JP2012156380A

JP2012156380A - 多層配線基板

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Publication number: JP2012156380A
Application number: JP2011015426A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Tomisako; 正浩冨迫
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2011-01-27
Filing date: 2011-01-27
Publication date: 2012-08-16

Abstract

【課題】高強度でありかつ導体の位置精度の高い多層配線基板を提供する。
【解決手段】セラミックスからなる絶縁層１が複数積層された絶縁基板と、該絶縁基板の表面および内部に設けられた導体層３Ａ・３Ｂとを具備してなる多層配線基板であって、前記絶縁基板がアルミニウムをＡｌ_２Ｏ_３換算で８０〜９８質量％含有する第１の絶縁層１Ａと、アルミニウムをＡｌ_２Ｏ_３換算で３５〜６０質量％含有するとともに、主結晶相としてディオプサイド相を有する第２の絶縁層１Ｂとが交互に積層され、かつ前記第１の絶縁層１Ａと前記第２の絶縁層１Ｂとの間にマンガン層１Ｃを有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、高強度かつ高寸法精度の多層配線基板に関する。

従来より電子機器の内部に組み込まれたＬＳＩ等の半導体素子を環境的に保護するとともに、半導体素子の放熱性を高め、かつ動作特性を安定化させるための筐体として半導体素子収納用パッケージと呼ばれる多層配線基板が用いられている。

半導体素子収納用パッケージ用の多層配線基板としては、例えば、アルミナセラミック製のものが知られているが、アルミナセラミック製の多層配線基板は、アルミナセラミックスの高絶縁性、高密度かつ高強度という利点から、ワークステーションやサーバー等、演算速度の速さを求められるＣＰＵに止まらず、近年では、携帯電話等、小型の電子機器のＣＰＵやメモリー用としても多用されている。

例えば、本出願人は、近年、アルミナにマンガンなどの焼結助剤を所定量加えることにより、従来のアルミナセラミックスよりも焼結温度を低温下させ、導体材料としてタングステンに銅を複合した導体材料を適用し、導体材料がタングステンからなる場合に比べて導体抵抗を低くしたアルミナセラミック製の多層配線基板を提案した（例えば、特許文献１〜３を参照）。

特開２０００−２２３３８号公報

しかしながら、特許文献１にも記載された多層配線基板は、表面配線層や内部配線層など、多層配線基板の表面や内部に形成された導体の位置精度を高くすることが困難である。これは、上記のような多層配線基板は、通常、主成分であるアルミナ粉末と焼結助剤との混合物を含むグリーンシート上に、表面配線層または内部配線層となる配線パターンを形成し、次いで、この配線パターンが形成されたグリーンシートを複数枚積層して積層体を形成し、これを焼結させて得られるものであるため、焼結時の収縮率が大きいことに起因するものである。

従って本発明は、高強度でありかつ導体の位置精度の高い多層配線基板を提供することを目的とする。

本発明の多層配線基板は、セラミックスからなる絶縁層が複数積層された絶縁基板と、該絶縁基板の表面および内部に設けられた導体とを具備してなる多層配線基板であって、前記絶縁基板がアルミニウムをＡｌ_２Ｏ_３換算で８０〜９８質量％含有する第１の絶縁層と、アルミニウムをＡｌ_２Ｏ_３換算で３５〜６０質量％含有するとともに、主結晶相としてディオプサイド相を有する第２の絶縁層とが交互に積層され、かつ前記第１の絶縁層と前記第２の絶縁層との間にマンガン層を有していることを特徴とする。

上記多層配線基板では、前記第１の絶縁層が、ケイ素をＳｉＯ_２換算で０．８〜１１質量％、マグネシウムをＭｇＯ換算で０．１〜５．０質量％含有するものであり、前記第２
の絶縁層がケイ素をＳｉＯ_２換算で２５〜４０質量％、マグネシウムをＭｇＯ換算で５．０〜２０．０質量％、カルシウムをＣａＯ換算で１０〜２０質量％含有するものであることが望ましい。

