JP2008294247A - 低温焼成セラミックス多層基板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低温焼成セラミックス多層基板にボールグリッドアレイ構造を採用し、熱膨張係数が大きく異なる樹脂基板からなる回路基板に実装する場合にも、熱応力により低温焼成セラミックス多層基板にクラックが発生するという問題が生ぜず、その信頼性を向上させた低温焼成セラミックス多層基板を提供する。
【解決手段】低温焼成セラミックス多層基板部分１１の下面に配置した表層電極１２と、表層電極１２の部分に開口１３ａを備え、多層基板部分１１の下面に配置した低温焼成セラミックス単層基板部分１３と、単層基板部分１３の開口１３ａに充填したハンダペースト１４と、ハンダペースト１４を介して前記表層電極に融着したハンダボール１５とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、低温焼成セラミックス（ＬＴＣＣ）グリーンシートを複数層積層および圧着してセラミックスグリーンブロックを形成し、その後個片基板に切断し、８００−１０００℃程度の比較的低温で焼成して形成する低温焼成セラミックス多層基板（ＬＴＣＣ基板）に係り、特にＬＴＣＣ基板の接続電極としてハンダボールを備えたボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）構造に関する。

従来から、半導体装置等の基板の下面に配置する、回路基板への接続電極として、ハンダボールを備えたボールグリッドアレイ構造を採用する場合がある（特許文献１）。係るボールグリッドアレイ構造では、半導体装置等の基板の下面にパッド電極を配置し、該パッド電極にハンダボールを融着等により固定したものである。実装時には、ハンダボールが半導体装置等を搭載する回路基板上の配線パッドに融着され、回路基板上の配線と半導体装置等の内部配線との接続が得られる。
特開２００１−６０６３９号公報

しかしながら、焼成を低温で行える低温焼成セラミックス（ＬＴＣＣ）多層基板にボールグリッドアレイ構造を採用する場合には、低温焼成セラミックス基板はエポキシ基板等の樹脂基板からなる回路基板に実装される場合が多いが、低温焼成セラミックス基板と上記樹脂基板からなる回路基板とは、熱膨張係数が大きく相違し、熱応力の差から低温焼成セラミックス基板に大きなストレスが加わり、低温焼成セラミックス基板のハンダボールとの接続部分近傍にクラックが生じ、その結果、導通不良となる場合があるという問題がある。

本発明は上述した事情に基づいてなされたもので、低温焼成セラミックス多層基板にボールグリッドアレイ構造を採用し、熱膨張係数が大きく異なる樹脂基板からなる回路基板に実装する場合にも、熱応力により低温焼成セラミックス多層基板にクラックが発生するという問題が生ぜず、その信頼性を向上させた低温焼成セラミックス多層基板を提供することを目的とする。

本発明の低温焼成セラミックス多層基板は、低温焼成セラミックス多層基板部分の下面に配置した表層電極と、前記表層電極の部分に開口を備え、前記多層基板部分の下面に配置した低温焼成セラミックス単層基板部分と、前記単層基板部分の前記開口に充填したハンダペーストと、前記ハンダペーストを介して前記表層電極に融着したハンダボールとを備えたことを特徴とする。

また、本発明の低温焼成セラミックス多層基板の製造方法は、下面に表層電極となる導電体パターンを配置した低温焼成セラミックス多層基板部分となるグリーンシートを準備し、前記表層電極となる導電体パターンの部分に開口を備えた低温焼成セラミックス単層基板部分となるグリーンシートを準備し、前記多層基板部分となるグリーンシートと、前記単層基板部分となるグリーンシートとを積層および圧着してセラミックスグリーンブロックを形成し、低温で焼成し、その後個片基板に切断し、低温焼成セラミックス多層基板部分と、その下面に配置した表層電極と、前記表層電極の部分に開口を備え、前記多層基板部分の下面に配置した低温焼成セラミックス単層基板部分とを形成し、前記単層基板部分の前記開口にハンダペーストを充填し、前記ハンダペーストを介して前記表層電極にハンダボールを融着することを特徴とする。

本発明の低温焼成セラミックス基板のボールグリッドアレイ構造によれば、低温焼成セラミックス多層基板１０と樹脂基板からなる回路基板２０との間で、熱膨張によりハンダボール１５に大きなストレスが加わっても、ハンダペースト１４の部分がクッション材としての役割を果たし、これによりストレス（熱応力の差）を吸収することができ、低温焼成セラミックス多層基板１０の信頼性を高めることができる。

