JP4038611B2 - セラミックス基板 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子や電子部品などと接続して電気回路を構成するセラミックス基板、特に突起電極（バンプ）といった突起導電部を有するセラミックス基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体素子の高集積化や電子部品の小型化に伴い、半導体素子、半導体パッケージおよび回路基板の外部端子密度は増大傾向にある。このため、端子を格子状にして基板主面に形成し、端子密度を増大させた端子構造・実装構造が盛用されている。例えば、半導体素子であればフリップチップ実装が、半導体パッケージであればＢＧＡ (Ball Grid Array)パッケージや、その小型であるＣＳＰ (Chip Scale Pakage)が挙げられる。
【０００３】
これらはいずれも、基板回路上に形成された突起電極を介して、外部回路と接続される。突起電極は、基板回路を形成した後に別に形成する必要がある。例えば、ＢＧＡでは、基板回路を形成した後、半田ボールを格子状に基板の電極上に配置し、電極に融着させる。この別工程が加わるためコストが高く、また半田ボールの大きさが不揃いであると、接続不良を生ずるという問題があった。
【０００４】
これらの問題点を解決するセラミックス基板の製造方法が特開平６−53655 号公報に開示されている。この製造方法について、図１〜３を参照しながら説明する。なお、同様の方法は、特開平７−202422号公報にも開示されている。
【０００５】
まず、焼結してセラミックス基板となる第１グリーンシート210, 220, 230 と、該グリーンシートの焼結温度では焼結しない未焼結シート11, 12, 13を用意する [図１(a)]。これらの未焼結シートは、焼結温度が第１グリーンシートより高い第２グリーンシートである。内側の未焼結シート12には突起電極 (バンプ) 形成用の貫通孔10を、第１グリーンシート210, 220にはビア形成用の貫通孔215, 225を、それぞれ形成する [図１(b)]。これらの貫通孔に導体ペースト５を充填する [図２(a)]。次に、各グリーンシート210, 220, 230 に回路形成用パターン59を形成する [図２(b)]。第１グリーンシートと未焼結シートとを重ね合わせて熱圧着し、得られた積層体を焼成する [図３(a)]。この焼成で、焼結温度が高い未焼結シート11, 12, 13は焼結しないが、第１グリーンシート210, 220, 230 と、回路形成用パターン59および貫通孔内の導体ペースト５は焼結し、それらの隣接部材間も接合される。最後に、未焼結シートを除去すると、配線回路59、ビア20、および柱状 (普通は円柱状) の突起電極50を有するセラミックス回路基板２が得られる [図３(b)]。未焼結シートは、焼成時にそのグリーンシートからバインダーが消失しているため、ハケなどで簡単に除去することができる。
【０００６】
この方法によれば、グリーンシート多層積層法によるセラミックス基板の製造において、突起電極50をその製造工程内で同時に形成することができるので、突起電極を有するセラミックス回路基板を従来より低コストで製造することが可能となる。また、突起電極形成用の貫通孔10は同じ高さを有するので、これに導体ペースト５を均一に充填することで、突起電極の高さをそろえることが可能となり、高さの不揃いによる接続不良も解消される筈である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した突起電極つきセラミックス基板の製造方法において、突起電極形成用の貫通孔10への導体ペースト５の充填方法は、スキージを用いたスクリーン印刷によって埋めて行く方法が一般的である。
【０００８】
ところが、セラミックス基板は、基板よりはるかに大きいパネル単位で製造される。１枚のパネルの大きさは、通常100 mmから200 mm角である。従って、大きなパネルに無数に形成されている直径 100〜500 μｍ程度の小さな貫通孔の全てに、導体ペーストを均等に充填することは、実際には困難である。そのため、上記の方法では、導体ペーストの充填量が不足した孔では、突起電極の高さが不足したり、機械的強度が不足したりする結果、実装不良の増大や信頼性の低下を招くという問題があった。
【０００９】
また、焼成中に焼結しない未焼結シートは、焼成後の厚みがほとんど減少しないのに対し、この未焼結シートの貫通孔に充填された、突起電極形成用の導体ペーストの方は、焼結による空隙の消失のため収縮が大きい。こうして、未焼結シート内では導体ペーストのみが収縮するため、導体ペーストの充填量が十分であっても、焼成で焼結した突起電極が十分に緻密化せず、機械的強度が不足することがある。
【００１０】
本発明は、すぐ上に述べた問題点を解消して、安価で、しかも実装不良や信頼性の問題を生じない、突起電極を有するセラミックス基板を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、突起電極形成用の貫通孔に導体ペーストを均等かつ十分に充填することは不可能であるという前提に基づいて、上記課題を解決すべく検討した。その結果、前述した方法において、積層体の焼成工程を、積層体をその主面 (積層体の最大面積の表面、積層方向と垂直の表面) に概ね垂直方向に加圧しながら行うことにより、緻密に焼結して十分な機械的強度を有し、かつ高さも揃った突起電極を形成できることを究明した。その理由は次のように推測される。
【００１２】
前述した方法において、突起電極形成用の貫通孔の高さは、未焼結シートの厚みにほぼ等しい。未焼結シート (即ち、グリーンシート) の厚みは、一般に±５μｍ程度のばらつきはあるが、実質的に均一である。一方、焼結する第１グリーンシートは焼成中に温度が焼結温度付近に達すると、ある程度流動化するようになる。上記のように積層体を概ね垂直方向に加圧しながら焼成すると、導体ペーストの充填量が不足した貫通孔では、流動化した第１グリーンシートのセラミックスが加圧により貫通孔内に流入するように向かって山型に張り出し、貫通孔内の導体を先方に押し込む。そのため、貫通孔の先まで密に導体が詰め込まれて焼結した、機械的強度の高い突起電極が形成される。そして、この突起電極の高さは、導体の押し込みの結果、陥没がなくなるので、未焼結シートの厚みと同じ高さ、即ち、実質的に同じ高さに確実に揃う。
【００１３】
本発明に関連する発明により、下記工程を含むことを特徴とする、主面に突起導電部を有するセラミックス基板の製造方法が提供される：
(1)セラミックス基板となる少なくとも１層の第１グリーンシートと、焼結温度が第１グリーンシートより高い第２グリーンシートとを用意する工程、
(2)第２グリーンシートに孔を設ける工程、
(3)前記第２グリーンシートの孔に導体ペーストを埋め込む工程、
(4)第２グリーンシートの孔が第１グリーンシートに面するように第１グリーンシートと第２グリーンシートとが積層された積層体を形成する工程、
(5)積層体を、その主面に対して概ね垂直方向に加圧しながら、第１グリーンシートが焼結し、第２グリーンシートが焼結しない温度で焼成する工程、及び
(6)第２グリーンシートを除去して、主面に突起導電部を有するセラミックス基板を得る工程。
【００１４】
ここで、「概ね垂直方向」とは、垂直に加圧するのに必要な垂直分力を得ることができれば、加圧自体の方向は垂直から少し傾いていてもよいことを意味している。表面の粗さや、加圧に使われる板等の重さにより、許容される垂直からの傾斜の範囲は変動し、一律に規定できないので、本発明では概ね垂直方向と記している。
【００１５】
好適態様では、工程(2) において第２グリーンシートに設けた孔が貫通孔であり、工程(4) において形成された積層体は、少なくとも第２グリーンシートに接する側の外面に、前記焼成温度では焼結しない材質の第３グリーンシートが積層された積層体である。また、工程(4) において形成された積層体が、その積層方向の外層として、前記焼成温度では焼結しない材質の第３グリーンシートが積層された積層体であることも好ましい。
