JP2002198622A - メタライズ組成物及びそれを用いた配線基板並びにその製造方法 - Google Patents
メタライズ組成物及びそれを用いた配線基板並びにその製造方法Info
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Abstract
組成物と、低抵抗でアルミナ基板との界面に空隙のない
電気回路とを具備した配線基板とその製造方法を提供す
る。 【解決手段】Cuを10〜70体積%、W及び/又はM
oを30〜90体積%の割合で含有する組成物100重
量部に対して、Zr、Al、Li、Mg及びZnのうち
少なくとも1種を金属換算で0.05〜3.0重量部含
有することを特徴とする。
Description
適に用いられるメタライズ組成物とそれを用いた配線基
板とその製造方法に関する。
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。
た配線基板としては、信頼性の点からアルミナセラミッ
クスを絶縁基板とし、その表面又は内部にWやMo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8
mΩ/□程度までしか低くできない。
電気抵抗を低下するため、Cu、またはCuとWまたは
Moを組み合わせた導体層とアルミナとを同時焼成によ
り形成する方法が特開平8−8502号公報で提案され
ている。
ク粉末として、平均粒径が5〜50nmの微細なアルミ
ナ粉末を用いて焼成温度を低下させ、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行うことが、特許第2
666744号公報に提案されている。
8−8502号公報の方法は、アルミナの緻密化のため
に、1600℃以上の高温で焼成するため、溶融したC
u成分が表面に分離し、表面配線層ににじみが生じた
り、Cuの揮散が生じる等、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。
溶融するため、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とともに、微細な配線層を高
密度に形成することが難しいという問題があった。
では、導体層の体積収縮量が絶縁層と比較して大きくな
るため、内部導体層と絶縁層又は/およびヴィア導体と
絶縁層の界面に空隙が発生し、基板強度の低下や電気的
信頼性の低下等の問題があった。また、原料に用いる微
粉末の取扱いが非常に難しく、高コストで、量産性に欠
けるという問題があった。
り用いられるメタライズ組成物と、低抵抗でアルミナ基
板との界面に空隙のない電気回路と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。
/又はMoとの組成物に特定の金属を加えることにより
低抵抗を維持したまま、絶縁基板と配線層やヴィア導体
の間隙を減少させることでき、信頼性の高い配線基板を
実現できるという知見に基づくものである。
を10〜70体積%、W及び/又はMoを30〜90体
積%の割合で含有する組成物100重量部に対して、Z
r、Al、Li、Mg及びZnのうち少なくとも1種を
金属換算で0.05〜3.0重量部含有することを特徴
とするもので、これを用いてアルミナ基板上にこの組成
物からなる配線層やヴィア導体を設けても絶縁基板との
界面に空隙の発生を制御できる。
%以上のアルミナを主とする積層焼結体からなる絶縁基
板の少なくとも内部に、前記メタライズ組成物からなる
配線層やヴィア導体を設けてなるものである。
基板と上記メタライズ組成物とを同時に焼成しても、収
縮差が小さいため、絶縁基板と配線層やヴィア導体との
界面に発生する空隙を抑制でき、その結果、基板強度の
低下並びに電気的信頼性の向上を実現することができ
る。
u粉末を10〜70体積%、W粉末及び/又はMo粉末
を30〜90体積%の割合で含む混合粉末100重量部
に対して、Zr、Al、Li、Mg及びZnのうち少な
くとも1種を含む粉末を金属元素換算で全量中0.05
〜3.0重量部を含有する導体ペーストを、アルミナを
主とするグリーンシート表面に塗布して配線層を形成す
る工程と、前記グリーンシートにヴィアホールを形成
し、該ヴィアホールの内部にヴィア導体を形成する工程
と、該グリーンシートを複数積層して積層体を形成する
工程と、該積層体を非酸化性雰囲気中で1200〜15
00℃の最高温度で焼成することを特徴とする。
焼成を行っても、優れた保形性とともに、絶縁基板と配
線層やヴィア導体の界面の空隙を抑制し、基板強度の低
下並びに電気的信頼性の高い配線基板を製造することが
できる。
施態様を示す概略断面図を基に説明する。図1に示す配
線基板は、アルミナ質積層焼結体からなる絶縁層1上に
表面配線層2a及び内部配線層2bが設けられ、また、
ヴィア導体3が配設されている。
部配線層2b及びヴィア導体3はCuとW及び/又はM
oとを含み、さらに、Zr、Al、Li、Mg及びZn
のうち少なくとも1種を金属元素換算で0.05〜3.
