JPH11186727A

JPH11186727A - 配線基板およびその製造方法

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Publication number: JPH11186727A
Application number: JP35248497A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Kimura; 哲也木村; Yoji Furukubo; 洋二古久保; Masaya Kokubu; 正也國分; Koichi Yamaguchi; 浩一山口; Hideto Yonekura; 秀人米倉
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1997-12-22
Filing date: 1997-12-22
Publication date: 1999-07-09

Abstract

(57)【要約】【課題】ＭｇＯを含有するガラスセラミックスを絶縁基
板とする配線基板に対して、同時焼成によっても反りや
うねりが発生することなく、しかも低抵抗で高い密着強
度をもって形成されたメタライズ配線層を具備する配線
基板とその製造方法を提供する。【解決手段】Ｍｇを酸化物換算で１０重量％以上の割合
で含有するガラスセラミック組成物からなるシート状成
形体の表面に、Ｃｕおよび／またはＣｕ酸化物を主成分
とし、ＭｇＯに全率固溶し得る金属酸化物として、例え
ば、ＣｏＯ、ＦｅＯおよびＮｉＯのうちの１種以上を
０．１〜１０重量％の割合で含有するメタライズペース
トを配線パターン状に印刷した後、８００〜１０００℃
の温度で焼成して、低抵抗で、密着強度に優れ、反りや
うねりのない配線基板を得る。

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
から成る単板又は積層構造の基板に、該基板と一体的に
焼結されるＣｕを主成分とするメタライズ配線層を表面
又は内部に形成した配線基板とその製造方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】近年、配線基板においては、高周波回路
の対応性、高密度化、高速化が要求され、アルミナ系セ
ラミック材料に比較して低い誘電率が得られ、配線層の
低抵抗化が可能な点から、ガラスセラミックスを絶縁材
料とする低温焼成配線基板が一層注目されている。

【０００３】この低温焼成配線基板は、８００〜１００
０℃という比較的低温で焼成が可能であり、配線層を構
成する材料として、金、銀、銅等の低抵抗材料が使用で
きることから、半導体素子収納用パッケージや、配線回
路を有する各種配線回路基板、携帯電話やパーソナルハ
ンディホンシステム、各種衛星通信用の高周波用配線基
板等に用いられている。

【０００４】低温焼成配線基板の配線層材料のうち、金
系材料は非常に高価な材料でコスト的に不利であり、銀
系材料ではマイグレーションの問題から、配線基板の用
途、構造等に制限があった。これに対して、銅系材料
は、焼成処理を還元性雰囲気で行う必要があるものの、
配線基板の高密度化、配線基板中の回路の高周波化の要
求に充分応えることができる材料である。

【０００５】ガラスセラミックからなる基板の表面及び
内部にＣｕを主成分とするメタライズ配線層を形成した
配線基板は、一般にガラスセラミック原料粉末をドクタ
ーブレード法等によってシート状に成形し、適宜シート
状成形体に貫通孔等を打ち抜き加工し、該貫通孔にＣｕ
を主成分とするメタライズペーストを充填し、同時にシ
ート状成形体上にＣｕメタライズペーストを所定の配線
パターンにスクリーン印刷法等で印刷形成する。その
後、それらのグリーンシートを複数枚加圧積層し、８０
０〜１０００℃で焼結することにより作製されていた。
その後、必要に応じて基板の表面配線層にＩＣ等の各種
電子部品を実装していた。

【０００６】上述のＣｕを主成分とするメタライズ配線
層となるメタライズペーストは、Ｃｕ系材料（Ｃｕ金
属、Ｃｕ酸化物、Ｃｕ合金など）の導電材料と、メタラ
イズペーストの焼結挙動をガラスセラミック基板と近似
させるためのＳｉＯ₂、Ｂｉ₂Ｏ₃、ＭｏＯ₃、Ｃｒ₂
Ｏ₃などのガラス成分と、有機ビヒクル（有機バインダ
ー、有機溶剤）とを均一混合して形成される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ガラスセラミック材料の焼結開始温度は、一般に８００
〜１０００℃、例えば８５０℃前後であり、Ｃｕを主成
分とするメタライズ配線層の焼結開始温度が７００〜８
００℃、例えば７５０℃前後である。

