JP2007208243A - Ltccモジュールおよびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は外部基板との接着信頼性に優れたLTCCモジュール及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明によるLTCCモジュール100は、LTCC基板101と、上記LTCC基板101を外部基板に実装するために上記LTCC基板101の床面に形成されたパッド部109,110とを含み、上記パッド部109,110は上記LTCC基板101の床面に形成された金属パッド層110と、上記金属パッド層110の下面に形成されたソルダー層109とを含む。
【選択図】図2

Description

本発明は、LTCC(Low Temperature Cofired Ceramic;低温同時焼成セラミック)モジュールに関し、特に外部基板に実装する際、優れた付着力と信頼性を現わすパッド部を有するLTCCモジュール及びその製造方法に関する。
現在、個人用携帯端末機などの移動通信機器は急速に小型化、軽量化及び高周波化されている。これにより、通信機器に用いられる回路モジュールは新たな小型軽量化及び高性能化が求められている。特に、近年ではLTCC基板(低温同時焼成セラミック)基板を利用したLTCCモジュールが提案されている。LTCC基板を用いると、スルーホール(through hloe)またはバイアホール(via hole)として配線を構成することができ、このようなスルーホール配線によって外部端子または表面実装部品(SMD)用端子への電流経路を容易に形成させることが可能である。また、LTCCモジュールはLGA(Land Grid Array)タイプのパッケージ方式を採用することで、多数の入出力電極をモジュールの床面に収容することができる。
LGAタイプのLTCCモジュールは、基板の下面にアレイ形態に配列されたパッド部を含む。このパッド部は、LTCC基板の下面に形成されたCu系などの金属パッド層で形成される。金属パッド層はAuまたはNi/Auメッキなどの方法により金属仕上げ(metal finish)処理される。
図11は従来のLTCCモジュールを示す底面図及び断面図である。特に、図11は個々のモジュールにダイシング(dicing)する前の状態(モジュール集合体)を示す。図11(a)及び図11(b)を参照すると、LTCCモジュール210はLTCC基板211とその床面に形成された金属パッド層220とを含む。LTCC基板211上には集積回路チップまたはその他の素子を含む表面実装部217が形成されている。上記表面実装部217は、例えば、適切なモールディング樹脂によって封止できる。
金属パッド層220は、LTCCモジュール210を外部基板に連結するための電極パッド部を構成する。図示しているように、金属パッド層220はCuまたはAg系の第1金属層213とその下面に形成されたAuメッキ層215とから成る。Auメッキ層215の代りにNi/Auメッキ層(Ni層の下面にAu層が位置する)を使用することもできる。このように電極パッド部の金属仕上げ材(metal finish material)はAuメッキ層またはNi/Auメッキ層で形成される。電極パッド部の形成後、LTCCモジュール210は個別モジュールに切断(dicing)されてマザーボード(mother−board)などの外部基板(図示せず)に実装される。LTCCモジュールの実装時、外部基板の当該部位に加熱された半田付けが塗布され、この半田付けを利用してLTCCモジュール210の金属パッド層220は外部基板に取り付けられる。
ところで、上記のような従来のLTCCモジュール210の金属パッド層220は外部基板に半田付け(soldering)の際、安定的な付着力を提供することができない。即ち、LTCCモジュールのセラミック材と外部基板(通常、有機 PCBから成る)との間の熱膨脹係数などの熱的特性の不整合によって優れた半田付け特性を期待し難い。LTCCモジュールと外部基板との間の低い接着強度は、例えば、落下テストによって確認することができる。特に個別LTCCモジュールの大きさが大きい場合、半田付けの不安定性はより大きくなってしまう。
本発明は、上記従来技術の問題点を解決するために提案されたもので、その目的は、パッド部と外部基板との間の接着信頼性に優れたLTCCモジュールを提供することである。
本発明の他の目的は、パッド部と外部基板との接着信頼性を高めることのできるLTCCモジュールの製造方法を提供することである。
