JP2973820B2

JP2973820B2 - セラミックス基板の製造方法

Info

Publication number: JP2973820B2
Application number: JP6152963A
Authority: JP
Inventors: 善章山出; 要一守屋
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1994-06-10
Filing date: 1994-06-10
Publication date: 1999-11-08
Anticipated expiration: 2014-11-08
Also published as: JPH07330445A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はセラミックス基板の製造
方法に関し、より詳細にはＬＳＩ等を搭載する機能を有
するセラミックス基板の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、高集積化してきたＬＳＩや各種電
子部品を搭載する配線基板において、小型化、高信頼性
等の要求から基板材料としてセラミックスが用いられる
ことが多くなってきている。その中で、アルミナ配線基
板は強度が大きい等の利点を有するため、基板材料用セ
ラミックス中に占めるアルミナの割合は大きい。しか
し、一方アルミナ基板は比誘電率が大きいため伝送信号
の遅延を生じさせ、また熱膨張係数がシリコンに比べて
非常に大きいため、部品を実装した際の温度変化に対す
る信頼性を確保するのが困難であるという問題点を有し
ている。さらに、アルミナの焼成温度は約１５５０℃と
高いため、内層の配線として、融点が高くかつ電気抵抗
率の大きいＷ又はＭｏを使用する必要があり、配線を微
細化した場合には配線の電気抵抗値が大きくなるという
問題点をも有している。

【０００３】このような点から、Ａｇ、Ｃｕ等の低抵抗
配線材料と同時焼成を行うことができる低温焼成セラミ
ックス基板の開発が進められており、その中でも、前記
特性に加え、誘電率が低く伝送損失が小さく、かつ熱膨
張率がシリコンに近いためにフリップチップ等の実装が
可能な、ガラスを含有するセラミックス基板（以下、ガ
ラスセラミックス基板と記す）が注目されている。前記
ガラスセラミックス基板に用いられるガラス材料として
は、ホウ珪酸系ガラス、コージェライト（ＭｇＯ−Ａｌ
₂ Ｏ₃ −ＳｉＯ₂ ）系ガラス、アノーサイト（ＣａＯ−
Ａｌ₂ Ｏ₃ −ＳｉＯ₂ ）系ガラス等が挙げられ、通常、
これらのガラス粉末に骨材を添加した原料を用いて前記
ガラスセラミックス基板が製造される。

【０００４】前記ガラスセラミックス配線基板の製造方
法を説明すると、まずガラスセラミックスの原料となる
ガラス粉末や骨材となるセラミックス粉末をボールミル
に投入し、さらに粉砕用のボールと共に湿式媒を添加
し、適当な粒径になるように湿式混合粉砕を行う。この
後、前記湿式媒を除去し、得られた原料粉末にバインダ
ー、分散剤、可塑剤、有機溶媒等を添加して湿式混合を
行い、スラリーを調製する。次に、前記スラリーを用い
てドクターブレード法等によりグリーンシート（以下、
ガラスセラミックスグリーンシートと記す）を作製す
る。その後、必要によりビアホール等を形成し、前記ガ
ラスセラミックスグリーンシートに配線用の導体ペース
トを印刷し、前記ビアホール部分には導体ペーストを埋
め込んでおく。前記工程により作製された種々のガラス
セラミックスグリーンシートを積層して積層体を形成す
る。これらの工程の後、脱脂工程及び焼成工程を経るこ
とによりガラスセラミックス配線基板が製造される。

【０００５】さて、ＬＳＩ等が高速化、高密度化される
に従い、セラミックス基板に搭載されるＬＳＩ等と前記
セラミックス基板に形成された配線とのボンディング法
も、従来のワイヤボンディング法から、マルチチップ化
や高密度実装に適したＴＡＢ（Tape Automated Bondin
g) 方式又はフリップチップ方式が採用されるようにな
ってきている。従って、これらガラスセラミックス基板
に対する要求も前記した基板自身の物性のみでなく、こ
のような高密度実装に対応することができるよう、前記
方法により製造を行う際のセラミックス基板の寸法や形
状等についても精密な制御技術が要求されるようになっ
てきている。すなわち、前記ガラスセラミックス基板に
求められる寸法精度は、従来の同時焼成方法では達成が
困難な±０．１％以下になってきている。

