JP3827447B2 - Multilayer wiring board and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化物セラミックスを絶縁基板とする多層配線基板に関し、詳細には1400℃〜1500℃の温度での焼結が可能で良好な熱伝導率を有し、かつマイグレーションの少ない低抵抗の配線層を具備した多層配線基板とその製造方法に関する。
【0002】
【従来技術】
近年、半導体素子の高集積化に伴い、半導体装置から発生する熱も増加している。半導体装置の誤動作をなくすためには、このような熱を装置外に放出可能な配線基板が必要である。
【0003】
一方、電気的な特性としては、演算速度の高速化により、信号の遅延が問題となり、導体損失の小さい、つまり低抵抗の導体を用いることが要求されてきた。従来から多用されているタングステンを主体とした導体では高々8mΩ/□程度までしか低くできなかった。そこで低抵抗導体である銅や銀と同時焼成可能な、いわゆるガラスセラミックスを用いた多層配線基板が提案されている。
【0004】
ところが、ガラスセラミックスの熱伝導率は高々数W/m・Kしかなく、前記熱的問題を解決することが難しくなってきている。そこで、この熱的問題点と、電気的問題点を同時に解決する方法として、酸化アルミニウムに、銅、または銅とタングステンまたはモリブデンを組み合わせた導体層を同時焼成により形成する方法が特開平7−15101号、特開平8−8502号、特許第2666744号に提案されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平8−8502号は、そもそも酸化アルミニウムを緻密化させるために、1600℃以上の高い温度で焼成することを前提とするものであり、その結果、配線層中の銅成分が、焼成中に絶縁基板のセラミックス中に拡散し、配線層間の絶縁性が劣化するという問題があった。
【0006】
銅の拡散を抑制する為には、セラミックスの低温での焼結性を改善して焼成温度を低くするも有効的と考えられるが、焼成温度を低くしても焼成炉及び焼成治具等から発生する酸素またはこの酸素と雰囲気中の水素との反応で生成する水蒸気により銅が酸化してしまい、銅が拡散しやすい酸化銅となるために、結果として焼成中の拡散または揮散を防止することができず、配線層間の絶縁性が劣化を防止できないという問題があった。
【0007】
しかも、特開平7−15101号によれば、すべての配線層を絶縁基板内部に配設して同時焼成した後、研磨等により表面の絶縁層を除去して導体を表面に露出させて表面配線層を形成することが開示されているが、本方法では当然ながら、研磨等の工程が付加されるためコストアップにつながるものであった。
【0008】
さらに、特許第2666744号には、平均粒径が5〜50nmの微細なアルミナ粉末を用い1200℃以下の低温で金、銀、銅、等と同時焼成する方法が開示されているが、このような微粉末を用いることは工程上、大きな困難を伴うことになり、コストアップにつながるものであった。
【0009】
従って、本発明は、銅を含む低抵抗導体からなる内部配線層を同時焼成により形成し、銅の拡散による配線層間の絶縁劣化を防止し、高密度の配線層が形成可能であり、且つ研磨工程等を必要としない安価な多層配線基板と、その製造方法を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記課題に対して検討を重ねた結果、酸化物セラミックスを絶縁基板とする多層配線基板において、配線層中の銅のセラミックス中への拡散距離が20μm以下であると実質的に配線層間の絶縁性が劣化しないこと、また、焼成温度及び雰囲気の最適化を図ることにより、配線層中の銅の拡散または揮散を抑制し、銅の拡散距離を小さくでき、しかも焼き肌面の表面粗さを小さくできることを見出し本発明に至った。
【0011】
即ち、本発明の多層配線基板は、主結晶相の平均結晶粒径が1.5〜5.0μmの酸化アルミニウム質セラミックスからなる複数の絶縁層を積層してなる絶縁基板と、
該絶縁基板内部に配設された、銅とタングステンおよび/またはモリブデンを含み、Cu/(Cu+W+Mo)の体積比率が0.3〜0.9の複合材料を主成分とする導体からなる内部配線層と、
該絶縁基板表面に配設された、Wおよび/またはMoの導体成分からなる、または銅とタングステンおよび/またはモリブデンを含み、Cu/(Cu+W+Mo)の体積比率が0.3〜0.9の複合材料を主成分とする導体からなる表面配線層と、を具備してなり、
前記内部配線層の周囲の前記セラミックスへの銅の拡散距離が20μm以下であり、且つ前記絶縁基板の前記表面配線層が形成された基板表面が表面粗さ(Ra)が1μm以下の焼き肌面からなることを特徴とするものである。
【0012】
なお、前記酸化アルミニウム質セラミックスの熱伝導率が15W/m・K以上であることが望ましい。さらには、配線層間の最小線間距離が100μm以下であること、絶縁層内に複数のビアホール導体が形成されており、該ビアホール導体間の最小離間距離が100μm以下であること、絶縁基板表面が、研磨加工されていないことが望ましい。
【0013】
また、かかる多層配線基板の製造方法として、平均粒径が0.5〜2.5μmの酸化アルミニウムセラミック粉末を主成分とする混合粉末からなるシート状成形体表面に、内部配線層用として、少なくとも銅とタングステンおよび/またはモリブデンとの複合材料を導体成分とする導体ペーストを、また表面配線層用として、タングステンおよび/またはモリブデンを導体成分とする、または少なくとも銅とタングステンおよび/またはモリブデンとの複合材料を導体成分とする導体ペーストを、配線パターン状に印刷塗布してなる複数のシート状成形体を積層した後、該積層体を水素および窒素を含む露点−20℃以下の雰囲気中で1400〜1500℃の温度で焼成することを特徴とするものである。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の多層配線基板の一実施態様を示す概略断面図を基に説明する。図1の多層配線基板は、酸化物セラミックスからなる複数の絶縁層1a,1b、1cが積層された絶縁基板1と、その絶縁層1a,1b,1c間に、内部配線層2a、さらには最表面の絶縁層1aの表面に表面配線層2bが設けられている。そして、上記の配線層のうち、内部配線層2aを少なくとも銅、あるいは銅とタングステンおよび/またはモリブデンとの複合材料を主成分とする導体によって形成したものであり、この内部配線層2aは、絶縁基板1と同時焼成によって形成されたものである。
