JPH10139559A - ガラスセラミック基板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガラスセラミック基板とリード端子等の金属
部材とのろう付けにおいて、十分な接着強度を得ること
ができるろう付けメタライズを有するガラスセラミック
基板及びその製造方法を提供する。 【解決手段】 ガラスセラミック基板１０上に金属部材
をろう付けにより接続する場合のろう付け部は、ガラス
セラミック基板１０側から、ガラスセラミック基板材の
成分を含む第１のメタライズ層１８、前記成分を含まな
い第２のメタライズ層１２及びろう材１４の順に前記金
属部材の下に積層され、かつ該積層が前記ガラスセラミ
ック基板内に埋め込まれた構造を有し、ろう付け部の表
面を基板面と同一かまたは凹面とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ガラスセラミッ
ク基板に係り、特にガラスセラミック基板と金属材とを
微細な面積でも充分な強度で接続することができるろう
付けメタライズを有するガラスセラミック基板及びその
製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、情報機器の分野では、情報の大容
量化が進展し、この大量の情報を処理する必要から半導
体等の電子デバイスの高速化が進んでいる。これに伴っ
て、電子デバイスを搭載する多層パッケージにおいて
も、電子デバイスどうしを結合する回路の低損失特性が
要求され、このために、金、銀、銅のような電気抵抗の
少ない金属材料を用いてパターン形成が行われている。

【０００３】このような金属の融点は低いので、基板材
料としては、高温で焼成する従来のアルミナは使用でき
ず、低温で焼成できるガラスセラミック等が用いられて
いる。

【０００４】一方、このような多層パッケージにおいて
は、外部との接続や放熱のためにピン、リードフレー
ム、またはヒートシンク等の金属部材を多層基板に接合
させる必要がある。このためには、金属部材を接合する
メタライジングパターンを基板に形成する必要があり、
従来のアルミナを用いた基板では、このメタライジング
パターンの金属成分としてタングステンやモリブデン等
を用いていた。

【０００５】しかしながら、これらの金属は融点が高い
ので、焼成温度の低いガラスセラミックには用いること
ができない。そこで、ガラスセラミック基板の場合に
は、金、銀または銅をベースとした金属を用いてパター
ンを形成している。

【０００６】そして、これらのパターンに対しては、金
／錫ろう、金／シリコンろうやインジウム／鉛はんだを
用いて接合を行っている。ところが、このような接合部
材は低融点であるために、ＩＣチップの接合時の加熱に
よって軟化し、信頼性が低下するという問題が生じてい
た。

【０００７】また、このようなＩＣチップの接合時の加
熱による軟化が生じないように、従来の高融点の銀ろう
を用いて高信頼性を得ようとすると、ろう接合温度が高
いため、メタライジングパターンと銀ろうが合金化して
いわゆるろう材喰われが生じ、メタライジングパターン
と基板との接合強度が低下するという問題があった。

【０００８】この問題を解決するために、基板上に無機
結合剤を含む第１のメタライズ層を形成し、その上に無
機結合剤を含まない第２のメタライズ層を形成すること
によって、従来の高融点の銀ろうによるろう材喰われを
防止し、大きな接合強度を得るという提案がなされてい
る（特開平４−２３８８７５号）。

【０００９】しかしながら、近年の半導体等の電子デバ
イスの処理能力の大容量化及び小型化に伴って、デバイ
スの入出力リード数の増大及びリード間距離の縮小が要
求され、それに伴って、パッケージのリード接合パター
ン距離を小さくし、パターン幅そのものも縮小せざるを
得なくなっている。

