JPH1174628A

JPH1174628A - 配線基板およびその製造方法

Info

Publication number: JPH1174628A
Application number: JP23463697A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Kimura; 哲也木村; Hideto Yonekura; 秀人米倉; Yoji Furukubo; 洋二古久保; Kenichi Nagae; 謙一永江; Koichi Yamaguchi; 浩一山口
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1997-08-29
Filing date: 1997-08-29
Publication date: 1999-03-16

Abstract

(57)【要約】【課題】ガラスセラミック絶縁基板との焼結性を整合さ
せることができ、反りやうねりの発生を抑制するととも
に絶縁基板との接着性に優れたメタライズ配線層を具備
する配線基板を提供する。【解決手段】ガラスセラミックスからなる絶縁基板２の
表面および／または内部にＣｕを主成分とするメタライ
ズ配線層３を被着形成してなる配線基板１において、メ
タライズ配線層３中に、Ｃｕ１００重量部に対して、Ｇ
ｅを酸化物（ＧｅＯ₂）換算で０．１〜２０重量部の割
合で含有させる。なお、配線基板は、ガラスセラミック
組成物からなるシート状成形体の表面に、ＣｕまたはＣ
ｕ酸化物を主成分とし、Ｃｕ１００重量部に対して、Ｇ
ｅＯ₂を０．１〜２０重量部の割合で含有する銅ペース
トを配線パターン状に印刷した後、８００〜１０００℃
の温度で焼成して作製する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガラスセラミック
スから成る単板又は積層構造の基板に、該基板と同時焼
成して形成されたＣｕを主成分とするメタライズ配線層
を形成した配線基板とその製造方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、配線基板においては、高周波回路
の対応性、高密度化、高速化が要求され、アルミナ系セ
ラミック材料に比較して低い誘電率が得られ、配線層の
低抵抗化が可能な低温焼成配線基板が一層注目されてい
る。

【０００３】この低温焼成配線基板は、ガラスセラミッ
クスから成る絶縁基板に、該基板と同時焼成して形成さ
れた銅、金、銀などの低抵抗金属を主体とするメタライ
ズ配線層を施した配線基板が知られている。このような
配線基板は、ガラスセラミック組成物からなるシート状
成形体に上記低抵抗金属粉末を含む導体ペーストを印刷
した後、８００〜１０００℃で同時に焼成して作製され
る。

【０００４】また、この低温焼成配線基板は、配線層の
低抵抗化、絶縁基板の低誘電率、低誘電損失化によっ
て、半導体素子が収納する半導体素子収納用パッケージ
や、配線回路基板、携帯電話やパーソナルハンディホン
システム、各種衛星通信用に使用される高周波用多層配
線基板等のあらゆる分野への応用が進められている。

【０００５】低温焼成配線基板に用いる低抵抗の配線層
としては、金系では、コスト的な問題、銀系では、マイ
グレーションの問題から用途などが限定されるのに対し
て、銅系材料は、焼成処理を還元性雰囲気で行う必要が
あるものの、配線基板の高密度化、配線基板中の回路の
高周波化の要求に充分応えることができる材料であるこ
とから配線層を形成するための材料として主流となって
いる。

【０００６】ガラスセラミックからなる絶縁基板の表面
及び内部にＣｕを主成分とするメタライズ配線層を形成
する具体的方法としては、ガラスセラミック原料粉末、
有機バインダーに溶剤を添加して調製したスラリーをド
クターブレード法等によってシート状に成形し、得られ
たグリーンシートに貫通孔を打ち抜き加工し、該貫通孔
にＣｕを主成分とする導体ペーストを充填し、同時にグ
リーンシート上にＣｕを主成分とする導体ペーストを配
線パターン状にスクリーン印刷法等で印刷形成し、配線
パターンや貫通孔に導体が充填されたビアホール導体が
形成されたグリーンシートを複数枚加圧積層し、８００
〜１０００℃で焼結することにより作製されていた。ま
た、配線基板の表面配線層には、必要に応じてＩＣ等の
各種電子部品を実装される。

