JPS63128791A - 金属導体を有する高密度多層ガラス・セラミツク構造体の製造方法 - 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】 Ａ、産業上の利用分野 この発明は内部に金属ベースの導体を有する多層ガラス
・セラミック基板を作成する方法に関するものである。

詳細にいえば、この発明は上記のガラス・セラミックお
よび金属ベースの導体の高密度パッケージを作成する方
法に関する。

Ｂ、従来技術 半導体パッケージ・デバイスの分野で周知のように、多
層ガラス・セラミック回路はガラス・セラミックの電気
的に絶縁された積層体と、この層上に堆積したパターン
化した導体とからなっている。この分野で周知であり、
かつ実施されているように、多層ガラス・セラミック回
路は一連の処理工程によって作成される。

典型的な場合、導体が載置されたガラス・セラミック層
のスタックは、ガラス拳セラミックに混合されたバイン
ダ材料が燃え尽きるような温度まで加熱される。上記の
バインダ材料の除去後、積層されたスタックをより高い
温度で焼成し、ガラスが融着して、高密度となり、かつ
導体の金属粒子が焼結稠密金属となるようにする。

Ｃ０発明が解決しようとする問題点 しかしながら、これらの多層ガラス・セラミック／Ｃｕ
基板を製造する際の厄介な問題のひとつは、稠密な（〉
９８％）ガラス・セラミックをもたらす焼結サイクルを
発生させることである。稠密なガラス・セラミックには
ピンのろう付けおよびワイヤーボンディングのために、
強い基板と密着面金属パッドが必要である。さらに、セ
ラミック表面上の細線パターンには、欠陥を許容レベル
まで下げるために、稠密で、空孔のない表面が必要であ
る。

米国特許第４５０４３３θ号「内部に銅ベースの導体を
有する多層ガラス・セラミック構造を作成する方法」に
は、ポリメチル・メタクリレートのバインダ、ジブチル
フタレートの可塑剤、ならびにメチルエチルケトン びブチルアルコールの溶剤を含んだガラス・セラミック
のグリーンΦシートの焼成が記載されている。バインダ
の解重合および除去のための焼成温度は、５５０〜６５
０℃である。この範囲以上の加熱は避けるよう教示され
ているが、これはこのような温度によってガラスの成分
が融着し、バインダの除去を妨げるからである。使用さ
れている焼結工程はチッ素および水の雰囲気における熱
処理を含んでおり、バインダを除去するための温度にお
いて、水が解離し、雰囲気中に水素の１０−７〜１０−
８の分圧をもたらすようになっている。次の工程におい
て、雰囲気の蒸気圧が変化して、チッ素を乾燥させ、温
度が１時間の間に９００℃まで上げられる。この期間中
に、ガラス・セラミックおよび金属導体は稠密化する。

ガラス・セラミックの強度は、空孔および残留炭素の量
によっては、満足できないものになることもある。

この特許は、この発明が焼結処理の異なる工程における
稠密化の際にチッ素および水素の混合物を使用するので
あるから、この発明とは異なっている。さらに、この発
明は７００〜８００℃という温度範囲における数時間の
乾燥工程を含んでおり、これは上記の米国特許第４５０
４３３９号では教示されていないものである。これらの
付加的な工程によって、基板材料中での気泡の形成が効
果的に抑制され、より高密度のガラス拳セラミックがも
たらされると考えられる。

ヘロン他（Ｈｅｒｒｏｎ　ｅｔ　ａｌ）の米国特許第４
２３４３６７号においては、ガラス・セラミックがまず
、少なくとも当初は純粋なチッ素の雰囲気であり、その
後水蒸気と水素ガスの雰囲気に変更される雰囲気中で、
約５時間の間に徐々に８００℃まで加熱される。次いで
、加熱を水素ガスに対する水蒸気の割合が１０４の雰囲
気において、約６時間の間、約８００℃の定常温度で保
持する。その後、雰囲気を純粋なチッ素ガスに変更し、
熱を２時間の間に約１００℃上げ、次いで数時間かけて
温度を下げる。上述のように、この発明の方法は最初の
加熱工程において水蒸気を使用するものではなく、その
代りに、水素ガスおよびチッ素ガスを使用するものであ
る。この特許の第８欄、第２６〜３４行には、ガラス・
セラミックの融着温度未満の温度において、湿性および
乾性の化成ガスとともに中性または還元性の雰囲気を使
用することが困難であると指摘されている。意外なこと
に、この方法はこの温度よりも下の乾性の化成ガスを使
用し、酸化鋼の形成によって生じる大幅な体積の変化の
問題を解決している。さらに、８００℃以下の温度にお
いて数時間の間乾燥を行なうという第３の工程は、米国
特許第４２３４３８７号においては教示されていない。

