JP2958492B2

JP2958492B2 - 多層配線回路基板の製造方法

Info

Publication number: JP2958492B2
Application number: JP8598890A
Authority: JP
Inventors: 裕入間川; 勉小田; 貴紀生田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1990-03-30
Filing date: 1990-03-30
Publication date: 1999-10-06
Anticipated expiration: 2014-10-06
Also published as: JPH03284896A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、セラミックの多層配線回路基板に関するも
のであり、特に基板材料として、ガラス質フリットとセ
ラミック成分からなる低温焼成セラミック基板を有する
多層配線回路基板およびその製造方法である。

〔従来の技術〕一般に多層配線回路基板は、セラミックのグリーンシ
ート上に、モリブデン、タングステンなどの高融点金属
の導電性ペーストを内部配線として所望パターンを印刷
したシートを、積層・圧着した後1400℃程度に焼成して
いた。

しかし、モリブデン、タングステンなどは、焼成温度
が高くコストアップにつながり、また導体抵抗が比較的
高く、回路の信号の高速化が困難であった。

そこで最近、内部配線材料として金（Au）、銀（A
g）、銅（Cu）などの比較的低融点、且つ低抵抗の材料
を使用することが検討されている。また、基板材料につ
いても、焼成温度が140℃前後から、1000℃未満の低温
で焼成できるガラス質フリットとセラミック成分とから
なるガラスセラミック基板（低温焼成用セラミック基
板）の使用が検討されている。

このような状況において、低温焼成用セラミックを用
いた多層配線回路基板の内部配線としてAgが有望とされ
ている。Agにはマイグレーションという問題はあるもの
の、Auに比較して極めて安価であり、また、Cuと比較し
て、ペースト中の有機バインダーの脱バイ（脱バインダ
ー）工程が簡単であり、製造上の制約が少ないことが挙
げられる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、低温焼成用セラミックの多層配線基板の内部
配線としてAgを使用した時の最大の問題点は、低温焼成
用セラミックグリーンシートとAgペーストの焼結反応の
度合いに大きな違いがあり、これにより、積層した基板
全体に反りが発生したり、導体抵抗値が大きくなってし
まうという問題点がある。即ち、低温焼成セラミックの
グリーンシートにAgの内部配線パターンを形成し、積層
圧着後、一体的に焼結すべく約900℃で焼成すると、Ag
の焼結反応が完了した後でも、焼結が続けられ、Ag過焼
結となり導体中に空孔が発生する。

本発明は、上述の問題点に鑑みて案出したものであ
り、その目的は、内部配線としてAgを使用するにあた
り、基板と内部配線との焼結度合いの違いに起因する基
板の反りが一切ない、抵抗抗の内部配線を有する多層配
線回路基板を提供することにある。

〔目的を達成するための具体的手段〕

上述の問題点を解決するために行なった本発明の具体
的な手段は、180〜250℃で仮焼処理により平均粒径５〜
25μｍの略球状に粒成長させた銀粉末と有機ビヒクルと
を混合した導電性ペーストでもって所望の内部配線パタ
ーンを、ガラス質フリット成分とセラミック成分とから
なるセラミックグリーンシート上に印刷し、これらのセ
ラミックグリーンシートを複数枚積層した後、焼成処理
する工程から成る多層配線回路基板の製造方法である。

〔作用〕

上述の手段により、セラミックグリーンシートの表面
に所望内部配線パターンが印刷されたガラス質フリット
とセラミック成分とからなるセラミックグリーンシート
を積層し、焼結させた多層配線回路基板にあって、所望
内部配線パターンとして印刷される導体材料は、平均粒
径が５〜25μｍの略球状のAg粉末の導電性ペーストが印
刷されて形成されるので、Ag粉末の極度の過焼結状態に
ならず、焼結後の内部配線導体が緻密質となり、低抵抗
が達成され、さらに基板に反りが生じない。

上述のAg粉末の粒径は、通常（１〜２μｍ）の10倍程
度の粒径を有している。これにより、セラミックグリー
ンシートの積層基板と同時に焼結させると、通常よりも
Ag粉末の焼結が遅れ、セラミックグリーンシートの焼結
温度と近似し、その挙動に差異が少なくなる。例えば、
セラミックグリーンシートの焼結温度は、ガラス質フリ
ットの成分などで若干異なるものの、その温度は850〜9
50℃である。これに対して通常のAg粉末では、約300〜
約400℃で焼結反応が終了し、850〜約900℃の間はAgの
過焼結状態となってしまう。