【００１６】
上記方法において、各工程は、技術的に可能なら、上記の番号順に行う必要はない。即ち、第２グリーンシートに設けた孔が貫通孔であるなら、工程(3)と工程(4)の順序を逆にして、積層してから導体ペーストの充填を行うことも可能である。その場合の製造方法（以下、変形法と呼ぶ）は、下記工程を含む：
(1)セラミックス基板となる少なくとも１層の第１グリーンシートと、焼結温度が第１グリーンシートより高い第２グリーンシートとを用意する工程、
(2)第２グリーンシートに貫通孔を設ける工程、
(3)第１グリーンシートと第２グリーンシートとが積層された積層体を形成する工程、
(4)得られた積層体の第２グリーンシートの貫通孔に導体ペーストを埋め込む工程、
(5)積層体を、その主面に対して概ね垂直方向に加圧しながら、第１グリーンシートが焼結し、第２グリーンシートが焼結しない温度で焼成する工程、及び
(6)第２グリーンシートを除去して、主面に突起導電部を有するセラミックス基板を得る工程。
【００１７】
この変形法では、工程(4) と(5) の間に下記工程(4-1) を含むことが好ましい：(4-1) 積層体の少なくとも第２グリーンシートに接する側の外面に、前記焼成温度では焼結しない材質の第３グリーンシートを積層する工程。
【００１８】
本発明によれば、基板上に柱状の導体からなる１または２以上の突起電極を有するセラミックス基板であって、少なくとも一部の突起電極の下側で、基板のセラミックスが突起電極に向かって山型に張り出していることを特徴とするセラミックス基板が提供される。
【００１９】
好ましくは、このセラミックス基板において、突起電極と基板との間に導体層が介在し、突起電極に向かうセラミックスの張り出しの高さが導体層の厚みより大きい。
【００２０】
本発明において、「突起導電部」とは、突起電極 (バンプ) に加え、配線も含む意味である。以下では、突起導電部を突起電極で代表させて、本発明を説明する。
【００２１】
また、本発明において、焼結温度とは、見かけ密度が、その焼結多結晶体の理論最高密度の90％以上になるのに必要な最低の焼成雰囲気温度である。見かけ密度は「アルキメデス法」と一般に呼ばれる方法により測定できる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、再び図１〜図３を参照しながら、本発明の態様について説明する。但し、本発明は以下に説明する態様に制限されるものではない。
【００２３】
まず、準備工程において、図１(a) に示すように、焼成後にセラミックス基板となる少なくとも１層の第１グリーンシート (図示例では、210, 220, 230 の３層) と、焼結温度が第１グリーンシートより高く、第１グリーンシートを焼結させるための焼成工程で焼結しない、第２グリーンシート12を用意する。第２グリーンシート12は、突起電極形成に用いる。
【００２４】
第１グリーンシートは、1000℃以下で焼結する低温焼成セラミックス基板材料から形成したものが好ましい。そのようなセラミックス材料の１例として、比較的多量のガラス成分を含有するガラスセラミックス材料が挙げられるが、これ以外の低温焼成セラミックス材料も使用可能である。
【００２５】
突起電極形成用の第２グリーンシートは、第１グリーンシートより焼結温度が300 ℃以上高いものが好ましく、焼結温度が500 ℃以上高いものがより好ましい。第２グリーンシートは、突起電極を形成した後に除去されるので、安価な材料が好ましい。好ましい第２グリーンシートは、焼結温度が約1700℃と高く、安価なアルミナのグリーンシートである。
【００２６】
第２グリーンシートに形成された孔が貫通孔である場合、第２グリーンシートの厚みにより、突起電極の高さが決まる。第２グリーンシートは、焼成中にバインダー等の有機成分が消失するだけであり、焼結による空隙の消失がないため、焼成により厚みほとんど変化しない。従って、第２グリーンシートの厚みは、形成しようとする突起電極の高さと同じでよい。
【００２７】
好適態様では、図示例のように、少なくとも１層の第３グリーンシート (図示例では、11, 13の２層) を用意する。この第３グリーンシートは、焼成中に焼結する第１グリーンシートや導体ペーストと、加圧用の押圧板との融着を防止する役割を果たす。第３グリーンシートは、第２グリーンシートと同様、焼結温度が第１グリーンシートより高く、焼成中に焼結しないものである。第３グリーンシートも焼成後に除去されるので、第２グリーンシートと同様、安価なアルミナのグリーンシートを使用することが好ましい。しかし、第２と第３グリーンシートは別の材質のものとすることができ、第３グリーンシートが図示のように２層またはそれ以上の場合、互いに異なる材質のものでもよい。
【００２８】
第２グリーンシートに形成された孔が貫通孔である場合には、この貫通孔に対する蓋となるように、第２グリーンシートの上に第３グリーンシートを積層することが好ましい。より好ましくは、第３グリーンシートは、積層体の積層方向 (積層体の主面に垂直の方向) において両側の外層、特に最外層を構成する位置、図示例では11および13に示す位置に配置する。
【００２９】
本発明では、前記のように焼成を加圧下に行うため、焼成する積層体の構成が積層方向において非対称であっても、焼成中の反りが防止される。従って、図１(a) に示すように、例えばアルミナシートからなる第２および第３グリーンシートが、図面で上側には２層(11, 12)、下側には１層(13)と非対称の構成となったり、或いは下側の第３グリーンシート(13)を省略した非対称の構成となっても、反りが起こる心配はない。
【００３０】
以上の第１、第２および第３グリーンシートは、常法に従って用意することができる。典型的なグリーンシートの作製法は、セラミックス原料粉末に、適当なバインダーおよび場合により他の添加剤 (例、可塑剤) を配合した混合物を、溶剤中で混練して、スラリーまたはペーストを作成し、このスラリーまたはペーストをドクターブレード法によりシート成形し、乾燥して溶剤の大部分を除去することからなる。
【００３１】
次に、第２グリーンシート12に、図１(b) に示すように、突起電極を形成するための孔10を形成する。この孔は、もちろん基板の電極位置に対応させる。本発明における必須の要件ではないが、図示のように、セラミックス基板となる第１グリーンシートの少なくとも一部にも、上下間の導通用のビアを形成するための貫通孔215, 225を形成する。これらの孔は、打ち抜き等の常法により形成すればよい。
【００３２】
突起電極形成のために第２グリーンシートに形成する孔は、図示のように貫通孔であることが好ましい。しかし、第３グリーンシート11を使用せずに、第２グリーンシート12を、図示のグリーンシート11と12を合体させた厚みのものとすることができ、その場合には、シート12に相当する厚みの部分だけに孔を形成する。この場合の孔は、合体した第２グリーンシート (11＋12) を貫通しない。従って、必ずしも貫通孔でなくてもよい。孔の形状は普通は円柱状であるが、角柱状であってもよい。
【００３３】
次いで、図２(a) に示すように、第１および第２グリーンシートの貫通孔もしくは孔に導体ペースト５を充填する。この充填は、常法に従って、スクリーン印刷法によりスキージで導体ペーストを孔に押し込むことにより行うのが普通である。
【００３４】
導体ペースト５は、第１グリーンシートの焼成中に焼結するものを使用する。低温焼成用に好ましいのは、銀系 (例、Ag、Ag−Pd等) または銅系 (例、Cu) の導体粉末をバインダーと混合してペースト状にしたものである。第２グリーンシートの孔に充填する、突起電極形成用の導体ペーストは、焼成中に第２グリーンシートと接着しないように、ガラスフリットを含んでいないものが望ましい。ガラスフリットを含んでいると、第２グリーンシートとの剥離が困難になることがある。第１グリーンシートの貫通孔に充填する、ビア形成用の導体ペーストは、ガラスフリットを含んでいるものと、含んでいないもののいずれでもよい。ガラスフリットを含んでいるものは、周囲のセラミックスとの接合力と緻密度が増す。ガラスフリットを含んでいないものは、配線としての電気抵抗を低くすることができる。
