JPH0320914B2 - - Google Patents

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JPH0320914B2
JPH0320914B2 JP14783384A JP14783384A JPH0320914B2 JP H0320914 B2 JPH0320914 B2 JP H0320914B2 JP 14783384 A JP14783384 A JP 14783384A JP 14783384 A JP14783384 A JP 14783384A JP H0320914 B2 JPH0320914 B2 JP H0320914B2
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JP
Japan
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copper
glass
ceramic
composition
temperature
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JP14783384A
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Japanese (ja)
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JPS6126293A (en
Inventor
Seiichi Nakatani
Hideyuki Okinaka
Sei Juhaku
Tooru Ishida
Osamu Makino
Tatsuo Kikuchi
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Priority to US07/066,182 priority patent/US4863683A/en
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Description

【発明の詳細な説明】 産業状の利用分野 本発明は、半導体IC、チツプ部品などを搭載
し、かつそれらを相互配線した、セラミツク多層
配線およびその製造方法に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of Industrial Use The present invention relates to a ceramic multilayer wiring in which semiconductor ICs, chip parts, etc. are mounted and interconnected, and a method for manufacturing the same.

従来の構成とその問題点 セラミツク多層基板は、現在その多層配線形成
法により分類すると3つの方法がある。それは、
厚膜法、グリーンシート印刷法、グリーン
シート積層法と呼ばれるものがそうである。以下
簡単にその方法を述べる。まず厚膜印刷法は、ハ
イブリツトICに代表されるもので、焼結済のセ
ラミツク基板に、導体や絶縁体の厚膜ペーストを
使用してスクリーン印刷し、その都度焼成をくり
返してパターン形成を行なう方法である。この方
法は、厚膜ペーストが手軽に手に入れることや、
工法そのものが簡単なため、比較的容易に製造が
できるので、現在多くの方面で実用されている。
しかしこの厚膜印刷法は、絶縁層にガラスを用い
るため、あまり多層化が容易ではなく(せいぜい
3層から4層まで)かつ、印刷後、その都度焼成
を行なうので、設備コストのアツプやリードタイ
ムが長くなる等の欠点があり、さらには、焼結済
の基板を用いるためスルーホールなどの加工が困
難なことから、両面配線や、多層配線には、あま
り適当な方法であるとは云えない。次にグリーン
シート印刷法であるが、これは、セラミツク粉末
(たとえばアルミナ、ベリリアなどの主成分とし
たもの)に有機結合剤と、可塑剤、溶剤を加えて
ボールミルによつてスラリー状にし、ドクターブ
レード法でシート状に造膜したもの(グリーンシ
ートと呼ぶ)を用いるものである。
Conventional Structures and Problems There are currently three types of ceramic multilayer substrates, classified according to the method of forming multilayer wiring. it is,
These methods include the thick film method, green sheet printing method, and green sheet lamination method. The method will be briefly described below. First, the thick film printing method, typified by hybrid ICs, involves screen printing a thick film paste of a conductor or insulator onto a sintered ceramic substrate, and then repeating firing each time to form a pattern. It's a method. This method is easy to obtain thick film paste,
Since the construction method itself is simple and can be manufactured relatively easily, it is currently in practical use in many fields.
However, since this thick film printing method uses glass for the insulating layer, it is not easy to create multiple layers (3 to 4 layers at most), and baking is performed each time after printing, which increases equipment costs and leads to It has drawbacks such as a long time, and furthermore, it is difficult to process through holes because it uses a sintered substrate, so it is not a suitable method for double-sided wiring or multilayer wiring. do not have. Next is the green sheet printing method, which involves adding an organic binder, plasticizer, and solvent to ceramic powder (for example, containing alumina, beryllia, etc. as the main ingredients) and making it into a slurry using a ball mill. This method uses a membrane formed into a sheet (called a green sheet) using the blade method.

導体ペーストは、主にWやMoなどの高融点金
属が用いられ、前記グリーンシート材料と同一組
成の無機成分を用いたペーストを絶縁層用ペース
トとして用いる。グリーンシート印刷法は、前記
グリーンシート上にこの導電ペーストと絶縁ペー
ストとを交互に印刷積層し、多層化するもので、
印刷、乾燥をくり返し行なつた後に一回で焼成を
完了するものである。この焼成は、前記、高融点
金属のW、Moが酸化されないような還元雰囲気
中で行なわれる。例えば、焼成温度は1600℃で行
ない、若干の水蒸気を含み、水素ガス濃度が約10
%程度の窒素ガス雰囲気中で行なわれる。
The conductor paste is mainly made of a high melting point metal such as W or Mo, and a paste containing an inorganic component having the same composition as the green sheet material is used as the insulating layer paste. The green sheet printing method is a method in which conductive paste and insulating paste are alternately printed and laminated on the green sheet to form a multilayer.
After repeated printing and drying, firing is completed in one go. This firing is performed in a reducing atmosphere in which the high melting point metals W and Mo are not oxidized. For example, the firing temperature is 1600℃, some water vapor is included, and the hydrogen gas concentration is about 10
% in a nitrogen gas atmosphere.

