JP3973727B2

JP3973727B2 - セラミックス回路基板

Info

Publication number: JP3973727B2
Application number: JP08633097A
Authority: JP
Inventors: 和男池田; 公哉宮下; 岡本　　光弘
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-04-04
Filing date: 1997-04-04
Publication date: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2017-04-04
Also published as: JPH10284827A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高密度実装用のセラミックス回路基板に係り、特に半田流れによる回路の短絡が少なく動作信頼性に優れ、高い製造歩留りで量産することが可能なセラミックス回路基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来からアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）焼結体などのように絶縁性に優れたセラミックス基板の表面に、導電性を有する金属回路板をろう材や接着剤やメタライズ金属層で一体に接合した回路基板がパワートランジスターモジュール用基板やスイッチング電源モジュール用基板として広く普及している。
【０００３】
しかしながら上記回路基板においては、金属回路板とセラミックス基板との間に、ろう材や接着剤やメタライズ層のような介在物が存在するため、両者間の熱抵抗が大きくなり、金属回路板上に設けられた半導体素子の発熱を系外に迅速に放熱させることが困難であるという問題点があった。
【０００４】
このような問題点を解消するため、近年、上記ろう材や接着剤やメタライズ層を使用せずに、所定形状に打ち抜いた金属回路板をセラミックス基板上に接触配置させて加熱するだけで直接接合する方法が検討されている。すなわち、直接接合法は、セラミックスと金属とを、ろう材層や接着剤層やメタライズ層などの接合層を介在させずに直接的に接合する方法である。この直接接合法では金属中あるいは金属表面に存在する結合剤（銅の場合は酸素）と金属との共晶液相が生成され、この共晶液相により、セラミックス基板の濡れ性を高めて両部材が直接的に接合される。
【０００５】
一方、回路基板に搭載する半導体素子の高集積化，高出力化に対応するため、従来のアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）基板などのセラミックス基板と比較して熱伝導率が高く、放熱性が優れた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板を用いた回路基板も普及している。すなわち、従来のセラミックス基板より高い熱伝導率を有する窒化アルミニウム基板の表面に、例えば銅回路板を直接接合法によって表面に半導体素子，抵抗，コンデンサーなどの部品を半田接合した窒化アルミニウム回路基板が半導体素子搭載用基板として広く使用されるに至っている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年の半導体基板を使用した電子機器の小型化への技術的要請はさらに高まり、半導体素子などの部品をより多数搭載した高密度実装基板が要求されている。ここで、高密度実装基板には、半導体素子，抵抗，コンデンサなどの部品を同一基板内に多数搭載する必要があるため、それらの部品を電気的に接続する回路層の微細化が必須の要件となる。
【０００７】
ところが、従来のようにプレス加工やエッチング加工によって所定形状に形成した銅回路板を使用して回路層を形成する手法では、回路層のさらなる微細化は困難であった。そこでセラミックス基板の表面にメタライズ法によって微細な回路層を形成し、その回路層の表面に半導体素子などの部品を半田接合により一体に実装して構成した回路基板が広く使用されている。
【０００８】
しかしながら、上記構成の回路基板においては、部品を回路層表面に半田接合する際に、半田が接合部以外の領域に流出し易く、流出した半田によって微細な回路層が短絡する問題点があった。そして回路基板の動作不良が生じ易く、回路基板の製造歩留りが大幅に低下する問題点があった。
