JP3528037B2 - ガラスセラミック基板の製造方法 - Google Patents
ガラスセラミック基板の製造方法Info
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Description
絶縁材料と銀系の導体材料とを所定の焼成温度にて同時
焼成してなるガラスセラミック基板に関するものであ
る。
電子機器に対する小型化、高機能化、高信頼化、低コス
ト化への要求が極めて大きく、これに応じて半導体IC
等の電子部品は、高密度集積化、高速化の方向へめざま
しく発展している。これに伴って、各種電子部品を搭載
する基板材料及びそれに用いる導体材料に対しても、ア
ルミナ基板材料やタングステン導体材料以上の特性が求
められている。
線パターンを伝搬する信号の遅延が問題となることがあ
り、また、シリコン等との熱膨張係数の差が大きいの
で、熱サイクルによる信頼性の劣化が生じることがあっ
た。さらに、アルミナは焼結温度が高いために、導体材
料としてタングステンやモリブデン等の高融点金属を用
いる必要があるが、これらの高融点金属は固有抵抗が高
く、高密度配線化が難しい等の問題があった。
信号の高周波化に伴い、1000℃以下で焼成可能なガ
ラスセラミック材料を基板材料とし、固有抵抗が小さな
銅、銀、金、白金、銀−パラジウム合金等の低融点金属
を導体材料として用いたガラスセラミック多層回路基板
の実用化が試みられている。
体材料のうち、金や白金は、大気中で焼成可能であるも
のの、材料コストが高く、また、銅は、還元性雰囲気の
厳密な管理のもとで焼成を行う必要があるために焼成コ
ストが高い等の問題を有している。そこで、比較的材料
コストが低く、大気雰囲気中の焼成が可能であって焼成
コストが低い銀系の導体材料が広く用いられるようにな
っている。
の銀系の導体材料は、他の導体材料に比べて拡散し易い
ので、拡散した銀同士が接触して配線間で短絡を起こす
ことが有り、得られる配線基板の信頼性が不安定になる
ことがある。また、拡散した銀によって銀コロイドが生
成し、銀コロイドによる基板の変色が生じて、基板の品
位が劣化することがある。特に、ガラスセラミック多層
回路基板においては、そのガラス成分中に銀が拡散し易
いため、銀の拡散を抑制することが大きな課題である。
ものであり、その目的は、銀系の導体材料における銀の
拡散を抑制し、信頼性が高く、高品位のガラスセラミッ
ク基板を提供することにある。
セラミック絶縁材料と銀系の導体材料とを所定の焼成温
度にて同時焼成することにより、銀系の表層導体パター
ン及び/又は内層導体パターンを備えるガラスセラミッ
ク基板を製造するガラスセラミック基板の製造方法にお
いて、前記ガラスセラミック絶縁材料に、常温にて安定
若しくは準安定に存在し、前記焼成温度にて前記銀系の
導体材料よりも容易に酸化物を形成する金属を添加する
ことを特徴とするガラスセラミック基板の製造方法に係
るものである。また、本発明は、ガラスセラミック絶縁
層と銀系の導体層とを複数層積み重ねてなり、銀系の表
層導体パターン及び/又は内層導体パターンを備えるガ
ラスセラミック基板の製造方法において、銀系の導体材
料を有機ビヒクルと共に混合、分散して、銀系導体ペー
ストを作製する工程と、ガラス成分、セラミック成分、
および常温にて安定若しくは準安定に存在し、700℃
〜960℃にて前記銀系の導体材料よりも容易に酸化物
を形成する金属を混合することにより、ガラスセラミッ
ク絶縁材料を作製する工程と、前記ガラスセラミック絶
縁材料を有機ビヒクルと共に混合、分散してスラリーを
作製し、前記スラリーをシート状に成形してセラミック
グリーンシートを作製する工程と、前記セラミックグリ
ーンシート上に前記銀系導体ペーストを印刷して、導体
パターンを形成する工程と、前記導体パターンが形成さ
れた前記セラミックグリーンシートを積み重ね、700
℃〜960℃にて焼成する工程と、を備えることを特徴
とするガラスセラミック基板の製造方法に係るものであ
る。
造方法は、前記金属が、アルミニウム、ニッケル、銅、
亜鉛及びガリウムからなる群より選ばれる少なくとも1
種であることを特徴とする。
造方法は、前記金属が銅であることを特徴とする。
造方法は、前記金属の添加量が、前記ガラスセラミック
