JPH0321108B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

産業上の利用分野 本発明は、半導体LSI、チツプ部品などを搭載
し、かつそれらを相互配線するための、セラミツ
ク多層配線基板の製造方法に関するものである。 従来の技術 セラミツク多層基板には、現在その多層化方法
により３つの方法に分類される。第１は厚膜印刷
法でハイブリツドICに代表されるものである。
これは、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多層化するものである。第２
はグリーンシート印刷法で、基板材料として未焼
成のセラミツク粉体を有機結合剤、可塑剤、溶剤
でスラリー状にし、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
いる方法である。このグリーンシートに導体と絶
縁体のペーストを印刷し一度で焼成を完了するも
のである。また第３はグリーンシート積層法で、
前述のグリーンシートに導体パターンを形成した
ものを所望の枚数積層して張り合わせる方法であ
りグリーンシート印刷法と同様一度の焼成で多層
基板が得られるものである。 一方、セラミツク多層基板に使用される導体材
料に注目すると、Au，Au―Pt，Ag―Pt，Ag，
Ag―Pdなどの貴金属を用いるものと、Ｗ，Mo，
Mo―Mnなどの高融点金属及びCu，Niなどの比
較的低融点の卑金属に大別することができる。ま
ず、始めの貴金属系ペーストでは、空気中で処理
ができ信頼性が高いことから大いに普及してい
る。しかし貴金属はコストが高いという問題点を
抱えている。またＷ，Mo，Mo―Mnなどの高融
点金属は、1600℃程度の高温すなわちグリーンシ
ートの焼結温度以上で同時焼成する必要があるた
め多層化に向く反面、還元雰囲気で焼成する必要
があるため、危険である。また導体抵抗も高く、
ハンダ付けのためにNiやAuのメツキ処理を必要
とするなどの問題点を有している。そこで低温で
処理でき、安価なCuやNiなどが注目されつつあ
る。 そこで、Cuペーストを用いたセラミツク多層
配線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
スクリーン印刷し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除去されず、良
好なメタライズも得られないからである。第２の
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ツプにつながるなど
の問題点を有している。そこで特願昭59年−
147833号においてセラミツク多層基板の作製にあ
たり、脱バインダダ工程、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充分な温度で行
ない酸化第二銅に還元する還元工程、基板の焼結
を行なう焼成工程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つた。 発明が解決しようとする問題点 しかしながら、以下に示すような問題点が明ら
かとなつた。それは、セラミツク多層基板の作製
において、その基板材料となるグリーンシート用
絶縁材料に使用し得る材料に限度があるためであ
る。なぜなら、酸化第二銅を出発原料とし、前記
のような還元雰囲気での熱処理工程を有する製造
方法では、絶縁材料（ガラス―セラミツク）の中
に還元される金属酸化物（PbO）を含んでいる
と、 PbO＋aMe→Pb＋MeaO Me：別の金属 の反応が起こり、金属化したPbを含む絶縁層は、
絶縁体としての機能が発揮できなくなる。したが
つて、導体材料にCuなどの卑金属を用いる場合、
絶縁材料としては、熱力学的に安定でCuと酸化、
還元反応を起こさない金属酸化物であるAl₂O₃，
B₂O₃，BaO，SiO₂，CaO，Na₂O，MgO，
Ta₂O₅，Nb₂O₅などから選ばれるべきである。一
方PbO，TiO₂などを含む系の低温焼結基板材料
は、使用できないとされているのである。しかし
上記のような、非PbO系の酸化物より構成された
基板材料は不充分な点が多い。例えば、前記の材
料では、絶縁抵抗が低く、誘電損失（tanδ）も悪
い傾向がある。また、軟化点も比較的高いものに
なり易いことで知られており、このような系で
は、焼結温度を低くすることが困難で、短時間焼
成も難しいなどの問題点を有している。一方、焼
結後の多層体の最上層配線は、酸化第二銅を出発
原料として用いるので、還元処理工程で、体積減
少（CuO→Cu）が起こり、そのため電極表面に
クラツクが多数発生し、緻密な電極とはいえない
ものとなつている。最も信頼性を要求される最上
層部の配線には、CuOを出発原料とするものは最