【０００６】このようなセラミックス基板の寸法等の制
御を行う方法として、以下のような方法が提案されてい
る。すなわち、特公平５−２２６７１号公報には、セラ
ミックスグリーンシートの上下面に気体が流出入可能な
壁面を対向させ、前記壁面を通じて前記セラミックスグ
リーンシートの上下方向に圧力を加え、かつ前記壁面か
ら気体を流入、又は流出させながら、前記セラミックス
グリーンシートを焼成する方法が開示されている。前記
公報においては、このように上下方向から機械的な圧力
や気体による圧力を印加することにより、焼結体の反
り、歪、収縮等を抑えることができることが記載されて
いる。

【０００７】また特開平４−２４３９７８号公報及び特
開平５−５０３４９８号公報（公表特許公報）には上下
面に無機物粒子を含む強制層が形成されたセラミックス
のグリーンシートを、そのまま焼成炉に載置して、又は
上下方向から圧力を印加しながら焼成する方法が開示さ
れており、このような方法を採ることにより、セラミッ
クス基板の反りを無くすことができると共に、平面方向
の収縮をも減少させることができることが記載されてい
る。そして、前記二つの公報のいずれにも、一の請求項
に、前記強制層を構成する無機物の平均粒度が１〜２０
μｍで、かつ１μｍ以下の粒径を有する粒子が３０容量
％以下であるという構成が記載されている。なお、前記
特公平５−２２６７１号公報明細書中には、前記特開平
４−２４３９７８号公報等に記載された方法とほぼ同様
の方法も記載されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記特
公平５−２２６７１号公報に記載された機械的な圧力を
加えながら焼成する方法においては、セラミックスグリ
ーンシートを変形させないように押圧し、かつ気体を流
入又は流出させるための特殊な部品を必要とし、また焼
成時に気体を流入又は流出させるために、その熱効率も
低いという課題があった。

【０００９】また、特開平４−２４３９７８号公報及び
特開平５−５０３４９８号公報等に記載された方法で
は、前記した粒径からなる無機物を含有する強制層を使
用して積層体を形成し、ガラスセラミックスグリーンシ
ートを焼成した場合、焼結による平面方向の収縮は抑え
られるものの、焼成後のガラスセラミックス表面から未
焼結の前記強制層を取り除く際の剥離性が悪く、剥離の
ために多くの工数を要すると共に、前記強制層を剥離し
た後の表面粗さが大きすぎ、その表面に配線層を形成し
にくく、配線層を形成した場合にも前記配線層の平坦性
が悪くなり、また配線層のセラミックス表面への接着性
も悪いという課題があった。

【００１０】本発明はこのような課題に鑑みなされたも
のであり、少なくとも一方の面に強制層が積層されたグ
リーンシートを焼成した後、前記強制層を除去する際
に、簡単な工程で前記強制層を構成する無機粒子を剥離
することができ、製造されるセラミックス基板の平面方
向の収縮を抑えることができるだけでなく、前記強制層
除去後の前記セラミックス基板の表面粗さを小さくし、
かつ平坦性や基板との密着性に優れた配線層を形成する
ことが可能なセラミックス基板の製造方法を提供するこ
とを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係るセラミックス基板の製造方法は、ガラス
セラミックスの原料粉末を主成分とする第１のグリーン
シートの両面又は片面に、前記ガラスセラミックス原料
粉末の焼結温度では焼結せず、その平均粒径が１μｍよ
り小さく、かつ全容量の５０％以上の粒子が１μｍより
小さい粒径からなる無機成分の粉末を主成分とする第２
のグリーンシートを積層し、前記第１のグリーンシート
の焼成を行うことを特徴としている。

【００１２】本発明に係るセラミックス基板の製造方法
において、ガラスセラミックスの原料粉末を主成分とす
るガラスセラミックスグリーンシートは、「従来の技
術」において記載した方法とほぼ同様の方法で作製する
ことができ、通常は前述したように複数のグリーンシー
トの積層体とする。しかし、必ず個々のグリーンシート
を複数層積層して積層体とする必要はなく、単層からな
るものでもよく、またグリーンシート上への導体含有層
の形成も任意である。