【０００８】従って、この焼結開始温度の差異によっ
て、焼成過程での収縮にズレを生じ、さらに焼結終了温
度の差異によりＣｕを主成分とするメタライズ配線層が
先に緻密化してガラスセラミック材料の収縮を抑制して
しまう。その結果、焼成された配線基板には、例えば表
面粗さ（Ｒｍａｘ）で３０μｍを越える大きな反りやう
ねりが発生するという問題があった。

【０００９】この大きな反りやうねり等の発生を防止す
るために、Ｃｕを主成分とするメタライズペーストのガ
ラス成分を調整してメタライズ配線パターンの焼結挙動
をガラスセラミック材料の焼結挙動に近似させることが
考えられる。しかし、これでは、Ｃｕを主成分とするメ
タライズ配線層のもつ低抵抗特性を損ねることになり、
ガラス成分の調整は非常に難しかった。

【００１０】また、Ｃｕを主成分とするメタライズ配線
パターンが過焼結されると、Ｃｕ粒子が緻密化し、ガラ
スセラミック材料のガラス成分で強固な接合を行うとし
てもこれを阻み、その結果接着強度が弱くなる。例え
ば、２ｍｍ角の銅配線層にリード線を半田付けし、該リ
ード線を銅配線に対して垂直方向に引っ張った場合、２
ｋｇ未満の引っ張り荷重で剥離してしまい、前記ガラス
セラミック配線基板に各種チップ部品を搭載したり、表
面実装する際、あるいは各種金属被覆する際に接着不良
等の不具合を生じるという問題もあった。

【００１１】また、本出願人は、先に、プリント基板な
どのマザーボードなどとの接続信頼性に優れた高熱膨張
特性を有するガラスセラミックスとして、結晶相として
フォルステライト（ＳｉＯ₂・２ＭｇＯ）やエンスタタ
イト（ＳｉＯ₂・ＭｇＯ）などの高熱膨張特性を有する
結晶相を析出させたガラスセラミック焼結体を提案した
が、かかる焼結体を絶縁基板とした場合においても、上
記の問題が発生することは避けられず、良好な銅メタラ
イズ配線層の形成が難しいものであった。

【００１２】従って、本発明は、ＭｇＯを含有するガラ
スセラミックスを絶縁基板とする配線基板に対して、同
時焼成によっても反りやうねりが発生することなく、し
かも低抵抗で高い密着強度をもって形成されたメタライ
ズ配線層を具備する配線基板とその製造方法を提供する
ことを目的とするものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記目的
に対して鋭意研究の結果、ＭｇＯを１０重量％以上含有
するガラスセラミック基板において、そのＣｕを主成分
とするメタライズ配線材料中に、ＭｇＯに全率固溶する
金属酸化物を特定の範囲で含有させることにより、Ｃｕ
を主成分とするメタライズ配線層の焼結開始温度を遅ら
せ、焼結挙動をガラスセラミック基板の焼結挙動に近似
させることができ、基板の反り、うねり等の変形を低減
できるとともに、ＭｇＯ含有ガラスセラミック基板と高
い密着強度をもって形成できることを知見した。

【００１４】即ち、本発明の配線基板は、Ｍｇを酸化物
換算で１０重量％以上含有するガラスセラミック基板の
表面および／または内部に、Ｃｕを主成分とし、ＭｇＯ
に対して全率固溶し得る金属酸化物を０．１〜１０重量
％の割合で含有して成るメタライズ配線層を形成してな
ることを特徴とするものであり、また、本発明の配線基
板の製造方法は、ガラスセラミック組成物からなるシー
ト状成形体の表面に、Ｃｕおよび／またはＣｕ酸化物を
主成分とし、ＭｇＯに全率固溶し得る金属酸化物を０．
１〜１０重量％の割合で含有するメタライズペーストを
配線パターン状に印刷した後、８００〜１０００℃の温
度で焼成することを特徴とするものであるる。なお、Ｍ
ｇＯに全率固溶し得る金属酸化物としては、ＣｏＯ、Ｆ
ｅＯおよびＮｉＯのうちの１種以上であることが望まし
い。

