JP3826685B2 - ガラスセラミック回路基板の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、焼成前のガラスセラミック回路基板の両面に拘束用グリーンシートを圧着して焼成するガラスセラミック回路基板の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ガラスセラミック回路基板を焼成する際に、基板の面方向の焼成収縮を小さくして基板寸法精度を向上させるために、焼成前のガラスセラミック回路基板の両面に拘束用アルミナグリーンシートを圧着し、その上から加圧しながらガラスセラミック回路基板を焼成した後、その焼成基板の両面に付着した未焼結の拘束用アルミナグリーンシートの残留物（拘束用アルミナグリーンシートは焼成の過程で溶剤や樹脂バインダが飛散してアルミナ粉体として残る）をブラスト処理で除去して、ガラスセラミック回路基板を製造する、いわゆる拘束焼成法が実用化されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の拘束焼成法では、拘束焼成後にブラスト処理により基板表面の拘束用アルミナグリーンシートを除去してから、基板表面に後付けで表層導体を印刷・焼成するようにしていた。この理由は、表層導体を印刷してから拘束焼成すると、拘束焼成後にブラスト処理によって基板表面から拘束用アルミナグリーンシートを除去する際に、表層導体までも剥がされてしまうためである。そのため、従来の拘束焼成法では、ブラスト処理後に、基板表面に後付けで表層導体を印刷・焼成するようにしており、その分、工程数が増えて生産性が低下し、生産コストが高くなるという欠点があった。
【０００４】
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、拘束焼成時に表層導体を同時焼成しても、ブラスト処理時の表層導体の剥がれを防止でき、表層導体の品質を維持しながら生産性を向上することができるガラスセラミック回路基板の製造方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１のガラスセラミック回路基板の製造方法は、ＣａＯ−ＳｉＯ ₂ −Ａｌ ₂ Ｏ ₃ −Ｂ ₂ Ｏ ₃ 系ガラスまたはＣａＯ−ＳｉＯ ₂ −Ａｌ ₂ Ｏ ₃ 系ガラス成分を１〜１０重量％含むＡｇ系導体ペーストを用いて基板表面（グリーンシート）に表層導体を印刷し、その後、焼成工程前に、ＣａＯ−ＳｉＯ ₂ −Ａｌ ₂ Ｏ _{3 −} Ｂ ₂ Ｏ ₃ 系ガラスとアルミナとの混合物からなるガラスセラミックを用いて形成されたガラスセラミック回路基板の両面に、該ガラスセラミック回路基板の焼結温度では焼結しない拘束用グリーンシートを圧着して拘束焼成し、拘束焼成後に該拘束用グリーンシートをブラスト処理で除去した後、表層導体の表面にめっきを施すようにしたものである。
この場合、拘束焼成時に表層導体を同時焼成するが、この表層導体の印刷に用いるＡｇ系導体ペーストはガラス成分を１〜１０重量％含むため、このガラス成分が表層導体と基板表面のガラスセラミックとを接合する接着剤としての役割を果たして、表層導体の接合強度が向上し、ブラスト処理時でも表層導体とガラスセラミックとの接合状態が維持されて、ブラスト処理による表層導体の剥がれが防止される。
【０００６】
この場合、表層導体としてＡｇ系導体ペーストを用いる利点は、電気的特性が優れていること、空気中で焼成可能であること、めっき処理が容易であること等である。また、Ａｇ系導体ペーストのガラス成分の配合量を１〜１０重量％とした理由は、接着剤としての役割を果たすガラス成分が１重量％より少ないと、ガラスセラミックと表層導体との接合強度増加の効果が少なく、ブラスト処理時の表層導体の剥がれを十分に防止することができない。また、ガラス成分が１０重量％よりも多いと、表層導体の表面へのガラス成分の析出が多くなりすぎて、めっきが付きにくくなり、ワイヤボンディング性が悪化すると共に、表層導体のガラス成分が多くなることで、表層導体の電気的特性も低下する。従って、ガラス成分が１〜１０重量％であれば、表層導体の接合強度を確保できて、ブラスト処理時の表層導体の剥がれを十分に防止できると共に、表層導体の表面へのガラス成分の析出を少なくして、表層導体の表面にめっきが付きやすくなると共に、ガラス成分の添加による表層導体の電気的特性低下も抑えられる。
