JP2015222841A - メタライズドセラミックスビア基板及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】セラミックス焼結体基板に導電性ビアが形成されているメタライズドセラミックスビア基板であって、融点が600℃以上1100℃以下の金属(A)と、該金属(A)よりも融点が高い金属(B)と、活性金属とを含む導電性の金属がセラミックス焼結体基板のスルーホールに密充填されてなる導電性ビアを有し、セラミックス焼結体基板の両面のうち少なくとも一方の面に、金属(A)と金属(B)と活性金属とを含む導電性の金属からなる表面導電層を有する配線パターンを有し、配線パターンが表面導電層の表面にメッキ層を有し、導電性ビアとセラミックス焼結体基板との界面および表面導電層とセラミックス焼結体基板との界面に活性層が形成されている、メタライズドセラミックスビア基板等とする。
【選択図】図1
Description
第1の本発明において、「金属(A)よりも融点が高い金属(B)」は、銀、銅および金から選ばれる一種または二種以上であることが好ましい。
本発明において、数値A及びBについて配線パターンのラインアンドスペースが「Aμm/Bμm以下」であるとは、ライン(線幅)がAμm以下であり、スペース(線間隔)がBμm以下であることを意味する。「A/Bμm以下」と表記した場合においても同様とする。
融点が600℃以上1100℃以下の金属(A)よりも融点が高い金属(B)粉末と、活性金属粉末とを含んでなる第一金属ペーストをスルーホールに充填する充填工程、
金属(A)よりも融点が高い金属(B’)粉末と活性金属粉末とを含んでなる第二金属ペーストを、該第二金属ペーストが第一金属ペーストに接触するように、セラミックス焼結体基板の両面のうち少なくとも一方の表面に塗布して、第二金属ペースト層を形成する工程、
金属(A)粉末を含んでなる第三金属ペーストを第二金属ペースト層の表面に塗布して、第三金属ペースト層を形成する工程、
上記で得られた基板を焼成することにより、スルーホール内に導電性ビアを形成し、セラミックス焼結体基板の表面に表面導電層を形成し、かつ、該導電性ビアとセラミックス焼結体基板との界面および該表面導電層とセラミックス焼結体基板との界面に活性層を形成する焼成工程、
表面導電層の表面にメッキ層を形成する工程、
該メッキ層のうち配線パターンとして残す部分の表面に、レジストパターンを形成する工程、
メッキ層および表面導電層のうち、レジストパターンに被覆されていない部分をエッチングにより除去する工程、
レジストパターンを除去する工程、および、
活性層の露出した部分をエッチングする工程、
を含み、
上記第三金属ペースト層を形成する工程においては、セラミックス焼結体基板の平面視透視において、第三金属ペースト層が形成される領域と、該形成される第三金属ペースト層に接する第二金属ペースト層に接する、スルーホールの開口端部、が占める領域とが重複部分を有する、
第1の本発明のメタライズドセラミックスビア基板の製造方法である。
融点が600℃以上1100℃以下の金属(A)よりも融点が高い金属(B)粉末と、活性金属粉末とを含んでなる第一金属ペーストをスルーホールに充填する充填工程、
金属(A)よりも融点が高い金属(B’)粉末と活性金属粉末とを含んでなる第二金属ペーストを、該第二金属ペーストが第一金属ペーストに接触するように、セラミックス焼結体基板の両面のうち少なくとも一方の表面に塗布して、第二金属ペースト層を形成する工程、
金属(A)粉末を含んでなる第三金属ペーストを第二金属ペースト層の表面に塗布して、第三金属ペースト層を形成する工程、
上記で得られた基板を焼成することにより、スルーホール内に導電性ビアを形成し、セラミックス焼結体基板の表面に表面導電層を形成し、かつ、該導電性ビアとセラミックス焼結体基板との界面および該表面導電層とセラミックス焼結体基板との界面に活性層を形成する焼成工程、
表面導電層上の、配線パターンを形成しない位置に、レジストパターンを形成する工程、
表面導電層上の、レジストパターンに被覆されていない位置に、メッキ層を形成する工程、
レジストパターンを除去する工程、
表面導電層の露出した部分をエッチングする工程、および、
活性層の露出した部分をエッチングする工程、
を含み、
上記第三金属ペースト層を形成する工程においては、セラミックス焼結体基板の平面視透視において、第三金属ペースト層が形成される領域と、該形成される第三金属ペースト層に接する第二金属ペースト層に接する、スルーホールの開口端部、が占める領域とが重複部分を有する、
第1の本発明のメタライズドセラミックスビア基板の製造方法である。
第2及び第3の本発明のメタライズドセラミックスビア基板の製造方法においては、メッキ層を形成する前には既に金属ペーストの充填および焼成によりスルーホールを埋めて導電性ビアを形成しているため、メッキ析出量の多寡がビアの導電性に影響しないので、形成されるメッキ層の厚みを低減することができる。よって配線パターンのパターニングを行うにあたって、レジスト層の厚みも低減することができる。したがって、大口径の導電性ビアを形成しなければならない場合であっても配線パターンの高精細化が可能となる。
第2の本発明のメタライズドセラミックスビア基板の製造方法は、以下の工程を順に有する。
(2−a)スルーホールを有するセラミックス焼結体基板を準備する工程、
(2−b)融点が600℃以上1100℃以下の金属(A)よりも融点が高い金属(B)粉末と、活性金属粉末とを含んでなる第一金属ペーストをスルーホールに充填する充填工程、
(2−c)金属(A)よりも融点が高い金属(B’)粉末と活性金属粉末とを含んでなる第二金属ペーストを、該第二金属ペーストが第一金属ペーストに接触するように、セラミックス焼結体基板の両面のうち少なくとも一方の表面に塗布して、第二金属ペースト層を形成する工程、
(2−d)金属(A)粉末を含んでなる第三金属ペーストを第二金属ペースト層の表面に塗布して、第三金属ペースト層を形成する工程、