【００１３】前記ガラスセラミックスグリーンシート
は、前記ガラスセラミックスの原料粉末、有機溶媒、可
塑剤、及びバインダー等から構成される。前記ガラスセ
ラミックスの原料粉末は、ホウ珪酸系ガラス、コージェ
ライト（ＭｇＯ−Ａｌ₂ Ｏ₃ −ＳｉＯ₂ ）系ガラス、ア
ノーサイト（ＣａＯ−Ａｌ₂ Ｏ₃ −ＳｉＯ₂ ）系ガラス
等の粉末とＡｌ₂ Ｏ₃ 等の骨材の粉末を混合したもので
あり、その平均粒径は０．１〜１０μｍが好ましい。前
記有機溶媒としては、例えばトルエン、キシレン等が挙
げられ、前記可塑剤としては、例えばジブチルフタレー
ト、ジオキシルフタレート等が挙げられ、前記バインダ
ーとしては、例えばアクリル樹脂、ブチラール樹脂等が
挙げられる。これらの混合割合は、ガラスセラミックス
の原料粉末１００重量部に対し、有機溶媒が３０〜５０
重量部、可塑剤が１〜５重量部、バインダーが５〜１５
重量部が好ましい。前記グリーンシート上に導体含有層
を形成する場合には、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ−Ｐｄ等
が導体材料として用いられる。

【００１４】前記ガラスセラミックスグリーンシートに
積層する、該ガラスセラミックス原料粉末の焼結温度で
は焼結しない無機成分（以下、難焼結性無機成分と記
す）の粉末を主成分とするグリーンシート（以下、強制
層とも記す）も通常のグリーンシートの作製方法により
作製することができる。前記強制層は、前記難焼結性無
機成分の粉末、有機溶媒、可塑剤、及びバインダー等か
ら構成される。

【００１５】前記難焼結性無機成分としては、例えばＡ
ｌ₂ Ｏ₃ 、ＳｉＯ₂ 、ＺｒＯ₂ 、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ムラ
イト等が挙げられ、これらの粉末はその平均粒径が１μ
ｍより小さく、かつ全容量の５０％以上の粒子が１μｍ
より小さい粒径からなるものであるのが好ましい。その
平均粒径が１μｍ以上であると、ガラスセラミックス中
への前記粉末の侵入度が大きくなり、ガラスセラミック
スに接着され易くなるため、焼成後に剥離が難しくな
る。また、前記難焼結性無機成分粉末中において１μｍ
より小さい粒径の粉末容量が全容量の５０％未満になる
と、ガラスセラミックスに接着され易い粒子が増加する
ため、やはり実際の剥離作業が難しくなる。

【００１６】前記有機溶媒としては、例えばトルエン、
キシレン等が挙げられ、前記可塑剤としては、例えばジ
ブチルフタレート、ジオキシルフタレート等が挙げら
れ、前記バインダーとしては、例えばブチラール樹脂、
アクリル樹脂等が挙げられる。これらの混合割合は、難
焼結性無機成分の粉末１００重量部に対し、有機溶媒が
３０〜５０重量部、可塑剤が１〜５重量部、バインダー
が５〜１５重量部が好ましい。

【００１７】本発明では、前記したガラスセラミックス
グリーンシートを単層又は複数層積層した後、その片面
又は両面に前記強制層を積層し、熱圧着して一体化す
る。前記強制層の積層は、上下のどちらかの面でも焼結
による面内方向の収縮を十分に抑制することができる
が、両面への積層の方が面内方向の収縮をより一層抑制
することができる。

【００１８】この後、通常の酸化性雰囲気で有機成分を
分解、消失させる脱脂工程を行い、さらに焼成を行う。
前記脱脂工程での温度は、２００〜６００℃程度が好ま
しく、焼成温度は８００〜１０００℃程度が好ましい。
この焼成工程においては、グリーンシート積層体の厚さ
方向に圧力を加えながら焼成してもよく、また特にその
ような圧力を加えず、通常のガラスセラミックスの焼成
方法と同様の方法で焼成してもよい。前記ガラスセラミ
ックスグリーンシート積層体の厚さ方向に圧力を加える
場合には、その圧力は０．１〜５ｋｇ／ｃｍ² 程度が好
ましい。

