JP2922375B2 - セラミック・オン金属回路基板およびその製造方法 - Google Patents
セラミック・オン金属回路基板およびその製造方法Info
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、金属ベース上に多層、
共焼(CO−fired)セラミックを形成してなるセ
ラミック・オン金属(ceramic−on−meta
l)回路基板およびその製造方法に関するものである。
共焼(CO−fired)セラミックを形成してなるセ
ラミック・オン金属(ceramic−on−meta
l)回路基板およびその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】多層、共焼セラミック回路基板は、アメ
リカ合衆国 デラウェア州 ウイルミントンに在るイー
・アイ・デユポン社(E.I.Du Pont Com
pany)からグリーンテープ(GREEN TAP
E)という商品名で市販されているセラミック誘電体テ
ープを複数層積層して構成されていることは当技術分野
で周知の通りである。セラミックテープの各層の厚みは
約0.13mmで、その各表面には金属導体がプリント
されており、各金属導体は導電性の材料が充填された1
あるいはそれ以上の層中の小孔(バイアホールとして知
られている)によって互いに電気的に接続されている。
このような共焼セラミック回路基板については1991
年8月20日にオレニック氏(J.A.Olenic
k)に付与された米国特許第5,041,695号明細
書中に説明されている。
リカ合衆国 デラウェア州 ウイルミントンに在るイー
・アイ・デユポン社(E.I.Du Pont Com
pany)からグリーンテープ(GREEN TAP
E)という商品名で市販されているセラミック誘電体テ
ープを複数層積層して構成されていることは当技術分野
で周知の通りである。セラミックテープの各層の厚みは
約0.13mmで、その各表面には金属導体がプリント
されており、各金属導体は導電性の材料が充填された1
あるいはそれ以上の層中の小孔(バイアホールとして知
られている)によって互いに電気的に接続されている。
このような共焼セラミック回路基板については1991
年8月20日にオレニック氏(J.A.Olenic
k)に付与された米国特許第5,041,695号明細
書中に説明されている。
【0003】2つの形式の共焼セラミック回路基板が得
られ、一方は高温(通常1300℃以下)焼成処理さ
れ、他方は低温(通常1000℃以下)焼成される。高
温共焼技術はアルミナおよび窒化アルミニウムセラミッ
クスに適用され、低温共焼技術はガラスセラミックス
(セラミック充填材が充填された透明ガラスあるいは失
透化ガラス)に適用される。高温共焼回路基板に対する
導体用金属はWあるいはMO−Mnであり、低温共焼回
路基板ではAg、Au、AgPdあるいはCuが使用さ
れる。
られ、一方は高温(通常1300℃以下)焼成処理さ
れ、他方は低温(通常1000℃以下)焼成される。高
温共焼技術はアルミナおよび窒化アルミニウムセラミッ
クスに適用され、低温共焼技術はガラスセラミックス
(セラミック充填材が充填された透明ガラスあるいは失
透化ガラス)に適用される。高温共焼回路基板に対する
導体用金属はWあるいはMO−Mnであり、低温共焼回
路基板ではAg、Au、AgPdあるいはCuが使用さ
れる。
【0004】多層、共焼セラミック回路基板を構成する
ときに遭遇する問題に焼成後にセラミック本体の体積の
収縮がある。表面のX、Y方向に生ずる収縮、各層のZ
方向、すなわち厚み方向の収縮は、焼成中に粒子間に分
布して存在する空気が追出され、またグリーンテープ中
の有機バインダ材料が追出されることにより生ずる。こ
のような収縮はかなり大きく、低温共焼回路基板の場
合、通常10乃至15%に達する。グリーンテープ層の
面積を大きめにすることによってX、Y方向の表面寸法
の収縮を補償する試みもなされたが、収縮を常に一定に
制御することは極めて困難である。例えば、焼成後の多
層回路基板のX、Y方向の寸法の変化を0.1%以内に
維持するためには、収縮量の100分の1乃至100分
の2程度の制御の精度が要求される。このような理由か
ら共焼回路基板の歩留は低い。さらに、低温、共焼回路
基板は、熱伝導率が低くまたガラスセラミックに関連し
てたわみ強度が低いという欠点があった。
ときに遭遇する問題に焼成後にセラミック本体の体積の
収縮がある。表面のX、Y方向に生ずる収縮、各層のZ
方向、すなわち厚み方向の収縮は、焼成中に粒子間に分
布して存在する空気が追出され、またグリーンテープ中
の有機バインダ材料が追出されることにより生ずる。こ
のような収縮はかなり大きく、低温共焼回路基板の場
合、通常10乃至15%に達する。グリーンテープ層の
面積を大きめにすることによってX、Y方向の表面寸法
の収縮を補償する試みもなされたが、収縮を常に一定に
制御することは極めて困難である。例えば、焼成後の多
層回路基板のX、Y方向の寸法の変化を0.1%以内に
維持するためには、収縮量の100分の1乃至100分
の2程度の制御の精度が要求される。このような理由か
