JPH02126700A - ガラスセラミックス多層回路基板焼結体 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ガラス系セラミックス多層回路基板焼結体に
係り、特に、電気信号の入出力のための配線層やピンを
備えた半導体素子搭載用キャリア基板に関する。

〔従来の技術〕

焼結されたセラミックス板の表面に印刷配線して混成集
積回路等の構成部品とすることが行われている。最近は
セラミックス板表面のみならず中間層にも配線を持った
セラミックス多層板が開発されている。このように多層
配線基板の内部に形成されるライン配線、及び、スルー
ホール部は、金属粉末を主成分とし、ガラス粉末、バイ
ンダ、有機溶剤等を混合したペーストを用い、印刷、焼
成して導体配線を形成していた。しかし、セラミックス
基板と導体を同時焼成によって形成する場合、導体とセ
ラミックス基板との熱膨張係数の違いや焼成収縮量の不
一致によって、導体配線の剥舟やスルーホール周辺等に
クラックを生じたり、導体ペーストに使用するガラスと
の間に生じる成分の拡散、又は、反応のような化学反応
によって気泡が発生するなどの問題があった。

クラックを防止する手段として特公昭５２−４８６０３
号公報「多層セラミックス板の製造方法」に記載されて
いるような方法が提案されている。

つまり、スルーホール用導体としてタングステンのよう
な金属とその金属より熱膨張係数の大きな物質、例えば
、アルミナなどを複合化して、セラミックス基板ζ板と
熱膨張係数差を小さくする方法がある。また、特開昭６
０−２８２９６号公報［セラミックス多層配線回路板」
に記載されているように、鋼、金、銀とガラス、又は、
セラミックスを複合化させたものをセラミックス長居回
路板の配線導体として適用することが提案されている。

更に、米国特許第４００１１＝１６号に記載されている
ような、銀に酸化ビスマス、酸化鉛、酸化銅の一方、ま
たは、両方の混合物を添加した厚膜導体組成物が提案さ
れているが、ガラスセラミックス多層回路板に適用した
場合、接合界面に気泡が残るなどの問題があり、いずれ
も気泡を防止する手段として十分なものが無いのが現状
である。

〔発明が解決しようとする課題〕

近年、セラミックス多層回路基板の高性能化のために配
線導体として金、銀、銅のような低抵抗材料の適用が望
まれている。しかし、配線ペーストには金属とセラミッ
クスを接着させるための酸化物やガラスが含まれている
。このペースト中のガラスがセラミックス基板との間に
生じる成分の拡散、あるいは、反応によって泡を発生さ
せたり、あるいは、低抵抗の導体材料を用いても接着用
としてのガラスの混入により配線導体の抵抗が大きくな
るなどの欠点があった。

本発明の目的は、電気抵抗が小さく、接着強度の高いガ
ラスセラミックス多層回路基板焼結体を提供することに
ある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、ガラスセラミックス絶縁材料と導体が複数積
層されたセラミックス５后基板において、ガラスセラミ
ックスの所望表面、及び、スルーホール部に金属配線を
設けたものにおいて、この金属配線はＡｕ＋　ＡＫＩ　
Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｎｉの金属、及び、合金の一種以上
と、ガラスセラミックスの酸化物とガラス質を形成する
金属配線の金属、及び、合金よりも酸化性の金属を含み
、かつ、ガラスセラミックス面と酸化性の金属の酸化物
との拡散層を介して、ガラスセラミックスに結合したこ
とを特徴とするガラスセラミックス多層回路基板焼結体
に関する。

本発明では、配線ペースト中に接着用のガラスを添加す
ることなく、配線ペーストの主成分よりも酸化し易い金
属を添加した配線ペーストを用いることにより上記の目
的を達成させる。

