JP2007520881A - 単一のバイアにより固定されたパッドをもつ多層セラミック基板及びこれを形成する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 単一のバイアにより固定されたパッドをもつ多層セラミック基板及びこれを形成する方法を提供すること。
【解決手段】 外部金属パッドが、この金属パッドに隣接した第１セラミック層内の単一の金属充填バイアにより基板に固定される多層セラミック基板が提供される。次に、この単一の金属充填バイアは、第１セラミック層に隣接した次のセラミック層内のより大きな単一の金属充填バイアにより基板に固定される。金属充填バイア及び金属パッドの１００容積パーセントは金属であることが好ましい。
【選択図】 図３

Description

本発明は、多層セラミック基板の製造に関し、より特定的には、機械的及び電気的信頼性が改善され、且つ、高周波用途に適した導電性表面パッドの形成に関する。

多層セラミック基板は、典型的には、コンピュータ、制御システム、及び回路基板等の情報処理システムに用いられる集積回路デバイス間の相互接続に用いられる。多層セラミック基板を製造する方法は、キャスティング工程を用いることによって誘電材料をテープ状に形成するステップと、このテープを打ち抜いて（又は穿孔して）、穴又はバイアを形成し、この中に配線として機能する金属トレースと共に導電性金属ペーストを付着させるステップとを含む。打ち抜かれ、金属化されたこうした多数のテープを位置合わせし、積み重ね、押圧して積層体にし、次いで焼結する。焼結は、セラミック及び金属の粉末が、本質的には単一の工程であるが、多くの場合、複雑な加熱工程のもとで固結される共焼成工程によって行われる。

焼結工程の主要な要素は、セラミック上に導電性表面構造（例えば、入力／出力（Ｉ／Ｏ）パッド）を形成することを含むものであり、この表面構造の上に、時には後続のはんだ付け工程に備えて、ニッケル及び金等の金属めっきが付着させられる。これらの表面構造により、セラミック内の導体への接続が与えられ、その機械的性能及び電気的性能は、多層セラミック基板及び情報処理システム全体の信頼性にとって極めて重要である。

通常はアレイとして存在するこの表面構造がセラミック・ボール・グリッド・アレイ（ＣＢＧＡ）又はセラミック・カラム・グリッド・アレイ（ＣＣＧＡ）等のはんだ付け技術により印刷回路基板に電気的に接続される場合には、この表面構造とセラミックとの間の接合強度が重要である。

向上した導電性並びに表面構造のより良好なめっき性のため、金属含有量の高い表面構造が望ましい。しかしながら、金属含有量の高い表面構造と下方のセラミックとの間の接合は、弱いことが多い。金属含有量の高い構造を、セラミック材料と良好に接合する内部パッドに固定することによって、その信頼性を向上できることは、その開示を引用により本明細書に組み入れる、ファザーノ他による特許文献１により見出された。ファザーノ他により教示され、ここでは図１に示すように、金属構造１０の固定は、複数のバイア１２により行うことができ、その幾つかのバイア１４は、電気的には機能していないものとすることができる。ファザーノ他により教示される一実施形態において、及びここでは図２に示すように、表面構造１０は、内部パッド１８に接合された１つの大きなバイア１６により所定の位置に保持され、次いでこれは、複数のバイア２０により所定の位置に保持され、ここでもこの幾つかのバイア２２は、電気的には機能していないものとすることができる。

本発明者は、ファザーノ他において開示された構造体は、ギガヘルツの周波数範囲における高周波用途には好ましくないことを見出した。高周波用途に対する電気的な条件を満たすためには、バイアを１つだけをもつ構造体を有する必要がある。しかしながら、このような単一のバイア構造体は、ファザーノ他において述べられた機械的信頼性の課題を提示する。