【0015】
また、各層の配線層間は、絶縁層を貫通するように形成されたビアホール導体3によって電気的に接続される。このビアホール導体3も内部配線層2aと同様な導体によって同時焼成によって形成されることが望ましい。
【0016】
本発明によれば、図2に示すように、上記少なくとも銅を含む内部配線層2aの周囲の絶縁基板1のセラミックスへの銅の拡散距離xが20μm以下、特に10μm以下であることが重要である。即ち、銅のセラミックス中への拡散距離が20μmを超えると、配線層間の絶縁性が低下し、配線基板としての信頼性が保証できなくなるためである。なお、拡散距離xは、EPMA(X線マイクロアナライザー)分析において、配線層2aの端部から同一平面内において、銅元素が検出される領域の最外部までの距離xを10箇所測定した平均値である。
【0017】
また、絶縁基板1を形成する酸化物系セラミックスとしては、酸化アルミニウム、ムライト、フォルステライト等が知られているが、本発明における絶縁基板1は、酸化アルミニウムを主成分とするセラミックスからなるものである。これは、ムライトやフォルステライトセラミックスは、一般に熱伝導率が低く、前記熱的問題の解決には有効でないためである。また、絶縁基板1の熱伝導率は15W/m・K以上、特に20W/m・K以上であることが望ましい。
【0018】
なお、絶縁基板1が、酸化アルミニウムから構成される場合、セラミックス中には、内部配線層2aとの同時焼結性を達成する上で、焼結助剤として、SiO2 およびMgO、CaO、SrO等のアルカリ土類元素酸化物、さらに着色剤としてタングステン、モリブデン等の遷移金属を含んでもよい。
【0019】
なお、これらの焼結助剤成分は、合計で0.3〜10重量%の割合で含有することが望ましい。これらの焼結助剤の量が0.3重量%よりも少ないと、銅含有導体からなる内部配線層2aとの同時焼結性が低下し、10重量%よりも多いと、絶縁基板1の熱伝導性が低下するために、絶縁基板1のガラスセラミックスに対する長所が発揮されないためである。特に、銅含有導体との同時焼結性を高める上では、SiO2 およびMgO、CaOを酸化物換算で0.4〜8重量%の割合で含有せしめることが望ましい。
【0020】
絶縁基板1を形成する酸化物セラミックスの主結晶相を構成する酸化アルミニウム結晶は、粒状または柱状の結晶として存在するが、これら主結晶層の平均結晶粒径は、1.5〜5.0μmであることが必要である。なお、主結晶相が柱状結晶からなる場合、上記平均結晶粒径は、短軸径に基づくものである。
【0021】
この主結晶相の平均結晶粒径が1.5μmよりも小さいと、高熱伝導化が難しく、平均粒径が5.0μmよりも大きいと、銅がセラミックス中へ拡散するときのパスである粒界の長さが短くなるとともに拡散速度も速くなるために拡散距離が30μmを超えてしまうとともに、基板材料として用いる場合に要求される十分な強度が得られないためである。また、上記焼結助剤成分は、上記主結晶相の粒界に非晶質相あるいは結晶相として存在するが、銅の拡散を抑制し、熱伝導性を高める上で粒界中に結晶相が形成されていることが望ましい。
【0022】
本発明によれば、上記多層配線基板において、内部配線層2a、さらにはビアホール導体3は、いずれも絶縁基板1と同時焼成によって形成されるものであるが、絶縁基板1を形成するセラミックスの焼成温度に応じて、配線層を形成する導体も変えることが望ましい。
【0023】
例えば、絶縁基板1の焼成温度が1100℃以下の場合には、銅単味で可能であるが、1400℃以上の場合には、銅に対して、タングステンあるいはモリブデンを添加することにより、導体の焼成温度を徐々に高めることができ、酸化物系セラミックスとの焼成温度を整合させることができる。但し、タングステンやモリブデンの配合量が多くなると、導体の抵抗が大きくなり、銅導体を用いることの長所が生かせなくなる。
【0024】
焼成温度を1400℃以上で整合させることと、導体抵抗の抵抗を8mΩ/□以下とする上で、銅とタングステンおよび/またはモリブデンの体積比は、Cu/(Cu+W+Mo)は、0.3以上、特に0.4以上が望ましいが、酸化物セラミックスとの同時焼結を可能にし、配線のにじみ防止および熱膨張差を小さくする上で0.9以下がよい。
【0025】
また、本発明の多層配線基板において、表面配線層2bは、内部配線層2aと同様に、上記銅含有導体によって絶縁基板1と同時焼成によって形成することもできるが、概して、銅含有導体の最適焼成温度よりも高い温度で焼成すると、導体が溶融して表面張力によって凝集してしまう傾向にある。従って、表面配線層2bは、Wおよび/またはMoからなる導体成分に、酸化アルミニウム、または絶縁基板と同じ成分の粉末を2〜10重量%程度添加含有した組成のメタライズ層によって形成されることが望ましい。
【0026】
なお、本発明の多層配線基板は、内部配線層2a中の銅の拡散距離を20μm以下とすることにより、前記配線層のうち、同一平面内に形成された配線層間の最小線間距離を100μm以下、特に90μm以下の高密度配線化を図ることができる。また、同様に図1に示すように、1つの絶縁層内に複数のビアホール導体3が形成される場合、そのビアホール導体3間の最小離間距離も上記と同様な理由から100μm以下、特に90μm以下に制御することが可能である。
【0027】
さらに本発明の多層配線基板は、後述するように焼成温度及び雰囲気を制御して焼成することによって、絶縁基板1の表面の平均表面粗さRaを1μm以下、特に0.7μm以下の平滑性に優れた表面を形成できるものであり、その結果、絶縁基板1の表面に表面配線層2bを形成する場合、絶縁基板1表面を研磨加工等を施す必要がないことも大きな特徴である。