ら共焼回路基板の歩留は低い。さらに、低温、共焼回路
基板は、熱伝導率が低くまたガラスセラミックに関連し
てたわみ強度が低いという欠点があった。
【0005】ポースリン・エナメル・オン・スチール
(porcelain enamel−on−stee
l)のような金属ベース上に一層の焼成セラミック層を
形成したものが知られている。上記のベースを構成する
スチールが呈する熱膨張係数は比較的大であるから、ス
チールベース上に焼成されるセラミック層の組成もまた
上記ベースの温度係数と密接に整合させるために、比較
的大きな熱膨張係数を呈するものである必要がある。上
記のようなポースリン・エナメル・オン・スチール回路
基板を構成するために使用することができる高バリウ
ム、高膨張ガラスセラミックが開発された。比較的大き
な熱膨張係数を呈する他のセラミック組成系も知られて
いるが、このような系における高膨張率は一般には鉛、
バリウムのような重金属の酸化物、あるいは例えばナト
リウムやカリウムのようなアルカリ金属添加することに
よって実現していた。
(porcelain enamel−on−stee
l)のような金属ベース上に一層の焼成セラミック層を
形成したものが知られている。上記のベースを構成する
スチールが呈する熱膨張係数は比較的大であるから、ス
チールベース上に焼成されるセラミック層の組成もまた
上記ベースの温度係数と密接に整合させるために、比較
的大きな熱膨張係数を呈するものである必要がある。上
記のようなポースリン・エナメル・オン・スチール回路
基板を構成するために使用することができる高バリウ
ム、高膨張ガラスセラミックが開発された。比較的大き
な熱膨張係数を呈する他のセラミック組成系も知られて
いるが、このような系における高膨張率は一般には鉛、
バリウムのような重金属の酸化物、あるいは例えばナト
リウムやカリウムのようなアルカリ金属添加することに
よって実現していた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】解決しようとする問題
点は、従来の回路基板は誘電力が高く、誘電損失が大き
く、化学的な耐久性が低く、このためこのような高膨張
率をもった材料系を超小型電子回路(マイクロエレクト
ロニックス)のパッケージに採用する多層、共焼セラミ
ック回路基板を構成することは不可能であるという点で
ある。
点は、従来の回路基板は誘電力が高く、誘電損失が大き
く、化学的な耐久性が低く、このためこのような高膨張
率をもった材料系を超小型電子回路(マイクロエレクト
ロニックス)のパッケージに採用する多層、共焼セラミ
ック回路基板を構成することは不可能であるという点で
ある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、一般的には金
属ベース上に形成される多層、共焼セラミックに関する
ものであり、さらに詳しく言えば、ある種の充填材を使
って微調整すると、超小型電子回路のパッケージに適し
た多層、共焼セラミック・オン金属回路基板として使用
するのに適した充分に低い、誘電率、誘電損失をもった
低温、共焼、高膨張ガラスセラミックスを得ることがで
きる。この発明はさらにセラミックを金属ベースに確実
に接着するためにガラスボンディング層を使用した上記
のような回路基板を構成する方法に関する。
属ベース上に形成される多層、共焼セラミックに関する
ものであり、さらに詳しく言えば、ある種の充填材を使
って微調整すると、超小型電子回路のパッケージに適し
た多層、共焼セラミック・オン金属回路基板として使用
するのに適した充分に低い、誘電率、誘電損失をもった
低温、共焼、高膨張ガラスセラミックスを得ることがで
きる。この発明はさらにセラミックを金属ベースに確実
に接着するためにガラスボンディング層を使用した上記
のような回路基板を構成する方法に関する。
【0008】
【実施例】図1に示す本発明の一実施例による多層、共
焼セラミック・オン金属回路構体10を形成するには、
先ず、例えば金属コア(図示せず)をスタンプし、次い
でこのコアを寸法の安定化のために約500℃乃至90
0℃の温度でアニールして2つの反対側の面14および
16を有する金属ベース12を形成する。コアの表面の
よごれ、酸化物を除去するためにコアの表面を清浄化す
る。次いで、主表面14、16の少なくとも一方の面を
Cuのような適当な材料で約0.5ミクロン乃至25.
0ミクロンの厚みに鍍金するのが望ましい。ベース12
用材料としては、Cu、Al、Ni、ステンレススチー
ル、低カーボンスチール、Cu/Invar(アンバ
ー)/Cu、Cu/Mo/Cu、あるいはCu/ステン
レススチール/Cuが適しているが、後者が好ましい。
焼セラミック・オン金属回路構体10を形成するには、
先ず、例えば金属コア(図示せず)をスタンプし、次い
でこのコアを寸法の安定化のために約500℃乃至90
0℃の温度でアニールして2つの反対側の面14および
16を有する金属ベース12を形成する。コアの表面の
よごれ、酸化物を除去するためにコアの表面を清浄化す
る。次いで、主表面14、16の少なくとも一方の面を
Cuのような適当な材料で約0.5ミクロン乃至25.
