JPH09205265A - セラミックス配線基板の製造方法およびグリーンシート孔開け装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 多層セラミックス配線基板の製造工程におい
て、セラミックスグリーンシートに例えば直径50〜 100
μm 程度と微細化されたスルーホールを形成する際に、
孔つまり等の発生を極力防止する。 【解決手段】 セラミックスグリーンシート１４にパン
チングピン１２を用いてスルーホール１４ａを形成する
際に、スルーホール形成部位周辺に帯電防止用イオン気
流をイオン気流供給吹出口１９から供給する。このよう
にして形成したスルーホール内に導体ペーストを充填
し、この導体ペーストを充填したセラミックスグリーン
シートを 1枚または複数積層してセラミックス成形体を
作製する。このセラミックス成形体を焼成して、セラミ
ックス基材と導体ペーストとを同時に焼結させることに
よって、セラミックス配線基板を製造する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、導体が充填された
スルーホールを有するセラミックス配線基板の製造方
法、およびそれに用いるグリーンシート孔開け装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ＩＣ、ＬＳＩ等の半導体素子の
パッケージングには、プラスチックパッケージ、メタル
パッケージ、セラミックスパッケージが使用されてい
る。これらのうち、セラミックスパッケージは放熱性、
電気的特性、信頼性等をはじめとして総合的に優れてい
ることから、高性能化された半導体素子のパッケージ材
料として多用されつつある。

【０００３】上述したようなセラミックスパッケージに
おいては、スルーホールを形成した多層配線基板をパッ
ケージ基体として用いることが一般的である。多層セラ
ミックス配線基板は、まず複数枚のセラミックスグリー
ンシートをドクターブレード法等により形成し、これら
シートを所望形状に切断した後、所望の配線パターンに
応じて孔開け装置によりシートの上下を貫通するスルー
ホールを形成する。次いで、各シートに形成したスルー
ホールに、例えばＷ等の高融点金属を主成分とする導体
ペーストを充填すると共に、シート表面にも配線パター
ンに応じて導体ペーストを印刷する。このようなセラミ
ックスグリーンシートを必要枚数重ね、−定の圧力で積
層、圧着した後、脱脂およびセラミックスグリーンシー
トと導体ペーストとの同時焼成を行うことによって、パ
ッケージ基体等としての多層セラミックス配線基板が得
られる。

【０００４】ところで、近年の半導体素子の高集積化等
に伴って、パッケージ内配線は高密度化することが求め
られている。また、パッケージサイズについても、実装
面積を低減するために小形化することが求められてい
る。そこで、小形化したパッケージで高配線密度を実現
するために、層間の電気的接続を担うスルーホールの微
細化、すなわちスルーホール径の微小化が進められてい
る。具体的には、直径50〜 100μm 程度まで微細化され
たスルーホールが利用されはじめているが、このような
スルーホール径の微小化に伴って、孔開け時につまりが
多発するという問題が生じている。これは、従来の直径
200μm 程度のスルーホールでは特に問題とはなってい
なかった事項である。

【０００５】すなわち、スルーホールの数はパッケージ
サイズにもよるが、 1パッケージ当り3000〜4000個程度
であり、このうち 1つでもつまり等が生じていれば、半
導体パッケージとしては不良となってしまう。孔つまり
の原因としては、抜いたシート屑が再度グリーンシート
に付着することが挙げられるが、これはピンと受け側の
ダイとのクリアランス管理等の他に、発生するシート屑
がピンやダイに付着して、打抜きかすの剥離性を劣化さ
せていることが考えられる。従って、グリーンシートの
特性としてピンやダイへの付着性を改善したり、打抜き
かすを強制的に排除する等の対策が採られてきた。

