JPS6126293A - 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 本発明に、半導体ＮＯ，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および
その製造方法に関するものでるる。

従来例の構成とその問題点 セラミック多層基板は、現在その多層配線形成法によ多
分類すると３つの方法かめる。それに、■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
るものがそうでめる。以下簡単にその方法を述べる０ま
ず厚膜印刷法は、ハイプリ、ソドＩＣ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なう方法である。この方法
に、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に、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層から４層
まで）かつ、印刷後、その都度焼成を行なうので、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−や、多層配線に
は、口まシ適当な方法であるとげ云えない。次にグリー
ンシート印刷法でるるか、これに、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ｖ−ｔ”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。

導体ペーストに、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
ーンシート印刷法に、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とを交互に印刷積層し、多層化
するもので、印刷、乾燥をくり返く行なった浸後に一回
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
行なわれる。例えば、焼成温度［１６００’Ｃで行ない
、若干の水蒸気を含み、水素ガス濃度が約１０％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に、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。その長所とに、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でるり、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り、
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
、印刷し九時よりも実際上、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、大きな設計変更が容易でにないこ
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
に、Ａｕ、Ａｇ、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がある他、表面が酸化されや
すいのでムＵ、やＮｌなど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に、グリーンシート印刷法
とほぼ同一の手法でるるか多層化する時に、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。こ
の方法げ、積層数が多く、多量に印刷する場合に有利で
ろ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けいえない
。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げ、ＡｕＡ　ｇ−Ｐｄ、　Ｃｊｕ
　′ｆｘどが用いられ、グリーンシート法でげＷ　、　
Ｍｏ　、　Ｍｏ−Ｍｎなどが用いられる。ＡｕおよびＡ
ｇ−ＰｄＨ１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−シート法でに、セラ
ミ・ツク基板を焼結させる温度が１５００′Ｃ以上の高
温でるるためＷ、Ｍｏなどの高融点金属しか使用できな
い、等の問題がるる。

そこで、現在、導体抵抗が低く、マイグレーションが起
こらず、ハンダ付は性も良好でるるＣｕを用いた配線基
板が注目きれつつある。そして厚膜印刷法では、一部で
実用化された例もめる。しかし卑金属でるるか為の欠点
もめる。それに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、ノ・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非常に微妙な雰囲気のコントロール
が要求は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、前記と同様の焼付は雰囲気で行なう必
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
度に極めて少い。

とげいえ、Ｃｉｕの利点に、非常に魅力的でめり今後、
各方面の研究・開発活動を通して、徐々に実用に向かっ
ていくことば、違いないであろうと思われる。

そこで、前記の多層工法を合わせて考えるならば、多層
配線基板の理想的な要点しては、導体に銅を用い、多層
工法にはグリーンシートを用いて行なうことであると考
えられる。つまりグリーンシート上に銅の導体を印刷し
絶縁層を印刷あるいは積層して多層化し、同一焼成して
得られるものである。

しかしながら、とのＣｕ多層基板を実用化する上にげ、
いくつかの克復すべき問題がいくつかある。この克復す
べき問題点を以下に示す。

まず第一に、Ｃｕの融点は１０８３°Ｃと低いため、基
板材料と同時焼成を行なうためには、基板材料そのもの
の焼結温度をそれ以下にする必要がめること。それは基
板材料に要求される性能であるところの、焼結体強度、
耐圧、耐湿性、熱伝導性などがすべて満足されているこ
とが必須の条件で、ｌ）さらにその上、　Ｃｕ　　との
メタライズ性など、多層化した場合の性能も要求される
。第二の問題点に、そのような焼成条件（温度、雰囲気
）でのバインダの使用に困難が生じることである。つま
シ、シートに用いられる有機バインダ、可塑剤、および
ペーストのビヒクルに用いられる同じく有機バインダ、
等は、非酸化性雰囲気では完全に除去するのが困難で、
特に銅の融点以下の温度でに、分解しないといわれてい
る。そして完全にバインダが分解・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、黒ずんだ基板しか得られない。銅多層基
板の実用化は、以上のような理由で困難とされているの
でるる。

発明の目的 本発明に、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
るものでるる。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、本方法によって始めて得られた構造を
有する銅多層配線基板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本発明は、銅の融点以下の温
度で焼成可能な、セラミック基板材料（例えば、ガラス
組成物もしくけガラスを多量に含むアルミナ組成物基板
）に有機バインダ、可塑剤を加えてグリーンシートとし
たものを用い、このグリーンシート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、絶縁層に
、前記、グリーンシートと同一の無機成分からなるペー
ストの印刷によって形成し、所望の回数くシ返えし印刷
を行ない多層化する。

次に脱バインダの方法に、基板材料の焼結が進行するよ
り低い温度で、充分にバインダが分解・酸化される空気
中のような酸化雰囲気で熱処理を行なうものである。こ
の方法の要点は、第１に、導体材料の出発原料である酸
化銅が、結晶構造の変態が行なわれず、かつ必要以上の
焼結が進まない程度の温度で脱バインダが行なわれるこ
とでろるＯ 第２に、基板材料の焼結温度よりも低い温度で基板全体
の有機バインダが残こらず、熱分解することが前提条件
である。