0ミクロンの厚みに鍍金するのが望ましい。ベース12
用材料としては、Cu、Al、Ni、ステンレススチー
ル、低カーボンスチール、Cu/Invar(アンバ
ー)/Cu、Cu/Mo/Cu、あるいはCu/ステン
レススチール/Cuが適しているが、後者が好ましい。
【0009】ベース12の熱膨張係数に比して小さい熱
膨張係数を有するガラスからなるボンディング層18は
スラリとしてベース12の一方の主表面、例えば表面1
4に適用される。スラリはスクリーン印刷、スプレー、
スピンコーティング、カーテンコーティング、流動浸漬
塗装、電気泳動沈積、あるいは他の等価な方法により供
給することができる。本発明による回路基板はスクリー
ン印刷およびスプレー法によって作られた。ガラスボン
ディング層18上に多層セラミック20が形成される。
膨張係数を有するガラスからなるボンディング層18は
スラリとしてベース12の一方の主表面、例えば表面1
4に適用される。スラリはスクリーン印刷、スプレー、
スピンコーティング、カーテンコーティング、流動浸漬
塗装、電気泳動沈積、あるいは他の等価な方法により供
給することができる。本発明による回路基板はスクリー
ン印刷およびスプレー法によって作られた。ガラスボン
ディング層18上に多層セラミック20が形成される。
【0010】多層グリーンテープ層をガラスボンディン
グ層18上に配置することによって多層セラミック20
が形成され、あるいはガラスボンディング層18上に配
置する前に積層セラミック構造が素焼きされる。Cu/
ステンレススチール/Cuベースの場合は、この合成構
造は窒素中(約10,000ppmのO2 )中で約90
0℃乃至930℃のピーク温度で約2乃至20分間共焼
されて、セラミック20をベース12の表面14にボン
ディングする。中間ガラスボンディング層18は、多層
セラミック20をベース12に結合する手段を与え、ま
た焼成期間中にセラミック20のX、Y方向の寸法が収
縮するのを最少に押さえるという2つの機能を果たす。
ガラスボンディング層18は金属ベース12の膨張係数
よりも小さい膨張係数を有していることに加えて、共焼
操作中にセラミック20とベース12との間の接着を促
進し、接着性を維持するために、ベース12の表面14
上のCu鍍金およびCu酸化物と実質的に反応しなけれ
ばならない。ボンディング層18のガラスは、金属ベー
ス12の表面に流動して接着することができるように比
較的低い軟化点(<600℃)を持っている必要があ
り、またセラミックのラテラル方向(X、Y方向)の収
縮を最少にするために、セラミック20中のガラスの軟
化点以下の温度で適当な表面張力特性をもっている。さ
らにボンディング層18のガラス良好な化学的耐性と誘
電体特性を持っている必要がある。
グ層18上に配置することによって多層セラミック20
が形成され、あるいはガラスボンディング層18上に配
置する前に積層セラミック構造が素焼きされる。Cu/
ステンレススチール/Cuベースの場合は、この合成構
造は窒素中(約10,000ppmのO2 )中で約90
0℃乃至930℃のピーク温度で約2乃至20分間共焼
されて、セラミック20をベース12の表面14にボン
ディングする。中間ガラスボンディング層18は、多層
セラミック20をベース12に結合する手段を与え、ま
た焼成期間中にセラミック20のX、Y方向の寸法が収
縮するのを最少に押さえるという2つの機能を果たす。
ガラスボンディング層18は金属ベース12の膨張係数
よりも小さい膨張係数を有していることに加えて、共焼
操作中にセラミック20とベース12との間の接着を促
進し、接着性を維持するために、ベース12の表面14
上のCu鍍金およびCu酸化物と実質的に反応しなけれ
ばならない。ボンディング層18のガラスは、金属ベー
ス12の表面に流動して接着することができるように比
較的低い軟化点(<600℃)を持っている必要があ
り、またセラミックのラテラル方向(X、Y方向)の収
縮を最少にするために、セラミック20中のガラスの軟
化点以下の温度で適当な表面張力特性をもっている。さ
らにボンディング層18のガラス良好な化学的耐性と誘
電体特性を持っている必要がある。
【0011】ガラスボンディング層18の組成は金属コ
アの組成、その熱特性によって影響されることは勿論の
こと、セラミック積層体の組成、焼結(シンタリング)
特性、共焼、セラミック・オン金属回路基板を構成する
ために採用される処理によっても影響される。多層セラ
ミック20の各層は、室温から約600℃の温度にわた
ってベース12およびガラスボンディング層18の熱膨
張係数とよく整合した熱膨張係数をもったガラス−セラ
ミック/充填材組成からなる。多成分系PbO−ZnO
−BaO−B2 O3 −SiO2 からなる多数のガラス組
成はガラスボンディング層18として適している。これ
らのガラス組成は少量のZrO2 およびAl2 O3 を含
んでいてもよい。一般化された幾つかの組成とその代表
的な特性を表1に示す。
アの組成、その熱特性によって影響されることは勿論の
こと、セラミック積層体の組成、焼結(シンタリング)
特性、共焼、セラミック・オン金属回路基板を構成する
ために採用される処理によっても影響される。多層セラ
ミック20の各層は、室温から約600℃の温度にわた
ってベース12およびガラスボンディング層18の熱膨
張係数とよく整合した熱膨張係数をもったガラス−セラ
ミック/充填材組成からなる。多成分系PbO−ZnO
−BaO−B2 O3 −SiO2 からなる多数のガラス組
成はガラスボンディング層18として適している。これ
らのガラス組成は少量のZrO2 およびAl2 O3 を含
んでいてもよい。一般化された幾つかの組成とその代表
的な特性を表1に示す。
【0012】
【表1】
【0013】本発明によるセラミック・オン金属回路板
は、表1に示したPb−Znホウケイ酸塩およびPb−
Zn−Baホウケイ酸塩ガラス系から選ばれたガラスを
使用して形成されている。Pb−Zn−Baホウケイ酸
塩系からなる好ましいガラスは、アメリカ合衆国 オハ
イオ州 トレドに在るセミコンコーポレーション(SE
M−CON Co.)からSCC−11という商品名で
市販されている。この同じ系からなる他の適当なガラス
はアメリカ合衆国 オハイオ州 トレドに在るオーエン
