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セラミック多層配線基板とその製造方法 - 株式会社日立製作所
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発明の名称 セラミック多層配線基板とその製造方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平6−13755
公開日 平成6年(1994)1月21日
出願番号 特願平4−170595
出願日 平成4年(1992)6月29日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 明夫 (外1名)
発明者 石原 昌作 / 阿美 徳宏 / 黒木 喬 / 槌田 誠一 / 高根 悦子
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。
特許請求の範囲
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
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、72wt%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、84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/cm2 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1μm、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Ni/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。




 

 


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