JP2002111153A - 回路基板 - Google Patents

回路基板

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conductor
bonding
thickness
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忠 村上
Yutaka Irumagawa
裕 入間川
Masanori Anura
雅徳 案浦
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Kyocera Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、Agを主成分とする表面配線導体
2に、直接Auワイヤを介してボンディング接合でき、
しかも、その接合強度が安定した回路基板を提供する。 【解決手段】 基体1の表面にAgを主成分とする表面
配線導体2を被着形成し、表面配線導体2にICチップや
SAW素子などの電子部品5を配置し、この電子部品5
から表面配線導体2の一部に、AuのワイヤWを用いて
ボンディング接合した回路基板である。そして、表面配
線導体2の厚みは5〜15μmの範囲にあり、かつその
ビッカース硬度(Hv)は100以上である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガラスセラミック
材料を用いて、低温、例えば800〜1050℃で焼成
可能な回路基板に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来より、焼成温度を800〜1050
℃と比較的低い温度で焼成可能な材料を用いた回路基板
が提案されている。
【0003】回路基板は、複数の誘電体(絶縁)層から
なる多層基体の各層間に内部配線導体を有し、同時に、
多層基体の厚み方向に所定内部配線導体を接続するビア
ホール導体を有し、さらに、多層基体の表面に、ICチ
ップ、SAW素子などチップ状電子部品を搭載するため
の表面配線導体が形成されている。
【0004】内部配線導体の導電率を高め、回路の高速
化のために、内部配線導体として、Ag系の表面配線導
体が用されている。また、絶縁層としては、Ag系表面
配線導体のAgの融点から、低温で焼成可能なガラスー
セラミック層が用いられる。
【0005】また、表面配線導体としては、チップ状電
子部品を搭載していた(特開平7−326835号)。
【0006】そして、必要に応じて表面配線導体に接続
するように、厚膜抵抗体膜を焼き付けたり、また、絶縁
保護膜を被覆したりして、最後に、各種電子部品を半田
により接合する。具体的には、電子部品が搭載される表
面配線導体上にクリーム状の半田を塗布し、各種電子部
品を載置する。これにより、電子部品はクリーム状の半
田によって仮保持されることになる。
【0007】この状態で、230℃前後の熱処理を行う
リフロー炉に投入して、クリーム状の半田を溶融して、
徐冷・硬化して半田接合を行う。
【0008】その後、ボンディング接合の工程を行う。
まず基体の上にボンディングワイヤ接合する電子部品を
搭載する。まず、ICチップやSAW素子などの電子部
品側でAuワイヤの一端部分のファストボンドを行い、
続いてAuワイヤの途中端を表面配線導体4上に熱をあ
たえながら、超音波振動をあたえてセカンドボンディン
グしていた。即ち、Auのボンディングワイヤの他端側
の先端を押しつぶしてボールを固相接合していた。
【0009】しかし、上記パッドとなる表配線導体の膜
厚は20μm以上であり、Agを用いた場合、Agの硬
度はAuに近似して比較的柔らかいため、Auのボンデ
ィングワイヤの先端を押しつぶすことが困難であるとい
う問題点があった。尚、基板上に形成したAg系表面配
線導体のビッカース硬度は80程度である。
【0010】そこで、基体にMo、Wなどの表面配線導
体を配置し、その表面に、Niメッキ中間層、Auメッ
キ表面層を形成する方法が提案されている。すなわち、
