JP2007294601A - Wiring board - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to a so-called pin grid array (PGA) in which lead pins for input / output terminals are erected, which are used for semiconductor element storage packages, circuit boards, electronic circuit modules, and the like for accommodating semiconductor elements. ) For a wiring board.
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。 2. Description of the Related Art Conventionally, a package for housing a semiconductor element for housing a semiconductor element such as an IC (Integrated Circuit) or LSI (Large Scale Integration) generally has a circuit conductor formed on the surface of a ceramic wiring substrate such as a lead pin. A terminal member made of metal is used in the form of a so-called wiring board with a lead pin joined through a brazing material.
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。 With the recent increase in driving speed of semiconductor elements, ceramic wiring boards in which circuit conductors are formed of glass ceramics having a low dielectric constant on an insulating substrate using Cu-based or Ag-based materials with low electrical resistance are being used. In the circuit conductor, a lead pin or the like is brazed to the electrode pad formed on the surface of the insulating substrate using an Ag—Cu alloy brazing material. Some of these glass ceramics have extremely small porcelain strength depending on the type of glass used, and may be broken at the interface between the insulating substrate made of glass ceramics and the electrode pad.
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。)。 In such a case, the electrode conductor for joining the lead pins is not formed on the surface of the insulating base on the circuit conductor for joining the lead pins, and the through conductor is exposed on the surface of the insulating base, and the surface of the insulating base including this part The lead pin is joined by a so-called active brazing method in which the lead pin is brazed directly using an Ag-Cu alloy brazing material (active brazing material) containing an active metal composed of at least one of Ti, Zr and Hf. Has been proposed. In this configuration, the lead pin is electrically connected to the circuit conductor (through conductor) via the active brazing material, and the mechanical connection of the lead pin is performed mainly by being directly joined to the insulating substrate via the active brazing material. Yes. For this reason, the lead pin can be bonded without depending on the bonding strength between the electrode pad and the insulating substrate, and destruction at the interface between the insulating substrate and the electrode pad can be prevented (for example, see Patent Document 1). reference.).
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。
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。 However, when lead pins are joined to a conventional wiring board, voids may occur in the circuit conductor in contact with the brazing material. Especially when the brazing temperature is high and the brazing time is long, the wiring board Further, voids may occur even in the circuit conductor located inside.
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。 When voids are generated in the circuit conductor as described above, defects such as increase in conduction resistance and disconnection may occur. In particular, when the circuit conductor is made minute in order to meet the recent demands for miniaturization and higher density of the wiring board, even if the void generated inside the circuit conductor is small or small, The influence is great, and there is a problem that the electrical resistance and the mechanical reliability of the wiring board with lead pins cannot be sufficiently secured because the increase in conduction resistance and disconnection are remarkably induced.
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。 As a result of studying such defects, the present inventor has found that the above-described defects are induced due to the incorporation of Cu and Ag of the circuit conductor into the brazing material during brazing. That is, at the brazing temperature, the brazing material mainly composed of the molten Ag—Cu alloy is in contact with the circuit conductor mainly composed of Cu or Ag, and Cu or Ag of the circuit conductor is melted at this interface. Since it is dissolved in the material, the molten Ag—Cu alloy (liquid phase) enters the circuit conductor. At this time, since traces of Cu and Ag of the circuit conductor dissolved in the brazing material become voids, after the brazing, the voids are formed at the interface between the Ag-Cu alloy infiltrated into the circuit conductor and the Cu and Ag of the circuit conductor. Will remain as voids.
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。 The present invention has been devised to solve the above-described problems, and its purpose is to suppress the intrusion of the molten Ag—Cu alloy brazing material into the circuit conductor during brazing. An object of the present invention is to provide a wiring board for a wiring board with lead pins having a narrow pin pitch and high reliability, which can suppress an increase in conduction resistance and disconnection of a circuit conductor due to voids.
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。 The wiring board of the present invention has an insulating base made of glass ceramics and a circuit conductor formed on the insulating base, and the circuit conductor contains at least one of Ti, Zr and Hf. A wiring board to which a lead pin is bonded via a material, wherein the circuit conductor includes Cu or Ag as a first component and glass as a second component, and includes a circuit portion and a circuit conductor in the circuit conductor. A bonding portion formed on a side to which the lead pin is connected, the glass content in the bonding portion is smaller than the glass content in the circuit portion, and a Ni layer is formed on the surface of the bonding portion. It is characterized by being formed.
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。 In the wiring board of the present invention, the content of the second component in the circuit portion is 8% by mass to 30% by mass with respect to the first component, and the content of the second component in the joint portion. Is less than 5% by mass with respect to the first component, and the thickness of the Ni layer is 1 μm to 15 μm.