(2−e)上記で得られた基板を焼成することにより、スルーホール内に導電性ビアを形成し、セラミックス焼結体基板の表面に表面導電層を形成し、かつ、該導電性ビアとセラミックス焼結体基板との界面および該表面導電層とセラミックス焼結体基板との界面に活性層を形成する焼成工程、
(2−f)表面導電層の表面にメッキ層を形成する工程、
(2−g)該メッキ層のうち配線パターンとして残す部分の表面に、レジストパターンを形成する工程、
(2−h)メッキ層および表面導電層のうち、レジストパターンに被覆されていない部分をエッチングにより除去する工程、
(2−i)レジストパターンを除去する工程、および、
(2−j)活性層の露出した部分をエッチングする工程。
(工程(2−a))
工程(2−a)では、スルーホール12を有するセラミックス焼結体基板10を準備する。セラミックス焼結体基板10としては、公知のセラミックスからなる基板が特に制限なく使用可能である。
セラミックス焼結体基板10の構成材料であるセラミックスとしては、例えば(1)酸化アルミニウム系セラミックス、酸化ケイ素系セラミックス、酸化カルシウム系セラミックス、酸化マグネシウム系セラミックスなどの酸化物系セラミックス;(2)窒化アルミニウム系セラミックス、窒化ケイ素系セラミックス、窒化ホウ素系セラミックスなどの窒化物系セラミックス;(3)酸化ベリリウム、炭化ケイ素、ムライト、ホウケイ酸ガラス等を使用することができる。中でも、(2)窒化物系セラミックスが好ましく、特に窒化アルミニウム系セラミックスが、熱伝導性が高いため好ましく使用することができる。
次に、金属(A)よりも融点が高い金属(B)粉末と、活性金属粉末とを含んでなる第一金属ペースト20を上記スルーホール12に充填する。第一金属ペースト20は、金属(B)の粉末、および、活性金属の粉末を含んでおり、その他、有機バインダー、有機溶媒、分散剤、可塑剤等を含んでいてもよい。
「金属(B)」は、金属(A)よりも融点が高い金属である。よって、まず、「金属(A)」について説明する。金属(A)は、融点が600℃以上1100℃以下の金属であり、例えば、銅、銀、金、金ろう、銀ろう等のろう材が挙げられる。中でも、金属(A)としては、コストの点から、金ろう、銀ろう、および、銅から選ばれる一種または二種以上を用いることが好ましく、これらの中でも銀−銅合金である銀ろうが特に好ましい。金属(A)の融点が600℃未満の場合は、焼成によりビア23とセラミックス焼結体基板10との間に後に説明する活性層を形成することが難しくなる。また、金属(A)の融点が1100℃超の場合は、焼成時に基板に熱がかかりすぎて、基板にビア形成時の応力が残存する可能性がある。
金属(B)としては、例えば、銅(融点:1085℃)、銀(融点:962℃)、金(融点:1064℃)、タングステン(融点:3410℃)、モリブデン(融点:2617℃)等が挙げられ、金属(A)の融点により選択される。中でも、金属(B)としては、導電性が高い点から、銀、銅および金から選ばれる一種または二種以上を使用することが好ましく、これらの中でも銅が特に好ましい。なお、金属(B)は、金属(A)よりも融点が高いものであれば、2種類以上のものを混合して使用することもできる。
なお、上記金属粉末(B)と上記活性金属粉末とを含んでなる第一金属ペースト20は、メタライズドセラミックスビア基板の生産性を考慮すると、有機溶媒と有機バインダーとを含んだ状態での粘度を25℃において、50〜3000Pa・sの範囲に調整することが好ましい。スクリーン印刷法等により、スルーホール12内へ第一金属ペースト20を充填する際に、スルーホール12周囲のセラミックス焼結体基板10表面に第一金属ペーストがはみ出す場合があるが、この場合には、ペーストを乾燥させた後にバフ研磨等の処理により、基板表面にはみ出した第一金属ペーストを除去することが好ましい。
上記工程(2−b)でスルーホールに充填した第一金属ペースト20に接触するように、セラミックス焼結体基板10の両面のうち少なくとも一方の表面に第二金属ペーストを塗布することにより、第二金属ペースト層24が形成される。
よって第二金属ペーストは、金属(A)を構成する金属元素のうち単体としては当該金属(A)より高い融点を有する金属元素がある場合には、当該金属元素の単体の金属粉末を金属(B’)粉末として含むことが好ましい。なお、それ以外の金属粉末を金属(B’)粉末として含んでいてもよい。
例えば金属(A)が銀−銅合金ろう材を含む場合には、構成金属元素である銅及び銀のいずれもが金属(A)より高い融点を有するので、金属(B’)粉末として銅粉末及び銀粉末を共に含むことが好ましい。金属(B’)をこのように選択することにより、溶融した金属(A)の一部が第二金属ペースト層24に吸収された場合であっても、表面導電層30の組成変動を抑制することが可能になる。
また、第二金属ペーストに上記高粘性溶媒を含有させる場合の第二金属ペースト組成物の粘度は、印刷性および焼結体基板への付着性の観点から、25℃において10Pa・s以上100Pa・s以下であることが特に好ましい。
なお、形成される金属ペースト組成物が上記の粘度範囲となるのであれば、金属ペースト組成物には、通常の溶媒を組み合わせて加えてもよく、通常の溶媒としては、例えば、トルエン、酢酸エチル、ターピネオール、ブチルカルビトールアセテート、テキサノール等を使用できる。また、印刷適性や保存安定性を向上する目的で、公知の界面活性剤、可塑剤等を添加することができる。好適に使用できる分散剤としては、リン酸エステル系分散剤、ポリカルボン酸系分散剤などを例示することができる。
工程(2−d)は、金属(A)粉末を含んでなる第三金属ペーストを第二金属ペースト層24の表面に塗布して、第三金属ペースト層27を形成する工程である。図2は図1中の工程(2−d)後の基板の平面視(A−A矢視)透視図であり、A−A矢視において直接視認できない部分は破線で示されている。
