JP2803414B2

JP2803414B2 - 多層セラミック基板の製造方法

Info

Publication number: JP2803414B2
Application number: JP30012391A
Authority: JP
Inventors: 誠一中谷; 祐伯　　聖; 幹也嶋田; 嘉文中村; 和裕三浦; 英信西川
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1991-11-15
Filing date: 1991-11-15
Publication date: 1998-09-24
Anticipated expiration: 2013-09-24
Also published as: JPH05136572A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体ＬＳＩ、チップ部
品などを搭載し、かつそれらを相互配線するためのセラ
ミック多層配線基板とその製造方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、低温焼結ガラス・セラミック多層
基板の開発によって、使用できる導体材料に、金、銀、
銅、パラジウムまたはそれらの混合物が用いられるよう
になった。これらの金属は従来使用されたタングステ
ン、モリブデンなどに比べ導体抵抗が低く、且つ使用で
きる設備も安全で低コストに製造できる。

【０００３】一方これらの金属の内、貴金属である金、
銀、パラジウムは高価でかつ価格変動が大きいことか
ら、安価で価格変動の少ないＣｕ電極材料の使用が望ま
れている。

【０００４】ここではそれらの低温焼結多層基板の代表
的な製造方法の一例を述べる。低温焼結多層基板の種類
には大きく分けて３種類の方法がある。

【０００５】まず第１に多層基板の内層電極に銀を用
い、低温焼結基板のグリーンシートを所望の枚数積層
し、空気中で焼成し、その後最上層に銀、パラジウムペ
ーストを印刷、焼成して得られるものである。これは内
部にインピーダンスの小さい銀を用い、最上層に半田耐
熱を有する銀・パラジウムを使用するものである。

【０００６】第２は、内部の電極に前者と同様に銀を用
い、最上層に銅を用いる方法で、最上層配線に銅を用い
ることで、前者の銀・パラジウムに比べ低いインピーダ
ンス、半田濡れの点で有効なものである。しかし、最上
層に用いる銅は銀との共晶温度が低いため６００℃程度
の低温焼成銅ペーストを用いなければならない。その結
果、接着強度、半田濡れの点で課題が多い。

【０００７】最後に第３の方法として、内層および最上
層に銅電極を用いる方法がある。導体抵抗、半田濡れ
性、コストの点で最も良いがすべて窒素などの中性雰囲
気で焼成しなければ成らずその作製が困難である。一般
に銅電極を使用するには、基板上にＣｕペーストをスク
リーン印刷にて配線パターンを形成し、乾燥後、Ｃｕの
融点以下の温度（８５０〜９５０℃程度）で、かつＣｕ
が酸化されず導体ペースト中の有機成分が十分燃焼する
ように酸素分圧を制御した窒素雰囲気中で焼成を行なう
ものである。多層する場合は、同様の条件で絶縁層を印
刷焼成して得られる。

【０００８】しかし、焼成工程における雰囲気を適度な
酸素分圧下にコントロールすることは困難であり、また
多層化する場合、各ペーストを印刷後その都度焼成を繰
り返し行なう必要があり、リードタイムが長くなり設備
などのコストアップにつながるなどの課題を有してい
る。

【０００９】そこで特願昭５９−１４７８３３号公報に
おいて、セラミック多層基板の作製にあたり、酸化第二
銅ペーストを用い、脱バインダ工程、還元工程、焼成工
程の３段階とする方法がすでに開示されている。それは
酸化第二銅を導体の出発原料とし多層体を作製し、脱バ
インダ工程は、炭素に対して充分な酸素雰囲気でかつ内
部の有機バインダを熱分解させるに充分な温度で熱処理
を行なう。次に酸化第二銅を銅に還元する還元工程、基
板の焼結を行なう焼成工程により成立しているものであ
る。これにより、焼成時の雰囲気制御が容易になり緻密
な焼結体が得られるようになった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、セラミ
ック多層基板には以下に示すような課題がある。それ
は、セラミック多層基板が焼成時に焼結に伴う収縮が生
じることである。この焼結に伴う収縮は、使用する基板
材料、グリーンシート組成、粉体ロットなどにより異な
る。これにより多層基板の作製においていくつかの問題
が生じている。

