JPH01501465A - 純粋なアルミナと共に焼結するのに用いられるタングステンペーストおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 純粋なアルミナと共に焼結するのに用いられるタングステンペーストおよびその 製造方法■ 本発明は集積回路のセラミックパッケージに関し、特に、集積回路パッケージを 製造するためにアルミナ含有率の高い粉末と共に焼結できるタングステンペース トの組成物に関する。

技術的背景 セラミックは集積回路パッケージの基板として電子装置において広く用いられて いる。メタライジングされた回路パターンがセラミック基板上に付着され、セラ ミックとメタライジング部分が共に焼結されて基板と回路の一体物が造られる。

多層回路パッケージを造るにはセラミック粒子と有機の結合剤を組み合わせて未 焼成のすなわち「グリーン」のテープにする。「バイアス」として知られている 中間層の伝導性通路がその後、層に挿入される。そしてこれは層が積み上げられ 処理された後の各層回路間の電気的インターコネクションを形成する。その後メ タライジングされた回路パターンが造られる。このテープ層の厚さは一般的に５ 乃至２５ミルである。層には穴および切り火きが必要に応じて造られる。印刷さ れたテープ層が何枚も重ねられ、その後圧力下に積層物とされる。そしてセラミ ックとメタライジング部分は共に焼結されて３次元回路の一体構造物となる。

一般的に、基板は約９０乃至９４　％の市販アルミナと６乃至１０％のケイ素を 基本とするガラスの組み合わせから形成される。そしてタングステンまたはモリ ブデン／マンガンのペーストがメタライジングされた伝導性の通路（ｃｏｎｄｕ ｃｔｉｖｅ　ｐａｔｈｓ）を形成するのに用いられる。タングステンのアルミナ への結合を強固にし、９８÷χの市販アルミナの時よりも低温度においてアルミ ナの焼結を可能にするためにこのガラスが添加される。従来技術の１００％タン グステンのペースト配合においては、タングステンとアルミナ粒子の接着を容易 にするために、ガラス成分がアルミナ基板中に用いられる。焼成すると、ガラス 成分がタングステン層に移動して、ペースト成分と基板の界面接着をもたらす。

この従来技術の配合から造られる回路パッケージは誘電率が約９乃至９．５、熱 伝導率が２０℃において約０．０４５　Ｃａ１ｃａ／　ｃｊＳｅＣ’Ｃ（９９， ’５　％アルミナの０．８５　ｃａｌｏａ／ｃｌＩｓｅｃ　”ｃに対比される） であり、収縮の変動性は０．５％乃至１．０％であって表面仕上は２５マイクロ インチより大である。このような基板の特性は従来の半導体パッケージには許容 されてきたが高性能の大規模集積回路には適切でない。

パッド（ｐａｄｓ）やバイアスのような回路機構（ＣｉｒＣＬｌｉｔｆｅａｔｕ ｒｅｓ）のサイズが減少するにつれて表面仕上がますます重要となる。薄膜メタ ライジング法による微細電子回路においては導体の厚さは数ミクロン（１ミクロ ン−４０マイクロインチ）程度までにも微少にできる。そのため基板が従来技術 では一般的である２５マイクロインチの表面仕上であるならば、導体の通路（ｃ ｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｐａｔｈ）はその長さに沿って厚さが大きく異なり、あるい は不連続にすらなることもあり得る。そのために機能的な劣化をもたらす。した がって、表面仕上が粗いことは薄膜メタライジング法による焼成後の回路形成を 妨げる。

さらに焼成後（ａｓ−ｆｉｒｅｄ）の表面の気孔性は、特にそれが表面の粗さと 結び付く時に、メッキ用塩類の沸留の問題を生じる。メッキが希望しない所に沈 積するのを避けるためと、焼成時のふくれを避けるために強力な清浄化が必要で ある。もっと平滑であって、気孔が無いことは活性のより強い触媒の使用を可能 とし、それが結局、無電解メッキ操作の製品歩走りを増す。

