JP3301909B2 - 配線基板及びその製造方法 - Google Patents

配線基板及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】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混成集積回路
基板等に用いられる配線基板に関するものである。
【０００２】
【従来技術】従来、配線基板、例えば半導体素子を収容
する半導体素子収納用パッケージに使用される配線基板
は、酸化アルミニウム質焼結体等のセラミックスより成
り、その上面中央部に半導体素子を収容するための凹部
を有する絶縁基体と、前記絶縁基体の凹部周辺から下面
にかけて導出されたタングステン、モリブデン等の高融
点金属粉末から成る配線導体とから構成されており、前
記絶縁基体の凹部底面に半導体素子をガラス、樹脂、ロ
ウ材等の接着剤を介して接着固定するとともに該半導体
素子の各電極を例えばボンディングワイヤ等の電気的接
続手段を介して配線導体に電気的に接続し、しかる後、
前記絶縁基体の上面に、金属やセラミックス等から成る
蓋体を絶縁基体の凹部を塞ぐようにしてガラス、樹脂、
ロウ材等の封止材を介して接合させ、絶縁基体の凹部内
に半導体素子を気密に収容することによって製品として
の半導体装置となり、配線導体で絶縁基体下面に導出し
た部位を外部の電気回路基板の配線導体に半田等の電気
的接続手段を介して接続することにより収容する半導体
素子が外部電気回路基板に電気的に接続されることとな
る。
【０００３】尚、この従来の配線基板は一般に、セラミ
ックグリーンシート積層法によって製作されており、具
体的には、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシ
ウム、酸化カルシウム等のセラミック原料粉末に適当な
有機バインダー、溶剤等を添加混合して泥漿状となすと
ともにこれを従来周知のドクターブレード法を採用して
シート状とすることによって複数のセラミックグリーン
シートを得、しかる後、前記セラミックグリーンシート
に適当な打ち抜き加工を施すとともに配線導体となる金
属ペーストを所定パターンに印刷塗布し、最後に前記セ
ラミックグリーンシートを所定の順に上下に積層して生
セラミック成形体となすとともに該生セラミック成形体
を還元雰囲気中約１６００℃の高温で焼成することによ
って製作される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来の配線基板は、絶縁基体を構成する酸化アルミニウム
質焼結体等のセラミックスが硬くて脆い性質を有するた
め、搬送工程や半導体装置製作の自動ライン等において
配線基板同士が、あるいは配線基板と半導体装置製作自
動ラインの一部とが激しく衝突すると絶縁基体に欠けや
割れ、クラック等が発生し、その結果、半導体素子を気
密に収容することができず、半導体素子を長期間にわた
り正常、且つ安定に作動させることができなくなるとい
う欠点を有していた。
【０００５】また、前記配線基板の製造方法によれば、
生セラミック成形体を焼成する際、各セラミックグリー
ンシートにおけるセラミック原料粉末の密度のばらつき
に起因して生セラミック成形体に不均一な焼成収縮が発
生し、得られる配線基板に反り等の変形や寸法のばらつ
きが発生し、その結果、半導体素子と配線導体とを電気
的に正確、且つ確実に接続することが困難となるととも
に変形や寸法のばらつきが大きいと配線導体に断線が招
来してしまうという欠点を有していた。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の配線基板は、６
０乃至９５重量％の無機絶縁物粉末と５乃至４０重量％
の熱硬化性樹脂とからなり、前記無機絶縁物粉末を前記
熱硬化性樹脂の前駆体で結合して成る前駆体シートを半
