JP3791026B2

JP3791026B2 - ガラスセラミック配線板、その製造方法およびそれに用いる導体ペースト

Info

Publication number: JP3791026B2
Application number: JP26466595A
Authority: JP
Inventors: 浩志海野
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 1995-09-20
Filing date: 1995-09-20
Publication date: 2006-06-28
Anticipated expiration: 2015-09-20
Also published as: JPH0992976A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハイブリッドＩＣ、マルチチップモジュール、チップサイズパッケージ等に用いるためのガラスセラミック多層配線板、その製造方法およびこの方法に用いる導体ペーストに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、配線材料に、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｄまたはそれらの混合物を配線材料とし、絶縁材料にガラスセラミックを用いた低温焼成多層基板が用いられるようになった。この多層基板は、１０００℃以下の低温で焼成できることや配線の導電率が高い利点がある。
一方、上記多層基板は、焼成により１０〜２０％程度の収縮を生じる。この収縮量は、粉体ロットや積層条件、焼成条件等を十分に管理しても±０．５％程度のばらつきを生じるといわれている。このため、上記多層基板を寸法によりクラス分けし、各々のクラスに応じたスクリーン版を用いて、最上層配線印刷を行う方法がとられている。この方法は、上記多層基板をクラス分けするのに手間がかかり、スクリーン版を数多く用意しなければならないため不経済である。
【０００３】
上記問題を解決するため、配線パターンを形成したガラスセラミックよりなるグリーンシート（「ガラスセラミックよりなるグリーンシート」を以下、「ガラスセラミックグリーンシート」という）を所望枚数積層した後、該ガラスセラミックグリーンシートの焼成温度では焼結しないアルミナ、ジルコニア等の耐火物粉末よりなるグリーンシート（「ガラスセラミックグリーンシートの焼成温度では焼結しない耐火物粉末よりなるグリーンシート」を以下、「耐火物粉末グリーンシート」という）を該ガラスセラミック積層体の両面に積層し、加圧して一体化し、１０００℃以下の温度で焼成し、次いで該焼成を経た耐火物粉末よりなるシート（「焼成を経た耐火物粉末よりなるシート」を以下、「耐火物粉末シート」という）を除去することにより、平面方向の焼成収縮がゼロの寸法精度の高いガラスセラミック配線板を製造する方法が開発された。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の製造方法において、以下に示すような問題が明らかになった。すなわち、上記耐火物粉末シートを除去した後、該耐火物粉末が多層基板表面の配線に固着して、ブラシでこする等の簡単な方法で十分に除去できない。固着した耐火物粉末は、配線のはんだ濡れ性を阻害する。この固着物は、研磨により取り除くことが出来るが、研磨の工数が増えるばかりでなく、配線を傷付けることもある。
また、特開平５−３２７２１７号公報では、耐火物粉末グリーンシートにおける、多層基板のビアあるいは電極に対応する位置に、孔開け加工を施し、ビアあるいは配線が耐火物粉末と接触しないようにすることを提案している。この方法では、耐火物粉末グリーンシートを加工する工数が増大するし、配線が多い場合には適用不可能である。
本発明の目的は、上記事情に鑑み、平面方向の焼成収縮がゼロで、表面の配線のはんだ濡れ性を改善するガラスセラミック配線板、その製造方法および該配線の配線パターンを形成するために用いられる導体ペーストを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
ガラスセラミックグリーンシートに配線パターンを形成するために用いられ、Ａｇ粉をビヒクルに分散させてなる導体ペーストにおいて、該Ａｇ粉が球状Ａｇ粉とフレーク状Ａｇ粉とからなることを特徴とする本発明の導体ペーストにより、上記目的が達成される。