収縮の変動性の軽減もまた機ｕ４（ｆｅａｔｕｒｅ）のサイズの減少とともに特 に重要である。収縮の変動性が従来の技術の０．５乃至１蔦のレベルから減ると 歩走りが増す。これは、収縮の変動性が、集積回路のパッド、バイアスおよび他 のデバイスのインターコネクションの正確な位置決めを妨げ、そのため製品の廃 却を余儀なくする不連続の発生確率を増１からである。収縮変動性の減少に対す るニーズは基板メーカーと基板消ｖ！ｉ者の両方に存在しており、基板消費者は デバイスおよびインターコネクションの正確な位置決めを必要としており、また 少数の特殊な場合として、Ｉｌｌメタライジングによる信頼性のある回路形成を 必要としている。

したがって必要な誘電特性および電気特性を保持しながら、熱伝導率がより大で あり、収縮変動性がより少なく、かつ表面仕上のより良好な葛根／メタライジン グの系（Ｓｙｓｔｅｍ）に対するニーズが存在する。

発明の開示 我々は９８４％のアルミナ基板を、選択された組成のガラスが加えられたタング ステンペーストと組み合わせて用いることによって回路パッケージが製造できる ことを発見した。本発明に基づいて製造された回路パッケージは、すぐれた熱伝 導率と、低い収縮変動性、およびより平滑で、より均一な表面の仕上を示す。大 きさのより狭い範囲のアルミナ粉末を用いることによって、収縮と表面仕上に関 するパラメーターはなお、さらに改善され、かつ焼結温度は低くなる。さらに本 発明の詳細と具体例を以下に示す。

１亙ｇｉｉ久毀貝 ９８十％のアルミナと共に焼結させるのに適したタングステンペーストが、選ば れた組成のガラスをタングステンペーストに加えることによって製造できること を発見した。本発明の好ましい態様では平均粒度が約０．３から１．０ミクロン までの範囲内であり、標準偏差が平均値の約５０％である大きざの範囲の狭いア ルミナ粒子を用いる。

大きさの範囲の狭いアルミナ粒子を使用することは低温における焼結を可能にす る。すなわち一般に市販されている大きさの範囲の広いアルミナ粒子の場合の１ ６００乃至１７００℃に対し１５００乃至１５５０℃であるのが通常である。さ らに、大きさの範囲の狭いアルミナの場合、アルミナにガラスを加えなくてもこ のような低い焼結温度が得られるが熱伝導率の低下を伴なう。我々は９Ｂ＋％の アルミナは粒子の大きさに関係なり９０％アルミナより大幅に高い熱伝導率を示 すことを見出した。２０℃における、９２　Ｘと９９．５％アルミナの熱伝導率 はそれぞれ０．０４５と０．０８５ｅａｔα／ｃｊｓｅｃ℃である。大きさの範 囲の狭いアルミナ粒子を使用することはまた未焼成物の密度をより均一にするこ とを可能にし、９８４％比において、薄膜の沈着に適したすぐれた表面仕上を有 する焼成セラミックをもたらす。これに反して、大きざの範囲の広い９０乃至９ ４％のアルミナおよび６乃至１０％のガラスから造られた代表的従来技術の基板 を薄膜施工に用いるにはみがきが必要であり、これはコストを増し、空隙を生ず る。