0重量%の割合で含有するメタライズ組成物からなるこ
とが重要である。
抵抗を低減し、上記の絶縁層1との低温での同時焼結を
容易にし、配線導体の同時焼成後の保形性を維持するた
めに重要である。即ち、Cuが10体積%よりも少な
く、W及び/又はMoが90体積%よりも多いと、抵抗
が高くなり、また、Cuが70体積%よりも多く、W及
び/又はMoが30体積%よりも少ないと、ヴィア導体
3の同時焼成後の保形性が低下し、ヴィア導体3ににじ
みが発生したり、溶融したCuによってヴィア導体3が
凝集して断線が生じるとともに、絶縁層1との熱膨張係
数差により配線層2の剥離が発生したり、ヴィア導体3
の凹凸が大きくなり、更には焼成時にヴィア導体3が欠
落する不具合が生じる。そして、好適な組成範囲は、C
uが30〜60体積%、W及び/又はMoが40〜70
体積%である。
10μmの球状あるいは数個の粒子の凝集した焼結粒子
としてCuからなるマトリックス中に分散含有している
ことが好ましい。そして、配線層2やヴィア導体3の電
気抵抗、Cu成分の分離、にじみなどの観点からW及び
/又はMoは平均粒径1.3〜5μm、特に1.3〜3
μmの大きさで分散されていることが望ましい。
成温度がCuの融点を越え、Cuが溶融するため、配線
層やヴィア導体の気孔が消滅し、電気抵抗は低下する。
しかし、表面配線層2aや内部配線層2b等の配線導体
中のCu成分が絶縁層1中に拡散する場合があり、本発
明によれば、配線導体からその周囲の絶縁層1へのCu
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、Cuのセラミックス中への拡散
距離が20μmを超えると、配線層2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。
からなる組成物100重量部に対して、Zr、Al、L
i、Mg及びZnのうち少なくとも1種を0.05〜
3.0重量部含有することが重要である。0.05重量
部未満では、配線層2中に存在する微細な空隙を十分に
埋めることができず、また、3.0重量部を越えると導
体抵抗が上昇すると共に、Cuの分離が発生し、配線形
状を保持できないばかりか、配線の断線が発生するため
である。
を主体し、絶縁層1の熱伝導性及び高強度化を達成する
ために、相対密度が95%以上、特に97%以上、さら
には98%以上の高緻密体から構成され、さらに熱伝導
率は10W/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。
の形成には、保形性及び絶縁性を達成する上で、Cuを
含む配線導体との同時焼成が必要である。そして、その
焼成温度は1200〜1500℃の範囲であることが重
要となるため、このような低温での焼成においても相対
密度が95%以上に緻密化するように組成を決定する必
要がある。
は、アルミナを主成分とするもの、焼結助剤を加えて上
記の温度範囲で焼成し、緻密体を得ることが好ましい。
例えば、アルミナを85重量%以上の割合で含有し、焼
結助剤としてMn化合物をMn2O3換算で2.0〜1
5.0重量%、特に3〜10重量%の割合で含有するこ
とが好ましく、この組成に設定すると、高い絶縁性を維
持したまま、1200〜1500℃で緻密化が達成でき
る。
メタライズ組成物との同時焼結性を高める目的でさらに
焼結助剤を添加することが好ましい。その一例として、
MgO、CaO、SrO等のアルカリ土類元素酸化物及
びSiO2のうち少なくとも1種を0.4〜8重量%の
割合で含有せしめることができる。さらに、W、Moな
どの金属を着色成分として2重量%以下の割合で含んで
も差し支えない。
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。
相は、粒状、板状又は柱状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、1.5〜5.0μm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5.0μm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。
らなる絶縁層1の少なくとも内部に、上述のメタライズ
組成からなる配線層2やヴィア導体3が配設されている
ことが重要である。この材料の組合せにより、配線抵抗