このグリーンシートを用いる方法は、多くの長
所を有しており、今後増多くのメーカで採用され
る手法であると思われる。その長所とは、第一に
印刷積層後、一度の焼成で良いので、製造時間が
短縮できること、第二に絶縁層が基板材料と同一
組成であり、同時焼成されるので、放熱性、気密
性にすぐれている。第二にグリーンシートを用い
るのでスルーホールなどの加工が容易であり、印
刷性も良いと云われている。第三にW、Moなど
の金属を使用するので金あるいは銀−パラジウム
系導体材料に比べて材料費が安い。第四には、焼
結時の収縮のため、印刷した時よりも実際上、高
密度になる。第五に導体の接着強度が厚膜印刷法
に比べて大きいことなどが上げられる。
This method of using green sheets has many advantages and is expected to be adopted by an increasing number of manufacturers in the future. Its advantages are: firstly, it only needs to be fired once after printing and laminating, which reduces manufacturing time; and secondly, since the insulating layer has the same composition as the substrate material and is fired at the same time, it improves heat dissipation and airtightness. Excellent. Second, since a green sheet is used, it is easy to process through holes, etc., and it is said that printability is also good. Third, since metals such as W and Mo are used, the material cost is lower than that of gold or silver-palladium conductor materials. Fourth, due to shrinkage during sintering, it is actually denser than when printed. Fifth, the adhesive strength of the conductor is greater than that of thick film printing.

しかし欠点としては、大きな設計変更が容易で
はないこと、高温でかつ水素雰囲気を必要とする
ので、危険であり、そのため設備コストも高くな
る。また導体については、Au、Ag、Cuなどと比
べて、導体抵抗が高く、ハンダ付けができない欠
点がある他、表面が酸化されやすいのでAu、や
Niなどをコーテイングするための後処理が必要
なことなどが上げられる。
However, the disadvantages are that it is not easy to make major design changes, and it is dangerous because it requires high temperatures and a hydrogen atmosphere, which also increases equipment costs. Regarding conductors, compared to Au, Ag, Cu, etc., conductor resistance is higher and soldering is not possible, and the surface is easily oxidized, so Au, etc.
Examples include the need for post-treatment to coat with Ni, etc.

最後のグリーンシート積層法は、グリーンシー
ト印刷法とほぼ同一の手法であるが多層化する時
に、導体を印刷しバイアホール加工を済ませた、
グリーンシートを多数枚積層して張り合わせる方
法であり、前述のグリーンシート印刷法の利点を
そのまま適用できるものである。この方法は、積
層数が多く、多量に印刷する場合は有利であるが
グリーンシートのバイアホール加工のための金型
や、治具を多く必要とし、設計変更の自由度が低
いので、グリーンシート印刷法ほど一般的な方法
とはいえない。次にセラミツク基板に用いられる
メタライズ導電材料に注目すると厚膜法では、
Au、Ag−Pd、Cuなどが用いられ、グリーンシ
ート法ではW、Mo、Mo−Mnなどが用いられ
る。AuおよびAg−Pdは、空気中で焼付けができ
る反面、貴金属であるので、コストが高くつく。
グリーシート法では、セラミツク基板を焼結させ
る温度が1500℃以上の高温であるためW、Moな
どの高融点金属しか使用できない、等の問題があ
る。
The final green sheet lamination method is almost the same as the green sheet printing method, but when creating multiple layers, conductors are printed and via holes are processed.
This is a method in which a large number of green sheets are laminated and pasted together, and the advantages of the above-mentioned green sheet printing method can be directly applied. This method has a large number of laminated layers and is advantageous when printing in large quantities, but it requires many molds and jigs for processing via holes in the green sheet, and there is less freedom to change the design, so the green sheet It is not as common a method as the printing method. Next, looking at the metallized conductive materials used in ceramic substrates, the thick film method
Au, Ag-Pd, Cu, etc. are used, and in the green sheet method, W, Mo, Mo-Mn, etc. are used. Although Au and Ag-Pd can be baked in air, they are precious metals and are therefore expensive.
The green sheet method has problems such as the fact that only high melting point metals such as W and Mo can be used because the temperature at which the ceramic substrate is sintered is as high as 1500° C. or higher.

そこで、現在、導体抵抗が低く、マイグレーシ
ヨンが起こらず、ハンダ付け性も良好であるCu
を用いた配線基板が注目されつつある。そして厚
膜印刷法では、一部で実用化された例もある。し
かし卑金属であるが為の欠点もある。それは卑金
属のため空気中で焼き付けることができず、かつ
基板との接着強度、シート抵抗、ハンダ付け性、
バインダの分野の影響から窒素の雰囲気中に若干
の酸素を含ませるといつた非常に微妙な雰囲気の
コントロールが要求されているためである。
Therefore, we are currently using Cu, which has low conductor resistance, does not cause migration, and has good solderability.
Wiring substrates using . There are also some examples of thick film printing methods that have been put into practical use. However, since it is a base metal, it also has drawbacks. Because it is a base metal, it cannot be baked in the air, and it also has excellent adhesive strength, sheet resistance, and solderability with the board.
This is because, due to the influence of the field of binders, very delicate control of the atmosphere is required, such as including a small amount of oxygen in the nitrogen atmosphere.

しかも、Cuの導体形成の後、抵抗や誘電体を
形成しようとした場合よ、前記と同様の焼付け雰
囲気で行なう必要がある。しかしそれに使用でき
る抵抗や誘電体で、実用に供するものは、ごく一
部のもので、その選択の自由度は極めて少い。
Furthermore, if a resistor or dielectric is to be formed after forming a Cu conductor, it is necessary to perform the baking in the same baking atmosphere as described above. However, only a few of the resistors and dielectrics that can be used for this purpose are put to practical use, and there is very little freedom in their selection.