硬化させてその複数枚を積層して熱硬化させた、前記無
機絶縁物粉末を前記熱硬化性樹脂により結合した複数枚
の絶縁基板を積層して成る絶縁基体の前記絶縁基板に、
少なくとも２種類の単元素金属粉末が合金化により相互
に接合されて形成される金属部材と熱硬化性樹脂とから
成る配線導体を被着させて成ることを特徴とするもので
ある。
【０００７】また、本発明の配線基板の製造方法は、熱
硬化性樹脂前駆体と無機絶縁物粉末とを混合して成る前
駆体シートを準備する工程と、該前駆体シートを加熱し
て半硬化させる工程と、半硬化した前記前駆体シート
に、熱硬化性樹脂前駆体と少なくとも２種類の単元素金
属粉末とを混合して成る金属ペーストを所定パターンに
印刷するとともに加熱して半硬化させる工程と、半硬化
した前記金属ペーストが被着された半硬化の前記前駆体
シートを複数枚上下に積層するとともにこれを加熱処理
し、前記金属ペースト中の少なくとも２種類の単元素金
属粉末を合金化により相互に接合させて金属部材を形成
するとともに前記前駆体シート及び前記金属ペーストの
熱硬化性樹脂前駆体を熱硬化させ一体化させる工程、と
から成ることを特徴とするものである。
【０００８】本発明の配線基板によれば、絶縁基体が無
機絶縁物粉末を靱性に優れる熱硬化性樹脂で結合するこ
とによって形成されていることから配線基板同士あるい
は配線基板と半導体装置製作自動ラインの一部とが激し
く衝突しても絶縁基体に欠けや割れ、クラック等が発生
することはない。
【０００９】また、本発明の配線基板によれば、金属ペ
ーストを熱処理して配線導体となす際、配線導体の金属
部材が少なくとも２種類の単元素金属粉末を合金化によ
り相互に接合させることによって形成されていることか
ら金属粉末間の電気的接続が確実となり、その結果、配
線導体の電気抵抗を低抵抗となすことができる。
【００１０】更に、本発明の配線基板の製造方法によれ
ば、配線基板は、熱硬化性樹脂前駆体と無機絶縁物粉末
とを混合して成る前駆体シートを準備する工程と、該前
駆体シートを加熱して半硬化させる工程と、半硬化した
前記前駆体シートに、熱硬化性樹脂前駆体と少なくとも
２種類の単元素金属粉末とを混合して成る金属ペースト
を所定パターンに印刷するとともに加熱して半硬化させ
る工程と、半硬化した前記金属ペーストが被着された半
硬化の前記前駆体シートを複数枚上下に積層するととも
にこれを加熱処理し、前記金属ペースト中の少なくとも
２種類の単元素金属粉末を合金化により相互に接合させ
て金属部材を形成するとともに前記前駆体シート及び前
記金属ペーストの熱硬化性樹脂前駆体を熱硬化させ一体
化させる工程とで製作され、前駆体シート及び金属ペー
ストの熱硬化性樹脂前駆体は熱硬化時に殆ど収縮しない
ことから不均一な収縮による変形や寸法のばらつきが発
生することもない。
【００１１】尚、前記金属ペースト中に含有されている
少なくとも２種類の単元素金属粉末はその合金化が各々
の単元素金属粉末の接触部において行われ、その接触は
極めて狭い領域であることから合金化に高温を必要とせ
ず低温で行うことができ、その結果、金属ペーストが所
定パターンに印刷された前駆体シートを熱処理して配線
基板となす際、前駆体シート及び金属ペーストの熱硬化
性樹脂に熱分解を発生させることなく少なくとも２種類
の単元素金属粉末を合金化により相互に確実に接合させ
ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】次に、本発明を添付図面に基づき
詳細に説明する。
【００１３】図１は、本発明の配線基板を半導体素子を
収容する半導体素子収納用パッケージに適用した場合の
一実施例を示し、１は絶縁基体、２は配線導体である。
【００１４】前記絶縁基体１は３枚の絶縁基板１ａ、１
ｂ、１ｃを積層することによって形成されており、その
上面の中央部に半導体素子を収容するための凹部１ｄを
