JPS6126292A - セラミック多層配線基板の製造方法 - 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ＬＣ，チップ部品などを搭載し、かつ
それらを相互配線した、セラミック多層配線基板に関す
るものである。

従来例の構成とその問題点 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、ノ・イブリッドＬＣに代
表されるもので、焼結済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スクリーン印刷し、その
都度焼成をくり返え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手に入ることや、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
が容易ではなく（せいぜい３から４層まで）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等の欠点があり、さらには、焼結
済の基板を用いるためスルーホールなどの加工が困難な
ことから、両面配線や、多層配線には、あまシ適当な方
法であるとは云えない。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したもの）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）を用いるものである。導体ペーストは
、主にＷやＭＯなどの高融点金属が用いられ前記グリー
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。

グリーンシート印刷法は、前記グリーンシート上にこの
導電ペーストと絶縁ペーストを交互に印刷積層し、多層
化するもので、印刷、乾燥をくり返し行なりた後に一回
で焼成を完了するものである。

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う必要がある。

例えば、焼成温度は１６００’Ｃで行い、若干の水蒸気
を含み、水素ガス濃度が約１０チ程度の窒素ガス雰囲気
中で行なわれる。

このグリーンシートを用いる方法は、多くの長所を有し
ており、今後増々多くのメーカで採用される手法である
と思われる。その長所とは、第一に印刷積層後、一度の
焼成で良いので、製造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、同時焼成されるので、放熱
性、気密性にすぐれている。第二にグリーンシートを用
いるのでスルーホールなどの加工が容易である。印刷性
も良いと云われている。第三にＷ　、Ｍｏなどの金属を
使用するので金あるいは銀−パラジウム系導体材料に比
べて材料費が安い。第四には、焼結時の収縮のため、印
刷した時よりも実際上高密度になる。第五に、導体の接
着強度が厚膜印刷法に比べて大きいことなどが上げられ
る。

しかし欠点としては、設計変更が容易ではないこと、高
温でかつ水素雰囲気を必要とするので、危険であり、そ
のため設備コストも高くなる。また導体については、ム
Ｕ、ムｇ　、　Ｃｕなどと比べて導体抵抗が高く、ハン
ダ付けができない欠点の他、表面が酸化されやすいので
ムＵやＮｉなどの後処理が必要なことｋ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、グリーンシートを多数
枚積層して張シ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。こ
の方法は、積層数が多く、多量に印刷する場合は有利で
あるがグリーンシートのバイアホール加工のための金型
や、治具を多く必要とし、設計変更の自由度が低いので
、グリーンシート印刷法はど一般的な方法とはいえない
。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ムｇ−Ｐｄ、Ｃｕなどが
用いられ、グリーンシート法ではＷ、Ｍｏ、Ｍｏ−Ｍｎ
などが用いられる。ムＵおよびλｇ−ｐａは、空気中で
焼付けができ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、セラミック基板を焼結させ
る温度が１６００°Ｃ以上の高温であるため、　Ｗ　、
　Ｍｏなどの高融点金属しか使用できない、等の問題が
ある。

そこで、現在、導体抵抗が低く、マイグレションが起こ
らず、ハンダ付は性も良好であるＣｕ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、一部で実
用化された例もある。しかし卑金属であるが為の欠点も
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、ハンダ付
は性。

バインダの分解の影響から銅のメタライズは窒素の雰囲
気中に若干の酸素を含ませるといった非常に微妙な雰囲
気のコントロールが要求されているためである。

しかも、Ｃｕの導体形成の後、抵抗や誘電体を形成しよ
うとした場合も、前記と同様、窒素の焼付は雰囲気で行
う必要がある。しかし、それに使用できる抵抗や誘電体
で、実用に供するものは、ごく一部のもので、その選択
の自由度は極めて少ない。そして最大の問題点は、前記
の銅ペースト焼付は温度、雰囲気では、有機バインダが
除去できないことにある。つまり、印刷ペースト中のビ
ヒクルに含まれる有機結合剤は、非酸化性雰囲気でかつ
銅の融点以下の温度では、完全に熱分解で除去するのは
、困難で、大部分は除去できても、カーボンの形で残留
することは、衆知のことである。そしてセラミック材料
にとっても、カーボンが残留することで、黒ずんだ色に
なるだけでなく、焼結が進行せず、多孔質のままで存在
するといわれている。

