JPH0812953B2 - ガラスセラミックス多層回路基板焼結体 - Google Patents

ガラスセラミックス多層回路基板焼結体

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JPH0812953B2
JPH0812953B2 JP63279246A JP27924688A JPH0812953B2 JP H0812953 B2 JPH0812953 B2 JP H0812953B2 JP 63279246 A JP63279246 A JP 63279246A JP 27924688 A JP27924688 A JP 27924688A JP H0812953 B2 JPH0812953 B2 JP H0812953B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ガラス系セラミツクス多層回路基板焼結体
に係り、特に、電気信号の入出力のための配線層やピン
を備えた半導体素子搭載用キヤリア基板に関する。
〔従来の技術〕
焼結されたセラミツクス板の表面に印刷配線して混成
集積回路等の構成部品とすることが行われている。最近
はセラミツクス板表面のみならず中間層にも配線を持つ
たセラミツクス多層板が開発されている。このように多
層配線基板の内部に形成されるライン配線、及び、スル
ーホール部は、金属粉末を主成分とし、ガラス粉末、バ
インダ、有機溶剤等を混合したペーストを用い、印刷、
焼成して導体配線を形成していた。しかも、セラミツク
ス基板と導体を同時焼成によつて形成する場合、導体と
セラミツクス基板との熱膨張係数の違いや焼成収縮量の
不一致によつて、導体配線の剥離やスルーホール周辺等
にクラツクを生じたり、導体ペーストに使用するガラス
との間に生じる成分の拡散、又は、反応のような化学反
応によつて気泡が発生するなどの問題があつた。
クラツクを防止する手段として特公昭52−48603号公
報「多層セラミツクス板の製造方法」に記載されている
ような方法が提案されている。つまり、スルーホール用
導体としてタングステンのような金属とその金属より熱
膨張係数の大きな物質、例えば、アルミナなどを複合化
して、セラミツクス基板と熱膨張係数差を小さくする方
法がある。また、特開昭60−28296号公報「セラミツク
ス多層配線回路板」に記載されているように、銅、金、
銀とガラス、又は、セラミツクスを複合化させたものを
セラミツクス多層回路板の配線導体として適用すること
が提案されている。
更に、米国特許第4001146号に記載されているよう
な、銀に酸化ビスマス、酸化鉛、酸化銅の一方、また
は、両方の混合物を添加した厚膜導体組成物が提案され
ているが、ガラスセラミツクス多層回路板に適用した場
合、接合界面に気泡が残るなどの問題があり、いずれも
気泡を防止する手段として十分なものが無いのが現状で
ある。
〔発明が解決しようとする課題〕
近年、セラミツクス多層回路基板の高性能化のために
配線導体として金、銀、銅のような低抵抗材料の適用が
望まれている。しかし、配線ペーストには金属とセラミ
ツクスを接着させるための酸化物やガラスが含まれてい
る。このペースト中のガラスがセラミツクス基板との間
に生じる成分の拡散、あるいは、反応によつて泡を発生
させたり、あるいは、低抵抗の導体材料を用いても接着
用としてのガラスの混入により配線導体の抵抗が大きく
なるなどの欠点があつた。
本発明の目的は、電気抵抗が小さく、接着強度の高い
ガラスセラミツクス多層回路基板焼結体を提供すること
にある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明は、ガラスセラミツクス絶縁材料と導体が複数
積層されたセラミツクス多層基板において、ガラスセラ
ミツクスの所望表面、及び、スルーホール部に金属配線
を設けたものにおいて、この金属配線はAu,Ag,Pd,Pt,C
u,Niの金属、及び、合金の一種以上と、ガラスセラミツ
クスの酸化物とガラス質を形成する金属配線の金属、及
び、合金よりも酸化性の金属を含み、かつ、ガラスセラ
ミツクス面と酸化性の金属の酸化物との拡散層を介し
て、ガラスセラミツクスに結合したことを特徴とするガ
ラスセラミツクス多層回路基板焼結体に関する。
本発明では、配線ペースト中に接着用のガラスを添加
することなく、配線ペーストの主成分よりも酸化し易い
金属を添加した配線ペーストを用いることにより上記の
目的を達成させる。
〔作用〕
本発明はこの問題点を解決するために、配線ペースト
の主成分である。Au,Ag,Pt,Cu,Niなどの金属よりも酸化
し易い金属を添加し、焼結過程でガラス成分中の酸素、
あるいは、焼結雰囲気中の酸素によつて酸化し易い金属
を酸化させながら、ガラスセラミツクス成分と融合さ
せ、拡散層を形成させて接着する。これによつて空孔の
ない接合界面の形成を可能とし、かつ、導体層の中央部
では主金属が連続的に結合されて、導体の電気抵抗率を
