JP2009200294A - 積層基板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な製造工程で、処理に要する時間が短く、高密度且つ低抵抗損失の配線パターンが実現できる低温焼成積層セラミックス基板およびその製造方法を提供する。
【解決手段】アルミナとホウケイ酸ガラスを主成分とし、低温で焼成したセラミックス基板１１と、セラミックス基板に設けた第１ビアホール１２と、第１ビアホールに充填した充填導体１３と、セラミックス基板の表面に形成したポリイミド樹脂等からなる絶縁膜１５と、第１ビアホールの直上部に絶縁膜１５に形成され、第１ビアホールよりも小径の第２ビアホール１６と、第２ビアホール内と充填導体を覆ってスパッタリング等により形成した下地膜１７と、下地膜１７上に形成した、銅、ニッケル、金のメッキ層等からなる金属薄膜配線１８と、を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、表層に金属薄膜配線パターンを備え、内層にも金属配線パターンを備えた積層基板、例えば、低温焼成積層セラミックス基板（ＬＴＣＣ基板）に係り、特に表層の金属薄膜配線パターン周辺の構造およびその製造方法に関する。

従来から、セラミックス粉末とガラス粉末とを混合・分散したスラリーからセラミックスグリーンシートを形成し、該セラミックスグリーンシートに金属ペーストを用いて配線パターンを形成し、該セラミックスグリーンシートを積層して、金属の融点未満の比較的低温で焼成することで製造する低温焼成積層セラミックス基板（ＬＴＣＣ基板）が知られている。そして、焼成した積層セラミックス基板の表層に金属薄膜配線パターンを形成し、電子部品搭載用等の用途に対応した積層基板を製造する。

係る積層基板は、基材がセラミックスであるため、耐熱性・耐湿性に優れる他、高周波回路において良好な低損失特性（周波数特性）が得られる。また、配線パターンを表層・内層に形成できるので、多層化が容易であり、高周波モジュールやＬＳＩパッケージ用の基板として広く利用することができる。そのような電子部品の小型化の要求から、配線パターンをより微細化することが求められている。

しかしながら、焼成後のセラミックス基板の表面には、粒子による凹凸、ボイドが存在するため、その表面に形成できる金属薄膜配線パターンの微細化には限界がある。また、セラミックス基板に設けたビアの周辺にはクラックが生じやすく、該クラックを覆うためのビアパッドが必要となり、ビアピッチの微細化が困難であった。

このため、セラミックス基板の表面に、ガラス層または有機絶縁層を被覆し、これをセラミックス基板の配線パッド面が露出するまで平面研削し、その上に金属薄膜配線パターンを形成することが提案されている（特許文献１）。また、セラミックス基板の表面を研磨により平坦化し、平坦化されたセラミックス基板の表面に高分子材料からなる薄膜絶縁層を形成し、さらにこの表面を研磨して薄膜スルーホールを有する第１薄膜絶縁層を形成し、その上に金属薄膜配線パターンを形成することが提案されている（特許文献２）。
特開平６−１１２６４８号公報 特開平８−１６２７５９号公報

しかしながら、上記の金属薄膜配線パターンの形成方法は、研磨の工程を含み、工程が複雑となり、処理に時間を要するという問題がある。そこで、本発明は、簡単な製造工程で、処理に要する時間が短く、高密度且つ低抵抗損失の微細配線パターンを実現したセラミックスの積層基板およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の積層基板は、アルミナとホウケイ酸ガラスを主成分としたセラミックス基板と、前記セラミックス基板を貫通する第１ビアホールと、第１ビアホールに充填された充填導体と、セラミックス基板の表面に形成した絶縁膜と、第１ビアホールの直上部において絶縁膜を貫通し、第１ビアホールよりも小径とした第２ビアホールと、第２ビアホール内、および、第２ビアホール内における充填導体の露出面に形成された下地膜と、下地膜上に形成され、該下地膜よりも厚く形成した金属配線と、を備えたことを特徴とする。

本発明の積層基板の製造方法は、アルミナとホウケイ酸ガラスを主成分とし、第１ビアホールと、第１ビアホール内に充填された充填導体と、配線パターンとを備えたセラミックス基板を形成し、セラミックス基板の表面に絶縁材料を塗布して絶縁膜を形成し、該絶縁膜に、第１ビアホールに充填された充填導体が露出するように第２ビアホールを形成し、第２ビアホール内、および、第２ビアホール内に露出した充填導体を覆って金属薄膜の下地膜を形成し、該下地膜の表面に、メッキにより下地膜よりも厚い金属配線を形成することを特徴とする。

