JP4533129B2 - 配線基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス−セラミックからなり表面および裏面の少なくとも一方にＣｕメタライズからなるパッドや電極などの導体が形成される配線基板の製造方法に関する。

低誘電損失のガラス−セラミックからなる基板本体と、かかる基板本体の表面および裏面の少なくとも一方に形成した低抵抗のＣｕメタライズ層と、を含む配線基板は、高周波領域で使用される電子部品の実装用に好適である。
上記配線基板を得るには、ガラス−セラミックからなり表面に所定パターンのＣｕメタライズ層を形成した複数のグリーンシートを積層し、得られた積層体を所定の温度域で且つ雰囲気中で焼成することが必要である。
例えば、ガラス−セラミックからなる複数のグリーンシートを積層して得られた積層体を、炭素には酸化的で且つＣｕには非酸化的な組成比の水素と水蒸気とからなる雰囲気中で、上記ガラスの徐冷温度と軟化温度との範囲内のバインダ燃焼温度で当該バインダが分解するよう加熱した後、上記雰囲気を不活性雰囲気に置換して上記積層体を上記ガラスの結晶化温度まで加熱し、ガラスの粒子を融合および結晶化して、内部にＣｕを含む導体のパターンを形成する工程を含む、ガラス−セラミック構造の製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開昭５５−１２８８９９号公報（第１〜７頁、第１〜４図）

しかしながら、前記特許文献１の製造方法では、得られる配線基板のガラス−セラミックからなる基板本体が反っていたり、ガラス−セラミック中にＣｕが拡散していると共に、焼成後のＣｕメタライズ層に比較的大きな気泡（ポア）が含まれている、という問題があった。しかも、上記ガラス−セラミックとＣｕメタライズ層との密着性が低いため、かかるＣｕメタライズ層が不用意に剥離するおそれがある、という問題もあった。

本発明は、前述した背景技術における問題点を解決し、ガラス−セラミックからなる基板に反りが生じにくく且つ当該ガラス−セラミック中にＣｕの拡散が少ないと共に、比較的緻密で且つ強固に密着したＣｕメタライズ層を有する配線基板が確実に得られる製造方法を提供する、ことを課題とする。

課題を解決するための手段および発明の効果

本発明は、前記課題を解決するため、ガラス−セラミックからなるグリーンシートを焼成する工程において、雰囲気をそれぞれ適正化した３つのステップを適用する、ことに着想して成されたものである。
即ち、本発明の配線基板の製造方法（請求項１）は、ガラス−セラミックからなり且つ表面および裏面の少なくとも一方にＣｕメタライズが形成されたグリーンシートを、不活性ガス中で加熱することにより、前記グリーンシートに含まれる溶剤分を揮発させる第１ステップと、前記溶剤分が揮発された上記グリーンシートを、水素ガスおよび水蒸気を含む窒素ガスとの混合ガスの中で加熱することにより、上記グリーンシートに含まれる炭素含有物を除去する第２ステップと、上記炭素含有物が除去された上記グリーンシートを、不活性ガス中で加熱して焼成する第３ステップと、からなる焼成工程を含み、上記第１ステップ乃至第３ステップは、各ステップのごとの専用ゾーンを連続して有する連続焼成炉内において行われ、上記第２ステップで用いる混合ガスにおける水蒸気と水素ガスとの容積比は、１：０．００３〜０．０１の範囲にあると共に、該第２ステップで用いる混合ガスにおける窒素ガスと水蒸気との容積比は、１：０．２５〜１．０の範囲にある、ことを特徴とする。

これによれば、第１ステップでグリーンシートに含まれる溶剤分を揮発し、第２ステップで上記グリーンシートに含まれ且つ上記溶剤分以外の炭素分を水蒸気で除去し且つＣｕメタライズの酸化を防いだ後、第３ステップで当該グリーンシートを焼成できる。このため、かかるグリーンシートに含まれる炭素分を適正に除去しつつ焼成できるので、焼成後に反りの少ないガラス−セラミックからなる配線基板が得られる。しかも、上記グリーンシートの表面や裏面に形成されたＣｕメタライズは、第２ステップの前記混合ガスの雰囲気中で加熱された際、還元性または中性に保たれるので、そのＣｕが酸化したり、ガラス−セラミック中に拡散しにくくなる。このため、焼成後におけるＣｕメタライズ中の気泡を低減ないし微少化でき、且つ当該Ｃｕメタライズとガラス−セラミックとの密着も強固することができる。
従って、反りが少ないガラス−セラミックの基板および比較的緻密で且つかかる基板に強固に密着したＣｕメタライズ層を有する配線基板を確実に得ることが可能となる。
尚、前記ガラス−セラミックには、ガラス−アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ガラス−珪酸（ＳｉＯ_２）、ガラス−窒化アルミニウム、ガラス−酸化ジルコニウム、ガラス−ムライトなどが含まれる。また、前記不活性ガスには、後述する窒素ガスのほか、アルゴン（Ａｒ）なども含まれる。更に、前記Ｃｕメタライズには、前記グリーンシートの表面などに所定パターンで形成される配線や電極のほか、かかるグリーンシートを貫通するビアホール内に充填されるビア導体も含まれる。