以上のようにして行なわれる脱バインダ処理工程で重要
なことに、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める。これけ、銅電板として
のメタライズ性（接着強度）を向上させるよで著しい効
果がある。

次に、還元雰囲気で基板の焼結を行なう。この時、酸化
銅の還元は、基板焼結の温度よりも低い段階で進行する
ので、基板内部も金属銅に還元される。そしてＣｕの焼
結、基板材料の焼結が起こり、メタライズ基板が形成さ
れるというものでめる。このことにより、低温域の非酸
化性雰囲気中での脱バインダが可能となった。従来、ノ
＜インタ成分に熱処理によっても完全に分解できず、そ
のため残こったカーボンを酸化させ、反対に銅に還元す
るという限られた酸素分圧比領域での焼成が必要とされ
たが、本発明の方法によれば脱・（インタを既に終了し
ているのでＣｕの還元のみを考えれば良いので、Ｎ２の
み、あるいはＮ２にＮ２を含む雰囲気で充分焼成が可能
となった０なお上記脱バインダ、焼成各工程を二元雰囲
気炉によって連続的に行なうことも可能である。

以上のようにして作製嘔れる銅多層配線基板の構成を第
１図に示す。１げ前記、ガラスもしくはガラスとセラミ
ック組成物よりなる絶縁基板材料、２に還元された銅メ
タライズ層、３ｒｒ前記、絶縁層内部に拡散した酸化鋼
の層でめるＯ この酸化銅皿散層の存在が銅メタライズ層と絶縁層の接
合をよシ強固なものとしているのである。

実施例の説明 まず本発明にかかるセラミック基板材料に、ホウケイ酸
ガラス粉末（コーニング社ＩＡｘ７ｏｔｓｅガラス平均
粒径３μｍ）とアルミナ（Ａｌ２Ｏ５平均粒径１．０μ
ｍ）粉末を重量比で４０対６０となるように配合したも
のを用いた。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対了０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／イソプロピルアルコー
ル　４０部このスラリーをドクタブレード法で、有機フ
ィルム上（東し、ルミラー０１２６μｍ厚）にシート成
型した。この時、４造膜から乾燥、任意の打抜きσらに
は、必要に応じてスルホール加工を行なう各工程を連続
的に行なう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ｉ、空気中で
１０００°Ｃの温度で１時間の焼成によシ緻密な焼結体
が得られるもので、電気的性能として比誘電率が７．５
．誘電損失がｏ、１ｓ　％　（ＩＭＨｚ　）であり、抗
折張度ｔ１ｓ２ｏｋｙ／−でめる。この性能は、基板と
して、はぼ満足できる値でろる。この時基板材料として
は、銅の融点以下に軟化点を有するガラスであれば、良
い訳でるり、上記実施例のガラスに限られるものでにな
い。

次に上記グリーンシート上に酸化銅ペーストを用いて導
体パターンのスクリーン印刷を行なう。

この時に使用はれる酸化銅（ＣｕＯ）Ｈ１試試薬級の平
均粒径５μｍのものを用いた。ペースト作製のためのビ
ヒクル組成に、溶剤としてテレピン油を用い、有機バイ
ンダでめるエチルセルロースを溶かしたものを用い、上
記酸化銅粉末と混練したものをペーストとした。一方絶
縁ペーストは、前記グリーンシート用無機材料と同組成
のものを用いて同様の方法でペーストとし、前記酸化銅
ペーストをスクリーン印刷し、乾燥の後、絶縁層パター
ンを印刷した。この時の印刷条件は酸化銅ペーストの場
合２５０メツシユのスクリーンで約２０μｍの厚みとし
、絶縁層１ｄ２００メツシユのスクリーンで約３０μｍ
の厚みとなるようにした。そして前記の印刷を所望の回
数、グリーンシートの両面について印刷を行なった。

なお前記、酸化鋼ペースト、絶縁用ペーストの作製にテ
レピン油、エチルセルロースを用いたがビヒクルとじて
に、エチルセルロースの代わりにニトロセルロース、溶
剤にはプチルカルヒトール。

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
、ざらにソ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
な手段でるる。

次に印刷を完了したグリーンシートのバインダ除去でる
るか、本発明の脱バインダシステムの−例として第２図
に示すような温度プロファイルで実施した。この時の雰
囲気に、空気中で、ｂす、５００°Ｃでグリーンシート
中の有機バインダ、ペースト中の有機成分のほとんどを
分解きせ、さらにＳＯＯｏＣの温度で上記有機成分を完
全に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ニ、あらかじめ、熱分析を行ない
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も異なってくるのげ当然で
ある。この脱バインダ後の基板を走査型電子顕微鏡で観
察したところセラミック基板材料（アルミナ及びガラス
成分）に出発原料の粒径とほとんど変化に認められず、
有機成分のみが飛散したものとなっている。これ汀、前
記基板材料中のガラス成分の融点以下で脱バインダが行
なわれたためであり、酸化銅自身の著しい焼結や、体積
変化を伴う結晶変態が起こっていないことを示すもので
ある。