９８÷χのアルミナ基板を使うと、従来技術で一般に行なわれているタングステ ンメタライジングが実施できない。

そしてこのメタライジングは一般的に有機溶剤、ポリマーの結合剤、およびタン グステン粉末から成る。これに対して、本発明の好ましい態様では、表面メタラ イジングを行なうにあたり一般的に、平均粒度が約０．５乃至２．０ミクロンの タングステン粒子をエチルセルロース溶液と混合すること、およびその混合物に 、次の化合物：Ｎ化カルシウム（Ｃａｂ）　、酸化バリウム（Ｂａｄ）　、酸化 マグネシウム（ｈＯ）　、アルミナ＜Ａｌ２０１）およびシリカ（ＳｉＯｚ）の 中の一つ以上のものが選択された比になっているアルカリ土類アルミノケイ酸塩 粉末を加えることから成る工程を用いる。ガラスの成分の重量比は次の通りであ るのが好ましい。アルカリ土類１０乃至３８％、アルミナ１０乃至５２笈、モし てシリカ１０乃至７０　％であるが、他の比も可能である。焼成時、ガラスはア ルミナ本体に流れ込み、それが結合相となる。特に、ガラスがタングステンとア ルミナ間の境界領域に止まることが望ましい。もしガラスがもつと広い範囲に基 板中に移動するならば、タングステンの結合は悪い影響を受ける。ガラス成分の 組成と割合は、ガラスの融点と粘度特性を調節してメタライジング部のセラミッ クへの接着を最大にするように調整される。約５乃至３５容静％のガラスが焼成 済みのメタライジング部に見られるのが一般的である。しかしこの範囲外のガラ スの割合を使うことも可能である。得られる混合物は粉砕され、９８÷駕の、大 きさの範囲の狭いアルミナ粒子から成る未焼成テープに薄い層状に付着（ａｐｐ ｌｙ）させる。このテープはさらに、我々の係属出願（アト一二一ドケット８４ ５／１０４．２）　、−に出願したシリアルナンバー　に説明されており、それ は参考として本書に組み込まれている。

本発明に基づくフィル経由（ｖｉａ　ｆｉｌｌ）の配合においては、一般的に、 大きさが０．５乃至４．０ミクロンの範囲のタングステン粒子をエチルセルロー スまたはポリビニルブチラール溶液と共に用い、この混合物にアルカリ土類アル ミノケイ酸塩粉末〈上記の）を加える。さらに、メタライジング部の収縮および 熱Ｉｆｉ服特性を調節するために、アルミナおよびジルコニアを加えることがで きる。

フィル経由の用途に対しては一般的に、焼成済みメタライジング部は４０乃至７ ０容量％のタングステン、２５乃至１０容量％のアルミノケイ酸塩ガラスおよび ５０乃至２０容量％のアルミナ及び／又はジルコニアを含有する。

フィル経由（ｖｉａ　ｆｉｌｌｓ）または表面メタライジングの何れの場合も、 テープ／ペースト複合体はそれから、１４５０℃と１５５０℃の間の温度で、分 解アンモニアと窒素（５０％　８２　ト５０％　Ｎ２　）雰囲気中、しかも１５ 乃至４５℃の範囲の露点の水蒸気雰囲気中で焼成される。その代わりとして、ペ ーストとアルミナ基板から成る層を多数積層させ、共に焼結させて、３次元の導 体系を持つセラミックの一体物を造ることができる。

ニッケル、コバルト、パラジウム、ニオブ、イツトリウム、マンガン、およびチ タニアのようなこの技術分野で知られているタングステン焼結助剤を加えてもよ い。

一般的に約０．０２重量％のコバルトまたはパラジウム、あるいは０．０２乃至 ０．１０重量％のニッケルが用いられる。これらの金属不純物は活性な液体相を 形成して焼結を容易にする。また、より微細な粒子を用いることおよびペースト 混合物にする前にタングステン粉末を予備粉砕する（酸化物成分を除去しながら ）ことによって焼結が促進される。焼結を改良することによって、密封性すなわ ちアルミナ本体からのガスの密封性およびメタライジング部との結合力が大とな る。

本発明がタングステンの代わりにモリブデンを用いることができ、従来技術の配 合物の場合に一般に用いられるよりも低い温度で共に焼結できることは評価され る。

本発明に基づくペースト配合物は同時焼成の用途および／または焼成後の用途に 適している。さらに、本発明が、同時焼成には１４５０から１５５０℃までの範 囲の、そして焼成後の場合には１６００℃程度の焼結温度を持つ、アルミナ以外 の基板と組み合わせて用いられるということは評価される。このような基板には 、例えば、ベリリア、ジルコニア、アルミナ系複合物、窒化アルミニウムおよび 窒化ケイ素が含まれる。さらに、本発明に基づくペースト配合物においてアルカ リ土類アルミノケイ酸塩以外のガラスが十分に用いられることも評価されるべき であり、その主な基準は焼成時に、ガラスが金属とセラミック基板の両方を湿ら しかつこれらの物質と不都合な反応を起こさないことである。他の適切なガラス にはアルミン酸塩がある。

