JP2009158668A - Ceramic multilayer wiring board and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、銅製の導体パッドを有するセラミック多層配線基板とその製造方法に関し、特に基板に対する導体パッドの密着強度が高く、導体パッドの剥離に起因する導通不良が発生し難いセラミック多層配線基板及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a ceramic multilayer wiring board having copper conductor pads and a method for manufacturing the same, and more particularly to a ceramic multilayer wiring board having high adhesion strength of the conductor pads to the board and less likely to cause poor conduction due to peeling of the conductor pads. It relates to a manufacturing method.
携帯電話等の電子機器に使用されるセラミック多層配線基板は、焼結したセラミックの積層体からなり、その内部や外表面には導体配線パターンが形成されている。セラミック多層配線基板の外表面の導体配線パターンは導体パッドとして使用され、例えば、銅などの金属ペーストを印刷及び焼き付けすることによって形成される。また、セラミックの焼結体からなる絶縁層には複数の貫通孔が穿設され、タングステン又はモリブデンなどの高融点金属が充填されて、いわゆるビアが形成される。そして、これらの高融点金属はビアの開口部において上記導体配線パターンに接合されている。
ところが、銅ペーストの印刷・焼き付け等によって形成される導体パッドとタングステン又はモリブデンなどの高融点金属との相性が悪いため、両者の間に空隙が発生し、この部分で導体パッドの剥離が生じるという課題があった。そこで、このような課題を解決すべく、従来、様々な研究や開発が行われており、それに関して既に幾つかの発明や考案が開示されている。
A ceramic multilayer wiring board used in an electronic device such as a cellular phone is made of a sintered ceramic laminate, and a conductor wiring pattern is formed on the inside or the outer surface thereof. The conductor wiring pattern on the outer surface of the ceramic multilayer wiring board is used as a conductor pad, and is formed, for example, by printing and baking a metal paste such as copper. In addition, a plurality of through holes are formed in an insulating layer made of a ceramic sintered body and filled with a refractory metal such as tungsten or molybdenum to form a so-called via. These refractory metals are bonded to the conductor wiring pattern at the opening of the via.
However, since the compatibility between a conductor pad formed by printing / baking copper paste and a refractory metal such as tungsten or molybdenum is poor, a gap is generated between the two, and the conductor pad is peeled off at this portion. There was a problem. Therefore, various researches and developments have been conducted so far to solve such problems, and some inventions and devices have already been disclosed.
例えば、特許文献１には、「セラミック多層配線基板の製造方法」という名称で、タングステン等の高融点金属を主成分とする導体層と銅を主成分とする導体層との間で剥離が生じ難いセラミック多層配線基板の製造方法に関する発明が開示されている。
特許文献１に開示された発明は、高融点金属を主成分とするメタライズペーストを還元雰囲気中で焼成することにより形成した導体層に、ニッケル、コバルトあるいは銅からなる厚さ０．２〜５ミクロンのメッキを施すとともに還元雰囲気中で熱処理し、このメッキ層の表面に銅を主成分とするメタライズペーストからなる印刷層を直接形成した後、中性雰囲気で焼成して銅を主成分とする導体層を形成することを特徴とするものである。
このような方法によれば、タングステンやモリブデン等との濡れ性が良く、電気抵抗が小さい金属からなるメッキ層が高融点金属を主成分とする導体層と銅を主成分とする導体層との間の接着強度を向上させるという作用を有する。これにより、電極が剥離し難いセラミック多層配線基板を安価に製造することができる。
For example, in Patent Document 1, peeling occurs between a conductor layer mainly composed of a refractory metal such as tungsten and a conductor layer mainly composed of copper under the name of “method for manufacturing a ceramic multilayer wiring board”. An invention relating to a method of manufacturing a difficult ceramic multilayer wiring board is disclosed.
In the invention disclosed in Patent Document 1, a conductor layer formed by firing a metallized paste mainly composed of a refractory metal in a reducing atmosphere has a thickness of 0.2 to 5 microns made of nickel, cobalt or copper. Conductive heat treatment in a reducing atmosphere and directly forming a printed layer of a metallized paste mainly composed of copper on the surface of the plated layer, followed by firing in a neutral atmosphere to produce a conductor mainly composed of copper A layer is formed.
According to such a method, the plating layer made of a metal having good wettability with tungsten, molybdenum, or the like and having a small electric resistance is composed of a conductor layer mainly composed of a refractory metal and a conductor layer mainly composed of copper. It has the effect | action which improves the adhesive strength between. Thereby, the ceramic multilayer wiring board in which the electrodes are hardly peeled can be manufactured at low cost.
特許文献２には、「セラミック基板の電極形成方法」という名称で、タングステン等の高温焼結した導体と厚膜銅導体を信頼性良く接続した電極をセラミック基板上に形成する方法に関する発明が開示されている。
特許文献２に開示された発明は、タングステンやモリブデン、マンガン等の高温焼結導体上にニッケルメッキ、銅メッキを順に施し、その上に厚膜銅導体を焼成して電極を形成するものである。
このような方法によれば、ニッケルメッキ及び銅メッキがタングステン等の高温焼結した導体に対する厚膜銅導体の密着強度を高めるように作用する。その結果、電極の剥離が生じ難くなり、セラミック基板の信頼性が向上する。
Patent Document 2 discloses an invention relating to a method of forming an electrode on a ceramic substrate with a reliable connection between a high-temperature-sintered conductor such as tungsten and a thick-film copper conductor under the name of “electrode formation method for a ceramic substrate”. Has been.
In the invention disclosed in Patent Document 2, nickel plating and copper plating are sequentially applied on a high-temperature sintered conductor such as tungsten, molybdenum, and manganese, and a thick film copper conductor is fired thereon to form an electrode. .
