時の収縮の挙動を意味する。）を、絶縁基体の材料であるガラスセラミックスの焼結挙動に近づけることことにより、回路導体内のみならず回路導体と絶縁基体との間にも空隙などの欠陥のない配線基板を作成する事ができる。また、前記接合部における前記第２の成分の含有量が前記第１の成分に対して５質量％未満であることから接合部の表面に露出したガラスが十分に少ないのでめっき法にてＮｉ層を形成する場合に１μｍという薄い厚みでピンホールなどの欠陥なく接合部の表面を十分に被覆することができる。さらに前記Ｎｉ層の厚みが１μｍ乃至１５μｍであることから、活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材によりリードピンを接合する際に、活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材へ拡散するＮｉの量が少ないので、Ｎｉの拡散により形成される脆弱な合金層の厚みを薄くすることができ、リードピンをより強固に接合することが可能な配線基板を作成する事ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の配線基板について以下に詳細に説明する。図１は本発明の配線基板の実施の形態の一例を示す断面図である。図２および図３は図１におけるＡ部拡大の一例を示す断面図である。図１乃至図３において１は絶縁基体、２は回路導体、３はＮｉ層、４は配線基板、５はろう材、６はリードピン、７は電極、８は半導体素子、９は金属細線であり、本発明の配線基板４の下面にろう材５を介してリードピン６を接合し、上面に半導体素子８を搭載して、配線基板４の電極７と半導体素子８とをＡｕ等からなる金属細線９を用いたワイヤーボンディングにより電気的に接続した例である。
【００１５】
絶縁基体１はガラスセラミックスから成るものであり、ガラス粉末とフィラー粉末との焼結体である。ガラス粉末やフィラー粉末は従来のガラスセラミックスに用いられているものを用いればよく、例えばガラス粉末はＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−ＭＯ系（但し、ＭはＣａ，Ｓｒ，Ｍｇ，ＢａまたはＺｎを示す）、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−Ｍ１Ｏ−Ｍ２Ｏ系（但し、Ｍ１およびＭ２は同じまたは異なっていて、Ｃａ，Ｓｒ，Ｍｇ，ＢａまたはＺｎを示す）、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−Ｍ１Ｏ−Ｍ２Ｏ系（但し、Ｍ１およびＭ２は上記と同じである）、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ｍ３２Ｏ系（但し、Ｍ３はＬｉ，ＮａまたはＫを示す）、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−Ｍ３２Ｏ系（但し、Ｍ３は上記と同じである）、Ｐｂ系、Ｂｉ系等のガラスの粉末が挙げられる。またフィラー粉末は、Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，ＺｒＯ２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、ＴｉＯ２とアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、Ａｌ２Ｏ３およびＳｉＯ２から選ばれる少なくとも１種を含む複合酸化物（スピネル，ムライト，コージェライト等）等のセラミックスの粉末が挙げられる。ガラス粉末とフィラー粉末の割合は、質量比で１０：９０乃至９９：１であり、好ましくは４０：６０乃至８０：２０である。
【００１６】
回路導体２は、第１の成分であるＣｕまたはＡｇと第２の成分であるガラスとを含むものであり、これらの成分を含む焼結体である。第２の成分のガラスの粉末としては、絶縁基体１に用いられるガラス粉末として挙げられたものを用いることができる。回路導体のガラス粉末は、回路導体２の成分の焼結挙動を絶縁基体１のガラスセラミックスの焼結挙動に近づけるために含むものであるので、軟化点等の焼結挙動に関係する特性が絶縁基体１に用いられるガラス粉末に近いものが用いられ、好ましくは絶縁基体１に用いられるガラス粉末と同じものが用いられる。
【００１７】