以下の実施例により本発明を説明する。

実施例１ 平均粒度が１乃至２ミクロンのタングステン粉末６７重量部と、８％エチルセル ロース溶液３３重量部を混合した。

この混合物に、酸化マグネシウム（ｈＯ）が１４．０％、アルミナ（Ａ！ｚ（ｈ ）が３３．７　％、　シ’）　ｈ　（５ｉ０２　）が５２．３１）組成の８ｇＯ ／Ａｌｚ　Ｏｘ　／５ｉＯｚ粉末を、混合物中のタングステンの量を基準にして ３１容量％加えた。この混合物をタングステンカーバイドショット（ｓｈｏｔ） の入っているセラミックの粉砕容器内で２時間ブレンドした。それからこの混合 物を、１．５ミルのローラー間隔で、３０−ルのインクミル（ｉｎｋ　５ｉｌｌ ）に３回通した。９９＋χのアルミナ未焼成テープ上にサンプルをスクリーン印 刷し、露点３４℃の５０：５０　Ｈｚ　／　Ｎ２雰囲気中で２時間、１４７５乃 至１５５０℃のピーク温度で焼成した。線幅１０ミルと２０ミルの表面模様（ｓ ｕｒｆａｃｅ　ｔｒａｃｅｓ）に対する見掛は抵抗率（ｂｕｌｋ　ｒｅｓｉｓ− ｔｉｖｉｔｉｅｓ）の測定値はｏ、ｏｉｏミリオーム／インチであプた。

衷１Ｕ１２ 平均粒度が１乃至２ミクロンのタングステン粉末６７１Ｆ！量部と、８％エチル セルロース溶液３３重量部を混合した。

この混合物に、酸化マグネシウムが１６．３％、アルミナが２９．１　％、　シ ＩＪ力が５４．６　％（ｆ）組成（０８００／ＡＩ２０ｓ　／５ｉＯｚ　粉末を 、混合物中のタングステンの替を基準にして３７容量％加えた。この混合物をタ ングステンカーバイドショットの入っているセラミックの粉砕容器内で２時間ブ レンドした。それからこの混合物を、１．５ミルのローラー間隔で、３０−ルの インクミルに３回通した。９９＋％のアルミナ未焼成テープ上にサンプルをスク リーン印刷し、露点３４℃の５０８５０８２　／　Ｎ２雰囲気中で２時間、１４ ７５乃至１５５０℃のピーク温度で焼成した。線幅１０ミルと２０ミルの表面模 様に対する見掛は抵抗率の測定値はＱ、０１０ミリオ一ム／インチであった。

実施例３ 平均粒度が１乃至２ミクロンのタングステン粉末６７更量部と、８％エチルセル ロース溶液３３重１部を混合した。

この混合物に、酸化マグネシウムが１６．３％、アルミナが２９．１％、シリカ が５４．６χの組成のＨｇＯ／Ａｌｚ　Ｏｓ　／５ｉ０２粉末を、混合物中のタ ングステンの都を基準にして１５容が％加えた。この添加の後に、２５−の硝酸 に溶解したニッケル０．０２重憬％をこの混合物に加えた。この混合物をタング ステンカーバイドショットの入っているセラミックの粉砕容器内で２時間ブレン ドした。それからこの混合物を、１．５ミルのローラー間隔で、３０−ルのイン クミルに３回通した。９９＋％のアルミナ未焼成テープ上にサンプルをスクリー ン印刷し、露点３４℃の５０：５０　Ｎ２　／　？ｂ雰囲気中で２時間、１４７ ５乃至１５５０℃のピーク温度で焼成した。

線幅１０ミルと２０ミルの表面模様に対する見掛は抵抗率の測定値はｏ、ｏｉｏ ミリオーム／インチであった。

実施例４ 平均粒度が１乃至２ミクロンのタングステン粉末６５重置部と、８ｚ工チルセル ロース溶液３５重量部を混合した。

この混合物に、酸化カルシウム（ｃａｂ）が２９．３％、アルミｔカ３９．０　 ％、　シ＋）　力が３１．７　％（７）組成（７）　ＣａＯ／Ａｌｚ　Ｏｓ　／ Ｓｔｙ２粉末を、混合物中のタングステンのＲ８基準にして３５容滲％加えた。

