JP3420424B2

JP3420424B2 - 配線基板

Info

Publication number: JP3420424B2
Application number: JP07290096A
Authority: JP
Inventors: 哲也木村; 英博南上
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1996-03-27
Filing date: 1996-03-27
Publication date: 2003-06-23
Anticipated expiration: 2016-03-27
Also published as: JPH09263472A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アルミナ質セラミ
ックスから成る絶縁基体にメタライズ配線層を形成した
配線基板に関するもので、絶縁基体とメタライズ配線層
を同時焼成することができ、半導体素子を収容する半導
体素子収納用パッケージや回路配線導体を有する各種回
路基板、及びセルラー電話、パーソナルハンディホンシ
ステム、各種衛星通信用の高周波用多層配線基板等に好
適な、とりわけ半導体素子がコンパクトに収容搭載で
き、更に半導体素子の他にコンデンサや抵抗体等の各種
電子部品を密に搭載することが可能となる良好な平坦度
を有する配線基板に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、アルミナ質セラミックスは、
電気絶縁性や化学的安定性等の特性に優れていることか
ら半導体素子を収容する半導体素子収納用パッケージ
や、半導体素子の他にコンデンサあるいは抵抗体等の各
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多用されている。

【０００３】係る絶縁基体には、その表面あるいは内部
に電気回路を形成するための導体としてメタライズ配線
層が形成されており、例えば半導体素子収納用パッケー
ジにおいては、絶縁基体に設けた凹部底面に半導体素子
を接着固定するとともに、半導体素子の各電極をボンデ
ィングワイヤを介して前記メタライズ配線層と電気的に
接続し、更に前記凹部を塞ぐように蓋体を接合して前記
半導体素子が絶縁基体の凹部内に気密に収容されて最終
製品としての半導体部品とされてきた。

【０００４】係る絶縁基体にメタライズ配線層を形成す
るには、絶縁基体と成るセラミックグリーンシート表面
にスクリーン印刷法等により、ＷやＭｏ等の高融点金属
を主成分とするメタライズペーストを所定パターンに塗
布した後、適宜積層し、還元性雰囲気中、１４５０〜１
７００℃の温度で同時に焼成することにより、アルミナ
質セラミックスの液相成分の一部を高融点金属の粒子間
に拡散させてメタライズ配線層と絶縁基体を被着接合す
る方法が一般に採用されている。

【０００５】近年、高周波化及び高密度化が進むＩＣや
ＬＳＩ等の半導体素子を搭載する配線基板は、半導体素
子の高速化と放熱性を良好ならしめ、更に高い絶縁抵抗
や低い誘電損失（ｔａｎδ）等の品質の向上が求めら
れ、その上、半導体素子をコンパクトに搭載するために
半導体素子の各電極を配線基板の配線用電極にハンダバ
ンプ等により直接接続するフリップチップ接続法等が採
用されるようになってきている。

【０００６】そのため、絶縁基体としては、より純度の
高いアルミナを用いると共に焼結助剤を可能な限り減少
させると共に、前記フリップチップ接続法等が採用され
る配線基板には高い平坦度が要求されることから、その
ために配線基板を構成する積層体の密度や焼成時の温度
分布を均一にする等の各種方法が講じられてきた。

【０００７】しかしながら、前述のように純度の高いア
ルミナを用い、焼結助剤を減少させたセラミックグリー
ンシートに、配線密度を上げて高密度化するとともに、
半導体素子の高速化を実現するために配線抵抗を低くす
る必要から高融点金属に添加する液相成分を減らしたメ
タライズ配線層を形成する場合、アルミナ結晶間に介在
する液相成分の絶対量が少ないため、メタライズ配線層
の焼結性が悪く、ポーラスとなり、メタライズ配線層を
絶縁基体に強固に接着させることが困難になるという問
題があった。

【０００８】その上、絶縁基体とメタライズ配線層とを
同時焼成すると、それぞれの焼結開始点が異なることか
ら、焼成過程での収縮のズレに伴って配線基板に反りや
うねり等の変形を生じ、例えば反りでは配線基板表面の
長さ１ｍｍ当たり１．０６μｍ以上もの変形が発生し、
平坦度の良好な高品質の配線基板を歩留り良く得ること
が困難であった。