回路導体２は、回路部２ａと、回路導体２におけるリードピン６が接続される側に形成される接合部２ｂとからなる。接合部２ｂは、図２に示すように貫通孔内に形成され、貫通導体である回路導体２の一部として形成される場合や、図３に示すように貫通孔の上に形成される場合、すなわち貫通導体である回路部２ａの配線基板４の表面に露出した部分を覆うように形成される場合がある。接合部２ｂが貫通孔内に形成され、貫通導体である回路導体２の一部として形成された場合は、活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材５と絶縁基体１が貫通孔を除く部分で直接接合できるために、リードピン６の接合強度を高いものとすることができる点で好ましい。接合部２ｂが貫通孔（貫通導体）の上に形成される場合は、回路部２ａを覆うために貫通孔（貫通導体）の径以上に形成されるが、活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材５によるリードピン６の接合強度を高いものとするためには、活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材５と絶縁基体１とが接合される面積が大きい方がよいので、接合部２ｂの径は、好ましくは貫通孔（貫通導体）と同程度の径であるのがよい。
【００１８】
また、接合部２ｂにおけるガラスの含有量は、回路部２のガラスの含有量に比較して少なく成してあるとともに、接合部２ｂの表面にはＮｉ層３が形成されている。接合部２ｂの表面に露出したガラスが少ないので、めっき法にて接合部２ｂの表面に形成されたＮｉから成る層３はピンホールなどの欠陥が少なく十分に被覆されたものとなすことができる。また接合部２ｂの表面にＮｉ層３が形成されていることから、活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材５によりリードピン６を接合する際に、回路導体２のＣｕまたはＡｇと溶融した活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材５とが接することがないので、溶融した活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材５に回路導体２のＣｕまたはＡｇが溶解されることにより回路導体２内にボイドが発生することを抑制することができ、導通抵抗の増加や断線などの不良がないリードピン付配線基板を作製することができる配線基板４となる。
【００１９】
また、本発明の配線基板４は、接合部２ｂの第２の成分であるガラスの含有量が第１の成分に対して５質量％未満、回路部２ａの第２の成分であるガラスの含有量が第１の成分に対して８質量％乃至３０質量％になしてあり、且つＮｉ層３の厚みが１μｍ乃至１５μｍであることが好ましい。回路部２ａの第２の成分であるガラスの含有量が第１の成分に対して８質量％乃至３０質量％になしてあることから、回路導体２の導通抵抗を大きく上げることなく回路導体２の材料の焼結挙動を絶縁基体１の材料であるガラスセラミックスの焼結挙動に近づけることができるので、回路導体２内のみならず回路導体２と絶縁基体との間にも空隙などの欠陥の少ない配線基板４となるとともに、接合部２ｂの第２の成分であるガラスの含有量が第１の成分に対して５質量％未満であることから、接合部２ｂの表面に露出したガラスが十分に少なく、これによりめっき法にてＮｉ層３を形成する場合に１μｍという薄い厚みでピンホールなどの欠陥が少なく且つ接合部の表面を十分に被覆することができる。また、Ｎｉ層３の厚みが１μｍ乃至１５μｍであることから、活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材５によりリードピン６を接合する際に、活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材５へ拡散するＮｉの量が少ないので、Ｎｉの拡散により形成される脆弱な合金層の厚みを薄くすることができ、リードピン６をより強固に接合することが可能な配線基板４となる。
【００２０】
このような配線基板４におけるガラスセラミックスより成る絶縁基体１は、例えば以下のような従来周知のセラミックグリーンシート積層法を用いて製作することができる。すなわち、上記割合のガラス粉末とフィラー粉末に適当な有機バインダや溶剤、必要に応じて分散剤や可塑剤等を添加し、ボールミル法等の混合方法により混合して作製したスラリーをドクターブレード法やカレンダーロール法等の成形方法を採用してシート状に成形してセラミックグリーンシートを得て、このセラミックグリーンシートを上下に積層し、この積層体を１００〜８００℃の温度で加熱して脱バインダした後、８００〜１１００℃の温度で焼成することによって製作される。焼成は、回路導体２の第１の成分がＣｕである場合は窒素雰囲気中で行なわれ、Ａｇである場合は大気中で行なわれる。なお、窒素雰囲気の場合は、加湿することにより脱バインダ性を高めることが行なわれる。
【００２１】
