JPS63136410A

JPS63136410A - 厚膜銅ビア充填インキ

Info

Publication number: JPS63136410A
Application number: JP62248194A
Authority: JP
Inventors: アショク　ナラヤン　フラブフ; ケネス　ワレン　ハング; シモン　マルコルム　ボードマン
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1986-10-02
Filing date: 1987-10-02
Publication date: 1988-06-08
Also published as: DE3732696A1; US4810420A; FR2604716A1

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】発明の利用分野本発明は、厚膜銅導体インキ並びにこれを多層電気回路
構造体の製造に使用することに関する。

更に詳しくは、本発明は、多層回路構造体中のパターン
化された銅導体層群を通常離隔する厚い誘電体層内のビ
ア（ｖｉａ　）を充填するに有用な銅導体インキに関す
る。

発明の背景多層集積回路の構造で、適当な基体上に種々の機能を持
つ厚膜を形成する特殊化されたインキ配合物を使用する
ことは、当該技術分野で知られている。この技術は電子
工業界の多種多用な応用のため、種々の基体上の高密度
多層回路パターンの製造において重要性を増している。

銅導体に基く厚膜多層構造体は、典型的には誘電体層で
離隔された少なくとも２層のパターン化銅導体層により
構成される。これらのパターン化銅導体層は、誘電体層
内のビア内に堆積される銅によって接続される。この構
造体は、銅インキ及び誘電体インキの層の多重堆積及び
焼成により作られる。

銅を導体金属として使用するこの多層回路構造体は、多
くの問題を有している。多層集積回路の製造に必要な多
重焼成の際に起きる銅導体インキのフラックス材料と誘
電体層の間の相互作用に因る電気的短絡の発生を原因と
する欠陥が、最も普通である。前記材料には、インキを
空気又は酸化性雰囲気に曝すことにより生じる酸化銅、
並びに酸化鉛、酸化ビスマスのようなフラックス材料が
含まれる。これらの材料は、特に多孔質誘電体材料が、
鉛、バリウム及びビスマスのような大きな改質イオンを
含む場合に、この多孔質誘電体材料ヘ浸透する。

復雑な多層鋼ベース回路において、特定の銅導体インキ
に関する問題及び潜在的な不適合性は、その使用法に依
って幾らか変わってくる。例えば、最初の又は下端層の
銅インキは、（例えばアルミナの）基体に良く接着し、
また高温での繰返し焼成の際に基体から分離しない様な
膨張係数を有する様に配合されなければならない。上端
層の銅導体インキは、卓越したはんだ付性を有し、しか
しフラックス成分が隣接の多孔性誘電体層中に浸透する
のを妨げる様に配合されなければならない。

もし、フラックス成分が上層及び下層の銅導体間に連続
する接触を形成し得る様に、誘電体層が十分に多孔質で
あれば、電気的短絡はデバイスが動作するとき発生する
。銅導体の層間のビア充填又はポスト・アップ構造体に
使用される銅導体インキは、３つの組の要件を有する。

ビア充填銅導体インキは、パターン化銅導体層を持つ基
体上に、誘電体インキと二者択一的に印刷され、２乃至
２０ミル又はそれ以上の厚みを増分的に築く。銅ビア充
填導体は、銅の第１の層上に配置され且つこの層と接続
され、また誘電体材料に囲まれる。従来の銅インキの膨
張係数は、通常従来の誘電体材料の２倍以上である。勿
論、この差の影響は、２つの誘電体層に挟まれた薄いパ
ターン化銅導体層よりも、誘電体に囲まれたビア充填物
の様な厚い構造体中においてはるかに一層著しい。この
ために、ポスト・アップとも称される銅ビア充填物は、
パターン化銅導体層を接続する箇所で微小亀裂となりや
すい。

前で言及した微小亀裂の問題は、ビア充填物の配合中の
ガラス状態のガラス（ｖｉｔｒｅｏｕｓ　ｇｌａｓｓ）
の量を増すことにより軽減される。しかし、この処置は
、誘電体材料中へのフラックス相の浸透の増加につなが
る。このような低温ガラスの使用は、誘電体材料中への
ガラスの吸収も増加させる。取囲む誘電体中への低温ガ
ラスの拡散により起る銅ビアの体積損失は、銅が高温で
の繰返し焼成により連続的に焼結される事実と相俟って
、銅ポスト・アップが接続するパターン化銅導体層の片
方又は両方から分離する点に向は収縮するという、更に
深刻な結果を生じ得る。

本発明により、前述の両方の問題を最小限に抑制する銅
ビア充填用の配合が見い出された。

発明の概要本発明の銅導体ビア充填インキは、銅粉、多量分の失透
性ガラス（ｄｃｖｉｔｒｉｒｙｉｎｇ　ｇｌａｓｓ）と
少量分のガラス状態のガラスから成るガラス・フリット
、及び適宜の有機ビヒクルを含む。このインキは、微小
亀裂及びこのインキにより形成される銅とア充填物の分
離に対し耐性を有する。このインキは、特に多層集積回
路構造体の製造において存用である。

