JPH09142969A - メタライズ組成物およびそれを用いた配線基板の製造方法 - Google Patents
メタライズ組成物およびそれを用いた配線基板の製造方法Info
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Abstract
イズ組成物では、焼結性が悪く、シート抵抗が高く、接
着強度が低いものであった。 【解決手段】アルミナを99.3重量%以上含有する絶
縁基板用アルミナ質成形体の表面に、Mo50〜90体
積%と、Al2 O3 10〜50体積%と、Nb化合物を
Nb2 O5 に換算して0〜5体積%の割合で含み、且つ
Si、Ca、Naの含有量が金属換算による合量で0.
1重量%以下からなるメタライズ組成物を含むペースト
を配線パターンに印刷し、同時焼成して配線基板を得
る。特に、焼成後のメタライズ層とアルミナ質焼結体と
の界面の表面粗さRmaxが100nm以上であること
が望ましい。
Description
質セラミックスに対して高い密着強度と高い導体抵抗の
メタライズ層を形成するのに適したメタライズ組成物
と、それを用いた配線基板の製造方法に関するものであ
り、アルミナ質セラミックスを絶縁基体として配線層と
同時に焼成される多層配線基板やICのパッケージ等に
使用され、特に、高周波用途で優れた性能を示す集積回
路の配線基板に適用されるものである。
学的安定性等の特性に優れていることから半導体素子を
収容する半導体素子収納用パッケージや回路配線を有す
る回路基板等の電子部品に多用されている。また、この
基板はアルミナ質焼結体の表面あるいは内部には回路を
形成するための導体としてメタライズ配線層が形成され
ている。
法としては、例えば、特開平2−196078号、特開
平3−40972号に開示されるように、予め焼結され
たセラミック基板上にMo−Mnを主体とするメタライ
ズペーストを塗布し加湿水素ガス中で焼き付ける方法、
特開昭63−139086号に開示されるように、真空
中または不活性ガス中でTi等の活性金属と比較的低い
融点の合金から成る蝋材で直接ロウ付けする方法、特公
昭60−28790号、特開昭63−64982号、特
開昭63−107879号に開示されるように、セラミ
ックス粉末と有機樹脂とを混合し成形したグリーンシー
ト表面にスクリーン印刷法等によりWやMoを主成分と
するメタライズペーストを塗布したのち焼成してメタラ
イズとグリーンシートとを適宜積層して還元雰囲気中、
1450〜1700℃で同時に焼結させる方法(同時焼
結法)とが知られている。これらのうち、配線層が多層
に形成された積層集積回路基板の製造には、同時焼成法
が一般に用いられている。
るアルミナ質焼結体は、SiO2 、アルカリ土類酸化
物、希土類元素酸化物などの焼結助剤を10重量%以上
含有するためにアルミナ結晶粒子間には多量のガラス成
分が存在する。このようなアルミナ質焼結体の表面にタ
ングステン(W)、モリブデン(Mo)等の高融点金属
を主体とするメタライズ配線層を同時焼成によって形成
する場合、焼結体中のガラス成分が高融点金属粒子間へ
移動し、メタライズ配線層の焼結性を向上させ、メタラ
イズ配線層を絶縁基体に強固に接着させる役割を果た
す。
な発展により従来よりさらに高い絶縁抵抗、熱放散性に
加えて誘電損失(tanδ)が低いこと、絶縁基体表面
が平滑で有ること等が求められ、絶縁基体として、焼結
助剤をできるだけ減少させたアルミナ含有量が99重量
%を越える高純度のアルミナ質焼結体を用いることが求
められている。
焼結助剤量が10重量%を下回る場合、アルミナ結晶間
に介在するガラス成分の絶対量が少ないために、メタラ
イズ配線層の高融点金属粒子間へのガラス成分の移動量
が少なくなり、メタライズ配線層の焼結性が悪化するた
め、メタライズ層がポーラスとなりメタライズ配線層を
絶縁基板に強固に接着させることができにくいという問
題があった。例えば、特開昭63−64982号におい