有し、該凹部１ｄ底面には半導体素子３が樹脂等の接着
剤を介して接着固定される。
【００１５】前記絶縁基体１を構成する３枚の絶縁基板
１ａ、１ｂ、１ｃは、例えば酸化珪素、酸化アルミニウ
ム、窒化アルミニウム、炭化珪素、チタン酸バリウム、
ゼオライト等の無機絶縁物粉末をエポキシ樹脂、ポリイ
ミド樹脂等の熱硬化性樹脂で結合することによって形成
されており、絶縁基体１を構成する３枚の絶縁基板１
ａ、１ｂ、１ｃはその各々が無機絶縁物粉末を靭性に優
れる熱硬化性樹脂で結合することによって形成されてい
ることから絶縁基体１に外力が印加されても、該外力に
よって絶縁基体１に欠けや割れ、クラック等が発生する
ことはない。
【００１６】尚、前記無機絶縁物粉末を熱硬化性樹脂で
結合して成る絶縁基体１を構成する３枚の絶縁基板１
ａ、１ｂ、１ｃは無機絶縁物粉末の含有量が６０重量％
未満であると絶縁基体１の熱膨脹係数が半導体素子３の
熱膨脹係数に対して大きく相違し、半導体素子３が作動
時に熱を発し、該熱が半導体素子３と絶縁基体１の両者
に印加されると両者間に両者の熱膨脹係数の相違に起因
する大きな熱応力が発生し、この大きな熱応力によって
半導体素子３が絶縁基体１より剥離したり、半導体素子
３に割れや欠け等が発生してしまう。また９５重量％を
超えると無機絶縁物粉末を熱硬化性樹脂で完全に結合さ
せることができず、所定の絶縁基板１ａ、１ｂ、１ｃを
得ることができなくなる。従って、前記絶縁基体１を構
成する絶縁基板１ａ、１ｂ、１ｃはその各々の内部に含
有される無機絶縁物粉末の量が６０重量％乃至９５重量
％の範囲に特定される。
【００１７】また前記絶縁基体１はその凹部１ｄの周辺
から下面にかけて配線導体２が被着形成されており、該
配線導体２は少なくとも２種類の単元素金属粉末が合金
化により相互に接合されて形成される金属部材と、エポ
キシ樹脂、ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂とから形成
されており、金属部材を熱硬化性樹脂で絶縁基体１に被
着することによって絶縁基体１に一体的に被着されてい
る。
【００１８】前記配線導体２を形成する少なくとも２種
類の単元素金属粉末としては、金、ゲルマニウム、マグ
ネシウム、マンガン、プラセオジム、アンチモン、銀、
アルミニウムの少なくとも１種と銅や、鉛、錫、金の少
なくとも１種とビスマスや、銀、鉛の少なくとも１種と
リチウムや、錫、アンチモンの少なくとも１種と金や、
マグネシウムと亜鉛や、鉛と錫等の組合せが好適に用い
られる。
【００１９】前記配線導体２は、内部に収容する半導体
素子３を外部電気回路に電気的に接続する作用を為し、
凹部１ｄ周辺部位には半導体素子３の各電極がボンディ
ングワイヤ４を介して電気的に接続され、また絶縁基体
１の下面に導出する部位は外部電気回路基板に電気的に
接続される。
【００２０】また、前記配線導体２はそれを構成する金
属部材が少なくとも２種類の単元素金属粉末を合金化に
より相互に接合させて形成されているため少なくとも２
種類の単元素金属粉末間の電気的接続が確実となり配線
導体２の電気抵抗を低抵抗となすことができる。
【００２１】かくして上述の配線基板によれば、絶縁基
体１の凹部１ｄ底面に半導体素子３を接着固定するとと
もに半導体素子３の各電極をボンディングワイヤ４を介
して配線導体２に電気的に接続し、最後に前記絶縁基体
１の上面に蓋体５を封止材を介して接合させ、絶縁基体
１と蓋体５とから成る容器内部に半導体素子３を気密に
収容することによって製品としての半導体装置となる。
【００２２】次に前記半導体素子収納用パッケージに使
用される配線基板の製造方法について図２に基づき説明
する。
【００２３】まず図２（ａ）に示すように３枚の前駆体
シート１１ａ、１１ｂ、１１ｃを準備する。
【００２４】前記３枚の前駆体シート１１ａ、１１ｂ、
