JP2005216998A - Ceramic circuit board and manufacturing method therefor - Google Patents

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泉太郎 山元
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a ceramic circuit board capable of preventing an initial IR failure, an insulation resistance decline, and a reliability loss by securing a proper consistency between an sintering shrinkage behavior of an insulating ceramic layer and that of a metal wiring layer in a sintering process; and to provide a manufacturing method for the ceramic circuit board. <P>SOLUTION: The ceramic circuit board A comprises an insulating board 1 consisting of a plurality of laminated insulating ceramic layers 1a to 1d, and a plurality of metal wiring layers 2 arranged between the insulating ceramic layers 1a to 1d of the insulating board 1, respectively. Each of the metal wiring layers 2 is composed of metal powder and glass, and a glass component spreads from the wiring layer 2 to each insulating ceramic layer 1a to 1d. The content of the glass component in each insulating ceramic layer is made to vary continuously in a range of 10% or more of the thickness of the ceramic layer. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、絶縁性セラミック層と、金属配線層とを具備し、半導体素子などの電気素子を搭載した配線基板や、電気素子収納用パッケージなどに適用されるセラミック回路基板及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a ceramic circuit board that includes an insulating ceramic layer and a metal wiring layer and is mounted on a wiring board on which an electric element such as a semiconductor element is mounted, an electric element housing package, and the like, and a method for manufacturing the same.

従来より、マイクロ波やミリ波等の高周波領域において、誘電体共振器、MIC用誘電体基板、および導波路等に誘電体磁器が広く利用されているが、特に、近年における携帯電話をはじめとする移動体通信等の発達および普及に伴い、電子回路基板や電子部品の材料として誘電体磁器の需要が増大しつつある。   Conventionally, dielectric ceramics have been widely used for dielectric resonators, dielectric substrates for MICs, waveguides, and the like in high frequency regions such as microwaves and millimeter waves. With the development and spread of mobile communication and the like, the demand for dielectric ceramics as materials for electronic circuit boards and electronic components is increasing.

そして、電子回路基板や電子部品用の誘電体磁器組成物として、高導電性の金属である銀や銅とともに同時焼成が可能なガラス、またはガラスと絶縁性セラミック層との複合材料、または焼結助剤を含む絶縁性セラミック層からなるいわゆる低温焼成絶縁性セラミック層が開発されている。このような低温焼成絶縁性セラミック層の原料粉体は、有機バインダーを含むグリーンシートに加工され、内・外部に相当する必要な配線パターンを導体ペーストをスクリーン印刷することによって形成したり、必要に応じて異なる層間に形成された配線層を接続するためのビアホール導体やスルーホール導体が形成される。その後、グリーンシートを積層して絶縁性セラミック層と金属配線層とが同時に焼成されることによってセラミック回路基板が形成される。このようなセラミック回路基板としては、例えば、特許文献1などが知られている。この特許文献1には、1000℃以下で焼成可能なガラスセラミックスからなる絶縁性セラミック層に対して、銀よりなる金属配線層を形成してなるセラミック回路基板が記載されている。
特開平5−304368号
And as a dielectric ceramic composition for electronic circuit boards and electronic components, glass that can be co-fired with silver or copper, which are highly conductive metals, or a composite material of glass and an insulating ceramic layer, or sintered A so-called low-temperature fired insulating ceramic layer composed of an insulating ceramic layer containing an auxiliary agent has been developed. The raw material powder of such a low-temperature fired insulating ceramic layer is processed into a green sheet containing an organic binder, and the necessary wiring pattern corresponding to the inside and outside is formed by screen printing a conductor paste or necessary Correspondingly, via-hole conductors and through-hole conductors for connecting wiring layers formed between different layers are formed. Thereafter, the green sheet is laminated and the insulating ceramic layer and the metal wiring layer are fired at the same time to form a ceramic circuit board. For example, Patent Document 1 is known as such a ceramic circuit board. This patent document 1 describes a ceramic circuit board in which a metal wiring layer made of silver is formed on an insulating ceramic layer made of glass ceramic that can be fired at 1000 ° C. or lower.
JP-A-5-304368

しかしながら、特許文献1に記載されるように、金属配線層として銀を用い、ガラスセラミックスからなる絶縁性セラミック層と同時焼成すると、焼成の際に銀が絶縁性セラミック層に多少なりとも拡散してしまうことが避けられない。そして銀が低温焼成絶縁性セラミック層に拡散することによって、絶縁性セラミック層の絶縁抵抗が低下し、信頼性も低下するという問題があった。   However, as described in Patent Document 1, when silver is used as a metal wiring layer and is simultaneously fired with an insulating ceramic layer made of glass ceramics, silver diffuses somewhat in the insulating ceramic layer during firing. Inevitable. Then, when silver diffuses into the low-temperature fired insulating ceramic layer, there is a problem that the insulating resistance of the insulating ceramic layer is lowered and the reliability is also lowered.

