JPH06104571A

JPH06104571A - 低温焼成セラミックス多層基板の製造方法

Info

Publication number: JPH06104571A
Application number: JP25173592A
Authority: JP
Inventors: Yoshikazu Nakada; 好和中田
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1992-09-22
Filing date: 1992-09-22
Publication date: 1994-04-15

Abstract

(57)【要約】【構成】セラミックス原料に、有機バインダ及び可塑
剤を混合してグリーンシート１１を作製する工程と、グ
リーンシート１１に、酸化第１銅（Cu₂O) を主成分とす
る導体用ペースト１２、１３を所望の回路パターンで印
刷する工程と、該回路パターンが印刷されたグリーンシ
ート１１を積層してグリーンシート積層体１０を形成す
る工程と、グリーンシート積層体１０中の有機バインダ
を分解・放散させ、かつ前記Cu₂Oを酸化して酸化第２銅
（CuO)にする熱処理工程と、該熱処理工程の後、還元雰
囲気中で前記CuO を還元すると同時にセラミックスを焼
成する還元・焼成工程とを含んでいるセラミックス多層
基板の製造方法。【効果】緻密で導通抵抗が低いCu厚膜導体を形成する
ことができ、また基板の変形を抑制するとともに、基板
の絶縁抵抗や耐電圧特性を改善することができ、したが
って高密度化、信号処理の高速化に対応することができ
る安価なセラミックス多層基板を製造することができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は低温焼成セラミックス多
層基板の製造方法に関し、より詳細にはＩＣ、チップ部
品などを実装し、かつそれらを相互配線するための導体
材料として銅を用いた低温焼成セラミックス多層基板の
製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＩＣ、チップ部品等の実装基板と
しては、卓越した絶縁性、熱伝導性、安定性及び機械的
強度を有するアルミナが広く使用されている。また、配
線導体としては、アルミナを焼成して基板に成形するに
は１５００℃以上の高温を必要とするため、アルミナと
ともに焼成される高融点のタングステン（W)やモリブデ
ン（Mo）が用いられている。しかしながらアルミナ基板
は、比誘電率が高く、シリコンとの熱膨張率の整合性が
悪く、また配線導体に導通抵抗が高いＷやＭｏを用いざ
るを得ないため、ＬＳＩやＩＣを搭載した場合には電気
信号の高周波化、処理の高速化、信頼性等に問題があ
り、さらに高密度化、小型化に限界があるという問題が
あった。近年、これらの問題を解決するために、金（A
u）、銀（Ag）、銀−パラジウム合金（Ag-Pd)、銅（C
u）等の導通抵抗が低い導体材料を使用し、これらの金
属の融点以下の温度で焼成することができるセラミック
ス材料を絶縁体として用いて焼成する低温焼成セラミッ
クス多層基板が開発されている。

【０００３】しかしながら前記導体材料のうち、Au等の
貴金属は酸化性雰囲気中で焼成できるために信頼性は高
いものの、資源的に乏しく、高価で価格変動が激しいた
めに経済的に使用することが困難であり、またAgはマイ
グレーションを起こすためにショートが生じ易いという
問題があった。

【０００４】一方、Cuは酸化が生じないような非酸化性
雰囲気中で焼成する必要はあるものの、安価であるうえ
に、抵抗が低く、かつ耐マイグレーション性に優れてい
るため、層間の間隔を狭くすることができ、高密度化、
高速化に対応することができる最有力な実装基板用の導
体材料として注目されている。しかし、非酸化性雰囲気
中における焼成ではグリーンシートや導体ペースト中に
含まれる有機バインダの分解・放散が困難であり、その
結果、有機バインダが炭化して基板内に残り、銅粉末や
セラミックス粉末の焼結の進行を阻害するばかりか、絶
縁抵抗や耐電圧等の基板特性を劣化させるという問題を
有していた。

【０００５】このような問題を解決するために水蒸気を
含む窒素雰囲気中で前記有機バインダの分解・放散を行
う方法（特開昭６０−２５４６９７号公報及び特開平２
−１４１４５８号公報）が提案されているが、この方法
では前記有機バインダの分解・放散に長時間を要し、経
済的でないという問題があった。

