JPH0286194A - セラミック多層配線基板の製造方法 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、半導体ＬＳ　Ｉ、チップ部品などを搭載し、
かつそれらを相互配線するためのセラミック多層配線基
板とその製造方法等に関するものである。

従来の技術 セラミック多層基板に使用される導体材料には通常、金
、根、パラジウムまたはそれらの混合物が用いられる。

ところが、これらの金属は、貴金属であり高価でかつ価
格変動が大きいことから、安価で価格変動の少いＣｕ電
極材料の使用が望まれている。

そこでＣｕ電極を用いた多層基板の製造方法の一例をの
べる。その方法は、アルミナなどの焼結基板上にＣｕペ
ーストをスクリーン印刷にて配線パターンを形成し、乾
燥の後、Ｃｕの融点以下の温度（８５０〜９５０°Ｃ程
度）で、かつＣｕが酸化されず導体ペースト中の有機成
分が充分に燃焼するように酸素分圧を制御した窒素雰囲
気中で焼成を行うものである。多層する場合は、同様の
条件で絶縁層を印刷焼成して得られる。しかしながら上
記のようなＣｕペーストを用いた場合、いくつかの問題
点を有している。まず第１に焼成工程における雰囲気を
適度な酸素分圧下にコントロールすることが困難である
こと。つまり酸素が多いとＣｕが酸化され、逆に少いと
ペースト中のを機バインダが分解されず良好なメタライ
ズも得られないからである。第２に多層価する場合、各
ペーストを印刷後その都度焼成をくり返し行う必要があ
り、リードタイムが長くなり設備などのコストアップに
つながるなどの問題点を有している。そこで特願昭５９
−１４７８３３号公報において、セラミック多層基板の
作製にあたり、脱バインダ工程、還元工程、焼成工程の
３段階とする方法がすでに開示されている。それは、酸
化第二銅を導体の出発原料とし脱バインダ工程は、炭素
に対して充分な酸化雰囲気でかつ内部の有機バインダを
熱分解させるに充分な温度で熱処理を行なう。次に酸化
第二銅を銅に還元する還元工程、基板の焼結を行う焼成
工程により成立しているものである。

これにより、焼成時の雰囲気制御が容易になり緻密な焼
結体が得られるようになった。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、以下に示すような問題点が明らかとなっ
た。それは、セラミック多層に使用する材料によって導
体材料である銅との温度−収縮曲線が異なるために、多
層基板の反り、変形が生じてしまう事である。特に本発
明のように導体材料に銅を用いる場合は、銅の収縮開始
の温度が比較的低いため、基板材料の組成は限定される
。第２の問題点としては、最上層の導体配線の半田濡れ
性である。電気回路用配線基板として使用する場合、こ
の問題も非常に重要であり、これは導体材料の種類のみ
ならず、セラミック組成も半田濡れ性に大きな影響を及
ぼす。これは低温焼成基板に含まれる、低軟化点ガラス
が、焼成時に最上層まで拡散し、最上層の電極を濡らし
、半田付は性を阻害するものと思われる。さらに近年重
要とされている高周波応用の分野においては、高速化の
要求から誘電率の小さい基板材料が望まれている。

以上のような課題の他、一般に望まれる性能として、抗
折強度が強いこと、短時間で焼成が可能なことなどが上
げられる。

課題を解決するための手段 上記課題を解決するために、本発明のセラミック多層基
板の導体材料の出発原料に酸化銅を用い基板材料にガラ
ス組成物が、ＳｉＯ２７０〜８５重量％、Ｂ２０３１０
〜２５重量％、ＭｇＯＯ，０５〜５重量％、アルカリ金
属酸化物０．５〜５重量％、ＣａＯ０．０１〜３重量％
、ＺｎＯ０〜１・、０重量％、ＢａＯ０〜１．０重量％
の組成範囲で総量１００重量％に成るよう選んだ組成物
と、アルミナ粉末を重量比で６０／４０〜７５／２５の
範囲で混合された組成物であり、空気中での熱処理によ
る脱バインダ及び酸化銅から金属銅への還元と、基板材
料と金属銅との焼結を行う焼成工程よりなることで得ら
れるものである。

