JPH11505368A - 支持基板上のセラミック多層回路基板用導電性バイア充填インク - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 積載されて支持基板上に固着されるグリーンテープ用の導電性バイア充填インクで、そのグリーンテープに使用されるガラスは850〜950℃の加熱温度を有し、バイア充填インク用に使用されるガラスは、グリーンテープを製造するのに使用されるガラスのガラス転位温度より高い転位温度を有し、グリーンテープの最高加熱温度で好ましくは結晶化せず、体積でバイア充填インクの30〜75％のガラス−導電性金属粉混合物を含んでいる。これら導電性バイア充填インクは、複合材回路基板の加熱時にグリーンテープの収縮が始まるまで収縮しない。そして、加熱時わずかに流動し、バイアの壁内でガラスと良好な結合性を示す。このことにより、バイアの良好な完全性と、加熱セラミック多層回路基板上の回路との良好な接続とを保証する。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 支持基板上のセラミック多層回路基板用導電性バイア充填インク 技術分野 本発明は、合衆国陸軍省から授与された ＤＡＡＢ07-94-Ｃ-Ｃ009 号に基づく 政府支援より達成された。合衆国政府は本発明に対して一定の権利を有する。 本発明は、支持基板を有する同時熱処理されたセラミック多層回路基板用導電 性バイア充填インクに関する。特に、この発明は、加熱中のバイア損傷を軽減す る支持多層セラミック回路基板用の改良されたバイア充填インクに関する。 背景技術 多層セラミック回路基板は、長年、メインフレームコンピュータなどの電子装 置の回路に使用されてきた。そのようなセラミック回路基板は、ガラス及び/ま たはセラミック粉末を有機結合材と共に型どりし、「グリーンテープ」と呼ばれ るその上に金属回路がパターン化されたテープ状に成型することにより製造され る。異なる層の回路を電気的に接続するため、導電性材料により充填されている バイアが各グリーンテープに形成される。グリーンテープ層はその後、揃えられ 、重ねられ、共に圧縮され、さらに、有機残留物を焼却除去し、ガラスを焼結す るために加熱されて、熱処理多層セラミック回路基板を形成する。 当初は、アルミナのようなセラミックが、グリーンテープ層を形成するために 使用された。しかし、これらのセラミックは、1500℃に達する高い加熱温度を必 要とする。これは、導電性回路パターンを形成するため、タングステンやモリブ デンのような耐熱性の導電性金属の使用を余儀なくされていた。これらの耐熱性 かつ、導電性の金属は、溶解せず、高い加熱温度にも耐え得る。さらに最近にな り、アルミナの代わりに低融点材料が使用されている。例えば、1000℃以下の温 度で加熱できる不透明ガラス等である。これらのガラス材料で製造された多層セ ラミック回路基板は低融点で高導電性の金属、例えば、銀、金、銅等とともに使 用することができる。しかし、これらのセラミック回賂基板は、アルミナベース の回路基板ほど強度がないという欠点を有する。 したがって、ごく最近になり、多層セラミック回路基板が、熱伝導性の良い金 属あるいはセラミック製の支持基板に固着されるようになった。この支持基板は 、コバールあるいはアンバーのような金属、あるいは、銅／コバール／銅、銅／ モリブデン／銅、銅／アンバ／銅等の複合材料、あるいは窒化アルミニウム、シ リコンカーバイド等のようなセラミックから製造され、複合材料基板にさらなる 強度を与える。しかしながら、従来の多層セラミック基板と、これらの支持基板 の間の熱膨張係数には大きな不整合がある。金属製の支持基板は、例えば、加熱 工程時に全く収縮しない。一方で、セラミック基板を形成するのに使用されるグ リーンテープ層は、その各寸法が約20％収縮する。