このときの、回路導体２は、たとえば銅（Ｃｕ）・銀（Ａｇ）からなる。これらの金属粉末に適当な有機バインダや溶剤、必要に応じて分散剤等を添加混合し、ボールミル・三本ロールミル・プラネタリーミキサー等の混練手段により混練して得た金属ペーストを上記にセラミックグリーンシートに所定のパターンに印刷塗布し、これをセラミックグリーンシートの積層体とともに焼成することによって形成することができる。
【００２２】
次に、このセラミックグリーンシートに、導体材料の粉末をペースト化した導体ペーストをスクリーン印刷法やグラビア印刷法等により印刷するか、または所定パターン形状の金属箔を転写する等の方法を用いて、回路導体２を形成する。導体ペーストの導体材料としては、ガラスセラミックス焼結体に対しては、ＣｕまたはＡｇが好適に用いられる。
【００２３】
なお、この回路導体２には、絶縁基体１の上面と下面とにそれぞれ配置された導体パターン同士を絶縁基体１の内部で接続するためのビア導体やスルーホール導体等といった回路部２ａも含まれる。この回路部２ａは、例えば、パンチング加工等によりセラミックグリーンシートに形成した貫通孔に導体ペーストを充填することによって形成される。
【００２４】
ここで、回路部２ａの導体ペーストには焼成時にセラミックとの密着を良くする為に導体成分のＣｕまたはＡｇを第１の成分とし、セラミックグリーンシートと同じガラス粉末を第２の成分として、第１の成分のＣｕまたはＡｇに対して８乃至３０質量％のガラス粉末が添加される。ガラスの含有量が８質量％未満だと回路部２ａ内では焼成時に回路導体の成分のＣｕまたはＡｇとグリーンシートの収縮挙動が合わずに、回路導体とグリーンシートとの剥離が生じる場合がある。また、ガラスの含有量が３０質量％を越えると回路導体の抵抗値が高くなり、配線基板としての機能を充分に発揮できなくなる。
【００２５】
更に本発明の配線基板によれば、貫通孔に導体ペーストを充填後に、導体の成分のＣｕまたはＡｇを第１の成分とし、セラミックグリーンシートと同じガラス粉末を第２の成分として、第１の成分のＣｕまたはＡｇに対して５質量％未満のガラス粉末が添加された導体ペーストを貫通孔の表縁側の一端面に充填したり、印刷することにより回路部２ｂとなる層が形成される。また、回路導体２は、主に絶縁基体１の表面に形成され、その一部が半導体素子８の電極を電気的に接続させるための電極７として機能する。
【００２６】
次に、図２に断面図で示すように、回路部２ｂの露出する表面にＮｉ層３を形成するために、めっき法、蒸着法およびスパッタリング等によって１μｍ乃至１５μｍＮｉ層を形成する。Ｎｉ層３は、ＣｕやＡｇに対して密着性が良く、拡散しにくいためにバリア層として有効に機能する。
【００２７】
また、Ｎｉ層３の厚みが１μｍ未満の場合、回路導体２を形成する導体にガラス成分を含んでいるために、十分に回路導体をカバーできずにピンホール部などの欠陥が生じる場合がある。このため、リードピン６取付けの加熱処理が行なわれる場合、回路導体のＣｕまたはＡｇと活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材（ろう材５）が互いに接する部分が生じ、この互いに接触した界面より回路導体のＣｕまたはＡｇが溶解されることにより回路導体内やさらに内部に位置する回路導体と接続された配線導体内にボイドが発生する場合がある。その結果、回路導体内で断線が生じる恐れがある。
【００２８】
また、Ｎｉ層３を構成するＮｉはろう付けの際にろう材側へ拡散し、ろう材内で活性金属と合金層を形成する。この合金層の引っ張り等の外力に対する強度は脆弱である為に、ピンピッチが狭く、リードピン６とろう材５との接合面積が小さくなると外力により破壊され易くなる。Ｎｉ層３の厚みが厚いほどその傾向は大きくなり１５μｍを超える場合、比較的小さな外力でも容易にＮｉ層３が破壊されるやすくなるという問題点が発生する。
【００２９】
Ｎｉ層３をめっき法で形成する際の一例を以下に示す。Ｎｉめっき層は、Ｐを４乃至１２質量％含有する無電解Ｎｉ−Ｐめっき層から成る。このようなＮｉめっき層は、まず、配線導体６および回路導体７が形成された絶縁基体１を界面活性剤と塩酸水溶液とから成る温度が２５乃至５０℃の酸性の洗浄液に１乃至５分間浸漬して、回路導体２の表面に露出する面を清浄し、次にこれを純水で洗浄した後、塩化パラジウム，水酸化カリウム，エチレンジアミンテトラアセティクアシッドから成る温度が２５乃至４０℃のパラジウム活性液中に１乃至５分間程度浸漬して、回路導体７の表面に露出する面にパラジウム触媒を付着させ、次にこれを純水で洗浄した後、硫酸ニッケル，クエン酸ナトリウム，酢酸ナトリウム，次亜リン酸ナトリウム，塩化アンモニウムから成る温度が５０乃至９０℃の無電解Ｎｉめっき液中に、２乃至６０分間浸漬することによって、回路導体２の表面に露出する面に被着される。
【００３０】