第三金属ペーストは、上記した金属(A)粉末を含み、第一金属ペーストと同様、他の成分を含んでいてもよい。該第三金属ペーストを、第二金属ペースト層24の表面に積層して、第三金属ペースト層27を形成する。このとき、図2中のスルーホール12、12について示すように、セラミックス焼結体基板10の平面視透視において、第三金属ペースト層27が形成される領域Pと、スルーホール12の両端部12a、12bのうち、当該形成される第三金属ペースト層27に接する第二金属ペースト層24に接する開口端部12aが占める領域Qとが重複部分Rを有することを要する。第三金属ペーストをこのような位置に形成することにより、焼成工程において溶融した金属(A)をスルーホール12に充填した金属(B)粉末間の空隙に流れ込ませることができる。開口端部12aが占める領域Qは必ずしも領域Pに含まれる必要はなく、例えば図2紙面右側のスルーホール12におけるように開口端部12aが占める領域Qのうち領域Pに含まれない部分が存在してもよい。ただし、溶融した金属(A)がスルーホール12中に流れ込み易くなる観点からは、図2紙面左側のスルーホールにおけるように開口端部12aが占める領域Qは領域Pに含まれることが好ましい。なお、領域Pと領域Qとは平面視の透視で重複を有していればよいのであって、その他の位置関係は特に制限されない。例えば鉛直方向において領域Pが領域Qの鉛直上側に存在しても、その逆でもよい。
第三金属ペーストに含まれる金属(A)粉末の平均粒子径(D50)は、1〜50μmであることが好ましい。また、第三金属ペーストに金属(B)粉末を添加する場合には、その金属(B)粉末の平均粒子径(D50)は、0.1〜10μmであることが好ましい。
また、第三金属ペースト層27が金属(B)を含む場合には、その配合割合は、第二金属ペースト層24中の金属(B’)の合計を100質量部として、5質量部以上100質量部以下であることが好ましく、さらに、10質量部以上80質量部以下であることが好ましい。
第三金属ペースト層を多層構造とし、例えば、図5(A)に示すように第三金属ペースト層27Xを第二金属ペースト層24全体を覆うように積層し、その上に、図5(A)及びそのB−B矢視の透視図である図5(B)に示すように第三金属ペースト層27Yを例えば略円柱状に積層することにより、焼成時に第三金属ペースト層27Xが第二金属ペースト層24内へ、第三金属ペースト層27Yがスルーホール12中の第一金属ペースト20及び第二金属ペースト層24内へ、それぞれ効率よく流れ込むことができる。この場合においても、基板の平面視透視(すなわち図5(A)B−B矢視透視である図5(B))において、第三金属ペースト層27Yが形成される領域P’と、スルーホール12の両端部12a、12bのうち、当該形成される第三金属ペースト層27Yに接する第三ペースト層27Xに接する第二金属ペースト層24に接する開口端部12aが占める領域Qとが重複部分R’を有することが好ましく、領域P’が領域Qを含むことがより好ましい。
工程(2−e)は、上記で得られた基板を焼成する焼成工程である。本工程を経ることにより、スルーホール12内に導電性ビア23が形成され、セラミックス焼結体基板10の表面に表面導電層30が形成され、かつ、該表面導電層30とセラミックス焼結体基板10との界面に活性層29が形成される。また、図中には簡単のために示していないが、導電性ビア23とセラミックス焼結体基板10(スルーホール12壁面)との界面にも活性層が形成される。
例えば、金属(A)として、融点780℃のAg−Cu合金(銀ろう)粉末を用い、金属(B)粉末として銅粉末を用い、金属(B’)粉末として銅粉末及び銀粉末を用いた場合には、780〜1050℃、好ましくは800〜950℃の温度で、数十秒〜1時間、好ましくは5分〜30分焼成すればよい。
上記した特殊な焼成条件を採用することで、活性金属成分がビア23の露出面に移動することがより効果的に防がれる。これにより、上記特定の焼成条件を採用した場合には、導電性ビア23とセラミックス焼結体10との界面に活性層29が十分に形成され、密着性が良好なものとなる。また、表面導電層30表面の活性金属(例えばチタン)濃度が低くなるので、表面導電層30表面のメッキ性が良好となる。
工程(2−f)は、表面導電層30の表面にメッキ層40を形成する工程である。メッキの形成方法は、特に限定されず、電解メッキ、無電解メッキのいずれも採用でき、これらを組み合わせてもよい。メッキ層の材質としては、ニッケル、金、銀、銅等が挙げられるが、銅であることが好ましい。銅メッキを行う場合、電解銅メッキ液としては、公知の硫酸銅メッキ液、ピロリン酸銅メッキ液、シアン化銅メッキ液などを使用でき、液が安価であり液の毒性が低いという点で硫酸銅メッキ液が好ましい。また、メッキ膜の外観を向上させる目的で、最初に薄い銅ストライクメッキ層(例えば、膜厚0.05μm〜1μm)を形成した後に所望の膜厚の銅メッキ層を形成することもできる。メッキ層40の厚みは、導電性を良好にする観点から下限が好ましくは2μm以上、より好ましくは5μm以上であり、上限は特に限定されないが、メッキ層40が厚すぎると、導電性を向上させる効果が飽和すると共に、精密配線とすることが難しくなる虞があることから、好ましくは200μm以下、より好ましくは100μm以下である。
表面導電層30とメッキ層40との厚み比は、好ましくは1/50以上2/30以下であり、表面導電層30に比べてメッキ層40は厚く設定することが好ましい。
工程(2−g)は、上記形成したメッキ層40のうち配線パターンとして残す部分の表面に、好ましくはフォトリソグラフィー法によりレジストパターン50を形成する工程である。レジストは、後のエッチングにおいて、所定位置のメッキ層40等を保護することができるものであれば、特に限定されず、ポジ型、ネガ型の種類を問わず使用することができる。例えば、ポジ型のフォトレジストをメッキ層40上の全面に塗布し、配線パターンとして残したい箇所以外の箇所を露光し、露光部分を現像液により除去することにより、レジストパターン50が形成される。該現像液は特に限定されず、TMAH等の通常の現像液が使用できる。レジストパターン50の厚さは特に限定されないが、通常1μm以上30μm以下とされる。