発明の詳細な記述本発明の銅導体ビア充填インキは、銅粉、大量分の失透
性ガラス及び少量分のガラス状態のガラスから成るガラ
ス・フリット、及び適宜の有機ビヒクルを含む。

この導電性インキ中で使用される銅粉は、約１乃至５マ
イクロメートルの粒径を有する純銅である。銅は、本発
明のインキ組成物の約５５乃至８０、好ましくは約６０
乃至７０重二％を構成する。

このインキ組成物のガラス・フリットは、亜鉛−マグネ
シウム−バリウム−アルミニウムージルコニウム−リン
ケイ酸塩の失透性ガラスと、バリウム−カルシウム−ホ
ウケイ酸塩のガラス状態のガラスとの組合せである。従
来の銅導体インキは、失透性ガラスが銅インキの焼結に
関する流動性要求性能及び表面張力要求性能に悪影響を
及ぼす傾向にあるため、典型的には失透性ガラスを含ん
でいない。予期せぬことだが、ガラス状態のガラスがこ
の悪影響を最小限に止めて初期焼成の間に銅の適切な焼
結を与えるから、この悪影響は本発明に係るフリットに
おいては問題とならない。失透性ガラスが容易に流動し
たり、誘電体材料中に拡散したりしないため、失透性ガ
ラスの存在により、引続く焼成の際とア充填物に対し支
持を与えられる。このフリットではガラス状態のガラス
の量が比較的少ないため、隣接する誘電体材料中にフリ
・ントが拡散する傾向が最小限に止められる。

このガラス・フリットの最後の利点は、ガラス・フリッ
トが本発明のビア充填インキに比較的多量に使用され得
ることである。インキ中のガラスの百分率を単に高める
ことで、微小亀裂及び銅ビア充填物の分離が減少するこ
とは、公知である。

しかしこのことは微小亀裂及び分離の問題に好影響を及
ぼすが、取囲む誘電体材料中へのフラックス相の拡散の
問題には悪影響を与える。従って、これらの考慮事項の
均衡をとるため、従来の銅インキにおいては、最大約１
５重量％のガラス・フリットを通常含有している。予期
せぬことだが、本発明の銅ビア充填インキは、満足し得
る特性を有し、しかも約３０ｆｆｉｆｆｔ％までの組合
せガラス・フリットを含み得る。この事実の解釈は、確
実には判っていない。

本発明に係る組合せガラス・フリットは、適切には本発
明のインキの約１５乃至３０、好ましくは約１８乃至２
５重量％を構成する。フリット自体は、約７０乃至９５
、好ましくは約７５乃至８５重量％の失透性ガラス、及
び約５乃至３０．好ましくは約１５乃至２５重量９６の
ガラス状態のガラスにより構成される。本発明によれば
、失透性フリットのガラス状態のフリットに対するｆｆ
１ｆｆｉ比率は、約２＝１乃至約２０：１、好ましくは
約３：１乃至約５：１とされるのが好ましい。

本発明に係るガラス・フリットの失透性ガラス成分は、
重量基準で次の様に構成される。

ａ）約１５乃至２５％の酸化亜鉛、ｂ）約１０乃至２５％の酸化マグネシウム、Ｃ）約３乃
至１２％の酸化バリウム、ｄ）約５乃至２０％の酸化アルミニウム、ｅ）約３５乃
至５０％の二酸化ケイ素、ｆ）約０．　５乃至３％の五
酸化リン、ｇ）約１乃至５９６のケイ酸ジルコニウム。

本発明に係るガラス・フリットの好適な失透性ガラス成
分は、重量基準で次の成分を含有する。

約１６乃至２２９６の酸化亜鉛、約１６乃至２２％の酸
化マグネシウム、約５乃至１０％の酸化バリウム、約８
乃至１１％の酸化アルミニウム、約３９乃至４３％の二
酸化ケイ素、約１乃至２９６の五酸化リン、及び約２乃
至３％のケイ酸ジルコニウム。

本発明に係るガラスフリットのガラス状態のガラス成分
は、重量基準で、次の成分を含有する。

ａ）約４０乃至５５、好ましくは約５２％の酸化バリウ
ム、ｂ）約１０乃至１５、好ましくは約１２％の酸化カルシ
ウム、Ｃ）約１４乃至２５、好ましくは約１６％の酸化ホウ素
、ｄ）約１３乃至２３、好ましくは約２０％の二酸化ケイ
素。

