JPH0249550B2 - - Google Patents

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JPH0249550B2
JPH0249550B2 JP59109490A JP10949084A JPH0249550B2 JP H0249550 B2 JPH0249550 B2 JP H0249550B2 JP 59109490 A JP59109490 A JP 59109490A JP 10949084 A JP10949084 A JP 10949084A JP H0249550 B2 JPH0249550 B2 JP H0249550B2
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Nobuo Kamehara
Hirozo Yokoyama
Hiromi Ogawa
Kishio Yokochi
Yoshihiko Imanaka
Koichi Niwa
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Fujitsu Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】
技術分野 本発明は、半導体素子を搭載した多層回路基
板、特に、低融点金属である銅を導体材料とし、
これと誘電率の低いガラスセラミツクとを同時に
焼成する、信号伝搬速度の高速化が可能な多層回
路基板の製法に関する。 技術の背景 多層セラミツク回路基板は、一般にモリブデ
ン、タングステンなどの高融点金属、または金な
どの貴金属を導体材料とする。しかし、前者は電
気抵抗が高く、また後者は価格が高い欠点を有す
るので、これらよりも電気抵抗が低く、かつ価格
が安い銅を導体材料とすることが望まれている。 従来技術と問題点 導体材料のモリブデン、タングステン、などは
高温度の焼成に耐えるために、絶縁材料として高
融点のアルミナを使用することができる。このア
ルミナはα−アルミナであるが、簡単のためにア
ルミナと略称する。アルミナは絶縁性、熱伝達
性、安定性および強度が優れているが、誘電率が
比較的高いので、信号伝送の遅延および雑音の発
生を伴なう欠点があり、またシリコン・チツプを
アルミナ基板に、はんだ接続する場合は、アルミ
ナはシリコンと比べて熱膨張係数が比較的高い欠
点もある。 銅を導体材料とする基板に、アルミナより融点
がはるかに低いガラス・セラミツクを使用するこ
とが提案されている。銅は酸化され易いので、非
酸化性雰囲気で焼成する必要がある。他方、絶縁
材料は焼成中にバインダの樹脂を完全に飛散し炭
素残留物を残さないことが必要である。従来、一
般に使用された、たとえばポリビニルブチラール
は、1000℃以下の非酸化性雰囲気中では完全に飛
散しないので、焼成基板が多孔性となり、かつ炭
素残留物が生じて基板の機械的および電気的な特
性が低下する欠点を生ずる。これらの欠点を回避
するためには、各層ごとに焼成を反復する、いわ
ゆる厚膜多層法が知られているが、この方法は繁
雑であつて商業的製造に適しない欠点を有する。 IBM社L.W.Herronらの米国特許第4234367号
（対応特開昭55−128899号）によれば、銅を導体
材料とし、スポジユーメンまたはコージーライト
を絶縁材料とし、水素対水蒸気の比が10-4〜
10-6.5の雰囲気中で一体焼成する。この方法は主
ガスげ水蒸気であり、また水蒸気中の水素含量が
極めて少ないので、雰囲気のコントロールは困難
である。 また本発明者らの特開昭59−995号は、熱解重
合型樹脂を含むバインダを使用してガラスセラミ
ツク層を形成し、この層の上に銅導体層を形成
し、多層化した未焼結体を、ガラスセラミツクに
含まれるガラス成分が加熱による変化を示さない
温度において、水蒸気分圧を0.005〜0.3気圧に制
御した窒素雰囲気中で焼成してバインダを飛散さ
せることを特徴とする、銅導体多層構造体の製造
方法を開示し、ガラスセラミツクのアルミナ含量
を40〜60重量％とし、水蒸気分圧を制御した窒素
雰囲気中でバインダを飛散させる焼成温度を550
〜650℃とすることが好ましいこと、およびバイ
ンダを飛散させた後に、水蒸気を含まない窒素雰
囲気中で約900℃で焼結することを教示している。
しかし、バインダを十分に飛散させようとして、
水蒸気を含む不活性雰囲気中での焼成温度を650
℃より高くすると、ガラス成分が熱変化してバイ
ンダの飛散を妨げて、炭化したバインダが幾分残
る欠点があつた。 発明の目的 本発明の目的は、ガラスセラミツク層と銅導体
層とを有する多層回路基板、およびバインダを十
分に酸化して飛散させることができる、銅導体お
よびガラスセラミツクからなる多層セラミツク回
路基板の製法を提供することである。それには、
ガラス成分を熱変化させずに、十分な高い温度で
酸化焼成することが必要である。 発明の構成 本発明の上記目的は、20重量％以上、50重量％
