JPS6164194A - セラミツ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、ＩＣ，ＬＳＩ、チップ部品などからなる回路
の高密度実装用基板として用いることのできるセラミッ
ク多層配線基板ならびにその製造方法に関するものであ
る。

従来例の構成とその問題点 近年、機器の小型化や多機能化の要望が年を追って強く
なってきているが、これらの要望に応え゛るため回路部
品の高密度実装が重要な技術となってきている。特に、
工Ｃ，ＬＳＩやチップ部品の発達に伴い回路の小型化は
急速に進展しつつある。

部品の高密度実装化には限られた面、債のなかにできる
だけ多くの部品を塔載する必要があり、そのためには部
品を小型化するとともに部品を塔載する基板の有効面積
を犬きくすることである。部品の有効塔載面積を大きく
するには基板に形成される配線の密度を高くする必要が
ある。近年、前述したようにＩＣ，ＬＳＩ、チップ部品
にみられるように小型部品の進歩は大きい。一方、配線
密度を高くする方法としては、配線を十分にファインラ
インにするか配線を多層構造にするかの方法がある。配
線をファインライン化するには印刷またはエツチング技
術を高度な方法で行う必要があるが、それにしてもその
程度には限度がある。配線密度を高くするのに最も効果
的なのは配線を多層化することである。

従来、多層構造を有する部品塔載用の基板としては有機
樹脂をペースとするものとセラミックをベースにするも
のとに代表される。これらのうち樹脂ベースのものは ■　第１図に示すように基板内部の導体層間の導体接続
は、基板表裏に貫通孔を設け、この貫通孔の内壁にメッ
キを施すことによって行っており内部導体層間の接続箇
所が多いとき、貫通孔の数も多くなり部品実装の有効塔
載面積が小さくなる。

■　部品の塔載密度が高くなるにつれて、部品自体から
発熱するような場合、樹脂の熱伝導度が小さいため熱の
放散性が悪い。

■　部品が例えばシリコンの半導体チップでありこれを
基板に直付けしようとしたときシリコンと有機樹脂の熱
膨張係数の差が大きすぎるため信頼性面から樹脂基板へ
の半導体チップ直付けはむずかしい。

などの問題点があり、樹脂基板では高度の実装密度化に
対しては対応しきれない。

一方、セラミックによる多層基板構成では第２図に示す
ように層間の導体接続（ビア）が基板内部に形成できる
ことやセラミックの熱伝導度が樹脂に比べ格段に高いた
め熱の放散性にすぐれていること、さらには熱膨張係数
が小さくシリコンの熱膨張係数に近いためチップの直付
が可能であるなどの利点があり高密度実装用基板として
極めてすぐれた性質を有している。従来セラミックによ
る多層基板には大きく分けて２つの構成があるつそのひ
とつは焼結セラミック基板（例えばアルミナ基板）上に
金または銀−パラジウム系の導体ペーストとガラス絶縁
ペーストを交互に印刷、焼成を繰シ返し多層化する方法
である。

この方法では、ビアが基板内部に形成でき部品塔載の有
効面積が広くなり高密度実装用基板に適している。しか
し、この構成では導体材料に金または銀−パラジウムの
ような貴金属を用いており、そのため高価なものとなっ
ている。その結果、この構成によるセラミック多層基板
は産業用機器などその使用は極限られた分野にとどまり
、民生用機器などへの応用の例がないのが実状である。

また、セラミックを用いた多層基板のもうひとつの例は
アルｉすを主成分とする無機粉末と有機結合剤とからな
るグリーンシート上にタングステンまたはモリブデンの
導体ペーストを印刷し、乾燥後これらの複数枚を加熱、
圧着により積層化し、さらにこれを還元雰囲気中、１５
００〜１６００℃の高温で焼結する方法である。この方
法は、未焼結の状態で積層、多層化するだめ多層化が極
めて容易である。また、アルミナ、タングステン、モリ
ブデンから構成されるため極めてすぐれた安定性を示し
、またその材料コストも小さいという利点がある。しか
し、この構成をとるためには極めて高温を必要とするた
め設備が犬がかりになることや、またタングステンやモ
リブデンには直接半田付できないため実際にはタングス
テン、モリブデン導体層表面にニッケル、金のメッキを
施す必要があるなどの問題がある。

前述したように近年は部品が年々小型化され、これらの
小型部品は産業用のみならず民生用機器にも多用されて
いるのが現状である。一方、産業用のみならず民生用機
器の分野においても機器は多機能化、小型化の方向にあ
り、部品実装用基板においてもその必要性から基板の多
層化が望まれている。しかし、現在の多層基板技術には
上記したような問題点があり広く使用されるに至ってい
ない。

