JP3372733B2 - ガラスセラミック焼結体の製造方法および配線基板の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、配線基板等の絶縁
基板として有用なガラスセラミック焼結体の製造方法お
よびメタライズ配線層と同時焼成可能な配線基板の製造
方法に関する。

【０００２】

【従来技術】従来、配線基板は、絶縁基板の表面あるい
は内部にメタライズ配線層が配設された構造からなり、
多層配線基板や半導体素子、特にＬＳＩ（大規模集積回
路素子）等を搭載したパッケージに応用されている。

【０００３】従来より、セラミック製の配線基板は、一
般にアルミナ、ムライト、窒化アルミニウムなどのセラ
ミックス等の電気絶縁基板の表面あるいは内部にタング
ステン、モリブデン等の高融点金属から成る複数個のメ
タライズ配線層が形成され、配線層を多層化する際に
は、絶縁基板のセラミック成形体とその表面に塗布され
たメタライズペーストとを１５００℃以上の温度で同時
に焼成することにより得られている。

【０００４】また、最近では、タングステンやモリブデ
ンに比較して導体抵抗の小さいＣｕやＡｇ等を配線層と
し、同時焼成が可能な絶縁基板用の材料として、ガラス
とセラミックフィラーからなる、いわゆるガラスセラミ
ック焼結体が用いられつつある。

【０００５】通常、ガラスセラミック焼結体を作製する
に用いられるガラスとしては、ＳｉＯ₂ −Ａｌ₂ Ｏ₃ −
ＣａＯ系、ＳｉＯ₂ −Ａｌ₂ Ｏ₃ −Ｂ₂ Ｏ₃ 系、系など
のガラスで、非晶質ガラスあるいは焼結過程で結晶相を
析出できる結晶化ガラスが用いられ、また、フィラー成
分としては、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＳｉＯ₂ 、石英、クオーツ、
クリストバライト、フォルステライト、ペタライトなど
が用いられている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来か
らガラスセラミック焼結体を作製するのにあたっては、
例えば、１０００℃以下の温度で緻密化させるために、
ガラスを５０体積％以上配合されるが、かかるガラス
は、アルミナやムライトに比較して非常に高価であるた
め、ガラスセラミック焼結体自体が高価になる傾向にあ
った。

【０００７】しかも、絶縁基板としてこれまで一般に使
用されているアルミナやムライトのセラミックスは２０
０ＭＰａ以上の強度を有するのに対して、ガラスセラミ
ックスは強度が低く、取扱い時や、基板への実装時に割
れ等が発生するなど信頼性に欠けるものであり、強度の
向上が求められている。

【０００８】また、一般に配合するガラス粉末の平均粒
径は焼結性を高めるために１〜１．５μｍの微粉末が用
いられているが、ガラス粉末は微粉化するほど高価であ
り、この点からも製品コストを高価なものにしていた。

【０００９】従って、本発明は、従来よりもガラス量が
少なくても緻密化可能であり、ＣｕあるいはＡｇ等の低
抵抗導体メタライズ配線層との同時焼成が可能で、且つ
高強度を有するガラスセラミック焼結体の製造方法と、
配線基板の製造方法を提供することを目的とするもので
ある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記問題
点に対して検討を重ねた結果、配合するガラス粉末とし
て、従来よりも屈伏点の低いガラスを用い、これをセラ
ミックフィラー成分と混合して用いると、焼結性が改善
され、しかもガラス粉末の平均粒径が大きくても、ある
いはフィラー成分量が少なくてもＣｕやＡｇとともに同
時焼成が可能であること、またガラス成分として、リチ
ウム珪酸系ガラスを用いることにより、ガラスセラミッ
ク焼結体の強度が向上することを見いだした。

【００１１】即ち、本発明のガラスセラミック焼結体
は、屈伏点が４００℃〜６５０℃で、平均粒径が１．５
〜８μｍのガラス粉末２０〜８０体積％と、フィラー粉
末８０〜２０体積％との混合粉末を所定形状に成形した
後、該成形体を８００〜１０５０℃の温度で焼成するこ
とを特徴とするものであり、特に、前記ガラスとしてリ
チウム珪酸系ガラスを用いることを特徴とするものであ
る。