本発明によれば、高強度でありかつ導体の位置精度の高い多層配線基板を得ることができる。

本発明の多層配線基板の一実施形態を示す断面図である。多層配線基板の最表面の絶縁層上に形成した寸法精度評価用パターンおよびピール強度評価用パターンを示す平面模式図である。

図１は、本発明の多層配線基板の一実施形態を示す概略断面図である。

本実施形態の多層配線基板Ａは、複数のセラミックスからなる絶縁層１が積層された絶縁基板１０と、この絶縁基板１０の表層および内部に設けられた導体３とを有している。導体３は、半導体素子（図示せず）や外部回路基板（図示せず）との接続部となる表面配線層３Ａと、絶縁基板１０の内部において信号層やグランド層となる内部配線層３Ｂと、表面配線層３Ａと内部配線層３Ｂとを接続するために絶縁層１を貫通して設けられたビア導体３Ｃとから構成されている。

絶縁基板１０は、少なくともアルミニウムをＡｌ_２Ｏ_３換算で８０〜９８質量％含有する第１の絶縁層１Ａと、アルミニウムをＡｌ_２Ｏ_３換算で３０〜６０質量％含有するとともに、主結晶相としてディオプサイド（ＣａＭｇＳｉ_２Ｏ_６）相を有する第２の絶縁層１Ｂとが交互に積層された構造となっている。また、この絶縁基板１０には、第１の絶縁層１Ａと第２の絶縁層１Ｂとの間にマンガン層１Ｃを有している。

本実施形態の多層配線基板Ａでは、アルミナを主成分とするセラミックスからなる第１の絶縁層１Ａが、主結晶相としてディオプサイド（ＣａＭｇＳｉ_２Ｏ_６）相を有するガラスセラミックスからなる第２の絶縁層１Ｂとマンガン層１Ｃを介して接合されているために、高強度でありかつ導体の位置精度の高い多層配線基板を得ることができる。なお、マンガン層１Ｃは酸化物の形態となっており、これにより、共にセラミックスからなる第１の絶縁層１Ａおよび第２の絶縁層１Ｂとの間で強固な接合層となる。

ここで、多層配線基板Ａを構成している第１の絶縁層１Ａと第２の絶縁層１Ｂとの界面に形成されているマンガン層１Ｃは、多層配線基板Ａの縦断面をＸ線マイクロアナライザーを付設した走査型電子顕微鏡を用いてカラーマッピングによる画像解析を行って確認する。この場合、マンガン層１Ｃは第１の絶縁層１Ａと第２の絶縁層１Ｂとの界面の全域にわたってほぼ同じ厚みで形成されているのが良く、その平均厚みは１〜５μｍ程度が良い。これにより第１の絶縁層１Ａと第２の絶縁層１Ｂとの界面の接合を強固なものとすることができる。

また、本実施形態の多層配線基板Ａでは、第１の絶縁層１Ａが、ケイ素をＳｉＯ_２換算で０．８〜１１質量％、マグネシウムをＭｇＯ換算で０．１〜５．０質量％含有するものであり、第２の絶縁層１Ｂがケイ素をＳｉＯ_２換算で２５〜４０質量％、マグネシウムをＭｇＯ換算で５．０〜２０．０質量％、カルシウムをＣａＯ換算で１０〜２０質量％含有するものであることが望ましい。

第１の絶縁層１Ａおよび第２の絶縁層１Ｂが、それぞれ上記組成であると、絶縁基板１の機械的強度を向上できるとともに、絶縁基板１に形成されている表面配線層３Ａの接合強度を高めることができる。

なお、第２の絶縁層１Ｂに含まれるディオプサイド相は、第２の絶縁層１Ｂの焼成時における溶融を防止するとともにヤング率を高くするという理由からＸ線回折のリートベルト解析から求められる値で５０質量％以上の割合で含まれていることが望ましい。