また、上記本発明の導体ペーストによって配線パターンを形成したガラスセラミックグリーンシートを積層した後、耐火物粉末グリーンシートを該ガラスセラミック積層体の両面に積層し、加圧して一体化し、１０００℃以下の温度で焼成し、次いで耐火物粉末シートを除去することからなる本発明のガラスセラミック配線板の製造方法により上記目的が達成される。
さらに、上記本発明の導体ペーストによって配線パターンを形成したガラスセラミックグリーンシートを積層した後、耐火物粉末グリーンシートを該ガラスセラミック積層体の両面に積層し、加圧して一体化し、焼成し、次いで耐火物粉末シートを除去する方法により製造されたガラスセラミック配線板によっても、上記目的は達成される。
【０００６】
【発明の実施の形態】
［導体膜］
導体ペーストの作製に用いる球状Ａｇ粉およびフレーク状Ａｇ粉は、市販のもので良い。球状Ａｇ粉とフレーク状Ａｇ粉の混合粉末を用いることにより、はんだがよく付くようになる。これに対して、球状Ａｇ粉単独あるいはフレーク状Ａｇ粉単独で作製した導体ペーストによって配線パターンを形成すると、ガラスセラミック積層体の両面に積層した耐火物粉末グリーンシートを構成する耐火物粉末が、耐火物粉末シートを除去した後、ガラスセラミック積層体に固着してはんだが付かない。これは、次の理由によるものと考えられる。すなわち、
球状Ａｇ粉単独あるいはフレーク状Ａｇ粉単独で作製した導体ペーストによって配線パターンを形成する際、緻密化する前の導体膜中にガラスセラミックグリーンシート中のガラス成分が、拡散し、該緻密化する前の導体膜表面に浮いてきて緻密化した導体膜表面に残るので、このガラス成分が、ガラスセラミック積層体を焼成する際、耐火物粉末グリーンシート中の耐火物粉末を固着する。一方、球状Ａｇ粉とフレーク状Ａｇ粉の混合粉末で作製した導体ペーストによって配線パターンを形成する際、球状Ａｇ粉単独あるいはフレーク状Ａｇ粉単独で導体ペーストを作製した場合より、導体膜が緻密化する温度が低下するので、ガラスセラミックグリーンシート中のガラス成分が緻密化する前の導体膜中に拡散する前に、緻密化した導体膜が形成されて該緻密化した導体膜表面に浮いてくるガラス成分が少なくなるので、このガラス成分が、ガラスセラミック積層体を焼成する際、耐火物粉末グリーンシート中の耐火物粉末を固着することがなくなるからと考えられる。
【０００７】
また、上記理由において、球状Ａｇ粉とフレーク状Ａｇ粉の混合粉末で作製した導体ペーストによると導体膜が緻密化する温度が低下するのは、配線パターンを形成する際に行う印刷、乾燥後における該混合粉末のパッキングが、球状Ａｇ粉単独あるいはフレーク状Ａｇ粉単独のパッキングよりよくなるからと考えられる。
球状Ａｇ粉とフレーク状Ａｇ粉の混合比率は、はんだ濡れ性から判断して重量にて２５：７５〜７５：２５とするのが好ましい。
また、電子顕微鏡による写真から測定した平均粒径は、球状Ａｇ粉は０．１〜１μｍ、フレーク状Ａｇ粉はフレーク面で１〜５μｍが好ましい。粒径が小さすぎると、ガラスセラミックグリーンシートを同時焼成する際に、ガラスセラミック基板にクラックが入って信頼性を損なう。また、粒径が大きすぎると耐火物粉末グリーンシート中の耐火物粉末が導体膜に固着してはんだが付かない。
導体ペーストの作製に用いるビヒクルは特に限定されないが、エチルセルロース、ポリビニルブチラール等の樹脂を単独で用いるかあるいは混合し、ターピネオール、ブチルカルビトール等の溶剤あるいはフタル酸ブチル等の可塑剤に溶解して作製する。樹脂の量は、作製される導体ペーストの粘度が回転粘度計（Ｂｒｏｏｋｆｉｅｌｄ社製、ＨＢＴ型）により測定して（１０ｒｐｍ）１５０〜５００Ｐａ・ｓになるように適宜選択すれば良い。
【０００８】
ビヒクル量は、球状とフレーク状を合わせた銀粉１００重量部に対して７〜２２重量部とすれば良い。７重量部よりも少ないとペースト状態にするのが困難になり、２２重量部よりも多いと導体ペーストの乾燥収縮が大きくなり導通不良が発生しやすくなる。
導体ペーストの粘度が１５０Ｐａ・ｓよりも軟らかいと、印刷の際に導体ペーストがだれて配線の短絡を引き起こす。また、５００Ｐａ・ｓよりも硬いと、導体ペーストがスクリーンを通過し難くなって、断線の欠点が増える。
［ガラスセラミックグリーンシート］
ガラスセラミックグリーンシートに用いるガラスセラミック粉末は、ガラス粉末とセラミックフィラーからなり、１０００℃以下で十分に焼結するものであれば良い。
