JPH0321110B2 - - 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
ク多層体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、ハイブリツドICに代表されるものである。
焼結剤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
焼成をくり返えし多層化するものである。第２は
グリーンシート印刷法で、この方法は、基板材料
として未焼結のセラミツク粉を有機結合剤、可塑
剤溶剤でヌラリー状にし、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。そしてそのグリーンシ
ートに導体と絶縁体のペーストを印刷し多層化し
一回で焼成するものである。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、グリーンシート印刷法と
同様、一回の焼成で多層化するものである。 一方、セラミツク多層基板の使用される導体材
料に注目すると、Au、Au−Pt、Ag−Pt、Ag−
Pd等の貴金属を用いるものと、Ｗ、Mo、Mo−
Mn、等の高融点卑金属及びCu、Ni、等の比較的
低融点の卑金属に大別することができる。まず始
めの貴金属系ペーストでは、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−Mn、Mo等の高融点卑
金属は1600℃程度すなわちグリーンシートの焼結
温度（約1500℃）以上の高温で同時焼成する必要
があるため多層化が容易な反面、還元雰囲気で焼
成する必要があるため危険である。また導体抵抗
も高く、ハンダ付けのために導体表面にNiやAu
のメツキ処理を必要とする等の問題点を有してい
る。そこで低温で処理でき、安価なCuやNi等が
注目されているのである。 そこで、Cuペーストを用いたセラミツク多層
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、乾燥後、
Cuの融点以下の温度で、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様に酸
化分圧を制御した窒素雰囲気中で焼成を行うもの
で、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、上記の様な
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
難である点にある。つまり酸素分圧が高ければ
Cuが酸化され、逆に低く過ぎれば、ペースト中
の有機バインダが分解せず、良好なメタライズが
得られないからである。第２に多層化する場合、
各ペーストを印刷乾燥後その都度焼成をくり返え
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等の問題点を有
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
法がすでに開示されている。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行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、綿密な焼結体が得
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、以下に示すような問題点が新た
に見出された。それは、前記の酸化銅を用いた製
造方法の場合、工程の中に還元工程を有するた
め、絶縁層用材料に使用し得る材料に限度がある
からである。なぜなら前記絶縁材料（ガラス−セ
ラミツクなど）の中に例えば、PbOなどの金属酸
化物が含まれているような系では、 PbO＋aMe→Pb＋MeaO Me；別の金属 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。したが
つて、導体材料に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の中から選ばれ
る必要がある。そのため酸化鉛を含むガラスは、
絶縁材料（低温焼結基板材料）として用いること
ができないのである。一方、使用し得る金属酸化
物であるAl₂O₃、B₂O₃、BaO、SiO₂、CuO、
Na₂OMgO、Ta₂O₅、Nb₂O₅構成されたガラスで
は絶縁材料として、あるいは基板材料として不充
分な点が多い。例えば、前記の材料は絶縁抵抗が
やや低く、誘電損失（tans）も悪い。また、比較
的、軟化点が高い傾向があるため、このようなガ
ラスを含む絶縁材料の焼成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が存在
する。 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、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。鉛系ガラスを使用し得るように製造工程条
件を構成して得られたものである。つまり、製造
工程の脱バインダ工程、還元工程、焼成工程の各
工程条件を詳細に検討し、酸化鉛の非還元、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
条件が構成することにより、電気絶縁などの信頼
性に富みかつ、低温及び短時間の焼成が可能な酸
化鉛を含むガラスの使用を可能にするものであ
る。以下に本発明の作用を説明する。 まず酸化第二銅を導体材料の出発原料とするセ
ラミツク多層配線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
れていることにある。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で行な
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なう
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焼
成において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来た。
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、還元及び焼成工程をある条件下に
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なうことができることを
見出した。つまり、還元工程を例えば、窒素中に
水素を含む雰囲気とし、酸化第二銅が金属銅に還
元可能な温度を実験により求めると約250℃以上
の温度であれば良いことが判つた。またこの温度
では、ガラス中の酸化鉛は還元されなかつた。次
に還元温度を徐々に上げていつたところ、約600
℃程度以上では鉛と銅の両者ともに還元されてし
まうことが判つた。しかし、250℃では、還元時
間によつては、銅に還元されない部分が残る場合
があり、逆に高い方では、ガラス軟化点を越える
場合があり、充分銅に還元される前に酸化第二銅
が内部にとり込まれる結果になることもあるので
実用上還元工程における本発明の成立条件は、
300℃から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のでガラ
ス中の酸化銅は還元されず、絶縁材として機能す
る訳である。 実施例 以下にその一実施例を図面を参照しながら詳細
に説明する。 まず本発明に係る多層基板材料には、厚さ0.8
mmｔのアルミナ96％基板を用いた。そして第１表
に示す組成のガラス粉末とセラミツク粉末を重量
比で１対１に混合した無機粉末に、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
したビヒクルを加えたものを３段ロールにより適
度な粘度になるように混練し、絶縁ペーストとし
た。

