JPH0112672B2 - - Google Patents

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JPH0112672B2
JPH0112672B2 JP60130945A JP13094585A JPH0112672B2 JP H0112672 B2 JPH0112672 B2 JP H0112672B2 JP 60130945 A JP60130945 A JP 60130945A JP 13094585 A JP13094585 A JP 13094585A JP H0112672 B2 JPH0112672 B2 JP H0112672B2
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substrate
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Description

【発明の詳細な説明】
Ａ 産業上の利用分野 本発明は金属部材を付着した基板付着の焼結方
法に関する。本発明は特に大規模集積装置、例え
ば半導体チツプの相互結合に使用される多層セラ
ミツク回路モジユールの製造に応用されるもので
ある。 Ｂ 開示の概要 本発明書は金属部材を付着した基板の焼結時に
金属部材の稠密化温度を基板の硬化温度に近づけ
る方法を開示する。焼結に先立つて、金属部材に
有機金属化合物が添加される。有機金属化合物は
焼結中に分解して金属または金属酸化物を生成
し、それにより金属部材の稠密化温度を変化させ
る。金属部材の稠密化温度を上げたい場合は、分
解により金属酸化物を生じるアセチルアセトンア
ルミニウム、アルミニウム・ジ―（ｉ―プロポキ
シド）等を使用し、稠密化温度を下げたい場合
は、分解により金属を生じるアセチルアセトン銅
等を使用する。 なお、本明細書において「稠密化」とは、物質
が収縮して高密度化する現象を云い、このような
現象が生じる温度を、「稠密化温度」と呼ぶ。周
知のように、稠密化は粒子間の空隙（ボイド）が
小さくなることによつて生じる。一般に、稠密化
温度は物質によつて異なつた値をとり、これが後
述する問題の原因になつているが、本発明は金属
部材の稠密化温度を変更する（上げるか又は下げ
る）ことを特徴にしている。稠密化温度を上げる
ということは、焼結工程において稠密化がその分
だけ遅れて始まることを意味し、稠密化温度を下
げるということは、早く始まることを意味する。 ［従来技術］ プロジエツト・ジユニア（Blodgett，Jr.）他
「熱伝導モジユール：高性能多層セラミツクパツ
ケージ（Thermal Conduction Module：Ａ
High−performance Multilayer Ceramic
Package）」、アイビーエム・ジヤーナル・オブ・
リサーチ・アンド・デベロツプメント（IBM J.
Res.Develop.）第26巻、30頁〜36頁（1982年）、
バーガ（Burger）他、「多層セラミツク製造
（Multi−layer Caramics Manufacturing）」、ア
イビーエム・ジヤーナル・オブ・リサーチ・アン
ド・デベロツプメント、第27巻、11頁〜19頁
（1983年）及びブロジエツト・ジユニア他、「マイ
クロエレクトロニツク・パツケージング
（Microelectronic Packaging）」サイエンテイフ
イツク・アメリカン（Scientific American）、第
249巻、第１号、86頁〜96頁（1983年７月）はそ
れぞれ、半導体チツプのための回路モジユールと
して使用される多層セラミツク（MLC）基板の
製造法を記載している。重ね合せたチツプ層を有
するMLC基板を、熱伝導モジユールに組み込ん
で、高密度マイクロエレクトロニツク・パツケー
ジを提供することができる。 上記の文献によれば、MLCの基板の製造は次
の操作を包含するものである。：スラリ調製、キ
ヤステイング／ブランキング、スルーホールの穿
孔、金属化、積層化、焼結、ニツケル／金メツ
キ、基板電気試験、最後にろう付けによるピン及
