JPH01287992A - 低温焼結多層セラミック基板 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、導体材料に主として銅を用いた低温焼結多層
セラミック基板に関し、低抵抗高密度配線基板に好適に
利用されつる。

〔従来の技術〕

導体材料に銅を用いた多層セラミック基板は、Ｗ、Ｍｏ
、Ｍ　ｏ　−Ｍ　ｎ等の高融点卑金属を用いた周知の高
温焼成アルミナ基板（特開昭６１−１９１０９７号公報
）と異なり、導電性が高く、ハンダ付のために導体表面
にメツキ処理を施す必要がないという利点があり、加え
て銅と同じく導電性の高いＡｕ等の貴金属を用いたもの
（特開昭６１−１０８１９２号公報）に比して安価であ
り、Ａｇを用いたもののようなセラミック中へのＡｇマ
イグレーションの恐れもない。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしＣｕからなる導体混練物を用いる場合、このＣｕ
を酸化させずに混練物中の有機成分を完全に燃焼させる
ことが困難であり、また酸化鋼（ＣｕＯおよびＣｕ２Ｏ
の少なくとも１つをいう）を発生させないようにすると
有機質成分が完全に燃焼除去されず残存する。更には、
たとえＣｕからなる導体層を形成させたとしても、上記
のように電極層等を大気中で形成させる場合、少なくと
もＣｕ導体の露出面が酸化されてしまう。しかもこのＣ
ｕの酸化により体積膨張を生じ、セラミック体や導体に
クラックが生じる恐れがある。

従って上記問題点を解決する一手段として、酸化銅を主
成分とする導体混練物が知られている（特開昭６１−２
８８４８４．６１−２９２３９３号公報）。しかしこの
場合においては、還元又は中性雰囲気中で加熱されて酸
化銅がＣｕに還元され導体化する際に体積収縮を生じ、
導体特に表面側導体とピアホールとの間に空隙が生じ、
導通不良を生じることがある。しかも、導体層および導
体を還元雰囲気での焼成によりＣｕとし、このＣＵ導体
層を焼結体内部に形成させて酸化を防止するとしても、
その後の工程において、基板表面に電極層等を形成させ
る場合、その表面および上記空隙を通じてＣｕ導体層が
酸化されてしまい、導電性およびハンダ付性等が低下す
るという問題が生じる。

本発明は上記問題点を全て解決するものであり、低温焼
成が可能でしかも酸化雰囲気中で電極層および抵抗層を
焼成しても導体および導体層の酸化を防止でき導電性に
優れ安価で且つ熱膨張係数が小さな低温焼結多層セラミ
ック基板を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の低温焼結多層セラミック基板において、セラミ
ック体は、低温焼結材料から構成され、導体層は銅から
構成され、上記導体のうち上記電極層と接続される表面
側導体は上記セラミック体の穴部を充填しかつ貴金属か
ら構成されることを特徴とする。

即ち、表面側導体がセラミック体の所定の穴部（ピアホ
ールという）に埋めこまれており、しかもこの構成金属
は所定の貴金属からなり、更にＣＵ導体層は焼結体内部
に形成されている。従って本基板は、内部のＣｕ導体層
が気密とされる構成となっている。ここで、貴金属とは
、空気中で酸化されにくい金属をいい、Ａｕ％Ａｇおよ
び白金族＜　Ｒｕ　ｓ　ｏ　ｓ　ｓ　Ｒｈ　ｓ　ｒ　ｒ
　ｓ　ｐ　ａ　ｓ　ｐ　ｔ）をいい、本発明においては
、これらの金属のうち少なくとも１つからなるものであ
れば良い。

そして本セラミック基板は、主として、以下のようにし
て製作される。まず、低温焼結材料からなりピアホール
をもつグリーンシートを所定枚数製作し、Ｃｕ等の金属
粉末を含む導体混練物がこのグリーンシート表面に印刷
され、所定の貴金属粉末を含む導体混練物が少なくとも
表面側のピアホール内に充填され、次いでこのグリーン
シートを積層して還元または中性雰囲気中で焼成して緻
密な焼結体のセラミック体を形成し、このセラミック体
の表面に酸化雰囲気中で電極層および抵抗層を焼成によ
り形成して、セラミック基板は製作される。

〔作用〕

本発明においては、上記のように、表面側導体によりＣ
ｕ導体層と大気が遮断されること、この表面側導体は貴
金属から構成されるので、酸化、還元されず、そのため
、Ｃｕ又は酸化銅のように、膨張、収縮が生じないので
、その空隙はほとんどないか、あっても小さいこと、の
ため、気密構造である。従って、酸化雰囲気中にて電極
層および抵抗層を焼きつける工程のとき、Ｃｕ導体層の
酸化を防止できる。更にこの大気中に露出する表面側導
体が酸化雰囲気中の焼成で酸化されない貴金属を用いる
ので、その露出面が酸化されることもない。

