JPS61183190A - メタライズ組成物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、半導体ＩＣ，チップ部品などを搭載し、かつ
それらを相互配線したセラミック配線基板に代表される
ハイブリッドＩＣ用のメタライズ組成物に関するもので
ある。

従来の技術 セラミック配線基板は、現在その配線形成法により分類
すると３つの方法がある。それは■厚膜法、■グリーン
シート印刷法、■グリーンシート積層法と呼ばれるもの
がそうである。以下簡単にその方法を述べる。まず厚膜
印刷法は、ハイブリッドＩＣに代表されるもので、焼結
剤のセラミック基板に、導体や絶縁体の厚膜ペーストを
使用してパターン形成を行う方法である。この方法は、
厚膜ペーストが手軽に入手できることや、工法そのもの
が簡単なため、比較的容易に製造ができるので現在多く
の方面で実用化されている。しかしこの厚膜印刷法は、
絶縁層にガラスを用いるためあまり多層化に向かない。

かつ印刷後、その都度焼成を行うので、設備コストのア
ップやリードタイムが長くなるなどの欠点があり、さら
には、焼結剤の基板を用いるためスルホール加工が困難
で両面配線や多層化にはあまり適当とは言えない。

次にグリーンシート印刷法であるが、これはセラミック
粉末（たとえば、アルミナ、ベリリアなどを主成分とす
るもの）に有機結合剤と可塑剤、溶剤を加えてボールミ
ルによってスラリー状にし、ドクターブレード法でシー
ト状に造膜したもの（グリーンシートと呼ぶ）を用いる
。導体ペーストにはＷやＭｏなどの高融点金属が用い、
前記グリーンシート材料と同一組成の無機成分を用いた
ペーストを絶縁層用ペーストとして用いる。この導体ペ
ーストと絶縁ペーストを前記グリーンシート上に交互に
印刷積層化し多層化するもので、後に一度で焼成を行う
。ただしこの焼成は、前記高融点金属のＷ、Ｍｏが酸化
されないような還元雰囲気中で行なわれる。（例えば、
１５００℃Ｎ２とＨ２雰囲気）このグリーンシートを用
いる方法は、いくつかの長所を有している。第一には印
刷積層後、一度の焼成で良いので、製造に要する時間が
短縮できること、第二に絶縁層が基板材料と同一組成で
あるので放熱性、気密性にすぐれている。

その他加工が容易な点、導体材料費が安い点などが上げ
られる。しかし欠点としては、大きな設計変更ができな
いこと、高温でＨ２を用いるので危険であり、設備コス
トも高い。また、Ｗ、Ｍｏは導体抵抗が高く、ハンダ付
けできないことや表面が酸化されやすいのでＡｕやＮｔ
をコーティングするための後処理が必要なことなどが上
げられる。

最後のグリーンシート積層法はグリーンシート印刷法と
ほぼ同一の手法であるが多層化する時に導体を印刷しバ
イアホール加工を済ませたグリ−。

ンシートを多数枚積層して張り合わせる方法であり、前
述のグリーンシート印刷法の利点をそのまま適用できる
ものである。

次にセラミック基板に用いられるメタライズ導電材料に
注目すると厚膜法ではＡｕ　、　Ａｇ　−ｐ　ｄ　、　
Ｃｕなどが用いられグリーンシート法ではＸｉ　、　Ｍ
ｏが一般に使用される。Ａｕ、Ａｇ−Ｐｄは、空気中で
焼付ける反面、貴金属であるのでコストが高くつく。

グリーンシート法ではセラミックを焼結させる温度が１
５００℃以上の高温であるためＷ、Ｍｏなどの高融点金
属しか使えない。そこで現在導体に卑金属材料を用いた
配線基板が注目されつつある。