【0028】
次に、本発明の多層配線基板の製造方法について具体的に説明する。まず、絶縁基板を形成するために、酸化物セラミック粉末として、平均粒径が0.5〜2.5μm、特に0.5〜2.0μmの粉末を用いる。これは、平均粒径は0.5μmよりも小さいと、粉末の取扱いが難しく、また粉末のコストが高くなり、2.5μmよりも高いと、1500℃以下の温度で焼成することが難しくなるためである。
【0029】
また、酸化物セラミック粉末には、適宜焼結助剤を添加することができる。例えば、酸化アルミニウム原料粉末に対しては、焼結助剤成分として、SiO2 およびMgO、CaO粉末等を0.4〜8重量%の割合で添加混合する。そして、この混合粉末を用いて絶縁層を形成するためのシート状成形体を作製する。
【0030】
シート状成形体は、周知の成形方法によって作製することができる。例えば、上記混合粉末に有機バインダーや溶媒を添加してスラリーを調製した後、ドクターブレード法によって形成したり、混合粉末に有機バインダーを加え、プレス成形、圧延成形等により所定の厚みのシート状成形体を作製できる。
【0031】
このようにして作製したシート状成形体に対して、銅粉末、あるいは銅粉末とタングステン粉末および/またはモリブデン粉末とを、Cu/(Cu+W+Mo)の体積比率が0.3以上、特に0.4以上、さらには0.9以下の割合からなる混合粉末を主成分とする導体ペーストを調製し、このペーストを各シート状絶縁層にスクリーン印刷、グラビア印刷等の手法によって印刷塗布する。また、表面配線層として、上記銅含有導体用ペーストに代えて、固形成分として、タングステンおよび/またはモリブデンを導体成分とする導体ペーストを所定のシート状成形体表面に印刷塗布してもよい。
【0032】
なお、ビアホール導体を形成する場合には、シート状成形体に対して、マイクロドリル、レーザー等により直径が50〜250μmのビアホールを形成した後、このビアホール内に上記銅含有導体ペースト、あるいは上記銅無添加導体ペーストを充填する。
【0033】
これらの導体ペースト中には、絶縁層との密着性を高めるために、絶縁層を形成する酸化物セラミックスの主成分と同一の酸化アルミニウム粉末や、絶縁層の形成組成と同一の組成物を2〜10重量%の割合で添加することが望ましい。
【0034】
その後、導体ペーストを印刷塗布したシート状成形体を位置合わせして積層圧着する。この時、銅含有導体ペーストを印刷したシート状成形体は、内部配線層を形成するように、導体ペースト塗布面に他のシート状成形体が積層される。
【0035】
次に、本発明によれば、この焼成を、水素及び窒素を含み露点−20℃以下、特に−30℃以下の非酸化性雰囲気中、1400〜1500℃の温度で行うことが必要である。この焼成条件において、水素は銅含有導体の焼成前までの製造工程中で不可避的に生成された酸化膜を還元して除去する上で必要である。また、所望により、アルゴンガス等の不活性ガスを混入してもよい。
【0036】
なお、焼成時の露点が−20℃より高いと、焼成中に酸化物セラミックスと雰囲気中の水分とが反応し酸化膜を形成し、この酸化膜と銅含有導体の銅が反応してしまい、導体の低抵抗化の妨げとなるのみでなく、銅の拡散を助長してしまうためである。
【0037】
また、焼成温度が1500℃より高いと、酸化物セラミックスの主結晶相の粒径が大きくなり異常粒成長が発生するようになり、銅がセラミックス中へ拡散するときのパスである粒界の長さが短くなるとともに拡散速度も速くなる結果、拡散距離を30μm以下に抑制することが困難となるためである。好適には、1430〜1480℃の範囲がよい。
【0038】
【実施例】
以下、本発明を実施例をもとに説明する。
酸化アルミニウム粉末(平均粒径0.65μm)を主成分として表1に示すような各種焼結助剤と、成形用有機樹脂(バインダー)としてアクリル系バインダーと、トルエンを溶媒として混合した後、ドクターブレード法にて厚さ250μmのシート状に成形した。 そして、所定箇所にホール径120μmのビアホールをレーザーにより形成した。
【0039】
次に、銅粉末(平均粒径5μm)とW粉末(平均粒径1.2μm)あるいはMo粉末(平均粒径1μm)とを表1および3に示す比率で混合しアクリル系バインダーとをアセトンを溶媒として内部配線層用導体ペーストを作製した。また、W粉末(平均粒径:1.2μm)とアクリル系バインダーとをアセトンを溶媒として混合し表面配線層用およびビアホール導体用の導体ペーストを調製した。
【0040】
そして、シート状成形体上に内部配線層用導体ペーストを印刷塗布、乾燥を繰り返した。また、最表面絶縁層用のシート状成形体の表面には、表面配線層用導体ペーストを印刷塗布し乾燥した。なお、各シート状成形体のビアホール導体には、上記表面配線層用導体ペーストを充填した。
【0041】
上記のようにして作製した各シート状成形体を位置合わせして積層圧着して成形体積層体を作製した。その後、この成形体積層体を実質的に水分を含まない酸素含有雰囲気中(N2 +O2 または大気中)で脱脂を行った後、表1に示した温度、雰囲気にて焼成した。
【0042】
得られた焼結体の内部抵抗の導体抵抗、長さ、幅、厚みを測定した後、厚さ15μmの導体に換算したシート抵抗(mΩ/□)を算出した。同時に導体間抵抗は線間距離100μmの導体間の抵抗値を測定して求めた。また同試料について、銅の拡散距離をEPMA(X線マイクロアナライザー)を用いて測定した。
【0043】
なお、各絶縁基板の熱伝導率をレーザーフラッシュ法により測定し、その結果を表1に示した。また、走査電子顕微鏡(SEM)写真に対してインタセプト法に基づき絶縁基板における主結晶粒子の平均結晶粒径を求めた。さらに、絶縁基板の最表面における平均表面粗さRaを触針式表面粗さ計により測定した。
【0044】
【表1】
【0045】
【表2】
【0046】
表1に示すように、同時焼成時の露点が−20℃よりも高い試料No.1では、導体抵抗の上昇、銅の拡散距離が20μmを超え且つ表面荒さも低下した。また、雰囲気中に水素を含まない試料No.19、20では、メタライズの酸化が起こり、導体抵抗が上昇した。
