JPH05218654A - マイクロ波を用いたセラミック複合構造の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 導体の多層および相互接続回路パターンを有
するセラミック基板のマイクロ波による製造方法を提供
する。 【構成】 製造工程は、空気のような酸化雰囲気中でバ
インダをマイクロ波バーンアウトすることを含み、その
バーンアウトは、従来の加熱によるバーンアウトよりも
かなり高速である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超大規模集積回路の製
造において半導体チップが電気的に実装される回路基板
として有用な基板のマイクロ波を用いた製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来技術および解決すべき課題】多層セラミック回路
基板は、絶縁体として働くセラミック層の間に挟まれ
た、導体として働くパターン化金属層を有している。こ
れらのセラミック基板は、ガラス粒子の、または、バイ
ンダに混合されたガラスおよび結晶粒子の混和物の、薄
いグリーンシートと、セラミック・グリーンシート間に
導体を形成するためにバインダに混合した金属粒子を含
むペースト・パターンとを、共に積層させることにより
形成される。このグリーン積層体は、焼成されてバイン
ダ物質をバーンオフし、焼成されて粒子を高密度状態に
癒合させ、もし必要なら焼成されて高密度ガラス粒子を
結晶化し、あるいは焼成されてガラスおよび結晶粒子の
混和物を結晶化して絶縁体を形成し、金属粒子を癒合さ
せて導電金属ラインを形成する。

【０００３】この技術分野ではセラミックおよびガラス
セラミックという語は、互換的に用いることが多い。こ
の明細書では混乱を避けるために、次の定義を用いる。
セラミックという語は、結晶間の隙間に選択的にガラス
等の非晶質物質を含むことのできるランダムに配向され
た結晶の凝集体を意味する。癒合または高密度化という
語は、グリーンシート内の細孔の密度を減少させる熱処
理を指す。結晶化という語は、癒合または高密度化後の
加熱、あるいは、癒合工程または高密度化工程がない場
合はガラスから微結晶を作る加熱を指す。焼結という語
は、最終セラミックを形成するのに必要な熱処理を指
す。結晶化可能ガラス粒子のグリーンシートの焼結は、
グリーンシートの癒合または高密度化のための熱処理
と、ガラスから微結晶を形成するための熱処理とを含
む。ガラス粒子と結晶粒子との混和物のグリーンシート
の焼結は、グリーンシートを癒合または高密度化させる
熱処理と、それ以上の結晶化が必要な場合だけ結晶化熱
処理とを含む。焼結温度という語は、グリーンシートが
結晶化を必要とする場合、結晶化温度を意味する。焼結
温度という語は、また、グリーンシートが結晶化を必要
としない場合、癒合温度を意味する。

【０００４】粒子癒合および高密度化に高温が要求され
るアルミナのようなセラミックで作られる基板は、共に
焼結可能な導電金属の選択を高融点金属、例えばモリブ
デン，タングステン，白金，パラジウム，またはそれら
を互いに、または他の所定の金属と組み合わせたもの等
の耐火性金属に制限し、アルミナ焼結温度より低い融点
を持つ金，銀，銅等の良い導体の使用を排除する。アル
ミナは良絶縁体であり、高い熱伝導率と大きな強度を有
している。しかし、アルミナは誘電率および熱膨張率に
関して不利である。アルミナの比較的高い約１０の誘電
率は、受容できない電気信号遅延をもたらす。なぜな
ら、基板の誘電物質内に埋込まれた金属導体によって形
成される伝送線上のパルス伝達速度は、物質の誘電率の
平方根に反比例するからである。シリコンよりも高いア
ルミナの熱膨張率は、チップ上のデバイスおよび回路要
素を基板に電気的機械的に接続する半田接合において、
せん断応力を発生する。

【０００５】ガラスセラミックと呼ばれる物質は近年、
回路基板としての使用を徹底的に研究されてきた。これ
らのセラミックは一般的に、低誘電率と、シリコンの値
に近い低熱膨張率と、低焼結温度とを有している。低焼
結温度は、銅および貴金属のような低融点金属を導体と
して使用することを許容する。貴金属は銅に匹敵する低
抵抗を有する。しかし、銅は安価であるため、その使用
は製造コストをかなり減少させる。銅を導体として使用
するとき、セラミックを形成するのに使用されるグリー
ンシート内に含まれ、かつ、銅導体を形成するのに使用
されるペーストに含まれる熱可塑性有機バインダ物質
を、銅がほとんど酸化されないような雰囲気および温度
でバーンアウトすることが必要である。

【０００６】バインダのバーンアウトを失敗すると、所
望のセラミック特性が得られない。例えば、バインダが
完全にバーンアウトされないならば、残留炭素が焼結さ
れたセラミック内に残り、セラミックの誘電率を変更
し、完全な高密度化を抑制する。セラミックは、残留炭
素含有量がわずか約０．１％であれば、１０００より大
きい見掛け上の誘電率を有するブラックとなり、焼成セ
ラミックは絶縁体ではなく半導体となる。酸化雰囲気は
一般的にバインダをバーンアウトするのに必要である。