また、前記第２ステップで用いる混合ガスにおける水蒸気と水素ガスとの容積比を、１：０．００３〜０．０１の範囲としたので、前記第２ステップのウェットな（湿った）雰囲気中に適正量の水素ガスを導入できる。そのため、前記グリーンシートに含まれる溶剤分以外の炭素分を有機化合物として適正に除去できると共に、グリーンシートに形成された前記ＣｕメタライズのＣｕが酸化してもこれを確実に還元することができる。
尚、水蒸気と水素ガスとの容積比が１：０．００３未満になると、前記混合ガス中の水素分が不足し、ＣｕメタライズのＣｕが酸化して銅酸化物となる。一方、水蒸気と水素ガスとの容積比が１：０．０１超になると、過度な還元性雰囲気となって、グリーンシートからの炭素含有物の除去が不十分になり、且つコスト高になる。これらを防ぐため、水素ガスの容積比を上記範囲としたものである。

更に、前記第２ステップで用いる混合ガスにおける窒素ガスと水蒸気との容積比を、１：０．２５〜１．０の範囲としたので、前記第２ステップのウェット雰囲気中における水蒸気量を適正化できる。そのため、前記グリーンシートに含まれる溶剤分以外の炭素分を適正量で除去できると共に、前記ＣｕメタライズのＣｕが過度に酸化して銅酸化物となる事態を確実に防ぐことができる。
尚、前記第２ステップで用いる混合ガスにおける窒素ガスと水蒸気と水素ガスとの容積比は、１：０．２５〜１．０：０．０００７５〜０．０１である。

加えて、前記第１ステップ乃至第３ステップを、各ステップのごとの専用ゾーンを連続して有する連続焼成炉内において行うことにしたので、ガラス−セラミックのグリーンシートに対し、前記各ステップを連続して施すことができる。そのため、多量のグリーンシートや大版のグリーンシートを効率良く且つ適正に焼成することが可能となる。
尚、焼成すべきグリーンシートは、連続焼成炉内に配置されたメッシュのベルトコンベア上を搬送されると共に、各ステップの間には、それぞれ雰囲気を遮断するため、昇降式のシャッタドアまたは不活性ガスがシャワー状に下降するガスカーテンが配置されている。

以下において、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
図１は、本発明によるグリーンシートの焼成工程を示す温度履歴（グラフ）と、これを実施する際の連続焼成炉Ｆにおける第１〜第３ステップごととの雰囲気と、を示す。
本発明に用いるグリーンシートは、ガラス−セラミックからなり、表面および裏面の少なくとも一方に所定パターンのＣｕメタライズが形成されている。上記ガラス−セラミックは、ガラス粉末、フィラであるセラミック粉末、有機バインダ、可塑剤、および有機溶剤などを混合したものからなる。
上記ガラス粉末のガラス成分には、例えばＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３系、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭＯ系（但し、ＭはＣａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｂａ、またはＺｒを示す）、ＰＢ系ガラス、あるいはＢｉ系ガラスなどが含まれる。

また、前記セラミック粉末には、例えばＡｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−ＺｒＯ_２とアルカリ希土類金属酸化物との複合酸化物、ＴｉＯ_２とアルカリ希土類金属酸化物との複合酸化物、Ａｌ_２Ｏ_３およびＳｉＯ_２から選ばれる少なくとも１種を含む複合酸化物である例えばスピネル、ムライト・コージェライトなど、が含まれる。
前記ガラス粉末とセラミック粉末とを、重量比で４０：６０〜９９：１の割合で混合する。
更に、前記グリーンシートに配合する有機バインダには、例えばアクリル系、ポリビニルブチラール系、ポリビニルアルコール系、アクリル−スチレン系、ポリプロピレンカーボネート系、あるいはセルロース系の単独重合体または共重合体などが含まれる。