【００１２】また、かかる焼結体を用いて配線基板を作
製する方法としては、屈伏点が４００℃〜６５０℃で、
平均粒径が１．５〜８μｍの範囲にあるガラス粉末２０
〜８０体積％と、フィラー粉末８０〜２０体積％との混
合粉末をシート状に成形する工程と、該シート状成形体
の表面にメタライズペーストを塗布する工程と、該ペー
ストが塗布された成形体を８００〜１０５０℃の温度で
同時焼成する工程とを具備するもので、特に、前記メタ
ライズペーストが金属成分としてＣｕを含むことを特徴
とするものである。

【００１３】

【作用】本発明によれば、ガラスセラミック焼結体を作
製するにあたり、屈伏点が４００℃〜６５０℃、平均粒
径が１．５〜８μｍのガラス粉末を用いることにより、
屈伏点が通常使用されるガラスよりも低いために、ガラ
ス単独では焼成温度が低すぎてＣｕやＡｇとの同時焼成
ができないが、フィラーを２０体積％以上配合すること
により、焼成温度をＣｕやＡｇの焼成温度に合わせるこ
とができ、しかも、フィラー量が５０体積％以上、つま
りガラス量が５０体積％以下、さらに２０体積％であっ
ても８００〜１０５０℃の温度で緻密化することができ
る。そのため、ガラスの配合量を少なくでき、焼結体の
製造コストを低減できる。

【００１４】また、屈伏点が４００〜６５０℃のガラス
では、焼結性が高まるために、ガラス粉末として微粉化
する必要がなく、８μｍであっても８００〜１０５０℃
の温度で緻密化することができる。しかも、ガラス粉末
として、リチウムシリケートを析出可能なリチウム珪酸
系ガラスを用いることにより、最終的に得られる焼結体
の抗折強度を高めることができる。

【００１５】これにより、本発明によれば、配線基板に
おいて、ＣｕあるいはＡｇ等の低抵抗導体配線層と同時
焼成が可能であり、配線の多層化とともに、製品として
信頼性の高い基板を安価に製造することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明のガラスセラミック焼結体
の製造方法によれば、原料粉末としてガラス粉末とフィ
ラー粉末を用いる。本発明によれば、ガラス粉末は、屈
伏点が４００℃〜６５０℃、且つ平均粒径が１．５〜８
μｍであることが重要である。

【００１７】ガラスの屈伏点を上記の範囲に限定したの
は、ガラスおよびフィラーからなる混合物を成形する場
合、有機樹脂等の成形用バインダーを添加するが、この
バインダーを効率的に除去するとともに、絶縁基体と同
時に焼成されるメタライズとの焼成条件のマッチングを
図るために必要であり、屈伏点が４００℃より低いとガ
ラスが低い温度で焼結が開始されるために、例えばＡ
ｇ、Ｃｕ等の焼結開始温度がおよそ６００〜８００℃の
メタライズとの同時焼成ができず、また成形体の緻密化
が低温で開始するためにバインダーは分解揮散できなく
なりバインダー成分が残留し特性に影響を及ぼす結果に
なるためである。一方、屈伏点が６５０℃より高いとガ
ラスの配合量を５０体積％以上と多くしないと焼結しに
くくなるため、高価な結晶性ガラスを大量に必要とする
ために焼結体のコストを高めることになる。

【００１８】また、ガラス粉末の平均粒径を上記の範囲
に限定したのは、平均粒径が１．５μｍより小さいと、
ガラスのコストが上昇し、低屈伏点ガラスを用いる効果
が小さく、８μｍより大きいと、焼結体の強度が低下す
るためである。平均粒径は特に３〜８μｍ、さらに望ま
しくは５〜８μｍがよい。

【００１９】また、上記のガラス粉末にフィラー成分と
混合する場合、ガラス粉末２０〜８０体積％、フィラー
粉末８０〜２０体積％の割合で混合する。これは、本発
明において用いられるガラスは、フィラー無添加では収
縮開始温度が７００℃以下で、８００℃以上ではガラス
の一部が溶融してしまうためにメタライズ配線層を同時
に形成することが難しいためである。

