JPS6189839A - 焼結方法 - Google Patents

焼結方法

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JPS6189839A
JPS6189839A JP60130945A JP13094585A JPS6189839A JP S6189839 A JPS6189839 A JP S6189839A JP 60130945 A JP60130945 A JP 60130945A JP 13094585 A JP13094585 A JP 13094585A JP S6189839 A JPS6189839 A JP S6189839A
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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】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は金属部材を付着した基板付着の焼結方法に関す
る。本発明は特に大規模集積装置、例えば半導体チップ
の相互結合に使用される多層セラミック回路モジュール
の製造に応用されるものである。
Ｂ、開示の概要 本明細書は金属部材を付着した基板の焼結時に金属部材
の稠密化温度を基板の硬化温度に近づける方法を開示す
る。焼結に先立って、金属部材に有機金属化合物が添加
される。有機金属化合物は焼結中に分解して金属または
金属酸化物を生成し、それにより金属部材の稠密化温度
を変化させる。
金属部材の稠密化温度を上げたい場合は１分解により金
属酸化物を生じるアセチルアセトンアルミニウム、アル
ミニウム・ジー（ｉ−プロポキシド）等を使用し、稠密
化温度を下げたい場合は、分解により金属を生じるアセ
チルアセトン銅等を使用する。
［従来技術］ プロジェット・ジュニア（ＢｌｏｄＨｅｔｔ、Ｊｒ、）
他「熱伝導モジュール：高性能多層セラミックパッケー
ジ（Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ　Ｍｏｄｕ
ｌｅ：Ａ　）ｉｉｇｈ−Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　Ｍｕ
ｌｔｉｌａｙｅｒ　Ｃｅｒａｍｉｃ　Ｐａｃｋａｇｅ）
　Ｊ、アイビーエム・ジャーナル・オブ・リサーチ・ア
ンド・デベロップメント（ＩＢＭ　Ｊ、Ｒｅｓ、Ｄｅｖ
ｅｌｏｐ、）第２６巻、３０頁〜３６頁（１９８２年）
、バーガ（Ｂｕｒｇｅｒ）他、「多層セラミック製造（
Ｍｕｌｔｉ−１ａｙｅｒ　Ｃｅｒａｍｉｃｓ　Ｍａｎｕ
ｆａｃｔｕｒｉｎｇ）　Ｊ　、アイビーエム・ジャーナ
ル・オブ・リサーチ・アンド・デベロップメント、第２
７巻、１１頁〜１９頁（１９８３年）及びプロジェット
・ジュニア他、ｒマイクロエレクトロニック・パッケー
ジング（Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｐａｃｋａ
ｇｉｎｇ）　Ｊサイエンティフィック・アメリカン（Ｓ
ｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　Ａｍｅｒｉｃａｎ）、第２４９巻
、第１号、８６頁〜９６頁（１９８３年７月）はそれぞ
れ、半導体チップのための回路モジュールとして使用さ
れる多層セラミック（Ｍ丁、Ｃ）基板の製造法を記載し
ている。重ね合せたチップ層を有するＭＬＣ基板を、熱
伝導モジュールに組み込んで、高密度マイクロエレクト
ロニック・パッケージを提供することができる。
上記の文献によれば、ＭＬＣ基板の製造は次の操作を包
含するものであるニスラリ調製、キャスティング／ブラ
ンキング、スルーホールの穿孔。
金属化、積層化、焼結、ニッケル／金メッキ、基板電気
試験、最後にろう付けによるピン及び金属フランジの取
付け１手短かに述へれば、これらの操作は以下の通りで
ある。
スラリ調製 アルミナ、ガラス粉末及び有機結合剤のようなセラミッ
ク混合物を含んでいるスラリを、ボールミルを用いて形
成し、ペイントの濃度を有する均一の分散体を達成する
。
