JPH11103169A

JPH11103169A - ガラスセラミック配線基板

Info

Publication number: JPH11103169A
Application number: JP26239797A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Hamano; 智濱野; Toshiaki Shigeoka; 俊昭重岡
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1997-09-26
Filing date: 1997-09-26
Publication date: 1999-04-13

Abstract

(57)【要約】【課題】酸性あるいはアルカリ性のエッチング液や洗浄
液、メッキ液等にガラスセラミック配線基板を浸漬して
も、配線基板表面に安定した接合強度で高い密着性をも
って形成された銅導体の導体層を具備し、かつ気密性と
高い信頼性を有するガラスセラミック配線基板を提供す
る。【解決手段】ガラスセラミック磁器と同時焼成して形成
した銅を主成分とする導体層の内、該配線基板の内部導
体層の厚さが７〜１５μｍで、該配線基板の表面導体層
の厚さが１２μｍ以上であり、該表面導体層の厚さに対
する表面導体層上に被着形成された被覆層の厚さの比、
被覆層の厚さ／表面導体層の厚さが０．３以下であるガ
ラスセラミック配線基板。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、低抵抗の銅導体か
ら成る導体層を具備した各種回路基板や高周波用多層配
線基板等に適用されるガラスセラミック配線基板に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体素子を収容する半導体
素子収納用パッケージや、半導体素子の他に各種電子部
品を搭載した混成集積回路装置等の各種配線基板用絶縁
基体として、電気絶縁性や化学的安定性等の特性に優れ
たアルミナ質セラミックスが多用されてきた。

【０００３】しかし、近年、携帯電話に代表される通信
分野における１〜１０ＧＨｚ帯の高周波領域で多用され
る配線基板には、前記アルミナ質セラミックスから成る
絶縁基体よりも更に導体損失の低減と小型化が要求され
ており、このため低抵抗導体として銅（Ｃｕ）や金（Ａ
ｕ）、銀（Ａｇ）で導体層を形成した誘電率がアルミナ
質セラミックス並みのガラスセラミック配線基板が前記
通信分野用の配線基板として注目されており、例えば、
携帯電話のパワーアンプモジュール等への適用が検討さ
れている。

【０００４】かかるガラスセラミック配線基板を構成す
る低抵抗導体として、金はコストが高くなるという難点
があり、一方、銀は大気中で焼成でき、絶縁基体表面に
形成した配線導体には金属被覆を施さなくてもワイヤー
ボンディングが可能であり、コスト面では有利であるも
のの、該銀の配線導体はマイグレーションや半田食われ
の問題から信頼性に劣るという欠点があり、それを改善
するために銀にパラジウム等を添加することが行われて
いるが、その場合には導体抵抗が高くなり、特に前記高
周波領域で使用する配線基板用には適用できないという
問題がある。

【０００５】従って、前記低抵抗導体として非酸化性雰
囲気中で焼成しなければならないこと、及び絶縁基体表
面の配線導体に金属被覆を施すことが必要であるという
ものの、高い信頼性が確保できる銅導体の配線化が鋭意
研究開発されている。

【０００６】かかる銅を配線導体とするガラスセラミッ
ク配線基板は、例えば、ガラスセラミック原料粉末と有
機バインダー等を用いて調製した泥漿をシート状に成形
した後、得られたガラスセラミックグリーンシートにビ
アホール等を打ち抜き加工し、該ビアホールに銅を主成
分とし、ガラス粉末を混合した導体ペーストを充填する
と共に、前記グリーンシート上に同様の銅メタライズ組
成物から成る導体ペーストを用いて所定の配線パターン
を形成し、これらを複数枚位置合わせして加圧積層した
後、一般的には前記積層体を水蒸気を含有する窒素雰囲
気から成る非酸化性雰囲気中で加熱して脱バインダー及
び焼成を行って作製することが提案されている（特開平
５−２４３７００号公報参照）。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記提
案で得られる焼成後の銅導体にはガラス成分が含まれて
いることから、表面の銅導体から成る導体層にＮｉ−Ａ
ｕメッキやＣｕ−Ａｕメッキ等の金属被覆を施す場合、
予め銅導体表面のガラスを除去するために酸性あるいは
アルカリ性のエッチング液や洗浄液等にガラスセラミッ
ク配線基板を浸漬しなければならないこと、及びメッキ
処理の工程において酸性あるいはアルカリ性のメッキ液
にガラスセラミック配線基板が浸漬されること等から、
銅導体中の微細ボイドに前記エッチング液や洗浄液、メ
ッキ液等が浸透したり、銅導体中のガラス成分が溶出す
ることにより、銅導体とガラスセラミック磁器との界面
組織が浸食され、その結果、銅導体から成る導体層との
接合強度が劣化するという課題があった。