【０００７】
また、ガラスセラミック回路基板を形成するガラスセラミックとしては、ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−Ｂ₂Ｏ₃系ガラスとアルミナとの混合物を用い、Ａｇ系導体ペーストとしては、ガラス成分としてＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−Ｂ₂Ｏ₃系ガラスまたはＣａＯ−ＳｉＯ ₂ −Ａｌ ₂ Ｏ ₃ 系ガラスを含むものを用いているので、ガラスセラミックと表層導体に同じ組成のガラス成分が含まれるため、拘束焼成時のガラスセラミックと表層導体のガラス成分の挙動が同じとなり、ガラスセラミックと表層導体との接合性が更に向上する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図１（ｂ）に基づいてガラスセラミック回路基板の構造を説明する。ガラスセラミック回路基板は、複数枚のガラスセラミックのグリーンシート１１ａ，１１ｂ，１１ｃを積層して８００〜１０００℃で拘束焼成したものである。ガラスセラミックとしては、ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−Ｂ₂Ｏ₃系ガラス：５０〜６５重量％（好ましくは６０重量％）とアルミナ：５０〜３５重量％（好ましくは４０重量％）との混合物を用いる。この他、例えば、ＭｇＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−Ｂ₂Ｏ₃系ガラスとアルミナとの混合物、ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃系ガラスとアルミナとの混合物、ＰｂＯ−ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃系ガラスとアルミナとの混合物、コージェライト系結晶化ガラス等の８００〜１０００℃で焼成できるガラスセラミック材料を用いても良い。
【０００９】
各層のグリーンシート（セラミック層）１１ａ，１１ｂ，１１ｃには、ビアホール１２がパンチング加工等により形成され、各ビアホール１２にビア導体１３が充填されている。各層のビア導体１３は、例えば、Ａｇ、Ａｇ／Ｐｄ、Ａｇ／Ｐｔ、Ａｇ／Ａｕ等を主に含むＡｇ系導体ペーストにより形成されている。尚、各層のビア導体１３は、Ａｇ系導体ペーストに代えて、Ａｕ系、Ｃｕ系等の低融点金属のペーストを用いても良い。
【００１０】
１層目（最上層）のグリーンシート１１ａには、パッドや配線パターン等の表層導体１４がＡｇ、Ａｇ／Ｐｄ、Ａｇ／Ｐｔ、Ａｇ／Ａｕ等を主に含むＡｇ系導体ペーストにより形成されている。このＡｇ系導体ペーストには、グリーンシート１１ａ（ガラスセラミック）に含まれるガラス成分と同じガラス成分（本実施形態ではＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−Ｂ₂Ｏ₃系ガラス）が１〜１０重量％、より好ましくは２〜８重量％含まれている。更に、表層導体１４の表面には、後述するブラスト処理後にめっき処理が施され、例えばＮｉめっきを下地とするＡｕめっきの被膜が形成されている。また、２層目以下のグリーンシート１１ｂ，１１ｃには、内層導体１５がＡｇ系導体ペースト又はＡｕ系、Ｃｕ系等の低融点金属のペーストにより形成されている。尚、ビア導体１３や内層導体１５をＡｇ系導体ペーストで形成する場合は、表層導体１４の場合と異なり、該Ａｇ系導体ペーストに、１〜１０重量％のガラス成分を配合する必要はない。
【００１１】