前記グリーンシートは、前記ガラス粉末、セラミック粉末、および有機バインダに加え、必要に応じて所要量の可塑剤、溶剤（有機溶剤または水）を更に加えてスラリとし、かかるスラリをドクターブレード法、圧延法、カレンダロール法、金型プレス法などにより、厚さ数１０〜数１００μｍのシート状に成形することで得られる。
次に、得られた複数枚のガラス−セラミックからなるグリ−ンシートの表面および裏面の少なくとも一方に、Ｃｕ粉末、有機バインダ、および可塑剤などを含む導電性ペーストをスクリーン印刷などにより、所定パターンで印刷・形成して厚み約１５μｍのＣｕメタライズを形成する。かかるＣｕメタライズは、追って表面配線または内部配線、あるいは電極となる。また、予め、各グリ−ンシートの表面と裏面との間を貫通する内径が約１５０μｍのビアホールにも上記導電性ペーストを充填して、Ｃｕメタライズのビア導体を形成する。
尚、上記グリ−ンシートは、複数の製品部分を含む大版のものでも良い。

次いで、複数枚のガラス−セラミックからなるグリ−ンシートを積層して、グリ−ンシート積層体（本発明のグリ−ンシート）を形成する。かかるグリ−ンシート積層体を連続焼成炉Ｆに挿入して焼成する。連続焼成炉Ｆの内部は、図１の下方に示すように、第１〜第６ゾーンに区分され、これらを金属メッシュからなるベルトコンベア（図示せず）が貫通して配置されており、かかるコンベア上を上記グリ−ンシート積層体が搬送される。
図１に示すように、連続焼成炉Ｆの第１ゾーンと第６ゾーンとは、乾燥（ドライ）した窒素ガス（不活性ガス）の雰囲気とされ、これらでは、本発明における第１ステップＳ１と第３ステップＳ３とが個別に行われる。
一方、連続焼成炉Ｆの第２〜第５ゾーンは、水素ガスと水蒸気を含む窒素ガスとの湿った（ウェットな）混合ガスの雰囲気とされ、これらでは、本発明における第２ステップＳが行われる。
尚、各ステップＳ１，Ｓ２，Ｓ３間の雰囲気を遮断するため、少なくとも第１ゾーンと第２ゾーンとの間、および第５ゾーンと第６ゾーンとの間には、昇降式のシャッタドアまたは不活性ガスがシャワー状に下降するガスカーテン（何れも図示せず）が配置されている。

前記グリ−ンシート積層体は、連続焼成炉Ｆの第１ゾーンに挿入され、図１中の温度履歴のグラフで示すように、乾燥した窒素ガスの雰囲気中で常温から約２５０℃付近まで昇温しつつ加熱される第１ステップＳ１を施される。かかる加熱によって、グリ−ンシート積層体に含まれていた前記溶剤分を揮発させて除去する。
次に、溶剤分が除去されたグリ−ンシート積層体は、連続焼成炉Ｆの第２，第３ゾーンに搬送され、図１中のグラフで示すように、水素ガスと水蒸気を含む窒素ガスとからなる湿った（ウェットな）混合ガスの雰囲気において、前記温度から約１〜２℃／分の昇温速度で約８００〜８５０℃の温度帯まで徐々に昇温されて加熱される。
上記混合ガスにおける水蒸気と水素ガスとの容積比は、１：０．００３〜０．０１で、且つ窒素ガスと水蒸気との容積比は、１：０．２５〜１．０である。即ち、上記混合ガスにおける窒素ガスと水蒸気と水素ガスとの容積比は、１：０．２５〜１．０：０．０００７５〜０．０１である。

更に、前記温度帯に加熱されたグリ−ンシート積層体は、図１中のグラフで示すように、かかる温度帯に保持されつつ連続焼成炉Ｆの前記混合ガス雰囲気の第４，第５ゾーン中を順次搬送される。
以上の第２〜第５ゾーン間にわたる第２ステップＳ２において、グリ−ンシート積層体にて前記溶剤分以外の前記有機バインダやＣｕメタライズ中などに含まれる炭素分は、混合ガス中の水蒸気により除去される。同時に、グリ−ンシート積層体の各所に形成されたＣｕメタライズは、混合ガス中の水素ガスにより酸化を抑制され、あるいは酸化したＣｕメタライズは、Ｃｕに還元される。
このため、上記Ｃｕメタライズは、前記ペースト時の炭素分を除去されるが、過度には酸化されていないので、内部の組織は、気泡（ポア）が少ないか小さいため、緻密になる。