作用 本発明は、前記のような基板材料と、導体材料を用いか
つ以下に示すような製造方法で作製されるため、誘電特
性にすぐれかつ電気絶縁性などの信頬性に冨む、セラミ
ック多層配線基板が得られるものである。以下に本発明
の詳細な説明する。

まず本発明の製造法は、酸化銅を導体材料とし、前記の
組成の基板材料を絶縁材料としてそれらも用いて多層体
を形成する工程と、バインダの除去を行う脱バインダ工
程、ＣｕＯをＣｕに還元する還元工程、そして多層体を
焼結させる焼成工程より成立つものである。脱バンイダ
工程は、空気中などの酸化雰囲気で基板内の有機バイン
ダの分解。

除去を行う工程である。そして還元工程で酸化銅の還元
を行うものである。

つまり、前記の組成の絶縁材料と酸化銅による導体で積
層した多層体を空気中でバインダ除去を行なった後、金
属銅への還元可能な温度を実験により求めたところ、窒
素中に水素を１０％含む雰囲気で約１時間の熱処理では
約２００°ＣでＣｕの還元反応が起こり、同様の雰囲気
で熱処理温度を徐々に上げた所、約６００°Ｃ以上で基
板材料の還元が著しく起こった。また２５０°Ｃ以下で
は部分的に酸化銅の部分が存在することがわかった。そ
のため、上記のような雰囲気１時間では３００〜５００
°Ｃ程度が望ましい還元温度といえる。

さらにこの還元済の積層体を焼成するのであるが、バイ
ンダ除去工程の熱処理で、基板材料と酸化銅の反応が若
干起こり、中間反応層が存在する。

かつ酸化銅自身も粒成長しているので、焼成時の熱処理
においての温度−収縮曲線が銅は高温側ヘシフトし、か
つ反応層の存在で基板の変動が少ないものとなる。

誘電率の小さい基板材料が得られるのは、ＰｂＯを含ま
ない組成であること、及び誘電率の大きいアルミナ粉を
あまり多く含まないことによる。

実施例 以下に本発明の一実施例について、図面を用いて詳細に
説明する。

本発明のセラミック多層基板に使用した３種類のガラス
粉末Ａ、Ｂ、Ｃの組成を示す。第１表各粉末ガラスの製
造方法は、所定の組成の試薬を予備混合し、アルミナル
ツボ中で１３５０°Ｃのｉｔまで加熱し充分溶融させて
後、水中に滴下急冷する。次にこれを乾燥しライカイ機
で粗粉砕し、１５０メンシユのフルイを通過させた粉末
のみを、メチルアルコールを溶媒とするアルミナボット
で湿式粉砕を行う（玉石はアルミナ）。このようにして
得られたものを乾燥させたもので、平均粒径は約１〜２
μｍ程度である。

（以　下　余　白） 第　　　１　　　表 次に第２表に基板の組成（アルミナ粉末とガラス粉末と
の混合粉）を示す。使用したアルミナ粉末は、平均粒子
径が１．８μｍのものである。

（以　下　余　白） 第２表に示す組成は、試料番号１〜５の組成はガラス粉
末Ａとアルミナを混合した系で、例えば試料番号１のセ
ラミック組成は、ガラス粉末Ａとアルミナを重量で８０
対２０に混合したものである。次に試料番号６〜１０は
、ガラスＢとアルミナ、次に試料番号１１〜１５は、ガ
ラス粉末Ｃとアルミナとの混合系である。

次に導体ペーストは、酸化第二銅粉（平均粒径３μｍ）
に接着強度を得るためのガラスフリット（コーニング社
製＃７０５９ガラス粉末、平均粒径３μｍ）を５ｗｔ％
加えたものを無機成分とし、有機バインダであるエチル
セルロースをターピネオールに溶かしたビヒクルととも
に加えて、３段ロールにより適度な粘度になるように混
合したものを用いた。

そして前記の基板セラミック組成粉を無機成分とし、有
機バインダとしてポリビニルブチラール、可塑剤として
デーｎ−ブチルフタレート、溶剤としてトルエンとイソ
プロピルアルコールの混合液（３０対７０重量比）を第
３表の通りの組成で混合しスラリーとした。