【0047】
また、内部配線層組成において、Cu/(Cu+W+Mo)の体積比が0.3よりも小さい試料No.9、13では、導体抵抗が8mΩ/□よりも大きくなった。また、同時焼成の温度が1500℃よりも高い試料No.17では、銅拡散距離が20μmよりも大きくなることにより絶縁基板の絶縁性が劣化した。
【0048】
これらの比較例に対して、本発明の多層配線基板によれば、シート抵抗が8mΩ/□以下、銅の拡散距離20μm以下であり、これにより配線層間の抵抗を109 Ω以上に高めることができた。しかも、いずれも表面粗さRaが1μm以下であり、表面平滑性に優れるものであった。
【0049】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の銅含有導体からなる内部配線層を形成する場合、水素を含む露点が−20℃以下の非酸化性雰囲気中で同時焼成することにより、銅の絶縁基板中への拡散を20μm以下に抑制でき、これにより配線層間の絶縁劣化を防止し、高信頼性の高密度の配線層を形成することができる。しかも、焼成後の基板表面の平滑性に優れ、研磨工程等を必要としない安価な多層配線基板を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の多層配線基板の一実施態様を示す概略断面図である。
【図2】本発明の多層配線基板における内部配線層中の銅の拡散状態を説明するための図である。
【符号の説明】
1 絶縁基板
1a,1b、1c 絶縁層
2a 内部配線層
2b 表面配線層
3 ビアホール導体
4 銅元素[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a multilayer wiring board using an oxide ceramic as an insulating substrate, and in particular, can be sintered at a temperature of 1400 ° C. to 1500 ° C., has good thermal conductivity, and has low resistance and low migration. The present invention relates to a multilayer wiring board having a wiring layer and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
In recent years, heat generated from a semiconductor device has been increased with higher integration of semiconductor elements. In order to eliminate the malfunction of the semiconductor device, a wiring board capable of releasing such heat to the outside of the device is necessary.
[0003]
On the other hand, as an electrical characteristic, signal delay becomes a problem due to an increase in calculation speed, and it has been required to use a conductor having a small conductor loss, that is, a low resistance. Conventionally used conductors mainly composed of tungsten can only be reduced to about 8 mΩ / □. Therefore, a multilayer wiring board using so-called glass ceramics that can be fired simultaneously with copper and silver which are low resistance conductors has been proposed.
[0004]
However, since the thermal conductivity of glass ceramics is only a few W / m · K, it is difficult to solve the thermal problem. Thus, as a method for simultaneously solving the thermal problem and the electrical problem, a method of simultaneously forming a conductor layer of copper or a combination of copper and tungsten or molybdenum on aluminum oxide is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 7-15101. No. 1, JP-A-8-8502, and Japanese Patent No. 2666744.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, JP-A-8-8502 is based on the premise that firing is performed at a high temperature of 1600 ° C. or higher in order to densify the aluminum oxide. As a result, the copper component in the wiring layer is fired. There is a problem that the insulation between the wiring layers deteriorates due to diffusion into the ceramic of the insulating substrate.
