JPH0632379B2

JPH0632379B2 - セラミツク配線基板の製造方法

Info

Publication number: JPH0632379B2
Application number: JP14084785A
Authority: JP
Inventors: 勉西村; 誠一中谷; 徹石田; 祐伯　　聖
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1985-06-27
Filing date: 1985-06-27
Publication date: 1994-04-27
Anticipated expiration: 2009-04-27
Also published as: JPS622597A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、ＩＣ、ＬＳＩ、チップ部品などを搭載し、か
つそれらを相互配線した回路の高密度実装用基板として
用いることのできるセラミック配線基板の製造方法に関
するものである。

従来の技術従来より、セラミック配線基板の導体ペースト用金属と
してはAu，Au−Pt，Ag−Pt，Ag−Pd等の貴金属、Ｗ，M
o，Mo−Mn等の高融点卑金属が広く用いられていた。前
者のAu，Au−Pt，Ag−Pt，Ag−Pd等の貴金属ペースト
は、空気中で焼付けができるという反面、コストが高い
という問題を抱えている。また、後者のＷ，Mo，Mo−Mn
等の高融点卑金属は1600℃程度、すなわち、グリーンシ
ートの焼結温度（約1500℃）以上の高温で同時焼成する
ため多層化しやすいが、一方、導電性が低く、還元雰囲
気中で焼成する必要があるため危険である。また、ハン
ダ付けのために導体表面にNi等によるメッキ処理を施す
必要があるなどの問題を有している。

そこで、安価で導電性が良く、ハンダ付け性の良好なCu
ペーストが用いられる様になって来た。

ここで、Cu ペーストを用いたセラミック配線基板の製
造方法の一例を述べる。従来の方法は、アルミナ等の焼
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、乾燥後、Cuの融点よりも低い温度で、か
つCu が酸化されず、導体ペースト中の有機成分が十分
に燃焼する様に酸素分圧を制御した窒素雰囲気中で焼成
するというものである。

また、Cu ペーストを用いたセラミック多層配線基板の
場合は、さらに絶縁ペーストとCu ペーストを印刷、乾
燥、中性雰囲気中での焼成をそれぞれ所望の回数繰り返
し、多層化するというものである。

しかしながら、上記の様なCu ペーストを用いた場合、
セラミック配線基板の製造方法においていくつかの大き
な問題点がある。まず第１に、焼成工程において、Cu
を酸化させず、なおかつCuペースト中の有機成分を完全
に燃焼させる様な酸素分圧に炉内を制御するという事が
非常に困難であるという事である。酸素分圧が高けれ
ば、Cu 表面が酸化され、ハンダ付け性が悪くなり、導
電性の低下につながり、逆に酸素分圧が低く過ぎれば、
Cuメタライズの良好な接着が得られないばかりか、Cu
ペースト中に含まれる有機成分の使用に困難が生じる。

つまり、ペーストのビヒクルに用いられる有機バインダ
等が、完全に燃焼し除去されないという事である。特に
Cu の融点以下の温度では、有機バインダは分解されな
い。

また、金属Cu を用いた場合、たとえ脱バインダの工程
と、Cu 焼付けの工程を分けたとしても、金属Cuが脱バ
インダの工程で酸化され、CuOとなり体積膨長を起こす
ため、基板からの剥離等の問題を生ずる。第２に、多層
にする場合、印刷、乾燥後、その都度焼成を行なうの
で、リードタイムが長くなる。さらには設備などのコス
トアップにつながるという問題を有している。そこで、
特開昭５３−１２９８６６号公報において、銅の酸化物
を導体材料とする導体ペーストと、銅の融点以下の温度
で焼成することが可能なセラミックを絶縁体材料とする
絶縁体ペーストとを交互に印刷してセラミック基板未焼
成体を形成し、この未焼成体を、大気中で仮焼成した後
に、還元雰囲気中で低温焼成するというセラミック基板
の製造方法がすでに開示されている。この方法により、
焼成時の雰囲気制御が容易になった。

発明が解決しようとする問題点しかしながら、以下に示す様な問題点が新たに見い出さ
れた。それは、第１に従来より絶縁層用材料としてよく
用いられるがガラス成分とアルミナ結晶質との混合粉末
の場合、焼成後、緻密な絶縁層が得られにくく、絶縁層
中にピンホールやクラックが生じ、機械的強度、絶縁抵
抗、絶縁耐圧などが低下する。さらには、導体層のメタ
ライズ性の低下をまねくこととなる。そこで、その解決
策として、通常、絶縁層の厚みを厚くするという方法が
とられるが、その場合、絶縁層を何度も繰り返し印刷す
る必要があり、位置あわせ時のずれ、絶縁ペーストのだ
れによって、バイアホール部が埋まり、絶縁層を介した
導体層間の導通が得られないという問題が生じる。第２
に焼成工程を還元雰囲気中で行なった場合、導体層と絶
縁層とのぬれ性が悪くなり、良好なメタライズ性が得ら
れないという問題を生ずる。

