JP4059406B2

JP4059406B2 - ガラスセラミックス多層基板の製造方法

Info

Publication number: JP4059406B2
Application number: JP33851597A
Authority: JP
Inventors: 望谷藤; 聡足立
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1997-12-09
Filing date: 1997-12-09
Publication date: 2008-03-12
Anticipated expiration: 2017-12-09
Also published as: JPH11177238A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガラスセラミックス多層基板の製造方法に関し、特にエレクトロニクス用セラミックパッケージおよび回路基板として用いられるガラスセラミックス多層基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置において、ＩＣチップやＬＳＩチップ等の半導体素子は、基板に設けられた半導体素子搭載部に実装されて実用に供されている。アルミナ等のセラミックスは耐熱性、耐久性、熱伝導性等に優れるため、この基板の材料として適しており、セラミック製の半導体基板は現在盛んに使用されている。
【０００３】
しかしながら、アルミナ基板は、比誘電率が比較的大きいため伝送信号の遅延を生じさせ、また熱膨張係数がシリコンに比べて大きいため、部品を搭載したときの温度変化に対する信頼性を確保するのが困難であるという問題があった。さらに、アルミナの焼成温度は約１６００℃と高いため、内層の配線として融点が高くかつ電気抵抗率の大きいＷまたはＭｏを使用する必要があり、配線を微細にした場合、配線の電気抵抗値が大きくなるという問題があった。
【０００４】
このため、Ａｇ、Ｃｕ等の低抵抗配線材料と同時焼成を行うことができる低温焼成セラミックス基板の開発が進められており、その中でも比誘電率が比較的小さいので伝送損失が小さく、かつ熱膨張率がシリコンに近いため、フリップチップ方式による搭載が可能なガラスを含有するガラスセラミックス基板が注目されている。このガラスセラミックス基板に用いられるガラス材料としては、ホウ珪酸系ガラス、ＭｇＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系ガラス、ＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系ガラス等が挙げられ、通常、これらのガラス粉末に骨材を添加した原料を用いてガラスセラミックス基板が製造される。
【０００５】
また、このようなガラスセラミックス基板は、基板サイズを縮小し、搭載ボードへの搭載密度を向上させ、さらに電気特性を向上させるため、一般に複数枚のガラスセラミックスのグリーンシートを積層および焼成してガラスセラミックス多層基板が製造される。
さて、ＬＳＩ等が高速になり、高密度になるにしたがい、セラミックス基板に搭載されるＬＳＩ等とセラミックス基板に形成された配線とのボンディング法は、従来のワイヤボンディング法からマルチチップ化や高密度な搭載に適したＴＡＢ（Tape Automated Bonding) 方式またはフリップチップ方式が採用されるようになってきている。したがって、ガラスセラミックス多層基板に対する要求も基板自身の物性のみでなく、高密度な搭載に対応することができるように基板の寸法や形状等についても精密な制御技術が必要となってきている。
【０００６】
このようなガラスセラミックス多層基板の寸法等の制御を行う方法として、特表平５―５０３４９８号公報には、ガラスセラミックスグリーンシートの積層体の表裏両面にセラミックスからなる剥離層を配置し、表裏両面から加圧しながら焼成した後、剥離層を除去する方法が開示されている。前記公報においては、焼結にともなう平面収縮が低減できることが記載されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特表平５―５０３４９８号公報に開示される方法では、ガラスセラミックスグリーンシートの積層体にキャビティ部が形成されている場合、積層体両面に重ねるセラミックスの剥離層を介して加圧するとき、キャビティ部の空隙により圧力が伝達されないため、キャビティ部周辺が焼成時に変形を起こし、回路基板として実用不可能なものとなる恐れがあった。
【０００８】