この混合物をタングステンカーバイドショットの入っているセラミックの粉砕容 器内で２時間ブレンドした。それからこの混合物を、１．５ミルのローラー間隔 で、３０−ルのインクミルに３回通した。、９９十％のアルミナ未焼成テープ上 にサンプルをスクリーン印刷し、露点３４℃の５０：５０８２　／　Ｎ２雰囲気 中で２時間、１４７５乃至１５５０℃のピーク温度で焼成した。

実施例５ 平均粒度が１乃至２ミクロンのタングステン粉末６５重量部と、８％エチルセル ロース溶液３５重量部を混合した。

この混合物に、酸化カルシウムが３７．７％、アルミナが５２．３　％、シリカ が１０．０　％の組成のＣａＯ／Ａ１２０３　／５ｉ０２粉末を、混合物中のタ ングステンの八を基準にして３５容量％加えた。この混合物をタングステンカー バイドショットの入っているセラミックの粉砕容器内で２時間ブレンドした。そ れからこの混合物を、１．５ミルのローラー間隔で、３０−ルのインクミルに３ 回通した。９９＋ｚのアルミナ未焼成テープ上にサンプルをスクリーン印刷し、 露点３４℃の５０＋５０８２　／　Ｎ２雰囲気中で２時間、１４７５乃至１５５ ０℃のピーク温度で焼成した。

友凰１６ 平均粒度が１乃至２ミクロンのタングステン粉末６５重量部と、エチルセルロー ス溶液３５重量部を混合した。この混合物に、酸化カルシウムが１５．２　％、 酸化マグネシウムが８，６％、アルミナが１６．６％、シリカが５９．６％の組 成のＣａＯ／８００／Ａｌ２Ｏ５／５ｔＯ２粉末を、混合物中のタングステンの 量を基準にして３５容量％加えた。この混合物をタングステンカーバイドショッ トの入っているセラミックの粉砕容器内で２時間ブレンドした。この混合物をそ の後、１．５ミルのローラー間隔で、３０−ルのインクミルに３回通した。９９ ◆Ｘのアルミナ未焼成テープ上にサンプルをスクリーン印刷し、露点３４℃の５ ０：５０８２　／　Ｎ２雰囲気中で２時間、１４７５乃至１５５０℃のピーク温 度で焼成した。

実施例７ 金属／セラミック複合体６４重量部と有ｎｔｓ介物３６重量部を混合した。この 複合体は容量でタングステン３６．８ｚ１アルミナ２９．４　％、シリカ２６． ４　％、モしてＣａＯ／Ａｌ２Ｏ３／５ｉ０２７．４％から成り、ＣａＯ／Ａ１ ２１％　／ＳｉＯ２の組成は重量で酸化カルシウム２３，１％、アルミナ４１． ２　％、シリカ３５．７Ｘであった。有機の媒介物は１０重量部のエチルセルロ ース、４重量部の湿潤剤、および８６重炉部の溶剤から成っていた。この混合物 を、タングステンカーバイドショットの入っているセラミックの粉砕容器内で２ 時間ブレンドした。この混合物をその後、１．５ミルのローラー間隔で、３０− ルのインクミルに３回通した。９９＋％のアルミナ未焼成テープ上にサンプルを スクリーン印刷し、露点３４℃の５０：５０　Ｈ２／　Ｎ２雰囲気中で２時間、 １４７５乃至１５５０℃のピーク温度で焼成した。