According to such a method, the nickel plating and the copper plating act to increase the adhesion strength of the thick film copper conductor to the high-temperature sintered conductor such as tungsten. As a result, peeling of the electrodes hardly occurs and the reliability of the ceramic substrate is improved.
しかしながら、上述の従来技術である特許文献１に開示された発明において、例えば、高融点金属を主成分とする導体層にニッケルメッキを施した場合、銅を主成分とする導体層の形成温度や半導体素子の実装温度によっては、導体層を形成する銅とニッケルメッキが反応して体積収縮を起こしたり、ニッケルメッキ中の水素が発生したりするなどして高融点金属の導体層と銅の導体層の間に空隙や亀裂が発生するおそれがある。また、高融点金属を主成分とする導体層に銅メッキを施した場合、いわゆるアンカー効果によって気密性は向上するものの、十分な密着強度が得られないという課題があった。 However, in the invention disclosed in Patent Document 1 which is the above-described prior art, for example, when a nickel-plated conductor layer mainly composed of a refractory metal, the formation temperature of the conductor layer mainly composed of copper, Depending on the mounting temperature of the semiconductor element, the copper forming the conductor layer reacts with the nickel plating to cause volume shrinkage or the generation of hydrogen during nickel plating. There may be voids or cracks between the layers. Further, when copper plating is applied to a conductor layer containing a refractory metal as a main component, there is a problem that sufficient adhesion strength cannot be obtained although the airtightness is improved by a so-called anchor effect.
また、特許文献２に開示された発明においては、ニッケルメッキと銅メッキの間の密着強度が不十分なため、ニッケルメッキから銅メッキが剥離するおそれがある。 Further, in the invention disclosed in Patent Document 2, since the adhesion strength between the nickel plating and the copper plating is insufficient, the copper plating may be peeled off from the nickel plating.
本発明はかかる従来の事情に対処してなされたものであり、ビアの開口部から露出する高融点金属からなる導体層に対して銅を主成分とする導体パッドの密着強度を高め、導体パッドの剥離に伴う導通不良等のトラブルが発生し難い信頼性の高いセラミック多層配線基板及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in response to such a conventional situation, and improves the adhesion strength of a conductor pad mainly composed of copper to a conductor layer made of a refractory metal exposed from an opening of a via, It is an object of the present invention to provide a highly reliable ceramic multilayer wiring board in which troubles such as poor conduction due to the peeling of the substrate hardly occur and a method for manufacturing the same.
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、電子部品を表面に実装するセラミック多層配線基板において、セラミックを主成分とする複数の絶縁層と、この絶縁層に穿設される貫通孔に高融点金属が充填されて形成されるビアと、複数の絶縁層の間に形成されるとともにビアによって互いに電気的に接続される高融点金属を主成分とする導体層と、絶縁層の最外表面に露出するビアの開口部を覆うように形成される銅とニッケルの固溶体と、この固溶体を覆うように絶縁層の最外表面に形成される銅を主成分とする導体パッドとを備えることを特徴とするものである。
上記構成のセラミック多層配線基板においては、固溶体がニッケル及び銅の特性に起因して、ビアの開口部から露出する導体層及び導体パッドに対してそれぞれ高い密着強度を示すという作用を有する。すなわち、固溶体はビアの開口部から露出する導体層に対する導体パッドの密着強度を高めるように作用する。
In order to achieve the above object, according to a first aspect of the present invention, there is provided a ceramic multilayer wiring board having electronic components mounted on a surface thereof, a plurality of insulating layers mainly composed of ceramic, and through holes formed in the insulating layers. A via formed by being filled with a refractory metal, a conductor layer mainly composed of a refractory metal formed between a plurality of insulating layers and electrically connected to each other by the vias, and the insulating layer. A solid solution of copper and nickel formed so as to cover the opening of the via exposed on the outer surface, and a conductor pad mainly composed of copper formed on the outermost surface of the insulating layer so as to cover the solid solution It is characterized by this.
The ceramic multilayer wiring board having the above-described structure has an effect that the solid solution exhibits high adhesion strength to the conductor layer and the conductor pad exposed from the via opening due to the characteristics of nickel and copper. That is, the solid solution acts to increase the adhesion strength of the conductor pad to the conductor layer exposed from the opening of the via.
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載のセラミック多層配線基板において、固溶体はビアの開口部に近い側から順に被着されたニッケルメッキ層と銅メッキ層を熱処理して形成されることを特徴とするものである。
このような構成のセラミック多層配線基板においては、固溶体を形成する過程で銅メッキ層が高融点金属と直接反応することがないため、高融点金属に対する固溶体の密着強度が低下し難いという作用を有する。また、ニッケルメッキ層が導体パッドを形成する銅と直接反応するおそれがないため、体積収縮による空隙は発生しない。
According to a second aspect of the present invention, in the ceramic multilayer wiring board according to the first aspect, the solid solution is formed by heat-treating the nickel plating layer and the copper plating layer deposited in order from the side closer to the opening of the via. It is characterized by that.
In the ceramic multilayer wiring board having such a configuration, since the copper plating layer does not directly react with the refractory metal in the process of forming the solid solution, the adhesion strength of the solid solution to the refractory metal is hardly lowered. . Further, since there is no possibility that the nickel plating layer directly reacts with copper forming the conductor pad, no void due to volume shrinkage is generated.
請求項３に記載の発明は、請求項２記載のセラミック多層配線基板において、ニッケルメッキ層及び銅メッキ層の厚さは、それぞれ０．０３〜０．５μｍ及び０．６〜４μｍであることを特徴とするものである。
このような構成のセラミック多層配線基板においては、ニッケルメッキ層が薄く、メッキ被膜形成時にニッケルメッキ層に取り込まれた水素が熱処理で容易に除去されるため、空隙が生じるという不良が発生し難いという作用を有する。
According to a third aspect of the present invention, in the ceramic multilayer wiring board according to the second aspect, the thicknesses of the nickel plating layer and the copper plating layer are 0.03 to 0.5 μm and 0.6 to 4 μm, respectively. It is a feature.
