JP3669056B2 - セラミック多層配線基板の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低温焼成のセラミック多層配線基板の製造方法に関する。特にＡｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕなどの低融点金属を配線材料とする低温焼成のガラスセラミック多層配線基板の焼成法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＬＳＩなどの半導体素子を実装する基板として、アルミナ系セラミックを絶縁材料とする配線基板が使用されてきた。しかし、アルミナ系セラミック材料の焼成温度が高く、同時焼成が可能な配線材料としては高融点金属であるＷ、Ｍｏ等が使われるため、導通抵抗が１０〜２０ｍΩ／□（ｍΩ／ｍｍ²）と高くなる問題を有していた。そこで、Ａｇ、Ａｕなどの低抵抗な配線材料と、それらと同時焼成可能な低温焼成絶縁材料としてガラスあるいはガラスセラミックとを用いる配線基板が使用されるようになってきた。特にガラスセラミック配線基板は、８００〜１１００℃程度の低温で焼成可能であり、かつセラミックの結晶相を構成成分として含有するため、機械的強度にも優れており、最近注目されている。
【０００３】
ところで、このような配線基板に用いられるＡｇ、ＡｕあるいはそれらにＰｄ、やＰｔを添加してなるものの他、Ｃｕなどのメタライズ組成物は、焼結開始温度が６００〜７００℃程度となるものが多い。一方、ガラスセラミックのガラス成分の軟化点は７００〜９００℃程度で、この軟化点温度付近からガラスセラミックは焼結収縮を開始する。ここで、メタライズの焼結開始温度とガラス成分の軟化点が大きく異なる場合、焼成時にまずメタライズ組成物のみが収縮を開始するため、収縮の開始が高温で始まるガラスセラミックとの収縮差が生じる。その結果、配線基板に反りや変形を生じて所望とする寸法、形状のものが得られないことがある。その対策として、メタライズ組成物として、ガラスセラミックのガラス成分と同程度あるいはそれ以上の軟化点を有するガラス成分を添加する方法が考えられるが、メタライズ組成物の焼結開始温度を大幅に高くするには至らない。
【０００４】
その他、焼成される前の生配線基板、あるいは脱バインダ済みの生配線基板の上に、平坦な面を有するジルコニア等のセラミック板を乗せて、荷重をかけて焼成を行い、強制的に反りを抑える方法がある。しかし、生配線基板の段階から荷重をかけて焼成を行うと、大きなサイズの配線基板では均一な収縮が達成できないという問題や、配線基板がセラミック板に付着するという問題が発生する場合がある。そのため、特公平２−２５２７７号公報では、含有される無機材料の軟化点より高く、基板の焼結温度より低い範囲の温度で予備焼成し、次に荷重をかけて本焼成を行う方法が開示されている。しかし本方法でも、配線材料がＡｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕのうちの少なくとも１種からなる導電用金属であり、絶縁材料がガラスとセラミック粉末のフィラ−とからなるガラスセラミックからなる場合においては、特に配線材料の焼結開始温度とガラスセラミックのガラス成分の軟化点が１００℃以上と大きく異なる場合、予備焼成の段階で既に大きな反り、変形が発生し、もはや荷重をかけて本焼成を行っても修正できない場合がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
すなわち本発明は、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕなどの低融点金属を配線材料とし、ガラスセラミックを絶縁材料とするセラミック多層配線基板の製造方法において、焼成時の配線材料と絶縁材料との焼成収縮する温度の差が大きいにもかかわらず、焼成された多層配線基板の反りや変形を少なくすることを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための請求項１の発明は、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕのうちの少なくとも１種からなる導電用金属で形成される配線部と、ガラスとセラミック粉末のフィラ−とからなるガラスセラミックで形成される絶縁部とよりなる、配線部材料の焼結開始温度とガラスセラミックのガラス成分の軟化点が１００℃以上異なるセラミック多層配線基板の製造方法において、