そして厚膜印刷法では一部実用化された例もある。

しかし卑金属であるがための欠点もある。それは卑金属
のため空気中で焼き付けることができず、かつ基板との
接着強度、シート抵抗、・・ンダ付は性、バインダの分
解の影響から窒素の雰囲気中に若干の酸素を含ませると
いった微妙な雰囲気のコントロールが要求されているか
らである。しかも導体形成の後、抵抗や誘電体を形成し
ようとじた場合も、前記と同様の雰囲気で焼付けを行う
必要がある。しかしその条件下で使用できる抵抗体や誘
電体で実用に供するものはごく一部であり、その選択の
自由度は極めて少い０ とはいえ卑金属導体ペーストは、低コストであるため今
後民生用では大いに発展が期待される０そして卑金属の
中でも抵抗の低いＣｕが最も有力な候補とされている。

発明が解決しようとする問題点 しかしこのＣｕ配線基板には、いくつかの問題点がある
。第一にはＣｕの融点が１０８３℃と低いため基板材料
と同時焼成を行う場合には、基板材料そのものの焼結温
度をそれ以下にする必要がある。しかしながら現在その
程度の温度で焼結し、基板の機械的強度、絶縁特性など
を満足するセラミック材料は無い。そのため、アルミナ
などの高温焼結材料にガラスを混ぜ合わせて、焼結温度
の低下させる努力がなされている。しかしガラスを含む
系では、熱伝導性が悪いこと、および高度の抗折強度が
得られないため、多くは実用化されるに至っていない。

第二には、卑金属材料全般にかかわる問題として、メタ
ライズの焼付は雰囲気が中性もしくは、還元雰囲気であ
り、そのような条件でバインダを使用するには困難が生
じる点にある。つまり、グリーンシートに用いられる有
機バインダあるいは、ペースト中に含まれる同じく有機
バインダは非酸化性雰囲気では、完全に除去するのが困
難であること、特に融点の低いＣｕと一体化する場合な
どは、熱力学的に分解除去は困難である。そして完全に
除去できなければセラミック材料そのものも多孔質のま
まで存在するといわれており焼結が進行しないばかりか
、残こったカーボンのためブリスターが発生したりする
。

以上のような問題点が指摘されている。

問題点を解決するための手段 上記の問題点を解決するために本発明は、Ｃｕよりも高
温で処理でき、より安価なＦｅに注目し、Ｆｅによる卑
金属導体配線基板を提供するものである。このＦｅ導体
ペーストの出発原料として主成分に酸化第二鉄（Ｆ　ｅ
　２０３　）を用い、添加物としてＢ　ｉ　Ｏｃｃｉｏ
　、ＭｎＯ２，Ａ　Ｉ　２０３　、　Ｃｕｏのうち２　
３＋ から少くとも一種以上を添加し、その混合粉を無機成分
とし、さらにビヒクル組成物と溶剤組成分を加えたもの
を混練し、ペースト化する。また前記無機成分にさらに
粉末ガラスを添加したものを導体ペースト化する方法で
ある。

作　　用 本発明は、上記の組成の導体ペーストを用いることで非
酸化性雰囲気中での焼成が可能となるものである。つま
り、出発原料にＦ　ｅ　２０３を用いるので、あらかじ
め熱処理を有機バインダの除去に充分な酸素雰囲気で行
える。そして、焼成時にはＦｅ　Ｏの還元のみを考えれ
ば良くＨ２を含むＮ２雰囲気で熱処理すれば良い。した
がって従来のように微妙なコントロールを必要とした焼
成条件も、単に熱力学的に充分Ｆｅ２Ｏ３をＦ。に還元
するだけのＨ２濃度で良いことになる。

また前記空気中熱処理工程では、処理温度をコントロー
ルすることで所望の程度Ｆｅ２Ｏ３の拡散層を形成する
ことが可能である。これにより焼成後のＦｅ　メタライ
ズ層の絶縁基体との接着強度の向上に効果的である。

また、Ｂ　ｉＯＭｎ　ＯＣｄ　Ｏ、Ａ　１２０３．　Ｃ
ｕ　０２３Ｉ　　　　　２Ｔ の添加はさらにメタライズ性に効果がある。さらＫＢａ
Ｏ，Ｂ　ＯＣａＯ，ＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２！す
　３Ｉ 選ばれた組成のガラス粉末を添加することでも、メタラ
イズ性に効果がある。なお上記ガラス成分は、還元雰囲
気で還元されることはなく、Ｆｅを酸化させることも無
い。