そして、配線基板４の下面の回路導体２が絶縁基体１表面に露出した部位を含む領域に、活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材を含む導体ペーストを、スクリーン印刷法やグラビア印刷法等により印刷し、リードピン６と、配線基板４の回路導体２の表面に露出する面とその面を含む絶縁基体１とを、活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材からなるろう材を介してろう付けする。この活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材は、ＢＡｇ−８（ＪＩＳ Ｚ−３２６１：７２質量％Ａｇ−２８質量％Ｃｕ）ろう材を始めとして、Ａｇが６０乃至８０質量％でＣｕが２０乃至４０質量％の組成から成るＡｇ−Ｃｕ合金ろう材に、活性金属であるＴｉ，ＺｒおよびＨｆのうち少なくとも１種を、金属または水素化物の状態で外添加で２乃至１０質量％添加したものが好適に用いられる。なお、外添加とはあらかじめ出来上がったＡｇ−Ｃｕ合金ろう材１００質量％に対して活性金属を別に添加することをいう。
【００３１】
このろう材５を介してリードピン６を絶縁基体１に接合するには、活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材の粉末に有機溶剤、樹脂バインダおよび溶剤（有機溶剤，水等）を合わせて５乃至１５質量％を外添加で混合して得たろう材ペーストを、回路導体２が露出した端面を含む絶縁基体１の表面に、スクリーン印刷法等によりリードピン１を立設する部位に対応した所定パターンで印刷し、これにリードピン６のヘッド部を載置して、真空中、中性雰囲気中または還元雰囲気中で活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材の溶融温度に合わせた所定温度（例えば約８００℃）で加熱処理し、活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材を溶融させて、配線導体４および絶縁基体１とリードピン６とをろう付け接合する。
【００３２】
このとき、活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材の融点およびろう付け後の接合部の外観や反応層および合金層の厚み等を考慮して、ろう材５における活性金属の含有量、ボリューム（体積）、ブレージング最高到達温度（ブレージング最高到達温度とはろう材が溶融するための温度以上の所望の温度をいう。）、ろう材５の融点以上の温度の保持時間等を決める必要がある。また、加熱処理時にリードピン６に加重を掛けると、ろう材５がリードピン６のヘッド部にメニスカスをきれいに形成し、より強固にろう材５とリードピン６を接合できる。
【００３３】
その一例として、７２質量％Ａｇ−２８質量％ＣｕのいわゆるＢＡｇ−８と呼ばれるろう材に活性金属としてＴｉＨ２を３質量％添加したろう材を用いて、絶縁基体１の表面にろう付け後に直径０．９０ｍｍの接続パッドを形成する場合、ピン径が０．２０ｍｍ、ヘッド部の厚みが０．１５ｍｍ、ヘッド部の直径が０．４５ｍｍのネイルヘッド型（ネイルヘッド型とは、図１に示すようにリードピン６の片側の先端の型がリードピン６の径より大きい型をいう。）のリードピン６を絶縁基体１の所定部位に当接した状態で、真空炉中で最高温度７９５℃乃至８５０℃で５分乃至１時間保持すれば、高い接合強度を有する良好な接合状態が得られる。
【００３４】
なお、本発明の配線基板４に用いられるリードピン６の材質、ピン部の長さ、ヘッド部の厚み等は、外部電気回路のソケットの形状や接続方法等に応じて選択が可能である。例えば、半導体素子収納用パッケージに適用するリードピンであれば、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＣｕ合金製のものが使用され、ピン部の長さとしては１乃至６ｍｍ程度の範囲のものが使用される。
【００３５】
以上のようにしてリードピン６と絶縁基体１とを接合することにより、リードピン６がろう材５を介して回路導体２に接合され、回路導体２とリードピン６の導通抵抗の増大を抑制し、回路導体２とリードピン６が絶縁することを防止することが可能な配線基板４を得ることができる。
【実施例１】
【００３６】
本発明の配線基板の実施例について以下に説明する。
【００３７】
まず、ガラス粉末として平均粒径が２μｍであるＳｉＯ２を用い、フィラー粉末として平均粒径が１乃至２μｍであるコーディライトを用い、質量比で４０：６０の割合で混合し、さらに適当な有機溶剤，溶媒を添加混合して泥漿状となし、これをドクターブレード法やカレンダーロール法によりシート状に成形してセラミックグリーンシート（セラミック生シート）を作製した。
【００３８】