ては、WにAl2 O3 やTaやSiO2 等を添加した組
成物を高純度アルミナ質グリーンシートに適用させるこ
とが記載されているが、その接着強度は3kg/mm2
以下であり実用的には不十分である。
イズ方法として、特開昭63−201079号、特開平
2−30688号、特開平3−40972号には、Mo
に対して、Al2 O3 やTiO2 などを添加した組成物
が記載されるが、いずれもアルミナ質焼結体に対して塗
布、焼き付けを行うものであって、同時焼成における上
記の問題については何ら検討されていない。
は、W,MoにNi、Ti,Zrなどの化合物を添加し
たペーストを塗布し同時焼成することが記載されるが、
適用されるアルミナ質グリーンシートは純度95%程度
のものであり、純度99%を越えるような焼結体に適用
されるものについては何ら検討されていない。
2 O3 )の含有量が多い高純度のアルミナ質焼結体に、
シート抵抗の低いメタライズ金属層を強固に形成被着さ
せることのできるメタライズ組成物を提供することを目
的とするものである。
ーンシートに塗布し、同時焼成してメタライズ層を形成
した際に、シート抵抗が低く、メタライズ金属層の接着
強度の高い配線基板の製造方法を提供することを目的と
するものである。
3 含有量が99.3重量%以上の高Al2 O3 含有の焼
結体に対して、特に同時焼成によりメタライズ層を形成
するに適したメタライズ組成物について検討を重ねた結
果、金属成分として、Moを50〜90体積%の割合で
含有し、添加成分として、Al2 O3 を10〜50体積
%、Nb化合物をNb2 O5 に換算して0〜5体積%の
割合で含むものであるが、Si、Ca、Naの含有量を
金属換算による合量で0.1重量%以下に低減した組成
物を用いることにより、上記目的が達成されることを知
見したものである。
の製造方法は、アルミナを99.3重量%以上含有する
絶縁基板用アルミナ質成形体の表面に、Mo50〜90
体積%と、Al2 O3 10〜50体積%と、所望により
Nb化合物をNb2 O5 に換算して5体積%以下の割合
で含み、且つSi、Ca、Naの含有量が金属換算によ
る合量で0.1重量%以下のメタライズ組成物を含むペ
ーストを配線パターンに印刷し、焼成することを特徴と
するものであり、特に、焼成後のメタライズ層とアルミ
ナ質焼結体との界面の表面粗さRmaxが100nm以
上であることを特徴とするものである。
含有するアルミナ質焼結体へのメタライズ組成物におけ
る金属成分として、モリブデンを選択することにより、
メタライズ層の焼結性を改善し高周波での抵抗値を低下
させることができる。
a、Naの含有量を0.1重量%以下に低減することに
より前記高純度Al2 O3 質焼結体との密着強度が向上
する事ができる。これは不純物を低減したことにより、
モリブデン中に添加したAl2O3 の焼結性が向上し、
添加したAl2 O3 と基板のAl2 O3 が強固に結合す
ると同時に、Al2 O3 のアンカー効果によりAl2 O
3 とモリブデンが強固に結合することによるものと考え
られる。
を添加すると活性な金属成分であるニオブがAl2 O3
とモリブデンとの結合をさらに強固にすることができ、
メタライズ層のAl2 O3 質焼結体への密着強度を高め
ることができる。
ミナ質焼結体を絶縁基板とする配線基板の製造におい
て、アルミナ質焼結体と同時焼成によって形成すること
ができるために、配線基板の多層配線化が可能である。
は、Moを主成分とすることが重要である。
は一般にタングステンが用いられていた。しかし、高周
波特性に優れた高純度アルミナ基板では一般に含有して
いるガラス相成分が少ないため、これに対するメタライ
ズ組成物としてタングステンを用いると焼結性が低いた
めメタライズ層が多孔質となるために高抵抗となり、ま
た、メタライズ層の接着強度が小さく、剥がれやすい等
の問題があった。これに対して、モリブデンはタングス
テンに比較して低融点であり焼結性が高く高純度アルミ
ナ基板のメタライズに特に優れた特性を有している。
