JPH0549624B2

JPH0549624B2 -

Info

Publication number: JPH0549624B2
Application number: JP58034378A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Ushifusa; Satoru Ogiwara
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1983-03-04
Filing date: 1983-03-04
Publication date: 1993-07-26
Also published as: JPS59162169A

Description

【発明の詳細な説明】

〔発明の利用分野〕本発明は、多層配線回路用基板などに有用であ
り、銀及び銅などの導体材料との適合性も好適で
ある、セラミツクスを使用した多層配線板に関す
る。〔従来技術〕セラミツク材料は、電気技術の分野において、
電気的装置の製造に広く適用されている。例えば
一般的には、セラミツク絶縁材料の複数個の層と
導電性金属材料の複数個の層とを含む多層セラミ
ツク構造材の形成に適用されている。従来技術において電子的適用に用いられている
アルミナ磁器のような多数のセラミツク材料に関
して遭遇する１つの不利な点は、それらが比較的
高い焼結温度を有しているということである。例
えば、多層セラミツク複合体又はモジユールの形
成においてセラミツクスが金属体と共に同時焼成
される場合、酸化雰囲気による焼結条件が用いら
れるならば白金又パラジウムのような高融点の貴
金属を用い、あるいは還元雰囲気を用いるなら
ば、モリブデン、又はタングステンのような高融
点の耐火性金属を用いることが一般的に必要なこ
とである。酸化又は還元雰囲気中において低温で焼成され
得るセラミツクスが得られるならば、銀、銅、金
又はそれらの合金、例えばAg−Cu、Ag−Au、
Ag−Pd、Au−Pd又はAu−Pt等のような低融点
金属体と共に適用しうる。従来の低融点ガラス−石英ガラス系セラミツク
スは、熱膨張係数が20〜40×10^-6／℃と小さく、
金属体の熱膨張係数との差が大きいために、セラ
ミツクスに亀裂が発生するという欠点がある。〔発明の目的〕本発明の目的は、低温すなわち750〜1000℃の
オーダーの温度において焼成可能であり、また、
比抵抗率の小さい銀、銅、金及び同種のものとの
熱膨張係数の差が少なく、同時焼成が可能なセラ
ミツクスを使用した多層配線板を提供することに
ある。〔発明の概要〕本発明を概説すれば、本発明はセラミツク多層
配線板に関する発明であつて、片面に導電パター
ンを有するセラミツク層が複数層積層され、該導
電パターン間はセラミツク層にあけられたスルー
ホール内に埋込まれた導体を介して接続されてい
るセラミツク多層配線板において、該導電パター
ン材料は、金、銀、銅又はそれらの合金を含み、
該セラミツク層材料は、フイラーとしてのクリス
トバライト粒子40〜70重量部と、軟化点650〜800
℃の低融点ガラス60〜30重量部との焼結体である
ことを特徴とする。低温焼成セラミツク焼結体は、750〜1000℃の
オーダーの温度で焼成可能であるため、比抵抗率
の小さい銀、銅、金及び同種のものを導体とし
て、使用することができる。しかし、石英ガラス
−低融点ガラス系焼結体は、20〜40×10^-7／℃と
熱膨張係数が小さく、導体として使用する銀、銅
金及び同種のものの熱膨張係数との差が大きく、
スルーホールなどに充てんし同時焼結する際にク
ラツク等が入り、基板としての信頼性が問題とな
つている。ここで、銀の熱膨張係数は、190×
10^-7／℃で、銅は、174×10^-7／℃、金は、214×
10^-7／℃であり、これらの低抵抗率をもつ導体材
料とは、５〜７倍程度の熱膨張の差がある。その
ため、熱膨張係数の比較的大きな基板材料が要求
されている。本発明のセラミツクスの製造方法は、比較的熱
膨張係数の大きな無機材料をフイラーとして用
い、低融点ガラスを焼結助剤として加え焼成する