【表】

【表】 次に導体ペーストは、酸化第二銅を主成分とす
る無機粉末に接着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％加えたものに、
絶縁ペーストと同様のビヒクルを加え同じく３段
ロールで混練したものを導体用ペーストとした。 この導体用ペーストを前記のアルミナ基板上に
250メツシユのスクリーンで印刷、乾燥（120℃で
10分間）して導体パターンを形成した。その後、
絶縁ペーストで、200メツシユスクリーンを用い
て絶縁層の印刷を行なつた。この時上部に接続す
るための穴、バイアホール部分を同時に設けた。
以上の工程をくり返し行なつて未焼結多層体を形
成した。 次にこの未焼結多層体を用いて脱バインダを行
う。本実施例に使用した絶縁層用ペーストに用い
た第１表のガラスの軟化点はそれぞれ650℃、
655℃、610℃である。したがつて本脱バイン
ダの温度は軟化点以下の温度で実施する必要があ
る。また、絶縁ペースト及び導体ペーストに使用
した有機バインダは、エチルセルロースであるの
で、空気中の熱処理で短時間（約100分）で分解
させるためには約600℃以上の温度が望まれる。
したがつて600℃で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
で銅に還元できなくなるおそれがあるためであ
る。また、エチルセルロースの分解除去は、空気
中の熱処理によつて分解されずに残るカーボンを
分析することによつて調べた。その結果500℃で
は約150ppmのカーボンが、550℃では、80ppmの
カーボンが検出でき、600℃では数10ppmであり、
充分な分解除去ができたことを示している。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剤の積層
体を挿入し、窒素ガスを0.7／分、水素ガスを
0.7／分の流量で炉芯管内に流入させた。還元
温度は200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700
℃の各温度で２時間保持し、冷却後、取出した。 銅への還元は、200℃以外は、ほぼ完全になさ
れており、300℃では若干内部に酸化第二銅であ
る黒色を呈しており、還元処理が充分とはいえな
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、酸化鉛が還元されたことを示し
ている。以上の結果からも、還元処理工程として
は300℃〜500℃が適しており、なお厳密には400
℃〜500℃が最も良好と思われ、標準とする条件
は400℃−2Hrsで実施することとした。 次に焼成工程である。炉は、BTUエンジニア
リング社のメツシユベルト炉（200mmベルト幅）
を使用し雰囲気は純窒素である。この時内部の残
存O₂量をO₂濃度計にて計測したところ１〜2ppm
であつた。温度プロフアイルを第４図に示す。 以上のように作製した、多層基板の断面図を第
１図に示す。１は銅のメタライズ層、２は本実施
例に示した鉛系ガラスを含む絶縁層、３はアルミ
ナ焼結基板である。 前記の標準還元法で作製した積層体をこの条件
で焼成を行つた。その結果を第２表、第３表に示
す。 第２表は、第１表に記載の絶縁材料上に形成し
た銅メタライズ層の信頼性試験結果であり、第３
表は、同じく第１表記載の絶縁材料の電気的性能
を評価した結果である。

【表】

【表】 以上の結果からも明らかなように、厚膜ハイブ
リツドICとして申し分のない性能のものが得ら
れた。つまり焼成が１時間と短時間の上、絶縁
性、誘電性の面およびCuのメタライズ性の面に
おいても良好なものである。 なお評価方法のうち接着強度の測定方法につい
ては、以下のような測定法で実施した。前記のア
ルミナ焼結基板上に形成した絶縁層上にさらに２
×２mm□Cuメタライズ層を前記の作製方法で形
成し、その上にリード線（0.8mmΦ）を垂直にハ
ンダ付けして引張り試験機でその破壊強度を測定
するものである。 発明の効果 以上述べたように、本発明の製造方法によつ
て、極めて信頼性の高い鉛ガラスを絶縁層用材料
に使用し得るばかりでなく、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配線が得られるものであ
る。 つまり、鉛ガラスでは絶縁抵抗が高く、誘電性
にもすぐれているばかりではなく、軟化点を低く
することができるもので、短時間、低温焼成が可
能となり、極めて量産に適した絶縁材料といえ
る。また、本発明の製造方法によつて得られる酸
化第二銅を用いる銅メタライズは、Cuの持つ導
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、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、本発明の製造法により作製されたセ
ラミツク多層基板の一例の断面図、第２図は、本
発明の製造法の脱バインダ工程の温度プロフアイ
ルを示す特性図、第３図は、還元工程の温度プロ
フアイルを示す特性図、第４図は、同じく焼成工
程の温度プロフアイルを示す特性図である。 １……銅メタライズ層、２……鉛系ガラスを含
む絶縁層、３……アルミナ焼結基板。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 焼結済のセラミツク基板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、さら
   に酸化鉛を含むガラスを主成分とする絶縁ペース
   ト組成物で印刷し、前記酸化第二銅ペーストと前
   記絶縁ペーストを前記セラミツク基板の片面もし
   くは両面に所望の回数印刷をくり返えして多層化
   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、飛散するに充分な温度で熱
   分解を行う工程と、水素と窒素の混合ガス雰囲気
   中で300℃から500℃の間の温度で還元熱処理を行
   なう工程と、前記還元熱処理後の多層体を純窒素
   雰囲気中で焼結させる工程とを含むことを特徴と
   するセラミツク多層配線基板の製造方法。