JPS62205692A - 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、半導体ＬＳ　Ｉ、チップ部品などを搭載し、
かつそれらを相互配線するための、セラミ７り多層配線
基板の製造方法に関するものである。

従来の技術 セラミック多層基板には、現在その多層化方法により３
つの方法に分類される。第１はＩ’ＩＩＩＷ印刷法でハ
イブソソド【Ｃに代表されるものである。

これは、焼結済のセラミック基板に導電体や絶縁体の厚
膜ペーストを使用してスクリーン印刷し７その都度焼成
をくり返して多層化するものである。

第２はグリーンシート印刷法で、基板材料として未焼成
のセラミック分体を有機結合剤、可塑剤、溶剤でスラリ
ー状にし、ドクターブレード法でシート状に造膜したも
のくグリーンシートと呼ぶ）を用いる方法である。この
グリーンシートに導電体と絶縁体のペーストを印Ｈ１１
し一度で焼成を完了するものである。また第３はグリー
ンシート積層法で、前述のグリーンシートに導電体パタ
ーンを形成したものを所望の枚数積層して張り合わせる
方法テありグリーンシート印刷法と同様一度の焼成で多
層基板が得られるものである。

一方、セラミック多層基板に使用される導体材料に注目
するとＡｕ、Ａｕ−ＰｔＳＡｇ−Ｐｔ。

Ａｇ、Ａｇ−Ｐｄなどの貴金属を用いるものと、Ｗ、Ｍ
ｏ、Ｍｏ−Ｍｎなどの高融点金属及びＣｕ。

Ｎｉなどの比較的低融点の卑金属に大別することができ
る。まず、貴金属系ペーストは、空気中で処理ができ信
頼性が高いことから大いに普及している。しかし、貴金
属はコストが高いという問題点を抱えている。またＷ　
、　Ｍ　ｏ　、　Ｍ　ｏ　−Ｍ　ｎなどの高融点金属は
、１６００℃程度の高温すなわちグリーンシートの焼結
温度以上で同時焼成する必要があるため多層化に適して
いる反面、還元性雰囲気で焼成する必要があるため、そ
の製造時安全性に十分配慮しなければならない、また導
電体抵抗も高く、ハンダ付けのためにＮｉやＡｕのメッ
キ処理を必要とするなどの問題点を有している。

そこで低温度で処理でき、安価なＣｕやＮｉなどがン主
目されつつある。

Ｃｕペーストを用いたセラミック多層配線基板の製造方
法の一例を述べる。その方法は、アルミナなどの焼結基
板上にＣｕペーストをスクリーン印刷して配線パターン
を形成し、乾燥の後、Ｃｕの融点以下の温度（８５０〜
９５０℃程度）で、かつＣｕが酸化されずに導電体ペー
スト中の有機成分が充分に燃焼するように酸素分圧を制
御した窒素雰囲気中で焼成を行うものである。多層にす
る場合には、同様の条件で絶縁層を印刷焼成して得られ
る。しかしながら、上記のようなＣｕペーストを用いた
場合、いくつかの問題点を有している。まず第１に焼成
工程における雰囲気を適度な酸素分圧にコントロールす
ることが困難であること、つまり酸素が多いとＣｕが酸
化され、逆に少ないとペースト中の有機バインダが分解
除去されず、良好なメタライズも得られないからである
。

