JPH11329067A - 厚膜ペースト、厚膜ペースト用無機粉末組成物、セラミック配線基板及びその製造方法、並びに半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】表面層や内部層を構成する導体、絶縁体、誘電
体及び抵抗体部、並びにそれらの近傍のセラミック部に
発生するボイドを低減する。 【解決手段】酸化物が炭素の酸化触媒として機能する元
素（クロム、鉄、コバルト、ニッケル）の総含有量を、
厚膜ペースト１全体に対して４００重量ｐｐｍ以下にす
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、半導体部品等を搭
載するセラミック配線基板の表面や内部に導体、絶縁
体、誘電体及び抵抗体を形成するのに用いられる厚膜ペ
ーストに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、セラミック配線基板の表面層や
内部層を構成する導体、絶縁体、誘電体、及び抵抗体
は、厚膜ペーストを焼成することにより形成される。こ
こで用いられる厚膜ペーストは、通常、無機粉末、有機
バインダ、溶剤及び分散剤等を混練し、所定の粘度に調
整して得られる。この厚膜ペーストは、焼成して導体、
絶縁体等を形成する無機粉末以外に、有機材料を含んで
いる。この有機材料は、焼成時の熱処理により酸化され
て二酸化炭素などの形で除去される。このとき、この二
酸化炭素などが焼結体内部に閉じ込められると、これが
ボイドとなって厚膜焼成体中に残存することになる。

【０００３】例えば、図２に示すように、セラミック配
線基板の表面導体膜５の直下に形成されたガラスセラミ
ックス６部分に、焼成によりボイド７が生じた場合、更
に表面導体膜５の表面に多層の配線層及び絶縁層１０を
積層し、この基板を熱処理すると、ボイド７の部分にフ
クレ８が生じる。また、ボイド７の部分に配線９が形成
されると、図３に示すように、この配線９の断線の原因
となる場合もある。

【０００４】このように、焼結体に含まれるボイドは、
（１）電気的特性の劣化、（２）密着強度の劣化、
（３）耐湿特性、耐高温特性等の物理的及び化学的信頼
性の劣化といった種々の問題の原因となる。そこで、こ
のボイドの発生を回避するため、種々の技術が提案され
ている。

【０００５】例えば、特開平８−３０６２２９号公報で
は、ガラス粉末若しくはセラミック粉末を主成分とし、
不活性ガス雰囲気中で焼成されるオーバーグレーズペー
ストのような厚膜ペーストに、亜ヒ酸若しくは酸化アン
チモンのようなガラス清澄剤を含有させることが提案さ
れている。このガラス清澄剤を用いることにより、不活
性ガス雰囲気のような炭素を酸化して除去することが困
難な雰囲気でも、残留炭素を十分に低減できるため、発
生するボイドを低減することができ、各種厚膜特性を向
上することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このガラス清
澄剤を用いる技術は、ガラス粉末若しくはセラミック粉
末が主成分の厚膜ペーストにしか有効ではなく、導体を
形成するための導電性粉末を主成分とする厚膜ペースト
に適用することはできない。

【０００７】厚膜ペーストにより導体を形成する技術と
しては、特許第２５３３２８４号公報に、導電性材料
（金、銀又はニッケル）と、その導電性材料の粒子が成
長するのを抑制するための添加物とを含み、成長抑制の
ための添加物が過飽和になっている混合物を溶融噴霧し
て導電性粒子を形成することが記載されている。この方
法によれば、導電性材料に溶け込めなかった余分な粒子
成長抑制添加物が粒界に存在し、導電性粒子の粒成長を
抑制するため、微細かつ一様な導体粉末が得られる。し
たがって、これを用いて調製した厚膜ペーストにより金
属導体を形成し、セラミック多層基板を作製すれば、導
体粉末の粒径のばらつきなどに起因するバイア部のボイ
ドやクラックの発生を低減することができる。