Auのボンディングワイヤは、Niメッキ中間層、Au
メッキ表面層を形成することにより、Auメッキ表面層
を有する表面配線導体のトータルの硬度をあげていた。
これはNiメッキ中間層が硬いことから、Auのボンデ
ィングワイヤの先端を押しつぶすことが容易になり、強
固な結合が可能になるものである。
【0011】ここで、表面のAuメッキはAuのボンデ
ィングワイヤとほぼ同じ硬さだが、Auメッキは2〜3
μmと薄く、またAuメッキの下に、Auより硬いNi
メッキ中間層が存在するため、キャピラリーによる接合
時に、概略Niメッキ中間層を押すことになり、Auの
ボンディングワイヤの先端を押しつぶすことができる。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな構造で、ボンディング性を良好に維持するために、
Niメッキの膜厚を約1μm、Au膜厚を2〜3μm以
上にすることが必要であり、この結果、製造工程の煩雑
化を起こしてしまうことになり、実際の工程に供さない
ものであった。
【0013】また、Auメッキを用いるため、材料コス
トがかかるという問題点もあった。
【0014】本発明は、上述の問題に鑑みて案出された
ものであり、その目的は、Ag系表面配線導体上にNi
メッキ中間層、Auメッキ表面層を形成することなく、
ボンディング接合が容易で、且つ低コストの回路基板を
提供するものである。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明に係る回路基板
は、Ag系表面配線導体を形成した絶縁基板上に、電子
部品を配置するとともに、前記電子部品から前記Ag系
表面配線導体にAuワイヤによりボンディング接合して
成る回路基板であって、前記Ag系表面配線導体の厚み
は5〜15μmの範囲にあり、かつビッカース硬度(H
v)を100以上としたことを特徴とする回路基板であ
る。
【0016】なお、ビッカース硬度(Hv)は、回路基
板にAg系表面配線導体を形成した状態で厚押し込み硬
さ試験により求める。
【作用】本発明では、前記Ag系表面配線導体の厚みが
5〜15μmの範囲であり、ビッカース硬度(Hv)が
100以上になり、キャピラリーによってAuのボンデ
ィングワイヤの先端(セカンドボンディング側端部)を
押しつぶすようにして接合することが容易になる。
【0017】すなわち、表面のAg系表面配線導体は、
Auのボンディングワイヤより軟らかいものの、表面配
線導体の厚みは15μm以下と薄く、また表面配線導体
の下に、Auのボンディングワイヤより硬い基体(絶縁
基板)が存在するため、直接Ag系表面配線導体の硬度
をあげることができ、安定したワイヤボンディングが行
え、しかも、表面配線導体の接合強度を向上させること
ができる。
【0018】なお、表面配線導体の厚みが15μmを越
える場合、ビッカース硬度(Hv)が100未満にな
り、AgはAuのボンディングワイヤより軟らかいた
め、Auのボンディングワイヤの他端側の先端を押しつ
ぶすことが困難になる。一方、厚みが5μm未満の場
合、表面配線導体を均一に形成することが困難になり、
印刷後にかすれが発生したり、表面配線導体厚みが小さ
いために、焼き付け後に表面配線導体表面にガラス浮き
が発生するという問題点がある。
【0019】また、従来のように、表面配線導体とし
て、下地導体層上にNiなどの中間メッキ層、Au表面
メッキ層を用いる必要がない。即ち、メッキという異な
る工程を省略させることができるため、製造工程も非常
に簡素化されることになる。
【0020】しかも、Au表面メッキ層を被着させる必
要がないため、材料コストを大幅に低減できる。
【0021】
【発明の実施の形態】以下、本発明の回路基板を図面に
基づいて説明する。図1は、本発明に係る回路基板の断
面図である。尚、実施例の基体1は、4層の誘電体(絶
縁)層が積層した多層構造となっている。
【0022】図1において、10は回路基板であり、1
は積層構造の絶縁基板である基体、2はAg系表面配線
導体であり、3は内部配線導体、4はビアホール導体、