工程(2−h)は、メッキ層40および表面導電層30のうち、レジストパターン50に被覆されていない部分をエッチングにより除去する工程である。エッチング液としては、金属層をエッチングする一般的なエッチング液(金属腐食性のある薬品)、例えば塩化第二鉄水溶液、塩化第二銅水溶液、テトラアンミン銅(II)錯イオン(Cu(NH3)4 2+)を含有するアンモニア系銅エッチング液、硫酸−過酸化水素系エッチング液等を使用可能である。この中でも、エッチングファクターが高い配線パターンが得られることから、塩化第二鉄水溶液及び塩化第二銅水溶液が好ましい。ただし、銅メッキ層40および表面導電層30の膜厚が小さい(例えば2μm以下)場合には、塩化第二鉄水溶液及や塩化第二銅水溶液では、エッチングレートが速く、エッチング時間を制御することが困難となるため、エッチングレートを遅くすることができる硫酸−過酸化水素系エッチング液が好ましい。なお、エッチング液の塗布は、基板をエッチング液に浸漬する方法でもよいし、基板上にエッチング液をスプレーする方法でもよいが、高いエッチングファクターが得られることから、スプレーによる方法が好ましい。
工程(2−i)は、レジストパターン50を除去する工程である。レジストパターン50を除去するための除去液としては、アルカリ金属の水酸化物水溶液を用いることができる。基板を該除去液に浸漬してもよいし、基板上に除去液をスプレーしてもよい。例えば、3質量%の液温50℃のNaOH水溶液に基板を1分程度浸漬することにより、レジストパターン50を除去することができる。
工程(2−j)は、活性層29の露出した部分をエッチングする工程である。活性層29をエッチングするためのエッチング液としては、例えば、過酸化水素系のエッチング液を用いることができる。ただし、先の工程(2−h)で除去しきれなかった残渣を確実に取り除くことが可能である点で、アンモニアと過酸化水素とを含むアンモニア−過酸化水素系エッチング液を用いることが特に好ましい。エッチング液の液性は、エッチング能力を高める観点からpH7以上が好ましく、メッキ層40までもがエッチングされる事態を抑制する観点からpH9以下が好ましい。なお、エッチング液の塗布は、基板をエッチング液に浸漬する方法でもよいし、基板上にエッチング液をスプレーする方法でもよい。なお、エッチング速度の向上、エッチング液の長寿命化を目的とするため、EDTA、クエン酸等のキレート剤を含有することもできる。
以下、図3及び4を参照しつつ、第3の本発明のメタライズドセラミックスビア基板の製造方法について説明する。なお、図3は、酸化防止層52を形成しない場合の工程図であり、図4は、酸化防止層52を形成する場合の工程図である。
第3の本発明のメタライズドセラミックスビア基板の製造方法は、以下の工程を順に有する。
(3−a)スルーホール12を有するセラミックス焼結体基板10を準備する工程、
(3−b)融点が600℃以上1100℃以下の金属(A)よりも融点が高い金属(B)粉末と、活性金属粉末とを含んでなる第一金属ペースト20をスルーホール12に充填する充填工程、
(3−c)金属(A)よりも融点が高い金属(B’)粉末と活性金属粉末とを含んでなる第二金属ペーストを、該第二金属ペーストが第一金属ペースト20に接触するように、セラミックス焼結体基板の両面のうち少なくとも一方の表面に塗布して、第二金属ペースト層24を形成する工程、
(3−d)金属(A)粉末を含んでなる第三金属ペーストを第二金属ペースト層24の表面に塗布して、第三金属ペースト層27を形成する工程、
(3−e)上記で得られた基板を焼成することにより、スルーホール12内に導電性ビア23を形成し、セラミックス焼結体基板10の表面に表面導電層30を形成し、かつ、該表面導電層30とセラミックス焼結体基板10との界面及び導電性ビア23とセラミックス焼結体基板10との界面に活性層29を形成する焼成工程、
必要に応じて(3−f)表面導電層30表面に酸化防止層52を形成する工程、
(3−g)表面導電層30表面の配線パターンを形成しない位置に、レジストパターン50を形成する工程、または、上記工程(3−f)を実施した場合には、酸化防止層52表面の配線パターンを形成しない位置に、レジストパターン50を形成する工程、
(3−h)表面導電層30表面の、レジストパターン50に被覆されていない位置、または、上記工程(3−f)を実施した場合には、酸化防止層52表面のレジストパターン50に被覆されていない位置に、メッキ層40を形成する工程、
(3−i)レジストパターン50を除去する工程、
(3−j)露出した表面導電層30、または、上記工程(3−f)を実施した場合には、露出した酸化防止層52及び表面導電層30をエッチングする工程、
(3−k)活性層29の露出した部分をエッチングする工程。
工程(3−e)で表面導電層30を形成した後は、そのまま工程(4−g)に記すように、表面導電層30上の配線パターンを形成したくない所定の位置に、レジストパターン50を形成する工程を実施することもできる(図3参照)。ただし、活性金属(例えばチタン等)を含む表面導電層30の表面が酸化され、その除去が困難とならないように、表面導電層30表面に酸化防止層52を形成することもできる(工程(3−f):図4参照)。この工程(3−f)では、表面導電層30表面に酸化防止層52を形成する。第3の本発明の方法においては、レジストパターン50を、配線パターンを形成したくない箇所に形成し、該レジストパターン50を形成していない箇所にメッキ層40を形成する。よって、メッキ層40を形成するまでの間、配線パターンとなる表面導電層30の表面が露出してしまい、該表面が酸化してしまう虞がある。表面導電層30は活性金属成分(例えばチタン成分等)を含むため、いったん表面導電層30表面に形成した酸化皮膜は通常の酸処理では完全には除去できない虞がある。このことを防止するため、工程(3−g)に先立って本工程(3−f)を行い、表面導電層30の表面に酸化防止層52を形成することが好ましい。