ス・イリノイズ(Owens Illinois)から
CV−808という商品名で市販されている。後者のガ
ラスは少量のZrO2 を含んでいる。Pb−Znホウケ
イ酸塩から選ばれた適当なガラスはオーエンス・イリノ
イズからCV−101という商品名で市販されている。
は、表1に示したPb−Znホウケイ酸塩およびPb−
Zn−Baホウケイ酸塩ガラス系から選ばれたガラスを
使用して形成されている。Pb−Zn−Baホウケイ酸
塩系からなる好ましいガラスは、アメリカ合衆国 オハ
イオ州 トレドに在るセミコンコーポレーション(SE
M−CON Co.)からSCC−11という商品名で
市販されている。この同じ系からなる他の適当なガラス
はアメリカ合衆国 オハイオ州 トレドに在るオーエン
ス・イリノイズ(Owens Illinois)から
CV−808という商品名で市販されている。後者のガ
ラスは少量のZrO2 を含んでいる。Pb−Znホウケ
イ酸塩から選ばれた適当なガラスはオーエンス・イリノ
イズからCV−101という商品名で市販されている。
【0014】これらのボンディングガラス層は積層セラ
ミックをCu/ステンレススチール/Cuベース12に
良好に接着することができる。また、これらのガラスを
使用すると、積層されたセラミック20のX、Y方向の
収縮は1桁以上減少して約0.8%になった。ガラスボ
ンディング層18がなければ、セラミック積層体のX、
Y方向の収縮は通常12乃至15%である。さらに、金
属ベース12は良好な熱伝導性、高たわみ強度を呈し、
それによって低温、共焼ガラスセラミックの多層構造の
みからなる従来の回路基板の欠点である低熱伝導性、低
たわみ強度の問題を解決することができる。
ミックをCu/ステンレススチール/Cuベース12に
良好に接着することができる。また、これらのガラスを
使用すると、積層されたセラミック20のX、Y方向の
収縮は1桁以上減少して約0.8%になった。ガラスボ
ンディング層18がなければ、セラミック積層体のX、
Y方向の収縮は通常12乃至15%である。さらに、金
属ベース12は良好な熱伝導性、高たわみ強度を呈し、
それによって低温、共焼ガラスセラミックの多層構造の
みからなる従来の回路基板の欠点である低熱伝導性、低
たわみ強度の問題を解決することができる。
【0015】導体用金属にAg、Au、AuPt、Ag
Pd、Ni、Cu等を使用することができる。金属ベー
スの酸化を防止するために貴金属導体共焼回路基板を窒
素あるいは他の不活性雰囲気中で焼成する必要がある。
極めて効果的な熱拡散を与えるために、接着剤、ろう付
け法、あるいは他の直接ボンディング法を用いて金属ベ
ース上に直接配置されるべき集積回路チップ用積層テー
プに適当なスロットを形成してもよい。上部層導体用に
写真平版を使用して共焼セラミック上に高密度回路を形
成することができる。共焼セラミック上に別のポリマー
層をスピンオンし、次いで薄膜鍍金技術を適用して極め
て高密度の回路を構成することも可能である。
Pd、Ni、Cu等を使用することができる。金属ベー
スの酸化を防止するために貴金属導体共焼回路基板を窒
素あるいは他の不活性雰囲気中で焼成する必要がある。
極めて効果的な熱拡散を与えるために、接着剤、ろう付
け法、あるいは他の直接ボンディング法を用いて金属ベ
ース上に直接配置されるべき集積回路チップ用積層テー
プに適当なスロットを形成してもよい。上部層導体用に
写真平版を使用して共焼セラミック上に高密度回路を形
成することができる。共焼セラミック上に別のポリマー
層をスピンオンし、次いで薄膜鍍金技術を適用して極め
て高密度の回路を構成することも可能である。
【0016】ここで述べた金属ベース上に共焼回路基板
を形成する技術は、優れた熱発散特性、収縮制御特性を
もった高密度回路基板を生成することができることに加
えて、機械的にでこぼこの基板を得るのにも役立つ。ま
た、図1に示し、また後程説明するようにグリーンテー
プあるいは多層セラミックから金属ベースの反射側の表
面のいずれかにスロットをもうけることによって集積回
路チップおよび他の構成素子を金属ベース上に直接取付
けることができる。ろう付け、ワイヤボンディング、T
AB、フリップチップあるいは接着剤取付け法等によっ
て構成素子を取付けることもできる。構成素子を保護す
るために、パッケージをハーメチック(金属上ガラスシ
−リング)あるいは適当なカプセル法を用いて非ハーメ
チックとすることができる。
を形成する技術は、優れた熱発散特性、収縮制御特性を
もった高密度回路基板を生成することができることに加
えて、機械的にでこぼこの基板を得るのにも役立つ。ま
た、図1に示し、また後程説明するようにグリーンテー
プあるいは多層セラミックから金属ベースの反射側の表
面のいずれかにスロットをもうけることによって集積回
路チップおよび他の構成素子を金属ベース上に直接取付
けることができる。ろう付け、ワイヤボンディング、T
AB、フリップチップあるいは接着剤取付け法等によっ
て構成素子を取付けることもできる。構成素子を保護す
るために、パッケージをハーメチック(金属上ガラスシ
−リング)あるいは適当なカプセル法を用いて非ハーメ
チックとすることができる。
【0017】本発明の多層、共焼セラミック・オン金属
技術を特定の適用例に制限することを意図するものでは
ないが、超小型電子回路(マイクロエレクトロニック
ス)のパッケージとして特に適しているのは、共焼多層
セラミックが適正な電気的特性を呈し、また他の特性も
この目的に適したものであることによる。この点につい
て次に示す表2について説明する。表2は超小型電子回
路の1つの適用例において、電気的および他の特性値に
ついての共焼多層セラミックの必要とされる限界値を示
す。
技術を特定の適用例に制限することを意図するものでは
ないが、超小型電子回路(マイクロエレクトロニック
ス)のパッケージとして特に適しているのは、共焼多層
セラミックが適正な電気的特性を呈し、また他の特性も
この目的に適したものであることによる。この点につい
て次に示す表2について説明する。表2は超小型電子回
路の1つの適用例において、電気的および他の特性値に
ついての共焼多層セラミックの必要とされる限界値を示
す。
【0018】