【０００７】バインダの除去は、バーンアウト雰囲気が
酸化可能な金属配線および金属面を過度に酸化してはい
けないという付加的な要件によって複雑化する。もし、
金属が過度に酸化されれば、酸化金属がセラミック内に
拡散し、セラミックの絶縁特性を変更する。また、金属
が過度に酸化されると、その金属は膨張し、グリーン積
層体内に応力を発生し、グリーン積層体の剥離およびク
ラッキングを引き起こす。このようなクラックは焼結熱
処理によって除去されず、クラックのためにセラミック
がもろくなる。

【０００８】以下の２文献が、バインダ・バーンアウト
およびセラミックの製造を一般的に説明している。すな
わち、米国特許第４，２３４，３６７号明細書および米
国特許第４，５０４，３３９号明細書である。

【０００９】米国特許第４，２３４，３６７号明細書
は、結晶化可能なガラス粒子を含むグリーン積層体を、
水素および水蒸気の雰囲気中で、１分当り１℃〜３℃の
割合で、約７００℃〜８００℃のバーンアウト温度まで
加熱することによって得られる銅ベース導体膜の多層相
互接続回路パターンを有する焼結セラミック基板を形成
する方法を説明している。より低いバーンアウト温度
は、炭素を除去するためには不可能なほど過度の時間を
要する。バインダ・バーンアウト時間は、米国特許第
４，２３４，３６７号明細書のＦＩＧ．４から明らかな
ように、約１１時間である。この時間は、１）焼結の
際、製品を収縮ではなく膨張させてしまうエントラップ
ド揮発性生成物によって引き起こされるセラミック製品
の膨張を回避すること、２）バインダ中の炭素を完全に
酸化すること、３）酸化銅の生成による銅導体の激しい
体積変化を回避すること、４）銅に対して中性還元条件
を保持することのために必要とされる。バインダをバー
ンアウトした後、積層体を中性雰囲気中で焼結し、まず
積層体を加熱して密な状態に癒合させ、しかるのち、加
熱して高密度化ガラス粒子から結晶を生成させて、セラ
ミック物質を形成する。

【００１０】同時係属の米国特許出願９２９，９７５号
明細書は、バインダをバーンアウトした後に還元雰囲気
中で焼結することにより、銅ベース導体の多層相互接続
回路パターンを含む焼結セラミック基板を形成する方法
を説明している。その教示は本明細書において参照され
たい。米国特許第４，５０５，３３９号明細書は、ガラ
スと微結晶粒子の混和物からなるグリーン積層体から、
銅ベース導体膜の多層相互接続回路パターンを含む焼結
セラミック基板を形成する方法を説明している。バイン
ダは次のようにしてバーンアウトされる。すなわち、不
活性雰囲気、例えば窒素の制御雰囲気で、分圧が０．０
０５〜０．３気圧の水蒸気を含むようにし、温度を５５
０℃〜６５０℃にして、グリーン積層体内のバインダを
バーンアウトするのに十分な時間、基板を焼成し、しか
るのちに、水を含まない不活性雰囲気中で温度を焼結温
度まで上げ、グリーン積層体を癒合させ、セラミックを
形成する。バインダ・バーンアウト時間は、米国特許第
４，５０５，３３９号明細書のＦＩＧ．２から明らかな
ように、約８時間である。バーンアウト温度の上限は、
６５０℃に制限される。なぜなら、もし使用されるバー
ンアウト温度がこれ以上高いと、グリーンシートのガラ
ス要素が癒合を始めて、それ以上のバインダ除去を妨げ
るからである。

【００１１】米国特許第４，５０４，３３９号明細書お
よび第４，２３４，３６７号明細書は、バーンアウト速
度を増大させるためにバーンアウト温度を上げることを
教示している。本発明では、従来の方法で必要とされ
た、より高い温度の必要性を排除して、バーンアウト速
度の増大を達成するのが目的である。

【００１２】本発明の方法は、まずバインダを空気中で
マイクロ波放射と共に焼成して、バーンアウトすること
により得られる導体膜の多層相互接続回路パターンを含
む焼結セラミック基板を形成する。バインダ・バーンア
ウト時間は約数分であり、従来の、幾時間も必要だった
バーンアウト時間と対照的である。バインダは従来の雰
囲気中よりも空気雰囲気中の方がより効率的にバーンア
ウトされる。さらに、不活性または還元雰囲気中で温度
をセラミック焼結温度まで上げ、好適には、マイクロ波
放射を加える。

【００１３】従来技術は、空気中でバインダをバーンア
ウトするためにマイクロ波放射を用いることを教示また
は示唆していない。従来バーンアウトに必要だった特別
の雰囲気を、空気の使用により回避することによって、
セラミック回路基板製造工程が実質的により簡単で安価
になる。バインダ・バーンアウトにマイクロ波放射を用
いると、基板製造時間を実質的に減少させることがで
き、それによって基板コストも実質的に減少する。