【０００６】図３は、従来の打抜きかすのつまり防止対
策を施した孔開け装置の構成を示す図である。同図に示
すように、従来はダイ１側で真空吸引（矢印Ａ）やエア
ー吹き（矢印Ｂ）等が行われている。しかしながら、上
述したように微細化されたスルーホールでは、つまり等
を有効に防止することができないことから、これらに加
えてパンチングピン２側からセラミックスグリーンシー
ト３のスルーホール形成部位にエアーを供給（押出し気
流：矢印Ｃ）することによって、打抜きかすを上から吹
き飛ばすことも検討されている。しかし、これらの対策
を施してもつまり等を完全に防止することはできず、例
えば10〜100ppm程度の割合で孔つまりが発生している。

【０００７】さらに、スルーホールの孔つまりの形状に
ついても、例えば図４（ａ）、（ｂ）に示すように、ス
ルーホール４の孔つまりの程度がひどいものが多く、孔
径の微細化と相俟って孔つまりの修正も困難となってい
る。なお、図４（ｃ）に示すような軽度のつまりであれ
ばエアー吹き等により容易に修正することができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、半導
体素子の高集積化等に伴って、セラミックスグリーンシ
ートに直径50〜 100μm 程度と微細化されたスルーホー
ルを形成する必要が生じているが、従来の孔開け装置で
はつまり等の孔開け不良を十分に防止することはでき
ず、グリーンシート自体の不良率やその後の多層セラミ
ックス配線基板の製造工程における不良率の増加を招い
ている。

【０００９】このように、従来の多層セラミックス配線
基板の製造工程においては、セラミックスグリーンシー
トに直径50〜 100μm 程度と微細化されたスルーホール
を形成する際に、孔つまり等の発生を極力防止すること
が課題とされている。

【００１０】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、微細化されたスルーホールを健全か
つ安定に形成することを可能にすることによって、製造
不良の抑制および製造工程の安定化を図ったセラミック
ス配線基板の製造方法を提供することを目的としてお
り、さらには微細化されたスルーホールを健全かつ安定
に形成することを可能にしたグリーンシート孔開け装置
を提供することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記目的を
達成するために打抜きかす等によるスルーホールの孔つ
まりの原因を検討した結果、グリーンシートの帯電が問
題となることを見出した。ここで、セラミックスグリー
ンシートは絶縁体で帯電するものの、ピンやダイは金属
で作製されていることから、従来はピンやダイがアース
となってグリーンシートは帯電しないと考えられてき
た。しかし、実際には 1つのピンで10万孔を超えるよう
な孔開けを実施すると、グリーンシートに含まれている
有機バインダ、原料粉末等がピンやダイに付着するため
に、アースの効果が減少してしまう。こうしたことか
ら、実際にはグリーンシートは帯電しやすい状況にあ
る。グリーンシートが帯電すると、静電気的な要因によ
り打抜きかす等が付着し、これがスルーホールの孔つま
りの原因であることを見出した。

【００１２】本発明はこのような知見に基いて成された
もので、本発明のセラミックス配線基板の製造方法は、
請求項１に記載したように、セラミックスグリーンシー
トにパンチングピンを用いてスルーホールを形成する工
程と、前記スルーホール内に導体ペーストを充填する工
程と、前記導体ペーストを充填したセラミックスグリー
ンシートを 1枚または複数積層してセラミックス成形体
を作製する工程と、前記セラミックス成形体を焼成し
て、セラミックス基材と前記導体ペーストとを同時に焼
結させる工程とを有するセラミックス配線基板の製造方
法において、前記セラミックスグリーンシートの前記パ
ンチングピンによるスルーホール形成部位周辺に、帯電
防止用気流（イオン気流）を吹き付けながら、前記スル
ーホールの形成を行うことを特徴としている。

【００１３】本発明のセラミックス配線基板の製造方法
は、請求項２に記載したように、前記スルーホールの直
径が 100μm 以下である場合に特に効果的である。

【００１４】また、本発明のグリーンシート孔開け装置
は、請求項３に記載したように、セラミックスグリーン
シートにスルーホールを形成する孔開け装置であって、
前記スルーホールの内径に応じた外径を有するパンチン
グピンと、前記セラミックスグリーンシートが載置さ
れ、前記パンチングピンの受け型であるダイと、前記セ
ラミックスグリーンシートの前記パンチングピンによる
スルーホール形成部位周辺に帯電防止用気流を供給する
手段と、前記パンチングピンの駆動機構とを具備するこ
とを特徴としている。