【００１９】このような方法をとることにより、グリー
ンシートの焼成よる面内方向の収縮は殆どおこらない。
この収縮率は焼結するガラスセラミックスの種類や用い
る難焼結性無機成分の種類により異なるので、一概に言
えないが、例えばガラスセラミックスとしてコージェラ
イト結晶化ガラスを用いた場合には、その線収縮率を
０．１％以下に抑えることができる。

【００２０】

【作用】上記した構成のセラミックス基板の製造方法に
よれば、ガラスセラミックスの原料粉末を主成分とする
第１のグリーンシートの両面又は片面に、前記ガラスセ
ラミックス原料粉末の焼結温度では焼結せず、その平均
粒径が１μｍより小さく、かつ全容量の５０％以上の粒
子が１μｍより小さい粒径からなる無機成分（難焼結性
無機成分）の粉末を主成分とする第２のグリーンシート
を積層し、前記第１のグリーンシートの焼成を行うの
で、前記第１のグリーンシートの焼成による面内方向の
収縮がほぼ完全に抑えられる。また、前記強制層中の難
焼結性無機成分の粉末はガラスセラミックスの焼結温度
でも物質移動が少なく、そのために接着しにくいこと、
及び前記粉末の粒径が小さいために、却ってガラスセラ
ミックス中への侵入度が小さく、接着しにくいこと等の
ため、焼成後もガラスセラミックス基板の表面から前記
難焼結性無機成分が容易に剥離し、剥離後の前記ガラス
セラミックス基板の表面粗さも小さくなる。このため、
前記ガラスセラミックス基板上に平坦性や密着性に優れ
た配線層が形成される。

【００２１】

【実施例及び比較例】以下、本発明に係るセラミックス
基板の製造方法の実施例及び比較例を説明する。

【００２２】本実施例では基板材料のガラスセラミック
スにはコージェライト結晶化ガラスセラミックスを用い
た。まずガラス材料の粉末１００重量部に対してアルミ
ナ粉末を２０重量部、及びコージェライト粉末を５重量
部添加した後、これらの粉末を湿式混合粉砕し、平均粒
径が３μｍのガラスセラミックス原料粉末とした。

【００２３】このガラスセラミックス原料粉末に、有機
溶媒としてキシレン、可塑剤としてジオキシルフタレー
ト、及びバインダーとしてアクリル樹脂を添加して湿式
混合を行いスラリーとした。次に、このスラリーを用い
てドクターブレード法によりグリーンシートを形成し
た。次に、このグリーンシートを切断し、パンチにて必
要なビアホールを開け、さらにＡｇ導体ペーストを用い
てビアホールへの充填を行うとともに、スクリーン印刷
により導体回路の形状に導体ペーストの層を形成した。

【００２４】次に、難焼結性無機成分としてアルミナ粉
末のみを用い、有機溶媒としてキシレン、可塑剤として
ジオキシルフタレート、及びバインダーとしてブチラー
ル樹脂を用い、上記ガラスセラミックスグリーンシート
の場合と同様にしてグリーンシート（強制層）を作製し
た。この時、アルミナ粉末として平均粒径の異なるもの
として、日本軽金属製のＬＳ−２２０（平均粒径３．５
μｍ）、住友化学製のＡＬ−４１ＤＢＭ−０１（平均粒
径１．５μｍ）、住友化学製のＡＥＳ−１１（平均粒径
０．５μｍ）の３種類を用い、必要により下記の表１に
示す割合で混合した。

【００２５】このようにして、ガラスセラミックスグリ
ーンシート及び強制層を作製した後、前記ガラスセラミ
ックスグリーンシートを必要な層数重ね、その上下面に
前記強制層をさらに重ね、１００ｋｇ／ｃｍ² の圧力で
熱圧着して一体化した。