【００３５】
その後、本発明における必須工程ではないが、図２(b) に示すように、セラミックス基板になる第１グリーンシート210, 220, 230 に、基板に必要な配線用回路パターン59を、例えば、導体ペーストのスクリーン印刷により形成する。
【００３６】
次に、図３(a) に示すように、第１グリーンシート210, 220, 230 、第２グリーンシート12、および使用すれば第３グリーンシート11, 13を積層して積層体を形成する。この積層は、各グリーンシートを所定の配置で、位置合わせを行いつつ重ね合わせ、バインダーが軟化または溶融する温度に加圧下で加熱保持し、グリーンシートを熱圧着させることにより行われる。
【００３７】
第２グリーンシート12に形成した突起電極形成用の孔が貫通孔である場合には、先に変形法として説明したように、この貫通孔への導体ペーストの充填を積層工程の後に行うことができる。
【００３８】
この方法では、貫通孔10を設けた第２グリーンシート12を第１グリーンシート210, 220, 230 と積層して積層体を形成する。第１グリーンシートがビア形成用の貫通孔215, 225を有する場合には、予め、第１グリーンシートの貫通孔に導体ペースト５を充填し、かつこのグリーンシートに配線用回路パターン59を形成してから、第２グリーンシートとの積層を行う。得られた積層体は、第２グリーンシート12の貫通孔10により形成された孔を、積層体の主面の片面に有するので、この孔に導体ペーストを充填する。
【００３９】
第３グリーンシートを配置する場合、第２グリーンシートの孔に導体ペーストを充填した後に、第３グリーンシート11, 13を、上記と同様の方法で積層する。但し、第２グリーンシートと接しない方の第３グリーンシート (図示例ではグリーンシート13) は、上述した２回の積層工程のいずれで積層してもよい。
【００４０】
以上のいずれかの方法で得られた、図３(a) に示す積層体、即ち、突起電極形成用の第２グリーンシートの孔と、必要に応じてビア形成用の第１グリーンシートの孔の全てに導体ペーストが充填され、かつ必要な配線回路の形成が終了した積層体を、焼成する。この焼成は、第１グリーンシートと導体ペーストは焼結するが、第２グリーンシートと第３グリーンシートは焼結しない温度で行う。この焼成前に、脱脂、即ち、バインダーや可塑剤等の有機成分の除去のための予備加熱を行うのが普通である。
【００４１】
本発明では、この焼成を、積層体の主面に概ね垂直方向に加圧しながら行う。この加圧は、図４に示すように、積層体の両側の主面を、適当なセラミックスまたは耐火金属製の押圧板101, 102を介して直接押圧し、積層体を上下方向から加圧することにより実施できる。
【００４２】
焼成により、第１グリーンシートと導体ペーストが焼結し、各第１グリーンシートはセラミックス基板のセラミックス層となり、第１グリーンシートの貫通孔に充填された導体ペーストはビアとなり、第２グリーンシートの孔に充填された導体ペーストは柱状（例、円柱状）の突起電極となる。また、焼結したセラミックス層間、セラミックス層とビアの間、および最上層のセラミック層と突起電極の間は、焼結により接合される。配線用回路パターンの導体ペーストも同時に焼結し、配線回路が形成される。
【００４３】
一方、第２グリーンシートと第３グリーンシートは、焼成により焼結しないが、これらのグリーンシート中のバインダーや他の有機成分は熱分解して消失するため、気孔率が増大する。焼成の初期段階 (脱脂加熱を行う場合には脱脂中) において、各グリーンシートや導体ペーストから有機成分の熱分解により多量のガスが発生し、それを効率よく炉外に除去する必要があるが、第２グリーンシートおよび第３グリーンシートは、上記のように焼成中に気孔率が増大するので、発生したガスの除去を促進できる。
【００４４】
その後、焼成中に焼結しなかったグリーンシート、即ち、第２グリーンシートと、使用した場合には第３グリーンシートも除去する。これらのグリーンシートは、焼成中にバインダーが消失し、セラミックス粉末間の結合が失われているため、ハケ等で払うことにより簡単に除去できる。第２グリーンシートの孔に充填されていた導体ペーストは、焼結し、セラミック基板に接合された突起電極となっているため、除去されずに残る。ハケで除去しきれなかったセラミックス粉末は、超音波洗浄等の適当な洗浄法により除去することができる。
【００４５】
こうして、図３(b) に示した回路基板２が得られる。この回路基板は、第１グリーンシートの焼結により形成されたセラミックス層21, 22, 23から構成され、セラミック層にはビア20と配線回路59 (導体層) を有し、片面の主面には柱状の突起電極50を有する。
【００４６】
焼成中、焼結する第１グリーンシートは空隙が減少し、気孔率が著しく小さくなる。そのため、第１グリーンシートから生成した各セラミックス層の厚みは、図３(b) に模式的に示すように、グリーンシート時の厚みよりかなり小さくなる。このセラミック層の厚み減少に伴って、この層内に形成されたビア20も、高さが同様に減少して偏平になる。一方、焼結しない第２グリーンシートの厚みは、焼成後もほとんど変化しないので、このグリーンシート内に形成された突起電極50の高さは、第２グリーンシートの厚みとほぼ同じになる。
【００４７】
第１グリーンシートおよび第２グリーンシートの孔に充填された導体ペーストも、焼成中に焼結するので、第１グリーンシートと同様、空隙が減少する。
これらの導体ペーストのうち、ビア形成用の第１グリーンシートの貫通孔内の導体ペーストは、上述したように、焼成中に周囲の第１グリーンシートの厚みの縮小に伴って偏平化する。この偏平化による圧縮によって、仮に貫通孔への導体ペーストの充填が不十分でも、十分に緻密化したビアが形成される。
【００４８】
一方、突起電極形成用の第２グリーンシート内の孔に充填された導体ペーストは、周囲の第２グリーンシートの厚みが焼成中にほとんど変化しないため、偏平化により圧縮されることがない。また、この導体ペーストは、前述したように、ガラスフリットのような低融点の融着成分を含有していない。これらの条件が重なって、焼成により形成された突起電極は、従来法では、特にその上部や外周部にボイドを多く含んだ、緻密化が不足したポーラスなものとなりがちである。ポーラスな突起電極は、強度、導電性ともに著しく劣化し、基板の信頼性を著しく損ねる。さらに、特に、第２グリーンシートの孔への導体ペーストの充填が不十分であると、突起電極が陥没して、その高さが不揃いとなることさえある。こうなると、セラミックス基板は正常に動作しなくなる。
【００４９】
本発明では、前述したように、積層体の主面に概ね垂直方向に加圧しながら焼成を行うことにより、次に説明するように、このような突起電極の緻密化不足や高さの不揃いを防止することができる。また、焼成中の加圧は、反りや、主面と同方向の収縮を抑制するという別の利点もある。
【００５０】
本発明に従って加圧下に焼成を行うと、第２グリーンシートの孔内の導体粉末の緻密度が低くなった時、焼成中に焼結温度付近で流動化した第１グリーンシートのセラミックス材料がその孔内に流入し、孔内に充填されていた導体粉末を孔の先の方に奥まで押し込む。その際、第２グリーンシートの上に配置した第３グリーンシートが蓋の役割を果たす。こうして、たとえ導体ペーストの充填が不完全であっても、第２グリーンシートの孔の先端まで密に導体が詰まった、緻密で高さが揃った突起電極が形成される。
【００５１】
孔に対応する位置の第１グリーンシートの表面に導体ペーストによる導体パターンが形成されている場合、この導体パターンもセラミックスの押込み圧力に抗しきれず、セラミックスに密着して孔の中に押し込まれる。
【００５２】
