JPH0320914B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業状の利用分野 本発明は、半導体IC、チツプ部品などを搭載
し、かつそれらを相互配線した、セラミツク多層
配線およびその製造方法に関するものである。

従来の構成とその問題点 セラミツク多層基板は、現在その多層配線形成
法により分類すると３つの方法がある。それは、
厚膜法、グリーンシート印刷法、グリーン
シート積層法と呼ばれるものがそうである。以下
簡単にその方法を述べる。まず厚膜印刷法は、ハ
イブリツトICに代表されるもので、焼結済のセ
ラミツク基板に、導体や絶縁体の厚膜ペーストを
使用してスクリーン印刷し、その都度焼成をくり
返してパターン形成を行なう方法である。この方
法は、厚膜ペーストが手軽に手に入れることや、
工法そのものが簡単なため、比較的容易に製造が
できるので、現在多くの方面で実用されている。
しかしこの厚膜印刷法は、絶縁層にガラスを用い
るため、あまり多層化が容易ではなく（せいぜい
３層から４層まで）かつ、印刷後、その都度焼成
を行なうので、設備コストのアツプやリードタイ
ムが長くなる等の欠点があり、さらには、焼結済
の基板を用いるためスルーホールなどの加工が困
難なことから、両面配線や、多層配線には、あま
り適当な方法であるとは云えない。次にグリーン
シート印刷法であるが、これは、セラミツク粉末
（たとえばアルミナ、ベリリアなどの主成分とし
たもの）に有機結合剤と、可塑剤、溶剤を加えて
ボールミルによつてスラリー状にし、ドクターブ
レード法でシート状に造膜したもの（グリーンシ
ートと呼ぶ）を用いるものである。

導体ペーストは、主にＷやMoなどの高融点金
属が用いられ、前記グリーンシート材料と同一組
成の無機成分を用いたペーストを絶縁層用ペース
トとして用いる。グリーンシート印刷法は、前記
グリーンシート上にこの導電ペーストと絶縁ペー
ストとを交互に印刷積層し、多層化するもので、
印刷、乾燥をくり返し行なつた後に一回で焼成を
完了するものである。この焼成は、前記、高融点
金属のＷ、Moが酸化されないような還元雰囲気
中で行なわれる。例えば、焼成温度は1600℃で行
ない、若干の水蒸気を含み、水素ガス濃度が約10
％程度の窒素ガス雰囲気中で行なわれる。

このグリーンシートを用いる方法は、多くの長
所を有しており、今後増多くのメーカで採用され
る手法であると思われる。その長所とは、第一に
印刷積層後、一度の焼成で良いので、製造時間が
短縮できること、第二に絶縁層が基板材料と同一
組成であり、同時焼成されるので、放熱性、気密
性にすぐれている。第二にグリーンシートを用い
るのでスルーホールなどの加工が容易であり、印
刷性も良いと云われている。第三にＷ、Moなど
の金属を使用するので金あるいは銀−パラジウム
系導体材料に比べて材料費が安い。第四には、焼
結時の収縮のため、印刷した時よりも実際上、高
密度になる。第五に導体の接着強度が厚膜印刷法
に比べて大きいことなどが上げられる。

しかし欠点としては、大きな設計変更が容易で
はないこと、高温でかつ水素雰囲気を必要とする
ので、危険であり、そのため設備コストも高くな
る。また導体については、Au、Ag、Cuなどと比
べて、導体抵抗が高く、ハンダ付けができない欠
点がある他、表面が酸化されやすいのでAu、や
Niなどをコーテイングするための後処理が必要
なことなどが上げられる。

最後のグリーンシート積層法は、グリーンシー
ト印刷法とほぼ同一の手法であるが多層化する時
に、導体を印刷しバイアホール加工を済ませた、
グリーンシートを多数枚積層して張り合わせる方
法であり、前述のグリーンシート印刷法の利点を
そのまま適用できるものである。この方法は、積
層数が多く、多量に印刷する場合は有利であるが
グリーンシートのバイアホール加工のための金型
や、治具を多く必要とし、設計変更の自由度が低
いので、グリーンシート印刷法ほど一般的な方法
とはいえない。次にセラミツク基板に用いられる
メタライズ導電材料に注目すると厚膜法では、
Au、Ag−Pd、Cuなどが用いられ、グリーンシ
ート法ではＷ、Mo、Mo−Mnなどが用いられ
る。AuおよびAg−Pdは、空気中で焼付けができ
る反面、貴金属であるので、コストが高くつく。
グリーシート法では、セラミツク基板を焼結させ
る温度が1500℃以上の高温であるためＷ、Moな
どの高融点金属しか使用できない、等の問題があ
る。