とはいえ、Cuの利点は、非常に魅力的であり
今後、各方面の研究・開発活動を通して、徐々に
実用に向かつていくことは、違いないであろうと
思われる。
However, the advantages of Cu are very attractive, and there is no doubt that it will gradually be put into practical use through research and development activities in various fields.

そこで、前記の多層工法を合わせて考えるなら
ば、多層配線基板の理想的な姿としては、導体に
銅を用い、多層工法にはグリーンシートを用いて
行なうことであると考えられる。つまりグリーン
シート上に銅の導体を印刷した絶縁層を印刷ある
いは積層して多層化し、同一焼成して得られるも
のである。
Therefore, if we consider the multilayer construction method described above, the ideal form of a multilayer wiring board would be to use copper as the conductor and use a green sheet for the multilayer construction method. In other words, it is obtained by printing or laminating an insulating layer on which a copper conductor is printed on a green sheet to form a multilayer structure, and then firing them at the same time.

しかしながら、このCu多層基板を実用化する
上には、いくつかの克復すべき問題点がある。こ
の克復すべき問題点を以下に示す。
However, there are some problems that need to be overcome before this Cu multilayer substrate can be put into practical use. The problems that need to be overcome are shown below.

まず第一に、Cuの融点は1083℃と低いため、
基板材料と同時焼成を行なうためには、基板材料
そのものの焼結温度をそれ以下にする必要がある
こと。それは基板材料に要求される性能であると
ころの、焼結体強度、耐性、耐湿性、熱伝導性な
どがすべて満足されていることが必須の条件であ
りさらにその上、Cuとのメタライズ性など、多
層化した場合の性能も要求される。第二の問題点
は、そのような焼成条件(温度、雰囲気)でのバ
インダの使用に困難が生じることである。つま
り、シートに用いられる有機バインダ、可塑剤、
およびペーストのビヒクルに用いられる同じく有
機バインダ、等は、非酸化性雰囲気では完全に除
去するのが困難で、時に銅の融点以下の温度で
は、分解しないといわれている。そして完全にバ
インダが分解・除去できなければセラミツク材料
そのものも、多孔質のままで、存在するといわれ
ており、焼結が進行しないばかりか、残こつたカ
ーボンのため、黒ずんだ基板しか得られない。銅
多層基板の実用化は、以上のような理由で困難と
されているのである。
First of all, Cu has a low melting point of 1083℃, so
In order to perform simultaneous firing with the substrate material, the sintering temperature of the substrate material itself must be lower than that. It is an essential condition that the performance required for the substrate material, such as sintered compact strength, resistance, moisture resistance, and thermal conductivity, must be satisfied. , performance is also required when multi-layered. The second problem is that it is difficult to use the binder under such firing conditions (temperature, atmosphere). In other words, organic binders, plasticizers, and
It is said that the same organic binders used in paste vehicles and the like are difficult to completely remove in non-oxidizing atmospheres and do not decompose at temperatures sometimes below the melting point of copper. It is said that if the binder cannot be completely decomposed and removed, the ceramic material itself will remain porous, and not only will sintering not progress, but the remaining carbon will only result in a darkened substrate. . It is difficult to put copper multilayer substrates into practical use for the reasons mentioned above.

発明の目的 本発明は、セラミツク多層配線基板にかかり、
銅多層配線基板を形成する方法について、上記の
問題点を解消するものである。すなわち、銅多層
化における最大の問題点である有機バインダの除
去について、新しいバインダ除去方法を提供し、
かつ還元、焼成の各工程を有する製造方法によつ
て得られた新規な構造を有する銅多層配線基板を
形成することを目的とするものである。
Purpose of the Invention The present invention relates to a ceramic multilayer wiring board,
The present invention solves the above-mentioned problems regarding the method of forming a copper multilayer wiring board. In other words, we provide a new method for removing organic binders, which is the biggest problem in copper multilayering.
Another object of the present invention is to form a copper multilayer wiring board having a novel structure obtained by a manufacturing method including reduction and firing steps.

発明の構成 上記の目的を達成するため本発明は、銅の融点
以下の温度で焼成可能な、セラミツク基板材料
(例えば、ガラス組成物もしくはガラスを多量に
含むアルミナ組成物基板)に有機バインダ、可塑
剤を加えてグリーンシートとしたものを用い、こ
のグリーンシート上に酸化第二銅を主成分とする
ペーストで導体パターンを形成し、絶縁層は、前
記、グリーンシートと同一の無機成分からなるペ
ースト印刷によつて形成し、所望の回数くり返え
し印刷を行ない多層化する。
Structure of the Invention In order to achieve the above object, the present invention provides a ceramic substrate material (for example, a glass composition or an alumina composition substrate containing a large amount of glass) that can be fired at a temperature below the melting point of copper, an organic binder, and a plasticizer. A conductive pattern is formed on the green sheet using a paste containing cupric oxide as a main component, and the insulating layer is made of a paste consisting of the same inorganic component as the green sheet. It is formed by printing and printed repeatedly a desired number of times to form multiple layers.

