JPH11177238A - ガラスセラミックス多層基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 キャビティ部周辺の変形を防ぎ、かつ製造工
数を低減し、生産性を向上することができるガラスセラ
ミックス多層基板の製造方法を提供する。 【解決手段】 ガラスセラミックスのグリーンシート積
層体１のキャビティ部２の内部にＡｌ₂ Ｏ₃ 粉末を主と
して含有するペーストを充填し乾燥させ充填層３を形成
する工程と、グリーンシート積層体１の上下両面にＡｌ
₂ Ｏ₃ 粉末を主として含有するＡｌ₂ Ｏ₃ グリーンシー
ト４および５を配置する工程と、グリーンシート積層体
１の上下両面にＡｌ₂ Ｏ₃ グリーンシート４および５を
配置した後、グリーンシート積層体１の上下面に圧力を
負荷しながら焼成を行なう工程とを含んでいる。このた
め、キャビティ部２の内部に充填するＡｌ₂ Ｏ₃ 粉末を
含有するペーストの固形分比率をコントロールすること
により、焼成時にキャビティ部を含むガラスセラミック
ス積層体の全面において、均一な加圧力の負荷が可能と
なる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガラスセラミック
ス多層基板の製造方法に関し、特にエレクトロニクス用
セラミックパッケージおよび回路基板として用いられる
ガラス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】半導体装置において、ＩＣチップやＬＳ
Ｉチップ等の半導体素子は、基板に設けられた半導体素
子搭載部に実装されて実用に供されている。アルミナ等
のセラミックスは耐熱性、耐久性、熱伝導性等に優れる
ため、この基板の材料として適しており、セラミック製
の半導体基板は現在盛んに使用されている。

【０００３】しかしながら、アルミナ基板は、比誘電率
が比較的大きいため伝送信号の遅延を生じさせ、また熱
膨張係数がシリコンに比べて大きいため、部品を搭載し
たときの温度変化に対する信頼性を確保するのが困難で
あるという問題があった。さらに、アルミナの焼成温度
は約１６００℃と高いため、内層の配線として融点が高
くかつ電気抵抗率の大きいＷまたはＭｏを使用する必要
があり、配線を微細にした場合、配線の電気抵抗値が大
きくなるという問題があった。

【０００４】このため、Ａｇ、Ｃｕ等の低抵抗配線材料
と同時焼成を行うことができる低温焼成セラミックス基
板の開発が進められており、その中でも比誘電率が比較
的小さいので伝送損失が小さく、かつ熱膨張率がシリコ
ンに近いため、フリップチップ方式による搭載が可能な
ガラスを含有するガラスセラミックス基板が注目されて
いる。このガラスセラミックス基板に用いられるガラス
材料としては、ホウ珪酸系ガラス、ＭｇＯ−Ａｌ₂ Ｏ₃
−ＳｉＯ₂ 系ガラス、ＣａＯ−Ａｌ₂ Ｏ₃ −ＳｉＯ₂ 系
ガラス等が挙げられ、通常、これらのガラス粉末に骨材
を添加した原料を用いてガラスセラミックス基板が製造
される。

【０００５】また、このようなガラスセラミックス基板
は、基板サイズを縮小し、搭載ボードへの搭載密度を向
上させ、さらに電気特性を向上させるため、一般に複数
枚のガラスセラミックスのグリーンシートを積層および
焼成してガラスセラミックス多層基板が製造される。さ
て、ＬＳＩ等が高速になり、高密度になるにしたがい、
セラミックス基板に搭載されるＬＳＩ等とセラミックス
基板に形成された配線とのボンディング法は、従来のワ
イヤボンディング法からマルチチップ化や高密度な搭載
に適したＴＡＢ（Tape Automated Bonding) 方式または
フリップチップ方式が採用されるようになってきてい
る。したがって、ガラスセラミックス多層基板に対する
要求も基板自身の物性のみでなく、高密度な搭載に対応
することができるように基板の寸法や形状等についても
精密な制御技術が必要となってきている。

