JP2005064021A

JP2005064021A - セラミック基板の製造方法

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Publication number: JP2005064021A
Application number: JP2003207244A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Minagawa; 修一皆川; Akihiro Yasuda; 明弘安田; Kazuhiro Seguchi; 一廣瀬口
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-08-12
Filing date: 2003-08-12
Publication date: 2005-03-10

Abstract

【課題】ＬＳＩのはんだ接続時に基板表面平坦度（粗さ、反り）の影響を軽減でき、高密度な実装が可能となるセラミック基板を提供する。
【解決手段】グリーンシート積層体の圧着段階で、積層体表面に導体金属の焼結温度で焼結しないグリーンシートを配置し、そのまま圧着、焼成を行う。その後、表面に配置した焼結していないグリーンシート層を研磨、除去することで、表面パターンが突出したセラミック基板を得る。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、民生用やコンピュータ用などの電子産業部門に用いられるセラミック基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
セラミックスの高密度実装技術は、電子産業部門において重要な技術である。
その中で、半導体素子等の高密度実装に必須のセラミック基板は、半導体素子等との電気的な接続を形成するために、基板表面に形成するパターンに高い位置精度が要求される。一般にセラミック基板は有機バインダを含むセラミック粉末をシート上に成形するグリーンシート法で作製され、グリーンシートへの導体形成、グリーンシート積層、熱間圧着、焼結により製造される方法が知られている。
【０００３】
しかしながら、グリーンシートはビアホールへの導体ペーストの充填、パターン印刷、熱間圧着によって変形を起こす。また、一般的にセラミックスは焼成時に大きな寸法変化（収縮）を伴い、焼成時の寸法変化は原料やプロセスのバラツキの影響を受けやすい。そのため、焼成後の寸法を高精度に保つ事は非常に難しくなる。特にセラミック基板は、内部に異なる材料を複合しているため、その寸法精度の確保がいっそう難しく、さらに反り、剥離、膨れ等の発生も大きな問題となってくる。
【０００４】
これらの問題に対処するため、特開平５−２８３２７２号公報において、成形体（積層体）に脱バインダ過程および焼結過程を通して一定の圧力を加えながら焼成する方法が開示されている。この方法により、焼成後のセラミック基板の加圧した面の焼結収縮量そのものを小さく抑え、その結果として、焼成後の高い寸法精度を得ることができ、かつ焼結体の反り、剥離、膨れ等を低減させることも可能である。
【０００５】
また、対環境性の観点から成形体の作成を水溶性、もしくは水に分散できるバインダに変更し、寸法精度と信頼性をさらに向上させることができるセラミック焼結体の製造方法と該製造方法を実現するための製造装置が特開平７−９７２７５号公報において開示されている。この技術においては、焼成時の脱バインダを除去する過程、成形体を焼結する過程、焼結体を冷却する過程でそれぞれ温度と圧力を変化させている。その結果、セラミック基板表面寸法を±０．３％以内に高く安定させることができる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−２８３２７２号公報
【特許文献２】
特開平７−９７２７５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した技術によれば、セラミック基板の表面寸法は高い精度で達成できる。
しかし、セラミック基板表面の平坦度については不充分である。近年、セラミック基板の高密度実装は目覚しく、搭載素子の微細化が進んでいる。特に、ＬＳＩの高集積化に伴うＬＳＩ接続パッド等、セラミック基板表面に形成されるパターンの微細化は著しい。従って基板表面の平坦度が低いと、これらパターン上に素子を搭載した場合、パターンと素子の間におけるはんだの未接続や、パターン間の短絡等の不具合を生じる。
【０００８】
一般的に、セラミック基板の表面において高い平坦度を実現するためには、セラミック基板表面の研削やラッピング等の方法がある。しかしながら、これらの方法には、表面パターンの消失、加工コストの増大等のデメリットがある。特に、焼結後のセラミック基板表面にパターンを形成する方法として有効な有機薄膜層の形成はコストが高い。また、焼成後のセラミック基板の表面パターン形状、平坦度等はできる限り最終的な仕様に近い形であることが好ましい。
【０００９】
そこで発明者等は、高密度実装に対応できるよう搭載素子のうち、特にＬＳＩのはんだ接続方法について別途検討した。その結果、セラミック基板表面パターンのみを基板表面から突出させることで、はんだの接続マージンが増え、基板表面の平坦度（粗さや反り）の影響が少なくなることがわかった。
【００１０】
よって、本発明では、焼成後に高寸法精度の表面パターンを有する加圧焼成方法で製造するセラミック基板の表面パターンのみを基板から突出させ、現状のセラミック基板表面の平坦度のまま、搭載素子の接続マージンを向上させる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。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
一般に、セラミック基板は導体パターンを形成したグリーンシートを複数枚積層した積層体をプレス機等で熱間圧着してグリーンシート同士を接着する。図１に示すように熱間圧着時のプレス板によって、積層体のもっとも外側のグリーンシートの表面に形成されたパターンは、プレス板の内部には押しこまれず、そのグリーンシートの内部に深く押しこまれる。しかし、積層体の内層のグリーンシートに形成されたパターンは、そのパターンの上下のグリーンシートに均等に押しこまれる。つまり、パターンが一方のグリーンシートの内部にのみ深く押しこまれるということはない。
【００１２】
この点に着目し、積層体をプレス板を用いて熱間圧着する際に、積層体表面のパターンが積層体のもっとも外側に配置されたグリーンシート内部へ深く押しこまれないようにするため、圧着段階で積層体表面にもグリーンシートを配置し、そのまま焼成を行う方法を提案する。つまり、積層体のもっとも外側のグリーンシートの表面にさらにグリーンシートを配置して熱間圧着を行う。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を一実施例を図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下に述べる実施例に限定されるものではない。
【００１４】