１１ｃは酸化珪素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウ
ム、炭化珪素、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチ
ウム、酸化チタン等の無機絶縁物粉末をエポキシ樹脂、
ポリイミド樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂等の熱硬
化性樹脂前駆体で結合することによって形成されてお
り、例えば粒径が０．１〜１００μｍの酸化珪素粉末
に、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ノボラック型エ
ポキシ樹脂、グリシジルエステル型エポキシ樹脂等のエ
ポキシ樹脂及びアミン系硬化剤、イミダゾール系硬化
剤、酸無水物系硬化剤等の硬化剤を添加混合してペース
ト状となし、しかる後、このペーストをシート状になす
とともに約２５〜１００℃の温度で１〜６０分間加熱
し、半硬化させることによって製作される。
【００２５】次に図２（ｂ）に示すように前記３枚の前
駆体シート１１ａ、１１ｂ、１１ｃのうち２枚の前駆体
シート１１ａ、１１ｂに半導体素子３を収容する凹部１
ｄとなる開口Ａ，Ａ’を、２枚の前駆体シート１１ｂ、
１１ｃに配線導体２を引き回すための貫通孔Ｂ，Ｂ’を
各々形成する。
【００２６】前記開口Ａ，Ａ’及び貫通孔Ｂ，Ｂ’は前
駆体シート１１ａ、１１ｂ、１１ｃに従来周知のパンチ
ング加工法を施し、前駆体シート１１ａ、１１ｂ、１１
ｃの各々に所定形状の孔を穿孔することによって形成さ
れる。
【００２７】次に図２（ｃ）に示すように、前記前駆体
シート１１ｂ、１１ｃの上下面及び貫通孔Ｂ，Ｂ’内に
配線導体２となる金属ペースト１２を従来周知のスクリ
ーン印刷法により所定パターンに印刷塗布するとともに
これを約２５〜１００℃の温度で１〜６０分間加熱し、
半硬化させる。
【００２８】前記金属ペースト１２としては、少なくと
も２種類の単元素金属粉末と、ビスフェノールＡ型エポ
キシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂、グリシジルエス
テル型エポキシ樹脂等のエポキシ樹脂及びアミン系硬化
剤、イミダゾール系硬化剤、酸無水物系硬化剤等の硬化
剤を添加混合しペースト状となしたものが使用される。
【００２９】そして最後に前記３枚の前駆体シート１１
ａ、１１ｂ、１１ｃを上下に積層するとともにこれを約
３００℃の温度で１０秒〜２４時間加熱し、前記金属ペ
ースト１２中の少なくとも２種類の単元素金属粉末を合
金化により相互に接合させて金属部材となすとともに前
駆体シート１１ａ、１１ｂ、１１ｃ及び金属ペースト１
２の熱硬化性樹脂前駆体を完全に熱硬化させ一体化させ
ることによって図１に示すような絶縁基体１に配線導体
２を被着させた半導体素子収納用パッケージに使用され
る配線基板が完成する。この場合、前記前駆体シート１
１ａ、１１ｂ、１１ｃは熱硬化時に収縮することは殆ど
なく、そのため得られる配線基板に変形や寸法にばらつ
きが発生することも有効に防止されて配線導体２に断線
が招来することはなく、配線導体２を介して半導体素子
３等の電極を外部電気回路に確実に電気的接続すること
が可能となる。また同時に配線導体２の金属部材は少な
くとも２種類の単元素金属粉末を合金化により相互に接
合させることによって形成されていることから単元素金
属粉末間の接合が確実、強固となり、その結果、配線導
体２の電気抵抗を低抵抗となすことができる。
【００３０】更に前記金属ペースト１２中の少なくとも
２種類の単元素金属粉末はその合金化が各々の単元素金
属粉末の接触部において行われ、その接触は極めて狭い
領域であることから合金化に高温を必要とせず低温で行
うことができ、その結果、金属ペースト１２が所定パタ
ーンに印刷された前駆体シート１１ａ、１１ｂ、１１ｃ
