JPH09191063A - 回路基板、その製造方法、電子デバイス実装体およびグリーンシート - Google Patents

回路基板、その製造方法、電子デバイス実装体およびグリーンシート

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JPH09191063A
JPH09191063A JP204296A JP204296A JPH09191063A JP H09191063 A JPH09191063 A JP H09191063A JP 204296 A JP204296 A JP 204296A JP 204296 A JP204296 A JP 204296A JP H09191063 A JPH09191063 A JP H09191063A
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glass
layer
conductor
conductor metal
circuit board
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JP204296A
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Masahide Okamoto
正英 岡本
Shoichi Iwanaga
昭一 岩永
Masato Nakamura
真人 中村
Shosaku Ishihara
昌作 石原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】ガラスセラミックスと導体層との接合性、表裏
面導体層と入出力ピンや他の電子部品接続のための薄膜
導体層、金属めっき層もしくはろう剤との接合性が共に
良好で、導体層の固有抵抗も導体金属本来のそれに近
く、充分に低いガラスセラミック多層回路基板を提供す
る。 【解決手段】ガラスセラミックス4のガラス中に微量溶
け込ませ、導体金属1が焼結緻密化するより低温で導体
金属中に流動できる程度の軟化点を有する低融点ガラス
層を界面に形成し得る物質を、導体金属1に添加した導
体ペーストを用いて導体金属/ガラスセラミック回路基
板を作製する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体部品を取り
付けたり、電気信号の入出力のためのピンを取り付けて
機能モジュールを構成するのに好敵な多層回路基板およ
びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】回路基板は、その内部、表面に導体から
なる配線回路が形成されている。そして、表面に形成さ
れている配線回路のうち、他の電子部品の端子(あるい
は、他の電子部品と接続するための入出力用ピン)が接
合される部分は、パッドとされている。電気信号入出力
用ピンの取り付け等は、パッドに、薄膜導体層、金属め
っき層等を介してろう付けすることで行われている。
【0003】配線回路間を絶縁する絶縁体が、ガラスセ
ラミックスでできている場合、配線回路を構成する導体
(通常は、銅)と、絶縁体と、の接合力が一般に弱い。
そのため、両者の接合(接着)性について様々な検討が
なされてきた。
【0004】また、接合性を改善するための技術も提案
されてきた。
【0005】例えば、特開平6−204656号公報に
は、添加物の無い純金属導体層とセラミック基板とを接
合した場合でも、高い接合強度が得られることを述べて
いる。そして、その理由として、接合界面付近で導体金
属とセラミックス中の金属との合金層が形成されること
を挙げている。
【0006】特公平5−63110号公報には、チタネ
ート系カップリング剤を銅ペーストに添加することで、
銅導体層とガラスセラミックスとの接着性を向上させる
技術が開示されている。
【0007】特開平4−367575号公報には、アル
ミニウム等の金属を銅ペーストに添加することで、銅導
体層とガラスセラミックスとの接着性を向上させる技術
が開示されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかし、特開平6−2
04656号公報に記載されている事実は、銅導体とガ