【００１５】本発明においては、セラミックスグリーン
シートのパンチングピンによるスルーホール形成部位周
辺に帯電防止用気流を供給していることから、スルーホ
ール形成時におけるセラミックスグリーンシートの帯電
を防止することができる。従って、上述した静電気的な
要因による打抜きかす等の付着が防止できることから、
孔つまりを発生させることなく、スルーホールを健全か
つ安定して形成することが可能となる。また、帯電した
グリーンシートは微細なごみ等を表面に吸着し、次工程
の導体ペーストの充填時に不具合の原因となるが、セラ
ミックスグリーンシートの帯電を防止することによっ
て、本発明では導体ペーストの充填工程の安定化、なら
びに得られる内層配線の信頼性や電気的特性の向上等を
図ることができる。このような健全なスルーホールを有
するセラミックスグリーンシートを用いることによっ
て、信頼性に優れたセラミックス配線基板を安定して作
製することが可能となる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施するための形
態について説明する。

【００１７】本発明のセラミックス配線基板の製造方法
を、半導体用パッケージ基体等として用いられ多層セラ
ミックス配線基板の製造に適用した一実施形態につい
て、図面を参照して説明する。

【００１８】まず、複数枚のセラミックスグリーンシー
トを用意する。なお、ここで言うセラミックスグリーン
シートとは、適量の焼結助剤を含むセラミックス原料粉
末を、適量の有機バインダや有機溶剤と共に混合し、こ
れをドクターブレード法等の公知の成形方法でシート状
に成形したものである。

【００１９】次に、各セラミックスグリーンシートに、
内層配線パターンに応じてスルーホールを形成する。こ
のスルーホールの形成には、例えば図１に示すようなパ
ンチング装置を使用する。図１に要部を示すパンチング
装置１１は、本発明のグリーンシート孔開け装置の一実
施形態によるものである。このパンチング装置１１につ
いて説明する。

【００２０】図１に示すパンチング装置は、目的とする
スルーホール径に応じた外径を有するパンチングピン１
２を有しており、このパンチングピン１２は図示を省略
したパンチングピン駆動機構に接続された駆動軸１３に
着脱可能に取付けられている。駆動軸１３には、セラミ
ックスグリーンシート１４のスルーホール（１４ａ）形
成部位にエアーを供給（押出し気流：矢印ａ）するエア
ー供給部１５が設けられている。また、パンチングピン
１２の周囲には、ストリッパーと称されるゴム製カバー
１６が設けられており、これをセラミックスグリーンシ
ート１４に当てることによって、セラミックスグリーン
シート１４の横振れや上下の動きを防止している。

【００２１】パンチングピン１２は、その受け型である
ダイ１７と対向配置されている。ダイ１７は、セラミッ
クスグリーンシート１４の載置台を兼ねており、セラミ
ックスグリーンシート１４はダイ１７上に載置される。
ダイ１７は、打抜きかすを真空吸引（矢印ｂ）する図示
を省略した真空吸引装置に接続されていると共に、横吹
出し（矢印ｃ）用のエアー供給部１８が設けられてい
る。これらダイ１７側の真空吸引および横吹出しと、上
述したパンチングピン１２側の押出し気流とによって、
打抜きかすをセラミックスグリーンシート１４から強制
的に引き剥がすように構成されている。

【００２２】そして、セラミックスグリーンシート１４
のスルーホール（１４ａ）形成部位周辺に向けて、帯電
防止用イオン気流（矢印ｄ）を供給するイオン気流供給
吹出口１９がパンチングピン１２の近傍に設置されてい
る。このイオン気流供給吹出口１９は、図示を省略した
帯電防止用イオン気流発生源に接続されている。イオン
気流供給吹出口１９から供給される帯電防止用イオン気
流としては、一般的な帯電防止に用いられる正負のイオ
ン気流でよい。例えば、除電器との距離が 300mmの場合
で、+2000Vを+20Vに除電する時間が 1〜 2秒程度のイオ
ン気流が用いられる。そのような帯電防止用イオン気流
の発生源としては、市販のイオナイザー等を用いること
ができる。

