JPS608229B2 - 多層セラミック基板 - Google Patents

多層セラミック基板

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JPS608229B2
JPS608229B2 JP55088941A JP8894180A JPS608229B2 JP S608229 B2 JPS608229 B2 JP S608229B2 JP 55088941 A JP55088941 A JP 55088941A JP 8894180 A JP8894180 A JP 8894180A JP S608229 B2 JPS608229 B2 JP S608229B2
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green sheet
multilayer ceramic
ceramic substrate
thickness
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JP55088941A
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和明 内海
勇三 嶋田
正則 鈴木
秀男 高見沢
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NEC Corp
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Nippon Electric Co Ltd
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  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
  • Production Of Multi-Layered Print Wiring Board (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、多層セラミック基板特に低温焼成を可能にし
た多層セラミック基板に関するものである。
半導体工業の飛躍的な進展によって、IC、LSIが産
業用、民需用に幅広く使用されるようになった。
特に集積密度の高い、LSIの実装用基板として、直接
LSIを実装でき微細多層配線が可能な多層セラミック
基板が脚光を浴びている。
多層セラミック基板の製造方法を大別すると、(1)厚
膜印刷法と(ロ)グリーンシート法との一つの方法に分
けられる。
グリーンシート法については、さらに積層法と印刷法と
があり、それぞれの製造工程を流れ図で示すと次のよう
になる。‘1} 厚膜印刷法これらの方法の中で第1の
厚膜印刷法は一般に広く実用化されているが「各導体層
及び絶縁層を印刷する毎に焼成する必要があるため、工
程に時間がかかり、配線の微細化、絶縁層のスルーホー
ルを小さくすること、多層化、等々に困難があり、歩蟹
りも著しく悪く、量的に安定生産することが困難であっ
た。
また第2のグリーンシート積層法は、絶縁材料として従
来はアルミナが使用されてきたため暁結温度が1500
00以上と高く、このため導体としてはMo、Wなどの
高融点金属を使用しなければならず、しかも水素炉など
を用いて還元性の雰囲気で処理する必要があったため製
造装置が大がかりのものとなり、コストもかかり省エネ
ルギーの観点からも好ましくなかった。
さらに製造上のばらつきも大きく歩留りが低い欠点があ
った。さらに導体としてMo、Wなどを用いるため導体
抵抗が大きくなり、配線の幅を細くし実装密度を上げる
ことが困難であった。さらに、Mo、Wなどを導体とし
て用いた多層セラミック基板では、基板上に抵抗やコン
デンサをさらに厚勝法によって一体化して形成しようと
する場合、通常使用されている厚膜ペーストでは空気中
で70000〜9000Cで焼付けるためMo、Wなど
の導体が酸化してしまう等々の問題があり、所期の目的
を達成することができなかった。
そこで導体の露出部分に金をめつきするような技術が開
発されてはいるが、非常に高価なものになってしまい広
く実用化することは困難である。又、抵抗やコンデンサ
などを形成するための厚膜ペーストとして、中性雰囲気
中で使用できるものや低温で焼付けられるものなども発
表されてはいるが、その種類が少なかったり、IJ−ク
電流が大きかったり、信頼性がなかったり、再現性が悪
