JPH05167253A

JPH05167253A - 多層セラミック基板の製造方法

Info

Publication number: JPH05167253A
Application number: JP3328567A
Authority: JP
Inventors: Sei Yuhaku; 聖祐伯; Seiichi Nakatani; 誠一中谷; Eishin Nishikawa; 英信西川; Mikiya Shimada; 幹也嶋田; Yoshifumi Nakamura; 嘉文中村; Kazuhiro Miura; 和裕三浦
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1991-12-12
Filing date: 1991-12-12
Publication date: 1993-07-02
Anticipated expiration: 2013-09-24
Also published as: JP2803421B2

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、焼成時収縮が平面方向で起こらな
い多層セラミック基板の製造方法を提供するものであ
る。【構成】ガラス・セラミック低温焼結基板材料に少な
くとも有機バインダ、可塑剤を含むグリーンシートを作
製し、導体ペースト組成物で電極パターンを形成し、前
記生シートと別の電極パターン形成済みグリーンシート
とを所望枚数積層する。しかる後、前記低温焼結ガラス
・セラミックよりなるグリーンシート積層体の両面、も
しくは片面に、前記ガラス・セラミック低温焼結基板材
料の焼成温度では焼結しない無機組成物を挟み込むよう
に加圧形成した後，焼成する。しかる後、焼結しない無
機組成物を取り除くことにより焼成時の収縮が平面方向
で起こらない多層セラミック基板を作製するものであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体ＬＳＩ、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の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、低温焼結ガラス・セラミック多層
基板の開発によって、使用できる導体材料に、金、銀、
銅、パラジウムまたはそれらの混合物が用いられるよう
になった。これらの金属は従来使用されたタングステ
ン、モリブデンなどに比べ導体抵抗が低く、且つ使用で
きる設備も安全で低コストに製造できる。

【０００３】一方これらの金属の内、貴金属である金、
銀、パラジウムは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ないＣｕ電極材料の使用が望ま
れている。

【０００４】ここではそれらの低温焼結多層基板の代表
的な製造方法の一例を述べる。低温焼結多層基板の種類
には大きく分けて３種類の方法がある。まず第１に多層
基板の内層電極に銀を用い、低温焼結基板のグリーンシ
ートを所望の枚数積層し、空気中で焼成し、その後最上
層に銀、パラジウムペーストを印刷、焼成して得られる
ものである。これは内部にインピーダンスの小さい銀を
用い、最上層に半田耐熱を有する銀・パラジウムを使用
するものである。

【０００５】第２は、内部の電極に前者と同様に銀を用
い、最上層に銅を用いる方法で、最上層配線に銅を用い
ることで、前者の銀・パラジウムに比べ低いインピーダ
ンス、半田濡れの点で有効なものである。しかし、最上
層に用いる銅は銀との共晶温度が低いため６００℃程度
の低温焼成銅ペーストを用いなければならない。その結
果、接着強度、半田濡れの点で課題が多い。

【０００６】最後に第３の方法として、内層および最上
層に銅電極を用いる方法がある。導体抵抗、半田濡れ
性、コストの点で最も良いがすべて窒素などの中性雰囲
気で焼成しなければ成らずその作製が困難である。一般
に銅電極を使用するには、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十分燃焼する
ように酸素分圧を制御した窒素雰囲気中で焼成を行なう
ものである。

【０００７】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、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は困難であ
り、また多層化する場合、各ペーストを印刷後その都度
焼成を繰り返し行なう必要があり、リードタイムが長く
なり設備などのコストアップにつながるなどの課題を有
している。

【０００８】そこで特願昭５９−１４７８３３号公報に
おいて、セラミック多層基板の作製にあたり、酸化第二
銅ペーストを用い、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多層体を作製し、脱バ
インダ工程は、炭素に対して充分な酸素雰囲気でかつ内
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。次に酸化第二銅を銅に還元する還元工程、基
板の焼結を行な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。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、セラミ
ック多層基板には以下に示すような課題がある。

【００１０】それは、セラミック多層基板が焼成時に焼
結に伴う収縮が生じることである。この焼結に伴う収縮
は、使用する基板材料、グリーンシート組成、粉体ロッ
トなどにより異なる。これにより多層基板の作製におい
ていくつかの問題が生じている。

