JPH05238858A - 配線用金属ペーストおよびそれを用いたセラミックス同時焼成基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 非酸化性雰囲気中で脱脂処理を行う場合にお
いても、炭素残留を抑制することを可能にした配線用金
属ペーストを提供する。また、低抵抗の配線層が得られ
ると共に、セラミックス基材の健全性を確保することを
可能にしたセラミックス同時焼成基板の製造方法を提供
する。 【構成】 メタクリル酸を極性基として有する共重合ア
クリル高分子をバインダ成分として用い、これと配線形
成用金属粉末とを含有する配線用金属ペーストである。
セラミックス同時焼成基板の製造方法は、上記配線用金
属ペーストをセラミックスグリーンシートに塗布し、こ
れを 1層または複数層積層してセラミックス成形体を作
製する。これを非酸化性雰囲気中で脱脂した後、セラミ
ックス基材と配線形成用金属粉末とを同時焼成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、配線用金属ペーストお
よびそれを用いたセラミックス同時焼成基板の製造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、パワ―ＩＣ、高周波トランジスタ
等の大電流を必要とする半導体素子の発展に伴って、セ
ラミックス基板の需要は年々増加している。特に、窒化
アルミニウムのような非酸化物系のセラミックス基板
は、熱伝導率が高く、放熱性に優れる等の特徴を有する
ことから、増大傾向にある半導体素子からの放熱量に対
応し得る基板として注目されている。また、半導体素子
の高速動作化への対応としては、誘電率が低く、かつCu
等の低抵抗導体を金属配線層として使用することが可能
なガラス−セラミックス複合体、いわゆる低温焼成セラ
ミックスが注目されている。

【０００３】ところで、上述したようなセラミックス基
板を半導体パッケージ等として使用する場合には、同時
焼成によりセラミックス基板と金属配線層とを一括して
形成することが一般的である。

【０００４】一般的なセラミックス同時焼成基板の製造
方法について説明すると、まずドクターブレード法等で
成形したセラミックスグリーンシート上に配線用金属ペ
ーストを所望の配線形状に塗布し、これらを所望の形状
となるように積層して、セラミックス成形体を作製す
る。配線用金属ペーストは、金属配線層となる WやMo等
の金属粉末に、バインダ成分として有機高分子、溶剤等
を添加混合してペースト化したものであり、バインダと
しては一般的にセルロース系高分子が用いられている。
セラミックス基材として低温焼成セラミックスを用いる
場合には、金属配線層となる金属粉末としてCuを用いる
ことも可能である。

【０００５】次に、上記セラミックス成形体中のバイン
ダ成分、すなわちグリーンシート中のバインダ成分およ
び金属ペースト中のバインダ成分を除去するために、熱
処理いわゆる脱脂処理を行う。このように、配線用金属
ペーストを同時焼成する場合には、配線導体の酸化によ
る高電気抵抗化を防止するために、非酸化性雰囲気中で
脱脂処理を行うことが一般的である。特に、セラミック
ス基材が窒化アルミニウムのような非酸化物系セラミッ
クスの場合や、配線導体がCuのように酸化されやすい場
合には、非酸化性雰囲気中で脱脂処理を行う必要があ
る。そして、この脱脂処理を施したセラミックス体（以
下、脱脂体と記す）を本焼成して、セラミックス基材と
配線導体とを同時に焼結させることにより、セラミック
ス同時焼成基板が得られる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような非酸化性雰囲気中での脱脂処理は、以下に示す
ような欠点を有していた。すなわち、酸化性雰囲気中で
脱脂を行う場合には、バインダ成分である有機高分子中
の炭素を酸化物として燃焼除去することができるのに対
し、非酸化性雰囲気中においては、有機高分子中の炭素
を熱分解によって揮散除去しなければならない。しかし
ながら、配線用金属ペースト中のバインダ成分として一
般的に用いられてきたセルロース系高分子は熱分解性が
低く、よって多量の炭素が脱脂体中に残留するという問
題があった。

【０００７】上記した残留炭素は、金属配線層中の金属
と反応して炭化物を生成し、金属配線層の電気抵抗値を
上昇させるため、半導体パッケージ等を構成する際に種
々の問題を生じさせていた。また、多量の残留炭素は、
基材であるセラミックスの焼結を阻害したり、またセラ
ミックス基材の絶縁抵抗を劣化させる等、種々の問題の
発生要因となっていた。