発明の目的 本発明の目的は、上記欠点に鑑み低コストでかつ部品の
高密度実装を可能とするセラミック多層基板の製造方法
を提供することである。

発明の構成 上記目的を達成するために本発明のセラミック多層基板
は、アルばすを主成分とする焼結基板上に酸化鉄、酸化
ニッケル、酸化コバルトまたはこれらの混合粉を有機バ
インダと有機溶剤とからなるビークルとともに混練した
ペーストと鉄、ニッケル、コバルトまたはこれらの合金
を酸化せず、かつ鉄、ニッケル、コバルトの融点より低
い温度で焼結するガラス粉またはガラス粉とアルミナ粉
とからなる粉体を有機バインダと有機溶剤とからなるビ
ークルとともに混練したペーストを交互に印刷、乾燥を
繰シ返す工程と、その工程で得られた基板を絶縁層が焼
結し始めない温度で空気中で熱処理し有機バインダを燃
焼させる工程と、その工程で得られた基板を還元雰囲気
中で熱処理し酸化鉄、酸化ニッケル、酸化コバルトまた
はこれらの混合粉を金属に還元する工程と、その工程で
得られた基板を鉄、ニッケル、コバルトの融点より低い
温度で焼成し、カラスまたはガラスとアルミナの混合相
と金属を緻密化する工程とからなる製造工程としたもの
で、これにより極めて低コストの鉄、ニッケルまたはコ
バルトを使用したセラミック多層基板を製造することを
可能とするものである。

実施例の説明 以下に本発明の各工程を詳細に説明する。

本発明では、鉄、ニッケル、コバルトのそれぞれの導体
の出発原料として酸化鉄、酸化ニッケル。

酸化コバルトを用い、また絶縁材料としては鉄。

ニッケル、コバルトの融点以下で焼結し、かつ鉄。

ニッケルまたはコバルトを酸化しないガラスまたはガラ
スとアルミナの混合物を用いる。酸化鉄としては”２０
３（ベンガラ）が最も代表的であシ、ニッケルではＮｉ
ｐ、コバルトではＣｏｏが代表的であるが、もちろん他
の価数の酸化物であっても構わない。絶縁材料としては
、例えばＢａＯ，Ｂ、Ｏ，。

ＣａＯ、ＭｇＯ、ム１２０５．ＳｉＯ□などの成分から
構成されるガラスがある。これらのような成分は熱力学
的に十分安定なものであシ、鉄やニッケル、コバルトの
それぞれの金属を酸化させる事はない。このような成分
からなる導体粉と絶縁材料粉を有機バインダと有機溶剤
とからなるビークルとを混練しペースト化する。このペ
ーストをアルミナ焼結基板上に導体ペーストを所定のパ
ターン状にスクリーン印刷したのち乾燥し、更にこの上
に絶縁ペーストを印刷、乾燥する。必要に応じて、この
工程を繰り返し積層化する。次にこれを６００’Ｃ〜８
００’Ｃ１空気中で熱処理する。この工程は、ペースト
中にある有機バインダを完全に散逸させる工程である。

有機バインダは、普通には炭素と水素から構成される高
分子であり、これを中性雰囲気中または還元雰囲気中で
熱処理した場合、最後に炭素が残シ完全に散逸させる事
は困難である。

有機バインダを含む未焼成セラミックを酸素を含まない
系で焼結させる場合、有機バインダを完全散逸させる事
が焼結技術上置も問題となる事が多い。一方、本発明で
は有機バインダを含むペーストを印刷、積層化したもの
を空気中で熱処理するため雰囲気には十分多量の酸素が
存在する。そのため、有機バインダが分解し、最後に炭
素が残ってもまわシの雰囲気の酸素により燃焼されＣＯ
またはＧＯ□というガスとなって完全に有機バインダは
完全に外部に散逸する。この空気中熱処理の工程では導
体の酸化鉄、酸化ニッケルまたは酸化コバルトと絶縁層
が交互に積層化され互いに接触しているが、まだ十分に
高温でないためこれらの導体酸化物と絶縁層との間には
極小量の相互拡散しか生じない。この温度領域で完全に
相互拡散が生じるような場合は構成上都合が悪く、した
がって絶縁層の材料としては導体酸化物と相互拡散しに
くい系を選ぶ必要がある。このように完全に有機バイン
ダを清適させたのち、これを還元雰囲気中７００〜９ｏ
ｏ℃で熱処理する。

この工程のポイントは、導体材料酸化物の部分を金属に
還元するところにある。この工程では還元性気体が十分
に積層部内部に拡散する必要があるため、積層部の緻密
化を起さないようにする事が重要である。また、当然の
事ながら絶縁層成分中に還元され易い成分が含まれる事
は好ましくなく、このような成分が含まれると絶縁層の
絶縁不良や一度還元された導体部を再び酸化してしまう
という現象につながる。還元雰囲気としては水素または
水素とちっ素の混合気体が一般的である。

次に、還元された金属が酸化されない程度の還元雰囲気
を保ち、温度をあげ金属層と絶縁層を焼結させ緻密化さ
せる。緻密化される過程で金属と絶縁層の密着性が確保
され絶縁層と金属が積層化され、多層一体構造のものが
得られる。