【００２６】次に、作製した積層体を耐火物セッターの
上に載せ、バッチ式電気炉により大気雰囲気下、９００
℃で３０分焼成した。

【００２７】焼成が終った後、焼結体の表面の寸法を測
定し、グリーンシートを形成した際の表面の寸法との比
較を行った。また、ガラスセラミックス層の表面に存在
する未焼結のアルミナ層について、剥離試験を行い、ア
ルミナ層の剥離の容易性を評価した。まず、第１段階
として、焼結直後のサンプルを持ち上げ、傾け軽く振っ
た際のアルミナ層の剥離性を目視により観察した。次
に、第２段階として、サンプルに長さ約３０ｍｍの剃
刀の刃を当て、約１０〜５０ｇｆ程度の力でアルミナ層
を剥離除去し、どの程度除去されているかを同様に目視
により観察した。さらに、第３段階として、アセトン
を媒体として用いた超音波洗浄器を使用して超音波洗浄
を行い、剥離の程度を目視により観察した。

【００２８】前記目視観察による評価の方法は、それぞ
れサンプル表面のアルミナ層剥離部分を目視に基づいて
計算し、その表面積がサンプル表面積に占める割合をア
ルミナ粉末剥離率とし、剥離の容易性の目安とした。さ
らに、アルミナ粉末を除去した後の表面粗さも測定し
た。

【００２９】強制層に使用したＡｌ₂ Ｏ₃ 粉末の種類と
その割合、及び平均粒径を下記の表１に、焼結によるガ
ラスセラミックス基板の主面の線収縮率［｛グリーンシ
ートの主面の１辺の長さ（ｌ₀ ）−焼成後の基板の主面
の１辺の長さ（ｌ）｝／｛グリーンシートの主面の１辺
の長さ（ｌ₀ ）｝］、剥離試験における剥離の容易性に
ついての試験結果、及び表面粗さについての結果を下記
の表２に示した。この場合、Ａｌ₂ Ｏ₃ 粉末の粒径はレ
ーザ回析式粒度分布計により測定した。また、アセトン
洗浄後のアルミナ層剥離後の表面粗さを、接触式の表面
粗さ計（ＳＵＲＦＣＯＭ）により測定した。表２におい
て、前記各段階での剥離試験の結果については、に示
した試験を第１段階、に示した試験を第２段階、に
示した試験を第３段階としている。

【００３０】

【表１】

【００３１】

【表２】

【００３２】表１及び表２の結果より明らかなように、
収縮率低減に対する効果については強制層をつけない従
来の焼成法では収縮率が約１６％であったのに対し、実
施例、比較例ともに、０．０５％と著しい効果が認めら
れ、またアルミナ粉末の剥離性については、平均粒径の
小さなアルミナが用いられた強制層ほどアルミナ粉末の
除去が容易であり、特に平均粒径０．５μｍのアルミナ
原料を５０ｗｔ％以上用いた場合にその効果が大きかっ
た。すなわち、実施例１の場合においては、第１段階及
び第２段階でアルミナ粉末の９０％以上が除去されてお
り、さらに実施例２においては、サンプルを傾け、軽く
振るだけで９５％以上のアルミナ粉末が除去され、剃刀
の刃を用いた除去で１００％が除去されている。

【００３３】また、図１及び図２は、それぞれ比較例１
及び実施例２の場合において、超音波洗浄後のガラスセ
ラミックス表面の粒子構造を示した走査型電子顕微鏡
（ＳＥＭ）写真である。

【００３４】この写真よりわかるように、比較例１（図
１）の場合にはガラスセラミックス表面に粒径の大きな
粒子が多数存在しており、表面粗さが大きく、一方、実
施例２（図２）の場合にはガラスセラミックス表面に小
さな粒子が多数存在しており表面粗さが小さくなってい
る。

【００３５】これはアルミナ粉末の粒径が小さくなる方
がアルミナ粉末１個当りに作用する力が小さくなり、ア
ルミナ粉末のガラスセラミックス中への侵入度が小さく
なり、接着しにくくなるためと考えられる。また、ガラ
スセラミックスの表面形状は、接触している強制層の粒
子形状に影響されるため、剥離後の表面粗さも小さくな
るものと考えられる。

