JP4548895B2

JP4548895B2 - セラミック配線基板の製造方法

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Publication number: JP4548895B2
Application number: JP2000089596A
Authority: JP
Inventors: 桂林
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-03-28
Filing date: 2000-03-28
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2020-03-28
Also published as: JP2001284774A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子収納用パッケージや多層配線基板などに適した、絶縁基板がセラミックスあるいはガラスセラミックスからなる配線基板に回路を転写するための金属箔付きフィルムを用いたセラミック配線基板の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
配線基板、例えば、半導体素子を収納するパッケージに使用される配線基板として、比較的高密度の配線が可能な多層セラミック配線基板が多用されている。
【０００３】
この多層セラミック配線基板は、アルミナやガラスセラミックなどの絶縁基板と、その表面に形成されたＷ、Ｍｏ、Ｃｕ及びＡｇ等の金属からなる配線回路層とから構成されるもので、この絶縁基板の一部にキャビティが形成され、このキャビティ内に半導体素子が収納され、蓋体によってキャビティを気密に封止するものである。
【０００４】
近年、高集積化が進むＩＣやＬＳＩ等の半導体素子を搭載する半導体素子収納用パッケージや各種電子部品が搭載される混成集積回路装置等に適用される配線基板においては、高密度化、低抵抗化、小型軽量化が要求されており、アルミナ系セラミック材料に比較して低い誘電率が得られ、Ｃｕ、Ａｇ等の低抵抗導体材料と同時焼成可能なガラスセラミックスに代表される低温焼成セラミック材料を絶縁基板とした低温焼成基板が一層注目されている。
【０００５】
このような低温焼成基板において、配線回路層を形成する方法として、Ｃｕ、Ａｇ等の金属粉末を主成分とするメタライズペーストを用いてセラミックグリーンシートの表面にスクリーン印刷法等により印刷形成した後、グリーンシートと同時焼成する手法が一般的である。
【０００６】
セラミック系配線基板は、耐薬品性に優れ、また、絶縁基板と配線回路層の間に強固な接着力が得られるため、密着不良の問題も生じにくく、さらに、多層化にあたっては、一括積層によりビアホール導体の形成も容易にできるという利点を有するが、配線回路層を導体ペーストの印刷によって形成するために、配線幅１００μｍ以下の微細配線を歩留り良く形成するのは難しく、今後必要とされる更なる高密度化、小型軽量化への要求を満たすことができないものであった。さらに、導通抵抗についても配線回路層中に空隙や粒界が存在し、また、一般に絶縁層との焼成時の熱収縮差を緩和して密着性を高めるために、セラミック粉末やガラス粉末を添加するために、低抵抗化が困難という問題があった。
【０００７】
そこで、本発明者は、上記のような課題について鋭意検討した結果、絶縁基板としてセラミックスやガラスセラミックスを用いたセラミック系の配線基板において、絶縁基板の表面に金属箔から形成された配線回路を転写することにより、微細配線化、低抵抗化を図ることができることが提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、金属箔から形成された配線回路をセラミックスに転写した場合の回路とセラミックスの密着強度のバラツキが大きく、安定して高い密着強度を発現させる事が困難であった。この原因を調査した結果、金属箔から形成された回路とセラミックス中のガラス成分とが焼結初期に接触している場合は密着強度が高いものの、密着していない場合は強度が低いことが判明した。