【０００８】しかし、ボイドの発生原因は、導体粉末の
粒径のばらつきには限られず、この方法では、ボイドの
発生を十分に減らすことができなかった。

【０００９】そこで、本発明は、表面層や内部層を構成
する導体、絶縁体、誘電体及び抵抗体部、並びに、それ
らの近傍のセラミック部にボイドのないセラミック配線
基板及びその製造方法と、それに用いられる厚膜ペース
ト及びその製造方法と、上記セラミック配線基板を用い
た半導体装置とを提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明者らは、上述した粒子成長抑制添加物を用い
て導電性粉末を調製する場合の、ボイドの発生原因を鋭
意検討した結果、この従来技術において導体金属の粒成
長抑制剤として添加されているクロムが、ボイドの発生
の原因となっていることを見出した。

【００１１】厚膜ペーストに含まれる有機バインダ、溶
剤及び分散剤等の有機物は、無機粉末をペースト化する
ために必要なものであるが、各種厚膜特性劣化抑止の観
点から、焼成後は完全に除去されることが望ましい。こ
れらの有機物は、焼成工程における加熱により、雰囲気
中の微量の酸素により酸化されて気体として排出され
る。無機粉末組成物の粒度分布が正規分布に近い通常の
分布であれば、有機物の酸化により発生した気体を少し
ずつ排出する閉気孔をわずかに残しながら焼結するた
め、有機物起因の炭素の残留量は低く押さえられる。通
常の焼成温度（８００℃以上）では、炭素残留量は、各
種厚膜特性の劣化の原因とならない数十重量ｐｐｍ程度
にまで減少するのが普通である。

【００１２】ところが、クロムは、弱酸化性雰囲気（導
体金属を酸化せずに有機バインダを酸化除去させるため
の雰囲気）でも容易に酸化してしまう。この結果、生じ
るクロムの酸化物は、８００℃以上の温度では、炭素の
酸化反応において触媒として作用する。このため、クロ
ム酸化物が存在すると、焼成の完了直前に、焼成体中に
わずかに残った残留炭素が酸化されてしまうため、焼成
体中に二酸化炭素の大きなボイドが発生する原因とな
る。

【００１３】本発明者らは、更に検討した結果、このよ
うな酸化物が炭素の酸化触媒として機能する元素には、
上述のクロムのほかに、鉄、コバルト、ニッケルなどが
あり、これら４種の元素の総含有量がペースト全体の４
００重量ｐｐｍ以下である厚膜ペーストを用いること
で、ボイド及びクラックのない焼成体を得ることができ
るという新たな知見に至った。

【００１４】そこで、本発明では、少なくとも、無機粉
末と、有機バインダとを含み、鉄、クロム、コバルト及
びニッケルの総含有量が、ペースト全体の４００重量ｐ
ｐｍ以下である厚膜ペーストが提供される。なお、本発
明の厚膜ペーストは、鉄、クロム、コバルト及びニッケ
ルのいずれの含有量も、ペースト全量に対して１００重
量ｐｐｍ以下であることが望ましい。

【００１５】本発明は、無機粉末としてセラミック原料
組成物を含む、セラミック焼結体を形成するための絶縁
性ペーストにも、無機粉末として導体粉末を含む、導体
を形成するための導電性ペーストにも、適用可能であ
る。抵抗体ペーストや、誘電体ペーストに本発明を適用
してもよい。なお、無機粉末としては、球状又は液滴状
の、平均粒径５μｍ以上の粒子を用いることが望まし
い。

【００１６】また、本発明の厚膜ペーストは、溶剤及び
分散剤等の添加物を適宜含ませることができる。本発明
の厚膜ペーストに用いることのできる有機バインダ、溶
剤及び分散剤等としては、セラミック配線基板の製造に
通常用いられるものを適宜組み合わせて用いることがで
き、特に限定されるものではない。なお、各成分の含有
量は、無機粉末と有機バインダと溶剤との総量を１００
重量部とするとき、良好な脱バインダ性及び作業性を確
保するという観点から、無機粉末５０〜９５重量部、有
機バインダ０．５〜５重量部、溶剤４．５〜４５重量部
とすることが望ましい。また、分散剤を用いる場合、そ
の含有量は、無機粉末と有機バインダと溶剤との総量を
１００重量部とするとき、０．１〜１．０重量部とする
ことが望ましい。