【００１０】このような状況の中、パターン幅を縮小す
ることによって、パターンとリードの接合面積も小さく
なるので、一定の引張強度を維持するために、単位面積
当たりの強度を向上しなければならなくなり、前述の接
合方法によっても必要とされる接合強度が得られないと
いう問題が生じていた。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明は、こ
の引張による破壊モードに着目したもので、ガラスセラ
ミック基板とリード端子等の金属部材とのろう付けにお
いて、十分な接着強度を得ることができるろう付けメタ
ライズを有するガラスセラミック基板及びその製造方法
を提供することを、その目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明に係るガラスセラ
ミック基板は、ガラスセラミック基板上に金属部材をろ
う付けにより接続する場合のろう付け部は、ガラスセラ
ミック基板側から、ガラスセラミック基板の基板材の成
分を含む第１のメタライズ層、前記成分を含まない第２
のメタライズ層及びろう材の順に、前記金属部材の下に
積層され、かつ該積層が前記ガラスセラミック基板内に
埋め込まれた構造を有し、ろう付け部の表面が基板面と
同一かまたは凹面であることを特徴とする。

【００１３】また、本発明の製造方法は、ガラスセラミ
ック基板の表面層となるセラミックグリーンシート上
に、ガラスセラミック基板の基板材の成分を含む第１の
メタライズ層となるメタライジングペースト、前記成分
を含まない第２のメタライズ層となるメタライジングペ
ースト、及びペースト状ろうを順次重ねて印刷し、ガラ
スセラミック基板の内部層となるセラミックグリーンシ
ートと積層して、プレスした後、焼成して、ろう表面が
基板面と同一かまたは凹面となることを特徴としてい
る。

【００１４】また、前記第１のメタライズ層となるメタ
ライジングペースト、第２のメタライズ層となるメタラ
イジングペースト、及びペースト状ろうを順次重ねて印
刷する部分が、凹部または穴部を設けた、ガラスセラミ
ック基板の表面層となるセラミックグリーンシートの凹
部または穴部であることを特徴としている。

【００１５】

【発明の実施の形態】次に、本発明に係るガラスセラミ
ック基板について、添付図面を参照しながら以下詳細に
説明する。

【００１６】図１は、本発明の一実施例を示すガラスセ
ラミック基板のろう付けメタライズの接続部の基本断面
構造図である。

【００１７】図１に示すように、本発明に係る基本構造
は、ガラスセラミック基板１０側、すなわち最下層に、
ガラスセラミック基板の基板材の成分を添加した第１の
メタライズ層１８、その上に前記成分を含まない第２の
メタライズ層１２を形成し、さらにその上にろう材１４
を重ねて形成し、ガラスセラミック基板１０内に埋め込
む構造である。

【００１８】このような構造を有することにより、接合
部が微小面積でもガラスセラミック基板１０と第１のメ
タライズ層１８との接合性が良くなり、更にろう材１４
も含めてガラスセラミック基板１０内へ埋め込んでいる
ため、全体として接続部は十分な接着強度を得ることが
できる。

【００１９】本発明のメタライズ部分には、金、プラチ
ナ、パラジウム等を用いることができる。また、メタラ
イズは、以下に述べる基板との同時焼成法の他に、厚膜
法、薄膜法等を用いることができる。

【００２０】ろう材としては、銀／銅ろうをはじめとし
て、通常使用されているろう材を使用することができ
る。

【００２１】次に、本発明のガラスセラミック基板の製
造方法を以下に述べる。

【００２２】先ず、焼成後にろう表面が基板面と同一か
または凹面となるように、ガラスセラミック基板の表面
層となるセラミックグリーンシート上に、または、凹部
または穴部を設けたセラミックグリーンシートの凹部ま
たは穴部に、ガラスセラミック基板の基板材の成分を含
む第１のメタライズ層１８となるメタライジングペース
ト、前記成分を含まない第２のメタライズ層１２となる
メタライジングペースト、及びペースト状ろう１４を順
次重ねて印刷する。

【００２３】そして、ガラスセラミック基板の内部層と
なるセラミックグリーンシートと積層して、プレスした
後、ろうの溶融温度とガラスセラミック基板の焼成温度
が近いので、焼成することができ、メタライズ層及びろ
う材部を有するガラスセラミック基板を一挙に得ること
ができる。