【０００６】このようなガラスセラミックス多層基板の
寸法等の制御を行う方法として、特表平５―５０３４９
８号公報には、ガラスセラミックスグリーンシートの積
層体の表裏両面にセラミックスからなる剥離層を配置
し、表裏両面から加圧しながら焼成した後、剥離層を除
去する方法が開示されている。前記公報においては、焼
結にともなう平面収縮が低減できることが記載されてい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特表平
５―５０３４９８号公報に開示される方法では、ガラス
セラミックスグリーンシートの積層体にキャビティ部が
形成されている場合、積層体両面に重ねるセラミックス
の剥離層を介して加圧するとき、キャビティ部の空隙に
より圧力が伝達されないため、キャビティ部周辺が焼成
時に変形を起こし、回路基板として実用不可能なものと
なる恐れがあった。

【０００８】そこで、特開平８―２４５２６８号公報に
おいては、キャビティ部を有するガラスセラミックス積
層体の焼結方法が開示されている。この方法では、キャ
ビティ部内にガラスセラミックス積層体よりも焼結温度
の高い無機成分からなる成形体層を形成し、その直上部
分にキャビティ部と同一体積のガラスセラミックス成形
体を配置することにより、キャビティ部とキャビティ部
以外の部分とを同じ体積比の積層構造にすることで、ガ
ラスセラミックスグリーンシート全体の焼成時の収縮挙
動を均一にしている。

【０００９】しかしながら、一般にガラスセラミックス
積層体には複数のキャビティ部が形成されており、この
キャビティ部内に正確に無機成分からなる成形体を形成
し、さらにこのキャビティ部直上の正しい位置にガラス
セラミックス成形層を配置するのは複雑な工程である。
このため、特開平８―２４５２６８号公報に開示される
方法では、製造工数が増大し、生産性が低下するという
問題があった。

【００１０】本発明は、このような問題を解決するため
になされたものであり、キャビティ部を有するガラスセ
ラミックス積層体の焼結時にキャビティ部周辺の変形を
防ぎ、かつ製造工数を低減し、生産性を向上することが
できるガラスセラミックス多層基板の製造方法を提供す
ることを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１記載の
ガラスセラミックス多層基板の製造方法によると、ガラ
スセラミックスのグリーンシート積層体のキャビティ部
内部にガラスセラミックスよりも焼結温度の高い無機成
分を主として含有するペーストを充填する工程と、グリ
ーンシート積層体の上下両面にガラスセラミックスより
も焼結温度の高い無機成分を主として含有する成形体を
配置する工程と、グリーンシート積層体の上下両面にこ
の成形体を配置した後、グリーンシート積層体の上下面
に圧力を負荷しながら焼成を行なう工程とを含む。

【００１２】本発明によるガラスセラミックス多層基板
の製造方法においては、ガラスセラミックスの原料とな
るガラス粉末や骨材となるセラミックス粉末をボールミ
ルに投入し、さらに粉砕用のボールと共に湿式媒を添加
し、適当な粒径になるように湿式混合粉砕を行うことに
より、ガラスセラミックスの原料粉末が得られる。この
後、前記の湿式媒を除去し、得られた原料粉末にバイン
ダ、分散剤、可塑剤、有機溶媒等を添加して湿式混合を
行い、スラリーを調製する。次に、このスラリーを用い
てドクターブレード法等によりガラスセラミックスグリ
ーンシートを作製する。その後、必要によりビアホール
等を形成し、前記のガラスセラミックスグリーンシート
に配線用の導体ペーストを印刷し、ビアホール部分に導
体ペーストを充填する。これらの工程により作製された
種々のガラスセラミックス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ことができる。

【００１３】ガラスセラミックスグリーンシートは、前
記のガラスセラミックスの原料粉末、有機溶媒、可塑剤
およびバインダ等から構成される。ガラスセラミックス
の原料粉末は、ホウ珪酸系ガラス、ＭｇＯ−Ａｌ₂ Ｏ₃
−ＳｉＯ₂ 系ガラス、ＣａＯ−Ａｌ₂ Ｏ₃ −ＳｉＯ₂ 系
ガラス等の粉末とＡｌ₂ Ｏ₃ 等の骨材の粉末を混合した
ものであり、有機溶媒としては、例えばトルエン、キシ
レン、アルコール類等が挙げられ、可塑剤としては、例
えばジブチルフタレート、ジオキシルフタレート等が挙
げられ、バインダとしては、例えばアクリル樹脂、ブチ
ラール樹脂等が挙げられる。これらの混合割合は、ガラ
スセラミックスの原料粉末１００重量部に対し、有機溶
媒が２０〜８０重量部、可塑剤が１〜５重量部、バイン
ダが５〜２０重量部が好ましい。ガラスセラミックスグ
リーンシート上に導体含有層を形成する場合、Ａｇ、Ｃ
ｕ、Ａｕ、Ａｇ−Ｐｄ等が導体材料として用いられる。

