JP2004327734A

JP2004327734A - セラミック基板の製造方法

Info

Publication number: JP2004327734A
Application number: JP2003120762A
Authority: JP
Inventors: Takasuke Nishiura; 崇介西浦; Kenichi Nagae; 謙一永江
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-04-24
Filing date: 2003-04-24
Publication date: 2004-11-18

Abstract

【課題】セラミック基板の焼成温度では焼結しない無機組成物よりなる拘束シートをグリーンシート積層体の少なくとも一方の表面に積層し焼成処理を行う多層セラミック基板の製造方法において、連続炉で焼成を行う際でも基板内の収縮率のばらつきを抑制し、高い寸法精度を有するセラミック基板を得るためのセラミック基板の製造方法を提供する。
【解決手段】導体パターンのピッチを、連続炉の可動ベルトの進行方向に対し、後端側から先端側にかけて徐々に小さくした事により、焼成で発生する基板内の寸法ばらつきを抑制できる。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミック基板の製造方法に関し、特に、多層配線基板及び半導体素子収納用パッケージなどに適したセラミック基板の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
近年、高集積化が進むＩＣやＬＳＩ等の半導体素子を搭載する半導体素子収納用パッケージや、各種電子部品が搭載される混成集積回路装置等に適用される配線基板においては、高密度化、低抵抗化、小型軽量化が要求されており、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、配線回路層としてＣｕ等の低抵抗金属を用いることができることから、焼成温度が１０００℃以下のいわゆる低温焼成セラミック配線基板が一層注目されている。
【０００３】
また、配線基板の高密度化が進むのに伴い、寸法の高精度化に対する要求も強くなっている。低温焼成セラミックは、アルミナ系セラミック材料等と比較して低い温度で焼成が行える事から、高精度化に対して次のような焼成方法が提案されている。
【０００４】
そして、例えば、下記の特許文献１および２によれば、セラミック基板を焼成する際に、セラミック基板の焼成温度では焼結しない無機組成物よりなる拘束シートをグリーンシート積層体の両面に積層し焼成処理を行う事により、基板の面方向にはほとんど収縮させずに焼結させる手法が提案されている。
【０００５】
【特許文献１】
特許２５５４４１５号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開２００２−１９８６４６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記手法を連続炉に適用すると、可動ベルト上に載置した積層体の焼成収縮率が、この可動ベルトの炉内への入口側から出口側へ向かって、即ち、可動ベルトの進行方向に対し、後端側から先端側にかけて、徐々に小さくなるように収縮してしまい、結果として、基板内の収縮率のばらつきが大きくなるという問題があった。
【０００８】
従って、本発明は、セラミック基板の焼成温度では焼結しない無機組成物よりなる拘束シートをグリーンシート積層体の少なくとも一方の表面に積層し焼成処理を行う多層セラミック基板の製造方法において、連続炉で焼成を行う際でも基板内の寸法ばらつきを抑制し、高い寸法精度を有するセラミック基板を得るためのセラミック基板の製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記のような課題について鋭意検討した結果、焼成前の段階で導体パターンのピッチが前記可動ベルトの進行方向に対し、後端側から先端側にかけて徐々に小さくした事により、連続炉で焼成を行う際に発生する基板内の寸法ばらつきを抑制するという目的が達成できることを見出した。