絶縁材料に対して3重量%以下であることを特徴とす
る。
造方法は、前記ガラスセラミック絶縁材料におけるガラ
ス成分が、珪酸塩ガラス、ホウ珪酸塩ガラスおよびCa
O−SiO2−Al2O3−B2O3系ガラスからなる群よ
り選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする。
造方法は、前記ガラスセラミック絶縁材料におけるセラ
ミック成分が、アルミナ、シリカ、ジルコニア、フォル
ステライト、アノーサイト及びウォラストナイトからな
る群より選ばれる少なくとも1種であることを特徴とす
る。
造方法は、前記ガラスセラミック絶縁材料におけるガラ
ス成分とセラミック成分との重量比が10:90〜10
0:0であることを特徴とする。
によれば、前記ガラスセラミック絶縁材料に、常温にて
安定若しくは準安定に存在し、かつ、銀の融点以下であ
る700℃〜960℃程度の焼成温度にて銀系の導体材
料よりも容易に酸化物を形成する金属が添加されている
ので、例えば大気等の非還元性雰囲気中、前記焼成温度
で焼成を行うに際し、銀系の導体材料の酸化が抑制さ
れ、その拡散が抑えられることにより、信頼性が高く高
品位のガラスセラミック基板が得られる。これは、前記
金属が導体パターンとなる前記銀系の導体材料よりも容
易に酸化され、この銀系の導体材料に対して還元材とし
て作用することによるものである。
ラスセラミック基板の製造方法により得られるガラスセ
ラミック基板について、その実施の形態例を説明する。
1は、絶縁性のガラスセラミック層2a、2b、2c、
2d、2e、2f及び2gと銀系の導体材料による導体
パターンとを積層してなる多層回路基板である。ガラス
セラミック基板1の両主面には、電極パッド、配線パタ
ーン等の表層導体パターン3a、3b、3c、3d、3
e及び3fが形成されており、また、ガラスセラミック
基板1の内部には、ストリップライン等の配線パター
ン、コイルやコンデンサ等の電極パターンとしての内層
導体パターン4が形成されている。そして、内層導体パ
ターン同士、或いは、内層導体パターンと表層導体パタ
ーンとは、ビアホール5を介して電気的に接続されてい
る。
面には、チップコンデンサ等のチップ部品6、半導体I
C7が直接或いはワイヤ8を介して表層導体パターン3
b、3cにそれぞれ接続されており、ガラスセラミック
基板1の他方主面には、厚膜抵抗体9a、9bがそれぞ
れ表層導体パターン3e、3f上に形成されている。
内層導体パターン4は、Ag、Ag−Pd、Ag−Pt
等の銀系の導体材料で形成されており、ガラスセラミッ
ク層2a〜2gは、ガラス成分とセラミック成分とから
なるガラスセラミック絶縁材料に、常温にて安定若しく
は準安定に存在し、かつ、700℃〜960℃程度の焼
成温度にて酸化物を形成する金属が添加されてなる混合
材料を、非還元性雰囲気中、前記焼成温度にて焼成して
なる絶縁性のガラスセラミック層である。
基板1において、銀系の導体材料で形成された表層導体
パターン及び内層導体パターンは、ガラスセラミック絶
縁材料中の前記金属によって酸化が抑制されており、そ
の拡散が抑えられた、配線や電極間の短絡の危険性が少
なく、信頼性に優れた導体パターンである。また、銀コ
ロイドの生成による基板の変色が抑えられているので、
高品位のガラスセラミック基板1である。
は、基板全体に占める基板材料の体積比や重量比が大き
いので、ガラスセラミック絶縁材料中に上述した金属を
添加しても、強度や誘電率等の基板特性に殆ど影響を与
えることが無い。これに対して、例えば、導体材料中に
上述した金属を含有させる場合、含有させる金属の絶対
量に限界があるため、添加割合を極めて多くしなければ
同等の効果を期待できず、また、酸化物が導体パターン
中に混入していると配線の抵抗が高くなる。
2gには、添加した前記金属の酸化物が存在することに
なる。この金属酸化物は、金属イオンの形態で酸素と共
にガラス成分中に溶け込んでおり、特に、金属として銅
を用いた場合には、Cu2+の青色が観察される。
の製造方法例を説明する。
末及び上述した金属粉末を有機ビヒクルと共に混合、分
散して、ガラスセラミック層用のスラリーを作製する。
そして、このスラリーをドクターブレード法等によって
