JPS6024095A - ガラスセラミツクス多層配線基板の製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はガラスセラミックス多層配線基板の製造方法に
係り、特にそれを製造する焼結工程において、当該基板
の反υによる変形、配線導体の断線などによる不良品の
発生を防止するに好適なガラスセラミックス多層配線基
板の製法に関する。

〔発明の背景〕

低融点ガラスにＳｉＣなどの結晶質物質を添加したいわ
ゆるガラスセラミックを基板材料と１、。

これにＡｇ　、　Ａｕ　、　Ｃｕなどの低融点金属導体
を施し、これを多層に積層したガラスセラミックス多層
配線基板は将来の６次元ハイブリッド技術あるいは電子
計算機用ＬＳＩ素子の実装技術として注目されつつある
。その理由は従来及び現在開発中の技術、ことにアルミ
ナ（Ａ、Ｉ、０ｆｉ）系セラミックスを基板材料にＷや
Ｍｏを導体として使用した多層配線基板に較べ、次のよ
うなずれた特徴があるためである。

１、　ＡＩ、α−ＷまたはＭｏ系に較べ８００〜９００
’Ｇの低１温（Ａ１．α−Ｗ系は１６００’Ｃ）で焼結
できること。

２、　焼成雰囲気として空気中（ＡＩ、０．−ＷはＮ！
中）で焼結できること。

５、Ａｇ　、　Ａｕ　、　Ｃｕなどの高導電性の金属を
使用するため配線抵抗値が小さいこと。

４、　ガラスセラミックスはＡＩ、０．系セラミックス
に比し、低誘電体であるため、配線導体との界面での電
気的寄生容量が少なく、電気信号の伝播速度の低下が少
ないこと。

これらのことから、たとえば電子計算機用としてＬＳＩ
などの素子を実装するための配線回路群（以下モジュー
ルと呼ぶ）を組立てるに本技術を応用すると、低価格の
かつ゛高密度実装で高速演算回路の製作が可能である。

しかし、従来はｔのガラスセラミックスの製造工程中、
ことに焼成工程で製造中の多層基板が反りるなどの変形
を起したり、配線済の導体が断線して、当該基板の製造
不良品の発生が多い。この理由は、焼成工程でのガラス
セラミックス基板材料と配線導体、たとえば額との焼結
に伴う収縮率の差が大きいためである。

これらのことについて、より詳細に一説明するため、従
来のガラスセラミックス多層配線基板の製造工程を含め
て以下にのべる。

第１図はガラスセラミックス多層配線基板の主な製造工
程である。また第２図はガラスキラミックス多層配線基
板の部分拡大概念図である。

この第２図で１はＬＳＩなどの搭さいすべき素子を示し
、２はこれを接続しているハンダを示し、また３はこの
ハンダを受けるパッドである。

６はスルホール孔を埋めたな、　Ａｕ　、　Ｃｕなどに
よる垂直方向に埋めこまれたスルホール充填導体であシ
、５は同様に水平方向に布線した配線導体の断面を示す
。

４はこれら導体をささえるガラスセラミックス基板材で
あシ、本図では５層のみしか示していないが、実際のモ
ジュールでは２０〜３０層にも及ぶ。

８はスルホール充填導体からの信号をモジュールの外部
に伝えるためのピンを示し、７はこノビンを接続するた
めのバッドを示す。

このように本多層配線基板は厚膜技術を応用し、無数に
配線印刷した一枚づつのシートを多数に重ね合せて接着
し、これの上下間をスルホール導体で連結して構成され
ている。

この構成は一枚づつのグリーンシートに必要な配線を施
し、これを一括して圧着しのち、第１図の（８）で示し
た焼成工程で導体ペーストとガラスセラミックス材料を
同時に焼結して作る。

