JP3561197B2

JP3561197B2 - 配線基板

Info

Publication number: JP3561197B2
Application number: JP36502199A
Authority: JP
Inventors: 康博佐々木; 和孝前田; 彰一仲川
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-12-22
Filing date: 1999-12-22
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2019-12-22
Also published as: JP2001185826A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子などの電子部品を表面に気密に搭載する半導体素子収納用パッケージや、半導体素子の他にコンデンサや抵抗体等の各種電子部品が表面に搭載される混成集積配線基板や、パワーモジュール基板等のセラミック絶縁基板の表面に配線導体を有した配線基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体素子収納用パッケージや混成集積配線基板等に用いられる多層配線基板は、一般にアルミナ質焼結体等の電気絶縁性のセラミック焼結体から成る絶縁基板を用い、その上面の略中央部に設けた凹部周辺から下面に、あるいはその内部及び表面に、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、マンガン（Ｍｎ）等の高融点金属から成る複数の配線導体を配設すると共に、各配線導体を絶縁基板内に設けた前記同様の高融点金属から成るビアホール導体で接続した構造を成している。
【０００３】
さらに、配線導体の低抵抗化が必要となる場合には、絶縁基体表面に形成された高融点金属からなる配線導体の上にＣｕ板やＡｌ板をＡｇろう系、Ａｌろう系等のろう材で接合し、配線を形成することが行なわれている。
【０００４】
また、セラミック絶縁基板が、ガラスセラミックス等の焼成温度が１０００℃前後の場合には、絶縁基板内部の内層配線や表層配線を共に、Ｃｕペーストで配設して、同時焼成によって形成することが行なわれている。
【０００５】
また、高熱伝導性が要求されるパワーモジュール基板等は、絶縁基板にＡｌＮセラミックスを使用して、この絶縁基板にＣｕ板やＡｌ板を銀ろう系、Ａｌろう系等のろう材で接合して配線導体を形成することも行なわれている。
【０００６】
そして、これらの配線導体表面に半田濡れ性の優れたＮｉ，Ａｕなどの導体層をめっき等により形成して、この表面に各種電子部品が半田などによってロウ付け実装される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、配線導体の低抵抗化が必要とされる配線基板において、配線導体をＣｕによって形成した場合、Ｃｕの熱膨張係数は約１８ｐｐｍ／℃と、一般的なセラミックスの熱膨張係数（３〜８ｐｐｍ／℃）よりも大きいために、その配線基板に熱サイクルが付加されるとセラミック絶縁基板との熱膨張係数の相違により、熱応力が発生し、絶縁基板への接合部付近で絶縁基板や配線導体と絶縁基板との界面にクラックが発生したり、電子部品とのロウ付け部の半田層にクラックが発生したり、電子部品が配線導体から取れたり、配線導体が絶縁基板から剥離するなどの問題が発生し接合信頼性が確保できないという問題があった。
【０００８】
また、配線導体をＡｌによって形成した場合、Ｃｕに比較してヤング率、降伏応力が低く絶縁基板との接合面での剥離等は発生しにくいが、熱膨張係数が２３ｐｐｍ／℃と大きく、その結果、著しい形状変化を起こすため、配線導体としての機能上、支障をきたす恐れがある。さらに、ＡｌはＣｕに比較して電気抵抗が大きく、熱伝導性も悪いため、Ａｌ配線導体の厚みを厚くすると配線導体の熱抵抗が悪化するために、パワートランジスタ等の冷却器の冷却能力を上げる必要があった。よってモジュールの薄型化（小型化）やローコスト化の要求に応えることができないという課題を有していた。
【０００９】
従って、本発明は、前記課題を解消せんとして成されたもので、その目的は、低抵抗を有しつつ、絶縁基板や半田層においてクラックが発生したり、配線導体の剥離などが発生することがなく、電気的接続や熱伝導性が良好な高信頼性の配線基板を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、セラミック絶縁基板の表面に配線導体を接合してなり、該配線導体上に電子部品が実装される配線基板において、配線導体を、Ｃｕ導体層と、そのＣｕ導体層の電子部品実装面側および絶縁基板への接合面側にＡｌ導体層を積層した積層体によって構成することによって、上記の目的が達成できることを見いだし本発明に至った。