１）配線部が印刷されたグリ−ンシ−ト積層体を、前記ガラス成分の軟化点をＴｓ（℃）とする場合、（Ｔｓ−３０）〜Ｔｓの範囲の温度で焼成し予備焼成体とする予備焼成工程と２）前記予備焼成体を荷重をかけて焼成する本焼成工程とを有することを特徴とするセラミック多層配線基板の製造方法を要旨とする。
【０００７】
請求項１に記載のセラミック多層配線基板の製造方法であって、
前記セラミック多層配線基板に、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｗ、Ｍｏ、Ｌａ、Ｔａ、Ｎｂのうちの少なくとも１種からなる金属またはその化合物を含む抵抗部を有するものに関する。
【０００８】
請求項３の発明は、前記ガラスの軟化点：Ｔｓが７００〜９００℃であることを特徴とする請求項１または２に記載のセラミック多層配線基板の製造方法を要旨とする。
【０００９】
請求項４の発明は、前記荷重が１．０〜６．０ｇ／ｃｍ²の範囲であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のセラミック多層配線基板の製造方法を要旨とする。
【００１０】
ここでＡｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕのうちの少なくとも１種からなる導電用金属とは、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕの単体からなるものの他、それらを２種以上含む合金であるものも含む。例えば、Ａｇ単体ではマイグレ−ション性が問題となる場合には、ＡｇとＰｄとの合金であるＡｇ₈₀−Ｐｄ₂₀なる組成であるもの等が使用できる。また配線基板が多層配線を有する場合に、内部の配線を導電率の高いＡｇ単体からなる、あるいはＰｄ含有量の少ないＡｇ−Ｐｄ合金を使用し、表層の配線にはマイグレ−ション防止のためＡｇ₈₀−Ｐｄ₂₀なる合金を使用する様な場合、あるいは各配線層毎に配線材料が異なる場合にも適応できる。
【００１１】
また、配線部は上記のＡｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕの単体、合金以外に、これらの焼結性、緻密性を高める目的で適宜ガラス組成物が添加されていてもよい。このガラス組成物は、さらに焼成工程の冷却過程の際に、配線部の絶縁部に対する熱膨張差（熱応力）を緩和し、反り、変形を小さくする働きも有する。このようなガラス組成物としては、ホウケイ酸ガラス（Ｂ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系ガラス）、アルミノホウケイ酸ガラス（Ｂ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃系ガラス）や、セラミック多層配線基板の絶縁材料と同質の材料なども使用できる。なお、ガラス組成物は導電用金属または該導電用金属の合金１００重量部に対して、１〜１０重量部添加するのが好ましい。これは１重量部未満であると、上記のガラス組成物添加の目的を達成できないためである。一方、１０重量部を越えると、配線部の抵抗値が高くなるため好ましくない。さらに、配線基板の表層に形成される配線部においては、その最表面にガラス成分が析出したり、あるいは配線部の最表面をガラス成分が被覆したりすることもあり好ましくない。
【００１２】
