JPS622597A - セラミツク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、チップ部品などを搭載し、か
つそれらを相互配線した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配線基板の製造方法に関
するものである。

従来の技術 従来よシ、セラミック配線基板の導体ペースト用金属と
しては、Ａｕ　、ムｕ−Ｐｔ、ムｑ−Ｐｔ。

Ａｇ　−Ｐｄ等の貴金属、Ｗ　、　Ｍｏ　、　Ｍｏ　−
Ｍｎ　　等の高融点卑金属が広く用いられていた。前者
のムＵ。

ムｕ−ｐｔ、ムｑ−Ｐｔ、ムｑ　−Ｐｄ等の貴金属ペー
ストは、空気中で焼付けができるという反面、コストが
高いという問題を抱えている。また、後者のＷ　、　Ｍ
ｏ　、　Ｍｏ　−Ｍｎ等の高融点卑金属は１６０゜°Ｃ
程度、すなわち、グリーンシートの焼結温度（約１５０
０°Ｃ）以上の高温で同時焼成するため多層化しやすい
が、一方、導電性が低く、還元雰囲気中で焼成する必要
があるため危険である。また、ハンダ付けのために導体
表面にＮｉ等によるメッキ処理を施す必要があるなどの
問題を有している。

そこで、安価で導電性が良く、ノ・ンダ付は性の良好な
Ｃｕペーストが用いられる様になって来た。

ここで、Ｏｕ　ペーストを用いたセラミック配線基板の
製造方法の一例を述べる。従来の方法は、アルミナ等の
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、乾燥後、Ｃｕの融点よりも低い温度で
、かつＣｕが酸化されず、導体ペースト中の有機成分が
十分に燃焼する様に酸素分圧を制御した窒素雰囲気中で
焼成するというものである。

また、Ｃｕ　ペーストを用いたセラミック多層配線基板
の場合は、さらに絶縁ペーストとＣｕペーストを印刷、
乾燥、中性雰囲気中での焼成をそれぞれ所望の回数繰シ
返し、多層化するというものである。

しかしながら、上記の様なＣｕペーストを用いた場合、
セラミック配線基板の製造方法においていくつかの大き
な問題点がある。まず第１に、焼成工程において、Ｃｕ
を酸化させず、なおかつＣｕペースト中の有機成分を完
全に燃焼させる様な酸素分圧に炉内を制御するという事
が非常に困難であるという事である。酸素分圧が高けれ
ば、Ｃｕ表面が酸化され、ハンダ付は性が悪くなシ、導
電性の低下につながシ、逆に酸素分圧が低く過ぎれば、
Ｃｕメタライズの良好な接着が得られないばかシか、Ｃ
ｕ　ペースト中に含まれる有機成分の使用に困難が生じ
る。

つまり、ペーストのビヒクルに用いられる有機バインダ
等が、完全に燃焼し除去されないという事である。特に
Ｃｕの融点以下の温度では、有機バインダは分解されな
い。

また、金属Ｃｕを用いた場合、たとえ脱バインダの工程
と、Ｃｕ焼付けの工程を分けたとしても、金属Ｃｕが脱
バインダの工程で酸化され、ＣｕＯとなシ体積膨長を起
こすため、基板からの剥離等の問題を生ずる。第２に、
多層にする場合、印刷、乾燥後、その都度焼成を行なう
ので、リードタイムが長くなる。さらには設備などのコ
ストアップにつながるという問題を有している。そこで
、特開昭５３−１２９８６６号公報において、銅の酸化
物を導体材料とする導体ペーストと、銅の―魚身下の温
度で焼成することが可能なセラミックを絶縁体材料とす
る絶縁体ペーストとを交互に印刷してセラミック基板未
焼成体を形成し、この未焼成体を、大気中で仮焼成した
後に、還元雰囲気中で低湿焼成するというセラミック基
板の製造方法がすでに開示されている。この方法により
、焼成時の雰囲気制御が容易になった。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら、以下に示す様な問題点が新たに見い出さ
れた。それは、第１に従来よシ絶縁層用材料としてよく
用いられるがラス成分とアルミナ結晶質との混合粉末の
場合、焼成後、緻密な絶縁層が得られにりく、絶縁層中
にピンホールやクラックが生じ、機械的強度、絶縁抵抗
、絶縁耐圧などが低下する。さらには、導体層のメタラ
イズ性の低下をまねくこととなる。そこで、その解決策
として、通常、絶縁層の厚みを厚くするという方法がと
られるが、その場合、絶縁層を何度も繰シ返し印刷する
必要があシ、位置あわせ時のずれ、絶縁ペーストのだれ
によって、バイアホール部が埋まシ、絶縁層を介した導
体層間の導通が得られないという問題が生じる。第２に
焼成工程を還元雰囲気中で行なった場合、導体層と絶縁
層とのぬれ性が悪くなシ、良好なメタライズ性が得られ
ないという問題を生ずる。