【００１１】
なお、上記金属導体において、前記Ｃｕ導体層の厚みが０．３ｍｍ以上であり、前記Ａｌ導体層の厚みがＣｕ配線導体の厚みの１／１０以上、１／２以下であることが望ましい。
【００１２】
また、前記Ｃｕ導体層と前記Ａｌ導体層とは、積層後、熱間圧延によって互いに拡散接合されていることが望ましい。
【００１３】
また、前記セラミック絶縁基板としては、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４のうちの少なくとも１種を主成分とするセラミックスが挙げられる。
【００１４】
本発明の配線基板によれば、Ｃｕ又はＣｕを主成分とする配線導体の電子部品実装面と、絶縁基板への接合面側の両面に、Ａｌ導体層を形成することによって、セラミック絶縁基板とＣｕとの熱膨張係数の相違に起因して熱応力が発生しても、この熱応力がヤング率の小さい前記導体層によって良好に吸収される結果、絶縁基板や半田層に印加される熱応力を小さくすることができるため、絶縁基板ののクラック発生や半田層、配線導体の剥離を防ぐことができる。
【００１５】
また、Ａｌ導体層をＣｕ導体層の両面にほぼ同じ厚さで、また拡散接合によって形成することにより、積層体からなる配線導体を作製する場合に配線導体の反り、変形を防止することができるとともに、熱的応力が付与された場合においても、応力のバランスが保たれるために変形、反りをも防止することができる。
【００１６】
また、上記導体層にも有効に電流が流れるため、配線導体の低抵抗化においても、不要に配線導体の厚みを厚くする必要もなく、配線基板全体の厚みの薄層化を図ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の配線基板を図面に基づき詳細に説明する。図１は、本発明の配線基板の一実施例を示す多層配線基板の概略断面図であり、図２は、その配線導体と電子部品との実装部の要部拡大図である。
【００１８】
図１および図２の配線基板によれば、絶縁基板１は、複数の絶縁層１ａ〜１ｄが積層された積層体によって構成されており、その絶縁基板１の表面には、配線導体２が接合されており、また、この配線導体２の表面には、パワートランジスタ、半導体素子などの電子部品３が半田層４によってロウ付け実装されている。
【００１９】
本発明によれば、上記の配線基板において、配線導体２は、Ｃｕ導体層２ａと、Ｃｕ導体層２ａの電子部品３実装面側および絶縁基板１への接合面側にＡｌ導体層２ｂ，２ｂを積層した積層体によって形成されている。
【００２０】
言い換えれば、Ｃｕ導体層２ａはＡｌ導体層２ｂを介して絶縁基板１に接合されており、また、Ｃｕ導体層２ａの表面には、Ａｌ導体層２ｂを介して、電子部品３が実装されている。
【００２１】
なお、この多層配線基板によれば、絶縁基板１の裏面にも同様な配線導体５が形成されていてもよく、その場合には、この表面に形成された配線導体２と、裏面に形成された配線導体５とは、絶縁基板１の内部に形成されたビアホール導体６あるいは内部配線導体７によって互いに接続することができる。
【００２２】
配線導体２におけるＣｕ導体層２ａは、Ｃｕを主導体とするるものであって純度９９％以上のＣｕであることが配線導体の低抵抗化、高熱伝導化によって大電流を流すことができ、またコストの面からも有利である。
【００２３】
また、Ａｌ導体層２ｂも、純度９９％以上のＡｌの変形応力が小さいからなることが望ましい。このＡｌ導体層２ｂは塑性変形しやすく、Ｃｕ導体層２ａの厚みを厚くしても絶縁基板１、半田層４との熱膨張係数の相違に起因して発生する熱応力を良好に吸収緩和する。Ａｌ以外の金属では変形抵抗が大きいために、熱応力を十分に吸収緩和することができず、クラックや剥離を防ぐことが困難である。
【００２４】
なお、Ｃｕ導体層２ａの厚みは、０．３ｍｍ以上、特に０．５ｍｍ以上であることが、大きな電流を印加するとともに高い信頼性を得るために点から必要である。
【００２５】
一方、Ａｌ導体層２ｂの厚みは、熱応力の吸収緩和効果を十分に発揮させる上でＣｕ導体層２ａの厚みの１／１０以上、特に１／５以上であることが重要であって、この厚みが１／１０よりも薄いと、Ａｌ導体層２ｂを形成しても、熱応力を十分に吸収緩和することができず、クラックや剥離などを防止することが困難となる。一方、配線導体２全体の特性としてＣｕの低抵抗および高熱伝導性を阻害しないためには、Ａｌ導体層の厚みが前記Ｃｕ導体層２ａの厚みの１／２以下であることが望ましい。
【００２６】