図５は、こうして形成された突起電極の拡大模式図である。図示のように、基板材料のセラミックスは、突起電極内に流入して、突起電極の下側で突起電極に向かって山型に張り出している。突起電極と基板の間に介在する導体層である配線回路59も同様に山型に変形する。この山型の盛り上がり高さは、第２グリーンシートの孔への導体ペーストの充填度に応じて変化するが、導体ペーストの充填がほぼ完全であっても、上記のようにセラミックスの流入は起こりうるので、ほとんどの突起電極において、このような山型のセラミックスの張り出しが見られることになる。第３グリーンシートが蓋となるため、流入量は導体ペーストの充填量に応じて自動的に制御され、突起電極の焼結密度と高さが安定する。なお、突起電極の下部と配線回路が図５に示すように変形していても、セラミックス基板への悪影響がないことは、当業者には理解されよう。
【００５３】
セラミックスの張り出し高さは、基板と突起電極との間の導体層 (配線回路) 59の厚みより大きく、セラミックスが突起電極の内部まで張り出していることが好ましい。
【００５４】
このような結果を得るのに必要な焼成時の加圧力は、セラミックス材料や焼成条件等にも依存するが、３〜15 kgf/cm2 (３〜15×105 Pa) 程度であろう。加圧力が小さすぎるとセラミックスの流動効果が小さく、大きすぎるとグリーンシートが変形する恐れがある。
【００５５】
本発明は、半導体素子をパッケージ化するためのセラミックス回路基板 (例、フリップチップ回路基板) 、および半導体パッケージを実装するためのセラミックス回路基板のいずれにも適用することができる。
【００５６】
【実施例】
(実施例１)
図１〜図４に示すように、本発明に従ってセラミックス基板を製造した。
【００５７】
CaO-Al2O3-SiO2-B2O3 系ガラス60質量％（以下、％という）とアルミナ40％との混合物よりなる低温焼成セラミックス基板材料 (焼結温度は900 ℃) の粉末に、溶剤、バインダー、および可塑剤を加え、混錬して、スラリーを作成する。次いで、常法のドクターブレード法を用いて、上記スラリーから厚み0.3 mmのグリーンシートを作成し、その３層を第１グリーンシート210, 220, 230 として使用する。
【００５８】
別に、アルミナ粉末 (焼結温度は1700℃) をバインダーと混合し、ペースト状にする。このペーストから常法のドクターブレード法を用いて、厚み0.3 mmのグリーンシートを作成し、その３層を、第２グリーンシート12および第３グリーンシート11, 13として使用する [以上、図１(a)]。
【００５９】
次いで、導体充填工程において、図１(b) に示すごとく、２層の第１グリーンシート210, 220と、突起電極形成用の第２グリーンシート12に、それぞれ円筒形の貫通孔215, 225および貫通孔10を形成する。これらの貫通孔の直径はいずれも300 μｍ (0.3 mm) である。次いで、図２(a) に示すごとく、これらの貫通孔に導体ペースト５をスクリーン印刷法により充填する。使用した導体ペーストは、銀系導体 (焼結温度910 ℃) とバインダーとを混合してペースト状にしたものであり、ガラスフリットを含んでいない。
【００６０】
その後、回路形成工程において、図２(b) に示すごとく、第１グリーンシート210, 220, 230 の上に配線パターン59を上記導体ペーストを用いてスクリーン印刷法により形成する。
【００６１】
次に、積層工程において、図３(a) に示すごとく、下から順に、第３グリーンシート13、基板形成用の第１グリーンシート230, 220, 210 、突起電極形成用の第２グリーンシート12、突起電極の蓋の役目もする第３グリーンシート11を、位置合わせを行いつつ重ね、熱圧着して積層体を得る。熱圧着の条件は、温度100 ℃、積層体の押圧力５×106 Paであり、20秒間行う。
【００６２】
次に、焼成工程において、第１グリーンシートと導体ペーストが実質的に焼結する、設定温度900 ℃、保持時間20分の条件で上記積層体を焼成する。この時同時に、図４に示すように、上記積層体を上下から押圧用のアルミナ板101, 102で挟んで、７×105 Paの力で、主面に概ね垂直方向に加圧する。こうして、第１グリーンシート230, 220, 210 が焼結し、23, 22, 21の３層からなる多層セラミックス基板が形成される。また、導体ペーストも焼結して、突起電極50およびビア20が形成される。
【００６３】
次に、除去工程において、焼成中に焼結しない第２グリーンシートと第３グリーンシートを、ハケで払って除去する。さらに、セラミックス基板を超音波洗浄して、基板上に残存するアルミナ粉末を除去する。こうして、図３(b) に示したセラミックス回路基板２が得られる。
【００６４】
この回路基板の厚みは60 mm であり、従って、基板厚みは第１グリーンシートの厚みの約2/3 に縮小し、ビア高さも同様に縮小して、焼成前の0.3 mmから0.2 mmに偏平化した。一方、突起電極の高さは、第２グリーンシートの厚みと同じ、300 μｍ (0.3 mm) のままであった。即ち、突起電極は、直径と高さがいずれも300 μｍであった。
【００６５】
図６に、本発明の製造方法によって作成されたセラミックス基板の突起電極部分の断面の電子顕微鏡による拡大写真を示す。図６に示すように、突起電極の下側では、基板からのセラミックスが山型に盛り上がって突起電極の内部まで張り出している。また、突起電極は緻密に焼結され、実質的に円柱状である (上に向かって先細になっていない) 。基板からのセラミックスの張り出しにより、孔内の導体が奥まで押し込まれ、孔と同一形状で緻密に焼結した突起電極が形成されたものと考えられる。突起電極は、その先端まで緻密化しているめ、第２グリーンシートの厚みと同じ高さに揃う。
【００６６】
図７には、従来法に従って焼成後に加圧しなかった点を除いて、上記と全く同様に製造したセラミックス基板の突起電極部分の断面写真を示す。突起電極の下側で、突起電極に向かう基板からのセラミックスの張り出しは実質的に認められない。また、突起電極は緻密にならず、特に上部や周辺でポーラスであることがわかる。さらに、突起電極は先細になっている。このような突起電極は、機械的強度が弱く、信頼性に欠けると判断される。
【００６７】
【発明の効果】
以上詳述したように、突起電極を有するセラミックス基板の製造方法によれば、突起電極形成層である第２グリーンシートの孔が充填不足であっても、焼成中にその下側のセラミックスが強制的に孔内に流入することで、孔の先端まで導体が詰まった突起電極が形成される。その結果、突起電極の高さが揃い、高さの不揃いによる実装不良を解消または低減することができる。さらに、上記のセラミックスの流入によって、第２グリーンシートの孔に充填された導体ペーストが緻密に焼結されるので、突起電極の機械的強度が向上し、信頼性の高いセラミックス基板を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１(a), (b)は、突起電極を有する多層セラミックス回路基板の製造方法における工程の一部を模式的に示す説明図である。
【図２】図２(a), (b)は、上記方法における後続工程を模式的に示す説明図である。
【図３】図３(a), (b)は、上記方法におけるさらに後続の工程を模式的に示す説明図である。
【図４】本発明における焼成工程を模式的に示す説明図である。
【図５】本発明のセラミックス基板における突起電極とその近傍の断面形状を模式的に示す説明図である。
【図６】本発明の方法により製造されたセラミックス基板の突起電極部分を拡大して示す断面写真である。
【図７】従来の方法により製造されたセラミックス基板の突起電極部分を拡大して示す断面写真である。
【符号の説明】
２: 多層セラミックス回路基板、５：導体ペースト、10, 215, 225: 貫通孔、11, 13: 第３グリーンシート (未焼結シート) 、12: 第２グリーンシート (未焼結シート) 、20: ビア、59: 配線パターン、101, 102: 押圧板、210, 220, 230:第１グリーンシート