【０００９】
つまり、フィルム基体の表面に金属箔を接着し、この金属箔に配線回路を形成し、これをセラミックグリーンシートに転写するのに用いられる金属箔付きフィルムは、転写後のセラミックグリーンシートとの焼結初期におけるガラス成分と配線回路との接触（濡れ）が十分でなく、その結果、焼結後の配線回路とセラミック基板との密着強度に大きなバラツキが発生していた。
【００１０】
従って、本発明は、焼成後のセラミック基板と配線回路との接着強度が高くかつそのバラツキの小さいセラミック配線基板の製造方法を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、焼結初期における溶融したガラス成分（液相）と金属箔からなる配線回路との接触（濡れ）性を改善する方法を検討した結果、転写前の配線回路を形成する金属箔の表面にセラミックスと配線回路との密着性を高めるために特定の処理を施すことによって、焼成後のセラミック基板と配線回路と密着強度を常に高めることができ、密着性のバラツキを抑制できることを見いだした。
【００１２】
即ち、本発明のセラミック配線基板の製造方法は、フィルム基体の表面に金属箔が接着され、該金属箔の表面にアルミナおよびシリカのいずれか１種からなるセラミックゲル層が形成されている金属箔付きフィルムの金属箔側を、ガラス粉末とセラミック粉末との混合粉末からなるセラミック成分を含む未焼成のセラミックグリーンシートの表面に圧着した後、前記フィルム基体を接着層とともに剥がし、前記セラミックグリーンシートの表面に前記金属箔を転写形成した後、前記セラミックグリーンシートを前記金属箔とともに焼成することを特徴とするものである。
【００１５】
特に、前記金属箔付きフィルムの前記セラミックグリーンシートへの圧着前に、前記金属箔を配線回路パターン状に形成することが望ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、金属箔付きフィルムについて説明する。この金属箔付きフィルムは、フィルム基体と金属箔を具備し、金属箔は接着層を介してフィルム基体上に形成されている。フィルム基体としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイド、塩化ビニル、ポリプロピレンの群から選ばれる少なくとも１種の有機樹脂シートが好適に使用できる。
【００１７】
このフィルム基体の厚みは１０〜５００μｍが適当であり、望ましくは２０〜１００μｍが良い。これは、フィルム基体の厚みが１０μｍより小さいとフィルムの変形や折れ曲がりにより形成したフィルム表面に接着した金属箔にクラックが発生し、配線回路形成時に断線を引き起こし易くなり、厚みが５００μｍより大きいとフィルム基体の柔軟性がなくなるためフィルムの剥離が難しくなるためである。
【００１８】
また、フィルム基体の寸法変化が小さいことが望ましく、具体的には、１００℃で１時間保持した時の寸法変化率が１％以下、特に０．５％以下であることが望ましい。この寸法変化率は、フィルム基体上に形成された配線回路等の金属箔ををセラミック基板に転写するにあたり、微細配線の配線ピッチ間のバラツキを低減し、高い寸法精度で転写を可能とするために重要な要因であって、上記の寸法変化率が１％よりも大きいと、寸法精度の高い配線回路の転写ができなくなる。
【００１９】
また、フィルム基体、特に金属箔の有機フィルム基体への接着層としては、アクリル系、ゴム系、シリコン系、エポキシ系等公知の接着剤が使用できる。また、接着層の厚みは３μｍ以上、望ましくは５μｍ以上が良い。接着層の厚みが３μｍより薄いと、金属箔の表面に追従できず、パターンの変色、パターンの剥れが発生する。
【００２０】
