JPS6357393B2 - - Google Patents
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Landscapes
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
- Production Of Multi-Layered Print Wiring Board (AREA)
Description
本発明は多層配線回路板の製造法に関する。
ムライト(3Al2O3・2SiO2)系セラミツクスは
アルミナ系セラミツクスに比べて誘電率が小さ
く、熱膨張係数が小さいことから多層配線セラミ
ツク板用材料としてより有用である。
ムライトの製造法としては米国特許3336108号
により、ボーキサイトから分散剤を含んだ水で処
理し、不純物を除いた原料を用いることにより緻
密なムライト焼結体を製造する方法が提案されて
いる。しかし、ボーキサイトは元来アルミナ分が
ムライト組成より多いものであり、ムライトとア
ルミナとが混合された焼結体となる。したがつ
て、熱膨張係数もムライトより大きく、アルミナ
に近いものとなる。例えばムライトはSiO228.2重
量%、Al2O371.8重量%であるのに対して、ボー
キサイトはSiO221.3重量%、Al2O375.7重量%で
ありボーキサイトではAl2O3がSiO2量に対して
21.4重量%も過剰となつている。このため熱膨張
係数も50×10-7/℃以上、誘電率も6〜7と大き
い。ムライト組成に近づけるためにボーキサイト
に酸化ケイ素(SiO2)を添加すると焼結しにく
く、気孔の多に焼結体になる。
また、アルミナと酸化ケイ素をムライトの組成
比率に混合し焼結したものは一般に焼結体の表面
および内部に比較的大きな気孔を生じ易く、機械
的強度が低いこと、例えば多層配線回路板に応用
した場合、気孔の部分で導体の断線またはシヨー
トなどを生じる欠点がある。特開昭54−152010号
公報によると、ムライトとアルミナおよびガラス
を混合し、焼結時にアルミナとガラスとを反応さ
せてムライトを生成させ、ムライトを含んだ緻密
な焼結体を得ている。しかし、この方法ではムラ
イトを生成する組成となるように厳密にコントロ
ールしたガラス組成物を選ぶ必要があること、焼
成条件を十分にコントロールしないとガラスから
ムライトを生成する前にガラスが軟化して形くず
れをおこすこと、また、アルミナとガラスとが完
全に反応しないときにはアルミナが焼結体中に残
り、熱膨張係数および誘電率を大きくすることな
どの欠点がある。
本発明の目的は気孔の少ない緻密なムライト焼
結体からなる多層配線回路板およびその能率的な
製造法を提供することにある。
本発明は、有機物を除く組成でムライト粉70重
量%以上及びガラス粉を有する成形体にモリブデ
ン又はタングステンを含む導電ペーストによつて
回路を形成し、複数枚積層して焼結する方法であ
つて、前記ガラス粉は酸化物からなり、SiO2に
換算して40重量%以上の珪素及びAl2O3に換算し
て40重量%以下のアルミニウムを含み、モリブデ
ン又はタングステンを含む導電ペーストの焼成と
同時に液相焼結できる軟化温度を有し、該温度で
焼結することを特徴とする多層配線回路板の製造
法にある。
本発明のムライト焼結体は、モリブデン,タン
グステンの焼成と同時に液相焼結できる軟化温度
を有する。ガラスを焼結助剤として含有している
ことにより、ムライトの粉末間に介在する該ガラ
ス粉末がガラスの軟化点以上の温度に達すると全
体に亘つてほぼ同時に軟化し、流動してムライト
粉をとり囲むために気孔のない、均質な焼結体で
ある。多層配線回路板が得られるまた、ガラスを
焼結助剤として焼結することにより、液相焼結が
行なわれるためにモリブデン,タングステンペー
ストの焼成温度である1400〜1600℃と比較的低温
で、しかも短時間の焼成処理にて焼結せしめるこ
とができる。
本発明に用いられるガラスは前述のような作
用、効果を満たすものであればよい。即ち、ムラ
イトの融点以下の軟化点を有し、全体がほぼ同時
に流動しうるような固溶体である。即ち、SiO2
に換算して40重量%以上の珪素及びAl2O3に換算
して40重量%以下のアルミニウムを含み、モリブ
デン又はタングステンの焼成と同時に液相焼結で
きる軟化温度を有するものとして、けい酸アルミ
ニウムを主成分としたガラス,けい酸アルミニウ
ムマグネシウムを主成分としたガラスなどが用い
られる。特に望ましいのはムライトと同程度もし
くは、それより小さい熱膨張係数を有するもので
ある。具体的には10〜45×10-7/℃程度の熱膨張
係数を有するものである。これにより、半導体素
子の基板などとして用いる場合、焼結体の熱膨張
係数をシリコン半導体素子の熱膨張係数と近似し
たものを得ることができる。セラミツク基板とシ
リコンとの熱膨張係数が同等になると、セラミツ
ク基板にシリコンが半田付けされたときの応力を
小さくし、半田付接合部の信頼性を上げることが
できる。ガラスの使用量は焼結に必要な量が用い
られるが、一般的には2〜30%(重量)の範囲が
適当である。極端に過剰量を用いた場合には焼成
する際に用いる焼成台に接着したり、形状が著し
く変形するおそれがある。
ムライト粉とガラス粉は一般的には粒径の小さ
いものの方が有用である。一般的には、325メツ
シユ通過のものを用いるのが好ましい。勿論、こ
れに限定されるものではない。大きな粒子を用い
た場合は、ムライト粉とガラス粉,ムライト粉同
志の接触面積が少なくなり、反応性および焼結性
が低下するため、焼成温度を高くしたり、焼成時
間を長くする必要がある。また、粒子間に介在し
た気孔が残りやすい。焼成は1400〜1600℃の範囲
で十分達成できる。使用するガラスの軟化点が低
いものほど、焼成温度を低くすることができる。
本発明においては必要に応じて、焼成に先立つ
て、ムライト粉とガラス粉を含む焼結助剤との混
合物を加圧してもよく、これにより一層緻密な焼
結体を得ることができる。また、上記混合物には
セラミツクの製造に通常用いられている結合剤、
可塑剤および溶剤などを使用することができる。
例えば、結合剤としてはポリビニルアルコール、
ポリビニルブチラール、ポリメタクリル酸などの
合成樹脂、可塑剤としてはフタル酸ジオクチル、
溶剤としてはメタノール、トリクレン、トルエン
などが用いられる。
次に、多層配線回路板の製造法について説明す
る。
先ず、ムライト粉とガラス粉とを所定の割合で
秤取し、これに結合剤および溶剤などを加えてス