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。 According to the wiring board of the present invention, the circuit conductor includes Cu or Ag as the first component and glass as the second component, and the circuit portion is connected to the lead pin of the circuit conductor. Since the glass content in the joint part is less than the glass content in the circuit part, the glass exposed on the surface of the joint part is less, The layer made of Ni formed on the surface of the joint portion by plating can be made to be sufficiently covered with few defects such as pinholes. In addition, since the Ni layer is formed on the surface of the joint portion, an Ag—Cu alloy brazing material containing at least one of Ti, Zr and Hf (hereinafter also referred to as an active metal-containing Ag—Cu alloy brazing material) is used. When the lead pin is joined, the Cu or Ag of the circuit conductor does not contact the molten active metal-containing Ag—Cu alloy brazing material. Generation | occurrence | production of a void in a circuit conductor can be suppressed by melt | dissolving Ag. As a result, it is possible to manufacture a wiring board with lead pins that is free from defects such as increase in conduction resistance and disconnection.
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。 Further, according to the wiring board of the present invention, since the content of the second component in the circuit portion is 8% by mass to 30% by mass with respect to the first component, the conduction resistance of the circuit conductor is increased. Sintering behavior of circuit conductor materials (sintering behavior means the shrinkage behavior during sintering of circuit conductors and glass ceramics) By bringing them closer, it is possible to create a wiring board having no defects such as a gap not only in the circuit conductor but also between the circuit conductor and the insulating base. In addition, since the content of the second component in the joint is less than 5% by mass with respect to the first component, the amount of glass exposed on the surface of the joint is sufficiently small. In the case of forming, the surface of the joint can be sufficiently covered with a thin thickness of 1 μm without defects such as pinholes. Further, since the thickness of the Ni layer is 1 μm to 15 μm, the amount of Ni diffusing into the active metal-containing Ag—Cu alloy brazing material is small when joining the lead pin with the active metal-containing Ag—Cu alloy brazing material. The thickness of the brittle alloy layer formed by the diffusion of Ni can be reduced, and a wiring board capable of bonding the lead pins more firmly can be produced.
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。
The wiring board of the present invention will be described in detail below. FIG. 1 is a sectional view showing an example of an embodiment of a wiring board according to the present invention. 2 and 3 are cross-sectional views showing an example of an enlargement of the portion A in FIG. 1 to 3, 1 is an insulating substrate, 2 is a circuit conductor, 3 is a Ni layer, 4 is a wiring board, 5 is a brazing material, 6 is a lead pin, 7 is an electrode, 8 is a semiconductor element, and 9 is a fine metal wire. The
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−M3 2O系(但し、M3はLi,NaまたはKを示す)、SiO2−B2O3−Al2O3−M3 2O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。
The
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。
The
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。
The
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。
Further, the glass content in the joint portion 2b is smaller than the glass content in the
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。
In addition, the wiring board 4 of the present invention has a glass content that is the second component of the joint portion 2b of less than 5% by mass with respect to the first component, and the glass content that is the second component of the circuit portion 2a. The amount is preferably 8% by mass to 30% by mass with respect to the first component, and the thickness of the
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。
The insulating
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。
The
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。
Next, on this ceramic green sheet, a conductor paste obtained by pasting a powder of a conductor material is printed by a screen printing method or a gravure printing method, or a method such as transferring a metal foil having a predetermined pattern shape, A
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。
The
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。 Here, in the conductor paste of the circuit portion 2a, in order to improve adhesion with the ceramic during firing, the conductor component Cu or Ag is the first component, and the same glass powder as the ceramic green sheet is the second component. 8 to 30% by weight of glass powder is added to one component of Cu or Ag. If the glass content is less than 8% by mass, the shrinkage behavior of the circuit sheet component Cu or Ag and the green sheet does not match during firing in the circuit part 2a, and the circuit conductor and the green sheet may peel off. . On the other hand, if the glass content exceeds 30% by mass, the resistance value of the circuit conductor increases, and the function as a wiring board cannot be sufficiently exhibited.
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。
Furthermore, according to the wiring board of the present invention, after filling the through hole with the conductive paste, the conductor component Cu or Ag is used as the first component, and the same glass powder as the ceramic green sheet is used as the second component. A layer that becomes the circuit portion 2b is formed by filling or printing one end surface on the front edge side of the through hole with a conductive paste to which less than 5% by mass of glass powder is added relative to the component Cu or Ag. The
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。
Next, as shown in a sectional view in FIG. 2, in order to form the
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。
Further, when the thickness of the
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。
Ni constituting the
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。
An example of forming the
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。
Then, a conductor paste containing an active metal-containing Ag—Cu alloy brazing material is printed by a screen printing method, a gravure printing method, or the like in a region including a portion where the
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。
In order to join the
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。
At this time, considering the melting point of the active metal-containing Ag—Cu alloy brazing material, the appearance of the joint after brazing, the thickness of the reaction layer and the alloy layer, etc., the content, volume (volume) of the active metal in the brazing material 5 ), The brazing maximum temperature (the brazing maximum temperature is a desired temperature higher than the temperature at which the brazing material is melted), the holding time of the temperature higher than the melting point of the
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。
As an example, a brazing material in which 3% by mass of TiH 2 is added as an active metal to a so-called BAg-8 brazing material of 72% by mass Ag-28% by mass Cu is used, and the diameter after brazing on the surface of the insulating
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。
The material of the
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。
By joining the
本発明の配線基板の実施例について以下に説明する。 Examples of the wiring board of the present invention will be described below.
