JP3162539B2

JP3162539B2 - 導体ペーストによって導体を形成したセラミック配線基板の製造方法

Info

Publication number: JP3162539B2
Application number: JP10510593A
Authority: JP
Inventors: 英司小寺; 茂多賀; 幸広木村
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 1993-04-05
Filing date: 1993-04-05
Publication date: 2001-05-08
Anticipated expiration: 2016-05-08
Also published as: JPH06291435A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、導体ペーストによっ
て導体を形成したセラミック配線基板の製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の多層配線基板は、アルミナ等を主
成分とするセラミックスからなり、板形状の複数枚の絶
縁層と、各絶縁層の主表面にタングステン、モリブデン
等の高融点金属にて形成された各種配線パターンとを備
えている。

【０００３】このような多層配線基板は、次の手順で製
造される。まず、アルミナ等のセラミックス粉末を主成
分とするグリーンシートの表面に、タングステンＷ等の
導体ペーストを所定パターンにスクリーン印刷して、各
配線パターンを形成する。そして、打ち抜きによってグ
リーンシートに貫通孔を設け、その中に導体ペーストを
充填する。次にこれらグリーンシートを積層し、圧力下
で接着する。その後積層体が１５００℃前後の高温で焼
成され、その表面にＮｉ鍍金が施されてセラミックス多
層配線基板となる。かくして貫通孔に充填された導体ペ
ーストは、導体柱となって各層の配線を電気的に接続す
る。

【０００４】尚、Ｎｉ鍍金する前に又はＮｉ鍍金に代え
て、基板の表面にＴｉ、Ｃｒ等の活性金属をスパッタリ
ングして薄膜の高密度配線を形成することもある。とこ
ろで、近年、信号伝播速度を速くすることと、集積回路
ＩＣの接続不良及び剥離を未然に防止することのため
に、高密度ＩＣパッケージの多層基板中の絶縁層とし
て、アルミナ系セラミックスに代えてムライト系セラミ
ックスを用いようとする提案がなされている（特公昭５
７−２３６７２号公報，特開昭５５−１３９７０９号公
報）。

【０００５】すなわち、電気信号の伝播遅延時間は、配
線導体をとりまく絶縁層の誘電率の平方根に比例するの
で、比誘電率の小さいムライトを絶縁層の主成分として
信号の高速化を達成しようとするのである。また、集積
回路ＩＣが半導体シリコンよりなるものの場合、シリコ
ンの熱膨張係数が３．５×１０^-6／℃であるから、これ
と熱膨張差の小さいムライトをＩＣ搭載部の絶縁層の主
成分とすることにより、ＩＣ接続部分の熱応力を軽減し
ようとするのである。

【０００６】このように絶縁層としてムライト系セラミ
ックスを用いるために、配線導体に用いられる金属ペー
ストについて、ムライト系セラミックスとの接着強度及
びムライト系セラミックスとの同時焼結の可能性が検討
されている。例えば、特開昭６２−１７２７８４号公報
には、高融点金属にシリカ−アルミナ−マグネシア系の
焼結助剤を添加してなる導体ペーストが開示されてい
る。また、特開平２−１３３３８３号公報には、作製過
程での還元温度の異なる２種類のタングステン粉末を配
合してなる導体ペーストが開示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】特開昭６２−１７２７
８４号公報に記載された技術は、導体金属表面の濡れ性
を良くすることによって、ムライト系セラミックスに用
いられている充分な量の焼結助剤を、導体ペーストに浸
透させ、ムライトセラミックスと導体金属との結合並び
に導体柱の緻密化を達成しようとするものである。

【０００８】また、特開平２−１３３３８３号公報に記
載された技術は、還元温度によって焼成収縮率の異なる
点に着目し、タングステン粉末の配合割合を適切な範囲
に選定することによって、導体柱全体の収縮量をムライ
トセラミックスの収縮量に整合させようとするものであ
る。

