JP2000244123A - 多層セラミック回路基板 - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】銅ビアを有するガラスセラミック配線基板で、
焼結中にビア中で銅粒子がビア径に匹敵するほど巨大化
して、基板製造後の熱サイクル等で銅粒子界面が断裂し
発生するビア断線を低減する。また、破断したビアがセ
ラミックス基板からはずれて、抜けるという不都合を低
減することを課題としている。 【解決手段】平均粒径が１μｍから４μｍのアルミナ
が、中心間距離の平均で７．４μｍ以下の間隔で焼結銅
中に分布しているビアを有す多層ガラスセラミック回路
基板を提供する。
焼結中にビア中で銅粒子がビア径に匹敵するほど巨大化
して、基板製造後の熱サイクル等で銅粒子界面が断裂し
発生するビア断線を低減する。また、破断したビアがセ
ラミックス基板からはずれて、抜けるという不都合を低
減することを課題としている。 【解決手段】平均粒径が１μｍから４μｍのアルミナ
が、中心間距離の平均で７．４μｍ以下の間隔で焼結銅
中に分布しているビアを有す多層ガラスセラミック回路
基板を提供する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、セラミックス多層
配線基板で特に銅をビア配線に用いるものに関し、焼結
後の適切なビアの微構造を有する多層セラミックス回路
基板及び該微構造を得るための銅ペーストに関する。
配線基板で特に銅をビア配線に用いるものに関し、焼結
後の適切なビアの微構造を有する多層セラミックス回路
基板及び該微構造を得るための銅ペーストに関する。
【０００２】
【従来の技術】高集積度、高速処理を要求される電子機
器用のモジュール配線基板等には、微細な配線を密に配
する必要から、多層のセラミック配線基板が用いられ
る。微細な配線材料には比抵抗の小さい銅が最適であ
る。一方の配線の担体となる基材としても銅と同時焼結
できるガラスを主成分とした無機材料が開発されてい
る。基板向きのほうけい酸系ガラスに関しては特開平８
−３３３１５７号公報などに詳しく述べられている。ま
た、添加するフィラーについては、特開平８−１８２３
２号公報などに例示されている。この無機材料は一般に
粒径数μｍの粉末の形で供給されるので、基板の製造で
はグリーンシート法が用いられている。グリーンシート
法では、無機材料粉末を有機バインダと溶剤でスラリー
化する工程、上記スラリーをシート状に成形する工程、
上記シートにビア（貫通孔）を明ける工程、上記ビアに
配線ペーストを埋め込む工程、上記シート表面に配線等
のパターンを配線ペーストで形成する工程、配線等の形
成された上記シートを積層・圧着する工程、上記積層・
圧着体を熱処理する工程などからなっている。上記熱処
理中工程に、積層体中の有機バインダ及び配線ペースト
中の有機物は分解・消滅し、同時に粉末の集合状態であ
った積層体中の無機材料及び導体ペースト中の導体金属
は焼結・緻密化する。バインダが焼結体中に残るとグラ
ファイト化し焼結後の基板や配線の品質を劣化させるの
で、焼結工程では通常、十分長い脱バインダ時間が設け
られ、その後に緻密化を主目的とした焼結時間が設けら
れる。この熱処理プロファイルの典型例は特開平８−１
８２３２号公報などにあるように、脱バインダに約８０
０℃１５時間、焼結に約１０００℃２時間の保持を置く
ものであり、上記脱バインダの最中は通常水蒸気等が処
理雰囲気に加えられる。
器用のモジュール配線基板等には、微細な配線を密に配
する必要から、多層のセラミック配線基板が用いられ
る。微細な配線材料には比抵抗の小さい銅が最適であ
る。一方の配線の担体となる基材としても銅と同時焼結
できるガラスを主成分とした無機材料が開発されてい
る。基板向きのほうけい酸系ガラスに関しては特開平８
−３３３１５７号公報などに詳しく述べられている。ま
た、添加するフィラーについては、特開平８−１８２３
２号公報などに例示されている。この無機材料は一般に
粒径数μｍの粉末の形で供給されるので、基板の製造で
はグリーンシート法が用いられている。グリーンシート
法では、無機材料粉末を有機バインダと溶剤でスラリー
化する工程、上記スラリーをシート状に成形する工程、
上記シートにビア（貫通孔）を明ける工程、上記ビアに
配線ペーストを埋め込む工程、上記シート表面に配線等
のパターンを配線ペーストで形成する工程、配線等の形
成された上記シートを積層・圧着する工程、上記積層・
圧着体を熱処理する工程などからなっている。上記熱処
理中工程に、積層体中の有機バインダ及び配線ペースト
中の有機物は分解・消滅し、同時に粉末の集合状態であ
った積層体中の無機材料及び導体ペースト中の導体金属
は焼結・緻密化する。バインダが焼結体中に残るとグラ
ファイト化し焼結後の基板や配線の品質を劣化させるの
で、焼結工程では通常、十分長い脱バインダ時間が設け
られ、その後に緻密化を主目的とした焼結時間が設けら