問題点を解決するだめの手段 上記問題点を解決するために９本発明のセラミツク配線
基板の製造方法においては、絶縁ペーストおよびグリー
ンシートの無機成分として、５ｉｎ２とＢ２Ｏ３を主成
分とするガラス粉末と、Ａ７Ｉ２０３にＳｉＯ２　、　
ＭｇＯ、Ｃ２ｈＯを加えた結晶質粉末との混合粉を用い
た。さらに、未焼結体からセラミック配線基板を作製す
る工程を、脱パインダニ程、還元工程、焼成工程の３段
階とした。ここで、脱パインダニ程は、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
に充分な温度で行ない、還元工程は、ガラスの軟化点以
下の温度で、還元雰囲気中で行ない、焼成工程は、窒素
雰囲気中で行なうというものである。

作用 本発明は、グリーンシートおよび絶縁ペーストの無機成
分を、上記した組成にする事により、セラミック配線基
板の絶縁層が極めて緻密化する事を可能にし、それによ
って、絶縁層の機械的強度、絶縁抵抗、絶縁耐圧が向上
するものである。さらに、未焼結体からセラミック配線
基板を作製する工程を、脱パインダニ程、還元工程、焼
成工程と、３段階に分離する事により、非常に良好なメ
タライズ性が得られるものである。以下に本発明の作用
を判シ易く説明する。

セラミック配線基板の絶縁層を緻密に焼結させるために
は、絶縁層用材料であるガラスとセラミック粉末のぬれ
性および反応性をいかに良くするかが重要な問題である
。従来の絶縁層用材料においては、これらのぬれ性、反
応性が不充分であるため、焼成時にガラス粉末が軟化し
て、ガラスの連続した非晶質のネットワークを形成する
過程において、ガラスネットワークの間隙にセラミック
粉末の塊が点在し、さらに、ガラスとセラミック粉末と
の化学反応が容易に進まないために、絶縁層が緻密化さ
れず、焼成後ピンホールやクラックが存在し、多孔質で
、機械的強度、絶縁抵抗、絶縁耐圧、さらにはメタライ
ズ層の接着性が低下することとなる。

これに対し、発明者らは、種々の観点から検討を進めた
。その結果、前記したように、絶縁層用材料として、５
１０２とＢ２Ｏ３を主成分としたガラスと、人１２０．
に５ｉｎ２．　　ＣａＯ、ＭｇＯを加えた結晶質粉末と
の混合粉末を用いる事により、焼成時にガラスが軟化し
、ガラスネットワークを形成する過程において、そのネ
ットワークの間隙にム４２０３　　等の結晶質粉末が均
一に分散した構造となる。そのため、粒子間のぬれも良
く、反応性にもすぐれているために、極めて緻密な絶縁
層が得られることとなる。そして、焼結および緻密化を
促進する上テ、ム１２０３ノ他に、５ｉｎ２．　ＣａＯ
。

ｍｇｏの添加が重要な役割を果たしておシ、これらの添
加が不可欠である事が検討の結果明らかとなった。また
、従来、充分な機械的強度、絶縁抵抗、絶縁耐圧等を得
るためには、絶縁層の厚みが６０〜６０μｍ必要でおの
だものが、３０〜４０μｍの厚みで充分な特性を得られ
る様にｂつだ。

次に、導体層のメタライズ性について考えた場合、未焼
結体からセラミック配線基板作製までの工程が重要な役
割を果たしている。まず、脱パインダニ程において、未
焼結体中に含まれる有機成分を完全に除去する必要があ
る。なぜなら、有機成分の除去が不完全ならば、プリス
タが発生し、メタライズ性を著しく低下させる事となる
からである。そのために、脱パインダニ程は、例えば空
気中のような炭素に対して充分な酸化雰囲気で、有機成
分を分解するのに充分な温度で行なう必要がある。次に
焼成工程であるが、従来の例では、脱バインダ後、還元
雰囲気中で焼成される事が示されているが、この場合、
導体層用材料のＣｕと絶縁層用材料との間のぬれ性が悪
いために、良好なメタライズ性が得られない。そのため
、焼成工程を本発明の様に還元工程と焼成工程にわける
必要がある。そして、還元工程でＣｕＯをＣｕに完全に
還元し、その後窒素雰囲気中で焼成する事によって、メ
タライズ層と絶縁層間のぬれ性が良くなり、極めて良好
な接着強度が得られることとなる。

しかしながら、ここで重要な事は、未装結体からセラミ
ック配線基板作製までの工程を、脱パインダニ程、還元
工程、焼成工程とするというだけでは不充分であシ、良
好な導体層のメタライズ性は、本発明の前記絶縁層用材
料と上記の３工程の両方によって、はじめて成シ立つも
のである。