とはいえ、ＣＵの利点は多く、今後各方面の研究開発活
動を通して、徐々にその実用化が進むであろうと思われ
る。

発明の目的 本発明は、セラミック多層配線基板にかかり、銅多層配
線基板を形成する方法について、上記の問題点を解消す
るものである。すなわち、銅条層化における最大の問題
点である有機バインダの除去について、新しい脱バイン
ダ方法を提供し、同時に銅多層配線を形成することを目
的とするものである。

発明の構成 上記の目的を達成するために本発明は、既に焼結し、さ
らに必要に応じスルーホール加工の完了したセラミック
基板（アルミナ、ベリリアなど）を用い、この基板上に
銅の酸化物を主成分とするペーストで導体パターンを形
成し、絶縁層は銅の融点以下で焼結するセラミック材料
もしくは、銅の融点以下で溶融するガラス材料もしくは
、その混合物を、無機成分とするペースト組成物により
形成する。この形成法は一般には、スクリーン印刷法に
よって行なわれ、上記、銅酸化物ペーストと絶縁ペース
トをく９返えし、所望の回数印刷し多層化する。

脱バインダの方法は、空気中で熱処理して行われる。条
件は有機バインダが充分熱分解される温度で、所望の時
間桁なわれる。この時、導体材料となるべき出発原料で
ある酸化鋼が、必要以上の焼結２体積変化を伴う結晶構
造の変化のいずれもが起こらない条件（粒径、添加物な
ど）が設定される。さらに上記絶縁層用材料の焼結もし
くは溶融する温度以下で完全に脱パイが行なわれること
も、条件の一つであり、そのためには、使用できる絶縁
材料、有機バインダには限りがある。

そして、この空気中脱バインダ処理工程で重要なことは
酸化鋼ペースト中の酸化銅を、熱処理温度をコントロー
ルすることで所望の程度前記絶縁層中に拡散させる役割
りも果たすことである。

これは、銅電極のメタライズ性を向上させる上で、著し
い効果がある。

次に、還元性の雰囲気とし、焼成を行う。この時、酸化
銅は、還元されて金属銅となり絶縁層内部の酸化銅も、
絶縁材料の焼結の前段階で還元が進行するため、酸化銅
として内部に密閉されることなく、すべて金属銅に還元
される。そして、銅自身の焼結の進行と、絶縁材料の焼
結が起こ９メタライズ層が形成される。以上の脱バイン
ダ、焼成の工程により、脱バインダが容易に行なえるよ
うになシ、従来のように、特殊な有機バインダを選んだ
り、微妙な雰囲気焼成を必要とすることがなくなった。

これは、従来、有機バインダ成分は熱処理によっても完
全に分解できず、若干、カーボンの形で残り、絶縁層の
焼結を阻害するものとなる。このため、従来の焼成では
、カーボンを酸化させ、反対に銅を還元するという限ら
れた酸素分圧比領域での雰囲気が要求されていたが、本
発明の方法によれば、既に脱バインダが終了しているの
で銅の還元のみを考慮すれば良いことになる。

なお、上記脱バインダ、および、焼成の各工程を二元雰
囲気炉によって連続的に行うことも可能である。以上の
ようにして作製された銅多層配線基板の構成を、第１図
、第２図に示す。

第１図は、焼結基板１の片面に形成した前記脱バインダ
、焼成後の配線基板の断面図である。２は絶縁層、３は
還元された銅メタライズ層、４は絶縁層内部に拡散した
酸化銅ＣｕＯ層である。

