JPH01231398A - セラミック多層配線基板とその製造方法 - Google Patents

セラミック多層配線基板とその製造方法

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JPH01231398A
JPH01231398A JP63058752A JP5875288A JPH01231398A JP H01231398 A JPH01231398 A JP H01231398A JP 63058752 A JP63058752 A JP 63058752A JP 5875288 A JP5875288 A JP 5875288A JP H01231398 A JPH01231398 A JP H01231398A
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Yukio Terada
幸男 寺田
Yasuyuki Baba
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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、半導体Ｌ　Ｓ’　Ｉ　、チップ部品などを搭
載し、かつそれらを相互配線するためのセラミック多層
配線基板とその製造方法に関するものである。
従来の技術 セラミック多層基板に使用される導体材料には通常、金
、Ｉｌ、パラジウムまたはそれらの混合物が用いられる
。ところが、これらの金属は、貴金属であり高価でかつ
価格変動が大きいことから、安価で価格変動の少いＣｕ
電極材料の使用が望まれている。
そこでＣｕ１ｉ極を用いた多層基板の製造方法の一例を
のべる。その方法は、アルミナなどの焼結基板上にＣｕ
ペーストをスクリーン印刷にて配線パターンを形成し、
乾燥の後、Ｃｕの融点以下の、温度（８５０〜９５０℃
程度）で、かつＣｕが酸化されず導体ペースト中の有機
成分が充分に燃焼するように酸素分圧を制御した窒素雰
囲気中で焼成を行うものである。多層する場合は、同様
の条件で絶縁層を印刷焼成して得られる。しかしながら
上記のようなＣｕペーストを用いた場合、いくつかの問
題点を有している。まず第１に焼成工程における雰囲気
を適度な酸素分圧下にコントロールすることが困難であ
ること、つまり酸素が多いとＣｕが酸化され、逆に少い
とペースト中の有機バインダが分解されず良好なメタラ
イズも得られないからである。第２に多層化する場合、
各ペーストを印刷後その都度焼成をくり返し行う必要が
あり、リードタイムが長くなり設備などのコストアンプ
につながるなどの問題点を有している。そこで特願昭５
９−１４７８３３号公報において、セラミック多Ｎ基板
の作製にあたり、脱バインダ工程、還元工程、焼成工程
の３段階とする方法がすでに開示されている。それは、
酸化第二銅を導体の出発原料とし脱バインダ工程は、炭
素に対して充分な酸化雰囲気でかつ内部の有機バインダ
を熱分解させるに充分な温度で熱処理を行なう０次に酸
化第二銅を銅に還元する還元工程、基板の焼結を行う焼
成工程により成立しているものである。
これにより、焼成時の雰囲気制御が容易になり緻密な焼
結体が得られるようになった。
発明が解決しようとする課題 しかしながら、以下に示すような問題点が明らかとなっ
た。それは、セラミック多層に使用する材料によって導
体材料である銅との温度−収縮曲線が異なるために、多
Ｎ基板の反り、変形が生じてしまう事である。特に本発
明のように導体材料に銅を用いる場合は、銅の収縮開始
の温度が比較的低いため、基板材料の組成は限定される
。第２の問題点としては、最上層の導体配線の半田濡れ
性である。電気回路用配線基板として使用する場合、こ
の問題も非常に重要であり、これは導電材料のｍ類のみ
ならず、セラミック組成も半田濡れ性に大きな影響を及
ぼす、これは低温焼成基板に含まれる、低軟化点ガラス
が、焼成時に最上層まで拡散し、最上層の電極を濡らし
、半田付は性を阻害するものと思われる０以上のような
問題点の他、−船釣に望まれる性能として抗折強度が強
