JP2000151045A - 配線基板およびその製造方法 - Google Patents
配線基板およびその製造方法Info
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Abstract
工程を必要とすることなく絶縁基板との同時焼成により
形成可能な安価な配線基板を作製する。 【解決手段】酸化アルミニウムに対して、MnO2 を
2.0〜10.0重量%の割合で添加したセラミックグ
リーンシートの表面に、銅粉末10〜70体積%、平均
粒径1〜10μmのW及び/又はMoを30〜90体積
%含有する導体ペーストを回路パターン状に印刷塗布し
た後、積層し、非酸化性雰囲気中で1200〜1500
℃で焼成して、相対密度が95%以上、熱伝導率が10
W/m・K以上の酸化アルミニウム絶縁基板1の表面に
銅と、W及び/又はMoを含有し、銅からなるマトリッ
クス中にW及び/又はMoが平均粒径1〜10μmの粒
子として分散含有してなるシート抵抗が8mΩ/□以下
の表面配線層2aを具備する配線基板を得る。
Description
を主体とするセラミックスを絶縁基板とする配線基板に
関し、詳細には低抵抗導体からなり、且つ絶縁基板と同
時焼成によって形成された表面配線層を具備した配線基
板とその製造方法に関するものである。
体装置から発生する熱も増加している。半導体装置の誤
動作をなくすためには、このような熱を装置外に放出可
能な配線基板が必要とされている。一方、電気的な特性
としては、演算速度の高速化により、信号の遅延が問題
となり、導体損失の小さい、つまり低抵抗の導体を用い
ることが要求されてきた。
としては、その信頼性の点から、アルミナセラミックス
を絶縁基板とし、その表面あるいは内部にタングステン
やモリブデンなどの高融点金属からなる配線層を被着形
成したセラミック配線基板が多用されている。ところ
が、従来から多用されている高融点金属からなる配線層
では、抵抗を高々8mΩ/□程度までしか低くできなか
った。
ある銅や銀と同時焼成可能な、いわゆるガラスセラミッ
クスを用いた多層配線基板が提案されている。ところ
が、ガラスセラミックスの熱伝導率は高々数W/m・K
しかなく、前記熱的問題を解決することが難しくなって
きている。
を同時に解決する方法として、酸化アルミニウムに、
銅、または銅とタングステンまたはモリブデンを組み合
わせた導体層を同時焼成により形成する方法が、特開平
8−8502号、特開平7−15101号、特許第26
66744号に提案されている。
8−8502号は、そもそも酸化アルミニウムを緻密化
させるために、1600℃以上の高い温度で焼成するも
のであるが、このような高温で銅およびタングステンの
導体層を焼成すると、タングステンやモリブデンの急激
な焼結が進行して大きな凝集粒子を形成するために溶融
した銅成分が表面に分離し、表面配線層ににじみが生じ
たり、銅が揮散が生じるなど、表面配線層形状の保形性
が低下するとともに、組織の不均一性から抵抗も高くな
るという問題があった。しかも、配線層中の銅成分が、
焼成中に絶縁基板のセラミックス中に拡散し、配線層間
の絶縁性が劣化するために、微細な配線層を高密度に形
成することが難しいものであった。
表面配線層は、一旦、すべての配線層を絶縁基板内部に
配設して同時焼成した後、研磨等により表面の絶縁層を
研磨除去して内部配線層を表面に露出させたり、焼成後
の配線基板の表面に、厚膜法や薄膜法によって表面配線
層を形成するものである。そのために、表面配線層を形
成するためには研磨工程、厚膜形成工程、薄膜形成工程
などが不可欠の工程となるために、製造工程が多く、歩
留りの低下やコスト高となるような問題があった。
縁基板を形成するためのセラミック粉末として、平均粒
径が5〜50nmの微細なアルミナ粉末を用いることに
より、金、銀、銅等などの低抵抗金属の焼成温度に近づ
けることにより、絶縁基板と低抵抗金属との同時焼結性
を達成したものであるが、このような微粉末は取扱いが