【００１１】まず第１に、多層セラミック基板の作製に
おいて前述のごとく内層配線の焼成を行なってから最上
層配線の形成を行なうため、基板材料の収縮誤差が大き
いと、最上層配線パターンと寸法誤差のため内層電極と
の接続が行えない。その結果、収縮誤差を予め許容する
ように最上層電極部に必要以上の大きい面積のランドを
形成しなければならず、高密度の配線を必要とする回路
には使用できない。また収縮誤差にあわせて最上層配線
のためのスクリーン版をいくつか用意しておき、基板の
収縮率に応じて使用する方法が取られている。この方法
ではスクリーン版が数多く用意しなければならず不経済
である。

【００１２】一方、最上層配線を内層焼成と同時に行な
えば大きなランドを必要としないが、この同時焼成法に
よっても基板そのものの収縮誤差はそのまま存在するの
で、最後の部品搭載時のクリーム半田印刷において、そ
の誤差のため必要な部分に印刷できない場合が起こる。
また部品実装においても所定の部品位置とズレが生じ
る。

【００１３】第２にグリーンシート積層法による多層基
板は、グリーンシートの造膜方向によって幅方向と長手
方向によってもその収縮率が異なる。このこともセラミ
ック多層基板の作製の障害となっている。

【００１４】これらの収縮誤差をなるべく少なくするた
めには、製造工程において、基板材料およびグリーンシ
ート組成、の管理はもちろん、粉体ロットの違いや積層
条件（プレス圧力、温度）を十分管理する必要がある。
しかし、一般に収縮率の誤差は±０．５％程度存在する
と言われている。

【００１５】このことは多層基板にかかわらずセラミッ
ク、およびガラス・セラミックの焼結を伴うものに共通
の課題であり、基板材料の焼結が厚み方向だけ起こり、
平面方向の収縮がゼロの基板が作製できれば上記の様な
課題が解決でき、工業上極めて有効である。

【００１６】さらに、セラミック基板は高密度実装に適
した多層基板であるが、前記のように寸法安定性に欠け
る以外に、機械加工性および機械強度の点で避けられな
い課題がある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、ガラス・セラミック低温焼結基板材料に少なくとも
有機バインダ、可塑剤を含むグリーンシートを作製し、
導体ペースト組成物で電極パターンを形成し、前記生シ
ートと別の電極パターン形成済みグリーンシートとを所
望枚数積層する。しかる後、前記低温焼結ガラス・セラ
ミックよりなるグリーンシート積層体の両面、もしくは
片面に、前記ガラス・セラミック低温焼結基板材料の焼
成温度では焼結しない無機組成物よりなるグリーンシー
トで挟み込むように積層し、前記積層体を焼成する。し
かる後、焼結しない無機組成物層に樹脂を含浸、充填さ
せ、さらに最上層配線を形成することにより、焼成時の
収縮が平面方向で起こらず、機械強度の良好な多層セラ
ミック基板を作製するものである。

【００１８】

【作用】本発明は前記のような工程を行なうことによっ
て、ガラス・セラミック基板が焼成時において厚み方向
だけ収縮し、平面方向には収縮しない多層基板が得ら
れ、かつ機械強度の良好なものである。以下に本発明の
作用を説明する。