いこと、絶縁抵抗が高いこと、誘電特性に優れているこ
と、短時間で低温（〜９００℃）で焼成可能なことなど
が上げられる。
課題を解決するための手段 上記課題を解決するために本発明のセラミック多層基板
の導体材料の出発原料に酸化銅（Ｃｕｂ）を用い、基板
材料にＡｔ’ｚＯｈ４５〜Ｇｏ重量％。
５ｉＯｚ２４〜３３重量％、８．０３２．４〜３．３ｍ
Ｗ％、　Ｎ　ａ　２０１．２〜１．６５　重ｆｆｔ％、
に２００．８〜１．１　ｆｆｉ量％、ＣａＯ３，２〜４
．４重量％。
Ｍｇ０１．２〜１．６５重量％、ＰｂＯ７，２〜９．９
重量％の組成範囲で総量１００重量％となるような組成
物であり、空気中での熱処理による脱バインダ及び酸化
銅から金属銅への還元と、基板材料と金属銅との焼結を
行う焼成工程よりなることで得られるものである。
作用 本発明は、前記のような基板組成と、導体材料を用いか
つ、以下に示すような製造方法で作製されるため、電気
絶縁性などの信転性に富みかつ低温で短時間での焼成が
できる上に、最上層配線の半田付性にも優れ、基板と電
極材料とのマツチングも良好なものである。以下に本発
明の詳細な説明する。
まず本発明の製造法は、酸化銅を導体材料とし、前記の
組成の基板材料を絶縁材料としてそれらも用いて多層体
を形成する工程と、バインダの除去を行う脱バインダ工
程、Ｃｕ○をＣｕに還元する還元工程、そして多層体を
焼結させる焼成工程より成立つものである。脱バインダ
工程は、空気中などの酸化雰囲気で基板内の有機バイン
ダの分解。
除去を行う工程である。そして還元工程で酸化銅の還元
を行うものである。このように製造工程中に還元雰囲気
での熱処理を含むため、従来より還元雰囲気の熱処理で
還元されてしまう金属酸化物を含む絶縁材料は、用いる
ことができないとされてきた。しかしながら発明者らは
、種々の観点から検討を重ねた結果、還元及び焼成の各
工程条件をある範囲内に設定すれば、絶縁基板材料中に
含まれているＰｂＯの金属ｐｂへの還元を防止するとと
もに金属銅への還元が可能となることを見出した。
つまり、前記の組成の絶縁材料と酸化銅による導体で積
層した多層体を空気中でバインダ除去を行なった後、金
属銅への還元可能な温度を実験により求めたところ、窒
素中に水素を１０％含む雰囲気で約１時間の熱処理では
約２００℃で還元反応が起こり、金属ｐｂが存在しない
ことがＸ線回折から明らかとなった０次に同様の雰囲気
で熱処理温度を徐々に上げた所、約６００を以上でｐｂ
の還元が著しく起こった。また２５０’Ｃ以下では部分
的に酸化銅の部分が存在することがわかった。
そのため、上記のような雰囲気２時間では３００〜５０
０℃程度が望ましい還元温度といえる。
さらにこの還元済の積層体を焼成するのであるが、バイ
ンダ除去工程の熱処理で、基板材料と酸化銅の反応が若
干起こり、中間反応層が存在する。
かつ酸化銅自身も粒成長しているので、焼成時の熱処理
においての温度−収縮曲線が銅は高温側ヘシフトし、か
つ反応層の存在で基板の変動が少ないものとなる。
実施例 以下にその一実施例について、図面を用いて説明する。
本発明のセラミック多層基板に使用した３種類のガラス
ｉ５）末Ａ、Ｂ、Ｃの組成を示す。第１表名粉末ガラス
の製造方法は、所定の組成の試薬を予（ＪＮ　？ｎ合し
、アルミナルツボ中で１３５０℃の温度まで加熱し充分
溶融させて後、水中に滴下急冷する。次にこれを乾燥し
ライカイ機で粗粉砕し、１５０メソシユのフルイを通過
させた粉末のみを、メチルアルコールを溶媒とするアル
ミナボットで湿式粉砕を行う　（玉石はアルミナ）。こ
のようにして得られたものを乾燥させたもので、平均粒
径は約１〜２μｍ程度である。
（以　下　余　白） 第　　　１　　　表 単位は重量％ 次に、第２表に、基板のセラミック組成（ガラス成分と
アルミナ粉末との混合物）を示す、使用したアルミナ粉
末は、平均粒子径が１．８μｍのものである。
（以　下　余　白） 第２表に示す組成は、試料番号１〜５の組成はガラス粉
末へとアルミナを混合した系で、例えば試料番号ｌのセ
ラミック組成は、ガラス粉末Ａとアルミナを重量で６０