〔作用〕

本発明はこの問題点を解決するために、配線ペーストの
主成分である。Ａ　ｕ　＋　Ａｇ　＊　Ｐ　ｔ　＋　Ｃ
ｕ　＋Ｎ１などの金属よりも酸化し易い金属を添加し、
焼結過程でガラス成分中の酸素、あるいは、焼結雰囲気
中の酸素によって酸化し易い金属を酸化させながら、ガ
ラスセラミックス成分と融合させ、拡散層を形成させて
接着する。これによって空孔のない接合界面の形成を可
能とし、かつ、導体層の中央部では主金属が連続的に結
合されて、４体の電気抵抗率を損うことなく形成できる
ことを見出した。

導体の主成分にはＡｕ、Ａｇ、Ａｇ−Ｐｄ合金、Ｃｕが
望ましく、ＡｕにはＢｉ、Ｃｄ、Ａｇ、及び、Ａｇ−Ｐ
ｄ合金には、Ｂｉ、Ｔｉ、Ｃｄ。

Ｃｕに対してはＢｉ及びＴｉの一種以上からなる酸化性
金属を用いる。

金属導体はガラスセラミックス焼結体にガラス質となり
得る酸化物を含む拡散層によって強固に結合される。拡
散層の厚さは処理温度、時間によってコントロールされ
るが、誘電率、及び、導電率を考慮すると２０μｍ以下
の厚さが好ましい。

ガラスセラミックス焼結体は、特に、限定しないが、Ｍ
ｇＯ，ＣａＯＡｌｚＯａ・Ｂ２Ｏ３系ガラス、Ｓ　ｉ　
Ｏｚ・Ｂ２Ｏ３系ガラス及びＬｉ２Ｏ。

Ａｌ２０ａｓｉｏｚ系ガラス、特に、焼結体の焼成温度
が８５０〜９２０　’Ｃのものがよい。

雰囲気は焼成温度で主成分の金属、及び、合金が酸化さ
九ない程度に酸素を含む雰囲気、特に、Ａ　ｕ　、　Ａ
　ｇ　、　Ａ　ｇ　−Ｐ　ｄ合金等の大気中での加熱で
酸化しないものは、大気中で行うのが望ましい。

大気中で加熱する場合には、加熱中断しい空気を炉中に
送り込む方法をとる。Ｃｕ、等の大気中で酸化する金属
の場合には、これら金属が酸化しない程度の酸化性雰囲
気中で加熱する。

酸化性金属はガラスセラミックスの酸化物とガラス質を
形成させるものでなければ金属導体の強固な結合が得ら
れない。ガラスセラミックスと融合してガラス質を形成
する元素としてＢｉ、Ｃｄ。

Ｔｉ　Ｚｎ及びＡｌがあり、酸化性金属としてこれら金
属、及び、化合物の一種以上を用％）る。酸化性金属は
、粉末で使用し、金属８ｇ体を形成する金属、及び、合
金粉末に０．１〜１０重量％の結合剤を混合して使用す
る。特に、この混合粉末に有機物を添加して糊状、又は
、スラリ状ペーストＧこして用いる。酸化性金属粉末は
金属及び合金粉末の平均粒径より小さいものがよい。

有機物には、カルピトールアセテート、ブチルカルピト
ール、テレピネオール等の溶媒で稀釈されたエチルセル
ローズ、ニトロセルローズ、アクリル樹脂等が用いられ
る。

〔実施例〕

〈実施例１．２〉 表１に示す実施例１．２及び比較例い０１パＱ２）の組
成をそれぞれ秤１し、Ｖ型ミキサで混合した。

表１ （玉量％） 二の混合粉末に、エチルセルローズを；９　度６％に含
むテレピネオール溶液を混合粉数１００正■部に対し１
０重量部の割合で添加して混ｔ４ｔし、スラリ状のペー
ストを作製した。本実施例に用いた粉末の粒径はＡｇ−
Ｐｄ合金粉末が平均１．０μｍ。

添加物の粉末が０．１μｍである。比較例には、市販品
のＡｇ−Ｐｄ導体ペーストとＡ、ＢとＡ　ｇ−Ｐｄ導体
にガラスセラミックスと同一組成のガラス粉末と酸化ビ
スマスを添加したペーストを上記要領で作製して用いた
。