【００３６】次に、このガラスセラミックスの表面にＡ
ｇ−Ｐｄペーストを用いた印刷を行い、その後焼成する
ことにより導体層を形成し、形成された導体層の基板表
面との接着性及び平坦性について評価を行った。

【００３７】その結果、平均粒径の大きいアルミナ強制
層を用いて焼成されたガラスセラミックス（比較例１〜
３）に印刷したものと比べ、実施例１〜２に係るガラス
セラミックスに印刷したものは、より接着性及び平坦性
に優れており、従来の強制層を用いない焼成法によるガ
ラスセラミックス表面に印刷した場合とほぼ同じ特性を
有するものであった。

【００３８】以上説明したように実施例に係るセラミッ
クス基板の製造方法にあっては、コージェライト結晶化
ガラスの原料粉末を主成分とするグリーンシートの両面
又は片面に、その平均粒径が１μｍより小さく、かつ全
容量の５０％以上の粒子が１μｍより小さい粒径からな
るアルミナ粉末を主成分とする強制層を積層し、前記グ
リーンシートの焼成を行うので、前記グリーンシートの
焼成による面内方向の収縮をほぼ完全に抑えることがで
きる。また、前記強制層中のアルミナ粉末はガラスセラ
ミックスの焼結温度でも物質移動が少なく、そのために
接着しにくいこと、及び前記アルミナ粉末の粒径が小さ
いために、却ってガラスセラミックス中への侵入度が小
さく、接着しにくいこと等のため、焼成後もガラスセラ
ミックス基板の表面からアルミナ粉末を容易に剥離する
ことができる。また、アルミナ粉末の粒径が小さいた
め、剥離後のガラスセラミックス基板の表面粗さも小さ
くすることができる。このため、前記ガラスセラミック
ス基板上に平坦性や密着性に優れた配線層を形成するこ
とができる。

【００３９】

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係るセラミ
ックス基板の製造方法にあっては、ガラスセラミックス
の原料粉末を主成分とする第１のグリーンシートの両面
又は片面に、前記ガラスセラミックス原料粉末の焼結温
度では焼結せず、その平均粒径が１μｍより小さく、か
つ全容量の５０％以上の粒子が１μｍより小さい粒径か
らなる無機成分（難焼結性無機成分）の粉末を主成分と
する第２のグリーンシートを積層し、前記第１のグリー
ンシートの焼成を行うので、前記グリーンシートの焼成
による面内方向への収縮をほぼ完全に抑えることができ
る。また、前記強制層中の難焼結性無機成分の粉末はガ
ラスセラミックスの焼結温度でも物質移動が少なく、そ
のために接着しにくいこと、及び前記粉末の粒径が小さ
いために、却ってガラスセラミックス中への侵入度が小
さく、接着しにくいこと等のため、焼成後もガラスセラ
ミックス基板の表面から前記難焼結性無機成分を容易に
剥離することができ、剥離工程を簡略化することができ
る。また、粒径が小さい難焼結性無機成分の粉末を使用
しているため、剥離後のガラスセラミックス基板の表面
粗さも小さくすることができる。このため、前記ガラス
セラミックス基板上に平坦性や密着性に優れた配線層を
形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】比較例１に係るセラミックス基板の製造方法に
おいて、超音波洗浄後のガラスセラミックス表面の粒子
構造を示した走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。

【図２】実施例２に係るセラミックス基板の製造方法に
おいて、超音波洗浄後のガラスセラミックス表面の粒子
構造を示した走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ガラスセラミックスの原料粉末を主成分
とする第１のグリーンシートの両面又は片面に、前記ガ
ラスセラミックス原料粉末の焼結温度では焼結せず、そ
の平均粒径が１μｍより小さく、かつ全容量の５０％以
上の粒子が１μｍより小さい粒径からなる無機成分の粉
末を主成分とする第２のグリーンシートを積層し、前記
第１のグリーンシートの焼成を行うことを特徴とするセ
ラミックス基板の製造方法。