【００１０】
即ち、本発明のセラミック基板の製造方法は、セラミックグリーンシートに導体パターンおよびビアホール導体を形成し、同様に作製した所望枚数のセラミックグリーンシートを積層したグリーンシート積層体の少なくとも一方の主面に、前記セラミックグリーンシートの焼成温度では焼結しない無機組成物よりなる拘束シートを積層した後、前記グリーンシート積層体を可動ベルトに載置し、所望温度に加熱された領域を通過させて焼成処理を行い、その後、前記拘束シートを取り除くことを特徴とするセラミック基板の製造方法において、前記導体パターンのピッチを、前記可動ベルトの進行方向に対し、後端側から先端側にかけて徐々に小さくした事を特徴とする。
【００１１】
さらに、前記導体パターンのピッチの変化率が０．００３％〜０．１％である事が望ましい。
【００１２】
ここで、導体パターンのピッチの変化率とは、グリーンシート積層体を可動ベルトの進行方向に均等に分割したときに形成される相互に隣接する導体パターンの前列のピッチをＬ１、次の導体パターンのピッチをＬ２としたときに、（（Ｌ１−Ｌ２）×１００）／Ｌ１（％）の関係で表される比率のことをいう。この場合、ビアホール導体２も同様のピッチとなる。
【００１３】
また、前記導体パターンが、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔの少なくとも１種を含有する金属焼結体あるいは金属箔からなることが望ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について図面に基づいて説明する。図１は本発明のセラミック基板の製造方法を示す工程図である。
【００１５】
図１によれば、上記のようなセラミック基板は、（ａ）セラミック組成物からなるセラミックグリーンシートを得る工程と、（ｂ）セラミックグリーンシートに穴あけ加工を施し、ビアホールを形成し、ビアホールに導体ペーストを充填する工程と、（ｃ）セラミックグリーンシート表面に、スクリーン印刷法等で、導体パターンを形成する工程と、（ａ）〜（ｃ）工程を経て作製したセラミックグリーンシートを積層し、セラミック積層体を作製する工程（ｄ）と、（ｅ）拘束シートを前記セラミック積層体の両面に積層する工程と、（ａ）〜（ｅ）工程を経て作製した複合積層体を前記導体パターンを構成する金属導体の融点以下の温度で焼成する工程（ｆ）と、（ｇ）前記複合積層体から前記拘束シートを除去する工程を経て製造される。以下に各工程毎に詳細に説明する。
【００１６】
（ａ）セラミック組成物からなるセラミックグリーンシートを得る工程では、原料粉末としてガラス粉末とセラミックフィラー粉末を所定量秤量し、さらに有機バインダー、可塑剤、有機溶剤等を加えてスラリーを調製した後、ドクターブレード法、圧延法、プレス法等の周知の成形法によりシート状に成形して厚さ５０〜５００μｍのセラミック配線基板をなすガラスセラミックグリーンシート１を作製する。
【００１７】
用いられるガラス成分としては、少なくともＳｉＯ_２を含み、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｂ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＰｂＯ、アルカリ土類金属酸化物、アルカリ金属酸化物のうちの少なくとも１種以上を含有したものであって、例えば、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３系−ＭＯ系（但し、ＭはＣａ、Ｓｒ、Ｍｇ、ＢａまたはＺｎを示す）等のホウケイ酸ガラス、アルカリ珪酸ガラス、Ｂａ系ガラス、Ｐｂ系ガラス、Ｂｉ系ガラス等が挙げられる。
【００１８】
これらのガラス成分は焼成処理することによっても非晶質ガラスであるもの、また焼成処理によって、リチウムシリケート、クォーツ、クリストバライト、コ−ジェライト、ムライト、アノ−サイト、セルジアン、スピネル、ガ−ナイト、ウイレマイト、ドロマイト、ペタライト、ディオプサイドやその置換誘導体の結晶を少なくとも１種類を析出するものが用いられる。
【００１９】