ことを特徴とする。そのため、目的に応じ、必要
とする熱膨張係数を、フイラーと低融点ガラス量
や、熱膨張係数の異なるフイラー材を用いること
により変化することができる。本発明によれば、低融点ガラス粉末を焼結助剤
として用いることにより、無機材料フイラー粉末
間に介在する該低融点ガラス粉末がガラスの軟化
点以上の温度に達すると全体にわたつてほぼ同時
に軟化し、流動して無機材料フイラー粉末を取囲
み、液相焼結を行うために、気孔の発生が少な
く、均質な焼結体を製造することができる。無機材料フイラー粉末と低融点ガラス粉末は一
般的には粒径の小さいものの方が有用である。特
に、無機材料フイラー粉末は、融点が低融点ガラ
スよりも高いために、焼成後も、その粒径はほと
んど変化しないため、粗い粒径を用いると、焼成
後と基板表面の凹凸が大きくなり、配線回路パタ
ーン等に不良を生ずる原因となる。そのため、少
なくとも325メツシユ通過のものを用いるのが適
当であるが、できれば数μｍ程度まで粉砕するこ
とが望ましい。もちろん、これに限定されるもの
ではない。大きな粒子を用いた場合には、無機材
料フイラー粉末と低融点ガラス、無機材料フイラ
ー粉末同志あるいは低融点ガラス粉末同志の接触
面積が少なくなり、反応性及び焼結性が低下する
ために、焼結温度を高くしたり、焼結に長時間費
すことが必要になつてくる。また粒子を大きくす
ると、粒子間に介在した気孔が完全に消失せず、
残りやすくなつてくる。使用するガラスの軟化点
は低いものほど焼成温度を低くすることができ有
効である。無機材料フイラー及び低融点ガラス材料は、化
学的に安定なものであれば使用できる。しかし、
配線回路基板を作成するためには、セラミツクス
の表面に配線パターンを印刷し、同時焼成する必
要性がある。セラミツクスは、低温すなわち750
〜1000℃のオーダーの温度において焼結可能であ
るため、導体としては、銀、銅、金又はそれらの
合金及び同種のもののような低融点金属材料から
なるペーストを印刷しセラミツクスの焼成と同時
に焼成することが必要になる。このため、配線パ
ターンとして、銀、金又は酸化に強い金属及び合
金系については、空気中の焼成が可能である。し
かし銅又は酸化に弱い金属、合金系の導体ペース
トを配線パターンとして印刷する場合には、焼成
雰囲気は中性ないしは還元性雰囲気が必須であ
る。しかし、どちらの場合においても耐湿性に劣
つたり酸又はアルカリ性の水溶液に浸されやすい
ものは望ましくない。また、低温すなわち750〜
1000℃のオーダーの温度において焼結という条件
は必須である。セラミツク焼結体の比誘電率を小
さくする点からガラス自体も低比誘電率である必
要があり、比誘電率の大きな化合物は、ガラスの
構成材料には、あまり望ましくない。これらの欠
点のないガラス系としては、ホウケイ酸系ガラ
ス、ホウケイ酸バリウム系ガラス、ホウケイ酸カ
ルシウム系ガラス又はリン酸アルミニウム系ガラ
ス等に限られてくる。しかし、導体として用いる
銀、銅、金又はそれらの合金及び同種のものと基
板材料である無機材料フイラー−低融点ガラス系
では、熱膨張係数の差があまりにも大きいため、
焼成後、冷却中にクラツクの発生が生じる。その
ため、セラミツク材料としては、熱膨張係数の比
較的大きい無機材料フイラーを選定する必要性が
ある。また、セラミツクス材料としては、比誘電
率の小さい材料が必要である。コンピユータ内で
の電気信号の伝送遅れ（td）と比誘電率ε_rとの間
には、次式が成立つことが知られている。 td＝√ε_r・ｌ／Ｃここで、tdは実装遅れ、ε_rは材料の比誘電率、
ｌは信号の伝送距離、Ｃは光の速度である。した
がつて、比誘電率の小さい材料を選ぶことにより
コンピユータマシンサイクルタイムの短縮となり
有効である。すなわち、無機材料フイラーの中で
最も小さい比誘電率をもつ材料の１つにシリカが
ある。しかし、シリカとしては、石英、石英ガラ
ス、トリジマイト、クリストバライト等がある
が、熱膨張係数の小さものが多い。その中で、ク
リストバライトは、比較的熱膨張係数が大きく、
比誘電率も小さいため有効である。クリストバライトと低融点ガラスとの混合比率