【表2】 特 性 所 望 値 熱膨張係数(25〜250℃) 90〜130×10-7/℃ 誘電率(1MHz) <6.6 散逸率(1MHz) <0.0035 降服電圧 >2KV/mm 体積抵抗率 >1012Ωcm 埋込み導体の抵抗率 <10mΩ/□ 導体を経由する抵抗率 <50mΩ/□ 導体の表面抵抗率 <50mΩ/□ そり(キャンベル) <0.005″/インチ 長期信頼性(HHBT状態) 欠陥なし
【0019】表2で、長期信頼性に関するHHBT状態
は、超小型電子回路パッケージのサンプルを高湿度、高
温の状態に置き、電気的な降服を伴うことなく所定の時
間、所定の電気的ストレスに耐える加速エージング試験
を意味する。
は、超小型電子回路パッケージのサンプルを高湿度、高
温の状態に置き、電気的な降服を伴うことなく所定の時
間、所定の電気的ストレスに耐える加速エージング試験
を意味する。
【0020】本発明の多層、共焼セラミック・オン金属
技術を超小型電子回路パッケージに適用するには、上の
表2に示した制約に適合するガラス−セラミック+充填
材(GC/F)組成で使用することができるガラスセラ
ミック(GC)組成の開発を必要とした。
技術を超小型電子回路パッケージに適用するには、上の
表2に示した制約に適合するガラス−セラミック+充填
材(GC/F)組成で使用することができるガラスセラ
ミック(GC)組成の開発を必要とした。
【0021】過去においては、高密度パッケージ用とし
て超小型電子回路のパッケージにガラス、ガラスセラミ
ック、ガラス+充填材系が開発され、使用して成功をお
さめている。通常のセラミックスに比してこれらの材料
の大きな利点は、有効な金属化(メタライゼイション)
として高い導電度のAg、Cu,Au、Ag−Pdを使
用することができるという点である。このような開発期
間中は、ガラスセラミックおよびガラス+充填材系が急
増したが、シリコンに対する熱膨張係数の整合、ある場
合はGaAsに対する熱膨張係数の整合に重点が置かれ
ていた。熱膨張係数は普通30×10-7〜70×10-7
/℃の範囲にある。誘電率、誘電損失、強度、体積抵抗
率および表面抵抗率、電気的降服強度、化学的耐久性、
焼成期間中の収縮、金属化との両立性を制御することに
関する問題は、広い範囲のホウ酸塩、ホウケイ酸塩また
アルミナ、コージライト(cordierite:菫青
石)、ホーステライト(forsterite:苦土橄
欖石)、ユークリプタイト(eucryptite:リ
チウムのアルミノケイ酸塩)等の低あるいは中間の膨張
充填材を含むケイ酸ガラスおよびガラスセラミック系に
向けられていた。しかしながら、これらのガラス、ガラ
スセラミック、ガラス充填材系はいずれも表2に示した
ような適正な制限値を実質的に示さない。特にこれらの
従来の組成系の膨張係数はあまりに低すぎて、多層、共
焼セラミック・オン金属、高密度回路基板の構成に採用
しても満足な結果を得ることができなかった。
て超小型電子回路のパッケージにガラス、ガラスセラミ
ック、ガラス+充填材系が開発され、使用して成功をお
さめている。通常のセラミックスに比してこれらの材料
の大きな利点は、有効な金属化(メタライゼイション)
として高い導電度のAg、Cu,Au、Ag−Pdを使
用することができるという点である。このような開発期
間中は、ガラスセラミックおよびガラス+充填材系が急
増したが、シリコンに対する熱膨張係数の整合、ある場
合はGaAsに対する熱膨張係数の整合に重点が置かれ
ていた。熱膨張係数は普通30×10-7〜70×10-7
/℃の範囲にある。誘電率、誘電損失、強度、体積抵抗
率および表面抵抗率、電気的降服強度、化学的耐久性、
焼成期間中の収縮、金属化との両立性を制御することに
関する問題は、広い範囲のホウ酸塩、ホウケイ酸塩また
アルミナ、コージライト(cordierite:菫青
石)、ホーステライト(forsterite:苦土橄
欖石)、ユークリプタイト(eucryptite:リ
チウムのアルミノケイ酸塩)等の低あるいは中間の膨張
充填材を含むケイ酸ガラスおよびガラスセラミック系に
向けられていた。しかしながら、これらのガラス、ガラ
スセラミック、ガラス充填材系はいずれも表2に示した
ような適正な制限値を実質的に示さない。特にこれらの
従来の組成系の膨張係数はあまりに低すぎて、多層、共
焼セラミック・オン金属、高密度回路基板の構成に採用
しても満足な結果を得ることができなかった。
【0022】本発明の目的の1つは、多層、共焼、セ
ラミック・オン金属、高密度回路基板を構成するのに使
用するための候補として適した熱的、電気的、化学的お
よび機械的特性をもったガラスセラミック(GC)系、
この系内の特定のガラスセラミック組成を確認し、次
いでこのような適当なGC候補中の適当な充填材を、組
成GC/Fが先の表2に示した適正な制限値に実質的に
適合するように微調整するために混合することである。
ラミック・オン金属、高密度回路基板を構成するのに使
用するための候補として適した熱的、電気的、化学的お
よび機械的特性をもったガラスセラミック(GC)系、
この系内の特定のガラスセラミック組成を確認し、次
いでこのような適当なGC候補中の適当な充填材を、組
成GC/Fが先の表2に示した適正な制限値に実質的に
適合するように微調整するために混合することである。
【0023】この点に関して次の表3は、多層、共焼、
セラミック・オン金属高密度回路基板を構成するため
に、適当なガラスセラミック(GC)候補の開発のため
添加材として選ばれたCaO、ZnO、SnO2 を含む
MgO−B2 O3 −SiO2 の構成について示したもの
である。アルカリ性金属酸化物は敢えてガラスに添加さ
れないが、これらは原料中に不純物として存在すること
もある。ZrO2 は調整結晶化用の核生成材としてすべ
ての組成中に含有されている。表3には調整されたそれ
ぞれのガラス組成の数値が示されている。ガラスセラミ
ックスはガラスを850〜950℃で10〜30分間加
熱処理することによって生成される。得られたガラスセ
ラミックスの熱膨張係数は、室温(RmT)から約60
0℃までの温度範囲で85×10-7〜105×10-7/
℃の範囲にあり(次の表3では、特にGC−1〜GC−
7の各ガラスセラミックスの温度係数を例示してい