次に脱バインダの方法は、基板材料の焼結が進
行するより低い温度で、充分にバインダが分解・
酸化される空気中のような酸化雰囲気で熱処理を
行なうものである。この方法の要点は、第1に、
導体材料の出発原料である酸化第二銅が、結晶構
造の変態が行なわれず、かつ必要以上の焼結が進
まない程度の温度で脱バインダが行なわれること
である。
Next, the binder removal method is performed at a temperature lower than that at which the sintering of the substrate material progresses, and the binder is sufficiently decomposed and removed.
Heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere such as in oxidizing air. The main points of this method are, firstly,
The binder is removed from cupric oxide, which is the starting material for the conductive material, at a temperature at which the crystal structure does not undergo transformation and sintering does not proceed more than necessary.

第2に、基板材料の焼結温度よりも低い温度で
基板全体の有機バインダが残こらず、熱分解する
ことが前提条件である。
Secondly, it is a prerequisite that the organic binder of the entire substrate does not remain and is thermally decomposed at a temperature lower than the sintering temperature of the substrate material.

以上のようにして行なわれる脱バインダ処理工
程で重要なことは、導体ペースト中の酸化第二銅
の一部を熱処理温度をコントロールすることで所
望の程度前記絶縁層中に拡散させる役割りも果た
すことである。これは、銅電極としてのメタライ
ズ性(接着強度)を向上させる上で著しい効果が
ある。
What is important in the binder removal process performed as described above is that by controlling the heat treatment temperature, a part of the cupric oxide in the conductor paste can be diffused into the insulating layer to a desired degree. That's true. This has a remarkable effect on improving the metallization properties (adhesive strength) as a copper electrode.

次に、水素と窒素の混合ガス雰囲気中で、前記
酸化第二銅が金属銅に還元する(還元工程)。こ
れは還元に必要な温度以上でかつ、前記絶縁組成
物中のガラス組成物の軟化点以下の温度で熱処理
をする工程である。さらに還元済の積層体を窒素
雰囲気中で、前記絶縁組成物を焼結させるに充分
な温度で焼成を行なわしめる焼成工程により構成
されるものである。次に本発明が実現できる理由
を説明する。
Next, the cupric oxide is reduced to metallic copper in a mixed gas atmosphere of hydrogen and nitrogen (reduction step). This is a step in which heat treatment is performed at a temperature higher than the temperature required for reduction and lower than the softening point of the glass composition in the insulating composition. The method further includes a firing step in which the reduced laminate is fired in a nitrogen atmosphere at a temperature sufficient to sinter the insulating composition. Next, the reason why the present invention can be realized will be explained.

まず始めに、脱ハインダ工程であるが、本発明
の方法ではメタライズする銅の出発原料に酸化第
二銅を用いるため、空気中の熱処理においても酸
化第二銅のままで存在し不必要な体積変化が起こ
らず、有機バインダの熱分解が行なわれる。そし
てこの時、絶縁材として用いられるガラス・セラ
ミツク組成物のガラス成分の軟化点以下の温度で
行なわれる必要がある。なぜなら軟化点以上の場
合、前記酸化第二銅と絶縁材料とで構成される積
層体の焼結が進行し、前記酸化第二銅が積層体内
部に密閉され、後の還元工程でも還元されなくな
る、第2に使用する銅の酸化物として酸化第二銅
が望ましい。なぜなら酸化第二銅は、空気中でも
安定で温度を上げても結晶変態が無く本発明の目
的に適しているといえる。なお上記以外の酸化
物、例えば亜酸化物Cu2Oを用いると、空気中の
脱バインダではCuOに変態するための体積変化を
伴うため、多層化した場合にはクラツクやハガレ
の原因となる。体積変化を起こさずCu2Oのまま
で脱バインダを行うには雰囲気を酸素分圧PO2
10-3〜10-5にコントロールすれば良いのであるが
酸素分圧を前述のようにコントロールすることは
難しく本発明の目的から考えて有効ではない。
First, in the dehindering process, since cupric oxide is used as the starting material for metallizing copper in the method of the present invention, it remains as cupric oxide even during heat treatment in air, resulting in unnecessary volume. No change occurs and thermal decomposition of the organic binder takes place. At this time, it is necessary to carry out the process at a temperature below the softening point of the glass component of the glass-ceramic composition used as the insulating material. This is because when the temperature is above the softening point, the sintering of the laminate composed of the cupric oxide and the insulating material progresses, and the cupric oxide is sealed inside the laminate and is no longer reduced in the subsequent reduction process. The second copper oxide used is preferably cupric oxide. This is because cupric oxide is stable even in air and does not undergo crystal transformation even when the temperature is raised, making it suitable for the purpose of the present invention. Note that when oxides other than those mentioned above, such as suboxide Cu 2 O, are used, debinding in air involves a change in volume due to transformation into CuO, which causes cracks and peeling when multilayered. To remove the binder with Cu 2 O without volume change, the atmosphere must have an oxygen partial pressure of PO 2 .
Although it is possible to control the oxygen partial pressure within the range of 10 -3 to 10 -5 , it is difficult to control the oxygen partial pressure as described above and is not effective from the viewpoint of the purpose of the present invention.

次に還元工程において、銅の還元はごく低温
(200〜400℃)で充分に行なえることは衆知のと
うりである。そのため、前記ガラス・セラミツク
組成物の軟化点以下の温度で銅への還元が終了で
きるのである。
Next, in the reduction step, it is common knowledge that copper can be sufficiently reduced at a very low temperature (200 to 400°C). Therefore, the reduction to copper can be completed at a temperature below the softening point of the glass-ceramic composition.