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、本発明のセラミック配線
基板の製造方法においては、絶縁ペーストおよびグリー
ンシートの無機成分として、SiO₂とＢ₂Ｏ_３を主成分と
するガラス粉末と、Al₂Ｏ_３にSiO₂，MgO，CaOを加えた
結晶質粉末との混合粉を用いた。さらに、未結晶体から
セラミック配線基板を作製する工程を、脱バインダ工
程、還元工程、焼成工程の３段階とした。ここで、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
内部の有機成分を熱分解させるに充分な温度で行ない、
還元工程は、ガラスの軟化点以下の温度で、還元雰囲気
中で行ない、焼成工程は、窒素雰囲気中で行なうという
ものである。

作用本発明は、グリーンシートおよび絶縁ペーストの無機成
分を、上記した組成にする事により、セラミック配線基
板の絶縁層が極めて緻密化する事を可能にし、それによ
って、絶縁層の機械的強度、絶縁抵抗、絶縁耐圧が向上
するものである。さらに、未焼結体からセラミック配線
基板を作製する工程を、脱バインダ工程、還元工程、焼
成工程と、３段階に分離する事により、非常に良好なメ
タライズ性が得られるものである。以下に本発明の作用
を判り易く説明する。

セラミック配線基板の絶縁層を緻密に焼結させるために
は、絶縁層用材料であるガラスとセラミックス粉末のぬ
れ性および反応性をいかに良くするかが重要な問題であ
る。従来の絶縁層用材料においては、これらのぬれ性、
反応性が不充分であるため、焼成時にガラス粉末が軟化
して、ガラスの連続した非晶質のネットワークを形成す
る過程において、ガラスネットワークの間隙にセラミッ
ク粉末の塊が点在し、さらに、ガラスとセラミック粉末
との化学反応が容易に進まないために、絶縁層が緻密化
されず焼成後ピンホールやクラックが存在し、多孔質
で、機械的強度、絶縁抵抗、絶縁耐圧、さらにはメタラ
イズ層の接着性が低下することとなる。

これに対し、発明者らは、種々の観点から検討を進め
た。その結果、前記したように、絶縁層用材料として、
SiO₂とＢ₂Ｏ₃を主成分としたガラスと、Al₂Ｏ_３にSi
O₂，CaO，MgOを加えた結晶質粉末との混合粉末を用いる
事により、焼成時にガラスが軟化し、ガラスネットワー
クを形成する過程において、そのネットワークの間隙に
Al₂Ｏ_３等の結晶質粉末が均一に分散した構造となる。
そのため、粒子間のぬれも良く、反応性にもすぐれてい
るために、極めて緻密な絶縁層が得られることとなる。
そして、焼結および緻密化を促進する上で、Al₂Ｏ_３の
他に、SiO₂，CaO，MgOの添加が重要な役割を果たしてお
り、これらの添加が不可欠である事が検討の結果明らか
となった。また、従来、充分な機械的強度、絶縁抵抗、
絶縁耐圧等を得るためには、絶縁層の厚みが５０〜６０
μｍ必要であのたものが、３０〜４０μｍの厚みで充分
な特性を得られる様になった。

次に、導体層のメタライズ性について考えた場合、未焼
結体からセラミック配線基板作製までの工程が重要な役
割を果たしている。まず、脱バインダ工程において、未
焼結体中に含まれる有機成分を完全に除去する必要があ
る。なぜなら、有機成分の除去が不完全ならば、プリス
タが発生し、メタライズ性を著しく低下させる事となる
からである。そのために、脱バインダ工程は、例えば空
気中のような炭素に対して充分な酸化雰囲気で、有機成
分を分解するのに充分な温度で行なう必要がある。次に
焼成工程であるが、従来の例では、脱バインダ後、還元
雰囲気中で焼成される事が示されているが、この場合、
導体層用材料のCu と絶縁層用材料との間のぬれ性が悪
いために、良好なメタライズ性が得られない。そのた
め、焼成工程を本発明の様に還元工程と焼成工程にわけ
る必要がある。そして、還元工程でCuOをCuに完全に還
元し、その後窒素雰囲気中で焼成する事によって、メタ
ライズ層と絶縁層間のぬれ性が良くなり、極めて良好な
接着強度が得られることとなる。