【００１４】グリーンシート積層体のキャビティ部内部
に充填するガラスセラミックスの焼結温度では焼結しな
い無機成分（以下、「ガラスセラミックスの焼結温度で
は焼結しない無機成分」を難焼結性無機成分という）を
主成分とするペーストは、例えば通常の印刷工程によ
り、任意のキャビティの位置に容易に充填することがで
きる。前記のペーストは、難焼結性無機成分の粉末、有
機溶媒、バインダ等から構成される。

【００１５】難焼結性無機成分としては、例えばＡｌ₂
Ｏ₃ 、ＡｌＮ、ＭｇＯ、ＺｒＯ₂ 、ＴｉＯ₂ 、ＢｅＯ、
ＢＮ、３Ａｌ₂ Ｏ₃ ２ＳｉＯ₂ 等が挙げられる。有機溶
媒としては、例えばトルエン、キシレン、アルコール類
等が挙げられ、バインダとしては、例えばエチルセルロ
ース樹脂、ニトロセルロース樹脂等が挙げられる。これ
らの混合割合は、難焼結性無機成分の粉末１００重量部
に対し、有機溶媒が２０〜８０重量部、バインダが５〜
２０重量部が好ましい。

【００１６】ガラスセラミックスのグリーンシート積層
体の上下両面に難焼結性無機成分を主成分とする成形体
を配置して、加圧しながら焼成することにより、グリー
ンシート積層体の平面方向にほとんど収縮しない、寸法
精度の良い焼結体が得られる。このとき、キャビティ部
内部に充填するペーストの難焼結性無機成分の固形分比
率をガラスセラミックス積層体の厚み方向の収縮率に適
合するように成分設計することにより、キャビティ部と
キャビティ部以外の部分との焼成後における厚みがほぼ
同一となるように制御することができる。

【００１７】前記のペーストの固形分比率をコントロー
ルすることにより、焼成時にキャビティ部を含むガラス
セラミックス積層体の全面において、均一な加圧力の負
荷が可能となるため、難焼結性無機粉末層によるガラス
セラミックス積層体の表面に対する拘束作用がキャビテ
ィ内部にも働き、ガラスセラミックス積層体全体におい
て、均一な焼結反応が進行すると考えられる。

【００１８】この結果、キャビティ部周辺の変形やキャ
ビティ部底部のクラックの発生を防止することができ、
焼結状態および形状の安定したキャビティ部を有する良
好な回路基板を得ることができる。さらに、簡便な工程
により寸法精度のよい回路基板を製造することができる
ので、製造工数を低減し、生産性を向上することができ
る。

【００１９】焼成後、キャビティ部に充填されている難
焼結性無機粉末は、例えば、微細なガラス粉末を用いる
一般のショットブラスト処理により、簡便に除去可能で
ある。キャビティ部に充填されている難焼結性無機粉末
のショットブラストによる除去性能を上げるためには、
難焼結性無機粉末の粒径をガラスセラミックスの原料粉
末の平均粒径の１／１０以上の大きさであることが望ま
しい。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の複数の実施例を図
面に基づいて説明する。 （第１実施例）本発明をＣａＯ−Ａｌ₂ Ｏ₃ −ＳｉＯ₂
系ガラスを用いたガラスセラミックス多層基板に適用し
た第１実施例について説明する。