【０００６】また、空気雰囲気下で前記有機バインダの
分解・放散を行う方法（特開平２−１５５２９４号公
報）も提案されているが、この方法では前記分解・放散
工程後における焼成物中のカーボン残量を６００から１
５００ppm もしくは６００から３０００ppm の範囲内に
調整する必要があり、この条件設定が極めて難しい。し
かもCu導体とセラミックス材料とを同時に焼成した場合
にはCuがわずかでも酸化されると、体積が膨張して基板
が変形し易いという問題があった。

【０００７】上記のような問題点を解決するため、前記
導体材料に酸化第２銅（以下、CuOと記す）粉末を使用
し、空気中で熱処理を行なって有機バインダを分解・放
散させ、次にCuO をCuに還元し、Cuとセラミックス材料
とを焼結させて一体化させることによってセラミックス
多層基板を製造する方法が提案されている（特公平３−
２１１０９号公報）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記した特公平３−２
１１０９号公報で提案されたセラミックス多層基板の製
造方法においては、空気中で加熱して酸化させるために
有機バインダを完全に除去することは可能になるが、上
記した CuO粉末は相互に点接触的であり、還元・焼結工
程において緻密なCu導体が形成され難いために導通抵抗
が大きくなり、したがって高速化、高密度化に対応する
ことができないという課題があった。

【０００９】本発明はこのような課題に鑑みなされたも
のであり、導通抵抗が小さいというCuの特性を十分に発
現させることができ、また有機バインダの分解・放散を
十分に行って基板の絶縁抵抗や耐電圧特性を向上させる
ことができ、また基板の変形を抑制することができ、高
密度化や信号処理の高速化に対応できる低温焼成セラミ
ックス多層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】上記目的を達成するため
に本発明者はセラミックス多層基板の製造方法について
研究を重ねた結果、導体用ペーストの主成分として酸化
第１銅（以下、Cu₂Oと記す）粉末を使用し、形成された
グリーンシート積層体を酸化性雰囲気中において所定温
度で加熱を行なうと、有機バインダが分解・放散される
とともに、前記Cu₂O粉が酸化するにつれて粒子間にネッ
ク部が形成され、連続した厚膜状のCuOが形成される。
そして、この CuO膜を還元すると緻密で導通抵抗が低い
Cuの厚膜導体が得られることを知見し、本発明を完成す
るに至った。

【００１１】本発明の要旨とするところは、セラミック
ス原料に有機バインダ及び可塑剤を混合してグリーンシ
ートを作製する工程と、該グリーンシートにCu₂Oを主成
分とする導体用ペーストを所望の回路パターンで印刷す
る工程と、該回路パターンが印刷されたグリーンシート
を積層してグリーンシート積層体を形成する工程と、該
グリーンシート積層体中の有機バインダを分解・放散さ
せ、かつ前記酸化第１銅を酸化して酸化第２銅にする熱
処理工程と、該熱処理工程の後、還元雰囲気中で前記酸
化第２銅を還元すると同時にセラミックスを焼成する還
元・焼成工程とを含むことにある。

【００１２】本発明におけるCu₂Oを主成分とする導体用
ペースト（以下、Cu₂Oペーストと記す）は溶剤及び可塑
剤に樹脂を溶解させたビヒクル中にCu₂O粉末を添加し、
３本ロールミルで混練して作製する。樹脂としてはエチ
ルセルロースもしくはアクリル樹脂、溶剤としてはテル
ピネオール、可塑剤としてはジブチルフタレートが使用
可能であり、またCu₂O粉末の粒径はグリーンシートの焼
結収縮に適合するものに設定することが望ましい。な
お、セラミックス多層基板の最上面に形成される表層導
体用ペーストには、セラミックス絶縁層との接着性を向
上させるためにガラスフリットを添加してもよい。この
場合のガラスフリットは公知のものが使用可能である
が、前記還元焼成工程において溶融・流動化させる必要
上、軟化点が略５００℃から略８００℃の範囲内にある
ものが望ましく、例えばホウケイ酸系ガラスが使用可能
である。またこの場合のガラスフリット添加量は、Cuに
対して５重量(wt)％を超えると導体の導通抵抗が大きく
なり、半田ぬれ性も低下するため、５wt％以下が望まし
い。また、本発明において使用可能な低温焼成セラミッ
クス原料としてはガラスと無機フィラーとが混合された
ガラス複合セラミックス、結晶化ガラス系セラミック
ス、非ガラス系セラミックス等が挙げられるが、Cuの融
点以下で焼成し得ることが必要であり、したがって例え
ばホウケイ酸系ガラスにアルミナ、ムライト、フォルス
テライト等の無機フィラーを複合化したセラミックスが
望ましい。