工程(3−g)では、工程(3−e)で形成した表面導電層30、あるいは必要に応じて実施した工程(3−f)で形成した酸化防止層52上の配線パターンを形成したくない所定の位置に、好適にはフォトリソグラフィー法によりレジストパターン50を形成する。レジストパターンの形成方法は、上記した工程(2−g)と同様であるが、本工程では配線パターンを形成したくない所定の位置にレジストパターンを形成する点で、工程(2−g)とはレジストパターンの形成箇所が逆である。本工程でのレジストパターン50は、後に形成するメッキ層40の層厚よりも、厚く形成する必要がある。通常2μm以上、50μm以下の範囲で、形成するメッキ層40の厚さよりも0.2μm以上厚くなるように形成すればよい。
工程(3−h)では、レジストパターン50が形成されていない表面導電層30表面に、メッキ層40を形成する。また、工程(3−f)を実施した場合には、酸化防止層52表面に、メッキ層40を形成する。メッキ層40の形成方法は、電解メッキ、無電解メッキのいずれでもよいが、酸化防止層52として銅ストライクメッキを形成した場合は、該銅ストライクメッキが電解メッキの種となるため、電解メッキを採用することが効率的であり好ましい。メッキ層の厚さについては、上記した工程(2−f)の場合と同様である。
メッキ層の材質としては、ニッケル、金、銀、銅等が挙げられるが、銅であることが好ましい。銅メッキを行う場合、電解銅メッキ液としては、工程(2−f)で例示したものを使用することができる。また、最初に銅メッキ層を形成し、その上にさらなるメッキ層(例えば、Ni/Auメッキ等。)を形成してもよい。
工程(3−i)では、レジストパターン50を除去する。レジストパターン50の除去方法は、上記した工程(2−i)と同様である。
工程(3−j)では、表面導電層30をエッチングする。工程(3−f)を実施した場合には、酸化防止層52、および表面導電層30をエッチングする。
本工程においては、メッキ層40も一部エッチングされるが、表面導電層30は電解メッキにより形成したメッキ層40よりもエッチングレートが速い。そのため、メッキ層40がエッチングされる前に、表面導電層30を優先的にエッチングすることが可能となる。
また、酸化防止層52を形成する場合には、酸化防止層52の膜厚をメッキ層40に比べて十分に薄くする(例えばメッキ層40の膜厚の20分の1以下とするなど。)ことにより、レジストパターンが形成されていた表面導電層30の部分を優先的にエッチングすることができる。また、メッキ層40を電解メッキにて形成し、酸化防止層52を無電解メッキにて形成する組み合わせによれば、該酸化防止層52のエッチングレートがメッキ層40に比べて速くなるため好ましい。
使用するエッチング液、エッチング方法は、上記した工程(2−h)におけるものと同様のものが使用できるが、エッチングレートを遅くでき、メッキ層40のサイドエッチング量を小さくできるという観点から、テトラアンミン銅(II)錯イオン(Cu(NH3)4 2+)を含有する、アンモニア系銅エッチング液及び硫酸/過酸化水素系のエッチング液が好ましい。
工程(3−k)では、活性層29をエッチングする。使用するエッチング液、エッチング方法は、上記した工程(2−j)におけるものと同様である。
以上の工程を経ることにより、メタライズド基板100b(工程(3−f)を行わなかった場合)又は100c(工程(3−f)を行った場合)が製造される。
上記した方法により製造される第1の本発明のメタライズドセラミックスビア基板100(100a、100b、100c)は、セラミックス焼結体基板10、導電性ビア23、活性層29、表面導電層30、およびメッキ層40を備えている。場合によっては、最初に銅メッキ層を形成し、その上に他の金属のメッキ層(例えば、Ni/Auメッキ等。)を備えていてもよい。また、第3の本発明の製法により製造される場合は、表面導電層30とメッキ層40との間に酸化防止層52を備えていることが好ましい。
(第一金属ペーストの作製)
金属(B)粉末として平均粒子径(D50)が4.5μmである銅粉末及び平均粒子径(D50)が28μmである銅粉末の混合物(混合質量比1:1)97質量部、並びに活性金属粉末として平均粒子径(D50)が5μmである水素化チタン粉末3質量部と、ポリアルキルメタクリレート2質量部をターピネオール4質量部に溶解させたビヒクルとを乳鉢を用いて予備混合した後、3本ロールミルを用いて分散処理することにより、第一金属ペーストを作製した。
金属(B’)粉末として平均粒子径(D50)が0.3μmである銅粉末47質量部、平均粒子径(D50)が1μmである銅粉末24質量部、及び、平均粒子径(D50)が0.6μmである銀粉末14質量部を使用した。この金属(B’)粉末に対して、活性金属粉末として平均粒子径(D50)が2μmである水素化チタン粉末の粉砕品15質量部と、ポリアルキルメタクリレート0.5質量部をターピネオール11質量部及びMTPH30質量部の混合溶媒に溶解させたビヒクルとを乳鉢を用いて予備混合した後、3本ロールミルを用いて分散処理することにより、第二金属ペーストを作製した。
金属(A)粉末として平均粒子径(D50)が6μmであるAg−Cu合金ロウ材粉末(BAg−8:融点780℃、組成:銀72質量%−銅28質量%)と、ポリアルキルメタクリレート4質量部及びリン酸エステル系分散剤0.2質量部をターピネオール13質量部及びジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテート(BCA)6質量部の混合溶媒に溶解させたビヒクルとを乳鉢を用いて予備混合した後、3本ロールミルを用いて分散処理することにより、第三金属ペーストを作製した。
(工程(2−a)、工程(2−b))