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子や電子部品などと接続して電気回路を構成するセラミックス基板、特に突起電極（バンプ）といった突起導電部を有するセラミックス基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体素子の高集積化や電子部品の小型化に伴い、半導体素子、半導体パッケージおよび回路基板の外部端子密度は増大傾向にある。このため、端子を格子状にして基板主面に形成し、端子密度を増大させた端子構造・実装構造が盛用されている。例えば、半導体素子であればフリップチップ実装が、半導体パッケージであればＢＧＡ (Ball Grid Array)パッケージや、その小型であるＣＳＰ (Chip Scale Pakage)が挙げられる。
【０００３】
これらはいずれも、基板回路上に形成された突起電極を介して、外部回路と接続される。突起電極は、基板回路を形成した後に別に形成する必要がある。例えば、ＢＧＡでは、基板回路を形成した後、半田ボールを格子状に基板の電極上に配置し、電極に融着させる。この別工程が加わるためコストが高く、また半田ボールの大きさが不揃いであると、接続不良を生ずるという問題があった。
【０００４】
これらの問題点を解決するセラミックス基板の製造方法が特開平６−53655 号公報に開示されている。この製造方法について、図１〜３を参照しながら説明する。なお、同様の方法は、特開平７−202422号公報にも開示されている。
【０００５】
まず、焼結してセラミックス基板となる第１グリーンシート210, 220, 230 と、該グリーンシートの焼結温度では焼結しない未焼結シート11, 12, 13を用意する [図１(a)]。これらの未焼結シートは、焼結温度が第１グリーンシートより高い第２グリーンシートである。内側の未焼結シート12には突起電極 (バンプ) 形成用の貫通孔10を、第１グリーンシート210, 220にはビア形成用の貫通孔215, 225を、それぞれ形成する [図１(b)]。これらの貫通孔に導体ペースト５を充填する [図２(a)]。次に、各グリーンシート210, 220, 230 に回路形成用パターン59を形成する [図２(b)]。第１グリーンシートと未焼結シートとを重ね合わせて熱圧着し、得られた積層体を焼成する [図３(a)]。この焼成で、焼結温度が高い未焼結シート11, 12, 13は焼結しないが、第１グリーンシート210, 220, 230 と、回路形成用パターン59および貫通孔内の導体ペースト５は焼結し、それらの隣接部材間も接合される。最後に、未焼結シートを除去すると、配線回路59、ビア20、および柱状 (普通は円柱状) の突起電極50を有するセラミックス回路基板２が得られる [図３(b)]。未焼結シートは、焼成時にそのグリーンシートからバインダーが消失しているため、ハケなどで簡単に除去することができる。
【０００６】
この方法によれば、グリーンシート多層積層法によるセラミックス基板の製造において、突起電極50をその製造工程内で同時に形成することができるので、突起電極を有するセラミックス回路基板を従来より低コストで製造することが可能となる。また、突起電極形成用の貫通孔10は同じ高さを有するので、これに導体ペースト５を均一に充填することで、突起電極の高さをそろえることが可能となり、高さの不揃いによる接続不良も解消される筈である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した突起電極つきセラミックス基板の製造方法において、突起電極形成用の貫通孔10への導体ペースト５の充填方法は、スキージを用いたスクリーン印刷によって埋めて行く方法が一般的である。
【０００８】
ところが、セラミックス基板は、基板よりはるかに大きいパネル単位で製造される。１枚のパネルの大きさは、通常100 mmから200 mm角である。従って、大きなパネルに無数に形成されている直径 100〜500 μｍ程度の小さな貫通孔の全てに、導体ペーストを均等に充填することは、実際には困難である。そのため、上記の方法では、導体ペーストの充填量が不足した孔では、突起電極の高さが不足したり、機械的強度が不足したりする結果、実装不良の増大や信頼性の低下を招くという問題があった。
【０００９】
また、焼成中に焼結しない未焼結シートは、焼成後の厚みがほとんど減少しないのに対し、この未焼結シートの貫通孔に充填された、突起電極形成用の導体ペーストの方は、焼結による空隙の消失のため収縮が大きい。こうして、未焼結シート内では導体ペーストのみが収縮するため、導体ペーストの充填量が十分であっても、焼成で焼結した突起電極が十分に緻密化せず、機械的強度が不足することがある。
【００１０】
本発明は、すぐ上に述べた問題点を解消して、安価で、しかも実装不良や信頼性の問題を生じない、突起電極を有するセラミックス基板を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、突起電極形成用の貫通孔に導体ペーストを均等かつ十分に充填することは不可能であるという前提に基づいて、上記課題を解決すべく検討した。その結果、前述した方法において、積層体の焼成工程を、積層体をその主面 (積層体の最大面積の表面、積層方向と垂直の表面) に概ね垂直方向に加圧しながら行うことにより、緻密に焼結して十分な機械的強度を有し、かつ高さも揃った突起電極を形成できることを究明した。その理由は次のように推測される。
【００１２】
前述した方法において、突起電極形成用の貫通孔の高さは、未焼結シートの厚みにほぼ等しい。未焼結シート (即ち、グリーンシート) の厚みは、一般に±５μｍ程度のばらつきはあるが、実質的に均一である。一方、焼結する第１グリーンシートは焼成中に温度が焼結温度付近に達すると、ある程度流動化するようになる。上記のように積層体を概ね垂直方向に加圧しながら焼成すると、導体ペーストの充填量が不足した貫通孔では、流動化した第１グリーンシートのセラミックスが加圧により貫通孔内に流入するように向かって山型に張り出し、貫通孔内の導体を先方に押し込む。そのため、貫通孔の先まで密に導体が詰め込まれて焼結した、機械的強度の高い突起電極が形成される。そして、この突起電極の高さは、導体の押し込みの結果、陥没がなくなるので、未焼結シートの厚みと同じ高さ、即ち、実質的に同じ高さに確実に揃う。
【００１３】
本発明に関連する発明により、下記工程を含むことを特徴とする、主面に突起導電部を有するセラミックス基板の製造方法が提供される：
(1)セラミックス基板となる少なくとも１層の第１グリーンシートと、焼結温度が第１グリーンシートより高い第２グリーンシートとを用意する工程、
(2)第２グリーンシートに孔を設ける工程、
(3)前記第２グリーンシートの孔に導体ペーストを埋め込む工程、
(4)第２グリーンシートの孔が第１グリーンシートに面するように第１グリーンシートと第２グリーンシートとが積層された積層体を形成する工程、
(5)積層体を、その主面に対して概ね垂直方向に加圧しながら、第１グリーンシートが焼結し、第２グリーンシートが焼結しない温度で焼成する工程、及び
(6)第２グリーンシートを除去して、主面に突起導電部を有するセラミックス基板を得る工程。
【００１４】
ここで、「概ね垂直方向」とは、垂直に加圧するのに必要な垂直分力を得ることができれば、加圧自体の方向は垂直から少し傾いていてもよいことを意味している。表面の粗さや、加圧に使われる板等の重さにより、許容される垂直からの傾斜の範囲は変動し、一律に規定できないので、本発明では概ね垂直方向と記している。
【００１５】
好適態様では、工程(2) において第２グリーンシートに設けた孔が貫通孔であり、工程(4) において形成された積層体は、少なくとも第２グリーンシートに接する側の外面に、前記焼成温度では焼結しない材質の第３グリーンシートが積層された積層体である。また、工程(4) において形成された積層体が、その積層方向の外層として、前記焼成温度では焼結しない材質の第３グリーンシートが積層された積層体であることも好ましい。
【００１６】
上記方法において、各工程は、技術的に可能なら、上記の番号順に行う必要はない。即ち、第２グリーンシートに設けた孔が貫通孔であるなら、工程(3)と工程(4)の順序を逆にして、積層してから導体ペーストの充填を行うことも可能である。その場合の製造方法（以下、変形法と呼ぶ）は、下記工程を含む：