未満のアルミナと、10重量％以上、60重量％未満
の石英ガラスと、20重量％以上、40重量％未満
の、銅の融点より低い温度で焼成可能な非結晶化
ガラスまたは結晶化ガラスとからなる混合物を含
むガラスセラミツク層と、銅導体層とを有するこ
とを特徴とする多層セラミツク回路基板、および
熱解重合型樹脂を含むバインダを使用してガラス
セラミツク層を形成し、この層の上に銅導体層を
形成し、多層化した未焼結体を、ガラスセラミツ
クに含まれるガラス成分が加熱による変化を示さ
ない温度において、水蒸気分圧を0.005〜0.3気圧
に制御した不活性雰囲気中で焼成してバインダを
飛散させる多層セラミツク回路基板の製造であつ
て、ガラスセラミツクの原料として、20重量％以
上、50重量％未満のアルミナと、10重量％以上、
60重量％未満の石英ガラスと、20重量％以上、40
重量％未満の銅の融点より低い温度で焼成可能な
非結晶化ガラスまたは結晶化ガラスとを混合して
使用することを特徴とする多層セラミツク回路基
板の製法によつて達成される。 作 用 ガラスセラミツクの原料のうち、アルミナは、
前述のように絶縁性、熱伝達性、安定性および強
度が優れているが、誘電率が比較的高く、かつ熱
膨張率がけい素チツプと比べて高いので、20重量
％以上とするが、50重量％より少なく使用する。
銅の融点より低い温度で焼成可能な非結晶化ガラ
スは、ほうけい酸ガラス、アルミノけい酸ガラ
ス、また銅の融点より低い温度で焼成可能な結晶
化ガラスはコージーライトまたはスポジユーメン
トが適当である。これらは軟化点が750〜75℃程
度であつて、これより高い温度ではガラスの軟化
焼結が進行して、ガラスセラミツク中に気泡を生
じるので、バインダを飛散させる度を900℃より
高めることができず、残留炭素を十分に除去する
ことができない。従つてこれらのガラスの使用量
は20重量％以上とするが、40重量％より少なくす
る。石英ガラスは、上記銅の融点より低い温度で
焼成可能な非結晶化ガラスまたは結晶化ガラスよ
り、軟化点がはるかに高く、かつ誘電率が極めて
低いので、これらのガラスおよびアルミナの欠点
を打消すために、60重量％より少くないが、10重
量％以上を使用する。 アルミナは第３図にアルミナ−石英ガラス−ガ
ラス系におけるアルミナ含量と曲げ強度との関係
を示すように、アルミナが多いほど、曲げ強度が
高い。アルミナが、20重量％以下では、強度が低
くなり、また50重量％以上では、誘電率が高くな
つて、信号伝搬速度を十分に高速化することがで
きない。第４図にアルミナ−石英ガラス33重量％
−ガラス系（△）におけるガラス含量と誘電率と
の関係が示すように、石英ガラス含有率（△）
は、これを含まない系（〇）より誘電率が低い。
石英ガラスが、10重量％未満では、誘電率を低く
し、かつ熱膨張率を低くすることができない。ま
た60重量％以上では、強度が低い。銅の融点より
低い温度で焼成可能な非結晶化ガラスまたは結晶
化ガラスが、20重量％未満では焼結が不十分とな
り、また40重量％以上では、ガラスセラミツクの
融点が低くなり、焼成温度を分に高めることがで
きない。また第５図に示すように、アルミナ−石
英ガラス33重量％−ガラス系（△）においては、
ガラス含量が40重量％を超えると残留炭素量が増
加する。さらに残留炭素が100ppmを超えると、
第６図に示すように、絶縁耐力が急激に低下す
る。 バインダとしては、熱解重合型樹脂は、ポリメ
タクリル酸エステル系樹脂、ポリテトラフルオロ
エチレン系樹脂およびポリ−α−メチルスチレン
系樹脂、ならびにこれらの混合物のいずれかを使
用できる。これらの樹脂は350〜450℃で熱解重合
するので、水蒸気分圧を0.005〜0.3気圧に制御し
た不活性雰囲気中で、この温度で第１焼成した後
に、650〜900℃において第２焼成してバインダを
完全に飛散させることが好ましい。これによつ
て、ガラスセラミツク中への銅の拡散を少なくし
て、かつ残留炭素による基板の炭化を防止ししか
も銅の酸化を防止することができる。 実施例 本発明の１つの実施例として、下記第１表に示
す組成のガラスセラミツクスリツプを使用した。
【表】 この組成のスリツプよりグリーンシートをドク
タブレード法により厚さ0.3mmに形成し、15×15
cmに打抜き、直径0.2mmの銅ボールを埋設してバ
イアホールを形成し、銅ペースト（ESL製、
2310）を印刷して導体パターンを形成した単層
を、30層積層し、130℃、25MPaで30分間プレス
した後、第１図に示す焼成条件、すなわち水蒸気
分圧0.04気圧の窒素中で、第１焼成として400℃
で８時間、次に第２焼成として800℃で８時間焼
成してバインダを飛散させた後窒素中で1010℃に
加熱してガラスセラミツクを焼結した。得られた
多層セラミツク回路基板は、銅導体の電気抵抗が
1.1ｍΩ／□／mil、絶縁体の曲げ強度1800Kg／
cm2、密度99.0％、誘電率4.9、残留炭素量30ppm
以下（明度80％）であつた。このとき、絶縁体ガ