また、セラミックフィラーとしては、クォーツ、クリストバライト等のＳｉＯ_２や、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、コージェライト、ムライト、フォルステライト、エンスタタイト、スピネル、マグネシア等が好適に用いられる。
【００２０】
（ｂ）セラミックグリーンシートに穴あけ加工を施し、ビアホールを形成し、ビアホールに導体ペーストを充填する工程では、（ａ）で得たセラミックグリーンシート１に、レ−ザ−やマイクロドリル、パンチングなどにより、直径３０〜３００μｍの貫通孔を形成し、その内部にビア用導体ペーストを充填し、ビアホール導体２を形成する。
【００２１】
図２は、ピッチの変化率を有するビアホール導体の配置を示す模式図である。
【００２２】
導体パターンのピッチの変化率に対応するビアホール導体の配置を示す模式図である。
【００２３】
本発明では、導体パターンのピッチを、連続炉の可動ベルトの進行方向に対し、後端側から先端側にかけて除々に小さくなるようにするため、導体パターンのピッチに併せてビアホール導体２のピッチを連続炉の可動ベルトの進行方向に対し、後端側から先端側にかけて除々に小さくなるようにする事が重要である。図２において、矢印はベルト炉の進行方向を示す。
【００２４】
ビア用導体ペーストは、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔのうち少なくとも１種を主成分とする金属粉末に、アクリル樹脂などからなる有機バインダーとテルピネオール、ジブチルフタレートなどの有機溶剤とを均質混合して形成される。
【００２５】
有機バインダーは、金属成分１００質量％に対して、０．５〜１５．０質量％、有機溶剤は、固形成分及び有機バインダー１００質量％に対して、５〜１００質量％の割合で混合されることが望ましい。なお、このビア用導体ペースト中には若干のセラミックフィラーやガラス成分等を添加してもよい。
【００２６】
（ｃ）セラミックグリーンシート１の表面に導体パターン３を形成する工程では、ビアホール導体２を形成したこのセラミックグリーンシート１の表面に導体パターン３用の導体ペーストをスクリーン印刷法で導体パターン３を形成するか、あるいは金属箔を用い、転写法によって導体パターン３を形成する。
【００２７】
図３は、ビアホール導体のピッチの変化率に対応する導体パターンの配置を示す模式図である。また、本発明では、前記ビアホール導体２と同じピッチの変化率において導体パターン３のピッチが形成されていることを特徴とする。即ち、連続炉の可動ベルトの進行方向に対し、後端側から先端側にかけて除々に小さくなるようにする事が重要である。図３において、矢印はベルト炉の進行方向を示す。
【００２８】
ここで、導体パターン３のピッチを変化させる際の変化率は０．００３％〜０．１％、特に、０．００６〜０．０５％が望ましく、連続炉で発生する収縮率の変化率を考慮して最適値を選択するのがよい。
【００２９】
導体パターン３用の導体ペーストは、上記ビア用導体ペーストと同様の手法により作製され、必要に応じて成分や配合比率を変更することにより作製する。
【００３０】
一方、金属箔を用いた転写法による導体パターン３の形成方法としては、まず高分子材料等からなる転写フィルム上に金属箔を接着した後、この金属箔の表面にネガ対称のレジストを回路パターン上に塗布した後、エッチング処理およびレジスト除去を行ってネガ対称のパターンを形成し、このネガ対称のパターンを形成した転写フィルムを、前記ビアホール導体２が形成されたセラミックグリーンシート１の表面に位置合わせして積層圧着した後、転写フィルムを剥がす事により、ビアホール導体２と接続した導体パターン３を具備するセラミックグリーンシート１を形成する。
【００３１】
なお、金属箔を用いた転写法によって導体パターン３を形成する際にも、導体パターン３のピッチは、上記導体ペーストの導体パターン３と同様のピッチとされる。
【００３２】
また、上記印刷法と転写法による導体パターン３はいずれか一方のみでも、両者が混在していても差し支えない。
【００３３】