【０００９】しかし、前者の導体ペーストをグリーンシ
ートの貫通孔に充填して形成した導体柱は、導体ペース
トの焼成収縮率とグリーンシートの焼成収縮率とが大き
く相違するために、ムライト絶縁層との間に大きな間隙
を生じることが判った。従って、その導体柱と内部配線
との間で断線や気密不良を生じる。また、表面に露出す
る導体柱の場合、スパッタリングで薄膜を形成すること
が困難となる。

【００１０】一方、後者の導体ペーストは、収縮率を微
調整することは可能であるが、タングステン粉末の種類
が限定されているために、直径の大きな貫通孔に充填さ
れて焼成された場合、充分に焼結しないことが判った。
すなわち、後者の導体ペーストから形成された導体柱
は、焼結不十分のために緻密な導体柱が得られず、また
あまり収縮しない。従って、平面方向の隣の導体柱と突
っ張り合い、その中間に存在するムライト絶縁層を変形
させる。また、導体柱のすぐ上に積層された絶縁層を突
き上げ、いわゆるデラミネーションすなわち層間亀裂を
生じる。それらの結果、表面配線の精度を劣化させた
り、気密不良を生じさせたりする。

【００１１】本発明の目的は、上記の問題点を解決し、
ムライトの焼成収縮率と整合する収縮率を有し且つ低抵
抗の導体ペーストを提供し、そのような導体ペーストを
用いて導体を形成し、断線及び気密不良が生じにくく、
しかも高精度に表面配線を形成できるセラミック配線基
板を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】その手段は、主成分とし
てのムライト粉末及びガラス化可能な焼結助剤を含有す
るグリーンシートを準備し、そのグリーンシートを打ち
抜いて貫通孔を設け、この貫通孔の中に、導体成分とム
ライト粉末とガラス化可能な助剤成分とを含み、ビヒク
ルによってペースト状に調製された導体ペーストを充填
した後、焼成することを特徴とするセラミック配線基板
の製造方法であって、ムライト粉末の含有量が、そのム
ライト粉末と導体成分との合計量に対して０．５〜１０
重量％であり、助剤成分の含有量が、導体成分とムライ
ト粉末と助剤成分の合計量に対して４重量％以下である
ことにある。

【００１３】この導体ペーストにおいて望ましいのは、
ムライト粉末として、その平均粒径が３μｍ以下のも
のを用いる場合である。同じく望ましいのは、導体成分
をタングステンＷとするものである。

【００１４】

【作用】本発明においては、主成分としてのムライト粉
末及びガラス化可能な焼結助剤を含有するグリーンシー
トを準備し、そのグリーンシートを打ち抜いて貫通孔を
設け、この貫通孔の中に上記いずれかの導体ペーストを
充填した後、焼成することによってセラミック配線基板
が製造される。このセラミック配線基板は、単板でも多
層基板でもよい。多層基板の場合は、導体ペーストを充
填した後、複数枚のグリーンシートを積層して焼成す
る。こうして得られるセラミック配線基板は、ムライト
を主成分とし貫通孔を有する絶縁基板と、その貫通孔に
充填された導体柱とを備えた配線基板において、導体柱
が導体成分のほかに少量のムライト及びガラスを含むこ
とを特徴とする。

【００１５】ここで導体ペーストは、タングステン粉末
やモリブデン粉末のような導体金属の粉末をペースト状
に調製するために溶剤、樹脂等のビヒクルを含んでい
る。従って、導体金属とビヒクルのみからなる導体ペー
ストを貫通孔に充填して焼成すると、ビヒクルが占有し
ていた体積が気孔となるので、得られる導体柱は多孔質
となる。そこで、一般には予め導体ペーストにガラス化
可能な助剤成分を添加しておくと、焼成過程でその助剤
成分がガラス化して液相を構成し、いわゆる液相焼結に
より導体金属の粒子同士を結合し、導体柱の緻密化を達
成する。

【００１６】従って、導体ペーストを、導体金属と助剤
との無機混合粉末に溶剤、樹脂等のビヒクルを加え調製
すると、ペースト中の無機成分のみで緻密な導体柱が焼
結できる。この際の、導体ペーストの収縮量は、導体ペ
ースト中の無機粉末が占めていた体積まで収縮すること
になる。