上記目的を達成するために本発明によるLTCCモジュールは、LTCC基板と、上記LTCC基板を外部基板に実装するために上記LTCC基板の床面に形成されたパッド部とを含み、上記パッド部は上記LTCC基板の床面に形成された金属パッド層と、上記金属パッド層の下面に形成されたソルダー層とを含む。本発明の好ましき実施形態によれば、上記パッド部はLGA(Land Grid Array)タイプの電極パッドであることができ、上記ソルダー層は Pb−SnまたはAg−Snを含むことができる。本発明の好ましき実施形態によれば、上記金属パッド層は上記LTCC基板の床面に形成された第1金属層と、上記第1金属層の下面に形成された第2金属層としてAuメッキ層とを含む。上記第1金属層はCuまたはAgを含むことができる。上記金属パッド層は、上記第1金属層と上記Auメッキ層の間に形成されたNiメッキ層をさらに含むことができる。上記LTCCモジュールは、上記LTCC基板の上面に形成された表面実装部をさらに含むことができる。特に、上記表面実装部はモールディング樹脂によって封止された素子を含むことができる。
本発明の他の目的を達成するために、本発明によるLTCCモジュールの製造方法は、LTCC基板の床面に外部基板との接続のための金属パッド層を形成する段階と、上記金属パッド層の下面にソルダー層を形成する段階とを含む。本発明の好ましき実施形態によると、上記金属パッド層を形成する段階は上記LTCC基板の床面にCuまたはAgなどを含む第1金属層を形成する段階と、上記第1金属層の下面にAuメッキ層を形成する段階とを含む。また、上記金属パッド層を形成する段階は、上記第1金属層の形成段階と上記Auメッキ層の形成段階の間に上記第1金属層の下面にNiメッキ層を形成する段階をさらに含むことができる。上記LTCCモジュールの製造方法は、上記金属パッド層の形成段階と上記ソルダー層の形成段階の間に上記LTCC基板の上面に表面実装部を形成する段階をさらに含むことができる。上記表面実装部は、上記LTCC基板の上面に一つ以上の素子を搭載し上記素子をモールディング樹脂で封止することで形成できるようになる。
上記LTCCモジュールの製造方法は、上記ソルダー層の形成段階後に、上記ソルダー層が形成された結果物を個別モジュールに切断(dicing)する段階をさらに含むことができる。また、上記個別モジュールに切断する段階の後に、上記切断した個別モジュールをマザーボードなどの外部基板に実装する段階をさらに含むことができる。上記個別モジュールを外部基板に実装する段階は、上記外部基板の実装面に外部基板用ソルダーを形成する段階と、上記LTCCモジュールの上記ソルダー層と上記外部基板用ソルダーを加熱して接着する段階とを含むことができる。上記LTCCモジュールの上記ソルダー層と上記外部基板用ソルダーは同一物質で形成されることが好ましい。
本発明によると、LTCCモジュールの床面にソルダー層が電極パッドの金属仕上げ材として予め形成されている。即ち、LTCCパッド部自体がソルダー成分を有している。このようなソルダー層を有するパッド部を使用すると、LTCCモジュールを外部基板の実装面に半田付けする場合優れた衝撃及び落下信頼性を有するようになる。即ち、LTCCモジュールのパッド部に形成されたソルダー層と外部基板の実装面に塗布されたソルダーが加熱され互いに付着されることで優れた接着強度を有し、これにより製品の信頼性が大きく向上する。
本発明によれば、電極パッド部に予めソルダー層を形成することによって、LTCCモジュールと外部基板、特に有機PCB基板との間のソルダーリング特性が大きく改善される。これにより、LTCCモジュールと外部基板間の接着強度が向上し、優れた落下信頼性または衝撃信頼性を得るようになる。さらに、10mm×10mm以上の大きい大きさを有するLTCCモジュールにも容易に適用されて優れた半田付けの信頼性を提供することが可能になる。
以下、添付された図面を参照して本発明の実施形態を説明する。しかし、本発明の実施形態は様々な他の形態に変形可能であり、本発明の範囲が以下に説明する実施形態に限定されることではない。本発明の実施形態は当業界において平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供される。従って、図面における要素等の形状及び大きさなどはより明確な説明のために誇張され得、図面上の同一な符号で表示される要素は同じ要素である。
図1及び図2は、本発明の一実施形態によるLTCCモジュールの底面図及び断面図を示す。特に、図1及び図2のLTCCモジュール100は個別モジュールに切断(dicing)する前の状態(モジュール集合体)を示す。