キャスティング／ブランキング スラリーを連続キャスタに送り込み、連続的に移動する
プラスチック・ウェブ上に堆積させ、幅２００ｍｍのセ
ラミックシート又はセラミックテープを形成する。該キ
ャスタにはシート厚を通常０゜２＋ｎｍ又は０．２８＋
ａｍに調節するドクターブレードが設けられている。該
シートは、一連の乾燥炉を通過させられるが、これらの
乾燥炉は有機溶媒を除去し、可撓性材料を残すものであ
り、可撓性材料はその後プラスチック・ウェブから離さ
れ、巻き取られる。「個性化」、即ち各シートがその特
別な金属パターン又は導電通路を付与される一連の工程
に備えて、矩形のブランクが「グリーンシート」　（焼
かれていない状態であるためこう呼ばれるが、シートは
実際には白色である）から切断される。
スルーホールの穿孔 グリーンシートの個性化では、コンピュータで制御され
るステップ−リピート装置を利用して、各グリーンシー
ト層にスルーホールを穿孔する。
グリーンシートを取り付けるために使用されるパレット
は、１００個のパンチを含む固定ダイセットに対して毎
秒約９ステツプの割合で移動する正確なＸ−Ｙテーブル
と一体化されている。グリーンシートの各角にある位置
決め孔を使用して、パンチ・パレット上にグリーンシー
トを配置する。
３６０００個までのスルーホールが単一のグリーンシー
ト層に穿孔される。
金属化 グリーンシートの金属化はスクリーニング、即ちステン
シル印刷又はシルク・スクリーン印刷と同様なる工程に
より達成され、ノズルがグリーンシートと接触する金属
マツシュを横切るときに、加圧下にノズルからスクリー
ニング・ペースト。
例えば樹脂及び溶媒の混合物中で均一に分散したモリブ
デン粉末を押し出すことを含んでいる。この操作はスル
ーホールを充たすこと、及びコンピュータで作成された
パターンをグリーンシート上で画定することを同時に達
成する。
積層化 スクリーニング後、金属化層は、グリーンシート、特に
稠密なスルーホールのアレイを有するシートの寸法を変
化させたり、損傷させたりすることを回避するために慎
重に制御された条件下に強制換気循環炉で乾燥される。
個々のグリーンシートの積重ねに先立ち、各シートはス
クリーニングされたパターンが最適パターンからどれ程
ずれているかを検査される。この検査に合格したシート
は正確な層間整合を確保するために角にある４つの位置
決め孔を用いて所望の順序で積重ねられる。
スルーホールは一般に直径がわずか１２０ミクロンのも
のであり、１つの層から次の層へ連続していなければな
らない。従って、必要な寸法及び整合を達成するために
、積重ねは高い精度で実施しなければならない。次に積
重ねられたシートは、平行度及び平坦度を確保するため
に正確に機械加工され組立てられた積層化ダイスに取り
つけられる。これは焼結の間に均一なグリーン積層密度
及び均一な収縮を達成するために不可欠な作業である。
積層化中に、基板がグリーンシートの積重ね体から切り
取られ、７５℃の温度及び最高２５ＭＰａの圧力で圧縮
される。
層積 基板は３３時間以上にわたって、バッチ火炉の中の支持
板上で焼結される。積層化工程及び焼結工程は、収縮を
制御し、かつ表面パターンの正確な位置を確保するため
に最適化されている。焼結の間の直線的収縮は約１７％
であり、面積で３１％の縮小に相当する。残留溶媒は蒸
発し、有機物は焼結のサイクルの初期段階の間に乾燥水
素環境下で分解し始める。次に湿潤水素が、残留炭素の
酸化を促進するために導入され、１２５０°Ｃから１５
６０℃の温度範囲で基板の焼結が生じる。基板は、最大
の稠密化及びセラミックと金属組織との固い結合の形成
を保証するために最高温度でしばらくの間維持される。
湿潤水素雰囲気は焼結段階及び冷却サイクルの初期段階
を通して維持される。
ニッケル／金メッキ ニッケルを表面にメッキし、接着力を高めるためにモリ
ブデンの素地に拡散結合する。ニッケル拡散に引き続き
、後のハンダ付は及びロウ付は工程中に酸化ニッケルの
形成を防ぐため、並びに湿潤性を高めるために金の層を
付着する。最終メッキ・ステップは、モジュール表面で
個別の技術変更用ワイヤを超音波結合できるようにする
ため、各チップ位置の周囲の配線パッド上に金を付着す