る)、これは充填材を添加してさらに仕上げるのに適し
ている。ガラスセラミックスを15psiの蒸気中に1
2時間さらしてその湿気に対する感度を測定した。その
結果、すべての組成について湿気中での性能の劣化は認
められなかった。
セラミック・オン金属高密度回路基板を構成するため
に、適当なガラスセラミック(GC)候補の開発のため
添加材として選ばれたCaO、ZnO、SnO2 を含む
MgO−B2 O3 −SiO2 の構成について示したもの
である。アルカリ性金属酸化物は敢えてガラスに添加さ
れないが、これらは原料中に不純物として存在すること
もある。ZrO2 は調整結晶化用の核生成材としてすべ
ての組成中に含有されている。表3には調整されたそれ
ぞれのガラス組成の数値が示されている。ガラスセラミ
ックスはガラスを850〜950℃で10〜30分間加
熱処理することによって生成される。得られたガラスセ
ラミックスの熱膨張係数は、室温(RmT)から約60
0℃までの温度範囲で85×10-7〜105×10-7/
℃の範囲にあり(次の表3では、特にGC−1〜GC−
7の各ガラスセラミックスの温度係数を例示してい
る)、これは充填材を添加してさらに仕上げるのに適し
ている。ガラスセラミックスを15psiの蒸気中に1
2時間さらしてその湿気に対する感度を測定した。その
結果、すべての組成について湿気中での性能の劣化は認
められなかった。
【0024】
【表3】
【0025】表3に示したガラスセラミックスGC−1
〜GC−14の組成から明らかなように、次の組成範囲
(重量パーセント)がCu/ステンレススチール/Cu
金属コア上に共焼される熱膨張係数が整合したガラスセ
ラミックスに適していることが確かめられた。 SiO2 10〜20% B2 O3 20〜35% MgO 25〜50% ZnO 0〜10% CaO 0〜22% SnO2 0〜18% BaO 0〜10%
〜GC−14の組成から明らかなように、次の組成範囲
(重量パーセント)がCu/ステンレススチール/Cu
金属コア上に共焼される熱膨張係数が整合したガラスセ
ラミックスに適していることが確かめられた。 SiO2 10〜20% B2 O3 20〜35% MgO 25〜50% ZnO 0〜10% CaO 0〜22% SnO2 0〜18% BaO 0〜10%
【0026】アルカリ金属および重金属の酸化物を含む
他の酸化物を誘電率、誘電損失に大きな影響をおよぼさ
ない程度に少量含有させることもできる。核生成材とし
てZrO2 の代わりにTiO2 やP2 O5 のような材料
を使用することもできる。例えば、これらの核生成材を
単独であるいは組合わせで最大5重量%含ませることも
できる。適当な色を得るためには、CrO3 、CoO、
Fe2 O3 、CuO、CeO2 および/またはPr2 O
3 を単独であるいは組合わせて最大3重量%含有させれ
ばよい。ガラスセラミックスは他の添加材として、Li
2 O、Na2 O、K2 O、Al2 O3 、PbO、Bi2
O3 、および/またはSrOを単独であるいは組合わせ
て最大10重量%含んでいてもよい。
他の酸化物を誘電率、誘電損失に大きな影響をおよぼさ
ない程度に少量含有させることもできる。核生成材とし
てZrO2 の代わりにTiO2 やP2 O5 のような材料
を使用することもできる。例えば、これらの核生成材を
単独であるいは組合わせで最大5重量%含ませることも
できる。適当な色を得るためには、CrO3 、CoO、
Fe2 O3 、CuO、CeO2 および/またはPr2 O
3 を単独であるいは組合わせて最大3重量%含有させれ
ばよい。ガラスセラミックスは他の添加材として、Li
2 O、Na2 O、K2 O、Al2 O3 、PbO、Bi2
O3 、および/またはSrOを単独であるいは組合わせ
て最大10重量%含んでいてもよい。
【0027】ガラスセラミックの特性を調整するため
に、蛍石(CaF2 )、石英(SiO2 )、クリストバ
ライト(Cristobalite)の3種の充填材を
候補として選択することができる。蛍石、石英、クリス
トバライトの20℃〜600℃の範囲における熱膨張係
数はそれぞれ225×10-7/℃、237×10-7/
℃、271×10-7/℃である。幾つかのガラスセラミ
ック/充填材(GC/F)の組合わせ体は標準テープ鋳
造法によって処理される。最大50重量%のこれらの1
あるいはそれ以上の充填材は基板ガラスセラミックス
(GC)の熱膨張係数、誘電率を改善すると考えられて
いる。ガラスセラミック/充填材系中の充填材の量を変
えることによって、ガラスセラミック/充填材(GC/
F)の熱膨張係数を130×10-7/℃にまで増大する
ことができる。
に、蛍石(CaF2 )、石英(SiO2 )、クリストバ
ライト(Cristobalite)の3種の充填材を
候補として選択することができる。蛍石、石英、クリス
トバライトの20℃〜600℃の範囲における熱膨張係
数はそれぞれ225×10-7/℃、237×10-7/
℃、271×10-7/℃である。幾つかのガラスセラミ
ック/充填材(GC/F)の組合わせ体は標準テープ鋳
造法によって処理される。最大50重量%のこれらの1
あるいはそれ以上の充填材は基板ガラスセラミックス
(GC)の熱膨張係数、誘電率を改善すると考えられて
いる。ガラスセラミック/充填材系中の充填材の量を変
えることによって、ガラスセラミック/充填材(GC/
F)の熱膨張係数を130×10-7/℃にまで増大する
ことができる。
【0028】多層、共焼セラミック回路基板の形成のた
めに使用するのに適した特性をもった5種の新規なガラ
スセラミック/充填材の材料(GC/F1〜GC/F
5)を次の表4に示す。これらの5種のガラスセラミッ
ク/充填材の材料のうち、GC/F−4およびGC/F
−5はこの目的に対してすべての特性が最良であること
が判った。
めに使用するのに適した特性をもった5種の新規なガラ
スセラミック/充填材の材料(GC/F1〜GC/F
5)を次の表4に示す。これらの5種のガラスセラミッ
ク/充填材の材料のうち、GC/F−4およびGC/F
−5はこの目的に対してすべての特性が最良であること
が判った。
【0029】
【表4】
【0030】熱膨張係数をさらに増大させ、収縮状況を
改善するために、石英、蛍石および/またはクリストラ