【００１９】まず本発明の製造法は、ガラス・セラミッ
ク低温焼結基板材料に少なくとも有機バインダ、可塑剤
を含むグリーンシートを作製し、導体ペースト組成物で
電極パターンを形成し、前記生シートと別の電極パター
ン形成済みグリーンシートとを所望枚数積層して多層化
し、前記低温焼結ガラス・セラミックよりなるグリーン
シート積層体の両面、もしくは片面に、前記ガラス・セ
ラミック低温焼結基板材料の焼成温度では焼結しない無
機組成物よりなるバイアホール形成済みのグリーンシー
トを積層する。これにより、前記積層体を焼成しても、
厚み方向以外は収縮が起こらない。これは、両面もしく
は片面に積層した焼結しない材料で挟み込まれているた
め、平面方向の収縮が阻止されるためと考えられる。こ
の後、焼結しない無機物層中に樹脂を含浸、充填させ
る。さらに最上層配線を形成し所望の基板が得られる訳
である。

【００２０】前記ガラス・セラミック積層体の焼成は通
常８００℃〜１０００℃の範囲で行なわれる。銅電極、
銀電極を使用する場合は９００℃で行なう。またガラス
・セラミック低温焼結基板材料の焼成温度では焼結しな
い無機組成物グリーンシートの無機成分には、Ａｌ
₂Ｏ₃，ＭｇＯ，ＺｒＯ₂，ＴｉＯ₂，ＢｅＯ，ＢＮ，の内
少なくとも１種以上を含むグリーンシートからなる。９
００℃の焼成温度で行なう低温焼結基板材料には、Ａｌ
₂Ｏ₃が最も有効である。

【００２１】また、Ａｌ₂Ｏ₃に若干の焼結助材を添加し
焼結後に多孔質な焼結体を形成し、樹脂含浸を行なうこ
ともまた有効である。

【００２２】前記ガラス・セラミック積層体の焼成時に
前記ガラス・セラミック積層体を加圧して焼成を行なう
と、厚み方向の焼結性が更に促進されち密な焼結体が得
られる。

【００２３】また焼結しない無機物層は多孔質な層であ
り、この開口部分に樹脂を充填させる方法として、樹脂
を加熱して溶融させて含浸する方法、樹脂を溶剤に溶融
させて含浸させる方法、モノマー状態で含浸させ樹脂に
させる方法などがある。

【００２４】

【実施例】（実施例１）以下、本発明の一実施例につい
て、図面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実
施例のグリーンシート積層体の断面を示す図である。

【００２５】まず多層セラミック基板作製方法を説明す
る。本発明の製造プロセスは図２に示す方法で行なっ
た。

【００２６】基板材料のガラス・セラミックにはホウ珪
酸鉛ガラス粉末にセラミック材料としてのアルミナ粉末
を重量比で５０対５０とした組成物（日本電気硝子社製
ＭＬＳ−１９）を用いた。このガラス・セラミック粉
を無機成分とし、有機バインダとしてポリビニルブチラ
ール、可塑剤としてヂ−ｎ−ブチルフタレート、溶剤と
してトルエンとイソプロピルアルコールの混合液（３０
対７０重量比）を混合しスラリーとした。

【００２７】このスラリーをドクターブレード法で有機
フィルム上にシート成形した。この時、造膜から乾燥、
打ち抜き、さらには必要に応じてバイアホール加工を行
う各工程を連続的に行うシステムを使用した。このグリ
ーンシートに銀ペーストを用いて導体パターンの形成お
よびビアホール埋め印刷をスクリーン印刷法によって行
った。導体ペーストは、Ａｇ粉末（平均粒径１μｍ）に
接着強度を得るためのガラスフリット（日本電気硝子社
製ＧＡ−９ガラス粉末、平均粒径２．５μｍ）を５ｗ
ｔ％加えたものを無機成分とし、有機バインダであるエ
チルセルロースをターピネオールに溶かしたビヒクルと
ともに加えて、３段ロールにより適度な粘度になるよう
に混合したものを用いた。なおビア埋め用のＡｇペース
トは更に無機成分として前記ガラス・セラミック粉末を
１５重量％加えたものを使用して行なった。

【００２８】次に焼結の起こらないグリーンシートの作
製は無機成分としてアルミナ（住友アルミ社製ＡＬ−
４１平均粒径１．９μｍ）粉末のみを用い前記ガラス
・セラミック基板用グリーンシートと同様のグリーンシ
ート組成で、同様の方法でグリーンシートを作製した。
前記基板用グリーンシートの厚みは約２００μｍ、アル
ミナグリーンシートは約３００μｍである。