れる。この熱処理プロファイルの典型例は特開平８−１
８２３２号公報などにあるように、脱バインダに約８０
０℃１５時間、焼結に約１０００℃２時間の保持を置く
ものであり、上記脱バインダの最中は通常水蒸気等が処
理雰囲気に加えられる。
【０００３】導体金属に銅を用いた場合は、銅は約６０
０℃から焼結が始まるが、ガラスセラミックス自体はこ
れより高い温度で焼結を始める。この焼結開始温度の違
いは材料構成によっては、基板の特に導体あるいは導体
とセラミックスの界面に重大な問題を引き起こすことが
あるため、銅ペーストに関しては焼結開始温度をセラミ
ックスに合わせるように工夫されることが多かった。例
えば、特許第２５８４９１１号では、粒径０．１μｍか
ら１μｍのアルミナなどを混合した銅ペーストが例示さ
れている。但し、１μｍより微細なアルミナは銅ペース
ト中に分散し難いので、所望の印刷性等を得るためにペ
ーストの製造が困難になる。
０℃から焼結が始まるが、ガラスセラミックス自体はこ
れより高い温度で焼結を始める。この焼結開始温度の違
いは材料構成によっては、基板の特に導体あるいは導体
とセラミックスの界面に重大な問題を引き起こすことが
あるため、銅ペーストに関しては焼結開始温度をセラミ
ックスに合わせるように工夫されることが多かった。例
えば、特許第２５８４９１１号では、粒径０．１μｍか
ら１μｍのアルミナなどを混合した銅ペーストが例示さ
れている。但し、１μｍより微細なアルミナは銅ペース
ト中に分散し難いので、所望の印刷性等を得るためにペ
ーストの製造が困難になる。
【０００４】特開平８−２７９６６６号公報には、酸化
銅、ガラスフリットを混合させた銅ペーストが例示され
ている。酸化銅はガラス中に銅イオンを排出し易く、焼
成条件によってはセラミックス中に微細な銅コロイドを
発生させてセラミックスの絶縁性、強度の低下原因とな
る。
銅、ガラスフリットを混合させた銅ペーストが例示され
ている。酸化銅はガラス中に銅イオンを排出し易く、焼
成条件によってはセラミックス中に微細な銅コロイドを
発生させてセラミックスの絶縁性、強度の低下原因とな
る。
【０００５】上述の焼結開始温度差の他に、微細配線化
が進みビア径が５０μｍ程度になると、基板の焼成中に
粒成長した銅粒子の内、特に巨大化した銅粒子と同程度
の大きさとなるために、焼結後のビアが数個の銅粒子で
構成されるようになって熱サイクル等で粒子の界面部分
で破断し、断線する傾向が顕著になり出すという問題が
発生する。また、ビア配線がセラミックス基板からはず
れて、引き抜けるという不都合が発生する。
が進みビア径が５０μｍ程度になると、基板の焼成中に
粒成長した銅粒子の内、特に巨大化した銅粒子と同程度
の大きさとなるために、焼結後のビアが数個の銅粒子で
構成されるようになって熱サイクル等で粒子の界面部分
で破断し、断線する傾向が顕著になり出すという問題が
発生する。また、ビア配線がセラミックス基板からはず
れて、引き抜けるという不都合が発生する。
【０００６】この焼結後の銅粒径に対処した例として、
特開平８−１７２１７号公報には焼結中にサブミクロン
のアルミナを生成するアルミン酸を混合した銅ペースト
が例示されているが、上記アルミナ生成反応は水蒸気を
同時に生成するために銅中に必要以上にボイドを発生さ
せしまう。
特開平８−１７２１７号公報には焼結中にサブミクロン
のアルミナを生成するアルミン酸を混合した銅ペースト
が例示されているが、上記アルミナ生成反応は水蒸気を
同時に生成するために銅中に必要以上にボイドを発生さ
せしまう。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する課題はビア中で巨大化した銅粒子に原因するもので
あり、本発明ではビア中の銅粒子径を２０μｍ程度以下
に抑えて、銅粒子径がビア径に匹敵するほど巨大になり
銅粒子界面が断裂し発生する断線を低減する。また、本
発明では破断したビアがセラミックス基板からはずれ
て、抜けるという不都合を低減する。
する課題はビア中で巨大化した銅粒子に原因するもので
あり、本発明ではビア中の銅粒子径を２０μｍ程度以下
に抑えて、銅粒子径がビア径に匹敵するほど巨大になり
銅粒子界面が断裂し発生する断線を低減する。また、本
発明では破断したビアがセラミックス基板からはずれ
て、抜けるという不都合を低減する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、平均粒径が１μｍから４μｍのアルミナ
が、中心間距離の平均で７．４μｍ以下の間隔で焼結銅
中に分布しているビアを有す多層ガラスセラミック回路
基板を提供する。
に本発明は、平均粒径が１μｍから４μｍのアルミナ
が、中心間距離の平均で７．４μｍ以下の間隔で焼結銅
中に分布しているビアを有す多層ガラスセラミック回路
基板を提供する。
【０００９】焼結中の銅で粒子が巨大化するのは、銅粒
子界面が銅の内部を移動して焼結体表面若しくは他の銅