次いで、ガラスセラミックス多層回路基板の作製方法を
記す。まず、グリーンシートを作るためのスラリを作る
。原料粉末として使用するガラス粉末の組成は、酸化物
に換算して、Ｍｇ０９〜１５重量％、Ａ　Ｑ　２０３３
５〜４５重量、Ｂ２０３４５−５５重量％、Ｃａ　Ｏ０
、５〜３％重量％とじて総重量１００重量％となるよう
に選んだ、ガラス粉末の平均粒径は５μｍである。スラ
リの製造方；ムは、上記組成のガラス粉１００重量部と
メタクリル酸系のバインダ２０重量部、トリクロルエチ
レン１２４重量部、テトラクロルエチレン３２重量部、
ｎブチルアルコール４４重量部を加え、ボールミルで２
４時時間式混合スラリを作る。次いで、真空脱気処理を
しながら適当な粘度に調整する。

このスラリをドクターブレードを用いてシリコンコート
したポリエステルフィルム上に０．５ｍｍ厚さに塗布し
、その後、乾燥してグリーンシートを作製した。

次いで、グリーンシートレ二ペーストをライン配線、及
び、表面パターンをスクリーン印刷した。

次いで、それぞれに印刷したグリーンシートを適宜に積
層し、熱間プレスにより圧着した。圧着条件は、温度１
００℃、圧力２０　ｋｇ　ｆ　／　ｃｕｔである。

このようにして作製した積層板を、昇温速度１００℃／
ｈ、加熱温度５００℃Ｘｌｈで脱バインダ処理を行った
後、昇温速度２００°Ｃ／ｈ、加熱温度９００’ＣＸ１
ｈで焼成した。雰囲気は空気中で随時新しい空気を送り
込んだ。

焼結後のガラスセラミックス多層回路板について目視、
及び、拡大鏡（倍率二十倍）により外観を１ｉ１ｐｔ、
た・また、断面を平滑に研摩し走査型７？ａ子顕微鏡（
倍壜千倍）で観察した。観格結果を表２にまとめた。

表　　２ 表中、外観１で「良好」はガラスセラミックスと配線導
体の剥離やガラスセラミックス焼結体の変形、及び、ク
ラックが無いことを示すものである。「剥１」はガラス
セラミックスと配線２罐体が剥離したものを示し、「変
形」はガラスセラミックス焼結体が変形したものを示す
。断面欄での「良好」はガラスセラミックスと配線導体
の界面にボイドが無く、拡ｊ６　Ｓの厚さが２０μｍ以
下のものを示す。「ボイド」はガラスセラミックスと配
線導体の接合界面にボイドが存在していることを示し、
「拡散層」は接合部の拡散層が２０μｍ以上あることを
示している。本発明の配線ペーストを用いたガラスセラ
ミックス多層回路基板焼結体は剥れ、変形、ボイドの無
い焼結体が得られている。

〈実施例３〉 実施例１の手法で作製したグリーンシートを用い、その
表面に実施例１の手法で作製した（Ａｇ−１５重量％Ｐ
ｄ）−１重量％Ｂ１−１重量％Ｃｄの導体ペーストをス
クリーン印刷し、パターンを形成した。

次いで、誘電率１８０００のセラミックスコンデンサグ
リーンシートを中央に一枚、上・下に導体をスクリーン
印刷したガラスセラミックスグリーンシートを重ねて積
層し、熱間プレスにより圧着した。圧着条件は実施例１
と同一の手法で行った。

更に、脱バインダ処理と焼成を行い、コンデンサを内蔵
したガラスセラミックス多層回路板焼結体を作製した。

脱バインダ処理、及び、焼成は実施例１と同一手法で行
った。焼結後のコンデンサ内蔵ガラスセラミックス多層
回路板焼結体は、外観上変形が無く、発泡もなく、亀裂
もない良好な焼結体が得られた。更に、焼結体の断面を
平滑に研摩し、ガラスセラミックス、導体、及び、コン
デンサのそれぞれの接合界面を走査型電子顕微鏡を用い
て倍率二千倍でＩＦ５した。ガラスセラミックス、と導
体の接合部には９μｍ程度の拡散層が形成されて接合し
ていた。一方、それぞれの接合部もボイドや割れもなく
接合している。又、配線導体はＡｇ−Ｐｄ粒が連続的に
結合して形成されており、電気抵抗率もＡｇ−Ｐｄ固有
の特性が得られている。