また本発明におけ、るセラミック体は結晶化ガラス等の
低温焼結材料から構成されるので、例えば１０００℃以
下の低温で焼成でき、これは熱膨張係数がアルミナと比
べて小さい。

〔発明の効果〕

上記のように、本発明の多層セラミック基板は、低温焼
成できかつ酸化雰囲気中で焼成して電極層等を形成して
もＣｕ導体層および貴金属からなる表面側導体が酸化さ
れることもなく、セラミック体の表面の電極層および抵
抗体を焼きつけることができる構成である。従って本セ
ラミック基板においては、Ｃｕ導体層の導電性を低下さ
せることもなく、その体積膨張もないので、剥離やクラ
ックが生じにくい。また貴金属からなる表面側導体の露
出面も酸化されないので、導電性が低下したり、電極層
との接合性も低下しない。

以上より、本セラミック基板は、Ｃｕ導体層を具備する
ので、導電性に優れるとともに安価でかつ従来になく容
易に製作でき、更に酸化雰囲気中で、導体層等の酸化を
防止しつつ電極層および抵抗層を焼成して形成できる構
成を有するものである。

更に熱膨張係数がシリコン半導体チップに近似するので
、マルチチップ搭載基板、プリント配線基板等の多層セ
ラミック基板に最適である。

〔実施例〕

以下、実施例により本発明を具体的に説明する。本実施
例に係わる多層（３層）セラミック基板の説明断面図で
あって第２図のＡ−Ａ矢視断面図を第１図、その一部平
面図を第２図、表面側導体の表面にＡｕメツキ層を形成
した状態を示す説明断面図を第３図に示す。

この基板の構成は、セラミック体ｌと導体層２と導体３
とセラミック体１の表面に形成された電極層４と抵抗層
５とからなる。

セラミック体ｌは、表に示すように、所定量の二酸化珪
素、酸化アルミニウム（Ａ　１　ｚ　Ｏｓ　）、酸化マ
グネシウム、酸化亜鉛、並びに酸化硼素（Ｂ２０．）お
よび五酸化燐（Ｐａ　Ｏｓ　）の少なくとも一つから構
成され、焼結体である結晶化ガラス体からなる。

導体層２は、３層からなり、セラミック体１の内部に形
成され、銅から構成されている。なおこの膜厚は１０μ
ｍである。導体３は、導体層２間を接続する内部側導体
３２と、導体層２と電極層４とを接続し電極層４側がセ
ラミック体ｌから露出する表面側導体３１と、からなる
。内部側導体３２はＣｕ単独又はＣｕ−Ｐｄ　（Ｃｕ８
０重量％（以下、％という）、Ｐｄ２０％）からなり、
表面側導体３１はＰｔ％Ｐｄ、Ａｕ、Ｐｔ−Ｐｄ。

Ｐｄ−Ａｕ等の貴金属からなる。いずれの導体３もセラ
ミック体１のピアホール１１にほぼ密に充填されており
、気密構造となっている。なお表面側導体３１の上記露
出面３３上には、第３図に示すように、場合によりＡｕ
メツキ層６がメツキにより形成されている。

電極層４は上記Ａｕメツキ層６上であってこのメツキ層
６を十二分に被覆するようにセラミック体１の表面に形
成されている。この電極層４はＡｇ−Ｐｄ、Ａｕ％Ｐ　
ｔ、Ａｇ等から構成され、膜厚１５μｍの厚膜層である
。抵抗層５は上記各電極層４を接続するように形成され
ており、二酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）又はそれを主成
分とするものから構成されている。

上記多層セラミック基板は以下のようにして製作された
。

（１）グリーンシートの製作 焼成後の酸化物組成成分が表に示す割合になるように、
配合原料である酸化亜鉛、炭酸マグネシウム、水酸化ア
ルミニウム（Ａ　Ｉ　　（ＯＨ）　ｓ　）、二酸化珪素
、硼酸（Ｈ，ＢＯ，’）　、並びに燐酸（８３ＰＯ，）
および二酸化ジルコニウムのすくなくとも１つの所定量
を秤量し、ライカイ機にて混合し、白金ルツボ、又はア
ルミナ質ルツボにて１４００〜１５００℃の適当な温度
で溶融し、この融液を水中へ投入し、急冷してガラス化
し、その後アルミナ製ボールミルで粉砕してフリット（
ガラス粉末）を得た。この粉末の粒径は約２〜３μｍで
ある。