図1及び図2を参照すると、LTCCモジュール100はLTCC基板101とその基板101の床面に形成されたパッド部109、110を含む。LTCC基板101の上面には表面実装部(SMD)107が配置されている。この表面実装部107はLTCC基板101上面に搭載された一つ以上の素子(集積回路チップ、抵抗、キャパシタ、チップインダクターなど表面実装型能動または受動素子)を含む。この素子は外部環境や衝撃から保護することが可能になるようにモールディング樹脂で封止できるようになる。
上記パッド部109、110はLTCCモジュール100を外部基板(例えば、有機PCBから成るマザーボードなど)に実装するための電極端子の役目を果たすことができる。特にパッド部109、110は、電極端子が基板の床面にアレイ形態に配置されているLGA(Land Grid Array)タイプの電極端子を形成する。このようなLGAタイプのパッド部は、多数の電極端子を小さな面積に収容するのに好適であり、より小さいインダクタンスを有する。
上記パッド部109、110は、LTCC基板101の床面に形成された金属パッド層110と、金属パッド層110の下面に形成されたソルダー層109とを含む。上記金属パッド層110はCuまたはAg系の第1金属層103と、この第1金属層103の下面に形成された第2金属層としてAu層105とを含む。従来はソルダー層109が実装されない状態で、上記Au層105が直接外部基板の実装面に塗布されたソルダーと接触されるが、本発明ではAuメッキ層105の下面に別途の金属仕上げ材としてソルダー層109が形成される。該Au層105は第1金属層103の形成後、無電解メッキなどのメッキ工程によって第1金属層103の下面に形成できるようになる。
上記ソルダー層109は、例えば、Pb−SnまたはAg−Snなどから成ることができる。ソルダー層109はLTCC基板101のパッド部の一要素として存在する。後で個別LTCCモジュールをマザーボードなどの外部基板に実装する際上記ソルダー層109は加熱され、加熱されたソルダー層109は外部基板の実装面に備えられたソルダー(好ましくは、上記ソルダー層109とは同一物質である)と融着または接着される。これにより、LTCCモジュールと外部基板との間に安定的な接着信頼性または接着強度を得るようになる。
図3は本発明の他の実施形態によるLTCCモジュール200の断面図を示す。図3を参照すると、この実施形態は、金属パッド層110'が第1金属層103と Auメッキ層105の間にNiメッキ層104をさらに含むという点を除けば、上記した図2の実施形態と同様である。このようなNiメッキ層104及びAuメッキ層105は第1金属層103の下面に形成された第2金属層であって、第1金属層103を保護するのにより効果的であり得る。図示のように、この実施形態でもLTCCモジュール200のパッド部は一要素として最下部にソルダー層109を備えている。
以下、外部基板への実装段階を含むLTCCモジュールの製造工程を説明する。
図4乃至図9は本発明の一実施形態によるLTCCモジュールの製造方法を説明するための断面図である。先ず、図4を参照すると、LTCC基板101の下面に電極パッド用第1金属層103を形成する。該第1金属層103は、例えば、セラミック基板(焼成する前の基板)の下面にAgまたはCuを含む金属ペーストを塗布し、その後これを焼成処理することにより形成できるようになる。
その後、図5に示すように、第1金属層103の下面にAu無電解メッキ工程を実施する。これにより、第1金属層103の下面には第2金属層としてAuメッキ層105が形成される。他の方案として、Au無電解メッキの代りにNi/Au無電解メッキを行うことが可能であり、これによると第1金属層103の下面に第2金属層としてNi/Auメッキ層が順次に形成される(図3参照)。
その後、図6に示すように、LTCC基板101上面に必要な電子素子を実装するためのパッケージング工程を実施する。このパッケージング工程によって、LTCC基板101上面には表面実装部107が配置される。このパッケージング工程で、上記LTCC基板101上面には一つ以上の素子(集積回路チップ、抵抗、チップインダクターなど)が搭載され、該素子はモールディング樹脂で封止できる。図示しないが、LTCC基板101内部には端子電極と素子を連結するためのバイアホール(via hole)が形成されることができ、必要な電子素子は基板101の内部に内蔵することも可能である。