In the ceramic multilayer wiring board having such a structure, the nickel plating layer is thin, and hydrogen taken into the nickel plating layer at the time of forming the plating film is easily removed by heat treatment, so that it is difficult to cause a defect that voids are generated. Has an effect.
請求項４に記載の発明であるセラミック多層配線基板の製造方法は、貫通孔を有する複数枚のセラミックグリーンシートの表面にそれぞれ高融点金属を主成分とする導体ペーストを印刷するとともに貫通孔内に導体ペーストを充填する工程と、セラミックグリーンシートを積層して積層体を形成する工程と、この積層体を還元性雰囲気中で焼成してセラミックからなる複数の絶縁層を形成し、高融点金属からなる導体層を絶縁層の間に形成するとともに貫通孔の内部に形成してビアとする工程と、このビアの開口部を覆うように絶縁層の最外表面にニッケルメッキ層を形成する工程と、このニッケルメッキ層が被着された積層体を還元性雰囲気中、５００〜１０００℃の温度条件で加熱する第一の熱処理工程と、ニッケルメッキ層の表面に銅メッキ層を形成する工程と、この銅メッキ層及びニッケルメッキ層を還元性雰囲気中、５００〜１０００℃の温度条件で加熱して固溶体を形成する第二の熱処理工程と、この固溶体を覆うように絶縁層の最外表面に銅ペーストを印刷する工程と、この銅ペーストを焼成して導体パッドを形成する工程とを備えることを特徴とするものである。
このようなセラミック多層配線基板の製造方法によれば、第一の熱処理工程によってビアの開口部から露出する高融点金属に対するニッケルメッキ層の密着強度が向上するという作用を有する。また、第二の熱処理工程によってニッケルと銅の固溶体が容易かつ安価に形成されるという作用を有する。そして、この固溶体はビアの開口部から露出する高融点金属に対して導体パッドの密着強度を高めるように作用する。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method for producing a ceramic multilayer wiring board, comprising: printing a conductor paste mainly composed of a refractory metal on the surface of a plurality of ceramic green sheets having through holes; A step of filling a conductive paste, a step of laminating ceramic green sheets to form a laminate, and firing this laminate in a reducing atmosphere to form a plurality of insulating layers made of ceramic. Forming a conductive layer between the insulating layers and forming a via hole inside the through hole; and forming a nickel plating layer on the outermost surface of the insulating layer so as to cover the opening of the via; , A first heat treatment step of heating the laminate on which the nickel plating layer is deposited in a reducing atmosphere at a temperature of 500 to 1000 ° C., and copper on the surface of the nickel plating layer A step of forming a sticky layer, a second heat treatment step of heating the copper plating layer and the nickel plating layer in a reducing atmosphere at a temperature of 500 to 1000 ° C. to form a solid solution, and covering the solid solution And a step of printing a copper paste on the outermost surface of the insulating layer, and a step of firing the copper paste to form a conductor pad.
Such a method for manufacturing a ceramic multilayer wiring board has the effect that the adhesion strength of the nickel plating layer to the refractory metal exposed from the opening of the via is improved by the first heat treatment step. Moreover, it has the effect | action that the solid solution of nickel and copper is formed easily and cheaply by a 2nd heat treatment process. This solid solution acts to increase the adhesion strength of the conductor pad to the refractory metal exposed from the opening of the via.
請求項５に記載の発明は、請求項４記載のセラミック多層配線基板の製造方法において、ニッケルメッキ層及び銅メッキ層は、それぞれ０．０３〜０．５μｍ及び０．６〜４μｍの厚さに形成されることを特徴とするものである。
このようなセラミック多層配線基板の製造方法によれば、ニッケルメッキ層の熱処理によって容易に水素を除去することができ、固溶体形成時の空隙発生を防止することができる。
A fifth aspect of the present invention is the method for manufacturing a ceramic multilayer wiring board according to the fourth aspect, wherein the nickel plating layer and the copper plating layer have a thickness of 0.03 to 0.5 μm and 0.6 to 4 μm, respectively. It is characterized by being formed.
According to such a method for manufacturing a ceramic multilayer wiring board, hydrogen can be easily removed by heat treatment of the nickel plating layer, and void generation during solid solution formation can be prevented.
本発明の請求項１に記載のセラミック多層配線基板においては、導体パッドが剥離し難くなり、製品の信頼性が高まる。 In the ceramic multilayer wiring board according to the first aspect of the present invention, the conductor pads are hardly peeled off, and the reliability of the product is improved.
また、本発明の請求項２に記載のセラミック多層配線基板においては、固溶体の作用が請求項１に記載の発明に比べてさらに確実に発揮されるため、製品の信頼性がより一層高められるという効果を奏する。 Further, in the ceramic multilayer wiring board according to claim 2 of the present invention, since the action of the solid solution is more reliably exhibited as compared with the invention according to claim 1, the reliability of the product is further enhanced. There is an effect.
本発明の請求項３に記載のセラミック多層配線基板においては、固溶体に空隙や亀裂が生じ難いため、請求項２記載の発明による効果がより一層発揮される。 In the ceramic multilayer wiring board according to claim 3 of the present invention, voids and cracks are hardly generated in the solid solution, so that the effect of the invention of claim 2 is further exhibited.