非常に難しく、コスト高であるために、量産性に欠ける
とともにコスト高となる問題があった。
ミックスからなる絶縁基板と同時焼成によって形成さ
れ、銅を含み、配線のにじみのない低抵抗の表面配線層
を具備した配線基板と、その製造方法を提供することを
目的とする。
に対して検討を重ねた結果、酸化物セラミックスを絶縁
基板とする配線基板において、絶縁基板として、酸化ア
ルミニウムを主成分とし、さらにMn化合物を特定量含
有せしめ、表面配線層として、Cuマトリックス中に特
定の粒子のW,Moなどの高融点金属粒子を分散させる
ことにより、絶縁基板との同時焼成時における表面配線
層の保形性を維持するとともに、低抵抗化を図ることが
できることを見いだし、本発明に至った。
ウムを主成分とし、マンガン化合物をMnO2 換算で
2.0〜10.0重量%の割合で含有する相対密度が9
5%以上のセラミックスからなる絶縁基板と、該絶縁基
板の少なくとも表面に該絶縁基板との同時焼成によって
形成され、かつ銅を10〜70体積%、タングステン及
び/またはモリブデンを30〜90体積%の割合で含有
し、かつタングステン及び/またはモリブデンが平均粒
径1〜10μmの粒子として銅からなるマトリックス中
に分散含有してなる表面配線層を形成することにより、
優れた保形性とともにシート抵抗が8mΩ/□以下の低
抵抗化を実現したものである。
化アルミニウムを主成分とし、酸化マンガン(Mn
O2 )を2.0〜10.0重量%の割合で含有するセラ
ミック成分を含有するグリーンシートの表面に、銅含有
粉末を10〜70体積%、平均粒径が1〜10μmのタ
ングステン及び/またはモリブデンを30〜90体積%
の割合で含有してなる導体ペーストを回路パターン状に
印刷塗布した後、該グリーンシートを積層し、非酸化性
雰囲気中で最高焼成温度が1200〜1500℃となる
条件で焼成することによって、少なくとも表面配線層と
絶縁基板との1200〜1500℃での同時焼結性を改
善し、表面配線層の線幅が200μm以下の場合におい
ても優れた保形性とともに、シート抵抗が8mΩ/□以
下の表面配線層の形成を実現したものである。
施態様を示す概略断面図を基に説明する。図1の配線基
板は、酸化物セラミックスからなる複数の絶縁層1a,
1b、1cが積層された絶縁基板1の表面に表面配線層
2aと、絶縁層1a,1b,1c間に内部配線層2bが
設けられている。
び内部配線層2bを、銅とタングステン(W)および/
またはモリブデン(Mo)との複合材料を主成分とする
導体によって形成したものであり、この表面配線層2a
および内部配線層2bは、絶縁基板1と同時焼成によっ
て形成されたものである。
るように形成されたビアホール導体3によって電気的に
接続される。このビアホール導体3も表面配線層2aや
内部配線層2bと同様な導体材料によって同時焼成によ
って形成されることが望ましい。
は、酸化アルミニウムを主体とするものであるが、絶縁
基板の熱伝導性および高強度化を達成する上では、相対
密度95%以上、特に97%、さらには98%以上の高
緻密体から構成されるものであり、さらに熱伝導率は1
0W/m・K以上、特に15W/m・K以上、さらには
17W/m・K以上であることが望ましい。
層2bとの同時焼結時による保形性を達成する上で12
00〜1500℃の低温で焼成することが必要となる
が、本発明によれば、このような低温での焼成において
も相対密度95%以上に緻密化することが必要となる。
1は、酸化アルミニウムを主成分とするもの、具体的に
は酸化アルミニウムを84重量%以上の割合で含有する
ものであるが、第2の成分として、Mn化合物をMnO
2 換算で2.0〜10.0重量%の割合で含有すること
が必要である。即ち、Mn化合物量が2.0重量%より
も少ないと、1200〜1500℃での緻密化が達成さ
れず、また10.0重量%よりも多いと絶縁基板1の絶
縁性が低下するためである。Mn化合物の最適な範囲
は、MnO2 換算で3〜7重量%である。