したがって、この発明の目的は、金属ベースの導体を有
する稠密な（有孔率が最小で、ガラス・セラミックが９
８％超の）多層ガラス・セラミック基板をもたらす方法
を提供することである。

この発明の他の目的は、上記の方法によって薄膜金属パ
ッドをガラス−セラミックに付着させることである。

この発明のさらに他の方法は、残留炭素の酸化がガラス
の稠密化の際に生起せず、それ故、１１００ｐｐ超の残
留炭素を許容できることを、上記の方法で確実とするこ
とである。

この発明のさらにまた他の目的は、焼成サイクル中の炭
素の酸化が、ｃｏおよびＣＯ２の圧力がガラスの稠密化
の際に１気圧を超えないようにすることである。

Ｄ０問題点を解決するための手段 銅の導体を有する高密度多層ガラス舎セラミック回路を
形成する方法を、以下で開示する。

この方法において、焼尽工程はチッ素ガスと分圧がきわ
めて低い酸素との雰囲気中で、２５℃から約７００〜８
００℃まで徐々に上げられるガラス・セラミック温度に
よって行なわれる。

バインダ材料中の残留炭素の焼尽が次いで、湿性のチッ
素ガスと水素の存在のもとに、水素ガスに対する水蒸気
の割合を１０４として、温度を約７００℃から８００℃
に数時間維持することによって行なわれる。

次いで、乾性の化成ガス（水素／チッ素が１／１０の割
合）の存在のもとに、数時間、温度を約７００ないし８
００℃（好ましいのは、７００ないし７８５℃）に維持
し、セラミック材料から水を除去する。

続いて、乾性の化成ガスの環境を維持しながら、温度を
２時間の間に９２０℃ないし９６０°Ｃに上げ、上記セ
ラミック材料の稠密化と上記セラミック材料の結晶化を
行なう。この乾性の化成ガスの環境は、残留炭素の酸化
を防ぎ、セラミック材料中に気泡を発生させ、空孔をも
たらすことになる二酸化炭素または一酸化炭素の発生を
防止する。

結晶後の工程において、雰囲気を水素、チッ素および水
、またはこれらの一部品混合物に変更し、金属を酸化し
、ガラス・セラミックへのボンディングを行なうことが
できる。

予備焼尽工程において、化成ガス（水素ガスおよびチッ
素ガス）の雰囲気中で、ガラス・セラミック温度を２５
℃から約７００〜８００℃（好ましいのは７８５℃）ま
で、約り℃／分の速度で上げることによって、バインダ
を処理する。バインダ材料中の残留炭素の焼尽は、湿性
のチッ素ガスと化成ガス（水素１０％、チッ素９０％）
の存在のもとに、水素ガスに対する水蒸気の割合を１０
４として、温度を約７００℃から８００℃（好ましいの
は７７０〜７８５℃）に数時間維持することによって行
なわれる。

Ｅ、実施例 この発明によれば、高密度多層ガラス・遁ラミック回路
を形成する方法が教示される。この教示の過程で、銅（
Ｃｕ）の内部金属組織およびニッケル（Ｎ１）合金など
のさまざまな表面金属組織に適合した焼結工程を説明す
る。さらに、開示される雰囲気および温度のサイクルは
、残留炭素の酸化を少なりシ、これによってガラス構造
を稠密化するようになされている。焼尽後に残る残留炭
素が、−酸化炭素および二酸化炭素のガスを生じ、融着
するガラス中に気泡を形成し、かつガラスの密度を下げ
るものであると仮定する。

この発明による方法において、当分野の技術者には、導
体が堆積されたグリーン・シートのガラス・セラミック
の多層構造が、当分野で公知の手法によって形成される
ものであることが、容易に理解されよう。かかるグリー
ン拳シート基板を製造する好ましい方法は、米国特許第
４２３４３８７号、特に第６〜７欄の工程１〜７の方法
である。