第２に多層化する場合、各ペーストの印刷後その都度焼
成をくり返し行う必要があり、リードタイ　　　。

ムが長くなり、設備などのコストアップにつながるなど
の問題点を有している。そこで特願昭５９−１４７８３
３号の発明においてセラミック多層基板の作製にあたり
、脱パインダニ程、還元工程、焼成工程の３段階とする
方法を提案している。それは、酸化鋼を導体の出発原料
とし、脱パインダニ程が、炭素に対して充分な酸化雰囲
気でかつ内部の有機バインダを熱分解させるに充分な温
度で行い酸化鋼を金属銅に還元する還元工程、基板材料
を焼結させる焼成工程によって成立しているものである
。これにより焼成時の雰囲気制御が容易になり、緻密な
焼結体が得られるようになった。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら、その実施にあたって以下に示すような解
決すべき課題が明らかとなった。それは、セラミック多
層基板の作製において、その基板材料となるグリーンシ
ート用、絶縁材料に使用し得る材料に限度があるためで
ある。なぜなら、酸化第二銅を出発原料とし、前記のよ
うな還元雰囲気での熱処理工程を存する製造方法では、
絶縁材料（ガラス−セラミック）の中に還元される金属
酸化物（ＰｂＯ）を含んでいると、 ＰｂＯ＋ａＭｅ−＊Ｐｂ＋ＭｅａＯ の反応が起こり金属化したｐｂを含む絶縁層は、絶縁体
としての機能が発揮できなくなる（Ｍｅ：ｐｂ以外の金
属）。したがって、導電体材料にＣｕなどの卑金属を用
いる場合、絶縁材料としては、熱力学的に安定でＣｕと
酸化、還元反応を起こさない金属酸化物であるＡ１２ｏ
３、Ｂ２Ｏ３、ＢａＯ１Ｓ　ｉ　０２　、Ｃａ　ＯｌＮ
　ａ　２０、ＭｇＯ。

Ｔａ２０５、Ｎｂ２Ｏ５、などから選ばれるべきである
。一方ＰｂＯ，ＴｉＯ□などを含む系の低温焼結基板材
料は、使用できないとされているのである。しかし上記
のような、非ＰｂＯ系の酸化物より構成された基板材料
は不充分な点が多い。

例えば、前記の材料では、絶縁抵抗が低く、誘電ｍ失（
ｔａｎδ）も悪い傾向がある。また、軟化点も比較的高
いものになり易いことで知られており、このような系で
は、焼結温度を低くすることが困難で、短時間焼成も難
しいなどの問題点を有≧νている。

問題点を解決するための手段 上記問題点を解決するために、本発明のセラミック多層
配線基板の製造方法において、絶縁材料あるいは基板材
料として信頼性が高り、量産性にも冨む鉛系ガラスを含
むグリーンシートの使用が可能となるように製造工程条
件を構成して得られるものである。つまり製造工程の各
工程条件を詳細に検討し、酸化鉛の非還元と酸化鋼の還
元を両立させることに成功したものである。

作用 本発明は、以下に示すような製造方法及び作製工程条件
で構成することにより、電気絶縁などの信鎖性に富み、
かつ低温度及び短時間での焼成が可能な酸化鉛を含むガ
ラスの使用を可能にする。

まず酸化第二銅を導電体材料の出発原料とするグリーン
シート多層法によるセラミック多層基板の製造方法の重
要な点は、脱パインダニ程、還元工程、焼成工程より構
成されている点にある。つまり脱パインダニ程は、空気
中などの酸化雰囲気でグリーンシート基板内の有機バイ
ンダの分解除去を、絶縁用ガラスの軟化点以下で行う。