び金属フランジの取付け、手短かに述べれば、こ
れらの操作は以下の通りである。 スラリ調製 アルミナ、ガラス粉末及び有機結合剤のような
セラミツク混合物を含んでいるスラリを、ボール
ミルを用いて形成し、ペイントの濃度を有する均
一の分散体を達成する。 キヤステイング／ブランキング スラリーを連続キヤスタに送り込み、連続的に
移動するプラスチツク・ウエブ上に堆積させ、幅
200mmのセラミツクシート又はセラミツクテープ
を形成する。該キヤスタにはシート厚を通常0.2
mm又は0.28mmに調節するドクターブレードが設け
られている。該シートは、一連の乾燥炉を通過さ
せられるが、これらの乾燥は有機溶媒を除去し、
可撓性材料を残すものであり、可撓性材料はその
後プラスチツク・ウエブから離され、巻き取られ
る。「個性化」、即ち各シートがその特別な金属パ
ターン又は導電通路を付与される一連の工程に備
えて、矩形のブランクが「グリーンシート」（焼
かれていない状態であるためこう呼ばれるが、シ
ートは実際には白色である）から切断される。 スルーホールの穿孔 グリーンシートの個性化では、コンピユータで
制御されるステツプ―リピート装置を利用して、
各グリーンシート層にスルーホールを穿孔する。
グリーンシートを取り付けるために使用されるパ
レツトは、100個のパンチを含む固定ダイセツト
に対して毎秒約９ステツプの割合で移動する正確
なＸ―Ｙテーブルと一体化されている。グリーン
シートの各角にある位置決め孔を使用して、パン
チ・パレツト上にグリーンシートを配置する。
36000個までのスルーホールが単一のグリーンシ
ート層に穿孔される。 金属化 グリーンシートの金属化はスクリーニング、即
ちステンシル印刷又はシルク・スクリーン印刷と
同様なる工程により達成され、ノズルがグリーン
シートと接触する金属マツシユを横切るときに、
加圧下にノズルからスクリーニング・ペースト、
例えば樹脂及び溶媒の混合物中で均一に分散した
モリブデン粉末を押し出すことを含んでいる。こ
の操作はスルーホールを充たすこと、及びコンピ
ユータで作成されたパターンをグリーンシート上
で画定することを同時に達成する。 積層化 スクリーニング後、金属化層は、グリーンシー
ト、特に稠密なスルーホールのアレイを有するシ
ートの寸法を変化させたり、損傷させたりするこ
とを回避するために慎重に制御された条件下に強
制換気循環炉で乾燥される。個々のグリーンシー
トの積重ねに先立ち、各シートはスクリーニング
されたパターンが最適パターンからどれ程ずれて
いるかを検査される。この検査に合格したシート
は正確な層間整合を確保するために角にある４つ
の位置決め孔を用いて所望の順序で積重ねられ
る。スルーホールは一般に直径がわずか120ミク
ロンのものであり、１つの層から次の層へ連続し
ていなければならない。従つて、必要な寸法及び
整合を達成するために、積重ねは高い精度で実施
しなければならない。次に積重ねられたシート
は、平行度及び平坦度を確保するために正確に機
械加工され組立てられた積層化ダイスに取りつけ
られる。これは焼結の間に均一なグリーン積層密
度及び均一な収縮を達成するために不可欠な作業
である。積層化中に、基板がグリーンシートの積
重ね体から切り取られ、75℃の温度及び最高
25MPaの圧力で圧縮される。 焼 結 基板は33時間以上にわたつて、バツチ式炉の中
の支持板上で焼結される。積層化工程及び焼結工
程は、収縮を制御し、かつ表面パターンの正確な
位置を確保するために最適化されている。焼結の
間の直線的収縮は約17％であり、面積で31％の縮
小に相当する。残留溶媒は蒸発し、有機物は焼結
のサイクルの初期段階の間に乾燥水素環境下で分
解し始める。次に湿潤水素が、残留炭素の酸化を
促進するために導入され、1250℃から1560℃の温
度範囲で基板の焼結が生じる。基板は、最大の稠
密化及びセラミツクと金属組織との固い結合の形
成を保証するために最高温度でしばらくの間維持
される。湿潤水素雰囲気は焼結段階及び冷却サイ
クルの初期段階を通じて維持される。 ニツケル／金メツキ ニツケルを表面にメツキし、接着力を高めるた