【０００８】また、前記内部導体層の厚さが厚くなると
内部導体層の端部のグリーンシート積層面に空隙が発生
し易くなることから、内部導体層がガラスセラミック配
線基板の外周部に近い部分に形成された場合には、空隙
が該配線基板外周部とつながってエッチング液や洗浄
液、メッキ液等が浸透し、内部導体層とガラスセラミッ
ク磁器の界面が浸食され、気密性が低下するという課題
もあった。

【０００９】

【発明の目的】本発明は前記課題を解消せんとして成さ
れたもので、その目的は、酸性あるいはアルカリ性のエ
ッチング液や洗浄液、メッキ液等にガラスセラミック配
線基板を浸漬しても、安定した接合強度で高い密着性を
もって形成された銅導体の導体層を具備し、かつ気密性
と高い信頼性を有するガラスセラミック配線基板を提供
することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者等は鋭意研究の
結果、ガラスセラミック配線基板に形成する銅を主成分
とする該配線基板の内部及び表面の各導体層の厚さと、
該表面導体層上に被着形成する金属被覆層の厚さをそれ
ぞれ一定範囲に制御することにより、銅導体の導体層の
密着性を向上することができると共に、内部導体層の端
部に発生し易い空隙を抑制して気密性が確保できること
を知見し、本発明に至った。

【００１１】即ち、本発明のガラスセラミック配線基板
は、ガラスセラミック磁器と同時焼成して形成した銅を
主成分とする導体層の内、該配線基板の内部導体層の厚
さが７〜１５μｍで、該配線基板の表面導体層の厚さが
１２μｍ以上であり、該表面導体層の厚さに対する表面
導体層上に被着形成された被覆層の厚さの比、被覆層の
厚さ／表面導体層の厚さが０．３以下であることを特徴
とするものである。

【００１２】

【作用】本発明によれば、ガラスセラミック配線基板に
おける銅を主成分とする内部導体層の厚さが７〜１５μ
ｍで、表面導体層の厚さを１２μｍ以上と厚くし、該表
面導体層上に被着形成する金属被覆層の厚さを表面導体
層の厚さの３０％以下としたことから、メッキ処理及び
その前処理工程においてそれらの処理液により表面導体
層とガラスセラミック磁器との界面組織が浸食されるの
を抑制し、界面の組織を焼成後の状態に維持することが
できることから、表面導体層の接合強度を安定化するこ
とができる。

【００１３】また、ガラスセラミック配線基板の内部の
銅を主成分とする導体層の厚さを７〜１５μｍに限定す
ることで、十分に低い導体抵抗を確保でき、かつ導体層
の端部に空隙が発生しない組織を形成することができ、
配線基板の気密性も確保することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明のガラスセラミック
配線基板について詳細に述べる。

【００１５】本発明ガラスセラミック配線基板に形成さ
れる銅を主成分とする導体層は、銅を主成分としガラス
フリット及び必要に応じてセラミックフィラーを添加
し、有機バインダーと溶剤によりペースト状にした銅導
体ペーストを用いて形成されるもので、該銅導体ペース
トはガラスセラミック磁器と同時焼成可能なものであ
る。