このため、導体材料の々、　Ａｕ　、　Ｃｕなどとガラ
スセラミックス材料とは同時に同じ温度で焼結を進行さ
せざるを得ない。

しかし、ここで非常に不都合であったことは〜、Ａｕ　
、　Ｃｕ　ｆｚ　トのペーストの焼結による収縮率とガ
ラスセラミックスの収縮率が各温度、さらには最終最高
温度を通し、大きく異っていることである。たとえば、
これまで通常に用いれでていたガラスセラミックス組成
すなわち、低融点ガラス（組成＝　Ｓｉｎ、　、　Ｂ、
α、　ＢａＯ、Ａ１＊α、Ｐｂ０）に５０ｗｔ０％の石
英ガラス（Ｓｉｎ、）を添加したものではその収縮率は
約１０〜１５％である。これに反し、たとえばＭペース
トの導体は約２０〜２５％も収縮する。このため、たと
えば細導体布線ペーストの収縮によって基板のガラスセ
ラミックスが引張られる。その結果、焼結中のガラスセ
ラミックス基板はＡｇペーストの印刷されている側に凹
型に反りの変形を生じる。

また、第２図に示した導体の垂直方向と水平方向との接
続個所において断線することがある。

この理由は水平方向の導体は大きく収縮するのに対し、
垂直方向の導体はガラスセラミックスの壁にはばまれて
水平方向の導体と一緒に移動できにくいためである。

さらに、スルホール（孔）を埋めた導体とのあいだに空
洞を生じることもある。この理由はたとえば〜ペースト
のスルホール充填導体は大きく収縮するのに対し、ガラ
スセラミックスのそれは小さいためにスルホール（孔）
の径がＡｇ導体と同じように収縮せず、間隙が生じたた
めである。

〔発明の目的〕 本発明の目的は前述したような欠点を除き、基板の反り
による変形、配線導体の断線などによる不良品発生を防
止できるガラスセラミックス多層配線基板の製造方法及
び使用材料組成などの技術を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の原理はガラスセラミックス基板材料と導体材料
の収縮率をできるだけ一致させることにある。これによ
って焼結工程での収縮率の差をなくシ、基板の反め、断
線、スルホール導体に沿った周辺の空洞などの欠陥をな
くすことにある。

この収縮率の差をなくす具体策としては主に２つの方法
がある。１つにはガラスセラミックス材料の組成比ある
いは、導体材料たとえば々ペーストにガラスセラミック
基板材料の粉末などを約％以下（Ｗｔ、％）を添加する
などして収縮率を一致させることである。ただし、この
方法では収縮率を一致させることを重視するあまシ、本
来の特性、たとえば、〜のすぐれた導電性をそこない、
また、ガラスセラミックスの焼結最適温度（８００〜９
００°）を変えざるをえないこともある。このため、こ
の方法では、これらの弊害を許せる範囲内で改善する必
要がある。

他の一つの方法は、本来の材料特性を損なわないように
組成を変えず、用いる原料粉末の粒度を変えて、焼結に
伴う収縮率を一致させる方法である。これら方法の原理
についてさらに具体的に以下に説明する〇 第１図はガラスセラミックス基板材料と〜導体ペースト
の焼結に伴う収縮率を示したものである。ここで■は導
体ペースト中の〜粒子を０．５〜３．０μまで変えた場
合の収縮率曲線であシ、■は低融点ガラス（Ｓｉｎ、　
、　Ｂ、Ｏｓ　、　ＢａＯ、ＡＩ、０．　、　Ｐｂ０）
に骨材として添加するＳｉｎ、の添加量を変えた場合の
収縮率曲線であシ、■は２，０μのＡｇに■のガラスを
２０Ｗｔ、％まで添加し、ペースト化したＡｇ導体の収
縮率曲線である。

本図を見るようにＡｇ単独の導体ペーストはその用いる
粒子径を０５〜３０μまで変えてもその収縮率は約２６
％〜１８％までの変化に対し、ガラスセラミックスのそ
れは通常用いる８ｊαの添加量（３０〜５０ｗｔ０％）
の範囲で１５〜１０％である。このため、Ｍ単独導体ペ
ーストを用いると最小４％、最大１６チの収縮率の差が
生じる。