上記第一金属ペーストを、直径0.2mmのスルーホール12を有する厚さ0.64mmの窒化アルミニウム焼結体基板(セラミックス焼結体基板10)(トクヤマ社製、商品名SH−30)のスルーホール12内へ、メタルマスクを使用しスクリーン印刷法にて充填し、100℃で10分間乾燥させた。次に、基板の両面をバフ研磨し基板表面にはみ出した第一金属ペーストを完全に除去し、水洗後100℃で10分間乾燥させた。
上記基板の一方の面の全体に、上記第二金属ペーストをスクリーン印刷法にて印刷し、150℃で10分間乾燥させ第二金属ペースト層24を形成した。但し、基板の周縁から5mmの領域は、第二金属層ペースト層を形成しない領域を設けた。基板の裏面にも同様にして第二金属ペースト層24を形成した。
次いで、上記第三金属ペーストを、直径0.4mmのスルーホールを有するメタルマスクを使用しスクリーン印刷法にて第二金属ペースト層24上に印刷し、100℃で10分間乾燥させ第三金属ペースト層27を形成した。この際、第三金属ペースト層27は、基板表面と垂直方向から見たときの円形の印刷パターンの中心が、基板の各スルーホールの中心とほぼ重なる位置に配置されるように、略円柱状に形成した。また、スルーホール12に充填された第一金属ペースト20中の金属(B)粉末の量を100質量部としたときの、第三金属ペースト層24に含まれる金属(A)粉末の量(A3/B1×100、但し、A3は、第三金属ペースト層24に含まれる金属(A)粉末量であり、B1は、スルーホール12中の第一金属ペースト20に含まれる金属(B)粉末の量である。)が80質量部となるように、第三金属ペーストの塗布量を調整した。
次いで、真空中、900℃にて30分間焼成することにより、スルーホール12内に導電性ビア23を形成させ、基板10の両面に表面導電層30を形成させた。この際、窒化アルミニウム製のセッター内(密閉容器内)に基板を収容した状態にて基板の焼成をおこなった。基板をセッター内に収容する際には、第二金属ペースト層24がセッターと接触しないように、基板周縁部の第二金属ペースト層24を形成していない領域のみをセッターに接触させ基板を載置した。このとき表面導電層30の厚みが2μmとなるように金属ペースト組成物の印刷膜厚を調整した。次に、表面導電層30の厚みが1.5μmとなるまで表面導電層30の表面をバフ研磨し、平滑化をおこなった。同じ条件で形成した基板の断面を電子顕微鏡で確認したところ、窒化チタン層(活性層)29の厚みは、0.5μmであった。
その後、硫酸銅メッキ浴を用いて3.0A/dm2の電流密度で電解メッキをおこない、表面導電層30上に厚さ3μmの銅メッキ層40を基板両面に形成した。
次に、厚さ19μmのドライフィルムレジストを基板両面の銅メッキ層40上に貼付し、配線パターンを形成したフォトマスクを介して超高圧水銀ランプで露光し、次いで炭酸ナトリウム水溶液で現像し、銅メッキ層40上にレジストパターンを形成した。この際、フォトマスクには、パターン描画性評価用としてピッチ60μm(ライン/スペース=30/30μm)のストライプパターン、及び、接合強度評価用として2mm角のパターンが形成されたものを使用した。なお、2mm角のパターンのうち、一部のパターンは、導電性ビア23を介して基板両面のパターンが電気的に導通するよう、基板表面と垂直方向から見たときに導電性ビア23が基板両面の角パターン内に含まれるようにパターン形成をおこなった。
次に、塩化第二鉄液(ボーメ度45°Be)を用い、液温20℃、スプレー圧0.15MPaにて、スプレーエッチングをおこなった。尚、ドライフィルムレジストの無い表面が露出した銅メッキ層40および表面導電層30が全てエッチングされた時間をジャストエッチング時間とし、ジャストエッチング時間+5秒をエッチング時間とした。エッチング後の基板を水中で超音波洗浄をおこない、エッチング後に基板上に一部堆積した黒色の残渣を除去した。エッチング後の基板は、レジストに被覆されていない領域の銅メッキ40および表面導電層30が除去され、黄金色の窒化チタン層29が露出していた。
次に、基板を3%水酸化ナトリウム溶液中に浸漬し、レジストを除去した。
次いで、30%過酸化水素水480gにエチレンジアミン四酢酸(EDTA)8gを加え、更に25%アンモニア水を加えてEDTAを中和・溶解させ、窒化チタンエッチング液(pH7.5)を調製した。窒化チタンエッチング液に基板を浸漬し、基板表面に露出した窒化チタン層29および一部残留した表面導電層30の残渣をエッチングにより除去することによりメタライズド基板100aを得た。得られたメタライズド基板100aについて評価を行った。結果を表1に示す。
実施例1と同様にして直径0.2mmのスルーホール12を有する厚さ0.64mmの窒化アルミニウム基板10に金属ペーストを充填、印刷、乾燥をおこない(工程(2−a)〜工程(2−d)と同様の方法で実施した(工程(3−a)〜工程(3−d))。)、実施例1と同様にして焼成およびバフ研磨することにより、表面導電層30を形成した(工程(2−e)と同様の方法で実施した(工程(3−e))。)。
次いで、ホルマリンを還元剤とする無電解銅メッキ浴を用い、厚さ0.1μmの無電解メッキ層からなる酸化防止層52を形成した。
次に、厚さ19μmのドライフィルムレジストを、配線パターンを形成したフォトマスクを介して所定の位置に貼付し、超高圧水銀ランプで露光し、次いで炭酸ナトリウム水溶液で現像し、酸化防止層52上にレジストパターンを形成した。この際、フォトマスクには、パターン描画性評価用としてピッチ60μm(ライン/スペース=30/30μm)のストライプパターン、及び、接合強度評価用として2mm角のパターンが形成されたものを使用した。なお、2mm角のパターンのうち、一部のパターンは、導電性ビア23を介して基板両面のパターンが電気的に導通するよう、基板表面と垂直方向から見たときに導電性ビア23が基板両面の角パターン内に含まれるようにパターン形成をおこなった。