この現象に影響する要因の1つに、焼成時の絶縁性セラミック層と金属配線層との焼結収縮挙動の整合性がある。特に、両者の整合性が得られていない場合、焼成過程で絶縁性セラミック層に亀裂が生じ、この亀裂に金属が拡散して金属配線層間の絶縁性セラミック層の絶縁抵抗値が、焼成後に数オームまで低下する不具合(今後、初期IR不良と呼ぶ。)が発生する。初期IR不良にならないまでも、焼成時の絶縁性セラミック層と金属配線層の焼結収縮挙動が合っていない場合、絶縁抵抗の低下、耐湿度信頼性の低下を招くといった課題があり、特に銀配線では顕著である。   One factor affecting this phenomenon is the consistency of the sintering shrinkage behavior between the insulating ceramic layer and the metal wiring layer during firing. In particular, when the consistency between the two is not obtained, a crack occurs in the insulating ceramic layer during the firing process, and the metal diffuses into the crack, and the insulation resistance value of the insulating ceramic layer between the metal wiring layers is several after firing. A problem (hereinafter referred to as initial IR failure) occurs that decreases to ohms. Even if the initial IR failure does not occur, if the sintering shrinkage behavior of the insulating ceramic layer and the metal wiring layer does not match during firing, there is a problem that the insulation resistance is lowered and the humidity resistance reliability is lowered. This is remarkable in wiring.

そこで、従来から焼結収縮挙動を整合させるために、導体材料の収縮カーブと、絶縁性セラミック材料の焼成収縮カーブとを整合させるために、両者の材料を種々変更するなどの手法があるが、絶縁基板の特性などの兼ね合いから、すべての特性を満足できるような組み合わせにすることは非常に難しいものであった。   Therefore, in order to match the sintering shrinkage behavior in the past, there are methods such as various changes of both materials in order to match the shrinkage curve of the conductor material and the firing shrinkage curve of the insulating ceramic material, In view of the characteristics of the insulating substrate, it has been very difficult to make a combination that satisfies all the characteristics.

従って、本発明は、焼成時の絶縁性セラミック層と金属配線層の焼結収縮挙動の整合性を着目して、初期IR不良の防止、絶縁抵抗の低下及び信頼性の不良を防止したセラミック回路基板とその製造方法を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention pays attention to the consistency of the sintering shrinkage behavior of the insulating ceramic layer and the metal wiring layer at the time of firing, and prevents the initial IR failure, the insulation resistance lowering and the reliability failure. It is an object of the present invention to provide a substrate and a manufacturing method thereof.

本発明によれば、初期IR不良の改善には、金属配線層近傍の絶縁性セラミック層の収縮開始温度の適正化が必要であり、絶縁抵抗の低下の防止には絶縁性セラミック層と金属配線層の収縮開始温度の整合化、また、耐湿度信頼性の低下には、絶縁性セラミック層の収縮開始温度が金属配線層近傍から連続的に変化する部分の形成が必要であり、これを最適化することで、初期IR不良の改善、絶縁抵抗の低下防止、耐湿度信頼性の向上が達成できるとの知見に基づく。   According to the present invention, in order to improve the initial IR failure, it is necessary to optimize the shrinkage start temperature of the insulating ceramic layer in the vicinity of the metal wiring layer, and to prevent the insulation resistance from being lowered, the insulating ceramic layer and the metal wiring. In order to match the shrinkage start temperature of the layer and to reduce the reliability of humidity resistance, it is necessary to form a part where the shrinkage start temperature of the insulating ceramic layer continuously changes from the vicinity of the metal wiring layer. Therefore, it is based on the knowledge that improvement of initial IR failure, prevention of decrease in insulation resistance, and improvement of humidity resistance reliability can be achieved.

即ち、本発明のセラミック回路基板は、複数の絶縁性セラミック層を積層してなる絶縁基板と、該絶縁基板における絶縁性セラミック層間に配置された複数層の金属配線層とを具備するセラミック回路基板において、前記金属配線層が、金属粒子とガラス成分とによって構成され、該ガラス形成成分が、前記金属配線層から絶縁性セラミック層にわたって拡散しており、前記ガラス形成成分の含有量が絶縁性セラミック層の厚みの10%以上の厚みにわたって連続的に変化していることを特徴とするものである。   That is, the ceramic circuit board of the present invention comprises an insulating substrate formed by laminating a plurality of insulating ceramic layers, and a plurality of metal wiring layers arranged between the insulating ceramic layers of the insulating substrate. The metal wiring layer is composed of metal particles and a glass component, the glass forming component is diffused from the metal wiring layer to the insulating ceramic layer, and the content of the glass forming component is an insulating ceramic. It is characterized by continuously changing over a thickness of 10% or more of the thickness of the layer.

かかる構成によれば、金属配線層中のガラス形成成分の所定領域まで拡散させることによって、絶縁性セラミック層と金属配線層との焼成収縮挙動を近似させることができるとともに、その変化を緩和させることができる。   According to this configuration, by diffusing the glass forming component in the metal wiring layer to a predetermined region, the firing shrinkage behavior of the insulating ceramic layer and the metal wiring layer can be approximated, and the change can be mitigated. Can do.

また、本発明によれば、前記絶縁性セラミック層の膜厚が50μm以下である場合においても初期IRを高くすることができる。   Further, according to the present invention, the initial IR can be increased even when the thickness of the insulating ceramic layer is 50 μm or less.