【００１５】

【作用】本発明によれば、Ｃｕを主成分とするメタライ
ズ配線層に、ＭｇＯに対して全率固溶する金属酸化物、
具体的にはＣｏＯ、ＦｅＯ、ＮｉＯを含有させる。これ
ら金属酸化物は、ＭｇＯとの二元系状態図において、Ｍ
ｇＯに全率固溶することが分かる。このことから、この
メタライズ配線層とＭｇＯ含有ガラスセラミック基板を
同時焼成した際、メタライズ配線層中の前記金属酸化物
が、ガラスセラミック基板中のＭｇＯに全率固溶し強固
に接合されるのである。

【００１６】また、これらの金属酸化物は焼成時の有機
物の燃焼により生じた還元性ガスで一部還元され、金属
となり、これら金属とＣｕを同時焼成した際、Ｃｕの融
点を上昇させて焼結開始温度を高めることができる。そ
の結果メタライズ配線層とガラスセラミック基板の焼結
挙動を近似させることができ、反り、うねりの小さい配
線基板を得ることができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明のガラスセラミック
配線基板について図１に基づいて説明する。なお、図１
では、配線基板を複数のガラスセラミック層とメタライ
ズ配線層からなる多層配線基板を用いて説明する。

【００１８】本発明の配線基板１によれば、絶縁基板２
は、複数のガラスセラミック絶縁層２ａ〜２ｄを積層し
て積層体から構成され、その絶縁層間および絶縁基板表
面には、厚みが５〜２５μｍ程度のＣｕを主成分とする
メタライズ配線層３が被着形成されている。さらに、各
ガラスセラミック絶縁層２ａ〜２ｄの厚み方向を貫くよ
うに形成された直径が８０〜２００μｍのビアホール導
体４が形成され、これにより、所定回路を達成するため
の回路網が形成される。

【００１９】絶縁基板２は、ＭｇＯを１０重量％以上含
有するガラスセラミック材料であり、８５０〜１０００
℃で焼成可能とするガラスセラミック材料からなる。具
体的には、ガラスセラミック材料中のガラス成分は、複
数の金属酸化物を含み、焼成によって、コージェライ
ト、ムライト、アノーサイト、セルジアン、スピネル、
ガーナイト、ウイレマイト、ドロマイト、ペタライトや
その置換誘導体の結晶を少なくとも１種類を析出するも
のである。例えば、ＳｉＯ₂およびＢ₂Ｏ₃を必須と
し、さらにＬｉ₂Ｏ、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｐ₂Ｏ₅、Ｋ₂Ｏ、
ＺｎＯおよびＰｂＯの１種以上を含有するほう珪酸ガラ
スなどが例示できる。

【００２０】また、ガラスセラミック材料中のセラミッ
クフィラー成分は、クリストバライト、石英（クオー
ツ）、コランダム（αアルミナ）、ムライト、コージラ
イト、フォルステライトなどが例示できる。ガラス成分
とセラミック成分の構成比率はガラス成分が３０〜７０
重量％、セラミック成分が７０〜３０重量％からなるこ
とが適当である。

【００２１】特に、マザーボードなどの有機樹脂を絶縁
基板として含有するプリント基板の表面に多層配線基板
を実装する上では、上記のガラスセラミック絶縁基板の
熱膨張係数が４０〜４００℃において８〜１８ｐｐｍ／
℃であることが望ましい。このような高熱膨張特性を付
与する上では、ガラス成分として、ＳｉＯ₂、Ｌｉ₂Ｏ
を必須成分としてリチウムシリケート結晶相を析出可能
なガラスを用い、さらにフィラー成分が、熱膨張係数が
６ｐｐｍ／℃以上の結晶を形成し得るフォルステライ
ト、エンスタタイト、石英（クオーツ）、クリストバラ
イト、トリジマイトの１種以上から構成されることが望
ましい。

【００２２】メタライズ配線層３は、Ｃｕを主成分とす
るものであるが、本発明によれば、ＭｇＯに全率固溶す
る金属酸化物を０．１〜１０重量％、特に１．０〜５．
０重量％の割合で含有することが重要である。