本発明の請求項４に記載のセラミック多層配線基板の製造方法によれば、セラミックの焼結体からなる絶縁層に対する導体パッドの接合をビア外表面との密着強度を向上させながら強固にすることができる。これにより、導体パッドの剥離による不良を防止して製品の品質を向上させることが可能となる。 According to the method for manufacturing a ceramic multilayer wiring board according to claim 4 of the present invention, the bonding of the conductor pad to the insulating layer made of the ceramic sintered body is strengthened while improving the adhesion strength with the outer surface of the via. Can do. As a result, it is possible to improve the quality of the product by preventing defects due to peeling of the conductor pads.
本発明の請求項５に記載のセラミック多層配線基板の製造方法によれば、固溶体に空隙や亀裂が生じ難いため、導体パッドの剥離を請求項４に記載された発明よりもさらに確実に防止することができる。また、請求項１乃至請求項３に記載されたセラミック多層配線基板を安価に製造することが可能である。 According to the method for manufacturing a ceramic multilayer wiring board according to claim 5 of the present invention, voids and cracks are less likely to occur in the solid solution, and therefore, the peeling of the conductor pads is more reliably prevented than in the invention described in claim 4. be able to. Further, the ceramic multilayer wiring board according to claims 1 to 3 can be manufactured at low cost.
以下に、本発明の最良の実施の形態に係るセラミック多層配線基板とその製造方法の実施例について図１乃至図３を用いて説明する。 Examples of a ceramic multilayer wiring board and a method for manufacturing the same according to the best mode for carrying out the invention will be described below with reference to FIGS.
本実施例のセラミック多層配線基板について図１を用いて説明する。
図１（ａ）は本実施例のセラミック多層配線基板の構造を説明するための断面模式図であり、（ｂ）は同図（ａ）の部分拡大図である。
図１（ａ）に示すように、セラミック多層配線基板１は積層セラミック基板２の両面に導体パッド３，４が形成され、その上面に半導体素子５などの電子部品が搭載される構造となっている。積層セラミック基板２はセラミックを主成分とする絶縁層６と、タングステン又はモリブデンなどの高融点金属を主成分とする導体層７が交互に積層された構造となっている。また、絶縁層６には貫通孔が穿設され、貫通孔の内部にはタングステン又はモリブデンなどの高融点金属が充填された後、焼成されることにより内部に導体層７を有する、いわゆるビア８が形成されている。
各絶縁層６の表面にそれぞれ形成される各導体層７の間及びこの導体層７と導体パッド３あるいは導体パッド４との間は、ビア８を形成する導体層７によって互いに電気的に接続されている。また、半導体素子５は導体パッド３に対して、ＡｕＳｎ、半田、異方性フィルム又は金バンプなどから形成される接続用バンプ１０などの接合材を介して実装されている。すなわち、半導体素子５は接続用バンプ１０と導体パッド３と導体層７を介して導体パッド４に対して電気的に接続されている。
The ceramic multilayer wiring board of the present embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 1A is a schematic cross-sectional view for explaining the structure of the ceramic multilayer wiring board of this example, and FIG. 1B is a partially enlarged view of FIG.
As shown in FIG. 1A, a ceramic multilayer wiring board 1 has a structure in which conductor pads 3 and 4 are formed on both surfaces of a multilayer ceramic substrate 2 and electronic components such as a semiconductor element 5 are mounted on the upper surface. Yes. The multilayer ceramic substrate 2 has a structure in which insulating layers 6 whose main component is ceramic and conductor layers 7 whose main component is a refractory metal such as tungsten or molybdenum are alternately stacked. The insulating layer 6 has a through-hole, and the through-hole is filled with a refractory metal such as tungsten or molybdenum and then baked to form a so-called via 8 having a conductor layer 7 therein. Is formed.
The conductor layers 7 formed on the surfaces of the insulating layers 6 and the conductor layers 7 and the conductor pads 3 or the conductor pads 4 are electrically connected to each other by the conductor layers 7 that form the vias 8. ing. The semiconductor element 5 is mounted on the conductor pad 3 through a bonding material such as a connection bump 10 formed of AuSn, solder, an anisotropic film, a gold bump, or the like. That is, the semiconductor element 5 is electrically connected to the conductor pad 4 via the connection bump 10, the conductor pad 3, and the conductor layer 7.
図１（ｂ）に示すように、積層セラミック基板２の表面に露出するビア８の開口部９はニッケルと銅からなる固溶体１１によって覆われ、固溶体１１の表面は導体パッド３，４で覆われている。すなわち、ビア８の導体層７を形成する高融点金属と導体パッド３，４とはニッケルと銅からなる固溶体１１を介して接合されている。 As shown in FIG. 1B, the opening 9 of the via 8 exposed on the surface of the multilayer ceramic substrate 2 is covered with a solid solution 11 made of nickel and copper, and the surface of the solid solution 11 is covered with conductor pads 3 and 4. ing. That is, the refractory metal forming the conductor layer 7 of the via 8 and the conductor pads 3 and 4 are joined via the solid solution 11 made of nickel and copper.