5はAuのボンディングワイヤWによって接続された電子
部品(ICチップやSAW素子)、6は半田を介して接
続された電子部品である。
【0023】基体1は、絶縁層1a〜1dが積層されて
成り、絶縁層1a〜1dの厚み方向には、ビアホール導
体4が形成されている。また、絶縁層1a〜1dの層間
には、内部配線層3が配置されている。同時に、基体1
の表面には、基体1と同時焼成されて形成されるAg系
表面配線導体2が形成されている。
【0024】絶縁層1a〜1dは、ガラス成分と無機物
フィラーであるセラミック成分とから構成されている。
ガラスーセラミック材料は、例えば850〜1050℃
前後の比較的低い温度で焼成可能となるため、セラミッ
ク成分としては、クリストバライト、石英、コランダム
(αアルミナ)、ムライト、コージライトなどが例示で
きる。また、ガラス成分として複数の金属酸化物を含む
ガラスフリットを焼成処理することによって、コージェ
ライト、ムライト、アノーサイト、セルジアン、スピネ
ル、ガーナイト、ウイレマイト、ドロマイト、ペタライ
トやその置換誘導体の結晶を少なくとも1種類を析出す
るものである。この絶縁層1a〜1dの厚みは、例えば
100〜300μm程度である。
【0025】内部配線層3、ビアホール導体4は、Ag
系(Ag単体、Ag−PdなどのAg合金)など導体膜
(表面配線導体)からなり、内部配線層3の厚みは5〜
15μm程度であり、ビアホール導体4の直径は任意な
値とすることができるが、例えば直径は80〜250μ
mである。
【0026】また、基体1の表面には、Ag系表面配線
導体2が配置されている。表面配線導体2は、基体1と
同時に焼成され、形成されている。このAg系表面配線
導体2は、Ag系(Ag単体、Ag−Pd、Ag−Pt
などのAg合金)表面配線導体材料を含むものである。
【0027】Ag系表面配線導体2は、主に基体の表面
の回路配線を構成するとともに、ボンディングワイヤに
よって接続される電子部品5のボンディングパッドを構
成したり、半田を介して接続される電子部品6の接続パ
ッドを構成したり、また、厚膜抵抗膜、厚膜コンデンサ
素子や外部回路と接続する端子電極となる。
【0028】本発明の特徴的なことは、電子部品5から
AuのボンディングワイヤWを介して、セカンドボンデ
ィングにより接合するAg系表面配線導体2の厚みが、
5〜15μmの範囲にあり、且つビッカース硬度(H
v)が100以上である。
【0029】このため、表面のAg系表面配線導体2は
Auのボンディングワイヤより軟らかいが、表面配線導
体2の厚みは15μm以下と薄く、また表面配線導体2
の下に、Auのボンディングワイヤより硬い基体1が存
在するため、セカンドボンディング時にキャピラリーに
よる接合時で概略基体1を押すことになり、その結果、
ボンディングワイヤWの先端(セカンドボンディングさ
れる端部で、ボンディング中においてとワイヤWの途
中)を押しつぶすことが容易になる。
【0030】なお、表面配線導体の厚みが15μmを越
える場合、そのビッカース硬度(Hv)が100未満に
なり、AuのボンディングワイヤWに比較して軟らかく
なるため、AuのボンディングワイヤWの先端を押しつ
ぶすことが困難になり、密着性が低下してしまう。一
方、厚みが5μm未満の場合、表面配線導体を均一に形
成することが困難になり、印刷後にかすれが発生した
り、表面配線導体厚みが小さいために、焼き付け後に表
面配線導体2表面にガラス浮きが発生するという問題点
がある。この表面配線導体2表面にガラス浮きができな
くなる。
【0031】このため、基体1はAgより硬く、またA
g系表面配線導体2の厚みが小さい場合、上記押し込み
硬さ試験や接合時に概略基体1を押すことから、キャピ
ラリーによってAuのボンディングワイヤWの先端をA
g系表面配線導体2に直接押しつぶすようにして接合す
ることが容易になる。
【0032】また、従来のように、下地導体層上に、N
iなどの中間メッキ層、Au表面メッキ層を用いていな
い。即ち、メッキという異なる工程を省略させることが