また、本発明は、前記金属配線層が、銀を主成分とする場合、そして、前記絶縁性セラミック層が、1000℃以下で焼成可能な低温焼成セラミックスからなる場合において、好適に用いられる。   In addition, the present invention is suitably used when the metal wiring layer is mainly composed of silver and when the insulating ceramic layer is made of low-temperature fired ceramic that can be fired at 1000 ° C. or lower.

また、本発明のセラミック回路基板の製造方法によれば、絶縁性セラミック材料および有機結合材とを含有するセラミックグリーンシートの表面に、金属粉末およびガラス粉末からなる導体材料をもって配線パターン状に施した後、これらを積層し、焼成してなるセラミック回路基板の製造方法において、前記絶縁性セラミック材料の収縮開始温度が前記導体材料の収縮開始温度よりも低く、焼成温度までの昇温過程における絶縁性セラミック材料の収縮開始温度から焼成温度までの温度領域を5.0℃/分以下の速度で昇温することを特徴とするものである。   Further, according to the method for manufacturing a ceramic circuit board of the present invention, the surface of the ceramic green sheet containing the insulating ceramic material and the organic binder is applied in the form of a wiring pattern with a conductive material made of metal powder and glass powder. Thereafter, in the method of manufacturing a ceramic circuit board obtained by laminating and firing these, the shrinkage start temperature of the insulating ceramic material is lower than the shrinkage start temperature of the conductor material, and the insulation in the temperature rising process up to the firing temperature The temperature range from the shrinkage start temperature of the ceramic material to the firing temperature is raised at a rate of 5.0 ° C./min or less.

特に、前記焼成温度が、1000℃以下であり、前記導体材料中の金属成分が銀を主成分とする場合、また前記絶縁性セラミック材料が、ガラス成分と無機フィラー成分との混合物からなる低温焼成セラミック材料からなる場合に好適である。   In particular, when the firing temperature is 1000 ° C. or less and the metal component in the conductor material is mainly composed of silver, the insulating ceramic material is a low-temperature firing comprising a mixture of a glass component and an inorganic filler component. It is suitable when made of a ceramic material.

また、前記導体材料と前記絶縁性セラミック材料の収縮開始温度の差が300℃以下であることによって、絶縁性セラミック層の厚みが50μm以下であっても初期IR不良を防止することができるとともに、耐湿度信頼性を確保することができる。   In addition, since the difference in shrinkage start temperature between the conductor material and the insulating ceramic material is 300 ° C. or less, initial IR failure can be prevented even if the thickness of the insulating ceramic layer is 50 μm or less, Humidity resistance reliability can be ensured.

本発明によれば、上記のように焼成温度までの昇温過程における絶縁性セラミック材料の収縮開始温度から焼成温度までの温度領域を5.0℃/分以下の速度で昇温することによって、導体材料中のガラス成分を絶縁性セラミック材料中に所定の領域まで拡散させることができる結果、金属配線層の近傍における絶縁性セラミック材料の収縮開始温度を金属配線層の収縮開始温度を近似させることができるとともに、それを連続的に変化させることができる結果、金属配線層と絶縁性セラミック材料の焼成収縮挙動の収縮差を抑制することができ、これによって、金属配線層間の絶縁性セラミック層に亀裂の生成を防止(初期IR不良の防止)して、絶縁抵抗の低下及び信頼性の不良を防止したセラミック回路基板を得ることができる。   According to the present invention, by raising the temperature range from the shrinkage start temperature of the insulating ceramic material to the firing temperature in the temperature raising process up to the firing temperature as described above at a rate of 5.0 ° C./min or less, As a result of the glass component in the conductive material being diffused into the insulating ceramic material to a predetermined region, the shrinkage start temperature of the insulating ceramic material in the vicinity of the metal wiring layer is approximated to the shrinkage start temperature of the metal wiring layer. As a result, it is possible to suppress the difference in shrinkage of the firing shrinkage behavior between the metal wiring layer and the insulating ceramic material, thereby reducing the insulating ceramic layer between the metal wiring layers. It is possible to obtain a ceramic circuit board that prevents the generation of cracks (prevents initial IR failure) and prevents the decrease in insulation resistance and the reliability.

本発明によれば、金属配線層中のガラス成分の拡散を制御することによって、焼成時の絶縁性セラミック層と金属配線層の焼結収縮挙動の整合性を図ることができ、これにより、金属配線層間の絶縁性セラミック層に亀裂の生成を防止(初期IR不良の防止)して、絶縁抵抗の低下及び信頼性の不良を防止したセラミック回路基板を実現できる。   According to the present invention, by controlling the diffusion of the glass component in the metal wiring layer, it is possible to achieve consistency in the sintering shrinkage behavior of the insulating ceramic layer and the metal wiring layer during firing. It is possible to realize a ceramic circuit board that prevents the generation of cracks in the insulating ceramic layer between the wiring layers (prevents initial IR failure), and prevents a decrease in insulation resistance and a failure in reliability.

図1に、本発明のセラミック回路基板の一例の概略断面図を示した。   FIG. 1 shows a schematic sectional view of an example of the ceramic circuit board of the present invention.

