JP3643264B2 - 導体ペーストおよびこれを用いた配線基板 - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は導体ペーストおよびこれを用いた配線基板に関する。
【0002】
近年、配線基板においては、高周波回路の対応性、高密度化、高速化が要求され、従来のアルミナ系セラミック材料に比較して低い誘電率が得られ、配線層の低抵抗化が可能な低温焼成配線基板が注目されている。
【0003】
このような低温焼成配線基板としては、ガラスセラミックスからなる絶縁基板に、銅、金、銀等の低抵抗金属を主体とするメタライズ配線層を施したものが知られている。この配線基板は、ガラスセラミックス組成物からなるシート状成形体に上記低抵抗金属の粉末を含む導体ペーストを印刷した後、800〜1000℃で同時に焼成して作製される。
また、この低温焼成配線基板は、配線層の低抵抗化、絶縁基板の低誘電率、低誘電損失化などによって、半導体素子を収納する半導体素子収納用パッケージや、配線回路基板、携帯電話やパーソナルハンディホンシステム、各種衛星通信用に使用される高周波用多層配線基板などのあらゆる分野への応用が進められている。
【0004】
例えば、ガラスセラミックスからなる絶縁基板の表面および内部に銅粉末を主成分とするメタライズ配線層を形成する場合には、ガラスセラミックス原料粉末および有機バインダーに溶剤を添加して調製したスラリーをドクターブレード法などによってシート状に形成し、得られたグリーンシートに貫通孔を打ち抜き加工し、該貫通孔に銅粉末を主成分とする導体ペーストを充填し、同時にグリーンシート上に銅粉末を主成分とする導体ペーストをスクリーン印刷法などで印刷して配線パターンを形成する。そして、配線パターンや貫通孔に導体が充填されたビアホール導体が形成されたグリーンシートを複数枚加圧積層し、800〜1000℃で焼成することよってメタライズ配線層を有する配線基板が得られる。
【0005】
しかし、導体ペーストは、ガラスセラミックスとの親和性が悪いため、形成された配線導体とガラスセラミック磁器との接着強度が低く、そのためピンあるいはボール付け用のパッド部等の高い接着強度が要求される部分では熱的または機械的な応力が加わると配線導体とガラスセラミック磁器とが剥離しやすいという問題があった。
そこで、接着強度を改善するために、酸化銅粉末を主体とする導体ペーストにZnO等を添加したり(特開平1−317184号公報)、銅粉末を主成分とする導体ペーストにZnOを含むガラス粉末を添加することが提案されている(特開平3−46706号公報)。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、酸化銅粉末を主体とする導体ペーストにZnO等を添加する方法では、銅の焼結性を阻害し、焼成時にガラスセラミックス基板の収縮挙動との間でずれが生じるため、配線基板の反りをひき起し、さらに焼結が著しく阻害された場合には接着強度の劣化が生じる。
【0007】
一方、銅粉末を主成分とする導体ペーストにZnOを含むガラス粉末を添加する方法は、高純度なAlN基板に適用するのに好適な例であり、この方法をガラスセラミックス基板に適用した場合には、銅粉末の焼結性は向上するものの、ガラスセラミックス基板との相互作用により銅とガラス成分との分離が生じて、導体ペースト内に含有されたガラス成分が銅メタライズ層の表面に浮上し、ハンダ濡れ性を阻害するという問題がある。
【0008】
本発明の目的は、メタライズ配線層とガラスセラミックスからなる絶縁基板との接着強度を向上させ、かつ基板の反りを抑制し、ハンダ濡れ性にも優れた導体ペーストおよびこれを用いた配線基板を提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、銅粉末等の低抵抗金属粉末に所定量の亜鉛シリケートを添加した導体ペーストを使用してメタライズ配線層を形成する場合には、ガラスセラミックスからなる絶縁基板に対する接着強度が向上し、かつハンダ濡れ性が良好であり、しかも絶縁基板と導体ペーストの焼成収縮差に起因する基板の反りを抑制できるという新たな事実を見出し、本発明を完成するに到った。