また、金属箔としては、配線基板として配線回路層を形成するに好適な金属より形成され、例えば、金、銀、銅、アルミニウムの少なくとも１種を含む低抵抗金属、特に銅の金属箔が好適に使用される。前記金属箔の厚みは１〜３５μｍが良く、望ましくは５〜１８μｍが良い。金属箔の厚みが１μｍより小さいと回路の抵抗率が高くなり、また、３５μｍより大きいと、積層時に未焼成のセラミックシートの変形が大きくなったり、未焼成のセラミックシートへの金属の埋め込み量が多くなり、セラミックシートの歪みが大きくなり、焼成後に基板が変形を起こしやすいなどの問題がある。また、金属箔自体をエッチングしにくくなるため精度の良い微細な回路が得られないという問題もある。
【００２１】
上記金属箔のフィルム基体への粘着力は、５０〜５００ｇ／２５ｍｍが良く、望ましくは７０〜３５０ｇ／２５ｍｍが良い。上記粘着力が５０ｇ／２５ｍｍより弱いと、回路形成するためのエッチング処理の際、金属箔がフィルム基体より剥離し回路の断線を引き起こすおそれがある。また、５００ｇ／２５ｍｍより大きいと、回路形成後、絶縁基板に転写し、フィルム基体を剥離する際、絶縁基板の変形、回路の断線を引き起こすためである。なお、上記粘着力は、フィルム基体から金属箔を１８０度折れ曲がる方向に引っ張りながら剥がす時の応力を表したものである。
（被覆層）
更に、この金属箔付きフィルムは、金属箔の表面にアルミナおよびシリカのいずれか１種からなるセラミックゲル層が形成されたものである。このような被覆層としてのセラミックゲル層の形成によって、焼成後の被転写材となるセラミック基板との密着性を高め、安定化することが可能となる。
セラミックゲル層は、セラミックゾルを塗布乾燥してなるもので、具体的には、アルミニウムのアルコキシド（例えば、ベーマイトゾル）や、シリコンのアルコキシドなどのアルコキシドを蒸留水、アルコール類またはこれらの混合物に加水分解、または希釈したものを金属箔の表面に塗布した後、２０〜６０℃で乾燥処理することによって形成することができる。なお、セラミックゾルの濃度は、乾燥後に形成されるセラミックゲル層の厚さに応じて適宜決定される。
【００２２】
上記のセラミックゾルによるセラミックゲル層の形成は、金属箔に対して配線回路の形成前後のいずれでもよいが、回路形成時に金属箔から剥がれる可能性があるために、望ましくは、配線回路形成後に形成することが望ましい。このセラミックゲル層の厚さは０．０１μｍ以上、特に０．１μｍ以上、さらには０．２μｍ以上であることが望ましい。０．０１μｍ未満では、金属箔の配線回路のセラミック基板への密着強度の改善効果が少なく、０．１μｍ以上であれば安定して高い密着強度が得られる。厚さが厚い場合は、特に問題は生じないが、塗布乾燥の繰り返しが必要となるため作業が煩雑になる傾向がある。このため、特に１μｍ以下の厚さにすることが実用的である。
【００２４】
上記のセラミックゲル層の材質としては、セラミック基体のガラス成分との密着性を高める上で、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２の少なくとも１種からなることが重要である。
【００２７】
次に、上記の金属箔付きフィルムを用いて、セラミック配線基板を作製するには、まず、上記の金属箔付きフィルムの金属箔側を未焼成のセラミックグリーンシートの表面に圧着した後、前記フィルム基体を接着層とともに剥がし、前記セラミックグリーンシートの表面に前記金属箔を転写形成する。
【００２８】
未焼成のセラミックグリーンシート中には、成形用のバインダーとして有機樹脂が添加含有されているが、この時の圧着を、３０〜６０℃の温度に加熱しつつ、１０〜１００ｋｇ／ｃｍ^２の圧力を付与することによって、上記のバインダーが軟化し接着剤として機能し、金属箔をセラミックグリーンシートに接着させることができる。また、セラミックグリーンシートの表面に接着剤を塗布して回路転写性を高めることもできる。
【００２９】
この時、金属箔付きフィルムにおける金属箔には、エッチングなどによって配線回路が形成されていることがエッチング液によるセラミックグリーンシートの変質を防止する上で望ましく、特に上記の条件で圧着することによって、セラミックグリーンシートの転写面に配線回路パターンの金属箔の一部または全部を埋設することができる。特に、セラミックグリーンシートの転写面と金属箔の表面とが同一平面となるまで圧着することが望ましい。
【００３０】