【００２１】まず、ガラスセラミックスのグリーンシー
ト積層体の作製方法について述べる。ここで、ガラスセ
ラミックスの原料粉末は、ＣａＯ−Ａｌ₂ Ｏ₃ −ＳｉＯ
₂ −Ｂ₂ Ｏ₃ 系のガラス粉末６０ｗｔ％とＡｌ₂ Ｏ₃ 粉
末４０ｗｔ％とを混合した粉体状のセラミックスであ
り、平均粒径は約３．５μｍである。 ガラスセラミックス粉体にジオキシルフタレートの
可塑剤と、アクリル樹脂のバインダと、例えばトルエ
ン、キシレン、アルコール類等の溶剤とを加え、十分に
混練して粘度２０００〜４００００ｃｐｓのスラリーを
作製し、ドクターブレード法によって０．３ｍｍ厚の４
枚のガラスセラミックスグリーンシートを形成する。

【００２２】 打ち抜き型やパンチングマシーン等を
用いて、ガラスセラミックスグリーンシートを所望の形
状に加工し、また、複数の所定位置に例えば０．３ｍｍ
φのビアホールを打ち抜き形成し、各ビアホールにＡｇ
系導体材料を充填する。また、ガラスセラミックスグリ
ーンシートの表面あるいは裏面に内部配線用のＡｇ、Ａ
ｇ−Ｐｄ、Ａｇ−Ｐｔ、Ａｇ−Ｐｄ−Ｐｔ、Ｃｕ等の導
体ペーストをスクリーン印刷する。

【００２３】 それぞれのガラスセラミックスグリー
ンシートを積層して得られたガラスセラミックスのグリ
ーンシート積層体を１１０℃、１００ｋｇ／ｃｍ² の条
件で熱圧着して一体化する。 上記の〜により、図２に示すガラスセラミックスの
グリーンシート積層体１が得られる。図２において、グ
リーンシート積層体１はガラスセラミックスグリーンシ
ート１ａの積層体であり、キャビティ部２を有してい
る。グリーンシート積層体１の外形寸法は１００×１５
０ｍｍ角、キャビティ部２の寸法はＬ₁ ＝５ｍｍの５×
５ｍｍ角であり、グリーンシート積層体１は３０個のキ
ャビティ部２を有している。

【００２４】次に、上記の〜で作製されたグリーン
シート積層体１の焼結方法について説明する。 平均粒径が約０．３μｍのＡｌ₂ Ｏ₃ 粉末にエチル
セルロース樹脂をアルコール類で溶解したビヒクルを加
え、Ａｌ₂ Ｏ₃ 粉末の固形分比率が６９％となるＡｌ₂
Ｏ₃ 粉末を含有するペーストを作製する。ここで、固形
分比率が６９％となるＡｌ₂ Ｏ₃ 粉末を含有するペース
トは、特許請求の範囲に記載された「ガラスセラミック
スよりも焼結温度の高い無機成分を主として含有するペ
ースト」に相当する。

【００２５】 グリーンシート積層体１のキャビティ
部２にＡｌ₂ Ｏ₃ 粉末を含有するペーストをスクリーン
印刷法等により充填し、乾燥させ、図３に示すように、
充填層３を形成する。 予め、Ａｌ₂ Ｏ₃ 粉末に有機溶媒、アクリルバイン
ダ、可塑剤、分散剤を添加し、ボールミルにて混合して
スラリーとし、このスラリーを用いてドクターブレード
法によりＡｌ₂ Ｏ₃ グリーンシートを形成しておき、図
１に示すように、グリーンシート積層体１の上下両面に
Ａｌ₂ Ｏ₃ グリーンシート４および５を配置する。ここ
で、Ａｌ₂ Ｏ₃ グリーンシート４および５は、特許請求
の範囲に記載された「ガラスセラミックスよりも焼結温
度の高い無機成分を主として含有する成形体」に相当す
る。

【００２６】 図１に示すように、グリーンシート積
層体１の上下両面にＡｌ₂ Ｏ₃ グリーンシート４および
５を配置した後、グリーンシート積層体１の上下面に５
ｋｇ／ｃｍ² の圧力を負荷しながらグリーンシート積層
体１、充填層３、ならびにＡｌ₂ Ｏ₃ グリーンシート４
および５を電気式連続ベルト炉を使用して、空気中で９
００℃、２０分の保持条件で焼成する。なお、導体ペー
ストがＣｕの場合は還元または中性雰囲気で焼成する。