次に、硫酸銅メッキ浴を用いて3A/dm2の電流密度で電解メッキをおこない、レジスト層が形成されていない酸化防止層52上に厚さ10μmの銅メッキ層を形成した。更に、銅メッキ層上に電解メッキにより厚さ3μmのニッケル層および厚さ0.2μmの金メッキ層を形成することにより、銅メッキ層、ニッケルメッキ層及び金メッキ層を有するメッキ層40を形成した。
その後、基板を3%水酸化ナトリウム溶液中に浸漬し、レジストを剥離した。
次に、テトラアンミン銅(II)錯イオン(Cu(NH3)4 2+)を含有する、アンモニア系銅エッチング液に基板を浸漬し、表面が露出した酸化防止層52および表面導電層30を溶解・除去した後、水中で超音波洗浄をおこない、エッチング後に基板上に一部堆積した黒色の残渣を除去した。エッチング後の基板は、銅メッキ層に被覆されていない領域の酸化防止層52および表面導電層30が除去され、黄金色の窒化チタン層29が露出していた。
次いで、実施例1の工程(2−j)と同様にして、基板表面に露出した窒化チタン層29および一部残留した表面導電層30の残渣をエッチングにより除去することによりメタライズド基板100cを得た。得られたメタライズド基板100cは、実施例1と同様の方法で評価した。但し、接合強度の評価の際には、メタライズドパターン上に無電解ニッケルメッキ及び無電解金メッキを形成せずに、接合強度の評価をおこなった。その結果を表1に示す。
実施例2において、工程(3−f)をおこなわなかった(すなわち酸化防止層52を形成しなかった)以外は、実施例2と同様にしておこない、メタライズド基板100bを得た。得られたメタライズド基板100bは、実施例1と同様の方法で評価した。但し、接合強度の評価の際、メタライズドパターン上に無電解ニッケルメッキ及び無電解金メッキを形成せずに、接合強度の評価をおこなった。その結果を表1に示す。
実施例1の工程(2−d)において、用いるメタルマスクの厚さを調整することによって、スルーホール12に充填された第一金属ペースト20中の金属(B)粉末の量を100質量部としたときの、第三金属ペースト層27に含まれる金属(A)粉末の量(A3/B1×100質量部)が表1に示した値となるように、第三金属ペースト層27の塗布量を調整した以外は、実施例1と同様にしてメタライズド基板を作製し、実施例1と同様の方法で評価した。結果を表1に示す。
直径0.2mmのスルーホール12を有する厚さ0.64mmの窒化アルミニウム焼結体基板(セラミックス焼結体基板10)(トクヤマ社製、商品名SH−30)の両面に、アルゴンプラズマスパッタリング装置を用い、厚さ0.3μmのチタンからなるシード層と、厚さ0.4μmの銅層(銅スパッタ層)を順に形成した。
上記の実施例及び比較例で得られたメタライズドセラミックスビア基板は、以下の方法によりその性能を評価した。
上記の実施例および比較例で得られた、メタライズドセラミックスビア基板をエポキシ樹脂に包埋して湿式バフ研磨により鏡面研磨し、メタライズドセラミックスビア基板断面の観察試料を作製した。得られた観察試料を走査型電子顕微鏡(日立ハイテクノロジーズ社製S−3400N)にて観察し(加速電圧15kV、二次電子検出モード、観察倍率1000倍)、導電性ビア中のボイドの量を評価した。導電性ビア断面の全面積のうち、ボイドの占める面積の割合が1%未満である場合を「◎」、1%以上5%未満を「○」、5%以上を「×」とした。結果を表1に示す。
上記の実施例および比較例で得られたメタライズドセラミックスビア基板について、ピッチ60μm(ライン/スペース=30/30μm)であるストライプ形状のフォトマスクパターンにおける再現性を評価した。レーザー顕微鏡でメタラズドセラミックスビア基板表面に形成されたストライプ形状のメタライズドパターンを観察し、メタライズ上部の線幅を測定した。また、ラインの断線の有無を確認した。結果を表1に示す。
上記で得られたメタライズドセラミックスビア基板断面の観察試料を上記走査型電子顕微鏡(加速電圧15kV、反射電子検出モード、観察倍率2000倍)にて観察し、セラミックス焼結体基板と導電性ビア及びメタライズド層との界面における窒化チタン層(TiN層)の厚みを判断した。結果を表1に示す。
上記の実施例および比較例で得られた評価用メタライズドセラミックスビア基板のメタライズドパターン上に無電解ニッケルメッキを約2.5μm、次いで無電解金メッキを約0.4μm施した後、以下の手順で接合強度の評価を行った。メッキを施した2mm角のメタライズドパターン上に先端部の径がφ1.1mmで、且つ先端部表面にニッケルメッキを施した42アロイ製ネイルヘッドピンを基板と垂直となるようにPb−Sn半田にて半田付けし、ピンを10mm/分の速度で垂直に引張り、基板から破断した際の荷重を記録した。同様の試験を5回実施して荷重の平均値を算出した。結果を表1に示す。
比較例1では、銅メッキ層形成時にめっき法により導電性ビアを形成した為、スルーホールが銅で充填されるまで電解めっきをおこなう必要があった結果、銅メッキ層の膜厚が大きくなった。その結果、銅メッキ層をエッチングする際のサイドエッチング量が大きくなったためにエッチング処理中にレジストが剥離し、ピッチ60μmのストライプパターンが形成できなかった。また、導電性ビア内部に大きなボイドも形成された。
他方、実施例1では、銅メッキ層形成時には、既に導電性ビアが形成されており、めっき法によるスルーホールの充填をする必要がないために、銅メッキ層の膜厚を小さくすることが可能であった。この結果、ピッチ60μmのストライプパターンの形成が可能であった。実施例2〜5においても同様であった。
12 スルーホール
20 第一金属ペースト
23 導電性ビア
24 第二金属ペースト層
27、27X、27Y 第三金属ペースト層
29 活性層
30 表面導電層
40 メッキ層
50 レジストパターン
52 酸化防止層
100a、100b、100c メタライズドセラミックスビア基板
Claims (6)
- セラミックス焼結体基板に導電性ビアが形成されているメタライズドセラミックスビア基板であって、