【００２０】しかし、ガラス粉末を２０〜８０体積％、
フィラー粉末を８０〜２０体積％の割合で混合すること
により焼成温度において、結晶の析出とフィラー成分を
液相焼結させるための液相を形成させることができる。
また、成形体全体の収縮開始温度を上昇させることがで
きるため、このフィラーの含有量の調整により用いるメ
タライズの種類によりメタライズ配線層との同時焼成条
件のマッチングを図ることができる。

【００２１】このガラスとフィラー成分の量を上記の範
囲に限定したのは、ガラス量が２０体積％より少ない、
言い換えればフィラー成分が８０体積％より多いと前記
ガラスを用いても十分な液相が生成されないため高温で
焼成する必要があり、その場合、メタライズ同時焼成に
おいてメタライズが溶融してしまう。また、ガラスが８
０体積％より多い、言い換えるとフィラー成分が２０体
積％より少ないと焼結体の特性がガラスの特性に大きく
依存してしまい、材料特性の制御が困難となるととも
に、焼結開始温度が低くなるために配線導体と同時焼成
できないといった問題が生じ、また、原料のコストも高
くなる。

【００２２】また、原料コストを下げるためには高価な
ガラスの含有量を減少させることが好ましく、特にガラ
ス粉末２０〜５０体積％、フィラー粉末５０〜８０体積
％、さらにガラス粉末２０〜４０体積％、フィラー粉末
６０〜８０体積％であるのがよい。

【００２３】上記の配合組成において、このフィラー成
分は、ガラスの屈伏点に応じ、その量を適宜調整するこ
とが望ましい。即ち、ガラスの屈伏点が４００℃〜６５
０℃と低い場合、低温での焼結性が高まるためフィラー
の含有量は５０〜８０体積％の比較的多く配合できる。
これに対して、結晶性ガラスの屈伏点が６５０℃〜７７
０℃と高い場合、焼結性が低下するためフィラーの含有
量は２０〜５０体積％の比較的少なく配合することが望
ましい。

【００２４】本発明において用いられるガラスとして
は、上記特性を満足するものであれば、公知のあらゆる
ガラスが用いられるが、強度を高めるためには、特にＳ
ｉＯ₂とＬｉ₂ Ｏとを合量で６５〜９５重量％含み、さ
らにＭｇＯ、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＴｉＯ₂ 、Ｎａ₂ Ｏ、Ｋ
₂ Ｏ、ＺｎＯ、Ｐ₂ Ｏ₅ 、Ｆ、ＣａＯ等の１種以上を含
むリチウム珪酸系ガラス、特に、焼結過程でリチウムシ
リケートが析出可能な結晶化ガラスを用いることが望ま
しい。

【００２５】また、フィラー成分としては、アルミナ、
シリカ、石英、クォーツ、クリストバライト、フォルス
テライト、ムライト、マグネシア、ペタライト、スピネ
ル、ワラストナイト、ネフェリン、エンスタタイト、ガ
ーナイト等が挙げられる。

【００２６】焼結体を作製するには、上記のようにして
ガラス粉末と、フィラー粉末とを上述した比率で混合し
た後、その混合物に適当な有機樹脂バインダーを添加し
た後、所望の成形手段、例えば、金型プレス，冷間静水
圧プレス，押出し成形、ドクターブレード法、圧延法等
により任意の形状に成形後、焼成する。

【００２７】焼成にあたっては、まず、成形のために配
合したバインダー成分を除去する。

【００２８】バインダーの除去は、７００℃前後の大気
雰囲気中で行われる。この時、成形体の収縮開始温度は
６００〜８５０℃程度であることが望ましく、かかる収
縮開始温度がこれより低いとバインダーの除去が困難と
なるため、成形体中の結晶化ガラスの特性、特に屈伏点
を前述したように制御することが必要となる。

