JPH0321109B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

産業上の利用分野 本発明は、半導体LSI、チツプ部品などを搭載
し、かつそれらを相互配線するための、セラミツ
ク多層配線基板の製造方法に関するものである。 従来の技術 セラミツク多層基板には、現在その多層化方法
により３つの方法に分類される。第１は厚膜印刷
法でハイブソツドICに代表されるものである。
これは、焼結済のセラミツク基板に導電体や絶縁
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多層化するものである。
第２はグリーンシート印刷法で、基板材料として
未焼成のセラミツク分体を有機結合剤、可塑剤、
溶剤でスラリー状にし、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）
を用いる方法である。このグリーンシートに導電
体と絶縁体のペーストを印刷し一度で焼成を完了
するものである。また第３はグリーンシート積層
法で、前述のグリーンシートに導電体パターンを
形成したものを所望の枚数積層して張り合わせる
方法でありスクリーンシート印刷法と同様一度の
焼成で多層基板が得られるものである。 一方、セラミツク多層基板に使用される導体材
料に注目すると、Au，Au―Pt，Ag―Pt，Ag，
Ag―Pdなどの貴金属を用いるものと、Ｗ，Mo，
Mo―Mnなどの高融点金属及びCu，Niなどの比
較的低融点の卑金属に大別することができる。ま
ず、貴金属系ペーストは、空気中で処理ができ信
頼性が高いことから大いに普及している。しか
し、貴金属はコストが高いという問題点を抱えて
いる。またＷ，Mo，Mo―Mnなどの高融点金属
は、1600℃程度の高温すなわちグリーンシートの
焼結温度以上で同時焼成する必要があるため多層
化に適している反面、還元性雰囲気で焼成する必
要があるため、その製造時安全性に十分配慮しな
ければならない。また導電体抵抗も高く、ハンダ
付けのためにNiやAuのメツキ処理を必要とする
などの問題点を有している。そこで低温度で処理
でき、安価なCuやNiなどが注目されつつある。 Cuペーストを用いたセラミツク多層配線基板
の製造方法の一例を述べる。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
印刷し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℃程度）で、かつ
Cuが酸化されずに導電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。多層にする場
合には、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
分圧にコントロールするこが困難であること。つ
まり酸素が多いとCuが酸化され、逆に少ないと
ペースト中の有機バインダが分解除去されず、良
好なメタライズも得られないからである。第２に
多層化する場合、各ペーストの印刷後その都度焼
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ツプにつながるなど
の問題点を有している。そこで特願昭59−147833
号の発明においてセラミツ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
段階とする方法を提案している。それは、酸化銅
を導体の出発原料とし、脱バインダ工程が、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充分な温度で行ない酸化銅を
金属銅に還元する還元工程、基板材料を焼結させ
る焼成工程によつて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つた。 発明が解決しようとする問題点 しかしながら、その実施にあたつて以下に示す
ような解決すべき課題が明らかとなつた。それ
は、セラミツク多層基板の作製において、その基
板材料となるグリーンシート用、絶縁材料に使用
し得る材料に限度があるためである。なぜなら、
酸化第二銅を出発原料とし、前記のような還元雰
囲気での熱処理工程を有する製造方法では、絶縁
材料（ガラス―セラミツク）の中に還元される金
属酸化物（PbO）を含んでいると、 PbO＋aMe→Pb＋MeaO の反応が起こり金属化したPbを含む絶縁層は、
絶縁体としての機能が発揮できなくなる。（Me：
Pb以外の金属）。したがつて、導電体材料にCuな
どの卑金属を用いる場合、絶縁材料としては、熱
力学的に安定でCuと酸化、還元反応を起こさな
い金属酸化物であるAl₂O₃、B₂O₃，BaO，SiO₂，
CaO，Na₂O，MgO，Ta₂O₅，Nb₂O₅、などから