損うことなく形成できることを見出した。
導体の主成分にはAu,Ag,Ag−Pd合金、Cuが望ましく、
AuにはBi,Cd,Ag、及び、Ag−Pd合金には、Bi,Ti,Cd,Cu
に対してはBi及びTiの一種以上からなる酸化性金属を用
いる。
金属導体はガラスセラミツクス焼結体にガラス質とな
り得る酸化物を含む拡散層によつて強固に結合される。
拡散層の厚さは処理温度、時間によつてコントロールさ
れるが、誘電率、及び、導電率を考慮すると20μm以下
の厚さが好ましい。
ガラスセラミツクス焼結体は、特に、限定しないが、
MgO,CaO−Al2O3・B2O3系ガラス、SiO2・B2O3系ガラス及
びLi2O,Al2O3 SiO2系ガラス、特に、焼結体の焼成温度
が850〜920℃のものがよい。
雰囲気は焼成温度で主成分の金属、及び、合金が酸化
されない程度に酸素を含む雰囲気、特に、Au,Ag,Ag−Pd
合金等の大気中での加熱で酸化しないものは、大気中で
行うのが望ましい。大気中で加熱する場合には、加熱中
新しい空気を炉中に送り込む方法をとる。Cu、等の大気
中で酸化する金属の場合には、これら金属が酸化しない
程度の酸化性雰囲気中で加熱する。
酸化性金属はガラスセラミツクスの酸化物とガラス質
を形成させるものでなければ金属導体の強固な結合が得
られない。ガラスセラミツクスと融合してガラス質を形
成する元素としてBi,Cd,TiZn及びAlがあり、酸化性金属
としてこれら金属、及び、化合物の一種以上を用いる。
酸化性金属は、粉末で使用し、金属導体を形成する金
属、及び、合金粉末に0.1〜10重量%の結合剤を混合し
て使用する。特に、この混合粉末に有機物を添加して糊
状、又は、スラリ状ペーストにして用いる。酸化性金属
粉末は金属及び合金粉末の平均粒径より小さいものがよ
い。
有機物には、カルビトールアセテート、ブチルカルビ
トール、テレピネオール等の溶媒で稀釈されたエチルセ
ルローズ、ニトロセルローズ、アクリル樹脂等が用いら
れる。
〔実施例〕
<実施例1,2> 表1に示す実施例1,2及び比較例(No.1,No.2)の組成
をそれぞれ秤量し、V型ミキサで混合した。
この混合粉末に、エチルセルローズを濃度6%に含む
テレピネオール溶液を混合粉数100重量部に対し10重量
部の割合で添加して混練し、スラリ状のペーストを作製
した。本実施例に用いた粉末の粒径はAg−Pd合金粉末が
平均1.0μm、添加物の粉末が0.1μmである。比較例に
は、市販品のAg−Pd導体ペーストとA,BとAg−Pd導体に
ガラスセラミツクスと同一組成のガラス粉末と酸化ビス
マスを添加したペーストを上記要領で作製して用いた。
次いで、ガラスセラミツクス多層回路基板の作製方法
を記す。まず、グリーンシートを作るためのスラリを作
る。原料粉末として使用するガラス粉末の組成は、酸化
物に換算して、MgO9〜15重量%、Al2O335〜45重量、B2O
345〜55重量%、CaO0.5〜3%重量%として総重量100重
量%となるように選んだ、ガラス粉末の平均粒径は5μ
mである。スラリの製造方法は、上記組成のガラス粉10
0重量部とメタクリル酸系のバインダ20重量部、トリク
ロリエチレン124重量部、テトラクロルエチレン32重量
部、nブチルアルコール44重量部を加え、ボールミルで
24時間湿式混合スラリを作る。次いで、真空脱気処理を
しながら適当な粘度に調整する。このスラリをドクター
ブレードを用いてシリコンコートしたポリエステルフイ
ルム上に0.5mm厚さに塗布し、その後、乾燥してグリー
ンシートを作製した。
次いで、グリーンシートにペーストをライン配線、及
び、表面パターンをスクリーン印刷した。次いで、それ
ぞれに印刷したグリーンシートを適宜に積層し、熱間プ
レスにより圧着した。圧着条件は、温度100℃、圧力20k
gf/cm2である。このようにして作製した積層板を、昇温
速度100℃/h、加熱温度500℃×1hで脱バインダ処理を行
つた後、昇温速度200℃/h、加熱温度900℃×1hで焼成し
た。雰囲気は空気中で随時新しい空気を送り込んだ。
焼結後のガラスセラミツクス多層回路板について目
視、及び、拡大鏡(倍率二十倍)により外観を観察し
た。また、断面を平滑に研摩し走査型電子顕微鏡(倍率
千倍)で観察した。観察結果を表2にまとめた。
表中、外観欄で「良好」はガラスセラミツクスと配線
導体の剥離やガラスセラミツクス焼結体の変形、及び、
クラツクが無いことを示すものである。「剥離」はガラ
スセラミツクスと配線導体が剥離したものを示し、「変
形」はガラスセラミツクス焼結体が変形したものを示
す。断面欄での「良好」はガラスセラミツクスと配線導
体の界面にボイドが無く、拡散層の厚さが20μm以下の
ものを示す。「ボイド」はガラスセラミツクスと配線導
体の接合界面にボイドが存在していることを示し、「拡
散層」は接合部の拡散層が20μm以上あることを示して
いる。本発明の配線ペーストを用いたガラスセラミツク
ス多層回路基板焼結体は剥れ、変形、ボイドの無い焼結