【０００８】このようなことから、非酸化性雰囲気中で
の脱脂処理の効率を高め、残留炭素量を減少させること
が強く望まれていた。

【０００９】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、非酸化性雰囲気中でセラミックス成
形体の脱脂処理を行う場合においても、炭素残留を抑制
することを可能にした配線用金属ペーストを提供するこ
とを目的としており、また残留炭素量を減少させること
によって、低抵抗の金属配線層が得られると共に、セラ
ミックス基材の健全性を確保することを可能にしたセラ
ミックス同時焼成基板の製造方法を提供することを目的
としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の配線用金属ペー
ストは、少なくとも配線形成用金属粉末と有機高分子系
バインダとを含有する配線用金属ペーストにおいて、前
記有機高分子系バインダとして、メタクリル酸を極性基
として有する共重合アクリル高分子を用いたことを特徴
としている。

【００１１】また、本発明のセラミックス同時焼成基板
の製造方法は、セラミックスグリーンシートに、配線形
成用金属粉末と極性基としてメタクリル酸を有する共重
合アクリル高分子からなるバインダ成分とを含有する配
線用金属ペーストを塗布し、これを 1層または複数層積
層してセラミックス成形体を作製する工程と、前記セラ
ミックス成形体を非酸化性雰囲気中で熱処理し、前記バ
インダ成分を熱分解除去する工程と、前記バインダ成分
を除去した後のセラミックス体を焼成し、セラミックス
基材と配線形成用金属粉末とを同時に焼結させる工程と
を有することを特徴としている。

【００１２】本発明の配線用金属ペーストに用いる有機
高分子系バインダは、極性基としてメタクリル酸基を有
する共重合アクリル高分子であり、例えば下記の式で主
要構造が表される分子量 1万〜30万程度の高分子であ
る。

【００１３】

【化１】 （式中、Ａはアクリル酸、アクリル酸の誘導体、メタク
リル酸およびメタクリル酸の誘導体から選ばれる 1種ま
たは 2種以上の混合物を示す） 上記式中の極性基以外の主鎖は、その50mol%以上をブチ
ルメタクリレートとすることが好ましい。このような主
鎖を有する共重合アクリル高分子を用いることにより、
非酸化性雰囲気中での熱分解が容易となる。

【００１４】また、配線用金属ペースト中の配線形成用
金属粉末としては、一般的には WやMo等の高融点金属粉
末が用いられるが、対象とするセラミックス基材が低温
焼成セラミックスの場合には、CuやCu合金等を用いるこ
とも可能である。配線形成用金属粉末と有機高分子系バ
インダとの混合比は、特に限定されるものではないが、
金属粉末 100重量部に対してバインダを 1〜10重量部程
度の割合で混合することが好ましい。

【００１５】本発明のセラミックス同時焼成基板の製造
方法の対象となるセラミックス基材としては、酸化アル
ミニウムのような酸化物系セラミックスや窒化アルミニ
ウムのような非酸化物系セラミックスから、セラミック
スと他材料との複合体まで、種々のセラミックス基材が
挙げられる。特に、窒化アルミニウムや、ガラス−セラ
ミックス複合体等の低温焼成セラミックスを用いる場合
に、本発明は効果的である。上記低温焼成セラミックス
としては、 SiO₂ −ガラス、Al₂ O ₃ −ガラス、 ZrO₂
−ガラス等が例示され、またガラス成分としては化学的
に安定な硼珪酸ガラス(B₂ O ₃ -SiO₂ ）等が用いられ
る。

【００１６】本発明のセラミックス同時焼成基板の製造
方法では、まず、上述したようなセラミックス基材を用
いたグリーンシート上に、本発明の配線用金属ペースト
を所望の配線形状に塗布し、これを 1層または複数層積
層してセラミックス成形体を作製する。

【００１７】次に、このセラミックス成形体中のバイン
ダ成分、すなわちグリーンシート中および配線用金属ペ
ースト中のバインダ成分を除去するための熱処理、いわ
ゆる脱脂処理を行う。この脱脂処理は、配線用金属ペー
スト中の金属粉末やセラミックス基材自体の酸化を防止
する上で、窒素雰囲気のような非酸化性雰囲気中で行
う。ただし、低温焼成セラミックスを用いる場合には、
酸化性雰囲気中で脱脂処理を行うことが可能な場合もあ
る。