したがって、プラビュー(Pra bhu)の米国特許5,277,724号に開示されたような接着ガラスが、グリーンテープ 薄層を支持基板へ接着するのに使用されてきた。さらに、正しく選択された場合 には、その接着ガラスは、少なくともx、yの２水平方向の支持基板寸法に関して 、加熱時のグリーンテープ薄層の収縮を完全に抑えることができる。こうして、 すべての収縮は、厚さ方向、すなわち、z方向のみに発生する。このことは、加 熱後、セラミック層中の回路パターンと支持基板中の接点及びバイアを揃えるト ラブルを減少させる。こうして、支持基板に固着された多層セラミック基板が選 択肢の一つとなった。 多層グリーンテープ層間のバイア結合のための従来の導電性バイアインクは、 有機ビヒクル、と導電性金属粉末、例えば、銀、金、銅、それらの合金または混 合物等を、ガラス粉末、通常はグリーンテープ作成に使用したのと同じガラス製 のもの、と混合して製作される。この場合、グリーンテープとバイア中のガラス の収縮特性は同じで、バイア中のガラスとグリーンテープのガラスは、同じ加熱 温度で容易に焼結し合う。グリーンテープと導電性バイア充填インクのガラスと それら両方の収縮は同じなので、導電性バイア充填インクのガラスとグリーンテ ープ層のガラスは、加熱工程中に焼結し、隙間のない接点を形成する。 しかし、支持基板と接着ガラス層がパッケージの一部として使用された場合に は、Ｘ、Ｙ水平方向のグリーンテープの収縮は抑えられ、大部分の収縮はＺ方向 、 すなわち、厚さ方向に発生する。我々は、この収縮挙動が、前述の支持複合材料 ／多層セラミック回路基板の加熱後、導電性バイアを完全にするのに悪い影響が あることを発見した。バイア孔は非常に小さく、ガラスはバイア充填インクの導 電性金属−ガラス組成全体のほんの少数部分にすぎないので、ビアホール内のガ ラスの総量は少ない。実際、このガラスは、グリーンテープの収縮特性と同じ収 縮特性を維持するためには、厚さ方向で体積が約50％に収縮しなければならない 。さらに、導電性バイア充填インク調剤の大部分を形成する導電性金属粉末は、 通常、ガラス−セラミックグリーンテープ組成物より前に焼結するので、バイア 充填インクは、加熱中にバイアの壁から剥がれやすい。もちろん、このことは、 バイアと回路の交差部分での導電路が不連続性になり、さらに、非密閉バイアを 生成する。 導電性バイア充填インクに、さらにガラスを添加して、この問題を軽減し、焼 結中にバイア充填インクを更に収縮させようとする試みがなされている。しかし 、この解決法は、他の問題、例えば、バイアの隆起、冷却時のバイア周囲のガラ ス−セラミックの亀裂、バイア気孔、そして、電気伝導性がないバイアさえも発 生させる。 したがって、前述の諸問題を克服し、完全な導電性バイアを形成し、支持基板 に固着されたセラミック多層回路基板の収縮特性を修正する改良された導電性バ イア充填インクが必要とされている。 発明の開示 我々は、支持基板に固着された多層セラミック回路基板用の導電性バイア充填 インクを作成するために使用されるガラスに必要とされる基準が三つあることを 発見した。導電バイア充填インクに添加されたガラスのガラス転位温度は、グリ ーンテープ組成物を作成するのに使用されるガラスの転位温度よりいくらか高く なければならない。そのガラスは、多層積層物を加熱する最高温度で結晶化しな いことが望ましい。さらに、バイア充填インクのガラス含有量は、ガラス及び導 電性金属粉末の30〜75体積％の間に維持されねばならない。このようなガラスを 使用するバイア充填インクは、完全に充填され、グリーンテープ組成物の収縮 特性に等しい収縮特性を有し、かつ、非気孔性のバイア充填が形成されたバイア を生成する。 本発明の導電性バイア充填インクを作成するのに使用されるガラスは、バイア が形成された多層グリーンテープ積層物が支持基板に固着される際に使用される 。