一般に、タングステン又はモリブデンは銅に対する密着強度が弱いため、銅からなる導体パッド３，４との間の密着強度が低くなっている。しかしながら、固溶体１１はニッケル及び銅の特性をそれぞれ有しているため、上記構造のセラミック多層配線基板１においては、例えば、導体パッド３，４を銅ペーストの印刷・焼成によって形成した場合には、ニッケルの特性に起因してビア８の開口部９から露出する導体層７に対する固溶体１１の密着強度が高くなり、銅の特性に起因して導体パッド３，４に対する固溶体１１の密着強度が高くなる。すなわち、固溶体１１はビア８の開口部９から露出する導体層７に対する導体パッド３，４の密着強度を高めるように作用する。なお、銅は熱伝導率の高い材料であるため、上述のように形成される導体パッド３，４によって放熱性が高められるという作用を有する。また、この場合、高価な金属等と高価な設備や装置を用いた薄膜法や蒸着法によって半導体素子５を実装する導体パッド３，４を形成する従来の方法に比べて、セラミック多層配線基板１を安価なものとすることができる。そして、本実施例のセラミック多層配線基板１では、積層セラミック基板２が多層構造であることから、内層配線が可能であり、配線設計をする際の自由度が高まるという作用を有する。さらに、セラミック多層配線基板１はセラミックが主成分であるため、合成樹脂製の基板に比べて耐光性及び放熱性に優れている。 In general, since tungsten or molybdenum has low adhesion strength to copper, the adhesion strength between the conductor pads 3 and 4 made of copper is low. However, since the solid solution 11 has the characteristics of nickel and copper, respectively, in the ceramic multilayer wiring board 1 having the above structure, for example, when the conductor pads 3 and 4 are formed by printing and baking copper paste, The adhesion strength of the solid solution 11 to the conductor layer 7 exposed from the opening 9 of the via 8 is increased due to the characteristics of nickel, and the adhesion strength of the solid solution 11 to the conductor pads 3 and 4 is increased due to the characteristics of copper. . That is, the solid solution 11 acts to increase the adhesion strength of the conductor pads 3 and 4 to the conductor layer 7 exposed from the opening 9 of the via 8. In addition, since copper is a material with high thermal conductivity, it has the effect | action that heat dissipation is improved with the conductor pads 3 and 4 formed as mentioned above. Further, in this case, the ceramic multilayer wiring board 1 is compared with the conventional method in which the conductive pads 3 and 4 for mounting the semiconductor element 5 are formed by a thin film method or a vapor deposition method using an expensive metal or the like and an expensive facility or apparatus. Can be made inexpensive. In the ceramic multilayer wiring board 1 of this embodiment, since the multilayer ceramic substrate 2 has a multilayer structure, inner layer wiring is possible, and the degree of freedom in wiring design is increased. Furthermore, since the ceramic multilayer wiring board 1 is mainly composed of ceramic, it is superior in light resistance and heat dissipation compared to a synthetic resin board.
以上説明したように、本実施例のセラミック多層配線基板１においては、導体パッド３，４を積層セラミック基板２に対して十分な強度で接合することができる。特に、後述するように所定の厚さに形成したニッケルメッキ層と銅メッキ層の熱処理によって固溶体１１を形成した場合、メッキ被膜形成時にニッケルメッキ層に取り込まれた水素が熱処理で容易に除去されるため、空隙が生じるという不良が発生し難く、積層セラミック基板２に対する導体パッド３，４の密着強度を高めるという固溶体１１の作用が確実に発揮される。従って、導体パッド３，４はより一層剥離し難くなり、製品の信頼性がさらに高まる。また、銅ペーストの印刷・焼成によって導体パッド３，４を形成した場合には、半導体素子５からの発熱を導体パッド３，４から効率よく逃がすことができる。これにより、温度上昇に伴う半導体素子５の故障を防止することが可能となる。すなわち、本実施例のセラミック多層配線基板１によれば、高品質の製品を製造することが可能である。 As described above, in the ceramic multilayer wiring board 1 of the present embodiment, the conductor pads 3 and 4 can be bonded to the multilayer ceramic substrate 2 with sufficient strength. In particular, as described later, when the solid solution 11 is formed by heat treatment of a nickel plating layer and a copper plating layer formed to have a predetermined thickness, hydrogen taken into the nickel plating layer at the time of plating film formation is easily removed by the heat treatment. Therefore, the defect that voids are not likely to occur, and the action of the solid solution 11 to increase the adhesion strength of the conductor pads 3 and 4 to the multilayer ceramic substrate 2 is reliably exhibited. Therefore, the conductor pads 3 and 4 are more difficult to peel off, and the reliability of the product is further enhanced. Further, when the conductor pads 3 and 4 are formed by printing and baking copper paste, the heat generated from the semiconductor element 5 can be efficiently released from the conductor pads 3 and 4. Thereby, it becomes possible to prevent the failure of the semiconductor element 5 due to the temperature rise. That is, according to the ceramic multilayer wiring board 1 of the present embodiment, it is possible to manufacture a high-quality product.
次に、本実施例のセラミック多層配線基板１の製造方法について図３を適宜参照しながら図２を用いて説明する。
図２は本発明の実施の形態に係るセラミック多層配線基板１の製造手順を示す工程図であり、図３（ａ）乃至（ｄ）は本実施例の製造方法を説明するためのセラミック多層配線基板１の縦断面を模式的に示した部分拡大図である。なお、図１に示した構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
図２に示すように、ステップＳ１では、例えば、以下に示すような手順で積層セラミック基板２を成形する。すなわち、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）の粉末に焼結助剤としてシリカ（ＳｉＯ２）、カルシア（ＣａＯ）、マグネシア（ＭｇＯ）などの粉末を添加・調整した原料粉末にポリビニルブチラール（ＰＶＢ）等の有機バインダとエタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）等の分散剤とジオクチフタレート等の可塑剤を加えた後、ボールミル等を用いて混合してスラリー化する。次に、このスラリーをドクターブレード法等によってシート状に成形（以下、グリーンシートという。）した後、所定の箇所に打ち抜き金型やＮＣパンチングマシン等を用いて位置決め孔やビア８用の貫通孔を穿設する。
ステップＳ２では、この貫通孔の内部にスクリーン印刷によってタングステンやモリブデン等の高融点金属粉末の導体性ペーストを充填するとともに、グリーンシートの表面に導体層７を形成する。そして、導体層７が形成された複数枚のグリーンシートをステップＳ３において重ね合わせるとともに、加熱及び加圧を行って一体化する。このようにして一体化されたグリーンシートの積層体を高温焼成炉内に入れて、窒素及び水素の還元性雰囲気中で加熱して有機バインダや分散剤を除去した後、焼結させる。これにより、導体層７が絶縁層６の上面や内層に焼き付けられて図３（ａ）に示すような積層セラミック基板２が形成される。
Next, a method for manufacturing the ceramic multilayer wiring board 1 of the present embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 2 is a process diagram showing a manufacturing procedure of the ceramic multilayer wiring board 1 according to the embodiment of the present invention, and FIGS. 3A to 3D are ceramic multilayer wirings for explaining the manufacturing method of this embodiment. 2 is a partial enlarged view schematically showing a longitudinal section of a substrate 1. FIG. In addition, about the component shown in FIG. 1, the same code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.