ることである。
基板電気試験　　′ 相互接続の適正なパターンは、金属化操作を制御するコ
ンピュータからのデータを利用する自動試験器により検
証される。
ピン／フランジのロウ付け ＭＬＣ基板の製造における最終作業には、ロウ付は物質
として金−錫合金を用いて水素雰囲気下で、ニッケルー
金でメッキしたピン及びプランジを同時にロウ付けする
ことが含まれている。
Ｄ０発明が解決しようとする問題点 精密な金属パターンを有するセラミックに対して焼結な
いし硬化操作が行われる上記の方法においては、金属が
収縮ないし稠密化される温度がセラミック基板が稠密化
する温度と極めて近いものであることが重要である。そ
うでない場合、金属パターンの完全性が焼結作業中に損
なわれかねかない。金属の中には銅のように、アルミナ
などの通常のセラミック基板物質の稠密化温度よりかな
り低い温度で稠密化する傾向を有するものがある。
銅の収縮は基板の収縮が始まる前に始まるので、グリー
ン状態で基板に付着されている複雑な銅のパターンが２
つの物質の不均一な収縮により生じる応力の結果として
焼結の間に破損することがある。
他の種類の焼結工程においては、上記と逆の状況が発生
するが最終的結果は同じものとなる。すなわち基板が金
属より先に稠密化しえ結果として生じる重重−な収縮率
によって金属パターンの破損が起こる。
金属に何らかの物質を添加することによって金属の焼結
特性を変えるという思想は、米国特許第３４０７０６３
号、同第３５０４０５８号、同第４１１４５１１３号、
同第４２９６２９号、同第４３２２３１６号などで公知
になっているが、金属および基板の稠密化温度の一致を
意図したものではない。
Ｅ０問題点を解決するための手段 基板に接着され、基板の硬化温度と異なる温度で稠密化
される金属部材を焼結する方法において。
金属部材の稠密化温度を基板の硬化温度に近づけ、理想
的には一致させるために、前記金属部材の稠密化温度に
達する前に分解される有機金属化合物を、焼結前に前記
金属部材に加える。分解された有機金属化合物は、使用
される焼結条件のもとで稠密化温度を変更する金属また
は金属酸化物を生じる。この金属は前記金属部材の金属
と同じでもよく、また異なっていてもよい。
一般的に、焼結工程の間に遊離金属を生じる有機金属化
合物は、金属部材の稠密化を加速ないし促進する傾向が
あるが、これに対して、焼結の間に金属酸化物を生じる
有機金属化合物は稠密化を遅延ないし阻止する傾向があ
る。それ故、有機金属及び焼結条件を適切に選択するこ
とによって、本発明方法の実施者は、金属の稠密化温度
を適宜上げるか、下げるかして、基板の稠密化温度ない
し硬化温度に近づけることができる。
Ｆ８発明の効果 本発明による改良された焼結方法は、上記のようなＭＬ
Ｃ基板の製造に使用すると特に有利なものである。金属
化作業で使用される金属ペーストへ有機金属化合物を添
加することによって、焼結操作時の金属パターンの稠密
化温度が変化し、接着されるセラミック基板の稠密化温
度とは通常相当に異なる稠密化温度を有する金属部材を
使用することか可能となる。
Ｇ、実施例 焼結される金属部材は、単独金属、金属の機械的混合物
、あるいはひとつまたはそれ以上の金属の合金のいずれ
でもよい。通常、ＭＬＣ技術で用いられる金属には、モ
リブデン、ニッケル、銅、銀、金、プラチナ等がある。
本発明の機能的な原理があらゆる種類の金属及び金属合
金に有効であるので、金属部材の性質は重要でなはない
。
同様に、金属部材に添加される有機金属化合物の選択お
よびその量も重要ではなく、簡単で機械的な実験方法に
よって選択して、特定の焼結作業に所望の結果を与える
ことができる。
有機金属化合物は、金属ペーストに使用される重合有機
結合剤の有機溶媒溶液に溶解できるものでなければなら
ず、また焼結中に金属部材の稠密化温度より低い温度で
酸化物へ分解するものでなければならない。断言はでき
ないが、焼結作業の間に有機金属化合物の分解から生じ
る金属酸化物が金属部材を構成する金属の粒子を被覆し
、このようにして、基板の稠密化温度により近い温度で
金属粒子を稠密化させるものと考えられる。
もちろん、最適な有機金属化合物を選択することは、用