【００１７】更に、本発明では、本発明の厚膜ペースト
を製造するための方法として、少なくとも、無機粉末
と、有機バインダとを混練する工程を有する厚膜ペース
トの製造方法であって、混練工程において、鉄、クロ
ム、コバルト及びニッケルの総含有量が、得られる厚膜
ペースト全量に対して４００重量ｐｐｍ以下である上記
無機粉末を用いる厚膜ペースト製造方法が提供される。

【００１８】この本発明の厚膜ペースト製造方法におい
て混練工程で用いられる無機粉末は、あらかじめ鉄、ク
ロム、コバルト及びニッケルの総含有量が、得られる厚
膜ペースト全量に対して４００重量ｐｐｍ以下になって
いるものを用いてもよく、また、これらの元素を除去す
る工程を混練工程の前に設けてもよい。これらの元素を
除去する方法としては、例えば、磁石により吸引して除
去するなどが挙げられる。

【００１９】また、本発明では、配線導体、絶縁体、誘
電体及び抵抗体の少なくともいずれかとして、上述の本
発明の厚膜ペーストを焼成して得られた焼結体を備える
セラミック配線基板と、この本発明のセラミック配線基
板に半導体素子が搭載されている半導体装置とが提供さ
れるが提供される。なお、本発明のセラミック配線基板
は、複数枚の絶縁層及び配線層が積層されているセラミ
ック多層配線基板であってもよい。

【００２０】更に、本発明では、上述した本発明の厚膜
ペーストを焼成して、配線導体、絶縁体、誘電体及び抵
抗体の少なくともいずれかを形成する焼成工程を有する
セラミック配線基板の製造方法が提供される。

【００２１】なお、本発明のセラミック配線基板の製造
方法は、上述の焼成工程にくわえて、更に、通常のセラ
ミック配線基板の製造方法において用いられる工程を備
えることができる。本発明のセラミック配線基板製造方
法の例を、図１に示す。この例では、厚膜ペースト（絶
縁性ペースト）を用いてグリーンシート２を形成し、こ
れに層間接続のための貫通孔１１を形成した後、厚膜ペ
ースト（導電性ペースト）を用いて、このグリーンシー
トの表面に内部配線導体１２及び表面導体層１３をスク
リーン印刷する（図１（ａ））。次に、得られた印刷済
みのシート３複数枚を位置合わせして積層し、熱圧着し
た後（図１（ｂ））、弱酸化雰囲気（銅が酸化せず、バ
インダ等の有機材料が酸化除去される雰囲気）中で加熱
（例えば９００℃、５時間）して脱バインダ及び焼成す
る（図１（ｃ））。以上の工程により、セラミック多層
配線基板４（図１（ｄ））が得られる。なお、印刷済み
のシート３を積層することなくそのまま焼成して、単層
のセラミック配線基板を得てもよい。また、印刷済みの
シート３表面に、更に厚膜ペーストを用いて絶縁層及び
／又は配線層を積層するようにしてもよい。本発明の厚
膜ペーストは、含有する無機粉末の種類や他の添加物等
の組成に応じて、グリーンシート、絶縁層、配線層のい
ずれの形成に適用してもよい。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を具体
的に説明するが、本発明はこれらの形態に限定されるも
のではない。なお、以下の各実施例では、導電性ペース
ト及び絶縁ガラスペーストにおいて本発明を実施した
が、抵抗体ペースト、誘電体ペーストなどの各種厚膜ペ
ーストにおいて本発明を実施しても同様の効果が得られ
ることを確認している。

【００２３】＜実施例１〜４、比較例１〜４＞ （１）導電性ペーストの調製 それぞれクロム、鉄、コバルト及びニッケルの含有量の
異なる、溶融噴霧して調製した平均粒径５μｍの銅粉末
と、エチルセルロース１０重量％及びα−テレピネオー
ル９０重量％からなるビヒクルとを、９：１（体積比）
の割合でらいかい機を用いて混合した後、得られた混合
物に１重量部のアミン系分散助剤を加え、３本ロール混
練機を用いて混練した。次に、混練しつつ少量のα−テ
レピネオールを加えて粘度を調整し、８種類の銅ペース
トを得た。得られたペーストにおける各元素の含有量
を、表１に示す。