適とはいえない。 問題点を解決するための手段 上記問題点を解決するために、本発明のセラミ
ツク多層配線基板の製造方法において、絶縁材料
に信頼性が高く量産性にも富む鉛系ガラスの採用
を可能にすべく製造工程条件を構成して得られる
ものである。つまり製造工程の各工程条件を詳細
に検討し酸化鉛の非還元と酸化第二銅の還元を両
立させることを目的としたものである。 また最上層配線用導体ペーストを金属銅を主成
分としかつその形成を、多層体の還元後に行な
い、多層体の焼成と最上層導体の焼成とを窒素中
で同時に行なうものである。 作 用 本発明は、以下に示すような製造方法及び作製
工程条件で構成されるもので、電気絶縁性などの
信頼性に富みかつ低温及び短時間での焼成が可能
な鉛系ガラスを含む絶縁材料の使用を可能にした
セラミツク多層基板である。 以下に本発明の作用を説明する。 まず本発明の製造方法を説明すると、酸化第二
銅を導体材料とし、鉛系ガラスを含む低温焼結材
料を絶縁材料としてそれらを用いて多層体を形成
する工程とバインダの除去を行なう脱バインダ工
程、CuOをCuに還元する還元工程、Cuペースト
によつて最上層配線を形成する最上層Cu導体印
刷工程、そして最後に多層体と最上層配線を同時
焼成す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、除去を絶縁用ガラ
スの軟化点以下で行なう。そして還元工程で、酸
化第二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
程条件をある値に設定すれば酸化鉛の金属鉛への
還元を防止するとともに銅への還元が可能である
ことを見出した。つまり、前記の酸化第二銅で導
体パターンを形成した未焼結多層体を、空気中で
バインダ除去を行なつた後、金属銅への還元可能
な温度を実験により求めたところ、窒素中と水素
を含む雰囲気では、約250℃で還元反応が起こつ
た。またこの温度では、多層体内に含まれたPbO
はPbに還元されなかつた。次に同様の雰囲気で
還元温度を徐々に上げていつたところ、約600℃
以上で、Cuの還元と同時にPbの還元も起こるこ
とが判つた。また250℃の還元では熱処理時間に
よつては、銅に還元されない部分が残る場合があ
り、逆に高い場合、ガラス軟化点を越え、充分銅
に還元される前に酸化第二銅のままで内層部にと
り込まれる結果になることもあるので、実用上の
有効な範囲は、300〜500℃の間である。そして充
分な還元が終了した後、最上層の配線を金属Cu
粉を主成分とするペーストで印刷する。そして、
焼成工程では、窒素などの中性雰囲気でCuペー
ストの焼付けと絶縁材料の焼成を同時に行う。こ
れにより絶縁材中のPbOは還元されず良好な絶縁
機能を発揮する。さらに絶縁材と同時焼成される
最上層Cu層も緻密で良好なメタライズ性が得ら
れる。 以下にその実施例を示す。 実施例 まず本発明にかかるセラミツク焼結基板にはア
ルミナ96％（96Al₂O₃）を使用した。（厚み0.8mm
^ｔ）次に内層用導体ペーストは、酸化第二銅粉
（平均粒径3.0μm）に接着強度を向上させるため
のガラスフリツト（コーニング社製＃70593μm平
均粒径）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混練したものを
用いた。 次に絶縁ペーストは、鉛系ガラスを含む第一表
に示した組成の絶縁材料を無機成分とし、導体ペ
ーストと同様にビヒクルを加えて混練したものを
使用した。

【表】 なお絶縁材料の作製方法は、あらかじめ第１表
のガラス組成となるように高温で溶解させ、水中
に落下急冷させて後、湿式で平均粒径2μm程度に
まで粉砕する。そしてさらにセラミツク材料とし
て平均粒径0.8μmのアルミナ粉を混合して無機粉
体とするものである。 以上のようにして作製した内層用導体ペースト
と、絶縁ペーストを用いて多層体を作製する。そ
れは、前記アルミナ基板上に内層用導体ペースト
を用いて、スクリーン印刷で配線パターンを形成
し乾燥の後、絶縁ペーストをさらにその上部にス
クリーン印刷する。この工程を所定の回数くり返
し実施して多層体を作製する。この時最上層配線
は印刷せず、必要接続部を窓空け（バイアホー
ル）した絶縁層を上部に形成する。このようにし
て得られた多層体の断面図を第１図に示す。図に
おいて１はCuO層、２は絶縁層、３はアルミナ基
板である。 次にこの未焼結多層体のバインダ除去を行な
う。本実施例に使用した絶縁ガラスの軟化点はそ
れぞれ、626℃，619℃，630℃であり、軟化点以
下での脱バインダで実施することが必要である。
また本実施例に使用した導体及び絶縁体のペース
トに含まれる有機バインダはエチルセルロースで
あるので空気中での分解除去を行なうには、約