【０００７】上述の導体ペーストは、一般には、Ｃｕ単
体、Ｃｕ酸化物、Ｃｕ合金などのＣｕ系の導電材料と、
メタライズペーストの焼結挙動をガラスセラミックスと
近似させるためのガラス成分と、有機ビヒクル（有機バ
インダー、有機溶剤）とを均一混合して形成されるもの
である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、絶縁基
板を構成するガラスセラミック材料の焼結開始温度は、
一般には８５０℃前後であるのに対して、Ｃｕを主成分
とするメタライズ配線層の焼結開始温度は７５０℃前後
と異なる。そのため、この焼結開始温度の差異によっ
て、焼成過程での収縮にズレを生じ、さらにはＣｕを主
成分とするメタライズ配線層が先に緻密化してガラスセ
ラミック材料の収縮を抑制してしまうという問題があっ
た。その結果、焼成された配線基板には、Ｒｍａｘで３
０μｍを越える大きな反りやうねりが発生するという問
題があった。

【０００９】この大きな反りやうねり等の発生を防止す
るために、Ｃｕを主成分とするメタライズペースト中の
ガラス成分を調整して、メタライズ配線パターンの焼結
挙動をガラスセラミック材料の焼結挙動に近似させるこ
とが考えられる。しかしながら、このようなガラス成分
の添加によっては、Ｃｕを主成分とするメタライズ配線
層のもつ低抵抗特性を損ねる場合があり、配合するガラ
ス成分の調整は非常に難しかった。

【００１０】また、Ｃｕを主成分とするメタライズぺー
ストがガラスセラミック絶縁基板の焼成と整合させよう
とすると、過度に焼結される結果となり、その結果、Ｃ
ｕ粒子が緻密化してしまい、ガラスセラミック絶縁基板
との接着強度が弱くなるという問題があり、その密着強
度もせいぜい２ｋｇ／２ｍｍ角程度と低く、表面の配線
層に各種チップ部品を搭載したり、表面実装する際、あ
るいは各種金属被覆する際に接着不良等の不具合を生じ
るという問題もあった。

【００１１】従って、本発明は、ガラスセラミック絶縁
基板との焼結性を整合させることができ、反りやうねり
の発生を抑制するとともに絶縁基板との接着性に優れた
メタライズ配線層を具備する配線基板と、その製造方法
を提供することを目的とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の課
題に対して検討を重ねた結果、ガラスセラミックスから
なる絶縁基板に対して施すＣｕを主成分とするメタライ
ズ配線層中に、Ｇｅを所定の割合で含有せしめることに
より、ガラスセラミック基板と強固に接合され、Ｃｕを
主成分とするメタライズ配線層の焼結開始温度を遅ら
せ、焼結挙動をガラスセラミック基板の焼結挙動に近似
させることができ、基板の反り、うねり等の変形も低減
できることを知見した。

【００１３】即ち、本発明の配線基板は、ガラスセラミ
ックスからなる絶縁基板の表面および／または内部にＣ
ｕを主成分とするメタライズ配線層を被着形成してなる
配線基板において、前記メタライズ配線層が、Ｃｕ１０
０重量部に対して、Ｇｅを酸化物（ＧｅＯ₂）換算で
０．１〜２０重量部の割合で含有することを特徴とする
ものである。

【００１４】また、かかる配線基板を作製する方法とし
て、ガラスセラミック組成物からなるシート状成形体の
表面に、ＣｕまたはＣｕ酸化物を主成分とし、Ｃｕ１０
０重量部に対して、ＧｅＯ₂を０．１〜２０重量部の割
合で含有する銅ペーストを配線パターン状に印刷した
後、８００〜１０００℃の温度で焼成することを特徴と
するものである。

【００１５】本発明によれば、Ｃｕを主成分とするメタ
ライズ配線層に、ＧｅＯ₂を含有させている。このＧｅ
Ｏ₂は、ＧｅＯ₂−ＳｉＯ₂二元系において６００℃付
近でＧｅＯ₂がＳｉＯ₂に固容する性質を有する。この
ことから、メタライズ配線層とガラスセラミック基板を
同時焼成した際、メタライズ配線層中のＧｅＯ₂が、ガ
ラスセラミック基板中のＳｉＯ₂に固溶し強固に接合さ
れるのである。

【００１６】また、Ｃｕ−Ｇｅ二元系状態図から、Ｃｕ
はＧｅに固溶しないが、ＧｅはＣｕに８５０〜１０５０
℃付近で固溶することが分かる。このことより、メタラ
イズ配線層中のＧｅＯ₂が、焼成時の有機物の燃焼によ
り生じた還元性ガスで一部還元され、Ｇｅとなり、Ｃｕ
中に固溶する性質を有する。その結果、ＧｅＯ₂の存在
していた部分が空隙となり、この空隙の形成によりＣｕ
粒子の焼結を阻害し、焼結開始温度を遅らせることがで
きる。即ち、ガラスセラミックが液相を生成する温度
で、メタライズ配線層もほぼ同時に液相を生成するた
め、両者の収縮が同時に開始され、最終的に配線基板の
反りやうねり等の変形を小さくすることができるのであ
る。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の配線基板につい
て、図面に基づいて説明する。尚、説明では、配線基板
の構造を複数のガラスセラミック絶縁層からなる多層配
線基板を用いて説明する。