【００１１】まず第１に、多層セラミック基板の作製に
おいて前述のごとく内層配線の焼成を行なってから最上
層配線の形成を行なうため、基板材料の収縮誤差が大き
いと、最上層配線パターンと内層電極との接続がうまく
行えない。その結果、収縮誤差を予め許容するように最
上層電極部に必要以上の大きい面積のランドを形成しな
ければならず、高密度の配線を必要とする回路には使用
できない。また収縮誤差にあわせて最上層配線のための
スクリーン版をいくつか用意しておき、基板の収縮率に
応じて使用する方法が取られている。この方法ではスク
リーン版が数多く用意しなければならず不経済である。

【００１２】一方、最上層配線を内層焼成と同時に行な
えば大きなランドを必要としないが、この同時焼成法に
よっても基板そのものの収縮誤差はそのまま存在するの
で、最後の部品搭載時のクリーム半田印刷において、そ
の誤差のため必要な部分に印刷できない場合が起こる。
また部品実装においても所定の部品位置とのズレが生じ
る。

【００１３】第２にグリーンシート積層法による多層基
板は、グリーンシートの造膜方向によって幅方向と長手
方向によってもその収縮率が異なる。このこともセラミ
ック多層基板の作製の障害となっている。

【００１４】これらの収縮誤差をなるべく少なくするた
めには、製造工程において、基板材料およびグリーンシ
ート組成、の管理はもちろん、粉体ロットの違いや積層
条件（プレス圧力、温度）を十分管理する必要がある。
しかし、一般に収縮率の誤差は±０．５％程度存在する
と言われている。

【００１５】このことは多層基板にかかわらずセラミッ
ク、およびガラス・セラミックの焼結を伴うものに共通
の課題であり、基板材料の焼結が厚み方向だけ起こり、
平面方向の収縮がゼロの基板が作製できれば上記の様な
課題が解決でき、工業上極めて有効である。

【００１６】本発明は上記課題を解決し、焼成時の収縮
が平面方向で起こらない多層セラミック基板の製造方法
を提供するものである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
本発明は、ガラス・セラミック低温焼結基板材料に少な
くとも有機バインダ、可塑剤を含むグリーンシートを作
製し、導体ペースト組成物で電極パターンを形成し、前
記生シートと別の電極パターン形成済みグリーンシート
とを所望枚数積層し、このグリーンシート積層体の両面
もしくは片面に前記ガラス・セラミック低温焼結基板材
料の焼成温度では焼結しない無機組成物を加圧成形によ
り形成した後、焼成する。しかる後、焼結しない無機組
成物を除去する方法によって得られものである。

【００１８】

【作用】本発明の製造法は、ガラス・セラミック低温焼
結基板材料に少なくとも有機バインダ、可塑剤を含むグ
リーンシートを作製し、導体ペースト組成物で電極パタ
ーンを形成し、前記生シートと別の電極パターン形成済
みグリーンシートとを所望枚数積層し、このグリーンシ
ート積層体の両面もしくは片面に、前記ガラス・セラミ
ック低温焼結基板材料の焼成温度では焼結しない無機組
成物を加圧成形により形成する。このような構成にする
ことにより，焼成時の収縮が厚み方向のみに起こり，平
面方向の収縮は起こらない。これは、両面もしくは片面
に形成した焼結しない材料で挟み込まれているため、平
面方向の収縮が阻止されるためと考えられる。この後、
不必要な焼結しない材料を取り除けば、所望のガラス・
セラミック基板が得られる。

【００１９】

【実施例】以下本発明の一実施例について、図面を参照
しながら説明する。

【００２０】（実施例１）まず多層セラミック基板の作
製方法を説明する。本発明の製造プロセスは図１に示す
方法で行なった。

【００２１】基板材料のガラス・セラミックは，ホウ珪
酸鉛ガラス粉末にセラミック材料としてのアルミナ粉体
を５０対５０の重量比で混合した組成物（日本電気硝子
社製ＭＬＳ−１９）を用いた。このガラス・セラミック
粉体と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重量
比）を混合しスラリーとした。