[0006]
In order to suppress the diffusion of copper, it is considered effective to improve the sinterability at low temperatures of ceramics and lower the firing temperature. Preventing diffusion or volatilization during firing because copper is oxidized by the generated oxygen or water vapor generated by the reaction of this oxygen and hydrogen in the atmosphere, resulting in copper oxide that easily diffuses. There is a problem that the insulation between the wiring layers cannot be prevented from being deteriorated.
[0007]
Moreover, according to Japanese Patent Laid-Open No. 7-15101, after all the wiring layers are disposed inside the insulating substrate and fired at the same time, the surface insulating layer is removed by polishing or the like to expose the conductors on the surface, and the surface wiring Although it is disclosed that a layer is formed, the method of course adds a step such as polishing, which leads to an increase in cost.
[0008]
Furthermore, Japanese Patent No. 2666744 discloses a method of co-firing with gold, silver, copper, etc. at a low temperature of 1200 ° C. or lower using fine alumina powder having an average particle diameter of 5 to 50 nm. Use of such fine powder is accompanied by great difficulty in the process, leading to an increase in cost.
[0009]
Therefore, the present invention forms an internal wiring layer made of a low-resistance conductor containing copper by simultaneous firing, prevents insulation deterioration between wiring layers due to copper diffusion, can form a high-density wiring layer, and is polished. An object of the present invention is to provide an inexpensive multilayer wiring board that does not require a process or the like and a manufacturing method thereof.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
As a result of repeated studies on the above problems, the present inventors have found that, in a multilayer wiring board using an oxide ceramic as an insulating substrate, the diffusion distance of copper in the wiring layer into the ceramic is substantially 20 μm or less. In addition, the insulation between the wiring layers does not deteriorate, and by optimizing the firing temperature and atmosphere, the diffusion or volatilization of copper in the wiring layer can be suppressed, the copper diffusion distance can be reduced, and the burnt surface The present inventors have found that the surface roughness of can be reduced, leading to the present invention.