本発明においては、平均粒径が５〜25μｍの略球状の
Ag粉末を使用することにより、焼結開始温度が700〜800
℃となり、セラミックグリーンシートの焼結温度と近似
させることができる。

また、過焼結状態にならないので、焼成したAgの焼成
導体に空孔が発生せず、モリブデン、タングステンに比
較して低抵抗の内部配線が達成できる。

通常、Ag粉末は化学還元法にっよって、上述したよう
に２μｍ以下の粒径のAg粉末が形成される。特に、１μ
ｍ未満の粒径のAg粉末をペースト化した導電性ペースト
では、印刷後、セラミックグリーンシートと一体的に焼
結すると、Ag粉末の過焼結状態が極端となり、体積の収
縮が起こる。これにより、焼結後の導体には空孔が発生
し、導体抵抗を大きくなる、反りについては、この空孔
が作用して逆に反り防止に役立つが根本的に導体抵抗の
問題で使用することが困難である。

また、粒径１〜２μｍ程度のAg粉末をペースト化した
伝導性ペーストでは、導体に空孔の発生が少ないもの
の、その焼結挙動が、ガラスセラミックのセラミックグ
リーンシートの焼結温度よりも低い温度で発生しはじめ
るため、始め、焼成後の多層基板に反りが発生する。

また、別の製造方法、電解法による製造された球状粉
末があるが、この方法で形成された球状粉末は粒径が数
十μｍと大きく、さらに燐片粉末では、粒径が不揃い
で、偏平状であるため、内部配線パターンの印刷時スク
リーンのメッシュに目詰まりを起こし、精度の高い配線
パターンが不可能となる。

結局、ガラス質フリットを含むセラミックのグリーン
シートの内部配線の導電性ペーストとして、平均粒径が
５〜25μｍで略球状のAg粉末が使用されることが最適で
ある。

このような平均粒径が５〜25μｍで略球状のAg粉末
は、化学還元法によるAg粉末を仮焼させることにより達
成される。即ち、粒径が２μｍ以下の小さなAg粉末をペ
ースト化する前に、仮焼し、Ag粉末の粒径を成長させて
おくことが重要である。その仮焼の温度は、150〜300℃
であり、好ましくは180〜250℃である。これにより、本
発明の目的である内部配線の低抵抗で、且つ反りが少な
い多層配線回路基板が達成されることになる。

〔実施例〕

以下、本発明の多層配線回路基板を図面に基づいて詳
説する。

第１図は、本発明の多層配線回路基板の断面図であ
る。

本発明の多層配線回路基板10は、セラミック絶縁層
（以下、セラミック基板という）1a、1b・・・と内部配
線2a、2b・・・とで構成されている。尚、セラミック基
板1a上の内部配線2aとセラミック基板1b上の内部配線2b
とは、セラミック基板1bに形成された導体材料（内部配
線2bの同一材料）が充填されたスルーホール（実線で示
す）3bで電気的に接続されている。このように形成され
た多層配線回路基板10の表面および裏面には、必要にじ
て、所望厚膜回路配線４や電子部品５などが被着・搭載
される。

上述の多層配線回路基板10の製造方法は、以下のとお
りである。

多層配線回路基板10を構成するセラミック基板1a、1b
・・・はガラス質フリットとセラミック成分とからなる
混合物を有機成分で混練したガラスセラミック材料を、
ドクターブレード法によって形成したセラミックグリー
ンシートを焼結して形成する。具体的には、ガラス質フ
リットは、例えば、酸化マグネシウム、酸化アルミニウ
ム、酸化珪素を主成分とし、セラミック成分は、例えば
アルミナであり、夫々が70wt％、30wt％の比率で混合さ
れる。また、有機成分として、バインダーは例えばアク
リル系樹脂、可塑剤は例えばジブチルフタレート、ビヒ
クルは例えばトルエンである。そして、上述のガラス質
フリットとセラミック成分との混合物と有機成分とをボ
ールミルにて均質混練する。