粒界と一体化することによって、焼結銅内部にある銅の
粒界面が減少することによって起こるのだが、上記の間
隔で平均径１μｍから４μｍのアルミナが焼結銅中に分
布していると、上述の銅界面の移動が阻害され焼結工程
の高温でも粒界面が減少せずに銅粒子は細かいままに留
まり、巨大粒の発生を防止してビアの断裂を防止でき
る。
子界面が銅の内部を移動して焼結体表面若しくは他の銅
粒界と一体化することによって、焼結銅内部にある銅の
粒界面が減少することによって起こるのだが、上記の間
隔で平均径１μｍから４μｍのアルミナが焼結銅中に分
布していると、上述の銅界面の移動が阻害され焼結工程
の高温でも粒界面が減少せずに銅粒子は細かいままに留
まり、巨大粒の発生を防止してビアの断裂を防止でき
る。
【００１０】本発明者はビアのように制限された形状の
中で上述のアルミナ粒子による焼結銅の粒界移動阻害現
象が起こることを実験によって調べた。以下、この実験
について述べる。実験基板は径６０μｍのビアを設けた
ガラスセラミックス基板で層数は１０層から４０層で、
該ビアは基板の表面から他の面まで垂直につながるよう
に積層した基板である。焼結後にビアの中心線が表面に
出るように切断、研磨後、エッチングによって銅粒界が
明瞭に見えるようにした後、この断面上にある５００本
以上のビアについてその中の銅の粒界形状をコンピュー
タに取り込み、形状を正確にトレースして面積を求め
た。従来の開発者によるように径に換算し評価すること
はしなかった。それは、ビア中では特に粒子が巨大化す
ると甚だしくなるのだが、縦横比が１から大きく外れる
ものが多く、形状を円とみなすと不正確になるからであ
る。また、本発明者は粒子の平均的な大きさだけでなく
最大値にも注目した。それは、基板中に数千個の単位で
配されるビアの品質を平均値だけでは決定できないから
である。したがって、本発明者は観測したビア断面にあ
る銅粒子を一つ一つ正確に計測記録した。その結果、上
記ディメンジョンのビアでは、銅粒子の断面積で２００
０μｍ2を越えるとビア断面の端部から他の端部に渡る
ようになり、特に断面積で３０００μｍ2を越えるすべ
ての粒子はビア断面の端部から他の端部に渡っていて、
ビア破断の原因となる大きさであることを突き止めた。
中で上述のアルミナ粒子による焼結銅の粒界移動阻害現
象が起こることを実験によって調べた。以下、この実験
について述べる。実験基板は径６０μｍのビアを設けた
ガラスセラミックス基板で層数は１０層から４０層で、
該ビアは基板の表面から他の面まで垂直につながるよう
に積層した基板である。焼結後にビアの中心線が表面に
出るように切断、研磨後、エッチングによって銅粒界が
明瞭に見えるようにした後、この断面上にある５００本
以上のビアについてその中の銅の粒界形状をコンピュー
タに取り込み、形状を正確にトレースして面積を求め
た。従来の開発者によるように径に換算し評価すること
はしなかった。それは、ビア中では特に粒子が巨大化す
ると甚だしくなるのだが、縦横比が１から大きく外れる
ものが多く、形状を円とみなすと不正確になるからであ
る。また、本発明者は粒子の平均的な大きさだけでなく
最大値にも注目した。それは、基板中に数千個の単位で
配されるビアの品質を平均値だけでは決定できないから
である。したがって、本発明者は観測したビア断面にあ
る銅粒子を一つ一つ正確に計測記録した。その結果、上
記ディメンジョンのビアでは、銅粒子の断面積で２００
０μｍ2を越えるとビア断面の端部から他の端部に渡る
ようになり、特に断面積で３０００μｍ2を越えるすべ
ての粒子はビア断面の端部から他の端部に渡っていて、
ビア破断の原因となる大きさであることを突き止めた。
【００１１】本発明者はビア中のすべての銅粒子の断面
積を２０００μｍ2にすることを目標に、まず、ビア中
に径０．５μｍから６μｍの銅のペーストを充填しプロ
セス中の変化を測定した。図１にプロセス中の銅粒子断
面積の平均値と最大値の変化を示すが、脱バインダ完了
点である８５０℃１０時間後の銅粒子断面積は平均値で
５０μｍ2、観測中の最大値で１０００μｍ2であった。
１０００℃到達時点では銅粒子断面積は平均値で２７０
μｍ2、観測中の最大値で５０００μｍ2であった。１０
００℃中では保持する時間に従い平均値、最大値共に増
加した。また、９５０℃では２時間保持すると平均値２
５０μｍ2、最大値５０００μｍ2であった。このように
銅粒断面積の増加は脱バインダ完了後、特に９５０℃よ
り高温で顕著に認められ、プロセス中の変化はほとんど
この温度域で決定されていたが、最大値に注目すると９
５０℃よりも低い温度から粒径をコントロールしなけれ
ば成らないことが分かった。
積を２０００μｍ2にすることを目標に、まず、ビア中
に径０．５μｍから６μｍの銅のペーストを充填しプロ
セス中の変化を測定した。図１にプロセス中の銅粒子断
面積の平均値と最大値の変化を示すが、脱バインダ完了
