JPH0343786B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、配線導体のみならず抵抗体、誘電体
をも多層化した多層回路板（多層混成回路板も含
む）とその製造方法に関する。

近年、電子回路には、半導体ICを装着した回
路板が使用されている。そして、半導体ICには
セラミツクなどで封止した、いわゆる封止ICが
使用されている。

半導体ICを装着した回路板の小形化は、ICチ
ツプ自体を回路板に装置すれば、以下(a)、(b)の理
由で達成される。

(a) チツプ素子自体は、封止ICより小さい。

(b) 接続用端子間隔が狭くなる。

この場合、基板上のIC接続用導体間200μｍ程
度と微細で高密度にする必要がある。しかし、こ
のような微細パターンはセラミツク基板上に導体
ペーストを印刷し、乾燥し、焼成する厚膜技術で
は、印刷だれ、印刷ペースト乾燥中の低粘度化に
よるにじみなどにより導体間隔が400μｍ程度と
なり製造ができなかつた。

これに対し、アルミナを主成分とするグリーン
シート（未焼成板）に導体シートを印刷し、乾燥
し、焼成するいわゆるグリーンシート法は、以下
(a)、(b)の理由で高密度な配線導体を形成するのに
適している。

(a) 印刷したペースト中の溶剤がグリーンシート
中にしみ込むため、印刷したペーストはだれ、
にじみを生じない。

(b) グリーンシートは焼結時にシートが10〜20％
収縮する。

しかし、アルミナのグリーンシートは1500〜
1600℃で焼結させるため、導体は焼結時変質しな
いモリブデン、タングステン、マンガンなどの高
融点金属にせねばならず、抵抗体は多層構造の内
層に設けると、グリーンシート焼結時変質するた
め、多層板ではこれを焼結してから最上層に抵抗
体を形成せざるを得なかつた。

ここで、アルミナの替りに、1000℃程度以下で
焼結する絶縁材料をグリーンシート、層間絶縁層
とすれば、導体、抵抗体などの各種厚膜材料が適
用でき、微細で高密度な配線の形成と、基板と抵
抗体よりなる抵抗回路の多層化ができると思われ
る。

このような材料には、βリチア輝石を主成分と
しメタ珪酸リチウムを副成分とした微結晶を析出
する結晶化ガラス、α−菫青石を主成分とし斜頑
輝石を副成分とした微結晶を析出する結晶化ガラ
スが知られている。これら材料は昇温速度２℃／
分以下、高温保持時間１〜５時間、降温速度４
℃／分以下と加熱時間を長く、かつ短時間加熱で
は導体が基板よりはく離することがあつた。

本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をな
くし、グリーンシート法により微細で高密度な導
体配線を有し、かつ抵抗体と誘電体をその層間に
形成した新規な小形多層回路板と短時間焼成で上
記の多層回路板が製造できる方法を提供するにあ
る。

本発明は、低温で焼結する各種無機材料、厚膜
導体、厚膜抵抗体、厚膜誘電体の各種材料の巾広
い探索とその諸特性の解析ならびに熱処理工程の
詳細な検討によつて成されたものである。

本発明を達成するためのグリーンシートおよび
層間絶縁用無機材料、厚膜導体材料、厚膜抵抗体
材料、厚膜誘電体材料は、相互に適用できる材料
の特性の範囲を限定するが、これらの材料を総括
的に述べると、 上記目的は、グリンシートおよび層間絶縁用無
機材料は、(a)結晶化ガラス、(b)絶縁性酸化物結晶
粒子と非晶質ガラスの混合物、あるいは、(c)低融
点の絶縁性酸化物多結晶体であり、厚膜導体は(a)
金属粒子単独あるいは(b)金属粒子と非晶質ガラス
の混合物であり、厚膜抵抗体はRuO₂やその他の
導電性微粒子とガラスの混合物であり、厚膜抵抗
体はチタン酸バリウム等の高融点高誘電率誘電体
微粉末とガラスの混合物、あるいは、鉄−タング
ステン酸鉛等の低融点高誘電率誘電体を厚膜誘電
体であることで達成される。

