JP4337129B2

JP4337129B2 - セラミック基板の製造方法

Info

Publication number: JP4337129B2
Application number: JP8741099A
Authority: JP
Inventors: 潔稲垣; 誠上玉利
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1999-03-30
Filing date: 1999-03-30
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2019-03-30
Also published as: JP2000286555A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フリップチップを接続するパッドを改良したセラミック基板の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体パッケージの小型化・高密度実装化や高速化等の要求を満たすために、半導体チップの実装形態がワイヤボンディングから、ベアチップを直接フェースダウン状態で基板に実装するフリップチップボンディングへと移行しつつある。
【０００３】
従来の一般的なフリップチップ搭載用のセラミック基板は、基板表面のパッドを形成する部分に導体ペーストを印刷して焼成し、パッドを形成するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来構成では、基板表面に印刷・焼成するパッドの微小化に伴ない、セラミック基板とパッドとの接合面積も微小になるため、セラミック基板に対するパッドの接合強度が低下することが避けられない。このようなパッドの接合強度低下は、フリップチップが接合されたパッドがセラミック基板から剥離しやすくなる原因となり、フリップチップの接合信頼性が低下する原因となる。
このような問題を解決するため、最近では、基板表面に露出するビア導体の表面をそのままパッドとして用いることが検討されている。
【０００５】
しかしながら、ビア導体の表面は、凹凸があったり、或は、基板表面よりも窪んだ凹形状となっていることが多いため、フリップチップの接続に要求される平坦性を確保することは困難である。しかも、ビアホールに充填する導体ペーストは、ビア導体とセラミックとの焼成収縮挙動の違いによるビアホール周辺のクラック等を防止するために焼結制御添加剤が添加されているため、この焼結制御添加剤によってビア導体表面の半田濡れ性が悪くなっている。これらの事情から、ビア導体の表面をそのままパッドとして用いると、パッドとフリップチップ下面の半田バンプとの接合が不完全になりやすく、フリップチップの接合信頼性を十分に確保できない。尚、ビア導体表面の半田濡れ性は、表面をメッキ処理することで確保できるが、平坦性は、メッキ処理しても、あまり改善できない。
【０００６】
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、基板表面に露出するビア導体の表面をそのままパッドとして用いても、フリップチップの接合信頼性を十分に確保することができるセラミック基板の製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１のセラミック基板の製造方法は、複数枚のグリーンシートにビアホールを形成する工程と、各グリーンシートのビアホールに導体ペーストを充填する工程と、各グリーンシートを積層して生基板を形成する積層工程と、前記生基板の表裏両面に、該生基板の焼成温度では焼結しないダミーグリーンシートを積層する工程と、前記生基板を前記ダミーグリーンシートの上から加圧した状態、又は加圧しない状態で焼成する焼成工程と、焼成後に焼成基板の両面に付着している前記ダミーグリーンシートの残存物を研磨して取り除く研磨工程とを実行するセラミック基板を製造方法において、最上層に積層するグリーンシートのビアホールに２種類の導体ペーストを１種類ずつ充填すると共に、２回目に充填する導体ペーストは、１回目に充填する導体ペーストよりも半田濡れ性の良い導体ペーストを使用し、焼成後の研磨工程で、前記ダミーグリーンシートの残存物を研磨して取り除く際に、同時に、基板表面から突出したビア導体の突出部分を研磨し平坦化してフリップチップ用のパッドを形成することを特徴としている。
【０００９】