ラスセラミックスとを接着する場合には、あてはまるも
のではなかった。
【0009】また、特公平5−63110号公報、特開
平4−367575号公報に記載の技術は、銅導体とガ
ラスセラミックスとの接着強度を高めることはできるも
のの、逆に、銅導体でできたパッドへのピンの取り付け
が困難になるという問題があった。これは、先行技術に
おいて銅ペーストに添加している無機物は、ろう剤、め
っき金属との接着性が低いものであり、パッドの表面に
はこれらの無機物が露出しているからである。
【0010】本発明は、ガラスセラミックスとの接合性
(接着性)が良好で、かつ入出力ピンや他の電子部品接
続のための薄膜導体層、金属めっき層もしくはろう剤と
の接合性(接着性)も良好な導体金属(主に銅)部を有
する回路基板およびその製造方法を提供することを目的
とする。また、このような回路基板の材料となるグリー
ンシートを提供することを目的とする。さらに、このよ
うな回路基板とこれに搭載された電子デバイスとを含ん
で構成される電子デバイス実装体を提供することを目的
とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するためになされたもので、その第1の態様は、導体
金属部とガラスセラミックスからなる絶縁体部とから構
成され、導体金属とガラスセラミックスの界面が導体金
属側から順に、導体金属と微量添加物の混合物層、導体
金属と低融点ガラスの混合物層、低融点ガラス層および
ガラスセラミック層、もしくは、導体金属と微量添加物
の混合物層、導体金属と低融点ガラスの混合物層および
ガラスセラミック層、からなること、を特徴とする回路
基板が提供される。
【0012】前記導体ペーストに添加する物質、すなわ
ち微量添加物の添加量は、前記導体金属に対して5体積
%以下であることが好ましい。
【0013】前記導体金属は、ガラスセラミックスのよ
うな低温焼結絶縁材料との組み合わせから低電気抵抗の
銅、金、銀とパラジウムの合金等が一般的である。低電
気抵抗、低価格の観点から、特に銅が好ましい。
【0014】前記ガラスセラミックス、微量添加物、低
融点ガラスの組み合わせとしては、例えば、前記ガラス
セラミックスが、SiO2が84wt%、B23が9w
t%、Al23が3wt%、K2Oが4wt%の組成か
らなるホウケイ酸ガラス70体積%とムライト30体積
%とから構成され、前記微量添加物がガラス中でNa2
OとなるようなNa塩であり、前記低融点ガラスがNa
2OおよびK2Oを含有するもの等がある。Na塩として
は、炭酸ナトリウム、硫酸ナトリウム、硝酸ナトリウム
等が使用可能である。
【0015】導体金属粉末および微量添加物粉末の平均
粒径は、5μm以下とすることが望ましい。
【0016】本発明の第2の態様は、ガラスセラミック
スより導体金属の方が低温で焼成収縮する導体金属/ガ
ラスセラミック回路基板において、ガラスセラミックス
のガラス中に微量溶け込むことによって、導体金属が焼
結緻密化するより低温で前記導体金属中に流動できる程
度の軟化点を有する低融点ガラス層を導体金属/ガラス
セラミックス界面に形成し得る物質を、前記導体金属に
添加した導体ペーストで形成した導体層を有することを
特徴とする回路基板が提供される。
【0017】前記導体ペーストに添加する物質、すなわ
ち微量添加物の添加量は、前記導体金属に対して5体積
%以下であることが好ましい。
【0018】前記導体金属は、ガラスセラミックスのよ
うな低温焼結絶縁材料との組み合わせから低電気抵抗の
銅、金、銀とパラジウムの合金等が一般的である。低電
気抵抗、低価格の観点から、特に銅が好ましい。
【0019】前記ガラスセラミックス、微量添加物、低
融点ガラスの組み合わせは、例えば、前記ガラスセラミ
ックスが、SiO2が84wt%、B23が9wt%、
Al23が3wt%、K2Oが4wt%の組成からなる
ホウケイ酸ガラス70体積%とムライト30体積%とか
ら構成され、前記微量添加物がガラス中でNa2Oとな
るようなNa塩であり、前記低融点ガラスがNa2Oお
よびK2Oを含有するもの等がある。前記本発明の第2
の態様に示されるように作用するものの組み合わせであ
れば何でもよい。ただし、ガラスセラミックスは銅
(金、銀パラジウム)の融点以下で焼結できる必要があ
る。Na塩としては、炭酸ナトリウム、硫酸ナトリウ