【００１８】本発明の配線基板１によれば、絶縁基板２
は、複数のガラスセラミック絶縁層２ａ〜２ｄを積層し
て積層体から構成され、その絶縁層間および絶縁基板表
面には、厚みが５〜２５μｍ程度のＣｕを主成分とする
メタライズ配線層３が被着形成されている。また、絶縁
基板２内には、絶縁層２ａ〜２ｄの厚み方向を貫くよう
に形成された直径が８０〜２００μｍ程度のビアホール
導体４が形成されている。

【００１９】絶縁基板２は、少なくともＳｉＯ₂を含有
するガラス、またはＳｉＯ₂を含有するガラスとフィラ
ーとの複合材料からなるガラスセラミックスからなる。
具体的には、ガラスセラミック材料のガラス成分は、複
数の金属酸化物から構成され、焼成後において非晶質ま
たは焼成によって、コージェライト、ムライト、アノー
サイト、セルジアン、スピネル、ガーナイト、ウイレマ
イト、ドロマイト，リチウムシリケートやその置換誘導
体の結晶を析出する結晶化ガラスによって構成される。

【００２０】ガラス成分としては、ＳｉＯ₂以外に、Ｌ
ｉ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ、Ｎａ₂Ｏなどのアルカリ金属酸化物、
ＣａＯ、ＭｇＯなどのアルカリ土類酸化物、Ａｌ
₂Ｏ₃、Ｐ₂Ｏ₅、ＺｎＯ、Ｂ₂Ｏ₃、ＰｂＯを含有す
るほう珪酸ガラスなどが例示できる。フィラー成分とし
ては、クオーツ、クリストバライト、石英、コランダム
（αアルミナ）、ムライト、コージライト、フォルステ
ライトなどが例示できる。ガラス成分とフィラー成分と
は、ガラス成分が３０〜７０重量％、フィラー成分が７
０〜３０重量％からなることが適当である。

【００２１】メタライズ配線層３は、Ｃｕを主成分とす
るものであるが、本発明によれば、Ｃｕ１００重量部に
対して、Ｇｅを酸化物（ＧｅＯ₂）換算で０．１〜２０
重量部、特に１．０〜１０重量部の割合で含有すること
が大きな特徴である。Ｇｅ量を上記の比率に限定したの
は、０．１重量部未満の場合、メタライズ配線層からガ
ラスセラミック基板へのＧｅＯ₂の拡散量が少なくな
り、その結果、メタライズ配線層とガラスセラミック基
板の接着強度が弱くなる。逆に、２０重量部を越える場
合、メタライズ配線層中の空隙が増大し、Ｃｕ粒子の焼
結の阻害が大きくなることから、メタライズ配線層とガ
ラスセラミック基板との接着強度の低下、配線抵抗の増
大という問題が発生するためである。なお、このメタラ
イズ配線層には、上記のＣｕおよびＧｅに加えて、Ｓｉ
Ｏ₂、ＭｇＯなどの酸化物をＣｕ１００重量部に対して
１重量部以下の割合で配合することもできる。また、ビ
アホール導体４は、上記のメタライズ配線層３と同様な
成分からなる導体が充填されていることが望ましい。

【００２２】また、多層配線基板の表面のメタライズ配
線層は、ＩＣチップなどの各種電子部品５を搭載するた
めのパッドとして、シールド用導体膜として、さらに
は、外部回路と接続する端子電極として用いられ、各種
電子部品５が配線層３に半田や導電性接着剤などを介し
て接合される。尚、図示していないが、必要に応じて、
配線基板の表面には、さらに珪化タンタル、珪化モリブ
デンなどの厚膜抵抗体膜や配線保護膜などを形成しても
構わない。

【００２３】次に、本発明の配線基板を作製する方法に
ついて説明する。まず、上述したようなガラス成分、ま
たはガラス成分とフィラー成分とを混合してガラスセラ
ミッス組成物を調製し、その混合物に有機バインダー等
を加えた後、ドクターブレード法、圧延法、プレス法な
どによりシート状に成形してグリーンシートを作製す
る。