なお、金属箔への配線回路の形成は、未焼成のセラミックグリーンシートの表面に転写した後に回路形成を施すことも可能である。
【００３１】
その後、適宜、上記のようにしてセラミックグリーンシート単板、または金属箔による配線回路が形成された複数のセラミックグリーンシートを積層一体化した後、前記セラミックグリーンシートを前記金属箔とともに焼成することによってセラミック配線基板を作製することができる。
【００３２】
また、多層の配線基板を作製するにあたって、前記金属箔をセラミックグリーンシートの表面に転写する前に、セラミックグリーンシートの所定箇所にスルーホールを形成し、ホール内に金属粉末を含む導体ペーストを充填してスルーホール導体を形成しておくことによってこのスルーホール導体によって金属箔からなる配線回路間を電気的に接続することができる。
【００３３】
本発明におけるセラミックグリーンシートは、配線回路を形成する金属箔の融点以下で焼成可能であることが必要であり、セラミック成分としては、配線回路をＣｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌなどの低抵抗導体によって形成した場合、ガラス粉末とセラミック粉末との混合粉末が用いられる。
【００３４】
用いるガラスとしては、シリカガラス、ソーダ石灰ガラス、鉛ガラス、鉛アルカリ珪酸ガラス、ほう珪酸ガラス、アルミノホウ珪酸ガラス、ほう珪酸亜鉛ガラス、アルミノ珪酸ガラス及び燐酸ガラスなどが挙げられ、特に、ほう珪酸系ガラスが好適である。
【００３５】
また、ガラス粉末と組み合わされるセラミック粉末としては、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｎＯ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＺｎＡｌ_２Ｏ_４、ＭｇＳｉＯ_３、ＭｇＳｉＯ_４、Ｚｎ_２ＳｉＯ_４、Ｚｎ_２ＴｉＯ_４、ＳｒＴｉＯ_３、ＣａＴｉＯ_３、ＭｇＴｉＯ_３、ＢａＴｉＯ_３、ＣａＭｇＳｉ_２Ｏ_６、ＳｒＡｌ_２Ｓｉ_２Ｏ_８、ＢａＡｌ_２Ｓｉ_２Ｏ_８、ＣａＡｌ_２Ｓｉ_２Ｏ_８、Ｍｇ_２Ａｌ_４Ｓｉ_５Ｏ_１８、Ｚｎ_２Ａｌ_４Ｓｉ_５Ｏ_１８、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ムライト及びゼオライトなどが挙げられる。また、このセラミック粉末は、用いる金属箔の種類によって適宜選択できる。
【００３６】
本発明によれば、セラミックグリーンシートの表面に転写、埋設された金属箔からなる配線回路は、その金属箔表面に施された前記被覆層によって、ガラス粉末や焼結助剤に由来する焼結初期に生成する液相成分と金属箔からなる配線回路との接触（濡れ）を改善することができる。このため、焼結中期に、金属箔表面に形成された被覆層がセラミック粒子間に存在する液相成分を吸着し、金属箔表面の凹凸の隅々にまで液相成分を浸透させる。
このため、金属箔から形成された配線回路と、セラミック基板は焼成後において物理的に強固な結合を形成できる結果、配線回路のセラミック基板への密着強度を高く、また安定化させることができる。
【００３７】
【実施例】
先ず、ほう珪酸ガラス粉末７０重量％と、ＳｉＯ_２粉末３０重量％を秤量し、成形用バインダーとしてアクリル樹脂、可塑剤としてＤＢＰ（ジブチルフタレート）、溶媒としてトルエンを加えて調製、混合したスラリーを用い、ドクターブレード法により厚さ３００μｍのセラミックグリーンシートを作製した。なお、このセラミック粉末組成物を用いて焼成後の熱膨張係数を測定した結果、４０〜４００℃で１０ｐｐｍ／℃であった。
【００３８】
次に、平均粒径が５μｍのＣｕ粉末に、有機バインダーとしてアクリル樹脂、溶媒とし
てＤＢＰを添加混練し、ビアホール用導体ペーストを作製した。そして、セラミックグリーンシートの所定個所にパンチングにてビアホールを形成し、そのビアホール内に先の導体ペーストを充填した。
（試料Ｎｏ．１〜１０）
比較例として、厚さ１２μｍの電解銅箔にスパッタリング装置を用いて表１に示す金属の蒸着を行った。また、比較例として、同様の電解銅箔にプラズマ溶射装置を用いて同じく表１に示す各種セラミックスの溶射処理を施した。