図1のセラミック回路基板Aによれば、絶縁性セラミック層1a〜1dを積層してなる誘電体基板1と、この誘電体基板1の表面や内部には金属配線層2が形成されている。また、この誘電体基板1の内部には、異なる層に形成された金属配線層2同士を接続するために絶縁性セラミック層1a〜1dをそれぞれ貫通してビア導体3を有する。   According to the ceramic circuit board A of FIG. 1, a dielectric substrate 1 formed by laminating insulating ceramic layers 1a to 1d, and a metal wiring layer 2 is formed on the surface or inside of the dielectric substrate 1. The dielectric substrate 1 has via conductors 3 penetrating the insulating ceramic layers 1a to 1d in order to connect the metal wiring layers 2 formed in different layers.

また、このセラミック回路基板の表面には、IC、インダクタ、抵抗、コンデンサなどのチップ部品4が半田によって実装され、表面の金属配線層2と接続されている。   A chip component 4 such as an IC, an inductor, a resistor, or a capacitor is mounted on the surface of the ceramic circuit board by soldering and connected to the metal wiring layer 2 on the surface.

本発明のセラミック回路基板によれば、図2の概略拡大図に示すように、金属配線層2は、金属粒子5とガラス相6によって構成されており、この金属配線層2と接する絶縁性セラミック層1に対して、ガラス相を形成する成分のうちの少なくとも1つの成分(以下、ガラス形成成分という。)が金属配線層2から絶縁性セラミック層1にわたって拡散している。   According to the ceramic circuit board of the present invention, as shown in the schematic enlarged view of FIG. 2, the metal wiring layer 2 is composed of the metal particles 5 and the glass phase 6, and the insulating ceramic in contact with the metal wiring layer 2. At least one component (hereinafter referred to as a glass forming component) that forms a glass phase is diffused from the metal wiring layer 2 to the insulating ceramic layer 1 with respect to the layer 1.

また、図2に示すように、ガラス形成成分7の含有量が金属配線層2との接触部分から、絶縁性セラミック層の厚みの10%以上の厚みtにわたって連続的に変化していることが重要である。このようにガラス形成成分が絶縁性セラミック層厚みの10%以上にわたり連続的に変化することで、初期IR不良を防止でき、この厚みが10%よりも薄いと、この効果が望めない。特に15%以上、さらには20%以上であることが望ましい。   Further, as shown in FIG. 2, the content of the glass forming component 7 continuously changes from the contact portion with the metal wiring layer 2 over a thickness t of 10% or more of the thickness of the insulating ceramic layer. is important. As described above, the glass-forming component continuously changes over 10% or more of the thickness of the insulating ceramic layer, whereby the initial IR failure can be prevented. If the thickness is less than 10%, this effect cannot be expected. In particular, it is preferably 15% or more, more preferably 20% or more.

本発明における金属配線層2における金属粒子としては、銅、銀、金、アルミニウムの群から選ばれる少なくとも1種を主成分とする低抵抗導体材料が用いられる。特に本発明によれば、銀を90質量%以上含有することが望ましい。   As the metal particles in the metal wiring layer 2 in the present invention, a low-resistance conductor material mainly containing at least one selected from the group consisting of copper, silver, gold, and aluminum is used. In particular, according to the present invention, it is desirable to contain 90% by mass or more of silver.

また、金属配線層2中に配合されるガラス相は、少なくともSiOを含み、Al、B、ZnO、PbO、アルカリ土類金属酸化物(RO)、アルカリ金属酸化物(R O)のうちの少なくとも1種以上を含有したものであって、具体的には、SiO−B−RO系、SiO−BaO−Al−RO系、SiO−B−Al−RO系、SiO−Al−RO系、さらにはこれらの系にZnO、PbO、Pb、ZrO、TiO等を配合した組成物が挙げられる。 Further, the glass phase blended in the metal wiring layer 2 contains at least SiO 2 , Al 2 O 3 , B 2 O 3 , ZnO, PbO, alkaline earth metal oxide (R 1 O), alkali metal oxidation. Which contains at least one of the products (R 2 2 O), specifically, SiO 2 —B 2 O 3 —R 1 O, SiO 2 —BaO—Al 2 O 3 — R 1 O, SiO 2 —B 2 O 3 —Al 2 O 3 —R 1 O, SiO 2 —Al 2 O 3 —R 1 O, and ZnO, PbO, Pb, ZrO 2 , composition containing TiO 2 and the like.

一方、絶縁性セラミック層2は、上記金属配線層2と同時焼成可能な材料が選択され、特に1050度以下の低温で焼成可能な低温焼成セラミック材料が好適に使用される。具体的には、(1)金属酸化物による混合物からなる1050℃以下、特に1000℃以下で焼成される低温焼成セラミック材料、(2)ガラス粉末、あるいはガラス粉末とセラミックフィラー粉末との混合物からなる1050℃以下、特に1000℃以下で焼成される低温焼成セラミック材料が好適に用いられる。   On the other hand, for the insulating ceramic layer 2, a material that can be fired simultaneously with the metal wiring layer 2 is selected, and in particular, a low-temperature fired ceramic material that can be fired at a low temperature of 1050 degrees or less is suitably used. Specifically, (1) a low-temperature fired ceramic material fired at a temperature of 1050 ° C. or lower, particularly 1000 ° C. or lower, comprising a mixture of metal oxides, and (2) a glass powder or a mixture of glass powder and ceramic filler powder. A low-temperature fired ceramic material fired at 1050 ° C. or lower, particularly 1000 ° C. or lower is preferably used.