最後は焼成工程である。本工程は、既にバイン
ダは除去されているので前記絶縁材料と銅のメタ
ライズのみを考慮すればよい。すなわち、前記ガ
ラス・セラミツクの焼結温度まで窒素ガス雰囲気
中で昇温する。その結果、前記ガラス・セラミツ
クの焼結と銅粒子の焼結により良好なメタライズ
性が得られる。この焼成工程を還元工程のように
還元雰囲気で行うと充分な銅メタライズ性が得ら
れない。それは、この焼成雰囲気が、銅と前記ガ
ラス・セラミツクス材料との高温における濡れ性
に大きく関係するからである。つまり、絶縁材中
のガラス成分は一般に金属との漏れ性が悪いとい
う事実に基づくものである。そのため、、銅粒子
表面にごく薄い酸化物層を設け濡れ性を改善する
目的で、中性雰囲気での焼成が行なわれる。以上
が還元工程と焼成工程を分離して行うことの理由
である。
The final step is the firing process. In this step, since the binder has already been removed, only the insulating material and copper metallization need be considered. That is, the temperature is raised to the sintering temperature of the glass/ceramic in a nitrogen gas atmosphere. As a result, good metallization properties can be obtained by sintering the glass/ceramic and sintering the copper particles. If this firing step is performed in a reducing atmosphere like a reducing step, sufficient copper metallization cannot be obtained. This is because the firing atmosphere has a large effect on the wettability of copper and the glass-ceramic material at high temperatures. In other words, this is based on the fact that glass components in insulating materials generally have poor leakage with metal. Therefore, in order to improve wettability by providing a very thin oxide layer on the surface of the copper particles, firing is performed in a neutral atmosphere. The above is the reason why the reduction step and the firing step are performed separately.

なお上記脱バインダ、還元、焼成各工程を二元
雰囲気炉によつて連続的に行なうことも可能であ
る。
Note that it is also possible to perform the above-mentioned binder removal, reduction, and firing steps continuously in a dual atmosphere furnace.

以上のようにして作製される銅多層配線基板の
構成を第1図に示す。1は前記、ガラスもしくは
ガラスとセラミツク組成物よりなる絶縁基板材
料、2は還元された銅メタライズ層、3は前記、
絶縁層内部に拡散した酸化銅の層である。
FIG. 1 shows the structure of the copper multilayer wiring board manufactured as described above. 1 is the above-mentioned insulating substrate material made of glass or glass and ceramic composition, 2 is the reduced copper metallized layer, 3 is the above-mentioned,
It is a layer of copper oxide diffused inside an insulating layer.

その酸化銅拡散層の存在が銅メタライズ層と絶
縁層の接合をより強固なものとしているのであ
る。
The presence of the copper oxide diffusion layer makes the bond between the copper metallized layer and the insulating layer stronger.

実施例の説明 まず本発明にかかるセラミツク基板材料は、ホ
ウケイ酸ガラス粉末(コーニング社性#7059ガラ
ス平均粒径3μm)とアルミナ(Al2O3平均粒径
1.0μm)粉末を重量比で40対60となるように配合
したものを用いた。この混合粉を基板材料の無機
成分とし、有機バインダとしてポリビニルブチラ
ール、可塑剤としてヂ−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比)を次の通りの組成で混合し、
スラリーとした。
Description of Examples First, the ceramic substrate material according to the present invention is made of borosilicate glass powder (Corning Corporation #7059 glass average particle size 3 μm) and alumina (Al 2 O 3 average particle size
1.0 μm) powder in a weight ratio of 40:60. This mixed powder is used as an inorganic component of the substrate material, polyvinyl butyral is used as an organic binder, di-n-butyl phthalate is used as a plasticizer, and
Mix a mixture of toluene and isopropyl alcohol (30:70 ratio) as a solvent with the following composition.
It was made into a slurry.

無機成分 100部 ポリビニルブチラール 5部 ヂ−n−ブチルフタレート 5部 トルエン/イソプロピルアルコール 40部 このスラリーをドクタブレード法で、有機フイ
ルム上(東レ、ルミラー125μm厚)にシート
成型した。この時、造膜から乾燥、任意の打抜き
さらには、必要に応じてスルホール加工を行なう
各工程を連続的に行なうシステムを使用した。
Inorganic components: 100 parts Polyvinyl butyral 5 parts D-n-butyl phthalate 5 parts Toluene/isopropyl alcohol 40 parts This slurry was formed into a sheet on an organic film (Toray, Lumirror 125 μm thick) by a doctor blade method. At this time, a system was used that continuously performs each process from film formation to drying, optional punching, and through-hole processing if necessary.

以上のようにして得られたグリーンシートは、
空気中で1000℃温度の1時間の焼成により緻密な
焼結体が得られるもので、電気的性能として比誘
電率が7.5、誘電損失が0.15%(IMHz)であり、
抗折張度は20Kg/mm2である。その性能は、基板と
して、ほぼ満足できる値である。この時基板材料
としては、銅の融点以下に軟化点を有するガラス
であれば、良い訳であり、上記実施例のガラスに
限られるものではない。
The green sheet obtained as above is
A dense sintered body can be obtained by firing in air at 1000℃ for 1 hour, and its electrical properties include a relative permittivity of 7.5 and a dielectric loss of 0.15% (IMHz).
The transverse tensile strength is 20Kg/ mm2 . Its performance is almost satisfactory as a substrate. At this time, the substrate material may be any glass having a softening point below the melting point of copper, and is not limited to the glass of the above embodiment.