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。 First, SiO 2 having an average particle diameter of 2 μm is used as the glass powder, cordierite having an average particle diameter of 1 to 2 μm is used as the filler powder, and the mixture is mixed at a mass ratio of 40:60, and further suitable organic A solvent and a solvent were added and mixed to form a slurry, which was formed into a sheet by a doctor blade method or a calender roll method to produce a ceramic green sheet (ceramic green sheet).
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。
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。 Further, the green sheet of the portion where the lead pin of the outermost layer is joined further contains Cu powder as the first component, and as the second component, SiO 2 glass powder having an average particle diameter of 2 μm is used as the first component Cu. A conductor paste in which 0 to 7% by mass of the powder was pasted was printed on the circuit conductor with the same size as the through-hole diameter by screen printing to prepare a sample in which the joint portion 2b was formed.
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。 Next, a plurality of ceramic green sheets on which these circuit conductors are formed are stacked and fired at a temperature of 950 ° C., so that the circuit conductor 7 contains 5 to 34% by mass of glass powder and is directly above the circuit conductor 7. An insulating base made of glass ceramics having a joint 2b containing 0 to 7% by mass of glass powder was manufactured.
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。 Samples with dents and protrusions in the through-holes in the insulating substrate after firing were used for the entrapment of bubbles in the brazing filler metal due to the dents in the through-holes in the printing process of the active brazing material when lead pins were attached. Brazing of the brazing material is likely to occur due to the protrusion of the portion, and there is no problem in actual use in order to reduce the yield in appearance, but the appearance in Table 1 is indicated by Δ.
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)。 In addition, the conductive resistance of the circuit conductor part is checked with an electric tester after firing, and those having a conductive resistance of less than 500 mΩ have no problem in use (indicated by a circle in the electric check in Table 1), and those having a resistance of 500 to 1000 mΩ are used. There was no problem above (indicated by Δ in the electrical check in Table 1), and it could not withstand use exceeding 1000 mΩ (indicated by × in the electrical check in Table 1).
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。 From Table 1, the dent was seen by the through-hole part in the sample whose content of the glass in a circuit conductor is 7 mass% or less. Further, in the sample of 33% by mass or more, the through hole portion was convex. In addition, in the sample of 31% by mass or more, an electric check showed 500 to 1000 mΩ.
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。
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。
Next, on the surface of the insulating
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。
Next, the total length of the
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。
As described above, the
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。 The electrical resistance of the circuit conductor was measured by measuring the conduction resistance of the circuit conductor portion of these wiring boards with lead pins using an electric tester. Moreover, the penetration | invasion state of the Ag-Cu alloy into a circuit conductor was confirmed by observing the cross section of a circuit conductor part after an electrical check.
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)。 In addition, in the electrical check after joining the lead pins, there is no problem in use if the conduction resistance is less than 500 mΩ (indicated by a circle in the electrical check in Table 2), and there is no problem in actual use in the case of 500 to 1000 mΩ. It is assumed that it cannot endure the use exceeding 1000 mΩ (indicated by x in the electrical check in Table 2).
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。
In the wiring board of the present invention, the portion having a large conductive resistance by electrical check was not found in the sample in which the glass content of the joint portion 2b was less than 5% by mass and the thickness of the Ni layer was 1 μm. In the sample in which the content of the glass of 2b exceeds 5 mass% and the sample in which the thickness of the
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)。 Furthermore, the bonding strength (45 ° tensile strength) of the lead pins was measured by pulling 50 lead pins by a pull test in which the lead pins were pulled upward at 45 ° at a speed of 10 mm / min, and the breaking strength and the breaking mode were evaluated. As a criterion for the tensile test, there was no problem if the pin breakage rate in the fracture mode was 100% (indicated by a circle in the table). Further, even if the fracture mode is a ceramic fracture or a fracture in the brazing material, there is no practical problem if the fracture strength is 10 N or more (indicated by Δ in the table).
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。
Regardless of the glass content of the joint 2b, the sample with the
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。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. For example, in the above-described embodiment, an example in which the wiring board of the present invention is applied to a package for housing semiconductor elements has been described. However, it may be applied to other uses such as a hybrid integrated circuit board.
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
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