以下、本発明の一実施形態について、添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の低温焼成セラミックス多層基板を示し、図２はその実装状態を示す。

低温焼成セラミックス多層基板部分１１は、複数層のセラミックス基板１１ａ，１１ｂ，・・・の積層体であり、それぞれの基板には仕様に応じて銀層からなる配線層が配置され、ビアを介して上下の基板の配線層が接続されている。また、図示しないがその上面には仕様に応じて半導体素子等が搭載される。多層基板部分１１は、その下面に表層電極１２を備え、該表層電極１２は、多層基板部分１１内部の銀層等からなる配線層にビアを介して接続され、多層基板部分１１の接続電極としての役割を果たしている。

低温焼成セラミックス多層基板部分１１の下面には、表層電極１２の部分に開口１３ａを備えた低温焼成セラミックス単層基板部分１３が配置されている。従って、この開口部１３ａには、表層電極１２が露出している。この低温焼成セラミックス単層基板部分１３は、単層の低温焼成セラミックス（ＬＴＣＣ）グリーンシートを、多層基板部分１１を構成する複数層のグリーンシートに加えて積層および圧着してセラミックスグリーンブロックを形成し、８００−１０００℃程度の比較的低温で焼成し、その後個片基板に切断して形成したものである。低温焼成セラミックス単層基板部分１３の厚さは、４０〜２００μｍが好適であり、特に１００〜２００μｍが好適である。

低温焼成セラミックス単層基板部分１３の開口１３ａには、ハンダペースト１４が充填され、ハンダペースト１４は表層電極１２に融着し、また、ハンダペースト１４はハンダボール１５に融着し、その結果、ハンダボール１５はハンダペースト１４を介して表層電極１２に融着している。ハンダボール１５のサイズは、この実施形態では、直径０．４〜０．８ｍｍ程度である。開口１３ａの深さは、４０〜２００μｍ程度であるので、ハンダペースト１４は同寸法の厚さを有し、ハンダボール１５と表層電極１２との間のクッション材の役割を果たし、実装対象のエポキシ基板等の樹脂基板からなる回路基板との熱応力を緩和する作用を果たす。特に、開口１３ａの深さ、すなわち、ハンダペースト１４の厚さは、１００μｍから２００μｍであることがクッション材としての役割を果たす上で好ましい。

図２は、図１に示すボールグリッドアレイ構造を採用した低温焼成セラミックス多層基板１０をエポキシ基板等の樹脂基板からなる回路基板２０の配線パッド２１に実装した状態を示す。ここで、ハンダボール１５は、回路基板２０の配線パッド２１に溶着（リフロー）により固定されている。低温焼成セラミックス多層基板１０と上記樹脂基板からなる回路基板２０とは、熱膨張係数が大きく相違する。例えば、低温焼成セラミックス多層基板１０の熱膨張係数が５．５×１０^−６/Ｋ程度であるのに対し、樹脂基板からなる回路基板２０の熱膨張係数は２０〜３０×１０^−６/Ｋと大きく相違する。

このため、低温焼成セラミックス多層基板１０のハンダボール１５をハンダリフローにより配線パッド２１に溶着する場合やヒートサイクル試験等の樹脂基板からなる回路基板２０の温度が著しく上昇する場合には、両基板の熱膨張による熱応力の差がハンダボール１５に印加される。しかしながら、本発明の低温焼成セラミックス基板のボールグリッドアレイ構造によれば、ハンダボール１５に大きなストレスが加わっても、ハンダペースト１４の部分がクッション材としての役割を果たし、これによりストレス（熱応力の差）を吸収することができる。このため、従来の構造では、低温焼成セラミックス基板のハンダボールとの接続部分近傍（図示の例ではビア付近）にクラックが生じ、その結果、導通不良となる場合があるという問題があったが、これを解消することができる。

次に、本発明のボールグリッドアレイ構造を採用した低温焼成セラミックス多層基板の製造方法について説明する。まず、アルミナとガラス材料等からなる８００−１０００℃程度の低温焼成が可能なセラミックス粉末に、樹脂、可塑剤、分散剤などを加えたスラリーを用いてドクターブレード等の方法でセラミックスグリーンシートを作成し、適当な大きさのグリーンシートに切り出す。