この組み合わせは、グリーンテープの一般的な収縮特性を変化させ、グリーン テープは、加熱中、主に厚さ方向にのみ収縮する。 本発明の導電性バイア充填インクを作成するのに使用されるガラスのガラス転 位温度は、少なくともグリーンテープを作成するのに使用されるガラスのガラス 転位温度よりいくらか高くなければならない。すなわち、少なくとも約５℃高く なくてはならない。しかし、そのガラス転位温度は、セラミック多層回路基板の 加工中に行う加熱処理の最高温度より低くなければならない。例えば、マグネシ ウム・アルミノ珪酸塩ガラスが、グリーンテープを製造するのに使用される時に は、そのガラス転位温度は約850℃で、使用される加熱処理の最高温度は約950℃ である。導電バイア充填インクを製造するのに使用されるガラスの総量は、導電 性金属−ガラス複合材料体積の約75％以下に制限され、そのバイアが電気伝導性 を維持することが保証されなければならない。 導電性バイア充填インクを作成するのに使用されるガラスはまた、この使用さ れる最高加熱温度で望ましくは結晶化しないものでなければならない。そのよう なガラスは、そのガラス転位温度以上では、軟化し流動さえしてしまう。この場 合、そのことは、ガラスがバイア中の隙間をすべて満たし、バイアの壁内でガラ スに対する良い結合をなすことを意味する。バイアに対して使用されたガラスが 結晶化する場合、そのような結晶化の前に焼結による収縮のかなりの部分が先行 するに違いない。 第一と第二の基準は、グリーンテープ中の焼結、及び、収縮の大部分が発生し た後で、バイア中のガラスが焼結されることを保証する。こうして、グリーンテ ープ中の収縮、主にz方向、つまり厚さ方向に主に発生する、は、バイア孔中の ガラスの焼結が始まる前に発生する。このことは、バイアインクの焼結発生時の バイア充填インクがバイアの壁から剥がれる傾向を減じることになる。バイア中 のガラスが早期に結晶化しないという事実は、バイア中のガラスが加熱温度の 上昇にしたがって軟化し、そして、わずかに流動しさえするという影響を有する 。こうして、グリーンテープが既に焼結されてしまっているので、インクは水平 方向に広がることができず、収縮の大部分は厚さ方向に起こる。しかし、バイア のガラスのわずかな流動が、導電性バイアインクのガラスとグリーンテープを作 成するのに使用したガラス間の良好な固着をもたらす。低温度結晶ガラスが使用 された場合は、そのような軟化は発生せずに、高いバイアの隆起が現れる。 発明を実施するための最良の形態 好適なシステムの調整を説明するために、グリーンテープは、加熱後、フォル ステライト−コージエライト型の結晶相、あるいは、他のマグネシウム珪酸塩結 晶相に転換するマグネシウムアルミノ珪酸塩ガラスから製作された。好適なガラ スは、以下の組成を有する。 酸化物組成 重量％ ＭgＯ 29.0 Ａl₂Ｏ₃ 22.0 ＳiＯ₂ 45.0 Ｐ₂Ｏ₅ 1.5 Ｂ₂Ｏ₃ 1.0 ＺrＯ₂ 1.5 上述のガラスは、加熱速度10℃/minで加熱され、示差熱分析(ＤＴＡ)法により ガラス転位温度が測定されたときには、ガラス転位温度は850℃で、結晶化温度 はガラスの粒子サイズによるが925〜950℃であった。 グリーンテープ組成物は、上述のガラスから従来法により行われた。グリーン テープ組成物は適当な溶媒内で樹脂結合剤を含む有機ビヒクルとガラス粉末を混 合することにより製作することができる。通常、ペンキ状のスラリを得るために 、適当な周知の界面活性剤と可塑剤が添加される。好適な樹脂の例としては、ポ リビニールブチラールや、エチールセルロースのようなセルロース誘導体、ポリ アクリレート、ポリメタクリレート、ポリエステル、ポリオレフィン等のような 合成樹脂が挙げられる。好適な溶媒の例としては、メチルエチルケトン、メチル イ ソブチルケトン、トルエン等が挙げられる。