本発明によれば、凹凸またはボイドを有するセラミックス基板の表面に絶縁膜を形成することで、セラミックス基板の表面の平坦度を向上させることができる。このため積層基板の表面に微細パターンを形成できるので、高密度且つ低損失の金属薄膜配線パターンを備えた積層基板を実現できる。更に、表面が平坦であることから、本発明の積層基板の表面に形成される配線パターン同士の段差も緩和される。このため、本発明の積層基板の表面に他のチップ部品を実装する場合、かかるチップ部品の端子と配線パターンとの接続が安定する。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。なお、図中、同一または相当する部材または要素には、同一の符号を付して説明する。

図１は、本発明の一実施形態である低温焼成積層セラミックス基板の要部を示す。セラミックス基板１１は、アルミナとホウケイ酸ガラスを主成分とし、セラミックス基板に形成される配線パターンに用いられる銀の融点である９００℃以下の温度（本願ではこれを低温という）で焼成されている。セラミックス基板の内部の配線に用いられる導電材料の融点以下の温度で焼成するため、内部に配線パターンが形成された状態での焼成が可能である。セラミックス基板１１は、内部に形成された配線をセラミックス基板１１の表面側に形成された配線と接続導通させるため、第１ビアホール１２と、これに導電材料を充填して形成される充填導体１３を備えている。充填導体１３には銀が用いられる。図示しないが、セラミックス基板１１は、複数のセラミックスグリーンシートの積層体が焼成して形成されたものであり、それぞれのセラミックスグリーンシートには必要に応じて銀を用いた配線パターンが形成され、配線パターンを層間にわたって立体的に接続するために、セラミックスグリーンシートの厚み方向に形成された接続ビアを備えている。

セラミックス基板１１の表面には、絶縁膜１５が形成されている。絶縁膜１５としては、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂などの有機材料や、ガラスなどの無機材料を用いることができる。セラミックス基板１１表面の凹凸やボイドに浸透するように、加工時において流動性を有する液状またはペースト状の絶縁材料を用いる。より好ましくは感光性を有するポリイミド樹脂であり、以下、これを用いた場合の例を説明する。セラミックス基板１１の表面には、アルミナ等の粒子による凹凸やボイドが有るため、この表面に直接金属薄膜配線パターンを形成するには、確実な導通の確保からも線幅を２０μｍ程度以上にする必要がある。しかしながら、感光性ポリイミド樹脂等からなる絶縁膜１５をセラミックス基板１１の表面に形成することで、配線幅を５μｍ以下とし、配線ピッチ（配線の間隔）を１０μｍ以下とした微細金属薄膜配線パターンの形成が可能である。

絶縁膜１５には、第１ビアホール１２の直上部において絶縁膜１５を貫通する第２ビアホール１６が設けられている。第２ビアホール１６は第１ビアホール１２よりも小径としている。本実施例では、第２ビアホール１６の直径は３０〜５０μｍであり、セラミックス基板１１に設けた第１ビアホール１２のサイズ８０〜２００μｍと比べて小径である。これにより表層の金属薄膜配線の配線密度を向上することができる。

第２ビアホール１６内における充填導体１３の露出部分と、第２ビアホール１６の内部と、絶縁膜１５の表面には、下地膜１７が形成されている。下地膜１７は、スパッタリング法、蒸着法などの金属薄膜形成技術により形成したものであり、後述するメッキ層を形成するためのシード層となる。下地膜１７上にはメッキにより形成された金属薄膜配線１８（金属配線）が形成されている。第２ビアホール１６を介して、絶縁膜１５の表面側の金属薄膜配線１８と、セラミックス基板１１の内層に形成された回路と接続された充填導体１３とが接続される。

金属薄膜配線１８は、メッキ層１８ａ，１８ｂ，１８ｃの３層構造で構成される。金属薄膜配線１８は下地膜１７よりも厚く形成されている。メッキ層１８ａは銅であり、シード層としての下地膜１７の表面に３〜５μｍと比較的厚く形成されている。メッキ層１８ｂはニッケルからなり、厚さ２μｍ程度である。メッキ層１８ｃは金からなり、厚さ０．０５μｍ程度である。これらの層１８ｂ，１８ｃは、銅のメッキ層の酸化防止とハンダ喰われの防止のため、銅のメッキ層を被覆するように設けたものである。