しかしながら、ここで重要な事は、未装結体からセラミ
ック配線基板作製までの工程を、脱バインダ工程、還元
工程、焼成工程とするというだけでは不充分であり、良
好な導体層のメタライズ性は、本発明の前記絶縁層用材
料と上記の３工程の両方によって、はじめて成り立つも
のである。

実施例（実施例１）まず本発明にかかるセラミック基板材料には、アルミナ
９６％の焼結済基板を用いた。そして、第１表に示す組
成の、ガラス粉末と結晶質粉末を、重量比で１対１に混
合した無機成分に、有機バインダーであるエチルセルロ
ースをテレピン油に溶かした有機ビヒクルを加えたもの
を三段ロールにより適度な粘度に混練し、絶縁ペースト
を作製した。この絶縁ペーストを、上記アルミナ９６％
焼結基板上に、２００メッシュのスクリーンで印刷し、
乾燥（１２０℃で１０分間）させ、絶縁層を形成した。
その後、CuOを無機成分とし、絶縁ペーストと同一の有
機ビヒクルを加えて混練した導体ペーストを、２５０メ
ッシュのスクリーンで印刷し、乾燥（１２０℃で１０分
間）させ、導体層を形成した。上記の様な絶縁層の形成
と導体層の形成を繰り返し行ない、第１図の様な断面を
有する未焼結セラミック配線基板を作製した。この様に
して作製した未焼結セラミック配線基板を、第３図に示
す温度プロファイルで、空気中で脱バインダし、その
後、第４図に示す温度プロファイルでＮ₂＋Ｈ₂中（Ｈ₂
／Ｎ₂＝２０／８０；流量２／min）で還元し、最後
に、第５図に示す温度プロファイルで、Ｎ_２中で焼成し
た。焼成後、絶縁層の厚みは約３０〜４０μｍであり、
導体層の厚みは約１０μｍであった。以上の様にして作
製したセラミック配線基板は、ＳＥＭ観察により極めて
緻密な絶縁層を形成している事が明らかとなった。な
お、導体層の接着強度および絶縁層用材料の特性につい
ては、別にテストピースを作製して行なった。そのテス
トピースの作製方法および測定方法は以下に示す。

接着強度用のテストピースは、アルミナ９６％焼結済基
板上に絶縁層を形成し、その上に導体層を形成したもの
である。またペーストの印刷、乾燥、脱バインダ、還
元、焼成の各条件は、前記のとおりである。そして、接
着強度は、２mmφの導体パターンに線巾０．８mmφのリ
ード線を基板に垂直にハンダ付けし、引張り試験機で、
その破壊強度を測定した。絶縁層用材料の特性は、空孔
率と絶縁抵抗について調べた。

まず、空孔率は、第１表に示す絶縁層用材料を用いて２
０φの円板形状に５００kg／cm²の圧力で加圧成形し、
その後、１０００℃で焼成したものをサンプルとして測
定した。次に、絶縁抵抗は、第１表の無機組成からなる
絶縁ペーストと、CuOペーストでアルミナ９６％焼結済
基板上に導体層２層、絶縁層１層の多層構造を形成した
のち、前記の脱バインダ工程、還元工程、焼成工程をへ
て作製したテスト基板を用いて測定した。なお、焼成後
の絶縁層膜厚は３０〜４０μｍであった。また、絶縁層
をはさむCu 導体電極の対向面積は約１cm²であった。

ただし、接着強度については、未焼結体から焼成までの
工程の影響を確認するために、従来例に示されている様
な還元雰囲気中で焼成したサンプルにつても測定した。
なお、印刷、乾燥、脱バインダは前記と同様に、焼成
は、Ｎ₂＋Ｈ₂（Ｈ₂／Ｎ₂＝２０／８０；流量２／mi
n）雰囲気で、第５図の温度プロファイルで行なった。

以上の様にして測定した結果を第２表に示した。

第２表より明らかな様に、空孔率は非常に低く、絶縁抵
抗も非常に高い値を示している。この測定結果と前記の
ＳＥＭ観察の結果をあわせて考えた場合、本発明の絶縁
層材料は緻密な、絶縁特性のすぐれた材料としてセラミ
ック配線基板作製用に最適である事は明らかである。