次に、このセラミックグリーンシートにパンチング加工により貫通孔を形成し、表１に示すようにＣｕ粉末を第１の成分とし、第２の成分として平均粒径が２μｍであるＳｉＯ２のガラス粉末を第１の成分のＣｕ粉末に対して５乃至３４質量％とを混合してペースト化した導体ペーストを充填することによって回路導体（回路導体となる導体ペースト層）を形成した。
【表１】
【００３９】
また、最表層のリードピンを接合する部分のグリーンシートには更に、Ｃｕ粉末を第１の成分とし、第２の成分として平均粒径が２μｍであるＳｉＯ２のガラス粉末を第１の成分のＣｕ粉末に対して０乃至７質量％とをペースト化した導体ペーストをスクリーン印刷法より回路導体上に貫通孔径と同じサイズで印刷して接合部２ｂを形成したサンプルを作成した。
【００４０】
次に、これらの回路導体を形成したセラミックグリーンシートを複数枚積層し、９５０℃の温度で焼成することによって、回路導体７にガラス粉末を５乃至３４質量％含み、かつ回路導体７の直上にガラス粉末を０乃至７質量％含む接合部２ｂを有するガラスセラミックスから成る絶縁基体を製作した。
【００４１】
焼成後の絶縁基体において、貫通孔部の凹みや凸が見られたサンプルは、リードピン付けを行う際の活性ろう材の印刷工程において貫通孔部の凹みによるろう材の気泡の巻き込みや、貫通孔部の凸によるろう材の欠けが出やすく、外観上の歩留まりを低下させるために実使用上問題は無いが表１中の外観に△で示す。
【００４２】
また、焼成後に回路導体部の導通抵抗を電気テスターによりチェックを行い、導通抵抗が５００ｍΩ未満の物は使用上問題無し（表１中の電気チェックに○で示す）、５００乃至１０００ｍΩの物は使用上問題無し（表１中の電気チェックに△で示す）、１０００ｍΩを越えるもの使用に耐えないとした（表１中の電気チェックに×で示す）。
【００４３】
表１より、回路導体中のガラスの含有量が７質量％以下のサンプルにおいて貫通孔部に凹みが見られた。また、３３質量％以上のサンプルにおいて貫通孔部に凸が見られた。また、３１質量％以上のサンプルにおいて電気チェックで５００乃至１０００ｍΩの物が見られた。
【００４４】
次に、表２に示すように回路部２ａのガラスの含有量が１５質量％、接合部２ｂのガラスの含有量が０乃至７質量％の絶縁基体を用いて、回路導体７の絶縁基体５の表面に露出する面にめっき法によってＮｉ層３の厚みが０．５乃至１７μｍの評価用サンプルを製作した。
【表２】
【００４５】
次に、絶縁基体１の表面に、Ａｇ７２質量％とＣｕ２８質量％とから成るＡｇ−Ｃｕ合金ろう材（ＢＡｇ−８）に活性金属としてのＴｉＨ２を３質量％および樹脂バインダを１０質量％の割合で外添加した活性金属含有Ａｇ−Ｃｕ合金ろう材のペーストを、リードピン１と絶縁基体５との接合用のろう材２としてスクリーン印刷し、ろう付け後の直径が０．９０ｍｍとなるろう材５を形成した。
【００４６】
次に、このろう材５を介して、リードピン６の全長が２．０ｍｍ、ピン部の直径が０．２０ｍｍ、ヘッド部１ａの厚みが０．１５ｍｍ、ヘッド部１ａの直径が０.４５ｍｍであるＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金製のリードピン６を、真空炉中で最高温度８００℃を１５分保持することにより接合した。
【００４７】
以上のようにして、リードピン６がろう材５を介して配線基板４に接合され、回路導体２とリードピン６の導通抵抗の増大を抑制し、回路導体２とリードピン６とが絶縁することを防止することが可能なリードピン付き配線基板を得た。
【００４８】
これらのリードピン付き配線基板の回路導体部の導通抵抗を電気テスターにより測定し、回路導体の電気チェックを行った。また、電気チェック後に回路導体部分の断面観察を行う事で回路導体内へのＡｇ−Ｃｕ合金の侵入具合を確認した。
【００４９】
なお、リードピン接合後の電気チェックにおいて、導通抵抗が５００ｍΩ未満の物は使用上問題無し（表２中の電気チェックに○で示す）、５００乃至１０００ｍΩの物は実使用上問題無し（表２中の電気チェックに△で示す）、１０００ｍΩを越えるもの使用に耐えないとした（表２中の電気チェックに×で示す）。
【００５０】
本発明の配線基板において接合部２ｂのガラスの含有量がを５質量％未満であり、且つＮｉ層の厚みが１μｍのサンプルは電気チェックによる導通抵抗の大きい部分は見られなかったが、接合部２ｂのガラスの含有量が５質量％を越えるサンプルとＮｉ層３の厚みが０．５μｍのサンプルにおいて、実使用上問題無いレベルであるが電気チェックによる導通抵抗の大きい部分がみられた。また、電気チェックによる導通抵抗の大きい回路導体部の断面を観察すると回路部２ａにＡｇ−Ｃｕ合金が見られた。また、電気チェックによる導通抵抗の大きい部分では回路部２ａにボイドが生じている場所もあった。