用いられる(1)の混合物としては、BaO−TiO系、Ca−TiO系、MgO−TiO系等のセラミック材料が用いられ、これらのセラミック材料に、SiO、Bi、CuO、LiO、B等の助剤を適宜添加したものが用いられる。(2)のガラス組成物としては、少なくともSiOを含み、Al、B、ZnO、PbO、アルカリ土類金属酸化物(RO)、アルカリ金属酸化物(R O)のうちの少なくとも1種以上を含有したものであって、具体的には、SiO−B−RO系、SiO−BaO−Al−RO系、SiO−B−Al−RO系、SiO−Al−RO系、さらにはこれらの系にZnO、PbO、Pb、ZrO、TiO等を配合した組成物が挙げられる。また、ガラスとしては、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、アルカリ金属シリケート、クォーツ、クリストバライト、コージェライト、ムライト、エンスタタイト、アノーサイト、セルジアン、スピネル、ガーナイト、ディオプサイド、イルメナイト、ウイレマイト、ドロマイト、ペタライトやその置換誘導体の結晶を少なくとも1種を析出する結晶化ガラスなどが用いられる。 As the mixture of (1) used, ceramic materials such as BaO—TiO 2 , Ca—TiO 2 , and MgO—TiO 2 are used, and these ceramic materials include SiO 2 , Bi 2 O 3 , and CuO. , Li 2 O, B 2 O 3 and the like are added appropriately. The glass composition (2) contains at least SiO 2 , Al 2 O 3 , B 2 O 3 , ZnO, PbO, alkaline earth metal oxide (R 1 O), alkali metal oxide (R 2 2 O) containing at least one of the following, specifically, SiO 2 —B 2 O 3 —R 1 O system, SiO 2 —BaO—Al 2 O 3 —R 1 O system, SiO 2 —B 2 O 3 —Al 2 O 3 —R 1 O system, SiO 2 —Al 2 O 3 —R 1 O system, and ZnO, PbO, Pb, ZrO 2 , TiO 2 and the like to these systems. The compounded composition is mentioned. In addition, the glass is an amorphous glass by baking treatment, and by baking treatment, alkali metal silicate, quartz, cristobalite, cordierite, mullite, enstatite, anorthite, serdian, spinel, garnite, Crystallized glass that precipitates at least one crystal of diopside, ilmenite, willemite, dolomite, petalite, and substituted derivatives thereof is used.

また、(2)におけるセラミックフィラーとしては、Al、SiO(クォーツ、クリストバライト)、フォルステライト、コージェライト、ムライト、ZrO、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、AlN、Si、SiC、、TiOの他、MgTiO、CaTiO、SrTiO、BaTiOなどのチタン酸塩の群から選ばれる少なくとも1種が挙げられる。この(2)の材料の場合、ガラス20〜80質量%、セラミックフィラー20〜80質量%の割合で混合されることが望ましい。 Further, as the ceramic filler in (2), Al 2 O 3 , SiO 2 (quartz, cristobalite), forsterite, cordierite, mullite, ZrO 2 , mullite, forsterite, enstatite, spinel, magnesia, AlN, Si In addition to 3 N 4 , SiC, and TiO 2 , at least one selected from the group of titanates such as MgTiO 3 , CaTiO 3 , SrTiO 3 , and BaTiO 3 can be given. In the case of the material (2), it is desirable that the glass is mixed in a proportion of 20 to 80% by mass of glass and 20 to 80% by mass of ceramic filler.

本発明のセラミック回路基板の製造方法について説明する。先ず、絶縁性セラミック材料からなるスラリーを調製し、このスラリーを用いてドクターブレード法などによってセラミックグリーンシートを作製する。このスラリーは、たとえば、前述したような低温焼成セラミック材料の組成物に、有機バインダ、有機溶剤、可塑剤とを加え、ボールミルで混練して調製する。   A method for producing a ceramic circuit board of the present invention will be described. First, a slurry made of an insulating ceramic material is prepared, and a ceramic green sheet is produced using this slurry by a doctor blade method or the like. This slurry is prepared, for example, by adding an organic binder, an organic solvent, and a plasticizer to the composition of the low-temperature fired ceramic material as described above and kneading with a ball mill.

次に、ビア導体4、金属配線層2を形成するための導体ペーストを調製する。導体ペーストは、金属材料とガラスとの混合物からなる無機成分に対して、有機ビヒクルを添加し混合したものである。例えば、銅粉末や銀粉末に、B−SiO−BaO、CaO−B−SiO、CaO−Al−B−SiOなどの低融点ガラスを3〜10質量%の割合で添加するとともに、エチルセルロースなどの有機バインダ、トルエンなどの有機溶剤を混合し、3本ローラにより均質混練して調製される。 Next, a conductor paste for forming the via conductor 4 and the metal wiring layer 2 is prepared. The conductive paste is obtained by adding an organic vehicle to an inorganic component made of a mixture of a metal material and glass and mixing them. For example, 3 low-melting glasses such as B 2 O 3 —SiO 2 —BaO, CaO—B 2 O 3 —SiO 2 , and CaO—Al 2 O 3 —B 2 O 3 —SiO 2 are applied to copper powder or silver powder. It is added at a ratio of 10% by mass to 10% by mass, and an organic binder such as ethyl cellulose and an organic solvent such as toluene are mixed and homogeneously kneaded with three rollers.