ラリーをつくる。次にスラリーをポリエステルフ
イルムなどの支持体上に塗布し、かつ、ドクター
ブレードなどにより任意の厚さに調整した後、乾
燥して所謂グリーンシートを作成する。このグリ
ーンシートには導体回路を接続するための貫通孔
が設けられ、さらに導体回路としてのモリブデン
あるいはタングステンペーストが該貫通孔内面な
らびに回路パターンにしたがつて印刷される。こ
のようにして作成されたグリーンシートを積層
し、中性ないし、還元性雰囲気中で焼成する。還
元性雰囲気中で焼成する理由は、導体回路に用い
るタングステンまたはモリブデンが酸化され揮散
するのを防ぐためである。一般的には、窒素に水
素を混合したフオーミングガスを用いるのが適当
である。また、成形するために結合剤あるいは可
塑剤などの添加剤を使用した場合、その該添加剤
を酸化、分解するために該ガス中に酸化源として
水分を含ませることが望ましい。還元雰囲気中で
焼成する場合、酸化鉛や酸化チタンなどの還元さ
れ易い酸化物を含むガラス粉を用いると、焼結体
すなわち、基板の絶縁性が低下するおそれがあ
る。したがつてガラス粉としてはそのような化合
物を実質的に含まないものがよい。焼成によつて
製造されたセラミツク多層配線回路板にはIC,
LSI,その他の電子部品が組込まれる。
次に、本発明の実施例を示す。なお、以下の各
例中に部とあるのは重量部を、%とあるのは重量
%を意味する。
実施例 1
325メツシユ通過のムライト粉(3Al2O3・
2SiO2、熱膨張係数45×10-7/℃)90部、下記組
成を有するガラス粉(熱膨張係数30×10-7/℃)
10部をボールミルに入れ、3時間乾式混合する。
さらに、ポリビニルブチラール5.9部、フタル酸
ジオクチル2.4部、トリクロールエチレン23部、
パークロルエチレン9部およびブチルアルコール
6部を加え、3時間混合してスラリーをつくる。
真空脱気処理によりスラリーから気泡を除去す
る。次いで、スラリーをドクターブレードを用い
て線状飽和ポリエステルフイルム支持体上に0.3
mm厚さに塗布し、かつ、赤外線ランプを用いて乾
燥し、グリーンシートを作成する。このシートを
70×70mmの大きさに切断した後、パンチ法により
所定位置にスルーホールをあけ、さらに下記組成
の導体ペーストをスクリーン印刷法により所定回
路パターンにしたがつて印刷する。導体ペースト
は層間の接続のためにスルーホール内にも充填し
た。
ガラス粉の組成はSiO2:Al2O3:MgO=51.3:
34.9:13.8(重量比)、導体ペーストの組成はモリ
ブデン粉:ニトロセルローズ:エチルセルロー
ズ:ポリビニルブチラール:トリクレン=100:
3:1:2:23(重量比)とした。
導体ペーストが印刷された上記グリーンシート
を、ガイド孔の位置を合せて6枚積層し、温度90
℃で加圧、接着した。次に積層されたグリーンシ
ートを焼成炉内に入れ、水素3〜7容量%を含
み、かつ、微量の水蒸気を含む窒素雰囲気中で、
最高温度1550℃で1時間保持して焼成した。
このようにして導体層数6層の多層配線回路板
を製造した。この回路板の熱膨張係数は38×
10-7/℃、セラミツクスの誘電率は5.5であり、
各層間の接合状態も良好であつた。焼成時に気孔
の発生に起因する導体回路の断線またはシヨート
も皆無であり、機械的強度も十分であつた。ま
た、セラミツク基板と半導体素子(シリコンチツ
プ)との熱膨張係数が近似しているため、回路板
に直接半導体素子をはんだで接合したときに、接
合部の信頼性が極めて高い。
実施例 2
ムライト粉:70部
ガラス粉:SiO255%、Al2O330%、MgO9%、
CaO6%、熱膨張係数42×10-7/℃30部
導体ペースト:タングステン粉100部、ニトロ
セルローズ3部、エチルセルローズ1部、
ポリビニルブチラール2部、トリクロルエ
チレン23部
グリーンシートの厚さ:0.25mm
グリーンシートの積層数:10枚
焼成条件:1550℃、1時間
上記の点の通りに変更した以外は前記実施例1
と同じ要領にてセラミツク多層配線回路板を製造
した。
得られた回路板は熱膨張係数44×10-7/℃でセ
ラミツクスの誘電率は5.9であり、各層間の接合
状態も良好な、緻密な回路板が得られた。
実施例 3
ガラスの組成およびムライトとガラスの混合割
合を種々考え、前記実施例1と同じ要領にてセラ
ミツク基板を作成した。熱膨張係数と誘電率の測
定結果を下表に示す。
The present invention relates to a method for manufacturing a multilayer wiring circuit board. Mullite (3Al 2 O 3 .2SiO 2 ) ceramics have a lower dielectric constant and a smaller coefficient of thermal expansion than alumina ceramics, making them more useful as materials for multilayer wiring ceramic boards. As a method for producing mullite, US Pat. No. 3,336,108 proposes a method for producing a dense mullite sintered body by treating bauxite with water containing a dispersant to remove impurities. However, bauxite originally contains more alumina than mullite, and is a sintered body containing a mixture of mullite and alumina. Therefore, the coefficient of thermal expansion is also larger than that of mullite and close to that of alumina. For example, mullite has 28.2% by weight of SiO 2 and 71.8% by weight of Al 2 O 3 , while bauxite has 21.3% by weight of SiO 2 and 75.7% by weight of Al 2 O 3 . against