そこで、現在、導体抵抗が低く、マイグレーシ
ヨンが起こらず、ハンダ付け性も良好であるCu
を用いた配線基板が注目されつつある。そして厚
膜印刷法では、一部で実用化された例もある。し
かし卑金属であるが為の欠点もある。それは卑金
属のため空気中で焼き付けることができず、かつ
基板との接着強度、シート抵抗、ハンダ付け性、
バインダの分野の影響から窒素の雰囲気中に若干
の酸素を含ませるといつた非常に微妙な雰囲気の
コントロールが要求されているためである。

しかも、Cuの導体形成の後、抵抗や誘電体を
形成しようとした場合よ、前記と同様の焼付け雰
囲気で行なう必要がある。しかしそれに使用でき
る抵抗や誘電体で、実用に供するものは、ごく一
部のもので、その選択の自由度は極めて少い。

とはいえ、Cuの利点は、非常に魅力的であり
今後、各方面の研究・開発活動を通して、徐々に
実用に向かつていくことは、違いないであろうと
思われる。

そこで、前記の多層工法を合わせて考えるなら
ば、多層配線基板の理想的な姿としては、導体に
銅を用い、多層工法にはグリーンシートを用いて
行なうことであると考えられる。つまりグリーン
シート上に銅の導体を印刷した絶縁層を印刷ある
いは積層して多層化し、同一焼成して得られるも
のである。

しかしながら、このCu多層基板を実用化する
上には、いくつかの克復すべき問題点がある。こ
の克復すべき問題点を以下に示す。

まず第一に、Cuの融点は1083℃と低いため、
基板材料と同時焼成を行なうためには、基板材料
そのものの焼結温度をそれ以下にする必要がある
こと。それは基板材料に要求される性能であると
ころの、焼結体強度、耐性、耐湿性、熱伝導性な
どがすべて満足されていることが必須の条件であ
りさらにその上、Cuとのメタライズ性など、多
層化した場合の性能も要求される。第二の問題点
は、そのような焼成条件（温度、雰囲気）でのバ
インダの使用に困難が生じることである。つま
り、シートに用いられる有機バインダ、可塑剤、
およびペーストのビヒクルに用いられる同じく有
機バインダ、等は、非酸化性雰囲気では完全に除
去するのが困難で、時に銅の融点以下の温度で
は、分解しないといわれている。そして完全にバ
インダが分解・除去できなければセラミツク材料
そのものも、多孔質のままで、存在するといわれ
ており、焼結が進行しないばかりか、残こつたカ
ーボンのため、黒ずんだ基板しか得られない。銅
多層基板の実用化は、以上のような理由で困難と
されているのである。

発明の目的 本発明は、セラミツク多層配線基板にかかり、
銅多層配線基板を形成する方法について、上記の
問題点を解消するものである。すなわち、銅多層
化における最大の問題点である有機バインダの除
去について、新しいバインダ除去方法を提供し、
かつ還元、焼成の各工程を有する製造方法によつ
て得られた新規な構造を有する銅多層配線基板を
形成することを目的とするものである。

発明の構成 上記の目的を達成するため本発明は、銅の融点
以下の温度で焼成可能な、セラミツク基板材料
（例えば、ガラス組成物もしくはガラスを多量に
含むアルミナ組成物基板）に有機バインダ、可塑
剤を加えてグリーンシートとしたものを用い、こ
のグリーンシート上に酸化第二銅を主成分とする
ペーストで導体パターンを形成し、絶縁層は、前
記、グリーンシートと同一の無機成分からなるペ
ースト印刷によつて形成し、所望の回数くり返え
し印刷を行ない多層化する。

次に脱バインダの方法は、基板材料の焼結が進
行するより低い温度で、充分にバインダが分解・
酸化される空気中のような酸化雰囲気で熱処理を
行なうものである。この方法の要点は、第１に、
導体材料の出発原料である酸化第二銅が、結晶構
造の変態が行なわれず、かつ必要以上の焼結が進
まない程度の温度で脱バインダが行なわれること
である。

第２に、基板材料の焼結温度よりも低い温度で
基板全体の有機バインダが残こらず、熱分解する
ことが前提条件である。

以上のようにして行なわれる脱バインダ処理工
程で重要なことは、導体ペースト中の酸化第二銅
の一部を熱処理温度をコントロールすることで所
望の程度前記絶縁層中に拡散させる役割りも果た
すことである。これは、銅電極としてのメタライ
ズ性（接着強度）を向上させる上で著しい効果が
ある。