【００１７】ペースト中のビヒクルが占めている体積
は、溶剤分がシート中に拡散、あるいは揮発し気孔とな
り、また樹脂分が脱脂〜焼成時に分解揮発あるいは酸化
消失したりして気孔となる。そして焼成時導体柱の緻密
化の過程で、気孔の体積分だけ収縮するのである。

【００１８】例えば、導体ペースト中の無機粉末成分
（導体金属と助剤）及びビヒクル分が占める体積率をそ
れぞれ４０％（導体金属＝３０％，助剤＝１０％）及び
６０％とすると、計算上少なくとも４０％の体積にまで
収縮する。これを長さの収縮率に換算すれば（０．４）
^1/3＝０．７３７まで長手方向、径方向にそれぞれ短か
くなる。

【００１９】グリーンシートの表面に印刷される配線パ
ターンは、その厚さが２０〜３０μｍと薄いのに対し
て、貫通孔はその直径が１００〜３００μｍと大きい。
従って、収縮量の絶対値もかなり大きい。

【００２０】一方、絶縁層となるグリーンシートも成形
段階では、導体ペーストと同様に溶剤、樹脂を含んでい
るが、（焼成前の）シート成形時に溶剤分は乾燥により
除去され、その際、体積減少がおきる。従って、グリー
ンシートの収縮量は、シート中の無機成分（ムライト及
び焼結助剤）が占めている体積まで収縮することになる
が、シート成形時に乾燥収縮している分だけ、無機成分
の充填が上がっており、前記のペーストに比べ収縮は小
さい。一般に、シートの長さ方向の収縮率は、シート時
に比べ０．８〜０．８５まで焼成収縮する。

【００２１】その結果、導体ペーストの収縮量の方がグ
リーンシートの貫通孔の収縮量よりも多くなり、導体柱
と貫通孔との間に間隙が生じる。そこで、本発明では、
予め導体ペーストに少量のムライトを添加しておくこと
によって、絶縁層と導体柱との結合並びに導体柱の緻密
化を達成したのである。

【００２２】すなわち、ガラスの濡れ性は、金属粒子に
対するよりもムライト粉末に対するほうが良い。従っ
て、絶縁層となるグリーンシートに添加されている助剤
成分が、焼成過程でガラス化するとともに、導体柱の中
心まで拡散し、導体金属の焼結を促進する。その結果、
予め導体ペーストに添加される助剤が存在しないか又は
極めて少量であっても導体柱が緻密化する。この為、絶
縁層であるセラミック部より、ガラス化した助剤成分が
導体柱に拡散してきた体積分だけ、導体柱の収縮は減少
する。

【００２３】例えば、導体ペースト中に必要な無機成分
（導体金属、助剤）及びビヒクルの含有量を、前例と同
じく体積率でそれぞれ４０％及び６０％とする。この場
合、実際に用いられる導体ペーストの組成は、体積率
で、導体金属３７％、ムライト３％、及びビヒクル６０
％でよい。導体柱自身の焼結に必要な助剤分１３．３％
は、グリーンシートから供給されるからである。

【００２４】そうすると、グリーンシートから供給され
た助剤がビヒクルと置き換えされ、ビヒクルの占める体
積が６０％から４６．７％に低下したこととなる。従っ
て、ビヒクルの占有体積分に起因して導体ペーストが収
縮する量は、計算上５３．３％の体積まで収縮する。こ
れを長さの収縮率に換算すれば（０．５３３）^1/3＝８
１．１％となり、グリーンシートの収縮率にマッチす
る。こうして、導体柱の緻密化と同時に導体柱と貫通孔
との間隙が狭まる。

【００２５】但し、導体ペーストに含まれるムライトの
量がムライト粉末と導体成分との合計量に対して０．５
重量％より少ないと、グリーンシートから助剤が浸透す
る作用に乏しい。他方、そのムライトの量が１０重量％
より多くなると、導体柱の電気抵抗が上昇するので好ま
しくない。