【００１６】そして、前記銅導体ペースト中の主成分の
銅は、平均粒径が２〜６μｍの球状粉末を用い、その比
表面積が０．２〜１．５ｍ²／ｇ程度であることが、銅
導体ペースト中における銅粉末の充填密度を高くしてボ
イドを生成し難いということからはより好ましいもので
ある。

【００１７】また、前記銅導体ペーストに添加されるガ
ラスフリットとしては、７００〜１０００℃の温度でガ
ラスセラミック磁器と同時焼成することが可能なガラス
転移点が７００〜７５０℃で、該転移点以上の温度で急
激に軟化流動するＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＲＯ（Ｒ：ア
ルカリ土類金属）−Ｂ₂Ｏ₃系ガラスが好ましく、その
添加量は、銅１００重量部に対して０．５〜５重量部が
好ましい。

【００１８】更に、前記銅導体ペーストには、該ペース
ト中のガラスの軟化流動による収縮挙動を微調整するた
めにセラミック粉末を添加することができ、融点が高
く、前記ペースト中に添加するガラスと容易に反応して
化合物を生成しないものであればいずれでも良く、例え
ばＡｌ₂Ｏ₃やＳｉＯ₂、ＺｒＯ₂等が挙げられ、その
添加量は銅粉末１００重量部に対して０．５〜３重量部
程度が緻密に焼結させることから望ましい。

【００１９】一方、前記銅導体ペーストに使用する有機
バインダーには、非酸化性雰囲気中での熱分解性に優れ
たアクリル系樹脂、好ましくはメタクリル酸系樹脂があ
り、溶剤としてはフタル酸ジブチルやα−テルピネオー
ル等の一般的な導体ペースト用の溶剤を適用することが
でき、前記有機バインダーの特性に応じて可塑剤を添加
することも可能である。

【００２０】次に、このような銅導体ペーストをガラス
セラミック原料粉末を含むグリーンシートにスクリーン
印刷して所定のパターンで導体層を形成するが、焼成後
にガラスセラミック配線基板の内部導体層となるパター
ンに印刷する厚さは、焼成後の厚さが７μｍ未満では配
線導体のシート抵抗を３ｍΩ／□以下とすることが困難
であり高周波用途には不適となり、１５μｍを超えると
配線導体端部のグリーンシート積層面に空隙が発生し易
く、パターンが配線基板外周に近い部分に存在する場合
は前記空隙が配線基板外周にまでつながり、得られたガ
ラスセラミック配線基板の気密性が悪くなるため、その
厚さは７〜１５μｍの範囲に限定される。

【００２１】一方、焼成後にガラスセラミック配線基板
の表面に金属被覆層を被着する導体層となるパターンに
印刷する厚さは、焼成後に１２μｍ未満となる場合に
は、メッキ処理時に配線導体とガラスセラミック磁器の
界面組織が浸食されることにより配線導体の接合強度が
安定しないという問題があり、例えば、粒径が６μｍの
銅粉末を使用した銅導体ペーストを印刷した場合は、そ
の厚さ方向に銅粉末が２粒以上は必要であることも意味
するものである。

【００２２】また、前記表面導体層の厚さは、スクリー
ン印刷工程の作業性、及びグリーンシートの加圧積層時
に導体部以外にも圧力が加わるようにするという点から
は３０μｍ程度以下が望ましい。

【００２３】次に、内部導体層を形成したグリーンシー
トを複数枚積層し、該積層体の両面に前記表面導体層を
形成したグリーンシートをそれぞれ積層して、３００〜
５００℃の水蒸気を含んだ窒素雰囲気中で含有する有機
バインダーや可塑剤、溶剤等を分解除去した後、同じく
水蒸気を含んだ窒素雰囲気を焼成雰囲気として、使用す
るガラスセラミック材料の組成により焼成温度を８００
〜１０００℃の範囲で選択して焼成一体化する。