【００２２】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形した。この時、造膜から乾燥、
打ち抜き、さらには必要に応じてバイアホール加工を行
う各工程を連続的に行うシステムを使用した。このグリ
ーンシートに銀ペーストを用いて導体パターンの形成お
よびビアホール埋め印刷をスクリーン印刷法によって行
った。導体ペーストは、Ａｇ粉末（平均粒径１μｍ）に
接着強度を得るためのガラスフリット（日本電気硝子社
製ＧＡ−９ガラス粉末、平均粒径２．５μｍ）を５ｗ
ｔ％加えたものを無機成分とし、これに有機バインダで
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
クルを加えて、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。なおビア埋め用のＡｇペース
トは更に無機成分として前記ガラス・セラミック粉末を
１５重量％加えたものを使用した。

【００２３】この印刷を施したグリーンシートを所定の
枚数積み重ね、熱圧着して積層体を形成した。熱圧着条
件は、温度が８０℃、圧力は３００Ｋｇ／ｃｍ₂で行っ
た。このグリーンシート積層体の両面に焼成温度では焼
結しない無機組成物を加圧成形により形成した。無機組
成物には，アルミナ（住友アルミ社製ＡＬ−４１平均
粒径１．９μｍ）粉体に粘着性をもたせるためにＰＶＡ
水溶液を５ｗｔ％添加したものを使用した。図２は、キ
ャビティを設けたグリーンシート積層体のアルミナ形成
方法を示す。金型１内にアルミナ粉体、積層体、アルミ
ナ粉体の順に入れ２００Ｋｇ／ｃｍ₂の圧力で成形し
た。

【００２４】図３、図４にアルミナを形成した積層体の
断面図を示す。次にこのアルミナを形成した積層体をア
ルミナ９６％焼結基板上に乗せ焼成した。条件は、ベル
ト炉を用いて空気中９００℃で１時間（９００℃での保
持時間は約１２分）で行った。焼成後，酢酸ブチル溶剤
中で超音波洗浄を行なったところ積層体表面の未焼結ア
ルミナ層をきれいに取り除くことができた。焼成後の基
板の平面方向の収縮率を測定すると、収縮率が０．１％
以下であった。

【００２５】この結果、平面方向の収縮が極めて小さい
多層基板が作製できた。さらにこの多層基板に銀・パラ
ジウムペーストによって最上層パターンをスクリーン印
刷し、乾燥の後，焼成を前記と同様の方法で行なった。
内層基板の収縮が極めて小さい為、最上層パターンの印
刷ズレがなかった。

【００２６】（実施例２）基板材料のガラス・セラミッ
クグリーンシートは実施例１と同様の組成の物を用い
た。このグリーンシートにCuOペーストを用いて導体パ
ターンの形成およびビアホール埋め印刷をスクリーン印
刷法によって行った。導体ペーストは、CuO粉末（平均
粒径３μｍ）に接着強度を得るためのガラスフリット
（日本電気硝子社製ＬＳ−０８０３ガラス粉末、平均粒
径２．５μｍ）を３ｗｔ％加えたものを無機成分とし、
これに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を加えて、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。なおビ
ア埋め用のCuOペーストは更に無機成分として前記ガラ
ス・セラミック粉末を１５重量％加えたものを使用し
た。

【００２７】この印刷を施したグリーンシートを所定の
枚数積み重ね、熱圧着して積層体を形成した。熱圧着条
件は、温度が８０℃、圧力は２００Ｋｇ／ｃｍ2でおこ
なった。このグリーンシート積層体の両面に実施例１と
同様の方法で無機組成物を形成した。無機組成物には，
酸化ベリリュウム（関東化学製平均粒径１μｍ）粉体
を使用した。

【００２８】次に、焼成であるが，この焼成工程を説明
する。まず最初は、脱バインダ工程である。発明に使用
したグリーンシート、ＣｕＯペーストの有機バインダ
は、ＰＶＢ及びエチルセルロースである。したがって空
気中での分解温度は、５００℃以上あれば良いので、６
００℃の温度で行なった。その後前記積層体を水素ガス
１００％雰囲気中で２００℃ー５時間で還元した。この
時のＣｕ層をＸ線回折により分析したところ１００％Ｃ
ｕであることを確認した。