ここで、上記の絶縁性セラミック材料の収縮開始温度が導体ペースト中の無機材料の収縮開始温度よりも低いことが必要である。この収縮開始温度が逆転すると、絶縁性セラミック層の焼結が始まる前に金属配線層の焼結が始まるために、絶縁性セラミック層に初期IR不良の原因になる亀裂を生じることになってしまうためである。   Here, the shrinkage start temperature of the insulating ceramic material needs to be lower than the shrinkage start temperature of the inorganic material in the conductor paste. When the shrinkage start temperature is reversed, the metal wiring layer starts to be sintered before the insulating ceramic layer starts to be sintered, so that the insulating ceramic layer is cracked to cause the initial IR failure. Because.

次に、セラミックグリーンシートの所定箇所にマイクロドリルやレーザー光、パンチング等によって貫通穴を形成しこの貫通穴内に導体ペーストを充填する。そして、セラミックグリーンシート表面にスクリーン印刷法などによって配線パターン状に印刷形成する。   Next, a through hole is formed in a predetermined portion of the ceramic green sheet by a micro drill, laser light, punching, or the like, and a conductive paste is filled in the through hole. Then, a printed pattern is formed on the surface of the ceramic green sheet by a screen printing method or the like.

その後、同様にして配線パターンやビア導体を形成したセラミックグリーンシートを積層して積層成形体を作製した後、これを焼成する。   Thereafter, ceramic green sheets on which wiring patterns and via conductors are similarly formed are laminated to produce a laminated molded body, which is then fired.

焼成時の雰囲気としては、導体材料としてCuを用いた場合には、窒素などの非酸化性雰囲気中で、Agを用いた場合には、大気などの雰囲気中で焼成することができる。   As the atmosphere during firing, when Cu is used as the conductor material, it can be fired in a non-oxidizing atmosphere such as nitrogen, and when Ag is used, it can be fired in an atmosphere such as air.

本発明によれば、まず導体材料の焼成収縮開始温度まで昇温する。この温度領域(A)の昇温速度は10〜20℃/分が適当である。次に、引き続き導体材料の焼成収縮開始温度から絶縁性セラミック材料の収縮開始温度までの温度領域(B)を昇温する。この領域(B)の昇温速度は5〜10℃/分が適当である。その後、本発明によれば、絶縁性セラミック材料の収縮開始温度から焼成温度までの温度領域(C)を5.0℃/分以下、特に3.0℃/分以下の速度で昇温することが必要である。この理由は温度領域(C)の昇温速度が5.0℃/分より早い場合は、金属配線層中のガラス成分の拡散が絶縁性セラミック層に対して充分に進行しにくくなる。その結果、ガラス形成成分の含有量が連続的に変化する部分を形成することが難しく、絶縁性セラミック層と金属配線層との収縮開始温度の整合性が図れず、結果的に初期IR不良が発生してしまうためである。   According to the present invention, the temperature is first raised to the firing shrinkage start temperature of the conductor material. The heating rate in this temperature region (A) is suitably 10 to 20 ° C./min. Next, the temperature region (B) from the firing shrinkage start temperature of the conductor material to the shrinkage start temperature of the insulating ceramic material is subsequently raised. The heating rate in this region (B) is suitably 5 to 10 ° C./min. Thereafter, according to the present invention, the temperature range (C) from the shrinkage start temperature to the firing temperature of the insulating ceramic material is raised at a rate of 5.0 ° C./min or less, particularly 3.0 ° C./min or less. is required. The reason for this is that when the rate of temperature increase in the temperature region (C) is faster than 5.0 ° C./min, the diffusion of the glass component in the metal wiring layer does not proceed sufficiently to the insulating ceramic layer. As a result, it is difficult to form a portion in which the content of the glass forming component continuously changes, and the shrinkage start temperature consistency between the insulating ceramic layer and the metal wiring layer cannot be achieved, resulting in an initial IR failure. This is because it occurs.

焼成は、850〜1050℃の温度で1〜2時間保持して相対密度95%以上に緻密化される。焼成温度は、導体材料がAgを主成分とする場合には、850〜930℃で行われる。これによって本発明のセラミック回路基板を製造することができる。   The baking is held at a temperature of 850 to 1050 ° C. for 1 to 2 hours to be densified to a relative density of 95% or more. The firing temperature is 850 to 930 ° C. when the conductor material is mainly composed of Ag. Thus, the ceramic circuit board of the present invention can be manufactured.

なお、上記の製造方法においては、絶縁性セラミック層と金属配線層との収縮開始温度の差が300℃以下であることが望ましい。この理由は、絶縁性セラミック層と金属配線層との収縮開始温度の差を300℃以下とすることで、収縮挙動の不整合による微細な亀裂などの発生を防止できる結果、絶縁抵抗の低下をより効果的に防止することができる。とりわけ絶縁性セラミック層の厚みが50μm以下のときに絶縁抵抗の低下を防止するためには、絶縁性セラミック層と金属配線層との収縮開始温度の差が200℃以下であることが望ましい。   In the above manufacturing method, it is desirable that the difference in shrinkage start temperature between the insulating ceramic layer and the metal wiring layer is 300 ° C. or less. The reason for this is that by making the difference in shrinkage start temperature between the insulating ceramic layer and the metal wiring layer 300 ° C. or less, it is possible to prevent the occurrence of fine cracks due to mismatch of shrinkage behavior, resulting in a decrease in insulation resistance. It can prevent more effectively. In particular, in order to prevent a decrease in insulation resistance when the thickness of the insulating ceramic layer is 50 μm or less, it is desirable that the difference in shrinkage start temperature between the insulating ceramic layer and the metal wiring layer is 200 ° C. or less.