【００５１】
さらに、リードピンの接合強度（４５°引っ張り強度）を、４５°上方に１０ｍｍ／分の速度でリードピンを引っ張る引っ張り試験によりリードピン５０ピンを引っ張ることによって測定し、破壊強度と破壊モードを評価した。なお、引張り試験の判断基準として、破壊モードのピン切れ率が１００％であれば問題ないとした（表中に○印で示す）。また、破壊モードが磁器破壊やろう材内の破壊であっても破壊強度が１０Ｎ以上有れば実用上問題ないとした（表中に△印で示す）。
【００５２】
接合部２ｂのガラスの含有量によらず、Ｎｉ層３の厚みが１５μｍ未満のサンプルはリードピンで破壊し、充分な強度であったが、接合部２ｂのガラスの含有量によらず、Ｎｉ層３の厚みが１５μｍを越えたサンプルにおいて、実使用上問題ない破壊強度であるが、ろう材内での破壊モードが見られた。
【００５３】
なお、本発明は以上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種々の変更を施すことは何ら差し支えない。例えば、上記の実施の形態では、本発明の配線基板を半導体素子収納用パッケージに適用した例を示したが、混成集積回路基板等の他の用途に適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の配線基板の実施の形態の例を示す断面図である。
【図２】図１に示す配線基板の要部拡大断面図である。
【図３】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】
【００５５】
１・・・絶縁基体
２・・・回路導体
２ａ・・・回路部
２ｂ・・・接合部
３・・・Ｎｉ層
４・・・配線基板
５・・・ろう材
６・・・リードピン
７・・・電極
８・・・半導体素子
９・・・金属配線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラスセラミックスから成る絶縁基体と、該絶縁基体に形成された回路導体とを有し、該回路導体に、Ｔｉ，ＺｒおよびＨｆのうちの少なくとも一種を含むＡｇ−Ｃｕ合金ろう材を介してリードピンが接合される配線基板であって、前記回路導体は、第１の成分であるＣｕまたはＡｇと第２の成分であるガラスとを含むとともに、回路部と、前記回路導体における前記リードピンが接続される側に形成される接合部とからなり、該接合部におけるガラスの含有量が前記回路部におけるガラスの含有量に比較して少なく、且つ前記接合部の表面にＮｉ層が形成されていることを特徴とする配線基板。
【請求項２】
前記回路部における前記第２の成分の含有量が前記第１の成分に対して８質量％乃至３０質量％、前記接合部における前記第２の成分の含有量が前記第１の成分に対して５質量％未満であり、且つ前記Ｎｉ層の厚みが１μｍ乃至１５μｍであることを特徴とする請求項１に記載の配線基板。
【請求項１】
ガラスセラミックスから成る絶縁基体と、該絶縁基体に形成された回路導体とを有し、該回路導体に、Ｔｉ，ＺｒおよびＨｆのうちの少なくとも一種を含むＡｇ−Ｃｕ合金ろう材を介してリードピンが接合される配線基板であって、前記回路導体は、第１の成分であるＣｕまたはＡｇと第２の成分であるガラスとを含むとともに、回路部と、前記回路導体における前記リードピンが接続される側に形成される接合部とからなり、該接合部におけるガラスの含有量が前記回路部におけるガラスの含有量に比較して少なく、且つ前記接合部の表面にＮｉ層が形成されていることを特徴とする配線基板。
【請求項２】
前記回路部における前記第２の成分の含有量が前記第１の成分に対して８質量％乃至３０質量％、前記接合部における前記第２の成分の含有量が前記第１の成分に対して５質量％未満であり、且つ前記Ｎｉ層の厚みが１μｍ乃至１５μｍであることを特徴とする請求項１に記載の配線基板。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００７−２９４６０１（Ｐ２００７−２９４６０１Ａ）
【公開日】平成１９年１１月８日（２００７．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１１９４７８（Ｐ２００６−１１９４７８）
【出願日】平成１８年４月２４日（２００６．４．２４）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月８日（２００７．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年４月２４日（２００６．４．２４）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
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