を熱処理して配線基板となす際、前駆体シート１１ａ、
１１ｂ、１１ｃ及び金属ペースト１２の熱硬化性樹脂に
熱分解を発生させることなく少なくとも２種類の単元素
金属粉末を合金化により相互に確実に接合させることが
できる。
【００３１】尚、前記少なくとも２種類の単元素金属粉
末と熱硬化性樹脂とから成る金属ペースト１２は少なく
とも２種類の単元素金属粉末の重量が金属ペースト１２
の全重量に対し７０重量％未満となると少なくとも２種
類の単元素金属粉末間の合金化による相互接合が不完全
となる傾向にあり、また９５重量％を超えると熱硬化性
樹脂で形成される配線導体２を絶縁基体１に強固に被着
させるのが困難となるとともに配線導体２が脆弱となる
傾向にある。従って、前記金属ペースト１２に含有され
る少なくとも２種類の単元素金属粉末はその重量が金属
ペースト１２の全重量に対し７０重量％乃至９５重量％
の範囲としておくことが好ましい。
【００３２】また前記金属ペースト１２に含有される少
なくとも２種類の単元素金属粉末は各々の粒径が０．１
μｍ未満であると単元素金属粉末が凝集し均一分散が得
られなくなって形成される配線導体２の電気抵抗が高い
ものとなり、また５０μｍを超えると金属ペースト１２
を微細に印刷することができず、形成される配線導体２
の幅を一般的に要求される５０μｍ〜２００μｍの範囲
とすることが困難となる。従って、前記金属ペースト１
２に含有される少なくとも２種類の単元素金属粉末は各
々の粒径を０．１μｍ乃至５０μｍの範囲としておくこ
とが好ましい。
【００３３】また前記金属ペースト１２に含有される少
なくとも２種類の単元素金属粉末は各単元素金属粉末の
量を均等としておくと各単元素金属粉末を合金化により
相互に確実に接合させることが可能となる。従って、前
記金属ペースト１２に含有される少なくとも２種類の単
元素金属粉末は各単元素金属粉末の量を均等としておく
ことが好ましい。
【００３４】更に本発明は上述の実施例に限定されるも
のではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば、
種々の変更は可能であり、例えば上述の実施例において
は本発明の配線基板を半導体素子を収容する半導体素子
収納用パッケージに適用した場合を例にとって説明した
が、これを混成集積回路基板等に用いられる配線基板に
適用してもよい。
【００３５】また更に、上述の実施例では、配線基板は
３枚の絶縁基板を積層することにより形成したが、一枚
や二枚、あるいは四枚以上の絶縁基板を積層することに
よって形成してもよい。
【００３６】更にまた、上述の実施例において金属ペー
スト１２に使用されるエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂に
ポリアセチレン系樹脂やポリフェニレン樹脂等の導電性
を有する樹脂を含有させておく、或いは導電性ポリピロ
ール樹脂やポリパラフェニレン樹脂、ポリアニリン樹脂
等の熱硬化性で導電性の樹脂を代替として使用すると、
金属ペースト１２が所定パターンに印刷された前駆体シ
ート１１ａ、１１ｂ、１１ｃを加熱処理して配線基板と
なす際、少なくとも２種類の単元素金属粉末の合金化に
よる相互接合に一部不完全なところがあったとしてもそ
の不完全な部分は導電性の樹脂による電気的接続で補充
され、その結果、各単元素金属粉末間の電気的接続がよ
り確実となり、配線導体２の電気抵抗をより低抵抗とな
すことができる。
【００３７】
【発明の効果】本発明の配線基板によれば、絶縁基体が
無機絶縁物粉末を靱性に優れる熱硬化性樹脂で結合する
ことによって形成されていることから配線基板同士ある
いは配線基板と半導体装置製作自動ラインの一部とが激
しく衝突しても絶縁基体に欠けや割れ、クラック等が発
生することはない。
【００３８】また、本発明の配線基板によれば、金属ペ
ーストを熱処理して配線導体となす際、配線導体の金属