実施例 実施例１ まず本発明にかかるセラミック基板材料は、ホウグイ酸
ガラス粉末（コーニング社製＃７０６９ガラス、平均粒
径３μｍ）とアルミナ（平均粒径Ｏ，Ｓμｍ昭和電工社
製）粉末を重量比で２５対７５となるように配合した。

この混合粉を基板材料の無機成分とし、有機バインダと
してポリビニルブチラール、可塑剤としてデーｎ−ブチ
ルフタレート、溶剤としてトルエンとイソプロピルアル
コールの混合液（３０対７ｏ比）を次の通りの組成で混
合しスラリーとした。

無機成分　　　　　　　　　　　１００部ポリビニルブ
チラール　　　　　　　６部デーｎ−ブチルフタレート
　　　　　６部トルエン／インプロピルアルコール　　
　４０部このスラリーをドクターブレード法で有機フィ
ルム上（東し、ルミ２０１２６μｍ厚）にシート成型し
た。

この時、造膜０．５乾燥、任意の打抜きさらには必要に
応じてスルーホール加工を、行なう工程を連続的に実施
するシステムを使用した。以上のようにして得られたグ
リーンシートに、導体ペーストを用いてスクリーン印刷
法で印刷した。導体材料には、Ｆｅ２Ｏ３粒（平均粒径
１．２μｍ）を主成分とする第−表に示す組成でＢｉ　
２０３．ＭｎＯ２゜Ａｌ　２０３．ＣｄＯ，Ｃｕｏを添
加した。ペースト作製のだめの条件は、まずビヒクル組
成に、溶剤としてテレピン油を用い、有機バインダであ
るエチルセルロースを溶かしたものを用い、上記混合粉
末と三段ロールにて混練し、ペースト化した。次にこの
パターン形成されたグリーンシートに、前記グリーンシ
ートの無機成分と同一組成の絶縁材料で作製した絶縁ペ
ーストを印刷する。前記導体ペーストと絶縁ペーストの
印刷をくり返えし行うことで、前記グリーンシートを多
層化する。、（グリーンシート印刷多層法） 次にこの印刷済基板の脱バインダ処理を行う。

条神は空気中で７００℃の温度で２時間保持することで
、基板中の有機成分は、分解、除去された。

この時Ｆｅ２Ｏ３粉は、絶縁層に対して若干の拡散反応
が起こる。なお出発原料にＦｅ粉を用いた場合は、空気
中の熱処理でＦｅが酸化されＦｅ２Ｏ３に変化し、体積
変化があるため、絶縁層から〕・ガレ落ちてしまうので
、Ｆｅ粉は使用できない。

以上のようにして作製された脱バインダ済の基板を焼成
する。その条件は、昇温／降温スピードが３００℃／時
間で１４００℃の温度で１時間保持し、雰囲気としては
、Ｎ２＋Ｈ２（Ｈ２／Ｎ２＝１０／９０）で行なった。

その結果得られたＦｅ配線基板の性能を第−表に示す。

なお接着強度を測定するに際して、Ｆｅ配線の最上層に
無電解Ｃｕ　メッキを施こし、真空中で５００℃の温度
で熱処理してＦｅ層とＣｕメッキ層の接着性を向上させ
た。上記メッキ層２酎口にリード線（０，８ｍψ）をハ
ンダ付けして、Ｆｅ配線層と絶縁層との接着性を測定し
た。

以下余白 第１表 その結果、Ｂ１２Ｏ３．Ｃｄｏ２Ｍｎｏ２．Ａ１２Ｏ３
゜ＣｕＯを添加した場合、接着強度の改善に効果がみら
れる。２ｗｔ　％以上添加したものに特に有効であり、
ＩＥ５ｗｔ　％以上では、その効果があまり見られなく
なる。

ｔた、前記Ｂｉ、０３．ＣｄＯ，ＭｎＯ２，Ａｌ２Ｏ３
゜ＣｕＯを単独でなく、それぞれの組合せによる実験で
も同様の接着強度の改善が見られる。第２表にその代表
的な実験結果を示す。