【００２９】焼成は、８００℃〜１０５０℃の酸化性雰
囲気中で行われ、これにより相対密度９０％以上まで緻
密化される。この時の焼成温度が８００℃より低いとメ
タライズ層が十分緻密化することができず、１０５０℃
を越えるとメタライズ配線層との同時焼成でメタライズ
層が溶融してしまう。

【００３０】このようにして作製されたガラスセラミッ
ク焼結体中には、フィラー成分による結晶相、フィラー
とガラスとの反応により生成した結晶相、あるいはガラ
スとして結晶化ガラスを用いた場合にはガラスから析出
した結晶が存在し、これらの結晶相の粒界にはガラス相
が存在する。

【００３１】また、配線基板を作製するには、上述のよ
うにしてガラス粉末とフィラー粉末とを混合した混合粉
末に適当な有機樹脂バインダー、可塑剤、溶剤を添加混
合して泥漿物を作るとともに該泥漿物を公知の方法に基
づき、ドクターブレード法、プレス成形法、圧延法、カ
レンダーロール法などの手法によりシート状の成形体
（グリーンシート）を作製する。そして、そのシート状
成形体の表面に配線層を形成するために適当な金属粉末
に有機バインダー、可塑剤、溶剤を添加混合して得たメ
タライズペーストをスクリーン印刷法、オフセット印刷
法等により塗布する。本発明において用いられるメタラ
イズ配線層としては、絶縁基体が８００〜１０５０℃で
焼結可能であることから、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａ
ｕのうちの１種以上により構成することができる。これ
らの中でもＣｕが最も望ましい。

【００３２】次に、上記のようにしてメタライズペース
トが塗布されたシート状成形体は、所望によりスルーホ
ールが形成されメタライズペーストが充填されたり、多
層化のために、複数のシート状成形体を積層し圧着した
後、焼成する。

【００３３】焼成にあたっては、まず有機樹脂バインダ
ーの除去を行うが、配線導体としてＣｕを用いる場合に
は、水蒸気を含有する１００〜８００℃の窒素雰囲気中
で行われる。その後の焼成は、８００℃〜１０５０℃の
酸化性雰囲気中で行われ、これにより相対密度９０％以
上まで緻密化される。この時の焼成温度が８００℃より
低いとメタライズ層が十分緻密化することができず、１
０５０℃を越えるとメタライズ配線層との同時焼成でメ
タライズ層が溶融してしまう。なお、配線導体としてＣ
ｕを用いる場合には、８５０〜１０５０℃のＮ₂ 、Ａｒ
等の非酸化性雰囲気中で行うのが望ましく、Ａｇを用い
る場合には８００〜９００℃のＮ₂ 、Ａｒ等の非酸化性
雰囲気中あるいは大気中等の酸化性雰囲気中で行うのが
よい。

【００３４】特に、配線基板の作製にあたって、Ｃｕ、
Ａｇ等のメタライズと同時焼成を行う場合、配合するガ
ラスの屈伏点は４００℃〜６５０℃、フィラーの含有量
は５０〜８０体積％であることが望ましい。

【００３５】

【実施例】実施例１ ガラス粉末として、重量比率で ４３％ＳｉＯ2 −２８％Ａｌ2 Ｏ3 −１１％ＭｇＯ−１０％Ｂ2 Ｏ３ −７％ＺｎＯ （屈伏点８８０℃） ７４％ＳｉＯ2 −１４％Ｌｉ2 Ｏ−４％Ａｌ2 Ｏ3 −２％Ｐ2 Ｏ5 −２％Ｋ2 Ｏ−２％ＺｎＯ−２％Ｎａ2 Ｏ （屈伏点４８０℃） の組成からなり、平均粒径が２μｍの２種のガラスを準
備した。このガラスに対して表１に示すようにフィラー
成分として、フォルステライト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ２
）を用いて表１に示す調合組成になるように秤量混合
した。この混合物を粉砕後、有機バインダーを添加して
十分に混合した後、１軸プレス法により３．５×３．５
×１５ｍｍの形状の成形体を作製した。そしてこの成形
体の表面にＣｕペーストを塗布した後、７００℃のＮ2
＋Ｈ2 Ｏ中でバインダの分解除去を行った。そして、バ
インダの除去処理後の残留炭素の有無を確認した。その
後、これを窒素雰囲気中で６５０〜１２００℃で焼成し
て焼結体を作製した。