次に、上記構成のガラスセラミック回路基板の製造方法を図２の工程フローチャートに従って説明する。まず、ガラスセラミックのスラリーをドクターブレード法等でテープ成形して、グリーンシートを成形する。この後、このグリーンシートを、所定サイズに切断すると共に、パンチングマシーン等で各層のグリーンシート１１ａ〜１１ｃの所定位置にビアホール１２を形成する。
【００１２】
この後、各層のグリーンシート１１ａ〜１１ｃのビアホール１２に導体ペーストの穴埋め印刷によりビア導体１３を充填する。その後、１層目（最上層）のグリーンシート１１ａに、表層導体１４をＡｇ系導体ペーストでスクリーン印刷する。このＡｇ系導体ペーストには、グリーンシート１１ａ（ガラスセラミック）に含まれるガラス成分と同じガラス成分（本実施形態ではＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−Ｂ₂Ｏ₃系ガラス）が１〜１０重量％、より好ましくは２〜８重量％含まれている。更に、２層目以下のグリーンシート１１ｂ，１１ｃには、内層導体１５をＡｇ系導体ペースト又はＡｕ系、Ｃｕ系等の低融点金属のペーストによりスクリーン印刷する。
【００１３】
次の工程で、各層のグリーンシート１１ａ〜１１ｃを積層して生基板を作り、これを例えば８０〜１５０℃で加熱圧着して一体化する。更に、この生基板の両面に図１（ａ）に示すように、拘束用グリーンシート１６を積層し、上述と同様の方法で加熱圧着する。この拘束用グリーンシート１６は、ガラスセラミックの焼結温度では焼結しないアルミナグリーンシート等により形成されている。
【００１４】
この後、２枚の拘束用グリーンシート１６間に挟まれた生基板を加圧しながら８００〜１０００℃（好ましくは９００℃）で焼成して、各層のグリーンシート１１ａ〜１１ｃ、ビア導体１３、内層導体１５及び表層導体１４を同時焼成する。尚、生基板を加圧せずに焼成しても良く、この場合でも、ガラスセラミック回路基板の面方向の焼成収縮を拘束用グリーンシート１６によって少なくすることができる。
【００１５】
このような拘束焼成では、基板両面に圧着された拘束用グリーンシート１６（アルミナグリーンシート）は１５５０〜１６００℃まで加熱しないと焼結しないので、８００〜１０００℃で焼成すれば、拘束用グリーンシート１６は未焼結のまま残される。但し、焼成の過程で、拘束用グリーンシート１６中のバインダーや溶剤が飛散してアルミナ粉体として残る。
【００１６】
拘束焼成後、基板両面に残った拘束用グリーンシート１６の残存物（アルミナ粉体）をブラスト処理により除去する［図１（ｂ）参照］。このブラスト処理では、投射材として、例えばガラスビーズを用いる。ブラスト処理後、めっき処理工程に移行し、基板表面の表層導体１４の表面に、例えばＮｉめっきを下地とするＡｕめっきの被膜を形成して、ワイヤボンディングを可能にする。
【００１７】
以上説明したガラスセラミック回路基板の製造方法によれば、拘束焼成時に表層導体１４を同時焼成するが、この表層導体１４の印刷に用いるＡｇ系導体ペーストはガラス成分を１〜１０重量％含むため、このガラス成分が表層導体１４と基板表面のガラスセラミックとを接合する接着剤としての役割を果たして、表層導体１４の接合強度が向上する。このため、ブラスト処理時でも表層導体１４とガラスセラミックとの接合状態が維持されて、ブラスト処理による表層導体の剥がれが防止される。これにより、ガラスセラミック回路基板と表層導体１４とを同時に拘束焼成することが可能となり、表層導体１４を後付けする従来の拘束焼成と比較して、工程数を減らして生産性を向上でき、生産コストを低減することができる。しかも、表層導体１４の表面をめっき処理したので、ワイヤボンディング性も確保することができ、ワイヤボンディング仕様にも対応できる。
【００１８】
ところで、表層導体１４の印刷に用いるＡｇ系導体ペーストのガラス成分は、表層導体１４とガラスセラミックとを接合する接着剤としての役割を果たすため、表層導体１４の接合強度を大きくするには、ガラス成分の配合量をある程度多くすることが望ましい。しかし、ガラス成分の配合量が多くなり過ぎると、表層導体１４の表面へのガラス成分の析出が多くなりすぎて、めっきが付きにくくなり、ワイヤボンディング性が悪化すると共に、ガラス成分の添加による表層導体１４の電気的特性の低下も無視できなくなる。