【００２４】かくして得られた銅を主成分とする導体層
を内部及び表面に有する配線基板は、表面の配線導体の
酸化防止、及び半田やロウ材の濡れ性を向上させるため
に、Ｎｉ−ＡｕあるいはＣｕ−Ａｕ等から成る金属被覆
層を施す。

【００２５】ここで、前記金属被覆層を被着形成するに
先立ち、銅導体表面のガラス成分をエッチング除去して
金属被覆層の密着性を良好ならしめるために、フッ酸等
のエッチング液やアルカリ性、酸性の洗浄液中に浸漬す
るが、その浸漬条件はガラスセラミック磁器及び銅導体
により適宜選択されるものである。

【００２６】また、前記金属被覆層を形成するためのメ
ッキ液は種類にもよるが、強酸性あるいは強アルカリ性
の液が一般に使用されていることから、先ず表面導体層
の厚さは前述したように１２μｍ以上であって、金属被
覆層の厚さと表面導体層の厚さとの間には金属被覆層の
厚さ／表面導体層の厚さの比が０．３以下の関係を満足
することが必要である。

【００２７】即ち、前記比が０．３を超えると、メッキ
液による表面導体層の銅導体の溶出やメッキ膜に起因す
る残留応力により、表面導体層とガラスセラミック磁器
との接合強度が低下して密着性が不安定となる。

【００２８】以上のようにして、銅を主成分とする導体
層を基板の内部及び表面に有し、該表面導体層上に前記
金属被覆層を被着形成したガラスセラミック配線基板を
得ることができる。

【００２９】

【実施例】本発明のガラスセラミック配線基板につい
て、以下のように評価した。

【００３０】先ず、平均粒径が５μｍの銅粉末１００重
量部に対して、ガラス転移点（Ｔｇ）が７２０℃である
ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＲＯ（Ｒ：アルカリ土類金属）
−Ｂ₂Ｏ₃系ガラスフリットとＡｌ₂Ｏ₃粉末をフィラ
ーとして、それぞれ２重量部、０．１重量部を混合し、
該混合物に有機バインダーと溶媒を添加して混練し、銅
導体ペーストを調製した。

【００３１】一方、ＳｉＯ₂が４４重量％、Ａｌ₂Ｏ₃
が２８重量％、ＭｇＯが１１重量％、ＺｎＯが８重量
％、Ｂ₂Ｏ₃が９重量％の組成を有する結晶性ガラス粉
末６１重量％と、ジルコン酸カルシウム粉末２１重量
％、チタン酸ストロンチウム粉末１６重量％、Ａｌ₂Ｏ
₃粉末２重量％から成るガラスセラミック原料粉末に対
して、有機バインダーとしてメタクリル酸イソブチル樹
脂を固形分で１２重量％、可塑剤としてフタル酸ジブチ
ルを６重量％添加し、トルエン及び酢酸エチルを溶媒と
してボールミルにより４０時間混合し、スラリーを調製
した。

【００３２】得られたスラリーをドクターブレード法に
より厚さ０．４ｍｍのガラスセラミックグリーンシート
を成形した。

【００３３】次いで、ガラスセラミックグリーンシート
上に前記銅導体ペーストを用い、表面導体層用として焼
成後に２ｍｍ角となる接合強度評価用パターンを印刷し
たもの、及び内部導体層用として焼成後にライン幅が２
００μｍ、ライン長が４０ｍｍとなるシート抵抗評価用
パターンを印刷したもの、更に内部導体層に伴う積層面
の口開きによる気密性良否を評価するためのパターンと
して焼成後に６０ｍｍ角となる気密性評価用パターンを
印刷したものをそれぞれ準備した。

【００３４】また、前記表面導体層用のガラスセラミッ
クグリーンシートには、積層時に内部導体層の前記ライ
ンの両端に相当する位置にビアホールを形成し、銅導体
ペーストを充填して、基板表面から内部導体層のシート
抵抗が測定できるようにした。