この製造方法では、生基板の表裏両面にダミーグリーンシートを積層して、その上から加圧した状態又は加圧しない状態で焼成する、いわゆる拘束焼成を行うので、セラミック基板の面方向の焼成収縮を小さくしてパッド（ビア導体表面）の位置精度を向上させることができ、フリップチップの小型化・高集積化にも十分に対応できる。しかも、拘束焼成後の研磨工程で、ダミーグリーンシートの残存物を研磨して取り除く際に、同時に、ビア導体表面を研磨してパッドを形成することができるため、ビア導体表面を研磨する工程を新たに追加する必要がなく、生産性も良好に維持することができる。さらに、２回目に充填する導体ペーストは、１回目に充填する導体ペーストよりも半田濡れ性の良い導体ペーストを使用しているので、基板表面に露出するビア導体の表層部をその下層部よりも半田濡れ性の良い導体ペーストで形成することができ、パッドの半田濡れ性も確保することができる。また、半田濡れ性の良い導体ペーストを使用するのは２回目であり、したがって基板表面に露出するビア導体の表層部のみが半田濡れ性の良い導体ペーストで形成される。よって、該ビア導体の表層部以外の部分や他の層のビア導体は、従来同様、セラミックの焼成収縮挙動に合わせて調製された導体ペーストで形成することができ、セラミック基板の各層のビアホール周辺にクラック等が生じることを防止することができる。
【００１０】
この場合、ビア導体（導体ペースト）に添加された焼結制御添加剤が半田濡れ性を低下させる原因になっていることを考慮し、請求項２のように、２回目に充填する導体ペーストは、１回目に充填する導体ペーストよりも焼結制御添加剤の配合量が少ない導体ペーストを使用すると良い。このようにすれば、導体ペーストの焼結制御添加剤の配合量を少なくするという、極めて簡単な方法でパッドの半田濡れ性を確保することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を低温焼成セラミック基板に適用した一実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図２（ｂ）に基づいて低温焼成セラミック基板の構造を説明する。低温焼成セラミック基板は、複数枚の低温焼成セラミックのグリーンシート（セラミック層）１１ａ〜１１ｃを積層して８００〜１０００℃で拘束焼成したものである。低温焼成セラミックとしては、ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−Ｂ₂Ｏ₃系ガラス：５０〜６５重量％（好ましくは６０重量％）とアルミナ：５０〜３５重量％（好ましくは４０重量％）との混合物を用いる。この他、ＭｇＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−Ｂ₂Ｏ₃系ガラスとアルミナとの混合物、ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃系ガラスとアルミナとの混合物、ＰｂＯ−ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃系ガラスとアルミナとの混合物、コージェライト系結晶化ガラス等の８００〜１０００℃で焼成できる低温焼成セラミック材料を用いても良い。
【００１２】
各層のセラミック層１１ａ〜１１ｃには、ビアホール１２，１３が形成され、各ビアホール１２，１３にビア導体１４ａ，１４ｂ，１５が充填されている。各層のビア導体１４ａ，１４ｂ，１５は、例えば、Ａｇ、Ａｇ／Ｐｄ、Ａｇ／Ｐｔ、Ａｇ／Ａｕ等を主に含むＡｇ系導体ペーストにより形成されている。尚、Ａｇ系導体ペーストに代えて、Ａｕ系、Ｃｕ系等の低融点金属のペーストを用いても良い。
【００１３】
この場合、基板表面に露出する最上層のビア導体１４ａ，１４ｂは、２回の穴埋め印刷により二層に形成され、最上層のビア導体のうちの表層部１４ａの下側の部分１４ｂは、他の層のビア導体１５と同一の導体ペーストで形成されている。そして、ビア導体表層部１４ａは、他のビア導体１４ｂ，１５よりも半田濡れ性の良い導体ペーストで形成されている。本実施形態では、ビア導体表層部１４ａに用いる導体ペーストは、他のビア導体１４ｂ，１５に用いる導体ペーストよりも焼結制御添加剤の配合量が少ない導体ペーストを使用することで、ビア導体表層部１４ａの半田濡れ性を良くしている。更に、ビア導体表層部１４ａの表面は、研磨されて平坦化され、フリップチップ用のパッドとして用いられる。尚、２層目以下のセラミック層１１ｂ，１１ｃには、内層導体パターン１６がＡｇ系、Ａｕ系、Ｃｕ系等の低融点金属のペーストの印刷により形成されている。
【００１４】