【００２３】これは、ＭｇＯに全率固溶する金属酸化物
の含有量が０．１重量％未満の場合、メタライズ配線層
からガラスセラミック基板への金属酸化物の拡散量が少
なくなり、前述したような効果が発揮されず、その結
果、メタライズ配線層とガラスセラミック基板の接着強
度が弱くなり、逆に、１０重量％を越える場合、メタラ
イズ配線層とガラスセラミック基板との焼結挙動のずれ
が大きくなり、反り、うねりが増大する。また、Ｃｕと
の合金が多く形成され配線層の抵抗が増大するという問
題が発生するためである。

【００２４】ＭｇＯに全率固溶する金属酸化物として
は、ＣｏＯ、ＦｅＯおよびＮｉＯのうちの１種以上が適
当であり、これらの中でも特にＮｉＯが望ましい。

【００２５】なお、このメタライズ配線層には、上記の
ＣｕおよびＭｇＯに全率固溶する金属酸化物に加えて、
ＳｉＯ₂、ＭｇＯなどの酸化物を５重量％以下の割合で
添加することも可能である。また、ビアホール導体４
は、上記のメタライズ配線層３と同様の成分からなる導
体が充填されていることが望ましい。

【００２６】また、多層配線基板の表面のメタライズ配
線層３には、ＩＣチップなどの各種電子部品５を搭載す
るためのパッド、シールド用導体膜、さらには多層配線
基板を外部電気回路と接続するための端子電極が設けら
れ、各種電子部品５が配線層３に半田等の導電性接着剤
などを介して接合される。

【００２７】なお、図示していないが、必要に応じて、
配線基板の表面には、さらに珪化タンタル、珪化モリブ
デンなどの厚膜抵抗体膜や配線保護膜などを形成しても
構わない。

【００２８】次に、本発明の配線基板を作製する方法に
ついて説明する。まず、上述したようなガラス成分、ま
たはガラス成分とセラミック成分とを混合してガラスセ
ラミック組成物を調製し、その混合物に有機バインダー
等を加えた後、ドクターブレード法、圧延法、プレス法
などによりシート状に成形してグリーンシートを作製す
る。

【００２９】次に、このグリーンシートの表面に導体ペ
ーストを印刷する。用いる導体ペースト中の主成分とな
るＣｕ成分としては、Ｃｕ単体、酸化銅（ＣｕＯ、Ｃｕ
₂Ｏ）、ＣｕとＡｇ、Ｎｉ等の合金、あるいはそれらの
混合物が用いられ、それらは、いずれも平均粒径が０．
５〜１５μｍ、好ましくは３〜５μｍの球状粉末である
ことが望ましい。これはＣｕを主成分とするメタライズ
配線層の焼結挙動をガラスセラミック基板の焼結挙動と
近似させるためである。尚、酸化銅は、還元性雰囲気で
焼成されることによって実質的にＣｕに還元される。

【００３０】本発明によれば、この導体ペースト中に、
ＭｇＯに全率固溶する金属酸化物、具体的には、Ｃｏ
Ｏ、ＦｅＯおよびＮｉＯのうちの１種以上を０．１〜１
０重量％、特に１．０〜５．０重量％の割合で添加す
る。この金属酸化物は、平均粒径が０．５〜１０μｍの
粉末として添加することが望ましい。また、上記のＣｕ
およびＭｇＯに全率固溶する金属酸化物に加えて、Ｓｉ
Ｏ₂、ＭｇＯなどの酸化物を５重量％以下の割合で添加
することも可能である。

【００３１】また、導体ペーストは、Ｃｕ成分、ＭｇＯ
に全率固溶する金属酸化物等の固形成分以外に、アクリ
ル樹脂などからなる有機バインダーとトルエン、イソプ
ロピルアルコール、アセトンなどの有機溶剤とを均質混
合して形成される。有機バインダーは、前記固形成分１
００重量部に対して、０．５〜５．０重量部、有機溶剤
は、固形成分及び有機バインダー１００重量部に対し
て、５〜１００重量部の割合で混合されることが望まし
い。