（ｄ）導体パターン３を形成したセラミックグリーンシート１を積層し、グリーンシート積層体４を作製する工程では、同様にして得られた複数のセラミックグリーンシート１を積層圧着してグリーンシート積層体４を形成する。
【００３４】
セラミックグリーンシート１の積層には、積み重ねられたセラミックグリーンシート１に熱と圧力を加えて熱圧着する方法、有機バインダー、可塑剤、溶剤等からなる接着剤をシート間に塗布して熱圧着する方法等が採用可能である。
【００３５】
（ｅ）次に、拘束シート５を前記グリーンシート積層体４の両面に積層して複合積層体６を作製する。
【００３６】
本発明では、前記拘束シート５は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＺｎＡｌ_２Ｏ_４、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４の少なくとも１種を主体とし、平均粒径０．５〜５μｍの原料粉末が８０〜９９．５質量％、特に９０〜９７質量％、４５０〜９５０℃、特に６５０〜９００℃に軟化点を有するガラス粉末１〜１５質量％、特に３〜１０質量％からなり、ガラス粉末を含むセラミックシートとして粉末充填率が５３〜６０％であることが望ましい。
【００３７】
ここで、グリーンシート積層体４に積層される拘束シート５の厚さは片面だけでグリーンシート積層体４の厚さに対して１０％以上、最適には２５％以上であるのが望ましく、１０％よりも薄いと拘束力が低下する恐れがある。また有機成分の揮散を容易にしかつガラスセラミック基板７からの拘束シート５の除去性を考慮すれば、拘束シート５の厚さは８００μｍ以下、最適には４００μｍ以下であることが望ましい。
【００３８】
これはガラス成分量が１質量％よりも少ないと、拘束シート５によるグリーンシート積層体４の焼成収縮の拘束力が小さくなり寸法精度が悪化し、また焼成工程でグリーンシート積層体４からのガラス成分の拡散が顕著となり、焼結後のセラミック基板７の表面にボイドが多数発生してしまうためである。
【００３９】
また、ガラス成分量が１５質量％より多いと、拘束シート５が焼成により収縮するため、グリーンシート積層体４の収縮を拘束することが困難となるとともに、焼結後の拘束シート５をガラスセラミック基板７から除去することが困難となるためである。
【００４０】
また、拘束シート５に含まれるガラス成分としては、例えば、軟化点がグリーンシート積層体４の焼成温度以下で、かつ拘束シート５の有機成分の分解揮散温度よりも高いことが望ましく、このことにより、グリーンシート積層体４からの有機成分の除去時に軟化したガラス成分による有機成分の除去経路が塞がれることを防止できる。
【００４１】
また、このガラス成分は、前述したセラミックグリーンシート１に含まれるガラス成分と異なるものであっても良いが、グリーンシート積層体４のガラス成分の拡散を防止するうえでは同一のガラス成分を用いることが望ましい。
【００４２】
なお、拘束シート５は、セラミックグリーンシート１を作製する工程と同様、スラリーを調製した後ドクターブレード法等で作製される。
【００４３】
（ｆ）次に、この複合積層体６を可動ベルトに載置し、所望温度に加熱された領域を通過させる事により焼成処理を行い、その後前記拘束シート５を取り除いて、本発明のセラミック基板７を作製する。
【００４４】
この場合、作製した複合積層体６を前記金属導体の融点以下の温度で焼成する工程では、この複合積層体６を１００〜８００℃、特に４００〜７５０℃で加熱処理して複合積層体６中の有機成分を分解除去した後、８００〜１０００℃で同時焼成することが望ましい。
【００４５】
このとき、導体パターン３およびビアホール導体２を、Ｃｕを主成分とした場合には窒素雰囲気中で焼成する必要があり、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔを主成分とした場合には、焼成雰囲気は大気中でおこなうことができる。
【００４６】
また、焼成後の冷却速度が早すぎると、セラミック基板７と導体パターン３、拘束シート５の熱膨張差によるクラックが発生するために、冷却速度は４００℃／ｈｒ以下であることが望ましい。
【００４７】
また、焼成時には反りを防止するために複合積層体６上面に重しを載せる等して、荷重をかけてもよい。荷重は２５Ｐａ〜１ＭＰａ、特に５０〜５００Ｐａが適当である。