【００１９】
そこで、本発明者らは、表層導体１４の印刷に用いるＡｇ系導体ペーストのガラス成分の配合量の適正範囲を考察する試験を行ったので、その試験結果を次の表１に示す。
【００２０】
【表１】

【００２１】
この試験では、ガラスセラミック回路基板のガラスセラミックとして、ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−Ｂ₂Ｏ₃系ガラス：６０重量％とアルミナ：４０重量％との混合物を用いた。
また、表層導体は、＃３を除く５つのサンプル＃１，＃２，＃４〜＃６では、Ａｇを用い、＃３ではＡｇ／Ｐｄを用いた。
【００２２】
また、Ａｇ系導体ペーストに配合するガラスの組成は、＃４を除く５つのサンプル＃１〜＃３，＃５，＃６で、ガラスセラミックに含まれるガラスと同じ組成のガラス（ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−Ｂ₂Ｏ₃系ガラス）を用い、＃４では、異なる組成のガラス（ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃系ガラス）を用いた。
【００２３】
この試験結果からも明らかなように、ＡｇとＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−Ｂ₂Ｏ₃系ガラスとを配合した導体ペーストを用いた４つのサンプル＃１，＃２，＃５，＃６では、ガラスの配合量が少なくなるほど、表層導体の接合強度が小さくなり、ガラスの配合量が最も少ない＃６（ガラスの配合量が０．５重量％）では、めっき前の表層導体の接合強度が６．９［Ｎ／ｍｍ²］であり、この程度の接合強度では、ブラスト処理時に表層導体の剥がれが発生した。しかも、拘束焼成時に拘束用グリーンシートと表層導体とが反応して両者が接合してしまい、表層導体の表面から拘束用グリーンシートを除去しにくくなり、これもブラスト処理時に表層導体の剥がれを発生させる原因となる。
【００２４】
また、ガラスの配合量が最も多い＃５（ガラスの配合量が１２重量％）では、めっき前の表層導体の接合強度が１０．３［Ｎ／ｍｍ²］であり、十分な接合強度が得られるため、ブラスト処理時に表層導体の剥がれが発生しない。しかし、ガラスの配合量が過剰であるため、表層導体の表面へのガラス成分の析出が多くなりすぎて、めっきが付きにくくなり、良好なワイヤボンディング性が得られない。
【００２５】
これに対し、ガラスの配合量が１〜１０重量％の範囲内の実施例＃１〜＃４は、めっき前の表層導体の接合強度が７．８〜１０．８［Ｎ／ｍｍ²］であり、適度な接合強度が得られると共に、拘束焼成時に拘束用グリーンシートと表層導体との反応が発生しない。このため、ブラスト処理時に表層導体の剥がれが発生せず、ブラスト処理後も良好な状態の表層導体が得られる。これにより、ガラスセラミック回路基板と表層導体とを同時に拘束焼成することが可能となる。しかも、ガラスの配合量が１０重量％以下であれば、表層導体の表面へのガラス成分の析出が少なく、表層導体の表面にめっきが付きやすくなり、良好なワイヤボンディング性が得られる。更に、めっき後の表層導体の接合強度も十分に確保でき、ボンディングワイヤの接合強度も十分に確保できる。
【００２６】
この試験結果から、Ａｇ系導体ペーストのガラスの配合量が１〜１０重量％の範囲内であれば、導体として、Ａｇ／Ｐｔ（実施例＃３）を用いても、Ａｇの場合とほぼ同等の耐ブラスト性（表層導体の剥がれ防止）、ワイヤボンディング性が得られる。その他、Ａｇ系導体として、Ａｇ／Ｐｄ、Ａｇ／Ａｕ等を用いても、ほぼ同様の効果が得られる。
【００２７】