そこで、特開平８―２４５２６８号公報においては、キャビティ部を有するガラスセラミックス積層体の焼結方法が開示されている。この方法では、キャビティ部内にガラスセラミックス積層体よりも焼結温度の高い無機成分からなる成形体層を形成し、その直上部分にキャビティ部と同一体積のガラスセラミックス成形体を配置することにより、キャビティ部とキャビティ部以外の部分とを同じ体積比の積層構造にすることで、ガラスセラミックスグリーンシート全体の焼成時の収縮挙動を均一にしている。
【０００９】
しかしながら、一般にガラスセラミックス積層体には複数のキャビティ部が形成されており、このキャビティ部内に正確に無機成分からなる成形体を形成し、さらにこのキャビティ部直上の正しい位置にガラスセラミックス成形層を配置するのは複雑な工程である。このため、特開平８―２４５２６８号公報に開示される方法では、製造工数が増大し、生産性が低下するという問題があった。
【００１０】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、キャビティ部を有するガラスセラミックス積層体の焼結時にキャビティ部周辺の変形を防ぎ、かつ製造工数を低減し、生産性を向上することができるガラスセラミックス多層基板の製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１記載のガラスセラミックス多層基板の製造方法は、ガラスセラミックスのグリーンシート積層体のキャビティ部内部にガラスセラミックスよりも焼結温度の高い無機成分を主として含有するペーストを充填する工程と、前記グリーンシート積層体の上下両面にガラスセラミックスよりも焼結温度の高い無機成分を主として含有するグリーンシートを配置する工程と、グリーンシート積層体の上下両面にグリーンシートを配置した後、焼成を行う工程とを含み、前記ペーストにおける前記無機成分の固形分比率を、前記グリーンシート積層体の厚み方向の収縮率に適合するように設計することを特徴とする。
【００１２】
本発明によるガラスセラミックス多層基板の製造方法においては、ガラスセラミックスの原料となるガラス粉末や骨材となるセラミックス粉末をボールミルに投入し、さらに粉砕用のボールと共に湿式媒を添加し、適当な粒径になるように湿式混合粉砕を行うことにより、ガラスセラミックスの原料粉末が得られる。この後、前記の湿式媒を除去し、得られた原料粉末にバインダ、分散剤、可塑剤、有機溶媒等を添加して湿式混合を行い、スラリーを調製する。次に、このスラリーを用いてドクターブレード法等によりガラスセラミックスグリーンシートを作製する。その後、必要によりビアホール等を形成し、前記のガラスセラミックスグリーンシートに配線用の導体ペーストを印刷し、ビアホール部分に導体ペーストを充填する。これらの工程により作製された種々のガラスセラミックスグリーンシートを積層してグリーンシート積層体を形成することができる。
【００１３】
ガラスセラミックスグリーンシートは、前記のガラスセラミックスの原料粉末、有機溶媒、可塑剤およびバインダ等から構成される。ガラスセラミックスの原料粉末は、ホウ珪酸系ガラス、ＭｇＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系ガラス、ＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系ガラス等の粉末とＡｌ₂Ｏ₃等の骨材の粉末を混合したものであり、有機溶媒としては、例えばトルエン、キシレン、アルコール類等が挙げられ、可塑剤としては、例えばジブチルフタレート、ジオキシルフタレート等が挙げられ、バインダとしては、例えばアクリル樹脂、ブチラール樹脂等が挙げられる。これらの混合割合は、ガラスセラミックスの原料粉末１００重量部に対し、有機溶媒が２０〜８０重量部、可塑剤が１〜５重量部、バインダが５〜２０重量部が好ましい。ガラスセラミックスグリーンシート上に導体含有層を形成する場合、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ−Ｐｄ等が導体材料として用いられる。
【００１４】
グリーンシート積層体のキャビティ部内部に充填するガラスセラミックスの焼結温度では焼結しない無機成分（以下、「ガラスセラミックスの焼結温度では焼結しない無機成分」を難焼結性無機成分という）を主成分とするペーストは、例えば通常の印刷工程により、任意のキャビティの位置に容易に充填することができる。前記のペーストは、難焼結性無機成分の粉末、有機溶媒、バインダ等から構成される。
【００１５】