【００１３】また、本発明におけるグリーンシート形成
用のスラリーは前記セラミックス原料を溶剤中で湿式微
粉砕・混合を行った後、有機バインダ、分散剤、可塑剤
等を適宜に配合・混合して作製する。このスラリー化に
用いる溶剤としてはアルコール、トルエン、アセトン、
メチルエチルケトン、トリクロールエチレンまたはこれ
らの混合物等の有機溶剤や、水等が使用可能である。ま
た、有機バインダとしてはメタクリル酸エステル重合
体、アクリル酸エステル−メタクリル酸エステル共重合
体、α−メチルスチレン重合体、テトラフルオロエチレ
ン重合体等の易熱分解性を有する有機バインダが使用可
能であるが、熱分解温度が高いポリビニルブチラール、
酢酸ビニル等は好ましくない。また、分散剤としてはオ
クダデシルアミン、グリセリルモノオレート、ソルビタ
ンモノオレート等が用いられ、可塑剤としてはジオクチ
ルフタレート（ＤＯＰ）、ジブチルフタレート（ＤＢ
Ｐ）、ポリエチレングリコール、グリセリン等が使用可
能である。

【００１４】また、本発明におけるグリーンシートは前
記方法によって得られたスラリーを使用し、ドクターブ
レード法等の公知の技術によって均一な厚さに形成した
後、ハンドリングが可能な状態になるまで乾燥させ、次
にカッターあるいは打ち抜き型によって所望の形状に成
形し、さらに打ち抜き型によって所望の位置にスルーホ
ールを形成することによって作製する。この後、前記グ
リーンシート上にCu₂Oペーストをスクリーン印刷して配
線パターンを形成する。

【００１５】また、本発明におけるグリーンシートの積
層は、配線パターンが形成された前記グリーンシートを
所望枚数重ね合わせて熱圧着する方法、あるいは前記グ
リーンシートの両面にCu₂Oペーストの印刷と該グリーン
シートと実質的に同一組成を有する絶縁体ペーストの印
刷とを交互に繰り返し行って積層する方法のいずれによ
っても積層することが可能である。

【００１６】また、本発明における熱処理工程は、前記
グリーンシート積層体中のCu₂Oを酸化して CuO連続厚膜
を形成し、かつ有機バインダを分解・放散させる工程で
あり、熱処理は空気中において３５０〜６５０℃の温度
範囲で行うことが望ましく、３５０℃未満ではCu₂Oの酸
化及び有機バインダの分解・放散が不十分になるために
好ましくない。

【００１７】また、本発明における還元・焼成工程は、
前記熱処理工程において形成されたCuO連続厚膜をCu連
続厚膜に還元し、かつこのCu導体層と前記グリーンシー
トとを焼結・一体化させて多層基板を形成する工程であ
り、水素と窒素との混合ガス雰囲気中で行い、また配線
パターンが変形しないようにCuの融点未満の温度で加熱
を行う。この場合、加熱プロファイル及び混合ガス中の
水素濃度は CuOが十分にCuに還元され、かつ積層体が緻
密に焼結されるように設定する。

【００１８】

【作用】本発明に係る低温焼成セラミックス多層基板の
製造方法によれば、セラミックス原料に有機バインダ及
び可塑剤を混合してグリーンシートを作製する工程と、
該グリーンシートにCu₂Oを主成分とする導体用ペースト
を所望の回路パターンで印刷する工程と、該回路パター
ンが印刷されたグリーンシートを積層してグリーンシー
ト積層体を形成する工程と、該グリーンシート積層体中
の有機バインダを分解・放散させ、かつ前記Cu₂Oを酸化
して CuOにする熱処理工程と、該熱処理工程の後、還元
雰囲気中で前記 CuOを還元すると同時にセラミックスを
焼成する還元・焼成工程とを含んでいるので、Cu₂Oを酸
化するときに粒子間にネックが生じて連続した膜状の C
uOが形成され、この膜状の CuOを還元・焼成するときに
緻密な銅の配線が形成されて導通抵抗を小さくし得るこ
ととなり、またCu₂Oを酸化するときに同時に有機バイン
ダを酸化して完全に除去し得ることとなる。