バイトからなる充填材を最大50%の混合重量比で添加
することもできる。
改善するために、石英、蛍石および/またはクリストラ
バイトからなる充填材を最大50%の混合重量比で添加
することもできる。
【0031】図1にマルチチップモジュールの超小型電
子回路パッケージの例が示されている。共焼セラミック
・オン金属回路構体10は、第1および第2の主表面1
4および16を有する金属ベース12と、その第1の主
表面14上にガラスボンディング層18によって接着さ
れた共焼、多層セラミック20とからなる。積層された
ガラスセラミック/充填材テープの各層には焼成前に適
当なホールすなわちバイアホールが形成され、焼成後は
これらのバイアホールは共焼、多層セラミック20中に
スロット22を形成する。これによって集積回路チップ
24(あるいは他の成分素子)は金属ベース12に直接
取付けられる。次いで各チップ24を覆うカプセル材料
26が金属ベース12にハーメチックシールされる。チ
ップ24は当技術分野で周知のように、例えばワイヤボ
ンディング28あるいは同様の手段で電気的に接続され
る。また、別の方法として各チップ24を非ハーメチッ
クシールのカプセル材で保護してもよい。
子回路パッケージの例が示されている。共焼セラミック
・オン金属回路構体10は、第1および第2の主表面1
4および16を有する金属ベース12と、その第1の主
表面14上にガラスボンディング層18によって接着さ
れた共焼、多層セラミック20とからなる。積層された
ガラスセラミック/充填材テープの各層には焼成前に適
当なホールすなわちバイアホールが形成され、焼成後は
これらのバイアホールは共焼、多層セラミック20中に
スロット22を形成する。これによって集積回路チップ
24(あるいは他の成分素子)は金属ベース12に直接
取付けられる。次いで各チップ24を覆うカプセル材料
26が金属ベース12にハーメチックシールされる。チ
ップ24は当技術分野で周知のように、例えばワイヤボ
ンディング28あるいは同様の手段で電気的に接続され
る。また、別の方法として各チップ24を非ハーメチッ
クシールのカプセル材で保護してもよい。
【0032】金属ベース12の反対側の主表面にはヒー
トシンク30が接着材32によって取付けられている。
この超小型電子回路パッケージには、当該マルチチップ
モジュールを装置(図示せず)中に取付けるための支持
構体34が設けられている。
トシンク30が接着材32によって取付けられている。
この超小型電子回路パッケージには、当該マルチチップ
モジュールを装置(図示せず)中に取付けるための支持
構体34が設けられている。
【0033】図1には示されていないが、共焼、多層セ
ラミック20には現在ではAgおよびAg/Pdからな
る金属導体が設けられている。しかしながら、Cuある
いはAuからなる金属導体は、ここで述べた形式の共
焼、多層セラミック・オン金属回路基板ともうまく適合
する必要がある。
ラミック20には現在ではAgおよびAg/Pdからな
る金属導体が設けられている。しかしながら、Cuある
いはAuからなる金属導体は、ここで述べた形式の共
焼、多層セラミック・オン金属回路基板ともうまく適合
する必要がある。
【0034】表3に示した新しいガラス/セラミック
(GC)材料および特に表4に示したガラス/セラミッ
ク/充填材の材料は図1に示す形式のセラミック・オン
金属マルチチップモジュールの超小型電子回路パッケー
ジで使用するために開発されたが、これらの新しい材料
は金属ベースの有無に拘らず他の標準多層セラミックパ
ッケージ用としても有効である。
(GC)材料および特に表4に示したガラス/セラミッ
ク/充填材の材料は図1に示す形式のセラミック・オン
金属マルチチップモジュールの超小型電子回路パッケー
ジで使用するために開発されたが、これらの新しい材料
は金属ベースの有無に拘らず他の標準多層セラミックパ
ッケージ用としても有効である。
【0035】図2に示す新規な処理工程では、例えばス
プレー被覆法によってガラスボンディング層18を金属
ベース12の一方の主表面、例えば表面14に供給する
工程を含んでいる。これには約60〜90重量%の適当
な溶剤と混合してスラリの形にされたSCC−11の層
が使用される。溶剤としては2−プロパノール、アセト
ン、エタノールあるいはテルピノールが使用され、2−
プロパノールが特に好ましい。多層セラミック20はバ
イアホールが形成された選択的に金属化された多層ガラ
スセラミック/充填材を積層することによって各別に作
られ、積層体を素焼してそれから有機物を取除き、モノ
リシックセラミックを生成する。別の方法として、金属
化され且つバイアホールが形成された多層ガラスセラミ
ック/充填材テープをガラスボンディング層18上に配
置してセラミック20を形成してもよい。
プレー被覆法によってガラスボンディング層18を金属
ベース12の一方の主表面、例えば表面14に供給する
工程を含んでいる。これには約60〜90重量%の適当
な溶剤と混合してスラリの形にされたSCC−11の層
が使用される。溶剤としては2−プロパノール、アセト
ン、エタノールあるいはテルピノールが使用され、2−
プロパノールが特に好ましい。多層セラミック20はバ
イアホールが形成された選択的に金属化された多層ガラ
スセラミック/充填材を積層することによって各別に作
られ、積層体を素焼してそれから有機物を取除き、モノ
リシックセラミックを生成する。別の方法として、金属
化され且つバイアホールが形成された多層ガラスセラミ
ック/充填材テープをガラスボンディング層18上に配
置してセラミック20を形成してもよい。
【0036】好ましい方法では、ガラスボンディング層
18を約450℃の温度に加熱してボンディング層のガ
ラスを予め流動させて、主表面14上に約0.025m
mの厚さの薄いガラス被膜を形成する。次いで予め形成
されたセラミック20をガラスボンディング層18上に
配置して、全体を窒素雰囲気中(約10,000ppm
のO2 )中で900℃〜930℃の温度で約2〜20分
間共焼する。この共焼のためのピーク焼成温度はベース
12の金属とセラミック20の組成とに基づいて選定さ
れる。ガラスボンディング層18を使用してセラミック
20を金属ベース12に接着したことにより、共焼期間