点である８５０℃１０時間後の銅粒子断面積は平均値で
５０μｍ2、観測中の最大値で１０００μｍ2であった。
１０００℃到達時点では銅粒子断面積は平均値で２７０
μｍ2、観測中の最大値で５０００μｍ2であった。１０
００℃中では保持する時間に従い平均値、最大値共に増
加した。また、９５０℃では２時間保持すると平均値２
５０μｍ2、最大値５０００μｍ2であった。このように
銅粒断面積の増加は脱バインダ完了後、特に９５０℃よ
り高温で顕著に認められ、プロセス中の変化はほとんど
この温度域で決定されていたが、最大値に注目すると９
５０℃よりも低い温度から粒径をコントロールしなけれ
ば成らないことが分かった。
【００１２】つぎに上述の銅にアルミナを添加したペー
ストによるビア中の銅粒子断面積の変化を図２に示す。
添加したアルミナは平均粒径１μｍ，２μｍ，４μｍの
アルミナで、添加量はビア中の無機物に対して２容量%
から１０.５容量%へと添加量を変化させたときの結果で
ある。上記粒径１μｍから４μｍ全ての粒径について、
アルミナを添加した場合は格段に銅粒子の断面積は減少
した。但し、この減少傾向はアルミナの粒径や添加量に
対しては鈍感であり、いずれの添加量、粒径でも平均値
は１００μｍ2から２００μｍ2、最大値は５００μｍ2
から１５００μｍ2の範囲に有り、添加濃度に対して明
瞭な傾向は無かった。
ストによるビア中の銅粒子断面積の変化を図２に示す。
添加したアルミナは平均粒径１μｍ，２μｍ，４μｍの
アルミナで、添加量はビア中の無機物に対して２容量%
から１０.５容量%へと添加量を変化させたときの結果で
ある。上記粒径１μｍから４μｍ全ての粒径について、
アルミナを添加した場合は格段に銅粒子の断面積は減少
した。但し、この減少傾向はアルミナの粒径や添加量に
対しては鈍感であり、いずれの添加量、粒径でも平均値
は１００μｍ2から２００μｍ2、最大値は５００μｍ2
から１５００μｍ2の範囲に有り、添加濃度に対して明
瞭な傾向は無かった。
【００１３】このアルミナを添加したときとしなかった
ときのビア組織を図３に示す。アルミナを添加した場合
は、図３（ａ）のようにアルミナ４は銅粒子３１の粒界
若しくは多重点に存在していて、図３（ｂ）のように添
加しなかったときと比べ銅粒子３１は圧倒的に細かくな
っており、また、図３（ｂ）のようにビア断面の端から
端へとを横断する粒子は存在しなかった。アルミナ４は
銅粒子３１の粒界若しくは多重点にあったことから、ア
ルミナ４は銅粒子３１の粒界移動を阻害することによっ
て、粒子粗大化を防止していることが分かった。
ときのビア組織を図３に示す。アルミナを添加した場合
は、図３（ａ）のようにアルミナ４は銅粒子３１の粒界
若しくは多重点に存在していて、図３（ｂ）のように添
加しなかったときと比べ銅粒子３１は圧倒的に細かくな
っており、また、図３（ｂ）のようにビア断面の端から
端へとを横断する粒子は存在しなかった。アルミナ４は
銅粒子３１の粒界若しくは多重点にあったことから、ア
ルミナ４は銅粒子３１の粒界移動を阻害することによっ
て、粒子粗大化を防止していることが分かった。
【００１４】銅粒界がアルミナ近傍で止まるのは、図４
に示したように銅の界面エネルギーがアルミナ近傍で変
化するためである。即ち、図４（ａ）のように、粒界４
２が銅４１中を位置１から位置３へ移動していく場合に
途中の位置２にアルミナ４３が存在していたとすると、
粒界４２がこの位置２にきたときには図４（ｂ）のよう
に粒界４２の面積はアルミナ４３の断面積Ｓｂ分の減少
と同時に銅４１とアルミナ４３間の界面Ｓｂの発生が起
こるので、銅−銅間と銅−アルミナ間の界面エネルギー
に差が有れば、粒界４２の界面エネルギーは位置２で極
大または極小となる（図４（ｃ））。このエネルギーの
変化ΔＥはアルミナ１粒子当たり（数１）で表現され
る。
に示したように銅の界面エネルギーがアルミナ近傍で変
化するためである。即ち、図４（ａ）のように、粒界４
２が銅４１中を位置１から位置３へ移動していく場合に
途中の位置２にアルミナ４３が存在していたとすると、
粒界４２がこの位置２にきたときには図４（ｂ）のよう
に粒界４２の面積はアルミナ４３の断面積Ｓｂ分の減少
と同時に銅４１とアルミナ４３間の界面Ｓｂの発生が起
こるので、銅−銅間と銅−アルミナ間の界面エネルギー
に差が有れば、粒界４２の界面エネルギーは位置２で極
大または極小となる（図４（ｃ））。このエネルギーの
変化ΔＥはアルミナ１粒子当たり（数１）で表現され
る。
【００１５】
【数１】
【００１６】さらに、指摘するとこの界面エネルギーの
変化を起こすものはアルミナに限らない。なぜならば銅
との界面エネルギーが銅−銅間の界面エネルギーと異な
ってさえいれば、エネルギー差が正でも負でも位置２で
エネルギーは極値になるからである。このエネルギーの
変化ΔＥが界面４２を移動させるエネルギーよりも大き
いと、界面４２はアルミナ４３を通過できずアルミナ４
３と同じ速度で焼結体中を移動することになるが、一方