として、SiO2 およびMgO、CaO、SrO等のア
ルカリ土類元素酸化物を銅含有導体との同時焼結性を高
める上で合計で0.4〜8重量%の割合で含有せしめる
ことが望ましい。
どの金属を着色成分として2重量%以下の割合で含んで
もよい。
アルミニウム主結晶相の粒界に非晶質相あるいは結晶相
として存在するが、熱伝導性を高める上で粒界中に助剤
成分を含有する結晶相が形成されていることが望まし
い。
ウム主結晶相は、粒状または柱状の結晶として存在する
が、これら主結晶相の平均結晶粒径は、1.5〜5.0
μmであることが望ましい。なお、主結晶相が柱状結晶
からなる場合、上記平均結晶粒径は、短軸径に基づくも
のである。この主結晶相の平均結晶粒径が1.5μmよ
りも小さいと、高熱伝導化が難しく、平均粒径が5.0
μmよりも大きいと基板材料として用いる場合に要求さ
れる十分な強度が得られにくくなるためである。
部配線層2bは、銅を10〜70体積%、W及び/また
はMoを30〜90体積%の割合で含有することが必要
である。これは、配線層の低抵抗化と、上記絶縁基板1
との同時焼結性を達成するとともに、表面配線層の同時
焼成後の保形性を維持するためであり、上記銅が10体
積%よりも少なく、WやMo量が90体積%よりも多い
と、配線層の抵抗が8mΩ/□よりも高くなる。また、
銅量が70体積%よりも多く、WやMo量が30体積%
よりも少ないと、表面配線層の同時焼成後の保形性が低
下し、表面配線層2aにおいてにじみなどが発生した
り、溶融した銅によって表面配線層が凝集して断線が生
じるとともに、絶縁基板と配線層の熱膨張係数差により
配線層の剥離が発生するためである。最適な組成範囲
は、銅を40〜60体積%、W及び/またはMoを60
〜40体積%である。
たはMoは、平均粒径1〜10μmの球状あるいは数個
の粒子による焼結粒子として銅からなるマトリックス中
に分散含有していることも重要である。これは、上記平
均粒径が1.0μmよりも小さい場合、表面配線層2a
の保形性が悪くなるとともに組織が多孔質化し配線層の
抵抗も高くなり、10μmを越えると銅のマトリックス
がWやMoの粒子によって分断されてしまい配線層の抵
抗が高くなったり、銅成分が分離してにじみなどが発生
するためである。W及び/またはMoは平均粒径1.3
〜5μm、特に1.3〜3μmの大きさで分散されてい
ることが最も望ましい。
層2b中には、絶縁基板1との密着性を改善するため
に、酸化アルミニウム、または絶縁基板と同じ成分のセ
ラミックスを0.05〜2体積%の割合で含有させるこ
とも可能である。
化アルミニウムとの銅の融点を越える温度での同時焼成
によって、表面配線層2aや内部配線層2b中の銅成分
が絶縁基板1中に拡散する場合があるが、本発明によれ
ば、上記少なくとも銅を含む配線層の周囲の絶縁基板1
のセラミックスへの銅の拡散距離が20μm以下、特に
10μm以下であることが望ましい。これは、銅のセラ
ミックス中への拡散距離が20μmを超えると、配線層
間の絶縁性が低下し、配線基板としての信頼性が低下す
るためである。
とにより、前記配線層のうち、同一平面内に形成された
配線層間の最小線間距離を100μm以下、特に90μ
m以下の高密度配線化を図ることができる。また、同様
に図1に示すように、1つの絶縁層内に複数のビアホー
ル導体3が形成される場合、そのビアホール導体3間の
最小離間距離も上記と同様な理由から100μm以下、
特に90μm以下に制御することが可能である。
るように焼成温度及び雰囲気を制御して焼成することに
よって、絶縁基板1の表面の平均表面粗さRaを1μm
以下、特に0.7μm以下の平滑性に優れた表面を形成
できるものであり、その結果、絶縁基板1の表面に表面
配線層2aを形成する場合、絶縁基板1表面を研磨加工
等を施す必要がないことも大きな特徴である。
造方法について具体的に説明する。まず、絶縁基板を形
成するために、酸化物セラミックスの主成分となる酸化
アルミニウム原料粉末として、平均粒径が0.5〜2.