【００２４】多層基板の場合は、内部層となるセラミッ
クグリーンシートに、あらかじめ内部回路パターンを導
体ペーストによって印刷しておくことによって、同様に
製造することができる。

【００２５】ろう材部は、焼成基板のメタライズ層１２
の上部に凹部を設け、この凹部にペースト状のろうや粉
体状のろうを印刷等によって載置した後、加熱して形成
することも可能であるが、前述の方法がより簡便であ
る。

【００２６】さらに、ろう付けは、前述のようにしてろ
う材部を形成した基板に、行うこともできるが、ろう材
を加熱してろう材部を設ける、焼成、加熱の際に、金属
部材を載置して、同時に行うこともできる。

【００２７】本発明者は、本発明を完成するに際して、
ガラスセラミック基板材の成分を含む第１のメタライズ
層と、ガラスセラミック基板材の成分を含まない第２の
メタライズ層とからなるメタライズ層にろう付けを行
い、引張破壊モードを調査し、破壊が第１のメタライズ
層と基板との接合面で発生していることを突き止めた。

【００２８】そこで、この接合面の強度を高めるため
に、メタライズ層を基板内に埋め込むことを試みた。し
かしながら、この構造でも強度は向上しなかった。

【００２９】そして、この構造においては、破壊がこれ
まで見られなかったろう材の内部で発生することを明ら
かにした。

【００３０】従って、現状の使用に対応できる接合強度
を得るには、ろう材内部での破壊を防止し、さらにメタ
ライズ層と基板の接合強度をろう材内部での破壊を防止
し得る強度以上に高めなければならないということが判
明した。

【００３１】そこで、本発明は、メタライズ層と基板の
接合強度及びろう材の強度の双方を高めようと意図した
もので、メタライズ層とともに、ろう材部分を基板内に
構成することにより、メタライズ層と基板との接合強度
を高め、さらにろう材内部での破壊を防止したものであ
る。

【００３２】すなわち、メタライズ層及びろう材部分の
周囲が、基板材によって保持された状態になっているの
で、メタライズ層と基板との接合面及びろう材の内部の
双方での破壊が防止されている。

【００３３】従って、ろう付け部の表面、つまりろう材
の表面は、基板面と同一であることが必要であるが、凹
面となっていても本発明の効果を得ることができる。

【００３４】しかし、凸面となっている場合は、引張試
験を行った際にろう材の表面から凸状に出た部分での破
壊が発生することになる。

【００３５】なお、第２のメタライズ層には、ガラスセ
ラミック基板材の成分が含まれていないので、ろう材及
び第１のメタライズ層との接合は良好であり、基板と第
１のメタライズ層との接合及びろう材強度に比べて強固
なものである。

【００３６】

【実施例】次に、具体的な例を挙げて、本発明に係る上
記基本構造の実施例について詳述する。

【００３７】（実施例１）図２は、ＱＦＰ（Ｑｕａｄ
Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）タイプのガラスセラミック
基板にリード端子を接続した様子を示す平面図である。

【００３８】ガラスセラミック基板１０上に０．５ｍｍ
ピッチで多数のリード端子１６を接続するため、リード
端子接続部の面積は小さい。このため、従来のろう付け
メタライズの構造を有するガラスセラミック基板では接
着強度が十分でなく、ろう内でリード端子のはがれが生
じ易かった。

【００３９】これに対し、図１に示すろう付けメタライ
ズを有する本発明に係るガラスセラミック基板を採用す
ることにより、ろう付け部は十分な接着強度を得ること
ができる。

【００４０】すなわち、ガラスセラミック基板１０内
に、ガラスセラミック基板材の成分を添加した第１のメ
タライズ層１８、その上に前記成分を含まない第２のメ
タライズ層１２を形成し、さらにその上にろう材１４を
重ねて形成し、ガラスセラミック基板１０内に埋め込む
構造である。

【００４１】本実施例の場合、第１のメタライズ層１８
はガラスセラミック基板材のガラス・アルミナを添加し
たパラジウム（Ｐｄ）であり、そして第２のメタライズ
層１２はパラジウムである。ろう材１４としては、銅／
銀（Ｃｕ／Ａｇ）系ペーストを用い、リード端子１６は
ニッケルと鉄からなる４２合金を使用した。