【００１４】改良されたバーンアウト・プロセスにおい
て温度，時間，雰囲気といったパラメータは重要である
が、金属導体を有するセラミックを集積回路基板として
用いるならば、他の要件も考察されねばならない。これ
らの他の要件は次のような要件を含んでいる。第１に、
ほぼ純粋な銅の約３倍の抵抗率を有するモリブデンのよ
うな物質の抵抗率より大きくない抵抗率を、埋込まれた
導電ラインが好適に有することである。モリブデンの抵
抗率は、多層セラミック基板の技術的現状にとって、特
に高性能応用にとって限界である。モリブデン細線は一
般的に、低損失伝送線としてはあまりにも高抵抗であ
り、モリブデンの電圧面は、電力配分システムに必要と
される高電流に対してあまりにも高抵抗である。第２
に、埋込まれた導体の酸化は、グリーン積層体を妨害す
るほど大きくしてはならないことである。導体表面での
酸化物の形成は、酸化物質の体積膨張を引き起こし、結
果的にグリーン積層体の剥離およびクラッキングを引き
起こす応力を発生させる。第３に、金属酸化物のセラミ
ックへの相互拡散によって引き起こされるセラミックの
誘電率の変化を制限して、誘電率をアルミナの誘電率
（約１０）より小さい値に保持するようにしなければな
らないことである。

【００１５】予期せぬことに、バインダを空気中でマイ
クロ波と共にバーンアウトすると、銅ベース金属がセラ
ミック基板内の導体パターンに使用されたときでさえ、
これらの要件はすべて満たされるということが分かっ
た。マイクロ波バーンアウトは、バーンアウト中のワー
クピースを銅が酸化されるのに十分な高温まで熱しな
い。

【００１６】驚くべきことに、グリーン・セラミックお
よび金属ペースト・パターンの活性複合体は、マイクロ
波放射によって焼結すると、全最終構造の完全性が保持
され、その中の導体の完全な酸化を回避できることが分
かった。

【００１７】本発明の目的は、導体パターンを有する多
層セラミック基板を製造する改良された方法を提供する
ことにある。

【００１８】本発明の他の目的は、銅ベース金属をそこ
に含む積層非焼結グリーン複合体をマイクロ波と共に焼
結することにより、多層セラミック回路基板を製造し、
その際、セラミック絶縁体内に炭素質残留物を残さず、
銅ベース金属をほとんど酸化させず、かつ、セラミック
層を分解させないように、有機バインダ樹脂を空気中で
完全にバーンアウトすることにある。

【００１９】本発明の他の目的は、セラミックの誘電率
が製造プロセスによって悪影響を受けないように、導体
を埋込んだセラミック構造を製造する改良された方法を
提供することにある。

【００２０】米国特許第４，９６３，７０９号明細書
は、アルミナ粉末を圧縮し、マイクロ波と共に熱処理に
かけて、アルミナ粉末を高密度化することを教示してい
る。埋込まれた導体またはバインダに関する教示または
示唆はない。そのため、残留物および導体の酸化に注目
していない。

【００２１】米国特許第４，５２９，８５７号明細書
は、相互間に結合剤としての時計油にガラス粒子を混ぜ
たスラリを配して、第１のアルミナ構造と第２のアルミ
ナ構造を接合することを説明している。マイクロ波が加
えられると、マイクロ波は７００ワットのマイクロ波炉
内に９９分間置かれた時計油によって吸収される。第２
欄，４３〜４６行には、“時計油が対流伝熱によってゆ
っくりと温度を上げると、マイクロ波加熱された有機油
結合剤からの対流伝熱によって、ガラスも温度を上げ
る。その結果、油とガラスの混合体は、時計油結合剤の
分解温度に到達する。”と記載されている。アルミナ基
板は、封止剤によって焼結されない。アルミナ基板は、
導体を含むとは説明されていない。そのため、炭素残留
物および導体酸化には注目していない。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明の方法は、広い見
地から見ると、セラミックまたはガラスによって形成さ
れるグリーンシート内のバインダがマイクロ波によって
バーンアウトされるように、導体を有する多層セラミッ
クまたはガラス複合構造を形成する工程を含んでいる。

【００２３】複合構造は、ガラス粒子、またはガラス粒
子と結晶粒子の混和物をバインダ内に分散させた熱可塑
性有機バインダを含む、少なくとも１つのグリーンシー
トから形成される。グリーンシートの焼結温度は複合構
造内で導体を形成する金属の融点以下である。グリーン
シートの表面には、導体構成構造パターンが堆積され
る。

【００２４】第２のグリーンシートは、第１および第２
のグリーンシートの間に金属パターンを挟んで第１のグ
リーンシートの表面に重ね合わされる。多層構造は、任
意の数の導電層、および、導電層の間に配置されたグリ
ーンシート層を有している。グリーンシートは共に積層
される。積層されたグリーンシートは、ある雰囲気、例
えば空気中でバーンアウト温度にマイクロ波加熱され、
バインダを分解および除去するのに十分な時間保持され
る。好ましくは、マイクロ波加熱の電力は約５０Ｗ〜２
５０Ｗであり、周波数は２００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚで
ある。

【００２５】バーンアウト温度は、グリーン積層体およ
びその中の導体前駆体ペーストの状態に大幅な変化を引
き起こすほど十分ではない。不活性または還元雰囲気を
供給し、積層体を焼結すると、構造の内部に少なくとも
１つの導体層を有するセラミック構造が形成される。ガ
ラス粒子のグリーンシートに対する焼結は、グリーン積
層体を密な状態に癒合させるのに十分な温度まで加熱す
る工程と、しかるのちに、ガラス粒子をセラミック複合
物質へと結晶化する加熱工程とを含んでいる。追加的な
結晶化が要求されないならば、ガラス粒子と結晶粒子の
混和物のグリーンシートに対する焼結は、グリーン積層
体を密な状態に癒合してセラミックを形成するのに十分
な温度まで加熱する工程に限定される。もし、追加的な
結晶化が要求されれば、高密度化した積層体を、しかる
のちに、加熱して、ガラス粒子を結晶化し、セラミック
を形成する。

