JP2001216836A - 銅導体組成物及びこれを用いた配線基板 - Google Patents
銅導体組成物及びこれを用いた配線基板Info
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Abstract
る絶縁基板との接着強度を向上させ、且つ基板の反りを
抑制し、半田濡れ性にも優れた銅導体組成物及びこれを
用いた配線基板を得る。 【解決手段】ガラスセラミックスから成る絶縁基板2
と、この絶縁基板2の表面及び/または内部に被着形成
されたメタライズ配線層3とを備えた配線基板1におい
て、、このメタライズ配線層3を、銅成分100重量部
に対して、ZnOを20〜80重量%、SiO2を80
〜20重量%、B2O3を0〜8重量%からなる無機フィ
ラーを0.1〜10重量部の割合で配合してなる銅導体
組成物を絶縁基板2に被着し、絶縁基板1と同時焼成し
て形成する。
Description
スなどの絶縁基板と同時焼成して形成されるメタライズ
配線層を形成するのに適した銅導体組成物及びこれを用
いた配線基板に関する。
の対応性、高密度化、高速化が要求され、アルミナ系セ
ラミック材料に比較して低い誘電率が得られ、配線層の
低抵抗化が可能な低温焼成配線基板が一層注目されてい
る。
クスからなる絶縁基板に、銅、金、銀などの低抵抗金属
を主体とするメタライズ配線層を施したものが知られて
いる。このような配線基板は、ガラスセラミック組成物
からなるシート状成形体に上記低抵抗金属粉末を含む導
体ペーストを印刷した後、800〜1000℃で同時に
焼成して作製される。
低抵抗化、絶縁基板の低誘電率、低誘電損失化によっ
て、半導体素子が収納する半導体素子収納用パッケージ
や、配線回路基板、携帯電話やパーソナルハンディホン
システム、各種衛星通信用に使用される高周波用多層配
線基板など、あらゆる分野への応用が進められている。
例えば、ガラスセラミックスからなる絶縁基板の表面及
び内部に銅粉末を主成分とするメタライズ配線層を形成
する場合には、ガラスセラミック原料粉末、有機バイン
ダーに溶剤を添加して調製したスラリーをドクターブレ
ード法などによってシート状に形成し、得られたグリー
ンシートに貫通孔を打ち抜き加工し、該貫通孔に銅粉末
を主成分とする導体ペーストを充填し、同時にグリーン
シート上に銅粉末を主成分とする導体ペーストを配線パ
ターン状にスクリーン印刷法などで印刷形成しする。そ
して、配線パターンや貫通孔に導体が充填されたビアホ
ール導体が形成されたグリーンシートを複数枚加圧積層
し、800〜1000℃で焼成することによってメタラ
イズ配線層を有する配線基板が得られる。
クスとの親和性が悪いため、形成されたメタライズ配線
層とガラスセラミック基板との接着強度が低く、そのた
めにピン端子あるいはボール端子を接続するための接続
パッド部などの高い接着強度を要求される部分では熱的
または機械的な応力が加わると配線基板とガラスセラミ
ック基板とが剥離しやすいという問題があった。
化銅、銅粉末を主成分とする導体ペーストにZnO等を
添加したり(特開平1−317184号公報)、銅粉末
を主成分とする導体ペーストにZnOを含むガラス粉末
を添加することが提案されている。(特開平3−467
06号公報)が提案されている。
銅、銅粉末を主体とする導体ペーストにZnO粉末を添
加する方法では、銅の焼結性を阻害し、焼成時にガラス
セラミック基板の収縮挙動との間でずれが生じるため、
配線基板の反りを引き起こし、さらに焼結が著しく阻害
された場合には接着強度の劣化が生じる。
にZnOを含むガラス粉末を添加する方法は、高純度な
AlN基板に適用するのに好適な例であり、この方法を
ガラスセラミックスを絶縁基板とする配線基板に適用し
た場合には、銅粉末の焼結性は向上するものの、ガラス
セラミック基板との相互作用により銅成分とガラス成分
との分離が生じて、導体ペースト内に含有されたガラス
成分が銅メタライズ配線層の表面に浮上してしまい、そ
の結果、、そのメタライズ配線層上に半田によって端子