接合パッド又は他の構造を基板に固定する他の種々の解決法が提案されている。ユー他による特許文献２では、接合パッドの機械的強度を向上させる複数のバイアにより固定された接合パッドを開示する。フォーク他による特許文献３では、金属のばねフィンガ及びパッドを基板に固定するのに用いられる金属ストラップを開示する。Ｈａｓｈｅｍｉによる特許文献４では、ビルドアップ層内に非積層型バイアを用いることによって、ビルドアップ層内において接合固定を行うようにした半導体デバイスを開示する。リン他による特許文献５では、複数の相互接続されたライン・セグメントを含む単一の固定構造をもつ接合パッドを開示する。シュライバー他による特許文献６では、導電性金属トレースにより固定された弾性電気コンタクトを有するコンタクト・パッドを開示する。バローによる特許文献７では、一部が所謂はんだマスクにより覆われて、はんだパッドがはんだマスクにより固定されるようになった、楕円形の形状のはんだパッドを開示する。Ｉｃｈｋｈａｎによる特許文献８では、めっきされたスルー・ホールが、このめっきされたスルー・ホールの周りのアンカー・パッドに固定された構造を開示する。上記の引用文献のすべてを引用により本明細書に組み入れる。

米国特許第６，３１２，７９１号明細書 米国特許第６，５０１，１８６号明細書 米国特許第６，３６１，３３１号明細書 米国特許第６，２５２，１７８号明細書 米国特許第６，１８１，０１６号明細書 米国特許第５，７３８，５３０号明細書 米国特許第５，７０６，１７８号明細書 米国特許第４，９００，８７８号明細書

当業者のあらゆる先行努力にもかかわらず、依然として、ギガヘルツの周波数範囲における高周波用途に許容可能な、機械的に堅牢な表面構造に対する必要性が残っている。

従って、本発明の目的は、機械的に堅牢な表面構造を有することである。

本発明の別の目的は、ギガヘルツの周波数範囲における高周波用途に許容可能であり、さらに、機械的に堅牢な固定された表面構造を有することである。

これらの及び他の目的は、添付の図面と関連して考えられる本発明の以下の説明を参照することにより、さらに明らかになるであろう。

本発明の目的は、本発明の第１の態様によれば、単一のバイアにより固定されたパッドをもつ多層セラミック基板を提供することによって達成され、この基板は、
金属充填バイアと外面とを有する第１セラミック層と、
第１セラミック層の外面に隣接し、第１セラミック層内の金属充填バイアに接着された、外部パッドと、
第１セラミック層内の金属充填バイアに接着された金属充填バイアを有する、第１セラミック層に隣接する第２セラミック層であって、該第２セラミック層内の金属充填バイアはその断面が第１セラミック層内の金属充填バイアより大きく、第１セラミック層及び第２セラミック層の各々において、外部パッドを多層セラミック基板に固定するための金属充填バイアは１つだけである、第２セラミック層と、
第２セラミック層内の金属充填バイアに接着された金属充填バイアを有する、第２セラミック層に隣接する第３セラミック層と、
を備える。

本発明の第２の態様によれば、単一のバイアにより固定されたパッドをもつ多層セラミック基板が提供され、この基板は、
第１接触面を有する金属充填バイアと外面とを有する第１セラミック層と、
第１セラミック層の外面に隣接し、第１セラミック層内の金属充填バイアに接着された、外部パッドと、
第２接触面をもつ金属充填バイアを有し、第１セラミック層に隣接する第２セラミック層であって、該第２セラミック層内の金属充填バイアは第１接触面及び第２接触面を通して第１セラミック層内の金属充填バイアに接着されており、第２接触面は第１接触面より大きく、第１セラミック層及び第２セラミック層の各々において、外部パッドを多層セラミック基板に固定するための金属充填バイアは１つだけである、第２セラミック層と、
第２セラミック層内の金属充填バイアに接着された金属充填バイアを有する、第２セラミック層に隣接する第３セラミック層と、
を備える。

新規であると考えられる本発明の特徴及び本発明に特有の要素は、添付の特許請求の範囲において具体的に示される。図は、例示目的のために過ぎず、縮尺通りに描かれているものではない。しかしながら、本発明自体は、構成並びに動作方法の両方に関して、添付の図面と関連して取り入れられる以下の詳細な説明を参照することにより、最も良く理解することができる。