【００２６】本発明の他の特定の面において、導体パタ
ーンを形成するのに使用される金属は、好適には、銅ベ
ースである。

【００２７】本発明のより特定の面において、多層セラ
ミック構造内の導体パターンは、構造の少なくとも１つ
の表面に延びていることである。半導体チップはセラミ
ックまたはポリマ表面に実装され、少なくともパターン
延長部に電気的に接続され、選択的に、導体を含むポリ
マ体に電気的に接続される。

【００２８】さらに、非常に短い時間（好ましくは約５
分〜６０分間）に、従来の処理で可能なよりも低い温度
で（好ましくは約１６０℃〜４５０℃）バインダを除去
するために、マイクロ波放射を使用する。グリーン・セ
ラミックはマイクロ波放射を用いて選択的に焼結でき
る。好ましくは、マイクロ波焼結の電力は約１０Ｗ〜１
００Ｗであり、周波数は約２００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚ
である。

【００２９】

【実施例】便宜上、以下の説明では銅ベース導体を用い
た発明を説明する。しかし、本発明は銅ベース導体に限
定されない。本発明によると、ガラス粒子、またはガラ
スおよび結晶粒子の混和物であるグリーンシート内バイ
ンダであり焼結セラミック製品を製造するのに用いるバ
インダ、および、銅ベース・ペースト内バインダであり
焼結製品内に導体を形成するのに用いるバインダを、空
気雰囲気中でバーンアウトし、バインダ・バーンアウト
にマイクロ波を用いて、銅ベース導体の表面で最小の無
害な酸化を維持する。

【００３０】本発明の方法により製造されるセラミック
複合構造は、次のような基板として有用である。すなわ
ち、基板上に、半導体チップを実装し、基板を電気的に
接続するプリント回路基板のような支持構造にこのよう
な半導体チップ上のデバイスおよび回路要素の電気的接
続部を設ける。

【００３１】本発明の目的は、電気回路導体を設けるの
に用いられるメタライゼーションに共用可能な温度で、
電子回路を実装するのに適したセラミック物質を製造す
る方法を提供することにある。この方法は、銅のように
セラミック物質上または物質内に形成される金属の融点
または焼結温度以下の温度で実施することが重要であ
る。銅の融点は約１０８３℃である。もしメタライゼー
ションが過度に加熱されると、メタライゼーションは溶
融し、分散し、ガラスに対するフラックスとして働き、
セラミック物質上にパドル（ｐｕｄｄｌｅ：溜り）を形
成する。もしメタライゼーションが損傷されれば、集積
回路構造内の電気回路が破壊されるため、パッケージの
価値を破壊する。パッケージ上でのメタライゼーション
構造の保持に共用可能な、より低い温度でセラミック物
質を処理することは、電子回路実装技術の前提条件であ
る。パッケージで使用する金属は、Ａｇ，Ａｕ，Ａｌ，
Ｐｔ，Ｍｏ，ＰｄおよびＣｕまたはこれらのアルミニウ
ム合金等であるが、それらに限定されない。

【００３２】複合構造は少なくとも１つのグリーンシー
トから形成され、グリーンシートは結晶化可能ガラスの
バインダ粒子、またはガラス粒子と結晶粒子の混和物の
バインダ粒子内に分散させた熱可塑性有機バインダを含
んでいる。一般的に使用されるセラミック・バインダは
Ｂｕｔｖａｒ（Ｍｏｎｓａｎｔｏ Ｉｎｃ．社の登録商
標），ポリ（ビニルブチラール），およびポリ（酢酸ビ
ニル），ポリ（メタアクリル酸メチル）、およびセルソ
ルブアセテートである。このようなバインダは単なる例
であってこれらに限定されるものではない。グリーンシ
ートの焼結温度は、複合構造内で導体を形成する銅ベー
ス金属の融点より低い。結晶化可能ガラス粒子からなる
グリーンシートの焼結温度は、結晶化温度である。ガラ
スおよび結晶粒子の混和物の焼結温度は、もしそれ以上
の結晶化が要求されなければ、癒合温度であり、さらに
結晶化が要求されれば、結晶化温度である。

【００３３】本発明を実施するのに有用な結晶化可能ガ
ラスの例は、米国特許第４，３０１，３２４号明細書に
開示されており、そのようなセラミック構造を製造する
方法は、米国特許第４，４１３，０６１号明細書に開示
されている。この２つの明細書の教示は、本明細書にお
いて参照されたい。開示されたセラミック構造は、低誘
電率を特徴とし、共に焼結可能な銅ベース金属の回路と
共用可能である。これらのガラスは約８５０℃〜９７０
℃の範囲の結晶化温度を有している。

【００３４】前掲の米国特許第４，３０１，３２４号明
細書および第４，４１３，０６１号明細書に開示された
２種類のセラミックのうち、一方は主結晶相としてリチ
ア輝石Ｌｉ₂ Ｏ・Ａｌ₂ Ｏ₃ ・４ＳｉＯ₂ を有し、他方
は主結晶相として菫青石２ＭｇＯ・２Ａｌ₂ Ｏ₃ ・５Ｓ
ｉＯ₂ を有している。これらの焼結セラミックに共通す
る特徴は、他にもあるが、１０００℃以下におけるそれ
らの優れた焼結可能性と結晶化である。