体が得られている。
<実施例3> 実施例1の手法で作製したグリーンシートを用い、そ
の表面に実施例1の手法で作製した(Ag−15重量%Pd)
−1重量%Bi−1重量%Cdの導体ペーストをスクリーン
印刷し、パターンを形成した。
次いで、誘電率18000のセラミツクスコンデンサグリ
ーンシートを中央に一設、上・下に導体をスクリーン印
刷したガラスセラミツクスグリーンシートを重ねて積層
し、熱間プレスにより圧着した。圧着条件は実施例1と
同一の手法で行つた。更に、脱バインダ処理と焼成を行
い、コンデンサを内蔵したガラスセラミツクス多層回路
板焼結体を作製した。脱バインダ処理、及び、焼成は実
施例1と同一手法で行つた。焼結後のコンデンサ内蔵ガ
ラスセラミツクス多層回路板焼結体は、外観上変形が無
く、発泡もなく、亀裂もない良好な焼結体が得られた。
更に、焼結体の断面を平滑に研摩し、ガラスセラミツク
ス、導体、及び、コンデンサのそれぞれの接合界面を走
査型電子顕微鏡を用いて倍率二千倍で観察した。ガラス
セラミツクス、と導体の接合部には9μm程度の拡散層
が形成されて接合していた。一方、それぞれの接合部も
ボイドや割れもなく接合している。又、配線導体はAg−
Pd粒が連続的に結合して形成されており、電気抵抗率も
Ag−Pd固有の特性が得られている。
<実施例4> 次に本発明のガラスセラミツクス多層回路基板焼結体
をキヤリア基板として用いた半導体装置への応用例につ
いて説明する。
第1図は半導体素子を搭載したキヤリア基板の断面図
である。この半導体装置は実施例1に記載したガラスセ
ラミツクス4を用いたグリーンシートの孔あけ部と表面
に、実施例1に記載したAg−Pd粉末と1重量%のBiと1
重量%Cdとからなるペーストを用いて印刷し、実施例1
に記載した積層条件でグリーンシートを積層し、その
後、実施例1に記載した脱ガス処理、及び、900℃の焼
成をして、ガラスセラミツクス4、キヤリア基板が形成
される。半導体素子1は半田2によつてスルーホール導
体5に接続され、電気信号入力ピン7は半田6によつて
接合される。半田2にはPb−2重量%Sn、半田6にはSn
−3.5重量%Agが好適である。
第2図はコンデンサ8を内蔵したキヤリア基板に半導
体素子1を搭載したキヤリア基板の断面図である。この
半導体装置1は、実施例1に記載したガラスセラミツク
ス4を用いてグリーンシートの孔あけ部と表面に、実施
例1に記載したAg−Pd粉末と1重量%Biと1重量%Cdか
らなるペーストを用いて印刷、乾燥し、次いで、コンデ
ンサ8を中央に、上・下印刷乾燥したガラスセラミツク
ス4を、適宜、重ね合せて積層し、実施例1に記載した
積層条件で熱圧着した。その後、脱ガス処理、及び、焼
成を実施例1に記載した方法で焼結し、コンデンサ8を
内蔵したガラスセラミツクス4のキヤリア基板を作成し
た。半導体素子1は半田2によつてスルーホール導体5
に接続され、電気信号入力ピン7は半田6によつて接合
される。半田2にはPb−2重量%Sn、半田6にはSn−3.
5重量%Agが好適である。
なお、図中3はライン配線。
〔発明の効果〕
本発明によれば、電気抵抗率が小さく、接着強度の高
い拡散層をもつたガラスセラミツクス多層回路基板焼結
体が得られ、更に、それを用いた半導体装置は応答性が
速く、使用中における配線導体の剥離や劣化が無い。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の半導体素子を搭載したキヤリア基板の
断面図、第2図は本発明のコンデンサを内蔵したキヤリ
ア基板に半導体素子を搭載したキヤリア基板の断面であ
る。 1……半導体素子、2……半田、3……配線導体、4…
…ガラスセラミツクス、5……スルーホール導体、6…
…半田、7……電気信号入力ピン、8……コンデンサ。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ガラス系セラミツクス絶縁材料と、導体が
    複数積層されたセラミツクス多層基板において、 前記ガラス系セラミツクスの所望表面、及び、スルーホ
    ール部に金属配線を設け、前記金属配線はAu,Ag,Pd,Pt,
    Cu,Niの金属及び合金の一種以上と、前記ガラス系セラ
    ミツクスの酸化物とガラス質を形成する前記金属配線の
    金属及び合金よりも酸化性の金属を含み、かつ、前記ガ
    ラス系セラミツクス面と前記酸化性の金属の酸化物との
    拡散層を介して、前記ガラス系セラミツクスに結合した
    ことを特徴とするガラスセラミツクス多層回路基板焼結
    体。
  2. 【請求項2】前記拡散層は、前記ガラス系セラミツクス
    の酸化物とBi,Cd,Ti,Cu及びAlからなる酸化物の一種以
    上との複合酸化物からなる特許請求の範囲第1項に記載
    のガラス系セラミツクス多層回路基板焼結体。
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