【００４２】このろう付けメタライズを有するガラスセ
ラミック基板の製造方法としては、先ず、焼成前のセラ
ミックグリーンシート表面にガラス・アルミナを添加し
たパラジウム（Ｐｄ）の第１のメタライズ層１８となる
厚膜ペーストをスクリーン印刷する。

【００４３】その上に、パラジウムの第２のメタライズ
層１２となる厚膜ペーストを重ねて印刷し、さらに銅／
銀（Ｃｕ／Ａｇ）系ろう材１４を重ねて印刷する。

【００４４】次に、別の焼成前のセラミックグリーンシ
ートに、層間導体となる厚膜ペーストをスクリーン印刷
したもの数枚と一緒に重ねて多層にし、プレスした後、
９００℃前後の炉内で基板焼成と同時にろう付けを形成
する同時焼成を行えば、図１に示すように、前記３層
（第１のメタライズ層−第２のメタライズ層−ろう材）
が、ガラスセラミック基板内に埋め込まれたろう付けメ
タライズ構造を有するガラスセラミック基板として得ら
れる。

【００４５】（実施例２）次に、本発明の別の実施例に
ついて述べる。

【００４６】図３および図４は、高周波用ハイブリッド
集積回路モジュールに使用されるセラミックパッケージ
のそれぞれ外観斜視図および断面構造図である。

【００４７】このセラミックパッケージは、ガラスセラ
ミック基板２０の上部周辺にコバールからなるシールド
側壁のフレーム金属材２２を、下部に銅／タングステン
（Ｃｕ／Ｗ）からなるヒートシンクのベース金属材２４
を接合した構造となっている。

【００４８】この場合の上部周辺に囲繞するように形成
されるフレーム金属材２２は、接続面積が小さい上にガ
ラスセラミック基板２０上への接続であるため、従来の
ろう付けメタライズ構造では良好な接着強度を得にく
く、はがれが生じることがあったが、本発明に係る図１
に示した基本構造を採用することにより、十分な接着強
度を得ることができる。

【００４９】このガラスセラミック基板の製造方法とし
ては、先ず、フレーム金属材２２を接合する焼成前のセ
ラミックグリーンシート表面に凹部を設け、この凹部に
基板材であるガラスセラミックのガラスまたはガラスセ
ラミックを添加した第１のメタライズ層となるパラジウ
ム（Ｐｄ）の第１のメタライズ層１８となる厚膜ペース
トをスクリーン印刷する。

【００５０】その上に、パラジウムの第２のメタライズ
層１２となる厚膜ペーストを重ねて印刷し、さらに銅／
銀（Ｃｕ／Ａｇ）系ろう材１４を重ねて印刷する。

【００５１】また、別の焼成前のセラミックグリーンシ
ートに、層間導体２６となる厚膜ペーストをスクリーン
印刷したものを数枚重ねて多層にしておき、前記フレー
ム金属材２２接続用のメタライズを施したセラミックグ
リーンシートと重ねる。この多層ガラスセラミック基板
２０を、アルミナ基板で挾みプレスした後、炉内で焼成
する。

【００５２】このように形成された多層ガラスセラミッ
ク基板２０とフレーム金属材２２とベース金属材２４及
び多層セラミック基板２０とベース金属材２４との間
に、カットした銅／銀（Ｃｕ／Ａｇ）ろうとを重ね、加
熱してろう付けを行う。

【００５３】これにより、フレーム金属材２２のろう付
け部は、図５に示すように、図１で示した基本構造とな
り、十分な接着強度の接合を得ることができる。なお、
図５は、図４中に矢印Ｄで示した部分の拡大図である。