本発明に係る有機ビヒクルは、例えば、セルロース誘導
体特にエチルセルロース；合成樹脂例えばポリアクリレ
ート、ポリメタクリレート、ポリエステル、ポリオレフ
ィン等、の樹脂結合剤の、適宜溶剤溶液である。好適な
結合剤は、ポリ（イソブチルメタクリレート）である。

一般に、本明細書中に記載された類型のインキに用いら
れる従来からの溶剤を用いることができる。好適な市場
で入手可能な溶剤には、例えば、松葉油、テルピネオー
ル、ブチルカルピトールアセテート、テキサス−イース
トマン・カンパニー（Ｔｅｘａｓ　Ｅａｓｔｍａｎ　Ｃ
ｏ＋＋＋ｐａｎｙ　）から商標テキサノール（Ｔｃｘａ
ｎｏｌ　）の名で入手可能な２，２．４−トリメチル−
１゜３−ベンタンジオール・モノイソブチレート等が包
含される。ビヒクルは、適切には、約５乃至２５重量％
の樹脂結合剤を含有する。

前記樹脂結合剤は、個々に、あるいは２種又はこれ以上
の任意の組合せにおいて、使用可能である。所望ならば
、適切な粘度調節剤を樹脂材料に添加することができる
。上記調節剤は、例えばエヌ・エル・インダストリーズ
（ＮＬ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ　）から商標チクサトロ
ール（Ｔｈｉｘａｔｒｏｌ　）の名て入手可能なひまし
油の誘導体であることができる。

本発明のインキのビヒクルは、更にビヒクルに基いて約
２５重量％まで、好ましくは約１０乃至２０重量％の、
銅導体インキ中で銅粉の粒子の有機ビヒクルによる被覆
を助長するため、従来から使用されていた類型の湿潤剤
を含有することができる。有機ビヒクルの全ての成分の
場合と同様に、湿潤剤は窒素中で即ち炭素質残渣を残さ
ないで清浄に焼去される必要がある。好適な湿潤剤は、
イリノイ州シカゴ市のセントラル・コンパウンディング
０カムパニー（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｃｏｍｐｏｕｎｄｉｎ
ｇ　Ｃｏｍｐａｎｙ）から商標ヒポチオレート１００　
（Ｈｙｐｏｔｂｉｏｌａｔｃ　１００）の名で人手可能
な、脂肪族炭化水素油中の複合多官能脂肪族炭化水素の
分散液である。ビヒクルは、又適切に、例えばアーミー
ン・オー（ＡｒＩＩｌｅｅｎ　Ｏ）として入手可能なオ
レイルアミンあるいはデュオミーン・ティー−ディー・
オー（ＤｕｏＩＩｌｅｅｎ　ＴＤＯ）として入手可能な
高分子ｍＮ−アルキル−１，３−ジアミノプロパン・ジ
オレエート［両方共アクゾ・ケミ−・アメリカ（ＡＫＺ
ＯＣｂｅｍｉｅ　Ａｍｅｒｉｃａ　）から］等の約０．
５乃至１０．好ましくは約１乃至３重量％の界面活性剤
を適当に含有する。有機ビヒクルは、本発明のインキの
約５乃至２５、好ましくは約１５乃至２０重量％を構成
する。使用されるビヒクルのいかんを問わず、インキの
均質性を最大限にすることが重要である。

従って、混合は、混合すると共に、分散液を高度のせん
断動作に付す従来の装置において行なうのが適切である
。

本発明のインキを調製するに際し、固体成分、即ち銅粉
及び２つの成分のガラス・フリットは約１乃至５マイク
ロメートルの粒径に細かくされ且つ十分に混合される。

固体粒子は、有機ビヒクルと合せられ、十分に混合され
てインキを形成する。

本発明の銅ビア充填インキは、従来からの手段、即ちス
クリーン印刷、はけ塗り、噴霧塗布等、好適にはスクリ
ーン印刷により、基体構造体に塗布される。本発明のイ
ンキは、適宜の基体上のパターン化銅層で構成される第
ルベルの銅金属化層上に配設するために塗布される。本
発明のインキは、同様にその後の銅金属化層との間に、
銅ビア充填物を形成するため使用される。本発明のイン
キは、適当な誘電体材料のパターン化層と交互の順番で
塗布される。即ち、誘導体インキが塗布され、焼成され
、銅ビアインキが誘電体層内のビアを充填するため塗布
され焼成される。この銅ビア充填物は、重−量基準で約
５９乃至約８４重回％の銅粉及び約１６乃至約３１重量
パーセントのガラス・フリットにより構成される。誘電
体インキ及びビア充填インキの堆積及び焼成は、金属化
層間の誘電体材料が所望の厚みに達するまで繰り返され
る。一般に、約４０マイクロメートル厚の少なくとも２
つの誘電体／銅ビア充填層が、金属化層の間の絶縁分離
を形成するために必要である。