21.4% by weight is also excessive. Therefore, the coefficient of thermal expansion is 50×10 -7 /°C or more, and the dielectric constant is as large as 6 to 7. When silicon oxide (SiO 2 ) is added to bauxite to make it closer to a mullite composition, it becomes difficult to sinter, resulting in a sintered body with many pores. In addition, sintered products made by mixing alumina and silicon oxide in the composition ratio of mullite generally tend to have relatively large pores on the surface and inside of the sintered body, and have low mechanical strength. If this happens, there is a drawback that the conductor may be disconnected or shorted at the pores. According to Japanese Patent Application Laid-Open No. 152010/1983, mullite, alumina, and glass are mixed, and the alumina and glass are reacted during sintering to produce mullite, thereby obtaining a dense sintered body containing mullite. However, with this method, it is necessary to select a glass composition that is strictly controlled so that the composition will produce mullite, and if the firing conditions are not sufficiently controlled, the glass will soften and form before mullite can be produced from the glass. There are drawbacks such as deterioration, and when alumina and glass do not completely react, alumina remains in the sintered body, increasing the coefficient of thermal expansion and dielectric constant. An object of the present invention is to provide a multilayer wiring circuit board made of a dense mullite sintered body with few pores and an efficient manufacturing method thereof. The present invention is a method of forming a circuit with a conductive paste containing molybdenum or tungsten on a molded body having a composition excluding organic substances and having a composition of 70% by weight or more of mullite powder and glass powder, laminating a plurality of sheets, and sintering the molded body. , the glass powder is made of an oxide, contains 40% by weight or more of silicon in terms of SiO 2 and 40% by weight or less of aluminum in terms of Al 2 O 3 , and the firing of a conductive paste containing molybdenum or tungsten. The present invention also provides a method for manufacturing a multilayer wiring circuit board, which has a softening temperature that allows liquid phase sintering and is characterized in that sintering is performed at that temperature. The mullite sintered body of the present invention has a softening temperature that allows liquid phase sintering at the same time as the firing of molybdenum and tungsten. By containing glass as a sintering agent, when the glass powder interposed between the mullite powders reaches a temperature higher than the softening point of the glass, the entire part softens almost simultaneously, flows, and forms the mullite powder. It is a homogeneous sintered body with no surrounding