(1)セラミックス基板となる少なくとも１層の第１グリーンシートと、焼結温度が第１グリーンシートより高い第２グリーンシートとを用意する工程、
(2)第２グリーンシートに貫通孔を設ける工程、
(3)第１グリーンシートと第２グリーンシートとが積層された積層体を形成する工程、
(4)得られた積層体の第２グリーンシートの貫通孔に導体ペーストを埋め込む工程、
(5)積層体を、その主面に対して概ね垂直方向に加圧しながら、第１グリーンシートが焼結し、第２グリーンシートが焼結しない温度で焼成する工程、及び
(6)第２グリーンシートを除去して、主面に突起導電部を有するセラミックス基板を得る工程。
【００１７】
この変形法では、工程(4) と(5) の間に下記工程(4-1) を含むことが好ましい：(4-1) 積層体の少なくとも第２グリーンシートに接する側の外面に、前記焼成温度では焼結しない材質の第３グリーンシートを積層する工程。
【００１８】
本発明によれば、基板上に柱状の導体からなる１または２以上の突起電極を有するセラミックス基板であって、少なくとも一部の突起電極の下側で、基板のセラミックスが突起電極に向かって山型に張り出していることを特徴とするセラミックス基板が提供される。
【００１９】
好ましくは、このセラミックス基板において、突起電極と基板との間に導体層が介在し、突起電極に向かうセラミックスの張り出しの高さが導体層の厚みより大きい。
【００２０】
本発明において、「突起導電部」とは、突起電極 (バンプ) に加え、配線も含む意味である。以下では、突起導電部を突起電極で代表させて、本発明を説明する。
【００２１】
また、本発明において、焼結温度とは、見かけ密度が、その焼結多結晶体の理論最高密度の90％以上になるのに必要な最低の焼成雰囲気温度である。見かけ密度は「アルキメデス法」と一般に呼ばれる方法により測定できる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、再び図１〜図３を参照しながら、本発明の態様について説明する。但し、本発明は以下に説明する態様に制限されるものではない。
【００２３】
まず、準備工程において、図１(a) に示すように、焼成後にセラミックス基板となる少なくとも１層の第１グリーンシート (図示例では、210, 220, 230 の３層) と、焼結温度が第１グリーンシートより高く、第１グリーンシートを焼結させるための焼成工程で焼結しない、第２グリーンシート12を用意する。第２グリーンシート12は、突起電極形成に用いる。
【００２４】
第１グリーンシートは、1000℃以下で焼結する低温焼成セラミックス基板材料から形成したものが好ましい。そのようなセラミックス材料の１例として、比較的多量のガラス成分を含有するガラスセラミックス材料が挙げられるが、これ以外の低温焼成セラミックス材料も使用可能である。
【００２５】
突起電極形成用の第２グリーンシートは、第１グリーンシートより焼結温度が300 ℃以上高いものが好ましく、焼結温度が500 ℃以上高いものがより好ましい。第２グリーンシートは、突起電極を形成した後に除去されるので、安価な材料が好ましい。好ましい第２グリーンシートは、焼結温度が約1700℃と高く、安価なアルミナのグリーンシートである。
【００２６】
第２グリーンシートに形成された孔が貫通孔である場合、第２グリーンシートの厚みにより、突起電極の高さが決まる。第２グリーンシートは、焼成中にバインダー等の有機成分が消失するだけであり、焼結による空隙の消失がないため、焼成により厚みほとんど変化しない。従って、第２グリーンシートの厚みは、形成しようとする突起電極の高さと同じでよい。
【００２７】
好適態様では、図示例のように、少なくとも１層の第３グリーンシート (図示例では、11, 13の２層) を用意する。この第３グリーンシートは、焼成中に焼結する第１グリーンシートや導体ペーストと、加圧用の押圧板との融着を防止する役割を果たす。第３グリーンシートは、第２グリーンシートと同様、焼結温度が第１グリーンシートより高く、焼成中に焼結しないものである。第３グリーンシートも焼成後に除去されるので、第２グリーンシートと同様、安価なアルミナのグリーンシートを使用することが好ましい。しかし、第２と第３グリーンシートは別の材質のものとすることができ、第３グリーンシートが図示のように２層またはそれ以上の場合、互いに異なる材質のものでもよい。
【００２８】
第２グリーンシートに形成された孔が貫通孔である場合には、この貫通孔に対する蓋となるように、第２グリーンシートの上に第３グリーンシートを積層することが好ましい。より好ましくは、第３グリーンシートは、積層体の積層方向 (積層体の主面に垂直の方向) において両側の外層、特に最外層を構成する位置、図示例では11および13に示す位置に配置する。
【００２９】
本発明では、前記のように焼成を加圧下に行うため、焼成する積層体の構成が積層方向において非対称であっても、焼成中の反りが防止される。従って、図１(a) に示すように、例えばアルミナシートからなる第２および第３グリーンシートが、図面で上側には２層(11, 12)、下側には１層(13)と非対称の構成となったり、或いは下側の第３グリーンシート(13)を省略した非対称の構成となっても、反りが起こる心配はない。
【００３０】
以上の第１、第２および第３グリーンシートは、常法に従って用意することができる。典型的なグリーンシートの作製法は、セラミックス原料粉末に、適当なバインダーおよび場合により他の添加剤 (例、可塑剤) を配合した混合物を、溶剤中で混練して、スラリーまたはペーストを作成し、このスラリーまたはペーストをドクターブレード法によりシート成形し、乾燥して溶剤の大部分を除去することからなる。
【００３１】
次に、第２グリーンシート12に、図１(b) に示すように、突起電極を形成するための孔10を形成する。この孔は、もちろん基板の電極位置に対応させる。本発明における必須の要件ではないが、図示のように、セラミックス基板となる第１グリーンシートの少なくとも一部にも、上下間の導通用のビアを形成するための貫通孔215, 225を形成する。これらの孔は、打ち抜き等の常法により形成すればよい。
【００３２】
突起電極形成のために第２グリーンシートに形成する孔は、図示のように貫通孔であることが好ましい。しかし、第３グリーンシート11を使用せずに、第２グリーンシート12を、図示のグリーンシート11と12を合体させた厚みのものとすることができ、その場合には、シート12に相当する厚みの部分だけに孔を形成する。この場合の孔は、合体した第２グリーンシート (11＋12) を貫通しない。従って、必ずしも貫通孔でなくてもよい。孔の形状は普通は円柱状であるが、角柱状であってもよい。
【００３３】
次いで、図２(a) に示すように、第１および第２グリーンシートの貫通孔もしくは孔に導体ペースト５を充填する。この充填は、常法に従って、スクリーン印刷法によりスキージで導体ペーストを孔に押し込むことにより行うのが普通である。
【００３４】
導体ペースト５は、第１グリーンシートの焼成中に焼結するものを使用する。低温焼成用に好ましいのは、銀系 (例、Ag、Ag−Pd等) または銅系 (例、Cu) の導体粉末をバインダーと混合してペースト状にしたものである。第２グリーンシートの孔に充填する、突起電極形成用の導体ペーストは、焼成中に第２グリーンシートと接着しないように、ガラスフリットを含んでいないものが望ましい。ガラスフリットを含んでいると、第２グリーンシートとの剥離が困難になることがある。第１グリーンシートの貫通孔に充填する、ビア形成用の導体ペーストは、ガラスフリットを含んでいるものと、含んでいないもののいずれでもよい。ガラスフリットを含んでいるものは、周囲のセラミックスとの接合力と緻密度が増す。ガラスフリットを含んでいないものは、配線としての電気抵抗を低くすることができる。
【００３５】
その後、本発明における必須工程ではないが、図２(b) に示すように、セラミックス基板になる第１グリーンシート210, 220, 230 に、基板に必要な配線用回路パターン59を、例えば、導体ペーストのスクリーン印刷により形成する。