ビヒクルは、通常、樹脂結合剤を約 5〜25重量％含むが、この量は混合物の正しい流動性を得るために調節される。 オレイルアミン、あるいは、魚油のような界面活性剤が通常、約1〜3％使用され る。適当な可塑剤の一例は、ベンジルフタレートである。望むならば、油誘導体 のような粘度改良材もまた添加することができる。グリーンテープ組成物は、通 常、有機ビヒクル中に約60〜75重量％のガラス粉末を含む。しかし、アルミナや 他のセラミックのような少量の添加剤をさらに添加するもまた可能である。 こうして、上述のガラス粉末は、ポリビニールブチレートのような樹脂とメチ ルエチルケトンのような溶媒を、少量の可塑剤と界面活性剤と一緒にボールミル 中で数時間混合して、モールド内で型どりされるスラリやポリエステルテープに 対してドクターブレードされ、その後乾燥されて、グリーンテープ薄層を形成す るスラリを得る。そのグリーンテープは、所望の寸法に裁断され、そのテープ上 にバイア孔が穿たれる。そのバイア孔は、例えば、0.008インチの直径を有する 。厚膜回路パターンが、従来の方法、例えば、厚膜インクによるスクリーン印刷 、により、グリーンテープ層の各々に形成される。 次いで、バイア孔は導電性バイア充填インクをテープ上にスクリーン印刷する ことにより充填される。 導電性バイア充填インクは、3〜5ミクロンの粒子サイズを有する導電性の金属 粉末、例えば、銅、銀、金及びそれらの混合物や合金、をガラス及び有機ビヒク ルと一緒に混合して製造される。本発明によれば、ガラスは前述の三つの基準に 適合するように選択される。有機ビヒクルは好適には、エチルセルロースやアク リル樹脂であるが、他の周知な有機材料、例えば、ポリメチルメタクリレート、 ポリエステル、ポリオレフィン等、も使用できる。インクの粘度は、グリーンテ ープ組成物の作成において前述で列挙したのと同じ有機溶媒で調節される。イン クは、一台のスリーロールミル中で混合され、スクリーン印刷等の周知の方法に よりグリーンテープ上に塗布される。 我々は、ＣaＯ-Ａl₂Ｏ₃−ＳiＯ₂三元系の所定のガラスで、酸化カルシウムが 約20〜30重量％、酸化アルミニウムが約15〜25重量％、酸化シリコンが約45〜60 ％、他の金属酸化物を少量含む組成を有するガラスが、従来のグリーンテープ組 成物と 一緒に使用される本発明のバイアインクに、特に、向いていることを発見した。 これらの酸化カルシウム−アルミノ珪酸塩ガラスが、バイアインク中の固体体 積中、約35〜75％含まれる場合に、多層構造中に適正な電気伝導度を有する最小 のバンプ高さ(75ミクロン)で、殆ど、或いは、気孔がなく周囲の誘電ガラス−セ ラミックと良好な側壁連続性を有するバイアが得られる。さらに、隣接する誘電 材料中に亀裂を生じさせる傾向は、殆ど、あるいは、全くない。本発明の目的に 対して、固体体積は、所定のインク体積中の、導電性金属粉とガラス粉末の合計 体積として定義される。 前述のバイアインク中のガラス粉末部分は、ガラス成分の体積にして約50％ま で、溶融シリカ、或いは、結晶コージエライトのような低膨脹の不活性材料で置 換され得る。これらのインクは、多層セラミックの誘電性材料に隣接した場所に 亀裂が存在しない。しかし、体積で10％までの気孔を示す。この事は、加熱時に 形成される複合材料バイア構造の熱膨張の低下による。 この例として選択されたガラスは、カルシウムーアルミノ珪酸塩ガラスで以下 の組成を有する： 酸化物組成 重量％ ＣaＯ 26.0 Ａl₂Ｏ₃ 20.0 ＳiＯ₂ 50.0 Ｐ₂Ｏ₅ 1.5 ＺrＯ₂ 2.5 このグラスのガラス転位温度Ｔ_gは905℃である。このガラスはこのように、グ リーンテープ作成に使用されるガラスより、高いＴ_gを有するが、Ｔ_gは最高加熱 温度の915℃より低い。