また、本発明の多層混成集積回路基板の製造に
あたつては、 (a) 絶縁材料を構成する粉末に高分子結合剤を加
えたグリンシートを印刷基板とし、また高分子
結合剤と有機溶剤を加えたベヒクルに絶縁材
料、厚膜導体、厚膜抵抗体、厚膜誘電体を構成
する粉末をそれぞれ加えて絶縁ペースト、抵抗
体ペースト、誘電体ペーストとし、 (b) グリンシート上に導体ペースト、抵抗体ペー
スト、絶縁ペーストの印刷を繰返し、あるいは
導体ペースト、抵抗体ペースト、誘電体ペース
トを印刷したグリンシートを積層し、導体、抵
抗体、誘電体を層間および層上に形成した多層
回路板を作成し、 (c) 絶縁材料が焼結し、かつ導体、抵抗体、誘電
体を構成するガラス材が軟化溶融する600〜
1000℃の温度で熱処理する。

本発明の多層回路板の基板となる絶縁材料の組
成や熱的特性について述べると、 (a) 熱処理により微結晶が析出する結晶化ガラス
を用いる場合には、アノーサイト
（CaAl₂Si₂O₈）、セルジアン（BaAl₂Si₂O₈）、
ネフエリン（NaAlSiO₄）、スフエン
（CaTiSiO₅）、コージエライト
（Mg₂Al₂Si₅O₁₅）、スポジユメン（LiAlSi₂O₆）
等のケイ酸塩あるいはアルミノケイ酸塩を析出
するガラス組成物を用いる。

(b) 絶縁性酸化物結晶の微粉末と非晶質ガラスの
混合物を用いる場合には、酸化物としてアルミ
ナ（Al₂O₃）、シリカ（SiO₂）、マグネシア
（MgO）、カルシア（CaO）、酸化バリウム
（BaO）、ジルコニア（ZrO₂）等の金属酸化物、
マグネシアスピネル（MgAl₂O₄）、ジルコン酸
カルシウム（CaZrO₃）、コージエライト、セル
ジアン、アノーサイト、ジルコン（ZrSiO₄）
等のアルミノケイ酸塩、ケイ酸塩の絶縁性複合
金属酸化物を用い、非晶質ガラスとしては特に
その組成を限定されないがBaO、CaO、ZnO、
SrO、TiO₂、Bi₂O₃等を含むアルミノホウケイ
酸鉛ガラスがよく、Na₂O、Li₂O、K₂O等のア
ルカリ金属の酸化物を少量加えてもよい。この
時、非晶質ガラスの軟化点は、1000℃以下で熱
処理するに750℃以下であることが必要である。

(c) また、低融点の絶縁性酸化物多結晶体を用い
る場合には、酸化ゲルマニウムと酸化ゲルマニ
ウムを主成分としSiO₂、Al₂O₃、CaO、PbO、
Bi₂O₃、B₂O₃等を加え、1000℃以下で焼結する
セラミツク組成物が用いられる。

以下、前記絶縁材料のグリンシートおよび絶縁
層上あるいは絶縁層間に形成する導体、抵抗体、
誘電体の組成、熱的特性等について、絶縁材の熱
処理温度との関係について述べる。

(a) 導体：導体用の金属としては、金、銀、白
金、パラジウムのそれぞれの単独の微粉末、あ
るいは混合粉末、合金粉末等を用いる。この
時、回路基体（前記絶縁材のグリンシートある
いはグリンシート上の絶縁層）との接着性を向
上するために、非晶質ガラスを加えることがで
きる。しかし、この非晶質ガラスは次の要件を
満たさなければ導体の発泡、はく離等を生じ
る。これらは、 (i) 非晶質ガラスの軟化点が、絶縁剤の熱処理
温度に対して150〜250℃低い温度範囲にある
こと、 (ii) 非晶質ガラスの熱膨張係数が、絶縁剤の熱
膨張係数に対して−30×10^-7〜＋10×10^-7／
degの範囲にあること、 である。