としては、低融点ガラス量が少なすぎてクラスト
バライトを結合でいない量ではいけないし、ま
た、逆にクリストバライト量が少なすぎて骨材と
しての役目ができないものもいけない。したがつ
て、理想的には、クリストバライト：低融点ガラ
ス＝40〜70：60〜30（重量部）が良い。他方、上記低融点ガラスとしては650〜800℃の
軟化点及６以下の比誘電率を持つのが好適であ
る。〔発明の実施例〕以下、本発明を実施例によつて具体的に説明す
るが、本発明はこれら実施例に限定されるもので
はない。なお、実施例中、部及び％とあるのは、それぞ
れ重量部、重量％を意味する。実施例１ SiO₂を35〜45％、Al₂O₃を５〜15％、MgOを
2.5〜7.5％、B₂O₃を30〜50％、K₂Oを1.5〜5.0％
の組成で各酸化物を混合し、白金ルツボに入れ、
1500℃で溶解する。これを室温まで急冷し、均質
なガラスを作成する。ガラスは650〜750℃の低軟
化点を持つ。ガラスは325メツシユ以下に粉砕し
て、低融点ガラス粉末の原料とする。クリストバライトを平均2μｍまで粉砕し、ク
リストバライト粉末10〜90部に対して、上記で作
成した低融点ガラス粉末を90〜10部秤量する。ラ
イカイ機を用いて、メノウ乳鉢で３時間以上湿式
混合する。乾燥後、３％ポリビニルアルコール水
溶液を粉末量の10部加え、ライカイ機を用いてメ
ノウ乳鉢で30分以上混合する。これにより、32メ
ツシユ以下に造粒する。これを金型中でプレス成
形（750Kg／cm²）し、圧粉体を作成する。プレス
成形を行つた圧粉体をシリコニツト電気炉を用い
て、大気中で、200℃／時の昇温速度で加熱し、
それぞれ750℃〜1000℃の温度範囲で１時間保持
して焼成した。低融点ガラス単相のみでは、焼成時にわずかに
変形が起ることがあり、低融点のガラスのみでは
使用できず、骨材としてクリストバライトが必要
である。低融点ガラスは、非常に低い軟化点を持つてい
るため、低温領域より焼成可能であり、特に、ク
リストバライト：低融点ガラス＝40部：60部にお
いては、750℃付近より開気孔率０であり、また、
900℃付近まで焼結による変形が観察されない。
この系においては、広い温度範囲で焼成が可能で
あるので有効である。このセラミツクスの熱膨張
係数は、60〜90×10^-7／℃であり、従来のガラス
セラミツクスに比べ２〜３倍程度大きくなつた。
また、1MHzでのセラミツクスの比誘電率は、5.0
であつた。実施例２上記実施例１と同じ組成の低融点ガラスとクリ
ストバライトを用い、それぞれ、クリストバライ
ト10〜90部、低融点ガラス90〜10部を秤量する。
ボールミルに入れ、24時間混合する。更に、上記
セラミツクスの原料100部に対して結合剤として、
ポリビニルブチラール7.6部、可塑剤として、ブ
チルフタリルブチルグリコレート2.4部、溶剤と
して、トリクロロエチレン30.0部、テトラクロロ
エチレン8.5部、ノルマルブチルアルコール11.3
部を加え、加熱かくはんし溶解したものを原料に
加え、再びボールーミルにより３時間以上混合す
る。これにより混合物はスラリーになる。スラリ
ーはドクターブレードを用いてマイラーフイルム
上に連続的に厚さ0.2mmのグリーンシート材をつ
くる。シートは最高温度100℃で加熱し、溶剤類
を揮散させ、グリーンシートにする。グリーンシ
ートを所定の形状（70×70mm）に切断する。パン
チ法により所定の位置にスルーホールをあけ、銀
の導体ペーストをスクリーン印刷法により、パタ
ーンを形成する。導体ペーストは層間の接続用に
スルーホール内にも形成する。銀の導体ペースト
を形成した６枚のグリーンシートはガイド孔を用
いて積重ね、120℃で７Kg／cm²の圧力で接着する。積層したグリーンシートは炉詰めして焼成す
る。焼成雰囲気に空気を用い、最高温度900℃で
少なくとも30分間保持した後、冷却する。この際
昇温速度は200℃／時とし、400℃で約１時間保持
することにより樹脂を分解揮散させ、最高温度ま
で、再び200℃／時で昇温した。冷却に際しては
炉冷とした。以上の工程により、導体層数６層の積層板を得