上述の内部配線2a、2b・・・は、Agを主成分とする導
電性ペーストを焼結することによって形成する。その導
電性ペーストはAgを主成分とする金属粉末と有機成分と
を均質混練して構成する。金属粉末であるAg粉末は、化
学還元法によって形成された粒径の小さい（〜２μｍ未
満）略球状の粉末を仮焼して形成する。これより、平均
粒径が５〜25μｍの略球状の粉末体となる。具体的には
Ag粉末の仮焼方法は化学還元法によって形成さられたAg
粉末をルツボに入れ、恒温槽に150〜300℃の範囲で１時
間加熱する。

有機ビヒクルとして、有機バインダーは例えばエチル
セルロースであり、有機溶剤は例えば2.2.4−トリメチ
ル−1.3−ペンタンジオールモノイソブチレートであ
り、このバインダーおよびビヒクルを秤量・混合し、３
本ロールにて混練する。例えば、平均粒径が５〜25μｍ
の略球状のAg粉末を87〜93重量％、有機ビヒクルを７〜
８重量％、尚、有機ビヒクル中、バインダーを10重量
％、溶剤を90重量％夫々用いる。

ここで、Agの平均粒径を大きくすれば、比表面積が低
下するので、Agの重量を多くする。例えば、平均粒径を
10μｍのAg粉末ではAg粉末を90重量％に設定することが
望ましい。

上述のドクターブレード法によって形成されたセラミ
ックグリーンシートを所定形状にプレス切断し、単板の
セアミッググリーンシート11a、11b・・・を作製する。
そして、核単板のセラミックグリーンシート11a、11b・
・・には、所定位置にスルーホール3a、3b・・・を形成
し、さらにセラミックグリーンシート11a、11b・・・上
に所望内部配線のして上述のAgの導電性ペーストをスク
リーンに印刷する。このとき、スルーホール3a、3b・・
・にもＡの導電性ペーストを充填する。充填する方法と
してスクリーン印刷のスキージの印圧を利用したり、印
刷面の反対側からスルーホール3a、3b・・・を介して減
圧にしてエアを引き、導電性ペーストをスルーホール3
a、3b・・・に吸引したりする。

このように導電性ペーストにより所望内部配線パター
ンが形成されたセラミックグリーンシート11a、11b・・
・を所要枚数積層し、圧着する。

最後にピーク温度900℃、30分間、焼結し、多層配線
回路基板を製造する。

上述の多層配線回路基板10によれば、所望内部配線パ
ターンとして印刷される導体ペーストのAg粉末が平均粒
径５〜25μｍであるため、焼結後の内部配線2a、2b・・
・が緻密質となり、低抵抗が達成され、さらに基板1a、
1b・・・に反りがない多層配線回路基板10となる。

Ag粉末の平均粒径が５〜25μｍの導電性ペーストを用
いることにより、Ag粉末の焼結反応の温度が700〜800℃
となる。また、低温焼成可能なガラス質セラミックのグ
リーンシート11a、11b・・・の焼結反応温度は、850〜9
50℃であり、互いの焼結反応温度が近似させることがで
きるため、焼結の挙動に差異が少なく、基板全体の反り
が少なくなる。

基板全体の反りがないことは、外観形状は勿論のこ
と、内部配線2a、2b・・のパターンを精細に形成した
時、配線着れが一切ない安定した多層配線回路着板が達
成されることにもなる。

これに対して、平均粒径２μｍ以下のAg粉末を有する
通常の導電性ペーストは、Ag粉末の焼結開始温度が300
〜400℃程度であり、セラミックグリーンシートが焼結
反応する前に、焼結反応が終了する。さらに昇温される
ため、Ag粉末が過焼結状態となる。

本発明ではAg粉末の過焼結が防止できるため、体積収
縮が少なく、導体中に空孔が発生せず、低抵抗の内部配
線が達成でき、緻密質な導体が達成でき導体抵抗が小さ
くできる。

また、このような内部配線用のAgの導電性ペーストを
作成するにあたり、化学還元法によって形成された略球
状のAg粉末を仮焼して形成することにより安定して平均
粒径が５〜25μｍで略球状のAg粉末を形成することがで
きる。

ここで、Ag粉末が鱗片状粒子であったり、粒径が20μ
ｍを越えるものであると、印刷時スクリーンのメッシュ
に目詰まりが発生してしまう。

本発明者らは、300mm×35mmの上述のセラミッググリ
ーンシート（厚み約0.8mmで、焼結温度が900℃）の単板
上に、Ag粉末の平均粒径が異なる導電性ペーストで、20
mm×20mm（反りの測定用）と0.3mm×10mm（抵抗値測定
用）の２つのパターン（厚み13μｍ）を夫々形成し、反
り及び抵抗値を測定した。その結果は、第１表のとおり
である。