As shown in FIG. 2, in step S1, for example, the multilayer ceramic substrate 2 is formed by the following procedure. That is, a material such as polyvinyl butyral (PVB) is added to a raw material powder obtained by adding and adjusting a powder of silica (SiO 2 ), calcia (CaO), magnesia (MgO) or the like as a sintering aid to an alumina (Al 2 O 3 ) powder. An organic binder, a dispersant such as ethanol (C 2 H 5 OH), and a plasticizer such as dioctiphthalate are added, and then mixed and slurried using a ball mill or the like. Next, this slurry is formed into a sheet shape (hereinafter referred to as a green sheet) by a doctor blade method or the like, and then a positioning hole or a through hole for the via 8 is formed at a predetermined location using a punching die or an NC punching machine. To drill.
In step S2, the inside of the through hole is filled with a conductive paste of a refractory metal powder such as tungsten or molybdenum by screen printing, and the conductor layer 7 is formed on the surface of the green sheet. In step S3, the plurality of green sheets on which the conductor layer 7 is formed are overlapped and integrated by heating and pressing. The green sheet laminate thus integrated is placed in a high-temperature firing furnace, heated in a reducing atmosphere of nitrogen and hydrogen to remove the organic binder and dispersant, and then sintered. As a result, the conductor layer 7 is baked onto the upper surface and inner layer of the insulating layer 6 to form the multilayer ceramic substrate 2 as shown in FIG.
ステップＳ４において、積層セラミック基板２に対してニッケルメッキ処理を施して、ビア８の開口部９を覆うように厚さ０．０３〜０．５μｍのニッケルメッキ層１２を形成する（図３（ｂ）参照）。その後、ステップＳ５において、積層セラミック基板２を還元雰囲気中、５００〜１０００℃の温度条件で加熱する。これにより、ビア８の開口部９から露出する導体層７とニッケルメッキ層１２の界面にニッケルとタングステンあるいはニッケルとモリブデン等の化合物が形成され、導体層７とニッケルメッキ層１２の密着強度が向上する。
次に、ステップＳ６において、ニッケルメッキ層１２の表面に銅メッキ処理を施して図３（ｃ）に示すように厚さ０．６〜４μｍの銅メッキ層１３を形成する。その後、ステップＳ７において、積層セラミック基板２を還元雰囲気中、５００〜１０００℃の温度条件で加熱する。これにより、ニッケルと銅の固溶体１１が形成される。
ステップＳ８では、次のような手順で積層セラミック基板２の表面に銅ペーストの印刷・焼成を行って、導体層１４を形成する（図３（ｄ）参照）。まず、積層セラミック基板２の表面にステンレスメッシュを用いたベタ印刷によって銅ペーストを１０〜３０μｍの厚さで一回乃至複数回塗布する。そして、積層セラミック基板２を１００℃程度で加熱して、銅ペーストの塗布面を乾燥させる。次に、銅ペーストを塗布した積層セラミック基板２を２２０℃程度の大気中で加熱した後、窒素又はアルゴンの雰囲気中、９００℃の温度条件で加熱する。ステップＳ８では積層セラミック基板２の表面に形成された導体層１４の表面をバフ研磨によって平滑化すると良い。この研磨処理によって銅表面の凸凹が無くなり、導体層１４の表層部が平坦化される。
In step S4, the multilayer ceramic substrate 2 is subjected to nickel plating to form a nickel plating layer 12 having a thickness of 0.03 to 0.5 μm so as to cover the opening 9 of the via 8 (FIG. 3B). )reference). Thereafter, in step S5, the multilayer ceramic substrate 2 is heated in a reducing atmosphere at a temperature condition of 500 to 1000 ° C. As a result, a compound such as nickel and tungsten or nickel and molybdenum is formed at the interface between the conductor layer 7 exposed from the opening 9 of the via 8 and the nickel plating layer 12, and the adhesion strength between the conductor layer 7 and the nickel plating layer 12 is improved. To do.
Next, in step S6, the surface of the nickel plating layer 12 is subjected to a copper plating process to form a copper plating layer 13 having a thickness of 0.6 to 4 μm as shown in FIG. Thereafter, in step S7, the multilayer ceramic substrate 2 is heated in a reducing atmosphere at a temperature of 500 to 1000 ° C. Thereby, the solid solution 11 of nickel and copper is formed.
In step S8, the copper paste is printed and fired on the surface of the multilayer ceramic substrate 2 by the following procedure to form the conductor layer 14 (see FIG. 3D). First, a copper paste is applied to the surface of the multilayer ceramic substrate 2 once or a plurality of times with a thickness of 10 to 30 μm by solid printing using a stainless mesh. And the laminated ceramic substrate 2 is heated at about 100 degreeC, and the application surface of a copper paste is dried. Next, after the multilayer ceramic substrate 2 coated with the copper paste is heated in the atmosphere of about 220 ° C., it is heated in a nitrogen or argon atmosphere at a temperature condition of 900 ° C. In step S8, the surface of the conductor layer 14 formed on the surface of the multilayer ceramic substrate 2 may be smoothed by buffing. This polishing process eliminates unevenness on the copper surface, and the surface layer portion of the conductor layer 14 is flattened.