た。この積層板の導体には、銀が用いられている
ので導体の抵抗率は2μΩ・cmをもつている。ま
た、このセラミツク基板材料は熱膨張係数が大き
いために、スルーホール部にクラツクが観察され
ず、信頼性が向上した。また導体パターンの線幅
70μｍ、長さ１cmのライン抵抗は0.4Ω／cmであ
る。従来のアルミナ系積層板に使用されているタ
ングステンを用いた導体は、抵抗率が15μΩ・cm
であり、同じ70μｍの線幅、長さ１cmのライン抵
抗は１Ω／cmである。本発明の積層板の抵抗は小
さいため、電圧降下が少なく、信号の伝達遅れが
ない。また、セラミツク材料にクラツクの発生が
ないため、導体の切断などの問題がなくなり信頼
性が大きく向上した。加えて、比誘電率は4.6〜
5.2であり、比誘電率９のアルミナ材料を用いた
ものより、信号の伝達速度が非常に速い。実施例３クリストバライトを平均粒径2μｍに粉砕し、
クリバライト10〜90部に対して、実施例１で示し
たガラスを90〜10部を秤量する。ボールミルに入
れ24時間混合する。更に、メタクリル酸樹脂7.6
部、フタル酸ジオクチル2.4部、トリクロロエチ
レン30.0部、パークロロエチレン8.0部及びブチ
ルアルコール11.3部を入れ、再びボールミルによ
り３時間混合する。これにより混合物はスラリー
になる。スラリーはドクターブレードを用いてマ
イラーフイルム上に連続的に厚さ0.2mmのグリー
ンシート材をつくる。シートは最高温度100℃で
加熱し、溶剤類を揮散させ、グリーンシートにす
る。グリーンシートを所定の形状（70×70mm）に
切断する。パンチ法により所定の位置にスルーホ
ールをあけ、銀の導体ペーストをスクリーン印刷
法により、パターンを形成する。導体ペーストは
層間の接続用にスルーホール内にも形成する。銅
の導体ペーストを形成した６枚のグリーンシート
はガイド孔を用いて積重ね、120℃で７Kg／cm²の
圧力で接着する。積層したグリーンシートは炉詰めして、焼成す
る。焼成雰囲気は水素３〜７％含む窒素雰囲気
で、ガス中にわずかに水蒸気を導入し、有機結合
剤の熱分解を促進させる。昇温速度200℃とし400
℃で約１時間保持し、樹脂を熱分解させ、分解揮
散し、その後200℃で最高温度900℃で少なくとも
30分間保持した後炉冷する。以上の工程により、導体層数６層の積層板を得
た。このセラミツク基板材料は、熱膨張係数が比
較的大きいためスルーホール周辺にもクラツクの
発生が認められなかつた。また、導体には銅が用
いられているので導体の導電性は2.5μΩ・cmの抵
抗率をもち、このため、導体パターンの線幅70μ
ｍ、長さ１cmのライン抵抗は0.5Ω／cmである。
また、セラミツク材料の比誘電率は4.6〜5.2であ
る。実施例４低融点ガラス組成：SiO₂を15〜30％、Al₂O₃を
10〜20％、B₂O₃を30〜50％、BaOを20〜25％上記の点を変更した以外は、実施例１と同じ要
領でセラミツク材料を製造した。この低融点ガラ
スは、ホウケイ酸バリウム系ガラスで、700℃付
近の軟化点を持ち、耐湿性、耐酸及びアルカリ性
に優れた安定なガラスである。クリストバライト：低融点ガラス＝40部：60部
の組成において、約800℃以上で開気孔率０であ
り、焼成時に変形がなく、完全に焼成できた。こ
のセラミツクスの熱膨張係数は、75〜100×
10^-7／℃で、従来のガラスセラミツクスに比べて
３倍程度大きい。1MHzでのセラミツクスの比誘
電率は4.9である。また、クリストバライト：低
融点ガラス＝50部：50部においては、850〜1000
℃の温度範囲で開気孔率０となり、完全に焼成で
きた。このセラミツクスの熱膨張係数は、70〜
100×10^-7／℃で大きい。1MHzでのセラミツクス
の比誘電率は、4.8である。これらのセラミツク
スは、熱膨張係数が比較的大きく、比誘電率が
5.0以下で良好であるため、配線回路板用セラミ
ツクスとして有効である。実施例５上記実施例４で用いた低融点ガラスを、実施例
２〜３に適用し、同様の要領で積層板を作成し
た。導体ペーストとして銀を用いたものは、導体の