【００２６】また、含有量が同じであるなら、導体ペー
スト中のムライトは、細かいものほど望ましい。その理
由は判然としないが、導体ペースト中のムライト量が同
じならば、細かいものほど導体ペースト中により均一に
分布するので、助剤成分を安定して引き寄せるため、導
体柱の電気抵抗が低くなるものと考えられる。導体成分
としてタングステンＷが望ましい理由は、その熱膨張係
数がムライトセラミックスの熱膨張係数に近いからであ
る。

【００２７】尚、本発明導体ペーストは、グリーンシー
トから助剤成分の供給を受けるものであるが、導体成分
と少量のムライト粉末の他に予めガラス化可能な助剤成
分を含んでいる。その助剤成分の含有量を、導体成分と
ムライト粉末と助剤成分の合計量に対して４重量％以下
とする。助剤成分は、ガラス化することによってその体
積の減少を伴うので、４重量％より多いと収縮率が過大
となるからである。望ましい助剤添加量は、２重量％以
下である。

【００２８】

【実施例】−実施例１− 本発明導体ペーストを用いてセラミック配線基板を製造
した具体例を説明する。セラミック配線基板の製造方法
は、グリーンシートを作製する工程、導体ペーストを調
製する工程及び導体ペーストをグリーンシートに適用し
て加工する工程からなる。そして、製造した後に、種々
の特性が評価された。以下、工程別に説明する。

【００２９】［グリーンシート作製工程］表１に示す種
類の原料粉末を、表１に示す組成で合計重量が１ｋｇに
なるように配合した。原料粉末のうち、シリカ、アルミ
ナ及び塩基性炭酸マグネシウムは、焼結助剤である。

【００３０】

【表１】配合物をアルミナボールミル中で湿式混合し、バインダ
ーとしてブチラール樹脂、可塑剤としてフタル酸ジブチ
ルを加えて更に混合してキャスティング用のスラリーを
得た。このスラリーを真空中で脱泡した後、ドクターブ
レード法によってキャスティングし乾燥した。こうし
て、厚さ０．５ｍｍのグリーンシートを作製した。

【００３１】［導体ペースト調製工程］平均粒子径２．
０μｍのタングステンＷ粉末、同２．４μｍのムライト
粉末及び焼結助剤を、表２の組成となるように秤量し
た。焼結助剤はグリーンシートを作製した際に用いたも
のと同一である。秤量粉末１００重量部をアセトン２７
重量部とともに樹脂製ボールミルによって湿式混合し
た。更に、エチルセルロース６．１重量部及びブチルカ
ルビトールアセテート７．１重量部を添加して混練し、
アセトンを揮発除去することによって、導体ペーストを
調製した。

【００３２】［加工工程］前記グリーンシートに直径
０．１２ｍｍ、０．２５ｍｍ又は０．５０ｍｍの貫通孔
をパンチングにより設けた。貫通孔は、直径の３倍のピ
ッチで１０列×１０行の方眼状に合計１００個設けた。
その内訳は、直径０．１２ｍｍの貫通孔が４０個で、直
径０．２５ｍｍの貫通孔及び同０．５０ｍｍの貫通孔が
それぞれ３０個である。

【００３３】各々の貫通孔に上記導体ペーストを充填し
た。そして、導体ペーストが充填されたグリーンシート
を４枚積層し、少量の水蒸気を含む水素雰囲気中、温度
１５５０℃で焼成した。導体ペースト及びグリーンシー
トは、それぞれ導体柱及び絶縁層となって、セラミック
基板が得られた。

【００３４】［評価］得られたセラミック基板につき、
１００個の導体柱から１０個の導体柱を選別し、それら
導体柱の最上面と最下面との間の抵抗値並びに導体柱の
径及び長さを測定し、比抵抗の値を計算した。また、導
体柱の露出している部分を目視し、セラミック基板表面
に対するその露出面の凹凸の有無を観察した。次にセラ
ミック基板の表面を研磨した後、導体柱の径方向断面の
微細組織を電子顕微鏡で観察した。これら比抵抗値、凹
凸の有無及び微細組織を表２に併記した。比抵抗値は、
１０個のデータの平均値である。