第 表 このスラリーをドクターブレード法で有機フィルム上に
シート成型した。この時、造膜から乾燥打抜きさらには
、必要に応じてスルホール加工を行なう各工程を連続滴
に行なうシステムを使用した。このグリーンシートに前
記酸化銅ペーストを用いて導体パターンの形成をスクリ
ーン印刷法によって行った。このグリーンシートを所定
の枚数用意し、熱圧着して積層体を形成し、後に述べる
方法で焼成した。第１図は、本実施例によって得られた
銅多眉セラミック配線基板の実施例を示す斜視図である
。図において、１　（ａ）、　　ｔ　（ｂ）　　１　（
ｃ）１　（ｄｌはそれぞれ積層したセラミック絶縁層、
２は内部４電層、３は最上層導電層である。

次に、本発明の焼成の工程を説明する。まず最初は、脱
バインダ工程である。脱バインダ工程の温度プロファイ
ルを第２図に示す。本発明に使用したグリーンシート及
びペーストの有機バインダは、ＰＵＢ及びエチルセルロ
ースであるので空気中での分解温度は、５００°Ｃ以上
あれば良いので、６００°Ｃの温度で行なった。次に還
元工程の温度プロファイルの一例を第３図に示す。雰囲
気は１０％の水素を含む窒素中で行なった。

次に焼成工程のプロファイルを第４図に示す。

焼成工程は、純窒素中でありメツシュベルト炉にて実施
した。この時の炉内部の０２残存量を０２濃度計で計測
したところ、１〜２ｐｐｍの０□量であった。そしてさ
らに最上層配線を、Ｃｕペースト（Ｄｕｐｏｎｔ社、＃
９１５３）で配線パターンをスクリーン印刷し乾燥（１
２０’Ｃ−１０分）の後、前記焼成工程と同じプロファ
イル、雰囲気で焼付けた。このようにして得られた多面
基板の評価結果を第４表に示す。第４表に示す評価項目
の中で内部酸化銅導体との適合性については、第５図の
ように８ｍ＋ｎ幅の内部導体層２が２胴の間隔をもって
形成された７０Ｘ３５ｍｍＸ０．２５ｍｍのグリーンシ
ート４を５枚積層した試験サンプルを作製し、前記脱バ
インダ、還元、焼成の各工程を過て後のセラミック基板
の反り、変形について評価を行ったものである。

（以　下　余　白） また、最上層配線の半田濡れ性は、基板を２６０°Ｃの
半田槽に約２秒間浸漬してその濡れ具合を評価したもの
で濡れ部分の面積が電極全体の９０％以上の場合を○と
しそれ以下の場合を×とした。

また層間の信頼性は、２００μｍの絶縁層間に２　ｍｒ
ａ　Ｘ　’ｌ　ｍＢの対向電極を設け、恒温恒湿槽にて
８５’Ｃ−８５％−ＲＨの環境下で、１００Ｖの電圧を
印加して、１０００時間放置した後に室内に戻し、絶縁
抵抗を測定して、１０１１Ω以上保持しておればＯ，１
つでもそれ以下であれば×として評価を行なった。

さらに、内部雪掻の適合性を評価するため、以下のよう
な方法で試料も作製したものである。つまり、内部導体
のを無によって基板の収縮が悪影響を及ぼすかどうか調
べたものである。そこで基板変形を定量的に顕すために
基板変形率ΔＬを定Ｌｃ；第６図の導体部の幅（ＩＩＩ
ｌｌ）Ｌｄ、第６図の導体配線の無い部分の幅（ｍｍ）
以上のようにせで求めたΔＬが０５％未満であれば良品
（○）とした。

以上の結果からガラス粉末とアルミナ比によって誘電率
が変化しているのがわかる。つまり、アルミナ比が多い
と誘電率が高くなり、基板自身の焼結性も悪くなる。一
方アルミナ比が２５Ｗし％以下では、ガラス成分が多く
なりすぎるため、導体との適合性が悪くなり、（第６図
（ｂ）のような）抗折強度も弱くなるので本発明の多層
基板には適していない。