【００３６】
次に、図３(a) に示すように、第１グリーンシート210, 220, 230 、第２グリーンシート12、および使用すれば第３グリーンシート11, 13を積層して積層体を形成する。この積層は、各グリーンシートを所定の配置で、位置合わせを行いつつ重ね合わせ、バインダーが軟化または溶融する温度に加圧下で加熱保持し、グリーンシートを熱圧着させることにより行われる。
【００３７】
第２グリーンシート12に形成した突起電極形成用の孔が貫通孔である場合には、先に変形法として説明したように、この貫通孔への導体ペーストの充填を積層工程の後に行うことができる。
【００３８】
この方法では、貫通孔10を設けた第２グリーンシート12を第１グリーンシート210, 220, 230 と積層して積層体を形成する。第１グリーンシートがビア形成用の貫通孔215, 225を有する場合には、予め、第１グリーンシートの貫通孔に導体ペースト５を充填し、かつこのグリーンシートに配線用回路パターン59を形成してから、第２グリーンシートとの積層を行う。得られた積層体は、第２グリーンシート12の貫通孔10により形成された孔を、積層体の主面の片面に有するので、この孔に導体ペーストを充填する。
【００３９】
第３グリーンシートを配置する場合、第２グリーンシートの孔に導体ペーストを充填した後に、第３グリーンシート11, 13を、上記と同様の方法で積層する。但し、第２グリーンシートと接しない方の第３グリーンシート (図示例ではグリーンシート13) は、上述した２回の積層工程のいずれで積層してもよい。
【００４０】
以上のいずれかの方法で得られた、図３(a) に示す積層体、即ち、突起電極形成用の第２グリーンシートの孔と、必要に応じてビア形成用の第１グリーンシートの孔の全てに導体ペーストが充填され、かつ必要な配線回路の形成が終了した積層体を、焼成する。この焼成は、第１グリーンシートと導体ペーストは焼結するが、第２グリーンシートと第３グリーンシートは焼結しない温度で行う。この焼成前に、脱脂、即ち、バインダーや可塑剤等の有機成分の除去のための予備加熱を行うのが普通である。
【００４１】
本発明では、この焼成を、積層体の主面に概ね垂直方向に加圧しながら行う。この加圧は、図４に示すように、積層体の両側の主面を、適当なセラミックスまたは耐火金属製の押圧板101, 102を介して直接押圧し、積層体を上下方向から加圧することにより実施できる。
【００４２】
焼成により、第１グリーンシートと導体ペーストが焼結し、各第１グリーンシートはセラミックス基板のセラミックス層となり、第１グリーンシートの貫通孔に充填された導体ペーストはビアとなり、第２グリーンシートの孔に充填された導体ペーストは柱状（例、円柱状）の突起電極となる。また、焼結したセラミックス層間、セラミックス層とビアの間、および最上層のセラミック層と突起電極の間は、焼結により接合される。配線用回路パターンの導体ペーストも同時に焼結し、配線回路が形成される。
【００４３】
一方、第２グリーンシートと第３グリーンシートは、焼成により焼結しないが、これらのグリーンシート中のバインダーや他の有機成分は熱分解して消失するため、気孔率が増大する。焼成の初期段階 (脱脂加熱を行う場合には脱脂中) において、各グリーンシートや導体ペーストから有機成分の熱分解により多量のガスが発生し、それを効率よく炉外に除去する必要があるが、第２グリーンシートおよび第３グリーンシートは、上記のように焼成中に気孔率が増大するので、発生したガスの除去を促進できる。
【００４４】
その後、焼成中に焼結しなかったグリーンシート、即ち、第２グリーンシートと、使用した場合には第３グリーンシートも除去する。これらのグリーンシートは、焼成中にバインダーが消失し、セラミックス粉末間の結合が失われているため、ハケ等で払うことにより簡単に除去できる。第２グリーンシートの孔に充填されていた導体ペーストは、焼結し、セラミック基板に接合された突起電極となっているため、除去されずに残る。ハケで除去しきれなかったセラミックス粉末は、超音波洗浄等の適当な洗浄法により除去することができる。
【００４５】
こうして、図３(b) に示した回路基板２が得られる。この回路基板は、第１グリーンシートの焼結により形成されたセラミックス層21, 22, 23から構成され、セラミック層にはビア20と配線回路59 (導体層) を有し、片面の主面には柱状の突起電極50を有する。
【００４６】
焼成中、焼結する第１グリーンシートは空隙が減少し、気孔率が著しく小さくなる。そのため、第１グリーンシートから生成した各セラミックス層の厚みは、図３(b) に模式的に示すように、グリーンシート時の厚みよりかなり小さくなる。このセラミック層の厚み減少に伴って、この層内に形成されたビア20も、高さが同様に減少して偏平になる。一方、焼結しない第２グリーンシートの厚みは、焼成後もほとんど変化しないので、このグリーンシート内に形成された突起電極50の高さは、第２グリーンシートの厚みとほぼ同じになる。
【００４７】
第１グリーンシートおよび第２グリーンシートの孔に充填された導体ペーストも、焼成中に焼結するので、第１グリーンシートと同様、空隙が減少する。
これらの導体ペーストのうち、ビア形成用の第１グリーンシートの貫通孔内の導体ペーストは、上述したように、焼成中に周囲の第１グリーンシートの厚みの縮小に伴って偏平化する。この偏平化による圧縮によって、仮に貫通孔への導体ペーストの充填が不十分でも、十分に緻密化したビアが形成される。
【００４８】
一方、突起電極形成用の第２グリーンシート内の孔に充填された導体ペーストは、周囲の第２グリーンシートの厚みが焼成中にほとんど変化しないため、偏平化により圧縮されることがない。また、この導体ペーストは、前述したように、ガラスフリットのような低融点の融着成分を含有していない。これらの条件が重なって、焼成により形成された突起電極は、従来法では、特にその上部や外周部にボイドを多く含んだ、緻密化が不足したポーラスなものとなりがちである。ポーラスな突起電極は、強度、導電性ともに著しく劣化し、基板の信頼性を著しく損ねる。さらに、特に、第２グリーンシートの孔への導体ペーストの充填が不十分であると、突起電極が陥没して、その高さが不揃いとなることさえある。こうなると、セラミックス基板は正常に動作しなくなる。
【００４９】
本発明では、前述したように、積層体の主面に概ね垂直方向に加圧しながら焼成を行うことにより、次に説明するように、このような突起電極の緻密化不足や高さの不揃いを防止することができる。また、焼成中の加圧は、反りや、主面と同方向の収縮を抑制するという別の利点もある。
【００５０】
本発明に従って加圧下に焼成を行うと、第２グリーンシートの孔内の導体粉末の緻密度が低くなった時、焼成中に焼結温度付近で流動化した第１グリーンシートのセラミックス材料がその孔内に流入し、孔内に充填されていた導体粉末を孔の先の方に奥まで押し込む。その際、第２グリーンシートの上に配置した第３グリーンシートが蓋の役割を果たす。こうして、たとえ導体ペーストの充填が不完全であっても、第２グリーンシートの孔の先端まで密に導体が詰まった、緻密で高さが揃った突起電極が形成される。
【００５１】
孔に対応する位置の第１グリーンシートの表面に導体ペーストによる導体パターンが形成されている場合、この導体パターンもセラミックスの押込み圧力に抗しきれず、セラミックスに密着して孔の中に押し込まれる。
【００５２】
図５は、こうして形成された突起電極の拡大模式図である。図示のように、基板材料のセラミックスは、突起電極内に流入して、突起電極の下側で突起電極に向かって山型に張り出している。突起電極と基板の間に介在する導体層である配線回路59も同様に山型に変形する。この山型の盛り上がり高さは、第２グリーンシートの孔への導体ペーストの充填度に応じて変化するが、導体ペーストの充填がほぼ完全であっても、上記のようにセラミックスの流入は起こりうるので、ほとんどの突起電極において、このような山型のセラミックスの張り出しが見られることになる。第３グリーンシートが蓋となるため、流入量は導体ペーストの充填量に応じて自動的に制御され、突起電極の焼結密度と高さが安定する。なお、突起電極の下部と配線回路が図５に示すように変形していても、セラミックス基板への悪影響がないことは、当業者には理解されよう。