いなどの欠点があり、実用に供し得ない。
さらに、コンデンサを多層セラミック基板の多層配線の
中に組み入れる試みがなされているが、従来のグリーン
シート法による限りでは、グリーンシートの厚さが20
0山肌以上と厚くなってしまうため、容量を大きくする
ことができず高々数百ピコフアラツドのものしか得られ
なかった。
グリーンシートの上に印刷する方法によってセラミック
層を形成し凝結する第3の方法では、絶縁層の厚さは薄
することができるが積層数に限界があるため、この場合
も容量はあまり大きく取ることができなかった。以上3
つの方法のうち最も有望と考えられるのは第2のグリー
ンシート積層法であるが、その最大の難点はセラミック
層を形成する組成物がかなり高温で燐結しなければなら
なかったことにその端を発していた。
そこで本発明はこの難点を除去しようとするものであり
、そのためにセラミック層の組成を新規開発したもので
ある。本発明と同じ発想に基いて、ガラスを絶縁材料と
して用いて、低温焼結化する試みが行なわれているが、
この場合は、暁結後気孔を多く含む欠点があるため、リ
ーク電流が著しく大きくなり、熱抵抗も大きくなるため
、実用化できない状態にある。本発明の目的は、これら
の欠点を除去し、多層化が容易でしかも高密度配線が可
能であり、配線の接続の信頼性も高く、半導体チップを
直接マウントでき〜量産化が可能で「 コストダウンが
可能な、多層セラミック基板を提供することである。本
発明によれば、セラミック層が、配化物換算表記に従っ
たとき、酸化アルミニウム5〜9の重量%、酸化鉛1〜
4の重量%、酸化ホウ素1〜3の重量%、2酸化珪素2
〜6の重量%、ロ族元素酸化物0.01〜25重量%、
N族元素(但し炭素、珪素「鉛は除く)酸化物0.01
〜1の重量%、の組成範囲で総量10の重量%となるよ
うに選んだ組成物で構成され、複数の導体層を上記セラ
ミック層を介して穣層したことを特徴とする多層セラミ
ック基板が得られる。本発明を実施するときは、140
000以下の温度で暁給可能となるため、所望のグリー
ンシート積層法によって容易に多層化ができ、導体とし
てAu、Ag、Pt、Pd、Cu、Ni、Cr、等の多
くの元素およびこれらのうち2種類以上を含む合金が安
心して使用できるようになり、実装密度の高い多層セラ
ミック基板を実用に供することが可能となる。
さて現状をもう一度振り返って検討してみると、600
00〜800午○で焼結可能なガラス材料を用い、厚膜
印刷法によって多層化したセラミック基板が広く使用さ
れている。
しかしこの場合は、印刷する毎に焼成する必要があり、
一回の印刷厚みがあまり厚くできないためもあって、ピ
ンホール等が生じやすいため同じ絶縁層を2〜3回印刷
・焼成をくり返す必要があった。しかしこのことは製造
するのに時間がかかるということであり、さらに印刷時
の位置合せのズレが生じるなど、歩蟹りも非常に悪くな
っていた。さらに厚膜印刷法によって形成した暁結前の
絶縁層はプレス等によって密度を高くすることができず
。さらにセラミック基板上に印刷されているため焼結時
に厚み方向だけしか収縮できないため、凝結後の絶縁層
の密度は低いものになっていた。従って、絶縁層の絶縁
抵抗が低くなり、絶縁層中にボィドを多く含んでいるた
め熱抵抗が高く、ピンホールなどの欠陥を多く含む絶縁
層しか得られない状態にあった。これらの欠点を除くた
め無機材料の組成などが鋭意検討されてきてはいたが、
収縮が厚み方向しかゆるされずしかも暁綾前の絶縁層の
密度が低いという理由によって、焼成条件や材料組成を
検討してもボイドやピンホール等を取り除くことができ
ず、その結果、絶縁抵抗が低かったり熱抵抗が大きかっ
たり耐圧が低下したり層間にリーク電流が流れたりして
実用化が困難な状態にあった。本発明はグリーンシート
法が使用でき、1400午○以下で焼結可能な無機材料
を用いて多層セラミック基板を形成することによって、
暁結前の積層体をプレスして厚み方向の密度をも上げる
ことができるようになった。さらに、本発明をグリーン
シート法によって実施した場合、焼結時の収縮が縦、横
、厚み方向で生じるように自由な状態で焼成できるため
、暁給密度が上がり、そのためにボィドやピンホールの
発生割合が激減し、絶縁抵抗、耐圧、リーク電流などの
電気的性質もまた飛躍的に改善され、熱抵抗も小さくな
り、実用上の問題点が全て解決された。さらに本発明の
多層セラミック基板は、導体層として、Ag、Au、P