できるため、製造工程も非常に簡素化されることにな
る。
【0033】しかも、Au表面メッキ層を被着させる必
要がないため、材料コストを大幅に低減できる。
【0034】上述の回路基板10の製造方法について説
明する。
【0035】まず、絶縁層1a〜1dとなるガラス−セ
ラミック材料から成るグリーンシートを形成する。具体
的には、セラミック粉末、低融点ガラス成分のフリッ
ト、有機バインダ、有機溶剤を均質混練したスラリー
を、ドクターブレード法によって所定厚みにテープ成形
して、所定大きさに切断してシートを作成する。
【0036】セラミック粉末は、クリストバライト、石
英、コランダム(αアルミナ)、ムライト、コージライ
トなどの絶縁セラミック材料、BaTiO3、Pb4Fe
2Nb212、TiO2などの誘電体セラミック材料、N
i−Znフェライト、Mn−Znフェライト(広義の意
味でセラミックという)などの磁性体セラミック材料な
どが挙げられ、その平均粒径1.0〜6.0μm、好ま
しくは1.5〜4.0μmに粉砕しものを用いる。尚、
セラミック材料は2種以上混合して用いられてもよい。
特に、コランダムを用いた場合、コスト的に有利とな
る。
【0037】低融点ガラス成分のフリットは、焼成処理
することによってコージェライト、ムライト、アノーサ
イト、セルジアン、スピネル、ガーナイト、ウイレマイ
ト、ドロマイト、ペタライトやその置換誘導体の結晶や
スピネル構造の結晶相を析出するものであればよく、例
えば、B23 、SiO2 、Al23 、ZnO、アルカ
リ土類酸化物を含むガラスフリットが挙げられる。この
様なガラスフリットは、ガラス化範囲が広くまた屈伏点
が600〜800℃付近にあるため、850〜1050
℃程度の低温焼成に適し、Ag系内部配線層3、Ag系
表面配線導体2の導体膜との焼結挙動が近似している。
尚、このガラスフリットの平均粒径は、1.0〜6.0
μm、1.5〜3.5μmである。
【0038】上述のセラミック材料とガラス材料との構
成比率は、850〜1050℃の比較的低温で焼成する
ために、セラミック材料が10〜60wt%、好ましく
は30〜50wt%であり、ガラス材料が90〜40w
t%、好ましくは70〜50wt%である。
【0039】有機バインダは、固形分(セラミック粉
末、低融点ガラス成分のフリット)との濡れ性も重視す
る必要があり、比較的低温で且つ短時間の焼成工程で焼
失できるように熱分解性に優れたものが好ましく、アク
リル酸もしくはメタクリル酸系重合体のようなカルボキ
シル基、アルコール性水酸基を備えたエチレン性不飽和
化合物が好ましい。
【0040】溶剤として、有機系溶剤、水系溶剤を用い
ることができる。例えば、有機溶剤の場合には、2,
2,4−トリメチル−1,3−ペンタンジオールモノイ
ソベンチートなどが用いられ、水系溶剤の場合には、水
溶性である必要があり、モノマー及びバインダには、親
水性の官能基、例えばカルボキシル基が付加されてい
る。その付加量は酸価で表せば2〜300であり、好ま
しくは5〜100である。
【0041】付加量が少ない場合は水への溶解性、固定
成分の粉末の分散性が悪くなり、多い場合は熱分解性が
悪くなるため、付加量は、水への溶解性、分散性、熱分
解性を考慮して、上述の範囲で適宜付加される。
【0042】次に、絶縁層1a〜1dとなるグリーンシ
ートに、各層のビアホール導体4の形成位置に対応し
て、所定径の貫通孔をパンチングによって形成する。
【0043】次に、グリーンシートの貫通孔に、ビアホ
ール導体4となる導体をAg系導電性ペーストの印刷に
より充填するとともに、絶縁層1b〜1dとなるグリー
ンシート上に、各内部配線層3となる導体膜を印刷し、
乾燥処理を行う。
【0044】ここで、ビアホール導体4、内部配線層3
を形成するAg系導電性ペーストは、Ag系(Ag単
体、Ag−PdなどのAg合金)粉末、ホウ珪酸系低融
点ガラスフリット、エチルセルロースなどの有機バイン
ダー、溶剤を均質混合したものが用いられる。
【0045】また、絶縁層1aとなるグリーンシート上