【００５４】

【発明の効果】前述した実施例から明らかなように、本
発明によれば、ガラスセラミック基板に金属材をろう付
けする場合のガラスセラミック基板上メタライズを、ガ
ラスセラミック基板材の成分を添加した第１のメタライ
ズ層−前記成分を含まない第２のメタライズ層−ろう材
の３層を、ガラスセラミック基板内に埋め込んだ構造と
し、ろう付け部の表面を基板面と同一かまたは凹面とし
た。

【００５５】このため、メタライズ層及びろう材部分の
周囲が基板材によって保持された状態となるので、メタ
ライズ層と基板との接合面及びろう材内部での破壊が防
止され、接着強度の強いろう付けメタライズを有するガ
ラスセラミック基板を得ることができる。

【００５６】また、このような基板においては、ろうの
溶融温度とガラスセラミック基板の焼成温度が近いの
で、ガラスセラミック基板の表面層となるセラミックグ
リーンシート上に、または、凹部または穴部を設けたセ
ラミックグリーンシートの凹部または穴部に、ガラスセ
ラミック基板の基板材の成分を含む第１のメタライズ層
となるメタライジングぺースト、前記成分を含まない第
２のメタライズ層となるメタライジングぺースト、及び
ペースト状ろうを順次重ねて印刷し、ガラスセラミック
基板の内部層となるセラミックグリーンシートと積層
し、焼成することによって、基板焼成とろう材部の形成
を一挙に行うことができる。

【００５７】以上、本発明の好適な実施例について説明
したが、本発明は前記実施例に限定されることなく、本
発明の精神を逸脱しない範囲内において種々の設計変更
をなし得ることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るガラスセラミック基板のろう付け
メタライズの基本構造を示す接続部の断面構造図であ
る。

【図２】本発明に係るガラスセラミック基板を適用した
ＱＦＰタイプのガラスセラミック基板にリード端子を接
続した様子を示す平面図である。

【図３】本発明に係るガラスセラミック基板を適用した
高周波用ハイブリッド集積回路モジュールのセラミック
パッケージの外観斜視図である。

【図４】図３に示したセラミックパッケージのＣ−Ｃ線
における断面構造図である。

【図５】図４に矢印Ｄで示したフレーム金属材とガラス
セラミック基板とのろう付け部の拡大図である。

【符号の説明】

１０ ガラスセラミック基板 １２ 第２のメタライズ層 １４ ろう材 １６ リ−ド端子 １８ 第１のメタライズ層 ２０ 低温焼成ガラスセラミック基板 ２２ フレーム金属材 ２４ ベース金属材 ２６ 層間導体

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガラスセラミック基板上に金属部材をろ
   う付けにより接続する場合のろう付け部は、ガラスセラ
   ミック基板側から、ガラスセラミック基板材の成分を含
   む第１のメタライズ層、前記成分を含まない第２のメタ
   ライズ層及びろう材の順に前記金属部材の下に積層さ
   れ、かつ該積層が前記ガラスセラミック基板内に埋め込
   まれた構造を有し、ろう付け部の表面が基板面と同一か
   または凹面であることを特徴とするガラスセラミック基
   板。
2. 【請求項２】 ガラスセラミック基板の表面層となるセ
   ラミックグリーンシート上に、ガラスセラミック基板の
   基板材の成分を含む第１のメタライズ層となるメタライ
   ジングペースト、前記成分を含まない第２のメタライズ
   層となるメタライジングペースト、及びペースト状ろう
   を順次重ねて印刷し、ガラスセラミック基板の内部層と
   なるセラミックグリーンシートと積層し、焼成して、ろ
   う表面が基板面と同一かまたは凹面となることを特徴と
   するガラスセラミック基板の製造方法。
3. 【請求項３】 前記第１のメタライズ層となるメタライ
   ジングペースト、第２のメタライズ層となるメタライジ
   ングペースト、及びペースト状ろうを順次重ねて印刷す
   る部分が、凹部または穴部を設けた、ガラスセラミック
   基板の表面層となるセラミックグリーンシートの凹部ま
   たは穴部であることを特徴とする請求項２記載のガラス
   セラミック基板の製造方法。