さらにそのガラスは、熱示差分析(ＤＴＡ)試験での結晶 ピークの欠落から明らかなように、温度1000℃まで結晶化する傾向を示さなかっ た。前述のガラスは銀粉と、ガラスの銀への体積割合で35％〜75％の割合で混合 された。樹脂結合剤と溶媒がインクの残りの成分を構成した。このバイアインク が上述のグリーンテープのバイア孔にスクリーン印刷された。 印刷されたグリーンテープ6枚が積み重ねられて、そのバイアが相互に揃えら れ、その積層物は、90℃で1500psiの圧力でプラテンプレスにより一緒にプレス され、グリーン薄層体が製造される。 出来上がった薄層体は、その上に接着ガラス層を有する予め調製された銅／モ リブデン／銅複合材料支持基板上に配置される。その複合材料を915℃まで徐々 に加温して、有機物を除去し、グリーンテープ内のガラスを焼結する。 その加熱セラミック基板には、セラミック表面と面一になったバイアがあり、 そのバイアには、完全に亀裂やその他の欠陥がなく、気孔も存在しなかった。こ うして、このバイアは、完全に充填され、本発明のグリーンテープ−導電体バイ ア充填複合体では、バイアの亀裂や気孔の問題が回避された。 別の例として、前述のインクのガラス成分の体積割合にして50％を溶融シリカ で置換したバイアインクを、バイアを充填するのに使用した。またしても、その 加熱基板のバイアには、75ミクロンを超えた隆起はなく、適正な電気伝導度と、 良好な側壁連続性を有し、亀裂は生じなかった。これらのバイアは約5〜10％の 気孔率を有したが、それらの気孔はバイア構造中で孤立し、バイアの気密性を損 なわなかった。 対照材料として、銀粉が、鉛ベースのガラスと重量比4対1でエチルセルロース とアクリル樹脂と共に適当な溶媒内で混合され、対照バイア充填導電インク組成 物を形成した。その対照材料は、前述した例のようにグリーンテープ上にスクリ ーン印刷された。その鉛ベースガラスは、ＤＴＡ分析による測定で525℃のガラ ス転位温度を有しており、その遷移温度は、グリーンテープを製造するのに使用 されるガラスのＴ_gよりかなり低かった。その導電バイア充填インクが、スクリ ーン印刷によって、グリーンテープに塗布され、6枚のグリーンテープが積層さ れて一緒にプレスされた後、銅／モリブデン／銅複合材料金属支持基板と揃えら れて、有機物を除去し、グリーンテープを製造するのに用いられるガラスを焼結 するために915℃に加熱された。 バイアのすべてが、気孔、バイア壁からのバイア充填物の分離、バイア周辺で のガラス隆起等の問題を示した。この問題は、加熱多層印刷回路基板を使用不能 にした。 他の対照材料として、グリーンテープを製造するのに使用されたガラスと同じ マグネシウム・アルミノ珪酸塩結晶ガラスを体積で50％含むバイアインクをバイ ア充填インクを製造するのに使用した。そのようなグリーンテープ6層を薄積層 し、加熱した後で、バイアを調べた。そのバイアは高さ100〜120ミクロンという 許容しがたい高い隆起と高い割合の気孔を有していた。バイアインクにおけるガ ラス添加剤の結晶化は、必要な程度を超えて収縮と流動の能力を減少するものと 確信できた。 したがって、導電性バイア充填インクが前記基準に沿って製造された場合、す なわち、使用ガラスが、グリーンテープを製造するのに使用されたガラスの転位 温度より高い転位温度を有しているが、使用されるピークの加熱温度を超えず、 そのガラスがグリーンテープ加熱時の最高温度で好ましくは結晶化せず、また、 ガラスと導電性金属の適正な成分比が使用された場合には、バイア中の収縮がグ リーンテープ組成物中の収縮後に発生し、バイア中の収縮発生もまた厚さ方向に 起こり、バイアが完全に充填され、そして、ガラスの気孔やバイアの端部のガラ スの亀裂の問題を回避することが保証される。 本発明は特定の実施形態により説明されたが、当業者であれば、本発明の精神 から逸脱することなく、ここで用いられた導電性金属、種々のガラス、反応条件 等を、他の物体・条件に容易に置換することができる。