次に還元工程で、酸化第二銅を金属銅とし引き続いて窒
素中などの中性雰囲気で焼成を行うものである。

このように工程中に還元雰囲気での処理を含んでいるた
め、従来より、還元雰囲気の熱処理で還元されてしまう
金属酸化物を含む絶縁材料は、用いることができないと
されている。しかしながら発明者らは、種々の観点から
検討を重ねた結果、還元及び焼成の各工程条件をある値
に設定すれば、酸化鉛の金属鉛への還元を防止するとと
もに銅への還元を行うことができることを見出した。つ
まり、前記の酸化第二銅で導体バクーンを形成したグリ
ーンシート多層体を空気中でバインダ除去を行なった後
、金属銅への還元可能な温度を実験により求めたところ
、窒素中と水素を含む雰囲気では、約２５０℃で還元反
応が起こった。またこの温度では、グリーンシート内に
含まれたＰｂｏはＰｂに還元されなかった０次に同様の
雰囲気で、還元温度を徐々に上げていったところ、約６
００℃以上で、Ｃｕの還元と同時にｐｂの還元も起こる
ことが判った。また２５０℃での還元では、熱処理時間
によっては、銅に還元されない部分が残こる場合があり
、逆に高い場合、ガラス軟化点を越え、充分鋼に還元さ
れる前に酸化第二銅のままで内層部にとり込まれる結果
になることもあるので、実用上有効な温度範囲は、３０
０〜５００℃の間である。そして焼成工程では窒素など
の中性雰囲気で焼成を行うのでグリーンシートのガラス
中の酸化鉛は還元されず、絶縁材として機能する訳であ
る。

以下にその実施例を示す。

実施例 まず本発明にかかるセラミック基板材料は、鉛カリガラ
ス（コーニング社製＃８８７０ガラス平均粒径１．９μ
ｍ）とアルミナＡｌ２Ｏ，平均粒径０．８μｍ）粉末を
重量比で５０対５０となるよう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
してポリメチルメタアクリレ−）　（ＰＭＭＡ）　、可
塑剤として、ジ−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７０
比）を次の通りの組成（重量比）で混合しスラリーとし
た。

このアクリレをドクタブレード法で、有機フィルム上に
造膜しグリーンシートとした。この時グリーンシートの
厚みは約３００μｍであった。この後、造膜から乾燥、
任意の打抜き、スルホール加工を連続的に行うシステム
を使用した。次に導体ペーストは、酸化第二銅粉（平均
粒径３．０μｍ）に接着強度を向上させるため、硼珪酸
ガラスからなるフリットを５ｗｔ％加えたものを無機成
分とし、を機バインダであるポリメチルメタアクリレ−
）　（ＰＭＭＡ）をターピネオールに溶かしたビヒクル
を加え、３段ロールにより適度な粘度になるように混練
したものを用いた。この４電体ベーストを前記加工済の
グリーンシート上にスクリーン印刷し配線パターンを形
成した。同様にして作製した、パターン形成済グリーン
シートを、所望の枚数積層し、８０℃、１２０Ｋｇ／ｃ
Ｊの圧力の条件下で熱プレスにより張り合わせた。これ
により第１図に示す断面図のような、グリーンシート多
層体を作製した。図の１は前記酸化第二銅による導電体
パターン、２は前記絶縁材料による絶縁層である。次に
この未焼結グリーンシートのバインダ除去を行う。本実
施例に使用した絶縁用ガラスの軟化点は、５７８℃であ
り、本脱バインダ温度は軟化点以下の温度で実施する必
要がある。また、グリーンシート材料及び、ＲＴ４体ペ
ーストに使用した打機バインダは、ＰＭＭＡであるので
、空気中の熱処理で分解除去を行うためには、約４００
〜４５０℃以上の温度が望まれる。したがって４５０℃
で脱バインダを行なった。なお軟化点以上の温度での脱
バインダでは、内部の酸化第二銅がそのまま密閉される
ため、後の還元工程でも銅に還元できなくなるおそれが
ある。またＰＭＭＡの分解・除去は、熱分析によって調
べた結果に基づいて実施したもので、バインダ除去後の
カーボン量分析の結果からも充分なバインダ除去が行わ
れていることを確認した０本税パインダニ程の概略を第
２図に示した。次に還元工程のプロファイルを第３図に
示す。１２０ｍｍΦの管状炉内に前記の脱バインダ済の
積層体を挿入し、窒素ガスを０．７β／分、水素ガスを
０．７ｎ／分の流量で流入させた。還元温度を２００℃
、３００℃、４００℃、５００℃、６００℃、７００℃
とし、各温度で１時間保持して還元し、冷却の後取出し
た。銅への還元は、２００℃以外の温度ではほぼ起こっ
ており、３００℃では若干内部に酸化第二銅の存在を示
す、黒色を呈した部分があり、還元が充分実施できたと
は言えない。