5μm、特に0.5〜2.0μmの粉末を用いる。これ
は、平均粒径は0.5μmよりも小さいと、粉末の取扱
いが難しく、また粉末のコストが高くなり、2.5μm
よりも大きいと、1500℃以下の温度で焼成すること
が難しくなるためである。
て、第2の成分として、MnO2 を2.0〜10.0重
量%、特に3.0〜7.0重量%の割合で添加する。ま
た、適宜、第3の成分として、SiO2 、MgO、Ca
O、SrO粉末等を0.4〜8重量%、第4の成分とし
て、W、Mo、Crなどの遷移金属の金属粉末や酸化物
粉末を着色成分として金属換算で2重量%以下の割合で
添加する。
化物粉末以外に、焼成によって酸化物を形成し得る炭酸
塩、硝酸塩、酢酸塩などとして添加してもよい。
成するためのシート状成形体を作製する。シート状成形
体は、周知の成形方法によって作製することができる。
例えば、上記混合粉末に有機バインダーや溶媒を添加し
てスラリーを調製した後、ドクターブレード法によって
形成したり、混合粉末に有機バインダーを加え、プレス
成形、圧延成形等により所定の厚みのシート状成形体を
作製できる。
対して、導体成分として、平均粒径が1〜10μmの銅
含有粉末を10〜70体積%、特に40〜60体積%、
平均粒径が1〜10μmのW及び/またはMoを30〜
90体積%、特に40〜60体積%の割合で含有してな
る導体ペーストを調製し、このペーストを各シート状絶
縁層にスクリーン印刷、グラビア印刷等の手法によって
印刷塗布する。
は、シート状成形体に対して、マイクロドリル、レーザ
ー等により直径が50〜250μmのビアホールを形成
した後、このビアホール内に上記銅含有導体ペーストを
充填する。
密着性を高めるために、酸化アルミニウム粉末や、絶縁
層を形成する酸化物セラミックス成分と同一の組成物粉
末を0.05〜2体積%の割合で添加することも可能で
ある。
ト状成形体を位置合わせして積層圧着した後、この積層
体を、この焼成を、非酸化性雰囲気中、焼成最高温度が
1200〜1500℃の温度となる条件で焼成する。
と、通常の原料を用いた場合において、酸化アルミニウ
ム絶縁基板が相対密度95%以上まで緻密化できず、熱
伝導性や強度が低下し、1500℃よりも高いと、Wあ
るいはMo自体の焼結が進み、銅との均一組織を維持で
きなく、強いては低抵抗を維持することが困難となりシ
ート抵抗8mΩ/□以下が得られなくなる。また、酸化
物セラミックスの主結晶相の粒径が大きくなり異常粒成
長が発生したり、銅がセラミックス中へ拡散するときの
パスである粒界の長さが短くなるとともに拡散速度も速
くなる結果、拡散距離を30μm以下に抑制することが
困難となるためである。好適には、1250〜1400
℃の範囲がよい。
は、窒素、あるいは窒素と水素との混合雰囲気であるこ
とが望ましいが、特に、配線層中の銅の拡散を抑制する
上では、水素及び窒素を含み露点+30℃以下、特に−
25℃以下の非酸化性雰囲気であることが望ましい。な
お、この雰囲気には所望により、アルゴンガス等の不活
性ガスを混入してもよい。焼成時の露点が+30℃より
高いと、焼成中に酸化物セラミックスと雰囲気中の水分
とが反応し酸化膜を形成し、この酸化膜と銅含有導体の
銅が反応してしまい、導体の低抵抗化の妨げとなるのみ
でなく、銅の拡散を助長してしまうためである。
m)に対して、MnO2 を表1、2に示すような割合で
添加するとともに、SiO2 を3重量%、MgOを0.