図２に一実施例におけるセラミック多層配線基板の製造方法（製造工程）を示す。まず、ホウケイ酸ガラスを主成分とし、ムライトをセラミックフィラとして混合したセラミック粉体に、有機バインダ、可塑剤を加えてスラリーを作成し、ドクターブレードを用いたキャスティング法によって、焼成後にセラミック絶縁層となるグリーンシート１を複数枚形成する。
【００１５】
次に、上記グリーンシート１に、パンチングで、セラミック絶縁層間の導通をとる為のビアホール２を形成する。
【００１６】
そして、銅粉末にビヒクルを加えたペースト状銅粉末を、穴埋め印刷によって上記ビアホール２に充填し、セラミック絶縁層間の導通をとる銅ビアホール３を形成する。さらに、銅ビアホール３を形成したグリーンシートに銅粉末にビヒクルを加えたペースト状銅粉末を印刷し、グリーンシート上にパターン４を形成する。このときの表面パターンの厚さは０．０２〜０．０３ｍｍとする。
【００１７】
パターン４を形成した複数枚のグリーンシート１を順次積み重ね、積層体６とする。そして、積層体６のもっとも外側に配置されたグリーンシートに被せるための、平均粒径０．００２ｍｍのムライト粉末からなるグリーンシート５をグリーンシート１を形成する際に用いた有機バインダと可塑材を用いて形成する。このときのグリーンシート５の厚さは０．２５ｍｍ、密度は１．６ｇ／ｃｍ^３とする。
【００１８】
積層体６のもっとも外側のグリーンシートの表面に配置するグリーンシート５の材料に、積層体６を構成するグリーンシート１と同じ材料を選択すると、焼成時にグリーンシート５とグリーンシート１が焼結してしまうおそれがある。従って、積層体表面に配置するグリーンシート５はパターン４等を形成する導体金属の焼結温度では焼結しない材質が望ましい。未焼成層であるグリーンシート５が焼結しないことで、導体金属の焼結後に洗浄、あるいは研磨することで、この未焼成層は容易に除去することが可能となる。
【００１９】
未焼成層を形成するグリーンシート５の組成は、アルミナ、ムライト、窒化アルミニウム、窒化ホウ素の材料のうちから選ばれる少なくとも一種の材料を含むセラミック粉末に、更に有機バインダと可塑剤を含むことが好ましい。さらに好ましいグリーンシート５の組成としては、絶縁層を形成するグリーンシート１に含まれるセラミックフィラを主とした組成として、有機バインダと可塑材についても絶縁層を形成するグリーンシート１と同組成としたものがよい。未焼成層のグリーンシート５の組成を絶縁層のグリーンシート１に含まれるセラミックフィラと同組成とすることで絶縁層表面つまり積層体のもっとも外側のグリーンシートの表面での、内層と異なる副生成物の発生を抑制できる。また、積層体６（絶縁層を形成するグリーンシート）に含まれる有機バインダの分解、飛散に、最適な温度と時間を選定することが焼成時の重要な項目の一つであるが、未焼成層となるグリーンシート５の有機バインダと可塑材を積層体６を構成するグリーンシート１のものと同組成とすることで、焼成時のバインダの分解、飛散が未焼成層と絶縁層で同時に進行する。従って、未焼成層となるグリーンシート５のバインダ分解に必要な焼成プロファイルを作業工程に別途組み込む必要がなくなる。
【００２０】
このグリーンシート５を積層体６のもっとも外側に配置されたグリーンシートの表面に配置して積層体７を得る。そして、積層体７をプレス機を用いて圧力１５０ｋｇｆ／ｃｍ^２〜２００ｋｇｆ／ｃｍ^２の範囲で熱間圧着し、圧着体８とする。このとき積層体６のもっとも外側に配置されたグリーンシート上の表面パターンはグリーンシート１とグリーンシート５の双方に押しこまれる。
【００２１】
得られた圧着体８を窒素、水蒸気雰囲気中で０．５〜１０ｋｇｆ／ｃｍ^２の範囲で加圧しながら７８０〜９２０℃で５〜２０時間、脱バインダを行う。その後、連続して窒素雰囲気中、銅の融点以下の温度でセラミック絶縁層、銅を焼結させる。焼成後、未焼成層であるグリーンシート５のムライト除去のために、０．０１ｍｍＳｉＣ砥粒の研磨布で湿式研磨を行い、表面パターンを露出させ本発明によるセラミック基板９を得る。
【００２２】
以上の工程により実際にセラミック基板を製造した場合、得られたセラミック基板９の表面パターン突出量は０．０１〜０．０１５ｍｍであった。
【００２３】
なお、セラミック基板の表面パターンの突出量を大きくする方法としては、上述した方法の他に、焼成後のセラミック基板の表面パターン上に行われるめっきの厚さを厚くする方法がある。当然ながら、めっきを厚くすることで、パターンの突出量は大きくなる。しかし、突出量を大きくするためにめっきを厚くした場合、パターンの肥大、厚さむらによる品質劣化、応力の増大によるパターンの欠損等の問題が発生する可能性がある。これに対して本実施例によればこのような問題を生ずることなくセラミック基板の表面パターンの突出量を大きくすることができる。
【００２４】
次に、図５に上述した製造方法のうちの一部の工程を変更した製造方法を示す。
【００２５】
図５に示された製造方法において、先ず上述した製造方法と同様にしてグリーンシート５を形成し、そのグリーンシート５をさらに平行平板で熱間プレスして高密度グリーンシート１０を得る。得られた高密度グリーンシート１０を、上述した製造方法と同様にして得られた積層体６のもっとも外側に配置されたグリーンシートの表面に配置して積層体１１を得る。このときのグリーンシート１０の厚さは０．２１ｍｍ、密度は１．９ｇ／ｃｍ^３とする。
【００２６】
この積層体１１を上述した製造方法と同様に熱間圧着し、圧着体１２とする。圧着体１２に対して焼成、研磨を実施しセラミック基板１３を得る。
【００２７】
以上の工程により実際にセラミック基板を製造した場合、得られたセラミック基板１３の表面パターン突出量は０．００４〜０．００８ｍｍであった。
【００２８】
このように、積層体の表面に配置するグリーンシートの密度および厚さを選択することで、焼成後のセラミック基板の表面パターン突出量の調整も可能である。即ち、セラミック基板に形成する表面パターンの厚さを厚く、未焼成層となるグリーンシート密度を低く、その厚さを薄くするに従い、突出量は大きくなる。
【００２９】
【発明の効果】
焼成後に高寸法精度の表面パターンを有する加圧焼成方法で製造するセラミック基板の表面パターンのみを基板から突出させることで、搭載するＬＳＩとセラミック基板のはんだ接続マージンを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、従来の製造方法により製造されたセラミック積層体の圧着段階での断面を示す。
【図２】図２は、一実施例におけるセラミック基板の製造方法を示す。
【図３】図３は、セラミック基板の製造方法の変形例を示す。
【符号の説明】
１絶縁層となるグリーンシート
２ビアホール
３銅ビアホール
４パターン
５未焼成層となるグリーンシート
６グリーンシート１を積層した積層体
７積層体６の表面にグリーンシート５を配置した積層体
８積層体７から得られる圧着体
９圧着体８から得られるセラミック基板
１０未焼成層となる高密度グリーンシート
１１積層体６の表面にグリーンシート１０を配置した積層体
１２積層体１１から得られる圧着体
１３圧着体１２から得られるセラミック基板