[0011]
That is, the multilayer wiring board of the present invention includes an insulating substrate formed by laminating a plurality of insulating layers made of aluminum oxide ceramics having an average crystal grain size of a main crystal phase of 1.5 to 5.0 μm,
An internal wiring layer made of a conductor composed mainly of a composite material containing copper and tungsten and / or molybdenum and having a volume ratio of Cu / (Cu + W + Mo) of 0.3 to 0.9, disposed inside the insulating substrate When,
A composite composed of a conductive component of W and / or Mo disposed on the surface of the insulating substrate or containing copper and tungsten and / or molybdenum and having a volume ratio of Cu / (Cu + W + Mo) of 0.3 to 0.9 A surface wiring layer made of a conductor mainly composed of a material,
The diffusion length of copper into the ceramic around the internal wiring layer is not more 20μm or less, and the insulating surface of the substrate to the surface wiring layer is formed is a surface roughness (Ra) of less burnt skin surface 1μm substrate It is characterized by comprising.
[0012]
The aluminum oxide ceramics preferably has a thermal conductivity of 15 W / m · K or more. Furthermore, the minimum distance between the wiring layers is 100 μm or less, a plurality of via-hole conductors are formed in the insulating layer, the minimum separation distance between the via-hole conductors is 100 μm or less, and the insulating substrate surface is It is desirable that it is not polished.
[0013]
In addition, as a method for manufacturing such a multilayer wiring board, on the surface of a sheet-like molded body made of a mixed powder mainly composed of an aluminum oxide ceramic powder having an average particle size of 0.5 to 2.5 μm , at least for an internal wiring layer Conductive paste containing a composite material of copper and tungsten and / or molybdenum as a conductive component, and for a surface wiring layer, tungsten and / or molybdenum as a conductive component, or at least a composite of copper and tungsten and / or molybdenum After laminating a plurality of sheet-like molded bodies obtained by printing and applying a conductor paste containing a material as a conductor component in a wiring pattern, the laminated body is 1400 to 1400 ° C. in an atmosphere containing hydrogen and nitrogen at a dew point of −20 ° C. or lower. It is characterized by firing at a temperature of 1500 ° C.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Below, it demonstrates based on the schematic sectional drawing which shows one embodiment of the multilayer wiring board of this invention. The multilayer wiring board of FIG. 1 includes an
[0015]
In addition, the wiring layers of each layer are electrically connected by a via-
[0016]
According to the present invention, as shown in FIG. 2, it is important that the diffusion distance x of copper to the ceramic of the
[0017]
As the oxide ceramics forming the insulating
[0018]
In the case where the insulating
[0019]
In addition, it is desirable to contain these sintering aid components in a proportion of 0.3 to 10% by weight in total. If the amount of these sintering aids is less than 0.3% by weight, the co-sinterability with the
[0020]
Aluminum oxide crystals constituting the main crystal phase of the oxide ceramic forming the insulating
[0021]
When the average crystal grain size of the main crystal phase is smaller than 1.5 μm, it is difficult to achieve high thermal conductivity, and when the average grain size is larger than 5.0 μm, the grain boundary is a path when copper diffuses into the ceramic. This is because the diffusion length exceeds 30 μm because the length of the film becomes shorter and the diffusion speed becomes faster, and sufficient strength required for use as a substrate material cannot be obtained. The sintering aid component exists as an amorphous phase or a crystalline phase at the grain boundary of the main crystalline phase, but suppresses the diffusion of copper and improves the thermal conductivity. Is preferably formed.
[0022]
According to the present invention, in the multilayer wiring board, the
[0023]
For example, when the firing temperature of the insulating
[0024]
In matching the firing temperature at 1400 ° C. or more and making the resistance of the conductor resistance 8 mΩ / □ or less, the volume ratio of copper and tungsten and / or molybdenum is Cu / (Cu + W + Mo) is 0.3 or more, In particular, 0.4 or more is desirable, but 0.9 or less is preferable in order to enable simultaneous sintering with oxide ceramics, to prevent wiring bleeding and to reduce the thermal expansion difference .
[0025]
In the multilayer wiring board of the present invention, the surface wiring layer 2b can be formed by co-firing with the insulating
[0026]
In the multilayer wiring board of the present invention, the minimum distance between the wiring layers formed in the same plane among the wiring layers is 100 μm by setting the copper diffusion distance in the
[0027]
Furthermore, the multilayer wiring board of the present invention has a smoothness of 1 μm or less, particularly 0.7 μm or less, of the average surface roughness Ra of the surface of the insulating
[0028]
Next, the manufacturing method of the multilayer wiring board of this invention is demonstrated concretely. First, in order to form an insulating substrate, a powder having an average particle size of 0.5 to 2.5 μm, particularly 0.5 to 2.0 μm is used as the oxide ceramic powder. This is because if the average particle size is smaller than 0.5 μm, it is difficult to handle the powder, and the cost of the powder becomes high, and if it is higher than 2.5 μm, it is difficult to fire at a temperature of 1500 ° C. or less. It is.