のアルミナ４３は焼結体４１中の移動速度が小さいため
に粒界４２の移動は阻害される。よって、この現象は、
アルミナの個数密度と粒界面積との関係と捉える方が、
過去の開発者が述べているようにアルミナ濃度と銅粒子
断面積または粒径との関係と捉えるよりも、より本質的
な理解である。
変化を起こすものはアルミナに限らない。なぜならば銅
との界面エネルギーが銅−銅間の界面エネルギーと異な
ってさえいれば、エネルギー差が正でも負でも位置２で
エネルギーは極値になるからである。このエネルギーの
変化ΔＥが界面４２を移動させるエネルギーよりも大き
いと、界面４２はアルミナ４３を通過できずアルミナ４
３と同じ速度で焼結体中を移動することになるが、一方
のアルミナ４３は焼結体４１中の移動速度が小さいため
に粒界４２の移動は阻害される。よって、この現象は、
アルミナの個数密度と粒界面積との関係と捉える方が、
過去の開発者が述べているようにアルミナ濃度と銅粒子
断面積または粒径との関係と捉えるよりも、より本質的
な理解である。
【００１７】そこで、本発明者は前にも触れたが銅粒子
の粒界をパソコン上に取り込んであったので、測定断面
積Ａにあった粒界線長Lgを測定して、１つのビア中の銅
粒界面積Ｓｇｖを求めた。Ｓｇｖは、（数２）に示した
結晶物中の単位体積当たりの粒界面積Ｓｖに本発明者の
対象としているビアの体積を乗じて求めた。
の粒界をパソコン上に取り込んであったので、測定断面
積Ａにあった粒界線長Lgを測定して、１つのビア中の銅
粒界面積Ｓｇｖを求めた。Ｓｇｖは、（数２）に示した
結晶物中の単位体積当たりの粒界面積Ｓｖに本発明者の
対象としているビアの体積を乗じて求めた。
【００１８】
【数２】
【００１９】尚、（数２）はこの分野の研究者に広く支
持されているもので、たとえば、水谷、尾崎、木村、山
口著「セラミックプロセッシング」技報堂（１９８５
年）などに掲載されている。上記Ｓｇｖをアルミナ濃度
から算出したビア中のアルミナ粒子数に対してプロット
したのが図５であるが、各プロットは、傾き４３（１０
００μｍ2／１０００個）の直線によく載った。よっ
て、アルミナ１粒子当たり４３μｍ2の粒界面積の移動
を阻害したことが分かった。この領域を円と仮定すれは
直径７．４μｍの領域を阻害していたことになる。
持されているもので、たとえば、水谷、尾崎、木村、山
口著「セラミックプロセッシング」技報堂（１９８５
年）などに掲載されている。上記Ｓｇｖをアルミナ濃度
から算出したビア中のアルミナ粒子数に対してプロット
したのが図５であるが、各プロットは、傾き４３（１０
００μｍ2／１０００個）の直線によく載った。よっ
て、アルミナ１粒子当たり４３μｍ2の粒界面積の移動
を阻害したことが分かった。この領域を円と仮定すれは
直径７．４μｍの領域を阻害していたことになる。
【００２０】上記の如く定量化できたので、粒界の移動
を抑える即ち銅粒子のビア中での巨大化を抑えるに必要
なアルミナの最小量も算出できる。その値はビア中でア
ルミナが間隔７．４μｍで分布する個数密度である。粒
子分散系は最近接粒子間距離の平均値λと粒子個数密度
Nvと間に（数３）の関係が成立することが知られている
ので（例えばR.T.DeHoff, F.N.Rhines著、牧島、篠原、
小森訳「計量形態学」内田老鶴圃(1983年)など）、λ=
７．４μｍとしＮｖを求めると４．２×１０-4(個/μｍ
3)である。
を抑える即ち銅粒子のビア中での巨大化を抑えるに必要
なアルミナの最小量も算出できる。その値はビア中でア
ルミナが間隔７．４μｍで分布する個数密度である。粒
子分散系は最近接粒子間距離の平均値λと粒子個数密度
Nvと間に（数３）の関係が成立することが知られている
ので（例えばR.T.DeHoff, F.N.Rhines著、牧島、篠原、
小森訳「計量形態学」内田老鶴圃(1983年)など）、λ=
７．４μｍとしＮｖを求めると４．２×１０-4(個/μｍ
3)である。
【００２１】
【数３】
【００２２】以上、本発明者の主張するところは添加物
の濃度ではなく添加粒子の個数密度さらにはその間隔な
のであるが、上述の計測等は現象を解明するために行っ
たものであり多大な労力を必要とする。実際には所望の
間隔、個数密度になるように添加物の容積等を算出して
製造等を行うであろうから、アルミナ等の添加粒子の個
数密度Ｎｖと体積％との関係を（数４）として掲載す
る。この（数４）では添加粒子は球形と仮定した。尚、
上記必要最小添加量４．２×１０-4(個/μｍ3)は径１，
２，４μｍの球形粒子について例示すれば、それぞれ
０．０２２，０．１８，１．４体積％である。
の濃度ではなく添加粒子の個数密度さらにはその間隔な
のであるが、上述の計測等は現象を解明するために行っ
たものであり多大な労力を必要とする。実際には所望の
間隔、個数密度になるように添加物の容積等を算出して
製造等を行うであろうから、アルミナ等の添加粒子の個