選ばれるべきである。一方PbO，TiO₂などを含
む系の低温焼結基板材料は、使用できないとされ
ているのである。しかし上記のような、非PbO系
の酸化物より構成された基板材料は不充分な点が
多い。例えば、前記の材料では、絶縁抵抗が低
く、誘電損失（tanδ）も悪い傾向がある。また、
軟化点も比較的高いものになり易いことで知られ
ており、このような系では、焼結温度を低くする
ことが困難で、短時間焼成も難しいなどの問題点
を有している。 問題点を解決するための手段 上記問題点を解決するために、本発明のセラミ
ツク多層配線基板の製造方法において、絶縁材料
あるいは基板材料として信頼性が高く、量産性に
も富む鉛系ガラスを含むグリーンシートの使用が
可能とるように製造工程条件を構成して得られる
ものである。つまり製造工程の各工程条件を詳細
に検討し、酸化鉛の非還元と酸化銅の還元を両立
させることに成功したものである。 作 用 本発明は、以下に示すような製造方法及び作製
工程条件で構成することにより、電気絶縁などの
信頼性に富み、かつ低温度及び短時間での焼成が
可能な酸化鉛を含むガラスの使用を可能にする。 まず酸化第二銅を導電体材料の出発原料とする
グリーンシート多層法によるセラミツク多層基板
の製造方法の重要な点は、脱バインダ工程、還元
工程、焼成工程より構成されている点にある。つ
まり脱バインダ工程は、空気中などの酸化雰囲気
でグリーンシート基板内の有機バインダの分解除
去を、絶縁用ガラスの軟化点以下に行う。次に還
元工程で、酸化第二銅を金属銅とし引き続いて窒
素中などの中性雰囲気で焼成を行うものである。
このように工程中に還元雰囲気での処理を含んで
いるため、従来より、還元雰囲気の熱処理で還元
されてしまう金属酸化物を含む絶縁材料は、用い
ることができないとされている。しかしながら発
明者らは、種々の観点から検討を重ねた結果、還
元及び焼成の各工程条件をある値に設定すれば、
酸化鉛の金属鉛への還元を防止するとともに銅へ
の還元を行うことができることを見出した。つま
り、前記の酸化第二銅で導体パターンを形成した
グリーンシート多層体を空気中でバインダ除去を
行なつた後、金属銅への還元可能な温度を実験に
より求めたところ、窒素中と水素を含む雰囲気で
は、約250℃で還元反応が起こつた。またこの温
度では、グリーンシート内に含まれたPbOはPb
に還元されなかつた。次に同様の雰囲気で、還元
温度を徐々に上げていつたところ、約600℃以上
で、Cuの還元と同時にPbの還元も起こることが
判つた。また250℃での還元では、熱処理時間に
よつては、銅に還元されない部分が残こる場合が
あり、逆に高い場合、ガラス軟化点を越え、充分
銅に還元される前に酸化第二銅のままで内層部に
とり込まれる結果になることもあるので、実用上
有効な温度範囲は、300〜500℃の間である。そし
て焼成工程では窒素などの中性雰囲気で焼成を行
うものでグリーンシートのガラス中の酸化鉛は還
元されず、絶縁材として機能する訳である。 以下にその実施例を示す。 実施例 まず本発明にかかるセラミツク基板材料は、鉛
カリガラス（コーニング社製＃8870ガラス平均粒
径1.9μm）とアルミナAl₂O₃平均粒径0.8μm）粉
末を重量比で50対50となるよう配合したものを用
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メチルメタアクリレート
（PMMA）、可塑剤として、ジ―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
（重量比）で混合しスラリーとした。

【表】 このフラリーをドクタブレード法で、有機フイル
ム上に造膜したグリーンシートとした。この時グ
リーンシートの厚みは約300μmであつた。この
後、造膜から乾燥、任意の打抜き、スルホール加
工を連続的に行うシステムを使用した。次に導体
ペーストは、酸化第二銅粉（平均粒径3.0μm）に
接続強度を向上させるため、硼硅酸ガラスからな
るフリツトを5wt％加えたものを無機成分とし、
有機バインダであるポリメチルメタアクリレート
（PMMA）をターピネオールに溶かしたビヒクル
を加え、３段ロールにより適度な粘度になるよう
に混練したものを用いた。この導電体ペーストを
前記加工済のグリーンシート上にスクリーン印刷
し配線パターンを形成した。同様にして作製し
た、パターン形成済グリーンシートを、所望の枚
数積層し、80℃、120Kg／cm²の圧力の条件下で熱
プレスにより張り合わせた。これにより第１図に
示す断面図のような、グリーンシート多層体を作
製した。図の１は前記酸化第二銅による導電体パ
ターン、２は前記絶縁材料による絶縁層である。
次にこの未焼結グリーンシートのバインダ除去を
行う。本実施例に使用した絶縁用ガラスの軟化点
は、578℃であり、本脱バインダ温度は軟化点以