【００２４】

【表１】

【００２５】（２）多層配線基板の作製 図１（ａ）に示すように、得られた銅ペーストを用い、
層間接続用貫通孔１１を備えるガラスセラミック・グリ
ーンシート２に内部配線導体１２及び表面導体層１３を
スクリーン印刷した後、図１（ｂ）に示すように、印刷
済みのシート３複数枚を位置合わせして積層し、熱圧着
した。次に、図１（ｃ）に示すように、得られたグリー
ンシート積層体を、弱酸化雰囲気（銅が酸化せず、エチ
ルセルロースが酸化除去される雰囲気）で９００℃に５
時間加熱して脱バインダ及び焼成し、得られたセラミッ
ク多層配線基板４の配線断線件数、表面導体膜接着強
度、表面導体膜をめっきした後の外観、及び、更に熱処
理した後の、表面導体のフクレの状況を表２に示す。

【００２６】

【表２】

【００２７】（３）実施例の効果 実施例１〜４では、鉄、クロム、コバルト及びニッケル
の含有量がいずれも１００重量ｐｐｍ以下である銅ペー
ストを使用してセラミック配線基板を作製した。得られ
た基板は、導体部及びそれらの近傍のセラミック部にボ
イドが発生しないため、配線断線がなくで、表面導体膜
の接着強度が２０ｋｇ／ｍ以上あり、表面導体膜をめっ
きにより形成した後の変色、及び、熱処理後の表面導体
フクレも見られなかった。

【００２８】一方、比較例１〜４では、鉄、クロム、コ
バルト、ニッケルの含有量の少なくともいずれかが１０
０重量ｐｐｍ以上である銅ペーストを使用してセラミッ
ク配線基板を作製した。得られた基板は、導体部及びそ
れらの近傍のセラミック部にボイドが発生したため、配
線断線が多発し、表面導体膜の接着強度も１５ｋｇ／ｍ
以下と小さく、表面導体膜をめっきにより形成した後の
変色、及び、熱処理後の表面導体フクレが発生した。

【００２９】＜実施例５〜８、比較例５〜８＞ （１）絶縁性ペースト まず、それぞれクロム、鉄、コバルト及びニッケルの含
有量の異なるガラスセラミック原料粉末組成物を、８種
類用意した。ここでは、ガラスセラミック原料粉末組成
物として、平均粒径３μｍのホウケイ酸ガラス粉末８０
重量％と、平均粒径２μｍのアルミナ粉末２０重量％と
からなる粉末組成物を用いた。

【００３０】このガラスセラミック原料粉末組成物と、
エチルセルロース１０重量％及びα−テレピネオール９
０重量％からなるビヒクルとを、９：１（体積比）の割
合でらいかい機を用いて混合した後、得られた混合物に
１重量部のアミン系分散助剤を加え、３本ロール混練機
を用いて混練した。次に、混練しつつ少量のα−テレピ
ネオールを加えて粘度を調整し、８種類のガラスペース
トを得た。得られたペーストにおける各元素の含有量
を、表３に示す。

【００３１】

【表３】

【００３２】（２）多層配線基板の作製 実施例１の銅ペーストを用い、実施例１と同様にしてガ
ラスセラミック・グリーンシートに内部配線導体及び表
面導体層をスクリーン印刷した後、この表面に、一部の
表面導体１３を覆うように、上述のガラスペーストを用
いて絶縁層を印刷した。次に、この導体及び絶縁層を印
刷したシート複数枚を位置合わせして積層し、実施例１
と同様にして脱バインダ及び焼成し、セラミック多層配
線基板を得た。得られたセラミック多層配線基板の、ガ
ラス層表面ボイド数、及び、ガラス層表面のフクレの状
況を表４に示す。

【００３３】

【表４】

【００３４】（３）実施例の効果 実施例５〜８では、鉄、クロム、コバルト及びニッケル
の含有量がいずれも１００重量ｐｐｍ以下であるガラス
ペーストを使用してセラミック配線基板を作製した。得
られた基板は、絶縁層部及びそれらの近傍のセラミック
部にボイドが発生しないため、ガラス層表面のボイドや
ガラス層表面のフクレは見られなかった。