の上昇、配線層2の断線、Cuの分離などを抑制でき、
かつ配線層2やヴィア導体3と絶縁層1の収縮量を同一
に近づけることにより、配線層2やヴィア導体3と絶縁
層1間に隙間のない、気密で電気的信頼性の高い配線基
板を得ることができる。
電気的に接続され、所望の電気回路を構成でき、また、
内部配線層2bを多層構造に形成できるため、配線基板
の小型化に有効であり、さらにはアルミナ等の絶縁層1
や他の誘電体層を、配線層2からなる一対の電極によっ
て挟むことで、容量成分を配線基板内部に形成すること
もできる。
導体3を介して別の内部配線層2bや基板表面の電極ま
たは/及び表面配線層2aと電気的に接続され、さらに
絶縁基板1の表面に設けられ、外部と電気的に接続する
外部電極との電気的な接続が図られる。
て具体的に説明する。
するために、酸化物セラミックスの主成分となるアルミ
ナ原料粉末として、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
なることがあるためである。
の成分として、Mn2O3を2.0〜15.0重量%、特
に3.0〜10.0重量%第3の成分として、SiO2
を2.0〜15.0重量%、特に3.0〜10.0重量
%の割合で添加する。また、適宜、第4成分としてMg
O、CaO、SrO粉末等のアルカリ土類元素化合物を
0.2〜8重量%、第5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。
形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グリーンシー
トを作製できる。そしてこのグリーンシートに対して、
マイクロドリル、レーザー等によりヴィアホールを形成
する。
0μmのCu含有粉末を10〜70体積%、特に30〜
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40〜70体積%の割合
で含有し、かつZr,Al,Li,Mg,Znのうち一つ
以上を金属元素換算で0.05〜3.0重量%、特には
0.2〜2.0重量%含有してなる導体ペーストを調製
する。
ール内に上記Cu含有導体ペーストを充填してヴィア導
体を形成する。なお、Zr,Al,Li,Mg,Znは金
属、酸化物、ホウ化物、窒化物或いは炭酸塩等の粉末と
して添加してもよく、このときの平均粒径は0.6〜4
μm、特には1.5〜3.0μmが望ましい。
の密着性を高めるために、アルミナ粉末や、絶縁層1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。
ルへのペーストを充填してヴィア導体3を形成するの前
後或いは同時に、上記導体ペーストをグリーンシートに
対しスクリーン印刷、グラヴィア印刷等の方法で印刷塗
布して形成する。
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1
200〜1500℃の温度で焼成する。
と、通常の原料を用いた場合において、アルミナ絶縁基
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M
o自体の焼結が進み、Cuの流動により均一組織を維持
できなく、強いては低抵抗を維持することが困難とな
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、Cu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20μm以下
に抑制することが困難となるためである。焼成温度は、
特に1250〜1400℃が好ましい。
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Cu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
0〜25℃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Cu含有導体
のCu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、Cuの拡散を助長してしまうためである。
て、焼結助剤として平均粒径3.5μmのMn2O3粉
末、平均粒径1.0μmのSiO2粉末、平均粒径0.