550℃以上の温度が望まれる。したがつて600℃で
の脱バインダを行なつた。そのプロフアイルを第
３図に示す。 なお、軟化点以上の温度での脱バインダは、内
部の酸化第二銅がそのまま絶縁材料で密閉される
おそれがあるため、後の還元工程でもCuに還元
できなくなる。また、バインダであるエチルセル
ロースの分解、除去は熱分析の結果に基づいて実
施したもので、バインダ除去後のカーボン量分析
の結果からも充分な除去が行なわれていることを
確認した。次に還元工程のプロフアイルを第４図
に示す。120mmφの管状炉内に前記の脱バインダ
済の積層体を挿入し、窒素ガスを0.7l／分、水素
ガスを0.7l／分の流量cm²流入させた。還元温度
は、200℃，300℃，400℃，500℃，600℃，700℃
の各温度で１時間保持し、冷却の後取出した。銅
への還元は、200℃以外はほぼ起こつており、300
℃では若干内部に酸化第二銅の存在を示す。黒色
を呈した部分があり、還元が充分実施できたとは
云えない。また、600℃以上の還元温度では、絶
縁層が灰色を呈しており、PbOが還元されたこと
を示している。以上の結果から還元工程は、300
℃〜500℃の間が適しており、厳密には400℃〜
500℃が最適である。 次に前記の還元済多層体の最上層部に金属銅ペ
ースト（Dupon社＃9153）で配線パターンをスク
リーン印刷し乾燥（120℃―10分間）した。最後
の焼成工程は純窒素中でメツシユベルト炉で連続
的に実施した。（BTUエンジニアリング社製200
mm幅ベルト炉）また内部の残存O₂をO₂濃度計に
より計測したところ１〜２ppmのO₂量であつた。
温度プロフアイル例を第５図に示す。前記の還元
済多層体の焼結と前記最上層Cuメタライズが同
時に形成されることになる。 以上のようにして得られた多層配線基板の構成
を第２図に評価結果を第２表に示す。４は本実施
例によつて作製されたCuメタライズ層である。

【表】 以上のように実用上充分な結果が得られた。ま
た作製条件の面で、焼成時間が約1hrと短い上、
同時焼成が可能であることから、量産性に富む製
造方法といえる。 なお評価方法のうち、接着強度の測定は、前述
のようにして作製したセラミツク多層基板上に２
mm角のCu電極パターンを形成しており、その上
にリード線（0.8mmφ）を垂直に半田付けし、引
張り試験機を用いてその破壊強度を測定したもの
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つて
極めて信頼性の高い鉛系ガラスを絶縁材料にし使
用できるセラミツク銅多層基板が得られるもので
ある。つまり鉛系ガラスは一般に絶縁抵抗が高
く、誘電性にもすぐれているといわれており、ま
た軟化点を低くすることも可能なので、短時間焼
成、低温焼成が容易となり、極めて量産に適した
絶縁材料といえる。また本発明のように最上層記
線の形成を、還元工程後に行うことで、絶縁材料
の焼結と同時に焼成が行なえることになり、メタ
ライズ性の面（接着強度、半田付け性、表面の緻
密さ）でも優れたCu配線が得られるものである。 さらに本発明の製造方法によつて得られる銅メ
タライズは、Cuの持つ導体抵抗の低さ、ハンダ
付け性の良さ、耐マイグレーシヨン性の良さ、低
コストの利点を充分に発揮できるものであり、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、本発明の印刷、乾燥後のセラミツク
多層基板の断面図、第２図は最上層配線を形成
し、焼成後のセラミツク多層配線基板の完成断面
図、第３図、第４図、第５図はそれぞれ、脱バイ
ンダ工程、還元工程、焼成工程の温度度プロフア
イルを示す概略図である。 １…CuO層、２…絶縁層、３…アルミナ基板、
４…Cuメタライズ層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 焼結済のセラミツク基板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印刷し、さら
   に酸化鉛を含むガラス・セラミツクス組成物より
   なる絶縁ペーストでパターン印刷し、前記酸化第
   二銅ペーストと前記絶縁ペーストを前記焼結済セ
   ラミツク基板の片面もしくは両面に所望の回数印
   刷をくり返して多層化する工程と、前記多層体を
   空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工程と、しかる後、
   水素と窒素の混合が又雰囲気中で300℃から500℃
   の間の温度で還元熱処理を行う工程と、前記還元
   済多層体の最上層部に金属銅ペーストの印刷によ
   つて最上層配線を形成する工程と、純窒素雰囲気
   中で焼結させる工程とを含むことを特徴とするセ
   ラミツク多層配線基板の製造方法。