めにモリブデンの素地に拡散結合する。ニツケル
拡散に引き続き、後のハンダ付け及びロウ付け工
程中に酸化ニツケルの形成を防ぐため、並びに湿
潤性を高めるために金の層を付着する。最終メツ
キ・ステツプは、モジユール表面で個別の技術変
更用ワイヤを超音波結合できるようにするため、
各チツプ位置の周囲の配線パツド上に金を付着す
ることである。 基板電気試験 相互接続の適正なパターンは、金属化操作を制
御するコンピユータからのデータを利用する自動
試験器により検証される。 ピン／フランジのロウ付け MLC基板の製造における最終作業には、ロウ
付け物質として金―錫合金を用いて水素雰囲気下
で、ニツケル―金でメツキしたピン及びプランジ
を同時にロウ付けすることが含まれている。 Ｄ 発明が解決しようとする問題点 精密な金属パターンを有するセラミツクに対し
て焼結ないし硬化操作が行われる上記の方法にお
いては、金属が収縮ないし稠密化される温度がセ
ラミツク基板が稠密化する温度と極めて近いもの
であることが重要である。そうでない場合、金属
パターンの完全性が焼結作業中に損なわれかねな
い。金属の中には銅のように、アルミナなどの通
常のセラミツク基板物質の稠密化温度よりかなり
低い温度で稠密化する傾向を有するものがある。
銅の収縮は基板の収縮が始まる前に始まるので、
グリーン状態で基板に付着されている複雑な銅の
パターンが２つの物質の不均一な収縮により生じ
る応力の結果として焼結の間に破損することがあ
る。 他の種類の焼結工程においては、上記の逆の状
況が発生する最終結果は同じものとなる。すなわ
ち基板が金属より先に稠密化しえ結果として生じ
る布単一な収縮率によつて金属パターンの破損が
起こる。 金属に何らかの物質を添加することによつて金
属の焼結特性を変えるという思想は、米国特許第
3407063号、同第3504058号、同第41145113号、同
第429629号、同第4322316号などで公知になつて
いるが、金属および基板の稠密化温度の一致を意
図したものではない。 Ｅ 問題点を解決するための手段 基板に接着され、基板の硬化温度と異なる温度
で稠密化される金属部材を焼結する方法におい
て、金属部材の稠密化温度を基板の硬化温度に近
づけ、理想的には一致させるために、前記金属部
材の稠密化温度に達する前に分解される有機金属
化合物を、焼結前に前記金属部材に加える。分解
された有機金属化合物は、使用される焼結条件の
もとで稠密化温度を変更する金属または金属酸化
物を生じる。この金属は前記金属部材の金属と同
じでもよく、また異なつていてもよい。 一般的に、焼結工程の間に遊離金属を生じる有
機金属化合物は、金属部材の稠密化を加速ないし
促進する傾向があるが、これに対して、焼結の間
に金属酸化物を生じる有機金属化合物は稠密化を
遅延ないし阻止する傾向がある。それ故、有機金
属及び焼結条件を適切に選択することによつて、
本発明方法の実施者は、金属の稠密化温度を適宜
上げるか、下げるかして、基板の稠密化温度ない
し硬化温度に近づけることができる。 Ｆ 発明の効果 本発明による改良された焼結方法は、上記のよ
うなMLC基板の製造に使用すると特に有利なも
のである。金属化作業で使用される金属ペースト
へ有機金属化合物を添加することによつて、焼結
操作時の金属パターンの稠密化温度が変化し、接
着されるセラミツク基板の稠密化温度とは通常相
当に異なる稠密化温度を有する金属部材を使用す
ることが可能となる。 Ｇ 実施例 焼結される金属部材は、単独金属、金属の機械
的混合物、あるいはひとつまたはそれ以上の金属
の合金のいずれでもよい。通常、MLC技術で用
いられる金属には、モリブデン、ニツケル、銅、
銀、金、プラチナ等がある。本発明の機械的な原
理があらゆる種類の金属及び金属合金に有効であ
るので、金属部材の性質は重要でなはない。 同様に、金属部材に添加される有機金属化合物
の選択およびその量も重要ではなく、簡単で機械
的な実験方法によつて選択して、特定の焼結作業
に所望の結果を与えることができる。 有機金属化合物は、金属ペーストに使用される