pores. A multilayer wiring circuit board is obtained.Also, by sintering with glass as a sintering aid, liquid phase sintering is performed at a relatively low temperature of 1400 to 1600°C, which is the firing temperature of molybdenum and tungsten paste. Moreover, it can be sintered by a short firing process. The glass used in the present invention may be any glass that satisfies the functions and effects described above. That is, it is a solid solution that has a softening point lower than the melting point of mullite and can flow almost simultaneously as a whole. That is, SiO2
Aluminum silicate as a material containing 40% by weight or more of silicon in terms of Al 2 O 3 and 40% by weight or less of aluminum in terms of Al 2 O 3 and having a softening temperature that allows liquid phase sintering at the same time as molybdenum or tungsten sintering. Glasses mainly composed of aluminum and magnesium silicate are used. Particularly desirable is one having a coefficient of thermal expansion comparable to or smaller than that of mullite. Specifically, it has a coefficient of thermal expansion of about 10 to 45×10 −7 /°C. This makes it possible to obtain a sintered body whose coefficient of thermal expansion approximates that of a silicon semiconductor element when used as a substrate for a semiconductor element. If the coefficients of thermal expansion of the ceramic substrate and silicon are the same, the stress when silicon is soldered to the ceramic substrate can be reduced and the reliability of the soldered joint can be increased. The amount of glass to be used is the amount necessary for sintering, but generally a range of 2 to 30% (by weight) is appropriate. If an extremely excessive amount is used, there is a risk that the adhesive may adhere to the baking table used during baking or the shape may be significantly deformed. Mullite powder and glass powder with smaller particle sizes are generally more useful. Generally, it is preferable to use a material that passes 325 meshes. Of course, it is not limited to this. If large particles are used, the contact area between the mullite powder, glass powder, and mullite powder will decrease, reducing reactivity and sinterability, so it is necessary to increase the firing temperature or increase the firing time. . In addition, pores interposed between particles tend to remain. Firing can be satisfactorily achieved in the range of 1400 to 1600°C. The lower the softening point of the glass used, the lower the firing temperature can be. In the present invention, a mixture of mullite powder and a sintering aid containing glass powder may be pressurized prior to firing, if necessary, so that a more dense sintered body can be obtained. The above mixture also contains a binder commonly used in the production of ceramics,
Plasticizers, solvents, etc. can be used.