中のセラミックのX、Y方向の収縮は著しく減少し、セ
ラミックの体積の収縮は殆どZ方向、すなわち厚み方向
に制限されることが確かめられた。
18を約450℃の温度に加熱してボンディング層のガ
ラスを予め流動させて、主表面14上に約0.025m
mの厚さの薄いガラス被膜を形成する。次いで予め形成
されたセラミック20をガラスボンディング層18上に
配置して、全体を窒素雰囲気中(約10,000ppm
のO2 )中で900℃〜930℃の温度で約2〜20分
間共焼する。この共焼のためのピーク焼成温度はベース
12の金属とセラミック20の組成とに基づいて選定さ
れる。ガラスボンディング層18を使用してセラミック
20を金属ベース12に接着したことにより、共焼期間
中のセラミックのX、Y方向の収縮は著しく減少し、セ
ラミックの体積の収縮は殆どZ方向、すなわち厚み方向
に制限されることが確かめられた。
【0037】
【発明の効果】本発明によれば、好ましい電気的諸特性
を有し、しかも共焼金属ベースの熱膨張係数に極めてよ
く整合した熱膨張係数をもった多層、共焼セラミックを
含むセラミック・オン金属回路基板を得ることができ
る。
を有し、しかも共焼金属ベースの熱膨張係数に極めてよ
く整合した熱膨張係数をもった多層、共焼セラミックを
含むセラミック・オン金属回路基板を得ることができ
る。
【図1】この発明に従って構成されたマイクロエレクト
ロニックスパッケージの例を示す断面図である。
ロニックスパッケージの例を示す断面図である。
【図2】本発明の実施に含まれる各処理ステップを示す
フローチャートである。
フローチャートである。
10 セラミック・オン金属回路基板 12 金属ベース 14 主表面 16 主表面 18 ボンディング層 20 セラミック
フロントページの続き (72)発明者 ルボミル ステイーブン オニシユケビ イチ アメリカ合衆国 ニユージヤージー州 08648ローレンスビル ドツグウツド・ ドライブ 9 (72)発明者 アシヨク ナラヤン プラブー アメリカ合衆国 ニユージヤージー州 08520イースト・ウインザー メドウ・ レーン 21 (72)発明者 バリー ジエイ サラー アメリカ合衆国 ニユージヤージー州 08648ローレンスビル チヤツピン・レ ーン 1 (56)参考文献 特開 平2−196073(JP,A) 特開 平2−88471(JP,A) 特表 平5−502337(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C04B 37/02 H05K 1/05
Claims (2)
- 【請求項1】 金属ベースと、該金属ベース上に形成さ
れたガラスのボンディング層と、該ボンディング層上に
配置された多層セラミックテープにより形成されたセラ
ミックとを有する構体からなり、上記多層セラミックテ
ープの各層はガラスセラミック/充填材組成からなるも
のである、多層、共焼セラミック・オン金属回路基板。 - 【請求項2】 互いに反対側の面にある2つの主面を有
する金属ベース上に多層セラミックを形成してなるセラ
ミック・オン金属回路基板の製造方法であって、 上記金属ベースの一方の主表面上に該金属ベースの熱膨
張係数よりも大きくはない熱膨張係数をもったガラスボ
ンディング層を被着する工程と、 上記ガラスボンディング層上に上記多層セラミックを配
置する工程と、 上記金属ベース、ガラスボンディング層および多層セラ
ミックを、上記金属ベースに上記多層セラミックを確実
に貼付けるのに充分な温度に加熱する工程と、からなる
多層、共焼セラミック・オン金属回路基板を製造する方
法。
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---|---|---|---|
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US809371 | 1991-12-18 | ||
US07/809,371 US5256469A (en) | 1991-12-18 | 1991-12-18 | Multi-layered, co-fired, ceramic-on-metal circuit board for microelectronic packaging |
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US5041695A (en) * | 1989-06-01 | 1991-08-20 | Westinghouse Electric Corp. | Co-fired ceramic package for a power circuit |
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- 1992-12-16 GB GB9226220A patent/GB2263253B/en not_active Expired - Lifetime
- 1992-12-18 JP JP4356082A patent/JP2922375B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 1992-12-18 DE DE4243040A patent/DE4243040C2/de not_active Expired - Fee Related
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GB2263253A (en) | 1993-07-21 |
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GB9226220D0 (en) | 1993-02-10 |
KR970008145B1 (ko) | 1997-05-21 |
DE4243040C2 (de) | 1999-06-17 |
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JPH05270934A (ja) | 1993-10-19 |
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