国際調査報告 １＋ｔ＋ｆｉ内ｍＡ＠ｍｎ’ｅ’ｋ　ｐｃｒ７ｕｓ　８７１０３１２４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　（ａ）焼結温度が１４５０℃から１５５０℃までの範囲である基板の原料と なる基板粒子から成る未焼成（ｇｅｅｎ）テープを造ること、 （ｂ）タングステンとモリブデンから成る群から選択される少なくとも１種類の 金属と、前記焼結温度範囲内において金属と基板粒子の両方を温らせる（ｗｅｔ ）、約７容量％以上のガラスを混合してペーストにすること、 （ｃ）その結果得られる金属−ガラスのペーストを未焼成テープ表面に付着する （ａｐｐｌｙ）こと、および （ｄ）付着されたペーストと共にテープを焼成すること から成る、伝導性の層を有する基板の製造方法。 ２　ガラスがアルカリ土類アルミノケイ酸塩およびアルミン酸塩から成る群から 選ばれることを特徴とする請求項１記載の方法。 ３　基板粒子が（ｉ）９８以上のアルミナおよび（ｉｉ）アルミナを基本とする 複合物から成る群から選ばれることを特徴とする請求項２記載の方法。 ４　ガラスがアルカリ土類アルミノケイ酸塩であることを特徴とする請求項３記 載の方法。 ５　基板粒子が９８％以上のアルミナであることを特徴とする請求項４記載の方 法。 ６　基板粒子の大きさの範囲が狭いことを特徴とする請求項５記載の方法。 ７（ａ）約７乃至４０容量％のアルカリ土類アルミノケイ酸塩をタングステンペ ーストに混合すること、（ｂ）得られるタングステンとガラスのペースト層を９ ８％以上のアルミナ粒子から成る基板未焼成テープ表面に付着すること、そして （ｃ）テープとペーストを共に焼成することから成る伝導性の層を有するセラミ ック基板の製造方法。 ８　アルミナ粒子の大きさの範囲が狭いことを特徴とする請求項７記載の方法。 ９　工程（ｃ）が１４７５℃乃至１５５０℃の温度でテープとペーストを共に焼 成することから成ることを特徴とする請求項８記載の方法。 １０　ペーストがタングステンと３７％以下のＣａＯ／Ａｌ２　Ｏ３／ＳｉＯ２ を含有することを特徴とする請求項８記載の方法。 １１　（ｉ）焼結温度が１４５０℃乃至１５５０℃の範囲であること、および （ｉｉ）焼成後のメタライジング温度が１６００℃未満であることの少なくとも １つを満たす基板、およびタングステンとモリブデンから成る群から選択された ４種類以上の金属と、前記焼結温度において基板と選択された金属の両方を湿ら す（ｗｅｔ）ガラスの約５乃至３５容量％から成る伝導性の層 から成る焼成基板を基本とする回路パッケージ。 １２　ガラスがアルカリ土類アルミノケイ酸塩、およびアルミン酸塩を含む群か ら選ばれることを特徴とする請求項１１記載のパッケージ。 １３　ガラスがアルカリ土類アルミノケイ酸塩であることを特徴とする請求項１ ２記載のパッケージ。 １４　基板が（ｉ）９８％以上のアルミナ、（ｉｉ）ペリリア、（ｉｉｉ）ジル コニア、（ｉｖ）アルミナを基本とする複合物、（Ｖ）窒化アルミニウム、およ び（ｖｉ）窒化ケイ素から成る群がら選択されたことを特徴とする請求項１３記 載のパッケージ。 １５　基板が９８％以上のアルミナであることを特徴とする請求項１４記載のパ ッケージ。 １６　９８％以上のアルミナ粒子を含有する基板およびタングステンと約５乃至 ３５容量％のＣａＯ／Ａｌ２　Ｏ３／ＳｉＯ２を含有する伝導性の層 から成る焼成セラミックを基本とする回路パッケージ。 １７　アルミナ粒子の大きさの範囲が狭いことを特徴とする請求項１６記載の回 路パッケージ。 １８　（ａ）タングステンとモリブデンから成る群から選択された種類以上の耐 熱金属および （ｂ）アルカリ土類アルミノケイ酸塩 から成ることを特徴とする焼成後、基板へ付着する組成物。 １９　アルカリ土類アルミノケイ酸塩が前記組成物の約７乃至４０容量％から成 ることを特徴する請求項１８記載の組成物。