以下に本発明の具体的な実施例についてのべる。

実施例　　　　− 一酸化鉄（α−Ｆｅ２０３）粉末とテレピン油に１０Ｗ
％のエチルセルロースを溶かしたビークルを三段ロール
で混練し、導体ペーストとした。また、コーニング社製
ガラス４７０７０の粉末と昭和電工製アルミナ（ムＬ−
３ｏ）、ｓｏ／ｓｏ　の重量比力らなる粉末と上記ビー
クルを混練し絶縁ペーストとした。焼結９６チアルミナ
基板上に上記の導体ペーストを所定のパターンに印刷し
乾燥した。さらにこの上に上記絶縁ペーストを印刷し、
乾燥した。この絶縁層の所定箇所にはこの上に形成する
導体層と下部導体層を接続する目的で小孔（ビア）が設
けられている。上記絶縁層の上にさらに所定のパターン
で導体層を印刷し、乾燥した。この積層体を空気中、７
００’Ｃで３０分間熱処理した。

更にこの積層体を８５０℃、１０係Ｈ２・９０％Ｎ２混
合気体中で３０外開熱処理した。次てこれを１％Ｈ２−
９９％Ｎ２混合気体雰囲気中で１２００℃。

１時間熱処理した。このようにして得た積層体は一体構
造となっており、また鉄は完全な金属層となっており最
上層鉄層と下部鉄層との電気的導通も得られた。以下に
は、このようにして得た積層体の代表的特性を示す。

表 ニッケル導体またはコバルト導体の多層基板も導体材料
原料として酸化ニッケル（Ｎｉｐ）、酸化コバルト（Ｃ
ｏｏ）の粉末を用い、ビークルと混練し導体ペーストと
した。これを鉄の場合と同じ絶縁ペーストを用い、同じ
手順１条件で印刷、乾燥。

空気中熱焼環、還元雰囲気中熱処理、高温熱処理をし積
層体を作成した。これらのものも鉄の場合同様、金属層
と絶縁層は一体構造となっておわ、また最上層導体層と
下部導体層間の電気的導通が得られた。

この２者の性質はほぼ同じ程度であり、絶縁層抵抗は〉
１０１２Ω、導体抵抗は７〜９ｍΩ／ロ、接着強度はｏ
、ｓ　〜１，１ｋｔｑ／ｗｔｐであった。

なお上の実施例では層数は導体２層としたが、この層数
は２層に限定されるものでなく印刷、乾燥を繰り返えす
ことによって更に多くの層数とすることができる。

発明の効果 以上の説明から明らかなように、本発明はアルミナ焼結
基板の上に金属酸化物導体材料ペーストと絶縁ペースト
を交互に印刷、乾燥し、脱バインダ空気中熱処理工程、
金属酸化物還元熱処理、金属、絶縁層焼結緻密化工程か
らなるように構成されており次のような効果が得られる
。

（１）　　導体材料は鉄、ニッケル、コバルトのような
卑金属を用いているため極めて低コストの多層基板が得
られる。

（２）導体材料は印刷時、金属の酸化物を用いるため、
脱バインダは空気中で行う事が可能となるため容易にか
つ完全にバインダの除去ができ金属層、絶縁層の焼結状
態に好結果を与える。

（３）焼結の条件は完全な還元雰囲気で行うため、微妙
な雰囲気制御を必要とせず条件設定が容易などの優れた
効果が得られる。

その効果により、多層基板が低コストで、かつ容易に製
造ができるため低コスト、高密度実装回路モジュールを
提供し機器の小型、多機能化の拡大に貢献するところ大
である。

【図面の簡単な説明】

１・・・・・・表面導体、２・・・・・スルホール内壁
導体、３・・・・・・内部導体、４・・・・・・樹脂絶
縁体、５・・・・・・表面導体、６・・・・・・内部導
体、了・・・・・・セラミック絶縁体。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）アルミナを主成分とする焼結基板上に、酸化鉄、
   酸化ニッケル、酸化コバルまたはこれらの混合粉を有機
   バインダと有機溶剤とからなるビークルとともに混練し
   たペーストと鉄、ニッケル、コバルトまたはこれらの合
   金を酸化せず、かつ鉄、ニッケル、コバルトの融点より
   低い温度で焼結するガラス粉またはガラス粉とアルミナ
   粉とからなる粉体を有機バインダと有機溶剤とからなる
   ビークルとともに混練したペーストを交互に印刷乾燥を
   繰り返えす工程と、その工程で得られた基板を絶縁層が
   焼結し始めない温度で空気中で熱処理し有機バインダを
   燃焼させる工程と、その工程で得られた基板を還元雰囲
   気中で熱処理し、酸化鉄、酸化ニッケル、酸化コバルト
   またはこれらの混合粉を金属に還元する工程と、その工
   程で得られた基板を鉄、ニッケル、コバルトの融点より
   低い温度で焼成し、ガラスまたはガラスとアルミナの混
   合相と金属を緻密化する工程とからなるセラミック多層
   配線基板の製造方法。