さらに、ステップＳ９及びステップＳ１０で導体層１４に導体配線パターンを形成する。まず、ステップＳ９において導体層１４にレジスト膜（図示せず）をスピンコート法によって塗布する。そして、フォトリソ手法を用いて、このレジスト膜にフォトマスク（図示せず）を接触させて露光し、所定のパターンに現像する。なお、レジスト膜の塗布に際しては、スピンコート法に限らず、ロールコート法なども用いることができる。また、レジスト膜への露光もコンタクト方式以外に、例えば、プロキシミティ方式などを採用しても良い。次に、ステップＳ１０において導体層１４に対してエッチングを行う。具体的には、塩化第２鉄あるいは塩化第２銅等を主成分とするエッチング液を用いて導体層１４をエッチングする。これにより、レジスト膜が形成されていない部分の導体層１４が除去される。さらに、導体層１４上のレジスト膜を剥離液によって除去する。その結果、導体層１４は所定の導体配線パターンが形成されて、導体パッド３，４となる。 Further, a conductor wiring pattern is formed on the conductor layer 14 in steps S9 and S10. First, in step S9, a resist film (not shown) is applied to the conductor layer 14 by spin coating. Then, using a photolithography technique, the resist film is exposed to contact with a photomask (not shown) and developed into a predetermined pattern. In addition, when applying the resist film, not only a spin coating method but also a roll coating method can be used. In addition to the contact method, for example, a proximity method may be employed for exposure of the resist film. Next, the conductor layer 14 is etched in step S10. Specifically, the conductor layer 14 is etched using an etchant mainly composed of ferric chloride or cupric chloride. Thereby, the conductor layer 14 in a portion where the resist film is not formed is removed. Further, the resist film on the conductor layer 14 is removed with a stripping solution. As a result, a predetermined conductor wiring pattern is formed on the conductor layer 14 to become conductor pads 3 and 4.
次に、ステップＳ５及びステップＳ７において５通りの温度条件で熱処理を行い、製造したサンプルについて導体パッド３，４とビア８間の密着強度、固溶体１１の形成の有無及び導体パッド３，４間の導通性について調べたので、その結果を表１に示す。なお、導体パッド３，４の密着強度については、各サンプルの導体パッド３，４に対してそれぞれ所定の引張力を加えて剥離状態を調べた。そして、導体パッド３，４がいずれも剥離しない場合を○で表し、いずれか一方が剥離した場合を△で表した。また、固溶体１１の形成の有無については走査電子顕微鏡を用いて撮像した導体パッド３,４の断面写真によって確認した。さらに、市販のテスターを用いて導体パッド３と導体パッド４の間の電気抵抗値が所望の値を満足しているか否かによって導通性を判断した。 Next, in step S5 and step S7, heat treatment is performed under five temperature conditions, and for the manufactured sample, the adhesion strength between the conductor pads 3 and 4 and the via 8, the presence or absence of the formation of the solid solution 11, and between the conductor pads 3 and 4 Since the conductivity was examined, the results are shown in Table 1. In addition, about the contact | adhesion intensity | strength of the conductor pads 3 and 4, the predetermined tensile force was applied with respect to the conductor pads 3 and 4 of each sample, respectively, and the peeling state was investigated. And the case where neither of the conductor pads 3 and 4 peeled was represented by ◯, and the case where either one of them was peeled was represented by Δ. The presence or absence of the formation of the solid solution 11 was confirmed by a cross-sectional photograph of the conductor pads 3 and 4 imaged using a scanning electron microscope. Furthermore, the continuity was judged by whether or not the electric resistance value between the conductor pad 3 and the conductor pad 4 satisfied a desired value using a commercially available tester.
表１より、図２のステップＳ５及びステップＳ７の熱処理の温度が５００℃よりも低い場合には温度が低くて固溶体化が進行せず、１０００℃より高い場合には逆に液体化するため、形状維持が不可能となって、導体パッド３，４とビア８間の密着強度が低くなることが分かる。すなわち、図２のステップＳ５及びステップＳ７の熱処理の温度条件は５００〜１０００℃の範囲内であることが望ましい。 From Table 1, when the temperature of the heat treatment of step S5 and step S7 in FIG. 2 is lower than 500 ° C., the temperature is low and solid solution does not proceed. It can be seen that the shape cannot be maintained and the adhesion strength between the conductor pads 3 and 4 and the via 8 is lowered. That is, it is desirable that the temperature condition of the heat treatment in step S5 and step S7 in FIG.
本実施例のセラミック多層配線基板１の製造方法によれば、ステップＳ５の熱処理工程においてビア８の開口部９から露出する導体層７に対するニッケルメッキ層１２の密着強度が高められる。そして、ニッケルメッキ層１２と銅メッキ層１３を固溶体化することで、ビア８の開口部９から露出する導体層７に対する導体パッド３，４の密着強度が高められる。すなわち、セラミックの焼結体からなる絶縁層６に対する導体パッド３，４の接合をビア８の外表面との密着強度を向上させながら強固にすることができる。加えて、メッキ処理に要する費用が削減される。また、積層セラミック基板２の材質がアルミナであるため、ビア８用の貫通孔を穿設する際にレーザー加工等の高価なプロセスを必要としない。 According to the method for manufacturing the ceramic multilayer wiring board 1 of the present embodiment, the adhesion strength of the nickel plating layer 12 to the conductor layer 7 exposed from the opening 9 of the via 8 is increased in the heat treatment step of step S5. And the adhesion strength of the conductor pads 3 and 4 with respect to the conductor layer 7 exposed from the opening part 9 of the via | veer 8 is raised by making the nickel plating layer 12 and the copper plating layer 13 into a solid solution. That is, the bonding of the conductor pads 3 and 4 to the insulating layer 6 made of a ceramic sintered body can be strengthened while improving the adhesion strength with the outer surface of the via 8. In addition, the cost required for the plating process is reduced. Moreover, since the material of the multilayer ceramic substrate 2 is alumina, an expensive process such as laser processing is not required when the through hole for the via 8 is formed.