【００３５】ここで用いられたリチア輝石ガラスおよび
菫青石ガラスという語は、癒合も結晶化もしていないガ
ラス粒子を指す。ここで用いられたリチア輝石セラミッ
クおよび菫青石セラミックという語は、癒合および結晶
化されたセラミックを指す。

【００３６】本発明の多層セラミックは、米国特許第
４，３０１，３２４号明細書において説明されているよ
うに、リチア輝石セラミックおよび菫青石セラミックを
含むが、それらに限定されない。

【００３７】セラミックを形成できるガラスおよび結晶
粒子の混和物を形成するのに有用な結晶粒子の例は、菫
青石，リチア輝石，ユークリプタイト，硼珪酸ガラス，
鉛ガラス，頑火石，重土長石，珪灰石，珪酸亜鉛鉱，灰
長石，二珪酸リチウム，メタ珪酸リチウム，ムル石，そ
れらと窒化アルミニウムの混合体，それらとアルミナの
混合体を含むが、これらに限定されない。

【００３８】以下のリストは上述の物質の主成分の一般
式である。

【００３９】 重土長石，ＢａＯ・Ａｌ₂ Ｏ₃ ・２ＳｉＯ₂ 灰長石，ＣａＯ・Ａｌ₂ Ｏ₃ ・２ＳｉＯ₂ 二珪酸リチウム，Ｌｉ₂ Ｏ₆ ・２ＳｉＯ₂ メタ珪酸リチウム，Ｌｉ₂ Ｏ・ＳｉＯ₂ 珪灰石，ＣａＯ・ＳｉＯ₂ 珪酸亜鉛鉱，２ＺｎＯ・ＳｉＯ₂ ユークリプタイト，Ｌｉ₂ Ｏ・Ａｌ₂ Ｏ₃ ・２ＳｉＯ₂ ムル石，３Ａｌ₂ Ｏ₃ ・２ＳｉＯ₂ 頑火石，ＭｇＯ・ＳｉＯ₂ ガラスセラミックという語はランダムに配向された微結
晶、例えば上記にリストした物質の凝集体であり、微結
晶間の隙間は、ガラス、例えば上記にリストした物質の
前駆体のような非晶質物質を含んでいる。

【００４０】便宜上、本発明は銅導体を含む菫青石ガラ
スセラミックについて説明している。しかし、本発明は
それに限定されない。

【００４１】混和物に含まれるガラス粒子は、任意のガ
ラス、例えば硼珪酸ガラスや（結晶粒子をカプセル封止
した密な状態に癒合した）鉛ガラスとすることが可能で
ある。

【００４２】グリーンシートの表面には、銅ペースト・
バインダ、例えばエチルセルロースを含む銅ベース導体
形成構造パターンを堆積させる。

【００４３】第２のグリーンシートは、間に導体パター
ンを挟むようにして第１のシートの上に重ね合わせる。
シートは共に積層させる。多層セラミック構造は、グリ
ーンシート間の銅ベース・ペースト・パターンとグリー
ンシートを交互に積層させて形成する。ガラスシートに
よって分離された銅パターンを、銅ベース・ペーストで
充填した、グリーンシート内スルーホールまたはバイア
によって接続する。セラミック構造を半導体チップ基板
として使用するために、銅パターンを複合構造の少なく
とも１つの表面まで延ばす。

【００４４】バインダ物質を酸化するのに十分酸化的で
あるが導体形成構造を酸化するには不十分に酸化的であ
る雰囲気下で、積層構造をバーンアウト温度までマイク
ロ波加熱する。バーンアウトは基板の完全性を阻害しな
い速度で行う。もしバーンアウトがあまりに高速だと、
グリーンシート内のバインダに含まれる可塑剤が、あま
りにも速く除去されて、あぶくが発生し、グリーン積層
体に剥離が生じる。グリーンシートおよび銅ベース・ペ
ースト内のバインダを分解および除去するのに十分な時
間、バーンアウト温度で、積層体を保持する。温度は銅
ベース導体パターンが溶融してしまうほど高くしてはな
らず、ガラス粒子が癒合してしまうほど高くしてはなら
ない。バインダ除去のための要件は、すべての残留物が
除去されるまでセラミック体を多孔性にしておくことで
ある。バインダがバーンアウトされる前にグリーン積層
体内のガラス粒子が癒合を始めたら、バインダ分解生成
物がセラミック内に捕捉され、１）炭素残留物が残って
セラミックの誘電率を増大させ、２）ガラスセラミック
内に細孔を形成して完全な高密度化を阻止し、３）もし
捕捉された生成物の圧力が十分大きければ、グリーン積
層体を剥離する。

【００４５】適切な雰囲気は、空気雰囲気、および米国
特許第４，２３４，３６７号明細書に記載のＨ₂ Ｏ／Ｈ
₂ 雰囲気、および米国特許第４，５０４，３３９号明細
書に記載の雰囲気である。