難焼結性無機成分としては、例えばＡｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、ＭｇＯ、ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂、ＢｅＯ、ＢＮ、３Ａｌ₂Ｏ₃２ＳｉＯ₂等が挙げられる。有機溶媒としては、例えばトルエン、キシレン、アルコール類等が挙げられ、バインダとしては、例えばエチルセルロース樹脂、ニトロセルロース樹脂等が挙げられる。これらの混合割合は、難焼結性無機成分の粉末１００重量部に対し、有機溶媒が２０〜８０重量部、バインダが５〜２０重量部が好ましい。
【００１６】
ガラスセラミックスのグリーンシート積層体の上下両面に難焼結性無機成分を主成分とする成形体を配置して、加圧しながら焼成することにより、グリーンシート積層体の平面方向にほとんど収縮しない、寸法精度の良い焼結体が得られる。このとき、キャビティ部内部に充填するペーストの難焼結性無機成分の固形分比率をガラスセラミックス積層体の厚み方向の収縮率に適合するように成分設計することにより、キャビティ部とキャビティ部以外の部分との焼成後における厚みがほぼ同一となるように制御することができる。
【００１７】
前記のペーストの固形分比率をコントロールすることにより、焼成時にキャビティ部を含むガラスセラミックス積層体の全面において、均一な加圧力の負荷が可能となるため、難焼結性無機粉末層によるガラスセラミックス積層体の表面に対する拘束作用がキャビティ内部にも働き、ガラスセラミックス積層体全体において、均一な焼結反応が進行すると考えられる。
【００１８】
この結果、キャビティ部周辺の変形やキャビティ部底部のクラックの発生を防止することができ、焼結状態および形状の安定したキャビティ部を有する良好な回路基板を得ることができる。さらに、簡便な工程により寸法精度のよい回路基板を製造することができるので、製造工数を低減し、生産性を向上することができる。
【００１９】
焼成後、キャビティ部に充填されている難焼結性無機粉末は、例えば、微細なガラス粉末を用いる一般のショットブラスト処理により、簡便に除去可能である。
キャビティ部に充填されている難焼結性無機粉末のショットブラストによる除去性能を上げるためには、難焼結性無機粉末の粒径をガラスセラミックスの原料粉末の平均粒径の１／１０以上の大きさであることが望ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の複数の実施例を図面に基づいて説明する。
（第１実施例）
本発明をＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系ガラスを用いたガラスセラミックス多層基板に適用した第１実施例について説明する。
【００２１】
まず、ガラスセラミックスのグリーンシート積層体の作製方法について述べる。ここで、ガラスセラミックスの原料粉末は、ＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃系のガラス粉末６０ｗｔ％とＡｌ₂Ｏ₃粉末４０ｗｔ％とを混合した粉体状のセラミックスであり、平均粒径は約３．５μｍである。
▲１▼ ガラスセラミックス粉体にジオキシルフタレートの可塑剤と、アクリル樹脂のバインダと、例えばトルエン、キシレン、アルコール類等の溶剤とを加え、十分に混練して粘度２０００〜４００００ｃｐｓのスラリーを作製し、ドクターブレード法によって０．３ｍｍ厚の４枚のガラスセラミックスグリーンシートを形成する。
【００２２】
▲２▼ 打ち抜き型やパンチングマシーン等を用いて、ガラスセラミックスグリーンシートを所望の形状に加工し、また、複数の所定位置に例えば０．３ｍｍφのビアホールを打ち抜き形成し、各ビアホールにＡｇ系導体材料を充填する。また、ガラスセラミックスグリーンシートの表面あるいは裏面に内部配線用のＡｇ、Ａｇ−Ｐｄ、Ａｇ−Ｐｔ、Ａｇ−Ｐｄ−Ｐｔ、Ｃｕ等の導体ペーストをスクリーン印刷する。
【００２３】
▲３▼ それぞれのガラスセラミックスグリーンシートを積層して得られたガラスセラミックスのグリーンシート積層体を１１０℃、１００ｋｇ／ｃｍ²の条件で熱圧着して一体化する。
上記の▲１▼〜▲３▼により、図２に示すガラスセラミックスのグリーンシート積層体１が得られる。図２において、グリーンシート積層体１はガラスセラミックスグリーンシート１ａの積層体であり、キャビティ部２を有している。グリーンシート積層体１の外形寸法は１００×１５０ｍｍ角、キャビティ部２の寸法はＬ₁＝５ｍｍの５×５ｍｍ角であり、グリーンシート積層体１は３０個のキャビティ部２を有している。
【００２４】
次に、上記の▲１▼〜▲３▼で作製されたグリーンシート積層体１の焼結方法について説明する。