次にこの脱バインダ済基板を焼成する。焼成時の温度プ
ロファイルを第３図に示す。雰囲気に、水素ガスを１０
係含む窒素ガス雰囲気中（流量２ｄ／ｍ１ｎ）で行なっ
た。その結果、焼成された上記セラミック基板は、白色
の基板が得られ、基板そのものの性能に、前記の空気中
焼成の基板とほぼ同じ性能のものが得られた。そして、
この焼成で酸化銅が還元され金属銅となり導電性パター
ンが形成された。この時の導体抵抗に、線巾が５００μ
ｍ、厚みが１０μｍ程度で、面積抵抗３．７ｍΩ／口が
得られ、絶縁層の内部に形成きれた導電パターンも４．
０ｍ９７口　と表面層と同様の結果が得られた。そして
基板と銅のメタライズ性能に、いわゆる引張りテストに
よって行なった結果、１．ｔｓ１４／　ｃＡの結果を得
た。以上の結果から、本発明にかかる銅多層配線基板に
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、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、基板焼結の進行を阻害するカー
ボンの残留が無く、合わせて基板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。

上記の脱バインダおよび焼成方法でニ、脱バインダ後の
基板の強度が弱いため取扱いが困難でるることや、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
作ることができるベルト搬送型の連続炉のことである。

本実施例でに、ＢＴＵエンジニアリング社。

ＭＥＪ−４型を使用した。なお、温度、雰囲気プロファ
イルを第４図に示す。５００°Ｃ，８００’Ｃ。

１０００’Ｃの各保持温度は、前記と同じ目的で行なう
ものでるる。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めった。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２．ｓ　ｋｇ　７　に一と
改善された。

なお本発明でに、銅の酸化物として、酸化第二銅（Ｃｕ
ｂ）を用いたが、他の酸化第一銅（Ｃｕ２０）。

炭酸銅（ＣｕＣｊ０３）、塩化第一銅（Ｃｕｅｌ）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
にいうまでもない。

発明の効果 以上のべたように本発明に、セラミック多層基板におけ
る理想的な姿でろる銅多層配線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に構造　　。

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）絶縁基板材料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）　　グリーンシート工法を利用できるので、加工
性に優れ、多層化も容易でるる。

（３）　　脱バインダを空気中で行なうため、特別な有
機バインダで無くとも充分なバインダ除去が期待できる
。

同じく脱バインダ時に酸化鋼の拡散具合いを任意にコン
トロールできるので接着性の良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接合層
となる。） （４）焼成温度が９０ｏ′Ｃ〜１ｏ８０°Ｃ（特に１α
℃〜１０６０°Ｃが良好）と厚膜法に比べ高温度で行な
えるので、絶縁基板の信頼性が高い。（特に耐湿性、絶
縁性、耐圧など） （６）　　同じく焼成時の雰囲気コントロールが容易で
ある。（カーボンの酸化を考慮しなくとも良く、Ｃｕの
還元のみを考えれば良い。） 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
ション性の良さを充分に生かせるものでβ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図は本発明における銅多層配線基板の断面図、第２
図は本発明における脱バインダ用熱処理工程を示す温度
および雰囲気プロファイルの一例を示す図、第３図に本
発明における焼成工程を示す温度および雰囲気プロファ
イルの一例を示す図、第４図は二元雰囲気炉を使用した
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
図でめる。 １・・・・・・絶縁基板材料、２・・・・・・銅メタラ
イズ層、３・・・・・・絶縁層に拡散した酸イビ銅層。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図 第２図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ガラスもしくはガラスとセラミック組成物からな
   る絶縁基板と、この絶縁基板上に形成された銅を主成分
   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と
   により積層された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）銅の融点よりも低い温度で焼結するガラスもしく
   はガラスとセラミックによる組成物に少なくとも有機バ
   インダ、可塑剤を含む生シートを作製し、前記生シート
   上に、銅の酸化物を主成分とするペースト組成物でパタ
   ーン形成し、前記生シートとは別の生シートを所望の枚
   数同様にパターン形成し、積層して多層化するか、もし
   くは、前記酸化銅ペーストの印刷と、前記生シートの無
   機組成物と同一の組成の絶縁ペーストの印刷をくり返え
   し行ない多層化し、炭素に対して充分な酸化雰囲気で、
   かつ内部の有機成分を熱分解させるに充分な温度で熱処
   理を行ない、しかる後、銅に対して非酸化性となる雰囲
   気とし、前記生シート組成物が焼結する温度まで加熱し
   、生シートに印刷された酸化銅が金属銅に還元、焼結す
   ると同時に前記生シート組成物の焼結を行なわしめるこ
   とを特徴とするセラミック多層配線基板の製造方法。