【０００９】そこで、係る問題を解消するために、前記
高融点金属にＡｌ₂Ｏ₃−ＭｎＯ−ＳｉＯ₂系のガラス
を添加したメタライズ組成物をアルミナ質焼結体に用い
たり、治具を用いて矯正する方法、あるいは絶縁基体の
焼成温度より低い温度で予備焼成した後、荷重をかけて
本焼成する方法等、各種提案がなされている（特開平２
−３０６８８号公報、特公平２−２５２７７号公報、特
開平４−３１３６８号公報参照）。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記メ
タライズ組成物をアルミナを主成分とし焼結助剤の添加
量を減少させたセラミックグリーンシート上に印刷形成
して同時焼成した場合には、メタライズ配線層と絶縁基
体との接着強度は得られるものの、両者の熱収縮差から
発生する反りやうねり等の変形を完全には解消すること
ができないという課題が残った。

【００１１】また、治具を用いて矯正する方法や荷重を
加えて焼成する方法では、配線基板の反りやうねり等の
変形は低減されるものの、治具の取り扱いが煩雑であ
り、かつ該治具の維持管理、あるいは複数の工程を要す
ること等、いずれも製造コストが著しく増大するという
課題があった。

【００１２】

【発明の目的】本発明は前記課題に鑑みなされたもの
で、焼成治具や複数の焼成工程を必要とせず、アルミナ
質セラミックスから成る絶縁基体とメタライズ配線層を
同時焼成することができて製造コストが低く、かつ反り
やうねり等の変形を効果的に防止することができ、多層
配線基板や半導体素子収納用パッケージ等、とりわけ半
導体素子がコンパクトに収容搭載でき、半導体素子の他
にコンデンサや抵抗体等の各種電子部品を密に搭載する
ことが可能な配線基板を提供することを目的とするもの
である。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、アルミナ
質セラミックスから成る絶縁基体に高融点金属のＷ、Ｍ
ｏの一種以上を主成分とするメタライズ配線層を形成す
るためのメタライズ組成物に、１２００〜１６００℃の
温度範囲で絶縁基体を成すアルミナ質セラミックス中の
ＳｉＯ₂と液相を生成するＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ
₂系化合物を含有させることにより前記目的が達成され
ることを知見したものである。

【００１４】即ち、本発明の配線基板は、アルミナ９０
〜９６重量％に、焼結助剤としてＳｉＯ _２、ＭｇＯ、Ｃ
ａＯを４〜１０重量％添加したアルミナ質セラミックス
から成る絶縁基体に高融点金属のタングステン（Ｗ）、
モリブデン（Ｍｏ）の一種以上を主成分とするメタライ
ズ配線層を形成した配線基板であって、前記メタライズ
配線層を形成するためのメタライズ組成物が１２００〜
１６００℃の温度範囲で絶縁基体を成すアルミナ質セラ
ミックス中のシリカ（ＳｉＯ _２）と液相を生成するカル
シア（ＣａＯ）−アルミナ（Ａｌ _２Ｏ _３）−シリカ（Ｓ
ｉＯ _２）系化合物を０．０５〜１０．０重量％含有して
成ることを特徴とするものである。

【００１５】更に、本発明の配線基板は、ＣａＯ−Ａｌ
₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系化合物がＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・２Ｓ
ｉＯ₂又は２ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・ＳｉＯ₂であること
がより望ましいものである。

【００１６】

【作用】本発明によれば、アルミナ質セラミックスから
成る絶縁基体に高融点金属のＷ、Ｍｏの一種以上を主成
分とし、前記アルミナ質セラミックスに含有されるＳｉ
Ｏ₂と液相を生成するＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系
化合物を含有するメタライズ組成物でメタライズ配線層
を形成するようにしたことから、アルミナ質セラミック
ス中の焼結助剤成分が液相を生成する温度で、メタライ
ズ組成物中のＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系化合物も
同時に液相を生成し、アルミナ質セラミックスとメタラ
イズ組成物の収縮も同時に開始されることになり、最終
的に絶縁基体の反りやうねり等の変形が極めて小さくな
ると共に、前記アルミナ質セラミックスの液相成分のＳ
ｉＯ₂とメタライズ組成物中の液相成分が互いに反応し
て接着強度を更に増すこととなる。

【００１７】一方、それと共にメタライズ組成物中の高
融点金属のＭｏやＷも緻密化するので、メタライズ配線
層の配線抵抗も低下することになる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の配線基板について
詳述する。