融点が600℃以上1100℃以下の金属(A)と、該金属(A)よりも融点が高い金属(B)と、活性金属とを含む導電性の金属が、前記セラミックス焼結体基板のスルーホールに密充填されてなる前記導電性ビアを有し、
前記セラミックス焼結体基板の両面のうち少なくとも一方の面に、前記金属(A)と、前記金属(B)と、活性金属とを含む導電性の金属からなる表面導電層を有する配線パターンを有し、
前記配線パターンが、前記表面導電層の表面にメッキ層を有し、
前記導電性ビアと前記セラミックス焼結体基板との界面および前記表面導電層と前記セラミックス焼結体基板との界面に活性層が形成されている、メタライズドセラミックスビア基板の製造方法であって、
スルーホールを有するセラミックス焼結体基板を準備する工程、
融点が600℃以上1100℃以下の金属(A)よりも融点が高い金属(B)粉末と、活性金属粉末とを含んでなる第一金属ペーストを前記スルーホールに充填する充填工程、
前記金属(A)よりも融点が高い金属(B’)粉末と活性金属粉末とを含んでなる第二金属ペーストを、該第二金属ペーストが前記第一金属ペーストに接触するように、前記セラミックス焼結体基板の両面のうち少なくとも一方の表面に塗布して、第二金属ペースト層を形成する工程、
前記金属(A)粉末を含んでなる第三金属ペーストを前記第二金属ペースト層の表面に塗布して、第三金属ペースト層を形成する工程、
上記で得られた基板を焼成することにより、前記スルーホール内に導電性ビアを形成し、前記セラミックス焼結体基板の表面に表面導電層を形成し、かつ、該導電性ビアと前記セラミックス焼結体基板との界面および該表面導電層と前記セラミックス焼結体基板との界面に活性層を形成する焼成工程、
前記表面導電層の表面にメッキ層を形成する工程、
該メッキ層のうち配線パターンとして残す部分の表面に、レジストパターンを形成する工程、
前記メッキ層および前記表面導電層のうち、前記レジストパターンに被覆されていない部分をエッチングにより除去する工程、
前記レジストパターンを除去する工程、および、
前記活性層の露出した部分をエッチングする工程
を含み、
前記第三金属ペースト層を形成する工程においては、前記セラミックス焼結体基板の平面視透視において、前記第三金属ペースト層が形成される領域と、該形成される第三金属ペースト層に接する前記第二金属ペースト層に接する、前記スルーホールの開口端部、が占める領域とが重複部分を有する、メタライズドセラミックスビア基板の製造方法。 - セラミックス焼結体基板に導電性ビアが形成されているメタライズドセラミックスビア基板であって、
融点が600℃以上1100℃以下の金属(A)と、該金属(A)よりも融点が高い金属(B)と、活性金属とを含む導電性の金属が、前記セラミックス焼結体基板のスルーホールに密充填されてなる前記導電性ビアを有し、
前記セラミックス焼結体基板の両面のうち少なくとも一方の面に、前記金属(A)と、前記金属(B)と、活性金属とを含む導電性の金属からなる表面導電層を有する配線パターンを有し、
前記配線パターンが、前記表面導電層の表面にメッキ層を有し、
前記導電性ビアと前記セラミックス焼結体基板との界面および前記表面導電層と前記セラミックス焼結体基板との界面に活性層が形成されている、メタライズドセラミックスビア基板の製造方法であって、
スルーホールを有するセラミックス焼結体基板を準備する工程、
融点が600℃以上1100℃以下の金属(A)よりも融点が高い金属(B)粉末と、活性金属粉末とを含んでなる第一金属ペーストを前記スルーホールに充填する充填工程、
前記金属(A)よりも融点が高い金属(B’)粉末と活性金属粉末とを含んでなる第二金属ペーストを、該第二金属ペーストが前記第一金属ペーストに接触するように、前記セラミックス焼結体基板の両面のうち少なくとも一方の表面に塗布して、第二金属ペースト層を形成する工程、
前記金属(A)粉末を含んでなる第三金属ペーストを前記第二金属ペースト層の表面に塗布して、第三金属ペースト層を形成する工程、
上記で得られた基板を焼成することにより、前記スルーホール内に導電性ビアを形成し、前記セラミックス焼結体基板の表面に表面導電層を形成し、かつ、該導電性ビアと前記セラミックス焼結体基板との界面および該表面導電層と前記セラミックス焼結体基板との界面に活性層を形成する焼成工程、
前記表面導電層上の、配線パターンを形成しない位置に、レジストパターンを形成する工程、
前記表面導電層上の、前記レジストパターンに被覆されていない位置に、メッキ層を形成する工程、
前記レジストパターンを除去する工程、
前記表面導電層の露出した部分をエッチングする工程、および、
前記活性層の露出した部分をエッチングする工程
を含み、
前記第三金属ペースト層を形成する工程においては、前記セラミックス焼結体基板の平面視透視において、前記第三金属ペースト層が形成される領域と、該形成される第三金属ペースト層に接する前記第二金属ペースト層に接する、前記スルーホールの開口端部、が占める領域とが重複部分を有する、メタライズドセラミックスビア基板の製造方法。 - 前記焼成工程の後に、前記表面導電層表面に銅ストライクメッキによる酸化防止層を形成する工程を有する、
請求項2に記載のメタライズドセラミックスビア基板の製造方法。 - 前記焼成工程の後に、前記表面導電層の表面を研磨する研磨工程をさらに有する、
請求項1〜3のいずれか一項に記載のメタライズドセラミックスビア基板の製造方法。 - 前記金属(B’)粉末が、前記金属(A)粉末を構成する金属元素のうち該金属(A)粉末より高い融点を有する金属元素の単体金属粉末を含む、
請求項1〜4のいずれか一項に記載のメタライズドセラミックスビア基板の製造方法。 - 前記金属(A)粉末が銀−銅合金ろう材粉末を含み、
前記金属(B)粉末が銅粉末を含み、
前記金属(B’)粉末が銅粉末と銀粉末とを含み、
前記活性金属粉末が、チタン粉末及び水素化チタン粉末から選ばれる一種以上である、
請求項5に記載のメタライズドセラミックスビア基板の製造方法。
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