第２の絶縁層１Ｂに含まれているディオプサイド相の割合はＸ線回折のリートベルト解析から結晶化度として求める。この場合、多層配線基板Ａから切り出した第２の絶縁層１Ｂを粉砕して粉末の状態とし、この粉砕粉末についてＸ線回折を行い、回折データをリートベルト解析して求める。

第１の絶縁層１Ａおよび第２の絶縁層１Ｂのそれぞれの組成は、多層配線基板Ａを研磨して採取した第１の絶縁層１Ａのみまたは第２の絶縁層１Ｂのみの試料についてそれぞれＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）分析を行って求める。

また、本実施形態の多層配線基板Ａを構成する表面配線層３Ａ、内部配線層３Ｂおよびビア導体３Ｃなどの導体３は、タングステン、モリブデンおよび銅から選ばれる少なくとも１種の導体材料によって構成されているものがよく、特に、導体３の抵抗が低く、高周波特性に優れた配線層を形成できるという点で、少なくとも銅を含有するものが望ましい。

次に、上記の多層配線基板の製造方法について具体的に説明する。

まず、第１の絶縁層１Ａ用の第１のグリーンシートを作製するために、主原料粉末として、いずれも純度が９９質量％以上のアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）粉末およびＭｎ_２Ｏ_３粉末を準備する。次いで、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）粉末を８０〜９８質量％とＭｎ_２Ｏ_３粉末を１〜１０質量％とを配合して混合粉末を調製する。この場合、さらに、ＳｉＯ_２粉末を０．８〜１１質量％およびＭｇＯ粉末を０．１〜５．０質量％添加するのがよい。このＳｉＯ_２粉末およびＭｇＯ粉末の純度も９９質量％以上であるのがよい。上記組成であると、還元雰囲気中、１３００℃〜１４００℃の温度において、緻密かつ高強度の第１の絶縁層１Ａを得ることができる。

次に、第２の絶縁層１Ｂ用の第２のグリーンシートを作製するために、主原料粉末として、焼成時にディオプサイド相を生成するガラス粉末とセラミックフィラーとしてアルミナ粉末を準備する。この場合のガラス粉末としては、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）粉末を３０〜６０質量％、ケイ素をＳｉＯ_２換算で２５〜４０質量％、マグネシウムをＭｇＯ換算で５．０〜２０．０質量％およびカルシウムをＣａＯ換算で１０〜２０質量％含有するものを用いるのが望ましい。上記組成であると、還元雰囲気中、１３００℃〜１４００℃の温度において、第２の絶縁層１Ｂが溶融すること無しに高い焼結性の第２の絶縁層１Ｂを得ることができる。

次に、第１のグリーンシートの組成の混合粉末および第２のグリーンシートの組成の混合粉末のそれぞれの混合粉末に対して有機バインダ、可塑剤および溶媒を添加してスラリーを調整した後、これをプレス法、ドクターブレード法、圧延法、射出法などの成形方法によって、それぞれ第１のグリーンシートおよび第２のグリーンシートを作製する。なお、第１のグリーンシートおよび第２のグリーンシートの厚みは、例えば、５０〜３００μｍとすることができるが、特に限定されない。

次に、この第１のグリーンシートおよび第２のグリーンシートに対して、マイクロドリル、レーザー等により直径５０〜２５０μｍの貫通孔を形成する。

次に、第１のグリーンシートおよび第２のグリーンシートに形成された貫通孔内にスクリーン印刷法により導体ペーストを充填する。貫通孔に充填する導体ペーストはタングステン粉末、モリブデン粉末および銅粉末から選ばれる少なくとも１種の金属粉末を用いる。