また、ガラスの種類では、ガラス粉Ｂが最も誘電率が低
く抗折強度も高いものが得られる。最適なアルミナ比は
ガラス／アルミナ＝７０／３０である。

なお、実施例ではグリーンシート法による多層基板の例
をのべたが、アルミナのような焼結済のセラミック基板
を用いて、前記酸化銅ペーストと、前記グリーンシート
用基板材料の無機成分と同一組成の粉末を、酸化銅ペー
ストと同様の方法でペースト状にしたものを絶縁ペース
トとして用い、前記酸化銅ペーストと絶縁ペーストを所
望の回数印刷をくり返し行って多層化する構成であって
も、実用上何ら問題はない。むしろ、基板変形を考慮し
なくとも良いのでさらに存利である。

発明の効果 以上のように、本発明の製造法によれば、極めて信鎖性
の高い低誘電率を有する絶縁材料を使用できるセラミッ
ク銅多層基板を提供するものである。つまり前記組成の
絶縁基板材料は、絶縁抵抗が高く、誘電性に優れまた軟
化点が低いため、短時間焼成、低温焼成が容易となり極
めて量産に適した絶縁材料といえる。また前記の絶縁基
板材料組成を用いて、空気中脱バインダを行う本発明の
方法では、導体材料の出発原料に酸化銅を用いることに
よって、さらに基板材料との接着性が改善され、焼成後
のマツチング性も良好となる。

さらに本発明の製造方法によって得られる銅メタライズ
は、Ｃｕのもつ利点（ハンダ付性の良さ。

導体抵抗が低い、耐マイグレーション性の良さ。

低コスト）を充分に発揮できるもので工業上極めて効果
的な発明である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の銅多層セラミック基板の一実施例を示
す斜視図、第２図、第３図、第４図はそれぞれ本発明の
脱バインダ工程、還元工程、焼成工程の温度プロファイ
ルの一例を示す工程図、第５図は基板性能の中で基板変
形を調べるための評価用試料の斜視図、第６図（ａ）は
基板変形の良品を示す説明図、第６図ら）は基板変形率
の大きい試料の代表例を示す説明図である。 Ｉａ、ｌｂ、ｌｃ、ｌｄ・・・・・・絶縁層、２・・・
・・・内部導体、３・・・・・・最上層Ｃｕ導体。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　はか１名／ａ、Ｉｂ
、Ｉｃ、／Ｊ−セラミヅク絶鳳１第３図 図 眸 間 分 ！２０ 脱ノマイソダ 第 図 焼成プロファイル 司 Ｄ 禮 眸 間 （分り 第 図 第 図 ＩＱ） （ｂ） ｌ形竿