[0029]
In addition, a sintering aid can be appropriately added to the oxide ceramic powder. For example, with respect to the aluminum oxide raw material powder, SiO 2, MgO, CaO powder and the like are added and mixed at a ratio of 0.4 to 8 wt% as a sintering aid component. And the sheet-like molded object for forming an insulating layer using this mixed powder is produced.
[0030]
The sheet-like molded body can be produced by a known molding method. For example, after preparing a slurry by adding an organic binder or solvent to the above mixed powder, it is formed by a doctor blade method, or an organic binder is added to the mixed powder, and sheet-like molding with a predetermined thickness is performed by press molding, rolling molding, or the like. The body can be made.
[0031]
The volume ratio of Cu / (Cu + W + Mo) is 0.3 or more, particularly 0.4 or more, with respect to the sheet-like molded body thus produced, copper powder or copper powder and tungsten powder and / or molybdenum powder. Furthermore, a conductor paste mainly composed of a mixed powder having a ratio of 0.9 or less is prepared, and this paste is printed and applied to each sheet-like insulating layer by a technique such as screen printing or gravure printing. Further, as the surface wiring layer, instead of the copper-containing conductor paste, a conductor paste containing tungsten and / or molybdenum as a conductor component as a solid component may be printed and applied on the surface of a predetermined sheet-like molded body.
[0032]
In addition, when forming a via-hole conductor, after forming a via hole with a diameter of 50-250 micrometers with respect to a sheet-like molded object by a micro drill, a laser, etc., the said copper containing conductor paste or the said copper in this via hole Fill with additive-free conductor paste.
[0033]
In these conductor pastes, in order to improve the adhesion to the insulating layer, the same aluminum oxide powder as the main component of the oxide ceramic forming the insulating layer, or the same composition as the insulating layer forming composition is used. It is desirable to add at a ratio of -10 wt%.
[0034]
Thereafter, the sheet-like molded body on which the conductive paste is printed and applied is aligned and laminated and pressure-bonded. At this time, the sheet-like molded body on which the copper-containing conductor paste is printed is laminated with another sheet-like molded body on the conductor paste application surface so as to form an internal wiring layer.
[0035]
Next, according to the present invention, this calcination needs to be performed at a temperature of 1400 to 1500 ° C. in a non-oxidizing atmosphere containing hydrogen and nitrogen and having a dew point of −20 ° C. or lower, particularly −30 ° C. or lower. Under this firing condition, hydrogen is necessary for reducing and removing the oxide film inevitably generated in the manufacturing process before firing the copper-containing conductor. Moreover, you may mix inert gas, such as argon gas, as desired.
[0036]
If the dew point during firing is higher than −20 ° C., oxide ceramics react with moisture in the atmosphere during firing to form an oxide film, and this oxide film and copper of the copper-containing conductor react, This is because it not only prevents the resistance of the conductor from being lowered, but also promotes copper diffusion.
[0037]
Further, when the firing temperature is higher than 1500 ° C., the grain size of the main crystal phase of the oxide ceramics becomes large and abnormal grain growth occurs, and the grain boundary length, which is a path when copper diffuses into the ceramics. This is because it becomes difficult to suppress the diffusion distance to 30 μm or less as a result of shortening the length and increasing the diffusion speed. Preferably, the range of 1430-1480 degreeC is good.
[0038]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described based on examples.
After mixing aluminum oxide powder (average particle size 0.65 μm) as a main component with various sintering aids as shown in Table 1, acrylic binder as molding organic resin (binder), and toluene as solvent, doctor It was formed into a sheet having a thickness of 250 μm by the blade method. Then, a via hole having a hole diameter of 120 μm was formed by a laser at a predetermined location.
[0039]
Next, copper powder (average particle size: 5 μm) and W powder (average particle size: 1.2 μm) or Mo powder (average particle size: 1 μm) are mixed at a ratio shown in Tables 1 and 3, and an acrylic binder is added to acetone. A conductor paste for internal wiring layers was produced as a solvent. Further, W powder (average particle size: 1.2 μm) and an acrylic binder were mixed with acetone as a solvent to prepare a conductor paste for a surface wiring layer and a via-hole conductor.
[0040]
And the conductor paste for internal wiring layers was printed on the sheet-like molded body, and drying was repeated. Moreover, the conductor paste for surface wiring layers was printed on the surface of the sheet-like molded body for the outermost insulating layer and dried. The via-hole conductor of each sheet-like molded body was filled with the above-described surface wiring layer conductor paste.