シート状に成形し、ガラスセラミック層用のセラミック
グリーンシートを作製する。また、銀系の導体材料を有
機ビヒクルと共に混合、分散して、銀系導体ペーストを
作製する。
ト上に銀系導体ペーストをスクリーン印刷し、所定の導
体パターンを作製する。また、セラミックグリーンシー
トには、必要に応じて、ビアホールを作製する。このビ
アホールは銀系導体ペーストによって作製してもよい。
セラミックグリーンシートを積み重ね、圧着した後、7
00℃〜960℃程度にて焼成する。さらに、チップ部
品6及び半導体IC7を搭載し、厚膜抵抗体9a及び9
dを印刷することによって、表層導体パターン3a〜3
f及び内層導体パターン5を有し、絶縁性のガラスセラ
ミック層2a〜2gを積層してなるガラスセラミック基
板1が得られる。
造方法においては、上述したようなセラミックグリーン
シート法の他、厚膜印刷法を用いてもよい。
造方法をさらに詳細に説明する。
造方法は、ガラスセラミック絶縁材料と銀系の導体材料
とを所定の焼成温度にて同時焼成することにより、銀系
の表層導体パターン及び/又は内層導体パターンを備え
るガラスセラミック基板を製造するガラスセラミック基
板の製造方法において、前記ガラスセラミック絶縁材料
に、常温にて安定若しくは準安定に存在し、前記焼成温
度にて前記銀系の導体材料よりも容易に酸化物を形成す
る金属を添加することを特徴とする。また、本発明のガ
ラスセラミック基板の製造方法は、ガラスセラミック絶
縁層と銀系の導体層とを複数層積み重ねてなり、銀系の
表層導体パターン及び/又は内層導体パターンを備える
ガラスセラミック基板の製造方法において、銀系の導体
材料を有機ビヒクルと共に混合、分散して、銀系導体ペ
ーストを作製する工程と、ガラス成分、セラミック成
分、および常温にて安定若しくは準安定に存在し、70
0℃〜960℃にて前記銀系の導体材料よりも容易に酸
化物を形成する金属を混合することにより、ガラスセラ
ミック絶縁材料を作製する工程と、前記ガラスセラミッ
ク絶縁材料を有機ビヒクルと共に混合、分散してスラリ
ーを作製し、前記スラリーをシート状に成形してセラミ
ックグリーンシートを作製する工程と、前記セラミック
グリーンシート上に前記銀系導体ペーストを印刷して、
導体パターンを形成する工程と、前記導体パターンが形
成された前記セラミックグリーンシートを積み重ね、7
00℃〜960℃にて焼成する工程と、を備えることを
特徴とする。
前記焼成温度は特に700℃〜960℃程度であってよ
い。また、アルカリ金属やアルカリ土類金属は常温大気
中で不安定であり、酸化の度合いが激しいので、前記ガ
ラスセラミック絶縁材料中に添加する金属としては、常
温大気中にて安定若しくは準安定状態に存在することが
必要である。また、前記銀系の導体材料は、ワイヤボン
ディング用電極パッド、半田付け用電極パッド、グラン
ド電極、コンデンサ用電極、コイル用電極、ストリップ
ライン等の種々の表層導体パターン及び内層導体パター
ンに用いてよい。また、本発明により得られるガラスセ
ラミック基板は、ハイブリッドIC用の回路基板や、電
圧制御発振器やPLLモジュール等の各種高周波モジュ
ール用の回路基板の他、セラミックパッケージ、チップ
コンデンサ、チップコイル、LCフィルタ、チップディ
レイライン等の種々のセラミック電子部品に用いること
ができる。
において、前記金属は、アルミニウム(Al)、ニッケ
ル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)及びガリウム
(Ga)からなる群より選ばれる少なくとも1種である
ことが望ましい。
くは準安定であって、かつ、700℃〜960℃程度の
焼成温度では容易に酸化物となる金属である。なお、前
記金属としては、熱力学的に酸化の速度が遅く、広範囲
にわたって効果が持続する点で、特に銅であることが望
ましい。
成分とセラミック成分とからなるガラスセラミック絶縁
材料に対して、3重量%以下であることが望ましい。前
記金属の添加量が3重量%を超えると、金属の酸化膨張
によって基板の焼結性が低下することがあり、また、基
板密度、基板強度が低下して信頼性に悪影響を与えるこ
とがある。なお、金属の添加量は、銀系導体材料の酸化
を十分に抑制し、基板強度を保持できることから、0.