次いで、第５ゾーンを出されたグリ−ンシート積層体は、連続焼成炉Ｆの第６ゾーンに挿入され、図１中のグラフで示すように、乾燥した窒素ガスの雰囲気中で前記温度帯から約９００〜１０００℃付近まで加熱され且つ約１〜２時間保持した後、常温付近に冷却する第３ステップＳ３を施される。
上記加熱および保持により、グリ−ンシート積層体を形成する前記ガラス−セラミックは、ガラス粉末が溶融し且つ互いに密着するため、前記セラミック粉末を分散して含んだ組織として焼成される。同時に、上記グリ−ンシート積層体の各所に形成されたＣｕメタライズも焼成される。

その結果、例えば、図２で例示するように、前記グリ−ンシート積層体が焼成され、表面３および裏面４を有し且つガラス−セラミックの絶縁層５〜７からなる基板本体２と、絶縁層５〜７間に形成される焼成されたＣｕメタライズの配線層８，１０と、上記絶縁層５〜７を貫通する焼成されたＣｕメタライズのビア導体１１〜１３と、を含む配線基板１が得られる。しかも、基板本体２の表面３中央に位置する実装エリア９には、ビア導体１１に接続する複数のパッド１４が強固に形成され、基板本体２の裏面４には、ビア導体１３に接続する裏面電極１５が強固に形成されており、これらも前記Ｃｕメタライズが焼成されたものである。

前記第２・第３ステップＳ２，Ｓ３を経ることにより、上記グリ−ンシート積層体に含まれていた炭素分を適正に除去して焼成できるので、反りの少ないガラス−セラミックからなる配線基板１が得られる。しかも、グリ−ンシート積層体の各所に形成されていたＣｕメタライズは、酸化を抑制され且つ気泡の少ない緻密な組織として焼成される。このため、上記Ｃｕメタライズは、基板内部の配線層８，１０、表面３および裏面４に強固に形成されたパッド１４や電極１５、およびこれらを接続するビア導体１１〜１３となって、所要の導通を確実に取ることが可能となる。従って、本発明によれば、反りが少なく信頼性の高い配線基板１を確実に製造することができる。

ここで、本発明における具体的な実施例について説明する。
ホウ珪酸ガラスからなるガラス粉末とアルミナからなるセラミック粉末とを、重量比で５０：５０の割合で混合し、更に所定量のアクリル系の有機バインダ、可塑剤、および有機溶剤を加えてスラリとした。次いで、かかるスラリをドクターブレード法により、厚み２００μｍのガラス−セラミックからなる複数枚のグリーンシートに形成した。
図３に示すように、表面２２および裏面２４を有する上記複数枚のグリーンシート２１ごとにおける同じ位置に内径１５０μｍのビアホール２６をプレス加工で複数形成した。次いで、スキージを用いて、各ビアホール２６内にＣｕ粉末、有機バインダ、および可塑剤などを含む導電性ペースト（Ｃｕメタライズ）を充填してビア導体２８を形成することで、ガラス−セラミックの絶縁板２１からなる複数個の試験体２０を得た。

次に、複数個の試験体２０を１０個１組として５組に区分し、前記図１で示した連続焼成炉Ｆに各組ごとに挿入し、第１〜第３ステップＳ１〜Ｓ３を連続して施す焼成工程を行った。第１ステップＳ１と第３ステップＳ３とは、各組共通として、乾燥した窒素ガスの雰囲気中で常温から約２５０℃までの同じ昇温速度による加熱と、乾燥した窒素ガスの雰囲気中で同じ昇温速度による約１０００℃まで加熱し且つ１時間保持した後、常温付近に冷却するプロセスとして行った。
第２ステップＳ２では、１℃／分の昇温速度で約２５０℃から約８００℃まで加熱した後、約８００℃で３時間保持する温度履歴は、各組共通としたが、かかる第２ステップＳ２の湿った雰囲気を形成する混合ガスにおける水蒸気と水素ガスとの容積比を、表１に示すように、各組ごとに相違させた。そして、水蒸気と水素ガスとの容積比が、１：０．００３〜１．０の範囲内にある組を実施例１〜４とし、かかる範囲から外れる組を比較例とした。尚、窒素ガスと水蒸気との容積比は、各例共通とした。