【０００９】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、特に半田流れによる回路の短絡が少なく動作信頼性に優れ、高い製造歩留りで量産することが可能なセラミックス回路基板を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本願発明者らはセラミックス回路基板における半田流れ防止構造を種々検討した。例えば、アルミナ厚膜回路基板のように焼結したアルミナ基板の表面に導体回路層を形成する場合には、この導体回路層を形成した後に、その所定位置に樹脂系材料から成る半田流れ防止層を形成することにより、部品を導体回路層に半田接合する際の半田流れが効果的に防止できることが判明した。
【００１１】
一方、上記樹脂系材料から成る半田流れ防止層と、導体金属材から成る導体回路層とセラミックス基板とを同時焼成法により１回の焼成操作によって形成することは、加熱処理時に樹脂系材料が分解してしまうため、不可能である。
【００１２】
ところが、非酸化物系セラミックス材料から成るグリーンシート表面に、導電金属ペーストを印刷して導体回路パターンを形成するとともに、セラミックスペーストを印刷して半田流れ防止層パターンを形成した後に同時焼成することにより、相互に密着性が良好であり、パターン精度が良好で微細な導体回路層と半田流れ防止層とを有する回路基板が初めて得られるという知見を得た。本発明は上記知見に基づいて完成されたものである。
【００１３】
すなわち、本発明に係るセラミックス回路基板は、非酸化物系セラミックス基板の表面に導体回路層を形成し、上記導体回路層の表面に半田層を介して半導体素子などの部品を一体に接合したセラミックス回路基板において、上記部品を半田接合する接合部の近傍に半田流れ防止層が形成されており、上記半田流れ防止層，上記セラミックス基板および上記導体回路層が同時焼結により形成されると共に、上記半田流れ防止層と上記セラミックス基板とが、主成分を同一とする材料から形成されていることを特徴とする。ここで、半田接合する接合部の近傍とは、半導体素子などの部品を搭載する部位の近傍を意味し、この近傍とは、上記接合部および部品を搭載する部位の外縁を含む。
【００１４】
また、半田流れ防止層およびセラミックス基板を窒化アルミニウム焼結体で構成するとよい。さらに、半田流れ防止層の厚さは５〜３０μｍの範囲であることが好ましい。
【００１５】
本発明に使用するセラミックス基板としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ），窒化けい素（Ｓｉ₃Ｎ₄），窒化チタン（ＴｉＮ）等の非酸化物系セラミックス焼結体から成るセラミックス基板が使用される。特にセラミックス基板に搭載する半導体素子などの部品の高出力化、高発熱量化に対応するために、熱伝導率が高い放熱性に優れた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板を使用することが好ましい。また、導体回路層は、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）など、セラミックス基板の焼成温度に十分耐える導電金属から構成され、７〜３０μｍの厚さを有するように形成される。
【００１６】
半田流れ防止層は、導体回路層上に半導体素子などの搭載部品を半田接合する際に、余剰の半田が流れ出すことを防止するために接合部の近傍に一体に形成される。この半田流れ防止層の厚さは５〜３０μｍの範囲とされる。この厚さが５μｍ未満と過小な場合には、半田の流れを防止することが困難である一方、３０μｍを超えるように過大に形成すると、半導体素子などの搭載に悪影響を与える。
【００１７】
上記半田流れ防止層を構成する材料を、セラミックス基板構成材と実質的に同一にすることにより、半田流れ防止層とセラミックス基板とを同時焼成法によって形成する場合に、両者の収縮率が等しくなり、反りや変形が発生することが少なく、両者のパターン精度が向上する。また両者の材質が同一であるため、セラミックス基板と半田流れ防止層との密着性が良好であり、半田流れ防止層の剥離や膨れなどの不良を発生するおそれが少ない。
【００１８】