次に、上記構成の低温焼成セラミック基板の製造方法を図３に基づいて説明する。まず、低温焼成セラミックのスラリーをドクターブレード法等でテープ成形して、グリーンシートを成形する。この後、このグリーンシートを、基板のサイズに切断すると共に、パンチングマシーン等で各層のグリーンシート１１ａ〜１１ｃの所定位置にビアホール１２，１３を形成する。
【００１５】
この後、各層のグリーンシート１１ａ〜１１ｃのビアホール１２，１３に導体ペーストの穴埋め印刷によりビア導体１４ａ，１４ｂ，１５を充填する。この際、２層目以下のグリーンシート１１ｂ，１１ｃのビアホール１３については、１回の穴埋め印刷でビアホール１３全体にビア導体１５を充填するが、最上層のグリーンシート１１ａのビアホール１２については、２回の穴埋め印刷を行う。１回目の穴埋め印刷では、他の層のビア導体１５と同一の導体ペーストを使用して、図１（ａ）に示すように、ビアホール１２内の表層部を除く部分にビア導体１４ｂを充填する。そして、２回目の穴埋め印刷では、他のビア導体１４ｂ，１５よりも焼結制御添加剤の配合量が少ない導体ペーストを使用して、図１（ｂ）に示すように、ビアホール１２内の表層部に半田濡れ性の良いビア導体１４ａを、基板表面となるグリーンシート１１ａの表面から突出するように充填する。
【００１６】
尚、本実施形態では、導体ペーストの焼結制御添加剤の配合量を少なくすることで、ビア導体表層部１４ａの半田濡れ性を良くしているが、例えば、半田濡れ性の良い導体を用いることで、ビア導体表層部１４ａの半田濡れ性を良くするようにしても良い。
【００１７】
各層のビア導体１４ａ，１４ｂ，１５の充填後、２層目以下のグリーンシート１１ｂ，１１ｃに、Ａｇ系、Ａｕ系、Ｃｕ系等の低融点金属のペーストで内層導体パターン１６をスクリーン印刷する。
【００１８】
次の工程で、各層のグリーンシート１１ａ〜１１ｃを積層して生基板を作り、これを例えば８０〜１５０℃、５０〜２５０ｋｇｆ／ｃｍ²の条件で加熱圧着して一体化する。更に、この生基板の両面に、図２（ａ）に示すように、拘束焼成のためのアルミナグリーンシート１７（ダミーグリーンシート）を積層し、上述と同様の方法で加熱圧着する。
【００１９】
この後、２枚のアルミナグリーンシート１７間に挟まれた生基板を、２〜２０ｋｇｆ／ｃｍ²の範囲内の圧力で加圧しながら８００〜１０００℃（好ましくは９００℃）で焼成して、各層のセラミック層１１ａ〜１１ｃとビア導体１４ａ，１４ｂ，１５及び内層導体パターン１６を同時焼成する。尚、生基板を加圧せずに焼成しても良く、この場合でも、セラミック基板の面方向の焼成収縮をアルミナグリーンシート１７によって少なくすることができる。
【００２０】
このような拘束焼成では、基板両面に積層されたアルミナグリーンシート１７は１５５０〜１６００℃まで加熱しないと焼結しないので、８００〜１０００℃で焼成すれば、アルミナグリーンシート１７は未焼結のまま残される。但し、焼成の過程で、アルミナグリーンシート１７中のバインダーが飛散してアルミナ粉体として残る。
【００２１】
焼成後、基板両面に残ったアルミナグリーンシート１７の残存物（アルミナ粉体）をサンドブラスト等で研磨して除去する［図２（ｂ）参照］。この研磨工程で、同時に、最上層のビア導体１４ａの突出部分を研磨して、図１（ｃ）に示すように、該ビア導体１４ａの表面を平坦化してフリップチップ用のパッドを形成する。研磨後、基板表面を洗浄し、該基板表面に表層導体パターン（図示せず）をフォトリソグラフィ法又は厚膜法（印刷・焼成）により形成する。
【００２２】
以上のようにして製造した低温焼成セラミック基板は、基板表面に露出するビア導体の表層部１４ａを半田濡れ性の良い導体ペーストで形成し、該ビア導体１４ａの表面を研磨してフリップチップ用のパッドとして用いるようにしたので、基板表面に露出するビア導体１４ａの表面（パッド）をメッキ処理しなくても、パッドの半田濡れ性と平坦性（パッドの凹凸が１０μｍ以下）とを共に確保することができ、該ビア導体１４ａの表面をそのままパッドとして用いても、フリップチップの接合信頼性を十分に確保することができる。
【００２３】
しかも、パッドの印刷やメッキ処理が不要であるので、生産性を向上でき、生産コストも低減することができる。更に、ビア導体１４ａの表面を研磨してパッドを形成するので、ビア導体１４ａ（パッド）の印刷時の導体ペーストのにじみ、はみ出し等を取り除いて均一形状のパッドを形成することができ、微小なパッドを精度良く形成することができる。
【００２４】