次に、水素と窒素の混合ガス雰囲気中で、前記
酸化第二銅が金属銅に還元する（還元工程）。こ
れは還元に必要な温度以上でかつ、前記絶縁組成
物中のガラス組成物の軟化点以下の温度で熱処理
をする工程である。さらに還元済の積層体を窒素
雰囲気中で、前記絶縁組成物を焼結させるに充分
な温度で焼成を行なわしめる焼成工程により構成
されるものである。次に本発明が実現できる理由
を説明する。

まず始めに、脱ハインダ工程であるが、本発明
の方法ではメタライズする銅の出発原料に酸化第
二銅を用いるため、空気中の熱処理においても酸
化第二銅のままで存在し不必要な体積変化が起こ
らず、有機バインダの熱分解が行なわれる。そし
てこの時、絶縁材として用いられるガラス・セラ
ミツク組成物のガラス成分の軟化点以下の温度で
行なわれる必要がある。なぜなら軟化点以上の場
合、前記酸化第二銅と絶縁材料とで構成される積
層体の焼結が進行し、前記酸化第二銅が積層体内
部に密閉され、後の還元工程でも還元されなくな
る、第２に使用する銅の酸化物として酸化第二銅
が望ましい。なぜなら酸化第二銅は、空気中でも
安定で温度を上げても結晶変態が無く本発明の目
的に適しているといえる。なお上記以外の酸化
物、例えば亜酸化物Cu₂Oを用いると、空気中の
脱バインダではCuOに変態するための体積変化を
伴うため、多層化した場合にはクラツクやハガレ
の原因となる。体積変化を起こさずCu₂Oのまま
で脱バインダを行うには雰囲気を酸素分圧PO₂が
10^-3〜10^-5にコントロールすれば良いのであるが
酸素分圧を前述のようにコントロールすることは
難しく本発明の目的から考えて有効ではない。

次に還元工程において、銅の還元はごく低温
（200〜400℃）で充分に行なえることは衆知のと
うりである。そのため、前記ガラス・セラミツク
組成物の軟化点以下の温度で銅への還元が終了で
きるのである。

最後は焼成工程である。本工程は、既にバイン
ダは除去されているので前記絶縁材料と銅のメタ
ライズのみを考慮すればよい。すなわち、前記ガ
ラス・セラミツクの焼結温度まで窒素ガス雰囲気
中で昇温する。その結果、前記ガラス・セラミツ
クの焼結と銅粒子の焼結により良好なメタライズ
性が得られる。この焼成工程を還元工程のように
還元雰囲気で行うと充分な銅メタライズ性が得ら
れない。それは、この焼成雰囲気が、銅と前記ガ
ラス・セラミツクス材料との高温における濡れ性
に大きく関係するからである。つまり、絶縁材中
のガラス成分は一般に金属との漏れ性が悪いとい
う事実に基づくものである。そのため、、銅粒子
表面にごく薄い酸化物層を設け濡れ性を改善する
目的で、中性雰囲気での焼成が行なわれる。以上
が還元工程と焼成工程を分離して行うことの理由
である。

なお上記脱バインダ、還元、焼成各工程を二元
雰囲気炉によつて連続的に行なうことも可能であ
る。

以上のようにして作製される銅多層配線基板の
構成を第１図に示す。１は前記、ガラスもしくは
ガラスとセラミツク組成物よりなる絶縁基板材
料、２は還元された銅メタライズ層、３は前記、
絶縁層内部に拡散した酸化銅の層である。

その酸化銅拡散層の存在が銅メタライズ層と絶
縁層の接合をより強固なものとしているのであ
る。

実施例の説明 まず本発明にかかるセラミツク基板材料は、ホ
ウケイ酸ガラス粉末（コーニング社性＃7059ガラ
ス平均粒径3μｍ）とアルミナ（Al₂O₃平均粒径
1.0μｍ）粉末を重量比で40対60となるように配合
したものを用いた。この混合粉を基板材料の無機
成分とし、有機バインダとしてポリビニルブチラ
ール、可塑剤としてヂ−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比）を次の通りの組成で混合し、
スラリーとした。

無機成分 100部 ポリビニルブチラール ５部 ヂ−ｎ−ブチルフタレート ５部 トルエン／イソプロピルアルコール 40部 このスラリーをドクタブレード法で、有機フイ
ルム上（東レ、ルミラー125μｍ厚）にシート
成型した。この時、造膜から乾燥、任意の打抜き
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。