【００２３】また、駆動軸１３のエアー供給部１５やダ
イ１７のエアー供給部１８からも、同様な帯電防止用イ
オン気流（矢印ｅ）を供給するように構成してもよい。

【００２４】上述したようなパンチング装置１１を用い
て、セラミックスグリーンシート１４のスルーホール
（１４ａ）形成部位周辺に向けて帯電防止用イオン気流
を吹き付けつつ、セラミックスグリーンシート１４にパ
ンチングピン１２でスルーホール１４ａを形成する。 1
穴式のパンチング装置（シングルパンチャー）１１の場
合、通常、 1つのパンチングピン１２で10万孔以上のス
ルーホール１４ａを連続して形成する。この際、駆動軸
１３のエアー供給部１５やダイ１７のエアー供給部１８
からのエアー供給、およびダイ１７側の真空吸引も同時
に実施することが好ましく、さらには駆動軸１３のエア
ー供給部１５やダイ１７のエアー供給部１８からも帯電
防止用イオン気流を供給することが望ましい。

【００２５】上記したように、セラミックスグリーンシ
ート１４のスルーホール（１４ａ）形成部位周辺に帯電
防止用イオン気流を供給することによって、連続的に実
施されるパンチング時の摩擦等によって生じる静電気を
除電することができる。このため、静電気力による打抜
きかす等の付着を防止することができる。また、静電気
力による微細なごみ等の吸着も防止することが可能とな
る。従って、健全なスルーホール１４ａを安定して形成
することができる。また、たとえ打抜きかすの付着が発
生したとしても、セラミックスグリーンシート１４の帯
電を防止していることから、図４（ｃ）に示したように
軽度のものとなり、エアー吹き等により容易に修正する
ことができる。これらによって、スルーホール１４ａの
孔つまり等によるグリーンシート不良の発生を大幅に低
減することができる。

【００２６】上述したイオン気流供給吹出口１９を付設
したパンチング装置１１は、特に連続孔開けによりセラ
ミックスグリーンシート１４が帯電しやすい一穴式パン
チング装置に特に有効である。また、数本のパンチング
ピンを用いて連続孔開けを行うパンチング装置に対して
も、同様に有効である。

【００２７】このようなパンチング装置１１は、各種の
セラミックスグリーンシート１４に対して有効であり、
例えば酸化アルミニウムのような酸化物系セラミックス
から窒化アルミニウム、窒化ケイ素等の非酸化物系セラ
ミックスまで種々のセラミックス材料からなるグリーン
シートに適用することができる。このように、特にセラ
ミックスグリーンシート１４の材質に限定されるもので
はないが、ガラス転移点が低く（例えばＡｌＮ／Ｔ_g ＝
約308K）、パンチング作業時にガラス転移点近傍まで容
易にシート温度が上昇しやすいグリーンシートに対して
特に有効であるまた、スルーホール１４ａの形状につい
ても、各種形状のスルーホールについて有効であるもの
の、特に直径（スルーホール径）が 100μm 以下の微細
なスルーホールに対して効果的である。 100μm 以下と
スルーホールを微細化した場合、前述したように特に孔
つまりが生じやすくなるためである。

【００２８】上述したようなパンチング装置１１を用い
て、セラミックスグリーンシート１４に多数のスルーホ
ールを形成した後、各スルーホールに導体ペーストをス
クリーン印刷等により充填する。この際、前述したよう
にスルーホールの孔つまり等の発生が極力抑制されてい
ることから、スルーホールへの導体ペーストの充填工程
の安定化が図れ、さらに孔つまり等の発生が防止されて
いるだけでなく、静電気力による微細なごみ等の吸着も
防止されているため、各スルーホールに対して安定して
高密度に導体ペーストを充填することが可能となる。