等を接続する際に半田濡れ性が低下するという問題があ
った。
層とガラスセラミックスから成る絶縁基板との接着強度
を向上させ、且つ基板の反りを抑制し、半田濡れ性にも
優れた銅導体組成物及びこれを用いた配線基板を提供す
ることである。
題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、銅粉末などの低
抵抗金属粉末に、少なくともZnO粉末、SiO2粉末
を含有し、さらにはB2O3粉末を含有する無機フィラー
を添加した導体組成物を使用してメタライズ配線層を形
成する場合には、ガラスセラミックスから成る絶縁基板
に対する接着強度が向上し、且つ半田濡れ性が良好であ
り、しかも絶縁基板と導体ペーストの焼成収縮差に起因
する基板の反りを抑制できるという新たな事実を見いだ
し、本発明を完成させるに至った。
00重量部に対して、ZnO粉末を20〜80重量%、
SiO2粉末を80〜20重量%、B2O3粉末を0〜8
重量%からなる無機フィラーを0.1〜10重量部の割
合で配合してなることを特徴とするものである。
SiO2粉末と、あるいは、ZnO粉末とSiO2粉末と
B2O3粉末との混合物を1000〜1500℃で焼成
後、粉砕したものであることが望ましい。これは各成分
を固相法によって均質な成分にするためである。
0μmの球状の銅含有粉末であることが好ましい。これ
により、メタライズ配線層の収縮などの焼結挙動をガラ
スセラミック基板の焼結挙動によりいっそう近似させる
ことができるため、基板の反りを抑制でき、さらにスク
リーン印刷に好適な粒径であるために印刷精度が向上す
る。なお、銅含有粉末は、銅粉末あるいは酸化銅粉末か
らなる。
ックスから成る絶縁基板と、この絶縁基板の表面及び/
または内部に被着形成されたメタライズ配線層とを備え
るものであって、このメタライズ配線層が上記の銅導体
組成物を前記絶縁基板に被着し、前記絶縁基板と同時焼
成して形成されたものであることを特徴とする。
ける熱膨張係数が8〜18×10-6/℃であることが望
ましい。これにより、絶縁基板を半田ボールなどの接続
端子を介して、有機樹脂を絶縁基板中に含有する熱膨張
係数が13〜30×10-6/℃のプリント配線基板に表
面実装した場合の半田接続部に加わる熱応力を緩和し、
その結果、実装信頼性が改善される。
と、無機フィラーとから構成されるものであって、銅成
分に対して無機フィラーを添加するものであるが、この
無機フィラーが、必須成分として、ZnOおよびSiO
2を含み、任意成分としてB2O3を含むものである。
O、SiO2、B2O3からなる無機フィラーは、一般に
ZnO単味の場合に比較して融点が低いため、ZnO単
味の場合に比較して低い温度で焼結が進むため、焼結性
が向上するという利点がある。
3の割合は、3成分基準で、ZnO粉末を20〜80重
量%、特に25〜75重量%、SiO2粉末を80〜2
0重量%、特に25〜75重量%、B2O3粉末を0〜8
重量%、特に3〜7重量%の割合で含有するものであ
る。
合には、絶縁基板中へのZnの拡散量が少なくなり接着
強度が劣化し、半田濡れ性も劣化する。一方ZnO量が
80重量%を上回る場合には、無機フィラー中に高融点
のZnOが析出し、導体の焼結性を劣化させ、接着強
度、基板反り、半田濡れ性に悪影響を及ぼす。またSi
O2量についてもZnOと同じ理由で上述のような限定
がなされる。
に焼結性が著しく向上する。ただし、B2O3量が8重量
部を超える場合には、無機フィラーの焼結性が著しく良
くなる結果、低抵抗金属粉末との親和性が無くなり、半
田濡れ性が劣化してしまう。
物における金属成分以外の絶縁性の無機物を意味し、本
発明によれば、無機フィラーとして上記のZnO、Si
O2、B2O3以外に、MgO、CaO、BaOなどのア
ルカリ土類酸化物などの他の無機物を本発明の効果を損
なわない限りにおいて、微量含有することも可能である
が、上記のZnO、SiO2、B2O3は全無機フィラー
中、90重量%以上、特に95重量%以上、さらには9
9重量%以上であることが望ましい。
nO粉末とSiO2粉末と、あるいは、ZnO粉末とS