【００２９】このアルミナグリーンシートに前記と同様
ビアホール形成を行う。さらに前記基板用グリーンシー
トに印刷を行なったものを所定の枚数積み重ね、さらに
その両面に前記アルミナグリーンシートを重ね合わせ
る。この状態で熱圧着して積層体を形成した。熱圧着条
件は、温度が８０℃、圧力は２００Ｋｇ／ｃｍ²であっ
た。図１にその構成を示す。１は前記基板材料によるグ
リーンシート層、２はアルミナによるグリーンシート
層、３は内層電極層である。

【００３０】次に前記積層体をアルミナ９６％基板上に
乗せ焼成する。条件はベルト炉によって空気中の９００
℃で１時間焼成で行なった。（９００℃の保持時間は約
１２分である。）この時基板の反りと厚み方向の焼結収
縮を助けるためアルミナ焼結基板を乗せて加圧するよう
にして焼成を行なった。

【００３１】焼成後の積層体を真空中で加熱し、エポキ
シ樹脂を積層表面に滴下した。これにより積層体表面の
未焼結アルミナ層にエポキシ樹脂が充填された。

【００３２】この焼成後の基板の収縮率は、収縮率が
０．０５％以下であった。樹脂充填後の基板表面をビア
配線が表面に出るように若干研磨し、さらに無電解メッ
キ法によって全面に約３５μｍ厚のＣｕメッキを行なっ
た。しかる後、エッチング法によって所望の配線パター
ンを形成した。

【００３３】この結果、平面方向の収縮が起こらず機械
強度が良好な多層基板が作製できた。セラミック部分の
配線収縮が極めて小さい為、最上層配線パターンの形成
ズレがなかった。

【００３４】図３はこのようにして作製された多層基板
の断面図である。（実施例２）以下、本発明の第２の実施例について説明
する。

【００３５】基板材料のガラス・セラミックグリーンシ
ートは（実施例１）と同様の組成の物を用いた。このグ
リーンシートにCuOペーストを用いて導体パターンの形
成およびビアホール埋め印刷をスクリーン印刷法によっ
て行った。導体ペーストは、CuO粉末（平均粒径３μ
ｍ）に接着強度を得るためのガラスフリット（日本電気
硝子社製ＬＳ−０８０３ガラス粉末、平均粒径２．５
μｍ）を３ｗｔ％加えたものを無機成分とし、有機バイ
ンダであるエチルセルロースをターピネオールに溶かし
たビヒクルとともに加えて、３段ロールにより適度な粘
度になるように混合したものを用いた。なおビア埋め用
のCuOペーストは更に無機成分として前記ガラス・セラ
ミック粉末を１５重量％加えたものを使用して行なっ
た。

【００３６】次に焼結の起こらないグリーンシートの作
製は無機成分として酸化ベリリウム（関東化学社製平
均粒径１μｍ）粉末のみを用い前記ガラス・セラミック
基板用グリーンシートと同様のグリーンシート組成で、
同様の方法でグリーンシートを作製しビアホール形成し
た。

【００３７】前記基板用グリーンシートの厚みは約２０
０μｍ、アルミナグリーンシートは約３００μｍであ
る。

【００３８】前記基板用グリーンシートに印刷を行なっ
たものを所定の枚数積み重ね、さらにその両面に前記ア
ルミナグリーンシートを重ね合わせる。この状態で熱圧
着して積層体を形成した。熱圧着条件は、温度が８０
℃、圧力は２００Ｋｇ／ｃｍ²であった。