(b) 抵抗体：導電性粉末として、金、銀、白金、
パラジウム等の金属やRuO₂、Bi₂Ru₂O₇、
Pb₂Ru₂O₆等の酸化ルテニウム、ルテニウム酸
塩、Rh₂O₃Bi₂Rh₂O₆、Pb₂Rh₂O₅等の酸化ロジ
ウム、ロジウム酸塩、酸化イリジウム、イリジ
ウム酸塩あるいはケイ化物等が用いられ、この
バインダガラスとしては(i)非晶ガラスや(ii)結晶
化ガラスが用いられる。

バインダガラスが非晶質ガラスの時には、非
晶質ガラスの軟化点が絶縁材の熱処理温度に対
して、150〜250℃低い温度範囲にあり、かつ熱
膨張係数が絶縁材の熱膨張係数に対して＋10×
10^-7〜−30×10^-7／degの範囲にあることが必
要である。非晶質ガラスの軟化点が規定の温度
より低いと、絶縁材の熱処理温度でガラスが異
常に流動して抵抗体の形状が崩れ、また、この
ガラスが絶縁材へ浸み込んで焼結収縮が不均一
となつて、絶縁材の反りを生じる。軟化点が規
定の温度より高いとガラスの溶解が不充分とな
り、ち密な抵抗膜が形成できない。また、熱膨
張係数が規定の範囲を越えると、抵抗膜なクラ
ツクを生じる。バインダガラスに結晶化ガラス
を用いる時には、絶縁材の熱処理温度に対し
て、−50〜＋50℃の範囲の温度で結晶化するガ
ラス組成物を用いる必要がある。結晶化温度が
規定より低いと、絶縁材の熱処理温度ではガラ
スの結晶化による高粘性固化のため絶縁材の均
一な焼結収縮が妨げられ、絶縁材の反りや抵抗
膜のはく離を生じる。規定より高いとガラスは
熱処理温度では未だ溶融状態にあり、実質的に
は非晶質ガラスをバインダとして用いたのと同
様であり、ガラスの軟化温度、熱膨張係数は前
記非晶質ガラスの規定が適用される。

(c) 誘電体：高誘電率誘電体材料としては、(i)チ
タン酸バリウムにチタン酸マグネシウム、チタ
ン酸カルシウム、チタン酸ストロンチウム、ジ
ルコン酸カルシウム、ジルコン酸バリウム、錫
酸ニツケル、錫酸カルシウム、酸化バリウム、
酸化ランタン等を加えた高融点誘電体セラミツ
クスと、(ii)鉛を含む複合ペロブスカイト型酸化
物や鉛を含むビスマス層状型酸化物等の低融点
誘電体セラミツクスを用いる。

高融点誘電体セラミツクスを用いる場合に
は、誘電体材料自体が1000℃以下の絶縁材の熱
処理温度で焼結しないため、非晶質ガラスや結
晶化ガラス等の粒子結合剤を必要とする。

非晶質ガラスを用いる場合には、絶縁材の熱
処理温度に対して、150℃低い温度に軟化点を
もつガラス組成物とすることが必要である。誘
電体用の非晶質ガラスは、一般的に10wt％以
下であり、抵抗体ほどその影響は大きくはい
が、軟化点が規定の温度より高いと、絶縁材の
熱処理温度ではガラスの溶融が不充分で誘電体
粉体の強固な結合ができず、誘電体膜の機械的
強度が極めて小さい。

結晶化ガラスをバインダとして用いる場合に
は、絶縁材の熱処理温度に対して−50〜＋50℃
の温度範囲で結晶化するガラス組成物とするこ
とが必要である。規定温度より結晶化温度が低
いと絶縁材の熱処理温度ではガラスの結晶化に
よる高粘性固化のために絶縁材の均一な焼結収
縮が妨げられ、絶縁材の反りや誘電体膜のはく
離を生じる。規定温度より結晶化温度が高いと
絶縁材の熱処理温度では未だガラスは溶融状態
にあり、実質的には非晶質ガラスをバインダと
して用いる場合と同様に、そのガラスの軟化点
が規定される。