iO2粉末とB2O3粉末との混合物を1000〜150
0℃で焼成後、粉砕したものであって、その平均粒径が
0.5〜3μmであることが望ましい。
も均質であるために、強度などの特性がより安定するた
めである。なお、この熱処理物は、結晶性化合物であっ
て、Zn2SiO4からなる結晶中に硼素元素が固溶した
化合物からなる。
2とは、上記結晶性化合物を形成するために、ZnO:
SiO2重量比が2:8〜8:2であることが望まし
い。
0重量部に対して、0.1〜10重量部の割合で含有し
ていることが必要であって、無機フィラーの含有量が
0.1重量部を下回る場合には、メタライズ配線層とガ
ラスセラミックスから成る絶縁基板との親和性が悪化
し、その結果、メタライズ配線層と絶縁基板との接着強
度が弱くなり、反りも発生する。一方、無機フィラーの
含有量が10重量部を超える場合には、低抵抗金属粉末
の焼結性を劣化させ、半田濡れ性、接着強度、基板反り
等に悪影響を及ぼす。無機フィラーは1〜5重量部の割
合で含有されているのがより好ましい。また、使用する
無機フィラーはいずれも平均粒径が0.1〜3μm程度
であるのが焼結性を高める上で好ましい。
囲気での熱処理によって銅に還元される酸化銅粉末であ
ってもよい。これらの粉末は平均粒径0.5〜10μ
m、特に2〜7μm、さらには3〜5μmの粉末、特に
球状の銅粉末を用いることによって、過焼結による接着
強度の低下を防止し、また微細な配線を形成することが
可能となる。
成物を用いた配線基板について説明する。図1は、本発
明の一実施形態にかかる配線基板の構造を示しており、
複数のメタライズ配線層を有する多層配線基板である。
板2とメタライズ配線層3とを含んでいる。絶縁基板2
は、複数のガラスセラミック絶縁層2a・・・2dを積
層した積層体から構成され、各層間および絶縁基板2の
表面には、厚みが5〜30μmのメタライズ配線層3が
被着形成されている。また、絶縁基板2内には、絶縁層
2a・・・2dの厚さ方向に貫通した直径が50〜20
0μm程度のビアホール導体4が形成されている。
するガラス、又はSiO2を含有するガラスと無機フィ
ラーとの複合材料からなるガラスセラミックスからな
る。具体的には、ガラスセラミック材料のガラス成分
は、複数の金属酸化物から構成され、焼成後において非
晶質、又は焼成によって、コージェライト、ムライト、
アノーサイト、セルジアン、スピネル、ガーナイト、ウ
ィレマイト、ドロマイト、リチウムシリケートやその置
換誘導体の結晶を析出する結晶化ガラスによって構成さ
れる。
にLi2O、K2O、Na2Oなどのアルカリ金属酸化
物、CaO、MgOなどのアルカリ土類金属酸化物、A
l2O3、P2O5、ZnO、B2O3、PbOから選ばれる
1種または2種以上を含有するホウ珪酸ガラス、BaO
系ガラス、ナトリウムソーダガラス等が挙げられる。
リストバライト、石英、コランダム(αアルミナ)、デ
ィオプサイト、ムライト、コージェライト、およびフォ
ルステライトから選ばれる1種または2種以上が使用可
能である。
ラス成分が30〜70重量部、フィラー成分が70〜3
0重量部からなることが適当である。
00℃までの熱膨張係数が8〜18×10-6/℃である
のが好ましい。絶縁基板2の熱膨張係数が8×10-6/
℃を下回ると、絶縁基板2とプリント配線板との半田接
合部に熱応力が加わり実装信頼性が低下するという問題
があり、逆に18×10-6/℃を超えると絶縁基板2と
シリコンチップとの半田接合部に熱応力が加わり実装信
頼性が低下するという問題がある。
線層3は、ICチップなどの各種電子部品5を搭載する
ためのパッドとして、シールド用導体膜として、さらに
は、外部回路と接続する端子電極として用いられ、各種
電子部品5が配線層3に半田などの導電性接着剤6を介
して接合される。
び内部のメタライズ配線層3、並びにビアホール導体4
を上記の銅導体組成物によって絶縁基板2と同時焼成に
よって形成するものである。
配線基板の表面には、更に、珪化タンタル、珪化モリブ
デンなどの厚膜抵抗体膜や配線保護膜などを形成しても