【００２９】次に焼成工程は、純窒素中９００℃である
メッシュベルト炉で焼成した。以上の様にして作製した
積層体の表面の酸化ベリリウム層を実施例１と同様超音
波洗浄にて取り除き収縮率を評価したところ０．０５％
以下の収縮であった。

【００３０】本実施例においても最上層に銅ペーストを
用いて印刷、焼成を行なったところ、良好な低温焼結多
層基板が得られた。

【００３１】なお本実施例において、未焼結材料として
Ａｌ₂Ｏ₃およびＢｅＯを用いたが、その他ＭｇＯ，Ｚｒ
Ｏ2，ＴｉＯ2，ＢＮを用いても同様の効果が得られた。
またキャビティを積層体の片面に設けたが，両面に設け
ても同様の効果が得られた。また未焼結層を両面に形成
して行なったが、片面だけに形成しても荷重を加えれば
同様の効果が得られた。ただし、加圧しない場合は形成
していない面だけが焼結収縮するため基板の反りが発生
する。

【００３２】また、最上層パターンの形成を基板焼成後
に行なったが、最上層ペーストをグリーンシート上に印
刷し、同時焼成しても得られることは云うまでもない。

【００３３】以上のように本発明は、多層セラミック基
板の作製工程において焼結の起こらない無機組成物を積
層体に設け焼成を行なうと、焼結による収縮が平面方向
で全く起こらない多層基板が得られる。本方法は、セラ
ミック多層配線基板だけでなく積層セラミックコンデン
サや収縮率の安定性が要求されるセラミック構造材料な
どに応用できることは云うまでもない。

【００３４】

【発明の効果】本発明は前記のような工程を行なうこと
によって、ガラス・セラミック基板が焼成時において厚
み方向だけ収縮し、平面方向には収縮しないキャビティ
を設けた多層基板が得られる。これにより多層基板に使
用する基板材料、グリーンシート組成、粉体ロットなど
に依存せず常に同一寸法の基板が得られる。同様に多層
セラミック基板の作製において前述のごとく内層配線の
焼成を行なってから最上層配線の形成を行なっても、最
上層配線パターンと内層の接続が完全に行える。その結
果、接続用のランド面積が小さくでき、高密度な多層配
線基板が得られる。さらにスクリーン版が少なくて済
み、基板設計において収縮率を逆算し内層パターンを拡
大する必要がないので経済的である。また本発明の無機
組成形成方法は、無機組成に粉体を使用しているのでキ
ャビティな構造の基板に有効である。

【００３５】以上のように、グリーンシート積層法の最
大の欠点であった、収縮誤差の課題を解決する極めて有
効な発明である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の製造方法を示すフローチャー
ト