第２図は、同じく、焼結基板を用いたものであるがスル
ーホールを形成したものを使用し、両面に配線を形成し
たものである。

この絶縁層中に拡散した酸化鋼の層ｐため、銅メタライ
ズ層と絶縁層との接合が極めて良好である。

実施例の説明 まず本発明にかかるセラミック焼結基板には、９６アル
ミナ（Ａ１２０．を主成分とし４チの焼結助剤を含む）
を用いた。形状は、５ＱｍｊｌＬ巾Ｘ５０朋巾で厚みが
０．８Ｍ’で、所望の位置に０．４ｆｆｌＪ、φのスル
ーホール加工されたものである。次にこのアルミナ基板
上に酸化鋼（Ｃｕｂ）ペーストで導４体パターンのスク
リーン印刷を行う。この時使用されるＣｕＯは試薬特級
の平均粒径５μｍのものを用いた。ペースト作製のため
のビヒクル組成は、溶剤としてテレピン油を用い、有機
バインダのエチルセルロースをこの溶剤に溶かしたもの
を用いた。そして上記、ＣｕＯ粉末と混練したものをペ
ーストとした。印刷については、まず、スルーホール内
にＣｕＯペーストを印刷するため、メタルマスクを用い
、基板の印刷面の反対側から吸引しながら行なった。そ
して、１２０″Ｃの乾燥の後、同じ（ＣｕＯペーストで
、導体パターンの印刷を行なりた。この条件としては、
２６０メツシユのステンレススクリーンを用い、印刷厚
みが１５μｍ程度となるように、スキージ送シ速度、ペ
ースト粘度などを調整して基板の両面を印刷した。同じ
く乾燥の後、絶縁層の印刷を行なった。絶縁ペースト材
料には、アルミナ粉末（平均粒径１，０μｍ）と、ガラ
ス粉末（ホウケイ酸ガラス−２，０μｍ粒径）を重量比
で５０対６ｏとなるように混合したものを用いた。ビヒ
クルは前述のＣｕＯペーストと回りものを使用し、２０
０メツシユのスクリーンの回数印刷をくり返えし行ない
多層化した。

ナオ前記、酸化銅ペースト、絶縁用ペーストの作製にテ
レピン油、エチルセルローズを用いたがビヒクルとして
は、エチルセルロースの代わりにニトロセルロース、溶
剤にはブチルカルピトール。

ブチルセルソルブのようなセルソルブ類を用いても良く
、さらにンルビタンアルキルエステル、ポリオキシエチ
レンアルキエーテル等の界面活性剤を用いることも有効
な手段である。

次に脱バインダの方法であるが、本発明の脱バインダの
一例として第３図に示すような、温度プロファイルで実
施した結果を示す。この脱バインダ熱処理の雰囲気は空
気中であり、６００°Ｃでペースト中の有機バインダの
ほとんどを分解させ、ａ　ｏ　ｏ　’Ｃの温度で完全に
、カーボンを分解除去するものである。

なおこのバインダ除去温度や雰囲気の設定については、
あらかじめ、熱分析を行いバインダの除去が完全に行な
われるかどうかを確認して設定されるものである。した
がってバインダの種類によっては、多少分解温度が異な
るので、おのずと、脱バインダ時の温度プロファイルお
よび雰囲気も異なってくるのは当然である。この脱バイ
ンダ後の基板表面を走査型電子顕微鏡で観察したところ
、絶縁層表面のアルミナおよびガラス成分は、出発原料
の粒径を維持しており、ＣｕＯ粒子もほとんど粒成長は
していないことが確認された。これは、前記絶縁層用ペ
ーストに含まれるガラス成分の融点以下で、脱バインダ
が行なわれたことを示し、ＣｕＯもそれ自身の粒成長や
、体積変化を伴う結晶構造の変態が起こなわれていない
ことを示すものでアリ、換言すれば、印刷基板中の有機
成分のみが分解除去されたことを示すものである。次に
この基板を焼成する訳であるが、焼成時の温度プロファ
イルの例を第４図に示す。雰囲気は、水素ガスを１０チ
含む窒素ガス雰囲気中（流量２．０１３７ｗ１ｎ　）で
行なった。その結果、絶縁層は、焼結して白色で強固な
膜になった。そして、酸化銅が還元され金属鋼となシ、
導電パターンが形成された。

この時のａＵ層の導体抵抗は、線幅が５００μｍ。

厚み１０μｍで２０ｍΩ／口が得られ、絶縁層下の内部
に形成されたＣｕ層も２．２ｍΩ／口のものが得られた
。絶縁層の性能は、絶縁性として１０１１Ω・以上（５
０μｍ厚）、絶縁耐圧も５００Ｖ（２５μｍ厚）誘電率
が７，５．誘電正接も０．２チであり、良好なものとい
える。さらに、絶縁層上のＣｕ　メタライズ性は、引張
りテストで約２．３Ｋｇ／ｍ’であった。

以上の結果から、銅多層配線基板として充分に実用に供
されるものと判断されるものである。本′発明によれば
、絶縁層の焼結が進行する前に、あらかじめ空気中で脱
バインダするため、絶縁層の焼結の進を阻害するカーボ
ンの残留が無く、合わせ°Ｃ絶縁層の焼結の前段階で銅
へ還元させるため、内部配線についても、充分な導電性
が得られる。

上記の脱バインダ、焼成方法では、脱バインダ後の基板
の強度が弱いため取扱いが困難であることや、電気炉が
複数台必要なことから、次に示す二元雰囲気炉を使用し
た例を示す。この二元雰囲気炉は、空気及び窒素をキャ
リヤガスとして、それぞれ独立した雰囲気のゾーンを作
ることかできるベルト搬送型の連続炉のことである。