に、表面配線導体2となる導体膜を、Ag系導電性ペー
ストを用いて印刷し、乾燥処理を行う。この時の厚み
は、6〜17μm程度である。
【0046】このAg系導電性ペーストは、例えば、A
g粉末、Pt粉末、低融点ガラスフリット、有機バイン
ダー、溶剤を均質混合したものが用いられる。尚、その
他に、V25粉末を各金属成分に対して0.2〜1.0
wt%添加すると、基体1との接合強度が向上して望ま
しい。尚、V25粉末を各金属成分に対して0.2wt
%未満では、充分なアンカー効果が得られず、また、
1.0wt%を越えると表面配線導体2の表面に析出さ
れてしまう。
【0047】なお、Ag系導電性ペーストの固形分が少
ないと、焼成時の収縮率が大きいため、焼成後の膜厚を
小さくすることができるが、焼成時の基体の反りが大き
くなる。一方、固形分が少ないと、焼成後の膜厚を15
μm以下にすることが困難になる。このため、固形分の
比率が80〜90wt%の範囲にあることが望ましい。
【0048】このようにビアホール導体4となる導体、
内部配線層3となる導体膜が形成された絶縁層1b〜1
dとなるグリーンシート、表面配線導体2となる導体膜
が形成された絶縁層1aとなるグリーンシートを、基体
1の絶縁層1a〜1dの積層順に応じて積層一体化す
る。
【0049】次に、未焼成の積層体を、酸化性雰囲気ま
たは大気雰囲気で焼成処理する。焼成処理は、脱バイン
ダ過程と焼結過程からなる。
【0050】脱バインダ過程は、絶縁層1a〜1dとな
るグリーンシート、内部配線層3となる導体膜、ビアホ
ール導体4となる導体、表面配線導体2となる導体膜に
含まれる有機成分を焼失するためのものであり、例えば
600℃以下の温度領域で行われる。
【0051】また、焼結過程は、グリーンシートのガラ
ス成分を結晶化させると同時にセラミック粉末の粒界に
均一に分散させ、基体に一定強度が発生し、内部配線層
3となる導体膜、ビアホール導体4となる導体、表面配
線導体2となる導体膜の導電材料の金属粉末、Ag粉末
等が粒成長させて、低抵抗化させ、絶縁層1a〜1dと
一体化させるものである。これは、ピーク温度850〜
1050℃に達するまでに行われる。
【0052】この工程で、基体内部の内部配線層3、ビ
アホール導体4が形成され、且つ基体表面に表面配線導
体2が形成された基体1が達成されることになる。
【0053】次に、必要に応じて、所定形状の絶縁保護
膜を形成して、各種電子部品5、6を実装・接続を行
う。例えば、電子部品6は、チップ抵抗器、積層セラミ
ックコンデンサなどであり、所定表面配線導体2に半田
を介して接続が行われる。また、電子部品5は、ICチ
ップ、SAW素子などであり、所定表面配線導体2に機
械的に接続された後、所定表面配線導体2にボンディン
グワイヤWを介してボンディング接続される。ここで、
ボンディングワイヤWとは、Auの細線である。
【0054】これにより、図1に示す回路基板が得られ
ることになる。
【0055】
【実施例】本発明者は、表面配線導体2の印刷膜厚を調
節することにより、焼成後膜厚を変化させて試料1〜7
を作成した。そして、表面配線導体2の印刷後及び焼き
付け後に金属顕微鏡で観察し、それぞれ印刷後のかすれ
及び焼き付け後のガラス浮きを調べ、発生しなかった場
合を丸印、すなわち良品、発生した場合をバツ印、すな
わち不良品とした。さらに、かすれ及びガラス浮きが発
生しなかった条件については、基体1に表面配線導体2
を形成した後のビッカース硬度(Hv)及び熱エージン
グ試験後の基体1と表面配線導体2との接合強度につい
て調べた。
【0056】
【表1】
【0057】試料1〜6は、それぞれ焼成後膜厚が3〜
16μmとした。また、表面配線導体2の材料はAg−
Pt(Ag99wt%、Pt1%)と、この金属成分に
対して、V25成分が0.2wt%含有した表面配線導
体2とした。試料7は、基体1の表面配線導体2上に、
Ni中間メッキ層(1μm)、Au表面メッキ層(3μ
m)を形成した。
【0058】ビッカース硬度(Hv)は、対角線が13
6°の正四角錐のダイアモンド圧子に静荷重をかけて測