次に、図7に示すように、Auメッキ層105の下面にソルダー層109を形成する。ソルダー層109はPb−Snなどの柔軟ソルダー材またはAg−Snなどの無鉛(Pb−free)ソルダー材で形成することができる。該ソルダー層109はLTCCモジュールパッド部の一要素を成し、その後外部基板に実装される際に加熱できるようになる。その後、集合状態のLTCCモジュール(請求項14に記載の「ソルダー層が形成された結果物」)を個別モジュールに切断、即ちダイシングされる。図7に示すAラインは切断線を示す。これにより、各々の個別的な単位LTCCモジュールを得るようになる。個別LTCCモジュールのパッド部は、多数の電極端子がモジュールの床面にアレイ形態に配列されたLGAタイプの電極パッドを形成する。
その後、図8に示すように個別LTCCモジュール100'をマザーボードなどの外部基板150に取り付けて実装する。例えば、個別LTCCモジュール100'の床面に形成されたソルダー層109と同じ物質から成るソルダー120を外部基板150の実装面に塗布し、該外部基板用ソルダー120と上記ソルダー層109を互いに接触及び加熱することが可能である。これにより、個別LTCCモジュール100'は外部基板150の実装面に安定的かつ堅固に付着される。即ち、個別LTCCモジュール100'の床面に形成されたソルダー層109と外部基板150の実装面に塗布されたソルダー120は互いに類似した(または同一)熱的特性を現わすことで、個別LTCCモジュール100'と外部基板150との接着強度及び信頼性が大きく向上する。
本発明者は、本発明によるLTCCモジュール及びその製造方法が従来に比べて著しく向上した接着信頼性を確認するために、落下信頼性テスト(簡単に、落下テストともいう)を行った。この信頼性テストに用いられるLTCCモジュールサンプルは、図9に示している。図9(a)に示したサンプルは比較例のサンプルに該当するもので、従来のように、電極パッドは順次に形成されたCu金属層とNi/Auメッキ層を含む(図11(b)参照)。図9(b)に示したサンプルは実施例のサンプルに該当するので、電極パッドは順次に形成されたCu金属層と、Ni/Auメッキ層と、ソルダー層とを含む(図2参照)。即ち、比較例の電極パッドは金属仕上げ材(metal finish)としてNi/Auメッキ層を使用したが、実施例の電極パッドは金属仕上げ材としてソルダー層を使用した。このように互いに異なる金属仕上げ材を有する比較例及び実施例のサンプルは有機PCB基板に接着実装された後、落下テストを受けた。
全てのサンプルは、LGAタイプのLTCCモジュールであり、その大きさは5mm×5mmである。実施例及び比較例のNi/Auメッキ層は無電解メッキにより形成した。実施例のサンプルに形成されたソルダー層はPb−Snを主成分として有している。上記落下テストでは総45回の落下実験を行った。この落下テスト結果は、表1及び図10のグラフに表す通りである。図10のグラフにおける横軸は落下回数(number of drop count)を示し、縦軸は合格したサンプル、即ち破損されなかったサンプルの収率(passed sample yield)を示す。また、表1において破損時の落下回数(fracture count)は破損されるまで行った落下実施回数を示す。
表1及び図10に示すように、本発明による実施例のサンプルは外部基板との優れた接着信頼性を示すのに対し、比較例のサンプルは低い接着信頼性を現す。即ち、大部分の比較例サンプルは5回まで落下させると全て破損される。しかし、実施例のサンプルは45回までも合格収率100%を現わしながら一つも破損されなかった、つまり、外部基板から離れなかった。
このように、電極パッドの金属仕上げ材としてソルダー層を無電解Ni/Auメッキ層上に予め形成することによって、顕著に向上した接着信頼性を得ることが可能であることを確認できる。このようにパッド部の接着強度の優秀性により、本発明のLTCCモジュール及びその製造方法は10mm×10mm以上の大きさを有するLTCCモジュールに対しても高い半田付け信頼性を提供することが可能となる。
本発明は、上述した実施形態及び添付された図面によって限定されるものではなく、添付された請求範囲により限定しようとする。従って、請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内において多様な形態の置換、変形及び変更が可能であることは当該技術分野の通常の知識を有する者にとっては自明である。