第２表 実施例２ 実施例１のＦｅ２Ｏ３粉とＢ　１２０３．ＣｄＯ。

ＭｎＯ３，Ａｌ２Ｏ３，Ｃｕｏのそれぞれを用いて、ガ
ラス粉末の添加効果を調べた。

ガラス粉末の作製方法としては、ＢａＯ，Ｂ２Ｏ３゜Ｓ
ｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３，ＣａＯ，ＭｑＯをそれぞれＢ　ａ
　ＣＯｓ　を混合したものを１２５０℃の温度で溶解し
、水中に落下急冷させ、乾燥の後、前記ガラス粒を湿式
粉砕した。この時、溶剤はメチルアルコールを用いてア
ルミナ玉石によって７２時間粉砕した。その結果平均粒
径が２．Ｏｌｔｍのガラス粉末が作製された。

以上のようにして得られたガラス粉末と、Ｆ　ｅ　２０
３粉末を基本として第３表に示す組成でペーストを作製
し、実施例１と同様の試験を行なった。その結果前記ガ
ラス粉末を添加することで接着強度か著しく向上するこ
とがわかった。なおガラス粉末の添加で１ｗｔ％でも効
果があり逆に１゜ｗｔ％ではメッキ面の接着強度が得ら
れないため最適量としては２〜５ｗｔ　％が良いと思わ
れる。

’ｘ　オ本発明ｆ’ｃ　オイテＢ　ａ　Ｏ、Ｂ　２０３
．　Ｃａ　Ｏ。

Ｍ　ｇ　Ｏ、Ａ　Ｉ　２０　ｓ　、　Ｓ　ｉｏ２ツカ７
　ス成分を用イタが、前記組成以外でも還元雰囲気で、
Ｆｅを酸化させるものでなければ、どのような組成のも
のでも良いのは言うまでもない。

以下余白 第３表 ト ■ ト ［ 発明の効果 本発明は、セラミック配線基板用の厚膜導体ベーストに
関するもので、出発原料にＦｅ２Ｏ３を用いることで空
気中脱バインダが可能となり、焼成の雰囲気コントロー
ルも容易な、低コストＦｅ配線基板が得られるものであ
る。特に添加物として、Ｂｉ　　ＯＣｄＯ，ＭｎＯ２，
Ａｌ２Ｏ３，ＣｕＯを添加す２　３’ ることでメタライズ層の接着強度の向上に効果がある。

また、ＢａＯ，Ｂ２Ｏ３，ＣａＯ，Ａｔ２０３．ＭｇＯ
。

Ｓ　１０２より選択された組成のガラス粉を添加するこ
とで、さらに著しい効果がある。

本発明は、低コストで信頼性の高い、導体ぺ一°　　ス
トを提供するもので、極めて効果的発明である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）酸化第二鉄（Ｆｅ＿２Ｏ＿３）粉末８５〜９８重
   量パーセントに、Ｂ＿ｉ＿２Ｏ＿３、ＣｄＯ、ＭｎＯ＿
   ２、Ａｌ＿２Ｏ＿３、ＣｕＯの内少くとも１種以上を２
   〜１５重量パーセント含有した無機成分とビヒクルおよ
   び溶剤組成物より構成されていることを特徴とするメタ
   ライズ組成物。
2. （２）酸化第二鉄（Ｆｅ＿２Ｏ＿３）粉末を８４〜９７
   重量パーセント、粉末ガラスを１〜１０重量パーセント
   、およびＢｉ＿２Ｏ＿３、ＣｄＯ、ＭｎＯ＿２、Ａｌ＿
   ２Ｏ＿３、ＣｕＯのうち少くとも一種以上を２〜１５重
   量パーセント含有した無機成分とビヒクルおよび溶剤組
   成物より構成されていることを特徴とするメタライズ組
   成物。
3. （３）ガラス粉末がＢａＯ、Ｂ＿２Ｏ＿３、ＣａＯ、Ｍ
   ｇＯ、Ａｌ＿２Ｏ＿３、ＳｉＯ＿２のうちより選ばれた
   成分によって構成されていることを特徴とする特許請求
   の範囲第（２）項に記載のメタライズ組成物。