次に上記グリーンシート上に酸化第二銅ペース
トを用いて導体パターンのスクリーン印刷を行な
う。この時に使用される酸化第二銅(CuO)は、
試薬特級の平均粒径5μmのものを用いた。ペー
スト作製のためのビヒクル組成は、溶剤としてテ
レピン油を用い、有機バインダであるエチルセル
ロースを溶かしたものを用い、上記酸化第二銅粉
末と混練したものをペーストとした。一方絶縁ペ
ーストは、前記グリーンシート用無機材料と同組
成のものを用いて同様の方法でペーストとし、前
記酸化第二銅ペーストをスクリーン印刷し、乾燥
の後、絶縁層パターンを印刷した。この時の印刷
条件は酸化第二銅ペーストの場合250メツシユの
スクリーンで約20μmの厚みとし、絶縁層は200
メツシユのスクリーンで約30μmの厚みとなるよ
うにした。そして前記の印刷を所望の回数、グリ
ーンシートの両面について印刷を行なつた。
Next, a conductor pattern is screen printed on the green sheet using cupric oxide paste. The cupric oxide (CuO) used at this time is
Special reagent grade particles with an average particle diameter of 5 μm were used. The vehicle composition for preparing the paste was prepared by using turpentine as a solvent, dissolving ethyl cellulose as an organic binder, and kneading it with the cupric oxide powder described above to form a paste. On the other hand, as an insulating paste, a paste having the same composition as the inorganic material for the green sheet was used in the same manner as above, the cupric oxide paste was screen printed, and after drying, an insulating layer pattern was printed. In the case of cupric oxide paste, the printing conditions at this time are approximately 20 μm thick with a 250 mesh screen, and the insulating layer is 200 μm thick.
A mesh screen was used to obtain a thickness of approximately 30 μm. Then, the above printing was performed a desired number of times on both sides of the green sheet.

なお前記、酸化第二銅ペースト、絶縁用ペース
トの作製にテレピン油、エチルセルロースを用い
たがビヒクルとしては、エチルセルロースの代わ
りにニトロセルロース、溶剤にはブチルカルビト
ール、ブチルセルソルブのようなセルソルブ類を
用いても良く、さらにソルビタンアルキルエステ
ル、ボリオキシエチレンアルキエーテル等の界面
活性剤を用いるとも有効な手段である。
In addition, although turpentine oil and ethyl cellulose were used to prepare the cupric oxide paste and the insulating paste, the vehicle was nitrocellulose instead of ethyl cellulose, and the solvent was cellosolves such as butyl carbitol and butyl cellosolve. It is also effective to use a surfactant such as sorbitan alkyl ester or polyoxyethylene alkyl ether.

次に印刷を完了したグリーンシートのバインダ
除去であるが、本発明の脱バインダシステムの一
例として第2図に示すような温度プロフアイルで
実施した。この時の雰囲気は、空気中であり、
500℃でグリーンシートの中の有機バインダ、ペ
ースト中の有機成分のほとんどを分解きせ、さら
に800℃の温度で上記有機成分を完全に除去する
ものである。なおこのバインダ除去温度や雰囲気
の設定については、あらかじめ、熱分析を行ない
バインダの除去が完全に行なわれるかどうかを確
認して設定されるものである。したがつて、バイ
ンダの種類によつては、多少分解温度が異なるの
で、おのずと、脱バインダ時の温度プロフアイル
も異なつてくるのは当然である。この脱バインダ
後の基板を走査型電子顕微鏡で観察したところセ
ラミツク基板材料(アルミナ及びガラス成分)は
出発原料の粒径とほとんど変化は認められず、有
機成分のみが飛散したものとなつている。これ
は、前記基板材料中のガラス成分の融点以下で脱
バインダが行なわれたためであり、酸化第二銅自
身の著しい焼結や、体積変化を伴う結晶変態が起
こつていないことを示すものである。
Next, the binder was removed from the printed green sheet, and this was carried out using a temperature profile as shown in FIG. 2 as an example of the binder removal system of the present invention. The atmosphere at this time is in the air,
The organic binder in the green sheet and most of the organic components in the paste are decomposed at 500°C, and the organic components are completely removed at 800°C. Note that the binder removal temperature and atmosphere settings are determined by conducting thermal analysis in advance to confirm whether the binder is completely removed. Therefore, since the decomposition temperature differs depending on the type of binder, it is natural that the temperature profile when removing the binder also differs. When the substrate after the binder was removed was observed using a scanning electron microscope, it was found that the ceramic substrate material (alumina and glass components) showed almost no change in particle size from the starting material, and only the organic components were scattered. This is because the binder was removed at a temperature below the melting point of the glass component in the substrate material, indicating that no significant sintering of the cupric oxide itself or crystal transformation accompanied by a volume change has occurred. be.