また、Ａｇ系導体ペーストに配合するガラスとして、ガラスセラミックに含まれるガラスと同じＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−Ｂ₂Ｏ₃系ガラスを用いると、ガラス配合量が３重量％（実施例＃３）でも、１２重量％（比較例＃５）と同じ接合強度が得られる。つまり、比較的少ないガラス配合量で、表層導体の接合強度を効果的に増大できる。これは、ガラスセラミックと表層導体に同じ組成のガラス成分が含まれると、拘束焼成時のガラスセラミックと表層導体のガラス成分の挙動が同じとなり、ガラスセラミックと表層導体との接合性が更に向上するためである。
【００２８】
しかし、実施例＃４のように、Ａｇ系導体ペーストに配合するガラスとして、ガラスセラミックに含まれるガラスと異なる組成のガラス（ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃系ガラス）を用いても、十分な耐ブラスト性、ワイヤボンディング性を確保できる。従って、Ａｇ系導体ペーストに配合するガラスは、ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−Ｂ₂Ｏ₃系ガラスやＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃系ガラスに限定されず、例えばＭｇＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−Ｂ₂Ｏ₃系ガラス、ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃系ガラス等、他の組成のガラスを用いても良い。
【００２９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の請求項１によれば、ＣａＯ−ＳｉＯ ₂ −Ａｌ ₂ Ｏ ₃ −Ｂ ₂ Ｏ ₃ 系ガラスまたはＣａＯ−ＳｉＯ ₂ −Ａｌ ₂ Ｏ ₃ 系ガラス成分を１〜１０重量％含むＡｇ系導体ペーストを、ＣａＯ−ＳｉＯ ₂ −Ａｌ ₂ Ｏ _{3 −} Ｂ ₂ Ｏ ₃ 系ガラスとアルミナとの混合物からなるガラスセラミックを用いて形成された基板表面（グリーンシート）に表層導体を印刷して拘束焼成を行い、ブラスト処理後に表層導体の表面をめっき処理するようにしているので、拘束焼成時に表層導体を同時焼成しても、ブラスト処理時の表層導体の剥がれを防止でき、表層導体の品質を維持しながら生産性を向上することができると共に、ワイヤボンディング性を向上できる。
【００３０】
また、ガラスセラミックと表層導体に同じ組成のガラス成分が含まれるため、表層導体の接合強度を更に向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態におけるガラスセラミック回路基板の製造方法を説明するためのもので、（ａ）は拘束焼成時の状態を示す縦断面図、（ｂ）はブラスト処理後のガラスセラミック回路基板の縦断面図
【図２】 ガラスセラミック回路基板の製造工程の流れを示す工程フローチャート
【符号の説明】
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ…ガラスセラミックのグリーンシート、１２…ビアホール、１３…ビア導体、１４…表層導体、１５…内層導体、１６…拘束用グリーンシート。

Claims (1)

1. 表層導体を印刷した焼成前のガラスセラミック回路基板の両面に、該ガラスセラミック回路基板の焼結温度では焼結しない拘束用グリーンシートを圧着して拘束焼成し、拘束焼成後に該拘束用グリーンシートをブラスト処理で除去してガラスセラミック回路基板を製造する方法において、
   前記ガラスセラミック回路基板を形成するガラスセラミックは、ＣａＯ−ＳｉＯ ₂ −Ａｌ ₂ Ｏ _{3 −} Ｂ ₂ Ｏ ₃ 系ガラスとアルミナとの混合物からなり、
   前記表層導体は、ＣａＯ−ＳｉＯ ₂ −Ａｌ ₂ Ｏ ₃ −Ｂ ₂ Ｏ ₃ 系ガラスまたはＣａＯ−ＳｉＯ ₂ −Ａｌ ₂ Ｏ ₃ 系ガラス成分を１〜１０重量％含むＡｇ系導体ペーストを用いて印刷し、
   拘束焼成後に、ブラスト処理で前記拘束用グリーンシートを除去した後、前記表層導体の表面にめっきを施すことを特徴とするガラスセラミック回路基板の製造方法。

Images