5重量%の割合で添加混合した後、さらに、成形用有機
樹脂(バインダー)としてアクリル系バインダーと、ト
ルエンを溶媒として混合してスラリーを調製した後、ド
クターブレード法にて厚さ250μmのシート状に成形
した。そして、所定箇所にホール径120μmのビアホ
ールを形成した。
粒径が0.8〜12μmのW粉末あるいはMo粉末とを
表1、2に示す比率で混合し、アクリル系バインダーと
をアセトンを溶媒として導体ペーストを作製した。
ストを印刷塗布し、各シート状成形体のビアホール導体
にも上記配線層用導体ペーストを充填した。上記のよう
にして作製した各シート状成形体を位置合わせして積層
圧着して成形体積層体を作製した。その後、この成形体
積層体を実質的に水分を含まない酸素含有雰囲気中(N
2 +O2 または大気中)で脱脂を行った後、表1、2に
示した焼成温度にて、露点−10℃の窒素水素混合雰囲
気にて焼成した。
密度をアルキメデス法によって測定するとともに、レー
ザーフラッシュ法によって熱伝導率(厚さ3mm)およ
び体積固有抵抗を測定した。
線の導体抵抗、長さ、幅、厚みを測定した後、厚さ15
μmの導体に換算したシート抵抗(mΩ/□)を算出し
た。また、組織を走査型電子顕微鏡にて観察を行い、表
面配線層中のWおよび/またはMo粒子の粒径を測定し
た。その結果を表1、2に示した。また、配線基板を外
観検査し、表面配線層のにじみの発生および表面配線層
の剥離等の有無を観察した。結果は、表1、2に示し
た。
O2 の含有量が2重量%よりも低い試料No.1では、絶
縁基板の焼結性が十分でなく熱伝導性が劣化し、絶縁性
の低下が起こり、配線基板として使用できなくなった。
また、10重量%よりも多い試料No.9ではMnO2 が
還元され基板の絶縁性が劣化し強度も劣化した。
10体積%よりも少ない試料No.10,11では、導体
抵抗が8mΩ/□よりも大きくなった。また70体積%
よりも多い試料No.18では、配線の保形性が悪くなる
とともに、組織が不均一となりシート抵抗が8mΩ/□
以上になるとともに、表面配線層ににじみおよび一部剥
離も観察された。
い試料No.24では相対密度95%以上に緻密化するこ
とができず、熱伝導性も低下した。また、1500℃よ
りも高い試料No.31では、Wの焼結凝集によって平均
粒径が10μmよりも大きくなり銅が表面に浮いて配線
ににじみが生じた。
板によれば、絶縁基板が相対密度95%、10W/m・
K以上の熱伝導率を有し、しかも表面配線層のにじみや
剥離の発生もなく、シート抵抗が8mΩ/□以下の低抵
抗の表面配線層を同時焼成によって形成することができ
た。
PMA(X線マイクロアナライザー)分析において、配
線層の端部から同一平面内において、銅元素が検出され
る領域の最外部までの距離を10箇所測定したところ、
各配線層の銅の拡散距離は平均で20μm以下と良好な
特性を示した。
よれば、高熱伝導性の酸化アルミニウムセラミックスか
らなる絶縁基板の少なくとも表面に同時焼成によって低
抵抗の銅を含有する配線層を形成することができ、高信
頼性の高密度、低抵抗の配線層を形成することができ
る。
図である。
Claims (3)
- 【請求項1】酸化アルミニウムを主成分とし、マンガン
化合物をMnO2 換算で2.0〜10.0重量%の割合
で含有する相対密度が95%以上のセラミックスからな
る絶縁基板と、該絶縁基板の少なくとも表面に該絶縁基
板との同時焼成によって形成され、かつ銅を10〜70
体積%、タングステン及び/またはモリブデンを30〜
90体積%の割合で含有し、かつ銅からなるマトリック
ス中にタングステン及び/またはモリブデンが平均粒径
1〜10μmの粒子として分散含有してなる表面配線層
を具備してなることを特徴とする配線基板。 - 【請求項2】前記表面配線層のシート抵抗が8mΩ/□
以下であることを特徴とする請求項1記載の配線基板。 - 【請求項3】酸化アルミニウムを主成分とし、酸化マン
ガン(MnO2 )を2.0〜10.0重量%の割合で含
有するセラミック成分を含有するグリーンシートの表面
に、銅含有粉末を10〜70体積%、平均粒径が1〜1
0μmのタングステン及び/またはモリブデンを30〜
90体積%の割合で含有してなる導体ペーストを回路パ
ターン状に印刷塗布した後、該グリーンシートを積層
し、非酸化性雰囲気中で最高焼成温度が1200〜15
00℃となる条件で焼成することを特徴とする配線基板
の製造方法。
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