いられる特定の金属部材一基板の組合せによって決まる
ものであり、機械的な検査手順を使用して容易に決定で
きる。
焼結条件は、金属部材の酸化を回避するために、酸素（
又は他の任意の酸化剤）が十分少ない雰囲気を提供する
ものでなければならないが、還元性雰囲気の存在は必ら
ずしも必要ではない。
有機金属の中には、焼結中に分解して、有機金属が添加
された金属部材の稠密化を遅延させる（稠密化温度を上
昇させることによって）金属酸化物を生成するものがあ
る。遅延期間は金属部材の性質、金属酸化物の性質およ
び生成された金属酸化物の敏の関数である。この種の有
機金属には、焼結作業の間に対応する金属酸化物に分解
するアセチルアセトン金属及び金属アルコキシドがある
。
２種類のこのような化合物、すなわちアセチルアセトン
アルミニウム及びアルミニウム・ジー（ｉ−プロポキシ
ド）は分解によって酸化アルミニウムを生じ、この酸化
物が場合によっては、銅の稠密化温度を１５０℃程度高
めるために特に有利であることが判明した。稠密化を遅
らせるために使用できる他の有機金属化合物には、オキ
シシラン珪素、酢酸マグネシウム及び各種の有機ジルコ
ニウムが含まれている。
銅の収縮を遅らせることが判明した他の有機金属化合物
を下表に挙げた。
第　　１　　表 酢酸マグネシウム　　　　　　　　ＭｇＯ８００１２，
０ジルコニウム−ロープロポキシド　　　ＺｒＯ２８０
０１０，ＯｍＪＯ−８００１７，’０ 焼結条件下で分解して遊離金属をもたらす有機金属化合
物には、多数のアセチルアセトン金属、例えばアセチル
アセトン銅が含まれる。遊離金属はそれが加えられる母
金属、例えば銅の稠密化を減少させる傾向がある。
焼結時に遊離金属と全屈酸化物の両方をもたらす、有機
金属化合物の組合せを使用することができる。焼結前に
金属部材に添加される有機金属化合物の総量は、上記金
属部材の０．０１重量％から１．５重量％またはそれ以
上の範囲にわたり、金属部材の稠密化温度を相当程度変
化させる。有機金属化合物の粒径は、一般に良好な結果
を与える約０．０１ミクロンから約５ミクロンの平均粒
径の広い範囲で変化することができる。
次の例は本方法を説明するものである。
本方法は、特にガラス、耐火酸化物及び他のセラミック
物質への使用に適している。基板を選択する場合は、使
用する金属部材を考慮する必要がある。例えば、金属部
材として比較的低い融点（１０８３℃）を有する銅を使
用する場合には、基板は約１０５０℃以下で焼結するも
のでなければならない。
下記の例で使用したセラミックは１次のように菫青石の
組成に近いものである。
酸化物　　　　モル％ Ｓ　ｉ　０．　　　　　５０ ＡＱ２０．　　　　　２５ Ｍｇ０　　　　　２５ この組成は、またＢ２０．及びｐ２ｏ、を５モル％程度
含有している。他の典型的な耐火物質に例えば次の近似
酸化物組成（モル％）のパイレックス・ガラス（ダウ・
コーニング社の低膨張耐熱ガラス）及びＥガラスが含ま
れる。
酸化物　　パイレックス　　Ｅガラス ＳｉＯ□　　　　　８５　　　　６０ ＡＱ、０３　　　　１　　　　１４ Ｂ、０．　　　　　１０　　　　　１５ＣａＯＯ１１ Ｎ　ａ２０　　　　　　４　　　　　　０公知方法で作
業して、粉末状の基板物質を樹脂結合剤の溶媒溶液でペ
イントの濃度までスラリ化し、スラリをキャスティング
によりシートにし、溶媒を除去して、前記の「グリーン
シート」にする。本例では次のスラリを使用した。
衣−分　　　　　　　　　（重量ｇ） メチルイソブチルケトン　　　　　　　５５．８メタノ
ール　　　　　　　　　　　　　　１８．５ガラス粉末
　　　　　　　　　　　　１３０．６合計　　　　　　
２１９．３ 奪Ｌ−Ｌ この例は、銅の稠密化温度に関して、銅へのアルミニウ
ムージー（ｉ−プロポキシド）アセト酢酸エステルキレ
ートの添加による効果を実証し、加えて母金属に対する
各種の有機金属化合物の稠密化温度変更効果を測定する
ための簡単な手順を示すものである。
銅粉末（メツツ・カンパニー（Ｍｅｔｚ　Ｃｏｍｐａｎ
ｙ）、ＶＩＳＡ　＃７、平均粒径１〜３ミクロン）を含
有する次のスクリーニング・ペーストを調製した。
サンプル重量ｇ） Ｊし没二　　　　　　　Δ　旦　９　旦銅粉末　　　　