01重量%〜1.0重量%がより一層望ましい。
造方法において、前記ガラスセラミック絶縁材料におけ
るガラス成分は、珪酸塩ガラス、ホウ珪酸塩ガラス、及
び、CaO−SiO2−Al2O3−B2O3系ガラスから
なる群より選ばれる少なくとも1種であることが望まし
い。
けるセラミック成分は、アルミナ、シリカ、ジルコニ
ア、フォルステライト(Forsterite)、アノーサイト
(Anorthite)及びウォラストナイト(Wollastonite)
からなる群よる選ばれる少なくとも1種であることが望
ましい。これらのセラミック成分(セラミックフィラ
ー)は、比較的安価であって、かつ、電気的特性に悪影
響を及ぼしにくい材料である。
いては、ガラス成分とセラミック成分との重量比が1
0:90〜100:0であることが望ましい。上述した
重量比よりもセラミック成分に対するガラス成分の量が
少なすぎると、銀の融点(962℃)以下での焼成が困
難になる。
する。
K)、R’O(但し、R’は、Mg又はCa)、Al2
O3、SiO2、B2O3のうち、少なくともSiO2を含
む粉末を所定の比で混合し、白金るつぼ中で溶融、混合
した後、急冷して各種のガラスを得た。なお、得られた
各種のガラスは下記表1に示す組成のものである。その
後、得られた各種のガラスをボールミルにより平均粒径
1.2〜2.4μmになるまで粉砕して、ガラスセラミ
ック絶縁材料用のガラス粉末を得た。
ラス粉末に各種セラミック粉末を所定量混合し、さらに
所定量の各種金属粉末を加えて混合粉末を調製した。そ
して、得られた混合粉末100重量部に対して、ブチラ
ール系バインダ8重量部、ジオクチルフタレート2重量
部、分散材1重量部、エタノール30重量部、トルエン
30重量部をそれぞれ添加し、ボールミルで24時間混
合してガラスセラミック層用のスラリーを得た。さら
に、ガラスセラミック層用のスラリーを真空脱泡した
後、ドクターブレード法によって厚さ100μmのセラ
ミックグリーンシートを作製した。
に銀を主成分とする導電性ペーストを所定の導体パター
ンに印刷したものを10枚積層し、500kgfc
m-2、60℃で熱圧着して積層体を得た。そして、この
積層体を400℃で脱脂後、大気中、860℃、30分
間焼成を行い、ガラスセラミック多層回路基板を得た。
なお、上述したガラス粉末の種類及び添加量、セラミッ
ク粉末の種類、並びに、金属粉末の種類及び添加量を下
記表2A及び表2Bに示す。
路基板の断面を研磨し、光学顕微鏡による観察で変色の
確認を行い、また、WDX(波長分散型X線分析法)に
基づいて、銀の拡散距離を測定した。さらに、併せて、
基板の密度及び抗折強度を測定した。変色の有無、銀の
拡散距離、基板の密度及び強度について、下記表3A及
び表3Bにそれぞれの測定結果を示す。
基板では、ガラスセラミック絶縁材料中に、常温にて安
定若しくは準安定であって焼成時に酸化物となる金属が
含有されていないので、銀コロイドによる基板の変色が
生じていた。これは、導体パターン中の銀が拡散したこ
とによるものである。
ラミック多層回路基板では、銀コロイドによる変色が生
じていない。これは、焼成時に、ガラスセラミック絶縁
材料中に含有した前記金属が銀の還元材として作用し、
従って、銀の酸化が抑制され、その拡散が抑えられて、
銀コロイドによる基板の変色が生じなかったものと思わ
れる。
物となる金属の添加量は、ガラスセラミック絶縁材料に
対して3重量%以下であることが、基板の密度及び強度
に優れるので望ましいことが分かる。例えば、例22の
ように前記金属の添加量が3重量%を上回ると、基板の
強度が低下する傾向にあった。これは、前記金属の酸化
膨張により基板の焼結性が低下したことによるものと思
われる。また、銀の酸化及び拡散を十分に抑制し、か
つ、基板の強度に優れることから、前記金属の添加量
は、0.01重量%〜1.0重量%がより一層望ましい
ことが分かる。
化及び拡散を抑制して信頼性が高く、かつ、基板強度の
大きなガラスセラミック多層回路基板が得られている
が、基板強度と焼成温度とをバランスよく両立させるこ
とができることから、前記ガラス粉末の割合は10重量
%以上が望ましいことが分かる。
安定若しくは準安定であって焼成時に酸化物となる金属
粉末として、ニッケル粉末、亜鉛粉末、アルミニウム粉
末、ガリウム粉末を用いた場合も、銅粉末を用いた場合