上記のような導体回路層および半田流れ防止層を有するセラミックス回路基板は、以下のような手順で製造される。すなわち、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のような非酸化物系セラミックス材料から成るグリーンシート（成形体）表面に、例えばＷを含有する導電金属ペーストをスクリーン印刷して所定形状の導体回路パターンを形成する一方、上記導体回路パターンおよびグリーンシート表面にセラミックスペーストをスクリーン印刷して所定形状の半田流れ防止層パターンを形成する。次に、上記各パターンを形成したグリーンシートを非酸化物性雰囲気中で乾燥・脱脂し、グリーンシート中に含有されるバインダーなどの有機成分を除去する。しかる後に、脱脂したグリーンシートを窒素ガスなどの非酸化物性雰囲気中で温度１７５０〜１９５０℃で２〜１０時間同時焼成することにより、所定形状の導体回路層および半田流れ防止層を備えたセラミックス回路基板が得られる。このセラミックス回路基板の導体回路層表面に、ニッケル（Ｎｉ）めっきなどの表面処理を施し、半田層を介して半導体素子，抵抗素子，コンデンサなどの部品を一体に接合して本発明に係るセラミックス回路基板が製造される。
【００１９】
なお上記のように形成した導体回路層の部品接合面に、例えば無電解めっき法などにより厚さ２〜５μｍ程度のニッケル（Ｎｉ）めっき層を形成しておくことにより、半導体素子などの部品と導体回路層との半田接合性をより向上させることができる。
【００２０】
上記構成に係るセラミックス回路基板によれば、導体回路層の部品接合部の近傍に半田流れ防止層が一体に形成されているため、部品接合後に余剰の半田が半田流れ防止層によって拘束され周囲に流れ出すおそれがない。したがって、半田流れによる回路の短絡がなく、動作信頼性に優れたセラミックス回路基板が得られる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施形態について添付図面を参照し、以下の実施例に基づいて説明する。
【００２２】
実施例１
純度９９．５％の窒化アルミニウム原料粉末に対して、焼結助剤としての酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）を３重量％と、バインダーとしてのアクリル樹脂を１５重量％とを添加し、ボールミルにて混合後、さらに粘度調整してドクターブレード法を使用して窒化アルミニウムグリーンシート（成形体）を調製した。
【００２３】
次に、得られたグリーンシート表面にタングステン系ペーストをスクリーン印刷して導体回路パターンを形成する一方、図１に示すように窒化アルミニウムペーストをスクリーン印刷して導体回路パターンの両縁部およびグリーンシート表面部に半田流れ防止層パターンを形成した。
【００２４】
次に各パターンを形成したグリーンシートを窒素気流中で脱脂し、グリーンシート中に含有されていたバインダーなどの有機成分を除去した。しかる後に、この脱脂したグリーンシートを窒素ガス雰囲気中で温度１８２０℃で焼成することにより、ＡｌＮ同時焼成回路基板を調製した。さらに、回路基板の導体回路層表面に無電解めっき法により厚さ３μｍのＮｉめっき層を形成した。
【００２５】
そして、上記Ｎｉめっき層を形成した導体回路層表面に半田粒を介して半導体素子を載置し、半田リフロー操作によって接合面に半田層を形成し、導体回路層と半導体素子とを一体に接合することにより、図１に示すような実施例１に係るセラミックス回路基板１を調製した。
【００２６】
このセラミックス回路基板１は、図１に示すようにセラミックス基板（ＡｌＮ基板）２表面上に形成されたＷ導体回路層７と、この導体回路層７の両縁部およびＡｌＮ基板２の一部の表面に形成された半田流れ防止層３と、導体回路層７表面部に形成されたＮｉめっき層４と、このＮｉめっき層４の上面に半田層５を介して接合された半導体素子６とを備えて構成されている。
【００２７】
上記実施例１に係るセラミックス回路基板１によれば、半導体素子６の接合後に、余剰の半田が半田流れ防止層３によって拘束される結果、半田流れは皆無であった。したがって、半田流れによる回路の短絡がなく、動作信頼性に優れたセラミックス回路基板１が得られた。
【００２８】
また、半田流れ防止層３を基板材料と同一の窒化アルミニウムで構成しているため、同時焼成時に両者の収縮率が等しくなり、収縮率の差による反りや変形の発生も皆無であった。また両者の材料（主成分）が同一であるため、ＡｌＮ基板２と半田流れ防止層３との密着性が良好であり、両者の間隙にめっき液が侵入するおそれもない。そのため、めっき工程終了後においても、侵入していためっき液が滲み出して回路基板を汚損することもなく、まためっき液の膨張による膨れの発生も皆無であった。
【００２９】
さらに、焼結前のグリーンシートの段階でスクリーン印刷法により表面に導体回路パターンを形成しているため、非常に寸法精度が高い精細な導体回路層を形成することが可能であった。
【００３０】