また、上記の配線導体は、Ｃｕ導体層２ａを中心に配置してその両側にＡｌ導体層を形成することが必要である。これは、Ｃｕ導体層２ａとＡｌ導体層２ｂとの熱膨張差などに起因する熱応力のバランスを保ち、Ｃｕ導体層２ａ自体の変形を抑制するためである。特に、応力のバランスを保つ上で、２つのＡｌ導体層２ｂの厚みの差は０．１ｍｍ以下、特に０．０５ｍｍ以下であることが望ましい。
【００２７】
また、このＣｕ導体層２ａとＡｌ導体層２ｂとは、拡散接合されていることが望ましい。これは、ロウ材などの接着材によって両者を積層すると、ロウ材の層の熱抵抗および電気抵抗が高く、配線導体の熱的、電気的特性を劣化させてしまうのに対して、拡散接合すると接合力が強固であり、また反応層が極めて薄く、電気的、熱的特性を劣化させることがないなどの点で優れているためである。
【００２８】
また、絶縁基板１としては、一般にセラミック配線基板に適用されるアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等を主成分とするセラミックスであればいずれにも適用できるが、高熱伝導性が要求されるパワーモジュール基板ではＡｌＮセラミックスが、多層化した配線基板にはアルミナセラミックスが好適である。
【００２９】
例えば、アルミナセラミックスからなる絶縁基板は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）粉末に、シリカ（ＳｉＯ_２）、マグネシア（ＭｇＯ）、カルシア（ＣａＯ）等の原料粉末に周知の有機性バインダーと有機溶剤、可塑剤、分散剤等を添加混合して調製した泥漿を、周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等のシート成形法によりセラミックグリーンシートを作成する。そして、適宜、このグリーンシートにビアホールを形成後、導体ペーストを充填したり、グリーンシート表面に導体ペーストをスクリーン印刷した後、それらを複数枚積層し、約１５００〜１７００℃の温度で焼成することにより得られる。
【００３０】
ＡｌＮセラミックスを絶縁基板とする場合には、ＡｌＮ粉末に、Ｙ_２Ｏ_３などの周期律表第３ａ族酸化物、ＣａＯなどのアルカリ土類金属酸化物などの焼結助剤を添加し、上記と同様にして調製した泥漿を用いてグリーンシートを作成し、適宜ビアホール導体や配線パターンを形成し、１６００〜１８５０℃で焼成することにより得られる。
【００３１】
また、窒化珪素セラミックスを絶縁基板とする場合には、Ｓｉ_３Ｎ_４粉末に、Ｙ_２Ｏ_３などの周期律表第３ａ族酸化物、ＭｇＯなどのアルカリ土類金属酸化物、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２などの焼結助剤を添加し、この混合物をプレス成形、あるいは上記と同様にして調製した泥漿を用いてグリーンシートを作製し、適宜ビアホール導体や配線パターンを形成し、１６００〜１９５０℃で焼成することにより得られる。
【００３２】
なお、上記の製造過程でビアホール導体に充填される導体としては、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、レニウム（Ｒｅ）、コバルト（Ｃｏ）の群から選ばれる少なくとも１種の高融点金属を主成分とするものが挙げられ、特に絶縁基板との熱膨張率の整合性及びコストの点からはＷ，Ｍｏが好適である。また、ビアホール導体は、基板の表面に実装されたパワーＭＯＳＦＥＴ等の発熱性の電子部品から発生した熱を基板裏面に伝達する効果も奏することができる。
【００３３】
一方、内部配線導体については、セラミック絶縁基板と同時焼成で形成する場合、前記スルーホール導体と同様の上記の高融点金属が使用できる。
【００３４】
特に、熱伝達性を目的として、絶縁基板の内部に熱放散性を目的として上記のビアホール導体の形成方法と同様な方法によって、発熱性の電子部品を搭載する部分にサーマルビアを兼用したビアホール導体を多数設けることも可能である。なお、本発明における基板表面の配線導体は、例えば、カーボン治具に所定の厚みのＣｕ板を２枚の所定の厚みのＡｌ板で挟むように重ねた後、約１１００℃の温度でＣｕを溶融させることによってＣｕ板とＡｌ板とを拡散接合することができる。また、他の方法としては、プレス金型内にＡｌ粉末を所定の厚みになるように充填し、次にＣｕ粉末またはＣｕ板をその上に重ねるように充填し、さらにその上にＡｌ粉末を充填した後、１ｔｏｎ／ｃｍ^３以上でプレス成形し、約１０５０℃前後の還元雰囲気で焼成することによって作製することができる。
【００３５】