以上説明したように、本実施例の製造方法によれば、ニッケルメッキ層の熱処理によって容易に水素を除去することができ、固溶体形成時の空隙発生を防止することができるため、固溶体１１に空隙や亀裂が生じ難い。その結果、セラミックの焼結体からなる絶縁層６に対して導体パッド３，４が強固に接合される。これにより、製品の品質が向上する。そして、固溶体化という安価な方法で密着強度を高められることから、セラミック多層配線基板１の製造コストを削減できる。また、積層セラミック基板２を使用することで、耐光性に優れ、微細配線が可能なセラミック多層配線基板１を容易に製造できる。 As described above, according to the manufacturing method of the present embodiment, hydrogen can be easily removed by heat treatment of the nickel plating layer, and void generation during solid solution formation can be prevented. And cracks are less likely to occur. As a result, the conductor pads 3 and 4 are firmly bonded to the insulating layer 6 made of a ceramic sintered body. This improves the quality of the product. Since the adhesion strength can be increased by an inexpensive method of solid solution, the manufacturing cost of the ceramic multilayer wiring board 1 can be reduced. Further, by using the multilayer ceramic substrate 2, the ceramic multilayer wiring substrate 1 having excellent light resistance and capable of fine wiring can be easily manufactured.
本発明のセラミック多層配線基板１の材質は上記実施例に示すものに限定されるものではない。例えば、絶縁層６としてアルミナよりも放熱性に優れた窒化アルミニウムを使用しても良い。また、図２のステップＳ４及びステップＳ６は、電解メッキ及び無電解メッキのいずれの方法で行っても良い。さらに、導体パッド３，４及びビア８の個数や配置及び導体層７の形成パターンについては、図１又は図３に示す場合に限定されるものではなく、適宜変更可能である。なお、ニッケルメッキ層１２及び銅メッキ層１３については、以下の理由から本実施例に示した厚さとすることが望ましい。すなわち、ニッケルメッキ層１２の厚さが０．０３μｍに満たないか、銅メッキ層１３の厚さが０．６μｍに満たない場合には、ビア８の開口部９から露出する導体層７に対する導体パッド３，４の密着強度を向上させるという固溶体１１の作用が十分に発揮されないおそれがある。また、析出時にニッケルメッキ層１２に取り込まれた水素の発生に伴って生じる空隙の大きさは、ニッケルメッキ層１２が厚いほど大きくなるため、ニッケルメッキ層１２の厚さは０．５μｍ以下であることが望ましい。さらに、銅メッキ層１３が厚くなると、温度変化に伴う膨張や収縮によって亀裂が生じ易くなることから、銅メッキ層１３の厚さは４μｍ以下であることが望ましい。 The material of the ceramic multilayer wiring board 1 of the present invention is not limited to that shown in the above embodiment. For example, aluminum nitride having better heat dissipation than alumina may be used as the insulating layer 6. Further, step S4 and step S6 in FIG. 2 may be performed by either electrolytic plating or electroless plating. Furthermore, the number and arrangement of the conductor pads 3 and 4 and the vias 8 and the formation pattern of the conductor layer 7 are not limited to the case shown in FIG. 1 or FIG. In addition, about the nickel plating layer 12 and the copper plating layer 13, it is desirable to set it as the thickness shown in the present Example for the following reasons. That is, when the thickness of the nickel plating layer 12 is less than 0.03 μm or the thickness of the copper plating layer 13 is less than 0.6 μm, the conductor to the conductor layer 7 exposed from the opening 9 of the via 8 There exists a possibility that the effect | action of the solid solution 11 which improves the adhesive strength of the pads 3 and 4 may not fully be exhibited. In addition, since the size of the void generated with the generation of hydrogen taken into the nickel plating layer 12 during deposition becomes larger as the nickel plating layer 12 is thicker, the thickness of the nickel plating layer 12 is 0.5 μm or less. It is desirable. Furthermore, when the copper plating layer 13 becomes thicker, cracks are likely to occur due to expansion and contraction associated with temperature changes. Therefore, the thickness of the copper plating layer 13 is preferably 4 μm or less.
本発明の請求項１乃至請求項５に記載された発明は、タングステンやモリブデン等の高融点金属に対して銅を主成分とする導体層を接合する場合に適用可能である。 The invention described in claims 1 to 5 of the present invention can be applied to a case where a conductor layer mainly composed of copper is bonded to a refractory metal such as tungsten or molybdenum.
１...セラミック多層配線基板 ２...積層セラミック基板 ３，４...導体パッド ５...半導体素子 ６...絶縁層 ７...導体層 ８...ビア ９...開口部 １０...接続用バンプ １１...固溶体 １２...ニッケルメッキ層 １３...銅メッキ層 １４...導体層 1 ... Ceramic multilayer wiring board 2 ... Multilayer ceramic board 3,4 ... Conductor pad 5 ... Semiconductor element 6 ... Insulating layer 7 ... Conductive layer 8 ... Via 9 ... Opening 10 ... Bump for connection 11 ... Solid solution 12 ... Nickel plating layer 13 ... Copper plating layer 14 ... Conductor layer
Claims (5)
5. The method for manufacturing a ceramic multilayer wiring board according to claim 4, wherein the nickel plating layer and the copper plating layer are formed to a thickness of 0.03 to 0.5 [mu] m and 0.6 to 4 [mu] m, respectively.
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