構わない。
ついて説明する。まず、上述したようなガラス成分、又
はガラス成分とフィラーとを混合してガラスセラミック
組成物を調製し、その混合物に有機バインダーなどを加
えた後、ドクターブレード法、圧延法、プレス法等の適
宜な成形手段によりグリーンシートを得る。
ペーストをスクリーン印刷等により配線パターン状に印
刷する。導体ペーストの主成分となる銅成分には前記し
た所定粒径の銅粉末、もしくは酸化銅などの単体または
それらの混合物が用いられる。酸化銅は還元性雰囲気で
焼成されることにより実質的に銅単体に還元される。
ィラー以外に、アクリル樹脂などの有機バインダーと、
αテルピネオール、ジブチルフタレート、ブチルカルビ
トールなどの有機溶剤とを均質混合して調製される。
からなる無機物成分100重量部に対して1〜10重量
部、有機溶剤成分は5〜30重量部の割合で混合するの
が望ましい。
前記グリーンシートにレーザーやマイクロドリル、パン
チングなどにより直径50〜200μmの貫通孔を形成
しこの貫通穴の内部に前記メタライズ配線層3と同じ導
体ペーストを充填する。その後、配線層3やビアホール
導体4が形成されたグリーンシートを積層圧着して積層
体を形成する。
窒素雰囲気中で加熱処理してグリーンシート内やペース
ト中に含有されている有機成分を分解除去した後、80
0〜1000℃の窒素雰囲気中で同時焼成することによ
り、メタライズ配線層3及びビアホール導体4を具備す
る多層配線基板を作製することができる。
層配線基板に限定されるものではなく、単層のガラスセ
ラミックのグリーンシート上に前記と同様な導体ペース
トで配線パターンを印刷し、同時焼成した配線基板をも
包含する。
も、内部配線層4のみを積層体と同時に焼成処理し、表
面配線層4を公知の銅厚膜用の組成物を印刷して焼き付
け処理して形成することも可能である。
るが、本発明の銅導体組成物およびこれを用いた配線基
板は以下の実施例のみに限定されるものではない。 (実施例1)絶縁基板用のグリーンシートとしては重量
比率で43%SiO2−37%BaO−9%B2O3−6
%Al2O3−5%CaO(屈伏点700℃)の組成のガ
ラスを50体積%に対してフィラー成分としてSiO2
を50体積%混合したものを用いた。これに分子量30
万のアクリル系バインダーと可塑剤、分散剤、溶剤を加
え混合し、かかる泥しょうをドクターブレード法により
厚さ平均200μmのグリーンシートに成形した。
ーとしてZnO、SiO2、B2O3を表1に示す割合で
秤量し混合したものを1300℃(固相法)の温度で5
時間保持し、徐令したものを平均粒径が2μmと成るよ
うに粉砕した。
に、上述の無機フィラーを表2に示す割合で加え、これ
ら無機物成分100重量部に対して有機バインダーとし
てアクリル樹脂を2重量部、有機溶剤としてαテルピネ
オールを15重量部添加し、混練して導体ペーストを調
整した。
リーンシートを用いて、以下に示す3種類のサンプルを
作成した。 (1)接着強度を評価するサンプル 焼成後の寸法が2mm×2mmで、厚さ約12μmのパ
ターンをスクリーン印刷し、このグリーンシートの下部
に同じグリーンシート5枚を加圧積層した。 (2)基板反りを評価するサンプル 焼成後の寸法が10mm×10mmで、厚さ12μmの
パターンをスクリーン印刷し、このグリーンシートの下
部に同じグリーンシート1枚を加圧積層した。 (3)半田濡れ性を評価するサンプル 焼成後の直径が0.1mmの円形パターンをグリーンシ
ート上にスクリーン印刷し、このグリーンシートの下部
に同じグリーンシート5枚を加圧積層した。
未焼成状態の積層体を有機バインダーなどの有機成分を
分解除去するために、窒素雰囲気中で700℃の温度で
3時間保持した後、950℃に昇温して1時間保持して
配線基板を得た。なお、前記グリーンシートを焼成して
得た絶縁基板の0〜400℃での熱膨張係数は11.5
×10-6/℃であった。前記(1)〜(3)のサンプル
を用いて得た各配線基板について、以下の方法にて特性
を評価した。 (a)接着強度の評価方法 得られた配線基板の表面に存在する1辺が2mm四方の