低融点誘電体セラミツクスを用いる場合に
は、多くの場合誘電体自体の焼結のためにガラ
ス等の粒子結合剤を必要としない。本発明で用
いる低融点誘電体は、絶縁材の熱処理温度に対
して−50〜＋150℃の温度範囲で焼結するもの
を用いる。この誘電体の焼結が絶縁材の熱処理
温度で規定される温度より低いと、絶縁材の焼
結以前に誘電体膜の焼結収縮がおこり、熱処理
後に誘電体膜のはく離を生じる。規定の温度よ
り誘電体の焼結温度が高いと、絶縁材の熱処理
温度では誘電体粒子の反応・焼結がおこらず、
機械的強度の高い誘電体膜を形成することがで
きない。

上記各種材料を用いる多層回路板の製造方法
において、ガラスおよびガラス粉末の製造、絶
縁材のグリンシート化、各種素子組成物の製造
およびペースト化そのものは従来からよく知ら
れた方法により後述の実施例で示すようにして
行なつた。

本発明の製造上の特徴となる点は、絶縁材のグ
リーンシート上、および絶縁層上に導体のみなら
ず、抵抗体や誘電体をも印刷形成し、これを多層
化した回路基板を、その絶縁材の焼結収縮によつ
て規定される1000℃以下の温度にて10〜30分間熱
処理することである。

この時、絶縁材や抵抗体に非晶質ガラスを用い
る場合には、そのいずれかの低い軟化点以上の昇
降温速度は50〜100℃／分であるのがよい。これ
より昇、降温度度速が遅い場合には、過度のガラ
スの流動により、回路パターンの変形や基板の焼
結収縮の不均一による反りを生じる。また、これ
より速い昇、降温では、加熱、冷却の不均一性に
よる基板の反りやうねりを生じる。

以上のように、本発明で規定した範囲の材料の
組み合せ、およびその熱処理により、良好な素子
膜および平滑な回路基板が形成できる。

以下具体例により詳しく説明する。

実施例 １ 絶縁材に結晶化ガラス、抵抗体のバインダガラ
スに非晶質ガラス、そして低融点の誘電体材料を
用い、第１図で示す構成の多層混成集積回路基板
を作成した例について述べる。

グリーンシート用および層間絶縁体材料は、次
のようにして調製した。重量百分率でSiO₂が30
％、CaOが13％、Al₂O₃が12％、ZrO₂が11％、
PbOが28％、B₂O₃が４％、MgOが２％となるよ
う酸化物、炭酸塩あるいは水酸化物を秤量し、ボ
ールミルで混合し、これを白金ビーカに入れて
1500℃で溶融し、次いで水中に注いで急冷してガ
ラスの粗枠物をつくる。これをメノー製乳鉢およ
びボールミルで粉砕して、平均粒径が20μｍのガ
ラス微粉末とした。これは、820℃でアノーサイ
ト（CaAl₂Si₂O₅）の結晶を析出する。発熱ピー
ケをもち、850℃で熱処理した時の熱膨張係数は
52×10^-7ppm／℃であつた。

ガラス微粉末は、通常のグリーンシートの製造
方法ならびに厚膜用ペーストの製造方法により、
次のようにしてグリンシートおよび絶縁ペースト
とした。ガラス微粉末にポリビニルブチラールを
加えて混合後、ブチルフタルブチルグリコレート
とトリクレン−バークレン−ブチルアルコールの
混合溶剤を加えてアルミナボールミル中で混練し
てスラリー状とする。これをドクターブレードに
通して乾燥後膜厚0.8mmのシートを作成し、適当
に切断して回路形成用の印刷用基体（グリンシー
ト：未焼成基板）とした。絶縁ペーストは、エチ
ルセルロースをトリデカノールに溶かした有機ビ
ヒクルをガラス微粉末に加えてアルミナ製らいか
い機で混練して作成した。