下の温度で実施する必要がある。また、グリーン
シート材料及び、導電体ペーストに使用した有機
バインダは、PMMAであるので、空気中の熱処
理で分解除去を行うためには、約400〜450℃以上
の温度が望まれる。したがつて450℃の脱バイン
ダを行なつた。なお軟化点以上の温度での脱バイ
ンダでは、内部の酸化第二銅がそのまま密閉され
るため、後の還元工程でも銅に還元できなくなる
おそれがある。またPMMAの分解・除去は、熱
分析によつて調べた結果に基づいて実施したもの
で、バインダ除去後のカーボン量分析の結果から
も充分なバインダ除去が行われていることを確認
した。本脱バインダ工程の概略を第２図に示し
た。次に還元工程のプロフアイルを第３図に示
す。120mmφの管状炉内に前記の脱バインダ済の
積層体を挿入し、窒素ガスを0.7l／分、水素ガス
を0.7l／分の流量で流入させた。還元温度を200
℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃とし、
各温度で１時間保持して還元し、冷却の後取出し
た。銅への還元は、200℃以外の温度ではほぼ起
こつており、300℃では若干内部に酸化第二銅の
存在を示す。黒色を呈した部分があり、還元が充
分実施できたとは言えない。また、600℃以上の
還元温度では、絶縁層が灰色を呈しており、PbO
が還元されたことを示している。以上の結果か
ら、還元工程は300℃〜500℃の間が適しており、
厳密には400℃〜500℃が最適である。 次に焼成工程は、BTUエンジニアリング社製
のメツシユベルト炉によつて行なつた。雰囲気は
純窒素で、内部残存O₂量はO₂濃度計の計測では、
１〜２ppmであつた。また温度プロフアイルを第４
図に示す。前記の還元済多層体をこの条件下で焼
成した。その結果、絶縁抵抗は3.5×10¹⁴π・cm、
誘電率7.5、tanδ＝0.2％であり、絶縁層上の銅メ
タライズ性も、シート抵抗2.04mπ／□、接着強
度2.5Kg／４mm²であり、実用上充分な結果が得ら
れた。 また作製条件の面でも、焼成所要時間が約１時
間と短時間であることから量産性に富む材料とい
える。なお評価方法のうち、接着強度の測定は、
前記のようにして作製したセラミツク基板表面に
２mm角の電極パターンが形成されており、その上
にリード線（0.8mmφ）を垂直に半田付けし、引
張り試験機でその破壊強度を測定した。 発明の効果 以上述べたように、本発明の製造方法は、極め
て信頼性の高い鉛系ガラスを絶縁材料として使用
するグリーンシート多層法に適用できるばかりで
なく、脱バインダ、還元、焼成の各工程に従つて
作製することで、メタライズ性にすぐれた銅多層
セラミツク基板が得られるものである。 つまり、鉛系ガラスは一般に、絶縁抵抗が高
く、誘電性にもすぐれているといわれており、ま
た軟化点を低くすることも可能なので、他の材料
を使用した場合に比べて短時間、低温度焼成が可
能となり、極めて量産に適した絶縁材料といえ
る。また本発明のようにグリーンシートによる方
法では、多層化に適しており、より高密度化が要
求される現在、最も有効な手段である。さらに本
発明の製造法によつて得られる銅メタライズは、
Cuの持つ導電体抵抗の低さ、ハンダ付け性の良
さ、耐マイグレーシヨン性の良さ、低コストの利
点を充分に発揮できるものであり、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、本発明の製造方法により作製された
グリーンシート多層法によるセラミツク多層基板
の一例を示す断面図、第２図、第３図、第４図は
それぞれ脱バインダ、還元、焼成の各工程の温度
プロフアイルを示す概略図である。 １…酸化第二銅による導体パターン、２…絶縁
層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 酸化鉛を含むガラス・セラミツクス組成物に
   少なくとも有機バインダ、可塑剤を含む生シート
   を作製する工程と、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、前記生シートと別のパターン形成済生シート
   とを所望枚数積層して多層化するか、もしくは、
   前記酸化銅ペーストの印刷と、前記生シートの無
   機成分と同一の組成の絶縁ペーストの印刷をくり
   返し行つて多層化する工程と、前記多層体を空気
   中で多層体内部の有機バインダが分解・飛散する
   温度で熱する工程と、しかる後、水素および窒素
   の混合ガス雰囲気中で300℃から500℃の範囲内の
   温度で還元熱処理を行う工程と、さらに、前記還
   元済多層体を純窒素雰囲気中で焼結させる工程を
   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。