一方、同図中の曲線■すなわち、２．０μのＡｇ粉末に
同時に使用するガラスセラミックスの原料粉末を２０ｗ
ｔ０％まで加えると、その収縮率の値が２０チから１２
％まで減少する。このため、ガラスセラミックス中のＳ
ｉα添加量は２０〜５０％の範囲までその収縮率と一致
させることができる。

次に第４図はＡｇ　（単独の）粒子径の異る２つの原料
粉末を使用し、その混合比を変えた導体ペーストの焼結
収縮率を示したものである。ここで曲線■は０．５μの
細微粒子に６．０μの粗粒子のＭを混合した場合の収縮
率を示し、■は０．１μのさらに微粒子のＡｇに３．０
のＭ粗粒子を混合した場合の収縮率を示したものである
。

このように粒子径の異る２つの導体粉末を混合すること
によってその導体ペーストの焼結収縮率を大きく変える
ことができる。

すなわち、第４図の曲線■はその収縮率が約１０チ〜２
８％までとることがでる。これは第３図のガラスセラミ
ックスのＳｉα使用するＳｉα混合比のほぼ全域にわた
っての収縮率と一致するものである。

なお、この２つの異る粒子径の導体粉末を使用すると、
なぜその焼結収縮率が変化するかについて調べた。その
結果、粒子径の異った粉＊を混合使用することによって
、ペースト中の導体粒子の充てん密度が向上し、焼結で
の体積変できることが判った。

以上述べたように本発明は、ガラスセラミックス中のＳ
ｉαの添加組成比あるいは、Ａｇなどの導体中に同時に
使用するガラスを混合し、または、Ｍなどの導体の原料
粉末の粒子径の異る２つ以上の混合粉末の導体ペースト
を用いて、ガラスセラミックス基板材料とそれに配線す
る導体ペーストの焼結に伴う収縮率をできるだけ一致さ
せる。これによってその焼成工程において、反りによる
変形、導体部の断線、スルホール周辺の空洞などの欠陥
のないガラスセラミックス多層配線基板の製造方法であ
る。

〔発明の実施例〕

以下に本発明の実施例を述べる０ 実施例　１゜ （１）　グリーンシートの用意 低融点ガ；ｙｘ（Ｓｉα４４．５２　、　Ｂｔα３３．
０３　、　ＢａＯ１１，５５。

ＡＩｔｏｓ　１０．８４　、　ＫｔＯ＋Ｎａ！ｏ　Ｏ，
０６ｗｔ、％）の粉末にＳｉα（結晶質）をそれぞれ１
０　、２０　、３０　、４０’；　５Ｄｗｔ、％づつ加
えて約８ｈボールミル混合した原料粉末を５種類を用意
する。

この原料粉末５種のそれぞれを５０ＯＩづつ別個にとシ
その各々に有機バインダとしてポリビニルブチラール（
固形状）を３８．１５，９’加えて乾式ボールミルにて
３μ混合する。

次に上記有機バインダーの溶剤、およびシートの可撓剤
として、トリクロルエチレン１４９．９７Ｊ。

テトラクロルエチレン４２．４ｍ１ｌ　、ノルマルブチ
ルアルコール５６．６ｍｌ、さらにブチルフタリルブチ
ルグリコート１１．７５ｇを同時に追加し、湿式ボール
ミルで４μ混合する。

このようにして混合された試料はスリップと呼ばれる粘
性流動物が得られる。

次にこの５種類のスリップを通常のグリーンシートの作
製法、すなわち、ドクターブレード法によるキャスティ
ングマシンによってシート状に成形した。このときの作
製条件は、乾燥温度１２０℃、キャスティングのベルト
スピードは約１　ｏｃｍＡＩｕＩＬであシ、出来上シの
グリーンシートのサイズは幅が約２０ｃＩＩＬ１厚さが
約０．５朋から成る長尺である。