部材が少なくとも２種類の単元素金属粉末を合金化によ
り相互に接合させることによって形成されていることか
ら金属粉末間の電気的接続が確実となり、その結果、配
線導体の電気抵抗を低抵抗となすことができる。
【００３９】更に、本発明の配線基板の製造方法によれ
ば、配線基板は、熱硬化性樹脂前駆体と無機絶縁物粉末
とを混合して成る前駆体シートを準備する工程と、該前
駆体シートを加熱して半硬化させる工程と、半硬化した
前記前駆体シートに、熱硬化性樹脂前駆体と少なくとも
２種類の単元素金属粉末とを混合して成る金属ペースト
を所定パターンに印刷するとともに加熱して半硬化させ
る工程と、半硬化した前記金属ペーストが被着された半
硬化の前記前駆体シートを複数枚上下に積層するととも
にこれを加熱処理し、前記金属ペースト中の少なくとも
２種類の単元素金属粉末を合金化により相互に接合させ
て金属部材を形成するとともに前記前駆体シート及び前
記金属ペーストの熱硬化性樹脂前駆体を熱硬化させ一体
化させる工程とで製作され、前駆体シート及び金属ペー
ストの熱硬化性樹脂前駆体は熱硬化時に殆ど収縮しない
ことから不均一な収縮による変形や寸法のばらつきが発
生することもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線基板を半導体素子収納用パッケー
ジに適用した場合の一実施例を示す断面図である。
【図２】（ａ）乃至（ｃ）は本発明の配線基板の製造方
法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
１・・・・・・・・・・・・絶縁基体 １ａ、１ｂ、１ｃ・・・・・絶縁基板 ２・・・・・・・・・・・・配線導体 １１ａ、１１ｂ、１１ｃ・・前駆体シート １２・・・・・・・・・・・金属ペースト
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H05K 1/02,1/03,1/09 H05K 3/12,3/46 H01L 23/12 - 23/15 H01B 1/00 - 1/24

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】６０乃至９５重量％の無機絶縁物粉末と５
    乃至４０重量％の熱硬化性樹脂とからなり、前記無機絶
    縁物粉末を前記熱硬化性樹脂の前駆体で結合して成る前
    駆体シートを半硬化させてその複数枚を積層して熱硬化
    させた、前記無機絶縁物粉末を前記熱硬化性樹脂により
    結合した複数枚の絶縁基板を積層して成る絶縁基体の前
    記絶縁基板に、少なくとも２種類の単元素金属粉末が合
    金化により相互に接合されて形成される金属部材と熱硬
    化性樹脂とから成る配線導体を被着させて成ることを特
    徴とする配線基板。
  2. 【請求項２】熱硬化性樹脂前駆体と無機絶縁物粉末とを
    混合して成る前駆体シートを準備する工程と、該前駆体
    シートを加熱して半硬化させる工程と、半硬化した前記
    前駆体シートに、熱硬化性樹脂前駆体と少なくとも２種
    類の単元素金属粉末とを混合して成る金属ペーストを所
    定パターンに印刷するとともに加熱して半硬化させる工
    程と、半硬化した前記金属ペーストが被着された半硬化
    の前記前駆体シートを複数枚上下に積層するとともにこ
    れを加熱処理し、前記金属ペースト中の少なくとも２種
    類の単元素金属粉末を合金化により相互に接合させて金
    属部材を形成するとともに前記前駆体シート及び前記金
    属ペーストの熱硬化性樹脂前駆体を熱硬化させ一体化さ
    せる工程、とから成ることを特徴とする配線基板の製造
    方法。
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