【００１８】上記脱脂処理の温度は、上述したバインダ
成分の熱分解温度に応じて、 300℃〜 700℃程度で行う
ことが好ましい。また、セラミックス基材が低温焼成セ
ラミックスの場合に、 500℃以下程度の温度で脱脂処理
を行ったとしても、上述した本発明によるバインダ成分
は、十分に熱分解させることができる。そして、この脱
脂処理後のセラミックス体を非酸化性雰囲気中で焼成
し、セラミックス基材と配線形成用金属とを同時に焼結
させて、金属配線層を有するセラミックス同時焼成基板
を得る。

【００１９】

【作用】極性基としてメタクリル酸を有する共重合アク
リル高分子は、解重合性に優れ、非酸化性雰囲気中での
熱処理により容易に熱分解し揮散除去することができる
ため、セラミックス基材中等への炭素の残留が抑制され
る。よって、金属配線層の高電気抵抗化が防止でき、か
つセラミックス基材の健全な焼結性が確保されると共
に、セラミックス基材中に導電性を有するカーボンが多
量に残留することによって、耐電圧が低下することを防
止することができる。

【００２０】また、メタクリル酸を有する共重合アクリ
ル高分子は、その共重合組成を調整することにより、金
属粉末の分散性を高めることができるため、より印刷性
に優れた配線用金属ペーストが容易に得られ、よって均
一性の高い金属配線層を再現性よく得ることが可能とな
る。

【００２１】

【実施例】次に、本発明の実施例について説明する。

【００２２】実施例１ まず、本発明の配線用金属ペーストの特性評価例につい
て述べる。極性基にメタクリル酸を有し、主鎖の約 70%
がブチルメタクリレートである共重合アクリル高分子
（平均分子量：約 30000）を合成した。この共重合アク
リル高分子を有機高分子系バインダとして、金属タング
ステン粉末 100重量部に対して 5重量部の割合で混合す
ると共に、適量の溶剤を加えてペースト化して、配線用
金属ペーストを作製した。

【００２３】また、本発明との比較として、上記共重合
アクリル高分子に代えて市販のセルロース系高分子をバ
インダとして用いる以外は、上記実施例と同様にして配
線用金属ペーストを作製した。

【００２４】これら実施例および比較例による配線用金
属ペーストを、それぞれガラス基板上に厚さ20μm とな
るように塗布し、同一の炉内で窒素気流中にて 990℃×
1時間の条件で焼成して焼き付けた。この焼成後の重量
と塗布時の重量との差から炭化残留率を求めた。その結
果を表１に示す。

【００２５】

【表１】 表１から明らかなように、極性基としてメタクリル酸を
有する共重合アクリル高分子をバインダ成分として用い
た配線用金属ペーストは、炭素の残留が非常に少なく、
非酸化性雰囲気中で焼成する金属ペーストとして優れて
いることが分かる。

【００２６】実施例２ 次に、窒化アルミニウムを用いたセラミックス同時焼成
基板の製造例について述べる。まず、 AlN粉末に焼結助
剤成分として、酸化イットリウムを 3重量％混合し、こ
の混合粉末 100重量部にさらにバインダ成分として、ア
クリル樹脂を10重量部加えて十分に混合した後、ドクタ
ーブレード法により AlNグリーンシートを作製した。

【００２７】この AlNグリーンシートに、上記実施例１
で作製した配線用金属ペースト、すなわちバインダ成分
として極性基にメタクリル酸を有する共重合アクリル高
分子を用いた配線用金属ペーストを塗布し、これを窒素
気流中にて 700℃× 2時間の条件で脱脂した。

【００２８】また、本発明との比較として、上記 AlNグ
リーンシートに上記比較例１で作製した配線用金属ペー
ストを塗布し、上記実施例と同一条件で脱脂を行った。
さらに、金属ペーストを塗布することなく、上記 AlNグ
リーンシートを同一条件で脱脂し、ペーストによって残
留する炭素量を求めるための参考試料とした。

【００２９】上述した各脱脂体を用いて、実施例２およ
び比較例２による脱脂体の残留炭素量をそれぞれ求めた
ところ、実施例２による脱脂体の残留炭素量は 0.05%と
少なかったのに対し、比較例２によるものでは 0.15%と
多量に炭素が残留していた。このように、配線用金属ペ
ースト中のバインダ成分によって、同時焼成基板を製造
する際に影響を及ぼす炭素量が大きく左右されることが
分かる。そして、極性基にメタクリル酸を有する共重合
アクリル高分子をバインダ成分として用いることによ
り、残留炭素量を大幅に低減できることが明らかであ
る。