対４０に混合したものである０次に試料番号６〜１０は
、ガラスＢとアルミナ、次に試料番号１１〜１５は、ガ
ラス−粉末Ｃとアルミナとの混合系である。
次に導体ペーストは、酸化第二銅粉（平均粒径３μｍ）
に接着強度を得るためのガラスフリット（コーニング社
製＃７０５９ガラス粉末、平均粒径３μｍ）を５ｗｔ％
加えたものを無機成分とし、有機バインダであるエチル
セルロースをターピネオールに溶かしたビヒクルととも
に加えて、３段ロールにより適度な粘度になるように混
合したものを用いた。
そして前記の基板セラミック組成粉を無機成分とし、有
機バインダとしてポリビニルブチラール、可塑剤として
デーｎ−ブチルフタレート、溶剤としてトルエンとイソ
プロピルアルコールの混合液（３０対７０重量比）を第
３表の通りの組成で混合しスラリーとした。
第　　　３　　　表 このスラリーをドクターブレード法で有機フィルム上に
シート成型した。この時、造膜から乾燥。
打抜きさらには、必要に応じてスルホール加工を行なう
各工程を連続的に行なうシステムを使用した。このグリ
ーンシートに前記酸化銅ペーストを用いて導体パターン
の形成をスクリーン印刷法によって行った。このグリー
ンシートを所定の枚数用意し、熱圧着して積層体を形成
し、後に述べる方法で焼成した。第１図は、本実施例に
よって得られた銅条層セラミック配線基板の実施例を示
す斜視図である０図において、Ｈａｔ、　　１（ｂ）、
　　ＨＣＩ。
１（ｄ）はそれぞれ積層したセラミック絶縁層、２は内
部導電層、３は最上層導電層である。
次に、本発明の焼成の工程を説明する。まず最初は、脱
バインダ工程である。脱バインダ工程の温度プロファイ
ルを第２図に示す０本発明に使用したグリーンシート及
びペーストの有機バインダは、ＰＵＢ及びエチルセルロ
ースであるので空気中での分解温度は、５００℃以上あ
れば良いので、６００℃の温度で行なった。次に還元工
程の温度プロファイルの一例を第３図に示す。雰囲気は
１０％の水素を含む窒素中で行なった。この時６００℃
以上の還元では、ＰｂＯがｐｂまで還元されるため、異
色の積層体となり実用困難なものとなる。逆に２００℃
以下では、Ｃｕの還元が不充分となり導体配線として使
用に耐えないものとなる。
次に焼成工程のプロファイルを第４図に示す。
焼成工程は、純窒素中でありメツシュベルト炉にて実施
した。この時の炉内部の０□残存量を０２濃度計で計測
したところ、１〜２ｐｐｍの０．量であった。そしてさ
らに最上層配線を、Ｃｕペースト（Ｄｕｐｏｎｔ社、＃
９１５３）で配線パターンをスクリーン印刷し乾燥（１
２０℃−１０分）の後、前記焼成工程と同じプロファイ
ル、雰囲気で焼付けた。このようにして得られた多層基
板の評価結果を第４表に示す。第４表に示す評価項目の
中で内部酸化銅導体との適合性については、第５図のよ
うに８鶴幅の内部導体層２が２１１の間隔をもって形成
された７０Ｘ３５１ｍＸ０．２５鶴のグリーンシート４
を５枚積層した試験サンプルを作製し、前記脱バインダ
、還元、焼成の各工程を過て後のセラミック基板の反り
、変形について評価を行なったものである。
（以　下　余　白） Ｐ電 目ｅ ８円 にベ ト： マロ ｌ− ′４２ 〉や 口４ば ０日 また、最上層配線の半田濡れ性は、基板を２６０℃の半
田槽に約２秒間浸漬してその濡れ具合を評価したもので
濡れ部分の面積が電極全体の９０％以上の場合をＯとし
それ以下の場合を×とした。
また層間の信頼性は、２００μｍの絶縁層間に”ｌ　ａ
ｍ　Ｘ　２　龍の対向電極を設け、恒温恒湿槽にて８５
℃−８５％ＲＨの環境下で、１００Ｖの電圧を印加して
、１０００時間放置した後に室内に戻し、絶縁抵抗を測
定して、１０１０Ω以上保持しておれば０，１つでもそ
れ以下であれば×として評価を行なった。
以上の結果から、ガラス粉Ａを用いた場合は、最上層の
半田付性に難があり、ガラス粉Ｃを用いたものでは、基
板変形があるため使用が困難である。これは、試料番号
１１−１５の基板材料とＣｕの焼成温度−収縮曲線がマ
ツチングしていないために第６図ｔｂ＋のような変形が
起こるものと考えられる。したがって、基板材料として