t、Pd、Cu、Ni、Cr、等の多くの元素を卑金属
をも含めて使用可能とし、更にはこれらの中から1種類
以上を含む合金をも使用できるようにした。
この場合、糠結温度が低いため、酸化性の雰囲気中でも
充分焼成可能であり、電極ペーストとしても粒径の細か
い金属粉末ができるため、細かい導体パターンを精度よ
く印刷することが可能となり、集積度の高い多層セラミ
ック基板が安定して歩蟹り良く製造することが可能とな
った。さらに本発明で使用するセラミック組成におし、
て含むロ族元素酸化物及びW族元素酸化物の作用効果は
、リーク電流、熱抵抗、絶縁抵抗、耐圧等の諸特性を更
に改善する。
例えば、グリーンシート法によって本発明の多層セラミ
ック基板を製造する場合で考えてみれば、導体ペースト
の齢結反応と無機粉末の暁緒反応とが同時に起るため、
その収縮率や焼結の温度などを近接させる作用を果たし
ている。逆にこれらがうまく適合しない場合には、クラ
ック、剥離、変形などを生じ、製品の歩蟹りを著しく低
下されることになる。
本発明で使用した組成物はこれら収縮率等が適当である
ために、クラック、剥離、変形などを起さず多層セラミ
ック基板を製造することができるというわけである。ま
た従来から使用されているアルミナを使用したグリーン
シート法による多層セラミック基板では、グリーンシー
トの厚さを200山肌以下にすることはハンドリングな
どの点で困難であった。グリーンシートのハンドリング
を良くするだけであれば有機バインダーの量を増加すれ
ば良く、グリーンシートの厚さを200仏の以下にする
ことも可能である。しかし、有機バインダー量が多くな
ると、その後、脱バインダーを充分に行なう必要が生じ
、酸化性雰囲気中で長時間50000〜6000Cの温
度で熱処理を行なわなければならない。このような熱処
理をすると、導体としてたとえばW、Moなどを用いる
ような場合は、その酸化によって導体が断線したり、セ
ラミック基板の電気特性を劣化させてしまうこととなる
ので、結果として所望の多層セラミック基板を形成する
ことが困難であった。従ってグリーンシート中の有機バ
インダーの増量には自ずと限界があり、この限界を維持
してなおハンドリングが可能とするためには、グリーン
シートの厚さは200仏肌以上でなければならなかった
のである。次に、グリーンシートにスルーホールをあげ
るには、一般にダィとポンチを用いた板抜き加工による
か、あるいはドリル等を用いて穿孔するか、の機械的な
手段が一般に用いられているが、いずれの方法によると
してもグリーンシートの厚さよりも直径の小さいスルー
ホールをあげることは不可能である。
従って従来のグリーンシート法によるスルーホールの直
径はその厚さのオーダーである200#肌が限界であり
、これよりも小さいスルーホールをあげることは不可能
であった。
従ってこの点からも、グリーンシートを薄くしたいとの
願望が生ずるのである。さらにグリーンシートの厚さが
200仏のが限界であるため、積層数を増加すると基板
の厚さが厚くなりすぎ、基板の体積が大きくなるばかり
でなく熱抵抗が大きくなるなどの欠点を有してした。
本発明の多層セラミック基板は、グリーンシートの厚さ
をloAm〜150仏のと非常に薄くすることが可能な
ため、スルーホールの直径を数十ミクロン程度まで小さ
くすることができ、回路の集積度を上げ得るとともに、
基板の全厚を薄く維持したまま積層数を充分に大きくし
、基板の体積を小さくしながらかつ熱抵抗も下げること
が可能となつた。本発明によってグリーンシートの厚さ
を200r肌未満にできるようになった理由は全てセラ
ミック組成に帰するわけである。
すなわちこの組成であるがために、グリーンシート中の
有機バインダーの量を必要に応じて増加でき、かつ導体
として、Ag、Au、Pd、Pt、Cu、Ni、Cr等
の単体およびこれらの合金などが使用できるようになり
、しかも500oC〜600ooの温度で非還元性雰囲
気中で有機バインダーを分解させても導体が劣化しない
ようにすることができたからである。さらに本発明では
、導体としてAg、Au、Pd、Pt、Cu、Ni、C
省等が単体であるいはこれらの合金を使用できるように
なったため、本発明を実施して得た多層セラミック基板
の上に、従来から使用されている厚膜ペーストを使用し
た通常の厚膜法によってさらに導体、抵抗、コンデンサ
などを形成することができ、導体が酸化することもなく
所望の回路を形成できるため、その使用範囲が著しく広
くなる。
さらにグリーンシートの厚さを10仏〜150仏と非常