Claims

複数のグリーンシートを積み重ねてなるセラミック基板の製造方法において、それぞれ導体パターンが形成されている第一のグリーンシート及び第二のグリーンシートを積み重ね、前記第一のグリーンシートの上にさらに第三のグリーンシートを積み重ねて積層体を形成し、前記積層体を熱間圧着し、前記積層体から前記第三のグリーンシートを除去することを特徴とするセラミック基板の製造方法。
前記第三のグリーンシートの厚さ又は密度が、前記第一のグリーンシートの厚さ又は密度と異なることを特徴とする請求項１記載のセラミック基板の製造方法。
前記第一のグリーンシートは、ガラス又は結晶化ガラスのうちのいずれか一種とセラミックスフィラとを複合したもの、及び有機バインダと可塑剤を含むこと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。
前記セラミックフィラは、アルミナ、ムライト、窒化アルミニウム、窒化ホウ素の内の少なくとも一種を含むことを特徴とする請求項３に記載のセラミック基板の製造方法。
前記第三のグリーンシートは、アルミナ、ムライト、窒化アルミニウム、窒化ホウ素の内の少なくとも一種を含むセラミック粉末及び、有機バインダと可塑剤を含むことを特徴とする請求項４に記載のセラミック基板の製造方法。
前記セラミックフィラと前記セラミック粉末は、アルミナ、ムライト、窒化アルミニウム、窒化ホウ素の内の少なくとも一種をともに含むことを特徴とする請求項５に記載のセラミック基板の製造方法。
前記セラミック粉末の平均粒径が０．００１ｍｍ乃至０．００５ｍｍの範囲内にあることを特徴とする請求項５に記載のセラミック基板の製造方法。