【００２４】次に、このグリーンシートの表面に導体ペ
ーストを印刷する。用いる導体ペースト中の主成分とな
るＣｕ成分としては、Ｃｕ単体、酸化銅（ＣｕＯ、Ｃｕ
₂Ｏ）、銅合金、あるいはそれらの混合物が用いられ、
それらは、いずれも平均粒径が０．５〜１５μｍ、好ま
しくは３〜５μｍの球状粉末であることが望ましい。

【００２５】これはＣｕを主成分とするメタライズ配線
層の焼結挙動をガラスセラミック絶縁基板の焼結挙動と
近似させるためである。尚、酸化銅は、還元性雰囲気で
焼成されることによって実質的にＣｕに還元される。

【００２６】本発明によれば、この導体ペースト中に、
Ｃｕ１００重量部に対して、ＧｅＯ₂を０．１〜２０重
量部、特に１．０〜１０重量部の割合で配合する。Ｇｅ
Ｏ₂は、平均粒径が０．５〜１０μｍの粉末として添加
することが望ましい。

【００２７】また、導体ペースト中には、Ｃｕ成分、Ｇ
ｅＯ₂以外に、アクリル樹脂などからなる有機バインダ
ーと、トルエン、イソプロピルアルコール、アセトンな
どの有機溶剤とを均質混合して形成される。有機バイン
ダーは、Ｃｕ成分およびＧｅＯ₂からなる固形成分１０
０重量部に対して、０．５〜５．０重量部、有機溶剤
は、固形成分及び有機バインダー１００重量部に対し
て、５〜１００重量部の割合で混合されることが望まし
い。

【００２８】次に、上述の導体ペーストを、前記ガラス
セラミックグリーンシート上に、スクリーン印刷法など
により配線パターン状に印刷する。また、ビアホール導
体を形成する場合には、グリーンシートにレーザーやマ
イクロドリル、パンチングなどにより直径８０〜２００
μｍの貫通孔を形成しその内部にペーストを充填する。
その後、配線パターンやビアホール導体が形成されたグ
リーンシートを積層圧着して積層体を形成する。

【００２９】その後、この積層体を４００〜７５０℃の
窒素雰囲気中で加熱処理してグリーンシート内やペース
ト中の有機質成分を分解除去した後、８００〜１０００
℃の窒素雰囲気中で同時焼成することにより、メタライ
ズ配線層およびビアホール導体を具備する多層配線基板
を作製することができる。

【００３０】

【実施例】先ず、屈伏点が４８０℃の７４重量％ＳｉＯ
₂、１４重量％Ｌｉ₂Ｏ、４重量％Ａｌ₂Ｏ₃、２重量
％Ｐ₂Ｏ₅、２重量％Ｋ₂Ｏ、２重量％ＺｎＯ、２重量
％Ｎａ₂Ｏの組成を有するリチウム珪酸ガラス４０重量
％と、ＳｉＯ₂（クオーツ）粉末５０重量％と、フォル
ステライト１０重量％からなる原料粉末に、バインダー
としてアクリル樹脂と、可塑剤としてＤＢＰ（ジブチル
フタレート）、溶媒としてトルエンとイソプロピルアル
コールを加えて調製したスラリーを用いて、ドクターブ
レード法により厚さ５００μｍのグリーンシートを作製
した。

【００３１】次に、平均粒径が５μｍのＣｕ粉末、Ｃｕ
₂Ｏ粉末、ＣｕＯ粉末に対して、平均粒径が１μｍのＧ
ｅＯ₂粉末，さらには、ＳｉＯ₂粉末またはＭｇＣＯ₃
粉末を酸化物換算で表１に示す割合で秤量し、それに有
機バインダーとしてアクリル樹脂を、溶媒としてＤＢＰ
を添加混練し、導体ペーストを調製した。尚、ペースト
中の有機バインダー量は、Ｃｕ＋ＧｅＯ₂１００重量部
に対して２．０重量部であり、Ｃｕ＋ＧｅＯ₂＋有機バ
インダー１００重量部に対して７５重量部の割合で溶剤
を加えた。

【００３２】かくして得られた導体ペースト前記ガラス
セラミックグリーンシート上に、接着強度、反りを評価
するサンプルとして、焼成後の形状が２ｍｍ角、厚さ約
１５μｍとなる銅配線用パターン状にスクリーン印刷
し、この様なガラスセラミックグリーンシートを３枚加
圧積層した。同時に配線抵抗を評価するサンプルとし
て、幅０．２ｍｍ、長さ２０ｍｍ、厚さ約１５μｍとな
る銅配線用パターンを形成し、この様なガラスセラミッ
クグリーンシートを３枚加圧積層した。