次に、貫通孔に導体ペーストを充填して生のビア導体が形成された第１、第２のグリーンシートに対して、それらの表面にスクリーン印刷、グラビア印刷などの方法により、導体ペーストを印刷塗布して表面配線層または内部配線層となる配線パターンを形成する。この配線パターン用の導体ペーストもタングステン粉末、モリブデン粉末および銅粉末から選ばれる少なくとも１種の金属粉末を用いることが望ましい。

次に、生のビア導体および配線パターンの形成された第１および第２のグリーンシートを交互に複数枚積層して積層体を形成した後、この積層体を還元性雰囲気（窒素雰囲気あるいは窒素と水素との混合雰囲気）中にて同時焼成する。焼成条件は、最高温度を１３００℃〜１４００℃とし、保持時間を１〜３時間とするのがよい。焼成中の最高温度を１３００℃〜１４００℃とし、保持時間を１〜３時間とすることにより、第２の絶縁層１Ｂ中にディオプサイド相を有し、また、第１の絶縁層１Ａと第２の絶縁層１Ｂとの界面にマンガン層１Ｃが形成された多層配線基板Ａを得ることができる。

本実施形態の多層配線基板Ａの製造に際しては、焼成工程における温度の低い初期段階では、アルミニウムをＡｌ_２Ｏ_３換算で３０〜６０質量％含有し、焼成時に主結晶相としてディオプサイド相を析出する組成を有する第２のグリーンシートが収縮し始めても、アルミニウムをＡｌ_２Ｏ_３換算で８０〜９８質量％、マンガンをＭｎ_２Ｏ_３換算で１〜１０．０質量％含有する第１のグリーンシートが原形を維持している。このとき第２のグリーンシートではディオプサイド相が析出してくるためにヤング率の高い絶縁層となる。

このため焼成時に主結晶相としてディオプサイド相を析出する第２のグリーンシートの収縮はアルミナを多く含む第１のグリーンシートによって抑制される。

次に、さらに温度が上がるとアルミナを多く含む第１のグリーンシートの方が収縮し始めるが、この段階においては、主結晶相としてディオプサイド相を析出する第２のグリーンシートは既に収縮反応が実質的に終了して安定状態となっていることから、アルミナを多く含む第１のグリーンシートは、収縮反応が実質的に終了して安定状態となっている第２のグリーンシートの焼結体である第２の絶縁層１Ｂによって拘束されることになる。

また、この第１のグリーンシートが収縮する焼成段階では、第１のグリーンシート中に含まれているマンガンが第１のグリーンシートの表面に拡散してくることから、第１のグリーンシートが反応し始める焼成の後半において、第１のグリーンシートの焼結体である第１の絶縁層１Ａと第２のグリーンシートの焼結体である第２の絶縁層１Ｂとの層間にマンガン層１Ｃが形成される。

ここで、第１のグリーンシートが反応し始める焼成の段階においては、第１の絶縁層１Ａと第２の絶縁層１Ｂとの層間に形成されたマンガン層１Ｃは、第１の絶縁層１Ａと第２の絶縁層１Ｂとを接合する接着剤として機能する。このため第１のグリーンシートは、収縮反応が実質的に終了している第２の絶縁層１Ｂに強固に接合された状態となり、これにより第１の絶縁層１Ａもまた収縮が抑制されることになる。

こうして第１のグリーンシートからのマンガンの拡散と第２のグリーンシートにおけるディオプサイド相の析出の効果により、両グリーンシートの焼結時の収縮応力を平面的に互いに拘束し合い、第１および第２の絶縁層１Ａ、１Ｂの平面方向における収縮率を小さくすることができる。

なお、焼成雰囲気を水素および窒素を含む還元雰囲気とすると、内部配線層３Ａからの銅の拡散を抑制でき、内部配線層３Ａの長さ方法に対して垂直な方向の断面形状をより矩形状に保つことができるという利点がある。