【００２７】 焼成後、ガラスセラミックス積層体の
キャビティ部および表面のＡｌ₂ Ｏ ₃ 粉末をガラスビー
ズのブラスト処理等により除去する。第１実施例におい
ては、ガラスセラミックスのグリーンシート積層体１の
キャビティ部２の内部に難焼結性のＡｌ₂ Ｏ₃ 粉末を主
として含有するペーストを充填し乾燥させ充填層３を形
成する工程と、グリーンシート積層体１の上下両面に難
焼結性のＡｌ₂ Ｏ₃ 粉末を主として含有するＡｌ₂ Ｏ₃
グリーンシート４および５を配置する工程と、グリーン
シート積層体１の上下両面にＡｌ₂ Ｏ₃ グリーンシート
４および５を配置した後、グリーンシート積層体１の上
下面に圧力を負荷しながら焼成を行なう工程とを含んで
いる。このため、キャビティ部２の内部に充填するＡｌ
₂ Ｏ₃ 粉末を含有するペーストの固形分比率をコントロ
ールすることにより、焼成時にキャビティ部を含むガラ
スセラミックス積層体の全面において、均一な加圧力の
負荷が可能となる。したがって、均一な焼結反応が進行
し、Ａｌ₂ Ｏ₃ 粉末除去後のキャビティ部周辺の変形、
割れを抑制することができ、キャビティ部底部は十分に
平坦となり、焼結時の水平方向の収縮を抑制することが
でき、良好な回路基板を得ることができる。さらに、簡
便な工程により寸法精度のよい回路基板を製造すること
ができるので、製造工数を低減し、生産性を向上するこ
とができる。

【００２８】（変形例）第１実施例においては、キャビ
ティ部２が一段である場合を示したが、何らこれに限定
されるものではなく、変形例では、図４に示すように、
キャビティ部２が複数段形成されている場合であって
も、第１実施例と同様に焼結させることができる。図４
には、第１実施例と実質的に同一構成部分に同一符号を
付す。ここで、キャビティ部２の寸法はＬ₂ ＝７ｍｍの
７×７ｍｍ角、およびＬ₃ ＝５ｍｍの５×５ｍｍ角であ
り、グリーンシート積層体１は３０個の二段のキャビテ
ィ部２を有している。

【００２９】（第２実施例）本発明の第２実施例による
ガラスセラミックス多層基板の製造方法について説明す
る。第２実施例では、第１実施例と同一構成のＣａＯ−
Ａｌ₂ Ｏ₃ −ＳｉＯ₂ 系ガラスを用いたガラスセラミッ
クス多層基板に本発明を適用し、第１実施例のの工程
で作製した固形分比率が６９％となるＡｌ₂ Ｏ₃ 粉末を
含有するペーストには、平均粒径が約１．０μｍのＡｌ
₂ Ｏ₃ 粉末を用いた。その他の工程は、第１実施例の
〜の工程、および第１実施例の〜の工程と同様で
ある。

【００３０】第２実施例では、焼成後、ガラスセラミッ
クス積層体のキャビティ部のＡｌ₂Ｏ₃ 粉末をガラスビ
ーズのブラスト処理により除去する工程において、第１
実施例と同一のブラスト条件で、第１実施例の１／２倍
以下の時間で処理することができる。第２実施例におい
ては、ガラスセラミックスのグリーンシート積層体のキ
ャビティ部内部に充填する難焼結性のＡｌ₂ Ｏ₃ 粉末の
粒径がガラスセラミックスの原料粉末の平均粒径の１／
１０以上の大きさである。このため、焼成後、キャビテ
ィ部に充填されているＡｌ₂ Ｏ₃ 粉末は、微細なガラス
粉末を用いる一般のショットブラスト処理により、簡便
に短時間で除去可能である。したがって、寸法精度のよ
い回路基板をさらに簡便に短時間で製造することができ
るので、製造工数をさらに低減し、生産性をさらに向上
することができる。