【００３９】次に、焼成の工程を説明する。まず最初
は、脱バインダ工程である。発明に使用したグリーンシ
ート、ＣｕＯペーストの有機バインダは、ＰＶＢ及びエ
チルセルロースである。したがって空気中での分解温度
は、５００℃以上あれば良いので、６００℃の温度で行
なった。その後前記積層体を水素ガス１００％雰囲気中
で２００℃、５時間で還元した。この時のＣｕ層をＸ線
回折により分析したところ１００％Ｃｕであることを確
認した。次に焼成工程は、純窒素中９００℃であるメッ
シュベルト炉で焼成した。

【００４０】以上の様にして作製した積層体の表面の酸
化ベリリウム未焼結層を（実施例１）と同様樹脂充填を
行なう。その方法はポリイミドのモノマー状態のものを
クロロホルム溶剤で溶融させたものを滴下した。しかる
後、この積層体の表面を研磨し、３５μｍ厚みの銅箔を
張り合わせて、３００℃の熱処理によってポリイミド層
を形成する。これにより、銅箔とポリイミド層の接合が
強固なものとなった。さらにこの表面層にエッチングに
よって配線パターンを形成した。このようにして作製さ
れた基板の収縮率を評価したところ０．０５％以下の収
縮であった。

【００４１】なお本実施例において、未焼結材料として
Ａｌ₂Ｏ₃およびＢｅＯを用いたが、その他ＭｇＯ，Ｚｒ
Ｏ₂，ＴｉＯ₂，ＢＮを用いても同様の効果が得られた。
また未焼結グリーンシート層を両面に形成して行なった
が、片面だけ積層しても荷重を重くすれば同様の効果が
得られた。ただし、加圧しない場合は積層しない面だけ
焼結するように働くため基板の反りが発生する。

【００４２】以上のように本実施例では、多層セラミッ
ク基板の作製工程において焼結の起こらない無機成分か
らなるグリーンシート層を設け基板焼成を行なうと、焼
結による収縮が平面方向で全く起こらない多層基板が得
られ、かつ寸法安定性の良好なものであり半導体などを
直接実装することも可能である。

【００４３】

【発明の効果】本発明は前記のような工程を行なうこと
によって、ガラス・セラミック基板が焼成時において厚
み方向だけ収縮し、平面方向には収縮しない多層基板が
得られ、かつ機械強度が良好で、熱膨張係数も半導体に
近いものがえられる。これにより多層基板に使用する基
板材料、グリーンシート組成、粉体ロットなどに依存せ
ず常に同一寸法の基板が得られる。同様に多層セラミッ
ク基板の作製において前述のごとく内層配線の焼成を行
なってから最上層配線の形成を行なっても、最上層配線
パターンと内層の接続が完全に行える。その結果、接続
用のランド面積が小さくでき、高密度な多層配線基板が
得られる。さらにスクリーン版が少なくて済み、基板設
計において収縮率を逆算し内層パターンを拡大する必要
がないので経済的である。

【００４４】以上のように、グリーンシート積層法の最
大の欠点であった、収縮誤差の課題を解決し、機械強度
も良好なものが得られる点で極めて有効な発明でありま
す。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のグリーンシート積層体の断
面図

【図２】本発明の製造方法を示すフローチャート

【図３】本発明の一実施例の完成基板の断面図

【符号の説明】

１ガラス・セラミックグリーンシート層２アルミナグリーンシート層３内部電極層４樹脂充填層５最上層配線層

フロントページの続き (72)発明者中村嘉文大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者三浦和裕大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者西川英信大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (56)参考文献特開昭60−137884（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−26293（ＪＰ，Ａ) 特開平２−32595（ＪＰ，Ａ) 特開平４−17392（ＪＰ，Ａ) 特開平１−138792（ＪＰ，Ａ) 特開平２−86194（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H05K 3/46 H05K 1/03 H05K 1/09

