JP4465852B2

JP4465852B2 - 低温焼成セラミック回路基板

Info

Publication number: JP4465852B2
Application number: JP2000318249A
Authority: JP
Inventors: 俊博中居; 寛治水越
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2000-10-13
Filing date: 2000-10-13
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2020-10-13
Also published as: JP2002124768A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ａｇ系ビア導体とＡｕ系表層導体との接続構造を改良した低温焼成セラミック回路基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
８００〜１０００℃で焼成する低温焼成セラミック回路基板は、層間を電気的に接続するビア導体や内層配線導体として、導通抵抗が小さく電気的特性に優れたＡｇ系導体を使用して、これをセラミック基板と同時焼成できる利点がある。この低温焼成セラミック回路基板上に半導体チップを実装し、ワイヤボンディングする場合は、基板表面に形成するワイヤボンディング用のパッド等の表層導体を、ワイヤボンディング可能なＡｕ系導体で形成する必要がある。この場合、Ａｇ系ビア導体上に直接Ａｕ系表層導体を接合させて焼成すると、カーケンドール効果によりＡｇ原子がＡｕ系表層導体中に拡散してＡｇ−Ａｕ接合部に多数の空孔が生じて、断線等の接続不良が発生する原因となり、Ａｇ−Ａｕ接合部の信頼性を低下させてしまう。
【０００３】
そこで、このカーケンドール効果を防ぐために、特公平５−６９３１９号公報に示すように、Ａｇ系ビア導体とＡｕ系表層導体との間にＮｉ，Ｃｒ，Ｔｉ等の中間導体層をメッキにより形成して、Ａｇ原子がＡｕ系表層導体中に拡散することを中間導体層により防いで、Ａｇ−Ａｕ接合部の信頼性を向上させるようにしたものがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、中間導体層上に印刷したＡｕ系表層導体を焼成した後に、基板表面に例えばＲｕＯ₂系の抵抗、オーバーコートガラス、Ａｇ系の表層配線導体等を後付けするために、それらの印刷と焼成を何回も繰り返して行う場合がある。この場合、従来のように中間導体層をＮｉ等のメッキで形成した基板は、繰り返し焼成すると、中間導体層（メッキ層）が膨れてＡｇ−Ａｕ接合部に断線等が生じることがあり、繰り返し焼成に対するＡｇ−Ａｕ接合部の信頼性が低いという欠点があった。この場合、繰り返し焼成により中間導体層（メッキ層）が膨れる理由としては、内層Ａｇ系導体へのメッキ液のしみ込みが考えられる。
【０００５】
この問題を解決するために、本出願人は、特開平９−２４６７２３号公報に示すように、Ａｇ系ビア導体とＡｕ系表層導体との間に介在させる中間導体層を、Ａｕ／Ａｇ系の導体ペーストで形成して、このＡｕ／Ａｇ系の中間導体層によってカーケンドール効果を防止する技術を提案している。
【０００６】
しかしながら、この構成では、中間導体層を形成するための特別の組成のＡｕ／Ａｇ系の導体ペーストを作製する必要があり、その分、コストアップするという欠点がある。
【０００７】
また、Ａｇ−Ａｕ接合部の信頼性に対する要求レベルは、将来、益々高くなるものと予想され、中間導体層のみによっては将来の要求に十分に応えられない可能性もある。
【０００８】