【００３０】次に、上述した実施例２および比較例２に
よる各脱脂体を窒素雰囲気中で1800℃× 5時間の条件で
焼成して、 AlN同時焼成基板をそれぞれ作製した。

【００３１】これら AlN基板の収縮率をそれぞれ求めた
ところ、実施例２によるものでは焼成収縮率が 16.5%で
あったのに対し、比較例２によるものでは 20.5%であっ
た。このことから、残留炭素量の低減を図ることによ
り、セラミックス基材と配線用金属の同時焼成を良好に
行うことが可能であることを確認した。また、金属配線
層の電気抵抗を同一箇所で測定したところ、比較例２に
比べて実施例２のものでは 40%〜 60%の電気抵抗の低下
が見られた。なお、セラミックス基材である AlN焼結体
の熱伝導率は、いずれも180W/m K以上のものが得られ
た。

【００３２】実施例３ 次に、低温焼成セラミックスとして、アルミナ−結晶化
ガラスを用いたセラミックス同時焼成基板の製造例につ
いて述べる。まず、アルミナ粉末にホウケイ酸ガラスを
50重量％混合し、この混合粉末 100重量部にさらにバイ
ンダ成分としてアクリル樹脂を 8重量部加えて十分に混
合した後、ドクターブレード法によりグリーンシートを
作製した。このグリーンシートに、上記実施例１で作製
した配線用金属ペーストを塗布し、これを不活性雰囲気
中にて 500℃× 2時間の条件で脱脂した。

【００３３】また、本発明との比較として、上記グリー
ンシートに上記比較例１で作製した配線用金属ペースト
を塗布し、上記実施例と同一条件で脱脂を行った。さら
に、金属ペーストを塗布することなく、上記グリーンシ
ートを同一条件で脱脂し、ペーストによって残留する炭
素量を求めるための参考試料とした。

【００３４】上述した各脱脂体を用いて、実施例３およ
び比較例３による脱脂体の残留炭素量をそれぞれ求めた
ところ、実施例３による脱脂体の残留炭素量は0.005%と
少なかったのに対し、比較例３によるものでは 0.02%と
多量に炭素が残留していた。このような低温脱脂におい
ても、極性基にメタクリル酸を有する共重合アクリル高
分子は、残留炭素量の低減に対して効果を発揮すること
を確認した。

【００３５】次に、上述した実施例３および比較例３に
よる各脱脂体を非酸化雰囲気中で950℃× 2時間の条件
で焼成して、低温同時焼成基板をそれぞれ作製した。こ
れら基板の収縮率をそれぞれ求めたところ、実施例３に
よるものでは焼成収縮率が8%であったのに対し、比較例
３によるものでは 12%であった。また、金属配線層の電
気抵抗を同一箇所で測定したところ、比較例３に比べて
実施例３のものでは30%〜 40%の電気抵抗の低下が見ら
れた。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、非
酸化性雰囲気中での脱脂処理によっても、残留炭素量を
大幅に減少させることが可能となるため、金属配線層の
低抵抗を安定して維持することができ、さらに健全なセ
ラミックス基板を再現性よく得ることが可能となる。よ
って、半導体パッケージ等に適したセラミックス基板を
安定して提供することが可能となる。

【００３７】

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも配線形成用金属粉末と有機高
   分子系バインダとを含有する配線用金属ペーストにおい
   て、 前記有機高分子系バインダとして、メタクリル酸を極性
   基として有する共重合アクリル高分子を用いたことを特
   徴とする配線用金属ペースト。
2. 【請求項２】 セラミックスグリーンシートに、配線形
   成用金属粉末と極性基としてメタクリル酸を有する共重
   合アクリル高分子からなるバインダ成分とを含有する配
   線用金属ペーストを塗布し、これを 1層または複数層積
   層してセラミックス成形体を作製する工程と、 前記セラミックス成形体を非酸化性雰囲気中で熱処理
   し、前記バインダ成分を熱分解除去する工程と、 前記バインダ成分を除去した後のセラミックス体を焼成
   し、セラミックス基材と配線形成用金属粉末とを同時に
   焼結させる工程とを有することを特徴とするセラミック
   ス同時焼成基板の製造方法。