【0010】
すなわち、本発明の導体ペーストは、低抵抗金属粉末100重量部に対して亜鉛シリケートを0.1〜10重量部の割合で含有したことを特徴とする。本発明において、前記低抵抗金属粉末は平均粒径0.5〜10μmの球状粉末であるのが好ましい。これにより、メタライズ配線層の収縮等の焼結挙動をガラスセラミックス基板の焼結挙動により一層近似させることができるため、基板の反りを抑制でき、さらにスクリーン印刷に好適な粒径であるために印刷精度が向上する。
【0011】
また、前記低抵抗金属粉末が銅粉末であり、その全部または一部を還元性雰囲気中での焼成によって銅単体に還元される酸化銅の形態で含有させ、その酸化銅の量を調整することによって酸化銅の還元時の体積収縮によるメタライズ配線層の収縮率を絶縁基板の収縮率に整合させることができる。本発明の配線基板は、ガラスセラミックスからなる絶縁基板と、この絶縁基板の表面および/または内部に被着形成されたメタライズ配線層とを備え、前記メタライズ配線層が前記した導体ペーストを前記絶縁基板に被着し焼成したものであることを特徴とする。
【0012】
本発明において、前記絶縁基板は、0〜400℃までの熱膨張係数が8〜18ppm/℃であるのが好ましい。これにより、絶縁基板をハンダボールなどの接続端子を介して、有機樹脂を絶縁基板中に含有する熱膨張係数が13〜30ppm/℃のプリント配線基板に表面実装した場合のハンダ接続部に加わる熱応力を緩和し、その結果、実装信頼性が改善される。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて、本発明の導体ペーストおよびこれを用いた配線基板を説明する。図1は、本発明の一実施形態にかかる配線基板の構造を示しており、複数のガラスセラミックス絶縁層からなる多層配線基板である。
【0014】
図1に示すように、配線基板1は、絶縁基板2とメタライズ配線層3とを含んでいる。絶縁基板2は、複数のガラスセラミック絶縁層2a・・・2dを積層した積層体から構成され、各層間および絶縁基板2の表面には銅粉末等の低抵抗金属粉末を主成分とする厚みが5〜30μm程度のメタライズ配線層3が被着形成されている。また、絶縁基板2内には、各絶縁層2a・・・2dを厚さ方向に貫通した直径が50〜200μm程度のビアホール導体4が形成されている。
【0015】
絶縁基板2は、少なくともSiO2 を含有するガラス、またはSiO2 を含有するガラスとフィラーとの複合材料からなるガラスセラミックスからなる。具体的には、ガラスセラミックス材料のガラス成分は、複数の金属酸化物から構成され、焼成後において非晶質、または焼成によってコージェライト、ムライト、アノーサイト、セルジアン、スピネル、ガーナイト、ウィレマイト、ドロマイト、リチウムシリケートやその置換誘導体の結晶を析出する結晶化ガラスによって構成される。
【0016】
ガラス成分としては、例えばSiO2 以外にLi2 O,K2 O,Na2 O等のアルカリ金属酸化物、CaO,MgOなどのアルカリ土類金属酸化物、Al2 3 ,P2 5 ,ZnO,B2 3 およびPbOから選ばれる1種または2種以上を含有するホウ珪酸ガラス、アルカリ珪酸ガラス、BaO系ガラス、ナトリウムソーダーガラスなどが挙げられる。
前記フィラー成分としては、例えばクオーツ、クリストバライト、石英、コランダム(αアルミナ)、ディオプサイド、ムライト、コージェライトおよびフォルステライトから選ばれる1種または2種以上が使用可能である。
【0017】
ガラス成分とフィラー成分との割合は、ガラス成分が30〜70重量%、フィラー成分が70〜30重量%であるのが適当である。