[0041]
Each sheet-like molded body produced as described above was positioned and laminated and pressure-bonded to produce a molded body laminate. Thereafter, this molded body laminate was degreased in an oxygen-containing atmosphere substantially free of moisture (N 2 + O 2 or air), and then fired at the temperature and atmosphere shown in Table 1.
[0042]
After measuring the conductor resistance, length, width and thickness of the internal resistance of the obtained sintered body, the sheet resistance (mΩ / □) converted to a conductor having a thickness of 15 μm was calculated. At the same time, the inter-conductor resistance was obtained by measuring the resistance value between conductors having a line distance of 100 μm. Moreover, about the sample, the diffusion distance of copper was measured using EPMA (X-ray microanalyzer).
[0043]
The thermal conductivity of each insulating substrate was measured by a laser flash method, and the results are shown in Table 1. In addition, the average crystal grain size of the main crystal grains in the insulating substrate was obtained from the scanning electron microscope (SEM) photograph based on the intercept method. Furthermore, the average surface roughness Ra on the outermost surface of the insulating substrate was measured with a stylus type surface roughness meter.
[0044]
[Table 1]
[0045]
[Table 2]
[0046]
As shown in Table 1, in sample No. 1 in which the dew point during co-firing was higher than −20 ° C., the conductor resistance increased, the copper diffusion distance exceeded 20 μm, and the surface roughness also decreased. Further, in samples No. 19 and 20 that did not contain hydrogen in the atmosphere, oxidation of metallization occurred and the conductor resistance increased.
[0047]
Further, in the internal wiring layer composition, in the samples No. 9 and 13 in which the volume ratio of Cu / (Cu + W + Mo) was smaller than 0.3, the conductor resistance was larger than 8 mΩ / □. Further, in sample No. 17 in which the co-firing temperature is higher than 1500 ° C., the insulating property of the insulating substrate deteriorated due to the copper diffusion distance becoming larger than 20 μm.
[0048]
In contrast to these comparative examples, according to the multilayer wiring board of the present invention, the sheet resistance is 8 mΩ / □ or less and the copper diffusion distance is 20 μm or less, thereby increasing the resistance between the wiring layers to 10 9 Ω or more. did it. Moreover, in all cases, the surface roughness Ra was 1 μm or less, and the surface smoothness was excellent.
[0049]
【The invention's effect】
As described above in detail, when forming the internal wiring layer made of the copper-containing conductor of the present invention, by co-firing in a non-oxidizing atmosphere having a dew point of hydrogen of -20 ° C. or lower, into a copper insulating substrate. Diffusion can be suppressed to 20 μm or less, whereby insulation deterioration between the wiring layers can be prevented, and a highly reliable high-density wiring layer can be formed. Moreover, it is possible to provide an inexpensive multilayer wiring board that is excellent in the smoothness of the substrate surface after firing and does not require a polishing step.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an embodiment of a multilayer wiring board according to the present invention.
FIG. 2 is a view for explaining a diffusion state of copper in an internal wiring layer in the multilayer wiring board of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (6)
該絶縁基板内部に配設された、銅とタングステンおよび/またはモリブデンを含み、Cu/(Cu+W+Mo)の体積比率が0.3〜0.9の複合材料を主成分とする導体からなる内部配線層と、
該絶縁基板表面に配設された、Wおよび/またはMoの導体成分からなる、または銅とタングステンおよび/またはモリブデンを含み、Cu/(Cu+W+Mo)の体積比率が0.3〜0.9の複合材料を主成分とする導体からなる表面配線層と、を具備してなり、
前記内部配線層の周囲の前記セラミックスへの銅の拡散距離が20μm以下であり、且つ前記絶縁基板の前記表面配線層が形成された基板表面が表面粗さ(Ra)が1μm以下の焼き肌面からなることを特徴とする多層配線基板。An insulating substrate formed by laminating a plurality of insulating layers made of an aluminum oxide ceramic whose main crystal phase has an average crystal grain size of 1.5 to 5.0 μm;
An internal wiring layer made of a conductor composed mainly of a composite material containing copper and tungsten and / or molybdenum and having a volume ratio of Cu / (Cu + W + Mo) of 0.3 to 0.9, disposed inside the insulating substrate When,
A composite composed of a conductive component of W and / or Mo disposed on the surface of the insulating substrate or containing copper and tungsten and / or molybdenum and having a volume ratio of Cu / (Cu + W + Mo) of 0.3 to 0.9 A surface wiring layer made of a conductor whose main component is a material,
The diffusion length of copper into the ceramic around the internal wiring layer is not more 20μm or less, and the insulating surface of the substrate to the surface wiring layer is formed is a surface roughness (Ra) of less burnt skin surface 1μm substrate multilayer wiring substrate characterized by comprising the.
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