としてアルミナを10〜50体積%、特に20〜40体
積%の割合で添加する。これは、アルミナ量が10体積
%より少ないと、アルミナ質焼結体との密着性が不十分
となり、50体積%を越えると、メタライズ層の抵抗が
大きくなり配線層を形成するに不適当となるためであ
る。
の金属元素が金属換算による合量で0.1重量%以下、
特に0.05重量%以下であることが望ましい。これら
の金属成分量は主として添加するアルミナより不純物成
分として混入する成分であり、これらの成分が0.1重
量%を越えると、添加したAl2 O3 によりモリブデン
の焼結を妨げ、メタライズ層が多孔質になってしまう。
これらの金属成分量が0.1重量%以下であれば、添加
したアルミナはモリブデンの焼結を妨げることなく自ら
焼結して緻密質となり、緻密で強固なメタライズ層を形
成することができる。
オブ、あるいはニオブ化合物をNb2 O5 換算で0〜5
体積%、特に1〜4体積%の割合で添加することができ
る。
にするものであり、特に基板に対して強固な結合が必要
な、例えばピン、リード等の金具の取付が必要な部分に
ついて適用することができる。なお、添加するニオブ化
合物としては、金属粉末、炭化物、窒化物、酸化物、硼
化物、水素化物であってもよい。もっとも好ましいのは
分解生成物が周囲に影響を与えないことから窒化物(N
bN)である。
2〜3μmのモリブデン粉末と、平均粒径が0.5〜
1.2μmのアルミナ粉末と、所望により平均粒径が3
〜4μmのニオブ粉末、あるいはニオブ化合物粉末を用
いて調合する。その際、本発明によれば、メタライズ組
成物中のSi、Ca、Naの含有量を金属換算による合
量で0.1重量%以下に制御するためには、アルミナ粉
末として純度が99.9%以上の粉末を用いることが必
要である。
粉末中の酸素含有量が3重量%以下であることが望まし
い。これは、導体抵抗が高くなるのを防止するためのも
ので、この酸素含有量が3重量%を越えると、導体の抵
抗値が高くなり特に高周波用途においては実用上問題が
生じる傾向にある。
アルミナ含有量が99.3重量%以上、特に99.5重
量%以上のアルミナ質焼結体に対して、適用されるもの
であり、該アルミナ質焼結体のアルミナ以外の成分とし
ては、焼結助剤や原料や製造時の工程中に混入する不純
物成分等である。焼結助剤成分としては、アルカリ金
属、アルカリ土類金属、希土類元素、Ti、Zr、S
i、周期律表第8族の群から選ばれる少なくとも1種の
元素の化合物、特に酸化物から構成され、これら焼結助
剤は、0.7重量%以下、特に0.1〜0.5重量%の
割合で含有される。
線基板における絶縁基体として用い、特に、1GHz〜
100GHzの高周波帯においても良好な特性、具体的
には1〜10GHz帯域における誘電正接(tanδ)
が1×10-3以下付近の値を有するものである。
記高純度アルミナ質焼結体を絶縁基板とする配線基板の
製造方法について説明する。まず、絶縁基板として、ア
ルミナ粉末99.3重量%以上、前述した焼結助剤を
0.7重量%以下の割合で添加した混合粉末に溶媒等を
添加混合してスラリーを調製し、これをドクターブレー
ド法、カレンダーロール法、圧延法、あるいは混合粉末
をプレス成形して適当な厚みのシート状成形体(グリー
ンシート)を作製する。この時、シート状成形体におけ
るSiO2 含有量が0.5重量%以下、特に0.25重
量%以下であることが望ましい。これは、SiO2 量が
0.5重量%を越えるとtanδが高くなり、高周波で
の伝送特性が劣化しやすいためである。
混合粉末にアクリル樹脂、エチルセルロースやニトロセ
ルロースなどの公知のバインダーと、ジブチルフタレー
トなどの公知の可塑剤、その他、消泡剤、界面活性剤等
を溶剤とともに適宜添加して混合してメタライズペース
トを調製する。
リーンシートの表面にスクリーン印刷法、グラビア印刷
法等により配線パターン状に印刷する。また、場合によ
ってはグリーンシートにスルーホールを形成し、そのホ