この場合、半田濡れ性の良い導体ペーストを使用するのは、基板表面に露出するビア導体の表層部１４ａのみであるから、該ビア導体の表層部１４ａ以外の部分１４ｂや他の層のビア導体１５は、従来同様、セラミックの焼成収縮挙動に合わせて調製された導体ペーストで形成することができ、セラミック基板の各層のビアホール１２，１３の周辺にクラック等が生じることを防止できる。
【００２５】
また、上記実施形態の製造方法では、生基板の表裏両面にアルミナグリーンシート１７を積層して拘束焼成するので、セラミック基板の面方向の焼成収縮を小さくしてパッド（ビア導体１４ａ）の位置精度を向上させることができ、フリップチップの小型化・高集積化（パッドの微小化）にも十分に対応できる。しかも、拘束焼成後の研磨工程で、アルミナグリーンシート１７の残存物を研磨して取り除く際に、同時にビア導体１４ａ表面を研磨してパッドを形成することができるため、ビア導体１４ａ表面を研磨する工程を新たに追加する必要がなく、パッドのメッキ処理が不要であることと相俟って、生産性を更に向上できる。
【００２６】
尚、セラミック基板をＢＧＡ(Ball Grid Array) パッケージとして構成する場合には、セラミック基板の下面に形成する半田ボール用のパッドを上記フリップチップ用のパッドと同様の方法で形成するようにしても良い。
【００２７】
その他、本発明は、拘束焼成に限定されず、ダミーグリーンシートを用いない通常の焼成方法でセラミック基板を形成しても良く、また、基板内層に、厚膜抵抗体やコンデンサ等を形成するようにしても良い。
【００２８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の請求項１のセラミック基板の製造方法は、最上層に積層するグリーンシートのビアホールに２種類の導体ペーストを１種類ずつ充填すると共に、２回目に充填する導体ペーストは、１回目に充填する導体ペーストよりも半田濡れ性の良い導体ペーストを使用し、焼成後の研磨工程で、前記ダミーグリーンシートの残存物を研磨して取り除く際に、同時に、基板表面から突出するビア導体の突出部分を研磨し平坦化してフリップチップ用のパッドを形成するので、ビア導体の表面（パッド）をメッキ処理しなくても、パッドの半田濡れ性と平坦性とを共に確保することができ、したがってビア導体表面をそのままパッドとして用いても、フリップチップの接合信頼性を十分に確保することができる。しかも、ビア導体表面を研磨する工程を新たに追加する必要がなく、生産性も良好に維持することができる。
【００２９】
また、セラミック基板を拘束焼成するので、セラミック基板の面方向の焼成収縮を小さくしてパッド（ビア導体表面）の位置精度を向上させることができ、フリップチップの小型化・高集積化にも十分に対応できる。
【００３０】
更に、請求項２では、導体ペーストの焼結制御添加剤の配合量を少なくするという、極めて簡単な方法でパッドの半田濡れ性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｃ）は本発明の一実施形態におけるパッドの形成方法を説明する工程図
【図２】（ａ）は拘束焼成時の状態を示す断面図、（ｂ）は研磨後のセラミック基板の縦断面図
【図３】セラミック基板の製造工程の流れを示すフローチャート
【符号の説明】
１１ａ〜１１ｃ…グリーンシート（セラミック層）、１２，１３…ビアホール、１４ａ，１４ｂ，１５…ビア導体、１６…内層導体パターン、１７…アルミナグリーンシート（ダミーグリーンシート）。

Claims

複数枚のグリーンシートにビアホールを形成する工程と、
各グリーンシートのビアホールに導体ペーストを充填する工程と、
各グリーンシートを積層して生基板を形成する積層工程と、
前記生基板の表裏両面に、該生基板の焼成温度では焼結しないダミーグリーンシートを積層する工程と、
前記生基板を前記ダミーグリーンシートの上から加圧した状態、又は加圧しない状態で焼成する焼成工程と、
焼成後に焼成基板の両面に付着している前記ダミーグリーンシートの残存物を研磨して取り除く研磨工程と
を実行するセラミック基板の製造方法において、
最上層に積層するグリーンシートのビアホールに２種類の導体ペーストを１種類ずつ充填すると共に、２回目に充填する導体ペーストは、１回目に充填する導体ペーストよりも半田濡れ性の良い導体ペーストを使用し、
焼成後の研磨工程で、前記ダミーグリーンシートの残存物を研磨して取り除く際に、同時に、基板表面から突出したビア導体の突出部分を研磨し平坦化してフリップチップ用のパッドを形成することを特徴とするセラミック基板の製造方法。
２回目に充填する導体ペーストは、１回目に充填する導体ペーストよりも焼結制御添加剤の配合量が少ない導体ペーストを使用することを特徴とする請求項１記載のセラミック基板の製造方法。