は、ガラスＢを用いた系で、アルミナ比が４Ｑｗｔ％以
上から５５ｗｔ％未溝の間が望ましいことがわかる。
次に、試料番号８の試料の脱バインダ温度と、基板の変
形度合いの関係を調べた結果を示す。ここで基板変形を
定量的に表わすために基板変形率ΔＬを定義する。
Ｌｃ Ｌｃ；第６図の導体部の幅（ｍｓ） Ｌｄ、第６図の導体配線の無い部分の幅（龍）以上のよ
うにして求めたΔＬが０．５％未満であれば良品（○）
とした０以上の評価の結果を第７図に示す。
第７図から従来法（Ｎｔ中でＣｕ電極による多層基Ｆｉ
）に比べてＣｕＯの空気中での熱処理（脱バインダ温度
）が基板変形に有効に作用していることがわかる。
脱バインダ温度が５００℃以下では、ＣｕＯと基板材料
の反応が弱いことやＣｕＯ粒子の粒成長が起こらないた
め、従来法とあまり差がないが、それ以上の温度では、
効果が現われ、基板変形には有効である。一方、脱バイ
ンダ温度が８００℃以上の高温になると、基板の収縮が
始まることや、ＣｕＯの焼結が進みすぎるため、基板変
形は逆に大きくなる。
このことからも、出発原料にＣｕＯを用いて、前記組成
の基板材料で積層した基板を前記のように空気中脱バイ
ンダが可能であるため、基板変形に対して有効な方法で
あるといえる。
なお、実施例ではグリーンシート法による多層基板の例
をのべたが、アルミナのような焼結済のセラミック基板
を用いて、前記酸化銅ペーストと、前記グリーンシート
用基板材料の無機成分と同一組成の粉末を、酸化銅ペー
ストと同様の方法でペースト状にしたものを絶縁ペース
トとして用い、前記酸化銅ペーストと絶縁ペーストを所
望の回数印刷をくりかえし行って多層化する構成であっ
ても、実用上何ら問題は無い、むしろ、ｌ＆仮変形を考
慮しなくとも良いのでさらに有利である。
発明の効果 以上のべたように、本発明の製造方法によれば、極めて
信鎖性の高い鉛系ガラスを絶縁材料に使用できるセラミ
ック銅多層基板を提供するものである。つまり前記組成
の絶縁基板材料は、絶縁抵抗が高く、誘電性に優れまた
軟化点が低いため、短時間焼成、低温焼成が容易となり
極めて量産に通した絶縁材料といえる。また前記の絶縁
基板材料組成を用いて、空気中脱バインダを行う本発明
の方法では、導体材料の出発原料に酸化銅を用いること
によって、さらに基板材料との接着性が改善され、焼成
後のマツチング性も良好となる。
さらに本発明の製造方法によって得られる銅メタライズ
は、Ｃｕのもつ利点（ハンダ付性の良さ。
導体抵抗が低い、耐マイグレーション性の良さ。
低コスト）を充分に発渾できるもので工業上極めて効果
的な発明である。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の銅多層セラミック基板の一実施例を示
す斜視図、第２図、第３図、第４図はそれぞれ本発明の
脱バインダ工程、還元工程、焼成工程の温度プロファイ
ルの一例を示す工程図、第５図は基板性能の中で基板変
形を調べるための評価用試料の斜視図、　　　　　　　
　′彬キ暗壊＃−唖ね第６図（ａ）は基板変形の良品を
示す説明図、第６図（ｂｌは基板変形率の大きい試料の
代表例を示す説明図、第７図は製造工程の内税バインダ
の温度を変化させた時の基板変形率を表わすグラフであ
る。 ｌａ、ｌｂ、ｌｃ、ｌｄ・・・・・・絶縁層、２・・・
・・・内部導体、３・・・・・・最上Ｊｉ　Ｃｕ　２１
体である。 代理人の氏名　弁理士　中尾敏男　はか１名菓　２　図 脱　）く　イ　ン　３ｆ 第３図 時間　分 第４図 焼成プｐ７ｙイル ヰ　屑　（分つ 第５図 第６図 （（ｌ　Ｊ　　　　　　　　　　　　　　　　（ｂノ変
形申 乙り虐（玉鮎−色）ｘｌｏｏ（％り 第７図

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）セラミック絶縁層が、Ａｌ＿２Ｏ＿３４５〜６０
    重量％，ＳｉＯ＿２２４〜３３重量％，Ｂ＿２Ｏ＿３２
    ．４〜３．３重量％，Ｎａ＿２Ｏ１．２〜１．６５重量
    ％，Ｋ＿２Ｏ０．８〜１．１重量％，ＣａＯ３．２〜４
    ．４重量％，ＭｇＯ１．２〜１．６５重量％，ＰｂＯ７