本発明における前記絶縁基板2は、0〜400℃までの熱膨張係数が8〜18ppm/℃であるのが好ましい。絶縁基板2の熱膨張係数が8ppm/℃を下回ると、絶縁基板2とプリント配線板とのハンダ接合部に熱応力が加わり実装信頼性が低下するという問題があり、逆に18ppm/℃を超えると絶縁基板2とシリコンチップとのハンダ接合部に熱応力が加わり実装信頼性が低下するという問題がある。
【0018】
メタライズ配線層3は低抵抗金属粉末を主成分とする。本発明によれば、メタライズ配線層3は、低抵抗金属粉末100重量部に対して亜鉛シリケートを0.1〜10重量部の割合で含有した導体ペーストを積層・焼成して形成される。
【0019】
低抵抗金属粉末としては、銅、銀、金等の粉末か挙げられ、特に銅粉末を使用するのが配線基板の高密度化および低抵抗導体製造の低コスト化、さらに信頼性向上のうえからも好ましい。また、低抵抗金属粉末は平均粒径0.5〜10μm、好ましくは2〜7μm、より好ましくは3〜5μmの球状粉末であるのが好ましく、平均粒径が0.5μmを下回る場合には銅粉末が過焼結を起こし、接着強度が低下するという問題があり、逆に10μmを超えた場合には微細配線加工ができないという問題がある。
前記亜鉛シリケートとしては、ZnOとSiO2 との反応物からなる結晶性の複合酸化物であればよく、例えばZnO・2SiO2 (ZnSi2 5 )、2ZnO・SiO2 (Zn2 SiO4 )、3ZnO・SiO2 (Zn3 SiO5 )等が挙げられる。
【0020】
かかる亜鉛シリケートは、一般にZnOよりも融点が低いため、配線層3の焼結がZnOを含有したものよりも低い温度で焼結が進むため、焼結性が向上するという利点がある。例えば、前記ZnSi2 O5 の融点は約1512℃であり、ZnOの融点約1972℃に比べて低いため、本発明の導体ペーストはおよそ900℃近くで焼結が進行するのに対して、ZnOを含有した従来の導体ペーストはおよそ1000℃近くで焼結が進行する。従って、絶縁基板との同時焼成時において、ZnOを添加した導体ペーストに比べて、基板との焼結のタイミングが合わせやすくなり、基板との接着強度が向上し、基板の反りを有効に抑制できる。
【0021】
前記亜鉛シリケートは、低抵抗金属粉末100重量部に対して0.1〜10重量部の割合で含有していることが必要であって、亜鉛シリケートの含有量が0.1重量部を下回る場合にはメタライズ配線層3とガラスセラミックスからなる絶縁基板2との親和性が悪化し、その結果、メタライズ配線層3と絶縁基板2との接着強度が弱くなる。一方、亜鉛シリケートの含有量が10重量部を超える場合には、低抵抗金属粉末の焼結性を劣化させ、ハンダ濡れ性、接着強度、基板反り等に悪影響を及ぼす。亜鉛シリケートは1〜5重量部の割合で含有されているのがより好ましい。
【0022】
また、使用する亜鉛シリケートは平均粒径が0.1〜3μm程度であるのが好ましい。
前記ビアホール導体4は、前記メタライズ配線層3と同様な成分からなる導体であるのがよい。
【0023】
多層配線基板の表面のメタライズ配線層3は、ICチップ等の各種電子部品5を搭載するためのパッドとして、シールド用導体膜として、さらには外部回路と接続する端子電極として用いられる。各種電子部品5は配線層3にハンダや導電性接着剤等の接合剤6を介して接合される。なお、図示していないが、表面に珪化モリブデンなどの厚膜抵抗体膜や配線保護膜等を形成しても構わない。
【0024】
次に、本発明の配線基板を作製する方法について説明する。まず、上述したようなガラス成分、またはガラス成分とフィラー成分とを混合してガラスセラミックス組成物を調製し、その混合物に有機バインダー等を加えた後、ドクターブレード法、圧延法、プレス法等の適宜な成形手段によりシート状に成形してグリーンシートを得る。
【0025】