【００１９】

【実施例及び比較例】以下、本発明に係るセラミックス
多層基板の製造方法の実施例及び比較例を説明する。ま
ず、アルミナ粉末とホウケイ酸系ガラス粉末とをそれぞ
れ５０wt％ずつ調合し、粉砕・混合してセラミックス原
料とする。このセラミックス原料６９wt％とメタクリル
酸エステル樹脂９wt％、ＤＯＰ３wt％、トルエン９wt
％、イソプロピルアルコール１０wt％とにオクダデシル
アミン系分散剤をごく微量加え、ボールミルで混合して
セラミックススラリーを作製した。このセラミックスス
ラリーを真空脱泡機で脱泡した後、ドクターブレード法
を用いて厚みが略２５０μm のグリーンシートを作製し
た。このグリーンシートを所定の大きさに切断した後、
必要な箇所に直径が略２００μm のスルーホールを形成
した。

【００２０】一方、下記の表１に示すように平均粒径が
異なるCu₂O粉末を使用し、それぞれのCu₂O粉末をエチル
セルロース５wt％、テルピネオール５５wt％、ジブチル
フタレート４０wt％とからなるビヒクルに分散させ、３
本ロールミルで混練して６種類の導体用ペーストを作製
した。そしてそれぞれのCu₂Oペーストを用いてスクリー
ン印刷により塗布を行い、前記グリーンシート上に図１
で示した内部導体用ペースト１２の配線パターンを形成
した。また、図１で示した最上面のグリーンシート１１
上に形成される配線パターンの表層導体用ペースト１３
には、前記Cu₂O粉末にホウケイ酸ガラスフリットを２wt
％加え、前記ビヒクルに分散させたものを使用した。な
お、図１で示したスルーホール１４内部にも、前記印刷
工程によってCu₂Oペーストを充てんした。

【００２１】

【表１】

【００２２】次に、配線パターンが形成された前記グリ
ーンシートを所望枚数重ね合わせ、圧力が略３０MPa 、
温度が略１００℃で熱圧着を行ってグリーンシート積層
体を形成した。図１はグリーンシート積層体を模式的に
示した断面図であり、図中１０はグリーンシート積層
体、１１はグリーンシート、１２は内部導体用ペース
ト、１３は表層導体用ペースト、１４はスルーホールを
それぞれ示している。

【００２３】次に、グリーンシート積層体１０を空気が
充満した熱処理炉内に装入し、３５０℃、５００℃また
は６５０℃のピーク温度においてそれぞれ１００分間ほ
どピーク温度を保持し、該ピーク保持時間を含むトータ
ル６時間の加熱プロファイルによって熱処理を行い、グ
リーンシート積層体１０中の有機バインダを分解・放散
させ、かつCu₂Oを酸化して CuO連続厚膜を形成した。

【００２４】次に、グリーンシート積層体１０を水素と
窒素との混合ガス（体積比で５０対５０）中においてピ
ーク温度が８９０℃、ピーク保持時間が２０分間を含む
トータル２時間の加熱プロファイルによって還元・焼成
処理を行い、 CuO連続厚膜をCu厚膜に還元し、かつ該Cu
厚膜導体層とグリーンシートとを焼結させてセラミック
ス多層基板を作製した。

【００２５】以下に、導体ペーストの主成分として表１
に示したCu₂O-A、B、C、D、E、F粉末を用いて作製したセラミ
ックス多層基板（実施例試験No.1〜19) について、外観
検査、絶縁抵抗、耐電圧、配線導体の導通抵抗の測定を
行った結果を説明する。なお、導通抵抗は膜厚が２０μ
m 、線幅が５００μm の配線部を四端子抵抗測定法によ
って測定した。また比較例として、Cu₂O-A粉末９０wt％
に粒径が２μm のCu粉末１０wt％を添加したものを用い
て作製したセラミックス多層基板 (比較例試験No.1) 、
それぞれの平均粒径が 0.5μm 、1.5μm 、2.3μm 、3.2μ
m 、4.6μm と異なるCuO 粉末を用いて作製したセラミッ
クス多層基板（比較例試験No.2〜6)について、実施例と
同様の測定を行った。これらの測定結果を表２に示す。