そこで、本発明の第１の目的は、繰り返し焼成に対するＡｇ−Ａｕ接合部の信頼性を確保しながら、コストダウンの要求を満たすことができるようにすることであり、また、第２の目的は、Ａｇ−Ａｕ接合部の信頼性に対する要求レベルが高くなっても、それに十分に対応できるようにすることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
ところで、Ａｇ−Ａｕ接合部で、Ａｇ原子がＡｕ系表層導体中に拡散するカーケンドール効果が発生する原因は、Ａｇ−Ａｕ接合部の周辺でＡｇ原子の濃度勾配が大きくなるためと考えられる。従って、Ａｇ−Ａｕ接合部の周辺のＡｇ原子の濃度勾配を小さくすれば、カーケンドール効果が少なくなり、Ａｇ−Ａｕ接合界面に空隙が生じることが防止されるものと考えられる。
【００１０】
この点に着目し、本発明の請求項１の低温焼成セラミック回路基板は、Ａｇ系ビア導体とＡｕ系表層導体とを他の導体（中間導体層）を介さずに直接接続すると共に、前記Ａｕ系表層導体上のうちの前記Ａｇ系ビア導体との接合部の上方に位置する部分にＡｇ系表層導体を形成した構成としたものである。この構成では、Ａｕ系表層導体の一部がＡｇ系ビア導体とＡｇ系表層導体との間に挟まれて、Ａｕ系表層導体の上下両面にそれぞれＡｇ−Ａｕ接合界面が形成されるため、Ａｕ系表層導体の上下両面からＡｇ原子がＡｕ系表層導体中に拡散して、Ａｕ系表層導体中のＡｇ原子の濃度勾配が小さくなる。これにより、Ａｇ系ビア導体からＡｇ原子がＡｕ系表層導体に拡散するカーケンドール効果が少なくなり、Ａｇ系ビア導体とＡｕ系表層導体との接合界面にカーケンドール効果による空隙が生じることが防止され、繰り返し焼成に対するＡｇ−Ａｕ接合部の信頼性が確保される。しかも、Ａｕ系表層導体上に形成するＡｇ系表層導体は、Ａｇ系ビア導体と同種の導体ペーストで形成できるため、中間導体層用の特別な組成の導体ペーストが不要となり、その分、コスト低減が可能となる。
【００１１】
上記請求項１の構成では、Ａｇ系ビア導体とＡｕ系表層導体とを他の導体（中間導体層）を介さずに直接接続したが、本発明は、請求項２のように、Ａｇ系ビア導体とＡｕ系表層導体とを中間導体層を介して接続する構成にも適用することができ、この場合でも、Ａｕ系表層導体上のうちのＡｇ系ビア導体の上方に位置する部分にＡｇ系表層導体を形成すれば良い。このようにすれば、Ａｇ系表層導体と中間導体層との両方がカーケンドール効果を防止する役割を果たすため、カーケンドール効果防止性能を更に高めることができて、繰り返し焼成に対するＡｇ−Ａｕ接合部の信頼性を更に高めることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
［実施形態（１）］
まず、本発明の実施形態（１）における低温焼成セラミック回路基板の構成を図１に基づいて説明する。
【００１３】
セラミック基板１１は、低温焼成セラミックグリーンシート（セラミック層）１２を複数枚積層して焼成して一体化したものである。ここで使用する低温焼成セラミックの組成は、ＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃系ガラス：５０〜６５ｗｔ％（好ましくは６０ｗｔ％）とＡｌ₂Ｏ₃：５０〜３５ｗｔ％（好ましくは４０ｗｔ％）との混合物である。その他、低温焼成セラミックとしては、例えば、ＭｇＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃系ガラス粉末とＡｌ₂Ｏ₃粉末との混合物、又は、ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃系ガラス粉末とＡｌ₂Ｏ₃粉末との混合物、結晶化ガラス系等を用いても良く、要は、８００〜１０００℃で焼成できる低温焼成セラミックを用いれば良い。
【００１４】