【００１９】本発明におけるメタライズ組成物中の高融
点金属としては、ＷまたはＭｏのいずれを使用しても良
く、また双方を混合することも可能である。

【００２０】従来、同時焼成用メタライズ組成物として
は一般にＷが用いられてきたが、高周波特性に優れた絶
縁基体では、メタライズ組成物としては焼結性が高くメ
タライズ配線層が緻密化し易いことが望ましく、その点
からはＭｏはＷに比較して低融点であり焼結性が高く、
高周波特性に優れたアルミナ質セラミックスから成る絶
縁基体のメタライズ配線層として優れた特性を有してい
る。

【００２１】また、本発明のメタライズ組成物は、平均
粒径が２〜３μｍの前記高融点金属粉末に、ＣａＯ−Ａ
ｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系化合物の含有量が０．０５〜１
０．０重量％に特定されるものであり、その含有量が
０．０５重量％未満では高融点金属の焼結が不十分とな
り、メタライズ配線層の抵抗が大きくなり損失が大とな
る等、電気的特性が劣化するので配線層を形成するには
不適当となり、１０．０重量％を越えると前記高融点金
属の粒成長が過剰に促進されメタライズ組成物中の液相
成分がアルミナ質セラミックス側に吐き出されることで
絶縁基体とメタライズ配線層との密着性が不十分となっ
て接着強度が低下する。

【００２２】従って、メタライズ配線層の低い配線抵抗
と、充分な接着強度を確保するという点からは、ＣａＯ
−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系化合物の含有量は、０．０５
〜５．０重量％がより望ましく、特に０．１〜２．０重
量％が最も望ましい。

【００２３】次に、前記ＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂
系化合物は、絶縁基体を成すアルミナ質セラミックス中
のＳｉＯ₂との液相生成温度が１２００〜１６００℃の
範囲内に限定されるもので、前記液相生成温度が１２０
０℃未満の場合には、アルミナ質セラミックスの焼結開
始温度が１２００〜１３００℃であることからＣａＯ−
Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系化合物の液相成分がアルミナ質
セラミックス側に拡散してしまい、一方、前記液相生成
温度が１６００℃を越えると、アルミナ質セラミックス
の焼成温度が１４５０〜１６００℃であることから、メ
タライズ組成物が緻密化せずメタライズ配線層の抵抗が
大きくなり損失が大となる等、電気的特性が劣化すると
共に、絶縁基体との接着強度が低下してしまい、いずれ
もＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系化合物の添加効果が
なくなってしまう。

【００２４】従って、液相生成温度は前記観点から１３
００〜１６００℃が望ましく、とりわけ１３００〜１５
００℃が最も好適である。

【００２５】以上のようにメタライズ組成物に含有する
ＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系化合物の量と、絶縁基
体のアルミナ質セラミックス中のＳｉＯ₂と液相を生成
する温度範囲を特定することにより、絶縁基体とメタラ
イズ配線層との熱収縮の整合性が良くなり、焼成過程で
の収縮差による配線基板の反りやうねり等の変形が防止
されるとともに、前記収縮差に起因して発生する不要な
応力も緩和され、その結果、メタライズ配線層を絶縁基
体に強固に接着させることが可能となる。

【００２６】尚、本発明の配線基板に適用するメタライ
ズ組成物を好適に用い得る絶縁基体としては、アルミナ
９０〜９６重量％に、焼結助剤としてＳｉＯ _２、Ｍｇ
Ｏ、ＣａＯを４〜１０重量％添加したアルミナ質セラミ
ックスが用いられる。

【００２７】更に、メタライズ組成物中の無機成分、特
にＡｌ₂Ｏ₃の純度を９９．９％以上にすると、該Ａｌ
₂Ｏ₃と絶縁基体のＡｌ₂Ｏ₃が焼結して形成される界
面は、純度が高く強度も大きいものとなり気密性に更に
寄与する。

【００２８】しかも、係るメタライズ組成物は、アルミ
ナ含有量が９０〜９６重量％のアルミナ質セラミックス
を絶縁基体とする配線基板を製造する際、同時焼成によ
ってアルミナ質焼結体とメタライズ配線層を形成するこ
とができるため、配線基板の多層配線化が可能となる。