Ｒｕ、Ｐｄ、Ｗ、Ｍｏ、Ｌａ、Ｔａ、Ｎｂのうちの少なくとも１種からなる金属またはその化合物を含む抵抗部とは、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｗ、Ｍｏ、Ｌａ、Ｔａ、Ｎｂのうちの少なくとも１種からなる金属またはその化合物を含み、さらに低温での焼結性を高め、さらに絶縁材料との密着性を高める目的で適宜ガラス材料を添加した複合系で用いられる。化合物としては、上記金属の酸化物、珪化物、窒化物、ホウ化物等が使用される。ガラス材料として、ホウケイ酸ガラス（Ｂ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系ガラス）、アルミノホウケイ酸ガラス（Ｂ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃系ガラス）や、セラミック多層配線基板の絶縁材料と同質の材料なども使用できる
。
【００１３】
ここで言うガラスセラミックとは、ホウケイ酸ガラス粉末や、アルミノホウケイ酸ガラス粉末等のガラス粉末にアルミナ、アノ−サイト、コ−ジエライト、シリカ等のセラミック粉末からなるフィラ−を混合し焼成したものを言う。
【００１４】
ここで言うガラス成分の軟化点：Ｔｓ（℃）とは、ガラスセラミックの成分として一部結晶化する状態以前の軟化点、すなわち原材料としての軟化点を言う。また、予備焼成温度の下限値：Ｔｓ−３０は、ガラスセラミックのガラス成分がガラス転移する温度（Ｔｇ）以上であることが必須である。そして予備焼成する温度範囲（（Ｔｓ−３０）〜Ｔｓ）では、ガラス成分がフィラ−に濡れ、しかも配線材料が焼成収縮を開始する温度以上でもある。ただし、ガラスセラミック自体はほとんど焼成収縮を開始しない状態で、基板自体はほとんど反り、変形を生じない状態である。この状態となる本発明の温度範囲で予備焼成し予備焼成体とすることにより、大きな反り、変形の発生がなく、しかも、ガラス成分が相互に溶融結合したり、またフィラ−に濡れた状態であるために、ある程度の機械的強度を有する。従って、本焼成の段階に移行する際に、荷重をかけても予備焼成体が割れたり、欠けたりすることがない。なお、予備焼成工程とは別途に、脱バインダ工程を設けてもよいが、予備焼成工程で使われるバインダの分解温度までを低い昇温率で加熱することで、連続して脱バインダ工程、予備焼成工程を行ってもよい。
【００１５】
予備焼成体にかける荷重としては、１．０〜６．０ｇ／ｃｍ²とするとよい。これは本範囲の荷重範囲とすることにより、配線材料と絶縁材料の焼成収縮程度に差があるにもかかわらず、多層配線基板の反りや変形を少なくすることができるためである。ここで荷重を負荷する方法として、焼成される前の生配線基板、あるいは脱バインダ済みの生配線基板の上に、前記生配線基板と同一もしくはこれより大きい面積の平坦な面を有するジルコニア、アルミナ、炭化珪素、窒化ホウ素等の耐熱性材料からなるセラミック板を乗せることで達成できる。特にジルコニア製のセラミック板を使用すると、焼成時に多層配線基板との間に付着が起こりにくいため好ましい。なお、セラミック板の材質としては上記以外でも、ガラスセラミック多層配線基板の本焼成温度で、基板と反応性を有せず、しかも変形などを生じないものであればよい。
【００１６】
ここで荷重を１．０ｇ／ｃｍ²未満で焼成すると、配線材料と絶縁材料の焼成収縮率程度の差による応力を矯正できず、基板は反り、変形等が大きくなるものが多くなり好ましくない。一方、荷重を６．０ｇ／ｃｍ²を越える範囲で焼成すると、配線基板がセラミック板に付着するという問題が発生する場合が多くなり好ましくない。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を、本発明の範囲内の例を実施例として、また本発明の範囲外の例を比較例として記載する。
【００１８】
【実施例】
実施例１〜１３