【００２９】次いで、内層配線パターンに応じて、各セ
ラミックスグリーンシート上にも導体ペーストをスクリ
ーン印刷等により塗布する。導体ペーストとしては、Ｗ
やＭｏ等の高融点金属を有機バインダや有機溶媒と共に
混合してペースト化したものが用いられる。

【００３０】この後、上記スルーホール内に導体ペース
トを充填すると共に、表面に導体ペーストを印刷した複
数のセラミックスグリーンシートを積層し、これを加熱
しつつ加圧する。このグリーンシート圧着体をセッタ等
の焼成治具上に配置して、所定のガス雰囲気中で焼成す
る。このようにして、セラミックスグリーンシートと導
体ペーストとを同時焼成することで、例えば図２に示す
ような多層セラミックス配線基板２０が得られる。

【００３１】図２に要部構成を示す多層セラミックス配
線基板２０は、焼成により多層一体化された複数のセラ
ミックス層、例えば 4層のセラミックス層２１ａ、２１
ｂ、２１ｃ、２１ｄを有する多層セラミックス基板２１
と、この多層セラミックス基板２１の内部に設けられた
内層配線２２とから構成されている。

【００３２】上述した内層配線２２は、多層セラミック
ス基板２１の各セラミックス層２１ａ〜２１ｄに設けら
れたスルーホール２３内に充填された導体層２４と、各
セラミックス層２１ａ〜２１ｄ上に形成された導体層２
５とから構成されている。この内層配線２２は所望の内
層配線パターンに応じて形成されているものであり、多
層セラミックス基板２１の表面側に形成された接続パッ
ド２６や電極パッド２７と電気的に接続されている。

【００３３】スルーホール２３内に充填された導体層２
４、および各セラミックス層２１ａ〜２１ｄ上に形成さ
れた導体層２５は、いずれもスルーホール２３内に充填
した導体ペーストや各セラミックス層２１ａ〜２１ｄ上
に印刷形成した導体ペーストを、多層セラミックス基板
２１と同時焼成することにより形成したものである。上
述したような多層セラミックス配線基板２０の製造工程
においては、スルーホール不良の発生を防止することが
できると共に、各工程（特にスルーホール形成工程と導
体ペースト充填工程）を安定して実施できるだけでな
く、前述したようにスルーホール２３の孔形成精度や孔
形成状態に優れ、スルーホール２３内に導体ペーストを
良好に充填できることから、導体ペーストの充填不良に
基く接続不良やスルーホール２３内での局部的な充填密
度不良による電気抵抗の増加等を抑制することも可能と
なる。すなわち、内層配線２２の信頼性および電気的特
性に優れた多層セラミックス配線基板２０を再現性よく
得ることができる。

【００３４】図２に示した多層セラミックス配線基板２
０は、ＰＧＡ、ＢＧＡ等の半導体パッケージの基体等と
して用いられるほか、半導体実装用多層配線基板、ＭＣ
Ｍ用多層配線基板等、種々の配線基板として使用するこ
とができる。また、平板型の多層セラミックス配線基板
に限らず、キャビティを有する多層セラミックス配線基
板、単板型のセラミックス配線基板等の製造に本発明を
適用することもできる等、本発明は種々のセラミックス
配線基板の製造に適用可能である。

【００３５】

【実施例】次に、本発明の具体的な実施例について説明
する。

【００３６】実施例１ まず、複数枚の窒化アルミニウムグリーンシートを用意
し、これらに図１に示したパンチング装置１１を用いて
スルーホールを形成した。形成したスルーホールの直径
は 100μm であり、このようなスルーホールを 100万孔
連続して形成（孔開け／パンチング）した。この際、イ
オン気流供給吹出口１９からイオンバランスをとった帯
電防止用イオン気流を 2〜4m³ /minの流量で供給した。
また、駆動軸１３のエアー供給部１５およびダイ１７の
エアー供給部１８からは、押出し気流および横吹出し気
流の供給を実施し、さらにダイ１７側の真空吸引も同時
に実施した。