図面をより詳細に、特に図３を参照すると、本発明による単一のバイアにより固定された表面構造の第１の実施形態が示されている。図３に示すように、多層セラミック基板３０は、Ｉ／Ｏパッド等の外部金属パッド又は表面構造３２を有する。多層セラミック基板３０は、前述のように、通常の処理により製造することができる。信頼性及び他の事項のためには、金属パッド３２を多層セラミック基板３０にしっかりと固定することが必要である。従って、金属パッド３２が多層セラミック基板３０にしっかりと固定され、さらに、ギガヘルツの周波数範囲における高周波用途に適した構造体が提案される。

従って、多層セラミック基板３０は、金属充填バイア３６を有する第１セラミック層３４を含む。金属パッド３２は、金属充填バイア３６の外面３７において金属充填バイア３６に接着している。第２セラミック層４４は、第１セラミック層３４の金属充填バイア３６に接着された金属充填バイア３８を含む。本発明においては、金属充填バイア３８が金属充填バイア３６より寸法的に大きいことが必要である。「より寸法的に大きい」とは、金属充填バイア３８が第１セラミック層３４によって、少なくとも部分的に保持されるように、金属充填バイア３８が少なくとも１つの水平方向すなわち幅方向の寸法において、より大きいという意味である。少なくとも幾つか方法で、こうした結果を得ることができる。多層セラミック基板の形成中に、グリーンシートを打ち抜くか或いは別の方法により穿孔してバイアを形成し、次いで、金属材料を充填することは知られている。こうしたバイアは、円筒形の形状又はほぼ円筒形の形状とすることができる。すなわち、バイアの一端（所謂ブレークアウト端部）はバイアの他端より僅かに大きくすることができ、或いは、バイアの側部を僅かに湾曲させることができる。それにもかかわらず、バイアの形状は、幾分円筒形である。この場合、バイアが円筒形と考えられる本発明の目的では、金属充填バイア３８は、金属充填バイア３６より、好ましくは直径が少なくとも２ミル又はそれ以上だけ大きいものであるべきである。

或いは、ブレークアウトを拡大したために金属充填バイアが円錐台の形状になる場合のように、金属充填バイアが円筒形の形状をもたないと考えられた場合には、ここでも、金属充填バイア３８の接触面４２は、金属充填バイア３８が第１セラミック層３４により少なくとも部分的に保持されるように、金属充填バイア３６の接触面４３より大きい必要がある。この場合でも、接触面４２、４３は、セラミック・グリーンシート内にバイアを形成するのに用いられる丸い打ち抜きのため、円形の形状になる。

多層セラミック基板３０はさらに、第２セラミック層４４内の金属充填バイア３８に界面４７において接着している金属充填バイア４０を有する第３セラミック層４６を含む。当業者によく知られているように、一般には、第３セラミック層４６の後に、通常の金属充填バイアを含む付加的な通常のセラミック層がある。そうした付加的なセラミック層は、明確さのために省略されている。ここでも、金属充填バイア４０は、円筒形の形状であることが好ましい。第１セラミック層３４内の金属充填バイア３６の直径は、少なくとも、第３セラミック層４６内の金属充填バイア４０の直径に等しいことが好ましいが、それより大きい直径を有することが好ましい。

認識されるように、金属パッド３２は、一連の第１セラミック層３４内の金属充填バイア３６、第２セラミック層４４内の金属充填バイア３８、及び第３セラミック層４６内の金属充填バイア４０により、多層セラミック基板３０にしっかりと固定される。このことは、金属パッド３２が第１セラミック層３４に接着しているかどうかに関係なく当て嵌まる。

最良の導電性のためには、金属パッド３２、第１セラミック層３４内の金属充填バイア３６及び第２セラミック層内の金属充填バイア３８のすべてが、１００容積パーセントの金属、好ましくは９０容積パーセントの銅と１０容積パーセントのニッケル等との銅／ニッケル合金を含むことが最も好ましい。より高性能のセラミック材料においては、これら全金属構造と下方のセラミック材料との間の接合は悪化する。しかしながら、一連の金属充填バイアにより上述されたように、実際には接合されていが、金属パッド３２は多層セラミック基板３０にしっかりと機械的に固定されているので、このことは問題ではない。