【００３５】

【表２】表２にみられるように、本発明範囲に属するセラミック
基板は、導体柱の露出面の高さがセラミック基板の表面
の高さとほぼ同じであった。そして、ガラス化した助剤
が導体柱の中心まで浸透しており、導体柱が均一な組織
になっていた。参考のためにＮｏ．３の導体柱の金属組
織状態を図１に示す。図において円形の内側が導体柱で
あり、外側がセラミック基板である。また、ムライトの
含有量が１０重量％以下であれば、抵抗値も５０μΩと
低かった。

【００３６】これに対してタングステンのみからなる導
体柱（Ｎｏ．１）及びムライトが添加されず且つ助剤量
の少ない導体柱（Ｎｏ．７）は、セラミック基板の表面
よりも突出していた。そして、これらの導体柱の微細組
織は不均一であった。参考のためにＮｏ．１の導体柱の
金属組織状態を図２に示す。図において円形の内側が導
体柱であり、外側がセラミック基板である点では、図１
と同様であるが、導体中が緻密な外周部と緻密でない中
心部とに分相している。従って、導体柱が突出したの
は、グリーンシートの中の助剤が中心部まで浸透してお
らず、焼結不十分であったためであると考察される。ま
た、同じくムライトが添加されず且つ助剤量の少ない導
体柱（Ｎｏ．４）は、セラミック基板の表面より突出し
てはいなかったものの、その組織が不均一であった。

【００３７】他方、ムライトが添加されず且つ助剤量が
過剰である導体柱（Ｎｏ．１１，１５，１６，２０〜２
２）は、セラミック基板の表面よりも窪んでいた。これ
らの導体柱の微細組織は、均一であった。就中、Ｎｏ．
１５，１６，２０〜２２の導体柱は、亀裂を生じてい
た。従って、導体ペーストに含まれていた助剤がガラス
化して焼結を過度に促進したものと考察される。

【００３８】−実施例２− 導体ペーストに添加されるムライト粉末として平均粒子
径１．７μｍのものを用いた以外は実施例１と同一条件
でセラミック配線基板を製造した。実施例１と同様に評
価した結果を表３に示す。

【００３９】

【表３】表３にみられるように、本例のセラミック基板も、導体
柱の露出面の高さがセラミック基板の表面の高さとほぼ
同じであった。そして、ガラス化した助剤が導体柱の中
心まで浸透しており、導体柱が均一な組織になってい
た。また、実施例１と本例とで、タングステン及びムラ
イトの含有量が同じもの同志で比較すれば、全般的に本
例の導体柱のほうが低抵抗であった。

【００４０】

【発明の効果】以上のように本発明の導体ペーストによ
れば、ムライトセラミック基板の表面から突出すること
も窪むこともない適性な導体柱が得られる。従って、断
線及び気密不良が生じにくく、しかも高精度に表面配線
を形成したセラミック配線基板を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１のＮｏ．３の導体柱の金属組織を示す
概念図である。

【図２】実施例１のＮｏ．１の導体柱の金属組織を示す
概念図である。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＨ０５Ｋ 3/46 Ｈ０５Ｋ 3/46 ＮＳ (56)参考文献特開昭63−122195（ＪＰ，Ａ) 特開平４−155994（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H05K 1/09 H01B 1/16 H05K 1/11 H05K 3/40 H05K 3/46

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】主成分としてのムライト粉末及びガラス化
可能な焼結助剤を含有するグリーンシートを準備し、そ
のグリーンシートを打ち抜いて貫通孔を設け、この貫通
孔の中に、導体成分とムライト粉末とガラス化可能な助
剤成分とを含み、ビヒクルによってペースト状に調製さ
れた導体ペーストを充填した後、焼成することを特徴と
するセラミック配線基板の製造方法であって、ムライト
粉末の含有量が、そのムライト粉末と導体成分との合計
量に対して０．５〜１０重量％であり、助剤成分の含有
量が、導体成分とムライト粉末と助剤成分の合計量に対
して４重量％以下であることを特徴とする製造方法。
【請求項２】導体ペーストのムライト粉末が、その平均
粒径３μｍ以下のものである請求項１に記載の製造方
法。
【請求項３】導体ペーストの導体成分がタングステンＷ
である請求項１又は２に記載の製造方法。