第１図はこの発明の複合した処理順序を示したものであ
る。この図面において、グリーン・シートはまず、予備
焼尽工程において、チッ素を含んでおり、酸素の分圧が
きわめて低い雰囲気中で加熱される。ガラス・セラミッ
クの温度は２５℃から約７００〜８００°Ｃ（好ましい
のは７８５℃）まで、約３°Ｃ／分の速度で徐々に上げ
られる。次いで、バインダ材料中の残留炭素の焼尽が、
湿性のチッ素ガスと化成ガス（水素１０％、チッ素９０
％）の存在のもとに、水素ガスに対する水蒸気の割合を
１０４として、温度を約７００°Ｃから７８５℃の範囲
に数時間維持することによって行なわれる。

７００℃ないし７８５℃に４〜４８時間置い装のち、湿
性チッ素／化成ガスの雰囲気を乾性化成ガス（水素／チ
ッ素が１／１０の割合）に切り換え、温度を約７００〜
８００°Ｃの範囲に数時間維持する。

この時点で、乾性の化成ガスの雰囲気を維持したまま、
熱を約２時間の間、２〜ｂ 度で、ガラスの稠密化および結晶化温度（約９２０℃〜
９８０℃）まで上昇させる。この乾性の化成ガスは残留
炭素、の酸化を防ぎ、セラミック材料中に気泡を発生さ
せ、空孔をもたらすことになる二酸化炭素または一酸化
炭素の発生を防止する。

温度を次いで、約５〜ｂ 度まで下げる。

第２図は、第１図とほぼ同じであるが、稠密化および結
晶化サイクル中に使用される乾性の化成ガスを約１時間
の間維持し、その時点で雰囲気を切り換え、容積比が１
０２・４の湿性の化成ガス（Ｎ２０　／　Ｎ２）の酸化
性の雰囲気を導入する点が異なっている処理方法を示す
ものである。積層体は次いで、約１時間の間詰晶化温度
に保持され、その後温度は第１図に関して述べたように
して、下げられる。このことは表面の金属パッドから酸
化ニッケル・フィルムを形成し、ガラス・セラミックに
ボンディングすることを可能とするものである。焼結雰
囲気の最後の変更が冷却中の低い温度において行なわれ
、高い温度で行なわれた被着ボンディングに影響をおよ
ぼさずに、Ｎｉ表面を還元する。しかしながら、希望す
る場合には、この最後の処理を酸化物フィルムの化学的
除去に代えることもできる。

この発明に対する認識と理解を深めるため、上記の反応
の熱力学および動力学を以下で説明する。

第３図は、Ｎ２０／Ｈ２のさまざまな割合および温度に
対する０２の等価分圧を示したものである。

第４図は、さまざまな分圧の０２および温度におけるＣ
ｕおよびＣｕ酸化物の凝縮相の安定性を示したものであ
る。これら２本の曲線を重ね合せ、Ｃｕを酸化してＣｕ
２ＯにするＨ　２０　／　Ｈ２の割合を、さまざまな温
度に対して決定することもできる。たとえば、７８５℃
（１０５８°Ｋ）において、１０４に等しいＨ２０／　
Ｈ２の割合の雰囲気を、Ｃｕを酸化させることなく使用
することができる。

すなわち、実際には、炭素を焼尽するのに使用される雰
囲気は、Ｎ２（８２℃の露点の）と化成ガス（Ｎ２中に
１０％の８２　）を混合することによって構成されてい
る。Ｈ２０／　Ｈ２の割合が１０４・７未満の雰囲気を
使用できることは明らかである。

７８５℃という温度を選択したのは、これが数時間保持
しておけば、ガラス粒子の稠密化が顕著なものとする温
度だからであるが、この温度はガラス・セラミックの構
成によって変更できるものである。

酸化によってほとんどの炭素を除去したのち、残留炭素
がさらに酸化されることのないような雰囲気において、
稠密化を行なう必要がある。第５図は、炭素の酸化に対
する熱化学のグラフである。

１１００°Ｋ　（８２３°Ｃ）の温度、ならびに大気圧
のＩＱ−１０の酸素分圧（すなわち、Ｎ２０／Ｈ２が約
１０４の場合の酸素の等価分圧）において、ＣＯ２の平
衡分圧が大気圧の約１０７であることが判明した。この
ことはガラスに埋設され、かつ大気圧のＩＱ−１０の分
圧に等しい化学ポテンシャルを有する酸素に露出された
炭素粒子が、ＣＯ□の分圧が大気圧の１０７になるまで
、酸化するということを意味する。このような反応およ
び形成される気泡が、ガラス・セラミックの密度を下げ
る大きな原因であることは明らかである。