【００２９】次に、前記メタライズ組成物を用い、アル
ミナ質セラミックスを絶縁基体とする配線基板の製造方
法について説明する。先ず、Ａｌ₂Ｏ₃原料粉末にＳｉ
Ｏ₂、ＭｇＯ、ＣａＯ等の焼結助剤を添加して混合した
ものに、溶媒等を添加混合して泥漿を調製し、これをド
クターブレード法、カレンダーロール法、圧延法等で、
あるいは前記混合粉末をプレス成形して適当な厚さのシ
ート状に成形してグリーンシートを作製する。

【００３０】一方、高融点金属を主成分とし、前記Ｃａ
Ｏ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系化合物含有するメタライズ
組成物の混合粉末に、アクリル樹脂、エチルセルロー
ス、ニトロセルロース等の公知のバインダーと、ジブチ
ルフタレートなどの公知の可塑剤、その他、消泡剤、界
面活性剤等を溶媒とともに適宜添加混合してメタライズ
ペーストを調製する。

【００３１】そして、このメタライズペーストを前記グ
リーンシートの表面にスクリーン印刷法、グラビア印刷
法等により配線パターン状に印刷すると共に、グリーン
シートにスルーホールを形成し、該スルーホール内へも
前記メタライズペーストを充填した後、複数のグリーン
シートを積層一体化する。

【００３２】このようにして得られた積層物を還元性雰
囲気中、好ましくは加湿窒素水素混合雰囲気中で１４５
０〜１６００℃の温度で焼成し、グリーンシートとメタ
ライズペーストとを同時に焼成することにより多層の配
線基板が作製できる。

【００３３】尚、前記配線基板の表面に露出したメタラ
イズ配線層や、接続金具が取り付けられる配線層の表面
には、耐食性を向上させたり、ロウ材や半田との濡れ性
を向上させて接合強度を高めるために、ニッケル（Ｎ
ｉ）、金（Ａｕ）等の良導電性で耐蝕性に優れた金属を
電解メッキ、無電解メッキ等の手段により０．１〜１０
μｍの厚さで形成しても良い。

【００３４】

【実施例】以下、本発明のメタライズ組成物及びそれを
用いた配線基板について、実施例に基づき具体的に詳述
する。

【００３５】先ず、平均粒径が１〜５μｍのＷ、Ｍｏ粉
末と、組成を種々変化させたＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−Ｓｉ
Ｏ₂系化合物を表１乃至表３に示す割合で秤量し、それ
に公知の有機系バインダーと有機溶媒を添加して混練機
で混練してペースト状のメタライズ用試料を作製した。

【００３６】一方、絶縁基体用のアルミナ質成形体とし
て、Ａｌ₂Ｏ₃９０〜９６重量％に、ＳｉＯ₂、Ｍｇ
Ｏ、ＣａＯ等から成る焼結助剤を合計量で４〜１０重量
％添加し、それに有機系バインダー、可塑剤、溶媒を加
えて泥漿を調製し、該泥漿を前記公知のテープ成形法に
より厚さ約５００μｍの絶縁基体用セラミックグリーン
シートを成形した。

【００３７】尚、メタライズ用試料として、含有するＣ
ａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系化合物の液相生成温度が
１２００℃未満である１１ＣａＯ・４Ａｌ₂Ｏ₃・１５
ＳｉＯ₂と、前記液相生成温度が１６００℃を越えるＣ
ａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・９９ＳｉＯ₂を添加したものを比較
例とした。

【００３８】また、ＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系化
合物の液相生成温度は、原料混合粉末をＣａＯ−Ａｌ₂
Ｏ₃−ＳｉＯ₂系三元状態図より想定した種々の温度で
焼成して液相の生成を目視検査するとともに、走査型電
子顕微鏡でも検査して確認し、液相生成温度を特定し
た。

【００３９】

【表１】

【００４０】

【表２】

【００４１】

【表３】

【００４２】かくして得られたメタライズ用試料を、前
記セラミックグリーンシートの一方の外表面全面に、あ
るいは所定の配線パターンにスクリーン印刷法により印
刷した後、これらを複数枚積層圧着した後、該積層体を
縦５０ｍｍ、横２０ｍｍの長方形状に切断し、これを窒
素と水素の混合ガスから成る還元性雰囲気中、１５００
〜１６００℃の温度で同時焼成し、アルミナ質焼結体か
ら成る絶縁基体表面とその内部に厚さ約２０μｍのメタ
ライズ配線層を被着形成した評価用の配線基板を作製し
た。