第３セラミック層４６の金属充填バイア４０は、金属材料とセラミック材料との複合材であることが好ましい。複合材は、高性能のセラミック材料に良く接着し、従って、基板をシールすることになるので好ましい。限定する目的ではなく、例示目的のために、複合材は、銅に４０から６０容積パーセントまでのセラミック材料、最も好ましくはガラス・セラミック材料を加えたもので構成することができる。

ここで、図４を参照すると、本発明の第２の実施形態が示されている。図４に示す実施形態においては、多層セラミック基板３０’はさらに、第２セラミック層４４内の金属充填バイア３８と第３セラミック層４６内の金属充填バイア４０との間に中間層パッド４８を含む。従って、金属充填バイア３８は、界面５０において中間層パッド４８に接着し、金属充填バイア４０は、界面５２において中間層パッド４８に接着する。中間層パッド４８は、金属充填バイア４０と金属充填バイア３８との間に堅牢性を与え、これにより金属パッド３２の固定をも行うものであることが望ましい。中間層パッド４８は導電性でなくてはならないので、中間層パッド４８は、金属性であるべきである。それは、金属材料とセラミック材料との複合材であることが好ましく、金属充填バイア４０と同じ複合材料で構成されることが最も好ましい。すなわち、限定する目的ではなく、例示目的のために、複合材は、銅に４０から６０容積パーセントまでのセラミック材料、最も好ましくはガラス・セラミック材料を加えたもので構成することができる。それ以外のすべての点では、図４の実施形態は、図３の実施形態と同じである。中間層パッド４８は、これを信号バイアに関連して用いる場合にはキャパシタンスの増加をもたらすことがあるので、パワー・バイアに関連するものに限って用いることが最も好ましい。

コンピュータ・モデリングは、本発明が、１０ギガヘルツ（ＧＨＺ）より高い全周波数において、図１及び図２に示す通常の固定されたＩ／Ｏパッド構造体と比較して、改善された伝送速度をもたらすことを示す。改善は、一般に周波数の増加とともに大きくなる。本発明による性能の改善は、Ｉ／Ｏパッドが多数のレベルにあってコンデンサとして機能するようになり、多数のバイアがインダクタとして機能することになる、前述した通常の固定されたＩ／Ｏパッド構造体におけるキャパシタンス／インダクタンス関連の損失を解消した結果である。

本発明は、金属充填された単一のバイア構造体に関連して１つの金属パッド３２のみが設けられた図３及び図４に示す実施形態に関して説明された。通常は、複数のこうした金属パッド３２があり、各々の金属パッド３２は、前述のように、金属充填された単一のバイア構造体により多層セラミック基板にしっかりと固定されることを理解すべきである。

本開示に注目した当業者であれば、本発明の精神から逸脱することなく、具体的にここで説明された実施形態を超える他の改変を本発明においてなし得ることが明らかであろう。従って、こうした修正は、添付の特許請求の範囲によってのみ制限される本発明の範囲内にあると考慮される。

表面金属構造が複数のバイアにより固定された通常の設計の断面図である。 表面金属構造が１つの層内の単一の大きなバイアと第２層内の多数のバイアとにより固定された通常の設計の断面図である。 表面金属構造が単一のバイアにより固定された、本発明による第１の実施形態の断面図である。 表面金属構造が単一のバイアにより固定された、本発明による第２の実施形態の断面図である。

Claims (18)