ム、硝酸ナトリウム等が使用可能である。
【0020】導体金属粉末および微量添加物粉末の平均
粒径は、5μm以下とすることが望ましい。
【0021】本発明の第3の態様は、上述した回路基板
と、前記回路基板の表面に形成された導体金属層の上に
配置されたろう剤と、上記ろう剤によって前記回路基板
に固定された、導体からなるピンと、を有することを特
徴とする回路基板が提供される。
【0022】本発明の第4の態様は、上述した回路基板
と、前記回路基板に搭載された半導体素子と、を含んで
構成される電子デバイス実装体が提供される。
【0023】本発明の第5の容態は、その表面に導体ペ
ーストを印刷して導体層を形成したグリーンシートにお
いて、前記導体ペーストが、ガラスセラミックスより導
体金属の方が低温で焼成収縮する導体金属/ガラスセラ
ミック回路基板において、ガラスセラミックスのガラス
中に微量溶け込むことによって、導体金属が焼結緻密化
するより低温で前記導体金属中に流動できる程度の軟化
点を有する低融点ガラス層を導体金属/ガラスセラミッ
クス界面に形成し得る物質を、前記導体金属に対して5
体積%以下添加したものであること、を特徴とするグリ
ーンシートが提供される。
【0024】前記導体金属は、ガラスセラミックスのよ
うな低温焼結絶縁材料との組み合わせから低電気抵抗の
銅、金、銀とパラジウムの合金等が一般的である。低電
気抵抗、低価格の観点から、特に銅が好ましい。
【0025】前記ガラスセラミックス、微量添加物、低
融点ガラスの組み合わせとしては、例えば、前記ガラス
セラミックスが、SiO2が84wt%、B23が9w
t%、Al23が3wt%、K2Oが4wt%の組成か
らなるホウケイ酸ガラス70体積%とムライト30体積
%とから構成され、前記微量添加物がガラス中でNa2
OとなるようなNa塩であり、前記低融点ガラスがNa
2OおよびK2Oを含有するもの等がある。前記本発明の
第2の態様に示されるように作用するものの組み合わせ
であれば何でもよい。ただし、ガラスセラミックスは銅
(金、銀パラジウム)の融点以下で焼結できる必要があ
る。Na塩としては、炭酸ナトリウム、硫酸ナトリウ
ム、硝酸ナトリウム等が使用可能である。
【0026】導体金属粉末および微量添加物粉末の平均
粒径は、5μm以下とすることが望ましい。
【0027】本発明の第6の態様は、グリーンシートを
位置合わせして積層し、これを焼結することを特徴とす
る回路基板の製造方法が提供される。
【0028】導体金属部とガラスセラミックスからなる
絶縁体部とから構成される回路基板において、導体金属
とガラスセラミックスの界面が導体金属側から順に、導
体金属と微量添加物の混合物層、導体金属と低融点ガラ
スの混合物層、低融点ガラス層およびガラスセラミック
層、もしくは、導体金属と微量添加物の混合物層、導体
金属と低融点ガラスの混合物層およびガラスセラミック
層、からなると、導体金属と低融点ガラスの混合物層に
おいて、微細で入り組んだアンカを形成するため、著し
い接着性向上が見られる。
【0029】これは、ガラスセラミックスより導体金属
の方が低温で焼成収縮する導体金属/ガラスセラミック
回路基板で、導体ペーストに微量添加した物質が、導体
金属/ガラスセラミックス界面でガラスセラミックスの
ガラス中に微量溶け込むことによって、低融点ガラス層
を形成し、この低融点ガラスが、導体金属が焼結緻密化
するより低温で前記導体金属中に流動し、微細で入り組
んだアンカを形成するためである。本発明の導体金属と
ガラスセラミックスの界面の説明図を図1に示した。
【0030】なお、ガラスセラミックスとは、(1)非
晶質のガラス粉末と結晶性の耐火物粉末とを混合して焼
成したもの、(2)ガラス粉末を焼結後、さらに熱処理
することにより、ガラス中に微細な結晶を析出させたも
のの両方を含めた意味で用いている。
【0031】導体ペーストに添加する物質、すなわち微
量添加物の添加量は、前記導体金属に対して5体積%以
下であることが好ましい。この5体積%という上限は、
焼成後の導体金属部の固有抵抗が導体金属本来のそれに
近く、充分に低くなるようにとの観点から、また入出力
ピンや他の電子部品接続のための薄膜導体層、金属めっ
き層もしくはろう剤との接合性(接着性)も良好となる
ために、表面のほぼ全面に金属が露出しているようにと