このセラミック基板１１の各層のセラミック層１２の所定位置には、ビアホール１３が打ち抜き形成され、層間を電気的に接続できるように、各ビアホール１３にＡｇ系ビア導体１４が充填されている。このＡｇ系ビア導体１４は、Ａｇ、Ａｇ−Ｐｄ、Ａｇ−Ｐｔ、Ａｇ−Ｐｄ−Ｐｔ等、Ａｇを主として含む導体のペーストで形成されている。また、表層を除く各層の絶縁層１２の表面には、Ａｇ系ビア導体１４と同種のＡｇ系導体のペーストを用いて内層配線導体１５のパターンが印刷・焼成されている。
【００１５】
また、セラミック基板１１の表面には、Ａｕ系表層導体１６のパターンが印刷・焼成され、このＡｕ系表層導体１６が最上層のＡｇ系ビア導体１４に他の導体（中間導体層）を介さずに直接接続されている。このＡｕ系表層導体１６は、Ａｕ、Ａｕ−Ｐd 等、Ａｕを主として含む導体のペーストで形成されている。このＡｕ系表層導体１６上のうちのＡｇ系ビア導体１４との接合部の上方に位置する部分には、カーケンドール効果抑制用のＡｇ系表層導体１７が印刷・焼成され、Ａｕ系表層導体１６の一部がＡｇ系ビア導体１４とＡｇ系表層導体１７との間に挟まれた状態となっている。このＡｇ系表層導体１７は、Ａｇ系ビア導体１４と同じく、Ａｇ、Ａｇ−Ｐｄ、Ａｇ−Ｐｔ、Ａｇ−Ｐｄ−Ｐｔ等、Ａｇを主として含む導体のペーストで形成されている。
【００１６】
Ａｕ系表層導体１６のうち、少なくともチップ搭載部やワイヤボンディング用のパッド部は、Ａｇ系表層導体１７で覆われずに露出し、該Ａｕ系表層導体１６のチップ搭載部に、半導体チップ１８がダイボンディングされ、この半導体チップ１８上面の電極とＡｕ系表層導体１６のパッド部とが金線等のボンディングワイヤ１９で接続される。
【００１７】
一方、セラミック基板１１の裏面には、Ａｇ系導体又はＡｕ系導体の配線導体２０のパターンが印刷・焼成され、その上に、ＲｕＯ₂系ペーストで表層抵抗２１が印刷・焼成され、更にその上に、オーバーコートガラス層２２が印刷・焼成されている。
【００１８】
尚、表層抵抗２１とオーバーコートガラス層２２はセラミック基板１１の表面（又は両面）に形成しても良く、同様に、Ａｕ系表層導体１６とＡｇ系表層導体１７をセラミック基板１１の両面に形成しても良いことは言うまでもない。
【００１９】
以上のように構成した低温焼成セラミック回路基板の製造方法の一例を図２に基づいて説明する。まず、低温焼成セラミックのスラリーを用いて、ドクターブレード法によりセラミックグリーンシート１２をテープ成形する。この後、このセラミックグリーンシート１２を所定寸法に切断すると共に、切断した各セラミックグリーンシート１２の所定位置にビアホール１３を打ち抜き形成する。この後、Ａｇ系導体ペーストを用いてＡｇ系ビア導体１４をビアホール１３に充填し、同種のＡｇ系導体ペーストを用いて内層配線導体１５のパターンをスクリーン印刷する。
【００２０】
以上のようにしてＡｇ系ビア導体１４や内層配線導体１５を印刷した複数枚のセラミックグリーンシート１２を積層し、この積層体を熱圧着して一体化する。その後、この積層体を通常の電気式連続ベルト炉を使用して、例えば９００℃、２０分ホールドの条件で酸化雰囲気（空気）中にて焼成する（１回目の焼成）。
【００２１】
この後、焼成基板の表面にＡｕ系導体ペーストを用いてＡｕ系表層導体１６をスクリーン印刷する。このＡｕ系表層導体１６の乾燥後、Ａｕ系表層導体１６上のうちのＡｇ系ビア導体１４との接合部の上方に位置する部分に、Ａｇ系導体ペーストを用いてカーケンドール効果抑制用のＡｇ系表層導体１７をスクリーン印刷する。
【００２２】
この後、通常の電気式連続ベルト炉を使用して、例えば、８５０℃、１０分ホールドの条件で空気中で焼成を行う（２回目の焼成）。その後、セラミック基板１１の裏面に、Ａｇ系導体（例えばＡｇ／Ｐｄ、Ａｇ／Ｐｔ等）又はＡｕ系導体のペーストを用いて配線導体２０を印刷して、同様に焼成し（３回目の焼成）、更に、その上からＲｕＯ₂系ペーストで表層抵抗２１をスクリーン印刷して、同様に焼成し（４回目の焼成）、最後にオーバーコートガラス層２２をスクリーン印刷して焼成する（５回目の焼成）。