実施例 （実施例１） まず本発明にかかるセラミック基板材料には、アルミナ
９６％の焼結済基板を用いた。そして、第１表に示す組
成の、ガラス粉末と結晶質粉末を、重量比で１対１に混
合した無機成分に、有機バインダーであるエチルセルロ
ースをテレピン油に溶かした有機ビヒクルを加えたもの
を三段ロールによシ適度な粘度に混練し、絶縁ペースト
を作製した。この絶縁ペーストを、上記アルミナ９６％
焼結基板上に、２００メツシユのスクリーンで印刷し、
乾燥（１２０°Ｃで１０分間）させ、絶縁層を形成した
。その後、ＣｕＯを無機成分とし、絶縁ペーストと同一
の有機ビヒクルを加えて混練した導体ペーストを、２６
０メツシユのスクリーンで印刷し、乾燥（１２０°Ｃで
１０分間）させ、導体層を形成した。上記の様な絶縁層
の形成と導体層の形成を繰り返し行ない、第１図の様な
断面を有する未焼結セラミック配線基板を作製した。こ
の様にして作製した未焼結セラミック配線基板を、第３
図に示す温度プロファイルで、空気中で脱バインダし、
その後、第４図に示す温度プロファイルで、Ｎ２＋Ｈ２
中（Ｎ２　／　Ｎ２　＝＝　２０　／　８０　：流量２
１／ｍ）で還元し、最後に、第６図に示す温度プロファ
イルで、Ｎ２中で焼成した。焼成後、絶縁層の厚みは約
３０〜４０μｍであシ、導体層の厚みは約１０μｍであ
った。以上の様にして作製したセラミック配線基板は、
３１Ｍ観察により極めて緻密な絶縁層を形成している事
が明らかとなった。なお、導体層の接着強度および絶縁
層用材料の特性については、別にテストピースを作製し
て行なった。そのテストピースの作製方法および測定方
法は以下に示す。

接着強度用のテストピースは、アルミナ９６％焼結済基
板上に絶縁層を形成し、その上に導体層を形成したもの
である。またペーストの印刷、乾燥、脱バインダ、還元
、焼成の各条件は、前記のとおシである。そして、接着
強度は、２層厘φの導体パターンに線巾０．８ｊｆｌφ
のリード線を基板に垂直にハンダ付けし、引張り試験機
で、その破壊強度を測定した。絶縁層用材料の特性は、
空孔率と絶縁抵抗について調べた。

まず、空孔率は、第１表に示す絶縁層用材料を用いて２
０φの円板形状に５００１ｇ　／　ｔ４の圧力で加圧成
形し、その後、１０００℃で焼成したものをサンプルと
して測定した。次に、絶縁抵抗は、第１表の無機組成か
らなる絶縁ペーストと、ＣｕＯペーストでアルミナ９６
％焼結済基板上に導体層２層、絶縁層１層の多層構造を
形成したのち、前記の脱パインダニ程、還元工程、焼成
工程をへて作製したテスト基板を用いて測定した。なお
、焼成後の絶縁層膜厚は３０〜４０μｍであった。また
、絶縁層をはさむＣｕ導体電極の対向面積は約１ｃ−で
あった。

ただし、接着強度については、未焼結体から焼成までの
工程の影響を確認するために、従来例に示されている様
な還元雰囲気中で焼成したサンプルについても測定した
。なお、印刷、乾燥、脱バインダは前記と同様に、焼成
は、Ｎ２　＋　Ｎ２　（Ｎ２／Ｎ　２　＝：２０　／　
８０　：流量２１／門）雰囲気で、第６図の温度プロフ
ァイルで行なった。

（以　下　余　白） 以上の様にして測定した結果を第２表に示した。

第２表 第２表よシ明らかな様に、空孔率は非常に低く、絶縁抵
抗も非常に高い値を示している。この測定結果と前記の
ＳｉＣＭ観察の結果をあわせて考えた場合、本発明の絶
縁層材料は緻密な、絶縁特性のすぐれた材料としてセラ
ミック配線基板作製用に最適である事は明らかである。

また、未焼結体からセラミック配線基板作製までの工程
を、脱パインダニ程、還元工程、焼成工程と３段階にわ
ける事により、接着強度が著しく上昇した。

（実施例２） 第１表に示す組成のガラス粉末と結晶質粉末を重量比で
２対３に混合した無機成分に、有機バインダであるポリ
ビニルブチラールをトルエンに溶かした有機溶剤に、可
塑剤であるヂーブチルフタレートヲ加え、ボールミルで
混合し、これを脱泡後ドクターブレード法で造膜乾燥し
、３００μｍ厚のグリーンシートを作製した。次に、グ
リーンシートを所定のサイズに切断するとともに必要箇
所にピア用の小孔をあけ加工したものに、実施例１で用
いたＣｕＯペーストを同条件で印刷、乾燥した。なお、
スクリーン印刷の時点でビア用の小孔にも導体ペースト
の充填が行なわれるものである。