【００４８】
ここで、焼成は量産性を考慮して連続炉で行うのが望ましいが、連続炉で焼成を行うと可動ベルトの進行方向に対して収縮率が徐々に小さくなる問題が生じる。
【００４９】
しかし、本発明によれば、連続炉の可動ベルトの進行方向に対して、導体パターン３のピッチを徐々に小さくする事により、連続炉で焼成を行った場合でも、面内の収縮率のばらつきを抑えることができる。
【００５０】
通常、セラミック基板７を拘束シート５を用いて製造する場合、連続炉で焼成を行う際に、可動ベルトの進行方向に対して温度分布があるために収縮開始のタイミングがずれ、連続炉の入口側から出口側に向かって焼成収縮率が徐々に小さくなる問題が生じるが、本発明によれば、可動ベルトの進行方向に対し、つまり、後端側から先端側にかけて焼成収縮率が小さくなる事を考慮して導体パターン３のピッチを調整するため、連続炉を用いた場合でも面内の寸法ばらつきを抑制することができる。
【００５１】
その寸法ばらつきは、±０．０８５％以下、０．０８％以下、特に、０．０６５％以下であることがより望ましい。
【００５２】
次に、焼成後に形成されたガラスセラミック基板から拘束シート５を除去する。この工程では、超音波洗浄、研磨、ウォータージェット、ケミカルブラスト、サンドブラスト、ウェットブラスト等の方法を用いことが好ましい。
【００５３】
これによって得られるセラミック基板７は、焼成時の収縮が拘束シート５によって厚さ方向だけに抑えられているので、その積層体の面内収縮を０．５％以下に抑えることが可能となり、しかもグリーンシート積層体４は拘束シート５によって全面にわたって均一にかつ確実に結合されているので、拘束シート５の一部剥離等によって反りや変形が起こるのを防止することができる。
【００５４】
【実施例】
本発明のセラミック配線基板について、実施例に基づき評価する。
【００５５】
先ず、ＳｉＯ_２：５０質量％、ＭｇＯ：１８．５質量％、ＣａＯ：２６質量％、Ａｌ_２Ｏ_３：５．５質量％の組成を有する結晶化ガラス粉末を６０質量％と、セラミックフィラ−成分としてＡｌ_２Ｏ_３を４０質量％秤量し、セラミック組成物を作製した。
【００５６】
それらに、有機バインダーとしてアクリル樹脂、可塑剤としてＤＢＰ（ジブチルフタレ−ト）、溶媒としてトルエンとイソプロピルアルコ−ルを加えて調製したスラリ−を用いて、ドクタ−ブレ−ド法により厚さ２００μｍのセラミックグリ−ンシ−トを作製した。
【００５７】
次に、Ｃｕ粉末１００質量％に対し、ガラス粉末１６質量％を秤量し、それに有機バインダ−としてアクリル樹脂を、溶媒としてＤＢＰを添加、混練して、ビアホール導体用ペースト試料を作製した。尚、前記ビアホール用ペースト試料中の有機バインダ−量は、Ｃｕ粉末に対して１２質量％であり、固形成分、有機バインダ−に対して３６質量％の割合で溶剤を加えた。このＣｕペーストを、セラミックグリーンシートの所定個所に形成されたビアホールに充填しビアホール導体を形成した。
【００５８】
このとき、ビアホール導体のピッチは次工程でスクリーン印刷に用いる製版と同様に可動ベルトの進行方向に対し、後端側から先端側にかけて徐々に小さくなるようにした。
【００５９】
さらに、Ｃｕ粉末１００質量％に対し、アルミナ粉末０．２質量％、ガラス粉末１質量％を秤量し、それに有機バインダ−としてアクリル樹脂を、溶媒としてＤＢＰを添加、混練して、パターン用Ｃｕペースト試料を作製した。
【００６０】
尚、有機バインダ−量は、主成分に対して１５質量％であり、固形成分、有機バインダ−に対して１３質量％の割合で溶剤を加えた。得られたＣｕペーストを先のビアインクを充填したセラミックグリーンシートに、スクリーン印刷法で配線回路層を形成した。
【００６１】
このとき、スクリーン印刷に用いる製版は、ビアホール導体と同様、導体パターンのピッチが可動ベルトの進行方向に対し、後端側から先端側にかけて徐々に小さくなるように作製した。
【００６２】
このときの導体パターンの印刷厚みは１０〜３０μｍとした。その後、この導体パターンを形成したセラミックグリーンシートを５枚積層し、４５℃、４ＭＰａの条件で加圧積層し、グリーンシート積層体を作製した。