また、６００℃以上の還元温度では、絶縁層が灰色を呈
しており、ＰｂＯが還元されたことを示している。以上
の結果から、還元工程は３００°Ｃ〜５００℃の間が適
しており、厳密には４００°Ｃ〜５００℃が最適である
。

次に焼成工程は、ＢＴＵエンジニアリング社製のメツシ
ュベルト炉によって行なった。雰囲気は純窒素で、内部
残存ｏ２量は０□濃度計の計測では、１〜２ｐｐｍであ
った。また温度プロファイルを第４図に示す。前記の還
元済多層体をこの条件下で焼成した。その結果、絶縁抵
抗は３．５×１０１１π・個、誘電率７．５、ｔａｎδ
＝０．２％であり、絶縁層上の銅メタライズ性も、シー
ト抵抗２．０４ｍｙｒ／口、接着強度２．５ｋｇ／４ｍ
ｍ２であり、実用上充分な結果が得られた。

また作製条件の面でも、焼成所要時間が約１時間と短時
間であることから量産性に富む材料といえる。なお評価
方法のうち、接着強度の測定は、前記のようにして作製
したセラミック基板表面に２ｍｍ角の電極パターンが形
成されており、その上にリード線（０，８ｍｍΦ）を垂
直に半田付けし、引張り試験機でその破壊強度を測定し
た。

発明の効果 以上述べたように、本発明の製造方法は、極めて信頼性
の高い鉛系ガラスを絶縁材料として使用するグリーンシ
ート多層法に応用できるばかりでなく、脱バインダ、還
元、焼成の各工程に従って作製することで、メタライズ
性にすぐれた銅多層セラミック基板が得られるものであ
る。

つまり、鉛系ガラスは一般に、絶縁抵抗が高く、８１　
？ｉｔ性にもすぐれているといわれており、また軟化点
を低くすることも可能なので、他の材料を使用した場合
に比べて短時間、低温度焼成が可能となり、掻めて量産
に適した絶縁材料といえる。また本発明のようにグリー
ンシートによる方法では、多層化に通しており、より高
密度化が要求される現在、最も有効な手段である。さら
に本発明の製造法によって得られる銅メタライズは、Ｃ
ｕの持つ導電体抵抗の低さ、ハンダ付は性の良さ、耐マ
イグレーション性の良さ、低コストの利点を充分に発揮
できるものであり、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、本発明の製造方法により作製されたグリーン
シート多層法によるセラミック多層基板の−例を示す断
面図、第２図、第３図、第４図はそれぞれ脱バインダ、
還元、焼成の各工程の温度プロファイルを示す概略図で
ある。 ■・・・・・・酸化第二銅による導体パターン、２・・
・・・・絶縁層。 代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　はか１名第１図 第　２　図　　　　　脱１ｆｊ＞ダニ殺第３図 ｔ’ｒ　ｒ：Ｉ　（介） 第４図 椅ＩＭ　Ｃ今）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　酸化鉛を含むガラス・セラミックス組成物に少なくと
   も有機バインダ、可塑剤を含む生シートを作製する工程
   と、前記生シート上に酸化第二銅を主成分とするペース
   ト組成物でパターン形成し、前記生シートと別のパター
   ン形成済生シートとを所望枚数積層して多層化するか、
   もしくは、前記酸化鋼ペーストの印刷と、前記生シート
   の無機成分と同一の組成の絶縁ペーストの印刷をくり返
   し行って多層化する工程と、前記多層体を空気中で多層
   体内部の有機バインダが分解・飛散する温度で熱する工
   程と、しかる後、水素および窒素の混合ガス雰囲気中で
   ３００℃から５００℃の範囲内の温度で還元熱処理を行
   う工程と、さらに、前記還元済多層体を純窒素雰囲気中
   で焼結させる工程を含むことを特徴とするセラミック多
   層配線基板の製造方法。