ガラス粉末として、例えば酸化鉛、酸化亜鉛、アルカリ土類金属酸化物、アルカリ金属酸化物等を含有するアルミノ硼珪酸ガラスで、軟化点６００〜８００℃の非晶質ガラス粉末、あるいは６００〜１０００℃で結晶化する結晶化ガラス粉末などが使用できる。このガラス粉末にアルミナ、ジルコニア、ムライト、コージェライト、アノーサイト、シリカ等のセラミックフィラーを混合する。
ガラス粉末とセラミックフィラーの混合比率は、ガラスセラミック基板の抗折強度、誘電率、緻密性等の性能を勘案して調整されるが、一般的に重量比で約１：１が好ましい。
【０００９】
ガラス粉末とセラミックフィラーの混合粉末にバインダー、可塑剤、溶剤を加えて、ボールミル、アトライター等で混合してスラリー化し、ドクターブレード法等でガラスセラミックグリーンシートを作製する。バインダーとしては、例えばポリビニルブチラール、メタアクリルポリマー、アクリルポリマー等を使用することが出来る。また可塑剤としてはフタル酸の誘導体等を使用することができ、溶剤としてはアルコール類、ケトン類、塩素系有機溶剤等を使用することが出来る。
ガラスセラミック粉末グリーンシートの厚さは、所望する焼成体の厚さによって定めれば良く、例えば３０〜２００μｍ程度に成形する。
上記のようにして作成したグリーンシートを適当な大きさの外形寸法に切断し、スルーホールに導体ペーストを充填し、さらに配線を印刷する。
【００１０】
［耐火物粉末グリーンシート］
次に、ガラスセラミックグリーンシートの両面に耐火物粉末グリーンシートを積層する。
ガラスセラミック積層体の両面に積層する耐火物粉末グリーンシートを作製するために用いる耐火物粉末は、ガラスセラミックグリーンシートの焼成温度では焼結しないものであることが必要である。その理由は、上記耐火物粉末がガラスセラミックグリーンシートの焼成温度で焼結すると、焼成を経た耐火物粉末グリーンシートとガラスセラミックグリーンシートとが焼結してその後の耐火物粉末シートの除去が容易にできなかったり、該耐火物粉末シートを除去した後、該耐火物粉末が基板表面の配線に固着して該耐火物粉末の除去が容易にできなかったりするからである。このような耐火物粉末としては、例えばアルミナ、ジルコニア、窒化アルミニウム、窒化硼素、ムライト、マグネシア、炭化珪素等が使用できる。耐火物粉末の粒径は、大きい方が焼成後の該耐火物粉末の除去が容易であるが、あまり大きいとガラスセラミック基板の表面が粗くなるので、０．５〜４μｍ程度が好ましい。
耐火物粉末グリーンシートの厚さは、あまり薄いと膜の強度が弱くてハンドリングが悪く、また厚すぎると耐火物粉末の使用量が多くなり不経済であるので、３０〜２００μｍ程度が好ましい。
【００１１】
［加圧・焼成］
さらに、ガラスセラミック積層体とその両面に積層した耐火物粉末グリーンシートとを、ホットプレス機等で一体化し、焼成する。ホットプレス機の圧力は例えば５０〜３００ｋｇ／ｃｍ² 、温度は６０〜９０℃程度が好ましく、焼成は、例えば４５０〜６００℃程度に加熱して有機物を除去した後、１０００℃以下、例えば８００〜１０００℃で行う。
焼成を経た耐火物粉末シートを除去した直後の段階では、焼結したガラスセラミック積層体の両面に耐火物粉末が付着した状態であるので、ブラシ等でこすって水洗いするとこの耐火物粉末を多層基板から除去できる。この際、除去に超音波洗浄機を用いると効果的である。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明を実施例により説明する。
［実施例１］
ガラスセラミック粉末として、表１に示す組成のガラス粉末（平均粒径２．２μｍ）とアルミナ粉末（平均粒径１．７μｍ）を１：１の重量比率で混合した。
【００１３】
【表１】
成分ＰｂＯＳｉＯ₂ Ａｌ₂Ｏ₃ Ｂ₂Ｏ₃ ＣａＯ
重量％ 30.7 51.7 8.4 7.3 1.9
【００１４】
上記混合粉末１００重量部に対して、ボリビニルブチラール９重量部、フタル酸ジイソブチル７重量部、オレイン酸１重量部、イソプロピルアルコール４０重量部、トリクロロエタン２０重量部を加えてボールミルで２４時間混合して、スラリーを作製し、このスラリーをドクターブレード法で厚さ約２００μｍのガラスセラミックグリーンシートに成形した。
上記ガラスセラミックグリーンシートに１００μm の開孔を施し、導体ペーストを用いて孔埋めと配線形成をスクリーン印刷法によって行った。