また、この表面配線導体２の表面に電子部品を実装する場合、半田によって実装するが、半田との濡れ性を改善するために、配線導体の表面にＮｉやＣｕなどの金属層を１〜３μｍの厚みでメッキ処理を施すことが望ましい。
【００３６】
【実施例】
次に、以下のようにして本発明の配線基板を評価した。なお、評価にあたっては、絶縁基板としてＡｌＮセラミックスを用いて作製した。
【００３７】
まず、ＡｌＮ粉末に、ＣａＯ０．５重量％、Ｙ_２Ｏ_３５重量％を添加したＡｌＮ粉末組成物にアクリル系の有機性バインダーと可塑剤、溶剤を添加混合して泥漿を調整し、該泥漿をドクターブレード法により厚さ約３００μｍのシート状に成形した。このセラミックグリーンシートを複数枚積層後、１７５０℃で焼成し、幅２０ｍｍ×長さ６０ｍｍ×厚さ１ｍｍの絶縁基板を作製した。
【００３８】
次に、配線導体を作製した。所定の厚みのＣｕ板を所定の厚みの２枚のＡｌ板で挟み積層し、１１００℃で熱間圧延して拡散接合し、Ｃｕ導体層、Ａｌ導体層の厚みがそれぞれ表１の配線導体を作製した。この３層積層配線導体を幅１５ｍｍ×長さ５０ｍｍに加工後、Ａｌろうを用いて前記ＡｌＮ基板表面に５００℃で加熱接合して配線導体を有する配線基板を形成した。
【００３９】
その後、この配線導体の表面に厚み３〜４μｍの無電解Ｎｉめっきを施した後、組成Ｐｂ６０％−Ｓｎ４０％の半田リボンを用いて１０ｍｍ角のＳｉチップを配線導体上に実装した。
【００４０】
こうしてＳｉチップを搭載した配線基板について、配線導体の絶縁基板への接合直後、並びに−４０〜１２５℃の温度サイクル試験５００サイクルまでの各１００サイクル毎に、絶縁基板と配線導体との接合部、Ｓｉチップの半田接合部において、配線導体の剥離やクラックの発生をマイクロスコープ（２５〜２００倍）で観察した。結果を表１に示す。
【００４１】
【表１】

【００４２】
配線導体をＣｕ導体層単味で形成した試料Ｎｏ．１では、およびＡｌ導体層を形成しても、その厚みがＣｕ導体層の厚みの１／１０よりも薄い試料Ｎｏ．９では、ロウ付け後、導体層と基板の接合面からの剥離や、配線導体端部近傍の絶縁基板にクラックが発生した。
【００４３】
なお、片方のみにＡｌ板を積層して、上記と同様にして積層体を作製したが、積層体の変形が大きく、配線導体として使用できるものではなかった。
【００４４】
温度サイクル試験において、半田接合部においてもＡｌ導体層を形成していないもの（試料Ｎｏ１）や、Ａｌ導体層が薄いもの（試料Ｎｏ１０）は３００サイクル以下で、チップとの接合部近傍の半田層にクラックが確認された。
【００４５】
これに対して、本発明の試料は、配線導体と絶縁基板接合部では４００サイクル，半田接合部では４００サイクルまで剥離、クラックの発生は見られず、信頼性が高い配線基板であることが確認された。
【００４６】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の配線基板によれば、厚さ０．３ｍｍ以上のＣｕ導体層の電子部品実装面と、絶縁基板への接合面に、Ａｌ導体層を所定の厚みで形成することによって、Ａｌ導体層によって熱膨張係数の相違に起因して発生する熱応力を吸収緩和し、クラックや剥離の発生を抑制し、低抵抗で且つ熱伝導性が良好な高信頼性の配線基板を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線基板の一実施例を示す多層配線基板の概略断面図である。
【図２】図１の配線導体と電子部品との実装部の要部拡大図である。
【符号の説明】
１絶縁基板
２，５配線導体
２ａＣｕ導体層
２ｂＡｌ導体層
３電子部品
４半田層
６ビアホール導体
７内部配線導体

Claims

セラミック絶縁基板の表面に配線導体を接合してなり、該配線導体上に電子部品が実装される配線基板であって、前記配線導体が、厚さ０．３ｍｍ以上のＣｕ導体層と、該Ｃｕ導体層の電子部品実装面側および前記絶縁基板への接合面側に、前記Ｃｕ導体層の厚さの１／１０以上の厚さを有するＡｌ導体層を積層した積層体からなることを特徴とする配線基板。
前記Ａｌ導体層の厚みが前記Ｃｕ導体層の厚みの１／２以下であることを特徴とする請求項１記載の配線基板。
前記電子部品実装面側および前記絶縁基板への接合面側のＡｌ導体層の厚みの差が０．１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の配線基板。
前記Ｃｕ導体層と前記Ａｌ導体層とが拡散接合されたものである請求項１記載の配線基板。
前記セラミック絶縁基板が、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４のうちの少なくとも１種を主成分とするセラミックスからなることを特徴とする請求項１記載の配線基板。