残留炭素が確実に大気圧のＩＱ−２０未満の酸素分圧に
露出されるようにすることによって、炭素の酸化を抑制
することができる。この時点で、ＣＯの平衡分圧は１気
圧（すなわち、大気圧においてデバイス中に気泡を発生
させるに必要な圧力）未満となる。第３図より、Ｔ＝１
１００’Ｋ。

ｌ　ｏ　ｇ　　Ｐ　ｏ２＝　−２０において、Ｎ２０／
Ｈ２は１０−１未満である。

開示した焼結サイクルにおいて、上述の状態は１）シス
テムからＮ２０を除去し、かつ２）雰囲気中のＨ２の含
有量を増加させることによって確保される。システムか
ら、したがって雰囲気からの８２０の除去は、温度が７
００℃まで下げられ、乾燥した化成ガス（Ｈ２／Ｎ２＝
０．１）がシステム中に流される乾燥サイクルによって
行なわれる。

後者の温度は乾燥中のガラスの稠密化を少なくするよう
なものが選ばれる。

十分な乾燥ののち、炭素をさらに酸化させずに、同一の
雰囲気において温度を９２０〜９６０°Ｃに上げること
によって、稠密化と結晶化を行なう。

炉から８２０を除去するのに必要な時間は、各炉の構成
、特に酸化還元を行なうことのできる多孔質材料および
金属面の存在によって左右される。

付加的な注意事項のひとつはｐｔまたはＣｕなどの触媒
上でＨ２と反応させることによって、ガス混合体中から
自由酸素を除去することである。

第２図に示し、かつ上述した他の改変形において、稠密
化および結晶化サイクルをさらに変更し、表面金属パッ
ドの付着を確実とすることができる。

Ｆ０発明の効果 この発明の方法によれば稠密で表面に空孔のない高密度
の多層ガラス・セラミック基板が形成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明のさまざまな工程および温度サイク
ルを示すグラフである。 第２図は、温度サイクルを変更し、ニッケル（Ｎｉ）の
金属表面パッドの付着性を改善した、この発明の異なる
工程および温度サイクルを示すグラフである。 第３図は、Ｈ２ｏ／Ｈ２のさまざまな割合に対する０２
０等価分圧と温度のグラフである。 第４図は、０゜のさまざまな分圧における銅および酸化
鋼の凝縮相の安定領域と温度とのグラフである。 第５図は、酸素のさまざまな分圧において炭素が存在す
る場合の、１１００°ＫにおけるＣＯおよびＣＯ３の平
衡分圧を示すグラフである。 ＦＩＧ、１ 時間（時間） ＦＩＧ、２ 時間　（時ｉ１） ＦＩＧ、３ ５００　６００　７００　　ｇｏｏ　　　　　１０００
　１１００　１２００　１３００ＦＩＧ、４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　金属導体パターンが表面上に設けられるバインダ材料
   を含んだガラス・セラミックのグリーン・シートを積層
   し、この積層体を焼成して、金属導体を有する高密度多
   層ガラス、セラミック構造体を製造する方法において、 （ａ）窒素ガス及び水素ガスを含む雰囲気中で、前記積
   層体を、含有するガラスの軟化温度とアニール温度との
   間の焼尽温度までしだいに加熱する予備加熱の工程と、 （ｂ）前記（ａ）の工程の雰囲気を、湿った窒素ガスと
   化成ガスの雰囲気に置き換えて、前記積層体を前記焼尽
   温度中にしばらく維持する工程と、（ｃ）次に加熱温度
   を前記焼尽温度のすぐ下の乾燥温度に下げて、前記（ｂ
   ）の工程の雰囲気を窒素と水素を含む乾いた化成ガスの
   雰囲気に置き換え、前記積層体を前記乾燥温度にしばら
   く維持する工程と、 （ｄ）次に前記積層体を、含有するガラスの稠密化また
   は結晶化の温度まで加熱し、この温度にしばらく維持す
   る工程と、 を含むことを特徴とする前記方法。