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】導体ペースト組成物で電極パターンを形
成した少なくとも有機バインダ、可塑剤を含むガラス・
セラミックよりなるグリーンシートを所望枚数積層し、
このグリーンシート積層体の両面、もしくは片面に、前
記電極材料でバイアホール充填させた焼成温度では焼結
しない無機組成物よりなるグリーンシートを積層した
後、焼成処理を行い、その後前記焼結しない無機組成物
層に樹脂を充填させ、さらに両面または片面に導体配線
を形成することを特徴とする多層セラミック基板の製造
方法。
【請求項２】焼成温度を８００℃〜１０００℃の範囲
で行なうことを特徴とする請求項１記載の多層セラミッ
ク基板の製造方法。
【請求項３】焼成処理で焼結しない無機組成物よりな
るグリーンシートが、Ａｌ₂Ｏ₃，ＭｇＯ，ＺｒＯ₂，Ｔ
ｉＯ₂，ＢｅＯ，ＢＮ，の内少なくとも１種以上を含む
グリーンシートからなることを特徴とする請求項１記載
の多層セラミック基板の製造方法。
【請求項４】焼成処理で焼結しない無機組成物層に充
填する樹脂にエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シリコン
樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂か
ら選択される樹脂を使用することを特徴とする請求項１
記載の多層セラミック基板の製造方法。
【請求項５】導体ペーストがＡｇ，Ａｇ／Ｐｄ，Ａｇ
／Ｐｔ，Ｃｕのいずれかを主成分とすることを特徴とす
る請求項１記載の多層セラミック基板の製造方法。
【請求項６】焼成処理時にグリーンシート積層体を加
圧して焼成を行なうことを特徴とする請求項１記載の多
層セラミック基板の製造方法。
【請求項７】樹脂含浸後に銅箔を張り合わせエッチン
グ法によって配線を形成することを特徴とする請求項１
記載の多層セラミック基板の製造方法。
【請求項８】樹脂含浸後に表層部に全面銅メッキを行
い、さらにエッチング法によって配線を形成することを
特徴とする請求項１記載の多層セラミック基板の製造方
法。
【請求項９】酸化第２銅を主成分とする導体ペースト
組成物で電極パターンを形成した少なくとも有機バイン
ダ、可塑剤を含むガラス・セラミックよりなるグリーン
シートを所望枚数積層し、このグリーンシート積層体の
両面、もしくは片面に、前記電極材料でバイアホール充
填させた焼成温度では焼結しない無機組成物よりなるグ
リーンシートを積層した後、これらを空気中で多層体内
部の有機バインダが分解・飛散する温度で熱処理し、し
かる後、水素もしくは水素と窒素の混合ガス雰囲気中で
還元熱処理を行い、さらに、前記還元熱処理済み多層体
を窒素雰囲気中で焼結させ、しかる後、焼結しない無機
組成物層に樹脂を充填させ、さらに両面または片面に導
体配線を形成することを特徴とする多層セラミック基板
の製造方法。
【請求項１０】焼成処理を８００℃〜１０００℃の範
囲で行なうことを特徴とする請求項９記載の多層セラミ
ック基板の製造方法。
【請求項１１】焼成処理では焼結しない無機組成物グ
リーンシートが、Ａｌ ₂Ｏ₃，ＭｇＯ，ＺｒＯ₂，Ｔｉ
Ｏ₂，ＢｅＯ，ＢＮ，の内少なくとも１種以上を含むグ
リーンシートからなることを特徴とする請求項９記載の
多層セラミック基板の製造方法。
【請求項１２】焼成処理で焼結しない無機組成物層に
充填する樹脂にエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シリコ
ン樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂
から選択される樹脂を使用することを特徴とする請求項
９記載の多層セラミック基板の製造方法。
【請求項１３】焼成処理時にグリーンシート積層体を
加圧して焼成を行なうことを特徴とする請求項９記載の
多層セラミック基板の製造方法。
【請求項１４】樹脂含浸後に銅箔を張り合わせエッチ
ング法によって配線を形成することを特徴とする請求項
９記載の多層セラミック基板の製造方法。
【請求項１５】樹脂含浸後に表層部に全面銅メッキを
行い、さらにエッチング法によって配線を形成すること
を特徴とする請求項９記載の多層セラミック基板の製造
方法。