【００２３】
尚、上述した製造方法では、セラミック基板１１の焼成後に、Ａｕ系表層導体１６とＡｇ系表層導体１７の印刷・焼成を行ったが、焼成前の生基板にＡｕ系表層導体１６とＡｇ系表層導体１７を印刷し（又はＡｕ系表層導体１６のみを印刷し）、これらを同時焼成するようにしても良く、その他の厚膜パターンの印刷・焼成の順序も適宜変更しても良い。
【００２４】
本発明者は、図１のような構成の低温焼成セラミック回路基板のＡｇ系ビア導体１４とＡｕ系表層導体１６との接合部（Ａｇ−Ａｕ接合部）の信頼性を評価するために、本実施形態（図１参照）のように、Ａｕ系表層導体１６上にＡｇ系表層導体１７を形成したサンプル基板（実施例）と、Ａｇ系表層導体１７を形成しないサンプル基板（比較例）とを用いて、通常の電気式連続ベルト炉を使用して９００℃で酸化雰囲気焼成を繰り返して行い、Ａｇ系ビア導体１４とＡｕ系表層導体１６との接合部の断線数の評価を行った。この繰り返し焼成試験の結果が下記の表１に示されている。尚、この繰り返し焼成試験に用いたＡｇ系ビア導体１４とＡｇ系表層導体１７は、共に、Ａｇが１００ｗｔ％のＡｇペーストで形成した。
【００２５】
【表１】

【００２６】
実施例と比較例のサンプル基板は、いずれも、Ａｕ系表層導体１６が最上層のＡｇ系ビア導体１４に他の導体（中間導体層）を介さずに直接接続されている。実施例は、Ａｕ系表層導体１６上のうちのＡｇ系ビア導体１４との接合部の上方に位置する部分にカーケンドール効果抑制用のＡｇ系表層導体１７が形成されているのに対し、比較例は、Ａｕ系表層導体上にＡｇ系表層導体が形成されていない。
【００２７】
比較例は、焼成回数が増えるに従って、Ａｇ系ビア導体とＡｕ系表層導体との接合部（Ａｇ−Ａｕ接合部）の断線数が増加し、焼成回数が５回になると、４０３０箇所のＡｇ−Ａｕ接合部のうち、６３１箇所に断線が発生し、断線発生率が１５％以上にもなった。これは、Ａｇ−Ａｕ接合部でＡｇ原子がＡｕ系表層導体中に拡散するカーケンドール効果により生じる空孔の数が焼成回数に応じて増加するためと考えられる。このカーケンドール効果の発生原因は、Ａｇ−Ａｕ接合部の周辺でＡｇ原子の濃度勾配が大きくなるためと考えられる。
【００２８】
これに対し、実施例は、Ａｕ系表層導体１６上のうちのＡｇ系ビア導体１４との接合部の上方に位置する部分にカーケンドール効果抑制用のＡｇ系表層導体１７が形成され、Ａｕ系表層導体１６の一部がＡｇ系ビア導体１４とＡｇ系表層導体１７との間に挟まれて、Ａｕ系表層導体１６の上下両面にそれぞれＡｇ−Ａｕ接合界面が形成されている。このため、Ａｕ系表層導体１６の上下両面からＡｇ原子がＡｕ系表層導体１６中に拡散するようになり、Ａｕ系表層導体１６中のＡｇ原子の濃度勾配が小さくなる。これにより、Ａｇ系ビア導体１４からＡｇ原子がＡｕ系表層導体１６に拡散するカーケンドール効果が少なくなり、焼成を繰り返しても、Ａｇ系ビア導体１４とＡｕ系表層導体１６との接合界面にカーケンドール効果による空隙が生じることが防止される。このため、実施例では、焼成回数が５回になっても、Ａｇ系ビア導体１４とＡｕ系表層導体１６との接合部（４０３０箇所）に断線が全く発生せず、繰り返し焼成に対するＡｇ−Ａｕ接合部の信頼性が十分に高いことが確認された。
【００２９】
しかも、Ａｕ系表層導体１６上に形成するＡｇ系表層導体１７は、Ａｇ系ビア導体１４と同種の導体ペーストで形成できるため、中間導体層用の特別な組成の導体ペーストが不要となり、その分、コスト低減が可能となり、コストダウンの要求も満たすことができる。
【００３０】
［実施形態（２）］