For example, as a binder, polyvinyl alcohol,
Synthetic resins such as polyvinyl butyral and polymethacrylic acid, dioctyl phthalate as plasticizers,
Methanol, trichlene, toluene, etc. are used as the solvent. Next, a method for manufacturing a multilayer wiring circuit board will be explained. First, mullite powder and glass powder are weighed out in a predetermined ratio, and a binder, a solvent, etc. are added thereto to form a slurry. Next, the slurry is applied onto a support such as a polyester film, adjusted to a desired thickness using a doctor blade, etc., and dried to form a so-called green sheet. This green sheet is provided with through holes for connecting conductor circuits, and molybdenum or tungsten paste as conductor circuits is printed on the inner surface of the through holes and in accordance with the circuit pattern. The green sheets thus produced are stacked and fired in a neutral or reducing atmosphere. The reason for firing in a reducing atmosphere is to prevent tungsten or molybdenum used in the conductor circuit from being oxidized and volatilized. Generally, it is appropriate to use a forming gas that is a mixture of nitrogen and hydrogen. Further, when additives such as binders or plasticizers are used for molding, it is desirable to include water as an oxidation source in the gas in order to oxidize and decompose the additives. When firing in a reducing atmosphere, if glass powder containing an oxide that is easily reduced, such as lead oxide or titanium oxide, is used, there is a risk that the insulation of the sintered body, that is, the substrate, will be reduced. Therefore, it is preferable that the glass powder is substantially free of such compounds. Ceramic multilayer wiring circuit boards manufactured by firing include ICs,
LSI and other electronic components are incorporated. Next, examples of the present invention will be shown. In each of the following examples, "part" means part by weight, and "%" means weight %. Example 1 Mullite powder passed through 325 mesh (3Al 2 O 3
2SiO 2 , thermal expansion coefficient 45×10 -7 /℃) 90 parts, glass powder having the following composition (thermal expansion coefficient 30×10 -7 /℃)
Place 10 parts in a ball mill and dry mix for 3 hours.
Furthermore, 5.9 parts of polyvinyl butyral, 2.4 parts of dioctyl phthalate, 23 parts of trichlorethylene,
Add 9 parts perchlorethylene and 6 parts butyl alcohol and mix for 3 hours to form a slurry.
Air bubbles are removed from the slurry by vacuum degassing. The slurry was then deposited onto a linear saturated polyester film support using a doctor blade.
Coat to a thickness of mm and dry using an infrared lamp to create a green sheet. this sheet
After cutting to a size of 70 x 70 mm, through holes are punched at predetermined positions, and a conductive paste having the composition shown below is printed in a predetermined circuit pattern using a screen printing method. The conductive paste was also filled into the through holes for connection between layers. The composition of the glass powder is SiO 2 : Al 2 O 3 : MgO=51.3:
34.9:13.8 (weight ratio), the composition of the conductor paste is molybdenum powder: nitrocellulose: ethyl cellulose: polyvinyl butyral: trichlene = 100:
The weight ratio was 3:1:2:23. Six of the above green sheets printed with conductive paste were stacked with the guide holes aligned, and heated to a temperature of 90°C.
Pressure was applied and bonded at ℃. Next, the stacked green sheets are placed in a firing furnace in a nitrogen atmosphere containing 3 to 7% by volume of hydrogen and a trace amount of water vapor.