この粉末とポリビニルブチラール（ＰＶＢ）と可塑剤（
ジエチレングリコール、モノ−ローブチルエーテル等）
とを用いて常法に従ってドクターブレード法により厚さ
０．６ｍｍのグリーンシートを製作した。

なお、このグリーンシートを用いた結晶化ガラス製セラ
ミック体の物性を以下のようにして測定した。上記の各
グリーンシートを１００℃／時間の昇温速度で、表に示
す９５０℃の温度まで加熱し、次いで同温度で２時間焼
成し、その後２００℃／時間の冷却速度で冷却し、焼結
体を得、その熱膨張係数等の物性を測定してその結果を
表に示した。吸水率はいずれも０％であり、比誘電率は
５．５以下で、熱膨張係数はアルミナの約７０×１０−
７と比べ３０　Ｘ　１０−’以下であった。この主な結
晶相は、コーディエライトとβ−石英固溶体（一部β−
スポジコーメン）とからなっており、緻密化には、β−
石英固溶体の存在が重要な役割を果たしているものと推
測される。

（２）３層セラミック基板の製作 ３層セラミック基板を製作するため、上記各試験側相当
組成のグリーンシートの３枚を用意し、各シートの所定
の位置にパンチングにより穴をあけてピアホールを形成
した。

次に内部側導体３２が充填形成されるピアホール１２　
（なお説明上、セラミック基板と同符号を付す、以下も
同じ）の中にＣｕ又はＣｕ−Ｐｄ（Ｃｕ８０％、Ｐｄ２
０％）の銅系金属とＰＶＢと可塑剤からなる導体混練物
を加圧法、真空吸引法又は印刷法により充填する。表面
側導体３１が充填形成されるピアホール１１にはＰｔ、
Ｐｄ％Ａｕ％Ｐ　ｔ％Ｐ　ｔ−Ａｕ、Ｐ　ｔ−Ｐｄ、Ｐ
ｄ−Ａｕ等の貴金属を含む導体混練物を同様の方法によ
り充填する。特にこの導体混練物は、緻密さを必要とす
るので、金属粉の粒度配合が必要であり、使用樹脂量は
最小とするのが良い。通常、金属粉の粒径は約１〜１０
μｍ程度、樹脂量は５％程度である。

次に、導体層２の平面印刷としてＣｕ０−Ｃｕ（Ｃｕ０
５０％、Ｃｕ５０％、各粒子径は約１〜１５μｍ程度）
とＰＶＤと可塑剤からなる導体混練物を印刷する。なお
各グリーンシートに応じて所定の印刷パターンとする。

次いで上記印刷後のグリーンシート３枚を熱圧着して各
試験例の３層体を製作した。なおこの熱圧着の条件は温
度５０〜ｌＯＯ℃、圧力５０〜１００　ｋｇ／ｃｄの一
般的なものを用いた。次に所定の形状に切断し、外形寸
法をそろえる。

次いで上記グリーンシートおよび導体混練物中に含まれ
る樹脂等の有機質成分を除去する。この除去条件は大気
中２００〜３００℃、約５時間を用いる。さらに、大気
中、６００〜７５０℃、約１時間加熱して、残存カーボ
ンを消失除去させる。次にアンモニア分解ガス雰囲気（
還元雰囲気）中、３５０〜７５０℃、約５時間加熱して
ＣｕＯを還元してＣｕとする。さらに窒素等の中性雰囲
気中９００〜１０００℃、約１時間にてグリーンシート
および導体混練物を焼成して所定の導体層２および導体
３１．３２をもつ焼結セラミック体１を製作する。

次いで第３図に示すように、表面側導体３１の表面に露
出する露出面３３に通常の金メツキを施して金メツキ層
６を形成しこの露出面３３を十二分に被覆する。さらに
上記金メツキ層６上にＡｇ−Ｐｄ、Ａｕ、ＰｔＳＡｇ等
の耐酸化性の貴金属を含む導体混練物を用いて印刷して
厚膜導体混練物層を形成する。またこの厚膜導体混練物
層の一端部と接触しかつ導体混練物層間にＲｕＯ２を主
成分とする抵抗混練物を印刷により塗布して厚膜抵抗混
練物層を形成する。次いで上記混練物層を、大気中６０
０〜９００℃、約０．５時間焼成して、所定の電極層４
および抵抗層５を持つ各試験例の低温焼結３層セラミッ
ク基板を製作した。