【００３２】次に、上述の導体ペーストを、前記ガラス
セラミックグリーンシート上に、スクリーン印刷法など
により配線パターン状に印刷する。また、ビアホール導
体を形成する場合には、グリーンシートにレーザーやマ
イクロドリル、パンチングなどにより直径８０〜２００
μｍの貫通孔を形成し、その内部にペーストを充填す
る。その後、配線パターンやビアホール導体が形成され
たグリーンシートを積層圧着して積層体を形成する。

【００３３】その後、この積層体を４００〜７５０℃の
窒素雰囲気中で加熱処理してグリーンシート内やペース
ト中の有機成分を分解除去した後、８００〜１０００℃
の窒素雰囲気中で同時焼成することにより、メタライズ
配線層およびビアホール導体を具備する多層配線基板を
作製することができる。

【００３４】

【実施例】本発明のガラスセラミック配線基板につい
て、一実施例に基づき評価する。

【００３５】先ず、屈伏点が４８０℃である７４重量％
ＳｉＯ₂、１４重量％Ｌｉ₂Ｏ、４重量％Ａｌ₂Ｏ₃、
２重量％Ｐ₂Ｏ₅、２重量％Ｋ₂Ｏ、２重量％ＺｎＯ、
２重量％Ｎａ₂Ｏの組成を有するリチウム珪酸ガラス
と、ＳｉＯ₂（クオーツ）、フォルステライト（ＳｉＯ
₂・２ＭｇＯ）からなる原料粉末を用いて、全量中のＭ
ｇＯが５重量％、１０重量％、２０重量％、２５重量％
となるように秤量混合し、さらにバインダーとしてアク
リル樹脂と、可塑剤としてＤＢＰ（ジブチルフタレー
ト）、溶媒としてトルエンとイソプロピルアルコールを
加えて調製したスラリーを用いて、ドクターブレード法
により厚さ５００μｍのグリーンシートを作製した。

【００３６】次に、平均粒径が５μｍのＣｕ金属粉末に
対して、ＭｇＯに全率固溶する金属酸化物を表１、表２
に示す割合で秤量し、それに有機バインダーとしてアク
リル樹脂を、溶媒としてＤＢＰを添加混練し、ペースト
状の銅メタライズ用試料を作製した。なお、前記銅メタ
ライズペースト中の有機バインダー量は、固形成分１０
０重量部に対して２．０重量部であり、固形成分、有機
バインダー１００重量部に対して７５重量部の割合で溶
剤を加えた。

【００３７】かくして得られた銅メタライズペーストを
用いて、前記ガラスセラミックグリーンシート上に、接
着強度、反りを評価するサンプルとして、焼成後の形状
が縦横各２ｍｍ、厚さ約１５μｍとなる銅配線用パター
ンをスクリーン印刷法により印刷塗布し、この様なガラ
スセラミックグリーンシートを３枚加圧積層した。同時
に配線抵抗を評価するサンプルとして、幅０．２ｍｍ、
長さ２０ｍｍ、厚さ約１５μｍとなる銅配線用パターン
を同様に形成し、この様なガラスセラミックグリーンシ
ートを３枚加圧積層した。

【００３８】次いで、この未焼成状態の銅メタライズパ
ターンが形成された積層体を、有機バインダー等の有機
成分を分解除去するために、窒素雰囲気中、７００℃の
温度で３時間保持して脱脂した後、９００℃に昇温して
１時間保持して焼成してガラスセラミック多層配線基板
を作製した。

【００３９】先ず、前記評価用のガラスセラミック多層
配線基板表面の２ｍｍ角の銅配線層に厚さ２．０μｍの
Ｎｉメッキを行い、その上に厚さ０．１μｍのＡｕメッ
キを施した後、該メッキ被覆層上のＣｕ系のリード線を
銅配線層表面と平行に半田付けし、リード線を銅配線層
表面に対して垂直方向に曲げ、該リード線を１０ｍｍ／
ｍｉｎの引っ張り速度で垂直方向に引っ張り、リード線
が剥離したときの荷重を銅配線層の接着強度として評価
した。なお、良否の判断としては、リード線が剥離した
ときの荷重が２ｋｇ／２ｍｍ角を越える場合を良品とし
た。結果は、表１、表２に示した。