It was fired at a maximum temperature of 1550°C for 1 hour. In this way, a multilayer wiring circuit board having six conductor layers was manufactured. The coefficient of thermal expansion of this circuit board is 38×
10 -7 /℃, the dielectric constant of ceramics is 5.5,
The state of bonding between each layer was also good. There were no disconnections or shorts in the conductor circuit due to the generation of pores during firing, and the mechanical strength was sufficient. Furthermore, since the thermal expansion coefficients of the ceramic substrate and the semiconductor element (silicon chip) are similar, the reliability of the joint is extremely high when the semiconductor element is directly joined to the circuit board by soldering. Example 2 Mullite powder: 70 parts Glass powder: SiO 2 55%, Al 2 O 3 30%, MgO 9%,
CaO6%, thermal expansion coefficient 42×10 -7 /℃30 parts Conductor paste: 100 parts tungsten powder, 3 parts nitrocellulose, 1 part ethyl cellulose,
2 parts of polyvinyl butyral, 23 parts of trichlorethylene Thickness of green sheet: 0.25 mm Number of stacked green sheets: 10 Firing conditions: 1550°C, 1 hour Example 1 except for the above changes.
A ceramic multilayer wiring circuit board was manufactured in the same manner as described above. The obtained circuit board had a thermal expansion coefficient of 44×10 -7 /°C and a ceramic dielectric constant of 5.9, and a dense circuit board with good bonding between each layer was obtained. Example 3 Ceramic substrates were prepared in the same manner as in Example 1, considering various compositions of glass and the mixing ratio of mullite and glass. The measurement results of thermal expansion coefficient and dielectric constant are shown in the table below.
【表】
表より明らかなように、回路板(焼結体)の熱
膨張係数38〜45×10-7/℃とシリコン半導体素子
に近く該素子を半田で直接ボンデイングした場合
の接合部の信頼性が高く、また、誘電率も6以下
と小さく回路の信号伝達の高速化が可能である。
さらに電気絶縁性、機械的強度、緻密さの点でも
多層配線回路板用セラミツク材料として十分満足
しうるものである。例えば抗折強度は1100〜1500
Kg/cm2と高いものである。[Table] As is clear from the table, the coefficient of thermal expansion of the circuit board (sintered body) is 38 to 45 × 10 -7 /°C, and the reliability of the joint when the element is directly bonded with solder is close to that of a silicon semiconductor element. It also has a low dielectric constant of 6 or less, making it possible to speed up signal transmission in circuits.
Furthermore, it is sufficiently satisfactory as a ceramic material for multilayer wiring circuit boards in terms of electrical insulation, mechanical strength, and density. For example, the bending strength is 1100 to 1500
It is high at Kg/cm 2 .
Claims (1)
及びガラス粉を有する成形体にモリブデン又はタ
ングステンを含む導電ペーストによつて回路を形
成し、複数枚積層して焼結する方法であつて、前
記ガラス粉は酸化物からなり、SiO2に換算して
40重量%以上の珪素及びAl2O3に換算して40重量
%以下のアルミニウムを含み、前記モリブデン又
はタングステンを含む導電ペーストの焼成と同時
に液相焼結できる軟化温度を有し、該温度で焼結
することを特徴とする多層配線回路板の製造法。1. A method in which a circuit is formed using a conductive paste containing molybdenum or tungsten on a molded body having a composition excluding organic substances and containing 70% by weight or more of mullite powder and glass powder, and a plurality of sheets are laminated and sintered, the method comprising: The powder consists of oxides, converted to SiO 2
Contains 40% by weight or more of silicon and 40% by weight or less of aluminum in terms of Al 2 O 3 , has a softening temperature that allows liquid phase sintering at the same time as the firing of the conductive paste containing molybdenum or tungsten, and at this temperature A method for manufacturing a multilayer wiring circuit board characterized by sintering.
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JP56002095A JPS57115895A (en) | 1981-01-12 | 1981-01-12 | Mullite sintered material and method of producing same |
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JPS57115895A JPS57115895A (en) | 1982-07-19 |
JPS6357393B2 true JPS6357393B2 (en) | 1988-11-11 |
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Citations (1)
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1981
- 1981-01-12 JP JP56002095A patent/JPS57115895A/en active Granted
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