以上のようにして得られたグリーンシートは、
空気中で1000℃温度の１時間の焼成により緻密な
焼結体が得られるもので、電気的性能として比誘
電率が7.5、誘電損失が0.15％（IMHz）であり、
抗折張度は20Kg／mm²である。その性能は、基板と
して、ほぼ満足できる値である。この時基板材料
としては、銅の融点以下に軟化点を有するガラス
であれば、良い訳であり、上記実施例のガラスに
限られるものではない。

次に上記グリーンシート上に酸化第二銅ペース
トを用いて導体パターンのスクリーン印刷を行な
う。この時に使用される酸化第二銅（CuO）は、
試薬特級の平均粒径5μｍのものを用いた。ペー
スト作製のためのビヒクル組成は、溶剤としてテ
レピン油を用い、有機バインダであるエチルセル
ロースを溶かしたものを用い、上記酸化第二銅粉
末と混練したものをペーストとした。一方絶縁ペ
ーストは、前記グリーンシート用無機材料と同組
成のものを用いて同様の方法でペーストとし、前
記酸化第二銅ペーストをスクリーン印刷し、乾燥
の後、絶縁層パターンを印刷した。この時の印刷
条件は酸化第二銅ペーストの場合250メツシユの
スクリーンで約20μｍの厚みとし、絶縁層は200
メツシユのスクリーンで約30μｍの厚みとなるよ
うにした。そして前記の印刷を所望の回数、グリ
ーンシートの両面について印刷を行なつた。

なお前記、酸化第二銅ペースト、絶縁用ペース
トの作製にテレピン油、エチルセルロースを用い
たがビヒクルとしては、エチルセルロースの代わ
りにニトロセルロース、溶剤にはブチルカルビト
ール、ブチルセルソルブのようなセルソルブ類を
用いても良く、さらにソルビタンアルキルエステ
ル、ボリオキシエチレンアルキエーテル等の界面
活性剤を用いるとも有効な手段である。

次に印刷を完了したグリーンシートのバインダ
除去であるが、本発明の脱バインダシステムの一
例として第２図に示すような温度プロフアイルで
実施した。この時の雰囲気は、空気中であり、
500℃でグリーンシートの中の有機バインダ、ペ
ースト中の有機成分のほとんどを分解きせ、さら
に800℃の温度で上記有機成分を完全に除去する
ものである。なおこのバインダ除去温度や雰囲気
の設定については、あらかじめ、熱分析を行ない
バインダの除去が完全に行なわれるかどうかを確
認して設定されるものである。したがつて、バイ
ンダの種類によつては、多少分解温度が異なるの
で、おのずと、脱バインダ時の温度プロフアイル
も異なつてくるのは当然である。この脱バインダ
後の基板を走査型電子顕微鏡で観察したところセ
ラミツク基板材料（アルミナ及びガラス成分）は
出発原料の粒径とほとんど変化は認められず、有
機成分のみが飛散したものとなつている。これ
は、前記基板材料中のガラス成分の融点以下で脱
バインダが行なわれたためであり、酸化第二銅自
身の著しい焼結や、体積変化を伴う結晶変態が起
こつていないことを示すものである。

次にこの脱バインダ済基板を還元、焼成する。
還元工程と焼成工程を同時に行なつた例を第３図
に示す。雰囲気は、水素ガスを10％含む窒素ガス
雰囲気中（流量２／min）で行なつた。その結
果、焼成された上記セラミツク基板は、白色の基
板が得られ、基板そのものの性質は、前記の空気
中焼成の基板とほぼ同じ性能のものが得られた。
そして、この焼成で酸化第二銅が還元され金属銅
となり導電性パターンが形成された。その時の導
体抵抗は、線巾が500μｍ、厚みが10μｍ程度で、
面積抵抗3.7ｍΩ／□が得られ、絶縁層の内部に
形成された導電パターンも4.0ｍΩ／□と表面層
と同様の結果が得られた。そして基板と銅とのメ
タライズ性能は、いわゆる引張りテストによつて
行なつた結果、1.5Kg／cm²の結果を得た。以上の
結果から、本発明にかかる銅多層配線基板は銅メ
タライズ性に若干の不満はあるものの実用に供さ
れるものと判断されるものである。本発明によれ
ば、焼結が進行する前に、あらかじめ空気中で脱
バインダするため、基板焼結の進行を阻害するカ
ーボンの残留が無く、合わせて基板焼結の前段階
で銅へ還元させるため、内部配線についても、充
分な導電性が得られる。