【００３６】次に、上記のようにして得られた焼結体に
対してＪＩＳＲ１６０１に基づき４点曲げ強度、焼結後
のＣｕ層の状態を観察しＣｕとの同時焼結性を評価し
た。

【００３７】

【表１】

【００３８】表１より明らかなように、屈伏点が６５０
℃より大きいガラスを用いた試料Ｎo.１〜Ｎo.７ではガ
ラス量が７０〜８０体積％の範囲では良好な特性を示し
たが、ガラスの量を６０体積％以下にした試料Ｎo.１〜
Ｎo.４では、焼成温度が高く１２００℃でも緻密化でき
ずＣｕとの同時焼成が出来なくなった。

【００３９】これに対して、ガラスの屈伏点が４８０℃
のガラスを用いた試料Ｎo.８〜Ｎo.１７では、ガラス量
２０〜８０体積％、フィラー量８０〜２０体積％で８０
０〜１０５０℃で緻密化することができたが、ガラス量
が８０体積％を越える試料Ｎo.１７では収縮開始温度が
低くなりすぎてバインダーの除去処理後に炭素が残留
し、２０体積％より少ない試料Ｎo.８では、緻密化でき
なかった。また、Ｃｕとの同時焼成は、焼成温度８００
〜１０５０℃で可能であった。この結果から、本発明に
よれば、ガラス量を低減した組成系でも十分に緻密化と
Ｃｕとの同時焼結が可能であった。

【００４０】また、本発明のガラスセラミック焼結体試
料Ｎo.９〜１６は、Ｘ線回折測定の結果、いずれもリチ
ウムシリケート結晶相の析出が認められており、屈伏点
が８８０℃のガラスを用いた系に比較して強度が高く、
いずれも２１０ＭＰａ以上の強度を示した。

【００４１】実施例２ 表２に示すように、実施例１で用いたの組成のガラ
スで、平均粒径が１．５〜１０μｍの粉末を準備し、フ
ィラーとしてフォルステライト粉末を用いて、各ガラス
において、表１で最も良好な特性を示したガラスとフィ
ラーの比、つまりの組成のガラスを用いた系ではガラ
ス量７５体積％、フィラー量２５体積％、の組成のガ
ラスを用いた系ではガラス量４５体積％、フィラー量５
５体積％に調合し、実施例１と同様にして焼結体を作製
し、強度、Ｃｕとの同時焼結性、バインダー除去処理後
の残留炭素の有無を調べ、その結果を表２に示した。

【００４２】

【表２】

【００４３】屈伏点が６５０℃を超えるガラスを用い
た試料Ｎo.１８〜２３において、ガラスの平均粒径が
２．５μｍ以下の試料Ｎo.１８〜２０では良好な特性が
得られたが、ガラスの平均粒径が２．５μｍを超える試
料Ｎo.２１〜２３では徐々に強度が低下した。つまり、
ガラスを用いた系では、ガラス量を７５体積％まで高
め且つ平均粒径を小さくして焼結性を高めないと満足す
る特性が得られにくいことがわかる。

【００４４】これに対して本発明品のガラスの屈伏点が
４８０℃のガラスを用いた試料Ｎo.２４〜３４では、
平均粒径が１．５〜８μｍの試料Ｎo.２５〜３２の範囲
において焼結体の特性が良好で且つバインダー除去不良
の問題の無い焼結体が得られた。しかもこれらの試料に
は、いずれもリチウムシリケートが析出しており、強度
はいずれも２１０ＭＰａ以上の高い強度を示した。な
お、平均粒径が８μｍを越える試料Ｎo.３３、３４では
バインダー除去性に問題はないが特性が劣化しており、
平均粒径が１．５μｍより小さい試料Ｎo.２４では焼成
温度が低くなりすぎ、Ｃｕとの同時焼結ができないもの
であった。