銅配線層に厚さ1μmのNiメッキを施し、その表面に
厚さ0.1μmのAuメッキを施した。次に、この金メ
ッキ層上に直径0.8mmの錫メッキ銅線を基板と平衡
に半田付けし、ついで錫メッキ銅線を基板に対して垂直
方向に曲げ、錫メッキ導線を10mm/minの引っ張
り速度で垂直方向に引っ張り、銅配線層と絶縁基板との
界面が破断したときの最大荷重を銅配線層の接着強度と
して評価した。このとき、接着強度が2Kg/2mm角
を超えるものを良品とした。 (b)基板反りの評価方法 配線基板の表面に存在する一辺が10mm四方の銅配線
層の対角方向(長さ14.2mm)に沿って接触型の表
面粗さ径にて表面粗さを測定し、Rmaxが50μm/
14.2mm以下のものを良品とした。 (c)半田濡れ性の評価方法 配線基板の表面に存在する円形パターンの銅配線層にフ
ラックスを塗布し235℃に保たれた共晶半田中に、鉛
直方向に対して45度の角度で5秒間浸漬させたものを
実体顕微鏡にて観察し、銅配線のパターン全面が半田で
濡れているものを良品(〇)、それ以外を不良(×)と
した。
ー中のB2O3量が8重量%を上回る試料No.6、1
2、18では焼結性が極端に良く成りすぎ、半田濡れ性
が劣化した。またSiO2が20重量%よりも少ない試
料No.19では焼結性が劣化し、基板反り、半田濡れ
性が劣化した。またZnO量が20重量%を下回る試料
No.21ではZnOの拡散量が減少した結果、接着強
度と半田濡れ性が劣化した。
では、焼結性が悪くなった結果、基板反りが劣化した。
またZnO含有ガラスを用いた試料番号23では焼結性
は良くなるものの、ガラスの凝集が発生し、半田濡れ性
が劣化した。
o.1〜5、7〜11、13〜17、20では、接着強
度が大きく、基板の反りも抑制され、さらに半田濡れ性
も良好であった。 (実施例2)実施例1の結果、良好な結果が得られた表
1の無機フィラー組成No.9について、その添加量を
変化させた実験を行い、実施例1と同様な評価を行な
い、その結果を表3に示した。
添加量が0.1重量部を下回る試料No.24、25で
は接着強度が弱く、基板反りも大きくなった。また無機
フィラーの添加量が10重量部を上回る試料No.32
では、半田濡れ性が著しく劣化し、接着強度、基板反り
も劣化した。
26〜31、33〜36では接着強度が大きく、基板の
反りも抑制され、さらに半田濡れ性も良好であった。
O、SiO2、B2O3を含有する無機フィラーを添加す
ることにより、特にガラスセラミックスからなる絶縁基
板との親和性が改善されるため、接着強度が向上すると
ともに、半田濡れ性が良好であり、基板の反りも抑制さ
れた配線基板を得ることができる。
Claims (6)
- 【請求項1】銅成分100重量部に対して、ZnOを2
0〜80重量%、SiO2を80〜20重量%、B2O3
を0〜8重量%からなる無機フィラーを0.1〜10重
量部の割合で配合してなることを特徴とする銅導体組成
物。 - 【請求項2】前記無機フィラーが、ZnO粉末とSiO
2粉末と、あるいは、ZnO粉末とSiO2粉末とB2O3
粉末との混合物を1000〜1500℃で焼成後、粉砕
したものである請求項1記載の銅導体組成物。 - 【請求項3】前記銅成分が、平均粒径0.5〜10μm
の球状の銅粉末である請求項1記載の銅導体組成物。 - 【請求項4】前記銅成分が、銅粉末および/または酸化
銅粉末からなることを特徴とする請求項1記載の銅導体
組成物。 - 【請求項5】ガラスセラミックスから成る絶縁基板と、
この絶縁基板の表面及び/または内部に被着形成された
メタライズ配線層とを備え、このメタライズ配線層が請
求項1乃至請求項3のいずれかに記載の銅導体組成物を
前記絶縁基板に被着し、前記絶縁基板と同時焼成して形
成されたものであることを特徴とする配線基板。 - 【請求項6】前記絶縁基板の0〜400℃における熱膨
張係数が8〜18×10-6/℃である請求項5記載の配
線基板。
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