8μmのMgCO3粉末を表1に示すような割合で添加
し、混合した後、結合材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。
法にて厚さ250μmのシート状に成形してグリーンシ
ートを作成した。そして、図1のように所望の部位にマ
イクロドリルを用いて穴を形成し、直径100〜200
μmのヴィアホールとした。
測定用試料は、縦30mm、横35mmのグリーンシー
トを打ち抜きにより作製した。なお、充填率は、グリー
ンシートの重量と寸法から密度を算出し、その密度を理
論密度で割り、相対密度として表した。また、収縮率
は、焼成前後の寸法変化から算出した。
のため、図2に示すような2層の絶縁層に、上面から下
面に貫通した800個のヴィア導体を形成した評価基板
を作製した。
均粒径が0.8〜12μmのW粉末及び/又はMo粉末
とともに、所望によりZrO2、ZnO、LiCO3、M
gCO3、Alを表1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。
ストを印刷塗布するとともに、ヴィアホールに上記配線
層用導体ペーストを充填した。そして、配線導体が形成
されたグリーンシートを積層圧着して積層体を作製し
た。
ない酸素含有雰囲気中(H2+O2)で脱脂を行った後、
表1に示した焼成温度にて、露点20℃の窒素水素混合
雰囲気中にて焼成した。
の電気抵抗を4端子法にて測定し、得られた測定値を1
5μm厚みの配線層のシート抵抗に換算した。その際に
は、以下の換算式を用いた。 シート抵抗={(測定値)×(線幅)×15}/{(線
長)×(線厚み)} さらに、メタライズ(導体層)の収縮量の測定は表1に
示す組成で調整したペーストをシート状に成形し、15
0℃のN2中で乾燥し、30mm×35mmの寸法に打
ち抜き、上述の方法により生密度を測定して粉末の充填
率を計算した。その後、焼成して体積収縮率を測定し、
メタライズと基板の収縮率の差を算出した。
ィア導体に対して、絶縁層とヴィア導体との界面の空隙
の有無を、蛍光探傷液に浸して界面に浸透するかどうか
を観察し、空隙の観察された割合を百分率で表した。
部に銅溜りや50μm以上の膨れが存在した場合、及び
配線導体において10μm以上のしみ出しがある場合を
「×」とした。
4〜17、19〜23及び25〜36は、絶縁基板が相
対密度95%以上、シート抵抗が8mΩ/□以下、不良
率が0で、ヴィアを含め導体層のにじみや剥離の発生も
なかった。なお、X線マイクロアナライザー分析(EP
MA)を用いて測定したCuの平均拡散距離は20μm
以下であった。
10体積%よりも少なく、本発明の範囲外の試料No.6
は、シート抵抗が高く、空隙を埋めるCu量が少ないた
めに絶縁層とヴィア導体との界面に蛍光探傷液の浸入が
見られた。
く、本発明の範囲外の試料No.13は、導体の保形性が
悪くなるとともに、組織が不均一となるばかりでなくヴ
ィア導体の欠落も発生するとともに、ヴィア導体ににじ
みおよび一部剥離も観察された。
本発明の範囲外の試料No.18は、絶縁層とメタライ
ズの体積収縮率差が−8%と大きく界面に空隙が出来て
いることが蛍光探傷液浸入不良率からわかった。
明の範囲外の試料No.24は、添加量が多いためにC
uの分離が起こり、ヴィア導体の緻密化が達成されず蛍
光探傷液の浸入が見られた。
セラミックスからなる絶縁基板と表面及び/又は内部導
体界面に連続した空隙の無い低抵抗導体を低温で同時焼
成によって形成することができ、高信頼性の配線基板を
得ることが出来る。
図である。
察するための評価基板の一部を示す概略断面図である。
Claims (3)
- 【請求項1】Cuを10〜70体積%、W及び/又はM
oを30〜90体積%の割合で含有する組成物100重
量部に対して、Zr、Al、Li、Mg及びZnのうち
少なくとも1種を金属換算で0.05〜3.0重量部含
有することを特徴とするメタライズ組成物。 - 【請求項2】相対密度95%以上のアルミナを主とする
積層焼結体からなる絶縁基板の少なくとも内部に、請求
項1記載のメタライズ組成物からなる配線層及びヴィア
導体が設けられてなることを特徴とする配線基板。 - 【請求項3】Cu粉末を10〜70体積%、W粉末及び
/又はMo粉末を30〜90体積%の割合で含む混合粉
末100重量部に対して、Zr、Al、Li、Mg及び
Znのうち少なくとも1種を含む粉末を金属元素換算で
全量中0.05〜3.0重量部を含有する導体ペースト
を、アルミナを主とするグリーンシート表面に塗布して
配線層を形成する工程と、前記グリーンシートにヴィア
ホールを形成し、該ヴィアホールの内部にヴィア導体を
形成する工程と、該グリーンシートを複数積層して積層
体を形成する工程と、該積層体を非酸化性雰囲気中で1
200〜1500℃の最高温度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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---|---|---|---|
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