ついで、このグリーンシートの表面に導体ペーストをスクリーン印刷等により配線パターン状に印刷する。導体ペーストの主成分となる低抵抗金属粉末には、前記した所定粒径の金属単体(例えば銅)もしくは該金属の酸化物(例えば酸化銅)またはそれらの混合物が用いられる。金属酸化物は還元性雰囲気で焼成されることにより実質的に金属単体の粉末に還元される。
【0026】
導体ペーストは、前記した低抵抗金属粉末および所定量の亜鉛シリケートといった無機成分のほか、アクリル樹脂等の有機バインダー、α−テルピネオール、ジブチルフタレート、ブチルカルビトール等の有機溶剤等を均質に混合して調製される。有機バインダーは無機成分100重量部に対して1〜10重量部、有機溶剤は無機成分100重量部に対して5〜30重量部の割合で混合するのが好ましい。
【0027】
一方、ビアホール導体4を形成するには、前記グリーンシートにレーザー、マイクロドリル、パンチング等により直径50〜200μm程度の貫通孔を形成し、この貫通孔の内部に前記配線層3と同じ導体ペーストを充填する。その後、配線層3やビアホール導体4が形成されたグリーンシートを積層圧着して積層体を形成する。
ついで、積層体を400〜800℃の窒素雰囲気中で加熱処理してグリーンシート内や導体ペースト内に含有されている有機成分を分解除去した後、800〜1000℃の窒素雰囲気(還元性雰囲気)中で同時焼成することによりメタライズ配線層3およびビアホール導体4を備えた多層配線基板を作製することができる。
【0028】
なお、本発明の配線基板は上述したような多層配線基板に限定されるものではなく、単層のガラスセラミックのグリーンシート上に前記と同様な導体ペーストで配線パターンを印刷し、同時焼成した配線基板をも包含する。
また、基板が多層構造であっても、内部のメタライズ配線層4のみを積層体と同時に焼成処理し、表面の配線層4をこの焼成した積層体の表面に焼き付け処理して形成したものであってもよい。
【0029】
【実施例】
以下、実施例をあげて本発明を詳細に説明するが、本発明の導体ペーストおよびこれを用いた配線基板は以下の実施例のみに限定されるものではない。
【0030】
実施例
絶縁基板用のグリーンシートの材料として、重量%で74%SiO2 −14%Li2 O−4%Al2 3−2%K2 O−2%ZnO−2%Na2 O(屈伏点480℃)の組成を有するガラス40体積%に対して、フィラー成分としてSiO2 を30体積%、フォルステライト30体積%を混合したものを用いた。これに分子量30万のアクリル系バインダーと可塑剤、分散剤および溶剤を加え混合し、得られた泥しょうをドクターブレード法により平均厚さ200μmのグリーンシートに成形した。
一方、平均粒径が4μmの銅粉末に、添加物として亜鉛シリケート(平均粒径1μm)またはZnOもしくはZnOとガラス粉末とを表1に示す割合で加え、これら無機成分100重量部に対して有機バインダーとしてアクリル樹脂2重量部、有機溶剤としてα−テルピネオール15重量部を添加し、混練して導体ペーストを調製した。
【0031】
このようにして得られた導体ペーストとグリーンシートとを用いて、以下に示す3種類のサンプルを作製した。
(1) 接着強度を評価するサンプル
焼成後の寸法が2cm×2cmで厚さ20μmのパターンをグリーンシート上にスクリーン印刷し、このグリーンシートの下部に同じグリーンシート5枚を加圧積層した。
(2) 基板反りを評価するサンプル
焼成後の寸法が10mm×10mmで厚さ20μmのパターンをグリーンシート上にスクリーン印刷し、このグリーンシートの下部に同じグリーンシート1枚を加圧積層した。
(3) ハンダ濡れ性を評価するサンプル
焼成後の直径が0.1mmの円形パターンをグリーンシート上にスクリーン印刷し、このグリーンシートの下部に同じグリーンシート5枚を加圧積層した。
【0032】
このようにして配線パターンが形成された未焼成状態の積層体を、有機バインダー等の有機成分を分解除去するために、窒素雰囲気中にて700℃で3時間保持した後、950℃に昇温して1時間保持して焼成し、配線基板を得た。なお、前記グリーンシートを焼成して得た絶縁基板の0〜400℃での熱膨張係数は11.5ppm/℃であった。