本発明の積層基板では、絶縁膜１５によってセラミックス基板１１表面の凹凸に対してその平坦度を向上させることができる。このため、金属薄膜配線１８の配線幅を５μｍ以下、配線ピッチを１０μｍ以下とすることができ、高密度微細配線を実現できる。また、第２ビアホール１６の径を第１ビアホール１２の径よりも小径としても導通を確保でき、高密度微細配線の実現に寄与する。従来必要であったビアパッドが不要となる。金属薄膜配線１８は、比較的厚く形成された銅のメッキ層を含み、セラミックス基板１１の内層の配線には銀が用いられているので、第１ビアホール１２と第２ビアホール１６とを介してこれらを接続することで、積層基板に形成される回路全体としての損失を小さなものとすることができる。

次に、本発明の積層基板の製造方法について、図２を参照して説明する。図２（ａ）に示すセラミックス基板１１は、内部に形成された配線を外部（即ち金属薄膜配線１８）と接続導通させるための、第１ビアホール１２と、該第１ビアホール１２に充填した充填導体１３を備え、焼成した段階であり、その表面には凹凸やボイドが存在する。図示しないが、セラミックス基板１１は、数層〜十数層のセラミックスグリーンシートが積層され、焼成して形成されたものであり、内層に銀導体の配線パターンを備え、各層の配線パターンはビアホールを介して相互に接続されていることは上述したとおりである。

なお、セラミックス基板１１の製造工程は概略以下のとおりである。まず、アルミナ粉末とホウケイ酸ガラス粉末とを一定比率で混合し、有機系のバインダーと溶剤を加え、スラリーを作成する。そして、製膜装置でＰＥＴフィルム上に一定の厚さでスラリーを塗布し、乾燥し、所定の大きさに切断して、セラミックスグリーンシートを作成する。次に、上下層にわたる配線の導通を確保する為に、打ち抜き等によりセラミックスグリーンシートの一部に厚み方向に貫通した孔である第1ビアホールを形成する。次に、銀ペーストをスクリーン印刷することで第1ビアホールへの導体の充填と、必要な配線パターンの形成を行い、一層分が出来上がる。その他、設計に応じて接続ビアやその他配線パターンを形成したセラミックスグリーンシートを作成し、これらを積層工程で圧着・積層し、さらに、積層体に圧力を加え、銀の融点未満である９００℃以下の低温で焼成し、積層基板（低温焼成積層セラミックス基板）を形成する。

次に、図２（ｂ）に示すように、感光性ポリイミド樹脂をセラミックス基板１１の表面にスピンコートにて塗布することにより絶縁膜１５を形成する。絶縁膜１５の膜厚は、乾燥後、１０−２０μｍ程度となるようにすることが好ましい。これにより、セラミックス基板１１の表面の平坦度を向上させることができ、更に、ビアホールに起因してセラミックス基板に発生するクラックをカバーすることができる。このため、従来セラミックス基板のビアホールに充填した導体に接続するビアパッドが不要となり、配線密度をさらに向上することができる。

次に、図２（ｃ）に示すように、絶縁膜１５を乾燥後、フォトリソグラフィの手法を用いて、絶縁膜１５をパターニングする。即ち、感光性の樹脂である絶縁膜１５をマスクパターンに従って露光および現像し、現像した部分に絶縁膜１５を貫通する第２ビアホール１６を形成する。第２ビアホール１６は、セラミックス基板１１の充填導体１３が第２ビアホール１６内において露出するように第１ビアホール１２の直上部に形成する。そして、４００℃程度の温度で絶縁膜１５を加温硬化する。絶縁膜１５として感光性のポリイミド樹脂を用いることで、第２ビアホール１６の形成は容易となる。

次に、下地膜１７をスパッタリングによりセラミックス基板１１の表面全面に形成する。具体的には、先ずチタンの薄膜を形成し、次に銅の薄膜を形成することで下地膜１７を形成する。下地膜１７は、第２ビアホール１６内と、第２ビアホール１６内に露出している充填導体１３と、絶縁膜１５の表面にわたって形成される。また、この下地膜１７は、後に形成する銅メッキ層のシード層となるものであり、例えば０．１μｍ程度の極めて薄い金属膜である。次に、下地膜１７を含む絶縁膜１５表面にフォトレジスト１９を塗布し、マスクパターンに従って露光および現像して、配線パターンに対応した形状に下地膜１７が露出するようにフォトレジスト１９に開口を形成する。図２（ｄ）は、この状態を示す。