【００４６】マイクロ波加熱のための装置は、同時係属
の米国特許出願第０７／５５１，７１６号明細書に説明
されており、この教示はここに参考文献として引用され
る。上記の特許出願に説明されているように、任意の単
一モード・マイクロ波アプリケータで処理を行い、制御
された多数モード・マイクロ波アプリケータが与えられ
たときは、電界強度が十分に一様で、実質的に次のよう
なことを与える。すなわち（ｉ）その積層体に亘る一様
な温度プロファイル、（ｉｉ）もし必要なら、その積層
体の焼結または溶融なしの、バインダの極端に一様なバ
ーンアウトである。処理装置は、利用されるマイクロ波
電力を十分制御し、所望の温度−時間プロファイルを要
求通りに保持せねばならない。

【００４７】これらの構造を、分当り約１℃〜５℃の割
合で、還元雰囲気、例えば形成ガス（１０％Ｈ₂ −
Ｎ₂ ）または窒素ガスの中性雰囲気の下で、セラミック
焼結温度、例えば９５０℃に加熱し、その温度で２時間
保持すると、達成されたセラミック密度は理論的に計算
された密度の約９９％である。この加熱工程の際、上述
のように、導体表面に形成された酸化物が還元される。
銅面に積層されたリチア輝石または菫青石セラミック・
シートの多層からなる構造内のバインダは、２．４５Ｇ
Ｈｚのマイクロ波周波数（どのようなマイクロ波または
ＲＦ放射でもよい）で動作している電界内に積層体を配
置すると、空気中でバーンアウトされた。典型的なサイ
クルでは、積層体を空気中で数分間に１６０℃まで加熱
し、この温度でＢｕｔｖａｒバインダを部分的に酸化さ
せ、積層体から“煙”が発生した。この証拠に積層体は
ブラックに変わる。この部分は、ホットプレート、炉、
赤外線、可視光／紫外線放射、または他の加熱方法を用
いて達成される。この温度では、キャビティ調整は大き
く変化し、おそらく部分的に酸化されたバインダの増大
吸収のために、初期に発生したよりも大幅に大きな、積
層体によるマイクロ波吸収を示している。マイクロ波電
力レベルはバーンアウト速度を制御するために減少さ
れ、それにより構造の歪みによる剥離を阻止する。温度
は、積層体の銅配線の大幅な酸化を阻止するように、２
５０℃以下で、約４０分間、またはバインダがほとんど
除去されるまで保持される。もし金属に対する非酸化雰
囲気を使用するならば、非常に高い温度を使用でき、あ
るいは、もし金属が酸化されてもよいならば、酸化雰囲
気においてより高い温度が使用できる。

【００４８】この点では、構造は純ホワイトで非常にも
ろく、もし硬化が行われていないならば、積層体から簡
単に粉末を除去することができる。

【００４９】マイクロ波電力を一定に保持するよりも、
電力を合理的なハイレベルまでゆっくりと変化させ、電
力を下げて、冷却を許容し、過度の温度に到達するのを
阻止する方が有利であり、温度が、セラミックに対する
焼結温度および融点まで急激に上昇すると、銅の酸化が
始まるか、または高密度化が始まるか、または熱暴走が
発生する。

【００５０】もし、積層体への酸素または他の酸化媒体
の十分なアクセスがあり、ポリマ・バインダの完全な酸
化が可能であるならば、積層体を固体モールドまたは熱
絶縁物質を含む任意の物質で取り囲むことができる。固
体モールドは透過性のもの、すなわち積層体に酸化媒体
を供給する手段を別個に含むものとすることができる。

【００５１】あるいはまた、これらの構造は、分当り１
℃〜１００℃の割合で、Ｎ₂ または還元雰囲気、例えば
形成ガス（１０％Ｈ₂ −Ｎ₂ ）中で、あるいは窒素ガス
の中性雰囲気中で、セラミック焼結温度、例えば９５０
℃にマイクロ波加熱し、その温度で１時間保持すると、
達成されたセラミック密度は理論的に計算された密度の
約９９％になる。この加熱工程の際、もしＮ₂ が用いら
れるならば、導体表面にいくらかの酸化物が形成され
る。もし形成ガスが用いられるならば、銅導体の酸化は
ないと予想される。

【００５２】バインダ・バーンアウト温度の上限は、セ
ラミック高密度化または溶融特性、および金属酸化特性
によって設定される。積み上げられたグリーンシート層
は、完全なバインダ除去を可能にするために、バインダ
除去保持温度において多孔性でなければならない。もし
保持温度があまりに高いと、ガラス粒子は捕捉したバイ
ンダ残留物を高密度化する。本発明の好適な実施例に用
いられるセラミックの例は、米国特許第４，３０１，３
２４号明細書で開示されたリチア輝石および菫青石ガラ
ス製剤である。これらのセラミックの結晶化温度は、約
８５０℃〜約９７０℃の範囲にある。第２の焼成工程で
は、積層された多層ガラス構造を、好適には、分当り約
１℃〜５℃の割合で、還元または中性雰囲気中で、焼結
温度に加熱する。

【００５３】回路基板として使用できる金属面を有する
積層多層セラミック層の焼成複合構造は、少なくとも１
つの焼成積層体表面まで金属パターンが延びている。集
積回路半導体チップは、金属延長部と電気的に接続する
ように、積層体に実装される。