【００３３】次いで、この未焼成状態の配線パターンが
形成された積層体を、有機バインダー等の有機成分を分
解除去するために、窒素雰囲気中７００℃の温度で３時
間保持して脱脂した後、９００℃に昇温して１時間保持
して配線基板を作製した。

【００３４】得られた配線基板のうち、２ｍｍ角の銅配
線層に厚さ２．０μｍのＮｉメッキを行い、その上に厚
さ０．１μｍのＡｕメッキを施した後、該メッキ被覆層
上のＣｕ系のリード線を銅配線層表面と平行に半田付け
し、リード線を銅配線層表面に対して垂直方向に曲げ、
該リード線を１０ｍｍ／ｍｉｎの引っ張り速度で垂直方
向に引っ張り、リード線が剥離したときの荷重を銅配線
層の接着強度として評価した。尚、良否の判断として
は、リード線が剥離したときの荷重が２ｋｇ／２ｍｍ角
を越える場合を良品とした。

【００３５】一方、ガラスセラミック配線基板の反り
は、前述の２ｍｍ角の銅配線層直下のガラスセラミック
磁器表面を、銅配線層部を含めて長さ７ｍｍ、該銅配線
層を横切るように表面状態を計測し、その表面粗さＲｍ
ａｘを反り量として評価した。

【００３６】尚、良否の判断としては、Ｒｍａｘが３０
μｍ以下のものを良品とした。

【００３７】次に、銅配線層の導通抵抗の評価について
は、幅０．２ｍｍ、長さ２０ｍｍの銅配線層の抵抗をテ
スターもちいて測定し、銅配線層の断面を走査型電子顕
微鏡（ＳＥＭ）、銅配線の長さを４０倍の顕微鏡を用い
て測定し、得られた面積、長さから抵抗率を算出した。
尚、良否の判断としては、抵抗率が１０．０μΩ・ｃｍ
以下を良品とした。

【００３８】

【表１】

【００３９】表１の結果より明らかなように、ＧｅＯ₂
を全く配合しなかった試料Ｎo.１、あるいはＧｅＯ₂量
が０．１重量部以下の試料Ｎo.１、２は、銅配線層とガ
ラスセラミック基板との接着強度が弱く、しかもガラス
セラミック配線基板の反りがいずれも３０μｍ以上と大
である。また抵抗率も大きく実用的ではない。ＧｅＯ₂
の添加量が２０重量部を越える試料Ｎo.１６、１７は、
銅配線層とガラスセラミック磁器との接着強度が弱く、
抵抗率も大であるため実用的ではない。

【００４０】

【発明の効果】以上、詳述したように、本発明の配線基
板は、銅メタライズ配線層中に、Ｇｅを特定量含有せし
めることにより、ガラスセラミック絶縁基板との焼成収
縮挙動を一致させることができる結果、配線基板の反り
やうねり等の変形が極めて小さく、しかも銅メタライズ
配線層の絶縁基板への接着強度が高く、電気特性にも優
れた配線基板を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の配線基板の概略断面図である。

【符号の説明】

１配線基板２絶縁基板３メタライズ配線層４ビアホール導体５電子部品

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＨ０１Ｌ 23/14 Ｃ (72)発明者永江謙一鹿児島県国分市山下町１番４号京セラ株式会社総合研究所内 (72)発明者山口浩一鹿児島県国分市山下町１番４号京セラ株式会社総合研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガラスセラミックスからなる絶縁基板の表
面および／または内部にＣｕを主成分とするメタライズ
配線層を被着形成してなる配線基板において、前記メタ
ライズ配線層が、Ｃｕ１００重量部に対して、Ｇｅを酸
化物（ＧｅＯ₂）換算で０．１〜２０重量部の割合で含
有することを特徴とする配線基板。
【請求項２】ガラスセラミック組成物からなるシート状
成形体の表面に、ＣｕまたはＣｕ酸化物を主成分とし、
Ｃｕ１００重量部に対して、ＧｅＯ₂を０．１〜２０重
量部の割合で含有する銅ペーストを配線パターン状に印
刷した後、８００〜１０００℃の温度で焼成することを
特徴とする配線基板の製造方法。