【００３７】また、本発明との比較例として、帯電防止
用イオン気流の供給を行わない以外は実施例１と同様に
して、 100万孔のスルーホールを同一条件の窒化アルミ
ニウムグリーンシートに連続して形成した（比較例
１）。さらに、駆動軸１３のエアー供給部１５からの押
出し気流の供給も停止して、 100万孔のスルーホールを
同一条件の窒化アルミニウムグリーンシートに連続して
形成した（比較例２）。

【００３８】これら実施例１および比較例１、２による
スルーホールの形成状態を測定、評価した。その結果を
表１に示す。

【００３９】

【表１】 表１から明らかなように、帯電防止用イオン気流を供給
しながら孔明けを実施することで孔つまりが防止でき、
健全なスルーホールを極めて安定に形成できることが分
かる。

【００４０】次に、上記実施例１でスルーホールの形成
を行った窒化アルミニウムグリーンシートに対して、タ
ングステンペーストのスルーホール内への充填および窒
化アルミニウムグリーンシート上への印刷を行い、これ
ら窒化アルミニウムグリーンシートを積層し、さらに 1
00kgの圧力でプレスして積層成形体を作製した。この積
層成形体を基板寸法に切断し、窒素気流中にて脱脂した
後、窒化アルミニウム製の焼成治具内に配置した状態で
窒素中にて 2093Kで焼成し、窒化アルミニウムとタング
ステンとを同時に焼成することによって、多層窒化アル
ミニウム配線基板を得た。このようにして得た多層窒化
アルミニウム配線基板の配線状態を検査したところ、配
線のオープンは全くなく、また配線抵抗も良好な値を示
した。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のセラミッ
クス配線基板の製造方法によれば、微細なスルーホール
を連続して健全かつ安定して形成することができるた
め、製造不良の発生が抑制できると共に、製造工程の安
定化を図ることが可能となる。また、本発明のグリーン
シート孔開け装置によれば、微細化されたスルーホール
を健全かつ安定に形成することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態によるグリーンシート孔
開け装置の要部構成を示す断面図である。

【図２】 本発明の一実施形態で作製した多層セラミッ
クス配線基板の構成を示す要部断面図である。

【図３】 従来のグリーンシート孔開け装置の要部構成
を示す断面図である。

【図４】 スルーホールにおける孔つまりの形態を示す
断面図である。

【符号の説明】

１１……パンチング装置 １２……パンチングピン １３……駆動軸 １４……セラミックスグリーンシート １４ａ…スルーホール １７……ダイ １９……イオン気流供給吹出口 ２０……多層セラミックス配線基板 ２１……多層セラミックス基板 ２２……内層配線 ２３……スルーホール

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミックスグリーンシートにパンチン
   グピンを用いてスルーホールを形成する工程と、前記ス
   ルーホール内に導体ペーストを充填する工程と、前記導
   体ペーストを充填したセラミックスグリーンシートを 1
   枚または複数積層してセラミックス成形体を作製する工
   程と、前記セラミックス成形体を焼成して、セラミック
   ス基材と前記導体ペーストとを同時に焼結させる工程と
   を有するセラミックス配線基板の製造方法において、 前記セラミックスグリーンシートの前記パンチングピン
   によるスルーホール形成部位周辺に、帯電防止用気流を
   吹き付けながら、前記スルーホールの形成を行うことを
   特徴とするセラミックス配線基板の製造方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載のセラミックス配線基板の
   製造方法において、 前記スルーホールの直径が 100μm 以下であることを特
   徴とするセラミックス配線基板の製造方法。
3. 【請求項３】 セラミックスグリーンシートにスルーホ
   ールを形成する孔開け装置であって、 前記スルーホールの内径に応じた外径を有するパンチン
   グピンと、前記セラミックスグリーンシートが載置さ
   れ、前記パンチングピンの受け型であるダイと、前記セ
   ラミックスグリーンシートの前記パンチングピンによる
   スルーホール形成部位周辺に帯電防止用気流を供給する
   手段と、前記パンチングピンの駆動機構とを具備するこ
   とを特徴とするグリーンシート孔開け装置。