尚、反りの測定については、反りゲージで基板の中央
部の高さを求め、この高さから基板の厚みを差し引いた
値を反りとした。また、抵抗値の測定について、オーム
メータで、４端子法にて測定した。

試料番号１〜３で明らかなように、Agの平均粒径が５
〜25μｍであると、反りが0.02mm以下となり、実質的に
無視でき、所要枚数のセラミックグリーンシートを積層
した多層配線回路基板10であっても問題なく使用できる
ものである。

また、配線導体に空孔が生じることがなく、緻密な状
態となり、抵抗値が3.0〜3.5mΩ/mmと極めて低く、ばら
つきも小さくなり、回路の信号高速化に対応が容易とな
る。

これに対して、試料番号４〜６のようにAgの平均粒径
が0.5〜2.0μｍと、発明品に比較して小さいものについ
ては、反りが0.58〜3.05mmと大きく、また抵抗値が3.5
〜30mΩ/mmと全体的に大きく、ばらつきが多いものとな
ってしまい、所要枚数のセラミックグリーンシートを積
層した回路基板では、反りによる内部配線切れ、外観不
良などが生じてしまう。尚、試料番号４、５において、
反りが本発明品に比較して大きいものの、試料番号６よ
りも小さくなる原因として、上述したように粒径がAgの
粒径が１μｍ以下では、簡単に化焼結状態になり、体積
が収縮してしまい、導体中に空孔が発生したり、極端な
場合には基板上に焼結した導体が点在してしまい、極端
な反りが発生しないのである。

なお、試料番号１〜３の粒径を形成するにありり、試
料番号１（Agの平均粒径56μｍ）については、比較例５
のAg粉末を180節式１時間仮焼した。試料番号２（Agの
平均粒径15μｍ）については、比較例５のAg粉末を200
℃１時間仮焼した。試料番号３（Agの平均粒径25μｍ）
についは、比較例５のAg粉末を250℃１時間仮焼した。

上述のセラミックグリーンシートは、ガラス質フリッ
トとして酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化珪
素を主成分として、セラミック成分にアルミナを用いた
もので説明したが、このようなガラス質セラミックは、
800〜950℃程度の低温で焼結できる材料として用いられ
ているものであり、上述の温度範囲の低温焼成用ガラス
セラミック材料であれば、どのような材料のガラス質セ
ラミックとグリーンシートにも本発明は適用できる。

また、上述の導電性ペーストは、Ag粉末を用いたAgペ
ーストであるが、導体材料としてAgを主成分とした、Ag
系導電性ペースト、例えばAg−Pdペーストであっても構
わない。

〔効果〕

以上のように、本発明によれば、ガラスセラミック成
分で構成した多層配線回路基板の内部配線として、平均
粒径が５〜25μｍの略球状の銀粉末から成るAgの導電性
ペーストを用いたので、多層配線回路基板の基板材料と
Agとの焼結反応の挙動の差が少なく、基板全体の反りが
なく、また、緻密な導体が達成され低抵抗の多層配線回
路基板となる。

また、多層配線回路基板の内部配線として、150〜300
℃で仮焼させた銀粉末を導電性ペーストに用いて製造す
るため、平均粒径５〜25μｍのAg粉末が容易に、且つ正
確に作成でき、反りがなく、また、緻密質な導体を有す
る低抵抗の多層配線回路基板の製造方法となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は発明の多層配線回路基板の断面図である。 10……多層配線回路基板 1a、1b……セラミック基板 2a、2b……内部配線 3a、3b……スルーホール 11a、11b……セラミックグリーンシート

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H05K 3/46 H05K 1/09

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】180〜250℃で仮焼処理により平均粒径５〜
25μｍの略球状に粒成長させた銀粉末と有機ビヒクルと
を混合した導電性ペーストでもって所望の内部配線パタ
ーンを、ガラス質フリット成分とセラミック成分とから
なるセラミックグリーンシート上に印刷し、これらのセ
ラミックグリーンシートを複数枚積層した後、焼成処理
する工程からなる多層配線回路基板の製造方法。