前記各ステップＳ１〜Ｓ３の焼成工程を経て得られた各例ごとのガラス−セラミックの絶縁板２１について、その表面２２における反りを測定し、各例ごとの平均値を表１に示した。
更に、各例ごとのＣｕメタライズが焼成されたビア導体２８を中心軸に反って切断し、目視により切断面に現れた気泡（ポア）の大きさと分布とを観察した。切断面のほぼ全体に目立つ気泡（直径：約５〜１５μｍ）が分布しているものが１個でもあったものを「×」として表１に示した。一方、１０個の全部で上記目立つ気泡がないか、極く微少（直径５μｍ未満）の気泡しか分布していなかったものを「○」として表１に示した。
表１によれば、実施例１〜４では、反りが５５μｍ以下であり、気泡も微少であったのに対し、比較例では、反りが１５０μｍと大きく、気泡も目立っていた。

かかる結果は、実施例１〜４では、焼成工程の第２ステップＳ２で用いる混合ガスにおける水蒸気と水素ガスとの容積比が、１：０．００３〜０．０１の範囲内にあったため、前記グリーンシート２１に含まれる溶剤分以外の炭素分を有機化合物として適正に除去できたことによると推定される。併せて、Ｃｕメタライズである前記ビア導体２８のＣｕが酸化してもこれを確実に還元できたこと、更にその後でグリーンシート２１のガラスセラミックを適正な温度で焼成したこと、によると推定される。
一方、比較例では、水蒸気と水素ガスとの容積比が前記範囲から外れていたため、前記グリーンシート２１に含まれる溶剤分以外の炭素分が適量にして除去されず、且つ前記ビア導体２８のＣｕが過度に酸化したもの、と推定される。
以上のような実施例１〜４の結果により、本発明による効果が確認された。

本発明は、以上にて説明した実施の形態および実施例に限定されない。
本発明は、ガラス−セラミックからなる複数枚のグリーンシートを積層したグリーンシート積層体に限らず、前記実施例のように、ガラス−セラミックからなる単層のグリーンシートに対しても適用することが可能である。
また、前記焼成工程の第１および第３ステップの雰囲気に用いる不活性ガスは、窒素ガスに限らず、Ａｒガスや窒素とＡｒとの混合ガスを用いても良い。
更に、本発明の対象となる配線基板には、基板本体の表面に開口するキャビティを有する形態も含まれ、かかる形態では、キャビティの側面を形成する貫通孔を有するグリーンシートと平面形状のグリーンシートとを積層したグリーンシート積層体に対して、前記焼成工程が施される。

本発明のグリーンシートの焼成工程における温度履歴を示すグラフと第１〜第３ステップごとの雰囲気とを示す概略図。 本発明により得られる一例の配線基板を示す概略図。 実施例および比較例のグリーンシートを示す概略断面図。

符号の説明

１……配線基板
２１…グリーンシート／絶縁板
２２…表面
２４…裏面
２８…Ｃｕメタライズ／ビア導体
Ｓ１…第１ステップ
Ｓ２…第２ステップ
Ｓ３…第３ステップ

Claims (1)

1. ガラス−セラミックからなり且つ表面および裏面の少なくとも一方にＣｕメタライズが形成されたグリーンシートを、不活性ガス中で加熱することにより、前記グリーンシートに含まれる溶剤分を揮発させる第１ステップと、
   上記溶剤分が揮発された上記グリーンシートを、水素ガスおよび水蒸気を含む窒素ガスとの混合ガスの中で加熱することにより、上記グリーンシートに含まれる炭素含有物を除去する第２ステップと、
   上記炭素含有物が除去された上記グリーンシートを、不活性ガス中で加熱して焼成する第３ステップと、からなる焼成工程を含み、
   上記第１ステップ乃至第３ステップは、各ステップのごとの専用ゾーンを連続して有する連続焼成炉内において行われ、
   上記第２ステップで用いる混合ガスにおける水蒸気と水素ガスとの容積比は、１：０．００３〜０．０１の範囲にあると共に、該第２ステップで用いる混合ガスにおける窒素ガスと水蒸気との容積比は、１：０．２５〜１．０の範囲にある、
   ことを特徴とする配線基板の製造方法。

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