の観点から、決定されたものである。
【0032】導体金属は、ガラスセラミックスのような
低温焼結絶縁材料との組み合わせから低電気抵抗の銅、
金、銀とパラジウムの合金等が一般的である。低電気抵
抗、低価格の観点から、特に銅が好ましい。
【0033】ガラスセラミックス、微量添加物、低融点
ガラスの組み合わせは、例えば、ガラスセラミックス
が、SiO2が84wt%、B23が9wt%、Al2
3が3wt%、K2Oが4wt%の組成からなるホウケイ
酸ガラス70体積%とムライト30体積%とから構成さ
れ、微量添加物がガラス中でNa2OとなるようなNa
塩であり、低融点ガラスがNa2OおよびK2Oを含有す
るもの等が使用可能である。Na塩としては、炭酸ナト
リウム、硫酸ナトリウム、硝酸ナトリウム等が使用可能
である。この場合は、導体ペーストに微量添加したNa
塩が、導体金属/ガラスセラミックス界面で、ガラスセ
ラミックスのホウケイ酸ガラス中に微量溶け込むことに
よって、Na2OおよびK2Oを両方とも含有する低融点
のホウケイ酸ガラス層を形成し(混合アルカリ効果)、
この低融点ガラスが、導体金属が焼結緻密化するより低
温で導体金属中に流動し、微細で入り組んだアンカを形
成する。
【0034】導体金属粉末および微量添加物粉末の平均
粒径は、添加物が微量でもアンカ効果が期待できるよう
に、5μm以下とすることが望ましい。
【0035】上述の回路基板を作製する方法は、回路の
形成しやすさ、取扱いの容易さなどからグリーンシート
法を用いるのが望ましい。
【0036】グリーンシートは、原料粉末と樹脂、溶剤
等を混合撹拌して得たスラリを脱気した後、グリーンシ
ート作製機によって作製される。この方法では、スラリ
の粘度及びドクターブレードの間隙等の調整によってグ
リーンシートの厚さを変えることが可能であるが、割れ
等のないシートを作るためにシートの厚さは0.1〜
1.0mmが望ましい。このシートを用途に応じて、穴
明け、導体ペースト充填、配線、パターンを印刷した
後、複数枚積層し、焼成する。
【0037】焼成雰囲気は、導体が酸化せず、樹脂が飛
散除去される非酸化性雰囲気もしくは真空中が望まし
い。雰囲気圧は、通常、常圧でよいが、必要に応じて加
圧してもよい。焼成温度は、900〜1050℃であ
る。焼結時間は、通常0.5〜3時間である。また焼成
時、通常積層基板を加圧しないが、必要に応じて加圧焼
成してもよい。
【0038】本発明の回路基板は、導体金属/ガラスセ
ラミックス界面に導体金属と低融点ガラスの混合物層を
有し、微細に入り組んだアンカ効果により、導体金属と
ガラスセラミックスとの接着性が良好である。
【0039】また、界面の低融点ガラス層は、導体金属
ペースト中に微量の添加物を添加するだけで形成される
ため、焼成後の導体金属部の固有抵抗が導体金属本来の
それに近く、充分に低く、また表面のほぼ全面に金属が
露出しているため、入出力ピンや他の電子部品接続のた
めの薄膜導体層、金属めっき層もしくはろう剤との接合
性(接着性)も良好である。
【0040】
【発明の実施の形態】以下、本発明を実施例によりさら
に具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定さ
れない。
【0041】(実施例1)まグリーンシートを作製する
ためのスラリを作る。
【0042】スラリは、平均粒径3μmのホウケイ酸ガ
ラス粉末63重量部と、平均粒径3μmのムライト粉末
37重量部と、メタクリル酸系のバインダを20重量部
と、トリクロルエチレン124重量部と、テトラクロル
エチレン32重量部と、n−ブチルアルコール44重量
部とを加え、ボールミルで24時間湿式混合して作製す
る。ここで使用したホウケイ酸ガラスの組成は、SiO
2が84wt%、B23が9wt%、Al23が3wt
%、K2Oを4wt%の組成からなるものである。次に
真空脱気処理により適当な粘度に調整することでスラリ
ができる。
【0043】このスラリを、ドクターブレードを用いて
シリコーンコートしたポリエステルフイルム上に0.5
mm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。
【0044】次にこのグリーンシートにポンチで直径1
60μmの孔(スルーホール)を450μmピッチで明