【００４３】かくして得られた評価用の配線基板を用い
て該配線基板表面の中央部、約２０ｍｍ角部分をダイヤ
モンド針を装着した接触型表面粗さ計で対角線方向に触
針して反り形状を計測し、単位長さ当たりの反り（μｍ
／ｍｍ）を算出してその最大値を平坦度として評価し
た。

【００４４】次に、前記配線基板のメタライズ配線層の
電気抵抗値を、４端子法による電気抵抗測定器で測定
し、メタライズ配線層の形状寸法から比抵抗値を算出し
て配線抵抗を評価した。

【００４５】また、前記配線基板のメタライズ配線層表
面にＮｉを被覆し、該Ｎｉ被覆層上に鉄−ニッケル系の
リードピンを、８００〜９００℃の温度で銀ロウにて接
合した後、該リードピンを１０ｍｍ／ｍｉｎの引っ張り
速度で引っ張り、該リードピンが剥離した時の荷重をメ
タライズ強度として評価した。

【００４６】

【表４】

【００４７】

【表５】

【００４８】

【表６】

【００４９】表４乃至表６の結果から明らかなように、
比較例の試料番号２５、５１、５２、７１、７２、７
９、８０では、反りが１．０６μｍ／ｍｍ以上でメタラ
イズ強度も４．４ｋｇｆ以下と低く、同じく試料番号２
６では反りは１．０５μｍ／ｍｍとやや小さいものの、
メタライズ強度が４．２ｋｇｆと弱くなっている。

【００５０】また、ＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系化
合物の含有量が本願発明の下限未満の試料番号１、１
３、２７、３９、５３、６０と、上限を越える試料番号
１２、３８、５９、６６は、いずれも反りが１．０６μ
ｍ／ｍｍ以上でメタライズ強度も４．８ｋｇｆ以下であ
り、上限を越える試料番号２０、４６では、反りは１．
０５μｍ／ｍｍとやや小さいものの、メタライズ強度が
４．４ｋｇｆ以下とやや強度不足である。

【００５１】それらに対して、本願発明の試料はいずれ
も１．０５μｍ／ｍｍ以下で、かつメタライズ強度が
４．９ｋｇｆ以上と充分に密着していることが分かる。

【００５２】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の配線基板
は、高融点金属のＷ、Ｍｏの一種以上を主成分とし、１
２００〜１６００℃の温度範囲で、絶縁基体を成すアル
ミナ質セラミックスに含有されるＳｉＯ₂と液相を生成
するＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系化合物を、０．０
５〜１０．０重量％含有して成るメタライズ組成物で形
成したメタライズ配線層を有することから、焼成治具や
複数の焼成工程を必要とせず、アルミナ質セラミックス
から成る絶縁基体と低い電気抵抗と高い気密性を有する
メタライズ配線層を同時焼成することができて製造コス
トが低く、かつ反りやうねり等の変形を効果的に防止す
ることができ、半導体素子収納用パッケージや各種回路
基板、及び高周波用の多層配線基板等、とりわけ半導体
素子がコンパクトに収容搭載でき、半導体素子の他にコ
ンデンサや抵抗体等の各種電子部品を密に搭載すること
が可能な信頼性の高い配線基板が得られる。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミナ９０〜９６重量％に、焼結助剤と
してＳｉＯ _２、ＭｇＯ、ＣａＯを４〜１０重量％添加し
たアルミナ質セラミックスから成る絶縁基体に高融点金
属のタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）の一種以
上を主成分とするメタライズ配線層を形成した配線基板
であって、前記メタライズ配線層を形成するためのメタ
ライズ組成物が１２００〜１６００℃の温度範囲で絶縁
基体を成すアルミナ質セラミックス中のシリカ（ＳｉＯ
_２）と液相を生成するカルシア（ＣａＯ）−アルミナ
（Ａｌ_２Ｏ_３）−シリカ（ＳｉＯ_２）系化合物を０．０
５〜１０．０重量％含有して成ることを特徴とする配線
基板。
【請求項２】前記カルシア（ＣａＯ）−アルミナ（Ａｌ
_２Ｏ_３）−シリカ（ＳｉＯ_２）系化合物がアノーサイト
（ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）又はゲーレナイト
（２ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・ＳｉＯ_２）であることを特徴
とする請求項１記載の配線基板。