先ず、絶縁性セラミック層として、0.95MgTiO−0.05CaTiOとの主成分組成物を80質量%と、純度99%以上のB、LiCO、SiO、BaCO粉末を合計で20質量%とを混合して、収縮開始温度が800℃の平均粒径1.0μmの絶縁性セラミック材料を作製した。 First, as the insulating ceramic layer, 0.95MgTiO 3 and 80 wt% of the main component composition and -0.05CaTiO 3, 99% or more of B 2 O 3, Li 2 CO 3, SiO 2, BaCO 3 powder Was mixed with 20% by mass in total to produce an insulating ceramic material having an average particle diameter of 1.0 μm and a shrinkage start temperature of 800 ° C.

この原料粉末に、有機バインダ、分散剤、可塑剤とともに、トルエン、イソプロピルアルコールを所定量調合して混練してスラリー化し、ドクターブレード法によりテープ成形して厚さ60μmのグリーンシートを作製した。なお、このグリーンシートの焼成後の厚みは50μmであった。   To this raw material powder, together with an organic binder, a dispersant and a plasticizer, a predetermined amount of toluene and isopropyl alcohol were prepared and kneaded to form a slurry, which was then tape-formed by a doctor blade method to produce a green sheet having a thickness of 60 μm. In addition, the thickness after baking of this green sheet was 50 micrometers.

一方、銀ペーストとして、平均粒径が2.5μmのAg粉末を100質量部に対して、SiO70質量%、Al10質量%、CaO10質量%、B10質量%の組成からなるガラスフリットを表1に示すようにガラスフリットの含有量を3〜7質量%に変更して、収縮開始温度が500、600、750℃の銀系ペーストを作製した。 Meanwhile, as a silver paste, Ag powder having an average particle diameter of 2.5 μm is composed of 70 mass% of SiO 2 , 10 mass% of Al 2 O 3, 10 mass% of CaO, and 10 mass% of B 2 O 3 with respect to 100 mass parts. As shown in Table 1, the glass frit having the composition was changed to 3 to 7% by mass to produce a silver paste having shrinkage initiation temperatures of 500, 600, and 750 ° C.

得られたグリーンシートと銀系ペーストを用いてスクリーン印刷法で電極を形成し、この電極印刷されたグリーンシートを10枚積層し、所定サイズにカットした後トンネル炉を用いて焼成した。   An electrode was formed by screen printing using the obtained green sheet and silver-based paste, 10 sheets of the green sheet printed with this electrode were stacked, cut into a predetermined size, and then fired using a tunnel furnace.

焼成においては、室温から導体材料の焼成収縮開始温度までの温度領域(A)の昇温速度を15℃/分、導体材料の焼成収縮開始温度から絶縁性セラミック材料の収縮開始温度までの温度領域(B)の昇温速度を7.5℃/分とした。その後、本発明によれば、絶縁性セラミック材料の収縮開始温度から焼成温度までの温度領域(C)を表1に示す条件で焼成した。   In firing, the temperature increase rate in the temperature region (A) from room temperature to the firing shrinkage start temperature of the conductor material is 15 ° C./min, and the temperature range from the firing shrinkage start temperature of the conductor material to the shrinkage start temperature of the insulating ceramic material The heating rate of (B) was 7.5 ° C./min. Thereafter, according to the present invention, the temperature region (C) from the shrinkage start temperature to the firing temperature of the insulating ceramic material was fired under the conditions shown in Table 1.

これらの試料の収縮開始温度についてはTMAから求めた。ガラス形成成分の含有量が連続的に変化している領域には試料の破断面のEPMAから求めた。具体的には、銀系ペースト中のガラス形成成分であるAlの金属配線層からの拡散状態を測定した。拡散が見られた試料は、いずれもAlの拡散領域では含有量が連続的に変化していたため、Alの拡散距離をガラス形成成分の含有量が連続的に変化している領域として測定した。また、耐湿度信頼性は、温度85℃、湿度85%の雰囲気で、金属配線層にDC15Vを印加した状態で1000時間後の絶縁抵抗を測定した。また、初期IR特性は、耐湿度信頼性評価サンプルの初期(投入前)の絶縁抵抗を測定し、抵抗値が10Ω以下を不良品とした。また、絶縁抵抗は、10Ω以下を不良品とした。