け、導体ペーストを印刷充填した。さらに導体ペースト
の印刷により、表面層、信号拡大層、シールド層、電源
拡大層、電源層、X、Y配線層、変換層および裏面層を
形成した。
【0045】スルーホールに充填する導体ペーストおよ
び表面層、信号拡大層、シールド層、電源拡大層、電源
層、X、Y配線層、変換層および裏面層の印刷に使用し
た導体ペーストは、平均粒径3μmの還元銅粉末を98
体積%、平均粒径3μmの炭酸ナトリウム粉末を2体積
%で配合し、この混合粉末100重量部に、エチルヒド
ロキシエチルセルロース30重量部、ブチルカルビトー
ルアセテート100重量部を加えたものを、30分間ら
いかい機にて混合し、その後、三本ロールを数回通して
混練し、適当な粘度に調整して作製した。
【0046】このようにして作製したグリーンシート6
0枚を位置合わせして積層した後、熱間プレスにより圧
着した。圧着条件は、温度130℃、圧力は150kg
f/cm2である。圧着後、脱脂のため100℃/hr
以下の昇温速度で昇温し、850℃で15時間保持し
た。雰囲気は銅を酸化させず、グリーンシートのバイン
ダを飛散除去できるN2+H2+H2O気流中である。そ
の後、雰囲気をN2中に変え、さらに1000℃で2時
間焼成した。
【0047】作製したガラスセラミック多層回路基板の
表裏面導体層とガラスセラミックスとの接着強度を調べ
たところ、ピール強度が20kgf/m、引張り強度が
800kgf/cm2以上と良好であった。またこの裏
面導体層にAuSnはんだを用いて、Cu製の電気信号
入出力用ピンをろう付けしたところ、ピンの接着性も良
好であった。
【0048】(実施例2)本実施例は、実施例1で作製
したガラスセラミック多層回路基板5を含んで構成され
る電子素子の実装体である。
【0049】実施例1で作製したガラスセラミック多層
回路基板5には、ライン配線10およびスルーホール6
が形成されている。このガラスセラミック多層回路基板
5の上面に、銅とポリイミドを用いて多層回路12を形
成した。さらに、LSIチップ14をはんだ13により
装着した。その後、この裏面導体層の上にAuSnはん
だを用いて、Cu製の電気信号入出力用ピンをろう付け
した。このようにして作製されたモジュールの内部構成
を図3に示した。このモジュールでは、LSIチップ1
4との高精度の接続が図られている。
【0050】絶縁材料11の機械的強度が大きいため、
ピン9のろう付け、LSIチップ14のはんだ付け等に
よるピン付け部周辺にはクラックは認められなかった。
また基板に反り、変形等は認められなかった。
【0051】(実施例3)本実施例は、実施例1で作製
したガラスセラミック多層回路基板5を含んで構成され
る電子素子の実装体である。
【0052】本実施例では、ガラスセラミック多層回路
基板5と、LSIチップ14と、の間に多層回路基板5
と同じ材質のキャリア基板15をはさんでいる。そし
て、キャリア基板15の上面端部およびLSIチップ1
4上面において、キャップ16をはんだ13により接合
することで、キャリア基板15を封止している。
【0053】ガラスセラミック多層回路基板5は、実施
例1で作製したものである。キャリア基板15の上面に
は実施例2と同様、薄膜多層配線12が形成されてい
る。LSIチップ14と多層回路基板5との接続は、実
施例2と同様、はんだ13によってなされている。
【0054】
【発明の効果】本発明によれば、導体金属部とガラスセ
ラミックスからなる絶縁体部とから構成される回路基板
において、導体金属部とガラスセラミックスとの接着性
および表裏面導体層と入出力ピンや他の電子部品接続の
ための薄膜導体層、金属めっき層もしくはろう剤との接
合性(接着性)を両立させることができる。
【0055】また、焼成後の導体金属の固有抵抗も導体
金属本来のそれに近く、充分に低い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の導体金属とガラスセラミックスの界面
の説明図。
【図2】本発明のガラスセラミック多層回路基板に電気
信号入出力用ピンを取り付けた状態を示す断面図。
【図3】本発明のガラスセラミック多層回路基板にLS
Iチップを実装した、電子素子の実装体の内部構造を示
す断面図。
【図4】本発明のガラスセラミック多層回路基板にLS