〈実施例４〉 次に本発明のガラスセラミックス多層回路基板焼結体を
キャリア基板として用いた半導体装置への応用例につい
て説明する。

第１図は半導体素子を搭載したキャリア基板の断面図で
ある。この半導体装置は実施例１に記載したガラスセラ
ミックス４を用いたグリーンシートの孔あけ部と表面に
、実施例１に記載したＡｇ−Ｐｄ粉末と１重量％のＢｉ
と１重量％Ｃｄとからなるペーストを用いて印刷し、実
施例１に記載した積層条件でグリーンシートを積層し、
その後、実施例１に記載した脱ガス処理、及び、９００
°Ｃの焼成をして、ガラスセラミックス４、キャリア基
板が形成される。半導体素子１は半田２によってスルー
ホール導体５に接続され、電気信号入力ピン７は半田６
によって接合される。半田２にはＰｂ−２重量％Ｓｎ、
半田６には５ｎ−３，５重量％Ａｇが好適である。

第２図はコンデンサ８を内蔵したキャリア基板に半導体
素子１を搭載したキャリア基板の断面図である。この半
導体装置１は、実施例１に記載したガラスセラミックス
４を用いてグリーンシートの孔あけ部と表面に、実施例
１に記載したＡｇ−Ｐｄ粉末と１重量％Ｂｉと１重量％
Ｃｄからなるペーストを用いて印刷、乾燥し、次いで、
コンデｌｌ ンサ８を中央に、上・下印刷乾燥したガラスセラミック
ス・１を、適宜、重ね合せて積層し、実施例１に記載し
た積層条件で熱圧着した。その後、脱ガス処理、及び、
焼成を実施例１に記載した方法で焼結し、コンデンサ８
を内蔵したガラスセラミックス４のキャリア基板を作成
した。半導体素子１は平田２によってスルーホール導体
５に接続され、電気信号人力ピン７は半田６によって接
合さす〕、ろ。°色１刊２にはＰｂ−２重量％Ｓｎ、半
田６には５ｎ−３，３重量％Ａｇが好適である。

なお、国中３はライン配線。

〔発明の効果〕 本発明によれば、電気抵抗率が小さく、接着強度の高い
拡散層をもったガラスセラミックス多層［う１路基板焼
結体が得られ、更に、それを用いた半導体装置は応答性
が速く、使用中における配線導体の剥雛や劣化が無い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体素子を搭載したキャリア基板の
断面図、第２図は本発明のコンデンサを内蔵したキャリ
ア基板に半導体素子を搭載したキャリア基板の断固であ
る。 １・・・半導体素子、２・・・半田、３・・・配線導体
、４・・・ガラスセラミックス、５・・・スルーホール
導体、６・・・半田、７・・・電気信号入力ピン、８・
・・コンデンサ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．ガラス系セラミックス絶縁材料と、導体が複数積層
   されたセラミックス多層基板において、前記ガラス系セ
   ラミックスの所望表面、及び、スルーホール部に金属配
   線を設け、前記金属配線はＡｕ，Ａｇ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｃ
   ｕ，Ｎｉの金属及び合金の一種以上と、前記ガラス系セ
   ラミックスの酸化物とガラス質を形成する前記金属配線
   の金属及び合金よりも酸化性の金属を含み、かつ、前記
   ガラス系セラミックス面と前記酸化性の金属の酸化物と
   の拡散層を介して、前記ガラス系セラミックスに結合し
   たことを特徴とするガラスセラミックス多層回路基板焼
   結体。
2. ２．前記拡散層は、前記ガラス系セラミックスの酸化物
   とＢｉ，Ｃｄ，Ｔｉ，Ｃｕ及びＡｌからなる酸化物の一
   種以上との複合酸化物からなる特許請求の範囲第１項に
   記載のガラス系セラミックス多層回路基板焼結体。