【００３１】（比較例）比較例によるガラスセラミック
ス多層基板の製造方法を図５を用いて説明する。第１実
施例と実質的に同一構成部分には同一符号を付す。第１
実施例で用いたのと同一のＣａＯ−Ａｌ₂ Ｏ₃ −ＳｉＯ
₂ 系ガラスを用いたガラスセラミックスのグリーンシー
ト１ａによりキャビティ部２を有するグリーンシート積
層体１を作製した。グリーンシート積層体１の上下面に
は、難焼結性のＡｌ₂ Ｏ₃ 粉末を主として含有するＡｌ
₂ Ｏ₃ グリーンシート４および５を配置し、キャビティ
部２に難焼結性のＡｌ₂ Ｏ₃ 粉末を主として含有するペ
ーストを充填することなく、後は第１実施例と同一の焼
成方法、条件で焼成した後、第１実施例と同一の方法で
表面のＡｌ₂ Ｏ₃ 粉末を除去した。その結果得られたガ
ラスセラミックスの焼結体は、キャビティ部底部に割れ
が生じており、実用不可能な焼結体となっていた。

【００３２】以上説明したように、本発明のガラスセラ
ミックス多層基板の製造方法によれば、ガラスセラミッ
クスのグリーンシート積層体のキャビティ部内部に難焼
結性無機成分を主として含有するペーストを充填する工
程と、グリーンシート積層体の上下両面に難焼結性無機
成分を主として含有する成形体を配置する工程と、グリ
ーンシート積層体の上下両面にこの成形体を配置した
後、グリーンシート積層体の上下面に圧力を負荷しなが
ら焼成を行なう工程とを含んでいる。このため、ペース
トの固形分比率をコントロールすることにより、焼成時
にキャビティ部を含むガラスセラミックス積層体の全面
において、均一な加圧力の負荷が可能となり、キャビテ
ィ部底部の平坦性、ならびにキャビティ部周辺の変形お
よび割れを抑制し、焼結中の水平方向の収縮を抑制する
ことができるので、緻密に焼結させることができる。し
たがって、焼結状態および形状の安定したキャビティ部
を有する良好な回路基板を得ることができる。さらに、
簡便な工程により寸法精度のよい回路基板を製造するこ
とができるので、製造工数を低減し、生産性を向上する
ことができる。さらにまた、キャビティ部内部に充填す
る難焼結性無機成分を主として含有するペーストの難焼
結性無機粉末の粒径をガラスセラミックスの原料粉末の
平均粒径の１／１０以上の大きさとすることにより、焼
成後、キャビティ部に充填されている難焼結性無機粉末
は、微細なガラス粉末を用いる一般のショットブラスト
処理により、簡便に短時間で除去可能である。したがっ
て、寸法精度のよい回路基板をさらに簡便に短時間で製
造することができるので、製造工数をさらに低減し、生
産性をさらに向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例によるガラスセラミックス
多層基板の製造方法を説明するための模式的断面図であ
る。

【図２】本発明の第１実施例によるガラスセラミックス
多層基板の製造方法を説明するための模式的断面図であ
る。

【図３】本発明の第１実施例によるガラスセラミックス
多層基板の製造方法を説明するための模式的断面図であ
る。

【図４】本発明の変形例によるガラスセラミックス多層
基板の製造方法を説明するための模式的断面図である。

【図５】比較例によるガラスセラミックス多層基板の製
造方法を説明するための模式的断面図である。

【符号の説明】

１ グリーンシート積層体 １ａ グリーンシート ２ キャビティ部 ３ 充填層 ４、５ Ａｌ₂ Ｏ₃ グリーンシート

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガラスセラミックスのグリーンシートを
   積層して低温焼成工程によって製造されるキャビティ部
   を有するガラスセラミックス多層基板を製造する方法で
   あって、 前記ガラスセラミックスのグリーンシート積層体のキャ
   ビティ部内部に前記ガラスセラミックスよりも焼結温度
   の高い無機成分を主として含有するペーストを充填する
   工程と、 前記グリーンシート積層体の上下両面に前記ガラスセラ
   ミックスよりも焼結温度の高い無機成分を主として含有
   する成形体を配置する工程と、 前記グリーンシート積層体の上下両面に前記成形体を配
   置した後、前記グリーンシート積層体の上下面に圧力を
   負荷しながら焼成を行なう工程と、 を含むことを特徴とするガラスセラミックス多層基板の
   製造方法。