また、未焼結体からセラミック配線基板作製までの工程
を、脱バインダ工程、還元工程、焼成工程と３段階にわ
ける事により、接着強度が著しく上昇した。

（実施例２）第１表に示す組成のガラス粉末と結晶質粉末を重量比で
２対３に混合した無機成分に、有機バインダであるポリ
ビニルブチラールをトルエンに溶かした有機溶剤に、可
塑剤であるヂーブチルフタレートを加え、ボールミルで
混合し、これを脱泡後ドクターブレード法で造膜乾燥
し、３００μｍ厚のグリーンシートを作製した。次に、
グリーンシートを所定のサイズに切断するとともに必要
箇所にビア用の小孔をあけ加工したものに、実施例１で
用いたCuOペーストを同条件で印刷、乾燥した。なお、
スクリーン印刷の時点でビア用の小孔にも導体ペースト
の充填が行なわれるものである。その後、上記の様に印
刷したものを所望の枚数重ね合わせ、７０℃、２００kg
／cm²の圧力でラミネートした。ラミネートの後の断面
図を図２に示す。この後、空気中で、第３図に示した温
度プロファイルで脱バインダし、さらに、実施例１と同
様の条件で還元した。そして最後に第６図に示す温度プ
ロファイルで、Ｎ_２雰囲気中で焼成した。

以上の様にして作製したセラミック配線基板もＳＥＭ観
察により極めて緻密な絶縁層を形成している事が明らか
となった。なお、焼成後のセラミック配線基板は、切断
時のグリーンシートに比べて約１８〜２２％の収縮が見
られた。

次に、実施例２においても、実施例１と同様に接着強度
の測定を行なった。測定用基板は約１mmのグリーンシー
トを前記の様に作製し、その上にCuOペーストを印刷、
乾燥の後、脱バインダ、還元、焼成を行なって作製し
た。また、従来例に示されている様な還元雰囲気中での
焼成も実施例１と同条件で行ない比較した。

なお、測定用パターンには、グリーンシートの収縮を考
慮し、３mmφの導体パターンを印刷した。

以上の様にして測定した結果を第３表に示した。第３表
より明らかな様に、従来法の結果と比較して、還元工程
と焼成工程を別々に異なる雰囲気、温度で行なう事によ
りCu と絶縁層のぬれ性が良くなり、その効果が明確に
接着強度にあらわれている。

発明の効果以上述べた様に、本発明の製造方法によって、極めて緻
密な絶縁層を有し、メタライズ性にすぐれたセラミック
配線基板の作製が可能となる。

さらに、導体層にCuOペーストを用いる事により、Cuの
持っている導体抵抗の低さ、ハンダ付け性の良さ、耐マ
イグレーション性の良さ、低コスト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図は印刷法によって作製した未焼結セラミック配線
基板の断面図、第２図はグリーンシート積層法によって
作製した未焼結セラミック配線基板の断面図、第３図は
脱バインダ工程の温度プロアァイルの１実施例を示す
図、第４図は還元工程の温度プロファイルの１実施例を
示す図、第５図は印刷法によるセラミック配線基板作製
の焼成工程の温度プロファイルの１実施例を示す図、第
６図はグリーンシート積層法によるセラミック配線基板
作製の焼成工程の温度プロファイルの１実施例を示す図
である。１……アルミナ９６％焼結済基板、２……絶縁層、３…
…導体層。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】SiO_２６０〜９０重量％、Ｂ₂Ｏ_３５〜３０
重量％、Al₂Ｏ_３０．１〜１０重量％、BaO０．１〜１０
重量％、Ｍ₂Ｏ（ここでＭはアルカリ金属）０．０１〜
６重量％の組成となるガラス粉末４０〜６０重量％と、
Al₂Ｏ_３９０〜９８重量％、SiO_２１〜５重量％、CaO
０．１〜２重量％、MgO０．５〜４重量％の組成となる
結晶質混合物６０〜４０重量％からなる粉末組成物に有
機バインダおよび有機溶剤を加えたグリーンシートまた
は絶縁ペーストと、酸化銅を主成分とする無機材料に、
有機バインダおよび有機溶剤を加えた導体ペーストによ
り、少なくとも１層以上の配線を形成する工程と、該未
焼結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、脱バインダす
る工程と、さらに、これを前記ガラス組成物の軟化点以
下の温度で、還元雰囲気中で熱処理する工程と、その
後、窒素雰囲気中で焼成し、焼結させる工程を有するこ
とを特徴とするセラミック配線基板の製造方法。
【請求項２】グリーンシート積層法によって未焼結体を
形成する特許請求の範囲第１項記載のセラミック配線基
板の製造方法。
【請求項３】厚膜印刷法によって、焼結済基板上に未焼
結体を形成する特許請求の範囲第１項記載のセラミック
配線基板の製造方法。