上記の脱バインダおよび、還元、焼成法では、
脱バインダ後の基板の強度が弱いため取扱いが困
難であることや、電気炉が複数台必要なことか
ら、次に示す二元雰囲気炉を使用した例を示す。
この二元雰囲気炉は、空気及び窒素をキヤリアガ
スとしてそれぞれ独立した雰囲気のゾーンを作る
ことができるベルト搬送型の連続炉のことであ
る。

本実施例では、BTUエンジニアリング社、
MEJ−４型を使用した。なお、温度、雰囲気プ
ロフアイルを第４図に示す。500℃、800℃、1000
℃の各保持温度は、前記と同じ目的で行なうもの
である。この時得られた配線基板の性能も前記の
ものとほぼ同じ結果であつた。なお焼成、降温過
程の雰囲気を水素ガスを含まない窒素ガスのみで
行なつた場合、メタライズ特性（引張りテスト）
が2.5Kg／cm²と改善された。

発明の効果 以上のべたように本発明は、セラミツク多層基
板における理想的な姿である銅多層配線基板を実
用化する上で、極めて有効な手段を提供し、かつ
本方法によつて始めて得られる信頼性の高に構造
を有するものである。

すなわち、本発明の構成および製造方法によれ
ば、 (1) 絶縁基板材料と導体層の焼成が一度で行なえ
るので製造する上で大きな合理化が図れる。

(2) グリーンシート工法を利用できるので、加工
性に優れ、多層性も容易である。

(3) 脱バインダを空気中で行なうため、特別な有
機バインダで無くとも充分なバインダ除去が期
待できる。

同じく脱バインダ時に酸化銅の拡散具合いを
任意にコントロールできるので接着性の良いメ
タライズ層が得られる。（絶縁層と導体層の中
間の酸化銅層が強固な接合層となる。） (4) 焼成温度が900℃〜1080℃（特に1000〜1050
℃が良好）と厚膜法に比べ高温度で行なえるの
で、絶縁基板の信頼性が高い。（特に耐湿性、
絶縁性、耐圧など） (5) 同じく焼成時の雰囲気コントロールが容易で
ある。（カーボンの酸化を考慮しなくとも良く、
Cuの還元のみを考えれば良い。） この他、本発明における銅多層配線基板は銅の
特色である導体抵抗の低さ、ハンダ付け性の良
さ、耐マイグレーシヨン性の良さを充分に生かせ
るものであり、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図は本発明における銅多層配線基板の断面
図、第２図は本発明における脱バインダ用熱処理
工程を示す温度および雰囲気プロフアイルの一例
を示す図、第３図は本発明における還元・焼成工
程を示す温度および雰囲気プロフアイルの一例を
示す図、第４図は二元雰囲気炉を使用した場合の
脱バインダおよび還元・焼成工程の連続化の一例
を示す図である。 １……絶縁基板材料、２……銅メタライズ層、
３……絶縁層に拡散した酸化銅層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ガラスもしくはガラスとセラミツク組成物か
   らなる絶縁基板とこの絶縁基板上に形成された銅
   を主成分とする導体メタライズ層とセラミツクも
   しくはガラスあるいはガラス・セラミツク組成物
   からなる絶縁層とにより積層された銅多層配線基
   板を有し、前記銅メタライズ層と、絶縁層の界面
   に酸化第二銅の拡散層を有することを特徴とする
   セラミツク多層配線基板。 ２ 銅の融点よりも低い温度で焼結するガラスも
   しくはガラスとセラミツクによる組成物に少なく
   とも有機バインダ、可塑性を含むシートを作製
   し、前記生シート上に酸化第二銅を主成分とする
   ペースト組成物でパターン形成し、前記生シート
   とは別の生シートを所望の枚数同様にパターン形
   成し、積層して多層化するか、もしくは、前記酸
   化第二銅ペーストの印刷に、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くり
   返し行ない多層化する工程と、前記多層体を炭素
   に対して充分な酸化雰囲気で、かつ内部の有機成
   分を熱分解させるに充分な温度で熱処理を行なう
   工程と、しかる後、水素と窒素の混合ガス雰囲気
   中で前記絶縁ペースト組成物中のガラス成分の軟
   化点以下の温度でかつ前記酸化第二銅が金属銅に
   還元可能な温度以上で熱処理を行なう還元工程
   と、さらに前記還元済．多層体を窒素雰囲気で前
   記絶縁組成物を焼結させるに必要な温度で焼成を
   行う焼成工程とを含むことを特徴とするセラミツ
   ク多層配線基板の製造方法。