【００５４】あるいはまた、金属パターンが延びている
セラミック表面に、導体を有するポリマ体を配置するこ
とができる。これらの導体は、セラミック構造導体に電
気的に接続され、電子デバイス、例えば半導体チップ
が、米国特許出願第０７／６９５，３６８号明細書に開
示されているように、電気的に接続されているポリマ体
の表面に延びている。この教示は参考文献として本明細
書に引用する。

【００５５】バーンアウト温度の上限はセラミックの焼
結特性によって制御され、マイクロ波放射を使用したと
きのバーンアウト温度は、従来の技術を用いて得られる
よりもかなり低く、ここに説明した工程は、ガラスセラ
ミック内の低融点ガラスからバインダをバーンアウトす
るまで延長される。

【００５６】この工程を利用すると、低温セラミックお
よび高密度化前のガラスからバインダをバーンアウトで
き、従来の技術では不可能だった方法によるグリーン・
セラミックの処理を可能にする。この工程は、バインダ
を低温セラミックに使用することを可能にするが、バイ
ンダの完全な除去は保証するので、焼結物質の所望の最
終特性に与える衝撃は最小であり、中間処理を可能にす
る。

【００５７】バインダ物質は非常に分子量の大きな物質
であり、一般的に約１００炭素原子以上、好適には約１
００，０００炭素原子以上である。バインダは、バイン
ダによって共に保持される結晶ガラス，または結晶化可
能ガラス，または非晶質ガラスの粒子を含むグリーン・
ガラス体の形成を可能にする。バインダ粒子混合体は予
め定められた形に鋳込まれる。バインダの粘性は十分高
いので、混合体は形を保持する。半導体チップ基板の製
造においては、シートが鋳込まれる。ホールをシート内
に形成し、導体形成構造パターンをシート内に形成す
る。そのため、鋳込みシートの剛性は十分高く、かなり
の量の取扱いに耐える。

【００５８】ここに教示されたように、バインダはマイ
クロ波放射と共にバーンアウトされる。使用される周波
数は、約２００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚで、強度は約５０
Ｗ〜１５０Ｗである。応用を特定の理論に限定したくな
いが、まずグリーン・セラミック粒子がマイクロ波放射
を吸収し、マイクロ波放射は、バインダを分解して炭素
を生成し始めるのに十分な温度までバインダを加熱し、
生成炭素はより強力に放射を吸収して、バインダ分子配
置で高い局所放射吸収を生じ、ほぼ完全なバインダ分解
および除去を行う。前記バインダを約３０℃／分の割合
で約１６０℃〜２５０℃に加熱し、その温度で約５分〜
６０分間保持する。この機構の結果、グリーン体を、従
来の加熱技術によって要求されるほど高いバインダ・バ
ーンアウト平均温度に加熱する必要はなくなる。例え
ば、ここに引用した米国特許第４，２３４，３６７号明
細書では、グリーン体を７００℃〜８００℃に加熱して
バインダをバーンアウトする。本明細書に教示した方法
によると、同じバインダ粒子混合体を用いると約２５０
℃でバインダをバーンアウトすることができる。すなわ
ち、マイクロ波を使用した結果、グリーン体の温度は７
００℃〜８００℃ではなくたったの２５０℃になった。
このためバインダ・バーンアウトにマイクロ波を用いる
と、より低い温度で癒合するガラス粒子の使用が可能と
なる。一般的に、分解生成物の除去を可能にするには、
癒合前に完全にバインダをバーンアウトしておくことが
好ましい。もしガラス粒子が癒合を始めたら、これらの
生成物は、癒合体内に捕捉されて好ましくない結果をも
たらす。

【００５９】例 多層基板製造方法は次の基本工程を含んでいる。

【００６０】工程１ 選ばれた結晶化可能ガラスのカレットは、米国特許第
４，３０１，３２４号明細書に開示された菫青石タイプ
のガラスであり、２〜７μｍの範囲の平均粒径に粉砕さ
れる。粉砕は次の２工程で行われる。すなわち、４００
メッシュ粒径までの予備乾式または湿式粉砕を行い、次
いで平均粒径が２〜７μｍの間まで減少してキャスタブ
ル・スラリまたはスリップが得られるまで、適切な有機
バインダおよび溶剤と共に粉砕する。バインダおよび溶
剤を媒体としたカレットの１工程延長粉砕を、所望の粒
径が得られるまで使用できる。後者の場合は、大き過ぎ
る粒子を除去するために、フィルタリング工程が必要で
ある。

【００６１】一例によると、適切なバインダは、ジプロ
ピルグリコール−ジベンゾエートのような可塑剤（ｄｉ
ｐｒｏｐｙｌｇｌｙｃｏｌ−ｄｉｂｅｎｚｏａｔｅ、例
えばＴｅｎｎｅｓｓｅｅ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ ａｎｄ
Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｒｐ．社から市販されているＢ
ｅｎｚｏｆｌｕｘ可塑剤）を有するポリビニルブチラー
ル樹脂である。他の適切なポリマは、アクリル樹脂から
選ばれたポリ酢酸ビニル等である。同様に他の適切な可
塑剤、例えばフタル酸ジオクチル，フタル酸ジブチル等
も使用することができる。