に薄くできしかも積層数を多くできるため、こうして形
成する容量の大きさを労せずして従釆の1ぴ音以上大き
くすることも可能となった。
以下実施の一例によって本発明の一態様を具体的に詳細
に説明する。第1表 第1表 セラミック層を形成する組成物を、酸化物に換算して、
第1表に示すような組成の粉末状のものとして用意し、
これを更にボールミルを用いて湿糊砕を2瞬間行なった
粉砕した粉末を、ポリビニルブチラール、ポリビニルア
ルコールあるいはポリアクリル系樹脂などの有機バイン
ダーとともに溶媒中に分散し泥酸にする。
この泥凝をドクターブレード法によって10一〜190
r程度の厚さの均一なグリーンシートにする。このグリ
ーンシートを6比岬×4仇岬の矩型に打抜き、スルーホ
ールの必要な層についてはさらに板抜き型を使用して、
スルーホールをあげる。
これらの打抜かれたグリーンシート上へPt、Au−P
t、Au−Pd‐Pt 、 Ag‐Pd 、 Au‐P
d 、 Pd 、 Au 、Ag−AuAg、Cu、N
i、Cr、等を主成分とした導体ペーストをスクリーン
印刷法によって所定の位置に印刷する。こうして導体を
印刷したグリーンシートおよび導体を印刷していないグ
リーンシートを所定の回路を形成し、かつ基板の厚さが
所定の厚さになるようにグリーンシートを積層し、熱圧
着する。その後、必要な形状になるようにカッターを用
いて切断し、700℃〜1400qoの温度で1時間空
気中で焼成した。焼成の際その昇温過程で500ooの
非還元性雰囲気中で5時間保持して脱バインダーを充分
に行なった。第1表に示した組成の無機粉末を用いて多
層セラミック基板を形成した時の基板の状態を第2表に
示す。
なお無機粉末の試料番号はそれぞれ第2表で示す基板の
試料番号に対応している。
第2表 第2表からも明らかなように、本発明の組成物を使用す
ることにより、容易に高密度な回路を形成し、かつ特性
上も優れた多層セラミック基板を得ることができる。
なお、セラミック層の組成を酸化物に換算して表現した
がこれは酸化物を出発原料として使用することを制約す
るものではない。
(1)アルミニウムが酸化物換算で5重量%未満ではセ
ラミックを形成することが困難となり、9の重量%を越
えると1400q0以下で競結することが難しくなる、
ので好ましくない。
(0)鉛が酸化物換算で1重量%未満のときあるいは4
の重量%を越えたときは、セラミックの暁続性が不良と
なる〜ので好ましくない。
(m)ホウ素が酸化物換算で1重量%未満ではセラミッ
ク中のボィドが多くなり、3の重量%を越えると吸水し
て絶縁抵抗を劣化させる、ので好ましくない。
(W)桂素が2酸化物換算で2重量%未満ではセラミッ
クが暁結いこく〈なり、6の重量%を越えるとセラミッ
クの熱抵抗を大きくしてしまう、ので好ましくない。
(V)0族元素が酸化物換算で0.01重量%未満の時
には焼給時に気孔を多く含むようなセラミックとなり、
基板の信頼性が低下し、25重量%を越えると焼結時に
クラツクを生じる、ので好ましくない。
(W)W族元素が酸化物換算で0.01重量%未満では
競結時にセラミックの変形が著しくなり、1の重量%を
越えると導体金属との密着性が悪〈なる、ので好ましく
ない。
なお本発明で使用するセラミック組成物の一部は、結晶
質、非晶質又はガラス質のいずれか1つの相又はこれら
の中の2つ以上の相が共存している場合でも本発明の効
果に変わりはなく、又さらに不純物として5%以下のア
ルカリ金属が含まれていても本発明の効果を損うもので
はない。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 セラミツク層が、酸化物換算表記に従ったとき、酸
    化アルミニウム5〜90重量%、酸化鉛1〜40重量%
    、酸化ホウ素1〜30重量%、2酸化硅素2〜60重量
    %、II族元素酸化物0.05〜25重量%、IV族元素(
    但し炭素、硅素、鉛は除く)酸化物0.01〜10重量
    %、の組成範囲で総量100重量%となるように選んだ
    組成物で構成され、複数の導体層を上記セラミツク層を
    介して積層したことを特徴とする多層セラミツク基板。
JP55088941A 1980-06-30 1980-06-30 多層セラミック基板 Expired JPS608229B2 (ja)

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