Figure 2005216998
The shrinkage start temperature of these samples was determined from TMA. The area where the content of the glass forming component continuously changed was determined from EPMA of the fracture surface of the sample. Specifically, the diffusion state from the metal wiring layer of Al which is a glass forming component in the silver-based paste was measured. Since all the samples in which the diffusion was observed had the content continuously changing in the Al diffusion region, the Al diffusion distance was measured as a region in which the content of the glass forming component was continuously changing. In addition, the humidity resistance reliability was measured by measuring the insulation resistance after 1000 hours in a state where a temperature of 85 ° C. and a humidity of 85% was applied with 15 V DC applied to the metal wiring layer. As for the initial IR characteristics, the initial insulation resistance (before charging) of the humidity resistance reliability evaluation sample was measured, and a resistance value of 10 5 Ω or less was regarded as a defective product. In addition, the insulation resistance was 10 8 Ω or less as a defective product.
Figure 2005216998

表1の結果から明らかなように、前記ガラス形成成分の含有量が絶縁性セラミック層の厚みの10%以上の厚みにわたって連続的に変化している本発明の試料No.3、6、9以外は、いずれも初期IR不良の改善、絶縁抵抗の低下防止、耐湿度信頼性の向上が達成できた。   As is apparent from the results in Table 1, the content of the glass-forming component continuously changes over a thickness of 10% or more of the thickness of the insulating ceramic layer. Except for 3, 6 and 9, all of them were able to improve the initial IR failure, prevent the insulation resistance from being lowered, and improve the humidity resistance reliability.

本発明のセラミック回路基板の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the ceramic circuit board of this invention. 本発明のセラミック回路基板における金属配線層付近の拡散状態を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the diffusion state of the metal wiring layer vicinity in the ceramic circuit board of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

A セラミック回路基板
1 絶縁性セラミック層
2 金属配線層
3 ビア導体
A Ceramic circuit board 1 Insulating ceramic layer 2 Metal wiring layer 3 Via conductor

Claims (8)

複数の絶縁性セラミック層を積層してなる絶縁基板と、該絶縁基板における絶縁性セラミック層間に配置された複数層の金属配線層とを具備するセラミック回路基板において、前記金属配線層が、金属粒子とガラス成分とによって構成され、該ガラス形成成分が、前記金属配線層から絶縁性セラミック層にわたって拡散しており、前記ガラス形成成分の含有量が絶縁性セラミック層の厚みの10%以上の厚みにわたって連続的に変化していることを特徴とするセラミック回路基板。 A ceramic circuit board comprising: an insulating substrate formed by laminating a plurality of insulating ceramic layers; and a plurality of metal wiring layers disposed between the insulating ceramic layers of the insulating substrate, wherein the metal wiring layer includes metal particles. The glass forming component is diffused from the metal wiring layer to the insulating ceramic layer, and the content of the glass forming component is over 10% or more of the thickness of the insulating ceramic layer. A ceramic circuit board characterized by continuously changing. 前記絶縁性セラミック層の膜厚が50μm以下であることを特徴とする請求項1記載のセラミック回路基板。 The ceramic circuit board according to claim 1, wherein the insulating ceramic layer has a thickness of 50 μm or less. 前記金属配線層が、銀を主成分とすることを特徴とする請求項1記載のセラミック回路基板。 The ceramic circuit board according to claim 1, wherein the metal wiring layer contains silver as a main component. 前記絶縁性セラミック層が、1050℃以下で焼成可能な低温焼成セラミックスからなることを特徴とする請求項1記載のセラミック回路基板。 The ceramic circuit board according to claim 1, wherein the insulating ceramic layer is made of a low-temperature fired ceramic that can be fired at 1050 ° C. or less. 絶縁性セラミック材料および有機結合材とを含有するセラミックグリーンシートに、金属粉末およびガラス粉末からなる導体材料をもって配線パターン状に施した後、これらを積層し、焼成してなるセラミック回路基板の製造方法において、前記絶縁性セラミック材料の収縮開始温度が前記導体材料の収縮開始温度よりも低く、焼成温度までの昇温過程における絶縁性セラミック材料の収縮開始温度から焼成温度までの温度領域を5.0℃/分以下の速度で昇温することを特徴とするセラミック回路基板の製造方法。 A method for producing a ceramic circuit board comprising a ceramic green sheet containing an insulating ceramic material and an organic binder, a conductive material comprising a metal powder and a glass powder applied to a wiring pattern, and then laminating and firing them. , The shrinkage start temperature of the insulating ceramic material is lower than the shrinkage start temperature of the conductor material, and the temperature range from the shrinkage start temperature of the insulating ceramic material to the firing temperature in the temperature raising process up to the firing temperature is 5.0. A method for producing a ceramic circuit board, wherein the temperature is raised at a rate of not more than ° C / min. 前記焼成温度が、1000℃以下であることを特徴とする請求項1記載のセラミック回路基板の製造方法。 The method for manufacturing a ceramic circuit board according to claim 1, wherein the firing temperature is 1000 ° C or lower. 前記導体材料と前記絶縁性セラミック材料の収縮開始温度の差が300℃以下であることを特徴とする請求項5記載のセラミック回路基板の製造方法。 6. The method of manufacturing a ceramic circuit board according to claim 5, wherein a difference in shrinkage start temperature between the conductor material and the insulating ceramic material is 300 [deg.] C. or less. 前記絶縁性セラミック材料が、ガラス成分と無機フィラー成分との混合物からなることを特徴とする請求項5記載のセラミック回路基板の製造方法。 6. The method of manufacturing a ceramic circuit board according to claim 5, wherein the insulating ceramic material comprises a mixture of a glass component and an inorganic filler component.
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