ール内に上記ペーストを充填した後、複数のグリーンシ
ートを積層一体化する。
囲気中、好ましくは加湿窒素水素混合雰囲気中で145
0〜1700℃の温度で焼成し、グリーンシートとメタ
ライズペーストとを同時に焼成することにより多層の配
線基板を作製できる。
成して形成されたメタライズ層と高純度アルミナ質焼結
体からなる絶縁基板との界面の表面粗さ(Rmax)は
100nm以上、特に300nm以上であることが望ま
しい。これは、図1に示すように、本発明によるメタラ
イズ層1と高純度アルミナ質焼結体2の接着が、メタラ
イズ中のAl2 O3 粒子3と焼結体中のAl2 O3 粒子
4とが結合し凹凸を形成することによるアンカー効果で
Moメタライズ層を強固に結合するためで、界面の表面
粗さとは、図2に示すように、メタライズ層と焼結体と
の界面断面における金属成分の凹凸部の幅である。従っ
て、この表面粗さが100nmより小さいとアンカー効
果が十分でなく、高い密着強度は期待できないのであ
る。
成部位によってメタライズ層中のAl2 O3 の含有量を
前記範囲内で種々調整することが望ましい。例えば、図
2の多層配線基板5において、内部配線層6用としては
配線層の抵抗を下げるため特に10〜20体積%、基板
の表面に露出した配線層7では基板との密着強度を重視
して特に20〜30体積%、半田やロー材等の接着材8
により金具9等の取り付けを行う配線層10では特に3
0〜50体積%が好適に用いられる。また、スルーホー
ル11と接続するランド部12では、密着強度と導体抵
抗の点で特に20〜30体積%が好適に用いられる。
向上させるために、メタライズ組成物中のモリブデン粉
末の平均粒径が1μm以下の微粒のものを用いるのが望
ましい。
や、金具9が取付られる配線層10の表面には、耐食性
を向上させたり、ロウ材や半田との濡れ性を向上させて
金具の接合強度を高めるために、ニッケル(Ni)、金
(Au)等の良導電性で耐蝕性に優れた金属を電解メッ
キ、無電解メッキ等の手段により0.1〜10μmの厚
みで形成される。
%のモリブデン(Mo)粉末と、純度が99.9〜9
9.95%、BET比表面積12m/gの種々のAl2
O3 粉末を表1に示す割合になるように秤量し、これに
有機溶剤、溶媒を添加し混練機で10時間混練し、メタ
ライズペーストを得た。
ための比較試料であり、従来一般に使用されているWま
たはReを主成分とするメタライズペーストである。
9%のアルミナ粉末に、焼結助剤としてSiO2 、Mg
Oを2:1の重量比で0.3重量%添加した混合物に有
機樹脂、溶媒を加えて24時間ボールミルにより混合し
てスラリーを調製し、これを用いてドクターブレード法
によりグリーンシートを作製した。
面に、先に調製したメタライズペーストを1.5mm
角、厚さ20μmのパターン20個をスクリーン印刷法
により印刷した。次に、これを還元雰囲気(窒素/水素
混合雰囲気)中で約1550℃の温度で同時焼成しアル
ミナ質焼結体の表面にメタライズ金属層を形成した基板
を得た(試料番号3〜12)。なお、得られたアルミナ
質焼結体の組成を分析した結果、Al2 O3 99.6重
量%であった。
定)得られた試料をカットして断面をポリッシングしメ
タライズ層とAl2 O3 質焼結体との界面の組織を観察
し、メタライズ層の緻密性を評価するとともに、界面の
表面粗さを測定し表1に示した。測定の方法は、図1に
従った。
タライズ金属層に1.0mm角、長さ40.0mmの4
2Alloy(Fe−Ni合金)から成る金属柱の一端
を銀ロウ(Ag:72%、Cu:28%)を介してロウ
付けし、しかる後、金属柱のロウ付け部と反対の端を垂
直方向に引っ張り、メタライズ配線層がアルミナ質焼結
体から剥がれた際の引っ張り強度を調べ、その平均値を
メタライズ金属層の接着強度として算出し表1に示し
た。なお、前記メタライズ金属層に金属柱をロウ付けす
る際には、メタライズ金属層の外表面に厚さ1.0μm
のNiメッキ層を形成した。
と同様の方法によりアルミナ質焼結体表面に長さ30.