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）ガラス組成物が、ＳｉＯ＿２７０〜８５重量％Ｂ
   ＿２Ｏ＿３１０〜２５重量％、ＭｇＯ０．０５〜５重量
   ％、アルカリ金属酸化物０．５〜５重量％、ＣａＯ０．
   ０１〜３重量％、ＺｎＯ０〜１．０重量％、ＢａＯ０〜
   １．０重量％の組成範囲で総量１００重量％になるよう
   選んだ組成物と、アルミナ粉末を重量比で６０／４０〜
   ７５／２５の範囲で混合された組成物からなる絶縁層を
   有することを特徴とするセラミック多層配線基板。
2. （２）ガラス組成物が、ＳｉＯ＿２７０〜８５重量％、
   Ｂ＿２Ｏ＿３１０〜２５重量％、ＭｇＯ０．０５〜５重
   量％、アルカリ金属酸化物０．５〜５重量％、ＣａＯ０
   ．０１〜３重量％、ＺｎＯ０〜１．０重量％、ＢａＯ０
   〜１．０重量％の組成範囲で総量１００重量％に成るよ
   う選んだ組成物と、アルミナ粉末を重量比で６０／４０
   〜７５／２５の範囲で混合された組成物からなる絶縁層
   と、この絶縁層の内部及び外部に形成された銅を主成分
   とする導体メタライズ層を有し、前記銅メタライズ層と
   前記絶縁層の界面に酸化銅の拡散層を有することを特徴
   とするセラミック多層配線基板。
3. （３）ガラス組成物が、ＳｉＯ＿２７０〜８５重量％、
   Ｂ＿２Ｏ＿３１０〜２５重量％、ＭｇＯ０．０５〜５重
   量％、アルカリ金属酸化物０．５〜５重量％、ＣａＯ０
   ．０１〜３重量％、ＺｎＯ０〜１．０重量％ＢａＯ０〜
   １．０重量％の組成範囲で総量１００重量％に成るよう
   選んだ組成物と、アルミナ粉末を重量比で６０／４０〜
   ７５／２５の範囲で混合された組成物からなる無機成分
   に少なくとも有機バインダ、可塑剤を含む生シートを作
   製し、前記生シート上に銅の酸化物を主成分とするペー
   スト組成物でスクリーン印刷によりパターン形成し、前
   記生シートとは別のパターン形成した生シートを所望の
   枚数積層して多層化するか、もしくは生シート上に前記
   酸化銅ペーストの印刷と、前記生シートの無機組成物と
   同一の組成の絶縁ペーストの印刷を所望の回数くり返し
   行ない多層化する未焼成積層体形成工程と、空気中もし
   くは、酸素雰囲気中で、前記多層体内部の有機成分を熱
   分解するに充分な温度で熱処理を行う脱バインダ工程と
   し、しかる後水素と窒素の混合ガス雰囲気中で金属銅に
   還元する工程と、前記還元剤多層体を窒素雰囲気中で焼
   結させる工程とを含むことを特徴とするセラミック多層
   配線基板の製造方法。
4. （４）未焼成積層体の形成が、焼結剤のセラミック基板
   上の片面もしくは両面に前記絶縁ペースト、前記酸化銅
   ペーストにより印刷をくり返し行うことで得られること
   を特徴とする請求項（２）記載のセラミック多層配線基
   板の製造方法。
5. （５）ガラス組成物が、ＳｉＯ＿２７０〜８５重量％、
   Ｂ＿２Ｏ＿３１０〜２５重量％、ＭｇＯ０．０５〜５重
   量％、アルカリ金属酸化物０．５〜５重量％、ＣａＯ０
   ．０１〜３重量％、ＺｎＯ０〜１．０重量％、ＢａＯ０
   〜１．０重量％の組成範囲で総量１００重量％に成るよ
   う選んだ組成物と、アルミナ粉末を重量比で６０／４０
   〜７５／２５の範囲で混合された組成物を無機成分とし
   、これに少なくとも有機バインダ、可塑剤を含む生シー
   トを作製し、前記生シート上に銅の酸化物を主成分とす
   るペースト組成物でスクリーン印刷によりパターン形成
   し、前記生シートとは別のパターン形成済生シートを所
   望の枚数積層して多層化するか、もしくは生シート上に
   前記酸化銅ペーストの印刷と、前記生シートの無機組成
   物と同一組成の絶縁ペーストの印刷をくり返し行ない多
   層化する未焼成積層体形成工程と、空気中もしくは、酸
   素雰囲気中で多層体内部の有機成分が分解、飛散するに
   充分な温度で熱分解を行う脱バインダ工程と、しかる後
   、水素と窒素の混合ガス雰囲気中で金属銅に還元する工
   程と、前記還元済多層体の片面もしくは両面の最上層部
   に金属銅ペーストの印刷によって最上層電極パターンを
   形成する工程と、窒素雰囲気中で焼結させる工程とから
   成ることを特徴とするセラミック多層配線基板の製造方
   法。
6. （６）未焼成積層体の形成が、焼結済のセラミック基板
   の片面もしくは両面に前記絶縁ペースト、前記酸化銅ペ
   ーストにより印刷をくり返し行うことで得られることを
   特徴とする請求項（４）記載のセラミック多層配線基板
   の製造方法。
7. （７）ガラス組成物が、ＳｉＯ＿２７０〜８５重量％、
   Ｂ＿２Ｏ＿３１０〜２５重量％、ＭｇＯ０．０５〜５重
   量％、アルカリ金属酸化物０．５〜５重量％、ＣａＯ０
   ．０１〜３重量％、ＺｎＯ０〜１．０重量％、ＢａＯ０
   〜１．０重量％の組成範囲で総量１００重量％に成るよ
   う選んだ組成物と、アルミナ粉末を重量比で６０／４０
   〜７５／２５の範囲で混合された組成物からなる無機成
   分とし、少くとも有機ビヒクルを加えてなることを特徴
   とする絶縁ペースト。