本実施例では、ＢＴＵエンジニアリング社、ＭＩＣＪ−
４型を使用した。なお温度、雰囲気プロファイルを第５
図に示す。５００”Ｃ，ｓｏｏ”ｃ、１０００°Ｃの各
保持温度は、前記と同じ目的で行うものである。この時
得られた配線基板の性能も前記のものとほぼ同じ結果で
あった。なお降温過程の雰囲気を水素ガスを含まない窒
素ガスのみで行なった場合、メタライズ特性（引張りテ
スト）が３．２　Ｋ９／ａ［Ｐと改善された。

なお本発明では、銅の酸化物として、酸化第二銅（Ｃｕ
ｂ）を用いたが、他に酸化第一銅（ＣｕｚＯ）ｚ炭酸銅
（ＯｕＣＯ５）、塩化第一銅（ｃｕｅ、８）などを出発
原料とし酸化雰囲気中での脱バインダによって、酸化銅
となるものであれば、いずれを用いても良いことはいう
までもない。

発明の効果 以上のべたように、本発明は、バイブＩＪ　、ドＩＣに
おける理想的な姿であると考えられる銅多層配、御基板
を実用化する上で極めて有効な手段を提供し、かつ、本
方法によって始めて得られる信頼性の高い構造を有する
ものである。

すなわち、本発明の構成、および、製造方法によれば、 １、絶縁層と導体層の焼成が一度で行なえるので製造す
る上で大きな合理化が図れる。

２、脱バインダ時に、酸化銅の拡散をコントロールテキ
ルノテ、接着強度の強いメタライズ層が得られる。（絶
縁層と導体層の中間の酸化銅層が強固なメタライズ層を
形成） ３、焼成温度が９００′ｃ〜１ｏ８ｏ′ｃ（特に１００
０〜１０５００Ｃが良い）と比較的高い温度に設定でき
るので、絶縁層の信頼性が高い。

（特に耐湿性、耐圧性、絶縁性など） ４、焼成時の雰囲気コントロールが、容易。（カーボン
の酸化を考慮しなくとも良（、Ｃｕの還元のみを考えれ
ば良い。） ６、％別な有機バインダを使用しなくとも良く、充分な
脱バインダが期待できる。

この他、本発明における銅多層配線基板は、銅の特色で
ある導体抵抗の低さ、ハンダ付は性の良さ、耐マイグレ
ーシ田ン性の良さを充分に生かせるものであシ、工業上
極めて効果的な発明である。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は本発明における銅多層配線基板の断面
図、第３図は本発明における、脱バインダ用熱処理の温
度、雰囲気グロファイルを示す図、第４図は本発明にお
ける焼成工程の温度、雰囲気プロファイルを示す図、第
６図は二元雰囲気炉を用いた場合の脱バインダおよび焼
成工程の連続化の一例を示す図である。 １・・・・・セラミック焼結基板、２・・・・・・絶縁
層、３・°゛°゛・銅メタライズ層、４・・・・・・絶
縁層に拡散した酸化銅層。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　はが１名第１
図 第　２　図 第３図 Ｔ−七肺

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）焼結済のセラミック基板上に、銅を主成分とする
   導体メタライズ層と、セラミックもしくはガラス、ある
   いはガラスとセラミック組成物からなる絶縁層を積層し
   てなる銅多層配線基板を有し、前記銅メタライズ層と絶
   縁層の界面に酸化銅の拡散層を有することを特徴とする
   セラミック多層配線基板。
2. （２）焼結済のセラミック基板に、銅酸化物を主成分と
   するペースト組成物でパターンを形成し、さらに銅の融
   点よりも低い温度で焼結するセラミックもしくはガラス
   あるいはガラスとセラミック組成物を主成分とする絶縁
   ペースト組成物で印刷し、前記銅酸化物ペーストと前記
   絶縁ペーストを前記セラミック焼結基板の片面もしくは
   、両面に所望の回数印刷をくり返えし形成して多層化し
   、前記印刷済基板を酸化性雰囲気で、印刷層内の有機バ
   インダが熱分解するに充分な温度で熱処理を行い、しか
   る後、銅に対しては非酸化性となる雰囲気とし、前記ガ
   ラスセラミックが焼結する温度まで加熱し、前記酸化銅
   を金属銅に還元して多層配線を形成することを特徴とす
   るセラミック多層配線基板の製造方法。