【００４０】一方、ガラスセラミック配線基板の反り
は、前述の２ｍｍ角の銅配線層直下のガラスセラミック
絶縁基板表面を、銅配線層部を含めて長さ７ｍｍ、該銅
配線層を横切るように表面状態を計測し、その最大表面
粗さ（Ｒｍａｘ）を反り量として評価した。なお、良否
の判断としては、Ｒｍａｘが３０μｍ以下のものを良品
とした。結果は、表１、表２に示した。

【００４１】次に、銅配線層の導通抵抗の評価について
は、幅０．２ｍｍ、長さ２０ｍｍの銅配線層の抵抗をテ
スターを用いて測定し、銅配線層の断面を走査型電子顕
微鏡（ＳＥＭ）、銅配線の長さを４０倍の顕微鏡を用い
てそれぞれ測定し、得られた面積、長さから抵抗率を算
出した。なお、良否の判断としては、抵抗率が１０．０
μΩ・ｃｍ以下を良品とした。結果は、表１、表２に示
した。

【００４２】

【表１】

【００４３】

【表２】

【００４４】表１、表２の結果より明らかなように、金
属酸化物の含有量が０．１重量％よりも少ない試料Ｎo.
１、２は、銅配線層とガラスセラミック絶縁基板との接
着強度が弱く、ガラスセラミック配線基板の反りがいづ
れも３０μｍを越えている。金属酸化物の含有量が１０
重量％を越える試料Ｎo.１６、１７は、銅配線層とガラ
スセラミック絶縁基板との接着強度が弱く、反りも３０
μｍを越え、抵抗率も大であるため実用的ではない。な
お、絶縁基板中のＭｇＯ量が１０重量％未満の試料Ｎo.
２６、２７、２８では、ＣｏＯ、ＦｅＯ、ＮｉＯの添加
効果はほとんどなく、接着強度が低く、反りも３０μｍ
を越えるものであった。

【００４５】

【発明の効果】以上、詳述したように、本発明の配線基
板は、銅メタライズ配線層をＭｇＯ含有ガラスセラミッ
ク絶縁基板と強固に接着することができるとともに、メ
タライズ配線層の焼成収縮開始温度をガラスセラミック
絶縁基板と近似させることができ、低抵抗で、絶縁基板
との密着強度に優れ、且つ基板の反り、うねりの発生の
ない配線基板を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の配線基板の一例を示す配線基板の断面
図である。

【符号の説明】

１・・・・・・・配線基板２・・・・・・・絶縁基板３・・・・・・・メタライズ配線層４・・・・・・・ビアホール導体５・・・・・・・電子部品

フロントページの続き (72)発明者山口浩一鹿児島県国分市山下町１番４号京セラ株式会社総合研究所内 (72)発明者米倉秀人鹿児島県国分市山下町１番４号京セラ株式会社総合研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｍｇを酸化物換算で１０重量％以上含有す
るガラスセラミック基板の表面および／または内部に、
Ｃｕを主成分とし、ＭｇＯに対して全率固溶し得る金属
酸化物を０．１〜１０重量％の割合で含有して成るメタ
ライズ配線層を形成してなることを特徴とする配線基
板。
【請求項２】前記金属酸化物が、ＣｏＯ、ＦｅＯおよび
ＮｉＯのうちの１種以上であることを特徴とする請求項
１記載の配線基板。
【請求項３】Ｍｇを酸化物換算で１０重量％以上含有す
るガラスセラミック組成物からなるシート状成形体の表
面に、Ｃｕおよび／またはＣｕ酸化物を主成分とし、Ｍ
ｇＯに全率固溶し得る金属酸化物を０．１〜１０重量％
の割合で含有するメタライズペーストを配線パターン状
に印刷した後、８００〜１０００℃の温度で焼成するこ
とを特徴とする配線基板の製造方法。
【請求項４】前記金属酸化物が、ＣｏＯ、ＦｅＯおよび
ＮｉＯのうちの１種以上であることを特徴とする請求項
３記載の配線基板の製造方法。