と同様に、銀の拡散が抑えられ、かつ、基板強度に優れ
た信頼性の高いガラスセラミック多層回路基板が得られ
ることが分かる。
ク粉末として、シリカ粉末、ジルコニア粉末、フォルス
テライト粉末、アノーサイト粉末、又は、ウォラストナ
イト粉末を用いた場合も、アルミナ粉末を用いた場合と
同様に、銀の拡散が抑えられ、かつ、基板強度に優れた
信頼性の高いガラスセラミック多層回路基板が得られる
ことが分かる。
粉末として、珪酸塩ガラス粉末やホウ珪酸塩ガラス粉末
を用いた場合も、CaO−SiO2−Al2O3−B2O3
系ガラス粉末を用いた場合と同様に、銀の拡散が抑えら
れ、かつ、基板強度に優れた信頼性の高いガラスセラミ
ック多層回路基板が得られることが分かる。
法によれば、Ag、Ag−Pd、Ag−Pt等の銀系の
導体材料の酸化を抑制することができ、従って、その拡
散が抑えられることにより、配線間の短絡の危険性が少
なく、色むらが抑えられ、信頼性の高いガラスセラミッ
ク基板が得られる。
り得られるガラスセラミック基板による実施の形態例の
概略断面図である。
Claims (8)
- 【請求項1】 ガラスセラミック絶縁材料と銀系の導体
材料とを所定の焼成温度にて同時焼成することにより、
銀系の表層導体パターン及び/又は内層導体パターンを
備えるガラスセラミック基板を製造するガラスセラミッ
ク基板の製造方法において、 前記ガラスセラミック絶縁材料に、常温にて安定若しく
は準安定に存在し、前記焼成温度にて前記銀系の導体材
料よりも容易に酸化物を形成する金属を添加することを
特徴とする、ガラスセラミック基板の製造方法。 - 【請求項2】 ガラスセラミック絶縁層と銀系の導体層
とを複数層積み重ねてなり、銀系の表層導体パターン及
び/又は内層導体パターンを備えるガラスセラミック基
板の製造方法において、 銀系の導体材料を有機ビヒクルと共に混合、分散して、
銀系導体ペーストを作製する工程と、 ガラス成分、セラミック成分、および常温にて安定若し
くは準安定に存在し、700℃〜960℃にて前記銀系
の導体材料よりも容易に酸化物を形成する金属を混合す
ることにより、ガラスセラミック絶縁材料を作製する工
程と、 前記ガラスセラミック絶縁材料を有機ビヒクルと共に混
合、分散してスラリーを作製し、前記スラリーをシート
状に成形してセラミックグリーンシートを作製する工程
と、 前記セラミックグリーンシート上に前記銀系導体ペース
トを印刷して、導体パターンを形成する工程と、 前記導体パターンが形成された前記セラミックグリーン
シートを積み重ね、700℃〜960℃にて焼成する工
程と、 を備えることを特徴とするガラスセラミック基板の製造
方法。 - 【請求項3】 前記金属が、アルミニウム、ニッケル、
銅、亜鉛及びガリウムからなる群より選ばれる少なくと
も1種であることを特徴とする、請求項1または請求項
2に記載のガラスセラミック基板の製造方法。 - 【請求項4】 前記金属が銅であることを特徴とする、
請求項1または請求項2に記載のガラスセラミック基板
の製造方法。 - 【請求項5】 前記金属の添加量が、前記ガラスセラミ
ック絶縁材料に対して3重量%以下であることを特徴と
する、請求項1または請求項2に記載のガラスセラミッ
ク基板の製造方法。 - 【請求項6】 前記ガラスセラミック絶縁材料における
ガラス成分が、珪酸塩ガラス、ホウ珪酸塩ガラス及びC
aO−SiO2−Al2O3−B2O3系ガラスからなる群
より選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする、
請求項1または請求項2に記載のガラスセラミック基板
の製造方法。 - 【請求項7】 前記ガラスセラミック絶縁材料における
セラミック成分が、アルミナ、シリカ、ジルコニア、フ
ォルステライト、アノーサイト、及びウォラストナイト
からなる群より選ばれる少なくとも1種であることを特
徴とする、請求項1または請求項2に記載のガラスセラ
ミック基板の製造方法。 - 【請求項8】 前記ガラスセラミック絶縁材料における
ガラス成分とセラミック成分との重量比が10:90〜
100:0であることを特徴とする、請求項1または請
求項2に記載のガラスセラミック基板の製造方法。
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