導電用金属粉末として、平均粒径３．０μmのＡｇ粉末、平均粒径３．０μmのＡｇ₈₀Ｐｄ₂₀合金粉末、平均粒径２．０μmのＡｕ粉末を用意した。また、ガラス組成物としては、ホウケイ酸ガラス（Ｂ₂Ｏ₃−Ｓｉ₂Ｏ系ガラス）からなるもので、平均粒径１．０μmに粉砕したものを用意した。これらを前記の導電用金属粉末１００重量部に対して、３重量部となるように秤量し混合した。さらに、エチルセルロ−スを２０重量％含むＢＣＡ（ブチル・カルビト−ル・アセテ−ト）溶液をビヒクルとして、導電用金属粉末１００重量部に対して２０重量部混合し、メタライズぺ−ストとした。なお、こうして作製したメタライズ組成物の焼結開始温度は６００〜６５０℃であった。
【００１９】
【表１】

【００２０】
次にセラミックグリ−ンシ−トを以下のように別途用意した。セラミック原料粉末としてアルミノホウケイ酸ガラス粉末とアルミナ粉末とを用意した。アルミノホウケイ酸ガラス粉末はＳｉＯ₂：４３％、Ａｌ₂Ｏ₃：２８％、Ｂ₂Ｏ₃：８％、ＭｇＯ：８％、ＣａＯ：１２％、ＺｒＯ₂：１％の重量割合となるようにそれぞれの酸化物粉末を秤量し、混合し、溶融後、急冷してカレット状とし、さらに粉砕し、５０％粒子径（Ｄ₅₀）＝５μmとなるように作製した。このガラス粉末のガラス転移点は７１８℃、屈服点は７７０℃、軟化点（Ｔｓ）は８９０℃であった。一方、アルミナ粉末として、市販の低ソ−ダのα−アルミナ粉末でＤ₅₀＝３μmであるものを用意した。
【００２１】
バインダ−としては、メタクリル酸エチル系のアクリル樹脂を用意した。次にアルミナ製のポットに、上記のガラス粉末とアルミナ粉末とを重量比で６：４、総量で１Ｋｇとなるように秤量して入れた。さらに溶剤としてＭＥＫ（メチル・エチル・ケトン）を２００ｇ、前記のアクリル樹脂を１００ｇ、可塑剤としてＤＯＰ（ジ・オクチル・フタレ−ト）を５０ｇ、分散剤５ｇを上記ポットへ入れ１０時間混合した。こうしてセラミックグリ−ンシ−ト成形用のスラリ−を得た。このスラリ−を用いて、ドクタ−ブレ−ド法でシ−ト厚み０．４ｍｍのセラミックグリ−ンシ−トを得た。
【００２２】
次に、上記のメタライズぺ−ストを用いて、セラミックグリ−ンシ−トの３層積層構造の生配線基板を以下のように作製した。はじめにセラミックグリ−ンシ−トに、表層がＡｇ−Ｐｄ配線、内層がＡｇ配線であり、配線厚み約２０μm、焼成後のライン幅／ライン間隔が１００μmとなるような配線パタ−ンにメタライズペ−ストをスクリ−ン印刷し、１２０℃で乾燥した。次にこれらのセラミックグリ−ンシ−トを積層し、さらに５４ｍｍ角に切断し生配線基板とした。次に生配線基板を大気中２５０℃、１０時間の熱処理で脱バインダを行い、次いで大気中において表２に示す最高温度の保持時間が１２分間という熱処理で予備焼成を行った。次に冷却後、表２に示す荷重がかかるように、予備焼成体にジルコニア板を乗せ、９５０℃、３時間の熱処理で本焼成を行った。なお予備焼成工程では、生配線基板は反り量が２μm／ｃｍ以下の平坦なジルコニア板の上に設置し焼成し、続いて該ジルコニア板上に設置したままの予備焼成体の上に別のジルコニア板をのせて本焼成を行った（図１参照）。なお、荷重をかけるジルコニア板も反り量が２μm／ｃｍ以下であるものを使用した。
【００２３】
【表２】

【００２４】
得られた配線基板の反りを、配線部のない裏面における対角線上で測定した。測定は表面粗さ計で測定し、対角線をトレ−スした時の配線基板の反りの最大値で評価し、これを表２に記載した。表２のように、本発明範囲で予備焼成を行った実施例１〜１３では、反りの最大値が４２μm以下であった。特に、予備焼成の温度がガラス成分の軟化点より１０℃低い温度で行った実施例１〜４、１３が、反りが少なく優れていた。さらに荷重が２ｇ／ｃｍ²以上であるものが優れていた。なお、これら実施例では基板と、下敷きあるいはおもしのジルコニア板との間に付着等の問題はなかった。
【００２５】
比較例１〜６
表２のように、本発明の範囲外の予備焼成温度、あるいは荷重で基板の焼成を行った。予備焼成温度が本発明の温度以下である比較例１では、本焼成後にジルコニア基板との間に付着が発生していた。また、予備焼成温度が本発明の温度以上である比較例２では反りが５２μmと大きいものであった。また荷重が本発明の範囲以下の比較例３では、反りが６８μmと大きなもので、荷重の効果が少なかった。一方、荷重が本発明の範囲を越えるの比較例４では、基板と下敷きあるいはおもしのジルコニア板との間に付着が発生した。なお、予備焼成を行わなかった比較例５、６では５８μm以上の大きな反りとなった。