重合有機結合剤の有機溶媒溶液に溶解できるもの
でなければならず、また焼結中に金属部材の稠密
化温度より低い温度で酸化物へ分解するものでな
ければならない。断言はできないが、焼結作業の
間に有機金属化合物の分解から生じる金属酸化物
が金属部材を構成する金属の粒子を被覆し、この
ようにして、基板の稠密化温度により近い温度で
金属粒子を稠密化させるものと考えられる。 もちろん、最適な有機金属化合物を選択するこ
とは、用いられる特定の金属部材―基板の組合せ
によつて決まるものであり、機械的な検査手順を
使用して容易に決定できる。 焼結条件は、金属部材の酸化を回避するため
に、酸素（又は他の任意の酸化剤）が十分少ない
雰囲気を提供するものでなければならないが、還
元性雰囲気の存在は必らずしも必要ではない。 有機金属の中には、焼結中に分解して、有機金
属が添加された金属部材の稠密化を遅らせる（稠
密化温度を上昇させることによつて）金属酸化物
を生成するものがある。遅延期間は金属部材の性
質、金属酸化物の性質および生成された金属酸化
物の量の関数である。この種の有機金属には、焼
結作業の間に対応する金属酸化物に分解するアセ
チルアセトン金属及び金属アルコキシドがある。
２種類のこのような化合物、すなわちアセチルア
セトンアルミニウム及びアルミニウム・ジ―（ｉ
―プロポキシド）は分解によつて酸化アルミニウ
ムを生じ、この酸化物が場合によつては、銅の稠
密化温度を150℃程度高めるために特に有利であ
ることが判明した。稠密化を遅らせるために使用
できる他の有機金属化合物には、オキシシラン珪
素、酢酸マグネシウム及び各種の有機ジルコニウ
ムが含まれている。 銅の稠密化を遅らせることが判明した他の有機
金属化合物を下表に挙げた。
【表】 焼結条件下で分解して遊離金属をもたらす有機
金属化合物には、多数のアセチルアセトン金属、
例えばアセチルアセトン銅が含まれる。遊離金属
はそれが加えられる母金属、例えば銅の稠密化を
遅らせる傾向がある。 焼結時に遊離金属と金属酸化物の両方をもたら
す、有機金属化合物の組合せを使用することがで
きる。焼結前に金属部材に添加される有機金属化
合物の総量は、上記金属部材の0.01重量％から
1.5重量％またはそれ以上の範囲にわたり、金属
部材の稠密化温度を相当程度変化させる。有機金
属化合物の粒径は、一般に良好な結果を与える約
0.01ミクロンから約５ミクロンの平均粒径の広い
範囲で変化することができる。 次の例は本方法を説明するものである。 本方法は、特にガラス、耐火酸化物及び他のセ
ラミツク物質への使用に適している。基板を選択
する場合は、使用する金属部材を考慮する必要が
ある。例えば、金属部材として比較的低い融点
（1083℃）を有する銅を使用する場合には、基板
は約1050℃以下で焼結するものでなければならな
い。 下記の例で使用したセラミツクは、次のように
菫青石の組成に近いものである。 酸化物 モル％ SiO2 50 AlO3 25 MgO 25 この組成は、またB2O3及びP2O5を５モル％程
度含有している。他の典型的な耐火物質に例えば
次の近似酸化物組成（モル％）のパイレツクス・
ガラス（ダウ・コーニング社の低膨張耐熱ガラ
ス）及びＥガラスが含まれる。
【表】 公知方法で作業して、粉末状の基板物質を樹脂
結合剤の溶媒溶液でペイントの濃度までスラリ化
し、スラリをキヤステイングによりシートにし、
溶媒を除去して、前記の「グリーンシート」にす
る。文例では次のスラリを使用した。 成 分 重量ｇ メチルイソブチルケトン 55.8 メタノール 18.5 ブトバル（Butvar）Ｂ―98（モンサイト社のポ
リビニルブチラール樹脂 10.8 ベンゾフレツクス（Benxoflex）（テネシー・
プロダクト・アンド・ケミカル社（Tennessee
Products ＆Chemical Corp.）のグリコール
ジベンゾアート） 3.6 ガラス粉末 130.6 合 計 219.3 例 １ この例は、銅の稠密化温度に関して、銅へのア
ルミニウム―ジ―（ｉ―プロポキシド）アセト酢
酸エステルキレートの添加による効果を実証し、