【0033】
前記(1) 〜(3) のサンプルを用いて得た各配線基板について、以下の方法にて特性を評価した。
(1) 接着強度の評価方法
得られた配線基板の表面に存在する一辺が2mm四方の銅配線層に厚さ1μmのNiメッキを施し、その表面に厚さ0.1μmの金メッキを施した。次に、この金メッキ層上に直径0.8mmの錫メッキ銅線を基板と平行にハンダ付けし、ついで錫メッキ銅線を基板に対して垂直方向に曲げ、錫メッキ銅線を10mm/分の引っ張り速度で垂直方向に引っ張り、銅配線層と絶縁基板との界面が破断したときの最大荷重を銅配線層の接着強度として評価した。このとき、接着強度が2kg/2mm角を超えるものを良品とした。
(2) 基板反りの評価方法
配線基板の表面に存在する一辺が10mm四方の銅配線層の対角方向(長さ14.2mm)に沿って接触型の表面粗さ計にて表面粗さを測定し、50μm/14.2mm以下のものを良品とした。
(3) ハンダ濡れ性の評価方法
配線基板の表面に存在する円形パターンの銅配線層にフラックスを塗布し、235℃に保たれた共晶ハンダ中に、鉛直方向に対して45度の角度で5秒間浸漬したものを実体顕微鏡にて観察し、銅配線層のパターン全面がハンダに濡れているものを良品とした。
これらの試験結果を表1に示す。
【0034】
【表1】
Figure 0003643264
【0035】
表から明らかなように、添加物としての亜鉛シリケートの含有量が0.1重量部を下回っている試料No.1および2では接着強度が劣りかつ基板の反りも大きかった。一方、亜鉛シリケートの含有量が10重量部を超えている試料No.9では接着強度が劣り、基板の反りも大きいのに加えて、ハンダ濡れ性も劣っていた。
また、従来技術にかかる試料No.13〜16では、接着強度は優れているものの、基板の反りおよび/またはハンダ濡れ性が劣っていた。
これらに対して、亜鉛シリケートの含有量が0.1〜10重量部の範囲内にある本発明にかかる試料No.3〜8、10〜12および17〜20では接着強度が高く、基板の反りも抑制され、さらにハンダ濡れ性も良好であった。
【0036】
【発明の効果】
本発明によれば、低抵抗金属に所定量の亜鉛シリケートを含有させることにより、特にガラスセラミックスからなる絶縁基板との親和性が改善されるため、接着強度が向上すると共に、ハンダ濡れ性が良好であり、基板の反りも抑制された配線基板を得ることができるという効果がある。
【0037】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態にかかる配線基板の概略断面図である。
【符号の説明】
1 配線基板
2 絶縁基板
3 メタライズ配線層
4 ビアホール導体
5 電子部品

Claims (5)

  1. 低抵抗金属粉末100重量部に対して亜鉛シリケートを0.1〜10重量部の割合で含有し、さらに有機バインダーおよび有機溶剤を混合したことを特徴とする導体ペースト
  2. 前記低抵抗金属粉末が平均粒径0.5〜10μmの球状粉末である請求項1記載の導体ペースト
  3. 前記低抵抗金属粉末が銅粉末であり、その全部または一部が、還元性雰囲気中での焼成によって銅単体に還元される酸化銅の形態で含有されている請求項1記載の導体ペースト
  4. ガラスセラミックスからなる絶縁基板と、この絶縁基板の表面および/または内部に被着形成されたメタライズ配線層とを備え、このメタライズ配線層が請求項1ないし3のいずれかに記載の導体ペーストを前記絶縁基板に被着し焼成したものであることを特徴とする配線基板。
  5. 前記絶縁基板が、0〜400℃までの熱膨張係数が8〜18ppm/℃である請求項4記載の配線基板。
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