定面に押し付け、このときのくぼみの表面積を荷重で除
した値を用いた。
【0059】基体と表面配線導体2との接合強度は、表
面配線導体2に接続された各ボンディングワイヤWを垂
直方向に引っ張り、各ボンディングワイヤWが表面配線
導体2の一部とともに表面配線導体2から剥がれ、外れ
た際の引っ張り強度を調べた。また、熱エージング試験
の条件は、240℃×1minとした。
【0060】その結果、焼成後膜厚が5〜15μmの場
合(試料番号2〜5)、ビッカース硬度が100以上に
なり、また基体と表面配線導体2との接合強度も8.4
kgf以上となった。
【0061】これに対し、焼成後膜厚が3μmの場合
(試料番号1)、印刷時のかすれ、焼成時のガラス浮き
が発生した。一方、焼成後膜厚が16μmの場合(試料
番号6)、ビッカース硬度(Hv)が80となり、また
基体1と表面配線導体2との接合強度は6.8kgfと
なった。
【0062】なお、Niメッキ中間層、Auメッキ表面
層を形成した比較例(試料番号7)では、ビッカース硬
度(Hv)が180となり、基体と表面配線導体2との
接合強度は10kgfとなった。すなわち、本発明の実
施例(試料番号2〜5)は、Niメッキ中間層、Auメ
ッキ表面層を形成した比較例(試料番号7)と同等のビ
ッカース硬度(Hv)及び接合強度が得られることがわ
かった。
【0063】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、Ag系表
面配線導体の厚みが5〜15μmの範囲にあり、かつビ
ッカース硬度(Hv)が100以上であるため、Ag系
表面配線導体の一部にAuのボンディングワイヤWを用
いて固相接合しても、キャピラリーによってAuのボン
ディングワイヤWの先端をAgに直接押しつぶすように
して接合することが容易である。
【0064】また、従来のように、下地導体層上に、N
iなどの中間メッキ層、Au表面メッキ層を用いていな
い。即ち、メッキという異なる工程を省略することがで
きるため、製造工程も非常に簡素化されることになる。
【0065】しかも、Au表面メッキ層を被着させる必
要がないため、材料コストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る回路基板の断面図である。
【符号の説明】
10 回路基板 1 基体 1a〜1d 絶縁層 2 表面配線導体 3 内部配線導体 4 ビアホール導体 5 ボンディングワイヤによって接続され
る電子部品 6 半田によって接続される電子部品
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H05K 3/46 H01L 23/12 W Fターム(参考) 4E351 AA07 BB01 BB24 BB31 CC11 CC22 DD05 DD22 DD60 GG08 5E346 AA02 AA12 AA15 BB01 BB16 CC18 CC39 EE21 GG03 HH11 5F044 AA02 FF05

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Ag系表面配線導体を形成した絶縁基板
    上に、電子部品を配置するとともに、前記電子部品から
    前記Ag系表面配線導体にAuワイヤによりボンディン
    グ接合して成る回路基板であって、 前記Ag系表面配線導体の厚みは5〜15μmの範囲に
    あり、かつビッカース硬度(Hv)を100以上とした
    ことを特徴とする回路基板。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101527669B1 (ko) * 2011-03-10 2015-06-09 도와 일렉트로닉스 가부시키가이샤 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법

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