    ．２〜９．９重量％の組成範囲で総量１００重量％にな
    るように選んだ組成物であり、この絶縁層の内部及び外
    部に形成された銅を主成分とする導体メタライズ層を有
    し、前記銅メタライズ層と前記絶縁層の界面に酸化銅の
    拡散層を有することを特徴とするセラミック多層配線基
    板。
  2. （２）セラミック絶縁層が、Ａｌ＿２Ｏ＿３４５〜６０
    重量％，ＳｉＯ＿２２４〜３３重量％，Ｂ＿２Ｏ＿３２
    ．４〜３．３重量％，Ｎａ＿２Ｏ１．２〜１．６５重量
    ％，Ｋ＿２Ｏ０．８〜１．１重量％，ＣａＯ３．２〜４
    ．４重量％，ＭｇＯ１．２〜１．６５重量％，ＰｂＯ７
    ．２〜９．９重量％の組成範囲で総量１００重量％とな
    る無機成分に少くとも有機バインダ，可塑剤を含む生シ
    ートを作製し、前記生シート上に銅の酸化物を主成分と
    するペースト組成物でスクリーン印刷によりパターン形
    成し、前記生シートとは別のパターン形成した生シート
    を所望の枚数積層して多層化するか、もしくは生シート
    上に前記酸化銅ペーストの印刷と、前記生シートの無機
    組成物と同一の組成の絶縁ペーストの印刷を所望の回数
    くり返し行ない多層化する未焼成積層体形成工程と、空
    気中もしくは、酸素雰囲気中で、前記多層体内部の有機
    成分を熱分解するに充分な温度で熱処理を行う脱バイン
    ダ工程とし、しかる後水素と窒素の混合ガス雰囲気中で
    金属銅に還元する工程と、前記還元済多層体を窒素雰囲
    気中で焼結させる工程とを含むことを特徴とするセラミ
    ック多層配線基板の製造方法。
  3. （３）未焼成積層体の形成が、焼結済のセラミック基板
    上の片面もしくは両面に前記絶縁ペースト，前記酸化銅
    ペーストにより印刷をくり返し行うことで得られること
    を特徴とする請求項第（２）項記載のセラミック多層配
    線基板の製造方法。
  4. （４）セラミック絶縁層が、Ａｌ＿２Ｏ＿３４５〜６０
    重量％，ＳｉＯ＿２２４〜３３重量％，Ｂ＿２Ｏ＿３２
    ．４〜３．３重量％，Ｎａ＿２Ｏ１．２〜１．６５重量
    ％，Ｋ＿２Ｏ０．８〜１．１重量％，ＣａＯ３．２〜４
    ．４重量％，ＭｇＯ１．２〜１．６５重量％，ＰｂＯ７
    ．２〜９．９重量％の組成範囲で総量が１００重量％と
    なる無機成分に少くとも有機バインダ可塑剤を含む生シ
    ートを作製し、前記生シート上に銅の酸化物を主成分と
    するペースト組成物でスクリーン印刷によりパターン形
    成し、前記生シートとは別のパターン形成済生シートを
    所望の枚数積層して多層化するか、もしくは生シート上
    に前記酸化銅ペーストの印刷と、前記生シートの無機組
    成物と同一組成の絶縁ペーストの印刷をくり返し行ない
    多層化する未焼成積層体形成工程と、空気中もしくは、
    酸素雰囲気中で多層体内部の有機成分が分解，飛散する
    に充分な温度で熱分解を行う脱バインダ工程と、しかる
    後、水素と窒素の混合ガス雰囲気中で金属銅に還元する
    工程と、前記還元済多層体の片面もしくは両面の最上層
    部に金属銅ペーストの印刷によって最上層電極パターン
    を形成する工程と、窒素雰囲気中で焼結させる工程とか
    ら成ることを特徴とするセラミック多層配線基板の製造
    方法。
  5. （５）未焼成積層体の形成が、焼結済のセラミック基板
    の片面もしくは両面に前記絶縁ペースト，前記酸化銅ペ
    ーストにより印刷をくり返し行うことで得られることを
    特徴とする請求項第（４）項記載のセラミック多層配線
    基板の製造方法。
  6. （６）請求項第（１）項記載のセラミック絶縁層の絶縁
    材を無機成分とし、有機ビヒクルをさらに加えてなるこ
    とを特徴とする絶縁用ペースト。
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