【００６３】
次に拘束シートとして、平均粒径が３μｍのＡｌ_２Ｏ_３に、前記セラミックグリーンシート中のガラス成分と同じガラスを用いて、表１に示す組成物からなる厚さ２５０μｍの拘束シートを作製した。なお、本拘束シートの拘束性およびブラスト性は良好であった。
【００６４】
また、シート作製時の有機バインダー、可塑剤、溶媒等はセラミックグリーンシートと同様とした。その後、グリーンシート積層体の両面に前記拘束シートを４５℃、５ＭＰａで加圧積層し、積層体を得た。
【００６５】
続いて、連続炉において前記複合積層体の焼成を行った。前記複合積層体をＡｌ_２Ｏ_３の台板上に載置して有機バインダー等の有機成分を分解除去するために、窒素雰囲気中、７５０℃で焼成し、次に窒素雰囲気中、９００℃で１時間焼成を行った。その後、拘束シートをブラスト処理で除去し、多層配線基板であるガラスセラミック基板を作製した。
【００６６】
上記試料を表２中の各条件で１０個ずつ作製し、３次元測定機を用いて収縮率ばらつきを測定した。寸法ばらつきは、図４に示すように、セラミック基板の表面の焼成後の導体パターンの寸法から求めた。即ち、連続式焼成炉の可動ベルトの進行方向に対して垂直方向の測定箇所ｘ１〜ｘ３の３箇所について、焼成後における寸法ばらつき（６σ（σ：標準偏差））から算出した。
【００６７】
比較例として、導体パターンのピッチが均等な製版を用いてスクリーン印刷を行った試料を作製した。
【００６８】
【表１】

【００６９】
【表２】

【００７０】
表２の結果より、少なくとも導体パターンのピッチが連続炉の進行方向に対し、後端側から先端側にかけて徐々に小さくなるように作製し、焼成した試料Ｎｏ．２〜１１では、基板の寸法ばらつきを±０．０８５％以下にでき、高寸法精度のセラミック基板を形成できた。
【００７１】
特に、導体パターンのピッチの変化率を０．００６〜０．０５％とした試料Ｎｏ．４〜６、１０では、寸法ばらつきを±０．０６５％以下にできた。
【００７２】
一方、導体パターンのピッチの変化率を０％とした試料Ｎｏ．１では、寸法ばらつきが±０．１２％と大きかった。
【００７３】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明によれば、導体パターンのピッチが可動ベルトの進行方向に対し、後端側から先端側にかけて徐々に小さくなるようにすると、連続炉で焼成を行う際においても、効果的に寸法ばらつきを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミック基板の製造方法を示す工程図である。
【図２】ピッチの変化率を有するビアホール導体の配置を示す模式図である。
【図３】ビアホール導体のピッチの変化率に対応する導体パターンの配置を示す模式図である。
【図４】試料の測定個所を説明するための概略図である。
【符号の説明】
１ガラスセラミックグリーンシート
２ビアホール導体
３配線パターン
４グリーンシート積層体
５拘束シート
６複合積層体
７ガラスセラミック基板

Claims

セラミックグリーンシートに導体パターンおよびビアホール導体を形成し、同様に作製した所望枚数のセラミックグリーンシートを積層したグリーンシート積層体の少なくとも一方の主面に、前記セラミックグリーンシートの焼成温度では焼結しない無機組成物よりなる拘束シートを積層した後、前記グリーンシート積層体を可動ベルトに載置し、所望温度に加熱された領域を通過させて焼成処理を行い、その後、前記拘束シートを取り除くことを特徴とするセラミック基板の製造方法において、前記導体パターンのピッチを、前記可動ベルトの進行方向に対し、後端側から先端側にかけて徐々に小さくした事を特徴とするセラミック基板の製造方法。
前記導体パターンのピッチの変化率が０．００３％〜０．１％である事を特徴とする請求項１に記載のセラミック基板の製造方法。
前記導体パターンが、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔの少なくとも１種を含有する金属焼結体あるいは金属箔からなる事を特徴とする請求項１または請求項２に記載のセラミック基板の製造方法。