【００３５】かくして得られた各グリーンシートを順次
積層した後、気密性評価用パターンよりも縦横の各辺１
ｍｍ大きい寸法で切断し、積層体中の有機バインダー等
の有機成分や、該有機成分が分解した後に残留するカー
ボンを除去するため、５５ｍｍＨｇの水蒸気を含んだ窒
素雰囲気中、７５０℃の温度で１時間保持する熱処理を
行った後、９００℃の温度で１時間保持して焼結させ
た。

【００３６】その後、表面導体層上にＮｉメッキとＡｕ
メッキを順次施し、Ａｕメッキ厚みは全て１μｍとして
金属被覆層を被着形成し、評価用のガラスセラミック配
線基板を作製した。

【００３７】かくして得られた評価用のガラスセラミッ
ク配線基板の断面を鏡面研磨し、走査型電子顕微鏡を用
いてその断面を写真撮影し、該写真より表面導体層、内
部導体層、及び金属被覆層の厚さを測定した。

【００３８】また、表面導体層の接合強度については、
銅リード線を基板面と平行にして２ｍｍ角の表面導体層
に半田付けし、リード線を基板面に対して垂直方向に曲
げて１０ｍｍ／ｍｉｎの速度で引っ張り試験を行い、リ
ード線が剥離した時の荷重を接合強度として評価した。

【００３９】次に、内部導体層のシート抵抗について
は、内部導体層に接続したビアホールを介して基板表面
で接続したパッド部を４端子法にて抵抗を測定し、ライ
ン長、ライン幅よりシート抵抗に換算した。

【００４０】他方、前記配線基板の気密性については、
前記メッキ後のガラスセラミック配線基板をＨｅガス中
で４気圧、２時間加圧した後、３０分放置してリークデ
ィテクターにてリーク量を測定し、５×１０^-8ａｔｍ・
ｃｃ／ｓｅｃＨｅ以下を良と判定した。

【００４１】

【表１】

【００４２】表から明らかなように、本発明の請求範囲
外である試料番号１はシート抵抗が４．５ｍΩ／□と大
であり、同じく試料番号６は気密性が悪く、また試料番
号７、１３、１６はいずれも表面導体層とガラスセラミ
ック磁器との接合強度が１．６ｋｇ／２ｍｍ角以下と小
さく、ガラスセラミック配線基板として要求される諸特
性を満足していない。

【００４３】それに対して、本発明に係るガラスセラミ
ック配線基板ではいずれも前記諸特性を満足するもので
あることが分かる。

【００４４】尚、本発明は前記詳述した実施例に何ら限
定されるものではない。

【００４５】

【発明の効果】以上、詳述したように、本発明のガラス
セラミック配線基板は、銅を主成分とする内部導体層の
厚さを７〜１５μｍ、表面導体層の厚さを１２μｍ以上
と厚くし、該表面導体層上に被着形成する金属被覆層の
厚さを表面導体層の厚さに対して０．３倍以下としたこ
とから、前記金属被覆層を形成する時に表面導体層とガ
ラスセラミック磁器との界面組織が浸食されることを抑
制でき、また内部導体層端部の積層界面における空隙の
発生を抑制できることから、表面導体層の接合強度が安
定してガラスセラミック磁器との高い密着性が得られる
と共に、気密性に優れたガラスセラミック配線基板を得
ることができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガラスセラミック磁器と同時焼成して形成
した銅を主成分とする配線導体を有するガラスセラミッ
ク配線基板であって、前記ガラスセラミック配線基板の
内部導体層の厚さが７〜１５μｍで、かつガラスセラミ
ック配線基板の表面導体層の厚さが１２μｍ以上で、該
表面導体層上に被着形成された金属被覆層の厚さと前記
表面導体層の厚さの比（金属被覆層の厚さ／表面導体層
の厚さ）が０．３以下であることを特徴とするガラスセ
ラミック配線基板。