【００４５】これらの結果により本発明の範囲のガラス
を用いれば安価な平均粒径の大きなガラスを用いても高
価な平均粒径の小さなガラスを用いた場合と同等の特性
が安定して得られることが明らかとなった。

【００４６】実施例３ 表２に示すように、屈伏点が３００℃〜８５０℃の種々
の平均粒径が５μｍのガラス４５体積％と、フィラーと
してフォルステライトを５５体積％添加混合し、これを
実施例１と同様にして焼結体を作製し、強度、Ｃｕとの
同時焼結性、バインダー除去処理後の残留炭素の有無を
調べ、その結果を表３に示した。なお、試料Ｎo.３５〜
４０で用いた屈伏点が３００〜７００℃のガラスはリチ
ウム珪酸系ガラス、また試料Ｎo.４１〜４２で用いた屈
伏点が７００〜８５０℃のガラスは、硼珪酸系ガラスで
ある。

【００４７】

【表３】

【００４８】表３の結果から明らかなように、屈伏点が
４００℃より低い試料Ｎo.３５では、収縮開始温度が５
２０℃と低いためにバインダー除去不良が生じ、しかも
焼成温度が７００℃と低いためにＣｕとの同時焼成がで
きなかった。また、屈伏点が６５０℃を越える試料Ｎo.
４０ではＣｕとの同時焼成は可能であったが、強度が２
３０ＭＰａと若干低くなった。また屈伏点が７００℃を
越える試料Ｎo.４１、４２では、ガラスの配合量が４５
体積％と少ない場合には、焼成温度を１１００℃あるい
は１２５０℃まで高めないと焼結することができず、そ
のためＣｕの同時焼成ができなかった。

【００４９】これに対して、屈伏点が４００〜６５０℃
の範囲の試料Ｎo.３６〜３９は、いずれもバインダーの
除去を完全に行うことができ緻密な焼結体が得られた。
また、Ｃｕとの同時焼結性については、屈伏点４００〜
６５０℃で可能であった。さらに、焼結体強度はいずれ
も２４０ＭＰａ以上の高い強度を示した。

【００５０】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明のガラスセ
ラミック焼結体の製造方法によれば、低屈伏点のガラス
を用いることにより高コストのガラスの使用量の減量
と、平均粒径の大きな低コストのガラスを使用可能にし
たことで原料コストを下げ、バインダーの効率的な除去
を行うことができ、且つ高強度の焼結体を作製すること
ができる。しかもＣｕなどの低抵抗導体層との同時焼成
が可能であるため、高信頼性で安価な配線基板を提供で
きる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 民 保秀 鹿児島県国分市山下町１番４号 京セラ 株式会社総合研究所内 (72)発明者 古久保 洋二 鹿児島県国分市山下町１番４号 京セラ 株式会社総合研究所内 (56)参考文献 特開 平７−242439（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−226751（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−32695（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C04B 35/00 - 35/22 C03C 1/00 - 14/00

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】屈伏点が４００℃〜６５０℃、平均粒径が
   １．５〜８μｍのガラス粉末２０〜８０体積％と、フィ
   ラー粉末８０〜２０体積％との混合粉末を所定形状に成
   形した後、該成形体を８００〜１０５０℃の温度で焼成
   することを特徴とするガラスセラミック焼結体の製造方
   法。
2. 【請求項２】前記ガラスが、リチウム珪酸系ガラスから
   なる請求項１記載のガラスセラミック焼結体の製造方
   法。
3. 【請求項３】屈伏点が４００℃〜６５０℃で、平均粒径
   が１．５〜８μｍの範囲にあるガラス粉末２０〜８０体
   積％と、フィラー粉末８０〜２０体積％との混合粉末を
   シート状に成形する工程と、該シート状成形体の表面に
   メタライズペーストを塗布する工程と、該ペーストが塗
   布された成形体を８００〜１０５０℃の温度で同時焼成
   する工程とを具備することを特徴とする配線基板の製造
   方法。
4. 【請求項４】前記メタライズペーストがＣｕを含有する
   ものである請求項２記載の配線基板の製造方法。