Iチップを実装した、電子素子の実装体の内部構造を示
す断面図。
【符号の説明】 1…導体金属、 2…微量添加物、 3…低融点ガラス、 4…ガラスセラミックス。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石原 昌作 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式 会社日立製作所生産技術研究所内

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】導体金属とガラスセラミックスからなる絶
    縁体部とから構成される回路基板において、前記導体金
    属と前記ガラスセラミックスの界面が前記導体金属側か
    ら順に、前記導体金属と微量添加物の混合物層、前記導
    体金属と低融点ガラスの混合物層、低融点ガラス層およ
    びガラスセラミック層、もしくは、前記導体金属と微量
    添加物の混合物層、前記導体金属と低融点ガラスの混合
    物層および前記ガラスセラミック層からなることを特徴
    とする回路基板。
  2. 【請求項2】ガラスセラミックスより導体金属の方が低
    温で焼成収縮する導体金属/ガラスセラミック回路基板
    において、前記ガラスセラミックスのガラス中に微量溶
    け込むことによって、前記導体金属が焼結緻密化するよ
    り低温で前記導体金属中に流動できる程度の軟化点を有
    する低融点ガラス層を導体金属/ガラスセラミックス界
    面に形成し得る物質を、前記導体金属に添加した導体ペ
    ーストで形成した導体層を有することを特徴とする回路
    基板。
  3. 【請求項3】請求項1または2において、前記導体ペー
    ストに添加する物質、すなわち微量添加物の添加量が、
    前記導体金属に対して5体積%以下である回路基板。
  4. 【請求項4】請求項1、2、または3において、前記導
    体金属の主成分が銅である回路基板。
  5. 【請求項5】請求項4において、前記ガラスセラミック
    スが、SiO2が84wt%、B23が9wt%、Al2
    3が3wt%、K20が4wt%の組成からなるホウケ
    イ酸ガラス70体積%とムライト30体積%とから構成
    され、前記微量添加物がガラス中でNa2Oとなるよう
    なNa塩であり、前記低融点ガラスがNa2OおよびK2
    Oを含有する回路基板。
  6. 【請求項6】請求項1、2、3、4または5に記載の回
    路基板と、前記回路基板の表面に形成された導体金属層
    の上に配置されたろう剤と、上記ろう剤によって前記回
    路基板に固定された、導体からなるピンと、を有するこ
    とを特徴とする回路基板。
  7. 【請求項7】請求項1、2、3、4、5または6記載の
    前記回路基板と、前記回路基板に搭載された半導体素子
    とを含んで構成される電子デバイス実装体。
  8. 【請求項8】表面に導体ペーストを印刷して導体層を形
    成したグリーンシートにおいて、前記導体ペーストが、
    ガラスセラミックスより導体金属の方が低温で焼成収縮
    する導体金属/ガラスセラミック回路基板において、前
    記ガラスセラミックスのガラス中に微量溶け込むことに
    よって、前記導体金属が焼結緻密化するより低温で前記
    導体金属中に流動できる程度の軟化点を有する低融点ガ
    ラス層を導体金属/ガラスセラミックス界面に形成し得
    る物質を、前記導体金属に対して5体積%以下添加した
    ものであることを特徴とするグリーンシート。
  9. 【請求項9】請求項8に記載の前記グリーンシートを位
    置合わせして積層し、これを焼結する回路基板の製造方
    法。
JP204296A 1996-01-10 1996-01-10 回路基板、その製造方法、電子デバイス実装体およびグリーンシート Pending JPH09191063A (ja)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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