これらの長尺シート５種類はそれぞれ別個に巻きとシ、
保管し、必要時に必要なサイズに切断し、使用した。

（２）導体ペーストの作製 粒子径０１μの〜粉末に２．０μの々粗粉末を５％。

１０％、　２０％　、　５０％、４０％（ｗｔ、）とそ
れぞれ混合し、これらを用いて通常の厚膜印刷用ペース
トを作る方法で、Ｍ導体ペーストを作製した。すなわち
、上記混合粉末にエチルセルローズとα−テルピネオー
ルを乳鉢で混合し、これをさらに６本ロールを用いよく
混練した。

以上のようにして、得た斜材の種類を整理すると第１表
のようになる。

第１表　作試したグリーンシー）、Ａｇ導体ペースト第
２表　作成した基板の状態結果 第１表に示した材料を用い、まず、基板の反シ具合を見
るため、第２表に示した材料の組合せで単層のシート（
一枚だけのシート）で〜導体を印刷し、焼成した。

印刷および焼成条件は次の通りである。

基板サイズ−７０朋Ｘ７０朋角 配線印刷＝５０μ線幅７０μピッチ 配線パターンー一方向単線、６０朋長 焼成温度＝８５０℃、空気中 結果は第２表に示１−た通電である。すなわちガシスセ
ラミックス材料と〜ペースト導体との収縮率のほぼ＝致
する組合せでは反りがなく、シートＡ６５とＡｇ導体ペ
ーストＡＩ、況２．腐６０組合せでは反シが生じた。

実施例　２゜ 実施例１．で用意したグリーンシート／Ｉ６３と／Ｉ６
４の２種を用い、これにそれぞれ々導体ベース／Ｉ６６
と／１６４を適用し、第２図に示したようなスルホール
充填と配線を施した２０層からなるモジュールを２種と
参考比較品としてシー１−Ａ５とペースト／１６２とを
組合せたモジュール３種を作製した。

基板サイズ−１００關Ｘ１００ｎ角 印刷パターンに５０μ線幅　１５０μピツチスルホール
充填＝２００孔に充填 水平方向配線と接続 層　数＝シート単位で２０層 積　層　法＝１２５℃×１５分圧着 焼成温度−８５０℃ 結果は以下通りであった。

本実施例２の前記２種ともに基板の反り、スルホール充
填導体と水平方向の配線に断線が見られなかった。

しかし参考比較品として作製した１種については断線と
見られる不通電個所が約３８ケ所あった０ 実施例　３ ２５μのＭ粉末に実施例１で使用したガラスセラミック
ス原料粉末（Ａ２）を２０Ｗｔ０％混合し、実施例１の
方法で導体ペーストを作製した。

これに実施例１で用意したグリーンシニト／１６２を用
いて実施２の方法によって２０層からなるモジュールを
作製した。

その結果、焼結されたガラスセラミックス多層基板には
反シ、通電試験によって断線のないことが確認できた。

【図面の簡単な説明】

第１図はガラスセラミックス多層配線基板の製造工程図
、第２図はガラスセラミックス多層配線基板の部分拡大
概念図、第３図はガラスセラミックス基板材料及びＡｇ
導体ペーストの焼結収縮率線図、第４図は本発明による
Ｍ導体ペースト材料の焼結収縮線図である。 １・・ＬＳＩ、２−ハンダ、 ６・・パッド、　４・・基板材。 第１醜 躬２０ （％）＋廣γＡ ｃｉ＞赤ｓｙｈ事鵞 −４５２＝

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ガラスセラミックス基板材料とそれに配線する金属導体
   との間において、その両者の焼結に伴う収縮率の差が小
   さい材料を用いることを特徴とするガラスセラミックス
   多層配線基板の製造法。