0mm、幅3.0mm、厚さ20μmのメタライズ金属
層を20個、形成被着させるとともに各々の金属層のシ
ート抵抗を測定し、その平均値を各メタライズ金属のシ
ート抵抗値として算出し、結果を表1に示した。
用いられているWまたはReメタライズ組成物を用いた
試料No.1、2では、高純度アルミナ質焼結体に対する
接着強度はいずれも1kg/mm2 以下であった。Mo
メタライズ組成物では接着強度が改善されるが、メタラ
イズ組成物中にAl2 O3 を添加しない試料No.3で
は、シート抵抗は低いが接着強度は3kg/mm2 程度
と実用上は不十分であった。また、Al2 O3 の添加量
が50体積%を越える試料No.8では接着強度は高いが
シート抵抗が高くなった。また、組成物中におけるS
i、Ca、Naの合計量が0.1重量%を越える試料N
o.9では接着強度が低下した。
o.4〜7、10〜12では、いずれも接着強度5kg/
mm2 以上、シート抵抗15mΩ/mm2 以下の良好な
特性のメタライズ層が形成できた。しかも、メタライズ
層とアルミナ質焼結体との界面の表面粗さRmaxは1
00nm以上であり、アンカー効果による効果が確認さ
れた。
%のモリブデン(Mo)粉末に対して、純度が99.9
5%でBET比表面積12m/gのAl2 O3粉末、平
均粒径が2〜3μmのNb2 O5 、NbN、NbCの各
粉末を用いて、表2に示す割合になるように秤量し、こ
れに有機溶剤、溶媒を添加し混練機で10時間混練し、
メタライズペーストを得た。
したのと同じアルミナ質グリーンシートの夫々の外表面
に、1.5mm角、厚さ20μmのパターン20個をス
クリーン印刷法により印刷し、実施例1と同様な条件で
焼成した。
して、メタライズ層の緻密性を観察し、さらに界面の表
面粗さ、メタライズ層の接着強度、メタライズ層のシー
ト抵抗を測定し、結果を表2に示した。
物が無添加の実施例1の試料No.5では、接着強度7k
g/mm2 、シート抵抗11mΩ/mm2 に対して、N
b化合物を添加することにより、接着強度が高くなり最
高で11kg/mm2 が達成されたが、Nb化合物の添
加量が多くなると基板の変形が観察され、Nb化合物の
含有量が5体積%を越える試料No.16では、変形が大
きく使用に耐えないものであった。
ズ組成物は、特に高周波用として好適に使用されるアル
ミナを99.3重量%以上含有する高純度のアルミナ質
焼結体に対して、低いシート抵抗と高い密着強度を有す
るメタライズ層を形成することができ、特に高純度のア
ルミナ質焼結体との同時焼成によりメタライズ層を形成
することができる。そのため、高周波用の多層配線基板
として、セルラー電話、パーソナルハンディホンシステ
ム、各種衛星通信用の回路基板及び、半導体素子を収容
する半導体素子収納用パッケージや回路配線導体を有す
る回路基板等の電子部品に好適に使用され、それらの部
品の信頼性を高めることができる。
ズ層と焼結体との界面組織の模写図である。
の断面図である。
Claims (3)
- 【請求項1】Al2 O3 を99.3重量%以上含有する
アルミナ質セラミックスにメタライズ層を形成するため
のメタライズ組成物であり、Mo50〜90体積%と、
Al2 O3 10〜50体積%と、Nb化合物をNb2 O
5 に換算して0〜5体積%の割合で含み、且つSi、C
a、Naの含有量が金属換算による合量で0.1重量%
以下であることを特徴とするメタライズ組成物。 - 【請求項2】アルミナを99.3重量%以上含有する絶
縁基板用アルミナ質成形体の表面に、Mo50〜90体
積%と、Al2 O3 10〜50体積%と、Nb化合物を
Nb2 O5 に換算して0〜5体積%の割合で含み、且つ
Si、Ca、Naの含有量が金属換算による合量で0.
1重量%以下のメタライズ組成物を含むペーストを配線
パターンに印刷し、焼成することを特徴とする配線基板
の製造方法。 - 【請求項3】焼成後のメタライズ層とアルミナ質焼結体
との界面の表面粗さRmaxが100nm以上である請
求項2記載の配線基板の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP30950595A JP3411140B2 (ja) | 1995-11-28 | 1995-11-28 | メタライズ組成物およびそれを用いた配線基板の製造方法 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2000077805A (ja) * | 1998-08-31 | 2000-03-14 | Kyocera Corp | 配線基板およびその製造方法 |
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JP2018206849A (ja) * | 2017-05-31 | 2018-12-27 | 日本特殊陶業株式会社 | セラミック配線基板及びその製造方法 |
-
1995
- 1995-11-28 JP JP30950595A patent/JP3411140B2/ja not_active Expired - Fee Related
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