導体および抵抗体のバインダガラスは、重量百
分率でSiO₂が60％、PbOが14％、Al₂O₃が９％、
CaOが７％、B₂O₃が５％、MgOが１％、Na₂O
とK₂Oそれぞれ２％である非晶質ガラスで、軟化
点が680℃、熱膨張係数は60×10^-7ppm／℃であ
る。平均粒径が2.5μｍとなるまで粉砕したこのガ
ラス微粉末0.3ｇに、Ag・Pbの混合粉を9.7ｇの
割合で混合し、また、ガラス粉8.0ｇに平均粒径
0.8μｍのRuO₂を2.0ｇの割合で混合し、有機ビヒ
クルを加えて混練して導体ペーストおよび抵抗ペ
ーストを調製した。

低融点の誘電体には、PbO、Fe₂O₃、WO₃、
TiO₂を混合し、800℃で２時間熱処理して合成し
た0.75Pb（Fe2/3Ｗ1/3）O₃−0.25PbTiO₃を粉砕
し、平均粒径2.3μｍとした。これに、有機ビヒク
ルを加えて誘電体ペーストとした。この誘電体
は、850℃で焼結収縮する。また、この融点は
1100℃である。

次に第１図により製造方法について述べる。作
成したガラスのグリンシートを印刷基体１とし、
調整した導電ペーストを印刷して第１層配線２、
抵抗体用電極３、コンデンサ用電極４を形成し、
乾燥後調整した抵抗ペーストを印刷して第１層抵
抗体５を形成した。次いで調整した誘電体ペース
トを印刷して第１層誘電体６を形成し、導電ペー
ストを印刷して、コンデンサ用対向電極７を形成
した。その後、調整した絶縁ペーストを印刷して
層間絶縁体８を形成した。この時、層の上・下を
電気的に接続するためのスルーホール９を形成し
ておく。次いで導電ペーストを印刷してスルーホ
ールを通して層間導通をとるとともに、第１層と
同様、第２層配線１０の他に抵抗体用電極３′、
コンデンサ用電極４′、コンデンサ用対向電極
７′、ならびに外部接続用端子１１や部品搭載用
端子１２を形成し、抵抗ペースト、誘電体ペース
トを印刷し、誘電体層上には、さらに導電ペース
トを印刷して、第２層抵抗体１３、第２層誘電体
１４が形成した。

このようにして印刷積層した未焼結基板を、
850℃を10分間保持する空気焼成の厚膜ベルト炉
で熱処理した。この時グリンシートは15％収縮し
たが、基板の反りや抵抗膜・誘電膜のはく離・ク
ラツクは無かつた。

実施例 ２ 絶縁材に低融点の酸化物セラミツクス、抵抗体
および誘電体のバインダガラスに結晶化ガラスを
用い、第１図に示す構成の多層混成集積回路基板
を作製した例について述べる。

グリンシート用および層間絶縁体材料は次のよ
うにして調製した。重量百分率でGeO₂が35％、
BaOが35％、Al₂O₃が14％、CaOが７％、PbOが
５％、Bi₂O₃が３％、B₂O₃が１％となるように酸
化物、炭酸塩および水酸化物を秤量し、ボールミ
ルで混合し、ポリビニルアルコールの水溶液を加
えてプレスにより円板に成型した。これを、900
℃を２時間保持する条件で熱処理した。この焼結
体をメノー製乳鉢およびボールミルで粉砕し、平
均粒径2.2μｍの微粉末を作成した。