導電性2.0μΩ・cmの抵抗率である。銅を導体とし
て焼成したものは、2.5μΩ・cmの抵抗率である。
銀及び銅を導体として同時焼成する際に、スルー
ホール周辺にクラツクの発生が認められず、導体
の切断はなく、信頼性が高い。また、セラミツク
材料の比誘電率は4.5〜5.0である。実施例６低融点ガラス組成：SiO₂を35〜50％、Al₂O₃を
５〜15％、B₂O₃を25〜40％、BaOを7.5〜15％、
Na₂O＋K₂Oを0.1％以下上記の点を変更した以外は、実施例１と同じ要
領でセラミツク材料を製造した。この低融点ガラ
スは、ホウケイ酸バリウム系ガラスに、わずかの
アルカリ金属酸化物を添加し、軟化点を低くした
ものである。この組成範囲においては、700〜800
℃の軟化点を持つ。1MHzにおける低融点ガラス
の比誘電率は4.3であり、シリカに非常に近い低
比誘電率を持つているため、クリストバライト粉
末と低融点ガラス粉末を複合してセラミツク材料
を作成すると、低融点ガラスの比誘電率と同等
か、若しくはクリストバライトと低融点ガラスの
間の比誘電率を示す。クリストバライト：低融点ガラス＝70部：30部
の組成において、約850℃以上の温度で焼成時の
変形がなく、開気孔率０であり、完全に焼成する
ことができた。1MHzでのセラミツクスの比誘電
率は4.3である。また、クリストバライト：低融
点ガラス＝50部：50部の組成において、800℃ 以上の温度で焼成時の変形がなく、開気孔率０で
あり、完全に焼成できた。1MHzでのセラミツク
スの比誘電率は4.3である。これのセラミツク材
料は、耐湿性に優れ、耐酸及びアルカリ性に優
れ、配線回路板用基板材料に有効である。実施例７上記実施例６で用いた低融点ガラスを、実施例
２〜３に適用し、同様の要領で積層板を作成し
た。銀及び銅を導体として同時焼成する際に、スル
ーホール周辺部にクラツクの発生が認められず、
内部配線に切断がなく、信頼性が向上した。銀及
び銅の内部配線パターンの導体線幅70μｍ、長さ
１cmのライン抵抗は、それぞれ0.4及び0.5Ω／cm
である。また、セラミツク材料の比誘電率は4.1
〜4.5であり、多層配線回路用基板材料として有
効である。参考例１フイラーとして用いる無機材料として、熱膨張
係数の大きいベリリア、コランダム、マグネシ
ア、安定化ジルコニア、トリア、ステアタイト、
フオルステライト、スピネル及びジルコン磁器等
がある。これらの無機材料をフイラーとして用
い、上記実施例１〜７と同様な方法でセラミツク
材料及び積層板を作成した。上記実施例中の３種
類の低融点ガラスを用いてセラミツクスを作成
し、熱膨張係数を測定したが、大きな差がないた
め、ここでは、低融点ガラス材料の代表として、
SiO₂を35〜50％、Al₂O₃を５〜15％、B₂O₃を25
〜40％、BaOを7.5〜15％、Na₂O＋K₂Oを0.1％
以下について得られた代表データを表１に示す。

【表】

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように、本発明のセラミツ
クスは、低温、すなわち750〜1000℃のオーダー
の温度において焼成可能であり、熱膨張係数が、
50〜120×10^-7／℃を大きいから、比抵抗率の小
さい、銀、銅、金及び同種のもののような低融点
金属材料を導体として、共に焼成を行つてもクラ
ツクの発生がなく基板材料として信頼性が向上し
た。また、1MHzにおいて4.2〜6.0と低比誘電率
であるため、回路の信号伝達特性の高速化が可能
であるという顕著な効果が奏せられた。

Claims

【特許請求の範囲】

１片面に導電パターンを有するセラミツク層が
複数層積層され、該導電パターン間はセラミツク
層にあけられたスルーホール内に埋込まれた導体
を介して接続されているセラミツク多層配線板に
おいて、該導電パターン材料は、金、銀、銅又は
それらの合金を含み、該セラミツク層材料は、フ
イラーとしてのクリストバライト粒子40〜70重量
部と、軟化点650〜800℃の低融点ガラス60〜30重
量部との焼結体であることを特徴とするセラミツ
ク多層配線板。