【００３５】一方、比較例５〜８では、鉄、クロム、コ
バルト、ニッケルの含有量の少なくともいずれかが１０
０重量ｐｐｍ以上であるガラスペーストを使用してセラ
ミック配線基板を作製した。得られた基板は、絶縁層部
及びそれらの近傍のセラミック部にボイドが発生したた
め、ガラス層表面のボイドやガラス層表面のフクレが見
られた。

【００３６】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、表面層や内部層を構成する導体、絶縁体、誘電体及
び抵抗体部、並びに、それらの近傍のセラミック部にボ
イドのない、信頼性の高いセラミック配線基板及び半導
体装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のセラミック配線基板の製造方法を示
したものである。

【図２】 従来のセラミック配線基板において発生して
いた表面導体のフクレを示す説明図である。

【図３】 従来のセラミック配線基板において発生して
いたボイドによる配線の断線を示す説明図である。

【符号の説明】

１…銅ペースト、２…ガラスセラミック・グリーンシー
ト、３…配線印刷済みシート、４…セラミック配線基
板、５…表面導体膜、６…ガラスセラミックス、７…ボ
イド、８…フクレ、９…導体配線、１１…層間接続用貫
通孔、１２…内部配線導体（バイア）、１３…表面導体
層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤井 満 神奈川県秦野市堀山下１番地 株式会社日 立製作所汎用コンピュータ事業部内 (72)発明者 田内 円 神奈川県秦野市堀山下１番地 株式会社日 立製作所汎用コンピュータ事業部内 (72)発明者 處 美咲 神奈川県秦野市堀山下１番地 株式会社日 立製作所汎用コンピュータ事業部内 (72)発明者 阿美 徳宏 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 (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも、無機粉末と、有機バインダと
   を含み、 鉄、クロム、コバルト及びニッケルの総含有量が、ペー
   スト全量の４００重量ｐｐｍ以下であることを特徴とす
   る厚膜ペースト。
2. 【請求項２】鉄、クロム、コバルト及びニッケルの含有
   量が、いずれもペースト全量の１００重量ｐｐｍ以下で
   あることを特徴とする請求項１記載の厚膜ペースト。
3. 【請求項３】上記無機粉末は、セラミック原料組成物で
   あることを特徴とする請求項１記載の厚膜ペースト。
4. 【請求項４】上記無機粉末は、導体粉末であることを特
   徴とする請求項１記載の厚膜ペースト。
5. 【請求項５】少なくとも、無機粉末と、有機バインダと
   を混練する工程を有する厚膜ペーストの製造方法であっ
   て、 上記混練工程において、鉄、クロム、コバルト及びニッ
   ケルの総含有量が、得られる厚膜ペースト全量に対して
   ４００重量ｐｐｍ以下である上記無機粉末を用いること
   を特徴とする厚膜ペーストの製造方法。
6. 【請求項６】上記混練工程の前に、 無機粉末から、鉄、クロム、コバルト及びニッケルの少
   なくともいずれかを除去して、鉄、クロム、コバルト及
   びニッケルの総含有量を、得られる厚膜ペースト全量に
   対して４００重量ｐｐｍ以下とする除去工程を、更に含
   むことを特徴とする厚膜ペーストの製造方法。
7. 【請求項７】請求項３記載の厚膜ペーストを焼成して、
   絶縁体、誘電体及び抵抗体の少なくともいずれかを形成
   する工程を有することを特徴とするセラミック配線基板
   の製造方法。
8. 【請求項８】請求項４記載の厚膜ペーストを焼成して、
   配線導体を形成する工程を有することを特徴とするセラ
   ミック配線基板の製造方法。
9. 【請求項９】絶縁体、誘電体及び抵抗体の少なくともい
   ずれかとして、請求項３記載の厚膜ペーストの焼結体を
   備えることを特徴とするセラミック配線基板。
10. 【請求項１０】配線導体として、請求項４記載の厚膜ペ
    ーストの焼結体を備えることを特徴とするセラミック配
    線基板。
11. 【請求項１１】請求項９又は１０記載のセラミック配線
    基板と、 上記セラミック配線基板に搭載された半導体素子とを備
    えることを特徴とする半導体装置。