数密度Ｎｖと体積％との関係を（数４）として掲載す
る。この（数４）では添加粒子は球形と仮定した。尚、
上記必要最小添加量４．２×１０-4(個/μｍ3)は径１，
２，４μｍの球形粒子について例示すれば、それぞれ
０．０２２，０．１８，１．４体積％である。
【００２３】
【数４】
【００２４】
【発明の実施の形態】本発明による図６に図示するビア
３の断面微構造を有する多層基板の製造方法を以下に開
示する。製造プロセスは通常のグリーンシート方法によ
った。グリーンシートは（表１）の組成のスリップから
ドクターブレード法で製造した。
３の断面微構造を有する多層基板の製造方法を以下に開
示する。製造プロセスは通常のグリーンシート方法によ
った。グリーンシートは（表１）の組成のスリップから
ドクターブレード法で製造した。
【００２５】
【表１】
【００２６】上記グリーンシートの厚みは約２００μｍ
であった。上記ガラスの組成は（表２）に示す。尚、上
記ガラスおよびムライトはともに径３μｍであった。
であった。上記ガラスの組成は（表２）に示す。尚、上
記ガラスおよびムライトはともに径３μｍであった。
【００２７】
【表２】
【００２８】また、ガラスとしては特開平８−３３３１
５７号公報に示した組成物でも製造したし、グリーンシ
ートとしては特開平６−２２７８５５号公報に示した組
成でも製造した。ガラスの組成やグリーンシートの組成
が変わっても本発明の特徴を有するビアを形成すること
は出来るので、ガラス組成およびグリーンシート組成は
本発明の製造方法を制限しないことを述べておく。上記
グリーンシートにパンチで直径６０μｍのビア１を明け
た。このビア充填に用いたペーストは、エチルセルロー
スと２，２，４−トリメチル−１，３−ペンタジオール
モノイソブチレートを１対９の比で含むビヒクルに平均
粒径３μｍの銅を９２容量%含んだ混練物１００gに対し
て、平均粒径２．１μｍのアルミナ粉末４を２．６g添
加し、ビア充填印刷に適す様に粘度が約４０００００〜
５０００００mPa・sになるように粘度３０００００mPa・s
のエチルセルロースを１．７５g添加し、らいかい機で6
0分混合後、振動撹拌器で均一化させて製造した。上記
ペーストを径６０μｍのビア１にスクリーン印刷の要領
で埋め込んだ。上記ビア充填後のシートに所定の面内配
線２を銅ペーストで印刷し、２５層を積層し１３０℃で
圧着した。上記圧着体の焼成では１００℃／時間の速度
で昇温させる途中８５０℃で１０時間保持し、その後１
０００℃で２時間保持してから平均２００℃／時間の速
度で冷却した。上記昇温時の３００℃から途中８５０℃
で１０時間後までの間は水蒸気を分圧で０．４気圧含む
窒素で、他の時間は純窒素で処理した。
５７号公報に示した組成物でも製造したし、グリーンシ
ートとしては特開平６−２２７８５５号公報に示した組
成でも製造した。ガラスの組成やグリーンシートの組成
が変わっても本発明の特徴を有するビアを形成すること
は出来るので、ガラス組成およびグリーンシート組成は
本発明の製造方法を制限しないことを述べておく。上記
グリーンシートにパンチで直径６０μｍのビア１を明け
た。このビア充填に用いたペーストは、エチルセルロー
スと２，２，４−トリメチル−１，３−ペンタジオール
モノイソブチレートを１対９の比で含むビヒクルに平均
粒径３μｍの銅を９２容量%含んだ混練物１００gに対し
て、平均粒径２．１μｍのアルミナ粉末４を２．６g添
加し、ビア充填印刷に適す様に粘度が約４０００００〜
５０００００mPa・sになるように粘度３０００００mPa・s
のエチルセルロースを１．７５g添加し、らいかい機で6
0分混合後、振動撹拌器で均一化させて製造した。上記
ペーストを径６０μｍのビア１にスクリーン印刷の要領
で埋め込んだ。上記ビア充填後のシートに所定の面内配
線２を銅ペーストで印刷し、２５層を積層し１３０℃で
圧着した。上記圧着体の焼成では１００℃／時間の速度
で昇温させる途中８５０℃で１０時間保持し、その後１
０００℃で２時間保持してから平均２００℃／時間の速
度で冷却した。上記昇温時の３００℃から途中８５０℃
で１０時間後までの間は水蒸気を分圧で０．４気圧含む
窒素で、他の時間は純窒素で処理した。
【００２９】上述の方法で製造した本実施例を各種試験
後切断してビア１の状態を確認した。特に−５０℃／１
５０のヒートサイクル試験では３０００回以上負荷を加
えても断線などの接続上の以上は発生しなかった。図６
に本実施例に於けるビア１の断面模式図を示す。ただ
し、切断し研磨しただけでは銅粒子の粒界線は明瞭に現
れないので、水と２８％のアンモニアと３％の過酸化水
素水を体積比で５０対５０対１の割合のエッチング液に
数秒漬けた後の図を示す。面内配線２を層間接続するよ
うにビア１が有り、ビア中の銅粒子３１は明らかに面内
配線中の銅粒子３２よりも細かかった。ビア１中にはア
ルミナ４が銅粒子３１の粒界若しくは多重点に存在した
が銅粒子３１の内部には無かった。この１００個以上の