加えて母金属に対する各種の有機金属化合物の稠
密化温度変更効果を測定するための簡単な手順を
示すものである。 銅粉末（メツツ・カンパニー（Metz
Company）、WISA＃７、平均粒径１〜３ミクロ
ン）を含有する次のスクリーニング・ペーストを
調製した。
【表】 これらのペーストを前述のように調製したグリ
ーンシートの個々の片に付着した。150℃で乾燥
させた後、被覆されたグリーンシート片を、１容
量％のH2及び99容量％のN2で起泡させた水を含
有する冷却管状炉中に置いた。温度を650℃に上
昇させ、30分間その温度を維持し、次に被覆され
た各グリーンシート平を保持するボートを管の冷
却端の方へ引寄せた。直線収縮量を測定し、記録
した。次にグリーンシート片を炉に再度挿入し、
50℃高い温度で焼いた。950℃の最終焼結温度に
なるまで、この作業を何回か繰り返した（この手
順は以下の例でも使用した）。 次に、銅被覆の直線収縮量を測定した。結果を
次の第２表に示す。
【表】 このデータによれば、セラミツク基板の稠密化
温度は800℃であるが、銅の稠密化温度は何も添
加しない場合（サンプルＡ）約700℃である。と
ころが、0.07％のアルミナを含むサンプルＢの場
合は、稠密化温度が約780℃に上昇し、サンプル
Ｃ及びＤでは約800℃に上昇している。このよう
に、銅層にアルミナが存在していると、銅の稠密
化温度をセラミツク基板の稠密化温度に近づける
ことができる。また、同じ焼結温度（例えば800
℃）であれば、アルミナが増えるに従つて、銅の
直線収縮率すなわち稠密化の程度が小さくなつて
いることもわかる。 例 ２ この例は、有機金属成分としてアセチルアセト
ンアルミニウムを使用して、セラミツク上に銅を
形成する際の本発明の改良された焼結法を示すも
のである。 例１と同様の方法によつて、銅粉末（メツツ・
カンパニー（Metz Company）WISA＃７、平
均粒径１〜３ミクロン）を含有する次のスクリー
ニング・ペーストを調製した。
【表】 これらのペーストを前述のように調製したグリ
ーンシートの片に付着し、例１の手順を使用して
各種の温度で焼結した。各サンプルの直線収縮率
の測定結果を次の第３表に示す。
【表】
【表】 このデータは、有機金属化合物としてアセチル
アセトンアルミニウムを添加した場合のすぐれた
効果を実証している。 例 ３ 金属部材の稠密化温度を基板の稠密化温度に合
致させることに関して、得られる改良が有機金属
化合物を使用した場合ほど明確ではないが、本発
明は、焼結前の金属部材へ金属酸化物粒子を直接
添加することをも意図するものである。金属酸化
物粉末の量の範囲は、約0.01重量％から約2.0重
量％まで、ないしはこれ以上の量に大幅に変化し
て、一般に良好な結果をもたらすことができる。
粉末の平均粒径も0.01から５ミクロンの範囲にあ
れば、殆んどの場合良好な結果が得られる。マグ
ネシウム、チタン、ジルコニウム及びアルミニウ
ムの酸化物は、ここで使用することのできる金属
酸化物の一例である。 下記の第４表では、セラミツク基板上の銅スク
リーニング・ペーストの稠密化挙動に関する
Al2O3粉末（ユニオン・カーバイド社（Union
Carbide Corp.）のリンデ・デイビジヨン
（Linde Devision）平均粒径0.05ミクロン）の添
加の効果が示されている。
【表】

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. １ 金属部材が付着された基板を焼結するにあた
    つて前記金属部材の稠密化温度を前記基板の硬化
    温度に近づけるために、焼結に先立つて、前記金
    属部材の稠密化温度に達する前に分解する有機金
    属化合物を前記金属部材に添加し、所与の焼結条
    件のもとで前記稠密化温度を変更する量の金属ま
    たは金属酸化物を前記有機金属化合物から生成す
    るようにしたことを特徴とする焼結方法。
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