この微粉末を、実施例１で示した要領に従つて
グリンシートおよび層間絶縁体用の絶縁ペースト
とした。

抵抗体および誘電体用の結晶化ガラスには、実
施例１において絶縁材料に用いた組成のガラス微
粉末を用いた。抵抗体ペーストは、平均粒径0.8μ
ｍの酸化ルテニウム（RuO₂）8.0ｇにバインダガ
ラス微粉末を2.0ｇの割合で混合し、誘電体ペー
ストは、平均粒径2.7μｍのチタン酸バリウム
（BaTiO₃）9.5ｇにバインダガラス微粉末を0.5ｇ
の割合で混合し、それぞれ有機ビヒクルを加えて
混練して作成した。

作成したグリンシート上に実施例１で調製した
導電ペースト、新たに調製した抵抗ペースト、誘
電体ペーストおよび調製した絶縁体ペーストを印
刷し、実施例１に示した要領に従つて多層化し、
850℃を20分間保持する空気焼成の粉末ベルト炉
で熱処理し、第１図に示した回路基板を作成し
た。回路基板の反りや抵抗膜・誘電体膜のはく
離・クラツクは無かつた。

以上述べたように本発明によれば、1000℃以下
で熱処理して焼成する絶縁材料を回路基板材およ
び層間絶縁材とすることで、従来の厚膜回路に用
いられたと同様の抵抗体や誘電体をも多層化する
ことが可能となり、かつ、グリンシートを用いる
ため微細な導体配線をも形成できる。

このように、従来技術の欠点を補い、また長所
を生かすことにより、半導体ICチツプその他の
部品を高密度に実装できる小形、高集積の回路基
板を製造できるようになつた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による多層混成集積回路基板の
一例を示す断面図である。 １……印刷基体、２……第１層配線、３……抵
抗体用電極、４……コンデンサ用電極、５……第
１層抵抗体、６……第１層誘電体、７……コンデ
ンサ用対向電極、８……絶縁体、９……スルーホ
ール、１０……第２層配線、１１……外部接続用
端子、１２……部品搭載用端子、１３……第２層
抵抗体、１４……第２層誘電体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 抵抗と誘電体回路、抵抗回路もしくは誘電体
   回路の設けられた基板、この基板の回路形成面の
   接続部を除いた全面に設けられた絶縁層、この絶
   縁層上に上記接続部で上記回路と接続されている
   第２抵抗と誘電体回路、第２抵抗回路もしくは第
   ２誘電体回路、必要に応じて更に絶縁層、抵抗と
   誘電体回路、抵抗回路もしくは誘電体回路が上記
   と同様にして最小１回設けられた多層回路板であ
   つて、前記基板と前記絶縁層が夫々結晶化ガラ
   ス、絶縁性酸化物結晶の微粒子と非晶質ガラスの
   混合物、低融点の絶縁性酸化物多結晶体のうちか
   ら選ばれた少なくとも１種類の実質的に1000℃以
   下の温度で焼結する材料であり、前記回路の導体
   路が金属とガラスの混合物もしくは金属のみであ
   り、前記回路の抵抗体が導電性微粉末とガラスの
   混合物であり、前記回路の誘電体が高融点の高誘
   電率誘電体微粉末とガラスの混合物もしくは低融
   点の高誘電率誘電体であることを特徴とする多層
   回路板。 ２ グリーンシート上に導体ペーストと抵抗ペー
   スト、誘電体ペーストの少なくとも一方を夫々印
   刷、乾燥して導体路で抵抗体、誘電体が接続され
   た未焼成回路を形成し、ついで上記のグリーンシ
   ートの回路形成面の接続部を除いた全面に絶縁ペ
   ーストを印刷、乾燥して未焼成絶縁層を形成し、
   更にこの絶縁層上に導体ペーストで上記抵抗回路
   と接続するように未焼成導体回路を印刷、乾燥し
   て形成すると共に抵抗ペースト、誘電体ペースト
   の少なくとも一方のペーストを印刷、乾燥して未
   焼成第２の回路を形成し、必要に応じて更に未焼
   成絶縁層、未焼成回路を上記と同様にして夫々最
   小１回設けて多層化した未焼成回路板とし、その
   後これを焼成することを特徴とする多層回路板の
   製造方法。