【００３９】
また、厚さ３８μｍ、寸法変化率が０．０１％のポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のフィルム基体表面に、接着剤を塗布して上記処理後あるいは全く処理を施していない厚さ１２μｍの電解銅箔を接着した。
【００４０】
そして、前記金属箔の表面に感光性のレジストを塗布し、ガラスマスクを通して露光してパターンを形成した後、これを塩化第二鉄溶液中に浸漬して非パターン部をエッチング除去して配線回路層を形成した。
（試料Ｎｏ．１１〜１７）
一方、上記の電解銅箔を上記フィルム基体に接着した後、銅箔の表面に感光性のレジストを塗布し、ガラスマスクを通して露光してパターンを形成した後、これを塩化第二鉄溶液中に浸漬して非パターン部をエッチング除去して配線回路を形成した。そして、回路形成後の金属箔付きフィルムをシリカゾルまたはアルミナゾルの溶液に浸した後、６０℃で２時間乾燥を行い、銅箔表面にアルミナ、またはシリカのセラミックゲル層を形成した。この作業を繰り返して所定の厚さに形成した。
【００４１】
なお、試料Ｎｏ．１〜１２における配線回路は、各測定用のパターンを除き、線幅（断面が台形形状の場合には下底幅）が５０μｍ、配線と配線との間隔（配線ピッチ）が５０μｍの微細パターンを用いた。
【００４２】
そして、配線回路パターンに形成された金属箔を有する金属箔付きフィルムと前記セラミックグリーンシートを位置合わせして、真空積層機により６０℃、３０ｋｇ／ｃｍ^２の圧力で３０秒加圧して、配線回路の金属箔表面とセラミックグリーンシートの表面とが同一平面となるように金属箔をセラミックグリーンシート表面に埋設した後、フィルム基体を接着層とともに剥離して、金属箔による配線回路をセラミックグリーンシートに転写させた。また、同様にして金属箔による配線回路およびビアホール導体を有する５枚の配線シートを作製し、計６枚の配線シートを６０℃、２００ｋｇ／ｃｍ^２の圧力で積層一体化した。
【００４３】
最後に、この積層体を有機バインダー等の有機成分を分解除去するため、窒素雰囲気中で７００℃で１時間保持した後、同一雰囲気中で積層体を９００℃で１時間保持することにより、多層のセラミック配線基板を作製した。
【００４４】
そして、作製したセラミック配線基板のうち、表面に形成された金属箔からなる配線回路に、Ｎｉ合金からなる金具を銀ロウによって接着固定した後、この金具を垂直に引っ張り上げ、金具が取れた時の強度を密着強度として評価した。なお、各試料について、２０個のサンプルを作製し、密着強度の平均値および密着強度の最高値−最低値をバラツキとして評価し表１に示した。
【００４５】
【表１】

【００４６】
表１から明らかなように、金属箔の表面に所定のセラミックゲル層を形成することによって、焼成後のセラミック基板との密着強度を高めると同時に強度のバラツキも低減することができた。
【００４７】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、配線回路層の低抵抗化とともに、配線回路層の絶縁基板への密着強度を高めることができる結果、微細配線化、低抵抗化を達成し、かつ配線回路層と絶縁基板との接着強度が高い配線基板を提供することができる。

Claims

フィルム基体の表面に金属箔が接着され、該金属箔の表面にアルミナおよびシリカのいずれか１種からなるセラミックゲル層が形成されている金属箔付きフィルムの金属箔側を、ガラス粉末とセラミック粉末との混合粉末からなるセラミック成分を含む未焼成のセラミックグリーンシートの表面に圧着した後、前記フィルム基体を接着層とともに剥がし、前記セラミックグリーンシートの表面に前記金属箔を転写形成した後、前記セラミックグリーンシートを前記金属箔とともに焼成することを特徴とするセラミック配線基板の製造方法。
前記金属箔付きフィルムの前記セラミックグリーンシートへの圧着前に、前記金属箔を配線回路パターン状に形成することを特徴とする請求項１記載のセラミック配線基板の製造方法。