導体ペーストは、平均粒径０．８μｍの球状Ａｇ粉と、平均粒径４．５μｍのフレーク状Ａｇ粉とを重量にて１０：９０の配合比率で混合し、この混合Ａｇ粉末１００重量部をエチルセルロース６％のターピネオール溶液１８重量部とともにスリーロールミルで混合したものを用いた。
【００１５】
次に、平均粒径１．７μｍのアルミナ粉末を用いて、上記ガラスセラミックグリーンシートと同様の方法により厚さ約２００μｍの耐火物粉末グリーンシートを作製した。
前記配線形成済みのガラスセラミックグリーンシートを５枚積み重ね、さらにその両面に前記アルミナグリーンシートを重ね合わせ、１５０ｋｇ／ｃｍ² 、８５℃の条件で加圧成形した。
平坦度（＝平面方向単位長さ当りの反り量）０．０５％で、気孔率７０％のアルミナ製板上に上記成形体を置き、５２０℃、３時間加熱して有機物を除去し、次いで９００℃、１時間加熱して焼成した。
焼成後、水洗い、ブラシ洗いをして、ガラスセラミック積層体からアルミナシートを除去した。
このガラスセラミック積層体の表面には、アルミナが付着しているため、超音波洗浄機で２０分処理したところ、このアルミナはきれいに取り除くことができた。
以上のようにして得られた基板は、平面方向の焼成収縮率が０．３％であった（平面方向の焼成収縮率は、以下の実施例、比較例でも同様であった）。電極の表面にフラックス（タムラ化研製、Ｓ- １００）を塗布して、温度が２３０℃、組成が重量比で２Ａｇ／３６Ｐｂ／６２Ｓｎのはんだ浴に２秒間浸した。
電極上のはんだ濡れ性を、ピンホールの無いものを○、濡れ面積９５％以上を△、濡れ面積９５％未満を×として評価すると、△であった。なお、評価が○と△のものは合格であり、×のものは不合格と判断される。
【００１６】
【表２】

【００１７】
［実施例２〜５］
導体ペーストを調製する際、球状Ａｇ粉とフレーク状Ａｇ粉との配合比率を表２に示すようにした以外は、実施例１と同様にして試験した。各々のはんだ濡れ性の評価結果を表２に示す。
【００１８】
［実施例６、７］
導体ペーストを調製する際、球状Ａｇ粉の平均粒径を１．７μｍ（実施例６）、３．０μｍ（実施例７）とした以外は、実施例３と同様にして試験した。各々のはんだ濡れ性の評価結果を表２に示す。
【００１９】
［比較例１〜３］
導体ペーストを調製する際、平均粒径が３．０μｍ（比較例１）、１．７μｍ（比較例２）、０．８μｍ（比較例３）の球状Ａｇ粉のみを用い、フレーク状Ａｇ粉を用いなかった以外は、実施例１と同様にして試験した。各々のはんだ濡れ性の評価結果を表２に示す。
【００２０】
［比較例４］
導体ペーストを調製する際、平均粒径を４．５μｍのフレーク状Ａｇ粉のみを用い、球状Ａｇ粉を用いなかった以外は、実施例１と同様にして試験した。はんだ濡れ性の評価結果を表２に示す。
【００２１】
【発明の効果】
本発明のガラスセラミック配線板、その製造方法およびそれに用いる導体ペーストにより、高寸法精度のガラスセラミック配線板の製造において、基板表面の配線は基板と同時焼成してもはんだ濡れ性が良好であり、部品実装の信頼性は著しく向上する。

Claims

Ａｇ粉を含有する導体ペーストによって配線パターンを形成したガラスセラミックグリーンシートを積層した後、該ガラスセラミックグリーンシートの焼成温度では焼結しない耐火物粉末グリーンシートを該ガラスセラミック積層体の両面に積層し、加圧して一体化し、１０００℃以下の温度で焼成し、次いで該焼成を経た耐火物粉末シートを除去し、前記ガラスセラミック積層体の表面の配線パターンに付着した耐火物粉末を除去する方法において、前記導体ペーストに、球状Ａｇ粉とフレーク状Ａｇ粉とからなるＡｇ粉を使用することを特徴とするガラスセラミック配線板の製造方法。
球状Ａｇ粉とフレーク状Ａｇ粉の配合比率が、重量にて２５：７５〜７５：２５である請求項１に記載のガラスセラミック配線板の製造方法。
Ａｇ粉を含有する導体ペーストによって配線パターンを形成したガラスセラミックグリーンシートを積層した後、該ガラスセラミックグリーンシートの焼成温度では焼結しない耐火物粉末グリーンシートを該ガラスセラミック積層体の両面に積層し、加圧して一体化し、焼成し、次いで該焼成を経た耐火物粉末シートを除去し、前記ガラスセラミック積層体の表面の配線パターンに付着した耐火物粉末を除去する方法により製造されたガラスセラミック配線板において、前記配線パターンが、球状Ａｇ粉とフレーク状Ａｇ粉とからなる導体ペーストにより形成されていることを特徴とするガラスセラミック配線板。
球状Ａｇ粉とフレーク状Ａｇ粉の配合比率が、重量にて２５：７５〜７５：２５である請求項３に記載のガラスセラミック配線板。