次に、打ち抜き型やパンチングマシンを使用してビア等を作成し、配線層となる銀層等をスクリーン印刷により形成する。そして、下面に表層電極１２となる導電体パターンを配置した低温焼成セラミックス多層基板部分となる複数層のグリーンシートを準備し、表層電極１２となる導電体パターンの部分に開口を備えた低温焼成セラミックスの単層基板部分となるグリーンシートを準備する。そして、多層基板部分１１となるグリーンシートと、単層基板部分１３となるグリーンシートとを積層および圧着してセラミックスグリーンブロックを形成し、８００−１０００℃程度の低温で焼成し、その後個片基板に切断して、低温焼成セラミックス多層基板部分１１と、その下面に配置した表層電極１２と、表層電極１２の部分に開口１３ａを備え、多層基板部分１１の下面に配置した低温焼成セラミックス単層基板部分１３を備えた低温焼成セラミックス多層基板１０を形成する（図３参照）。

そして、低温焼成セラミックス単層基板部分１３の開口１３ａにハンダペースト１４を充填する（図４参照）。次に、予め準備したハンダボール１５をハンダペースト１４を介して表層電極１２に融着する（図５参照）。これにより、図１に示す本発明の低温焼成セラミックス多層基板１０が完成する。そして、この低温焼成セラミックス多層基板１０は、熱膨張係数が大きく異なるエポキシ基板などの回路基板に実装しても、熱応力の差をハンダペースト１４がクッション材としての役割を果たすことにより、吸収することができる。

従って、この低温焼成セラミックス多層基板１０では耐熱性・耐湿性に優れる他、配線導体として低抵抗損失の銀を使用することができ、高周波回路において良好な損失特性（周波数特性）が得られるという長所を生かしつつ、ボールグリッドアレイ構造による樹脂基板への実装における信頼性を高めることができる。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

本発明の一実施形態の低温焼成セラミックス多層基板のボールグリッドアレイ構造を示す断面図である。 上記低温焼成セラミックス多層基板の実装状態を示す断面図である。 本発明の一実施形態の低温焼成セラミックス多層基板の製造工程を示す断面図である。 本発明の一実施形態の低温焼成セラミックス多層基板の製造工程を示す断面図である。 本発明の一実施形態の低温焼成セラミックス多層基板の製造工程を示す断面図である。

符号の説明

１０ 低温焼成セラミックス多層基板
１１ 低温焼成セラミックス多層基板部分
１２ 表層電極
１３ 低温焼成セラミックス単層基板部分
１３ａ 開口
１４ ハンダペースト
１５ ハンダボール
２０ 樹脂基板からなる回路基板
２１ 配線パッド

Claims (4)

1. 低温焼成セラミックス多層基板部分の下面に配置した表層電極と、
   前記表層電極の部分に開口を備え、前記多層基板部分の下面に配置した低温焼成セラミックス単層基板部分と、
   前記単層基板部分の前記開口に充填したハンダペーストと、
   前記ハンダペーストを介して前記表層電極に融着したハンダボールとを備えたことを特徴とする低温焼成セラミックス多層基板。
2. 前記低温焼成セラミックス単層基板部分の厚さが４０μｍから２００μｍであることを特徴とする請求項１記載の低温焼成セラミックス多層基板。
3. 前記低温焼成セラミックス単層基板部分の厚さが１００μｍから２００μｍであることを特徴とする請求項１記載の低温焼成セラミックス多層基板。
4. 下面に表層電極となる導電体パターンを配置した低温焼成セラミックス多層基板部分となるグリーンシートを準備し、
   前記表層電極となる導電体パターンの部分に開口を備えた低温焼成セラミックス単層基板部分となるグリーンシートを準備し、
   前記多層基板部分となるグリーンシートと、前記単層基板部分となるグリーンシートとを積層および圧着してセラミックスグリーンブロックを形成し、低温で焼成し、その後個片基板に切断し、低温焼成セラミックス多層基板部分と、その下面に配置した表層電極と、前記表層電極の部分に開口を備え、前記多層基板部分の下面に配置した低温焼成セラミックス単層基板部分とを形成し、
   前記単層基板部分の前記開口にハンダペーストを充填し、
   前記ハンダペーストを介して前記表層電極にハンダボールを融着することを特徴とする低温焼成セラミックス多層基板の製造方法。

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