【００２６】

【表２】

【００２７】表２から明らかなように、実施例（試験N
o.1〜18）の製造方法によるセラミックス多層基板にお
いては、配線導体の導通抵抗はCu₂O粉の平均粒径が 2.1
〜 3.2μm の場合に緻密な導体が形成され易く、また比
較的に高温の５００〜６００℃における熱処理の場合に
有機バインダの分解・放散が容易となり、緻密な導体を
形成し易くなることが推測される。実施例の製造方法に
よるセラミックス多層基板は、変形がなく、絶縁抵抗、
耐電圧特性に優れており、配線導体の導通抵抗も実用的
には許容限度内にあり、いずれも良好であることが確認
された。また、実施例（試験No.19 ）の製造方法による
セラミックス多層基板においては、変形はないが絶縁抵
抗、耐電圧特性及び配線導体の導通抵抗が劣っており、
熱処理温度が３５０℃より低くくなると有機バインダの
分解が抑制されるために基板中に炭化物が残留して基板
特性に悪影響を及ぼすものと推測される。したがって熱
処理温度は３５０℃を超えることが望ましい。また、比
較例（試験No.1）の製造方法によるセラミックス多層基
板においては、基板にワレが発生し、配線導体の導通抵
抗を測定することができなかった。これは、Cu粉が混在
すると熱処理工程でCu粉が酸化されて体積が膨張するた
めに、基板に割れが生じたものと推測される。また、比
較例（試験No.2〜6)の製造方法によるセラミックス多層
基板においては、配線導体の導通抵抗がいずれも高くな
っており、したがって CuOを導体用ペーストとして用い
る従来の方法に比べて実施例の製造方法によるセラミッ
ックス多層基板が優れていることが確認された。

【００２８】この結果から明らかなように、本実施例に
係るセラミックス多層基板の製造方法では、セラミック
ス原料に有機バインダ及び可塑剤を混合してグリーンシ
ート１１を作製する工程と、グリーンシート１１にCu₂O
を主成分とする導体用ペースト１２、１３を所望の回路
パターンで印刷する工程と、該回路パターンが印刷され
たグリーンシート１１を積層してグリーンシート積層体
１０を形成する工程と、グリーンシート積層体１０中の
有機バインダを分解・放散させ、かつ前記Cu₂Oを酸化し
て CuOにする熱処理工程と、該熱処理工程の後、還元雰
囲気中で前記 CuOを還元すると同時にセラミックスを焼
成する還元・焼成工程とを含んでいるので、基板中に緻
密で導通抵抗が低いCu厚膜導体を形成することができ、
また基板の変形を抑制することができ、有機バインダが
十分に分解・放散しうることによって基板の絶縁抵抗や
耐電圧特性を改善することができる。したがって高密度
化、信号処理の高速化に対応することができる安価なセ
ラミックス多層基板を製造することができる。

【００２９】

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係るセラミ
ックス多層基板の製造方法にあっては、セラミックス原
料に有機バインダ及び可塑剤を混合してグリーンシート
を作製する工程と、該グリーンシートにCu₂Oを主成分と
する導体用ペーストを所望の回路パターンで印刷する工
程と、該回路パターンが印刷されたグリーンシートを積
層してグリーンシート積層体を形成する工程と、該グリ
ーンシート積層体中の有機バインダを分解・放散させ、
かつ前記Cu₂Oを酸化して CuOにする熱処理工程と、該熱
処理工程の後、還元雰囲気中で前記 CuOを還元すると同
時にセラミックスを焼成する還元・焼成工程とを含んで
いるので、緻密で導通抵抗が低いCu厚膜導体を形成する
ことができ、また基板の変形を抑制することができ、有
機バインダを十分に分解・放散しうることによって基板
の絶縁抵抗や耐電圧特性を改善することができ、したが
って高密度化、信号処理の高速化に対応することができ
る安価なセラミックス多層基板を製造することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例におけるセラミックス多層基板の積層状
態を模式的に示した断面図である。

【符号の説明】

１０グリーンシート積層体１１グリーンシート１２内部導体ペースト１３表層導体ペースト

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミックス原料に、有機バインダ及び
可塑剤を混合してグリーンシートを作製する工程と、該グリーンシートに、酸化第１銅を主成分とする導体用
ペーストを所望の回路パターンで印刷する工程と、該回路パターンが印刷されたグリーンシートを積層して
グリーンシート積層体を形成する工程と、該グリーンシート積層体中の有機バインダを分解・放散
させ、かつ前記酸化第１銅を酸化して酸化第２銅にする
熱処理工程と、該熱処理工程の後、還元雰囲気中で前記酸化第２銅を還
元すると同時にセラミックスを焼成する還元・焼成工程
とを含んでいることを特徴とするセラミックス多層基板
の製造方法。