▲４▼ 平均粒径が約０．３μｍのＡｌ₂Ｏ₃粉末にエチルセルロース樹脂をアルコール類で溶解したビヒクルを加え、Ａｌ₂Ｏ₃粉末の固形分比率が６９％となるＡｌ₂Ｏ₃粉末を含有するペーストを作製する。ここで、固形分比率が６９％となるＡｌ₂Ｏ₃粉末を含有するペーストは、特許請求の範囲に記載された「ガラスセラミックスよりも焼結温度の高い無機成分を主として含有するペースト」に相当する。
【００２５】
▲５▼ グリーンシート積層体１のキャビティ部２にＡｌ₂Ｏ₃粉末を含有するペーストをスクリーン印刷法等により充填し、乾燥させ、図３に示すように、充填層３を形成する。
▲６▼ 予め、Ａｌ₂Ｏ₃粉末に有機溶媒、アクリルバインダ、可塑剤、分散剤を添加し、ボールミルにて混合してスラリーとし、このスラリーを用いてドクターブレード法によりＡｌ₂Ｏ₃グリーンシートを形成しておき、図１に示すように、グリーンシート積層体１の上下両面にＡｌ₂Ｏ₃グリーンシート４および５を配置する。ここで、Ａｌ₂Ｏ₃グリーンシート４および５は、特許請求の範囲に記載された「ガラスセラミックスよりも焼結温度の高い無機成分を主として含有する成形体」に相当する。
【００２６】
▲７▼ 図１に示すように、グリーンシート積層体１の上下両面にＡｌ₂Ｏ₃グリーンシート４および５を配置した後、グリーンシート積層体１の上下面に５ｋｇ／ｃｍ²の圧力を負荷しながらグリーンシート積層体１、充填層３、ならびにＡｌ₂Ｏ₃グリーンシート４および５を電気式連続ベルト炉を使用して、空気中で９００℃、２０分の保持条件で焼成する。なお、導体ペーストがＣｕの場合は還元または中性雰囲気で焼成する。
【００２７】
▲８▼ 焼成後、ガラスセラミックス積層体のキャビティ部および表面のＡｌ₂Ｏ₃粉末をガラスビーズのブラスト処理等により除去する。
第１実施例においては、ガラスセラミックスのグリーンシート積層体１のキャビティ部２の内部に難焼結性のＡｌ₂Ｏ₃粉末を主として含有するペーストを充填し乾燥させ充填層３を形成する工程と、グリーンシート積層体１の上下両面に難焼結性のＡｌ₂Ｏ₃粉末を主として含有するＡｌ₂Ｏ₃グリーンシート４および５を配置する工程と、グリーンシート積層体１の上下両面にＡｌ₂Ｏ₃グリーンシート４および５を配置した後、グリーンシート積層体１の上下面に圧力を負荷しながら焼成を行なう工程とを含んでいる。このため、キャビティ部２の内部に充填するＡｌ₂Ｏ₃粉末を含有するペーストの固形分比率をコントロールすることにより、焼成時にキャビティ部を含むガラスセラミックス積層体の全面において、均一な加圧力の負荷が可能となる。したがって、均一な焼結反応が進行し、Ａｌ₂Ｏ₃粉末除去後のキャビティ部周辺の変形、割れを抑制することができ、キャビティ部底部は十分に平坦となり、焼結時の水平方向の収縮を抑制することができ、良好な回路基板を得ることができる。さらに、簡便な工程により寸法精度のよい回路基板を製造することができるので、製造工数を低減し、生産性を向上することができる。
【００２８】
（変形例）
第１実施例においては、キャビティ部２が一段である場合を示したが、何らこれに限定されるものではなく、変形例では、図４に示すように、キャビティ部２が複数段形成されている場合であっても、第１実施例と同様に焼結させることができる。図４には、第１実施例と実質的に同一構成部分に同一符号を付す。ここで、キャビティ部２の寸法はＬ₂＝７ｍｍの７×７ｍｍ角、およびＬ₃＝５ｍｍの５×５ｍｍ角であり、グリーンシート積層体１は３０個の二段のキャビティ部２を有している。
【００２９】
（第２実施例）
本発明の第２実施例によるガラスセラミックス多層基板の製造方法について説明する。
第２実施例では、第１実施例と同一構成のＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系ガラスを用いたガラスセラミックス多層基板に本発明を適用し、第１実施例の▲４▼の工程で作製した固形分比率が６９％となるＡｌ₂Ｏ₃粉末を含有するペーストには、平均粒径が約１．０μｍのＡｌ₂Ｏ₃粉末を用いた。その他の工程は、第１実施例の▲１▼〜▲３▼の工程、および第１実施例の▲５▼〜▲８▼の工程と同様である。
【００３０】
第２実施例では、焼成後、ガラスセラミックス積層体のキャビティ部のＡｌ₂Ｏ₃粉末をガラスビーズのブラスト処理により除去する工程において、第１実施例と同一のブラスト条件で、第１実施例の１／２倍以下の時間で処理することができる。
第２実施例においては、ガラスセラミックスのグリーンシート積層体のキャビティ部内部に充填する難焼結性のＡｌ₂Ｏ₃粉末の粒径がガラスセラミックスの原料粉末の平均粒径の１／１０以上の大きさである。このため、焼成後、キャビティ部に充填されているＡｌ₂Ｏ₃粉末は、微細なガラス粉末を用いる一般のショットブラスト処理により、簡便に短時間で除去可能である。したがって、寸法精度のよい回路基板をさらに簡便に短時間で製造することができるので、製造工数をさらに低減し、生産性をさらに向上することができる。