その後、上記の様に印刷したものを所望の枚数重ね合わ
せ、７０℃、２００　ｋｑ　／　ｃ−の圧力でラミネー
トした。ラミネート後の断面図を図２に示す。

この後、空気中で、第３図に示した温度プロファイルで
脱バインダし、さらに、実施例１と同様の条件で還元し
た。そして最後に第６図に示す温度プロファイルで、Ｎ
２雰囲気中で焼成した。

以上の様にして作製したセラミック配線基板もＳｉＣＭ
観察によシ極めて緻密な絶縁層を形成している事が明ら
かとなった。なお、焼成後のセラミック配線基板は、切
断時のグリーンシートに比べて約１８〜２２％の収縮が
見られた。

次に、実施例２においても、実施例１と同様に接着強度
の測定を行なった。測定用基板は約１ｆｌのグリーンシ
ートを前記の様に作製し、その上にＣｕＯペーストを印
刷、乾燥の後、脱バインダ、還元、焼成を行なって作製
した。また、従来例に示されている様な還元雰囲気中で
の焼成も実施例１と同条件で行ない比較した。

なお、測定用パターンには、グリーンシートの収縮を考
慮し、３１１１１φの導体パターンを印刷した。

（以　下　余　白） 第３表 以上の様にして測定した結果を第３表に示した。

第３表よシ明らかな様に、従来法の結果と比較して、還
元工程と焼成工程を別４に異なる雰囲気、温度で行なう
事によｐｃｕと絶縁層のぬれ性が良くなシ、その効果が
明確に接着強度にあられれている。

発明の効果 以上述べた様に、本発明の製造方法によって、極めて緻
密な絶縁層を有し、メタライズ性にすぐれたセラミック
配線基板の作製が可能となる。

さらに、導体層にＣｕＯペーストを用いる事により、Ｃ
ｕの持っている導体抵抗の低さ、ハンダ付は性の良か、
耐マイグレーション性の良さ、低コストを充分に生かせ
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図は印刷法によって作製した未焼結セラミック配線
基板の断面図、第２図はグリーンシート積層法によって
作製した未焼結セラミック配線基板の断面図、第３図は
脱パインダニ程の温度プロアアイルの１実施例を示す図
、第４図は還元工程の温度プロファイルの１実施例を示
す図、第６図は印刷法によるセラミック配線基板作製の
焼成工程の温度プロファイルの１実施例を示す図、第６
図はグリーンシート積層法によるセラミツ・り配線基板
作製の焼成工程の温度プロファイルの１実施例を示す図
である。 １・・・・・・アルミナ９６％焼結済基板、２・・・・
・・絶縁層、３・・・・・・導体層。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名１５
ｉ１ 第２図 １ｊＳ３ｒＩＪ Ｑ　　　間　Ｃ今） １４図 時　　７Ｊｓ（鉛

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）ＳｉＯ＿２６０〜９０重量％、Ｂ＿２Ｏ＿３５〜
   ３０重量％、Ａｌ＿２Ｏ＿３０．１〜１０重量％、Ｂａ
   Ｏ０．１〜１０重量％、Ｍ＿２Ｏ（ここでＭはアルカリ
   金属）０．０１〜６重量％の組成となるガラス粉末４０
   〜６０重量％と、Ａｌ＿２Ｏ＿３９０〜９８重量％、Ｓ
   ｉＯ＿２１〜５重量％、ＣａＯ０．１〜２重量％、Ｍｇ
   Ｏ０．５〜４重量％の組成となる結晶質混合物６０〜４
   ０重量％からなる粉末組成物に有機バインダおよび有機
   溶剤を加えたグリーンシートまたは絶縁ペーストと、酸
   化銅を主成分とする無機材料に、有機バインダおよび有
   機溶剤を加えた導体ペーストにより、少なくとも１層以
   上の配線を形成する工程と、該未焼結体を炭素に対して
   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、脱バインダする工程と、さらに、こ
   れを前記ガラス組成物の軟化点以下の温度で、還元雰囲
   気中で熱処理する工程と、その後、窒素雰囲気中で焼成
   し、焼結させる工程を有することを特徴とするセラミッ
   ク配線基板の製造方法。
2. （２）グリーンシート積層法によって未焼結体を形成す
   る特許請求の範囲第１項記載のセラミック配線基板の製
   造方法。
3. （３）厚膜印刷法によって、焼結済基板上に未焼結体を
   形成する特許請求の範囲第１項記載のセラミック配線基
   板の製造方法。