【００２６】
実施例１４
ＲｕＯ₂（平均粒径０．１５μm）と、ガラス組成物としてはホウケイ酸ガラス（Ｂ₂Ｏ₃−Ｓｉ₂Ｏ系ガラス）なるもので、平均粒径１．０μmとしたものを用意した。これらをＲｕＯ₂粉末１００重量部に対して、ガラス組成物２０重量部混合し、さらにエチルセルロ−スを２０重量％含むＢＣＡ溶液をビヒクルとして、ＲｕＯ₂粉末１００重量部に対して２０重量部混合し、抵抗ぺ−ストとした。この抵抗ぺ−ストを、表層になるセラミックグリ−ンシ−ト上で、メタライズペ−ストで形成した電極間にスクリ−ン印刷した。表層のグリ−ンシ−トに抵抗部を形成する以外は、実施例１〜１３と同様に生配線基板を形成し、焼成を行い評価した。得られた基板の反りは３５μmであり、またジルコニア板との間に付着等の不具合はなかった。
【００２７】
【発明の効果】
Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕのうちの少なくとも１種からなる導電用金属で形成される配線部と、ガラスとセラミック粉末のフィラ−とからなるガラスセラミックで形成される絶縁部とよりなる、配線部材料の焼結開始温度とガラスセラミックのガラス成分の軟化点が１００℃以上異なるセラミック多層配線基板の製造方法において、
１）配線部が印刷されたグリ−ンシ−ト積層体を、前記ガラスの軟化点をＴｓ（℃）とする場合、（Ｔｓ−３０）〜Ｔｓの範囲の温度で焼成し予備焼成体とする予備焼成工程と
２）前記予備焼成体を荷重をかけて焼成する本焼成工程とを有することにより、反りが小さく、しかも加重を負荷するにたる予備焼成体を得ることができ、よってこの予備焼成体に荷重をかけて焼成することにより反りの少ない焼結体を得ることができる。特に、ガラスセラミック材料のガラス成分の軟化点と配線材料の焼結開始温度とが大きく異なり、焼成収縮挙動が大きく異なる場合においても、セラミック多層配線基板の反り、変形の発生を抑制できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の製造方法における本焼成の状態を示す断面図。
１：下敷きのジルコニア板
２：グリ−ンシ−ト積層体
３：重しのジルコニア板

Claims (4)

1. Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｕのうちの少なくとも１種からなる導電用金属で形成される配線部と、ガラスとセラミック粉末のフィラ−とからなるガラスセラミックで形成される絶縁部とよりなる、配線部材料の焼結開始温度とガラスセラミックのガラス成分の軟化点が１００℃以上異なるセラミック多層配線基板の製造方法において、
   １）配線部が印刷されたグリ−ンシ−ト積層体を、前記ガラス成分の軟化点をＴｓ（℃）とする場合、（Ｔｓ−３０）〜Ｔｓの範囲の温度で焼成し予備焼成体とする予備焼成工程と２）前記予備焼成体を荷重をかけて焼成する本焼成工程とを有することを特徴とするセラミック多層配線基板の製造方法。
2. 請求項１に記載のセラミック多層配線基板の製造方法であって、
   前記セラミック多層配線基板に、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｗ、Ｍｏ、Ｌａ、Ｔａ、Ｎｂのうちの少なくとも１種からなる金属またはその化合物を含む抵抗部を有することを特徴とするセラミック多層配線基板の製造方法。
3. 前記ガラスの軟化点：Ｔｓが７００〜９００℃であることを特徴とする請求項１または２に記載のセラミック多層配線基板の製造方法。
4. 前記荷重が１．０〜６．０ｇ／ｃｍ2の範囲であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のセラミック多層配線基板の製造方法。

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