1. 単一のバイアにより固定されたパッドをもつ多層セラミック基板であって、
   金属充填バイアと外面とを有する第１セラミック層と、
   前記第１セラミック層の前記外面に隣接し、前記第１セラミック層内の前記金属充填バイアに接着された、外部パッドと、
   前記第１セラミック層内の前記金属充填バイアに接着された金属充填バイアを有する、前記第１セラミック層に隣接する第２セラミック層であって、該第２セラミック層内の前記金属充填バイアはその断面が前記第１セラミック層内の前記金属充填バイアより大きく、前記第１セラミック層及び前記第２セラミック層の各々において、前記外部パッドを前記多層セラミック基板に固定するための金属充填バイアは１つだけである、第２セラミック層と、
   前記第２セラミック層内の前記金属充填バイアに接着された金属充填バイアを有する、前記第２セラミック層に隣接する第３セラミック層と、
   を備える多層セラミック基板。
2. 前記第１セラミック層内及び第２セラミック層内の前記金属充填バイアが、円筒形の形状である、請求項１に記載の多層セラミック基板。
3. 前記第２セラミック層内の前記金属充填バイアが、前記第１セラミック層内の前記金属充填バイアより直径が少なくとも２ミルだけ大きい、請求項２に記載の多層セラミック基板。
4. 前記第１セラミック層内の前記金属充填バイアの直径が、前記第３セラミック層内の前記金属充填バイアの直径に等しいか又はそれより大きい、請求項２に記載の多層セラミック基板。
5. 前記第１セラミック層内及び第２セラミック層内の前記金属充填バイアが銅／ニッケル合金で構成される、請求項１に記載の多層セラミック基板。
6. 前記第１セラミック層内及び第２セラミック層内の前記金属充填バイアの１００容積パーセントが金属である、請求項１に記載の多層セラミック基板。
7. 前記第１セラミック層内及び第２セラミック層内の前記金属充填バイア及び前記外部パッドの１００容積パーセントが金属である、請求項１に記載の多層セラミック基板。
8. 前記第３セラミック層内の前記金属充填バイアが、セラミック材料と金属材料との混合物で構成される複合材バイアである、請求項１に記載の多層セラミック基板。
9. 前記第２セラミック層内の金属充填バイアと前記第３セラミック層内の前記金属充填バイアとの間に中間層パッドをさらに備える、請求項１に記載の多層セラミック基板。
10. 単一のバイアにより固定されたパッドをもつ多層セラミック基板であって、
    第１接触面を有する金属充填バイアと外面とを有する第１セラミック層と、
    前記第１セラミック層の前記外面に隣接し、前記第１セラミック層内の前記金属充填バイアに接着された、外部パッドと、
    第２接触面をもつ金属充填バイアを有し、前記第１セラミック層に隣接する第２セラミック層であって、該第２セラミック層内の前記金属充填バイアは前記第１接触面及び前記第２接触面を通して前記第１セラミック層内の前記金属充填バイアに接着されており、前記第２接触面は前記第１接触面より大きく、前記第１セラミック層及び前記第２セラミック層の各々において、前記外部パッドを前記多層セラミック基板に固定するための金属充填バイアは１つだけである、第２セラミック層と、
    前記第２セラミック層内の前記金属充填バイアに接着された金属充填バイアを有する、前記第２セラミック層に隣接する第３セラミック層と、
    を備える多層セラミック基板。
11. 前記第１セラミック層内及び第２セラミック層内の前記接触面が、円形の形状である、請求項１０に記載の多層セラミック基板。
12. 前記第２セラミック層内の前記接触面が、前記第１セラミック層内の前記接触面より直径が少なくとも２ミルだけ大きい、請求項１１に記載の多層セラミック基板。
13. 前記第１セラミック層内の前記金属充填バイアの直径が、前記第３セラミック層内の前記金属充填バイアの直径に等しいか又はそれより大きい、請求項１１に記載の多層セラミック基板。
14. 前記第１セラミック層及び第２セラミック層内の前記金属充填バイアが、銅／ニッケル合金で構成される、請求項１０に記載の多層セラミック基板。
15. 前記第１セラミック層内及び第２セラミック層内の前記金属充填バイアの１００容積パーセントが金属である、請求項１０に記載の多層セラミック基板。
16. 前記第１セラミック層内及び第２セラミック層内の前記金属充填バイア及び前記外部パッドの１００容積パーセントが金属である、請求項１０に記載の多層セラミック基板。
17. 前記第３セラミック層内の前記金属充填バイアが、セラミック材料と金属材料との混合物で構成される複合材バイアである、請求項１０に記載の多層セラミック基板。
18. 前記第２セラミック層内の金属充填バイアと前記第３セラミック層内の前記金属充填バイアとの間に中間層パッドをさらに備える、請求項１０に記載の多層セラミック基板。

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