【００６２】容易に蒸発する溶剤を付加する目的は、
（１）バインダが個々のガラス粒子をコートできるよう
にバインダを初めに溶融させること、（２）スリップま
たはスラリの流動性を調整して良好な可鋳性を得ること
である。この例のために特に効果的な溶剤は、米国特許
第４，１０４，２４５号明細書に記載のデュアル溶剤
系、特にデュアル・メタノール／−メチル・イソブチル
ケトン（重量比５／８）溶剤系である。

【００６３】工程２ 工程１で準備したスリップまたはスラリを、通常の技術
によって、好適にはドクタブレード技術によって、薄い
グリーンシート（例えば厚さが約７５０〜２５０μｍ
（３〜１０ミル））に鋳込む。

【００６４】工程３ 鋳込まれたシートを要求された寸法に打ち抜き、その中
へバイアホールを要求された形状にあける。

【００６５】工程４ 銅のメタライズ・ペーストを個々のシート内のバイアホ
ールに押出す、あるいはスクリーンする。

【００６６】工程５ 要求された導体パターンになるように、工程４の個々の
グリーンシート上に、適切な銅ペーストまたはインクを
スクリーン印刷する。

【００６７】工程６ 工程５で準備されたような複数のシートを、積層プレス
で正しく積層させる。

【００６８】積層のために採用された温度および圧力
は、（１）モノリシック・グリーン基板を形成するため
に、互いに個々のグリーンシートをボンディングさせ
る、（２）グリーンシートを十分に流動させ導体パター
ンを取り囲ませるようなものにする。

【００６９】工程７ 積層体を焼結温度まで焼成し、バインダ除去，ガラス粒
子の高密度化または癒合，ガラスセラミックへの転化
を、導体パターン内すなわち密な銅亜鉛ラインおよびバ
イア内の金属粒子の同時焼結による結晶化によって達成
する。

【００７０】典型的な焼成スケジュールは次の通りであ
る。グリーン積層体を約１５０Ｗの電力、２．４５ＧＨ
ｚの周波数、３０℃／分の割合で、空気中で、２５０℃
の保持温度にマイクロ波加熱する。この温度で約１時間
積層体を保持する。空気雰囲気を形成ガス（Ｎ₂ ，Ｈ₂
混合）雰囲気に切換え、その時点から３．８℃／分の割
合で再び加熱し、ガラスの結晶化温度（例えばガラスに
対して約９６０℃）まで上げ、その温度を約２時間保持
し、その後温度を３．８℃／分の割合で気温まで下げ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジェーン・マーガレット・ショー アメリカ合衆国 コネチカット州 リッジ フィールドウィルトン ロード ウェスト 336

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】導体を有するセラミック複合構造を製造す
   る方法において、 ガラス粒子，およびガラス粒子と結晶粒子の混和物から
   なるグループから選択される粒子を分散させた熱可塑性
   有機バインダを含み、前記導体の融点以下の焼結温度を
   有する少なくとも１つのグリーンシートを形成する工程
   と、 第１の前記グリーンシートの表面に、導体形成構造パタ
   ーンを形成する工程と、 第２の前記シートを前記第１のシートの前記表面に重ね
   合わせ、前記パターンを間に挟む工程と、 前記重ね合わせた重畳したシートを共に積層させる工程
   と、 前記積層体をバーンアウト温度にマイクロ波加熱し、前
   記バインダを分解および除去するのに十分な時間前記積
   層体を保持する工程と、 内部に延びた導体を有する前記セラミック複合構造を形
   成するために前記積層体を焼結する工程と、 を含むことを特徴とする、導体を有するセラミック複合
   構造の製造方法。
2. 【請求項２】予め定められた形に鋳込まれた前駆物質お
   よびバインダ物質の混合体を供給する工程を含み、 前記前駆物質は、セラミックおよびガラスセラミックか
   らなるグループから選択される物質の前駆体であり、 前記バインダ物質は、前記混合体が前記形を実質的に保
   持するのに十分な粘性を有しており、 前記バインダをバーンアウトするために前記混合体にマ
   イクロ波放射を加える工程を含む、 ことを特徴とする方法。
3. 【請求項３】銅ベース導体を有するガラスセラミック複
   合構造を製造する方法において、 銅ベース導体形成構造のパターン層を有する多層構造を
   形成する工程を含み、少なくとも前記パターンの隣接層
   間に、ガラス粒子と、ガラス粒子および結晶粒子の混和
   物からなるグループから選択される粒子を分散させた熱
   可塑性有機バインダを含み前記銅ベース導体の融点以下
   の焼結温度を有するグリーンシートが存在し、前記パタ
   ーンの前記隣接層間の前記グリーンシートの少なくとも
   いくつかは、前記パターンの前記隣接層を電気的に相互
   接続する前記銅ベース導体形成構造のスルーホールを有
   し、前記導体形成構造の主成分は銅であり、前記導体形
   成構造は前記バインダの連続バーンアウトの際の酸化に
   抵抗し、 前記多層構造を共に積層する工程と、 前記積層体を空気雰囲気中でバーンアウト温度にマイク
   ロ波加熱し、前記バインダを分解および除去するのに十
   分な時間前記温度に保持する工程と、 内部に延びた前記銅ベース導体を有するセラミック複合
   構造を形成するために、前記積層体を焼結する工程と、 を含むことを特徴とする、銅ベース導体を有するガラス
   セラミック複合構造の製造方法。