　　　　　　　　　　　８．５　８．５　８．５　８．
５工チルセルロース備合寿Ｄ　　　　　　　　１．５　
１．５　１．５　１．５ブチルカルピトール（溶力　　
　　　　１３．５　１３．５　１３．５　１３．５アル
ミニウムージー（ｉ−プロポキシド）アセト酢酸エステ
ルキレート ０飼きでＡＱ２０．に分陶　　　　　　　　　０　０．
２２５０．４１１　１．２１これらのペーストを前述の
ように調製したグリーンシートの個々の片に付着した。
１５０℃で乾燥させた後、被覆されたグリーンシート片
を、１８駄％のＨ，及び９９容量％のＮ２で起泡させた
水−を含有する冷却管状炉中に置いた。温度を６５０℃
に上昇させ、３０分間その温度を維持し１次に被覆され
た各グリーンシート片を保持するボートを管の冷却端の
方へ引寄せた。直線収縮量を測定し、記録した。次にグ
リーンシート片を炉に再度挿入し、５０℃高い温度で焼
いた。９５０℃の最終焼結温度になるまで、この作業を
何回か繰り返した（この手順は以下の例でも使用した）
。
次に銅被覆の直線収縮量を測定した。結果を次の第２表
に示す。
このデータは、アルミナの存在が銅層の稠密化速度（直
線収縮率によって測定）を遅らせ、セラミック基板の稠
密化速度に近づける、という効果を実証している。
例　　２ この例は、有機金属成分としてアセチルアセトンアルミ
ニウムを使用して、セラミック上に銅を形成する際の本
発明の改良された焼結法を示すものである。
例１と同様の方法によって、銅粉末（メンツ・カンパニ
ー（Ｍｅｔｚ　Ｃｏｍｐａｎｙ）Ｗ　Ｉ　Ｓ　Ａ　　＃
　７、平均粒径１〜３ミクロン）を含有する次のスクリ
ーニング・ペーストを調製した。
サンプル（重量ｇ） 成　　分　　　　　　　　　　　　　　ＡＢＣ銅粉末　
　　　　　　　　　　　８５　８５　８５エチルセルロ
ース　　　　　　　　１．５　１．５　１．５ブチルカ
ルピトール アセチルアセトンアルミニウム （焼結により１．０，に分解する）　　Ｏ　Ｏ．２１７
　０．６５４これらのペーストを前述のようにＭＷした
グリーンシートの片に付着し、例１の手順を使用して各
種の温度で焼結した。各サンプルの直線収縮率の測定結
果を次の第３表に示す。
このデータは、有機金属化合物としてアセチルアセトン
アルミニウムを添加した場合のすぐれた効果を実証して
いる。
例　　３ 金属部材の稠密化温度を基板の稠密化温度に合致させる
ことに関して、得られる改良が有機金属化合物を使用し
た場合はど明確ではないが１本発明は、焼結前に金属部
材へ金属酸化物粒子を直接添加することをも意図するも
のである。金属酸化物粉末の量の範囲は、約０．０１重
量％から約２゜０重量％まで、ないしはこれ以上の量に
大幅に変化して、一般に良好な結果をもたらすことがで
きる。粉末の平均粒径も０．０１から５ミクロンの範囲
にあれば、殆んどの場合良好な結果が得られる。マグネ
シウム、チタン、ジルコニウム及びアルミニウムの酸化
物は、ここで使用することのできる金属酸化物の一例で
ある。
下記の第４表では、セラミック基板上の銅スクリーニン
グ・ペーストの稠密化挙動に関するＡＱ２０３粉末（ユ
ニオン・カーバイド社（ＵｎｉｏｎＣａｒｂｉｄｅ　Ｃ
ｏｒｐ、）のリンダ・ディビジョン（ＬｉｎｄｅＤｅｖ
ｉｓｉｏｎ）平均粒径０．０５ミクロン）の添加の効果
が示されている。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 金属部材が付着された基板を焼結するにあたつて前記金
    属部材の稠密化温度を前記基板の硬化温度に近づけるた
    めに、焼結に先立つて、前記金属部材の稠密化温度に達
    する前に分解する有機金属化合物を前記金属部材に添加
    し、所与の焼結条件のもとで前記稠密化温度を変更する
    量の金属または金属酸化物を前記有機金属化合物から生
    成するようにしたことを特徴とする焼結方法。
JP60130945A 1984-10-09 1985-06-18 焼結方法 Granted JPS6189839A (ja)

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