したがって、本発明は、 添付された特許請求の範囲によって限定されることのみを意図している。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ // Ｃ０９Ｄ 5/24 Ｃ０９Ｄ 5/24 Ｈ０１Ｂ 1/16 Ｈ０１Ｂ 1/16 Ｚ (72)発明者 プラビュー，アショック，ナラヤン アメリカ合衆国 ニュージャージー州 イ ーストウィンザー メドウ レーン 21 (72)発明者 トーメイ，エレン，シュワルツ アメリカ合衆国 ニュージャージー州 プ リンストン ジャンクション ジェフリー レーン ８

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． その上に形成された導電性金属回路とその中にバイア孔を有する複数の積 層グリーンテープ組成物を備え、前記積層物は、支持基板上に支持され、前記バ イア孔は、導電性金属粉末及びガラスからなる導電性インクで充填されており、 前記ガラスのガラス転位温度は、グリーンテープ組成物に使用されたガラスより 高いが、グリーンテープの加熱処理の最高温度より低く、前記導電性インクの組 成は、前記ガラスを体積で30〜75％、導電性金属を体積で25〜70％含んでいるセ ラミック多層回路基板中間体。 ２． 前記グリーンテープ組成物を製造するのに使用したガラスが、850℃より 低いガラス転位温度と、950℃以下の加熱温度を有するガラスである請求項１記 載の中間体。 ３． 前記ガラスがマグネシウム−アルミノ珪酸塩ガラスを含む請求項２記載の 中間体。 ４． 前記バイア充填導電インクは、酸化カルシウムを20〜30重量％、酸化アル ミニウムを15〜25重量％、酸化シリコンを45〜60重量％、酸化ホウ素を2重量％ まで、五酸化リンを2重量％まで含むガラスから構成される請求項３記載の中間 体。 ５． ガラスは、マグネシウム−アルミノ珪酸塩系ガラス及び体積で50％までの 第２のガラス、あるいは、結晶添加剤から構成される請求項４記載の中間体。 ６． その上に形成された導電性金属回路とその中に形成されたバイア孔を有す る複数の積層グリーンテープ組成物を備え、前記積層物は、支持基板上に支持さ れ、前記バイア孔は、導電性金属粉末及びガラスからなる導電性インクで充填さ れており、前記ガラスのガラス転位温度は、グリーンテープ組成物に使用された ガラスより高いが、グリーンテープの加熱処理の最高温度より低く、前記導電性 インクの組成は、前記ガラスを体積で30〜75％、導電性金属を体積で25〜70％含 んでいる中間体製の加熱回路基板。 １０． 前記グリーンテープ組成物を製造するのに使用したガラスが、850℃よ り低いガラス転位温度と、950℃以下の加熱温度を有するガラスである請求項９ 記載の中間体製の回路基板。 ７． 前記ガラスは、マグネシウム−アルミノ珪酸塩系ガラスを含み、前記バイ ア充填導電インクは、酸化カルシウムを20〜30重量％、酸化アルミニウムを15〜 25重量％、酸化シリコンを45〜60重量％、酸化ホウ素を2重量％まで、五酸化リ ンを2重量％まで含む組成のガラスから構成される請求項６記載の加熱回路基板 。 ８． ガラスは、マグネシウム−アルミノ珪酸塩ガラスと体積にして50％までの 第２のガラス、あるいは、結晶添加剤から構成され、前記第２のガラスは、結晶 コージエライトである請求項７記載の加熱回路基板。 ９． 酸化カルシウムを20〜30重量％、酸化アルミニウムを15〜25重量％、酸化 シリコンを45〜60重量％、酸化ホウ素を2重量％まで、五酸化リンを2重量％まで で構成される組成を有するガラスと、導電性金属粉末とからなるバイア充填導電 インク。 １０． 前記インクは、前記ガラスを体積で30〜75％含有する請求項９記載のイ ンク。