次に、露出した下地膜１７上に、電解メッキにより銅のメッキ層１８ａを形成する。メッキ層１８ａは、第２ビアホール１６内に導電材料を充填するとともに、金属薄膜配線パターンとしての損失を十分に小さなものとするように、下地膜１７よりも厚く、厚さ３〜５μｍに形成する。次に、フォトレジスト１９と、メッキ層１８ａに覆われていない部分の下地膜１７と、をレジストリムーバおよびエッチャントを用いて除去する。こうして、下地膜１７およびメッキ層１８ａからなる配線パターンを形成する。次に、メッキ層１８ａ上に無電解メッキにより厚さ２μｍ程度のニッケルのメッキ層１８ｂを形成し、更に、メッキ層１８ｂ上に無電解メッキにより厚さ０．０５μｍ程度の金のメッキ層１８ｃを形成する。メッキ層１８ｂ，１８ｃにより、銅の酸化とハンダ喰われを防止する。このようにして絶縁膜１５の表面に形成される配線パターンである金属薄膜配線１８が形成される。この状態を図２（ｅ）に示す。この金属薄膜配線１８の一部は、第２ビアホール１６を介して、セラミックス基板１１の内層の充填導体１３に接続される。

さらに必要に応じて、金属薄膜配線１８を被覆して保護するオーバコート絶縁層（樹脂絶縁層）を形成する。このオーバコート絶縁層にビアホールを設け、さらに上層に金属薄膜配線パターンを形成し、複数のオーバコート絶縁層と複数の金属薄膜配線パターン層とを設けるようにしてもよい。

絶縁膜１５として感光性の材料を用いない例について説明する。先ず、感光性を有しない絶縁膜を形成した後、かかる絶縁膜の表面にレジスト膜を形成する。かかるレジスト膜を、フォトリソグラフィ法を用いて、露光、現像により第２ビアホールに対応した部分に開口が形成されるようにパターニングする。更に開口部分をエッチングすることで、絶縁膜の所定の個所に第２ビアホールを形成し、レジスト膜を除去する。その他の工程は上述と同じである。

図２（ｄ）では、現像された後のフォトレジスト１９の開口部分（下地膜１７が露出する部分）を、配線パターンに対応した形状とする方法について説明したが、第２ビアホールを形成した部分を含み最終的に配線パターンとして残す部分を覆うように、現像された後のフォトレジスト１９が配線パターンに対応した形状となるようにしてもよい。この場合、フォトレジストに覆われていない下地膜１７の露出部分をエッチングにより除去し、その後、フォトレジストを除去することにより、下地膜のパターニングが完了する。その後、下地膜１７上にメッキ層を形成する。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施することができる。

本発明の一実施形態である低温焼成積層セラミックス基板の要部を示す断面図である。 上記低温焼成積層セラミックス基板の製造工程を示す各段階の断面図である。

符号の説明

１１ セラミックス基板
１２ 第１ビアホール
１３ 充填導体
１５ 絶縁膜
１６ 第２ビアホール
１７ 下地膜
１８ 金属薄膜配線
１９ フォトレジスト

Claims (3)

1. アルミナとホウケイ酸ガラスを主成分としたセラミックス基板と、
   前記セラミックス基板に設けられた第１ビアホールと、
   前記第1ビアホールに充填された充填導体と、
   前記セラミックス基板の表面に形成した絶縁膜と、
   前記第１ビアホールの直上部において前記絶縁膜を貫通し、前記第１ビアホールよりも小径とした第２ビアホールと、
   前記第２ビアホール内、および、前記第２ビアホール内における前記充填導体の露出面に形成された金属薄膜からなる下地膜と、
   前記下地膜上に形成され、該下地膜よりも厚く形成した金属配線と、
   を備えたことを特徴とする積層基板。
2. 前記絶縁膜は、感光性を有する樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の積層基板。
3. アルミナとホウケイ酸ガラスを主成分とし、第１ビアホールと、第１のビアホール内に充填された導体と、配線パターンとを備えたセラミックス基板を形成し、
   前記セラミックス基板の表面に絶縁材料を塗布して絶縁膜を形成し、
   前記絶縁膜に、前記第１ビアホールに充填された導体が露出するように第２ビアホールを形成し、
   前記第２ビアホール内、および、前記第２ビアホール内に露出した導体を覆って金属薄膜の下地膜を形成し、
   前記下地膜の表面に、メッキにより前記下地膜よりも厚い金属配線を形成することを特徴とする積層基板の製造方法。

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