【図２】本発明の実施例の無機組成物形成時の金型内部
の断面図

【図３】本発明の実施例の無機組成物形成後のキャビテ
ィを設けた積層体の断面図

【図４】本発明の実施例の無機組成物形成後の平坦形状
の積層体の断面図

【符号の説明】

１金型２グリーンシート積層体３アルミナ粉体４内部電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者嶋田幹也大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者中村嘉文大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者三浦和裕大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導体ペースト組成物で電極パターンを形
成した少なくとも有機バインダ、可塑剤を含むガラス・
セラミックよりなるグリーンシートを所望枚数積層し、
このグリーンシート積層体の両面、もしくは片面に、焼
成温度では焼結しない無機組成物を加圧形成した後、焼
成処理を行い、その後前記焼結しない無機組成物を取り
除くことを特徴とする多層セラミック基板の製造方法。
【請求項２】焼成温度を８００℃〜１０００℃の範囲
で行なうことを特徴とする請求項１に記載の多層セラミ
ック基板の製造方法。
【請求項３】焼成処理で焼結しない無機組成物が、Ａ
ｌ₂Ｏ₃，ＭｇＯ，ＺｒＯ₂，ＴｉＯ₂，ＢｅＯ，ＢＮ，の
内少なくとも１種以上を含む粉体からなることを特徴と
する請求項１に記載の多層セラミック基板の製造方法。
【請求項４】焼成処理で焼結しない無機組成物を超音
波洗浄法で取り除くことを特徴とする請求項１に記載の
多層セラミック基板の製造方法。
【請求項５】導体ペーストがＡｇ，Ａｇ／Ｐｄ，Ａｇ
／Ｐｔ，Ｃｕのいずれかを主成分とすることを特徴とす
る請求項１に記載の多層セラミック基板の製造方法。
【請求項６】焼成処理時に積層体を加圧して焼成を行
なうことを特徴とする請求項１に記載の多層セラミック
基板の製造方法。
【請求項７】焼成処理で焼結しない無機組成物の形成
圧力が，平方センチあたり５０kg〜５００kgであること
を特徴とする請求項１に記載の多層セラミック基板の製
造方法
【請求項８】酸化第２銅を主成分とする導体ペースト
組成物で電極パターンを形成した少なくとも有機バイン
ダ、可塑剤を含むガラス・セラミックよりなるグリーン
シートを所望枚数積層し、このグリーンシート積層体の
両面、もしくは片面に、焼成温度では焼結しない無機組
成物を加圧形成した後、空気中で多層体内部の有機バイ
ンダが分解・飛散する温度で熱処理し、しかる後、水素
もしくは水素と窒素の混合ガス雰囲気中で還元熱処理を
行い、さらに、前記還元熱処理済み多層体を窒素雰囲気
中で焼結させ、しかる後、焼結しない無機組成物を取り
除くことを特徴とする多層セラミック基板の製造方法。
【請求項９】焼成処理で焼結しない無機組成物を取り
除いた後、さらに最上層部にＣｕペーストで配線パター
ンを形成し、窒素雰囲気中で焼成することを特徴とする
請求項８に記載の多層セラミック基板の製造方法。
【請求項１０】焼成処理を８００℃〜１０００℃の範
囲で行なうことを特徴とする請求項８に記載のセラミッ
ク基板の製造方法。
【請求項１１】焼成処理では焼結しない無機組成物
が、Ａｌ₂Ｏ₃，ＭｇＯ，ＺｒＯ₂，ＴｉＯ₂，ＢｅＯ，Ｂ
Ｎ，の内少なくとも１種以上を含む粉体からなることを
特徴とする請求項８に記載の多層セラミック基板の製造
方法。
【請求項１２】焼成処理で焼結しない無機組成物を超
音波洗浄法で取り除くことを特徴とする請求項８に記載
の多層セラミック基板の製造方法。
【請求項１３】焼成処理時に積層体を加圧して焼成を
行なうことを特徴とする請求項７に記載の多層セラミッ
ク基板の製造方法。
【請求項１４】焼成処理で焼結しない無機組成物の形
成圧力が，平方センチあたり５０kg〜５００kgであるこ
とを特徴とする請求項８に記載の多層セラミック基板の
製造方法。
【請求項１５】キャビティを設けた積層体の両面，も
しくは片面に、焼成温度では焼結しない無機組成物を加
圧形成することを特徴とする請求項１または請求項８に
記載の多層セラミック基板の製造方法。
【請求項１６】焼成温度を８００℃〜１０００℃の範
囲で行なうことを特徴とする請求項１５に記載の多層セ
ラミック基板の製造方法。
【請求項１７】焼成処理で焼結しない無機組成物が、
Ａｌ₂Ｏ₃，ＭｇＯ，ＺｒＯ₂，ＴｉＯ₂，ＢｅＯ，ＢＮ，
の内少なくとも１種以上を含む粉体からなることを特徴
とする請求項１５に記載の多層セラミック基板の製造方
法。
【請求項１８】焼成処理で焼結しない無機組成物を超
音波洗浄法で取り除くことを特徴とする請求項１５に記
載の多層セラミック基板の製造方法。
【請求項１９】導体ペーストがＡｇ，Ａｇ／Ｐｄ，Ａ
ｇ／Ｐｔ，Ｃｕのいずれかを主成分とすることを特徴と
する請求項１５に記載の多層セラミック基板の製造方
法。
【請求項２０】焼成処理時に積層体を加圧して焼成を
行なうことを特徴とする請求項１５に記載の多層セラミ
ック基板の製造方法。
【請求項２１】焼成処理で焼結しない無機組成物の形
成圧力が，平方センチあたり５０kg〜５００kgであるこ
とを特徴とする請求項１５に記載の多層セラミック基板
の製造方法