次にこの脱バインダ済基板を還元、焼成する。
還元工程と焼成工程を同時に行なつた例を第3図
に示す。雰囲気は、水素ガスを10%含む窒素ガス
雰囲気中(流量2/min)で行なつた。その結
果、焼成された上記セラミツク基板は、白色の基
板が得られ、基板そのものの性質は、前記の空気
中焼成の基板とほぼ同じ性能のものが得られた。
そして、この焼成で酸化第二銅が還元され金属銅
となり導電性パターンが形成された。その時の導
体抵抗は、線巾が500μm、厚みが10μm程度で、
面積抵抗3.7mΩ/□が得られ、絶縁層の内部に
形成された導電パターンも4.0mΩ/□と表面層
と同様の結果が得られた。そして基板と銅とのメ
タライズ性能は、いわゆる引張りテストによつて
行なつた結果、1.5Kg/cm2の結果を得た。以上の
結果から、本発明にかかる銅多層配線基板は銅メ
タライズ性に若干の不満はあるものの実用に供さ
れるものと判断されるものである。本発明によれ
ば、焼結が進行する前に、あらかじめ空気中で脱
バインダするため、基板焼結の進行を阻害するカ
ーボンの残留が無く、合わせて基板焼結の前段階
で銅へ還元させるため、内部配線についても、充
分な導電性が得られる。
Next, this debinding substrate is reduced and fired.
FIG. 3 shows an example in which the reduction step and the firing step were performed simultaneously. The atmosphere was a nitrogen gas atmosphere containing 10% hydrogen gas (flow rate 2/min). As a result, a white ceramic substrate was obtained from the fired ceramic substrate, and the properties of the substrate itself were almost the same as those of the above-mentioned air-fired substrate.
Then, by this firing, the cupric oxide was reduced to become metallic copper, and a conductive pattern was formed. The conductor resistance at that time is about 500 μm in line width and 10 μm in thickness.
A sheet resistance of 3.7 mΩ/□ was obtained, and the conductive pattern formed inside the insulating layer also obtained a result of 4.0 mΩ/□, similar to that of the surface layer. The metallization performance of the substrate and copper was determined by a so-called tensile test, and a result of 1.5 kg/cm 2 was obtained. From the above results, it is judged that the copper multilayer wiring board according to the present invention can be put to practical use, although there is some dissatisfaction with the copper metallization properties. According to the present invention, since the binder is removed in advance in the air before sintering progresses, there is no residual carbon that inhibits the progress of substrate sintering, and the carbon is reduced to copper at a stage prior to substrate sintering. Therefore, sufficient conductivity can be obtained even for internal wiring.

上記の脱バインダおよび、還元、焼成法では、
脱バインダ後の基板の強度が弱いため取扱いが困
難であることや、電気炉が複数台必要なことか
ら、次に示す二元雰囲気炉を使用した例を示す。
この二元雰囲気炉は、空気及び窒素をキヤリアガ
スとしてそれぞれ独立した雰囲気のゾーンを作る
ことができるベルト搬送型の連続炉のことであ
る。
In the above binder removal, reduction, and sintering methods,
Since the strength of the substrate after binder removal is weak and handling is difficult, and multiple electric furnaces are required, the following example using a dual atmosphere furnace is shown.
This dual atmosphere furnace is a belt-conveyed continuous furnace that can create independent atmosphere zones using air and nitrogen as carrier gases.

本実施例では、BTUエンジニアリング社、
MEJ−4型を使用した。なお、温度、雰囲気プ
ロフアイルを第4図に示す。500℃、800℃、1000
℃の各保持温度は、前記と同じ目的で行なうもの
である。この時得られた配線基板の性能も前記の
ものとほぼ同じ結果であつた。なお焼成、降温過
程の雰囲気を水素ガスを含まない窒素ガスのみで
行なつた場合、メタライズ特性(引張りテスト)
が2.5Kg/cm2と改善された。
In this example, BTU Engineering Co., Ltd.
MEJ-4 type was used. The temperature and atmosphere profiles are shown in FIG. 500℃, 800℃, 1000
Each holding temperature in °C serves the same purpose as described above. The performance of the wiring board obtained at this time was almost the same as that described above. In addition, when the atmosphere during the firing and temperature cooling process is only nitrogen gas that does not contain hydrogen gas, the metallization characteristics (tensile test)
improved to 2.5Kg/ cm2 .

発明の効果 以上のべたように本発明は、セラミツク多層基
板における理想的な姿である銅多層配線基板を実
用化する上で、極めて有効な手段を提供し、かつ
本方法によつて始めて得られる信頼性の高に構造
を有するものである。
Effects of the Invention As described above, the present invention provides an extremely effective means for putting into practical use a copper multilayer wiring board, which is an ideal form of a ceramic multilayer board, and can be obtained for the first time by this method. It has a highly reliable structure.

すなわち、本発明の構成および製造方法によれ
ば、 (1) 絶縁基板材料と導体層の焼成が一度で行なえ
るので製造する上で大きな合理化が図れる。
That is, according to the configuration and manufacturing method of the present invention, (1) the insulating substrate material and the conductor layer can be fired at one time, which greatly streamlines the manufacturing process.

(2) グリーンシート工法を利用できるので、加工
性に優れ、多層性も容易である。
(2) Since the green sheet method can be used, it has excellent workability and can be easily multi-layered.

(3) 脱バインダを空気中で行なうため、特別な有
機バインダで無くとも充分なバインダ除去が期
待できる。
(3) Since binder removal is performed in air, sufficient binder removal can be expected even without special organic binders.