以上述べた方法により作製された多層配線基板Ａは、第２の絶縁層中にディオプサイド相を有しており、また、第１の絶縁層１Ａと第２の絶縁層１Ｂとの界面にマンガン層１Ｃを有していることから、高強度でありかつ導体の位置精度の高い多層配線基板となる。

まず、表１および表２にそれぞれ示す組成を有する第１および第２のグリーンシート用の原料粉末を準備し、これに有機バインダ、可塑剤および溶媒を添加してスラリーを作製した。次に、このスラリーをドクターブレード法により成形し、面積が縦２２０ｍｍ、横２２０ｍｍであり、平均厚みがいずれも０．２０ｍｍの第１、第２のグリーンシートを作製した。次に、作製した第１および第２のグリーンシートに、それぞれパンチングにより直径０．１２ｍｍの貫通孔を形成した。次に、銅粉末を５０体積％、タングステン粉末を５０体積％としたものに、さらに、アクリル樹脂とフタル酸ジブチル（ＤＢＰ）を混合した有機ビヒクルを添加し混錬してビア導体用の導体ペーストを調製し、この導体ペーストをスクリーン印刷法によって、第１、第２のグリーンシートに形成された貫通孔に充填して生のビア導体を形成した。

次に、ビア導体用の導体ペーストと金属成分の組成が同じの表面配線層用および内部配線層用の導体ペーストを作製し、これを生のビア導体が形成された第１，第２のグリーンシートの表面にスクリーン印刷法により形成して表面配線層用および内部配線層用となる配線パターンを形成した。なお、積層体の最表層に位置する第１のグリーンシートの表面には、多層配線基板の寸歩精度測定用のパターンとして、図２に示すように、グリーンシートの４角に四角形状の寸法精度評価用パターン（３ＡＡ）を形成した。

また、この最表層に位置する第１のグリーンシートの表面には、表面配線層の絶縁基板に対する接合強度を測定するためのピール強度評価用パターン（図２の３ＡＢ）も同時に形成した（図２）。

次に、生のビア導体および配線パターンが形成された第１、第２のグリーンシートを図１の構成になるように積層して積層体を作製した。この時、第１、第２のグリーンシート間に接着剤を均一に塗布し、４０℃、２０ＭＰａの条件で加圧積層を行った。続いて、これらの積層体を切断し、均一な大きさに切断した後、還元雰囲気中、最高温度１３５０℃で１時間焼成を行った。積層体の寸法は５０ｍｍ×５０ｍｍとした。焼成後においてもほとんど面方向にはほとんど収縮していない基板が得られた。

次に、作製した多層配線基板について以下の評価を行った。

基板強度については、作製した多層配線基板から、その外周部分を長さ２０ｍｍ、幅３ｍｍ、厚み１ｍｍに切り出した試料を作製し、オートグラフを用いて３点曲げ試験にて機械的強度の評価を行った。試料数は１０個とし平均値を求めた。

多層配線基板の寸歩精度については、多層配線基板の最表層の４角に形成した４辺の評
価パターン間の長さ（図２の矢印部分）を測定し、その標準偏差を求めた。測定数は４０箇所（基板数１０枚）とした。

また、作製した多層配線基板について表面配線層の絶縁基板に対する接合強度を評価した。用いた試料は以下の方法により作製した。まず、多層配線基板の最表面に形成された接合強度用の評価パターンの表面に、ニッケルめっき膜および金めっき膜をこの順に形成した。次に、金めっき膜の表面に銀ろう（Ａｇ−Ｃｕ合金）を用いて厚み０．２ｍｍのコバール（Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ系金属）の板を接着し、次いで、窒素−水素の還元雰囲気中、８００℃の温度に加熱してコバールの板を多層配線基板の表面配線層の表面に接合させた。このとき、コバールの板には銀ろうを塗布していない部分を残すようにし、この部分を試験治具で保持できるようにした。次に、作製した評価試料のコバールの板を垂直方向に引き剥がすようにして接合強度を測定した。このとき引きはがし速度は１００ｍｍ／ｍｉｎ．とした。