なお、金メツキ層６は、表面側導体３１が十分に緻密で
あれば必要なものではない。

（３）実施例の効果 本セラミック基板は、３枚のグリーンシートを積層して
構成されるので、パターン寸法ふよび位置の精度が極め
て良い。セラミック体は、所定の結晶化ガラスを用いる
ので、（１）焼成、冷却するのみで容易に結晶化できる
こと、（２）熱膨張係数はアルミナより小さくシリコン
半導体チップに近似し、結晶化温度の変動によってもそ
の係数はほぼ一定であること、（３）誘電的性質はアル
ミナの誘電率（ε＝９）よりも小さな誘電率をもつこと
、（４）９５０℃以下の温度で焼成できること、（５）
緻密体が得られ、破壊強度も高いことという特徴をもつ
ので、極めて多層配線セラミック基板として優れたもの
である。

更に、耐酸化性に優れた表面側導体によりおよび焼結体
構造によりＣｕ導体層が気密構造とされているので、酸
化雰囲気で電極層および抵抗層を焼成により形成しても
、内部のＣｕ導体層が酸化されずしかも表面側導体も酸
化されないので、本基板は導電性に優れ、電極層との導
通にも！＝頼性が高い。特に金メツキ層を持つのでその
効果は著しく大きい。

なお、本発明においては、上記具体的実施例に示すもの
に限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々
変更した実施例とすることができる。

即ちセラミック体に用いられる低温焼結材料は他の組成
をもつ結晶化ガラスとすることができる。例えば、アル
ミナ、二酸化珪素、酸化鉛、酸化硼素、Ｍｇ又はＣａ等
の金属（ＩＩ）酸化物、Ｔｉ又はＺｒの金属（ｒＶ）酸
化物、Ｎａ又はＫの金属（１）酸化物の組成成分からな
り、その各組成割合が、５５．０．２９．２．７．５．
３．１．２．６．０．５．２，１％のもの（焼成温度９
００’ｊ：）、４０．０．１８．３、■１．０．１４．
５．１０．０．２．１．４．１％のもの（焼成温度８０
０℃）等（特開昭６１−１０８１９２号公報参照）とす
ることもできる。

内部側導体の材料としてはＣｕ系以外のものとすること
ができる。さらにこの内部側導体は導体抵抗の低減又は
層間接続の信頼性を確保のために通常、セラミック体の
ピアホールを充填する構成をとるが、壁面導通の構成で
も良い。グリーンシートの積層枚数、導体層、電極層お
よび抵抗層の印刷パターン等は目的、用途により種々選
択される。導体層を構成する金属はＣｕであれば良く、
使用する導体混練物は加熱によりＣｕになるものであっ
ても良いし、Ｃｕのみでも良いし、酸化銅（ＣｕＯ又は
Ｃｕ２ｅ）のみでも良いし、それらの混合物でも良いし
、他の加熱によりＣｕ又は酸化銅になるものでも良い。

酸化銅を含む場合は還元雰囲気で焼成してＣｕに還元す
る必要がある。

また樹脂成分としてエチルセルロース等を用いることが
できる。

また第４図に示すように、導体３１を構成する金属とし
てＡｕ系材料を用いる場合は、導体３１とＣｕ導体層２
の間にＡｕ系以外の材料からなる中間層３１ａを形成し
２層構造として、両者が直接接触しない構成とするのが
好ましい。これは、ＡｕとＣｕが接触すると焼成工程で
高温になったとき、合金化して球状体になり断線不良を
起こす場合があるからである。また磁極層および抵抗層
は厚膜でなく、蒸着法、スパッタリング法等により形成
された薄膜でもよい。さらに本セラミック基板の製法に
おいて、種々の還元雰囲気で酸化鋼を還元できるし、ま
た場合によっては還元雰囲気で直接本焼成してもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は第２図のＡ−Ａ矢視断面を示すとともに実施例
に係わる低温焼結多層セラミック基板の説明断面図、第
２図は第１図に示す低温焼結多層セラミック基板の一部
平面図、第３図は表面側導体上に金メツキ層を形成した
状態を示す説明図、第４図は導体を２層構造とした状態
を示す説明図である。１；セラミック体、２；導体層、
３；導体、３１；表面側導体、３２；内部側導体、３３
；露出面、４；電極層、５；抵抗層、６；金メツキ層。 特許出願人　　日本特殊陶業株式会社 代　理　人　　弁理士　小島清路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）低温焼結材料から構成されるセラミック体と、該
   セラミック体の内部に形成される導体層と、上記セラミ
   ック層の表面に形成される電極層および抵抗層と、上記
   導体層間および該導体層と上記電極層との間を接続する
   導体と、からなる低温焼結多層セラミック基板において
   、 上記導体層は銅から構成され、上記導体のうち上記電極
   層と接続される表面側導体は上記セラミック体の穴部を
   充填しかつ貴金属から構成されることを特徴とする低温
   焼結多層セラミック基板。