同じく脱バインダ時に酸化銅の拡散具合いを
任意にコントロールできるので接着性の良いメ
タライズ層が得られる。(絶縁層と導体層の中
間の酸化銅層が強固な接合層となる。) (4) 焼成温度が900℃〜1080℃(特に1000〜1050
℃が良好)と厚膜法に比べ高温度で行なえるの
で、絶縁基板の信頼性が高い。(特に耐湿性、
絶縁性、耐圧など) (5) 同じく焼成時の雰囲気コントロールが容易で
ある。(カーボンの酸化を考慮しなくとも良く、
Cuの還元のみを考えれば良い。) この他、本発明における銅多層配線基板は銅の
特色である導体抵抗の低さ、ハンダ付け性の良
さ、耐マイグレーシヨン性の良さを充分に生かせ
るものであり、工業上極めて効果的な発明であ
る。
Similarly, since the degree of diffusion of copper oxide can be arbitrarily controlled during binder removal, a metallized layer with good adhesiveness can be obtained. (The copper oxide layer between the insulating layer and the conductor layer becomes a strong bonding layer.) (4) The firing temperature is 900℃ to 1080℃ (especially 1000 to 1050℃)
The reliability of the insulating substrate is high because it can be carried out at a higher temperature than the thick film method. (Especially moisture resistance,
(insulation, voltage resistance, etc.) (5) Similarly, the atmosphere during firing is easy to control. (There is no need to consider carbon oxidation,
It is sufficient to consider only the reduction of Cu. ) In addition, the copper multilayer wiring board of the present invention makes full use of copper's characteristics of low conductor resistance, good solderability, and good migration resistance, making it an industrially extremely effective invention. It is.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明における銅多層配線基板の断面
図、第2図は本発明における脱バインダ用熱処理
工程を示す温度および雰囲気プロフアイルの一例
を示す図、第3図は本発明における還元・焼成工
程を示す温度および雰囲気プロフアイルの一例を
示す図、第4図は二元雰囲気炉を使用した場合の
脱バインダおよび還元・焼成工程の連続化の一例
を示す図である。 1……絶縁基板材料、2……銅メタライズ層、
3……絶縁層に拡散した酸化銅層。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a copper multilayer wiring board according to the present invention, FIG. 2 is a diagram showing an example of the temperature and atmosphere profile showing the heat treatment step for removing binder according to the present invention, and FIG. 3 is a diagram showing an example of the reduction/baking process according to the present invention. FIG. 4 is a diagram showing an example of the temperature and atmosphere profile showing the process, and FIG. 4 is a diagram showing an example of continuous debinding and reduction/calcination steps when a dual atmosphere furnace is used. 1... Insulating substrate material, 2... Copper metallization layer,
3...Copper oxide layer diffused into the insulating layer.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 ガラスもしくはガラスとセラミツク組成物か
らなる絶縁基板とこの絶縁基板上に形成された銅
を主成分とする導体メタライズ層とセラミツクも
しくはガラスあるいはガラス・セラミツク組成物
からなる絶縁層とにより積層された銅多層配線基
板を有し、前記銅メタライズ層と、絶縁層の界面
に酸化第二銅の拡散層を有することを特徴とする
セラミツク多層配線基板。 2 銅の融点よりも低い温度で焼結するガラスも
しくはガラスとセラミツクによる組成物に少なく
とも有機バインダ、可塑性を含むシートを作製
し、前記生シート上に酸化第二銅を主成分とする
ペースト組成物でパターン形成し、前記生シート
とは別の生シートを所望の枚数同様にパターン形
成し、積層して多層化するか、もしくは、前記酸
化第二銅ペーストの印刷に、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くり
返し行ない多層化する工程と、前記多層体を炭素
に対して充分な酸化雰囲気で、かつ内部の有機成
分を熱分解させるに充分な温度で熱処理を行なう
工程と、しかる後、水素と窒素の混合ガス雰囲気
中で前記絶縁ペースト組成物中のガラス成分の軟
化点以下の温度でかつ前記酸化第二銅が金属銅に
還元可能な温度以上で熱処理を行なう還元工程
と、さらに前記還元済.多層体を窒素雰囲気で前
記絶縁組成物を焼結させるに必要な温度で焼成を
行う焼成工程とを含むことを特徴とするセラミツ
ク多層配線基板の製造方法。
[Scope of Claims] 1. An insulating substrate made of glass or a glass and ceramic composition, a conductive metallized layer mainly composed of copper formed on the insulating substrate, and an insulating layer made of ceramic, glass, or a glass-ceramic composition. 1. A ceramic multilayer wiring board comprising a copper multilayer wiring board laminated with a copper metallized layer and an insulating layer, the ceramic multilayer wiring board having a cupric oxide diffusion layer at an interface between the copper metallized layer and the insulating layer. 2. Prepare a sheet containing at least an organic binder and plasticity in glass or a composition of glass and ceramic that is sintered at a temperature lower than the melting point of copper, and apply a paste composition containing cupric oxide as a main component on the raw sheet. Alternatively, the inorganic composition of the green sheet may be used for printing the cupric oxide paste. A step of repeatedly printing an insulating paste having the same composition as the product to form a multilayer structure, and heat treating the multilayer structure in an oxidizing atmosphere sufficient for carbon and at a temperature sufficient to thermally decompose the internal organic components. After that, heat treatment is performed in a mixed gas atmosphere of hydrogen and nitrogen at a temperature below the softening point of the glass component in the insulating paste composition and above a temperature at which the cupric oxide can be reduced to metallic copper. a reduction step, and further the reduced process. 1. A method for manufacturing a ceramic multilayer wiring board, comprising the step of firing the multilayer body in a nitrogen atmosphere at a temperature necessary to sinter the insulating composition.
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