なお、表２には、第２の絶縁層に含まれているアルミナのフィラーおよび析出したディオプサイド相の割合から求めた値を結晶化度として示した。これは多層配線基板から切り出した第２の絶縁層を粉砕して粉末の状態とし、この粉砕粉末についてＸ線回折を行い、回折データをリートベルト解析して求めたものである。また、得られた多層配線基板からそれぞれ切り出した第１の絶縁層および第２の絶縁層をＩＣＰ分析して組成を求めたところ、第１の絶縁層中に含まれるアルミニウム、ケイ素およびマグネシウムの含有量ならびに第２の絶縁層中に含まれるアルミニウム、ケイ素、マグネシウムおよびカルシウムの含有量はいずれも表１および表２に示す組成に一致した。

表１〜３より明らかなように、試料Ｎｏ．１〜１０、１２〜２０、２２〜３０、３２〜４０、４２〜５０、５２、５５および５６は、寸歩精度として求めた標準偏差がいずれも０．１％以下であり導体の位置精度に優れており、また、絶縁基板の機械的強度（３点曲げ強度）がいずれも３９０ＭＰａ以上であった。また、表面配線層の接合強度がいずれも
２５Ｎ／ｍｍ以上であった。

特に、第１の絶縁層として、さらに、ケイ素をＳｉＯ_２換算で０．８〜１１質量％、マグネシウムをＭｇＯ換算で０．１〜５．０質量％含有するものと、第２の絶縁層として、さらに、ケイ素をＳｉＯ_２換算で２５〜４０質量％、マグネシウムをＭｇＯ換算で５．０〜２０．０質量％、カルシウムをＣａＯ換算で１０〜２０質量％含有するものとで作製した試料（試料Ｎｏ．１〜６、８〜１０、１２〜２０、２２〜３０、３２〜４０および４２〜５０）は、いずれも寸歩精度として求めた標準偏差がいずれも０．０９％以下、絶縁基板の機械的強度（３点曲げ強度）が４００ＭＰａ以上であった。

これに対し、試料Ｎｏ．１１、２１、３１、４１、５１、５３および５４は、いずれも寸歩精度として求めた標準偏差がいずれも０．１％より大きく導体の位置精度が悪いか、または絶縁基板の機械的強度（３点曲げ強度）が３９０ＭＰａより低い値であった。

Ａ・・・・多層配線基板
１・・・・絶縁層
１Ａ・・・第１の絶縁層
１Ｂ・・・第２の絶縁層
１Ｃ・・・マンガン層
３・・・・導体
３Ａ・・・表面配線層
３Ｂ・・・内部配線層
３Ｃ・・・ビア導体
１０・・・絶縁基板

Claims

セラミックスからなる絶縁層が複数積層された絶縁基板と、該絶縁基板の表面および内部に設けられた導体層とを具備してなる多層配線基板であって、前記絶縁基板がアルミニウムをＡｌ_２Ｏ_３換算で８０〜９８質量％含有する第１の絶縁層と、アルミニウムをＡｌ_２Ｏ_３換算で３５〜６０質量％含有するとともに、主結晶相としてディオプサイド相を有する第２の絶縁層とが交互に積層され、かつ前記第１の絶縁層と前記第２の絶縁層との間にマンガン層を有していることを特徴とする多層配線基板。
前記第１の絶縁層が、ケイ素をＳｉＯ_２換算で０．８〜１１．０質量％、マグネシウムをＭｇＯ換算で０．１〜５．０質量％含有するものであり、
前記第２の絶縁層が、ケイ素をＳｉＯ_２換算で２５〜４０質量％、マグネシウムをＭｇＯ換算で５．０〜２０．０質量％、カルシウムをＣａＯ換算で１０〜２０質量％含有するものであることを特徴とする請求項１に記載の多層配線基板。