本発明の一実施形態によるLTCCモジュールの底面図である。 本発明の一実施形態によるLTCCモジュールの断面図である。 本発明の他の実施形態によるLTCCモジュールの断面図である。 本発明の一実施形態によるLTCCモジュールの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態によるLTCCモジュールの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態によるLTCCモジュールの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態によるLTCCモジュールの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態によるLTCCモジュールの製造方法を説明するための断面図である。 (a)は比較例によるLTCCモジュールの床面を表す写真であり、(b)は実施例によるLTCCモジュールの床面を表す写真である。 比較例及び実施例によるLTCCモジュールに対する落下テスト結果を表すグラフである。 従来のLTCCモジュールの底面図及び断面図である。
符号の説明
100、200 LTCCモジュール
101 LTCC基板
103 第1金属層
104 Niメッキ層
105 Auメッキ層
107 表面実装部
109 ソルダー層
110 金属パッド層

Claims (17)

  1. LTCC基板と、
    前記LTCC基板を外部基板に実装するために前記LTCC基板の床面に形成されたパッド部とを含み、
    前記パッド部は前記LTCC基板の床面に形成された金属パッド層と、前記金属パッド層の下面に形成されたソルダー層とを含むことを特徴とするLTCCモジュール。
  2. 前記パッド部はLGAタイプの電極パッドであることを特徴とする、請求項1記載のLTCCモジュール。
  3. 前記ソルダー層はPb−SnまたはAg−Snを含むことを特徴とする、請求項1記載のLTCCモジュール。
  4. 前記金属パッド層は、前記LTCC基板の床面に形成された第1金属層と、
    前記第1金属層の下面に形成されたAuメッキ層と、
    を含むことを特徴とする、請求項1記載のLTCCモジュール。
  5. 前記第1金属層はCuまたはAgを含むことを特徴とする、請求項4記載のLTCCモジュール。
  6. 前記金属パッド層は、前記第1金属層と前記Auメッキ層との間に形成された Niメッキ層をさらに含むことを特徴とする、請求項4記載のLTCCモジュール。
  7. 前記LTCC基板の上面に形成された表面実装部をさらに含むことを特徴とする、請求項1記載のLTCCモジュール。
  8. 前記表面実装部は、モールディング樹脂によって封止された素子を含むことを特徴とする、請求項7記載のLTCCモジュール。
  9. LTCC基板の床面に外部基板との接続のための金属パッド層を形成する段階と、
    前記金属パッド層の下面にソルダー層を形成する段階と、
    を含むことを特徴とする、LTCCモジュールの製造方法。
  10. 前記金属パッド層を形成する段階は、前記LTCC基板の床面に第1金属層を形成する段階と、
    前記第1金属層の下面にAuメッキ層を形成する段階と、
    を含むことを特徴とする、請求項9記載のLTCCモジュールの製造方法。
  11. 前記第1金属層は、CuまたはAgを含む金属で形成されることを特徴とする、請求項10記載のLTCCモジュールの製造方法。
  12. 前記金属パッド層を形成する段階は、前記第1金属層の形成段階と前記Auメッキ層の形成段階の間に、前記第1金属層の下面にNiメッキ層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする、請求項10記載のLTCCモジュールの製造方法。
  13. 前記金属パッド層の形成段階と前記ソルダー層の形成段階の間に前記LTCC基板の上面に表面実装部を形成する段階をさらに含むことを特徴とする、請求項9記載のLTCCモジュールの製造方法。
  14. 前記ソルダー層の形成段階後に、前記ソルダー層が形成された結果物を個別モジュールに切断する段階をさらに含むことを特徴とする、請求項9記載のLTCCモジュールの製造方法。
  15. 前記個別モジュールに切断する段階後に、前記切断した個別モジュールを外部基板に実装する段階をさらに含むことを特徴とする、請求項14記載のLTCCモジュールの製造方法。
  16. 前記個別モジュールを外部基板に実装する段階は、前記外部基板の実装面に外部基板用ソルダーを形成する段階と、
    前記LTCCモジュールの前記ソルダー層と前記外部基板用ソルダーを加熱して接着する段階と、
    を含むことを特徴とする、請求項15記載のLTCCモジュールの製造方法。
  17. 前記LTCCモジュールの前記ソルダー層と前記外部基板用ソルダーは同一物質で形成されることを特徴とする、請求項16記載のLTCCモジュールの製造方法。
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