比較例１
一方、実施例１においてＡｌＮペーストのスクリーン印刷による半田流れ防止層パターンを形成しない点以外は実施例１と同一条件で導体回路層パターンをＡｌＮグリーンシート表面上に印刷した後に、同時焼成，Ｎｉめっき層形成，半導体素子の半田接合を実施することにより、実施例１と同一寸法を有する比較例１に係るセラミックス回路基板を調製した。
【００３１】
しかしながら、比較例１においては半田流れ防止層を形成していないため、半田流れによる回路の短絡や汚損による不良が１２％発生した。
【００３２】
次に基板部品としてのフリップチップを搭載したセラミックス回路基板の実施例について、図２および図３を参照して説明する。
【００３３】
実施例２
実施例１において調製したＡｌＮグリーンシート表面にタングステン系ペーストをスクリーン印刷して図２に示すような導体回路パターンを形成する一方、ＡｌＮペーストをスクリーン印刷して半田流れ防止層パターンを形成した。さらに各パターンを形成したグリーンシートを実施例１と同様に脱脂後、焼成してＡｌＮ同時焼成回路基板とした。さらに、図２および図３に示すようにこの回路基板の導体回路層７ａの各端部に半田層５ａを介してフリップチップ８の各リード９を接合することにより、実施例２に係るセラミックス回路基板１ａを調製した。
【００３４】
このセラミックス回路基板１ａにおいては、フリップチップ８の搭載位置から４方向に延びる複数の導体回路層７ａがＡｌＮ基板２表面に形成されるとともに、各導体回路層７ａとフリップチップ８のリード９との接合部となる各導体回路層７ａの端部を囲むように枠状の半田流れ防止層３ａが形成されている。
【００３５】
上記セラミックス回路基板１ａにおいても、実施例１と同様に、フリップチップ８を接合した後の余剰な半田の流れが半田流れ防止層３ａによって抑止されるため、半田流れに起因する回路の短絡および汚損を効果的に防止することができた。
【００３６】
特に実施例２に係るセラミックス回路基板１ａによれば、枠状に形成された半田流れ防止層３ａによってフリップチップ８の搭載位置決めが容易になり、回路基板のアッセンブリ工程での組立作業性が良好になるとともに、回路寸法精度および部品の位置決め精度が高いセラミックス回路基板が得られた。
【００３７】
比較例２
一方、実施例２においてＡｌＮペーストのスクリーン印刷による半田流れ防止層パターンを形成しない点以外は実施例２と同一条件で導体回路層パターンをＡｌＮグリーンシート表面上に印刷した後に、同時焼成，フリップチップの半田接合を実施することにより、実施例２と同一寸法を有する比較例２に係るセラミックス回路基板を調製した。
【００３８】
しかしながら、比較例２においても半田流れ防止層を形成していないため、半田流れによる回路の短絡や汚損による不良が８％発生した。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明の通り、本発明に係るセラミックス回路基板によれば、導体回路層の部品接合部の近傍に半田流れ防止層が形成されているため、部品接合後に余剰の半田が半田流れ防止層によって拘束される結果、周囲に流れ出すおそれがない。したがって、半田流れによる回路の短絡がなく、動作信頼性に優れたセラミックス回路基板が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るセラミックス回路基板の一実施例を示す要部断面図。
【図２】本発明に係るセラミックス回路基板の他の実施例を示す要部平面図。
【図３】図２における III−III 矢視断面図。
【符号の説明】
１，１ａセラミックス回路基板
２セラミックス基板（ＡｌＮ基板）
３，３ａ半田流れ防止層
４Ｎｉめっき層
５，５ａ半田層
６半導体素子（Ｓｉチップ）
７，７ａ導体回路層
８フリップチップ
９リード

Claims

非酸化物系セラミックス基板の表面に導体回路層を形成し、上記導体回路層の表面に半田層を介して半導体素子などの部品を一体に接合したセラミックス回路基板において、上記部品を半田接合する接合部の近傍に半田流れ防止層が形成されており、上記半田流れ防止層，上記セラミックス基板および上記導体回路層が同時焼結により形成されると共に、上記半田流れ防止層と上記セラミックス基板とが、主成分を同一とする材料から形成されていることを特徴とするセラミックス回路基板。
半田流れ防止層およびセラミックス基板が窒化アルミニウム焼結体から成ることを特徴とする請求項１記載のセラミックス回路基板。
半田流れ防止層の厚さが５〜３０μｍの範囲であることを特徴とする請求項１記載のセラミックス回路基板。