【００５３】
セラミックスの張り出し高さは、基板と突起電極との間の導体層 (配線回路) 59の厚みより大きく、セラミックスが突起電極の内部まで張り出していることが好ましい。
【００５４】
このような結果を得るのに必要な焼成時の加圧力は、セラミックス材料や焼成条件等にも依存するが、３〜15 kgf/cm2 (３〜15×105 Pa) 程度であろう。加圧力が小さすぎるとセラミックスの流動効果が小さく、大きすぎるとグリーンシートが変形する恐れがある。
【００５５】
本発明は、半導体素子をパッケージ化するためのセラミックス回路基板 (例、フリップチップ回路基板) 、および半導体パッケージを実装するためのセラミックス回路基板のいずれにも適用することができる。
【００５６】
【実施例】
(実施例１)
図１〜図４に示すように、本発明に従ってセラミックス基板を製造した。
【００５７】
CaO-Al2O3-SiO2-B2O3 系ガラス60質量％（以下、％という）とアルミナ40％との混合物よりなる低温焼成セラミックス基板材料 (焼結温度は900 ℃) の粉末に、溶剤、バインダー、および可塑剤を加え、混錬して、スラリーを作成する。次いで、常法のドクターブレード法を用いて、上記スラリーから厚み0.3 mmのグリーンシートを作成し、その３層を第１グリーンシート210, 220, 230 として使用する。
【００５８】
別に、アルミナ粉末 (焼結温度は1700℃) をバインダーと混合し、ペースト状にする。このペーストから常法のドクターブレード法を用いて、厚み0.3 mmのグリーンシートを作成し、その３層を、第２グリーンシート12および第３グリーンシート11, 13として使用する [以上、図１(a)]。
【００５９】
次いで、導体充填工程において、図１(b) に示すごとく、２層の第１グリーンシート210, 220と、突起電極形成用の第２グリーンシート12に、それぞれ円筒形の貫通孔215, 225および貫通孔10を形成する。これらの貫通孔の直径はいずれも300 μｍ (0.3 mm) である。次いで、図２(a) に示すごとく、これらの貫通孔に導体ペースト５をスクリーン印刷法により充填する。使用した導体ペーストは、銀系導体 (焼結温度910 ℃) とバインダーとを混合してペースト状にしたものであり、ガラスフリットを含んでいない。
【００６０】
その後、回路形成工程において、図２(b) に示すごとく、第１グリーンシート210, 220, 230 の上に配線パターン59を上記導体ペーストを用いてスクリーン印刷法により形成する。
【００６１】
次に、積層工程において、図３(a) に示すごとく、下から順に、第３グリーンシート13、基板形成用の第１グリーンシート230, 220, 210 、突起電極形成用の第２グリーンシート12、突起電極の蓋の役目もする第３グリーンシート11を、位置合わせを行いつつ重ね、熱圧着して積層体を得る。熱圧着の条件は、温度100 ℃、積層体の押圧力５×106 Paであり、20秒間行う。
【００６２】
次に、焼成工程において、第１グリーンシートと導体ペーストが実質的に焼結する、設定温度900 ℃、保持時間20分の条件で上記積層体を焼成する。この時同時に、図４に示すように、上記積層体を上下から押圧用のアルミナ板101, 102で挟んで、７×105 Paの力で、主面に概ね垂直方向に加圧する。こうして、第１グリーンシート230, 220, 210 が焼結し、23, 22, 21の３層からなる多層セラミックス基板が形成される。また、導体ペーストも焼結して、突起電極50およびビア20が形成される。
【００６３】
次に、除去工程において、焼成中に焼結しない第２グリーンシートと第３グリーンシートを、ハケで払って除去する。さらに、セラミックス基板を超音波洗浄して、基板上に残存するアルミナ粉末を除去する。こうして、図３(b) に示したセラミックス回路基板２が得られる。
【００６４】
この回路基板の厚みは60 mm であり、従って、基板厚みは第１グリーンシートの厚みの約2/3 に縮小し、ビア高さも同様に縮小して、焼成前の0.3 mmから0.2 mmに偏平化した。一方、突起電極の高さは、第２グリーンシートの厚みと同じ、300 μｍ (0.3 mm) のままであった。即ち、突起電極は、直径と高さがいずれも300 μｍであった。
【００６５】
図６に、本発明の製造方法によって作成されたセラミックス基板の突起電極部分の断面の電子顕微鏡による拡大写真を示す。図６に示すように、突起電極の下側では、基板からのセラミックスが山型に盛り上がって突起電極の内部まで張り出している。また、突起電極は緻密に焼結され、実質的に円柱状である (上に向かって先細になっていない) 。基板からのセラミックスの張り出しにより、孔内の導体が奥まで押し込まれ、孔と同一形状で緻密に焼結した突起電極が形成されたものと考えられる。突起電極は、その先端まで緻密化しているめ、第２グリーンシートの厚みと同じ高さに揃う。
【００６６】
図７には、従来法に従って焼成後に加圧しなかった点を除いて、上記と全く同様に製造したセラミックス基板の突起電極部分の断面写真を示す。突起電極の下側で、突起電極に向かう基板からのセラミックスの張り出しは実質的に認められない。また、突起電極は緻密にならず、特に上部や周辺でポーラスであることがわかる。さらに、突起電極は先細になっている。このような突起電極は、機械的強度が弱く、信頼性に欠けると判断される。
【００６７】
【発明の効果】
以上詳述したように、突起電極を有するセラミックス基板の製造方法によれば、突起電極形成層である第２グリーンシートの孔が充填不足であっても、焼成中にその下側のセラミックスが強制的に孔内に流入することで、孔の先端まで導体が詰まった突起電極が形成される。その結果、突起電極の高さが揃い、高さの不揃いによる実装不良を解消または低減することができる。さらに、上記のセラミックスの流入によって、第２グリーンシートの孔に充填された導体ペーストが緻密に焼結されるので、突起電極の機械的強度が向上し、信頼性の高いセラミックス基板を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１(a), (b)は、突起電極を有する多層セラミックス回路基板の製造方法における工程の一部を模式的に示す説明図である。
【図２】図２(a), (b)は、上記方法における後続工程を模式的に示す説明図である。
【図３】図３(a), (b)は、上記方法におけるさらに後続の工程を模式的に示す説明図である。
【図４】本発明における焼成工程を模式的に示す説明図である。
【図５】本発明のセラミックス基板における突起電極とその近傍の断面形状を模式的に示す説明図である。
【図６】本発明の方法により製造されたセラミックス基板の突起電極部分を拡大して示す断面写真である。
【図７】従来の方法により製造されたセラミックス基板の突起電極部分を拡大して示す断面写真である。
【符号の説明】
２: 多層セラミックス回路基板、５：導体ペースト、10, 215, 225: 貫通孔、11, 13: 第３グリーンシート (未焼結シート) 、12: 第２グリーンシート (未焼結シート) 、20: ビア、59: 配線パターン、101, 102: 押圧板、210, 220, 230:第１グリーンシート
Claims (3)
- 柱状の導体からなる１または２以上の突起電極を基板上に有するセラミックス基板であって、少なくとも一部の突起電極の下側で、基板のセラミックスが突起電極に向かって山型に張り出していることを特徴とするセラミックス基板。
- 突起電極と基板との間に導体層が介在する請求項１に記載のセラミックス基板。
- 突起電極に向かうセラミックスの張り出しの高さが導体層の厚みより大きい、請求項２に記載のセラミックス基板。
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