本発明のインキにより形成される銅ビア充填物又はポス
ト・アップは、侵透な機械的強度、くり返し加熱安定性
及び導電性を有している。更にこれらは、隣接する誘電
体材料との相互作用に起因する微小亀裂及び分離に対し
格別に耐性を有することが示された。

次の実施例は、本発明を更に説明するものである。本発
明を、この実施例の詳細事項に限定することを意図して
いないことを理解されたい。実施例において、特に断り
のない限り、全ての部及び百分率は重量基章により、全
ての温度は摂氏による。

実施例銅ビア充填インキが、次の様に調製された。酸化亜鉛２
１．８％、酸化マグネシウム１６．５％、酸化バリウム
７．８％、二酸化ケイ素３９．２％、酸化アルミニウム
１０．７％、五酸化リン１．　０％及びケイ酸ジルコニ
ウム３．　０％がら成る失透性ガラス・フリットと、並
びに酸化バリウム５１゜５９％、酸化カルシウム１２．
５８％、酸化ホウ素１５．６２％及び二酸化ケイ素２０
．２１％から成るガラス状態のガラスとが別々に調製さ
れ、約３マイクロメートルの粒径に細かくされた。

平均３マイクロメートルの粒径を持つ銅粉６５％、前記
失透性ガラス・フリット１４％及び前記ガラス状態のガ
ラス・フリット４％から成る固体成分群が、手動で十分
に撹拌された。

この固体成分群が有機ビヒクル１７部と混合された。有
機ビヒクルは湿潤剤としてヒポチオレート１００１７％
及びアーミーン。オー３％を追加的に含む、ポリ（イソ
ブチルメタクリレート）のテキサノール中の２０％溶液
から成る。このインキはスクリーン印刷に適したペース
トを得るため、最初手動で混合され、次いで３本ロール
・ミルで混合された。適性なレオロジーを確保するため
必要な追加の溶剤が加えられた。

銅ベース層インキが、同様に、銅粉７６．９部と、前述
のを機ビヒクル１５，４部と、酸化亜鉛９．０９％、酸
化カルシウム３０．４０％、酸化アルミニウム１８．２
８％、二酸化ケイ素４２゜２３％から成るガラス・フリ
ットの残部から調製された。このインキは、発明の名称
「厚膜銅導体インキ」係属中の米国特許出願節９１４，
３０３号明細書（１９８６年１０月２日出願）に記載さ
れている。

誘電体インキが、同様に、ガラス・フリット６７．７部
と、アルミナ５．８部と、平均約３マイクロメートル粒
径のニケイ酸バリウムニマグネシウム３．９部と、１％
の湿潤剤デュオーミン・ティー・ディー・オーも含むポ
リ　（インブチルメタクリレート）のデキサノール中の
２０％溶液から成るビヒクル２２．６部とから調製され
た。前記ガラス・フリットは、酸化亜鉛２１．８１％、
酸化マグネシウム１９．２５％、酸化バリウム５゜１３
Ｂ、９６、酸化アルミニウム９．３８％、二酸化ケイ素
３９．６８％、五酸化リン２．００％及びケイ酸ジルコ
ニウム２．００％の組成を有していた。

このインキは、発明の名称「多層銅回路用誘電体インキ
」係属中の米国特許出願節９１４，３０２号明細書（１
９８６年１０月２日出願）に記載されている。

従来からのアルミナ基板が、基体として使用された。こ
の基板が塗布された銅インキのパターン化層により被覆
され、１２５℃、１５分間空気乾燥され、窒素中で９０
０’Ｃ，１０分間焼成された。

誘電体インキのパターン化層がその上に、銅導体の一部
に開口部を残して堆積され、同様に乾燥され、焼成され
た。本発明のビア充填インキが、このスペースに印刷さ
れ、１２５℃、１５分間空気中で乾燥され、窒素中で９
００℃、１０分間焼成された。誘電体／銅ビア充填物の
層の厚みは、１５マイクロメートルであった。誘電体／
銅ビア充填物の層の堆積が３回繰り返され、最終厚み４
５マイクロメートルを形成した。銅導体層が、一部分が
銅ビア充填物に接触する様に、この構造体上に堆積され
た。この手順が３回繰り返され、４層の埋設銅層群を有
する構造体が得られた。最初の銅導体インキ堆積層の焼
成から最終の銅導体層の焼成まで、全部で２５回の焼成
を要した。

この構造体は、銅導体層に形成された電気的接点を通し
てバイアスされた。短絡あるいは銅ビア充填物の分離に
ついては、何の形跡も観察されなかった。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）銅粉、失透性ガラス及びガラス状態のガラスから
成るガラスフリット、及び適宜の有機ビヒクルを含む銅
ビア充填導体インキ。