上記実施形態（１）では、Ａｇ系ビア導体１４とＡｕ系表層導体１６とを他の導体（中間導体層）を介さずに直接接続したが、本発明は、図３に示す実施形態（２）のように、Ａｇ系ビア導体１４とＡｕ系表層導体１６とを例えばＡｕ／Ａｇ系導体等の中間導体層２３を介して接続する構成にも適用することができる。この場合、Ａｕ系表層導体１６上のうちのＡｇ系ビア導体１４の上方に位置する部分にＡｇ系表層導体１７を形成すれば良い。中間導体層２３を形成するＡｕ／Ａｇ系導体の組成は、Ａｕが１０〜８０重量％、Ａｇが９０〜２０重量％とすることが好ましく、これによって、繰り返し焼成に対する接合信頼性を更に高めることができる。
【００３１】
尚、中間導体層２３は、Ａｕ／Ａｇ系導体に限定されず、カーケンドール効果防止作用のある他の厚膜導体やメッキで形成しても良い。
その他、本発明の低温焼成セラミック回路基板は、図１の構造に限定されず、セラミックグリーンシート１２の積層枚数や各導体の形成位置を適宜変更しても良い等、要旨を逸脱しない範囲で、種々変更して実施できることは言うまでもない。
【００３２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の請求項１の低温焼成セラミック回路基板によれば、Ａｇ系ビア導体とＡｕ系表層導体とを他の導体（中間導体層）を介さずに直接接続すると共に、Ａｕ系表層導体上のうちのＡｇ系ビア導体との接合部の上方に位置する部分にカーケンドール効果抑制用のＡｇ系表層導体を形成した構成としたので、Ａｇ系ビア導体とＡｕ系表層導体との接合界面にカーケンドール効果による空隙が生じることを防止できて、繰り返し焼成に対するＡｇ−Ａｕ接合部の信頼性を確保できると共に、中間導体層用の特別な組成の導体ペーストが不要となり、コストダウンの要求も満たすことができる。
【００３３】
また、請求項２では、Ａｇ系ビア導体とＡｕ系表層導体とを中間導体層を介して接続すると共に、Ａｕ系表層導体上のうちのＡｇ系ビア導体の上方に位置する部分にＡｇ系表層導体を形成したので、Ａｇ系表層導体と中間導体層との両方のカーケンドール効果防止作用によって、カーケンドール効果防止性能を更に高めることができ、Ａｇ−Ａｕ接合部の信頼性に対する要求レベルが高くなっても、それに十分に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態（１）を示す低温焼成セラミック回路基板の拡大縦断面図
【図２】低温焼成セラミック回路基板の製造方法の一例を示す工程図
【図３】本発明の実施形態（１）を示す低温焼成セラミック回路基板の拡大縦断面図
【符号の説明】
１１…セラミック基板、１２…セラミックグリーンシート（セラミック層）、１３…ビアホール、１４…Ａｇ系ビア導体、１５…内層配線導体、１６…Ａｕ系表層導体、１７…Ａｇ系表層導体、１８…半導体チップ、１９…ボンディングワイヤ、２０…配線導体、２１…表層抵抗、２２…オーバーコートガラス層、２３…中間導体層。

Claims

低温焼成セラミックで形成されたセラミック基板のビアホールにＡｇ系ビア導体を充填し、その基板表面にＡｕ系表層導体を形成した低温焼成セラミック回路基板において、
前記Ａｇ系ビア導体と前記Ａｕ系表層導体とを他の導体を介さずに直接接続すると共に、前記Ａｕ系表層導体上のうちの前記Ａｇ系ビア導体との接合部の上方に位置する部分にＡｇ系表層導体を形成したことを特徴とする低温焼成セラミック回路基板。
低温焼成セラミックで形成されたセラミック基板のビアホールにＡｇ系ビア導体を充填し、その基板表面にＡｕ系表層導体を形成した低温焼成セラミック回路基板において、
前記Ａｇ系ビア導体と前記Ａｕ系表層導体とを中間導体層を介して接続すると共に、前記Ａｕ系表層導体上のうちの前記Ａｇ系ビア導体の上方に位置する部分にＡｇ系表層導体を形成したことを特徴とする低温焼成セラミック回路基板。