ラスセラミツクの組成は、次の第２表に示すとお
りであつた。 第２表 ガラスセラミツクの組成（wt％） Al2O3 34.2 SiO2 59.3 B2O3 4.9 Na2O 4.3 K2O 0.2 CaO 0.1 なお、未焼結体の焼成条件を変えて、得られた
焼結体の明度、銅の拡散または酸化の有無を試験
した。その結果を第２図に示す。また第７図に、
第２図の明度の代りに残留炭素量を示す。 焼成温度は、350℃より低いと、バインダが熱
解重合しない、450℃より高いと、ガラスセラミ
ツク中へ銅の拡散(A)がおきる。第２焼成温度は
650％より低いと、残留炭素量が多くなり、900℃
より高いと銅の酸化(B)がおきる。そして350〜450
℃で第１焼成し、850〜900℃で第２焼成するとき
は明度80の基板が得られる。 なお、他の実施例として、第１表の組成のポリ
メタクレートエステムル系樹脂の含量を1/2とし、
ガラスセラミツクペーストと銅ペーストとを交互
に10層印刷する厚膜印刷によつて積層したことの
他は、上記実施例と同様にして形成し焼成した。
低誘電率および残留炭素量が上記実施例と同様に
低い多層セラミツク回路基板を得ることができ
た。 第３表はガラスセラミツクの原料および焼成条
件を変えた場合に得られる焼結体の特性を比較し
て示す。例１は第１表の組成による本発明の実施
例の製造条件および特性を示し、例1aおよび1b
は石英ガラススを含まない比較例であり、さらに
1aは低温の第１焼成を行わない場合である。ま
た例２は非結晶化ほうけい酸ガラスの代りに、結
晶化ガラスのスポージユーメンを使用した本発明
の実施例であり、例2aは石英ガラスを含まず、
かつ第１焼成を行わない比較例である。
【表】 第４表は、第が第３表は例１として示した本
発明の銅導体／セラミツク基板、例が従来技術
のモリブテン導体／アルミナ基板、例が同じく
従来技術の金導体／アルミナ−ほうけい酸ガラス
基板であり、それぞれの電気的特性値を示す。
【表】 〓

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 20重量％以上、50重量％未満のアルミナと、
    10重量％以上、60重量％未満の石英ガラスと、20
    重量％以上、40重量％未満の、銅の融点より低い
    温度で焼成可能な非結晶化ガラスまたは結晶化ガ
    ラスとからなる混合物を含むガラスセラミツク層
    と、銅導体層とを有することを特徴とする多層セ
    ラミツク回路基板。 ２ 銅の融点より低い温度で焼成可能な非結晶化
    ガラスがほうけい酸ガラスまたはアルミノけい酸
    ガラスである、特許請求の範囲第１項記載の回路
    基板。 ３ 銅の融点より低い温度で焼成可能な結晶化ガ
    ラスがコージーライトまたはスポジユーメンであ
    る、特許請求の範囲第１項記載の回路基板。 ４ 熱解重合型樹脂を含むバインダを使用してガ
    ラスセラミツク層を形成し、この層の上に銅導体
    層を形成し、多層化した未焼結体を、ガラスセラ
    ミツクに含まれるガラス成分が加熱による変化を
    示さない温度において、水蒸気分圧を0.005〜0.3
    気圧に制御した不活性雰囲気中で焼成してバイン
    ダを飛散させる多層セラミツク回路基板の製法で
    あつて、ガラスセラミツク原料として、20重量％
    以上、50重量％未満のアルミナと、10重量％以
    上、60重量％未満の石英ガラスと、20重量％以
    上、40重量％未満の、銅の融点より低い温度で焼
    成可能な非結晶化ガラスまたは結晶化ガラスとを
    混合して使用することを特徴とする、多層セラミ
    ツク回路基板の製法。 ５ 銅の融点より低い温度で焼成可能な非結晶化
    ガラスがほうけい酸ガラスまたはアルミノけい酸
    ガラスであり、銅の融点より低い温度で焼成可能
    な結晶化ガラスがコージーライトまたはスポジユ
    ーメンである。特許請求の範囲第４項記載の製
    法。 ６ 熱解重合型樹脂がポリメタクリル酸エステル
    系樹脂、ポリテトラフルオロエチレン系樹脂、お
    よびポリ−α−メチルスチレン系樹脂ならびにこ
    れらの樹脂の混合物のいずれかである、特許請求
    の範囲第４項記載の製造方法。 ７ 水蒸気分圧を0.005〜0.3気圧に制御した不活
    性雰囲気中で、350〜450℃で第１焼成し、さら
    に、650〜900℃で第２焼成してバインダを飛散さ
    せた後に、水蒸気を含まない不活性雰囲気中で、
    950℃より高く、1083℃より低い温度において焼
    結する、特許請求の範囲第４項記載の製法。 ８ 積層法によつて未焼結体を形成する、特許請
    求の範囲第４項記載の製法。 ９ 多層印刷法によつて未焼結体を形成する、特
    許請求の範囲第４項記載の製法。
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