ビア１を観測したが、ビア１中には断面積にして１５０
０μｍ2を超える銅粒子３１は一つもなかった。さら
に、ビア３にクラックも無かった。このビア１の部分の
化学分析結果から銅３１とアルミナ４の割合は容量％に
換算するとそれぞれ９４．１と５．９であった。
後切断してビア１の状態を確認した。特に−５０℃／１
５０のヒートサイクル試験では３０００回以上負荷を加
えても断線などの接続上の以上は発生しなかった。図６
に本実施例に於けるビア１の断面模式図を示す。ただ
し、切断し研磨しただけでは銅粒子の粒界線は明瞭に現
れないので、水と２８％のアンモニアと３％の過酸化水
素水を体積比で５０対５０対１の割合のエッチング液に
数秒漬けた後の図を示す。面内配線２を層間接続するよ
うにビア１が有り、ビア中の銅粒子３１は明らかに面内
配線中の銅粒子３２よりも細かかった。ビア１中にはア
ルミナ４が銅粒子３１の粒界若しくは多重点に存在した
が銅粒子３１の内部には無かった。この１００個以上の
ビア１を観測したが、ビア１中には断面積にして１５０
０μｍ2を超える銅粒子３１は一つもなかった。さら
に、ビア３にクラックも無かった。このビア１の部分の
化学分析結果から銅３１とアルミナ４の割合は容量％に
換算するとそれぞれ９４．１と５．９であった。
【００３０】また本実施例と同じ製造方法にて、ビア３
に充填するペーストとして上記と異なる組成物でも製造
し上記同様の効果を得た。具体的にビア充填ペーストの
組成を記すと、エチルセルロースと２，２，４−トリメ
チル−１，３−ペンタジオールモノイソブチレートを１
対９の比で含むビヒクルに平均粒径３μｍの銅を９２容
量%含んだ混練物１００gに対して、平均粒径２．１μｍ
のアルミナ粉末４を０．８gと粘度３０００００mPa・sの
エチルセルロースを０．５５g添加したもの（ａ），ア
ルミナ粉末４を１．７gと粘度３０００００mPa・sのエチ
ルセルロースを１．１４g添加したもの（ｂ），アルミ
ナ粉末４を４．８gと粘度３０００００mPa・sのエチルセ
ルロースを３．２１g添加したもの（ｃ）である。上記
ａ，ｂ，ｃいずれのビア充填ペーストにおいても焼結後
のビア１の状態は図６と同様であり、ビア中の銅粒子３
１に断面積で１５００μｍ2を超えるものは無かった。
さらに、これらａ，ｂ，ｃを充填した焼結後のビア１に
は、容量％にしてそれぞれ、２．０、４．１、１０．５
のアルミナ４が含まれていたことが化学分析からわかっ
た。
に充填するペーストとして上記と異なる組成物でも製造
し上記同様の効果を得た。具体的にビア充填ペーストの
組成を記すと、エチルセルロースと２，２，４−トリメ
チル−１，３−ペンタジオールモノイソブチレートを１
対９の比で含むビヒクルに平均粒径３μｍの銅を９２容
量%含んだ混練物１００gに対して、平均粒径２．１μｍ
のアルミナ粉末４を０．８gと粘度３０００００mPa・sの
エチルセルロースを０．５５g添加したもの（ａ），ア
ルミナ粉末４を１．７gと粘度３０００００mPa・sのエチ
ルセルロースを１．１４g添加したもの（ｂ），アルミ
ナ粉末４を４．８gと粘度３０００００mPa・sのエチルセ
ルロースを３．２１g添加したもの（ｃ）である。上記
ａ，ｂ，ｃいずれのビア充填ペーストにおいても焼結後
のビア１の状態は図６と同様であり、ビア中の銅粒子３
１に断面積で１５００μｍ2を超えるものは無かった。
さらに、これらａ，ｂ，ｃを充填した焼結後のビア１に
は、容量％にしてそれぞれ、２．０、４．１、１０．５
のアルミナ４が含まれていたことが化学分析からわかっ
た。
【００３１】
【発明の効果】本発明によって、ビア内の銅粒子径がビ
ア径に匹敵するほど巨大になることが無くなり、−５０
℃／１５０のヒートサイクルを３０００回以上負荷を加
えても、銅粒子界面が断裂し発生する断線が無くなっ
た。さらに、破断したビアがセラミックス基板からはず
れて、抜けるという不都合も無くなった。
ア径に匹敵するほど巨大になることが無くなり、−５０
℃／１５０のヒートサイクルを３０００回以上負荷を加
えても、銅粒子界面が断裂し発生する断線が無くなっ
た。さらに、破断したビアがセラミックス基板からはず
れて、抜けるという不都合も無くなった。
【図１】焼成プロセス中のビア銅粒子の断面積変化（平
均値と最大値）を示す図。
均値と最大値）を示す図。
【図２】アルミナ添加濃度に対する焼成後のビア銅粒子
の断面積変化（平均値と最大値）を示す図。
の断面積変化（平均値と最大値）を示す図。
【図３】焼成後のビア銅粒子の断面積状態（アルミナを
添加した場合と添加しなかった場合）を示す図。
添加した場合と添加しなかった場合）を示す図。
【図４】銅焼結体中で粒界面が移動するときのエネルギ
ー変化を説明する為の図。
ー変化を説明する為の図。
【図５】焼結後のビア中のアルミナ粒子個数に対する銅
粒界面積の変化を示す図。
粒界面積の変化を示す図。
【図６】本実施例による焼結後のビア中の状態を示す
図。
図。