【００３１】
（比較例）
比較例によるガラスセラミックス多層基板の製造方法を図５を用いて説明する。第１実施例と実質的に同一構成部分には同一符号を付す。
第１実施例で用いたのと同一のＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系ガラスを用いたガラスセラミックスのグリーンシート１ａによりキャビティ部２を有するグリーンシート積層体１を作製した。グリーンシート積層体１の上下面には、難焼結性のＡｌ₂Ｏ₃粉末を主として含有するＡｌ₂Ｏ₃グリーンシート４および５を配置し、キャビティ部２に難焼結性のＡｌ₂Ｏ₃粉末を主として含有するペーストを充填することなく、後は第１実施例と同一の焼成方法、条件で焼成した後、第１実施例と同一の方法で表面のＡｌ₂Ｏ₃粉末を除去した。その結果得られたガラスセラミックスの焼結体は、キャビティ部底部に割れが生じており、実用不可能な焼結体となっていた。
【００３２】
以上説明したように、本発明のガラスセラミックス多層基板の製造方法によれば、ガラスセラミックスのグリーンシート積層体のキャビティ部内部に難焼結性無機成分を主として含有するペーストを充填する工程と、グリーンシート積層体の上下両面に難焼結性無機成分を主として含有する成形体を配置する工程と、グリーンシート積層体の上下両面にこの成形体を配置した後、グリーンシート積層体の上下面に圧力を負荷しながら焼成を行なう工程とを含んでいる。このため、ペーストの固形分比率をコントロールすることにより、焼成時にキャビティ部を含むガラスセラミックス積層体の全面において、均一な加圧力の負荷が可能となり、キャビティ部底部の平坦性、ならびにキャビティ部周辺の変形および割れを抑制し、焼結中の水平方向の収縮を抑制することができるので、緻密に焼結させることができる。したがって、焼結状態および形状の安定したキャビティ部を有する良好な回路基板を得ることができる。さらに、簡便な工程により寸法精度のよい回路基板を製造することができるので、製造工数を低減し、生産性を向上することができる。さらにまた、キャビティ部内部に充填する難焼結性無機成分を主として含有するペーストの難焼結性無機粉末の粒径をガラスセラミックスの原料粉末の平均粒径の１／１０以上の大きさとすることにより、焼成後、キャビティ部に充填されている難焼結性無機粉末は、微細なガラス粉末を用いる一般のショットブラスト処理により、簡便に短時間で除去可能である。したがって、寸法精度のよい回路基板をさらに簡便に短時間で製造することができるので、製造工数をさらに低減し、生産性をさらに向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例によるガラスセラミックス多層基板の製造方法を説明するための模式的断面図である。
【図２】本発明の第１実施例によるガラスセラミックス多層基板の製造方法を説明するための模式的断面図である。
【図３】本発明の第１実施例によるガラスセラミックス多層基板の製造方法を説明するための模式的断面図である。
【図４】本発明の変形例によるガラスセラミックス多層基板の製造方法を説明するための模式的断面図である。
【図５】比較例によるガラスセラミックス多層基板の製造方法を説明するための模式的断面図である。
【符号の説明】
１グリーンシート積層体
１ａグリーンシート
２キャビティ部
３充填層
４、５Ａｌ₂Ｏ₃グリーンシート

Claims

ガラスセラミックスのグリーンシートを積層して低温焼成工程によって製造されるキャビティ部を有するガラスセラミックス多層基板を製造する方法であって、
前記ガラスセラミックスのグリーンシート積層体のキャビティ部内部に前記ガラスセラミックスよりも焼結温度の高い無機成分を主として含有するペーストを充填する工程と、
前記グリーンシート積層体の上下両面に前記ガラスセラミックスよりも焼結温度の高い無機成分を主として含有するグリーンシートを配置する工程と、
前記グリーンシート積層体の上下両面に前記グリーンシートを配置した後、焼成を行う工程と、
を含み、前記ペーストにおける前記無機成分の固形分比率を、前記グリーンシート積層体の厚み方向の収縮率に適合するように設計することを特徴とするガラスセラミックス多層基板の製造方法。
前記ペーストにおける前記無機成分の粒径を、前記ガラスセラミックスの原料粉末の平均粒径の１／１０以上の大きさとする、請求項１に記載のガラスセラミックス多層基板の製造方法。