１・・・ビア、２・・・面内配線、３１・・・ビア中の銅粒子,
３２・・・面内配線中の銅粒子、４・・・アルミナ、４１・・・
銅、４１・・・粒界、４３・・・アルミナ。
３２・・・面内配線中の銅粒子、４・・・アルミナ、４１・・・
銅、４１・・・粒界、４３・・・アルミナ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石原 昌作 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式 会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 田中 稔 神奈川県秦野市堀山下１番地株式会社日立 製作所汎用コンピュータ事業部内 (72)発明者 堀越 睦 神奈川県秦野市堀山下１番地株式会社日立 製作所汎用コンピュータ事業部内 (72)発明者 安田 明弘 神奈川県秦野市堀山下１番地株式会社日立 製作所汎用コンピュータ事業部内 Ｆターム(参考） 5E346 AA43 CC18 CC32 DD45 EE24 FF18 GG06 GG09 HH07
Claims (3)
- 【請求項１】導体で充填されたビア配線を有し、６００
℃以上の焼結工程を経て製造される多層のガラスセラミ
ックス基板において、内部に平均粒径が１μｍ以上４μ
ｍ以下の焼結後の金属酸化物を、平均７．４μｍ以下の
間隔で有することを特徴とする多層ガラスセラミック回
路基板。 - 【請求項２】銅で充填されたビア配線を有する多層のガ
ラスセラミックス基板において、内部に平均粒径が１μ
ｍ以上４μｍ以下の焼結後のアルミナ粒子を、平均７．
４μｍ以下の間隔で有することを特徴とする多層ガラス
セラミック回路基板。 - 【請求項３】銅で充填されたビア配線を有する多層のガ
ラスセラミックス基板において、内部に平均粒径が１μ
ｍ以上４μｍ以下の焼結後のアルミナ粒子を、４．２×
１０-4(個/μｍ3)以上の個数密度で含んでいるビアを有
することを特徴とする多層ガラスセラミック回路基板。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11041042A JP2000244123A (ja) | 1999-02-19 | 1999-02-19 | 多層セラミック回路基板 |
| US09/501,683 US6248960B1 (en) | 1999-02-19 | 2000-02-10 | Ceramics substrate with electronic circuit and its manufacturing method |
| US09/835,406 US6384347B2 (en) | 1999-02-19 | 2001-04-17 | Glass-ceramic wiring board |
| US09/835,407 US6658733B2 (en) | 1999-02-19 | 2001-04-17 | Method of manufacturing via interconnection of glass-ceramic wiring board |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11041042A JP2000244123A (ja) | 1999-02-19 | 1999-02-19 | 多層セラミック回路基板 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000244123A true JP2000244123A (ja) | 2000-09-08 |
Family
ID=12597357
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11041042A Pending JP2000244123A (ja) | 1999-02-19 | 1999-02-19 | 多層セラミック回路基板 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (3) | US6248960B1 (ja) |
| JP (1) | JP2000244123A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2022522035A (ja) * | 2019-03-12 | 2022-04-13 | キョーセラ・エイブイエックス・コンポーネンツ・コーポレーション | 高電力両面薄膜フィルタ |
| WO2022163574A1 (ja) * | 2021-01-28 | 2022-08-04 | 京セラ株式会社 | 配線基板 |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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